CN1134280C - 过滤器材料的结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供优选的过滤器介质。该介质包括固定到粗纤维载体表面上的细纤维网。本发明提供优选的过滤器介质(10)，它含有被粗纤维载体(14、18)分隔的多层细纤维介质(15、19)。本发明可制成有利的过滤器结构。根据本发明揭示的内容，也为过滤器提供使用这类排置的方法。

Description

过滤器材料的结构及其制作方法
发明的领域
本发明涉及过滤器、过滤器结构、用于过滤器结构的材料和过滤的方法。本发明的应用尤其涉及从流体例如从空气流中过滤粒子。这里所描述的技术尤其涉及利用这种排置的优点，该排置是在过滤器介质内含有一层或多层细纤维。
发明的背景
流体例如空气和气流的内部常常携带有粒子物质。在许多场合下，要求从流体中脱除部分或全部的粒子物质。例如，进入机动车舱、机动车发动机或产生动力的设备内的空气流，直接进入燃气轮机的气流和进入各种燃烧炉的空气流，其内部常常含有粒子物质。在舱用空气过滤器情形下，出于对乘客的舒适性和/或美观的考虑，需要脱除粒子物质。关于进入发动机、燃气轮机和燃烧炉内的空气和气流，也需要脱除其中的粒子物质，因为它们实际上能妨碍所涉及的各种机构的内在工作。
在其他的场合下，由工业过程或发动机产生的或排出的气体内部也会包含粒子物质。在这样的气体能够或应当经过各种出口设备排放，和/或排到大气中之前，也要求从这些气流中基本脱除粒子物质。
已经开发出了许多流体过滤器的排置方式用来脱除粒子物质。由于存在从下面说明中显而易见的原因，要求改进用于此目的的排置。
可以通过考虑下列的介质类型，即表面载荷介质和深层介质，来理解设计空气过滤器的部分基本原理和问题。对每种介质类型都已进行了深入研究，它们都已被广泛利用。与它们有关的某些原理在例如美国专利No.5,082,476、5,238,474和5,364,456中有揭示。在这里引入这三个专利的整个内容以供参考。
总之，对于任何给定的应用，过滤器的设计一般都涉及为达到过滤器的高效率而设计的特性和为达到高载荷量(即过滤器的长使用期限)而设计的特性的折衷选择。过滤器的使用期限一般根据所选定的通过过滤器的极限压力降来确定。即，对于任何给定的应用，当通过过滤器所形成的压力达到了该应用或设计的限定值时，一般就认为过滤器已达到了其可合理使用的期限。因为压力的形成是载荷的结果，对于效率相等的体系，较长的使用期限一般直接与较高的载荷量有关。
效率是介质捕获粒子而不使之通过的倾向。一般地，从气流中脱除粒子的过滤器介质的效率越高，总的来说，过滤器介质达到“使用期限”的压力降就越快(假设其他的变量保持恒定)，这应当是显而易见的。
纸过滤元件是广泛使用的表面载荷介质形式。总的来说，纸元件含有纤维素纤维的致密垫，纤维素纤维与携带粒子物质的气流方向成垂直取向。纸一般制成为可以渗透气流，也具有足够细的孔隙尺寸和适宜的孔隙率来阻止大于某一选定尺寸的粒子通过。当气流经过过滤纸时，过滤纸的入口侧通过扩散和截流从气流中捕获和留存所选择尺寸的粒子。粒子在过滤纸的入口侧以灰尘滤饼的形式被收集。灰尘滤饼也同时开始起过滤器的作用，提高效率。有时这称为“时效”，即效率变得高于起初效率。
一个例如上述的简单的过滤器设计，至少会遇到两类问题。第一，较简单的疵点，即纸的破裂，会造成体系的损坏。第二，当粒子物质在过滤器的入口侧快速积累，成为薄的灰尘滤饼或层时，它实质上最终会堵塞或关闭过滤器中的流体通道。因此，虽然这样的过滤器效率相对较高，但它们的使用期限通常不长，当它们用于需通过大量流体的排置，流体内有大量的尺寸等于或大于“某一选定尺寸”的粒子物质时，尤其是这样。这里的“某一选定尺寸”，指可被过滤器有效截流或收集的粒子尺寸或更大的尺寸。
采用了许多方法来提高表面载荷过滤器体系例如纸过滤器的“使用期限”。一种方法是提供折叠结构的介质，相对于平坦的非折叠结构，它使面对气流的介质表面积得到增大。虽然这样可提高过滤器的使用期限，但它仍然基本是受限制的。出于这个原因，表面载荷的介质主要用于通过过滤器介质的速度较低的场合，通常不高于约6-9米/分钟(20-30英尺/分钟)，典型地约为3米/分钟(10英尺/分钟)或以下。这里的“速度”一词，是通过介质的平均速度(即流过的体积除以介质面积)。
总的来说，当气流通过折叠纸介质的速度增大，过滤器使用期限就会与速度的平方成比例地缩短。因此，当表面载荷的折叠纸过滤器体系用作需要流通大流量空气的体系的特定过滤器时，过滤器介质就需要较大的表面积。例如，行驶在高速公路上的柴油机卡车的典型圆筒形折叠纸过滤器元件，直径约23-38厘米(9-15英寸)，长约30-61厘米(12-24英寸)，褶皱深约2.5-5厘米(1-2英寸)。因此，介质(一面)的过滤表面积典型地为3.4-26米2(37-275英尺2)。
在许多应用中，尤其是流体速度较高的场合，使用另一种有时称为“深层”介质的过滤器介质。典型的深层介质含有较厚的交缠的纤维材料。深层介质通常根据其孔隙率、密度或固体含量的百分率来定义。例如2-3％的固态介质可以是纤维垫深层介质，其排置为总体积的约2-3％为纤维材料(固体)，其余为空气或气体空间。
另一种定义深层介质的有用参数是纤维直径。如果固体含量的百分率保持恒定，而纤维直径(尺寸)减小，孔的尺寸就减小；即，过滤器变得更有效，会更有效地捕获更小的粒子。
典型的常规深层介质过滤器是深层的密度相对恒定的(或均匀的)介质，即是深层介质的固体含量在其整个厚度上基本保持恒定的体系。这里的“基本恒定”指即便在介质的整个深度上发现密度有波动，也仅是较小的波动。这样的波动例如可以起源于使用中的外表面的轻微压缩，它由过滤器介质放入其中的容器产生。
已经开发了密度梯度型深层介质的排置，例如美国专利4,082,476、5,238,474和5,364,456揭示了一些这样的排置。总之，深层介质的排置能够设计成基本上在其整个体积或深度上都可“载”粒子物质。由此，当达到过滤器的总使用期限时，与表面载荷体系相比，这样的排置能够设计成可载较多的粒子物质。然而，总的来说，由于要权衡这种排置对大载荷有效，那么就需要固体含量较低的介质。密度梯度型体系，例如上述专利所提到的，已被设计成可提供高效率和较长使用期限。在一些场合下，表面载荷介质用作这种排置中的“光亮”(polish，即修饰层)过滤器。
发明的概述
根据本发明，提供过滤器介质的结构。该过滤器介质结构能够在优选的过滤器排布结构中用作过滤器介质。例如在一些场合下，它可以用作多层排布结构中的一层介质。在一些排布结构中，本发明的过滤器介质层能够堆叠，形成优选的结构。有时，这里的各种介质层或体积称为“区”。
本发明的优选的过滤器介质结构包括具有第一表面的第一层可渗透的粗纤维介质。第一层细纤维介质固定到第一层可渗透的粗纤维介质的第一表面上。第一层可渗透的粗纤维材料优选含有平均直径至少10微米、典型地和优选地约为12(或14)-30微米的纤维。第一层可渗透的粗纤维材料也优选具有不高于约50克/米2的单位重量，优选约0.50-25克/米2，最优选至少8克/米2。第一层可渗透的粗纤维介质优选至少0.0005英寸(12微米)厚，典型地和优选地约为0.001-0.010英寸(25-254微米)厚。
在优选的排布结构中，第一层可渗透的粗纤维材料含有这样的材料，如果从剩余结构上分离下来并采用Frazier渗透性测试方法进行评价，它表现出至少150米/分钟的渗透性，典型地和优选地约200-450米/分钟。它也优选为这样的材料，如果独自进行评价，它具有不高于10％的效率，优选不高于5％。典型地，它是效率约为1-4％的材料。这里，当提到效率时，除非另有说明，它指根据ASTM#1215-89所述的，用0.78μ单分散聚苯乙烯球状粒子在20英尺/分钟(6.1米/分钟)下测量的效率。这里它有时称为“LEFS效率”。
在这里，当一层用于本发明的排布结构中的材料，就其“具有的”或“独自”可表现出的或其“从剩余结构上分离下来”进行测试时所表现出的性能进行表征时，意味着就制成它的原料进行表征。也就是，例如如果提到复合物中的“粗”层材料，上述提到的说明是关于进入结构之前就存在的材料和性能。在本文的上、下文关系中，没有必要涉及运行于复合结构内时层的具体特性数值或性能数值。
固定于可渗透的粗纤维介质层的第一表面的细纤维材料层，优选是一层细纤维介质，其中纤维的平均直径不超过约10微米，通常和优选不超过约8微米，典型和优选的纤维直径小于5微米，大约在0.1-3.0微米的范围内。固定于第一层可渗透的粗纤维材料第一表面的第一层细纤维材料，也优选具有不超过约30微米的总厚度，更优选不超过20微米，最优选不超过10微米，该总厚度典型和优选约为层内细纤维平均直径的1-8倍(更优选不超过5倍)。
当应用于空气过滤时，例如发动机的吸入体系、燃气轮机、舱内空气过滤和HVAC(热、通风和空调)体系，优选的细纤维层单位重量的上限如下所述：对于纤维材料平均尺寸为5.1微米的玻璃纤维材料层，约为35.8克/米2；对于纤维平均尺寸为0.4微米的玻璃纤维材料，约为0.76克/米2；和对于平均尺寸为0.15微米的玻璃纤维，约为0.14克/米2；对于平均尺寸为5.1微米的聚合物细纤维，约为17.9克/米2；对于平均尺寸为0.4微米的聚合物纤维，约为0.3克/米2；对于平均尺寸为0.15微米的聚合物细纤维，约为0.07克/米2。总之，对于该种应用，最上层细纤维的单位重量优选不超过约1克/米2。
当材料应用于要求高效率的场合时，例如应用于选择室内空气、选择液体(例如润滑油、液压液、燃料过滤器体系或烟雾收集器)，总的来说，细纤维层单位重量的优选上限如下所述：对于平均尺寸为2.0微米的玻璃纤维，约为15.9克/米2；对于平均尺寸为0.4微米的玻璃纤维，约为1.55克/米2；和对于平均尺寸为0.15微米的玻璃纤维，为0.14克/米2；对于平均尺寸为2.0微米的聚合物细纤维，约为8.0克/米2；对于平均尺寸为0.4微米的聚合物纤维，约为0.78克/米2；对于平均尺寸为0.15微米的聚合物纤维，约为0.19克/米2。总之，对于这种应用，最上层细纤维的单位重量优选不超过约1克/米2。
应用于空气过滤的给定的上限，例如吸入空气的体系等，根据约为5倍纤维直径的细纤维层厚度和层的50％LEFS效率而定。对于要求高效率的场合，该假定值根据5倍细纤维的厚度和每层的约90％LEFS效率而定。
总之，对于任何给定的场合，优选的单位重量依赖于这样的变量，例如：所涉及的应用要求(例如在操作中要捕获是粗粒子还是细粒子，或是两者，需要高效率还是低效率)、所要求的使用期限、所选择的纤维材料和所使用的纤维尺寸。总的来说，当要求单层效率较高时(例如约为90％LEFS)，玻璃纤维通常将良好地工作，体系要有更大的单位重量(例如约20克/米2)和更大的纤维直径(例如2-3微米)。
另一方面，当要求单层的效率较低，而载荷后仍具有较高的使用期限(使用许多层产生的结果)时，对于任何给定的层，要使用较低的效率(例如约10％LEFS)。这将包括较低的单位重量和直径相当小的纤维。在这种情形中可以使用单位重量约为0.005克/米2、纤维尺寸约为0.2微米的聚合物纤维(虽然也可以使用玻璃纤维)。这里，当单位重量给定时，玻璃纤维的密度假设值是2.6克/厘米3，聚合物纤维的密度假设值是1.3克/厘米3。
总之，如果工程师所需要的是提供更长的使用期限，那么通常使用更多的层，而且每层的效率都较低。如果工程师需要很高的过滤器效率，而长使用期限不是必需的，那么总的来说，要使用较少的具有更高LEFS效率的层。
这里，关于结构例如介质表面的“第一”或“第二”词语，不是指介质中的任何特定位置。例如“第一表面”一词本身不表示所涉及的表面是否在其他表面的前面或后面，或位于其他表面的上面或下面，而是用来提供清楚的参照和前述的基础。“1-8细纤维的平均直径”一词是指约为所涉及的细纤维层内细纤维平均直径1-8倍的深度或厚度。
在典型的优选体系中，细纤维介质的第一层细纤维含有这样的纤维，其直径不超过第一层可渗透粗纤维介质中纤维直径的约1/6、优选不超过约1/10、在一些场合下优选不超过约1/20。
对于某些应用，第一层(操作中的最前层)细纤维材料优选地这样制成和排布：提供给所形成的复合物以至少8％、优选至少10％、典型地为20-60％、最优选至少30％和不超过约70％的总LEFS效率。接着，这样的复合物能够进行堆叠而形成很有效的例如大于97％、如果需要可高达99％或更高的过滤器。它们也可以用于效率较低些但使用期限很长的过滤器，典型地至少10％，例如50-97％的效率。第一层(操作中的最前层)细纤维介质也优选地这样制成和排布：使所形成的复合物(即第一层可渗透的纤维介质与其上面的第一层细纤维介质的组合物)的总渗透性至少为20米/分钟，典型地和优选地约为30-350米/分钟。
这里，与细纤维层有关的“最前层”或“最外层”词语指在使用中位置相对于其他细纤维层处于最前层的细纤维材料层(纤维平均直径小于8微米)。可能还有比最前层细纤维层更前层的介质(非细纤维)层。
第一层可渗透的粗纤维材料可以是选自多种材料的纤维，例如包括聚合物纤维如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚酰胺或聚氯乙烯纤维和玻璃纤维。
根据本发明的某些方面，可提供过滤器结构，它包括一层以上、优选至少3层细纤维材料。该排布结构典型地包括三层或以上这样的层。这样多层体系中的细纤维层不必彼此相同。然而，每层细纤维层优选是上述对于所述介质结构中第一层细纤维介质的总描述范围内的层。在这种排布结构中，每层细纤维材料优选与其下一层相邻的细纤维材料层被用作间隔层或间隔介质的一层可渗透粗纤维材料所分离。
可渗透的粗纤维材料层不必相同，但优选每层都是在所给出的有关过滤器介质结构的对于第一层可渗透粗纤维介质的总描述范围内的层。在某些优选排布结构中，如上所述，在最前层和最后层的两个表面上，总的复合介质结构也包含一层可渗透的粗纤维介质。
如果需要，过滤器结构也可含有复合物的折叠排布结构。例如这种排布结构可含有0.6-30.5厘米(0.25-12英寸)深的褶皱，褶皱密度至少为1-15个/英寸(1-15个/2.5厘米)。当褶皱密度为至少15个/2.5厘米(15个/英寸)，而且排布结构是以圆筒状成形，褶皱沿纵向延伸时，该密度指的是沿内径或内表面的褶皱间距。
根据本发明的某些优选排布结构，它们包括通常在总过滤器结构中所定义的介质。对于这种应用的一些优选排布结构，含有以圆筒状的折叠构形排布的介质，其褶皱通常沿纵向即与圆筒形状的纵轴方向同一方向而伸展。对于这种排布结构，与常规过滤器相同，介质可以嵌埋在端盖内。对于典型的常规用途，如果需要，这种排布结构可以包括前层衬里和后层衬里。该结构可以例如根据美国专利申请No.08/426,220所述的排布结构，与深层介质的内包封或外包封一同使用，该专利在这里引入以供参考。
可以预见，在一些应用中，本发明的介质可以与其他类型的介质一同使用，例如常规介质，以改善总的过滤性能或使用期限。例如本发明的介质可以叠层至，或以另外方式应用到常规介质上，可以用于堆叠的排布结构中，或装入(整体特征)包含一个或几个区域的常规介质的结构中。它可以用作这种介质的前层，来得到优良的载荷性能；和/或它可以用作常规介质的后层，作为高效率的光亮过滤器。从下面更详细的说明中，会显然明白许多可能的变化。
本发明的某些排布结构也可以用于液体过滤器体系，即其中要被过滤的粒子材料挟裹于液体中。本发明的某些排布结构也可以用于烟雾收集器，例如从空气中过滤细雾的排布结构。
根据本发明，还提供过滤方法。该方法通常包括利用上述介质的优点进行过滤。正如可从下述说明和实施例中看出的一样，本发明的介质能够制成特定形状，以提供较有效体系中的较长使用期限的优点。
从上述讨论和下面的详细说明显而易见，可提供某些特定的优选排布结构，尤其是对空气过滤器结构优选的排布结构。它们的形式以过滤器介质结构为特征。优选的过滤器介质结构包含多层细纤维介质层，即至少两层，每层细纤维介质都含有直径不超过约8微米的纤维。多层的细纤维介质层包含一个最外层。又一次，在这里的上下文关系中，“最外层”指在介质中的一层细纤维，当介质用作过滤器介质进行组织或定向时，该层位于任何其他细纤维材料层的较上面。这不意味着细纤维材料的第一“最外”层是结构中介质的最外层。而是多层细纤维层中的“最外层”或末层。然后，当使用该过滤器介质结构时，该细纤维层将是结构中介质的上面细纤维层。该最外层细纤维优选含有平均直径不超过约5微米、厚度不超过最外层内细纤维平均直径的5倍的纤维。因此，其最大厚度将不超过约25微米，而且在典型的应用中，使用直径小于5微米的纤维，其厚度实际上更小。该最外层细纤维层优选具有适中的渗透性，其自身对空气的渗透性至少为90米/分钟。当然，如果该细纤维层的渗透性是连同粗载体基质测量的，如果总组合物的渗透性至少为90米/分钟，那么细纤维层自身性能也必须达到上述要求。
该结构中优选具有位于每对细纤维介质层之间的可渗透粗纤维介质层。每层可渗透粗纤维介质优选含有直径至少10微米的纤维，而且如果自结构中分离下来进行评价，那么对于所限定的0.78μ粒子，每层的效率优选不超过约20％，更优选不超过10％。
该介质结构优选包含至少三层细纤维材料，虽然除了“最外层”外的下面的至少两层不必要求平均直径小于5微米，但是更优选地它们至少小于8微米，它们的渗透性可以比最外层细纤维材料的小，每层自身的渗透性优选为至少45米/分钟。
另外，本发明的优选过滤器介质结构也可以定义为包含第一层可渗透的粗纤维介质和第一层细纤维介质位于其上的第一表面，该粗纤维介质含有平均直径至少10微米的粗纤维，对于0.78μ粒子，它的效率不超过约5％。第一层细纤维材料优选含有平均直径不超过约5微米、厚度不超过该第一层内细纤维平均直径的5倍的纤维。该材料自身的渗透性优选为至少约90米/分钟。当然，该介质结构能够与其他细纤维层和粗纤维材料结合使用，甚至可以用于采用其他介质类型的总介质结构中，例如与纸或玻璃介质或其他类型的深层介质结合使用。该实施方式的介质结构也可以包括许多更深层的细纤维材料，每层都与相邻层被一层粗纤维介质隔开。
在一些情形下，可以对纤维进行处理，以增强这样的特性，例如效率、过滤器使用期限或两者。
采用本发明的介质，可提供总过滤器结构，正如上述两种优选实施方式中之一所详细说明的一样。
附图的简要说明
图1是理论的单层细纤维过滤器介质的剖面示意说明图。
图2是理论的单层粗纤维过滤器介质的剖面示意说明图。
图3是理论的单层细纤维过滤器介质的剖面示意说明图；图3的介质与图1所示的不同。
图4是理论的单层粗纤维介质排布的剖面示意说明图，该排布的固体百分含量与图3所示排布相同。
图5是本发明介质结构表面的部分的平面视图。
图6是图5所示介质的剖面示意图。
图7是本发明多层介质结构的部分剖面示意图。
图8A是包含本发明介质结构的折叠介质排布结构的部分透视图。
图8B是图8A所示排布结构的部分的放大剖面示意图。
图9是本发明介质的示意图，它穿置于机械支撑结构上。
图10是装有本发明过滤器介质结构的过滤器排布结构的侧视图。
图11是沿图10中整个11-11线得到的部分剖面的放大示意图。
图12是常规气流成网的聚合物纤维介质的扫描电子显微镜照片。
图13是常规气流成网的玻璃纤维介质的扫描电子显微镜照片。
图14是常规两相介质的扫描电子显微镜照片。
图15是与图14所示相同的常规两相湿法成网玻璃介质的扫描电子显微镜照片，图15是摄自图14所示介质的背面一侧的照片。
图16是本发明第一实施方式的介质的扫描电子显微镜照片。
图17是本发明第二实施方式的介质的扫描电子显微镜照片。
图18是本发明第三实施方式的介质的扫描电子显微镜照片。
图19是本发明第四实施方式的介质的扫描电子显微镜照片。
图20是本发明第五实施方式的介质的扫描电子显微镜照片。
图21是图19的介质在按照本文中所述的氯化钠载荷后的扫描电子显微镜照片。
图22是实验5的数据图。
图23是实验6的某些数据图。
图23A是实验6的另一些数据图。
图24是本发明介质载荷氯化钠之后的扫描电子显微镜照片。
图25是用于某些实验中的定制的盐工作架台(bench)的示意图。
发明的详细说明
A细纤维的过滤优点
总的来说，在过滤器介质结构中，理论上通过采用相对细的纤维代替粗纤维，为介质提供一些过滤优点。例如来看图1和2。图2示意说明了“单层”细纤维介质，具有固定的纤维间的距离Dx，它表示相邻纤维表面间的距离。图2是说明具有相同的Dx、而其中纤维直径约比图1中纤维直径大12倍的单层的示意图。
对比图1和2，显然，对于具有固定的介质周边的区域来说，图2的排置中纤维之间的空气或孔隙空间的总量无疑比图1的排置中的孔隙空间更小。因此，在图2的排置中，只具有相当小的体积可用来载被体系捕获的粒子物质。另外，与图1的排置相比，气流更易于被图2的排置所中断，因为为不中断气流敞开而使之通过的表面百分率更小。
从图1和2的对比显而易见，如果纤维间的平均距离(Dx)保持恒定，而纤维平均尺寸下降，一般会形成更多的用来载荷的空间，和形成更高的气流渗透性。
现在考虑图3和4的排置。图3和4用来示意说明两个深层介质体系内的单层纤维，该两个体系内使用不同尺寸的纤维，而固体百分率或密度保持恒定。反复观察图，与纤维直径较小但固体百分含量相等的排置即图3的排置相比，应当显而易见的是，含有较大纤维的排置，即图4的排置，潜在地具有大的敞开面积，使过滤器效率较低(但渗透性很高)。
对于利用较小纤维直径的效果，已经进行了理论研究，而且可通过斯脱克数和截流参数来定量表示。
无量纲的斯脱克数(Stokes)由下式表示：
                    斯脱克数＝dp 2ρpv/9dfμ其中，df纤维尺寸(直径)，dp＝粒子尺寸(直径)，ρp＝粒子密度，v＝接近时的速度，μ＝流体粘度。
从上式显而易见(至少理论上)，当df(纤维尺寸)减小，斯脱克数增大(假设其他变量不变)。
总之，斯脱克数是惯性撞击的反映。它能够通过这样的方式来理解：考虑这样的可能性，当气流在纤维周围变向或转弯，气流内方向对着纤维的粒子会离开气流(而不是随着气流转弯)并撞击纤维。上式斯脱克数中所示的各变量从逻辑上总体反映出，粒子动量的增大(来自增大的密度和/或速度)是与粒子不会随气流绕过纤维周围而流动、而是离开气流并直接撞击纤维的更大的可能性相关的。上式也表明，当纤维直径更小时，该可能性更大，这至少部分是由于：当纤维直径更小，纤维使气流中断的程度更小。当气流在纤维周围弯曲时，这就使气流的有效流动场更贴近纤维表面，并增大了这样的可能性：较低动量的粒子的动量仍可足以离开气流，撞击纤维。
需要考虑的另一种关于为什么某些细纤维体系作为过滤器在理论上总的来说比粗纤维体系更有效的问题，是由截流参数所表示的粒子截流。截流参数(R)能够由下式表示：
                         R＝dp/df其中dp和df的定义如上。
总的来说，截流参数是不依赖于速度和动量的，它仅与粒子和纤维的尺寸有关。总的来说，它与这样的可能性有关：粒子(当气流在纤维表面的周围变向时，会随气流发生转弯)仍然会撞击纤维并被捕获。因此，它不与这样的可能性直接相关：粒子的动量会把它带出气流并带入纤维，而宁可说是在气流内粒子是否仍会撞击纤维。总之，由于较小的纤维使气流中断的程度更小，而且气流在贴近纤维表面处发生变向(偏离直线)，因此，较小的纤维比起较大的纤维，会与更高的效率和更大的撞击截流率相关。
总之，在介质内使用细纤维的优点对于较小粒子更明显。因此，当过滤器应用要求过滤小粒子、尤其是10微米或尺寸(直径)更小的粒子时，细纤维的优点会特别有用。
B与过滤器介质内使用较细纤维有关的一些问题和限制
前述部分中提供了相对于粗纤维选择直径更小的纤维用于过滤器介质内可获得的理论上的优点。然而在深层介质内，如果简单地用很细的即约8微米和以下、典型地5微米和以下、尤其约为0.2-3.0微米的纤维，代替粗的即约10或12微米(直径)以上的纤维，也会出现问题。例如，由尺寸约0.2-5微米的纤维制成的结构，会更难于加工(比起粗纤维结构)，在使用中易于塌陷，形成很低的渗透性。即在结构只包含直径为5微米或以下的纤维时，为高载荷和大流量流体通过保持实际上敞开的结构较困难，因为这样的介质典型地抗塌陷的机械强度不足。当介质塌陷时，纤维之间的空间变得较小，尽管作为过滤器或许仍很有效的结构，但载荷相当快，且渗透性不大。实际上，这样的体系在行为上几乎变成了表面载荷体系，因为实质上形成了较低的孔隙率和浅的深度。
可以构想这样与之结构，其中极其细的纤维与粗纤维密切地进行混合(即缠结)。然而，制成有效的过滤器排置，特别是采用形成含有不同直径混合纤维的深层介质的常规技术，在纤维直径有很大不同时，是不容易实现的。例如，考虑一个理论的体系，其中细纤维直径为粗纤维的1/20。如果要过滤的空气需通过的过滤器介质含有50％(重量)的粗纤维和50％(重量)的细纤维，那么该体系就是一个相对于粗纤维存在大量细纤维的体系(或细纤维长度相对于粗纤维长度)。它会是一个纤维间空间或孔隙率较小的体系。它或许是较有效的，但它仍会相当快地达到载荷。总之，如果粗纤维的重量相对于细纤维下降，那么问题就会急剧恶化。如果粗纤维的重量相对于细纤维增高，那么与细纤维有关的和与截流和惯性撞击有关的优点将会被折衷。
C细纤维在介质内的一些常规应用
有一些细纤维在介质内的常规应用。尤其是明尼苏达州Bloomington的Donaldson Company Inc.、本发明的受让人，在其Ultra-Web产品中应用了细纤维技术。这些产品通常包含表面载荷的纤维素介质，它在前表面上具有一个直径小于1微米的聚合物微纤维的网。
这样的介质典型地应用于脉冲式清洁灰尘收集器中。在操作中，粗的表面载荷的纤维素介质如在没有细纤维的情况下，部分作为小粒子的内捕获器起作用。当这种情形发生时，脉冲清洁的效果差，因为一些粒子在纤维素介质内部被捕获。然而，当使用细网时，细网通常运行来收集表面载荷纤维素纤维前面的粒子，当施加相反的脉冲时，有利于粒子的释放。
美国专利4,011,067描述了细纤维的另一种应用，在这里引入以供参考。
在该参考外形中，细纤维施加到多孔的基材上。
D为过滤目的在过滤器结构中有效利用细纤维介质的一种通常方法
开发了一种在过滤器介质中利用细纤维即直径约为8或10微米或以下、优选5微米或以下和典型地直径约0.1-3.0微米(平均)的通常方法。总的来说，多孔的可渗透的较粗纤维的基材用作支撑物、支撑基材或很细纤维介质的间隔层。接着，材料能够以优选的方式成形，获得有效的使用期限较长的过滤器。
在优选的体系中，利用以上述方式隔开的多层细纤维介质的优点。当使用以上述方式隔开的多层细纤维介质时，就能够容易地获得使用期限长的高效过滤体系。
在图5中，提供了本发明过滤器材料的示意性说明。参照图5，材料1包括粗纤维2和细纤维3。然而，在制造材料时，材料1并不是由不同尺寸的纤维混合起来或密切地缠结在一起的材料。而是：材料1通常包含一层(具有深度)粗纤维2、至少一个上面施加有细纤维3的外表面。即介质在粗纤维结构的至少一个外表面上具有一个细纤维网。然后，细纤维网内的细纤维不与粗纤维基材混合或缠结。这里，粗纤维2的层有时称为可渗透的粗纤维介质或材料层。它含有细纤维3位于其上的基材。
图5的排置能够看作与篱笆横木之间的蜘蛛网线有些相似。(如果也假设蜘蛛网定位于和依附于篱笆的一个侧面或表面，那么该相似最恰当)。横木或粗纤维2提供了多孔的敞开表面面积，实质上不妨碍气流通过敞开空间。细纤维3表示悬挂在敞开空间内或横穿该敞开空间的网。由于大多数通过这种材料的气流实际上不被粗纤维2所中断，在截流撞击和惯性撞击中与粗纤维2的牵连较小。然而，极其细的纤维3是横穿过实际上气流要流过的空间中的线。因此就得到了有关惯性撞击和截流撞击的细纤维尺寸上的优点。在使用一层以上细纤维层的应用中，蜘蛛网的相似物包括许多彼此堆叠的篱笆，其中每个都在其一面上具有蜘蛛网。整个效果就为间隔的细蜘蛛网的堆叠。
总之，图6是例如图5所示的材料的部分剖面图。图6实际上是示意性的。需要理解的是，总的来说，图5相对于图6是大大地放大了的图，目的是能够理解细节。
在图6中，粗纤维的深层介质的层通常表示在4处，很细纤维的层表示在5处。需要理解的是，细纤维5被施加到粗纤维基材4的表面6上。
总的来说，对于优选结构，细纤维层将近似地作为单层来成形，没有远大于约1-8倍细纤维直径的厚度。总之，在任何给定的位置，其深度都将不大于约10-15微米，典型地不大于约2-4微米。
粗支撑介质4的深度将随体系不同而变化。图6的示意性说明简单地表示出粗介质4的深度与细纤维5的层的深度相比，总的来说是较大的。
然而，尤其是如果使用很敞开的细纤维层，那么由于提供相当大的孔隙空间或纤维间的间距(即细纤维之间的间距)，所以图5和6的结构将有可能是效率相对不足的过滤器。即当细纤维稀疏地分布时，经过孔隙空间而不靠近细纤维的空气在相当大的程度上不会被过滤。
如上所述，根据本发明，在优选的过滤器结构中，例如如示意图5中所示的材料以多层例如堆叠的方式进行排列。关于被经过整个体系的气流内的粒子撞击的可能性上，其中每层都与图5相似的一叠多层会以实际有效的密度表示出较细的纤维3。由多孔的粗纤维2提供的较大孔隙空间，会形成相当大的载荷容积、渗透性，和由此的较长使用期限。因此，能够形成这样的理论：能够制成这样的既作为过滤器很有效又具有较长可使用期限的结构。正如下面的实验所指出，这在实践上也可以实现。
如图5所示排置的进一步有利方面以这样的方式来理解：考虑这样的复合物在操作上对捕获粒子的效果。总的来说，如果在载荷粒子一段时期之后检查排置，就会显现出主要被捕获并固定于单根细纤维上的粒子，其形式是单独的小粒子或粒子团粒。细纤维之间的间距足够大，使不会产生纤维间大量的的桥接。这在下面讨论的图21中有显示。的确，纤维间的空间足够大，使得开始产生桥接时，枝状粒子就会断裂并落入细纤维层。
这是非常有利的。在其中纤维间的空间较小但效率较高的排置中，会在纤维间或横穿间距产生大量的粒子桥接。这能够堵塞过滤器介质的部分气流通道，并大大降低过滤器的渗透性。这会增高通过过滤器的压力差，并最终缩短过滤器的使用期限。然而，层内的纤维间的空间大，会降低这种可能性。
从更进一步的说明中会明白，如果粒子桥接开始形成，那么它会断裂并落入该层或材料这个事实，不会引起有关效率的问题，因为例如图5所示的材料的应用是典型地应用于包括一层以上过滤器介质的排置中。
在此部分中，说明包括一叠介质的本发明的某些排置。正如在下面其他部分中将详细说明的一样，通过另外地将粗和细纤维施加至结构上，就能够制成一叠介质，而不是通过组合图5所示类型的预成形复合物(或层)。最后对过滤的影响通常应当是相同的。然而，一种或其他的工艺类型，或可替代工艺，都可以就一些不涉及最终结构的性能的原因而进行优选。
E典型的结构
从上述说明中显而易见，当为用于过滤器而成形时，许多本发明典型的过滤器介质结构都包括多层介质，带有至少两层，有效地含有粗的框架来支撑或间隔细纤维或细纤维网。这种排置的例子有时在这里称为一叠，如图7所示。
总的来说，成叠的排置可以由多层相同的介质复合物制成。另外，在成叠的排置中可以形成梯度，例如方式是在每层内采用稍微不同的复合材料，或在制作多层复合物时适宜地施加层。各层内的材料例如可以在贯穿粗支撑物敞开空间的细纤维总体平均密度方面不同。另外或此外，各层间的细纤维直径也可以不同。当然，排置能够包括一种特定结构的一层或多层，而且也可以包括一个或一个以上不同结构的一层或多层。
参照图7，显示了总的来说包含一叠不同过滤器介质层的介质结构10。对于图7所示的排置，考虑通常由箭头11所示方向的气流。结构10包括含有粗支撑物14的一层介质或介质区域13，粗支撑物14的表面上具有一薄层细纤维15。在所示出的特定排置中，层15在支撑物14的上表面上。层13的下面是相似层17，它含有粗支撑物18和上面的细纤维薄层19。排置10还包括构成与层13和17相似的更深的层20、21和22。因此，对于图7所示的排置，层22的粗区域25位于最下面。
对于所示出的特定排置，保护性粗纤维稀疏层或介质层27位于最上面的细纤维层15的上面。
总之，需要理解的是对于某些实施方式，图7中的总结构只有约0.020-0.060英寸(0.05-0.15厘米)厚，在一些情形下甚至更薄。因此，它在图中被放大，变得过分大。它包含一叠细纤维层，其中每层都由粗的间隔层或支撑层或基材与相邻的细纤维层分开。在每一面上，即最上面的面27和最下面的面25都存在有保护性的粗的稀疏层或介质层。图7的特定排置显示出带有5个分离的细纤维层，但也能够使用另外数量的层数。这里又一次没有要求细纤维层彼此相同，或不同的粗支撑层彼此相同。在这里的上下关系中，“分离”是指每层细纤维实际上不与粗纤维分离支撑物缠结，而是每层细纤维通常位于支撑结构的表面上。
1.粗支撑物/间隔结构
本发明过滤器介质层内粗材料的主要作用，是提供框架，而细纤维贯穿此框架而延伸。粗材料的另一个主要作用是提供堆叠物内细纤维区域或层之间的间隔，使被隔开的细纤维层不会塌陷成较致密(即低的渗透性和较低的载荷)的结构。粗支撑物/间隔结构典型地不提供任何实质的过滤功能。的确，它优选为敞开的和可渗透的材料，使它不用作任何实质的过滤作用。
总的来说，对于典型的应用例如这里所描述的应用，优选的是复合物总体(即所形成的多层过滤器介质)是较柔性的排置，它能够以多种几何结构进行排列。在一些排置中，优选的是粗支撑物含有柔性的纤维结构，它具有足够的力学完整性或坯体性能使它能做到这一点。然而，在一些排置中，该“坯体”能够由与用来间隔细纤维层的粗纤维材料不同的组分提供，或者它能够由总复合物来提供。这将在下面进行说明。
与为粗支撑物选择柔性纤维结构有关的一些更重要的参数可以总结如下：
a.优选的是如果可能，就选择固体百分含量很低、渗透性很高的材料，以提高贯穿细纤维网延伸的空间的“孔隙空间”。优选的材料是根据这里所述测试方法，捕获0.78微米粒子，有时称为LEFS效率，过滤效率只有约10％或以下、典型地5％或以下、优选只有1-4％。优选地，它是具有单层渗透性能的材料，当由Frazier Perm Test进行评价时，其单层渗透性为至少150米/分钟，典型地至少约200-450米/分钟。
b.粗支撑物/间隔材料应当足够厚，以保证细纤维层被隔开。总的来说，对于一些体系，粗材料层不必比实现该间隔所需的最小厚度厚。可预见的是，约25微米(0.001英寸)左右的厚度是远远足够的。为粗基材所选的材料或工艺，可以比约25微米(0.001英寸)厚，例如约254微米(0.010英寸)，额外的厚度与作为有效过滤器的叠状排置的实际性能有关的任何优点都没有必需的联系。即，尤其在叠状排置中，约25微米(0.001英寸)的厚度就足以支撑细纤维，并能够为载荷粒子提供敞开的容积。在许多体系中，更厚的厚度实际上不能使该性能提高至任何显著的程度。因此，在某些优选的排置中，分隔细纤维层的每层粗纤维材料的厚度都不超过约760微米(0.030英寸)。另外说明过，分离的细纤维层优选不超过约760微米(0.03英寸)。然而也允许采用更厚的厚度，从而使可用作粗层的材料的选择范围更宽。另外，较厚的稀疏层或粗纤维层可以提供改进的坯体或力学强度。另一方面，较厚的层可以在一些过滤器结构中占据多余的或不希望的空间。
c.虽然对制成粗支撑物材料的特定材料要求不高，但通常优选选择这样的材料，它足够强固和坚韧，可承受制造和加工期间的操作，而且也能经受加工条件。本发明结构的一个优点是，在不使用“带电”或“带静电”纤维下，就能够提供用于许多有效过滤器体系中的介质。因此，本发明的某些优选体系都采用没有施加静电荷的纤维。另外一个优点是，能够由容易得到的纤维材料例如聚合物纤维提供粗支撑物。因此，能够选可购买到的材料用作粗支撑物或稀疏物。
d.制成粗支撑物的材料应当是细纤维能够容易和方便地施加上去的材料。
虽然细纤维尺寸的选择，至少部分地依赖于结构的特定应用，但粗纤维的直径对于优选过滤器的运行不太重要，只要能够获得这里所述的最低性能。通常，可预见的是，在典型和优选的应用中，粗纤维的直径是细纤维直径的至少6倍，典型地和优选地约20-200倍。在典型的其中细纤维尺寸约为0.2-3.0微米的排置中，可以预见的是，粗材料含有平均直径约为10-40微米的纤维材料，典型地为12微米或更大。对于优选排置，粗材料典型地具有6.0-45.0克/米2的单位重量。
通常，粗纤维层可以包含短纤维的集合体或混合体或无纺的实质上连续的纤维基材。在这里的上下文中，“连续”一词指纵横比充分大，至基本上为无限大，即至少500或以上的纤维。湿法成网材料可以用作无纺布支撑物，然而，在一些体系中也可以使用气流成网材料。
通常认为，能够将可购买到的纤维稀疏物用作粗支撑物。一种这样的稀疏物是Reemay 2011，购自印第安纳37138，Old Hickory的Reemay Co.，。通常它含有20克(0.7英两)的纺粘聚酯。
另外，也可以使用购自马萨诸塞02081，Walpole，Veratec的Veratec grade9408353纺粘聚丙烯材料。
粗支撑层能够含有不同材料、长度和/或直径的纤维混合物。
2细纤维网络或网
可预见的是，可选择多种材料用作提供细纤维网或网络的材料。应用下面的总原则进行选择。
a.它应当是这样的材料：能够容易地形成所选择的较小直径的纤维，应用于粗支撑物上，或形成这样细纤维的网或网络。
b.它应当是足够强固，可在加工和过滤运行期间保持正常的材料。
c.它应当是能够容易地施加到粗支撑物上的材料。
至此，提到了由本发明的受让人Donaldson Company制备和出售的标号为Ultra-Web某些产品。这些产品包含施加到纤维素表面介质上的细纤维网。用来制备这些用于Ultra-Web产品的细纤维网的工艺是Donaldson Company的商业秘密。然而，可预见的是，如这里所述，施加到粗支撑物结构上的和用于堆叠排置中的相似技术和网，要包括合适的和可使用的本发明的应用。这将由下面的实施例变得明显。然而，也能够有效地使用其他的纤维和工艺类型，例如熔喷工艺。
通常，对于本发明的典型结构，可以预见的是，依赖于所选择的特定排置，细纤维组分提供的纤维直径为8微米或以下，典型地低于5.0微米，优选约0.1-3.0微米。多种过滤器材料都能够容易地提供出这样的直径，包括例如玻璃纤维、聚丙烯纤维、PVC纤维和聚酰胺纤维。
更一般地，能够使用聚丙烯腈，能够使用以SeranF-150购自密执安Midland的Dow Chemicals的聚1，1-二氯乙烯(polyvinyladine chloride)。也能够使用其他合适的合成聚合物纤维，制造很细的纤维，包括聚砜、磺化聚砜、聚酰亚胺、聚1，1-二氟乙烯(polyvinylidine fluoride)、聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、芳族聚酰胺、纤维素酯、aerolate、聚苯乙烯、聚丁酰乙烯以及这些不同聚合物的共聚物。
细纤维能够以多种方式固定于粗支撑物上。所用的技术可以部分地根据用来制造细纤维或网的工艺和形成细纤维和粗纤维的材料(一种或多种)而定。例如，细纤维能够由一种粘合剂固定到粗支撑物上，或它们可以热熔化到粗纤维上。含有可熔鞘的双组分粗纤维能够用来将细纤维热粘合至粗纤维上。可以采用溶剂粘合，可以应用热粘合剂纤维技术，可以采用自生粘合。对于粘合剂，能够采用湿法成网水溶性或溶剂基树脂体系。在一些体系中可以采用氨基甲酸乙酯喷涂、热熔体喷涂或热熔体片。在一些情形下，可预见的是，不需要使细纤维网正面固定到粗支撑物上的粘合剂。它们至少包括这样的体系，其中当制造总复合物时，细纤维固定于粗材料层之间，两层粗材料之间的位置用来在原地固定细纤维层或网。
这里提到了含有“细纤维”的细纤维层或细纤维的“网络或网”。在这里的上下文关系中，细纤维“网络”或“网”意味着不仅指含有单个细纤维的材料，而且指网或网络，其中材料含有在节点或交叉点彼此交接或交叉的纤维或原纤维。这种排置的一个例子如图20所示，下面将详细进行说明。
回顾图，能够看出细材料的网络通常含有许多很细的纤维或束，其中有一些自节点或交叉点伸出。
                F一些表征用于本发明结构中的
                    一层介质的方法
通常，由上述说明显而易见，用于本发明结构中的一层介质通常包括粗支撑物或基材，其中一层细纤维或细纤维网固定于其至少一个表面上。粗支撑物(或基材)和细纤维可以是通常如上所述的。整个层可以以多种方法表征，包括例如简单地如包含上述的粗和细纤维，也如所示进行排列。
象包含细纤维与粗纤维的“混合物”，这样来表征本发明的优选介质是不准确的。通常材料并不是被制成如这样纤维的混合物，即其中纤维进行缠结的排置。而是纤维在介质中位于分离的和不连续的带或区内。更确切地说，任何一个给定的多层复合物通常都包含具有至少一个施加有细材料的在其表面上的粗材料层。甚至当提供的介质是多层(堆叠)排置时，在气流经过“堆叠物”时，通常细纤维和粗纤维区是先、后被冲击的。
由这里的总说明显而易见，多种方法都能够用来制备本发明的堆叠排置。其中一些，例如当实施方式是层进行湿法成网时，会存在一些细纤维和粗纤维的缠结。当然缠结度不会达到细纤维和粗纤维成为“均匀的混合物”  这样的程度，否则介质将不会根据本发明原理而理想地运行。通常粗材料层在排置中仍然用来使不同的细纤维层彼此分开。这里，当细纤维层被描述为相对于彼此和相对于粗纤维层“分离”时，它并不意味着绝对没有缠结，而是结构是这样的：要过滤的流体经过排置时，多层的即分隔的细纤维层环境被提供用来过滤。通常，这指(当层不连续时)这种可能产生的缠结较低。如果细纤维层与粗纤维层之间产生缠结，它通常只涉及较少的细纤维，典型地低于15％(重量)。
拥有上述结构的一个结果是，并不给气流提供均匀的过滤器介质。即当气流通过过滤器排置时，在不同的深度或层级，会遇到不同的材料。例如，在一些体系中，当气流通过时，它会经过交替的细纤维材料和粗材料排列。由此就形成了重要的优点。
在典型的排置中，介质的复合层可以就粗支撑物或稀疏物单位表面积上所施加的细纤维质量进行表征。它有时称为细纤维层的单位重量。这种特性将随所用的特定纤维直径、所选择的特定材料、层所要求的纤维直径和特定的细纤维总密度或过滤器效率而变。可预见的是，在细纤维直径约为0.1-5.0微米的典型的优选结构中，在单位表面积稀疏物或粗支撑物(或基材)上所施加的形成细纤维的材料质量，将为约0.2-25克/米2，它与所用的特定材料无关。
表征本发明结构内的典型的和优选的介质层的另一种方法，是观察粗纤维支撑物或稀疏物(从细纤维侧)时敞开或可见的纤维间的孔隙量，它被细纤维或细纤维网所占据或覆盖。部分地从图16-20，会明白该表征方法。
图16-20是一个表面上带有本发明细纤维网的不同稀疏物样品在不同放大率下的扫描电子显微镜照片。粗支撑物包含直径为25-35微米的聚酯纤维基材。细纤维通常含有直径约0.1-3微米的玻璃纤维。
由细纤维面积所占据的稀疏物内敞开孔的面积百分率，能够由如图16-20所示的扫描电子显微镜(SEMs)评价方法进行估算。可预见的是对于本发明的典型的和优选的结构，由细纤维占据的粗支撑物或稀疏物内敞开面积的平均百分率，当采用这种方法进行评价时，将是55％或以下，典型地约20-40％，对于优选的空气过滤器介质而言。这并不表示这些范围之外的结构是不行的，而是这样的百分率是典型的，与可运行和有效的材料相关。
能够表征本发明材料的一些层的另一种方法，该层可排列用于所述过滤器结构，是当材料在空气流中进行测试时，关于对性能的观测。特别在许多优选的实施方式中，通常在气流中如这里所述测试效率之后，会观测到被层所截流的大多数粒子(以数量和质量两种方式)被细纤维所结合，而不是被较粗的结构。其一个例子如图21的电子显微镜照片所示。
可替代地或类似地，根据经验观测，任何给定的复合层的效率都能够被分配。总的来说，如果包含平均直径至少为10微米的纤维的粗纤维支撑物结构或基材，而且当如这里所述进行评价时，对于0.78μ的粒子也具有6％或以下的效率，它通过施加至少一层细纤维来进行改进(其中细纤维的平均直径约为5微米或以下)，使改进的材料在测试时对于所限定的0.78μ的粒子，具有至少约8％的效率，优选至少10％，那么至少在某些本发明优选排置中，该结构将具有至少一些所要求的性能。优选地，材料包含对于0.78μ粒子效率约为4％的稀疏物，足够细的纤维施加到该稀疏物上，对于0.78μ粒子提供至少10％或更高的复合效率。在这种排置中，粗纤维层优选是其上没有施加细纤维层的渗透性为250-450米/分钟的材料。典型地，也这样排列细纤维材料：使细纤维/粗纤维组合物的单个复合层的渗透性至少约为10米/分钟，更优选至少约为25米/分钟。在一些场合下，它可以选作相当高，即100-325米/分钟。
G渗透性
这里涉及这些材料的渗透性：任何给定的稀疏材料层、其上带有至少一层细纤维稀疏层或复合物和总的介质复合物。“渗透性”的参照数值是指穿过参照材料、介质或复合物的平面片层时导致1.3厘米(0.50英寸)水柱的流体阻力所需的面对介质的正面速度(空气)。
总的来说，介质层的渗透性(指这里所用的词)采用购自马里兰州Gaithersburg的Frazier Precision Instrument Co.，Inc.的Frazier Perm Tester，根据ASTMD737由Frazier Perm Test进行评价，或由一些相似的测试方法评价。
尤其当用于汽车舱内空气过滤、通风体系或发动机进气体系时，本发明典型的介质排置的总渗透性为至少6米/分钟、更优选10-12米/分钟，渗透性为总效率、层数和所选纤维的尺寸的函数。这里的“总”是指整叠介质。
H效率
这里自始至终，时时会以具体数值提到一层或复合物的效率。即，时时会描述其上带有至少一层细纤维材料的稀疏物或所选的一层稀疏物的优选的效率百分率。在一些情形下，也联系含有多层材料的整个复合物来描述效率值(％)。在这些上下文关系中，为了提供数值表征，当要表征的材料根据ASTM1215-89方法进行测试(在这里引入以供参考)时，“效率”典型地通常指保留的测试粒子百分率，测试中使用的测试材料是直径为0.78微米的单分散聚苯乙烯乳胶球，例如购自加里弗尼亚Palo Alto的Duke Scientific，测试在20英尺/分钟(约6米/分钟)下进行。
上述说明并不暗示着：当本发明的过滤器排置通常被描述为“有效”时，只是指在ASTM1215-89测试条件下过滤0.78微米粒子中的操作。而是对于这种粒子和在这样测试条件下的效率只是一种相对可重现的方法，按此方法在本发明结构中所用的或要用的材料能够被评价或表征。
I纤维间的间距，单位面积粗基材上所施用的细纤维重量
如上所述，本发明的材料能够就其纤维间隔或单位面积粗基材或稀疏物上所施加的细纤维材料的量(单位重量)进行表征。有效的方法如下所述。
1.通过数字图象分析的面积固体含量
这里所用的方法是将SEM照片扫描入计算机进行图象分析。有效的SEM放大倍数依赖于在介质结构中的起重要作用的纤维尺寸，而且应当这样选择：使要分析的纤维边缘在背景中清晰。放大倍数增大，视场深度降低。扫描之后，能够采用已商品化的软件例如Visilog(购自加拿大魁北克的Noesis Vision ofVille St.Laurent)，通过调节确定前景与背景边界的灰度级阈值，来将图象分成前景和背景，并将扫描的灰度级图象转化成二进制映象(前景和背景)，通过采用刻蚀和扩大命令能够更精细地分离前景和背景二进制图象。重要的项是前景中的细纤维。(假设介质包含细纤维只施加到其一个表面上的稀疏物，也假设要显示细纤维的SEM的方向朝向观测者)。一旦分离，用来显示前景和背景的屏幕像素就能够采用软件内的分析工具进行统计。用来显示前景(细纤维)的像素数目除以显示AOI的象素数目(AOI等于前景加背景)，得到的该比值代表了面积固体含量。纤维的结构是三维，而SEM照片表示三维物体在平面或面积上的投影，因此采用术语“面积的固体含量”。
2孔尺寸的数字分析
这里所用的方法是将SEM照片扫描入计算机进行图象分析，再次采用购自例如Noesis Visions Visilog的软件。有效的SEM放大倍数依赖于在介质结构中起重要性作用的纤维尺寸，而且应当这样选择：使要分析的纤维边缘在背景中清晰。放大倍数增大，视场深度降低。扫描之后，能够采用可购买到的软件例如Noesis Vision的Visilog，通过调节确定前景与背景边界的灰度级阈值，并将扫描的灰度级图象转化成二进制映象(前景和背景)，来将图象分成前景和背景。通过采用刻蚀和扩大命令能够更精细地进行分离。重要的项是前景中由纤维形成的孔。下一步，在图象的AOI中对软件的分析工具来说为反常的项，需要从AOI中清除。这种反常包括凸出的孔和部分位于原始AOI内的孔，即这些孔的边界没有完全确定。接着能够使用软件工具在像素尺寸内计算修正过的AOI内每个原脆的周长、面积和纵横比。对于每个修正过的AOI内的孔的形状因子定义为：
(4π×孔面积)/(测量的孔周长)2都能够得到计算。从扫描分辨率、SEM照片放大倍数、软件输出，就能够将纤维间的间距尺寸从像素单位转换成工程单位。应当以足够的次数重复该步骤，以保证得到样品的有代表性的图(或分布)。
3线型纤维的交叉方法
首先，照出能判定介质的纤维尺寸分布的合适的放大倍数和数目的介质样品的SEM照片。对于纤维尺寸，放大倍数典型地从1000变化至6000以上。由放大程度使照片内至少出现15-50个孔的另一套SEM照片上，能够将由直线形成的线格叠加到该SEM(一个放大的复印件)上。利用从叠加的线格中随机选出的几条直线，与随机选出的格子直线相交叉的纤维数量就能够被统计出来，这样就可得到每英寸线上的交叉数量。通过累积统计上数量较大的直线的数目，就能够计算纤维间的平均间距，并作出纤维间距离的分布。应当以足够的次数重复该步骤，以保证得到该样品的有代表性的图(或分布)。
4单位重量
施加到单位面积(表面积)粗支撑物或间隔基材上的细纤维重量(例如磅数/3000英尺2或克数/米2)，能够用来评价纤维的间距尺寸，因为在典型的结构中，重要的细纤维垫近似为单纤维层。另外，如果纤维结构不是单层，那么能够确定纤维垫的厚度，然后，能够计算容积的固体含量，它是纤维间的空间的一个指标。
5孔尺寸
a.斜接的圆筒形状
通常，纤维层接触密切的地方，假设孔是四方形的，纤维斜着交叉，各层相对彼此无规地定向。参考“流体过滤：气体体积1”，ASTM特种技术出版社975，1986，ASTM出版04-975001-39，Donald R.Monson-“用于模拟过滤器纤维介质的压力损失的关键参数”
L＝假设的四方形孔的对面上平行纤维之间
   的中线距离
df＝纤维的平均直径
b＝L-df＝内孔的尺寸，不包括构成孔的纤
   维厚度，
C＝固体含量＝纤维体积/介质体积
R＝L/df
利用上述定义、一致的测量单位和由Monson提出的下式，就能够从下式估算纤维间的距离“b”：
R＝1/{1.1781-(1.3879-1.5×C)1/2}
b＝(R-1)×df
b.改进的斜接圆筒形状
该模型矫正了连续纤维层之间的间距，假设了内层距离L/2，认为对于C＜0.6的情形，它是有效的。
R＝1.4472/(.5×C)1/2×COS{1/3×COS-1
[-0.87979×(.5×C)1/2]}
b＝(R-1)×df
c.改进的单层纤维结构的斜接圆筒形状
R＝(0.5×π/C)+({0.5×π/C}2-{8/[3×C]})1/2
b＝(R-1)×df
                J利用本发明原理作出的过滤器介质
                        复合物的设计
从上述说明，可以明白的是，通常采用本发明介质的过滤器结构由介质构成，该介质含有多层细纤维，更确切地说是被粗稀疏材料或粗纤维基材所分开或隔开的多层细纤维。在许多设计空气过滤器结构的场合，工程师要选择各层的性质，并决定它们应当怎样组成总的复合物。在本节中，简要讨论与此工艺有关的考虑。
总的来说，选择部分地依赖于要使用过滤器介质的应用，而且依赖于怎样制造介质。对于过滤器设计者来说，预定的应用通常决定对所需要的过滤器效率和渗透性的确定。对于给定的应用，效率除了由在上述的测试条件下捕获0.78微米粒子的能力来确定外，还可以由其他方法来确定。例如，汽车制造者会对舱内空气过滤器的操作有具体的技术要求，过滤器工程师会利用本发明材料来满足之。可以在并不等价于捕获0.78微米粒子所确定的测试条件下的捕获粒子的能力来确定该技术指标。工程师可以采用这里所述的技术来逼近可能的结构，接着，提出合适的测试方法，来观察汽车制造者所提出的技术要求得到满足。作为一种替代的方法，经过足够次数的测试之后，工程师可以根据在另一种条件下所进行的测试，提出充分相关的数据能够预测在某一类条件下的性能。
无论如何，总之可预见的是，在一些情形下，设计步骤将从工程师考虑可购买到的具有本发明性能的材料开始。作为一个例子，工程师可以选择稀疏物，并获得各种稀疏材料的样品，所述稀疏材料上施加有不同量的细纤维材料。作为一个假设的例子，假定工程师具有含有Reemay 2011的各种稀疏材料样品，它们只在其一个表面上用不同量的细纤维玻璃材料处理，形成8个样品，其中细纤维层表征如下：
               玻璃纤维Schuller#1061(0.4微米)纤维             面积410厘米2(0.44英尺2)
   手工抄纸成形器浆料内的玻璃重量(克)           单层的渗透性(米/米)    单层LEFS效率(％)              浆料玻璃重量/单位面积
  克/英尺2    克/米2    磅/3000英尺2
   0.035     249.5(818.6英尺/米)    6.7％     0.079    0.848       0.520
   0.040     209.1(686.1英尺/米)    8.8％     0.090    0.969       0.595
   0.075     86.0(282.2英尺/米)   25.5％     0.169    1.816       1.115
   0.100     57.8(189.7英尺/米)   32.6％     0.225    2.422       1.487
   0.150     37.7(123.8英尺/米)   54.5％     0.338    3.633       2.230
   0.200     26.8(88.0英尺/米)   68.8％     0.450    4.844       2.974
   0.380     10.3(33.7英尺/米)   94.3％     0.855    9.203       5.650
   0.600     6.4(21.0英尺/米)   99.1％     1.350    14.531       8.921
1Schuller #106是纤维平均直径为0.4微米的玻璃纤维，购自科罗拉多80162 Littleton的Schuller Filtration。
给出上述信息和材料，过滤器工程师可进行设计。总的来说，在规定的测试条件下，复合物对于0.78微米粒子的效率是每层效率的“总和”。例如，如果使用的是两层，其中每层效率为35％，那么总效率就为1-[(1-0.35)×(1-0.35)]或57.75％。因此，为了获得所要求的效率，由已知的不同层的信息，工程师就能够确定要使用多少层和哪种材料。
在前面的说明中，给出了确定多层体系内效率的通式。可根据下面的原理进行具体的计算：
对于规定的粒子尺寸和速度：
ηi＝第i层的效率
ηt＝总复合物的效率
1-ηi＝第i层的透过率
1-ηt＝总复合物的透过率
(1-ηt)＝(1-η1)(1-η2)…(1-ηi)
总之，复合物的总渗透性能根据下面的数学关系式由复合物中各层的渗透性确定。其中x复合物＝总复合物的渗透性
ρi＝根据结构包含粗+细层或只包含粗层的复合物组成层的渗透性。
因此，应用关于各层渗透性的知识，工程师就能够知道总复合物的渗透性，并能够挑选不同的层来提供所要求的特定渗透性。作为一个例子，舱内空气过滤器的典型正面速度是50-70英尺/分钟(约15-24米/分钟)，排置在220-300英尺3/分钟(约6.2-8.5米3/分钟)的气流下运行时。例如用由下列组合制成的过滤器就能够满足此要求：
1效率为30％的前层或基材；
2效率为35％的相邻下层或基材；
3效率为45％的相邻下层或基材；复合物的效率就约为75％。
那么，能够看出，如果工程师知道所要求的总复合物的渗透性是多少(在用来确定给定层的渗透性的测试条件下)，而且工程师已经确定了各层的效率，并知道在相似条件下所要求的总复合物的效率是多少，那么工程师就能够容易地挑选材料，来达到所要求的结果。
当然，工程师可以希望考虑其他的变量或因素。例如对于一个较薄的复合物，只可能有很少的层数，而在某些情形下，要得到优选的总组合，成本、任何给定层可用的材料是否可购买得到以及其他相关的因素也是需要考虑的。而且也要考虑复合物所形成的物理性能，例如关于折叠结构的易成形性。
作为过滤器设计者在挑选材料时可考虑的问题类型的一个例子如下。如果两片面积相同的材料进行折叠，其中一个实际上比另一个厚，总的来说，能够有效堆入给定容积内的较薄片材料的褶皱数目将是较多。因此，如果过滤器的设计问题是在给定的圆筒状空间形成有效的过滤器，那么工程师就可优选较薄的折叠材料而不选较厚的材料。如果折叠材料要由本发明的介质层制成，那么工程师就可以优先挑选可形成较薄的总结构的层状组合物，相对于较厚的总结构，它具有优点。
然而，总的来说，具有相等总效率的复合物进行比较时，较厚的复合物通常比较薄的具有更长的使用期限(基于相同面积下)。在设计一些体系时，工程师会根据这一因素以及前述考虑而进行平衡协调。
可以预见的是，在一些情形下，工程师会希望使堆叠物的所有层都含有同样复合材料。然而，在另一些情形下，可以在一些或所有各层内使用不同的材料(或效率等)。可预见的是，在典型的操作中，若工程师决定使复合物中层的效率不同，那么总的来说，所形成的效率梯度将优先排列成这样：复合物层的效率通常在指向结构下层的方向上是增高的。即，目前可预见的是，优选的层组织将是效率更高的复合物层较效率较低的复合物层处在更下层的位置，使得形成更长的使用期限。在这种情形下通常形成较长使用期限的原因是，效率较高的层如果位于下侧就不会很快被堵塞，因为效率较低的层在流体到达效率较高的层之前就已经起作用，提供至少部分过滤作用。这意味着效率较高的层会比位于上侧时较慢地被堵塞。
K几何形状
本发明的介质可以以多种几何构形进行排列，获得优点。例如能够将平片排列成简单的堆叠物，形成非折叠的板型过滤器介质。
当然，片能够排列成垫层或围绕一种物体卷起来，例如围绕圆筒结构卷起来的圆筒。
独特地，本发明的介质能够以这种形式提供：它能够容易地折叠。在一些情形下，它将由这样的方式实现：选择间隔稀疏物，使堆叠时所形成的复合物具有足够的强度或“坯体”进行折叠并保持折叠构形。如图8A和8B所示。
参照图8A，过滤器介质30以折叠的圆筒状构形被示出。在图8B中，部分材料被过分放大示出，目的是能明白材料包含许多层。参照图8B，材料30包括粗层31，细纤维层32位于其之间。总的来说，可预见的是，对于许多优选的排置，不管排列成圆筒状还是板状，褶皱的数目都为约1-15个/英寸(或/2.5厘米)。当描述的是圆筒状构形时，这里所报道的单位距离上的褶皱数目是指圆筒结构的内径上的。
本发明的折叠的圆筒状构形是独特的，其原因至少是本发明的介质就载荷和运行的正面速度，极大地表现出深层介质体系的性能。然而，常规的深层介质通常是不折叠的。更确切地说，折叠结构通常与纸或纤维素表面载荷体系有关。然而，能够利用本发明的原理，提供以深层介质的形式运行，但能够以折叠方式成形的排置，该折叠方式与表面载荷纤维素介质更相似。
要注意，对于一些排置来说，能够提供正弦(波或类似褶皱)样的，即使介质没有提供足够的坯体来保持真正的折叠构形。可预见其几种实施方法。首先，“坯体”能够由只有一层或几层的具有充足坯体的材料(在介质中)提供。例如，多层体系中的一层或两层稀疏物对于该坯体就足够了，不需所有层都具有它。除此之外或另一种方式是，在堆叠排置的一面或两面上的或其内的支撑材料层可用来提供该坯体或力学完整性。这种复合物能够采用可购买到合成的或纤维素纤维作为支撑层来制造。
提供没有粗稀疏层而形成褶皱的正弦排置的第二种方法，是利用力学框架来维持材料处于折叠结构。该示意图如图9所示。在图9中，示出了力学撑杆40，而介质41穿在其上面。
其他的方法可以包括材料的充分的热、化学或物理处理，提供足够的刚性来保持折叠构形或褶皱。也可以使用褶皱端尖粘合的方法。也能够使用位于不同复合层内的金属带或线来保持折叠的构形。
由上述考虑显而易见，本发明的优点是它可以以可提供多种几何形状的材料来施用。因此，它能够以很多种的过滤器结构来施用，获得优点。如上所述，对于有效的运行，可以选择材料的性能，使所需要的深度能够随要求而变。
L空气过滤器结构
本发明的介质可以应用于多种空气过滤器结构中。它能够用作例如圆筒元件中的圆筒折叠材料。它也可以用作板类过滤器的折叠材料。它能够以非折叠形式使用，例如作为其他过滤器元件内或其他过滤器元件外的套筒过滤器。它也能够以非折叠形式用于圆筒和板状元件。的确，它可以在多种过滤或过滤器体系的几乎任意一种中，用来代替介质或部分介质。
在一些情形下，本发明的介质可以用来加强其他介质的运行，例如可购买到的其他类型介质。因此，本发明介质可以施用到各种介质层的前面、后面或之间，实现优选的过滤器运行。例如，本发明的高效率型介质可以用在各种介质的后面，作为光亮过滤器。本发明的高载荷、低效率类型的介质可以用在常规介质的前面，通过在前面用作高载荷介质来提高总效率。本发明的介质也可以在各种梯度过滤器体系或相关的体系中用于常规介质之间。
本发明的一种过滤器结构类型如图10和11所示。图10中的排置通常与美国专利4,720,292(在这里引入以供参考)所述的相似，不同的是用本发明的改进介质替换了过滤器介质。参照图10，所示的过滤器排置100包括外壳101、出口管102和过滤器元件103。经过阴影线或覆层105就进入了维护过滤器元件103的外壳101的内层104。
过滤器元件103通常含有折叠的过滤器介质110、外衬111和内衬112。对于图10所示的排置，空气沿箭头115的总方向通过，就产生过滤。因此，外壳101包含要过滤的空气的入口120。空气流经过滤器元件103之前，分布在室121内。然后空气进入内室或内腔122，通过出口102离开过滤器元件。
过滤器元件103分别包含相对的第一和第二端盖130和131。过滤器介质110固定到、嵌入端盖130和131内并在它们之间伸展。在区域140内，端盖130以其尺寸和构形与出口管102形成径向的密封。端盖131以常规方式封闭过滤器元件103的末端142。
在图11中，以示意性剖面图示出了图10所示的部分排置。能够看出，过滤器介质110是本发明的多层排置，包含许多粗材料层150和间隔的细纤维材料层151。图10所示的特定排置含有两层间隔开的细纤维层151，它们被总数为三层的粗层150夹持。又一次说明，根据本发明的原理，多种可替换的排置都可用作过滤器介质110。
图10和11所示的介质，以圆筒状元件引入，与出口管构成径向密封。介质也可以用于轴向密封排置的过滤器元件中。
总的来说，本发明能够用来制备这样的介质：当与表面载荷介质相比时，它的载荷容量高，而当用来过滤细粒子物质时，与过滤收集更粗的物质相比，它的载荷优点被认为更显著。因此，通过本发明的折叠并将折叠物放置于一些深层介质的下层，就能够获得该优点，因为深层介质会相对高效地收集粗粒子，又由于存在对细粒子物质效率高的本发明介质，因而增强了过滤。利用上面的深层介质制成效率更高的过滤器，在美国专利5,082,476、5,238,474和5,364,436中有描述；利用相似技术，但下面用与深层介质不同的本发明介质，就能够获得优点。例如，如上述专利所述的深层介质能够用来在上面很有效地脱除2-10微米的粒子，该深层介质与本发明介质不同，而本发明的介质用来在下面脱除次级的微米物质，达到非常高的效率，由此，本发明的介质就能够以较好的方式与较常规的技术一同使用。
在一些应用中，本发明介质可以成形为非折叠形式，而是它位于深层介质的下面，以板状或圆筒状过滤器元件的形式使用。介质可以是与过滤器装置其余部分可分离的组件，例如耐用的替换元件。本发明介质也可以用在过滤器组件上面，用作替换元件。采用可替换介质部分的方法例如在上述美国专利、也在美国专利申请08/426,220有描述，它们在这里引入以供参考。
M细纤维在粗支撑物上的定位，细纤维层相对于流体的定向
如上所述，本发明的过滤器材料通常含有粗支撑物，其至少一个表面上施加有细纤维网或垫。正如会从附图的评估中明白一样，总的来说，粗纤维支撑物能够视为具有两个可施加细纤维的表面，粗纤维垫每面上均可施加一个。至少在某些有用的体系中，为什么细纤维垫不能施加在一层粗材料的相对面上，并没有特殊的理由。粗材料或基材用来适宜地分离细纤维垫。可预见的是，如果这种排置以叠状方式应用，在一些情形下，会要求在其两面上带有细纤维的粗材料层之间放置一层只含有粗材料的层或稀疏物，保持每层细纤维之间的分离。然而，肯定有可能的是：在一些场合下，可以选择所施加的细纤维量，使放置成直接与另一粗层上的细纤维层相邻时，就可形成所要求的总效率。
在叠状排置中，关于材料相对于气流的定向，没有觉察到特别优选的方向。即，细纤维层可以在施加细纤维层的垫的上表面或下表面上。
N用于本发明排置中的介质的选择
如上所述，目前通常认为，涉及有关选择材料的介质的最相关的要素是使粗纤维良好地相互间距、相对地说几乎不起过滤作用、合适地定位以支撑细纤维并保持细纤维层在总结构中彼此分离有关。细纤维的直径选为相对较小。由此，可以预见，多种材料都能够用于本发明的结构中，多种技术都可用来制造这种材料。
总的来说，用于本发明过滤器结构中的纤维材料的制备技术不属于过滤器设计者或工程师常规的实践范畴，而是属于纤维加工和聚合物加工范畴。可以预见，例如马萨诸塞03032的East Walpole的Hollingsworth & Vose公司和新罕布什尔03867的Rochester的Lydall Inc.公司在制造细纤维材料或将它们以层施用到其他材料上的技术方面有丰富的经验。如上所述，DonaldsonCompany Inc.也在有关其Ultra-Web产品的领域内开发了一些属于商业秘密的技术。
在这里引用以供参考的下面的参考文献，总地描述了细纤维或超细纤维的制造：美国专利2,450,363(关于玻璃纤维)；4,650,506；Wente，Van A.1956年发表于Industrial Engineering Chemistry第48卷第1342页的文章“热塑性超细纤维”；和Schoffel，Norman B.1995年发表于Advances In Filtration andSeparation Technology第9卷第184-199页的文章“微玻璃介质的新进展”。总的来说，可以预见，许多这些材料都能够用作本发明结构内的细纤维网。
关于粗纤维垫或基材，再次说明，至少包括这里所述的可购买得到的材料的多种材料是可用的。
关于用来制造细纤维网并将它施用到粗材料表面上的技术，再次说明，各种方法都可以使用，可以预见，对于任何给定的应用，优选的方法至少部分依赖于过滤器的应用、所用的加工设备、为细纤维网选择的特定材料、用来制造粗纤维基材的材料和工艺。总的来说，至少例如湿法成网工艺、气流成网工艺、熔喷工艺和聚合物纤维的纺丝这些工艺，是可用的。
对于有用的过滤器结构，尽管目前不可预见最优选的特定的纤维制造方法或材料成分，本发明人评价和对比了由两种方法制成的介质。一种是利用包含玻璃的细纤维，作为制备介质的可能方法，施用到Reemay 2011。发现该工艺制成了可使用的介质，满足本发明的总标准。另一种是采用Donaldson Co.的商业秘密Ultra-Web工艺制成的聚合物细纤维，将细纤维施用到Reemay2011。
特定地，关于玻璃纤维，本发明人成功地利用以美国专利5,336,286(在这里引入以供参考)中实施例1的所描述的变例为依据的方法，制成可用的材料。将玻璃或玻璃纤维用作要施用的纤维材料，而且用作在其上细纤维沉积Reemay2011稀疏物的材料，对5,336,286专利的实施例1进行改进。另外，在炊具搅拌机内的水/纤维浆料内放入2毫升的HCl酸(37％)，使玻璃纤维化学分散。
因此，作为改性的结果，通过向位于网板上面的Reemay 2011稀疏物上放置玻璃纤维而形成湿法成网沉积物，制成纤维片。
采用与Donaldson Co.的商业秘密Ultra-Web工艺相比有所变化的工艺制成的其他样品，如下所述。
在下面的比较测试中，对于两种类型材料的性能，没有观察到实质上的差异。因此，根据本发明的原理，在它们之间不存在优选选择的基础。
O这里所述的技术在烟雾收集方面的应用
总的来说，可以预见，这里所述的一些材料可以用于从空气中过滤很细烟雾的结构中。总的来说，这种烟雾包含尺寸约1微米或更小的液滴。为了评价过滤，在一定程度上，这样尺寸的烟雾能够看作粒子来处理。那么，这里所述的某些材料就能够用来捕获这种烟雾。总的来说，不需高效烟雾过滤器介质的典型的小的纤维间空间(即孔)，就能够获得高效率的分离。常规的高效介质的小孔由于毛细作用会保留所分离出的液体。这样体系内留存的液体快速增加，形成液体对空气流通的阻碍，这会缩短有用的过滤器使用期限。可以预见，对于这样的应用，能够使用憎收集的液体的纤维表面，这是有利的。
P.液体过滤系统
通常，本文所述的技术可用于涉及各种液体流的场合。迄今为止提供的许多特定描述与携带微粒的空气或气体流有关。但是，可以预见本文所述的材料也可用于供过滤液体的系统。即，液体可被指引通过本发明的介质，而其中的微粒如所揭示的那样被分离。
一般来说，若用于液体系统，可以预见，通过增加被隔开的细纤维层数来增加过滤介质寿命的原理对于液体与对于空气是相同的，但是，收集的机理是过滤。因为收集的机理是过滤，在使用液体场合里复合物的效率被具有最高效率的单层效率所限制。应用液体的典型效率范围是从对于润滑油约50％到对于燃料过滤介质约99％。因此，相比于在空气过滤系统里使用较低复合效率的空气过滤系统，如气体涡轮、机械空气感应系统、机舱和室内空气通风系统，施加到液体过滤系统上的本发明的实例一般由具有较高层效率的各层组成。当在需要高效空气过滤场合，如在通风系统里的HEPA级或ULPA级过滤场合里使用时本发明也有很多有利之处。本发明的有利之处在于过滤使用寿命长，且通过多层而更可靠。通过多层冗长的过滤，总体系统对于单层内的介质裂隙敏感性下降。
Q.进一步的评述
在下列报告的实验里评估了材料的同时，对于本发明特定的优选材料也作了进一步的观察。首先，粗糙的基材或基质能与极细的纤维和结构物成为整体，从而降低了制造、处理或使用时细纤维被损坏的可能性。没有粗糙的支撑物或基质，细纤维结构物与其它材料接触时极易被损坏。但是，本发明优选的排列物是如此耐用，以致可预见所制备的结构物在使用后能用液体洗涤或通过空气冲洗清洁，供再生使用。
也很显然需要在基材上通过多空气层制造本发明的排列物。例如，可放下一层多孔的稀疏层，然后使用细纤维制品，再使用粗糙层，再使用细纤维织物等。这样，通过多个按序的铺设空气纤维的步骤可制备总的复合物。这在特定的加工使用中是需要的。可以预期的是，若从各个层里制备，对于同一结构物应当有基本相同的总体操作。
R.再进一步的评述
1.估算的粗纤维支撑物单位面积上微纤维长度和/或微纤维表面积的特征
前面的章节讨论中已提出：以施加到每个单位面积粗纤维基材上的微纤维重量来表征某些优选材料，这些优选材料包括施加到粗糙纤维支撑物基材上的某些的细纤维(即微纤维)。关于这个问题，请注意第J节中的表和第F节和“I.4”节中的讨论。玻璃是一类能用来形成微纤维的材料。玻璃的比重约2.6克/厘米3，已知玻璃的比重约2.6克/厘米3，对于给定直径的玻璃纤维，我们显然可以用“每平方米(面积)粗纤维支撑物介质上的玻璃纤维长度”、也可以用每平方米上的玻璃纤维重量来表征施加到粗纤维基材上的细纤维用量。由于纤维通常具有圆柱形的外表面，这样的表征也是可以的：“粗糙纤维支撑物介质每个单位面积上的细纤维表面积”。
下表R1提供了对于选定的玻璃纤维，按重量计，在每平方米介质上估计的微纤维长度和每平方米介质上估计的微纤维表面积。特别是提供了三种玻璃纤维直径：0.1微米直径；1.00微米直径；和3.00微米直径。也提供了三种特定的单位重量：0.10克/平方米；1.00克/平方米；和10.00克/平方米。根据这些参数和设定的比重2.6克/厘米3，该表提供了代表用于每平方介质上的微纤维长度和用于每平方介质上微纤维表面积的数量的数据。
                        表R1
 纤维直径(微米)   单位重量(克/米2)  每平方米介质上估计的微纤维长度(千米/米2)  每平方米介质上估计的微纤维表面积(米2/米2)
   0.10     0.10         4,897         1.54
   0.10     1.00        48,971         15.38
   0.10     10.00        489,708        153.85
   1.00     0.10          49          0.15
   1.00     1.00          490          1.54
   1.00     10.00         4,897         15.38
   3.00     0.10           5          0.05
   3.00     1.00          54         0.51
   3.00     10.00          544         5.13
为了便于解释表R1提供的信息，现参见下表R2。在表R2中，第J节出现的表被修改成包括了特定的实施例里按设定的玻璃比重2.6克/厘米3给出的计算和纤维平均直径0.4微米下所施加的纤维的长度和纤维的表面积。
                                表R2
  单位重量(克/米2)     LEFS(％)   单位介质面积的细纤维长度(千米/米2)  单位介质面积的细纤维表面积(米2/米2)
    0.85     6.7％          2,595          3.26
    0.97     8.8％          2,966          3.73
    1.82    25.5％          5,558          6.98
    2.42    32.6％          7,413          9.32
    3.63    54.5％         11,119          13.97
    4.84    68.8％         14,826          18.63
    9.20    94.3％         28,167          35.40
    14.53    99.1％         44,475          55.89
除了计算是根据纤维直径2.20微米的推定外，下表R3与表R2表现的形式相似。
                                表R3
  单位重量(克/米2)     LEFS(％)  每单位介质面积的细纤维长度(千米/米2)   细纤维表面积/单位介质面积(米2/米2)
    2.86     3.4％        289          2.00
    5.45     10.1％        551          3.81
    5.57     11.9％        564          3.90
    12.81     19.2％       1,296          8.96
    16.95     24.1％       1,715          11.86
    26.04     35.6％       2,634          18.21
    50.40     60.9％       5,099          35.24
    68.73     72.1％       6,954          48.07
一旦工程师选定了材料，就可根据计算而模拟该系统。下表R4根据设定的材料厚度、纤维直径和单位单位重量概括了玻璃细纤维层的特征。
                                                    表R4
  设定的层厚度(微米)   纤维直径(微米)   单位重量(克/米2)    比重(克/厘米3)     估计LEFS(％)  每单位介质面积的细纤维长度(千米/米2)    细纤维表面积/单位介质面积(米2/米2)
    1.0    0.20     0.05     2.6     10％        61        0.38
    1.0    0.20     0.08     2.6     16％       918        0.58
    1.0    0.20     0.10     2.6     22％      1,224        0.77
    1.0    0.20     0.15     2.6     34％      1,836        1.15
    1.0    0.20     0.20     2.6     46％      2,449        1.54
    1.0    0.20     0.25     2.6     58％      3,061        1.92
    1.0    0.20     0.30     2.6     68％      3,673        2.31
    1.0    0.20     0.35     2.6     77％      4,285        2.69
    1.0    0.20     0.40     2.6     84％      4,897        3.08
    1.0    0.20     0.46     2.6     90％      5,632        3.54
    0.5    0.20     0.05     2.6     10％       612        0.38
    0.5    0.20     0.10     2.6     23％      1,224        0.77
    0.5    0.20     0.15     2.6     39％      1,836        1.15
    0.5    0.20     0.20     2.6     55％      2,449        1.54
    0.5    0.20     0.25     2.6     70％      3,061        1.92
    0.5    0.20     0.30.     2.6     82％      3,673        2.31
    0.5    0.20     0.35     2.6     90％      4,285        2.69
    0.5    0.20     0.40     2.6     95％      4,897        3.08
    25    5.00     0.04     2.6     9％       0.78        0.01
    25    5.00     0.08     2.6     19％       1.57        0.02
    25    5.00     0.10     2.6     24％       1.96        0.03
    25    5.00     0.13     2.6     31％       2.55        0.04
    25    5.00     0.15     2.6     36％       2.94        0.05
    25    5.00     0.18     2.6     43％       3.53        0.06
    25    5.00     0.22     2.6     51％       4.31        0.07
    25    5.00     0.26     2.6     58％       5.09        0.08
    25    5.00     0.30     2.6     64％       5.88        0.09
    25    5.00     0.40     2.6     76％       7.84        0.12
    25    5.00     0.50     2.6     85％       9.79        0.15
    25    5.00     0.58     2.6     89％      11.36        0.18
    15    5.00     0.04     2.6     9％       0.78        0.01
    15    5.00     0.10     2.6     24％       1.96        0.03
    15    5.00     0.13     2.6     31％       2.55        0.04
    15    5.00     0.18     2.6     42％       3.53        0.06
    15    5.00     0.22     2.6     50％       4.31        0.07
    15    5.00     0.30     2.6     63％       5.88        0.09
    15    5.00     0.50     2.6     84％       9.79        0.15
    15    5.00     0.58     2.6     89％       11.36        0.18
如前节所讨论的和下面实验所指出的，根据本文所述的原理，形成微纤维的特定材料在许多情况下不是得到这些有益效果的关键因素。对于任何给定直径的纤维用量，或对于任何给定的纤维的纤维表面积量对于得到所需的过滤效果更为重要。表R1、R2、R3和R4表给出了施加到基材(一般来说，所述的基材对于选择的特定材料是非特定的)上的细纤维特征用量的较“一般”的途径。即，通过评估每单位面积上施加的细纤维的用量、长度或表面积，人们可以免去评估细纤维材料(即细纤维材料特定的组合物)的比重的变化。另外，使用的玻璃纤维的计算表示对于给定直径纤维，每单位面积基材上纤维长度或纤维表面积某一值下的所预期的性能。用相似直径、每单位面积上的纤维长度相似，或每单位面积上的纤维表面积相似的材料代替玻璃会得到相似的过滤性质和效率。
值得注意的是，诸如每单位面积上的纤维长度是填装密度或固体含量的有效指示性质。同样地，它们也在一定程度上描述了纤维的几何形状，特别在低单位重量下。
2.带静电的介质
上面指出了本发明细纤维可与各种类型的介质连接。上面提及了中性介质或带静电介质的可能性。
特别可以预见的是，例如，本发明的微纤维可用于其中包括局部带静电介质的总的组合物。带静电介质有时被称为“驻极体”介质，它可用作施加微纤维的基材；和/或它可用作介质的隔离层，位于整个多层介质复合物中：(a)微纤维材料的上游；(b)微纤维材料的下游；或(c)在微纤维材料层之间。
通过利用带静电介质可得到各种有利的结构物。例如，带静电介质在许多使用场合具有相对高的初始效率。但是，这类介质的一个问题在于其效率随着时间延伸，相对于初始效率有所下降。带静电的介质可用于本发明微纤维介质的上面以提供增加的初始效率。这类应用中优选的介质典型的是带静电的介质，如E30，一种带电荷的纤维材料，ALL FELT of Genoa(美国伊利诺斯60135)制造。它具有：单位重量30克/米2；厚度0.61毫米(0.024英寸)(在3.5kPa(0.5磅/英寸2)下)；渗透性180+米/米(600+英尺/分钟)；LEFS效率为43％。典型的是，优选的是没有施加静电电荷介质具有的LEFS效率同上，不大于80％，典型地为10％到50％(20-50％更佳)。
可以预见，在一些情况下需要粗糙-细纤维组合物，包括微纤维本身的带静电部分。
在一些应用场合，不是将带静电材料的附加层施加到整个结构物上，而是在上面施加微纤维的排列物里提供一种或多种“支撑物”或“间隔物”结构。即，微纤维可直接施加到带静电的基材上；或在微纤维施加其上后对基材充电。
总之，可以预见，本章节里定义的途径是可利用对介质施加静电荷的各种方法，包括常规的方法。在某些场合可使用市售的材料。
3.使用含化学吸附剂/吸收剂的介质
本文的术语“吸附剂”指吸收和吸附材料。即，不考虑在被捕获的化学物质(特别是有机物)和过滤材料之间相互作用的特性。
各种材料可用作化学吸附剂。例如，活性碳或炭介质被用来吸附气味和各种其它的有机物。
已经开发出了含纤维介质，它包括化学吸附剂，如碳粒子。一个这类物质是AQFTM吸附介质，Hoechst Celanesee Corp.(美国北卡罗来纳28232-6085)制造。市售的有各种渗透性(典型的是42-85米/分钟(137-279英尺/分钟))，厚度1.68-2.29毫米(0.0661-0.0882英寸)；单位重量456-622克/米2(280-382磅/3000英尺2)；MD拉伸(强度)30-53牛/厘米(17-30磅/英寸)。本文优选的一种化学吸附剂是AQF-375C，它具有下列特征：
单位重量-480克/米2，
高性能活性碳-球形，
碳含量-375克/米2，
碳灰移动-无；
直径-1.45毫米，
拉伸强度-53牛/厘米(30磅/英寸)，
空气渗透性-49米3/米2/分钟(160英尺3/英尺2/分钟)，
压力降@91米3/分/米2(300英尺3/分/英尺2)，平面3.0厘米(1.2英寸)；
动态吸附@2.8米3/分(100英尺3/分)的空气流，25×25×3.8厘米(10×10×1.5″)过滤器，具有0.63米2打褶的介质：
80ppm正丁烷吸附容量-6.0克，
穿透@5分钟-40％；
80ppm甲苯气体吸附容量-55克，
穿透@5分钟-7％；
30ppm 5O2气体吸附容量-9.2克，
穿透@5分钟-21％；
粒子的脱除效率                               0％@0.4微米，
对于AC细尘@95米/分钟(313英尺/分钟)           10％@1微米，
过滤器正面速度                               70％@3微米；
(空气动力学粒径)
尘载荷@50％ΔP增高-6克，
(10×10×15″过滤器)；
这类介质可有利地用于本发明的总排列物。可使用介质作为，如施加微纤维的支撑物。另外，这类物质可用作微纤维介质的上部或下部区域以得到具有有益性质的整个复合物。
4.打褶介质厚度有关的结果；处理。
一般来说，常规情况下，例如旋转型打褶设备，介质的最大厚度可容易地打褶到约1.5毫米(0.060英寸)厚度，典型地基本上稍薄些的介质对于打褶系统是优选的(1.0毫米(0.040英寸)，常为0.8毫米(0.030英寸)或更薄)。这样，基本考虑了打褶介质的因素是所涉及的总体厚度。
一般来说，用油处理诸如纤维素介质的介质可延长寿命。这部分是由于油处理过的介质收集了碳质微粒，它不会构建树枝状聚集颗粒而阻塞空气流，碳质微粒悬浮在油中。美国专利5,238,474(在此并入供参考)揭示了用油处理介质的排置。
一般来说，大规模流动感应器在空气过滤装置的下游，能发现增加的使用情况。例如，在汽车和卡车工厂里，大规模流动感应器有时装在空气清洁器的下游。当用于空气清洁器的介质涉及到油处理，油处理本身会对空气清洁器产生影响，或它会弄脏设备。一旦有油处理，介质有通过更多细粉的倾向，由于低效率而延长过滤寿命。
在许多场合里，包括本文揭示的细纤维层的介质可有利地用来代替油处理介质。一些例子如上所述。
但是，一般必须记取的是，为了将必须的介质打褶，介质的总厚度应当为0.060英寸(0.15厘米)或更少，优选的是0.030英寸(0.076厘米)或更少。为了实现此目的，需要限制细纤维的层数，以尽可能地将隔离层的厚度降低到合理水平。优选的隔离纤维的厚度不大于约0.003英寸(0.0076厘米)厚度，最好是不大于约0.0015英寸(0.0038厘米)厚度。
5.涉及到正面速度和梯度的结果
v.非梯度系统
正如下面所讨论的一些例子所表明的，当一堆或一区域细纤维层总体具有相等的百分数效率，在特定的试验条件下，细纤维层间有梯度会优于利用相等效率的各细纤维层的情况。即若涉及相等的总体复合物效率时，一般优选的是构成复合物的各细纤维层具有梯度，在复合物里由较低效率到较高效率(从上部到下部)排置。
人们可以考虑是否在大范围的正面速度下也能保持观察到这类结果。更具体的是，由于正面速度明显地增加，人们可以推测，在上层形成的粒子的树枝状聚集物发生在较低速率下，因为较高的正面速度会有较大的渗透性，随着尘粒撞击形成中的树枝状，会引起树枝状聚集物的瓦解(或抑制树枝状积尘的形成)。因此，人们可预期，在一定程度上，该介质在较高正面速度下使用，会丧失在细纤维复合物中采用梯度层(与采用非梯度层相比较)而形成的优点。
6.一些可能的结构
a.打褶片结构物的改进
(来自片)的打褶介质用于各种过滤器结构物。通常使用的介质包括：纤维素、玻璃纤维或合成聚合物纤维片；发泡的聚四氟乙烯(PTFE)片；和纤维掺和物片。本发明的其中包括多层细纤维排置的改进的复合物可以与这类介质配合使用。
制得注意的是，典型的用作过滤器介质的发泡聚四氟乙烯片的小纤维尺寸为0.1-0.3微米，渗透性为0.6-21米/分钟(2-70英尺/分钟)；LFES效率＞80％，典型地＞90％(典型的DOP效率为80％-99.9999％)。
这里，术语“多层细纤维层结构物或区域”或“MFFL结构物或区域”指本发明细纤维结构物。它通常包括被隔离层或基质排列物隔开的多层(即至少两层)细纤维层。如本文原理所指出的，使用(相同或不同LEFS效率)的细纤维层会产生较好效率的总体优选的MFFL结构。
可以考虑的常规纤维素片具有LEFS效率大于15％；渗透性大于3米/分钟(10英尺/分钟)，总体厚度小于0.5毫米(0.020英寸)。这是常规可打褶的介质。(当然也可使用上面讨论的替换物质)
根据本发明人们可将FFFL结构物施加到纤维素片上(或各种其它片)以得到明显改进的打褶介质。例如可考虑向纤维素片的上部施加(或邻近放置)总体LEFS效率低于或等于60％的MFFL结构物。这可通过使用三层细纤维容易地形成，用本文所述的隔开结构或支撑物结构(基材)隔开。需要时细纤维的最下层可直接加到纤维素片上。例如可从显示平均LEFS效率约25％的三层里指标总体LEFS效率约60％。
所使用的隔开层每层厚度优选地小于0.08毫米(0.003英寸)，更优选的是小于0.04毫米(0.0015英寸)。因此总厚度基本上少于1.5毫米(0.060英寸)，它易于打褶。
该材料或区域能容易地折叠成发动机用过滤器来代替常规的纤维素片。由于在纤维素上游的MFFL结构物里发生的载荷类型，它可用来提供寿命延长的总的过滤器结构。另外的方法里，它可用来提供寿命与常规(打褶的纤维素)部件一样长，但尺寸更小的过滤器部件。有时它能从机动车的外部移入内部，如放在车篷下。
在上述结构物的总类型里，在MFFL结构下部的纤维素(或其它片)介质为整个系统提供了一些结构整体。这样，MFFL结构可用于具有相对低正面速度的场合，但也可用于具有相对高正面速度的情况，例如用于HVAC或机舱空气过滤器。当然，它也可与HEPA或ULPA过滤器一起使用。
b.涉及深度介质结构的改进的过滤器。
在美国专利5,082,476、5,364,456、5,238,474和5,423,892(在此并入供参考)中揭示了各种涉及深介质或各层深介质的空气过滤器结构。在许多场合里，在一个或多个深介质区域的下部放置打褶介质(如，纤维素介质)。在某些场合里，例如，美国专利5,238,474揭示了的下部打褶的介质，其特征在于油性的打褶介质，典型的是已用油处理过的纤维素介质。如上所述，人们有利地通过使用纤维素(或其它片)/本发明的MFFL结构物组合可有利地避免油处理。这在一定的场合能节省空间，另外避免油性材料对诸如大规模流感应器的下游设备产生不利影响。
当然，本发明的MFFL结构物可用于也包括油性介质的排置里。
c.用作机舱空气过滤器的排置
一般来说，机舱空气过滤，即对于交通工具的机舱空气过滤涉及两方面：除去异味；和除去微粒。有本发明MFFL结构物的复合排列物可并入总系统以得到两方面所需水平的效率。当然，单个细纤维层排列物也可与诸如驻极体或碳吸附介质的材料组合使用。
如上所述，对于异味过滤典型地需要化学吸附过滤器。可使用诸如活性碳过滤介质，如Hoechst Celanese AQF-375C，达到此目的。这类介质可放在，例如本发明MFFL结构物的上部。MFFL结构物对于除去机舱空气过滤系统里的微粒相当有效。
另外，人们能将“驻极体”结构物并入总的系统。即施加了电荷的介质也能用于机舱空气过滤器结构物。
典型的是，驻极体介质具有高的初始效率，它随着载荷而变小直到开始形成滤饼，由于它随着载荷增加而无效，通过过滤器的压力差增长相对很慢。与驻极体相比，本文揭示的MFFL结构物一般具有较低的初始效率。当两者结合在一起时，每个就能实现它们各自的特性。若驻极体材料放在本发明MFFL材料的上部，可获得驻极体材料初始效率相对高的优点。例如，可使用相对轻(薄)的驻极体材料以得到所希望的初始效率，但也减慢了不希望的压力差的形成。在驻极体材料的下部可使用MFFL结构物以提供总的所希望的效率和长的使用寿命(减慢压力差的形成)。当然，该组合可用于与碳载荷的介质有关的场合，也能将异味吸收达到所需的水平。
典型的结构物是，例如一种复合物，包括从上到下，驻极体/异味吸收剂介质/MFFL结构物。
人们可预期这类结构物的厚度能用本文所述的技术容易地打褶。
d.供发动机空气过滤用的排置
可以预见，本发明技术能用来明显改进发动机摄入空气的过滤系统。这类系统可广泛地用于各种燃烧发动机。它们可用于例如汽车、轻型卡车、运输卡车、重型高速公路卡车、建筑设备、农业设备、公共汽车、卸货卡车、垃圾卡车的运输工具，并用于各种其它设备的空气过滤系统。例如。该技术可用作大小范围在约75kW(100马力)到2.2MW(300马力)的发动机的空气摄入系统。
对于这类系统，涉及本文揭示系统的介质，特别是打褶介质可用来提供效率高或寿命长或两者兼备的益处。一般来说，基于效率为10％-90％，典型的是10％-70％的单个细纤维层，可得到效率直到约99％或更高的总的复合物。然后介质可与其它介质，如打褶的纸或打褶的合成介质一起打褶，得到所需的整个复合物。确实，在一些系统里，在细纤维的上部或下部也可施加深介质结构。前面揭示了各种。
e.施加到用于Z过滤器结构的介质上
通常称为“Z-过滤器”结构物的各种排置是众所周知的。例如，参见美国专利：1,729,135、2,599,604、3,025,963、4,589,983、2,552,615、2,558,185、5,322,537、3,112,184、4,439,321、4,310,419、4,713,097、5,512,075和4,039,457；和共同转让的待批美国专利申08/639,371(1996，4，26提交)；08/638,453(1996，4，26提交)、08/638,703(1996，4，26提交)和08/639,154(1996，4，26提交)。所述的19篇参考文献并入本文供参考。可以预见本文揭示的细纤维结构可施加到这类介质上。即通常使诸如纤维素或合成介质的介质弄皱形成的这类结构可通过施加到本发明隔开细纤维层(或MFFL结构)上(典型地施加到上面)来改进。可提供具有更需要效率/载荷特性的整体复合物。可以预见，例如，这类排置能在这类系统里用作气体涡轮系统，发动机摄入空气过滤系统和相关的空气过滤应用。
实验
为了评价本发明的介质，现进行各种实验。从实验中可明显看到使用本发明介质的某些优点。
用于实验的介质
各种介质用于实验。比较实验中使用了35％LEFS纤维素湿放置的介质。本文中的术语“35％LEFS”表示在效率特征技术条件下介质留住0.78微米粒子的效率为35％。
在一些实验中使用了其中微纤维包括玻璃纤维的介质。在这些情况下，介质包括在多孔聚酯稀疏层(Reemay 2011)上的一层玻璃纤维。一般来说，玻璃微纤维的直径为约0.1-0.3微米。粗纤维稀疏层或纤维基质一般包括上述的聚酯稀疏层，商品名为Reemay 2011。上面提到的美国专利5,336,286揭示了各种玻璃纤维样品的一般的制备技术。玻璃纤维介质或复合物一般用LEFS％定特征，LEFS％表示根据本文揭示的技术留住0.78微米粒子的效率。
本文揭示的一些样品被称为″Ultra-Web型”介质或DCI聚合纤维材料。这些介质通常包括粗糙聚酯稀疏层(Reemay 2011)，其上施加了Donaldson公司的Ultra-Web表面载荷介质的微纤维。该微纤维尺寸一般为约0.1-0.5微米，通常包括聚合物。介质或复合物典型的特征用LEFS％表示，该术语的含义与上述其它应用场合相同。
除非另外说明，在所有实验中，粗纤维基材是Reemay 2011，复合物，复合物用3M超级77喷雾粘合剂(美国3M公司制造，美国明尼苏达)成层。
实验1
烟草烟雾载荷
该实验评估了使用相对敞开的孔和本发明纤维结构的高效介质以改进相对于由相同的细纤维制成、具有大致相同初始效率但纤维之间空间较小的过滤器介质的寿命。使用烟草烟雾有数个理由，首先，它会迅速堵塞具有小孔的常规的高效过滤器。烟雾中的焦油是无定形固体，它可流动并经受来自细纤维的较大的毛细作用力。毛细作用力使烟草烟雾残留物覆盖纤维，并虹吸进入孔。第二，它是汽车舱内空气、室内空气等中常见的污染物。
要测试的材料：
(a)在Hovolin 7311基材上的含有高效亚微米聚合物细纤维的单层Ultra-Web类型细纤维材料。Hovolin 7311是含有聚酯纤维的Hollingsworth & Vose样板基材。
(b)单层“中等”效率(68.6％LEFS)的Ultra-Web细纤维，它具有比条目(a)中的单层高效聚合物细纤维大的孔(纤维间的空间)。基材材料是Hovolin 7311。
(c)Reemay 2011上的聚合物细纤维的14-层复合物。复合物(总起始)的LEFS效率为99.6％，单层的LEFS效率约为28％。该材料细纤维的纤维间空间比条目(a)或(b)中所述的介质大。采用Ultra-Web技术将细纤维施加到Reemay 2011上来制备材料。
结果：
1.在2.1米/分钟(6.8英尺/分钟)下，测量导致7.6厘米(3英寸)水柱的流体阻力的载荷，以所燃耗的香烟的根数来表示。
2.每种情形下，载荷的面积为520厘米2(81英寸2)。
  介质   形成7.6厘米(3英寸)水柱所需香烟的根数   复合物的起始LEFS效率   复合物的最终LEFS效率
  (a)         3       99.3     没有测量
  (b)         16       68.6       34.1
  (c)         66       99.6       97.5
3.最终LEFS效率比起始的LEFS效率低(对于介质(b)和(c))，被认为与污染物的性质有关。(要注意的单层体系的效果比多层体系的显著)。覆盖纤维的流体有效地增大湿润纤维的直径。也由于小孔关闭和压力降增大，流体和烟雾可以转向较长时间保持敞开状态的较大的孔。较小的粒子(0.78微米)在经过大孔或较大湿润纤维时，与介质未载荷时相比具有更小的收集倾向。
结论：
对比介质(a)与(b)之间的差异，清楚地显示出使用期限与效率之间的折衷方案，该折衷对于某种应用时选择介质来说，是典型的可用各种的选择。在这种情形下，从介质(a)至(b)，在45倍污染物的代价下(根据起始效率)，可获得增加了5或6倍的使用期限。
对比介质(b)与(c)之间的差异，从介质(b)至(c)，可获得增加了4倍的使用期限，复合物内的粒子透过率下降78％，这由起始效率自68.6％增大至99.6％反映出来。
对比介质(a)与(c)之间的差异，获得增加了22倍的使用期限，复合物的粒子透过率基本不变。
对于选定的效率，通过使用较大的纤维使细纤维层相离较远，就能够显著提高使用期限。对于本发明，有可能在一些体系中既提高使用期限又提高效率，或不需降低另一个至少提高其中一个(降低另一个来提高其中一个是不希望发生的)，然而，采用常规介质典型地需要折衷使用期限与效率。
实验2
DOP效率和载荷
进行这些测试是用来评价高效率的介质，它采用孔相对敞开的纤维结构，相对于由同样细纤维制成的具有大致相同初始效率的但纤维间空间较小的过滤器介质而言，提高了载荷(使用期限)。换言之，该研究是用来评价是否能够在保持相等的复合物效率下，通过降低单层(组分)效率来提高过滤器的使用期限。DOP是一种油，而不是无定形固体，如香烟烟雾中所包含的焦油，在关闭孔、虹吸和覆盖细纤维方面所起的作用非常象实验1中的焦油。然而，用于该实验的测试仪器测量实时效率和压力降。
设置：
参考：军用标准282，ASTM D 2986。
测试的材料：
(a)H&V7311基材上的单层高效亚微米聚合物细纤维，组合的LEFS效率为99％。
(b)8层的复合物：7层在Reemay 2011上的聚合物细纤维，和一层Reemay2011覆盖层。细纤维是由Donaldson的Ultra-Web工艺制成的类型。复合物的(总)起始LEFS效率为97.5％，单层(Reemay 2011带有细纤维)的LEFS效率为41％。观察到该材料的细纤维之间的间距比条目(a)中所述的介质的更大。
(c)Reemay 2011上的聚合物细纤维(Ultra-Web类型纤维)的14-层复合物。复合物的总起始LEFS效率为99％，单层(Reemay 2011带有细纤维)的LEFS效率为28％。该材料细纤维的纤维间间距设计为比条目(a)或(b)中所述的介质的大。
结果：
(b)和(c)的介质比由间距较紧密的聚合物细纤维制成的介质(即介质(a))，显示出显著的载荷优点。
  介质说明   复合物的LEFS效率(％)    100毫克DOP之后的最终压力降(厘米水柱)   起始压力降(厘米水柱)  压力降的增加(厘米水柱)    单层LEFS效率(％)
  1层聚合物细纤维    99％       4.95(1.95英寸)      1.02(0.40英寸)      3.94(1.55英寸)    99％
  8层聚合物细纤维   97.5％       1.78(0.70英寸)      1.57(0.62英寸)      0.20(0.08英寸)    40％
  14层聚合物细纤维   99.0％       1.78(0.70英寸)      1.47(0.58英寸)      0.30(0.12英寸)    28％
对该测试中的所有样品，持续观察了效率随时间延长的下降，效率的下降与烟草载荷实验(实验1)中所报道的LEFS效率的下降相似。认为效率下降的原因是由与烟草烟雾测试中所经历过的同样现象所引起的，在实验1的结论中已经解释。
  介质说明   复合物的LEFS效率(％)   起始DOP效率(％，绝对值)   100毫克DOP之后的最终DOP效率(％绝对值)   DOP效率的下降(％，绝对值)    单层LEFS效率(％)
 1层聚合物细纤维     99％      72        62      16    99％
 8层聚合物细纤维    97.5％      59        56       3    40％
  14层聚合物细纤维    99.0％      83        70      13    28％
注：多层间隔的细纤维结构经受了增加的压力降，增加量为介质(a)的紧密间隔的细纤维介质(a)的1/20(介质(b))和1/13(介质(c))。
结论：
DOP载荷的结果与烟草烟雾载荷结果一致。由低效率层的合并而形成交替的细-粗纤维复合结构，与效率约等于复合物组合层效率的单层细纤维过滤介质相比，可提供很大载荷(使用期限)绵益处。
实验3
NaCl载荷
进行该系列测试，来评价通过如下而获得的过滤器使用期限的效益：即由基材支撑的单层高效率的细纤维介质，改变成为基材上的多层低效细纤维而复合LEFS效率大致相等。这些测试与烟草和DOP载荷的不同在于，进入介质的盐粒子是离散的固体粒子，非液体或半无定形态固体，由此会产生结块，而且效率随载荷而增大。对于所有测试的介质都观察到，产生结块之后，载荷曲线的斜度很相似。特定地，产生结块后，介质就不再进行测试或受攻击。
过滤器使用期限的一种度量是其达到预定压力降所需的时间，另一种是测量到达预定压力降时所进入的污染物质量。如果预定的最终压力降远高于开始形成结块这一限制，那么进行比较的就是结块载荷，而不是介质性能之间的比较。在这里，使用期限的比较在形成结块一般已完成的限度内进行。在下表中，给出了到达5.1厘米(2英寸)水柱和12.7厘米(5英寸)水柱的操作。样品是在3米/分钟(10英尺/分钟)下进行测试。
设置：
介质在定制的载荷盐实验台(如图25所示)上进行载荷，采用商售组件、具体地是TSI恒定高输出雾化器3076型来产生粒子，TSI3054型烟雾中和器和TSI Electrical Aerosol Analyzer(电动喷雾分析器EAA)3030型，用来对粒子进行计数和粒度分析，从而测得在测试介质载荷时的粒子效率。亚微米盐用作污染物，因为使用它比使用传统的SAE氧化硅粉尘，更容易辨别不同介质之间的载荷的不同。
测试的材料：
介质的复合LEFS效率为40-45％、60-65％和75-80％。所有复合物都由聚合物细纤维(Ultra-Web类型纤维)在Reemay 2011基材上制成。对于给定的复合物样品，样品内所有层都由LEFS效率相等的介质制成(即在此系列实验中所测试的复合物内不存在效率梯度)。例如，如果复合物的LEFS效率为50％，有6层，那么每层(Reemay 2011基材上带有细纤维)皆具有10.9％的LEFS效率。
结果：
层的LEFS效率较低的复合介质，其载荷性能(使用期限)比包含层较少而层的LEFS效率较高的复合介质更好。能够独立地选择效率和使用期限这一明显的优点，是与许多传统介质的应用不同。而在许多采用常规介质的操作中，要牺牲效率来提高使用期限。
                           40-45％的复合物LEFS效率
    层数  单层的LEFS效率(％)   达到12.7厘米(5英寸)水柱的时间(分钟)   相对于参照介质的使用期限(分钟/分钟)
  1(参照介质)      41          230          100％
      2      21          280          122％
      3      16          350          152％
      4      12          630          273％
      5      10          680          295％
                           40-45％的复合物LEFS效率
    层数  单层的LEFS效率(％)  达到5.1厘米(2.0英寸)水柱的时间(分钟)   相对于参照介质的使用期限(分钟/分钟)
  1(参照介质)      41         110         100％
      2      21         170         154％
      3      16         250         227％
      4      12         475         432％
      5      10         525         477％
                           60-65％的复合物LEFS效率
     层数  单层的LEFS效率(％)   达到12.7厘米(5英寸)水柱的时间(分钟)  相对于参照介质的使用期限(分钟/分钟)
 21(参照介质)  41(每一层)          165         100％
      3      28          230         139％
      4      21          290         176％
      5      18          305         185％
      7      13          510         309％
      9      10          660         400％
1对于该样品(以及参照层标示为具有两层的其他样品)，两层的复合物用作参照介质，因为LEFS为60-65％的单层不易得到。由于复合物包含两层，每一层的效率都为41％，那么总效率就为1-[(1-0.41)×(1-0.41)]或65％。
                           60-65％的复合物LEFS效率
    层数   单层的LEFS效率(％)   达到5.1厘米(2.0英寸)水柱的时间(分钟)  相对于参照介质的使用期限(分钟/分钟)
 2(参照介质)   41(每一层)          85         100％
     3       28         125         147％
     4       21         175         205％
     5       18         210         250％
     7       13         375         440％
     9       10         540         635％
                           70-80％的复合物LEFS效率
    层数   单层的LEFS效率(％)   达到12.7厘米(5英寸)水柱的时间(分钟)  相对于参照介质的使用期限(分钟/分钟)
 3(参照介质)   40(每一层)          170         100％
     4       28          230         135％
     6       20          260         150％
     7       18          340         200％
     8       16          410         240％
     9       13          540         320％
                             70-80％的复合物LEFS效率
     层数   单层的LEFS效率(％)   达到5.1厘米(2.0英寸)水柱的时间(分钟)  相对于参照介质的使用期限(分钟/分钟)
 32(参照介质)   40(每一层)          80         100％
      4       30         125         156％
      6       20         170         213％
      7       18         230         287％
      8       16         280         350％
      9       13         400         500％
结论：
从该实验的结果，可清楚看出，有可能独立地选择介质的效率和载荷(使用0期限)，而对于典型的常规介质和选定的起始LEFS效率，相应的载荷盐使用期限的范围可以限于低于2∶1的范围内。该实验表明能够通过增大细纤维之间的间距、降低平均的层效率并增加层的数目，可以使载荷亚微米盐的使用期限增大一个5或6的因子。
实验4
45米/分钟(150英尺/分钟)下的盐的载荷
设置：
样品面积：160厘米2(25英寸2)(平面的四方形片)，采用定制的测试台(示意14)和定制的Collison雾化器，TSI3054中和器。
测试的材料：
1 用于发动机空气过滤的常规湿法成网纤维素，其起始LEFS效率为35-38％。典型地在2.4-3.0米/分钟(8-10英尺/分钟)的正面速度下进行操作。
2 在Reemay 2011上由湿法成网的手工抄纸玻璃微纤维制成的3层复合物，纤维尺寸范围为：亚微米至约3微米。
复合物的总LEFS效率    32％
单层的效率            12％(每一层)
所用的玻璃纤维是Schuler#106.
结果：
   介质        厚度(毫米)     起始LEFS效率(％)    150英尺/分钟下的起始压力降(厘米水柱)     压力降的增加(厘米水柱)   150英尺/分钟下达到增高的压力降所需的时间(分钟)
 表面载荷纤维素介质      0.33-0.38(0.013-0.015英寸)     35-38       17.2(6.8英寸)      14.7(5.8英寸)        13
  3层复合物(玻璃纤维，没有梯度)     0.66-0.71(0.026-0.028英寸)      32        1.3(0.5英寸)      8.9(3.5英寸)        75
结论：
可折叠的3层复合介质，包括带有由玻璃细纤维(直径为亚微米-3微米)制成的网的稀疏物，它与起始LEFS效率近似相等的表面载荷可折叠纤维素介质相比，表现出显著增大的渗透性(13倍)和载荷亚微米盐的使用期限(＞5倍)。46米/分钟(150英尺/分钟)的测试速度是任意选定的，旨在说明介质的能力。这不意味着暗示发动机空气的纤维素介质通常在46米/分钟(150英尺/分钟)的正面速度下进行操作。
实验5
非梯度与梯度的实施例
该实验旨在比较起始LEFS效率约为65％的本发明梯度实施例的载荷结果与LEFS效率相等的层数相同的非梯度介质的载荷结果。
设置：
与上述实验3的载荷盐的实验相同。
测试的材料：
1聚合物亚微米纤维(Ultra-Web类型纤维)沉积于Reemay 2011上，采用3MSuper 77用手工使之叠层，制成非梯度介质，该介质中每一层的LEFS效率都近似等于复合物内的其他两层。单层的LEFS效率约为24％。
2梯度介质由沉积于Reemay 2011上的聚合物亚微米纤维(Ultra-Web类型纤维)制成，其后继层的LEFS效率比前层的大。所选择的梯度是任意选定的，在总LEFS效率相等情况下，对于3层的梯度复合物，层的不同选择是否会获得额外使用期限的益处，尚不可知。在这里情形下，从上层到下层，各层的LEFS效率约为10％、20％和40％。它们也用3M Super 77手工叠加而成。
结果：
结果如图22所述。
观测报告与结论
本发明的梯度型式比非梯度的等同物(厚度、渗透性和LEFS效率)，更好地利用了可用的介质容量。相对于非梯度介质，梯度样品的亚微米粒子的载荷增高了66％。这再次可用细纤维之间的间距来解释。容量和效率与梯度介质相等的非梯度介质结构，由于结块形成于非梯度介质的上层面上，它更有可能没有利用到朝向介质下层面的纤维的载荷潜能。结块在非梯度介质上较梯度材料形成得更快。这是由于非梯度介质的细纤维之间的平均距离比梯度介质的效率较低的上游层的更小。将LEFS效率用作衡量纤维间距的指标，非梯度排置的第一层的LEFS效率为24％，而梯度结构的第一层效率为10％。由此，梯度介质结构会比非梯度等同物，更有效地利用所有可用的介质容量。
实验6
玻璃纤维与聚合物亚微米纤维之间的对比
该测试比较在实验5中测试的使用亚微米聚合物(Ultra-Web类型纤维)细纤维的梯度介质与玻璃纤维体系。
聚合物纤维约为0.4微米，纤维尺寸变化较小。玻璃纤维为Schuller纤维106，约为0.2-3.0微米。也测试了LEFS效率为40％的玻璃和聚合物纤维型式的单层介质。
设置：
见实验3，3米/分钟(10英尺/分钟)的盐的载荷。
测试的材料：
1.来自实验5的聚合物细纤维梯度介质。
2.在实验5中测试的梯度介质的亚微米玻璃纤维梯度型式。选择亚微米玻璃纤维，使之与聚合物纤维的平均尺寸相当，但在平均值附近的分布不同。采用标准的20×20厘米(8×8英寸)手工抄纸形成器来制备湿法成网的手工抄纸。玻璃纤维放置于由细的塑料网支撑的Reemay 2011上，该网通常收集从浆料中排干水份后的纤维。
3.LEFS效率为40％的单层聚合物细纤维介质。
4.LEFS效率为40％的单层玻璃细纤维介质(Schuller#106)。
结果：
在12.7厘米(5.0英寸)水柱下，梯度的载荷差异约为5％，单层40％LEFS效率样品的载荷差异约为10％。介质的适时速率与单层介质的很相似。对于梯度介质，玻璃纤维样品效率的增高比聚合物纤维的来得更快。其原因在后来当发现约3微米以下的玻璃纤维包含于用来制造手工抄纸样品的玻璃纤维原料中时，才及时地得到部分理解。这是在拍SEMS照片来分析孔尺寸时才发现的。该实验的结果如图23和23A中的图线所示。
在图23中，作图比较了单层聚合物纤维(40％LEFS)与单层玻璃纤维(40％LEFS)的性能。
在图23A中，作图比较了3层聚合物纤维梯度样品(60％LEFS)与3层玻璃纤维梯度样品(60％LEFS)的性能。还要注意，对于每种类型(聚合物或玻璃)，梯度体系形式的介质使用期限提高约70％，而渗透性下降约33％。这表明当使用本发明的优选技术时，不必牺牲效率来提高使用期限。
结论：
梯度形式的介质的载荷性能比非梯度体系的更好。
在形成结块之前，玻璃和聚合物纤维的行为相似，尽管玻璃纤维的纤维尺寸分布比聚合物纤维的更宽。假定纤维尺寸和分布不同，而这是不希望发生的。结块形成之后载荷曲线斜率上的差异目前尚不清楚。
实验7
各种样品的观测报告
图12-21是各种介质的扫描电子显微镜照片(SEMs)。通过反复观察所示出的各种介质，就能够明白本发明的原理。
首先看图12。图12是放大100倍的扫描电子显微镜照片，它显示了常规气流成网的聚合物纤维介质，尤其是Kem Wove 8643。可观察到纤维尺寸是一致的。这是1.5旦的材料。其LEFS效率为3％，厚度约为0.76毫米(0.3英寸)。其单位重量约为119克/米2(73磅/3000英尺2)，容积的含固率为1.1％，渗透性为122米/分钟(400英尺/分钟)。
图13是常规的气流成网玻璃纤维介质，放大了100倍。特定的介质是AF18，购自Schuller。再次可见纤维尺寸是一致的。其LEFS效率为12％、厚度为4.6毫米(0.18英寸)、单位重量为98克/米2(60磅/3000英尺2)，容积的含固率为0.9％，渗透性为70米/分钟(230英尺/分钟)。材料的ASHRAE率为45％，纤维尺寸约为4.5微米。
图14和15示出了常规的两相介质，放大500倍。两相都是玻璃纤维。两张照片上的介质是Hollingsworth & Vose HF343。图14是前层照片，其中有较粗纤维存在。图15是后层照片，可看到细纤维与粗纤维的混合物。HF343是湿法成网的玻璃纤维介质。介质的前层(相1)具有相对敞开的、大的、粗的、自支撑纤维，用来捕获并储存粗的污染物。介质的后层(相2)由细纤维和粗纤维的组合物制成。细纤维提供比相1中的粗纤维更高的效率但更低的载荷量。介质的ASHRAE率约为60-65％。HF343的LEFS效率为23％，厚度为0.50毫米(0.02英寸)，单位重量为81克/米2(50磅/3000英尺2)，容积的含固率为7.1％，渗透性约为41米/分钟(135英尺/分钟)。
总的来说，本发明细纤维层的容积含固率难于直接或间接测量，在LEFS效率低于约15-20％时，就更为困难。主要的困难在于估计细纤维层的局部法向厚度。对于典型的用来构成本发明排置的细和粗纤维的组合物，细纤维形成敞开的多孔“表面”。其表面的形貌类似于披挂在支撑结构上的蜘蛛网。微纤维基材的表面形状源自于纤维结构及其下面(支撑结构)的孔隙，因而基材具有许多峰、谷、脊和槽。用来估计含固率的厚度尺寸不是自峰至谷的尺寸，而是峰、谷或局部平坦的区域处的网/层的厚度。该几何形貌在SEM照片中并不明显，但由立视镜在10-40倍的放大倍数下观测，就显得很显然。所报导的本发明材料含固率估计，源自于对细纤维层法向局部厚度的估计。
图16是本发明的复合介质。该介质含有沉积于Reemay 2011上的Schuller玻璃纤维106。细纤维的直径处在自亚微米至约3微米的范围内。沉积的纤维106的量应足以保证所形成的层具有40％的LEFS效率。在图中，可容易地看到构成细纤维层的很细的纤维。在下面，在某些位置处，能够看到更粗的纤维。
图16的材料由湿法成网的手工抄纸的细纤维材料制成，如上述说明书所述，细纤维材料沉积在Reemay 2011基材上。在此介质中，表示基材粗纤维直径与细纤维直径的比率的数值远远大于图14和15所示介质内的值。从复合物的渗透性中扣除基材的贡献，来估算细纤维层的渗透性。对于效率低而渗透性高的样品，有必要叠成多层，得到可测出的数值，计算平均渗透性。
对于这样的材料，当放大1000倍测量时，平均的面积含固率约为52％。渗透性约为58米/分钟(190英尺/分钟)，容积含固率约为10％，单位重量为2.4克/米2(1.5磅/3000英尺2)，厚度为10微米。
图17是本发明的另一个复合介质。图17中所显示的介质放大了100倍。介质包含DCI(Donaldson Company Inc.)聚合物细纤维，它位于包含Reemay 2011的粗基材上。DCI聚合物细纤维通常根据与用来制成Donaldson的Ultra-Web产品用的聚合物细纤维的工艺相同的工艺、属于商业秘密的工艺来制成。细纤维的直径是亚微米。
图18是本发明的另一个复合介质。在图18中，所显示的介质放大100倍。介质包含沉积于Reemay 2011上的Schuller玻璃纤维106。存在的玻璃纤维数量应足以提供12％的效率(LEFS％)。细纤维层的单位重量约为0.8克/米2(0.5磅/3000英尺2)，渗透性约为183米/分钟(600英尺/分钟)。在显微照片中，粗纤维和细纤维两者都可容易地看到。放大1000倍估算时，材料的平均面积含固率约为33％。
图19是本发明的另一个复合介质。它包含沉积于Reemay 2011上DCI聚合物细纤维，放大100倍示出。所显示的介质具有12％LEFS的效率。再次可容易地看到细纤维网，它位于下面粗纤维支撑物的上面。放大500倍进行估算时，观测到该材料的平均面积含固率为22％。
图20是图19所示材料的显微照片，放大500倍示出。可容易地看到在下面粗纤维支撑物的上面的很细的纤维网。
图21是图19所示材料载荷NaCl后，放大1000倍的照片。在照片上可容易地看到在很细纤维上被捕获的盐粒子。
在图24中，显示了载荷NaCl的具有18％LEFS的放大1000倍的介质。可看到NaCl粒子主要被捕获于细纤维上。图24中的介质材料是Reemay 2011粗基材上的DCI聚合物细纤维。
在图16-20所示的本发明排置中，大致可看出位于粗基材上的很细纤维的特征。这种情形忽略了效率或用来形成细纤维的特定物质。在图21中，可容易地观察到实现细纤维上载荷所需要的操作。
进一步的任选项
在一些情形下，可以看出本发明的排置可以用于涉及过滤流体的环境，所述流体含有与某些类型的纤维材料化学不兼容的成分。例如，一些气流可以携带损坏聚合物材料但不损坏玻璃的化学物。如果有这种情形，优选由这样的材料制成过滤材料：它在预定的使用环境中抵抗损坏。
进一步，还可以看出，在一些情形下，也可以要求将本发明按一定比例放大来应用。这种应用就是其中复合物中的“细纤维”较大，而粗纤维更大。即，细纤维与粗纤维之间的尺寸比率会保持在通常规定的范围内，然而，每种的尺寸和厚度实际上会比这里所述的优选范围大。例如，每种直径可能比这里规定的大5-10倍。这种结构是可用的，例如在深层介质内部形成团块，或者形成包含小纤维的而且在涉及过滤相当大粒子的独特情况下易发生随载荷而塌陷时有抵抗能力的相对有效的深层介质。这是不可预料的：这种结构对于典型地遇到的大多数工业和/或发动机情况下将是优选的或所要求的。

Claims (22)

1.过滤器结构，它包括：
(a)包含至少两层间隔的细纤维层的过滤器区域，所述至少两层细纤维中的每一层都包含直径不超过约8微米的纤维；
(i)至少两层细纤维中的每一层都具有：不超过约5微米的平均纤维直径，和对于0.78微米的单分散聚苯乙烯乳胶球粒，不超过约90％的自身效率；
(ii)至少一层细纤维具有对于0.78微米的单分散聚苯乙烯乳胶球粒，不超过32.6％的自身效率；和
(b)位于两层细纤维之间的粗纤维材料的间隔层，粗纤维材料的间隔层的平均纤维直径至少为10微米；
(i)间隔层具有一定厚度，使所选定的两层细纤维间隔开的距离不超过254微米。
2.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)在过滤器区域中，间隔层和夹住它的最邻近的两层细纤维具有下列构形中的至少一种：
(A)折叠的；
(B)褶皱的；和/或
(C)圆筒状的。
3.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)所述的过滤器区域成形为对于0.78微米的单分散聚苯乙烯乳胶球粒，具有至少99％的总效率。
4.如权利要求1所述的过滤器结构的用途，它应用于下列用途中的至少一种：
(i)空气过滤器；
(ii)液体过滤器；和/或
(iii)烟雾收集。
5.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)所述的过滤器区域总共包括至少3层细纤维，每一层的平均纤维直径都不超过5微米；
(i)每层细纤维被平均纤维直径至少为10微米的粗纤维间隔层与相邻的细纤维层分开，间隔层的厚度不超过254微米。
6.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)过滤器区域内纤维平均直径不超过5微米的每层细纤维，都对于0.78微米的单分散聚苯乙烯乳胶球粒，具有不超过70％的自身效率。
7.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)所述的过滤器区域的总厚度不超过0.15厘米。
8.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)所述的过滤器区域是发动机进气的过滤器区，随同额定功率至少为100马力的发动机使用。
9.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)所述的过滤器区域在第一和第二端盖之间延伸。
10.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)每层间隔层的单位重量不超过45.0克/米2。
11.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)每层间隔层脱离结构进行评价时，对于0.78微米的单分散聚苯乙烯乳胶球粒，具有不超过10％的效率。
12.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)每层细纤维的纤维平均直径不超过5微米，而且位于过滤器区域内，厚度不超过20微米。
13.如权利要求1所述的过滤器结构，它包括：
(a)其中至少一个化学吸附介质的区域。
14.如权利要求1所述的过滤器结构，它包括：
(a)其中至少一个带有静电荷介质的区域。
15.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)所述的过滤器区域是折叠的，褶皱深度至少0.6厘米，而且每2.54厘米具有一个以上的褶皱；
(i)总介质厚度不超过0.15厘米的折叠过滤器区域。
16.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)所述至少两层细纤维介质层包含第一和第二层；
(b)所述第二层细纤维位于所述第一层细纤维的下面；
(i)所述第二层细纤维对于单分散聚苯乙烯乳胶球粒，具有不超过32.6％的自身过滤效率；
(c)所述的过滤器区域包括位于所述第一层和第二层细纤维两者下面的第三层细纤维；
(i)所述第三层细纤维的纤维平均直径不超过5微米；
(ii)所述第三层细纤维与所述第二层细纤维被间隔层隔开，所述间隔层的纤维平均直径至少为10微米，厚度不超过254微米。
17.如权利要求1所述的过滤器结构，其中：
(a)过滤器区域内的每层细纤维的纤维平均直径不超过5微米，对于0.78微米的单分散聚酯乳胶球粒，自身具有不超过54.5％的效率。
18.用于选择性地排除其中污染物质的过滤流体的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)引导被污染的流体通过如权利要求1-17中任一项所述的过滤器结构。
19.如权利要求18所述的方法，其中：
(a)被污染的流体是空气。
20.如权利要求18所述的方法，其中：
(a)所述方法包括排除粒子的方法。
21.如权利要求18所述的方法，其中：
(a)所述的方法包括收集烟雾的方法。
22.如权利要求18所述的方法，其中：
(a)所述被污染的流体是液体。
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