JP5432184B2 - 空気フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子機器筐体の換気及び温度調節で使用するための空気フィルタに関する。

電子機器用筐体は、過熱を避けるために機器が外部環境に廃熱を排出することを可能にするための換気を典型的に必要とする。電子機器が、遠く離れた場所、例えば移動無線通信基地局で使用される予定である場合の応用では、機器は長期間にわたって典型的に管理されずにおかれている。機器の温度が好適な温度範囲内に維持されることを保証するために追加の冷却換気装置が通常は必要とされる。この冷却機器は、複雑さに依存して、高価でもあり時には限定供給でもあるエネルギーを消費し、そしてまた、高くつく故障の連座を避けるために保守を必要とする。

典型的な無線通信基地局では、無線周波数（ＲＦ）信号を管理している電子機器は換気キャビネット内に保持されており、前記換気キャビネット自体は、外部状況からの保護を提供する密閉された機器室内に保持されている。たいてい、冷却を提供するためにキャビネット内のファンは電子機器の中に空気を循環させており、電子機器によって生成された廃熱を外部環境に排出する空気調節ユニットの使用を通じて機器室内の空気の温度が維持されている。機器が室内で高い信頼度で稼働することを保証するために、空気調節ユニットは所望の範囲に室内の温度を維持するために作動しなければならない。こうしたことは、電子機器自体を稼働させるために必要とされる量に加えてかなりの量の電力を使用する。

機器室への電力の断絶の場合に備えて、電池キャビネット（典型的には鉛蓄電池）の形をしたバックアップ電源がしばしば必要である。こうした電池も所望の温度範囲内に保持される必要があり、この範囲は他の電子機器のための範囲よりも通常はさらに厳密である。従って典型的な機器室では、空気調節ユニットはしばしば、電子機器の要求よりもむしろ電池の要求に依存した内部温度範囲を維持するために稼働しており、前記電子機器はさらに高い温度で何の問題もなく稼働することが可能である。こうしたことは、室内のすべての機器の適正な稼働を維持するために厳密に必要とされるよりもさらに激しく空気調節ユニットを稼働させる結果を生じさせる。

イギリスなどのような温暖な気候では、冷却電力：機器電力の比率は約１：４である。従って、電子機器によって４ｋＷが使用されると、１ｋＷが冷却システムによって典型的に必要とされることになる。さらに暑い気候ではこの比率は１：３又は１：２でさえあることがある。明らかに夏には実際の日々の消費はより一層高くなることがあるものの、これらの負荷は冬にある程度相殺され得る。

従って、典型的な機器室内の空気調節ユニットは、最大４ｋＷの他の電子機器の稼働電力に比べて最大１ｋＷで稼働することが可能である。この要求は、電池バックアップの別個の冷却を提供することによって縮小されることが可能であり、室内温度をさらに高い上限温度まで上昇させることを可能にする。例えば、電池の要求に合わせるために機器室全体が摂氏２０度以下の温度で維持されることを保証することは、上限温度が摂氏３５度まで上昇することを許容することよりもかなり大きな電力を使用する傾向にあり、前記摂氏３５度の温度では大部分の電子機器はそれでもなお問題なく稼働するであろう。こうしたことは、しかしながら、一定の状況下で上限温度を超えることを防ぐために依然として何らかの冷却が必要されることになることから、そうした機器室の空気調節の必要性を取り除かない。

機器室内で空気調節ユニットを使用することに伴うさらなる問題は、特にそうした機器室が遠く離れた場所にある際の手入れ及び修理の問題である。仮に空気調節ユニットが使用時に故障したら、電子機器は破壊の危険にさらされ、そして、ユニットの修理のために専門家の技術者（通常は電子機器の技術者とは異なる）が呼び出されなければならない。こうしたことは、そうした機器室の保守コストをかなり増大させ得る。例えば機器室が自動的な故障表示を提供する際、何が破壊を引き起こしたのかが知らされないこともある。従って、必要とされるものが空気調節の技術者である場合に電子機器の技術者が呼び出され得る。複数の訪問はそういうわけで保守作業のコストをさらに増大させ得る。

よくある１つの代替アプローチは、密閉されて冷却される機器室を保持することに代えて、室内に設けられた換気口に強制的に空気を通すために配置される大きなファンによって機器室の中に大きな気流を維持することである。しかしながら、所望の温度範囲を維持するため、また、室内及び室外の間の温度差を最小にするため、大きくて強力なファンを必要とする大きな気流が必要とされる。さらに、機器室の中に吸い込まれる空気は外部環境から室内に埃や塵を吸い込む傾向にあり、従って、気流は濾過される必要がある。フィルタの追加は、十分に速い気流が維持され得るようにフィルタを確認し交換するために保守のための訪問が必要であるといった避けられない結果を招く。空気調節を単純にファン冷却に取り替えることは、従って、別個の保守のための訪問を必要とする問題に十分に取り組まないばかりか、大きなファンが大きな電力投入を必要とするので機器室の電力要求を必ずしも実質的に低減させることはない。速い気流は、フィルタをついには詰まらせるさらなる埃や塵を吸い込む傾向もある。

空気調節又は大きなファンの使用に対する改善された代替案は、例えば機器キャビネットから室外に延びる排気ダクトを使用することによって、室内の電子機器によって生成された熱を外部環境に向けることである。内部ファンによって機器キャビネット内に吸い込まれる空気は、その後、より直接的に外部環境に排出されることが可能であり、電子機器によって生成された熱による機器室の加熱を緩和する。こうしたことは、機器室の中の気流の必要性をかなり縮小させる結果を招く。かなり縮小された電力要求を有するより小さなファンは、そういうわけで、機器室から空気を引き抜くために使用されることが可能であり、室内の吸気口を通じて換気する。

上の解決策は、しかしながら、空気フィルタが室内の吸気口にそれでもなお必要とされるであろうから、保守のための訪問の必要性を取り除かないし、また、空気フィルタは時折交換される必要があるであろう。

本発明の目的は上述の１以上の問題に取り組むことである。

本発明によれば、ダクトを備える空気フィルタが提供され、ダクトは、当該空気フィルタの吸気口及び排気口の間で延びる通路を形成しており、ダクトは、当該ダクトを通り抜ける空気から、空気と一緒に運ばれる粒子を除去するためにダクトの壁から延びて通路の少なくとも一部を横切る剛毛（bristles）を備える。

空気フィルタは、機器室の一部を構成してもよく、前記機器室内では、空気と一緒に運ばれる粒子が吸気通路内で剛毛によって除去されるように吸気通路の中で垂直上向きに空気が流れることを可能にするために吸気通路が装着されて配置されており、重力の作用を通じて吸気通路の外側に粒子が脱落することを可能にする。

空気フィルタは、排気口面積よりも実質的に大きな吸気口面積を好適に有しており、その結果、空気は、吸気通路の中に吸い込まれて低速度で剛毛を通過させられて、空気と一緒に運ばれる粒子の通過を剛毛によって妨げて重力の作用によって空気フィルタの外側に粒子の脱落を可能にする。

本発明の利点は以下のものの１以上を含む。
ｉ）空気フィルタ自体に可動部分は必要とされず、保守の必要性を低減させる。
ｉｉ）空気フィルタは自浄式に配置構成されることが可能であり、交換フィルタの必要性の欠如によって保守の必要性をさらに低減させる。
ｉｉｉ）空気フィルタは、所定の気流のための機器室内及び機器室外の間のより小さな温度差、又は、同一の温度差のための低減された気流のどちらかを可能にして、換気及び冷却のためのかなり縮小された電力要求を可能にする。
ｉｖ）空気フィルタは、（所定の他の調節がなされれば）既存の空気調節ユニットを効果的に交換することによって、既存の機器室に組み込まれることが可能である。

本発明は、一例によって及び添付の図面を参照することによっていま説明されるであろう。

空冷される機器室の概略断面図である。 典型的な空気フィルタの概略等角部分斜視図である。 典型的な空気フィルタの吸気通路の概略断面図である。 典型的な代替空気フィルタ構造の概略切断断面図である。 典型的な空気フィルタ本体の斜視図である。 空気フィルタ本体の正面図である。 空気フィルタ本体の側面図である。 典型的な空気フィルタ吸気口配置を備える機器室の概略図である。 典型的な空気フィルタ吸気口配置を備える機器室の概略図である。

図１には、典型的な空気フィルタ１１１を備える機器室１１０の概略断面図が示されている。空気フィルタ１１１は壁装着式の筐体１１２を備えており、当該筐体１１２は、機器室１１０の内部ボリューム１１５内に延びる排気口１１３と、ダクトを通じて外部環境１１７から空気を吸い込むことを可能にするように構成される大きく開いた吸気口１１６と、を有しており、前記ダクトは、空気フィルタ１１１の吸気口１１６及び排気口１１３の間で延びる吸気通路１１８と排気通路１２０とを順番に備えており、気流の方向は矢印１１９で示されている。

空気フィルタ１１１は、吸気通路１１８が、当該吸気通路１１８を通って垂直上向きの気流１１９を可能にする方向に向けられるように、また、今度は排気通路１２０を通って排気口１１３に向かって垂直下向きの気流１１９を可能にする方向に向けられるように、機器室１１０に好適に装着されている。排気通路１２０は、他の配置もまた可能であるものの、以下にさらに詳細に示されるように吸気通路１１８内に好適に設けられている。

機器室１１０の内部ボリューム１１５内には電子機器筐体１２１が示されている。空気が内部ボリューム１１５から筐体１２１に流入することを可能にするために吸気孔１２２が設けられており、気流は矢印１２３で示されている。機器筐体１２１から空気が流出することを可能にするとともに筐体１２１の頂上部のフード１２６を介して排気ダクト１２５内に空気が流入することを可能にするためにさらに換気孔１２４が設けられている。排気ファン１２７は、ダクト１２５から外へ外部環境１１７に強制的に空気を排出する。ファン１２７は、従って、外部環境１１７から空気フィルタ１１１を通じて内部ボリューム１１５内に空気を吸い込むために、内部ボリューム１１５内に確立された不完全真空の形態の駆動力を提供する。機器室１１０が他のすべての点で十分に密閉されていれば、ファン１２７は、内部ボリューム１１５の冷却及び筐体１２１内の機器の冷却を提供するために必要とされる機器室１１０を通るすべての気流を単独で提供することが可能である。機器筐体１２１から流出する空気は内部ボリューム１１５内で再循環することが防止されることから、内部ボリューム１１５の全体の空気調節を含む従来の解決策に比べて機器室１１０内の冷却に対する要求は縮小される。

空気フィルタ１１１内には吸気通路１１９の少なくとも一部を横切って延びて吸気通路１１９の少なくとも一部を占める濾過媒体１２８が設けられている。濾過媒体１２８は、ダクトを通り抜ける空気から、空気と一緒に運ばれる粒子を除去するようにダクトの壁から延びて吸気通路１１９の少なくとも一部を横切る剛毛を備える。剛毛の好適な配置は以下にさらに詳細に説明される。

好適には排気通路１２０は吸気通路１１９よりも小さな孔を有しており、その結果、空気フィルタに流入する空気の速度は、埃やくずが排気通路まで通り抜けることを防止すること、また、それどころか吸気口１１６から外側に埃やくずが脱落すること、又は、埃やくずが濾過媒体に少なくとも捕獲されたままにすること、を可能にするために十分に遅い。好適には、フィルタ１１１を通り抜ける空気の速度が最小の吸気口１１６から最大の排気口１１３に向かって増大することに対応して、ダクトの断面積は最大の吸気口１１６から最小の排気口１１３に向かって減少する。

図２には、空気フィルタ１１１の吸気口１１６及び排気口１１３の間で延びるダクトを全体として備える吸気通路１１８及び排気通路１２０の好適な配置が示されている。図２では、平行に配列された複数の管状部分２１１によって複合排気通路１２０が提供される。複合排気通路１２０は多岐管２１０によって空気フィルタの排気口（図２では見えない）に向かって相互に接続されている。空気は、矢印１１９によって示される上向きに吸気通路１８８を通って管状部分２１１の周り及びその間を通って濾過媒体（図示せず）を通り抜けた後に下向きに複合排気通路１２０を通り抜け、多岐管２１０を通って空気フィルタ１１１の排気口に向かって流れる。

図２の空気フィルタ１１１の吸気通路１１８及び排気通路１２０を横切る概略断面図が図３に示される。剛毛３１０の配列は、吸気通路１１８周りで筐体１１２の内壁から延びており、また、排気通路１２０ａ〜１２０ｄを形成する各管状部分２１１ａ〜２１１ｄの外壁から延びている。剛毛３１０は、吸気通路１１８の全域で好適に延びており、その結果、通路１１８を通る気流は吸気通路１１８の中で一定の速度で移動することを強いられる。

ここで使用されている用語「剛毛」の定義は、可撓性を有する弾性材料から構成されて一端で基材に取り付けられる繊維を含むことが意図される。そうした基材に取り付けられる剛毛は全体として好適に絨毯の形態をとっており、基材を用いて支えなしで任意の方向に立っている。絨毯は、好適には人工的な芝生の形態をとっており、前記人工的な芝生は、典型的には数センチメートルの長さの種類の高分子ファイバから形成されており、高分子ファイバは可撓性のゴム引きマットに織り込まれて取り付けられている。剛毛は、単一スレッドの形態をとってもよく、又は、各々の剛毛の取付点から複数の末端を提供するために小繊維にばらされてもよく、それによって剛毛の濾過能力は向上する。

図３に示されるように、剛毛３１０は、吸気通路１１８の少なくとも一部にわたってダクトの壁に対して実質的に放射状に延びている。図３の剛毛は、筐体１１２の内面と管状部分２１１ａ〜２１１ｄの外面との両方から吸気通路１１８を横断して放射状に延びているように示されている。代替の配列は、例えば単一の排気通路と組み合わせて剛毛が筐体の内面のみ、又は、空気フィルタ１１１の寸法に依存して管状部分の外面、のいずれかから延びることが可能である。

剛毛は、吸気通路を通る気流の全体的な方向を横断して好適に方向付けられ、また、気流の方向に対して好適にはおよそ９０度に方向付けられている。空気が、フィルタ１１１内に垂直方向に流入して吸気通路１１８を通り抜けるので、空気とともに通過する埃やくずは、吸気通路１１８を全部通り抜ける前に重力の作用を通じて沈降する。蓄積した埃は、その後、重力によってフィルタ１１１の外側に吸気の流れ方向に逆らって徐々に落下することになる。その結果、埃は通常稼働時にフィルタから完全に出て行く。

空気フィルタ１１１の全体の寸法は、吸気通路１１８を通る気流の速度上の制約によって主として決定されることになり、前記気流の速度は今度は機器室１１０の冷却要求に依存する。典型的な機器室のため、例えば無線通信基地局に使用するため、吸気速度は典型的に吸気通路の中で１ｍ／ｓ程度である。この速度は、例えば大型フローファンとともに使用される従来型の空気フィルタの典型的な速度５ｍ／ｓ以上よりも相当に遅い。しかしながら、空間の要求条件がさらに厳しい場合には、いくらかの濾過がそれでもなお可能であればさらに速い気流が必要とされることがある。こうした状況では、ここで説明される空気フィルタは、さらに高いレベルの下流側濾過を有する総合的なシステムであって、例えば機器室１１０内の機器キャビネット１２１内に気流を向けさせないシステムにおいて前置フィルタとして使用されることがある。

空気フィルタ１１１の好適な実施形態は通常の環境下で効果的に自浄式であるものの、代替の実施形態は、吸気通路１１８内で濾過媒体を掃除する他の手段を備えてもよい。そうした一実施形態は、図４に概略切断図で示されている。空気フィルタ４１１は排水システムを備えており、前記排水システムでは、吸気通路４１８を通って排水路４３０に水が流れることを許容する孔の開いた傾斜屋根４２０を水（例えば雨水）が通過する。排水路４３０を通って空気が吸い込まれることを防止するために水トラップ４４０が設けられている。

図４に示される実施形態は、吸気通路内の濾過媒体の代替の実施形態も例示しており、この例では前記濾過媒体は、垂直方向に向けて立てられたパネル４５０に取り付けられた剛毛の絨毯（明確には図示せず）によって提供される。排気通路４１９は筐体４１２の一方の側面を覆って配置されている。通常の使用では、空気は、屋根４２０を通ってフィルタ４１１に流入し、垂直下向きにパネル４５０の間及びその周りに設けられた剛毛の絨毯を通って、その後、排気通路４１９の中を上向きに通り抜け、排気口４１３から流出する。剛毛によって捕獲された埃やくずは、吸気通路４１８の中で周期的に洗浄されて排水路４３０に流れ込む。

図４に示されるように、剛毛の絨毯を支持するパネルの配列は、図１〜図３に関して説明されたように稼働するように配置された空気フィルタの実施形態、すなわち、空気が吸気通路の中で垂直上向きに通る実施形態に関連して代替的に使用されてもよい。

図５、図６ａ及び図６ｂには、本発明に係る空気フィルタ用の典型的な本体の斜視図、正面図及び側面図がそれぞれ示される。フィルタ本体５０は、一体成形品の形態をとっており、例えばＡＢＳ（アクリルニトリルブタジエンスチレン）などのような高分子材料の真空成形によって製造される。本体５０を形成する材料は、好適には耐熱難燃材料であり、極限の温度及び極限の環境状態に耐え得る。

本体５０は、通信キャビンなどのような機器室の外壁に空気フィルタを装着するためのつば部分５２を備えており、また、フィルタ本体の内部ボリューム内にパネルを装着するための一連の装着ポイント５４を備えており、前記パネルは、フィルタを通る粒子を捕獲するために該パネルに配置された剛毛を有する。

フィルタ本体５０の傾斜部分には吸気口５１が形成されており、空気の流入を可能にする一連の吸気孔が傾斜部分に沿って設けられている。吸気口には当該吸気口の断面積を増大させるために角度が付けられており、断面積増大により吸気速度は落ちて粒子を捕獲するためのフィルタの能力は向上する。吸気口５１の平面とフィルタ本体の背面との間の好適な角度、すなわち、空気フィルタの本体を通って移動する空気の方向は、およそ４５度である。

内部ボリュームを検査することを可能にするために本体の頂部の近くに配置された観察窓５３が設けられてもよい。この観察窓５３は、粒子がどの程度除去されているかを検査することを可能にする。検査窓を通じて視認し得る剛毛がきれいなら、フィルタはまだ稼働してもよく、たとえ吸気口５１を通じて視認し得る下がった剛毛がきれいでなくても、当然のことながらフィルタが塞がれていないという条件で、フィルタはまだ使用されてもよい。時間とともに、乾燥した物質が剛毛の下側部分に蓄積するので、こうした蓄積した物質は剛毛から離れて落ちる傾向があってフィルタの閉鎖を防止するであろう。しかしながら、ある状況では、例えば極端に埃っぽくて汚れた環境では、フィルタは時折掃除されることも必要とし、前記掃除は、フィルタが装着されているキャビンからフィルタを除去して、すべての蓄積した物質を除去するまでフィルタの部分を洗浄することによって実行されることが可能である。

図７には、上述のようなフィルタ本体５０を備える典型的な空気フィルタ７０が取り付けられた機器室１１０の代替形態の概略図を示している。空気は、矢印７５で示される方向に傾斜吸気口５１を通ってフィルタ７０に流入する。筐体の外壁に装着された空気フィルタ７０は、外側に向かって延びる剛毛を有する多数のプレート７１を備えており、プレート７１は、本体５０内に装着されて、垂直方向にすなわち実質的にフィルタ７０を通る気流の方向に向けられている。排気口７３は、機器室１１０の内部ボリューム１１５内に延びており、矢印７６で示される方向に垂直下向きに室内に空気を流入させることが可能である。

他の実施形態と同様に、吸気口５１は排気口７３よりも実質的に大きな断面を有しており、その結果、フィルタを通って吸い込まれる空気からさらに多くの粒子を空気フィルタが捕獲することを可能にする低減された吸気速度を生じさせる。

空気フィルタ本体の内面には断熱パネル７２が設けられてもよく、前記断熱パネル７２は２つの主な目的に適う。第１に、断熱パネル７２の厚みは、フィルタパネル７１に装着されるべき様々なタイプの濾過媒体の適合を可能にする。第２に、断熱パネル７２は、フィルタを通る空気に伝達される外部環境からの熱、特に太陽から得られた熱を減少させる。断熱パネルは、建物の断熱に一般に使用されているような、アルミニウム箔を表面に被せた発泡硬質ポリスチレンシートの形態であってよい。

図７に示される実施形態では、空気は、フィルタの中を垂直上向きに通って、その後、機器室１１０の内部ボリューム１１５内に垂直下向きに流入する。こうしたことは、必要であれば、追加の冷却機器と相互作用するためのさらなる空間が許容されるという利点を有する。図８に示されるように、室内に流入する空気に付加的な冷却を提供するために、排気口７３と機器室１１０の床との間において、排気口７３に蒸発器ユニット８１が接続されてもよい。蒸発器ユニット８１は、外部に装着された熱交換ユニット（図示せず）に接続されており、前記熱交換ユニットは吸気口５１から離れた位置に好適に配置されている。冷却効率を極限まで高めるために、蒸発器８１は、フィルタを通った後で機器室１１０の内部ボリューム１１５に流入する前に空気が減速するように、フィルタの排気口７３よりも大きな断面積を有する排気孔８２を有する。これは、蒸発器ユニット８１を通過する間の空気から長時間にわたって熱が取り去られることを可能にする。空気の過度の冷却は無駄なエネルギーを結果的に生じさせ、従って、蒸発器ユニット８１は、機器室１１０内の既定の閾値の空気温度を超える場合にのみ稼働するように好適に構成されている。

例えばフィルタ７０によって除去されない微細なミクロンスケールの粒子を濾過して除去するためにさらに強い程度の濾過が必要とされれば、追加のフィルタが排気口７３にも追加されてもよい。追加の空気フィルタは、任意選択的に蒸発器８２とともに前記排気口に一列に並んで追加されてもよい。

添付の特許請求の範囲によって規定されるように、他の実施形態は本発明の範囲内である。

Claims (14)

1. ダクトを備える空気フィルタであって、前記ダクトは、当該空気フィルタの吸気口と排気口との間で延びる通路を形成しており、前記ダクトは、当該ダクトを通り抜ける空気から、空気と一緒に運ばれる粒子を除去するように当該ダクトの壁から延びて前記通路の少なくとも一部を横切る剛毛を備え、
   前記ダクトは、排気通路に直列の吸気通路を備えており、前記吸気通路には、少なくとも当該吸気通路の全長の少なくとも一部にわたって当該吸気通路を横切って延びる前記剛毛が並べられ、
   前記排気通路は前記吸気通路よりも小さい孔を有する空気フィルタ。
2. 前記吸気通路は前記排気通路を囲む請求項１に記載の空気フィルタ。
3. 前記ダクトの断面積は、最大の当該空気フィルタの前記吸気口から最小の当該空気フィルタの前記排気口に向かって減少する請求項２に記載の空気フィルタ。
4. 前記吸気通路は、前記吸気通路の少なくとも一部にわたって前記ダクトの壁から外側に放射状に延びる前記剛毛を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気フィルタ。
5. 前記吸気通路は、前記吸気通路の少なくとも一部にわたって前記ダクトの壁から内側に放射状に延びる前記剛毛を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気フィルタ。
6. 前記剛毛は、人工的な芝生によって提供される請求項１〜５のいずれか１項に記載の空気フィルタ。
7. 前記吸気通路は、前記排気通路の最小気流面積の少なくとも２倍よりも大きな気流面積を有する請求項１に記載の空気フィルタ。
8. 前記剛毛は前記通路を横切って横方向に延びる請求項１〜７のいずれか１項に記載の空気フィルタ。
9. 前記剛毛は前記通路を横断する請求項１〜８のいずれか１項に記載の空気フィルタ。
10. 前記剛毛は、前記通路を通る気流の方向に実質的に直交する方向に延びる請求項８に記載の空気フィルタ。
11. 前記剛毛は、前記ダクト内に配置される１以上のプレートから延びる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の空気フィルタ。
12. 前記１以上のプレートは、前記ダクトを通る気流の方向に整列される請求項１１に記載の空気フィルタ。
13. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の空気フィルタを備える機器室であって、前記吸気通路は、空気が外部環境から当該機器室内に向かって当該吸気通路を通って垂直上向きに当該機器室内に吸い込まれることを可能にするように配置される機器室。
14. 前記空気フィルタの前記排気口に一列に並んで接続されて、前記空気フィルタから当該機器室の内部ボリューム内に流入する空気を冷却するように構成される蒸発器ユニットを備える請求項１３に記載の機器室。

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