(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体からの汚染物をろ過するためのろ材であって、前記汚染物が集まるろ過側と、ろ過水が流れ出るろ過水側と、を有するろ材と，
向流発生器であって、前記ろ材のろ過水側からろ過側への向流流体の局部流を向かわせるろ過水側に位置する少なくとも１つの流体出口を備え、それによって前記ろ材のろ過側に集まった汚染物を取り除く向流発生器と，
前記向流発生器を移動する手段であって、その移動によって前記ろ材の実質的部分に対して全体に向流流体の局部流を移動させる手段と，
清浄化流発生器であって、前記ろ材の表面に平行な成分を有する速度で清浄化流の局部流を前記ろ材へ向かわせる前記ろ過側に位置する少なくとも１つの流体出口を備えている清浄化流発生器と，
前記清浄化流発生器を移動する手段であって、その移動によって前記ろ材の実質的部分に対して全体に清浄化流流体の局部流が移動する手段と，
を備えることを特徴とするろ過装置。
【請求項２】
請求項１に記載のろ過装置において、清浄化流流体の局部流は、向流流体の局部流が流れるろ材上の領域に隣接した領域に向けられることを特徴とするろ過装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のろ過装置において、前記向流流体の局部流と前記清浄化流流体の局部流は、少なくともそれらの移動の一部と実質的に調和して移動することを特徴とするろ過装置。
【請求項４】
請求項１，２または３に記載のろ過装置において、前記ろ材は実質的に円筒状であることを特徴とするろ過装置。
【請求項５】
請求項４に記載のろ過装置において、前記向流発生器は複数の流体出口を有するマニホールドをさらに備え、前記マニホールドは前記ろ材を横断するように、前記実質的に円筒状のろ材内の軸で回転可能であることを特徴とするろ過装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載のろ過装置において、前記清浄化流発生器は複数の流体出口を有するマニホールドをさらに備え、前記マニホールドは前記ろ材を横断するように、前記実質的に円筒状のろ材内の軸で回転可能であることを特徴とするろ過装置。
【請求項７】
請求項４，５または６に記載のろ過装置において、前記実質的に円筒状のろ材は前記プロセス流体を含む導管中に実質的に浸されることを特徴とするろ過装置。
【請求項８】
請求項４に記載のろ過装置において、
円筒状の導管が、前記ろ材を包囲し、ろ材と実質的に同軸で設置され，
該導管が、前記ろ材に接する成分を有する速度で、流入プロセス流体を加える手段を有する，
ことを特徴とするろ過装置。
【請求項９】
請求項８に記載のろ過装置において、前記ろ材に接する成分を有する速度で、流入プロセス流体を加える手段は、前記ろ材に接する成分を有する速度で流入プロセス流体を供給するように方向付けられたプロセス流体入口を備えていることを特徴とするろ過装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のろ過装置において、前記ろ材の長手軸は実質的に垂直であり、前記入口は囲み円筒状導管の上端に位置しており、前記包囲円筒状導管の下端部に汚染物排出点をさらに備えることを特徴とするろ過装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のろ過装置において、前記包囲円筒状導管の下端部は、前記汚染物が集積し、そこから排出されるように改造された逆円錐部（flusto-conical section）であることを特徴とするろ過装置。
【請求項１２】
請求項８，９，１０または１１に記載のろ過装置において、前記向流発生器は複数の流体出口を有するマニホールドをさらに備え、前記マニホールドは前記ろ材を横断するように、前記実質的に円筒状のろ材内の軸で回転可能であることを特徴とするろ過装置。
【請求項１３】
請求項８，９，１０，１１または１２に記載のろ過装置において、前記清浄化流流体の局部流は、前記向流流体の局部流が流れるろ材上の領域に隣接した領域に向けられることを特徴とするろ過装置。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載のろ過装置において、向流流体の局部流と清浄化流流体の局部流は、少なくともそれらの移動の一部と実質的に調和して移動することを特徴とするろ過装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のろ過装置において、前記清浄化流発生器は、複数の流体出口を有するマニホールドをさらに備え、前記マニホールドは前記ろ材を横断するように、前記実質的に円筒状のろ材内の軸で回転可能であることを特徴とするろ過装置。
【請求項１６】
請求項１に記載のろ過装置において、実質的に平面状の傾斜ろ材が、プロセス流体からの汚染物をろ過するために設置され、前記プロセス流体は傾斜ろ材の上端部から下方に流れていることを特徴とするろ過装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載のろ過装置において、前記ろ材の下に位置するろ過水収集手段をさらに備えることを特徴とするろ過装置。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載のろ過装置において、前記向流発生器は複数の流体出口を有するマニホールドをさらに備え、それによって、前記傾斜ろ材の実質的部分に対して全体に移動する前記傾斜ろ材を横断するように延長向流の流れを作り出すことを特徴とするろ過装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載のろ過装置において、前記清浄化流流体の局部流は、前記向流流体の局部流が流れるろ材上の領域に隣接した領域に向けられることを特徴とするろ過装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載のろ過装置において、前記清浄化流発生器は複数の流体出口を有するマニホールドをさらに備え、それによって延長清浄化流の流れを作り出すことを特徴とするろ過装置。
【請求項２１】
請求項１８，１９または２０に記載のろ過装置において、向流流体の局部流と清浄化流流体の局部流は、少なくともそれらの移動の一部と実質的に調和して移動することを特徴とするろ過装置。
【請求項２２】
請求項１６，１７，１８，１９，２０または２１に記載のろ過装置において、前記傾斜ろ材の上面の上端部に隣接して位置している流れ分配手段であって、前記ろ材上にプロセス流体を均等な分配（even distribution）を供給するように改造された流れ分配手段をさらに備えることを特徴とするろ過装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載のろ過装置において、前記流れ分配手段は堰であることを特徴とするろ過装置。
【発明の詳細な説明】
［技術分野］
本発明は、改良型のろ過装置に関するものであり、特に、ろ過装置の上流あるいはろ過側からの汚染物を除去する新規な手段を有し、それによって、ろ過効率を高めるろ過装置に関するものである。
［背景技術］
本発明は、多くの種々様々な応用例を有しうる。本発明の範囲には、液体から固体をろ過すること，空気中に飛沫同伴する固体をろ過すること，プロセス液体から非混合液をろ過すること，および、空気からの小水滴をろ過すること，が含まれる。
流体から汚染物をろ過することは、工業，農業，医療，食品，繊維，排水処理，副産物回収，および、流体の再生利用，を含む多くの応用例において行なわれている。たとえば、洗浄工程または清浄工程において、固体が使用済みの流体（used fluid）中に存在しており、これらの固体が除去しうるのであれば、流体は、最終的な処分が必要とされるまでは、当該工程において繰り返し再利用することができる。
多くの公知従来のろ過技術が存在しており、その多くは“デッドエンド”ろ過（“deadend”filtration）と呼ばれている。これら従来の“デッドエンド”ろ過工程において、流体がろ材を通過するときには、プロセス流体がろ材を通過するにしたがって、ろ材の孔径あるいは開口径よりも大きな浮遊汚染物はろ材の上流側に集められる。汚染物がろ材の上流側に集積するにしたがって、ろ過装置を通過する流れに対する抵抗が強まり、ろ材を通過する流体の流れは低下する。また、ろ材中の圧力差は増加する。ろ過工程を継続可能にするために、ろ材の上流側における汚染物の集積を取り除かれなければならない状況に達するまで、この状態が継続する。従来のろ過装置における“デッドエンド”点は、何らかの清浄化形態が必要とされるという理由がある。代表的な清浄化工程には、ろ材を通じて流れる流体の方向が逆転した周期的逆流方式，および、スクレーパーが汚染物を取り除くようにろ材の表面を横切り、それによって、ろ材が損傷を受けるようにさらされる機械式スクレーピング，が含まれる。これらの清浄工程はろ過工程を中断させ、そのためにさらなる非能率をもたらしている。また、ある応用例においても、これらの清浄工程を利用して、ろ材の表面に汚染物が集積しないようにするのに十分なまでに頻繁にろ材を洗浄することは、実際的ではなく、したがって、不十分なろ過効率に帰着する。
多くの種類の自浄式ろ過装置が存在するが、それらは、それらがろ過することのできる流体の種類，それらの耐久性，達成可能流量，および運転停止メンテナンスが必要とされる前のろ過工程の作動時間という限界を含んでいる。
本発明の目的は、上述の課題を克服すること、および、ろ過工程の間にろ材からの集積した汚染物をより容易に、かつ、連続的に取り除くろ過装置を作り出すことである。
［発明の開示］
最も広義の形態において、本発明は、
プロセス流体からの汚染物をろ過するためのろ材であって、汚染物が集まるろ過側と、ろ過水が流れ出るろ過水側と、を有しているろ材と、
ろ過水側に位置する向流発生器であって、ろ材のろ過水側からろ過側に向流流体の局部流を向かわせ、それによって、ろ材のろ過側から汚染物を取り除き、該局部流は前記ろ材の実質的部分を横断する向流発生器と、
を含むろ過装置である。
ろ過側に集積する汚染物を除去することは、いくつかの利点がある。ろ過側で生じるケーキングの分解があり、汚染物はプロセス流体中に分散されるので、それによって汚染物が除去されたろ材の領域を通る流れが再び戻るときに、ろ材のすぐ近くにおいて、汚染物の集中を大いに減らしている。これは、ろ材にわたる圧力差を低く保つという効果を有している。このような、ろ材の連続的なメンテナンス方式から生じる利点としては、ろ材に対する機械的損傷の排除，ろ過領域要件が低減すること，ろ材にまたがって強まる圧力を制限すること，および、ろ材自体にかかる力を低減すること、が含まれる。ろ材への力を低減することによって、ろ材の選択において追加的な転用性を可能にし、これらのろ材への構造的な支持に関する必要性を減らしている。その端部においてのみ支持されている単一ろ材を利用することができ、ろ過装置が単一であるということは、ろ過装置が多孔率において均一であるということ、および、同質であるということを意味している。
適当なろ材であれば、あらゆるものが使用されうる。ろ材は剛性であっても、可撓性であってもよく、たとえば、繊維質の布や、シート状物質，鋼材物質，または高分子網目型物質などの編組み状あるいは非編組み状の多孔性物質の範囲から作ることができる。網やふるいなどの比較的大きな孔径のろ材も使用することができる。
向流の局部流が流れる領域ではなく、ろ材全体が汚染物をろ過するのに連続的に利用できることが、好ましい。このろ材によって、より効率的で、より小型のろ過装置が作られる。
ろ過装置は、ろ過側に位置する清浄化流発生器をさらに備えることが好ましく、該清浄化流発生器は、向流の局部流がろ材を流れる領域に隣接するろ材の領域を横切る方向を有する速度成分によって清浄化流の局部流を向かわせている。さらに、向流の流れの少なくとも一部が横断している間は、局部清浄化流の流れは、局部向流の流れと調和して移動することが好ましい。
向流発生器の動作は（清浄化流発生器の有無にかかわらず）、周期的あるいは連続的であればよい。
第一の好適な配置において、ろ過装置は、実質的に平面状で水平方向に傾斜しているろ材、を有している。このような配置において、プロセス流体は傾斜ろ材の上面の上端から下方に流れ、向流発生器は少なくとも１つの流体出口を備えている。該流体出口はろ材の幅員にわたって、ろ材の方へ向流流体を向かわせるように方向付けられており、ろ材の実質的部分を連続的に横断するろ材のろ過水側に対して実質的に平行な方向に移動可能である。ろ材の下にはろ過水収集トレイを備えることができる。前述したような清浄化流発生器を備えることも好ましい。
第一の好適な配置は、汚染物の比率が高いプロセス液体を連続的にろ過するのに、特に適している。
第二の好適な配置において、ろ材は実質的に円筒状であり、向流発生器は複数の流体出口を有するマニホールドをさらに備えている。該マニホールドは実質的に円筒状のろ材内の軸を回転し、それによって、ろ材を横断する手段が提供される。前述したような清浄化流発生器を備えることも好ましい。
この第二の好適な配置に適用することができる本発明の別の要旨において、ろ材は複数の部分による格子に分割されており、各部分の中心はろ材にわたる十分な圧力差によって、ろ過水の流れの方向に対して弓状に曲がっている。局部向流の流れにさらされたときには、向流流体の方向に曲がるように反転し、それによって、ろ材からの汚染物の除去を補助している。
ろ過装置がろ過を必要とする大量のプロセス流体内にあるときには、前述の第二の好適な配置が、特によく作動する。これはプロセス流体を含む導管内でろ材を浸すことによって成し遂げられる。導管は、たとえば、沈殿タンクまたは沈殿池であってもよい。
第三の好適な配置において、第二の好適な配置にかかるろ過装置はプロセス流体入口を有する実質的に円筒状の導管によって包囲されており、該流体入口は実質的に円筒状のろ材に接する成分を有する速度でプロセス流体を供給するように方向付けられている。
“プロセス流体”入口は、包囲円筒状導管の上端に位置するのが好ましく、包囲円筒状導管の下端には、汚染物排出点が存在することが好ましい。この配置によれば、汚染物はそれらがろ材から放射状に移動する助けとなる遠心力が必要となる。
向流発生器は、それぞれ先に述べたように３つの好適な配置において、ろ材の方へ高速向流の流れを向かわせる焦点スプレージェットあるいは一揃いの焦点スプレージェット群を備えている。
本発明にかかるろ過装置は、プロセス制御系の有無にかかわらず、作動させることができる。
本明細書中および特許請求の範囲を通じて使用されている“プロセス流体”という用語は、ろ過されるべき流体を意味している。これはあらゆる汚染源からの流体であり、特定の汚染源または汚染源群からの流体に限定されない。
本明細書中および特許請求の範囲を通じて使用されている“汚染物”という用語は、プロセス流体からろ過されるべきプロセス流体の成分を意味している。ある適用例において、汚染物はろ過後に利用することのできる貴重な副産物となりうる。
本発明を十分に理解するために、好適な実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態のまさにその本質に制限されたり限定されたりするものではないということが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
実施形態を添付図面に概略的に示す。
図１は、ろ材が平面状である本発明にかかるろ過装置の第一実施形態を斜視図で表わしている。
図２は、図１にかかるろ過装置を断面図で表わしている。
図３ａは、図１にかかるろ過装置の第一部分を詳細断面図で表している。
図３ｂは、図１にかかるろ過装置の第二部分を詳細断面図で表している。
図４は、ろ材が円筒状である本発明にかかるろ過装置の第二実施形態を斜視図で表わしている。
図５は、図４にかかるろ過装置の断面図を表わしている。
図６ａ，図６ｂ，および、図６ｃは、ろ材が複数の部分による格子に分割され、その中心がろ過水の流れ方向に弓状に曲がっている、本発明にかかる第二実施形態の変形例を表わしている。
図７は、本発明の第三実施形態にかかるろ過装置の斜視図を表わしている。
［発明を実施するための最良の形態］
図１，図２，図３ａ，および、図３ｂに示される本発明の第一実施形態において、ろ過装置１０は、プロセス流体が流れるプロセス流体槽１２上の堰１３の下に配置された平面上ろ材１１と，ろ過水収集トレイ１４と，向流発生器２０と，汚染物収集トレイ１５と，を備えている。プロセス流体は、プロセス流体入口１６を経由してプロセス流体槽１２に入る。その他の適当な流れ分配装置も堰１３の代わりに使用することができる。
向流発生器２０は複数の流体出口２１を有する管状の水路２２を備え、該水路はろ材１１のろ過水側に面するろ材の幅員にわたって向流流体の連続流を向かわせている。ろ過水はろ過水流体出口１７を経由して、ろ過装置を出て行く。
様々なデザインのノズルを含む、種々の流体出口２１を使用することができるが、焦点スプレージェットが特に有効であることが見出されている。図１，図２，図３ａ，および、図３ｂは、焦点スプレージェット形式の流体出口２１を示している。該焦点フプレージェットは、結果として生じる（resultant）向流の流れ２３が、ろ材１１の幅員にわたって直線状に延長した向流の流れを形成して重なるように並んで配置されている。
向流発生器２０は、プロセス流量，ろ過されるろ過装置の長さおよび汚染物の内容，および流体の種類に関連する線速度で、ろ材１１の長径に沿って押し流す。このようにして、ろ材からの汚染物の除去は固体がろ材１１上に実質的に集積しないことを確保するために最適化されている。向流発生器２０の最適な上昇線速度は、向流発生器２０の下降線速度と比較して速く、下降線速度は、ろ材１１から落とされた固体が汚染物収集トレイ１５へ流動・落下するのを最大化するように定められている。
水路２２はポンプ手段（図示しない）に接続しており、該ポンプ手段はろ材１１からの汚染物の効果的な除去を可能にするのに十分な向流の流れを作り出すように、向流流体出口２１に十分な圧力を加える。向流流体出口２１は、ろ材１１の表面に実質的に垂直で、ろ材を通過するろ過水の流れとは反対（向流）の方向で、ろ材１１を通って、ろ材１１の幅員にわたって流体の連続局部流を供給するように配置され、向けられている。この局部向流の流れ２３は、ろ材１１のろ過側から汚染物を連続的に除去する。向流流体は、メークアップ流体（make-up fluid）またはろ過水のいずれでもよいが、いずれの場合であっても、総ろ過水流量と比較して低流量を有していることが好ましい。向流の流れ２３によって除去された汚染物は、重力と流体の流れの結合によって、ろ材１１から除去される。
図２および図３（見易いように、図１では省いている）に示されるように、スプレーシールドを備えることができる。両者は、向流の流れ２３を含み、汚染物１８の除去を補助するために、その流れをろ材１１の方に戻すように向けなおしている。
オプションの清浄化流発生器３０は、ろ材１１のろ過側に位置し、連続局部清浄化流の流れを向かわせている。連続局部清浄化流の流れは、向流の流れ２３が流れる領域に隣接するろ材１１の表面上の領域（領域３４として図３に示す）で、ろ材１１の幅員にわたって流れる。この作用は、ろ材１１の表面から、また、ろ材１１の表面付近から汚染物を除去する補助となる。清浄化流発生器３０は複数の清浄化流流体出口３１を備え、該出口は清浄化流水路３２に取りつけられている。清浄化流発生器３０は、向流の流れの少なくとも一部が横断している間は、向流発生器２０と調和して移動するように配置されていることが好ましい。
作動時において、向流発生器はろ材にわたって、その上昇ストロークおよび下降ストロークの両動作が連続して作動することが好ましいが、清浄化流発生器３０は、ろ材１１の表面から汚染物を汚染物収集トレイ１５に除去することを補助するための下降ストロークにおいてのみ作動することが好ましい。食品加工産業などの産業においては、汚染物は再生利用することができ、該汚染物は、収集トレイ１５で、あるいはその他の付加価値利用手段によって収集することができる。
図３ｂは図１のろ過装置の第一部分を表わしており、この図では向流の流れがプロセス流体の流れに入っている。図３ａは、傾斜ろ材１１をさらに降下させた類似図であり、この図では、向流の流れは主要なプロセス流体の流れの外側にある。
ろ材１１の傾斜角は最適な作業に合わせて変更することができる。一般に、浅い傾斜であれば、微細な汚染物に適しているということが見出されており、急な傾斜であれば、より大きな汚染物により適しているということが見出されている。
最適傾斜角は、プロセス流体の流量と流体固有の性質，および、汚染物の大きさと密度に依存している。本発明の第一実施形態では、浮遊汚染物を含むプロセス流体のろ過において、即時に汚染物の分離ができるように、特によく作動することが見出されており、ある適用例では、沈殿タンクや沈殿池の必要性をなくしている。
図１，図２，および図３に示されるろ材１１は、編組み状ステンレス鋼メッシュであるが、たとえば、繊維質の布や、シート状物質または高分子物質のような、編組み状あるいは非編組み状の多孔性物質を含むその他のあらゆる適当なろ材を使用することができる。
高速向流の流れ２３と組み合わせて可撓性ろ材を使用することは、ろ材の局部が、局部向流の流れによって外側に膨らむことによって、優先的な汚染物清浄効果が提供されることが見出された。
図４および図５は、本発明の第二実施形態を表わしており、ここで、ろ材１１は円筒状である。本実施形態においては、向流流体出口２１は、説明図の簡易性のため図４において示されるように向流水路２２に取りつけられており、ろ材１１の軸と実質的に同軸である軸で回転するように配置されている。モーター２５は前記ろ材内で向流水路２２を回転させ、それによって、向流の流れ２３をろ材１１に連続的に通過させ、ろ材１１のろ過側から汚染物を連続的に除去する。ろ過水はろ過水流体出口１７によって円筒状ろ材１１内から取り除かれる。水路２２はポンプ手段（図示しない）と接続しており、該ポンプ手段はろ材１１からの汚染物の効果的な除去を可能にするのに十分な向流の流れを作り出すように、流体出口２１に十分な圧力を加える。このようにして、汚染物は実質的にろ材１１には集積しない。この第二実施形態にかかるろ過装置は、プロセス流体を含むタンク１２内に取りつけられることが好ましい。清浄化流発生器も使用することができる。
図６ａ，図６ｂおよび図６ｃは本発明にかかる第二実施形態の変形例を表わしており、これらにおいて、ろ材はしない材（battens）２６によって支持される複数の部分による格子に分割され、各部分の中心は、汚染物が集積するにつれて、ろ過水の流れる方向に弓状に曲がりうる。集積した汚染物がろ材にわたって十分な圧力差をもたらしたときには、向流発生器の流体出口２１はろ材のろ過水側を横断するように戻り、局部向流の流れがろ材の湾曲（反り）方向を逆にするようにさせて、それによって、ろ材１１から汚染物の除去（投げ出し（fling））を補助している。
本発明にかかる第二実施形態は、汚染物の集中が比較的低度で、ろ過を必要とする多量の流体内へ浸すのに適していることが理想的である。前述の流体は、たとえば、沈殿タンクまたは沈殿池のような形態をとることができる。
図７は本発明にかかる第三実施形態を表わしており、ここで図４および図５のろ過装置１０は、円筒状導管内４０に位置する。円筒状導管４０はプロセス流体入口１３，ろ過水流体出口１７，および汚染物がそれを通じて断続的にあるいは周期的に投棄される汚染物出口４１と，を有している。ろ材１１と円筒状導管４０の長手軸は、重力作用下で汚染物の沈降を最大化するように、実質的に垂直である。プロセス流体の入口１３は、プロセス流体が円筒状導管４０に接して入るように方向付けられており、ろ材１１の周りを円運動で流れる。装置に入ってくる、浮遊プロセス流体の密度よりも高密度を有する粒子または小水滴は、回転する流体によって生じる遠心効果によって、分離することができる。このようにして、より密集した小水滴あるいは粒子は、外側へ放射状に移動させることができる。この効果によって、ろ材１１への汚染物による負荷が軽減され、したがって、別の清浄化流発生器の必要性を否定することができる。別の清浄化流発生器を使用する場合には（図７では図示しない）、清浄化流発生器と、接線方向入射流によって引き起こされた、ろ材１１を回る前述の環状流との組み合わせ作用は、汚染物の負荷が比較的高いプロセス流体であっても、実質的な汚染物の集積をさけるような高効率性の配置が提供される。
上述したような本発明にかかる複数のろ過装置は、プロセスフローから個々の汚染物を選択的に分離するように、連続して使用することができる。
ある適用例において、複数の向流発生器が単一ろ過装置に最適となりうる。同様に、ある適用例においては、複数の清浄化流発生器が単一ろ過装置に最適となりうる。
発明をより簡単に理解するために好適な実施形態に関して記述してきたが、本発明は、発明の本質から離れることなく多様な変形をすることができる、ということが理解されるべきである。したがって、本発明はその範囲内でこのようなすべての変形例を含んでいるものと理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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