JP4315641B2

JP4315641B2 - フィルター装置

Info

Publication number: JP4315641B2
Application number: JP2002141922A
Authority: JP
Inventors: 英臣石部
Original assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Current assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: JP2003334431A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造ガス用の濾過などに採用しうる精密濾過のために好適に採用しうるフィルター装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フィルター装置は、通常、被処理流体を導入させる導入口と、該導入口に通じ処理した流体を排出させる排出口とを設けたハウジングの内部に、フィルター部材を収納し固定しているが、特に半導体製造ガス用などのような超高純度の濾過を必要とするフィルター装置では、これに用いるフィルター部材は０．０１μｍ以上の微細粒子を１０^- ^１０個以下とする精度で捕捉する品質が必要であって、しかもそれに適合する空孔特性のフィルター部材であっても、フィルター装置全体としては、ハウジングへ装着する際の取付けを確実かつ効率よく行うことが不可欠となり、その適否はフィルター装置としての性能、品質及び生産性において大きな影響を及ぼす。
【０００３】
このために、本発明者はシート状の濾材をハウジング内の取付け面間で押圧しメカニカルシールする方法を特許２８１３２７４号公報により、及びロウ付け、拡散接合など直接加熱によって両者を一体的に結合することを、特許３２１５５０１号公報、特開平８−１３２２２６号公報などにより提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のメカニカルシール法で用いるフィルター部材が、通常、シート状の平板濾材であって、その有効濾過面積はその開口面積に制約され、従って多量処理するものではハウジング自体の径が大きくなりフィルター装置が大型化する。
【０００５】
また、後者の直接加熱法は、主として、筒状、乃至カップ状のフィルター部材即ち濾材の場合に採用されるが、
ア）濾材を直接高温状態に加熱する為、濾材が着色したり、酸化するなど耐食性が低下するとともに、これら部分を再生する為の後処理が必要になること。
イ）ロウ付け法では、溶融したロウ材が毛細管現象によって浸透し、濾材の有効空孔を閉塞して濾過面積を減少させること。
ウ）半導体用のプロセスガスが被処理流体のとき、場合によっては、ロウ材乃至溶接材に悪影響を及ぼすものがあり、フィルター装置の使用が制限される場合があること。
エ）部品点数を増やすことが多くこのとき部材間の微小隙間やデッドスペースによって、滞留が生じること。
などの解決すべき課題がある。
【０００６】
本発明は、生産工程の短縮化によるコストダウン、あるいはリーク発生など欠陥のない確実なフィルター部材の装着を可能とし、前記課題を解決しうるフィルター装置の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決する為に、本願請求項１に係る発明は、容器片からなるハウジングと、被処理流体を濾過処理するフィルター部材と、多孔質の通気性部とからなるフィルター装置において、前記容器片は、互いに接合することにより前記フィルター部材を装着する軸方向にのびる内腔を形成しかつ該内腔の軸方向で対向する対向面に一方、他方の導孔を設け、かつ前記フィルター部材は、底部の周縁で立ち上がり開口側の端面を有する周壁部を設けたカップ状をなし、かつ前記底部及び前記周壁部は濾過機能を発揮する濾過部であるとともに、前記開口側の端面を１つの対向面に位置させて該対向面に設けられた一方の導孔と、内腔の内周面と前記フィルター部材の周壁部との間で形成される環状流路とを連通させ、かつ前記底部端面を他の対向面に位置させるとともに、該底部端面と、他の対向面との間に、底部端面の全体と当接しかつ前記濾過部よりも粗大な流路を有する多孔質の通気性部を介在させることにより、他方の導孔と内腔の内周面と前記フィルター部材の周壁部との間で形成される前記環状流路とを連通させ、少なくとも前記底部端面を通る濾過流体を前記通気性部を介して他方の導孔に通過させるように前記フィルター部材を前記内腔内に配置し、前記容器片の前記接合を加熱結合により行うことによる冷却に伴う収縮によって、フィルター部材を前記対向面間で強圧して被処理流体のリークを防止することを特徴とするフィルター装置である。
【０００８】
このように、請求項１に係る発明においては、カップ状のフィルター部材を用いつつフィルター部材に熱作用を殆ど及ぼすことなくハウジングの内腔に装着でき、フィルター耐久性、フィルター精度、取付作業性を向上させうる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記フィルター部材が、開口側の端面と前記対向面との間にガスケットを介在させること、請求項３に係る発明は、前記フィルター部材が、微細な濾過層と、該濾過層を支持する支持層との複合構造体からなることをそれぞれ特徴事項としている。
【００１０】
また請求項４に係る発明は、前記フィルター部材が、前記周壁部の内周面又は外周面に軸方向に沿ってのびることにより濾過面積を増大する凹凸部を形成したこと、及び請求項５に係る発明は、前記通気性部が、金属粉末の焼結体からなることを特徴としている。
【００１１】
以下本発明の実施の一形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明のフィルター装置１の一実施の形態を例示し、フィルター装置１は、被処理流体を濾過処理するフィルター部材２と、ハウジング３と、通気性部６とを具え、又このハウジング３は、互いに接合することにより前記フィルター部材２を装着する軸方向にのびる内腔４を形成する容器片８，９からなる。また、この容器片８，９は、前記内腔４の軸心と直角にハウジング３を長手方向にインロー嵌合部１０を有して分割することにより形成される。なお、ハウジング３は、より多数個の容器片にも分割できる。
【００１２】
前記フィルター部材２は、底部１１に、その周縁で立ち上がることにより一端が開口し、開口側の端面を有する周壁部１２を設けたカップ状をなす。これにより、前記フィルター部材２は、該周壁部１２に囲まれてなる空間を有する。また、本形態では、周壁部１２は円筒状をなすとともに、底部１１，周壁部１２は、ともに濾過機能を発揮する濾過部２ｆとして形成され、これにより濾過面積の増大を図っている。
【００１３】
さらにフィルター部材２は、例えば図２、３に示すように、前記周壁部１２の外周面を、該フィルター部材２の軸方向に沿ってのびる山状部１６ａと谷状部１６ｂとを周方向に交互に繰り返すウエーブ状の凹凸面１６ｃとし、これにより濾過面積の増大と装置組立て時の熱収縮に対する長手方向の耐圧強度の向上を図っている。なお、内周面を凹凸面とすることも、軸方向に連続する凹凸に代えて、半球状などの突起状とすることもできる。
【００１４】
又このフィルター部材２は、本発明者が国際公開Ｗ０９３／０６９１２号公報において提案した、比較的粗大な空孔の支持体１５を、予め調整した微細粒子懸濁液中に浸漬して減圧吸引することにより、この支持体１５の外表面に微細粒子の微細な濾過層１６を積層し、かつ支持体１５は、底板部１５Ｂと周壁部１５Ａとを有するカップ体であることにより、前記微細な濾過層（以下単に微細層と言うことがある）１６は、前記底板部１５Ｂの外面に形成される底微細層１６Ｂと、周壁部１５Ａの外周面の側面微細層１６Ａとからなる。
【００１５】
又フィルター部材２が、半導体プロセスガス濾過用である本形態の場合には、前記支持体１５は、例えば、外径２１ｍｍ、内径１４ｍｍ，長さ３３ｍｍの有底カップ状のステンレス鋼粉末焼結体とすることができ、かつ周壁部１２の外周面の前記凹凸面１６ｃは幅５ｍｍ，深さ５ｍｍとしている。しかしながら、フィルター部材２の形状、寸法は外径が６〜３０ｍｍ，内径が２〜２８ｍｍ，長さが５〜６０ｍｍ程度の範囲で用途、求められる性能に応じて形状、寸法とともに自在に設定しうる。
【００１６】
又前記支持体１５は、フィルター部材２において補強材として機能するとともに前記微細層１６を支持してフィルター部材２を構成する多孔体であり、前記のようにカップ状としている。この底板部１５Ｂと周壁部１５Ａとはともに多孔性焼結体からなり、図１〜３に示す形態では底板部１５Ｂと周壁部１５Ａとはとも一体のカップ状成形体として形成されている。
【００１７】
なおこの底板部１５Ｂと周壁部１５Ａとは、図４に示すように、別体として成形したのち、電子ビーム溶接などの適宜の固着手段により一体化することによっても形成しうる。
【００１８】
さらに支持体１５は、微細層１６のように濾過のために微細空孔とする必要はないことから、例えばステンレス鋼、ニッケルなどの通常の金属アトマイズ粉末（例えば直径１０〜１００μｍ程度）を焼結した金属焼結体が用いられ、比較的大きな空孔（空孔精度１０〜３０μｍ程度）と、高い圧力に耐えうる十分な厚さとを有し、かつ空孔率を２０〜８０％程度に成形したものが好ましく、このように、比較的粗大な空孔と通気性を備えるとともに、機械的外圧にも耐え得る強度とするのがよい。このような金属粉末の焼結体では、該フィルター部材２を強圧する場合においても変形や破断の発生がなく好ましい。
【００１９】
前記微細層１６は、実質的に濾過機能を発揮する部分であって、前記支持体１５よりも空孔径を小とするため、使用する粉状体を微細としている。またこのフィルター装置１が半導体製造用のプロセスガスなどの精密濾過用として使用される場合にあっては、０．０１μｍ以上、より好ましくは０．００３μｍ以上の大きさを対象とする微小パーティクルを１０^- ^１０個以下乃至それ以下とする精度を具えるために、使用する粉状体を選択する。粉状体として、微小な金属粒子、金属短繊維、又はその混合体などを用いうる。このような前記フィルター部材２の微細層１６は、単体では濾過圧に耐え得ないが前記支持体１５で支持させることにより精密な濾過層として採用しうることとなる。
【００２０】
なお前記凹凸面１６ｃも、周方向に隣り合う前記幅、即ち周方向ピッチＰを、前記山状部１６ａ間の谷状部１６ｂの谷底からの山頂までの***高さＨの２〜４倍とするのがよく、例えば、***高さＨが過大、即ち周方向ピッチＰが相対的に過小である場合には、谷底まで微細層１６により被覆することが困難となる。また好ましくは、周方向ピッチＰを例えば０．５〜１０mm（好ましくは１〜８mm程度、さらに好ましくは４〜６mm程度）とし、かつ***高さＨも例えば０．５〜６mm程度（好ましくは１〜３mm程度）とするのがよく、フィルタの使用目的に応じて、また必要となる濾過精度、濾過効率により適当な範囲を設定する。
【００２１】
前記金属粒子としては例えば５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下程度の直径の粉状体を使用するのがよく、またたとえばステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌなど耐食性に優れた材料が好ましい。また微細層１６は、厚さ０．５ｍｍ、濾過精度０．３μｍ，空孔率５１％の特性とした、ステンレス鋼短繊維（繊維径３μｍ，アスペクト比１〜１０）によって成形している。したがって、この微細層１６は単体では濾過圧に耐え得ない非常に薄いものであり、濾過時の圧力損失を小さくすることができる。
【００２２】
前記金属短繊維としては、アスペクト比（Ｌ／ｄ）を２〜２０程度とする。アスペクト比の平均値が２〜２０の金属短繊維を含む粉状体により形成した焼結体では、各短繊維の絡み付きが大きくバインダーの使用を必要とせず保形でき、形成される空孔も立体的な三次元空孔となって空孔率を高くすることができる。更に金属短繊維の直径を例えば１〜３μｍ程度の太さとするのがよい。またこうした金属短繊維としては、例えば特公昭６３−６３６４５号が開示する結晶調整化熱処理によりえられる切断端部にダレ発生が無いものが好適に使用できる。
【００２３】
前記金属短繊維を用いるときには、例えば微細層１６の平均厚さは０．０５〜１ｍｍ程度とし、かつ前記のように、粉状体を分散させた懸濁液中に、前記支持体１５を浸漬して、例えば０．２〜１ｋｇ／ｃｍ²程度の適当な負圧力で約１〜１５秒、例えば５秒間程度吸引することにより、前記短繊維の微細層１６を積層成形し、かかる成型品を焼結炉内で温度１０５０℃程度の無酸化雰囲気中での焼結を行ない、例えば金属短繊維を三次元的にランダム配向し、０．００３μｍのパーティクルを１０^- ^１１個の精度で濾過でき、しかも圧力損失を低減した多孔性焼結品であるフィルター部材２を形成する。
【００２４】
なおフィルター部材２は、外周面を凹凸面１６ｃとしない場合の他、周壁部１２として非円筒状、円錐形、角錘形など、種々な形状のものとして形成でき、かつ前記複合構造の濾材を内外逆形態に構成することによって、支持体１５の内側に微細層１６を形成することもできる。さらに、２層体の他、１層からなる濾材を用いることもできるが、ハウジング３への装着時に作用する押圧力に耐える耐圧強度が必要であるから、濾材の全体厚さが厚くなるため、濾過特性低下を考慮することが必要となる。
【００２５】
前記ハウジング３は、前記のように、長さ方向と直角に前記内腔４をインロー嵌合部１０を有して分割しかつ互いに例えば突き合わせ溶接により接合することにより前記フィルター部材２を装着する内腔４を形成する容器片８，９からなる。又フィルター装置１は本形態では、例えば製造ラインにおいてパイプに組込むインライン型であって、前記容器片８，９は、接合されることにより前記内腔４を形成するカップ状の主凹部８ａ、９ａと、該主凹部８ａ、９ａからそれぞれ反対外向きにのびかつ接続用の案内部、ネジ部を設けた突出部８ｂ，９ｂとを同芯に具える。しかも突出部８ｂ，９ｂの外端には、前記内腔４に導通する一方、他方の導孔８ｃ，９ｃを中心線上に開口している。
【００２６】
又前記主凹部８ａ、９ａは、前記内腔４に臨み、かつ前記軸方向で互いに対向する１つの対向面８ｄ，及び他の対向面９ｄを具え、三角形のヌスミ部８ｅ，９ｅを介して、該１つの対向面８ｄには、前記一方の導孔８ｃ，他の対向面９ｄには、他方の導孔９ｃがその中心に開口している。なお、内腔４の内周面４ａには両側に段差４ｂ，４ｃを介して短い小径部を形成し、かつ少なくとも、内腔４を含む流路面には鏡面仕上げが施される。
【００２７】
前記通気性部６は、一方の容器片９の前記他の対向面９ｄに当接できかつ内腔４の前記段差４ｃの外側の小径部において嵌着する外径と、嵌着により前記段差４ｃよりも内方にこえてはみ出すはみ出し部６Ａを形成しうる厚さとを具える。
【００２８】
この通気性部６は、前記フィルター部材２の微細層１６の接合に伴う変形、濾過性能の低下を抑制するものであり、前記他の対向面９ｄとフィルター部材２の底部１１の外表面の全面との間に介在して、フィルター部材２を緩衝し、これにより、被処理流体が底部１１の外表面をも通過できる。このため、通気性部６は、例えば金属粉末焼結体からなり、かつ前記底部１１の外表面が接触する厚さ２〜１０ｍｍ程度の成形体であって、その空孔は前記濾過部２ｆよりも空孔径を粗とし、特に金属粉末焼結体では、軟質としてある程度の変形に順応させるとともに、成形空孔はその全面に亙って極めて均一とし、前記フィルター部材２との接触部でも滞留などが発生することなく、円滑な濾過処理を可能とする。
【００２９】
通気性部６として、フィルター部材２の底部１１に予め拡散結合などにより固着させておくこともできる。なお前記フィルター部材２での支持体１５の内周に微細層１６を形成したときには、この支持体１５を通気性部６として機能させ、部品点数を削減させることもできる。
【００３０】
このような、フィルター部材２と、ハウジング３，即ち容器片８，９、通気性部６とは、図１に示すように、主凹部９ａを上向きとした容器片９の前記他の対向面９ｄに通気性部６を載置し、かつフィルター部材２を、その底部１１の外周面を通気性部６上に当接させて設置する。
【００３１】
さらに本形態では、フィルター部材２の開口側の端面と、容器片８の1つの対向面８ｄとの間にリング状のガスケット部材７を介在させて、容器片８を載置する。このガスケット部材７により、端面と１つの対向面８ｄとの間の、前記濾過部２ｆを通らない被処理流体のリーク発生を防止する。なお、リーク洩れがないときには不要となる。用いるガスケット部材７としては例えば微細空孔の多孔体や、ハウジング組立時の押圧によって延性変形する軟質金属材料などが用いられる。また、例えば、図５に示すように前記微細層１６を延長してフィルター部材２の開口側の端面を覆う覆部１６ｄを形成するか、又は図６に示すように、1つの対向面８ｄをテーパー状に形成して前記微細層１６に部分的に強圧しリーク漏れを低下することも考えられる。
【００３２】
こうして配置された各部材は、各容器片８，９をインロー嵌合させ容器片８，９を押圧しつつ、好ましくは押し縮め後においても小スキマ（０．０５〜０．２０ｍｍ）を保持してスキマを突き合わせ溶接する。溶接方法としては、例えば電子ビーム溶接などあまり溶融加熱部が広がらない方法が好ましい。
【００３３】
このようなインロー嵌合によってずれを防ぐとともに、押圧しつつ熱溶着することにより、冷却時の熱収縮によって、前記フィルター部材２及び通気性部６を強圧させ、フィルター部材２をハウジング３に強固に取付けできる。
る。
【００３４】
このように組み立てることにより、前記ハウジング３は、フィルター部材２の開口側に位置する容器片８の１つの対向面８ｄに設けられる前記一方の導孔８ｃは該フィルター部材２の開口に通じる流路Ｒ１を形成する。つまり、前記フィルター部材２の開口側の端面を前記１つの対向面８ｄに位置させて該対向面８ｄに設けられた一方の導孔８ｃと前記フィルター部材２の周壁部１２が囲む空間とを連通させることとなる。またフィルター部材２の前記周壁部１２の濾過部２ｆの外周面は、前記内腔４の内周面４ａとの間で、環状流路Ｒ２を形成しうる。さらにフィルター部材２の前記通気性部６側に位置する他の容器片９の他の対向面９ｄに設けられる他方の導孔９ｃは、前記通気性部６で開口する流路Ｒ３を構成する。つまり、前記フィルター部材２の底部端面を他の対向面９ｄに位置させるとともに、該底部端面と、他の対向面９ｄとの間に、底部端面の全体と当接しかつ前記濾過部２ｆよりも粗大な流路を有する多孔質の通気性部６を介在させることにより、少なくとも前記底部端面を通る濾過流体を前記通気性部６を介して他方の導孔９ｃに連通させることになる。さらに前記のように通気性部６には、はみ出し部６Ａを有し、このはみ出し部６Ａが前記環状流路Ｒ２に露出することにより、前記環状流路Ｒ２は、前記流路Ｒ３に通気性部６を介して連通している。
【００３５】
従って、流路Ｒ１の被処理流体は濾過部２ｆで濾過されて環状流路Ｒ２に流れ前記のように通気性部６をへて流路Ｒ３に流出する。なおフィルター部材２の底部１１を流れる流体は直接通気性部６を介して流路Ｒ３に流れる。
【００３６】
前記通気性部６は、ハウジング溶接時の熱収縮による押圧に対しても緩衝材として機能でき、濾材自体の空孔閉塞や破損などの問題を改善できる。しかも、溶接熱はフィルター部材２には直接影響しない離れた部分とすることにより、その熱によるフィルター部材２の損傷、影響を受けることを防ぎ、商品寿命を向上できるとともに、ロウ材を用いず、溶接材も内部には実質的に侵入しないため、半導体プロセスガスの濾過のために用いるときにも、部材腐食のおそれを低減でき、処理流体が残留したり滞留するなどの問題も解消できる。又構造簡単でなることから、生産性を高めコストを削減する。なお、ガスケット部材７を併用することも、省略することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるフィルター装置は、フィルター部材がハウジングに、直接加熱されることなく強固に固着するものであり、前記課題を解決しうる。
【００３８】
さらに通気性部は、ハウジング溶接時の熱収縮による押圧に対しても緩衝材として機能でき、濾材自体の空孔閉塞や破損などの問題を改善できるとともに、溶接熱はフィルター部材には直接影響しない離れた部分とすることができて、熱によるフィルター部材の損傷、影響を受けることを防ぎ、商品寿命を向上できる。またロウ材を用いず、溶接材も内部には実質的に侵入しないため、半導体プロセスガスの濾過のために用いるときにも、部材腐食のおそれを低減でき、処理流体の残留、滞留などの問題も解消できる。又構造簡単でなることから、生産性を高めコストを削減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を例示するフィルター装置の部分断面図である。
【図２】フィルター部材を例示する一部断面側面図である。
【図３】その側面図である。
【図４】フィルター部材の他の例を示す一部断面図である。
【図５】フィルター部材のさらに他の例を示す断面図である。
【図６】フィルター部材の開口端とハウジングの当接の別の形態を例示する断面図である。
【符号の説明】
２フィルター部材
２ｆ濾過部
３ハウジング
４内腔
４ａ内周面
６通気性部
６Ａはみ出し部
７ガスケット部材
８，９容器片
８ａ，９ａ主凹部
８ｂ，９ｂ突出部
８ｃ，９ｃ導孔
１０インロー嵌合部
１１底部
１２周壁部
１６ａ山状部
１６ｂ谷状部

Claims

容器片からなるハウジングと、被処理流体を濾過処理するフィルター部材と、多孔質の通気性部とからなるフィルター装置において、
前記容器片は、互いに接合することにより前記フィルター部材を装着する軸方向にのびる内腔を形成しかつ該内腔の軸方向で対向する対向面に一方、他方の導孔を設け、かつ
前記フィルター部材は、底部の周縁で立ち上がり開口側の端面を有する周壁部を設けたカップ状をなし、かつ前記底部及び前記周壁部は濾過機能を発揮する濾過部であるとともに、
前記開口側の端面を１つの対向面に位置させて該対向面に設けられた一方の導孔と、内腔の内周面と前記フィルター部材の周壁部との間で形成される環状流路とを連通させ、
かつ前記底部端面を他の対向面に位置させるとともに、該底部端面と、他の対向面との間に、底部端面の全体と当接しかつ前記濾過部よりも粗大な流路を有する多孔質の通気性部を介在させることにより、他方の導孔と前記環状流路とを連通させ、少なくとも前記底部端面を通る濾過流体を前記通気性部を介して他方の導孔に通過させるように前記フィルター部材を前記内腔内に配置し、
前記容器片の前記接合を加熱結合により行うことによる冷却に伴う収縮によって、フィルター部材を前記対向面間で強圧して被処理流体のリークを防止することを特徴とするフィルター装置。
前記フィルター部材は、開口側の端面と前記１つの対向面との間にガスケットを介在させることを特徴とする請求項１記載のフィルター装置。
前記フィルター部材は、微細な濾過層と、該濾過層を支持する支持層との複合構造体からなることを特徴とする請求項１又は２記載のフィルター装置。
前記フィルター部材は、前記周壁部の内周面又は外周面に軸方向に沿ってのびることにより濾過面積を増大する凹凸部を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフィルター装置。
前記通気性部は、金属粉末の焼結体からなることを特徴とする請求項１〜４のいづれかに記載のフィルター装置。