JP4819698B2 - フィルタエレメント及びフィルタ装置の組立方法 - Google Patents

フィルタエレメント及びフィルタ装置の組立方法 Download PDF

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Description

本発明は濾過に関するものであって、詳しくはフィルタエレメントを接続するためのカップラに関する。
フィルタ膜は、種々の流体から不必要な粒子又は微生物を除去するために使用されている。フィルタ膜は通常飲料水の処理又は精製、廃棄又は再利用のために排水の浄化又は処理、スラッジの脱水、淡水化、及びジュース、ワイン及び飲料の浄化に使用されている。フィルタ膜は渦巻状で中空ファイバの管状膜を含んでいる。たいていの場合、フィルタエレメントを形成するために渦巻状のフィルタ膜が硬質のラップに囲まれている。一つ以上の渦巻状フィルタエレメントはフィルタ装置を形成するためにハウジング内に設置されている。処理するべき流体は圧力によりフィルタ装置の流入端部に押し込まれフィルタ膜を流れてゆく。材料はフィルタ媒体を通過する間に除去され、さらなる処理又は使用するために除去される。
従来技術における一つのタイプのフィルタ装置において、二つ以上のフィルタエレメント各々は二つの短縮防止式(anti-telescoping)端部ピースの間に取り付けられた渦巻状フィルタ膜を備えていて、フィルタエレメントは端と端を接してフィルタ装置ハウジングに取りつけられている。各フィルタエレメントの上流側の先端部がその外周囲を囲んでいるブラインシールを含んでいて、そのブラインシールはフィルタカートリッジハウジングの内表面に接してシールしている。ブラインシールも、フィルタエレメントをハウジング内に位置決めするようになっている。さらに、フィルタエレメントは、より大きなアセンブリを提供するために、端と端を接してハウジングに取り付けられていてもよい。
しかしながら、従来の構造形状はフィルタ容量に関して著しい制約がある。例えば、大口径のフィルタエレメントの外周囲において突出しているブラインシールの摩擦ばめはハウジング内への挿入を困難なものにしていて、さらに検査又は交換時に取り外すことを困難にもしている。より大口径のブラインシールは接触面積がより増加し対応する摩擦も増加するので、フィルタエレメントの直径が大きくなるに従って、ハウジングへの挿入に対する抵抗も増大する。ブラインシールを有している端と端を接している多数のフィルタエレメントをフィルタ装置に挿入あるいはフィルタ装置から取り外す場合、この欠点の度合が増大される。フィルタエレメントを挿入又は取り外す力の増大はフィルタエレメントの損傷をもたらす。
渦巻状フィルタ膜を採用した装置の設計における他のファクタは、フィルタプロセスにおけるシステム圧力により膜が短縮化(telescope)する固有の傾向があることである。装置において流体が渦巻状フィルタ膜エレメントの端部区画に流入するようになっている場合、端部区画は最大流体流れを可能にするべく開口されている。フィルタ膜の直径が増加すると、システム圧力を受けるフィルタ膜の断面積は比例して増加する。圧力を受けて、渦巻状フィルタ膜の中心部分は長手方向に移動(一般的に短縮化(telescoping)といわれている)するかも知れない。直径の増加に従って短縮化の問題も顕著になる。
さらに、従来技術においては、フィルタエレメントとハウジングとの間のブラインシールの摩擦が、フィルタエレメントとハウジングとの間のシールを提供するとともに、隣接しているフィルタエレメントをハウジング内に位置決めするために部分的に使用されている。従って、もしブラインシールが組立中に損傷すると、シール機能が弱体化し、そしてフィルタエレメントが隣接しているフィルタエレメントに対して移動するかも知れず、分離プロセスの完全性が危うくなる。大きな“ワイパタイプ”ブラインシール又はO−リングブラインシールは前述の欠点を有している。逆V字形又はU字形のブラインシールが端と端を接続された多数のエレメントに取り付けた場合、ハウジングの一方の端部で挿入し、反対側の端部から引き抜く必要がある。このことは、ハウジングの両端分に十分な床スペースが残されていなければならないことを意味している。
従来技術においては、フィルタエレメントを所定位置に保持し、そして二つのフィルタエレメントの端部間に設置されるシールを保持するために、隣接している二つのフィルタエレメントを重ね合わせる円形バンドが使用されている。この構造はフィルタエレメントを一体に結合することはできず、従ってフィルタエレメントはハウジングから引き抜かれ、隣接しているフィルタエレメント間の能動的な圧縮性シールを提供することはできない。
従って、フィルタエレメント技術において、隣接しているフィルタエレメントに簡単かつ確実に結合することができ、単一又は多数の接続されたフィルタエレメントを単一のブラインシールを使用しているフィルタ装置ハウジングに容易挿入かつフィルタ装置ハウジングから容易に取り外すことのできるフィルタエレメントの必要がある。
本発明は、フィルタエレメントを容易かつ確実に結合でき、フィルタ装置ハウジングへのブラインシールの接触面積を最小にする装置と方法とを意図している。カップラ各々は中心サポートを含んでいて、短縮防止式スポークが中心からリムへ向かって延伸している。隆起したパッド又はスキー板がリムの外表面の外周囲を囲んで離間して設置されていて、留め金リンクを受容するためのレセプタクルを含んでいる。チャンネルが圧縮性のシールを受容するためにリムの面に形成されている。従って、カップラを結合し接続し、そしてフィルタエレメントの挿入及び取り外し中の分離を防止するために、隣接しているカップラは、対面しているチャンネルにシールを取り付け、各カップラにおけるスキー板とレセプタクルとを整列させ、そしてカップラを結合し接続し、そしてレセプタクルに留め金を取り付けることをより結合することができる。フィルタエレメントがフィルタ装置ハウジングに挿入する場合、スキー板がハウジングとの接触面積を最小化し、従ってカップラとハウジングとの間の摩擦力を低減している。スキー板は、多数のブラインシールを使用する場合に比較してハウジングとの摩擦抵抗が小さくなっている単一の薄型ブラインシールを複数のフィルタエレメントに使用することも可能にしている。本発明による単一のブラインシールは、ハウジングの同一端部から挿入し引き抜くことを可能にしている、従って、多数のフィルタエレメントは、確実に接続することができ、少ないシールを使用し50%未満の自由な床スペースで、フィルタ装置ハウジングに容易に挿入しかつフィルタ装置ハウジングから容易に取り外すことができる。
例示の第一実施形態において、渦巻状膜フィルタエレメントが硬質の外側のラップに囲まれた渦巻状膜を有していて、リムへ向かって外向きに延伸している複数のスポークを備えた中心サポートを含んでいる。リムは硬質の外側のラップに接続されていて、外側のラップの軸に直交している前方面と後方面とを有している。レセプタクルが留め金リンクを受容するためにリムの外表面の周囲を囲んで離間して配置されていて、リムの面を囲んでいるチャンネルが圧縮性のシールを受容している。従って、隣接しているカップラは各カップラにおけるレセプタクルを整列させそしてカップラを一体に結合するためにレセプタクル対に留め金を取り付けることにより、端と端を接続して取り付けられ、一体に結合されている。隣接しているカップラの面のチャンネルにおけるシールは、二つのカップラの間に保持され、確実な接続を形成している。
例示の第二実施形態において、フィルタ装置は、硬質の外側のラップに囲まれた渦巻状の第一フィルタエレメントと、第一フィルタエレメントに接続した第一カップラと、硬質の外側のラップに囲まれた渦巻状の第二フィルタエレメントと、第二フィルタエレメントに接続した第二カップラと、第一カップラと第二カップラとの間におけるチャンネル内に位置決めされたシールと、第一及び第二カップラの整列したレセプタクルに取り付けられた複数の留め金とを含んでいる。
例示の第三実施形態において、フィルタ装置は、端と端で一体に接続されかつフィルタ装置ハウジングの中に取り付けられた、複数の渦巻状のフィルタエレメントを含んでいて、フィルタ装置ハウジングは、完全なアセンブリを形成するために、入口端部に圧力プレートとブラインシールとを有していて、出口端部にスラスト・スリーブを含んでいる。
本発明の例示の実施形態におけるカップラを図1に図示する。各カップラ10a,10bは、円形開口部14を画成する内表面を有している円筒状の中心サポート12を含んでいる。図示するように、通常貫通アダプタ18と結合された貫通チューブ16が円筒状開口部を貫通している。スポーク20が中心サポート12の外表面から円筒状リム22の内表面へ放射状に延伸している。なお円筒状リム22はスポーク20外端部を囲んで接続している。図6の断面図において理解されるように、各スポーク20の前方端部はわずかに凸のテーパがついていて、各スポーク20の後方端部はほぼ直すぐである。図1において、リム22が外面24と内面26とを有している。ほぼU字形のチャンネル28が外面24の外周囲を囲んで延伸していて、相補形状の収縮性シール25を受容するようになっている。
図1において、隆起したパッド又はスキー板30がリム22の外表面を囲んで延在している。各スキー板30は、リム22の外表面から上向きに延伸している四角錐台の形状であって、その四角錐台は、リム22からスキー板30における平端で長方形の上面へ向かって延伸している四つの傾斜した台形状側面を有している。外面26に隣接しているレセプタクル32が各スキー板30に形成されていて、隣接するカップラ10を結合する留め金34を受容するようになっている。図2に図示するように、各レセプタクル32は、円形の第一部分36と長方形の第二部分38とを含んでいて、第一部分36と第二部分38とはともに各スキー板30においてキーホール状凹部を形成している。円形の第一部分36の直径の幅は長方形の第二部分の幅(リム周囲の円周方向における)より大きい。
図1及び2に図示するように、ドッグ−ボーン(dog-bone)状留め金34が、切頭状の半円形端部34bに接続している細い中央部分34aを有していて、中央部分34aの幅はレセプタクル32の細くなっている長方形部分に合うように寸法化されていて、大きくなっている切頭状の半円形端部34bはレセプタクル32の大きくなっている円形部分に合うように寸法化されている。図2に図示するように、半円形端部34b各々はノッチ又は切欠き40を含んでいて、その切欠き40は、端部がレセプタクルの円形部分36に圧力ばめされる場合に、ある程度の端部の収縮を吸収するリリーフ・エリアを提供している。リリーフ・エリアは、エレメント間の長手方向におけるある程度限定された膨脹、収縮をも吸収する。
図3に図示するように、個々のフィルタエレメント42が硬質の外部包装44を含んでいて、その包装44は二つのカップラ10a,10bの間に延在し、そしてカップラ10a,10bに接続している。図6に図示するように、各フィルタエレメント42がカップラの間に延在する貫通チューブ50を含んでいて、その貫通チューブ50は、渦巻状に巻かれたフィルタ膜52を備えており、そのフィルタ膜52は貫通チューブ50を囲んでおおっていて、貫通チューブと硬質の外部包装との間に充填されている。図3において、複数のフィルタエレメント42が端と端とを接続して配置されており、隣接するエレメントは隣接するカップラの整列したレセプタクルに設置された留め金により共に連結されている。従って、隣接しているフィルタエレメント42は端と端とで接続されていて、圧縮性シールが隣接しているカップラの外面におけるチャンネルにはめ込まれている。フィルタ装置に圧力が作用すると、シールは流体気密シールとなる。
図6に図示するように、貫通チューブカップリング54は、貫通チューブ50の直径よりわずかに大きな内径を有している円筒状チューブである。四つの溝56a,56b,56c,56dが、カップリング54の内表面周囲に延在していて、各溝はO−リングシール(図示せず)を受容するようになっている。隣接しているフィルタエレメントの貫通チューブは、二つのO−リングが貫通チューブカップリングと貫通チューブとをシールするように第一貫通チューブのほぼ半分をおおって貫通チューブカップリングを設置することにより、そして第二フィルタエレメントの貫通チューブを貫通チューブカップリングの残りの半分に設置することにより接続することができ、従って二つの貫通チューブは流体気密的に連通して接続される。図1においては省略されているけれども、貫通チューブカップリングは通常隣接している対のカップラ10aと10bとの間にする。
図4に図示するように、フィルタ装置58はハウジング60内に設置された端と端とを接続された複数のフィルタエレメント42を備えている。図6に図示するように、ハウジングの端部はハウジング60の主要部より厚くなっている補強壁面62を備えている。図7において、シール取り付け具64が、フィルタ装置の入口端部に位置するカップラ10aのリムにしっかりと取り付けられている。シール取り付け具はカップラ10aの内表面を円周状に囲んで延在していて、そしてチャンネル68を有するアーム66を含んでいて、そのチャンネル68には凹部となっている外周囲にV字形のブラインシール70が設置されている。図6において、フィルタ装置の反対側の端部にはスラスト・スリーブ71が、端と端とで接続された複数のフィルタエレメント42に続いてハウジング60の出口端部に低圧で設置されている。エンドキャップ72はハウジング60の出口端部に設置され、そしてエンドキャップロッキング用溝76におけるスナップリング74により所定位置に保持されていて、その溝76はハウジング60の内表面を円周状に囲んでいる。
図5に図示するように、本発明によるスラスト・スリーブ71は、ほぼ円筒状のスリーブであって、円筒の一部が除去され“C”字形形状を形成している。従って、スラスト・スリーブ71は円筒状のフィルタ装置ハウジングの中に挿入するためにわずかに圧縮することができる。スリーブは、一担挿入されると、ハウジング内部に差し込むべく初期形状にスプリングバックできるような記憶を有している。スラスト・スリーブ71に形成された穴78はスリーブの重量及び材料を低減し、スリーブを介して流体が流れるようになっている。
使用にあたって、隣接しているカップラ10a,10bは、各面のチャンネル28に位置決めされた圧縮性シール25を用いて対面して設置されている。図2に図示するように、隣接しているカップラ10a,10bにおけるスキー板30とレセプタクル32とは整列していて、留め金リンク24は、カップラの周囲を囲んでいるレセプタクルの対の中に、わずかに圧縮されて設置されている。図1において多数のスキー板30とレセプタクル32とがカップラ10a,10bに図示されているが、用途に応じていずれの数であってもよい。カップラを一体に保持するために最小で二つで十分であって、高圧の装置においてはより多くが使用されてもよい。例示の実施形態において、四つのスキー板が各カップラに使用されていてもよい。同様に、各レセプタクルは関連する留め金を使用する必要はない。例えば、周囲を囲んで十二のスキー板を有しているカップラが十二より少ない留め金で接続されていてもよい。用途に応じて、カップラを接続するのにより少ない留め金が使用されてもよい。レセプタクル及び留め金は、隣接しているカップラに二つの結合用コンポーネントを提供する限り、異なる形状であってもよい。留め金及びレセプタクルの方法は、従来技術のカップラにおける特徴であり、使用中に損傷するタブ状突起を採用していない。しかしながら留め金が収縮性であって、ある程度の記憶性を有しており、従ってレセプタクルの中に差し込めるようになっていることは望ましいことである。切頭端部34bはレセプタクル32内部への工具の挿入を可能にしていて、留め金の取り外しを容易なものにしている。別の実施形態も、本発明の範囲であることが当業者においては理解できるであろう。切頭端部34bは、外れる危険なしに、カップラのある程度の膨脹及び収縮を吸収することができる。
図3及び6に図示するように、個々のフィルタエレメント42は、貫通チューブ50を囲んでフィルタ膜52を包んでいて、渦巻きラップ52を囲む硬質の外側ラップ44(例えばエポキシにより補強された炭素繊維)を形成し、そしてカップラ10a,10bを外側ラップの端部各々に固定する(カップラは通常外側ラップに埋め込まれている)。多数のフィルタエレメント42は、隣接しているフィルタエレメント42の貫通チューブ50を接続するために図6に図示するような貫通チューブカップリング54を使用することにより、かつ隣接しているカップラ10a,10bを結合するために圧縮性シール52及び留め金34を使用することにより結合されてもよい。図において、シール25は独立エレメントとして図示されているけれども、カップラの一つに組み込んで形成されてもよいし、種々の材料で作られてもよいことは理解できるであろう。貫通チューブカップリング54は、貫通チューブ50を流体気密的に連通するべく、溝56a,56b,56c,56dに設置されたO−リングを使用していて、そしてカップラ10aと10bとの間の圧縮性シール25がフィルタエレメント42を接続している。多数のフィルタエレメント42は端と端とを接続されていてもよくて、特定の用途に対してスペース及び圧力損失を考りょして正確な数が決定される。
図6に図示するように、フィルタ装置ハウジング60の中に挿入される場合、カップラのスキー板30はフィルタ装置ハウジング60の内表面に接触しているフィルタエレメントの部分だけであって、バイパス環状区域80が、フィルタ装置ハウジング60とフィルタエレメント42の硬質の外側ラップ44との間に形成されている。スキー板30はフィルタ装置ハウジング60に接触しているカップラの部分だけであるので、カップラとフィルタ装置ハウジング60との間の摩擦力は最小なものとなっている。さらに、スキー板30は剛な材料で作られているので、フィルタ装置ハウジング内でのエレメントの正確な芯合わせを保証している。このことが、ミスアライメントを修正するためのエレメントにおける大きなブラインシールの必要性を排除し、かつ正確な位置決めを保証している。スキー板30の使用が少ないと摩擦力はさらに低減される。
図7に図示したように、本発明におけるブラインシール70は薄型のU字形シールである。フィルタ装置の入口においてシール取り付け具64から延伸している剛なアーム66は、アーム66の外周囲を囲んで延在しているU字形チャンネル68を含んでいる。ブラインシール70は、V字形の開いた方がフィルタ装置の入口端部に対面するようにチャンネル68の中に設置されている。先端のエレメントだけの小さな薄型のブラインシールが前述の多くの利点を有している。さらに、薄型のブラインシール70はフィルタ媒体52用の最大面積を可能にしている。従って薄型のブラインシール70は、従来のブラインシール構造配置に比較して、同一のハウジングエリア内により多くのフィルタ媒体52(即ち膜)を可能なものにしている。本発明の目的は、O−リングのような他の形状のシールエレメントを用いて達成されてもよいことが理解されるであろう。
図6に図示するように、フィルタ装置の出口端部において、スラスト・スリーブ71はフィルタエレメント42の全体アセンブリにより作用される長手方向圧力を吸収し耐えるように作用している。図5に図示するように、スラスト・スリーブにおける穴78は、収集物をフィルタ装置ハウジング60の側面から除去する場合、流体がエンドキャップ72というよりは、むしろスリーブ71を介して通過してゆくのを可能にしている。
本発明の利点の一つは、一つのブラインシールだけを使用しているのでフィルタエレメント42がフィルタ装置ハウジング60の同一端部から挿入し取り外すことができ、そしてスキー板30がエレメントとハウジングとの間の摩擦力を低減していることである、このことが据付における自由スペースの必要性を低減している。
本発明は、簡単かつ確実にフィルタエレメントを接続することを可能にしていて、その一方でフィルタ装置ハウジングへのフィルタエレメントの挿入及び取り外しの労力を最小なものにしている。特に大直径のフィルタ装置に使用する場合利点のあるものとなっているがすべてのサイズのエレメントに対して使用可能である。
当然のことであるが、本発明において説明した実施形態の修正も本発明の範囲に含まれるものである。例えば、例示として説明したフィルタ媒体は、渦巻きエレメントであるが、他の形状のフィルタ膜が使用されてもよい。図6に図示したエンドキャップはアルミニウム又は他の強くて軽量ないずれの材料で作られてもよい。従って、種々の材料及び種々の形状が、本発明の範囲を逸脱することなく使用されてもよい。
前述したように、本発明はすべての対象に対して適用可能なものである。
多くの実施形態が本発明の範囲を逸脱することなく可能なので、ここで説明しあるいは図面に説明したものは単なる例であって本発明を限定するものではない。
特定の実施形態を説明したけれども、多くの修正が可能であり、本発明はここに説明した特定の形状配置又は方法に限定されるものではない。さらに形状及び組合せの利用及び他の形状及び組合せを引用することなく使用することも可能である。このことは特許請求の範囲に含まれるものである。
図1は、本発明の実施形態によるカップラの拡大斜視図である。 図2は、図1における二つのカップラの一部の分解拡大斜視図であって、二つのカップラは留め金を用いて一体に向き合って連結されている。 図3は、本発明によるフィルタ装置の斜視図であって、多数のフィルタエレメントは端と端とで接続されている。 図4は、図3におけるフィルタ装置の拡大斜視図であって、フィルタ装置ハウジングに設置されている。 図5は、本発明によるスラスト・スリーブの斜視図である。 図6は、図4におけるフィルタ装置の出口端部の拡大断面図であって、図5のスラスト・スリーブのフィルタ装置における位置を図示している。 図7は、図4におけるフィルタ装置の入口端部の拡大断面図であって、プレッシャープレートと収縮されたブラインシールとの位置を図示している。

Claims (7)

  1. 渦巻状の第一エレメントと、カップラと、渦巻状の第二エレメントと、別のカップラと、圧縮性のシールと、複数の留め金とを具備するフィルタ装置であって:
    前記第一エレメントは細長くて硬質の外側のラップに囲まれた渦巻状に巻かれた膜を備えていて;
    前記カップラは前記第一エレメントと接続していて、中心サポートと、前記中心サポートから外向きに延伸している複数のスポークと、端部において前記スポークと接続しているリムとを備えていて、前記リムは、前記外側のラップの半径に一致している半径の円を形成しており、前記リムは前記硬質の外側のラップ軸に対して直交している平面にある面を有していて、前記面がチャンネルを有しており、前記リムが平らな表面を提供していて、前記表面に沿って円周方向に離間して配置された複数のレセプタクルを備えており;
    前記第二エレメントは前記硬質のラップに包まれた渦巻状に巻かれた膜を備えていて;
    前記別のカップラが前記第二エレメントと接続しており、中心サポートと、前記中心サポートから外向きに延伸している複数のスポークと、端部において前記スポークと接続しているリムとを備えていて、前記リムは、前記外側のラップの半径に一致している半径の円を形成しており、前記リムは前記硬質の外側のラップ軸に対して直交している平面にある面を有していて、前記面がチャンネルを有しており、前記リムが平らな表面を提供していて、前記表面に沿って円周方向に離間して配置された複数のレセプタクルを備えており;
    前記別のカップラが前記カップラに対面して取り付けられるようになっており、前記圧縮性のシールは前記チャンネルにより提供された開口部に位置決めされていて;
    前記別のカップラが前記カップラに対面して整列して取り付けられるようになっており、前記複数の留め金は前記カップラのレセプタクルにより提供された開口部と、前記別のカップラのレセプタクルにより提供された開口部とに位置決めされ、従って前記エレメントは、一方のエレメントに作用された力が別のエレメントにも作用するように接続されている;
    フィルタ装置。
  2. 前記第一及び第二エレメントが、ハウジングの中に取り付けられるようになっていて、前記カップラ及び別のカップラは、前記リムの前記平らな表面を囲んで延在している隆起したパッドを含んでいて、前記隆起したパッドは、前記ハウジングに係合するための複数の接触表面を提供している、請求項1に記載のフィルタ装置。
  3. 前記第一及び第二エレメントが前記渦巻状の膜の中心を貫通して延在している貫通チューブを含んでいて、前記中心サポートは、前記貫通チューブに受容されるようになっているハブを備えている、請求項1に記載のフィルタ装置。
  4. 前記第一及び第二エレメントを受容するための内表面及び外表面を有し、かつ流入端部及び流出端部を有しているケーシングと;
    前記流入端部に最も近いカップラに対して剛であり、前記流入端部方向に延伸しているアームであって、前記ケーシングの内表面に対面している開口部を提供する円周方向に延在するチャンネルを備えているアームと;
    前記円周方向に延在するチャンネルの端部上方に延在し、前記内表面に向かって延伸している、円周方向に延在しているフレキシブルなコンポーネントであることを特徴とするシールと;を具備し、
    前記流入端部に流入する流体が、前記ケーシングに対して流体気密シールを形成するために、前記フレキシブルなコンポーネントに対して力を作用している、請求項1に記載のフィルタ装置。
  5. 前記流出端部に最も近接している前記エレメントの端部にスラスト・スリーブと、前記流出端部方向における前記エレメントの軸方向移動を防ぐ前記ケーシングに対して剛な固定構造体とを含んでいる、請求項4に記載のフィルタ装置。
  6. 前記シールがV字形であって、前記V字形の開いた方がフィルタ装置の入口端部に対面するように配置されている、請求項4に記載のフィルタ装置。
  7. 前記シールはV字形であって、前記V字形の開いた方が前記流入端部に面している、請求項4に記載のフィルタ装置。
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