BRPI0807375A2

BRPI0807375A2 - Elemento de filtro e método

Info

Publication number: BRPI0807375A2
Application number: BRPI0807375-9A
Authority: BR
Inventors: Daniel E Adamek; Jan Cappuyns; Egide Emmanuel Paul Baudry Moreau; Ming Ouyang; Robert M Rogers
Original assignee: Donaldson Co Inc
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2014-05-20
Also published as: JP2010529902A; WO2008103736A1; US20090044702A1; CN101652168A; EP2117674A1; US8021455B2; MX2009009046A

Description

“ELEMENTO DE FILTRO E MÉTODO” Esse pedido está sendo depositado em 20 de fevereiro de 2008; como um pedido de Patente Internacional PCT1 no nome de Donaldson Company1 Inc., uma corporação nacional dos Estados Unidos, requerente para a designação de todos os países exceto os 5 Estados Unidos, e Daniel E. Adamek, um cidadão dos Estados Unidos, Jan Cappuyns e Egide Emmanuel Paul Baudry Moreau, ambos sendo cidadãos da Bélgica, e Ming Ouyang e Robert M. Rogers, ambos cidadãos dos Estados Unidos, e reivindica prioridade para o pedido provisório N0 de Série 60/891.061, depositado em 22 de fevereiro de 2007, e o qual é aqui incorporado mediante referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção se refere a um elemento de filtro formado por múltiplas camadas de materiais filtrantes não-tecidos que são adequados para remoção simultânea de substância particulada sólida e líquida em virtude de elevada permeabilidade, eficiência, capacidade de carregamento, e outros parâmetros de filtração. As múltiplas camadas dos materiais 15 filtrantes são empilhadas de modo a formar um gradiente de tamanho de poro. O elemento < de filtro é capaz de remover substância particulada sólida e líquida a partir de um fluxo de fluido em movimento. O elemento de filtro tem elevada resistência e compressibilidade.

A invenção se refere às camadas de materiais filtrantes não-tecidos que podem sobreviver às condições de operação desafiadoras, tal como variação em taxa de fluxo, 20 temperatura, pressão e carregamento de substância particulada enquanto removendo cargas substanciais de aerossol e substância particulada, a partir do fluxo de fluido. As camadas podem ser sustentadas sobre um suporte poroso, ou perfurado, para prover uma estrutura de filtro.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Tramas não-tecidas para muitos usos finais, incluindo materiais filtrantes, têm sido

fabricadas há muitos anos. Tais estruturas podem ser feitas de bicomponentes ou materiais de invólucro de núcleo são revelados, por exemplo, em Wincklhofer e outros, Patente dos Estados Unidos 3.616.160; Sanders, Patente dos Estados Unidos 3.639.195; Perrotta, Patente dos Estados Unidos 4.210.540; Gessner, Patente dos Estados Unidos 5.108.827; 30 Nielsen e outros, Patente dos Estados Unidos 5.167.764; Nielsen e outros, Patente dos Estados Unidos 5.167.765; Powers e outros, Patente dos Estados Unidos 5.580.459; Berger, Patente dos Estados Unidos 5.620.641; Hollingsworth e outros, Patente dos Estados Unidos 6.146.436; Berger, Patente dos Estados Unidos 6.174.603; Dong, Patente dos Estados Unidos 6.251.224; Amsler, Patente dos Estados Unidos 6.267.252; Sorvari e outros, 35 Patente dos Estados Unidos 6.355.079; Hunter, Patente dos Estados Unidos 6.419.721; Cox e outros, Patente dos Estados Unidos 6.419.839; Stokes e outros, Patente dos Estados Unidos 6.528.439; Amsler, Patente dos Estados Unidos N0 H2.086, Patente dos Estados Unidos 5.853.439; Patente dos Estados Unidos 6.171.355; Patente dos Estados Unidos 6.355.076; Patente dos Estados Unidos 6.143.049; Patente dos Estados Unidos 6.187.073; Patente dos Estados Unidos 6.290.739; e Patente dos Estados Unidos 6.540.801; Patente dos Estados Unidos 6.530.969; Chung e outros, Patente dos Estados Unidos 6.743.273;

Chung e outros, Patente dos Estados Unidos 6.924.028; Chung e outros, Patente dos Estados Unidos 6.955.775; Chung e outros, Patente dos Estados Unidos 7.070.640; Chung e outros, Patente dos Estados Unidos 7.090.715; e Chung e outros, Publicação de Patente No. 2003/0106294. Esse pedido incorpora mediante referência a Patente dos Estados Unidos 6.290.739, expedida em 18 de setembro de 2001 e Patente dos Estados Unidos 10 6.143.049 expedida em 7 de novembro de 2000. Tais estruturas têm sido aplicadas e feitas mediante processamento de assentamento a ar e assim como processamento de assentamento a úmido e têm sido usadas em aplicações de filtração de fluido, gasoso e de ar e de líquido aquoso e não-aquoso, com algum grau de sucesso.

Os elementos de filtro tendo gradientes de tamanho de poro são conhecidos na técnica anterior e são vantajosos para filtração de substância particulada onde o filtro de outro modo pode se tornar obstruído nas camadas mais a montante, desse modo encurtando a vida útil do filtro. Varona, Patente dos Estados Unidos 5.679.042, revela um filtro tendo um gradiente de tamanho de poro através de uma trama não-tecida, em que uma trama não-tecida termoplástica é seletivamente contatada por um elemento de aquecimento de modo a encolher os poros em áreas selecionadas. Alternativamente, o elemento de filtro pode ter zonas de fibras diferentes de tal modo que cada zona tem um conjunto médio de composição de fibra; as zonas expostas ao calor que encolhem algumas fibras de acordo com a composição e denier, resultando no encolhimento de tamanho de poro e encolhimento variável dependendo da composição de fibra naquela zona. Amsler, U.S. Stat. Inv. Reg. N0 H2086, revela materiais filtrantes para filtrar partículas a partir de um líquido, em que o filtro é feito com ao menos três camadas de material não-tecido: uma primeira trama externa de fibras multicomponentes; uma segunda trama externa; e trama composta de microfibras termoplásticas e 50% ou mais de um material tal como polpa, fibras poliméricas de comprimento padrão, partículas, etc. A primeira camada (a montante) tem preferivelmente porosidade superior, altura superior e é preferivelmente construída de fibras aglutinadas por fiação, bicomponentes, franzidas. Emig e outros, Patente dos Estados Unidos 6.706.086, revela um saco de aspirador de pó tendo uma camada de material de suporte altamente poroso e uma camada de material de filtro. O material de suporte é constituído de fibras de celulose e fibras fundíveis, que são assentadas a úmido ou assentadas a ar e também podem ter fibras de vidro e/ou fibras sintéticas. Pode haver mais do que uma camada de material de suporte na construção do saco. O material de fibra é um material não-tecido que pode ser produzido por extrusão e pode compreender nanofibras. O saco pode ter as camadas unidas livremente mediante uma única emenda. Gradientes de tamanhos de poros adjacentes substanciais da técnica anterior nos elementos de filtro são dirigidos para aplicações de aquecimento, ventilação, ou condicionamento de ar (HVAC). Por exemplo, Arnold e outros, Patente dos Estados Unidos 6.649.547, revela um laminado não-tecido adequado para uso como um filtro para aplicações HVAC. O laminado tem uma camada de microfibras integrada com uma camada aglutinada por fiação de multicomponente de elevada altura em um lado e uma fibra aglutinada por fiação de multicomponente de elevada altura no outro lado. Preferivelmente, as camadas são ligadas através do ar e tratadas com eletreto. Pike e outros, Patente dos Estados Unidos 5.721.180 revela um material filtrante laminado para aplicações HVAC, onde a primeira camada é uma trama de fibras franzidas aglutinadas por fiação, de elevada altura de baixa densidade e uma segunda camada é uma camada de microfibras produzidas por aglutinação com eletreto tendo ao menos uma poliolefina. Cusick e outros, Patente dos Estados Unidos 5.808.586; 5.948.344; e 5.993.501, revela um material filtrante composto plicado tendo fibras aleatoriamente orientadas para uso em aplicações do tipo HVAC, por exemplo, filtração de ar de cabine de automóvel. Uma ou mais camadas de enrijecimento finas ajudam a construção a manter sua formação plicada, mas a camada de enrijecimento também pode auxiliar na filtração de sujeira a partir do ar. Preferivelmente, o diâmetro médio das fibras aumenta, a densidade diminui, através da espessura da camada fibrosa de filtração. Schultink e outros, Patente dos Estados Unidos 7.094.270; 6.372.004; e 6.183.536, revelam um filtro de múltiplas camadas para aplicações do tipo HVAC ou sacos de aspirador de pó. As camadas dos materiais filtrantes são ligadas juntas em um laminado. Uma modalidade tem camadas que por elas próprias são de tal porosidade elevada ou são tão frágeis que são inúteis por elas próprias. Algumas camadas podem ter partículas, por exemplo, para filtrar odores ou toxinas.

Outra área de filtros de ambiente da técnica anterior com gradientes de tamanho de poro está na filtração de névoa oleosa. Johnson, Patente dos Estados Unidos 6.007.608 revela um filtro de névoa tendo ao menos três estágios: pré-filtro, camada intermediária e última camada, todas compostas de fibras de poliéster. A camada intermediária é plicada. A finalidade do pré-filtro é a de reter o grosso das elevadas cargas de névoa para impedir transporte mediante sobrecarrega dos materiais filtrantes plicados. As múltiplas camadas compreendem um gradiente de tamanho de poro. Hunter, Patente dos Estados Unidos 6.419.721 revela um filtro de névoa de óleo para coalescer e drenar o óleo. O filtro é disposto em múltiplas camadas, com ao menos uma camada de coalescência e uma camada de drenagem. As camadas não são ligadas. A camada de coalescência é feita de microfibras; a camada de drenagem é de material não-tecido ligado por fibras fundíveis.

Descobrimos que quaisquer elementos de filtro que são adequados para uso em aplicações de filtração de motor de serviço pesado, onde são encontrados níveis muito elevados de material em partícula, sólidos assim como em aerossol oleoso. Os filtros da técnica anterior para, por exemplo, motores a diesel não resolvem os problemas apresentados pelos motores de geração mais recente onde o nível de fuligem que passa através do filtro é muito superior do que a dos motores de gerações antecedentes.

Motores a diesel alimentados por pressão geram gases de “sopro”, isto é, um fluxo de mistura de ar-combustível escapando para além dos pistões a partir das câmaras de combustão. Tais “gases de sopro” geralmente compreendem uma fase de gás, por exemplo, gases residuais de combustão ou ar, transportando: (a) fluido hidrofóbico (por exemplo, óleo 10 incluindo aerossol de combustível) compreendendo principalmente gotículas de 0,1-5,0 micrometros (principalmente, em número); e, (b) contaminante de carbono a partir da combustão, compreendendo tipicamente partículas de carbono, uma grande parte das quais é de aproximadamente 0,01 a 1,0 micrometros de tamanho. Tais “gases de sopro” são geralmente dirigidos no sentido para fora a partir do bloco de motor, através de um suspiro 15 de sopro. Aqui, quando o termo “fluidos hidrofóbicos” é usado com referência ao aerossol líquido arrastado no fluxo de gás, a referência é aos fluidos não-aquosos, especialmente óleos. Geralmente tais materiais são imiscíveis em água. Aqui o termo “gás” ou suas variantes, usado em conexão com o fluido carregador, se refere ao ar, gases residuais de combustão, e outros gases carregadores para o aerossol. Os gases podem carregar 20 quantidades substanciais de outros componentes. Tais componentes podem incluir, por exemplo, cobre, chumbo, silicone, alumínio, ferro, cromo, sódio, molibdênio, estanho, e outros metais pesados.

Motores operando em tais sistemas como caminhões, maquinaria de fazendas, barcos, ônibus, e outros sistemas geralmente compreendendo motores a diesel, podem ter 25 fluxos de gás significativos contaminados conforme descrito acima. Por exemplo, taxas de fluxo podem ser de aproximadamente 2-50 pés cúbicos por minuto (cfm), tipicamente de 5 a 10 cfm. Em tal separador de aerossol em, por exemplo, um motor a diesel turboalimentado, o ar é levado para o motor através de um filtro de ar que limpa o ar admitido a partir da atmosfera. Um turbocompressor empurra o ar limpo para dentro do motor. O ar é submetido 30 à compressão e combustão mediante contato com os pistões e combustível. Durante o processo de combustão, o motor libera gases de sopro.

No passado, gases de ventilação do cárter de motor a diesel eram dirigidos para atmosfera. Novas restrições ambientais em muitos países agora limitam rigorosamente essas emissões. Uma solução para lidar com esse problema é a de ventilar a tampa de 35 válvula para um elemento de filtro que coleta as gotículas de óleo de sopro geradas no motor a partir dos cilindros e gotículas de névoa, geradas pela ação no cárter e área das válvulas. O sopro é dirigido através do elemento de filtro, o qual retém os aerossóis oleosos e permite que o restante do fluxo de ar passe através do mesmo. O óleo coletado é, então, drenado para fora do elemento e de volta para o cárter. O ar filtrado é dirigido à montante do compressor de ar do motor de modo que qualquer óleo que passa através do elemento de filtro de ventilação do cárter (CCV) será queimado no motor. O óleo deve ser removido desse ar para reduzir ou eliminar a coleta de óleo nas paredes do arrefecedor de ar e para proteger os vários sensores de ar contra sujeira.

A vida útil do elemento de filtro depende da quantidade de fuligem ou outro material que é coletada e permanece nas fibras no material filtrante do elemento de filtro. Motores típicos têm níveis de fuligem que estão dentro das capacidades do óleo para permanecer em suspensão (agir como um líquido). Contudo, recentemente os motores a diesel têm sido fabricados os quais geram quantidades excessivas de fuligem. Uma fonte de fuligem é o compressor que é acionado pelo gás de descarga a partir do motor. Uma porção dessa descarga é dirigida para o óleo de lubrificação (óleo do motor) e de volta para o cárter. Assim, o gás de descarga, contendo fuligem, é misturado com o sopro, aumentando substancialmente a quantidade de fuligem no sopro. A fuligem se acumula nas fibras do elemento de filtro CCV, eventualmente restringindo o fluxo. Devido ao tamanho de partícula relativamente pequeno da fuligem, 0,01 a 0,1 micrometros, a fuligem tende a se agrupar nas primeiras poucas camadas de um elemento de filtro. A vida útil do elemento de filtro é assim gravemente reduzida devido à obstrução das primeiras poucas camadas dos materiais filtrantes.

Aerossóis particularmente são estimuladores em aplicações de filtração. A capacidade de se obter certos atributos de filtração tal como tamanho de poro, peso básico, espessura, permeabilidade e eficiência são limitados pelas técnicas de fabricação usadas para fazer as camadas de papel e pelos componentes úteis em tais camadas. Como os aerossóis podem ser tão pequenos quanto 1 nm de diâmetro ou tão grandes quanto 1 mm (W. Hinds, Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles 8, 2a edição, © 1999 J. Wiley & Sons), tecnologias convencionais não são adequadamente flexíveis para acomodar eficazmente a faixa de tamanhos de partícula nas quais os aerossóis podem ser encontrados em fluxos de fluido.

Alguns exemplos de materiais filtrantes comercialmente disponíveis, convencionais para a separação de aerossóis, tal como estão presentes em sopro, a partir do ar são produtos disponíveis a partir da Porous Media Company de St. Paul, MN; Keltee Technolab de Twinsburg, OH; ProPure Filtration Company de Tapei, Taiwan; filtros Finite® e Balston® feitos pela Parker Hannifin Corporation de Mayfield, OH; Fai Filtri s.r.l. de Pontirolo Nuovo, Itália; Mann + Hummel Group de Ludwigsburg, Alemanha; e PSI Global Ltd de Bowburn Durham, Reino Unido. Contudo, nenhum desses materiais filtrantes está disponível para uso em motores a diesel onde carga muito elevada de fuligem e aerossol oleoso é encontrada 10

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em aplicações de filtração CCV.

Assim, existe uma substancial necessidade de materiais filtrantes, elementos de filtro, e métodos de filtração que possam ser usados para remover múltiplos materiais particulados a partir dos fluxos de fluido, e particularmente fluxos de ar. Há uma necessidade substancial de materiais filtrantes, elemento, e método capaz de filtração de elevados níveis de materiais particulados de aerossol não somente sólidos como líquidos a partir de um fluxo de ar. A invenção provê tais meios, estruturas de filtração e métodos e provê materiais filtrantes singulares ou combinações de camada de materiais filtrantes que obtêm permeabilidade aperfeiçoada e vida útil longa de filtração.

As variáveis para as quais os aperfeiçoamentos são desejados se referem geralmente ao seguinte: (a) preocupações relacionadas ao tamanho/eficiência; isto é, um desejo de boa eficiência de separação enquanto ao mesmo tempo evitação de uma exigência de um sistema separador grande; (b) custo/eficiência; isto é, um desejo de boa ou elevada eficiência sem a exigência de sistemas substancialmente dispendiosos; (c) versatilidade; isto é, o desenvolvimento de sistemas que podem ser adaptados para uma ampla variedade de formatos, aplicações, e usos, sem re-engenharia significativa; e, (d) propriedade de limpeza/regeneração; isto é, desenvolvimento de sistemas que possam ser facilmente limpos (ou regenerados) se assim for desejado, após uso prolongado.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

Descobrimos um material filtrante e elemento de filtro e uma estrutura de filtro singular capaz de eficientemente remover pesadas cargas de mais do que um tipo de substância particulada a partir de um fluxo de fluido móvel sob uma variedade de condições severas. O meio da invenção combina propriedades de elevada resistência e excelente filtração com facilidade de fabricação tanto para os mesmos como para os elementos de filtro feitos a partir dos materiais filtrantes. A invenção compreende uma pluralidade de materiais filtrantes não-tecidos, termicamente ligados, empilhados em um alojamento para formar um elemento de filtro. Os materiais filtrantes da invenção são feitos mediante incorporação de proporções substanciais de uma fibra de meio orgânico ou inorgânico, uma fibra aglutinante termoplástica bicomponente, opcionalmente um aglutinante de resina, opcionalmente uma fibra secundária tal como uma fibra termoplástica, e opcionalmente outros materiais de filtração.

As camadas de materiais filtrantes podem ser facilmente formadas em várias estruturas de filtro, tais como painéis, cartuchos, insertos, etc. Essa revelação se refere às camadas de materiais filtrantes e aos métodos de filtração de fluxos gasosos em que é desejável remover contaminantes particulados não somente sólidos como também líquidos. Os fluxos gasosos podem incluir ar, gases de refugo industrial, gases do cárter, gases de atmosfera controlada tais como nitrogênio, hélio, argônio, e semelhantes. Materiais 10

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particulados líquidos podem incluir água, combustíveis, óleo, fluido hidráulico, emulsões ou aerossóis de materiais hidrofóbicos ou hidrofílicos, produtos químicos orgânicos voláteis (VOCs), e semelhantes. Materiais particulados sólidos podem incluir fumaça, fuligem, pós, tais como silicato de magnésio, asbestos, carbono, e semelhante, incluindo nanopartículas sólidas. A revelação se refere também aos sistemas e métodos para separar substância particulada arrastada a partir do gás ou líquido. Métodos para conduzir as separações também são providos.

Conforme aqui usado, “material filtrante” significa uma única camada de material de filtro; “elemento de filtro” é uma pilha de materiais filtrantes da invenção; e “estrutura de filtro” denota um elemento de filtro encerrado em um alojamento, entre tampas de extremidade, em um suporte, ou em qualquer configuração em que o elemento de filtro é útil em uma aplicação de uso final. “Fibra bicomponente” significa uma fibra termoplástica tendo ao menos uma porção de fibra com um ponto de fusão e uma segunda porção termoplástica com um ponto de fusão inferior.

Descobrimos uma estrutura de elemento de filtro singular capaz de remover cargas pesadas de ao menos dois tipos diferentes de substância particulada a partir de um fluxo de fluido.

O elemento compreende uma pluralidade de folhas termicamente ligadas, materiais filtrantes, ou filtro feito mediante combinação de camadas de diferentes materiais filtrantes tendo uma proporção substancial de fibra de materiais filtrantes e uma fibra aglutinante termoplástica bicomponente. Os materiais filtrantes podem compreender fibra de vidro, uma mistura de fibra de materiais filtrantes de diâmetros de fibra diferentes, uma resina aglutinante e uma fibra aglutinante termoplástica bicomponente. Tais materiais filtrantes podem ser feitos com fibras adicionais opcionais e outros materiais aditivos. Esses componentes se combinam para formar um material de elevada resistência tendo substancial capacidade de fluxo, permeabilidade e elevada resistência. Os materiais filtrantes da invenção podem manter capacidade de filtração intacta em elevada pressão por um período de tempo substancial. Os materiais filtrantes operam em taxa de fluxo substancial, elevada capacidade e eficiência substancial.

Os materiais filtrantes são, então, empilhados em uma pluralidade de camadas para formar o elemento de filtro da invenção, em que ao menos duas camadas têm estruturas diferentes. Conforme aqui definido, “diferente” no que diz respeito às camadas de materiais filtrantes da invenção significa materiais filtrantes compreendendo diferentes materiais, diferentes proporções de materiais, diferentes formas de fazer os materiais filtrantes, aditivos químicos diferentes, ou qualquer outra diferença que cause diferenças na energia de superfície das fibras, tamanho de poro, permeabilidade, altura, peso básico, queda de pressão, propriedades de tensão, orientação de fibra, e semelhante. Os materiais filtrantes podem ser idênticos ou diferentes; em outras palavras, várias camadas de um meio podem ser usadas, ou uma única camada de um meio pode ser usada em um arranjo de empilhamento para formar os elementos de filtro da invenção. Os materiais filtrantes podem ser feitos separadamente e combinados posteriormente ou simultaneamente.

Contudo, deve ser observado que conforme usado para descrever matéria retida pelos filtros da presente invenção, “diferente” significa uma diferença em tamanho médio de partícula, formato de partícula, fase de partícula (líquida, sólida, ou gás), ou composição química do material retido pelos elementos de filtro da invenção.

Mediante uso de diferentes camadas de materiais filtrantes, as exigências de filtração que são aparentemente opostas em termos de estrutura de filtro exigida podem ser resolvidas em um único elemento de filtro com facilidade. Por exemplo, na filtração de um fluxo gasoso tendo uma carga de substância particulada sólida, muito elevada, um filtro com uma estrutura gradiente onde o tamanho de fibra dos materiais filtrantes e os poros se tornam menores no lado à jusante é útil. Em outras palavras, o tamanho de fibra se torna menor e a estrutura porosa se torna continuamente mais densa a partir do lado à montante para o lado a jusante. Como resultado, as partículas ou contaminantes a serem filtrados são capazes de penetrar em profundidades variáveis dependendo do tamanho de partícula. Isso faz com que as partículas ou contaminadores sejam distribuídos por toda a espessura do material de filtro, reduzindo o desenvolvimento de queda de pressão, e prolongando a vida útil do filtro.

Como com um filtro que separa a substância particulada, um filtro separando névoas de óleo ou água a partir dos fluxos de gás é vantajoso utilizar um filtro como estrutura gradiente onde o diâmetro de fibra dos materiais filtrantes se torna pequeno no lado a jusante. Em outras palavras, a estrutura porosa apresenta eficiência superior a partir do lado à montante para o lado a jusante. Geralmente, isso resulta em área de superfície de fibra maior nas regiões a jusante. Inicialmente, as gotículas grandes, capturadas são forçadas a se unir e coalescer em gotículas maiores. Ao mesmo tempo, essas regiões a jusante apresentam eficiência superior, capturando as partículas mais penetrantes.

É uma vantagem da presente invenção que mediante variação das camadas utilizando parâmetros químicos, parâmetros físicos, ou uma combinação de parâmetros, um elemento de filtro seja formado o qual reterá de forma eficiente não somente a carga pesada de uma substância particulada sólida, tal como fuligem, além de uma substância particulada líquida, tal como aerossol oleoso, a partir de um fluxo de fluido passando através do mesmo. Adicionalmente, o elemento de filtro pode ser configurado para facilitar a coalescência e a drenagem de um aerossol líquido a partir de um fluxo gasoso.

Um elemento de filtração pode compreender uma pluralidade de camadas de ao menos duas estruturas não-tecidas termicamente ligadas diferentes. O elemento de filtro pode ter uma camada dupla, uma camada tripla ou múltiplas camadas (4-20, 4-64 ou 4-1000 camadas) de materiais filtrantes. Tais camadas podem compreender um meio de filtração de camada de carregamento da invenção, e materiais filtrantes de camada de eficiência da invenção ou combinações das mesmas também combinadas com outras camadas de filtração, estruturas de suporte e outros componentes de filtro.

Um elemento de filtro pode ser facilmente manipulado para várias aplicações. Como nenhum tratamento especial das camadas de materiais filtrantes é exigido, tal como a ligação das camadas juntas, o elemento de filtro da presente invenção é de montagem simples. Os materiais filtrantes são facilmente cortados no formato desejado, e podem ser simplesmente empilhados juntos em um alojamento e/ou presos com um suporte para formar uma estrutura de filtro.

Um elemento de filtro pode compreender materiais filtrantes de carregamento profundo que não comprime ou rasga quando submetido às condições de aplicação ou processos de conversão. Tais materiais filtrantes podem ter baixa solidez e elevada porosidade, apesar de sua robustez.

Um elemento de filtro pode ser um composto de materiais filtrantes. Uma camada de materiais filtrantes preferidos é uma forma de folha a partir de um processo de assentamento a úmido. Ela pode ser incorporada em arranjos de filtro, em uma variedade de formas, por exemplo, mediante uma abordagem de enrolamento ou envoltório ou mediante provisão de uma construção de painel. Tais materiais filtrantes podem ser usados para filtrar materiais particulados líquidos ou oleosos presentes em elevadas cargas nos gases de cárter. Outra camada de materiais filtrantes preferidos é uma forma de folha a partir de um processo de assentamento a ar. Tais materiais filtrantes podem ser feitos com altura e porosidade superiores às dos materiais filtrantes assentados a úmido, proporcionando materiais filtrantes ideais para reter os materiais particulados sólidos tal como fuligem quando presentes em elevados níveis em um fluxo de fluido. De acordo com a presente revelação, construções de filtro para usos preferidos para filtrar gases de sopro fortemente carregados com fuligem e óleo a partir de cárter de motor são providas.

A invenção compreende um método de filtrar uma fase gasosa móvel tendo altas cargas de substância particulada não somente sólidas como também líquidas utilizando os elementos de filtração da invenção. O aspecto preferido da invenção compreende um método de filtrar em aplicações de ventilação de cárter de motor a diesel (CCV).

Os elementos de filtro da invenção podem ser usados em uma variedade de aplicações de filtro incluindo filtros de limpeza mediante pulsação e de limpeza de não- pulsação para coleta de poeira, turbinas a gás e sistemas de indução ou admissão de ar de motor; sistemas de admissão ou indução de turbina a gás, sistemas de admissão ou indução de motor de serviços pesados, sistemas de admissão ou indução de motores de 10

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veículos leves; ar de cabina de veículo, ar de cabina de veículo fora de estrada, ar de acionamento a disco, remoção de tonalizador de fotocopiadora; filtros HVAC em aplicações de filtração não somente comercial como também residencial.

Em geral, os elementos de filtro da invenção podem ser usados para filtrar fluxos de ar e gás que frequentemente transportam substância particulada arrastada nos mesmos. Em muitos casos, a remoção de parte ou de todo o substância particulada a partir do fluxo é necessária para operação continuada, conforto ou estética. Por exemplo, os fluxos de admissão de ar para as cabines de veículos motorizados, para motores de veículos motorizados, ou para equipamento de geração de força; fluxos de gás dirigidos para turbinas a gás; e, fluxos de ar para vários fornos de combustão, frequentemente incluem substância particulada. No caso de filtros de ar de cabine é desejável remover a substância particulada para conforto dos passageiros e/ou para estética. Com relação aos fluxos de admissão de ar e gás para os motores, turbinas a gás e fornos de combustão, é desejável remover a substância particulada porque ele pode causar dano substancial ao funcionamento interno dos vários mecanismos envolvidos. Em outros casos, os gases de produção ou gases residuais a partir de processos ou motores industriais podem conter substância particulada. Antes de tais gases poderem ser, ou serem descarregados através de equipamento a jusante ou para atmosfera, pode ser desejável obter uma remoção substancial da substância particulada a partir desses fluxos.

A tecnologia também pode ser empregada na filtração de sistemas de líquido. Nas técnicas de filtração de líquido, o mecanismo de coleta deve estar filtrando quando as partículas são removidas através de exclusão por tamanho. Em uma única camada a eficiência é aquela da camada. A eficiência composta em uma aplicação de líquido é limitada pela eficiência da única camada com a mais elevada eficiência. Os líquidos seriam dirigidos através dos materiais filtrantes de acordo com a invenção, com os materiais particulados nos mesmos retidos em um mecanismo de peneiração. Em sistemas de filtro de líquido, isto é, em que a substância particulada a ser filtrada é carregada em um líquido, tais aplicações incluem aplicações aquosas e não-aquosas e aplicações mistas, aquosas/não- aquosas tais como fluxos de água, óleo lubrificante, fluido hidráulico, sistemas de filtro de combustível, ou coletores de névoa. Fluxos aquosos incluem fluxos naturais e fluxos produzidos artificialmente tais como efluentes, água de esfriamento, água de processo, etc. Fluxos não-aquosos incluem: gasolina, combustível diesel, lubrificantes sintéticos e de petróleo, fluido hidráulico e outros fluidos de trabalho à base de éster, óleos de corte, óleo de tipo alimentício, etc. Fluxos mistos incluem dispersões compreendendo composições de água em óleo e composições de óleo em água e aerossóis compreendendo água e um componente não-aquoso.

Os materiais filtrantes da invenção são aplicados mais vantajosamente quando mais do que um tipo de partícula, ou mais do que um tamanho de uma partícula, são capturados por um único filtro em que os materiais filtrantes de um único filtro não podem, ou não podem eficientemente, deter todos os materiais. Por exemplo, quando as partículas pequenas de emulsão assim como as partículas grandes de sujeira são desejavelmente removidas de um fluxo de água, os materiais filtrantes da invenção encontrariam utilidade específica. Utilizando-se os materiais filtrantes da presente invenção, um elemento de filtro tendo capacidade de filtração para todos os materiais desejados é facilmente montado.

O material filtrante da invenção é projetado para obter uma pluralidade de solidez, espessura, peso básico, diâmetro de fibra, tamanho de poro, eficiência, permeabilidade, resistência à tração, e compressibilidade das camadas para obter propriedades de filtração eficientes quando usado para filtrar um fluxo em movimento específico. Solidez é o volume de fibras sólidas dividido pelo volume total do material filtrante, normalmente expresso como uma percentagem. Por exemplo, os materiais filtrantes usados na filtração de um fluxo de ar carregado de poeira podem ter uma solidez diferente daquela dos materiais filtrantes usados para filtrar uma água ou aerossol de óleo a partir de um fluxo de ar.

Os elementos de filtro da presente invenção consideram uma pluralidade de: solidez, espessura, peso básico, diâmetro de fibra, tamanho de poro, eficiência, permeabilidade, resistência à tração, e compressibilidade das camadas de modo a deter eficientemente todos os materiais a partir de um fluxo de fluido determinado. Assim, filtração de poeira assim como de aerossol de óleo por um único elemento de filtro é considerada pela invenção. Cada aplicação da tecnologia da invenção obtém a partir de certo conjunto de parâmetros de operação conforme discutido abaixo.

Em uma modalidade particularmente preferida da presente invenção, um elemento de filtro é construído tendo porosidade extremamente elevada, elevada altura, e baixa solidez na camada mais a montante. Isso permite que fuligem a partir de um fluxo altamente carregado com fuligem seja eficientemente retida sem obstruir o elemento de filtro. Essa camada também é relativamente espessa em comparação com as camadas usadas para deter aerossol de óleo, proporcionando distribuição da fuligem para a profundidade da camada elevada e desse modo aumentando a vida útil do elemento de filtro. Aumentar o tamanho das fibras e a distância entre as fibras tende a aumentar a capacidade de cada camada. Para otimizar a capacidade dos elementos, várias camadas podem ser construídas, de a montante até a jusante, de modo que a fuligem é coletada igualmente em cada camada. As camadas a jusante são compreendidas de materiais filtrantes tendo altura e porosidade inferiores, elaboradas para deter e drenar materiais particulados líquidos. Desse modo, um fluxo intensamente carregado com fuligem e com substância particulada de aerossol oleoso é vantajosamente filtrado durante uso de um único elemento de filtro.

Para realizar isso, a presente invenção considera um elemento de filtro em camadas com duas, três ou mais camadas, em que cada camada ou grupos de camadas pode compreender diferentes materiais filtrantes. As camadas ou grupos de camadas têm progressivamente tamanhos de poro progressivamente menores a partir do lado à montante para o lado a jusante. Idealmente, cada camada é diferente para formar um arranjo de gradiente para efetivamente filtrar uma ampla variedade de tamanhos de partícula sem obstrução de modo a maximizar a vida útil da estrutura de filtro. Contudo, a natureza prática e a economia tipicamente necessitarão limitar o número de diferentes camadas. Economicamente, várias camadas dos mesmos materiais filtrantes podem ser empilhadas umas em cima das outras, de tal modo que o elemento de filtro pode ter 50 camadas, mas apenas 3 diferentes composições de camada.

Os elementos de filtro da invenção empregam fibras bicomponentes. O uso da fibra bicomponente permite a formação de materiais filtrantes com nenhum aglutinante de resina separado ou com quantidades mínimas de um aglutinante de resina. É desejável eliminar substancialmente o uso de aglutinante, porque os aglutinantes formam películas, as quais por sua vez reduzem o volume de poro total, e reduzem a uniformidade do material filtrante devido à migração da resina para um local específico da camada de materiais filtrantes, isto é, mediante fusão quando aquecido ou mediante fluxo de polímero vítreo sob gravidade. O uso da fibra bicomponente, portanto, resulta em compressão reduzida, solidez aperfeiçoada, aumento na resistência à tração e utilização aperfeiçoada de outras fibras tal como fibra de vidro e outros materiais de fibra fina adicionadas à camada de materiais filtrantes ou elemento de filtro. Adicionalmente, a fibra bicomponente proporciona processabilidade aperfeiçoada durante formulação de suprimento, formação de folha ou camada e processamento a jusante incluindo ajuste de espessura, secagem, corte e formação do elemento de feltro. Esses componentes combinam em várias proporções para formar um material filtrante de elevada resistência tendo capacidade de filtração, permeabilidade e durabilidade de filtração, substanciais. Os materiais filtrantes da invenção podem manter intacta a capacidade de filtração por períodos substanciais de tempo em taxas de fluxo substanciais e com substancial eficiência.

Os materiais filtrantes da invenção podem empregar adicionalmente fibras de materiais filtrantes. As fibras de materiais filtrantes incluem uma ampla variedade de fibras tendo o diâmetro, comprimento e relação de aspecto corretos para uso em aplicações de filtração. Uma fibra de materiais filtrantes preferida é uma fibra de vidro. Uma proporção substancial da fibra de vidro pode ser usada na fabricação dos materiais filtrantes da invenção. A fibra de vidro provê controle de tamanho de poro e coopera com outras fibras nos materiais filtrantes para obter materiais filtrantes de substancial taxa de fluxo, capacidade elevada, eficiência substancial e elevada resistência a úmido. O termo “fonte” de fibra de vidro significa uma composição de fibra de vidro caracterizada por um diâmetro médio e uma relação de aspecto que é tornada disponível como uma matéria-prima distinta. Misturas de uma ou mais de tais fontes não compreendem fontes únicas.

Descobrimos que mediante mistura de várias proporções de fibra de materiais filtrantes e fibras bicomponentes nas camadas de materiais filtrantes da presente invenção que excelentes propriedades de resistência e filtração podem ser obtidas. Além disso, misturar vários diâmetros de fibra pode resultar em propriedades otimizadas quando as camadas são empilhadas. Uma combinação de processos de assentamento a úmido e de assentamento a seco pode ser usada para fazer as várias camadas dos elementos de filtro da invenção. Ao fazer os materiais filtrantes da invenção, uma esteira de fibra é formada utilizando processamento a úmido ou processamento a seco de uma combinação de fibra bicomponente e fibra de materiais filtrantes. A esteira é então aquecida para fundir os materiais termoplásticos para formar os materiais filtrantes mediante aderência das fibras. A fibra bicomponente usada nos materiais filtrantes da invenção permite que a fibra seja fundida em uma folha mecanicamente estável, materiais filtrantes, ou filtro. A fibra bicomponente tendo um revestimento exterior de ligação térmica faz com que a fibra bicomponente aglutine com outras fibras bicomponentes e com fibras de materiais filtrantes em uma camada de materiais filtrantes.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

A Figura 1 mostra uma estrutura de filtro completamente construída da presente invenção.

A Figura 2 mostra um aspecto diferente de uma estrutura de filtro da presente invenção.

A Figura 3 é uma vista de perto da Figura 2.

A Figura 4 é uma vista lateral de uma estrutura de filtro da presente invenção.

A Figura 5 é uma vista desestruturada da estrutura de filtro mostrada nas Figuras 1- 4.

A Figura 6 é uma vista de perto do alojamento e elemento de filtro da estrutura de filtro mostrada na Figura 5.

A Figura 7 é uma vista desestruturada diferente da estrutura de filtro mostrada nas Figuras 1-4.

A Figura 8 é um gráfico mostrando as eficiências de filtração de várias camadas de materiais filtrantes único após serem submetidos à filtração de cárter.

A Figura 9 é um gráfico mostrando as eficiências de filtração de várias camadas de materiais filtrantes compostos da invenção após serem submetidos à filtração de cárter.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

“Fibra bicomponente” significa um material termoplástico tendo ao menos uma porção de fibra com um ponto de fusão e uma segunda porção termoplástica com um ponto de fusão inferior. A configuração física dessas fibras é tipicamente uma estrutura “lado a lado” ou de “núcleo-revestimento”. Na estrutura lado a lado, as duas resinas são tipicamente extrudadas em uma forma conectada em uma estrutura lado a lado. Também se poderiam usar fibras Iobuladas onde as pontas têm polímero de ponto de fusão inferior. “Fibra de vidro” é fibra feita utilizando vidro de vários tipos. O termo “fibras secundárias” pode incluir uma variedade de diferentes fibras a partir de fontes naturais, sintéticas ou especiais. Tais fibras são usadas para se obter a folha de materiais filtrantes termicamente ligados, materiais filtrantes, ou filtro, e também pode auxiliar na obtenção de tamanho de poro apropriado, permeabilidade, eficiência, resistência à tração, compressibilidade, e outras propriedades de filtro desejáveis.

“Permeabilidade” significa a quantidade de ar (pés3-min"1-pés"2 ou pés-min'1) que fluirá através de um material filtrante em uma queda de pressão de 1,27 cm de água. Em geral, a permeabilidade, conforme o termo é usado, é avaliada pelo Teste de permeabilidade de Frazier de acordo com ASTM D737 utilizando um Aparelho de Teste de Permeabilidade de Frazier disponível através da Frazier Precision Instrument Co. Inc., Gaithersburg, Maryland ou um Tex Test 3300 ou TexTest 3310 (disponível através da Advanced Testing Instruments Corp (ATI) de Spartanburg, SC).

“Tamanho de poro” ou “tamanho de poro XY” conforme utilizado nessa revelação significa a distância teórica entre fibras em materiais filtrantes. XY se refere à direção de superfície versus a direção Z que é a espessura dos materiais filtrantes. Esse cálculo supõe que todas as fibras nos materiais filtrantes são alinhadas paralelas à superfície dos materiais filtrantes, igualmente espaçadas, e são ordenadas como um quadrado quando vistas em seção transversal perpendicular ao comprimento das fibras. O tamanho de poro XY é a distância diagonal entre a superfície da fibra em cantos opostos do quadrado. Se os materiais filtrantes são compostos de fibras com vários diâmetros, o d2 médio da fibra é usado como o diâmetro. O d2 médio é a raiz quadrada da média dos diâmetros elevados ao quadrado.

Os materiais filtrantes da invenção se referem a um composto em camadas de materiais filtrantes não-tecidos assentados a ar e materiais filtrantes assentados a úmido tendo propriedade de formação, rigidez, resistência à tração, baixa compressibilidade, e estabilidade mecânica para propriedades de filtração, assim como elevada capacidade de carga de substância particulada, baixa queda de pressão durante uso e um tamanho de poro e eficiência adequados para uso na filtração de aerossóis oleosos. Os materiais filtrantes empregam Fibras bicomponentes e preferivelmente não incluem aglutinantes. Preferivelmente, os materiais de filtração da invenção são uma combinação de materiais assentados a úmido e materiais assentados a ar e são compostos de arranjos aleatoriamente orientados de fibras de materiais filtrantes, tal como uma combinação de fibra de vidro ou fibra termoplástica e uma fibra de bicomponentes. Essas fibras são ligadas juntas utilizando-se a fibra de bicomponentes, embora também seja considerado que uma resina aglutinante possa ser adicionalmente empregada.

Algumas camadas de materiais filtrantes da invenção são feitas preferivelmente utilizando processos de fabricação de papel. Tais processos de assentamento a úmido são particularmente úteis e muitos dos componentes de fibra são designados para processamento de dispersão aquosa. Uma pasta fluida de fibras contendo os materiais é tipicamente misturada para formar uma pasta fluida de fibras, relativamente uniforme. A pasta fluida de fibras é então submetida a um processo de fabricação de papel assentado a úmido. No modo preferido de processamento de assentamento a úmido, o material filtrante é feito de um suprimento aquoso compreendendo uma dispersão de material fibroso em um meio aquoso. O líquido aquoso da dispersão é geralmente água, mas pode incluir vários outros materiais tais como materiais de ajuste de pH, agentes tensoativos, desespumantes, retardadores de chama, modificadores de viscosidade, tratamentos de material filtrante, colorantes e semelhantes. Quando a pasta fluida é formada em uma folha de assentamento a úmido, a folha assentada a úmido pode ser então seca, curada ou de outro modo processada para formar os materiais filtrantes permeáveis a seco, mas de folha real, ou filtro. Quando suficientemente secos e processados em materiais filtrantes, as folhas são tipicamente de aproximadamente 0,32 a aproximadamente 2,0 milímetros de espessura e têm um peso básico de aproximadamente 33 a 200 g-rrf2.

As máquinas usadas na fabricação de folha assentada a úmido incluem equipamento de folha assentada manualmente, máquinas de fazer papel Fourdrinier, máquinas cilíndricas de fazer papel, máquinas inclinadas de fazer papel, máquinas de fazer papel em combinação e outras máquinas que podem pegar um papel adequadamente misturado, formar uma camada ou camadas de componentes de suprimento, remover os componentes aquosos fluidos para formar uma folha úmida. Tipicamente em um processo de fabricação de papel de assentamento a úmido, uma pasta fluida de fibras contendo os materiais é tipicamente misturada para formar uma pasta fluida de fibras, relativamente uniforme. A pasta fluida de fibras é então formada em uma folha assentada a úmido mediante drenagem da água a partir das fibras. A folha assentada a úmido pode então ser seca, curada ou de outro modo processada para formar uma folha permeável seca, materiais filtrantes, ou filtro. Quando suficientemente secas e processadas em materiais filtrantes, as folhas são tipicamente de aproximadamente 0,25 a 1,9 milímetros de espessura, tendo um peso básico de aproximadamente 20 a 200 ou 30 a 150 g/m"2.

Para um processo de escala comercial, as esteiras de bicomponentes da invenção são geralmente processadas através do uso de máquinas do tipo de fabricação de papel tal como a máquina Fourdrinier, comercialmente disponível, cilindro de arames, Stevens Former, Roto Former1 Inver Former1 Venti Former1 e máquinas inclinadas Delta Former.

I*

Preferivelmente, uma máquina inclinada Delta Former é utilizada. Uma esteira de bicomponentes da invenção pode ser preparada mediante formação de polpa e pastas fluidas de fibras de vidro combinando-se as pastas fluidas em tanques de misturação, por 5 exemplo. A quantidade de água usada no processo pode variar dependendo do tamanho do equipamento usado. O suprimento pode ser passado para dentro de uma caixa coletora convencional onde ele é desidratado e depositado sobre uma tela de arames, móvel onde ele é desidratado mediante sucção ou vácuo para formar a trama de bicomponentes, não- tecida. A trama pode ser então revestida com um aglutinante mediante meio convencional, 10 por exemplo, mediante um método de inundar e extrair e passada através de uma seção de secagem que seca a esteira e cura o aglutinante, e liga termicamente a folha, materiais filtrantes, ou filtro. A esteira resultante pode ser coletada em um grande rolo. A ligação térmica ocorre tipicamente mediante fusão de certa parte da fibra termoplástica, resina ou outra porção do material formado. O material fundido aglutina o componente em uma 15 camada.

Outro método usado para fazer material filtrante assentado a úmido da invenção é mediante um processo de folha manual. Uma folha manual pode ser preparada primeiramente mediante dispersão da quantidade apropriada de fibras sintéticas e vidro separadamente em água a qual foi ajustada para um pH de aproximadamente 3 utilizando 20 ácido sulfúrico. As fibras são formadas em pasta fluida em um misturador, então diluídas a 1:5 em volume com água e misturadas por ao menos 2 minutos. A pasta fluida misturada é formada em uma folha utilizando um molde de folha manual padrão no qual uma folha portadora foi posicionada. A água é então drenada a partir da pasta fluida, capturando as fibras sobre a folha portadora. A folha úmida é seca e ligada utilizando-se um secador de 25 folha plana em temperatura elevada por um período de aproximadamente 5 minutos. Múltiplas camadas podem ser posicionadas para formar um elemento.

A estrutura de filtro da invenção pode compreender ao menos dois tipos diferentes de materiais filtrantes sustentados sobre uma estrutura de suporte perfurada mecanicamente estável. Os diferentes tipos de materiais filtrantes podem ser empilhados 30 em múltiplas camadas. Por exemplo, 20 camadas de um tipo de material filtrante podem ser empilhadas de forma contígua, seguidas por cinco camadas de outro tipo de material filtrante. Múltiplos tipos de materiais filtrantes podem ser empregados. Aqueles versados na técnica considerarão a facilidade com a qual um elemento de filtro pode ser produzido para uma aplicação específica.

- 35 Em algumas modalidades da invenção, uma ou mais camadas do elemento de filtro

compreendem diferentes materiais filtrantes. Preferivelmente, o elemento de filtro compreende uma pilha de mais do que uma camada cada uma delas de pelo menos dois materiais filtrantes diferentes. Uma ou mais camadas são preferivelmente materiais filtrantes assentados a ar. Um primeiro material filtrante pode compreender entre 1 e 100% em peso, mais preferivelmente 20 a 80% em peso de uma primeira fibra compreendendo uma fibra de bicomponentes tendo um diâmetro entre 5 e 50 micrômetros, mais preferivelmente 10 a 30 micrômetros. O primeiro material filtrante pode ter um tamanho de poro de 0,2 a 200 micrômetros, mais preferivelmente de 4 a 200 micrômetros, e mais preferivelmente de 50 a 150 micrômetros. O primeiro material filtrante pode ter uma permeabilidade de 1 a 1000 pés/minuto'1, preferivelmente de aproximadamente 50 a 800 pés/minuto'1, e mais preferivelmente de aproximadamente 140 a 460 pés/minuto'1. A solidez do primeiro material filtrante pode ser de 2 a 25% em 860 Pa, preferivelmente de 2 a 10% em 860 Pa, e mais preferivelmente de 3 a 8% em 860 Pa. O peso básico do primeiro material filtrante pode ser de 5 a 1000 g/m'2, preferivelmente de 50 a 500 g/m"2, e mais preferivelmente de 150 a 350 g/m'2. O primeiro material filtrante também pode compreender de 5 a 50% de uma segunda fibra. A segunda fibra pode ter um diâmetro de fibra de 0,1 a 50 micrômetros, preferivelmente de 0,5 a 30 micrômetros. A espessura total do primeiro material filtrante pode ser de 0,05 a 22 milímetros em 860 Pa, preferivelmente de 0,5 a 11 milímetros em 860 Pa, e mais preferivelmente de 1 a 5 milímetros em 860 Pa. O primeiro material filtrante pode ter uma compressibilidade de 0,5 a 1,0 entre 860 e 3860 Pa, preferivelmente 0,7 a 1,0 entre 860 e 3860 Pa.

Em modalidades da invenção, um segundo material filtrante é provido como uma ou mais camadas no elemento de filtro empilhado. O segundo material filtrante é diferente do primeiro material filtrante. Conforme usado para descrever o segundo material filtrante, “diferente" significa ter uma composição diferente de fibras, tendo um tratamento de superfície ou tratamento de superfície diferente do primeiro material filtrante, tendo uma diferente distribuição percentual de tipos de fibra, tendo uma diferente espessura total do material filtrante, ou tendo sido feito mediante uma técnica diferente, por exemplo, assentamento a ar versus assentamento a úmido. Adicionalmente, o segundo material filtrante pode diferir em termos de tamanho de poro, permeabilidade, peso básico, solidez, compressibilidade, espessura, diâmetro de fibras usadas, ou de qualquer maneira que resulte em propriedades de filtração que diferem entre o primeiro e o segundo material filtrante.

Em algumas modalidades da invenção, o segundo material filtrante pode ter tamanho de poro de 0,2 a 200 micrômetros, preferivelmente aproximadamente 4 a 20 micrômetros, e mais preferivelmente de aproximadamente 40 a 70 micrômetros. O segundo material filtrante pode ter uma permeabilidade de 1 a 1000 pés/minuto'2, preferivelmente de aproximadamente 50 a 800 pés/minuto 2; e mais preferivelmente 350 a 650 pés/minuto'2. O segundo material filtrante pode ter uma solidez de aproximadamente 2 a 25% a 860 Pa, preferivelmente de 2 a 10% em 860 Pa1 e mais preferivelmente de aproximadamente 5 a 8% em 860 Pa. O segundo material filtrante pode ter um peso básico de 5 a 1000 g/m'2, preferivelmente de aproximadamente 20 a 120 g/m'2, e mais preferivelmente de aproximadamente 30 a 50 g/m"2. O segundo material filtrante pode ter uma compressibilidade de aproximadamente 0,5 a 1,0 entre os 160 Pa e 3860 Pa, preferivelmente de aproximadamente 0,7 a 1,0 entre 860 Pa e 3860 Pa. O segundo material filtrante pode ter uma espessura total de aproximadamente 0,05 a 22 milímetros em 860 Pa, preferivelmente de aproximadamente 0,3 a 3,6 milímetros em 860 Pa, e mais preferivelmente de aproximadamente 0,5 a 0,8 milímetros em 860 Pa.

Qualquer um, ou ambos, o primeiro e o segundo material filtrante, pode compreender ainda um tratamento de superfície presente em uma ou mais fibras. O tratamento de superfície pode ser aplicado às fibras antes da formação do material filtrante ou pode ser aplicado após a formação do material filtrante. O tratamento de superfície é preferivelmente, mas não limitado a um silicone, produto fluoroquímico, molécula anfotérica, ou mistura dos mesmos.

O elemento de filtro da presente invenção é montado mediante corte de folhas de filtro em um formato desejado, e empilhando-se ao menos uma camada de ao menos um primeiro e um segundo material filtrante para prover as propriedades de filtração desejadas. Assim, um primeiro material filtrante é montado tendo as propriedades esboçadas acima, e o segundo material filtrante é montado separadamente, o segundo material filtrante tendo as propriedades delineadas acima. Técnicas de assentamento a ar e de assentamento a úmido, portanto, podem ser ambas usadas, ou uma única técnica pode ser usada para fazer ambos, um primeiro material filtrante e um segundo material filtrante. Materiais filtrantes adicionais, tal como terceiro e quarto material filtrante, também podem ser empregados em que cada camada é diferente conforme definido acima.

O elemento de filtro é formado mediante empilhamento das camadas de materiais filtrantes em conjunto. Preferivelmente, os materiais filtrantes são contidos dentro de uma estrutura de suporte que retêm seguramente as camadas no lugar umas contra as outras. Preferivelmente, o suporte é dotado de aberturas.

Em aplicações de filtração de cárter, grandes quantidades de partículas de fuligem, sólidas e aerossóis de partículas pequenas de óleo líquido podem ser capturadas sob pressão relativamente elevada e elevado volume de produção de fluido. Adicionalmente, o óleo deve ser coletado no elemento e eventualmente drenado a partir do elemento de volta para o reservatório de óleo do motor. Elementos de filtração da presente invenção, portanto, são feitos de uma camada ou camadas de materiais filtrantes que efetivamente removem as partículas sólidas, mas permitem que as partículas de aerossol oleoso passem através dos mesmos, e uma camada ou camadas que retêm o aerossol oleoso e permite que o óleo coletado coalesça e seja drenado. A composição de cada conjunto de camadas pode ser variada para otimizar a eficiência, queda de pressão e performance de drenagem.

Assim, uma modalidade da invenção é um método de filtrar partículas a partir de um fluxo de fluido, compreendendo as etapas de contatar um fluxo de fluido intensamente carregado de substância particulada com um elemento de filtro da invenção e reter o substância particulada no elemento de filtro enquanto permitindo a passagem do fluxo de fluido. O fluxo de fluido pode ter mais do que um tipo de substância particulada, em que os materiais particulados têm diferentes tamanhos médios de partícula. O fluxo de fluido pode ser ar, gás de refugo industrial, gás de sopro de cárter, um gás inerte tal como nitrogênio, hélio, argônio, e semelhante, ou qualquer outro fluido. As partículas podem ser de diferentes fases, isto é, uma partícula sólida e uma partícula líquida. Materiais particulados sólidos podem ser, por exemplo, fumaça, fuligem, silicato de magnésio, asbestos, carbono, nanopartículas sólidas, ou uma combinação de partículas sólidas. Materiais particulados líquidos podem ser, por exemplo, vapor de água, combustível, fluido hidráulico, óleo tal como óleo de máquina, óleo de motor, óleo lubrificante, e semelhante; uma emulsão, um aerossol hidrofóbico ou hidrofílico ou líquido, um produto químico orgânico volátil, ou uma combinação de partículas líquidas. Os exemplos anteriormente mencionados são ilustrativos e não são limitadores em relação às espécies de materiais que podem ser detidas pelas modalidades do elemento de filtro da invenção.

Preferivelmente, partículas líquidas que podem ser retidas por um elemento de filtro da invenção coalescem no elemento de filtro e então são drenadas a partir do elemento de filtro. Tal modalidade permite uma durabilidade efetiva maior do elemento de filtro da invenção. Especialmente onde dois tipos de partículas são retidos e uma das partículas é líquida, é preferível que um dos ao menos dois materiais filtrantes diferentes retenha coalesça, e drene o líquido enquanto um segundo material filtrante retém o segundo substância particulada.

Certos arranjos preferidos de acordo com a presente invenção incluem materiais filtrantes conforme geralmente definidos, empilhados em relação de contato contínuo em um elemento de filtro total tendo várias camadas. Assim, em um arranjo particularmente preferido, dois ou mais materiais filtrantes assentados a ar tendo elevada altura, grande tamanho de poro, e elevada permeabilidade são empilhados juntos com múltiplas camadas de materiais filtrantes assentados a úmido tendo altura inferior, menor tamanho de poro, e permeabilidade inferior, de tal modo que um gradiente de tamanho de poro é criado. Mais do que um material filtrante assentado a ar diferente pode ser empilhado em conjunto com mais do que um material filtrante assentado a úmido, diferente. Desse modo, uma ampla gama de gradiente de tamanho de poro, espessura de elemento de filtro, e capacidade de filtração pode ser montada. As pelo menos duas camadas de diferentes materiais filtrantes usados para formar o elemento de filtro empilhado podem ser uma camada de carregamento e uma camada de eficiência, cada uma das camadas tendo estruturas e propriedades de filtração diferentes, para formar um elemento de filtro composto. A camada de carregamento é seguida em uma via de fluido por uma camada de eficiência. A camada de carregamento é uma camada de elevada altura, elevada porosidade adequada para capturar grandes cargas de materiais particulados sólidos, tal como fuligem, a partir de um fluxo de fluido sem obstrução. A camada de carregamento permite que os aerossóis passem através da mesma e não filtra quantidades significativas de aerossol a partir do fluxo de fluido. A camada de eficiência é uma camada altamente eficiente tendo porosidade, eficiência, permeabilidade e outras características de filtração, adequadas, para remover o aerossol a partir do fluxo de fluido quando o fluido passa através da estrutura de filtro. Preferivelmente, uma ou mais camadas do elemento de filtro também facilitam a coalescência e a drenagem dos aerossóis oleosos a partir do elemento de filtro.

Materiais particulados sólidos são geralmente filtrados a partir de um fluxo de fluido de tal modo que eles são retidos nas fibras de filtro. Desse modo, é preferível prover materiais filtrantes de partículas tendo um tamanho de poro efetivo muito grande, ainda assim proporcionando área de superfície suficiente para causar contato com a maior parte das partículas no fluxo de fluido de modo que as partículas são removidas do fluxo. Tamanho de poro grande também é usado vantajosamente para prolongar a vida útil do elemento de filtro mediante prevenção de obstrução pelas partículas detidas.

A performance de filtração (queda de pressão relativamente baixa, alta eficiência) para filtração de materiais particulados sólidos, em conjunto com exigências de espaço para filtração de elevadas cargas de fuligem, necessita de camadas relativamente grossas compostas de materiais filtrantes abertos. Tal construção facilita a filtração eficiente mediante provisão de uma grande área de superfície, tanto na face à montante como dentro da camada, para deposição de fuligem sem obstrução das camadas mais finas dispostas a jusante na construção em camadas. Essa construção pode estar presente em várias camadas empilhadas umas em cima das outras até que remoção eficiente da fuligem seja realizada em uma aplicação específica, ou pode ser suficiente para algumas aplicações ter apenas tal camada de elevada altura, pequena queda de pressão.

Materiais filtrantes para deter aerossóis oleosos a partir de unidades CCV carregadas com fuligem devem estar situados a jusante das camadas grossas, abertas que detêm a fuligem. Essas camadas a jusante devem ter uma construção mais compacta, de altura inferior, de porosidade inferior para deter as pequenas partículas de aerossol. Contudo, essas camadas a jusante convenientemente também permitirão que materiais particulados líquidos revistam as camadas, coalesçam em uma fase líquida, e drenem a partir do filtro de modo que o óleo coletado pode ser redirecionado para o cárter de um motor a diesel. Tal camada pode ser suficiente para efetivamente deter e drenar o aerossol oleoso, ou várias camadas podem ser empilhadas, umas sobre as próximas camada para efetivamente deter e drenar todo o aerossol oleoso.

Devido às limitações do tamanho do sistema de filtração, as camadas de filtração de aerossol oleoso devem ser projetadas para eficiência fracionária de equilíbrio. Eficiência fracionária de equilíbrio é definida como a eficiência do elemento quando o elemento estiver drenando líquido em uma taxa igual à taxa de coleta. As três propriedades de performance, eficiência fracionária inicial e de equilíbrio, queda de pressão, capacidade de drenagem, são equilibradas em relação ao modelo do elemento para obter performance ótima. Assim, como um exemplo, uma ou apenas umas poucas camadas de materiais filtrantes finos em um ambiente de elevada carga de líquido deve ser projetado para drenar em uma taxa relativamente rápida.

Materiais filtrantes usados para o propósito de coletar e drenar materiais particulados líquidos são tipicamente alinhados verticalmente, o que melhora a capacidade do filtro em termos de drenagem. Nessa orientação, qualquer composição de materiais filtrantes determinados exibirá uma altura de líquido de equilíbrio que terá uma função do tamanho de poro XY, orientação de fibras, e a interação do líquido com a superfície das fibras, medida como ângulo de contato. A coleta de líquido nos materiais filtrantes aumentará a altura até um ponto equilibrado com a taxa de drenagem de líquido a partir dos materiais filtrantes. Qualquer porção dos materiais filtrantes que seja obstruída com líquido de drenagem não estaria disponível para filtração desse modo aumentando a queda de pressão e diminuindo a eficiência através do filtro. Assim, é vantajoso minimizar a porção do elemento que retém líquido.

Os três fatores de material filtrante realizando taxa de drenagem são: tamanho de poro XY, orientação das fibras, e interação do líquido sendo drenado com a superfície das fibras. Todos os três fatores podem ser modificados para minimizar a porção dos materiais filtrantes que é obstruída com líquido. O tamanho de poro XY do elemento pode ser aumentado para otimizar a capacidade de drenagem dos materiais filtrantes, mas essa abordagem tem o efeito de reduzir o número de tiras disponíveis para filtração e assim a eficiência do filtro. Para obter a eficiência pretendida, uma estrutura relativamente grossa pode ser necessária, tipicamente do que 0,31 cm, devido à necessidade de um tamanho de poro XY relativamente grande. Isso é facilmente obtido utilizando-se os elementos de filtro da presente invenção, quando muitas camadas podem ser empilhadas juntas para formar a espessura total mais eficaz. A interação do líquido sendo drenado com a superfície das fibras pode ser modificada para otimizar a taxa de drenagem. A revelação da invenção suporta essa abordagem. Deve ser entendido que dois componentes dispostos em camadas podem ser suficientes em uma aplicação específica; contudo, pode ser vantajoso incluir componentes dispostos em camada adicionais de tal modo que um gradiente mais fino de tamanho de poro efetivo seja realizado. Aqueles versados na técnica considerarão a facilidade com a qual a composição das camadas e o número de camadas de cada composição podem ser variados para uma aplicação específica.

Um arranjo em camadas preferido provê um elemento de filtro que é capaz de deter substância particulada sólida nas primeiras poucas camadas do elemento de filtro, em que a substância particulada líquida passa através das primeiras poucas camadas e é detida em camadas que estão mais distantes ao longo do interior da via de filtração e adicionalmente ao longo do gradiente de tamanho de poro de filtração. Mais preferivelmente, o aerossol líquido condensará adicionalmente à medida que ele reveste as fibras de filtro, eventualmente drenando para fora do filtro mediante a força gravitacional para ser coletada em um receptáculo. Dessa maneira, o líquido é efetivamente separado da substância particulada sólida e é vantajosamente coletado, permitindo a reciclagem do líquido e prolongando a vida útil do elemento de filtro.

Frequentemente, ao combinar camadas discretas, as técnicas de laminação resultam em perda de área de superfície de filtração útil. Isso é verdadeiro para a maioria dos sistemas de laminação de adesivo realizados mediante revestimento de uma superfície com adesivo e, então, unindo as camadas, isso sendo feito em um revestimento homogêneo ou em um padrão de pontos. O mesmo é verdadeiro para material ligado por pontos utilizando ligação ultra-sônica. Uma característica singular ao utilizar Fibras bicomponentes na folha de filtro ou material é que as fibras bicomponentes não somente ligam às fibras de camadas individuais em conjunto, mas também podem atuar para ligar juntas as camadas. Isso tem sido realizado na laminação a calor convencional assim como através de franzimento. E, vantajosamente, os elementos de filtro da presente invenção proporcionam estruturas de gradiente facilmente, e a capacidade de filtração ideal para uma determinada aplicação é facilmente realizada mediante variação do número de camadas com diferentes composições e as composições específicas e os meios de fazer os materiais filtrantes utilizados.

Os elementos de filtro da invenção são comumente alojados em um painel de filtro, cartucho ou outra unidade comumente usada na filtração de fluido tal como líquido ou ar. Será considerado que uma característica da invenção é que folhas de materiais filtrantes são facilmente cortadas virtualmente em qualquer formato desejável e empilhadas em um alojamento para formar um elemento de filtro. Desse modo, painéis ou cartuchos especialmente moldados podem ser usados facilmente. Uma estrutura de suporte permeável pode suportar o elemento de filtro sob a influência de fluido sob pressão passando através dos materiais filtrantes e do suporte. Um suporte mecânico pode compreender camadas adicionais do suporte perfurado, suporte de arame, tecido forte de alta permeabilidade ou outro suporte.

Uma das fibras úteis na formação dos materiais filtrantes da presente invenção é a fibra de bicomponentes. Fusão do primeiro componente de polímero da fibra de bicomponentes é necessária para permitir que as Fibras bicomponentes formem uma estrutura esqueletal pegajosa, a qual mediante esfriamento captura e se liga a muitas das fibras secundárias, assim como se liga a outras fibras de bicomponentes. Várias combinações de polímeros para a fibra de bicomponentes podem ser úteis na presente invenção, mas é importante que o primeiro componente de polímero derreta em uma temperatura inferior à temperatura de fusão do segundo componente de polímero e tipicamente abaixo de 205°C. Além disso, as Fibras bicomponentes são misturadas integralmente e igualmente dispersas com as fibras e polpa.

Uma fibra de bicomponentes comumente usadas compreende uma estrutura de revestimento-núcleo. Na estrutura de revestimento-núcleo, o termoplástico de baixo ponto de fusão (por exemplo, aproximadamente 80 a 205°C) é tipicamente extrudado em torno de uma fibra do material de ponto de fusão superior (por exemplo, aproximadamente 120 a 260°C). Em uso, as Fibras bicomponentes têm tipicamente um diâmetro de fibra de aproximadamente 5 a 50 micrômetros, frequentemente de aproximadamente 10 a 20 micrômetros e tipicamente em uma forma de fibra geralmente tem um comprimento de 0,1 a milímetros ou frequentemente tem um comprimento de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 15 milímetros. Qualquer termoplástico que possa ter um ponto de fusão apropriado pode ser usado no componente de baixo ponto de fusão da fibra de bicomponentes enquanto polímeros de ponto de fusão superior podem ser usados na porção de “núcleo” de ponto de fusão superior da fibra. A estrutura em seção transversal de tais fibras pode ser, conforme discutido acima, uma estrutura “lado a lado” ou “de revestimento-núcleo” ou outras estruturas que proporcionam a mesma função de ligação térmica. Também se poderiam utilizar fibras Iobuladas onde as pontas têm polímero de ponto de fusão inferior. O valor da fibra de bicomponentes é que a resina de peso molecular relativamente baixo pode fundir sob condições de formação de folha, materiais filtrantes, ou filtro para agir para aglutinar a fibra de bicomponentes, e outras fibras presentes no material de produção de folha, materiais filtrantes ou filtro em uma folha, materiais filtrantes, ou filtro mecanicamente estável.

Tipicamente, os polímeros das fibras bicomponentes (núcleo/invólucro ou revestimento e lado a lado) são compostos de diferentes materiais termoplásticos, como, por exemplo, Fibras bicomponentes de poliolefina/poliéster (revestimento/núcleo) pelo que a poliolefina, por exemplo, revestimento de polietileno, derrete em uma temperatura inferior a do núcleo, por exemplo, poliéster. Polímeros termoplásticos típicos incluem poliolefina, por exemplo, polietileno, polipropileno, polibutileno, e seus copolímeros, politetrafluoroetileno, poliéster, por exemplo, tereftalato de polietileno, acetato de polivinil, acetato de polivinil cloreto, polivinil butiral, resinas acrílicas, por exemplo, poliacrilato, e polimetacrilato, polimetilmetacrilato, poliamidas, isto é, náilon, cloreto de polivinil, cloreto de polivinilideno, poliestireno, álcool polivinílico, poliuretanos, resinas celulósicas, isto é, nitrato celulósico, acetato celulósico, butirato de acetato celulósico, etil celulose, etc., copolímeros de quaisquer dos materiais mencionados acima, por exemplo, copolímeros de etileno-acetato de vinila, copolímeros de etileno-ácido acrílico, copolímeros de bloco de estireno-butadieno, borrachas Kraton e semelhantes.

Particularmente preferida na presente invenção é uma fibra de bicomponentes de revestimento-núcleo conhecida como Advansa 271P, uma fibra de 14 micrômetros de diâmetro disponível através da EXSA Américas, New York, NY. Outras fibras úteis incluem FIT 201 (disponível através da Fiber Innovation Technology, Inc. de Johnson City, TN), Kuraray N720 (disponível através da Kuraray Co., Ltd. de Osaka, Japão) e materiais similares comercialmente disponíveis. Todas essas fibras demonstram as características de reticulação do polímero de revestimento a partir do término da primeira fusão. Isso é importante para aplicações de líquido onde a temperatura de aplicação está tipicamente acima da temperatura de fusão do revestimento. Se o revestimento não se cristaliza completamente então o polímero de revestimento será outra vez fundido na aplicação e revestirá ou danificará o equipamento e componentes a jusante.

Após a formação e ligação térmica em ou acima da temperatura de fusão da porção de fusão inferior da fibra de bicomponentes, os materiais filtrantes da invenção podem ser usados em temperaturas acima daquela temperatura de fusão. Quando termicamente formados, os materiais filtrantes parecem ser estáveis em temperaturas nas quais os materiais filtrantes devem perder a estabilidade filtrante devido ao amolecimento ou fusão da fibra. Acreditamos que exista alguma interação na massa ligada que impede a fusão da fibra e falha resultante dos materiais filtrantes. Consequentemente, os materiais filtrantes podem ser usados com uma fase líquida ou gasosa móvel em uma temperatura igual a 10° a IOO0F acima da temperatura de fusão da porção de fusão inferior da fibra de bicomponentes. Tais aplicações incluem filtração de fluido hidráulico, filtração de óleo lubrificante, filtração de combustível de hidrocarboneto, filtração de gás de processo quente, etc.

Fibras de materiais filtrantes também podem ser empregadas nos materiais filtrantes da presente invenção. Fibras de materiais filtrantes são fibras que podem auxiliar na filtração ou na formação de uma camada estrutural de materiais filtrantes. Tal fibra é feita a partir de um número de fibras hidrofílicas, hidrofóbicas, oleofílicas e oleofóbicas. Essas fibras cooperam com a fibra de vidro e a fibra de bicomponentes para formar materiais 5

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filtrantes mecanicamente estáveis, permeáveis, porém resistentes que podem resistir à tensão mecânica da passagem dos materiais fluidos e pode manter a carga de substância particulada durante uso. Tais fibras são tipicamente fibras de monocomponente com um diâmetro que pode variar de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 50 micrômetros e podem ser feitas de uma variedade de materiais incluindo algodão de ocorrência natural, linho, lã, diversas fibras naturais celulósicas e protaináceas, fibras sintéticas incluindo fibras de raiom, acrílicas, de aramida, de náilon, de poliolefina, de poliéster. Um tipo de fibra secundária é uma fibra aglutinante que coopera com outros componentes para ligar os materiais em uma folha. Outro tipo de fibra natural coopera com outros componentes para aumentar a resistência à tração e ruptura dos materiais em condições secas e úmidas. Adicionalmente, a fibra aglutinante pode incluir fibras feitas de tais polímeros como cloreto de polivinil, álcool polivinílico. Fibras secundárias também podem incluir fibras inorgânicas tal como fibra de carbono/grafite, fibra de metal, fibra cerâmica e combinações das mesmas.

Fibras termoplásticas incluem, mas não são limitadas às fibras de poliéster, fibras de poliamida, fibras de polipropileno, fibras de co-polieteréster, fibras de tereftalato de polietileno, fibras de tereftalato de polibutileno, fibras de polietercetonacetona (PEKK), fibras de polieteretercetona (PEEK), fibras de polímero cristalino líquido (LCP), e suas misturas. Fibras de poliamida incluem, mas não são limitadas a náilon 6, 66, 11, 12, 612, e “náilons” de alta temperatura (tal como náilon 46). Outras fibras úteis incluem fibras celulósicas, acetato de polivinil, fibras de álcool polivinílico (incluindo várias hidrólises de álcool polivinílico tal como polímeros hidrolisados a 88%, hidrolisados a 95%, hidrolisados a 98% e hidrolisados a 99,5%), algodão, viscose, raiom, termoplástico tal como poliéster, polipropileno, polietileno, etc., acetato polivinílico, ácido polilático, e outros tipos comuns de fibras. Fibras termoplásticas são fibras de tamanho padrão, geralmente finas (diâmetro de aproximadamente 0,5-20 denier), curtas (de aproximadamente 0,1-5 cm de comprimento), contendo possivelmente aditivos pré-compostos convencionais, tais como antioxidantes, estabilizadores, lubrificantes, agentes de endurecimento, etc. Além disso, as fibras termoplásticas podem ser tratadas na superfície com um meio auxiliar de dispersão. As fibras termoplásticas preferidas são fibras de tereftalato de polietileno e poliamida, com as mais preferidas sendo as fibras de tereftalato de polietileno.

A fibra de materiais filtrantes, preferida, compreende uma fibra de vidro usado em materiais filtrantes da presente invenção incluindo tipos de vidro conhecidos pelas designações: A, C, D, E, Zero Boro E, ECR, AR, R, S, S-2, N, e semelhantes, e geralmente, qualquer vidro que possa ser feito em fibras seja mediante processos de estiramento usados para fazer fibras de reforço ou processos de centrifugação usados para fazer fibras de isolamento térmico. Tal fibra é usada tipicamente como um diâmetro de aproximadamente

0,1 a 16 micrômetros e uma relação de aspecto (comprimento dividido pelo diâmetro) de 5

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aproximadamente 10 a 10.000. Essas fibras comercialmente disponíveis são caracteristicamente tratadas com um revestimento de tratamento. Tais revestimentos fazem com que as fibras de vidro ao contrário ionicamente neutras sejam formadas e permaneçam em feixes. Fibra de vidro com diâmetro inferior a aproximadamente 1 micrômetro não é aglutinada. Vidro cortado de diâmetro grande é tratado.

Fabricantes de fibras de vidro empregam comumente tamanhos como esses. A composição de tratamento e o agente antiestático catiônico eliminam aglomeração de fibras e permite uma dispersão uniforme das fibras de vidro a partir de agitação da dispersão no tanque. A quantidade típica de fibras de vidro para dispersão eficaz na pasta fluida de vidro está dentro da faixa de 50% a aproximadamente 90%, e mais preferivelmente de aproximadamente 50-80%, em peso dos sólidos na dispersão. Misturas de fibras de vidro podem ajudar substancialmente a aperfeiçoar a permeabilidade dos materiais. Descobrimos que combinar uma fibra de vidro tendo um diâmetro médio de fibra de aproximadamente 0,3 a 0,5 micrômetros, uma fibra de vidro tendo um diâmetro médio de fibra de aproximadamente 1 a 2 micrômetros, uma fibra de vidro tendo um diâmetro de fibra médio de aproximadamente 3 a 6 micrômetros, uma fibra de vidro com um diâmetro de fibra de aproximadamente 6 a 10 micrômetros, e uma fibra de vidro com um diâmetro de fibra de aproximadamente 10 a 100 micrômetros, em proporções variadas pode substancialmente aperfeiçoar a permeabilidade. Acreditamos que as misturas de fibras de vidro obtêm um tamanho de poro controlado resultando em uma permeabilidade definida na camada de materiais filtrantes. Fibras de vidro úteis estão comercialmente disponíveis, por exemplo, através da Owens-Corning Corporation de Toledo, OH, e de Lauscha Fiber International Co. de Summerville, S.C.

Em algumas modalidades da invenção pode ser útil empregar resinas aglutinantes. Um componente de aglutinante resinoso não é necessário para se obter resistência adequada para os materiais filtrantes dessa invenção, mas pode ser vantajosamente usado. Resinas aglutinantes podem compreender tipicamente materiais de polímero solúveis em água ou sensíveis à água. Seus materiais de polímero são providos tipicamente na forma seca ou em dispersões de solvente ou à base de água. Resinas aglutinantes podem ser usadas para ajudar a ligar a fibra em uma camada de materiais filtrantes, mecanicamente estável, em modalidades onde um ou mais componentes de material filtrante poderiam ser liberados durante uso e se tornar um problema quando transportado pelo ar como poeira. Os aglutinantes também podem ser usados para aumentar a rigidez dos materiais filtrantes da invenção.

Exemplos de polímeros aglutinantes úteis incluem materiais de acetato de vinila, resinas de cloreto de vinila, resinas de álcool polivinílico, resinas de acetato de polivinil, resinas de polivinil acetil, resinas acrílicas, resinas metacrílicas, resinas de poliamida, resinas de copolímero de polietileno acetato de vinila, resinas de consolidação térmica tais como ureia fenol, ureia formaldeído, melamina, epóxi, poliuretano, resinas de poliéster insaturado, curáveis, resinas poliaromáticas, resinas de resorcinol e resinas de elastômeros similares. Materiais preferidos para o polímero aglutinante solúvel ou dispersível em água são as resinas de consolidação térmica solúveis em água ou dispersíveis em água tais como as resinas acrílicas, resinas metacrílicas, resinas de poliamida, resinas de epóxi, resinas fenólicas, poliureias, poliuretanos, resinas de melamina formaldeído, poliésteres e resinas alquídicas, geralmente, e especificamente, resinas acrílicas solúveis em água, resinas metacrílicas, resinas de poliamida, que estão em uso comum na indústria de fabricação de papel. Tais resinas aglutinantes tipicamente revestem a fibra e aderem fibra a fibra na matriz não-tecida final. Resina suficiente é adicionada ao suprimento para completamente revestir a fibra sem causar película sobre os poros formados na folha; materiais filtrantes; ou material de filtro. A resina pode ser adicionada ao suprimento durante a fabricação do papel ou pode ser aplicada ao material filtrante após a formação.

O aglutinante de látex é usado em uma quantidade que substancialmente não forma uma película cobrindo os poros dos materiais filtrantes. O aglutinante é usado em uma quantidade suficiente para aglutinar em conjunto a trama de fibras, não-tecida, tridimensional, em cada camada não-tecida, ou é usado como um adesivo em cooperação com as propriedades adesivas transmitidas pela fibra de bicomponentes. O aglutinante pode ser selecionado a partir de vários adesivos de látex conhecidos na técnica. Aqueles versados na técnica podem selecionar o adesivo de látex específico dependendo do tipo de fibras celulósicas que devem ser ligadas. O adesivo de látex pode ser aplicado mediante técnicas conhecidas tal como pulverização ou espumação. Geralmente, adesivos de látex tendo de aproximadamente 5 a 25% de sólidos são utilizados. A dispersão pode ser feita por intermédio da dispersão das fibras e, então, adicionando-se o material aglutinante ou dispersando o material aglutinante e, então, adicionando-se as fibras. A dispersão também pode ser feita mediante combinação de uma dispersão de fibras com uma dispersão do material aglutinante. A concentração de fibras totais na dispersão pode variar de 0,01 a 5 ou de 0,005 a 2% em peso com base no peso total da dispersão. A concentração do material aglutinante na dispersão pode variar de 10 a 50% em peso com base no peso total das fibras.

Materiais filtrantes não-tecidos da invenção também podem conter fibras secundárias feitas de um número de fibras hidrofílicas, hidrofóbicas, oleofílicas, e oleofóbicas. Essas fibras cooperam com as fibras dos materiais filtrantes e a fibra de bicomponente para formar um material filtrante mecanicamente estável, forte e permeável que pode resistir à tensão mecânica da passagem de materiais fluidos e pode manter a carga da substância particulada durante uso. Fibras secundárias são tipicamente fibras monocomponente com um diâmetro que pode variar de 0,1 a aproximadamente 50 micrômetros e podem ser feitas de uma variedade de materiais incluindo fibras de algodão de ocorrência natural, de linho, de lã, de várias fibras naturais celulósicas e proteináceas, fibras de vidro, fibras sintéticas incluindo fibras de raiom, acrílicas, de aramida, de náilon, de poliolefina, de poliéster. Um tipo de fibra secundária é uma fibra aglutinante que coopera com outros componentes para aglutinar os materiais em uma folha. Outro tipo de fibra secundária é uma fibra estrutural que coopera com outros componentes para aumentar a resistência à tração e ruptura dos materiais em condições secas e úmidas. Fibras secundárias podem ser compreendidas de materiais termoplásticos ou de consolidação térmica. Fibras secundárias também podem incluir fibras inorgânicas tal como fibra de carbono-grafite, fibra de metal, fibra cerâmica e combinações das mesmas.

Fibras secundárias termoplásticas podem ser feitas de materiais poliméricos sintéticos tais como fibras de poliéster, fibras de poliamida, fibras de poliolefina, tais como fibras de polietileno ou polipropileno, fibras de co-polieteréster, fibras de tereftalato de polietileno, fibras de tereftalato de polibutileno, copolímeros de polietileno-acetato de vinila, fibras de polieter-cetona-cetona (PEKK), fibras de polieter-éter-cetona (PEEK), polivinil acetato, fibras e álcool polivinílico (incluindo várias hidrólises de álcool polivinílico, tais como polímeros 88% hidrolisados, 95% hidrolisados, 98% hidrolisados e 99,5% hidrolisados), fibras de poliacrilato, fibras de polímero cristalino líquido (LCP), e copolímeros e suas misturas. Fibras de poliamida incluem, mas não são limitadas a náilon 6, 66, 11, 12, 612. As fibras também podem ser feitas de materiais de ocorrência natural incluindo fibras celulósicas, fibras de algodão, fibras de raiom viscose.

As fibras termoplásticas são fibras de tamanho padrão, geralmente finas (diâmetro de aproximadamente 0,5-20 denier), curtas (aproximadamente 0,1-5 cm de comprimento), contendo possivelmente aditivos convencionais pré-compostos, tal como antioxidantes, estabilizadores, lubrificantes, reforçadores, etc. Além disso, as fibras termoplásticas podem ser tratadas na superfície com meio auxiliar de dispersão. As fibras termoplásticas preferidas são fibras de poliamida e de tereftalato de polietileno, com as fibras de tereftalato de polietileno sendo as mais preferidas.

Modificação hidrofílica ou hidrofóbica das características de superfície das fibras nos materiais filtrantes, tal como aumento do ângulo de contato de água ou óleo, pode ser usada para otimizar a ligação de líquido e a capacidade de drenagem dos materiais filtrantes e desse modo a performance de um filtro (queda reduzida de pressão e eficiência de massa aperfeiçoada). Várias fibras são usadas no projeto dos, por exemplo, materiais filtrantes usados para filtros de baixa pressão tais como filtros de névoa ou outros (queda de pressão terminal inferior a 1 psi). Um método de modificar a superfície das fibras é o de aplicar um tratamento de superfície tal como um material contendo silicone ou um material fluoroquímico, 0,001 a 5% ou aproximadamente 0,01 a 2% em peso dos materiais filtrantes. Antecipamos a modificação das características de superfície das fibras em uma camada assentada a úmido que podem incluir fibras de bicomponentes, outra fibra secundária tal como fibras sintéticas, de cerâmica ou de metal com ou sem aglutinante de resina adicional.

Os materiais filtrantes resultantes seriam incorporados nas estruturas de elementos de filtro em múltiplas camadas. O uso de modificadores de superfície deve permitir a construção de materiais filtrantes com tamanhos de poro XY inferiores do que os materiais filtrantes não tratados, dessa forma aumentando a eficiência com o uso de fibras pequenas, reduzindo a espessura dos materiais filtrantes para elementos mais compactos, e reduzindo a queda de 10 pressão de equilíbrio do elemento.

Agentes fluoroquímicos úteis nessa invenção para adição às camadas de fibra são as moléculas representadas pela fórmula

RrG

em que Rf é um radical fluoroalifático e G é um grupo que contém ao menos um grupo 15 hidrofílico tal como os grupos catiônicos, aniônicos, não-iônicos, ou anfotéricos. Materiais não-iônicos são preferidos. R/ é um radical orgânico alifático, fluorado, monovalente contendo ao menos dois átomos de carbono. Preferivelmente, ele é um radial orgânico monovalente perfluoroalifático saturado. Contudo, átomos de hidrogênio ou cloro podem estar presentes como substituintes na cadeia esqueletal. Embora os radicais contendo um 20 grande número de átomos de carbono possam funcionar adequadamente, os compostos contendo não mais do que aproximadamente 20 átomos de carbono são preferidos uma vez que radicais grandes normalmente representam uma utilização menos eficiente de flúor do que é possível com as cadeias esqueletais mais curtas. Preferivelmente, R/ contém aproximadamente 2 a 8 átomos de carbono.

Os grupos catiônicos que são utilizáveis nos agentes fluoroquímicos empregados

nessa invenção podem incluir um grupo catiônico de amônio quaternário ou uma amina a qual pode ser livre de oxigênio (por exemplo, -NH2) ou contendo oxigênio (por exemplo, óxidos de amina). Tais grupos hidrofílicos catiônicos de amônio quaternário e amina podem ter fórmulas tais como -NH2, -(NH3)X, -(NH(R2)2)X, -(NH(R2)3)X, ou -N(R2)2-* O, onde x é um 30 contraíon aniônico tal como haleto, hidróxido, sulfato, bissulfato, ou carboxilato, R2 é H ou grupo alquil Ci.18, e cada R2 pode ser idêntico ou diferente de outros grupos R2. Preferivelmente, R2 é H ou um grupo alquil C1--I6 eXé haleto, hidróxido, ou bissulfato.

Os grupos aniônicos os quais são utilizáveis nos agentes de umedecimento fluoro- orgânicos empregados nessa invenção incluem grupos os quais mediante ionização podem se tomar radicais de ânions. Os grupos aniônicos podem ter fórmulas tais como -COOM, -SO3M, - OSO3M, -PO3HM1 -OPO3M2, ou -OPO3HM, onde M é H, um íon de metal, (NR14)+, ou (SR14)+, onde cada R1 é independentemente H ou alquil CrC6 substituído ou não-substituído. 10

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Preferivelmente M é Na+ ou K+. Os grupos aniônicos preferidos dos agentes de umedecimento fluoro-orgânicos usados nessa invenção têm a fórmula -COMM ou -SO3M. Incluídos dentro do grupo de agentes de umedecimento aniônicos fluoro-orgânicos estão os materiais aniônicos poliméricos fabricados tipicamente a partir de monômeros, mono e biácidos carboxílicos etilenicamente insaturados tendo grupos de fluorocarboneto pendentes anexados aos mesmos.

Os grupos anfotéricos os quais são utilizáveis no agente de umedecimento fluoro- orgânico empregado nessa invenção incluem grupos que contêm ao menos um grupo catiônico conforme definido acima e ao menos um grupo aniônico conforme definido acima. Alternativamente, materiais anfotéricos não-iônicos tais como grupos estearil ligados a várias unidades de repetição de óxido de etileno são conhecidos na técnica e também podem ser empregados.

Os grupos não-iônicos que são utilizáveis nos agentes de umedecimento fluoro- orgânicos nessa invenção incluem grupos os quais são hidrofílicos, mas os quais sob condições de pH de uso agronômico normal não são ionizados. Os grupos não-iônicos podem ter fórmulas tais como: -O(CH2CH2)XOH onde x é maior do que 1, -SO2NH2, -S02NHCH2CH20H, - SO2N(CH2CH2H)2, -CONH2, -CONHCH2CH2OH, ou -CON(CH2CH2OH)2. Exemplos de tais materiais incluem materiais da seguinte estrutura:

F(CF2CF2)H-CH2CH2O-(CH2CH2O)rn-H em que né2a8emé0a20.

Outros agentes fluoroquímicos úteis incluem aqueles agentes fluoroquímicos catiônicos descritos, por exemplo, nas Patentes dos Estados Unidos 2.765.602; 2.764.603; 3.147.064 e 4.069.158. Tais agentes fluoroquímicos anfotéricos incluem agentes fluoroquímicos anfotéricos conforme descrito, por exemplo, nas Patentes dos Estados Unidos 2.764.602; 4.042.522; 4.069.158; 4.069.244; 4.090.967; 4.161.590 e 4.161.602. Agentes de umedecimento aniônicos fluoroquímicos incluem agentes fluoroquímicos aniônicos descritos, por exemplo, nas Patentes dos Estados Unidos 2.803.656; 3.255.131; 3.450.755 e 4.090.967.

Há vários métodos de modificar a superfície das fibras. As fibras que otimizam a drenagem podem ser usadas para fabricação dos materiais filtrantes. Tratamentos podem ser empregados durante a fabricação das fibras, durante a fabricação dos materiais filtrantes ou após a fabricação dos materiais filtrantes como um pós-tratamento. Vários materiais de tratamento estão disponíveis tais como agentes fluoroquímicos ou silicone contendo produtos químicos que aumentam o ângulo de contato. Várias fibras incorporadas nos materiais filtrantes podem ser tratadas para otimizar a capacidade de drenagem das mesmas. Fibras bicomponentes compostas de poliéster, polipropileno ou outros polímeros sintéticos podem ser tratadas. Fibras de vidro, fibras sintéticas, fibras de cerâmica, ou metálicas, também podem ser tratadas.

Exemplos representativos, porém não-limitadores de tais materiais de tratamento de superfície são agentes tensoativos não-iônicos DuPont Zonyl FSN, Dupont Zonyl 7040, e DuPont Zonyl FSO (disponíveis através da DuPont Company de Wilmington, DE). Outro aspecto dos aditivos que podem ser usados nos polímeros da invenção inclui materiais de acrilato de fluorocarboneto de baixo peso molecular tendo a estrutura geral:

CF3(CX2)n-acrilato em que X é -F ou -CF3 e n é de 1 a 7.

Atributos mecânicos são importantes para materiais filtrantes incluindo resistência à tração, a úmido e a seco; resistência à ruptura, etc. Característica de compressibilidade também é importante, porque ela é uma medida da resistência à compressão ou deformação na direção do fluxo de fluido através dos materiais filtrantes. A compressibilidade deve ser suficiente para manter a espessura de um material e desse modo manter sua estrutura de poro e performance de remoção de substância particuiada e fluxo de filtração. Muitos materiais assentados a úmido de elevada eficiência utilizando materiais produzidos por extrusão de saturação de resina, convencionais, e outros materiais de assentamento a ar não têm essa resistência à compressão e colapso sob pressão. Isso é especialmente um problema com filtros para líquido, mas também pode ser um problema com filtros para gases. Os materiais filtrantes da presente invenção têm compressibilidade superior a 0,5 entre 860 e 3860 Pa, preferivelmente têm compressibilidade superior a 0,7 entre 860 e 3860 Pa e mais preferivelmente têm uma compressibilidade superior a 0,9 entre 860 e 3860 Pa.

Os experimentos a seguir apresentam ainda aspectos não-limitadores da invenção, incluindo o melhor modo.

SEÇÃO EXPERIMENTAL

Técnicas Experimentais Gerais

1. Peso Básico

O peso básico é o peso por unidade de área ao quadrado de uma folha de material filtrante. A medição é feita mediante corte das folhas de material filtrante em quadrados de 12 x 12 e medindo-se o peso e convertendo a relação em unidades de gramas por metro quadrado (g/m2). O teste é repetido duas vezes e a média dos testes é o peso básico reportado.

2. Compressibilidade

A compressibilidade é definida como a mudança fracionária em espessura quando a pressão aplicada durante medição de espessura é aumentada. A compressibilidade dos materiais da invenção é medida pegando-se a relação da espessura de uma folha de material filtrante em duas pressões diferentes. Nesses exemplos, as duas pressões são 860 Pa e 3860 Pa; desse modo, a compressibilidade é expressa como a relação de espessura em 3860 Pa para espessura em 860 Pa.

3. Permeabilidade 10

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A permeabilidade se refere à quantidade de ar (pés3-min‘1-pés2 ou pés-min'1) que fluirá através do material filtrante em uma queda de pressão de 0,5 polegadas de água. Em geral, permeabilidade, conforme o termo usado é avaliada pelo Teste de Permeabilidade de Frazier de acordo com ASTM D737 utilizando um Aparelho de Teste de Permeabilidade de Frazier disponível através da Frazier Precision Instrument Co. Inc., Gaithersburg, Maryland ou um Tex Test 3300 ou TexTest 3310 (disponível através da Advanced Testing Instruments Corp (ATI) de Spartanburg, SC).

4. Tamanho de poro

0 tamanho de poro, ou “tamanho de poro XY” é a distância teórica entre fibras em materiais filtrantes. XY se refere à direção de superfície versus a direção Z a qual é a espessura do material filtrante. Esse cálculo supõe que todas as fibras nos materiais filtrantes são alinhadas paralelas à superfície dos materiais filtrantes, igualmente espaçadas, e são ordenadas como um quadrado quando visto em seção transversal perpendicular ao comprimento das fibras. Tamanho de poro XY é a distância diagonal entre a superfície da fibra em cantos opostos do quadrado. Se um material filtrante for composto de fibras com vários diâmetros, a média d2 da fibra é usada como o diâmetro. A média d2 é a raiz quadrada da média dos diâmetros elevados ao quadrado.

Tamanho de poro é calculado como a seguir:

Peso básico do material filtrante (massa/área unitária) = B

Espessura do material filtrante = T

Fração de massa de fibra1 = M

Fibras/volume unitário = F

Tamanho de poro XY = P

Massa de Fibra/comprimento unitário = m

Diâmetro de fibra = d

P = [sq rt (2F)] - d

onde F = [Σ((Β x M)/(T x m))]'1

1 Fração de massa se refere à fração de uma espécie de fibra no material filtrante. Assim, se uma primeira fibra estiver presente no material filtrante em 60 por cento em peso, M = 0,6.

EXEMPLO 1

Materiais filtrantes assentados a úmido foram preparados de acordo com a seguinte técnica. Vidro e fibras sintéticas foram dispersos separadamente em 1 litro de água onde o pH foi primeiramente ajustado para aproximadamente 3 utilizando ácido sulfúrico. As fibras foram formadas em pasta fluida mediante mistura em um aparelho de misturação de velocidade Waring 2 (modelo n° 7009G, disponível através da Waring Products de Torrington, CT). As pastas de fibras foram então diluídas até um total de 5 litros com 4 litros de água e misturadas por 2 horas adicionais ou mais. A pasta fluida misturada foi transferida para um molde de folha manual G-100 de 30,48 x 30,48 cm Formax padrão (disponível através da Bescorp Inc. of Dover, NH), no qual uma folha portadora de Reemay 2200 (disponível através da Fiberweb plc de Old Hickory, TN) foi posicionada. A folha foi inundada 5 cuidadosamente de modo a garantir que nenhuma bolha de ar fosse arrastada. A água foi então drenada a partir da pasta fluida. A folha úmida foi seca e ligada utilizando-se um secador de folha plan Emerson Speed Dryer, Modelo 135 (disponível através da Kalamazoo Paper Chemicals de Richland, Ml) a 285°F por 5 minutos.

Utilizando-se essa técnica, materiais filtrantes FM-1 e FM-2 foram formados. As composições de dois materiais filtrantes assentados a úmido experimentais, FM-1 e FM-2, são mostradas na Tabela 1. Também mostradas na Tabela 1 são as propriedades físicas dos materiais filtrantes incluindo peso básico, espessura em duas pressões diferentes e a fração da espessura comprimida entre as duas pressões, tamanho de poro, e permeabilidade.

Tabela 1. Composição e propriedades de materiais filtrantes assentados a úmido experimentais.

Propriedade Unidades FM-1 FM-2 Composição 50% de corte de 6 mm de 50% de corte de 6 mm de bicomponente de bicomponente de poliéster de 14 μίτι, 37% poliéster de 14 μΐη, 37% de corte de 6 mm de de corte de 6 mm de poliéster de 12,4 μίτι, poliéster de 12,4 μηι, 13% de corte de 6 mm de 13% de corte de 6 mm de vidro de 11μηη vidro de 11μητι Tipo de Fibra, fonte Bicomoonente: Bicomponente: Advansa 271 P. Poliéster: Advansa 271 P. Poliéster: Advansa 205 WSD, Minifibras de denier 6 Vidros: Owens Comina baixo encolhimento, CS-9501-11W elevada tenacidade, Vidro: Vidro de 16 um Owens Corning Peso básico gm/m,: 65.1 62.2 Espessura 1 mm em 860 0.68 0.64, Pa Espessura 2 mm em 0.58 0.58 3860 Pa Compressibilidade Fricção, 0.86 0.91 Espessura2 Espessura1 Tamanho de poro μΐη @ 3860 44 64 XY calculado Pa Permeabilidade m/min@ 125 119 188 Pa Exemplo 2

Materiais filtrantes assentados a ar da presente invenção foram obtidos através de Tangerding Bocholt GmbH de Bocholt, Alemanha. O número de referência Tangerding TB 180-T05 é referido como FM-3 (Material Filtrante 3) nesse e nos exemplos a seguir. Número de referência Tangerding número FF 320-T05-2 é referido como FM-4 nesse e nos exemplos a seguir. Número de referência Tangerding FF 180-T05-4 NP-0256/2 é referido 5 como FM-5 nesse e nos exemplos a seguir. A composição dos materiais filtrantes assentados a ar, FM-3, FM-4, e FM-5 são mostrados na Tabela 2. Também mostrados na Tabela 2 são o peso básico, a espessura em duas pressões diferentes e a fração da espessura comprimida entre as duas pressões, tamanho de poro XY calculado, e permeabilidade para materiais filtrantes assentados a ar FM-3, FM-4 e FM-5.

Tabela 2. Composição e propriedades de materiais filtrantes assentados a ar

experimentais.

Propriedade Unidades FM-3 FM-4 FM-5 Composição (nenhuma) bicomponente de bicomponente de bicomponente de poliéster de 24 poliéster de 16,7 poliéster de 16,7 μηη + poliéster μίτι + poliéster μηι + poliéster Peso básico gm/mz 169.2 241 157 Espessura i mm em 860 3.78 2.52 3.41 Pa Espessura2 mm em 3860 3.15 2.31 2.96 Pa Compressibilidade Fricção, 0.83 0.91 0.87 Espessura2 Espessurai Tamanho de poro μίτι @ 3860 131 59 89 XY calculado Pa Permeabilidade m/min@ 125 141 58 98 Pa Exemplo 3

Os materiais filtrantes a partir dos exemplos acima foram cortados em folhas retangulares de 21,6 cm x 14,5 cm. As folhas foram dispostas em camadas para formar um 15 elemento de filtro. Os elementos de filtro foram encerrados em um alojamento tendo um suporte perfurado em ambos os lados, conforme pode ser visto nas Figuras 1-4. Um alojamento, suporte, e elementos de filtro em conjunto formam uma estrutura de filtro. As estruturas de filtro foram construídas utilizando múltiplas camadas de materiais filtrantes conforme mostrado na Tabela 3. Os materiais filtrantes foram reforçados no lado a jusante 20 com uma malha de metal expandido em um padrão de losango, conforme visto na Figura 1. Os materiais filtrantes foram comprimidos para 3,4 cm entre os suportes perfurados nas extremidades a montante e a jusante da estrutura de filtro.

Uma estrutura de filtro de controle, FStr-CTRL, foi obtida para comparação no teste para FStr-1, -2, e -3 no Exemplo 4, abaixo. FStr-CTRL é um filtro comercializado para uso em motores a diesel e está disponível como Parte N0 S040029 a partir da Donaldson Company, Inc. de Minneapolis1 MN.

Tabela 3. Estruturas de filtro formadas a partir de camadas de materiais filtrantes da invenção.

Estrutura Camada a N0 de Camada N0 de camadas Camadas N0 de de Filtro montante camadas a intermediária intermediárias a jusante camadas a N0 montante jusante FStr-1 FM-3 2 FM-2 21 FM-1 44 FStr-2 FM-4 2 FM-2 21 FM-1 44 FStr-3 FM-5 2 FM-2 21 FM-1 44 FStr- FM-1 67 nenhuma - nenhuma - CTRL Em mais detalhe com relação à construção de elemento de filtro, a Figura 1 mostra

uma estrutura de filtro completamente construída 10 tendo alojamento 11 com lado a jusante 12 e suporte perfurado 13, através dos quais é visível uma camada 14. A Figura 2 mostra estrutura de filtro 10 tendo alojamento 11 com lado a montante 15, através do qual é visível uma camada de materiais filtrantes a montante 16. A Figura 3 é uma vista de perto da 10 Figura 2, mostrando com maior detalhe a estrutura de filtro 10 e alojamento 11, o lado a montante 15 e o material filtrante a montante 16. A Figura 4 é uma vista lateral da estrutura de filtro 10, mostrando alojamento 11 e o meio de aba-e-fenda de fixação do elemento de filtro 18 dentro do alojamento 11.

A Figura 5 é uma vista desestruturada da estrutura de filtro 10 mostrada nas 15 Figuras 1-4. O lado a jusante 12 do alojamento 11 foi removido, e tem suporte perfurado 13. Os materiais filtrantes a jusante 14 são expostos e as múltiplas camadas do elemento de filtro 18 também são visíveis. Também são visíveis a aba individual 17a e a fenda 17b do meio de aba e fenda de fixação do elemento de filtro, mostrada como 17 na Figura 4. A Figura 6 é uma vista de perto do alojamento 11 e do elemento de filtro 18. As camadas 18a 20 são visíveis na vista de perto. A Figura 7 é uma segunda vista desestruturada da estrutura de filtro 10. O lado a jusante 12 do alojamento 11 foi removido, e tem suporte perfurado 13 e material filtrante a jusante 14. São visíveis duas camadas de material filtrante a montante 16 e a aba 17a e a fenda 17b do meio de aba e fenda de fixação do elemento de filtro, mostrado como 17 na Figura 4.

Exemplo 4

As estruturas de filtro FStr-1, FStr-2, FStr-3 e FStr-CTRL foram submetidas ao teste de ventilação de cárter (CCV) mediante colocação dos filtros em alojamentos de filtro padrão dentro do cárter de motores a diesel tendo modelo número MX-US, obtido a partir da DAF Trucks N.V. da Holanda. Os motores foram colocados em funcionamento sob condições de 30 operação padrão até que a queda de pressão através das estruturas de filtro atingiu entre 2300 e 4200 Pa em 250 L/min em temperatura ambiente. Assim, FStr-CTRL foi removido em 4200 Pa; FStr-1 foi removido em 2300 Pa, FStr-2 foi removido em 2300 Pa, e FStr-3 foi removido em 2300 Pa.

As amostras removidas foram purgadas de óleo líquido e várias camadas individuais foram subsequentemente testadas em termos de permeabilidade. A 5 permeabilidade foi medida em pés cúbicos de ar por minuto, por pé quadrado de área de superfície filtrada (cfm/pés2). A direção das camadas que foram removidas foi a partir de a montante do elemento se deslocando para jusante. As primeiras quatro camadas foram removidas; então, uma camada nos seguintes locais medidos através do elemento: 1/8”, 1/4”, 3/8”, Vz, 5/8”, 3A" e 7/8”. As duas últimas camadas também foram removidas.

Cada camada removida para teste foi lavada com hexano para remover óleo, e

seca antes do teste de permeabilidade da camada. O resultado do teste para FStr-CTRL é mostrado na Figura 8. Em comparação com a permeabilidade inicial das camadas individuais FM-1 como 400 cfm/pés2, a primeira camada a montante desse filtro tem uma permeabilidade de apenas aproximadamente 60 cfm/pés2. As próximas poucas camadas 15 têm permeabilidade muito superior, 150 cfm/pés2 e superiores. A altura da camada 12, a permeabilidade está próxima de 300 cfm/pés2. Assim, observa-se que falha do filtro devido à elevada queda de pressão se deve efetivamente, principalmente às primeiras poucas camadas. Essas camadas retêm a carga pesada de fuligem presente no cárter e rapidamente se torna obstruída.

Resultados do mesmo teste, utilizando FStr-1, FStr-2 e FStr-2 em vez de FStr-

CTRL são mostrados na Tabela 4 e Figura 9. Nesse teste, os resultados são separados para refletir o efeito de filtração dos três conjuntos de camada. Assim, se a permeabilidade das camadas FM-1 ou FM-2 permanece elevada, a camada de materiais filtrantes assentados a ar FM-3, FM-4, FM-4 ou FM-5 está efetivamente removendo fuligem antes do 25 fluxo de ar do cárter atingir as camadas FM-1. Contudo, se elevada permeabilidade de FM-1 e/ou FM-2 for acompanhada por baixa permeabilidade das camadas assentadas a ar, então as camadas assentadas a ar estão retendo muito fuligem na porção a montante inicial da estrutura de filtro, resultando em uma queda de pressão total elevada através do filtro mesmo quando o filtro assentado a ar realiza um bom trabalho de proteger as camadas FM- 30 1 e FM-2.

Tabela 4. Resultados de testes CCV de FStr-1, FStr-2, FStr-3 e FStr-CTRL

Materiais Número de Camada Permeabilidade, 125 Total de Filtrantes Estrutura de Filtro m/min @ Pa horas de uso FM-4 FStr-2 1 68.4 . 117 FM-4 2 100.7 FM-2 3 294.5 FM-2 4 334.9 FM-2 5 318.3 FM-2 14 375.3 FM-1 23 199.0 FM-1 68 .287.4 FM-3 . FStr-1 1 301.6 221 FM-3 2 344.4 FM-2 3 24.2 FM-2 4 172.9 FM-2 5 230.9 FM-2 14 325.4 FM-1 23. 181.2 FM-1 68 220.2 FM-5 FStr-3 1 103.6 171 FM-5 2 116.1 FM-2 3 146.8 FM-2 4 169.1 FM-2 14 306.4 FM-1 23 189.5 FM-1 42 263.6 FM-1 68 289.8 Os materiais filtrantes FM-3 em FStr-1 não protegem as próximas camadas de FM- 2 como indicado pela elevada permeabilidade das camadas FM-3 enquanto baixa

permeabilidade se desenvolveu nas primeiras poucas camadas de FM-2, particularmente a

primeira camada de FM-2. Permeabilidade diminuída é o resultado das fuligens capturadas

5 nos materiais filtrantes. Os materiais filtrantes FM-4 em FStr-2 também realizam bom

trabalho através da captura de quantidades excessivas de fuligem, resultando em baixa

permeabilidade das camadas FM-4 enquanto protegendo as camadas de FM-2 de tal modo

que elevada permeabilidade foi mantida. Os materiais filtrantes FM-5 em FStr-3 caem entre

os outros dois elementos de filtro, efetivamente detendo partículas de fuligem sem se

tornarem obstruídas, enquanto ao mesmo tempo impedindo obstrução dos materiais

filtrantes subjacentes projetados para filtrar aerossol oleoso a partir do fluxo de sopro.

Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com suas modalidades

específicas, será entendido que ela é capaz de modificações adicionais e esse pedido

pretende abranger quaisquer variações, usos, ou adaptações da invenção a seguir, em

geral, os princípios da invenção incluindo tais derivações da presente revelação conforme provenientes com prática conhecida ou comum dentro da técnica à qual pertence a invenção e conforme podem ser aplicadas as características essenciais até aqui apresentadas e como a seguir no escopo das reivindicações anexas.

Claims

1. Elemento de filtro compreendendo pelo menos duas camadas de meio de filtro de não-tecido, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: (a) um primeiro meio de filtro compreendendo de 1 a 100 % em peso de uma pri- meira fibra compreendendo uma fibra de bicomponentes compreendendo de 5 a 50 microns, e 5 a 50 % em peso de uma segunda fibra, onde o primeiro meio de filtro possui um tama- nho de poro de 0,2 a 200 micrometros, uma permeabilidade de 0,00508 a 5,08 m/seg, uma dureza de cerca de 2 a 25 % a 860 Pa, um peso base de 5 a 1000 g/m2, e uma compressibi- Iidade de 0,5 a 1,0 entre 860 Pa e 3860 Pa; e (b) um segundo meio de filtro que difere do primeiro meio de filtro e compreende um tamanho de poro de 0,2 a 200 micrometros, uma permeabilidade de 0,00508 a 5,08 m/seg, uma dureza de cerca de 2 a 25 % a 860 Pa, um peso base de 5 a 1000 g/m2, e um com- pressibilidade de cerca de 0,5 a 1,0 entre 860 Pa e 3860 Pa, onde o elemento de filtro é capaz de filtrar ambas as partículas sólidas como as lí- quidas a partir de um fluxo de fluido carregado pesadamente.

2. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicio- nalmente pelo fato de que compreender camadas de meio em um suporte.

3. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende múltiplas camadas do primeiro meio.

4. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender múltiplas camadas do segundo meio.

5. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente um terceiro meio.

6. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de compreender múltiplas camadas do terceiro meio.

7. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a partícula líquida funde-se, e drena para longe do, no meio de filtro.

8. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender um gradiente de tamanhos de poros.

9. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda fibra compreende vidro.

10. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a compressibilidade do elemento e maior do que cerca de 0,7 sobre uma pressão diferencial de cerca de 860 a cerca de 3860 Pa.

11. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de o tamanho do poro do primeiro meio de filtro é de cerca de 4 a 200 microns.

12. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a permeabilidade do primeiro meio de filtro é de cerca de 0,254 a 4,064 m/seg.

13. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a dureza do primeiro meio de filtro é de cerca de 2 a 10 % a 860 Pa.

14. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o peso base do primeiro meio de filtro é de cerca de 50 a 500 g/m2.

15. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a fibra de bicomponente do primeiro meio de filtro compreende um diâmetro de cerca de 10 a 30 microns.

16. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a segunda fibra do primeiro meio de filtro compreende um diâmetro de cerca de0,1 a 50 microns.

17. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o primeiro meio de filtro compreende um espessura de cerca de 0,05 a 22 milíme- tros a 860 Pa.

18. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o primeiro meio de filtro compreende uma espessura de cerca de 1 a 5 milímetros a 860 Pa.

19. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o primeiro meio de filtro compreende uma compressibilidade de cerca de 0,7 a1,0 entre 860 Pa e 3860 Pa.

20. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o tamanho do poro do segundo meio de filtro é de cerca de 40 a 70 microns.

21. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a permeabilidade do segundo meio de filtro é de cerca de 1,778 a 3,302 m/seg.

22. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que a dureza do segundo meio de filtro é de cerca de 5 a 8 % a 860 Pa.

23. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o peso base do segundo meio de filtro é de cerca de 30 a 50 g/m2.

24. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o segundo meio de filtro compreende um espessura de cerca de 0,05 a 22 milíme- tros a 860 Pa.

25. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o segundo meio de filtro compreende um espessura de cerca de 0,5 a 0,8 milíme- tros a 860 Pa.

26. Elemento de filtro, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fa- to de que o primeiro meio de filtro compreende um compressibilidade de cerca de 0,7 a1,0 entre 860 Pa e 3860 Pa.

27. Método de fabricação de um elemento de filtro coberto compreendendo pelo menos duas camadas de meio, o método sendo CARACTERIZADO por compreender as etapas de: (a) formar uma primeira camada de meio de filtro compreendendo as etapas de: (i) montar pelo menos uma fibra de bicomponente e uma segunda fibra por uma técnica de assentamento por ar; (ii) aquecer a montagem condensada de fibras para formar um primeiro meio de fil- tro compreendendo um tamanho de poro de 0,2 a 200 micrometros, uma permeabilidade de 0,00568 a 5,68 m/seg, uma dureza de cerca de 2 a 25 % a 860 Pa, um peso base de 5 a 1000 g/m2, e uma compressibilidade de 0,5 a 1,0 entre 860 Pa e 3860 Pa; (b) formar uma segunda camada de meio de filtro que difere da primeira camada de meio de filtro, a segunda camada de meio de filtro compreendendo um tamanho de poro de 0,2 a 200 micrometros, uma permeabilidade de 0,00568 a 5,68 m/seg, uma dureza de cerva de 2 a 25 % a 860 Pa, um peso base de 5 a 1000 g/m2, e uma compressibilidade de cerca de 0,5 a 1,0 entre 860 Pa e 3860 Pa.

28. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo meio de filtro é feito utilizando uma técnica de assentamento por água.

29. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que os meios de filtro são cobertos de modo a compreender um gradiente de tamanhos de po- ros.