JP2006512187A - 段状ひだを有するフィルタ - Google Patents

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。

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。

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。

本発明の実施形態による３山のひだ配列を示す図である。 本発明の実施形態による４山のひだ配列を示す図である。 本発明の実施形態による多重山のひだ配列を一般的に示す図である。 本発明によるひだ配列に基づくひだパターンを組み込んだ円筒状のフィルタエレメントを示す図である。 図３に示す円筒状フィルタエレメントの線「Ａ」−「Ａ」に沿う断面図である。 図３Ａに示す隔壁の一部分を示す図である。

符号の説明

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

Claims (33)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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。
21. 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。
22. 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。
23. 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。
24. 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。
25. 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。
26. 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。
27. 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。
28. 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。
29. 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。
30. 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。
31. 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。
32. 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。
33. 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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