CN105381650B - 过滤介质包，过滤元件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有多层单面介质的过滤介质包。单面介质层包括槽纹片材，表面片材，和多个槽纹，其中所述多个槽纹在槽纹片材和表面片材之间延伸并且具有从过滤介质包的第一面延伸到过滤介质包的第二面的槽纹长度。第一部分的多个槽纹阻止未经过滤的流体流入第一部分的多个槽纹，而第二部分的多个槽纹阻止未经过滤的流体流出第二部分的多个槽纹，使得进入介质包的第一面或第二面中的一个面并从介质包的第一面或第二面中的另一个面流出的流体穿过介质，以实现流体的过滤。过滤介质包与常用的z‑介质包相比可以具有增大的过滤介质。增大可用于过滤的过滤介质量的技术包括增大槽纹密度，减少掩蔽，调节槽纹宽高比，增大槽纹密度，调节槽纹形状，和减小塞长度。本发明还提供了提高性能同时减小初始压力降的技术。本发明提供了包含过滤介质包的过滤元件，并且所述过滤元件包括围绕过滤介质包的周边延伸的密封件。本发明还提供了用于制造过滤介质包的方法和使用过滤介质包的方法。

Description

过滤介质包，过滤元件和方法
相关申请的交叉引用
本申请是申请日为2008年6月26日的PCT国际专利申请，对于除美国之外的所有指定国以美国公司Donaldson Company,Inc.为申请人，仅对于以美国为指定国时以美国公民Gary J.Rocklitz、Ming Ouyang，和印度公民Anitha M.Mathew申请人，并且要求2007年6月26日向美国专利商标局提交的美国临时专利申请号60/937,162的优先权。美国临时专利申请号60/937,162的完整公开内容在此被结合入本文引用。
技术领域
本发明涉及一种可用于过滤流体的过滤介质包和过滤元件。本发明另外还涉及制造和使用过滤介质包的方法。
背景技术
流体流(例如空气和液体)中携带有杂质。在很多情况下，需要从流体流中过滤某些或全部杂质。例如，至机动车辆或发电设备的发动机的空气流，至燃气涡轮系统的气流，和至各种燃烧炉的空气流，其中都携带有应当被过滤的颗粒物杂质。另外，发动机润滑系统、液压系统、冷却系统或燃料系统中的液体流，可能携带有应当被过滤的杂质。对于这些系统，优选从流体中除去选定的杂质(或使其含量在流体中降低)。已经开发出用于减少杂质的多种流体过滤器(空气或液体过滤器)结构。不过，总体来说仍在寻求进一步的改进。
Z-介质一般是指一种类型的槽纹过滤介质元件，其中流体进入介质元件的第一面上的槽纹并从介质元件的第二表面上的槽纹流出。一般，Z-介质上的所述面设置在介质的相对端。流体通过一个面上的开口槽纹进入，并且通过另一面上的开口槽纹流出。在第一面和第二面之间的某个点，流体从一个槽纹进入另一槽纹，以实现过滤。
早期形式的Z-介质通常是指波纹状介质，这是因为介质的特征来自于波纹状箱纸板行业。不过，波纹状箱纸板一般被设计用于承载负荷。因此，槽形设计可以偏离波纹状箱纸板行业的标准和尺寸进行改进，以具有改进的介质性能。
不同的公开出版物已经对z-介质中的槽纹的形式提出了修改。例如，美国专利号5,562,825描述了波纹型式，示出了采用有些半圆形(截面)的入口槽纹靠近窄的V-形(具有弯曲侧)出口槽纹(见美国专利号5,562,825的图1和3)。在Matsumoto等人的美国专利号5,049,326中，示出了由具有半管的一种片材连接至具有半管的另一种片材所限定的圆形(截面)或管状槽纹，在所形成的平行的直槽纹之间具有扁平区域。见美国专利号5,049,326的图2。在Ishii等人的美国专利号4,925,561(图1)中，示出了槽纹被折叠以具有矩形截面，其中槽纹沿着它们的长度方向成锥形。在WO 97/40918(图1)中，示出了槽纹或平行的波纹，其具有弯曲的波型(由相邻的弯曲凸起和凹入的波谷构成)，但是其沿着它们的长度成锥形(并因此不是直的)。另外，在WO 97/40918中，示出了具有弯曲的波型但具有不同尺寸的波峰和波谷的槽纹。
发明内容
根据本发明提供了一种过滤介质包。过滤介质包包括多个单面介质层。单面介质层包括槽纹片材，表面片材，和多个槽纹，其中所述槽纹在槽纹片材和表面片材之间延伸并且具有从过滤介质包的第一面延伸到过滤介质包的第二面的槽纹长度。过滤介质包包括第一部分的槽纹，它们阻止未经过滤的流体流入第一部分的槽纹；和，第二部分的槽纹，它们阻止未经过滤的流体流出第二部分的槽纹，从而使进入介质包的第一面或第二面中的一个面并从介质包的第一面或第二面中的另一个面流出的流体通过介质，以实现流体的过滤。如果需要，过滤介质包可被表征为z-介质包，并且可以被设置为具有入口槽纹和出口槽纹，从而使未经过滤的流体经由入口槽纹流入介质包并且经由出口槽纹流出介质包。不过，应当理解，介质包的槽纹不需要被表征为入口槽纹和出口槽纹。
通过从若干种设计标准中进行选择，可以改变或改动过滤介质包的性能。术语“性能”一般是指增加的使用寿命、增大的载荷能力、减小的压力降、增大的流量、减小的尺寸或体积等等中的至少一种。例如，过滤介质包可被设计用于一具体应用，以便与某些现有的z-介质包相比具有增强的性能。增强性能可以通过，例如，控制掩蔽、槽纹宽高比、槽纹长度、槽纹密度、槽纹形状、减小塞长度、槽纹锥度、和槽纹空间不对称中的一个或多个获得。这些技术的任一个可以单独使用或组合使用，以便提供具有希望特性的过滤介质包。
申请人已经发现，当控制介质包的其它设计特征时过滤介质包的性能改进的程度会提高。例如，相对于例如标准B槽纹介质的标准介质包，通过调整单个设计标准例如掩蔽、槽纹宽高比、槽纹长度、槽纹密度、槽纹形状、塞长度、槽纹锥度、和槽纹空间不对称性，可以改进介质包的性能。此外，申请人已经发现，由于控制额外的设计标准，可以获得增强的性能。
在一个实施例中，可以控制过滤介质包，使其具有多个槽纹，所述槽纹具有小于5英寸的平均槽纹长度，并且可以控制使得过滤介质包根据下述公式得出的槽纹密度(ρ)为至少35.0槽纹/英寸2：
其中，通道的数量是计数得出的，而介质截面积是测量得出的。此外，过滤介质包可以表现出下述的至少一种：
(i)第一部分的多个槽纹或第二部分的多个槽纹中至少之一由于塞而被闭合，所述塞的平均塞长度为小于7mm；
(ii)槽纹宽高比为大于2.5；或
(iii)槽纹宽高比为小于0.4。
在过滤介质包的另一实施例中，过滤介质包可被设定为具有至少35.0槽纹/英寸2的槽纹密度，并且可具有不对称空间结构，以便在介质包一侧的空间比介质包另一侧的空间大至少10％。
在过滤介质包的另一替换性实施例中，过滤介质包可具有的平均槽纹长度为大于约4英寸，槽纹宽高比为大于2.5或小于0.4，以及不对称空间结构，从而介质包一侧的空间比介质包另一侧的空间大至少10％。
在本发明的另一替换性过滤介质包中，过滤介质包可以具有的平均槽纹长度为大于约8英寸，槽纹宽高比为大于2.5或槽纹宽高比为小于0.4，和非不对称空间结构，从而介质包一侧的空间大于介质包另一侧的空间不超过至少10％。
过滤介质包的性能可通过控制槽纹的形状加以改进。例如，槽纹介质可以具有单个脊，它沿相邻波峰之间的槽纹的至少一部分延伸。该槽纹形状可被称为“低接触(lowcontact)”。槽纹片材可以包括两个脊，沿相邻波峰之间的槽纹长度的至少一部分延伸。该槽纹形状可被称为“零应变”或“Y”形。槽纹片材可被构造成具有重复型式的一个、两个或多个脊，沿内波峰和外波峰之间的槽纹长度的至少50％延伸。重复型式可以设在所有的相邻波峰之间或小于所有重复波峰的某些重复型式之间，例如每隔一个重复的波峰之间，每隔两个重复的波峰之间，每隔三个重复的波峰之间等。槽纹介质的部分不需要包括在相邻波峰之间延伸的脊。
可提供包括过滤介质包的过滤元件。过滤元件包括密封件，所述密封件围绕介质包的外周延伸。密封件可包括密封表面，它被构造成沿径向延伸方向与外壳表面接合，以提供密封。另外，密封件可包括密封表面，它被构造成沿轴向延伸方向与外壳表面接合，以提供密封。密封件可以直接连接至介质包或间接(经由其它结构，例如密封支撑)连接至介质包。
本发明提供了制造过滤介质包的方法。所述方法可包括层叠或卷绕多层单面介质，以形成过滤介质包。
本发明还提供了过滤流体的方法。所述方法可包括使流体流入过滤介质包的第一面或第二面中的一个，并且从过滤介质包的第一面或第二面中的另一个重新获得流体。
可以由过滤介质包过滤的流体包括气态物质和液态物质。可以被过滤的示例性气态物质包括空气。可以被过滤的示例性液态物质包括水、油、燃料和液压流体。
附图说明
图1是现有技术的示例性z-过滤介质的局部示意性透视图。
图2是图1所示现有技术的介质的一部分的放大示意性剖视图。
图3是不同波纹状介质定义的示意图。
图4a-c是介质的一部分的放大示意性剖视图，示出了宽高比。
图5a-c是本发明的介质的一部分的放大示意性剖视图。
图6是照片，它示出了图5a所示卷绕过滤介质的端视图。
图7是照片，它示出了载有灰尘的图6所示过滤介质的透视图，其中槽纹片材的一部分被剥落以露出尘饼。
图8是图5b所示介质的锥形槽纹片材的透视图。
图9a和9b是图5b和5c所示锥形介质的剖视图。
图10a和10b是本发明的空间不对称介质的一部分的放大示意性剖视图。
图11是与倒置轮(inverter wheel)接触之后并且与折叠轮(folder wheel)接触以便闭合槽纹之前的槽纹的剖视图。
图12是沿图11的线12-12剖开的槽纹的剖视图。
图13是沿图11的线13-13剖开的槽纹的剖视图。
图14是与折叠轮接触之后的槽纹的剖视图。
图15是沿图14的线15-15剖开的槽纹的剖视图。
图16是沿图14的线16-16剖开的槽纹的剖视图。
图17是沿图14的线17-17剖开的槽纹的剖视图。
图18是图14所示折叠的槽纹的端视图。
图19是示例性空气滤清器的剖视图，所述空气滤清器可包括含有本发明的过滤介质包的过滤元件。
图20是含有本发明的过滤介质包的过滤元件的局部剖视图。
图21是含有本发明的过滤介质包的过滤元件的透视图。
图22是含有本发明的过滤介质包的过滤元件的透视图。
图23是图22所示过滤元件的底部透视图。
图24是图22和23所示过滤元件的传感器板的侧视图。
图25是含有本发明的过滤介质包的过滤器结构的局部剖视图。
图26是滤清器的局部剖视图，所述滤清器具有包含本发明的过滤介质包的过滤元件。
图27是含有本发明的过滤介质包的示例性过滤元件的透视图。
图28是含有本发明的过滤介质包的示例性过滤元件的透视图。
具体实施方式
槽纹过滤介质
槽纹过滤介质可用于以多种方式提供流体过滤结构。一种公知的方式是z-过滤结构。本文所用的术语“z-过滤结构”或“z-过滤介质”是指这样一种过滤元件结构，其中各波纹状的、折叠的、褶皱的、或以其它方式形成的过滤器槽纹被用于限定纵向过滤槽纹，以便流体流过介质；流体沿过滤元件的入口和出口流动端(或流动面)之间的槽纹流动。Z-过滤介质的过滤元件的一些例子披露于美国专利号5,820,646；5,772,883；5,902,364；5,792,247；5,895,574；6,210,469；6,190,432；6,350,296；6,179,890；6,235,195；Des.399,944；Des.428,128；Des.396,098；Des.398,046；和Des.437,401；这十五篇引用文献中的每一篇均在此被结合入本文引用。
可以由过滤介质包过滤的流体包括气态物质和液态物质。可以被过滤的示例性气态物质包括空气。可以被过滤的示例性液态物质包括水、油、燃料、和液压流体。一种由过滤介质包过滤的优选类型的流体包括空气。一般，大多数讨论涉及过滤空气。不过，应当理解，过滤介质包可用于过滤其它气态物质和其它液态物质。
一种类型的z-过滤介质采用两种介质构件结合在一起，以形成介质结构。所述两种构件是：(1)槽纹(例如，波纹状)介质片材；和，(2)表面介质片材。表面介质片材通常是非波纹状的，不过它可以是波纹状的，例如垂直于如公开日为2005年8月25日的国际公开号WO2005/077487所述的槽纹方向，该文献在此被结合入本文作为引用。另外，表面片材可以是槽纹(例如，波纹状)介质片材，并且槽纹或波纹可以与槽纹介质片材对齐或与槽纹介质片材形成角度。尽管表面介质片材可以是槽纹或波纹状的，它也可以设定为非槽纹或非波纹的形式。所述形式可以包括扁平片材。当表面介质片材不是槽纹时，它可被称为非槽纹介质片材或非槽纹片材。
采用两种介质构件结合在一起以形成介质结构的所述类型的z-过滤介质(其中两种构件是槽纹介质片材和表面介质片材)可以被称为“单面介质”或“单表面介质”。在某些z-过滤介质结构中，单面介质(槽纹介质片材和表面介质片材)一起可用于限定具有平行的入口和出口槽纹的介质。在一些情况，槽纹片材和非槽纹片材固定在一起并随后被卷绕以形成z-过滤介质结构。所述结构披露于，例如，美国专利号6,235,195和美国专利号6,179,890，所述每篇文献均在此被结合入本文引用。在某些其它结构中，槽纹介质固定至扁平介质的一些非卷绕部分彼此层叠，以形成过滤结构。所述结构的一个例子披露于美国专利号5,820,646的图11，该文献在此被结合入本文引用。一般，z-过滤介质被卷绕的结构可被称为卷绕结构，而z-过滤介质被层叠的结构可被称为层叠结构。过滤元件可以具有卷绕结构或层叠结构。
通常，槽纹片材/表面片材组合(例如，单面介质)绕其自身卷绕以形成卷绕的介质包是通过使表面片材向外实现的。卷绕的某些技术披露于公开日为2004年9月30日的国际公开号WO 2004/082795，该文献在此被结合入本文引用。其结果是，所形成的卷绕结构一般具有部分的表面片材作为介质包的外表面。如果需要，单面介质可以被卷绕，以便槽纹片材形成介质包的外表面。
本文所使用的表示介质中结构的术语“波纹状”，是指使介质穿过两个波纹辊(即进入两个辊之间的辊隙或辊缝)所形成的槽纹结构，其中每个辊具有适于在所形成的介质上产生波纹效果的表面特征。术语“波纹”不是指通过不涉及介质进入波纹辊之间的辊缝的技术所形成的槽纹。不过，术语“波纹状”适用于即使介质在波纹成型之后被进一步改进或变形的情况，例如通过披露于公开日为2004年1月22日的PCTWO 04/007054所述的折叠技术，该文献在此被结合入本文作为引用。
波纹状(波纹)介质是槽纹介质的特定形式。槽纹介质是各槽纹(例如，通过波纹成型或折叠或褶皱而形成)延伸通过其间的的介质。槽纹介质可以通过能够提供希望槽纹形状的任意技术来制备。波纹成型可以是形成具有特定尺寸的槽纹的有用技术。当需要增大槽纹的高度(高度是波峰之间的高程(高度))时，波纹成型技术可能不太实际，而可能需要折叠或使介质褶皱。一般，介质的褶皱可通过折叠介质而实现。一般，通过打褶(使介质褶皱)而形成槽纹可被称作微打褶。折叠介质以便提供褶皱的示例性技术包括刻划(scoring)和利用压力以产生折叠。
采用z-过滤介质的过滤元件或过滤器滤芯结构有时被称为“直通流动结构”或其变化形式。一般，在本文中表示，可维修的过滤元件一般具有入口流端(或面)和出口流端(或面)，其中流入和流出过滤器滤芯大体沿相同的直通方向。术语“直通流动结构”在本定义中，忽略那些通过表面介质的最外面卷绕层离开介质包的空气流。在一些情况，入口流端和出口流端的每一个大体可以是扁平或平面的，并且两者彼此平行。不过，由此产生的变形，例如非平面的表面，在某些应用中也是可行的。另外，入口流面和相对的出口流面的特征并不要求入口流面和出口流面是平行的。如果需要，入口流面和出口流面可以彼此平行。另外，入口流面和出口流面可以彼此成一角度，从而所述面不平行。此外，非平面的表面可被视为非平行的表面。
直通流动结构，例如，不同于美国专利号6,039,778中所示的圆柱形褶皱过滤器滤芯类型，该该类型中，流体在穿过可维修的滤芯时一般发生实质转向。就是说，在美国专利号6,039,778的过滤器中，在顺流系统，流体通过圆柱形侧面进入圆柱形过滤器滤芯，并随后转向通过端面流出。在逆流系统中，流体通过端面进入可维修的圆柱形过滤器滤芯，并随后转向通过圆柱形过滤器滤芯的侧面流出。所述逆流系统的例子在美国专利号5,613,992中示出。
过滤元件或过滤器滤芯可被称为可维修的过滤元件或过滤器滤芯。本文中的术语“可维修的”是指，含有介质的过滤器滤芯从相应的空气滤清器中周期性地取出并更换。包括可维修的过滤元件或过滤器滤芯的空气滤清器被构造成能够实现过滤元件或过滤器滤芯的取出和更换。一般，空气滤清器可以包括外壳和检修盖，其中检修盖用于取出已使用(用尽)的过滤元件并插入新的或清洁的(修复后的)过滤元件。
本文中所用的术语“z-过滤介质结构”及其变型是指下述结构的任一种或全部：包含槽纹介质片材和表面介质片材的单面介质，其具有适当的闭合以抑制空气流在不经过过滤介质进行过滤的情况下从一个流动面到达另一个流动面；和/或，单面介质卷绕或层叠或以其它方式构造或形成为三维网络的槽纹；和/或，包括单面介质的过滤结构；和/或，槽纹介质构造或形成(例如，通过折叠或打褶)为三维网络的槽纹。一般，希望具有适当的槽纹闭合结构，以阻止流入介质一侧(或面)的未过滤空气从介质的另一侧(或面)流出，作为已过滤空气流的部分离开介质。在很多结构中，z-过滤介质结构被构造用于形成入口和出口槽纹的网络，入口槽纹在邻近入口面的区域开口并且在邻近出口面的区域闭合；而出口槽纹在邻近入口面处闭合并且在邻近出口面处开口。不过，其它的z-过滤介质结构也是可行的，参见例如2006年5月4日公开的Baldwin Filters,Inc.的美国专利公开号2006/0091084A1，它也包括在相对的流动面之间延伸的槽纹，其具有密封结构以防止未经过滤的空气流过介质包。在本发明的很多z-过滤结构中，可利用粘合剂或密封剂来闭合槽纹并提供适当的密封结构以阻止未过滤的空气从介质的一侧流向介质的另一侧。塞、介质的折叠、或介质的压挤(压紧)可用作闭合槽纹的技术，以阻止未过滤的空气从介质的一侧(面)流向介质的另一侧(面)。
另一z-过滤结构可通过采用槽纹介质片材实现。例如，槽纹介质片材可被折叠，以便在入口流面和出口流面形成闭合。这种类型的结构的例子可参见，例如AAF-McQuay Inc.的US 2006/0151383和Fleetguard,Inc.的WO 2006/132717，描述了槽纹介质具有折叠或弯曲处垂直于槽纹方向，以密封槽纹的端部。
参见图1，示出了可用作z-过滤介质的示例性类型的介质1。尽管介质1代表现有技术的介质，描述介质1所用的很多术语也可以描述本发明的介质的部分。介质1由槽纹(在本示例中为波纹状)片材3和表面片材4形成。一般，槽纹波纹状片材3的类型在本文中一般被表征为具有规则的、弯曲的波型的槽纹或波纹7。在本文中，术语“波型”是指由交替的波谷7b和波峰7a构成的槽纹或波纹型式。在本文中，术语“规则的”是指成对的波谷和波峰(7b，7a)以大体相同的重复波纹(或槽纹)形状和大小交替。(另外，在规则的结构中，每个波谷7b基本上是每个波峰7b的倒置。)因此，术语“规则的”表示，波纹(或槽纹)型式包括波谷和波峰，每一对(包括相邻的波谷和波峰)重复，波纹沿槽纹长度的至少70％在尺寸和形状上没有显著的改变。本文中的术语“显著的(实质)”是指，由于形成波纹或槽纹片材所用的工艺或形成方式上的变化而导致的改变，而不是由于形成槽纹片材3的介质片材是柔性的这一事实而造成的微小变化。关于重复型式的表征，并不表示在任意给定的过滤结构中，必须存在相同数目的波峰和波谷。例如，介质1可以止于一对波峰和波谷之间，或者部分沿一对波峰和波谷。(例如，在图1中，以局部图示出的介质2具有8个完整的波峰7a和7个完整的波谷7b)。另外，相对的槽纹端(波谷和波峰端)可以彼此不同。所述端部的变化在上述定义中可以忽略，除非特别说明。也就是说，槽纹端的变化被上述定义覆盖。
在槽纹过滤介质的上下文中，并且尤其是示例性介质1中，波谷7b和波峰7a可被表征为峰。也就是说，波峰7a的最高点可被表征为峰，并且波谷7b的最低点可被表征为峰。槽纹片材3和表面片材4的组合可被称为单面介质5。在波谷7b处形成的峰可被称为内峰，因为它们面向单面介质5的表面片材3。在波峰7a处形成的峰可被表征为外峰，因为它们背对形成单面介质5的表面片材3。对于单面介质5，槽纹片材3包括面向表面片材4的重复的内峰7b，和背对表面片材4的重复的外峰7a。
术语“规则的”在用于表征槽纹型式时，并不旨在表征可被认为是“锥形的”介质。一般，锥形是指在沿槽纹的长度方向上槽纹尺寸的减小或增大。一般，锥形的过滤介质可能表现为第一组槽纹从介质的第一端到介质的第二端在尺寸上减小，和第二组槽纹从介质的第一端到介质的第二端在尺寸上增大。一般，锥形的型式不被视为规则的型式。不过，应当理解，z-介质可以包含沿槽纹长度被视为规则的区域和被视为不规则的区域。例如，第一组槽纹沿槽纹长度的一定距离可被视为是规则的，例如四分之一至四分之三的距离，而随后对于槽纹长度的剩余量由于锥形的存在可被认为是不规则的。另一可行的槽纹结构是具有锥形-规则-锥形结构，其中例如，槽纹从第一面至一预定位置呈锥形，随后直至第二预定位置槽纹可被视为是规则的，而随后槽纹成锥形至第二面。另一可替换的结构可具有规则-锥形-规则结构或者规则-锥形结构。不同的可替换结构可根据需要构造。
在z-介质的上下文中，大体有两种类型的“不对称”。一种类型的不对称是指面积不对称，而另一种类型的不对称是指体积(空间)不对称。一般，面积不对称是指在槽纹截面积上不对称，并且可表现为锥形的槽纹。例如，如果在沿槽纹长度方向的一个位置处的槽纹面积不同于沿槽纹长度方向的另一位置处的槽纹面积，则存在面积不对称。由于锥形的槽纹表现为从介质包的第一位置(例如端部)至第二位置(例如端部)在尺寸上减小，或从介质包的第一位置(例如端部)至第二位置(例如端部)在尺寸上增大，存在面积不对称。该不对称是由于锥形所造成的不对称类型，因此具有这种不对称类型的介质可被称为不规则的。另一种不对称类型可被称为体积不对称，并且会在下文进行更详细地说明。体积不对称是指在过滤介质包内不洁侧体积和干净侧体积之间的差异。如果波型是规则的，则表现出体积(空间)不对称的介质可被表征为规则的；如果波型是不规则的，则介质可被表征为不规则的。
可以提供Z-介质，其中通过除设有粘合剂或密封剂的塞子之外的技术使至少部分槽纹闭合以阻止未经过滤的空气通过。例如，槽纹的端部可以被折叠或压紧(压挤)以形成闭合。一种提供规则和一致的折叠型式用于闭合槽纹的技术可被称作针刺(dart)。针刺的槽纹或针刺一般是指槽纹的闭合，其中所述闭合是通过折叠槽纹以形成规则的折叠型式，以使槽纹朝向表面片材被压扁以形成闭合而实现的，而非通过压挤而实现。针刺一般意指一种系统的方式，由于折叠槽纹的部分而闭合槽纹的端部，使得槽纹闭合一般是一致和可控的。例如，美国专利公开号US 2006/0163150 A1公开了一种在槽纹的端部具有针刺结构的槽纹。针刺结构可以具有以下优点，包括例如：用于实现密封所需的密封剂的量减少，在密封的有效性上具有更高的安全性，和在槽纹的针刺端上具有希望的流动型式。Z-介质可以包括具有针刺端的槽纹，并且美国专利公开号US 2006/0163150 A1的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。应当理解，在槽纹端部存在的针刺不会使介质变得不规则。
在表征“弯曲的”波型的上下文中，术语“弯曲”是指这样一种型式，它不是由于使介质具有折叠或折纹形状而造成的，而是每个波峰7a的顶点和每个波谷7b的底部沿径向曲线而形成。尽管其它形式是可行的，但通常所述z-过滤介质的半径为至少0.25mm并且通常不大于3mm。根据上述定义不弯曲的介质也是可用的。例如，可能需要提供一种半径十分尖的峰，从而它不被认为是“弯曲的”。一般，如果半径小于0.25mm，或小于0.20mm，脊(波峰)或底(波谷)可被表征为弯曲的、折叠的、或有折纹的。为了降低掩蔽，可能需要提供一种带有刀口(knife edge)的峰。在峰处设置刀口的能力可能被用于形成介质的设备、介质本身、以及介质所经受的条件所限制。例如，希望不要切割或撕裂介质。因此，如果刀口在介质中导致切割或撕裂，则可能不希望使用刀口来形成所述峰。此外，介质可能太轻或太重，从而不能在没有切割或撕裂的情况下实现充分的不弯曲的峰。此外，在加工期间空气的湿度可被增强，以帮助在形成所述峰时产生更小(紧)半径。
图1所示波纹状片材3的具体规则的、弯曲的波型的另一特征是，在每个波谷7b和每个相邻波峰7a之间大致的中点30，沿槽纹7长度的大部分方向，设置有曲率在此倒置的过渡区域。例如，观察图1中的背侧或面3a，波谷7b是凹入区域，而波峰7a为凸出区域。当然，当朝向前侧或面3b观察时，面3a的波谷7b形成波峰，而面3a的波峰7a形成波谷。在一些情况，区域30可以是直段，而不是点，在段30的端部曲率倒置。当区域30被设为直段时，图1所示的波形，例如，可被表征为“弧线-直线-弧线”波型，这是因为重复型式的波峰7a处的曲线，区域30处的直段，和波谷7b处的曲线。
图1所示具体规则的、弯曲的波型的波纹状片材3的一个特征是，各波纹一般是直的。在这里术语“直的”表示，在边缘8和9之间长度的至少50％，并且优选至少70％(通常为至少80％)，波峰7a和波谷7b的截面基本上不发生变化。涉及图1所示波纹型式的术语“直的”，部分区别于WO 97/40918的图1和2003年6月12日公开的PCT公开号WO 03/47722中所述的波纹介质的锥形槽纹的型式，上述文献在此被结合入本文作为引用。例如，WO 97/40918的图1中的锥形槽纹可以是弯曲的波型，但不是“规则的”型式，或直槽纹型式，如本文所用的术语。
参见图1并如上文所述，介质2具有第一和第二相对的边缘8和9。对于所示的例子，当介质2被卷绕并形成介质包时，一般边缘9会形成介质包的入口端，而边缘8形成出口端，尽管在某些应用中相反的定向是可行的。
在所示的例子中，邻近边缘8设有密封剂，在这里是以密封剂密封边(bead)10的形式，将槽纹片材3和表面片材4密封在一起。密封边10有时被称为“单面”密封边，因为它是在形成单面介质5的波纹片材3和表面片材4之间的密封边。密封剂密封边10密封闭合边缘8附近的各槽纹11，阻止空气从其通过。
在所示的例子中，邻近边缘9设有密封剂，在这里是以密封剂密封边14的形式。密封剂密封边14一般闭合槽纹15，在邻近边缘9处阻止未经过滤的流体从中通过。密封边14通常在介质2绕其自身卷绕时被施加，其中波纹片材3朝向内卷绕。因此，密封边14会在表面片材4的背侧17和槽纹片材3的一侧18之间形成密封。密封边14有时被称为“卷绕密封边”，因为它通常在(介质)条2被卷绕成卷绕的介质包时被施加。如果介质2被切割成条状并且层叠，而非卷绕，则密封边14会被称为“层叠密封边”。
参见图1，一旦介质1例如通过卷绕或层叠的方式被整合成介质包，它将如下作业。首先，沿箭头12所示方向的空气会进入端部9附近的开口槽纹11。由于在端部8被密封边10闭合，空气会沿箭头13所示的方向通过介质。空气随后通过槽纹15的开口端15a(介质包的端部8附近)离开介质包。当然，也可以沿相反方向的空气流执行所述作业。
一般而言，z-过滤介质包可被表征为包括槽纹过滤介质固定至表面过滤介质，并被设置成槽纹在第一和第二流动面之间延伸的介质包。介质包内具有密封剂或密封结构，以确保在第一上游流动面或边缘处进入槽纹的空气不能在不通过介质过滤的情况下从下游流动面或边缘流出介质包。换句话说，z-过滤介质包通常通过密封剂结构或其它结构阻止未经过滤的空气在入口流动面和出口流动面之间通过。所述结构的另一其它特征是，第一部分的槽纹被闭合或密封，以阻止未经过滤的空气流入第一部分的槽纹，而第二部分的槽纹被闭合或密封，以阻止未经过滤的空气从第二部分的槽纹流出；从而进入介质包的第一面或第二面中的一个面并且从介质包的第一面或第二面中的另一面流出的空气穿过介质，以便对空气进行过滤。
对于图1所示的具体结构，平行的波纹7a，7b从边缘8到边缘9大体是直的完全通过介质。直槽纹或波纹可以在选定的位置(尤其在端部)变形或折叠。在上文“规则的”、“弯曲的”和“波型”的定义中一般忽略在槽纹端部以供闭合的变型。
一般，过滤介质是相对柔性的材料，通常为无纺纤维材料(纤维素纤维，合成纤维或两者)，其内经常包括树脂，有时用其它材料处理。因此，它可以被整合或设置成不同槽纹(例如波纹)型式，而没有不可接受的介质损坏。另外，它易于被卷绕或以其它方式设置以供使用，同样没有不可接受的介质损坏。当然，它必须具有这样的特性，使得它在使用过程中会保持需要的槽纹(例如波纹)结构。
在波纹成形或槽纹成形过程中，对介质进行非弹性变形。这能防止介质回到其初始形状。不过，一旦张力被释放，槽纹或波纹会倾向于回弹，只恢复部分已经发生的伸长和弯曲。表面片材有时被固定至槽纹片材，以阻止槽纹(或波纹)片材的这种回弹。
另外，介质可以包含树脂。在波纹成形过程中，介质可被加热至树脂的玻璃转变点之上。当树脂冷却时，它会有助于保持槽纹形状。
槽纹片材3、表面片材4或两者的介质可以在其一面或两面具有细纤维材料，例如按照美国专利号6,955,775，6,673,136，和7,270,693所述，上述文献在此被结合入本文作为引用。一般，细纤维可以是指聚合物细纤维(微纤维和纳米纤维)，并且可以设置在介质上，以改进过滤性能。由于介质上细纤维的存在，可能或希望提供一种介质，它具有减小的重量或厚度，同时获得希望的过滤特性。因此，介质上细纤维的存在可以提供增强的过滤特性，能提供使用更薄的介质，或者两者皆有。被表征为细纤维的纤维可以具有的直径为约0.001微米至约10微米，约0.005微米至约5微米，或约0.01微米至约0.5微米。纳米纤维是指纤维的直径为小于200纳米或0.2微米。微纤维可以表示纤维的直径为大于0.2微米，但不大于10微米。可用于形成细纤维的示例性材料包括聚偏二氯乙烯，聚乙烯醇聚合物和共聚物(包括各种尼龙，例如尼龙6，尼龙4,6，尼龙6,6，尼龙6,10，及其共聚物)，聚氯乙烯，PVDC，聚苯乙烯，聚丙烯腈，PMMA，PVDF，聚酰胺，及其混合物。
仍参见图1，在20处示出固定密封边(tack bead)，它位于槽纹片材3和表面片材4之间，将两者固定在一起。固定密封边20可以是，例如，不连续线的粘合剂。固定密封边也可以是点，其中介质片材焊接在一起。
从上文显而易见，所示的示例性槽纹片材3沿波谷或波峰在两者邻接处通常不是连续地固定至表面片材。因此，空气可以在相邻的入口槽纹之间流动，并且可替换地在相邻的出口槽纹之间流动，而不穿过介质。不过，已通过入口流动面进入槽纹的未过滤空气不能在不穿过至少一个介质片材进行过滤的情况下通过出口流动面离开槽纹。
现在参见图2，其中示出了采用槽纹(在这里是规则的弯曲的波型)片材43和非波纹状的扁平的表面片材44的z-过滤介质结构40。点50和51之间的距离D1限定了在给定槽纹53下方的区域52的扁平介质44的延伸部。点50和51被设定为槽纹片材43的内峰46和48的中心点。此外，点45可被表征为槽纹片材43的外峰49的中心点。距离D1限定介质结构40的周期长度或间隔。长度D2限定在相同距离D1上槽纹53的弓形介质长度，并且由于槽纹53的形状而当然大于D1。对于现有技术中槽纹过滤器应用中所用的通常规则形状的介质，长度D2对D1之比通常在1.2-2.0的范围之内(包括端值)。空气过滤器常用的示例性装置具有一种结构，其中D2为约1.25×D1至约1.35×D1。所述介质，例如，已被商用于DonaldsonPowercoreTM Z-过滤器装置中，所述装置具有规则的弯曲的波型。本文中，比率D2/D1有时会被表征为介质的槽纹/平面比或介质拉伸性(media draw)。
槽纹高度J是从表面片材44到槽纹片材43的最高点的距离。换句话说，槽纹高度J是槽纹片材43的交替峰57和58之间的外部高度差。槽纹高度J考虑了槽纹片材43的厚度。峰57可被称作内峰(所述峰朝向表面片材44)，而峰58可被称作外峰(所述峰背对表面片材44)。尽管距离D1，D2，和J适用于图2所示的特定槽纹介质结构，这些距离也可被应用于其它结构的槽纹介质，其中D1是指槽纹的周期长度或给定槽纹下方的扁平介质的距离，D2是指槽纹介质从较低峰到较低峰的长度，而J是指槽纹高度。
另一种测量方式可被称为线长(cord length)(CL)。线长是指从低(下)峰57的中心点50到上峰58的中心点45的直线距离。介质的厚度以及决定在何处开始或结束具体的距离测量可能影响距离值，因为介质厚度影响距离值。例如，线长(CL)可以具有不同的值，这取决于距离是否是从内峰的底部测量到外峰的底部，或它是否是从内峰的底部测量到外峰的顶部。距离的这种差异是介质厚度如何影响距离测量的一个例子。为了使介质厚度的影响最小化，线长的测量由介质内的中心点确定。线长CL与介质长度D2之间的关系可被表征为介质-线百分比。介质-线百分比可以根据下述公式确定：
在波纹纸板行业中，已经定义了不同标准的槽纹。这包括，例如，标准E槽纹，标准X槽纹，标准B槽纹，标准C槽纹，和标准A槽纹。附图3结合下文表1提供了这些槽纹的定义。
Donaldson Company,Inc.,(DCI)，本发明的受让人，已经在多种z-过滤装置中使用了标准A和标准B槽纹的变形。DCI标准B槽纹可以具有约3.6％的介质-线比。DCI标准A槽纹可以具有约6.3％的介质-线比。各种槽纹也定义在表1和图3中。图2示出了采用标准B槽纹作为槽纹片材43的z-过滤介质结构40。
一般，波纹盒箱行业的标准槽纹结构已被用于定义波纹状介质的波纹形状或大致的波纹形状。过滤介质的改进性能可通过提供能增强过滤的槽纹结构或构造而获得。在波纹盒箱板行业中，选定槽纹的尺寸或波纹的几何形状以提供适于应对载荷的结构。波纹盒箱行业的槽纹几何形状开发出了标准A槽纹或B槽纹结构。尽管所述槽纹结构对于处理(应对)载荷是理想的，通过改变槽纹的几何形状可以增强过滤性能。改进过滤性能的技术包括选择一般而言改进过滤性能的几何形状和结构，以及在选定过滤条件下改进过滤性能的几何形状和结构。可被改变以改进过滤性能的示例性槽纹几何形状和结构包括槽纹掩蔽，槽纹形状，槽纹宽高比，和槽纹不对称性。考虑到槽纹几何形状和结构的多种选择，过滤元件可被设置为鉴于不同的槽纹几何形状和结构而具有希望的过滤元件几何形状和结构，以改进过滤性能。
掩蔽(Masking)
在z-介质的上下文中，掩蔽是指，在槽纹片材和表面片材之间附近的区域，有缺少显著压力差的地方，导致过滤介质在使用时缺少可用的过滤介质。一般，被掩蔽的介质对于显著提高过滤介质的过滤性能是没有用的。因此，希望减少掩蔽，从而增大可用于过滤的过滤介质量，并从而增大过滤介质的容量，增加过滤介质的通过量，降低过滤介质的压力降，或者上述的某些或全部。
在槽纹片材被设置成如图2所示在峰处具有宽半径型式的情况，在槽纹片材与表面片材的接触区域附近存在较大面积的过滤介质，它一般不能用于过滤。可以通过减小峰的半径或槽纹片材与表面片材之间的接触点(例如，设置更尖的接触点)来减小掩蔽。当处于压力作用下时(例如在过滤期间)，掩蔽一般考虑介质的偏离。较大的半径可能导致更多的槽纹介质朝向表面片材偏离并从而增大掩蔽。通过设置更尖的峰或接触点(例如，更小的半径)，能够减小掩蔽。
已经试图减小槽纹片材与表面片材之间的接触半径。例如，参见Winter等人的美国专利号6,953,124。减小半径的例子在图4a中示出，其中槽纹片材70以槽纹片材70中较尖的峰或接触点74和75接触表面片材72和73。弯曲的波型，例如图1所示的弯曲波型，一般提供一种槽纹片材，它在峰处具有的半径为至少0.25mm并且通常不大于3mm。较尖峰或接触点可被表征为峰的半径为小于0.25mm。优选地，较尖峰或接触峰点可被设置具有的半径为小于约0.20mm。此外，通过使峰具有的半径小于约0.15mm，并且优选小于约0.10mm，可以降低掩蔽。峰可被设为没有半径或半径基本上为约0mm。用于使槽纹介质表现出较尖峰或接触点的示例性技术包括：以足以提供较尖边缘的方式冲制、弯曲、折叠、或压折槽纹介质。应当理解，提供尖锐边缘的能力取决于多个因素，包括介质本身的成分，以及用于实现冲制、弯曲、折叠、或压折的工艺设备。一般，提供较尖接触点的能力取决于介质的重量以及介质是否含有抗撕裂或切割的纤维。一般，希望在冲制、弯曲、折叠、或压折的过程中不切割过滤介质。
尽管希望减小峰(内峰或外峰)的半径以减少掩蔽，但也不需要使所有峰都具有减小的半径以减少掩蔽。减少的掩蔽，以及增强的过滤性能，可以通过使至少一些峰(例如，至少约20％的峰)具有较尖的峰或接触点来实现。另外，根据介质的设计，外峰可以具有减小的半径或内峰可以具有减小的半径，或者外峰和内峰均具有减小的半径，以便减少掩蔽。
增大介质的表面积
可以通过增大可用于过滤的过滤介质量来提高过滤性能。减少掩蔽可被视为是一种增大可用于过滤的介质的表面积的技术。
现在参见图4a，槽纹片材70可被视为提供了具有类似于等边三角形的截面的槽纹。由于介质是柔性的，因此可以预见当介质受到压力例如在过滤期间，槽纹片材70可能偏离。此外，图2中的槽纹片材43可被视为具有类似于三角形的槽纹。一般，槽纹类似于等边三角形的槽纹介质与其它槽纹设计相比，一般具有最少量的可用于过滤的介质，其中所述其它槽纹设计中周期长度D1和槽纹高度J彼此相对于另一个，周期长度或间距D1被增大或减小，或槽纹高度J被增大或减小。
现在参见图4b和4c，图4b涉及槽纹片材80在表面片材82和83之间延伸的介质。图4c示出了一种介质，其中槽纹片材90在表面片材92和93之间延伸。所示的槽纹片材80具有比图4a所示槽纹片材70更长的槽纹周期D1。槽纹片材80与图4a所示的介质结构相比，具有相对于槽纹高度J相对更长的周期D1。现在参见图4c，所示的槽纹片材90具有比图4a中的槽纹片材70更短的槽纹周期D1。所示的槽纹片材90与图4a所示的介质结构相比，具有相对于周期D1相对更大的槽纹高度J。
槽纹介质的结构可通过槽纹宽高比表征。槽纹宽高比是槽纹周期长度D1与槽纹高度J之比。槽纹宽高比可以由下面的公式表述：
测得的距离例如槽纹周期长度D1和槽纹高度J可被表征为沿槽纹长度(除各端处槽纹长度的20％之外)的过滤介质的平均值。该距离可以远离槽纹的端部进行测量。通常槽纹的端部具有密封剂或闭合。在槽纹闭合处计算的槽纹宽高比不必然代表实际发生过滤的槽纹部分的槽纹宽高比。因此，槽纹宽高比的测量可以是槽纹长度上的平均值，除去当槽纹在端部处或邻近端部处被闭合时槽纹端部附近的最后20％的槽纹长度之外，以消除槽纹闭合的影响。对于“规则的”介质，可以预见槽纹周期长度D1与槽纹高度J会沿槽纹长度相对恒定。相对恒定表示，槽纹宽高比在槽纹的长度上(除去各端部处槽纹的闭合设计可能影响宽高比的20％的长度之外)的变化在约10％以内。此外，在“不规则的”介质情况，例如，介质具有锥形槽纹，槽纹宽高比在槽纹的长度上可能变化或保持大致相同。通过调节槽纹形状使之远离理论上的等边三角形形状，可以增大在给定空间中可用于过滤的介质量。因此，槽纹宽高比为至少约2.2，至少约2.5，至少约2.7，或至少约3.0的槽纹可以具有增大的可用于过滤的介质的表面积。此外，提供宽高比为小于约0.45，小于约0.40，小于约0.37，或小于约0.33的槽形设计，可以提供增大的可用于过滤的介质面积。一般，理论上具有等边三角形形状的槽纹表示槽纹宽高比为约1.6。
另一种增大可用于过滤的过滤介质量的技术包括增大介质包的槽纹密度。槽纹密度是指过滤介质包中过滤介质的每单位截面积中的槽纹数量。槽纹密度取决于多个因素，包括槽纹高度J，槽纹周期D1，和介质厚度T。槽纹密度可被表征为介质包槽纹密度或单面介质槽纹密度。计算过滤元件的介质包槽纹密度(ρ)的公式为：
过滤元件的槽纹密度可以通过如下方式计算：计数过滤元件的截面积中通道的数量(包括那些开口的通道和那些闭合的通道)，并且除以确定通道数量的位置处过滤元件的截面积的两倍。一般，可以预见槽纹密度贯穿过滤元件的长度从入口流动面到出口流动面会保持相对恒定，反之亦然。应对理解，z-介质横截面是指(卷绕或层叠的)介质的截面积，而不必然指过滤元件的截面积。过滤元件可能具有壳套或密封，旨在接合外壳，使得过滤元件的截面积大于介质的截面积。此外，介质的截面积是指有效面积。也就是说，如果介质围绕芯部或芯轴卷绕，则芯部或芯轴的截面积不是z-介质包截面积的部分。此外，通道的数量是指有效面积中通道的数量。
计算单面介质的槽纹密度(ρ)的另一公式为：
在用于计算每单面介质的槽纹密度的公式中，J是槽纹高度，D1是槽纹周期长度，而T是槽纹片材的厚度。该可替换公式可被称作用于计算单面介质槽纹密度的公式。单面介质槽纹密度根据单面介质的结构确定。相反地，介质包槽纹密度根据组装后的介质包加以确定。
理论上，介质包槽纹密度和单面介质槽纹密度应当具有相似的结果。不过，可能介质包以这样的方式进行构造，使得介质包槽纹密度和单面介质槽纹密度具有不同的结果。
图2和3所示并在表1被表征的标准B槽纹提供了一种卷绕的过滤介质，它的槽纹密度(介质包槽纹密度和单面介质槽纹密度)为约34槽纹/英寸2。由标准B槽纹形成的介质包可被表征为具有约34槽纹/英寸2的平均槽纹密度。槽纹密度(无论表述为介质包槽纹密度还是单面介质槽纹密度)可被视为是介质包的平均槽纹密度，除非另有说明。因此，槽纹密度可能有时被称作槽纹密度，而在另一些时候被称作平均槽纹密度。一般，增大平均槽纹密度是指提供一种介质包，它的槽纹密度大于标准B槽纹介质的槽纹密度。例如，增大的槽纹密度可能是指介质包的槽纹密度大于35.0槽纹/英寸2。介质包可具有的槽纹密度为大于约36槽纹/英寸2，大于约38槽纹/英寸2，大于约40槽纹/英寸2，大于约45槽纹/英寸2，或大于约50槽纹/英寸2。介质包可以具有减小的槽纹密度(与标准B介质相比)，以提供减小的压力降或流过其间的较少的阻力。例如，介质包可以具有的介质包槽纹密度为小于34.0槽纹/英寸2，小于约30槽纹/英寸2，或小于约25槽纹/英寸2。
一般，提供具有增大槽纹密度的介质倾向于增大介质空间内的介质表面积，并因此倾向于增大过滤介质的载荷能力。因此，增大介质的槽纹密度可以具有增强介质的载荷能力的效果。不过，假设其它因素保持不变，增大介质的槽纹密度可能具有增大通过介质的压力降的效果。此外，减小过滤介质的槽纹密度可能具有减小初始压力降的效果。
增大过滤介质的槽纹密度具有减小槽纹长度(J)或槽纹周期长度(D1)的效果，或两者皆有。结果，槽纹的大小(槽纹的大小是指槽纹的截面积)倾向于随着槽纹密度的增大而减小。结果，较小的槽纹尺寸具有增大通过过滤介质的压力降的效果。一般，提及通过介质的压力降时，是指相对于在介质的第二面处测得的压力在介质的第一面所确定的压力差，其中第一面和第二面设置在槽纹的大体相对端。为了获得具有较高槽纹密度同时保持希望的压力降的过滤介质，可以减小槽纹长度。槽纹长度是指从过滤介质的第一面到过滤介质的第二面的距离。在过滤介质用于过滤内燃机空气的情况，短长度槽纹可被表征为槽纹长度小于约5英寸(例如，约1英寸至约5英寸，或约2英寸至约4英寸)的那些槽纹。中等长度槽纹可被表征为长度为约5英寸至约8英寸的那些槽纹。长的长度槽纹可被表征为槽纹长度大于约8英寸(例如约8英寸至约12英寸)的那些槽纹。
槽纹形状
另一种增大介质包内可用于过滤的过滤介质量的技术包括选择槽纹形状，所述槽纹形状与例如表1所述的那些标准槽纹设计相比具有增大的可用于过滤的过滤介质量。一种提供槽纹形状的技术(所述槽纹形状增大可用于过滤的过滤介质量)是在相邻峰之间形成脊。如上文所述，相邻峰可被表征为内峰和外峰，取决于峰是面朝表面片材还是背离表面片材。图5a-5c示出了用于增强过滤性能的代表性示例槽纹形状。图5a所示的槽纹形状可被称为“低接触”槽纹形状。图5b和5c所示的槽纹形状可被称为“零应变(zero strain)”槽纹形状。一般，“低接触”名称是指槽纹形状与标准A和B槽纹介质相比能够增强表面介质片材之间的槽纹介质片材量，同时又减小槽纹片材和表面片材之间的接触量(例如，掩蔽)的能力。“零应变”名称是指槽纹形状沿槽纹的长度提供锥形，而又不会在介质上引起不希望水平的应变的能力。一般，介质中不希望水平的应变(或伸长)可以表示在介质中产生撕裂或扯裂的应变量，或者需要使用特殊介质来承受较高水平应变的应变量。一般，能够承受大于约12％应变的介质可被视为能够承受较高水平应变的特殊介质，并且该特殊介质可能比用于承受达到约12％应变的介质更昂贵。零应变槽纹片材可以额外在槽纹片材和表面片材之间提供减少的接触(例如，减小的掩蔽)。
现在参见图5a-5c，介质110包括表面片材111和113之间的槽纹片材112，介质120包括表面片材121和123之间的槽纹片材122，而介质140包括表面片材141和143之间的槽纹片材142。槽纹片材112和表面片材113的组合可被称为单面介质117，槽纹片材122和表面片材123的组合可被称为单面介质137，而槽纹片材142和表面片材143的组合可被称为单面介质147。当单面介质117，137，或147被卷绕或层叠时，表面片材111，121，或141可以在层叠介质的情况下由另一单面介质提供，或在卷绕介质的情况下由相同的单面介质提供。
介质110，120，和140可被设置成提供过滤元件，用于清洁流体，例如空气。过滤元件可被设置为卷绕的元件或层叠的元件。卷绕的元件一般包括槽纹介质片材和表面介质片材被卷绕以提供卷绕结构。卷绕结构可以具有被表征为圆形、长圆形、或跑道形的形状。层叠结构一般包括交替层的介质，所述介质包括槽纹介质片材粘接至表面介质片材。图5a-5c所示的介质110，120，和140是穿过介质剖开的剖视图，示出低接触和零应变形状的槽纹片材的截面形状。应当理解，截面形状可以沿槽纹的长度方向延伸。此外，槽纹可被密封，以便介质用作z-介质。如果需要，密封可用粘合剂或密封剂材料提供。
在图5a中，距离D1从内峰114的中心点到外峰116的中心点测得。示出的槽纹介质110对于每个周期长度D1或者沿介质长度D2具有两个脊118。脊118被设置成沿至少部分槽纹长度延伸。一般，每个脊118可被表征为公共区域(general area)，槽纹介质的相对较平坦部分118a在这里连接槽纹介质的相对较陡峭部分118b。脊(例如，非峰的脊)可被视为不同倾斜度的槽纹部分的相交线。脊可以通过使介质在该位置变形而形成。由于对介质施加压力，介质可以在脊处变形。形成脊的技术包括冲制、折皱(压折)、弯曲，和折叠。优选地，所述脊可通过在波纹成形过程中由冲制而成，其中波纹辊对介质施加压力以形成脊。形成槽纹片材和单面介质的示例性技术披露于2008年2月4日向美国专利商标局提交的美国专利申请序列号61/025,999中。美国专利申请序列号61/025,999的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。应当认识到，峰(波峰)可被称作脊。不过，在本发明的上下文中，当脊清楚地设置在峰之间时，可以从上下文看到所提及的“脊”是指“非峰的脊”。
对于示例性的槽纹片材112，可以在图5a中看到，槽纹介质的相对较平坦部分118a作为槽纹介质的部分在外峰115和脊118之间延伸。从外峰115到脊118的槽纹介质的相对较平坦部分118a相对于表面片材113的平均角度可被表征为小于45°，并且可为小于约30°。槽纹介质的相对较陡峭部分118b可被表征为从内峰116延伸至脊118的介质部分。一般，槽纹介质的相对较陡峭部分118b(被表征为在内峰116和脊118之间延伸)相对于表面片材113的角度可以大于45°，并且可以大于约60°。由于槽纹介质的相对较平坦部分118a和槽纹介质的相对较陡峭部分118b之间的角度差异，可以表征脊18的存在。应当理解，槽纹介质的相对较平坦部分118a的角度和槽纹介质的相对较陡峭部分118b的角度可被确定为形成所述介质段的端点的点之间的平均角度，并且所述角度从表面片材测量。
脊118可以在形成槽纹介质12的过程中沿槽纹片材112的长度由冲制、压折、弯曲，或折叠而成。可能希望但并非必须，在形成槽纹介质112的过程中执行设置脊118的步骤。例如，脊118可通过热处理或湿处理或其组合而设置。此外，脊118可以由于冲制、压折、弯曲，或折叠以便形成脊而存在，而不需要额外步骤来设置脊。此外，脊118的特征不应当与槽纹片材外峰115或119以及槽纹片材内峰116或114混淆。大致较平坦部分118a和大致较陡峭部分118b的表征旨在作为表征脊的存在的一种方式。一般，可以预见较平坦部分118a和较陡峭部分118b会呈曲线状。也就是说，可以预见较平坦部分118a和较陡峭部分118b不会完全是平面的，尤其是在过滤期间当流体(例如空气)流过介质。不过，介质的角度可从脊测量到相应的相邻峰，以提供那部分介质的平均角度。
图5a所示的介质的形状可被称作低接触形状。一般，低接触形状是指槽纹片材112和表面片材111之间具有相对较低(小)的接触面积。脊118的存在有助于在峰115和119处实现减小的掩蔽。脊118是由于使槽纹片材112变形而存在的，并因此减少了介质的峰115和119处的内应力。如果不存在脊118，很可能在槽纹片材112中存在一定水平的内张力，它会导致槽纹片材112在峰115和119处形成较大的半径，并从而增大掩蔽。结果，脊118的存在有助于增大相邻峰(例如峰115和114)之间存在的介质量，并且有助于减小峰(例如峰115)的半径，这是由于在一定程度上释放槽纹片材112内的张力，所述张力在缺少脊的情况下会导致槽纹片材112在峰处膨胀或变平。
脊118的存在可通过目测法检测。图6示出了过滤元件的端视图的照片，其中槽纹介质可被表征为具有低接触形状。虽然观察槽纹介质的端部，低接触形状的存在并不特别显而易见，但可以切入过滤元件并可以看到沿槽纹长度延伸的脊的存在。另外，脊的存在可通过图7的照片例证的技术加以确认，其中过滤元件载有灰尘，并且槽纹片材可从表面片材剥离，以露出灰尘块(尘饼)，所述尘饼具有的脊对应槽纹介质上的脊。一般，尘饼上的脊反映了具有一平均角度的灰尘表面的部分与具有另一平均角度的灰尘表面的另一部分相交。灰尘表面块的两个部分的相交处形成脊。可用于装填介质以填满槽纹以便在槽纹内形成尘饼的灰尘可被表征为ISO细测试灰尘(Fine test dust)。
现在参见图5a，槽纹片材112在距离D2上包括两个脊118，其中距离D2是指从峰114的中心点到峰116的中心点的槽纹片材112的长度，并且其中脊不是峰114，115，116或119。尽管峰114和116可被称为内峰，而峰115和119可被称为外峰，所述峰还可被表征为表面片材峰。一般，相信介质会被设置成不同的结构(例如卷绕或层叠的)并且槽纹会被特别设置，从而通过将峰表征为表面片材峰，可以忽略内峰和外峰的表征。术语内(峰)和外(峰)的使用是为了便于描述附图所示并且作为单面介质的部分的槽纹。
尽管槽纹片材112可以沿每个长度D2具有两个脊118，但如果需要，槽纹片材112也可以沿每个周期长度D2设有单个脊，并且槽纹片材112还可以具有这样一种结构，其中一些周期表现为至少一个脊，一些周期表现为两个脊，而一些周期表现为没有脊，或者上述的组合。槽纹片材可被设为具有重复型式的槽纹。重复型式的脊表示波型表现为脊的型式。脊的型式可以是每个相邻峰之间，每隔一个相邻峰之间，每隔两个相邻峰之间，或者在表现重复型式的脊时可以在介质的波型上观察到的一些变化。
应当理解，脊的存在的表征表示脊沿槽纹的长度存在。一般，脊可被设置沿槽纹的长度足以使所形成的介质具有希望的性能。虽然脊可以在整个槽纹长度上延伸，脊不会在整个槽纹长度上延伸也是可行的，这是由于例如，槽纹端部的影响。示例性的影响包括槽纹闭合(例如针刺)和槽纹端部处塞的存在。优选地，脊在槽纹长度的至少20％延伸。作为举例，脊可以在槽纹长度的至少30％延伸，在槽纹长度的至少40％延伸，在槽纹长度的至少50％延伸，在槽纹长度的至少60％延伸，或在槽纹长度的至少80％延伸。槽纹的端部可以某些方式闭合，并且闭合的结果是，当从一面观察介质包时可能会或可能不会察觉到脊的存在。因此，将脊的存在表征为沿槽纹长度延伸并不表示脊必须沿槽纹的整个长度延伸。此外，在槽纹的端部可能不会发觉到脊。参见图6的照片，其中在槽纹介质的端部发觉到脊的存在可能有些困难，尽管可能在距离槽纹端部的一定距离的介质中发觉到脊的存在。
现在参见图5b，槽纹介质120包括槽纹片材122设置在表面片材121和123之间。槽纹片材122包括内峰124和外峰125之间的至少两个脊128和129。沿着长度D2，介质122包括四个脊128和129。介质的单个周期长度可以包括四个脊。应当理解，脊128和129不是可被称为表面介质峰的峰124，125或126。介质122可以被设置成使得相邻峰(例如峰125和126)之间有两个脊128和129。此外，介质122可以被设置成使得相邻峰之间有一个脊或没有脊。不要求在每个相邻峰之间都有两个脊。如果需要交替地存在脊或者在相邻峰之间的预定间隔处设置脊，峰之间可以没有脊。
脊128可被表征为槽纹介质的相对较平坦部分128a与槽纹介质的相对较陡峭部分128b相连接的区域。一般，槽纹介质的相对较平坦部分128a可被表征为具有小于45°并且优选小于约30°的角度，其中所述角度是在脊128和脊129之间并且相对于表面片材123而测得的。槽纹介质的相对较陡峭部分128b可被表征为具有大于45°并且优选大于约60°的角度，其中所述角度是从峰126至脊128并且相对于表面片材123而测得的。脊129可以是槽纹介质的相对较平坦部分129a与槽纹介质的相对较陡峭部分129b相交的结果。一般，槽纹介质的相对较平坦部分129a对应从脊128延伸至脊129的介质部分的角度。一般，槽纹介质的相对较平坦部分129a可被表征为具有的倾斜度小于45°，并且优选小于约30°。槽纹介质的相对较陡峭部分129b可被表征为在脊129和峰125之间延伸的槽纹介质的部分，并且可被表征为在脊129和峰125之间并且相对于表面片材123具有一角度。一般，槽纹介质的相对较陡峭部分129b可被表征为具有的角度为大于45°，并且优选大于约60°。
现在参见图5c，槽纹介质140包括槽纹片材142设置在表面片材141和143之间。槽纹片材142包括内峰144和外峰145之间的至少两个脊148和149。沿着长度D2，介质140包括四个脊148和149。介质的单个周期长度可以包括四个脊。应当理解，脊148和149不是峰144和145。介质140可被设置成使得相邻峰(例如峰145和146)之间有两个脊148和149。此外，槽纹片材140可被设置成使得其它相邻峰之间有一个脊，两个脊或没有脊。并不要求在每个相邻峰之间都有两个脊。如果需要交替地存在脊或者在相邻峰之间的预定间隔处设置脊，可以在峰之间没有脊。一般，槽纹的型式可被设置成其中槽纹的型式重复并且在相邻峰之间包括脊的存在。
脊148和149可被表征为槽纹片材的相对较平坦部分与槽纹片材的相对较陡峭部分相连接的区域。在脊148的情况，槽纹片材的相对较平坦部分148a与槽纹片材的相对较陡峭部分148b连接。在脊149的情况，槽纹片材的相对较平坦部分149a与槽纹片材的相对较陡峭部分149b连接。槽纹介质的相对较陡峭部分可被表征为当测量该介质部分相对于表面片材143时，具有的角度为大于45°，并且优选大于约60°。相对较平坦部分可被表征为对于该介质部分相对于表面片材143具有的倾斜度为小于45°，并且优选小于约30°。
槽纹片材142相对于槽纹片材122而言可被认为更具有优势来制备，因为槽纹片材142的包角(wrap angle)可以小于槽纹片材122的包角。一般，包角是指在形成槽纹的步骤过程中由介质折弯所形成的角的总和。对于槽纹介质142的情况，与槽纹介质122相比在形成槽纹的过程中介质折弯更少。结果，通过槽纹成形以形成槽纹片材142，所需要的介质抗拉强度与槽纹片材122相比更低。
所示的槽纹片材112，122，和142从峰到峰是相对对称的。也就是说，对于槽纹片材112，122，和142，槽纹重复在相邻峰之间具有相同数量的脊。相邻峰是指沿槽纹介质的长度彼此相邻的峰。例如，对于槽纹介质112，峰114和115可被认为是相邻峰。不过，介质的周期不要求在相邻峰之间具有相同数量的脊，并且介质可以通过这种方式被表征为不对称。也就是说，介质可被制备成在周期的一半上具有脊而在周期的另一半上没有脊。
通过在槽纹介质的相邻峰之间设置单个脊或多个脊，距离D2可以相对于现有技术的介质(例如标准A和B槽纹)增大。由于存在脊或多个脊，与例如标准A槽纹和B槽纹相比，提供具有更多可用于过滤的介质的过滤介质是可行的。前述介质-线百分比的测量可用于表征相邻峰之间具有的介质量。长度D2被定义为槽纹片材112，122，和142的一个周期的槽纹片材112，122，和142的长度。对于槽纹片材112的情况，距离D2是从较低峰114到较低峰116的槽纹片材的长度。该距离包括两个脊118。对于槽纹片材122的情况，长度D2是从较低峰124到较低峰126的槽纹片材122的距离。该距离包括至少四个脊128和129。由于在相邻峰之间设有一个或多个脊(或折纹)而使相邻峰之间存在增大的过滤介质可被表征为介质-线百分比。如前所述，标准B槽纹和标准A槽纹分别表现为约3.6％和约6.3％的介质-线百分比。一般，低接触槽纹(例如，图5a所示的槽形设计)可能表现约6.2％至约8.2％的介质-线百分比。优选地，槽纹表现的介质-线百分比大于5.2％，并且优选大于6.5％。图5b和5c所示的槽纹设计可以具有约7.0％至约16％的介质-线百分比。如果需要，介质包可被设定成具有的槽纹所表现的介质-线百分比为大于约6.3％，或大于约8.3％。
图5b和5c中的过滤介质120和140具有其它优点，具有沿槽纹的长度提供锥形槽纹的能力，而不会在介质中产生应变。其结果是，图5b和5c中的槽纹形状可被称作零应变槽纹形状。现在参见图8和9a，示出了槽纹片材122呈锥形结构。在图9a中，示出了槽纹片材122从结构122a向结构122d成锥形。锥形的结果是，槽纹介质包括如122b和122c所示的结构。随着槽纹介质从122a向122d成锥形，脊128和脊129接近较低(下)峰126并离开上峰125。因此，随着槽纹介质122从122a向122d成锥形(倾斜)，槽纹片材122和表面片材123之间的截面表面积减小。对应该截面表面积的减小，由槽纹片材122和接触上峰125的表面片材形成的相应槽纹经历截面表面积的增大。还可以观察到，随着锥形朝向122a和122d处所示的端部结构行进，脊倾向于合并在一起或变得不太容易彼此区分。122a处所示的结构倾向于看似更像是低接触形状。此外，可以看到，随着槽纹介质从122d向122a倾斜(成锥形)，脊128和脊129接近上峰125。在锥形零应变形状的情况，槽纹片材可被表征为在相邻峰之间，在槽纹长度的至少30％，并且优选至少50％上具有多个脊。
使用过滤介质120(其中槽纹片材122包含脊128和脊129)的一个优点是它能够使槽纹倾斜(成锥形)，而不会产生过多的应变，并且能够使用不需要表现出应变大于12％的过滤介质。一般，应变可通过下述公式表征：
D2min是指介质在松弛或无应变情况下的介质距离，而D2max是指在撕裂之前的一点在应变下的介质距离。能够承受高达约12％的应变而没有扯裂或撕裂的过滤介质在过滤行业中是非常通用的。常用的过滤介质可被表征为是基于纤维素的。为了增大介质能够承受的应变，可以将合成纤维添加至介质。结果，使用必须承受大于12％的应变的介质可能非常昂贵。因此，希望采用一种槽纹结构，它能够使槽纹成锥形的同时使介质上的应变最小化，并且避免需要使用能够承受高于12％应变的昂贵介质。
现在参见图9b，示出了图5c的槽纹片材142呈锥形(倾斜的)结构，从位置142a延伸至142b，并随后至142c。随着槽纹倾斜(成锥形)至较小截面积(槽纹片材142和表面片材143之间的面积)，脊148和149朝向峰145移动。也可以反过来说。即，随着槽纹的截面积增大，脊148和149朝向峰144移动。
图5a-5c中示例性的槽纹形状与标准A和B槽纹介质相比，可有助于减小可能在峰处被掩蔽的介质面积。另外，图5a-5c所示例的形状与标准A和B槽纹介质相比，可有助于增大可用于过滤的介质量。在图5a中，从表面片材113观察槽纹介质112，可以看到脊118使槽纹具有凹入的外形。从表面片材111的方向看，可以看到脊118使在相邻峰之间延伸的介质具有凸出的外形。现在参见图5b，可以看到脊128和129从槽纹介质122的任一侧从峰到相邻峰具有凹入和凸出的外形。应当理解，鉴于脊的存在，槽纹实际上不是凹入或凸出的。因此，脊在弯曲部具有过渡或间断。另一种表征脊的存在的方式是通过观察介质弯曲部的间断，其中标准A槽纹和B槽纹中不存在间断。此外，还应当理解，图5a-5c和9a-9b所示的槽纹形状有些夸大。也就是说，在形成槽纹介质之后，介质中可能有一定程度的弹性或记忆性，导致介质成弓形或弯曲。此外，穿过介质的流体(例如空气)的应用可能导致介质偏离。结果，根据本发明制备的实际介质不会必然严格按照图5a-5c和9a-9b所示的图。
如果需要，图5a-5c所示的单面介质结构可被倒置。例如，单面介质117包括槽纹片材112和表面片材113。如果需要，单面介质可被构造成使得它包括槽纹片材112和表面片材111。类似地，如果需要，图5b和5c所示的单面介质可被倒置。图5a-5c所示单面介质的特征是为了说明本发明的目的。本领域的技术人员应当理解，可以通过与图5a-5c所示基本相反的方式将槽纹片材与表面片材组合，来制备单面介质。也就是说，在槽纹成形所述槽纹片材之后，槽纹片材可以在槽纹片材的任一侧(面)与表面片材组合。
槽纹空间(体积)不对称
槽纹空间(体积)不对称是指在过滤元件或过滤器滤芯中上游空间和下游空间之间的体积差异。上游空间是指接收未过滤流体(例如空气)的介质的空间，而下游空间是指接收已过滤流体(例如空气)的介质的空间。过滤元件还可被表征为具有不洁侧和清洁侧。一般，过滤介质的不洁侧是指接收未过滤流体的介质的空间。清洁侧是指接收从不洁侧经由过滤通道通过的已过滤流体的介质的空间。可能希望具有一介质，它的不洁侧或上游空间大于清洁侧或下游空间。已经观察到，在过滤空气的情况中，空气中的颗粒被沉积在不洁侧，并因此过滤介质的容量可由不洁侧的体积(容积)确定。通过使空间(体积)不对称，可能增大可用于接收不洁空气的介质的空间，并从而增大介质包的容量。
当上游空间和下游空间之间的差大于10％时，存在具有槽纹空间(体积)不对称的过滤介质。具有槽纹空间(体积)不对称的过滤介质可被称为具有不对称空间(体积)结构的介质包。槽纹空间(体积)不对称可由下述公式表示：
优选地，表现体积不对称的介质具有的体积(容积)不对称性为大于约10％，大于约20％，大于30％，并且优选大于约50％。槽纹空间(体积)不对称的示例性范围包括约30％至约250％，以及约50％至约200％。一般，当希望使介质的使用寿命最大化，可能需要使上游体积大于下游体积。另外，可能存在下述情况，其中希望使上游体积相对于下游体积成最小化。例如，对于安全元件的情况，可能希望使安全元件具有相对低的上游体积(容积)，以便介质填充并阻止相对较快的流动，作为表示上游过滤元件已经出现故障的指示器。
空间(体积)不对称性可通过示出槽纹截面图的照片中测量槽纹的截面积来计算。如果槽纹形成规则的型式，该测量会产生槽纹空间(体积)不对称性。如果槽纹不是规则的(例如，锥形的)，则可以取介质的若干截面并利用可接受的内插法或外推法技术来计算槽纹空间(体积)不对称性。
槽纹设计可被调整，以便提供能够增强过滤效果的槽纹不对称性。一般，槽纹不对称性是指形成具有较窄峰和加宽弓形谷或与之相反结构的槽纹，使得介质的上游体积和下游体积不同。不对称空间(体积)结构的一个例子披露于Wagner等人的美国专利申请公开号US 2003/0121845。美国专利申请公开号US 2003/0121845的公开内容在此被结合入本文作为引用。
现在参见图10a和10b，不对称的槽纹体积由过滤介质150和160示出，其中图10a和10b是例如规则的非锥形槽纹介质的截面图。过滤介质150示出了槽纹片材152在表面片材154和155之间。槽纹片材152被设置成在槽纹片材152和表面片材154之间的空间(体积)大于由槽纹片材152和表面片材155限定的空间(体积)。结果，当需要使上游空间(体积)或不洁侧空间(体积)最大化时，由槽纹片材152和表面片材154之间的区域限定的体积可用作上游空间或用作不洁侧空间。槽纹过滤介质160示出了槽纹片材162在表面片材164和165之间。槽纹片材被设置成在槽纹片材162和表面片材165之间提供更大的空间(体积)。如果需要，槽纹片材162和表面片材165之间的区域可被表征为上游空间或不洁侧空间。
具有不对称空间(体积)结构的过滤介质可以由存在的规则的槽纹或锥形槽纹而获得。此外，具有相对对称锥形槽纹(例如，各槽纹以相对相同的程度成锥形)的介质可提供具有缺少不对称空间(体积)结构(小于10％的体积不对称)的介质。因此，锥形槽纹的存在或不存在并不暗示或意味着不对称空间(体积)结构的存在或不存在。具有规则槽纹结构(例如非锥形的)的介质可能或可能不表现不对称空间(体积)结构。
介质包可被设置成使得介质包中的槽纹是规则和成锥形(倾斜)的。例如，槽纹可被设置成使得沿槽纹的长度，在长度的一部分上的槽纹是锥形(倾斜)的，而在长度的另一部分上的槽纹是规则的。一种示例性结构包括，例如，锥形(倾斜)-直-锥形(倾斜)结构，其中槽纹从一面向一预定位置成锥形，并随后表现为规则的结构直到另一预定位置，并随后表现为锥形。锥形(倾斜)-直-锥形(倾斜)结构的存在可用于帮助提供空间(体积)不对称性，并可用于帮助处理载荷和压力降。
针刺的槽纹
图11-18示出了用于闭合具有弯曲波型的槽纹的端部的技术。该技术可被称为针刺，并且针刺槽纹的一般技术披露于2006年7月27日公开的美国专利公开号US 2006/0163150。美国专利公开号US 2006/0163150的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。
根据本发明可用于闭合过滤介质的槽纹的一种示例性针刺技术在图11-18中示出。尽管图11-18所示的针刺技术在上下文的现有技术介质中示出，该针刺技术也可应用于本发明的槽纹介质。例如，图5a-5c所示的槽纹介质可按照图11-18所示的技术进行针刺。
一般，在施加覆面密封边(facer bead)190用于将槽纹片材204固定至表面片材206之后，可以进行针刺以提供闭合。一般，并且如美国专利公开号US 2006/0163150所述，压凹(indent)或针刺轮可用于形成如图11-13所示的槽纹200，而折叠轮可用于形成如图14-18所示的槽纹200。如图11-13所示，针刺轮通过压凹或使上峰204的部分202倒置，使上峰204的部分202变形。术语“倒置”及其变化形式表示，上峰204沿朝向表面片材206的方向被向内压凹或转向。图12是沿由针刺轮形成的倒置部210的中点的截面图。倒置部210位于由针刺工艺所形成的一对峰212，214之间。峰212，214一起形成槽纹双峰216。槽纹双峰216中的峰212，214的高度低于在倒置前上峰204的高度。图13示出了槽纹200在槽纹200的一部分的截面，所述槽纹的部分没有与针刺轮接合，因此没有被变形。在图13中可以看到，槽纹200的部分保持其初始形状。
尽管图12所示的槽纹双峰216表示压凹上峰204以形成基本上对称的一对峰212和214，但应当理解，针刺或压凹的确切位置可能偏离中心。由于压凹或针刺轮的时机和介质的柔性，峰212和214可能具有不同的尺寸，并且峰212和214的相对大小跨介质从槽纹到槽纹可以变化。
现在参见图14-18。图14-18示出了在与折叠轮接合之后针刺部分198的截面。图18尤其以截面示出了针刺部分198的端视图。可以看到折叠结构218形成针刺的槽纹220，具有四个折纹221a，221b，221c，221d。折叠结构218包括被固定至表面片材64的扁平第一层222。示出第二层224压抵扁平的第一层222。第二层224优选通过折叠第一层222的相对外端226，227而形成。
仍参见图18，两个折叠或折纹221a，221b一般会被称为“上部，向内的”折叠或折纹。文本中的术语“上部”表示，当沿图11的方向观察折叠220时，折纹位于整个折叠220的上部。术语“向内的”是指，每个折纹221a，221b的折叠线或折纹线彼此相向。
在图18中，折纹221c，221d一般会被称为“下部，向外的”折纹。本文中的术语“下部”是指，沿图14的方向，折纹221c、221d不像折纹221a、221b那样位于顶(上)部。术语“向外的”表示，折纹221c，221d的折叠线彼此背向。
本文中所用的术语“上部”和“下部”尤其是指当从图18的方向观察时的折叠220。也就是说，它们并不表示当折叠220在实际产品中定向以供使用时所指示的方向。
根据上述表征并参见图18，可以看到，在本发明中根据图18的优选规则的折叠结构218包括至少两个“上部，向内折纹”。这些向内的折纹是独特的，并有助于提供一种整体结构，其中折叠不会对相邻的槽纹造成显著的侵犯。这两个折纹部分由彼此朝向地折叠图18的顶端212，214而形成。
还可以看到第三层228，它压抵第二层224。第三层228通过折叠第三层228的相对内端230，231而形成。在某些优选的实施方式中，表面片材206会沿与折叠结构218相对的边缘固定至槽纹片材196。
观察折叠结构218的另一种方式为参照波纹片材196的交替的波峰204和波谷205的几何形状。第一层222包括倒置的峰210。第二层224对应双峰216，所述双峰216朝向倒置的峰210折叠，并且在优选的结构中折叠抵靠倒置的峰210。应当注意，倒置的峰210和双峰216(对应第二层224)，位于峰204的相对侧上的波谷205的外侧。在所示的例子中，还有第三层228，它从双峰216的折叠端部230，231延伸。
图15-17示出了在不同部分的槽纹200的形状。图17示出了槽纹200的未变形部分。在图15和16中可以看到，倒置部210沿着从它与表面片材206(图18)接合的位置延伸到它不再存在的点(图17)。在图15和16中，倒置部210以不同的长度与表面片材206间隔。
尽管图18所示的槽纹闭合表示通过针刺上峰204所得到的闭合以形成相对对称的峰212和214，应当理解，如果压凹上峰204出现在偏离中心的位置，则所得到的闭合可能看起来不同。所得到的闭合可能不像图18所示的闭合那样对称。折叠结构可被设置成使得只有一个折叠顶端被折叠。
根据图1-18用于形成针刺的工艺可被称为“中心压凹”，“中心倒置”，“中心针刺”或“中心变形”。同样，在本文中术语“中心”表示，压凹和倒置出现在相关上峰80的顶点或中心，由压凹或针刺轮接合。变形或压凹通常会在本文中被认为是中心压凹，只要它发生在脊的中心附近3mm范围内。在针刺的上下文中，术语“折纹”，“折叠”，或“折叠线”表示，通过对折介质或折叠介质使其重叠在其自身上而形成边缘，可以在介质的部分之间设有或不设有密封剂或粘合剂。
虽然与图11-18相关的上下文所述的闭合技术可以形成如图18所示的槽纹闭合，也可能在针刺过程中，由于介质的柔性和介质移动的速度，使得压凹步骤可能没有精确地发生在槽纹片材196的顶点或峰处。结果，顶端112和114的折叠可能不像如图所示那样的对称。实际上，顶端212和214中的一个可能变得有些扁平，而另一个顶端被折叠。此外，在某些槽纹设计中，可能希望跳过压凹步骤。例如，槽纹可能具有足够小的高度(J)，使得槽纹可被压合，以便形成重复的折叠型式，而不需压凹槽纹顶端的步骤。
塞长度和槽纹高度
Z-介质有时被表征为具有从介质的入口面延伸到出口面的槽纹，并且第一部分的槽纹可被表征为入口槽纹，而第二部分的槽纹可被表征为出口槽纹。入口槽纹可以在出口面附近或出口面处设有塞或密封。此外，出口槽纹可以在入口面附近或入口面处设有塞或密封。当然，这种结构的其它形式是可用的。例如，密封或塞不需要设置在入口面或出口面处，或者入口面或出口面附近。如果需要，密封或塞可以设置成远离入口面或出口面。在热熔性粘合剂被用作密封或塞的情况，经常发现在标准B槽纹介质中塞的长度为至少约12mm。塞长度可以通过测量元件的面到塞的内表面而得。申请人发现，通过减小塞的长度，可能获得理想特性的过滤介质，包括增大的载荷容量，更低的初始压力降，增大的可用于过滤的介质表面积，减小的过滤元件所需的过滤介质量，或上述的组合。可以希望具有的塞长度为小于约10mm，小于约8mm，小于约7mm，并且更优选地小于约6mm。减小塞长度可以在槽纹长度相对短(例如，槽纹长度小于约5英寸)的情况下具有提高的性能。对相对较长的槽纹长度(例如大于8英寸)减小塞长度，可能不如对具有较短槽纹长度的介质减小塞长度在增强性能上有效。对于较短长度的槽纹，例如，槽纹的长度小于约5英寸(例如约2英寸至约4英寸)，减小塞长度至小于约7mm或小于约6mm可以具有增强的性能。塞长度可被称为平均塞长度，并且可被测得为密封第一多个槽纹或密封第二多个槽纹或两者的塞的平均塞长度。也就是说，可以减小存在于介质包的一个面处或所述面附近的塞的平均塞长度。没有要求平均塞长度是介质包内所有密封的平均塞长度。也就是说，第一部分的槽纹的平均塞长度可以不同于第二部分的槽纹的塞长度。如果需要，平均塞长度可以设为所有密封(例如，用于第一多个槽纹和第二多个槽纹)的平均塞长度。
减小塞长度的一种示例性技术是，修整含有将槽纹片材固定至表面片材的密封剂或粘合剂的单面介质的边缘，作为减小塞长度的一种方式。也就是说，在制造过程中，单面的宽度可能比所需的更长，因为单面的宽度会被修整以减小塞长度。此外，通过修整介质的一个面或两个面可以减小塞长度。减小塞长度的另一种技术是，使用更稠或更黏性的密封剂材料，以提供具有较短长度的密封或塞。
槽纹高度(J)可以根据所形成的过滤介质的希望槽纹高度或槽纹尺寸进行选择。可以根据过滤介质的使用条件选择理想的槽纹高度(J)。在采用本发明介质的过滤元件被用作采用例如标准B槽纹的传统过滤元件的替代品的情况，高度J可以是约0.075英寸至约0.150英寸。在采用本发明介质的过滤元件被用作采用例如标准A槽纹的传统过滤元件的替代品的情况，高度J可以是约0.15英寸至约0.25英寸。
示例性介质定义
在z-介质可用于空气过滤应用、并且尤其是用于过滤内燃机的空气流的情况，过滤介质的定义可以根据过滤介质是否旨在使灰尘载荷容量最大化，使压力降最小化，或提供希望水平的载荷容量和压力降，来进行选择。灰尘载荷容量可以指过滤介质的使用寿命或耐久度。有时希望设计一种过滤介质，它能够在需要被更换之前表现出理想的使用寿命。另外，在某些环境，可能更希望设计一种过滤介质，它能够在希望的压力降范围内工作。过滤介质的不同定义的选择为定义用于具体环境和具体空气滤清器的过滤介质提供了灵活性。此外，选择过滤介质的不同定义使得人们在设计空气滤清器时具有灵活性，以符合具体的环境。
下文所述的示例性过滤介质可以被设定为具有或不具有前文被称为“低接触”或“零应变”的槽纹形状。槽纹介质的峰之间设有脊或多个脊不是过滤介质所要求的，但是可被用于增强性能。
第一示例性过滤介质可被选择用于使灰尘载荷容量最大化。可以选择槽纹密度，使得它大于由标准B槽纹介质制备的过滤介质的槽纹密度。例如，过滤介质可以被设定为具有的槽纹密度为至少约35.0槽纹/英寸2，其中槽纹密度根据下面的公式计算：
其中，通道的数量通过计数介质截面中的通道确定并且确定介质截面积的位置。优选地，槽纹密度可以大于45槽纹/英寸2或大于约50槽纹/英寸2。为了减小由于槽纹密度增大所造成的压力降，可以减小槽纹长度。例如，介质可被设定为具有小于5英寸的槽纹长度。由于相对较短的槽纹长度，可将塞长度设为较短，以便增大可用于过滤的介质量。例如，塞可被设定具有的长度为小于约7mm，并且优选小于约6mm。另外，可以调整介质的槽纹空间(体积)不对称性。例如，介质的槽纹空间(体积)不对称性可被设定为使得上游空间比下游空间至少大10％。优选地，槽纹空间(体积)不对称性可以大于30％，并且优选大于50％。槽纹介质可被设定具有的槽纹宽高比为至少约2.7，并且优选至少约3.0。
可以选择第二示例性介质，以具有理想的长使用期限。第二示例性介质可具有中等槽纹长度。例如，槽纹长度可以为约5英寸至约8英寸。第二示例性介质可被设定没有锥度，并且可被设定具有的槽纹密度为约34槽纹/英寸2，该槽纹密度约为标准B介质的槽纹密度。第二示例性介质可被设定具有的槽纹宽高比为大于约2.7，并且优选大于约3.0。此外，第二示例性介质可被设定具有的槽纹空间(体积)不对称性为大于20％，并且优选大于30％。
可以提供第三示例性过滤介质，使得介质表现理想的低压力降。第三示例性过滤介质可具有较低的槽纹密度为小于约34槽纹/英寸2，并且优选小于约25槽纹/英寸2。此外，介质的槽纹长度可以是中等长度或较长，并且可以具有的长度为至少约5英寸，并且可具有的长度为约6英寸至约12英寸。第三示例性过滤介质可被设定为具有或不具有槽纹空间(体积)不对称性。当具有槽纹空间(体积)不对称性时，介质可具有的槽纹空间(体积)不对称性为大于约30％，或大于约70％。槽纹可以设为锥形(倾斜)的或非锥形(非倾斜)的。
可提供第四示例性过滤介质，以平衡希望水平的灰尘载荷和希望的压力降。第四示例性过滤介质可以设定具有相对较长的槽纹。例如，介质的槽纹长度可以为约8英寸至约12英寸。第四示例性过滤介质可以被设定为具有或不具有锥度。
过滤元件
现在参见图19-28，所述的过滤元件包括过滤介质包。过滤介质包可以根据本文所述的介质包特征，并且根据示例性介质定义来提供。应当理解，图19-28所示的过滤元件可以如何被改动，以便接受本文所表征的介质。例如，介质可以被设定为卷绕或层叠的，并且可被设定为具有所述的槽纹长度和槽纹密度范围。此外，图19-20所示的过滤元件一般被表征为空气过滤元件，因为它们可用于过滤空气。
过滤介质包可被设定为包含径向密封的过滤元件的一部分，如同披露于，例如，美国专利号6,350,291，美国专利申请号2005/0166561，和国际公开号WO 2007/056589，上述文献的公开内容在此被结合入本文作为引用。例如，参见图19，过滤元件300包括过滤介质包301，它可以被设置为单面介质的卷绕介质包302，并且可以包括第一面304和第二面306。框架308可以被设置在介质包310的第一端上，并且可延伸过第一面304。此外，框架308可包括周边312上的阶梯或收缩部，以及延伸过第一面304的支撑314。密封件316可以设置在支撑314上。当过滤元件301被导入外壳320中时，密封件316与外壳密封表面322接合，以形成密封，使得未经过滤的空气不能绕过过滤介质包300。密封件316可被表征为径向密封，因为密封件316包括与密封表面317，所述密封表面317沿径向方向接合外壳密封表面322，以形成密封。此外，框架308可包括介质包横梁或支撑结构324，它有助于支撑框架308并且有助于减少空气过滤介质包300的伸缩。可以设置检修盖324，用于将过滤元件300装入外壳320中。
过滤介质包可被设为在径向密封结构上具有变形的过滤元件的一部分。如图20所示，密封330可被用于将框架332固定至介质包334。如图19所示，框架308可被粘合连接至介质包301。如图20所示，框架332可被设置靠近第一面336，并且密封330可被设置使得它可以在不使用额外粘合剂的情况下将支撑332固定到介质包334上。密封330可被表征为包胶模(overmold)密封，因为它沿密封支撑338的两侧展开并且扩展到介质包334在第一端340处的外表面上。
过滤介质包可被设为美国专利号6,235,195的过滤元件的一部分，该专利文献的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。现在参见图21，过滤元件350包括具有长圆形或跑道形状的卷绕介质包352，和连接至端部并环绕介质包外部的轴向夹紧密封(pinchseal)354。所示的轴向夹紧密封354设置在介质包的第一面356和第二面358之间。轴向夹紧密封354包括基部360和凸缘部362。基部360可被设置用于连接至介质包。凸缘部362可以在两个表面之间被夹紧以形成密封。一个表面可以是包含过滤元件350的外壳的表面。此外，夹紧凸缘362的另一结构可以是检修盖或其它结构设置在外壳内帮助保持密封，使得未经过滤的空气穿过介质包，而不能绕过介质包。过滤元件350可以包括手柄364，它从第一面356轴向伸出。如果需要，手柄可以被设置成从第二面358轴向伸出。手柄364使得人可以从外壳中拉出或取出过滤元件350。
现在参见图22-24，过滤元件由附图标记400表示。过滤元件400包括卷绕介质包402，手柄结构404，和密封结构406。该过滤元件结构的细节可以在美国专利号6,348,084中找到，该文献的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。前述的单面介质可用于制备过滤元件400。
手柄结构404包括中心板408，手柄410，和钩结构412。单面介质可以围绕中心板408卷绕，使得手柄410从介质包402的第一面414轴向伸出。钩结构412可以从介质包402的第二面416伸出。手柄410允许操作者可以从外壳中取出过滤元件400。钩结构412用于连接至横梁或支撑结构420。钩结构412包括钩部件422和424，其与横梁或支撑结构420接合。横梁或支撑结构420可被设置为密封支撑结构430的一部分，从第二面416伸出并且包括密封支撑件432。密封434可被设置在密封支撑件上，以便在过滤元件400和外壳之间提供密封。当密封434旨在通过接触径向朝向密封表面436和外壳密封表面来提供密封时，密封434可被表征为径向密封。
过滤介质包可被设置为如美国专利号6,348,085中所示的燃气涡轮系统的一部分，该专利文献的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。一种示例性燃气涡轮过滤元件在图25中由附图标记450示出。过滤元件450可包括主过滤元件452和二次过滤元件454。二次过滤元件454可被称为安全过滤元件。主过滤元件452可被设置为本申请前述的过滤介质包。过滤介质包可以通过卷绕单面介质或通过层叠单面介质而形成。主过滤元件452和二次过滤元件454可以固定在套筒件460内。套筒件460可包括凸缘462，所述凸缘包括密封464。安装时，元件450可被设置成使得凸缘462和密封464靠近支撑466并且通过夹具200固定在位，从而密封464提供充分的密封，使得未经过滤的空气不会绕过过滤元件450。
可采用过滤介质包的另一种过滤元件披露于美国专利号6,610,126，该文献的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。现在参见图26，过滤元件500包括过滤介质包502，径向密封结构504，和灰尘密封或二次密封结构506。过滤元件500可被设置在空气滤清器外壳510内并且可以包括位于过滤元件5000下游的安全或二次过滤元件512。此外，可以提供检修盖514，用于封装外壳510。外壳510和检修盖514可以夹紧灰尘密封506，因此灰尘密封506可被表征为夹紧密封。
过滤介质包可被设置为国际公开号WO 2006/076479和国际公开号WO 2006/076456的层叠介质包结构，上述文献的公开内容在此被结合入本文作为引用。现在参见图27，过滤元件由附图标记600示出，它包括层叠的块状的介质包602。块状的层叠介质包602可被表征为矩形或直角(正)平行四边形。为了密封介质包602的相对端，设置了侧板604和606。侧板604和606密封每个层叠的单面介质的前端和尾端。介质包602具有相对的流动面610和612。应当指出，面610和612之间没有不需要空气穿过介质包602的介质并因此被过滤的流动通道。外周、周边的外壳密封环614设置在空气过滤元件600上。所示具体的密封环614是轴向夹紧密封环。如果需要，保护性套或板可以设置在介质包表面620和622上。
过滤介质包可被设置为国际公开号WO 2007/133635的层叠介质包结构，该专利文献的完整公开内容在此被结合入本文作为引用。现在参见图28，过滤元件由附图标记650示出。过滤元件650包括层叠的z-过滤介质结构652，它在本示例中具有第一入口面654，和相对的第二出口面656。此外，过滤元件650包括上侧660，下侧662，和相对的侧端664和666。层叠的z-过滤介质结构652一般包括一个或多个单面介质条的层叠，其中每个条包括槽纹片材固定至表面片材。条可以被设为倾斜的结构。所述条被设置成使得槽纹在入口面654和出口面656之间延伸。所示的过滤元件650包括层叠的z-过滤介质包结构，它包括两个层叠的介质包部分670和672。密封件680可被模制到介质包。
应当理解，通过观察示例性的附图19-28，过滤介质包可被设置成不同的结构，以形成过滤元件，并且随后可被用于不同的外壳结构中以提供增强的性能。
示例
利用过滤介质性能建模(模拟)软件，将具有包含不同槽形设计的介质的过滤元件进行比较。过滤元件不是为本示例而构造和测试的。而是，过滤元件和过滤元件构件的尺寸，过滤元件和过滤元件构件的性能和特征，使用条件，和空气被过滤的特征被输入模拟过滤介质性能的计算机程序中。根据对实际Donaldson Company过滤介质进行的测试，来验证过滤介质性能建模(模拟)软件。计算机软件模拟的结果预计的误差在约10％以内。为了评估不同过滤介质设计替换，相信约10％以内的误差值足以低到模拟软件可被用于评估不同的设计选择。为了计算机模拟软件，所选择的灰尘被表征为SAE。
表2-8包括过滤元件的特征和计算机生成的结果。所述表格利用过滤介质性能模拟软件确认所评估元件的尺寸。元件尺寸是指元件的整体尺寸。
在每个表中所表征的过滤元件是层叠元件，它具有对应于最后确认尺寸的深度或槽纹长度。例如，在表2(a)中，元件的尺寸为8英寸x12英寸x5英寸，其中槽纹长度为5英寸。对于元件1，槽纹类型可被表征为标准B。对于第2和第3行，元件的形状被改变同时保持元件的体积相对恒定。从元件4开始，槽纹类型不再被认为是标准B，并且被表征为弧形-扁平-弧形，这大体描述了槽纹形状具有形成槽纹片材的内峰和外峰的弧形，以及连接内峰和外峰的介质的相对扁平部分。对于元件17-19，槽纹类型可被表征为低接触。低接触形状大体如图5(a)所示。
表2-8中的过滤元件另外通过槽纹密度、空间(体积)不对称性、槽纹宽/高比、槽纹高度、槽距、塞长度和介质厚度来表征。根据所述信息的结果，计算机模拟软件计算初始压力降，SAE细装至12英寸水压力降，容积，和所需的介质面积。这些值确定了穿过介质的特定流速。此外，所述表包括与基本过滤器的对比。一般，表中的基本过滤器是指该表中第一列出的元件。结果，由于对设计的改变，可以评估不同元件之间的性能变化。
表2-8中的数据所例证的一般性教导是：过滤元件设计中的多个变化可以显著提高性能。此外，与多个变化相比，单个变化不必然具有大量的改进。
上述说明书、示例和数据构成了制造和使用本发明的过滤介质和过滤元件的完整描述。由于可以在不背离本发明的精神和范围的前提下作出本发明的各种实施方式，因此，本发明的范围由所附的权利要求书确定。

Claims (8)

1.一种过滤介质包，包括：
(a)多个单面介质层，其中所述单面介质层包括槽纹片材，表面片材，和多个槽纹，所述多个槽纹在槽纹片材和表面片材之间延伸并且具有从过滤介质包的第一面延伸到过滤介质包的第二面的槽纹长度；
(b)第一部分的多个槽纹阻止未经过滤的流体流入第一部分的多个槽纹，并且第二部分的多个槽纹阻止未经过滤的流体流出第二部分的多个槽纹，使得进入介质包的第一面或第二面中的一个面并且从介质包的第一面或第二面中的另一个面流出的流体穿过介质，以实现流体的过滤；
(c)过滤介质包具有的平均介质-线百分比为大于6.3％，和
(d)其中过滤介质包具有非对称空间结构，使得介质包一侧的空间比介质包另一侧的空间大不超过10％；和
(e)其中槽纹片材包括多个面向表面片材的重复的内峰和多个背向表面片材的重复的外峰，所述多个内峰和外峰包括与相邻表面片材之间的尖的接触点。
2.根据权利要求1所述的过滤介质包，其中槽纹片材包括面向表面片材的重复的内峰和背向表面片材的重复的外峰和至少一个脊的型式，所述至少一个脊沿槽纹长度的至少50％在内峰与相邻的外峰之间延伸。
3.根据权利要求2所述的过滤介质包，其中槽纹片材包括至少两个脊，所述脊沿槽纹长度的至少50％在内峰与相邻的外峰之间延伸。
4.根据权利要求2所述的过滤介质包，其中至少两个脊被设置成在内峰与相邻的外峰之间的型式。
5.根据权利要求1所述的过滤介质包，其中过滤介质包具有大于2.5的槽纹宽高比或小于0.4的槽纹宽高比。
6.根据权利要求1所述的过滤介质包，其中过滤介质包具有的平均槽纹密度为小于25槽纹/英寸2。
7.根据权利要求1所述的过滤介质包，其中过滤介质包具有的平均介质-线百分比为大于6.5％。
8.一种过滤元件，包括根据权利要求1所述的过滤介质包和围绕所述介质包的周边延伸的密封件。
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