JP2007522936A - バイパスを有するマイクロフィルタ装置、およびその設計方法 - Google Patents

Abstract

マイクロフィルタ装置、および装置（１）を通過する様々な油流において、装置（１）にかかる種々の圧力差Ｐｄが許容される状況下で使用するために装置（１）を最適化するための設計方法であって、所定の最低油流量において装置にかかる所定の最大圧力差（Ｐ２）に到達するために要求される、マイクロフィルタ素子（７）をバイパスする最低量の油流を可能にする、絞り（２６）の最小断面を決定する工程；最大圧力差Ｐｄを、装置（１）を通過する所定の最大流量の圧力差に、一旦前記最大圧力差（Ｐ１）に到達したならば開く圧力弁システム（２２）の使用により制限する工程；を含む設計方法。装置（１）は、フィルタ素子（７）をバイパスする油流を可能にする、開口部（２６）および圧力弁システム（２２）の両方を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項４の前文に定義されるマイクロフィルタ装置、および請求項１に定義されるそれを設計するための方法に関する。

そのようなマイクロフィルタ装置は一般に、例えば、特許文献１、および非特許文献１によって、知られている（この文献は本明細書に組み込まれるものとする）。

従来のいわゆるフルフローフィルタは、実際に目を十分に小さくすることによって粒子を阻止することに依存しており、したがって表面を基礎にしており、またしばしば高価で、合成型の材料より成るが、本発明のマイクロフィルタは、セルロース繊維に基づいている。そのようなセルロース繊維に基づいたマイクロフィルタは、フィルタ材料を通過する途中に粒子を結合する静電力に依存する。この理由により、マイクロフィルタは、油が通過するフィルタ材料の比較的厚い物体に依存しており、少なくとも最小の粒子については、その内部で「フィルタリング」作用の主要部分が行われる。他方で従来のフィルタでは、フィルタリングは材料の表面のみで起こるので、折り重ねるかまたは襞をつけたボール紙、または他のシート材料を用いることにより、表面を最大にする。従って従来のフィルタは比較的低い抵抗を有し、相対的に大流量が可能となり、原則としてフィルタを通る媒体の流れを逆にすることにより洗浄することができる。マイクロフィルタはフィルタリング物体の内部で非常に小さな粒子を結合することができる−そのため、ここでは奥行きフィルタまたは物体内フィルタと呼ぶ。しかし比較的大きな流動抵抗を有し、また媒体の流れを逆にすることによる再使用は可能でない。したがって既知のマイクロフィルタは、全てとは限らないにしてもほとんどが、従来のフルフローフィルタについてのインライン配置ではなく、バイパス配置で利用される。しかし依然として、優れたフィルタリング品質という理由により、インライン配置内において、すなわち好ましくは潤滑にするべき機械装置の油圧流路の既存の構造内において、マイクロフィルタによって完全に従来のフィルタを置き換えることが技術的な目標となっている。原理的には、このようなことは、前記マイクロフィルタの極めて高い効率特性に基づいて容易に達成することができ、その結果、従来のフィルタの何分の一かしかない通過速度内で油の洗浄が行われる。

しかし、既存の設計中で、すなわち専用バイパス回路でなくインライン構成でフルフローフィルタと置き換えする場合、多くの自動車用にインラインフィルタリングを適用する場合の許容圧力差についての要件が、マイクロフィルタの使用において望ましい圧力差と矛盾するという問題に遭遇する。この点で、公知のマイクロフィルタ素子は、低い油温においては、油の粘度が増すため、より透過性が低い。このような状況では、油を透過させるために、マイクロフィルタ装置に高圧力差かけることが要求される。同時に、フィルタ装置が組み込まれているほとんどのシステムでは、極めて控えめの圧力差、即ち正常な作動温度で必要とされるより低い圧力差が要求される。フィルタユニットに掛かる穏やかな圧力差に対する要求と同一の要求が、しばしばシステムを通過する比較的穏やかな油流に存在する。マイクロフィルタ素子についてのこの問題に対処するためには、油の透過に対して抵抗の小さい素子、すなわち、フィルタ材料が比較的低い密度および／または厚みである素子を選ばなければならないであろう。そのように処理する場合は、前記マイクロフィルタの高性能特性が、恐らく機能的利点およびそのためにその経済的利点が失われる程度に、少なくとも前記マイクロフィルタをインラインへ適用することを強く妨げる程度にまで、非常に低下してしまうという問題が存在する。
ＷＯ−０１０７１４２ ＳＡＥ論文２００１−０１−０８６７ "Automatictransmission hydraulic system cleanliness - the effects of operatingconditions, measurement techniques and high efficiency filters"

したがって、経済的に、また機能性を少なくとも大きく維持してインライン配置に適用できる位に、マイクロフィルタの高性能特性を少なくとも大部分維持しながら既知の問題を除去するフィルタ装置および同装置を設計する方法、を提供することが現在の本発明の目的である。

本発明に従い、請求項１の方法工程により、および最初の装置請求項の特徴をなす部分に定義される特色を有するフィルタ装置によって、それが実現される。

そのような装置では、本発明により定義される方法に従って、絞りを設けてフィルタ素子にバイパス流を流すこと、および弁を使用することの両方により、前記フィルタ装置にかかる最大許容圧力差が、したがって前記マイクロフィルタ素子を通過する最大の油流の生成が確保される。その絞りは、システムを透過する所定の最低油流量において許される圧力差から出発して規定され、一方弁システムは、所定の最大油流量において許容される圧力差で開くことにより、それより大きな流量での圧力差を制限する。このようにして、驚くべきことに、前記フィルタ素子を流れる最初のおよび追加のバイパス流を作り出すことによって、素子の性能が相当に向上する。この効果は、開口部のそれ自身の理論的特徴（それは、開口部にかかる圧力差を、定数×油の密度×開口部を通過する流速の二乗として与える）を賢明に利用することを基礎とする驚くほど単純な設計により実現される。さらに開口部の特徴、すなわち、油密度は油温に殆ど独立しているがフィルタ素子はそうではないということが判明した。これらの洞察の組合せが、最終的に本発明による前記フィルタ装置を産み出した。

言及したバイパス流は、例えば前記フィルタ装置の収納器中に設けてもよいが、その場合には、それを本発明に従って、好ましくは、前記フィルタ素子の一部分として、または少なくとも直接前記フィルタ素子に関連づけて提供する。さらに好ましい実施形態によれば、開口部と弁手段を単一ユニットへ統合して組み込むのが好ましい。さらに好ましくは、素子を少なくとも弁システムの一部を共に維持するために用い、それ自身既知の加圧手段を、端部封止手段を素子の軸方向末端面に圧しつけるために使用する。このように、弁システムを少なくとも一部はルースパーツとして、好ましく作成し提供することができる。

本発明をここで、実施例を用い、図面にしたがってさらに説明することにする。

（図面の簡単な説明）
図１は本発明による実施形態の１つの断面図である。
図２は本発明の効果、および本発明の基礎となる方法を図示するグラフである。
図中、同一の参照番号は同一または少なくとも同等な技術的特徴を指す。

図１は、上蓋部３、底蓋部４、およびフィルタ素子７が設置されているチャンバー６を含む中心部５を示す収納容器２を含むフィルタ装置１を示す。装置は、連絡ポート９および１０を示し、ポート９は入口を形成し、ポート１０は出口を形成する。それらのポートを、例えば、フィルタ装置を組み入れた機械装置を円滑にするために、油圧システムの導入部に接続することができる。

前記フィルタ素子７は、本実施例に従って好ましくは円筒状に形作られ、フィルタ材料８を含み、中央の穿孔されたコア１２によって保持されている。本実施例における前記コア１２は、前記フィルタ素子７と実質的に一致する長さの、軸方向に伸びた穿孔１３を含む。代わりに丸孔または角孔などの穿孔を用いることもできる。前記コア１２は、素子７によってろ過され、前記穿孔１３を通過した油を受け取るための内部空間１４を画定する。前記内部空間１４は、前記フィルタ装置１の出口ポート１０と連絡している。

前記素子７の軸端面は平であり、前記フィルタ素子の軸に垂直である。それらは、油を通過させるために、整合する平らな形のいわゆる封止素子によって閉じられている。そのような封止素子は、原則として結合しておらず、実施例に表示した封止素子１５のようにそれぞれの素子端面に対して圧し付けられている。しかし、そのような素子の少なくとも１つをフィルタ収納容器に、例えば、受け入れリム１６に囲まれた部分によって、底蓋部３に組み込んでもよい。そのような封止素子および／または封止部分は、好ましくは環状で、同心形に配置されたリブを装備していて、それはフィルタ材料８中の軸方向に貫通するように設計され、したがって、例えば前記油圧システム中の圧力ショックによってフィルタが軸方向に多少ずれるかもしれないような予期しない場合に、フィルタリングの安全性を追加して提供する。

本実施例および好ましい実施例において、前記フィルタ素子７は、前記封止素子１５および５の間で、ここではつる巻形の圧力バネにより具体化されているバネ素子のような弾力的に変形可能な手段１７により圧迫される。バネ素子の位置を決めるために、バネ素子１７は、表示した窪み１８または突部などの位置決め手段（その手段の直径が、好ましくは前記弾力的手段１７の外径または内径とそれぞれ一致する）の存在下で前記上蓋部３に支えられる。前記弾力的手段は、対応する方式により前記封止素子１５に支えられるが、中央開口２０を有し、前記封止素子１５の主要部分により位置決めおよび受け止め用の端部２１内に受け止められる結合させずに置かれた中央部１９を介する場合がある。原則として、しかし、部分１９および１５を一体に形成してもよい。

前記封止素子１５の前記中央部１９に関連して、前記フィルタ素子７の前記内部空間１４に配置された圧力弁システム２２が提供されている。それは、本実施例においてリム２３により支持されており、リムは次に小さな柱を介して前記封止素子１５に支持されている。前記弁システム２２は弁２５をさらに含み、弁２５はここでは好適につる巻形の圧力バネに具体化されている弾力的に変形可能な素子２４によって支持されている、あるいは別の表現では、封止素子の方へ押しつけられている。つる巻きバネの場合には、前記弁２５は、好ましくは前記弁２５の安定性を増大させるように、圧力バネの内経または外径に対応する突出またはくぼみを備えている。前記弁２５は、平らな面により前記中央部１９の向き合った面に対応しており前記中央部１９と接触することにより、チャンバー６の大量の低油圧の油の通過を封止する。本実施形態では、しかし、前記チャンバー６から前記内部空間１４への小さな通路が、好ましくは前記弁２５の中心に位置する孔２６によって設けられており、その孔は、常時フィルタ素子をバイパスする最低限の油流を供給する。前記孔２６（あるいは開口２６と呼ぶ）が前記フィルタ装置にかかる一定の圧力低下（圧力差）を保証する。特に、それは温度に独立して行われる。

図２は、マイクロフィルタをインライン配置で適用する際に存在し、本発明の根底にある設計問題を示す。それはさらに、図１の実施例に従ってフィルタ装置を設計するための設計方法を図示する。多くのシステムでは、最大許容圧力差Ｐ１をフィルタ装置にかけることが可能である。この最大差が、前記システムを通過する、またその結果前記フィルタ装置を通過する油の大流量のために設定される。しかし、このようにセットされた最大が、マイクロフィルタ装置の操作に好都合でない可能性がある。この必要条件は、フルフローフィルタには多くの場合問題はないが、しばしば控えめな流量において、さらに、低い許容圧力差Ｐ２が設定されるという事実によってマイクロフィルタにはさらに不利になる可能性がある。この実施例においてＰ２は、低油流量における典型的な自動車用の値に合わせて１００ mBar に設定されている。前記フィルタ装置に対するこれらの必要条件、特に後者は、比較的低い油温で、すなわち操作温度が一般に約９０℃に達していない場合に、マイクロフィルタにとってはなおさら問題となる。フィルタ材料の比較的稠密で厚い層と組み合わされて、低温において油が低粘度にされているのは、この状況によるものである。極端に寒い状況を、全く閉塞されたフィルタ素子という誇張であらわすことも可能であろう。この問題を克服するために、本発明により前記フィルタ素子の軸方向の封止手段１５中の孔２６の形でバイパス手段を提供することが着想された。このようにして、最小量の油が、常時フィルタ素子をバイパスすることができる。この解決法の利点は、絞りを通過する油の流れは、実質的に温度から独立していることである。したがって、小量の流量は比較的高い操作温度でも、小さいままである。しかし、もしフィルタ装置を通過する流量が増加するならば、前記孔２６にかかる圧力差は流速の二乗に比例して増加することになる。したがって、油の所定の大流量の値において前記圧力差Ｐｄが許容されるＰ１以上にならないような大きさの孔２６を作成するように注意するべきである。そのような注意をすることにより、孔（−あるいは絞りと呼ばれる−）を通過する流れＦｒにおいて、カーブＦｆ１によって表示されるマイクロフィルタ７を通過する流れＦｆが実現されることになろう。以前に言及したように、速度が増加すると前記圧力差Ｐｄは孔を通過する速度の二乗と共に増加する。従って、前記フィルタ素子を通過する前記油流Ｆｆは前記速度と共に増加し、それは曲線Ｆｆ１に反映されている。グラフで提供されている実施例においては、圧力差Ｐ１が４００ mBarと設定されている流量で、前記絞り２６を通過する実際の流量約１１.５ L/minおよび前記マイクロフィルタ７を通過する流量０.８ L/min、または前記孔２６を通過する油流Ｆｒ＝８ L/min のときの、Ｆｆ＝０.７ L/min の流れを与える。この解答は、さらに、所定の低油流通過量に対する最大圧力差Ｐｄ＝Ｐ２の第２の要求もまた満たされるならば理想的に見えるであろう。この所定の低流量では、孔即ち絞りの大きさがＦｂ１と結びついたものである場合には、実際の圧力差Ｐｄが、たった５０ mBarになる。したがって、１００％のマージンがこの状況に対して存在する。

一方で、前記フィルタ素子７を通過する流れが、所定の低流量に対して、即ちＰ２で最適化されたとしたら、即ちより小さな直径の絞りを備えていたとしたならば、前記フィルタ装置１にかかる前記圧力差Ｐｄは、流動曲線Ｆｂ２に従い、所定の大流量Ｐ２では、許容される圧力の２倍になっていたであろう。そこで、前記マイクロフィルタ７を通過する油流を、前記フィルタ素子の考案されたバイパス手段を通る油流との関係で最適化するために、バイパス手段に４００ mBar で開く圧力弁システム２２を含めることが本発明によってさらに考案された。この設定が、Ｐ１により設定される要求が常に、即ちすべての流れにおいて、点線の流れ線Ｆｖ２（低い圧力差ではカーブＦｂ２に従う）によって図示されるように、満たされることを保証する。このように圧力差Ｐｄが増加すると、バイパスフィルタを通過する油流が増加し、曲線Ｆｆ２によって図示されるように最大で１.４ L/minとなる。前記絞り２６にかかる圧力差が増加して、ほとんど２倍（Ｆｒ＝８ L/minまで）、になった場合、フィルタ素子を通過する最大油流が増加し、２倍になる。さらに、フィルタ素子７を通過する最大油流Ｆｆは、絞りのみが存在する場合よりも、装置を通過する全油流が非常に低いときに実現されることにも注目できる。この場合前記マイクロフィルタを通過する最高流量１.４ L/min には、絞りのみを使用したときの必要条件に前記マイクロフィルタ装置を適応させていた状況において実現したであろう約１１.５ L/minの代わりに、この実施例においては既に約８ L/minで達する。

本発明は、このように装置を通過する様々な流れにおいて、フィルタ装置にかかる様々な圧力差が許容される状況に対して、マイクロフィルタの使用を最適化する設計方法に関する。

本発明はまた、次の特許請求の範囲とは別に、先行する明細書、および図面の少なくとも当業者が直接におよび明白に導き出せるすべての詳細および局面にも関する。

本発明による実施形態の１つの断面図である。 本発明の効果、および本発明の基礎となる方法を図示するグラフである。

符号の説明

1 フィルタ装置 ７ フィルタ素子 １４ 内部空間
１５ 封止素子 １９ 中央部 ２２ 弁システム
２５ 弁 ２６ 孔

Claims (10)

1. マイクロフィルタ装置（１）を、前記装置（１）を通過する種々の油流において、前記装置（１）にかかる種々の圧力差Ｐｄが許容される状況下での使用のために最適化するための設計方法であって、
   前記装置（１）を通過する油流が所定の最低量のときに装置に所定の最大圧力差（Ｐ２）がかかるために必要な、前記装置（１）のマイクロフィルタ素子（７）をバイパスする油流を最低にする、絞り（２６）の最小の大きさ、特に最小断面積を決定する工程と、
   および最大圧力差Ｐｄを、前記装置（１）を通過する流量が所定の最大量のときの所定の最大圧力差（Ｐ１）に、前記最大圧力差で開き一旦前記最大圧力差（Ｐ１）に到達すると前記フィルタ素子（７）をバイパスする第２の油流を生成する圧力弁システム（２２）を使用して制限する工程とを含む設計方法。
2. 前記絞り（２６）の断面積が、装置を通過する前記所定の最低油流量において前記最大許容圧力差（Ｐ２）になるために必要な断面積のプラス・マイナス１０％の範囲内にあるように、好ましくは前記圧力差（Ｐ２）と等しいように選ばれる請求項１に記載の方法。
3. 前記弁システム（２２）の開口圧力が、前記所定の最大油流量において、前記所定の最大圧力差（Ｐ１）のプラス・マイナス１０％の範囲内の、好ましくは前記圧力差（Ｐ１）と等しい圧力差値Ｐｄであるように設計される請求項１または２に記載の方法。
4. 前記開口部（２６）の断面積および／または前記圧力弁システム（２２）の開口圧力が、方法に従って設計に適用されるとき、指定値のいずれかに設定される、特に断面積がこのように規定された最小許容値に、および／または、圧力弁システムの開口値が前記最大許容圧力差に設定される請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 軸方向末端面が、油の通過に対して少なくとも大部分は、軸方向末端面封止手段（５、１５）により閉じられている前記マイクロフィルタ（７）を含むフィルタ装置（１）であって、
   前記装置は、前記フィルタ素子（７）をバイパスする油流を可能にする前記開口部（２６）および前記圧力弁システム（２２）の両方を備えていることを特徴とするフィルタ装置。
6. 両方の前記装備（２６、２２）の少なくとも１つが末端封止手段（１５）に組み込まれていることを特徴とする装置請求項１から５のいずれかに記載の装置（１）。
7. 前記開口部が、あらゆる条件下で前記フィルタ素子をバイパスする最小の油流を提供することを特徴とする装置請求項１から６のいずれか１項に記載の装置（１）。
8. 前記フィルタ装置（１）にかかる最大の許容圧力差が達したことを条件として、前記弁システム（２２）が追加のバイパス油流を提供することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置（１）。
9. 前記開口部（２６）が弁システム部分（２５）に組み込まれていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の装置（１）。
10. 前記弁システムが圧力バネ（２４）を含み、好ましくは前記フィルタ素子の内部空間（１４）に、好ましくその軸方向末端の近くに組み入れられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の装置（１）。
    

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