JP2008055359A - 水道水用３次元フィルタ及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型高性能の水道水用のフィルタについて、外圧等に対する保形力が強く、また一部の目詰まりによる流通抵抗の増加が小さいフィルタ構造を工夫したこと。
【解決手段】
小型高性能の水道水用フィルタを前提として、極細の金属細線で編成したメッシュシートを重ねて積層体にし、これをプレス加工して３次元フィルタを構成したこと。
極細の金属細線で編成したメッシュシートを重ねて積層体にし、これをプレス加工して３次元フィルタに成形した多層構造のものであるから、このフィルタは比較的肉厚の３次元的多孔性フィルタであり、外圧に対する保形力が強い。したがって、水圧等の外力によって大きく変形しあるいは潰れることはない。
【選択図】 図１

Description

この発明は 水道水用３次元フィルタに関するものであり、電磁給水弁等に組み込まれて使用される小型高性能フィルタであり、水の流通抵抗が小さく、水圧等の外力に対する保形力が強く、耐久性が高いものである。

例えば、水道配管の新設、修理が行われたときは、配管内を空気で清掃する等して水道水に金属粉等の異物が混入しないようにしている。しかし、それでも微小な異物が配管内に残存していて、これが水道水に混入することがある。また、老朽化した水道配管等から錆の破片が脱落してこれが水道水に混入することもある。このように異物が水道水に混入すると、これが電磁弁等の水道用器具の内部で引っかかって水道用器具が動作不良（閉弁不能等）を生じ、漏水等の事故に繋がる。
他方、食器洗い機、給湯器などでは水道管からの給水を電磁弁で制御しており、当該電磁弁に異物が侵入するのを防止するためにその上流側にフィルタが配置されている。当該フィルタにはさまざまの形態のものがあるが、形態の如何に関わらず、一般的には粒径が０．２５ｍｍ以上の異物を捕捉する性能を有することが求められる。そして、最も一般的な構造のフィルタが特開２００５−１７２０７０号公報に記載されている。

従来の水道水用フィルタは図６（ａ）に示すように小径配管６５に組み込まれるものであるから、まず、小径で目詰まりや変形によって流量が変化するものでないこと、また、水圧等の外力に対する保形力が強いものであることが必要である。
以上のことから、上記従来のフィルタはメッシュシートを外圧に強い半球状に成形したもの（２次元のもの）であり、上流側に向かって凸の状態で装着されている。
なお、上流側に向かって凹の状態で配置すると捕捉された異物は逃げ場がなくてフィルタ底部に堆積してゆき、だんだんフィルタが目詰まりしてゆく。これに対して、上流側に向かって凸状の場合は、一旦捕捉された異物は水流によってフィルタから離脱するので、これがフィルタ上に堆積することはない。

具体的には極細の金属細線で編成したメッシュシート（通常は、６０メッシュの場合に線径は０．１４〜０．１９ｍｍ）を半球状にプレス成形したフィルタ本体６１とゴム製のパッキンリング６２とによるものであり、フィルタ本体６１の開口端にパッキンリング６２を嵌めて固定している。パッキンリング６２が配管６５に嵌合してフィルタ６０を固定するとともにフィルタ６０の開口端がパッキンリング６２によって補強される。

水流による高い水圧がフィルタ６０にかかり、それが限界を超えると、フィルタ本体６１が大きく変形してその流通抵抗が増大する。そして、この変形のために図６（ｄ）に示すようにつぶれてしまうことがある。上記フィルタ本体６１は比較的薄い一枚のメッシュシートをプレス加工して半球状に成形したもの（２次元構造）であるから、形状が半球状であっても水圧等の外力に対する保形力が弱くて容易に変形する。したがって、電磁弁への組み付け作業時、電磁弁の配管への組み付け作業時にはフィルタを損傷させないように注意することが必要である。この従来のフィルタ、すなわち２次元フィルタについては金属細線を太いものにすればフィルタの保形力は強くなるが、しかし、線材が太いとその分だけメッシュの目が小さくなって流通抵抗が増大するので、その細線を太くしてフィルタの保形力を強くすることはできない。

他の形態のものとして３次元フィルタがあり、その一例が特開平０９−２２５２１４号公報に記載されている。この従来の３次元フィルタは排水用のもので、弾性発泡樹脂製のものである。３次元フィルタはその内部構造が立体的なものであるから、２次元フィルタ（内部構造が平面的なもの）に比して異物が詰まることによる流通抵抗の増加は小さく、また、弾性発泡樹脂製であるから水圧等の外力に対して弱く、そのため外力によって容易に変形してその流通抵抗が大きく変動することがある。したがって、水圧が大きく変動する水道水用には不向きであり、また、電磁弁などの水道機器を異物から防護するための高性能フィルタを構成するのにも不向きである。
特開２００５−１７２０７０号公報 特開平０９−２２５２１４号公報

この発明の課題は小型高性能の水道水用のフィルタについて、外圧等に対する保形力が強く、また一部の目詰まりによる流通抵抗の増加が小さいフィルタ構造を工夫したことである。

上記課題を解決するための手段は、水道水用フィルタを前提として、極細の金属細線で編成したメッシュシートを重ねて多層にして積層体とし、これをプレス加工して３次元フィルタを構成したことである。
なお上記の「３次元フイルタ」は濾過部がメッシュシートをプレス成形したもので２次元的な多孔性フィルタに対するものであり、相当の厚さを有し、３次元的な多孔性のフィルタを意味する。
なお、多数のメッシュシートを重ねて積層体にするについては、メッシュシートを重ね合わせて一体化して積層体を構成することもでき、または、積層メッシュシートを丸めて球体にし、これをプレスして所定の円板状の積層体を形成することもできる。また、金属細線をシート状に編んでこれを折り畳んで積層体にすることもでき、あるいは、金属細線を筒状に編んで所定長さに切断し、その両端を内側に織り込み、これを折りたたんで積層体にすることもでき、さらに、上記積層体を丸めて球体にしこれをプレス加工して再び積層体（円板状の積層体）にすることもできる。
積層体を丸めて球状にし、これをプレス加工して円板状の積層体を形成することで、積層体内の金属細線の方向がランダムになるので、３次元メッシュの均一性（メッシュ密度の均一性）が高められる。

極細の金属細線で編成したメッシュシートを重ねて多層にして積層体とし、これをプレス加工してフィルタに成形した多層構造のものであるから、このフィルタは比較的肉厚で３次元的多孔性フィルタであり、外圧に対する保形力が強い。したがって、水圧等の外力によって大きく変形しあるいは潰れることはない。

また、極細の金属細線で編成したものであるから、メッシュシートの目を大きくすることができる。そして、これで比較的厚い積層体を形成し、これをフィルタの形状にプレス加工することによって高性能の３次元フィルタが構成される。そして、積層枚数を増加することでフィルタの保形力を容易に強化することができるから、使用条件などに応じた任意の保形力を確保することができる。

また、金属メッシュの積層枚数とプレス成形されたフィルタの密度とによってフィルタの濾過性能は調整されるので、金属メッシュの積層枚数とプレス成形時の圧縮比との選択によってフィルタ性能を所定のものにすることができる。
さらに、フィルタ自体の剛性が金属メッシュの２次元フィルタに比して剛性が高いので、フィルタの取扱が容易であり、水道配管への組み込み作業も容易である。

〔実施態様１〕
実施態様１は、フィルタの形状が円筒状のフィルタ本体部と半球状又は円錐状の頂部とによる細長フィルタである。
メッシュシートを積層してプレス成形したもので厚さのある３次元フィルタであるから外力に対する保形力が強く、したがって、フィルタ本体を円筒状にすることが可能である。フィルタ本体部が円筒状でありこれに半球状又円錐状の頂部を設けた構造であるから、その外表面積が半球状のものに比して著しく大きい。したがって、高性能フィルタであり、フィルタの流通抵抗が小さく、また、供用中の部分的な目詰まりによる流通抵抗の増大はほとんどない。
フィルタ全体を細長い円錐形状にすることも可能であり、このような形状もこの実施態様１に相当するものである。

〔実施態様２〕
実施態様２は、円筒状の本体部の開口端の外周に環状フランジを一体成形して設けたことである。
〔作用〕
金属メッシュシートを積層してプレス成形した３次元構造のフィルタであるから肉厚で強度、剛性が高い。したがって、開口端に厚い環状フランジを一体形成することができ、この環状フランジを用いてフィルタを管内に固定することができる。
それゆえ、取り付け用フランジを後付けで設ける必要がなく、その分だけ製作コストが低減される。

次いで、食器洗い機の給水電磁弁用フィルタに適用した実施例を図面を参照しながら説明する。
この実施例のフィルタ１０の全体構造は図５に示すとおりであり、ほぼ円筒状の本体部１１とほぼ半球状の頂部１２とフランジ１３とからなるものであり、本体部の外径Ｄが９ｍｍ、内径ｄが５ｍｍであり（厚さは２ｍｍ）、本体部１１の長さはＬ１は８ｍｍ、半球状の頂部１２の長さＬ２は３ｍｍである。そして、このフィルタの頂部１２の厚さは本体部の厚さとほぼ等しく２ｍｍである。

この実施例のフィルタは、線径０．１ｍｍのＳＵＳ（ステンレス鋼）製の極細の細線を０．２ｍｍ間隔で編んだメッシュシートを６枚重ねてこれをスポット溶接Ｐして積層体７２を構成し（図４（ｂ））、この積層体７２を図示の形状にプレス加工したものである。この場合、上下のメッシュシートの編み目を前後左右に例えば０．０５ｍｍずらして、上下の編み目が少しずれるように配置している。

このフィルタについて、水圧１．５ｋｇ／ｃｍ^２での濾過試験を行った結果、直径０．１５ｍｍ以上の粒子を確実に捕捉することができた。
この３次元フィルタは円筒状の本体部１１とほぼ半球状の頂部１２とで濾過するので、図６の従来のフィルタに比して濾過面積が大きい。したがって、部分的に目詰まりしてもその流通抵抗の増加が微小で、濾過性能が長期的に安定する。また、本体部１１，頂部１２は３次元の多孔構造であるから細い繊維状異物に対する捕捉能力が高い。
なお、この実施例はメッシュシートを積層した積層体７２をプレス加工して所定形状のフィルタに成形しているが、上記積層体７２を丸めて球体にし、これをプレスして再び所定厚さの積層体にしてから、これを所定形状のフィルタに成形することで、上記実施例に比して３次元フィルタの多孔構造の強度・剛性が高くなる。

次いで、図５の実施例の３次元フィルタの使用形態は種々であり、一般的には単独で使用されるが、水道水圧の変動に対するガバナー（流通抵抗が加減されて流量を一定に抑制する手段）と組み合わせて使用されることが多いので、ガバナーとともに水道管に実装される場合の使用例について説明する（図１）。
図１の使用例はフィルタ１０を、水道圧を受けて弾性変形しこの弾性変形量の変動によって流通抵抗が変動する流量調整リング、すなわちガバナリングと組み合わせて配管６５に内装する例であり、配管６５の段部にゴム円板５を嵌め、多孔性の弾性発泡樹脂製のガバナリング６を嵌め、さらにフィルタ１０のフランジ１３を嵌合させて、ガバナリング６をゴム円板５とフィルタ１０のフランジ１３で挟んでいる。

さらに、合成樹脂製のフィルタ固定部材７を嵌めて、これでフィルタ１０の円筒状の本体部１１を保持させている。このフィルタ固定部材７は中空円筒部材であり（図３）、内径は１３．４ｍｍで、フィルタ１０の円筒状の本体部１１の外径よりも４．４ｍｍ大径であり（肉厚は２．２ｍｍ）、外径は１５ｍｍであって、配管６５の内径よりも０．１ｍｍ程度の微小に小径であり、これは配管内径とフィルタ固定部材７の外径の製作交差の範囲程度に微小な値である。外面、内面にそれぞれ４つの筋状突起７ａ，７ｂが突設されている。この筋状突起７ａ，７ｂの高さは約１ｍｍであり、フィルタ固定部材７を配管６５に嵌合されたとき外周の筋状突起７ａがつぶされ、その弾力によってフィルタ固定部材７が配管６５に固定される。同様にフィルタ固定部材７の内周にフィルタ１０の円筒部１１が嵌合されたとき、内周の筋状突起７ｂがつぶれ、その弾力によりフィルタ１０を保持する。そして、その内周面とフィルタ１０の円筒部１１との間に約０．５ｍｍの隙間Ｓが形成される。そして、この隙間Ｓに流入した水流がフィルタ１０の円筒部１１を通過して濾過される。

以上のように、配管６５内の水流はフィルタ１０の頂部１２、本体部１１を通過して濾過され、流通抵抗のためにフィルタ１０に水圧が作用し、この水圧によってフィルタ１０が左方に押される。上記水圧による押し力によりフランジ１３がガバナリング６を圧縮する。
他方、フィルタ１０を通過した水流は、ガバナリング６を半径方向内方に流れ、このとき流水はガバナリング６の空隙を通過するのでこの空隙による流通抵抗を受ける。水道水圧が上がるとガバナリング６の圧縮量が増大し、反対に水道水圧が下がるとガバナリング６の圧縮量が減少する。ガバナリング６が強く圧縮されるとそれだけガバナリングの空隙が縮小されて流通抵抗が強くなり、反対に、ガバナリングの圧縮が弱くなるとガバナリングの空隙が拡大されて流通抵抗が弱くなる。
以上のようにして、水道の水圧変動に応答してガバナリング６による流通抵抗が加減され、これによって流量が調整される。

〔成形加工例１〕
メッシュシートを多数重ねて一体化して積層体を形成し、この積層体をプレス加工して３次元フィルタを作成する方法の一例を図４を参照して簡単に説明する。
図５の３次元フィルタはフランジ１３が環状フランジであるから、素材は円板状メッシュシート７１を使用する（図４（ａ））。なお、円板メッシュシート７１を用いればプレス成形品のフランジを環状に裁断加工する必要がない。

線径が０．１ｍｍのＳＵＳ細線を０．２ｍｍ間隔で編成したメッシュシート７１を多数枚（この実施例では６枚）重ね、多数個所でスポット溶接Ｐして一体化することにより積層体７２を作成する（図４（ｂ））。積層体７２をプレスの雄金型に装着し（図４（ｃ））、雌金型８２を下降させてプレス成形する。雌金型８２が下降して、そのキャビティ８２ａに雄金型の円錐突起８１ａが嵌り込むことでフィルタの頂部１２が形成され、次いで本体部１１が成形され、最後に、雄金型のキャビティ８１ｂと雌金型の下端面とでフランジ１３が成形される。このプレス加工で積層体７２はその半径方向（筒状本体１１の長手方向）に引き延ばされ、周方向に縮められ、また、その厚さ方向に圧縮されて金型のキャビティ（成形空間）の形状に成形される。このとき、積層体７２の外周分が雄金型のキャビティ８１ｂに押し込まれ、その底面と雌金型の下端面とによって加圧されて所定厚さのフランジ１３が成形される。

プレス加工による積層体７２の各層の伸び量が異なる。そしてまた、各メッシュシート層はスポット溶接によって互いに接合されて一体化されているので、金型から取り出された状態では内部応力が残っており、この内部応力が各メッシュシート７１を互いに圧接させる方向に作用するので、この内部応力によってメッシュシートはその重なり面で摩擦的に結合されている。

〔成形加工例２〕
次いで、他の加工例（成形加工例２）を図４−１を参照して説明する。
この成形加工例２は次の手順で円板状の積層体９４を作成するものである。
（ａ）線径０．１ｍｍのＳＵＳ細線を編成して直径２０〜２５ｍｍの筒状メッシュを形成する（編み目間隔は０．２ｍｍ）。
（ｂ）筒状メッシュを約５０ｍｍの長さに裁断して筒状メッシュシート９１を作成する。
（ｃ）筒状メッシュシート９１の両端部を内側に折り込んで二重筒状メッシュシート９２を作成する。
（ｄ）二重の筒状メッシュシート９２を丸めて直径約２０ｍｍのメッシュボール（球状体）９３を作成する。
（ｅ）メッシュボール９４をプレスして直径約３０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板状の積層体９４を成形する。
以上のようにして成形された積層体９４は、図４の例における積層体７２と同様にしてプレス加工して、３次元フィルタを成形する。

積層体９４が所定の大きさで所定の密度になるように、所定の長さに筒状メッシュシート９１を切り出し、また、メッシュボール９３は、例えば加圧ローラなどでプレスして所定直径で所定密度の円板状の積層体９４が形成されるような大きさに丸められる。
この製作方法によれば、積層されたメッシュシートをスポット溶接して一体化する必要はなく、編成されたメッシュシートの切断部が円筒体の中に収められるので、３次元フィルタに成形されたとき、上記切断部がフィルタの外表面に現れることはなく、したがって、編成が切断部から解れるおそれは全くないという利点がある。また、３次元の多孔構造は複雑な迷路状になっていて、これにより高い濾過性能が発揮されるという利点がある。

また、次ぎのようにして積層体９４を作成することもできる。
すなわち、線径０．１ｍｍのＳＵＳ細線を編成してメッシュシートを作成し、このメッシュシートから幅２０〜２５ｍｍ、長さ２０〜２５ｍｍの長尺シートを切り出し、この長尺シートを両端から２重に折りたたんで多重積層シートを作成し、この多重積層シートを丸めてメッシュボール９３（図４−１のメッシュボール９３と同じ）を作成し、さらにこのメッシュボール９３をプレスして、円板状の積層体９４（図４−１の積層体９４と同じ）を作成する。
以上のようにして作成した積層体９４を図４の金型に装着して、前記実施例と同様にしてフランジ付きのフィルタ１０を成形する。

以上のように、メッシュシートを多重に重ねて多重メッシュシートを作成し、これを丸めてメッシュボールを作成し、さらにこのメッシュボールをプレス加工して円板状の積層体を作成すると、当該積層体は内部で金属細線が複雑に絡み合って一体化されている。したがって、これで成形されたフィルタはその内部が一体的であるから、スポット溶接してメッシュシートを結合させて一体化した場合に比して機械的強度が高く剛性も高い。
さらに、内部の多孔構造が複雑な迷路状になるので、濾過性能が高く、かつバラツキが小さい。

〔プレス金型について〕
プレス金型を使った成形加工の仕方は前記の通りであるが、このプレス金型の構成については成形されたフィルタ１０を金型から取り出し易くすることが大切である。
また、一対の雄金型と雌金型による成形部を多数備えた多連の金型を用いることもできる。この多連の金型を用いる場合、広い積層体７２（又は９４）を用いて一度に多数の３次元フィルタを成形し、これらの３次元フィルタを打ち抜いて分離するという方法を採用することもできる。
また雌金型と雄金型とを上下反対に配置し、雌金型に積層体７２（又は９４）を装着して、雄金型を昇降させるように構成することもできる。この場合は、雄金型の円錐突出部８１ａと一緒に成形品が雌金型のキャビティ８２ａから容易に抜け出るようにすることが必要である。

次いで、他の形態のフィルタ及びその使用例を図２を参照して説明する。
他の形態のフィルタは図５−１に示すものであり、当該フィルタ２０の基本構造は図５のものと違いはないが、しかし、フランジ２３の端面に十字状に半径方向溝２３ｇが設けられている点で相違している。このフィルタ２０の配管への装着状態は図１のそれと基本的に違いはないが、多孔性のガバナリング６の上流側側面が防水シート（樹脂シート）６ａでカバーされている点が異なる。また、この例におけるゴム円板２５は中心孔を有するリング状円板である。フランジ２３に半径方向溝２３ｇがあるので、水流は当該半径方向溝２３ｇを半径方向外方に流れ、ガバナリング６内を半径方向内方に流れ、さらにゴム円板２５の中心孔を流れる。このためガバナリング６の圧縮量の変化に対する流通抵抗の応答性が高く、従って水道水圧の変動に対する流量調整の応答性が高い。

次いで、上記形態のフィルタの他の使用例を図２−１を参照して説明する。
他の形態のフィルタ２０は図５−１に示すものである。この使用例は図２の使用例と基本的には違いはないが、ガバナリングの構造が異なり、したがって、フィルタ通過後の水の流れが異なる。すなわち、この使用例のガバナリング３０は浅いカップ型の弾性体であり、開口端縁に半径方向の切り欠き３０ｇが多数（４つ以上）設けられており、当該開口端縁が硬いゴム円板２５に比較的狭い面積で当接している。水圧が高くなるとガバナリング３０の周壁３０ａの端部が圧縮されて切り欠き３０ｇの流路面積が縮小される。
水流はフランジ２３の半径方向溝２３ｇを半径方向外方に流れ、ガバナリング３０の切り欠き３０ｇを半径方向内方に流れ、さらにゴム円板２５の中心孔を流れる。
したがって、水圧が変動するとガバナリング３０の切り欠き３０ｇの流路断面積が変化して流量が調整される。

なお、図２−１の使用例においては、ガバナリング３０が弾性変形して切り欠き３０ｇの流路断面積が調整されるが、ガバナリング３０を硬質のプラスチック材とし、ゴム円板２５を軟質のゴム材とすることもできる。この変形例の場合は、図２−２に模式的に示すように、ガバナリング３０の端面を凹凸形状にして切り欠き３０ｇを例えば１０個程度にして、ゴム円板２５との当接面積を小さくするのもよい。ガバナリング３０の凹凸形状の端面が水圧でゴム円板２５に押しつけられるが、ゴム円板２５が軟質ゴム材であるので、ガバナリング３０の端面の凸部がゴム円板２５に食い込み、その結果、凹部による切り欠き３０ｇの流路断面積が狭められる。そして、水圧が高いほど上記凸部のゴム円板への食い込み量が増大し、その分だけ切り欠き３０ｇによる流路断面積は減少する。
水圧に応答して弾性変形するものが軟質ゴム製のゴム円板２５であり、ガバナリング３０はプラスチック材であるから、図２−１の使用例に比してこれらの成形加工が比較的容易であり、また、耐久性が向上するという利点がある。

（ａ）は図５の実施例の使用例の断面図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図である。 は図５−１の変形例の使用例の断面図である。 は図５−１の変形例の他の使用例の断面図である。 は図２−１の使用例におけるガバナ機構の変形例を示す一部平面図である。 はフィルタ固定部材の斜視図である。 はフィルタのプレス加工の一例を示すものであり、（ａ）はメッシュシートの斜視図、（ｂ）はメッシュシート積層体の斜視図、（ｃ）はプレス金型の断面図、（ｄ）はフィルタをプレス成形した状態の断面図である。 は積層体の他の作成方法を模式的に示す説明図である。 （ａ）は実施例の正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。 （ａ）は他の実施例の正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。 （ａ）は従来の水道水用フィルタの正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図、（ｄ）は変形した状態の断面図である。

符号の説明

５，２５：ゴム円板
６，３０：ガバナリング
７：フィルタ固定部材
７ａ，７ｂ：筋状突起
１０，２０，６０：フィルタ
１１：本体部
１２：頂部
１３，２３：フランジ
２３ｇ：半径方向溝
３０ｇ：切り欠き
６５：水道配管
７１，９１：メッシュシート
７２，９４：積層体
８１：雄金型
８２：雌金型

Claims (5)

1. 水道水用フィルタであって、極細の金属細線を編成したメッシュシートを重ねて多層にして積層体とし、これをプレス加工して筒状に成形した水道水用３次元フィルタ。
2. 上記フィルタの形状が円筒状のフィルタ本体部と半球状又は円錐状の頂部とによる細長フィルタである請求項１の水道水用３次元フィルタ。
3. 上記の円筒状のフィルタ本体の開口端の外周に環状フランジを一体に成形して設けている水道水用３次元フィルタ。
4. 極細の金属細線を編成してメッシュシートを作り、当該メッシュシートを多層にし、プレスして平板状の積層体を作り、当該積層体を成形金型でプレス加工して円筒状の本体部と半球状の頂部とを備えたフィルタを成形する、３次元フィルタの製作方法。
5. 金属細線を編成したメッシュシートを多層にして積層メッシュシートとし、これを球状に丸めてメッシュボールを作成し、当該メッシュボールをプレス加工して円板状の積層体を作成し、当該円板状積層体を金型に装着してプレス加工してフィルタの円筒状本体部と頂部を成形する３次元フィルタの製作方法。

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