JP2013510712A - 凍結環境用の液体フィルタ構造 - Google Patents

Abstract

フィルタ筐体を含む液体フィルタ構造を開示する。フィルタ筐体は、尿素水溶液を用いる液体濾過用のフィルタ要素を含んでいる。フィルタ筐体内に収縮可能要素が配置されていて、収縮可能要素はガス封入容積を含む包体を含んでいる。当該収縮可能要素は、濾過筐体内における液体の凍結による圧力の発生に反応して収縮する。収縮可能要素の収縮により、フィルタ要素、フィルタ筐体、および隣接する器材への損傷が回避される。

Description

本発明はフィルタ、より具体的には凍結環境にさらされる液体フィルタに関する。

内燃機関内の温度上昇により、排気ガス内に窒素酸化物が生じる恐れがある。大気中への窒素酸化物の放出は、それらの環境に対する公知の副作用のため多くの管轄当局における規制により制限されている。窒素酸化物排出を抑制する一つの方法は、水溶液への、尿素注入等、排気流に富水素化合物を注入するものである。尿素または類似化合物は、排気ガス内の窒素酸化物を無害な窒素および水に変換する化学反応を受ける。このようなシステムは、排気ガス内の窒素酸化物濃度を大幅に減らして環境規制に準拠することができる。

排気流に放出される尿素その他の富水素物質は、放出モジュールの損傷を防止すべく濾過されなければならない。しかし、内燃機関の動作に必要な大多数の流体フィルタとは異なり、窒素酸化物の除去に必要な富水素物質は通常、水溶液であるため、低温で凍結しやすい。水溶液が凍結する際、体積が膨張する。流体凍結温度における体積の増加は、水溶液の種類に依存するが、多くの場合１０パーセント以内である。体積の膨張は、膨張がフィルタ筐体等の閉じた容器内で生じると、圧力の大幅な増大をもたらす恐れがある。体積膨張を考慮していなければ、流体の凍結によりフィルタ筐体内部の圧力が増大して、結果的に筐体、フィルタ要素、またはそれら両方の損傷が生じる恐れがある。

流体の凍結パターンは、温度パターンに追随し、流体が入っている容器の形状に依存して大幅に変動する。液体は、凍結温度以下の最低温度で凝固し始める。この現象は、フィルタ筐体内のどこでも始まり得る。筐体内部の流体の温度は、温度パターンおよび温度勾配が存在し得るため、通常は一定ではない。全体的な温度が低下するにつれて、水溶液は最低温度位置で凍結し始める。この位置は、流体のどこでも起こり得て、筐体の一区画内に液体を閉じ込めることができる。閉じ込められた液体が膨張することができるような容積が存在しない場合、フィルタ筐体および要素が損傷する恐れがある。

フィルタ筐体内で液体が凍結する問題を解決する一つの方法は、米国特許第４，８４２，７３７号に記載されているような柔軟フィルタ筐体または弾性フィルタ筐体の使用である。そのような設計における顕著な短所は、変形可能なフィルタ筐体を使用することにより、フィルタ筐体をエンジンに載置する仕方が大幅に制約されることである。これは、フィルタ内の流体が凍結する間、フィルタ筐体の膨張を受け入れるために追加的な空間が必要になるためである。柔軟筐体の別の短所は、剛性フィルタ筐体の耐久性および強度に見合う柔軟フィルタ筐体の構成が困難なことである。従って、柔軟筐体は、機械的故障および液漏れの可能性のリスクを増大させ、剛性筐体に比べて不利である。

フィルタ筐体内における液体凍結の問題に対処すべく利用可能な別のアプローチが特開昭６１１９７０１３−Ａ号公報に記述されている。これはフィルタの筐体の内側に取付けられた柔軟膜を用いて、一定体積の空気を当該膜の一方の側に隔離する。フィルタ内の液体が凍結して体積が膨張した場合、膜の裏側のエアポケットが膜を弾性的に変形させながら、増大する液体の体積を吸収する設計されている。しかし、この膜構成はかなり複雑で壊れやすく、膜が故障するかまたは漏れ口が生じた場合に漏れおよび機械的故障のリスクが増す。

同様のアプローチは、柔軟膜の代わりに収縮可能な発泡要素を組み込むものである。そのような成分は一般に、１バールの絶対圧を上回る液圧力にさらされた場合に少なくとも一部が収縮する多数の空気含有セルを有している。時間の経過に伴って、圧力が繰り返し変動することによりセル壁の伸縮が繰り返され、発泡要素の劣化が生じる。また、発泡要素が老朽化するにつれてひび割れが生じ、そこから液体が漏れ出して凍結および解凍する恐れがある。そのような状態の変化もまた、発泡要素のセル壁を劣化させる。最後に、石油にさらされることによっても、これらのシステムで実装可能な多くの種類の発泡要素が劣化する。発泡要素がわずかでも劣化すれば、水溶液が凍結した際の体積を効果的に吸収できなくなる。

流体膨張問題に対処する同様の方法が米国特許第７，４８１，３１９号に詳述されていて、フィルタ筐体内でフィルタ要素に接触して配置される膨張要素の利用が記述されている。これらの膨張要素もまた、加圧された液体にさらされた場合に、崩壊のリスクがある空気含有セルを有する変形可能な発泡材を含んでいる。しかし、膨張要素は、固体度が高い変形可能発泡材から構成されているため、液体のわずかな体積変化しか吸収することができない。また、変形可能な要素はフィルタ要素と接触しているため、フィルタ要素は容易には当該方向で液体の体積変化を吸収することができない。このため、フィルタにも筐体にも損傷を与えることなく、且つフィルタ筐体、フィルタ要素、その両方の損傷のリスクを増大させることなく生じ得る、凍結パターンの数が制限される。最後に、流体膨張問題を解決する当該アプローチはまた、上の段落で説明した理由により発泡材の劣化に影響されやすい。

従って、濾過すべき流体が加圧されて凍結される条件下で用いる改良されたフィルタ構造に対するニーズが存在する。

本発明は、液体を濾過するためのフィルタ構造を目的としている。当該フィルタ構造は、フィルタ筐体内において液体が相当程度凍結しても筐体または筐体の内部要素が損傷しないようにすることができる。フィルタ筐体は、筐体内で液体の全体または一部が凍結した際に収縮する収縮可能要素を含み、これにより筐体内で損傷を与える圧力の増大を回避する。収縮可能要素は、加圧された流体にさらされたとき、少なくとも最小限の収縮性を維持する。

例示的な実施形態において、収縮可能要素は、柔軟壁に囲まれているガス封入容積を含んでいる。壁は、例えばニトリルブタジエンゴム、水素化ニトリルブタジエンゴム、フッ化エラストマ、ブチルゴム、およびこれらの組合せ等のエラストマ材で構成されている。他の材料もまた利用できる。例えば、ガス封入容積は、扁平な球体（または類似形状）の形状であってよく、これにより任意の方向への収縮が可能になり、凍結パターンを任意の方向に逃がすことができる。

ガス封入容積を有する収縮可能要素は、収縮性が高いほど増大する巨大なガス容積を有し、且つエンジンの始動／停止に伴う反復的な加圧サイクルだけでなく、反復的な凍結−解凍サイクルに耐えるのに充分な耐久性を備えた柔軟壁を有するように設計されている。一般に、収縮可能要素のガス封入容積は、収縮可能要素の容積の少なくとも５０パーセント、多くの場合収縮可能要素の容積の少なくとも７０パーセント、およびいくつかの実施形態では収縮可能要素の容積の少なくとも８０パーセントを占める。更に別の実施形態において、収縮可能要素のガス封入容積は、収縮可能要素の容積の少なくとも９０パーセントを占める。

水を始め多くの水溶液は、凍結すると約１０パーセント膨張する。従って、収縮可能要素内のガス封入容積が、通常はフィルタ筐体の全液体体積の１０パーセント以上であることが望ましい。実際、フィルタ筐体内で過剰な圧力が生じなければガス封入容積は完全には収縮できないため、ガス封入容積の割合が大きいほど有利である。従って、いくつかの実施形態において、ガス封入容積が筐体の全液体体積の１０パーセントを超えることが望ましく、一方、他の実装例ではガス封入容積が筐体の全液体体積の１５パーセントを超えることが望ましく、更に他の実施形態ではガス封入容積が筐体の全液体体積の２０パーセントを超えることが望ましい。しかし、必ずしもフィルタ内の流体全部が凍結する訳ではないため、１０パーセント未満、あるいは５パーセント未満の容積でも有用であることが理解されよう。

特定の実施形態において、収縮可能要素は、凍結中の流体からの圧力にさらされたときに少なくとも２５パーセント収縮し、次いで凍結した流体が溶解すると元の容積（または概ね元の容積）に戻ることができる。他の実施形態において、収縮可能要素は、凍結中の流体からの圧力にさらされたときに少なくとも３５パーセント収縮することができ、次いで凍結した流体が溶解すると元の容積（または概ね元の容積）に戻る。他の実施形態において、収縮可能要素は、凍結中の流体からの圧力にさらされて少なくとも５０パーセント収縮することができ、次いで凍結した流体が溶解すると元の容積（または概ね元の容積）に戻る。

フィルタ筐体内での頻繁な凍結−解凍サイクルにわたる収縮可能要素の循環は、フィルタに用いられる要素の適合性の適切な尺度である。そのようなサイクリングは収縮可能要素の容積を繰り返し変化させることにより、当該要素の性能および耐久性の測定が可能になる。１００回の凍結−解凍サイクルの後で、収縮可能要素は、一般に元の容積の少なくとも９０パーセント、より一般的には元の容積の少なくとも９５パーセント、および特定の実施形態では元の容積の少なくとも９８パーセントに戻らなければならない。往々にして、１００回以上の凍結−解凍サイクルの後では、収縮可能要素のサイズの明らかな減少は生じず、要素の収縮性または収縮可能要素内に封入されたガスの体積に明らかな減少も生じない。

通常、収縮可能要素は全方向から収縮可能である。これにより、流体が異常なパターンで凍結するか、または凍結中の流体が筐体内で非均一な圧力を生じさせる状況で、当該要素による圧力逃がしを向上させることができる。いくつかの実施形態において、収縮可能要素は、例えば当該要素が概ね球面形状を有する場合に、全方向から均一に収縮可能である。他の実施態様において、収縮可能要素は、部分的に扁平な球体のように成形され、従って他の方向よりも特定の方向に収縮し易い。

収縮可能要素は、フィルタ要素と直接接触しないように構成できるが、いくつかの代替的な実装例ではフィルタ要素と直接接触する。一般に、収縮可能要素は、筐体の中央がフィルタ要素および流体の流路に占有されているため、フィルタ筐体の端の付近に配置されている。

フィルタ筐体が複数の収縮可能要素を含むことができることが理解されよう。追加的な要素は、互いに隣接して配置可能であるが、より典型的には互いに離されて、また場合によりフィルタ筐体の両端に配置されてもよい。

代替的な実施形態の例において、収縮可能要素は、可撓包体壁により囲まれていて泡封入容積を含んでいる。そのような実施形態において、収縮可能要素は通常、泡への液体の浸透を回避し、それにより収縮性の悪化を回避するべく特に耐久性のある防水包体壁を含んでいる。

代替的な実施形態において、フィルタは、伸長可能なピストンおよび当該ピストン内に配置されたばねを形成する包体を含む収縮可能要素から構成されていて、当該ばねは伸長して、凍結中の流体に反応して伸長可能なピストンの容積の収縮が可能なように構成されている。

更に別の実施形態において、液体フィルタ構造はフィルタ筐体を含んでいて、当該フィルタ筐体は液体を濾過するためのフィルタ要素を保持すべく構成されている。フィルタ筐体内に空気保持要素が配置されていて、当該空気保持要素はフィルタ筐体内の液体と流体連結する空隙容積を含んでいる。フィルタ筐体内の液体の一部が凍結すると、空気保持要素内の空隙容積の少なくとも一部に、排除された液体または凍結した排除された液体を封入する。容積内のガスの量は収縮により減少し、解凍すると空隙容積内のガスが膨張して凍結前の体積に戻る。

別の代替的な実施形態において、液体フィルタアセンブリは液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成された筐体を有している。フィルタ筐体内に空気保持要素が配置されていて、フィルタ筐体内で液体と流体連結する空隙容積につながる開口を画定する。フィルタ筐体内の液体の一部が凍結すると、空気保持要素内の空隙容積の少なくとも一部に空気保持要素の開口を通る排除された液体を封入する。空隙容積内のガスの体積は、空隙容積に流入する液体により生じる収縮により減少する。液体は、解凍すると、開口を通って空隙容積から流出し、空隙容積内のガスが膨張して凍結前の体積に戻る。この特定の実施形態において、空気保持要素は、剛性の筐体を有し得る。

本発明の上述の要約は、本発明の各々の開示された実施形態、またはあらゆる実装例を記述することを意図していない。以下の図面および詳細な記述によりこれらの実施形態をより具体的に例示する。

本発明は、添付の図面を参照しながら本発明の各種の実施形態の以下の詳細な記述を考慮すればより完全に理解することができる。

本発明の第１の実装例に従い構成された液体フィルタアセンブリの断面図を示す。 流体の凍結により生じる圧力の下で収縮して変形した収縮可能要素を有するフィルタ構造を示す、図１の液体フィルタアセンブリの断面図を示す。 本発明の実装例に従い構成された収縮可能要素の側面透視図を示す。 収縮可能要素が大気圧下にある、図３Ａの収縮可能要素の断面図を示す。 大気圧を上回る圧力で収縮可能要素が部分的に収縮している、図３Ａの収縮可能要素の断面図を示す。 本発明の実装例に従い構成された代替的なフィルタアセンブリを示す。 本発明の実装例に従い構成された代替的なフィルタアセンブリを示す。 本発明の実装例に従い構成された代替的なフィルタアセンブリを示す。 本発明の実装例に従い構成された代替的なフィルタアセンブリを示す。 本発明の実装例に従い構成された代替的なフィルタアセンブリを示す。 本発明の実装例に従い構成された収縮可能要素の代替的な実施形態の透視図を示す。 本発明の実装例に従い構成された収縮可能要素の別の代替的な実施形態の透視図を示す。 図１０Ａに示す収縮可能要素を組み込んだ実装例の断面図を示す。 本発明の実装例に従い構成された収縮可能要素の代替的な実施形態の断面図を示す。 本発明の実装例に従い構成された収縮可能要素の別の代替的な実施形態の断面図を示す。 本発明の実装例に従い構成された代替的なフィルタアセンブリを示す。 本発明の実装例に従い構成された別の代替的なフィルタアセンブリを示す。 図１４に示す実施形態と整合する収縮可能要素の透視断面図を示す。 同様に図１４に示す実施形態と整合する別の収縮可能要素の透視断面図を示す。 本発明の実装例に従い構成された代替的なフィルタアセンブリを示す。

フィルタ筐体およびそのための更なる構成要素を含む液体フィルタアセンブリを開示する。フィルタ筐体は、液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成されている。フィルタ構造内の液体が凍結および膨張した際の膨張空間を考慮して収縮可能要素がフィルタ筐体内で配置されている。収縮可能要素は、ガス封入容積を囲む壁を含んでいる。当該収縮可能要素は、ガス封入容積の収縮により濾過筐体内の液体の凍結による圧力の発生に反応して収縮する。収縮可能要素の収縮により、筐体内で圧力を逃がしてフィルタ要素、フィルタ筐体、および隣接器材の損傷が防止される。収縮可能要素は通常、流体内に完全に沈漬しているため、流体と化学的に互換性を有していなければならない。

典型的な実施形態において収縮可能要素は、例えばニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）、フッ化エラストマ（ＦＫＭ）、ブチル、または低温で柔軟性を発揮する他の種類の材料等（但しこれらに限定されない）、延伸可能だが一般に収縮不可能な材料で構成された外皮を有している。一実施形態において、当該外皮は剛性材料である。

外皮層は、流体に対して浸透性が低いものを選択しなければならない。各種の実施形態において、外皮層は複数の流体に対して浸透性を有していない。また、外皮層は、内燃機関に付随する水溶液に低濃度であっても存在し得るディーゼル燃料等の炭化水素に対して耐性を有するものを選択しなければならない。

一実施形態において、収縮可能要素の外皮は各種材料の複数の層を有し、様々な種類の材料の利点を合わせて実現すると共に、単一材料を使用する場合の不都合を回避することができる。例えば、一実施形態において、ディーゼル燃料に対する耐性によりニトリルブタジエンゴムを外層として用いることができる一方、収縮可能要素内におけるガスに対する相対的な浸透耐性によりブチルを、ディーゼル燃料に反応的であるにもかかわらず、内層として用いることができる。

一例示的実施形態において、外皮は、浸透速度が低いニトリルブチルゴムでできており、厚さが１ｍｍ（０．０３９インチ）から５ｍｍ（０．１９７インチ）に及ぶ。別の一例示的実施形態において、外皮は、ニトリルブチルゴムとブチルゴムの組合せでできており、厚さが１ｍｍ（０．０３９インチ）から５ｍｍ（０．１９７インチ）に及ぶ。更に別の例示的実施形態において、撓まない剛性外皮を組み込むことにより、外皮はガラス充填ナイロンでできており、厚さが１ｍｍ（０．０３９インチ）から３ｍｍ（０．１１８インチ）に及ぶ。当業者には、厚さを増すことで外皮のガス浸透性を下げることができるが、そのように厚さの増大は収縮可能要素自体の空隙容積の減少と相関し得ることが理解されよう。従って、意図された容積を回復すべくフィルタ筐体内の特定の圧力増大に反応して収縮可能な空隙容積（およびその中の収縮可能ガス）と相関する各種の外皮厚を用いることができる。

本発明に従い構成された収縮可能要素は、当該要素が極めて高い潜在的収縮比を有するように、内部にガスが封入されている。高度に収縮可能な要素は、圧力が除去された際に、原形または概ね原形に素早く戻る。一般に、これらの要素は反復的に、少なくとも２５パーセント収縮可能であり、望ましくは少なくとも３５パーセント収縮可能であって、ある実装例では収縮性の損失なしに少なくとも５０パーセント収縮可能である。代替的な実施形態において、収縮可能要素は、収縮可能な発泡材が封入された容積を画定し得る。

収縮可能要素は、通常のエンジン使用に付随する圧力サイクルだけでなく、多数の凍結−解凍サイクルを通じて繰り返し変形可能なように、構成されていることが望ましい。収縮可能要素が凍結−解凍サイクルを経ない場合でも、多くの場合、起動時および動作中におけるエンジン内の流体への加圧等の通常動作における圧力サイクル、次いでエンジンが停止されたときの減圧に付随するサイクルを経なければならない。実際、このような加圧サイクルは、例えば現行の高圧システムにおいて最高５バールのように極めて顕著であり得る、圧力が更に高い可能性もある。

ここで図１を参照するに、本発明の実装例に従い構成されたフィルタアセンブリ１０の横断面を示す。フィルタアセンブリ１０は、フィルタ筐体２０（基本的詳細を示す）および筐体２０内に配置されたフィルタ要素３０を含んでいる。フィルタ要素３０は、シール４０によりフィルタの清潔な面と汚れた面を封止する。

フィルタ筐体２０は一般に、取付けおよび取外し可能なように、衝撃に耐えるように、および多くの場合車両での使用を含めて寒冷な外部環境条件に耐えるように、フィルタ要素を支持するのに充分な剛性を有する材料で形成されている。通常、フィルタ筐体は金属または成形樹脂で構成されていて、比較的剛性である。

図１に示す実施形態において、フィルタ要素３０は上部エンドキャップ５０および下部エンドキャップ６０を有している。インナーライナ７０は、上部エンドキャップ５０と下部エンドキャップ６０を組み合わせてフィルタ要素３０を支持する。従って、フィルタ要素３０は、インナーライナ７０で支えられていて上部および下部エンドキャップ５０、６０に封止されるフィルタ媒体を含んでいる。代替的な実施形態では、インナーライナ７０を用いない。

空隙容積８２を有する収縮可能要素８０が筐体２０内に配置されている。空隙容積８２には、閉じ込められたガス（空気等）が封入されている。図示の実施形態において、収縮可能要素８０は、下部エンドキャップ６０の下に位置しており、下部エンドキャップ６０ともフィルタ筐体１０とも接触しない。収縮可能要素８０は一般に、フィルタ筐体１０内の流体の流域外に配置することができる。特定の実施形態において、収縮可能要素８０は、下部エンドキャップ６０内のブラケットと共に所定の位置に保持される。

空隙容積９２を有する追加的な収縮可能要素９０が、図１に示す構成例の上部エンドキャップ５０の上方に位置している。特定の実施形態において、収縮可能要素９０は、上部エンドキャップ５０およびフィルタ筐体２０とは接触しない。図１の横断面に示す当該収縮可能要素９０は、フィルタ筐体２０の周囲に沿って追随する「ドーナツ」状をなしている。

ここで図２を参照するに、図１のフィルタアセンブリ１０を示すが、筐体２０内の圧力増大により収縮可能要素８０が変形している。図２において、収縮可能要素８０の大部分がフィルタアセンブリ１０の中心を通る軸に沿って変形している。収縮可能要素９０もまた変形し得るが、そのような変形は図２に示していない。凍結流体からの圧力がフィルタアセンブリ１０内で必ずしも均一ではないため、収縮可能要素８０および収縮可能要素９０が必ずしも同一のレベル収縮性を有していないことが理解されよう。

図３Ａ〜３Ｃに、図１、２に示すものと同様の例示的な収縮可能要素２８０を更に示す。図３Ａに収縮可能要素２８０の側面透視図を示し、一方、図３Ｂ、３Ｃに収縮可能要素２８０内の空隙容積２８２に沿った収縮可能要素２８０の断面図を示す。図３Ｂにおいて大気圧下の収縮可能要素２８０を示し、一方、図３Ｂにおいて収縮可能要素２８０を、フィルタ筐体（図示せず）内で圧力が増大した結果、収縮可能要素が変形および収縮した状態で示す。

図９〜１２に、本明細書に開示する技術の実施形態と整合する収縮可能要素の各種代替的実施形態を示す。例えば、図９に略円筒状の収縮可能要素９８０を示す。更に、図１０Ａに、略円筒状であって、収縮可能要素１０８０を通って延在する開口１０８２を画定する収縮可能要素１０８０を示す。少なくとも１個の実装例において、画定された開口１０８２は、収縮可能要素に隣接する流体流を受容することができる。図１０Ｂに、図１０Ａに示す収縮可能要素１０８０の実装例を示す。当業者には、収縮可能要素が各種の形状および構成を画定できることが理解されよう。

追加的な２つの例として、図１１、１２に、本明細書に開示する技術の実施形態と整合する収縮可能要素の横断面を示す。図１１に、第１の空隙１１８２およびその内部の第２の空隙１１８４を画定する収縮可能要素１１８０の横断面を示す。図１２に、図１１の収縮可能要素１１８０の異なる形状を有し、第１の空隙１２８２、第２の空隙１２８４、およびその内部の第３の空隙１２８６を画定する収縮可能要素１２８０の横断面を示す。例えば、第１の空隙１２８２の密封を破る収縮可能要素１２８０の損傷が生じた場合でも、第２の空隙１２８４および第３の空隙１２８６は依然として機能する。

ここで図４を参照するに、内部体積３８２と合わせて、代替的な収縮可能要素３８０を有するフィルタアセンブリ３１０を示す。図４において、収縮可能要素３８０は、収縮可能要素３８０の外側から伸びる一連の突出部３８３を含んでいる。これらの突出部は、筐体３２０内で収縮可能要素の配置を助けるのと同時に、収縮可能要素３８０と下部プレート３６０の主要部分との間の距離も維持する。図４はまた、フィルタ要素３３０に加えて上部プレート３５０および上部プレートに隣接する収縮可能要素３９０を支持する任意選択的なインナーライナ３７０を示し、当該収縮可能要素は空隙容積３９２内のガスが封入されている。

ここで図５を参照するに、代替的なフィルタアセンブリ４１０は、フィルタ筐体４２０（基本的詳細を示す）およびフィルタ要素４３０で構成されている。フィルタ要素４３０は、フィルタ筐体４２０に取付けられて、シール４２２、４２４によりフィルタの清潔な面と汚れた面を封止する。フィルタ要素４３０は、上部エンドキャップ４５０および下部エンドキャップ４６０を有している。下部エンドキャップ４６０の下方に収縮可能要素４８０およびガス４８２が位置している。同様に、ガス４９２が閉じ込められた収縮可能要素４９０が上部エンドキャップ４５０の上方に位置している。図示する実施形態において収縮可能要素４８０および４９０は共に「ドーナツ」状の構成であるが、他の形状も利用可能であることが理解されよう。

ここで図６を参照するに、本発明に従い構成されたフィルタアセンブリの更なる実施形態を示す。フィルタアセンブリ５１０は、本発明の実装例に従い構成および配置されている。当該フィルタアセンブリ５１０は、フィルタ筐体５２０（基本的詳細を示す）およびフィルタ要素５３０で構成されている。フィルタ要素５３０は、フィルタ筐体５２０に取付けられて、シール５２２によりフィルタの清潔な面と汚れた面を封止する。フィルタ要素５３０は、上部エンドキャップ５５０、下部エンドキャップ５６０、およびオプションのインナーライナ５７０を有している。ガス５３８が閉じ込められたピストン５３６およびばね５３９が、下部エンドキャップ５６０の下方に位置している。ピストン５３６は、筐体内でガスの体積の膨張および収縮を可能にすることにより、凍結流体に膨張余地が得られる。同様に、ガス５４８が閉じ込められたピストン５４６が、上部エンドキャップ５５０の上方に位置している。少なくとも１つの実施形態において、ばね５３９は、例えば加圧されたガス等別の収縮可能な圧力源の代わりに、省略することができる。当業者は、他の可能な圧力源がフィルタ流体とは反対のピストン側にあってもよいことを理解されよう。

図７に、フィルタ筐体６２０（基本的詳細を示す）およびフィルタ要素６３０で構成された改良型フィルタアセンブリ６１０を示す。フィルタ要素６３０は、フィルタ筐体６２０に取付けられて、シール６２２によりフィルタの清潔な面と汚れた面を封止する。フィルタ要素６３０は、上部エンドキャップ６４０、下部エンドキャップ６５０、およびインナーライナ６７０を有している。下部エンドキャップの下方にガス６８２が閉じ込められたピストン６８０およびシール６８４が位置している。同様のピストンまたはピストン群が上部エンドキャップの上方に配置され得る。

代替的な実施形態において、カラム（群）内にガスが閉じ込められた体積膨張を用いて凍結中の液体の膨張を受容する。カラムは、液体が凍結する間に流入して体積が膨張できるように開口を有している。ここで図８を参照するに、代替的なフィルタアセンブリ７１０は、フィルタ筐体７２０（基本的詳細を示す）およびフィルタ要素７３０、インナーライナ７７０、並びに上部エンドキャップ７４０に加えて下部エンドキャップ７５０で構成されている。フィルタ要素７３０は、フィルタ筐体７２０に取付けられて、シール７２２によりフィルタの清潔な面と汚れた面を封止する。フィルタ要素は、上部エンドキャップ７４０、下部エンドキャップ７５０、およびインナーライナ７７０を有している。必要な場合、シリンダ７８０がガスを閉じ込めて体積膨張を可能にする。シリンダ７８０は底が開いているが、フィルタ筐体または内部部品を損傷することなく筐体内で有意な程度の液体膨張が生じ得るように、充分な空気を保持するエアポケットの形成が可能である。

図１３に示す一実施形態において、フィルタアセンブリ１３１０は、フィルタ筐体１３２０およびフィルタ要素１３３０、インナーライナ１３７０、並びに上部エンドキャップ１３５０に加えて下部エンドキャップ１３６０で構成されている。フィルタ要素１３３０は、フィルタ筐体１３２０に取付けられて、シール１３４０によりフィルタの清潔な面と汚れた面を封止する。フィルタ要素１３３０は、上部エンドキャップ１３５０、下部エンドキャップ１３６０、およびインナーライナ１３７０を有している。開口１３８４および空隙容積１３８２を画定する収縮可能要素１３８０が筐体１３２０内に配置されている。この特定の実施形態において、収縮可能要素１３８０は剛性筐体を有することができ、以下に更に詳述する。フィルタ筐体内に圧力が生じると、流体が収縮可能要素１３８０の開口１３８４を通って空隙容積１３８２内へ移動し、空隙容積１３８２内の空気を圧縮する。フィルタ筐体内の圧力が減少すると、流体は収縮可能要素１３８０の開口１３８４を通って空隙容積１３８２から逃がされる。

上述のように、この特定の実施形態において、収縮可能要素１３８０は、各種のプラスチックおよび金属を含む様々な剛性材料で構成することができる。一実施形態において、剛性要素１３８０はガラス充填ナイロン等のプラスチックで構成されている。別の実施形態では、当該剛性要素はステンレス鋼で構成されている。剛性要素の壁は厚さが１ｍｍ（０．０３９インチ）〜３ｍｍ（０．１１８インチ）の範囲にあってよいが、当業者は壁の厚さが使用する特定の材料の要件に応じて異なり得ることを理解されよう。一実施形態において、収縮可能要素１３８０はまた、ニトリルブチルゴム等の柔軟材料でできていてもよいが、この例に限定されない。

図１４に、図１３に示す実施形態の変型例として特徴付けられる実施形態を示す。筐体１４２０内に２個の収縮可能要素１４８０が配置されていて、各々開口１４８４および空隙容積（本図に示さず）を画定する。この特定の実施形態において、収縮可能要素１４８０は、図１３に関して上述した剛性筐体と同様の剛性筐体を有していてよい。フィルタ筐体１４２０内に圧力が生じると、流体が収縮可能要素１４８０の開口１４８４を通って空隙容積内へ移動し、空隙容積内の空気を圧縮する。フィルタ筐体１４２０内の圧力が減少すると、流体は収縮可能要素１４８０の開口１４８４を通って空隙容積から逃がされる。

図１５、１６に、図１４に示す収縮可能要素の２つの特定の実施形態の横断面を示す。図１５において、収縮可能要素１５９０は、開口１５９２および空隙容積１５８２を画定する。収縮可能要素１５９０の基部１５９２は、収縮可能要素１５９０の開口１５９６を収縮可能要素１５９０に対して下方に保持する助けとなる加重部分１５９２を有している。加重部分１５９２は、各種の形状および実装例を有していてよく、開口１５９６の既定位置が重力に反応して下向きであるように、一般に収縮可能要素１５９０の他の部分より高密度であるべく且つ開口１５９６と隣接すべく構成されている。

図１６に示す収縮可能要素１６９０の実施形態は、図１５の実施形態のように加重部分を組み込むのではなく、容積１６８２内へ伸びて、部分的に収縮可能要素１６９０の開口１６９６を画定する追加的材料１６９４を組み込んでいる。図１５の実施形態と同様に、収縮可能要素１６９０の開口１６９６に隣接する追加部分は、開口１６９６を収縮可能要素１６９０に対して底部で保持するのを助ける。

図１７に、収縮可能要素１７８０が空隙容積１７８２を画定する代替的な設計の断面図を示す。フィルタアセンブリ１７１０は、フィルタ筐体１７２０（基本的詳細を示す）および筐体１７２０内に配置されたフィルタ要素１７３０を含んでいる。フィルタ要素１７３０は、シール１７４０によりフィルタの清潔な面と汚れた面を封止する。フィルタ筐体１７２０は一般に、取付けおよび取外が可能なように、衝撃に耐えるように、且つ多くの場合車両での使用を含む寒冷な外部環境の条件に耐えるようにフィルタ要素を支持するのに充分な剛性を有する材料で形成されている。通常、フィルタ筐体は金属またはプラスチックで構成されていて、比較的剛性である。

図１７に示す実施形態において、フィルタ要素１７３０は上部エンドキャップ１７５０および下部エンドキャップ１７６０を有している。インナーライナ１７７０は上部エンドキャップ１７５０および下部エンドキャップ１７６０と組み合わされて、フィルタ要素１７３０を支持する。従って、フィルタ要素１７３０は、インナーライナ１７７０により支持され、また概して上部および下部エンドキャップ１７５０、１７６０に封止されたフィルタ媒体を含んでいる。

流体の凍結は、筐体の外側から中央へ、中央から外側へ、上部から下部へ、下部から上部へ、または多くの異なる向きの一つで始まることができる。凍結が生じる速度は、温度パターンおよび勾配に依存し、最初に凍結する流体の部分の温度が最も低い。急激な凍結が生じる場合、筐体の各部において容易に流体を液相で閉じ込めることができる。これが生じる場合、大部分の流体の体積膨張を吸収するために高度に収縮可能な要素が必要とされる。従って、いくつかの実装例において、フィルタ筐体はフィルタ要素の両端に１個ずつの収縮可能要素を有していなければならない。

いくつかの実装例において、収縮可能要素は、これらの装置を最大限に効果的に利用すべく液体により完全に囲まれるように収縮可能要素を配置するために、エンドキャップに取付けられるエッジ特徴を有している。同じ機能はまた、収縮可能要素の突出部を含むがこれに限定されない複数の方法で実現される。

収縮可能要素は、ボール、ディスク、シリンダ、タイヤ、またはドーナツ等、各種の形状をなしているが、これらに限定されない。形状は、隣接する構成要素の物理的形状に部分的に依存するが、これも各々のアプリケーションにより変動する。

本発明は、上述の特定の実施形態に限定されるものと考えてはならず、むしろ、添付の請求項に記述された本発明のあらゆる態様を網羅するものと理解されたい。各種の変更、均等な方法および本発明を適用可能な多数の構造について、本明細書を精査すれば本発明が対象とする当業者には容易に明らかになろう。

Claims (32)

1. ａ）加圧された尿素水溶液である液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成されたフィルタ筐体と、
   ｂ）前記フィルタ筐体内に配置されていて、容積を画定する包体壁を含む収縮可能要素と、
   ｃ）前記容積内に配置されたガスと
   を含む液体フィルタ構造。
2. ａ）液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成されたフィルタ筐体と、
   ｂ）前記フィルタ筐体内に配置された収縮可能要素であって、
   ｉ）容積を画定する柔軟な包体壁と、
   ｉｉ）前記容積内に配置された発泡材と
   を含む収縮可能要素と
   を含む液体フィルタ構造。
3. ａ）液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成されたフィルタ筐体と、
   ｂ）前記フィルタ筐体内に配置された収縮可能要素であって、
   ｉ）伸長可能なピストンを形成する包体と、
   ｉｉ）前記伸長可能なピストン外部における圧力減少に反応して前記伸長可能なピストンの容積を拡張すべく構成された前記ピストン内の圧力源と
   を含む収縮可能要素と
   を含む液体フィルタ構造。
4. ａ）液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成されていて、液体が流れるように構成された領域を画定するフィルタ筐体と、
   ｂ）前記フィルタ筐体内に配置された空気保持要素、すなわち前記フィルタ筐体内で液体と流体連結していて、前記フィルタ筐体内で流体流を受容すべく構成された領域の外側に配置されている空隙容積を含む空気保持要素とを含み、
   前記フィルタ筐体内の液体の一部が凍結すると、前記空気保持要素内の空隙容積の少なくとも一部に、排除された液体を封入する液体フィルタ構造。
5. ａ）加圧された液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成されたフィルタ筐体と、
   ｂ）前記フィルタ筐体内に配置されていて、容積を画定する包体壁を含む収縮可能要素と、
   ｃ）前記容積内に配置されたガスと
   を含む液体フィルタ構造。
6. ａ）尿素水溶液である液体濾過用のフィルタ要素を保持すべく構成されたフィルタ筐体と、
   ｂ）前記フィルタ筐体内に配置されていて、第１の容積を画定する包体壁を含む収縮可能要素と
   を含む液体フィルタ構造。
7. 前記収縮可能要素の前記包体壁がエラストマ材を含んでいる、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
8. 前記収縮可能要素の前記包体壁が、ニトリルブタジエンゴム、ブチル、水素化ニトリルブタジエンゴム、フッ化エラストマ、およびこれらの組合せからなる群から選択されたエラストマ材を含んでいる、請求項７に記載の液体フィルタ構造。
9. 前記収縮可能要素の前記包体壁が開口を画定すると共に、剛性材料を含んでいる、請求項１、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
10. 前記包体壁の厚さが１ｍｍ〜５ｍｍの範囲である、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
11. 前記収縮可能要素の前記ガス封入容積が、前記収縮可能要素の容積の少なくとも１０パーセントを含んでいる、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
12. 前記収縮可能要素が、凍結流体からの圧力にさらされたとき、少なくとも１０パーセント収縮可能であり、前記凍結流体が溶解すると元の容積に戻る、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体はフィルタ構造。
13. 前記収縮可能要素が、凍結流体からの圧力にさらされたとき、少なくとも５０パーセント収縮可能であり、前記凍結流体が溶解すると元の容積に戻る、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
14. 前記収縮可能要素が、全方向から収縮可能に構成されている、請求項１、２、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
15. 前記収縮可能要素が、概ね部分的に扁平な球体のように成形されている、請求項１、２、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
16. 前記収縮可能要素が、前記フィルタ筐体内の流体の流域の外側に配置されている、請求項１、２、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
17. 前記収縮可能要素が、前記フィルタ筐体の端に配置されている、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
18. 第２の収縮可能要素であって、第１の収縮可能要素の反対側の前記フィルタ筐体内に配置された第２の収縮可能要素を更に含んでいる、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
19. 前記圧力源がばねである、請求項３に記載の液体フィルタ構造。
20. 前記フィルタ筐体が、前記液体濾過用のフィルタ要素を１バール以上の圧力に保持すべく構成されている、請求項１、２、４、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
21. 前記加圧された液体が尿素水溶液である、請求項２、３、４または５のいずれか１項に記載液体フィルタ構造。
22. 前記包体壁が第２の容積を画定する、請求項１、２、４、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
23. 前記容積内に配置されたガスを更に含んでいる、請求項４または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
24. 前記フィルタ筐体が、前記液体濾過用のフィルタ要素を３バール以上の圧力で保持すべく構成されている、請求項１、２、４、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
25. 前記フィルタ筐体が、前記液体濾過用のフィルタ要素を４バール以上の圧力で保持すべく構成されている、請求項１、２、４、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
26. 前記収縮可能要素の前記ガス封入容積が、前記収縮可能要素の容積の少なくとも１０パーセントを含んでいる、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
27. 前記収縮可能要素が、凍結流体の圧力にさらされたとき、少なくとも１０パーセント収縮可能であり、前記凍結流体が溶解すると元の容積に戻る、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
28. 前記収縮可能要素の前記ガス封入容積が、前記収縮可能要素の容積の少なくとも６０パーセントを含んでいる、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
29. 前記収縮可能要素が、凍結流体からの圧力にさらされたとき、少なくとも６０パーセント収縮可能であり、前記凍結流体が溶解すると元の容積に戻る、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
30. 前記収縮可能要素の前記ガス封入容積が、前記収縮可能要素の容積の少なくとも９０パーセントを含んでいる、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
31. 前記収縮可能要素が、凍結流体からの圧力にさらされたとき、少なくとも９０パーセント収縮可能であり、前記凍結流体が溶解すると元の容積に戻る、請求項１、２、３、５または６のいずれか１項に記載の液体フィルタ構造。
32. 前記排除された液体が、凍結した状態の排除された液体を含んでいる、請求項４に記載の液体フィルタ構造。

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