CN1130360A - 改进的超低渗透空气过滤器 - Google Patents

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Abstract

所揭示的是一种适用于多种洁净空气过滤的改进型过滤器。该过滤装置采用连续的多微孔过滤膜如发泡聚四氟乙烯，以提供对0.1μm级颗粒为99.99999％的过滤效率，而过滤器所产生的压降很小。而且，本发明的过滤装置进一步具有避免在现有高效能粒子空气(HEPA)和超低渗透(ULPA)过滤装置中存在的缺点，诸如源于脱落或散发杂质和/或漏气的过滤器本身的污染及不能接触化学物质的缺点。因此，本发明提供了一种更洁净更耐用的过滤器和过滤装置，它们能用于解决在许多不同的工业诸如电子和医药工业中所遇到的日益增长的污染问题。

Description

改进的超低渗透空气过滤器
发明背景
1.发明领域
本发明涉及用于洁净室、微环境及类似设备中的过滤装置，尤其涉及用于这类设备中的超净过滤器。
2.有关技术的描述
过滤效率和污染控制是日益受到许多需要洁净和超净设备的工业部门和企业的关注的领域，诸如医药和半导体生产等。由于污染的容限越来越严格，因此人们开发了多种改进的空气调节和空气过滤产品。
其中最活跃的一个领域是开发具有从空气中分离亚微米颗粒及其他杂质能力的改进型空气过滤器。高效能空气粒子(HEPA)过滤器通常对0.3μm的颗粒具有不小于99.97％的过滤效率。在较敏感的环境中，可采用超低渗透空气(ULPA)过滤器，它对0.1μm的颗粒具有超过99.999％的过滤效率。
授予莱顿的美国专利5,158,586和5,238,477揭示了HEPA过滤器的一种形式。这种过滤器包括一过滤膜，该膜由一连续的多孔金属(例如不锈钢、钛、铝)形成，它具有形成孔隙的许多小孔，允许气体通过而滤去它所携带的颗粒，或由一紧密编织的细丝薄片形成。虽然这些专利没有讨论过滤效率，但却谈到，薄钢片通常具有约0.01英寸的厚度和约0.5μm大小的细孔。
许多HEPA过滤器和ULPA过滤器可在市场上买到，诸如由美国北卡罗来纳州玛丽埃塔的弗兰德斯过滤器公司、肯塔基州路易斯维尔的美国空气过滤器公司过滤、新泽西州霍索恩的Filtra公司、明尼苏达州明尼阿波利斯的唐纳森公司所制造的产品。这些过滤器一般均由一位于框架内的形成折叠结构的纤维过滤媒质(例如用丙烯酸树脂粘结的玻璃纤维)构成。尽管这些过滤器在许多场合工作良好，但仍具有一些缺点。
首先，人们日益关注的是，在某些情况下，纤维过滤媒质容易脱落或散发出细小的纤维。这在大多数的使用场合可能关系不大，但在颗粒数量要求特别低的情况下，就会成为一个大的污染问题。
其次，许多现有的过滤系统在某些场合下是有可能受到化学物质侵袭的。例如，半导体湿法处理工序中的氢氟酸就对普通的空气过滤媒质具有相当的侵蚀作用。当空气是在使用这类化学物质的环境中重复循环时，许多过滤器产品就会过早地损坏和开始脱落或散发出造成污染的颗粒。
第三，许多现有的过滤媒质容易受空气系统中潮气的侵蚀。例如，玻璃纤维材料在较高的湿度下或较长时间地暴露在液体中时会造成堵塞和破坏。
第四，另一个过滤器污染问题在于，一些过滤器会在使用中产生“漏气”。这种漏气现象通常发生于种种用来将过滤媒质固定在框架中的密封或封装材料(如聚氨酯)，及来自过滤媒质和/或过滤媒质的化学处理(如阻燃处理)。而且，在非常敏感的环境中，即使由过滤装置本身所放出的化学物质的量很小也会是有害的。这类物质例如包括硼和磷。
第五，业已发现，以高于100ft/min的速度来运行空气系统会造成过滤媒质的振动。对于纤维过滤媒质如玻璃纤维来说，这种振动会导致颗粒的脱落和污染。而且，由于体积流量的要求，为了使过滤器下游达到90—100ft/min的速度，在过滤器表面就可能需要有110—120ft/min或更高的流速。
授予戴维斯的美国专利5,114,447揭示了一种用于联机洁净气体供应系统的、过滤效率可达99.9999999％的超高效多孔金属过滤器。尽管此专利证明了超高过滤效率是可能实现的，但为实现此洁净度而采用的结构却完全不适于以室内或微环境过滤系统中所通常使用的方式用以进行大面积地过滤大容量空气。而且，虽然这种过滤器所产生的压降在高压气体管线中关系不大，但对于用作空调/过滤来说仍然是不允许的。
因此，本发明的主要目的在于提供一种用于超净环境的空气供给系统的空气过滤器，同时保持过滤媒质上的压降是可接受的。
本发明的进一步目的在于提供一种用于洁净环境的空气供给系统的空气过滤器，它在使用中不会造成来自它本身的污染，如由颗粒脱落或漏气所造成的。
本发明的另一目的在于提供一种用于洁净环境的空气供给系统的空气过滤器，它呈化学惰性，可以用于有化学物质存在的场合，不会造成过滤媒质的失效和损坏。
本发明的再一目的在于提供一种用于洁净环境的空气供给系统的空气过滤器，它能耐水和潮气的侵蚀。
本发明上述和其他的目的，将通过下面的详细叙述而变得更为明了。
发明概要
本发明是一种适用于多种空气和气体过滤场合的、改进的过滤器。本发明的过滤器尤其适于用作诸如生产过程中的洁净室、微环境或类似洁净设施中使用的ULPA过滤器。
本发明的过滤装置采用一种过滤媒质，它包括至少一个微孔过滤层、最好是夹在一层或多层上游和下游支承材料之间的发泡聚四氟乙烯(PTFE)膜。这种过滤媒质可折叠后安装于一框架内，以便于装入空气管道。
本发明的过滤器对现有的HEPA和ULPA过滤器作了显著的改进。首先，过滤器本身不会污染空气流。不象玻璃纤维和类似的纤维过滤器那样，本发明的过滤器仅在下游侧采用连续的材料(如过滤用的发泡聚四氟乙烯膜和支承用的商标为NAL-TEX的稀松平纹麻织物)，在使用中它们不会脱落或散发纤维或其他杂质。而且，本发明的连续材料与玻璃纤维及其他类似过滤媒质相比不容易损坏。因此，在操作过程中不要求精心保护，而且无需防护罩。
其次，由于采用的是化学惰性材料，如PTFE，因而该过滤器可用于多种可能出现恶劣条件的场合，而不会丧失本身的完整性。同时，本发明的过滤器具有很强的疏水性，允许其表面暴露于相对来说较大量的水分和湿气，并不会吸收潮气而发生过滤媒质堵塞或失效的危险。
再次，本发明的过滤装置由稳定而不会产生漏气污染的材料构成。
最好，本发明的过滤器对0.1μm或0.1μm以下的颗粒能达到相当于99.99999％级或更高的优良过滤效率，同时，产生的压降小于0.7英寸水柱。这对于现有过滤装置通常只能牺牲过滤效率或压降之一来实现正常工作这一点来说，是一项显著的改进。
附图简述
本发明的工作情况将通过下面结合附图所作的讨论和描述而变得非常清楚，附图中：
图1是装于框架中的本发明的过滤器的四分之三等角图，图中防护罩的一部分被除去；
图2是本发明的过滤器和框架沿图1中2—2线剖开的局部剖面图；
图3是本发明的过滤材料的一个实施例的四分之三正视图，其中每一层均露出以示出它的细节；
图4是本发明的过滤材料的另一实施例的四分之三正视图，图中各层均露出以充分示出其细节；
图5是一用于测试本发明的过滤器的测试装置的示意图。发明详述
本发明是一种改进的过滤器，适用于多种空气过滤设备，尤其是适用于洁净室、微环境及类似设施中的超净空气调节过滤。
图1所示是本发明的过滤器10。过滤器10包括一装于框架14中的复合过滤媒质12，也可以在过滤装置10的一侧或两侧安装一透气防护罩16以提供一齐平、清洁的表面。框架14的尺寸是根据不同应用场合专门设计的。应使过滤装置能紧密地安装于输送待过滤空气的管道之中。
从图2可以清楚地看出，过滤媒质12以折叠的方式叠起来，以提供较好的结构完整性和大大增加用于过滤的外露表面面积。过滤媒质12应气密地安装于框架14中，以避免过滤媒质12周围的未过滤空气的渗漏。
较为理想的是采用一种密封或封装材料18来将过滤媒质12装于框架14中，诸如聚氨酯、环氧树脂、硅酮、热熔粘结剂或增塑溶胶。为实现良好的密封，应精选密封或封装材料18或加以处理使其浸润于或吸入于过滤媒质12，以保证连续的密封。诸如硅酮之类的材料能较好地浸润于过滤膜。诸如聚氨酯之类的其他材料则需要加一些表面活化剂来帮助浸润。同样，表面活化剂也可加于过滤媒质，以使粘结剂具有浸润能力。
用于本发明的过滤器的密封或封装材料18应优先适用耐化学侵蚀的，不易产生漏气污染的和易于被吸入过滤媒质12的材料。合适的材料有：聚氨酯、环氧树脂、硅酮、热熔粘结剂、增塑溶胶等。最好是采用无添加剂的全交联硅橡胶聚合物，以尽量减少漏气。
本发明的核心是过滤媒质12本身。如图3所示，本发明的过滤媒质12之最简单的形式是，一多微孔过滤层20夹于一上游支承材料22和一下游支承材料24之间。过滤层20最好是适用多微孔氟聚合物，诸如发泡聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、聚丙烯、聚乙烯和超高分子量聚乙烯(UHM WPE)等。当用于额定等级10或更好的洁净室设备中时，由这类材料制成的过滤器应具有以下特性：不脱落或散发杂质和不漏气；对0.3μm颗粒的过滤效率大于99.97％；在100ft/min的空气流速下压降小于1.0英寸水柱。
良好的过滤材料包括一层或多层发泡聚四氟乙烯片材，诸如按照授予戈尔的美国专利3,953,566制造的材料，此专利援引在此供参考。过滤材料也可以包括五层发泡聚四氟乙烯过滤膜，每一层在60ft/min(18.29m/min)的空气流速下压降为0.5英寸(12.7mm)水柱。可把这些薄层重叠起来形成单片过滤材料。最好将这些薄层粘结于一起，诸如通过传统的热压叠合工艺，以使各薄层不容易分离。或者，也可以简单地将各薄层叠合于一起，并把它们沿周边处固定住。
利用这种加工方法，可以生产出能在不影响空气流量或过滤效率的情况下保持其强度和形状的高强度过滤膜材料。为在压降小于0.7″水柱的情况下达到较高的过滤水平(如对0.1μm颗粒较率达99.99999％)，过滤膜应在0.5″水柱的压降下具有约12ft/min的气流速度。对扁平的片材样品来说，该材料应在10.5ft/min流速下对0.3μm的颗粒至少具有99.97％的效率。最好在10.5ft/min流速时对0.1μm级的颗粒效率大于99.99％。该效率是按照环境科学研究所(IES)的测试方法IES-RP-CC-7.1来计算的，这在下面将加以详述。
此外，过滤膜应具有大于或等于3.0磅力的平均球裂测试值，其最大值与最小值之间的范围小于1.4磅力。这是按照ASTM标准D3787-89“编织物脆裂强度”进行计算的，该标准援引在此供参考，只是其中作了一些修改：测量腔的内径为3″(7.62cm)；夹持速度为10in/min(25.4cm/min)。
过滤层20最好是包括一主过滤层和一层或多层相互平行的发泡聚四氟乙烯材料的副过滤层(主过滤层和副过滤层之间可直接接触，也可夹有一层或多层其他材料)。由于是将空气引导通过多个串联的过滤层，任何可能产生于单片过滤膜上的小的漏洞都有可能被粘结的下一个相邻膜层堵住，因而避免了过滤中的泄漏危险。而且，多过滤层也为过滤材料提供了额外的外围保护。
支承材料22、24用于在工作中使过滤层保持适当的方位。重要的是，支承材料在确定和保持过滤层正确位置的同时不能干扰通过它们的空气的流动。优先选用的材料应具有足够的刚度以支承过滤膜，又要具有足够的柔软性以避免损坏过滤膜。在打褶的情况下，该材料要在保持各个褶分离(即防止各个褶塌落)的同时，在褶中提供空气流动通道。诸如德克萨斯州奥斯汀的诺尔塑料制品公司的NAL-TEX商标的稀松麻织物或其他类似的编织网之类的材料均可适用。
图4所示为本发明的过滤媒质12的另一实施例。在此实施例中，过滤媒质12包括一上游支承材料26，一第二层上游支承材料28，两层发泡聚四氟乙烯过滤材料30、32和一下游支承材料34。用于该实施例中的较佳的支承材料包括稀松麻布等，诸如上述的NAL-TEX商标的稀松麻布。
第二层上游支承材料28用于保护发泡聚四氟乙烯过滤膜免受麻布材料的损坏。为此，合适的材料包括可从田纳西州老希科里REEMAY公司买到的REEMAY2250材料。
较佳的过滤层除了上述的发泡聚四氟乙烯材料以外，其他适用于本发明的过滤媒质还有：氟化乙丙烯(FEP)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等。
本发明的一个主要优点在于，过滤器避免了自身对空气流的污染，即使在用于恶劣的环境时亦是如此。不象现有的玻璃纤维及其类似的纤维HEPA过滤器那样，本发明的过滤器仅在下游侧采用了工作时不易脱落或散发纤维或其他杂质的连续材料。由于使用化学惰性材料如聚四氟乙烯，因而允许该过滤装置用于多种可能出现恶劣条件的场合，而不会丧失过滤完整性。此外，本发明的过滤装置是由稳定而不会产生漏气污染的材料构成的。
本发明的另一优点是，它能提供非常高的过滤效率(如对0.1μm级的颗粒效率大于99.99999％)，同时又能保持很小的过滤器上的压降(如0.7″水柱)。
值得指出的是，各过滤媒质层的较佳组合方法是将它们松散地折迭起来，而不是它们的层压物。这可以使各过滤层自由折合(如果需要时可略移动位置)，而不会损坏过滤膜。虽然在某些场合可以将各层叠压在一起，但这可能需要分隔物来使各个褶层保持分离，因而可能在工作过程中损坏过滤膜。叠压还可能会限制空气的流动。
尽管本发明的过滤器可对0.1μm级的颗粒提供大于99.99999％的非常高的过滤效率，但应予理解的是，本发明并不限于用于高过滤效率的场合。过滤膜层稍少或采用效率稍小的过滤膜，诸如本发明的过滤器如用于仅需99.97％效率的HEPA过滤装置或仅需99.99—99.999％效率的其他类型过滤装置时，也同样可以得到很高的益处。而且，本发明的过滤器的其他特性，如不脱落或散发杂质和不漏气，在某些条件下也可以是非常有利的。
以下的诸例子用以说明本发明是如何制造和使用的，本发明的范围完全不限于这些举例说明用的例子：例如，一种ULPA过滤器的制造采用了包括两片发泡聚四氟乙烯的过滤媒质，每一片宽60cm长2000cm。每片发泡聚四氟乙烯包括五层发泡聚四氟乙烯薄膜，各层在60ft/min(18.29m/min)空气流速下压降为0.5英寸(12.7mm)水柱。将这些薄层重叠和粘结于一起以形成单片过滤材料。该过滤膜在12ft/min的空气流速时的压降为0.5″水柱；在10.5ft/min的流速下对0.1μm级的颗粒的效率大于99.99％；平均球裂测试(ballburst test)大于3.0。
该过滤媒质夹于两片商标为NAL-TEX的P/N4085聚丙烯稀松麻布层中，每片宽60cm，长2000cm，，该聚四氟乙烯/稀松麻布复合物被折成5.08cm(2英寸)的深度，每厘米有0.79褶(8褶/英寸)，并被截成60cm×61cm的尺寸。
受过阳极化处理的铝制框架的外部尺寸为61cm×61cm。该框架的周边具有一槽，如图2中所示，槽的内部宽度约为9.76cm(即槽宽足以让折迭复合物装于其中)。框架被涂以Part No.为SS4155的硅酮底剂，以增加密封或封装材料对框架的附着性，这种底剂可从纽约沃特福德的GE硅酮公式买到。
然后，将折迭的复合物装于框架内，并用一种绕框架设置的高1.0—1.5cm的硅酮密封或封装材料(GE硅酮公司的RTV-615硅酮)将其固定于适当位置。接着，让框架在约150℃时熟化5分钟，并在自然环境下熟化24小时。
再按照美国环境科学研究所(IES)的测试方法IES-RP-CC-7.1对该过滤器进行测试。测试方法描述如下。
如图5所示，测试装置包括：一可调速鼓风机38；一预过滤器40；一悬浮微粒发生器42；一电荷中和器44；一上游混合器46；一上游气流扩散器48；一颗粒计数器50，测量从上游采样点52和下游采样点54采取的测量样品；过滤器压降测量器56；一下游混合器58；一下游气流扩散器60；一气流测量喷嘴62；一气流压力测量计64；待测过滤器66插于所示的腔中。
空气过滤器66的测试方法如下。首先，利用通过喷嘴62时产生的压降来测量气流。然后，靠调节鼓风机38来调定所需的气流以使通过待测过滤器66的气流速度为100ft/min。一旦用这种方法调定之后，预过滤器40将大部分杂质从气流中分离出来。接着，通过电荷中和器44将中和后的悬浮颗粒注入气流。在本例中，悬浮颗粒是采用105nm的聚苯乙烯乳胶(PSL)微球粒。
气流由上游混合器46混合，并由扩散器48调整。在采样点52，过滤器68的上游，用一PMS LPC-07100.07μm，1CFM颗粒计数器如克罗拉多州博尔德的颗粒测量系统的Part No.为PMS LPC-070型颗粒计数器测取颗粒的数目。
在气流通过过滤器66后，利用标准磁旋仪(magnehelic)对通过过滤器时的压降进行测量和计算。
然后，气流被下游混合器58再次混合，并在采样点54进行采样。
过滤器效率的计算如下：
Figure A9419316400141
采样速度为1CGM。效率百分率(％)的计算为：效率％＝(1-渗透率)×100％。
第一批试验是对取自不同扁平过滤膜材料卷的头、中、末部进行的。材料的百分率效率列于下表：
        ULPA过滤器扁平过滤膜的效率试验样品#   头-中-末   气流速度    压降        ％效率
               (fpm)       (英寸水柱)1      末          10.7999     0.492125    99.995312      中          10.78987    0.423621    99.987273      头          10.80167    0.390944    99.954254     末    10.4617     0.464959    99.997835     中    10.44677    0.414566    99.996886     头    10.45721    0.390944    99.970427     末    10.45655    0.505117    99.997428     中    10.47451    0.412991    99.995029     头    10.4787     0.397637    99.9954210    末    10.81049    0.615746    99.9967011    中    10.81744    0.480707    99.9939212    头    10.79895    0.482676    99.9875113    末    10.44017    0.614959    99.9988214    中    10.80186    0.511022    99.9931715    头    10.78746    0.471258    99.9914016    中    10.76691    0.485825    99.9979117    头    10.81413    0.497636    99.9913918    末    10.50653    0.622046    99.9988819    中    10.57619    0.517479    99.9962020    头    10.49662    0.492912    99.9941821    中    10.53832    0.492912    99.9989522    头    10.50805    0.459447    99.9911523    末    10.80771    0.675982    99.9982324    中    10.82069    0.533463    99.9961325    头    10.80755    0.516534    99.98855
另一批试验是对如上所述地制造的完整的过滤器的样品进行的。此材料的百分率效率列于下表：
        对制造完成的整个过滤器的试验
过滤器号    ％效率    压降(英寸水柱)1    99.99999965    0.762    99.99999968    0.753    99.99999967    0.724    99.99981857    0.715    99.99999966    0.696    99.99992278    0.77    99.99998633    0.618    99.99999968    0.69    99.9999962     0.7310   99.99987432    0.7611   99.99999527    0.7612   99.99962309    0.7513   99.99999965    0.6214   99.99990055    0.6115   99.99999961    0.7217   99.99999966    0.7918   99.99999873    0.7519   99.9999997     0.75
虽然以上对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不限于这些实施例的示例和描述。应予理解的是，在所附权利要求所阐述的精神实质的范围内的一些可能的变化和修改亦拟为本发明的一部分而包括在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种用于洁净设备的空气调节系统中的过滤器，它包括：
一多微孔聚四氟乙烯(PTFE)制的主过滤层；
至少一层上游可渗透支承材料；
至少一层下游可渗透支承材料，过滤层松弛地夹于上游和下游支承材料层之间；
其中，主过滤层和支承材料组合起来提供一对0.3μm级颗粒至少为99.97％的过滤效率。
2.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于，还包括：
一与主过滤层串联安装的第二多微孔聚四氟乙烯过滤层，用以使整个过滤器具有均匀一致的过滤性能。
3.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于：
上游支承材料包括一网状层；
下游支承材料包括一网状层。
4.如权利要求3所述的过滤器，其特征在于，上游支承材料还包括一层相对比较柔软的支承材料。
5.如权利要求4所述的过滤器，其特征在于，一第二多微孔聚四氟乙烯过滤层与主过滤层串联安装以使过滤器具有均匀一致的过滤性能。
6.如权利要求3所述的过滤器，其特征在于，主过滤层和网是被折迭起来的。
7.如权利要求6所述的过滤器，其特征在于，折迭的过滤层和网被安装和密封于一框架中。
8.如权利要求7所述的过滤器，其特征在于，用一防漏气的密封或封装材料将折迭的过滤层和网密封于一框架中。
9.如权利要求8所述的过滤器，其特征在于，该封装材料是从一组包括硅酮、聚氨酯、环氧树脂、塑料粘结剂和增塑溶胶的材料中挑选的。
10.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于，它具有一对0.1μm级颗粒至少为99.99％的效率。
11.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于，它具有一对0.1μm级颗粒至少为99.999％的效率。
12.如权利要求10所述的过滤器，其特征在于，它具有一对0.1μm级颗粒至少为99.99999％的效率。
13.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于，还包括：
一靠着主过滤层安装的第二多微孔聚四氟乙烯过滤层；
其中，两过滤层能互相保护免受损坏，并能防止任一过滤层上的任意孔洞处的泄漏。
14.一种用于洁净设备中以过滤空气中的污染物的过滤器，包括：
一第一多微孔材料过滤层；
一与第一过滤层平行安装的第二多微孔材料过滤层；
至少一层安装于过滤层上游的支承材料；
至少一层安装于过滤层下游的支承材料；
其中，过滤层和支承材料层被折迭起来；
其中，过滤器具有一对0.1μm级颗粒至少为99.999％的过滤效率。
15.如权利要求13所述的过滤器，其特征在于，一层附加的支承材料安装于过滤层的上游。
16.如权利要求13所述的过滤器，其特征在于，折迭的过滤层和支承材料安装于一框架中，它们与框架之间形成气密连接。
17.如权利要求15所述的过滤器，其特征在于，气密连接包括一种从一组物质中挑选出的封装或密封材料，这组物质包括：硅酮、热熔粘结剂、聚氨酯、环氧树脂或增塑溶胶。
18.如权利要求13所述的过滤器，其特征在于，每个过滤层由多微孔发泡聚四氟乙烯(PTFE)构成，具有在10.5ft/min流速下对0.1μm级颗粒至少为99.99％的效率。
19.如权利要求17所述的过滤器，其特征在于，每个过滤层的材料具有在12ft/min流速时小于0.5英寸水柱的压降。
20.如权利要求17所述的过滤器，其特征在于，每个过滤层的材料具有上下范围为1.4的至少3.0磅力的平均球裂值(ball burstvalue)。
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