过滤元件及其制造和使用方法

专利名称：过滤元件及其制造和使用方法
技术领域：
本发明涉及过滤元件及其制造中所用的方法。
背景技术：
已有用来以连续工艺制造管状过滤元件的机器。美国专利4，101，423 公开了 一种在单级多巻绕机器(multiple winding machine)上由螺旋状巻 绕并重叠的多层制造的管状过滤元件，所述层例如高湿强度、高度多孔 纸的内层、无菌级薄微孔过滤材料的第二层、发泡聚乙烯多孔片材的外 层和支承所述过滤材料的多孔外层。这些层包绕在固定芯轴上而以单层 重叠的方式自重叠并在巻绕时一致地沿所述芯轴推进以便该层合体的 相邻层间无相对运动。阻止被过滤的颗粒物质和细菌通过的粘合剂材料 将第二过滤层密封在重叠区域内。该管状层合结构的端部靠近所述结构 各边缘处预定的长度用适宜的密封粘合剂材料如聚氨酯封装化合物浸 渍。当粘合剂材料固化时，所述端部为管提供机械支承，同时阻止流体 或颗粒和细菌污染物通过(参见第5栏，第4-26行)。
美国专利4，986，909中示出了一种环状巻绕的螺旋形色镨柱。此处， 片材式可溶胀纤维基体与隔离装置层的交替层的夹层结构或层合体与 所述夹层结构的周缘被压缩成流体不透的构造。通常，可膨胀纤维基体 与隔离装置的交替盘的周缘结合。优选所述纤维基体含有或其中粘结有 热塑性聚合物材料，隔离装置也如此。边缘可通过适宜的加热如声波焊 接结合(参见第10栏，第40-61行)。
美国专利5,114,582中公开了另一种螺旋状环形巻绕的过滤元件，其 包括一个或多个螺旋状巻绕于圆筒形渗透物输运管上的过滤元件。各过 滤元件包括热封膜元件和进料隔离体(参见摘要)。
美国专利5，264，162中公开了一种制造由碳-碳复合材料以垫条形式 螺旋状巻绕于芯轴上制成的高渗透多孔管的方法。多孔管由所述材料通 过在芯轴上巻绕由碳纤维前体制成的非织造片材，然后对组件进行压缩和热稳定化而制成。用树脂浸渍所述片材，然后对树脂进行热碳化处理。 获得的管渗透性高、孔径小且内表面粗糙度低(参见摘要)。还公开了使 用连续垫层可以在最终管中获得孔径在待过滤流体的方向上一般从管 内侧向管外侧增大。有利的是这些孔径在一层和下 一层之间的比率基本
为10，这可通过调节垫的密度和/或纤维的直径获得(参见第4栏，第 10-20行)。
美国专利5,409,515中公开了一种螺旋状巻绕的单绕过滤元件，其 包括聚四氟乙烯的多孔膜和一个或多个由热熔合成树脂制成的纤维构 成的片体(参见摘要)。所述片体在选定的长度上热熔合(参见Col.第 40-46行)。

发明内容
本发明的一般目的是提供用改进的方法制得的改进的过滤元件及 用于其制造的机器。
该目的通过由被压缩形成具有选定孔隙率的垫或片材的基体材料 和粘结材料的均匀混合物的至少一种非织造织物制成的过滤元件达到。 所述粘结纤维有至少一个熔融温度低于所述基体纤维的表面。所述片材 形成为选定的几何形状并被加热至热熔以结合基体纤维成为多孔过滤 元件。优选的形状为多个片材的螺旋巻绕管，各片材自重叠并被压缩以 与另一片材重叠。各片材优选单独加热和压缩且片材可选择为具有不同 的孔隙率和密度。粘结材料选自热塑性材料和树脂，基体材料选自热塑 性材料和天然材料。
优选用来生产所述过滤元件的机器采用的制造方法包括形成如上 所述被压缩形成具有选定孔隙率的片材的基体纤维和粘结纤维的均匀 网的非织造织物的步骤。多个非织造织物片材螺旋形地巻绕于带有单独 的皮带的多站巻绕机上，各皮带由绞盘供以动力，从而形成各个层，这 些层重叠而形成层合体。各皮带的张力选择为压缩各层至选定的程度。 加热各层以实现热熔合步骤。冷却流体通过空心芯轴泵送以防止芯轴中 的过度热积聚。机器由计算机控制，计算机接收调节机器功能的输入信 号如绞盘驱动电机速度、片材巻绕皮带的张力、用来实现各层的热熔合 的加热器阵列的温度和流经空心芯轴的冷却流体的流量。通过下面的详细描述，本发明的上述以及另外的目的、特征和优势 将变得明显。


图1为本发明的一个优选实施方案的部分截面的透视图，示出了在 四站巻绕机中用四巻选定的非织造织物制得的多重叠无芯过滤元件。
图2为横截面视图，示出了在空心芯轴上形成的图1的多重叠无芯 过滤元件。
图3为用来制造图1的过滤元件的机器的三个站的示意性顶视图。
图4为透视图，示出了用来生产图1的过滤元件的多级巻绕机的一 个优选实施方案。
图5为用来生产图1的过滤元件的优选非织造织物制造工艺的框图。
图6A示出了根据本发明的另一实施方案的具有夹层带(interlaying band)的多重叠无芯过滤元件的横截面视图。
图6B示出了用来形成夹层带的条，所述条位置抵靠着用来形成过 滤元件的带的条的表面以同时巻绕而提供图6A中所示的构造。
图7示出了根据本发明的一个实施方案的具有插入带(interleafing band)的另 一多重叠无芯过滤元件的横截面视图。
图8示出了根据本发明的另一实施方案的具有另一插入带的多重叠 无芯过滤元件的横截面视图。
特定实施方案的描述
看附图的图1,数字ll代表根据本发明的原理构造的多重叠无芯过 滤元件。其包括第一多重叠非织造织物条13、第二多重叠非织造织物条
15、 第三多重叠非织造织物条17和第四多重叠非织造织物条19。各织 物条13、 15、 17、 19以重叠的层螺旋形地巻绕而分别形成重叠的带14、
16、 18、 20。带14的径向内表面21形成从过滤元件的一端25向过滤元件11的相对端27延伸的轴向延伸环形空间(即通路)的周缘。图中放 大了织物的厚度。
在附图的图2中，数字47代表具有环形外表面49和环形内表面51 的空心圆筒形芯轴，所述环形内表面51形成圆筒形通道53的周缘，液 体或气体换热介质(未示出)通过圆筒形通道53流动。多重叠非织造织物 条13的带14示意为被多重叠非织造织物条15的带16重叠，带16又 被多重叠非织造织物条17的带18重叠，带18又被多重叠非织造织物 条19的带20重叠。
如附图的图3中所示，仅示出了图4中更详细地示出的多级巻绕机 的三个级。在图3中，第一压缩皮带55示意为以多重叠方式绕空心芯 轴47巻绕非织造织物条13。第二压缩皮带57示意为以多重叠方式绕多 重叠非织造织物条13巻绕非织造织物条15。第三压缩皮带59示意为以 多重叠方式绕多重叠非织造织物条15巻绕非织造织物条17。优选红外 加热器的第一加热器阵列63示意为处在与压缩皮带55压缩的同时向多 重叠非织造织物条13施加热的位置。红外加热器的第二加热器阵列65 示意为处在与压缩皮带57压缩的同时向多重叠非织造织物条15施加热 的位置。红外加热器的第三加热器阵列67示意为处在与压缩皮带59压 缩的同时向多重叠非织造织物条17施加热的位置。
现在看附图的图4，数字71代表用来制造多重叠无芯过滤元件11 的多级巻绕机。非织造织物条13的巻示意为安装在巻支承体75上，巻 支承体75由竖立构件77构成，竖立构件77上安装了一个或多个圆筒 形巻支承轴79，圆筒形巻支承轴79从竖立构件77垂直地向外延伸以接 收非织造织物条13的巻的管状芯(未示出)。各巻支承轴79在沿竖立构 件77的长度的某个点处连接到竖立构件77上。竖立构件77的底部与 多个水平腿(未示出)连接，这些水平腿垂直向外延伸至为竖立构件77、 各巻支承轴79和各巻支承轴79上装载的各巻非织造织物条13提供支 承的长度。
进料盘81由矩形板构成，矩形板的两个最长的相对边缘83和85 各以直角巻起以形成起支承和引导作用并可调节为非织造织物条13的 宽度的通道。巻绕机71的各个级具有进料盘81和与气缸(未示出)连接 的张紧器辊147。加热器阵列支承体87 (即第一加热器阵列63的安装板)垂直地位于 与巻绕机71的轴89相垂直的平面中。加热器阵列支承体87沿其底部 边缘与机器支承结构91连接，机器支承结构91平行于巻绕机71的轴 89延伸并支承其各个级。加热器阵列支承体87具有输入表面(未示出) 和输出表面93。空心芯轴47连接到输出表面93并沿轴89延伸通过巻 绕机71的各个级。加热器阵列支承体87的输入表面上接有导管(未示 出)，用于从泵送设备(在图7中以数字324示意性地代表)通过加热器阵 列支承体87中的孔(未示出)向加热器阵列支承体87输送换热介质并使 其进入空心芯轴47的圆筒形通道53 (参见图2)中。加热器阵列支承体 87的输出表面93连接有多个加热器执行机构97，所述多个加热器执行 机构97各包括通过齿轮机构(未示出)与加热器执行机构板101连接的刻 度盘调节机构99。
各加热器执行机构板101上接有红外加热器63，所述红外加热器 63从加热器阵列支承体87的输出表面93向外延伸并与巻绕机71的轴 89平行。各红外加热器63以垂直于空心芯轴47及沿空心芯轴47的方 向引导热的方式接在对应的加热器执行机构板IOI上。各红外加热器63 从加热器阵列支承体87的输出表面93向外延伸选定的距离。
由驱动绞盘105和从动绞盘106构成的一对绞盘垂直竖立，其轴(未 示出)与巻绕机71的轴89垂直并位于巻绕机71的轴89的任一侧上。 驱动绞盘105安装在驱动绞盘齿轮箱107上，从动绞盘106安装在从动 绞盘齿轮箱109上。驱动绞盘齿轮箱107的底部与齿轮箱平台113连接。 齿轮箱平台113为矩形板，该矩形板水平地位于机器支承结构91上面。 绞盘驱动电机(未示出)安装在齿轮箱平台113下面并具有轴(未示出)， 该轴延伸通过齿轮箱平台113中的孔(未示出)并与驱动绞盘齿轮箱107 的齿轮连接。驱动绞盘齿轮箱107通过花键轴(在第一级中未示出，但 与第四级的花键轴lll相同)与从动绞盘齿轮箱109连接，从而提供以相 同的角速度但相反的方向驱动绞盘105和106的装置。
从动绞盘齿轮箱109的底部与齿轮箱滑板115连接。齿轮箱滑板115 的下侧有多个沿其长度延伸并与齿轮箱平台113的长度平行的凹槽。齿 轮箱滑板115的凹槽容纳数字线性编码器117的导轨，从而使数字线性 编码器117可以增量的方式测定从动绞盘109沿数字线性编码器117的导轨相对于数字线性编码器117上的基准点的位置。数字线性编码器117 可为美国专利4,586,760中所公开的类型或本领域技术人员熟知的任何 其他增量线性测量设备。齿轮箱平台113的中心附近有弧形狭缝(在第 一级中未示出，但与第四级的弧形狭缝119相同)，该弧形狭缝切穿过 平台的厚度，其弦与齿轮箱113的长度平行。齿轮箱平台调节固定螺钉 (在第一级中未示出，但与第四级的齿轮箱平台调节固定螺钉121相同) 穿过与狭缝119相同的弧形狭缝并被接纳进机器支承结构91中的螺紋 孑L(未示出)内。皮带55相对于芯轴47的角度可用该机构调节。
绞盘套筒123和125分别与驱动绞盘105和从动绞盘106的轴同心。 绞盘套筒123和125的径向内表面分别与驱动绞盘105和从动绞盘106 的径向外表面紧密配合并通过驱动绞盘105上和从动绞盘106上的选定 位置处的适宜装置接于其上。环形绞盘套筒法兰127和129分别从驱动 绞盘105和从动绞盘106径向向外延伸。
压缩皮带55绕驱动绞盘105的周缘的一半和从动绞盘106的周缘 的一半形成闭合环路并按驱动绞盘105和从动绞盘106的轴之间的距离 置于张紧状态。压缩皮带在驱动绞盘105和从动绞盘106之间自身横穿 单次。此外，压缩皮带55绕空心芯轴47形成单螺旋。
张紧器气缸133安装在齿轮箱平台113上与从动绞盘齿轮箱109同 一端。张紧器气缸133为常用的气动气缸，其轴135从张紧器气缸133 的一端平行于齿轮箱平台113的长度延伸并在相反端与从动绞盘齿轮箱 109连接。
图4中示出了多级巻绕机71的三个附加级。这类附加级各由与第 一级相同的部件构成，不同在于各附加级的加热器阵列支承体137包括 与巻绕机71的轴89同心的孔139,空心芯轴47通过孔139并有足够的 余隙用于过滤元件11的带14、 16、 18、 20;不同还在于用进料张紧器 141代替了进料盘81，进料张紧器141由垂直竖立构件143构成，垂直 竖立构件143的底部与多个水平腿145连接并在相反端与进料张紧器辊 147连接。
现在看附图的图5,其示意了非织造织物制造工艺的各个步骤的框 图。制造工艺的各个重要步骤在单独的框中示出。框151中，步骤l为纤维的获取，纤维常是从纺织纤维生产商处购得的大包形式。各个条13、 15、 17、 19由一种或多种纤维构成。如果条13、 15、 17、 19仅由一种 纤维组成，则其应为由较低熔点的外壳和较高熔点的内核构成的类型。 如果条13、 15、 17、 19由两种或更多种纤维构成，则至少一种所述纤 维的熔点必须低于其他的或为上面提到的核壳类型。
框153中，步骤2为纤维材料的开松和称量。纤维被输送到同步共 混机中，在同步共混机中其被进一步开松以为框155中的最终共混作准 备。
框155中，步骤3为纤维的最终共混，由此各纤维通过一系列圆筒 形辊和刺辊被彻底相互混合以提供纤维的均匀分散。该步骤在与美国专 利3,744,092中所公开的共混机类似的共混机中进行。
框157中，步骤4为彻底混合的纤维通过由直径约12英寸的管构 成的风道系统的输送，通过该风道系统，空气以约1,500英尺每分钟的 速率从共混机循环到进料器。
框159中，步骤5为相互混合的纤维向与美国专利2,774,294和 2，890，497中所公开的进料器类似的进料器中的进料。
框161中，步骤6为网形成步骤，在该步骤中，纤维从进料器传送 到与美国专利2,8卯，497和2,703,441中所公开的成网机类似的成网机 中，该成网机由多个圆筒形辊和刺辊组成以便形成均匀分散纤维的连续 网。
框163中，步骤7为在一系列通风炉和/或可替代热源中进行的液化 和压缩步骤，在这样的通风炉和/或可替代热源中，加热至选定温度的 空气流被向下吹到网上从而引起所有或部分特定类型的均匀分散纤维 的液化，这将在下文更详细地说明。与所有或部分特定类型的均匀分散 纤维的液化同时进行的是连续形成的网压缩形成薄片材。通风炉中的空 气用低压蒸汽饱和至近100。/。。液态水通过管道泵送到通风炉中，在通 风炉中其溅射到加热的不锈钢板上从而产生低压蒸汽。所需饱和度取决 于通风炉内的温度，通风炉内的温度为200华氏度到550华氏度。该蒸 汽中和以高达40,000立方英尺每分钟的速率循环的空气所产生的静电荷。通风炉中网两侧有4-8英寸水柱的压力差。网在通风炉中的停留时 间取决于在成网机产生的网的卸放速率并与其相协调。
框165中，步骤8为通过在两个圆筒形不锈钢辊间传送均匀分散纤 维的片材而将所述片材压缩成希望的过滤效率所需厚度的非织造织物。
框166中，步骤8-A为在巻绕机上形成非织造织物的巻。
框167中，步骤9的制造工艺为由非织造织物的片材形成条。切割 装置位于非织造织物片材宽度上的选定点处以便将片材切割成多个选 定宽度的条，从而形成非织造织物条如13、 15、 17、 19。
在框169的步骤10中，非织造条13、 15、 17、 19在常见的由多个 用来将非织造织物条13、 15、 17、 19排列和巻绕到芯上的圆筒形辊构 成的巻绕机上巻绕到圓筒形管形式的芯上。
整个非织造片材制造工艺在湿度受控的环境中进行。环境中空气的 相对湿度按湿球/干球温度计和焓图测得为60%到80%。
各非织造织物条13、 15、 17、 19由用作基体纤维和粘结纤维的选 定聚合物纤维如聚酯和聚丙烯构成。基体纤维的熔点高于粘结纤维。基 体纤维的作用是在无芯过滤元件11中产生小孔结构。粘结纤维或粘结
材料的作用是将基体纤维粘结成不需要单独的芯的刚性过滤元件。粘结 纤维可由纯纤维或由具有较低熔点的外壳和较高熔点的内核的那种组 成。如果粘结纤维是纯纤维类型，则其将在足够热的存在下全部液化。 如果粘结纤维具有外壳和内核，则使其经受在热的存在下仅外壳液化的 温度而留下内核来辅助基体纤维产生小孔结构。因此粘结纤维的作用是 在热的存在下全部或部分液化，其液体部分芯吸到基体纤维上以在基体 纤维间形成粘结点，从而在冷却时将基体纤维粘结在一起。粘结材料可 为非纤维的形式。
现在看本发明的一个优选实施方案，基体纤维和粘结纤维根据图5 中所列制造工艺共混形成各具有选定组成的非织造织物条13、 15、 17、 19的巻。当完成非织造织物条13、 15、 17、 19的巻的制造时，将其巻 装载到巻绕机71的各级中巻支承体75的巻支承轴79上。各巻支承体 75安置为将非织造织物条13、 15、 17、 19以选定的角度引入空心芯轴47。然后以美国专利5,827,430中给出的方式选择多重叠无芯过滤元件 ll的所需规格，该专利通过引用并入本文。
展开一定长度的非织造织物条13的巻并将其在进料盘81上喂入， 使其在进料盘81巻起的边缘83和85之间。进料盘81安置为使非织造 织物条13以选定的角度引向空心芯轴47，其后的驱动绞盘齿轮箱107 起到转动驱动绞盘105的作用。巻绕机71的第一级的花键轴向从动绞 盘齿轮箱109传送动力，从动绞盘齿轮箱109的齿轮又使从动绞盘106 以与驱动绞盘105相同的角速度但相反的方向转动。压缩皮带55的内 表面与驱动绞盘105和从动绞盘106的径向外表面之间的摩擦使皮带可 与绞盘105和106 —起转动而无切向滑移。绞盘套筒123和125的绞盘 套筒法兰127和129分别抑制压缩皮带55在驱动绞盘105和从动绞盘 106上向下滑移。
然后非织造织物条13的前缘31被送到空心芯轴47的环形外表面 49与压缩皮带55之间在压缩皮带55绕空心芯轴47形成其单螺旋环路 的点处。由于压缩皮带55和非织造织物条13之间产生的摩擦阻力大于 非织造织物条13和空心芯轴47间产生的摩擦阻力，故形成锥形螺旋线 形状的无芯过滤元件11且元件11沿空心芯轴47被驱向其自由端。非 织造织物条13和空心芯轴47之间的喂入角要使得当在压缩皮带55和 空心芯轴47之间压缩时非织造织物条13自身多次重叠，从而产生本发 明的多重叠锥形螺旋线特征。压缩皮带55的选定压缩力的来源为压缩 皮带55中的张力，该张力由驱动绞盘105和从动绞盘106的轴间的选 定距离决定。由于从动绞盘106与从动绞盘齿轮箱109连接而从动绞盘 齿轮箱109的底部与齿轮箱滑板115连接，故从动绞盘106可自由地沿 数字线性编码器117的导轨平移。数字线性编码器117以增量的方式测 定从动绞盘齿轮箱109沿数字线性编码器117的导轨相对于数字线性编 码器117上的基准点的位置。压缩皮带55向非织造织物条13传递的压 缩力由气动张紧器气缸133中的选定压力来控制和保持，气动张紧器气 缸133的轴135与从动绞盘齿轮箱109的底部连接。气动张紧器气缸133 中的压力按操作输入调节以便其轴135延伸或缩回，从而控制和保持压 缩皮带55向非织造织物条13传递的压缩力。
在前述压缩的同时，向多重叠非织造织物条13上施加选定量的热，该热由距非织造织物条13选定距离的红外加热器63的阵列生成。各红 外加热器63与加热器执行机构板101连接，加热器执行机构板101使 各红外加热器63可向着或远离空心芯轴47运动。加热器执行机构板101 的刻度盘调节机构99可以增量方式调节各红外加热器63和空心芯轴47 之间的距离。各红外加热器63用来加热多重叠非织造织物条13至选定 的温度，使得多重叠非织造织物条13的基体纤维在条内及带14的多重 叠层间通过液化粘结纤维的芯吸过程粘结在一起。
随着非织造织物条13被同时加热和压缩以产生所需的孔隙率，换 热介质经泵送设备(未示出)以使空心芯轴47的外表面49保持选定温度 的选定流率泵送通过空心芯轴47的圆筒形通道53。 一个或多个温度检
非织造织物条13继续在其自身上重叠，从而形成带14，带14沿空 心芯轴47以连续的无终止方式被驱动通过巻绕机71各剩余级的加热器 阵列支承体137的孔139。带14通过巻绕机71的所有级后， 一定长度 的第二级非织造织物条15的巻被展开并送入进料张紧器141的进料张 紧器辊147之间。然后非织造织物条15的前缘35被送到压缩皮带57 与带14的环形外表面之间在压缩皮带57绕空心芯轴47形成其单螺旋 环路的点处。
非织造织物条15通过与第一级非织造织物条13相同的装置同时压 缩和加热。非织造织物条15继续在其自身上重叠，从而形成带16,带 16的环形内表面与带14的环形外表面粘结。合并的带14和16沿空心 芯轴47以连续的无终止方式被驱动通过巻绕机71各剩余级的加热器阵 列支承体137的孔139。合并的带14和16通过巻绕机71的所有剩余级 后， 一定长度的第三级非织造织物条17的巻被展开并送入进料张紧器 141的进料张紧器辊147之间。然后非织造织物条17的前缘39被送到 压缩皮带59与带16的环形外表面之间在压缩皮带59绕空心芯轴47形 成其单螺旋环路的点处。
非织造织物条17通过与第一级非织造织物条13相同的装置同时压 缩和加热。非织造织物条17继续在其自身上重叠，从而形成带18，带 18的环形内表面与带16的环形外表面粘结。合并的带14、 16、 18沿空 心芯轴47以连续的无终止方式被驱动通过巻绕机71各剩余级的加热器阵列支承体137的孔139。合并的带14、 16、 18通过巻绕机71的所有 剩余级后， 一定长度的第四级非织造织物条19的巻礼艮开并送入进料 张紧器141的进料张紧器辊147之间。然后非织造织物条19的前缘43 被送到压缩皮带61与带18的环形外表面之间在压缩皮带61绕空心芯 轴47形成其单螺旋环路的点处。
非织造织物条19继续在其自身上重叠，从而形成带20,带20的环 形内表面与带18的环形外表面粘结。合并的带14、 16、 18、 20沿空心 芯轴47以连续的无终止方式被驱向测定设备(未示出)和切割设备(未示 出)。合并的带14、 16、 18、 20通过巻绕机71的最终级后，由测定设 备测定过滤元件11并由切割设备将其切割至一定长度。
绞盘驱动电机的角速度要使得非织造织物条13、 15、 17、 19与红 外加热器63、 65、 67、 68在选定的持续时间内保持足够紧密地靠近以 便使粘结纤维可适当液化。此外，各级之间提供足够的距离以便粘结纤 维可部分冷却，从而在各非织造条13、 15、 17、 19内、其各层之间以 及各带14、 16、 18、 20之间粘结基体纤维，进而在各层之间和各带14、 16、 18、 20之间提供所需的孔隙率。
选定量的热和压缩同时施向非织造织物条13、 15、 17、 19的层要 使得仅选定的性质改变而形成具有足以自支承(即不需结构芯)的结构强 度同时保持所需孔隙率的无芯过滤元件11。
如上所述选定量的热和压缩同时施向非织造织物条13、 15、 17、 19 可使得过滤元件壁上非织造织物条13、 15、 17、 19的层的密度发生系 统改变以及元件11的基体纤维的孔隙率发生系统改变。
滤液流过过滤元件11的方向可为从芯流向环形外壁或为从环形外 壁向芯，但在任一情况下，滤液的流动一般与过滤元件11的轴垂直。 但由于非织造织物条13、 15、 17、 19的层的锥形螺旋线性质，故由粘 结的基体纤维形成的孔与过滤元件11的轴成一定角度而使滤液的大颗 粒更难通过过滤元件11。
过滤元件11可通过用本领域技术人员熟知的任何适宜装置封盖端 部25和27(例如在聚合物树脂中封装)而完成。电缆触发的切断开关(未示出)在巻绕机71的一定长度内伸出以使巻 绕机71停止。
图1中所示类型的过滤元件的制造方法和手级的一个实例如下四 种不同类型的纤维从Hoechst Celanese of Charlotte, N.C.购买以纤维代 码"252"、 "121"、 "224"和"271，，出售的。纤维"252"为核壳型，而纤维 "121"、 "224，，和"271"为单组分纯纤维型。纤维"252"的旦尼尔为3，其 长度为1.500英寸。纤维"121"的旦尼尔为1，其长度为1.500英寸。纤 维"224，，的旦尼尔为6,其长度为2.000英寸。纤维"271，，的旦尼尔为15， 其长度为3.000英寸。纤维的第一共混物由纤维"121"和纤维"252"制造， 各纤维类型占50重量％。纤维的第二共混物由纤维"224"和纤维"252" 制造，各纤维类型占50重量％。纤维的第三共混物由25重量％的纤维 "121"、 25重量％的纤维"224"和50重量％的纤维"252"的组合物制造。 纤维的第四共混物由纤维"271"和纤维"252"制造，各纤维类型占50重 量％。核壳型的纤维"252，，在各前述共混物中用作粘结纤维。纤维的每 种共混物按图5中所示的工艺制造。纤维的各共混物形成为厚约1/2英 寸的网。在通风炉中九十秒的停留时间中，由于蒸汽所饱和的空气以约 40,000立方英尺每分钟在400华氏度的温度下循环，故各网的厚度减少 约50%而形成垫。通风炉中垫两侧有6英寸水柱的压力差。离开通风炉 后，各垫被喂入两个不锈钢圆筒形辊之间，该圆筒形辊将各垫的厚度压 缩约50%成为宽约37英寸的非织造织物片材。将各37英寸宽的非织造 织物片材切割成6英寸宽的条13、 15、 17、 19。各非织造织物片材的基 本重量测得为0.5-1.2盎司每平方英尺。作为质量保证步骤，切割非织 造织物的条后，在Frasier气流式试验仪上进行试验以测定其空气渗透 率，单位为立方英尺每分钟每平方英尺。然后将非织造织物条13、 15、 17、 19装在巻支承体75的巻支承轴79上，巻绕机71的每级上装一巻。
将非织造织物条13、 15、 17、 19的规格输入数据处理系统中。空 心芯轴47由不锈钢制成，公称外径为l英寸。启动换热介质泵送设备， 开始以不同的流率泵送换热介质通过空心芯轴47,使得空心芯轴47的 环形外表面49的温度保持在200华氏度。以约50赫兹的控制速度启动 第一级绞盘驱动电机。开启第一级加热器阵列63并供给足以在空心芯 轴47处产生300华氏度的温度的电压。通过将非织造织物条13送到空心芯轴47和第一级压缩皮带55之 间来开始形成非织造织物条13的第一带14。随着非织造织物条13在压 缩皮带55下并沿空心芯轴47推进，它以重叠的方式螺旋形地巻绕在其 自身上而形成带14。随着带14的外径增大，从动绞盘106移向驱动绞 盘105以缩短其间的距离并使从压缩皮带55施加到带14上的压力保持 IO磅每平方英寸。该压缩压力是压缩皮带55中的张力引起的，压缩皮 带55中的张力因张紧器气缸133中50磅每平方英寸的表压而产生。从 动绞盘106的运动通过改变张紧器气缸133中的压力实现。数字线性编 码器117检测从动绞盘106的运动，且如果必要时对绞盘驱动电机的速 度加以适当改变。红外加热器63产生的温度为"凝点(ironing point)，，温 度。此300华氏度的凝点温度有助于带14的层间基体纤维的压缩和粘 结。在这种热和压缩的同时施加下，非织造织物条13的厚度被压缩约 50%且存在层间粘结。
带14可行进通过巻绕机71的各个级，且在遇到各级的压缩皮带前 开启该级的绞盘驱动电机并将其调节到第一级绞盘驱动电机的速度。
带14行进通过巻绕机71的所有级后，通过将非织造织物15送到 第二级压缩皮带57和带14的环形外表面间开始形成非织造织物条15 的第二带16。随着非织造织物15在压缩皮带57下并沿空心芯轴47推 进，它以重叠的方式螺旋形地巻绕在其自身上而形成带16。开启第二级 加热器阵列65并供给它足以在带16的环形外表面保持300华氏度的熨 点温度的电压。随着带16的外径增大，第二级从动绞盘移向第二级驱 动绞盘以缩短其间的距离并使从压缩皮带57施加到带16上的压力保持 IO磅每平方英寸。该压缩压力是压缩皮带57中的张力引起的，压缩皮 带57中的张力因第二级张紧器气缸中50磅每平方英寸的表压而产生。 第二级从动绞盘的运动通过改变第二级张紧器气缸中的压力实现。第二 级数字线性编码器检测第二级从动绞盘的运动，且如果必要时对第二级 绞盘驱动电机的速度加以适当改变以使第二级绞盘驱动电机的速度与 第一级绞盘驱动电机同步。300华氏度的凝点温度有助于带16的层间基 体纤维的压缩和粘结。在这种热和压缩的同时施加下，非织造织物条15 的厚度被压缩约50。/。且存在层间粘结。带16的环形内表面与带14的环 形外表面粘结且带16沿空心芯轴47向第三级压缩皮带59行进。带16 可行进通过巻绕机71的剩余级，且在遇到各级的压缩皮带前开启该级的绞盘驱动电机并将其调节到第二级绞盘驱动电机的速度。
带16行进通过巻绕机71的所有级后，通过将非织造织物条17送 到第三级压缩皮带59和带16的环形外表面间开始形成非织造织物17 的第三带18。随着非织造织物17在压缩皮带59下并沿空心芯轴47推 进，它以重叠的方式螺旋形地巻绕在其自身上而形成带18。开启第三级 加热器阵列67并供给它足以在带18的环形外表面保持300度的熨点温 度的电压。随着带18的外径增大，第三级从动绞盘移向第三级驱动绞 盘以缩短其间的距离并使从压缩皮带59施加到带18上的压力保持10 磅每平方英寸。该压缩压力是压缩皮带59中的张力引起的，压缩皮带 59中的张力因第三级张紧器气缸中50磅每平方英寸的表压而产生。第 三级从动绞盘的运动通过改变第三级张紧器气缸中的压力实现。第三级 数字线性编码器检测第三级从动绞盘的运动，且如果必要时对第三级绞 盘驱动电机的速度加以适当改变以使第三级绞盘驱动电机的速度与第 一级绞盘驱动电机同步。300华氏度的熨点温度有助于带18的层间基体 纤维的压缩和粘结。在这种热和压缩的同时施加下，非织造织物条17 的厚度被压缩约50%且存在层间粘结。带18的环形内表面与带16的环 形外表面粘结且带18沿空心芯轴47向第四级压缩皮带61行进。带18 可行进通过巻绕机71的剩余级，且在遇到第四级压缩皮带前将第四级 绞盘驱动电机设定到第三级绞盘驱动电机的速度。
带18行进通过巻绕机71的所有剩余级后，通过将非织造织物条19 送到第四级压缩皮带61和带18的环形外表面之间开始形成非织造织物 条19的第四带20。随着非织造织物条19在压缩皮带61下并沿空心芯 轴47推进，它以重叠的方式螺旋形地巻绕在其自身上而形成带20。开 启第四级加热器阵列68并供给足它以在带20的环形外表面处保持300 度的凝点温度的电压。随着带20的外径增大，第四级从动绞盘移向第 四级驱动绞盘以缩短其间的距离并使从压缩皮带61施加到带20上的压 力保持10磅每平方英寸。该压缩压力是压缩皮带61中的张力引起的， 压缩皮带61中的张力因第四级张紧器气缸中50磅每平方英寸的表压而 产生。第四级从动绞盘的运动通过改变第四级张紧器气缸中的压力实 现。第四级数字线性编码器检测第四级从动绞盘的运动，且如果必要时 对第四级绞盘驱动电机的速度加以适当改变以使第四级绞盘驱动电机 的速度与第一级绞盘驱动电机同步。300华氏度的熨点温度有助于带20的层间基体纤维的压缩和粘结。在这种热和压缩的同时施加下，非织造
织物条19的厚度被压缩约50%且存在层间粘结。带20的环形内表面与 带18的环形外表面粘结且带20沿空心芯轴47向测定和切割设备行进， 由此对其进行测定并将其切割成30英寸的长度。
所得过滤元件11的标称内径为1英寸、标称外径为2.5英寸并被切 割为长30英寸。其重l磅，气流容量为20立方英尺每分钟，产生的压 力差为4.9英寸水柱。
在本发明的一个可替代的实施方案中，在多级巻绕机71的一个或 多个级可包括惰轮皮带，以使空心芯轴47保持在适当固定的位置。
在本发明的另一实施方案中，多级巻绕机71的单个级中添加了多 个非织造织物条。
应指出，如上所述制造本发明过滤元件的方法提供的过滤元件的表 面区域包括多个重叠的介质层(即带)，由此邻近的层在结合点处具有交 会平面。在一个实施方案中，这样的设计可提高带的过滤能力。此外， 采用这样的设计，可以在过滤元件11内沿过滤元件11的深度上提供密 度梯度。
在进一步描述之前，定义一些后文中用到的术语是有用的。"孔尺 寸"指介质中孔的尺寸，其将决定不能通过介质的颗粒的尺寸即微米额 定值。对于大多数介质来说，由于孔尺寸可能不是到处都均匀，故这可 以按分布来关联。"渗透性，，是介质的流动阻力的量度。这可在空气中或 在液体中测定。较高的渗透性意味着较低的流动阻力和给定流量下通过 介质较低的压力降。较低的渗透性意味着较高的流动阻力或给定流量下 通过介质较高的压力降。"纤维尺寸"是介质中纤维尺寸的量度，单位为 微米，或对于聚合物，单位为旦尼尔。通常，纤维越小，介质中的孔越 小。纤维尺寸的分布通常可基于设计改变。"基本重量，，指给定表面积的 介质有多重，其单位通常为磅(lbs.)每平方码或克每平方米。"孔隙率"(空 隙体积)为有多少介质体积是开放空间的量度。通常，较高的孔隙率意 味着介质内较高的纳污能力和较高的渗透性。
如上面所提到的，所用材料和制造方法可影响介质的特性。为此可利用介质的特性来开发可具有相对高过滤能力的过滤器。已经4艮好地确 定了过滤性能的三个主要量度，即流动能力、微米额定值和颗粒容纳能 力，可成比例地彼此相关。例如，随着微米额定值变严格，流动能力倾 向于减小。同样，随着微米额定值变严格，颗粒容纳能力倾向于减小。 因此，基于这些特性，可根据本发明的一个实施方案设计其过滤能力能 移除污染物同时具有相对高颗粒容纳能力和流动能力以及能够保持指 定微米额定值的过滤元件。
参照本发明的另一实施方案，为进一步提高过滤元件11的过滤能
力，本发明可提供在带14、 16、 18或20的至少一个内具有介质夹层的 过滤元件。在一个实施方案中，过滤元件11中存在这样的夹层可使过 滤元件11具有额外的过滤表面积。特别地，就夹层的特性和性质可能 与下面的过滤元件带14、 16、 18和20不同而言，密度、纤维尺寸等可 有明显的突然改变，这实际上在本发明的过滤元件的毗连结构内产生额 外的表面积。该夹层也可产生改变流动方向及增加特定尺寸污染物的沉 积的能力。
现在看图6A,其中示出了根据本发明的一个实施方案的多重叠无芯 过滤元件60的横截面视图。如图6A中所示的过滤元件60可用上述方 法制造。为此，与过滤元件11类似，过滤元件60可包括多个带61、 62、 63和64。当然，如果需要，可提供更多或更少的带。过滤元件60可还 包括布置在至少一个重叠的带例如带61内的夹层65。过滤元件60的重 叠的带61内夹层65的存在使过滤元件60可设计为可控制和赋予过滤 元件60内流动的流体特定的过滤或流动型式，例如以基本轴向的方向。
根据本发明的一个实施方案，夹层65可由能提供与带61到64的 那些不同的特性的一种或多种材料制成。在一个实施方案中，这些特性 可基于例如纤维的尺寸以及夹层65的制备中所用的工艺或配方赋予。 一般来"^兌，所用纤维的直径可不同，尺寸通常为微米(即1/1，000，000米)。 直径也可以旦尼尔描述。旦尼尔为9,000米纤维的重量(克)。使用纤维 中例如聚合物的密度，纤维的直径可由旦尼尔计算。在一个实施方案中， 夹层65可由直径相差很大的纤维的混合物制备。该混合物或配方可决 定夹层65的性能或特性，且才艮据应用，夹层65的性能或特性可与带61 到64的特性或性能明显不同或略微不同。夹层65的制造中可用的材料的实例范围广泛，包括金属(如不锈钢)、 无机组分(如玻璃纤维或陶瓷)、有机纤维素、纸或有机聚合物(如聚丙烯、 聚酯、尼龙等)或其组合。这些材料具有不同的耐化学性和其他性质。
此外，现在看图6B,在一个实施方案中，夹层65可由其宽度与夹 层65布置于其内的带的制作中所用的条例如条611的尺寸基本相似的 条例如条651提供。或者，夹层65可由其宽度可测程度地小于夹层65 布置于其内的带中使用的条的宽度的条提供。在一个实施方案中，夹层 65可包括比带中所用条的宽度小约2英寸的宽度。
为以图6A中所示的方式布置夹层65，在制造工艺开始时可将由其 形成夹层65的条651基本平行于并抵靠着例如带61的形成中所用的例 如条611的表面设置。条611通过上述工艺制造，其性质可为非织造的。 在一个实施方案中，也可为非织造的或为其他的条651可抵靠着随后可 成为带61的内表面的条611的表面设置。作为替代方案，条651可抵 靠着随后可成为带61的外表面的条611的表面设置。其后，随着条611 绕芯轴47巻绕形成带61，条651可与带61的条611同时巻绕而提供图 6A中所示的构造。换句话说，夹层条651的各层可夹在非织造条611 的两个相邻的重叠层之间。应指出，带61内的夹层65提供在巻绕过程 中芯轴47所形成的通路67的上方和下方，如图6A中所示。此外，虽 然仅与带61连接出，但应理解剩余的带62到64中的一个或多个内可 布置夹层65。此外，在一个实施方案中，带61到64每一个中的各夹层 65的特性可与其他夹层不同或相似，这取决于特定的应用或所需的性 能。
在一个可替代的实施方案中，如图7中所示，可绕重叠带71的周 缘提供中间层(interleaf)75，而不是在重叠的带61内提供夹层65。为以 图7中所示的方式布置中间层75，在一个实施方案中，在形成重叠带 71后，可将中间层75的形成中所用的条以与带71相似的方式绕带71 的外表面包绕或巻绕，以提供图7中中间层75所具有的重叠分布。当 然，尽管示意为仅一个中间层，但可绕过滤元件70中剩余的带中的一 个或多个提供中间层75。
现在看图8,作为替代方案，可沿过滤元件80的整个长度和带81 内布置中间层85作为一个层而不是提供重叠的中间层75。在该实施方案中，条851的长度可与过滤元件80的长度基本相似，宽度可与带81 的周长基本相似。这样，过滤元件80的带81可沿条851的长度，和随 后绕带81包绕一次条851的宽度布置。当然这可在带81的形成过程中 进行以便可在带81内提供中间层85，或在带81的形成后进行以便可绕 带81的外表面提供中间层85。也可绕过滤元件80中剩余的带中的一个 或多个提供中间层85。
在一个相关的实施方案中，条851的长度可短于过滤元件80的长 度。当长度较短时，可绕过滤元件80的各个带以从一个带到下一个带 交错的方式提供中间层85 (未示出)。
除材料(例如类型和尺寸)外，下文可称为介质的夹层65以及带61 到64的特性或性质可取决于孔尺寸、渗透率、基本重量和孔隙率(空隙 体积)等。这些性质的组合可使夹层65和带61到64 —起具有特定的流 动能力(过滤器上流体的差压)、微米额定值(被过滤元件60移除的颗粒 的尺寸)、颗粒容纳能力(堵塞前可被过滤元件60从工艺中移除的污染物 的量)和物理化学性质。
此外，通过为过滤元件60提供特性和性质与多重叠带61到64所 具有的那些不同的夹层65，过滤元件60内可存在例如密度的明显突然 改变，该改变实际上可产生额外的表面积，从而可以微观水平及宏观水 平在过滤元件60内产生梯度密度。
在一个实施方案中，过滤元件60内夹层65的存在还可赋予沿过滤 元件60的基本轴向的流体流动通路。通常，流体或从外到内或从内到 外基本径向地流过元件60上的重叠带如带61到64。但使用如上所述较 密实或渗透较低介质的夹层，流体通过过滤元件60的流动可沿过滤元 件60的长度基本轴向导向，如图6A中箭头66所示。
使用深度介质如过滤元件60的过滤中广为接受的事实是能移除小
于孔尺寸的颗粒。例如，气体中非常小的颗粒可以被描述为布朗运动的
方式无规运动。这些颗粒可与过滤元件中容纳的纤维或液体接触并可除
去，纵使就其大小而言其可容易地通过过滤元件的带内较大的孔。此外， 流体中颗粒的质量倾向于比存在所述颗粒的流体大，因此，颗粒有以相
对直的线流动的趋势。这样的流动型式可引起颗粒与纤维的惯性撞击，使颗粒可粘在纤维上而被除去。此外，纵使这些颗粒可能小到足以通过 过滤器的孔，其仍可被除去。
在一个实施方案中，这两种移除机理均可以提高过滤能力，因为颗 粒必须沿其行进通过过滤元件的路径变得更曲折和/或更长。特别地， 当行进路径更曲折和/或更长时，颗粒的接触概率可增大。所述接触概 率是颗粒将与纤维接触或在流体为气体的情况下与过滤元件内容纳的 液体接触而使其可被移除的概率。因此，通过赋予沿过滤元件的轴向流
动，本发明的过滤元件60可相当大地提高其移除较小颗粒的能力同时 增大其流动能力(即移除微米尺寸的颗粒同时提供较大的颗粒容纳和流 动能力)。
例如，在外径(OD)为约2.5"、内径(ID)为1.19"的液体过滤元件中， 过滤元件的径向深度可为约0.655"。使用这样的过滤元件，颗粒或污染 物通常可径向流动约0.665，，以通过该过滤器。另一方面，当这样的过滤 器在一个带(如图6A中的带61)内具有宽约4.0"的夹层(如夹层65)时， 流过过滤元件的颗粒现在必须沿箭头66所示的方向流动。才艮据颗粒在 何处与夹层65接触，是在点A还是B还是其间的某处，在其可通过过 滤元件前颗粒可行进高达约4.665"。这样的距离高达无夹层时的距离的 约7.1倍，因此大大提高了移除污染物的接触概率。当然，如果第二带 内具有另一 4"的夹层，则行进的距离将高达8.665"或是无夹层过滤元件 的13.2倍。
使用本发明的夹层65，与可赋予各带61到64的特性一起，过滤元 件可制造为由此可赋予通过过滤元件的流体以特定设计的流动型式(即 流体流动方向)。特别地，在两个极端中，例如如果夹层65是基本不可 渗透的，则可以要求轴向流动通过其内可能布置了夹层65的带，直至 流动到达带的出口端。另一方面，如果夹层65的特性和性质与其内可 能布置了夹层65的带基本相似，则通过该带的流动很可能继续基本径 向地通过夹层和带而几乎没有或没有轴向流动。
设计通过过滤元件的特定流动型式的能力取决于在上述两个极端 之间找到合适的平衡和组合。在一个实施方案中，夹层65可设计为比 其内布置了所述夹层的带更密实更低渗。这样，当含污染物的流体到达 夹层65时，流动的方向可为通过夹层或轴向，这取决于流体的内容物。在一个实施方案中，流动的方向可由孔尺寸、渗透率及赋予带和夹层65 的其他特性决定。
在一个实施方案中，对于相对密实的夹层65可为可渗透的来说， 可允许错流过滤通过夹层65。具体而言，随着流体沿夹层65流动，可 允许流体流过可渗透的夹层65而留下污染物。过了过滤元件的使用期 限后，随着相对密实的夹层65被污染物堵塞，沿夹层65流动的流体可 被迫流经另一流径，例如以图6A中箭头66的方向通过具有更大空隙体 积的更可渗透的带。
应理解，当使用与其内布置了夹层的带所用的材料不同的材料制成 的夹层时，由于紧密靠近的两种不同材料的物理化学相互作用，故可能 产生静电荷。由于这样的物理化学相互作用产生的静电荷可能导致制造 的过滤元件包含多种纤维尺寸。此外，这样的相互作用可能导致制造的 纤维基体在不同的位置有不同的纤维。本发明的过滤元件的夹层和带的 制造中可采用的纤维的实例包括细纤维，包括来自玻璃纤维、熔喷纤维 或新近的纳米纤维或改进的纳米颗粒的那些。
就向夹层65中结合纳米颗粒来说，这样的纳米颗粒可为能移除重 金属污染物如无机汞(例如二价阳离子Hg2+、单价Hg +和中性化合物如 HgCl2、 Hg[OHh)、有机汞如因污泥中的酶反应产生的曱基汞(例如 CH3HgCH3或CH3Hg+)、金属汞、银、铅、铀、钚、镎、销、镉及其组 合的废物吸附材料。
在一个实施方案中，所述废物吸附材料可为由中孔载体上自组装的 单层(self國assembled monolayer on mesoporous support, SAMMS)制得 的纳米吸附材料。所述载体可由各种多孔材料制备，包括二氧化硅。可 用于本发明中的SAMMS材料的实例包括硫醇-SAMMS，例如美国专利 6,326,326中所^^开的那些，该专利通过引用并入本文。
根据本发明的一个实施方案，所述纳米吸附材料可为大小约5微米 到约200微米的多孔颗粒。在一个实施方案中，所述颗粒的平均大小可 为约50微米到约80微米，可包括约3纳米(nm)到约4nm的孔尺寸， 表观密度可为约0.2克/毫升到约0.4克/毫升。如上面提到的本发明的夹层设计可用于处理受污染流体的过滤元 件中。可被处理的受污染流体包括粘性流体(如油)或非粘性流体(如液体 或气体)。在涉及气/液聚结的应用中，可能出现涉及移除非常细的浮质 而同时让聚结元件在固体污染物的存在下保持较长使用寿命的问题。已 观察到，通过使用本发明的夹层设计，非常细的浮质可被俘获在夹层的 细纤维中并可聚结成小滴，所述小滴最终形成沿轴向路径向下流动的流
体。在一个实施方案中，通过使一些污染物可在排出的液体中移除而不 是保持俘集在夹层中并随后堵塞夹层，小滴/流体的轴向流动可增长聚 结元件的使用寿命。在一定程度上，这赋予夹层自洁效应，从而可延长 其使用寿命。
在一个可替代的实施方案中，在涉及气/液聚结的应用中也可使用密 实度比其内布置了夹层的带低的更开放的夹层。在这样的实施方案中， 可在聚结元件内产生可积聚和沉积污染物的区域。
此外应理解，当设计的中间层(如中间层85)比绕其包绕该中间层的 带的密实度高得多而渗透性较低时，由于流体可能不能横贯密实的中间 层，故流动通过过滤元件的流体可能被迫基本沿过滤元件的整个长度运 动。
虽然已参照其具体实施方案描述了本发明，但应理解其能进一步改变。 此外，本申请意在涵盖本发明的任何变体、用途或改编，包括像本发明所
属领域中熟知或惯例范围内的这样一类与^^开的偏离。
权利要求
1. 一种过滤元件，所述过滤元件包括非织造条，其具有选定孔隙率并以多个重叠层螺旋形卷绕在其自身上以形成选定径向厚度的带；夹层条，其具有与所述非织造条不同的孔隙率并布置在所述非织造条所形成的带内；和流体流动通路，其由所述夹层条所限定，以控制和赋予通过所述过滤元件的特定流动型式。
2. 如权利要求1所述的过滤元件，其中所述非织造条螺旋状巻绕 并热熔合及压缩，以基本为管状。
3. 如权利要求1所述的过滤元件，其中所述非织造条由可以因所 述非织造条与所述夹层条之间的物理化学相互作用而产生静电荷的材 料制成。
4. 如权利要求1所述的过滤元件，其中所述夹层条的渗透性较所 述非织造条低。
5. 如权利要求1所述的过滤元件，其中所述夹层条设计成要移除 尺寸比通过所述非织造条移除的那些小的颗粒或污染物。
6. 如权利要求1所述的过滤元件，其中可由其制备所述夹层条的 材料包括金属、无机组分、有机纤维素、有机聚合物中的一种或其组合。
7. 如权利要求1所述的过滤元件，其中可由其制备所述夹层条的 材料包括不锈钢、玻璃纤维、熔喷纤维、陶瓷、纸、聚丙烯、聚酯、尼 龙、其他聚合物材料、由中孔载体上的自组装单层(SAMMS)制得的多 孔颗粒中的一种或其组合。
8. 如权利要求7所述的过滤元件，其中所述多孔颗粒由二氧化硅 制备。
9. 如权利要求7所述的过滤元件，其中所述多孔颗粒的孔尺寸为 约3纳米(nm)到约4nm。
10. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条由与所述非织 造条所用不同的材料制备。
11. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条可设计为提供特定的流动能力、微米额定值、颗粒容纳能力和物理化学性质。
12. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条具有与所述非 织造条中明显不同的密度，以允许所述过滤元件内存在梯度密度。
13. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条以多个重叠层 布置在由所述非织造条所形成的所述带内。
14. 如权利要求13所述的过滤元件，其中所述夹层条与所述非织造 条同时以多个重叠层螺旋形地巻绕，以便所述夹层条的各层夹在所述非 织造条的两个相邻的重叠层之间。
15. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条的宽度相比所 述非织造条的宽度在尺寸上从可测量地小于至基本相近。
16. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条沿所述过滤元 件的整个长度且在所述非织造条所形成的带内布置作为一个层。
17. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条所限定的流体 流动通路设计为引导流体沿所述过滤元件基本轴向地流动。
18. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条所限定的流体 流动通路设计为提供流体沿其流过所述过滤元件的长而曲折的路径。
19. 如权利要求l所述的过滤元件，其中所述夹层条所限定的流体 流动通路设计为使得尺寸与所述过滤元件中的孔尺寸相对更小的颗粒 可以通过流体流中颗粒的惯性撞击或布朗运动而被移除。
20. 如权利要求l所述的过滤元件，所述过滤元件还包括第二非织 造条，其具有选定孔隙率并以多个重叠层螺旋形巻绕在其自身上，以在非织造条所形成的带周围形成选定径向厚度的第二带。
21. 如权利要求20所述的过滤元件，所述过滤元件还包括第二夹层 条，其具有与所述非织造条不同的孔隙率并布置在所述第二非织造条所形成的第二带内。
22. —种制造过滤元件的方法，所述方法包括提供具有选定孔隙率、内表面和外表面的非织造条； 将具有与所述非织造条不同孔隙率的夹层条平行并抵靠着所述非 织造条的一个表面设置；以多个重叠层同时螺旋形巻绕所述非织造条和所述夹层条，以便形成其中布置所述夹层条的多个层的具有选定径向厚度的带。
23. 如权利要求22所述的方法，其中所述提供步骤包括由与所述夹 层条所用不同的材料制备所述非织造条。
24. 如权利要求22所述的方法，其中所述设置步骤包括将所述夹层 条抵靠着所述非织造条的内表面设置。
25. 如权利要求22所述的方法，其中所述设置步骤包括将所述夹层 条抵靠着所述非织造条的外表面设置。
26. 如权利要求22所述的方法，其中所述设置步骤包括设计所述夹 层条使其渗透性相对低于所述非织造条。
27. 如权利要求22所述的方法，其中，在所述设置步骤中，可由其 制备所述夹层条的材料包括金属、无机组分、有机纤维素、有机聚合物 中的一种或其组合。
28. 如权利要求22所述的方法，其中，在所述设置步骤中，可由其 制备所述夹层条的材料包括不锈钢、玻璃纤维、熔喷纤维、陶瓷、纸、 聚丙烯、聚酯、尼龙、其他聚合物材料、由中孔载体上的自组装单层 (SAMMS)制得的多孔颗粒中的一种或其组合。
29. 如权利要求22所述的方法，其中所述设置步骤包括设计所述夹 层条以提供特定的流动能力、微米额定值、颗粒容纳能力和物理化学性 质。
30. 如权利要求22所述的方法，其中所述螺旋形巻绕步骤包括布置 所述夹层条使得所述夹层条的各层夹在所述非织造条的两个相邻重叠 层之间。
31. 如权利要求22所述的方法，所述方法还包括由所述夹层条的多 个层限定沿所述过滤元件的基本轴向的流体流动通路。
32. 如权利要求31所述的方法，其中，在所述限定步骤中，所述流 体流动通路通过流体流中颗粒的惯性撞击或布朗运动赋予能够移除尺 寸小于所述过滤元件中的孔尺寸的颗粒的能力。
33. 如权利要求22所述的方法，所述方法还包括在所述第一带的外 表面周围以多个重叠层在其自身上螺旋形巻绕具有选定孔隙率的第二 非织造条，以在所述第一带的外表面周围形成选定径向厚度的第二带。
34. 如权利要求22所述的方法，所述方法还包括与所述第二非织造 条同时螺旋形巻绕具有与所述非织造条不同的孔隙率的第二夹层条，使 得所述第二夹层条以多个层布置在所述第二带内。
35. —种过滤方法，所述方法包括提供过滤元件，所述过滤元件包括以多个重叠层巻绕在其自身上以 形成选定径向厚度的带的多孔非织造条，具有与所述非织造条不同的孔 隙率并布置在所述带内的夹层条和所述夹层条所限定的流体流动通路；让流体流在所述过滤元件内基本径向地向所述夹层条迁移；赋予所述流体流通过过滤元件的限定流动型式，以从所述流体流中 移除某些污染物；和让经处理的流体离开所述过滤元件。
36. 如权利要求35所述的方法，其中所述让流体流迁移的步骤包括 在所述非织造条内截留尺寸比在所述夹层条内截留的那些大的颗粒。
37. 如权利要求35所述的方法，所述方法还包括随着更多颗粒被截 留在其中而所述夹层条的渗透性随时间降低，以〗更基本所有的流体流最 终均被迫沿所述夹层条的重叠层轴向流动。
38. 如权利要求35所述的方法，其中所述赋予步骤包括引导一定量 的流体沿所述夹层条的重叠层基本轴向地流动。
39. 如权利要求35所述的方法，其中所述引导步骤包括通过流体流 中颗粒的惯性撞击或布朗运动赋予移除尺寸小于所述过滤元件中的孔 尺寸的颗粒的能力。
全文摘要
提供了一种无芯的螺旋形卷绕非织造过滤元件。所述过滤元件包括至少一个具有选定孔隙率的基体介质的带和具有不同孔隙率的在至少一个基体介质的带内的夹层。所述过滤元件中所述夹层的存在可在过滤元件的毗连结构内产生额外的过滤表面区域。该夹层还可产生改变流动方向及增加特定尺寸污染物的沉积的能力。
文档编号B23K31/00GK101547767SQ200780044436
公开日2009年9月30日 申请日期2007年11月29日 优先权日2006年12月1日
发明者丹·克劳, 约翰·A·克罗格 申请人:派瑞设备公司