专利名称：褶型筒状过滤器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过滤效率高、过滤器寿命长的褶型筒状过滤器装置。更具体而言，本发明涉及具有增大的过滤器面积、有助于过滤并且可以低成本生产的褶型筒状过滤器装置。
背景技术：
过滤器已被用于从各种流体中分离异物/粒子，并要求其能够扑获目标异物/粒子、使用简单/容易、并且对粒子而言具有高的保持能力(容纳容量)，即具有使用寿命长的功能。作为此类过滤器，已知的有褶型过滤器，其中无纺布或薄膜状片(膜)被折叠成褶折形状。褶型过滤器的优势在于能够产生较大的过滤面积。
过滤器的应用领域包括从相对简单的到精密的各种领域，简单的如车辆用油滤、空滤单元，精密的如半导体器件制造中的晶片清洁、光致抗蚀剂的过滤及医疗领域中的过滤。在需要特别精密的过滤器的半导体领域，随着近年来LSI集成度的提高，要求布线宽度更加精细，要求清除技术能在LSI图案形成制作步骤中清除非常细小的异物。一般来说，可以通过将光致抗蚀剂涂敷在硅晶片上，并利用曝光部分和非曝光部分在显影液中的溶解度差异来进行图案的形成。如果晶片或抗蚀剂溶液中存在异物，图案化就不能按设计的宽度进行，因此会导致失败。例如，即使在过滤后光致抗蚀剂溶液中残留的异物为约0.05μm，也有可能发生错误、布线失败等。然而，光致抗蚀剂溶液常有的特点是容易因积聚或长期放置而产生凝胶，因此会在光致抗蚀剂溶液涂敷于硅晶片和曝光之前在光致抗蚀剂溶液中产生凝胶(在此提及的凝胶不同于光致抗蚀剂中部分改变的光敏物质)。如果光致抗蚀剂溶液中存在这种凝胶，那么硅晶片上的光致抗蚀剂薄膜在曝光期间由于显影液而得以溶解，而不溶的异物会残留在待溶解的图案中，由此而导致图案缺陷。
清除上述超细粒子/异物的过滤器材料十分昂贵，因此优选节约过滤材料的用量，过滤面积只要能使得在使用中不发生堵塞即可。其中粒子不能通过过滤器而实际沉积的面积被称作为有效过滤面积。
通常，为防止堵塞延长使用期(使用寿命)而增大有效过滤面积，使用的过滤器材料的面积也会增加。然而，因为一般的褶型折叠由许多等高的峰组成，过滤器需要紧密折叠，以使褶型峰的侧面相互接触，从而增加使用的过滤器材料的面积。图4为一个普通褶型过滤器实例的剖视图，其中过滤目标流体从图的上游(或从外侧)供给，经过滤液体流出到下游(或至内侧)。在图4中，峰折叠线和谷折叠线的高度保持不变，每个及所有的谷折叠线设计成与滤后液体芯核接触。当含有异物的流体受到这类紧密折叠的过滤器过滤时，不能通过过滤器的粒子只沉积在折叠峰的顶部，从而引起堵塞。结果，折叠部分不能有效地起作用(有效过滤面积小)，因此缩短了过滤器的使用寿命(见图4)。
作为外-内-流通型褶型折叠过滤材料的普通褶折方法的改进，提出了如下结构，其中将对着套筒的峰部分顶部的峰折叠线改变成字母V形的谷折叠，形成字母M形的结构，而所有峰顶部分的高度保持不变(如专利文献1)。根据专利文献1的过滤材料，当在圆柱形过滤器材料中实行均匀褶折叠时，内周边一侧(芯核一侧)做得密实而外周边一侧(套筒一侧)做得疏松，目的在于通过有效利用外周边一侧必然产生的空间而得到增大过滤器材料使用面积的结构(见图5)。因此，在专利文献1的过滤材料中，因为内周边一侧和外周边一侧都做得紧密，过滤器的折叠更加紧密，由此使得有效过滤面积变得更小。
专利文献1实开昭62-87710公报
发明内容
本发明要解决的问题如上所述，要求的是通过增加有效过滤面积来节省使用的过滤器材料面积的方法，该目的要求在不改变外部尺寸的条件下实现，因为外部尺寸如套筒外径和过滤器装置高度已经被匹配地设定。
解决问题的方法本发明涉及所谓的外-内-流通型筒状过滤装置，其包括通过将方形的过滤器材料折叠成褶的形状，并将与过滤器材料的褶折叠平行的两端粘接在一起而得到的基本上圆柱形的过滤材料；芯核(多孔内筒)；套筒(多孔外筒)；及两个端盖(上盖和下盖部分)，其中过滤材料插入芯核和套筒之间，并且用上端盖和下端盖夹住，而其上端和下端通过加热熔合与所述端盖结合，使液体不能通过，所述筒状过滤器装置允许过滤目标流体从套筒一侧流到芯核一侧，筒状过滤器装置还包括字母W形的截面，其中在与褶折叠正交的过滤器材料截面中存在一个峰折叠线(a)，接着在其两侧有两个谷折叠线(b)，以及在其两侧的两个峰折叠线(c)，以使在套筒一侧上形成一个低峰部，接着在其两侧上的芯核一侧上有两个谷部，以及在其两侧上的套筒一侧上的两个高峰部。
优选在过滤器材料的至少一个面上使用支撑材料。
优选形成低峰部的峰折叠部分(a)与谷部(b)之间的间距A(mm)与形成高峰部的谷部(b)与峰折叠部分(c)之间的间距B(mm)的比(A/B)为0.3或更高，至小于1。
优选芯核外径D(mm)和过滤器材料谷折叠线的总数n与过滤器材料和支撑材料总厚度t(mm)的关系为n＝(πD/2t)×(1.1～1.9)。
同时，“峰高”是指在与容纳了过滤材料的褶折叠垂直的过滤器截面中，由峰折叠线至从峰折叠线垂直落下的直线与连接两侧附近谷折叠线的直线的交叉点的距离。在与容纳了过滤材料的褶折叠垂直的过滤器截面中，通过全部谷折叠部分的线围绕芯核画出了一个圆。
本发明的效果因为本发明的褶型筒状过滤器装置的过滤器包括一个高峰与另一个高峰之间的低峰，所以与传统技术相比增大了促进过滤的过滤器面积。根据相关技术，应将面积尽可能大的过滤器容纳在过滤器装置中，以增加过滤器面积。然而，本发明能够以小得出乎意料的面积(小的装填量)得到高的过滤效率和长的过滤器使用寿命。更进一步，由于出色的过滤效率，可以减少过滤器材料的用量，这样原材料成本得以降低，此外，单位过滤材料的褶折叠过程的操作也减少了，因此缩短了制造时间。
具体实施例方式
本发明的过滤材料可以是任何材料，只要其孔隙具有取决于清除处理液体中异物大小的所需尺寸，虽然用于过滤如光致抗蚀剂溶液、具有0.05～0.2μm细孔的过滤器薄膜由聚四氟乙烯(以下称作PTFE)、聚乙烯、聚丙烯、SUS、尼龙、聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚(以下称作PFA)、聚偏二氟乙烯(以下称作PVDF)构成，但过滤材料并不限于这些材料。过滤半导体装置制造中用作硅晶片漂洗剂的化学溶液时，所用的由上述材料构成的过滤器薄膜具有0.05～1.0μm的细孔。
过滤器材料的厚度，例如，就树脂基材料而言为0.1～2.0mm。有些过滤器材料即使厚度小于0.5mm，仍具有低的弯曲劲度，因此，使用支撑材料防止了因过滤器翘曲而引起的压力增加。如果厚度超过2.0mm，不但褶折叠变得十分困难，而且过滤器材料使用面积的上限受到限制，这样就减少了有效过滤面积，因此不能达到目的性能。
本发明的过滤材料是褶折叠的，因此与褶折叠正交的过滤器材料截面中存在一个峰折叠线a、在其两侧的两个谷折叠线b、又在其两侧的两个峰折叠线c。相应地，在套筒一侧上形成了一个低峰部，在其两侧的芯核一侧上形成了两个谷部，又在其两侧的套筒一侧形成了两个高峰部，从而产生了字母W形的部分。图1为与褶折叠正交的示意性截面图，即为本发明中使用的过滤器的实例，并且所有的谷折叠线都保持与芯核接触。另一方面，峰的高度在垂直方向变化，高峰的峰折叠线在流体供给一侧最接近套筒。图1中的褶折叠重复单元由一个高峰和一个低峰构成。当具有该结构的过滤器对含粒子的流体进行过滤时，其折叠过滤器部分有效地起到了过滤作用，经过滤的粒子可以沉积在两个高峰之间的低峰上，因此延缓了过滤器发生堵塞而不能使用的时间(过滤器的使用寿命)。
峰的高度可以有规律地或随机地在垂直方向变化。例如，褶折叠重复单元可以由两个峰构成，其高度为“高”和“低”，或者由三个或四个峰构成，其高度为“高、低和高”或“高、低、低和高”。
因为本发明的褶折叠过滤器使被过滤的粒子沉积在高峰和低峰之间，并且露出折叠部分的一部分，所以有效过滤面积大，过滤效率得到了改善，因此延长了过滤器的使用寿命(参见图1)。
在本发明的过滤器中，通过提高褶折叠密度，可确保高刚性(形状保持性)，防止端盖熔合时发生翘曲。而且，因为过滤效率高，所以可以通过降低褶折叠密度来节省过滤器材料的消耗量，同时使用支撑材料来确保折叠的容易性和高的刚性(形状保持性)。
高峰与低峰之间的差异取决于如上所述的条件。形成低峰部的峰折叠部分(a)与谷部(b)之间的间距A(mm)与形成高峰部的谷部(b)与峰折叠部分(c)之间的间距B(mm)的比(A/B)为0.3或更高，至小于1。在此范围内，低峰的高度低于高峰，低峰成为不与套筒接触而加强保持过滤材料构造的支撑。结果，获得了在不降低过滤效率下延长过滤器使用寿命(供给和排出之间的压差达到预定值时的过滤体积)的优势。
就树脂基材料而言，通过设定为诸如往复式、高速旋转式的常规的褶折加工方法，可以容易地制造本发明的褶折。
优选地，本发明的过滤器材料和支撑材料的总厚度t(mm)与使用的芯核外径D(mm)及过滤器材料中谷折叠线数量n之间的关系为n＝(πD/2t)×(1.1～1.9)，原因是峰或谷的厚度为2t，更优选为n＝(πD/2t)×(1.3～1.8)。上述总厚度t(mm)是在没有施加压力等力的情况下过滤器材料和支撑材料(若有使用)的厚度总值。如果n小于(πD/2t)×1.1，容易发生翘曲，因此不适合实际应用。另一方面，如果n大于(πD/2t)×1.9，过滤器填充密度增加，有效过滤面积变窄，因此不大能保证发挥本发明的出色优势。
间距A(mm)、间距B(mm)和总厚度t(mm)的关系为t＜A＜B。
在本发明的过滤材料中，支撑材料可以用在过滤器材料的至少一面或两面上，例如，可以在过滤器材料两面的每一面提供一对支撑材料后将过滤材料折叠成褶折构造，并可将其两侧边缘粘接起来。可以使用一般所采用的丝网、无纺布等材料作为支撑材料。使用支撑材料可以提高整个过滤器的弯曲劲度，改善形状保持性。
支撑材料的使用形式为网、多孔片材或无纺布，并且例如，优选PFA、PTFE、四氟乙烯-乙烯共聚物(以下称作ETFE)、PVDF等热塑性氟树脂、聚乙烯、聚丙烯和SUS等。
本发明的方形过滤器材料被折叠成褶折构造，通过将与过滤器材料的褶折叠平行的两端粘接在一起得到了基本上圆筒状的过滤材料，并将其插入芯核与套筒之间。过滤材料的上下端部分用上端盖和下端盖夹住，并热封在一起使液体不能透过，然后将该过滤材料装入筒状过滤器单元中。
本发明的筒状过滤器装置可用于外-内-流通型筒状过滤器装置。当流体通过褶型过滤器时，在流体供给方向围绕低峰部的高峰部发挥每个开口的作用，捕捉流体中包含的粒子和/或异物，这样过滤器的暴露表面能得到充分利用。
对于树脂基材料，流体供给一侧(第一侧)上的支撑材料有多个种类可以从在褶折时或褶折后能保持褶折峰(高、低)构造的支撑材料的组合中选取。
筒状过滤器装置可用于任何流体形式的液体和气体。
实施例实施例1筒状过滤器装置(套筒内径76mm、芯核外径46mm)的组装方法如下以PFA制得的、厚度为450μm的双层布网(纤维直径0.22mm)为第一侧(流体供给一侧)支撑材料，PFA制得的、厚度为220μm的厚网(纤维直径0.11mm)为第二侧(流体流出一侧)支撑材料，将其覆盖在结构如图6中所示的薄膜面积为7,022m2、涂布重量为250g/m2(厚度为400μm)的聚四氟乙烯(DAIKIN KOGYO制造的PTFE)无纺布上，然后重复由15mm峰/12mm峰/15mm峰构成的重复单元(由高、低、高构成的重复单元)，总共产生114个峰(每个高度为15mm的峰76个、每个高度为12mm的峰38个)，由此形成褶折，将其两侧的边缘粘接在一起以产生过滤材料。其中A/B＝0.8，n＝114＝[46π/{2×(0.4+0.45+0.22)}]×1.69。
对比例1在此组装的筒状过滤器装置中，将面积为14,520cm2的实施例1的PTFE无纺布薄膜全部褶折成15mm的峰，由此产生220个折叠峰(峰高15mm)的过滤器。其中A/B＝1，n＝220＝[46π/{2×0.4}]×1.22。
对比例2此例中筒状过滤器装置的组装方法如下将以PFA制得的、厚度为150μm的薄网(纤维直径0.08mm)作为第一侧支撑材料和第二侧支撑材料覆盖在薄膜面积为12,300cm2的PTFE无纺布上，然后全部褶折成15mm的峰，由此产生187个峰(峰高15mm)，将其两侧的边缘粘接在一起以制得过滤材料。其中A/B＝1，n＝187＝[46π/{2×(0.4+0.15+0.15)}]×1.81。
对比例3在使用的市售的筒状过滤器装置(Mykrolis Corporation制造，产品名Fluorogard PRS过滤器)中，将结构如图7中所示的薄膜面积为14,000cm2、涂布重量为250g/m2(厚度为400μm)的PTFE无纺布全部褶折成15mm的峰，由此总共产生213个峰(峰高15mm)。其中A/B＝1，n＝213＝{46π/(2×0.4)}×1.18。
过滤器性能评价在所用过滤器的涂布重量为250g/m2的实施例1和对比例1～3的过滤器装置中，使用含有浓度为100ppm的JIS 8类尘粒(粒子直径1μm或5μm)的两种精制水为流体，在供给压力为0.05kgf/cm2和0.1kgf/cm2时测量每一种的流出速度、使用寿命(供给和排出之间的压差达到1kgf/cm2时的过滤体积)和粒子清除性能(俘获效率；保持率)。结果如表1所示。图2所示为供给压力从0～0.5kgf/cm2变化时过滤器装置流出速度的变化(水温25℃)，图3所示为过滤时间的变化(水温25℃，流出速度10L/分钟)。
实施例1具有实际上可以得到的粒子清除性能，其在供给压力下的流出速度和使用寿命十分出色。
对比例1中没有使用支撑材料，为了防止翘曲，使用了具有约2倍面积的与实施例1相同的过滤器，并以传统方式进行褶折。尽管粒子清除性能比实施例1有进一步改进，但供给压力下的流出速度和使用寿命却明显下降，以至其不能经受实际使用。其原因是折叠密度过高，有效过滤面积减少，因此流体及其所含的粒子不能通过。
对比例2使用与对比例1相同的过滤器，还一起使用了支撑材料以保证形状保持性，其设定的过滤器面积和折叠数比对比例1的少。然而，由于过滤器因存在支撑材料而折叠紧密，对于供给压力下的流出速度及使用寿命比对比例1有改善，但仍不能经受实际使用。
在对比例3中，使用的过滤器与实施例1的具有不同的孔径，没有使用任何支撑材料，并且为了保证形状保持性而提高了褶折叠密度，所用过滤器面积和褶折叠数均为实施例1的两倍。虽然在对比例3中由于过滤器孔径更大，供给压力下的流出速度比实施例1更高，但因为其褶折方法仍是传统的，所以粒子清除性能非常差，有效过滤面积窄小，使用寿命只有一半。
图1所示为本发明的一个实施例所用过滤器的示意性剖视图。
图2所示为供给压力改变时过滤器装置流出速度变化的曲线图。
图3所示为流量设定不变时过滤器装置过滤时间变化的曲线图。
图4所示为传统过滤器实例的示意性剖视图。
图5所示为传统过滤器另一个实例的示意性剖视图。
图6a所示为实施例1中所用过滤器材料的显微照片(100倍放大)。
图6b所示为实施例1中所用过滤器材料的显微照片(500倍放大)。
图7a所示为对比例3中所用过滤器材料的显微照片(100倍放大)。
图7b所示为对比例3中所用过滤器材料的显微照片(500倍放大)。
权利要求
1.一种外-内-流通型筒状过滤器装置，其包括通过将方形的过滤器材料折叠成褶的形状，并将与过滤器材料的褶折叠平行的两端粘接在一起而得到的基本上圆柱形的过滤材料；芯核(多孔内筒)；套筒(多孔外筒)；及两个端盖(上盖和下盖部分)，其中过滤材料插入芯核和套筒之间，并且用上端盖和下端盖夹住，而其上端和下端通过加热熔合与所述端盖结合，使液体不能通过，所述筒状过滤器包括字母W形的截面，其中在与褶折叠正交的过滤器材料截面中存在一个峰折叠线(a)，接着在其两侧有两个谷折叠线(b)，以及在其两侧的两个峰折叠线(c)，以使在套筒一侧上形成一个低峰部，接着在其两侧上的芯核一侧上有两个谷部，以及在其两侧上的套筒一侧上的两个高峰部。
2.权利要求1的筒状过滤器装置，其中在所述过滤器材料的至少一面上使用支撑材料。
3.权利要求1或2的筒状过滤器装置，其中形成低峰部的峰折叠部分(a)与谷部(b)之间的间距A(mm)与形成高峰部的谷部(b)与峰折叠部分(c)之间的间距B(mm)的比(A/B)为0.3或更高，至小于1。
4.权利要求1～3之一的筒状过滤器装置，其中所述芯核的外径D(mm)和过滤器材料谷折叠线的总数n与过滤器材料和支撑材料的总厚度t(mm)的关系为n＝(πD/2t)×(1.1～1.9)。
全文摘要
一种过滤效率高、过滤器寿命长、可以低成本生产的筒状过滤器装置。一种具有过滤材料、芯核、套筒及两个端盖(上下盖部)的外－内－流通型褶型筒状过滤器装置。在与褶折叠正交的过滤器材料截面中，有一个峰折叠线(a)、在一个峰折叠线两侧的两个谷折叠线(b)及在两个谷折叠线两侧上的两个峰折叠线(c)。因此该筒状过滤器装置包括字母W形的截面，其中在套筒一侧上有一个低峰部、在一个峰部两侧上的芯核一侧上有两个谷部、在两个谷部两侧上的套筒一侧上有两个高峰部。
文档编号B01D69/04GK1942235SQ200580010988
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月14日 优先权日2004年4月15日
发明者桑原宽一, 藏田幸一 申请人:安格斯公司