JP2006512187A - 段状ひだを有するフィルタ - Google Patents
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Abstract
本発明は、主(最高背高さ)ひだ、小(最小背高さ)ひだ、および両者の中間の少なくとも1つの中間ひだを有するひだ配列を繰り返す段状ひだを備えた隔壁を有する新規なフィルタエレメントに関する。中間ひだは、小ひだのひだ高さと主ひだのひだ高さの間のひだ高さ範囲内で均等に分布するひだ高さを有する。本発明の特定の2つの実施形態では、主ひだ、中間ひだ、および小ひだのひだ高さの比は、3:2:1および4:3:2:1である。フィルタエレメントでは、ひだ形成された隔壁を、内側コアと外側保護部との間に保持することができる。各ひだ配列中の主ひだの頂点は、フィルタエレメントの内側コアに接することができる。隔壁はフィルタ材層の上流および下流に排流層を含むこともできる。
Description
本出願は、1999年6月30日出願の米国特許出願第09/345,213号の一部継続出願である2000年6月30日出願の米国特許出願第09/608,076号の一部継続出願であり、その開示は参照によって本明細書に組み込まれる。
本発明は、フィルタに関し、より詳細には、ひだ付きフィルタエレメントとひだ付きフィルタエレメントを備えたフィルタ組立体とに関する。
流れている気体や液体から汚染物質を除去するために、濾過する媒質をフィルタ材に通過させるフィルタエレメントおよびその組立体が、従来使用されてきた。多くのこれらフィルタエレメントでは、フィルタ材が平板の形をしている。しかし、一部のフィルタエレメントでは、フィルタ材にひだを付けてきた。フィルタ材が平板とされたフィルタエレメントと比べると、ひだ付きフィルタエレメントは、フィルタエレメントの全体の寸法および重量を大幅に増やすことなく、フィルタ表面積を増やすことができる。
一般に、ひだ付きフィルタエレメントでは、ひだの寸法は一様である、すなわち、ある特定のフィルタエレメントには、ただ1つだけのひだの寸法が用いられてきた。そのようなひだ付きフィルタエレメントは、様々な形状のコアエレメントの周りにひだを離隔配置することによって、様々な形状に形成することができる。しかし、コアエレメントの周りでフィルタエレメントを支持すると、汚染物質除去のために有効なフィルタ表面積が減少するという欠点が生じる。
本発明は、連続するひだの高さが、そのようなフィルタエレメントを組み込むフィルタ組立体に関係すると同時に、ある特定の比率によって関係付けられている段状のひだを備えた隔壁を有する新しいフィルタエレメントに関する。ひだ高さの特定の2つの比が説明される。ひだ高さ比に従うひだ配列が、所望の内側コアの外周を周って繰り返され得る。隔壁は、フィルタ材層の上流および下流に排流層を含むこともできる。
本発明は、高濾過流量、低滞留用途に用いることができるフィルタエレメントおよび組立体に関する。
図1は、本発明の実施形態による3山のひだ配列を示す。ひだ配列は、主ひだ1aと2つの小ひだ1bおよび1cと(まとめて「ひだ1」とする)からなる。各ひだは、2つの側面3aおよび3bを有する。ひだ1は、フィルタ材を層として含む単層または多層の隔壁材からなる。適切なフィルタ材の一例は、デラウェア州ニューワークのW.L. Gore & Associates社製のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。配列中のどのひだのひだ高さも、ひだの基底4からひだの頂点2までの最短直線距離として測定される。図1に示す本発明の3ひだ実施形態によるひだ配列では、主ひだ1aのひだ高さを「A」で示す。小ひだ1bおよび1cのひだ高さは、それぞれAの2/3およびAの1/3である。したがって、ひだ配列に関するひだ高さ比は3:2:1である。各ひだの基底4の幅は、略同一とすることができ、単層または多層の隔壁材の厚さで決まり得る。ひだ1は、Karl Rabofsky GmbH製のAccordion Pleating Machine Model #R178PCなど、マイクロプロセッサ制御式ナイフひだ形成機(microprocessor-controlled knife pleater)を用いて成形することができる。
各ひだの頂点2は、ひだに「V」字形状を与える尖頭として示されているが、実際には頂点は僅かに丸くてよい。頂点2の半径は、フィルタ材シートにひだ1を生成するために用いる工具の特性、ならびにフィルタ材シートの厚さによって決まり得る。本発明の実施形態では、ひだ材は、複数のシートから構成することができる。たとえば、フィルタ材シートは、排流層シートの間に配置することができる。多層ひだを備えた実施形態が、図3Bに関連してより詳細に記述される。
図2は、本発明の実施形態による4山のひだ配列を示す。図1の実施形態のように、ひだ配列は、主ひだ101aを有する。ひだ配列はまた、3つの小ひだ101b、101c、101dを有する。各ひだは、2つの側面103a、103bを有する。配列中のどのひだのひだ高さも、ひだの基底104からひだの頂点102までの最短直線距離として測定される。図1に示す本発明の3ひだ実施形態によるひだ配列では、主ひだ101aのひだ高さは、「A」として示されている。小ひだ101b、101c、および101dのひだ高さは、それぞれAの3/4、Aの1/2、およびAの1/4である。したがって、ひだ配列のひだ高さ比は、4:3:2:1である。各ひだの基底104の幅は、略同一とすることができ、隔壁材の厚さによって決まり得る。
図2Aは、本発明の実施形態による複数山のひだ配列を一般的に示す。ひだ配列は、整数nのひだを有することができ、これらのひだ高さは、小ひだ151nのひだ高さから主ひだ151aのひだ高さまでの範囲内にあり、n−1個の中間ひだのひだ高さが両者の間に均等に分布する。主ひだ101aのひだ高さは、フィルタエレメントの内径および外径(すなわち内側コア201の直径および外側保護部202の直径)によって定まり得る。これらの直径は、フィルタ組立体が用いられる用途によって定まり得る。たとえば、外側保護版202の最大直径は、フィルタ組立体へ流体を流出入させる装置によって加えられる空間的制約によって制限され得る。内側コア201の直径は、同様に、流体がフィルタ組立体へそれを通って吸い込まれおよび/またはフィルタ組立体から排出される吸入口および/または排出口の寸法によって定まり得、また、所望のまたは要求される効率等級、流量、粘度、および/または作動温度範囲など数多くの用途固有の要因に基づいて選択され得る。
本発明の実施形態によれば、主ひだ151aは、外側保護部202から内側コア201まで延在し、主ひだ151aの基底はフィルタエレメントの外径(すなわち外側保護部202の近傍)に沿って配置され、主ひだの頂点は内側コア201に接することができる。その結果、主ひだのひだ高さは、内側コア201と外側保護部202との直径の差の半分にほぼ等しいとしてよい。主ひだ151a(i=1)と小ひだ151n(i=n)との間のi番目の中間ひだの高さは、以下の式によって定めることができる。すなわち、
h(i)=h(1)−((i−1)*((h(1)−h(n))/(n−1)));
ただし、
h(1)=主ひだ高さ、
h(n)=小ひだ高さ
である。
h(i)=h(1)−((i−1)*((h(1)−h(n))/(n−1)));
ただし、
h(1)=主ひだ高さ、
h(n)=小ひだ高さ
である。
したがって、直径2.52インチの外側保護部202、直径1.16インチの内側コア201、および0.38インチの小ひだ高さh(4)を有するフィルタエレメントの4山ひだ配列の場合は、それぞれのひだのひだ高さは、以下のように近似的に計算できる。すなわち、
Do=外側の直径=2.52インチ
Di=内側の直径=1.16インチ
X=ひだの段数=4
h(0)=小ひだのひだ高さ=0.38インチ(この小ひだを作り出す方法をどう決めるかには触れてきていない。それが問題だろうか?一般論しか言えないが、それを探り当てるのは、実際には試行錯誤によって行う。)
h(1)=主ひだのひだ高さ=(Do−Di)/2=(2.52−1.16)/2=0.68インチ
h(2)=第1の中間ひだのひだ高さ=0.38+((2−1)*((0.68−0.38)/(4−1)))=0.48インチ
h(3)=第2の中間ひだのひだ高さ=0.38+((3−1)*((0.68−0.38)/(4−1)))=0.58インチ
である。
Do=外側の直径=2.52インチ
Di=内側の直径=1.16インチ
X=ひだの段数=4
h(0)=小ひだのひだ高さ=0.38インチ(この小ひだを作り出す方法をどう決めるかには触れてきていない。それが問題だろうか?一般論しか言えないが、それを探り当てるのは、実際には試行錯誤によって行う。)
h(1)=主ひだのひだ高さ=(Do−Di)/2=(2.52−1.16)/2=0.68インチ
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h(3)=第2の中間ひだのひだ高さ=0.38+((3−1)*((0.68−0.38)/(4−1)))=0.58インチ
である。
ひだの実際の高さは、隔壁材の厚さ、隔壁材を押し付けてひだ形成する刃先の半径(たとえば、ナイフひだ形成機が用いられる場合)、ひだ形成機に関連する製造公差など、ひだ形成工程中の変動要因のために変動し得る。したがって、上記のひだ配列を製造するようにひだ形成されるどの隔壁においても、実際のひだ高さが計算された値から幾分変動する可能性がある。
図3に示すように、本発明の実施形態によるフィルタ組立体はまた、フィルタエレメント207(図3Aに示す)の両端にエンドキャップ204aおよび204bを備えることができる。本発明の実施形態では、エンドキャップ204aおよび204bは、用いられている材料、濾過される媒質、除去される汚染物質、およびその他用途に固有な考慮事項に適した取り付け方法によって、隔壁203、内側コア201、および/または外側保護部202に取り付けることができる。たとえば、種々の用途において、エンドキャップ204aおよび204bは、1つまたは複数の以下のものを用いて取り付けることができる。すなわち、接着材またはエポキシ、熱溶着、拡散溶着または超音波溶着、あるいは機械的留め具である。濾過する媒質の漏洩を防止する封止部を生成するように、エンドキャップ204aおよび204bをフィルタエレメントの端部に取り付けることが望ましい。フィルタエレメント207はまた、外側支持筒205で覆うことができる。図3では、その中のひだ形成された隔壁203を表示するために、外側支持筒205および外側保護部202の一部を切り取ってある。
図3Aは、図3に示されたフィルタ組立体の断面を示す。フィルタエレメントは、内側コア201および外側保護部202を有することができる。ひだ配列206は、内側コア201の周りで繰り返されて、隔壁203を形成することができる。特に、図3Aは、隔壁203が、図1に示されたひだ2と同様の3:2:1の比を有する3つのひだを有するひだ配列206を用いて形成された実施形態を示す。図3Aには、隔壁203の一部だけが示されており、本発明の実施形態では、ひだ配列は、隔壁203が内側コア201を完全に取り巻くように繰り返される。
図3に示された隔壁203の多層実施形態の一部を図3Bに示す。図示されているように、濾過される媒質は、隔壁203の外側防護部202に近い側(「上流側」)から、内側コア201に近い隔壁203の奥側(「下流側」)まで流れる。別の実施形態では、流れの方向が反対になり得る、すなわち隔壁203の上流側が内側コア201に近く、隔壁203の下流側が外側コア202に近い側になり得る。隔壁203は、上流排流層203a、フィルタ材層203b、および下流排流層203cを備えることができる。図3Bでは、上流排流層203aがフィルタ材層203bを露出させるために切り取られ、フィルタ材層203bが下流排流層203cを露出させるために切り取られている。上流および下流の排流層203aおよび203cは、ガラス、天然繊維、重合体材料(たとえばポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド)などの十分に多孔性を有する織物または非織物の材料でもよく、押出し成形メッシュ(extruded mesh)の形でもよい。上流および下流排流層203aおよび203cは「排流」層と呼称されるが、その排流機能に加えて、または代わりに、構造支持機能を発揮することができる。
本発明の別の実施形態では、隔壁203が上流および下流排流層203aおよび203cを備えなくてもよい。あるいは、隔壁203がさらに別の層を備えることもできる。たとえば、隔壁203が、フィルタ材層の上流に配置された予備フィルタ層を備えることができる。予備フィルタ層の目的は、フィルタ材層203bが媒質から除去するように設計された汚染物質よりも大きい汚染物質を除去することであり得る。より大きいこれら汚染物質を予備フィルタ層が除去することによって、フィルタ材層203bの詰まりや閉塞を減らすことができる。本発明の実施形態では、上流排流層203aは予備フィルタ層としても働くことができる。
本発明の一実施形態では、隔壁203は、その上流側の面、下流側の面、または両面に、複数の間隔保持要素を備えることができる。間隔保持要素は、隣接するひだが共に動くときに該隣接するひだの間隔保持要素が干渉または接触するように配置することができる。図1のひだ2を例にとると、主ひだ1aの脚3b上に配置された間隔保持要素は、小ひだ1bの脚3c上の間隔保持要素と干渉することができる。間隔保持要素は十分に離間して配置され、また、隔壁203のフィルタ面積を顕著に減らさないような大きさのものであり得る。
フィルタエレメントは円形の内側コア201および/または外側保護部202を有することができる。しかし、本発明の複数の実施形態では、内側コア201および外側保護部202は、長方形または別の形状であり得る。本発明の一実施形態では、内側コア201が外側保護部202とは異なる形状を有し得る。
隔壁は、フィルタ材シート(および多層隔壁の排流層材シートおよび/またはその他の層の材料シート)にひだ形成し、そのシートを内側コア201の外周の周りに嵌めるのに必要な形状に巻き、シートの両端をサイドシールする(side-sealing)ことによって製作される。両端は、接着剤またはエポキシ、あるいは拡散溶着、超音波溶着、または熱溶着、あるいは機械的留め具などによってシールされる。
内側コア201および/または外側保護部202は、押出し成形ポリプロピレンメッシュ、金属メッシュなどで形成することができる。内側コア201および外側保護部202を形成する材料は、濾過する媒質の性質、除去する汚染物質、濾過を適用する温度環境、または類似の考慮事項に基づいて選択することができる。たとえば高温用途においては、金属メッシュの内側コア201および外側保護部202を使用する必要があり得る。フィルタエレメントは内側から外側への流れに使用することができ、その場合には、未濾過媒質は内側コア201から隔壁203を通って外側保護部202へ流れる。または、フィルタエレメントは外側から内側への流れに使用することができ、その場合には、未濾過媒質は外側保護部202から隔壁203を通って内側コア201へ流れる。
上記の説明は本発明の特定の実施形態に関連しているが、本発明の精神から逸脱することなく多くの修正を加え得ることは当業者には極めて明らかなはずである。添付の特許請求の範囲は、そのような修正形態を本発明の真の精神および範囲内に含まれるものとして包含するためのものである。したがって、ここで開示された実施形態は、全ての点において例示的で非限定的なものと看做すべきであり、本発明の範囲は上記の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等物の意味および範囲に含まれる変更は全て特許請求の範囲に包含されるものとする。
1 ひだ
1a 主ひだ
1b、1c 小ひだ
2 頂点
3a、3b 側面
3c 脚
4 基底
101a 主ひだ
101c、101b、101d 小ひだ
103a、103b 側面
102 頂点
104 基底
151a 主ひだ
201 内側コア
202 外側保護部
203 隔壁
203a 上流排流層
203b フィルタ材層
203c 下流排流層
204a、204b エンドキャップ
205 外側支持筒
206 ひだ配列
207 フィルタエレメント
1a 主ひだ
1b、1c 小ひだ
2 頂点
3a、3b 側面
3c 脚
4 基底
101a 主ひだ
101c、101b、101d 小ひだ
103a、103b 側面
102 頂点
104 基底
151a 主ひだ
201 内側コア
202 外側保護部
203 隔壁
203a 上流排流層
203b フィルタ材層
203c 下流排流層
204a、204b エンドキャップ
205 外側支持筒
206 ひだ配列
207 フィルタエレメント
Claims (33)
- 隔壁を有するフィルタエレメントにおいて、
前記隔壁が、複数のひだのパターンを有するフィルタ材層を備え、前記パターンがひだ配列を複数繰り返し、
前記複数のひだ配列のそれぞれが、ひだ高さの順序に配列された主ひだ、小ひだ、および少なくとも1つの中間ひだを有し、
前記少なくとも1つの中間ひだの少なくとも1つのひだ高さが、前記小ひだのひだ高さと前記主ひだのひだ高さとの間に均等に分布する、フィルタエレメント。 - 前記フィルタエレメントが内径および外径を有し、さらに前記主ひだのひだ高さが、前記内径と前記外径との差の半分にほぼ等しい、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記主ひだ、前記小ひだ、および前記少なくとも1つの中間ひだのそれぞれが、第1の側面、第2の側面、および頂点を有し、
前記第1の側面と前記第2の側面とが前記頂点で交わってある角度を形成し、
前記主ひだ、前記小ひだ、および前記少なくとも1つの中間ひだのそれぞれの前記角度が実質的に等しい、請求項1に記載のフィルタエレメント。 - さらに内側コアおよび外側保護部を備え、前記隔壁が前記内側コアと前記外側保護部との間に配置される、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記主ひだ、前記小ひだ、および前記少なくとも1つの中間ひだのそれぞれが、外側保護部に近接する基底を有する、請求項4に記載のフィルタエレメント。
- 前記複数のひだ配列のそれぞれの前記主ひだの頂点が前記内側コアに接触している、請求項4に記載のフィルタエレメント。
- 前記隔壁が上流排流層をさらに備える、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記上流排流層が押出し成形メッシュからなる、請求項7に記載のフィルタエレメント。
- 前記隔壁が下流排流層をさらに備える、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記上流排流層が押出し成形メッシュからなる、請求項9に記載のフィルタエレメント。
- 前記隔壁が予備フィルタ層をさらに備える、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記隔壁が複数の間隔保持要素をさらに備える、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記フィルタエレメントが内側コアをさらに備える、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記内側コアおよび前記隔壁が環状である、請求項13に記載のフィルタエレメント。
- 前記隔壁が前記内側コアの周りに配置される、請求項13に記載のフィルタエレメント。
- 前記主ひだが前記内側コアに接する頂点を有する、請求項13に記載のフィルタエレメント。
- ひだ配列の2番目の前記小ひだが、前記パターン中の次のひだ配列の前記主ひだに隣接する、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記フィルタエレメントが外側保護部をさらに備える、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記隔壁がサイドシールされている、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記フィルタ材層が予備発泡されている、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記主ひだ、第1の中間ひだ、および前記小ひだのひだ高さ比が3:2:1である、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 前記複数のひだ配列それぞれが、第1の中間ひだおよび第2の中間ひだを備え、前記主ひだ、前記第1の中間ひだ、前記第2の中間ひだ、および前記小ひだのひだ高さの比が4:3:2:1である、請求項1に記載のフィルタエレメント。
- 複数のひだのパターンを有し、前記パターンがひだ配列を複数繰り返すフィルタ材層と、上流排流層と、下流排流層とを有する隔壁であって、前記ひだ配列が、主ひだ、少なくとも1つの中間ひだ、および小ひだを連続的に有し、前記複数のひだ配列のそれぞれにおける前記少なくとも1つの中間ひだのそれぞれが固有のひだ高さを有し、前記複数のひだ配列のそれぞれにおける前記ひだのそれぞれのひだ高さが以下の式、すなわち
h(i)=h(1)−((i−1)*((h(1)−h(n))/(n−1)))
ただし、
n=前記複数のひだ配列の1つの配列中のひだの総数、
h(1)=前記主ひだの高さ、
h(n)=前記小ひだの高さ、
によって近似的に計算される隔壁と;
前記隔壁がその周りに配置される円筒状の内側コアと;
前記隔壁がその中に配置される円筒状の外側保護部と;
を備えるフィルタエレメント。 - 前記主ひだ、前記少なくとも1つの中間ひだ、および前記小ひだのひだ高さの比が3:2:1である、請求項23に記載のフィルタエレメント。
- 前記複数のひだ配列のそれぞれが、第1の中間ひだおよび第2の中間ひだを備え、前記主ひだ、前記第1の中間ひだ、前記第2の中間ひだ、および前記小ひだのひだ高さの比が4:3:2:1である、請求項23に記載のフィルタエレメント。
- 前記主ひだが、前記内側コアと接触する頂点を備える、請求項23に記載のフィルタエレメント。
- 前記主ひだ、前記少なくとも1つの中間ひだ、および前記小ひだのそれぞれが、前記外側保護部に接触する基底を備える、請求項23に記載のフィルタエレメント。
- 複数のひだのパターンを有するように隔壁にひだ形成するステップであって、前記パターンが、主ひだ、少なくとも1つの中間ひだ、および小ひだを連続的に有するひだ配列を複数繰り返し、前記少なくとも1つの中間ひだの少なくとも1つのひだ高さを、前記小ひだのひだ高さと前記小ひだのひだ高さとの間に均等に分布させるステップと、
前記隔壁を内側コアと外側保護部との間に配置するステップと、
エンドキャップを前記隔壁、前記内側コア、および前記外側保護部の少なくとも1つに接合するステップと
を含むフィルタ組立体を構築する方法。 - フィルタ材のシートを排流層材のシートと共に層にするステップをさらに含む、請求項28に記載の方法。
- 前記フィルタ材を予備発泡させるステップをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 前記隔壁をサイドシールするステップをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- 前記主ひだ、前記少なくとも1つの中間ひだ、および前記小ひだのひだ高さ比が3:2:1である、請求項28に記載の方法。
- 前記ひだ配列それぞれが、第1の中間ひだおよび第2の中間ひだを備えるようにひだ形成し、さらに、前記主ひだ、前記第1の中間ひだ、前記第2の中間ひだ、および前記小ひだのひだ高さ比が4:3:2:1である、請求項28に記載の方法。
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