CN101282773A - 压降减小的聚结器 - Google Patents

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Abstract

一种聚结器，包括捕获分散相的微滴的纤维介质，从而使微滴聚结形成更大的微滴，并且微滴进一步聚结，形成排出的微滴池，并且所述纤维介质适用于通过增加分散相从所述纤维介质中的排出来减少通过所述纤维介质的压降。

Description

压降减小的聚结器
技术领域
本发明涉及一种纤维介质聚结器。
背景技术
现有技术中已知纤维介质聚结器，其用于聚结和分离具有两种不能混溶相的介质，即连续相和分散相。例如，在发动机曲柄轴箱通风系统中，及其他空气-油分离系统中，连续相是空气，分散相是油；在燃油-水分离系统中，例如燃油滤清器，燃油是连续相，水是分散相；在水-油分离系统中，水是连续相，油是分散相。本发明尤其适合用于发动机曲柄箱通风应用，但是它可以用于其它具有不能混溶液体的分离系统，例如，空气-油，燃油-水，水-油，等等。
在设计凝聚过滤器的过程中，经常需要做出折衷选择。例如，为了通过减少纤维直径和/或减少孔隙性和/或增加厚度来提高效率，折衷选择可以是较高的压降和/或较短的使用寿命和/或较大的包装尺寸。本发明为更多的合适的折衷选择方案提供了理想选择，包括较低的压降。
附图说明
图1是聚结器的示意图。
图2是表示装载和饱和度的曲线图。
图3是根据本发明的聚结器的透视图。
图4是图3所示聚结器的正视图，并示出了另一个实施例。
图5与图4类似，并且表示的是另一实施例。
图6与图4类似，并且表示的是另一实施例。
图7与图4类似，并且表示的是另一实施例。
图8与图4类似，并且表示的是另一实施例。
图9与图4类似，并且表示的是另一实施例。
图10与图4类似，并且表示的是又一实施例。
图11是纤维定向角的示意图。
图12与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图13与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图14与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图15与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图16与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图17与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图18与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图19与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图20与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图21与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图22与图11类似，并且表示的是另一实施例。
图23是纤维介质在电子扫描显微镜下放大43倍的显微照片。
图24是纤维介质在电子扫描显微镜下放大35倍的显微照片，其中纤维介质相对于图23的以90°定向。
图25是另一实施例的示意图，表示的是横跨局部凹穴的纤维定向。
具体实施方式
图1所示的是一个聚结器20，用于聚结具有两种不能混溶相的介质22，即连续相24和分散相26。例如，在发动机曲柄轴箱通风聚结器中，连续相24是空气，分散相26是油，例如，该分散相是一种薄雾，其具有直径大约1微米或更小的微滴26。连续相24从上游向下游流动，即在图1中从左向右流动。聚结器包括捕获分散相的微滴的纤维介质28，使微滴聚结形成例如30，32处所示的更大的微滴，并且微滴进一步聚结，形成例如34处所示的微滴池，然后如36处所示排出。在气流或空气流24中，微滴26可以发生碰撞，并通过微滴至微滴聚结的方式而在尺寸上增大。在进入聚结器20之后，通过碰撞、拦截、扩散、静电或其它过滤机制，捕获微滴。由于捕获的和未捕获的微滴聚结起来，形成更大的微滴，所以微滴的尺寸增大。当微滴变得足够大并在34处汇合成微滴池，使得流动力和/或重力超过结合力时，增大的/汇合成池的微滴流动穿过纤维介质的基底，并在36处排放出去。聚结器中分散相的饱和度是变化的，一般是伴随着，当其接近下游面(图1的右手面)时，由于粘性力的作用，饱和度增大，并且由于重力的作用，在聚结器底部处，饱和度增大。像孔隙率一样，饱和度是无量纲数，它表示被捕获的分散相所占据的过滤介质空隙空间的分数或百分比。饱和并不意味着被捕获的分散相，例如油，填充了全部空隙空间，而是其表示的是元件对油的容纳能力。在饱和状态下，图1中，底部和右部处容纳的油要多于顶部和左部处所容纳的油。
在没有固体污染物的情况下，通过聚结器的压降在聚结器的装载过程中增加，如图2的左侧，并且一旦在聚结器达到饱和时，压降进入稳定状态，如图2的右侧。图2是压降ΔP在水(以毫米为单位)中相对于时间(以分钟为单位)的图形曲线。在装载过程中，捕获速率大于排出速率。在饱和状态中，捕获速率等于排出速率。在实际中，由于通过聚结器容纳和捕获的固体污染物，和/或捕获速率超过聚结器的排出速率，造成堵塞或过分的高压。在本发明公开内容的两个理想的方面中，聚结器的固体保持能力得到提高，聚结器的排出速率也得到提高。所述的饱和度分布图在聚结器的设计方面是重要的，这是因为饱和度的提高相当于减小纤维介质基底内的有效孔隙率和增加限制。
本发明公开内容提供了一种具有纤维介质的聚结器，该纤维介质适合于通过增加从聚结器中的排出量来降低通过它的压降。这可以通过多种方式来完成，如下文所述。
图3所示的是一种纤维介质聚结器40，该聚结器具有中空的内部42，并且提供从里到外的流动，即如图中所示的从44处进入中空内部42，然后从中空内部42向外通过纤维介质46，如箭头48所示。聚结器40沿第一水平面50具有第一截面面积A1，沿第二水平面52具有第二截面面积A2。如图3、4所示，水平面52在垂直方向上位于水平面50的下方。截面面积A2小于截面面积A1。聚结器40具有周边54，其具有横跨周边54的多个弦线，包括垂直弦线56和水平弦线58。最长的弦线，例如56，垂直延伸。水平弦线包括沿水平面50的第一水平弦线，例如58，沿水平面52的第二水平弦线60。水平弦线60比水平弦线58短。在聚结器底部的分散相聚结成的微滴的排出压力，以及在该点的排出速率，是分散相柱的高度的函数，柱的高度与元件的高度和截面面积成比例。通过提供沿垂直定向较长尺寸的形状，排出压力达到最大。通过让截面面积朝向聚结器底部减小，获得两点好处。首先，在约束达最大，且污染的流体流动速率和排出最小处，分散相达到饱和时元件的容量达到最小。相反地，在约束达最小，污染的流体流动速率和排出最大处，分散相达到饱和时元件的容量达到最大。第二，更大比例的元件容量可以用于捕获和保持任何固体，这些固体可能造成聚结器的堵塞，或引起过高的压降。较低部分由于相对于较高部分局部饱和度的增加，相对于较高部分具有更多约束，以及更低的流动速率。通常期望在较低部分的排出也较大，然而事实不是这样，这是因为：(a)由于穿过较低部分的流动较少，其对元件总的排出的贡献较少；(b)在较低部分的局部速度相对较高，连同增加了的饱和度，使得微滴再次分散增加，这不利影响到排出能力。
如图3，4所示，上述在垂直面上的给定形状是中空跑道形。在垂直面上也可以是其它的形状，例如，图5中的中空椭圆形62，图6中的中空三角形64，图7中的中空正方形66，图8中的中空梯形68，以及图9中的中空圆形70。优选的是从里向外流动，因为随着进入介质的距离增加，流动速度降低，这使得进入清洁侧的聚结起来的微滴再次飞散和带出的可能性达到最小，并且聚结器在饱和度较高的地方的速度降低。这对于跑道形和椭圆形是显著优点，因为这些形状的元件内部的上游开口中空空间更小，从而空间利用较好。从外向里面的流动也是可能的。
在一个实施例中，纤维介质通过多个具有非随机主要垂直定向的纤维来提供，如图4所示。这些纤维优选为聚合物，优选为围绕给定形状的周边定向的聚合物，并且在可能平行于重力方向的地方。这些纤维优选主要沿周边54的周向上切线方向延伸。优选主要沿周边54的周向上切线方向延伸的纤维主要是垂直的，并且在聚结器的较低区域上提供增大的排出压力。这些元件优选通过静电旋转或熔吹纤维，或者将纤维介质片覆盖或缠绕在元件周围而制成，其中使得纤维具有上述优选定向。纤维优选的定向和排列，通过形成平行于重力的流动路径和通道，降低了所捕获微滴的流动阻力，并且提高排出能力。为了容易制造，优选的是通过熔吹或静电旋转方式成型聚合纤维，但是也可以采用其它的材料。
在另一个实施例中，如图4所示，聚结器在垂直方向上的振动或震动，尤其是与上述的纤维定向结合，是另一种方式，用以提高排出能力，最小化约束，同时提高聚结器的使用寿命。虚线所示的振荡器72在垂直方向上使聚结器振动或震动，在一个实施例中，该振荡器可以是内燃机或其它机械元件。在垂直方向上的移动或振动加速所捕获的微滴，并且突然的转向使得微滴从纤维上甩下，并在阻力最小的情况下排出。在上述执行过程中，发动机或其它设备的正常振动促进了这种振动，然而，也可以期望正确的定位和安装聚结器，或者通过加入用于振动聚结器的机械振动器。
聚结器具有较低区域，例如图4中的平面52，该较低区域相对于例如平面50的较高区域具有更大的分散相饱和度和较小的容量，从而使得在约束最大、连续相流动速率最小、污染物移除最少的地方，以分散相饱和的纤维介质的容量最小，而在约束最小、连续相流动速率最大、污染物移除最多的地方，纤维介质的容量最大。在另一个实施例中，如图10所示，下侧介质元件74比纤维介质46具有更大的分散相润湿性，而且该介质元件与聚结器40在较低区域接触，并且在较低区域处，从纤维介质46中吸走聚集起来的微滴。在一个实施例中，纤维介质46不润湿分散相，而下侧介质元件74润湿分散相。在优选形式中，下侧介质元件74的分散相接触角的余弦大于纤维介质46的分散相接触角的余弦。在上述内燃机的应用中，吸液层74的目的是从聚结器中抽取油，并引导油进入收集容器内，例如进入内燃机或机油箱内。在该实施例的优选形式中，吸液层74是一种无纺过滤介质，但是可选地是，它可以是机油箱自身的壁，或是其它具有合适润湿特性的材料。
以上的描述提供了多种方式用于降低通过聚结器的压降，包括提高聚结起来的分散相从聚结器中排出的能力。如图2所示，通过聚结器的压降随着时间而增大，直到聚结的分散相(例如，曲柄轴箱通风过滤器情形中的油)的排出速率等于分散相的捕获速率为止。平衡压降可以通过提高排出速率来降低，这又降低聚结器分散相的饱和度，并且提高聚结器的有效孔隙率。通过提高孔隙率，聚结器的固体装载能力得到提高，聚结器的使用寿命也得到提高。
除了用于增大排出速率的以上公开方式，对于利用纤维定向的优点，多种方式都是可以的。纤维可以有利地相对于重力定向，或者其它的如上所述的方式彼此相对定向。为此，第一主要纤维定向角α被定义为图11-22中的纤维延伸部76相对于水平方向的夹角，也就是相对于垂直于重力的方向。在图11，18，20中，α为0°。在图12，15，21中，α为-45°。在图13，16，22中，α为-90°。在图14，17，19中，α为45°。纤维也可以有利地相对于流动方向定向。为此，第二主要纤维定向角β被定义为图11-22中的纤维延伸部76相对于流动方向24的夹角。在图11，15，190中，β为0°。在图12，16，20中，β为-45°。在图13，17，21中，β为-90°。在图14，18，22中，β为45°。图11-22示出了从中空内部42向外通过纤维介质46的多种流动方向当中的流动方向的各种不同实施例。图11-14所示的是流动方向24平行于水平方向。图15-18所示的是流动方向24相对于水平方向成-45°。图19-22所示的是流动方向24相对于水平方向成45°。
三种力作用于所捕获和聚结的微滴上，即由于液体流动而产生的阻力；重力；和由于毛细压力而产生的粘着力或结合力。第三种力如上所述，由介质的润湿特性控制。阻力和重力之间相互作用的影响也非常显著。由于期望向下排出微滴，故而期望纤维定向角α满足以下条件：sinα小于0，这样重力有助于排出，例如图12、13所示。如果sinα大于0，则重力阻碍排出，从而增大平衡压降，并且降低使用寿命。因此，图11和14中的纤维定向角α不太理想。优选的是，α小于0°，且大于或等于-90°。相对于相对于流动方向24的纤维定向角β，当cosβ增大时，由于液体流动而产生的阻力降低。优选的是，cosβ大于0.5，也就是β小于60°，且大于-60°。
为了降低聚结器的整体饱和度，减少压降，并提高使用寿命，所有纤维均呈现优选定向不是必需的。然而，大多数纤维应当具有这种期望的定向，也就是具有主要纤维定向或角度。图23是显示主要纤维定向通常平行于重力并垂直于流动方向的显微照片，如图中箭头所示。图24是显示主要纤维定向相对于重力的显微照片，其中流动方向进入页面。在另一实施例中，可以提供具有期望定向的充足数量的纤维，用于局部提高排出能力。由于聚结的分散相更自由地从这些区域排出，因此较低区域分散相饱和度和压降得以保持，且聚结器的净有效饱和度得以降低。虽然期望所有的纤维呈现α小于0°且大于或等于-90°，而β小于60°且大于-60°时，但是这可能是不可行的。还可以使用各种各样的组合。例如，在图25中，如果除了垂直以外，期望不同纤维定向的局部区域，则例如可以在纤维介质中形成如78处所示的局部凹穴，该凹穴使得多个纤维沿其它的纤维定向角α和β倾斜。可以设置这些局部凹穴，如专利文件US6,387,144所示，该专利文献在此引入作为参考，例如通过针刺法来形成这些局部凹穴、凹陷或凹入，它们的纤维定向角α和β既不是0°也不是90°或-90°。也可以采用其它的方式形成局部凹穴，例如，可以在介质中刺入更大的纤维、金属丝线、钉子、曲头钉，或类似的具有较大长宽比定向的结构，这样使得α和/或β如所期望的那样不是90°或-90°。在另一个可选方案中，可以使用缝纫机等，将线状物缝入聚结器介质中，并且使该线状物沿0°角定向(平行于流动方向)，刺入的针和线将使得周围介质纤维以非90°或-90°角定向。在另一个可选方案中，除了针刺法，可以使用加热的针或超声焊接的方式工艺形成局部凹穴。这会产生饱和度梯度，使得聚结的分散相从聚结器中排出。因此，即使所有的纤维不具有期望的除了0°的定向角α，排出能力仍然高于所有纤维都具有0°定向角α的情况。这些改进引入了这样的纤维或结构，即优选相对于流动以有助于排出和降低压降的方式定向。由于让所有纤维均以此方式定向是不切实际的，因此可以在分层介质中形成具有此优选定向的局部凹穴，以降低压降，并且提高聚结器使用寿命。
本系统提供了一种提高聚结器的使用寿命的方法。该聚结器具有通过其的、随时间增加的压降，直到聚结分散相的排出速率等于捕获速率为止，从而压降达到平衡值。该方法通过降低分散相饱和度和提高孔隙率和固体负载能力而提高了聚结器的使用寿命，而这是通过增大排出速率，从而降低平衡压降而实现的。该方法包括提供多个纤维作为纤维介质，并且主要使这些纤维沿第一主要纤维定向角α定向，该角度小于0°且大于或等于-90°，并且优选沿第二主要纤维定向角β定向，该角度小于60°且大于-60°。在一个实施例中，该聚结器垂直振动。该方法包括在约束最大、流动速率和移出最小处，使纤维介质的容量，即以分散相饱和最小化，并且在约束最小、流动速率和移出最大处，使纤维介质的容量最大化，这通过使聚结器的较低区域相对于较高区域具有更大的分散相饱和度和更小的容量来实现。在一个实施例中，聚结的微滴在具有增大分散相饱和度的较低区域处从纤维介质中被吸走。
要认识到，在所附权利要求的范围内，各种不同的等同物、替代方式的和变型都是可能的。

Claims (26)

1.一种聚结器，用于聚结具有两种不能混溶相的介质，这两种相即连续相和分散相，所述连续相从上游向下游流动，所述聚结器包括捕获所述分散相的微滴的纤维介质，从而使所述微滴聚结形成更大的微滴，并且所述微滴进一步聚结，形成用于排出的微滴池，且所述纤维介质适用于通过增加分散相从所述纤维介质的排出来减少通过所述纤维介质的压降。
2.根据权利要求1所述的聚结器，其中，所述聚结器沿第一水平面具有第一截面面积，沿第二水平面具有第二截面面积，所述第二水平面在垂直方向上位于所述第一水平面的下方，所述第二截面面积小于所述第一截面面积。
3.根据权利要求2所述的聚结器，其中，所述聚结器具有周边，所述周边在垂直面内限定出给定形状，所述周边具有多个横跨其的弦线，所述弦线包括垂直弦线和水平弦线。
4.根据权利要求3所述的聚结器，其中，所述弦线中最长的弦线垂直延伸。
5.根据权利要求3所述的聚结器，其中，所述垂直面内的所述给定形状选自以下形状构成的组：跑道形、椭圆形、三角形、正方形、梯形、和圆形。
6.根据权利要求3所述的聚结器，其中，所述垂直面内的所述给定形状具有中空内部。
7.根据权利要求6所述的聚结器，其中，流动方向选自以下方向构成的组：从里向外，即从所述中空内部向外通过所述纤维介质；和从外向里，即向内通过所述纤维介质进入所述中空内部。
8.根据权利要求1所述的聚结器，其中，所述纤维介质包括多个具有非随机主要垂直定向的纤维。
9.根据权利要求8所述的聚结器，其中，所述聚结器具有周边，且所述纤维主要沿所述周边周向上切线方向地延伸。
10.根据权利要求9所述的聚结器，其中，所述周边在垂直面内限定出给定形状，所述周边具有多个穿过它的弦线，所述弦线中最长的弦线垂直延伸，主要沿所述周边周向上切线方向地延伸的所述纤维主要是垂直的，并且在所述聚结器的较低垂直区域上提供增大的排出压力。
11.根据权利要求10所述的聚结器，其中，所述聚结器沿第一水平面具有第一截面面积，沿第二水平面具有第二截面面积，所述第二水平面在垂直方向上位于所述第一水平面的下方，所述第二截面面积小于所述第一截面面积，所述多个弦线包括垂直弦线和水平弦线，所述水平弦线包括沿所述第一水平面的第一水平弦线和沿所述第二水平面的第二水平弦线，所述第二水平弦线比所述第一水平弦线短。
12.根据权利要求8所述的聚结器，包括振荡器，其在垂直方向上使所述聚结器振动。
13.根据权利要求1所述的聚结器，其中，所述聚结器具有较低区域，该较低区域相对于较高区域具有更大的分散相饱和度和较小的容量，从而使得在约束最大、连续相流动速率最小的地方，所述纤维介质的容量最小，而在约束最小、连续相流动速率最大的地方，所述纤维介质的容量最大。
14.根据权利要求1所述的聚结器，其中，所述聚结器具有分散相饱和度增加的较低区域，并且包括下侧介质元件，该介质元件比所述纤维介质具有更大的分散相润湿性，并且与所述聚结器的所述较低区域接触，在所述较低区域处，从所述纤维介质中吸走所述聚集起来的微滴。
15.根据权利要求14所述的聚结器，其中，所述纤维介质不润湿所述分散相，而所述下侧介质元件润湿所述分散相。
16.根据权利要求1所述的聚结器，其中，所述聚结器具有较低区域，并且包括下侧介质元件，该介质元件与所述聚结器的所述较低区域接触，其中，所述下侧介质元件的分散相接触角的余弦大于所述纤维介质的分散相接触角的余弦。
17.根据权利要求1所述的聚结器，其中，所述纤维介质包括多个具有主要纤维定向角α的纤维，该定向角度α被定义为纤维延伸部相对于水平方向的夹角，其中，α小于0°，并且大于-90°。
18.根据权利要求1所述的聚结器，其中，所述纤维介质包括多个具有主要纤维定向角β的纤维，该定向角度β被定义为纤维延伸部相对于流动方向的夹角，其中，β小于60°，并且大于-60°。
19.根据权利要求1所述的聚结器，其中，
所述纤维介质包括多个具有第一主要纤维定向角α的纤维，该定向角度α被定义为纤维延伸部相对于水平方向的夹角；
所述多个纤维具有第二主要纤维定向角β，该定向角度β被定义为纤维延伸部相对于流动方向的夹角；
其中，α小于0°，并且大于或等于-90°，而β小于60°，并且大于-60°。
20.根据权利要求1所述的聚结器，其中，在所述纤维介质内包括多个局部凹穴，所述凹穴使得多个纤维沿期望的纤维定向角α和β倾斜，纤维定向角α被定义为纤维延伸部相对于水平方向的夹角，纤维定向角β被定义为纤维延伸部相对于流动方向的夹角。
21.一种提高聚结器的寿命的方法，该聚结器聚结具有两种不能混溶相的介质，即连续相和分散相，所述连续相从上游向下游流动，所述聚结器包括捕获所述分散相的微滴的纤维介质，所述微滴聚结形成更大的微滴，并且微滴进一步聚结，形成排出的微滴池，所述聚结器具有通过所述聚结器的压降，该压降随着时间而增大，直到所述分散相的排出速率等于捕获速率为止，从而提供一个平衡压降，所述方法包括：通过提高所述排出速率，从而降低分散相的饱和度和增加孔隙率，来增大聚结器的寿命。
22.根据权利要求21所述的方法，包括：提供所述纤维介质作为多个纤维，且使所述纤维主要沿主要纤维定向角α定向，该定向角度α小于0°且大于或等于-90°，其中α被定义为纤维延伸部相对于水平方向的夹角。
23.根据权利要求21所述的方法，包括：提供所述纤维介质作为多个纤维，且使所述纤维主要沿主要纤维定向角β定向，该定向角度β小于60°且大于-60°，其中β被定义为纤维延伸部相对于流动方向的夹角。
24.根据权利要求21所述的方法，包括垂直振动所述聚结器。
25.根据权利要求21所述的方法，包括：通过使所述聚结器的较低区域相对于较高区域具有更大的分散相饱和度和更小的容量，在约束最大、流动速率最小处，使所述纤维介质的容量最小，而在约束最小、流动速率最大处，使所述纤维介质的容量最大。
26.根据权利要求21所述的方法，包括：为所述聚结器提供增加的分散相饱和度的较低区域，且在所述较低区域处，将所述聚结起来的微滴从所述纤维介质中吸走。
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