(57)【要約】グラスファイバ芯の層に点接合して、領域を画定する複合層を形成する、静電荷電された熱可塑性繊維スクリムの層で作られた高効率微粒子（ＨＥＰＡ）フィルタ。ここで、点接合は、複合層の実質的に全域にわたって散在し、接合点は、溶接されたフィルタ物質の全表面積の約１％〜６％を構成する。複合層は実質的に圧縮しない。また、フィルタを製造する方法も提供する。この方法は、ドラムの表面から突起する多数の突起物を有する超音波回転ドラムを提供し、グラスファイバの層の上に載置されている静電荷電された熱可塑性繊維スクリムの層を突起部がサブアセンブリーを実質的に貫通しないようにドラムの上を通過させ、突起物の先端に載置されているサブアセンブリーをサブアセンブリー内に高周波音波を放射する超音波ホーンの下を通過させて突起物の近傍に点接合を形成することを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラスファイバ芯の層に点接合されて領域を画定する複合層を形成する、静電荷電された熱可塑性繊維スクリム層を含む高効率粒子エアフィルタであって、
点接合を複合層の実質的に全域にわたって分散させ、接合点が、溶接されたフィルタ材料の全表面積の約１％〜約６％を構成し、且つ
複合層が実質的に圧縮されていないことを特徴とする高効率粒子エアフィルタ。
【請求項２】
点接合が、１平方フィートあたり約１５０〜６０００個の溶接点を構成し、該溶接点を複合層の上記表面積に均一に分散させることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
グラスファイバ芯が、エアーレイドまたはウェットレイドされた直径０．２〜２０ミクロンの繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項４】
グラスファイバ芯の厚さが、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項５】
熱可塑性繊維スクリムが、スパン接合またはエアーレイドされたポリエステルウェブであることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項６】
熱可塑性繊維スクリムの厚さが、０．０５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項７】
高効率粒子エアフィルタの製造方法であって、
ドラムの表面から突出する多数の突起物を有する超音波回転ドラムを形成し、その際、突起物の先端が、ドラムの実質的全域に分散して、突起物の先端によって画定される円筒平面の全表面積の約１％〜約６％を構成する工程と、
グラスファイバ芯層の上部に載置されている静電荷電の熱可塑性繊維スクリム層を含むサブアセンブリーを、突起物がサブアセンブリーを実質的に貫通しないようにドラムの上を通過させる工程と、
突起物の先端に載置されているサブアセンブリーを、当該サブアセンブリーを実質的に圧縮せず、高周波音波を放射する超音波ホーンの下側を通って当該サブアセンブリー内に通過させて、突起物の近傍に点接合を形成する工程と、
を含むことを特徴とする高効率粒子エアフィルタを形成する方法。
【請求項８】
突起物が、ドラムの表面上に均一に分散していることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ドラムの表面から突出する１５０個〜６０００個の突起物を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気フィルタ媒体に関する。本発明は、特に、２個以上の異なる構成物を組み合わせて一体的な構造体にした高効率の濾過媒体に関する。この組み合わせは、出来上がった製造物が、圧力低下を許容範囲に抑えながら、微細粒子も大きな粒子も共に空気流から良好に除去できるように行う。
【０００２】
［本発明の背景］
１０ミクロンより小さい粒子を含む粒子の吸入に起因する悪影響のために、斯かる粒子を空気流から除去する濾過媒体が開発された。斯かる媒体を採用するフィルタは通常、ＨＥＰＡフィルタ、つまり高効率粒子エアフィルタと呼ばれる。
【０００３】
本来、ＨＥＰＡ銘柄のフィルタ媒体は、アスベスト、ガラス綿、岩綿、ある種の有機繊維から製造された。アスベスト繊維と紙繊維とを組み合わせた素地で作った媒体は、迅速かつ大規模な商業ベースの生産に最適であることが分かった。その後、マイクロファイバガラス紙を使ってＨＥＰＡフィルタを製造した。通常の商用ＨＥＰＡ媒体は、ホウ珪酸塩ガラスマイクロファイバをアクリル樹脂と接合して製造されている。最近では、ＨＥＰＡフィルタのガラスマイクロファイバ媒体を有機繊維媒体で代用することが注目されている。通常使用される有機媒体は、静電荷を有するメルトブロウン（ｍｅｌｔｂｌｏｗｎ）媒体から形成される。
【０００４】
医療用に用いられる一般的な静電材料は、繊維として、ポリプロピレン等のポリアルキレン繊維とアニオン置換アクリル繊維との熱可塑性混合物を含む。この繊維をスクリム材料層の下面に縫いつける。スクリムの上層は縫いつけた繊維に施されて、ほどけた繊維を確実に留める。この濾過媒体は通常、その外側縁全体に沿って密閉されている。
【０００５】
最近、リック・チャップマンが、メルトブロウンされた静電フィルタ媒体の層を重ねてスポット積層することで、圧力を大きく低下させることなく、媒体の効率を高められることを発見した。米国特許第５，９００，３０５号。チャップマンは、複数の（類似の）ウェブを加熱したローラ間の隙間に供給することでウェブを圧縮することを教示している（５欄５５―５７行）。また、複数の（類似の）層を型抜きローラと、一組の超音波生成器との間の隙間に供給することも教示している（７欄１４―３０行）。チャップマンのローラ上に形成された突起ドット部分を、軟化した組立体に押し付けて押印ドットのパターンを形成する。
【０００６】
例えばコロナ放電によって製造された、微粒子を濾過する静電層をフィルタ媒体中に含めることで濾過効率を非常に向上できることが周知である。比較的目の粗い（ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ｏｐｅｎ）グラスファイバ芯が、大きな粒子を空気流から除去する際に非常に効率的であることも周知である。本発明は、荷電された媒体とグラスファイバ芯との双方の利点を有する一体構造フィルタを提供するように組み合わせた荷電されたろ過媒体とグラスファイバ芯とを含むフィルタを提供する。
【０００７】
荷電された合成媒体層をグラスファイバ芯層に接着するためには幾つかの理論的な方法がある。２層を付着物（接着剤）等で積層してもよいが、付着物の適用範囲を制御することは難しいので、一体型フィルタの隙間を実質的に埋めてしまう、つまり繊維における圧力低下を実質的に増加する結果になる可能性がある。粘着物を不連続な点として適用しても、粘着物は広がり易く、やはり繊維における圧力低下を実質的に増加させやすい。荷電された媒体とグラスファイバ芯とを縫い合わせることは満足するものではない。これは、縫い合わせることで媒体の表面を壊し易く、グラスファイバ芯の内部を通って縫い合わせることは難しい。したがって本発明より以前は、荷電された媒体とグラスファイバ芯とを組み合わせて一体的な繊維媒体にする試みは実用的ではなかった。
【０００８】
超音波回転ドラム接合／積層装置を使って２枚以上の合成繊維ウェブを超音波接合することが周知である。接合は、合成繊維ウェブ層の分子を接合、つまり溶融することによって行う。接合／積層装置の回転ドラムは通常、ドラムの表面から突出した突起物のパターンを有する。１個以上のホーンから超音波が放射されると、超音波は突起物に集中する。超音波のエネルギーはウェブに吸収される。この時、吸収は突起物に集中する。したがって、ウェブが溶融する場合、突起部である不連続的な小さな点において溶ける。したがって、接合したウェブは、突起物のパターンに対応する点溶解接合パターンを有する。チャップマン（上述の米国特許第５，９００，３０５号）では、複数枚の合成繊維ウェブを一緒に押しつけて、これらの超音波接合を容易にしている。
【０００９】
［発明の要約］
本発明は、荷電された媒体をグラスファイバ芯に超音波溶接するための特別な方法によって、荷電された媒体とグラスファイバ芯とを組み合わせて一体型フィルタにできるという発見を含む。超音波回転ドラムから突出する突起物は、突起物が層の組合体を実質的に貫通しない寸法であって、荷電された媒体層とグラスファイバ芯層との組合体は、突起物が層の組合体を実質的に貫通しないように、ドラムの上を通過する。つまり、層の組合体はドラムの突起物の上に載置されている。ドラムの突起物が組合層に突き刺さる量が少ない程、溶接されて出来上がった一体型フィルタにおいても各層の本来の特性が維持される。次に、上述のような突起物を有する斯かるドラムの上に載った層の組合体を１個以上の超音波ホーンの下を通過させる。
【００１０】
この技術を用いて、合成ウェブをグラスファイバウェブに接合できることが分かった。超音波エネルギーによってグラスファイバを溶解（軟化）温度まで加熱することはできないので、グラスファイバは溶解しない。荷電された合成媒体層は通常、スパン接合されたウェブまたはスクリム、またはメルトブロウンされた層等である熱可塑性繊維から作られるので、これらの突起物がガラス芯と荷電された媒体との組合体に出合った場所でのみ、突起物に集中した振動エネルギーが、荷電された媒体の熱可塑性ファイバを溶解する。
【００１１】
この、荷電されたスクリムと接合されたウェブによって、グラスファイバウェブから作られたフィルタの効率を、低効率から、ＨＥＰＡ効率フィルタまで高めることができる。
【００１２】
具体的に、本発明は、グラスファイバ芯に点接合される静電荷電された熱可塑性繊維スクリム層を含んで、領域を画定する複合層を形成する高効率粒子エアフィルタを提供する。このフィルタでは、複合層の実質的に全域にわたって点接合が分散しており、この接合点が、溶接されたフィルタ材料の全表面積の約１％〜６％を構成する。また、この複合層は実質的に圧縮されていない。この点接合は通常、１平方フィート（９２９．０ｃｍ２）あたり約１５０〜６０００個の溶接点（溶着点）を構成し、当該溶接点は複合層の全域にわたって均一に分散されていることが好適である。
【００１３】
本発明はさらに、高効率粒子エアフィルタの製造方法を提供する。この方法は、ドラムの表面から突起し、その先端がドラムの実質的全域に分散し、且つ、その先端が、その先端によって規定される円筒平面の全表面領域の約１％〜約６％を構成する多数の突起物を有する超音波回転ドラムを設ける工程と、グラスファイバ芯層の上部に載置されている、静電荷電された熱可塑性繊維スクリム層を含むサブアセンブリーを、突起物がサブアセンブリーを実質的に貫通しないようにドラムの上を通過させる工程と、突起物の上部に載置されているサブアセンブリーを、当該サブアセンブリーを実質的に圧縮せずに、高周波音波を放射する超音波ホーンの下を当該サブアセンブリー内に通過させて、突起物の近傍に点接合を形成する工程とを有する。
【００１４】
［図面の簡単な説明］
図１は、フィルタ媒体　を製造するためのライン構成を示す、本発明の方法に係る実施形態の概略平面図である。
図２は、ドラムの突起物、角部、および繊維構成物の相対位置を大写しで示す、本発明の実施形態の拡大概略平面図である。
図３は、本発明の実施形態を示す部分斜視図である。
図４は、本発明のフィルタ媒体の上面図である。
図５は、本発明のフィルタ媒体の上面図である。
図６は、本発明の実施形態の拡大部分斜視図である。
図７は、大きさが異なる粒子を空気から除去する方法を示す、本発明の実施形態の側面図である。
【００１５】
［発明の詳細な説明］
本発明によると、荷電された媒体とグラスファイバ芯とを組み合わせて一体型フィルタにする。この組み合わせは、荷電された媒体をグラスファイバ芯に超音波溶接するための特別な方法（ａｐｐｒｏａｃｈ）によって行う。図１は、本発明に係るフィルタ媒体を製造するために可能である一ライン構成を示す。
【００１６】
層の組合体を実質的に圧縮しない状態で超音波ホーンの下を通過させてもよい。つまり、点接合処理では、合成物に特に積極的な圧力をかける必要がない。しかし、重力および／または層の張力によって生じるような僅かな圧縮力は、本発明を実行する際に許容できる。
【００１７】
使用する超音波回転ドラムは、ドラムの表面から突き出る多数の非常に小さな突起を有する。平方フィートあたりの突起部の数は僅か約１００個から、約５０００個以上でもよい。ドラムから突出するこれら突起物の寸法は、突起物が層の組合体を実質的に貫通しないような寸法であり、荷電された媒体層とグラスファイバ芯層との組合体は、突起物がこの層の組合体を実質的に貫通しないように、ドラムを通過する。つまり、層の組合体は、図２に示すように、実質的にドラムの突起物の上に載置されている。次に、上述のような突起物を有する斯かるドラムの上に載った層の組合体を従来の超音波ホーンの下を通過させる。すると、高周波の音波が組合体内に浸透し、振動エネルギーが突起物に集中する。
【００１８】
この技術を用いて合成ウェブをグラスファイバウェブに接合できることが分かった。超音波エネルギーではグラスファイバをその溶解（軟化）温度まで加熱できないので、グラスファイバは溶解しない。荷電された合成媒体層は通常、スパン接合ウェブまたはスクリム、またはメルトブロウンされた層等の形状である熱塑性繊維から作られるので、これらの突起物がガラス芯と荷電された媒体との組合体に出合った場所でのみ、突起物に集中した振動エネルギーが、荷電された媒体の熱可塑性繊維を溶解する。
【００１９】
突起物の断面は非常に小さいので、各突起物において小さな先端の点のみが溶接される。さらに、接触点の突起物は荷電された媒体／ガラス芯組合体の表面積の約１％〜６％を構成するだけなので、荷電された媒体とグラスファイバ芯との間の溶接点も同様に、溶接されたフィルタ物質の総面積の約１％〜６％を構成するだけである。これを図３に示す。これは、組み合わされたフィルタ物質における僅か約１％〜６％の圧力低下の増加となる。この程度の増加は許容できる。
【００２０】
溶接点の範囲は、単位面積あたりの溶接点の数と同様、突起部および出来上がった溶接点の形状や数によって異なる。通常は、表１に示ような異なる場合がある。
【００２１】
【表１】
2004504926.tif 000002
【００２２】
パターンＮＰを図４に示す。パターンＴＲを図５に示す。
【００２３】
図４および図５に例示するように、点接合部（合成物の表面積の最大約６％を含む）が合成物の実質的に全域にわたって分散している。この場合、「実質的」という用語は、通常の使用において層同士を確実に粘着状態に維持するために十分である合成物の面積を意味する。
【００２４】
グラスファイバ芯は比較的細かいグラスファイバ（例えば、直径０．２〜２０ミクロン）からでき、従来のエアーレイング（ａｉｒｌａｙｉｎｇ） またはウェットレイング（ｗｅｔｌａｙｉｎｇ） 技術によって製造される。グラスファイバ芯の厚みの範囲は比較的広い（例えば、僅か０．１ｍｍ〜２０ｍｍ以上まで）。グラスファイバウェブは３．５〜３．８ｍｍウェブまたは３．８〜４．３ｍｍウェブであることが好適である。
【００２５】
荷電された媒体は比較的薄い媒体（例えば、０．０５ｍｍ〜最大約１０ｍｍ）であることが好適であり、スパン接合、エアーレイング、メルトブロー等の従来技術によって作られる。合成媒体を最初に、従来のコロナを通過させて帯電させる。次に、荷電されたスクリムを上述のように接合装置を通過させる。本発明の好適な合成ウェブはポリエステル繊維スクリム（薄地のスパン接合またはエアーレイドされたウェブ）である。
【００２６】
図６および図７に示すように、２枚のポリエステル繊維を用いてグラスファイバウェブを挟んでもよい。
【００２７】
上述の本発明において、本発明を実施するための物質や方法に多様な変更を加えられることが当業者には十分に明白である。斯かる変更も、本発明の請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フィルタ媒体　を製造するためのライン構成を示す、本発明の方法に係る実施形態の概略平面図である。
【図２】ドラムの突起物、角部、および繊維構成物の相対位置を大写しで示す、本発明の実施形態の拡大概略平面図である。
【図３】本発明の実施形態を示す部分斜視図である。
【図４】本発明のフィルタ媒体の上面図である。
【図５】本発明のフィルタ媒体の上面図である。
【図６】本発明の実施形態の拡大部分斜視図である。
【図７】大きさが異なる粒子を空気から除去する方法を示す、本発明の実施形態の側面図である。
【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７】
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【国際公開パンフレット】
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2004504926.tif 000012
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004504926.tif 000027