CN115105910A - 流体过滤设备、系统和方法 - Google Patents

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D·O·琼斯
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Abstract

披露了一种过滤器，所述过滤器包括：第一流动面，所述第一流动面沿着所述过滤器的侧向方向和横向方向延伸，其中所述第一流动面包括至少一个污染物保留层第一边缘和至少一个流动限定层第一边缘；第二流动面，所述第二流动面在轴向方向上与所述第一流动面间隔开，其中所述第二流动面沿着所述过滤器的长度和宽度延伸，并且包括至少一个污染物保留层第二边缘和至少一个流动限定层第二边缘；至少一个污染物保留层，所述至少一个污染物保留层从所述污染物层第一边缘延伸到所述污染物层第二边缘；以及至少一个流动限定层，所述至少一个流动限定层与至少一个所述污染物保留层相邻，所述至少一个流动限定层从所述流动限定层第一边缘延伸到所述流动限定层第二边缘，其中，当流体从所述第一流动面朝向所述第二流动面移动时，所述流动限定层中的至少一个在所述轴向方向上限定了至少一个流体流动路径。

Description

流体过滤设备、系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月10日提交的美国临时专利申请号62/543,456的优先权和权益，所述文献的全部内容通过援引以其全文并入本文。
技术领域
本发明涉及通常用于从流体中过滤污染物的过滤设备、系统和方法，并且更具体地涉及提供大体上平行于过滤介质的面定向的流体移动的过滤器安排。
背景技术
例如，燃料、润滑剂或液压油的流体流经常将诸如灰尘和其他微粒的污染物材料携带到施工设备的发动机、柴油机等中，诸如可能损坏和/或负面影响此类设备的性能的微粒污染物。在许多情况下，必须和/或希望从流体流中过滤一些或全部进入的污染物材料，以保护下游部件不受污染物的损害。已开发出许多用于去除污染物的流体过滤器安排，它们经常具体地被设计成在设备内的或靠近设备的特定空间内配合工作。
在某些过滤应用中，流体沿着流体路径移动并且穿过以堆叠安排在外壳中的一个或多个过滤材料片材的相对平面的表面。当使用多个过滤片材时，通常将这些片材安排成使得每个片材的大体为平面的表面与相邻片材的平面表面接触。过滤片材被设计或选择成对应于将要从流体中去除的颗粒的尺寸和类型。例如，选择用于特定过滤系统的过滤片材通常包括比在流体从一侧到另一侧穿过过滤片材的厚度时所期望捕获的颗粒更小的孔。由于过滤片材的安装方式使得它们阻碍流体沿流体路径的自由流动，因此，在过滤片材的进入侧上的流体压力将比在流体穿过过滤片材后的流体压力更高。这个概念称为过滤片材两端的压差或压降。
随着时间的流逝，在其使用过程中由过滤器捕获的物品将阻塞或“装载”过滤片材中的越来越多数量的孔，从而导致过滤器两端的压降增加。压降最终将达到不可接受的水平，此后将需要清洗或更换过滤材料，以允许设备继续运行。尽管期望周期性地需要清洗和/或更换这种过滤器，但是期望增加过滤器清洗和/或更换之间的时间，使得制造或其他操作的破坏最小。因此，仍然需要提供过滤系统，所述过滤系统有效地从流体中去除污染物，同时增加过滤器的寿命，从而避免诸如过早的流体过滤器堵塞的问题。
发明内容
包括根据本发明安排的过滤材料的过滤系统被称为本发明的“流过式”过滤器，所述过滤器利用例如以堆叠或卷绕构造安排的至少两种材料层来构造。这些过滤器为多种类型和尺寸的污染物和/或颗粒提供相对恒定的去除效率。所述流过式过滤器还会在污染物装载过程中表现出效率降低，并且在整个装载过程中的压差变化很小。然而，清洁介质压降相对较高。结合本文所述的流过式过滤器的性能特征，提供了可以受益于这种过滤配置的许多可能的应用情境。预期本发明的过滤器可以用于过滤多种不同物质，诸如燃料、水、空气等，并且可以捕获多种微粒和/或液滴污染物。
在本发明的一个方面中，提供了一种过滤器，所述过滤器包括：第一流动面，所述第一流动面沿着所述过滤器的侧向方向和横向方向延伸，其中所述第一流动面包括至少一个污染物保留层第一边缘和至少一个流动限定层第一边缘；第二流动面，所述第二流动面在轴向方向上与所述第一流动面间隔开，其中所述第二流动面沿着所述过滤器的长度和宽度延伸，并且包括至少一个污染物保留层第二边缘和至少一个流动限定层第二边缘；至少一个污染物保留层，所述至少一个污染物保留层从所述污染物层第一边缘延伸到所述污染物层第二边缘；以及至少一个流动限定层，所述至少一个流动限定层与至少一个所述污染物保留层相邻，所述至少一个流动限定层从所述流动限定层第一边缘延伸到所述流动限定层第二边缘。当流体从所述第一流动面朝向所述第二流动面移动时，所述流动限定层中的至少一个在所述轴向方向上限定了至少一个流体流动路径。
在本发明的另一方面，提供了一种过滤流体的方法，所述方法包括以下步骤：将过滤器定位在流体流动路径中，所述过滤器包括第一流动面，所述第一流动面沿着所述过滤器的长度和宽度延伸，其中所述第一流动面包括至少一个污染物保留层第一边缘和至少一个流动限定层第一边缘；第二流动面，所述第二流动面在轴向方向上与所述第一流动面间隔开，其中所述第二流动面沿着所述过滤器的所述长度和所述宽度延伸，并且包括至少一个污染物保留层第二边缘和至少一个流动限定层第二边缘；至少一个污染物保留层，所述至少一个污染物保留层从所述第一流动面延伸到所述第二流动面；以及至少一个流动限定层，所述至少一个流动限定层与至少一个所述污染物保留层相邻，所述至少一个流动限定层从所述第一流动面延伸到所述第二流动面，其中所述至少一个流动限定层在流体从所述第一流动面朝向所述第二流动面移动时引起材料在所述轴向方向上流动。所述方法进一步包括使流体沿着所述流体流动路径移动的步骤，其中，所述流体流动路径在所述轴向方向上从所述第一流动面朝向所述第二流动面延伸。
附图说明
将参照附图对本发明作进一步的解释，其中若干个视图中的类似结构由类似的数字来表示，并且在附图中：
图1是本发明的过滤器构造的示意性前视图，所述过滤器构造包括多个污染物保留层和多个流动限定层；
图2是本发明的示例性流动限定层的透视光学显微镜视图；
图3是本发明的示例性流动限定层的顶部光学显微镜视图；
图4是针对多种示例性过滤材料的某些污染物尺寸的平均初始效率的曲线图；
图5是示出压缩对污染物或颗粒保留层和流动限定层的三种不同示例性的组的效率的影响的曲线图；
图6是将标准流通式过滤器安排与本发明的示例性流过式过滤器安排在各种污染物尺寸下的效率进行比较的曲线图；
图7是示出对于本发明的示例性流过式过滤器安排和标准或常规的流通式过滤器安排两者在装载实验期间的效率变化的曲线图；
图8是示出对于本发明的示例性流过式过滤器安排和标准或常规的流通式过滤器安排两者在装载实验期间的压差变化的曲线图；
图9是本发明的具有不同尺寸的三个示例性流过式过滤器的透视图；
图10是展示了针对本发明的示例性流过式过滤器的预过滤器深度对其相应的保护能力的影响的曲线图；
图11是展示了针对本发明的示例性流过式过滤器的预过滤器深度对其相应的污染物去除效率的影响的曲线图；
图12是展示了针对本发明的示例性流过式过滤器的预过滤器深度对其相应的初始压差的影响的曲线图；
图13是根据本发明的实施例的沿一个边缘结合的流动限制层和交替的污染物保留层的示例性堆叠的顶视图；
图14是彼此相邻定位并且一起卷成卷绕构造的流动限定层和污染物保留层的示例性构造的透视图；
图15是沿纵向轴线安排的流动限定盘和交替的污染物保留盘的堆叠的示例性构造的透视图；
图16是以堆叠安排的多个流动限定层和污染物保留层的另一示例性安排的示意性侧视图；并且
图17是以堆叠安排的多个流动限定层和污染物保留层的另一示例性安排的示意性侧视图。
具体实施方式
现在参考附图，其中在数个附图中以类似的数字标记部件，并且首先参考图1，展示了本发明的过滤器安排的示意图。这种过滤器安排在本文中称为“流过式”过滤，因为从入口流动面到出口流动面流过过滤器的包含污染物的材料通常平行于多层过滤介质的平面表面(例如，顶表面和底表面)定向，使得材料流“过”过滤介质的表面而不是穿过过滤介质的表面。这种安排通常垂直于传统的过滤器安排，在传统的过滤器安排中，流体直接流过过滤介质的孔结构(即，诸如从顶部平面表面到底部平面表面穿过过滤介质的厚度)。
在本发明的流过式过滤器构造中，多层材料被以堆叠安排，使得这些层的边缘大体上位于同一平面中，所述平面在此称为流动面。这种流动面因此是由层的边缘限定的表面，其中这个流动面通常垂直于材料将相对于堆叠流动的方向，并且位于材料进入和/或离开过滤材料的堆叠或构造的位置处。本文描述了用于构成本发明的各种流动面的过滤器堆叠或层的多种变型。例如，如将在下文解释的，该流动面的许多实施例将包括多个层的堆叠边缘，其中所有层边缘可以彼此对准，或者流动面可以替代地包括由层的交错边缘构成的不规则表面，如下文将更详细地讨论的。
图1示意性地展示了过滤介质的堆叠10，所述堆叠包括在堆叠的整个厚度上与污染物或颗粒保留片材或层14交替的流动限定片材或层12。尽管本文提供的示例性构造的某些附图和描述展示了矩形的材料“片材”，但是应当理解，这些片材是代表性的，并且因此可以提供为以多种替代方式构造的层。对于一个实例，可以将这些层提供为连续长度的材料，这些材料被折叠或以其他方式安排成不具有由单个平片材所提供的所有特定边缘的构造。在另一个实例中，这些层可以具有不同的外部形状，诸如圆形、椭圆形、三角形、梯形等，如下文将更详细描述的。在另一个实例中，将这些层更多地设置为跨堆叠的渗透性变化的“区域”。在这些或其他构造中，应当理解，本发明的“流过”原理可以以与适用于堆叠片材的相同或相似的方式来应用。
每个流动限定层12包括第一或顶部边缘16，与第一边缘16相反的第二或底部边缘18，以及在第一边缘16与第二边缘18之间延伸的侧边缘20、22。每个流动限定层12还包括第一面表面24和相反的第二面表面26。流动限定层12用于限定穿过过滤材料的堆叠10的流动路径。类似地，每个污染物保留层包括第一或顶部边缘30，与第一边缘30相反的第二或底部边缘32，以及在污染物保留层14的第一边缘30与第二边缘32之间延伸的侧边缘34、36。每个污染物保留层14还包括第一面表面38和相反的第二面表面40。具有不同纤维构造的两个不同的层12、14被用于堆叠10的复合结构中的它们各自的作用。也就是说，流动限定层12执行限定通过过滤器的流动路径的功能，而污染物保留层14执行保留或捕获被输送至其孔结构的污染物(诸如液体中的污染物)的功能。
尽管不是必需的，但是为了使本发明的过滤器堆叠的过滤性能最大化，流动限定层和污染物保留层的边缘通常在每个堆叠中彼此对齐。在某些实施例中，堆叠通常将填充其所定位的外壳或其他结构，以便在给定体积中最大化可用于过滤的材料的量。然而，其他实施例可以包括不同尺寸和/或形状的层，使得各个层的边缘可以沿着堆叠的高度以有序或随机的安排交错。在层的边缘未沿平面对齐的任何安排中，流动面仍将包括面向材料流进入或离开过滤器堆叠的方向的层的边缘。
与污染物保留层中的纤维相比，流动限定层12可以被配置成具有相对较大的交叉纤维或股线的网眼或筛网型结构。流动限定层的相对较大的纤维和对应的大孔有助于本发明的复合流动渗透性。尽管本发明的流过式过滤器被配置成使得被污染的材料通常跨多个层的表面流动，但是孔或开口的尺寸是横向于流动方向(即，流通方向)测量或确定尺寸的。也就是说，即使未安排过滤器以使材料流过过滤材料的厚度，也要测量并选择孔尺寸以提供所需的流动特性。
与流动限定层中的纤维相比，污染物保留层14可以被配置为具有相对小的交叉纤维或股线的网眼或筛网型结构。由这些交叉的股线产生的孔或开口可以称为孔。考虑到将要由特定污染物保留层捕获的污染物的尺寸来设计或选择孔尺寸。替代性地，污染物保留层可以由不具有网眼或筛网型结构但仍包括孔或开口的材料制成，以便允许流动，同时围绕开口的区域可以捕获或阻挡污染物。
用于测量流动限定层和污染物保留层中的任一者或两者的孔尺寸的常用技术是毛细管流动孔隙率法。这种技术使用毛细管理论来基于液体的表面张力、压力以及每个孔的直径的关系来计算孔尺寸。这种测量方法使用非反应性液体来完全润湿多孔材料的孔并且将其填充有与材料的接触角非常低的流体。然后，在测量压力和空气流量的同时，用非反应性气体对饱和材料进行加压，直到所有液体都被迫离开孔为止。使用这种技术，较小的孔尺寸将需要较高的压力来迫使液体离开孔，而对于较大的孔尺寸是相反的结果。然后将收集的数据与清洁干燥样品的压力和流量测量值进行比较，以便计算孔尺寸分布。在此测量中，平均流动孔尺寸被定义在润湿样品气流等于干燥样品气流的一半的点处。
通常，对于本发明的各种实施例，当使用上述技术和/或其他技术在流通取向中测量时，流动限定层的孔尺寸大于污染物保留层的孔的尺寸(也沿流通方向测量)。在某些实施例中，污染物保留层的孔的尺寸在流通取向上测量为1-200微米，但是更具体地可以在1-100微米的范围内，更具体地在1-50微米的范围内，更具体地为1-25微米，更具体地为1-15微米，或者甚至更具体地为1-10微米。
在本发明的一个实施例中，每个流动限定层12是单层，其中所述结构被设计成用于引导流体主要沿着污染物保留层14的面流过堆叠10。纤维或股线的厚度、间距和安排以及流动限定层的总厚度可以变化以便实现期望的过滤性能。在本发明的一个示例性实施例中，流动限定层的总厚度在大约200μm至5000μm的范围内，更具体地在200μm至2000μm的范围内，并且更具体地在500μm至1000μm的范围内，尽管厚度可以小于或大于这些厚度范围。当流动限定层12相对薄时，它与使用较厚的层时相比提供更大的阻力。另一方面，当流动限定层12相对较厚时，复合过滤器结构的捕获效率可能相对较低。因此，当选择流动限定层的厚度时，可以考虑阻力与捕获效率的平衡。
图2和图3分别是本发明的示例性流动限定层50的透视和顶部光学显微镜视图。如图所示，流动限定层50包括间隔件或间隔股线52，其尺寸、形状和股线密度可以变化。一个示例性实施例包括例如厚度在200μm与500μm之间的间隔件52。当处于层的堆叠中时，这些间隔件52将大体上与流动方向对准。带状股线56大体上正交于间隔件52安排，并且比较大股线52小得多。例如，股线56可以是大约100μm。
选择每个流动限定层的厚度以为过滤器堆叠提供所需的性能，因为太薄的流动限定层将提供太大的阻力(低渗透性)，并且太厚的流动限定层将针对特定应用表现出不可接受的低捕获效率。因此，期望选择与特定过滤应用的最重要的期望参数最佳匹配的流动限定层。
本发明的过滤器实施例可以设置有不同渗透性的过滤区域，以便提供期望的过滤性能。在这种实施例中，过滤材料的渗透性将从一个流动面到另一个流动面进行测量，尽管渗透性可以相对于堆叠在任何方向上变化。例如，渗透性在堆叠的整个宽度上可以是恒定的，但是当从堆叠的流动面移动到流动面时会增加或减小。在替代性实例中，渗透性可以替代地在堆叠的整个宽度上变化。渗透区域的其他变型也被考虑并且被设计成用于提供所需的过滤性能。
设想对流动限定层的许多替代方案，并且认为它们在本发明的范围内。在流动限定层的一个示例性实施例中，所述层不设置有连续的股线，而是包括图案化的结构，诸如点、浅凹、凹坑和/或以图案化网格安排的其他凸起或凹陷的结构。在流动限定层的另一示例性实施例中，所述层在流动限定层的整个面上被设置有点、浅凹、凹坑和/或其他凸起或凹陷结构的完全随机或部分随机的安排。
再次参考图1，污染物保留层14通常被构造成在材料大体流过或经过它们的第一面表面38和第二面表面40时能够捕获污染物或颗粒。然而，因为制造污染物保留层14的材料可以包括形成为片材或层的多纤维材料，所以面表面38、40带纹理，其方式使得当流体流过表面时污染物将与纤维接触。如同流动限定层，可以选择用于污染物保留层的过滤材料的选择，以便为过滤器提供所需的性能特征。
图4是展示了根据本发明的用于污染物或颗粒保留的几种示例性过滤材料的初始(清洁)颗粒去除效率的曲线图。为了这种比较，构建了具有相同流动限定层但是具有不同污染物保留材料的四个流过式过滤器。这四个过滤器相对于其相应的效率的性能由曲线60-63表示。由曲线60-63表示的材料被以堆叠安排，所述堆叠在其组装期间经受类似的压缩，如将在下文进一步详细讨论的。如图4所示，可以通过利用特定的污染物保留层来控制这些流过式过滤器以相对相等的效率来捕获不同尺寸的污染物的能力。例如，由曲线61和63表示的样品产生了相对平坦的曲线，从而表明效率对于所有颗粒尺寸都是相对恒定的。这种一致的效率通过具有如在流通方向上所限定的，处于将要捕获的颗粒的尺寸范围内的大量孔(即，需要相对较小的孔来捕获小颗粒)的过滤介质发生。可以表现出这种品质的一种示例性材料是具有β1000≥4μm(使用ISO 16889测量)柴油流通式过滤器的Synteq XP效率材料，如从明尼苏达州的布卢明顿市的唐纳森(Donaldson)有限公司可商购获得的。这种过滤材料被认为是高性能流通式过滤介质，该过滤介质提供了高过滤效率，提供了相对较低的压差，具有高的容尘量并且不含粘结剂。
为了提高过滤材料堆叠的坚固性，可以将其压缩或压延，其方式使得维持材料的纤维尺寸。由图4的曲线63表示的材料提供了这种压缩/压延材料，所述材料显示出比那些经受较少压缩或压延的材料略低的效率。在图4中还示出了代表两种附加材料的曲线60和62，所述附加材料被用作污染物保留层并且没有表现出平坦的效率响应曲线。本发明的过滤器可以定位在许多不同的过滤器外壳和构造中，其中，堆叠10的压缩量可以有助于过滤器的特定性能结果。也就是说，虽然流动限定层12和污染物保留层14的选择对于实现期望的过滤性能很重要，但是层的堆叠的压缩也有助于在流动限定层12与相邻的污染物保留层14之间实现紧密面间接触所需的条件。在示例性实施例中，相对低的压缩(例如，不希望的低压缩)允许在流动限定层12与相邻的污染物保留层14之间形成缺陷间隙。当污染流体移向这些间隙时，间隙的尺寸会趋于扩大，这为污染物更多地流入并通过间隙提供了简便的路径。这些缺陷区域因此携带了大部分的流体流，以及对应更大部分的污染物。
相反，当堆叠的层结构存在太大的压缩时，将很难建立起明确限定的初始流动路径或通道，并且也可能发生通道作用，从而导致流体被迫进入缺陷区域中，而不是沿着预期的流动路径。同样，缺陷区域间隙将倾向于扩大尺寸，这迫使甚至更多的流和污染物通过间隙。以这种方式，这些缺陷区域将携带大部分的流体流，以及对应更大部分的污染物。此外，这些间隙产生降低的去除效率，从而降低了过滤材料的性能。期望压缩量小于将迫使污染物保留层14通过相邻的流动限定层12中的间隙而彼此直接接触的量，因为污染物保留层之间的这个界面将具有沿着流过式流体流动路径的最小或不存在的流体流动。在这些区域中没有流体流动的情况下，污染物保留层14将无法根据由本发明的层所限定的流动路径来捕获所需量的污染物。
现在参考图5的曲线图，根据本发明的实施例，针对以流过式构造安排的层展示了压缩对初始颗粒去除效率的影响。为了出于针对这个曲线图获得的信息的目的，为了改变交替层的堆叠的压缩，提供了具有不同数量的堆叠层的固定容器几何形状，使得当在容器中包括更多层时压缩会更高。具体地，线70代表堆叠中具有50个层(并且因此是三个样本的最低水平的压缩)的构造，线72代表堆叠中具有55个层(并且因此是三个样本的中等水平的压缩)的构造，并且线74表示堆叠中具有60个层(并且因此是三个样本的最高水平的压缩)的构造。
测试期间的压力是在柴油中以1升/分钟的速度跨(即“流过”)大约0.86英寸宽、3英寸长、2英寸深的过滤器的层来进行测量的。使用粒子计数器和ISO12103-1 A2(细测试灰尘)来测量效率。根据如本文所述相对于流过式过滤器堆叠产生的这些构造，所述层的压缩在1psi至3psi的范围内，尽管更高或更低的压缩水平被认为在本发明的范围内。由线74表示的具有最高水平的压缩的样品产生最大的初始压降和最大的初始颗粒去除效率。由线70表示的样品产生最低的初始压降并且具有最小的初始颗粒去除效率。由线72表示的样品在除了最小颗粒之外的几乎所有颗粒尺寸下均具有中等的初始压降和中等的初始颗粒去除效率。
施加到特定过滤器中的层的堆叠上的压缩可以是静态的，诸如在其中将层定位在固定尺寸的容器或外壳中的情况下如此。在这种情况下，改变堆叠上的压缩将需要增加或移除层，直到实现期望的压缩为止。然而，还可以设想，交替的流动限定层和污染物保留层的堆叠可以经受可变压缩，所述可变压缩诸如可以通过弹簧或其他外部可改变的力来施加。在这种情况下，可以改变堆叠上的压缩以适应不同的流体、操作条件等。
装载和污染物捕获效率两者的过滤性能指标对比了流过式过滤器与流通式过滤器之间的差异。对于流通式过滤器，非粘性污染物的去除效率与介质的孔尺寸分布有关。这是因为污染物被捕获并筛分的可能性是通过有多少流行进通过比所述污染物的尺寸更小的孔来确定。如图6所示，这通常会导致在污染物的尺寸增加的情况下流通式过滤器的效率大大提高。为了这种比较，将1mg/1l的相对低的污染物浓度通过流通式过滤器系统和流通式过滤器系统两者大约30分钟，其中记录了针对许多不同污染物尺寸的平均初始β去除值。图6示出了针对流过式过滤器的相对平坦的曲线，这是本发明的流过式过滤器可以在去除效率与污染物尺寸之间产生相对恒定的趋势的指示。
然而，如图7的曲线图所示，总体效率水平对于流过式过滤器通常比对于流通式过滤器典型的效率水平更小。使用粒子计数器测量在装载期间流通式过滤器的效率，并且曲线图的上线代表针对所有等于或大于4μm的颗粒的效率。对于由曲线图的下线表示的流通式过滤器，由于污染物填充了介质孔结构并且增加了介质和尘饼的整体密实度，因此在装载过程中效率得到了提高。在此测试中，效率在测试开始时大约为70％，并且在测试结束时提高到90％以上。相反，通过浊度计测量流过式过滤器的效率，并且图7的曲线代表了0μm至3μm测试灰尘的样品中的所有颗粒的集合测量。在此测试中，效率在测试开始时大约为65％，并且在测试结束时减少到40％以下。也就是说，本发明的流过式过滤器在装载期间的效率略有降低，其中流体仅沿着污染物保留层的暴露面通过，而不是完全流过过滤器层的孔结构。仅在本发明的污染物保留层的表面孔充满污染物之后，观察到的效率才大大降低。
图8的曲线图中展示了相对于当过滤器装载有污染物或颗粒时在过滤器两端测量的压差的变化的传统的流通式过滤器与本发明的流过式过滤器之间的进一步比较。通常，当伴随捕获的污染物的压力上升达到或超过一定水平时，达到流通式过滤器的使用寿命。阈值水平或极限通常由其中安装过滤器的设备可接受的压降来确定。这种极限可以称为“过滤器堵塞”，并且需要从过滤器中清洁污染物或者移除和更换过滤器以便继续进行过滤器操作。出于图8的曲线图的目的，使用过滤器测量在装载期间的压差变化，所述过滤器经受柴油中以1升/分钟的流速的40mg/l的细测试灰尘ISO12103-1 A2。流通式过滤器的暴露介质面为大约620cm2。相比之下，尽管本发明的流过式过滤器在装载期间的压差略有增加，但是压力增加水平小于流通样品中发现的压力增加水平。同样，出于图8的曲线图的目的，使用过滤器测量在装载期间的压差变化，所述过滤器经受柴油中以1升/分钟的流速的40mg/ml的细测试灰尘ISO12103-1 A2。流过式过滤器的暴露介质面为大约16.7cm2，这与所测试的流通式过滤器的尺寸不同，其中选择的尺寸模拟了相对于过滤器尺寸的流速，以用于可能的发动机上应用。如图8所示，与经测试的流通式过滤器相比，流过式过滤器具有相对较高的起始压差和较低的压力增加。
图9展示了本发明的具有不同深度的过滤系统的三种示例性构造。所示的过滤器是由55层污染物保留介质和流动限定介质两者制成的，所述介质堆叠到占有面积为0.86”×3”的外壳中。所有层的边缘通过灌封到环氧树脂(EPIC树脂S7292A&B)中来进行密封，并且安装到底部钢板上。第一过滤器80相对较短(例如1英寸深)，第二过滤器82高于第一过滤器80(例如2英寸深)，并且第三过滤器84高于过滤器80、82两者(例如4英寸深)。通过使污染流体沿流动方向86流过过滤器80、82、84来测试这三个过滤器，以确定深度对本发明的流过式过滤器的性能的作用。根据本发明的过滤器的这个方面，“深度”是指过滤器相对于流动方向的长度。
图10至图12是分别展示了如何改变流过式过滤器的深度可以增加其保护能力、效率和压差的曲线图。对于这些曲线图，过滤器由包含用于污染物保留层的双组分粘结剂纤维和微玻璃的介质以及可从特拉华州的米德尔敦市的德星(Delstar)技术公司获得的聚丙烯网片R0412-10PR的流动限定层所构成。使过滤器组件经受1升/分钟速度的柴油流，以便去除细测试灰尘ISO12103-1 A2。流过式过滤器的保护能力如图10所示，并且是指放置在流过式装置下游的第二过滤器两端测得的压降。在这两个过滤器设置中，流过式过滤器通过捕获至少一部分污染物来“保护”第二过滤器。测量第二过滤器达到10kPa所花费的时间，并且这个测量用于确定保留在流过式过滤器上的污染物的相对量。在这些测试中，对照样品未使用流过式过滤器，并且下游的过滤器由两层Synteq XP高效材料组成，所述材料如从明尼苏达州的布卢明顿市的唐纳森(Donaldson)有限公司可商购获得的。
如本文所讨论的，所提供的过滤保护的量与流过式过滤器的初始效率以及所述效率被维持多长时间有关。流过式过滤器的初始效率与示例性过滤器的深度之间的关系在图11的曲线图中示出，所述过滤器经受1升/分钟速度的柴油流，以便去除细测试灰尘ISO12103-1 A2。当根据渗透性进行分析时，发现通过流过式过滤器的污染物的量通常具有关于深度的指数定律依赖性。也就是说，对于深度加倍的流过式过滤器，污染物渗透性大约为原始渗透性的平方根。因此，如果将过滤器的深度增加到其深度的三倍，则它将递送大约原始渗透性的立方根。然而，如图12的曲线图所示，效率的提高与过滤器两端的附加压差符合，这说明了伴随着更深的过滤器的压差的增加。也就是说，在此示例性实施例中示出了更深的流过式过滤器，以便以更高的压差为代价来去除更多的污染物。
可以以多种构造提供本发明的流过式过滤器，其中，这些构造中的每一个都涉及流动路径，在所述流动路径中，流体在一个或多个污染物保留层的整个面上移动。图13展示了根据本发明的实施例的沿一个边缘结合的流动限制层和交替的污染物保留层的示例性堆叠90的顶视图。当使用时，这个层堆叠90可以被定位在外壳或其他结构中，一旦将层堆叠定位在外壳中，所述结构将层压缩期望的量和/或将层堆叠维持在一定的压缩水平。在一个示例性实施例中，本发明的材料的压缩堆叠的流动面的污染物保留材料的表面积占流动面的总面积的大约40％-80％。
利用图13的实施例和本发明的其他实施例，堆叠中的层数可以广泛地变化，但是可以在每英寸40-100层的范围内，或者更具体地可以在每英寸55-75层的范围内，或者甚至可以更具体地为每英寸65层。然而，应当理解，在特定的堆叠中可以使用更多或更少的层。
图14展示了以围绕中心纵向轴线126的卷绕构造安排的至少一个流动限定层122和至少一个污染物保留层124的另一示例性安排120。在这个展示的实施例中，将流动限定层122放置成与相邻的污染物保留层124接触，并且所述对层围绕自身或者围绕沿纵向轴线126延伸的芯部卷绕，以便形成圆柱形过滤器。在这种构造中，流体将跨流动限定层122和污染物保留层124的卷绕面在方向128上从卷绕层的顶部(即，圆柱形过滤器的一端)流到卷绕层的底部(即，圆柱形过滤器的相反端)。替代性地，流体可以沿相反的方向流动(即，从卷的底部到卷的顶部)流动。
图15展示了沿纵向轴线106安排的流动限定盘102和交替的污染物保留盘104的堆叠100的另一示例性构造。如图所示，盘102、104中的每一个具有中心开口108，使得堆叠的每个盘沿着纵向轴线106同心地定位。在该实施例中，流体将在流过类型的流动路径中跨污染物保留盘104的面从盘的外边缘110朝向盘的中心开口108流动或者从盘的中心开口108朝向外边缘110流动。也就是说，流体流动将大体上垂直于纵向轴线106。
本发明还考虑除了圆柱形和矩形之外的其他堆叠形状，其中流体流动的方向将跨污染物保留层和流动限定层的面。例如，堆叠可以包括沿着堆叠的高度具有彼此不同的形状(诸如沙漏形、球形、梨形、不规则形状等)的层，以便适用于在不同的过滤应用和设备中使用。此外，例如在图1和图13中所示，在任何层的堆叠中，特定的保留层和流动限定层可以具有相似或相同的形状和尺寸。在其他实施例中，所述层可以沿着堆叠的高度交错，诸如如果流限定层或污染物保留层的尺寸与其他类型的层略有不同，则可以提供这些层。针对一个实例，流动限定层可以比污染物保留层略微更大，这可以有助于建立穿过过滤层堆叠的流体流动路径。
对于本文所述的任何实施例，本发明的过滤器可以包括流动限定层和交替的污染物保留层，使得在过滤器构造中不同类型的层的比率为大约1:1。在本发明的其他实施例中，所述比率可以是不同的，诸如提供了流动限定层与污染物保留层的2:1的比率或不同的比率，或者提供了污染保留层与流动限定层的2:1的比率或不同的比率。进一步考虑到，本发明的实施例不包括流动限定层，但是流体流仍然被沿着污染物保留层的面引导。
图16是安排在可称为非对称堆叠的堆叠150中的流动限定层和污染物保留层的另一实施例的示意图。如图所示，堆叠150包括厚度变化的污染物保留层152，使得层152在边缘154处的部分比层152在相反边缘156处的部分更厚。如图所示，厚度可以是渐缩的，或者可以提供为更多的阶梯状构造。取决于应用，边缘154和156处的厚度之间的差异可以很小或很大。
堆叠150进一步包括定位在每个污染物保留层152的渐缩区域内的具有可变长度的多个流动限定层158。在该实施例中，四个这种流动限定层158被定位在渐缩区域内，并且一个流动限定层158′被定位在流动限定层158与下一个相邻的污染物保留层152之间；然而，应当理解，流动限定层158与污染物保留层152的比率可以不同于该图中所示的1:5的比率。还可以根据将在方向159上施加的压缩来选择层152和158的数量和比率，所述数量和比率允许特定的流体流动和待过滤材料的过滤特性。
在图16所示的实施例中，材料流在方向160上相对于层152、158移动以提供在此讨论的流过特性(即，在该图示中在向下的方向上)。因此，该实施例的流动面将大体垂直于流动方向160。在该堆叠150的替代用途中，材料流沿与所示方向160相反的方向(即，相对于该图示在向上的方向上)移动。在该实施例的其他替代方案中，由附图标记152表示的层可以替代地是流动限定层，并且由附图标记158表示的层可以是污染物保留层，其中被污染的材料可以沿方向160或相反的方向流动。
图17是安排在可称为非对称堆叠的堆叠170中的流动限定层和污染物保留层的另一实施例的示意图。如图所示，堆叠170包括厚度变化的污染物保留层174，所述污染物保留层在厚度上改变成层174在边缘176处的部分比层174在相反边缘178处的部分更厚。如图所示，厚度可以是渐缩的，或者可以提供为更多的阶梯状构造。取决于应用，边缘176和178处的厚度之间的差异可以很小或很大。堆叠170进一步包括多个流动限定层172，所述流动限定层以大致相反的方式渐缩，以便与相对的污染物保留层174配合。
流动限定层172和污染物保留层174的渐缩在图示中旨在是示例性的，并且可以替代地包括任意数量的不同的配合层，所述配合层被安排成针对特定的过滤应用达到一定的厚度和密度。可以根据将施加到叠层的压缩来选择层172和174的数量和比率，所述数量和比率允许特定的流体流动和待过滤材料的过滤特性。
如同图16的实施例，图17的实施例的材料流在相对于层172、174的方向上，以提供在此讨论的流过特性(例如，在该图示中在向下的方向上)。因此，该实施例的流动面将大体垂直于流动方向。以这种方式，被污染的材料在其进入堆叠170时将首先遇到更多的污染物保留层，其中在移动通过堆叠时所遇到的流动限定层的比例将增加。在此堆叠170的替代用途中，材料流相对于该图示沿在向上的方向上的方向移动，使得被污染的材料在其进入堆叠170时首先遇到更多的流动限定层材料，其中当移动通过堆叠时所遇到的污染物保留层的比例将增加。
上文描述的本发明的流过式过滤器可以用于多种过滤应用中。针对一个实例，流过式过滤器可以单独用于系统中，其中过滤器的预测性能与系统的过滤需求匹配。例如，在其他应用中，可以在多过滤器安排中使用流过式过滤器，以便为发动机的燃料系统提供必要的保护。堆叠式/卷绕式预过滤器的可能的其他用途包括散装燃料的预过滤、发动机上应用的预过滤、发动机上应用的主滤器的更换、作为机油的旁路过滤器、作为机油的肾形回路过滤器、和/或作为发动机机油过滤器。
现已参考本发明的若干实施例对本发明进行了描述。本文中指明的任何专利或专利申请的全部披露内容特此通过援引并入。上述详细说明和实例仅是为了获得清楚的理解而给出。不应由此理解为不必要的限制。对本领域的技术人员来说清楚的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对所描述的实施例进行多种修改。因此，本发明的范围不应限于本文所述的结构，而是仅受权利要求书的文字所述的结构及其等同结构的限制。

Claims (22)

1.一种过滤流体的方法，包括以下步骤：
将过滤器设置在流体流动路径中，所述过滤器包括：
第一流动面，所述第一流动面沿着过滤器的长度和宽度延伸，其中第一流动面包括至少一个污染物保留层第一边缘和至少一个流动限定层第一边缘；
第二流动面，所述第二流动面在轴向方向上与第一流动面间隔开，其中第二流动面沿着过滤器的长度和宽度延伸并且包括至少一个污染物保留层第二边缘和至少一个流动限定层第二边缘；
至少一个污染物保留层，所述至少一个污染物保留层从污染物保留层第一边缘延伸到污染物保留层第二边缘；
至少一个流动限定层，所述至少一个流动限定层与至少一个污染物保留层相邻，至少一个流动限定层从流动限定层第一边缘延伸到流动限定层第二边缘；
第一过滤区域，所述第一过滤区域包括至少一个污染物保留层的第一部分和至少一个流动限定层的第一部分，其中第一过滤区域包括第一渗透性；和
第二过滤区域，所述第二过滤区域与第一过滤区域相邻，第二过滤区域包括至少一个污染物保留层的第二部分和至少一个流动限定层的第二部分，其中第二过滤区域包括与第一过滤区域的第一渗透性不同的第二渗透性；
其中，当流体移动通过第一过滤区域和第二过滤区域时，流动限定层的至少一个使材料在轴向方向上流动；和
使流体沿着流体流动路径移动，其中流体流动路径在轴向方向上从第一流动面朝向第二流动面延伸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一渗透性和第二渗透性从过滤器的第一流动面到第二流动面变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中第一渗透性和第二渗透性在过滤器的宽度上变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在第一流动面和第二流动面之间测量第一渗透性和第二渗透性。
5.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个污染物保留层包括多个污染物保留层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个流动限定层包括多个流动限定层。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括跨过滤器的宽度上交替图案的污染物保留层和流动限定层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个污染物保留层包括从第一流动面延伸到第二流动面的过滤介质。
9.根据权利要求1所述的方法，与至少部分围绕至少一个污染物保留层和至少一个流动限定层的外壳结合。
10.根据权利要求1所述的方法，其中过滤器包括以堆叠安排的多个流动限定层和污染物保留层，并且其中堆叠包括每英寸总共40至100个流动限定层和污染物保留层。
11.一种过滤流体的方法，包括以下步骤：
将过滤设备设置在流体流动路径中，所述过滤设备包括以堆叠安排的多个层，其中堆叠包括：
至少一个流动限定层，所述至少一个流动限定层包括上边缘、相对的下边缘、在上边缘与下边缘之间延伸的第一流动面以及在上边缘与下边缘之间延伸的第二流动面；
至少一个污染物保留层，所述至少一个污染物保留层包括上边缘、相对的下边缘、在上边缘与下边缘之间延伸的第一流动面以及在上边缘与下边缘之间延伸的第二流动面，其中每个流动限定层的第一流动面和第二流动面中的至少一个与污染物保留层中的一个的第一流动面和第二流动面中的至少一个相邻，并且其中每个流动限定层包括与每个污染物保留层的渗透性不同的渗透性；和
流体流动路径，所述流体流动路径在至少一个流动限定层与至少一个第一污染物保留层之间，其中每个流动限定层使材料从流动限定层和污染物保留层的上边缘朝向流动限定层和污染物保留层的下边缘流动；和
使流体沿着流体流动路径移动，其中流体流动路径在轴向方向上从第一流动面朝向第二流动面延伸。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在使流体沿着流体流动路径移动之前压缩堆叠的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中压缩堆叠的步骤包括将堆叠置于提供预定量的堆叠压缩的外壳中。
14.根据权利要求12所述的方法，其中压缩堆叠的步骤包括使堆叠经受可变压缩。
15.根据权利要求11所述的方法，其中堆叠包括每英寸总共40至100个流动限定层和污染物保留层。
16.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个污染物保留层包括多个污染物保留层。
17.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个流动限定层包括多个流动限定层。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括跨过滤器的宽度上交替图案的污染物保留层和流动限定层。
19.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个污染物保留层包括从第一流动面延伸到第二流动面的过滤介质。
20.根据权利要求11所述的方法，与至少部分围绕至少一个污染物保留层和至少一个流动限定层的外壳结合。
21.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个流动限定层包括图案化结构，所述图案化结构包括被布置成图案化网格的点、浅凹、凹坑、凸起结构和凹陷结构中的至少一种。
22.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个流动限定层包括点、浅凹、凹坑、凸起结构和凹陷结构中的至少一种的至少部分随机安排。
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