具有固定在一起的第一和第二介质的可拆卸式过滤器的过滤装置的制作方法

专利名称：具有固定在一起的第一和第二介质的可拆卸式过滤器的过滤装置的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及一种过滤装置。本发明特别涉及一种具有预过滤器的滤芯。本发明还涉及装配和使用过滤装置的方法。
本发明的背景进入用于机动车辆、动力发生装置和类似装置的发动机内的空气气流通常都需要进行过滤，以保护发动机装置免受到气流内所携带的颗粒的不良影响。总的来说，相对于进行过滤的气流来说，空气过滤装置都是用在发动机的上游的。
在有些系统中，由于其它原因，诸如美感或人体健康和感觉舒适等原因，人们也希望能从空气流中除去颗粒材料。例如，用于诸如大型农用拖拉机、活动旅游家庭车和汽车之类的车辆的驾驶室空气过滤系统就可以用来达到这些目的。
总的来说，这种过滤装置的设计焦点的主要之点在于适应有限的空间；获得理想的过滤效率；获得较长的使用寿命。通常希望的是能提供使用寿命相对较长或能延长使用寿命的过滤装置，从而可以避免频繁地拆卸或更换滤芯。但是，通常是希望能获得较长的使用寿命而同时不会显著降低过滤效率。
本发明的概述本发明的一方面提供了一种过滤装置。所述过滤装置总的包括一具有最上游过滤表面的空气过滤器。一预过滤器设置得围覆住所述上游过滤表面。预过滤器包括至少两层过滤介质。较佳的是，预过滤器内的一层过滤介质包括纤维深度介质；而两层过滤介质中的第二层包括一泡沫深度介质层。在某些较佳构造中，空气过滤器具有第一和第二相对的端盖。在某些实施例中，所述预过滤器包括一围住所述空气过滤器的过滤结构，它围覆住其外表面或外周圆。在有些应用中，第一和第二端盖设置成圆形结构；而且空气过滤器大体上是圆筒形的。
较佳的是，诸如以上描述的那种过滤装置，它所包括的预过滤器是藉助缝合针脚而固定于一泡沫介质条带上的纤维介质条带。对于很多的应用来说，这种预过滤装置被构造成环形，并且具有一横向接缝。
在某些较佳的过滤装置中，泡沫层包括一位于所述预过滤器内的、由至少两层介质层组成的较下游层。
在一些过滤装置中，空气过滤器包括一圆筒形的褶皱式介质结构。在可从市场上买到的很多系统中，空气过滤器的介质都位于内衬和外衬之间，并在第一和第二端盖之间延伸。通常，在这类系统中，外衬形成所述空气过滤器的一外过滤表面或外周围，它位于预过滤器的下游。应予注意的是，至少对于获得本发明的某些优点来说，它是并不一定要求用内衬和外衬的。
在一些过滤装置中，第一端盖是一其上具有一轴向密封边的敞口式端盖，第二端盖也是一其上具有一轴向密封边的敞口式端盖。在有些系统中，空气过滤器将包括一传统的过滤器结构，例如用于轻型载货汽车及其他车辆的空气过滤器。在这种构造中，在有些情况下，预过滤器将是一加设到传统装置上的新的结构。例如，这种预过滤装置对这样一些车辆的空气过滤器结构是非常有用的，即这些空气过滤器制造得具有一定尺寸并安排成能在载荷运行下(即发动机不是空转的情况下)的正常运行过程中，每分钟能对至少200-400立方英尺流过其中的气流进行过滤。当然，在空转时，所述系统将遇到相对较低的气流。在这种过滤装置中其上未设预过滤器的空气过滤器常常是圆形的(圆筒形)，而且具有一敞开的圆筒形内部。这种结构的内径通常是在4英寸至14英寸(大约10-36厘米)的范围内，外径在5英寸至25英寸(大约12厘米-64厘米)的范围内。
同样，根据本发明的一些应用情况，具有一用来设置在圆筒形空气过滤结构周围的预过滤器。典型且较佳的预过滤结构通常包括一纤维深度介质层和一泡沫过滤介质层，泡沫介质层藉助缝合针脚固定于纤维介质层。沿着相对的边缘具有缝合针脚的一圆形或环形的结构是较佳的。而且，这种圆环形的结构通常是由两层藉助缝合针脚沿着一横向接缝缝制成一圆环的条带形成的。较佳的是，所述预过滤器上不使用任何上游或下游内衬。当然，在一些实施例中，位于空气过滤器上的一上游内衬可被用来支承预过滤器的下游侧。
在根据本发明的那些包括泡沫过滤介质的过滤装置中，预过滤结构的泡沫过滤介质将包括一开孔泡沫。较佳的是，它包括每英寸至少具有30个微孔(大约至少11个微孔/厘米)的泡沫。通常，对于大多数的应用情况来说，它所具有的微孔密度不超过约80个微孔/英寸(32个微孔/厘米)。较佳的是，它具有的微孔密度约为50-55个微孔/英寸(19-22个微孔/厘米)，并且包括一聚亚胺酯(聚氨酯类)泡沫。而且在这些装置中，纤维深度介质层最好包括的是聚酯纤维。
在某些较佳预过滤结构中，介质层是这样安排的泡沫介质包括一更靠内的下游层；而纤维深度介质层包括一更靠外的上游层。目前最佳的预过滤装置仅具有上述那样的两层。但是，也可以有其它的预过滤结构。
在一些结构中，纤维深度介质外层内包括一铭刻或压印部分。本文中的术语“铭刻”和“压印”指的是所述纤维介质的这样一个部分，它通常是借助施加热量而被压紧，以在选定区域内形成永久变形，以在该处产生一选定的标记图案。虽然也可以是其它标记，但是，该图案通常包括一该装置的商标。可以将所述图案例如制成一单词、一短语、一设计标记或作为标志的语句、或者是它们的组合。
在本发明的一些应用情况中，所述过滤装置大体上包括(A)一包括第一介质结构，例如一褶皱式结构的下游空气过滤器，(B)一预过滤器，它包括(1)一开孔泡沫介质层；和(2)一纤维介质层。所述预过滤器相对于流过所述系统的气流来说是位于第一介质的上游的。在上文中，描述了一种与一圆形圆筒形车辆过滤器一起使用的这样一种较佳过滤装置。但其它安排也是可以的。一个例子是如本文中某些附图所示的板式过滤器。
总的来说，在作为发动机空气过滤器的应用情况中，虽然本发明的过滤装置可以用在其它情况中，但是，本发明过滤装置是专门设计成可有效而方便地与那些发动机大小至少为1.2升，通常是1.2升至9升的轻型车辆一起使用的。例如对于5-7级卡车来说，卡车发动机的功率通常为225至500马力。所述空气过滤装置通常包括一具有一空气过滤结构的壳体，它大体上如本文所描述的那样，可操作地位于所述壳体内部，以对空气进行过滤。在很多的应用情况中，所述壳体将具有一径向的进入口和一轴向的出气口。
在驾驶室(cabin)空气过滤器中，本发明的过滤装置是专门设计成可有效而方便。利地与这样一些系统一起使用的，即，在这些系统中流过驾驶室的气流大约在75立方英尺/分钟(cfm)至300立方英尺/分钟(大约2-9立方米/分钟)的数量级。这些驾驶室空气过滤器经常被用在例如汽车、卡车驾驶室和农用拖拉机上。
本发明还提供了制备过滤装置的方法和使用方法。
在各附图中，示出了本发明的多个实施例。应予理解的是，在一些例子中，为了清楚地理解本发明，图中夸大地示出了材料相对尺寸和构件厚度。图中所示的各实施例仅仅是为了举例说明。本发明的技术可以用在多种结构中。
附图的简要说明

图1是一包括本发明预过滤器的滤芯的立体图。
图2是沿图1中线2-2截取的局部剖视图。
图3是图1所示的过滤装置的滤芯的立体分解图。
图4是图1-图3所示的过滤装置的预过滤器构件的俯视图。
图5是图4所示构件的侧视图。
图6是图4和图5所示构件的侧视图；图6是从一不同于图5的侧面进行观察的。
图7是图4-图6所示构件的一种形式的侧视图；在图7中示出了铭刻在所述预过滤器上的标记。
图8是位于一传统型壳体内的本发明空气过滤装置设置情况的侧视图；图中所示的壳体是示意性的局部剖视图。
图9是本发明一过滤装置的另一实施例的立体图。
图10是图9所示过滤装置的端视图。
图11是图9和图10所示过滤装置的前视图。
图12是图9-图11所示过滤装置的侧视图。
图13是图9-图12所示过滤装置的后视图，其中虚线表示看不到的部分。
具体描述Ⅰ．图1-图8所示的实施例图1-图8所示的实施例可以用在多种系统中。但是，它主要是用于5-7级卡车的轻型车辆或诸如汽车之类的小型车辆的空气进气系统的。这些主要是约1吨重的轻便客货两用车一类的5级卡车的大小以及下至较小的小客车。这些车辆一般具有约为1.2升-9升的发动机(4-8个气缸)；并且在正常工作中，具有一足以使车辆移动的典型发动机载荷，必须至少为200-400立方英尺/分钟(大约5-11.5立方米/分钟)的发动机进气速率有效地过滤空气。“在发动机有负载”和类似术语指的是这样一些情况，即，其中发动机能运转以至少使车辆(其重量通常至少是1,000磅-2,000磅，即，大约454-910千克)移动，而不仅仅是空转或惰转。用在这种系统中的传统空气过滤装置一般都使用诸褶皱式纸质滤芯，这些滤芯具有一约为10平方英尺至75平方英尺，即约0.9平方米至7平方米的上游侧表面积，通常这些过滤装置都构造成大体上圆筒形的形式，并且具有约90平方英寸至950平方英寸(约580-6130平方厘米)的外圆筒面或表面积，具有约5英寸至25英寸(即，约12至64厘米)的外径。从描述中较显然可以理解，为了获得较佳的过滤作用，这些系统必须通过一相对较小的过滤器容积使较大量的空气有效地移动。而本发明的过滤装置正是旨在在一些应用中增强这种过滤能力。但是，应予注意的是，这里所描述的原理也可以用于种种其它系统中。
在对用于本发明过滤装置的较佳材料进行具体描述之前，先对有关于工作原理的一些理论进行描述，并对各实施例作一大体的讨论。
示例性的实施例-圆形进气过滤器下面请参阅图1-图8，图中示出了本发明的第一实施例或过滤装置。
现请参阅图1，标号1总的示出了本发明的过滤装置。所述过滤装置1包括两个主要构件一预过滤器4；以及一主空气过滤器5。在有些较佳实施例中，预过滤器4可以从主空气过滤器5上拆卸下来。也就是说，预过滤器4仅仅是围绕延伸或套在过滤器5周围，在使用中没有另外加以固定。通过下面的描述将会在一些较佳实施例中，预过滤器4具有几分弹性特征，并且具有一定尺寸从而能紧贴地安装在过滤器5周围并由此与过滤器5外接。
对于图1所示的过滤装置来说，过滤器5包括一其结构对于轻型车辆来说是众所周知的圆筒形空气过滤器。当直接从顶部或底部观看时，过滤器5在平面图中是大体上呈圆形的，现请参阅图2，空气过滤器5包括第一和第二相对的端盖10和11。总的来说，过滤介质12是部分地嵌埋在并延伸在两端盖10、11之间的。在有些较佳的结构中，介质12大体上包括圆筒形的褶皱式介质，例如，表面承载的褶皱式纸质介质、褶皱式合成介质、或褶皱式复合介质。在其它的装置中，它可以包括深度介质、或者是一种将褶皱式表面承载介质和深度介质结合起来的组合物。
现请参阅图2，图中所示的空气过滤器5包括一内衬15和一外衬16。内衬、外衬15和16部分地嵌埋在并延伸在端盖10、11之间。内衬15和外衬16都是开放式的。例如，可以对它进行穿孔、拉张成网或编织成一滤网，以使空气从其中流过。内衬15和外衬16通常都邻接介质12、位于空气过滤器5内、分别位于其下游和上游。应予注意的是，在本发明的过滤装置中，并不是所有过滤装置都要求有内衬和外衬的。但是，在很多应用中，由于它们对结构提供支承作用并可有利于装配，因此它们是被较多地采用的。
现请参阅图1，端盖10一般包括一位于其上的圆形密封边(seal bead)20。在图2中，一类似的密封边21位于端盖11上。事实上，总的来说，用于图1-图4所示过滤装置的过滤器5是对称的；即，端盖10和11大体上是镜像对称的；而且，过滤器5可以位于一壳体内(在图4中未予示出)，并且其中一个端盖(10,11)是设置成“朝上”或“向外”的。对于所示的过滤装置来说，密封边20、21被模制成端盖10、11的一部分。
对于图1和图2所示的过滤装置来说，端盖10、11都是开放式的端盖。也就是说，所有端盖均有一内孔。具体地说，端盖10形成内孔22，端盖11形成内孔 23。内孔(22,23)允许空气流入过滤器内部或从其中流出来，除非相应的端盖910,11)密封于一封闭表面的。在通常工作中，密封边20、21均密封于一壳体的一部分，以防止未经过滤的空气流过孔 22、23。通常，在使用过程中，孔22、23中有一个将密封在一壳体内的一空气出口的周围。密封边20和21中的另一个将密封于一封闭表面，通常是所述壳体的罩盖。现请参阅图1和图2，在通常的使用中，气流将首先流过预过滤器4，然后流过外衬16、介质12和内衬15，随后流入空气过滤器5的内部圆筒形空间或容积24，在空气被过滤后，流过壳体出口。这可以结合图8得到进一步理解。在图8中，壳体70包括一径向的进气口71和一轴向的出气口72。壳体70包括一藉助中心杆76上的蝶形螺母75而固定在侧壁74上的盖板73。当盖板73在蝶形螺母75的作用力的作用下被向下压紧时，它将端盖10的密封边20压紧。端盖11的另一相对的密封边21就密封在出口开孔72的周围并密封于壳体70。因此，对于图8所示的系统来说，过滤装置1是一位于壳体70内、可拆卸和可更换的构件。
本文中，用于进气口71的描述的术语“径向”指的是这样一个进气口它大体上指向所述过滤装置的中心纵轴线78，即指向围绕中心轴线78的半径方向。在本文中，术语“轴向”大体上指的是这样一个出气口72，即，它将经过过滤的气流从一过滤器内部、朝着一大体上平行于中心纵轴线78的方向、向外引导的的出气口。具有径向入口和轴向出口的壳体系统在诸如轻型卡车和汽车之类的车辆中是众所周知的。在这种系统中，空气过滤结构的方向常常是当车辆静止在一静置在一平整的表面上时，中心轴线78大体上是垂直延伸的。
应予注意的是，在一些过滤装置中，进气口是“切向的”，即，它所取的方向能使空气围绕纵轴线作圆形或螺旋形流动。本发明的原理可以用在这些系统中。
现请参阅图2，对于所示的具体较佳实施例来说，内衬15大体上是一诸如网状镀锌钢之类的开口式网(例如拉张钢板网180)，外衬16大体上是诸如镀锌钢之类的拉张钢板网材料，它具有至少50％，通常是70％的有效网孔面积。当然，也可以使用另一些材料。例如，在一些情况中，可以将尼龙或诸如在家用窗纱中使用的类似材料用作内衬。
本文中，外衬16大体上指的是图3中滤芯5的周缘28的外表面。对于本发明的很多过滤装置来说，该外表面，尤其是当用于轻型卡车或汽车时，将具有一约90平方英寸至950平方英寸的面积，即，大约590-6130平方厘米的面积。在本文中，术语“面积”指的是外衬16的高度或横向尺寸(图3中点A和点B之间)乘以通常由外衬16的圆形边缘所形成的、滤芯5的外周长。
当然，该外周缘或面积不一定就是滤芯(空气过滤器)5的介质上游表面面积的尺寸大小。空气过滤器5的上游表面积可以与前文中所确定的外周缘表面积相同，这取决于设计的性质。如果空气过滤器5内的最上游空气过滤介质是一种常用的、传统的、深度介质，那么，该介质的上游表面积(包括有效网孔面积)将大体上与以上所述的外周缘面积相同。但是，如果空气过滤器5内的最上游介质是一褶皱式介质时，其上游表面积将显著大于空气过滤器5的上述外周缘面积。对此的一个原因是皱褶增大了介质的上游表面积。在用在轻型卡车或汽车中的常用结构中，当使用褶皱式介质时，如果深度是约0.5英寸(约1.25厘米)至2.5英寸(约6.35厘米)的皱褶，所述介质的上游表面的表面积通常是约10平方英尺至75平方英尺(即，约0.9-7平方米)，围绕内周缘的皱褶的个数、每英寸具有约8至14个(每厘米3-6个)皱褶。这种皱褶深度和这样一种皱褶个数范围，对于轻型车辆来说是常用的。(通常，对于轻型车辆中所使用的过滤器尺寸来说，如果围绕所述内周缘，所使用的皱褶每英寸多于14个(每厘米6个)，那么皱褶就过密了，这是人们所不希望的，而如果围绕所述内周缘，所使用的皱褶每英寸不到约8个(每厘米大约3个)，对于有效且长时间的过滤来说，容积的使用就不够充分了。)对于本发明的很多应用来说，主空气过滤器5基本上与传统结构相同。事实上，它可以采用以前业已使用的设计中的部分。在使用中，这种装置通常是位于传统的圆形壳体内，并且当将传统的系统装配起来时，所述外衬16和壳体的圆形侧壁74之间存在一约为0.25至0.75英寸(约0.6-2厘米)的空间或距离，该空间在图8中以79予以标示。根据本发明，预过滤器4的尺寸和结构设计得能以一种便利的方式安装在该空间内部，以提高过滤效率和过滤器的使用寿命。因此，如果愿意，本发明的预过滤器可以用于现有的装置使现有的过滤装置得到改进。当然，这些原理也可以用于新设计的系统中。下文中将提供一些可以根据本发明对现有装置进行改进的装置的例子。
本文中，术语“过滤器的使用寿命”和类似用语指的是一滤芯或组件在通常使用时的预期使用寿命，而不需要作变化或改进，而且不需要介质的再生。过滤器使用寿命一般是藉助参照一时间周期来测定的，即直到出现了这样一种情况为止由于过滤器上颗粒载荷的结果，过滤器两端建立起了一定的压差。在一些包括汽车和轻型卡车发动机(5级卡车和更小的卡车)在内的常用系统中，正常的过滤器使用寿命将是这样一个周期，即，其中所述系统可以工作得不会使滤芯两端的压差相对于对所述系统中一新的、清洁的滤芯所测得的初始压差而言的增大值超过约10英寸高的水(25厘米高的水)。在这种常用的系统中，过滤装置两端的压差在发动机载荷下将是大约7”至17”高的水(即，大约17-43厘米高的水)。在大至6级以上卡车之类的较大卡车中，过滤器的使用寿命一般是这样一个时间，即，其中通过所述系统的流体阻力达到25英寸(即，大约64厘米)高的水的时间。当以所述”系统“两端的压差为参考时，通常是以从周围环境到空气过滤系统的清洁空气出口的压差的测得值为准的。
通常较佳的是提供这样一种系统，它具有理想的过滤效率，而又具有尽可能长的使用寿命。一般来说，可以利用本发明的技术，藉助采用预过滤器，来延长传统系统的使用寿命。在有些情况中，甚至还可以利用预过滤器4来提高过滤效率。
在图1和图2所示的组件中，空气过滤器5具有一围绕其设置的预过滤器4。预过滤器4包括一由过滤介质26所形成的护套或覆盖层25，它围绕空气过滤器5圆周设置，与其上游侧28形成一种大体上覆盖的关系。过滤器5的上游侧28大体上是由外衬16的外圆周区域或侧面、过滤介质12的上游所形成的，即，行将被过滤的空气所经过的侧面或表面。
总的来说，对于较佳的安排来说，深度介质的覆盖25至少包括两层介质。在较佳的系统中，预过滤器包括彼此互不相同的两层介质。对于图2所示的实施例来说，覆盖层25包括两层介质34和35。介质层34包括外层或最上游层；而介质层35则包括一内层或更多的下游介质层。请参阅图2，在覆盖层25中，介质层34和35彼此相互固定。在所示的具体实施例中，固定方法包括一沿着第一周向侧缘38的第一列缝合针脚和一沿着第二周向侧缘41的第二列缝合针脚40。在图3所示的过滤装置中，预过滤器5是由一条带形成的，它包括已藉助在横向接缝43处的缝合针脚42而缝成一圆形结构的介质层34和35。本文中，在将接缝形成圆形中所使用的术语“横向”指的是这样一种接缝，它与预过滤器5中的介质的圆形形状成横向关系。在这一例子中，“横向”方向指的是大体上平行于圆筒形装置的中心纵轴线且延伸在预过滤器4的、相对的、两圆形边缘之间的方向。
对于图中所示的具体较佳实施例来说，上游层34包括一非织造纤维深度介质；而下游层35包括一开孔泡沫介质。在一个具体实施例中，深度介质的外层34可以包括例如聚酯纤维；内侧35可以包括例如聚氨酯泡沫。用于这种装置的缝合针脚包括例如通常缝成波浪形的缝合针脚(surge stitch)的任何一种足够强劲的细线或粗线，在所示的较佳实施例中，在预过滤器4上没有用任何上游或下游内衬。
在较佳的装置中，每一介质层34和35均包括“深度”介质。本文中的术语“深度”指的是这样一种过滤介质，它在过滤过程中通常将颗粒俘获在其内并且至少部分地遍布深度方向内，而不是主要捕获在其外表面上。纤维介质和开孔泡沫介质是众所周知的深度介质。它们不同于众所周知的表面承载介质，诸如传统的褶皱式纸质(纤维素)介质。应予注意的是，空气过滤器15内部的介质12可以包括一表面承载介质或深度介质，或者该两者的组合物。但是，如果只用一种介质，通常预过滤器4以至少包括深度介质层的为佳。
总的来说，当深度介质的至少其中一层(34,35)包括一诸如聚氨酯泡沫之类的开孔式泡沫时，预过滤器4将是相当强劲和耐用的。也可以将它构造得具有一些弹性性质，由于泡沫具有几分似橡胶或弹性的特性，因此可以将它延展在过滤器5周围。如果使它具有适当的尺寸，则它可以紧贴地固定在过滤器5上。预过滤器4不必围覆住第二过滤器5而一点没有可能的来围覆区域。即使例如沿着边缘会有小部分未被围覆住，预过滤器4也可提供较佳的过滤作用。但是，较佳的是将预过滤器4制成一定尺寸，以便能沿着在过滤过程中空气将通过的外衬16来围覆住有效网孔表面区域(面积)28的至少90％，较佳的是至少95％，最佳的是100％。
在使用中，与传统的无预过滤器的滤芯相比，构造得如图1和图2所示的过滤装置将具有相对较长的使用寿命。预过滤器4可以过滤较多的颗粒，而且滤芯两端压差的增长速率通常较低。这是由于预过滤器4一般是深度介质，并承受较高的载荷，而且具有相对较良好的效率，而不会迅速增大压差。第二过滤器5的过滤介质可以提供一有效的下游过滤器作用，以防止发动机因颗粒材料可能会旁路流过预过滤器4或通过预过滤器而受损。
可以预期，在典型的构造中，在使用本文所指出的较佳材料并且用于卡车发动机或汽车发动机时，在正常使用过程中，在充分使用之后，在任一选定位置和在过滤器整个使用寿命期间，整个过滤装置1内的至少大约10％，通常大约是40％至60％(按重量计)的颗粒材料将被加载到预过滤器4上，而其余的则被加载到第二过滤器5上。这里“充分使用”指的是使用了一段足够长的时间而且有了较多的颗粒之后，即颗粒至少约2”(至少大约5厘米)之后，这里可由滤芯或系统两端压差的增长反映出来的。
在一诸如图示的典型实施例中，端盖10和11可以包括传统的塑料溶胶端盖材料，诸如可以从St.Lousi市的Dennis Chemicals买到的以9188-2为牌号的塑料溶胶端盖材料，它是以一种传统方式进行模制的，其肖氏A硬度至少约为54。过滤器5的过滤介质12可以包括传统的褶皱式纸质(汽车)过滤材料；但是，也可以选择其它的材料。可以预期，如果构造得适当，当将任一所述材料用作空气过滤器5的介质12时，可以利用预过滤器4来提高诸如空气过滤器5之类的滤芯的性能。
可以预见的是，在一些应用场合，本发明的预过滤器也可以与那些较大的鼓形滤芯一起使用，诸如用在较大的车辆上，即，轻型卡车和较大卡车中。这种过滤器的外径通常至少为6英寸，即，大约15厘米(直到大约25英寸，即，大约64厘米)，高度至少为8英寸，即，大约20厘米(最高达大约20英寸，即，大约51厘米)。在很多系统中，这种过滤装置都包括诸个具有一中心孔的敞口式端盖和一封闭式端盖的滤芯。封闭式端盖通常都完全封住所述圆筒形结构的一端，不让空气从其中流过；也就是说，它没有任何中心孔。很多这种系统的敞口式端盖均设置有一径向密封结构，以将所述滤芯与一出口管密封隔开。这种滤芯可以使用多种材料，包括深度介质或褶皱式介质在内。大体上如本文所描述的且具有一定尺寸以适应这种装置的预过滤器均可以很方便的加以制备。在例如美国专利4,720,292、5,423,892和5,082,476中描述了采用径向密封件的鼓形过滤器。这种端盖包括如美国专利申请No.08/551,898和美国专利申请No.08/371,809中所描述的柔软弹性聚氨酯。美国专利4,720,292、5,423,892、5,082,476和美国专利申请No.08/371,809和08/551,898的所有揭示内容都全部援引在本文中作为参考之用。应予注意的是，鼓形过滤器可以构造得具有轴向密封件，本发明的预过滤器也可以与这种过滤装置一起使用。
现请参阅图7，图7是根据本发明的一预过滤器85的侧视图，它围绕一过滤器5设置。图中示出了周缘接缝86和87。预过滤器85包括纤维深度介质88，它作为预过滤器内的介质的外层。
在图7所示的实施例中，深度介质88的外表面89经过“铭刻”或“压印”而有了标记90。对于图中所示的装置来说，在区域91内，纤维介质88已被压紧，而留下标记90作为凸起的区域。由于可以很方便地压缩这种类型的纤维介质并使之变形，而这样一种介质层882通常都是由这种类型的纤维介质制成的，因此，可以利用压力和热量来使之压缩。当所述介质大体上包括直径约12-40微米的聚酯纤维时，可以藉助在大约300°F(大约150℃)的温度下、将一热压板压入所述深度介质内并将它保持在那里约15秒钟就可以完成这种铭刻或压印作业。压力的大小只需足以将压板在所述介质上向底部沉下去就可以。通常，所述压板可以是一铝或钢压制件(浮雕件)，而且至少在与纤维接触的那一侧面上具有一Teflon或类似覆层。当然，所述标记可以包括信息、商标牌号、装饰物或起其它种种作用。通常，在区域91内部分深度介质层88的外部89已被压缩或压印的，最外的表面就不再是有效的过滤介质。因此，“铭刻”或“压印”的表面区域的大小通常被选择得仅限于整个表面区域89的一小部分。实践发现，在一种常用的结构85中，可以对至少约5％的介质表面89进行压印或铭刻，而不会对预过滤器的工作产生显著的不良影响。
在那些其中预过滤器包括一纤维介质外层和一泡沫介质内层的较佳实施例中，可以将纤维介质外层视为一“颗粒冲撞”介质。也就是说，它是这样一种介质被气流所携带的颗粒将首先碰撞到它。它通常将是一“高速度”冲撞介质由于在颗粒到达内层之前与外层内的纤维相碰撞而使得颗粒损失去了动量，也就是说，由于与纤维介质的外层相碰撞，被俘获在预过滤器内泡沫层内或者甚至是俘获在空气过滤器下游内的颗粒通常会被降低它们的速度或动量。由于它可以促进所述系统有效地工作，因此，这是极为有利的。
Ⅱ．另一实施例图9-图13本发明的某些原理可以应用在其它的过滤结构中。例如，可以应用在板式过滤器内。图9-图13示出了一个可以证明这一点的实施例。
现请参阅图9，标号101总的示出了一板式过滤结构。板式过滤介质101包括一具有一端盖和密封边104的最下游表面102。沿着下游表面102，板式过滤器101包括一如图11所示的内衬105。对于图示的实施例来说，内衬105包括多孔拉制钢板网，它具有至少50％但最好是至少约70％的有效网孔面积。
再现请参阅图9，在内衬105后面，板式过滤器101包括一传统的褶皱式过滤材料107。对于较佳实施例来说，褶皱式过滤材料107将包括一褶皱式纸质材料、褶皱式合成材料、或褶皱式复合材料。所述材料可以包括例如一标准纤维素汽车过滤介质。在所示的装置中，褶皱式介质107的各皱褶是密封或“封闭”的边缘。也就是说，每一皱褶均包括两个彼此相互固定及封闭、折叠和/或边密封的板，因此空气不能绕过各板并旁路过滤。这是板式过滤器所用的一种传统方法。
现请参阅图12，图中的板式过滤器101包括一位于褶皱式过滤材料107上游的预过滤结构110。预过滤结构110包括多层深度介质，最好是至少两层结构彼此互不相同的深度介质。对于图示的具体实施例来说，预过滤结构110包括一深度介质第一层112和一深度介质第二层113。第一层112是一最上游层，也是当空气流过板式过滤器110时对空气进行第一次过滤的层。第二层113在预过滤结构110内是一较下游的层，并且位于第一层112和褶皱式过滤介质107之间，至少处于某些较佳位置。
现请参阅图9，对于图示的较佳实施例来说，第二层113最好包括一在褶皱式过滤材料107的上游侧116上、沿着皱褶末端115的一泡沫介质片，例如，聚氨酯泡沫。
对于图示的实施例来说，第一层112包括一在泡沫片113上方的纤维深度介质片，例如，非织造纤维深度介质。现请参阅图9，纤维介质片120包括叠置表面121和端部折翼122、123。叠置表面121紧贴地贴在泡沫材料片113上。端部折翼122、123沿着泡沫材料片113和褶皱式过滤材料107的边缘124、125贴合。现请参阅图13，胶粘线130、134将泡沫材料片113固定于皱褶末端116上。在片113和112之间也可以使用类似的胶粘线(未示)。
从图9-图13中可见，板式过滤器101所具有的结构与图1-图8所示的结构相类似。待过滤的空气通常首先是流过第一层112。绝大部分空气在进入褶皱式过滤材料107之前，将流过第二层113。沿着端部折翼122、123，有些空气将直接从第一层112流入褶皱式过滤材料107，而不流过第二层113。
某些较佳结构在以下的讨论中，描述了一些可以用在某些应用中的较佳结构。通过下面的描述本发明的一些更普遍的应用可以变得更为清楚。
在很多的应用中，预过滤器将被设计成对现有的可以从市场上买到的过滤器产品和车辆作改进。也就是说，车辆在其空气过滤组件中已经具有一壳体和圆筒形滤芯，或者一板式过滤器和壳体。当所述系统是一圆筒形过滤器时，根据本发明，可以设置一预过滤器，以套在空气过滤器的外周缘或周边上，位于该空气过滤器周围。所述预过滤器可以安装在壳体内、位于先前存在的圆筒形过滤器的外周缘和壳体壁面之间的空间内，如图8所示。由于设置了预过滤器，可以提高整个组件的过滤性能和使用寿命。
通常，在没有预过滤器4的传统系统中，圆筒形滤芯5和壳体壁面之间的间距一般是约0.5英寸(1.25)厘米至0.75英寸(约2厘米)。在某些结构中，当安装好以后，预过滤器几乎是填满该空间。在其他结构中，预过滤器事实上将填满该空间并被稍稍压紧。在还有其它一些结构中，预过滤器和壳体壁面之间将留有一定的空间。
对于所描述的系统，较佳的预过滤器包括一泡沫深度介质层，其周围具有一纤维深度层。
泡沫介质可以包括各种聚合物，但是由于聚氨酯容易获得并且具有可预计的特性，因此通常被认为是较佳的泡沫介质。通常，网眼或微孔密度为每英寸至少具有30个微孔(11个微孔/厘米)但每英寸不超过大约80个微孔(32个微孔/厘米)的泡沫材料是较佳的。其理由是当网眼或微孔密度低于每英寸大约30个微孔时，泡沫就非常疏松和可渗透的，由此使它不能作为一种极其有效的过滤器材料。但是，当网眼或微孔密度大于每英寸大约80个微孔时，过滤器的各微孔通常就非常小，从而使它们很容易被堵塞，随之而来的是使得过滤器使用寿命降低。目前在本发明的过滤装置中使用的被认为是最佳的聚氨酯具有这样一个网眼或微孔密度每英寸大约具有50-55个微孔(19-22个微孔/厘米)。本文所使用的术语“微孔/每英寸”指的是在所述泡沫材料的表面上、以一定间距内、沿线性方向所具有的微孔的个数。这是用来命名泡沫的传统术语。
通常，根据本发明的尿烷泡沫最好应该是精制泡沫或“骤冷”泡沫。具有适当密度和表面光洁度的泡沫材料可以从诸如Pennsylvania州的Foamex of Philadephia之类的泡沫供应商那里很方便地买到。
泡沫的厚度可以根据使用的具体情况来选定。对于一种常用的车辆板式过滤器来说，厚度大约为1/2英寸(1.25厘米)的泡沫层通常是较有用且较佳的。对于圆形轻型车辆过滤器，厚度大约为1/4英寸(.64厘米)的泡沫通常是较佳的。
而且，在较佳系统中，预过滤器内的介质的外层或最上游层包括一纤维深度介质。较佳的是，使用一种包括聚酯纤维的介质。通常，可以常用传统介质。可使用的常用纤维深度介质包括其纤维尺寸在一定范围内的混合物，或者是一种尺寸均匀的纤维。有些常用的、可以从市场上买到的、传统的混合物使用的是其范围通常在12微米至40微米范围内的纤维。一种将在下文中描述的、可用的、可以从市场上买到的均匀纤维材料所具有的纤维尺寸约为12.5微米。
较佳的混合物，纤维尺寸的平均值应该在大约15-30微米、通常是大约20微米的范围内。
一种可用的的纤维深度介质材料是可以从North Carolina 28241的Charlotte市的Kem Wove,Inc.买到的Kem Wove 4.2盎司。这种材料在美国专利5,423,892中有所描述，该专利援引在本文中作为参考之用。这种材料每平方码具有大约4.2盎司的基重，并且在装入或制成预过滤器前的自由状态(free state)时其厚度约为1/2英寸。纤维尺寸的平均值约为20微米，并且这种材料所具有的渗透能力(Frazer测试)的最小值为每分钟至少500英尺。
还可以从诸如Indiana州的Michigan City市的Fiberbond Inc.之类的其它很多供应商那里获得其它类似的可用材料。
在一些情况中，人们可能希望一种更为疏松的纤维材料。其中一种材料是也可以从Kem Wove买到的Kem Wove 8643。这种材料在美国专利5,432,992中有所描述，该专利援引在本文中作为参考之用。这种材料具有大约3.1-3.8盎司/平方码的基重，装入或制成预过滤器前的自由状态时平均厚度约为0.32-0.42英寸。其渗透性最小值约为370英尺/分钟，并包括约为12.5微米的平均纤维尺寸。
总的来说，较厚的(1/2英寸)纤维材料对于那些包括板式过滤器在内的结构来说是较佳的，因此，总预过滤器厚度将是大约1/2英寸；在圆形的汽车用过滤器中较佳的是较薄而更为疏松材料，例如Kem Wove 8643，其中，总预过滤器厚度约为3/8英寸(即，大约0.95厘米)。
本文中的术语“表面速度”指的是利用Frazer渗透性测定器产生0.5英寸(即，大约1.25厘米)的水阻力所需的空气速度。
在本文中，在描述过滤器介质的特性时使用的术语“自由状态”指的是在被装入预过滤器4之前，制成预过滤器4所用材料的特性。例如，来自供应商的泡沫的自由状态厚度，或者来自供应商的纤维深度介质的自由状态厚度。应予理解的是，在构造预过滤器4的过程中，每一层均被稍稍压紧。在有些系统中，甚至还希望有一定程度的压紧，以便增大过滤介质的密度(或密实度百分比)，从而增加它的有效性。
两层条带的尺寸是由需要贴合的滤芯来确定的。对于一种外径约为30厘米、高度约为8厘米的常用汽车或轻型卡车空气过滤器来说，所述的两层条带最好是被制造成约95厘米×8厘米，并利用一强有力的细线或粗线、藉助波纹状缝合针脚、沿着外纵向边缘将这两层彼此相互缝合起来。所述条带可以藉助一种横向的接缝、利用一类似的缝合针脚而缝制成一圆环形。沿着任一缝制接缝，每英寸上的缝合针脚数不是很关键的，只要它足以保证结构完整性即可。较佳的是，首先缝制出所述横向接缝，然后在使用中将所述系统的内表面向外翻，如图3所示的那样。这种安排将紧贴地贴合在圆形(或椭圆形)空气过滤器的外周缘上，并被制成一定尺寸，以便安装在空气过滤器和壳体壁面之间的壳体内部。
一种例如大致如上述类型的结构将可用以提高下述车辆的过滤性能。
用在节气门段燃料喷射式4缸1.8升的Buick Skylark车；节气门段燃料喷射式4缸2.5升的Century和Skylark车；节气门段燃料喷射式4缸2.5升的Chevrolet Camaro、Celebrity和Citation车；用在节气门段燃料喷射式4缸2.5升的Oldsmobile CutlassCierra和Omega车；用在节气门段燃料喷射式4缸1.8升排量的Pontiac J2000车；用在节气门段燃料喷射式4缸2.5升的Firebird、Phoenix和6000车上的空气过滤器(圆形)，(替代AC p/n A785C)；用在装有V6 1 73的Buick Skylark、Chevrolet Citation、Oldsmobile Omega、Pontiac Phoenix车上的空气过滤器(板式)，(替代AC p/n A735C、GMC p/n8996555)；用在Buick、Chevrolet、Chevrolet卡车、GMC卡车、Oldsmobile、Pontiac车上的空气过滤器(圆形)，(替代GMC p/n 6484235、AC p/n A348C)；用在Buick、Chevrolet Corvair、Chevrolet、Chevrolet卡车、GMC卡车、Oldsmobile、Pontiac车上的空气过滤器(圆形)，(替代GMC p/n 6419892、6420934、AC p/n A1 78CW)；用在Buick、Chevrolet Corvair、Chevrolet、Chevrolet卡车、GMC卡车、AMC吉普车、Oldsmobile、Pontiac车上的空气过滤器(圆形)，(替代GMC p/n 6483645、AC p/n A329C)；用在装有V6 229和V8 267的Chevrolet轿车和卡车上的空气过滤器(圆形)，(替代AC p/n A773C)；用在Ford、Ford卡车、Lincoln Mercury车上的空气过滤器(圆形)，(替代Fordp/n D2AF-9601 AA、D2AZ-9601 A；Motocraft p/n FA-97)；用在Audi 4000、4000S、Fox、Volkswagon Daher、Jetta、Quantum、Rabbit、Scirocco和轻型客货两用车；节气门段燃料喷射式且装有多口燃料喷射式发动机的4缸2.2升排量的Chrysler车；4缸1.6升涡轮、1.9升电子控制汽油喷射式Ford Escort车上的空气过滤器(圆形)，(替代Chrysler p/n 4241042；Ford p/n E4FZ-9601A；Motocraff p/n FA-1031,FA-999)；用在装有V6、3.0升、多口燃料喷射式Buick Lesabre和Riviera；装有V6、3.8升、顺序喷油式Electra、Lesabre和Riviera；装有V63.0及3.8升、顺序喷油式Oldsmobile、Delta 88、Royale、Toronado和Ninety-Eight车上的空气过滤器(板式)，(替代GM p/n 25095333和AC p/n A974C)；用在没有碳精型过滤器的车辆；装有2.2升发动机的Dodge Aries K、PlymouthReliant K、Dodge Omni、Plymouth Horizon车上的空气过滤器(板式)，(替代Chrysler p/n 4227087、4342801)；用在4缸、装有V6的Ford Taurus、Aerostar、Mercury Sable车上的空气过滤器(板式)，(替代Motorcraft p/n FA 1043、Ford p/n ECAZ-9601B)；用在Dodge、Dodge卡车、Plymouth和American Motors上的空气过滤器(圆形)，(替代Chrysler p/n 1739547、AMC p/n 8992661)；用在Ford Faiflane、Fairmont、Granada、LTD、Maverick、Mustang、Pinto、Thunderbird、轻型卡车、Bronco、Ranchero、Mercury Bobcat、Capri、Comet、Cougar、Marquis、Montegro。Toyota Celica、Corona、Cressida和Hi-Lux轻便客货两用车上的空气过滤器(圆形)，(替代Ford p/n D4ZZ-9601AA；Motorcraft p/nFA-584R)；用在Ford Bronco、轻便客货两用车和箱式货车上的；Except 7.3升柴油机、6缸4.9升燃料喷射式Bronco和5.0升四桶汽化和燃料喷射式车上的空气过滤器(板式)，(替代Motorcraft p/n FA-1046)；用在Ford Mustang、Mercury Cougar车上的空气过滤器(板式)，(替代Ford p/nD3ZF-9601 AA、D3ZF-9601 A、Motorcraft p/n FA-574)；
用在Ford Falcon、Mustang、Mercury Comet、American Motors车上的空气过滤器(板式)，(替代Ford p/n C5ZZ-9601A、CIKE-9601A、AMC p/n 8991386、Studebaker p/n 1561842)；用在装有2.3升强涡流燃烧发动机的Mercury Topaz和Ford Tempo车上的空气过滤器(板式)，(替代Ford p/n E43E-9601CA、E43-9601CB、Motorcraft p/n FA-971)；用在装有4缸、1.9升或2.0升发动机的Chevrolet S-10和Blazer、GMC S-15和Jimmy车上的空气过滤器(板式)，(替代AC p/n A826C、GMC p/n 25041 542)；用在Ford Escort、Exp和Mercury Lynx、LN-7车上的空气过滤器(椭圆形)，(替代Ford p/n E1FZ-9601A、Motorcraft p/n FA-713)；用在装有5.0升、V8电子燃料喷射式发动机的Ford轻型客货两用车上的空气过滤器(板式)，(替代Ford p/n E5TE-9601AB；Motorcraft p/n FA-1032)；以及用在装有V6 2.8升多口燃料喷射式发动机的Buick Skylark、CadillacCimmaron、Chevrolet Celebrity、Oldsmobile Firenza和Pontiac 6000车上的空气过滤器(板式)，(替代GMC p/n 25043119；ACp/nA905C；Framp/nA1098C)。
正如上文指出的那样，在本发明的那些较佳的过滤装置中，预过滤器包括两层，一泡沫内层和一纤维深度介质外层。在典型的结构中，纤维深度介质将是比泡沫介质更为有效的过滤介质，因此，从理论上说，某些较佳的过滤器可以具有一“逆向的”梯度。
但是，在实际使用中，由于多种原因，这种过滤装置可能是较佳的。例如，泡沫结构可以给所述系统补充强度和结构完整性，并有利于延展和套在滤芯上。当它遇到位于一外层上的金属凸壁(spur)或类似物时，会在所述过滤器上滑过，因此不太可能被抓住。而且，泡沫将具有一些弹性或可弯性，可以促进紧密配合。
此外，纤维深度介质有时候可以起到凝聚过滤器(agglomerating filter)的作用。也就是说，它可以收集极微小的颗粒并将它们聚结成较大的颗粒。在一些情况中，这些较大的聚结起来的颗粒会被撞击而从纤维介质上松散开来释放出来。但是，它们通常可以以一种有效的方式被捕获在底层的泡沫介质内部。
权利要求
1．一种过滤装置(1)，它包括(a)一预过滤装置(4)，它包括(ⅰ)一纤维深度介质层(34)；以及(ⅱ)一泡沫介质层(35)，所述泡沫介质层(35)藉助缝合而固定于所述纤维深度介质层(34)。
2．如权利要求1所述的过滤装置(1)，其特征在于，它还包括(a)一具有第一端盖(10)和第二端盖(11)和一外周缘表面(16)的空气过滤器(5)；(ⅰ)所述预过滤装置(4)围住所述空气过滤器(5)并且相对于所述外周缘表面(16)成围覆关系。
3．如权利要求2所述的过滤装置(1)，其特征在于，它还包括(a)一具有一壳体(70)的空气清洁器，所述壳体具有一进入口(71)和一轴向出气口(72)；(ⅰ)所述空气过滤器(5)和所述预过滤装置(4)设置在所述空气清洁器壳体(70)内部。
4．如权利要求1、2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述泡沫介质层(35)包括一其密度为每一英寸至少具有30个微孔的开孔聚氨酯泡沫。
5．如权利要求1、2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述纤维深度介质层(34)包括一非织造层，它在自由状态时的厚度至少为0.25英寸，并在自由状态具有每分钟至少200英尺的渗透性。
6．如权利要求1、2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述预过滤装置(4)具有一环形的结构，并具有一外介质层(34)和一内介质层(35)；(ⅰ)所述外介质层包括所述纤维深度介质层(34)；以及(ⅱ)所述内介质层包括所述泡沫介质(35)。
7．如权利要求1、2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述预过滤装置(4)包括沿着一横向接缝(43)缝制成一圆环的两层介质条带。
8．如权利要求7所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述缝合针脚(42)包括(ⅰ)沿着第一环形边缘(38)的第一组缝合针脚(37)；以及(ⅱ)沿着一相对的第二组圆形边缘(41)的第二组缝合针脚(40)；以及(ⅲ)沿着所述环形接缝(43)、在所述第一环形边缘(38)和第二组环形边缘(41)之间延伸的第三组缝合针脚。
9．如权利要求2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述泡沫介质层(35)包括一位于所述预过滤装置(4)内部的最下游过滤器介质层。
10．如权利要求2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述空气过滤器(5)包括一位于一内衬(15)和一外衬(16)之间的圆筒形褶皱式介质(12)；(ⅰ)所述外衬(16)包括一外周缘表面(16)。
11．如权利要求2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述第一端盖(10)是一其上具有一轴向密封边(20)的敞口式端盖；(b)所述第二端盖(11)是一其上具有一轴向密封边(21)的敞口式端盖。
12．如权利要求2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述空气过滤器(5)包括一车辆空气过滤器(5)，它是用来在发动机承载正常运转过程中，以每分钟至少200立方英尺的流率对从其中通过的空气进行过滤。
13．如权利要求2或3中任一权利要求所述的过滤装置(1)，其特征在于，(a)所述预过滤装置(4)位于所述空气过滤器(5)周围，但并未固定于所述空气过滤器(5)。
14．一种装配过滤装置(1)的方法，所述过滤装置具有一如权利要求2或3中任一权利要求所述的预过滤装置(4)和一空气过滤器(5)；所述预过滤器(4)具有一纤维深度介质层(34)和一藉助缝合针脚(42)固定于纤维深度介质(34)的泡沫介质层(35)；所述空气过滤器(5)具有第一端盖(10)和第二端盖(11)，以及一外周缘表面(16)；所述方法包括以下步骤(a)将预过滤装置(4)套在所述空气过滤器(5)并围住所述空气过滤器(5)，以用预过滤装置(4)来围覆住空气过滤器(5)的外周缘表面(16)。
全文摘要
本发明提供了一种过滤装置。该过滤装置总的包括一具有上游表面(28)的空气过滤器(12)和一设置在该表面上的预过滤器(4)。预过滤器最好包括至少两层深度介质(34,35)。在较佳系统中,预过滤器包括两层借助缝合针脚(37,40)而彼此相互固定的深度介质层。在所揭示的一些较佳装置中,预过滤器包括一纤维深度介质上游层(34)和一泡沫深度介质下游层(35),它们沿着周缘彼此缝合。本发明还涉及提供预过滤器,以及包括具有空气过滤器的壳体的空气过滤装置,本发明的预过滤器设置在其内。本发明还提供构造和使用过滤装置的方法。
文档编号B01D46/24GK1225032SQ97196289
公开日1999年8月4日 申请日期1997年7月9日 优先权日1997年7月9日
发明者L·R·内普森德, K·A·亚伯拉罕森, T·A·伯克曼恩, J·K·艾尔福斯特兰德 申请人:唐纳森公司