(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンを含み、ブリードガス管路を持つ、航空機用のエンジンと、
前記ブリードガス管路に流体連通したフィルタと、を有し、
前記フィルタが、５０％乃至９５％の範囲の空所容積を有する焼結金属濾材と、前記焼結金属濾材の上流側に配置された前置フィルタとを含み、
前記前置フィルタが前記焼結金属濾材より多い孔を有し、
前記フィルタが、１μｍ乃至５μｍの範囲の大きさの煤粒子に対して少なくとも９５％の捕捉効率を有する、エンジンアレンジメント。
【請求項２】
前記焼結金属濾材は、７５％乃至９５％の範囲の空所容積を有する、請求項１記載のアレンジメント。
【請求項３】
前記焼結金属濾材は、焼結ファイバ金属濾材、焼結粉体金属濾材、焼結金属メッシュ濾材、または、前記焼結ファイバ金属濾材、前記焼結粉体金属濾材、前記焼結金属メッシュ濾材の混成物からなる、請求項１または２記載のアレンジメント。
【請求項４】
前記焼結金属濾材は、公称長さが１００μｍ乃至２０mmの焼結ファイバからなる、請求項１または２記載のアレンジメント。
【請求項５】
前記ファイバは、直径が１μｍ乃至１５０μｍである、請求項４記載のアレンジメント。
【請求項６】
前記ファイバは、約１０μｍ乃至約１２５μｍの直径を有する、請求項５記載のアレンジメント。
【請求項７】
前記ファイバは、約２０μｍ乃至約１００μｍの直径を有する、請求項６に記載のアレンジメント。
【請求項８】
前記ファイバは、溶融オーバーフロー流延によって形成され、約４０μｍ以上の直径を有する、請求項４乃至７のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項９】
前記ファイバの少なくとも一部は、直線状でなくなるように焼結前に機械的に加工してある、請求項４乃至８のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項１０】
前記ファイバの少なくとも一部は、直線状でなくなるようにハンマーミルによって機械的に加工してある、請求項９記載のアレンジメント。
【請求項１１】
前記ファイバの少なくとも一部は、最大約πラジアンの円弧を構成する全体に三日月形の横方向断面を有する、請求項８記載のアレンジメント。
【請求項１２】
前記焼結金属濾材が第１層及び第２層を含み、
前記第１層は、前記第２層と前記前置フィルタとの間に配置され、平均孔径が前記第２層より大きい、請求項１乃至１１のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項１３】
前記前置フィルタは、空所容積が少なくとも９０％である、請求項１乃至１２のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項１４】
前記前置フィルタは、編製メッシュパッドからなる、請求項１乃至１３のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項１５】
前記前置フィルタは、金属ファイバ濾材からなる、請求項１乃至１４のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項１６】
前記航空機のエンジンは、航空機用補助動力装置を有する、請求項１乃至１５のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項１７】
前記ブリードガス管路に連結されたサージ制御バルブを含み、前記フィルタは、前記サージ制御バルブの上流側で前記ブリードガス管路に流体移動を可能にするように連結されている、請求項１乃至１６のいずれか１項記載のアレンジメント。
【請求項１８】
更に、前記フィルタを収容するハウジングを有し、
このハウジングは、前記ブリードガス管路に連結された入口を持つ本体と、この本体に取り外し自在に取り付けられたカバーとを含み、
このカバーは、前記入口を前記ブリードガス管路から取り外すことなく、前記ハウジングの本体から取り外すことができる、請求項１乃至１７のいずれか１項記載のアレンジメント。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、エンジンのブリード空気等のガスから煤を除去することのできる煤フィルタに関するものである。更に詳細には、本発明は、補助動力装置等の航空機のエンジンからのブリード空気から、煤を除去することのできるフィルタに関するものである。
２．関連技術の説明
最新の航空機は、多くの場合、補助動力装置（ＡＰＵ）と呼ばれる補助エンジンを備えている。これは小型の機内エンジンであり、通常は航空機の後尾区分に配置されており、航空機の主エンジンが停止した場合に航空機のシステムに動力を提供するのに使用される。補助動力装置は、熱、電気、空調、及び圧縮空気を提供するといった様々な目的について使用できるが、航空機の主エンジンとは異なり、飛行推力を提供することはできない。補助動力装置からの圧縮されたブリード空気は、航空機の主エンジンを始動させるため、空気タービンスターターシステムに提供できる。
補助動力装置とは、一般的には、ガスタービン及び同様の他の種類のガスタービンであり、エンジンの作動状態に対して吸気量が不適切である場合には、サージを受け易い。従って、補助動力装置は、多くの場合、サージ制御バルブを備えている。このバルブは補助動力装置に流体移動を可能にするように連結され、補助動力装置内の作動状況に基づいてサージが生じないように開閉される。
補助動力装置用サージ制御バルブは、通常は、補助動力装置からブリード空気を受け入れ、このブリード空気の幾つかの特徴（圧力等）に基づいて制御を行う。サージ制御バルブは、圧力調整器及び補助動力装置からのブリード空気が通過する空気圧作動式バルブ等の様々な空気圧構成要素を含む。ブリード空気は、多くの場合、タール質の微細な煤粒子、即ち未燃焼炭化水素又は不完全燃焼炭化水素を含む。これらは、様々な源から、例えば、航空機が空港のゲートに駐機したときに航空機に対してサービスを行う地上サービス用車輛のディーゼルエンジンから、付近の航空機のエンジンの排気から、又は補助動力装置の作動により滑走路から吸い上げられた塵埃から、補助動力装置に吸い込まれる。煤は極めて粘着性が高く、サージ制御バルブに入り込むと、サージ制御バルブに付着してこれを故障させる。補助動力装置からのブリード空気を使用する他の航空機機器には、更に、塵埃、オイル、及び特に炭化水素粒子の存在に対して極めて感受性が高く、煤粒子をブリード空気とともに吸い込んだときに重大な損傷を受ける構成要素が含まれる。従って、補助動力装置からのブリード空気から煤を効果的に除去できるフィルタが必要とされている。航空機の主エンジンからのブリード空気にも煤が含まれており、このブリード空気もまた他の航空機機器に供給されるため、この煤を効果的に除去できるフィルタが必要とされている。
ガスから煤を除去できるフィルタが存在するが、現存のフィルタは、高価格であるということ、嵩張るということ、及び塵埃除去性能が不十分であるということ、清掃及び交換を頻繁に行う必要があるということ等の様々な欠点のため、多くの場合、航空機のエンジンで使用するには実際的ではない。更に、補助動力装置用のブリード空気が、典型的には、流量が非常に低いため、粒子をブリード空気から効果的に除去する上で慣性セパレータを使用できない。
発明の概要
本発明は、エンジンからのガスから、又は他の煤含有ガス源から、詳細には航空機用補助動力装置等のガスタービンからのブリード空気から、煤を除去するのに適した煤フィルタを提供する。
本発明は、更に、塵埃除去性能が高いが、極めてコンパクトな、煤フィルタを提供する。
本発明は、更に、非常に低流量のガスから煤粒子を効果的に除去できる煤フィルタを提供する。
本発明は、更に、フィルタエレメントが詰まった場合に廃棄するのに十分経済的なフィルタエレメントを有する、煤フィルタを提供する。
本発明は、更に、フィルタアッセンブリに繋がる流体管路を外すことなく、設置及び交換を行うことができる煤フィルタを備えた、フィルタアッセンブリを提供する。
本発明は、更に、エンジン等の粒子含有ガス源、及び粒子をガスから除去するための煤フィルタを備えた設備を提供する。
本発明は、更に、煤をガスから除去するための方法を提供する。
本発明の一つの特徴によれば、煤フィルタは、焼結金属ファイバ濾材を有する。焼結金属濾材は、高温時の耐蝕性が良好であり、塵埃除去性能が極めて高く、そのため、使用寿命が長い。更に、材料費が低いため、交換が必要となったときに廃棄できる。
焼結金属濾材は、任意の特定の種類に限定されず、好ましくは、フィルタが、エンジンからのガスから１μｍ乃至５μｍの大きさの煤粒子を除去できるように選択される。好ましい実施例では、焼結金属濾材は、ファイバ金属濾材からなる。濾材内のファイバの一部は、非直線状形状を有する。ファイバは、好ましくは、約１μｍ乃至約１５０μｍの直径を有し、約１００μｍ乃至約２０mmの範囲の公称長さを有する。ファイバは、好ましくは機械的に相互係止されており且つ焼結によって互いに結合されており、マスのファイバ間に空所を構成する。ファイバ金属濾材は、好ましくは、約５０％乃至約９５％の範囲の空所容積を有する。直径が約４０μｍ以上のファイバについては、ファイバ金属濾材で使用する上で溶融オーバーフロー流延プロセスによって形成したファイバが特に適している。更に、フィルタは、焼結金属濾材の上流側に多孔質前置フィルタを有する。このフィルタは、濾過されるべき粒子含有ガスの源にフィルタを流体移動を可能にするように連結できるハウジングに配置されている。
フィルタは、空所容積が非常に大きく、そのため圧力損失が低く、寿命が長い。これと同時に、フィルタは、１μｍ乃至５μｍの非常に小さな煤粒子を、慣性セパレータを効果的に機能するには低過ぎる流量で非常に高い効率で捕捉できる。更に、フィルタは、軽量且つ非常にコンパクトに形成でき、そのため、航空機環境で使用するのに非常に適している。
本発明の別の特徴によれば、フィルタアッセンブリは、ハウジング及びディスク状フィルタを含む。好ましい実施例では、ハウジングは、本体及びカバーの形態の第１及び第２の区分を含む。カバーは、フィルタを包囲するために本体に取り付けられており、本体から管路を取り外すことなく、フィルタを本体に設置でき且つフィルタを本体から取り出すことができるように開閉可能である。フィルタは、入口と出口との間の流路に沿ってハウジング内に配置されている。
本発明の更に別の特徴によれば、設備には、煤粒子含有ガス源及びこのガス源と流体連通したフィルタが含まれる。このフィルタには、焼結金属濾材が含まれる。好ましい実施例では、ガス源はブリードガス出口を持つエンジンであり、焼結金属濾材は、溶融オーバーフロー流延によって形成された金属ファイバを含む。
本発明の別の特徴によれば、濾過方法は、焼結金属濾材を含むフィルタに煤含有ガスを通す工程を含む。好ましい実施例では、焼結金属濾材は、約５０％乃至約９５％の空所容積を持つファイバ金属濾材からなる。
本発明によるフィルタは、様々な源からの粒子含有ガスの濾過に使用できる。ガスタービンからのブリード空気の濾過で使用するのに特に適しているが、エンジンでの使用に限定されない。フィルタを航空機に設置する場合の幾つかの可能な用途は、補助動力装置又は航空機の主エンジンからのブリード空気、オイルシールを閉鎖状態に保持するのに使用される背圧、排気ガス、エアサイクルマシンで使用されるエアフォイルベアリングに供給される空気、及び電子−アビオニック機器用の冷却空気を濾過することである。航空機と関連していない用途の一例は、発電用地上据置式ガスタービンエンジン用の空気圧制御装置用のフィルタとしての用途である。
本発明によるフィルタは、煤、即ちガスからの未燃焼炭化水素及び不完全燃焼炭化水素を除去する上で特に有用である。しかしながら、煤での使用に限定されず、ガスを濾過し、フィルタの除去定格内の大きさの任意の種類の粒子を除去するのに使用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるフィルタアッセンブリを装着した補助動力装置の概略図である。
第２図は、第１図のフィルタアッセンブリの正面図である。
第３図は、第２図のフィルタアッセンブリの底面図である。
第４図は、第２図のフィルタアッセンブリの垂直断面図である。
第５図は、第４図のフィルタアッセンブリの一部の拡大垂直断面図である。
第６図は、第４図に示すフィルタの平面図である。
第７図は、第１図のフィルタアッセンブリとともに使用できる変形例のシーリング装置を示す垂直断面図である。
第８図は、第１図のフィルタアッセンブリの焼結金属濾材で使用される金属ファイバの概略断面図である。
第９図は、本発明によるフィルタアッセンブリの別の実施例の垂直断面図である。
好ましい実施例の説明
第１図は、本発明によるフィルタアッセンブリを使用できる代表的な航空機用補助動力装置１０を概略的に示す。補助動力装置１０は、例えば、任意の所望の構造を持つ商業的に入手できる型式の装置であるのがよい。本実施例では、補助動力装置１０は、一つ又はそれ以上の段を含む遠心型動力区分コンプレッサ１２によって圧縮されるべき空気が通過する空気取入口１１を含む。動力区分コンプレッサ１２からの圧縮空気は、一つ又はそれ以上の燃焼チャンバ１３に供給され、燃料ノズル１４が供給する燃料とこれらのチャンバで混合し、燃焼される。燃焼した空気は、一つ又はそれ以上の段を持つタービン１５に供給され、タービン１５のロータを燃焼空気が回転する。タービンのロータの回転により、タービン１５に連結された出力シャフト１７が回転し、これによって動力区分コンプレッサ１２、遠心型負荷コンプレッサ１８、及びギヤボックス１９を駆動する。負荷コンプレッサ１８は、空気取入口１１からの空気を圧縮し、圧縮空気をブリード空気管路２０及び２１を通して航空機の様々な空気圧システムに供給する。代表的には減速ギヤを構成するギヤボックス１９は、航空機に電力を提供する発電機、コンプレッサ、又は他の様々な図示していない機器を適当な回転速度で駆動するように、これらの機器に連結できる。
補助動力装置１０には、サージが起こらないようにするためのサージ制御バルブ３０が設けられている。サージ制御バルブ３０は、従来の設計であるか或いは任意の他の適当な設計であるのがよく、負荷コンプレッサ１８からのブリード空気管路２０と補助動力装置１０の排気領域１６との間に連結されたバイパス２２に枢着された調節自在のバルブプレート３１を含む。サージ制御バルブ３０は、動力区分コンプレッサ１２の排出側に連結されたブリード空気管路２３の圧力に基づいてバルブプレート３１の開閉を行う空気圧制御ユニット３２を更に含む。本発明によるフィルタアッセンブリ４０が補助動力装置１０と空気圧制御ユニット３２との間に設置されており、そのため、フィルタアッセンブリ４０を通過するブリード空気は、空気圧制御ユニット３２に進入する前に濾過される。空気圧制御ユニット３２は、代表的には、圧力調整器及びバルブプレート３１を作動するための空気圧アクチュエータ等の構成要素を含む。
本発明によるフィルタを使用できる補助動力装置及びサージ制御バルブは、プラットアンドホイットニー社又はアライドシグナルエンジン社等の多くの製造者から商業的に入手できる。しかしながら、本発明は、これらの製造者が提供する機器や任意の特定の型式又は設計での使用に限定されない。更に、第１図には、たった１つの可能なサージ制御装置だけが示してあり、当業者に周知の多くの他の装置を使用できる。サージ制御バルブの作動原理及び詳細は当業者に周知であるため、これについての説明は省略する。
第２図乃至第６図は、第１図のフィルタアッセンブリ４０を詳細に示す。これらの図に示すように、アッセンブリは、ハウジング４１及びこのハウジング４１内に配置されたフィルタ７０を有する。ハウジング４１は、ブリード空気をブリード空気管路２３から案内し、濾過が行われるべきフィルタ７０に通すことができる任意の構造を備えているのがよい。この実施例のハウジング４１は、本体４２及びこの本体４２に取り付けられたカバー６０を含む。ハウジング４１には、濾過されるべきガスの源、即ちブリード空気管路２３に連結するための入口４３、及びフィルタ７０によって濾過されたガス用の出口４４が含まれる。好ましくは、入口４３及び出口４４は、両方とも、本体４２に連結されているか或いは本体の部分であり、カバー６０は、本体４２を開閉できるように本体４２に取り外し自在に取り付けられており、これによって、入口４３及び出口４４への流体連結を邪魔することなくフィルタ７０をハウジング４１から出し入れできる。この実施例では、入口４３は、ブリード空気管路２３の一つの部分によって補助動力装置１０に連結されており、出口４４は、ブリード空気管路２３の別の部分によってサージ制御バルブ３０の空気圧制御ユニット３２に連結されている。第３図に示すように、入口４３及び出口４４は、両方とも、ハウジング本体４２の外周面で開放しているが、これらは、本体４２の他の部分、例えば底面で開放していてもよいし、必ずしも互いに同じ面で開放していなくてもよい。
フィルタアッセンブリ４０は、ブリード空気管路２３に沿った任意の便利な位置に、例えば補助動力装置１０のケーシング上に設置できる。この実施例では、本体４２には複数の脚部４５が設けられており、これらの脚部により本体４２をボルト止め又は他の方法で適当な表面に固定できる。
第２図には、ハウジング４１が、ハウジング４１の本体４２の上方に配置されたカバー６０とともに示してある。しかしながら、フィルタアッセンブリ４０は、垂直方向に関してフィルタハウジング４１の任意の所望の高さで、例えば、ハウジング本体４２がカバー６０よりも高い状態で、又はこれらの両方が同じ高さにある状態で、作動できる。
ブリード空気管路２３を通してサージ制御バルブ３０内に導入された補助動力装置１０からのブリード空気は、動力区分コンプレッサ１２によって圧縮されるため、通常は極めて高温（例えば、ハウジング４１の入口４３のところで１７６．６７℃乃至２６０℃（３５０°Ｆ乃至５００°Ｆ）の温度）である。従って、フィルタアッセンブリ４０を補助動力装置１０とともに使用する場合、ハウジング４１は、好ましくは、高温耐蝕性材料でつくられる。このような材料の例には、ステンレス鋼、チタニウム合金、ハステロイ、及びセラミックが含まれる。
第５図に示すように、この実施例のフィルタ７０は全体に円筒形であり、中央ボアがその高さに亘って延びている。フィルタ７０の中央ボアは、フィルタアッセンブリ４０を小型化する上で便利である。これは、濾過されるべきガス用の導管をフィルタ７０の中心に通すことができるためである。しかしながら、フィルタ７０は、特定の形状に限定されず、ボアは省略してもよいし、別の位置に置いてもよい。フィルタ７０の他の可能な形状の例には、截頭円錐形、ロッド状、又は平らな多角形プレートの形状が含まれる。フィルタ７０は、均等な高さを持つものであってもよいし、その半径に亘って高さが変化するものであってもよい。
フィルタ７０のボアは、ハウジング本体４２の中心に配置された垂直供給管４６を取り囲んでいる。垂直供給管４６は、本体４２に形成された半径方向導管４７によってハウジング４１の入口４３に連結されている。第４図で矢印によって示すように、濾過されるべきガスは、ブリード空気管路２３から入口４３に進入し、導管４７を通って半径方向内方に流れ、垂直供給管４６の下端に流入する。次いで、供給管４６を通って移動し、供給管の上端から排出され、その後、ガスはフィルタ７０を通って軸線方向に流れ、このプロセス中に濾過され、次いでハウジング本体４２の底部分に形成されたチャンバ４８に流入する。このチャンバは、フィルタ７０の下にあり且つ出口４４と連通している。濾過済のガスがチャンバ４８から出口４４を通って出る。このガスは、サージ制御バルブ３０の空気圧制御ユニット３２に供給される。しかしながら、フィルタ７０を通過する、入口４３と出口４４との間の任意の流路を使用できる。更に、入口４３及び出口４４の機能を逆にすることができ、この場合には、濾過されるべきガスは出口４４に流入し、フィルタ７０を通って上方に移動し、濾過されたガスは、供給管４６、半径方向導管４７、及び入口４３を通ってハウジング４１を離れる。濾過を受けるガスがフィルタ７０を通過するときにこのガスに大幅な圧力降下が加わる場合には、フィルタ７０を通る流れ方向は、圧力降下によりフィルタ７０に作用する軸線方向力がハウジング４１のカバー６０でなくハウジング本体４２に対して作用するような方向であるのが好ましい。これは、軸線方向力に抵抗するように設計するのがハウジング本体４２の方が容易であるためであり、ハウジング本体４２が取り付けられた表面に軸線方向力を直接加えることができるためである。ガスは、フィルタ７０を通って軸線方向に流れる代わりに、半径方向に流れてもよいし、軸線方向及び半径方向の両方向に流れてもよい。
ハウジング４２及びカバー６０は、任意の所望の方法で互いに連結できるが、好ましくは、フィルタ７０の設置及び交換を容易に行うことができるようにカバー６０をハウジング本体４２に取り外し自在に連結できる。本実施例では、二つの部材４２及び６０は、ハンドル６６を備えた従来のＶバンドクランプ６５によって連結されている。ハンドル６６を廻すことによって、ハウジング本体４２の外周に形成されたフランジ５０及びカバー６０の外周に形成されたフランジ６１の周りにクランプ６５を締め付けることができる。フランジ５０及び６１は傾斜した外面を各々有し、そのため、Ｖバンドクランプ６５を締め付けると、このクランプによってフランジが互いに向かって押圧され、カバー６０を本体４２に固定する。本実施例では、耐熱性材料製のＯ−リング５１等のシール部材がフランジ５０と６１との間に配置されており、これらのフランジ間にシールを形成する。ハウジング４１は、大気に対して必ずしも気密封止されていなくてもよい。これは、ハウジング４１から漏れるガス又は粒子が環境を脅かすものではないためである。カバー６０及びハウジング本体４２を取り外し自在に連結するため、ボルト、本体４２及びカバー６０に設けられた互いに螺合するねじ山、バヨネット継手、又はスナップ嵌め等の様々な他の機構を使用できる。
垂直断面図である第５図に示すように、この実施例のフィルタ７０は、ディスク状中空フィルタエレメント７１を含む。このエレメント７１は濾材を含み、中央ボア、フィルタエレメント７１の中央ボアに配置された内リング７５、及びフィルタエレメント７１の外周を取り囲む外リング７６を有する。リング７５及び７６は、滑らかな表面を提供し、これらの表面に対し、フィルタ７０とハウジング４１との間にシールを形成できる。更に、これらのリングは、フィルタ７０に構造的剛性を提供し、フィルタ７０の取り扱い中及び設置中にフィルタエレメント７１に損傷が加わらないようにする。しかしながら、リング７５及び７６はフィルタ７０の作動に関して重要でなく、所望であれば省略できる。
内リング７５は、ハウジング本体４２の垂直供給管４６の周りに嵌まっている。この実施例では、内リング７５は、下端での内径の方が上端での内径よりも大きく、垂直供給管４６の外径はその下端からその上端まで縮径しており、供給管４６の下端の外径は、内リング７５の上端の内径よりも大きい。この構造により、フィルタ７０を供給管４６上に第５図に示すように取り付けることができる。かくして、ハウジング４１を通るガスの流れに関してフィルタ７０を所望の通りに配向できる。
補助動力装置からのブリードガスの流量は、一般的には、非常に低い。フィルタアッセンブリ４０の入口４３での代表的な流れ状態の一例は、流量が１４．１６ｌ／分乃至５６．６２ｌ/分（約０．５scfm乃至２．０scfm（標準立方フィート毎分））で静圧が１２．３０３kg/cm2（１７５psig）で、温度が２６０℃（５００°Ｆ）の清浄空気である。従って、フィルタエレメント７１で使用する濾材は、好ましくは、非常に低流量で高温の煤粒子を効果的に除去できる高温耐蝕性材料でつくられている。耐蝕性金属から形成された焼結金属濾材が、微細な煤粒子を低流量の高温のガスから除去するために本発明で使用するのに特に適している。本実施例では、このような濾材７２が使用されている。耐蝕性材料製の未焼結濾材もまた使用できるが、多くの場合、焼結濾材の方が有利である。これは、濾材を形成する材料の移動を引き起こさずに振動及び流れサージに耐えることができるためである。フィルタエレメント７１には、前置フィルタ７３が焼結金属製濾材７２の上流側に設けられている。
フィルタエレメント７１の全体としての除去定格は、通過するブリード空気から除去されるべき粒子の種類に基づいて選択できる。航空機環境における煤粒子の大部分の大きさは、代表的には、２μｍ乃至５μｍである。従って、補助動力装置からのブリードガスからの煤粒子の除去にフィルタアッセンブリ４０を使用する場合、フィルタエレメント７１は、好ましくは、２μｍ又はそれ以上の煤粒子を除去でき、更に好ましくは、１μｍ又はそれ以上の煤粒子を除去できる。１μｍ乃至５μｍの範囲の煤粒子について、フィルタエレメント７１の捕捉効率は、好ましくは、少なくとも９５％である。５μｍの大きさの煤粒子については、捕捉効率は、好ましくは、少なくとも９９％であり、更に好ましくは、少なくとも９９．９％である。
焼結金属濾材の７２の空所容積は、特定の値に限定されていないが、好ましくは、約５０％乃至約９５％であり、更に好ましくは、約７５％乃至約９５％の範囲内にあり、更に好ましくは、約８５％乃至約９５％の範囲内にある。
前置フィルタ７３は、様々な機能を果たす。一つの機能は、フィルタエレメント７１を通過するガス中の大きな粒子を捕捉し、これらの大きな粒子が焼結金属濾材と接触したり、この濾材を詰まらせたりしないようにすることである。これによって、フィルタエレメント７１の寿命が延びる。前置フィルタ７３が行うものと考えられている別の機能は、小さな煤粒子を凝集させ、焼結金属濾材７２が容易に除去できる大きな煤粒子にすることである。ブリード空気中の煤粒子は、それらの粘着性により、接触した表面に容易に付着する。ブリード空気中の個々の煤粒子は、極めて小さく且つ全体として前置フィルタ７３の空所よりもはるかに小さい場合でも、それにも拘わらず、それらの粘着性のため、前置フィルタ７３に付着する。前置フィルタ７３に既に付着している粒子に追加の煤粒子が接触してこれに付着するとき、個々の粒子が凝集して更に大きなマスになる。粒子のマスが所定の大きさに達したとき、前置フィルタ７３からガス流によって外れ、前置フィルタ７３内で下流に焼結金属濾材７２まで運ばれる。前置フィルタ７３での凝集により、焼結金属濾材７２に達する粒子の平均の大きさは、前置フィルタ７３が設けられていない場合よりもかなり大きく、焼結金属濾材７２が煤粒子を更に容易に捕捉できるようにし、焼結金属濾材７２の孔径を大きくできる。これにより、圧力降下が小さくなり、焼結金属濾材７２の使用寿命が長くなる。
前置フィルタ７３は、好ましくは、焼結金属濾材７２よりもはるかに多い孔を有する。例えば、空所容積が少なくとも９０％であり、更に好ましくは少なくとも９５％である。空所容積が９８％乃至９９％の前置フィルタを使用することによって特に良好な結果を得ることができる。適当な前置フィルタの一例は、耐蝕性金属ワイヤでできた編製メッシュパッドであるか或いは耐蝕性金属製不織布でできたパッドである。このようなパッドに形成に使用する上でステンレス鋼が特に適している。このようなパッドは、所定範囲の多孔度で商業的に入手可能である。フィルタを通過する空気の流量が１４．１６ｌ/分乃至５６．６２ｌ/分（約０．５scfm乃至２．０scfm（標準立方フィート毎分））である場合、ファイバ直径が約０．１０２mm乃至約０．１５２mm（約０．００４インチ乃至約０．００６インチ）のステンレス鋼ファイバで形成されており且つ密度が約０．０９１５g/cm3乃至約０．１５２６g/cm3（１立方インチ当り約１．５ｇ乃至約２．５ｇ）の編製メッシュパッドが良好な結果をもたらすことがわかっている。前置フィルタとして使用できる他の部材の例には、ワイヤメッシュ、エキスパンドメタル、フォトエッチングを施したスクリーン、ワイヤを巻いた又は成形した構造、及び有孔シートが含まれる。
前置フィルタ７３は、フィルタアッセンブリ４０の作動中に遭遇する高温に耐えることができる任意の材料、例えばステンレス鋼、銅、ニッケル、真鍮、及びセラミックスで製作できる。作動温度が許す場合には、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）又はノメックス（ノメックス（Nomex）は、アラミド繊維についてのデュポン社の商標である）等の高温ポリマーでできたファイバもまた使用できる。
焼結金属濾材７２及び前置フィルタ７３は、必ずしも任意の特定の形状でなくてもよい。これらは、全体として、フィルタエレメント７１と同じ形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。この実施例では、これらの各々は、平らな内側及び下側を持ち、その直径に亘って実質的に均等な厚さを持つ中空ディスクからなる。焼結金属濾材７２及び前置フィルタ７３は、両方とも、表面積を増大するために波形にしてあるのがよいが、この実施例では、波形にしてない。
焼結金属濾材７２の除去定格は、一定であってもよいし、その深さに亘って変化してもよい。除去定格がその深さに亘って変化し、濾材の下流部分での孔径が濾材剤の上流部分よりも小さい濾材は、多くの場合、除去定格がその深さに亘って一定の濾材よりも塵埃捕捉力が高い。焼結金属濾材７２の除去定格は、様々な方法で変化させることがでる。例えば、焼結金属濾材７２は、孔径がその深さに亘って変化する単一の層でできていてもよいし、別々に形成した孔径が異なる複数の層でできていてもよい。これらの異なる層は、必ずしも互いに固定されていなくてもよい。例示の実施例では、焼結金属濾材７２は、第１即ち上流中空ディスク状層７２ａ、及びこの第１層７２ａの下流側に配置された、平均孔径が第１層７２ａよりも小さい第２即ち下流中空ディスク状層７２ｂからなる。これらの層７２ａ及び７２ｂの各々は、別々の一体の焼結体である。例示の実施例では、層７２ａ及び７２ｂは、互いに接合せずに重ねられている。
フィルタエレメント７１は、図示の構成要素以外の構成要素を含んでもよい。例えば、流れ分配、粗前置濾過、又は機械的支持を提供する様々な層を含むのがよい。
前置フィルタ７３は、必ずしも焼結金属濾材７２に物理的に固定されていなくてもよい。例えば、前置フィルタ７３は、焼結金属濾材７２の上流面に載っているだけであってもよいし、これに押し付けられていてもよく、多孔質メッシュ又は有孔プレート等の中間部材によって焼結金属濾材７２から離間されていてもよいが、コンパクトであるようにするため、前置フィルタ７３及び焼結金属濾材７２は、一般的には互いに接触している。
好ましくは、焼結金属濾材７２は、内リング７５の外周及び外リング７６の内周に対してシールされており、そのため、焼結金属濾材７２によって捕捉されるのに十分大きな粒子は、焼結金属濾材７２とリングとの間を流れることによって焼結金属濾材７２を迂回することができない。シールは、任意の適当な方法で形成できる。例えば、焼結金属濾材７２は、リング７５及び７６に直接的に焼結又は溶接されていてもよいが、鑞付け又は溶接に適した溶加材等の耐熱材料を焼結金属濾材７２とリングとの間に配置してもよいし、焼結金属濾材７２を収縮嵌め又はプレス嵌めによってリング７５、７６に押し付けてこれと密封接触させてもよい。本実施例では、焼結金属濾材７２を、リング７５、７６間にプレス嵌めし、金属−金属シールを形成する。
前置フィルタ７３を焼結金属濾材７２の上の所定位置に保持するため、濾過されるべきガスが通過できる開口部を持つ上リテーナ８０が前置フィルタ７３と隣接してフィルタ７０の上流側に配置されている。第５図及びフィルタ７０の平面図である第６図に示すように、この実施例の上リテーナ８０は、内リング７５の上端に嵌着した中空ハブ８１、外リング７６と係合する外リム８２、及びハブ８１とリム８２との間を延びる複数のスポーク８３を含む。濾過されるべきガスは、隣接したスポーク８３間の空間８４を通過できる。上リテーナ８０のハブ８１は、内リング７５に形成された周溝の所定の場所に螺旋状保持リング８５等の適当な保持部材によって保持されている。フィルタ７０は、フィルタエレメント７１を下側から支持するため、焼結金属濾材７２の下流面と隣接して配置された下リテーナ９０を更に有する。この実施例の下リテーナ９０は、中央穴を持ち、内周が内リング７５の下端にプレス嵌めし、外周が外リング７６に形成された周溝にスナップ嵌めするディスク状金属プレートからなる。リテーナ９０には、濾過済のガスを通すための孔９１が形成されている。下リテーナ９０は、焼結金属濾材７２に構造的支持を与え、この濾材がフィルタ７０の取り扱い中に損傷しないように保護する。好ましくは、孔９１は、通常の作動中、フィルタ７０を通過するガスに下リテーナ９０が大きな圧力降下を生じないようにするのに十分大きい。
フィルタエレメント７１によって捕捉されるのに十分大きな粒子がフィルタ７０の内周又は外周のいずれかに沿ってフィルタ７０を迂回しないようにするため、好ましくは、フィルタ７０とハウジング４１との間にシールが形成される。濾過される高温のガスの温度に耐えることができる任意のシーリング装置を使用できる。好ましい実施例では、第４図及び第５図に示すように、外リング７６は、ハウジング本体４２の周囲に亘って形成された周方向に延びる押縁４９に着座する。外リング７６の下端は、垂直供給管４６の上端に形成されたねじ山と螺合するナット５３によって下方に押し付けられ、押縁４９の上面と密封接触する。外リング７６が押縁４９に着座した状態でナット５３を締め付ける前には、好ましくは、内リング７５の下端と供給管４６のベースを取り囲むハウジング本体４２の部分との間に小さな隙間がある。ナット５３を締め付けると、内リング７５が下方に押され、内リング７５の下端と供給管４６を取り囲むハウジング本体４２の部分との間に金属−金属シールが形成され、未濾過のガスが内リング７５の内周と供給管４６の外周との間を流れることによってフィルタ７０を迂回することを阻止する。他の可能なシーリング装置には、ナット５３と供給管４６の上端との間の金属−金属シール、又は外リング７６とハウジング本体４２との間、及び／又は垂直供給管４６と内リング７５との間に配置されたシールリングが含まれる。
第７図は、ハウジング本体４２の傾斜フランジ５０とカバー６０の傾斜フランジ６１との間の空間に、フィルタ７０の外リング７６の全外周に沿って、シールリング６７を配置することによってフィルタ７０の外周に亘ってシールを形成した、別の態様のシーリング装置を示す。フランジ５０及び６１を取り囲むＶバンドクランプ６５を締め付けると、シールリング６７が押され、フィルタ７０の外リング７６及び両傾斜フランジ５０及び６１の内面と密封接触する。シールリング６７は、高温の用途に適した材料でできた従来のシールリング（Ｃ−リング、Ｏ−リング、等）であるのがよい。
この構成では、単一のシールリング６７は、ガスがフィルタ７０とハウジング４１との間を流れるのを阻止するのに役立つばかりでなく、ハウジング４１を外部に対してシールするのにも役立つ。この場合には、シールリング６７によってシールが行われるため、フィルタ７０の外リング７６を押してハウジング本体４２の押縁４９と密封接触させる必要がなく、そのため、フィルタ７０に作用する応力を小さくすることができる。
第９図は、本発明によるフィルタアッセンブリの別の実施例の一部の垂直断面図である。このアッセンブリは、第５図の実施例のフィルタエレメント７１と同様のリング状フィルタエレメント１１０を持つフィルタ１００を含む。フィルタエレメント１１０は、多孔質前置フィルタ１１１及び焼結金属濾材でできた一つ又はそれ以上の中空ディスク状層１１２、１１３を含む。フィルタエレメント１１０は、フィルタ１００の作動温度に耐えることができる金属等の適当な材料でできたケーシングによって支持されている。ケーシングは、フィルタエレメント１１０の外周を取り囲む外リング１２０及びフィルタエレメント１１０の中空の中心によって取り囲まれた内リング１３０を含む。ケーシングは、前置フィルタ１１１上でリング１２０、１３０に固定されたリング状プレート１４０を更に有する。プレート１４０は、内リング１３０のボアと同軸の中央穴、及び濾過されるべきガスを通すための開口部１４１を有する。これらの開口部１４１は、好ましくは圧力降下をできるだけ小さくしてガスをプレート１４０に通すことができ且つプレート１４０が前置フィルタ１１１を焼結層１１２、１１３上に保持できる任意の形状を有する。プレート１４０は、リング１２０、１３０とは別に形成でき、或いは、第９図に示すように、一方のリング例えば外リング１２０と一体に形成し、他方のリング、例えば内リング１３０にスポット溶接等の適当な方法で固定できる。第５図の焼結層７２ａ、７２ｂと同様の焼結層１１２、１１３は、これらの層をリング１２０と１３０との間にプレス嵌めするといった任意の適当な方法で内リング１２０及び外リング１３０にシールできる。所望であれば、焼結層１１２、１１３を下から支持するための、第５図のリテーナ９０と同様のリテーナを設けることができる。例示のケーシングは、機械加工を必要としないために非常に経済的に製造でき、ケーシングの構成要素は、大量生産に適したプロセスによって形成できる。
フィルタ１００は、本体１５１及びこの本体１５１に取り外し自在に取り付けられたカバー１５３を持つハウジング１５０内に配置される。本体１５１及びカバー１５３は、第４図の実施例の本体４２及びカバー６０と同様の構造である。本体１５１は、第５図の供給管４６と対応する中央供給管１５２を含む。この中央供給管は、フィルタ１００の中央を通って延び、この中央供給管を通して、濾過されるべきガスをハウジング１５０内のフィルタ１００の上流側の領域に導入できる。本体１５１及びカバー１５３は、例えばＶバンドクランプ１５４によって互いに取り外し自在に固定でき、好ましくは、Ｏ−リング１５５等の単一のシール部材によって、互いに及びフィルタ１００の外リング１２０に対して第７図に示すのと同様の方法でシールされる。内リング１３０は、この内リング１３０に取り付けられており且つ供給管１５２を取り囲むＯ−リング１５６等の別のシール部材によって供給管１５２に対してシールされている。Ｏ−リング１５６は、内リング１３０の内面にその内周に亘って形成された窪み１３１及びＯ−リング１５６を上方から拘束するプレート１４０の下面が形成する円形のスロットの内側に配置されている。添付図面に示すように、内リング１２０及び外リング１３０の下面は、ハウジング１５０の本体１５１から離間されているのがよく、フィルタ１００とハウジング１５０との間は、Ｏ−リング１５５及び１５６によって完全シールされる。この構成では、フィルタ１００に加わる応力は、第４図の実施例のようにリング１２０及び１３０をハウジング１５０に直接押し付けることによってフィルタ１００をハウジング１５０に対してシールする場合よりも小さい。
外リング１２０は、外径がその上端から下端にかけて大きくなるように形成されている。即ち、外リングは、円筒形小径部分１２１をその上端に有し、円筒形大径部分１２２をその下端に有する。小径部分１２１の外径は、カバ−１５３を小径部分１２１に嵌めるのに十分小さいが、大径部分１２２の外径は、フィルタ１００に嵌まるカバー１５３の部分の内径よりも大きい。このようにして、外リング１２０の小径部分１２１がカバー１５３内に延び且つ外リング１２０の大径部分１２２がハウジング１５０の本体１５１内に延びる状態でフィルタ１００が配向されていないと、カバー１５３は、フィルタ１００上で本体１５１に対してシールできない。換言すると、カバー１５３は、前置フィルタ１１１が焼結層１１２、１１３の上流側にあるようフィルタ１００が配向されている場合にのみ、フィルタ１００上で本体１５１に対してシールできる。この構成により、使用者は、フィルタ１００をハウジング１５０内に逆様に設置することができない。外リング１２０は、小径部分１２１と大径部分１２２とを連結する傾斜表面１２３を有し、この表面に対して外Ｏ−リング１５５がシールできる。
様々な種類の焼結材料を焼結金属濾材として使用できる。適当な材料の例には、粉体金属濾材、ファイバ金属濾材、焼結金属メッシュ、及びこれらの濾材の混成物、例えば金属粒状物が金属メッシュ又は他の有孔支持体によって支持されており且つこれに焼結された被支持多孔質濾材（supported porous media）が含まれる。このような焼結金属濾材の更に特定の例は、ＰＳＳ（焼結ステンレス鋼粉体金属濾材）、ＰＭＭ（多孔質支持体に焼結した金属粒子を含む多孔質焼結金属膜）、ＰＭＦ（多孔質焼結ファイバ金属濾材）、リジメッシュ（Rigimesh）（焼結織製ワイヤメッシュ濾材）、スープラメッシュ（Supramesh）（リジメッシュ支持体に焼結したステンレス鋼粉体）、ＰＭＦII（多孔質焼結ファイバ金属濾材）等の商標でポール社から入手できる濾材、及びこれらの材料の一つ以上の組み合わせである。本発明で使用するための焼結金属濾材は、ニッケル、クロム、銅、モリブデン、タングステン、亜鉛、錫、金、銀、プラチナ、アルミニウム、コバルト、鉄、及びマグネシウム等の様々な金属の合金、並びに硼素を含有する合金を含む金属と合金の組み合わせを含む様々な金属材料のうちの任意の材料で形成できる。真鍮、青銅、ステンレス鋼等のニッケル／クロム合金、ハステロイ、モネルス、及びインコネルス、並びにニッケル及びクロムの５０重量％−５０重量％の合金もまた使用できる。
「焼結ファイバ金属濾材」という用語は、少なくとも一部が金属ファイバであるランダムな金属粒状物からなるマスを焼結することによって形成された濾材に関する。ファイバのほかに、所望のプロセスにより形成される金属粉体のような非ファイバ状のものを含むようにしてもよい。「ファイバ」という用語は、本明細書中で使用されているように、長さ方向寸法即ち公称長さが直径よりも大きい細長い金属製本体を説明しようとするものである。曲がっていたり直線状でない場合のファイバの公称長さは、ファイバを真っ直ぐにした場合の長さである。即ち、公称長さの計測は、直線状でないファイバの屈曲部に従って行われ、これを含む。
「直径」という用語は、本体の断面形状に拘わらず、狭幅寸法に亘る本体の平均断面寸法に言及しようとするものである。かくして、ファイバの断面形状は、円形、楕円形、矩形、リボン形状、準十字形状、長円形、樹枝状、針状、又は任意の他の規則的な又は不規則な形状であるのがよい。金属粒状物中の金属製粉体は、存在する場合には、任意の規則的な又は不規則な形状の粒子を含む。例えば、金属粉体には、全体に回転楕円状の粒子が含まれる。
本発明で使用するためのファイバ金属濾材の金属ファイバは、リニアな即ち直線状の形状を含む様々な形状を備えているのがよい。例えば、本発明の一つの形態では、ファイバ金属濾材の金属粒状物は、非直線状金属ファイバを少なくとも約１０％、更に好ましくは約３０％乃至約１００％含む。機械的エネルギを加えることによってファイバをランダムに曲げるハンマーミル又は他の装置で直線状ファイバを大きく加工することによってファイバを曲げる。結果的に得られた非直線状ファイバは、「捩れた」外観を有し、方向が少なくとも一回変化し、多くの場合には複数のランダムな方向に変化しており、湾曲した、捩じれた、フック状になった、螺旋状になった、クリンプ状になった、又は他の態様で曲がった又は凹凸をなした外観を持つことを特徴とする。加工を加えたファイバは、公称長さが更に均等である。
本発明で使用するためのファイバ金属濾材のファイバは、ファイバ又はワイヤを製造するための任意の周知の方法で形成でき、ファイバ金属濾材は、様々な方法で形成されたファイバの混合物を含むのがよい。直径が最大約４０μｍの小径のファイバについては、適当な長さに切断した、束延伸ファイバ（bundle drawn fiber）及びスチールウールファイバが、適当な種類のファイバの例である。直径が約４０μｍ以上のファイバについては、溶融オーバーフロー流延法で形成したファイバが特に適している。これは、他の方法で形成した同様の直径のファイバと比較して低価格であるためである。金属ファイバを形成するための溶融オーバーフロー流延プロセスは、例えば、米国特許第５，２１３，１５１号、米国特許第４，９７７，９５１号、米国特許第４，９３０，５６５号、及び米国再発行特許第Re３３，３２７号に記載されている。このプロセスでは、溶融金属の容器を回転ホイール又はドラムと隣接して位置決めする。溶融金属は、容器の縁部を越えて回転ホイール上に流れ、そこで固化し、金属ファイバを形成する。これらの金属ファイバを適当な方法でホイールから取り出して集める。例えば、ホイールの回転によりファイバに加えられた慣性を使用してファイバをホイールから回収表面上に投射する。
流延したファイバを非直線状にするのが望ましい場合には、プレイター産業製品社が製造しているＧ５ＨＦＳハンマーミル等の装置内で、これらのファイバが所望の大きさ及び形状を持つまで加工できる。本発明の一つの形態によれば、ファイバは、ファイバの少なくとも約４０％が複数の屈曲部分を各々有するまでハンマーミルで加工してもよい。
溶融オーバーフロー流延プロセスによって製造し、次いでハンマーミルで加工したファイバは、曲がっていたり捩じれているばかりでなく、多くの場合、第８図に示すように、全体に三日月形断面を有する。三日月形ファイバ９９の断面はテーパした先端を有し、「三日月形」の外観を提供する。ファイバの断面の厚さは、均等であるか或いは縁部に沿ってテーパしている。三日月を構成する円弧は、一般的には、約πラジアン（１８０°）以下である。好ましくは、この円弧は、約０．５π乃至約πラジアンである。
本発明で使用するための焼結金属濾材がファイバ金属濾材である場合には、金属ファイバは、それらのファイバの形成にどのような方法が使用されたのかに拘わらず、好ましくは、比較的大きく、例えば、直径が約１μｍ乃至１５０μｍであり、更に好ましくは、約１０μｍ乃至約１２５μｍであり、更に好ましくは、約２０μｍ乃至約１００μｍである。金属ファイバの公称長さは、好ましくは、約１００μｍ乃至約２０mmであり、更に好ましくは、約２mm乃至約８mmである。一般的には、少なくとも５０％のファイバのアスペクト比（公称長さを直径で除した値）は、好ましくは約３乃至約７００であり、好ましくは、約１５０乃至約７００である。焼結ファイバ金属濾材の公称孔径は比較的大きく、好ましくは、約２５μｍ乃至約７５０μｍの範囲内にあり、更に好ましくは、約５０μｍ乃至約２００μｍである。
本発明で使用するための焼結ファイバ金属濾材は、様々なプロセスを使用して形成できる。これらのプロセスは、大まかにいうと、「湿式」又は「乾式」のいずれかであることを特徴とする。湿式プロセスでは、ファイバを含む金属粒状物を液状媒体に懸濁し、次いで所定の構造に形成した後、焼結し、焼結金属濾材を形成する。乾式プロセスでは液状媒体を使用せず、構造は、結果的に得られた構造が焼結を行う上で十分な「未処理」強度を持つように金属粒状物を互いにプレスすることによって得られる。
湿式プロセスの好ましい形態では、米国特許第４，８２２，６９２号、米国特許第４，８２８，９３０号、及び米国特許第５，１４９，３６０号に開示されているように、液状媒体を含む安定した懸濁液を調製する。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。金属粒状物の安定した懸濁液には、安定剤及び／又は結合剤が更に含まれる。更に好ましくは、単一の成分、即ち安定／結合剤は、金属粒状物が分散した状態を安定化させること、及び懸濁液の乾燥時に個々の粒状物を互いに結合し必須の未焼結強度即ち未処理強度を提供することの両方で役立つ。
代表的には、安定化した金属粒状物懸濁液は、安定／結合剤を液状媒体と組み合わせることによって形成されたキャリヤを使用して調製される。好ましい安定／結合剤は、キャリヤの総重量の約０．１％乃至約２％である。様々な安定／結合剤を使用できる。ポリアクリル酸が特に望ましい。一般的には、分子量が約１００００００乃至約４００００００のポリアクリル酸が適している。このような酸の例には、Ｂ．Ｆ．グッドリッチ化学社が製造しているカーボポル（（ＣＡＲＢＯＰＯＬ）は登録商標である）９３４及びカーボポル９４１が含まれる。カーボポル９３４は、分子量が約３００００００であり、カーボポル９４１は、分子量が約１２５００００である。この他の使用できる材料には、カルボキシエチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、アルギン酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロース、ガーゴム、メチルセルロース、及びイナゴマメゴムが含まれる。一般的には、液状媒体として水を使用する場合には、焼結前又は焼結中に気化するか或いはぼ完全に分解する水溶性安定／結合剤を使用するのがよい。
例として、カーボポル９３４と水との混合物から形成されたキャリヤでは、カーボポル９３４は約１．４重量％（キャリヤの重量に基づく）であり、キャリヤの粘度は２０℃で約１２５０cpである。カーボポル９３４と水との混合物は、好ましいキャリヤである。これは、この組み合わせが、実質的に一定で容易に再現できる粘度を持つ組成物を提供するためである。金属粒状物のうち最大の金属ファイバの直径及び長さに基付き、懸濁液を十分に安定させるキャリヤの粘度を決定できる。キャリヤの所望の粘度は、金属粒状物を懸濁状態に保持でき、これによって、以下に説明する形成工程で形成する前に実質的に均等に分散した状態を維持する粘度である。上文中に論じた好ましい非線型ファイバについては、例えば、約１０００cp乃至約４０００cpの範囲の粘度が適している。粘度は、キャリヤ中の安定／結合剤の量を変化させることによって調節される。一般的には、低いキャリヤ粘度が望ましく、従って、少量の安定／結合剤を微細な金属粒状物とともに使用するのがよい。これは、微細な粒状物は沈降し難いためである。
キャリヤの混合は、好ましくは、安定／結合剤が均等に分散するまで行われる。次いで、ファイバを含む金属粒状物を加えてキャリヤと混合し、粒状物がキャリヤ中に均等に安定して分散した懸濁液を形成する。キャリヤに対する粒状物の重量比は、代表的には、約１：２０乃至約１：２である。
セラミック材料例えばムライト等の添加剤を安定した懸濁液と混合し、焼結金属濾材を高温に露呈する際に保護するのを助ける。
焼結ファイバ金属濾材を形成するための「レイダウン」型湿式プロセスでは、キャリヤに分散させた粒状物からなる懸濁液をキャビティを形成する金型に注入する。懸濁液の均等性を高めるため、注入中に金型を回転させるのがよい。
好ましくは、約２００rpm又はそれ以下で金型を回転する。キャビティは、フィルタの所望の形状と一致する任意の形状であるのがよい。
キャビティの底部には開口部を持つメッシュ等のドレンポートが設けられており、これによって、金属粒状物を保持しながらキャリヤをキャビティから排液できる。次いで、懸濁液に圧力濾過又は真空濾過を加え、キャリヤを懸濁液から除去する。圧力濾過は、環状のラムをキャビティの頂部で金型に挿入し、液体がドレンポートを通ってキャビティから押し出されるようにラムを駆動することによって行われる。従って、ラムは、ドレンポートを通してキャリヤを金型から除去しながら金属粒状物を圧縮し、これらの粒状物を機械的に互いに係止する。構造を適切に圧縮するために構造に及ぼされる好ましい圧力量は、約７０３kg/cm2乃至約５６２４kg/cm2（約１００００psi乃至約８００００psi）であり、更に好ましくは約１４０６kg/cm2乃至約４２１８kg/cm2（約２００００psi乃至約６００００psi）である。
真空濾過は、ドレンポートに真空を加える工程、液体をキャビティから引き出す工程を含む。金属粒状物は、真空の程度により、圧縮されたり、圧力濾過の場合のように機械的に相互係止する。しかしながら、一般的には、圧縮の程度は圧力濾過の場合よりも小さい。
結果的に得られた圧縮金属粒状物構造を金型から取り出して乾燥させる。乾燥は、好ましくは、約３７．７８℃乃至約９８．８９℃（約１００°Ｆ乃至約２１０°Ｆ）の温度の対流オーブンで約４５分間又はそれ以上に亘って行われる。構造の個々の粒子は、乾燥中に安定／結合剤によって互いに更にしっかりと結合される。その結果、構造は、これに続く加工中にその一体性及び形状を維持するのに十分な強度を持つ。
次いで、金属粒状物構造を焼結によって更に加工し、焼結ファイバ金属濾材を形成する。焼結は、炉、例えば真空炉、不活性雰囲気炉、又は還元雰囲気炉に構造を置くことによって実施される。焼結により、揮発性材料が除去され、金属粒状物の個々の粒子が金属ファイバの接合部で互いに融着し、金属粉体が存在する場合にはこれらを融着し、金属粒状物間に空所が形成される。
焼結温度は、金属粒状物を形成する材料に基づいて選択される。焼結は、固相拡散焼結又は液層焼結のいずれかで行われる。ステンレス鋼ファイバの固相拡散焼結の場合には、温度は、約８７１．１１℃乃至約１３９８．８９℃（約１６００°Ｆ乃至約２５５０°Ｆ）であり、更に好ましくは、約１０３７．７８℃乃至約１３８５℃（約１９００°Ｆ乃至約２５２５°Ｆ）であり、約３０分又はそれ以下乃至約８時間又はそれ以上に亘って行われるのが適当である。融点の低い材料を使用した場合には、焼結温度は、これに従って調節される。例えば、青銅粒状物については、約７０４．４４℃乃至約１０３７．７８℃（約１３００°Ｆ乃至約１９００°Ｆ）の範囲の温度が固相拡散焼結について適当である。
焼結が完了したとき、結果的に得られた焼結金属濾材を冷却し、次いで炉から取り出す。冷却時に、焼結金属濾材は、容易に取り扱うことができる。これは、粒状物の接合部で焼結結合が形成されているためである。
焼結ファイバ金属濾材を形成するための乾式プロセスでは、液体懸濁液又はキャリヤを使用せず、乾燥状態の金属粒状物をシフターを通して金型に導入する。好ましくは、金型を粒状物で充填する。粒状物を金型に導入するとき、湿式プロセスのレイダウン工程に関して上文中に説明したように、金型を回転させる。
金属粒状物を導入するための特に好ましい方法では、金型はコア区分及びスリーブ区分を含む。コア区分は、円錐形上部分及び円筒形下部分を有する。スリーブ区分は、コア区分の円筒形下部分を取り囲み、スリーブ区分とコア区分の円筒形下部分との間に環状部分を形成する。金属粒状物はこれらをコア区分の円錐形上部分上に振りかけることによって金型に導入される。粒状物は、重力によって円錐形上部分上に落下し、円錐形上部分の円錐形表面を下方に摺動し、コア区分の円筒形下部分とスリーブ区分との間の環状部分にランダムに堆積する。これにより、粒状物は、他の方法によるよりも更に均等に分配される。これは、とりわけ、分配の均等性が、粒状物を金型に導入する速度の関数でないためである。
好ましからぬ方法の一例として、漏斗の先端を金型の環状部分上に位置決めし、漏斗の先端が環状部分に亘って移動する際に粒状物を漏斗に振り入れる方法がある。この場合、多数の粒状物層が金型内に堆積する。「平面接触法（felting in plane）」と呼ばれるこの方法は、特に漏斗の移動速度及び粒状物の導入速度が厳密に制御されていない場合に、粒状物分布を不均等にする。
しかしながら、粒状物を金型に導入し、ひとたび金型内で堆積させた後、金型内で圧縮し、圧縮粒状物構造を形成する。圧縮は、環状ラムを金型に挿入することによって行うことができる。所望の透過性を提供する任意の適当な圧力でラムを下方に金型内に駆動する。別の態様では、フィルタの高さに亘る密度勾配を小さくするため、粒状物材料が二つの方向から圧縮されるように第１ラムを下方に駆動し且つ第２ラムを上方に区分することによって粒状物を圧縮するのがよい。粒状物に加えられる力は、「レイダウン」湿式プロセスについて上文中に説明したのと同様の力である。
結果的に得られた圧縮構造の透過性は、圧縮前に金属粒状物に乾燥潤滑剤を加えることによって更に均等になる。ステアリン酸及び亜鉛のステアリン酸塩が好ましい乾燥潤滑剤であるが、当業者に周知の他の潤滑剤を使用してもよい。
金属粒状物が非直線状ファイバを含む場合には、乾燥堆積−圧縮工程中に大きな機械的相互係止が起こる。
圧縮後、結果的に得られた圧縮された金属粒状物構造を金型から取り出す。構造は、取り扱い及び輸送を容易に行うことができるのに十分な未処理強度を有する。これに続いて上文中に説明したように焼結を行う。焼結中、乾燥潤滑剤は燃えてなくなり、焼結結合がファイバの接合部に形成され、金属粉体が存在する場合にはこれらを融着し、金属粒状物間に空所が形成される。
ファイバ金属濾材を形成する上で上述のプロセスのうちのいずれを使用するのかに拘わらず、焼結前又は焼結後のいずれかに機械的手段によって更に加工を加える。例えば、所望の形状を得るため、機械加工、切断、圧延、コイニング、又は据え込みを焼結金属濾材に加えることができる。更に、溶接、鑞付け、及び／又は再焼結を行うこともできる。
本発明によるフィルタで使用するための焼結ファイバ金属濾材は、透過性及び／又は空所容積が変化する。焼結金属濾材の透過性及び／又は空所容積は、様々な方法で変化させることができる。例えば、高透過性領域を機械的に圧縮することによって低透過性領域を形成できる。上文中に説明した湿式プロセスを使用して焼結金属濾材を製造した場合、透過性を変化するための更に好ましい方法は、異なる透過性を各々もたらす複数の異なる懸濁液を使用することである。例えば、一つの懸濁液は、公称粒径が小さい金属粒状物、例えば他の懸濁液中に含まれる粒状物よりもフィルタ直径が小さい粒状物、及び／又は他の懸濁液に含まれる粒状物とは形状が異なる粒状物を含むのがよい。更に、これらの懸濁液は、含有粒状物濃度が互いに異なる。別の態様では、一つの懸濁液で使用された粒状物にセラミック材料を加えるのがよい。異なる懸濁液を金型に層をなして順次挿入し、透過性が異なる層を形成する。
高透過性領域及び低透過性領域及び／又は空所容積を持つ焼結ファイバ金属濾材は、湿式プロセスに関して上文中に説明したのと同様の方法で乾式プロセスを変更することによっても形成できる。即ち、乾式プロセスは、所定量の金属粒状物を、透過性又は空所容積が異なる交互の層をなすように加えることによって変更できる。
例
本発明によるテストフィルタを組み立て、加速負荷試験を加え、フィルタが空気中の煤粒子を捕捉する能力を計測する。
テストフィルタは、前置フィルタ及び二層の焼結金属濾材を含む。
前置フィルタは、直径が０．１０mm（０．００４インチ）のステンレス鋼ワイヤでできた２５層のディスク状未焼結織製ワイヤメッシュ層からなる。これらの層は互いに重なって、全部で１．７１５mm（０．６７５インチ）の厚さをなす。前置フィルタは、直径が８．４４６cm（３．３２５インチ）であり、空所容積が９８．９３％である。
焼結金属濾材の各層は、直径が８．４４６cm（３．３２５インチ）のディスク形態であり、焼結ファイバ金属濾材で形成されている。第１層は、溶融オーバーフロー流延プロセスによって形成された公称直径が０．０７６２mm（０．００３インチ）（ファイバの直径は、主に、５０μｍ乃至７５μｍの範囲内にある）のステンレス鋼製のファイバでできている。この層は、厚さが４．３６９mm（０．１７０インチ）であり、空所容積が８５．６０％である。第２層即ち下流層は、束延伸（bandle drawing）によって形成された公称直径が０．０２５４mm（０．００１インチ）（ファイバの直径は、主に、２０μｍ乃至３０μｍの範囲内にある）のステンレス鋼製のファイバでできている。この層は、厚さが３．９３７mm（０．１５５インチ）であり、空所容積が９２．７０％である。
前置フィルタ及び二つの焼結金属層の全体としての厚さは２５．４mm（１．０インチ）である。これらの三つの構成要素は、第１焼結金属層を前置フィルタと第２焼結金属層との間に挟んだ状態でフレームにクランプされている。
空気を制御された流量で通過させることができる導管に設けられたテストジグにテストフィルタを設置する。前置フィルタがテストフィルタの上流側にくるようにテストフィルタを配向する。前置フィルタ及び焼結金属層がクランプされたフレームは、前置フィルタの上流面の外周と幾分重なる。そのため、空気に直接露呈された前置フィルタの上流面の部分は、直径が７．６２cm（３．０インチ）の円形の領域である。使用されるべき試験塵埃混合物中の粒子のほぼ１００％を除去できる、ガラスファイバ濾材を含む絶対フィルタを、テストジグに、テストフィルタの下流に設置する。そのため、テストフィルタ通過する全ての空気は、絶対フィルタも通過する。
テストフィルタの下流に配置した吸引ポンプを使用し、テストフィルタを通る２０８４．３５２l/時（７３．６ＳＣＦＨ（標準立方フィート毎時）：テストフィルタの面で２５ＦＰＭの速度）の空気流を発生し、試験に亘って一定に維持する。試験を室温で実施する。試験において、試験塵埃混合物をテストフィルタの上流側で、空気流中に毎分１０ｇの一定の速度で徐々にスプレーする。航空機の補助動力装置からのブリード空気中の煤粒子に似せた試験塵埃混合物は、３重量部がＳＡＥ微細試験塵埃（０μｍ乃至８０μｍの範囲上述の粒径分布を持つ）からなり、１重量部がカーボン黒（代表的には、最大１μｍの粒径を持つ）からなる。試験前に試験塵埃混合物をオーブンで乾燥させ、水分を飛ばしておく。
空気流がテストフィルタを通過するとき、テストフィルタの前後の圧力降下を２０分毎に計測する。試験塵埃混合物を４時間に亘って空気に加え続け、４時間後に空気流を停止し、テストフィルタ及び絶対フィルタをテストジグから注意深く取り出す。テストフィルタから取り除かれた任意の金属ファイバを絶対フィルタから取り外した後、絶対フィルタをオーブン内で焼き、次いで計量する。前置フィルタの上流面上に形成された塵埃塊を前置フィルタから注意深く取り出し、計量する。更に、前置フィルタ及び二つの焼結金属層をテストフィルタのフレームから取り外し、捕捉された粒子とともに個々に計量する。試験フィルタの各部分によって捕捉された粒子の重量を、試験の開始時の各部分の清浄な状態での重量を差し引くことによって決定する。少量の試験塵埃混合物が、テストフィルタ又は絶対フィルタによって回収されないが、これは、テストフィルタの上流でテストジグの内面に付着したものと考えられる。テストフィルタの全体としての濾過効率は、テストフィルタによって捕捉された試験塵埃粒子の総重量を、テストフィルタ及び絶対フィルタによって捕捉された試験塵埃粒子の総重量で除すことによって計算される。
重量計測の結果は以下の通りである。
（ａ）試験中に空気に加えられた試験塵埃混合物の総重量は、１２０ｇである。
（ｂ）塵埃塊の粒子の重量は、８９．８ｇである。
（ｃ）前置フィルタ中の粒子の重量は、２８．１０ｇである。
（ｄ）上流側の焼結金属層中の粒子の重量は、１．６４６ｇである。
（ｅ）下流側の焼結金属層中の粒子の重量は、０．０２９である。
（ｆ）絶対フィルタ中の粒子の重量は、０．０７ｇである。
（ｇ）回収された総重量は、（ａ）から（ｆ）まで加えて、１１９．６４５ｇである。
（ｈ）テストフィルタによって回収された総重量は、（ｂ）から（ｅ）まで加えて、１１９．５７５ｇである。
濾過効率＝（ｈ）／（ｇ）×１００
＝１１９．５７５ｇ／１１９．６４５ｇ×１００
＝９９．９４％
かくして、本発明によるフィルタは、エンジンのブリード空気中に存在するのと同様の煤粒子を極めて高効率で捕捉できる。
以上の説明では、本発明の特定の特徴を特定の実施例に関連して説明した。しかしながら、一つの実施例の様々な特徴のうちの任意の特徴を、別の実施例の特徴のうちの任意の特徴と組み合わせることによって、本発明の範囲から逸脱することなく、添付図面に特定的に示す構成以外の構成を得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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