CN105705215A - 大型熔喷深度滤筒 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有三个或更多个同心区的管状深度过滤器元件。每个区由基本上连续的熔喷长丝制成。外部区的长丝优选地具有比其他区的长丝更大的直径。所述外部区与另一个区的至少85％、并且优选地全部重叠。视情况，一根或多根另外的长丝可横穿所有区。所述深度过滤器元件通过将长丝喷射到旋转芯模上以形成与圆锥形压辊接触的长丝团来制成。所述长丝从沿着所述芯模的长度间隔开的三个或更多个喷嘴喷射。所述长丝中的一根以下述喷射图案形成，所述喷射图案朝向相邻喷射图案成角度，以便与所述相邻喷射图案的至少50％或85％、并且优选地全部重叠。

Description

大型熔喷深度滤筒

相关申请案的交叉引用

本申请要求2013年11月6日提交的美国临时申请61/900,702的权益，所述申请通过引用并入。

技术领域

本说明书涉及深度滤筒、熔喷介质及它们的制造方法。

背景技术

深度过滤器在过滤介质的整个深度上留住颗粒。各种介质可用于构造深度过滤器，其中之一是熔喷或纺粘长丝无纺介质。深度过滤器可具有多个层(或区)，其中具有最大孔径的层通常形成上游层并且具有最小孔径的层形成下游层。这与可替代地称为网式过滤器的表面过滤器形成对照，表面过滤器主要通过在上游分离层上或其附近的而不是在过滤器的整个深度上的尺寸排阻来留住颗粒。表面过滤器可以为小于其额定绝对粒度的颗粒提供一些深度过滤，但是深度过滤的量受到表面过滤器不足的厚度限制，以及受到使得上游分离层后面的任何层尽可能可渗透的要求限制。深度过滤器可通过深度过滤器相当大的厚度与表面过滤器区分开，所述厚度通常是至少5mm并且更经常地是至少10mm。深度过滤器还通常以提供平滑内外圆周表面以最大化其容积的构型来提供，而表面过滤器通常折叠或褶皱以便最大化其表面积。

筒式过滤器是设计成设置在壳体中的可去除或可替换过滤器元件。一些筒式过滤器可进行清洁，但是它们通常在其使用寿命结束时被丢弃。深度滤筒可根据其纳垢容量(DHC)分级，纳垢容量以过滤器在堵塞前可容纳的固体颗粒的克数为单位来测量。筒的使用寿命测量为过滤器元件在指定条件下在达到跨深度滤筒的指定最大压降前可操作的时间。筒的使用寿命可受其DHC限制，或受筒在变成负载有颗粒时经受外加压力的机械能力限制。其他分级标准包括过滤器去除指定尺寸的颗粒的效率和过滤器的净水压降。例如，去除效率分级可指定为对低至指定微米尺寸的颗粒的90％的去除效率或指定为对低至指定微米尺寸的颗粒的“绝对”(意味着99％)去除。

2006年1月17日对奥莱尔(Aune)等人颁发的美国专利号6,986,427描述可用于深度过滤器元件的熔喷无纺介质。所述介质通过将多根熔喷长丝引导到管状结构的锥形端侧而制成。管状结构在旋压芯模上旋转。在沿着芯模的长度将管状结构拉出喷丝区域的同时，随着材料添加到管状结构的锥形端，管状结构的长度增加。不同长丝被引导到圆锥体的不同部分处，并且长丝可沿着圆锥体的长度在一个或多个特性方面有所变化。这在管状元件中产生在一个或多个特性方面具有对应变化的同心环形区。可跨圆锥体的长度施加一根或多根其他熔喷长丝，以添加跨多个区穿过元件的深度延伸的长丝，从而增强所述介质。

与美国专利号6,986,427共享优先权申请的美国专利号6,938,781描述无纺深度滤筒，所述无纺深度滤筒包括基本上连续的熔喷聚合物长丝的圆柱形团和延伸穿过所述团的基本上连续的横穿熔喷聚合物长丝。圆柱形团具有深度维度、纵向维度和周向维度。圆柱形团的长丝总体上定向在纵向和周向维度上并形成多个同心区。横穿长丝穿过圆柱形团的相当大部分的长度在纵向维度上延伸，同时围绕圆柱形团在周向维度上延伸，并且穿过圆柱形团的两个或更多个区的大致上整个厚度在深度维度上径向地延伸。

根据以上描述的专利制造的聚丙烯深度滤筒由通用水处理技术公司(GEWaterandProcessTechnologies)联合Z.PLEX商标销售。这些筒具有约1英寸的内径和约2或2.75英寸的外径。它们用在许多滤水应用中。

发明内容

以下介绍旨在向读者介绍以下具体实施方式并且不限制或限定所要求保护的发明。所要求保护的发明可以是以下描述的元件或步骤的子组合，或包括本说明书的其他部分中所描述的元件或步骤。

如以上所指示，根据美国专利号6,938,781和6,986,427制造的商用深度滤筒具有小于3英寸的外径。大直径过滤器，具体地是具有大于3英寸(8cm)且一直到7英寸(18cm)的标称外径的过滤器，通常由呈褶皱过滤器形式的表面过滤器构造出。具有标称6.5英寸外径和40英寸长度的褶皱滤筒可具有约70-80平方英尺的表面积。相比之下，相同尺寸的深度过滤器在其外表面具有约5平方英尺的表面积并且在其内表面具有约3平方英尺的表面积。由于这个有限的表面积，常规深度过滤器并未预期具有低净水压降，例如在标称40英尺长的过滤器中在40US加仑每分钟(gpm)的流速下小于0.5psi，且对于小于20微米的颗粒具有90％的去除效率。然而，深度过滤器具有一些优点，包括例如抵抗表面负载有有机或乳化污垢物的能力。

本说明书描述一种具有三个或更多个同心区的管状深度过滤器元件。每个区由基本上连续的熔喷长丝制成。可替代地或另外地，每个区由一根或多根长丝制成，并且外部区的一根或多根长丝具有比其他区的一根或多根长丝更大的直径。外部区长丝贯穿另一个区的至少50％或85％、并且优选地贯穿全部的深度与另一个区的长丝重叠或交叉或既重叠又交叉。视情况，一根或多根另外的长丝可横穿所有区。示例性实施例具有5个区。

本说明书还描述制造深度过滤器元件的方法。熔喷长丝喷射到旋转芯模上以形成与圆锥形压辊接触的长丝团。长丝从沿着芯模的长度间隔开的三个或更多个喷嘴喷射。长丝中的一根以下述喷射图案形成，所述喷射图案与相邻长丝的喷射图案的至少50％或85％、并且优选地全部重叠。优选地，重叠喷射图案由形成外部区的喷嘴产生，所述外部区相对于垂直于芯模的线朝向邻近的区成至少10度的角。

本说明书中描述的深度过滤器元件提供现有滤筒的有用替代方案。深度过滤器元件可用于例如提供外径为至少4.5英寸、具有显著寿命和低净水压降的过滤器。

附图说明

图1是深度滤筒从其右侧拍摄的照片。

图2是图1的深度滤筒从其左侧拍摄的照片。

图3是图1的深度滤筒在其形成时的示意端视图。

图4是用于制造图1的深度滤筒的机器的示意图。

图5是示出比较四区深度滤筒和五区深度滤筒及图1的深度滤筒的纳垢容量的实验结果的图表。

图6是示出图5中测试的深度滤筒的寿命的实验结果图表。

具体实施方式

如本说明书贯穿本说明书和权利要求书所使用的近似语言可用于修饰任何量，这些量能够变化，而不导致与其相关的基本功能的改变。因此，由一个或多个术语，例如“约”修饰的值并不限于所指出的精确值。在一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。范围限制可以相结合和/或互换，并且除非上下文或语言另外指示，否则此类范围及所有子范围包括在本说明书中。除了在操作实例中或另外指示的情况，否则，本说明书和权利要求书中所使用的提及材料的量、过程条件等的所有数字或表达应理解为在一切情况下都由术语“约”修饰。

“任选的”或“优选的”和类似术语意指随后所描述的事件或情况可能发生或可能不发生，或者随后确定的材料可存在或可不存在，并且本说明书包括以下情况：事件或情况发生或材料存在，以及事件或情况未发生或材料不存在。术语“可”用于指示可能存在或可能不存在的条件。

如本说明书中所使用，术语“包括(comprises/comprising)”、“包含(includes/including)”、“具有(has/having)”或其任何其他变型旨在覆盖非排他性包括。例如，包括一列元素的过程、方法、制品或装置未必限于仅那些元素，而可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品或装置固有的其他元素。除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数个指示物。

参考图1和图2，深度滤筒10具有管状深度过滤器元件12、左侧端盖14和右侧端盖16。词“左侧”和“右侧”是任意的并且在本说明书中仅用于提供一种方式来如筒10在图中所定向那样描述筒10。筒10或其一部分也可描述为具有长度(在平行于筒的左侧与右侧之间的线的纵向维度上测量)、周长(在沿着垂直于纵向维度的圆的周向维度上测量)、或深度(在垂直于周向维度的径向维度上测量)。

端盖14、16可由热塑性材料制成，并且优选地热粘结到深度过滤器元件12的每个末端，以便与深度过滤器元件12的末端形成密封。可替代地，端盖14、16可通过粘合剂或通过所属领域中已知的其他手段来粘结到深度过滤器元件12。端盖14、16使深度过滤器元件12的外侧与深度过滤器元件12的中空中心流体分离。优选地，多孔芯管(不可见)延伸穿过深度过滤器元件12的中空中心并且附接并密封到端盖14、16。

深度滤筒10通常在将其插入到壳体或外壳(未示出)中后使用。壳体可容纳一个或多于一个筒10。在从外向内过滤模式中，将要过滤的给水通过入口流到由壳体的内侧和筒10的外侧限定的充实空间中。给水然后流过深度过滤器元件12，并且过滤水聚集在深度过滤器12的中空中心或芯管中。端盖14、16中的一个或两个具有用于过滤水的开口，所述开口连接到壳体的出口。在所示筒10中，左侧端盖14包括插入壳体的出口中的适配器18和密封件20。密封件20是位于适配器18中的凹槽中的O形环。可替代地，密封件20可通过在凹槽中灌注弹性体材料以围绕适配器18提供呈简单孔形式的平面环形垫圈，或通过所属领域中已知的其他手段来形成。

参考图3，深度过滤器元件12穿过其深度包括多个介质层或区22。优选地，从深度过滤器元件12的外表面24到内表面26，所述区的截留尺寸(以给定效率去除的粒度)减小。因此，大颗粒将留在外表面24附近，并且随着给水向内经过深度过滤器元件12，渐进地较小颗粒将得以留住。尽管为了说明方便而以区22之间的明显界限来示出它们，但在实践中，区22之间可能存在更渐变的过渡或过渡区。尽管5个区22是优选的，如图所示，可以存在更多或更少的区。在图1和图2的深度过滤器元件12中，其五个区22中的每个具有不同长丝直径和截留尺寸，其中长丝直径和截留尺寸两者朝向内表面26减小。视情况，两个或更多个区22可具有相同的长丝直径或截留尺寸，但优选地，对于整个深度过滤器元件12，同时仍使得截留尺寸朝向内表面26总体减小。

在图1和图2的实例中，深度过滤器元件12具有约6.5英寸的外径和约3英寸的内径。筒10的长度是约38英寸，这与40英寸的标称长度相对应。适配器18是标准型226配件，尽管可使用其他合适的配件。筒10的维度也可以变化。例如，外径可更大或更小，优选地在3英寸到9英寸或4.5英寸到7英寸的范围内。长度也可以更大或更小，例如，可制造标称60英寸的筒。视情况，可以用通过引用并入的国际公开号WO2012/034028中描述的方式将表面过滤器设置在深度过滤器元件12的内部。在这种情况下，表面过滤器可例如停靠在具有约1.1英寸与3英寸之间的外径的芯管上，并且延伸到内表面过滤器的约2英寸与4.5英寸之间的外径。

图1和图2的筒10利用通过粘合剂附接的聚丙烯(PP)深度过滤器元件12和ABS端盖14、16制成。在商用实施例中，端盖14、16旨在以热焊接到深度过滤器元件12上的PP端盖14、16替换，以便提供食品接触合规性筒10。可用于形成深度过滤器元件12的其他材料包括例如其他聚烯烃诸如聚乙烯、纤维素、聚酰胺、聚酯、和矿物纤维诸如玻璃纤维。在单个筒10中可使用多种材料。

深度过滤器元件12可由熔喷介质制成，其中每个区22是由一根或多根基本上连续的聚合物长丝形成的团。如下文将关于图4描述的，每个区22由从熔喷长丝递送系统供应的聚合物制成。由于随机断裂的可能性，每个区22由单根基本上连续的长丝制成。构成区22的长丝主要在纵向和周向方向上延伸。优选地，深度过滤器元件12还包括一根或多根多区长丝32。多区长丝32是在深度维度上在两个或更多个区22之间、优选地在所有区22之间延伸的基本上连续的聚合物长丝。在图3中(并且在图1和图2的筒中)，多区长丝32包括如美国专利号6,938,781和6,986,427中描述的静电长丝28和Z形长丝30。

如将关于图4进一步描述的，构成区22的长丝通过从纵向间隔的位置对着正在形成的深度过滤器元件12的旋转锥形端喷射来逐层累积成团。多区长丝32类似地对着正在形成的深度过滤器元件12的旋转锥形端喷射，但是这些长丝32以跨多个区22纵向延伸的图案喷射。多区长丝32主要并不负责形成任何特定区22。多区长丝32共同占有任何区中的长丝质量的小于50％。

除其他事项之外，多区长丝32改善纤维到纤维的粘结并且向其他长丝的机械结构提供互锁元件。具体地，至少在每单位体积上但优选地还在绝对基础上，在一个或多个最内侧区22中，一根或多根静电长丝28的质量是最高的。一根或多根静电长丝28的直径可与最内侧区22中使用的长丝的直径几乎相同或更大。静电长丝28加强内部区22，否则，由于在内部区22中使用以截留小颗粒的小的长丝直径，内部区22的抗压缩能力很弱。

一根或多根Z形长丝30以振荡图案(而不是从固定递送系统)跨正在形成的深度过滤器元件12的旋转锥形端喷射。使Z形长丝30的递送系统振荡会提供在周向方向上集中(即，其具有密度较高和较低的区域)的长丝质量，而静电长丝28和构成区22的长丝在周向维度上具有均一的密度。Z形长丝30由此将多个区22、优选地所有区22与耐压缩区域连接在一起，而不极大地增加整个深度过滤器元件12的密度。一根或多根Z形长丝30的质量优选地在深度过滤器元件12的质量的2％与20％之间。视情况，在内部区22中，Z形长丝30的每单位体积密度可更高以进一步加强这些区。例如，Z形长丝30可占最内侧区22中的长丝质量的约25％并且占最外侧区22中的长丝质量的约3％。

如图3中所示，所示深度过滤器元件12具有从最内侧区到最外侧区标号为区22A到区22E的五个区22。这些区22也可分别称为第一区22到第五区22。外部区或第五区22E包括独立部分32和重叠部分34。重叠部分34延伸穿过至少一个其他区22的至少50％或85％、并且优选地全部。例如，图3中的重叠部分34跨整个第四区22D延伸并且部分地延伸到第三区22C中。视情况但不是优选地，独立部分32可省略。在具有多于或少于5个区12的深度过滤器元件12中，最后的区如以上针对第五区22所描述那样制成。

优选地，尽管图3中未示出，在最外侧区22之上添加薄粘结纤维层，如美国专利号6,938,781和6,986,427中所描述。粘结纤维减少松散长丝环的显露并且在深度过滤器元件12的外表面上提供保护罩。这些粘结纤维还可以在它们冷却时收缩，这提供了粗糙度以增加深度过滤器元件12的有效表面积。

虽然附图涉及圆柱形过滤器，但是相同的原理可应用于平坦片状或平面产品。这种平坦产品可沿着平坦工作台利用跨工作台的宽度振荡的喷丝器产生，或通过沿着大圆柱形芯模的长度切割在其上制成的深度过滤器元件以获得片材来产生。

图4示出用于连续制造管状深度过滤器介质达不定长度的系统110。所述介质然后可切割成所希望长度的多个单独的深度过滤器元件12。这种系统类似于美国专利号6,938,781和6,986,427中描述的系统，例如美国专利号6,938,781的图5，但添加了用于提供第五区22的长丝递送系统。

系统110包括电机驱动螺杆式挤压机112，电机驱动螺杆式挤压机112由源(未示出)供应热塑性聚合物材料。聚丙烯是优选的，但其他材料诸如聚酯、尼龙或聚氨酯也可以用于一些或所有长丝。在挤出机112内，聚合材料被加热到熔融状态，此时聚合材料被计量并输送到加热的递送管线114中。所述材料被输送到两个长丝递送系统116和118。

针对五个喷嘴127、128、129、216和217中的每个，长丝递送系统116包括从加热的递送管线114接收熔融聚合材料并将其泵送到加热器块122的电机驱动齿轮式正排量计量泵120。电机124的转速由适当的控制器126电子控制，所述电机124驱动计量泵120，并且因此通过泵120计量材料的速率由适当的控制器126电子控制。为了简化附图，仅针对喷嘴127示出电机124和控制器126，但是通常也将针对喷嘴128、129、216和217中的每个提供一个。

通过加热装置(未示出)单独加热的每个加热器块122设置有通向喷嘴127、128、129、216和217之一的内部通道。加热装置、并且因此加热器块122内的聚合材料的温度由温度控件130控制。每个喷嘴127、128、129、216和217包括孔口，所述孔口的尺寸可根据需要选择以帮助实现所希望的长丝细度或直径。馈送到每个喷嘴127、128、129、216和217的熔融材料连续不断地离开相应孔口。优选地，孔口的尺寸跨喷嘴127、128、129、216和217从图4的右侧向左侧增大，使得喷嘴127具有最小孔口并且喷嘴217具有最大孔口。

包括多个气体或空气喷口的衰减机构131、132、133、218和219与每个喷嘴127、128、129、216和217相关联。流出衰减机构131、132、133、218和219的气体起作用以使从喷嘴127、128、129、216和217离开的熔融材料流衰减，从而以所属领域中已知的方式形成聚合物长丝。衰减机构131、132、133、218和219因此可具有所属领域中已知的任何设计，包括公开内容通过引用并入本说明书的林(Lin)的美国专利号4,173,443中描述的设计。

衰减机构131、132、133、218和219与任选气体加热器134和气体供应源136相关联。气体供应源136通过导管138以及适当的阀和调节器来向加热器134提供气体。加热器134的温度通过温度控件140升高或降低到所希望的温度。气体然后通过导管142从加热器134馈送到衰减机构131。衰减机构131、132、133、218和219可由公共供应源提供气体，或可替代地，可针对每个衰减机构131、132、133、218和219采用分开控制的气体源。在公共气体供应的情况下，通常提供流量控制阀(未示出)，使得每个衰减机构131、132、133、218和219可以不同速率接收空气。

长丝递送系统118基本上类似于以上描述的系统116，只是长丝递送系统118优选地包括递送长丝的装置，其递送方式为使得所述长丝与由系统116中使用的喷嘴中的一个或多个产生的长丝有效地交络。长丝递送系统118可包括一个或多个聚合物挤出喷嘴。一个实施例使用连接到扫略机构的喷嘴144和衰减器154。确切地说，系统118包括加热器块146、独立驱动的正排量计量泵148和电机150。加热器块146设置有温度控件152。系统118还设置有与喷嘴144相关联的衰减机构154。加压气体通过导管158从气体供应源156传送到衰减机构154。如同递送系统116，系统118中的衰减器中的每个可与任选气体加热器(未示出)相关联。提供分开的长丝递送系统116和118确保分开地控制和产生由系统116和系统118中的每个部分产生的聚合物长丝。

递送系统116和118产生离散、基本上连续的聚合物长丝的流，所述流以分别从喷嘴127、128、129、216、217、144、224和衰减机构131、132、133、218、219、154和226指向长丝收集装置174的外张图案166、168、170、220、221、172和228分布。优选地，在相邻的长丝图案166、168、170和220中存在一些重叠，使得每个图案的长丝与相应相邻图案的长丝连接，从而产生组合的管状长丝团。此外，长丝图案221与图案220的至少一半，视情况与图案220的至少85％，优选地与图案220的全部，并且更优选地还与图案170的部分重叠。长丝收集装置174包括从驱动电机178延伸的中心可旋转收集装置176，诸如芯模或滚筒。围绕驱动轴181旋转的压辊构件180与芯模176相邻地设置并与其间隔。

在操作期间，流166、168、170、220和221的基本上连续的聚合物长丝以外张图案指向旋转芯模176并被收集在其上。虽然示出芯模176，但设想也可以使用其他收集装置，诸如大直径滚筒。同时，往复或振荡流172沉积出基本上连续的长丝或纤维流，所述长丝或纤维流跨越流166的远边缘182与流221的远边缘184之间的距离并且横穿由流166、168、170、220和221沉淀的长丝层。旋转压辊180接合已积聚在旋转芯模176上的长丝。当足够的长丝累积在芯模176上时，压辊180强迫无纺长丝团或纤维结构186在箭头188的方向上离开芯模176的轴向末端，以产生不定长度的连续长丝团186。长丝团186具有径向维度、纵向维度和周向维度。整个长丝收集装置174可类似于公开内容通过引用并入本说明书的林的美国专利号4,240,864中描述的装置。

喷嘴127、128、129、216和217沿着公共轴190纵向排列，公共轴190优选地与平行于芯模176偏离约0-15度。每个喷嘴127、128、129、216和217包括分别限定轴线192、194、196、193和195的孔口。轴线192、194、196和193优选地垂直于轴线190并且与垂直于芯模176偏离约0-15度。轴线192、194、196、193和195总体上对应于离开相应喷嘴孔口的熔融聚合物的流动轴线。这种取向导致外张长丝图案166、168、170、220和221指向芯模176。长丝图案221优选地向内、朝向长丝图案170成角度，以便帮助使得长丝图案221与长丝图案220重叠并且视情况与长丝图案170重叠。长丝图案221优选地通过使喷嘴217向内成角度来成角度。视情况，衰减器219也可以向内成角度。

作为非限制性实例，长丝图案166、168、170、220和221的聚合物长丝可通过以下方式来产生：以每喷嘴约5到20磅/小时的速率挤出加热到约325摄氏度与约400摄氏度之间的温度的聚丙烯，同时使温度为约25摄氏度的环境气体以约10到20标准立方英尺/分钟的速率在离开喷嘴孔口的熔融聚合物流之上经过。芯模176可以在600rpm与1000rpm之间旋转。

长丝图案172包括图案172A，图案172A以往复的横向图案移动，优选地覆盖主要图案边缘182与184之间的距离。可替代地，长丝图案172覆盖边缘182与184之间的部分距离。长丝图案172优选地源自位于压辊180上方或下方的位置中的一个或多个喷嘴144，使得图案172从喷嘴144行进到芯模176并且着落在正在形成的长丝团186上，而不直接喷射到压辊180上。

衰减机构154优选地包括伺服驱动扫略机构198，其允许衰减机构154或喷嘴144扫过一定角度，使得长丝图案172A沿着长丝团186的纵向维度在纤维图案166、168、170、220和221之间来回横穿。当图案172A横穿纤维图案166、168、170、220和221时，图案172A沉积出跨在主要图案边缘182与184之间延伸的总沉淀图案基本上连续的聚合物长丝。

在优选实施例中，扫略机构198包括具有凸轮和从动件机构的伺服驱动电机。其他合适的装置、例如像AC/DC驱动的机械曲柄和推杆机构是可接受的。在优选实施例中，扫略机构198以约800到1000次振荡/分钟运行。如所描述，喷嘴144的衰减机构154被定向来产生导致外张长丝图案172指向芯模176的气体流。

优选地，当接触长丝图案166、168、170、220和221的纤维时，长丝图案172的纤维仍然是相对液态的。由于外皮或外壳尚未在长丝图案172的纤维上完全形成，所述纤维在接触时瞬时地粘着到长丝图案166、168、170、220和221的纤维。然而，需要对长丝图案172的纤维进行一些衰减或冷却，以避免融化长丝图案166、168、170、220和221的纤维。

作为非限制性实例，本发明的深度过滤器中的长丝图案172的聚合物长丝通过以下方式产生：使加热到约325摄氏度与约400摄氏度之间的温度的聚丙烯以约8磅/小时的速率穿过具有约0.016英寸孔口尺寸的喷嘴，并且使温度为约25摄氏度的环境气体以约7标准立方英尺/分钟的速率在离开喷嘴孔口的熔融聚合物流之上经过。也可以使用其他合适的参数组合。

长丝积聚团186在芯模176上产生。长丝图案172包括往复圆锥形长丝图案172A，所述长丝图案172A在图案边缘182与184之间扫略以产生总体更宽的圆锥形图案172。在一个实施例中，压辊180相对于芯模176以一定角度定向，使得起轧点200与芯模176接触。作为非限制性实例，压辊180的外表面202相对于芯模176角位移约1到10度。在一个实施例中，起轧点200在靠近长丝图案166的边缘182处接触芯模176。由于压辊180的角位移，聚集长丝团186中的长丝的压缩沿着压辊180的长度变化。这产生在径向维度上具有变化的密度梯度的长丝团，其中长丝图案166的长丝密度总体上大于由外部长丝图案组成的长丝团的密度。

来自长丝图案166、168、170、220和221的纤维形成总体上二维的材料垫或材料层，所述材料垫或材料层在芯模176上连续形成以累积出由许多纤维层组成的长丝团186。这些纤维可描述为沉淀在X-Y平面中或在纵向和周向(或纬度)维度上。随着纤维逐层累积，它们产生径向或深度维度。长丝图案172A的扫略运动结合芯模176的旋转致使来自喷嘴144的纤维作为“z”方向纤维组合到团186中，所述纤维径向延伸穿过由长丝图案166、168、170、220和221产生的区。长丝图案166、168、170、220和221产生图3中所示的区22。图3的Z形长丝30由长丝图案172产生。Z形长丝30优选地以下述方式来设置：在深度过滤器元件12旋转大约120度或更少的期间，从区22的内侧向外侧并回到内侧的连续方式来设置。

系统110优选地进一步包括长丝递送系统214，所述长丝递送系统214基本上类似于以上描述的系统116，只是长丝递送系统214优选地包括递送长丝的装置，其递送方式为使得所述长丝与由系统116中使用的喷嘴中的一个或多个产生的长丝交络。长丝递送系统214可包括一个或多个聚合物挤出喷嘴。一个实施例使用具有衰减器226的一个喷嘴224，所述喷嘴224相对于芯模176以锐角定位以递送呈椭圆图案的接触长丝团186的长丝图案或流228，所述长丝图案或流228与长丝图案166、168、170、220和221以及长丝递送系统118的那些交络。

确切地说，系统214包括加热器块230、独立驱动的正排量计量泵232和电机234。加热器块230设置有喷嘴224和温度控件236。系统214还设置有与喷嘴224相关联的衰减机构226。加压气体通过导管240从气体供应源238传送到衰减机构226。如同递送系统116，衰减器226可与任选气体加热器(未示出)相关联。尽管细丝递送系统118和214中的每个会产生在径向或z维度上横穿细丝团186的细丝，提供分开的长丝递送系统118和214会确保分开地控制和产生由每个系统118和214产生的聚合物长丝。在一个实施例中，用于长丝递送系统214的材料源是通过递送管线114的挤出机112；在另一个实施例中，用于系统214的材料源是分开的，以提供长丝递送系统116、118和214中所使用的那些的代用材料。

递送系统214产生离散的、基本上连续的聚合物长丝的流，所述流以外张图案228分布并且从喷嘴224和衰减机构226指向长丝收集装置174。在操作期间，长丝图案228以外张图案指向旋转芯模176。在一个实施例中，长丝图案228跨越流166的远边缘182与流221的远边缘184之间的距离。在替代实施例中，长丝图案228并不跨越远边缘182与184之间的距离，而是覆盖长丝团186的形成层的显著部分，例如，由长丝图案228覆盖的距离大于由每个主要长丝流166、168、170、220和221单独覆盖的距离。优选地，由长丝图案228覆盖的距离大于由两个或更多个相邻的主要长丝流166、168、170、220和221覆盖的距离。在一个实施例中，喷嘴224相对于芯模176以约10度到约20度的锐角设置。图3中的静电长丝28与喷射图案228的长丝相对应。

外壳形成长丝递送系统222基本上类似于以上描述的系统116，只是外壳形成长丝递送系统222优选地配置并定位以在长丝团186的外部圆柱表面上产生相对平滑的外壳区。外壳形成长丝递送系统222优选地使用与长丝递送系统116不同的位置、聚合物通过率和空气衰减设置。相比于系统116，喷嘴244优选地更靠近芯模176地设置并且使用更低的聚合物通过率；另外地，衰减机构246使用更弱的空气衰减。类似于系统116，外壳形成长丝递送系统222包括加热器块248、计量泵250、电机252、温度控件254、气体供应源256和导管258。作为非限制性实例，长丝图案262的聚合物长丝通过以下方式产生：通过具有约0.016英寸孔口尺寸的喷嘴244以约1磅/小时的速率挤出加热到约270摄氏度与约325摄氏度之间的温度的聚丙烯，并且使温度为约25摄氏度的环境气体以约1.5标准立方英尺/分钟的速率在离开喷嘴孔口的熔融聚合物流之上经过。

喷嘴244优选地设置成使得由此所产生的长丝沉积在由长丝图案221形成的外部区22e上。这种构型产生非常浅的区或外壳，所述区或外壳具有显著的纤维与纤维粘结，包括外壳的纤维与外部区22e的纤维之间的一些粘结。外壳的纤维与纤维粘结基本上消除成品深度过滤器元件12的表面上的松散纤维的存在，并且显著地增加所得深度过滤器元件12的表面积。

图5和图6给出根据三种设计制造的若干深度滤筒的测试结果。这些筒中的每个具有约6.5英寸的外径和40英寸的标称长度(即，约37或38英寸)，并且对于12微米颗粒具有约90％的去除效率或对于70微米颗粒99％(绝对)去除。过滤器A和B根据美国专利号6,938,781和6,986,427中描述的方法制造，分别具有四个和五个极少重叠的同心区以及静电长丝和Z形多区长丝。过滤器C如图1到图4中所示制造成具有5个区以及类似的静电长丝和Z形多区长丝，其中第五区与区4及区3的部分重叠。

如图5中所示，过滤器B和过滤器C中的每个提供比任何过滤器A显著更大的纳垢容量(DHC)。然而，如图6中所示，过滤器C在40gpm下的50psi压力差下的寿命相对于过滤器A和过滤器B两者显著地增加。基于这些结果和对过滤器的视觉检查，本发明人认为，过滤器C比过滤器B更耐压缩并且过滤器C的这种性质至少部分地造成它们相对于过滤器B增长的寿命。在不旨在受理论限制的情况下，本发明人认为，长丝从第五区到第四区中的重叠增加了长丝与长丝粘结的密度，并且允许这些区中有适当的每单位体积长丝密度，尽管大直径过滤器元件在其制造时具有高旋转速度。第五区相对于第四区的成角度喷射图案还可进一步抑制第四区的压缩。

在其他测试中，测量出过滤器C的净水压力差(压降)在40gpm下是在0.2与0.4psi之间。当过滤器在80gpm下操作时，压降保持忽略不计。在100gpm下记录1.0psi的压降。

美国专利号6,358,417、6,916,395、6,938,781和6,986,427通过引用并入本说明书。国际公开号WO2012034028通过引用并入本说明书。

本发明的一个或多个实施例已经参考附图在具体实施方式中进行了描述，以帮助公开本发明并使得能够实施本发明。然而，本发明由权利要求书限定并且并不旨在将权利要求书限制于这些具体实例或实施例。权利要求书可包括替代方案、修改和等效物。

Claims (18)

1.一种具有三个或更多个同心区的管状深度过滤器元件，其中(i)每个区由基本上连续的长丝制成或(ii)外部区的一根或多根长丝具有比其他区的长丝更大的直径，并且其中所述外部区的长丝贯穿另一个区的深度的至少50％与所述另一个区的长丝重叠、交叉或交络。

2.如权利要求1所述的管状深度过滤器元件，其中所述外部区的长丝贯穿另一个区的深度的至少50％与所述另一个区的长丝重叠、交叉或交络。

3.如权利要求1或2所述的管状深度过滤器元件，其中所述外部区的所述长丝贯穿所述另一个区的深度的全部与所述另一个区的所述长丝重叠、交叉或交络。

4.如权利要求1至3中任一项所述的管状深度过滤器元件，所述管状深度过滤器元件具有四个或更多个同心区。

5.如权利要求4所述的管状深度过滤器，所述管状深度过滤器具有五个或更多个同心区。

6.如权利要求1至5中任一项所述的管状深度过滤器，所述管状深度过滤器具有横穿所有所述区的一根或多根另外的长丝。

7.如权利要求1至6中任一项所述的管状深度过滤器元件，所述管状深度过滤器元件具有4.5英寸或更大的外径。

8.如权利要求7所述的管状深度过滤器元件，所述管状深度过滤器元件具有6英寸或更大的外径。

9.如权利要求7或8所述的管状深度过滤器元件，所述管状深度过滤器元件对于20微米的颗粒具有至少90％的去除效率或对于70微米颗粒绝对去除。

10.如权利要求7至9中任一项所述的管状深度过滤器元件，所述管状深度过滤器元件在在40gpm下操作的至少37英寸长的过滤器中具有0.5psi或更小的净水渗透性，或在在100gpm下操作的至少37英寸长的过滤器中具有1psi或更小的净水渗透性。

11.一种制造深度过滤器元件的方法，所述方法包括以下步骤：将熔喷长丝喷射到旋转芯模上以形成与圆锥形压辊接触的长丝团，其中所述长丝从沿着所述芯模的长度间隔开的三个或更多个喷嘴喷射，并且所述长丝中的一根以下述喷射图案形成，所述喷射图案与相邻长丝区的所述喷射图案的至少50％重叠。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述长丝中的一根以下述喷射图案形成，所述喷射图案与相邻长丝的所述喷射图案的至少85％重叠。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中所述长丝中的一根以下述喷射图案形成，所述喷射图案与相邻长丝的所述喷射图案的全部重叠。

14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述重叠喷射图案由形成外部区的喷嘴产生。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述重叠喷射图案相对于垂直于所述芯模的线朝向所述被重叠区成至少10度的角。

16.一种制造深度过滤器元件的机器，所述机器包括：

a)可旋转芯模；

b)圆锥形压辊；以及

c)三个或更多个喷嘴，所述三个或更多个喷嘴沿着所述芯模的长度间隔开并且配置用于将熔纺长丝喷射到所述芯模上，

其中所述喷嘴中的第一个配置用于形成喷射图案，所述喷射图案与由第二喷嘴形成的所述喷射图案的至少50％重叠。

17.如权利要求15所述的机器，其中所述喷嘴的所述第一个配置用于形成喷射图案，所述喷射图案与由第二喷嘴形成的所述喷射图案的至少85％重叠。

18.如权利要求16或17所述的机器，其中所述喷嘴中的所述第一个相对于所述第二喷嘴成至少10度的角。