JP6092881B2 - 濾過ユニット - Google Patents

Description

本発明は、一般に、流体の濾過に関し、特に内燃機関によって取り込まれる空気の濾過を含む自動車両の流体の濾過に関する。

周知のように、内燃機関によって取り込まれる空気（または一般に気体）には、通例、典型的には様々なタイプの粉末である懸濁状態の固体粒子がエンジン燃焼チャンバに到達しないように、空気から固体粒子を除いて浄化することが企図される濾過過程が施される。この濾過の段階は、典型的には、内燃機関の吸気管路に沿って、吸気マニホールドと、存在する場合にはターボチャージャーとの上流に位置付けられた特別な濾過ユニットによって実行される。

濾過ユニットは、概略的には、通常、濾過ボックスと呼ばれ、かつ、濾過される空気用の入口および濾過された空気の出口が設けられた外側ケーシングと、濾過ボックス内に収納されて、入口から出口に向けて流れる空気を濾過するための濾過カートリッジとを備える。濾過カートリッジは、たとえばセルロースまたはポリマー材料に基づく少なくとも１つの濾過材料要素と、この濾過材料要素のための少なくとも１つの支持板とを備える。支持板は、濾過材料要素が、入口と連通する第１のチャンバ及び出口と連通する第２のチャンバを備えた２つの別個のチャンバに濾過ボックスの内容積を分割するように、濾過ボックスに連結される。このようにして、濾過ボックスの入口から出口に向けて流れる空気は、濾過材料要素を横断するように仕向けられ、濾過材料要素は、懸濁状態の固体粒子を引き留める。固体粒子が濾過材料要素を次第に塞いでいくものと仮定すると、濾過材料要素が過度に目詰まりしたときに濾過カートリッジを取り替えるために、通例、濾過カートリッジを濾過ボックスから取り外すことが可能になっている。

このタイプの濾過ユニットに関する主な必要性の１つは、経時的に高い濾過能力を維持し、すなわち、高有用寿命を保証することができ、ひいてはその取り替えのための介入回数を減らす濾過カートリッジを提供することである。

濾過ユニットの入口と連通する第１のチャンバ内に配設された、最も粗い固体粒子を分離するための遠心分離システムが組み合わされた濾過膜を有する濾過ユニットが、この必要性を満たすことを企図して提案されてきた。

特許文献１は、たとえば、その外側ケーシングが内部環境を画定する空気フィルタを開示しており、その中には、このような環境を、濾過される空気用の入口に連通する第１のチャンバと、濾過された空気の出口に連結する第２のチャンバとに分割するように位置決めされた、略トロイダル状の濾過膜が挿入されている。ケーシングの上側壁には、デフレクタのフィンが設けられた穴が形成されており、このような穴が、空気の入口を画定している。フィンは、特に、ケーシング内における空気に螺旋運動を付与する。

さらに、ケーシングの内壁は、ケーシングの第１のチャンバ内の空気に付与されたウィンドミル運動を強めるために、ケーシングの長手方向の延伸の全体にわたって延在する１つまたは複数のプロペラを有している。

フィンによって、および、プロペラによって付与されたウィンドミル運動は、第１のチャンバ内に入った空気から固体不純物の最も重い画分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）が、濾過膜を横断する前に事前に分離されることを可能にし、このような粒子が、あまりに早く濾過膜を目詰まりさせてしまうことを防止する。次いで、ケーシングの底部の近傍に、空気に付与された遠心作用に起因して濾過膜の上流のチャンバ内で分離された固体不純物を吐出するための、ファンを有する穴が設けられている。

この技術的解決手段は、濾過カートリッジの寿命を延ばすものの、高空気流量で使用された場合、プロペラに堆積する大量の固体不純物を収納するために、濾過膜の寸法（外径、内径、高さ）、ならびに第１のチャンバの寸法およびプロペラの高さの大幅な増大を必要とし、すなわち、このことが全て、濾過ユニットの大きな全体寸法と、濾過が施される空気内に存在する不純物の固体画分を事前に分離する効率の低下とを招いてしまうという事実に存する欠点を露呈する。

さらに、周知のタイプの遠心プレ濾過作用を用いる濾過ユニットに関するさらなる欠点は、ケーシングの形状および寸法が、所望の遠心効果の制約を受け、したがって、外側ケーシングが常に、実質的に円筒形状となり、大きな空気流量を濾過する必要性が万一生じた場合、外側ケーシングが、かなりの全体寸法を有することになってしまうという事実に存する。

したがって、このことは、濾過ユニットのケーシングが、車両のエンジン・コンパートメント内の全体寸法に関する必要性に起因して複雑な構成を有さなければならないか、または、サイズの小さいことが必要とされる自動車産業の用途において、このようなタイプの濾過ユニットが、ほとんど使用されないということを示唆する。

米国特許第４３０３４２３号明細書

本発明の目的は、簡潔で合理的かつ安価な手段によって、先行技術の上述の欠点を克服することである。
これらの目的は、独立請求項に記載された本発明の特徴によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい、および／または、特に有利な実施態様の概略を述べている。

具体的には、本発明は、少なくとも１つの濾過膜を備えるとともに、入口から出口に向かって流れる流体を濾過するように前記入口及び前記出口が設けられた外側ケーシング内に収容され、前記濾過膜が少なくとも部分的に巻かれるように固定された少なくとも１つの筒状体を備え、該筒状体が、該筒状体の内壁から螺旋状に延びる少なくとも１つのフィンを備えた濾過カートリッジを提供する。

この手段により、濾過カートリッジの濾過能力は、濾過カートリッジが挿入される濾過ユニットのケーシングの寸法および形状から独立したものになる。

さらに、本発明の一態様は、前記筒状体の内径と前記濾過膜の外径との間の差に略等しい高さがフィンに設けられることを提供する。
したがって、フィンの高さは、濾過カートリッジを横断する空気流量の関数として、固体微粒子の収集を最適化するように寸法決めされ得る。

本発明の一態様は、前記筒状体の長手軸線に沿って可変のピッチがフィンに設けられることを提供する。
この手段は、空気が濾過膜を横断する前に、空気の経路および速度を最適化することを可能にし、それによって、濾過が施されるべき空気から粗い固体部分を分離することを促進する。

本発明のさらに別の態様は、閉鎖端および開放対向端が前記濾過膜に設けられることを提供する。
有利には、前記筒状体が、前記濾過膜内の環境を外部環境から隔てるように、前記濾過膜の前記開放端に固定される少なくとも１つの環状当接部を備える。
この手段は、粗い固体微粒子を効率よく遠心分離すること、および、濾過膜を経由して効率よく濾過することを保証する、空気用の強制通路を設けることを可能にする。

本発明のさらなる態様は、前記筒状要素が、その側壁に少なくとも１つの吐出間隙を備えることを提供する。
この手段は、筒状体のフィンからの遠心作用に起因して、筒状体の外側に、分離された固体微粒子を吐出することを可能にする。

さらに、本発明の一態様は、濾過カートリッジが、複数の濾過膜と、複数の筒状体と、を備え、前記濾過膜および前記筒状体のそれぞれが、前記支持要素に形成されたそれぞれの穴の位置において前記支持要素に関連付けられることを提供する。

この手段により、流れる空気が平行に横断するように配設されたいくつかの濾過膜を備えた濾過カートリッジは、同じ濾過材料を使用するものと考えると、空気が通過可能な濾過面を、ひいては懸濁状態の固体粒子が堆積し得る濾過面を大幅に増大させ、それ故に、濾過カートリッジ種の寿命がさらに延びることとなる。

さらに、濾過カートリッジの全体寸法は、その反対に、濾過が施される多くの空気流の使用に関係なく、制限されてもよい。

本発明のさらなる態様は、少なくとも１つの入口および出口が設けられた外側ケーシングと、前記入口（１１）から前記出口（１２）に向けて流れる流体を濾過するように、前記ケーシング内に収容される上記の濾過カートリッジとを備えた濾過ユニットを提供する。
濾過膜は、入口に連通する第１の容積と、出口に連通する第２の容積とにケーシングの内容積を分割する。

本発明のさらなる特徴および利点は、非限定的な例として提示される以下の説明を添付の図面に例示された図を参照して読むことにより明らかになるであろう。

本発明の実施形態による濾過ユニットに関する図６の断面Ｉ−Ｉの図である。 本発明の実施形態による濾過カートリッジの軸測投影図である。 図２のＩＩＩからの側面図である。 図３の断面ＩＶ−ＩＶの図である。 図４の濾過膜のない状態を示す図である。 図１の濾過ユニットの側面図である。

図１は、空気流から、可能性として懸濁状態で存在する固体粒子を除いて浄化する濾過ユニット１を示している。より具体的には、濾過ユニット１は、エンジンの燃焼チャンバ内に供給される燃焼持続用の空気を濾過するように、内燃機関の吸気管路に沿って位置決めされることが意図されている。

濾過ユニット１は、プラスチック材料で全体的に形成されて提供され得る、慣例的には濾過ボックスと呼ばれる外側ケーシング１０を備えている。外側ケーシング１０は、内容積の境界を定めており、外側ケーシング１０には、濾過される空気用の入口１１と、濾過された空気用の出口１２とが設けられ、その両方が、上述の内容積と連通している。出口１２が、通常、吸気マニホールドを経由してエンジン燃焼チャンバと連通した状態を維持する一方、入口１１は、外部環境と連通した状態を維持することが意図されている。

外側ケーシング１０は、全体的に多面体形状であり、この場合、長手軸線Ａに沿って延伸する多面体である。
この場合、外側ケーシング１０は、底部１３０（図１では右側）に、長手軸線Ａに対して略平行な中心軸線を有するとともに、入口１１を形成する管路１３１が設けられた略飲用グラス形状の第１の本体１３を備えている。

第１の本体１３の上部は、第１の本体の側壁と略直交する面を形成する折り曲げられた端部１３２を備えている。
さらに、外側ケーシング１０は、同様に、底部１４０（図１では左側）に、長手軸線Ａに対して略平行な中心軸線を有するとともに、出口１２を形成する管路１４１が設けられた略飲用グラス形状の第２の本体１４を備えている。

第２の本体１４の上部は、第１の本体の側壁と略直交する面を形成する折り曲げられた端部１４２を備えている。

第２の本体１４の端部１４２は、外側ケーシング１０を実質的に気密封止するために、第１の本体１３の端部１３２に対面している。外側ケーシング１０は、略四辺形（この例では正方形の形状）の横断面を有するが、断面がこれと異なる形状に成形されてもよいことは排除され得ず、組み立ての必要性に応じて異なる形状に成形され得るそれぞれの本体において、管路１３２および１４２の配設にも同じことが当てはまる。

濾過ユニット１は、その全体が２で示されるとともにケーシング１０内に取り付けられる濾過カートリッジを備えている。

図２〜図４に例示されるように、濾過カートリッジ２は、この場合、五点形を形成するように配設された複数の貫通口２１、５が設けられた略平坦な支持フランジ２０を備えている。
濾過カートリッジ２は、略円筒の複数の筒状体３０をさらに備えている。

筒状体３０の各々の第１の端部３１は、各貫通口において、この貫通口に対して同軸で、支持フランジ２０に取り付けられている。平面視で外側ケーシング１０の断面と対をなす形状を有する支持フランジ２０は、たとえば好適な密封ガスケットを介して第１の本体１３の端部１３２と第２の本体１４の端部１４２との間でクランプ把持されることによって、筒状体３０が、第１の本体１３の内部に、すなわち、入口１１に対向して収容されている。

図示された実施形態において、各筒状体３０は、たとえば、糊付けまたは任意の他の等価な手段によって、支持板２０に一体的に固定されているが、筒状体３０が、たとえば、当該技術の当業者に知られているスナップ結合または差込み結合手段によって、支持板２に取り外し可能に取り付けられてもよいことは、排除され得ない。

各筒状体３０の第１の端部３１には、筒状体の直径よりも小さく、かつ、貫通口２１の直径に略等しい内径を有する環状当接部３１０があり、その外側面は、筒状体３０と支持フランジとの間における実質的な密封連結のために、貫通口２１の輪郭を実質的に形成する支持フランジ２０に載置することを意図している。

図示された好ましい実施形態において、各筒状体３０は、第１の端部３１から第２の端部３３まで、筒状体３０の長手方向の伸張の全体にわたって延在する、螺旋伸張（ｈｅｌｉｃａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）を有する少なくとも１つのフィン３２を備え、それは、筒状体３０の内壁から生じている。

しかし、フィン３２が、筒状体３０の長手方向の伸張の限られた部分にわたって、たとえば、第２の端部３３の近位の部分にわたって延在することは排除されない。フィン３２が伸張する部分の長さは、たとえば、濾過ユニット１において問題となる流量、利用可能な空気の通路の断面および所望の性能（フィン３２によって生じる圧力降下、フィンによって空気から除去される固体粒子の堆積等）に応じて、寸法決めされる。
フィン３２は、筒状体の内側径と貫通口２１の直径との間の差に最大でも等しい高さ（その頂部から、筒状体３０の内壁までの距離）を有している。

さらに、フィン３２は、筒状体３０の長手軸線に沿って可変のピッチを有しており、たとえば、フィン３２は、第２の端部３３から第１の端部３１に向かって連続的に減少するピッチを有している。
さらに、筒状体３０には、螺旋のフィン３２が設けられてもよい（例示された例は、図２において観察可能な、９０°だけ互いに角度的に間隔を空けて配置された箇所から開始する４個のフィン３２を有している）ことは、排除され得ない。

さらに、各筒状体３０は、筒状体３０の側壁に設けられるとともに、第１の端部３１において得られる少なくとも１つの吐出間隙３４を備えている。
濾過カートリッジ２は、この例では５つの、筒状の複数の濾過膜４０をさらに備えており、各々が、たとえば、遮蔽板を介して、または、濾過膜４０を押圧することによる閉鎖端４１と、貫通口２１のうちの１つにおいて支持フランジ２に対向する反対側の開放端４２とを有している。

実際には、各濾過膜４０は、筒状体３０内に同軸で固定されることによって、その開放端４２は、環状当接部３１０の内面に接触するように動かされる。
実際には、各濾過膜４０は、筒状体３０内に完全に固定されることによって、フィン３２は、濾過膜の外側側面に接触している。

図示された第１の実施形態において、各濾過膜４０は、たとえば開放端４２を当接部要素３２に糊付けすることによって固定されている。第２の代替的実施形態においては、各濾過膜４０は、開放端４２において、この部門において公知の、環状当接部３１０に形成された対応する結合手段で結合解除される密封結合手段が設けられた環状板を備えている。

図示された好ましい実施形態において、各筒状体３０は、各濾過膜４０の長手方向の伸張に対して実質的により小さい長手方向の伸張を有しているため、濾過膜４０の閉鎖端４１は、筒状体に対して外部に突出している。

しかし、筒状体３０が、それぞれの濾過膜４０の長さよりも長いかもしくは等しい長さを有してもよいこと、および、濾過カートリッジ２の濾過膜４０に加えて筒状体３０が、互いを基準にして異なる長さおよび／または寸法を有してもよいことは、排除されない。

好ましくは、各濾過膜４０は、相互に撚り合わされた繊維で形成された不織布材料から得られ、この不織布材料は、メルト・ブロー処理によって、および、ポリマー・タイプの繊維、たとえば、ポリプロピレンで作製された繊維を使用することによって提供されてもよく、濾過膜４０は、代替的に、セルロース、および／または、ポリマー材料、および／または、繊維ガラスで作製された繊維を用いた不織布で形成された、プリーツ膜のタイプのものであってもよい。

上で概略を述べた説明に照らして、濾過ユニット１０は、以下のように作用する。
ケーシング１０の入口１１から出口１２に向かって流れる空気の全ては、各濾過膜４０と各筒状体３０との間に形成された隙間内に軸方向に入るように仕向けられ、そこでフィン３１に起因して、ウィンドミル状の回転運動を与えられる。

空気中に懸濁された固体粒子は、遠心力に起因して空気から分離されて、フィン３１によって収集され、吐出間隙３４に向けて搬送され、この吐出間隙３４から、たとえば第１の本体１３の下側壁にかかる重力に起因して落下する。

このようにして、最も粗い固体粒子が事前に分離された空気は、濾過膜４０を通過するように仕向けられ（外部から内部に向けて濾過膜４０を横断し）、これにより、所望の程度までの空気の濾過が完了し、この空気は、貫通口２１を経由して第１の本体１３から第２の本体１４を通り、最後に出口１２を経由して、外側ケーシング１０から退出する。

このように想起された本発明に対し、本発明の概念の内に全てが収まる多数の改良および変形を施すことが可能である。
さらに、全ての詳細は、他の技術的に等価な要素で置き換えることが可能である。
実際には、使用された材料に加え、揺れおよびそれに付随する寸法は、以下の特許請求の範囲の保護の範囲から逸脱することなく、必要性に応じて変更されてもよい。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの入口（１１）および１つの出口（１２）が設けられた外側ケーシング（１０）と、
   少なくとも１つの濾過膜（４０）を備えるとともに、前記入口（１１）から前記出口（１２）に向かって流れる流体を濾過するように前記外側ケーシング（１０）内に収容された濾過カートリッジ（２）と、を備え、
   前記濾過カートリッジ（２）が、前記濾過膜（４０）が少なくとも部分的に巻かれるように固定された少なくとも１つの筒状体（３０）を備え、
   該筒状体（３０）が、該筒状体（３０）の内壁から螺旋状に延びる少なくとも１つのフィン（３２）と、その側壁に少なくとも１つの吐出間隙（３４）と、を備えた濾過ユニット（１）。
2. 前記フィン（３２）が、前記筒状体（３０）の内径と前記濾過膜（４０）の外径との間の差に略等しい高さを有する請求項１に記載の濾過ユニット（１）。
3. 前記フィン（３２）が、前記筒状体（３０）の長手軸線に沿って当該フィン（３２）のピッチを変えて設けられている請求項１に記載の濾過ユニット（１）。
4. 前記濾過膜（４０）が、閉鎖端（４１）および反対側の開放端（４２）を有する請求項１に記載の濾過ユニット（１）。
5. 前記筒状体（３０）が、前記濾過膜（４０）内の環境を外部環境から隔てるように、前記濾過膜（４０）の前記開放端（４２）に固定される少なくとも１つの環状当接部（３１０）を備えた請求項４に記載の濾過ユニット（１）。
6. 前記環状当接部（３１０）が、前記筒状体（３０）の端部（３１）に設けられている請求項５に記載の濾過ユニット（１）。
7. 前記筒状体（３０）が同軸に取り付けられる少なくとも１つの貫通口（２１）が設けられた支持要素（２０）を備えた請求項１に記載の濾過ユニット（１）。
8. 前記筒状体（３０）が、前記支持要素（２０）に一体的に固定される請求項７に記載の濾過ユニット（１）。
9. 前記筒状体（３０）が、結合手段によって、前記支持要素（２０）に取り外し可能に取り付けられている請求項７に記載の濾過ユニット（１）。
10. 複数の濾過膜と、複数の筒状体と、を備え、
    前記濾過膜および前記筒状体のそれぞれが、前記支持要素に形成されたそれぞれの穴の位置において前記支持要素に取り付けられている請求項７に記載の濾過ユニット（１）。

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