CN106659949A - 用于燃料的过滤器结构、滤筒和过滤器组 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃料流体的过滤器结构(100)，所述过滤器结构(100)包括第一过滤器壁和疏水壁，其特征在于，所述疏水壁由这样的材料制成：静态接触角等于或大于90°，后退接触角θrec小于90°，在前进接触角θav和后退接触角θrec之间的滞后H为50°‑80°。
Description
技术领域
本发明涉及比如燃料和润滑剂的液体的过滤，特别是用于供应和润滑内燃机的液体，在下文中简称为液体，的过滤。
具体地，本发明涉及消除悬浮在燃料中的水颗粒的需求，水颗粒可能对发动机的机械机构造成损坏，使其产生氧化和破坏的问题。
背景技术
这个问题已经是多年来的研究对象，通常通过其中传送有燃料的过滤器结构消除，该过滤器结构通常由第一过滤器装置、第二装置和第三装置组成，所述第一过滤器装置具有保留固体颗粒功能，所述第二装置具有聚结性质并且能够将燃料中存在的微小悬浮水颗粒收集于较大尺寸的液滴中，所述第三装置通常具有疏水性质，其保留前面收集的水颗粒或水滴而仅允许燃料通过。
所述微粒或液滴在其重力作用下被疏水装置保留并落入下面的收集区。
上述定义的结构的装置的形状为薄层，其可以相互接触，或者甚至至少部分隔开，并且通常构造为同轴环形元件，所述同轴环形元件构成普通过滤设备的滤筒。
至少所述过滤器层可以具有截面为星形的褶皱状。然而，现有技术的手段获得的悬浮水的分离和消除由于多种原因而不适于响应发动机制造商更严苛的需求。
首先，发动机供给回路中的压强渐渐增加，因此，假设水-燃料悬浮物的液滴尺寸与构成所使用的疏水分离器的纤维的孔径或尺寸相当，则该液滴会逐渐变小。
此外，旨在与液体接触的机械机构的逐渐更复杂和精密导致需要消除悬浮在其中的甚至最小量的水残余物，使得已知的燃料过滤器不适用。
由于液体中存在添加剂(例如表面活性剂)，水的分离变得更加困难，该事实使得情况更加糟糕，添加剂影响界面张力使之减小，由此使得与接合装置接触的水颗粒难以聚结。
最后，在生物燃料中，所述水更加牢固地结合至燃料；因此，其分离更加困难。
本发明的目的是公开一种结构，其能够用有效、简单和相对便宜的解决方案消除上述缺点。这些目的通过具有独立权利要求中列举的特征的过滤器结构、过滤器单元和包含该结构的燃料过滤器单元来实现。
发明内容
本发明的一个实施例涉及用于燃料流体的过滤器结构，其包括第一过滤器壁和疏水壁，其特征在于，疏水壁由这样的材料制成：静态接触角等于或大于90°，后退接触角θrec小于90°，在前进接触角θav和后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°(六十进制度)之间。后退接触角可以优选地为50°-80°(六十进制度)。
有利的是，前进接触角θav可以优选为100°-160°(六十进制度)。
在一般定义中，材料相对于液体的润湿性简单地定义为静态接触角θst的函数，静态接触角可定义为平均接触角，基于此，静态接触角θst大于90°的材料定义为疏水性，并且静态接触角θst低于90°的材料定义为亲水性。
该角度可使用适当的技术测量，宏观地表示由于存在于材料表面的表面能的各种情况而微观上存在于材料表面上，并且由形成该材料或其涂层的表面结构的微区域的分布决定的各种润湿性条件的平均值。
在聚合物材料的情况下，这些微区域的存在是特别重要的，其中构成聚合链的各种结构呈现不同的能态，并且因此在局部水平显示各种润湿性条件。因此，可以定义可以在微观水平的表面上相交的可能的接触角的范围。使用适当的测量系统(例如，Wilhelmy天平或固着液滴或另一已知的测量系统)可以测量后退接触角θrec和前进接触角θav，该后退接触角θrec代表具有最高表面能并因此具有较大亲水性(或较小疏水性)的微区域，该前进接触角θav代表具有较低表面能并因此具有较大疏水性(或较低亲水性)的微区域。通常，当水滴在待确定其润湿性的材料表面上静止时，静态接触角θst在所有方向上是相同的，并且该静态接触角是在液滴侧边上测得的、在液滴与所述表面之间的接触线上、由液滴切线与所述表面之间形成的角度。
显然，静态液滴的静态接触角θst的值处在后退接触角θrec的值和前进接触角θav的值之间，即，遵守以下关系：
θrec<θst<θav。
接触角的滞后H定义为根据前进接触角θav的(测量的)值和后退接触角θrec的(测量的)值之差计算的值，即，具有以下关系：
H＝θav-θrec。
在本发明的本实施例中，当材料通常为疏水性的，即静态接触角θst大于90°，后退接触角θrec小于90°，且滞后值H为50°-80°(六十进制度)的材料时，在水与燃料流体的分离方面获得最佳结果。
后退接触角θrec可优选地为50°-80°(六十进制度)之间。
后退角θrec必须小于90°，优选地为50°-80°的条件与构成疏水壁的纤维(或者如果应用的话，施加的覆盖物)的表面能的状态相关，在疏水壁中普遍的亲水性微区域(其组合限定后退接触角θrec)和普遍的疏水性微区域(其组合以限定前进接触角θav)共存，这使得液滴能够锚定至纤维而不沿着纤维延伸。保留在亲水微区球的纤维上的液滴通过与其它液滴聚结而增加其尺寸并且因重力落下。
注意，指示的范围的极值与在现有技术中最广泛使用的疏水壁的材料的相应特征的极值非常不同，其中滞后值H处在以下范围：10°<H<30°(六十进制度)。
特别地，现有技术文献中没有一篇强调有利选择后退接触角和滞后角的范围以便确定有效分离水的疏水壁的重要性，即使在临界条件下(例如在生物燃料或表面活性剂含量高的燃料中)也是如此，而是基于由静态接触角定义的单个参数来选择疏水壁。
文献US 2008/0105629(D2)提供了一个实例，其中疏水壁的选择落在静态接触角为50°-140°(六十进制度)的疏水壁上，并且一般来说，疏水表面的定义仅作为静态接触角的函数给出(即，如果静态接触角小于90°，则材料被定义为亲水的，并且如果静态接触角大于90°，则材料被定义为疏水的)。
由于材料的滞后特性规格，已经观察到水与燃料的分离发生在70和100％之间，例如，甚至在富含表面活性剂的燃料和生物燃料中也是如此。
在本发明的特定和优选方面，所述疏水壁由静态接触角为110°(六十进制度)，后退接触角(θrec)为75°(六十进制度)和在前进接触角θav和后退接触角θrec之间的滞后H为70°(六十进制度)的材料制成，因此，前进接触θav基本上为145°(六十进制度)。
具有这些特性的材料即使在富含表面活性剂的燃料和生物燃料中也保证水与燃料90％分离。在本发明的第一实施例的另一方面，所述疏水壁由静态接触角θst为110°-130°(六十进制度)的材料实现。
在本发明第一实施例的另一方面，所述疏水壁由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)制成。
本发明的变体包括另一接合过滤器壁，所述另一接合过滤器壁位于第一过滤器壁的下游并与所述第一过滤器壁接触且在疏水壁的上游。
在本发明的第一实施例的一个方面中，所述接合过滤器壁的材料选自以下材料：粘胶、聚酯、玻璃纤维。
本发明的第二实施例提供了一种用于燃料流体的滤筒，所述滤筒包括上板和下板，过滤器结构位于所述上板和下板之间，该过滤器结构包括第一过滤器壁和疏水壁，其中所述疏水壁由静态接触角等于或大于90°(六十进制度)，后退接触角θrec小于90°(六十进制度)以及在前进接触角θav和后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°(六十进制度)的材料制成。
所述后退接触角θrec可以优选为50°-80°(六十进制度)之间。
本发明的第三实施例公开了一种用于燃料流体的过滤器组，其包括外壳，所述外壳设有用于待过滤燃料的进口管和用于已过滤流体的出口管，所述外壳内部容纳有滤筒，所述滤筒包括上板和下板，过滤器结构位于所述上板和所述下板之间，包括第一过滤器壁和疏水壁，其中所述疏水壁由静态接触角等于或大于90°(六十进制度)，后退接触角为90°(六十进制度)和在前进接触角和后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°(六十进制度)的材料制成。所述后退接触角θrec可优选地为50°-80°(六十进制度)之间。
附图说明
以下详细描述借助于附加的图表以非限制性示例的方式描述了本发明的一些优选实施例，使本发明的优点以及结构和功能特征变得更加明显。
图1是根据本发明的结构的第一实施例的剖视图。
图2是根据本发明的结构的第二实施例的剖视图。
图3是根据本发明的实施例的过滤器组和滤筒的剖视图。
具体实施方式
图1展示了根据本发明的过滤器结构100和水分离器的实施例。
该结构100包括用于从燃料分离杂质的第一过滤器壁1。
在所示实施例中，该第一过滤器壁由聚对苯二甲酸丁二醇酯制成，并且孔隙率为2-5μm，厚度为0.5-0.7mm且重量为200g/m2。
在本发明的其它实施例中，所述第一过滤器壁还可以由聚酯或任何合适该目的的其它材料制成。
疏水壁3位于待过滤燃料的流动方向的下游，该疏水壁3能够对在穿过所述接合第一过滤壁1时收集的水滴提供屏障。
疏水壁3位于接合第二过滤器壁1一定距离处。优选地，该距离根据应用在0.1mm至20mm之间变化。
在优选的实施例中，所述疏水壁3包括纤维网或无纺纤维织物，其表面通过基于疏水材料，例如基于氟和/或硅的官能化处理来进行处理，能够确定由θav值，θrec值和滞后H(定义为θav和θrec之差)定义的预定的表面能态。
在本发明的一个实施例中，所述纤维可以通过基于氟和/或硅的常规官能化方法由尼龙或涂布的聚酯制成。该处理必须能够确定在分布纤维的表面(例如，疏水壁3面向第一过滤器壁1的表面)上形成微区域，从而获得这样的疏水材料：(静态接触角θst等于或大于90°)后退接触角θrec为50°-80°(六十进制度)之间且前进接触角θav和后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°(六十进制度)。
通常，该疏水材料的后退接触角θrec小于90°(六十进制度)。
例如，可以通过用于形成疏水壁3的方法获得如上所述的疏水壁3，该方法具有以下步骤：
-设置壁，例如网或无纺织物；
-设置疏水材料，例如包含硅和/或氟或由硅和/或氟构成的官能化物质；
-将所述疏水材料应用至所述壁的至少一个表面，例如通过将所述壁浸入预定浓度的官能化疏水材料的浴中持续确定的浸渍时间，或者通过暴露于预定浓度的放电的官能化等离子体中持续确定的暴露时间；
-检查所获得的疏水壁(3)是否符合所需的疏水必要条件，例如，通过以下控制/选择顺序。在实践中，该疏水壁3的控制或选择可以包括：-测量疏水壁3的静态接触角θst，例如，通过固着液滴或另一种已知类型的测量系统；
-测量疏水壁3的后退接触角θrec，例如通过Wilhelmy天秤或固着液滴或另一种已知类型的测量系统；
-测量疏水壁3的前进接触角θav，例如通过Wilhelmy天秤或固着液滴或另一种已知类型的测量系统；和
-如果测得的静态接触角θst等于或大于90°，测得的后退接触角θrec小于90°，并且在测得的前进接触角θav和测得的后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°，可以使用疏水壁3，即，将其与第一过滤器壁1连接，以实现用于燃料流体的过滤器结构100；和/或
-固定形成过程中使用的官能化物质的成分和/或其它形成/官能化过程参数(例如，官能化物质的应用方法、浸渍时间和等离子体暴露时间以及最终其它参数)。
另一方面，如果测得的静态接触角θst小于90°，和/或测得的后退接触角θrec大于或等于90°，和/或在测得的前进接触角θav和测得的后退接触角θrec之间的滞后H在包括于50°和80°之间的上述范围之外，则可能：
-改变在形成过程和/或其它形成/官能化过程中使用的官能化物质的成分(例如官能化物质的应用方法、浸渍时间或等离子体暴露时间和最终其它参数)，以及
-重复控制由参数修改的形成/功能化过程获得的另一疏水壁3，直到符合如下条件：测得的静态接触角θst等于或大于90°的条件，测得的后退接触角θrec小于90°，并且在测得的前进接触角θav和后退接触角θrec之间滞后H小于90°，为50°-80°。
在第一实施例中，该疏水网3包括(或，为)由每平方英寸具有600根线的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的网，并且呈现出基于氟的官能化表面。具有这些特征的疏水网呈现出115°(六十进制度)的静态平衡角，65°(六十进制度)的后退接触角和70°(六十进制度)的滞后H。
在这种情况下，根据分散在柴油中的液滴的尺寸，由样品疏水壁上进行的试验观察到与燃料分离的水在70％和100％之间。
在第二实施例中，该疏水网3包括(或，为)由每平方英寸具有450根线的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的网，并且呈现出基于氟的官能化表面。具有这些特性的疏水网呈现出120°(六十进制度)的静态平衡角，80°(六十进制度)的后退接触角θrec和60°(六十进制度)的滞后H。
在这种情况下，根据分散在柴油中的液滴的尺寸，由样品疏水壁上进行的试验观察到与燃料分离的水在80％和100％之间。
在第三实施例中，该疏水壁包括(或，为)由通过熔喷产品(例如，聚酯或尼龙)产生的合成材料制成的无纺织物，从而孔尺寸在2微米和20微米之间(优选在3微米和5微米之间)且具有基于氟的官能化表面。具有这些特性的疏水网呈现出115°(六十进制度)的静态平衡角，55°(六十进制度)的后退接触角θrec和80°(六十进制度)的滞后H。
在这种情况下，根据分散在柴油中的液滴的尺寸，由样品疏水壁上进行的试验观察到与燃料分离的水在90％和100％之间。图2展示了根据本发明的用于分离水的过滤器结构101的第二实施例。
在水过滤和分离结构101的描述中，相同的附图标记将用于表示与在第一结构100中已经描述的部件相同的部件。
结构101包括用于从燃料中分离杂质的第一过滤器壁1。
接合第二过滤器壁2位于待处理的燃料的流动方向的下游并且与该第一过滤器壁1接触。
接合第二过滤器壁2可以由具有已知结构和成分的聚结材料制成，即能够获得关于待过滤流体燃料中存在的水颗粒的聚结效果的材料。
例如，所述第二过滤壁2可以由粘胶、聚酯、玻璃纤维、单组分纤维、双成分纤维和/或双组分制成。通常，根据本发明，接合第二过滤器壁2必须呈现出比一过滤器壁1更大的孔隙度。此外，在优选实施例中，接合第二过滤器壁2的厚度比第一过滤器壁1的厚度更大。
疏水壁3单独地位于所述第二过滤器壁2的下游，该疏水壁3能够对在穿过所述接合第二过滤壁2时收集的水滴提供屏障。
对疏水壁进行官能化表面处理，从而确定等于或大于90°的静态接触角，小于90°(六十进制度)且优选为50°-80°的后退接触角θrec，及在前进接触角θav和后退接触角θrec之间的为
50°-80°(六十进制度)之间的滞后H。
所述结构100和/或101可应用于滤筒，所述滤筒旨在用于流体过滤(特别是用于过滤供应内燃机的燃料)的过滤器组的内部。
图3展示了与过滤器组40连接的结构101，其在过滤器组10内部用于过滤内燃机的燃料。所述过滤器组件10包括外壳，该外壳整体以20表示，设有用于待过滤的燃料的进口管23和用于已过滤燃料的出口管24。
在所述实施例中，所述外壳20包括杯状主体21和能够封闭所述杯状主体21的盖体21，在该盖体22上设有用于燃料过滤器的进口管23和对于已过滤燃料为轴向的出口管24。
所述杯状主体21包括位于其底部的排放管25，该排放管25用于累积在所述杯状主体21的底部上的水，设有封闭帽26。
滤筒40设置在所述外壳20的内部，该滤筒40将所述外壳20的内部体积划分成两个不同的腔211、212。其中第一腔211用于待过滤的燃料(在实施例中位于外部)，与所述进口管23连通；第二腔212用于已过滤燃料(在实施例中位于内部)，与所述出口管24连通。
所述滤筒40包括上支撑板41和下支撑板42，上述过滤器结构101位于所述上支撑板41和下支撑板42之间。
所述上支撑板41为大体盘状并且具有中心位于所述滤筒40的纵向轴A上的中心孔410。
所述下支撑板42同样为大体盘状并且具有中心位于所述过滤器壁43的纵向轴A上的中心孔420。
所述上支撑板41的中心孔410插入所述出口管24的末端内部，常规密封圈411插入固定在中心孔410处的适当基座中。
而所述下支撑板42进入并搁置在环形圆柱基座421的底部，该环形圆柱基座421通过插入另一个密封圈422设置在所述杯状主体21的底部附近(与其隔一段距离)。
在本实施例中，所述第一过滤器壁1和所述接合第二过滤器壁2实现为环闭褶皱壁，即在水平剖面中呈现有已知的星形的壁。
所述第一过滤器壁1和所述接合第二过滤器壁2插入连接所述第一板和第二板的圆柱芯体43的外部。所述芯体43呈现大体管状的笼式结构且直径与所述接合第二过滤器壁2的内径大体相等(或稍小)。
具体地，所述芯体43的笼式结构由多条竖直立柱430(例如，等距离的)组成，该多条竖直立柱430接合界定用于流体通过的开孔432的多个水平环431(例如，等距离的)。
第二纵向芯体43的相反两端都是敞开的，并且可能通过比如粘合或焊接各自固定至所述上支撑板41和所述下支撑板42的分别相对的内面。
第二芯体45容纳在所述芯体43的内部，其与所述第一芯体43同轴，具有呈现大体管状的笼式结构且直径比所述第一芯体43的直径更小。
具体地，所述芯体45的笼式结构由多条竖直立柱450(例如，等距离的)组成，该多条竖直立柱450接合界定用于流体通过的开孔452的多个水平环451(例如，等距离的)。
所述过滤器结构100的疏水壁3插入所述第二芯体45的外表面。
在本发明的其它实施例中，所述疏水壁3可以通过任何已知类型的方法(例如，通过粘合或共同模制)连接至所述第二芯体45的外部或内部表面。
所述第二芯体45的上端插入所述排放管24的内延伸部240，并且在其边缘呈现法兰453，该法兰453的下表面搁置在从所述第一芯体43内部分支的环形架433上。基于这个构造，所述芯体的法兰453夹紧在所述环形架433和所述上板41之间。
所述第二芯体45的下端反而由位于所述下板42的中心孔处的盘状主体454封闭。
如上所述，所述过滤器组件10的操作是明显的。
将待处理的燃料流从外围移向所述过滤器组件10的中心处。
燃料穿过所述第一过滤器壁1，所述第一过滤器壁1基于其低孔隙度从流体分离出杂质。
随后，流体(燃料和水颗粒)穿过所述接合第二过滤器壁2，所述接合第二过滤器壁2利用聚结效果收集水颗粒以形成较大尺寸的液滴。收集的水滴被所述疏水壁3阻挡，而所述疏水壁3允许已过滤燃料穿过，然后已过滤燃料引向所述出口管24。
被所述疏水壁3阻挡的水滴在重力作用下落入上面由所述下板42界定的下收集腔，并且通过所述排放孔25从该下收集腔排出。
所构思的本发明容许各种修改及变化，所有修改及变化都属于本发明构思的范围。
进一步地，所有细节可以由其它技术等同元件替换。
在实践中，可以根据需求使用任意的材料以及可能的形状和尺寸，这些都在权利要求的保护范围内。
Claims (15)
1.一种用于燃料流体的过滤器结构(100)，所述过滤器结构(100)包括第一过滤器壁(1)和疏水壁(3)，其特征在于，所述疏水壁(3)由这样的材料制成：静态接触角θst等于或大于90°，后退接触角θrec小于90°，前进接触角θav和后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°。
2.根据权利要求1所述的过滤器结构，其特征在于，所述疏水壁(3)的后退接触角θrec为50°-80°。
3.根据权利要求1所述的过滤器结构，其特征在于，所述疏水壁(3)包括网或无纺织物，所述网或无纺织物面向所述第一过滤器壁(1)的表面用疏水材料进行功能化处理。
4.根据权利要求3所述的过滤器结构，其特征在于，所述疏水材料为氟或硅。
5.根据权利要求3或4所述的过滤器结构，其特征在于，所述功能化处理为在所述网或无纺织物的表面上应用疏水材料，所述疏水材料以微区域分布在所述表面上。
6.根据权利要求1所述的过滤器结构，其特征在于，所述疏水壁(3)由这样的材料制成：静态接触角θst为110°，后退接触角θrec为65°，且前进接触角θav和后退接触角θrec之间的滞后H为70°。
7.根据权利要求1所述的过滤器结构，其特征在于，所述疏水壁(3)由这样的材料制成：静态接触角θst为110°-130°。
8.根据权利要求1所述的过滤器结构，其特征在于，所述疏水壁(3)由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)制成。
9.根据权利要求1所述的过滤器结构，其特征在于，所述过滤器结构包括另一接合过滤器壁(2)，所述另一接合过滤器壁(2)位于所述第一过滤器壁的下游并与所述第一过滤器壁接触且在所述疏水壁的上游。
10.根据权利要求1所述的过滤器结构，其特征在于，所述接合过滤器壁(2)的材料选自以下材料：粘胶、聚酯、玻璃纤维。
11.一种用于燃料的过滤器结构(40)，所述过滤器结构包括上板(41)和下板(42)，用于燃料流体的过滤器结构位于所述上板(41)和所述下板(42)之间，包括第一过滤器壁(1)和疏水壁(3)，其特征在于，所述疏水壁(3)由静态接触角等于或大于90°，后退接触角θrec小于90°且前进接触角θav与后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°的材料制成。
12.根据权利要求11所述的滤筒，其特征在于，所述滤筒包括根据权利要求1至10中任一项所述的过滤器结构。
13.一种过滤器组(10)，所述过滤器组(10)包括外壳(20)，所述外壳(20)设有用于待过滤流体的进口管(23)和用于已过滤流体的出口管(24)，所述外壳(20)内部容纳有根据前面的权利要求11至12中任一项所述的滤筒(40)。
14.一种疏水壁(3)的选择方法，所述疏水壁(3)在从燃料流体中分离水时使用，所述选择方法包括以下步骤：
-测量疏水壁(3)的静态接触角θst；
-测量疏水壁(3)的后退接触角θrec；
-测量疏水壁(3)的前进接触角θav；
-如果测得的静态接触角θst等于或大于90°，测得的后退接触角θrec小于90°，并且测得的前进接触角θav和测得的后退接触角θrec之间的滞后H为50°-80°，则使用疏水壁(3)来与第一过滤器壁(1)连接，从而实现用于燃料流体的过滤器结构(100)。
15.一种形成疏水壁(3)的方法，所述方法包括以下步骤：
-设置待制成疏水性的壁；
-设置疏水材料；
-将所述疏水材料应用于所述壁的至少一个表面上；
-通过权利要求14所述的选择方法检查所获得的疏水壁(3)是否符合所需的疏水必要条件。
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