ＨＥＰＡ（Ｈ−１０）性能の合成不織及びナノ繊維複合濾過媒体
【課題】機械的ストレスがかかる可能性のある場合でも、優れた濾過効率を有する複合濾過媒体構造体を提供する。
【解決手段】複合濾過媒体構造体１０は、スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から形成された不織布基材を含むベース基材１２を含んでいる。また、この複合濾過媒体構造体１０は、エレクトロブロースピニング法によってベース基材の一面上に設けられたナノ繊維層２０を含んでいる。１つの態様において、ベース基材１２及びナノ繊維層２０は、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して８５％以上の濾過効率を与えるように構成されている。
【解決手段】複合濾過媒体構造体１０は、スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から形成された不織布基材を含むベース基材１２を含んでいる。また、この複合濾過媒体構造体１０は、エレクトロブロースピニング法によってベース基材の一面上に設けられたナノ繊維層２０を含んでいる。１つの態様において、ベース基材１２及びナノ繊維層２０は、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して８５％以上の濾過効率を与えるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にフィルターエレメントに関し、より特定的には、波形又はエンボス加工した複合不織濾過媒体を有するフィルターエレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある公知の濾過媒体複合構築物では、基材を製造するために湿式（wet-laid）製紙法を用い、かつ濾過媒体基材の片面又は両面に軽量のナノ繊維コーティングを設けるためにエレクトロスピニング技術を用いる。通例、媒体基材は１００〜１２０ｇ／ｍ2の坪量を有し、ナノ繊維層は０．５ｇ／ｍ2以下の坪量を有する。
【０００３】
軽量ナノ繊維層によっては高い機械的ストレスがかかる可能性があることが知られている。かかるストレスがかかることは、５００ｎｍ未満、より典型的には１００ｎｍの直径を有する繊維から形成されたナノ繊維層にとっては重大である可能性がある。また、公知のエレクトロスピニングしたナノ繊維層は、図１に示されているように基材に取り付けたときに二次元の構造であり、厚さが単一の繊維層である。従来のエレクトロスピニングした繊維では、ナノ繊維とベース媒体間の分極引力に基づく比較的弱い引力結合のためにナノ繊維が濾過媒体から脱落する繊維脱落（shedding）が起こり得ることが知られている。かかる媒体は濾過性能が低下する可能性がある。
【０００４】
濾過媒体複合構築物を用いて、各種の装置に清浄な空気を供給することができる。かかる装置として、タービンブレードを挙げることができる。典型的な公知の濾過媒体は、公知の作動流量でＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９の試験手順で試験したときに、通例７．０ｍｍＨ2Ｏより大きい圧力低下で０．３〜０．４μｍの粒子を約５５％捕捉するという新しい又は清浄な作動効率を有し得る。
【０００５】
タービンブレードを含有する装置の例を考えると、タービンブレードを清浄に維持しようとすることは当然の論理である。タービンブレードを清浄化するための現在の１つの方法では、タービンを定期的にオフラインにしてブレードを清浄に水洗する必要がある。タービンの停止時間は、その間タービンが作動せず、従って発電が削減されるので費用がかかる可能性がある。公知の濾過媒体より高い効率の濾過媒体を提供して、タービンブレードを清浄化するためのタービン停止時間を低減又は削除することができれば望ましいであろう。
【０００６】
現行の技術の最良の性能は、エレクトロスピニングした繊維表面層で被覆された標準的な湿式（wet laid）ベース媒体を用いてＦ−９にランク付けされている。今までのところ、最大の効率は、エレクトロスピニング法により、１００％０．３０μｍＤＯＰ粒子を用いて検査したときに最大７５％の効率程度に制限されている。これは、湿式ベース媒体の１つの表面上にエレクトロスピニングした繊維の重い層、又はベース媒体の両面にナノ繊維層を使用することによって達成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７３１６７２３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の幾つかの例示的な態様を基本的に理解できるように、以下に本発明の簡単な概要を述べる。この概要は本発明の外延を概観するものではない。また、この概要は本発明の重要な要素を特定するものでも本発明の範囲を画定するものでもない。この概要の唯一の目的は、後に述べるより詳細な説明の前置きとして、本発明の幾つかの概念を簡略化した形態で示すことにある。
【０００９】
１つの態様で、本発明は、ベース基材を含む複合濾過媒体構造体を提供する。このベース基材はスパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から形成された不織布基材を含んでいる。複合濾過媒体構造体はエレクトロブロースピニング法（electro-blown spinning）によりベース基材の一面上に設けたナノ繊維層を含んでいる。ベース基材とナノ繊維層はＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して少なくとも８５％の濾過効率を与えるように構成されている。
【００１０】
別の態様で、本発明は、ベース基材を含む複合濾過媒体構造体を提供する。このベース基材はスパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から形成された不織布基材を含んでいる。複合濾過媒体構造体はエレクトロブロースピニング法によりベース基材の一面上に設けたナノ繊維層を含んでいる。ナノ繊維層は約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2の坪量を有している。
【００１１】
もう１つ別の態様で、本発明は、複合濾過媒体の作成方法を提供する。この方法は、スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から不織布基材を形成することを含んでいる。また、この方法は、ポリマー溶液をエレクトロブロースピニングして不織布の少なくとも一面上に複数のナノ繊維を形成して複合濾過媒体を形成することによりナノ繊維層を設け、それにより複合濾過媒体が約８５％以上の濾過効率を有するようにすることを含んでいる。
【００１２】
本発明の上記及び他の態様は、添付の図面を参照して以下の説明を読むことにより本発明が属する技術分野の当業者には明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、湿式基材上にエレクトロスピニングしたナノ繊維層の従来技術の例の顕微鏡写真である。
【図２】図２は、本発明の１つの態様によるスパンボンドした二成分基材上のエレクトロブローしたナノ繊維膜層の第１の例の顕微鏡写真である。
【図３】図３は、図２のナノ繊維膜層及びスパンボンドした二成分基材を用いた一例の複合濾過媒体の概略断面図である。
【図４】図４は、図３に示す濾過媒体に使用した二成分繊維の端部顕微鏡写真である。
【図５】図５は、図３に示すスパンボンドした二成分基材の平面顕微鏡写真である。
【図６】図６は、図３に示すスパンボンドした二成分基材の結合パターンの概略平面図である。
【図７】図７は、図３に示す複合濾過媒体の波形構造の態様の例の断面図である。
【図８】図８は、一例の態様に従って図３の複合濾過媒体をエンボス加工するためのエンボスローラーの概略図である。
【図９】図９は、図３に示す濾過媒体に使用した二成分繊維の断面の顕微鏡写真である。
【図１０】図１０は、図６に示す濾過媒体を含むフィルターカートリッジの側面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図３の濾過媒体を用いる第１の例のフィルターエレメントの透視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図３の濾過媒体を用いる第２の例のフィルターエレメントの透視図である。
【図１２】図１２は、図１０に示すフィルターカートリッジの一部分の拡大透視図である。
【図１３】図１３は、図３の態様例による分別効率対様々な坪量におけるベース媒体基材の粒度のグラフである。
【図１４】図１４は、図３の一例の態様に従うナノ繊維層を有するものと有しないもののベース媒体基材の分別効率対粒度の、ナノ繊維層を有するものと有しないものの比較のベース媒体基材と比較して示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明と標準的な媒体を比較してＡＳＨＲＡＥ ５２．２分別効率対粒度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の１以上の態様を具体化する例示としての実施形態を図面に記載し例証する。これらの図示された例は本発明を限定するものではない。例えば、本発明の１以上の態様は他の実施形態、さらには他の型の装置に利用することができる。また、幾つかの専門用語は便宜上のためにのみ本明細書中で使用されており、本発明に制限を加えるものではない。さらにまた、図面中、同じ参照番号は同じ要素を指定するのに使用される。
【００１５】
本発明の１以上の態様に従う高性能複合濾過媒体及びその複合濾過媒体の作成方法の例を以下で詳細に説明する。一般に、複合濾過媒体は二成分系合成不織ベース基材とナノ繊維の１以上の表面層とを含んでいる。１つの特定の例において、かかる複合濾過媒体は、フィルターエレメント又はカートリッジ中に設置し、パルス式のガスタービン吸入フィルターハウジング又は類似の工業用濾過システムに使用したときに高まった濾過性能を提供する。また、１つの例において、この新しい複合濾過媒体は、波形成形及びプリーツ加工及び全体の組立のようなその後の工程を伴うフィルターカートリッジ又はフィルターエレメント中に設定することもできる。濾過媒体の波形成形により、複合濾過媒体の「清浄な」及び「汚れた」面側の両方で低い制限空気流のための大きい容積の通路が得られる。１つの例において、複合濾過媒体はｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｈｅａｔｉｎｇ，Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＡＳＨＲＡＥ）５２．１の試験手順で試験したときに０．３〜０．４μｍ粒子の約８５％の保持捕捉という初期濾過効率を提供し得、これは公知の濾過媒体と比較して約１０％の性能増大である。その上、この複合媒体は公知の濾過媒体より低い圧力低下で８５％の効率を提供し得る。１つの例において、複合濾過媒体は６．０ｍｍ水未満の抵抗（すなわち圧力低下）を有する。
【００１６】
また、この複合濾過媒体は、大規模で激しい塵埃負荷及び清浄化の難問に曝されたときに有益な耐久性を有することができ、より高い効率を達成する。かかる有益な耐久性は既存の技術に対する改善であり得る。この改良された性能（例えば、８５％以上の効率）の１つの理由は、ナノ繊維の坪量が約２．０〜３．０ｇ／ｍ2であることであり得る。かかる坪量は公知の濾過媒体より大きいであろう。約２．０〜３．０ｇ／ｍ2の範囲例はナノ繊維層にとって有用な重量であることが判明した。この高めの坪量により、逆パルス清浄化において公知の濾過媒体より効果的に濾過媒体を清浄化することができる。
【００１７】
図２は、ナノ繊維層２０と組み合わせたスパンボンド基材１２の形態の本発明の１以上の態様に従う複合濾過媒体１０の１つの例を示す。ナノ繊維層２０とスパンボンド基材１２の組合せにより、耐久性の三次元表面濾過層が得られ、これは気流を実質的に制限したり圧力低下を増大したりすることなく高い効率と微粒子捕捉を可能にする広範囲にわたる多層蛇行経路を有する。この多層蛇行経路は小さい細孔を有し得る。かかる構造は、パルス式濾過システムにおいて、殊に最小の厚さを有する二次元ナノ繊維層と比較して、機械的な力に対して極めて耐久性であることが判明した。この示した例の場合、ナノ繊維層２０の坪量は約２．０〜３．０ｇ／ｍ2の範囲である。スパンボンド基材１２又は複数の二成分繊維３０上の一例のナノ繊維層２０の厚さは、図１に示すような単一層の従来技術の例の場合の典型的な最大の厚さ３μｍと対照的に約１０μｍであることができる。
【００１８】
媒体はまた、濾過及び逆清浄化操作の間濾過媒体にかかる力による濾過媒体の撓みがより少ないため、圧力低下の大きさがより少なくなる可能性もある。また、スパンボンド波形媒体基材１２は等しい又はより低い圧力低下で公知の濾過媒体基材より効率的であり得る。スパンボンド媒体により、繊維３０をファブリック又はファブリック基材に合体させるための結合が得られる。１つの態様において、この媒体基材１２を形成するのに用いる二成分繊維３０は公知の濾過媒体を形成するのに使用される繊維より微細である。その上、ベース媒体基材１２とナノ繊維層２０との間の接着結合は波形成形又はエンボス加工操作中の追加の熱的加工処理によって高まり得る。
【００１９】
図３は、複合濾過媒体１０の概略部分説明図であり、特定の例のシート様構造を示す。図から理解できるように、濾過媒体１０はベース媒体基材１２とナノ繊維層２０を含んでいる。ベース媒体基材１２は第１の面１４と第２の面１６を有する。１つの態様において、ナノ繊維層２０は媒体基材１２の第１の面１４上に設置されている。例示の説明図には明白に示されていないが、ナノ繊維層２０は第２の面１６上に設置することもできるし、又はナノ繊維層２０は第１及び第２の面１４及び１６の各々に設置することもできることが分かる。
【００２０】
媒体基材１２の詳細に関しては図４に注目されたい。本発明の１つの態様で、基材１２はスパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維３０から形成された不織布基材である。二成分繊維を提供するためのかかる態様は芯−鞘構造、島構造、又は並んだ構造によるものであることができる。また図４を参照して、この例示した実施形態では、二成分繊維３０は芯３２と、この芯３２の周囲を取り囲む鞘３４とを含んでいる。１つの例において、二成分繊維３０は約１２〜約１８μｍの直径を有する。
【００２１】
任意の適切な二成分合成繊維３０を用いて媒体基材１２の不織布を作成することができる。二成分繊維３０の芯３２及び鞘３４に適した材料としては、限定されることはないが、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、アラミド、及びこれらの混合物がある。二成分繊維の鞘に適した材料には、二成分繊維の芯の材料より低い融点を有する熱可塑性材料、例えばポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、アラミド、及びこれらの混合物がある。
【００２２】
二成分繊維３０をジェットによって溶融紡糸して複数の連続繊維とし、これらを均一に付着させて図５に示すようなランダム三次元ウェブとする。このウェブは次にカレンダーロールにより加熱及びエンボス加工することができ、ウェブを熱的に結合させて合体したスパンボンドファブリック３６にする。カレンダーロールエンボス加工パターンの接触による加熱により、二成分繊維３０の熱可塑性の鞘３４が軟化又は溶融し、不織繊維がカレンダーロールエンボス加工パターンの接触点のみで一緒に結合する。温度は、少なくとも、二成分繊維３０の鞘３４のより低い融点部分の軟化又は融解が起こるように選択される。一実施形態では、この温度は約９０〜約２４０℃である。冷却後、鞘部分３４の溶融及び再固化により繊維の所望の連結が起こる。
【００２３】
本発明の１つの態様はベース媒体基材１２の独特の結合パターンである。この結合パターンは、カレンダーロールのエンボス加工パターンによって規定することができる。結合領域が媒体の耐久性と機能を提供すると同時に、これらの結合点が溶融したポリマーのうちの気流がゼロである領域を創成する。このカスタム結合パターンは複合濾過媒体構造体の濾過効率を改良する上で役に立ち得る。
【００２４】
ベース基材１２に対する一例の結合領域パターン３１を図６に示す。このパターンは結合領域の複数の実質的に平行な不連続線３３を有し、二成分繊維３０を互いに結合して不織布ベース基材１２を形成する。結合パターン３１の不連続線３３はベース媒体基材１２の機械方向（長手方向の広がり）に対して平行な方向に作成することができる。結合領域の平行な不連続線３３は互いにオフセットになっていて、結合領域が存在しない位置３５がある。この結合領域がない位置３５は隣接する不連続線３３の結合領域３７と並んでいることができる。１つの例において、媒体基材１２内のスパンボンド二成分繊維３０の結合領域３７はファブリックの総面積の約１０〜約１６パーセントである。幾つかの公知のスパンボンドファブリックは約１９〜２４パーセントの結合領域を有し得ることは注目に値する。より少ない結合領域では、所与の空気流れにおいて、ベース媒体１２の空気透過性が増大し、又は反比例して低い圧力低下が可能である。一実施形態では不織合成ファブリックベース媒体１２の坪量は約１００〜約３３０ｇ／ｍ2、別の実施形態では約１５０〜約２６０ｇ／ｍ2である。
【００２５】
図８は、エンボス加工法のための下側及び上側エンボスローラー１００、１０２を有する一例の装置の概略図である。図から分かるように、ローラー１００、１０２は、その間のベース基材１２と対になって局在化した熱及び圧力をかける複数の構造体を有している。図示した例で、ローラー１００、１０２は、下側及び上側エンボスローラー１００及び１０２の外面１０８に配置された複数のリブ１０４及びチャンネル１０６の対を有している。各々のリブ１０４及び各々のチャンネル１０６はエンボスローラー１００又は１０２の円周の一部分に沿って延びている。また、下側エンボスローラー１００上のリブ１０４及びチャンネル１０６の各々の対は、上側エンボスローラー１０２上のリブ１０４及びチャンネル１０６の対応する対と揃って並んでおり、リブ及びチャンネルは、下側ローラー１００上の各リブ１０４が上側ローラー１０２上のチャンネル１０６と揃って並び、対になるように、かつ上側ローラー１０２上の各リブ１０４が下側ローラー１００上のチャンネル１０６と揃って並び、対になるように、配置されている。複数の対のリブ１０４及びチャンネル１０６は、エンボスローラー１００及び１０２の全面で間隔をあけて互い違いの列状になっており、一例のエンボス加工パターンを定めている。図９は、エンボス加工したベース基材１２の断面を示す。エンボス加工した部分は断面の中央付近に配置されており、厚さ寸法が低減している。１つの例において、この形成されたエンボス加工した基材１２はＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９の試験手順で測定して約５０％以上の濾過効率を有する。
【００２６】
ナノ繊維層２０に関して、この層はエレクトロブロースピニング法によって形成できる。この方法では、スピニングノズル中にポリマー溶液を供給し、スピニングノズルに高電圧をかけ、スピニングノズルを介してポリマー溶液を放出しながらスピニングノズルの下端中に圧縮した空気を注入することができる。かける高電圧の範囲は約１〜約３００ｋＶである。このエレクトロブロースピニング法によると、公知の濾過媒体上の公知のナノ繊維濾過層より厚いナノ繊維の耐久性の三次元濾過層が得られる。代表的な態様において、ナノ繊維膜層２０の坪量は約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2、別の態様においては約２．０〜約２．５ｇ／ｍ2である。ナノ繊維に対する重量の小さい範囲は、２．５ｇ／ｍ2の標的を使用することができるように達成するのは困難であることがあり、現実の製品は２．５±０．５ｇ／ｍ2であり得ることが理解されよう。
【００２７】
エレクトロブロースピニング法によりナノ繊維を形成するのに適したポリマーは熱可塑性ポリマーに限定されることはなく、熱硬化性ポリマーを包含し得る。適切なポリマーとしては、限定されることはないが、ポリイミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリアラミド、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリアニリン、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、スチレンブタジエンゴム、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルブチレン及びこれらのコポリマー又は誘導体化合物がある。ポリマー溶液は、選択したポリマーを溶解する溶媒を選択することによって調製される。ポリマー溶液は添加剤、例えば可塑剤、紫外線安定剤、架橋剤、硬化剤、反応開始剤、などと混合することができる。ポリマーを溶解するのに特定の温度範囲は必要ないかもしれないが、溶解反応を支援するのに加熱が必要となることがある。
【００２８】
上記各種のポリマーに可塑剤を添加することが有利である可能性がある。適切な可塑剤はポリマー、並びにナノ繊維層の特定の最終用途に依存する。例えば、ナイロンポリマーは水又はエレクトロスピニング又はエレクトロブロースピニング法に由来する残留溶媒で可塑化することができる。有用である可能性があるその他の可塑剤としては、限定されることはないが、脂肪族グリコール、芳香族スルホンアミド、フタル酸エステル、例えば、限定されることはないが、フタル酸ジブチル、フタル酸ジヘキシル、フタル酸ジシクロヘキシル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソデシル、フタル酸ジウンデシル、フタル酸ジドデカニル、及びフタル酸ジフェニル、などがある。
【００２９】
ナノ繊維層２０は、例えばエレクトロブロースピニングによって、直接ベース基材１２の少なくとも一面に設置して複合濾過媒体１０を形成することができる。得られる複合濾過媒体は約８５％の最小濾過効率を有する。この媒体基材１２は公知の濾過媒体と比較して高い空気透過性を有しており、このため媒体基材１２に対するナノ繊維の改良された機械的接着が可能になる。かかる透過性の場合、ナノ繊維層２０を媒体基材１２の第１の面１４に設置する際に媒体基材の第２の面１６側から真空にすることができる。新しいベース媒体がそのより高い空気透過性のために気流に対してより開放的であれば、真空の有効性がより大きくなり、ベース媒体中の二成分繊維に対するナノ繊維の強い機械的結合が確実になる。ナノ繊維の真空合体（vacuum consolidation）と相俟って、乾燥工程の熱的合体により、ベース媒体中の特別な二成分ポリエステル繊維に対する接着が改良される。ナノ繊維層２０の設置の際に使用する乾燥温度と組み合わせて、二成分繊維３０の鞘部分３４の軟化も起こり得、ナノ繊維層２０はより緻密になり、スパンボンドベース媒体基材１２に結合するようになることができる。
【００３０】
この時点で、完全で有用な複合濾過媒体１０が提供される。しかし、既に述べたように、複合濾過媒体をさらに加工処理してもよい。一例として、複合濾過媒体１０は、対向する波形成形ローラーを約９０〜約１４０℃の温度で用いて波形にすることができる。代わりの実施形態では、複合濾過媒体１０は、対向するエンボスローラーを約９０〜約１４０℃の温度で用いてエンボス加工することができる。
【００３１】
図７も参照すると、形成することができる波形の一例１８が示されている。これらの例の波形１８は複合濾過媒体１０内に交互にアップダウンする実質的にＶ形の波として構成されている。波の頂２２及び谷２４は成形装置を通る基材のウェブの進行の方向に延びている。谷２４は約０．０２インチ（０．５ｍｍ）以上の有効深さＤを有していて、高い塵埃負荷における濾過媒体１０の通気性が約４インチの水柱（ｗｃ）未満の低い差圧を維持することを可能にしている。波形のピッチＣは、代表的な態様において１インチ当たり約３〜約１０の波形（１ｃｍ当たり約１．２〜約３．９の波形）、別の態様において１インチ当たり約３〜約６の波形（１ｃｍ当たり約１．２〜約２．４の波形）である。この有効な深さＤと波形のピッチＣの組合せは、高い空気速度及び塵埃負荷による高い静水圧の下で襞のつぶれを防止する役に立つ改良された接触点を提供するのに役立っている。濾過媒体１０の全断面にわたる均一な波形も提供することができる。
【００３２】
図１０は、波形の濾過媒体１０から形成された一例のフィルターエレメント７０の側面図である。フィルターエレメント７０は第１のエンドキャップ７４及び対向する第２のエンドキャップ７６を含んでおり、濾過媒体１０はエンドキャップ７４及び７６間に延びている。フィルターエレメント７０は内部の導管７８（図１１Ａ）を含む管状形状である。変形として、図１１Ｂに示されているようにフィルターエレメント１７０は円錐状の形状であることもできる。フィルターエレメント１７０は類似の構造部分（例えば、第１のエンドキャップ１７４、第２のエンドキャップ１７６及び内部の導管１７８）を有している。フィルターエレメント７０、１７０のその他の形状も提供することができることが理解される。
【００３３】
さらにもう１つ別の例として、図１２は、濾過媒体１０の２つの部分が隣接して位置する配置を示す。フィルターエレメント７０の隣接する襞７２の波形１８は気流のための卵形の管７９を画定している。波形１８は襞７２の縁部に対して実質的に垂直に延びている。
【００３４】
その他の構成要素もフィルターエレメント７０の一部として濾過媒体１０と共に提供することができる。例えば、内部及び外部有孔金属ケージ、ウレタンポット化合物、及びウレタンストラップ化合物も全て提供することができる。
【００３５】
本発明の様々な態様を含むフィルターエレメントはガスタービンの吸入濾過システムに使用することができる。もちろん、他のシステムで、本発明の様々な態様を含むフィルターエレメントを使用してもよい。さらに、清浄化システムを１以上のフィルターエレメントに連結して、汚物及び塵埃を除去するために清浄化する目的でフィルターエレメント中に空気を送ることができる。
【００３６】
様々な坪量を有するベース媒体基材１２試験試料の平坦なシートを、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って平坦シート分別効率試験で比較のベース媒体基材と比較した。ＫＣｌ粒子を含有する空気を、約１０ｆｔ／ｍｉｎの流量で各試験試料に通して流した。図１３は、この比較試験のグラフ表示である。線１１０は１５０ｇ／ｍ2の坪量のベース基材１２を表し、線１１２は２００ｇ／ｍ2の坪量のベース基材１２を表し、線１１４は２６０ｇ／ｍ2の坪量のベース基材１２を表す。線１１６は比較のベース媒体基材を表しており、このベース媒体基材はナノ繊維層を含んでいなかった。本発明の例に従った各坪量のベース媒体基材１２は、ＫＣｌ粒子の全粒度範囲にわたって比較のベース基材より高い効率を有している。媒体の坪量に関わらず、粒度が増大するにつれて分別効率も増大する。図１３のデータはチャート１に基づいている。
【００３７】
【表１】
ベース媒体基材１２、及びナノ繊維層２０を含むベース媒体基材１２の平坦なシートを、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って平坦シート分別効率試験でナノ繊維層を有するものと有しないものの比較のベース媒体基材と比較した。ＫＣｌ粒子を含有する空気を約１０ｆｔ／ｍｉｎの流量で各試験試料に通して流した。図１４は、この比較試験のグラフ表示である。線１２０は２００ｇ／ｍ2のベース媒体基材１２を表と、線１２２はナノ繊維層２０を含む２００ｇ／ｍ2のベース媒体基材１２を表す。線１２４は比較のベース媒体基材を表し、線１２６はナノ繊維層を含む比較のベース媒体基材を表す。ナノ繊維層２０を含むものと含まないベース媒体基材１２は、ＫＣｌ粒子の全粒度範囲にわたって、ナノ繊維層を含むものと含まない比較のベース基材より高い効率を有していた。図１４のデータはチャート２に基づいている。
【００３８】
【表２】
独特の構造の濾過媒体１０は公知の濾過媒体より耐久性が高く、濾過及び逆清浄化操作中濾過媒体にかかる力による撓みが１つはその波形構造のためにより少ないので圧力低下の増大がより低くなる。フィルターエレメント７０は、最も透過性の粒度のエアロゾル又は塵埃（約０．３〜約０．５μｍ）の捕捉に関して、公知のフィルターエレメントの約５０〜５５％に対して約８５％というより大きい平均効率を生み出すことができる。また、ナノ繊維層２０は公知の濾過媒体より高い坪量を有しており、そのため濾過媒体１０は逆パルス清浄化において公知の濾過媒体より効果的に清浄化することができる。さらに、ナノ繊維層２０の高い坪量により、気流を制限したり圧力低下を増大したりすることなく高い効率及び微粒子捕捉を可能とする広範囲にわたる蛇行経路を有する耐久性の三次元表面濾過層が得られる。
【００３９】
チャート３は、以前に公知の製品に対する圧力低下を示す。たった約５０．２％〜５７．２％の分別効率で約１２．５〜１５．６ｍｍＨ2Ｏの圧力が観察された。チャート３の例は様々なロール長、ナノ繊維の坪量、及び様々な総坪量を含んでおり、その結果様々な分別効率、及び様々な圧力低下が得られる。例えば、チャート３で得られた比較の圧力低下及び分別効率は様々な波形深さ及びＦｒａｚｉｅｒ気孔率で得られた。
【００４０】
【表３】
以下のチャート４に、実際の製品の比較で得られた複数の情報を提供する。本発明に従った１つの例において、ナノ繊維層の約２．５ｇ／ｍ2の坪量で、フィルターエレメント７０の良好な効率が得られることが判定された。様々な例が種々の坪量及びロール長を有しているが、それでも一貫して約８５％の濾過効率を達成する。このデータは、約２．５ｇ／ｍ2の重量で、良好な濾過効率、良好な表面濾過、及び良好な長期の一体耐久性が得られることを示している。ナノ繊維層が３．０ｇ／ｍ2より大きい坪量を有していると、フィルターエレメント７０の性能が落ちることが判定された。
【００４１】
【表４】
チャート４はまた、濾過媒体の圧力低下が上記チャート３に示す従来技術の製品の例より実質的に低いことも示している。例えば、試験は、１つの例において、圧力低下がチャート４に示すように本発明の場合約４．４〜約６．０ｍｍＨ2Ｏであることができることを示した。同じ濾過媒体及びナノ繊維層を含まない比較の従来技術の装置は、チャート３に示すように、たった約５０．２〜５７．２％の分別効率で約１２．５〜１５．６ｍｍＨ2Ｏの圧力低下を示すことが分かる。チャート３及びチャート４の例は、様々なロール長、ナノ繊維の坪量、及び様々な総坪量を含んでおり、それぞれ異なる分別効率、及び異なる圧力低下となり得る。本発明の媒体は、現行の技術と類似又は同等のコストで改良された濾過効率及びタービンブレード保護を提供する一方で、圧力低下を大きく増大することがない。この改良された濾過効率は類似又は同等の圧力低下で達成することができるので、タービンの運転に変更の必要は殆どない。チャート４は０．３０μｍでの濾過効率が３５％増大し、圧力低下が５０％低減することを表している。
【００４２】
図１５は、本発明を標準的な媒体と比較して示すＡＳＨＲＡＥ ５２．２分別効率対粒度のグラフである。
【００４３】
上記例示としての実施形態を参照して本発明を説明してきた。本明細書を読み理解すすれば他の修正及び変更は明らかであろう。かかる修正及び変更は全て、特許請求の範囲に入る限り、本発明の１以上の態様を組み込んだ例示としての実施形態に包含される。
【符号の説明】
【００４４】
複合濾過媒体 １０
スパンボンド基材（不織布ベース基材） １２
第１の面 １４
第２の面 １６
波形 １８
ナノ繊維層 ２０
波の頂 ２２
波の谷 ２４
二成分繊維 ３０
結合領域パターン ３１
芯 ３２
不連続線 ３３
鞘 ３４
結合領域がない位置 ３５
スパンボンドファブリック ３６
結合領域 ３７
フィルターエレメント ７０
襞 ７２
エンドキャップ ７４
エンドキャップ ７６
内部の導管 ７８
卵形の管 ７９
フィルターエレメント １７０
第１のエンドキャップ １７４
第２のエンドキャップ １７６
内部の導管 １７８
下側エンボスローラー １００
上側エンボスローラー １０２
リブ １０４
チャンネル １０６
波形のピッチ Ｃ
有効な深さ Ｄ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にフィルターエレメントに関し、より特定的には、波形又はエンボス加工した複合不織濾過媒体を有するフィルターエレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある公知の濾過媒体複合構築物では、基材を製造するために湿式（wet-laid）製紙法を用い、かつ濾過媒体基材の片面又は両面に軽量のナノ繊維コーティングを設けるためにエレクトロスピニング技術を用いる。通例、媒体基材は１００〜１２０ｇ／ｍ2の坪量を有し、ナノ繊維層は０．５ｇ／ｍ2以下の坪量を有する。
【０００３】
軽量ナノ繊維層によっては高い機械的ストレスがかかる可能性があることが知られている。かかるストレスがかかることは、５００ｎｍ未満、より典型的には１００ｎｍの直径を有する繊維から形成されたナノ繊維層にとっては重大である可能性がある。また、公知のエレクトロスピニングしたナノ繊維層は、図１に示されているように基材に取り付けたときに二次元の構造であり、厚さが単一の繊維層である。従来のエレクトロスピニングした繊維では、ナノ繊維とベース媒体間の分極引力に基づく比較的弱い引力結合のためにナノ繊維が濾過媒体から脱落する繊維脱落（shedding）が起こり得ることが知られている。かかる媒体は濾過性能が低下する可能性がある。
【０００４】
濾過媒体複合構築物を用いて、各種の装置に清浄な空気を供給することができる。かかる装置として、タービンブレードを挙げることができる。典型的な公知の濾過媒体は、公知の作動流量でＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９の試験手順で試験したときに、通例７．０ｍｍＨ2Ｏより大きい圧力低下で０．３〜０．４μｍの粒子を約５５％捕捉するという新しい又は清浄な作動効率を有し得る。
【０００５】
タービンブレードを含有する装置の例を考えると、タービンブレードを清浄に維持しようとすることは当然の論理である。タービンブレードを清浄化するための現在の１つの方法では、タービンを定期的にオフラインにしてブレードを清浄に水洗する必要がある。タービンの停止時間は、その間タービンが作動せず、従って発電が削減されるので費用がかかる可能性がある。公知の濾過媒体より高い効率の濾過媒体を提供して、タービンブレードを清浄化するためのタービン停止時間を低減又は削除することができれば望ましいであろう。
【０００６】
現行の技術の最良の性能は、エレクトロスピニングした繊維表面層で被覆された標準的な湿式（wet laid）ベース媒体を用いてＦ−９にランク付けされている。今までのところ、最大の効率は、エレクトロスピニング法により、１００％０．３０μｍＤＯＰ粒子を用いて検査したときに最大７５％の効率程度に制限されている。これは、湿式ベース媒体の１つの表面上にエレクトロスピニングした繊維の重い層、又はベース媒体の両面にナノ繊維層を使用することによって達成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７３１６７２３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の幾つかの例示的な態様を基本的に理解できるように、以下に本発明の簡単な概要を述べる。この概要は本発明の外延を概観するものではない。また、この概要は本発明の重要な要素を特定するものでも本発明の範囲を画定するものでもない。この概要の唯一の目的は、後に述べるより詳細な説明の前置きとして、本発明の幾つかの概念を簡略化した形態で示すことにある。
【０００９】
１つの態様で、本発明は、ベース基材を含む複合濾過媒体構造体を提供する。このベース基材はスパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から形成された不織布基材を含んでいる。複合濾過媒体構造体はエレクトロブロースピニング法（electro-blown spinning）によりベース基材の一面上に設けたナノ繊維層を含んでいる。ベース基材とナノ繊維層はＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して少なくとも８５％の濾過効率を与えるように構成されている。
【００１０】
別の態様で、本発明は、ベース基材を含む複合濾過媒体構造体を提供する。このベース基材はスパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から形成された不織布基材を含んでいる。複合濾過媒体構造体はエレクトロブロースピニング法によりベース基材の一面上に設けたナノ繊維層を含んでいる。ナノ繊維層は約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2の坪量を有している。
【００１１】
もう１つ別の態様で、本発明は、複合濾過媒体の作成方法を提供する。この方法は、スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維から不織布基材を形成することを含んでいる。また、この方法は、ポリマー溶液をエレクトロブロースピニングして不織布の少なくとも一面上に複数のナノ繊維を形成して複合濾過媒体を形成することによりナノ繊維層を設け、それにより複合濾過媒体が約８５％以上の濾過効率を有するようにすることを含んでいる。
【００１２】
本発明の上記及び他の態様は、添付の図面を参照して以下の説明を読むことにより本発明が属する技術分野の当業者には明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、湿式基材上にエレクトロスピニングしたナノ繊維層の従来技術の例の顕微鏡写真である。
【図２】図２は、本発明の１つの態様によるスパンボンドした二成分基材上のエレクトロブローしたナノ繊維膜層の第１の例の顕微鏡写真である。
【図３】図３は、図２のナノ繊維膜層及びスパンボンドした二成分基材を用いた一例の複合濾過媒体の概略断面図である。
【図４】図４は、図３に示す濾過媒体に使用した二成分繊維の端部顕微鏡写真である。
【図５】図５は、図３に示すスパンボンドした二成分基材の平面顕微鏡写真である。
【図６】図６は、図３に示すスパンボンドした二成分基材の結合パターンの概略平面図である。
【図７】図７は、図３に示す複合濾過媒体の波形構造の態様の例の断面図である。
【図８】図８は、一例の態様に従って図３の複合濾過媒体をエンボス加工するためのエンボスローラーの概略図である。
【図９】図９は、図３に示す濾過媒体に使用した二成分繊維の断面の顕微鏡写真である。
【図１０】図１０は、図６に示す濾過媒体を含むフィルターカートリッジの側面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図３の濾過媒体を用いる第１の例のフィルターエレメントの透視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図３の濾過媒体を用いる第２の例のフィルターエレメントの透視図である。
【図１２】図１２は、図１０に示すフィルターカートリッジの一部分の拡大透視図である。
【図１３】図１３は、図３の態様例による分別効率対様々な坪量におけるベース媒体基材の粒度のグラフである。
【図１４】図１４は、図３の一例の態様に従うナノ繊維層を有するものと有しないもののベース媒体基材の分別効率対粒度の、ナノ繊維層を有するものと有しないものの比較のベース媒体基材と比較して示すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明と標準的な媒体を比較してＡＳＨＲＡＥ ５２．２分別効率対粒度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の１以上の態様を具体化する例示としての実施形態を図面に記載し例証する。これらの図示された例は本発明を限定するものではない。例えば、本発明の１以上の態様は他の実施形態、さらには他の型の装置に利用することができる。また、幾つかの専門用語は便宜上のためにのみ本明細書中で使用されており、本発明に制限を加えるものではない。さらにまた、図面中、同じ参照番号は同じ要素を指定するのに使用される。
【００１５】
本発明の１以上の態様に従う高性能複合濾過媒体及びその複合濾過媒体の作成方法の例を以下で詳細に説明する。一般に、複合濾過媒体は二成分系合成不織ベース基材とナノ繊維の１以上の表面層とを含んでいる。１つの特定の例において、かかる複合濾過媒体は、フィルターエレメント又はカートリッジ中に設置し、パルス式のガスタービン吸入フィルターハウジング又は類似の工業用濾過システムに使用したときに高まった濾過性能を提供する。また、１つの例において、この新しい複合濾過媒体は、波形成形及びプリーツ加工及び全体の組立のようなその後の工程を伴うフィルターカートリッジ又はフィルターエレメント中に設定することもできる。濾過媒体の波形成形により、複合濾過媒体の「清浄な」及び「汚れた」面側の両方で低い制限空気流のための大きい容積の通路が得られる。１つの例において、複合濾過媒体はｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｈｅａｔｉｎｇ，Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＡＳＨＲＡＥ）５２．１の試験手順で試験したときに０．３〜０．４μｍ粒子の約８５％の保持捕捉という初期濾過効率を提供し得、これは公知の濾過媒体と比較して約１０％の性能増大である。その上、この複合媒体は公知の濾過媒体より低い圧力低下で８５％の効率を提供し得る。１つの例において、複合濾過媒体は６．０ｍｍ水未満の抵抗（すなわち圧力低下）を有する。
【００１６】
また、この複合濾過媒体は、大規模で激しい塵埃負荷及び清浄化の難問に曝されたときに有益な耐久性を有することができ、より高い効率を達成する。かかる有益な耐久性は既存の技術に対する改善であり得る。この改良された性能（例えば、８５％以上の効率）の１つの理由は、ナノ繊維の坪量が約２．０〜３．０ｇ／ｍ2であることであり得る。かかる坪量は公知の濾過媒体より大きいであろう。約２．０〜３．０ｇ／ｍ2の範囲例はナノ繊維層にとって有用な重量であることが判明した。この高めの坪量により、逆パルス清浄化において公知の濾過媒体より効果的に濾過媒体を清浄化することができる。
【００１７】
図２は、ナノ繊維層２０と組み合わせたスパンボンド基材１２の形態の本発明の１以上の態様に従う複合濾過媒体１０の１つの例を示す。ナノ繊維層２０とスパンボンド基材１２の組合せにより、耐久性の三次元表面濾過層が得られ、これは気流を実質的に制限したり圧力低下を増大したりすることなく高い効率と微粒子捕捉を可能にする広範囲にわたる多層蛇行経路を有する。この多層蛇行経路は小さい細孔を有し得る。かかる構造は、パルス式濾過システムにおいて、殊に最小の厚さを有する二次元ナノ繊維層と比較して、機械的な力に対して極めて耐久性であることが判明した。この示した例の場合、ナノ繊維層２０の坪量は約２．０〜３．０ｇ／ｍ2の範囲である。スパンボンド基材１２又は複数の二成分繊維３０上の一例のナノ繊維層２０の厚さは、図１に示すような単一層の従来技術の例の場合の典型的な最大の厚さ３μｍと対照的に約１０μｍであることができる。
【００１８】
媒体はまた、濾過及び逆清浄化操作の間濾過媒体にかかる力による濾過媒体の撓みがより少ないため、圧力低下の大きさがより少なくなる可能性もある。また、スパンボンド波形媒体基材１２は等しい又はより低い圧力低下で公知の濾過媒体基材より効率的であり得る。スパンボンド媒体により、繊維３０をファブリック又はファブリック基材に合体させるための結合が得られる。１つの態様において、この媒体基材１２を形成するのに用いる二成分繊維３０は公知の濾過媒体を形成するのに使用される繊維より微細である。その上、ベース媒体基材１２とナノ繊維層２０との間の接着結合は波形成形又はエンボス加工操作中の追加の熱的加工処理によって高まり得る。
【００１９】
図３は、複合濾過媒体１０の概略部分説明図であり、特定の例のシート様構造を示す。図から理解できるように、濾過媒体１０はベース媒体基材１２とナノ繊維層２０を含んでいる。ベース媒体基材１２は第１の面１４と第２の面１６を有する。１つの態様において、ナノ繊維層２０は媒体基材１２の第１の面１４上に設置されている。例示の説明図には明白に示されていないが、ナノ繊維層２０は第２の面１６上に設置することもできるし、又はナノ繊維層２０は第１及び第２の面１４及び１６の各々に設置することもできることが分かる。
【００２０】
媒体基材１２の詳細に関しては図４に注目されたい。本発明の１つの態様で、基材１２はスパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維３０から形成された不織布基材である。二成分繊維を提供するためのかかる態様は芯−鞘構造、島構造、又は並んだ構造によるものであることができる。また図４を参照して、この例示した実施形態では、二成分繊維３０は芯３２と、この芯３２の周囲を取り囲む鞘３４とを含んでいる。１つの例において、二成分繊維３０は約１２〜約１８μｍの直径を有する。
【００２１】
任意の適切な二成分合成繊維３０を用いて媒体基材１２の不織布を作成することができる。二成分繊維３０の芯３２及び鞘３４に適した材料としては、限定されることはないが、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、アラミド、及びこれらの混合物がある。二成分繊維の鞘に適した材料には、二成分繊維の芯の材料より低い融点を有する熱可塑性材料、例えばポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、熱可塑性ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリフェニルエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、アラミド、及びこれらの混合物がある。
【００２２】
二成分繊維３０をジェットによって溶融紡糸して複数の連続繊維とし、これらを均一に付着させて図５に示すようなランダム三次元ウェブとする。このウェブは次にカレンダーロールにより加熱及びエンボス加工することができ、ウェブを熱的に結合させて合体したスパンボンドファブリック３６にする。カレンダーロールエンボス加工パターンの接触による加熱により、二成分繊維３０の熱可塑性の鞘３４が軟化又は溶融し、不織繊維がカレンダーロールエンボス加工パターンの接触点のみで一緒に結合する。温度は、少なくとも、二成分繊維３０の鞘３４のより低い融点部分の軟化又は融解が起こるように選択される。一実施形態では、この温度は約９０〜約２４０℃である。冷却後、鞘部分３４の溶融及び再固化により繊維の所望の連結が起こる。
【００２３】
本発明の１つの態様はベース媒体基材１２の独特の結合パターンである。この結合パターンは、カレンダーロールのエンボス加工パターンによって規定することができる。結合領域が媒体の耐久性と機能を提供すると同時に、これらの結合点が溶融したポリマーのうちの気流がゼロである領域を創成する。このカスタム結合パターンは複合濾過媒体構造体の濾過効率を改良する上で役に立ち得る。
【００２４】
ベース基材１２に対する一例の結合領域パターン３１を図６に示す。このパターンは結合領域の複数の実質的に平行な不連続線３３を有し、二成分繊維３０を互いに結合して不織布ベース基材１２を形成する。結合パターン３１の不連続線３３はベース媒体基材１２の機械方向（長手方向の広がり）に対して平行な方向に作成することができる。結合領域の平行な不連続線３３は互いにオフセットになっていて、結合領域が存在しない位置３５がある。この結合領域がない位置３５は隣接する不連続線３３の結合領域３７と並んでいることができる。１つの例において、媒体基材１２内のスパンボンド二成分繊維３０の結合領域３７はファブリックの総面積の約１０〜約１６パーセントである。幾つかの公知のスパンボンドファブリックは約１９〜２４パーセントの結合領域を有し得ることは注目に値する。より少ない結合領域では、所与の空気流れにおいて、ベース媒体１２の空気透過性が増大し、又は反比例して低い圧力低下が可能である。一実施形態では不織合成ファブリックベース媒体１２の坪量は約１００〜約３３０ｇ／ｍ2、別の実施形態では約１５０〜約２６０ｇ／ｍ2である。
【００２５】
図８は、エンボス加工法のための下側及び上側エンボスローラー１００、１０２を有する一例の装置の概略図である。図から分かるように、ローラー１００、１０２は、その間のベース基材１２と対になって局在化した熱及び圧力をかける複数の構造体を有している。図示した例で、ローラー１００、１０２は、下側及び上側エンボスローラー１００及び１０２の外面１０８に配置された複数のリブ１０４及びチャンネル１０６の対を有している。各々のリブ１０４及び各々のチャンネル１０６はエンボスローラー１００又は１０２の円周の一部分に沿って延びている。また、下側エンボスローラー１００上のリブ１０４及びチャンネル１０６の各々の対は、上側エンボスローラー１０２上のリブ１０４及びチャンネル１０６の対応する対と揃って並んでおり、リブ及びチャンネルは、下側ローラー１００上の各リブ１０４が上側ローラー１０２上のチャンネル１０６と揃って並び、対になるように、かつ上側ローラー１０２上の各リブ１０４が下側ローラー１００上のチャンネル１０６と揃って並び、対になるように、配置されている。複数の対のリブ１０４及びチャンネル１０６は、エンボスローラー１００及び１０２の全面で間隔をあけて互い違いの列状になっており、一例のエンボス加工パターンを定めている。図９は、エンボス加工したベース基材１２の断面を示す。エンボス加工した部分は断面の中央付近に配置されており、厚さ寸法が低減している。１つの例において、この形成されたエンボス加工した基材１２はＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９の試験手順で測定して約５０％以上の濾過効率を有する。
【００２６】
ナノ繊維層２０に関して、この層はエレクトロブロースピニング法によって形成できる。この方法では、スピニングノズル中にポリマー溶液を供給し、スピニングノズルに高電圧をかけ、スピニングノズルを介してポリマー溶液を放出しながらスピニングノズルの下端中に圧縮した空気を注入することができる。かける高電圧の範囲は約１〜約３００ｋＶである。このエレクトロブロースピニング法によると、公知の濾過媒体上の公知のナノ繊維濾過層より厚いナノ繊維の耐久性の三次元濾過層が得られる。代表的な態様において、ナノ繊維膜層２０の坪量は約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2、別の態様においては約２．０〜約２．５ｇ／ｍ2である。ナノ繊維に対する重量の小さい範囲は、２．５ｇ／ｍ2の標的を使用することができるように達成するのは困難であることがあり、現実の製品は２．５±０．５ｇ／ｍ2であり得ることが理解されよう。
【００２７】
エレクトロブロースピニング法によりナノ繊維を形成するのに適したポリマーは熱可塑性ポリマーに限定されることはなく、熱硬化性ポリマーを包含し得る。適切なポリマーとしては、限定されることはないが、ポリイミド、ポリアミド（ナイロン）、ポリアラミド、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリアニリン、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、スチレンブタジエンゴム、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルブチレン及びこれらのコポリマー又は誘導体化合物がある。ポリマー溶液は、選択したポリマーを溶解する溶媒を選択することによって調製される。ポリマー溶液は添加剤、例えば可塑剤、紫外線安定剤、架橋剤、硬化剤、反応開始剤、などと混合することができる。ポリマーを溶解するのに特定の温度範囲は必要ないかもしれないが、溶解反応を支援するのに加熱が必要となることがある。
【００２８】
上記各種のポリマーに可塑剤を添加することが有利である可能性がある。適切な可塑剤はポリマー、並びにナノ繊維層の特定の最終用途に依存する。例えば、ナイロンポリマーは水又はエレクトロスピニング又はエレクトロブロースピニング法に由来する残留溶媒で可塑化することができる。有用である可能性があるその他の可塑剤としては、限定されることはないが、脂肪族グリコール、芳香族スルホンアミド、フタル酸エステル、例えば、限定されることはないが、フタル酸ジブチル、フタル酸ジヘキシル、フタル酸ジシクロヘキシル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソデシル、フタル酸ジウンデシル、フタル酸ジドデカニル、及びフタル酸ジフェニル、などがある。
【００２９】
ナノ繊維層２０は、例えばエレクトロブロースピニングによって、直接ベース基材１２の少なくとも一面に設置して複合濾過媒体１０を形成することができる。得られる複合濾過媒体は約８５％の最小濾過効率を有する。この媒体基材１２は公知の濾過媒体と比較して高い空気透過性を有しており、このため媒体基材１２に対するナノ繊維の改良された機械的接着が可能になる。かかる透過性の場合、ナノ繊維層２０を媒体基材１２の第１の面１４に設置する際に媒体基材の第２の面１６側から真空にすることができる。新しいベース媒体がそのより高い空気透過性のために気流に対してより開放的であれば、真空の有効性がより大きくなり、ベース媒体中の二成分繊維に対するナノ繊維の強い機械的結合が確実になる。ナノ繊維の真空合体（vacuum consolidation）と相俟って、乾燥工程の熱的合体により、ベース媒体中の特別な二成分ポリエステル繊維に対する接着が改良される。ナノ繊維層２０の設置の際に使用する乾燥温度と組み合わせて、二成分繊維３０の鞘部分３４の軟化も起こり得、ナノ繊維層２０はより緻密になり、スパンボンドベース媒体基材１２に結合するようになることができる。
【００３０】
この時点で、完全で有用な複合濾過媒体１０が提供される。しかし、既に述べたように、複合濾過媒体をさらに加工処理してもよい。一例として、複合濾過媒体１０は、対向する波形成形ローラーを約９０〜約１４０℃の温度で用いて波形にすることができる。代わりの実施形態では、複合濾過媒体１０は、対向するエンボスローラーを約９０〜約１４０℃の温度で用いてエンボス加工することができる。
【００３１】
図７も参照すると、形成することができる波形の一例１８が示されている。これらの例の波形１８は複合濾過媒体１０内に交互にアップダウンする実質的にＶ形の波として構成されている。波の頂２２及び谷２４は成形装置を通る基材のウェブの進行の方向に延びている。谷２４は約０．０２インチ（０．５ｍｍ）以上の有効深さＤを有していて、高い塵埃負荷における濾過媒体１０の通気性が約４インチの水柱（ｗｃ）未満の低い差圧を維持することを可能にしている。波形のピッチＣは、代表的な態様において１インチ当たり約３〜約１０の波形（１ｃｍ当たり約１．２〜約３．９の波形）、別の態様において１インチ当たり約３〜約６の波形（１ｃｍ当たり約１．２〜約２．４の波形）である。この有効な深さＤと波形のピッチＣの組合せは、高い空気速度及び塵埃負荷による高い静水圧の下で襞のつぶれを防止する役に立つ改良された接触点を提供するのに役立っている。濾過媒体１０の全断面にわたる均一な波形も提供することができる。
【００３２】
図１０は、波形の濾過媒体１０から形成された一例のフィルターエレメント７０の側面図である。フィルターエレメント７０は第１のエンドキャップ７４及び対向する第２のエンドキャップ７６を含んでおり、濾過媒体１０はエンドキャップ７４及び７６間に延びている。フィルターエレメント７０は内部の導管７８（図１１Ａ）を含む管状形状である。変形として、図１１Ｂに示されているようにフィルターエレメント１７０は円錐状の形状であることもできる。フィルターエレメント１７０は類似の構造部分（例えば、第１のエンドキャップ１７４、第２のエンドキャップ１７６及び内部の導管１７８）を有している。フィルターエレメント７０、１７０のその他の形状も提供することができることが理解される。
【００３３】
さらにもう１つ別の例として、図１２は、濾過媒体１０の２つの部分が隣接して位置する配置を示す。フィルターエレメント７０の隣接する襞７２の波形１８は気流のための卵形の管７９を画定している。波形１８は襞７２の縁部に対して実質的に垂直に延びている。
【００３４】
その他の構成要素もフィルターエレメント７０の一部として濾過媒体１０と共に提供することができる。例えば、内部及び外部有孔金属ケージ、ウレタンポット化合物、及びウレタンストラップ化合物も全て提供することができる。
【００３５】
本発明の様々な態様を含むフィルターエレメントはガスタービンの吸入濾過システムに使用することができる。もちろん、他のシステムで、本発明の様々な態様を含むフィルターエレメントを使用してもよい。さらに、清浄化システムを１以上のフィルターエレメントに連結して、汚物及び塵埃を除去するために清浄化する目的でフィルターエレメント中に空気を送ることができる。
【００３６】
様々な坪量を有するベース媒体基材１２試験試料の平坦なシートを、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って平坦シート分別効率試験で比較のベース媒体基材と比較した。ＫＣｌ粒子を含有する空気を、約１０ｆｔ／ｍｉｎの流量で各試験試料に通して流した。図１３は、この比較試験のグラフ表示である。線１１０は１５０ｇ／ｍ2の坪量のベース基材１２を表し、線１１２は２００ｇ／ｍ2の坪量のベース基材１２を表し、線１１４は２６０ｇ／ｍ2の坪量のベース基材１２を表す。線１１６は比較のベース媒体基材を表しており、このベース媒体基材はナノ繊維層を含んでいなかった。本発明の例に従った各坪量のベース媒体基材１２は、ＫＣｌ粒子の全粒度範囲にわたって比較のベース基材より高い効率を有している。媒体の坪量に関わらず、粒度が増大するにつれて分別効率も増大する。図１３のデータはチャート１に基づいている。
【００３７】
【表１】
ベース媒体基材１２、及びナノ繊維層２０を含むベース媒体基材１２の平坦なシートを、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って平坦シート分別効率試験でナノ繊維層を有するものと有しないものの比較のベース媒体基材と比較した。ＫＣｌ粒子を含有する空気を約１０ｆｔ／ｍｉｎの流量で各試験試料に通して流した。図１４は、この比較試験のグラフ表示である。線１２０は２００ｇ／ｍ2のベース媒体基材１２を表と、線１２２はナノ繊維層２０を含む２００ｇ／ｍ2のベース媒体基材１２を表す。線１２４は比較のベース媒体基材を表し、線１２６はナノ繊維層を含む比較のベース媒体基材を表す。ナノ繊維層２０を含むものと含まないベース媒体基材１２は、ＫＣｌ粒子の全粒度範囲にわたって、ナノ繊維層を含むものと含まない比較のベース基材より高い効率を有していた。図１４のデータはチャート２に基づいている。
【００３８】
【表２】
独特の構造の濾過媒体１０は公知の濾過媒体より耐久性が高く、濾過及び逆清浄化操作中濾過媒体にかかる力による撓みが１つはその波形構造のためにより少ないので圧力低下の増大がより低くなる。フィルターエレメント７０は、最も透過性の粒度のエアロゾル又は塵埃（約０．３〜約０．５μｍ）の捕捉に関して、公知のフィルターエレメントの約５０〜５５％に対して約８５％というより大きい平均効率を生み出すことができる。また、ナノ繊維層２０は公知の濾過媒体より高い坪量を有しており、そのため濾過媒体１０は逆パルス清浄化において公知の濾過媒体より効果的に清浄化することができる。さらに、ナノ繊維層２０の高い坪量により、気流を制限したり圧力低下を増大したりすることなく高い効率及び微粒子捕捉を可能とする広範囲にわたる蛇行経路を有する耐久性の三次元表面濾過層が得られる。
【００３９】
チャート３は、以前に公知の製品に対する圧力低下を示す。たった約５０．２％〜５７．２％の分別効率で約１２．５〜１５．６ｍｍＨ2Ｏの圧力が観察された。チャート３の例は様々なロール長、ナノ繊維の坪量、及び様々な総坪量を含んでおり、その結果様々な分別効率、及び様々な圧力低下が得られる。例えば、チャート３で得られた比較の圧力低下及び分別効率は様々な波形深さ及びＦｒａｚｉｅｒ気孔率で得られた。
【００４０】
【表３】
以下のチャート４に、実際の製品の比較で得られた複数の情報を提供する。本発明に従った１つの例において、ナノ繊維層の約２．５ｇ／ｍ2の坪量で、フィルターエレメント７０の良好な効率が得られることが判定された。様々な例が種々の坪量及びロール長を有しているが、それでも一貫して約８５％の濾過効率を達成する。このデータは、約２．５ｇ／ｍ2の重量で、良好な濾過効率、良好な表面濾過、及び良好な長期の一体耐久性が得られることを示している。ナノ繊維層が３．０ｇ／ｍ2より大きい坪量を有していると、フィルターエレメント７０の性能が落ちることが判定された。
【００４１】
【表４】
チャート４はまた、濾過媒体の圧力低下が上記チャート３に示す従来技術の製品の例より実質的に低いことも示している。例えば、試験は、１つの例において、圧力低下がチャート４に示すように本発明の場合約４．４〜約６．０ｍｍＨ2Ｏであることができることを示した。同じ濾過媒体及びナノ繊維層を含まない比較の従来技術の装置は、チャート３に示すように、たった約５０．２〜５７．２％の分別効率で約１２．５〜１５．６ｍｍＨ2Ｏの圧力低下を示すことが分かる。チャート３及びチャート４の例は、様々なロール長、ナノ繊維の坪量、及び様々な総坪量を含んでおり、それぞれ異なる分別効率、及び異なる圧力低下となり得る。本発明の媒体は、現行の技術と類似又は同等のコストで改良された濾過効率及びタービンブレード保護を提供する一方で、圧力低下を大きく増大することがない。この改良された濾過効率は類似又は同等の圧力低下で達成することができるので、タービンの運転に変更の必要は殆どない。チャート４は０．３０μｍでの濾過効率が３５％増大し、圧力低下が５０％低減することを表している。
【００４２】
図１５は、本発明を標準的な媒体と比較して示すＡＳＨＲＡＥ ５２．２分別効率対粒度のグラフである。
【００４３】
上記例示としての実施形態を参照して本発明を説明してきた。本明細書を読み理解すすれば他の修正及び変更は明らかであろう。かかる修正及び変更は全て、特許請求の範囲に入る限り、本発明の１以上の態様を組み込んだ例示としての実施形態に包含される。
【符号の説明】
【００４４】
複合濾過媒体 １０
スパンボンド基材（不織布ベース基材） １２
第１の面 １４
第２の面 １６
波形 １８
ナノ繊維層 ２０
波の頂 ２２
波の谷 ２４
二成分繊維 ３０
結合領域パターン ３１
芯 ３２
不連続線 ３３
鞘 ３４
結合領域がない位置 ３５
スパンボンドファブリック ３６
結合領域 ３７
フィルターエレメント ７０
襞 ７２
エンドキャップ ７４
エンドキャップ ７６
内部の導管 ７８
卵形の管 ７９
フィルターエレメント １７０
第１のエンドキャップ １７４
第２のエンドキャップ １７６
内部の導管 １７８
下側エンボスローラー １００
上側エンボスローラー １０２
リブ １０４
チャンネル １０６
波形のピッチ Ｃ
有効な深さ Ｄ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維（３０）から形成された不織布基材を含むベース基材（１２）、及び
エレクトロブロースピニング法によってベース基材（１２）の一面上に設けられたナノ繊維層（２０）
を含む複合濾過媒体構造体（１０）であって、
ベース基材（１２）及びナノ繊維層（２０）が、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して８５％以上の濾過効率を与えるように構成されている、複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項２】
不織布基材が約１５０〜約２６０ｇ／ｍ2の坪量を有する、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項３】
ナノ繊維層（２０）が約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2の坪量を有する、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項４】
ナノ繊維層（２０）の厚さが約１０μｍである、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項５】
複合濾過媒体構造体（１０）が約４．４〜約６．０ｍｍＨ2Ｏの圧力低下で８５％以上の分別効率を与える、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項６】
複合濾過媒体構造体（１０）が約０．３〜約０．５μｍの透過性の粒度を捕捉する、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項７】
複合濾過媒体構造体（１０）がさらに複数の波形（１８）を含む、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項８】
スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維（３０）から形成された不織布基材を含むベース基材（１２）、及び
エレクトロブロースピニング法によってベース基材（１２）の一面上に設けられた、約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2の坪量を有するナノ繊維層（２０）
を含む複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項９】
ベース基材（１２）及びナノ繊維層（２０）がＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して８５％以上の濾過効率を与えるように構成されている、請求項８記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項１０】
ナノ繊維層（２０）の厚さが約１０μｍである、請求項８記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項１】
スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維（３０）から形成された不織布基材を含むベース基材（１２）、及び
エレクトロブロースピニング法によってベース基材（１２）の一面上に設けられたナノ繊維層（２０）
を含む複合濾過媒体構造体（１０）であって、
ベース基材（１２）及びナノ繊維層（２０）が、ＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して８５％以上の濾過効率を与えるように構成されている、複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項２】
不織布基材が約１５０〜約２６０ｇ／ｍ2の坪量を有する、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項３】
ナノ繊維層（２０）が約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2の坪量を有する、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項４】
ナノ繊維層（２０）の厚さが約１０μｍである、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項５】
複合濾過媒体構造体（１０）が約４．４〜約６．０ｍｍＨ2Ｏの圧力低下で８５％以上の分別効率を与える、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項６】
複合濾過媒体構造体（１０）が約０．３〜約０．５μｍの透過性の粒度を捕捉する、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項７】
複合濾過媒体構造体（１０）がさらに複数の波形（１８）を含む、請求項１記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項８】
スパンボンド法を用いて複数の二成分合成繊維（３０）から形成された不織布基材を含むベース基材（１２）、及び
エレクトロブロースピニング法によってベース基材（１２）の一面上に設けられた、約２．０〜約３．０ｇ／ｍ2の坪量を有するナノ繊維層（２０）
を含む複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項９】
ベース基材（１２）及びナノ繊維層（２０）がＡＳＨＲＡＥ ５２．２−１９９９試験法に従って測定して８５％以上の濾過効率を与えるように構成されている、請求項８記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【請求項１０】
ナノ繊維層（２０）の厚さが約１０μｍである、請求項８記載の複合濾過媒体構造体（１０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２０１４１９（Ｐ２０１０−２０１４１９Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８０５３（Ｐ２０１０−３８０５３）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（５０７１６８９２６）ビーエイチエイ・グループ・インコーポレーテッド (19)
【氏名又は名称原語表記】ＢＨＡ ＧＲＯＵＰ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（５０７１６８９２６）ビーエイチエイ・グループ・インコーポレーテッド (19)
【氏名又は名称原語表記】ＢＨＡ ＧＲＯＵＰ， ＩＮＣ．
【Ｆターム（参考）】
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