JP6324218B2 - 空気濾過用の濾材積層体 - Google Patents
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Description
本出願は、米国以外の全ての国を指定国とする出願人である米国国内企業であるドナルドソン会社と、米国のみを指定国とする出願人である米国人のゲーリー J. ロックライズ、ミン オウヤング、アニタ M.マシューの名において、国際特許出願として2008年2月4日に出願されたものであり、2007年2月2日出願された米国仮特許出願第60/899,311号の優先権を主張するものであり、この出願は本明細書中に引用により合体される。
空気や液体などの流体流は、その中に汚染物質を含む。多くの例では、流体流から汚染物質の少しまたは全てを濾過することは好ましい。例えば、動力車または発電装置のエンジンへの空気流、ガスタービンシステムへのガス流れ、および様々な燃焼炉への空気流は、その中に濾過すべき粒子状汚染物質を含む。また、エンジン潤滑油システム、液圧システム、冷却システムまたは燃料システムの液体流は、濾過すべき汚染物質を含み得る。そのようなシステムに対して、選択された汚染物質を流体から除去する(または流体中のレベルを低減する)ことは好ましい。汚染物質削減のためにさまざまな流体フィルタ(空気あるいは液体フィルタ)構造物が開発されてきた。
本発明に基づく空気濾過用の濾材積層体を提供する。空気濾過用濾材積層体は、対面濾材シートの片側のみにひだ付き濾材シートが積層された複数の片側積層物層を含む。片側積層物層は、ひだ付きシートと、対面シートと、前記ひだ付きシートおよび前記対面シートの間に延びている複数の流路とを有し、前記流路が前記空気濾過用濾材積層体の第1面から前記空気濾過用濾材積層体の第2面まで延びている長さを有する。前記濾材積層体の第1面または第2面のうちの1つの面から空気が中に入って、前記濾材積層体の前記第1面または前記第2面のうちの他の面から空気が外に出て空気を濾過するように、前記複数の流路の第1部分は、濾過されていない空気が複数の流路の第1部分の中へ流れ込まないように閉じており、前記複数の流路の前記第2部分は、濾過されていない空気が前記複数の流路の第2部分から外に流れ出ないように閉じている。前記ひだ付きシートは、前記対面シートに対面して繰り返す内向きの頂点(peak)と、前記対面シートから離れて繰り返す外向きの頂点(peak)とを含む。さらに、前記ひだ付きシートは、内向きの頂点(peak)と隣接する外向きの頂点(peak)との間で流路長さの少なくとも一部に沿って延びる少なくとも1つの尾根(ridge 細長い隆起部)を含む流路(flute)の繰り返しパターンを有する。好ましくは、前記複数の流路の繰り返しパターンは、内向きの頂点(peak)と隣接する外向きの頂点(peak)との間で流路長さの少なくとも50%の長さ延びる少なくとも1つの尾根(ridge)を有する。
ひだ(縦溝流路)付濾材(fluted filter media)は、流体フィルタ構造物をさまざまな方法で提供するために使用できる。よく知られた1つの形態は、Z型フィルタ構造物である。本明細書に使用される用語「Z型フィルタ構造物(z-filter construction)」または「Z型濾材(z-filter media)」は、フィルタ構造物を指すことを意味し、この構造物では、波形に加工した、折り曲げた、ひだ付きの、または、別の方法で形成されたフィルタ流路のうちの1つの流路を、濾材を通過する流体流の長手方向フィルタの流路を画定するために使用することを意味し、流体は、濾材の流入端部と流出端部(または、流れ面)の間の流路に沿って流れる。Z型濾材のいくつかの実施例は、米国特許第5,820,646号、米国特許第5,772,883号、米国特許第5,902,364号、米国特許第5,792,247号、米国特許第5,895,574号、米国特許第6,210,469号、米国特許第6,190,432、米国特許第6,350,296号、米国特許第6,179,890号、米国特許第6,235,195号、意匠第399,944号、意匠第428,128号、意匠第396,098号、意匠第398,046号、意匠第437,401号で提供される。これら15の引用文献は、引用により本明細書に合体する。
濾材うねり率={(1/2)D2−CL}×100/CL
の式によって決定できる。
Z型濾材の文脈において、マスキングは、濾材を使用するとき、有用な濾材の不足をもたらすかなりの圧力差の不足がある、ひだ付きシートと対面シートとの間の近接領域を指す。一般に、マスキングされた濾材は、濾材の濾過性能を実質的に高めるのに有用ではない。従って、マスキングを低減して、それにより濾過に利用できる濾材量を増加すること、それにより濾材容量を増加すること、濾材のスループットを増加すること、濾材の圧力損失を低減すること、またはこれらのいくつかまたは全部を行うことは、好ましい。
濾過性能は、濾過に利用可能な濾材量を増加させることによって高めることができる。マスキングを低減することは、濾過に利用可能な濾材表面積を増加させる技術であると考えられる。ここで図4aを参照すると、ひだ付きシート70は、正三角形に類似する断面積を有する流路を提供すると考えられる。濾材が可撓性であるので、濾材が濾過中に圧力がかかると、ひだ付きシート70がゆがむことが予想される。さらに、図2のひだ付きシート43は、三角形形状に類似する流路を有すると考えられる。一般に、流路が正三角形に類似するひだ付き濾材では、他の流路設計と比べて濾過に利用可能な濾材量は最も少なく、そこでは、周期長さまたはインターバルD1は互いに増加または減少する、あるいは流路の高さJは増加または低下する。
流路の幅高さ比=D1/J
の式で表わされる。
流路形状を変更することによって、濾材の性能を高めることができる。濾過に利用可能な濾材量を増加させる流路形状を提供すると、性能が向上する。濾過に利用可能な濾材量を増加させる1つの技術は、隣接する頂点(peak)間で尾根(ridge)を形成することである。上記説明したように、隣接する頂点(peak)は、内向きの頂点(peak)(対面シートに向う方向に面している)と外向きの頂点(peak)(対面シートから離れる方向に面している)を指す。図5a〜図5cに濾過性能を高めるための例示の流路の形状を示す。図5aに示す流路形状は、「低接触(low contact)」流路形状と呼ぶことができる。図5bと図5cに示された流路形状は、「ゼロ歪(zero strain)」と呼ぶことができる。一般に、「低接触」は、規格Aと規格Bのひだ付き濾材と比べてひだ付きシートと対面シートとの間の接触(例えば、マスキング)の量を減少させて、対面濾材シート間のひだ付き濾材シート量を増やす能力を指す。「ゼロ歪み」の名は、濾材上に好ましくないレベルの歪みを導入せずに流路長さに沿ってテーパ状にする流路形状の能力を指す。一般に、濾材中の好ましくないレベルの歪み(または、伸張)は、濾材に裂け目を引き起こすひずみ量、または、より高いレベルの歪みに耐えられる特別な濾材の使用を必要とするひずみ量を指す。一般に、約12%より大きい歪みに耐えられる濾材は、通常は、特別な濾材と考えられ、約12%までの歪みに耐えられる濾材よりも高価である。ゼロ歪みのひだ付きシートは、さらに、ひだ付きシートと対面シートとの間での接触を減少させるように提供できる。
歪み=((D2max−D2min)/D2min)×100
で特徴付けられる。
流路体積の非対称は、上流側体積と下流側体積の間でフィルタエレメントあるいはフィルターカート尾根(ridge)中の体積差を指す。上流側体積は、濾過されていない空気を受け入れる濾材体積を指し、下流側体積は、濾過された空気を受け入れる濾材体積を指す。フィルタエレメントは、汚れた空気側と清浄な空気側とを持つものとしてさらに特徴付けられる。一般に、濾材の汚れた空気側は、濾過されていない空気を受け入れる濾材体積を指す。清浄な空気側は、汚れた空気側から濾過通路を通過する濾過された空気を受け入れる濾材体積を指す。清浄な空気側あるいは下流側体積より大きい汚れた空気側あるいは上流側体積を有する濾材を提供することが好ましい場合がある。空気中の微粒子は汚れた空気側で堆積し、それにより、濾材容量は汚れた空気側の体積によって決定されることが観測される。体積の非対称を提供することによって、汚れた空気を受け取るのに利用可能な濾材体積を増加させ、それにより、濾材積層体容量を増加させることは可能である。
体積の非対称=((体積上流−体積下流)/体積下流)×100
によって表現できる。
図11〜18は、流路の端部を封止する技術を例示する。この技術はダーツ付けと呼ばれ、流路をダーツ付ける一般的な技術は、2006年7月27日に発行された米国特許出願公開第2006/0163150号に記載されている。米国特許出願公開第2006/0163150号の全体は、引用により本明細書に合体される。
Z型濾材は、入口面から出口面まで延びている流路を有するものとして特徴付けらる、流路の第1部分は入口流路として特徴付けられ、流路の第2部分は出口流路として特徴付けられる。入口流路は、出口面の近くで封止(plug)またはシールとともに提供され、出口流路は入口面に隣接する封止(plug)またはシールとともに提供される。もちろん、この構成物の代替手段は可能である。例えば、シールまたは封止(plug)は、入口面または出口面にまたは隣接してを提供される必要はない。シールまたは封止(plug)は、所望に応じて、入口面または出口面から離れた方向に提供できる。シールまたは封止(plug)として熱溶融接着剤を使用する場合、封止(plug)は通常少なくとも約12mmの長さを有する。出願人は、封止(plug)長さを減少することによって、容量、低い初期圧力低下、濾材量の低減、またはそれらの組合せを含む濾材の好ましい特性を増加させることが可能であることを見いだした。約10mm未満、好ましくは約8mm未満、より好ましくは約6mm未満である封止(plug)長さを提供することは好ましい。
ここで、図19〜28を参照すると、フィルタエレメントは、空気濾過用濾材積層体を含むことが記載されている。空気濾過用濾材積層体は、本明細書に記載されるように、片側積層物を含み得る。
様々な流路設計を含む濾材を有するフィルタエレメントは、濾材性能のモデルソフトウェアを使用して比較された。フィルタエレメントは、この実施例のために製造されて試験されなかった。代わりに、フィルタエレメントとフィルタエレメントコンポーネントの寸法、フィルタエレメントとフィルタエレメントコンポーネントの性質と特徴、使用条件、および濾過される空気の特徴が濾材性能をモデル化するコンピュータプログラムに入力された。濾材性能のモデリングソフトウェアは、実際のドナルドソン会社の濾材のテストランに基づいて確認された。コンピュータソフトウェアのモデリングの結果は、約10%以内の誤差を有すると予想される。異なる濾材設計の代替物を評価する目的のために、約10%以内の誤差値は、モデリングソフトウェアがいろいろな設計オプションを評価できるのに十分低いものであると信じられている。
Claims (13)
- 空気濾過用の濾材積層体であって、
(a)前記濾材積層体は、ひだ付きシートが対面シートの片側のみに積層されて前記ひだ付きシートおよび前記対面シートの間に延びている複数の流路とを有する複数の片側積層物を有し、前記流路が前記濾材積層体の第1面から前記濾材積層体の第2面まで延びる長さを有し、
(b)前記濾材積層体は、前記濾材積層体の前記第1面または前記第2面のうちの1つの面から空気が中に入って、前記濾材積層体の前記第1面または前記第2面のうちの他の面から空気が外に出て空気を濾過するように、濾過されていない空気を受け入れる前記複数の流路の第1部分であって、濾過されていない空気が前記複数の流路の第1部分に流れ込むように開放されている前記第1部分と、濾過された空気を受け入れる前記複数の流路の第2部分であって、濾過されていない空気が前記複数の流路の第2部分から外に流れ出さないように閉じている前記第2部分とを有し、
(c)前記複数の流路の少なくとも一部は、流路の幅高さ比が2.2より大きいかまたは0.45未満であり、かつ、前記複数の流路の前記第1部分および前記第2部分のうちの一方の体積が前記複数の流路の前記第1部分および前記第2部分のうちの他方の体積より少なくとも10%大きい体積非対称を示し、前記流路の少なくとも一部は、0.25mm未満の曲率半径を有する頂点を有することを特徴とする濾材積層体。 - 前記体積非対称は、約40%から約200%であることを特徴とする請求項1に記載の濾材積層体。
- 前記ひだ付きシートは、前記対面シートに対面して繰り返す内向きの頂点と、前記対面シートから離れて繰り返す外向きの頂点とを含み、前記ひだ付きシートは、内向きの頂点と隣接する外向きの頂点との間で前記流路の長さの少なくとも20%に沿って延びる少なくとも1つの肩を含む流路の繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項1に記載の濾材積層体。
- 内向きの頂点と隣接する外向きの頂点との間で前記流路の長さの少なくとも20%に沿って延びる少なくとも2つの肩を含む流路の繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項1に記載の濾材積層体。
- ひだ付きシートが対面シートの片側に積層された片側積層体であって、前記ひだ付きシートと前記対面シートとの間に延び、内向きの複数の頂点と外向きの複数の頂点とを有するひだ付き流路の繰り返しパターンを有し、
前記繰り返しパターンは、内向きの頂点と隣接する外向きの頂点との間で前記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つの肩を含み、前記片側積層体は、流体濾過用のセルロース系濾材を含み、前記ひだ付き流路の少なくとも一部は、0.25mm未満の曲率半径を有する複数の頂点を有することを特徴とする片側積層体。 - 前記繰り返しパターンは、内向きの頂点と隣接する外向きの頂点との間で前記流路の長さの少なくとも50%に沿って延びる少なくとも2つの肩を含むことを特徴とする請求項5に記載の片側積層体。
- 空気濾過用の濾材積層体であって、
(a)前記濾材積層体は、ひだ付きシートが対面シートの片側のみに積層されて前記ひだ付きシートおよび前記対面シートの間に延びている複数の流路とを有する複数の片側積層物を有し、前記流路が前記濾材積層体の第1面から前記濾材積層体の第2面まで延びる長さを有し、
(b)前記濾材積層体は、前記濾材積層体の前記第1面または前記第2面のうちの1つの面から空気が中に入って、前記濾材積層体の前記第1面または前記第2面のうちの他の面から空気が外に出て空気を濾過するように、濾過されていない空気を受け入れる前記複数の流路の第1部分であって、濾過されていない空気が前記複数の流路の第1部分に流れ込むように開放されている前記第1部分と、濾過された空気を受け入れる前記複数の流路の第2部分であって、濾過されていない空気が前記複数の流路の第2部分から外に流れ出さないように閉じている前記第2部分とを有し、
(c)前記複数の流路の少なくとも一部は、流路の幅高さ比が約2.2より大きいかまたは約0.45未満であり、かつ、濾材うねり率は少なくとも約6.2%であり、
(d)前記ひだ付きシートは、前記対面シートに対面して繰り返す内向きの頂点と、前記対面シートから離れて繰り返す複数の外向きの頂点とを複数組含み、前記複数組の内向きの頂点および外向きの頂点は、隣接する対面シートにたいして0.25mm未満の曲率半径を有することを特徴とする濾材積層体。 - 前記ひだ付きシートは、前記対面シートに対面して繰り返す内向きの頂点と、前記対面シートから離れて繰り返す外向きの頂点とを含み、前記ひだ付きシートは、内向きの頂点と隣接する外向きの頂点との間で前記流路の長さの少なくとも20%に沿って延びる少なくとも1つの肩を含む流路の繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項7に記載の濾材積層体。
- 前記ひだ付きシートが、複数の前記内向きの頂点または外向きの頂点において曲線状でないほど鋭くなるように、前記複数の内向きの頂点または外向きの頂点は、鋭く接触することを特徴とする請求項7に記載の濾材積層体。
- 前記複数の流路の少なくとも一部がテーパ―状であることを特徴とする請求項7に記載の濾材積層体。
- 前記濾材積層体は、前記複数の流路の入口端部及び出口端部のうちの一方の体積が前記複数の流路の前記入口端部及び出口端部のうちの他方の体積より少なくとも10%大きい体積非対称を有することを特徴とする請求項7に記載の濾材積層体。
- 前記ひだ付きシートは、約7.0%〜16%の濾材うねり率を提供することを特徴とする請求項7に記載の濾材積層体。
- 前記少なくとも一部の流路は、流路の幅高さ比が約0.40未満であることを特徴とする請求項7に記載の濾材積層体。
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