CN102946966A - 二级燃料水分离器及粒子过滤器 - Google Patents

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Abstract

一种水分离器和粒子过滤器，其带有第一或外部级，该第一或外部级被配置以聚结诸如燃料的流体中的水；以及第二或内部级，其被配置以分离流体中的聚结水并且还从流体中去除细小的固体污染物。聚结级包括聚合物介质的褶皱的柱体。褶皱的柱体具有褶皱波谷和下游的褶皱顶端，以及限定在下游的褶皱顶端处的释放位。分离级包括聚合物介质的非褶皱的柱体，该非褶皱的柱体包围并接触多层褶皱的柱体的外部褶皱顶端紧密。

Description

二级燃料水分离器及粒子过滤器
技术领域
本公开涉及燃料水分离器和粒子过滤器，其设计是为了提供较高的水和粒子的去除效率。本申请的公开特别涉及2010年6月22日提交的、名称为“二级水分离器和粒子过滤器”的美国申请No.12/820,784和2010年6月22日提交的、名称为“用于在滤中滤(filter in filter)的筒中使用的模块化的过滤元件”的美国申请No.12/820,791的公开，本申请要求其优先权，且其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
在各种过滤系统和应用中，例如需要从所保护的系统中的工作流体中分离颗粒和/或流体的应用中，广泛地已知和使用流体过滤器。作为一个示例，用于发动机的燃料过滤系统是公知的并且可以采用流体过滤器，该流体过滤器的目的是从燃料分离水和颗粒。这些过滤器的一些中的过滤器筒具有：一个过滤器元件，其具有配置成聚结水的介质；以及另一过滤器元件，其具有配置成进一步过滤燃料并且从燃料中分离聚结水的介质。在许多种情况下，过滤器元件配置在同心的滤中滤的配置中，其中外部过滤器元件围绕内部过滤器元件。
发明内容
描述了一种过滤器，其在过滤器的寿命内具有改善的燃料水分离性。过滤器是二级配置，例如同心的滤中滤的配置，其中，第一或外部级被配置成主要从和过滤器使用的燃料或其它流体中聚结水，第二或内部级被配置成从流体分离聚结水，并且去除流体中小的固体污染物。过滤器优选地被配置成用于与诸如超低硫柴油(ULSD)或生物柴油的燃料使用，但是，本发明的过滤器的构思可以与需要从分离水的任何类型的流体使一，所述流体例如是水压流体、油或润滑流体、空气等。当和ULSD、生物柴油或具有低界面张力(IFTs)的其它燃料(例如，IFTs水于约15达因/厘米)使用时，实现改善的燃料水分离性。
在一个实施方式中，过滤器可以完全有聚合物材料制成。例如，包括介质和端盖的过滤器的两个级可以由热塑性材料制成，以便于诸如通过回收或焚化的过滤器的处置。全部使用聚合物(例如热塑性)介质层允许相邻介质层彼此之间更好地结合。另外，与由其它非聚合物材料制成的介质相比，聚合物介质提供更好的化学耐性/兼容性。此外，使用聚合物介质，更容易控制特定的介质性能、例如孔径和孔径分布。
尽管过滤器将主要描述为二级配置，第一级本身可以用作单级配置，在与不同的第二级设计的组合中使用，或者在与两个或更多个附加级的组合中使用。相似地，第二级本身可以用作单级配置，在与不同的第一级设计的组合中使用，或者在与两个或更多个附加级的组合中使用。
在一个实施方式中，聚结流体过滤器包括被配置成聚结流体中的水的聚合物介质的褶皱的柱体。聚合物介质的褶皱的柱体具有褶皱波谷、下游的褶皱顶端以及下游的褶皱顶端处或附近的释放位。
在一个实施方式中，介质的褶皱的柱体具有固定到端盖的两相反端，例如使用粘接剂、使用机械紧固件或使用其它合适的固定技术将端部埋设在端盖中，端盖优选地由聚合物(例如，热塑性)材料制成。褶皱的柱体可以具有单层或多层介质。
释放位可以位于例如下游的褶皱顶端和聚合物(例如热塑性)介质的非褶皱的柱体的结合部位，或者位于制成于下游的褶皱顶端的开孔处。当非褶皱的柱体用在褶皱顶端附近时，褶皱的柱体的内部顶端和非褶皱的柱体之间的距离使得两者之间没有明显的间隙或间隔。褶皱的柱体的褶皱顶端可以固定到或者不固定到非褶皱的柱体的外表面。而且，用于支撑介质的支撑柱体可以放置在褶皱顶端和非褶皱的柱体之间，或者放置在非褶皱的柱体内并且被非褶皱的柱体包围。
在二级配置的情况下，第一级放置在第二级的上游并且二者之间具有间隙。例如，第一和第二级可以是滤中滤的配置，其中，第一级为外部级，第二级为内部级。外部级包括配置为聚结流体中的水的聚合物(例如，热塑性)介质的褶皱的柱体。褶皱的柱体具有褶皱波谷、下游的褶皱顶端以及下游的褶皱顶端处的释放位。内部级包括包围聚合物(例如，热塑性)介质的多级褶皱的柱体的聚合物(例如，热塑性)介质的非褶皱的柱体，内部级被配置成用于从流体分离聚结水并且去除流体中小的固体污染物。
外部级和内部级可以固定到端盖。端盖可以是分开的，使得外部级包括安装到其两相反端的端盖，内部级包括安装到其两相反端的端盖。在另一实施方式中，外部级和内部级可以共享一个或两个端盖，由此，单个共用的端盖安装到外部级和内部级中的每一方的一端，单个共用端盖安装到外部级和内部级的每一方的相反端。
附图说明
图1是本发明的二级过滤器的一个实施例的分解图。
图2是图1的二级过滤器的组装状态的截面图。
图3是可以实施本发明的构思的二级过滤器的另一实施例的分解图。
图4是图1和2的二级过滤器的第一或外部级的分解图。
图5是图1和2的二级过滤器的第二或内部级的分解图。
图6A-6C示出第一级的介质层的不同的配置。
图7示出第二级的介质层的示例性配置。
图8示出一个外部级的示例，其带有制成在下游的褶皱顶端的槽、孔或开口以制成释放位。
具体实施方式
二级过滤器配置具有：第一级，其被配置成主要用于聚结被过滤器使用的流体中的水；以及第二级，其被配置成用于分离流体中的聚结水，并且还用于去除流体中细小的固体污染物。流体首先流过第一级，随后流过第二级。尽管过滤器主要被描述为具有二级配置，但是第一级本身可以在单级配置中使用，也可以与不同于本发明的第二级设计组合地使用，或者与两个或多个附加级组合使用。相似地，第二级本身可以在单级配置中使用，也可以与不同于本发明的第一级设计组合地使用，或与两个或多个附加级组合地使用。
过滤器优选地配置成与燃料使用，以在燃料到达燃烧燃料的发动机之前过滤燃料，该燃料优选地为柴油，例如ULSD、生物柴油或其它具有较低IFT(界面张力)的燃料。然而，本发明的过滤器的构思可以实施于需要将水从流体中分离的任何类型的流体，例如，液压流体、油或润滑流体、空气等。
图1和2示出二级过滤器10的示例，该二级过滤器10具有：上游的第一级12，其被配置成主要用于聚结流体中的水；以及第一级12下游的第二级14，其被配置成从流体分离聚结水，并且还用于去除流体中细小的固体污染物。在该示例中，过滤器10是被配置成用于外-内流动的滤中滤的配置，第一级12为外部聚结级，第二级14为内部聚结级，外部级包围内部级，并且在外部级与内部级之间存在间隙16。过滤器10被配置成放置在过滤器壳体中，继而壳体被固定至过滤器头部。该类型的过滤器壳体以及实施了将过滤器壳体附着至头部的单级过滤器的示例在公开号No.2007/0267338的美国专利申请中被描述。
端盖18连接到第一级12的第一或上端，端盖20连接到第一级的第二或下端。端盖18、20由例如热塑性材料的聚合物材料制成，第一级介质的端部被合适地固定至端盖，例如使用粘接剂、将介质的端部埋设在端盖中或其它合适的固定技术。在另一实施方式中，端盖18、20可以由例如金属的非聚合物材料制成，介质的端部使用现有技术中已知的封装材料固定到金属端盖。
如图2所示，端盖18包括由套筒23限定的中央开口22，制成用于已由过滤器10过滤的流体的流体出口通道。弹性垫圈25包围套筒23，用于在过滤器和过滤器壳体安装时与过滤器头部的密封接合。端盖20包括开口24，开口24允许在过滤器的组装过程中将第二级14插入到第一级12内。
另外，端盖26连接到第二级14的第一或上端，端盖28连接到第二级的第二或下端。端盖26、28也由例如热塑性材料的聚合物材料制成，第二级介质的端部例如使用粘接剂、将介质的端部埋设在端盖中或其它合适的固定技术合适地固定到端盖。在另一实施方式中，端盖26、28由例如金属的非聚合物材料制成，介质的端部使用现有技术中已知的封装材料固定到金属端盖。
端盖26包括中央开口30(参见图1、2和5)，开口30允许端盖26顺滑过并至筒管32上(参见图2)，该筒管32从端盖18向下延伸并且形成中央开口22的一部分。端盖28通常是封闭的，以防止燃料流动穿过端盖28。
第一级12和第二级14可以使用任何合适的连接技术连接在。合适的连接技术的示例在公开号为No.2009/0065425的美国专利申请中描述。利用在公开No.2009/0065425中描述的技术，端盖18、26可以经由压肋(crush rib)而连接，而端盖20、28可以经由使用与端盖20搭扣配合的弹性臂34而连接。
图1和图2示出第一级12的端盖18、20与第二级14的端盖26、28是分开的。然而，在另一实施方式中，第一级12和第二级14可以共享共用的端盖，其中，单个共用的端盖被附着到第一级和第二级的第一或上端，单个共用的端盖附着到第一级和第二级的第二或下端。第一级和第二级共享共用的端盖的示例可以在公开号为No.2007/0289915的美国专利申请中找到。
图3是二级过滤器40的另一实施方式的分解图，该二级过滤器40被配置为用于外-内流动的滤中滤的配置，其可以使用本发明的发明思想，第一级42为外部聚结级，第二级44为内部聚结级，外部级包围内部级，并且在外部级与内部级之间存在间隙。第一级42的过滤介质和第二级44的过滤介质分别连接到端盖46、48和51、53，以相同于上所描述的端盖18、20、26、28的方式，尽管也可以在各端部处同样使用共用的端盖。过滤器40被配置成安装在过滤器壳体内的立管上方。关于该普通类型的二级过滤器配置的进一步的细节公开在公开号为No.2009/0065425的美国专利申请中。
图4和5分别示出过滤器10的第一或外部聚结级12和第二或内部分离级14的细节。除了端盖之外，过滤器40的级42、44被配置成与级12、14大致相同，将不再单独地描述。
如图2和4所示，第一或外部聚结级12包括聚合物介质的褶皱的柱体50，当组装时，第一或外部聚结级12包围聚合物介质的非褶皱的柱体52。如图2和5所示，第二或内部分离级14包括聚合物介质的非褶皱的柱体54，当组装时，第二或内部分离级14包围聚合物介质的褶皱的柱体56。
转到图2和4，褶皱的介质50包括内部(即，下游的)褶皱顶端60，在使用中该褶皱顶端60定位成与柱体52的外表面紧邻，使得在两者之间没有明显的间隙或间隔。在一个实施方式中，内部褶皱顶端60与柱体52的外表面紧密接触。内部褶皱顶端60可能或可能不被安装或固定到柱体52的外表面，但是，定位成与柱体紧邻，例如接触。
图6A示出第一级12的一个实施方式的截面图，其中为了清楚而放大了层的厚度。在图6A中，褶皱的介质50的下游褶皱的顶端60与非褶皱的介质52的外表面直接、紧密接触，其中顶端60可选地固定或不固定到该外表面。因而，图6A的实施方式不使用第一级12的介质用的中央管、筛板、笼或其它支撑结构。在这种情况中，非褶皱的介质52和/或褶皱的介质50应当足够硬以用作其自身的支撑结构。
图6B示出第一级的另一实施方式，其中，第一级12的介质用的中央管、筛板、笼、弹簧或其它柱体支撑结构70位于非褶皱的介质柱体52的下游并与非褶皱的介质柱体52邻近。如果使用支撑结构70，支撑结构70可以由例如热塑性材料的聚合物材料制成，支撑结构70设置有开口，以允许流体从第一级流到第二级。可选的支撑结构70用于防止内部非褶皱的介质52在流和流体压降下塌陷。然而，理想地，褶皱的介质50和非褶皱的介质52提供足够的强度和刚性，使得不必使用支撑结构70。在图6B的实施方式中，非褶皱的介质52可以仅在端盖处固定到支撑结构70，这是因为由于使用过程中的流体压力无需将非褶皱的介质52结合到其它位置。但是，非褶皱的介质52可以在任何合适的部位固定到支撑结构70。
图6C示出第一级的另一实施方式，其中，支撑结构70位于上游褶皱的介质50和下游非褶皱的介质52之间、与二者邻近并接触。在图6C中，支撑结构70为褶皱的介质50提供支撑，该褶皱的介质50的内部褶皱顶端60与支撑构件70直接、紧密接触，而非褶皱的介质52位于支撑结构70的内侧、下游并且与支撑结构70紧密接触。非褶皱的介质52可以被热熔接到聚合物的支撑结构70或者与聚合物的支撑结构70被注射成型，以将其固定到支撑结构。
在图6A-6C中，数字1-5，按流体流动方向的从上游向下游的顺序，指示褶皱的介质50的一个示例的不同介质层。在本发明的示例中，褶皱的介质50的介质层由聚合物材料制成，例如热塑性材料。
在一个实施方式中，褶皱的介质50可以包括三层聚合物纤维的过滤介质(1-3)、一层聚合物的纳米纤维介质(4)和最后的聚合物纤维的介质层(5)。在该示例中，非褶皱的介质52是单层聚合物纤维的介质，其形成为管并且位于褶皱的介质50的内侧，其上游面经由褶皱顶端60与褶皱的介质直接接触，或者经由中间支撑结构70与褶皱的介质50间接接触。
典型地，褶皱的介质50、非褶皱的介质52和支撑结构(如果使用的话)的层的轴向长度L1(参见图2)相同，其中，各端部均以防止未过滤的流体从介质周围绕过的方式埋设到端盖18、20中，或者由诸如聚氨酯等粘接剂封装，或者以其它方式安装到端盖。
虽然，对于图6A-6C为褶皱的介质50示出五层、为非褶皱的介质52示出一层，但是取决于例如应用或聚结器设计的需求，褶皱的介质50和非褶皱的介质52可以使用更多或更少层。
现在将描述第一或聚结器级12的各层的功能和设有限制，如何以及何时使用。为了说明目的，对于称作聚结器X、Y和Z三种不同介质组合，在表1中说明了各层的示例。值得注意的是，这三种介质组合反应了基于如下认识的设计选择：在诸如ULSD和生物柴油的低界面张力燃料中，存在相对较少的用于聚结的热动态驱动以及聚结的历程趋于较慢。本发明描述的示例被设计成物理地减慢水滴从介质的通过过程，以增加其在聚结器内的局部集中。
表1列出的介质组合、材料和性能仅是示例性的，并且反映了发明人在提交本申请时认为在使用ULSD或生物柴油而运行的高压共轨柴油燃料系统方面将提供足够的性能结果的组合、材料和性能。进一步的研究可能将揭示对于使用ULSD或生物柴油而运行的高压共轨柴油燃料系统以及对于其它类型的系统的其它类型的燃料比表1中列出的更合适的介质组合、材料和材料性能。
然而，虽然表1列出了各种具体的诸如聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的热塑性材料，但是，介质层不限于这些具体的热塑性材料。可以使用其它热塑性材料。此外，介质层不限于热塑性材料。包括、但不限于热固性塑料的其它聚合物材料可以用于介质层。
在表1(和下面的表2)中：gsm被限定为每平方面的克数，cfm被限定为每分钟立方英尺；厚度是从相对于流体流动穿过介质层的主方向的上游到下游来测量。
聚结器X
聚结器X的示例包括至少6个介质层，可以使用可选的支撑结构。层1-5形成褶皱的介质50，层6形成非褶皱的柱体52。聚结器X可以称为用于在滤中滤的设计中使用的变速聚结器(参见例如PCT公开No.WO 2010/042706)。
层1起预过滤器的作用，减小跨越外部级12的压降。层1比层2“开放”(例如，具有较高的孔隙率，较大的孔径、较大的平均纤维直径、较高的弗雷渗透性和/或较低的污染物去除效率)。
层2起捕获小乳化滴的作用，例如，ULSD燃料中的水滴。层2比层3“紧密”(例如，具有较低的孔隙率，较小的孔径、较小的平均纤维直径、较低的弗雷泽渗透性和/或较高的污染物去除效率)。
层3起减小层内的流体速度并且提供空间以供在层2中捕获的滴排出、聚积和聚结的作用。层3的物理性能使得该层中的流体速度低于层4中的流体速度。层3比层4“开放”(例如，具有较高的孔隙率，较大的孔径、较大的平均纤维直径、较高的弗雷渗透性和/或较低的污染物去除效率)。
层4起捕获未被之前的层捕获的滴、特别是更细小的滴的作用，并且用作对捕获的滴的通过具有半透过性的半透过性阻障。该半透性阻障功能使滴在层3中集中和聚积，给滴更多时间并且使发生聚结的可能性更大。层4还使局部增加的流体速度提高，并且使降低的表面积瞬时增加，这进一步增强聚结。层4中的流体速度大于层5中的流体速度。层4比层5“紧密”(例如，具有较低的孔隙率，较小的孔径、较小的平均纤维直径、较低的弗雷泽渗透性和/或较高的污染物去除效率)。
层4可以是例如热塑性纳米纤维过滤介质，其纤维具有小于约1μm的直径，这有助于实现现今的使用ULSD或生物柴油而运行的高压共轨柴油燃料系统所需的非常高的水去除效率。层4可以使用电喷工艺形成，但是可以使用其它合适的工艺形成。除表1列出的层4的性能之外，层4的最大孔径与平均孔均的比可以小于约3、更优选地小于约2。
层5起产生低速环境的功能，其中，在之前的层中形成的聚结的滴落物可以在释放之前收集和排出。层5比层4“开放”(例如，具有较高的孔隙率，较大的孔径、较大的平均纤维直径、较高的弗雷渗透性和/或较低的污染物去除效率)。
层6(即，非褶皱的柱体52)起为聚结的滴状物提供释放位的作用。这样，层6比层5“开放”(例如，具有较高的孔隙率，较大的孔径、较大的平均纤维直径、较高的弗雷渗透性和/或较低的污染物去除效率)。在一个实施方式，层6还为第一级12提供结构支撑，如上面参照图6A所讨论的那样，消除对单独的支撑结构的需求。
聚结器Y
在聚结器Y的示例中，两层至三层介质层与可选的支撑结构使用，或者在没有可选的支撑结构的情况下使用两层至三层介质层。聚结器Y可以称为用于在滤中滤的设计中使用的单层表面聚结器(参见2009年5月15日提交的美国专利申请No.61/178,738和2010年5月14日提交的美国专利申请No.12/780,392)。
第一层，层4起提供对小乳化滴的通过具有半透过性的半透过性阻障的功能，以使所述滴在层4的上游表面聚积。以这种方式，滴具有用于聚结的时间和合适环境，发生滴落物的生长。层4是相对紧密的层，具有与聚结器X中的层4相当的特性，或者甚至比聚结器X中的层4紧密。层4依赖于筛，以防止小滴通过，在该示例中可以是热塑性纳米纤维过滤介质，其纤维的直径小于约1μm，平均孔径小于影响滴的平均滴落物尺寸，其最大孔径与平均孔径的比可以小于约3，优选地小于约2。层4可以使用电喷工艺制成，但是可以使用其它合适的工艺制成。
层5是可选的，如果需要，层5为层4提供结构支撑，用作强制通过层4的聚结滴落物用的排放路径。层5还将层4连接到释放层6(即，非褶皱的柱体52)。层5产生低速环境，其中，聚结的滴落物可以在释放之前收集和排出。层5(如果使用)比层5开放，在结构上更强，以为层4提供支撑，便于过滤介质的处理。
聚结器Y位于层4和为聚结的滴落物提供释放位的可选的层5下游的额外的非褶皱的层6(即，非褶皱的柱体52)。层6比可选的层5开放。
聚结器Z
在聚结器Z的示例中，使用具有可选的支撑结构的三层或更多层介质层(参见2009年5月18日提交的美国专利申请No.61/179,170、2009年5月20日提交的美国专利申请No.61/179,939以及2010年5月14日提交的美国专利申请No.12/780,392)。聚结器Z是比聚结器Y复杂的用于在滤中滤的设计中使用的表面聚结器。
层3起减小跨越聚结器的压降的作用，用作聚结器用的粒子预过滤介质，以增加聚结器的使用寿命。层3比层4开放，具有比层4高的毛细压力(即，更加正的毛细压力)。
层4、层5(可选的)和层6的功能和性能与结合聚结器Y描述的相同。
在所有三种聚结器X、Y和Z中，从层5到层6的过渡特性是重要的。在所示和所描述的实施方式中，层1-5是褶皱的。这样，褶皱内的流体流动曲线和对所捕获的滴落物的阻力使它们在褶皱的波谷62(下游方向)聚集。这导致滴在该局部区域集中，通过提供增加的下降时间而增加聚结，以在它们被释放之前聚结。本发明人已经观察到，聚结的滴落物趋于在聚结器的下游面的相同活性区域或地区释放，而在其它地方发生很少的滴落物释放。这建议一旦产生通过介质的排放路径，其就被重复使用。
在所描述的第一级中，通过层4(用于聚结器Y和Z)或层5(用于聚结器X，也用于聚结器Y和Z(如果包括层5))的内部褶皱顶端与非褶皱的层6的上游表面紧密接触，而产生优选的排出路径在大孔中的结束。在褶皱的介质和非褶皱的介质之接接触的部位，存在介质孔结构的局部分布，这使这些优选的排放路径得以产生。这使得较大的滴落物得以释放。此外，这些排放路径发生在褶皱波谷62的底部64处(参见图6A、6B和6C)，聚结的滴落物集中在这里并且效率最高。层4或5与层6之间的接触不需要是直接接触。替代地，通过使褶皱的介质50的内部或下游褶皱顶端60与多孔的支撑结构70直接接触，支撑结构70进而在其下游侧与层6直接接触(即，非褶皱的柱体52)，可以间接地实现相同的效果。
在额外的实施方式中，褶皱的介质50可以如上面描述的示例性聚结器X、Y或Z那样，除了可以不具有层6、即非褶皱的柱体52之外。该额外的实施方式在褶皱内实现与聚结器X、Y或Z相同的流体流动曲线以及对捕获的滴落物的阻力效果，以使滴和聚结的滴落物集中的褶皱的波谷62中，以增进聚结。然而，代替排出到层6的聚结的滴落物，滴落物从内部褶皱顶端60中的小槽或孔(即，开孔)释放。该开孔可以通过针刺或其它手段得到，尺寸可以在30-300μm的程度。孔口用作聚结的滴落物的释放点。
图8示出形成于褶皱的介质50的内部褶皱顶端中的开孔80的示例。也可以存在具有(与介质50相比)较大的孔径的可选的层82，其可以等同于非褶皱的柱体52或支撑结构70。如图8所示，在流动过程中，含有水滴的乳化物在(1)处流到褶皱中。在(2)处，水滴不能沿着介质表面穿透由介质流形成的阻障而到达褶皱的波谷。在(3)处，水滴收集在波谷中并且聚结成滴落物。在(4)处，压降使聚结的滴落物通过褶皱顶端中的开孔80。在(5)处，滴落物(如果存在)通过层82释放。在(6)处，聚结水滴落物沉下去和/或被带到下游到达第二级14的外部非褶皱的柱体54，其此，水滴落物被分离并排出。
图7和表2提供第二或内部分离级14的示例性配置。第二级14用于从流体分离聚结水滴落物并且去除流体中小的固体污染物。第二级14包括外部非褶皱的柱体54，柱体54与内部多层褶皱的柱体56的外部褶皱顶端紧密接触。
如图2所示，非褶皱的柱体54和褶皱的柱体56的轴向长度L2大致相同，其中，各柱体的端部以防止未过滤的流体从介质周围绕过的方式埋设到端盖26、28中，或者由诸如聚氨酯等粘接剂封装，或者以其它方式附着到端盖。
表2列出的介质组合、材料和性能仅是示例性的，并且反应了发明人在提交本申请时认为在使用ULSD或生物柴油而运行的高压共轨柴油燃料系统方面将提供足够的性能结果的组合、材料和性能。进一步的研究可能将揭示对于使用ULSD或生物柴油而运行的高压共轨柴油燃料系统以及对于其它类型的系统的其它类型的燃料比表2中列出的更合适的介质组合、材料和材料性能。
因此，虽然表2列出诸如聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的各种具体的热塑性材料，但是介质层不限于这些具体的热塑性材料。可以使用其它热塑性材料。此外，介质层不限于热塑性材料。包括、但不限于热固性塑料的其它聚合物材料可以用于介质层。
Figure BPA00001657193000101
*A层的公称平均纤维直径在此时被认为与功能性无关
在图7和上面的表2示出的示例中，第二级包括至少五层。层A(即，非褶皱的柱体54)起从燃料分离聚结水滴落物的作用。层A可以是例如管形式的编织聚合物网，其排斥聚结水滴落物并允许它们从表面自由地排出。层A位于内部多层褶皱的柱体56的外部褶皱顶端90的外部并且与之紧密接触。发明人目前相信层A的网孔对于ULSD和生物柴油应用应当小于100μm，优选地小于50μm。然而，进一步的研究可能揭示其它合适的网孔尺寸。
褶皱的层(层B-E，即褶皱的柱体56)起捕获未被上游的层去除的固体污染物和滴落物的作用。这些褶皱的层的第一层，图7和表2中的层B和C是用于减小压降的过渡层，提供进一步去除滴落物和滴的效果，减小固体在随后的纳米纤维过滤层、即层D的收集。层B和C具有与外部级12中的层1和2相似的性能。层B还便于制造和加工。
下一褶皱的层，层D对小颗粒，4μm(c)以及更小起更高效果过滤器的作用。对于高压供轨应用，对于4μm大小的颗粒的非常高的去除效率需要保护燃料喷射器。层D上游的层主要起去除和分离水滴的作用。层D起保护诸如高压共轨燃料喷射系统的下游系统免受小固体的影响的作用。层D还去除可能已经通过前面的层的滴。优选地，层D比外部级12或内部级14的其它层中的任何层都紧密，在一个示例性实施方式中包括具有直径小于1μm的纤维的热塑性纳米过滤介质。最小程度地，层D应当与外部级12的层4一样紧密。
最后一层，即层E起在不明显增加压降的情况下为前面的层提供支持的功能。层E是较开放的介质，其具有足够的强度和刚性，以在使用条件下支撑内部级14的上游层，并且增强内部级14的介质的可处理性。
上面的表1和2的示例列出由具体的热塑性材料制成的各种介质层。端盖和支撑结构70也描述为由热塑性材料制成。然而，如果一些组分是非热塑性是，但是由其它聚合物材料制成，或者在些情况下由非聚合物材料制成，则可以获得本发明的过滤器的性能优点。例如，外部级12和/或内部级14的一层或多层介质层可以由其热塑性材料之外的聚合物材料制成。在另一实施方式中，端盖可以由热塑性材料之外的材料制成，例如由金属或诸如热固性塑料的其它聚合物材料制成。另外，支撑结构70可以由除热塑性材料之外的材料制成，例如由其它聚合物材料、金属或现有技术中已知的其它材料制成。
可以用于本发明的过滤器的各种元件的合适的聚合物材料可以包括、但是不限于聚酰胺材料、聚亚烷基对苯二甲酸材料(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯材料或聚对笨二甲酸丁二酯材料)、其它聚酯材料、卤烃材料(例如，商标的乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE))和聚氨酯材料。
褶皱的介质50和褶皱的介质56可以使用在现有技术中已知的任何合适技术制成，包括、但不限于熔喷两种不同的介质层(一层位于另一层的顶部)，通过湿法造布工艺、电纺、电喷、熔纺、超声波结合、共褶皱，或将两个或更多个不同层化学或物理地结合在，或使用其他技术或技术组合。
本发明可以以其它形式实施，而不脱离本发明的精神或新颖特性。在本申请中公开的实施方式在所有方面应当被认为是说明性的，而非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求书、而非由前述说明指明，期望在权利要求书的等同的精神和范围内的所有改变包含于此。

Claims (39)

1.一种二级流体过滤器，包括：
外部聚结器级，其围绕内部分离器级并且在所述外部聚结器级与所述内部分离器级之间存在间隙，所述外部聚结器级包括被配置以聚结流体中的水的聚合物介质的褶皱的柱体，所述聚合物介质的褶皱的柱体具有褶皱波谷和下游的褶皱顶端，以及位于所述下游的褶皱顶端处或附近的释放位；
所述外部聚结器级的聚合物介质的褶皱的柱体具有固定到端盖的两相反端；
所述内部分离器级，其包括包围聚合物介质的多级褶皱的柱体的聚合物介质的非褶皱的柱体，所述内部分离器级被配置以从所述流体分离聚结水并且从所述流体去除小的固体污染物；以及
所述内部分离器级的所述聚合物介质的非褶皱的柱体和所述聚合物介质的多级褶皱的柱体均具有固定到端盖的两相反端。
2.根据权利要求1所述的二级流体过滤器，其中，所述流体是燃料，所述外部聚结器级和所述内部分离器经被配置以带燃料运作。
3.根据权利要求1所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级包括包含聚合物非编织物的第一层，所述聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约0.1至1.0μm之间、平均孔径小于约8.0μm、最大孔径在约5.0至15.0μm之间、渗透性在约5至20cfm之间、厚度在约0.1至0.25mm之间，并且基重大于约20gsm。
4.根据权利要求3所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级可选地包括位于所述第一层的上游的下述层的一层或多层：
第二层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约10μm并且基重大于约40±10gsm；
第三层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约1.0至4.0μm之间并且基重为约27±5gsm；
第四层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约1.0至5.0μm之间并且基重为约33±5gsm；
并且所述外部聚结器级包括位于所述第一层的下游的下述层的至少一层或多层：
第五层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约40.0μm并且基重为约198±20gsm；
第六层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约20.0μm并且基重为约100±20gsm。
5.根据权利要求4所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级包括：
所述第一、第二、第三、第四、第五和第六层；
所述第一和第六层和可选的所述第五层；或者
所述第一、第四和第六层和可选的所述第五层。
6.根据权利要求4所述的二级流体过滤器，其中，所述第一、第二、第三、第四、第五和第六层的聚合物非编织物包括热塑性材料。
7.根据权利要求6所述的二级流体过滤器，其中，所述第一层的热塑性材料包括聚酰胺；所述第二、第三、第四、第五和第六层的热塑性材料包括聚酯。
8.根据权利要求4所述的二级流体过滤器，其中，所述第六层是非褶皱的，所述第一、第二、第三、第四和第五层制成所述褶皱的柱体，所述第六层被配置以对所述褶皱的柱体提供支撑，使得支撑结构未与所述第六层接合。
9.根据权利要求1所述的二级流体过滤器，其中，所述内部分离器级包括：
第一层，其包括基重为约37±10gsm的聚合物编织筛板；以及
第二层，其位于所述第一层的下游，包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约0.1至0.8μm之间并且基重大于约20gsm。
10.根据权利要求9所述的二级流体过滤器，其中，所述内部分离器级还包括：
第三层，其包括位于所述第一层和所述第二层之间的聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约10μm并且基重为约48±10gsm；
第四层，其包括位于所述第三层和所述第二层之间的聚合物非编织物，该聚物合非编织物的公称平均纤维直径在约1.0至5.0μm之间并且基重为约38±10gsm；
第五层，其包括位于所述第二层的下游的聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约40.0μm并且基重为约198±20gsm。
11.根据权利要求10所述的二级流体过滤器，其中，所述第一层的所述聚合物编织筛板和所述第二、第三、第四和第五层的所述聚合物非编织物包括热塑性材料。
12.根据权利要求11所述的二级流体过滤器，其中，所述第一和第五层的所述热塑性材料包括聚酯；所述第二层的所述热塑性材料包括聚酰胺；所述第二和第三层的所述热塑性材料包括聚酯。
13.根据权利要求6所述的二级流体过滤器，其中，所述第一层是所述聚合物材料的非褶皱的柱体，所述第二、第三、第四和第五层制成所述多层褶皱的柱体。
14.根据权利要求1所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级的所述褶皱的柱体包括下述之一：
在从上游到下游的方向上，三层聚合物纤维的过滤介质，一层聚合物纳米纤维介质和一层聚合物纤维的介质；
在从上游到下游的方向上，一层聚合物纳米纤维介质和可选的一层聚合物纤维的介质；或者
在从上游到下游的方向上，一层聚合物纤维的过滤介质，一层聚合物纳米纤维介质和可选的一层聚合物纤维的介质。
15.根据权利要求14所述的二级流体过滤器，其中，所述聚合物介质包括热塑性介质。
16.根据权利要求14所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级还包括位于所述褶皱的柱体下游的非褶皱的柱体，所述外部过滤器级的所述非褶皱的柱体包括一层聚合物纤维的介质。
17.根据权利要求16所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级的非褶皱的柱体的聚合物介质包括热塑性介质。
18.根据权利要求1所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级在从上游到下游的方向上包括：
第一层，其被配置以用作预过滤器，减小跨越外部聚结器级的压降；
第二层，其被配置以捕获小的乳化水滴；
第三层，其被配置以减小所述流体速度；
第四层，其被配置以捕获未被第一、第二和第三层捕获的水滴；以及
第五层，其被配置以减小流体速度。
19.根据权利要求18所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级还包括第六层，其被配置以提供聚结水滴落物用的释放位。
20.根据权利要求18所述的二级流体过滤器，其中，所述内部分离器级在从上游到下游的方向上包括：
所述聚合物介质的非褶皱的柱体，其被配置以从所述流体分离聚结水；以及
所述聚合物介质的多层褶皱的柱体包括：均被配置以降低压降的褶皱的第一层和褶皱的第二层；被配置以用作小颗粒用的高效过滤器的褶皱的第三层；以及被配置以支撑所述聚合物介质的所述非褶皱的柱体以及所述褶皱的第一、第二、第三和第四层的褶皱的第四层。
21.根据权利要求1所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级包括与所述下游的褶皱顶端邻近的聚合物介质的非褶皱的柱体，或者所述下游的褶皱顶端包括制成于其中的开孔。
22.根据权利要求21所述的二级流体过滤器，还包括放置在所述外部聚结器级的所述下游的褶皱顶端和所述聚合物介质的非褶皱的柱体之间的支撑结构，或者所述外部聚结器级的所述聚合物介质的非褶皱的柱体放置在所述下游的褶皱顶端和所述支撑结构之间。
23.根据权利要求21所述的二级流体过滤器，其中，所述外部聚结器级的所述聚合物介质的非褶皱的柱体包括热塑性材料。
24.一种二级流体过滤器，包括：
第一级，其与第二级分离，位于所述第二级的上游并且在所述第一级与所述第二级之间具有间隙；
所述第一级包括：被配置以聚结流体中的水的褶皱的聚合物介质，所述褶皱的聚合物介质具有褶皱波谷和下游的褶皱顶端；位于所述褶皱的聚合物介质下游的非褶皱的聚合物介质；以及位于所述下游的褶皱顶端处或与之邻近的释放位；以及
包括多层褶皱的聚合物介质和位于所述多层褶皱的聚合物介质的上游的非褶皱的聚合物介质的第二级，所述第二级被配置以从所述流体分离聚结水以及从所述流体去除小的固体污染物。
25.根据权利要求24所述的二级流体过滤器，其中，所述第一级和所述第二级的所述聚合物介质的包括热塑性材料。
26.根据权利要求24所述的二级流体过滤器，还包括放置在所述第一级的所述下游的褶皱顶端和所述非褶皱的聚合物介质之间的支撑结构，或者所述第一级的所述非褶皱的聚合物介质放置在所述褶皱顶端和所述支撑结构之间。
27.一种聚结流体的过滤器，其包括：
被配置以聚结流体中的水的聚合物介质的褶皱的柱体，所述聚合物介质的褶皱的柱体具有：褶皱波谷和下游的褶皱顶端；以及位于所述下游的褶皱顶端处或与之邻近的释放位；
所述褶皱的柱体包括聚合物纳米纤维的非编织的介质的第一层；
位于所述褶皱的柱体的下游并且与所述下游的褶皱顶端邻近的聚合物介质的非褶皱的柱体；以及
所述褶皱的柱体和所述非褶皱的柱体具是固定到端盖的两相反端。
28.根据权利要求27所述的聚结流体的过滤器，还包括放置在所述下游的褶皱顶端和所述非褶皱的柱体之间的支撑结构，或者所述非褶皱的柱体放置在所述下游的褶皱顶端和所述支撑结构之间。
29.根据权利要求27所述的聚结流体的过滤器，其中，所述褶皱的柱体包括下述之一：
在从上游到下游的方向上，三层聚合物纤维的过滤介质，一层聚合物纳米纤维的非编织介质和一层聚合物纤维的介质；
在从上游到下游的方向上，一层聚合物纳米纤维的非编织的介质和可选的一层聚合物纤维的介质；或者
在从上游到下游的方向上，一层聚合物纤维的过滤介质，一层聚合纳米纤维的非编织的介质和可选的一层聚合物纤维的介质；并且
所述非褶皱的柱体包括一层聚合物纤维的介质。
30.根据权利要求27所述的聚结流体的过滤器，其中，所述褶皱的柱体在从上游到下游的方向上包括：
第一层，其被配置以用作预过滤器，减小跨越外部聚结器级的压降；
第二层，其被配置以捕获小的乳化水滴；
第三层，其被配置以减小所述流体速度；
所述聚合物纳米纤维的非编织的介质的层；以及
第五层，其被配置以减小流体速度。
31.根据权利要求27所述的聚结流体的过滤器，其中，所述聚合物纳米纤维的非编织的介质的第一层的公称平均纤维直径在约0.1至1.0μm之间、平均孔径小于约8.0μm、最大孔径在约5.0至15.0μm之间、渗透性在约5至20cfm之间、厚度在约0.1至0.25mm之间，并且基重大于约20gsm；并且
所述褶皱的柱体可选地包括位于所述第一层上游的下述层中的一层或多层：
第二层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约10μm并且基重大于约40±10gsm；
第三层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约1.0至4.0μm之间并且基重为约27±5gsm；
第四层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约1.0至5.0μm之间并且基重为约33±5gsm；
并且所述褶皱的柱体包括位于所述第一层下游的下述层：
第五层，其包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约40.0μm并且基重为约198±20gsm；以及
所述聚合物介质的非褶皱的柱体包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约20.0μm并且基重为约100±20gsm。
32.根据权利要求31所述的聚结流体的过滤器，其中，所述第一、第二、第三、第四和第五层的所述聚合物非编织物以及所述聚合物介质的非褶皱的柱体的所述聚合物非编织物包括热塑性材料。
33.根据权利要求32所述的聚结流体的过滤器，其中，所述第一层的所述热塑性材料包括聚酰胺；所述第二、第三、第四、第五和第六层的所述热塑性材料包括聚酯。
34.一种分离流体的过滤器，其包括：
聚合物介质的非褶皱的柱体；
位于所述非褶皱的柱体的下游并且由所述非褶皱的柱体包围的聚合物介质的多层褶皱的柱体，所述多层褶皱的柱体包括与所述非褶皱的柱体的内部面接合的上游的褶皱顶端；并且
所述非褶皱的柱体和所述多层褶皱的柱体被配置以从流体分离聚结水以及从所述流体去除小的固体污染物。
35.根据权利要求34所述的分离流体的过滤器，其中，所述非褶皱的柱体包括基重为约37±10gsm的聚合物编织筛板；并且
所述多层褶皱的柱体包括位于所述非褶皱的柱体下游的第一层，该第一层包括聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约0.1至0.8μm之间并且基重大于约20gsm。
36.根据权利要求35所述的分离流体的过滤器，其中，所述多层褶皱的柱体还包括：
第二层，其包括位于所述非褶皱的柱体和所述第一层之间的聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约10μm并且基重为约48±10gsm；
第三层，其包括位于所述第二层和所述第一层之间的聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径在约1.0至5.0μm之间并且基重为约38±10gsm；以及
第四层，其包括所述第一层下游的聚合物非编织物，该聚合物非编织物的公称平均纤维直径大于约40.0μm并且基重为约198±20gsm。
37.根据权利要求36所述的分离流体的过滤器，其中，所述聚合物编织筛板和所述聚合物非编织物包括热塑性材料。
38.根据权利要求37所述的分离流体的过滤器，其中，所述编织筛板和所述第四层的所述热塑性材料包括聚酯；所述第一层的所述热塑性材料包括聚酰胺；所述第二和第三层的所述热塑性材料包括聚酯。
39.根据权利要求34所述的分离流体的过滤器，其中，所述聚合物介质的非褶皱的柱体被配置以从所述流体分离聚结水；并且
所述聚合物介质的多层褶皱的柱体包括：均被配置以降低压降的褶皱的第一层和褶皱的第二层；被配置以用作小颗粒用的高效过滤器的褶皱的第三层；以及被配置以支撑所述聚合物介质的所述非褶皱的柱体以及所述褶皱的第一、第二、第三和第四层的褶皱的第四层。
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