JP6557570B2

JP6557570B2 - 流体フィルター

Info

Publication number: JP6557570B2
Application number: JP2015197086A
Authority: JP
Inventors: 洋平武田
Original assignee: 三喜ゴム株式会社
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2035-10-02
Also published as: JP2017064683A

Description

この発明は、燃料電池用エアフィルター等として用いるのに好適な流体フィルターに関するものである。

従来、内側筐体（カートリッジ）内にフィルター材（フィルター基材及び流体浄化用吸着剤）を収容し、その内側筐体を外側筐体（フィルターハウジング）内に収容してなる、流体フィルターが知られている（例えば、特許文献１）。

国際公開第2007/060923号

しかしながら、特許文献１のような流体フィルターでは、外側筐体内を通る流体の一部が、内側筐体内を通らずに、内側筐体の外周面と外側筐体の内周面との間隙を通って、十分にフィルタリングされないまま外部へリークしてしまうおそれがあった。このことは、特に、内側筐体内に収容されたフィルター材の流通抵抗が高い場合に、顕著になるおそれがあった。

この発明は、上述した課題を解決するためのものであり、内側筐体の外周面と外側筐体の内周面との間隙を通って外部へリークするのを防止して、フィルタリング効果を向上できる、流体フィルターを提供することを目的とするものである。

本発明の流体フィルターは、流体の入口から出口までの流路を内周側に有する内周面に、内周側へ延在するとともに前記流路の軸線方向の一方側を向く環状の段差面が形成された、管状の外側筐体と、前記外側筐体の内周面の内周側で、前記段差面よりも前記軸線方向の一方側に配置され、前記軸線方向の他方側を向くとともに前記段差面に対向する環状の対向面を有する、管状の内側筐体と、前記外側筐体の内周面と前記内側筐体の外周面との間に設けられた間隙と、前記内側筐体内に収容された第１フィルター材と、前記段差面と前記対向面とによって流体密に挟まれた、環状の弾性シール部材と、を備え、前記入口から流入し前記間隙に流入した流体は、前記弾性シール部材によって、該間隙に溜まるように構成したことを特徴とする。
本発明の流体フィルターによれば、内側筐体の外周面と外側筐体の内周面との間隙を通って外部へリークするのを防止して、フィルタリング効果を向上できる。

本発明の流体フィルターにおいて、前記外側筐体の前記内周面には、係合部が設けられ、前記内側筐体の外周面には、前記係合部と係合する被係合部が設けられ、前記弾性シール部材は、前記段差面と前記対向面との間で圧縮されていると、好適である。
これにより、上記リークをより確実に防止して、フィルタリング効果をさらに向上できる。

本発明の流体フィルターにおいて、前記流路内で、前記内側筐体よりも上流側に配置された、第２フィルター材をさらに備え、前記流路の流路軸線に直交する断面における、前記外側筐体の内周面のうち、少なくとも、前記弾性シール部材、前記内側筐体、及び前記第２フィルター材のそれぞれと対向する部分の断面形状と、前記流路の流路軸線に直交する断面における、前記弾性シール部材、前記内側筐体、及び前記第２フィルター材のそれぞれの外形とが、それぞれ略四角形状であると、好適である。
これにより、流体フィルターの低コスト化や長寿命化が可能となる。

この発明によれば、内側筐体の外周面と外側筐体の内周面との間隙を通って外部へリークするのを防止して、フィルタリング効果を向上できる、流体フィルターを提供できる。

本発明の一実施形態に係る流体フィルターの分解斜視図である。図１の流体フィルターを組み立て後の状態で示す、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

以下に、図面を参照しつつ、この発明に係る流体フィルターの実施形態を例示説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る流体フィルター１の分解斜視図である。図２は、図１の流体フィルター１を組み立て後の状態で示す、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１、図２で示される流体フィルター１の向きは、流体フィルター１の設置状態での向きの一例であり、これとは異なる任意の向きで流体フィルター１を設置してもよい。

本実施形態の流体フィルター１は、任意の流体をフィルタリング（浄化）するために用いることができる。本例の流体フィルター１は、特に、燃料電池に供給される気体をフィルタリングするために好適に用いることができる。

本実施形態の流体フィルター１は、外側筐体１０と、内側筐体２０と、第１フィルター材３０と、弾性シール部材４０と、第２フィルター材５０と、蓋６０とを、備えている。第１フィルター材３０は、内側筐体２０内に収容されている。
ただし、第２フィルター材５０及び蓋６０は、省略してもよい。

外側筐体１０は、変形しない材料から形成されており、例えば樹脂又は金属等からなる。外側筐体１０は、管状に構成され、その内周面が、その内周側で、流体のための入口１０ａから出口１０ｂまでの流路を有している。
本明細書では、流路の中心軸線を「流路軸線Ｏ」とする。また、流路軸線Ｏに沿う方向を「軸線方向」といい、流路軸線Ｏに対して直交する方向を「軸直方向」という。また、流路軸線Ｏに対して直交する仮想平面内で、流路軸線Ｏに近い側を「内周側」といい、流路軸線Ｏから遠い側を「外周側」という。また、軸線方向において、入口１０ａ側を「上流側」（本例における軸線方向の一方側）といい、出口１０ｂ側を「下流側」（本例における軸線方向の他方側）という。
図１のＡ−Ａ線は、流路軸線Ｏの一部分に沿っている。
図の例では、流路が、途中で略直角に折れ曲がったＬ字形をなしているが、流路は、一直線状のＩ字形や、途中で滑らかに湾曲したＪ字形など、任意の形状をなしてよい。

本例では、図示しない吸引ポンプが出口１０ｂに接続されており、動作時には、その吸引ポンプの作用によって、流体（本例では気体）が入口１０ａから出口１０ｂに向かって流れるようになる。出口１０ｂから出た流体は、図示しない燃料電池に供給される。

本例では、外側筐体１０の流路軸線Ｏに対して直交する仮想平面内における断面形状が、流路における入口１０ａから略直角の折れ曲がり箇所までに対応する部分で、略四角環状に形成されており、より具体的には、外周面及び内周面の４隅がアール付けされた四角環状に形成されており、流路における折れ曲がり箇所よりも下流側の、出口１０ｂ近傍部分で、略円管状に形成されている。
ただし、外側筐体１０の流路軸線Ｏに対して直交する仮想平面内における断面形状は、本例に限らず、任意の環形状が可能であり、例えば、流路における入口１０ａから略直角の折れ曲がり箇所までに対応する部分で、外周面及び内周面の４隅がアールの無い、角張った四角環状でもよいし、あるいは、円環状や三角環状などとしてもよい。

図２に示すように、外側筐体１０の内周面には、流路の折れ曲がり箇所よりも上流側において、内周側へ延在するとともに上流側を向く、環状（本例では略四角環状）の段差面１１が形成されている。本例では、段差面１１は、流路軸線Ｏに対して直交する仮想平面に沿って延在しているが、流路軸線Ｏに対して直交する仮想平面に対して２°以下の角度で傾斜していてもよい。

本例では、外側筐体１０内に、段差面１１よりも上流側において、下流側から順番に、弾性シール部材４０、内側筐体２０、及び第２フィルター材５０が収容され、外側筐体１０の上流側端部に、蓋６０が取り付けられている。

内側筐体２０は、変形しない材料から形成されており、例えば樹脂又は金属等からなる。内側筐体２０は、外側筐体１０と略同軸状の管状に構成され、外側筐体１０の内周面の内周側で、段差面１１よりも上流側に配置されている。本例では、内側筐体２０の流路軸線Ｏに対して直交する仮想平面内における断面形状は、外側筐体１０と同様の略四角環状（外周面及び内周面の４隅がアール付けされた四角環状）に形成されている。流路軸線Ｏに対して直交する断面において、内側筐体２０の外周面の形状は、外側筐体１０の内周面の形状にほぼ一致するようにされている。

内側筐体２０内には、第１フィルター材３０が収容されている。第１フィルター材３０の材料については、後述する。
なお、後述するように、本例では、第１フィルター材３０が、流通抵抗の高い材料からなるが、その場合、流体は、第１フィルター材３０内を流れにくくなる分、第１フィルター材３０の外周側へと流れようとする。そこで、本例では、内側筐体２０内に第１フィルター材３０を収容することによって、仮に第１フィルター材３０を直接外側筐体１０内に収容した場合に比べて、より確実に、第１フィルター材３０の形状や位置を維持するとともに、第１フィルター材３０よりも外周側へと流体がリークしないよう、流体密性を担保できる。

内側筐体２０の下流側端部近傍には、第１フィルター材３０よりも下流側において、内周側へ僅かに突出する環状壁２３が設けられている。環状壁２３における下流側を向く面は、外側筐体１０の段差面１１と対向する、対向面２１をなしている。本例では、対向面２１が、軸直方向に沿って延在している。本例のように、対向面２１は、段差面１１と平行であることが好ましい。

本例では、内側筐体２０の周壁が、環状壁２３よりもさらに下流側へ軸線方向に沿って僅かに突出しており、その突出した部分でガイド周壁２４を構成している。ガイド周壁２４は、その内周面によって、後述する弾性シール部材４０の外周面を囲み、これにより、弾性シール部材４０の位置を案内及び維持する。ただし、ガイド周壁２４は省略してもよい。

弾性シール部材４０は、環状（本例では、略四角環状）に構成されており、外側筐体１０の段差面１１と内側筐体２０の対向面２１とによって流体密に挟まれている。弾性シール部材４０は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）フォームからなると好適であるが、その他の弾性材料からなるものでもよい。
本実施形態では、弾性シール部材４０によって、外側筐体１０の段差面１１と内側筐体２０の対向面２１との間隙が流体密に維持される。これにより、入口１０ａから流入した流体は、内側筐体２０の外周面と外側筐体１０の内周面との間隙に流入した分についてはその間隙から外部へリークすることなくそこで留まるので、入口１０ａから流入した流体のほぼ全部が、内側筐体２０内を通って第１フィルター材３０によってフィルタリングされてから出口１０ａから外部へ出るので、フィルタリング効果を向上できる。

本例では、外側筐体１０の内周面に、複数の貫通しない凹状の係合部１２が設けられ、一方、内側筐体２０の外周面には、これら複数の係合部１２と係合する複数の凸状の被係合部２２が設けられている。そして、内側筐体２０は、その被係合部２２が外側筐体１０の係合部１２に係合することにより、取り外し可能に固定されている。また、この状態で、弾性シール部材４０は、段差面１１と対向面２１との間で軸線方向に圧縮されている。これによれば、弾性シール部材４０の圧縮状態を確実に維持できるので、ひいては、上述したリークをより確実に防止して、フィルタリング効果をさらに向上できる。
なお、外側筐体１０の係合部１２を凸状に構成し、内側筐体２０の被係合部２２を凹状に構成してもよい。

図の例では、板状の蓋６０が、外側筐体１０における流路の入口１０ａ側の開放端部を覆う。蓋６０には、流路の入口１０ａをなす複数の貫通穴が形成されている。このような蓋６０により、流体の流入を許容するとともに、外側筐体１０の収容物を内部に保持する。蓋６０は、蓋６０の外周面に形成された複数の係合凸部６３が、外側筐体１０の周壁における入口１０ａ側の端部に形成された複数の係合穴１３に係合することにより、外側筐体１０に対して取り外し可能に装着される。
ただし、蓋６０は、外側筐体１０に対して一体形成又は固定されてもよい。

第２フィルター材５０は、流路内で、内側筐体２０よりも上流側に配置されている。第２フィルター材５０の材料については、後述する。

上述したように、本例では、流路軸線Ｏに直交する断面における、外側筐体１０の内周面のうち、弾性シール部材４０、内側筐体２０、及び第２フィルター材５０のそれぞれと径方向に対向する部分の断面形状と、流路軸線Ｏに直交する断面における、弾性シール部材４０、内側筐体２０、及び第２フィルター材５０のそれぞれの外形とが、略四角形状である。この場合、仮にこれらの形状を略四角形状以外の形状（例えば円形状）に形成する場合と比べて、第２フィルター材５０を打ち抜き加工等により成形する際に生じる破棄材料の量を低減できるので、流体フィルターの低コスト化が可能となるとともに、流路軸線Ｏに対して直交する断面における第１フィルター材３０や第２フィルター材５０の面積を増大できる分、流体フィルターの長寿命化も可能となる。

なお、上述した弾性シール部材４０の代わりに、Ｏリングを内側筐体２０の外周面と外側筐体１０の内周面との間に設けることによって、内側筐体２０の外周面と外側筐体１０の内周面との間隙を通って外部へのリークを防止することも考えられる。しかし、本例のように、低コスト化や長寿命化の観点から、流路断面形状と、流路軸線Ｏに対して直交する断面における、弾性シール部材４０、内側筐体２０、及び第２フィルター材５０のそれぞれの外形とを、略四角形状とした場合、もともと円環状のＯリングは、内側筐体２０の外周面と外側筐体１０の内周面との間の略四角環状の間隙の４隅の形状に沿って十分に折れ曲がることができず、そこで隙間が残ってしまい、上記リークを防止できない。
この点、本例による弾性シール部材４０によれば、内側筐体２０の外周面と外側筐体１０の内周面との間隙の形状に依らず、上記リークを確実に防止できるので、低コスト化及び長寿命化とリークの防止とを良好に両立できる。

なお、第１フィルター材３０の長寿命化の観点から、なるべく、第１フィルター材３０の流路軸線Ｏに対して直交する断面における全体に均一な量の流体が通ることが望ましい。このため、内側筐体２０の対向面２１、弾性シール部材４０、及び外側筐体１０の段差面１１が、第１フィルター材３０と、軸線方向への投影面内において、なるべく重複しないのが望ましい。この観点から、内側筐体２０の対向面２１の内径Ｄ２と、弾性シール部材４０の内径Ｄ３と、外側筐体１０の段差面１１の内径Ｄ４とが、それぞれ、内側筐体２０の内周面のうち、第１フィルター材３０の外周側に位置する部分の径Ｄ１の０．９〜１倍であると、好適である。ここで、内側筐体２０の対向面２１の内径Ｄ２と、弾性シール部材４０の内径Ｄ３と、外側筐体１０の段差面１１の内径Ｄ４とが、それぞれ、内側筐体２０の内面のうち、第１フィルター材３０の外周側に位置する部分の径Ｄ１の１倍である場合（すなわちＤ２＝Ｄ３＝Ｄ４＝Ｄ１の場合）、内側筐体２０の環状壁２３及びガイド周壁２４は設けられず、対向面２１が、内側筐体２０の周壁における下流側を向く端面からなることとなる。
ここで、内側筐体２０の対向面２１の内径Ｄ２と、弾性シール部材４０の内径Ｄ３と、外側筐体１０の段差面１１の内径Ｄ４とは、図の例では互いに同一であるが、互いに異なっていてもよい。

図の例では、流路軸線Ｏに対して直交する断面での外側筐体１０の内周面及び外周面の寸法が、流路における入口１０ａから段差面１１までの範囲に対応する部分で、軸線方向に沿って同一である。ただし、外側筐体１０の流路軸線Ｏに対して直交する断面において、少なくとも外側筐体１０の内周面の寸法を、流路における入口１０ａから段差面１１までの範囲に対応する部分で、段差面１１側に向かうにつれて徐々に縮小させると、より好適である。これにより、外側筐体１０から蓋６０を外した状態で入口１０ａ側から行われる、外側筐体２０内の各収容物の出し入れ作業が容易となる。この場合、外側筐体１０の外周面の寸法も、内周面と同様に変化させてもよい。

なお、図の例では、外側筐体１０の内周面は、出口１０ｂ近傍部分を除いて観たときに、段差面１１より下流側での径が、段差面１１の径方向距離分だけ、段差面１１より上流側での径よりも小さくされている。ただし、この構成は必須ではない。例えば、外側筐体１０の内周面は、出口１０近傍部分を除いて観たときに、段差面１１より下流側での径が、段差面１１より上流側での径とほぼ同じでもよい。その場合、段差面１１は、外側筐体１０の内周面から内周側へ延在する板状の環状壁の、上流側を向く面からなる。

本例では、第１フィルター材３０及び第２フィルター材５０が、燃料電池（図示せず）に供給される気体のフィルタリングに適したものである。燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応により発電を行なうものであり、その際に酸素は大気中から供給されるのが一般的であるが、供給される大気中にＳＯ_XやＮＯ_X等の不純物や塵埃が含まれていると電極触媒を劣化させて起電力を低下させる不都合が生じる。このため、第１フィルター材３０及び第２フィルター材５０は、除塵性能や化学吸着性能等を有するものにされている。化学吸着性能とは、ＳＯ_X、ＮＯ_X、トルエン、Ｈ₂Ｓ等の有害物質を吸着する性能を意味する。

本例では、第２フィルター材５０が、入口１０ａに隣接して配置された複数層からなる活性炭フィルター層５１と、活性炭フィルター層５１より下流側に配置された複数層からなるウレタンフォーム層５２とを、有している。ただし、ウレタンフォーム層５２は省略してもよい。また、本例において、第２フィルター材５０よりも下流側に配置された第１フィルター材３０は、プリーツ形状に形成された帯電フィルター材からなる。

活性炭フィルター層５１は、大気中に含まれるＳＯ_X，ＮＯ_Xなどの不純物を吸着除去するものであり、例えば三次元網状構造やハニカム構造のフィルター基材に活性炭が担持されたものや、破砕状又は粒状の活性炭を通気性容器に収容したものなどで形成することができる。フィルター基材の三次元網状構造体としては、特に制限されるものではないが、ポリウレタンフォームが特に爆破処理等によりセル膜を除去した三次元網状骨格構造を有するポリウレタンフォームが好ましく用いられ、このポリウレタンフォームは低圧力損失で、空気との接触効率が良い。更に、除膜処理を施したポリウレタンフォームとしては、ポリエーテル系素材の方がポリエステル系素材に比べて耐加水分解性に優れ、アルカリ添着処理等によるフィルター基材の加水分解劣化を抑制することができることから、より好適である。
このフィルター基材に担持される活性炭としては、例えば椰子殻活性炭、木質活性炭、石油ピッチ系活性炭、石炭系造粒炭、その他の成型活性炭などが例示され、中でも石炭系造粒炭が好ましく用いられる。

ウレタンフォーム層５２は、活性炭フィルター層５１を通過した気体から、塵や硫酸アンモニウムなどの目詰まり原因物質を除去し、ウレタンフォーム層５２の下流側にある帯電フィルター層からなる第１フィルター材３０の目詰まりを防止するものである。ウレタンフォーム層５２を形成するウレタンフォームとしては、セル膜のない三次元網状骨格を有するポリウレタンフォームが好適に用いられ、特にポリエーテル系のポリウレタンフォームが、湿度の高い環境で使用しても加水分解が生じることなく良好な耐久性を維持し得ることから好ましく用いられる。

本例において、第１フィルター材３０としての帯電フィルター材は、大気中に含まれる０．３〜２μｍ程度の塵埃を吸着除去するものである。図の例では、この帯電フィルター材は、内側筐体２０の上流側端部より手前の位置と下流側端部より手前の位置とで交互に折り返されてなる、ジグザグ状の不織布３１と、不織布３１の折り曲げ形状を保持するために不織布３１の表面及び裏面にそれぞれ２本ずつ配された糸状のホットメルト樹脂３２と、不織布３１の上流側かつ外周側の端部を内側筐体２０の内周面に流体密に固定するホットメルト樹脂３３とを、有している。
不織布３１は、帯電処理された繊維からなり、例えば、帯電処理された繊維からなる、スパンポンド不織布、メルトブロー不織布、ニードルパンチ加工された不織布、エンボス加工された不織布などが好ましく用いられる。不織布３１の形状は、本例のプリーツ形状以外に、ハニカム形状、フラット形状等、種々の形状のものを用いることができる。また、帯電処理された繊維の種類としては、特に制限されるものではないが、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド等の有機繊維が好ましく用いられ、中でもポリプロピレンが補修効率の点で特に好ましく用いられる。また、不織布や織布の目付としては、特に制限はないが、除塵性能及び流通抵抗の面から１５〜５００ｇ／ｍ²、特に５０〜２００ｇ／ｍ²であることが好ましい。

ただし、第１フィルター材３０及び第２フィルター材５０は、本例に限られず、それぞれ任意の１種類又は複数種類のフィルター材からなるものでもよい。

なお、上述した例に限られず、外側筐体１０の段差面１１が下流側（この変形例における軸線方向の一方側）を向くようにし、内側筐体２０の対向面２１が上流側（この変形例における軸線方向の他方側）を向くように、構成してもよい。

本発明による流体フィルターは、例えば燃料電池用エアフィルター等として好適に使用できる。

１：流体フィルター、１０：外側筐体、１０ａ：入口、１０ｂ：出口、１１：段差面、１２：係合部、１３：係合穴、２０：内側筐体、２１：対向面、２２：被係合部、２３：環状壁、２４：ガイド周壁、３０：第１フィルター材（帯電フィルター材）、３１：不織布、３２、３３：ホットメルト樹脂、４０：弾性シール部材、５０：第２フィルター材、５１：活性炭フィルター層、５２：ウレタンフォーム層、６０：蓋、６３：係合凸部、Ｏ：流路軸線

Claims

流体の入口から出口までの流路を内周側に有する内周面に、内周側へ延在するとともに前記流路の軸線方向の一方側を向く環状の段差面が形成された、管状の外側筐体と、
前記外側筐体の内周面の内周側で、前記段差面よりも前記軸線方向の一方側に配置され、前記軸線方向の他方側を向くとともに前記段差面に対向する環状の対向面を有する、管状の内側筐体と、
前記外側筐体の内周面と前記内側筐体の外周面との間に設けられた間隙と、
前記内側筐体内に収容された第１フィルター材と、
前記段差面と前記対向面とによって流体密に挟まれた、環状の弾性シール部材と、
を備え、
前記入口から流入し前記間隙に流入した流体は、前記弾性シール部材によって、該間隙に溜まるように構成したことを特徴とする、流体フィルター。
前記外側筐体の前記内周面には、係合部が設けられ、
前記内側筐体の外周面には、前記係合部と係合する被係合部が設けられ、
前記弾性シール部材は、前記段差面と前記対向面との間で圧縮されている、請求項１に記載の流体フィルター。
前記流路内で、前記内側筐体よりも上流側に配置された、第２フィルター材をさらに備え、
前記流路の流路軸線に直交する断面における、前記外側筐体の内周面のうち、少なくとも、前記弾性シール部材、前記内側筐体、及び前記第２フィルター材のそれぞれと対向する部分の断面形状と、前記流路の流路軸線に直交する断面における、前記弾性シール部材、前記内側筐体、及び前記第２フィルター材のそれぞれの外形とが、それぞれ略四角形状である、請求項１又は２に記載の流体フィルター。