CN112105437A - 具有包括纳米纤维的多种纤维结构的复合过滤器介质 - Google Patents

Abstract

过滤器介质包括第一纤维层和位于第一纤维层下游的第二纤维层。所述第一纤维层的第一几何平均纤维直径小于1μm，使得纤维直径的几何标准偏差大于2。所述第二纤维层的第二几何平均纤维直径小于1μm，使得纤维直径的几何标准偏差小于2。

Description

具有包括纳米纤维的多种纤维结构的复合过滤器介质

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年5月3日提交的美国临时申请号为62/666,315的优先权和权益，在此通过引用将其全部公开内容并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及用于内燃机系统的过滤器。

背景技术

内燃机通常在运行期间使用各种流体。例如，燃料(例如，柴油、汽油、天然气等)用于使发动机运转。空气可以与燃料混合以产生空气燃料混合物，然后由发动机使用该燃料混合物在化学计量或稀薄条件下运行。此外，可以向发动机提供一种或多种润滑剂，以润滑发动机的各个部分(例如，活塞缸、曲轴、轴承、齿轮、阀、凸轮等)。这些流体可能被颗粒物质(例如碳、粉尘、金属颗粒等)污染，如果不从流体中去除，可能会损坏发动机的各个部件。为了去除这种颗粒物质或其他污染物，通常在输送流体之前，使流体穿过构造成从流体中去除颗粒物质的过滤器元件(例如，燃料过滤器、润滑剂过滤器、空气过滤器等)。在本领域中，对提供高颗粒去除、低限制和长寿命的过滤器的需求不断增长。

发明内容

本文所述的实施例总体上涉及包括多种纤维结构的过滤器介质，所述多种纤维结构包括纳米纤维。本文的实施例更具体地涉及一种过滤器介质，其包括上游纤维层和下游纤维层，所述上游纤维层被配置为降低小颗粒的浓度而不会被较大颗粒过载，所述下游纤维层被配置为去除小颗粒，同时去除浓度不断增加的大颗粒。

在一组实施例中，过滤器介质包括第一纤维层和位于第一纤维层下游的第二纤维层。第一纤维层的第一几何平均纤维直径小于1μm，并且几何标准偏差大于2。第二纤维层的第二几何平均纤维直径小于1μm，并且几何标准偏差小于或等于2。在一些实施例中，第一纤维层的几何平均纤维直径小于或等于第二纤维层的第二几何平均纤维直径。在一些实施例中，第二纤维层的几何平均纤维直径大于或等于第一纤维层的第一几何平均纤维直径。

在另一组实施例中，过滤器介质包括第一纤维层和位于第一纤维层下游的第二纤维层。第一纤维层和第二纤维层中的每一个的平均流动孔径(P50)等于或小于10μm，并且第一纤维层的P99与P50的第一比率大于第二纤维层的P99与P50的第二比率。

在又一组实施例中，过滤器介质包括第一纤维层和位于第一纤维层下游的第二纤维层。第一纤维层的弗雷泽渗透率小于每分钟20立方英尺(cfm)，并且第二纤维层的弗雷泽渗透率大于5cfm。

应当理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(假设这样的概念并不相互矛盾)被认为是本文公开的主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾的所要求保护的主题的所有组合都被认为是本文公开的主题的一部分。

附图说明

从以下描述和所附权利要求，结合附图，本公开的前述和其他特征将变得更加明显。应理解，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方式，因此，不应认为是对其范围的限制，将通过使用附图以额外的特征和细节来描述本公开。

图1是根据实施例的过滤器介质的示意图。

图2是用玻璃纳米纤维过滤器介质(介质A)、聚合物纳米纤维介质(介质B)和介质C(其包括位于玻璃过滤器介质下游的聚合物纳米纤维介质)的β比率表示的响应于包含0-5μm范围内的颗粒的粉尘流过介质A、B和C的污染物去除曲线图。

图3是介质A、B和C的压降对比时间的曲线图。

图4是包含1.5μm(c)的粉尘的介质A、B和C的β比率对比时间的曲线图。

图5是包含2.0μm(c)的粉尘的介质A、B和C的β比率对比时间的曲线图。

图6是包含4.0μm(c)的粉尘的介质A、B和C的β比率对比时间的曲线图。

图7是包含6.0μm(c)的粉尘的介质A、B和C的β比率对比时间的曲线图。

图8是比较每个介质A、B和C在30kPa和200kPA的运行压力下的过滤器寿命的条形图。

图9是比较暴露于半固态有机污染物的介质A、B和C的压降的曲线图。

图10是由耐火材料形成的上游第一介质层(介质I)、由聚合材料形成的下游介质层(介质D)和支撑介质层(介质L)的孔径对比数量的曲线图。

图11是使用悬浮在MIL-PRF-5606液压油中的ISOA3测试粉尘颗粒确定的各种过滤器介质的粒度对比β比率的曲线图。

图12是使用悬浮在MIL-PRF-5606液压油中的0-5μm(c)测试粉尘的各种过滤器介质的粒度对比β比率的曲线图。

图13是显示了根据本文描述的各种实施例的上游第一介质层的几何平均纤维直径与下游第二介质层的几何平均纤维直径的比率对梯度介质和分级介质的相对过滤器寿命的效果的曲线图。

图14是显示了根据本文描述的各种实施例的上游第一介质层的P50与下游第二介质层的P50的比率对梯度介质和分级介质的相对过滤器寿命的效果的曲线图。

图15是显示了根据本文描述的各种实施例的上游第一介质层的弗雷泽渗透率与下游第二介质层的弗雷泽渗透率的比率对梯度介质和分级介质的相对过滤器尺寸的效果的曲线图。

图16A是根据实施例的过滤器元件的侧视图；以及图16B是图16A的过滤器元件的侧视截面图。

图17是根据实施例的包括图16A-16B的过滤器元件的过滤器组件的侧视截面图。

在整个以下详细描述中参考了附图。在附图中，除非上下文另有指示，否则类似的符号通常标识类似的部件。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施方式并不意味着是限制性的。在不脱离本文呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施方式，并且可以进行其他改变。容易理解的是，如本文一般描述的并且在附图中示出的本公开的方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合和设计，所有这些都被明确考虑并且成为本公开的一部分。

具体实施方式

本文所描述的实施例总体上涉及具有包括纳米纤维的多种纤维结构的过滤器介质，并且具体地涉及一种过滤器介质，其包括上游纤维层和下游纤维层，所述上游纤维层被配置为降低小颗粒的浓度而不会被较大颗粒过载，所述下游纤维层被配置为去除小颗粒，同时去除浓度不断增加的大颗粒。

在本领域中，对提供高颗粒去除、低限制和长寿命的过滤器的需求不断增长。使用层中具有纳米纤维的过滤器介质或使用纳米纤维与其他纤维混合的过滤器介质以满足这些竞争性要求。对于发动机、液压和设备应用，已经使用了两种方法。第一类使用具有至少一层聚合物纳米纤维过滤器介质的过滤器介质。该介质的纳米纤维层的特征在于具有窄纤维直径分布，即，几何标准偏差小于1.8至2.0，并且极少的(如果有的话)大于1μm的纤维。即使在4μm(c)或以下的细粒度下，该介质也显示出高去除效率，在过滤器的整个使用寿命中，该去除效率往往相对稳定或增加。由于其在所有粒度下均具有高颗粒去除效率，因此在某些条件下，容尘量和过滤器寿命可能会比其他方法短。该介质使用本质上连续的聚合物纤维，因此不会在褶皱尖端处受到由较短长度纤维的混合物制成的介质经历的折断或破裂。

第二类使用具有纳米纤维介质的过滤器介质，其主要由纤维长度mm至cm尺度内、宽纤维直径分布(即几何标准偏差大于1.8至2.0)的玻璃纤维组成。纤维通常用树脂(例如酚醛或丙烯酸)粘结在一起。该介质即使在4μm(c)和以下的细粒度下也显示出高去除效率，但与大于约6μm(c)粒度的聚合物纳米纤维相比，去除效率较低。此外，随着过滤器负载的增加，去除趋于恶化，特别是在较大的粒度下。这种介质易于发生介质迁移和内在污染，即玻璃颗粒和纤维碎片释放和迁移到过滤器下游的流体中。它还容易在褶皱尖端处形成“裂纹”或孔洞，从而影响性能。介质迁移、内在污染和褶皱破裂是使用较短长度的较脆性纤维生产介质的结果，并且可能导致下游组件(例如高压共轨燃油系统的喷油器、或液压系统的伺服阀)损坏。另一方面，表观容尘量和过滤器寿命可能会比聚合纳米纤维介质更好，因为该介质每单位时间清除的总污染物更少。

对于所描述的过滤器应用，有两种增加过滤器寿命的基本方法：增加过滤器体积内的介质表面积、以及梯度过滤。增加介质表面积是通过将介质封装在过滤器壳体中的方式实现的。这样，较薄的介质允许在给定的体积内待封装褶皱密度增加和表面积增大。

梯度密度过滤使用连续的过滤器介质层(从上游到下游)，这样每一层都比前一层去除效果更好。这可以通过利用过滤器介质中每个逐次(successive)的层具有更大的密度(即，较低的孔隙率或更大的实密度(solidity))和/或减小的纤维直径的过滤器介质来实现。密度的增加和/或纤维直径的减小导致每个后续层的弗雷泽渗透率降低。在某些梯度层的上游、下游或甚至之间可能存在较高的弗雷泽渗透率层，以改善功能性(例如，可加工性)或保护过滤层不受损害，但是这些并非旨在为过滤层。梯度密度过滤的目的是将污染物更均匀地分布在过滤器介质的整个深度上，其中较粗的颗粒在更靠近上游表面被去除，而较细的颗粒则更深地渗透到过滤器介质中。但是，梯度密度过滤增加了过滤器介质的厚度，并且可能减少了给定体积内的褶皱数量，并相应地减少可封装在定体积内的介质表面积。

本文所述的各种实施例提供了使用逐次的过滤器介质层(从上游到下游)的分级过滤，使得各层在过滤器加载的不同阶段协同工作，以提供一致且高水平的去除。一起工作，上游第一纤维层减少了小颗粒向下游第二纤维层的负载，并延迟了较大的颗粒在第二纤维层上的负载，从而延长了其寿命。随着被第一纤维层的去除恶化，第二纤维层通过去除不断增加污染物的量来补偿。第二纤维层进一步降低了小颗粒的浓度，同时去除了穿过第一纤维层的浓度不断增加的较大颗粒，以及可能从第一纤维层释放的任何玻璃颗粒、纤维或其他颗粒。第一纤维层和第二纤维层的组合提供了一致的高去除效率并增加了使用寿命。

本文所述的分级过滤器介质的各种实施例可提供如下益处，例如包括：

(1)提供至少两个协同工作的纳米纤维层，以提供去除直径小于6μm(c)的颗粒的高过滤效率；(2)使用具有宽孔径分布的上游纳米纤维层，使过滤器介质可以去除1-2μm(c)范围内的小颗粒，而不会使直径大于2μm(c)的大颗粒超载，从而延迟大颗粒和小颗粒在下游纳米纤维层上的负载；(3)使用下游纳米纤维层进一步降低小颗粒的浓度，同时去除穿过上游纳米纤维层的任何大颗粒；(4)提高过滤效率以及过滤器介质的寿命；以及(5)与使用梯度密度过滤介质相比，使用更薄的过滤器介质可实现这些益处。

因此，本文所述的分级过滤器介质显著增加了过滤器寿命和容量，同时使用具有相似的平均纤维直径和孔径的两层过滤器介质来维持或提高去除过滤效率。尽管有其他人努力集中于使过滤器介质的深度加倍(例如，使用两个相似的玻璃层或使用两个相似的聚合物层)，但此类应用无法实现根据本文各种实施例所述的分级过滤器介质的益处。这是由于本文所述的两层分级过滤器介质区别主要在于纤维直径分布、孔径分布和/或弗雷泽渗透率。此外，在分级过滤器介质中包含的两层中每一层均包括具有纳米尺度尺寸的纤维的实施方式中，也可以实现本文所述的分级过滤器介质的益处。对于微米纤维和纤维素介质，与纤维直径分布和孔径分布需要去除的物质相比，纤维和孔太大以至于没有意义。

过滤实践使用梯度密度过滤来延长过滤器介质寿命，即，每个逐次的过滤器介质层(从上游到下游)比其前一层提供更大的去除。梯度密度过滤的特征还在于后续层的渗透率降低。例如，如美国专利号5,762,670中所讨论的，这可以通过使用其中每个逐次层具有更大的密度(即，较低的孔隙率或更大的实密度)和/或减小的纤维直径的过滤器介质来实现。美国专利号5,762,670进一步指出，“被比较的两层中的最内层被构造和布置成更有效地捕获较小的颗粒”，其中最内层是下游层。在这样的布置中，被比较的两层的最下游被构造和布置成更有效地捕获较小的颗粒。以这种方式，梯度密度过滤将污染物更均匀地分布在过滤器介质的整个深度上，其中较粗的颗粒在更靠近上游表面被去除，而较细的颗粒则更深地渗透到过滤器介质中。

相反，本文所述的实施例描述了配置用于分级过滤的分级过滤器介质，其包括几何平均纤维直径小于1μm以及宽纤维直径分布(几何标准偏差大于1.8或2.0)的第一纤维层(本文也称为“第一介质层”)和几何平均纤维直径小于1μm以及窄纤维直径分布(几何标准偏差小于2.0、1.8或1.7)的第二下游纤维层(本文也称为“第二介质层”)。相应地，第一纤维层的P99与P50的第一比率大于第二纤维层的P99与P50的第二比率，即第一纤维层的第一比率大于2或3，并且第二纤维层的第二比率小于3，理想地小于2。在一些实施例中，第一纤维层的P50可以近似等于或小于第二纤维层。在一些实施例中，第二纤维层的弗雷泽渗透率可以大于第一纤维层，以保持本文所述实施例的益处，同时减小所得介质的厚度，从而允许以给定的体积中封装的介质表面积增加。在一些实施例中，与第二纤维层相比，第一纤维层可以具有小于约6μm(c)的细颗粒的相似或更高的去除。这与下游层进行梯度过滤以“更有效地捕获较小的颗粒”的目标相反。而是，本文所述的实施例通过在过滤器介质的使用寿命内调节上游第一纤维层对较大颗粒的去除来改善寿命，同时控制到达下游第二纤维层的较细的颗粒的浓度。另一方面，下游第二纤维层导致未被捕获或从第一纤维层脱落的较大颗粒被捕获并保留，从而保护了下游组件。

PCT公开号WO2015017795(对应于美国专利号9,987,578)说明了使用具有窄纤维直径分布的梯度密度过滤器和具有宽纤维直径分布的常规梯度过滤来增加纳米纤维过滤器介质的寿命。使用PTI0-5μm的粉尘可观察到表观容尘量增加了24％至70％，这明显小于使用根据本文所述实施例的分级过滤器介质观察到的表观容量增加214％。根据PCT公开号WO2015017795，如基于常规过滤理论和实践所预期的，以最小平均纳米纤维直径布置在最大平均纳米纤维直径上游的聚合物过滤器介质的表观容量显示出37％的表观容量降低。同样，在不改变纤维直径或孔隙率的情况下增加过滤器介质的厚度也会降低表观容量。根据本文所述的实施例，在将具有宽纤维直径分布的纳米纤维层放置在具有窄纤维直径分布的纳米纤维层的上游时，即使当上游纳米纤维层具有与下游纳米纤维层大约相同或更细的纤维直径时，表观容量也增加。

本文所述的过滤器介质的优点在很大程度上在于以下认识：宽孔径分布可用于延长窄孔径分布介质的寿命，同时增加污染物的去除。本发明的一项重大创新来自于认识到，作为用于高压共轨过滤中，极高去除效率的过滤器介质的过滤器寿命(容量)受大颗粒的存在影响的程度要小于细颗粒、有机污染物和半固体污染物的浓度影响。因此，试图在流体穿过过滤器时依次去除较细的颗粒的梯度过滤效果不佳。本文所述的实施例包括第一纤维层的宽纤维直径分布(以及所得的宽孔径分布)，其在过滤器寿命的早期阶段减少了有问题的细颗粒、有机污染物和半固体的负载，并延长了第二纤维层的寿命。关键是两层的纤维直径分布的差异，这反映在它们的几何平均和标准偏差上，以及在较小程度上，两层的微米纤维与纳米纤维的相对比例。这种差异使介质可以利用变化的上游孔径分布来改善过滤器介质表面随时间的利用，而梯度密度过滤则可以根据过滤器介质深度内的尺寸来去除颗粒。

宽和窄纤维直径分布的过滤器介质层的组合可增加过滤器寿命、容量和去除是一个新概念。数十年来，几何平均纤维直径大于1μm的非织造纤维过滤器介质一直是过滤行业的主要产品。这种过滤器介质，无论是使用纤维素纤维、聚合物纤维还是玻璃纤维制成，都具有固有的宽纤维直径和孔径分布。直到最近，随着柴油发动机高压共轨燃油系统的引入以及对在非常小粒度和更大粒度下都具有高去除效率而又不损失过滤器寿命的相应需求，才改变了这种情况。这导致针对这些应用以及增加过滤器寿命的需求，引入了具有相应的窄孔径分布的聚合物纳米纤维过滤器介质。如‘795出版物中先前指出的那样，在不使用多层纤维层和增加复合介质厚度的情况下，通过使用几何平均直径大于1μm的纤维使用宽纤维直径分布介质是无法满足这一需求的。相反，根据本文描述的实施例，具有过滤器介质的纤维直径分布所示的差异的两个纳米纤维层的组合提供了在所有粒度下期望的高去除、长寿命，增加的容量以及通过梯度密度过滤方法无法获得的潜在更薄的组合过滤器介质。

应当理解，与层的相对平均纤维直径或孔隙率相反，本文所述的过滤器介质使用包含其中的各个层的纤维直径(或孔径)分布来增加寿命。更具体地，宽孔径分布介质用于延长窄孔径分布介质的寿命。本文所述的过滤器介质的显着益处来自于认识到，作为用于高压共轨过滤中，极高去除效率的过滤器介质的过滤器寿命(容量)受大颗粒的存在影响的程度要小于细颗粒、有机污染物和半固体污染物的浓度影响。因此，试图在流体穿过过滤器时依次去除细颗粒的梯度过滤效果不佳。本文所述的过滤器介质的实施例包括上游纳米纤维层的宽纤维直径分布(和相应的宽孔径分布)，其在过滤器寿命的早期阶段减少了有问题的细颗粒、有机污染物和半固体的负载并延长了下游纳米纤维层的寿命。关键是两层的纤维直径分布的差异，这由两层的几何标准偏差和两层的微米纤维与纳米纤维的相对比例反映出来，如本文所述。这种差异使本文所述的过滤器介质能够利用变化的上游孔径分布来改善过滤器介质表面随时间的利用，而梯度密度过滤相反则着重于根据介质深度内的尺寸来去除颗粒，而不考虑其随时间或负载如何变化。

图1是根据实施例的过滤器介质100的示意图。过滤器介质100可用于过滤任何流体，例如空气或空气-燃料混合物、润滑剂、燃料，并且在一些实施例中，还可用于从空气-油混合物中分离水或油(例如，用作曲轴箱通风聚结器过滤器介质)。过滤器介质100可用于过滤器中以保护设备，例如柴油发动机、液压系统、HVAC和洁净室、火花点火式发动机等。

过滤器介质100包括第一纤维层102和位于第一纤维层102下游的第二纤维层104。在一些实施例中，过滤器介质100还可包括基底106。第二纤维层104可以如图1所示插入在第一纤维层102和基底106之间，或者位于基底106的下游。此外，可以在第一纤维层102的上游、在第一纤维层102和第二纤维层104之间、在第二纤维层104和基底106之间、在基底106的上游、在基底106的下游、在基底106和基底106的下游的第二纤维层104之间、或任何其他合适的组合提供任何数量的附加纤维层。

例如，在各种实施例中，过滤器介质可包括熔喷层(M)、上游玻璃纳米纤维层或聚合物纳米纤维层(G)、下游聚合物纳米纤维层(N)、纺粘层(S)和/或纤维素层(F)，其中G对应于前述的第一纤维层102，N对应于前述的第二纤维层104。可以以任何合适的配置来布置这些层，例如，MGNS、MGNNS、MGGNNS、MMGNNS、MMGNS、MMGGNNS、MGNF、MGNNF、MGGNNF、MMGNF、MMGGNNF、GNF、GNNF、GGNNF、GNS、GNNS、GGNNS、SGNS、SGNNS、SGGNNS、SGNF、SGNNF、SGGNNF、MGNMS、MGSN、FGNS，其中最左边的层是第一个上游层，最右边的层是最后一个下游层。尽管层M、G、N、S和F中的每一个都描述为由特定材料形成，但是应该理解，这些仅仅是示例，并且层M、G、N、S和F中的每一个可以由任何合适的材料形成，例如，耐火材料、聚合材料、碳、陶瓷等。

在一些实施例中，第一纤维层102和第二纤维层104包括纳米纤维层。如本文所述，纳米纤维层包括介质层，在介质层中超过80％数量的纤维的直径小于1μm。在一些实施例中，优选地，第一纤维层102和第二纳米纤维层104彼此相邻定位(例如，第二纤维层104位于第一纤维层102的下游)；然而，在一些实施例中，在它们之间可能存在一层或多层其他过滤器介质。第一纤维层102可以包括具有表现出第一几何平均纤维直径小于1μm并且几何标准偏差大于1.8或2的宽纤维直径分布的纤维。在一些实施例中，2％至20％数量的纤维大于1μm。

第二纤维层104可以包括具有第二几何平均纤维直径小于1μm且几何标准偏差小于或等于1.8或2的纤维。在一些实施例中，第二纤维层104少于15％的数量的纤维大于1μm。在一些实施例中，第一纤维层102的第一几何平均纤维直径小于或等于第二纳米纤维层104的几何平均纤维直径。几何平均纤维直径的这种相对差异可以利用这三种方法来延长过滤器寿命，即，梯度密度过滤、增加的介质表面积和纤维直径分布的幅宽，因为与第二纤维层104相比，第一纤维层102的纤维直径更小，使得可以使用更薄的介质来实现相同或更大的去除和过滤器寿命。此外，第二纤维层104的第二几何平均纤维直径可以大于或等于第一纤维层102的第一几何平均纤维直径，以便在保持前述益处的同时减小介质的厚度。在其他实施例中，第一几何平均纤维直径可以等于或大于第二几何平均纤维直径。在一些实施例中，第一纤维层102可以包括诸如玻璃的耐火材料(例如，使用加热、压挤、湿法铺设或任何其他合适的工艺的组合生产得到)。此外，第二纤维层104可包括聚合物材料，诸如聚合物纳米纤维层，例如聚酰胺、聚酯、碳氟化合物、人造丝、凯拉夫尔纤维或任何其他合适的聚合物。

在一些实施例中，过滤器介质100还可包括基底106。基底106可以由比第一纤维层102和第二纤维层104更粗的纤维构成，例如，其几何平均纤维直径大于1μm。在一些实施例中，基底106可以包括包含纤维素、聚合物、合成纤维或不同类型的纤维的混合物的纤维。可以使用酚醛、丙烯酸或其他树脂体系将基底106纤维粘合在一起，或者可以将纤维热粘合在一起。在其他实施例中，可以使用化学手段将基底106纤维粘合在一起。基底106可以支撑第一纤维层102和第二纤维层104，并且可以允许过滤器介质100形成并在生产、运输和使用期间保持期望的形状。

可以存在过滤器介质附加层，例如在上游面(例如，第一纤维层102的上游)上的粗的、低限制的过滤器介质的层，以保护第一纤维层102和/或第二纤维层104免于在加工、处理和使用过程中受到损坏。在一些实施例中，微米纤维介质层(例如熔喷或熔纺介质层)可以位于第一纤维层102和/或第二纤维层104的上游，以进一步增加寿命。尽管各种实施例描述了上游第一纤维层102与下游第二纤维层104相邻，但是只要附加层比第一纤维层102或第二纤维层104具有更大的几何平均纤维直径、更大的P50和/或更大的弗雷泽渗透率，过滤器介质的其他层就可以位于这两层之间。

过滤器介质100中包括的第一纤维层102、第二纤维层104和/或任何其他层可以通过热、声、化学(例如，树脂或粘合剂)或机械结合(例如，共褶皱)相互粘合。第一纤维层102和第二纤维层104可以组合使用，使得第一纤维层102位于第二纤维层104的上游。在一些实施例中，第一纤维层102的P99与平均流动孔径(P50)的第一比率大于2或3，第二纤维层102的P99与平均流动孔径(P50)的第二比率小于3，优选小于2。在一些实施例中，第一纤维层102和第二纤维层104中的每个可具有小于10或5μm(例如，小于4、3、2或1μm)的平均流动孔径(P50)。“P50”和“P99”分别指的是使得所指示的总流量百分比50％或99％穿过等于或小于使用PMI公司(PorousMaterialsInc.)的气孔针(Porometer)和

和或其他合适的流体确定的指示尺寸的孔的介质孔径。例如，5μm的P50表示通过介质指示层的流量的50％正在穿过有效直径≤5μm的孔。

在一些实施例中，第一纤维层102的平均纤维直径与第二纤维层104的平均纤维直径的比率可以小于或等于1，并且第一纤维层102和第二纤维层104的弗雷泽渗透率可以小于10cfm(例如，小于9、8、7、6或5cfm)。在一些实施例中，第一纤维层102的弗雷泽渗透率可以小于第二纤维层104的弗雷泽渗透率，以便在不损失性能的情况下减小组合过滤器介质的厚度。可以通过ASTMD737在125kPa的压降下测量弗雷泽渗透率(Frazier)或透气性，并且可以通过ASTMD5729测量厚度。在一些实施例中，第一纤维层102与第二纤维层104的弗雷泽渗透率的比率可以在0.3-2.0、0.4-1.8或0.5-1.1的范围内。

在一些实施例中，第一纤维层102可以主要由玻璃纳米纤维组成，并且其中掺入了大量的较粗的玻璃纤维。在各种实施例中，第一纤维层102可以通过湿法工艺并混合不同直径和/或长度的玻璃纤维来形成。第一纤维层102的纤维可以主要是无机的，优选是玻璃或在500℃下不被烧掉的其他耐火材料。这些玻璃纤维往往是毫米到厘米长。例如，在特定的实施例中，将平均直径为0.3μm的玻璃纳米纤维和较少量的平均直径为约1至4μm的玻璃微米纤维用10％(质量)的酚醛树脂粘合在一起，从而形成第一纤维层102。在这样的实施例中，纳米纤维的长度可以在1至30mm之间。可以使用诸如酚醛或丙烯酸的树脂或粘合剂将纳米纤维粘合在一起。

在其他实施例中，可以通过热工艺或机械工艺，或通过将较低熔点的聚合物纤维或颗粒掺入到基质中并且将纤维热粘合在一起而将第一纤维层102的纳米纤维保持在一起。第一纤维层102的大于50％的质量可以包括玻璃、陶瓷、金属、金属氧化物或其他耐火材料。在特定实施例中，第一纤维层102的大于75％的质量是玻璃或其他耐火材料。在一些实施例中，可以将其他聚合物纤维结合到第一纤维层102中以改善某些功能方面，例如成褶性。

在运行期间，通常是直径小于约6μm(c)的细颗粒会导致在某些高要求应用中堵塞包括聚合物纳米纤维层的过滤器介质，而仅玻璃纳米纤维介质不足以保护下游组件免受较大尺寸的颗粒的侵害。聚合物纳米纤维介质相对于去除而言具有更敏锐(shaper)的尺寸截留(cut-off)，即更陡峭的去除对比粒度行为(如图2所示)，这提供了对这些高破坏性颗粒的更好捕获，其中一些可以穿过层102。相比之下，过滤器介质100的第一纤维层102旨在降低细颗粒的浓度，即小于约6μm(c)，而不会被较大的颗粒过载。此外，第一纤维层102延迟了这些较大的污染物的有效(significant)量到达第二纤维层104所花费的时间。第一纤维层102包括宽孔径分布，但是平均流动孔径小。在一些实施例中，第一纤维层102可以包括如前所述的玻璃介质，其小于10或5或3μm的平均流动孔径(P50)，并且P99与P50的比率大于2或3，从而在高细颗粒去除与减少大颗粒去除之间提供所需的平衡。在大于3μm的P50处，细颗粒的去除不足以保护第二纤维层104在某些应用中不被堵塞。另一方面，P99与P50的比率小于2可能导致过大的较大颗粒的去除和第一纤维层102的过早堵塞。

为了防止上述情况，在一些实施例中，第一纤维层102可以具有以下性质：(a)几何平均纤维直径小于1μm；(b)几何标准偏差大于1.8，优选地大于或等于2.0；以及(c)例如通过SEM确定的2％到20％数量的纤维大于1微米；优选在2％-10％之间；并且更优选地在3％至7％之间。这些性质产生第一纤维层102，其可以具有以下特性：(a)P50为10或5μm或更小；(b)第一纤维层的P99与P50的比率大于2或3；(C)弗雷泽渗透率小于20或15cfm，优选小于10cfm，更优选小于5cfm(立方英尺每分钟)。在一些实施例中，第一纤维层102的几何平均纤维直径小于或等于第二纤维层104的几何平均纤维直径，以便在保持期望的过滤器寿命、容量和去除特性的同时减小组合过滤器介质的厚度。在特定实施例中，第一纤维层102包含大于50％的耐火材料(例如，大于55％、60％、65％、70％或75％，包括其间的所有范围和值)。在一些实施例中，第一纤维层102的厚度可以在50至2,000μm之间。在各种实施例中，可以通过湿法工艺、通过混合至少两种不同直径的玻璃纤维(例如，纳米纤维和微米纤维)、通过将较低熔点的聚合物纤维或具有较低熔点护套(sheath)的颗粒或纤维掺入玻璃纳米纤维的基质中并将这些纤维热粘合在一起而形成第一纤维层102。

第二纤维层104位于第一纤维层102的下游，并且在一些实施例中，可以由聚合物纳米纤维形成。第二纤维层104可以包括极小或微不足道的量(数量上)的直径大于1μm的粗纤维。在各种实施例中，第二纤维层104的特征在于具有：(a)几何平均纤维直径小于1μm；(b)几何标准偏差小于或等于2.0或1.8，优选地小于或等于1.7；(c)少于15％、10％、5％和2％数量的纤维大于1μm。

这些性质可导致第二纤维层104具有以下特性：(a)P50为10μm或更小；(b)第二纤维层104的P99与P50的第二比率小于3，理想地小于2；以及(c)弗雷泽渗透率大于5cfm。在一些实施例中，第二纤维层104的第二几何平均纤维直径可以大于或等于第一纤维层102的第一几何平均纤维直径，以便在保持期望的过滤器寿命、容量和去除特性的同时减小组合的过滤器介质的厚度。在一些实施例中，第二纤维层104可具有大于或等于第一纤维层102的弗雷泽渗透率。

在一些实施例中，第二纤维层104包括聚合物材料。在其他实施例中，第二纤维层104包括耐火材料。在其他实施例中，第二纤维层104包括聚合物材料和耐火材料的组合。在特定实施例中，第二纤维层104可包含小于5％的耐火材料，并且优选地小于2％。在其他实施例中，第二纤维层104由连续的聚合物纤维(例如聚酰胺、聚酯、碳氟化合物)形成，其中具有热粘合在一起的纤维(例如，通过将较低熔点的聚合物纤维或具有较低熔点护套的颗粒或纤维掺入基质中并将纤维热粘合在一起)从而形成第二纤维层104或通过机械或化学手段(例如，使用树脂或粘合剂)将第二纤维层104保持在一起。在特定实施例中，第二纤维层104包括尼龙。在这样的实施例中，尼龙可以溶解在甲酸中以形成溶液。可以将溶液沉积在基底上以产生尼龙纤维层。然后将甲酸蒸发，使尼龙纤维在尼龙纤维层中粘结在一起。

应当理解，第二纤维层104不是膜，并且可以通过熔喷、溶液纺丝、电纺、电吹、熔纺或本领域已知的其他手段形成。在US20130115837A1、US20130206683A1、US20150298070A1、US20150360157A1、US20160166961A1、US20160256806A1、US20170304755A1、US6743273B2、US6872311B2、US7070640B2、US7105124B2、US7316723B2、US7318852B2、US7959848B2、US8029588B2、US8172092B2、US8361180B2、US8590712B2、US8679218B2、以及US8689985B2中描述了用于生产这种层的手段的示例，在此通过引用将其整体并入本文。

在一些实施例中，第二纤维层104的厚度在50至2,000μm之间，优选地在100至500μm之间。在一些实施例中，第一纤维层102和第二纳米纤维层104彼此相邻定位(例如，第二纤维层104位于第一纤维层102的下游)；然而，在一些实施例中，在它们之间可能存在一层或多层其他过滤器介质。第一纤维层102可以包括具有宽纤维直径分布的纤维，其表现出(a)几何标准偏差大于1.8或2.0，(b)几何平均纤维直径小于1μm，(c)几何平均纤维直径小于或等于第二纳米纤维层104的几何平均纤维直径，以及(d)在2％至20％之间的数量的纤维大于1μm。

第二纤维层104可以包括具有窄纤维直径分布的纤维，其表现出(a)几何标准偏差小于或等于1.8或2.0，(b)几何平均纤维直径小于1μm，(c)几何平均纤维直径大于或等于第一纤维层102的几何平均纤维直径，以及(d)第二纤维层104的少于15％数量的纤维大于1μm。在一些实施例中，第一纤维层102可以包括玻璃(例如，旋涂、编织或熔喷的玻璃)。

此外，第二纤维层104可包括聚合物纳米纤维层，例如聚酰胺、聚酯、碳氟纤维人造丝、凯夫拉尔纤维或任何其他合适的聚合物。这些特性可以产生具有以下性质的第一纤维层102：(a)P50为10μm或更小；(b)P99与P50的比率大于2或3；(c)含有大于50％的耐火材料，优选地大于75％；(d)弗雷泽渗透率小于20英尺每分钟，优选小于10英尺每分钟，更优选小于5cfm。此外，这些特性可以产生具有以下性质的第二纤维层104：(a)P50为10μm或更小；(b)P99与P50的比率小于3，理想地小于2；(c)含有小于5％的耐火材料，优选地小于2％；(e)弗雷泽渗透率大于5cfm。(e)弗雷泽渗透率大于或等于第一纤维层102。在一些实施例中，每个层102、104的厚度可以在50至2,000μm之间，并且优选地在100至500μm之间。可选地，过滤器介质100可在第一纤维层102和第二纤维层104的上游、下游或之间包括附加的介质层，以提供对第一纤维层102和第二纤维层104的支撑和保护，促进过滤器介质100的加工，提高层之间的附着力或改善功能。

在一些实施例中，第一纤维层102和第二纤维层104中的每一个的几何平均纤维直径小于或等于1μm。此外，第一纤维层102的纤维直径的几何标准偏差可以大于2，并且第二纤维层104的纤维直径的几何标准偏差可以小于2。在特定实施例中，第一纤维层102的几何平均纤维直径与第二纤维层104的几何平均纤维直径的比率在0.4与2.2之间，并且优选地小于1。在特定实施例中，第一纤维层102的几何平均纤维直径与第二纤维层104的几何平均纤维直径的比率可以在0.4至2.0、0.4至1.6或0.6至1.0的范围内。

在一些实施例中，第一纤维层102和第二纤维层104中的每一个的平均流动孔径(P50)小于或等于10μm。在一些实施例中，第一纤维层102的P99与P50的第一比率大于2，第二纤维层102的P99与P50的第二比率小于2。在特定实施例中，第一纤维层的P50与下游第二纤维层104的P50的比率在0.4至2.5之间，并且优选地小于或等于1。在一些实施例中，第一纤维层的P50与下游第二纤维层104的P50的比率在0.4至2.5、0.5至1.9或0.7至1.3的范围内。

在一些实施例中，第一纤维层102的第一弗雷泽渗透率小于20cfm，第二纤维层104的第二弗雷泽渗透率大于5cfm。在一些实施例中，第一弗雷泽渗透率与第二弗雷泽渗透率的比率在0.3至2.5之间，并且优选地小于1。在一些实施例中，第一弗雷泽渗透率与第二弗雷泽渗透率的比率在0.3至2.0、0.4至1.8或0.5至1.1的范围内。

在一些实施例中，第一纤维层102和第二纤维层104中的每一个均表现出单峰(monomodal)孔径分布。例如，第一纤维层102可以包括大于70％的耐火材料，例如玻璃纤维。此外，第二纤维层104可以由具有小于5％的耐火材料的聚合物纤维构成。在特定实施例中，第一纤维层102和第二纤维层104彼此相邻设置。在其他实施例中，可以在第一纤维层102和第二纤维层104之间设置中间介质层。在这样的实施例中，一个或多个中间层可以具有大于第一纤维层102或第二纤维层104的几何纤维直径、P50和/或弗雷泽渗透率。在一些实施例中，第一纤维层102和第二纤维层104可以与支撑层(例如稀松布层)结合使用，以提供结构完整性并促进打褶、折叠，其他生产步骤、处理和使用。

第一纤维层102和第二纤维层104以如下方式协同工作，从而提供高去除效率和长过滤器介质100寿命。上游第一纤维层102表现出宽孔径分布。宽孔径分布是宽纤维直径分布的结果以及存在与占主导的纳米纤维混合的大于1μm大量的粗纤维。最初，第一纤维层102在所有粒度下均提供相对较高的去除效率，但是随着负载，较细的孔被填充并被阻塞。因此，总流量的增加部分转向较低的去除效率的较大的孔。这对于较大的粒度最为明显。另一方面，具有较窄孔径分布的下游第二纤维层104表现出基本稳定或增加的污染物去除，其中在整个污染物尺寸范围内负荷增加。第二纤维层104的窄孔径分布可能是窄纤维直径分布的结果和几乎不存在较粗的纤维。这种层根据污染物负荷提供稳定或增加的去除。第一纤维层102一起工作，减少了小颗粒向第二纤维层104的负载，并延迟了较大的颗粒在第二纤维层上的负载，从而延长了其寿命。第二纤维层104进一步降低了小颗粒的浓度，同时去除了较大颗粒穿过第一纤维层102以及可能从第一纤维层102释放的任何玻璃颗粒或纤维的增加浓度。与梯度过滤相反，第一纤维层102的几何平均纤维直径和渗透率可以小于第二纤维层104的几何平均纤维直径和渗透率，并且仍然获得益处，但是使用更薄的组合过滤器介质片。

图2显示了用玻璃纳米纤维过滤器介质(介质A)、聚合物纳米纤维介质(介质B)和介质C(其包括位于玻璃过滤器介质下游的聚合物纳米纤维介质)的β比率表示的响应于包含0-5μm范围内的颗粒的测试粉尘流过介质A、B、C的污染物去除曲线图。图2-图7中所示的数据是通过使用ISO4548-12多通过滤器测试修改为使用PTI0-5μm粉尘替换ISO中级测试粉尘来测试三种过滤器介质而获得的。尽管过滤器的性能部分受挑战性污染物的影响，但PTI0-5μm的粉尘用于说明目的，因为在实际应用中，这些过滤器旨在提供免受细颗粒的保护。β比率定义为大于过滤器上游指示尺寸的颗粒数量浓度与大于相同尺寸下游数量浓度的比率。表观容量定义为为了达到210kPa的压降而暴露于滤器的测试粉尘的总质量。

对于这三种介质的每一种，在每一种测试介质的上游和下游都放置了基重为17g/m²的高渗透率纺粘尼龙6,6稀松布层，以提供支撑。稀松布层不会显著影响去除或过滤器寿命。介质A、B和C的特性如表1所示。

表1：介质性质

介质A，Hollingsworth&VoseDC4271，是一种可商购的玻璃纳米纤维介质。介质B，康明斯过滤

是一种可商购的聚合物纳米纤维介质。为了说明的目的，包括本文所述的过滤器介质的示例性实施方式的介质C包括介质A的上游层和介质B的下游层。值得注意的是，介质C的第一纤维层102的纤维直径为稍小于第二纤维层104。如图1中的图例所示，介质A的表观容尘量约为介质B的3倍，介质C的表观容尘量约为介质B的2.8倍。对于小于约3μm(c)的粒度，介质A和B表现出相似的去除，但对于较大尺寸，介质B表现出明显更高的去除。用介质A的去除在大于6μm(c)处开始达到平稳状态，即，正以低效率捕获较大颗粒。介质A的行为代表了宽纳米纤维直径分布介质。介质B的行为代表了窄纳米纤维直径分布介质。相比之下，介质C的表观容量与介质A几乎相同，而在包括大颗粒在内的所有粒度下，介质C提供均高于介质A或B的去除。

图3-图7通过绘制性能与测试时间(对应于污染物负载)函数的曲线图，说明了介质A、B和C之间的差异以及介质C的益处。图3显示了压降随时间的函数。在测试条件下，与其他两种介质中的任何一种相比，窄纤维直径分布介质B表现出较快的压降上升和较低的表观容尘量。宽纤维直径分布介质A表现出最慢的压降增加速率和最大的表观容尘量。介质C表现出相似的缓慢的压降增加速率，差不多的介质A的表观容量。这是出乎意料的，介质C既体现出比介质A表现出更大的初始压降又体现出所有粒度下的更大的污染物去除。一起考虑，人们会期望介质C的表观容量比介质A或介质B低。通过将具有不同纤维直径分布特性的两个高效介质层组合在一起，可以获得相对于介质B的表观容量的提高。

图4-图6通过绘制各种颗粒尺寸下的β比率对比测试时间的曲线图说明了对污染物去除的影响。对于4μm(c)和更大的粒度，介质A随时间的影响呈现出降低的β比率(即降低的去除)。这是宽纤维直径分布介质的特性。随着介质中较小孔的填充，流量会转移到去除较低的较大孔中。在图4和图5中，在40分钟和70分钟的测试时间下，介质A表现出极小值。这些是此特定测试的伪像，在其他测试中未观察到。另一方面，介质B在1.5μm(c)或更大的尺寸范围内，随着时间的推移会呈现出更高的β比率。这是窄纤维直径分布介质的特性。由于介质B每单位时间去除更多的污染物，因此在测试条件下其寿命往往比介质A的寿命短。对于2μm(c)和更小的粒度，使用两种类型的纳米纤维协同工作的介质C随着时间的函数呈现出去除增加，而对于较大的颗粒，几乎从测试开始就本质上没有观察到过滤器下游的颗粒。

图8-图9示出了当受到有机污染物(其在现实世界的应用中是丰富的)挑战时，根据本文所述实施例的过滤器介质C的优点。该测试使用的燃油中有机污染物含量较高，该有机污染物类似于在高要求燃油过滤器应用中会导致过滤器堵塞的污染物。将三个过滤器(除过滤器介质外所有方面都相同)平行放置，并流动初始以1.15cm/min的面速度通过它们。因此，所有三个过滤器均以相同的面速度受到相同的污染物和浓度挑战。测量了每种过滤器介质随时间的函数的压降。寿命是根据达到30kPa和200kPa所需的时间定义的，代表了在实际应用中使用的不同的过滤器的模式。图8说明了每种定义的终端压降下每种类型介质A、B和C的寿命。图9显示了每个压降行为。这些结果表明，与介质B相比，介质C的寿命增加了近80％，而介质C的寿命是介质A的35至55％。在实际世界应用中，介质C比介质B的寿命几乎翻倍是具有重大意义。此外，尽管介质C的寿命比介质A的寿命短，但介质A的较长寿命是仅在粒度大于2μm(c)的情况下，以降低颗粒去除为代价才能获得，众所周知这会损害下游组件。

通过以上测试，观察到了包括本文所述的两个纳米纤维层的过滤器介质的各种益处，包括：(1)随着时间的推移，所有粒度的去除均会增加，这在4μm(c)和更大的范围内的尺寸上尤为明显，其中对于宽纳米纤维直径分布介质，去除会随着时间的流逝而恶化；(2)尽管具有更高的初始限制，但与窄纳米纤维直径分布介质相比，使用寿命更长，并且与宽纳米纤维直径分布介质的使用寿命相似并且提供了增加的去除。(3)在整个测试过程中，各种尺寸的去除都更加稳定；(4)消除玻璃介质下游的介质迁移；(5)避免上游褶皱尖端处的介质中的破裂和折断，这是宽纳米纤维直径分布玻璃介质所关注的；以及(6)与使用多层和低渗透率下游层以保留较大颗粒并防止介质迁移的宽纳米纤维直径分布介质相比，厚度减小。

使用介质层的各种组合进行过滤器测试，以证明本文所述分级过滤器介质的益处。这些测试中使用的各个介质层的物理特性汇总在下表2中。表2中的各个介质层由单个字母标识符指定，即D、E、F、G、H、I、J和K。使用两个字母标识上游介质层和下游介质层的各种组合-第一个字母指示上游介质层，第二个字母指示下游介质层。介质D、E和F是可用作下游分级介质层的介质示例。介质F、G、H、I、J和K是可用作上游介质层示例的介质示例。介质L代表纤维素层，其可用于支撑上游和下游介质层并促进复合过滤器介质的加工和处理。

表2：各种介质层的物理性质

图10示出了示例性的上游(介质I)、下游(介质D)和支撑介质(介质L)层的孔径分布。表2中示出了P50、众数(mode)孔径、P99、最大孔径和P99/P50的比率的值。在定义本文所述的各种介质层的特性时，使用P99和P99/P50的比率而不是最大孔径，因为P99具有统计上更合理的特性，并且与最大或最大孔径相反，不易受到介质损坏。

表2中的所有介质均表现出基本的单峰孔径分布，在实验误差范围内，P50和众数孔径的值基本相同。由于P50(平均流量孔径)和众数孔径本质相等，因此应当理解，在本文中参考P50时，相同的结论和观察结果适用于众数孔径。这与US10,226,723相反，US10,226,723指出，在该方法中，“众数孔径在过滤器介质的上游部分比下游部分大，并且平均(或均值)孔径在上游部分比下游部分小”。表2和通常用于分级过滤介质中的介质的结构，可以通过使用酚醛、丙烯酸或其他树脂体系将纤维粘合在一起，或通过将纤维热粘合在一起来保持。不使用粘合剂纤维，因为这样可能会产生双峰孔径分布，从而为未捕获的污染物穿过介质提供了不期望的途径。

介质D、E、F、J和K是耐火基重小于总基重5％的层。介质D、F和K由单层聚合介质组成，即介质D和F的情况为尼龙6，介质K的情况为聚酯。介质E具有两个子层，即由介质L支撑的尼龙纳米纤维薄层。使用该两层复合物获得本文所述的介质E的介质物理特性和过滤器测试数据。值得注意的是，介质L并未显着影响介质E的污染物去除。对于介质E，使用ISOA3测试粉尘在4μm(c)处的β比率为3333，而介质L的相应值为2.45。对于其他部分相同的过滤器元件，使用介质E和L测得的容尘量为27.36g。介质L的弗雷泽渗透率是14.5cfm，而单独的介质E纳米纤维层的渗透率经计算为12.5cfm，与支撑层大致相同(例如，在支撑层的+16％ 之内)。

介质J是用于梯度密度过滤器的多层熔喷聚酯。介质G、H和I由两个或多个玻璃介质子层组成，其中至少一个子层(通常是最下游的一层)的几何平均纤维直径小于1μm，并且几何标准偏差大于2。这些介质的耐火基重大于介质总基重的70％。基重的非耐火部分主要由树脂和粘合剂组成，这些树脂和粘合剂用于在加工、处理和使用过程中将玻璃纤维固定在适当的位置。

为了建立标准化测试条件下的基准性能，根据ISO16889使用ISOA3测试粉尘对介质E、G、H、I、J、K、L和IE进行了多道次(multi-pass)测试。结果如图11所示。在后续测试中，将介质G、H、I、J和K用作上游介质层。介质E仅用作下游介质层，介质L用作支持层。介质E、IE和L的比较值得注意。介质IE是梯度密度介质。不出所料，它比介质E表现出更大的容量，但是对于复合介质，污染物去除较低。这是由于较大的颗粒填充了上游介质层的较细的孔，并且通过较大、效率较低的孔的流速相应的相对增加。介质E是反向梯度密度介质，即介质L的粗下游层上游的细纳米纤维层。梯度密度过滤教导，与介质L相比，这会缩短寿命。相反，观察到介质E和L几乎具有相同的容尘量，即使介质E的去除在所有粒度下均高1000倍。

根据每ISO16889使用PTI0-5μm测试粉尘与各种介质进行了一系列的多道次测试，以证明根据本文所述的实施例的分级过滤器介质相比于梯度过滤对坚硬、磨料颗粒在比使用ISOA3测试粉尘获得的更现实的条件下的益处和局限性。测试了介质D、GD、E、FE、GE、F和G。结果如图12所示。在这些介质中，重要的是介质FE是梯度密度过滤器的示例，而GD和GE是分级过滤的实施例。

介质E、FE和GE的结果比较表明，与梯度密度过滤相比，分级过滤的优点。所有这三个测试均使用介质E作为下游层。与基底介质E相比，介质FE利用梯度密度过滤获得了6％的容量增加，而不会显着影响污染物去除。与梯度密度过滤相反，具有比上游层更大的下游纤维直径和P50的介质GE是分级过滤的一个示例，其产生的容量是基底介质E或梯度密度介质FE的三倍以上，β比率约为两倍。介质D和GD的比较表明，分级过滤具有相似的出乎意料的益处。与梯度过滤的教导相反，GD在上游层的纤维直径和孔径略小，但产生与基底介质D基本相同的β比率，但容量却高出近四倍。

这些结果表明，相比于梯度密度过滤，分级过滤在去除纳米纤维过滤器介质中坚硬的磨料颗粒方面具有出乎意料的益处。这些益处部分是在于以下原因：(1)使用由几何纤维直径小于1μm的纳米纤维组成的下游介质层；(2)使用平均纤维直径和/或P50不太分散的介质层；(3)使用具有彼此互补的纤维直径和/或孔径分布的介质层，即在较窄纤维直径和/或孔径分布层的上游的较宽纤维直径和/或孔径分布层；以及(4)下游介质层的弗雷泽渗透率理想地大于上游介质层。

进行了一系列使用有机污染物的测试，以证明在模拟现场使用的条件下，本文所述的分级过滤器介质相对于梯度密度过滤器的益处。除了使用6个(而不是3个)不同的过滤器介质支架以1.00cfm的面速度同时测试6个不同的过滤器介质外，使用了与本文先前描述的相同的有机污染物测试方法。因此，在相同的条件下测试了6种介质，以便于直接比较过滤器寿命。在每个系列的测试中，对于同一组测试，通过将介质达到200kPa压降所需的时间除以仅下游层(无上游层)达到相同压降所需的时间，就可以计算出特定介质的标定过滤器寿命。

通过不同的过滤器介质支架、每种介质的平均过滤器寿命和标准偏差的介质重复每个系列的6种过滤器介质标定。在介质F(无上游层)的情况下，未给出标准偏差，因为由于测试系统组件的机械故障而无法重复进行此测试，并且使用可用的单个介质F测试数据计算该系列的相对过滤器寿命。介质层D、E、F、G、H、I、J和K用于这些测试的各种组合。分别使用介质D、E或F作为下游层，介质F、G、H、I、J或K作为上游层，分别进行了一系列测试。

这些测试的结果如表3所示。在表中，用下游介质的名称指示测试系列。过滤模式是指用于指示的介质的过滤器介质设计的类型，其中：(1)“参考”是指单个介质层，该介质层与指示的测试系列中用作下游介质的介质相同；(2)“梯度密度”是指上游层比下游层具有更大的几何平均纤维直径、P50和弗雷泽渗透率的介质；(3)“分级”，上游层具有比下游层更小或类似尺寸的几何平均纤维直径P50和/或Frazier渗透率的介质。还显示了每个重复的相对过滤器、均值和标准偏差。

表3：模拟有机负载测试

参考测试系列D、介质FD、JD、ID和HD，这些是梯度密度过滤的示例。梯度密度介质的相对过滤器寿命的范围从介质HD的0.61到介质ID的1.61。介质HD和JD的相对寿命短，反映了使用上游介质层相对于下游介质层而言过于开放和可渗透的行为，并反映了在尝试将梯度密度过滤应用于纳米纤维过滤器介质时的特殊挑战。介质FD和HD代表梯度密度过滤的更好应用，但分级过滤的介质GD表现出最高的平均相对过滤器寿命，即使上游介质层的几何平均纤维直径和P50略小。益处部分是由于在窄纤维直径和孔径分布上游使用了宽纤维直径分布(由几何平均标准偏差反映)和较宽孔径分布(由P99/P50的比率反映)。请注意，仅较宽分布不会产生这些益处，因为梯度密度介质HD和ID都表现出这种分布行为，但没有得到益处。

测试系列E的结果与测试系列D的结果一致。介质FE、JE、IE和HE是梯度密度过滤的示例。梯度介质的相对过滤器寿命的范围从介质JE的0.98到介质IE的1.74。相比之下，分级介质GE产生3.00的相对过滤器寿命。在梯度密度介质中，介质HE和IE均表现出宽纤维直径和孔径分布，但未证明上游层的几何平均纤维直径和P50小于下游层的分级过滤所观察到的相对过滤器寿命的增益。

测试系列F的结果提供了启发性的细节。介质JF和KF是梯度密度过滤的示例，并表现出相对过滤器寿命分别增加1.63和1.90。介质GF和IF是分级过滤的示例，并表现出相对过滤器寿命分别增加1.35和1.88。介质HF既表现出梯度密度又表现出分级过滤特性，并且表现出2.45的相对过滤器寿命。从P50的角度看，它似乎是梯度密度介质，但是与梯度密度过滤不同，介质HF上游层的几何过滤器直径在统计上与下游层相同。更加揭示的是，介质HF的上游弗雷泽渗透率低于下游弗雷泽渗透率，即，上游对梯度密度过滤的限制更大，并且更加严格。

介质HF以及使用介质G和I作为上游介质的先前数据的结果暗示，期望上游弗雷泽渗透率类似于或小于下游弗雷泽渗透率。更具体地说，结果表明，当上游弗雷泽渗透率与下游弗雷泽渗透率的比率小于2.0时，相对寿命最大增加，即介质GF、IF、HF、GE、GD、IE、KF、ID和JF的相对寿命都超过1.6。此外，其中表现出几何平均纤维直径、纤维直径的几何标准偏差、以及分级过滤的高P99/P50的那些介质，都表现出相对寿命都超过1.8)。介质HF数据进一步暗示，可以将梯度密度和分级过滤一起使用以增加相对过滤器寿命。

如已经显示的，期望选择上游层和下游层的性质以相互补充，以实现本文所述的分级过滤器介质的益处。上游与下游的几何平均纤维直径、P50和弗雷泽渗透率的比率的值至关重要。如果这些比率的值太大，则上游层将在污染物负载方面无效，并且不能保护下游层。如果该值太小，上游层将成为主过滤层，并且过滤器寿命会大大缩短。

为了确定这些值的最佳范围，有机污染物测试的相对过滤器寿命与相应比率的函数的曲线图如图13-15所示。为了确定每个比率的最大值，将表3中比率值大于或等于介质GE的比率值的所有数据进行曲线拟合，从而得到幂函数。使用以此方式确定的函数，计算得出产生相对过滤器寿命为1.25的比率值。这对应于可产生过滤器寿命的显着增加的该比率的最大值(上游与下游几何平均纤维直径比率、P50比率或弗雷泽渗透率比率)。类似地，为了确定每个比率的最小值，将所有分级过滤介质的数据曲线拟合到二阶多项式函数，并将所得函数用于确定产生相对过滤器寿命的1.25的比率的最小值。这对应于产生过滤器寿命的显着增加的比率的最小值(上游到下游的几何平均纤维直径比率、P50比率或弗雷泽渗透率比率)。

使用这些方法，可以确定这些比率的期望范围以实现相对过滤器增加大于25％：(1)0.4<上游与下游的几何平均纤维直径比率<2.2；(2)0.4<上游与下游的P50比率<2.5；和/或(3)0.3<上游与下游的弗雷泽渗透率比率<2.5。优选地，这些比率的期望范围是：(1)0.4<上游与下游的几何平均纤维直径比率<2；(2)0.4<上游与下游的P50比率<2；和(3)0.4<上游与下游的弗雷泽渗透率比率<2。理想情况下，所有三个比率的最大值都小于或等于1。

已经发现合适的上游过滤器介质层倾向于由与树脂粘和在一起的玻璃纤维组成，但是，在一些实施例中，预期具有相似物理性质的聚合物介质。合适的下游过滤器介质层倾向于由通过电纺、电吹、熔喷或其他工艺生产的聚合物纳米纤维(几何平均纤维直径小于1μm)组成，或在其他实施例中，设想由其他材料(例如，碳纳米纤维)组成的纳米纤维。应该注意的是，过滤器介质的性质由于其产品中使用的材料和工艺以及测量这些性质的实验误差而表现出固有的可变性程度。

在一些实施例中，本文所述的过滤器介质100或任何其他过滤器介质可被包括在配置为过滤任何流体的过滤器元件中，例如润滑油(例如，液压流体、润滑油、液压油、柴油燃料等)、空气、空气/燃料混合物、水等，在航空航天、发电、动力传输、燃料电池、水过滤和其他工业应用的应用中。现在参考图16A-16B，示出了根据实施例的过滤器元件200。过滤器元件210包括过滤器介质212，该过滤器介质212可以包括第一纤维层102、第二纤维层104以及以任何合适的配置布置的任何其他过滤器介质层，如本文先前所述。

在一些实施例中，过滤器介质212可以被打褶，使得过滤器介质212被布置在打褶的介质包中。在其他实施例中，过滤器介质212可以是波纹状的或折叠的。第一端盖213联接到过滤器介质212的第一端，第二端盖215联接到过滤器介质212的与第一端相对的第二端。中心管218设置在过滤器介质212内，并限定中心通道，以允许流体流过中心管，从而流到限定在第二端盖215中的第二端盖开口217，或从第二端盖开口217接收流体。在中心管218中限定多个穿孔、孔或开口219，以允许正在被过滤的流体通过过滤器介质212进入中心通道，或者允许未过滤的流体进入过滤器介质212。

在一些实施例中，过滤器元件210可被包括在过滤器组件中，例如，旋装式过滤器组件。例如，图17是根据实施例的过滤器组件300的侧视截面图。过滤器组件300包括限定内部容积的壳体302，过滤器元件210布置在该内部容积中。壳体302可以包括外壳壳体。盖体330联接到壳体的靠近过滤器元件212的第二端盖215的一端。盖体330可以包括螺母板，该螺母板可以经由摩擦配合机构、卡扣配合机构、配合螺纹或任何其他合适的联接机构联接至壳体。盖体330限定盖体开口332，该盖体开口332与第二盖开口流体连通以允许通过其的流体连通。在盖体330的外表面上限定螺纹334，并且螺纹334被构造成允许过滤器组件300可移除地联接至过滤器头，例如，旋压在过滤头上。

应当注意，本文用于描述各种实施例的术语“示例的”旨在表示这样的实施例是可能的实施例的可能的示例、表示和/或说明(并且这样的术语不打算暗示这样的实施例必须是非凡的或最优的示例)。

如本文中所使用的，术语“联接”等意指两个构件彼此直接或间接地联接。这种连接可以是静止的(例如永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的连接可以通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构部件彼此一体地形成为单个整体，或者通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构件相互连接来实现。

重要的是要注意，各种示例性实施例的构造和布置仅是示例性的。尽管在本公开中仅详细描述了一些实施例，但阅读本公开内容的本领域技术人员将容易地认识到实质上不脱离本文所述主题的新颖教导和优点的许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)。在不脱离本文描述的实施例的范围的情况下，还可以在各种示例性实施例的设计、运行条件和布置中进行其他替换、修改、改变和省略。

尽管本说明书包含许多具体的实施细节，但是这些不应被解释为对任何实施例的范围或可要求保护的范围的限制，而是对特定实施例的特定实施方式特有的特征的描述。在单独实现的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实现中组合实现。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以在多个实现中单独或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管上述的特征可以描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下可以从组合中切除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，所要求保护的组合可以针对子组合的子组合或变型。

Claims (22)

1.一种用于过滤器元件的过滤器介质，其特征在于，包括：

第一纤维层；和

第二纤维层，所述第二纤维层位于所述第一纤维层的下游，所述第一纤维层的第一几何平均纤维直径小于1μm，并且几何标准偏差大于2.0，所述第二纤维层的第二几何平均纤维直径小于1μm，并且几何标准偏差小于或等于2.0。

2.根据权利要求1所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一几何平均纤维直径与所述第二几何平均纤维直径的比率在0.4至2.2的范围内，包括端值。

3.根据权利要求2所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层的所述第一几何平均纤维直径小于或等于所述第二纤维层的所述第二几何平均纤维直径。

4.根据权利要求1所述的过滤器介质，其特征在于，包括在所述第一纤维层中的在2％至20％之间的数量的纤维大于1μm。

5.根据权利要求1所述的过滤器介质，其特征在于，包括在所述第二纤维层中的少于15％数量的纤维大于1μm。

6.根据权利要求1所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层包括耐火材料。

7.根据权利要求6所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层包括玻璃纳米纤维，所述玻璃纳米纤维的长度在1mm至30mm的范围内，包括端值。

8.根据权利要求6所述的过滤器介质，其特征在于，大于50％质量的所述第一纤维层包括所述耐火材料。

9.根据权利要求6所述的过滤器介质，其特征在于，所述第二纤维层包括聚合材料。

10.一种用于过滤器元件的过滤器介质，其特征在于，包括：

第一纤维层；和

第二纤维层，所述第二纤维层位于第一纤维层的下游，

其中所述第一纤维层和第二纤维层的每一个的平均流动孔径(P50)等于或小于10μm，并且其中所述第一纤维层的P99与P50的第一比率大于所述第二纤维层的P99与P50的第二比率。

11.根据权利要求10所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层的P50与所述第二纤维层的P50的第三比率在0.4至2.5的范围内，包括端值。

12.根据权利要求10所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一比率大于2，并且所述第二比率小于2。

13.根据权利要求10所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层的所述P50等于或小于所述第二纤维层的所述P50。

14.根据权利要求10所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层的所述P50等于或小于10μm。

15.根据权利要求10所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层包括耐火材料。

16.根据权利要求15所述的过滤器介质，其特征在于，所述第二纤维层包括聚合材料。

17.根据权利要求10所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层和所述第二纤维层中的每一个均具有单峰孔径分布。

18.一种用于过滤器元件的过滤器介质，其特征在于，包括：

第一纤维层；和

第二纤维层，所述第二纤维层位于第一纤维层的下游，

其中所述第一纤维层的第一弗雷泽渗透率小于20cfm，所述第二纤维层的第二弗雷泽渗透率大于5cfm。

19.根据权利要求18所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层的第一弗雷泽渗透率小于10cfm。

20.根据权利要求18所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一弗雷泽渗透率与所述第二弗雷泽渗透率的比率在0.3至2.5的范围内，包括端值。

21.根据权利要求18所述的过滤器介质，其特征在于，所述第一纤维层包括耐火材料。

22.根据权利要求21所述的过滤器介质，其特征在于，所述第二纤维层包括聚合材料。

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