マイクロチャネル流体フィルタ及びその使用方法

本技術は、一般に流体フィルタに関し、且つより詳細には(但し、限定ではなく)、微細構造チャネルと、複雑なフローオリフィスと、クロスチャネルと、を含む流体フィルタ基板に、及びこれらの基板から製造される様々なタイプのフィルタに関する。

現在の技術の要約 いくつかの実施形態によれば、本技術は、 (a)フィルムの上面から延長する複数の分割壁であって、複数のテーパ状の(tapered)入口チャネルを形成する複数の分割壁と; (b)前記複数の分割壁のそれぞれの長さに沿って形成された複数のクロスチャネルと; (c)複数のテーパ状の入口チャネルの各々のための入口チャネルと; (d)前記複数のテーパ状の入口チャネルの各々のための出口チャネルと;を含む、フィルタフィルムを対象にすることができる。

いくつかの実施形態によれば、本技術は、複数のフィルタフィルムを含むフィルタ装置に関するのであって、前記複数のフィルタフィルムが積み重ねられ、且つ嵌合する(mating)関係で配置されているフィルタ装置に関する。

いくつかの実施形態によれば、本技術は、 (a)フィルムの上面から延長する複数の入口分割壁の第1の列であって、流体中の前記複数の入口分割壁は複数のフィルタ入口チャネルと連通し、前記複数の入口分割壁は、互いに間隔をあけて複数のチャネルを形成し、前記複数の入口分割壁の各々は、前記入口分割壁の底部に近接した湾曲セクションを含む、入口分割壁の第1の列と; (b)複数の入口分割壁の第2の列であって、前記複数の入口分割壁が、第1の列の複数のフィルタ入口チャネルよりも狭いフィルタ入口チャネルを形成するため、第1の列の複数の入口分割壁よりもより近接した(closer together)間隔を置いて配置される、第2の列と; を含む、フィルタフィルムを対象にすることができる。

いくつかの実施形態によれば、本技術は、 フィルタディスクを保持するための円筒形ハウジングであって、前記円筒形ハウジングは、複数の半径方向入口チャネルと複数の半径方向出口チャネルとを含むトップカバーを含み、前記複数の半径方向入口チャネルは、前記半径方向出口チャネルと交互の関係で配置され、前記トップカバーは、流体を受けるためのカバー入口チャネルを含み、前記半径方向出口チャネルは、フィルタディスクから濃縮又は濾過された流体を収集する、円筒形ハウジング、 を含む、フィルタフィルムを対象にすることができる。

いくつかの実施形態によれば、本技術は、 (a)複数のパネル、 を含むフィルタフィルムを対象にすることができる。前記複数のパネルの各々は、 (b)フィルタリング前面と、平坦な背面と、 を含み、前記フィルタリング前面は、 (c)互いに離間して垂直チャネルを形成する、垂直方向に延びる突起の第1の列であって、前記フィルタ装置の入口に近接する第1の列と、 (d)互いに離間して垂直チャネルを形成する、垂直方向に延びる突起の第2の列であって、前記フィルタ装置の出口に近接する第2の列と、 (e)フィルタリング突起の1つ以上の列であって、前記1つ以上の列が互いに垂直方向に間隔をあけて配置され、且つ、垂直方向に延びる突起の第1の列と第2の列との間に延び、フィルタリング突起の各列は、所与のサイズのオブジェクトを受け取り、且つ、保持するように構成されたサイズを有するフィルタチャネルを形成するため、互いに離間したフィルタリング突起を含む、フィルタリング突起の1つ以上と、 を含み、且つ、 (f)前記複数のパネルは嵌合構成で積み重ねられ、それにより、1つのパネルのフィルタリング前面が隣接するパネルの平坦な背面と嵌合して接触する。

本技術の特定の実施形態が、添付の図面によって例示される。図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、必ずしも技術の理解に必要ではない、又は他の詳細を認識することを困難にする詳細は、省略してもよいことが理解されよう。この技術は必ずしも本明細書に示される特定の実施形態に限定されないことが理解されるであろう。

図1は、本技術に従って構成された脱イオンパネルの等角図である。

図2は、図1の脱イオンパネルの1つのエンボスフィルムの正面図である。

図3は、図2に示す脱イオンパネルの上部領域の拡大図である。

図4は、図1に示す脱イオンパネルの拡大等角図である。

図5は、図1に示す脱イオンパネルの側断面図である。

図6は、図1に示す脱イオンパネルの上部部分断面図である。

図7は、電気回路図を包含する図6に示された図の拡大図である。

図8は、脱イオンシステムの電気的動作を説明する電子的概略図である。

図9は、脱イオンシステムに配備された脱イオンパネルのシステム図である。

図10は、脱イオンパネル内のクロスチャネルの交互構成の等角図である。

図11は、図10に示す交互エンボスフィルムの1つのエンボスフィルムの正面図である。

図12は、図11に示す交互エンボスフィルムの裏面図である。

図13は、図11に示す交互エンボスフィルムの側面図である。

図14は、図10に示す交互脱イオンパネルの上部の部分断面図である。図10はまた、電気回路図を示す。

図15は、絶縁層なしで構成されている、図14に示す交互脱イオンパネルの上部の部分断面図である。

図16は、コーティングされたチャネル壁を有する脱イオンパネルの上部部分断面図である。

図17は、脱イオンパネルの円筒形状の等角図である。

図18は、脱イオンパネルの螺旋形状の等角図である。

図19は、荷電プレートの別の交互(alternate)構成である。

図20は、本発明の選択的フィルタシステムの斜視図である。

図21は、図20に示す選択的フィルタシステムの断面斜視図である。

図22は、図21に示す断面の正面図である。

図23は、フィルタパネルの斜視図である。

図24は、フィルタパネルの1つの層の斜視図である。

図25は、図24に示すフィルタパネルの正面図である。

図26は、図25に示すフィルタパネルの拡大図である。

図27は、垂直及び水平の両方の流れを有する流体フローライン(flow lines)流路を有する、図25に示すフィルタ層の正面図である。

図28は、垂直流のみからの流体フローラインを有する、図27に示すフィルタ層の正面図である(垂直流のみ)。

図29は、水平流のみを有する流体フローラインを有する、図27示すフィルタ層の正面図である(クロス流のみ)。

図30は、粒子に作用する力を議論するために使用される粒子の拡大正面図である(粒子に作用する力のクローズアップ)。

図31は、テーパ状の入力面を有するフィルタ層の正面図である(テーパ状表面)。

図32は、交互にRがついたシステム(alternate round system)の等角図である。

図33は、交互にRがついた等角投影(isometric)システムの断面図である。

図34は、交互にRがついシステムの断面図である。

図35は、交互にRがついシステムフィルタパネルである。

図36は、Rがついた(round)フィルタパネルの断面を示す。

図37は、重力に対して90度回転している、図27に示すフィルタ層の断面図である。

図38は、本発明の選択的フィルタシステムの斜視図である。

図39は、図38に示す選択的フィルタシステムの断面者静である。

図40は、図39に示す断面の正面図である。

図41は、図40の拡大図である。

図42は、図41よりも高い倍率を有する、図40に示す眺めのクローズアップである。

図43は、図40に示す眺めのクローズアップであって、図42よりもさらに高い倍率で、フィルタパネルのみを示す。

図44は、フィルタパネルの頂部断面(top section)図である。

図45は、クロスチャネルの表面の異なる構成を持つ、図44に示されているのと同じクローズアップである。

図46は、図45の頂部断面(top section)図であって、帯電表面を示す。

図47は、図42に示されているのと同じクローズアップであって、交互(alternate)構成を示す。

図48は、フィルタアセンブリの斜視図である。

図49は、フィルタパネルのみの斜視図である。

図50は、フィルタパネルの一小部分の斜視図である。

図51は、フィルタパネルの小部分の正面図である。

図52は、図51に示したフィルタパネルの拡大図である。

図53は、図2に示したフィルタパネルの拡大斜視図である。

図54は、様々なサイズの粒子を持つ、図53に示したフィルタパネルの拡大図である。

図55は、様々なサイズの粒子を持つ、図54に示したフィルタパネルの拡大図である。

図56は、複雑な流れオリフィスを有するフィルタシステムの等角図である。

図57は、図56に示すフィルタの等角断面図である。

図58は、図56に示すフィルタの正面断面図である。

図59は、図56に示すフィルタシステムのトップカバーの底面図である。

図60は、図57に示すフィルタディスクのみの等角図である。

図61図は、図60に示したフィルタディスクの断面の拡大図である。

図62は、図61に示したフィルタ部の等角図である。

図63は、図61のクローズアップである。

図64は、図63の正面図である。

図65は、図62の背面図である。第62回

図66は、図62に示されているのと同じ透視図の(prospective)交互(alternate)フィルタの拡大図である。

図67は、図に示したフィルタの一部(a section)の上面図である。

図68は、交互フィルタシステムの等角図である。

図69は、図68の断面図である。

図70は、フィルタディスクのみの等角図である。

図71は、図70に示したフィルタ部の拡大図である。

図72は、図70に示されているのと同じ透視図の(prospective)の別の交互フィルタ部である。

例示的な実施形態の説明 この技術は多くの異なる形態で実施可能であるが、図面には示されており、且つ、本開示は本発明の原理の例示とみなされ、及びこの技術を図示の実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本技術を限定するものではない。本明細書で使用されるように、単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で使用されるとき、用語「含む(comprises)」及び/又は「含む(comprising)」は、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素及び/又は構成要素の存在を特定するが、1以上の他のステップ、動作、要素、構成要素、及び/又はそれらのグループの存在又は追加を排除しない。

本明細書で言及されている同様のもしくは類似の要素及び/又は構成要素は、図面を通して同様の参照文字で識別されてもよいことが理解されよう。図形(figures)のいくつかは、本技術の概略的な表現に過ぎないことがさらに理解されるであろう。このように、構成要素のいくつかは、描画の明瞭さのために実際の縮尺から歪んでいる可能性がある。

様々な構成が特定の用途、すなわち脱イオン化、脱塩、濾過など、に関して記載されているが、それらの構成は一般に、特定の用途に関して記載されていても複数の用途に適用可能であることが理解されよう。

図1−19は、微細構造チャネルを有する脱イオンパネルをまとめて示す。いくつかの実施形態では、本技術はエンボス加工された微細構造チャネルを有する流体の脱イオン化に関する。エンボス加工された微細構造チャネルは、半導体加工技術で作られたツーリング(tooling)からのプラスチックフィルム上に正確に複製される。あるいは、フィルムの代わりに半導体製造技術で処理されたウエハを使用することもできる。流路付けされた(channelled)フィルムは、互いに密閉されたチャネルを形成するように、互いの上に積層されている。チャネルの選択された壁は電気的に導電性であるので、チャネルを横切って電界を生成することができる。選択された壁に反対の電荷を帯電させることによって、チャネルを流れる荷電粒子が荷電表面の1つに引き付けられる。多くのタイプの粒子は、液体及び気体流体の両方から除去することができる。水から塩及び重金属を除去することは、効率的な低コストシステムに対する大きな必要性がある分野である。

いくつかの実施形態において、本技術は、荷電した分子又は化合物を流体から隔離するために一連のチャネルを形成する構造化要素が一緒に積層された多数のフィルム層を展開する。フィルムは、比較的広いチャネルを持つ入口領域を有する。入口領域の後には、狭い通路を形成する一連の狭いチャネルがある。これらのチャネルの高さは非常に小さくすることができる。これらのチャネルの表面は、外部ソースによって動作中に帯電して、荷電粒子をこれらの表面に引き付けて保持する。外部ソースを用いて、表面から粒子を放出するために電荷を除去することができる。これは、大量の粒子が表面に引き付けられ、それらを除去することが望ましい場合に行われる。

容量性脱イオン(CDI)は、帯電したプレートによる脱塩プロセスを説明するために使用される用語である。本発明は、CDIに使用することができる。

まず図1を参照すると、脱イオンパネル1が示されている。脱イオン化パネル1の上面2から、液体又は気体のいずれかの流体が脱イオンパネル1に流入する。エンボスフィルム3の上端4が、脱イオンパネルの上面2を形成する。一緒に積層されたエンボス加工フィルム3の数は、示されているものよりもはるかに大きいであろう。エンボスフィルム3の数は、数百又は数千であってもよい。エンボスフィルム3の幅もまた、典型的には、示されているものよりもはるかに大きいであろう。脱イオンパネル1は、線形アレイとして示されている。エンボスフィルム3は、他のジオメトリに配置することができる。いくつかの他のジオメトリが本明細書の後に開示される。

図2、クローズアップの図3及び図4をまとめて参照すると、1つのエンボスフィルム3のみが示されている。入口チャネル5は、エンボスフィルム3の上端部4に沿ってほぼ等間隔に配置されている。入口チャネル5は、エンボスフィルム3の頂部からエンボスフィルム3の底部付近まで延びている。入口チャネル5は、上面2での幅が200ミクロンであり、且つ、底面ではわずか50ミクロン以下の幅にまで先細になっている(taper)。入力チャネル5は、フィルムの長さに沿って中心から中心まで300ミクロンの間隔を置いて配置されている。これらの寸法は参考として与えられる。実際の寸法は、特定の用途のために設計される。

エンボスフィルム3の厚さは、300ミクロンであってもよい。入口チャネル5の深さは、150ミクロンであってもよい。この相対的に大きい寸法は、エンボスフィルム3の製造プロセスにおける変動を可能にする。この大きな寸法はまた、入口チャネル5の下方への流体の比較的制限されない流れを可能にする。

エンボスフィルム3は、ドラム形状又はフラットツール上にフィルム又はバルクプラスチック材料をエンボス加工することによって容易に製造することができる。このツールは、エンボスフィルム3上の構造のネガティブ(negative)であろう。ツールは、プロセスのいずれか1つ又は組み合わせによって製造されてもよい。

従来の機械加工を使用して、100+ミクロンの範囲のフィーチャを生成することができる。より小さいフィーチャについては、半導体又はMEMS(マイクロエレクトロメカニカルシステム)処理装置及び方法を導入することができる。これらのタイプのプロセスは、低ナノメートル範囲の幅と高さのフィーチャを作成するために使用されてきた。同様に重要なのは、フィーチャの幅と高さの許容誤差を低ナノメートル範囲で制御できることである。これらの方法で作成された構造の深さは、より正確に制御できる。クロスチャネル6の深さは、非常に小さく、且つ、正確に制御された寸法が必要とされる場合である。ナノメートル範囲の1桁及び分数(fractions)で、非常に小さく、且つ正確なクロスチャネル6を作成するため、半導体及びMEMSプロセスを使用することができる。

クロスチャネル6は、流体が入口チャネル5から出力チャネル8に流れることを可能にする。これらは、一般に入口チャネル5に対して直交配置されている。クロスチャネル6は、クロスチャネル分割壁9によって分離されている。クロスチャネル分割壁9は、好ましくは、流れのための高い領域を可能にするために、クロスチャネル6よりもはるかに短い。クロスチャネル分割壁9のサイズは、クロスチャネル6の深さを規定する。

出力チャネル8の上側原点(origin)は、入力チャネル5の下側端部と同様の幅を有する。これらは、エンボスフィルム3の上端部4から約500ミクロンから始まる(originate)。出力チャネル8は、エンボスフィルム3の底部に延長し、且つ、入口チャネル5の開始幅に類似した幅、200ミクロンと類似する幅まで先細になる(tapers)。これは、流体がエンボスフィルム3を出ていくことを可能にするために、底縁部で開いている。

図5を参照すると、クロスチャネル6の断面が示されている。エンボスフィルム3の裏面15は、隣接する(adjoining)エンボスフィルム3の前面7と嵌合する(mates with)。裏面15は、隣接するエンボスフィルム3のクロスチャネル6の第4の壁(the fourth wall)を包囲する。図4の透視図(prospective)によると、クロスチャネル6の3次元的な外観(aspect)が見える。最大の流れを可能にするために、チャネルは隔壁との関係で高くなければならない。

エンボスフィルム3の全てのチャネル及び前面は、導電性の前面層18(図5参照)を形成する導電性コーティングで被覆される。導電性前面層18は、様々なチャネルを流れる流体に対する耐久性を高めるために保護コーティングで上塗り被覆されていてもよい。コーティングは、隣接する(neighboring)導体から電子的に導電性前面層18を絶縁するためにも適用することができる(適用可能な場合)。電子絶縁のために、コーティングは前面にのみ必要とされる。

前述したように、エンボスフィルム3のクロスチャネル6を包含する前面7は、導電層で被覆されている。エンボスフィルム3の裏面15もまた、導電性バック層16を形成する電子伝導層で被覆される。製造を容易にするために、裏面全体を被覆してもよい。裏面全体が必ずしもコーティングされる必要はない。導電性バック層16は、電気絶縁層17で覆われることが示されている。このタイプの層は、導電性前面層18及び導電性バック層16が電気的に接触しないようにするために必要である。

絶縁層がエンボスフィルム3の前面7に塗布された場合には、交互に(alternately)電子的絶縁層を省略することができる。

図6及び図7を参照すると、脱イオンパネル1の上面断面図は、クロスチャネル6に対する入口チャネル5及び出口チャネル8の幅を示す。フィルムに沿って異なる高さで変化する、入口チャネル5及び出口チャネル8の幅に留意されたい。この特定の眺めは、入口チャネル5が出口チャネル8よりも広い脱イオンパネル1の頂部に向かっている。

図7を特に参照すると、システムの電気的状態が示されている。エンボスフィルム3の裏面15は、負に帯電していることが示されている。これは、導電性バック層16を電圧源に接続することによって達成される。電圧源の正の側は、エンボスフィルム3の前面7上の導電性前面層18に接続されている。また、導電層に、電圧源の反対側の接続も可能である。

電荷は、交互に(alternately)エンボスフィルム3に埋め込まれ得る。プラスチックフィルムに電荷を埋め込むことは、一般に、マイクロフォンで使用されるフィルム上で行われる。帯電したプラスチックの当業者は、特定の脱イオンシステムのニーズを満たすように帯電フィルムを設計することができる。外部ソースによって作成された電荷は、オンとオフを切り替えることができることに留意された。埋め込み電荷をオフに切り替えることはできない。

クロスチャネル6の対向する表面に対向する電荷を印加することによって、正又は負に帯電した粒子がクロスチャネル6の表面の少なくとも1つに引き付けられる。帯電表面間の距離は、クロスチャネル分割壁9の高さによって制御される。

上述したように、製造が議論されたとき、これらのチャネルの深さの寸法及び公差は、半導体及びMEMS装置及びプロセスがフィルム製造のためのツールを作るために使用されるとき、非常に小さく、且つ、高い精度で制御することができる。

図8を参照すると、2つの帯電した表面の間に位置するときの粒子に対する力の方程式が示されている。方程式から、帯電した表面の間の距離が力に大きく影響することが分かる。1ボルトの電位及び帯電したプレート間の距離50ミクロンで、3.2×10E−15ニュートンの力である。 3.2×10E−15(ニュートン)=1.6×10E−19(電荷クーロン)×1(V)/5×10E−5(メートル)

ニュートンは、1電子の変化を持つ粒子に対して及ぼされる。距離が20ミクロンに減少すると、力は8.0×10E−15ニュートンに増加する。この方程式から、小さな距離を有することは、典型的に望ましいより大きな力を生成することが分かる。小さな距離は流体の流れを制限する。この制限は、多数のクロスチャネル6があり、それらがクロスチャネル分割壁9の深さに関して高さが大きいという事実によって緩和される。

荷電されたプレート間の距離を短くすることの別の利点は、消費電力の低減である。荷電粒子が電界に沿って移動しなければならない距離を減少させることは、流体を脱イオン化するのに必要なエネルギーを減少させる。

流体がクロスチャネル6に沿って流れる距離はまた、必要な電力(power)に影響を及ぼす。流体の粘度は、荷電粒子が帯電プレートの一方の表面に移動するのにかかる時間に影響を及ぼす。クロスチャネル6の長さは、好ましくは、少なくとも粒子が帯電プレートの一方に引き寄せられるのに必要な長さになるように設計されるであろう。粒子の蓄積(buildup)を可能にするのに必要な時間よりも長くなる可能性がある。クロスチャネル6の長さは、脱イオンパネル1を通る流れの制限をもたらす。この制限は、多数のチャネルを組み込むことによって緩和することができる。

図9を参照すると、脱イオンパネル1を利用した脱イオンシステムのシステム図が示されている。脱イオンパネル1が充電されると、脱イオンパネル1に流入する流体は脱イオン化される。この流体をリザーバもしくは別のシステムに向けるのに、バルブを使用してよい。時間が経つと、イオン化された粒子がエンボスフィルム3の帯電したプレートの表面上に集まる。ある時点では、イオン化された粒子の数は十分に大きくなり、それにより、システムの性能が低下するのに十分に大きくなる。いくつかの時点で、粒子をパージすることが必要となる。

第1のバルブと連動して第2の弁は、第2のシステム又はリザーバへの流れを導くように再構成することができる。バルブ構成が変更された後、プレート上の電荷が除去され、イオン化された粒子は、流体と共に、第2のシステム又はリザーバに流れる。この流体は、イオン化された粒子の高い濃度を有するであろう。脱イオンパネルは、その後、充電され、バルブは元の構成に戻されることになる。

高濃度のイオン化粒子を有する流体は、他の場所で使用するために流体から特定の元素又は化合物を抽出するためにさらに処理されてもよい。

図10、図11、図12及び図13をまとめて参照すると、脱イオンパネル1の交互(alternate)構成が示されている。クロスチャネル6は、正面ではなくエンボスフィルム3の背面15に配置されている。背面15の構成は、図13に最もよく示されている。

図14を参照すると、交互(alternate)構成の場合、帯電した表面の位置を見ることができる。この構成において、背面チャネル壁22は、絶縁層17の上に配置される。

図15を参照すると、帯電した表面の別の交互構成が示される。クロスチャネル分割壁9がエンボスフィルム3の背面15上に形成されている場合、これら9は、導電性の前面層18(導電性の前面層の例については例えば図5を参照)を導電性のバック層16から電気的に絶縁する目的にも役立つ。この構成では、絶縁層17は示されておらず、必要ではない。

図16を参照すると、クロスチャネル6は、追加の材料30及び31で被覆されているように示されている。この材料は、炭素粒子などの多孔質の導電性材料であってもよい。小さな炭素粒子は、荷電粒子の表面積及び収集を増加させるために使用され得る。あるいは、表面をテクスチャ加工して、より多くの表面積を生成することができる。導電層の劣化を低減するために、表面を不活性材料で被覆してもよい。

図17を参照すると、脱イオンパネル1の交互(alternate)構成が示されている。これまでの図は、線状の層でラミネートされたフィルムを示していた。図17は、円筒形に構成されたフィルムの層を示す。この構成において、流れはシリンダの内側から外側に、又は逆に流れる。エンボスフィルム3は、円筒形状に巻かれ、1つの長い連続した材料片とすることができる。この構成は、成形加工(fabrication)のためのロールツーロールプロセスを可能にする。ロールツーロールプロセスは、エンボスフィルム3を製造する最もコスト効率のよい方法である。

図18を参照すると、別の交互(alternate)構成が示されている。脱イオンパネル1は螺旋状に巻かれて示されており、そこでは、再び1つの長い長さのフィルムが巻かれてディスクを形成する。ロールツーロールプロセスもこの構成でうまくいく。

脱イオンシステムの別の交互(alternate)構成は、2つ以上の脱イオンパネル1を直列に組み立てることである。これは、冗長性を追加するために行われる可能性がある。脱イオン化セクションによって収集されないか、又は脱イオンシステムの脱イオンセクションを詰まらせる他のタイプの粒子を排除するために、フィルタ又は一連のフィルタを脱イオンパネル1の上流に追加することができる。

本発明の別の交互(alternate)構成を図19に示す。クロスチャネル6上のプレートの両方が負に帯電する。この場合、正に荷電した粒子のみが表面に引き付けられる。電圧源の正の側は、粒子が脱イオンシステムを通過して流れる前に粒子上に正の電荷を誘導するために使用することができる。同じ効果で、プレートの電位は、負に帯電した上流の流れで正に帯電させることができる。

図20〜37は、特定のサイズの粒子の選択及び/又は洗浄目的のために使用することができるクロスチャネルを備えた微細構造フィルタをまとめて示す。

図20、21及び22をまとめて参照すると、選択的フィルタシステム1が示されている。ハウジング3の上面に配置された流体入口2から流体又はガスが選択的フィルタシステム1に流入する。ハウジング3は、上部プレナム(plenum)4、フィルタパネル6、及び下部プレナム8を囲む。フィルタ流体は、気体、液体、又は液体として作用する小さな粒子の流れであり得ることに留意すべきである。小さな粒子の流れの例は、穀物、種子、砂又は砂利である。上部プレナム4は、流体入口2からフィルタパネル6のフィルタパネル上面5への流体の流れを制限する。システムの他の領域への流れを許容しない。ハウジング3の上面及び側面は、フィルタパネル6のフィルタパネル頂面5と密封して、上部プレナム4を形成する。ハウジング3の側面と、フィルタパネル6のフィルタパネル頂面5との界面は、これらの構成要素の表面トポグラフィの変化を吸収するため、ガスケット又は接着剤を含み、且つ、それらを一緒に密封することができる。ガスケットは示されない。同様に、下部プレナム8は、フィルタパネル6のフィルタパネル底面7を出ていく流体の流れを制限する。フィルタパネル6から流体出口9への流れを誘導する。

フィルタパネル6の左右の側部は、クロスフロープレナムに嵌合される(mated)。現在の(current)選択的フィルタシステム1が示されており、上部クロスフロー入口20は、クロスフロー流体を上部クロスフロープレナム21の方法によってフィルタパネル6の左上側に供給する。下部クロスフロー入口22及び下部クロスフロープレナム23は、より低いクロスフロー流体を左下側に供給する。

要約すると、選択された流体の流れは、上面からフィルタパネル6に、及び側部からの複数の位置に供給することができる。現在の(current)構成では、左側から2つの流体が供給されている。これは数量を増やすか、1に減らすことができる。側部入力の数は、流体とフィルタリングされる粒子のタイプに基づく工学的決定となる。

図23を参照すると、フィルタパネル6の一部が示されている。フィルタパネル6は、多数のフィルタ層40を一緒に積層することによって作られる。システムが機能するためには、少なくとも1つの層が必要であることに留意されたい。システムスループットの観点からは、フィルタパネル6が多数のフィルタ層40を有する可能性が高い。大規模システムの場合、その数は数千であってもよい。

フィルタ層40の好ましい材料はポリマーである。ポリマーは安価な材料であり、典型的には安価に製造することができる。フィルタが高温で使用されているときは、金属やセラミックスなどの他の材料を使用することがある。フィルタ層材料の選択は、技術的決定である。

図24を参照すると、1つのフィルタ層40のみが示されている。図25及びクローズアップ図26は、フィルタパネル6の詳細を示す。

前述のように、入力流体は、上面5からフィルタ層40に流入する。流体は、フィルタ入口チャネル41を流れ落ちる。チャネルは、入口分割壁42によって分離される。流体のクロスフローを助けるために、フィルタ入口チャネル41及び入口分割壁42は、流体がそれらを出る場合に、角度を付けたり、又は少なくとも角度をつけたいと考えてもよい。角度及び形状の実際の設計は、濾過される流体及び粒子の関数であり得る。図示したチャネルは、上部クロスチャネル43内に出る、底部に角度を作るため、底部に湾曲した部分を有している。フィルタ入口チャネル41内の流れの全てが上部クロスチャネル43に出る。上部クロスチャネル43は、フィルタパネル6の左側からフィルタパネル6の右側に延びている。

上部クロスチャネル43内の流体は、チャネルに沿って流れ続けることができ、又は上部クロスチャネル43の底部に沿って位置する第2のフィルタチャネル44に流入することができる。第2のフィルタチャネル44は、入口フィルタ41よりも小さい。それらは、第2の分割壁45によって分離されている。第2のフィルタチャネル44及び第2の分割壁45もまた、底部に傾斜したジオメトリを有している。

流体入口チャネル41よりも小さい粒子のみが上部クロスチャネル43内に見出される。これらの粒子のいずれかが第2のフィルタチャネル44よりも大きい場合、それらは上部クロスチャネル43に入ることが阻止される。より小さい粒子第2のフィルタチャネル44が第2のフィルタチャネルを通って下部クロスチャネル46に流れる。

下部クロスチャネル46は、上部クロスチャネル43と同じ働きをする。下部クロスチャネル46内の流体は、チャネルに沿って流れ続けることができ、又は第3のフィルタチャネル47内に流入することができる。第3のフィルタチャネル47は、第2のフィルタチャネル44よりも小さい。従って、第3のフィルタチャネル47よりも小さい粒子は、それらを通って流れ、且つ、フィルタ層40から出る。第3のフィルタチャネル47よりも大きい粒子は、下側クロスチャネル46に拘束される。

様々な垂直チャネルの幅を調整することにより、クロスチャネル内で異なるサイズの粒子を選択及び/又はソートすることができる。クロスチャネルは、クロスフロープレナムによって供給されることに留意されたい。

フィルタパネル6が使用されるにつれて、流体がフィルタパネル6を通って流れるにつれて、粒子はクロスチャネル内に集まる。粒子の量が多くなると、フィルタパネル6を通る流れがより制限されるようになる。ある時点では、制限を減らすか、又は制限することが望ましい場合がある。この状態が存在するシステムは、廃水処理システムの場合である。

選択的フィルタシステム1が、別のプロセス又は分析において使用するために特定のサイズの粒子を収集及び回収するために使用されている場合、制限が増加する前であっても、粒子の量がプロセス又は分析に十分な大きくなる場合、粒子は抽出されることを望まれるかもしれない。サイズ別に粒子を分類するシステムは、血液細胞をそのサイズで分類するために使用されるものである。

フィルタパネル6への流れを再構成することによって、粒子をフィルタパネル6からパージして回収することができる。粒子を除去する好ましい方法は、クロスチャネルに流れを供給しながら流体入口からの流れを終了させることである。この状態のフローラインを図29に示す。クロスチャネルに使用される流体は、流体入口2を流れる流体と同じであってもよく、又は交互(alternate)流体であってもよい。排水処理の場合、クロスフロー流体は空気であってもよい。

粒子がクロスチャネルから洗い流されると、入口流体フローを再開することができる。フィルタシステム又はフィルタパネルの振動を展開して、パージプロセス中の粒子除去速度を高めることができる。さらに、粒子をパージするのを助けるために、フィルタ出口からフィルタ入口への、又はクロスチャネルへの流体のわずかな量の逆流を展開することができる。逆流は、フィルタ入口を通る流体の流れが止まると展開される。

図27は、数値流体力学又はCFDフローシミュレーションプログラムによって生成される流れのフローラインを示す。シミュレーションは、垂直方向と水平方向の両方にフローを持つように構成されていた。この構成は、連続プロセスで粒子を除去することが望ましい場合に配備される。

図28は、CFDフローシミュレーションプログラムからの流れによって生成されるフローライン流れ線を示す。シミュレーションは、垂直方向のみにフローを有するように構成されていた。この構成において、粒子はクロスチャネルに集まり、クロスチャネル内に蓄積し続ける。

図29は、CFDフローシミュレーションプログラムによって生成されたフローのフローラインを示す。シミュレーションは、水平方向のみにフローを有するように構成されていた。この構成において、粒子がクロスチャネルを介して除去される一方、入口流れは存在しない。

図30は、粒子に作用する力を示す。粒子に作用する力を、水平方向(Fh)及び垂直方向(Fv)の両方で分析した。それらは、3つの異なる流動条件について分析した: (1)垂直及びクロスフローの両方、Fh=2pN Fv=12pN; (2)垂直フローのみ、Fh=0.4pN Fv=12pN、及び (3)クロスフローのみ、Fh=4pN Fv=0.06pN。

1の場合の分析から、クロスチャネルに沿ってそれらをクロスフロー出力に駆動するために粒子に作用する相当量の力が存在することが分かる。ケース2は、垂直フローのみが存在する場合、粒子に少量の力が作用してそれらをクロスフロー出力に移動させることを示している。ケース3は、クロスフローのみが存在する場合、粒子に多くの力が作用することを示す。

図31を参照すると、第2入口分割壁の交互(alternate)構成が示されている。分割壁の上面にテーパを加えることによって、粒子に作用する水平方向の力は粒子の上側に近づく。このジオメトリは、クロスチャネルに沿って粒子を移動させるのに必要な力はそれほど必要ではない。

図32〜36をまとめて参照すると、フィルタシステムの螺旋形状が示されている。この構成では、クロスフローは、フィルタパネルの内径からフィルタパネルの外径までである。交互に(Alternately)、この方向とは逆になる可能性がある。

図36を特に参照すると、この構成では、1つのクロスチャネルのみが示されている。他のものを配備することもできる。フィルタの向きを90度回転させた図37に示すように、クロスチャネルからの粒子の移動を助けるため、重力を用いることができる。この構成では、粒子は流体よりも緻密である。粒子が流動流体より密度が低い場合、フィルタパネルは上から下に反転したいと考える。いくつかのシステムでは、回転角は180度、又は0と180の間のある角度であってもよい。角度は、特定の流体及び濾過される粒子のタイプのために設計される。

図38〜47は、濃縮(concentrated)及びフィルタ流を生成する2つの出口経路を有する微細構造フィルタをまとめて示す。図38,39及び40を参照すると、選択的フィルタシステム1が示されている。ハウジング3の上面に配置された流体入口2から流体又はガスが選択的フィルタシステム1に流入する。ハウジング3は選択的フィルタシステム1を囲む。濾過された流体は、ハウジング3の底部側に位置するフィルタ流体出口6から流出する。濃縮された流体は、ハウジング3の前面に位置する濃縮流体出口4から流出する。

フィルタ流体は、気体、液体、又は液体として作用する小さな粒子の流れであり得ることに留意されたい。小さな粒子の流れの例は、穀物、種子、砂、砂利又は分子である。

図41を参照すると、上部プレナム7は、流体入口2からフィルタパネル8への流体の流れを制限する。選択フィルタシステム1の他の領域への流れを許容しない。ハウジングの上部、前方、後方及び側面5は、フィルタパネル8をシールして上側プレナム7を形成する。

ハウジング3の側面、前面及び背面とフィルタパネル8との界面は、ガスケット又は接着剤を包含し、これらの部品の表面トポグラフィの変化を吸収し、且つ、それらを一緒にシールすることができる。ガスケットは表示さない。

フィルタパネル8の上面に流入する流体は、入口チャネル20を下へ移動する。入口チャネル20は、拡大された図42及び43で最もよく見ることができる。入口チャネル20は、垂直方向に向いており、テーパ状になっている。テーパは、フィルタパネル8の上面で始まる。テーパは、上面で最も広く、且つ、フィルタパネル8の底部では幅が狭くなっている。

フィルタは、複数のフィルタ層が一緒に積層されて構成されている。フィルタパネル8を含むフィルタ層は、典型的には同じ材料及びジオメトリを有する。示されたフィルタ層の裏側は、すぐ後ろのチャネルの第4の壁(the fourth wall)を直接覆い、且つ、形成する。示されたフィルタパネル8のチャネルは、ハウジング3の前壁の内面(図示せず)によって覆われる(第4の壁を形成する)。

フィルタパネル8へのフィルタ層の積層は、製造上の理由から行われる。フィルタパネル8は、実際には単一の物体から作られてもよいが、フィルタパネル8は1つの固体物体から容易に形成されないことがある。フィルタ層は製造が容易で安価である。それらはまた、フィルタパネル8に容易に組み立てられる。フィルタ層は、ロールツーロールプロセスで製造することができる。

入口チャネル20に入る流体の大部分は、クロスチャネル21に流入する。クロスチャネル21は、入口チャネル20のテーパ側に沿って配置される。クロスチャネル21の開口は小さく、且つ、所定の大きさの粒子がそれらを通過するのを制限する。従って、制限された粒子は、入口チャネル20内に保持される。入口チャネル20内の粒子の量が有意になると、入口チャネル20が開いているフィルタパネル8の底部を通して濃縮流体としてパージすることができる。この流体は、下部プレナム9に向けられる。

下部プレナム9は、パージされた流れが濃縮流体出口4を介して選択的フィルタシステム1を出るのを制限する。下部プレナム9は、ハウジング3の底面、前面、背面及び側壁によって囲まれている。それはさらに、内側側部プレナム側壁24及び横底壁25によって制限される。側部プレナム側壁24のトップエッジは、フィルタパネル8の底面に終端してシールする。側部プレナム側壁24のトップエッジは、フィルタパネル8の底部に入口チャネル20を形成する壁と整列している。

側部プレナム側壁24及び側部プレナム底壁25もまた、側部プレナム23を形成する。側部プレナム23は、出口チャネル22の真下に位置する。フィルタパネル8の出口チャネル22からの流れは、内部に拘束され、且つ、側部プレナム23によって下部プレナム9から分離されている。

流体及び小粒子(クロスチャネルよりも小さい)は、クロスチャネル21から出口チャネル22に流れる。

出口チャネル22はテーパ状(tapered)になっている。テーパの小さい端部は、フィルタパネル8の頂部付近に生じる。流体は、上部プレナム7から出口チャネル22に直接流れ込むことができない。フローが出口チャネル22を流れ落ちる(progress down)につれて、テーパは幅が増加する。クロスチャネル21及び出口チャネル22を通過する流れのみが、側部プレナム23に流入することができる。

要約すると、クロスチャネルからの流れは、最終的に側部プレナム23に向けられる。この流れは、ハウジング3の前面に位置するフィルタ流体出口6を通って選択的フィルタシステム1を出るようにさらに制約される。

クロスチャネル21は、クロスチャネル壁26によって分離される。クロスチャネル壁26の前縁は、面取り27を有する。面取りは、クロスチャネル21の開口部に粒子が捕捉される可能性を低減するのに役立つ。

クロスチャネル壁26の後縁は、浅いテーパを有する。この目的のためのテーパは、流れの制限を減らし、製造及び使用中に壁の強度を増加させることである。

図44を参照すると、クロスチャネル21は、上部断面図で見ることができる。フィルタ層に好ましい材料はポリマーである。ポリマーは安価な材料であり、典型的には安価に製造することができる。フィルタが高温で使用されているときは、金属やセラミックスなどの他の材料を使用することがある。用途によっては紙を使用することさえある。フィルタ層材料の選択は、技術的決定である。

時間の経過と共に、粒子はクロスチャネルに集まり、クロスチャネル内に蓄積する。これらは、濃縮流体出口4へのシステムの流れを変えることによってパージすることができる。濃縮流体出口4を通る流れは、連続的又は間欠的であり得る。

選択的フィルタシステム1が別のプロセス又は分析において使用するために特定のサイズの粒子を収集及び回収するために使用されている場合、制限が増加する前であっても粒子の数量がそのプロセス又は分析のために十分であるならば、粒子を抽出したいと思うかもしれない。サイズ別に粒子を分類するシステムは、血液細胞をそのサイズで分類するために使用されるものである。

粒子の排除を増加させるために、フィルタパネル8の重力及び/又は振動を展開することができる。フィルタパネル8の向きは、重力が粒子の排除を増加させることを可能にする。

図45を参照すると、本発明の交互(alternate)構成が示されている。この構成では、クロスチャネル21の深さが粒子を制限するために使用される。好ましい開示において、クロスチャネル21の高さは、粒子を制限するものである。

非常に小さな粒子がフィルタでフィルタリングされているとき、交互(alternate)構成が展開される。20ナノメートル未満の範囲の粒子が非常に小さいと考えられる。好ましい開示のクロスチャネル21を作るためのツーリングは、ツールの製造によって制限される。フィルムをモールド成形するためのツーリングが、精密工作機械又は半導体リソグラフィー処理装置のいずれかを用いて製造された場合、非常に小さなクロスチャネル21を製造することはできなかった。堆積物(deposition)の深さが使用された半導体装置で作られたツーリングは、非常に小さいフィーチャを作り出すことができた。堆積物の深さは、クロスチャネル21の深さのモールド成形(molding)において複製される。材料の堆積は、1桁のナノメートルの深さに制御することができる。

図46を参照すると、フィルム層の表面が追加の材料で被覆されている交互(alternate)システムの上面図である。コーティングされたフィルムの背面30及びコーティングされたクロスチャネル31が示されている。

フィルム層の一方又は両方を金属の導電層で被覆することができる。導電性コーティングは、正又は負の電荷で帯電されていてもよいし、反対の電荷で帯電していてもよい。これらが反対の電荷で帯電されている場合は、絶縁層で絶縁する必要がある。電荷を生成するために、導電性表面に外部電圧源が印加される。

表面の一方又は両方は、電解質に暴露されたとき負の電荷を有する材料で交互に被覆することができる。この場合、電解液は入口チャネル内の流体となる。一例は、二酸化チタン又は二酸化ケイ素で被覆された少なくとも1つの表面、又はその両方にあり、表面上に負電荷を生成する。表面は電解質中の陽イオンを引き付ける。これらのイオンは、流体中の負イオンをはねつける。チャネルの深さが十分に小さい場合、正に帯電したイオンによって負イオンがクロスチャネルを通って流れるのを阻止される。

別の例は、電解質が存在するときに正電荷を生成する材料で表面の少なくとも一方又は両方を被覆することである。表面は、その後、電解質中の負イオンを引き付ける。これらのイオンは、流体中の陽イオンをはねつける。チャネルの深さが十分に小さい場合、負イオンがクロスチャネルを通って流れるのを阻止される。

電荷を生成するさらに別のアプローチは、1つ又は複数の表面の外面内部に、又はわずか下方に電荷を埋め込むことである。埋め込まれた電荷が負である場合、フィルム内の陽イオンが引き付けられる。前の実施例の場合と同様に、反対に荷電した粒子又は分子は、クロスチャネル21を通って流れることが阻止される。

図47を参照すると、別の交互(alternate)構成が示されている。この構成において、側方チャネルは、入口チャネル20の底部のフィルタ層の基部を通る孔(holes)32によって形成される。この構成は、これらのチャネルからの流れの全てが、濃縮流体出口4から選択フィルタシステム1を出ていくように、構成することができる。入口チャネル20の底部の下壁33は、濃縮流体が下部プレナム9に進入しないことを確実にする。チャネルを形成するための孔の構成は、入口及び出口チャネルを形成するために容易に適用することができ、且つ、脱塩及び濾過の両方の用途に適用することができることにも留意されたい。

図48〜図55は、高められた粒子収集能力のためのテーパ付きチャネルを有する様々なフィルタをまとめて示す。濾過構造は、粒子を集めるためのフィルタの能力を大幅に増大させるため、テーパの異なる幅に沿って異なるサイズの粒子を集めるテーパ付き入口チャネルを有する。

図48を参照すると、フィルタアセンブリ1が示されている。流体又はガスは、フィルタパネル2の上面3からフィルタアセンブリ1内に流入する。流体は、フィルタパネル2の底面から流出する。

フィルタ流体は、気体、液体、又は液体として作用する小さな粒子の流れであり得ることに留意されたい。小さな粒子の流れの例は、穀物、種子、砂又は砂利である。

フィルタパネルは、フレーム4内に封入されている。図示のフレーム4は、自動車のエアフィルタ又はキャビンフィルタに使用するためにフィルタパネル2を適合させるのに必要なタイプのものである。フィルタパネル2は、自動車オイルフィルタ、自動車燃料フィルタ、HVACエアフィルタ、水処理フィルタ、廃水処理フィルタ、工業プロセスフィルタ、及び生物学的プロセス又は分析フィルタなどの他のタイプのフィルタ用途での使用のために異なるエンクロージャに封入することができる。これらは、フィルタパネル3を使用することができるタイプのアプリケーションのほんの僅かである。これらのほとんどは、特定の用途に対して特定のタイプのフレーム4を必要とする。本発明は、フィルタパネル2に適用され、フィルタパネル2がどのように使用されるか、収容されるかには適用されない。

図49を参照すると、フィルタパネル2は螺旋状構成に示されている。ある長さのフィルム材料を螺旋状に巻いて、流体がフィルタパネル2に入る大きな領域を形成する。フィルタは、線形、円筒形又は円錐形の形状として構成することができる。

図50及び図51を参照すると、フィルタパネル2のセクションが示されている。前述したように、流体はフィルタパネル2の上面3から流入する。この拡大図では、入口チャネル10が見える。それらは、上面3から始まり、フィルムの表面に沿って延在し、フィルム材料の下端よりもわずかに上で終端している。補足的(complimentary)出口チャネルは、フィルタパネル2の上面3のわずかに下から始まり、フィルタパネル2の底部まで延在し、且つ、開口している。テーパ付きオリフィスチャネル12は、入口チャネル10を出口チャネル11に接続する。それらは大量にあり、且つ、それらは非常に小さいので、細部まで見ることはできない。

図52及び図53、フィルタパネル2の拡大断面図、を参照すると、詳細が示されている。入口チャネル10を出口チャネル11に接続するテーパ付きオリフィスチャネル12は、容易に見ることができる。フローは、流入チャネル10から流入し、テーパ付きオリフィスチャネル12に流入する。入力チャネル10に沿って位置する数百のテーパ付きオリフィスチャネル12がある。テーパの大きい端部は、入口チャネル10に対して開口している。テーパ状のオリフィスチャネル12の小さい端部は、出口チャネル11に対して開口している。テーパ状のオリフィスチャネルは、実質的に涙の形状(tear-shaped)又は翼状である隣接する分割壁によって形成されている。

図54を参照すると、様々なサイズの捕捉された粒子20〜25を持つ、テーパ付きオリフィスチャネル12が示されている。テーパーを持つチャネルを構成することにより、流れを著しく制限することなく、より多くの粒子20〜25を捕捉することができる。

図55を参照する。図55では、粒子のZ方向の関係を見ることができる。この観点から、流体はテーパ付きオリフィスチャネル12(X方向の流れ)を流れることができることが分かる。テーパ付きオリフィスチャネル12内に捕捉されるのは5つの粒子21〜25だけである。テーパ付きオリフィスチャネル12は、収集された粒子のサイズよりもはるかに広い(Z方向)ため、流体は、粒子21〜25の周りを(Z方向に沿って)流れることができる。これにより、チャネルを通る流れが大幅に減少する前に、より多くの粒子を捕捉することが可能になる。

図56〜図72は、複雑な流れオリフィスを有する流体フィルタをまとめて示す。いくつかの実施形態において、本技術は、異なるサイズの粒子を流体から濾過又は分離するためのフィルタシステムに関する。フィルタ型構造は、特定のサイズの粒子又は流体から粒子を分離するために使用することができる。細菌を廃水から分離するプロセスは、本発明の1つの用途である。流体中の異なるサイズの血液細胞を分離することは、別の生物学的濾過用途である。水の淡水化は、異なるサイズの分子を分離するためにフィルタ材料が使用される1つの領域である。この作業では、水分子から塩化ナトリウム分子を除去する必要がある。塩水の淡水化のためには、水分子との関係で塩化ナトリウムの相対量が多い。この高い比のために、適度な量の水を処理するときには、かなりの量の塩化ナトリウムがフィルタに集められる。流体の流れに電界を加えることもプロセスの一部となり得る。

このシステムを利用できる多くの他のプロセスが存在する。

最初に図56を参照する。図56は、本技術に従って構成されたフィルタシステム1の一例を示す。濾過されるべき流体は、入口管2又はフィルタシステム1の「入口」からフィルタシステム1に流入する。入口管2は、上部カバー3の上面に固定される。流体は、入口管2及びトップカバー3の両方を通過する。

高濃度の粒子を含む流体は、濃縮された出口管4からフィルタシステム1を出る。濃縮された出口管4もまた、トップカバー3の上面に固定される。濾過された流体は、フィルタシステム1を、ボトムカバー5の底面に配置された濾過された出口管6から出る。ボトムカバー5とトップカバー3とが一緒に固定されている。トップカバー3及びボトムカバー5は共に、中心を貫通する円形の穴(hole)を持つ円形である。

フィルタシステムの断面図が示されている図57と図58とを参照する。フィルタディスク12は、トップカバー3とボトムカバー5との間に封入されている。フィルタディスク12の上面は、トップカバー3の底面に嵌合されている(mated)。これらの図において、フィルタシステム内の流体流路も見ることができる。入口管2からの流体は、カバー入口チャネル10に流入する。カバー入口チャネル10は、円形のトップカバー3の周りを延びる。流体を半径方向入口チャネル11に送る。

図59を参照すると、トップカバー3の底面図が示されている。カバー入口チャネル10及び半径方向入口チャネル11は、全体として見ることができる。

これらの位置でのみフィルタディスク12(図示せず)に流体を送る計9つの等間隔の半径方向入口チャネル11がある。チャネルの実際の数とそのサイズは、開示されているものとは異なる場合がある。その数は、フィルタシステム1の特定の用途のための工学の結果であろう。半径方向入口チャネル11の間には、半径方向出口チャネル20がある。半径方向出口チャネル20は、フィルタディスク12から濃縮流体を集める。半径方向出口チャネル20は、フィルタディスク12の真上の位置でのみそれを行う。半径方向出口チャネル20及び半径方向入口チャネル11は、直接接続されていない。半径方向出口チャネル20は、トップカバー3の中央の穴のわずかに外側に位置するカバー出口チャネル21に接続される。カバー出口チャネル21は、濃縮流体を出口チューブ4に接続し、出口チューブ4に供給する。半径方向入口チャネル11と半径方向出口チャネル20との間の領域(area)は、距離「d1」だけ離れている。この寸法とフィルタディスクとの関係については、本開示で後述する。

図57に戻ると、濾過された出口プレナム13が見える。流体出口プレナム13は、フィルタディスク12の底部から流出する流体を集める。フィルタディスク12及び濾過された出口プレナム13は、ボトムカバー5の底面16、外壁15及び内壁14によって拘束される。濾過された流体は、濾過された流体出口6から出口プレナム13を出る。

要約すると、ろ過される流体は、フィルタディスク12の上面の特定の領域に向けられる。濃縮流体は、フィルタの上面の特定の領域においてのみ、フィルタディスク12の上面から流出することができる。ろ過された流体は、フィルタディスク12の底面のどこにでも流出することができる。多くの異なるカバー、ハウジング又は配管は、同じ機能を実行するように設計することができる。当業者は他の多くの構成を設計することができる。さらに、設計は、フィルタシステム1の特定のタスクのために設計される。

図60を参照すると、フィルタディスク12のみが示されている。フィルタディスク12は、フィルタ材料の薄いストリップを互いに重ね合わせて何回も転がしてディスクを作ることによって作られる。ディスクは中央に大きな穴がある。ディスクの内径と外径との間の距離は、薄いフィルタ材料の厚さにフィルタ材料が巻かれた回数を乗じたものに等しい。

図61及び図62を参照すると、フィルタ材料の小さなセクションが示されている。小さなセクションはフィルムの高さ全体を示すが、わずかな長さしか示さない。半径方向入口チャネル11からの流体は、ディスク入口領域50においてフィルタ材料の上面に入る。ディスク入口領域50の幅は、寸法「d2」によって識別される。ディスク入口チャネル50は、ディスク壁51に隣接している。いくつかの実施形態では、ディスク壁51は、以下に説明するような蛇行流体チャネル、例えば、左ディスクフローチャネル53及び右ディスクフローチャネル53’を形成する。すなわち、フィルタディスクは、薄いフィルタ壁(薄いフィルタ材料)によって境界を定められた(bounded by)蛇行したフィルタチャネルを含む。フィルタ壁についても以下に説明する。

ディスク出口領域56は、ディスク壁51に隣接している。フィルム材料の上端に沿って、ディスク入口領域50、ディスク壁51及びディスク出口領域56のパターンが、フィルタ材料のロールの全長に沿って何度も繰り返される。ディスク壁51は、寸法「w1」によって識別される。ディスク出口領域56は、ディスク入口領域50と概ね同じ幅d1を有する。d2とw1の和は、図4で識別される寸法d1より小さい。w1とd2との和がd1より小さい場合には、流体が、1つのディスク入口領域50又は1つのディスク出口領域56に流入するように拘束される。フィルタ材料がロール状に巻かれると、ディスク入口領域50及びディスク出口領域56の位置は、トップカバー3内の半径方向入口チャネル11の位置に関連して変化する。場合によっては、ディスク入口領域50又はディスク出口領域56が整列しない場合がある。これらの場合において、フローはない。大多数の場合、流体は1つの入力又は1つの出力のみに流れ、且つ、制限される。

ディスク入口領域は、流体をディスク入口チャネル52に向ける。ディスクチャネル52は、流体フローチャネルの頂点と整列している。ディスク入口チャネル52に流入する流体は、2つの経路のうちの1つをとることができる。それは、左ディスクフローチャネル53又は右ディスクフローチャネル53’に流れることができる。流体は、これらのチャネルのいずれかを、左又は右に蛇行した経路で流すことができる。フローは、最終的にフロー左ディスク出口チャネル55又は右ディスク出口チャネル55’に入る。次に、流体は、ディスク出口領域56を出ることができる。ディスク出口領域56の上のあるポイントで、半径方向出口チャネル20が、濃縮流体をフィルタディスク12から除去するため、配置される。

言い換えれば、フィルタディスクは、複数のディスク入口チャネルを含むことができ、複数のディスク入口チャネルのそれぞれは、蛇行フィルタチャネルと協働して、左ディスクフローチャネル及び右ディスクフローチャネルを形成する。

図63及び図64を参照すると、フィルタディスク12の詳細は、先に説明したフィルタ材料の小さなセクションの拡大図で見ることができる。この図において、薄いチャネル壁60をより明確に見ることができる。これらの壁は、流体が濾過された領域61に入るのを防止する。

図65を参照すると、薄いフィルタ材料の小さなセクションの裏面が示されている。非常に浅いチャネルが、薄いフィルタ材料の裏面に形成される。これらのチャネルは、それらが高いと、深さの1/1000しかない場合がある。これらは一緒に妥当な間隔で近接している。それらは間隔を置いて示され、中心から中心までは、それらの高さの約1.2倍である。薄い材料の全長はこれらのチャネルを有する。それらは、流体がチャネル壁を事実上「ジャンプ」させる。チャネルの深さよりも大きいいずれの粒子は、フィルタリングされた領域に流入することが制限される。

図64に戻る。濾過された領域61の中に入る流体は、フィルタディスクの底面を出て、濾過された出口プレナム13に入ることができる。

フィルタディスク12の小さなセクションの別の構成が図66に示されている。薄いチャネル壁60は、前側凹部表面76によって形成された極めて浅いチャネルで構成されている。前側凹部表面76は、前面75から凹んでおり、且つ、前側スペーサ77によって分離されている。この構成では、薄い材料の裏面は平坦である。これらの非常に浅いチャネルは、粒子が流体から分離される場所である。

図67を参照すると、フィルタディスク12の小さ名セクションの上面図が示されている。この図では、帯電した表面が示されている。用途によっては、流れ場を横切る電界を作り出すことが望ましい。前側帯電層80は、フィルタ材料の主構造の直下に位置するように示されている。後部帯電層81は、フィルタ材料の背面の表面のすぐ下に位置する。これらの層は、交互に、フィルタ材料の表面に配置することができる。正確な場所は、特定の用途のために設計される。

前面及び後面は、フィルタシステムのフィルタリング特性を向上させるために他の材料でコーティングすることもできる。コーティングのいくつかの例は、炭素粒子、二酸化チタン、二酸化ケイ素、フィルタ材料に埋め込まれた帯電イオン及び他の多くの種類の材料である。

図68、図69、図70及び図71をまとめて参照すると、フィルタシステムの交互構成が示されている。図68〜図71のそれぞれに、フィルタ材料の小さなセクションが示されている。このシステムは、ディスクに巻き取られるのではなく、一緒に積層されたフィルタ材料からなる。トップカバーとボトムカバーは円形ではなく長方形である。流入口及び流出口チャネルは、放射状ではなく線形である。入口チャネル及び出口チャネルは、ディスク入口及び出口領域と嵌合する。この交互構成は、円形バージョンと同じように機能する。フィルム入口領域90、フィルム出口領域91及びフィルム壁領域92の比較的等しいサイズは、トップカバーのチャネルと整列させるために、薄い材料の配置において精度をあまり必要としない。

図72を参照すると、2段階フィルタシステムのためのフィルタ材料のセクションが示されている。これは、前述の1段階フィルタシステムの全ての要素を有する。

さらに、それは、1段階システムの下に構成された第2のフィルタステージ100を有する。濾過された領域61からの流れは、第2のステージ入口102における第2のフィルタステージ100に入る。第2のフィルタステージ100を出る濃縮流体は、第2のステージ出口105によってフィルタ材料の上端に送られる。濾過された流体は、第2段の薄いチャネル壁106を出て、第2段のろ過領域107に移動する。第2段のろ過領域107において、ろ過された出力プレナム13上にフィルタ材料の底端部を自由に出ることができる。

フィルタチャネル及びフィルタ入口及び出口の多数の構成をフィルタ材料上に構成することができることに留意されたい。

本技術は、フィルタに関し、より詳細には、限定するものではないが、互いに対して交互に且つ横方向に配向された多重段階式(sataged)層を含むフィルタに関する。これらのフィルタは、様々な大きさの粒子を除去するために微粒子含有流体を濾過するように構成されることが有利である。

様々な実施形態を上記で説明してきたが、これらの実施形態は、単なる例示であり、限定するものではないことを理解されたい。この説明は、本技術の範囲を本明細書に記載の特定の形態に限定することを意図するものではない。従って、好ましい実施形態の幅及び範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきではない。上記の説明は例示であり、限定的ではないことを理解されたい。それどころか、本説明は、添付の特許請求の範囲によって定義される技術の精神及び範囲内に含まれ、かつ当業者によって認識されるような代替物、改変物、及び等価物を包含することが意図される。従って、技術の範囲は、上記の説明を参照せずに決定されるべきであり、代わりに、それらの均等物の全範囲とともに添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。

本発明はまた、以下の態様に関する。: 1.フィルタフィルムであって、 (a)フィルムの上面から延長する複数の分割壁であって、複数のテーパ状の入口チャネルを形成する前記複数の分割壁と; (b)前記複数の分割壁のそれぞれの長さに沿って形成された複数のクロスチャネルと; (c)前記複数のテーパ状の入口チャネルの各々のための入口チャネルと; (d)前記複数のテーパ状の入口チャネルの各々のための出口チャネルと; を含む、フィルタフィルム。 2.前記フィルタフィルムの前面を覆う導電層をさらに含む、請求項1に記載のフィルタフィルム。 3.前記フィルタフィルムの裏面を覆う導電層をさらに含む、請求項2に記載のフィルタフィルム。 4.前記前面及び裏面の導電層は、荷電粒子が埋め込まれている、請求項3に記載のフィルタフィルム。 5.前記フィルタフィルムの前面を覆う導電層を覆う電気絶縁層をさらに含む、請求項2に記載のフィルタフィルム。 6.前記複数のテーパ状の入口チャネルは実質的にV字形である、請求項1に記載のフィルタフィルム。 7.前記フィルタフィルムの入口チャネルが交互の幅を有する、請求項6に記載のフィルタフィルム。 8.前記複数の分割壁のそれぞれの前記複数のクロスチャネル上に配置された多孔質の導電性材料又はテクスチャリングをさらに含む、請求項1に記載のフィルタフィルム。 9.前記複数のクロスチャネルの各々は、隣接する分割壁によって形成されたテーパ状の構成を含み、前記隣接する分割壁は涙の形状である、請求項1に記載のフィルタフィルム。 10.請求項1に記載のフィルタフィルムを複数含み、前記複数のフィルタフィルムは、積み重ねられ、且つ、嵌合する関係で配置されている、フィルタ装置。 11.前記複数のフィルタフィルムは、円筒状に巻かれている、請求項10に記載のフィルタ装置。 12.前記複数のフィルタフィルムは、螺旋状構成に巻かれている、請求項10に記載のフィルタ装置。 13.フィルタフィルムであって、 フィルムの上面から延長する複数の入口分割壁の第1の列であって、流体中の前記複数の入口分割壁は複数のフィルタ入口チャネルと連通し、前記複数の入口分割壁は、互いに間隔をあけて複数のチャネルを形成し、前記複数の入口分割壁の各々は、前記入口分割壁の底部に近接した湾曲セクションを含む、入口分割壁の第1の列と; 複数の入口分割壁の第2の列であって、前記複数の入口分割壁が、前記第1の列の複数のフィルタ入口チャネルよりも狭いフィルタ入口チャネルを形成するため、第1の列の複数の入口分割壁よりもより近接した間隔を置いて配置される、第2の列と; を含む、フィルタフィルム。 14.前記第1の列及び第2の列は、クロスチャネルを形成するため、相互に離間される、請求項13に記載のフィルタフィルム。 15.第3のフィルタチャネルを形成する複数の入口分割壁の第3の列をさらに含む、請求項14に記載のフィルタフィルム。 16.前記第2及び第3の列は、別のクロスチャネルを形成するため、相互に離間される、請求項13に記載のフィルタフィルム。 17.請求項13に記載のフィルタフィルムを複数含むフィルタ装置。 18.前記複数のフィルタフィルムを囲むためのハウジングをさらに含む、請求項17に記載のフィルタ装置。 19.前記複数のフィルタ入口チャネルと流体連通する上部プレナムをさらに含む、請求項18に記載のフィルタ装置。 20.前記フィルタ装置を通って流れる流体を前記ハウジングの流体出口に向けるための下部プレナムをさらに含む、請求項19に記載のフィルタ装置。 21.フィルタディスクを保持するための円筒形ハウジングを含むフィルタであって、前記円筒形ハウジングは、複数の半径方向入口チャネルと複数の半径方向出口チャネルとを含むトップカバーを含み、前記複数の半径方向入口チャネルは、前記半径方向出口チャネルと交互の関係で配置され、前記トップカバーは、流体を受けるためのカバー入口チャネルを含み、前記半径方向出口チャネルは、前記フィルタディスクから濃縮又は濾過された流体を収集する、フィルタ。 22.前記円筒形ハウジングが、前記複数の半径方向出口チャネルと流体連通する出口プレナムを含む、請求項21に記載のフィルタ。 23.前記フィルタディスクは、複数のフィルタフィルムを含み、 前記複数のフィルタフィルムのそれぞれは、 薄いフィルタ壁によって境界を定められた蛇行したフィルタチャネルと、 複数のディスク入口チャネルであって、前記複数のディスク入口チャネルの各々は、蛇行したフィルタチャネルと協働して、左ディスクフローチャネル及び右ディスクフローチャネルを形成する、複数のディスク入口チャネルと、 を含む、請求項21に記載のフィルタ。 24.複数のパネルを含むフィルタ装置であって、 前記複数のパネルの各々は、 フィルタリング前面と、平坦な背面と、を含み、前記フィルタリング前面は、 互いに離間して垂直チャネルを形成する、垂直方向に延びる突起の第1の列であって、前記フィルタ装置の入口に近接する第1の列と、 互いに離間して垂直チャネルを形成する、垂直方向に延びる突起の第2の列であって、前記フィルタ装置の出口に近接する第2の列と、 フィルタリング突起の1つ以上の列であって、前記1つ以上の列が互いに垂直方向に間隔をあけて配置され、且つ、垂直方向に延びる突起の第1の列と第2の列との間に延び、フィルタリング突起の各列は、所与のサイズのオブジェクトを受け取り、且つ、保持するように構成されたサイズを有するフィルタチャネルを形成するため、互いに離間したフィルタリング突起を含む、フィルタリング突起の1つ以上と、 を含み、且つ、 (f)前記複数のパネルは嵌合構成で積み重ねられ、それにより、1つのパネルのフィルタリング前面が隣接するパネルの平坦な背面と嵌合して接触する、 フィルタ装置。 25.前記フィルタリング突起の1つ以上の列のそれぞれが、固有の幅を有するフィルタリングチャネルを含む、請求項24に記載のフィルタ装置。

1 脱イオンパネル1 2 上面 3 エンボスフィルム 4 上端 5 入力チャネル 6 クロスチャネル 7 前面 8 出力チャネル 9 クロスチャネル分割壁