空间优化的聚结器的制作方法

专利名称：空间优化的聚结器的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚结器。
背景技术：
在现有技术中，已知聚结器用来聚结具有两种不混溶的相，即连 续相和分散相的介质。例如在发动机曲轴箱通风系统和其它空气-油 分离系统中，连续相是空气，而分散相是油在诸如燃料过滤器的燃 料-水分离系统中，燃料是连续相，而水是分散相；在水-油分离系统中， 水是连续相，而油是分散相。聚结器元件具有聚结器介质，该聚结器 介质俘获分散相的微滴，使微滴聚结地成长为较大的液滴，该液滴进 一步聚结并成长以形成排出的池。本发明特别好地适用于发动机曲轴 箱的通风应用，但也可以用于具有不混溶的流体(例如，空气-油、燃 料-水、水-油等)的其它分离系统。
在设计聚结器中，经常需要做出折衷。例如，a)髙去除效率或b) 低压降或c)长使用寿命或d)小尺寸可以单独地实现，但不必组合地实 现。本发明解决并减小组合中的这些折衷。


图2是示出加载和饱和的曲线图。 图3是根据No.l 1/230694申请的聚结器的透视图。 图4是图3的聚结器的前正视图，并且示出根据No.ll/230694申 请的另外实施例。
图5类似图4并且示出另一实施例。 图6类似图4并且示出另一实施例。 图7类似图4并且示出另一实施例。 图8类似图4并且示出另一实施例。 图9类似图4并且示出另一实施例。 图10类似图4并且示出又一实施例。 图11是示出纤维取向角的示意图。 图12类似图11并且示出另一实施例。 图13类似图11并且示出另一实施例。 图14类似图11并且示出另一实施例。 图15类似图11并且示出另一实施例。 图16类似图11并且示出另一实施例。 图17类似图ll并且示出另一实施例。 图18类似图ll并且示出另一实施例。 图19类似图ll并且示出另一实施例。 图20类似图ll并且示出另一实施例。 图21类似图11并且示出另一实施例。 图22类似图ll并且示出另一实施例。
图23是用扫描电子显微镜以43X的放大率获取的纤维介质的显微 照片。
图24是相对于图23成90。取向用扫描电子显微镜以35X的放大 率获取的纤维介质的显微照片。
图25是又一实施例的示意图，示出跨越局部凹处的纤维取向。 图26-28取自上述专利No.l 1/273101申请。
图26是示意性透视图，示出用来制造根据No.ll/273101申请的 聚结器的方法。图27类似图26并且示出又一实施例。
图28是曲线图，示出根据No.11/273101申请的聚结器特性。
图29是剖视图，示出根据本发明的聚结器。
图30类似图29并且示出另一实施例。
图31类似图29并且示出另一实施例。
图32类似图29并且示出另一实施例。
图33类似图29并且示出另一实施例。
图34类似图29并且示出另一实施例。
图35类似图29并且示出另一实施例。
图36类似图29并且示出另一实施例。
图37类似图29并且示出另一实施例。
具体实施例方式
美国专利申请No. 11/230694
下面关于图1-25的描述取自上述No.11/230694申请。
图1示出用来聚结介质22的聚结器20，该介质具有两种不混溶 的相，即连续相24和分散相26。例如，对于发动机曲轴箱通风聚结器 的情况，连续相24是空气，并且分散相是油，例如，以具有微滴26 的细雾的形式，该微滴26的直径大约为一微米和更小。连续相24从 上游流到下游，即在图1中从左流到右。聚结器包括纤维介质28，该 纤维介质28俘获分散相的微滴，使微滴聚结地成长为较大的液滴(例 如像在30、 32处所示的)，它进一步聚结并成长以形成例如34的池， 该池如在36处所示的那样排出。在气体或空气流24内，微滴26可碰 撞并且通过液滴到液滴的聚结而尺寸增加。在进入聚结器20时，微滴 通过撞击、拦截、扩散、或者静电的或其它过滤机理被俘获。微滴在 被俘获时尺寸增加，并且未俘获的微滴聚结以形成较大的液滴。当液 滴变得足够大并且汇聚在34使得流动力和/或'重力超过附着力时，变大 的/汇聚的液滴流过纤维介质层并且如在36处所示那样被释放。分散相 饱和度在聚结器内变化，典型地，由于粘性力，在接近下游面(图1的右手面)处具有增加的饱和度，并且由于重力，在聚结器的底部具 有增加的饱和度。与空隙率一样，饱和度是无量纲数，代表由俘获的 分散相占据的过滤器介质的空隙空间的百分率或百分比。饱和不意味 着整个空隙体积充满俘获的诸如油的分散相，而是意味着该元件保持 尽可能多的油。在饱和的情况下，在图1中，与顶部和左部相比，底 部和右部保持更多的油。
在没有固体污染物的情况下，在聚结器的加载期间跨越聚结器的
压降增加(图2的左侧)，且然后一旦聚结器变得饱和，压降就变得 稳定(图2的右侧)。图2是以毫米水柱为单位的压降AP对以分钟为 单位的时间的图表。在加载期间，俘获的速率大于排出的速率。在饱 和期间，俘获的速率等于排出的速率。实际上，由于固体污染物被俘 获并由聚结器保持和/或俘获速率超过从聚结器排出的速率，因而出现 堵塞或过高的压力。在本公开内容的两个希望的方面，聚结器的固体 保持容量增加且聚结器的排出速率增加。上述饱和度分布图在聚结器 设计中是重要的，因为增加的饱和度对应于纤维介质层中的减小的有 效空隙率和增加的限制。
No.ll/230694申请的公开内容提供了一种具有纤维介质的聚结 器，该纤维介质适于通过增加来自它的排出来减小跨越它的压力降。 这以将要被描述的各种方式实现。
图3示出纤维介质聚结器40，该纤维介质聚结器40具有空心内 部42且提供由内向外的流动，即如在44处示出的进入空心内部42的 入流，和随后从空心内部42通过纤维介质46向外的流动，如在箭头 48处所示。聚结器40具有沿第一水平面50的第一横截面积Ap和沿 第二水平面52的第二横截面积A2。水平面52在竖直方向上位于水平 面50下方(图3、 4)。横截面积A2小于横截面积A,。聚结器40具 有周边54,该周边54具有跨越它的多个弦，所述多个弦包括诸如56 的竖直弦和诸如58的水平弦。最长的弦竖直地延伸，例如56。水平弦速率是分散相柱的高 度的函数，该分散相柱的髙度与元件高度和横截面积成比例。通过沿 竖直取向提供形状的较长尺寸，最大化了排出压力。通过使横截面积 向着聚结器的底部减小，获得两个优点。首先，在限制为最大且污染 流体的流动速率和去除为最小的情况下，浸透了分散相的元件的体积 被最小化。相反，在限制最小且污染流体的流动速率和去除最大的情 况下，所述元件的体积被最大化。第二，较大比例的元件体积可用来 俘获并保持可能堵塞聚结器或以其它方式引起过度压降的任何固体。 由于相对于上段增加的局部饱和度，下段更具有限制性并且具有比上 段小的流动速率。人们可能期望在下端中去除也较高，然而实际情况 不是这样，原因是(a)由于较小的流穿过下段，它对由元件进行的 总去除的贡献较小；和(b)下段中的局部速度相对较高，这连同增加 的饱和度一起增加了液滴的再H散，这不利地影响了去除。
图3、 4将竖直平面中的上述给定形状示出为空心跑道形状。竖直 平面中的其它给定形状是可能的，例如空心的椭圆形形状62 (图5)、 空心的三角形形状64 (图6)、空心的正方形形状66 (图7)、空心 的梯形形状68 (图8)和空心的圆形形状70 (图9)。从内向外流是 优选的，因此流动速度随着进入介质的距离而减小，这最小化了再飞 散和将聚结的液滴携带入清洁侧的可能性，并减小聚结器的饱和度高 的部分中的速度。这对于跑道形和椭圆形是特别有利的，这是因为由 这些形状的元件的内部中的较小的上游敞开空心空间导致的它们的较 好的空间利用。从外向内流也是可以的。
在一个实施例中，纤维介质由多个纤维提供，该多个纤维具有非 随机的主导竖直取向(图4)。纤维优选为聚合物，并且优选地取向成 围绕给定形状的周边且在可能的情况下平行于重力的方向。纤维优选 地沿周边54主导周向相切地延伸。优选地沿周边54主导周向相切地延伸的纤维是主导竖直的，并且在聚结器的下部区域提供增加的排出 压力。所述元件优选地通过静电纺丝或熔喷纤维，或者围绕给予纤维 上述优选取向的元件周围包覆或缠绕纤维介质的片材而制造。纤维的 优选取向和对准减小了所俘获的液滴流动的阻力，并通过形成平行于 重力的流路和通道增强了排出。为了易于制造，优选通过熔喷或静电 纺丝形成的聚合物纤维，但也可以使用其它材料。
在另外的实施例中(图4),聚结器沿竖直方向的振动或摆动， 特别地连同上述纤维取向一起，是增强排出、最小化限制和增加聚结 器寿命的另外方法。在一个实施例中可以是内燃机或其它机械部件的 如虚线所示的摇动器72沿竖直方向振动或摆动聚结器。沿竖直方向的 这种运动或振动使俘获的液滴加速，并且突然反向引起它们从纤维剥 落并以最小阻力排出。在上述实施中，发动机或其它设备的正常振动 促进这种振动，然而，可能希望提供聚结器的明智的定位和安装或通 过添加机械振动器来振动聚结器。
聚结器具有下部区域，例如在图4中平面52处，与例如在平面 50处的上部区域相比，该下部区域具有较大的分散相饱和度和较小的 体积，从而在限制最大且连续相的流动速率最小且污染物去除最小的 情况下最小化浸透分散相的纤维介质的体积，并且在限制最小且连续 相流动速率最大且污染物去除最大的情况下最大化纤维介质的体积。 在另外的实施例中(图10)，下部介质元件74设置成具有比纤维介质 46更大的分散相可湿性并接触聚结器40的下部区域，并且在在下部区 域从纤维介质46中芯吸聚结的液滴。在一个实施例中，纤维介质46 相对于分散相是不润湿的，并且下部介质元件74相对于分散相是润湿 的。在优选的形式中，下部介质元件74的分散相接触角的余弦大于纤 维介质46的分散相接触角的余弦。在上述内燃机应用中，芯吸层74 的目的是从聚结器吸油并将油引到收集容器，例如发动机或油箱。在 这种实施例的优选形式中，芯吸层74是非编织的过滤器介质，虽然替 代地它可以是油箱自身的壁或具有合适可湿性特性的其它材料。上述公开内容提供了用来减小跨越聚结器的压降的各种手段，包
括增强从聚结器排出聚结的分散相。如图2所示，跨越聚结器的压降随时间增加，直到聚结的分散相(例如，在曲轴箱通风过滤器的情况下是油)的排出速率等于分散相的俘获速率。通过增加排出速率可减小平衡压降，而这转而减小聚结器的分散相饱和度并增加聚结器的有效空隙率。通过增加空隙率，，聚结器的固体加载容量增加了，也增加了聚结器的寿命。
除了上面公开的用来增加排出速率的方式，各种方式可用来利用纤维取向的另外优点。如上所述，纤维可以相对于重力且相对彼此有利地取向。为了此处的目的，相对于水平方向，即相对于垂直于重力的方向的角度,第一主导纤维取向角a被定义为纤维延伸76(图11-22)。在图11、 18、 20中，a是0。。在图12、 15、 21中，a是负45。。在图13、 16、 22中，a是负卯。。在图14、 17、 19中，a是45。。纤维也可以相对于流动方向有利地取向。为了此处的目的，第二主要纤维取向角i8被定义为纤维延伸76相对于流动方向24的角度。在图11、 15、19中，P是0°。在图12、 16、 20中，e是负45°。在图13、 17、 21中，P是负卯。。在图14、 18、 22中，j8是45。。图11-22示出从空心内部42穿过纤维介质46向外的多个流动方向中的各种示例性流动方向。图11-14示出平行于水平方向的流动方向24。图15-18示出相对于水平方向成负45°的流动方向24。图19-22示出相对于水平方向成45°的流动方向24。
三个力作用在所俘获和聚结的液滴上，即由于流体流动引起的拖曳力；重力；和由于毛细压力引起的粘附力或附着力。第三个力由介质的润湿特性控制且上文中已描述过。同样重要的是，拖曳力和重力之间的相互作用。由于希望向下排出液滴，因此希望纤维取向角a满足sina小于零的条件，使得重力辅助排出，例如图12、 13。如果sina大于零，则重力阻碍排出，增加平衡压降并减小寿命。因此，图11和14中的纤维取向角a是较少被希望的。优选的是，a小于0。且大于或等于负卯°。至于相对于流动方向24的纤维取向角/3，由于流体流动引起的拖曳力随着cosin/3增加而减小。优选的是，cosinP大于0.5,即e小于60°且大于负60。。
为了减少聚结器的总体饱和度，减小压降，且增加寿命，所有的纤维都展示优选的取向是不必要的。而是，大多数纤维应具有所希望的取向，即具有主导纤维取向或角度。图23是显微镜照片，示出大致平行于重力且垂直于流动方向的主导纤维取向，如指示箭头所示。图24是显微镜照片，示出相对于重力的纤维取向，其中流动方向进入页面。在另外的实施例中，可提供具有所希望的取向的足够数量的纤维以局部增强排出。因为聚结的分散相从这种区域更自由地排出，所以保持了低的局部分散相饱和度和压降，并且减小了聚结器的净有效饱和度。虽然希望所有的纤维的a小于0。且大于或等于负90°，并且/3小于60°且大于负60°，但这是不可行的。也可以使用各种组合。例如，在图25中，如果希望不同纤维取向的局部区域不垂直，则诸如在78处示出的局部凹处可形成在纤维介质中，这种凹处使多个纤维沿其它的纤维取向角a和jS偏斜。这些局部凹处可设置成如以引用的方式并入这里的美国专利6387144中所示，例如，在纤维取向角a和/3不同于0。且不同于90°或负90°的情况下，通过针刺法产生这种局部凹处、凹陷或凹痕。其它手段也可用于形成局部凹处，例如所述介质可钉有较大的纤维、丝线、钉子、曲头钉或具有高的长宽纵横比的类似结构，使得a和/或/3不同于卯。或负卯°，如希望的那样。在另一替代方案中，在线沿着0°的角度(平行于流动方向)取向的情况下，线状材料可使用缝纫机等缝制到聚结器介质中，并且穿刺针和线将引起周围的纤维介质以不同于90°或负90。的角度取向。在另--替代方案中，使用加热的针或超声波焊接型工艺而不是使用针刺法，可产生局部凹处。这将产生导致聚结的分散相从聚结器排出的饱和度梯度。因此，即使不是所有的纤维都具有不同于0。的所希望的取向角a，与所有的纤维以a等于0。取向的情况相比，排出仍将增强。这些改进引入优选地相对于流动取向以有助于排出并减小压降的方式取向的纤维或结构。由于使所有纤维都如此取向通常是不切实际的，可以在分层的介质中产生具有优选取向的局部凹处以减小压降和提高聚结器的寿命。
No.ll/230694申请的系统提供一种增加聚结器的寿命的方法。该聚结器具有跨越它的压降，该压降随时间增加，直到所聚结的分散相的排出速率等于俘获速率，提供平衡压降。该方法通过减小分散相饱和度并增加空隙率来增加聚结器的寿命，并且通过增加排出速率以减小平衡压降来增加固体加载容量。该方法包括提供纤维介质作为多个纤维，并且使该纤维优选地沿小于0°且大于或等于负90。的第一主导纤维取向角a，并且优选地沿小于60。且大于负60。的第二主导纤维取向角/3主要地取向。在一个实施例中，该聚结器竖直地振动。该方法包括通过为聚结器设置有与上部区域相比具有较大分散相饱和度和较小体积的下部区域，在限制最大且流动速率和去除最小的情况下最小化浸透有分散相的纤维介质的体积，并且在限制最小且流动速率和去除最大的情况下最大化纤维介质的体积。在一个实施例中，在增加的分散相饱和度的下部区域处从纤维介质将聚结的液滴芯吸走。
美国专利申请No. 11/273101
下面关于图26-28的公开内容取自上述No. 11/273101申请。
在优选实施例中，No.ll/273101申请的系统使用熔喷技术来制造聚结器。用于粒子过滤器的熔喷技术在现有技术中是已知的，例如以引用的方式并入这里的美国专利6860917、 3755527。参考图26，并且也注意所并入的美国专利6860917第3栏25行开始的描述，热塑性聚合物的小球被引入挤出机102的小球储料器101，所述热塑性聚合物例如聚酯、聚丙烯、聚醚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯硫醚、尼龙、乙烯丙烯酸共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、硅树脂、聚对苯二甲酸乙二酯，或者这些的掺合物或混合物。驱动或熔化泵104迫使热塑性聚合物通过挤出机102进入模头103。模头103可包含加热装置105，该加热装置105可控制模头103中的温度。然后，迫使热塑性聚合物离开模头103中的一排模开口 106(也称为喷丝头)进入气流，该气流使热塑性聚合物变细为纤维107，该纤维107被收集在诸如如旋转的心轴或滚筒109的运动的收集装置8上，以形成连续的110。使热塑性聚合物变细的气流通过气体喷口 111和U2被供给，对此可另外参考上述并入的美国专利3755527的图2。气体狭缝111和112由气体管路113和114供给热气体，优选为空气。也参考通过引用的方式并入这里的美国专利3978185，以示出熔喷工艺。熔喷包括有时称为熔体纺丝和纺粘法的工艺。典型地，通过与熔喷模相关联的孔U挤出聚合物以形成指向收集器的过滤器，从而制成熔喷过滤器筒。在熔喷期间，惰性气体(例如空气)流作用在熔融纤维上，从而使纤维变细到相对细的直径并将变细的纤维随机地分布到收集器上。大量非编织的随机地互相混合的固化的纤维积聚在收集器上。由旋转心轴109提供的收集器108收集纤维并将纤维巻成环形过滤器辊115。
在一方面，No.ll/273101申请提供了用于通过熔喷工艺来生产具有可变直径的聚合物的基本上连续的长纤维的一种方法。纤维缠绕成规定形状的形式以产生具有分级的纤维直径和空隙率特性的聚结器元件。聚结器聚结具有两种不混溶的相，即连续相和分散相的介质。连续相从上游流到下游。聚结器元件由俘获分散相的微滴的纤维介质提供，使微滴聚结地成长为较大的液滴，该液滴进一步聚结并成长以形成排出的池。在一个优选实施例中，希望聚结器介质的性质作为深度的函数而变化。在诸如曲轴箱通风聚结器、雾移除过滤器、燃料水聚结器和油水分离器的聚结器应用中，在一个优选实施例中，希望空隙率和/或纤维直径随着进入介质的距离增加而减小，在中间深度，即上游和下游端部之间的某处达到最小值，并且然后，空隙率和/或纤维直径从中间深度到接近下游面的下游随着进入介质的距离的进一步增加而增加并且变得更加敞开。这种U形轮廓在后面，例如在图28中被进一步描述，其纤维直径和/或空隙率从上游到中间深度减小，并且然后从中间深度到下游增加。减小的空隙率和纤维直径在聚结器的上游部分中导致较低的限制。最小的纤维直径和/或空隙率是获得最大去除效率的部位。从中间深度前进到下游的空隙率和纤维直径的随后增加促进了从聚结器排出和释放所俘获的微滴。
各种方法已经用来改变作为深度的函数的聚结器介质的性质。例如，不同的介质层可层叠以获得这种效果。例如，聚结过滤器由内部的高效率聚结层和外部的粗糙排出层构成。在一些应用中，例如多达七个不同的层的多个层用于实现所述优点。典型地，这可以通过以多层的方式将不同的介质片材碾压或打褶在一起，或者通过将不同的层熔喷(包括熔体纺丝)在彼此顶部上来完成。每个层可由要在生产中获得并处理的不同材料组成。每个层可能需要不同的步骤和/或设备以便处理和生产。层之间的过渡倾向于突变的或展示阶梯的函数变化，
寿命及容量。
在No.11/273101申请的一个方面，提供一种用于生产聚结器元件的方法，包括用于曲轴箱通风和除雾的聚结器，和用于使用纤维聚结器介质的其它类型的聚结器，其中可以如希望地作为进入聚结器的深度的函数而改变纤维直径和/或空隙率。纤维通过由合适的热塑性聚合物熔喷而形成基本上连续的长度，例如上述那些。纤维被收集到回转的/自转的/旋转的心轴或合适横截面形状的其它合适的收集器上，所述合适横截面形状例如圆形、卵形、椭圆形、跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。在一方面，当生产纤维以产生沿其长度在不同点具有不同直径的长纤维时，单个纤维的直径发生变化。在另外的方
面，当生产纤维时，相对于形成在心轴上的聚结器介质的厚度控制纤维的直径，以便产生具有聚结器介质性质(例如，作为深度的函数而变化的纤维直径和/或空隙率)的聚结器元件。在另一方面，收集器或心轴和熔喷模以一维、二维或三维的方式彼此相对地运动。图26示意性地示出上述方法。它示出熔喷工艺，包括含有聚合物小球的所述储料器101，熔化泵104，空气管路113、 114，模103，心轴109,纤维107，和所形成的聚结器元件115。也示出的是具有彼此正交的X、 Y和Z轴的三维坐标系，其中由旋转心轴109提供的收集器108绕Z轴旋转并且沿X轴与模103间隔开。模103沿Z轴的长度典型地小于元件115沿Z轴的长度，以便在元件115的生产期间允许模103和收集器心轴109的相对运动而不会有纤维107的显著喷溅。在纤维的生产期间，沿纤维的长度，通过以下方式改变纤维的直径通过使模和收集器/心轴沿X和/或Y方向彼此相对地运动，改变模和收集器/心轴之间的距离和/或控制模和收集器/心轴沿X、 Y和Z方向的彼此相对的位置和/或控制聚合物吞吐量；和/或控制空气压力和/或流动速率；和/或例如通过使模和收集器心轴沿X、 Y和/或Z方向彼此相对地运动和/或控制绕Z轴的心轴旋转速度，来控制心轴速度；和/或聚合物的温度。这些因素也影响聚结器介质的空隙率和纤维取向。例如，通过沿Z方向来回移动模和收集器的相对位置，纤维的取向在沿收集器或模的方向的这种变化下颠倒。这产生增加作为结果的元件的结构完整性的互锁纤维的交叉模式，并且促进所聚结的液体的排出，例如，如在上述No.11/230694申请中阐述的。
空隙率也可通过施加压力到介质来控制。图27和图26—样，并且在适合于促进理解的情况下，使用与上面相同的附图标记。通过使用压縮辊116提供一种控制空隙率的方法。通过以施加压力在聚结器元件U5上的压縮辊116的受控使用，并通过控制压縮辊116碾压元件U5的压力/力，可在元件生产期间控制空隙率。纤维直径和/或空隙率被控制作为深度的函数，而不使用提供复合或层状结构的不同介质的不同层。
纤维直径也是引入储料器的热塑性聚合物的类型的函数。这可有利地用于产生较髙性能的聚结器元件。例如，通过在储料器中混合两种或更多不同类型的相容聚合物(例如具有不同熔点的两种聚酯)的小球，并且熔喷作为结果的混合物，两种或更多不同直径、化学和物理特性的纤维可被同时熔喷并相对于元件中的深度放置在相同的位置。例如，如果两种聚合物具有不同熔点，一种聚合物将比另一种聚合物冷却得更快，并且具有最低熔点的所述一种聚合物将坚固地粘接到其它类型的聚合物并增加介质的总体强度和结构完整性，同时产生双模态纤维直径分布，每个模态的纤维直径在纤维生产期间变化。类似地，例如，通过将小百分比能产生大直径纤维的聚合物与较髙百分比能产生较细纤维的聚合物混合，可优化限制和去除。替代地，例如，通过将小百分比能产生大直径坚固纤维的聚合物与较高百分比能产生较好地适于俘获细污染物但缺乏结构完整性的较细纤维的聚合物混合，可增加元件的结构完整性。通过混合相对髙润湿的聚合物与相对非润湿的聚合物，可以获得所聚结的液体从聚结器的排出和减小的限制。为了进一步优化聚结器介质的结构，可以通过控制储料器中的或泵送到模的不同类型的聚合物的相对量作为深度的函数来改变不同类型的纤维的相对量。该组合产生特别良好地适于聚结器应用的元件，所述聚结器应用包括曲轴箱通风过滤器、除雾过滤器、燃料水聚结器和油水分离器。这种元件从流体流聚结并去除污染物微滴。它们实现了高的移除效率，以促进所聚结的液体污染物的排出，以具有髙的污染物保持容量和长的使用寿命。
作为例子，在第一聚结器实施例中，具有至少双模态纤维直径分布的纤维被缠绕在辊中作为单个片材，但在实现作为深度的函数而变
化的空隙率的元件辊115中有效地提供多层。取决于效率要求，在纤维分布中较小纤维的平均直径在0.05到lOpm的范围中。这些纤维的功能是高效率地去除细的污染物。较粗的纤维具有20到100"m的直径以促进排出。这些元件制造为具有10mm最小厚度的深度型元件。为了使元件物理上坚固并同时产生两种不同直径的纤维，使用两种不同类型的聚合物，例如使用95%的PBT (聚对苯二甲酸丁二酯)聚合物和5%的PET (聚对苯二甲酸乙二酯)聚合物。平均纤维密度是1.38克每立方厘米，并且平均元件空隙率大于80%。组合使用细的和粗的纤维，即沿其长度在不同点具有不同直径的单个纤维，导致了高的效率、好的排出性质和低的微滴再飞散。在应用于曲轴箱通风中在柴油机上测试时，对于特细的油雾和碳黑，新元件的去除效率大丁-卯％。
油雾的微滴尺寸从小于0.03^n变动到10jrai，而平均直径在0.4到l.Opm的范围内。即使对于聚结过程的油浸透阶段，也获得大于80%的效率。
在第二聚结器实施例中，相同的聚合物混合物用于实现双模态分布，然而，模和收集器心轴之间的距离在聚结器元件生产的开始时(例如，在邻近心轴的环形元件115的中心115a附近)减小，然后在元件生产的中间时间附近(例如，介质的中间深度115b)逐渐增加，并且然后在元件生产的快结束时(例如，在环形元件的外部部分115c)再次减小。这通过使模103和心轴109沿X方向相对彼此运动来实现。同时，模103和心轴109可沿Z方向相对彼此运动以实现希望的纤维取向。这导致具有过滤器面115a附近的两种类型的较粗纤维的元件结构，从而当用于从内向外流的几何结构时，在元件的上游侧促进较粗污染物而不是较细污染物的去除。纤维直径在区域115a和115c处最大，并且在区域115b处最小。纤维直径从区域115a到115b减小，并且然后从区域115b到区域115c增加。空隙率在区域115a和115c处最大，并且在区域115b处最小。空隙率从区域115a到区域115b减小，并且然后从区域115b到区域115c增加。纤维直径和空隙率作为从心轴109向外的距离的函数变化，即作为从区域115a到区域115b和从区域115b到区域115c的过滤器深度的函数变化。这示出于图28中，图28示出是元件115的径向深度的从心轴的中心沿横坐标或水平轴的距离，并沿纵坐标或竖直轴示出相对纤维直径和相对空隙率。纤维直径和空隙率从区域115a到115b减小的上述变化示出于向下斜线117、 118，并且中间深度区域115b处的纤维直径和空隙率示出于119、 120,并且从中间深度区域115b到下游区域115c增加的纤维直径和空隙率示出于121、 122，结果形成U形分布。
上述U形分布123 (图28)导致跨越聚结器元件的总限制的净降的纤维直径的曲线图(图
28)中，上述变化的纤维直径具有U形分布123，最小纤维深度直径 在上述中间深度115b位于U的弯曲部119。同样，在沿着横坐标的元 件深度对沿着纵坐标的空隙率的曲线图中，上述变化的空隙率具有U 形分布，最小空隙率在上述中间深度115b位于U的弯曲部。纤维直径 和空隙率从区域115a到区域115b减小，在去除和限制最髙的点上两 个参数获得最小值。从这个最小值，纤维直径和空隙率从区域115b到 区域115c再次增加，以减小限制和促进所俘获的聚结液体从聚结器排 出。纤维直径和空隙率的逐渐改变避免多介质元件固有的流动不连续 和污染物聚积不连续，所述多介质元件具有不同介质材料的不同层或 片材和/或不同纤维直径的不同层或片材和/或不同空隙率的不同层或 片材。替代地，本系统中的纤维直径和空隙率的例如沿着上述单个连 续纤维的逐渐改变消除了阶梯变化不连续，并减小了限制及增加了聚 结器的使用寿命。在聚结器中，毛细压力将微滴保持在适当位置。如 果遭遇阶梯变化，例如大空隙降至小空隙，则微滴的运动对抗毛细压 力以使微滴运动到较小的空隙中，这显著增加了限制。在本系统中， 通过提供逐渐的变化，例如避免不同层的形成并试图迫使微滴从其通 过，避免这种不希望有的特性。对于分散相所润湿的介质，这在上述U 形分布123的上坡部分121、 122中特别显著。对于分散相不润湿的介 质，这在上述U形分布123的下坡部分117、 118中特别显著。本系统 将相同的这种给定的单个纤维的纤维直径从第一环形区域中的第一直 径逐渐改变到第二环形区域中的第二直径(例如从115a到115b和/或 从115b到115c)以在它们之间提供逐渐过渡，消除了包括在流体流动 速度和压降特性中的突变的阶梯函数变化和对应的不连续，这以其它 方式增加了限制并减小了寿命与容量。
以上例子提到环形元件辊，该环形元件辊具有封闭的环形，例如 圆形、椭圆形、椭圆跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。 在一些应用中，包装或其它理由可决定其它的形状或敞开的形状，例 如平坦面板构造。通过沿着平行于环体的轴线的平面轴向切割或分割作为结果的元件，从上述封闭环环形可制成这些，以提供面板元件等, 或以其它方式获得希望的横截面。
在No.11/273101申请的系统中，聚结器的单个纤维的直径沿着纤 维的长度被控制和改变。纤维直径、空隙尺寸和/或空隙率作为聚结器 元件中的深度的函数而改变并且实现了使用相同的介质和相同的介质 片材，即相同的介质和介质片材被用来获得宽范围的性质。纤维直径 空隙尺寸和/或空隙率可连续地逐渐改变，消除作为深度的函数的介质 性质中的上述阶梯变化，并避免元件内的流体流动速度和压降特性中 的相应不连续，导致了较持久的元件。通过改变并控制熔喷生产的参 数可实现上述逐渐而连续的改变，所述熔喷生产的参数包括例如模和 心轴/收集器之间的距离、模和心轴彼此的相对位置、聚合物吞吐量、 空气压力、流动速率、心轴/收集器速度和温度。通过使模和收集器沿 X、 Y和/或Z方向彼此相对地运动，可改变并控制作为深度的函数的 介质性质。该系统组合构思以生产给出性能优点的聚结器，其中纤维 直径、空隙尺寸和/或空隙率作为深度的函数改变。不需要以顺次的方 式产生分离的多层，不管每个层是否通过不同的熔喷机器被独立地生 产并且未完成的元件从机器转移到机器，或者不管是否通过以顺次的 方式沿Z方向对准多个模实现分层并连续地产生沿相同的Z方向成长 或延展的管状元件，在最后的模之后，完成的元件被切割成-定长度， --系列模中的每一个模以其自身性质生产不同的层。
No.ll/273101申请的系统提供一种制造聚结器元件115的方法， 该方法通过将多个聚合物纤维107熔喷在收集器108上，并在熔喷期 间，沿单个纤维的长度改变单个纤维的直径使得单个纤维沿其长度在 不同点具有不同的直径。纤维107从模103被熔喷，该模103通过喷 丝头106喷出熔融的聚合物以产生纤维。在纤维生产期间，纤维直径 沿纤维的长度改变。收集器108与模103间隔开，并且在一个实施例 中，通过改变收集器108和模103之间的间隔，在纤维生产期间，纤 维直径沿纤维的长度改变。当在这种实施例中收集器108是旋转心轴109时，通过沿X和Y轴的至少一个改变模103和心轴109相对彼此 的相对位置，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。在另一 个实施例中，通过改变通过喷丝头106的聚合物吞吐量，在纤维生产 期间，纤维直径沿纤维的长度改变。如上所述，聚合物通过喷丝头106 喷出到加压气体流中，以便产生纤维107。在另一实施例中，通过改变 气体压力和气体流动速率的至少一个，在纤维生产期间，纤维直径沿 纤维的长度改变。在另一实施例中，当收集器108是旋转心轴109时， 通过改变心轴109的旋转速度，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的 长度改变。在另一个实施例中，通过改变通过喷丝头106的聚合物吞 吐量，在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变。在另一实施例 中，两种聚合物同时用在模中以产生双模态纤维分布，每个模态的纤 维直径如上述那样改变。在一个实施例中，两种聚合物具有不同的熔 点。在上述方法的优选实施例中，在纤维生产期间当纤维从模103被 熔喷时，纤维直径沿纤维的长度改变。
当收集器108是旋转心轴109时，旋转心轴收集纤维107并将纤 维碾压成环形元件辊115，该环形元件辊115在心轴处具有内部区域 115a,并且具有外部区域115c，该外部区域以元件辊的径向厚度从内 部区域115a径向地向外间隔开。元件辊115具有沿这种径向厚度的深 度尺寸。在纤维生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变，使得纤维直 A作为元件深度的函数而改变。在一个实施例中，如上所述，在纤维 生产期间，纤维直径沿纤维的长度改变，以提供第一纤维直径的例如 115a的第一环形区域，和相同的单个熔喷纤维的不同于第一纤维直径 的第二纤维直径的例如115b和/或115c的第二环形区域。单个纤维从 模103被熔喷。这种单个纤维在心轴109上被碾压以形成所述的第一 环形区域。相同的这种给定的单个纤维在第一环形区域上被碾压以形 成例如115b的第二环形区域，并且在希望的情况下，相同的这种给定 的单个纤维在第二环形区域U5b上被进一步碾压以形成例如115c的 第三环形区域等等。给定的单个纤维在第一环形区域115a中以上述第 一直径被碾压，然后，相同的这种给定的单个纤维的纤维直径逐渐改变到第二直径，并且然后，相同的这种给定的单个纤维在第二环形区
域115b中以这种第二纤维直径被碾压，等等。给定的单个纤维可在其 它的环形区域中以按顺序的步骤被碾压，但仍然碾压相同的这种给定 的单个纤维，因此提供上述连续性和逐渐变化，并避免上述阶梯变化 不连续。在熔喷期间，给定的单个纤维的直径的变化逐渐出现，并且 跨越元件的径向厚度和深度的从区域到区域的变化是逐渐的。
内部和外部区域115a和115c中的一个处于上游表面，并且内部 和外部区域115a和115c中的另一个处于下游表面。流动方向是从上游 到下游。例如，在从内向外流的几何结构中，区域115a处于上游表面 且区域115c处于下游表面。在从外向内流的几何结构中，外部区域115c 处于上游表面且内部区域115a处于下游表面。在一个实施例中，如上 所述，在纤维生产期间纤维直径沿纤维的长度改变，以作为元件深度 的函数改变纤维直径，使得纤维直径沿流动方向随着进入元件的深度 的增加而减小。另外，在这种实施例中，碾压纤维使得空隙率也沿流 动方向随着进入元件的深度的增加而减小。在另一实施例中，在纤维 生产期间纤维直径沿纤维的长度改变，以作为元件深度的函数改变纤 维直径，使得纤维直径沿流动方向随着进入元件的深度的增加而增加。 另外，在这种实施例中，碾压纤维使得空隙率也沿流动方向随着进入 元件的深度的增加而增加。在另一实施例中，在纤维生产期间纤维直 径沿纤维的长度改变，以作为元件深度的函数改变纤维直径，使得纤 维直径沿流动方向从上游到中间深度115b随着进入元件的深度的增加 而减小，并且然后，沿流动方向从中间深度115b到下游随着进入元件 的深度的增加而增加。这些特性在图28中示出于U形轮廓123。另外， 在这种实施例中，碾压纤维使得空隙率沿着流动方向从上游到中间深 度115b随着进入元件的深度的增加而减小，并且然后，沿流动方向从 中间深度115b到下游随着进入元件的深度的增加而增加。典型地，纤 维直径和空隙率相对于元件深度遵循相同的增加或减小趋势，但不是 必要的。例如，元件可以具有减小的纤维直径而空隙率增加，或者反 过来。No.ll/273101申请的系统还提供一种制造聚结器的方法，该方法 通过将多种聚合物纤维熔喷到收集器上，并且在熔喷期间，可控地改 变由纤维形成的聚结器的空隙率，例如通过如上所述地改变纤维直径 和/或通过所述碾压。在一个实施例中，空隙率随着进入聚结器的深度 的增加而减小。在另一实施例中，空隙率随着进入聚结器的深度的增 加而增加。在另一实施例中，空隙率从上游到中间深度115b随着进入 聚结器的深度的增加而减小，并且然后，从中间深度115b到下游随着 进入聚结器的深度的增加而增加(图28)。在另一实施例中，通过提 供压縮辊116来可控地改变空隙率，该压縮辊116在聚结器元件辊形 成期间在区域115c的外表面接合并施加压力到聚结器元件辊115。在 另外的实施例中，改变空隙率以提供第一空隙率的诸如115a的第一环 形区域、相同的单个熔喷纤维的不同于第一空隙率的第二空隙率的诸 如115b的第二环形区域，以及相同的单个熔喷纤维的不同于第一和/ 或第二空隙率的第三空隙率的诸如115c的第三环形区域等等。给定的 单个纤维从模103被熔喷。这种给定的单个纤维在心轴109上被碾压 以形成第一环形区域115a，以及相同的这种给定的单个纤维在第一环 形区域115a上被碾压以形成第二环形区域115b等等。
No.ll/273101申请的系统和方法提供一种具有多个熔喷纤维的聚 结器，其中单个纤维的直径沿纤维的长度改变，使得单个纤维沿其长 度在不同点具有不同直径。纤维直径沿纤维的长度改变，从而提供沿 .K:长度在不同点具有不同直径的单个纤维，使得这种单个纤维的纤维 復径作为聚结器深度的函数而改变。聚结器具有第一纤维直径的诸如 115a的第-区域、相同的单个熔融纤维的不同于第一纤维直径的第二 纤维直径的诸如115b的第二区域等等。如上所述，纤维直径的改变是 逐渐的，从而避免所述不连续和阶梯变化以及其中固有的所述缺点。 在-个实施例中，纤维直径沿单个纤维的长度改变以作为元件深度的 函数而改变纤维直径，使得纤维直径沿单个纤维随着进入元件的深度 的增加而减小。另外，在这种实施例中，空隙率也优选地随着进入元件的深度的增加而减小。在另-实施例中，纤维直径沿单个纤维的长 度改变，以作为元件深度的函数而改变纤维直径，使得纤维直径沿单 个纤维随着进入元件的深度的增加而增加。在这种实施例中，空隙率 也优选地随着进入元件的深度的增加而增加。在另一实施例中，纤维 直径沿单个纤维的长度改变，以作为元件深度的函数而改变纤维直径，
使得纤维直径沿单个纤维从上游到中间深度115b随着进入元件的深度 的增加而减小，并且然后，从中间深度115b到下游随着进入元件的深 度的增加而增加(图28)。在这种实施例中，空隙率优选地从上游到 中间深度115b随着进入元件的深度的增加而减小，并且然后，从中间 深度115b到下游随着进入元件的深度的增加而增加。该系统提供一种 由制造聚结器的上述方法生产的聚结器，该方法包括将多个聚合物纤 维熔喷在收集器上，并在熔喷期间，沿单个纤维的长度改变单个纤维 的直径使得单个纤维沿其长度在不同点具有不同的直径。
该系统和方法也提供一种具有多个熔喷纤维的聚结器，该聚结器 的上游表面与下游表面以它们之间的深度尺寸间隔开，该聚结器具有 第一空隙率的第一深度区域，和与第一区域相同的单个熔喷纤维的不 同于第一空隙率的第二空隙率的第一深度区域下游的第二深度区域。 如上所述，所述改变是逐渐的，从而避免上述不连续或阶梯变化的缺 点。在一个实施例中，空隙率随着进入聚结器元件的深度的增加而减 小。在另一实施例中，空隙率随着进入元件的深度的增加而增加。在 另一实施例中，空隙率从上游到中间深度115b随着进入元件的深度的 增加而减小，并且然后，从中间深度115b到下游随着进入元件的深度 的增加而增加(图28)。该系统提供了一种由制造聚结器的所述方法 生产的聚结器，该方法通过将多种聚合物纤维熔喷到收集器上，并在 熔喷期间，可控地改变由纤维形成的聚结器的空隙率。
希望的是，许多以上技术也可应用到粒子过滤器。例如，在固体 过滤器实施例中，相同的聚合物混合物可用于实现双模态分布，并且 模103和心轴109之间的距离在区域115a在元件生产的开始时增加，然后随着元件的直径和介质的厚度从区域115a到区域115b和115c增 加而逐渐减小。如在以上例子中，这通过使模103和心轴109沿X和 Z方向彼此相对地运动来实现。对于从外向内流的几何结构，这导致在 区域115a中具有两种类型的较细纤维的元件结构，以促进在元件的下 游侧的细粒子的去除，并且在这种从外向内流的几何结构中通过上游 侧U5c处的粗纤维来去除粗粒子和淤渣。纤维直径在区域115a处于最 小值，井且逐渐增大到区域115b处的所增加的纤维直径，并继续增大 到区域U5c处的最大纤维直径。空隙率在区域115a处于最小值，并且 增加到区域115b处的较高空隙率，并继续增加到区域115c处的最大 空隙率。因此，纤维直径和空隙率作为离开心轴109的距离的函数， 即作为径向厚度和过滤器深度尺寸的函数而改变。这导致跨越过滤器 元件的总限制的净降低，因为限制和效率随着流体进一步渗入元件而 逐渐增加。纤维直径和空隙率的逐渐改变避免了不同纤维直径和/或空 隙率的多层或片不同过滤器介质的多介质过滤器中固有的流动和污染 物积聚的不连续。上述的逐渐改变消除了阶梯变化不连续，并且减小 限制且增加使用寿命。
本申请
本申请提供一种在较小的包装尺寸(体积)中获得提高的污染物 去除、寿命和压降的聚结器，包括应用于曲轴箱通风、油雾和其它聚 结器。
背景技术：
从过滤的观点来看，柴油机曲轴箱通风的应用是极具挑 战性的。必须以大于卯％的效率去除平均微滴尺寸在0.6和1.7/rni之间 的高浓度油雾以满足排放要求并防止发动机涡轮增压器变脏。需要低 的限制和长的使用寿命。对于移动式应用，例如长途运输的卡车，系 统的总包装尺寸也必须非常小。聚结是用于实现这些相抵触目标的有 前景的技术。然而，当前聚结器的设计实践和产品缺乏这些要求，原 因足可以实现i^ i除效率或tC:使用寿命或小尺寸，但当前的实践一直 不能以可接受的方式同吋实现全部三个。对于曲轴箱通风聚结器(实际上对于所有类型的聚结器)，设计 难题是最大化可被去除并保持在给定体积中的污染物的量。去除取决 于污染物被介质纤维俘获的可能性。去除随着过滤器介质的量的增加
而增加。设计成去除大于大约0.2Mm的污染物的过滤器和聚结器典型 地使用打褶的或有凹槽的平坦片材介质。打褶的聚结器利用髙的介质 面面积来减小面速度、增加容量和寿命。为了实现这一点，使用薄的 相对致密(即，小的空隙尺寸、细的纤维、低的空隙率)的过滤器介
塞。在这种情况下，设计策略是最大化介质面面积。这使单位体积的 纤维介质最大化、通过介质的流体速度最小化并且污染物，特别是较 大的污染物可聚集在其上的表面面积增加了。通过这种途径，介质被 设计成尽可能薄，同时维持效率和强度，以便增加褶皱密度和总的介 质面面积。褶皱密度被定义为单位长度褶皱的数量，并且等于褶皱尖 端之间的距离的倒数。对于打褶的介质，在褶皱之间存在许多浪费的 空间。对于圆柱形打褶元件，最佳褶皱高度是元件的外径的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)。对于褶皱高度大于或小于此，元件相应的过滤器介质面 面积减小。因此，25%的元件体积由内腔占据并且不直接有助于污染物 的去除。因此，对于打褶元件，介质对元件体积的比率被限制到75% 的最大值。实际上，这个比率被进一步减小，因为褶皱必须分开最小
在没有间隔的情况下，只有元件的靠近褶皱尖端的若干部分被利用。 这导致了增加的压降、介质表面面积的低效率利用和减小的寿命。介 质的上游和下游侧上的褶皱之间的这种未使用的空间可以同样地由过 滤器介质占据。结果，对于圆形横截面的打褶元件，介质体积对元件 体积的比率实际上小于55%，并且典型地在25%到50%的范围内。打褶的替代设计策略依赖于形成为圆形横截面的元件的深度过滤 器介质。圆形深度聚结器利用过滤器介质的整个深度结构来影响去除 并尝试最大化内腔的直径以增加容量和寿命。与打褶的介质对比，使 用薄的相对开放的(即较大的空隙尺寸、较粗的纤维、较髙的空隙率) 过滤器介质。虽然当对比等效上游介质面面积的聚结器时比打褶的介 质更不容易堵塞，但圆形深度聚结器倾向于比相同尺寸的打褶介质聚 结器更容易堵塞，因为较小的面面积可被封装到相同的体积内。在圆 形深度聚结器的情况下，设计者面临以下抵触的要求
1. 介质必须足够厚以获得希望的去除
2. 介质必须足够薄以提供可接受的(足够低的)压降；以及
3. 必须最大化内腔的直径。
前两个是直接抵触的，因为去除和压降都随着厚度的增加、纤维 直径和空隙率的减小而增加。经验显/jR，嫒件i的聚结器厚度大约为3 到7mm。可使用以下聚结模型来解释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。它们按照三个区域来模拟聚结 器。区域l，位于聚结器的上游侧，是微滴俘获和成长发生之处。区域 2,位于中间，是所聚结的液滴通过聚结器的毛细传导发生之处。区域 3，位于下游侧，是所聚结的液滴进一步成长并被释放之处。需要区域 1以俘获并聚结微滴。需要区域3以保证所聚结的液滴被释放而不破裂。 区域2是不必要的，因为其功能、毛细传导可并入区域1和3。对于厚 于3到7mm的聚结器介质，超出最佳的另外厚度有助于区域2，并且
29在增加压降的同时不会显著地改善去除。
对于圆形深度聚结器，希望的是，最大化内腔的直径，以便减小 固体堵塞、增加寿命和最小化压降。对于低雷诺数，压降与流体速度 成比例。对于从内到外流动的元件，在没有俘获污染物的情况下，局 部限制与从元件的中心的径向距离成反比。这样，局部限制在元件的 上游面最大，并且随着进入介质的距离增加而减小。当介质厚度超过
元件的外径的25%时，压降开始近似指数地增加。内径(D,)由方程 Dj-D。-2t给出，其中D。是元件外径并且t是介质厚度。这是设计圆形 深度聚结器以最大化内腔的直径并维持A大于D。的50%的一个原因。 此外，在没有污染物(无论固体或微滴)的情况下，介质上最大的污 染物积聚发生在上游侧，进一步增加了局部限制。聚结器的寿命与上 游侧上的介质面面积成正比。增加内腔的直径或元件的高度，成比例 地增加聚结器的寿命。为了满足最小使用寿命的要求，圆形横截面深 度聚结器元件设计成具有最大可能的元件外径。如果需要另外的寿命， 则必须相应地增加元件高度(h)。对于具有使用从外到内流动的圆形 深度介质的固体过滤器，由于外周边控制这些元件的容量和寿命，因 此使用大约80%的介质体积对元件体积的比率。然而，对于具有从内 到外流动的圆形深度介质聚结器，介质体积对元件体积的比率小于 75%,并且典型地小于30%。
本系统
本申请提供一种聚结器，该聚结器更好地利用可用空间，以便提 高去除、聚结器寿命和/或减小包装尺寸。通过将用于打褶的聚结器和 圆形深度聚结器的设计策略和作为结果的特征组合成新颖的设计，实 现这种效果。这特别良好地适于从曲轴箱通风的气体中去除油微滴， 但也适于从柴油中去除空气传播的油和水雾、水微滴，从废水中去除 油微滴以及其它的聚结器应用。该系统组合五个特征或特性，从而在 去除、寿命和尺寸方面产生具有独特性能优点的聚结器。这些特性包 括A. 使用了纤维深度过滤器介质；
B. 跨越介质的纤维直径和空隙率梯度轮廓，使得纤维直径和/或空 隙率在上游和下游面最大并且在其间穿过最小值；
C. 通过将介质形成为各种封闭的环、非圆形横截面的几何形状而 得到的大于或等于1.5的面面积比率；
D. 内腔的尺寸和横截面积必须使得内腔内的最大动压小于跨越 元件的总压降的10%:以及
E. 介质体积对元件体积的比率大于或等于50%，并且优选地大于 或等于75%，通过以下方式获得
使用无褶深度过滤器介质；
使用封闭环横截而的几何形状以最小化内腔的横截面积； 将不用于污染物去除的元件中的开放空间最小化，包括褶铍或凹
槽之间的空间、介质的层之间或不同的聚结器、过滤器和/或分离器级
之间的空间。
在图29-36中的横截面视图中示出一些实施例。优选实施例是星-圆横截面。其它的优选实施例包括也给出高的面面积比率的跑道、狗 骨头、三凸角和多凸角几何形状，稍后将描述。
对于封闭环几何结构，该聚结器理想地用在从内向外流的构造中， 但从外向内流也是可以的。从内向外流对于聚结来说是优选的，因为 它保证了局部流体速度在所聚结的液滴的释放发生的下游面处最低。 这最小化了所聚结的液滴在释放时破裂为较小的液滴。缺点是减小的 寿命，这是山于在上游侧存在较少的介质面面积以保持可能堵塞聚结 器的固体。本系统将这种不利的效果最小化。如果应用要求有限定， 本系统可与从外向内流—起使用。在这种情况下，可以增加寿命，但 在某种程度上，微滴去除减小且压降增加。
特性A
该系统利用纤维深度过滤器介质。纤维深度过滤器介质指的是(1)由非编织纤维所形成的介质；(2)不以打褶的或有凹槽的形式 用作平坦片材的介质和(3)其中在过滤器介质的深度内初步去除污 染物的介质。深度介质的空隙倾向于大于被去除的污染物。典型地， 深度过滤器介质大于10mm厚，并且该介质是分层的或分级的，该介 质的性质作为深度的函数而改变。相比之下，表面过滤器介质在表面 初步去除污染物以形成实际上实现去除块的团块，而例如纤维素的平 坦片材介质倾向于较薄并以打褶的或有凹槽的形式被使用。优选的纤 维深度过滤器介质是熔喷过滤器介质，如在上述No.l 1/273101申请中 描述的。替代地，可以使用其它非编织的纤维过滤器介质，包括熔喷 的、空中压条的、湿压条的和竖直重叠的过滤器介质，只要它可形成 为所需的元件形状。典型地，所述介质在本质上是聚合物的，但可以 使用微玻璃、纤维素、陶瓷或者甚至金属纤维。通过将介质熔喷或空 中压条到旋转心轴或通过将介质的平坦片材碾压成希望的形状，可形 成元件。
特性B
过滤器介质展示作为进入聚结器的深度的函数的"U形"纤维直 径和/或空隙率分布。局部平均纤维直径和/或空隙率应当在上游和下游 面附近展示最大值，并且在其间穿过最小值。当从上游面走向中心时， 尽管有较高的流体速度，纤维直径和空隙率的初始减少在上游面减小 了局部限制。此外，它提供作为粒子尺寸的函数的污染物的分级俘获。 引起堵塞的大的污染物在初始的更开放而限制性较小的层中被俘获， 而较小的污染物在最小值附近被去除。这增加了聚结器的固体保持容 量和寿命。在这种上游部分内，发生了微滴的俘获和成长。最大的去 除效率和最大的限制出现在纤维直径/空隙率最小之处。在最小他的下 游，纤维直径和空隙率随着深度的增加而增加，以促进所俘获且聚结 的微滴的排出。与用于固体污染物的过滤器相反，聚结器设计成排出 和释放所俘获且聚结的液滴，而不是保留它们。通过在接近下游面时 增加纤维直径和空隙率，作用在聚结的液滴上的毛细力减小，促进从 介质排出和释放液滴。在下游面的最大值保证释放的液滴是大的，促进通过沉淀从流动的流中去除。
特性c
通过将介质形成为各种封闭的环、非圆形横截面的几何形状，提
供大于或等于1.5的面面积比率。在带有显著水平的固体的应用中，聚 结器遭受固体堵塞和縮短的使用寿命。固体快速地积聚在介质的表面 上及其表面层内，导致了堵塞。由于这个原因，希望最大化上游的介
质面面积。在这一点上，打褶的元件特别良好地适合，而圆形深度介
质元件由于上游内腔中的相对较小的介质面面积而遭受损失。对于具
有圆形横截面的元件，不管特定元件的尺寸如何，内腔周长(L,)对其
横截面积(A,)的比率由以下公式给出
i —丄 7、
其中D,是内腔的直径。在当前系统中，代替圆形横截面，使用具 有内腔横截面的几何形状的封闭环元件，使得内腔周长对其面积的比 率超过圆的对应比率，或者
其中DA是如前面方程中定义的内腔的面积等效直径。使用该关 系，面面积比率(F)可定义为
相对于相同高度的圆形深度过滤器的寿命的聚结器寿命的增加由 值F给出。对于打褶的聚结器元件，F大约为10到25并且由过滤器介 质厚度和褶皱之间所需的间隔的物理局限性限制。对于当前系统，F典 型地在1.5和15之间。在封闭环的、非圆形元件的几何结构中使用不 打褶的介质获得F的这些较高的值，所述非圆形元件几何结构例如椭 圆形124 (图29)、跑道形125 (图30)、三角形126 (图31)、狗 骨头形172 (图32)、诸如三个凸角形128的多凸角形(图33)、包括正方形129的矩形(图34)、梯形130 (图35)、星-圆形131 (图 36)或者其它的几何形状。这些中的数个受到特别注意。椭圆形、跑 道形、狗骨头形、多凸角形和多边形的几何形状全部可由初始圆柱形 的元件容易地形成。圆柱形元件通过压縮、通过在相应成形的心轴上 形成它们或其它手段可以容易地转变为这些其它的形状。这方便了这 些几何形状的制造和生产。通过增加跑道形或椭圆形元件、或者三个 凸角及多个凸角的元件的腿部的长度，可以获得F的较高的值。狗骨 头几何形状具有特别的优点，在于它容易地由圆柱形管形成并且可容 易地嵌套类似的形状，或者甚至用于多元件应用的圆柱形元件。对于 星-圆形几何形状，通过增加星形上的尖端的数量和长度，可以获得高 的F值。同样重要的是，内腔和元件外部的几何形状是不一样的，如 在星-圆形几何形状中可见。通过将介质熔喷或碾压在打褶的元件或星 形元件上，可产生这种元件。
增加F的值的另外优点是，可以以短的元件高度，即小于元件横 截面的最长弦，制造出长使用寿命的聚结器。这是因为不再需要大的 元件高度来获得所需的使用寿命。而是，使用非圆形的几何形状所获 得的增加的内腔周长提供了增加的介质面面积、增加的灰尘保持容量、 减小的面速度和较长的寿命。在曲轴箱通风过滤器直接安装在发动机 上的许多应用中，这提供了显著的包装优点。
特性D
内腔的尺寸和横截面形状必须使得内腔内的最大动压小于跨越元 件的总压降的10%。内腔的横截面积典型地受限于流体进入内腔时的 限制，而不是由于介质引起的限制。进入限制由通过孔口进入内腔的 流动产生。对于本系统，通过选择内腔的形状和尺寸而最小化限制， 使得内腔中的最大动压小于跨越元件的总压降的10%。动压(Pd)被 定义为
其中p是流体密度且V是流体速度。计算流体动力学可用于模拟特定几何形状的限制和动压，以便确定内腔中的最大动压。这将确定 内腔的最小横截面。
特性E
聚结器具有大于或等于50%，并且优选地大于或等于75%的微分
体积比率。微分体积比率是介质体积对元件体积的比率。例如，图36 示出聚结器131，该聚结器131具有沿轴线134轴向地延伸(延伸进页 面中)的聚结器元件132并具有聚结器介质136。该元件在与轴线134 成横向的平面(图36的页面的平面)中具有封闭环横截面的几何形状， 即图36中的星-圆形，并且具有限定内腔140的内表面138，且具有外 表面142，该外表面142从内表面138向外间隔开内表面138和外表面 142之间的元件132的厚度。介质体积是内和外表面138和142之间的 介质136的体积。元件体积是由外表面142界定的体积，包括内腔140 的体积。在打褶的元件144的情况下(图37)，聚结器介质146具有 限定内腔150的内表面148，并且具有外表面152，该外表面152从内 表面148向外间隔内和外表面148和152之间的元件144的厚度，元 件体积是由外褶皱尖端154的轮廓线界定的体积，该轮廓线如在156 处以虚线示出的在外褶皱尖端间延伸的外投影线所连接的，因此元件 体积是由投影线表面156界定的体积，包括外褶皱之间的体积158、介 质体积和内腔150的体积。在例如图36中的非打褶的元件中，所述投 影线边界与例如142的所述外表面重合。
聚结器的设计难题是将在给定体积内可被去除的污染物的量最大 化。去除取决于污染物被介质纤维俘获的可能性。去除随着过滤器介 质的量的增加而增加。因此，希望消除对于去除来说未被充分利用的 元件体积。如前所述，对于打褶的和圆形深度聚结器，超过25%的总 元件体积不能用于去除。在本系统中，褶皱之间的未被充分利用的空 间填充有深度过滤器介质。此外，通过明智地选择局部介质纤维的直 径和空隙率性质、U形过滤器介质轮廓和最小化的内腔横截面，不可 用的过滤器体积的量可减小到5%-25%。介质体积对元件体积的比率可超过75%。典型地，使用大于85%的比率。
本系统提供一种聚结器，该聚结器用来聚结具有两种不混溶的相， 即连续相和分散相的介质。连续相沿流动方向从上游流到下游。聚结 器包括沿轴线轴向地延伸并具有聚结器介质的聚结器元件，该聚结器 介质俘获分散相的微滴并使微滴聚结地成长为较大的液滴，该液滴进 一步聚结并成长以形成排出的池。该元件在与所述轴线(延伸到图
29-36的页面中)成横向的平面(例如，图29-36中的页面的平面)中 具有封闭环横截面的几何形状，并且具有限定诸如140的内腔的内表 面(例如138)，且具有诸如142的外表面，该外表面从内表面向外间 隔开内表面138和外表面142之间的元件132的厚度。介质136具有 沿着这种厚度的深度尺寸。内表面138和外表面142中的一个是上游 表面，并且内表面138和外表面142中的另一个是下游表面。例如， 在从内向外流的聚结器中，内表面138是上游表面，外表面142是下 游表面。在从外向内流的聚结器中，外表面142是上游表面，内表面 138是下游表面。
在本系统中，满足以下标准中的至少两个，并且优选为三个，并 且更优选为四个，并且更更优选为所有五个
A) 介质136是纤维深度介质，优选为非打褶的；
B) 该介质具有梯度轮廓，其至少一个参数沿所述流动方向作为进 入所述介质的深度的函数而改变，并且优选地所述介质具有梯度轮廓， 该梯度轮廓沿着流动方向作为进入介质的深度的函数而改变，使得纤 维直径和空隙率的至少一个沿着流动方向从上游到中间深度随着进入 介质的深度的增加而减小，并且然后沿着流动方向从中间深度到下游 随着进入介质的深度的增加而增加；
C) 所述元件具有由所述横向平面中具有非圆形几何形状的上游表 面提供的上游面面积，并且优选地该元件的面面积比率F大于或等于 1.5，其中其中L,是内腔的周边的长度，DA是内腔的面积等效直径，即
其中A,是内腔的面积；
D) 内腔140具有根据跨越元件的压降所选定的最小横截面积，并 且优选地所述元件是从内向外流的元件，且选定内腔的最小横截面积， 使得内腔中的最大动压小于跨越元件的总压降的10%;
E) 所述聚结器具有为空间效率选定的微分体积比率，其中，如上 所述，微分体积比率是介质体积对元件体积的比率，其中介质体积是 上述内和外表面之间的介质的体积，且元件体积是由上述外表面界定 的体积，包括上述内腔的体积，并且优选地所述聚结器具有大于或等
于50%的微分体积比率，并且更优选地所述介质是非打褶的深度介质 且微分体积比率大于或等于75%。
在前面的描述中，为了简洁、清楚和理解，已经使用某些术语。 在现有技术的要求之外，不从其暗示不必要的限制，因为这种术语是 用于描述目的且倾向于被广泛地解释。这里描述的不同构造可以单独 地或者结合其它构造使用。希望的是，在所附权利要求的范围内，各 种等同物、替代物和改型是可能的。
权利要求
1.一种聚结器，用于聚结具有两种不混溶的相即连续相和分散相的介质，所述连续相沿流动方向从上游流到下游，所述聚结器包括沿轴线轴向地延伸并具有聚结器介质的聚结器元件，所述聚结器介质俘获所述分散相的微滴并使所述微滴聚结地成长为较大的液滴，所述液滴进一步聚结并成长以形成排出的池，所述元件在与所述轴线成横向的平面中具有封闭环横截面的几何形状，并且具有限定内腔的内表面且具有外表面，所述外表面从所述内表面向外间隔开所述内和外表面之间的所述元件的厚度，所述介质沿所述厚度具有深度尺寸，所述内和外表面中的一个是上游表面，所述内和外表面中的另一个是下游表面，其中，组合满足下列五个标准中的至少两个A)所述介质是纤维深度介质；B)所述介质具有梯度轮廓，其至少一个参数沿所述流动方向作为进入所述介质的深度的函数而变化；C)所述元件具有由所述横向平面中的具有非圆形几何形状的所述上游表面提供的上游面面积；D)所述内腔具有根据跨越所述元件的压降所选定的最小横截面积；E)所述聚结器具有为了空间效率而选定的微分体积比率，其中，所述微分体积比率是介质体积对元件体积的比率，其中介质体积和元件体积如在说明书中所定义的；并且其中，所述两个标准中的一个是标准C到E中的一个。
2.根据权利要求l所述的聚结器，其中标准C还要求所述元件具有大于或等于1.5的面面积比率F，其中尸-込 ",其中L,是所述内腔的周边的长度，DA是所述内腔的面积等效直 径，即其中A,是所述内腔的面积标准D还要求选定所述内腔的最小横截面积，使得所述内腔中的 最大动压小于跨越所述元件的总压降的10%:标准E还要求所述聚结器具有大于或等于50%的微分体积比率。
3. 根据权利要求2所述的聚结器，其中，满足标准C到E中的至 少两个。
4. 根据权利要求3所述的聚结器，其中，满足所述标准C到E中 的全部三个。
5. 根据权利要求l所述的聚结器，其中，组合满足所述标准中的 至少三个。
6. 根据权利要求5所述的聚结器，其中，满足所述标准中的至少 四个。
7. 根据权利要求6所述的聚结器，其中，满足所述标准中的全部 五个。
8. 根据权利要求2所述的聚结器，其中满足标准B,并且其中标 准B还要求所述介质具有沿所述流动方向作为进入所述介质的深度的 函数而变化的梯度轮廓，使得纤维直径和空隙率的至少一个作为深度 的函数而变化。
9. 根据权利要求8所述的聚结器，其中纤维直径和空隙率中的所 述至少一个沿所述流动方向从上游到中间深度随着进入所述介质的深度的增加而减小，并且然后沿所述流动方向从中间深度到下游随着进 入所述介质的深度的增加而增加。
10.根据权利要求l所述的聚结器，其中满足标准c,并且其中标 准C还要求所述元件具有大于或等于1.5的面面积比率F，其中其中L,是所述内腔的周边的长度，DA是所述内腔的面积等效直 径，即其中A,是所述内腔的面积。
11.根据权利要求IO所述的聚结器，其中所述几何形状是椭圆形。
12. 根据权利要求IO所述的聚结器，其中所述几何形状是跑道形。
13. 根据权利要求IO所述的聚结器，其中所述几何形状是三角形。
14. 根据权利要求10所述的聚结器，其中所述几何形状是狗骨头形。
15. 根据权利要求IO所述的聚结器，其中所述几何形状是三凸角形。
16. 根据权利要求10所述的聚结器，其中所述几何形状是矩形。
17. 根据权利要求16所述的聚结器，其中所述矩形是正方形。
18. 根据权利要求IO所述的聚结器，其中所述几何形状是梯形。
19. 根据权利要求10所述的聚结器，其中所述几何形状是星-圆 形，即所述内表面具有星形，且所述外表面具有圆形。
20. 根据权利要求IO所述的聚结器，其中所述内和外表面具有不 同的几何形状。
21. 根据权利要求1所述的聚结器，其中满足标准D，并且其中 标准D还要求选定所述内腔的最小横截面积，使得所述内腔中的最大 动压小于跨越所述元件的总压降的10%。
22. 根据权利要求21所述的聚结器，其中所述内表面是所述上游 表面，并且所述外表面是所述下游表面，使得所述元件是从内向外流 元件。
23. 根据权利要求l所述的聚结器，其中满足标准E,并且其中标 准E还要求所述聚结器具有大于或等于50%的微分体积比率。
24. 根据权利要求23所述的聚结器，其中所述介质是不打褶的深 度介质，并且其中标准E还要求所述微分体积比率大于或等于750/0。
25. —种聚结器，用来聚结具有两种不混溶的相即连续相和分散 相的介质，所述连续相沿流动方向从上游流到下游，所述聚结器包括 沿轴线轴向地延伸并具有聚结器介质的聚结器元件，所述聚结器介质 俘获所述分散相的微滴并使所述微滴聚结地成长为较大的液滴，所述 液滴进一步聚结并成长以形成排出的池，所述元件在与所述轴线成横 向的平面中具有封闭环横截面的几何形状，并且具有限定内腔的内表 面且具有外表面，所述外表面从所述内表面向外间隔开所述内和外表 面之间的所述元件的厚度，所述介质沿所述厚度具有深度尺寸，所述 内和外表面中的一个是上游表面，所述内和外表面中的另一个是下游 表面，其中，组合满足下列标准的全部五个A) 所述介质是不打褶的纤维深度介质；B) 所述介质具有梯度轮廓，该梯度轮廓沿着所述流动方向作为进 入所述介质的深度的函数而改变，使得纤维直径和空隙率中的至少一个沿着所述流动方向从上游到中间深度随着进入所述介质的深度的增 加而减小，并且然后沿着所述流动方向从中间深度到下游随着进入所 述介质的深度的增加而增加；C)所述元件具有大于或等于1.5的面面积比率F,其中其中L,是所述内腔的周边的长度，DA是所述内腔的面积等效直 径，即其中A,是所述内腔的面积；D) 所述内表面是所述上游表面，并且所述外表面是所述下游表面, 使得所述元件是从内向外流元件，并且选定所述内腔的最小横截面积, 使得所述内腔中的最大动压小于跨越所述元件的总压降的10%:E) 所述聚结器具有大于或等于50%的微分体积比率，其中所述微 分体积比率是介质体积对元件体积的比率，其中介质体积和元件体积如在说明书中所定义的。丛
全文摘要
提供一种聚结器，该聚结器使高去除效率、低压降、长寿命和小尺寸之间的折衷最小化。
文档编号B01D39/08GK101541391SQ200680052207
公开日2009年9月23日 申请日期2006年8月23日 优先权日2006年2月3日
发明者巴丽·M·韦德甘, 布赖恩·W·施万特, 库尔特·M·A·巴德奥, 彼得·K·赫尔曼, 杰弗里·A·费德劳伊兹, 罗伯特·E·缪斯, 罗格·L·佐奇 申请人:弗利特加尔公司