JP4806737B2 - 濾過器 - Google Patents

Description

本発明は、液体等を金属などにより筒形に形成されたフィルターを通して濾過する濾過器における前記フィルターの洗浄と濾過の促進をする超音波装置付きの濾過器に関するものである。

従来から水などの液体の濾過に、合成樹脂製や金属製のフィルターが使用されているが、近年廃棄物処理等の問題で再生が可能な金属製フィルターが求められるようになった。金属製フィルターは、異物を捕集して目詰まりが起きた場合には、ブラシ等でフィルター表面を直接こすり付けるなどして汚れを落としたり、外圧や内圧をかけて洗浄する再生方法が用いられていた。

一方、上記フィルターは槽形の超音波洗浄機で超音波によるキャビティーションを利用して洗浄する方法や、水流によるジェット洗浄、或は、液中に気泡を発生させて洗浄するバブリング洗浄を用いる方法などのほか、前記の各洗浄法を適宜併用して汚れを落す方法も行われていた。

従来の上記洗浄方法においては、いずれもカートリッジと呼ばれるフィルターをフィルターハウジングと呼ばれるケーシングから取り外し、フィルターだけを単独に洗浄する形態であった。

しかし、金属製フィルターの目詰まりが起きた場合の洗浄方法は、そのいずれもフィルターをハウジングより取り外して洗浄する態様を採っているため、例えば配管中に挿入されている濾過器をそれが取付けられた部分から取り外さなければならず、煩雑な手間を不可欠とし至って面倒であった。

この点に鑑み、濾過器を配管中に取り付けたままで内部のフィルターを再生出来る洗浄方法として、気泡を強制的に配管中に送り込んで濾過器の内部を洗浄するバブリング方式が一部で実用化されているが、その効果に見るべきものはない。その理由は、ハブリング方式により数回洗浄を繰り返した後は、結局、濾過器を配管から取り外して分解し、フィルターを直接ブラッシングなどにより洗浄することが不可欠であったからである。

以上に述べたように金属製フィルターをより完璧に再生させるには、結局、フィルターをそのハウジングから取り外して個別に洗浄することが、著しく面倒で煩雑ではあっても、フィルターのより望ましいレベルでの再生が出来るものと認識されているのが現状である。

一方、濾過器の分野では、フィルター性能を上げるために、濾過部の構造が図１に示す円筒型から図２に示すプリーツ型に移行し、さらに、フィルターのメッシュをより細かくしたり、プリーツの挟み角を狭くして濾過面積を増やした高性能タイプが使用されるようになったため、フィルター密度が増して目詰まりを起こし易くなり、フィルターの運転時間が短くなるなど新たな問題が派生した。

本発明は上述した濾過器のフィルターを再生するため採られている従来技術とその問題点に鑑み、超音波のキャビティーション現象による洗浄効果に着眼し、配管中に据付けられたままの濾過器のフィルターに直接超音波振動を付与してフィルター自体を振動させることにより、その目詰まりを解消出来るようにした濾過器を提供することを、その課題とする。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明の濾過器は、金属製のインナースクリーンおよび鋼繊維からなる筒形のフィルタースクリーンと、前記フィルタースクリーンの一端部に結合されたコアベースと、前記フィルタースクリーンの他端部に結合され、流体の出口が設けられたスクリーンパイプと、一端が前記コアベースに結合され、他端は前記スクリーンパイプとの間に間隙を置いて、前記フィルタースクリーンの内側又は外側に配置された金属製のコアーパイプとからなり、外周がケーシングで覆われたフィルターカートリッジを備え、前記コアベースに、超音波振動子のホーンが超音波振動の腹の点において結合され、前記スクリーンパイプは、超音波振動の節の点において前記ケーシングに支持され、かつ、前記超音波振動子は、前記フィルタースクリーン及び／又は前記コアーパイプに縦振動およびたわみ振動を付与するようにしたことを特徴とするものである。

本発明の超音波装置を組込んだ濾過器は、配管中にバイパス配管を組んでその中に挿入し、通常の濾過運転時とは逆方向に運転してフィルターの洗浄を行う。また、順方向に運転する通常の濾過運転時も、間欠的にフィルター自身を励振（超音波振動）させることで、目詰まりとなる不純固体物質の塊を粉砕することが可能となり、これによって濾過の促進にも役立ち目詰まりを実質的に減らしてフィルターの寿命を延ばす結果が得られる。

本発明は、濾過器におけるフィルタースクリーンの端部に結合されたコアベースに、超音波振動子のホーンの先端を結合することにより、フィルターに超音波振動を伝達させてフィルターを洗浄するようにしたので、濾過器を配管中から全く取外すことなくフィルターの洗浄再生が可能になるとともに、超音波振動子の腹Ｌと節Ｍを考慮した構成となっているため、超音波振動が有効にフィルターに働き、フィルタースクリーン及び／又はコアーパイプに縦振動およびたわみ振動が付与され、優れた洗浄・濾過効果が得られる。

まず、本発明を適用するフィルターの一般的形態について、図１，図２により説明する。図１は一般的な構造である円筒型フィルター、図２は近年主流のプリーツ型フィルターである。
図１、図２に例示したフィルターにおいては、液が通過し易いように多数の穴が開けられたパンチングメタルなどの打ち抜き鋼板等により形成した芯となるコアー３の外周にパンチングメタルや織製金網を多層にして巻き付けた濾材１（フィルター１ともいう）を固定し、両部材３，１の両端にプレート２が設けられている。

図３は、図２のプリーツ型のフィルターを平面視した形態例を示す図、図４は図３のフィルターの詳細構造を説明するための部分展開図で、ここでは濾過の性能を上げるため、濾材１（フィルター１）には、金網製の２枚のインナースクリーン４，４の間に鋼繊維を積層したファイバーメディア５をサンドイッチ状に挟み込んで形成されており、濾材１がコアー３に巻付け固定され形成されている。

次に、図１〜図４により説明したフィルターをフィルターカートリッジとしてケーシングに組み込んだ濾過器の構成例を図５より説明する。
図５において筒状の濾材１とその両端のプレート２，２と、濾材１の芯として両プレート２，２の間に架設されたコアー３から成るフィルターは、いわゆるカートリッジ様に交換可能なことからカートリッジ６（フィルターカートリッジともいう）と称される。前記カートリッジ６は入口Ａと出口Ｂが設けられたフィルターハウジング７の内部に、プレート２，２の部位にパッキングＰを介して固定され、濾過器の一例に構成される。

図１〜図５により説明したフィルターに本発明を適用した基本構成と振動分布を図６により説明する。
ボルト締ランジュバン型振動子13（以下、振動子13という）は、圧電素子９を挟み込むようにホーン８とホーン10により締着ボルト11で締着され一体化されている。
振動子13は、予め取り外し出来るように、ホーン８の先端側とプレート2’において連結ネジ12によりカートリッジ６に接続されている。なお、図６の波形は、振動子13を発振器14で励振した場合の振動振幅分布Ｃと金属の伸縮を表す応力分布Ｄを示し、そのときの超音波振動の方向は、矢印Ｅで示す縦方向（軸方向）振動であることが判る。

本発明の濾過器は、上記のようにフィルターカートリッジ６の軸方向端面（プレート2’）に超音波振動子13を予め一体化してフィルター１（濾材１）の洗浄を目的の一つとした装置である。
本発明では、超音波振動の伝達を良くするため、コアー３には肉厚の大きい打ち抜き鋼板等を使用し、また、前記フィルター１を構成しているプリーツ型のスクリーン４をコアー３に密着するように配置することによって、超音波振動時にコアー３から発生するキャビティーションが、フィルター１により多く浸透しやすい構造とすることが望ましい。
この場合、振動子３におけるホーン８と連結ネジ12により結合されているプレート2’とフィルター１とは、連続溶接によって完全に一体化するように接合する。

次に、本発明の超音波装置付の濾過器の全体を示す具体的な構造と振動分布を図７により説明する。
図７において、振動子18は電歪素子15をホーン16とホーン17でサンドイッチ状に挟み、これらを締着ボルト36で組付けることにより一体化している。振動子18は振動子ケース29の内部に収められ、給電ケーブル30を通して発振器32に接続される。また、振動子18の発熱を外部に放散するため振動子ケース29には放熱用の孔（図示せず）が設けられていると共に、冷却用の空冷ファン31が取り付けられている。

図７のフィルターカートリッジ36は、コアーベース20（図６のプレート2’に相当）に、打ち抜き鋼板より成るコアーパイプ21が連続溶接Ｉで一体化されていると共に、フィルタースクリーン22がコアーパイプ21に圧接乃至密に接触するように取り付けられている。フィルタースクリーン22の他端側（振動子18が設けられない側）には、フィルターカートリッジ36の他端側と結合されたスクリーンパイプ23が配置されているが、このスクリーンパイプ23とコアーパイプ21の他端は、間隙Ｈを介して超音波振動が直接的に伝達されないように機械的に離れた状態にある。

上記カートリッジ36の外周はケーシング27で覆われている。即ち、液体の入口Ｆと出口Ｇが設けられたキャップ26と振動子を固定するベース28によってこのケーシング27を前後から挟み込むように取り付けられている。なお、気密性を保つために前記キャップ26，ベース28，スクリーンパイプ23とケーシング27の当接面にはＯリング25，Ｏリング35等を用い、このケーシング27をボルト33，ボルト34によってキャップ26とベース28に固定している。
カートリッジ36は、振動子18の超音波振動によって、図７に例示した振幅波形Ｋの振動分布を示し、その振動の腹Ｌと呼ばれる振動の最大点と、振動の節Ｍと呼ばれる振動の最小点が発生する。

ここで、前記カートリッジ36は、交換可能なように、振動の腹Ｌ点において連結ネジ19で振動子18に締着されていると共に反対側（スクリーンパイプ23）は振動の節Ｍ点でパッキン24を介してキャップ26に支持されている。これにより、スクリーンパイプは、径方向の動きは規制され、軸方向には動き得るようになっている。
以上により本発明超音波装置、即ち、フィルターを取外すことなく超音波洗浄する装置の一例が形成される。

本発明の濾過器においては、フィルターの洗浄効果を上げるため、基本発振周波数（図７の波形Ｋ参照）の２倍〜４倍の周波数で発振することにより振動ムラを極力無くすことが出来る。この例として、同じ縦振動の４倍の発振周波数で発振させた場合の超音波振動の振幅分布を図７の波形Ｊに示している。
このように本発明超音波装置では、発振周波数を交互に変化させながら発振させることにより、カートリッジ36全体をほぼ均一に振動させることが可能になるのである。

一方、本発明の濾過器では、コアーパイプ21の肉厚が薄くなると、縦方向の振動成分よりもたわみ方向Ｏ（径方向全体に伸びたり縮んだりする方向、図７参照）の振動成分が強くなることから、発振周波数を変えてたわみ成分の共振周波数で発振させる方法も洗浄効果を上げる振動形態の一つとして選択することができる。

本発明の濾過器によるフィルターの超音波洗浄の効果は、例えば図７のフィルタースクリーン22の多孔質の濾材（フィルター）にからみついている捕集された異物（不純固形物質）を速やかに取り除くことができることである。即ち、近年のフィルター分野技術の進歩によって濾材の構造や材質が複雑化，高度化し、捕集する異物の保持容量が格段に増大したためフィルター自体の寿命を延ばすことが可能になったが、一方ではそのような高機能フィルターの中に複雑に入り込んだ態様で捕集される異物を、表面的な効果しか得られないブラッシングやジェット水流等で洗浄するだけでは、不十分であった。そこで本発明超音波装置を適用することによって、上記のような洗浄再生が困難であった高機能フィルターの洗浄再生を可能にしたのである。

つまり、超音波による洗浄は、液体中にキャビティーションを発生させ、その液体を媒体としてキャビテーションの作用をフィルターに伝達するので、複雑な構造のフィルターであってもキャビテーションによる洗浄力がフィルター内部にまで浸透し、所要の洗浄効果が得られる。特に、固体の中で金属は振動伝達効率が良好であるが、金属フィルターの濾材として一般的に用いられているステンレス鋼製のフィルターに本発明超音波装置を適用した結果、特に優れた洗浄効果を得ることができたことが、他のフィルターも用いたテストを通して確認することができた。

次に図８によって、本発明の濾過器を形成するカートリッジと超音波振動子の取付け構造を、最も理想的な形態としたフィルターの一例を示す。
図８に例示したカートリッジ37の構成では、略円板上のコアーベース39と内筒コアー40を一体に製作し、この内筒コアー40に密着させてプリーツ型のフィルタースクリーン41の一端側（図８の右側）を連続溶接等によって前記コアーベース39に一体となるように接合すると共に、当該フィルタースクリーン41の外周に密着するように外筒コアー42を配置し、この外筒コアー42の一端側（図８の右側）を連続溶接等によってコアーベース39に一体化接合している。図８において、43は浮動スクリーンパイプ、Ｈは内筒コアー40の他端（先端）とスクリーンパイプ43の端面の間に形成した間隙、Ｋは振動分布の波形である。

図８のフィルタースクリーン41には、振動子38により発生した超音波振動が内，外筒コアー40，42に伝達してフィルタースクリーン41の内面，外面の両面から伝達されると同時に、内筒コアー40，外筒コアー42には効率的にキャビティーションが発生し、これが両コアー40，42の間に空間を保ってサンドイッチ状態におかれたフィルタースクリーン41に浸透して行き、濾材（フィルター）の中に入り込んだ異物や不純固体物質を、前記超音波振動とキャビテーションによって剥離すると共にフィルターの外部に導出し、フィルタースクリーン41の全体を洗浄する。

本発明の濾過器は、以上に述べた金属製フィルターだけではなく、超音波振動伝達が困難とされる合成樹脂製フィルターについても、超音波洗浄の特徴として液体を媒体として超音波振動やキャビテーションが伝達することから、図９に示した構造例のように、振動子44を結合したコアベース45に内筒コアー46と外筒コアー47を一体的に設け、両コアー46と47の間に合成樹脂製フィルターによるカートリッジ48を配設した形態の本発明超音波装置を適用したフィルターに形成すると、その超音波によって濾過の促進や洗浄の効果が得られる。

即ち、図９は合成樹脂製フィルターを励振させる場合の本発明超音波装置の構造の一例を示したもので、金属製のコアーベース45に内筒コアー46と外筒コアー47が一体化され、両コアー46と47に挟まれた空間に合成樹脂製カートリッジ48の全体を挿入した形態の構造を採るが、コアー46，47とカートリッジ48の機械的な接続関係はない。ここで、前記ベース45、コアー46，47をコアー型ホーン50と呼ぶ。

図９のコアー型ホーン50は、振動子44と連結ネジ51により締着され一体化されているが、合成樹脂製カートリッジ48は、単独に形成されたものがコアー型ホーン50の内，外筒コアー46と47が形成する空間に挿入されるので、ホーン50の側と機械的に一体化する必要は無い。但し、ケーシング（図示せず）と液体の出入口となる端面とのシールを完全とするため、接続用の防水Ｏリング49などを用いてケーシング内の気密性を保って当該ケーシングに固定されるものとする。図９の装置における超音波振動の分布を振幅分布波形Ｎで示す。

図９の本発明の濾過器では、液体の中で合成樹脂製カートリッジ48が、コアー型ホーン50に設けられた内筒コアー46，外筒コアー47に挟まれているので、両コアー46，47からの超音波振動が伝達して合成樹脂製の濾材の中まで浸透し、この超音波発振を繰り返すことによって、濾過時に目詰まりを起こし液体の通過率が下がり始めた場合などにおいて前記超音波振動のキャビティーション効果により液体の濾材通過抵抗を低くすることができる。この結果、流動性が増して液体が通過しやすくなるので、濾材の寿命を高めることとなる。また、洗浄時には、液体を逆流させながら超音波振動を前記ホーン50に励起させることにより、濾過時と同じ原理で洗浄効果を高めることが出来る。

従来技術では、金属製フィルターを再生するためには、そのフィルターを配管から濾過器ごと取出した上でその濾過器からも取り外して洗浄することを余儀なくされていたが、本発明ではカートリッジに、直接、超音波振動を加えることによって、面倒であったフィルターの交換・取付け作業を不要にするのみならず、定期的な点検・交換作業を省略しても問題は生じないという利点が得られる。因みに、従来は配管から濾過器を取外した上でその中のフィルターを取り外して洗浄することが標準的であったため、濾過器を一定期間使用した後、或は、液体の通過効率が低下してからフィルターの交換をする手順を採っていたので、多少の濾過性能の低下や効率の低下を甘受せざるを得なかった。

一方、多量の異物捕集をすると共に、フィルターの寿命を延ばす目的で濾材の表面積を増やした改良されたフィルターでは、フィルター自体の形態が複雑な構造となった上に、異物保持容量も大きくなったため、このフィルターの交換時に行っていた捕集異物除去のための洗浄では、予め表面の汚れをブラッシングしたり、或は、水流によるジェット洗浄などの予洗の後に超音波洗浄機でフィルター内部を洗浄する等、洗浄形態が複雑になって時間と手間のかかる作業が必要であったが、本発明超音波装置により、配管中に取付けたままで、適宜タイミングにおいてフィルター中に異物が多量に捕集されて濾過効果が低下する前に定期的な超音波洗浄を繰り返すことができるから、異物の除去が簡単かつ省力的に済むのみならず、短期間のサイクルでくり返し自動洗浄可能であることにより、濾材の奥深くまで異物が浸入する前にその不純物を自動的に取り除くことができ、これが濾材の寿命を延ばすことにもなる。

以上は目詰まりしたフィルターの異物を取り除くことに着眼した本発明の効果であるが、本発明の濾過器は、それがフィルターに取込まれて一体に使用されることにより、超音波振動のキャビティーション現象が濾過抵抗を下げ、また、配管中に設置したままで超音波振動を付与できるので、この振動付与を濾過運転時に行うことにより、濾過効率の促進に大きく寄与する。

本発明は以上の通りであるから、一つの装置の超音波振動によって濾材（フィルター）における濾過の促進と当該濾材の洗浄並びに当該濾材自体耐用命数を延ばすという重複した効果が得られ、これによってフィルターカートリッジの定期点検、及び、カートリッジの交換洗浄等の保持・管理作業が大幅に削減される画期的な効果が得られる。

従来の円筒型フィルターの原理的構造を説明するための一部切開斜視図。 従来のプリーツ型フィルターの原理的構造を説明するための一部切開斜視図。 図２のプリーツ型フィルターの平断面図。 図２のプリーツ型フィルターの一部を拡大した斜視図。 フィルターカートリッジをケーシングに組み込んだ濾過器の一例の断面図。 本発明の濾過器の一例であって、カートリッジと振動子の組合せ形態と振動波形を表した断面図。 本発明の濾過器を振動波形の例とともに示す断面図。 本発明の濾過器におけるカートリッジと超音波振動子の取付状態の例を振動波形の例とともに示す断面図。 本発明の濾過器を合成樹脂製フィルターに適用した例を振動波形の例とともに示す断面図。

１ フィルター
２，2’ プレート
３ コアー
６ カートリッジ
８，10 ホーン
９ 圧電素子
11 締着ボルト
12 連結ネジ
13 超音波振動子
14 発振器

Claims (1)

1. 金属製のインナースクリーンおよび鋼繊維からなる筒形のフィルタースクリーンと、
   前記フィルタースクリーンの一端部に結合されたコアベースと、
   前記フィルタースクリーンの他端部に結合され、流体の出口が設けられたスクリーンパイプと、
   一端が前記コアベースに結合され、他端は前記スクリーンパイプとの間に間隙を置いて、前記フィルタースクリーンの内側又は外側に配置された金属製のコアーパイプとからなり、外周がケーシングで覆われたフィルターカートリッジを備え、
   前記コアベースに、超音波振動子のホーンがその超音波振動の腹の点において結合され、前記スクリーンパイプは、前記超音波振動の節の点において前記ケーシングに支持され、かつ、前記超音波振動子は、前記フィルタースクリーン及び／又は前記コアーパイプに縦振動およびたわみ振動を付与するようにしたことを特徴とする濾過器。

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