(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと、該ガスタービンに入るガス流から粒子を除去するための空気吸入口フィルターとを含むシステムであって、該フィルターが複合フィルター媒体（１０）とフレーム（１４）とを含み、該複合フィルター媒体（１０）と該フレーム（１４）との間に気密性の嵌合を作るために該フィルター媒体（１０）が該フレーム（１４）内に取り付けられており、該フィルター媒体（１０）が、
多孔質ポリマー膜を含む膜フィルター層（２０）と、
繊維を含み、該フィルターを通るガス流の方向について該膜フィルター層（２０）の上流側に配置された、少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）とを含んでなり、
該デプスフィルター媒体層（１８）の該繊維が帯電しており、
該膜フィルター層の粒子濾過効率が該デプスフィルター媒体層の粒子濾過効率よりも高いことを特徴とする、システム。
【請求項２】
前記膜フィルター層（２０）が、多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
支持層（２２）が、前記膜フィルター層（２０）の上流側又は下流側に隣接して配置されている、請求項１又は２のいずれかに記載のシステム。
【請求項４】
前記支持層（２２）が、前記膜フィルター層（２０）に積層されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）が、不織物の繊維状ポリマーウェブを含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項６】
前記不織物の繊維状ポリマーウェブが、メルトブローンウェブである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記膜フィルター層の透過性が、水圧１２．７ｍｍで少なくとも１２８ｍ3／（ｍ2・時間）（フラジール数で少なくとも７）である、請求項１〜６のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）のそれぞれの透過性が、水圧１２．７ｍｍで少なくとも５５０ｍ3／（ｍ2・時間）（フラジール数で少なくとも３０）である、請求項１〜７のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項９】
前記複合フィルター媒体（１０）の粒子濾過効率が、面速度１０ｃｍ／秒以下で０．３μｍ大の粒子について少なくとも９０％である、請求項１〜８のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１０】
前記膜フィルター層（２０）の先端（２６）と前記少なくとも１つのデプスフィルター層（１８）とが揃うように、前記膜フィルター層（２０）及び前記少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）がプリーツ加工されている、請求項１〜９のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１１】
前記フィルター媒体（１０）がプリーツパネルとして成形されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記パネルの２つの端部が接合されて、円筒状フィルター媒体を形成する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記膜フィルター層（２０）が、フィブリルで相互連結された一連のノードからなる内部微細構造を有する、微孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）膜であって、該ノードがほぼ平行に配置しており、高度に引き伸ばされて、アスペクト比が２５：１以上である、請求項１〜１２のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１４】
前記ノードのアスペクト比が１５０：１以上である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が、ＰＴＦＥホモポリマーと変性ＰＴＦＥポリマーとのブレンドである、請求項１３又は１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６】
前記膜フィルター層の平均流量孔径が１．５μｍより大きい、請求項１３〜１５のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１７】
前記平均流量孔径が約３μｍである、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ガスタービンの空気流能力が５００００ｍ3／時間より大きい、請求項１〜１７のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１９】
ガスタービンに入るガス流から粒子を除去する方法であって、空気吸入口フィルターがガス流から粒子を除去するために使用され、該空気吸入口フィルターが、複合フィルター媒体（１０）とフレーム（１４）とを含み、該複合フィルター媒体（１０）と該フレーム（１４）との間に気密性の嵌合を作るために該フィルター媒体（１０）が該フレーム（１４）内に取り付けられているように選択され、該フィルター媒体（１０）が、
多孔質ポリマー膜を含む膜フィルター層（２０）と、
繊維を含み、該フィルターを通るガス流の方向について該膜フィルター層（２０）の上流側に配置された、少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）とを含んでなり、
該デプスフィルター媒体層（１８）の該繊維が帯電しており、
該膜フィルター層の粒子濾過効率が該デプスフィルター媒体層の粒子濾過効率よりも高いことを特徴とする、方法。
【請求項２０】
前記膜フィルター層（２０）が、多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
支持層（２２）が、前記膜フィルター層（２０）の上流側又は下流側に隣接して配置されている、請求項１９又は２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記支持層（２２）が、前記膜フィルター層（２０）に積層されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）が、不織物の繊維状ポリマーウェブを含む、請求項１９〜２２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２４】
前記不織物の繊維状ポリマーウェブが、メルトブローンウェブである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記膜フィルター層の透過性が、水圧１２．７ｍｍで少なくとも１２８ｍ3／（ｍ2・時間）（フラジール数で少なくとも７）である、請求項１９〜２４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）のそれぞれの透過性が、水圧１２．７ｍｍで少なくとも５５０ｍ3／（ｍ2・時間）（フラジール数で少なくとも３０）である、請求項１９〜２５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２７】
前記複合フィルター媒体（１０）の粒子濾過効率が、面速度１０ｃｍ／秒以下で０．３μｍ大の粒子について少なくとも９０％である、請求項１９〜２６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２８】
前記膜フィルター層（２０）の先端（２６）と前記少なくとも１つのデプスフィルター層（１８）とが揃うように、前記膜フィルター層（２０）及び前記少なくとも１つのデプスフィルター媒体層（１８）がプリーツ加工されている、請求項１９〜２７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２９】
前記フィルター媒体（１０）がプリーツパネルとして成形されている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記パネルの２つの端部が接合されて、円筒状フィルター媒体を形成する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記膜フィルター層（２０）が、フィブリルで相互連結された一連のノードからなる内部微細構造を有する、微孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）膜であって、該ノードがほぼ平行に配置しており、高度に引き伸ばされて、アスペクト比が２５：１以上である、請求項１９〜３０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項３２】
前記ノードのアスペクト比が１５０：１以上である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が、ＰＴＦＥホモポリマーと変性ＰＴＦＥポリマーとのブレンドである、請求項３１又は３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
前記膜フィルター層の平均流量孔径が１．５μｍより大きい、請求項３１〜３３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項３５】
前記平均流量孔径が約３μｍである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
空気流が５００００ｍ3／時間より大きいガスタービンの空気吸入口における、請求項１９〜３５のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに入るガス流から粒子を除去するための、タービン空気吸入口フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に清浄な空気をガスタービンの吸入口に供給することは重要である。吸入空気中の小さい粒子がブレードに付着して、タービンの圧縮区域に汚れが生じる場合がある。従って、吸入空気は最初にフィルターシステムを通過してからタービンに入る。フィルターシステムは厳しい環境中、例えば、沖合のプラットフォーム、及び熱帯地域、北極地域や砂漠地域において、高い信頼性で作動しなければならない。高効率のフィルターシステムの典型的な用途のいくつかは、非常用発電装置、現代の航海船のガスタービン、及びソルトストック（salt stock）からガスが掘り出されるガス採掘作業である。タービンが早く腐食しないように、フィルターシステムは水及び塩粒子の進入を防止しなければならない。例えば、吸入空気中の塩粒子は、燃焼室の後ろに位置するタービンの熱水路区域において腐食を引き起こすことが分かっている。
【０００３】
今日一般的に使用されるフィルターシステムは、非常に複雑であって、多ステージ型すなわち「カスケード」型である。カスケードフィルターシステムは、連続しているが独立した複数のステージから構成され、それらのステージには、機械的な飛沫保護（例えばルーバー付きフード）と、その後に霧から水滴を除去するデミスターとが含まれる。次に、フィルターシステムを非常に汚染された地域で使用する予定がある場合は、最終ステージフィルターの寿命を延ばすために、プレフィルターを必要に応じて設ける。このように、吸入空気は非常に効率的なデプスフィルターを通過し、その粒子濾過効率は動作条件で０．５μｍ大の粒子について例えば８５％である。最後に、塩除去用の分離フィルターをフィルターシステムの下流に取り付ける。プレフィルター、デプスフィルター及び塩フィルターは、カートリッジ、パネル、小型プリーツ及びフィルターバッグのような様々な設計構造で並べること可能である。多数のそのようなカートリッジを並列につないで、タービンに十分な空気流を提供する。例えば、単一の小型ガスタービンは、１時間あたり５００００ｍ3を超える空気を必要とする場合がある。必要とする吸入空気量に応じて、完成したフィルターシステムで１つ以上のハウジングを満たしてもよい。
【０００４】
上述のカスケードフィルターシステムの提供する、埃、塩及び水の進入からの保護は、非常に限られているのが一般的である。さらに、これらのシステムは、様々なフィルターステージの頻繁な維持管理を必要とするのに加えて、塩及び水の進入によって生じる腐食のため修理を必要とする。非常に汚染された環境中では、３〜６ヶ月毎の整備のためにコアを完全に取り外すことが珍しくない。
【０００５】
従って、より長寿命で、維持管理が少なく、かつ水及び塩の除去能力が改善された、より軽量かつ簡単な構造のフィルターシステムを設計することが望ましい。そのようなシステムによれば、厳しい環境条件中で使用するガスタービンがより保護されるであろう。
【０００６】
欧州特許出願公開第１２６６６８１号には、タービンの汚染がより起こりにくいガスタービン用のフィルター媒体が記載されている。そのフィルター媒体には、多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）膜と２つの空気透過性支持層とが含まれている。この２つの支持層のうち少なくとも一方は、膜の上流側に配置されて、大気の埃に関するプレフィルターとして機能する。２つの支持層のもう一方は、膜の下流側又は第１の支持層と膜との間のいずれかに配置されて、強化部材として機能する。しかしながら、追加の支持層を設けてもよく、さらには、膜の上流側の単一の支持層内部にプレフィルター機能及び強化機能を組み合わせることも示唆されている。
【０００７】
空気透過性支持部材は、ポリオレフィン繊維からなる不織布から好ましくは作られるものとして記載されており、プレフィルター材料の場合、その繊維の平均繊維径は０．２μｍ〜１５μｍであり、布帛の質量は３０ｇ／ｍ2である。これらの空気透過性は、多孔質ＰＴＦＥ膜の空気透過性より高くなければならない。多孔質ＰＴＦＥ膜は、平均孔径が０．０１μｍ〜５μｍ、特に唯一の例では１μｍであり、平均繊維径が０．２μｍ〜１．０μｍ、その例では０．２μｍであって、流速５．３ｃｍ／秒で空気が膜を通過したときに、圧力損失は５０Ｐａ〜１０００Ｐａ、特にその例では１７６．５Ｐａを示すものとして記載されている。結果として、フィルター媒体の全体の厚さは０．１５ｍｍ及び０．３ｍｍである。
【０００８】
発明の記載において、静電気は望ましくないものとして記載されているため、フィルター媒体を放電するのに特別な方策が採られている。結論として、静電気の帯電を防ぐために、空気透過性支持部材は耐帯電性材料から作られている。
【０００９】
欧州特許出願公開第１２６６６８１号に記載された単一ステージフィルター媒体の屋外用途は今までのところ見られない。そのようなフィルター媒体は、上述の要求に合致する方向性を示唆するが、ガスタービン内で屋外用途に適したものとするためには、そのようなフィルター媒体のさらなる改良が必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、全体の構造は欧州特許出願公開第１２６６６８１号に示唆されたものと基本的に同様であるが、いくつか変更したタービン空気吸入口フィルターによって上記課題が達成される。このように、タービン空気吸入口フィルターは、複合フィルター媒体とフレームとを含み、その複合フィルター媒体とそのフィルターとの間に気密性の嵌合を作るためにそのフィルター媒体がそのフレーム内に取り付けられており、そのフィルター媒体は、多孔質ポリマー膜を有する膜フィルター層と、繊維を含み、そのフィルターを通る空気流の方向についてその膜フィルター層の上流側に配置された少なくとも１つのデプスフィルター媒体層とを含んでなる。本発明によれば、プレフィルターとして作用するデプスフィルター媒体層の繊維は帯電している。
【００１１】
帯電したフィルター材料を様々な既知の技術を用いて作ってもよいが、簡便な方法の１つである繊維ウェブの低温チャージが米国特許第５４０１４４６号に記載されている。帯電した繊維は、小さい粒子を繊維に引き寄せてそれらを保持することによって、フィルター性能を高める。そのことによるフィルター媒体の圧力損失は、デプスフィルター媒体が帯電していない場合と比べて遅い速度で増加することが分かっている。
【００１２】
小さい粒子をデプスフィルター媒体（プレフィルター）内部で除去すると、（「デプス（深さ）」フィルター媒体と比較して「表面」フィルター媒体である）膜の表面にフィルターケーキが積み上がることに起因する、膜フィルター層の早い目詰まりが防止される。こうしてフィルターケーキの透過性がより長期間にわたって維持される。本発明のフィルターは、フィルター交換を必要とせずに最大で２年間にわたり、非常に汚染された地域で連続使用するための設計が可能であると推定される。
【００１３】
空気流及びその結果生じる圧力損失に耐えるための支持を提供するために、デプスフィルター媒体と異なる支持層を膜の上流側又は下流側に設けるのが好ましい。しかしながら、その支持層がフィルター媒体の全体の透過性に実質的な影響を及ぼすことに注意すべきである。このことは、支持層が膜に積層されている好ましい場合に特にあてはまる。結論として、支持層の積層に起因して、フィルターの透過性が１／５に減少する可能性がある。
【００１４】
デプスフィルター媒体層が好ましくは不織物の繊維状ウェブ、特にメルトブローンウェブを含むのに対し、膜フィルター層は多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）で作られるのが好ましい。ｅＰＴＦＥは疎水性であり、その微細な微孔質構造は、水の進入に抵抗し、高効率で小さい粒子を捕捉する表面をもたらす。従って、その表面は塩の粒子の通過も効率的に防止する。米国特許第５８１４４０５号に記載されたｅＰＴＦＥ膜を使用することが、特に有利であることが分かっている。その文献に記載された膜の濾過効率、空気流及び破裂強度は高い。適したｅＰＴＦＥ膜を作る方法はその文献に十分に記載されており、参照することにより本明細書の一部とする。これらのｅＰＴＦＥ膜は、Ｗ．Ｌ．  Ｇｏｒｅ  ＆  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，  Ｉｎｃ．，  Ｎｅｗａｒｋ，  Ｄｅｌａｗａｒｅから入手できる。しかしながら、他の手段によって製造された同じ構造のｅＰＴＦＥ膜も使用可能である。
【００１５】
この特定種類のｅＰＴＦＥ膜は、関連する因子（空気透過性、水及び塩の保持、粒子濾過効率及び取り扱い）の間で良好なトレードオフを提供する。特に、プリーツカートリッジ又はパネルフィルターを形成するためにフィルター媒体を折り畳む場合に典型的に生じるピンホールは、そのようなｅＰＴＦＥ膜を使用すれば、もはや問題にならないと思われる。
【００１６】
この膜の有するこれらの有利な特性は、膜の微細構造に起因する可能性がある。より詳細には、米国特許第５８１４４０５号に記載されたｅＰＴＦＥ膜は、フィブリルで相互連結された一連のノードから本質的になる内部微細構造を有し、そこではノードがほぼ平行に配置しており、高度に引き伸ばされて、そのアスペクト比が２５：１以上、好ましくは１５０：１以上である。この構造は、ｅＰＴＦＥ膜をＰＴＦＥホモポリマーと変性ＰＴＦＥポリマーとのブレンドから形成した場合に実現可能である。
【００１７】
米国特許第５８１４４０５号に開示された膜の平均流量孔径は１．５μｍ以下であるのに対して、本発明の目的のためには、平均流量孔径が１．５μｍより大きく、特に１．５μｍ〜１５μｍであることが好ましく、ある好ましい実施態様では約３μｍである。この気孔径は、所望の多孔性が得られるまで、製造中に長手方向及び／又は横方向に膜をさらに延伸することによって、容易に実現可能である。
【００１８】
こうして、ｅＰＴＦＥ膜及び支持層を含むプリーツ加工した積層体を用いた複合フィルター媒体と、少なくとも１つの帯電したメルトブローンフィルター媒体とを含んでなり、その積層体の空気透過性がフラジール数で約３〜約１５であり、粒子濾過効率が、１０ｃｍ／秒、特定の実施態様では５．３ｃｍ／秒、又はより低い面速度にて、０．３μｍ大の粒子について少なくとも９０％、特に９５％を超えるのに対し、そのメルトブローンフィルター媒体の空気透過性がフラジール数で約３０〜約１３０であり、粒子濾過効率が、０．３μｍ大の粒子について少なくとも５０％である、タービン空気吸入口フィルターを提供することが可能である。面速度が１ｃｍ／秒から最大１０ｃｍ／秒で０．３μｍの粒子について９９％を超える濾過効率は、そのような複合フィルター（Ｈ１２−１３）から得ることができ、ガスタービンの空気吸入口用途に非常に望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明を用いれば、別個のデミスターはもはや必要ではない。また、本発明のフィルター媒体を−６０℃〜＋７０℃の最も過酷な環境で使用可能なように、任意選択のプレフィルターが既にフィルター媒体の一部を形成している。最後に、膜媒体が耐水性（ＩＰ  Ｘ５）であって高い塩保持力も提供するため、別個の塩フィルターはもはや必要ではない。こうしてタービン部品の腐食が効果的に防止される。本発明による単一ステージフィルター媒体は軽量で、最も過酷な環境条件下で２年以上の寿命を有すると推定される。
【００２０】
複合フィルター媒体の多層構造に起因して、非常に少量の空気中粒子がプレフィルターを透過し、ある遅れを伴って膜表面に到達する。このように、濾過効率が約９０％のメルトブローンプレフィルターが粒子の大部分をあらかじめ濾過する。経時でフィルターケーキがプレフィルターの上流側に積み上がる。そのようなフィルターケーキは追加の濾過効果を提供する。フィルターケーキの濾過効率は経時で高くなり、ある種のプレフィルターを構成する。上述の方法で装填したフィルターを、例えば相対湿度が９０％を超える多湿環境に暴露する場合、フィルターケーキは全体のフィルター媒体のための重要な機能を示す。より詳細には、仮にフィルターケーキが膜材料表面に直接積み上がった場合であれば、多湿環境中でフィルターケーキ粒子が膨潤してフィルター媒体全体の圧力損失が増大したであろう。しかしながら、プレフィルターのような手段によって膜表面からフィルターケーキを分離する場合、そのような圧力損失の増加量はより少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のタービン空気吸入口フィルター用の複合フィルター媒体の横断面図である。
【図２】フィルター媒体の下流側に別個の支持層を備えた、他の複合フィルター媒体の横断面図である。
【図３】中央に配置されている別個の支持層を備えた、さらに別のフィルター媒体の横断面図である。
【図４】フィルター媒体の上流側に追加の安定化層を備えた、別のフィルター媒体の横断面図である。
【図５】タービン空気吸入口フィルターとして使用するフィルターの斜視図である。
【図６】タービン空気吸入口フィルターとして使用するカートリッジフィルターの斜視図である。
【図７】例として、複合フィルター媒体の部分を形成する、好ましい膜フィルター層の構造の拡大横断面図を示す。
【図８】他の膜フィルターと比べて、複合フィルター媒体の性能が改良されたことを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明のタービン空気吸入口フィルターに使用される複合フィルター媒体は、少なくとも２つのフィルター層、すなわち、膜フィルター層及びデプスフィルター層を提供する。膜フィルター層は多孔質ポリマー膜を含む。少なくとも１つのデプスフィルター媒体層が、空気流の方向に対して膜フィルター層の上流に配置される。必要に応じて、複合フィルター媒体が支持層を含んでもよい。この支持層を、フィルターを通る空気流に対して膜フィルター層の上流又は下流のいずれかに配置してもよい。必要に応じて支持層を膜に積層してもよい。
【００２３】
図１〜３に、全体の厚さが好ましくは０．５〜１．５ｍｍである、いくつかの態様の複合フィルター媒体１０の横断面を示す。デプスフィルター媒体層１８は、膜フィルター層２０の上流に位置しており、流れの方向は矢印で示されている（図１）。図２に示すのは、膜フィルター層２０の下流側に配置した支持層２２を含むフィルター媒体１０である。図３では、デプスフィルター媒体層１８と膜フィルター層２０との間で、膜フィルター層２０の上流側に支持層２２が配置されている。支持層２２は、熱的に又は接着剤によって膜フィルター層２０に積層されているのが好ましいが、デプスフィルター媒体層１８は、膜フィルター層２０及び支持層２２とそれぞれ緩く接触していてもよい。
【００２４】
さらに図４に示すように、例えば繊維状のネット形状の安定化層２３を、フィルター媒体１０の取り扱い及び加工中にデプスフィルター媒体層１８の繊維が乱れることを防ぐために、デプスフィルター媒体層１８の上に最上層として配置してもよい。安定化層２３は、面積質量が約５〜約１０ｇ／ｍ2のメルトブローンから作るのが好ましく、熱的に、機械的に又は接着手段により、デプスフィルター媒体層１８に取り付けてもよい。
【００２５】
図５からよりよく分かるように、より良好な構造的一体性を提供し、かつ濾過のために露出した表面積を大幅に増大するために、プリーツ加工した様式でフィルター媒体１０自体を折り畳むのが好ましい。膜フィルター層２０の先端２６とデプスフィルター層１８とが揃うように媒体がプリーツ加工される。プリーツの高さは、好ましくは２５０ｍｍ以下であってよく、最も好ましくは約３０〜約９０ｍｍであってよい。図５に示すフィルター媒体１０はプリーツ加工したパネルを形成するようにプリーツ加工されているが、パネルの２つの端部を接合して円筒状フィルター媒体を形成するのが望ましい場合も多い（図６）。最大で５ｃｍ／秒、さらには５ｃｍ／秒を超える高い面速度でフィルターが稼働可能であるように、プリーツは上流側及び／又は下流側にあるスペーサによって安定化されるのが好ましい。また、１回以上の高圧の逆流パルスを与えることによってフィルター媒体を洗浄する（「バックパルス法」）ためには、強いプリーツを形成する必要がある。
【００２６】
図５に、フレーム１４内部に取り付けられた複合フィルター媒体１０を備えた、新規フィルターを図示する。フレーム１４の寸法は用途に固有であり、濾過するガス／空気を運ぶ導管内部に密接に嵌合するように設計されなければならない。フレームは任意の材料からなっていてよく、例えば、アルミニウムもしくは亜鉛めっき鋼板を含む金属、又は構造ポリマーからなっていてよい。フレームは陽極酸化アルミニウムから構成されるのが好ましい。フィルター媒体１０とフレーム１４との間に気密性の嵌合を作ってフィルター媒体１０の周りで濾過されていない空気が漏出しないように、フィルター媒体１０をフレーム１４内に取り付けなければならない。ポッティング材料２４、例えば、ポリウレタン、エポキシ、シリコーン、ホットメルト接着剤又はプラスチゾルを用いて、フィルター媒体１０をフレーム１４に取り付けるのが理想的である。密接なシールを作るには、確実に連続シールとするためフィルター媒体１０中に浸み込むように、ポッティング材料２４を選択又は処理しなければならない。カートリッジの一例では、空気流能力が５００〜１５００ｍ3／時間、好ましくは約１０００ｍ3／時間となるように媒体１０を設計可能である。
【００２７】
必要に応じて、ルーバー付きのフードをフィルター前面の機械的な飛沫保護として配置してもよい。
【００２８】
複合フィルター媒体１０のデプスフィルター媒体層１８は、ポリプロピレン又はポリエチレンからなるスパンボンド又は好ましくはメルトブローンウェブのような不織物の繊維状ポリマーウェブ、ポリエステル不織布、ガラスファイバー、ガラスマイクロファイバー、セルロース及びポリテトラフルオロエチレンであることが好ましい。
【００２９】
メルトブローンウェブは、溶解した紡糸繊維を加熱した空気の収束流れを用いて引っ張り、極度に細いフィラメントを作ることによって製造される。メルトブローン加工は、典型的には１０μｍ未満の比較的小径の繊維を有する、サブデニールの連続した繊維を形成する。
【００３０】
メルトブローンポリマー繊維ウェブ層を、様々な種類のポリマー材料、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリメチルメタクリレート、及びポリエチレンから作ってもよい。ポリプロピレンは中でもより好ましいポリマー材料である。典型的には、ウェブを形成するポリマー繊維径は約０．５μｍ〜約１０μｍである。繊維径が約１μｍ〜約５μｍであることが好ましい。
【００３１】
デプスフィルター層の厚さは重要ではない。デプスフィルター媒体がメルトブローンウェブの場合、例えばその厚さは約０．２５ｍｍ〜約３ｍｍであってよい。厚いほど収塵容量（dust capacity）が大きくなる。しかしながら、過度に厚いデプスフィルター媒体層では、複合フィルター媒体に使用できる層の合計数が制約される場合がある。
【００３２】
また、デプスフィルター媒体の坪量を選択することも当業者の能力の範囲内である。メルトブローンポリマー繊維ウェブの坪量は、例えば、約１ｇ／ｍ2〜約１００ｇ／ｍ2であってよく、好ましくは、メルトブローン繊維ウェブの坪量は、約１０ｇ／ｍ2〜約５０ｇ／ｍ2である。
【００３３】
少なくとも１つのデプスフィルター媒体を、帯電した高効率層を含むエレクトレットフィルター媒体として形成する。様々な既知の技術を用いて、濾過性能を改良するために電荷がメルトブローンの繊維状ウェブに付与される。
【００３４】
例えば、Ｔｓａｉらの米国特許第５４０１４４６号に教示されている方法で、隣接する電界が互いに実質的に反対の極性を有するようにして、一連の電界にウェブを連続的にさらすことによって、適当なウェブが簡便に低温チャージされる。その文献に記載されているように、ウェブの一方の面が最初に正電荷にさらされ、ウェブのもう一方の面が最初に負電荷にさらされる。その後、ウェブの第１面を負電荷にさらし、ウェブの他の面を正電荷にさらす。しかしながら、エレクトレットフィルター材料を、他の様々な既知の技術によって作ってもよい。
【００３５】
また、デプスフィルター媒体は、濾過性能を高めるために添加剤を含有してもよく、性能を改良するために低水準の抽出性炭化水素を有してもよい。繊維は、ある種の溶融加工可能なフルオロカーボン、例えば、フッ素系オキサゾリジノン及びピペラジン、並びにパーフルオロ部位を含有するオリゴマー化合物を含んでもよい。そのような添加剤を使用することは、帯電したウェブフィルターの性能に特に有益となりうる。
【００３６】
デプスフィルター層１８の下流には、微孔質ポリマー膜フィルター層２０が配置される。微孔質ポリマー膜２０は、デプスフィルター層を通過する粒子を捕捉することを目的とする。微孔質ポリマー膜は、流体の流れからの粒子及び生物体の除去において信頼性があることが示されている。膜のポリマー組成、空気透過性、水の侵入圧力及び濾過効率によって、一般的に膜が特徴付けられる。
【００３７】
用途の要求に応じて、様々な微孔質ポリマー膜を膜フィルター層として使用できる。膜フィルター層は、以下の例示的な材料：ニトロセルロース、トリアセチルセルロース、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、アクリレート共重合体から構成してもよい。
【００３８】
膜フィルター層は、液体の通過が防止可能な疎水性材料から構成されるのが好ましい。膜フィルター層は、フィルター媒体を液体が通過することなく、フィルター媒体を横断して与えられた差圧に耐えることが可能でなければならない。好ましい膜においては、水の侵入圧が０．０１ｂａｒ〜０．２５ｂａｒであり、平均空気透過性がフラジール数で約７〜約１００であり、より好ましくは平均空気透過性がフラジール数で少なくとも約３０であり、最も好ましくはフラジール数で少なくとも約６０である。
【００３９】
膜フィルター層は、微孔質フルオロポリマー、例えばｅＰＴＦＥ、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシポリマー（ＰＦＡ）、ポリプロピレン（ＰＵ）、ポリエチレン（ＰＥ）又は超高分子量ポリエチレン（ｕｈｍｗＰＥ）であることが好ましい。
【００４０】
膜フィルター層がｅＰＴＦＥを含むことが最も好ましい。適したｅＰＴＦＥ膜は米国特許第５８１４４０５号に記載されている。その文献に記載された膜は、良好な濾過効率、高い空気流及び破裂強度を備えている。図７に上述の米国特許から取ったＳＥＭ写真を示し、その文献に記載されたｅＰＴＦＥ膜の微細構造の例を示すために、図７を本出願に導入する。見て分かるように、膜の微細構造はフィブリルで相互連結された一連のノードからなり、そこではノードがほぼ平行に配置しており、高度に引き伸ばされて、そのアスペクト比が２５：１以上である。微細構造の長いノードは、フィルターのプリーツ加工中に膜の分裂を防止する助けとなって、ピンホール形成の危険を回避する。
【００４１】
ある種のフィルター特性を改良するために、膜フィルター層２０は必要に応じてフィラー材料を含有してもよい。カーボンブラックのような適当なフィラーもしくは他の伝導性フィラー、触媒粒子、フュームドシリカ、コロイダルシリカ、もしくは活性炭のような吸着材料、又は活性アルミナ及びＴｉＯ2のようなセラミックフィラー、及び本発明に有用なフィラー充填膜の調製方法は、米国特許第５８１４４０５号に十分に記載されている。
【００４２】
支持層２２はフィルター層２０を安定化するために設けられる。従って、好ましい支持材料は、膜及びデプスフィルター層を支持するのに十分な剛性があるが、膜の損傷を防ぐのに十分に柔軟かつしなやかでなければならない。支持層２２は不織布又は織布を含んでもよい。適した支持層材料の他の例として、織物及び不織物の、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラスファイバー、ガラスマイクロファイバー及びポリテトラフルオロエチレンが挙げられるが、これらに限られない。プリーツ加工した配置において、この材料は、プリーツを離して保持（すなわちプリーツが崩れることを防止）しつつ、プリーツの中に空気の流路を提供しなければならない。スパンボンド不織物のような材料が、この用途で使用するのに特に適している。
【００４３】
支持層２２を膜フィルター層２０の上流又は下流に配置してもよい。支持材料２２を膜フィルター層に積層して基層を形成してもよい。有利なことに、この態様における基層は、上に重なるメルトブローン媒体層に支持を提供しかつ最後の濾過表面としても機能する。
【実施例】
【００４４】
試験法
透過性：空気透過性はフラジール数試験法に従って決定できる。この方法では、試験サンプルをガスケット付きフランジのある固定具にクランプ留めして、空気透過性を測定する。その固定具は、空気流測定のための直径およそ２．７５インチ及び面積およそ６平方インチの円形区域を提供する。サンプル固定具の上流側を、乾燥圧縮空気源と一列になった流量計に接続する。サンプル固定具の下流側は大気に開放する。サンプルの上流側に水０．５インチの空気圧を与えて、インライン流量計（球状浮き子式流量計）を通過する空気の流量を記録することによって、試験を行う。サンプルの状態を２１℃、相対湿度６５％で少なくとも４時間調整してから試験を行う。水圧０．５インチでの立方フィート／分／サンプルの平方フィートを単位とする、フラジール数について結果を報告する。
【００４５】
収塵容量（dust capacity）：収塵容量は以下の方法に従って決定できる。塩化ナトリウム３％水溶液を一定出力の噴霧器（ＴＳＩ  Ｍｏｄｅｌ  ３０９６，  Ｓｈｏｒｅｖｉｅｗ，  ＭＮ）で霧化する。８０℃で加熱して粒子を乾燥し、次に清浄な乾燥空気で希釈する。粒径分布はエアロダイナミックパーティクルサイザー（例えば、ＴＳＩ  Ｍｏｄｅｌ  ３３２０，  Ｓｈｏｒｅｖｉｅｗ，  ＭＮ）によって測定する。幾何平均粒径及び標準偏差を決定する。
【００４６】
直径４４．４ｍｍのフィルター試験サンプルを試験前に秤量して、フィルターホルダーの内側に配置する。面速度を５３ｍｍ／秒に設定する。フィルターを横断する圧力損失を、圧力変換器（例えば、Ｈｅｉｓｅ  Ｍｏｄｅｌ  ＰＭ１０，  Ｓｔｒａｔｆｏｒｄ，  ＣＴ）によって連続的に監視する。フィルター媒体を横断する最終圧力損失が７５０Ｐａに到達するまで、フィルターに塩化ナトリウムエアロゾルを載せる。試験後に再度試験サンプルを秤量して、載っている質量を決定する。埃の保持容量（dust loading capacity）は試験サンプルの最終質量及び初期質量の差である。
【００４７】
濾過効率：粒子収集効率は、自動効率試験装置（例えば、ＴＳＩ  Ｉｎｃ．，  Ｓｔ．  Ｐａｕｌ，  Ｍｉｎｎｅｓｏｔａから入手可能なＭｏｄｅｌ  ８１６０）によって測定する。試験は周囲の室温（７０°Ｆ）及び相対湿度条件（４０％）で行う。ジオクチルフタレート（ＤＯＰ）溶液を霧化して、直径０．０３〜０．５μｍの粒子を含有するエアロゾルを生成する。このエアロゾルを用いて空気流速５．３ｃｍ／秒でフィルターサンプルを攻撃する。２つの凝縮核パーティクルカウンターで、試験サンプルの上流及び下流の粒子濃度を同時に測定する。粒子収集効率を、フィルターによって収集された上流の攻撃粒子の百分率として報告する。
【００４８】
帯電及び放電したメルトブローンの比較：帯電及び放電したメルトブローン（ＭＢ）の効率の違いを、３つの例であるＡ、Ｂ及びＣについて以下の表１に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
例Ａは、支持層として２０３ｇ／ｍ3のポリエステルスパンボンド基材を備えたｅＰＴＦＥ膜を含む、ｅＰＴＦＥ膜積層体に関する。膜の透過性はフラジール数で約７．６であり、いくつかの試験条件下で収塵容量は６．４ｇ／ｍ3を示す。
【００５１】
例Ｂは、例ＡのｅＰＴＦＥ膜積層体に超音波接合された３０ｇ／ｍ2ポリプロピレンメルトブローンを有する、本発明の複合フィルター媒体に関する。この例で使用したメルトブローンは、Ｅａｓｔ  Ｗａｌｐｏｌｅ，  ＭＡにある、Ｈｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈ  ａｎｄ  Ｖｏｓｅ  Ｃｏｍｐａｎｙから、品番ＴＲ１４６２Ａとして入手できる。大きさが約０．８ｍｍでおよそ５５５００点／ｍ2存在する、小さな接合点でフィルターの全面にわたって超音波接合する。同じ試験条件下で、複合フィルター媒体の透過性はフラジール数で約４．９であって、フィルター媒体の収塵容量は９．１ｇ／ｍ3を示しており、これは４３％の改善である。
【００５２】
例Ｂの複合フィルター媒体は本発明に従って帯電しているのに対し、例Ｃは、同じ複合フィルター媒体に関するが、そのフィルター媒体をイソプロピルアルコールすなわちイソプロパノールにディップして静電気を中和し、その後乾燥することによって放電してある。予想されたように透過性は大きく変化しないが、例Ｃは例Ｂと比べて収塵容量が低い、すなわち、収塵容量がわずか３．２ｇ／ｍ2である。驚くべきことに、帯電していない複合フィルター媒体の収塵容量は、ｅＰＴＦＥ積層体単体の収塵容量よりもさらに低い結果である。
【００５３】
比較例：Ｗ．Ｌ．  Ｇｏｒｅ  ＆  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，  Ｉｎｃ．  （Ｎｅｗａｒｋ，  ＤＥ）から入手可能な微孔質ｅＰＴＦＥ膜積層体で、膜フィルターの保持容量を例証する。このｅＰＴＦＥ膜の空気透過性はフラジール数で１８〜２９の範囲にあり、平均で約２５であって、ボール破裂強度は０．２ｂａｒを超え、質量は約５ｇ／ｍ2であり、濾過効率は面速度５．３ｃｍ／秒で約９５％以上である。その膜の水の侵入圧は約１００ｍｂａｒである。このｅＰＴＦＥ膜は、坪量が２７０ｇ／ｍ2、空気透過性がフラジール数で２８〜３２、ミューレン破裂が１４ｂａｒより大きい、ポリエステルスパンボンド支持材料（東レ（日本）から入手可能）に接合されている。この膜は、温度１８０℃〜３５０℃、圧力０．１〜７ｂａｒでその支持材料に接合される。得られるｅＰＴＦＥ積層体の空気透過性はフラジール数で５〜８である。上述の試験手順に従って、圧力損失が７５０Ｐａに到達するまで塩化ナトリウムエアロゾルをフィルターに載せる。この積層体の埃の保持曲線を図８に示す。埃の保持容量は合計で１４ｍｇである。
【００５４】
例１：１０ｇ／ｍ2メルトブローン媒体（ＤｅｌＳｔａｒ，  Ｉｎｃ．，  Ｍｉｄｄｌｅｔｏｗｎ，  ＤＥから入手可能な、ＤｅｌＰｏｒｅ  ６００１−１０Ｐ）の層を、比較例のｅＰＴＦＥ膜積層体の上流に配置して、複合媒体を形成する。メルトブローン媒体は、１０ｇ／ｍ2ポリプロピレンメルトブローン層と１０ｇ／ｍ2ポリエステルスパンボンドスクリムとから作られている。ポリプロピレン繊維の直径は１〜５μｍである。平均孔径は約１５μｍであり、媒体の厚さは約０．２ｍｍである。デプスフィルター層の空気透過性はフラジール数で約１３０である。粒子収集効率を高めるため媒体は帯電している。上述の試験手順に従って、圧力損失が７５０Ｐａに到達するまで塩化ナトリウムエアロゾルをフィルターに載せる。保持曲線を図８に示す。
【００５５】
例２：３０ｇ／ｍ2メルトブローン媒体（ＤｅｌＳｔａｒ，  Ｉｎｃ．，  Ｍｉｄｄｌｅｔｏｗｎ，  ＤＥから入手可能な、ＤｅｌＰｏｒｅ  ６００１−３０Ｐ）のデプスフィルター媒体層を、比較例の微孔質ｅＰＴＦＥ積層体の上流に配置して、複合媒体を形成する。メルトブローン媒体は、３０ｇ／ｍ2ポリプロピレン繊維層と１０ｇ／ｍ2ポリエステルスパンボンドスクリムとから作られている。ポリプロピレン繊維の直径は１〜５μｍである。平均孔径は約１５μｍであり、媒体の厚さは約０．５６ｍｍである。メルトブローンの空気透過性はフラジール数で約３７である。粒子収集効率を高めるため媒体は帯電している。このメルトブローン媒体を２層、微孔質ｅＰＴＦＥ積層体の上流に配置する。上述したように、圧力損失が７５０Ｐａに到達するまで塩化ナトリウムエアロゾルをフィルターに載せる。結果を図８に示す。
【００５６】
例３：３０ｇ／ｍ2メルトブローンポリプロピレン（ＤｅｌＳｔａｒ，  Ｉｎｃ．，  Ｍｉｄｄｌｅｔｏｗｎ，  ＤＥ，  ＵＳＡから入手可能な、ＤｅｌＰｏｒｅ  ６００１−３０Ｐ）のデプスフィルター媒体層を、比較例の微孔質ｅＰＴＦＥ積層体の上流に配置して、複合媒体を形成する。メルトブローン媒体は、３０ｇ／ｍ2ポリプロピレン繊維層と１０ｇ／ｍ2ポリエステルスパンボンドスクリムとから作られている。スクリムはこの柔らかいメルトブローン媒体を支持する。ポリプロピレン繊維の直径は１〜５μｍである。平均孔径は約１５μｍであり、媒体の厚さは約０．５６ｍｍである。メルトブローンの空気透過性はフラジール数で約３７である。粒子収集効率を高めるため媒体は帯電している。このメルトブローン媒体の１層を微孔質ｅＰＴＦＥ積層体の上流に配置及び接続して、スクリムが外側の上流側を形成している、複合フィルター媒体を形成する。上述したように、圧力損失が７５０Ｐａに到達するまで塩化ナトリウムエアロゾルをフィルターに載せる。保持曲線を図８に示す。これは例２の保持曲線と実質的に同一である。
【００５７】
複合媒体を使用して、図５に示すカートリッジフィルターを形成する。カートリッジフィルターは、円状に配置された、プリーツ加工した複合媒体材料１０を含み、側端部４の少なくとも一方が、対応する閉止キャップ２ａ、２ｂによってシールされている。カートリッジフィルターの高さは７０ｃｍで、直径は３５ｃｍである。１個のフィルターの、プリーツ加工した複合媒体材料の濾過面積は１２．６ｍ2である。フィルターが新しければ、圧力損失がおよそ１８０Ｐａで１０００ｍ3／時間の空気流量に到達する。媒体材料の円の内側１５には金属グリッドがある。５ＭＷのガスタービンに空気を完全に供給するためには、例えば、６４個のカートリッジフィルターを１つのフィルターハウスに配置してもよい。
【００５８】
フィルターの濾過効率を以下の表２に示す。表２には、（例１で説明した）ｅＰＴＦＥ膜、３０ｇ／ｍ2メルトブローン層、及び例３のフィルター複合体について、効率が示されている。３つ全てのサンプルは、接近速度を１ｃｍ／秒及び５．３ｃｍ／秒として試験した。例３の複合体が最高の濾過効率を有している。
【００５９】
【表２】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図７】
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