空間優化的聚結器的製作方法

2023-05-26 18:53:46 3

專利名稱：空間優化的聚結器的製作方法
技術領域：
本發明涉及聚結器。
背景技術：
在現有技術中，已知聚結器用來聚結具有兩種不混溶的相，即連 續相和分散相的介質。例如在發動機曲軸箱通風系統和其它空氣-油 分離系統中，連續相是空氣，而分散相是油在諸如燃料過濾器的燃 料-水分離系統中，燃料是連續相，而水是分散相；在水-油分離系統中， 水是連續相，而油是分散相。聚結器元件具有聚結器介質，該聚結器 介質俘獲分散相的微滴，使微滴聚結地成長為較大的液滴，該液滴進 一步聚結並成長以形成排出的池。本發明特別好地適用於發動機曲軸 箱的通風應用，但也可以用於具有不混溶的流體(例如，空氣-油、燃 料-水、水-油等)的其它分離系統。
在設計聚結器中，經常需要做出折衷。例如，a)髙去除效率或b) 低壓降或c)長使用壽命或d)小尺寸可以單獨地實現，但不必組合地實 現。本發明解決並減小組合中的這些折衷。


圖2是示出加載和飽和的曲線圖。 圖3是根據No.l 1/230694申請的聚結器的透視圖。 圖4是圖3的聚結器的前正視圖，並且示出根據No.ll/230694申 請的另外實施例。
圖5類似圖4並且示出另一實施例。 圖6類似圖4並且示出另一實施例。 圖7類似圖4並且示出另一實施例。 圖8類似圖4並且示出另一實施例。 圖9類似圖4並且示出另一實施例。 圖10類似圖4並且示出又一實施例。 圖11是示出纖維取向角的示意圖。 圖12類似圖11並且示出另一實施例。 圖13類似圖11並且示出另一實施例。 圖14類似圖11並且示出另一實施例。 圖15類似圖11並且示出另一實施例。 圖16類似圖11並且示出另一實施例。 圖17類似圖ll並且示出另一實施例。 圖18類似圖ll並且示出另一實施例。 圖19類似圖ll並且示出另一實施例。 圖20類似圖ll並且示出另一實施例。 圖21類似圖11並且示出另一實施例。 圖22類似圖ll並且示出另一實施例。
圖23是用掃描電子顯微鏡以43X的放大率獲取的纖維介質的顯微 照片。
圖24是相對於圖23成90。取向用掃描電子顯微鏡以35X的放大 率獲取的纖維介質的顯微照片。
圖25是又一實施例的示意圖，示出跨越局部凹處的纖維取向。 圖26-28取自上述專利No.l 1/273101申請。
圖26是示意性透視圖，示出用來製造根據No.ll/273101申請的 聚結器的方法。圖27類似圖26並且示出又一實施例。
圖28是曲線圖，示出根據No.11/273101申請的聚結器特性。
圖29是剖視圖，示出根據本發明的聚結器。
圖30類似圖29並且示出另一實施例。
圖31類似圖29並且示出另一實施例。
圖32類似圖29並且示出另一實施例。
圖33類似圖29並且示出另一實施例。
圖34類似圖29並且示出另一實施例。
圖35類似圖29並且示出另一實施例。
圖36類似圖29並且示出另一實施例。
圖37類似圖29並且示出另一實施例。
具體實施例方式
美國專利申請No. 11/230694
下面關於圖1-25的描述取自上述No.11/230694申請。
圖1示出用來聚結介質22的聚結器20，該介質具有兩種不混溶 的相，即連續相24和分散相26。例如，對於發動機曲軸箱通風聚結器 的情況，連續相24是空氣，並且分散相是油，例如，以具有微滴26 的細霧的形式，該微滴26的直徑大約為一微米和更小。連續相24從 上遊流到下遊，即在圖1中從左流到右。聚結器包括纖維介質28，該 纖維介質28俘獲分散相的微滴，使微滴聚結地成長為較大的液滴(例 如像在30、 32處所示的)，它進一步聚結並成長以形成例如34的池， 該池如在36處所示的那樣排出。在氣體或空氣流24內，微滴26可碰 撞並且通過液滴到液滴的聚結而尺寸增加。在進入聚結器20時，微滴 通過撞擊、攔截、擴散、或者靜電的或其它過濾機理被俘獲。微滴在 被俘獲時尺寸增加，並且未俘獲的微滴聚結以形成較大的液滴。當液 滴變得足夠大並且匯聚在34使得流動力和/或'重力超過附著力時，變大 的/匯聚的液滴流過纖維介質層並且如在36處所示那樣被釋放。分散相 飽和度在聚結器內變化，典型地，由於粘性力，在接近下遊面(圖1的右手面)處具有增加的飽和度，並且由於重力，在聚結器的底部具 有增加的飽和度。與空隙率一樣，飽和度是無量綱數，代表由俘獲的 分散相佔據的過濾器介質的空隙空間的百分率或百分比。飽和不意味 著整個空隙體積充滿俘獲的諸如油的分散相，而是意味著該元件保持 儘可能多的油。在飽和的情況下，在圖1中，與頂部和左部相比，底 部和右部保持更多的油。
在沒有固體汙染物的情況下，在聚結器的加載期間跨越聚結器的
壓降增加(圖2的左側)，且然後一旦聚結器變得飽和，壓降就變得 穩定(圖2的右側)。圖2是以毫米水柱為單位的壓降AP對以分鐘為 單位的時間的圖表。在加載期間，俘獲的速率大於排出的速率。在飽 和期間，俘獲的速率等於排出的速率。實際上，由於固體汙染物被俘 獲並由聚結器保持和/或俘獲速率超過從聚結器排出的速率，因而出現 堵塞或過高的壓力。在本公開內容的兩個希望的方面，聚結器的固體 保持容量增加且聚結器的排出速率增加。上述飽和度分布圖在聚結器 設計中是重要的，因為增加的飽和度對應於纖維介質層中的減小的有 效空隙率和增加的限制。
No.ll/230694申請的公開內容提供了一種具有纖維介質的聚結 器，該纖維介質適於通過增加來自它的排出來減小跨越它的壓力降。 這以將要被描述的各種方式實現。
圖3示出纖維介質聚結器40，該纖維介質聚結器40具有空心內 部42且提供由內向外的流動，即如在44處示出的進入空心內部42的 入流，和隨後從空心內部42通過纖維介質46向外的流動，如在箭頭 48處所示。聚結器40具有沿第一水平面50的第一橫截面積Ap和沿 第二水平面52的第二橫截面積A2。水平面52在豎直方向上位於水平 面50下方(圖3、 4)。橫截面積A2小於橫截面積A,。聚結器40具 有周邊54,該周邊54具有跨越它的多個弦，所述多個弦包括諸如56 的豎直弦和諸如58的水平弦。最長的弦豎直地延伸，例如56。水平弦速率是分散相柱的高 度的函數，該分散相柱的髙度與元件高度和橫截面積成比例。通過沿 豎直取向提供形狀的較長尺寸，最大化了排出壓力。通過使橫截面積 向著聚結器的底部減小，獲得兩個優點。首先，在限制為最大且汙染 流體的流動速率和去除為最小的情況下，浸透了分散相的元件的體積 被最小化。相反，在限制最小且汙染流體的流動速率和去除最大的情 況下，所述元件的體積被最大化。第二，較大比例的元件體積可用來 俘獲並保持可能堵塞聚結器或以其它方式引起過度壓降的任何固體。 由於相對於上段增加的局部飽和度，下段更具有限制性並且具有比上 段小的流動速率。人們可能期望在下端中去除也較高，然而實際情況 不是這樣，原因是(a)由於較小的流穿過下段，它對由元件進行的 總去除的貢獻較小；和(b)下段中的局部速度相對較高，這連同增加 的飽和度一起增加了液滴的再H散，這不利地影響了去除。
圖3、 4將豎直平面中的上述給定形狀示出為空心跑道形狀。豎直 平面中的其它給定形狀是可能的，例如空心的橢圓形形狀62 (圖5)、 空心的三角形形狀64 (圖6)、空心的正方形形狀66 (圖7)、空心 的梯形形狀68 (圖8)和空心的圓形形狀70 (圖9)。從內向外流是 優選的，因此流動速度隨著進入介質的距離而減小，這最小化了再飛 散和將聚結的液滴攜帶入清潔側的可能性，並減小聚結器的飽和度高 的部分中的速度。這對於跑道形和橢圓形是特別有利的，這是因為由 這些形狀的元件的內部中的較小的上遊敞開空心空間導致的它們的較 好的空間利用。從外向內流也是可以的。
在一個實施例中，纖維介質由多個纖維提供，該多個纖維具有非 隨機的主導豎直取向(圖4)。纖維優選為聚合物，並且優選地取向成 圍繞給定形狀的周邊且在可能的情況下平行於重力的方向。纖維優選 地沿周邊54主導周向相切地延伸。優選地沿周邊54主導周向相切地延伸的纖維是主導豎直的，並且在聚結器的下部區域提供增加的排出 壓力。所述元件優選地通過靜電紡絲或熔噴纖維，或者圍繞給予纖維 上述優選取向的元件周圍包覆或纏繞纖維介質的片材而製造。纖維的 優選取向和對準減小了所俘獲的液滴流動的阻力，並通過形成平行於 重力的流路和通道增強了排出。為了易於製造，優選通過熔噴或靜電 紡絲形成的聚合物纖維，但也可以使用其它材料。
在另外的實施例中(圖4),聚結器沿豎直方向的振動或擺動， 特別地連同上述纖維取向一起，是增強排出、最小化限制和增加聚結 器壽命的另外方法。在一個實施例中可以是內燃機或其它機械部件的 如虛線所示的搖動器72沿豎直方向振動或擺動聚結器。沿豎直方向的 這種運動或振動使俘獲的液滴加速，並且突然反向引起它們從纖維剝 落並以最小阻力排出。在上述實施中，發動機或其它設備的正常振動 促進這種振動，然而，可能希望提供聚結器的明智的定位和安裝或通 過添加機械振動器來振動聚結器。
聚結器具有下部區域，例如在圖4中平面52處，與例如在平面 50處的上部區域相比，該下部區域具有較大的分散相飽和度和較小的 體積，從而在限制最大且連續相的流動速率最小且汙染物去除最小的 情況下最小化浸透分散相的纖維介質的體積，並且在限制最小且連續 相流動速率最大且汙染物去除最大的情況下最大化纖維介質的體積。 在另外的實施例中(圖10)，下部介質元件74設置成具有比纖維介質 46更大的分散相可溼性並接觸聚結器40的下部區域，並且在在下部區 域從纖維介質46中芯吸聚結的液滴。在一個實施例中，纖維介質46 相對於分散相是不潤溼的，並且下部介質元件74相對於分散相是潤溼 的。在優選的形式中，下部介質元件74的分散相接觸角的餘弦大於纖 維介質46的分散相接觸角的餘弦。在上述內燃機應用中，芯吸層74 的目的是從聚結器吸油並將油引到收集容器，例如發動機或油箱。在 這種實施例的優選形式中，芯吸層74是非編織的過濾器介質，雖然替 代地它可以是油箱自身的壁或具有合適可溼性特性的其它材料。上述公開內容提供了用來減小跨越聚結器的壓降的各種手段，包
括增強從聚結器排出聚結的分散相。如圖2所示，跨越聚結器的壓降隨時間增加，直到聚結的分散相(例如，在曲軸箱通風過濾器的情況下是油)的排出速率等於分散相的俘獲速率。通過增加排出速率可減小平衡壓降，而這轉而減小聚結器的分散相飽和度並增加聚結器的有效空隙率。通過增加空隙率，，聚結器的固體加載容量增加了，也增加了聚結器的壽命。
除了上面公開的用來增加排出速率的方式，各種方式可用來利用纖維取向的另外優點。如上所述，纖維可以相對於重力且相對彼此有利地取向。為了此處的目的，相對於水平方向，即相對於垂直於重力的方向的角度,第一主導纖維取向角a被定義為纖維延伸76(圖11-22)。在圖11、 18、 20中，a是0。。在圖12、 15、 21中，a是負45。。在圖13、 16、 22中，a是負卯。。在圖14、 17、 19中，a是45。。纖維也可以相對於流動方向有利地取向。為了此處的目的，第二主要纖維取向角i8被定義為纖維延伸76相對於流動方向24的角度。在圖11、 15、19中，P是0°。在圖12、 16、 20中，e是負45°。在圖13、 17、 21中，P是負卯。。在圖14、 18、 22中，j8是45。。圖11-22示出從空心內部42穿過纖維介質46向外的多個流動方向中的各種示例性流動方向。圖11-14示出平行於水平方向的流動方向24。圖15-18示出相對於水平方向成負45°的流動方向24。圖19-22示出相對於水平方向成45°的流動方向24。
三個力作用在所俘獲和聚結的液滴上，即由於流體流動引起的拖曳力；重力；和由於毛細壓力引起的粘附力或附著力。第三個力由介質的潤溼特性控制且上文中已描述過。同樣重要的是，拖曳力和重力之間的相互作用。由於希望向下排出液滴，因此希望纖維取向角a滿足sina小於零的條件，使得重力輔助排出，例如圖12、 13。如果sina大於零，則重力阻礙排出，增加平衡壓降並減小壽命。因此，圖11和14中的纖維取向角a是較少被希望的。優選的是，a小於0。且大於或等於負卯°。至於相對於流動方向24的纖維取向角/3，由於流體流動引起的拖曳力隨著cosin/3增加而減小。優選的是，cosinP大於0.5,即e小於60°且大於負60。。
為了減少聚結器的總體飽和度，減小壓降，且增加壽命，所有的纖維都展示優選的取向是不必要的。而是，大多數纖維應具有所希望的取向，即具有主導纖維取向或角度。圖23是顯微鏡照片，示出大致平行於重力且垂直於流動方向的主導纖維取向，如指示箭頭所示。圖24是顯微鏡照片，示出相對於重力的纖維取向，其中流動方向進入頁面。在另外的實施例中，可提供具有所希望的取向的足夠數量的纖維以局部增強排出。因為聚結的分散相從這種區域更自由地排出，所以保持了低的局部分散相飽和度和壓降，並且減小了聚結器的淨有效飽和度。雖然希望所有的纖維的a小於0。且大於或等於負90°，並且/3小於60°且大於負60°，但這是不可行的。也可以使用各種組合。例如，在圖25中，如果希望不同纖維取向的局部區域不垂直，則諸如在78處示出的局部凹處可形成在纖維介質中，這種凹處使多個纖維沿其它的纖維取向角a和jS偏斜。這些局部凹處可設置成如以引用的方式併入這裡的美國專利6387144中所示，例如，在纖維取向角a和/3不同於0。且不同於90°或負90°的情況下，通過針刺法產生這種局部凹處、凹陷或凹痕。其它手段也可用於形成局部凹處，例如所述介質可釘有較大的纖維、絲線、釘子、曲頭釘或具有高的長寬縱橫比的類似結構，使得a和/或/3不同於卯。或負卯°，如希望的那樣。在另一替代方案中，在線沿著0°的角度(平行於流動方向)取向的情況下，線狀材料可使用縫紉機等縫製到聚結器介質中，並且穿刺針和線將引起周圍的纖維介質以不同於90°或負90。的角度取向。在另--替代方案中，使用加熱的針或超聲波焊接型工藝而不是使用針刺法，可產生局部凹處。這將產生導致聚結的分散相從聚結器排出的飽和度梯度。因此，即使不是所有的纖維都具有不同於0。的所希望的取向角a，與所有的纖維以a等於0。取向的情況相比，排出仍將增強。這些改進引入優選地相對於流動取向以有助於排出並減小壓降的方式取向的纖維或結構。由於使所有纖維都如此取向通常是不切實際的，可以在分層的介質中產生具有優選取向的局部凹處以減小壓降和提高聚結器的壽命。
No.ll/230694申請的系統提供一種增加聚結器的壽命的方法。該聚結器具有跨越它的壓降，該壓降隨時間增加，直到所聚結的分散相的排出速率等於俘獲速率，提供平衡壓降。該方法通過減小分散相飽和度並增加空隙率來增加聚結器的壽命，並且通過增加排出速率以減小平衡壓降來增加固體加載容量。該方法包括提供纖維介質作為多個纖維，並且使該纖維優選地沿小於0°且大於或等於負90。的第一主導纖維取向角a，並且優選地沿小於60。且大於負60。的第二主導纖維取向角/3主要地取向。在一個實施例中，該聚結器豎直地振動。該方法包括通過為聚結器設置有與上部區域相比具有較大分散相飽和度和較小體積的下部區域，在限制最大且流動速率和去除最小的情況下最小化浸透有分散相的纖維介質的體積，並且在限制最小且流動速率和去除最大的情況下最大化纖維介質的體積。在一個實施例中，在增加的分散相飽和度的下部區域處從纖維介質將聚結的液滴芯吸走。
美國專利申請No. 11/273101
下面關於圖26-28的公開內容取自上述No. 11/273101申請。
在優選實施例中，No.ll/273101申請的系統使用熔噴技術來製造聚結器。用於粒子過濾器的熔噴技術在現有技術中是已知的，例如以引用的方式併入這裡的美國專利6860917、 3755527。參考圖26，並且也注意所併入的美國專利6860917第3欄25行開始的描述，熱塑性聚合物的小球被引入擠出機102的小球儲料器101，所述熱塑性聚合物例如聚酯、聚丙烯、聚醚酯、聚醯胺、聚氨酯、聚苯硫醚、尼龍、乙烯丙烯酸共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、矽樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯，或者這些的摻合物或混合物。驅動或熔化泵104迫使熱塑性聚合物通過擠出機102進入模頭103。模頭103可包含加熱裝置105，該加熱裝置105可控制模頭103中的溫度。然後，迫使熱塑性聚合物離開模頭103中的一排模開口 106(也稱為噴絲頭)進入氣流，該氣流使熱塑性聚合物變細為纖維107，該纖維107被收集在諸如如旋轉的心軸或滾筒109的運動的收集裝置8上，以形成連續的110。使熱塑性聚合物變細的氣流通過氣體噴口 111和U2被供給，對此可另外參考上述併入的美國專利3755527的圖2。氣體狹縫111和112由氣體管路113和114供給熱氣體，優選為空氣。也參考通過引用的方式併入這裡的美國專利3978185，以示出熔噴工藝。熔噴包括有時稱為熔體紡絲和紡粘法的工藝。典型地，通過與熔噴模相關聯的孔U擠出聚合物以形成指向收集器的過濾器，從而製成熔噴過濾器筒。在熔噴期間，惰性氣體(例如空氣)流作用在熔融纖維上，從而使纖維變細到相對細的直徑並將變細的纖維隨機地分布到收集器上。大量非編織的隨機地互相混合的固化的纖維積聚在收集器上。由旋轉心軸109提供的收集器108收集纖維並將纖維巻成環形過濾器輥115。
在一方面，No.ll/273101申請提供了用於通過熔噴工藝來生產具有可變直徑的聚合物的基本上連續的長纖維的一種方法。纖維纏繞成規定形狀的形式以產生具有分級的纖維直徑和空隙率特性的聚結器元件。聚結器聚結具有兩種不混溶的相，即連續相和分散相的介質。連續相從上遊流到下遊。聚結器元件由俘獲分散相的微滴的纖維介質提供，使微滴聚結地成長為較大的液滴，該液滴進一步聚結並成長以形成排出的池。在一個優選實施例中，希望聚結器介質的性質作為深度的函數而變化。在諸如曲軸箱通風聚結器、霧移除過濾器、燃料水聚結器和油水分離器的聚結器應用中，在一個優選實施例中，希望空隙率和/或纖維直徑隨著進入介質的距離增加而減小，在中間深度，即上遊和下遊端部之間的某處達到最小值，並且然後，空隙率和/或纖維直徑從中間深度到接近下遊面的下遊隨著進入介質的距離的進一步增加而增加並且變得更加敞開。這種U形輪廓在後面，例如在圖28中被進一步描述，其纖維直徑和/或空隙率從上遊到中間深度減小，並且然後從中間深度到下遊增加。減小的空隙率和纖維直徑在聚結器的上遊部分中導致較低的限制。最小的纖維直徑和/或空隙率是獲得最大去除效率的部位。從中間深度前進到下遊的空隙率和纖維直徑的隨後增加促進了從聚結器排出和釋放所俘獲的微滴。
各種方法已經用來改變作為深度的函數的聚結器介質的性質。例如，不同的介質層可層疊以獲得這種效果。例如，聚結過濾器由內部的高效率聚結層和外部的粗糙排出層構成。在一些應用中，例如多達七個不同的層的多個層用於實現所述優點。典型地，這可以通過以多層的方式將不同的介質片材碾壓或打褶在一起，或者通過將不同的層熔噴(包括熔體紡絲)在彼此頂部上來完成。每個層可由要在生產中獲得並處理的不同材料組成。每個層可能需要不同的步驟和/或設備以便處理和生產。層之間的過渡傾向於突變的或展示階梯的函數變化，
壽命及容量。
在No.11/273101申請的一個方面，提供一種用於生產聚結器元件的方法，包括用於曲軸箱通風和除霧的聚結器，和用於使用纖維聚結器介質的其它類型的聚結器，其中可以如希望地作為進入聚結器的深度的函數而改變纖維直徑和/或空隙率。纖維通過由合適的熱塑性聚合物熔噴而形成基本上連續的長度，例如上述那些。纖維被收集到迴轉的/自轉的/旋轉的心軸或合適橫截面形狀的其它合適的收集器上，所述合適橫截面形狀例如圓形、卵形、橢圓形、跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。在一方面，當生產纖維以產生沿其長度在不同點具有不同直徑的長纖維時，單個纖維的直徑發生變化。在另外的方
面，當生產纖維時，相對於形成在心軸上的聚結器介質的厚度控制纖維的直徑，以便產生具有聚結器介質性質(例如，作為深度的函數而變化的纖維直徑和/或空隙率)的聚結器元件。在另一方面，收集器或心軸和熔噴模以一維、二維或三維的方式彼此相對地運動。圖26示意性地示出上述方法。它示出熔噴工藝，包括含有聚合物小球的所述儲料器101，熔化泵104，空氣管路113、 114，模103，心軸109,纖維107，和所形成的聚結器元件115。也示出的是具有彼此正交的X、 Y和Z軸的三維坐標系，其中由旋轉心軸109提供的收集器108繞Z軸旋轉並且沿X軸與模103間隔開。模103沿Z軸的長度典型地小於元件115沿Z軸的長度，以便在元件115的生產期間允許模103和收集器心軸109的相對運動而不會有纖維107的顯著噴濺。在纖維的生產期間，沿纖維的長度，通過以下方式改變纖維的直徑通過使模和收集器/心軸沿X和/或Y方向彼此相對地運動，改變模和收集器/心軸之間的距離和/或控制模和收集器/心軸沿X、 Y和Z方向的彼此相對的位置和/或控制聚合物吞吐量；和/或控制空氣壓力和/或流動速率；和/或例如通過使模和收集器心軸沿X、 Y和/或Z方向彼此相對地運動和/或控制繞Z軸的心軸旋轉速度，來控制心軸速度；和/或聚合物的溫度。這些因素也影響聚結器介質的空隙率和纖維取向。例如，通過沿Z方向來回移動模和收集器的相對位置，纖維的取向在沿收集器或模的方向的這種變化下顛倒。這產生增加作為結果的元件的結構完整性的互鎖纖維的交叉模式，並且促進所聚結的液體的排出，例如，如在上述No.11/230694申請中闡述的。
空隙率也可通過施加壓力到介質來控制。圖27和圖26—樣，並且在適合於促進理解的情況下，使用與上面相同的附圖標記。通過使用壓縮輥116提供一種控制空隙率的方法。通過以施加壓力在聚結器元件U5上的壓縮輥116的受控使用，並通過控制壓縮輥116碾壓元件U5的壓力/力，可在元件生產期間控制空隙率。纖維直徑和/或空隙率被控制作為深度的函數，而不使用提供複合或層狀結構的不同介質的不同層。
纖維直徑也是引入儲料器的熱塑性聚合物的類型的函數。這可有利地用於產生較髙性能的聚結器元件。例如，通過在儲料器中混合兩種或更多不同類型的相容聚合物(例如具有不同熔點的兩種聚酯)的小球，並且熔噴作為結果的混合物，兩種或更多不同直徑、化學和物理特性的纖維可被同時熔噴並相對於元件中的深度放置在相同的位置。例如，如果兩種聚合物具有不同熔點，一種聚合物將比另一種聚合物冷卻得更快，並且具有最低熔點的所述一種聚合物將堅固地粘接到其它類型的聚合物並增加介質的總體強度和結構完整性，同時產生雙模態纖維直徑分布，每個模態的纖維直徑在纖維生產期間變化。類似地，例如，通過將小百分比能產生大直徑纖維的聚合物與較髙百分比能產生較細纖維的聚合物混合，可優化限制和去除。替代地，例如，通過將小百分比能產生大直徑堅固纖維的聚合物與較高百分比能產生較好地適於俘獲細汙染物但缺乏結構完整性的較細纖維的聚合物混合，可增加元件的結構完整性。通過混合相對髙潤溼的聚合物與相對非潤溼的聚合物，可以獲得所聚結的液體從聚結器的排出和減小的限制。為了進一步優化聚結器介質的結構，可以通過控制儲料器中的或泵送到模的不同類型的聚合物的相對量作為深度的函數來改變不同類型的纖維的相對量。該組合產生特別良好地適於聚結器應用的元件，所述聚結器應用包括曲軸箱通風過濾器、除霧過濾器、燃料水聚結器和油水分離器。這種元件從流體流聚結並去除汙染物微滴。它們實現了高的移除效率，以促進所聚結的液體汙染物的排出，以具有髙的汙染物保持容量和長的使用壽命。
作為例子，在第一聚結器實施例中，具有至少雙模態纖維直徑分布的纖維被纏繞在輥中作為單個片材，但在實現作為深度的函數而變
化的空隙率的元件輥115中有效地提供多層。取決於效率要求，在纖維分布中較小纖維的平均直徑在0.05到lOpm的範圍中。這些纖維的功能是高效率地去除細的汙染物。較粗的纖維具有20到100"m的直徑以促進排出。這些元件製造為具有10mm最小厚度的深度型元件。為了使元件物理上堅固並同時產生兩種不同直徑的纖維，使用兩種不同類型的聚合物，例如使用95%的PBT (聚對苯二甲酸丁二酯)聚合物和5%的PET (聚對苯二甲酸乙二酯)聚合物。平均纖維密度是1.38克每立方釐米，並且平均元件空隙率大於80%。組合使用細的和粗的纖維，即沿其長度在不同點具有不同直徑的單個纖維，導致了高的效率、好的排出性質和低的微滴再飛散。在應用於曲軸箱通風中在柴油機上測試時，對於特細的油霧和碳黑，新元件的去除效率大丁-卯％。
油霧的微滴尺寸從小於0.03^n變動到10jrai，而平均直徑在0.4到l.Opm的範圍內。即使對於聚結過程的油浸透階段，也獲得大於80%的效率。
在第二聚結器實施例中，相同的聚合物混合物用於實現雙模態分布，然而，模和收集器心軸之間的距離在聚結器元件生產的開始時(例如，在鄰近心軸的環形元件115的中心115a附近)減小，然後在元件生產的中間時間附近(例如，介質的中間深度115b)逐漸增加，並且然後在元件生產的快結束時(例如，在環形元件的外部部分115c)再次減小。這通過使模103和心軸109沿X方向相對彼此運動來實現。同時，模103和心軸109可沿Z方向相對彼此運動以實現希望的纖維取向。這導致具有過濾器面115a附近的兩種類型的較粗纖維的元件結構，從而當用於從內向外流的幾何結構時，在元件的上遊側促進較粗汙染物而不是較細汙染物的去除。纖維直徑在區域115a和115c處最大，並且在區域115b處最小。纖維直徑從區域115a到115b減小，並且然後從區域115b到區域115c增加。空隙率在區域115a和115c處最大，並且在區域115b處最小。空隙率從區域115a到區域115b減小，並且然後從區域115b到區域115c增加。纖維直徑和空隙率作為從心軸109向外的距離的函數變化，即作為從區域115a到區域115b和從區域115b到區域115c的過濾器深度的函數變化。這示出於圖28中，圖28示出是元件115的徑向深度的從心軸的中心沿橫坐標或水平軸的距離，並沿縱坐標或豎直軸示出相對纖維直徑和相對空隙率。纖維直徑和空隙率從區域115a到115b減小的上述變化示出於向下斜線117、 118，並且中間深度區域115b處的纖維直徑和空隙率示出於119、 120,並且從中間深度區域115b到下遊區域115c增加的纖維直徑和空隙率示出於121、 122，結果形成U形分布。
上述U形分布123 (圖28)導致跨越聚結器元件的總限制的淨降的纖維直徑的曲線圖(圖
28)中，上述變化的纖維直徑具有U形分布123，最小纖維深度直徑 在上述中間深度115b位於U的彎曲部119。同樣，在沿著橫坐標的元 件深度對沿著縱坐標的空隙率的曲線圖中，上述變化的空隙率具有U 形分布，最小空隙率在上述中間深度115b位於U的彎曲部。纖維直徑 和空隙率從區域115a到區域115b減小，在去除和限制最髙的點上兩 個參數獲得最小值。從這個最小值，纖維直徑和空隙率從區域115b到 區域115c再次增加，以減小限制和促進所俘獲的聚結液體從聚結器排 出。纖維直徑和空隙率的逐漸改變避免多介質元件固有的流動不連續 和汙染物聚積不連續，所述多介質元件具有不同介質材料的不同層或 片材和/或不同纖維直徑的不同層或片材和/或不同空隙率的不同層或 片材。替代地，本系統中的纖維直徑和空隙率的例如沿著上述單個連 續纖維的逐漸改變消除了階梯變化不連續，並減小了限制及增加了聚 結器的使用壽命。在聚結器中，毛細壓力將微滴保持在適當位置。如 果遭遇階梯變化，例如大空隙降至小空隙，則微滴的運動對抗毛細壓 力以使微滴運動到較小的空隙中，這顯著增加了限制。在本系統中， 通過提供逐漸的變化，例如避免不同層的形成並試圖迫使微滴從其通 過，避免這種不希望有的特性。對於分散相所潤溼的介質，這在上述U 形分布123的上坡部分121、 122中特別顯著。對於分散相不潤溼的介 質，這在上述U形分布123的下坡部分117、 118中特別顯著。本系統 將相同的這種給定的單個纖維的纖維直徑從第一環形區域中的第一直 徑逐漸改變到第二環形區域中的第二直徑(例如從115a到115b和/或 從115b到115c)以在它們之間提供逐漸過渡，消除了包括在流體流動 速度和壓降特性中的突變的階梯函數變化和對應的不連續，這以其它 方式增加了限制並減小了壽命與容量。
以上例子提到環形元件輥，該環形元件輥具有封閉的環形，例如 圓形、橢圓形、橢圓跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。 在一些應用中，包裝或其它理由可決定其它的形狀或敞開的形狀，例 如平坦面板構造。通過沿著平行於環體的軸線的平面軸向切割或分割作為結果的元件，從上述封閉環環形可製成這些，以提供面板元件等, 或以其它方式獲得希望的橫截面。
在No.11/273101申請的系統中，聚結器的單個纖維的直徑沿著纖 維的長度被控制和改變。纖維直徑、空隙尺寸和/或空隙率作為聚結器 元件中的深度的函數而改變並且實現了使用相同的介質和相同的介質 片材，即相同的介質和介質片材被用來獲得寬範圍的性質。纖維直徑 空隙尺寸和/或空隙率可連續地逐漸改變，消除作為深度的函數的介質 性質中的上述階梯變化，並避免元件內的流體流動速度和壓降特性中 的相應不連續，導致了較持久的元件。通過改變並控制熔噴生產的參 數可實現上述逐漸而連續的改變，所述熔噴生產的參數包括例如模和 心軸/收集器之間的距離、模和心軸彼此的相對位置、聚合物吞吐量、 空氣壓力、流動速率、心軸/收集器速度和溫度。通過使模和收集器沿 X、 Y和/或Z方向彼此相對地運動，可改變並控制作為深度的函數的 介質性質。該系統組合構思以生產給出性能優點的聚結器，其中纖維 直徑、空隙尺寸和/或空隙率作為深度的函數改變。不需要以順次的方 式產生分離的多層，不管每個層是否通過不同的熔噴機器被獨立地生 產並且未完成的元件從機器轉移到機器，或者不管是否通過以順次的 方式沿Z方向對準多個模實現分層並連續地產生沿相同的Z方向成長 或延展的管狀元件，在最後的模之後，完成的元件被切割成-定長度， --系列模中的每一個模以其自身性質生產不同的層。
No.ll/273101申請的系統提供一種製造聚結器元件115的方法， 該方法通過將多個聚合物纖維107熔噴在收集器108上，並在熔噴期 間，沿單個纖維的長度改變單個纖維的直徑使得單個纖維沿其長度在 不同點具有不同的直徑。纖維107從模103被熔噴，該模103通過噴 絲頭106噴出熔融的聚合物以產生纖維。在纖維生產期間，纖維直徑 沿纖維的長度改變。收集器108與模103間隔開，並且在一個實施例 中，通過改變收集器108和模103之間的間隔，在纖維生產期間，纖 維直徑沿纖維的長度改變。當在這種實施例中收集器108是旋轉心軸109時，通過沿X和Y軸的至少一個改變模103和心軸109相對彼此 的相對位置，在纖維生產期間，纖維直徑沿纖維的長度改變。在另一 個實施例中，通過改變通過噴絲頭106的聚合物吞吐量，在纖維生產 期間，纖維直徑沿纖維的長度改變。如上所述，聚合物通過噴絲頭106 噴出到加壓氣體流中，以便產生纖維107。在另一實施例中，通過改變 氣體壓力和氣體流動速率的至少一個，在纖維生產期間，纖維直徑沿 纖維的長度改變。在另一實施例中，當收集器108是旋轉心軸109時， 通過改變心軸109的旋轉速度，在纖維生產期間，纖維直徑沿纖維的 長度改變。在另一個實施例中，通過改變通過噴絲頭106的聚合物吞 吐量，在纖維生產期間，纖維直徑沿纖維的長度改變。在另一實施例 中，兩種聚合物同時用在模中以產生雙模態纖維分布，每個模態的纖 維直徑如上述那樣改變。在一個實施例中，兩種聚合物具有不同的熔 點。在上述方法的優選實施例中，在纖維生產期間當纖維從模103被 熔噴時，纖維直徑沿纖維的長度改變。
當收集器108是旋轉心軸109時，旋轉心軸收集纖維107並將纖 維碾壓成環形元件輥115，該環形元件輥115在心軸處具有內部區域 115a,並且具有外部區域115c，該外部區域以元件輥的徑向厚度從內 部區域115a徑向地向外間隔開。元件輥115具有沿這種徑向厚度的深 度尺寸。在纖維生產期間，纖維直徑沿纖維的長度改變，使得纖維直 A作為元件深度的函數而改變。在一個實施例中，如上所述，在纖維 生產期間，纖維直徑沿纖維的長度改變，以提供第一纖維直徑的例如 115a的第一環形區域，和相同的單個熔噴纖維的不同於第一纖維直徑 的第二纖維直徑的例如115b和/或115c的第二環形區域。單個纖維從 模103被熔噴。這種單個纖維在心軸109上被碾壓以形成所述的第一 環形區域。相同的這種給定的單個纖維在第一環形區域上被碾壓以形 成例如115b的第二環形區域，並且在希望的情況下，相同的這種給定 的單個纖維在第二環形區域U5b上被進一步碾壓以形成例如115c的 第三環形區域等等。給定的單個纖維在第一環形區域115a中以上述第 一直徑被碾壓，然後，相同的這種給定的單個纖維的纖維直徑逐漸改變到第二直徑，並且然後，相同的這種給定的單個纖維在第二環形區
域115b中以這種第二纖維直徑被碾壓，等等。給定的單個纖維可在其 它的環形區域中以按順序的步驟被碾壓，但仍然碾壓相同的這種給定 的單個纖維，因此提供上述連續性和逐漸變化，並避免上述階梯變化 不連續。在熔噴期間，給定的單個纖維的直徑的變化逐漸出現，並且 跨越元件的徑向厚度和深度的從區域到區域的變化是逐漸的。
內部和外部區域115a和115c中的一個處於上遊表面，並且內部 和外部區域115a和115c中的另一個處於下遊表面。流動方向是從上遊 到下遊。例如，在從內向外流的幾何結構中，區域115a處於上遊表面 且區域115c處於下遊表面。在從外向內流的幾何結構中，外部區域115c 處於上遊表面且內部區域115a處於下遊表面。在一個實施例中，如上 所述，在纖維生產期間纖維直徑沿纖維的長度改變，以作為元件深度 的函數改變纖維直徑，使得纖維直徑沿流動方向隨著進入元件的深度 的增加而減小。另外，在這種實施例中，碾壓纖維使得空隙率也沿流 動方向隨著進入元件的深度的增加而減小。在另一實施例中，在纖維 生產期間纖維直徑沿纖維的長度改變，以作為元件深度的函數改變纖 維直徑，使得纖維直徑沿流動方向隨著進入元件的深度的增加而增加。 另外，在這種實施例中，碾壓纖維使得空隙率也沿流動方向隨著進入 元件的深度的增加而增加。在另一實施例中，在纖維生產期間纖維直 徑沿纖維的長度改變，以作為元件深度的函數改變纖維直徑，使得纖 維直徑沿流動方向從上遊到中間深度115b隨著進入元件的深度的增加 而減小，並且然後，沿流動方向從中間深度115b到下遊隨著進入元件 的深度的增加而增加。這些特性在圖28中示出於U形輪廓123。另外， 在這種實施例中，碾壓纖維使得空隙率沿著流動方向從上遊到中間深 度115b隨著進入元件的深度的增加而減小，並且然後，沿流動方向從 中間深度115b到下遊隨著進入元件的深度的增加而增加。典型地，纖 維直徑和空隙率相對於元件深度遵循相同的增加或減小趨勢，但不是 必要的。例如，元件可以具有減小的纖維直徑而空隙率增加，或者反 過來。No.ll/273101申請的系統還提供一種製造聚結器的方法，該方法 通過將多種聚合物纖維熔噴到收集器上，並且在熔噴期間，可控地改 變由纖維形成的聚結器的空隙率，例如通過如上所述地改變纖維直徑 和/或通過所述碾壓。在一個實施例中，空隙率隨著進入聚結器的深度 的增加而減小。在另一實施例中，空隙率隨著進入聚結器的深度的增 加而增加。在另一實施例中，空隙率從上遊到中間深度115b隨著進入 聚結器的深度的增加而減小，並且然後，從中間深度115b到下遊隨著 進入聚結器的深度的增加而增加(圖28)。在另一實施例中，通過提 供壓縮輥116來可控地改變空隙率，該壓縮輥116在聚結器元件輥形 成期間在區域115c的外表面接合併施加壓力到聚結器元件輥115。在 另外的實施例中，改變空隙率以提供第一空隙率的諸如115a的第一環 形區域、相同的單個熔噴纖維的不同於第一空隙率的第二空隙率的諸 如115b的第二環形區域，以及相同的單個熔噴纖維的不同於第一和/ 或第二空隙率的第三空隙率的諸如115c的第三環形區域等等。給定的 單個纖維從模103被熔噴。這種給定的單個纖維在心軸109上被碾壓 以形成第一環形區域115a，以及相同的這種給定的單個纖維在第一環 形區域115a上被碾壓以形成第二環形區域115b等等。
No.ll/273101申請的系統和方法提供一種具有多個熔噴纖維的聚 結器，其中單個纖維的直徑沿纖維的長度改變，使得單個纖維沿其長 度在不同點具有不同直徑。纖維直徑沿纖維的長度改變，從而提供沿 .K:長度在不同點具有不同直徑的單個纖維，使得這種單個纖維的纖維 復徑作為聚結器深度的函數而改變。聚結器具有第一纖維直徑的諸如 115a的第-區域、相同的單個熔融纖維的不同於第一纖維直徑的第二 纖維直徑的諸如115b的第二區域等等。如上所述，纖維直徑的改變是 逐漸的，從而避免所述不連續和階梯變化以及其中固有的所述缺點。 在-個實施例中，纖維直徑沿單個纖維的長度改變以作為元件深度的 函數而改變纖維直徑，使得纖維直徑沿單個纖維隨著進入元件的深度 的增加而減小。另外，在這種實施例中，空隙率也優選地隨著進入元件的深度的增加而減小。在另-實施例中，纖維直徑沿單個纖維的長 度改變，以作為元件深度的函數而改變纖維直徑，使得纖維直徑沿單 個纖維隨著進入元件的深度的增加而增加。在這種實施例中，空隙率 也優選地隨著進入元件的深度的增加而增加。在另一實施例中，纖維 直徑沿單個纖維的長度改變，以作為元件深度的函數而改變纖維直徑，
使得纖維直徑沿單個纖維從上遊到中間深度115b隨著進入元件的深度 的增加而減小，並且然後，從中間深度115b到下遊隨著進入元件的深 度的增加而增加(圖28)。在這種實施例中，空隙率優選地從上遊到 中間深度115b隨著進入元件的深度的增加而減小，並且然後，從中間 深度115b到下遊隨著進入元件的深度的增加而增加。該系統提供一種 由製造聚結器的上述方法生產的聚結器，該方法包括將多個聚合物纖 維熔噴在收集器上，並在熔噴期間，沿單個纖維的長度改變單個纖維 的直徑使得單個纖維沿其長度在不同點具有不同的直徑。
該系統和方法也提供一種具有多個熔噴纖維的聚結器，該聚結器 的上遊表面與下遊表面以它們之間的深度尺寸間隔開，該聚結器具有 第一空隙率的第一深度區域，和與第一區域相同的單個熔噴纖維的不 同於第一空隙率的第二空隙率的第一深度區域下遊的第二深度區域。 如上所述，所述改變是逐漸的，從而避免上述不連續或階梯變化的缺 點。在一個實施例中，空隙率隨著進入聚結器元件的深度的增加而減 小。在另一實施例中，空隙率隨著進入元件的深度的增加而增加。在 另一實施例中，空隙率從上遊到中間深度115b隨著進入元件的深度的 增加而減小，並且然後，從中間深度115b到下遊隨著進入元件的深度 的增加而增加(圖28)。該系統提供了一種由製造聚結器的所述方法 生產的聚結器，該方法通過將多種聚合物纖維熔噴到收集器上，並在 熔噴期間，可控地改變由纖維形成的聚結器的空隙率。
希望的是，許多以上技術也可應用到粒子過濾器。例如，在固體 過濾器實施例中，相同的聚合物混合物可用於實現雙模態分布，並且 模103和心軸109之間的距離在區域115a在元件生產的開始時增加，然後隨著元件的直徑和介質的厚度從區域115a到區域115b和115c增 加而逐漸減小。如在以上例子中，這通過使模103和心軸109沿X和 Z方向彼此相對地運動來實現。對於從外向內流的幾何結構，這導致在 區域115a中具有兩種類型的較細纖維的元件結構，以促進在元件的下 遊側的細粒子的去除，並且在這種從外向內流的幾何結構中通過上遊 側U5c處的粗纖維來去除粗粒子和淤渣。纖維直徑在區域115a處於最 小值，井且逐漸增大到區域115b處的所增加的纖維直徑，並繼續增大 到區域U5c處的最大纖維直徑。空隙率在區域115a處於最小值，並且 增加到區域115b處的較高空隙率，並繼續增加到區域115c處的最大 空隙率。因此，纖維直徑和空隙率作為離開心軸109的距離的函數， 即作為徑向厚度和過濾器深度尺寸的函數而改變。這導致跨越過濾器 元件的總限制的淨降低，因為限制和效率隨著流體進一步滲入元件而 逐漸增加。纖維直徑和空隙率的逐漸改變避免了不同纖維直徑和/或空 隙率的多層或片不同過濾器介質的多介質過濾器中固有的流動和汙染 物積聚的不連續。上述的逐漸改變消除了階梯變化不連續，並且減小 限制且增加使用壽命。
本申請
本申請提供一種在較小的包裝尺寸(體積)中獲得提高的汙染物 去除、壽命和壓降的聚結器，包括應用於曲軸箱通風、油霧和其它聚 結器。
背景技術：
從過濾的觀點來看，柴油機曲軸箱通風的應用是極具挑 戰性的。必須以大於卯％的效率去除平均微滴尺寸在0.6和1.7/rni之間 的高濃度油霧以滿足排放要求並防止發動機渦輪增壓器變髒。需要低 的限制和長的使用壽命。對於移動式應用，例如長途運輸的卡車，系 統的總包裝尺寸也必須非常小。聚結是用於實現這些相牴觸目標的有 前景的技術。然而，當前聚結器的設計實踐和產品缺乏這些要求，原 因足可以實現i^ i除效率或tC:使用壽命或小尺寸，但當前的實踐一直 不能以可接受的方式同吋實現全部三個。對於曲軸箱通風聚結器(實際上對於所有類型的聚結器)，設計 難題是最大化可被去除並保持在給定體積中的汙染物的量。去除取決 於汙染物被介質纖維俘獲的可能性。去除隨著過濾器介質的量的增加
而增加。設計成去除大於大約0.2Mm的汙染物的過濾器和聚結器典型 地使用打褶的或有凹槽的平坦片材介質。打褶的聚結器利用髙的介質 面面積來減小面速度、增加容量和壽命。為了實現這一點，使用薄的 相對緻密(即，小的空隙尺寸、細的纖維、低的空隙率)的過濾器介
塞。在這種情況下，設計策略是最大化介質面面積。這使單位體積的 纖維介質最大化、通過介質的流體速度最小化並且汙染物，特別是較 大的汙染物可聚集在其上的表面面積增加了。通過這種途徑，介質被 設計成儘可能薄，同時維持效率和強度，以便增加褶皺密度和總的介 質面面積。褶皺密度被定義為單位長度褶皺的數量，並且等於褶皺尖 端之間的距離的倒數。對於打褶的介質，在褶皺之間存在許多浪費的 空間。對於圓柱形打褶元件，最佳褶皺高度是元件的外徑的25% (Tadeusz Jaroszczyk et al.， "Chapter 10 Cartridge Filtration", in Filtration Principles and Practices, Second Edition, Revised and Expanded, Michael Matteson and Clyde Orr， eds. Marcel Dekker， Inc. New York, 1987，p.547)。對於褶皺高度大於或小於此，元件相應的過濾器介質面 面積減小。因此，25%的元件體積由內腔佔據並且不直接有助於汙染物 的去除。因此，對於打褶元件，介質對元件體積的比率被限制到75% 的最大值。實際上，這個比率被進一步減小，因為褶皺必須分開最小
在沒有間隔的情況下，只有元件的靠近褶皺尖端的若干部分被利用。 這導致了增加的壓降、介質表面面積的低效率利用和減小的壽命。介 質的上遊和下遊側上的褶皺之間的這種未使用的空間可以同樣地由過 濾器介質佔據。結果，對於圓形橫截面的打褶元件，介質體積對元件 體積的比率實際上小於55%，並且典型地在25%到50%的範圍內。打褶的替代設計策略依賴於形成為圓形橫截面的元件的深度過濾 器介質。圓形深度聚結器利用過濾器介質的整個深度結構來影響去除 並嘗試最大化內腔的直徑以增加容量和壽命。與打褶的介質對比，使 用薄的相對開放的(即較大的空隙尺寸、較粗的纖維、較髙的空隙率) 過濾器介質。雖然當對比等效上遊介質面面積的聚結器時比打褶的介 質更不容易堵塞，但圓形深度聚結器傾向於比相同尺寸的打褶介質聚 結器更容易堵塞，因為較小的面面積可被封裝到相同的體積內。在圓 形深度聚結器的情況下，設計者面臨以下牴觸的要求
1. 介質必須足夠厚以獲得希望的去除
2. 介質必須足夠薄以提供可接受的(足夠低的)壓降；以及
3. 必須最大化內腔的直徑。
前兩個是直接牴觸的，因為去除和壓降都隨著厚度的增加、纖維 直徑和空隙率的減小而增加。經驗顯/jR，嬡件i的聚結器厚度大約為3 到7mm。可使用以下聚結模型來解釋L. Spielman et al.， "Progress in Induced Coalescence and a New Theoretical Framework for Coalescence by Porous Media", Flow through Porous Media, R. Nunge, Chairman, ACS Publications, Washington, D.C.， 1970; L. Spielman et al.， "Theory of Coalescence by Flow through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:66-72， 1972; L. Spielman et al， "Experiments in Coalescence by Flow through Fibrous Mats.", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:73-83， 1972; L. Spielman et al" "Coalescence in Oil-in-Water Suspensions by Flow Through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 16:272-282， 1977。它們按照三個區域來模擬聚結 器。區域l，位於聚結器的上遊側，是微滴俘獲和成長發生之處。區域 2,位於中間，是所聚結的液滴通過聚結器的毛細傳導發生之處。區域 3，位於下遊側，是所聚結的液滴進一步成長並被釋放之處。需要區域 1以俘獲並聚結微滴。需要區域3以保證所聚結的液滴被釋放而不破裂。 區域2是不必要的，因為其功能、毛細傳導可併入區域1和3。對於厚 於3到7mm的聚結器介質，超出最佳的另外厚度有助於區域2，並且
29在增加壓降的同時不會顯著地改善去除。
對於圓形深度聚結器，希望的是，最大化內腔的直徑，以便減小 固體堵塞、增加壽命和最小化壓降。對於低雷諾數，壓降與流體速度 成比例。對於從內到外流動的元件，在沒有俘獲汙染物的情況下，局 部限制與從元件的中心的徑向距離成反比。這樣，局部限制在元件的 上遊面最大，並且隨著進入介質的距離增加而減小。當介質厚度超過
元件的外徑的25%時，壓降開始近似指數地增加。內徑(D,)由方程 Dj-D。-2t給出，其中D。是元件外徑並且t是介質厚度。這是設計圓形 深度聚結器以最大化內腔的直徑並維持A大於D。的50%的一個原因。 此外，在沒有汙染物(無論固體或微滴)的情況下，介質上最大的汙 染物積聚發生在上遊側，進一步增加了局部限制。聚結器的壽命與上 遊側上的介質面面積成正比。增加內腔的直徑或元件的高度，成比例 地增加聚結器的壽命。為了滿足最小使用壽命的要求，圓形橫截面深 度聚結器元件設計成具有最大可能的元件外徑。如果需要另外的壽命， 則必須相應地增加元件高度(h)。對於具有使用從外到內流動的圓形 深度介質的固體過濾器，由於外周邊控制這些元件的容量和壽命，因 此使用大約80%的介質體積對元件體積的比率。然而，對於具有從內 到外流動的圓形深度介質聚結器，介質體積對元件體積的比率小於 75%,並且典型地小於30%。
本系統
本申請提供一種聚結器，該聚結器更好地利用可用空間，以便提 高去除、聚結器壽命和/或減小包裝尺寸。通過將用於打褶的聚結器和 圓形深度聚結器的設計策略和作為結果的特徵組合成新穎的設計，實 現這種效果。這特別良好地適於從曲軸箱通風的氣體中去除油微滴， 但也適於從柴油中去除空氣傳播的油和水霧、水微滴，從廢水中去除 油微滴以及其它的聚結器應用。該系統組合五個特徵或特性，從而在 去除、壽命和尺寸方面產生具有獨特性能優點的聚結器。這些特性包 括A. 使用了纖維深度過濾器介質；
B. 跨越介質的纖維直徑和空隙率梯度輪廓，使得纖維直徑和/或空 隙率在上遊和下遊面最大並且在其間穿過最小值；
C. 通過將介質形成為各種封閉的環、非圓形橫截面的幾何形狀而 得到的大於或等於1.5的面面積比率；
D. 內腔的尺寸和橫截面積必須使得內腔內的最大動壓小於跨越 元件的總壓降的10%:以及
E. 介質體積對元件體積的比率大於或等於50%，並且優選地大於 或等於75%，通過以下方式獲得
使用無褶深度過濾器介質；
使用封閉環橫截而的幾何形狀以最小化內腔的橫截面積； 將不用於汙染物去除的元件中的開放空間最小化，包括褶鈹或凹
槽之間的空間、介質的層之間或不同的聚結器、過濾器和/或分離器級
之間的空間。
在圖29-36中的橫截面視圖中示出一些實施例。優選實施例是星-圓橫截面。其它的優選實施例包括也給出高的面面積比率的跑道、狗 骨頭、三凸角和多凸角幾何形狀，稍後將描述。
對於封閉環幾何結構，該聚結器理想地用在從內向外流的構造中， 但從外向內流也是可以的。從內向外流對於聚結來說是優選的，因為 它保證了局部流體速度在所聚結的液滴的釋放發生的下遊面處最低。 這最小化了所聚結的液滴在釋放時破裂為較小的液滴。缺點是減小的 壽命，這是山於在上遊側存在較少的介質面面積以保持可能堵塞聚結 器的固體。本系統將這種不利的效果最小化。如果應用要求有限定， 本系統可與從外向內流—起使用。在這種情況下，可以增加壽命，但 在某種程度上，微滴去除減小且壓降增加。
特性A
該系統利用纖維深度過濾器介質。纖維深度過濾器介質指的是(1)由非編織纖維所形成的介質；(2)不以打褶的或有凹槽的形式 用作平坦片材的介質和(3)其中在過濾器介質的深度內初步去除汙 染物的介質。深度介質的空隙傾向於大於被去除的汙染物。典型地， 深度過濾器介質大於10mm厚，並且該介質是分層的或分級的，該介 質的性質作為深度的函數而改變。相比之下，表面過濾器介質在表面 初步去除汙染物以形成實際上實現去除塊的團塊，而例如纖維素的平 坦片材介質傾向於較薄並以打褶的或有凹槽的形式被使用。優選的纖 維深度過濾器介質是熔噴過濾器介質，如在上述No.l 1/273101申請中 描述的。替代地，可以使用其它非編織的纖維過濾器介質，包括熔噴 的、空中壓條的、溼壓條的和豎直重疊的過濾器介質，只要它可形成 為所需的元件形狀。典型地，所述介質在本質上是聚合物的，但可以 使用微玻璃、纖維素、陶瓷或者甚至金屬纖維。通過將介質熔噴或空 中壓條到旋轉心軸或通過將介質的平坦片材碾壓成希望的形狀，可形 成元件。
特性B
過濾器介質展示作為進入聚結器的深度的函數的"U形"纖維直 徑和/或空隙率分布。局部平均纖維直徑和/或空隙率應當在上遊和下遊 面附近展示最大值，並且在其間穿過最小值。當從上遊面走向中心時， 儘管有較高的流體速度，纖維直徑和空隙率的初始減少在上遊面減小 了局部限制。此外，它提供作為粒子尺寸的函數的汙染物的分級俘獲。 引起堵塞的大的汙染物在初始的更開放而限制性較小的層中被俘獲， 而較小的汙染物在最小值附近被去除。這增加了聚結器的固體保持容 量和壽命。在這種上遊部分內，發生了微滴的俘獲和成長。最大的去 除效率和最大的限制出現在纖維直徑/空隙率最小之處。在最小他的下 遊，纖維直徑和空隙率隨著深度的增加而增加，以促進所俘獲且聚結 的微滴的排出。與用於固體汙染物的過濾器相反，聚結器設計成排出 和釋放所俘獲且聚結的液滴，而不是保留它們。通過在接近下遊面時 增加纖維直徑和空隙率，作用在聚結的液滴上的毛細力減小，促進從 介質排出和釋放液滴。在下遊面的最大值保證釋放的液滴是大的，促進通過沉澱從流動的流中去除。
特性c
通過將介質形成為各種封閉的環、非圓形橫截面的幾何形狀，提
供大於或等於1.5的面面積比率。在帶有顯著水平的固體的應用中，聚 結器遭受固體堵塞和縮短的使用壽命。固體快速地積聚在介質的表面 上及其表面層內，導致了堵塞。由於這個原因，希望最大化上遊的介
質面面積。在這一點上，打褶的元件特別良好地適合，而圓形深度介
質元件由於上遊內腔中的相對較小的介質面面積而遭受損失。對於具
有圓形橫截面的元件，不管特定元件的尺寸如何，內腔周長(L,)對其
橫截面積(A,)的比率由以下公式給出
i —丄 7、
其中D,是內腔的直徑。在當前系統中，代替圓形橫截面，使用具 有內腔橫截面的幾何形狀的封閉環元件，使得內腔周長對其面積的比 率超過圓的對應比率，或者
其中DA是如前面方程中定義的內腔的面積等效直徑。使用該關 系，面面積比率(F)可定義為
相對於相同高度的圓形深度過濾器的壽命的聚結器壽命的增加由 值F給出。對於打褶的聚結器元件，F大約為10到25並且由過濾器介 質厚度和褶皺之間所需的間隔的物理局限性限制。對於當前系統，F典 型地在1.5和15之間。在封閉環的、非圓形元件的幾何結構中使用不 打褶的介質獲得F的這些較高的值，所述非圓形元件幾何結構例如橢 圓形124 (圖29)、跑道形125 (圖30)、三角形126 (圖31)、狗 骨頭形172 (圖32)、諸如三個凸角形128的多凸角形(圖33)、包括正方形129的矩形(圖34)、梯形130 (圖35)、星-圓形131 (圖 36)或者其它的幾何形狀。這些中的數個受到特別注意。橢圓形、跑 道形、狗骨頭形、多凸角形和多邊形的幾何形狀全部可由初始圓柱形 的元件容易地形成。圓柱形元件通過壓縮、通過在相應成形的心軸上 形成它們或其它手段可以容易地轉變為這些其它的形狀。這方便了這 些幾何形狀的製造和生產。通過增加跑道形或橢圓形元件、或者三個 凸角及多個凸角的元件的腿部的長度，可以獲得F的較高的值。狗骨 頭幾何形狀具有特別的優點，在於它容易地由圓柱形管形成並且可容 易地嵌套類似的形狀，或者甚至用於多元件應用的圓柱形元件。對於 星-圓形幾何形狀，通過增加星形上的尖端的數量和長度，可以獲得高 的F值。同樣重要的是，內腔和元件外部的幾何形狀是不一樣的，如 在星-圓形幾何形狀中可見。通過將介質熔噴或碾壓在打褶的元件或星 形元件上，可產生這種元件。
增加F的值的另外優點是，可以以短的元件高度，即小於元件橫 截面的最長弦，製造出長使用壽命的聚結器。這是因為不再需要大的 元件高度來獲得所需的使用壽命。而是，使用非圓形的幾何形狀所獲 得的增加的內腔周長提供了增加的介質面面積、增加的灰塵保持容量、 減小的面速度和較長的壽命。在曲軸箱通風過濾器直接安裝在發動機 上的許多應用中，這提供了顯著的包裝優點。
特性D
內腔的尺寸和橫截面形狀必須使得內腔內的最大動壓小於跨越元 件的總壓降的10%。內腔的橫截面積典型地受限於流體進入內腔時的 限制，而不是由於介質引起的限制。進入限制由通過孔口進入內腔的 流動產生。對於本系統，通過選擇內腔的形狀和尺寸而最小化限制， 使得內腔中的最大動壓小於跨越元件的總壓降的10%。動壓(Pd)被 定義為
其中p是流體密度且V是流體速度。計算流體動力學可用於模擬特定幾何形狀的限制和動壓，以便確定內腔中的最大動壓。這將確定 內腔的最小橫截面。
特性E
聚結器具有大於或等於50%，並且優選地大於或等於75%的微分
體積比率。微分體積比率是介質體積對元件體積的比率。例如，圖36 示出聚結器131，該聚結器131具有沿軸線134軸向地延伸(延伸進頁 面中)的聚結器元件132並具有聚結器介質136。該元件在與軸線134 成橫向的平面(圖36的頁面的平面)中具有封閉環橫截面的幾何形狀， 即圖36中的星-圓形，並且具有限定內腔140的內表面138，且具有外 表面142，該外表面142從內表面138向外間隔開內表面138和外表面 142之間的元件132的厚度。介質體積是內和外表面138和142之間的 介質136的體積。元件體積是由外表面142界定的體積，包括內腔140 的體積。在打褶的元件144的情況下(圖37)，聚結器介質146具有 限定內腔150的內表面148，並且具有外表面152，該外表面152從內 表面148向外間隔內和外表面148和152之間的元件144的厚度，元 件體積是由外褶皺尖端154的輪廓線界定的體積，該輪廓線如在156 處以虛線示出的在外褶皺尖端間延伸的外投影線所連接的，因此元件 體積是由投影線表面156界定的體積，包括外褶皺之間的體積158、介 質體積和內腔150的體積。在例如圖36中的非打褶的元件中，所述投 影線邊界與例如142的所述外表面重合。
聚結器的設計難題是將在給定體積內可被去除的汙染物的量最大 化。去除取決於汙染物被介質纖維俘獲的可能性。去除隨著過濾器介 質的量的增加而增加。因此，希望消除對於去除來說未被充分利用的 元件體積。如前所述，對於打褶的和圓形深度聚結器，超過25%的總 元件體積不能用於去除。在本系統中，褶皺之間的未被充分利用的空 間填充有深度過濾器介質。此外，通過明智地選擇局部介質纖維的直 徑和空隙率性質、U形過濾器介質輪廓和最小化的內腔橫截面，不可 用的過濾器體積的量可減小到5%-25%。介質體積對元件體積的比率可超過75%。典型地，使用大於85%的比率。
本系統提供一種聚結器，該聚結器用來聚結具有兩種不混溶的相， 即連續相和分散相的介質。連續相沿流動方向從上遊流到下遊。聚結 器包括沿軸線軸向地延伸並具有聚結器介質的聚結器元件，該聚結器 介質俘獲分散相的微滴並使微滴聚結地成長為較大的液滴，該液滴進 一步聚結並成長以形成排出的池。該元件在與所述軸線(延伸到圖
29-36的頁面中)成橫向的平面(例如，圖29-36中的頁面的平面)中 具有封閉環橫截面的幾何形狀，並且具有限定諸如140的內腔的內表 面(例如138)，且具有諸如142的外表面，該外表面從內表面向外間 隔開內表面138和外表面142之間的元件132的厚度。介質136具有 沿著這種厚度的深度尺寸。內表面138和外表面142中的一個是上遊 表面，並且內表面138和外表面142中的另一個是下遊表面。例如， 在從內向外流的聚結器中，內表面138是上遊表面，外表面142是下 遊表面。在從外向內流的聚結器中，外表面142是上遊表面，內表面 138是下遊表面。
在本系統中，滿足以下標準中的至少兩個，並且優選為三個，並 且更優選為四個，並且更更優選為所有五個
A) 介質136是纖維深度介質，優選為非打褶的；
B) 該介質具有梯度輪廓，其至少一個參數沿所述流動方向作為進 入所述介質的深度的函數而改變，並且優選地所述介質具有梯度輪廓， 該梯度輪廓沿著流動方向作為進入介質的深度的函數而改變，使得纖 維直徑和空隙率的至少一個沿著流動方向從上遊到中間深度隨著進入 介質的深度的增加而減小，並且然後沿著流動方向從中間深度到下遊 隨著進入介質的深度的增加而增加；
C) 所述元件具有由所述橫向平面中具有非圓形幾何形狀的上遊表 面提供的上遊面面積，並且優選地該元件的面面積比率F大於或等於 1.5，其中其中L,是內腔的周邊的長度，DA是內腔的面積等效直徑，即
其中A,是內腔的面積；
D) 內腔140具有根據跨越元件的壓降所選定的最小橫截面積，並 且優選地所述元件是從內向外流的元件，且選定內腔的最小橫截面積， 使得內腔中的最大動壓小於跨越元件的總壓降的10%;
E) 所述聚結器具有為空間效率選定的微分體積比率，其中，如上 所述，微分體積比率是介質體積對元件體積的比率，其中介質體積是 上述內和外表面之間的介質的體積，且元件體積是由上述外表面界定 的體積，包括上述內腔的體積，並且優選地所述聚結器具有大於或等
於50%的微分體積比率，並且更優選地所述介質是非打褶的深度介質 且微分體積比率大於或等於75%。
在前面的描述中，為了簡潔、清楚和理解，已經使用某些術語。 在現有技術的要求之外，不從其暗示不必要的限制，因為這種術語是 用於描述目的且傾向於被廣泛地解釋。這裡描述的不同構造可以單獨 地或者結合其它構造使用。希望的是，在所附權利要求的範圍內，各 種等同物、替代物和改型是可能的。
權利要求
1.一種聚結器，用於聚結具有兩種不混溶的相即連續相和分散相的介質，所述連續相沿流動方向從上遊流到下遊，所述聚結器包括沿軸線軸向地延伸並具有聚結器介質的聚結器元件，所述聚結器介質俘獲所述分散相的微滴並使所述微滴聚結地成長為較大的液滴，所述液滴進一步聚結並成長以形成排出的池，所述元件在與所述軸線成橫向的平面中具有封閉環橫截面的幾何形狀，並且具有限定內腔的內表面且具有外表面，所述外表面從所述內表面向外間隔開所述內和外表面之間的所述元件的厚度，所述介質沿所述厚度具有深度尺寸，所述內和外表面中的一個是上遊表面，所述內和外表面中的另一個是下遊表面，其中，組合滿足下列五個標準中的至少兩個A)所述介質是纖維深度介質；B)所述介質具有梯度輪廓，其至少一個參數沿所述流動方向作為進入所述介質的深度的函數而變化；C)所述元件具有由所述橫向平面中的具有非圓形幾何形狀的所述上遊表面提供的上遊面面積；D)所述內腔具有根據跨越所述元件的壓降所選定的最小橫截面積；E)所述聚結器具有為了空間效率而選定的微分體積比率，其中，所述微分體積比率是介質體積對元件體積的比率，其中介質體積和元件體積如在說明書中所定義的；並且其中，所述兩個標準中的一個是標準C到E中的一個。
2.根據權利要求l所述的聚結器，其中標準C還要求所述元件具有大於或等於1.5的面面積比率F，其中屍-込 ",其中L,是所述內腔的周邊的長度，DA是所述內腔的面積等效直 徑，即其中A,是所述內腔的面積標準D還要求選定所述內腔的最小橫截面積，使得所述內腔中的 最大動壓小於跨越所述元件的總壓降的10%:標準E還要求所述聚結器具有大於或等於50%的微分體積比率。
3. 根據權利要求2所述的聚結器，其中，滿足標準C到E中的至 少兩個。
4. 根據權利要求3所述的聚結器，其中，滿足所述標準C到E中 的全部三個。
5. 根據權利要求l所述的聚結器，其中，組合滿足所述標準中的 至少三個。
6. 根據權利要求5所述的聚結器，其中，滿足所述標準中的至少 四個。
7. 根據權利要求6所述的聚結器，其中，滿足所述標準中的全部 五個。
8. 根據權利要求2所述的聚結器，其中滿足標準B,並且其中標 準B還要求所述介質具有沿所述流動方向作為進入所述介質的深度的 函數而變化的梯度輪廓，使得纖維直徑和空隙率的至少一個作為深度 的函數而變化。
9. 根據權利要求8所述的聚結器，其中纖維直徑和空隙率中的所 述至少一個沿所述流動方向從上遊到中間深度隨著進入所述介質的深度的增加而減小，並且然後沿所述流動方向從中間深度到下遊隨著進 入所述介質的深度的增加而增加。
10.根據權利要求l所述的聚結器，其中滿足標準c,並且其中標 準C還要求所述元件具有大於或等於1.5的面面積比率F，其中其中L,是所述內腔的周邊的長度，DA是所述內腔的面積等效直 徑，即其中A,是所述內腔的面積。
11.根據權利要求IO所述的聚結器，其中所述幾何形狀是橢圓形。
12. 根據權利要求IO所述的聚結器，其中所述幾何形狀是跑道形。
13. 根據權利要求IO所述的聚結器，其中所述幾何形狀是三角形。
14. 根據權利要求10所述的聚結器，其中所述幾何形狀是狗骨頭形。
15. 根據權利要求IO所述的聚結器，其中所述幾何形狀是三凸角形。
16. 根據權利要求10所述的聚結器，其中所述幾何形狀是矩形。
17. 根據權利要求16所述的聚結器，其中所述矩形是正方形。
18. 根據權利要求IO所述的聚結器，其中所述幾何形狀是梯形。
19. 根據權利要求10所述的聚結器，其中所述幾何形狀是星-圓 形，即所述內表面具有星形，且所述外表面具有圓形。
20. 根據權利要求IO所述的聚結器，其中所述內和外表面具有不 同的幾何形狀。
21. 根據權利要求1所述的聚結器，其中滿足標準D，並且其中 標準D還要求選定所述內腔的最小橫截面積，使得所述內腔中的最大 動壓小於跨越所述元件的總壓降的10%。
22. 根據權利要求21所述的聚結器，其中所述內表面是所述上遊 表面，並且所述外表面是所述下遊表面，使得所述元件是從內向外流 元件。
23. 根據權利要求l所述的聚結器，其中滿足標準E,並且其中標 準E還要求所述聚結器具有大於或等於50%的微分體積比率。
24. 根據權利要求23所述的聚結器，其中所述介質是不打褶的深 度介質，並且其中標準E還要求所述微分體積比率大於或等於750/0。
25. —種聚結器，用來聚結具有兩種不混溶的相即連續相和分散 相的介質，所述連續相沿流動方向從上遊流到下遊，所述聚結器包括 沿軸線軸向地延伸並具有聚結器介質的聚結器元件，所述聚結器介質 俘獲所述分散相的微滴並使所述微滴聚結地成長為較大的液滴，所述 液滴進一步聚結並成長以形成排出的池，所述元件在與所述軸線成橫 向的平面中具有封閉環橫截面的幾何形狀，並且具有限定內腔的內表 面且具有外表面，所述外表面從所述內表面向外間隔開所述內和外表 面之間的所述元件的厚度，所述介質沿所述厚度具有深度尺寸，所述 內和外表面中的一個是上遊表面，所述內和外表面中的另一個是下遊 表面，其中，組合滿足下列標準的全部五個A) 所述介質是不打褶的纖維深度介質；B) 所述介質具有梯度輪廓，該梯度輪廓沿著所述流動方向作為進 入所述介質的深度的函數而改變，使得纖維直徑和空隙率中的至少一個沿著所述流動方向從上遊到中間深度隨著進入所述介質的深度的增 加而減小，並且然後沿著所述流動方向從中間深度到下遊隨著進入所 述介質的深度的增加而增加；C)所述元件具有大於或等於1.5的面面積比率F,其中其中L,是所述內腔的周邊的長度，DA是所述內腔的面積等效直 徑，即其中A,是所述內腔的面積；D) 所述內表面是所述上遊表面，並且所述外表面是所述下遊表面, 使得所述元件是從內向外流元件，並且選定所述內腔的最小橫截面積, 使得所述內腔中的最大動壓小於跨越所述元件的總壓降的10%:E) 所述聚結器具有大於或等於50%的微分體積比率，其中所述微 分體積比率是介質體積對元件體積的比率，其中介質體積和元件體積如在說明書中所定義的。叢
全文摘要
提供一種聚結器，該聚結器使高去除效率、低壓降、長壽命和小尺寸之間的折衷最小化。
文檔編號B01D39/08GK101541391SQ200680052207
公開日2009年9月23日 申請日期2006年8月23日 優先權日2006年2月3日
發明者巴麗·M·韋德甘, 布賴恩·W·施萬特, 庫爾特·M·A·巴德奧, 彼得·K·赫爾曼, 傑弗裡·A·費德勞伊茲, 羅伯特·E·繆斯, 羅格·L·佐奇 申請人:弗利特加爾公司