形成过滤元件的方法与流程

本申请是申请日为2011年11月2日、申请号为2011800511529、发明名称为“形成过滤元件的方法”的专利申请的分案申请。

背景技术：

在流体过滤领域中已知使流体经过颗粒物的床，以有助于从流体中过滤或分离杂质。这些颗粒床(其通常包括吸附材料，如活性炭)可为松散的和颗粒状的，或可被成型为固体多孔块。在任一种情况中，经过颗粒床的流体可接触许多吸附粒子的表面，杂质可在所述表面被吸引和去除。同时，在流体中的颗粒杂质可通过在颗粒床的孔结构内的机械分离而得以去除。固体多孔块的一个日益常见的应用是增长的饮用水纯化领域。随着流体过滤和分离的潜在应用增长和增加，不断地需要用于制造固体多孔块的改进方法和装置。

技术实现要素：

本公开涉及一种形成过滤元件的方法，该方法包括将混合物引入包括模具的装置中，所述混合物包含多个感受器粒子和多个聚合物粘合剂粒子、通过使所述混合物经受高频电磁场而在所述感受器粒子中诱导涡电流，所述涡电流足以升高所述感受器粒子的温度以使得相邻的聚合物粘合剂粒子被加热至至少软化点、使所述感受器粒子与经加热的聚合物粘合剂粒子在模具中粘合以形成粘结块体，以及冷却所述粘结块体以形成过滤元件。

在如上实施例中，所述方法还可包括从模具中移出所述粘结块体。

在如上实施例中，所述模具可包括电介质材料。

在如上实施例中，所述模具可包括多孔套筒，所述混合物被引入所述多孔套筒中，使得所述模具与所述粘结块体一起形成过滤元件，所述方法包括从装置中移出模具以及粘结块体。

在如上实施例中，所述方法还可包括将所述粘结块体粘合至所述多孔套筒。

在如上实施例中，所述多孔套筒可包括由外部套筒同轴围绕的非织造套筒，所述外部套筒由多孔聚合物或多孔陶瓷构成。

在如上实施例中，所述方法还可包括在将所述混合物引入模具中之前将所述模具置于夹持器上，以及在形成所述粘结块体之后从所述夹持器中移出模具。

在如上实施例中，所述夹持器可包括芯销，所述芯销形成所述粘结块体的内部轮廓，使得所述粘结块体为管状。在一些这样的实施例中，所述芯销包括电介质材料。

在如上实施例中，所述模具可包括芯销，所述芯销形成所述粘结块体的内部轮廓，使得所述粘结块体的至少一部分为管状。在一些这样的实施例中，所述芯销包括电介质材料。

在如上实施例中，所述高频电磁场可在约500khz至约30mhz的范围内振荡。

在如上实施例中，所述感受器粒子可包括活性炭。

在如上实施例中，所述聚合物粘合剂粒子可包括超高分子量聚乙烯。

在如上实施例中，使所述感受器粒子与经加热的聚合物粘合剂粒子粘合可包括烧结所述混合物，从而形成所述粘结块体，但聚合物粘合剂不涂布所述感受器粒子。

在如上实施例中，激发部分可包括感应线圈以产生高频电磁场，所述方法包括相对于所述模具移动所述感应线圈，以使整个混合物经受所述高频电磁场。在一些这样的实施例中，所述感应线圈移动，且所述模具被固定。在其他实施例中，所述模具移动，且所述感应线圈被固定。

在如上实施例中，所述方法还可包括在所述过滤元件的外部轮廓中形成多个凹陷。

本公开还涉及一种通过如上实施例中的任一个所述的方法形成的过滤元件。

本公开还涉及一种用于形成过滤元件的装置，所述装置包括模具和感应线圈，所述感应线圈围绕所述模具的至少一部分，以使模具内的混合物经受高频电磁场，其中所述感应线圈和所述模具相对于彼此移动，以使整个混合物经受高频电磁场。在一些这样的实施例中，所述感应线圈移动，且所述模具被固定。在其他实施例中，所述模具移动，且所述感应线圈被固定。

在如上实施例中，所述模具可包括芯销，所述芯销形成所述过滤元件的内部轮廓，使得所述过滤元件的至少一部分为管状。在一些这样的实施例中，所述芯销包括电介质材料。

在如上实施例中，所述高频电磁场可在约500khz至约30mhz的范围内振荡。

本公开还涉及一种用于形成过滤元件的装置，所述装置包括夹持器，从而以可脱开的方式保持多孔套筒和感应线圈，所述感应线圈与所述夹持器相邻以围绕所述多孔套筒的至少一部分，从而使所述多孔套筒内的混合物经受高频电磁场。

在如上实施例中，所述夹持器可包括芯轴，所述多孔套筒设置于所述芯轴上。

在如上实施例中，所述装置还可包括以可脱开的方式保持在所述夹持器上的多孔套筒。在一些这样的实施例中，所述多孔套筒包括由外部套筒同轴围绕的非织造套筒，所述外部套筒由多孔聚合物或多孔陶瓷构成。

在如上实施例中，所述感应线圈和所述夹持器可相对于彼此移动，以使整个混合物经受高频电磁场。在一些这样的实施例中，所述感应线圈移动，且所述模具被固定。在其他实施例中，所述模具移动，且所述感应线圈被固定。

在如上实施例中，所述夹持器可包括芯销，所述芯销形成所述过滤元件的内部轮廓，使得所述过滤元件的至少一部分为管状，其中所述感应线圈围绕所述芯销的至少一部分。在一些这样的实施例中，所述芯销包括电介质材料。

在如上实施例中，所述高频电磁场可在约500khz至约30mhz的范围内振荡。

在如上实施例中，所述模具可包括从模具的内表面向内延伸的多个成型凸起。

在以下具体实施方式中，本发明的这些方面和其他方面将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅由所附权利要求书限定，并且在审查期间可以进行修改。

附图说明

在整个说明书中参考附图，在这些附图中，相同的参考编号表示相同的元件，并且其中：

图1-4为根据本公开的用于形成过滤元件的装置的示意图；

图5为根据本公开的感受器粒子的感应加热的示意图；

图6为根据本公开的混合物的感应加热的示意图；

图7a为根据本公开的混合物的感应加热的详细示意图；

图7b为根据本公开的感受器粒子与聚合物粘合剂粒子的粘合的详细示意图；

图8和9为根据本公开形成的过滤元件的透视图；和

图10为根据本公开的模具的俯视图。

具体实施方式

本公开提供了用于由包含感受器粒子52和聚合物粘合剂粒子56的混合物50形成如图8和9所示的过滤元件80的方法和装置100。示例性装置100示于图1-4。通常将混合物50引入模具120中，所述混合物50可被预混。当混合物50在模具120中时，将高频电磁场152施加至混合物50。高频电磁场152在感受器粒子52中产生涡电流。涡电流的流动在感受器粒子52中产生足够的热量，以将相邻的聚合物粘合剂粒子56的温度升高至至少软化点。然后，经加热的感受器粒子52与相邻的聚合物粘合剂粒子56粘合，使得混合物50形成粘结块体60。然后，粘结块体60冷却而形成过滤元件80。根据本公开的混合物50和所形成的过滤元件80可包括但不限于混合物50、过滤元件80和介质，如hughes等人的美国专利no.7,112,280、no.7,112,272和no.7,169,304中所显示和描述，所述专利的公开内容以全文引用的方式并入本文。

相比于例如传导加热方法(其中在混合物可完全粘合之前，从围绕混合物的圆筒或夹套产生的热量必须传导经过混合物50的整个横截面)，本发明所公开的方法可提供更快的加热。对从圆筒或夹套传导的这种依赖通常需要对加热部分相对较长的暴露时间，以提供足够的时间来完全加热混合物。更长的加热时间可能是不利的，因为它们通常导致效率较低，因此成本更高的制备。

在模具120中发生的过程的代表示于例如图6、7a和7b中。在典型的实施例中，混合物50可在室温下进入模具120。一旦在模具120中，感受器粒子52和聚合物粘合剂粒子56的混合物50就经受高频电磁场152以在感受器粒子52中诱导涡电流。由于感受器粒子52具有固有电阻，因此在其中诱导的电流产生加热感受器粒子52的能量。

应注意，尽管据信在感受器粒子52中产生涡电流在本发明所公开的模具120中的加热过程中占主导，但聚合物粘合剂粒子56的某些直接加热也可通过称为电介质加热的过程而发生。电介质加热为一种过程，通过该过程，在高频电磁场152的影响下热量在电介质材料或电绝缘材料中产生。然而，不同于在电导材料中产生涡电流，电介质加热源自电介质中电偶极矩的翻转，所述电偶极矩设法使它们本身与交变电磁场对齐。

由于混合物50在模具120中充分压实，因此感受器粒子52往往与一个或多个相邻聚合物粘合剂粒子56物理接触。在感受器粒子52中产生的热量足以引起在物理接触点处相邻聚合物粘合剂粒子56的传导加热。该传导加热进而足以将聚合物粘合剂粒子56加热至至少软化点，以与接触的感受器粒子52粘合。取决于所选材料和所需应用，这种粘合可采取许多形式。这种粘合带一个实例示意性地表示于图7b中。

在一个实施例中，模具120中的高频电磁场152由围绕模具120的感应线圈154产生。通常，感应线圈154包括环形缠绕线圈，且模具120包括中空圆柱体、环绕模具120设定匝数的感应线圈154。匝数可为例如2、3、4、5、6或更多，取决于加热模具120的长度和所需的场。也可预期感应线圈154可包括不严格环绕加热模具120的更复杂的围绕形状。例如，当其他结构可能妨碍环绕感应线圈154时，可在线圈中提供复杂弯曲以避免妨碍结构，并同时仍然提供如本发明所公开的适于加热混合物50的高频电磁场152。

通常，感应线圈154由高频电源155驱动，所述高频电源155能够在线圈中设定通常在约500khz至约30mhz范围内，包括约1mhz、2mhz、4mhz、6mhz、8mhz、10mhz、12mhz、14mhz、16mhz、18mhz、20mhz以及所有的频率和其间的频率范围的高频交流电。也可预期更高的频率，只要可在感受器粒子52中有效诱导涡电流，从而发生充分加热。

感应线圈154所用的功率可取决于例如模具120的尺寸、模具120中的混合物50的横截面尺寸、混合物50的内容物和所需的加热速度而变化。在一个实施例中，感应线圈154可在过程中使用约700瓦至约2000瓦范围内的功率，尽管取决于例如所需总加热速度可预期更高的功率水平。

在一些实施例中，特别是当需要相对较长纵横比的粘结块体60(例如相对较小的剖面长度比)时，感应线圈154可能不具有足够的尺寸，或者不能产生足够的场来立刻加热整个模具120。在这种情况中，模具120、感应线圈154或上述两者可相对于彼此移动，如图2示意性所示。例如，模具120和感应线圈154相对于彼此可同轴平移以确保高频电磁场152充分穿透混合物50的所有部分。这种体系可用于例如如下情况：需要长的粘结块体，使得每个粘结块体可定长切削以形成超过一个过滤元件80。在这种情况中，可能不可行的是提供具有足够匝的感应线圈154或者足够强的场来立刻覆盖粘结块体60的整个长度。移动可通过例如伺服驱动或致动器而产生，从而提供受控的相对运动。

图5为连接至感应线圈154以使感应线圈154产生高频电磁场152的高频电源155的示意图。如图5所示，高频电磁场152可与感受器粒子52相互作用以在粒子中诱导涡电流，因此产生所述的粒子的电阻加热。应注意，提供图5仅协助解释感应加热的机制，而不旨在显示粒子相对于感应线圈154的实际位置。

在一个实施例中，如图1所示，高频电源155与阻抗匹配网络156成对，所述阻抗匹配网络156起到使来自感应线圈154的功率输出的吸收达到最大的作用。一般来讲，匹配网络156调节其电容器和感应器位置以将感应线圈154和电源的阻抗匹配至被加热的混合物50的阻抗，从而使混合物50的应用功率吸收达到最大。

在这种实施例中，由于由感应线圈154产生的电磁场必须穿透行进通过模具120内部的混合物50，因此模具120必须由不阻碍电磁场成功通过的材料构造。换言之，模具120必须对电磁场很大程度上透明，除了可能的少量电介质加热之外，如上所述。

除了对电磁场相对透明之外，给定应用所需的模具120材料可进一步显示出例如高介电强度、高体积电阻率、在高频率(～10⁶hz)下的低耗散因数、高的连续操作温度、高的热挠曲温度和良好的可制造性。这些性质在如下依次考虑。

首先，足够高的介电强度可降低模具120在高电压下分解的趋势，所述高电压可在整个模具120上产生。在一个实施例中，模具120由介电强度为至少约6kv/mm，更优选至少约15kv/mm，甚至更优选至少约20kv/mm的材料构造。

其次，足够高的体积电阻率可防止电流流动通过材料，甚至是在可能在模具120内在材料上产生的高电压下。在一个实施例中，模具120由体积电阻率为至少约1×10¹³ohm·cm，更优选至少约1×10¹⁴ohm·cm，甚至更优选至少约1×10¹⁵ohm·cm的材料构造。

再次，低耗散因数可协助防止模具120材料被加热，并因此防止由于施加在所述材料上的振荡电压而导致的来自高频电磁场152的能量衰竭。耗散因数(通常以百分比表示)为电介质材料中电功率的损失程度的量度。在电容器(其通常含有电介质材料)的情况中，低耗散因数对应于高品质电容器，高耗散因数对应于较差的电容器。在一个实施例中，模具120由耗散因数小于或等于约在10⁶hz下0.05％，更优选小于或等于约在10⁶hz下0.005％的材料构造。

再次，高温电阻可协助防止模具120材料在高温条件下屈服或者变形。由于模具120可经受350华氏度(177摄氏度)以上的温度，因此希望模具120材料在显著更高的温度下开始屈服或变形。在模具120中产生的典型温度可为约350华氏度(约177摄氏度)至约450华氏度(约232摄氏度)。取决于例如将给定聚合物粘合剂粒子56的温度升高至软化点以上所需的热量，其他温度范围是可能的。在一个实施例中，模具120由连续操作温度和/或热挠曲温度为至少约450华氏度(约232摄氏度)，更优选至少约500华氏度(约260摄氏度)，甚至更优选至少约572华氏度(约300摄氏度)的材料构成。

此外，良好的可制造性可允许模具120被精密制造而具有严格控制的几何和品质表面精整。通常，这些特征通过加工过程最佳获得。因此，期望模具120材料合理地受到加工技术的影响。还应注意，可模制模具120，只要所用的材料易受模制技术的影响。

考虑到如上标准中的一些或全部，可用于用作模具120的材料包括但不限于玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷、填充玻璃的陶瓷、聚四氟乙烯、填充玻璃的聚四氟乙烯、填充玻璃的液晶聚合物、聚苯并咪唑、芳族聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚邻苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、硅酸铝和有机硅。

在其他实施例中，如图3和4中所示的那些，模具120包括由夹持器122以可脱开的方式保持的多孔套筒130。在这种实施例中，感应线圈154可与夹持器122相邻设置，以围绕多孔套筒130的至少一部分。多孔套筒130包含可用于流体过滤的材料。例如，多孔套筒130可包含烧结或多孔陶瓷块或者烧结或多孔聚合物块。当模具120包括多孔套筒130时，如上所述的可用于模具120的材料性质中的一些或全部可能不适用，只要多孔套筒130对高频电磁场152足够透明。

在其中模具120包括多孔套筒130的实施例中，将混合物50引入多孔套筒130中，并如本文所述进行加热，使得粘结块体60在多孔套筒130内部形成，并被多孔套筒130粘合。然后，包括粘结块体60的多孔套筒130可从夹持器122中移出，使得多孔套筒130变成过滤元件80的一部分，如图9所示。该布置可为有利的，因为其可降低与固定模具相关的工具成本。

在相关的实施例中，多孔套筒130包括由外部套筒136同轴围绕的非织造套筒134，如图4和9所示。虽然外部套筒136可包括如上所述的多孔块，但非织造套筒134可包括一个或多个层或者材料的组合，如挤出网片、熔喷、熔纺、多孔膜或其他支撑层或排水层。非织造套筒134可用于粘合粘结块体60，以及通过保持在多孔套筒130与粘结块体60之间的流动路径开放而促进多孔套筒130与粘结块体60之间的流体流动。非织造套筒134也应该对高频电磁场152充分透明。

在一些实施例中，夹持器122包括芯轴126，可将多孔外壳设置于所述芯轴126上并在之后移出，如图3和4所示。在这种实施例中，芯轴126可形成模具120的壁以容纳混合物50。在一些实施例中，芯销112从芯轴126延伸而形成粘结块体60的内部轮廓84，如图4所示。芯轴126和/或芯销112可一定程度上伸入高频电磁场152中，可能有用的是由对场充分透明的材料(如电绝缘体)构造芯轴126和芯销112中的一者或两者。

在一些实施例中，模具120能有效地在粘结块体60中形成圆柱形横截面。在一些实施例中，模具120能有效地在粘结块体60中形成非圆柱形横截面。例如，模具120可构造为将粘结块体60的横截面成型为椭圆形或卵形。在其他实施例中，模具120可构造为将粘结块体60的横截面成型为矩形、三角形或其他多边形。这种横截面可在多边形侧边之间包括或不包括圆形边缘。在一些实施例中，芯销112提供圆柱形内部轮廓84，而模具120将外部轮廓82成型为非圆柱形横截面。在一些实施例中，芯销112提供非圆柱形内部轮廓84，且模具120将外部轮廓82成型为非圆柱形横截面。

在一些实施例中，感受器粒子52包括吸附感受器粒子52。在一些实施例中，吸附感受器粒子52包括活性炭。然而，感受器粒子52可包括适于给定最终用途(通常是流体纯化)或与给定最终用途(通常是流体纯化)相容，并能够在高频电磁场152的影响下通过涡电流的内部诱导而被加热的任何粒子。一般来讲，感受器粒子52将为电导体或半导体，且不为电绝缘体。电导体的例子包括但不限于银、铜、金、铝、铁、钢、黄铜、青铜、汞、石墨等。电绝缘体的例子包括但不限于玻璃、橡胶、玻璃纤维、瓷、陶瓷、石英等。一般来讲，具有更高固有电阻的感受器粒子52可在涡电流流动时更快地加热。例如，在高频电磁场152的影响下，铁可比铜更快地加热。一些材料但不是全部材料随着温度升高而显示出电阻的增加，并因此随着它们的温度在模具120中上升可以以更高的速率加热。在一些实施例中，感受器粒子52在25摄氏度下具有等于或大于约1×10⁴西门子/米的电导率。

在一个实施例中，聚合物粘合剂粒子56包含超高分子量聚乙烯(uhmw)。例如由于即使在远高于软化点的温度下uhmw也具有不熔体流动的趋势，uhmw非常适于本申请。当加热至软化点以上时，uhmw往往仅软化，并变得粘着，而不是熔体流动。作为结果，uhmw允许形成粘结块体60，其中各个感受器粒子52通过强制点结合或烧结的形式而粘合至聚合物粘合剂粒子56。这种强制点结合或烧结的代表性实例示于图7b中，其中单个感受器粒子显示为粘合至单个聚合物粘合剂粒子。在这种构造中，聚合物粘合剂粒子56与感受器粒子52粘合在一起，而不会熔体流动以用聚合物粘合剂涂布感受器粒子52的表面。在某些应用中，特别是当感受器粒子52行使活性纯化功能时，这样防止涂布对于保持活性颗粒表面可与滤液接触而言是重要的。尽管uhmw是用于聚合物粘合剂粒子56的理想材料，但应理解能够被加工而引起如上所述的强制点结合的其他聚合物也应该是可用的。

在一些实施例中，特别是当上述强制点结合或烧结不关键时，其他聚合物可用作聚合物粘合剂粒子56。

在一个实施例中，在加工而形成粘结块体60之前，聚合物粘合剂粒子56进行等离子处理。聚合物粘合剂粒子56的等离子处理可赋予由粘结块体60形成的过滤元件80所需的性能特性。例如，可产生改进的润湿性和改进的初始流动性。而且，通过使用经等离子处理的聚合物粘合剂粒子56，有可能形成具有相对较薄的壁的过滤元件80。也可预期聚合物粘合剂粒子56的其他表面处理，例如接枝或表面改性以产生或增强颗粒物质的抗微生物性质或亲和力。适用于聚合物粘合剂粒子56(包括uhmw)的这种粒子处理的例子描述于例如stouffer等人的美国专利公布no.2010/0243572a1中，所述专利的公开内容以全文引用的方式并入本文。这种处理的特别的益处描述于例如stouffer等人的[0032]至[0043]段中。

在一些实施例中，一种或多种添加剂可伴随混合物50。例如，可将铅或砷还原组分(包括颗粒形式的那些)加入混合物50中。在一个实施例中，可将银加入混合物50中以协助防止所形成的过滤元件80的细菌生长。在这种实施例中，可包括银或其他金属或高传导粒子，以占感受器粒子52的至少一部分。为了本公开的目的，高传导感受器粒子在25摄氏度下具有等于或大于约0.5×10⁶西门子/米的电导率。由于一些高传导材料在高频电磁场152的影响下可更快加热，因此可预期在混合物50中包含这种高传导感受器粒子52可用于加速混合物50的加热，并因此可用于提供增加的加热速率。在一个实施例中，高传导感受器粒子52可与活性炭感受器粒子52组合，以构成相比于其中感受器粒子52包含单独的活性炭的混合物50可更快加热的混合物50。

根据本公开形成的过滤元件80，无论是单独使用或与其他分离装置或介质组合使用，可用于各种不同的流体纯化和分离应用，包括但不限于饮用水和其他流体纯化，包括沉淀物、铅、砷、细菌、病毒、氯和挥发性有机化合物的还原。

应注意，根据本公开的装置100可设定为形成实心圆柱形粘结块体60、管状粘结块体60或盲管状粘结块体60(在其他轮廓中)。当需要管状粘结块体60时，通常使用芯销112来协助形成管状成型件的内部轮廓84。在这种实施例中，芯销112可完全延伸通过模具120，或者仅延伸通过模具120的一部分。通常，芯销部分112包括光滑圆柱形轮廓，尽管这种轮廓可包括在模具开口116的方向上向内渐缩的一部分。在一个这种实施例中，芯销112可包括向模具120的开口以例如约0.001英寸/直线英寸(0.001mm/直线mm)的速率向内渐缩的一部分。芯销112的这种向内渐缩可减少在从模具120中移出粘结块体60时所遇到的磨擦力。

在一些实施例中，芯销112包括对高频电磁场152透明的材料。在这种实施例中，用于芯销112的示例性材料可相同或类似于用于模具120的上述那些材料。当希望防止芯销112在高频电磁场152的影响下感应加热并因此传导加热粘结块体60的内部轮廓84时，这种材料的选择可能是重要的。例如，可预期在所公开的方法中提供导电芯销112可导致感应加热芯销112，使得混合物50中的材料可被加热超过适当的工作温度。这种芯销112加热不仅可改变粘结块体60的形成，而且也可能由于高频功率被导电材料吸收而不是被混合物50本身直接吸收而导致浪费能量。然而，取决于混合物50中所用的材料和过滤元件80的所需特性，可允许或甚至希望由可通过感应涡电流而加热的材料来构造芯销112。

在一个实施例中，如图10所示，模具120包括从模具120的内表面向内延伸的多个成型凸起124，以在粘结块体60的外表面中形成相应的凹陷。这些凹陷在粘结块体60冷却和硬化之后保持，并可增加粘结块体60的外表面的表面积，由此改进例如所得过滤元件80的沉积寿命。

在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明的各种修改和更改对于本领域的技术人员将一目了然。应当理解，本发明并不限于本文示出的示例性实施例。