CN101541391B

CN101541391B - 空间优化的聚结器

Info

Publication number: CN101541391B
Application number: CN2006800522077A
Authority: CN
Inventors: 布赖恩·W·施万特; 巴丽·M·韦德甘; 罗格·L·佐奇; 杰弗里·A·费德劳伊兹; 库尔特·M·A·巴德奥; 罗伯特·E·缪斯; 彼得·K·赫尔曼
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration Inc
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2026-08-23
Also published as: DE112006003707T5; WO2007092049A3; CN101541391A; US20070062887A1; DE112006003707B4; US8114183B2; WO2007092049A2

Abstract

提供一种聚结器，该聚结器使高去除效率、低压降、长寿命和小尺寸之间的折衷最小化。

Description

空间优化的聚结器

相关申请的交叉引用

本申请是2005年11月14日提交的美国专利申请No.11/273101的部分延续和2005年9月20日提交的美国专利申请No.11/230694的部分延续。

技术领域

本发明涉及聚结器。

背景技术

在现有技术中，已知聚结器用来聚结具有两种不混溶的相，即连续相和分散相的介质。例如：在发动机曲轴箱通风系统和其它空气-油分离系统中，连续相是空气，而分散相是油；在诸如燃料过滤器的燃料-水分离系统中，燃料是连续相，而水是分散相；在水-油分离系统中，水是连续相，而油是分散相。聚结器元件具有聚结器介质，该聚结器介质俘获分散相的微滴，使微滴聚结地成长为较大的液滴，该液滴进一步聚结并成长以形成排出的池。本发明特别好地适用于发动机曲轴箱的通风应用，但也可以用于具有不混溶的流体(例如，空气-油、燃料-水、水-油等)的其它分离系统。

在设计聚结器中，经常需要做出折衷。例如，a)高去除效率或b)低压降或c)长使用寿命或d)小尺寸可以单独地实现，但不必组合地实现。本发明解决并减小组合中的这些折衷。

附图说明

图1-25取自上述专利No.11/230694申请。

图1示意性地示出了聚结。

图2是示出加载和饱和的曲线图。

图3是根据No.11/230694申请的聚结器的透视图。

图4是图3的聚结器的前正视图，并且示出根据No.11/230694申请的另外实施例。

图5类似图4并且示出另一实施例。

图6类似图4并且示出另一实施例。

图7类似图4并且示出另一实施例。

图8类似图4并且示出另一实施例。

图9类似图4并且示出另一实施例。

图10类似图4并且示出又一实施例。

图11是示出纤维取向角的示意图。

图12类似图11并且示出另一实施例。

图13类似图11并且示出另一实施例。

图14类似图11并且示出另一实施例。

图15类似图11并且示出另一实施例。

图16类似图11并且示出另一实施例。

图17类似图11并且示出另一实施例。

图18类似图11并且示出另一实施例。

图19类似图11并且示出另一实施例。

图20类似图11并且示出另一实施例。

图21类似图11并且示出另一实施例。

图22类似图11并且示出另一实施例。

图23是用扫描电子显微镜以43X的放大率获取的纤维介质的显微照片。

图24是相对于图23成90°取向用扫描电子显微镜以35X的放大率获取的纤维介质的显微照片。

图25是又一实施例的示意图，示出跨越局部凹处的纤维取向。

图26-28取自上述专利No.11/273101申请。

图26是示意性透视图，示出用来制造根据No.11/273101申请的聚结器的方法。

图27类似图26并且示出又一实施例。

图28是曲线图，示出根据No.11/273101申请的聚结器特性。

图29是剖视图，示出根据本发明的聚结器。

图30类似图29并且示出另一实施例。

图31类似图29并且示出另一实施例。

图32类似图29并且示出另一实施例。

图33类似图29并且示出另一实施例。

图34类似图29并且示出另一实施例。

图35类似图29并且示出另一实施例。

图36类似图29并且示出另一实施例。

图37类似图29并且示出另一实施例。

具体实施方式

美国专利申请No.11/230694

下面关于图1-25的描述取自上述No.11/230694申请。

图1示出用来聚结介质22的聚结器20，该介质具有两种不混溶的相，即连续相24和分散相26。例如，对于发动机曲轴箱通风聚结器的情况，连续相24是空气，并且分散相是油，例如，以具有微滴26的细雾的形式，该微滴26的直径大约为一微米和更小。连续相24从上游流到下游，即在图1中从左流到右。聚结器包括纤维介质28，该纤维介质28俘获分散相的微滴，使微滴聚结地成长为较大的液滴(例如像在30、32处所示的)，它进一步聚结并成长以形成例如34的池，该池如在36处所示的那样排出。在气体或空气流24内，微滴26可碰撞并且通过液滴到液滴的聚结而尺寸增加。在进入聚结器20时，微滴通过撞击、拦截、扩散、或者静电的或其它过滤机理被俘获。微滴在被俘获时尺寸增加，并且未俘获的微滴聚结以形成较大的液滴。当液滴变得足够大并且汇聚在34使得流动力和/或重力超过附着力时，变大的/汇聚的液滴流过纤维介质层并且如在36处所示那样被释放。分散相饱和度在聚结器内变化，典型地，由于粘性力，在接近下游面(图1的右手面)处具有增加的饱和度，并且由于重力，在聚结器的底部具有增加的饱和度。与空隙率一样，饱和度是无量纲数，代表由俘获的分散相占据的过滤器介质的空隙空间的百分率或百分比。饱和不意味着整个空隙体积充满俘获的诸如油的分散相，而是意味着该元件保持尽可能多的油。在饱和的情况下，在图1中，与顶部和左部相比，底部和右部保持更多的油。

在没有固体污染物的情况下，在聚结器的加载期间跨越聚结器的压降增加(图2的左侧)，且然后一旦聚结器变得饱和，压降就变得稳定(图2的右侧)。图2是以毫米水柱为单位的压降ΔP对以分钟为单位的时间的图表。在加载期间，俘获的速率大于排出的速率。在饱和期间，俘获的速率等于排出的速率。实际上，由于固体污染物被俘获并由聚结器保持和/或俘获速率超过从聚结器排出的速率，因而出现堵塞或过高的压力。在本公开内容的两个希望的方面，聚结器的固体保持容量增加且聚结器的排出速率增加。上述饱和度分布图在聚结器设计中是重要的，因为增加的饱和度对应于纤维介质层中的减小的有效空隙率和增加的限制。

No.11/230694申请的公开内容提供了一种具有纤维介质的聚结器，该纤维介质适于通过增加来自它的排出来减小跨越它的压力降。这以将要被描述的各种方式实现。

图3示出纤维介质聚结器40，该纤维介质聚结器40具有空心内部42且提供由内向外的流动，即如在44处示出的进入空心内部42的入流，和随后从空心内部42通过纤维介质46向外的流动，如在箭头48处所示。聚结器40具有沿第一水平面50的第一横截面积A₁，和沿第二水平面52的第二横截面积A₂。水平面52在竖直方向上位于水平面50下方(图3、4)。横截面积A₂小于横截面积A₁。聚结器40具有周边54，该周边54具有跨越它的多个弦，所述多个弦包括诸如56的竖直弦和诸如58的水平弦。最长的弦竖直地延伸，例如56。水平弦包括沿着水平面50的第一水平弦，例如58，和沿着水平面52的第二水平弦60。水平弦60短于水平弦58。聚结的分散相上的排出压力在聚结器的底部下降，并且因此在这种部位的排出速率是分散相柱的高度的函数，该分散相柱的高度与元件高度和横截面积成比例。通过沿竖直取向提供形状的较长尺寸，最大化了排出压力。通过使横截面积向着聚结器的底部减小，获得两个优点。首先，在限制为最大且污染流体的流动速率和去除为最小的情况下，浸透了分散相的元件的体积被最小化。相反，在限制最小且污染流体的流动速率和去除最大的情况下，所述元件的体积被最大化。第二，较大比例的元件体积可用来俘获并保持可能堵塞聚结器或以其它方式引起过度压降的任何固体。由于相对于上段增加的局部饱和度，下段更具有限制性并且具有比上段小的流动速率。人们可能期望在下端中去除也较高，然而实际情况不是这样，原因是：(a)由于较小的流穿过下段，它对由元件进行的总去除的贡献较小；和(b)下段中的局部速度相对较高，这连同增加的饱和度一起增加了液滴的再飞散，这不利地影响了去除。

图3、4将竖直平面中的上述给定形状示出为空心跑道形状。竖直平面中的其它给定形状是可能的，例如空心的椭圆形形状62(图5)、空心的三角形形状64(图6)、空心的正方形形状66(图7)、空心的梯形形状68(图8)和空心的圆形形状70(图9)。从内向外流是优选的，因此流动速度随着进入介质的距离而减小，这最小化了再飞散和将聚结的液滴携带入清洁侧的可能性，并减小聚结器的饱和度高的部分中的速度。这对于跑道形和椭圆形是特别有利的，这是因为由这些形状的元件的内部中的较小的上游敞开空心空间导致的它们的较好的空间利用。从外向内流也是可以的。

在一个实施例中，纤维介质由多个纤维提供，该多个纤维具有非随机的主导竖直取向(图4)。纤维优选为聚合物，并且优选地取向成围绕给定形状的周边且在可能的情况下平行于重力的方向。纤维优选地沿周边54主导周向相切地延伸。优选地沿周边54主导周向相切地延伸的纤维是主导竖直的，并且在聚结器的下部区域提供增加的排出压力。所述元件优选地通过静电纺丝或熔喷纤维，或者围绕给予纤维上述优选取向的元件周围包覆或缠绕纤维介质的片材而制造。纤维的优选取向和对准减小了所俘获的液滴流动的阻力，并通过形成平行于重力的流路和通道增强了排出。为了易于制造，优选通过熔喷或静电纺丝形成的聚合物纤维，但也可以使用其它材料。

在另外的实施例中(图4)，聚结器沿竖直方向的振动或摆动，特别地连同上述纤维取向一起，是增强排出、最小化限制和增加聚结器寿命的另外方法。在一个实施例中可以是内燃机或其它机械部件的如虚线所示的摇动器72沿竖直方向振动或摆动聚结器。沿竖直方向的这种运动或振动使俘获的液滴加速，并且突然反向引起它们从纤维剥落并以最小阻力排出。在上述实施中，发动机或其它设备的正常振动促进这种振动，然而，可能希望提供聚结器的明智的定位和安装或通过添加机械振动器来振动聚结器。

聚结器具有下部区域，例如在图4中平面52处，与例如在平面50处的上部区域相比，该下部区域具有较大的分散相饱和度和较小的体积，从而在限制最大且连续相的流动速率最小且污染物去除最小的情况下最小化浸透分散相的纤维介质的体积，并且在限制最小且连续相流动速率最大且污染物去除最大的情况下最大化纤维介质的体积。在另外的实施例中(图10)，下部介质元件74设置成具有比纤维介质46更大的分散相可湿性并接触聚结器40的下部区域，并且在在下部区域从纤维介质46中芯吸聚结的液滴。在一个实施例中，纤维介质46相对于分散相是不润湿的，并且下部介质元件74相对于分散相是润湿的。在优选的形式中，下部介质元件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。在上述内燃机应用中，芯吸层74的目的是从聚结器吸油并将油引到收集容器，例如发动机或油箱。在这种实施例的优选形式中，芯吸层74是非编织的过滤器介质，虽然替代地它可以是油箱自身的壁或具有合适可湿性特性的其它材料。

上述公开内容提供了用来减小跨越聚结器的压降的各种手段，包括增强从聚结器排出聚结的分散相。如图2所示，跨越聚结器的压降随时间增加，直到聚结的分散相(例如，在曲轴箱通风过滤器的情况下是油)的排出速率等于分散相的俘获速率。通过增加排出速率可减小平衡压降，而这转而减小聚结器的分散相饱和度并增加聚结器的有效空隙率。通过增加空隙率，，聚结器的固体加载容量增加了，也增加了聚结器的寿命。

除了上面公开的用来增加排出速率的方式，各种方式可用来利用纤维取向的另外优点。如上所述，纤维可以相对于重力且相对彼此有利地取向。为了此处的目的，相对于水平方向，即相对于垂直于重力的方向的角度，第一主导纤维取向角α被定义为纤维延伸76(图11-22)。在图11、18、20中，α是0°。在图12、15、21中，α是负45°。在图13、16、22中，α是负90°。在图14、17、19中，α是45°。纤维也可以相对于流动方向有利地取向。为了此处的目的，第二主要纤维取向角β被定义为纤维延伸76相对于流动方向24的角度。在图11、15、19中，β是0°。在图12、16、20中，β是负45°。在图13、17、21中，β是负90°。在图14、18、22中，β是45°。图11-22示出从空心内部42穿过纤维介质46向外的多个流动方向中的各种示例性流动方向。图11-14示出平行于水平方向的流动方向24。图15-18示出相对于水平方向成负45°的流动方向24。图19-22示出相对于水平方向成45°的流动方向24。

三个力作用在所俘获和聚结的液滴上，即：由于流体流动引起的拖曳力；重力；和由于毛细压力引起的粘附力或附着力。第三个力由介质的润湿特性控制且上文中已描述过。同样重要的是，拖曳力和重力之间的相互作用。由于希望向下排出液滴，因此希望纤维取向角α满足sinα小于零的条件，使得重力辅助排出，例如图12、13。如果sinα大于零，则重力阻碍排出，增加平衡压降并减小寿命。因此，图11和14中的纤维取向角α是较少被希望的。优选的是，α小于0°且大于或等于负90°。至于相对于流动方向24的纤维取向角β，由于流体流动引起的拖曳力随着cosinβ增加而减小。优选的是，cosinβ大于0.5，即β小于60°且大于负60°。

为了减少聚结器的总体饱和度，减小压降，且增加寿命，所有的纤维都展示优选的取向是不必要的。而是，大多数纤维应具有所希望的取向，即具有主导纤维取向或角度。图23是显微镜照片，示出大致平行于重力且垂直于流动方向的主导纤维取向，如指示箭头所示。图24是显微镜照片，示出相对于重力的纤维取向，其中流动方向进入页面。在另外的实施例中，可提供具有所希望的取向的足够数量的纤维以局部增强排出。因为聚结的分散相从这种区域更自由地排出，所以保持了低的局部分散相饱和度和压降，并且减小了聚结器的净有效饱和度。虽然希望所有的纤维的α小于0°且大于或等于负90°，并且β小于60°且大于负60°，但这是不可行的。也可以使用各种组合。例如，在图25中，如果希望不同纤维取向的局部区域不垂直，则诸如在78处示出的局部凹处可形成在纤维介质中，这种凹处使多个纤维沿其它的纤维取向角α和β偏斜。这些局部凹处可设置成如以引用的方式并入这里的美国专利6387144中所示，例如，在纤维取向角α和β不同于0°且不同于90°或负90°的情况下，通过针刺法产生这种局部凹处、凹陷或凹痕。其它手段也可用于形成局部凹处，例如所述介质可钉有较大的纤维、丝线、钉子、曲头钉或具有高的长宽纵横比的类似结构，使得α和/或β不同于90°或负90°，如希望的那样。在另一替代方案中，在线沿着0°的角度(平行于流动方向)取向的情况下，线状材料可使用缝纫机等缝制到聚结器介质中，并且穿刺针和线将引起周围的纤维介质以不同于90°或负90°的角度取向。在另一替代方案中，使用加热的针或超声波焊接型工艺而不是使用针刺法，可产生局部凹处。这将产生导致聚结的分散相从聚结器排出的饱和度梯度。因此，即使不是所有的纤维都具有不同于0°的所希望的取向角α，与所有的纤维以α等于0°取向的情况相比，排出仍将增强。这些改进引入优选地相对于流动取向以有助于排出并减小压降的方式取向的纤维或结构。由于使所有纤维都如此取向通常是不切实际的，可以在分层的介质中产生具有优选取向的局部凹处以减小压降和提高聚结器的寿命。

No.11/230694申请的系统提供一种增加聚结器的寿命的方法。该聚结器具有跨越它的压降，该压降随时间增加，直到所聚结的分散相的排出速率等于俘获速率，提供平衡压降。该方法通过减小分散相饱和度并增加空隙率来增加聚结器的寿命，并且通过增加排出速率以减小平衡压降来增加固体加载容量。该方法包括提供纤维介质作为多个纤维，并且使该纤维优选地沿小于0°且大于或等于负90°的第一主导纤维取向角α，并且优选地沿小于60°且大于负60°的第二主导纤维取向角β主要地取向。在一个实施例中，该聚结器竖直地振动。该方法包括：通过为聚结器设置有与上部区域相比具有较大分散相饱和度和较小体积的下部区域，在限制最大且流动速率和去除最小的情况下最小化浸透有分散相的纤维介质的体积，并且在限制最小且流动速率和去除最大的情况下最大化纤维介质的体积。在一个实施例中，在增加的分散相饱和度的下部区域处从纤维介质将聚结的液滴芯吸走。

美国专利申请No.11/273101

下面关于图26-28的公开内容取自上述No.11/273101申请。

在优选实施例中，No.11/273101申请的系统使用熔喷技术来制造聚结器。用于粒子过滤器的熔喷技术在现有技术中是已知的，例如以引用的方式并入这里的美国专利6860917、3755527。参考图26，并且也注意所并入的美国专利6860917第3栏25行开始的描述，热塑性聚合物的小球被引入挤出机102的小球储料器101，所述热塑性聚合物例如聚酯、聚丙烯、聚醚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯硫醚、尼龙、乙烯丙烯酸共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、硅树脂、聚对苯二甲酸乙二酯，或者这些的掺合物或混合物。驱动或熔化泵104迫使热塑性聚合物通过挤出机102进入模头103。模头103可包含加热装置105，该加热装置105可控制模头103中的温度。然后，迫使热塑性聚合物离开模头103中的一排模开口106(也称为喷丝头)进入气流，该气流使热塑性聚合物变细为纤维107，该纤维107被收集在诸如如旋转的心轴或滚筒109的运动的收集装置8上，以形成连续的110。使热塑性聚介物变细的气流通过气体喷口111和112被供给，对此可另外参考上述并入的美国专利3755527的图2。气体狭缝111和112由气体管路113和114供给热气体，优选为空气。也参考通过引用的方式并入这里的美国专利3978185，以示出熔喷工艺。熔喷包括有时称为熔体纺丝和纺粘法的工艺。典型地，通过与熔喷模相关联的孔口挤出聚合物以形成指向收集器的过滤器，从而制成熔喷过滤器筒。在熔喷期间，惰性气体(例如空气)流作用在熔融纤维上，从而使纤维变细到相对细的直径并将变细的纤维随机地分布到收集器上。大量非编织的随机地互相混合的固化的纤维积聚在收集器上。由旋转心轴109提供的收集器108收集纤维并将纤维卷成环形过滤器辊115。

在一方面，No.11/273101申请提供了用于通过熔喷工艺来生产具有可变直径的聚合物的基本上连续的长纤维的一种方法。纤维缠绕成规定形状的形式以产生具有分级的纤维直径和空隙率特性的聚结器元件。聚结器聚结具有两种不混溶的相，即连续相和分散相的介质。连续相从上游流到下游。聚结器元件由俘获分散相的微滴的纤维介质提供，使微滴聚结地成长为较大的液滴，该液滴进一步聚结并成长以形成排出的池。在一个优选实施例中，希望聚结器介质的性质作为深度的函数而变化。在诸如曲轴箱通风聚结器、雾移除过滤器、燃料水聚结器和油水分离器的聚结器应用中，在一个优选实施例中，希望空隙率和/或纤维直径随着进入介质的距离增加而减小，在中间深度，即上游和下游端部之间的某处达到最小值，并且然后，空隙率和/或纤维直径从中间深度到接近下游面的下游随着进入介质的距离的进一步增加而增加并且变得更加敞开。这种U形轮廓在后面，例如在图28中被进一步描述，其纤维直径和/或空隙率从上游到中间深度减小，并且然后从中间深度到下游增加。减小的空隙率和纤维直径在聚结器的上游部分中导致较低的限制。最小的纤维直径和/或空隙率是获得最大去除效率的部位。从中间深度前进到下游的空隙率和纤维直径的随后增加促进了从聚结器排出和释放所俘获的微滴。

各种方法已经用来改变作为深度的函数的聚结器介质的性质。例如，不同的介质层可层叠以获得这种效果。例如，聚结过滤器由内部的高效率聚结层和外部的粗糙排出层构成。在一些应用中，例如多达七个不同的层的多个层用于实现所述优点。典型地，这可以通过以多层的方式将不同的介质片材碾压或打褶在一起，或者通过将不同的层熔喷(包括熔体纺丝)在彼此顶部上来完成。每个层可由要在生产中获得并处理的不同材料组成。每个层可能需要不同的步骤和/或设备以便处理和生产。层之间的过渡倾向于突变的或展示阶梯的函数变化，这可导致流体流动中的相应的不连续并且可导致增加的限制和减小的寿命及容量。

在No.11/273101申请的一个方面，提供一种用于生产聚结器元件的方法，包括用于曲轴箱通风和除雾的聚结器，和用于使用纤维聚结器介质的其它类型的聚结器，其中可以如希望地作为进入聚结器的深度的函数而改变纤维直径和/或空隙率。纤维通过由合适的热塑性聚合物熔喷而形成基本上连续的长度，例如上述那些。纤维被收集到回转的/自转的/旋转的心轴或合适横截面形状的其它合适的收集器上，所述合适横截面形状例如圆形、卵形、椭圆形、跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。在一方面，当生产纤维以产生沿其长度在不同点具有不同直径的长纤维时，单个纤维的直径发生变化。在另外的方面，当生产纤维时，相对于形成在心轴上的聚结器介质的厚度控制纤维的直径，以便产生具有聚结器介质性质(例如，作为深度的函数而变化的纤维直径和/或空隙率)的聚结器元件。在另一方面，收集器或心轴和熔喷模以一维、二维或三维的方式彼此相对地运动。

图26示意性地示出上述方法。它示出熔喷工艺，包括含有聚合物小球的所述储料器101，熔化泵104，空气管路113、114，模103，心轴109，纤维107，和所形成的聚结器元件115。也示出的是具有彼此正交的X、Y和Z轴的三维坐标系，其中由旋转心轴109提供的收集器108绕Z轴旋转并且沿X轴与模103间隔开。模103沿Z轴的长度典型地小于元件115沿Z轴的长度，以便在元件115的生产期间允许模103和收集器心轴109的相对运动而不会有纤维107的显著喷溅。在纤维的生产期间，沿纤维的长度，通过以下方式改变纤维的直径：通过使模和收集器/心轴沿X和/或Y方向彼此相对地运动，改变模和收集器/心轴之间的距离；和/或控制模和收集器/心轴沿X、Y和Z方向的彼此相对的位置；和/或控制聚合物吞吐量；和/或控制空气压力和/或流动速率；和/或例如通过使模和收集器心轴沿X、Y和/或Z方向彼此相对地运动和/或控制绕Z轴的心轴旋转速度，来控制心轴速度；和/或聚合物的温度。这些因素也影响聚结器介质的空隙率和纤维取向。例如，通过沿Z方向来回移动模和收集器的相对位置，纤维的取向在沿收集器或模的方向的这种变化下颠倒。这产生增加作为结果的元件的结构完整性的互锁纤维的交叉模式，并且促进所聚结的液体的排出，例如，如在上述No.11/230694申请中阐述的。

空隙率也可通过施加压力到介质来控制。图27和图26一样，并且在适合于促进理解的情况下，使用与上面相同的附图标记。通过使用压缩辊116提供一种控制空隙率的方法。通过以施加压力在聚结器元件115上的压缩辊116的受控使用，并通过控制压缩辊116碾压元件115的压力/力，可在元件生产期间控制空隙率。纤维直径和/或空隙率被控制作为深度的函数，而不使用提供复合或层状结构的不同介质的不同层。

纤维直径也是引入储料器的热塑性聚合物的类型的函数。这可有利地用于产生较高性能的聚结器元件。例如，通过在储料器中混合两种或更多不同类型的相容聚合物(例如具有不同熔点的两种聚酯)的小球，并且熔喷作为结果的混合物，两种或更多不同直径、化学和物理特性的纤维可被同时熔喷并相对于元件中的深度放置在相同的位置。例如，如果两种聚合物具有不同熔点，一种聚合物将比另一种聚合物冷却得更快，并且具有最低熔点的所述一种聚合物将坚固地粘接到其它类型的聚合物并增加介质的总体强度和结构完整性，同时产生双模态纤维直径分布，每个模态的纤维直径在纤维生产期间变化。类似地，例如，通过将小百分比能产生大直径纤维的聚合物与较高百分比能产生较细纤维的聚合物混合，可优化限制和去除。替代地，例如，通过将小百分比能产生大直径坚固纤维的聚合物与较高百分比能产生较好地适于俘获细污染物但缺乏结构完整性的较细纤维的聚合物混合，可增加元件的结构完整性。通过混合相对高润湿的聚合物与相对非润湿的聚合物，可以获得所聚结的液体从聚结器的排出和减小的限制。为了进一步优化聚结器介质的结构，可以通过控制储料器中的或泵送到模的不同类型的聚合物的相对量作为深度的函数来改变不同类型的纤维的相对量。该组合产生特别良好地适于聚结器应用的元件，所述聚结器应用包括曲轴箱通风过滤器、除雾过滤器、燃料水聚结器和油水分离器。这种元件从流体流聚结并去除污染物微滴。它们实现了高的移除效率，以促进所聚结的液体污染物的排出，以具有高的污染物保持容量和长的使用寿命。

作为例子，在第一聚结器实施例中，具有至少双模态纤维直径分布的纤维被缠绕在辊中作为单个片材，但在实现作为深度的函数而变化的空隙率的元件辊115中有效地提供多层。取决于效率要求，在纤维分布中较小纤维的平均直径在0.05到10μm的范围中。这些纤维的功能是高效率地去除细的污染物。较粗的纤维具有20到100μm的直径以促进排出。这些元件制造为具有10mm最小厚度的深度型元件。为了使元件物理上坚固并同时产生两种不同直径的纤维，使用两种不同类型的聚合物，例如使用95％的PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)聚合物和5％的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)聚合物。平均纤维密度是1.38克每立方厘米，并且平均元件空隙率大于80％。组合使用细的和粗的纤维，即沿其长度在不同点具有不同直径的单个纤维，导致了高的效率、好的排出性质和低的微滴再飞散。在应用于曲轴箱通风中在柴油机上测试时，对于特细的油雾和碳黑，新元件的去除效率大于90％。油雾的微滴尺寸从小于0.03μm变动到10μm，而平均直径在0.4到1.0μm的范围内。即使对于聚结过程的油浸透阶段，也获得大于80％的效率。

在第二聚结器实施例中，相同的聚合物混合物用于实现双模态分布，然而，模和收集器心轴之间的距离在聚结器元件生产的开始时(例如，在邻近心轴的环形元件115的中心115a附近)减小，然后在元件生产的中间时间附近(例如，介质的中间深度115b)逐渐增加，并且然后在元件生产的快结束时(例如，在环形元件的外部部分115c)再次减小。这通过使模103和心轴109沿X方向相对彼此运动来实现。同时，模103和心轴109可沿Z方向相对彼此运动以实现希望的纤维取向。这导致具有过滤器面115a附近的两种类型的较粗纤维的元件结构，从而当用于从内向外流的几何结构时，在元件的上游侧促进较粗污染物而不是较细污染物的去除。纤维直径在区域115a和115c处最大，并且在区域115b处最小。纤维直径从区域115a到115b减小，并且然后从区域115b到区域115c增加。空隙率在区域115a和115c处最大，并且在区域115b处最小。空隙率从区域115a到区域115b减小，并且然后从区域115b到区域115c增加。纤维直径和空隙率作为从心轴109向外的距离的函数变化，即作为从区域115a到区域115b和从区域115b到区域115c的过滤器深度的函数变化。这示出于图28中，图28示出是元件115的径向深度的从心轴的中心沿横坐标或水平轴的距离，并沿纵坐标或竖直轴示出相对纤维直径和相对空隙率。纤维直径和空隙率从区域115a到115b减小的上述变化示出于向下斜线117、118，并且中间深度区域115b处的纤维直径和空隙率示出于119、120，并且从中间深度区域115b到下游区域115c增加的纤维直径和空隙率示出于121、122，结果形成U形分布。

上述U形分布123(图28)导致跨越聚结器元件的总限制的净降低。在沿着横坐标的元件深度对沿着纵坐标的纤维直径的曲线图(图28)中，上述变化的纤维直径具有U形分布123，最小纤维深度直径在上述中间深度115b位于U的弯曲部119。同样，在沿着横坐标的元件深度对沿着纵坐标的空隙率的曲线图中，上述变化的空隙率具有U形分布，最小空隙率在上述中间深度115b位于U的弯曲部。纤维直径和空隙率从区域115a到区域115b减小，在去除和限制最高的点上两个参数获得最小值。从这个最小值，纤维直径和空隙率从区域115b到区域115c再次增加，以减小限制和促进所俘获的聚结液体从聚结器排出。纤维直径和空隙率的逐渐改变避免多介质元件固有的流动不连续和污染物聚积不连续，所述多介质元件具有不同介质材料的不同层或片材和/或不同纤维直径的不同层或片材和/或不同空隙率的不同层或片材。替代地，本系统中的纤维直径和空隙率的例如沿着上述单个连续纤维的逐渐改变消除了阶梯变化不连续，并减小了限制及增加了聚结器的使用寿命。在聚结器中，毛细压力将微滴保持在适当位置。如果遭遇阶梯变化，例如大空隙降至小空隙，则微滴的运动对抗毛细压力以使微滴运动到较小的空隙中，这显著增加了限制。在本系统中，通过提供逐渐的变化，例如避免不同层的形成并试图迫使微滴从其通过，避免这种不希望有的特性。对于分散相所润湿的介质，这在上述U形分布123的上坡部分121、122中特别显著。对于分散相不润湿的介质，这在上述U形分布123的下坡部分117、118中特别显著。本系统将相同的这种给定的单个纤维的纤维直径从第一环形区域中的第一直径逐渐改变到第二环形区域中的第二直径(例如从115a到115b和/或从115b到115c)以在它们之间提供逐渐过渡，消除了包括在流体流动速度和压降特性中的突变的阶梯函数变化和对应的不连续，这以其它方式增加了限制并减小了寿命与容量。

以上例子提到环形元件辊，该环形元件辊具有封闭的环形，例如圆形、椭圆形、椭圆跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。在一些应用中，包装或其它理由可决定其它的形状或敞开的形状，例如平坦面板构造。通过沿着平行于环体的轴线的平面轴向切割或分割作为结果的元件，从上述封闭环环形可制成这些，以提供面板元件等，或以其它方式获得希望的横截面。

在No.11/273101申请的系统中，聚结器的单个纤维的直径沿着纤维的长度被控制和改变。纤维直径、空隙尺寸和/或空隙率作为聚结器元件中的深度的函数而改变并且实现了使用相同的介质和相同的介质片材，即相同的介质和介质片材被用来获得宽范围的性质。纤维直径空隙尺寸和/或空隙率可连续地逐渐改变，消除作为深度的函数的介质性质中的上述阶梯变化，并避免元件内的流体流动速度和压降特性中的相应不连续，导致了较持久的元件。通过改变并控制熔喷生产的参数可实现上述逐渐而连续的改变，所述熔喷生产的参数包括例如模和心轴/收集器之间的距离、模和心轴彼此的相对位置、聚合物吞吐量、空气压力、流动速率、心轴/收集器速度和温度。通过使模和收集器沿X、Y和/或Z方向彼此相对地运动，可改变并控制作为深度的函数的介质性质。该系统组合构思以生产给出性能优点的聚结器，其中纤维直径、空隙尺寸和/或空隙率作为深度的函数改变。不需要以顺次的方式产生分离的多层，不管每个层是否通过不同的熔喷机器被独立地生产并且未完成的元件从机器转移到机器，或者不管是否通过以顺次的方式沿Z方向对准多个模实现分层并连续地产生沿相同的Z方向成长或延展的管状元件，在最后的模之后，完成的元件被切割成一定长度，一系列模中的每一个模以其自身性质生产不同的层。

No.11/273101申请的系统提供一种制造聚结器元件115的方法，该方法通过将多个聚合物纤维107熔喷在收集器108上，并在熔喷期间，沿单个纤维的长度改变单个纤维的直径使得单个纤维沿其长度在不同点具有不同的直径。纤维107从模103被熔喷，该模103通过喷丝头106喷出熔融的聚合物以产生纤维。在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。收集器108与模103间隔开，并且在一个实施例中，通过改变收集器108和模103之间的间隔，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。当在这种实施例中收集器108是旋转心轴109时，通过沿X和Y轴的至少一个改变模103和心轴109相对彼此的相对位置，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。在另一个实施例中，通过改变通过喷丝头106的聚合物吞吐量，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。如上所述，聚合物通过喷丝头106喷出到加压气体流中，以便产生纤维107。在另一实施例中，通过改变气体压力和气体流动速率的至少一个，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。在另一实施例中，当收集器108是旋转心轴109时，通过改变心轴109的旋转速度，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。在另一个实施例中，通过改变通过喷丝头106的聚合物吞吐量，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。在另一实施例中，两种聚合物同时用在模中以产生双模态纤维分布，每个模态的纤维直径如上述那样改变。在一个实施例中，两种聚合物具有不同的熔点。在上述方法的优选实施例中，在纤维生产期间当纤维从模103被熔喷时，纤维直径沿纤维的长度改变。

当收集器108是旋转心轴109时，旋转心轴收集纤维107并将纤维碾压成环形元件辊115，该环形元件辊115在心轴处具有内部区域115a，并且具有外部区域115c，该外部区域以元件辊的径向厚度从内部区域115a径向地向外间隔开。元件辊115具有沿这种径向厚度的深度尺寸。在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变，使得纤维直径作为元件深度的函数而改变。在一个实施例中，如上所述，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变，以提供第一纤维直径的例如115a的第一环形区域，和相同的单个熔喷纤维的不同于第一纤维直径的第二纤维直径的例如115b和/或115c的第二环形区域。单个纤维从模103被熔喷。这种单个纤维在心轴109上被碾压以形成所述的第一环形区域。相同的这种给定的单个纤维在第一环形区域上被碾压以形成例如115b的第二环形区域，并且在希望的情况下，相同的这种给定的单个纤维在第二环形区域115b上被进一步碾压以形成例如115c的第三环形区域等等。给定的单个纤维在第一环形区域115a中以上述第一直径被碾压，然后，相同的这种给定的单个纤维的纤维直径逐渐改变到第二直径，并且然后，相同的这种给定的单个纤维在第二环形区域115b中以这种第二纤维直径被碾压，等等。给定的单个纤维可在其它的环形区域中以按顺序的步骤被碾压，但仍然碾压相同的这种给定的单个纤维，因此提供上述连续性和逐渐变化，并避免上述阶梯变化不连续。在熔喷期间，给定的单个纤维的直径的变化逐渐出现，并且跨越元件的径向厚度和深度的从区域到区域的变化是逐渐的。

内部和外部区域115a和115c中的一个处于上游表面，并且内部和外部区域115a和115c中的另一个处于下游表面。流动方向是从上游到下游。例如，在从内向外流的几何结构中，区域115a处于上游表面且区域115c处于下游表面。在从外向内流的几何结构中，外部区域115c处于上游表面且内部区域115a处于下游表面。在一个实施例中，如上所述，在纤维生产期间纤维直径沿纤维的长度改变，以作为元件深度的函数改变纤维直径，使得纤维直径沿流动方向随着进入元件的深度的增加而减小。另外，在这种实施例中，碾压纤维使得空隙率也沿流动方向随着进入元件的深度的增加而减小。在另一实施例中，在纤维生产期间纤维直径沿纤维的长度改变，以作为元件深度的函数改变纤维直径，使得纤维直径沿流动方向随着进入元件的深度的增加而增加。另外，在这种实施例中，碾压纤维使得空隙率也沿流动方向随着进入元件的深度的增加而增加。在另一实施例中，在纤维生产期间纤维直径沿纤维的长度改变，以作为元件深度的函数改变纤维直径，使得纤维直径沿流动方向从上游到中间深度115b随着进入元件的深度的增加而减小，并且然后，沿流动方向从中间深度115b到下游随着进入元件的深度的增加而增加。这些特性在图28中示出于U形轮廓123。另外，在这种实施例中，碾压纤维使得空隙率沿着流动方向从上游到中间深度115b随着进入元件的深度的增加而减小，并且然后，沿流动方向从中间深度115b到下游随着进入元件的深度的增加而增加。典型地，纤维直径和空隙率相对于元件深度遵循相同的增加或减小趋势，但不是必要的。例如，元件可以具有减小的纤维直径而空隙率增加，或者反过来。

No.11/273101申请的系统还提供一种制造聚结器的方法，该方法通过将多种聚合物纤维熔喷到收集器上，并且在熔喷期间，可控地改变由纤维形成的聚结器的空隙率，例如通过如上所述地改变纤维直径和/或通过所述碾压。在一个实施例中，空隙率随着进入聚结器的深度的增加而减小。在另一实施例中，空隙率随着进入聚结器的深度的增加而增加。在另一实施例中，空隙率从上游到中间深度115b随着进入聚结器的深度的增加而减小，并且然后，从中间深度115b到下游随着进入聚结器的深度的增加而增加(图28)。在另一实施例中，通过提供压缩辊116来可控地改变空隙率，该压缩辊116在聚结器元件辊形成期间在区域115c的外表面接合并施加压力到聚结器元件辊115。在另外的实施例中，改变空隙率以提供第一空隙率的诸如115a的第一环形区域、相同的单个熔喷纤维的不同于第一空隙率的第二空隙率的诸如115b的第二环形区域，以及相同的单个熔喷纤维的不同于第一和/或第二空隙率的第三空隙率的诸如115c的第三环形区域等等。给定的单个纤维从模103被熔喷。这种给定的单个纤维在心轴109上被碾压以形成第一环形区域115a，以及相同的这种给定的单个纤维在第一环形区域115a上被碾压以形成第二环形区域115b等等。

No.11/273101申请的系统和方法提供一种具有多个熔喷纤维的聚结器，其中单个纤维的直径沿纤维的长度改变，使得单个纤维沿其长度在不同点具有不同直径。纤维直径沿纤维的长度改变，从而提供沿其长度在不同点具有不同直径的单个纤维，使得这种单个纤维的纤维直径作为聚结器深度的函数而改变。聚结器具有第一纤维直径的诸如115a的第一区域、相同的单个熔融纤维的不同于第一纤维直径的第二纤维直径的诸如115b的第二区域等等。如上所述，纤维直径的改变是逐渐的，从而避免所述不连续和阶梯变化以及其中固有的所述缺点。在一个实施例中，纤维直径沿单个纤维的长度改变以作为元件深度的函数而改变纤维直径，使得纤维直径沿单个纤维随着进入元件的深度的增加而减小。另外，在这种实施例中，空隙率也优选地随着进入元件的深度的增加而减小。在另一实施例中，纤维直径沿单个纤维的长度改变，以作为元件深度的函数而改变纤维直径，使得纤维直径沿单个纤维随着进入元件的深度的增加而增加。在这种实施例中，空隙率也优选地随着进入元件的深度的增加而增加。在另一实施例中，纤维直径沿单个纤维的长度改变，以作为元件深度的函数而改变纤维直径，使得纤维直径沿单个纤维从上游到中间深度115b随着进入元件的深度的增加而减小，并且然后，从中间深度115b到下游随着进入元件的深度的增加而增加(图28)。在这种实施例中，空隙率优选地从上游到中间深度115b随着进入元件的深度的增加而减小，并且然后，从中间深度115b到下游随着进入元件的深度的增加而增加。该系统提供一种由制造聚结器的上述方法生产的聚结器，该方法包括将多个聚合物纤维熔喷在收集器上，并在熔喷期间，沿单个纤维的长度改变单个纤维的直径使得单个纤维沿其长度在不同点具有不同的直径。

该系统和方法也提供一种具有多个熔喷纤维的聚结器，该聚结器的上游表面与下游表面以它们之间的深度尺寸间隔开，该聚结器具有第一空隙率的第一深度区域，和与第一区域相同的单个熔喷纤维的不同于第一空隙率的第二空隙率的第一深度区域下游的第二深度区域。如上所述，所述改变是逐渐的，从而避免上述不连续或阶梯变化的缺点。在一个实施例中，空隙率随着进入聚结器元件的深度的增加而减小。在另一实施例中，空隙率随着进入元件的深度的增加而增加。在另一实施例中，空隙率从上游到中间深度115b随着进入元件的深度的增加而减小，并且然后，从中间深度115b到下游随着进入元件的深度的增加而增加(图28)。该系统提供了一种由制造聚结器的所述方法生产的聚结器，该方法通过将多种聚合物纤维熔喷到收集器上，并在熔喷期间，可控地改变由纤维形成的聚结器的空隙率。

希望的是，许多以上技术也可应用到粒子过滤器。例如，在固体过滤器实施例中，相同的聚合物混合物可用于实现双模态分布，并且模103和心轴109之间的距离在区域115a在元件生产的开始时增加，然后随着元件的直径和介质的厚度从区域115a到区域115b和115c增加而逐渐减小。如在以上例子中，这通过使模103和心轴109沿X和Z方向彼此相对地运动来实现。对于从外向内流的几何结构，这导致在区域115a中具有两种类型的较细纤维的元件结构，以促进在元件的下游侧的细粒子的去除，并且在这种从外向内流的几何结构中通过上游侧115c处的粗纤维来去除粗粒子和淤渣。纤维直径在区域115a处于最小值，并且逐渐增大到区域115b处的所增加的纤维直径，并继续增大到区域115c处的最大纤维直径。空隙率在区域115a处于最小值，并且增加到区域115b处的较高空隙率，并继续增加到区域115c处的最大空隙率。因此，纤维直径和空隙率作为离开心轴109的距离的函数，即作为径向厚度和过滤器深度尺寸的函数而改变。这导致跨越过滤器元件的总限制的净降低，因为限制和效率随着流体进一步渗入元件而逐渐增加。纤维直径和空隙率的逐渐改变避免了不同纤维直径和/或空隙率的多层或片不同过滤器介质的多介质过滤器中固有的流动和污染物积聚的不连续。上述的逐渐改变消除了阶梯变化不连续，并且减小限制且增加使用寿命。

本申请

本申请提供一种在较小的包装尺寸(体积)中获得提高的污染物去除、寿命和压降的聚结器，包括应用于曲轴箱通风、油雾和其它聚结器。

背景技术从过滤的观点来看，柴油机曲轴箱通风的应用是极具挑战性的。必须以大于90％的效率去除平均微滴尺寸在0.6和1.7μm之间的高浓度油雾以满足排放要求并防止发动机涡轮增压器变脏。需要低的限制和长的使用寿命。对于移动式应用，例如长途运输的卡车，系统的总包装尺寸也必须非常小。聚结是用于实现这些相抵触目标的有前景的技术。然而，当前聚结器的设计实践和产品缺乏这些要求，原因是可以实现高去除效率或长使用寿命或小尺寸，但当前的实践一直不能以可接受的方式同时实现全部三个。

对于曲轴箱通风聚结器(实际上对于所有类型的聚结器)，设计难题是最大化可被去除并保持在给定体积中的污染物的量。去除取决于污染物被介质纤维俘获的可能性。去除随着过滤器介质的量的增加而增加。设计成去除大于大约0.2μm的污染物的过滤器和聚结器典型地使用打褶的或有凹槽的平坦片材介质。打褶的聚结器利用高的介质面面积来减小面速度、增加容量和寿命。为了实现这一点，使用薄的相对致密(即，小的空隙尺寸、细的纤维、低的空隙率)的过滤器介质，该过滤器介质当用于包含液体微滴和固体污染物的系统时易于堵塞。在这种情况下，设计策略是最大化介质面面积。这使单位体积的纤维介质最大化、通过介质的流体速度最小化并且污染物，特别是较大的污染物可聚集在其上的表面面积增加了。通过这种途径，介质被设计成尽可能薄，同时维持效率和强度，以便增加褶皱密度和总的介质面面积。褶皱密度被定义为单位长度褶皱的数量，并且等于褶皱尖端之间的距离的倒数。对于打褶的介质，在褶皱之间存在许多浪费的空间。对于圆柱形打褶元件，最佳褶皱高度是元件的外径的25％(Tadeusz Jaroszczyk et al.，″Chapter 10 Cartridge Filtration″，inFiltration Principles and Practices，Second Edition，Revised and Expanded，Michael Matteson and Clyde Orr，eds.Marcel Dekker，Inc.New York，1987，p.547)。对于褶皱高度大于或小于此，元件相应的过滤器介质面面积减小。因此，25％的元件体积由内腔占据并且不直接有助于污染物的去除。因此，对于打褶元件，介质对元件体积的比率被限制到75％的最大值。实际上，这个比率被进一步减小，因为褶皱必须分开最小间隔以允许流动剖面形成并且将可用的褶皱面面积充分地用于移除。在没有间隔的情况下，只有元件的靠近褶皱尖端的若干部分被利用。这导致了增加的压降、介质表面面积的低效率利用和减小的寿命。介质的上游和下游侧上的褶皱之间的这种未使用的空间可以同样地由过滤器介质占据。结果，对于圆形横截面的打褶元件，介质体积对元件体积的比率实际上小于55％，并且典型地在25％到50％的范围内。

打褶的替代设计策略依赖于形成为圆形横截面的元件的深度过滤器介质。圆形深度聚结器利用过滤器介质的整个深度结构来影响去除并尝试最大化内腔的直径以增加容量和寿命。与打褶的介质对比，使用薄的相对开放的(即较大的空隙尺寸、较粗的纤维、较高的空隙率)过滤器介质。虽然当对比等效上游介质面面积的聚结器时比打褶的介质更不容易堵塞，但圆形深度聚结器倾向于比相同尺寸的打褶介质聚结器更容易堵塞，因为较小的面面积可被封装到相同的体积内。在圆形深度聚结器的情况下，设计者面临以下抵触的要求：

1.介质必须足够厚以获得希望的去除；

2.介质必须足够薄以提供可接受的(足够低的)压降；以及

3.必须最大化内腔的直径。

前两个是直接抵触的，因为去除和压降都随着厚度的增加、纤维直径和空隙率的减小而增加。经验显示，最佳的聚结器厚度大约为3到7mm。可使用以下聚结模型来解释：L.Spielman et al.，″Progress inInduced Coalescence and a New Theoretical Framework for Coalescenceby Porous Media″，Flow through Porous Media，R.Nunge，Chairman，ACSPublications，Washington，D.C.，1970；L.Spielman et al.，″Theory ofCoalescence by Flow through Porous Media″，Ind.Eng.Chem.Fundamentals，11：66-72，1972；L.Spielman et al，″Experiments inCoalescence by Flow through Fibrous Mats.″，Ind.Eng.Chem.Fundamentals，11：73-83，1972；L.Spielman et al.，″Coalescence inOil-in-Water Suspensions by Flow Through Porous Media″，Ind.Eng.Chem.Fundamentals，16：272-282，1977。它们按照三个区域来模拟聚结器。区域1，位于聚结器的上游侧，是微滴俘获和成长发生之处。区域2，位于中间，是所聚结的液滴通过聚结器的毛细传导发生之处。区域3，位于下游侧，是所聚结的液滴进一步成长并被释放之处。需要区域1以俘获并聚结微滴。需要区域3以保证所聚结的液滴被释放而不破裂。区域2是不必要的，因为其功能、毛细传导可并入区域1和3。对于厚于3到7mm的聚结器介质，超出最佳的另外厚度有助于区域2，并且在增加压降的同时不会显著地改善去除。

对于圆形深度聚结器，希望的是，最大化内腔的直径，以便减小固体堵塞、增加寿命和最小化压降。对于低雷诺数，压降与流体速度成比例。对于从内到外流动的元件，在没有俘获污染物的情况下，局部限制与从元件的中心的径向距离成反比。这样，局部限制在元件的上游面最大，并且随着进入介质的距离增加而减小。当介质厚度超过元件的外径的25％时，压降开始近似指数地增加。内径(D_I)由方程D_I＝D_o-2t给出，其中D_o是元件外径并且t是介质厚度。这是设计圆形深度聚结器以最大化内腔的直径并维持D_I大于D_o的50％的一个原因。此外，在没有污染物(无论固体或微滴)的情况下，介质上最大的污染物积聚发生在上游侧，进一步增加了局部限制。聚结器的寿命与上游侧上的介质面面积成正比。增加内腔的直径或元件的高度，成比例地增加聚结器的寿命。为了满足最小使用寿命的要求，圆形横截面深度聚结器元件设计成具有最大可能的元件外径。如果需要另外的寿命，则必须相应地增加元件高度(h)。对于具有使用从外到内流动的圆形深度介质的固体过滤器，由于外周边控制这些元件的容量和寿命，因此使用大约80％的介质体积对元件体积的比率。然而，对于具有从内到外流动的圆形深度介质聚结器，介质体积对元件体积的比率小于75％，并且典型地小于30％。

本系统

本申请提供一种聚结器，该聚结器更好地利用可用空间，以便提高去除、聚结器寿命和/或减小包装尺寸。通过将用于打褶的聚结器和圆形深度聚结器的设计策略和作为结果的特征组合成新颖的设计，实现这种效果。这特别良好地适于从曲轴箱通风的气体中去除油微滴，但也适于从柴油中去除空气传播的油和水雾、水微滴，从废水中去除油微滴以及其它的聚结器应用。该系统组合五个特征或特性，从而在去除、寿命和尺寸方面产生具有独特性能优点的聚结器。这些特性包括：

A.使用了纤维深度过滤器介质；

B.跨越介质的纤维直径和空隙率梯度轮廓，使得纤维直径和/或空隙率在上游和下游面最大并且在其间穿过最小值；

C.通过将介质形成为各种封闭的环、非圆形横截面的几何形状而得到的大于或等于1.5的面面积比率；

D.内腔的尺寸和横截面积必须使得内腔内的最大动压小于跨越元件的总压降的10％；以及

E.介质体积对元件体积的比率大于或等于50％，并且优选地大于或等于75％，通过以下方式获得：

使用无褶深度过滤器介质；

使用封闭环横截面的几何形状以最小化内腔的横截面积；

将不用于污染物去除的元件中的开放空间最小化，包括褶皱或凹槽之间的空间、介质的层之间或不同的聚结器、过滤器和/或分离器级之间的空间。

在图29-36中的横截面视图中示出一些实施例。优选实施例是星-圆横截面。其它的优选实施例包括也给出高的面面积比率的跑道、狗骨头、三凸角和多凸角几何形状，稍后将描述。

对于封闭环几何结构，该聚结器理想地用在从内向外流的构造中，但从外向内流也是可以的。从内向外流对于聚结来说是优选的，因为它保证了局部流体速度在所聚结的液滴的释放发生的下游面处最低。这最小化了所聚结的液滴在释放时破裂为较小的液滴。缺点是减小的寿命，这是由于在上游侧存在较少的介质面面积以保持可能堵塞聚结器的固体。本系统将这种不利的效果最小化。如果应用要求有限定，本系统可与从外向内流一起使用。在这种情况下，可以增加寿命，但在某种程度上，微滴去除减小且压降增加。

特性A

该系统利用纤维深度过滤器介质。纤维深度过滤器介质指的是：(1)由非编织纤维所形成的介质；(2)不以打褶的或有凹槽的形式用作平坦片材的介质；和(3)其中在过滤器介质的深度内初步去除污染物的介质。深度介质的空隙倾向于大于被去除的污染物。典型地，深度过滤器介质大于10mm厚，并且该介质是分层的或分级的，该介质的性质作为深度的函数而改变。相比之下，表面过滤器介质在表面初步去除污染物以形成实际上实现去除块的团块，而例如纤维素的平坦片材介质倾向于较薄并以打褶的或有凹槽的形式被使用。优选的纤维深度过滤器介质是熔喷过滤器介质，如在上述No.11/273101申请中描述的。替代地，可以使用其它非编织的纤维过滤器介质，包括熔喷的、空中压条的、湿压条的和竖直重叠的过滤器介质，只要它可形成为所需的元件形状。典型地，所述介质在本质上是聚合物的，但可以使用微玻璃、纤维素、陶瓷或者甚至金属纤维。通过将介质熔喷或空中压条到旋转心轴或通过将介质的平坦片材碾压成希望的形状，可形成元件。

特性B

过滤器介质展示作为进入聚结器的深度的函数的“U形”纤维直径和/或空隙率分布。局部平均纤维直径和/或空隙率应当在上游和下游面附近展示最大值，并且在其间穿过最小值。当从上游面走向中心时，尽管有较高的流体速度，纤维直径和空隙率的仞始减少在上游面减小了局部限制。此外，它提供作为粒子尺寸的函数的污染物的分级俘获。引起堵塞的大的污染物在初始的更开放而限制性较小的层中被俘获，而较小的污染物在最小值附近被去除。这增加了聚结器的固体保持容量和寿命。在这种上游部分内，发生了微滴的俘获和成长。最大的去除效率和最大的限制出现在纤维直径/空隙率最小之处。在最小值的下游，纤维直径和空隙率随着深度的增加而增加，以促进所俘获且聚结的微滴的排出。与用于固体污染物的过滤器相反，聚结器设计成排出和释放所俘获且聚结的液滴，而不是保留它们。通过在接近下游面时增加纤维直径和空隙率，作用在聚结的液滴上的毛细力减小，促进从介质排出和释放液滴。在下游面的最大值保证释放的液滴是大的，促进通过沉淀从流动的流中去除。

特性C

通过将介质形成为各种封闭的环、非圆形横截面的几何形状，提供大于或等于1.5的面面积比率。在带有显著水平的固体的应用中，聚结器遭受固体堵塞和缩短的使用寿命。固体快速地积聚在介质的表面上及其表面层内，导致了堵塞。由于这个原因，希望最大化上游的介质面面积。在这一点上，打褶的元件特别良好地适合，而圆形深度介质元件由于上游内腔中的相对较小的介质面面积而遭受损失。对于具有圆形横截面的元件，不管特定元件的尺寸如何，内腔周长(L_I)对其横截面积(A_I)的比率由以下公式给出：

\frac{L_{I}}{A_{I}} = \frac{4}{D_{I}}

其中D_I是内腔的直径。在当前系统中，代替圆形横截面，使用具有内腔横截面的几何形状的封闭环元件，使得内腔周长对其面积的比率超过圆的对应比率，或者：

\frac{L_{I}}{A_{I}} > \frac{4}{D_{A}}

D_{A} = \sqrt{\frac{4 A_{I}}{π}}

其中D_A是如前面方程中定义的内腔的面积等效直径。使用该关系，面面积比率(F)可定义为：

F = \frac{L_{I} D_{A}}{4 A_{I}}

相对于相同高度的圆形深度过滤器的寿命的聚结器寿命的增加由值F给出。对于打褶的聚结器元件，F大约为10到25并且由过滤器介质厚度和褶皱之间所需的间隔的物理局限性限制。对于当前系统，F典型地在1.5和15之间。在封闭环的、非圆形元件的几何结构中使用不打褶的介质获得F的这些较高的值，所述非圆形元件几何结构例如椭圆形124(图29)、跑道形125(图30)、三角形126(图31)、狗骨头形172(图32)、诸如三个凸角形128的多凸角形(图33)、包括正方形129的矩形(图34)、梯形130(图35)、星-圆形131(图36)或者其它的几何形状。这些中的数个受到特别注意。椭圆形、跑道形、狗骨头形、多凸角形和多边形的几何形状全部可由初始圆柱形的元件容易地形成。圆柱形元件通过压缩、通过在相应成形的心轴上形成它们或其它手段可以容易地转变为这些其它的形状。这方便了这些几何形状的制造和生产。通过增加跑道形或椭圆形元件、或者三个凸角及多个凸角的元件的腿部的长度，可以获得F的较高的值。狗骨头几何形状具有特别的优点，在于它容易地由圆柱形管形成并且可容易地嵌套类似的形状，或者甚至用于多元件应用的圆柱形元件。对于星-圆形几何形状，通过增加星形上的尖端的数量和长度，可以获得高的F值。同样重要的是，内腔和元件外部的几何形状是不一样的，如在星-圆形几何形状中可见。通过将介质熔喷或碾压在打褶的元件或星形元件上，可产生这种元件。

增加F的值的另外优点是，可以以短的元件高度，即小于元件横截面的最长弦，制造出长使用寿命的聚结器。这是因为不再需要大的元件高度来获得所需的使用寿命。而是，使用非圆形的几何形状所获得的增加的内腔周长提供了增加的介质面面积、增加的灰尘保持容量、减小的面速度和较长的寿命。在曲轴箱通风过滤器直接安装在发动机上的许多应用中，这提供了显著的包装优点。

特性D

内腔的尺寸和横截面形状必须使得内腔内的最大动压小于跨越元件的总压降的10％。内腔的横截面积典型地受限于流体进入内腔时的限制，而不是由于介质引起的限制。进入限制由通过孔口进入内腔的流动产生。对于本系统，通过选择内腔的形状和尺寸而最小化限制，使得内腔中的最大动压小于跨越元件的总压降的10％。动压(P_D)被定义为：

P_{D} = \frac{{pV}^{2}}{2}

其中p是流体密度且V是流体速度。计算流体动力学可用于模拟特定几何形状的限制和动压，以便确定内腔中的最大动压。这将确定内腔的最小横截面。

特性E

聚结器具有大于或等于50％，并且优选地大于或等于75％的微分体积比率。微分体积比率是介质体积对元件体积的比率。例如，图36示出聚结器131，该聚结器131具有沿轴线134轴向地延伸(延伸进页面中)的聚结器元件132并具有聚结器介质136。该元件在与轴线134成横向的平面(图36的页面的平面)中具有封闭环横截面的几何形状，即图36中的星-圆形，并且具有限定内腔140的内表面138，且具有外表面142，该外表面142从内表面138向外间隔开内表面138和外表面142之间的元件132的厚度。介质体积是内和外表面138和142之间的介质136的体积。元件体积是由外表面142界定的体积，包括内腔140的体积。在打褶的元件144的情况下(图37)，聚结器介质146具有限定内腔150的内表面148，并且具有外表面152，该外表面152从内表面148向外间隔内和外表面148和152之间的元件144的厚度，元件体积是由外褶皱尖端154的轮廓线界定的体积，该轮廓线如在156处以虚线示出的在外褶皱尖端间延伸的外投影线所连接的，因此元件体积是由投影线表面156界定的体积，包括外褶皱之间的体积158、介质体积和内腔150的体积。在例如图36中的非打褶的元件中，所述投影线边界与例如142的所述外表面重合。

聚结器的设计难题是将在给定体积内可被去除的污染物的量最大化。去除取决于污染物被介质纤维俘获的可能性。去除随着过滤器介质的量的增加而增加。因此，希望消除对于去除来说未被充分利用的元件体积。如前所述，对于打褶的和圆形深度聚结器，超过25％的总元件体积不能用于去除。在本系统中，褶皱之间的未被充分利用的空间填充有深度过滤器介质。此外，通过明智地选择局部介质纤维的直径和空隙率性质、U形过滤器介质轮廓和最小化的内腔横截面，不可用的过滤器体积的量可减小到5％-25％。介质体积对元件体积的比率可超过75％。典型地，使用大于85％的比率。

本系统提供一种聚结器，该聚结器用来聚结具有两种不混溶的相，即连续相和分散相的介质。连续相沿流动方向从上游流到下游。聚结器包括沿轴线轴向地延伸并具有聚结器介质的聚结器元件，该聚结器介质俘获分散相的微滴并使微滴聚结地成长为较大的液滴，该液滴进一步聚结并成长以形成排出的池。该元件在与所述轴线(延伸到图29-36的页面中)成横向的平面(例如，图29-36中的页面的平面)中具有封闭环横截面的几何形状，并且具有限定诸如140的内腔的内表面(例如138)，且具有诸如142的外表面，该外表面从内表面向外间隔开内表面138和外表面142之间的元件132的厚度。介质136具有沿着这种厚度的深度尺寸。内表面138和外表面142中的一个是上游表面，并且内表面138和外表面142中的另一个是下游表面。例如，在从内向外流的聚结器中，内表面138是上游表面，外表面142是下游表面。在从外向内流的聚结器中，外表面142是上游表面，内表面138是下游表面。

在本系统中，满足以下标准中的至少两个，并且优选为三个，并且更优选为四个，并且更更优选为所有五个：

A)介质136是纤维深度介质，优选为非打褶的；

B)该介质具有梯度轮廓，其至少一个参数沿所述流动方向作为进入所述介质的深度的函数而改变，并且优选地所述介质具有梯度轮廓，该梯度轮廓沿着流动方向作为进入介质的深度的函数而改变，使得纤维直径和空隙率的至少一个沿着流动方向从上游到中间深度随着进入介质的深度的增加而减小，并且然后沿着流动方向从中间深度到下游随着进入介质的深度的增加而增加；

C)所述元件具有由所述横向平面中具有非圆形几何形状的上游表面提供的上游面面积，并且优选地该元件的面面积比率F大于或等于1.5，其中

F = \frac{L_{I} D_{A}}{4 A_{I}}

其中L_I是内腔的周边的长度，D_A是内腔的面积等效直径，即

D_{A} = \sqrt{\frac{4 A_{I}}{π}}

其中A_I是内腔的面积；

D)内腔140具有根据跨越元件的压降所选定的最小横截面积，并且优选地所述元件是从内向外流的元件，且选定内腔的最小横截面积，使得内腔中的最大动压小于跨越元件的总压降的10％；

E)所述聚结器具有为空间效率选定的微分体积比率，其中，如上所述，微分体积比率是介质体积对元件体积的比率，其中介质体积是上述内和外表面之间的介质的体积，且元件体积是由上述外表面界定的体积，包括上述内腔的体积，并且优选地所述聚结器具有大于或等于50％的微分体积比率，并且更优选地所述介质是非打褶的深度介质且微分体积比率大于或等于75％。

在前面的描述中，为了简洁、清楚和理解，已经使用某些术语。在现有技术的要求之外，不从其暗示不必要的限制，因为这种术语是用于描述目的且倾向于被广泛地解释。这里描述的不同构造可以单独地或者结合其它构造使用。希望的是，在所附权利要求的范围内，各种等同物、替代物和改型是可能的。

Claims

1.一种聚结器，用于聚结具有两种不混溶的相即连续相和分散相的介质，所述连续相沿流动方向从上游流到下游，所述聚结器包括沿轴线轴向地延伸并具有聚结器介质的聚结器元件，所述聚结器介质俘获所述分散相的微滴并使所述微滴聚结地成长为较大的液滴，所述液滴进一步聚结并成长以形成排出的池，所述元件在与所述轴线成横向的平面中具有封闭环横截面的几何形状，并且具有限定内腔的内表面且具有外表面，所述外表面从所述内表面向外间隔开所述内和外表面之间的所述元件的厚度，所述介质沿所述厚度具有深度尺寸，所述内和外表面中的一个是上游表面，所述内和外表面中的另一个是下游表面，其中，所述介质是不打褶的纤维深度介质，所述元件和所述介质具有由所述横向平面中的具有非圆形几何形状的所述上游表面提供的上游面面积，其中：

所述元件具有大于或等于1.5的表面面积比率F，其中

F = \frac{L_{I} D_{A}}{4 A_{I}}

其中L_I是所述内腔的周边的长度，D_A是所述内腔的面积等效直径，即

D_{A} = \sqrt{\frac{4 A_{I}}{π}}

其中A_I是所述内腔的面积；

并且其中任选地满足下列三个标准中的一个或多个：

A)所述介质具有梯度轮廓，其纤维直径、空隙尺寸和/或空隙率沿所述流动方向作为进入所述介质的深度的函数而变化；

B)所述内腔具有根据跨越所述元件的压降所选定的最小横截面积，使得所述内腔中的最大动压小于跨越所述元件的总压降的10％；和

C)所述聚结器具有为了空间效率而选定的微分体积比率，其中，所述微分体积比率是介质体积对元件体积的比率，其中介质体积是内表面和外表面之间的介质的体积，元件体积是由外表面界定的体积，包括内腔的体积。

2.根据权利要求1所述的聚结器，其中：

标准C还要求所述聚结器具有大于或等于50％的微分体积比率。

3.根据权利要求2所述的聚结器，其中，满足标准A到C中的至少两个。

4.根据权利要求3所述的聚结器，其中，满足所述标准A到C中的全部三个。

5.根据权利要求2所述的聚结器，其中满足标准A，并且使得纤维直径和空隙率的至少一个作为深度的函数而变化。

6.根据权利要求5所述的聚结器，其中纤维直径和空隙率中的所述至少一个沿所述流动方向从上游到中间深度随着进入所述介质的深度的增加而减小，并且然后沿所述流动方向从中间深度到下游随着进入所述介质的深度的增加而增加。

7.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是椭圆形。

8.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是跑道形。

9.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是三角形。

10.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是狗骨头形。

11.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是三凸角形。

12.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是矩形。

13.根据权利要求12所述的聚结器，其中所述矩形是正方形。

14.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是梯形。

15.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述几何形状是星-圆形，即所述内表面具有星形，且所述外表面具有圆形。

16.根据权利要求1所述的聚结器，其中所述内和外表面具有不同的几何形状。

17.根据权利要求1所述的聚结器，其中满足标准B。

18.根据权利要求17所述的聚结器，其中所述内表面是所述上游表面，并且所述外表面是所述下游表面，使得所述元件是从内向外流元件。

19.根据权利要求1所述的聚结器，其中满足标准C，并且其中标准C还要求所述聚结器具有大于或等于50％的微分体积比率。

20.根据权利要求19所述的聚结器，其中标准C还要求所述微分体积比率大于或等于75％。

21.一种聚结器，用来聚结具有两种不混溶的相即连续相和分散相的介质，所述连续相沿流动方向从上游流到下游，所述聚结器包括沿轴线轴向地延伸并具有聚结器介质的聚结器元件，所述聚结器介质俘获所述分散相的微滴并使所述微滴聚结地成长为较大的液滴，所述液滴进一步聚结并成长以形成排出的池，所述元件在与所述轴线成横向的平面中具有封闭环横截面的几何形状，并且具有限定内腔的内表面且具有外表面，所述外表面从所述内表面向外间隔开所述内和外表面之间的所述元件的厚度，所述介质沿所述厚度具有深度尺寸，所述内和外表面中的一个是上游表面，所述内和外表面中的另一个是下游表面，其中，组合满足下列标准的全部五个：

A)所述介质是不打褶的纤维深度介质；

B)所述介质具有梯度轮廓，该梯度轮廓沿着所述流动方向作为进入所述介质的深度的函数而改变，使得纤维直径和空隙率中的至少一个沿着所述流动方向从上游到中间深度随着进入所述介质的深度的增加而减小，并且然后沿着所述流动方向从中间深度到下游随着进入所述介质的深度的增加而增加；

C)所述元件具有大于或等于1.5的表面面积比率F，其中

F = \frac{L_{I} D_{A}}{4 A_{I}}

D_{A} = \sqrt{\frac{4 A_{I}}{π}}

其中A_I是所述内腔的面积；

D)所述内表面是所述上游表面，并且所述外表面是所述下游表面，使得所述元件是从内向外流元件，并且选定所述内腔的最小横截面积，使得所述内腔中的最大动压小于跨越所述元件的总压降的10％；

E)所述聚结器具有大于或等于50％的微分体积比率，其中所述微分体积比率是介质体积对元件体积的比率，其中介质体积是内表面和外表面之间的介质的体积，元件体积是由外表面界定的体积，包括内腔的体积。