JP5932962B2 - ひだ付きろ過媒体、媒体パック、フィルタエレメントおよび流体ろ過方法 - Google Patents

ひだ付きろ過媒体、媒体パック、フィルタエレメントおよび流体ろ過方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国を除くすべての国を指定国とする出願人である米国企業のDonaldson Company,Inc.、および、米国のみを指定国とする出願人である米国民のGary J. Rocklitzの名義において、PCT国際特許出願として2009年7月24日に出願されたものであり、2008年7月25日に出願された米国仮特許出願第61/083,785号に対する優先権を主張する。この米国仮特許出願第61/083,785号の内容は、参照によって本願に組み込まれる。

本発明は、ひだ付きろ過媒体、ひだ付きろ過媒体パック、フィルタエレメント、および流体ろ過方法に関する。

空気および液体のような流体の流れはその中に汚染材料を同伴している。多くの例において、この汚染材料の幾分かまたはすべてを流体の流れからろ過することが望ましい。例えば、自動車または発電機器用のエンジンへの空気の流れ、ガスタービン装置への空気およびガスの流れ、種々の燃焼炉への空気およびガスの流れ、および熱交換器(例えば加熱および空調用)への空気およびガスの流れは、多くの場合ろ過されるべき粒子状の汚染物質を同伴している。また、エンジン潤滑装置、液圧装置、クーラント装置および燃料装置における液体の流れも、ろ過されるべき汚染物質を同伴している可能性がある。このような装置においては、選択された汚染材料を流体から除去すること(あるいはその含有濃度を低減すること)が望ましい。汚染物質低減用として、多様な流体フィルタ(気体または液体フィルタ)が開発されてきた。しかし、全般的に、改善も継続して探求されている。

ひだ付きろ過媒体は多年にわたって使用されてきたものであり、気体および液体のろ過を含む流体のろ過用途に広く採用されている。ひだ付きろ過媒体は、媒体を前後に折り畳むことによって、所与の容積において相対的に大きい媒体表面積を提供するので、相対的に小さい容積内に大量の媒体を配置することが可能である。

ひだ付き媒体は、パネル型フィルタおよび円筒型フィルタを含む多くの形状および形体に構成できる。パネル型フィルタにおいては、ひだ付き媒体は、通常、平面状の形体またはパネル型形体に広がっている。この形体は、第1組のひだの折り目(ひだの先端とも呼ばれる)から形成されるひだ付き媒体の第1面と、第2組のひだの折り目(ひだの先端とも呼ばれる)から形成されるひだ付き媒体の第2面とを有する。ひだの折り目によって形成される第1および第2面は一般的に平行である。流体は、1つの面を通ってパネル型フィルタに流入し、もう一方の面を通ってパネル型フィルタから流出する。

円筒型フィルタにおいては、ひだ付き媒体は、一般的に筒型に形成される。この場合、ひだ付き媒体の第1面(第1組のひだの折り目によって形成される)が内面を創成し、ひだ付き媒体の第2面(第2組のひだの折り目によって形成される)が外面を形成する。空気ろ過用の円筒型フィルタの場合は、空気は、通常外面から内面に向けてフィルタエレメントに流入する(時に逆方向流れフィルタと呼称されるものにおいてはこの逆である)。

ひだ付き媒体パックは、多くの場合、フィルタ媒体の連続的なウェブまたはロールされたウェブから形成され、ひだは媒体の機械方向に対して横方向に形成される。この媒体の機械方向というのは、一般的に、媒体が連続する方向のことである。従って、3次元の網目構造を構成するために、ひだの折り目は、通常、媒体の機械方向または媒体が連続する方向に対して横方向である。一般的に、第1組のひだの折り目が媒体の第1面を形成し、第2組のひだの折り目が媒体の第2面を形成する。

ひだ付きフィルタ媒体を含むフィルタエレメントを設計するための1つの重要な問題点は、所与の容積内部におけるひだの個数が増大するにつれて、先行技術のひだ付き媒体については、好ましくないレベルの流体流れの抑制が生じる可能性があるという点である。この流れの抑制は、ひだが相互に近接し過ぎて、ろ過の間に相互に干渉する時に生じる。例えば、先行技術のひだ付き媒体構造の場合、ひだが一緒に近接し過ぎる可能性があるので、流体がひだ間の領域に流入することが難しくなるのである。この抑制のために、いくつかの先行技術のひだ付きフィルタにおいては、媒体表面に沿って浅い連続円弧状の隆起部分を有する非平坦面を創成するように、媒体を修正している。また場合によっては、この連続円弧を創成するように媒体にエンボス加工を施す。この浅い連続円弧は、媒体を波形ローラのニップを通すことによって形成できる。この非平坦面を有するひだが互いに押し付けられるので、媒体上の隆起部分が、流体流れを支援するチャンネルを形成して、ひだ表面間の流体流れを維持するのに役立つのである。

本発明は、部分的には、ひだの折り目の間に延びる溝流路(溝流路の例は例えば以下に述べる図5aおよび図5bに断面で示される)を含むひだ付きろ過媒体およびろ過媒体のプリーツパックに関する。この溝流路は、ろ過媒体内に形成される3次元構造であって、ひだの表面に沿う有利な流体径路を提供し、媒体を通り抜ける流体の有利な流れを可能にし、効率的な汚染物質の除去をもたらす。このため、溝流路を含むひだ付き媒体が、特定の条件の下でろ過性能の改善をもたらすように構造化される。

溝流路を含むひだ付き媒体の利点として、例えば、媒体の一体性および性能を保持しながら媒体表面間の接触を低減できる点、上流側および下流側部分に異なる開面積または開容積を有する媒体パック(これによっていくつかの媒体配置の性能を変えることができる)を構成できる点、ろ過性能を保持しながら高いひだの計数を備え得る点、および/または、相対的に小型で効率的なフィルタエレメントを作製できる点、が挙げられる。

さらに具体的には、特定の実施形態においては、本発明の教示に従って作製される溝流路付き媒体は、媒体を通り抜ける流体の効率的な流れを促進しながら、ひだ付き媒体の層間のマスキングを大幅に低減できる。媒体に形成される溝流路は、通常、ピークを有しており、そのピークにおいて、各溝流路は、一般的に同様にピークを備えた溝流路を有する反対側のひだ表面と接触し得る。いくつかの実施形態においては、溝流路のピークは、溝流路の部分長さまたは全長に沿って相互に接触するであろうが、別の実施態様においては、溝流路のピークは、他の溝流路または溝流路のピークと接触しないであろう。

この溝流路のピークは、通常、ひだ間のマスキングを低減する鋭い半径または明確な先端部によって特徴付けられる。本明細書で用いるマスキングという用語は、媒体シート間の近接面積であって媒体を横切る実質的な圧力差が欠落している面積部分のことを言う。一般的には、マスキングは、もう一方の媒体シートまたは流れの境界表面に非常に近接しているかまたは接触している媒体の箇所において経験されるものである。この非常な近接は、その箇所において、媒体を通り抜ける流れに対する抵抗になる。その結果、マスクされた媒体は、ろ過媒体のろ過性能に有用ではなくなる。

従って、ろ過に有用なろ過媒体の量を増大させるためにマスキングを低減することが望ましい。マスキングを低減すると、ろ過媒体プリーツパックのダスト貯留容量が増大し、所与の圧力損失に対してろ過媒体を通り抜ける流体のスループットが増大し、および/または、所与の全流体流量に対するろ過媒体プリーツパックの圧力低下が低減する。本発明の教示に従って作製されるひだ付き媒体の溝流路は、媒体のマスキングの低減を可能にするが、このマスキングの低減は、大部分、本明細書で述べるような、溝流路のピークの創成と、その形状および箇所の変更との結果として得られるものである。例えば、本発明のいくつかの実施形態においては、溝流路は、隣接溝流路の一般断面形状を超えて延びる先端部を有する。

いくつかの実施形態においては、溝流路のさらに別の特定の構造態様が、溝流路の全長または部分長さに沿って延びる隆起部(リッジ)を含む。本明細書で用いる隆起部(リッジ)という用語は、一般的に、溝流路の部分長さまたは全長に沿う媒体における明確な曲がり部、折り目あるいは変形部のことを言う。さらに具体的には、隆起部(リッジ)は、溝流路付き媒体の断面形状内部において、実質的に異なる傾斜を有する媒体部分間の遷移領域とすることができる。この遷移は、通常比較的突然である。正規の使用法の下では、隆起部(リッジ)は、他の隣接ひだの隆起部(リッジ)と接触しない。正規の使用法の下では、隆起部(リッジ)は、ピークの間に生起するがピークではない。隆起部(リッジ)は、溝流路の断面積のカスタマイズおよび最適化を可能にすることによって、媒体パックを通る流体流れおよびろ過の効率を増進し、特定の容積内部の媒体の量を増大させ、反対側の媒体表面上の溝流路との間のマスキングを低減する補助手段になる。ひだ付き媒体において隆起部(リッジ)を用いることによって、実際、マスキングを減少させながら、有効なまたは使用可能な媒体量を増大させる結果が得られる。

いくつかの特定の実施形態においては、ろ過媒体プリーツパックが、ろ過媒体プリーツパックにおけるひだの上流側および下流側において異なるチャンネル形状および異なる開容積を備えた溝流路を有するように構成される。これは、本明細書においてプリーツパックの容積の非対称と呼称される知的所有権である。このプリーツパックの容積の非対称は、いくつかの実施形態においては、汚染材料の貯留と流れとろ過とを促進できる。プリーツパックの容積の非対称は、特に、浅いプリーツパックを有するフィルタ形体における性能改善に役立つ。

ここで、本発明の特定の実施態様を詳しく説明する。いくつかの実施形態においては、本発明に従って作製されるひだ付きろ過媒体パックは、第1面を形成する第1組のひだの折り目と、第2面を形成する第2組のひだの折り目とを含む。ひだ付きろ過媒体は、第1面および第2面の間に往復配置されて広がっている。第1面および第2面の間に広がるろ過媒体の少なくとも一部分は、第1面から第2面までの少なくとも一部の長さに延びる溝流路を含む。この溝流路は、通常、溝流路の部分長さまたは全長に沿って延びる明確な溝流路のピークを有する。この溝流路のピークは、通常、相対的に鋭く、マスキングの低減を可能にする特性を有する。

ピークは鋭いが、多くの実施態様においては、ピークは、それでもなお、きつく曲げられた外側表面を含み、時には、半径を有する円弧またはベンドに近付いている。相対的に鋭いピークを設けることによって、媒体表面間の接触および/または近接の面積を低減することができ、マスキングの減少がもたらされる。ろ過中、ろ過媒体は、通常、圧力を受けて変形するであろう。相対的に鋭いピークは、媒体表面間の接触の低減を継続でき、これによってマスキングの低減に関する利点をさらに継続する結果をもたらす。

上記のように、いくつかの実施形態においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の多くは、溝流路の隣接ピークの間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)をも含む。この隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの少なくとも一部分に沿って延びている。本発明に従って作製される溝流路の隆起部(リッジ)は、溝流路に沿って連続または不連続とすることが可能である。例えば、本発明のいくつかの実施態様においては、隆起部(リッジ)はすべての溝流路の全長に沿って存在するであろう。多くの場合、各溝流路の長さに沿って延びる2つ以上の隆起部(リッジ)を設けることが望ましい可能性がある。この場合、1つ以上の隆起部(リッジ)が溝流路のピークの両側に設けられる。

しかし、遥かに少ない個数の隆起部(リッジ)または延長範囲が遥かに少ない隆起部(リッジ)を有する適切な溝流路を設けることも可能である。例えば、いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の少なくとも25%が、溝流路の隣接ピークの間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を有し、その隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの少なくとも25%に沿って延びている。別の方式として、いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の少なくとも25%が、溝流路の隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を含み、その隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの少なくとも50%に沿って延びている。いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の少なくとも50%が、溝流路の隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を含み、その隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの少なくとも50%に沿って延びていることが理解されるであろう。

さらに別の設計も考えることができ、本発明の範囲内に入る。例えば、いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の少なくとも25%が、溝流路の隣接ピーク間に複数の隆起部(リッジ)を有し、その隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの少なくとも10%に沿って延びている。いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の少なくとも50%が、溝流路の隣接ピーク間に配置される少なくとも1つの隆起部(リッジ)であって、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの少なくとも10%に沿って延びる隆起部(リッジ)を有する。いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の少なくとも10%が、溝流路の隣接ピーク間の少なくとも1つの隆起部(リッジ)であって、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの少なくとも10%に沿って延びる隆起部(リッジ)を含むことが理解されるであろう。

さらに別の方式として、いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の25%未満が、溝流路の隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を有し、その隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの25%未満に沿って延びている。いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の25%未満が、溝流路の隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を含み、その隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの50%未満に沿って延びている。いくつかの実施態様においては、ひだ付きろ過媒体パックにおける溝流路の50%未満が、溝流路の隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を含み、その隆起部(リッジ)は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間の溝流路の長さの50%未満に沿って延びていることが理解されるであろう。

本発明の1つの利点は、代表的には溝流路の高さ、溝流路の幅、溝流路の鋭いピーク、および場合によって溝流路に沿う1つ以上の隆起部(リッジ)を含む溝流路の幾何学的形状によって、大量の全媒体表面積をろ過媒体プリーツパックの中に包含させ、かつ、プリーツパック内のマスクされた全表面積を低減することが可能になる点である。これは、フィルタエレメントの寸法を増大させることなく、フィルタ性能を増進させる可能性をもたらす。本発明の溝流路の設計によって、マスキングを実際に低減しながら媒体を増大させること、すなわち、優れた性能の結果をもたらす組み合わせが可能になる。

溝流路の幾何学的形状に関して、いくつかの実施形態においては、第1組のひだの折り目から第2組のひだの折り目に延びる溝流路の少なくとも一部分が、1.0より大きい、多くの場合少なくとも1.05の、さらに頻繁には少なくとも1.1のD2/D1値を含む。但し、D2(例えば図5aに示される)は1つの溝流路の幅に対応する媒体表面の長さであり、D1は溝流路の幅(例えば図5aに示される)である。いくつかの実施態様においては、D2/D1は少なくとも1.15であり、別の実施態様では少なくとも1.20である。D2/D1値が高くなることは、所与の溝流路の幅に沿って設けられる媒体の量が増大することを示している。いくつかの実施態様においては、D2/D1は、1.30、1.40、または1.50より大きい。典型的なD2/D1の範囲として、例えば、1.05〜2.0、1.10〜1.75、および1.20〜1.50が含まれる。

媒体に形成される溝流路は、通常、その高さ(例えば図5aに示されるJ)より大きい幅(例えば図5aに示されるD1)を有する。この幅対高さのアスペクト比は(D1/J)として特徴付けることができる。ほとんどの実施態様において、幅対高さのアスペクト比は、少なくとも約2.0、一般的には少なくとも2.1、さらに典型的には少なくとも2.2、多くの場合少なくとも2.3、そして場合によっては少なくとも3.0である。いくつかの実施態様においては、幅高さ比は2.4より大きい。一般的に適切なD1/J比は、10未満、さらに典型的には8未満、多くの場合6未満であろう。適切なD1/J比は、1より大きく、さらに多くの場合1.5より大きく、通常2より大きい。他の適切なD1/J比として、例となる実施態様においては、4より大きい、6より大きい、あるいは8より大きい値が含まれる。従って、D1/J比の適切な範囲としては、2〜10、4〜8、および5〜7が含まれるが、これに限定されるわけではない。しかし、いくつかの実施態様においては、極端に低いD1/J比を有する溝流路を用いることが可能である(但し、このような溝流路は一般的に製造が難しい)。例えば、1未満、0.75未満、および0.50未満のD1/J比が可能である(図4c参照)。いくつかの実施態様においては、非常に高いD1/J値または非常に低いD1/J値を含む溝流路が、1.15〜2.0の値に近いD1/Jを含む溝流路よりも良好な性能を有する。このようなD1/Jの比の適切な範囲には、2〜8および0.075〜0.500が含まれる。

溝流路の3次元構造は、流体の流れに対する媒体の上流側および下流側の開容積を規定すると共に、(ダストのような)汚染物質が蓄積する空間を規定する。いくつかの実施形態においては、ろ過媒体が、媒体の一方の側の開容積が媒体のもう一方の側の開容積よりも大きくなるような媒体の容積の非対称を呈する。これらの容積は、プリーツパックの上流側の面から下流側の面に広がることができる。

本明細書で用いる媒体容積の非対称という概念は、一般的に、溝流路のピークによって画定される大きい方の媒体容積の小さい方の媒体容積に対する媒体容積比をその尺度とする(図9参照。以下に説明する)。いくつかの実施態様、但しすべてではない実施態様において、大きい方の媒体容積が上流側の媒体開容積に相当し、小さい方の媒体容積が下流側の媒体開容積に相当する(使用中、開容積はダストのような汚染物質を蓄積することができる)。いくつかの実施態様においては、媒体は、1%より大きい、3%より大きい、5%より大きい、または10%より大きい媒体容積の非対称を示すであろう。例となる媒体構造は、15%より大きい、20%より大きい、50%より大きい、75%より大きい、100%より大きい、150%より大きい、および200%より大きい媒体容積の非対称を示す。適切な媒体容積の非対称の範囲として、例えば、1%〜300%、5%〜200%、50%〜200%、100%〜200%、および100%〜150%が含まれる。

媒体容積の非対称に加えて、媒体は、媒体断面積の非対称をも示すことができる。これは、媒体の断面積に基づいて計算される。断面積の非対称は、多くの場合媒体容積の非対称の差異に通じることが理解されるであろうが、必ずしも常にそうではない。それは、媒体のそれぞれの側の合計容積が等しくなるような累積効果を有するように、断面積をひだの長さに沿って変化させることができるからである。

断面積の差異は、溝流路の設計の幾何学的形状によって調整される。多くの場合、溝流路に沿う隆起部(リッジ)の存在、個数および形状が、断面積の非対称の量に大きく影響し、かつ、多くの場合これを決定する。断面積の差異をもたらす溝流路の幾何学的形状は、溝流路を通る流れの特性に大きく影響する可能性がある。溝流路の相対的な断面積を変化させると、その面積部分における媒体パックの上流側部分および下流側部分の断面積の変化がもたらされる。本発明は、フィルタ性能を改善するため、媒体容積の非対称および断面積の非対称のカスタマイズを可能にする。

いくつかの実施形態においては、媒体は、媒体の一方の側が同じ媒体片の反対側よりも少なくとも1パーセント大きい断面積を有するような断面積の非対称を有するであろう。多くの場合、媒体を横切る断面積の差異は、3%より大きい、5%より大きい、あるいは10%より大きいであろう。例となる媒体構造は、15%より大きい、20%より大きい、50%より大きい、75%より大きい、100%より大きい、150%より大きい、および200%より大きい媒体断面積の非対称を示す。適切な媒体断面積の非対称の範囲として、例えば、1%〜300%、5%〜200%、50%〜200%、100%〜200%、および100%〜150%が含まれる。

本発明のいくつかの実施態様のもう1つの側面は、媒体うねり率(media−cord percentage)を決定するために、媒体のうねり長さ(cord length:CL)を包含する。うねり長さは、1つのピークの中心点から隣接するピークの中心点までの直線距離(例えば、図5aの隣接するピーク101、102参照)を言う。媒体の厚さの影響を最小化するために、うねり長さに対する測定は、媒体内部の中心点から決定される。媒体うねり率は次式から算定できる。

溝流路付き媒体の隣接するピークの間に単一または複数の隆起部(リッジ)を設けることによって、先行技術の媒体に比べて、距離D2を増大させることができ、その結果として、媒体うねり率が増大する。1つまたは複数の隆起部(リッジ)が存在することによって、例えば隆起部(リッジ)を含まないひだ付き媒体に比べて、ろ過に利用可能なより多くの媒体を有するろ過媒体を提供することが可能になる。これは、マスキングを低減する鋭い溝流路のピークと組み合わせた場合、特に価値がある。

媒体うねり率の測定によって、隣接するピークの間に設けられる媒体の量を特徴付けることができる。例となる実施形態においては、媒体うねり率は1%より大きく、代替的には、2%、3%、4%、または5%より大きい。いくつかの実施態様においては、媒体うねり率は7.5パーセントまたは10パーセントより大きい。媒体うねり率の適切な範囲として、例えば、0.1%〜15%、0.5%〜10%、および1%〜5%が含まれる。媒体うねり率は、必ずしも常に溝流路の全長に沿って同じではないであろう。従って、本発明のいくつかの実施態様においては、溝流路の少なくとも25%が、溝流路の長さの50%に沿って、少なくとも1%の媒体うねり率を呈する。別の実施態様においては、溝流路の少なくとも25%が、溝流路の長さの50%に沿って、少なくとも2%、3%、4%または5%の媒体うねり率を呈する。

上記のように、溝流路のピークは、通常、ピーク間のマスキングを低減する鋭い半径または明確な先端部によって特徴付けられる。この明確な先端部は、溝流路の一般断面形状から延び出ることができて、隣接媒体のマスキングを実質的に低減する溝流路のピークにおける突起部を創成する。所与の溝流路のピークは形状においていくつかの変形態を有し、必ずしも完全な円弧を形成する必要はないことが理解されるであろうが、いくつかの実施態様においては、溝流路のピークにおける半径にほぼ等しい間隔を特定しかつ測定することがなお可能である。この半径は、溝流路の内側において測定され、有効内半径として計算される。この有効内半径は、以下に提示される開示に従って測定可能であり、一般的には、4ミリメートル未満、さらに多くの場合2ミリメートル未満、頻繁には1ミリメートル未満、場合によっては0.5mm未満であろう。いくつかの実施態様においては、特に大きな溝流路用としては、さらに大きな半径を用いることも可能である。明瞭な、あるいは測定可能な半径を有しない溝流路でも、それが、隆起部(リッジ)の存在、媒体の非対称容積などのような本明細書に記載する他の特徴を含むものであれば、本開示の範囲内になお含まれることがさらに理解されるであろう。

ひだ付きろ過媒体パックは、気体物質または液体物質であり得る流体のろ過に用いることができる。ろ過媒体を用いてろ過し得る典型的な気体物質は空気であり、ろ過媒体を用いてろ過し得る典型的な液体物質には、水、オイル、燃料および液圧流体が含まれる。ろ過媒体パックは、成分の少なくとも一部分を被ろ過流体から分離または除去するために用いることができる。この成分は、汚染物質、あるいは、除去または分離の目標となる他の材料であり得る。典型的な汚染物質および除去の目標となる材料には、固体、液体、気体またはこれらの組み合わせとして特徴付けられるものが含まれる。汚染物質または除去の目標となる材料には、粒子状物質、非粒子状物質、またはこれらの混合物を含めることができる。除去の目標となる材料には、媒体によって捕捉可能な化学種を含めることができる。成分および汚染物質の除去に関する言及は、完全な除去または分離、あるいは部分的な除去または分離に関するものであることが理解されるべきである。

フィルタエレメントも本発明に従って提供される。このフィルタエレメントは、溝流路を有する媒体を組み込んでいる。ひだ付きろ過媒体パックおよびシールを含むことができるフィルタエレメントが提供される。このシールは、被ろ過流体が、媒体パックの1つの面から流入し、媒体パックのもう一方の面から流出する結果としてこのろ過媒体パックを通り抜けるように、ろ過媒体パックに対して配置される。このシールは、ひだ付きろ過媒体パックに直接取り付けるか、あるいはシールサポートを介して間接的に取り付けることができる。また、このシールは、ハウジングおよびフィルタエレメント間のシールを提供するために、ハウジングと係合するように設けることが可能であり、軸方向シール、ラジアルシール、あるいは軸方向およびラジアルシールの組み合わせとして設けることができる。クリンプシール、ピンチシールおよび他の多くの型式のシールも可能である。

流体のろ過方法も本発明に従って提供される。この方法は、未ろ過の流体をひだ付きろ過媒体パックの第1面または第2面に流入させ、ひだ付きろ過媒体パックの第1面または第2面のもう一方から流出させることによって、流体を、フィルタエレメントの部品として設けられるひだ付きろ過媒体パックを通過させるステップを含む。ひだ付きろ過媒体パックを通り抜ける流体の流れは、直線型通過流れとして特徴付けることができる。

本発明の上記の要約は、開示される本発明の各実施形態を記述するように意図されたものではない。これは、以下の[発明を実施するための形態]並びに引き続く[特許請求の範囲]の目的である。

本発明は、本発明の種々の実施形態の、添付の図面に関連付けられた以下の詳細説明を考察することによってさらに完全に理解することができる。

先行技術のひだ付きろ過媒体パックの斜視図である。 図1の先行技術のひだ付きろ過媒体パックの部分的な断面斜視図である。 図1の先行技術の媒体パックのろ過媒体の一部分の拡大概略断面図である。 本発明の原理によるろ過媒体の拡大概略断面図である。 図4aの別の形体の拡大概略断面図である。 図4aのさらに別の形体の拡大概略断面図である。 本発明の原理によるろ過媒体の拡大概略断面図である。 図5aの別の形体の拡大概略断面図である。 図5aのさらに別の形体の拡大概略断面図である。 図5aの形体の寸法を明示する。 本発明の原理によるひだ付きろ過媒体パックの一部分の端部斜視図である。 図6のろ過媒体パックの一部分の反対側の斜視図である。 図7のろ過媒体パックの上面の平断面図である。 本発明の原理によるろ過媒体の拡大概略断面図である。 図9のろ過媒体を含むろ過媒体パックの一部分の拡大概略断面である。 図9のろ過媒体を含むろ過媒体パックの一部分の拡大概略断面である。 本発明の原理によるろ過媒体パックの一部分の拡大概略断面図である。 本発明の原理によって製造されたろ過媒体パックの一部分の拡大走査断面像である。 本発明の原理によるひだ付きパネル型ろ過媒体パックの第1面の斜視図である。 図12のひだ付きパネル型ろ過媒体パックの第2面の斜視図である。 図12のろ過媒体パックの一部分の斜視図であって、このろ過媒体パックを通る流体の流れを示す。 本発明の原理によるひだ付きパネル型ろ過媒体パックの第1面の斜視図である。 図15aのひだ付きパネル型ろ過媒体パックの第2面の斜視図である。 本発明の原理による溝流路の拡大走査断面像であって、溝流路の有効内半径を測定する方法を示す。 本発明の原理によるろ過媒体パックの一部分の拡大走査断面像であって、溝流路の有効内半径を測定する方法を示す。 本発明の原理による円筒型ろ過媒体パックの一部分の斜視図である。 図17の円筒型ろ過媒体パックの一部分の斜視図であって、このろ過媒体パックを通る流体の流れを示す。 1つのタイプのパネル型フィルタエレメントの概略斜視図である。 1つのタイプの円筒型フィルタエレメントの概略斜視図である。一部分が分解図になっている。 図20のフィルタエレメントの側面図である。一部分が分解図になっている。 1つのタイプの円錐型フィルタエレメントの概略側面図である。 1つのタイプの部分円錐型または湾曲パネル型フィルタエレメントの概略斜視図である。 図23のフィルタエレメントの線24−24に沿う断面図である。 実施例において報告されるデータを示すグラフである。 実施例において報告されるデータを示すグラフである。 実施例において報告されるデータを示すグラフである。 実施例において報告されるデータを示すグラフである。 種々のパネル型フィルタの相対的性能を示すグラフである。

これらの図面は、本発明の一般的な表現と考えられるべきであるが、本発明のすべての実施形態を包含するようには描かれておらず、また、必ずしも一定のスケールで描かれていないことが認められるであろう。また、本発明に従って作製される媒体は全体として種々の変形態を呈することが理解されるであろう。

本発明は種々の修正を加えやすく、また代替的形態を取りやすいが、その細目が具体例および図面によって示されており、以下それを詳細に説明する。しかし、本発明は、記述される特定の実施形態に限定されないと理解されるべきであり、逆に、本発明の本質および範囲に含まれる修正態、等価物および代替物を包含することが意図されている。

ひだ付きろ過媒体、ひだ付きろ過媒体パック、ひだ付きろ過媒体パックを含むフィルタエレメント、および流体のろ過方法が提供される。

「ひだ付きろ過媒体パック」という語句は、ろ過媒体を、折り曲げ加工、ひだ折り加工、あるいは他の方式で成型加工することによって3次元の網目構造に構成または成型された媒体パックのことを言う。ひだ付きろ過媒体パックは、さらに簡単に、媒体パックと呼称できる。ひだ付きろ過媒体パックは、シールおよびシールサポートを含むフィルタエレメントに見られる他の特徴要素と、任意選択的に組み合わせることができる。一般的に、ひだ付きろ過媒体パックは、第1面を形成する第1組のひだの折り目と、第2面を形成する第2組のひだの折り目とを有するろ過媒体を含み、ろ過媒体は、第1組のひだの折り目および第2組のひだの折り目の間に往復配置されて広がっている。特定のいくつかの実施形態においては、本明細書に記述する「面」は、実質的に凹凸であるかまたは不規則であり、かつ、平面状または非平面状であり得ることが理解されるであろう。

ひだの折り目は、一般的に、ろ過媒体を折り曲げ加工またはひだ折り加工する結果として形成される。折り目は、通常、媒体の機械方向に対して横方向に形成されるが、それは要件ではない。折り目は、機械方向に対して横方向の角度とは異なる角度で形成することが可能である。媒体の機械方向とは、一般的に媒体が連続する方向を言う。

例となる実施形態においては、ひだ付きろ過媒体パックは、第1組のひだの折り目の結果として形成される第1面と、第2組のひだの折り目の結果として形成される第2面と、さらに、第1面から第2面への方向(または第2面から第1面への方向)に延びる溝流路とを含む。この溝流路はろ過媒体に形成される3次元構造であって、この構造によって、ひだの表面に沿う有利な流れの径路が提供され、媒体を通り抜ける流体の有利な流れが可能になり、汚染物質が効率的に除去される。溝流路を含むひだ付き媒体は、このように、特定条件の下でろ過性能の改善をもたらすように構造化されている。

第1面は、一般的に、ひだ付きろ過媒体の流入側または流出側であり、第2面は、ろ過媒体の流入側または流出側のもう一方である。例えば、未ろ過流体は第1面からひだ付きろ過媒体パックに流入でき、ろ過流体は第2面を通ってひだ付きろ過媒体パックから流出でき、その逆もあり得る。

ろ過媒体の第1面から第2面への方向または第2面から第1面への方向に延びる溝流路は、一般的に、第1面または第2面に平行でない方向を向いている。多くの実施態様において、ひだ付き媒体の面の間の方向に延びる溝流路は、第1面または第2面に対して垂直に、あるいは第1面または第2面に対してほぼ垂直に配列されるであろう。

流体が、垂直でない角度で第1面または第2面に向かって流れているか否かに応じて、第1の流れ面または第2の流れ面に対して垂直でない角度で延びる溝流路を有することが有利であり得る。ひだ付きろ過媒体パックの第1面または第2面に対して垂直でない角度の溝流路を設けることによって、その溝流路の角度を調整することにより、流体がひだ付きろ過媒体パックに流入する前に方向転換する必要なく流体の流れをより良好に受け入れるように、ひだ付きろ過媒体パック内への流体の流れを強化することが可能になる。媒体パックの第1面および第2面は、平行または非平行とすることができる。溝流路が延びる角度は、第1面、第2面、または第1面および第2面の両者に対して測定できる。

従って、溝流路は、それが第1面および第2面に垂直に延びるように形成することが可能であり、あるいは、第1面または第2面に対して0°より大きいが180°より小さい角度で延びるように設けることが可能である。溝流路が、面に対して0°または180°の角度で延びる場合は、流体が、溝流路からひだ付きろ過媒体パックに流入することが困難になる。一般的に、流体は、溝流路から流入することによってひだ付きろ過媒体パックに流入することが望ましい。

いくつかの実施態様においては、溝流路は、面に対して約85°〜95°の角度で、別の実施態様においては面に対して約60〜150°の角度で、さらに別の実施態様においては面に対して約70〜110°の角度で延びるであろう。溝流路は、第1面または第2面への垂線の約60°以内の角度で延びるように設けることが望ましい。一般的に、この範囲は、第1面または第2面に対して約30°〜約150°の角度に相当する。さらに、溝流路は、第1面または第2面への垂線の約5°以内の角度(第1面または第2面に対して約85°〜約95°の角度に相当する)で延びるように設けることが可能である。溝流路は、第1面または第2面に対して垂直(90°)に延びるように設けることができ、それが望ましい。

媒体の形成において、媒体の制限寸法は通常媒体の幅である。それは、媒体を製造する機械が幅方向において制限されるからである。媒体の長さは、媒体が切断されるかあるいは媒体が終了するまで連続とすることができる。この連続する方向は、媒体の長さに沿う媒体の方向を指している。横方向は、一般的に、媒体の幅を横切る媒体の方向を言う。ひだ付き媒体は、一般的に、機械方向に対して横方向に形成されるひだまたは折り目を含むので、ひだの個数を所要に応じて調整できる。ひだまたは折り目は、通常、媒体がそれ自体の上に交互に折り返される(例えば往復配置)ように横方向に形成され、第1面と、第2面と、第1面および第2面の間の媒体の広がり部分とを有するフィルタエレメントが形成される。一般的に、被ろ過流体は、ろ過媒体パックの第1面および第2面のいずれかに流入し、第1面および第2面のもう一方の方から流出する。

溝流路付き媒体は、所要の溝流路の形状を形成する任意の技法によって調製できる。従って、本発明は、溝流路形成の特定の方法には限定されない。しかし、溝流路の幾何学的形状と、溝流路付け加工およびひだ折り加工される媒体とに応じて、特定の方法の成功度が異なるであろう。高いセルロース含有量を有する乾媒体は、相対的に非伸張性であり、数パーセントを超えて伸張されるだけで断裂しやすい。対照的に、高い合成物質含有量を有する媒体は、多くの場合伸張性が大きい。両方のタイプの媒体が、本発明での使用に適している。特定の寸法および形状の溝流路、一般的には相対的に短くかつ幅広の溝流路の成型加工には、波形ローラを使用できる。波形加工される媒体と言うのは、媒体を、2つの溝流路ローラの間に、例えば、それぞれが結果として得られる媒体の溝流路を創成するのに適した表面形状を有する2つのローラ間のニップまたは噛み込みに通すことによって得られる溝流路構造を有する媒体のことである。

溝流路の高さを高くしたい場合は、媒体を本質的に折り畳み加工もしくはひだ折り加工して溝流路を形成する方法を用いることが望ましいであろう。一般的に、ひだ折り(例えば折り畳み)による溝流路の成型加工は、微小ひだ折り加工(micropleating)と呼称できる。このひだが、媒体パックの面を形成するより大きなひだまたは折り目よりも遥かに小さいからである。従って、溝流路を成型するこのような微小ひだ折り加工法は、ひだ付きろ過媒体パックの第1面および第2面をもたらすようなひだの折り目を形成するひだ折り加工もしくは折り畳み加工と混同するべきではない。溝流路を形成するために微小ひだ折り加工によって媒体を折り畳み加工する技法の例として、折り目付け(スコーリング)、および、折り目を創成する圧力の利用が含まれる。以上から、ろ過媒体を、まず溝流路を形成するように微小ひだ折り加工し、引き続いてひだ折り加工して、第1面および第2面を有するひだ付きろ過媒体パックを形成することが可能である。

図1〜3を参照すると、先行技術による一般化されたひだ付きろ過媒体パックが、図1の参照番号10で示されている。ひだ付きろ過媒体パック10は、国際公開第2005/082484号パンフレットによるひだ付きろ過媒体パックとして特徴付けることができる。図1のひだ付きろ過媒体パック10は、媒体12(図2参照)をひだ折り加工して得られる3次元の網目構造11として提供される。この媒体12のひだ折り加工は、第1面15を形成する第1系列の折り目14と、第2面17を形成する第2系列の折り目16とを生成するように行われる。

一般的に、媒体は、それ自体の上に折り返されて(往復配置されて)、第1系列の折り目14および第2系列の折り目16を構成する。媒体18の広がり部分は、第1系列の折り目14および第2系列の折り目16の間に設けられる。使用中、側面20および22はシールできる。その結果、第1面15または第2面17のいずれかに流入する流体は、第1面15または第2面17のもう一方から流出し、その他の点では、流体がフィルタエレメントから流出する前に媒体を通り抜ける結果としてろ過される。側面21および23(例えば頂部および底部)も必要であればシールできる。

図1は第1面15を示しているが、第2面17も第1面15と同様に見える(但し、非対称の溝流路断面積を有する媒体が異なる第1面および第2面15、17を有する場合を除いて)。一般的に、第1系列の折り目14および第2系列の折り目16をひだの折り目と称することができ、第1系列の折り目14および第2系列の折り目16はほぼ同じに見える。ひだの折り目14および16の間には、媒体18の広がり部分が広がっている。第1面15に向かって流れる流体は、一般的に、対向する媒体表面24および26の間に流入する。媒体表面24および26の間の面積は開口25として特徴付けることができる。流体は、続いて、媒体12を通り抜け、媒体表面28および30の間の下流側の開口29(図2に示される)から、そして第2面17から流出する。媒体表面28および30の間の面積は下流側の開口29と呼称できる。

開口25および29は、両者共図2に示されているが、図2は、ひだの折り目が記入されていないひだ付きろ過媒体12の一部分の表現である。図1〜3は、ひだの折り目の実際の形状を示すことなく、一般化または様式化されたひだの折り目14、16を示していることが理解されるであろう。また、すべての媒体表面24、26、28、30、あるいはすべての開口25および29に番号が付されているわけではなく、このような表面および開口の若干の例にのみ番号が付されていることも理解されるであろう。

参照番号24および26は、上流側または下流側のような媒体12の一方の側に対応する(この場合、図2に示すように、媒体表面24は上面を指し、媒体表面26は底面を指している)ことが理解されるべきである。同様に、参照番号28および30は、下流側または上流側のような媒体12のもう一方の側を指している(この場合、図2に示すように、ひだの表面または媒体表面28は上面を指し、媒体表面30は底面を指している)。媒体12はひだ折り加工されているので、媒体の片面が上流側を形成し、媒体のもう一方の側が下流側を形成する。例えば、参照番号24および26が媒体の上流側を指すことができるが、その場合は、参照番号28および30は媒体の下流側を指すことになる。参照番号24および26は異なる媒体表面を指しているが、それらは両者共、媒体の上流側または下流側のいずれかにある。同様に、参照番号28および30は異なる媒体表面を指しているが、それらは両者共、媒体の上流側または下流側のいずれかにある。流体のほとんどの部分はろ過される前に媒体の表面間を流れることが予想されるが、流体の幾分かは、ひだの折り目を通り抜けて流れることが予想される。

ここで図3をさらに参照すると、媒体12が断面で表現されており、連続円弧を描く隆起部分34を示している。媒体12に関しては、連続円弧34を特徴付けるために特定の寸法を取り上げることができる。例えば、距離D1は、連続円弧34によって規定される隆起部分の下側の間隔を定める。距離D1は、同じ側の円弧のピーク40および42の媒体12の中心点36および38間の間隔として取ることができる。

距離D2は、同じ側のピーク40および42の媒体12の中心点36および38間の、同じ距離D1上の隆起部分34に対する媒体表面長さを規定する。距離Jは、媒体12の最低点から最高点までの、媒体12の厚さTを含めた高さを規定する。距離Jは、ピーク40の最低点44から隣接する反対側のピーク48の最高点46まで、D1を規定する線に垂直に測定される。

図1〜3の一般化されたひだ付きろ過媒体パックは、媒体パックの一方の側の容積が媒体パックのもう一方の側の容積とほぼ同じであるような対称な媒体容積配置を有するとして特徴付けることができる。この対称な容積は、現在のろ過媒体製造において通常行われている方式である。一般的な対称容積配置が図2に表現されている。この場合、開口25の断面積は開口29の断面積に等しい。対称な容積配置の結果として、媒体パックの1つの面は、媒体パックのもう一方の面とほぼ同じに見える。

フィルタ寿命を延長するための1つの技法は、ひだ付きろ過媒体パックにおけるろ過媒体量の増大である。ひだ付き媒体における媒体量を増大させるための1つの技法は、所与の容積当たりのひだの個数を増やすことである。所与の容積当たりのひだの個数が増大するにつれて、ひだの側面は互いに近接してくる。特に、流体流れの圧力があると、隣接するひだが互いに接触し、それによってひだ間の流体流れが制限される傾向が生じる。この種の制限はろ過性能を低下させる。

図1〜3の媒体12は、流体が第1面15および第2面17を経由してひだ付きろ過媒体に流入しそれから流出することを可能にするために、媒体表面の若干の分離を設けているが、一方では、媒体12においては、媒体表面24および26間および/または媒体表面28および30間の接触の結果としてのマスキングが生じやすい。一般的に、マスキングは、多くの場合、媒体がもう一方の媒体シートに近接する結果、その箇所において媒体を通り抜ける流れに抵抗が生じるような媒体箇所に生じる。その結果、マスクされた媒体はろ過に対する有用性が制限され、マスクされた媒体は媒体の実質的な損失と考えることができる。図3に示す媒体12の場合、(例えば)ピーク40、42および48は相対的に丸められており、媒体表面24および26と媒体表面28および30とが接触する時に、接触面積部分および接触部分に十分近接する範囲は、マスキングを蒙る傾向があり、ろ過に利用可能な媒体表面積に寄与しない。

所与の溝流路に沿ってマスキングを受ける特定面積は相対的に小さくても、フィルタエレメント全体に及ぶ被マスク媒体の合計量はかなりの量になる可能性がある。フィルタエレメントにおける被マスク媒体量を低減すると共に、一方では同時に、溝流路の幾何学的形状を修正してろ過に利用し得る媒体量を増やすことが可能である。マスキングを低減することによって、フィルタエレメントの性能もしくは寿命を増大すること、あるいは、同じ性能またはフィルタ寿命を維持しながらフィルタエレメントの寸法を低減することが可能になる。一般的に、所与のフィルタエレメント寸法においてフィルタエレメント寿命を延長すること、あるいは、所与のフィルタエレメント性能に対してフィルタエレメント寸法を低減することは、ろ過媒体性能の向上と言うことができる。

ここで図4a〜4cおよび図5a〜5dを参照すると、本発明に従って構成される種々の溝流路の設計が示されている。これらの溝流路の設計は、マスキングを低減し、それによってろ過媒体性能を向上させるように計画されたものである。図4a〜4cおよび図5a〜5dは、一般的に、マスキングを低減するように形状化されたピークを形成するために利用可能なろ過媒体用の溝流路の設計の例を模式的に表現している。

相対的に鋭いピークを設けることによって、媒体表面間により鋭い可能接触点が形成される結果として、面シート間の接触面積が低減される。ろ過中は、ろ過媒体が圧力を受けて変形することが予想される。相対的に鋭いピークを設けることによって、ろ過中に変形の結果としてマスクされる媒体の量が、鋭さの程度が低いピークに比べて少なくなるであろう。

相対的に鋭いピークを呈する溝流路付き媒体を生成するための代表的な技法には、曲げ加工、折り曲げ加工、または、相対的に鋭い端部を形成するに十分な方法で溝流路付き媒体に折り目付けする加工が含まれる。相対的に鋭いピークを形成する可能性は多くの因子によって左右されるが、媒体自体の組成、および、曲げ、折り曲げまたは折り目付け加工に用いる処理機器がその因子に含まれる。一般的に、相対的に鋭いピークを形成する可能性は、媒体の破断強度および厚さと、媒体が伸びる繊維あるいは開裂または切断に抵抗する繊維のいずれを含有しているかとに左右される。溝流路の成型加工中、ろ過媒体の開裂、切断または他の損傷を避けることが必要である。

図4a〜4cにおいては、典型的な溝流路付き媒体50、60および70の断面図が示されている。媒体50、60および70は、トラス形状と呼称できる溝流路52、62および72を含む。一般的に、D1は溝流路の幅である。媒体50における溝流路の幅D1は、同じ側のピーク54および56の間の距離と規定される。媒体60に対しては、溝流路の幅D1は、同じ側のピーク64および66の間の距離と規定され、媒体70に対しては、溝流路の幅D1は、同じ側のピーク74および76の間の距離である。溝流路の幅D1は、媒体50、60および70の厚さを横切る中心点から測定される。D2の値は、D1に対する値と同じ点から測定される、溝流路の幅の上の媒体の長さである。

溝流路の高さJは、隣接するピークの最も外側の点間の高さ距離として、所与の溝流路に対してD1を規定する線に垂直に測定される。例えば、媒体50に対する溝流路の高さJは、ピーク56の最も外側の点からピーク58の最も外側の点まで測定される。媒体60に対する溝流路の高さJは、ピーク66の最も外側の点からピーク68の最も外側の点まで測定され、媒体70に対する溝流路の高さJは、ピーク76の最も外側の点からピーク78の最も外側の点まで測定される。媒体50に対しては、ピーク54、56、57および58を、相対的に鋭いピークを有するとして特徴付けることができる。同様に、媒体60および70に対しては、ピーク64、66、67、68、74、76、77および78を、相対的に鋭いピークを有するとして特徴付けることができる。媒体50、60および70における対向ピークを相対的に鋭いピークとして特徴付けることが可能であるが、マスキングの低減から利益を得るためには、必ずしもすべてのピークが相対的に鋭いものである必要はない。例えば、マスキングの低減は、媒体の片側のみの溝流路のいくらかまたはすべてに相対的に鋭いピークを設けることによって実現できる。

例えば、図4aの媒体50は、一連の第1ピーク51と一連の反対側の第2ピーク53とを有するとして特徴付けることができる。第1ピーク51または第2ピーク53は、マスキング低減の利点をもたらすために相対的に鋭くすることができる。同様に、媒体60は、第1系列のピーク61と反対側の第2系列のピーク63とを含み、媒体70は、第1系列のピーク71と反対側の第2系列のピーク73とを含む。マスキングを低減するために、媒体60および70は、第1組のピーク61および71、または第2組のピーク63および73、あるいはその両者に相対的に鋭いピークを有することができる。第1組のピーク51、61および71と、第2組のピーク53、63および73との両者に鋭いピークを設けることによって、マスキングの低減を実現することが望ましい。

ここで図5a〜5cを参照すると、溝流路付き媒体シート100、120および140の断面図が示されている。図5a〜5cは、条件に合うすべての溝流路の幾何学的形状の一定のスケールによる図としては意図されておらず、単に実施態様の例を示すものであることが留意されるであろう。図5aにおいては、溝流路の幅D1は、ピーク102の中心点からピーク104の中心点まで測定される。代替的に、溝流路の幅D1を、ピーク101の中心点からピーク103の中心点まで測定できる。

溝流路付き媒体100は、各溝流路の幅D1に対して、または媒体長さD2に沿って、2つの隆起部(リッジ)108を有するように表現されている。この隆起部(リッジ)108は、溝流路の長さの少なくとも一部分に沿って延びている。一般的に、各隆起部(リッジ)108は、溝流路付き媒体の相対的に平坦な部分108aが溝流路付き媒体の相対的に急傾斜の部分108bに接合する一般的領域として特徴付けることができる。「隆起部(リッジ)」という用語の使用は、ピークとは見做されない媒体部分を指すように意図されている。すなわち、隆起部(リッジ)はピーク間に設けることができ、非ピークと見做すことができる。隆起部(リッジ)は、異なる傾斜の媒体部分間の交差線と見做すことができる。いくつかの実施態様においては、隆起部(リッジ)の外観が媒体それ自体の不規則性によって多少とも不明瞭になるかもしれないことに留意することが肝要である。隆起部(リッジ)は、その箇所における媒体の変形の結果として形成できる。媒体は、媒体に圧力を加えることによって隆起部(リッジ)において変形できる。

溝流路付きシート100の例の場合は、図5aにおいて、溝流路付き媒体の相対的に平坦な部分108aが、ピーク101および隆起部(リッジ)108の間に広がる溝流路付き媒体の一部分として見られる。溝流路付き媒体の相対的に急傾斜の部分108bは、ピーク102から隆起部(リッジ)108に広がる部分として特徴付けることができる。隆起部(リッジ)は、溝流路付き媒体の成型加工において、媒体を、溝流路付きシートの長さに沿って、折り目付け加工、曲げ加工、折り曲げ加工、圧印加工、あるいは他の方式で操作処理する結果として形成できる。溝流路付き媒体の成型ステップの間に、隆起部(リッジ)を設けるステップを取ることが望ましいが、必ずしも必須ではない。隆起部(リッジ)は、例えば熱処理または湿気処理、あるいはそれらの組み合わせによって設けることが可能である。さらに、隆起部(リッジ)は、隆起部(リッジ)を設けるための付加的なステップなしに、折り目付け加工、曲げ加工または折り曲げ加工によって形成することも可能である。

隆起部(リッジ)の特徴形成は、溝流路のピークと混同するべきではない。一般的に平坦な部分108aおよび一般的に急傾斜の部分108bの特徴形成は、隆起部(リッジ)108の存在を特徴付ける方策として意図されている。一般的に、平坦な部分108aおよび急傾斜の部分108bはなんらかの曲線を呈することがあり得る。すなわち、平坦な部分108aおよび急傾斜の部分108bは、特に、空気または液体のような流体がろ過中に媒体を通り抜けて流れる時に、完全には平面状でないことが予期される。

図5aに示す媒体の隆起部(リッジ)108の存在は、ピーク101および102におけるマスキングを低減させるのに役立つ。隆起部(リッジ)108は、溝流路付きシート100の成型加工の結果として存在し、その結果、ピークにおける媒体の内部応力を低減する。隆起部(リッジ)108が存在しなければ、溝流路付きシート100における内部引張力のレベルが増大する可能性が高い。これは、溝流路付きシートがピークにおいてより大きな半径を形成する結果を惹起するであろう。隆起部(リッジ)108の存在は、隣接するピーク(例えばピーク101および104)の間に存在する媒体量を増大させるのに役立ち、かつ、溝流路付きシート100内部の引張力をある程度緩和する結果として、ピーク104を鋭くするのに役立つ。この内部引張力は、隆起部(リッジ)がなければ、ピークにおいてそのシートを膨張または平坦化させる可能性があるのである。

隆起部(リッジ)108の存在は目視観察によって認めることができる。隆起部(リッジ)の存在は溝流路の端部を見ても特に明瞭ではないかもしれないが、フィルタエレメントに切り込めば、溝流路の長さに沿って延びる隆起部(リッジ)の存在を見ることができる。さらに、隆起部(リッジ)の存在は、フィルタエレメントにダストを載荷する技法によって確認できる。この場合、溝流路付きシートを剥がして、溝流路付き媒体上の隆起部(リッジ)に合致する隆起部(リッジ)を有するダストのケーキを露出させることができる。ダストケーキ表面の2つの部分の交差が隆起部(リッジ)を形成する。一例としての実施態様においては、溝流路内部にダストのケーキを形成するために溝流路に充満させる媒体載荷用のダストは、ISOの微粒試験用ダスト(Fine test dust)として特徴付けることができる。

溝流路付きシート100は、各長さD2に沿って2つの隆起部(リッジ)108を有するように構成できるが、必要であれば、溝流路付きシート100を、各周期長さD2に沿って単一の隆起部(リッジ)を有するように構成することも可能であり、また、溝流路のいくつかが少なくとも1つの隆起部(リッジ)を備え、いくつかの溝流路は2つの隆起部(リッジ)を備え、いくつかの溝流路は隆起部(リッジ)を有しない形体、あるいは、これらの任意の組み合わせを含む形体を有するように構成することも可能である。

図5aを再度参照すると、溝流路付きシート100は、距離D2の上に2つの隆起部(リッジ)108を含んでいる。但し、距離D2は、ピーク102の中心点からピーク104の中心点までの溝流路付きシート100の長さを指しており、隆起部(リッジ)はピークではない。溝流路のピーク101および103は第1の側の隣接ピークと呼称でき、ピーク102および104は第2の側の隣接ピークと呼称できる。当然ながら、特定の側のピークを第1の側のピークと呼称し、他方の側のピークを第2の側のピークと呼称することは任意であって、望ましければ逆も可能である。

ピークは、簡単に、ピーク、同じ側のピーク、第1の側の隣接ピークまたは第2の側の隣接ピークと呼称できる。一般的に、「同じ側の隣接ピーク」の呼称は、周期を規定するのに使用し得るピークを指している。「同じ側の」という規定のない「隣接ピーク」の呼称は、互いに隣り合うが異なる方向に向くピークを指している。隣接ピークは、溝流路の高さを記述するのに用いることができる。ピークのこの呼称は、図に示す媒体のような溝流路付き媒体の記述に便利である。

溝流路付きシートは、溝流路パターンを繰り返すプロセスによって作製される場合、溝流路の繰り返しパターンを有するとして特徴付けることができる。溝流路の繰り返しパターンは、媒体の全幅にわたって(例えば横方向に)、溝流路のパターンが繰り返されることを意味する。例えば、すべての溝流路が隣接ピーク間に1つの隆起部(リッジ)を呈することができる。すべての溝流路が隣接ピーク間に2つの隆起部(リッジ)を呈することができるパターンもあり得る。さらに、隆起部(リッジ)が、いくつかの溝流路の隣接ピーク間には存在するが、他の溝流路の隣接ピーク間には存在しないようなパターンもあり得る。例えば、1周期が単一の隆起部(リッジ)または2つの隆起部(リッジ)を呈することができ、続く周期は、隆起部(リッジ)なし、あるいは単一または2つの隆起部(リッジ)を呈することができ、さらに引き続く溝流路は、隆起部(リッジ)なし、あるいは単一または2つの隆起部(リッジ)を呈することができる、などである。通常、パターンはある点においてそれ自体を繰り返す。このようないくつかの周期内には3個以上の隆起部(リッジ)があることになろう。

隆起部(リッジ)の存在という特徴付けは、隆起部(リッジ)が溝流路の長さに沿って存在することを意味すると理解されるべきである。一般的に、隆起部(リッジ)は、所要の性能を得るのに十分な長さのものとして、溝流路に沿って設けることができる。隆起部(リッジ)は溝流路の全長に及ぶことができるが、例えば、ひだ折り加工または折り曲げ加工のような溝流路の末端処理の影響の結果として、隆起部(リッジ)が溝流路の全長(溝流路長さの100%)には及ばない可能性もある。

隆起部(リッジ)は、溝流路長さの少なくとも10%、さらに典型的には溝流路長さの25%に延びることが望ましい。例えば、隆起部(リッジ)は、溝流路長さの少なくとも30%、溝流路長さの少なくとも40%、溝流路長さの少なくとも50%、溝流路長さの少なくとも60%、あるいは溝流路長さの少なくとも80%に延びることができる。このような隆起部(リッジ)は、溝流路の長さに沿って連続的にまたは非連続的に延びることができる。また、隆起部(リッジ)は、溝流路に沿って均等に分布させることができ、あるいは、溝流路の長さに沿って不均等に配置することが可能である。例えば、特定の実施形態においては、媒体パックの上流側または下流側の面のいずれかの付近で、溝流路がより多くまたはより少ない隆起部(リッジ)を有するように分布配分された溝流路を備えることが望ましい場合がある。

しかし、すべての隣接するピーク間に1つまたは2つの隆起部(リッジ)が存在すること、あるいは、繰り返しパターンがあることという要件はない。本発明の利益は、少なくともいくらかの溝流路が隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を呈するような溝流路を設けることによって得ることが可能である。いくつかの実施態様においては、溝流路の少なくとも25%が、隆起部(リッジ)の存在の利益を実現するために隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を呈する。溝流路の少なくとも50%が、溝流路の各隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)を呈することがさらに望ましく、それが溝流路の100%であればなお一層望ましい。

図5bを参照すると、溝流路付き媒体120が、隣接するピーク124および125の間に2つの隆起部(リッジ)128および129を含む。媒体120は、長さD2に沿って、4個の隆起部(リッジ)128および129を含む。図示の実施形態においては、媒体の単一の周期長さが4個の隆起部(リッジ)を含んでいる。隆起部(リッジ)128および129はピーク124、125または126ではないことが理解されるべきである。媒体120は、隣接ピーク(例えばピーク125および126)間に2つの隆起部(リッジ)128および129があるように構成できる。この場合も、パターンを設けることができる。図5bに示すパターンの場合は、各隣接ピーク間に2つの隆起部(リッジ)があり、各周期に4個の隆起部(リッジ)が設けられる。代替的な繰り返しパターンにおいては、パターンがパターンのどこかで隣接ピーク間に少なくとも1つの隆起部(リッジ)の生起を含む限り、隣接ピーク間に任意個数(例えば0、1つ、2つまたはそれより多く)の隆起部(リッジ)を設けることができる。図5bに示す望ましい実施形態においては、各隣接ピーク間に2つの隆起部(リッジ)がある。隆起部(リッジ)128は、媒体の相対的に平坦な部分128aが溝流路付き媒体の相対的に急傾斜の部分128bに接合する領域として特徴付けることができる。

隆起部(リッジ)129は、溝流路付き媒体の相対的に平坦な部分129aと、溝流路付き媒体の相対的に急傾斜の部分129bとが交差する結果として形成できる。溝流路付き媒体の相対的に急傾斜の部分129bは、隆起部(リッジ)129およびピーク125の間に広がる溝流路付き媒体の一部分として、かつ、(例えば)隆起部(リッジ)129およびピーク125の間の角度を有するとして特徴付けることができる。ピーク125は溝流路付き媒体の平坦な部分129aの上に延びている。従って、ピーク125は、隣接する溝流路付き媒体129aからの明確な突起部を示す。

ここで図5cを参照すると、溝流路付き媒体140は、隣接するピーク144および145の間に少なくとも2つの隆起部(リッジ)148および149を含む。媒体140は、長さD2に沿って、4個の隆起部(リッジ)148および149を含む。媒体の単一の周期長さが4個の隆起部(リッジ)を含むことができる。隆起部(リッジ)148および149はピーク144、145および146ではないことが理解されるべきである。媒体140は、隣接ピーク(例えばピーク144および145)間に2つの隆起部(リッジ)148および149があるように構成できる。さらに、溝流路付きシート140は、他の隣接するピークの間に1つの隆起部(リッジ)または2つの隆起部(リッジ)があるように、あるいは隆起部(リッジ)なしに構成できる。

各隣接ピーク間に2つの隆起部(リッジ)があることという要件はない。隆起部(リッジ)の存在を交互にするか、あるいは、隆起部(リッジ)を隣接ピーク間の所々に設けることが望ましい場合は、ピーク間に隆起部(リッジ)が欠落していることも可能である。一般的に、溝流路のパターンは、その溝流路のパターンが、繰り返されかつ隣接ピーク間に隆起部(リッジ)の存在を含む場合に設けることができる。

隆起部(リッジ)148および149は、溝流路付きシートの相対的に平坦な部分が溝流路付きシートの相対的に急傾斜の部分に接合する領域として特徴付けることができる。隆起部(リッジ)148の場合は、溝流路付きシートの相対的に平坦な部分148aが溝流路付きシートの相対的に急傾斜の部分148bに接合し、隆起部(リッジ)149の場合は、溝流路付きシートの相対的に平坦な部分149aが溝流路付きシートの相対的に急傾斜の部分149bに接合する。従って、溝流路付き媒体140は、鋭いピーク145および146を有する。

溝流路付きシート100、120および140は、ピークからピークまで比較的対称なものとして示されている。すなわち、媒体100、120および140については、隣接ピーク間に同じ個数の隆起部(リッジ)を有する溝流路が繰り返される。隣接ピークというのは、溝流路付き媒体の長さに沿って互いに隣り合うピークのことを言う。例えば、溝流路付き媒体100については、ピーク101および102が隣接ピークと見做され、ピーク102および104は、同じ側の隣接ピークと見做すことができる。しかし、媒体の1周期が、隣接ピーク間に同じ個数の隆起部(リッジ)を有する必要はなく、媒体を、この方式で非対称として特徴付けることが可能である。すなわち、媒体を、周期の一方の半分に1つの隆起部(リッジ)を有し、周期のもう一方の半分には隆起部(リッジ)を具備しないように調製することが可能である。

隆起部(リッジ)(例えば108、128、129、148および149)の存在を設けるもう1つの利点は、この隆起部(リッジ)が媒体における応力の低減に役立ち、それによってより鋭いピークが形成されるという点である。一般的に、隆起部(リッジ)が形成されなければ、媒体内により大きな引張力またはメモリが生じ、それによってピークの幅が広くなってマスキングの程度が高くなる可能性がある。ろ過媒体に溝流路付け加工する際にろ過媒体に隆起部(リッジ)を導入することによって、相対的に鋭いピークを創成しかつその維持を助けることが容易になり、マスキングが低減される。

ろ過媒体の面積を維持しながら、マスキングを低減する、あるいは、マスキングの程度が相対的に低いひだ付き媒体を形成するもう1つの技法は、所与の容積におけるひだ付き面間の可能な接触箇所数を低減することである。一般的に、可能な接触箇所とは、1つの媒体表面上の溝流路のピークと、隣接する媒体表面上の対応する溝流路のピークとの間の可能な接触箇所を意味する。これを実施する1つの技法は、溝流路の幅高さ比の増大または低減である。溝流路の開渠の幅高さ比は、溝流路の周期長さD1の溝流路の高さJに対する比である。溝流路の幅高さ比は次式によって表現できる。
溝流路の幅高さ比=D1/J
溝流路の周期長さD1および溝流路の高さJのような測定距離は、(ひだの折り目形成の結果としての溝流路の変形のため)各端部における溝流路長さの20%を除いた溝流路の長さに沿う、ろ過媒体についての平均値として特徴付けることができる。すなわち、距離D1およびJは、溝流路の端部が通常ひだ折り加工の結果として変形しているので、溝流路の端部から離れた位置で測定できる。ひだの折り目において計算される溝流路の幅高さ比は、ひだの折り目から離れた位置の溝流路の幅高さ比を表現しない可能性が高い。このため、溝流路の幅高さ比は、溝流路の端部近傍の溝流路長さの最終部分の20%を除いた溝流路長さ全体にわたる平均値として測定できる。非テーパ化溝流路を備えた媒体のような「標準的な」媒体については、溝流路の周期長さD1および溝流路の高さJは、溝流路の長さに沿って相対的に一定であり得ることが予期される。相対的に一定であるとは、ひだの折り目が幅高さ比に影響する可能性がある各端部の20%の長さを除く溝流路の長さ全体にわたって、溝流路の幅高さ比が約10%の範囲内で変化し得ることを意味する。

テーパ化された溝流路を有する媒体のような「非標準の」媒体の場合は、溝流路の幅高さ比は、溝流路の全長にわたって変化できるか、あるいは、ほぼ同じままであることができる。非標準媒体のもう1つの例として、溝流路の少なくとも一部分が、溝流路の全長にわたって変化する溝流路高さ(J)を有する媒体が含まれる。溝流路の高さまたは幅が溝流路の全長にわたって変化する溝流路を設ける利点は、隣接媒体表面間の可能な接触を少なくしてマスキングを低減する可能性である。

ここで図4a〜4cを参照すると、媒体50、60および70は種々の溝流路の幅高さ比を示している。一定のスケールで図示されていると見做すと、媒体50の溝流路の幅高さ比は約2.5であり、媒体60の溝流路の幅高さ比は約5.8であり、媒体70の溝流路の幅高さ比は約0.34である。一般的に、好ましい溝流路は、約1〜約8、好ましくは約1.5〜約7.5、さらに好ましくは約2〜約5の幅高さ比を呈する。媒体パックの寿命を向上させるために、2より大きい、約2.5より大きい、あるいは、3より大きい溝流路の幅高さ比が望ましい。いくつかの実施態様においては、溝流路の幅高さ比が4より大きい。

溝流路の幅高さ比に類似の特性であって溝流路を理解するための有意義な手段になり得るもう1つの特性は、「開渠の幅高さ比」である。一般的に、開渠の幅高さ比は次式に従って決定できる。
開渠の幅高さ比=D1/C
この式において、Cは開渠の溝流路の高さであって、溝流路の高さ(J)から媒体の厚さ(T)を差し引いたものである。この開渠の幅高さ比は、媒体の厚さに基づいていないので、有利な特性である。図4a〜4cの媒体50、60および70の場合は、開渠の幅高さ比を、それぞれ、2.82、5.83および0.36と計算できる。トラス形状の溝流路の場合は、溝流路が2より大きい開渠の幅高さ比を呈することが望ましい場合が多い。媒体性能を強化するためには、一般的に、約2.25より大きい、約2.5より大きい、約2.75より大きい、あるいは、3より大きい開渠の幅高さ比を形成することが望ましい。開渠の幅高さ比は、約10より小さい、約9.5より小さい、約9より小さい、約8.5より小さい、約8より小さい、約7.5より小さい、あるいは、6より小さいことが望ましい。例としての実施態様においては、開渠の幅高さ比は2〜7、3〜6、あるいは4〜5である。

媒体の厚さが、幅高さ比および開渠の幅高さ比に及ぼす影響を示すために、図5dに注目してみる。図5dに示す媒体150の場合は、幅高さ比は2.1であると計算でき、開渠の幅高さ比は2.75であると計算できる。

ろ過媒体の性能を強化するためにはマスキングの低減が望ましいが、ろ過媒体性能のもう1つの強化策は、所与の容積におけるろ過に利用可能な媒体面積量の増大である。図5a〜5cに示す媒体形状は、所与の容積内に存在する媒体表面積量を向上させる技法を示している。媒体うねり率は、溝流路の形体が、所与の容積において媒体表面積が強化されたろ過媒体パックをどのように構成し得るかを測るのに役立ち得る。媒体うねり率はうねり長さ(CL)の測定を必要とする。

うねり長さCLおよび媒体長さD2の間の関係は、媒体うねり率として特徴付けることができる。媒体うねり率は次式によって決定できる。

溝流路付き媒体の隣接するピーク間に単一または複数の隆起部(リッジ)を設けることによって、距離D2を、先行技術の媒体に比較して増大させることができる。1つまたは複数の隆起部(リッジ)が存在する結果として、例えば、隆起部(リッジ)を含まないひだ付き媒体に比べて、ろ過に利用可能なより多くの媒体を有するろ過媒体を提供することが可能になる。媒体うねり率の測定は、隣接ピーク間に配備される媒体量を特徴付けるのに用いることができる。長さD2は、溝流路付きシート100、120および140の一周期における溝流路付きシート100、120および140の長さとして定義される。溝流路付きシート100の場合は、距離D2は、ピーク102からピーク104までの溝流路付きシートの長さである。この距離は2つの隆起部(リッジ)108を含む。溝流路付きシート120の場合は、長さD2は、ピーク124からピーク126までの溝流路付きシート120の距離である。この距離は4個の隆起部(リッジ)128および129を含む。溝流路付きシート140の場合は、長さD2は、ピーク144からピーク146までの溝流路付きシート140の距離である。この距離は4個の隆起部(リッジ)148および149を含む。

隣接ピーク間に1つ以上の隆起部(リッジ)を設ける結果として隣接ピーク間のろ過媒体が増大することは、媒体うねり率によって特徴付けることができる。例として、先行技術によるひだ付き媒体(例えば図1〜3に示す媒体)は、通常、約0.09%〜約0.89%の媒体うねり率を呈する。本発明に従って作製される溝流路の場合は、媒体うねり率は、約1%より大きく、約1.5%より大きく、そして約2%より大きくすることができる。いくつかの実施態様においては、媒体うねり率は3%より大きく、場合によっては4%より大きい。いくつかの実施態様においては、媒体うねり率が5%を超え得る。媒体うねり率は一般的に約25%より小さく、さらに典型的には約20%より小さい。

ろ過に利用可能なろ過媒体の量を増大させるもう1つの技法として、媒体パックの溝流路密度の増大が含まれる。溝流路密度とは、ろ過媒体パックにおけるろ過媒体の断面積当たりの溝流路の個数のことを言う。溝流路密度は、溝流路の高さJ、溝流路の周期D1、および媒体の厚さTを含むいくつかの因子によって変化する。溝流路密度は、媒体パック溝流路密度と呼称でき、ひだの最大計数値(pleat count maximum:PCMax)において決定される。PCMaxは、溝流路を変形することなくパネルを製造し得るひだの最大計数濃度である。一般的に、PCMaxは、溝流路の変形の結果として性能に影響が及ぶ前に、所与の容積内に配置し得るひだの最大個数のことを言う。これは、モデル化されたパネル型形体においては、隣接する媒体面上の溝流路のピークがほぼその全長に沿って接触するであろうことを意味している。パネル型フィルタについては、PCMaxひだ濃度は1/(2J)に等しい。フィルタエレメントに対する媒体パックの溝流路密度(ρ)の計算式は次式である。

フィルタエレメントの溝流路密度は、フィルタエレメントの断面積において開かれている溝流路および閉じられている溝流路を含む溝流路の個数を計数して、その計数値を、溝流路の個数が決定された位置におけるフィルタエレメントの断面積の2倍で割ることによって計算できる。一般的に、標準的な媒体の場合には、溝流路密度は、流入側の面から流出側の面まで、逆の場合も同様に、フィルタエレメントの長さ全域にわたって相対的に一定のままであることが予期される。

媒体断面積というのは、媒体の断面積のことであって、必ずしもフィルタエレメントの断面積ではないことが理解されるべきである。フィルタエレメントは、ハウジングと係合するように考えられた外装またはシールを有することができ、これによってフィルタエレメントの断面積は媒体の断面積よりも大きくなる。さらに、媒体の断面積というのは、媒体パックの有効な面積を言うのであって、ろ過に有用でない媒体パックの部分(例えばシールで覆われた面積)を含まない。

一般的に、媒体パックの溝流路密度を高めると、ある容積の媒体内部の媒体の表面積を増大する傾向がもたらされ、従って、ろ過媒体の負荷容量が増大する傾向が得られる。その結果、媒体の溝流路密度を増大すると、媒体の負荷容量を強化する効果が得られるが、媒体の溝流路密度の増大は、他の因子が同じままであるとすると、媒体を通り抜ける場合の圧力低下が高くなる影響が生じる可能性がある。

ろ過媒体の溝流路密度を高めることは、溝流路の高さ(J)または溝流路の周期長さ(D1)、あるいはその両者を低減する結果になる可能性がある。その結果、溝流路密度が増大するにつれて溝流路の寸法(溝流路の寸法というのは溝流路の断面積を言う)が縮小する傾向が生じる。また、その結果、溝流路の寸法が小さくなって、ろ過媒体パックを横切る圧力低下が高くなる結果が生じる。媒体パックを横切る圧力低下というのは、媒体パックの第2面で測定される圧力に対する、媒体パックの第1面で決定される圧力差を意味する。この場合、第1面および第2面は通常媒体パックの反対側に設けられる。媒体パックを横切る圧力低下は溝流路密度および溝流路の長さに部分的に依存している。

比D2/D1も、例えば図1〜3によるひだ付き媒体と比べてより多いろ過媒体が存在することを示す指標として用いることができる。一般的に、図1〜3による先行技術のひだ付き媒体は、1.004〜1.035のD2/D1比を呈すると見做すことができる。本発明による媒体パックは、1.04より大きいD2/D1比を有するように形成することが可能である。溝流路がトラス形状を呈するろ過媒体パックの場合は、D2/D1の比を1.05〜1.35、好ましくは1.1〜1.3にすることができる。いくつかの実施態様においては、D2/D1の比を1.05〜1.50にすることができる。

ここで図6〜8を参照すると、媒体が図5aに示す溝流路形状を有するひだ付きろ過媒体パックが、参照番号200で示されている。ひだ付きろ過媒体パック200は、機械方向204および横方向206を有する媒体202を含む。媒体は、第1系列のひだの折り目208および第2系列のひだの折り目210(図8参照)を形成するように折り込まれており、媒体202は、第1組のひだの折り目208および第2組のひだの折り目210の間に往復配置されて広がっている。媒体202は溝流路220を含み、溝流路220は相対的に鋭いピーク222および224を含む。溝流路220は、さらに、隣接ピーク(例えばピーク222および224)間に設けられる隆起部(リッジ)226を含む。

ひだ付きろ過媒体パック200は、開口236をその間に形成する媒体表面232および234と、開口242をその間に形成する媒体表面238および240とを含む。ひだ付きろ過媒体パック200は、第1組のひだの折り目208および開口236を含む第1面250を有するとして特徴付けることができる。ひだ付きろ過媒体パック200は、さらに、第2組のひだの折り目210および開口242を含む第2面252を有するとして特徴付けることができる。従って、空気は、第1面250における開口236からひだ付きろ過媒体パック200に流入し、媒体202を通り抜けてろ過され、続いて、第2面252における開口242を経由してひだ付きろ過媒体パック200から流出する。特定の条件においては、流体を、第2面252からひだ付きろ過媒体パックに流入させ、第1面250を経てひだ付きろ過媒体パック200から流出させることが有利であり得る。

例えば図1〜3によるひだ付きろ過媒体パックに比べて、ひだ付きろ過媒体パック200からは多くの利点がもたらされる。例えば、ひだ付きろ過媒体パック200は、媒体表面間の可能な接触箇所数を制限することに寄与する所要の幅高さ比を呈する。媒体表面間の可能な接触箇所数を制限または低減することによって、マスキングが低減される可能性が生じ、それによって、所与の容積内に、ろ過に利用可能なより多くの媒体が存在する結果がもたらされる。さらに、ひだ付きろ過媒体パック200は、図5aに示す溝流路形状に合致する溝流路形状を備えている。すなわち、溝流路形状は隆起部(リッジ)226の存在を可能にする。隆起部(リッジ)226を設けることによって、溝流路は相対的に高い媒体うねり率を有する。媒体うねり率を高めることによって、例えば図1〜3に示すひだ付きろ過媒体パックに比べて、所与の容積内により多くの媒体を配備できる。さらに、図5aに示す溝流路形状に合致する溝流路形状を備えたひだ付きろ過媒体パック200を設けることによって、ピーク(あるいはピークの少なくとも一部分)を相対的に鋭くすることができる。相対的に鋭い半径が形成される結果として、媒体表面間の接触によって惹起されるマスキングを低減できる。さらに、ひだ付きろ過媒体パック200は、媒体容積の非対称(媒体の非対称容積とも呼称される)および媒体断面積の非対称をも提供する。

媒体容積の非対称または媒体断面積の非対称が存在すると、図4a〜4cに示すトラス形状および図1〜3に示す先行技術のひだ付き媒体とは異なる溝流路形状が表現されることを理解できる。図5a〜5cに示す溝流路形状は、媒体容積の非対称および媒体断面積の非対称を提供し得る典型的な溝流路である。

図6〜8によるひだ付きろ過媒体パック200の別の利点は、それが、相対的に少量のひずみにしか関わり得ない媒体を利用できるという点である。それは、ひだの折り目が、媒体の全体の長さを相対的に一定に保持しかつひずみを低減するように形成されるからである。一般的に、相対的に少量のひずみしか許容し得ない媒体には、ひずみが僅か3%より大きくなると破壊する傾向を有する媒体が含まれる。例えば、セルロースの含有量が高く、低温かつ乾状態の媒体がそうである場合が多い。湿潤で暖かい媒体でも、ひずみが、いくつかの媒体については約8%より、他の媒体においては約10%より、あるいは、時には約12%より大きくなると、破壊する傾向を有する場合が多いであろう。従って、いくつかの実施態様においては、高いセルロース含有量を有する媒体に対して、本発明の溝流路設計を用いることができる。いくつかの実施形態においては、セルロース含有量が100%またはその近傍である。他の実施態様においては、セルロース含有量は、90%、80%、70%、60%または50%より高い。

図8に示すように、第1組のひだの折り目208および第2組のひだの折り目210の間の機械方向の距離は、横方向206全域において一定である。これによって、媒体上の全体ひずみが相対的に小さいひだの折り目の形体を得ることが可能になり、その結果、ろ過媒体パックに使用し得る媒体を、いくつかの実施態様においては約8%より大きい、他の実施態様においては約10%より大きい、あるいは、さらに他の実施態様においては約12%より大きいひずみには耐えることができない媒体として特徴付けることができる。しかし、高度のひすみに耐えることができる媒体も本発明の種々の実施態様において使用可能であることが理解されるであろう。

一般的に、媒体容積の非対称は、ひだ付きろ過媒体パックの上流側および下流側の間の容積の非対称のことを言い、この容積の非対称は、媒体パック内部における充填配置によって惹起される容積の非対称よりも、むしろ媒体の溝流路形成配置によって惹起される容積の非対称に基づいて計算される。媒体断面積の非対称は、それが、溝流路の長さに沿うある1点に取られた媒体の断面に基づくという点を除いて、同様の方法で計算される。

「媒体容積の非対称」という語句が意味するところをさらに理解するために、図9〜10bを参照する。図9の場合は、媒体250は、第1の理論平面252と第2の理論平面254との間を上下するように示されている。媒体容積の非対称というのは、媒体パックに対する理論平面252および254の間において、媒体250の一方の側における、媒体250のもう一方の側に比べた容積の差異のことを言う。理論平面252および254を特徴付ける1つの方法は、媒体250がひだ折り加工されかつ十分に充填されて、図10aに示すように、ピーク256および258が反対側の媒体表面と接触していると見做すことである。

媒体容積の非対称は、媒体パック内部における充填配置よりもむしろ媒体の溝流路形成配置によってもたらされる。媒体の一方の側の開かれた断面積(図9、面積257)を、媒体の1つの表面から、その媒体の同じ側の溝流路のピークによって規定される線まで広がっているものとして見ることができる。この面積は、その媒体の反対側の表面と、反対側の溝流路のピークによって規定される線とによって画定される媒体のもう一方の側の開かれた断面積(図9、面積259)よりも大きい。これらの断面積が、媒体の所与の断面における媒体断面積の非対称を規定する。

続いて、プリーツパックの上流側の面から下流側の面まで延びる断面積の非対称が上流側容積および下流側容積を特徴付け、それが、媒体容積の非対称を特徴付ける。溝流路のピークがひだの折り目からひだの折り目まで延びる場合または延びない場合のプリーツパックの場合であって、ひだの折り目間の媒体がほとんど湾曲しておらず実質的に平坦であるプリーツパックの場合(ひだの折り目間の媒体における溝流路の断面の重心が平面に載るプリーツパックの場合)は、上流側の媒体容積を、上流側の媒体表面と、ひだの折り目におけるその隣接表面と、ひだの折り目の中心線に対して溝流路のピーク上に形成される凸面の外被とによって閉囲される容積であると見ることができる。下流側の媒体容積は、下流側の媒体表面と、ひだの折り目におけるその隣接表面と、ひだの折り目の中心線に対して溝流路のピーク上に形成される凸面の外被とによって閉囲される容積であると見ることができる。媒体の容積比は、この上流側の媒体容積の下流側の媒体容積に対する比である。

図10aに示すひだの充填配置は、所与の容積において溝流路が相互に歪め合わないようなひだの最大個数を表しているので、ひだの最大計数値(PCMax)として特徴付けることができる。図10aにおいては、媒体250の断面図が示されているが、この媒体250は、それ自体の上に前後にひだ折りされている。媒体容積の非対称のこの計算に基づくと、図10aに示す媒体配置に対する媒体容積の非対称の値は、図10bに示す媒体配置に対する媒体容積の非対称と同じである。図10bにおいては、媒体250はひだ折りされているが、ピーク256および258は接触していない。従って、媒体容積の非対称の定義が、媒体がひだ折りされてひだ付きろ過媒体パックに形成される時に存在し得る媒体表面間の可能な分離を考慮している。

理論平面252および254は統計的なピークの最大値に基づいて決定される。逸脱したものは計算から排除される。例えば、高くなり過ぎるかまたは低過ぎるピークで、ろ過媒体の充填密度に大きくは影響しないピークが時に存在することがあるが、このようなピークは理論平面252および254の計算目的には考慮されない。さらに、時には、容積の非対称を高めるために、ピークを飛ばして設ける場合、あるいは、平均溝流路の高さより遥かに低い高さで形成する場合があり得ることが理解されるべきである。このような場合には、低減されたひだの高さは充填密度の計算には影響しないであろう。一般的に、充填密度は、図10aに示すように媒体表面のピークが丁度接触した場合に、所与の容積内に配備され得るひだの個数を言う。

「媒体容積の非対称」を計算する利点は、媒体の容積(上流側容積および下流側容積)を媒体に基づいて計算でき、その結果が、フィルタエレメントの実際の上流側および下流側容積とは異なる可能性があるという点である。例えば、媒体を、ピークが本質的に丁度相互に接触するパネルとして配置できるが、そのような場合は、フィルタエレメントの上流側容積および下流側容積は「媒体容積の非対称」の計算と整合するべきである。

しかし、別の方式として、媒体を、ピークが相互に接触しない形体に配置できる。例えば、パネル型フィルタエレメントにおいて媒体表面を相互に十分分離すること、あるいは円筒型フィルタエレメントの場合が典型例となるが、媒体表面を相互に分離することが可能であり、このような場合には、フィルタエレメントにおける容積の非対称は、「媒体容積の非対称」の計算とは異なることが予期される。従って、「媒体容積の非対称」の計算を用いることは、ろ過媒体パックに対する容積の非対称(または容積の対称)の計算を、媒体それ自体に基づいて、かつ、媒体がフィルタエレメント内にどのように配置または充填されるかには関係なく、基準化するための技法である。値をもつことができるもう1つの計算は、フィルタエレメントにおける実際の容積の非対称である。フィルタエレメントにおける実際の容積の非対称というのは、エレメントの上流側およびエレメントの下流側の間の容積の差異から得られる容積の非対称のことを言う。媒体の配置(例えば、パネル型または円筒型)がこの値に影響し得る。

媒体断面積の非対称も、フィルタエレメントを調査することによって計算できるが、断面積は、ひだの折り目から離れて測定することが望ましい。従って、例えば、媒体断面積を、ひだの折り目から溝流路高さの3倍を除いた距離にわたる溝流路長さに沿って取ることができる。媒体断面積の非対称をひだの折り目から離れて計算する理由は、媒体断面積の非対称の計算に対するひだの折り目の影響を避けるためである。さらに、媒体断面積の非対称は溝流路の長さに沿って変化する場合があり得ることが理解されるべきである。この変化は溝流路のテーパの結果である可能性がある。

媒体断面積の非対称に関しては、媒体の断面積が、通常、媒体のそれぞれの側における非対称を示すであろう。図10aに示すように、断面は、断面積253の断面積255との非対称を示している。

溝流路の3次元構造は、流体の流れに対する開かれた容積と共に、(ダストのような)汚染物質が蓄積する空間をも規定する。いくつかの実施形態においては、ろ過媒体は、媒体の一方の側における容積が媒体のもう一方の側における容積よりも大きくなるような媒体容積の非対称を呈する。一般的に、媒体容積の非対称は、溝流路を含むひだ付きろ過媒体の上流側および下流側の間の容積の非対称のことを言う。媒体容積の非対称は、媒体パック内部における充填配置よりもむしろ媒体の溝流路形成配置によってもたらされる。

ここで図11aおよび図11bを参照すると、ろ過媒体パックの一部分の概略的な断面図が、図11bにおける走査断面像と共に図11aに示されている。図11aでは、媒体450の断面図が示されているが、この媒体450は、それ自体の上に前後にひだ折りされている。図示の実施形態においては、ピーク456および458は接触している。各ピーク456、458は、溝流路460、462が隣接する部分から延びている。図示の実施形態においては、各溝流路は隆起部(リッジ)464、468を含む。図11bでは、ピーク456および458が、周囲の溝流路の一般断面形状を超えて延びる先端部を含むことが観察されるであろう。図示の実施形態においては、溝流路の一般断面形状は、部分460、462によって特徴付けられるが、ピーク458はこの一般断面形状から上方に突き出ている。例えば、図1〜3の先行技術の媒体は、(例えば、但し制限なしに)図5b、図11aおよび図11bに表現される方式で隣接媒体の上部に突き出るピークを有していないことが観察されるであろう。

本発明に従って構成される媒体の断面走査写真が図11bに示されており、それは、それ自体の上に前後にひだ折りされた媒体450の断面図をも示している。図示の実施形態においては、ピーク456および458は接触しており、各溝流路は、隆起部(リッジ)464、468を含む。図11bから、媒体パックが、本発明の範囲から逸脱することなく変化できることを示し得ることが認められるであろう。すなわち、図11bの媒体パックは、図11aに図示された媒体パックの実際の実施態様を示す。

ここで図12〜14を参照すると、ろ過媒体パックが参照番号300で示されている。このろ過媒体パックは、第1面304(図12参照)を形成するひだの折り目302と、第2面308(図13参照)を形成するひだの折り目306とを含む。媒体表面310および312は、それらが接触しないように互いに分離されており、媒体表面314および316は互いに分離されているので、それらは接触しない。媒体表面310および312の間には開口320が設けられ、媒体表面314および316の間には開口322が設けられる。図14に示すように、第1面304における開口320を通る流体流れは、流体のろ過をもたらす媒体を通り抜け、続いて、第2面308におけるもう1つの開口322から流出する。

フィルタエレメントまたはフィルタカートリッジは、長期使用可能なフィルタエレメントとして提供できる。本明細書における「長期使用可能な(serviceable)」という用語は、ろ過媒体を含むフィルタエレメントであって、対応するエアクリーナから周期的に取り外して交換できるフィルタエレメントを指していることを意味している。長期使用可能なフィルタエレメントまたはフィルタカートリッジを含むエアクリーナは、そのフィルタエレメントまたはフィルタカートリッジの取り外しおよび交換が可能なように構成される。一般的に、エアクリーナはハウジングおよびアクセスカバーを含むことができ、そのアクセスカバーによって、使用済みフィルタエレメントの取り外しと、新規の、または清浄化された(再生された)フィルタエレメントの装着とが可能になる。

パネル型に形成されるひだ付きろ過媒体パックは、そのひだ付きろ過媒体上の面が平行であれば、「直線型通過流れ形体」として、あるいはその変形名称によって呼称できる。例えば、パネル型の形態で提供されるフィルタエレメントは、一般的に流入面および流出面を有することができるが、その場合、流れは、一般的に同じ直線型通過方向においてフィルタエレメントに流入しかつそれから流出する。いくつかの例においては、一般的に、それぞれの面を、両者が互いに平行な平坦面または平面状にすることができる。しかし、これとは異なる変形態、例えば非平面状の面もいくつかの用途においては可能である。

別の方式として、流入面および流出面を、各面が平行にならないように互いに角度をもって構成することが可能である。さらに、フィルタエレメントは、非平面状の面を有するろ過媒体パックを含むことができ、非平面状の面はもう一方の面に平行でないと見做すことができる。ろ過媒体パックのための典型的な非平面状の面として、円筒型配置または円錐型配置に形成されるろ過媒体パックの内側表面および外側表面を構成する面が含まれる。ろ過媒体パックのためのもう1つの典型的な非平面状の面として、媒体表面が、首尾一貫性のないまたは不規則なひだの深さ(例えば、1つのひだの深さが別のひだの深さと異なる)を有するろ過媒体パックがある。流入流れの面(時に「端部」と呼称される)を第1面または第2面のいずれかと呼称でき、流出流れの面(時に「端部」と呼称される)を第1面または第2面のもう一方と呼称できる。

パネル型に形成されるひだ付きろ過媒体を含むフィルタエレメントに見られる直線型通過流れ形体は、例えば、米国特許第6,039,778号明細書に記載されるタイプの円筒型形体に配置されるひだ付きろ過媒体を含む円筒型フィルタエレメントとは対照的である。この円筒型フィルタエレメントにおいては、流れは、一般的に、フィルタエレメントを通り抜ける際に実質的に方向転換する。すなわち、米国特許第6,039,778号明細書によるフィルタエレメントにおいては、流れは、円筒の側面を通って円筒型フィルタカートリッジに流入し、続いて方向転換して、前方流れ装置においては円筒型フィルタの端部を通って流出する。逆方向流れ装置においては、流れは、端部から円筒型フィルタカートリッジに流入し、続いて方向転換して円筒型フィルタカートリッジの側部から流出する。このような逆方向流れ装置の例が、米国特許第5,613,992号明細書に示されている。ひだ付きろ過媒体を含むフィルタエレメントのもう1つのタイプとして、ろ過媒体パックが円錐形態に配置される円錐型フィルタエレメントを挙げることができる。

ここで図15aおよび図15bを参照すると、ひだ付きろ過媒体パックが参照番号350で示されている。このろ過媒体パック350においては、媒体表面352および354は接触しており、媒体表面356および358も接触している。ろ過媒体パック350のひだの折り目は、折り目の実際の構造を示さずに一般化された様式で表現されていることが注目されるであろう。ひだの折り目の実際の構造のより詳細な表現は、(例えば)図14に示されている。

一般的に、図15aのひだ付きろ過媒体パック350は、ひだの密度が理論的な最大値(PCMax)になっている事例的な形態で示されており、対向するひだ上の溝流路のピークがひだの全深さに沿って接触している。このため、所与の容積内におけるひだの個数が最大になり、それによって、所与の容積内における媒体量が最大になる。図15aおよび図15bに表現されるように、媒体表面352および354は開口360を示し、媒体表面356および358は開口362を示しており、これらの開口両者が、媒体容積の非対称および媒体断面積の非対称を表している。容積の非対称を設ける利点は、大きい方の容積を汚染側の容積として、あるいは所要に応じて清浄側の容積として構成し得る点にある。大きい方の容積を汚染側に構成すると、フィルタエレメントをパネル型フィルタに構成した場合に、フィルタエレメントの寿命を延長できる。汚染側容積または上流側における媒体は、通常、粒子状物質がケーキ状に堆積する媒体部分である。例えば容積の非対称を創成することによって上流側の容積を増大すると、寿命の延長によって、媒体パックの性能の向上が可能になる。

前記のように、溝流路のピークは、通常、鋭い半径、または、ひだ間のマスキングを低減する明確な先端部によって特徴付けられる。溝流路のピークは、必ずしも完全な円弧を形成するのではなく形状において種々の変形態を有することが理解されるであろうが、いくつかの実施態様においては、ほぼ半径に相当する距離を特定して測定することがなお可能である。以下の開示に従って測定できるこの半径(局所有効内半径)は、一般的には4ミリメートルより小さく、さらに多くの場合2ミリメートルより小さく、頻繁には1ミリメートルより小さく、さらに場合によっては0.5mmより小さいであろう。大型の溝流路に対しては、さらに大きい半径が適切な場合もある。明確な、または測定可能な半径を有することができない溝流路も、それが、本明細書に記載する他の特徴、例えば、隆起部(リッジ)の存在、媒体の非対称容積などの特徴を含む場合は、本開示の範囲内に包含されることがさらに理解されるであろう。

先行技術の媒体における例としての半径rが図3に示されている。本発明に関しては、半径rは、種々の実施形態に対して、図4a、図4b、図4c、図5a、図5bおよび図5cに示されている。特に図5cを参照すると、溝流路付き媒体140を、相対的に鋭い半径と見做し得るピーク145における半径rを有するように構成でき、かつ、相対的に鋭い半径と見做し得るピーク146における半径rを設けることができる。半径rおよびrは同じものまたは異なるものにすることができる。さらに、相対的に鋭い半径のrまたはrの一方のみを設けることによっても、マスキングを低減する利点は実現可能である。

図16aおよび図16bは、実際のろ過媒体上において決定される半径の例を示す。半径は、例えば、局所有効内半径と呼ばれる測定量を用いる方法によって測定できる。局所有効内半径は、所与の溝流路の先端部、ピークまたは隆起部(リッジ)における外側の最小曲率半径から溝流路の平均媒体厚さを差し引いたものとして定義される。外側の最小曲率半径は、所与の溝流路の先端部、ピークまたは隆起部(リッジ)の断面の最も外側の表面を辿って形成される曲線に適合する接触円の最少曲率半径である。参考のため、十分に滑らかな平面曲線上の所与の点における接触円というのは、その中心が内側の法線上にあり、かつ、その曲率が、その点における所与の曲線の曲率に等しい円である。局所有効内半径の測定の図解例が図16aおよび図16bに示されている。

別の方式においては、(特定の実施形態に対して)受け入れ可能な半径の記述に用いることができる公式が、溝流路の幅(D1)および媒体の厚さ(T)に基づいている。相対的に鋭い半径として特徴付けることができるピークにおける半径の記述に使用し得る公式の例は、(D1−2T)/8である。但し、溝流路の幅D1は約1mmより大きくかつ約4cmより小さい。厚さ(T)は、約0.127mm(0.005インチ)より大きくかつD1の1/2より小さい。相対的に鋭い半径は、約(D1−2T)/16より小さい半径を有することが望ましい。

ここで図17および図18を参照すると、円筒型配置402のろ過媒体パックの一部分が参照番号400で示されている。このろ過媒体パックは、第1面404および第2面406を含む。円筒型配置402に対して、第1面404を円筒型配置の内側表面と見做すことができ、第2面406を円筒型配置の外側表面と見做すことができる。第1面404は、相対的に大きい開口405を有するように構成でき、第2面406は、相対的に小さい開口407を有するように構成できる。ろ過媒体パック402に空気が流される場合、第2面406におけるひだの間に、増大した間隔が提供される。そのため、図17および図18に示す配置の場合、汚染空気が第2流れ面406からろ過媒体パックに流入し、第1流れ面404を経由してろ過媒体パックから流出すると有利であり得る。

ろ過媒体パックに空気を流すことによって、媒体表面間の増大した分離と(マスキングがない結果として)増大した媒体面積とを汚染空気受け入れ用として構成でき、かつ、相対的に大きい容積を下流側または清浄側の容積として構成することが可能になるので、流体が僅かな制限しか受けずにろ過媒体パックから流出できる。円筒型配置402の結果として、(媒体の非対称容積として計算される)相対的に大きい容積を、内側表面に開かれた側に設けることができ、相対的に小さい容積を、外側表面に開かれた側に設けることができる。

ろ過媒体
ろ過媒体は、セルロース繊維、合成繊維、ガラス繊維またはこれらの組み合わせを含有する不織繊維材料を含む、相対的に可撓性のある媒体であって、多くの場合その中に樹脂を含み、時には付加的な材料で処理された媒体として構成できる。1つの例としてのろ過媒体は、セルロース系のろ過媒体であって、湿潤でかつ暖かければ開裂することなく約12%までのひずみを許容し得るが、乾状態でかつ低温であればより低いひずみ率(いくつかの媒体の場合は3%程度の低ひずみ率)で破断すると見られるろ過媒体として特徴付けることができる。ろ過媒体は、許容し得ない媒体損傷を受けることなく、種々の溝流路形状またはパターンに溝流路付け加工でき、かつ、ひだ付きろ過媒体を形成するようにひだ折り加工できる。さらに、ろ過媒体は、使用中に、その溝流路付き形体を維持するような性質のものであることが望ましい。上記の約12%より大きいひずみを許容し得るいくつかのろ過媒体も入手可能であり、そのような媒体を本発明に従って利用できるが、このタイプの媒体は、相対的に多量の合成繊維を組み込む必要があるので、通常、遥かに高価である。

溝流路付け過程において媒体に非弾性的変形が惹起され、これによって、媒体がその当初形状に戻ることが防止される。しかし、成型変位が解除されると、溝流路は、時に部分的にスプリングバックして、生じた伸張および曲げの一部分のみを回復する場合がある。また、媒体は樹脂を含有することができる。溝流路付け過程の間、媒体を加熱して樹脂を軟化させることができ、樹脂が冷却されると、溝流路付けされた形状の維持に役立つ。

例えば、米国特許第6,955,775号明細書、同第6,673,136号明細書および同第7,270,693号明細書に従って、ろ過媒体の片面または両面に微細な繊維材料を装着することが可能である。これらの明細書の内容は、参照によって、その全体が本願に組み込まれる。一般的に、微細な繊維は高分子微細繊維(マイクロファイバおよびナノファイバ)と呼称でき、ろ過性能を改善するために媒体上に装着できる。媒体上に微細繊維を存在させることによって、所定のろ過特性を実現しながら重量または厚さが低減された媒体の提供が可能になる。従って、媒体上に微細繊維を装着することによって、ろ過性能の向上、より薄い媒体の使用、あるいはその両者が可能になる。微細繊維として特徴付けられる繊維は、約0.001ミクロン〜約10ミクロンの直径、約0.005ミクロン〜約5ミクロンの直径、あるいは約0.01ミクロン〜約0.5ミクロンの直径を有することができる。微細繊維を形成するのに使用し得る代表的な材料として、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコールポリマー、ポリウレタン、および、ナイロン6、ナイロン4、6、ナイロン6、6、ナイロン6、10のような種々のナイロンを含むコポリマー、並びにそれらのコポリマー、ポリ塩化ビニル、PVDC、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、PMMA、PVDF、ポリアミド、およびこれらの混合物が含まれる。

ひだ付きろ過媒体の性能強化はいくつかの技法に拠ることができる。この技法は、パネル型フィルタ配置で用いられるひだ付きろ過媒体と、円筒型または円錐型フィルタ配置で用いられるひだ付きろ過媒体とに対して適用可能である。ひだ付きろ過媒体がパネル型フィルタ配置と円筒型または円錐型フィルタ配置とのいずれに使用するように意図されているかに応じて、異なる選好が選択され得る。本開示の観点から見て、パネル型フィルタ配置用として特定の選好がより望ましい場合と、円筒型フィルタ配置用として特定の選好がより望ましい場合とが理解されるであろう。

従って、選好の特定は、パネル型フィルタ配置および円筒型フィルタ配置の両者に対する選好を反映するようには意図されていないことが理解されるべきである。さらに、選好は、円筒型フィルタ配置が、前方流れ配置(汚染空気が円筒の外側表面からろ過媒体パックに流入する場合)または逆方向流れろ過媒体パック(汚染空気がろ過媒体パックの内側表面からろ過媒体パックに流入する場合)のどちらに特徴付け得る配置として意図されているかによって変化し得ることが理解されるべきである。

フィルタエレメント
以下に述べるフィルタエレメントは、本発明に従って構成される例として提示されるものであり、本発明の教示に従って作製されるエレメント設計をすべて包含するようには意図されていない。むしろ、当業者は、多様な代替的エレメントが、本開示の範囲内および特許請求の範囲内において構成され得ることを理解するであろう。図19に、パネル型フィルタ300が表現されている。このパネル型フィルタ300は、ひだの折り目302を含む形体にひだ折り加工された媒体301を含む。また、図示のパネル300はフレーム構造310を含み、このフレーム構造310はその上にシール装置312を有する。シール装置312は、一般的に、パネル型フィルタ300が配置されるハウジングまたは他の構造物とのシールを形成するように構成される。パネル型フィルタ300は、さらに、パネル型フィルタ配置300の片面を横切る支持グリッド314を含む。

図19に示すパネル型フィルタからパネル型フィルタの種々の変形態が生じるが、一般的にその特徴は類似している。その特徴としては、平行な複数のひだ、パネル型フィルタ内部に固定されたシール装置、および、1つの平面内の1組のひだの折り目316と別の平面内の第2組のひだの折り目318とを含む長方形の形体、が含まれる。(ひだの端部または反対側の端部320は、必要であれば、シーラントによって、あるいは、型材もしくはフレーム内に納めることによって閉止できる。)図19には表現されていないが、多くの場合、ひだ付き媒体における溝流路が、ひだの折り目316および318にほぼ垂直に(他の非垂直方向も想定されるが)延びるであろう。従って、溝流路は、ひだの折り目316からひだの折り目318の方向に延びることができる。

他の配置においては、ひだ付き媒体が、開かれた中心領域の回りに構成または配置される。このようなフィルタ配置の例が図20および図21に表現されている。図20にはフィルタ配置330が表現されている。フィルタ配置330は、第1および第2端部キャップ332および334を含み、ひだ付き媒体336がその間に延びている。ひだ付き媒体336のひだは、通常、端部キャップ332および334の間の方向に延びている。図20の特定のフィルタ配置330は外側ライナー340を有しており、図では、その1箇所が、ひだを見るために取り除かれている。(通常、ひだはライナー340を通してみることができるが、便宜上、配置330はそのようには表現されていない。)図示の外側ライナー340は展伸金網を含むが、プラスチックのそれを含む種々多様な外側ライナーを使用できる。いくつかの例においては、外側ライナーは全く使用されない。配置330の側面図である図21にも注目すると、端部キャップ332および334が示されており、また、ひだの折り目336が、外側ライナー340と同様に示されている。図20の特定配置330の場合は、ひだの方向に垂直な方向は、一般的にフィルタ配置330の円周であり、それが両側矢印342で指示されている。

図示の特定のフィルタ配置330は一般的に円筒型であるが、他の方式も可能である。通常、エレメント330のようなエレメントは、この例では端部キャップ332に相当する開かれた端部キャップと、同じくこの例では端部キャップ334に相当する閉じられた端部キャップとを有するが、他の方式も可能である。端部キャップに言及する場合に用いる「開かれた」という用語は、開かれた中心開口344を有する端部キャップであって、フィルタ配置330の内部空間346と外部との間において、空気が媒体336を通り抜けることなく流れることを可能にするような端部キャップを指すことを意味する。閉じられた端部キャップは、対照的に、開口を有しない端部キャップである。溝流路は、図示されていないが、通常、ひだ付き媒体336の外側のひだの折り目から、内側容積346に向かってエレメントの内部に垂直(またはほぼ垂直)の方向に配置されるであろう。しかし、溝流路は、外側のひだの折り目に垂直に延びる必要は必ずしもないことが理解されるであろう。

端部キャップ332および334用として種々の装置が開発されてきた。端部キャップは、媒体に対して成型加工された高分子材料を含むことができる。代替的に、端部キャップは、適切な接着剤またはポッティング剤で媒体に固定された金属の端部キャップまたは他の予備成型された端部キャップを含むものでもよい。図示の特定の端部キャップ332および334は成型端部キャップであり、それぞれ圧縮可能な発泡ポリウレタンを含む。端部キャップ332は、使用中エレメント330をハウジング内にシールするためのハウジングシール350と共に示されている。図示のシール350は内側のラジアルシールであるが、外側のラジアルシールおよび軸方向シールも可能である。

エレメントは、端部キャップ332および334の間に、図20に示すように媒体330の内側に沿って延びる内側のライナー352を含むことができるが、いくつかの配置においては、このようなライナーはオプションである。内側ライナーは、使用する場合は、展伸金網または多孔金属板のような金属、あるいはプラスチックにすることができる。

外側および内側のひだの折り目によって規定される外側の円筒表面および内側の円筒表面間の距離は、一般的にひだの深さとして言及される。(類似の距離は図19のパネル型フィルタあるいは図22の円錐型フィルタにおけるひだの深さである。)

図20および図21に表現される配置を、本明細書では、時に、「円筒型に構成された」媒体を用いる「円筒型配置」として、あるいは同様の特徴付けによって言及する。筒形の媒体を利用するすべてのフィルタ配置が円筒に構成されるわけではない。この一例が図22に示されている。図22を参照すると、フィルタ配置400は、ひだ折り加工された媒体402の広がり部分を含み、ひだの方向は矢印404の方向に延びている。フィルタ配置400は、若干円錐状になっており広幅の端部406と狭い端部408とを有する。広幅の端部406に端部キャップ407が配置され、狭い端部408に端部キャップ409が配置される。円筒型配置の場合と同様に、種々の開かれた端部キャップおよび閉じられた端部キャップを用いることができる。図示の特定の例においては、端部キャップ407が開かれたキャップ、端部キャップ409が閉じられたキャップである。

フィルタ配置400は、端部キャップ407および409の間に延びる外側の支持スクリーン410を含む。特定の配置400は内側の支持スクリーンを含んでいないが、それを使用することも可能である。フィルタエレメント400は、図示の例では軸方向シールであるシール装置412を含むが、内側または外側のラジアルシールも可能である。エレメント400は、ハウジングに装着するための非連続ネジ方式の装着装置414を含む。配置400は、その全体が、2003年10月23日に出願された国際出願PCT/US2003/33952号明細書に詳細に記述されており、その内容は、参照によって本願に組み込まれる。

ここで図23および図24を参照すると、フィルタ配置が参照番号500として示されている。フィルタ配置500は、1つのタイプの円錐型フィルタエレメントおよび/または1つのタイプのパネル型フィルタエレメントと見做すことができる。フィルタ配置500は、第1面502および第2面504を有するように示されており、ひだ付き媒体506は第1面502および第2面504の間に広がっている。本明細書の記述に従って構成される溝流路は、通常、第1および第2面502、504の間の方向に配置される。第1面502はスクリーン503を含み、第2面504はスクリーン505を含む。フィルタエレメント500は、第1側部510と第2側部512と第1端部514と第2端部516とを含む。第1側部510および第2側部512は、ひだ付き媒体506の側部のシールに役立つポッティング材料520と、エレメント500がエアクリーナ内に配置された場合に、流体が媒体506を迂回するのを防止するシール522とを含む。第1端部514および第2端部516はひだ付き媒体の面の端部をシールする。また、この両端部は、エレメント500をエアクリーナ内部に配列するのに役立つガイドピン530を含む。

図示のフィルタエレメント500は、半径R1が半径R2と異なるので円錐型と見做すことができる。一般的に、半径R1は第1側部510における半径を指し、半径R2は第2側部512における半径を指す。フィルタエレメント500は円錐型の構造を有するように示されているが、半径R1およびR2が同じであることも可能であり、その場合は、フィルタエレメントは、部分的な円筒型配置に、あるいは代替的に、湾曲したパネル型配置にきわめて似ている。

フィルタエレメントは、種々のハウジング構成において利用可能であり、また所要に応じて、周期的に交換または清浄化または刷新できる。空気ろ過の場合は、ハウジングは、エンジンの吸気、タービンの吸気、ダスト捕集、および、暖房および空調を含む種々の空気清浄化または処理の用途のためのエアクリーナの一部として設けることができる。液体ろ過の場合には、ハウジングを、例えば、水、オイル、燃料および液圧流体のための清浄化または処理用の液体クリーナの一部とすることができる。

以下の実施例は、本開示の説明に役立つように提示されるものであり、本開示に関する制限と見做されるべきではない。

ひだ付き媒体を有するフィルタエレメントを、フィルタ性能モデル化ソフトウェアを用いて比較した。表現された実施例についてフィルタエレメントを構成して試験したわけではない。その代わりに、フィルタエレメントおよびフィルタエレメント構成要素の寸法、フィルタエレメントおよびフィルタエレメント構成要素の性質および特性、使用条件、並びに、被ろ過空気の特性のような変数を、フィルタ性能をモデル化するコンピュータプログラムに入力した。フィルタ性能モデル化ソフトウェアは、相対的なフィルタエレメントの設計性能に関する指針を提供するように想定されているが、実際のフィルタ性能は変化するであろうことが予想される。

各実施例について、コンピュータプログラムへの入力に用いた変数を確認特定した。エンジン吸気用の粒子状物質除去空気フィルタの場合、多くのパラメータの内の2つを、潜在性能を評価する際の代表的なものとして考慮した。この2つは、初期圧力低下および装置の寿命である。装置の寿命は、フィルタエレメントが、所定の限界圧力低下までにダストを貯留し得る容量(例えば、25インチ水柱高さの最終圧力低下までのグラム容量)である。本明細書に記載する実施例における汚染物質としてダストを用いているが、本発明の教示に従って作製されるフィルタエレメントは、通常、ダスト以外の多くの汚染物質を除去すること、従って、ダストは、例示および比較目的のための事例的汚染物質としてのみ用いられていることが理解されるであろう。

実施例は、1つのフィルタエレメント設計の性能を別のフィルタエレメント設計と比較するが、その場合、それらのフィルタエレメント設計がモデル化されており、フィルタエレメントにおける設計パラメータを一定に保持して、その後、1つの設計パラメータを一度に変化させた。

以下の実施例については、モデル化されたひだ付きパネル型フィルタエレメントの寸法は幅10インチ×幅10インチ×深さ1.5インチであった。媒体は、Minnesota州Bloomingtonに本社を置くDonaldson Company,Inc.の多くのひだ付き媒体エンジンエアフィルタ製品に見られる代表的製品のセルロース媒体として一定に保持した。媒体は0.0132インチの厚さ(T)を有すると特徴付けられる。さらに、モデル化されたフィルタエレメントに対する空気の容積流量を一定に保持し、モデル化されたフィルタエレメントに供給するダストのタイプをISO微粒(ISO Fine)とした。異なる実施例においては、いくつかのパラメータを一定に保持し、他のパラメータを以下に示すように変化させた。

媒体パックの性能は、選択された試験条件と、選択された媒体および配置とに応じて変化することが理解されるべきである

実施例1
この実施例は、特定の溝流路形状について、溝流路の充填密度がフィルタの初期圧力低下およびフィルタ寿命に及ぼす影響を評価するようにモデル化された。溝流路は、図25に示すように、ろ過媒体の連続する180°の連結円弧から形成される。この例の場合、
Tは、媒体の厚さ(0.0132インチと選択された)であり、
Jは、溝流路の高さであり、
D1は、溝流路の幅であり、
D2は、溝流路の幅に対応する媒体の長さであり、
Cは、溝流路の深さ(JからTを差し引いたもの)であり、
Rは、溝流路の形状評価の基準になる溝流路の内半径(この半径は隣接ピークについても同じである)である。

再記すると、PCMaxは、溝流路を変形することなくパネルを製造し得るひだの最大計数濃度である。一般的に、PCMaxは、溝流路の変形の結果として性能に影響が及ぶ前に、所与の容積内に配置し得るひだの最大個数のことを言う。これは、モデル化されたパネル型形体においては、隣接する媒体面上の溝流路のピークがほぼその全長に沿って接触するであろうことを意味している。パネル型フィルタについては、PCMaxひだ濃度は1/(2J)に等しい。これは、フィルタに対する空気の容積流量が固定された場合、Jが変化すると、ひだの計数が変化して、媒体面積および媒体面速度(ろ過媒体を通り抜ける空気流れの平均速度)が変化するであろうことを意味している。

この実施例は、PCMaxと、毎分489.7立方フィート(cfm)のフィルタエレメント容積流量とにおいてモデル化されたもので、上流側(汚染側)の媒体パック容積が下流側(清浄側)の媒体パック容積に等しいものであった。溝流路は、180°円弧−円弧の溝流路として特徴付け得る形状を有すると仮定されているが、これは、媒体が1つのピークから曲線を描いていくと、媒体は隣接するもう1つのピークまで続けて曲線を描き、その曲線間に直線部分はないことを意味している。半径(R)は、この円弧−円弧の溝流路形状を維持する最大半径と言うことができる。結果を表1に報告し、かつ、図25において黒丸(●)としてグラフに表現している。さらに、溝流路形状の小規模表現を、対応する黒丸に沿って図25に示している。

表1および図25から明らかなように、半径が減少すると、Jが減少し、D1も減少し、PCMaxは増大する。モデル化された媒体および条件においては、初期圧力低下が低い場合の最良のフィルタ寿命の1つは、J値が0.064インチで、Rが0.019インチである場合にもたらされる。従って、R値が低いことは、一般的に好ましい初期圧力低下とフィルタ寿命とに相当する。

実施例2
この実施例は、溝流路の高さ(J)および溝流路の幅(D1)を固定して半径(R)を変化させた場合の影響を示すために導入されたものである。

この実施例においては、Jは0.083インチに一定に保持され、D1は0.14インチに一定に保持されたので、PCMaxも一定であった。汚染側容積は清浄側容積に等しかった(すなわち、媒体容積の非対称なし)。第1の溝流路形状は、実施例1において提示した設計の1つに基づいて選択した。半径が変化するにつれて、溝流路の設計は、実施例1に示した円弧−円弧形状から離れて、媒体の平坦な領域によって分離される2つの円弧によって特徴付けられる円弧−平坦部−円弧形状であって連続的に鋭くなるピークを有する形状に移っていく。溝流路の隣接ピークにおける半径は同じであるとしてモデル化した。この実施例の結果を表2に報告し、かつ、図26において黒ダイヤ(◆)としてグラフに表現している。さらに、溝流路形状の小規模表現を、対応する黒ダイヤに沿って図26に示している。

半径(R)が減少するにつれて、初期圧力低下が低減し、寿命が増大する。一般的に、半径が小さい方が望ましい。この実施例は、鋭い溝流路のピークと、低減された媒体マスキングとの値を示している。

実施例3
この実施例は、溝流路の幅(D1)を変化させた場合の影響を示すために提示される。溝流路の形状は、0.083インチの高さ(J)、0.010インチの半径(R)および0.14インチの溝流路の幅(D1)を有する表2の溝流路形状から始まる。溝流路の高さおよび半径は一定に保持されているが、溝流路の幅を変化させた。この実施例の結果を表3に報告し、かつ、図27において黒三角(▲)としてグラフに表現している。さらに、溝流路形状の簡単化した断面を図27に示している。

一般的に、この実施例においては、溝流路の幅(D1)が増大するにつれて、初期圧力低下が低減し、寿命が短縮し、比D2/D1が減少する。溝流路の高さおよび半径に対して溝流路の幅(D1)を増大することは、低い初期圧力低下をもたらすには役立つが、この実施例においては、フィルタ寿命は低下することが示された。

実施例4
この実施例は媒体容積の非対称の影響を示す。溝流路の形状を、円弧−平坦部−円弧の溝流路形状から図5aに示すものに類似の溝流路形状に変化させた。全体的に、溝流路の高さ(J)と溝流路の幅(D1)とピークの半径(R)とを一定に保持した。すなわち、Jは0.083インチに、D1は0.14インチに、Rは0.01インチに、それぞれ一定に保持した。媒体パックは、6.04 1/インチのPCMaxに維持した。さらに、Lの値を0.03インチに一定に保持した。図5aに見られるように、円弧および平坦部によって数学的に定義される本発明の1つの実施態様による形状の場合、Lは、D1によって規定される線に平行な溝流路の長さ距離であって、ピーク103における媒体の外側表面から隆起部(リッジ)108の接線までの距離である。値Hは、Lの測定に用いる位置点の間の高さの差異を言う。この実施例においてはHを変化させた。

結果を表4に示し、かつ、図28においてプラス符号(+)としてグラフに表現している。さらに溝流路の形状も示している。媒体容積の非対称が変化するにつれて、フィルタ寿命も変化するが、モデル化された最良のフィルタ寿命は、157%から174%の媒体容積の非対称を有する媒体において生じている。媒体の形体が異なれば結果も異なるであろうこと、しかしまた、媒体容積の非対称がフィルタ寿命改善のための重要な機構であり得ることが理解されるであろう。

実施例5
この実施例は実施例2の繰り返しである。但しこの実施例の場合、異なる点から始まっている。再記すると、この実施例は、溝流路の高さ(J)および溝流路の幅(D1)を固定して半径(R)を変化させた場合の影響を示すものである。この実施例の場合、溝流路の高さ(J)は0.064インチであり、溝流路の周期長さ(D1)は0.10インチであり、PCMaxは7.80 1/インチである。

この実施例の結果を表5に示し、かつ、図28において黒四角(■)としてグラフに表現している。比較のため、実施例2の結果を中空四角(□)としてプロットした。この実施例は、半径が減少するとフィルタ寿命が増大することを示している。この実施例も、鋭い溝流路のピークと低減された媒体マスキングとの価値を示している。

実施例6
この実施例は実施例3に準拠して行われたが、この実施例では、溝流路の高さ(J)は0.064インチであり、Rは0.01インチであり、PCMaxは7.80 1/インチである。この実施例も、同様に、溝流路の幅(D1)を変化させた場合の影響を示すものとして提示される。

この実施例の結果を表6に示し、かつまた、図28において黒三角(▲)としてグラフに表現している。比較のため、実施例3の結果を8方向「星印」としてプロットした。この実施例も、溝流路の幅が増大すると、フィルタ寿命および初期圧力低下が低減することを示している。

実施例7
この実施例は実施例4に準拠して行われたが、この実施例では、溝流路の高さ(J)は0.064089インチであり、溝流路の幅(D1)は0.1018インチであり、PCMaxは7.801651 1/インチであり、Rは0.01インチであり、Lは0.023インチである。Hは変化可能にした。この場合も、溝流路の形状を、円弧−平坦部−円弧の溝流路形状から図5aに示すものに類似の溝流路形状に変化させた。

この実施例の結果を表7に示し、かつ、図28において黒ダイヤ(◆)としてグラフに表現している。比較のため、実施例4の結果を「プラス符号」としてプロットした。この実施例も、媒体容積の非対称がフィルタ寿命改善のための重要な機構であり得ることを示している。

ここで図29を参照すると、媒体の2つの事例的形体に関する試験からのダスト負荷性能が表現されており、ダスト負荷(ISO微粒ダストのグラム数)がエレメントを横切る圧力差に対してプロットされている。エレメント1は我々の現在の最良の従来型波形媒体から構成されたものであり、一方、エレメント2は、本発明による溝流路付き媒体を用いて構成されている。図29から明らかなように、本発明に従って構成される媒体は、ダスト負荷における大幅な改善を示している。

以上の規定内容は本発明の完全な記述を提供する。本発明の多くの実施形態が本発明の本質および範囲から逸脱することなく構成され得るので、本発明は、添付の特許請求の範囲に表現される。

Claims (8)

  1. (a)第1面を形成する第1組のひだの折り目および第2面を形成する第2組のひだの折り目を有するろ過媒体であり、前記第1組のひだの折り目および前記第2組のひだの折り目の間に往復配置されて広がるろ過媒体、
    を含むひだ付きろ過媒体であって、
    (b)前記第1組のひだの折り目および前記第2組のひだの折り目の間に広がる前記ろ過媒体の少なくとも一部分が、第1の溝流路のピークおよび第2の溝流路のピークを形成する溝流路を含み、この溝流路は、前記第1組のひだの折り目から前記第2組のひだの折り目に向かう方向に延びており、
    (c)前記第1の溝流路のピークまたは前記第2の溝流路のピークの少なくともいずれかが、その溝流路のピークに相対的に鋭いピークである明確な先端部を有し、かつ、
    (d)前記ひだ付きろ過媒体における溝流路の少なくとも25%が、溝流路の隣接ピークの間の少なくとも1つの隆起部(リッジ)であって、前記第1組のひだの折り目および前記第2組のひだの折り目の間の前記溝流路の長さの少なくとも25%に沿って延びる少なくとも1つの隆起部(リッジ)を含み、
    前記ろ過媒体が、前記溝流路が少なくとも10%の媒体断面積の非対称を有するような少なくとも1つの断面を有する、ひだ付きろ過媒体。
  2. 前記第1組のひだの折り目から前記第2組のひだの折り目に延びる前記溝流路の少なくとも一部分が、少なくとも1.05のD2/D1値を含み、但し、D1は前記溝流路の幅であり、D2は前記溝流路の幅に対応する媒体の長さである、請求項1に記載のひだ付きろ過媒体。
  3. 前記ろ過媒体が、この媒体の一方の側の容積がこの媒体のもう一方の側の容積よりも少なくとも100%だけ大きくなるような媒体の非対称容積配置を呈する、請求項1に記載のひだ付きろ過媒体。
  4. 前記ひだ付きろ過媒体における溝流路の少なくとも50%が、溝流路の隣接ピークの間の少なくとも1つの隆起部(リッジ)であって、前記第1組のひだの折り目および前記第2組のひだの折り目の間の前記溝流路の長さの少なくとも50%に沿って延びる少なくとも1つの隆起部(リッジ)を含む、請求項1に記載のひだ付きろ過媒体。
  5. 前記溝流路が、前記第1面または前記第2面のいずれかに対して約60°〜約150°の角度で延びる、請求項1に記載のひだ付きろ過媒体。
  6. 前記溝流路が、前記第1面または前記第2面のいずれかに対して約85°〜約95°の角度で延びる、請求項1に記載のひだ付きろ過媒体。
  7. 前記溝流路は、幅対高さのアスペクト比が2〜10の範囲内である、請求項1に記載のひだ付きろ過媒体。
  8. 前記ひだ付きろ過媒体における溝流路の少なくとも25%が、溝流路の隣接ピークの間の少なくとも2つの隆起部(リッジ)であって、前記第1組のひだの折り目および前記第2組のひだの折り目の間の前記溝流路の長さの少なくとも25%に沿って延びる少なくとも2つの隆起部(リッジ)を含む、請求項1に記載のひだ付きろ過媒体。
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