空气过滤装置和方法

专利名称：空气过滤装置和方法
技术领域：
本发明涉及过滤装置。具体说，它是有关将颗粒物质从气流，例如空气流中过滤掉的装置。本发明还涉及实现从气流中较有效地去掉颗粒物质的方法。受让人拥有的相关美国专利和申请本申请为于1994年12月22日提交的美国第08/062,268号申请的受让人(唐纳森有限公司)所拥有、U.S.S.N第08/062,268是于1992年6月12日提交的申请第07/897,861的一个分案申请并被批准为美国第5,238,474号专利。U.S.S.N第07/897,861是于1991年9月13日提交的第07/759,445号申请的部分继续申请，接着为1993年3月3日的U.S.S.N第08/025,893号申请并被批准为美国专利第5,364,456号。U.S.S.N第07/759,445号申请是于1990年10月19日提交的申请07/601,242的一个分案申请，现已批准为美国第5,082,476号专利。美国第5,082,476号、5,238,474号和5,364,456号专利一并援引于此。这些专利中的许多原理可应用于本发明的装置中。技术背景空气和气流中常常带有颗粒物质。在许多场合希望从气流中去掉某些或全部的颗粒物质。例如，机动车或发电设备用发动机的空气进气流、引向燃气轮机的燃气流和供给各种燃烧炉的空气流中常常含有颗粒物质。一旦颗粒物质到达所涉及各种机构的内部工作面，则会产生实质性破坏。因此较理想是从在所含的发动机、燃气轮机、燃烧炉或其他设备的上游处的气流中去掉颗粒物质。
在另一些场合，产出气体或由工业处理产生的废气可能会有颗粒物质，例如由加工产生的颗粒物质。人们希望在这些气体通过处于下游的各种设备排出或排向大气之前，能够从这些气流中完全去掉颗粒物质。
为了去掉颗粒物质，已经开发了多种空气过滤器或气体过滤装置。由于下述显而易见的理由，为达此目的就要求对已开发的过滤装置作出改进。
对过滤器设计的一些基本原理和问题的一般认识可通过考虑下述型式的装置而予以理解纸质过滤器、褶皱式纸质过滤器以及恒定密度的厚过滤器。这些型式的装置中的每一种已为大家所知并已被使用。
首先考虑一种纸质芯件，它包括一个其置向与夹带有颗粒物质的气流垂直的多孔纸质过滤器。被选择的过滤器纸通常是可让气流渗透的纸，但具有足够细小的多孔结构以阻止大于预定尺寸的颗粒通过。一种由这样的材料制成的简单的平面过滤器结构在使用时的置向完全横对着气流，例如位于空气源和发动机进气歧管之间。当气体流经过滤器纸时，过滤器纸的上游侧就积聚气流中预定尺寸的颗粒。过滤器所起的作用是从气流中将颗粒去掉。颗粒便在纸质过滤器的上游侧以灰尘结块状而被收集。
如上所述的简单过滤器设计主要遇到至少两类问题。第一，相对来说因素单纯的裂缝即纸的破裂，就会导致装置完全失效，因而不能起到保护下游装置的作用。第二，颗粒物质会很快在过滤器上游侧聚集成薄的尘块或尘层，从而最终基本堵塞过滤器的气体通路。因此，这样一种过滤器，如果被用于串接在供含有超“选定尺寸”的颗粒物质的大量气体通过的通路内的一个装置上，则可以预期它具有相对较短的使用寿命；在本文中所述的“选定尺寸”是指这样一种尺寸，即大于或等于这种尺寸时颗粒就会被过滤器阻止或收集在过滤器内。
当然，过滤器寿命被认为与纸质过滤器的表面积、通过装置的气流流速和在气体载流中颗粒浓度有关。对任何所给定装置，过滤器的“寿命”通常是根据所选定的通过过滤器的极限压降值来确定的。也就是说，对任何给定的应用，当通过过滤器所建立的压力已达到某一为该应用所要求的水平时，该过滤器便已达到其合理的寿命。
上述过滤器的一种替代设计是一种褶皱式纸质过滤器。具有褶皱结构的过滤器纸的布置通常增加了在一给定的横剖面面积或空间容积内所含有的过滤媒质的表面积。这还可增大装置的强度。这样，由于增加了用于积聚颗粒物质的表面积，因此延长了过滤器的使用寿命。然而，褶皱纸媒质仍是一种表面承载的过滤媒质。当颗粒物质的薄层集结在过滤器芯件的上游表面时，该过滤器仍会趋向渐渐堵塞。这样，在各种应用中这样一种过滤器的寿命仍然较短。此外，该装置还遇到在纸质芯件上产生小裂缝或破裂的至关重要的问题。
要予以注意的是，在许多应用场合，被过滤的气流可含有各种尺寸的颗粒物质，以及/或者相对颗粒成份来说装置所面对的气流是变化的。例如，考虑将被设计的过滤装置用在机动车辆上。较为理想是用于这些车辆的该过滤装置可以过滤掉从亚微米尺寸直至100微米范围内的颗粒。例如，在野外的环境中，在空气中含有大量灰尘的建筑工地或其他场所(例如乡村道路)上使用的车辆可能会遇到含有基本百分比约10至100微米颗粒物质的气流。当车辆未遇尘暴风或未在建筑工地使用时，通过公路上行驶的卡车或汽车的空波器的大部分空气一般含有约比5微米大的小颗粒物质，但所含的基本部分却是尺寸为亚微米至5微米的物质。另一方面，城市汽车主要遇到的情况是在进入其过滤器的气体中仅仅是含有亚微米大小的碳颗粒。然而，即便是城市汽车也会至少是偶然地遇到含有较大颗粒的空气的情况。
一般地说，车用过滤器较理想应对于亚微米至100微米的整个尺寸范围的颗粒物质都能为发动机提供实际保护，而不管任何专用车辆处于何种主要的工作条件。亦即，应该开发出这样一些装置使它们在车辆寿期内所可能遇到的多种工作条件下都不会迅速堵塞。当然这样的装置对于任何的过滤系统都是理想的。然而，对于车辆来说，由于车辆从一种环境驶往另一种环境的事实而使问题更突出，因而可能遇到较多种的不同状况。一种“灵活”的结构布置至少在部分情况中是较理想的，这样，一种结构的过滤器可以在较多种的不同应用中投入使用。
再来考虑上述的纸质过滤器和褶皱式过滤器。纸质过滤器会较快堵塞，即由于过滤结块的聚集和限压差的产生而达到其寿命极限。这样，一种给定的过滤器纸结构并不是一种在很多种应用尤其是期望较长使用寿命的情况下过滤空气的非常有效的装置。此外，如上所述，万一失效则纸质过滤装置通常不能提供理想的保护。也就是说，即使一个小裂缝或撕裂都可导致几乎整个装置的失效。
在许多应用中，可使用一种一般称为“厚”过滤器的替代型式的过滤器。一种典型的厚过滤器是一被称为“厚媒质”的厚层或厚片的纤维材料。厚媒质一般是根据其多孔结构、密度或者固体百分比成份来定义的。通常，它是根据它的每单位体积的固体成份来确定的，例如一种2-3％的固态媒质可是一种这样布置的纤维的厚媒质垫，即整个体积的约2-3％是由纤维材料(固体)组成，而剩下部分是空气或气体空间。另一种用于定义厚媒质的有用参数是纤维直径。如果固体百分比保持不变，但减小纤维直径，则微孔尺寸减小；即过滤器就更为有效因而可更有效地阻止较小的颗粒。
一种典型的传统厚媒质过滤器是一种深的较恒定(或均匀)密度的媒质，即这样一种装置，在这种装置中该固体厚媒质在其整个厚度上基本保持不变。在本文中采用“基本不变”的说法，它是指在媒质的整个厚度上只有(如有的话)较小的密度波动。这样的波动，例如可能是由置放过滤器的容器作用外部结合表面的轻微挤压而产生。
伴随不变或均匀的的固体厚媒质装置的一个问题是在可能遇到其中空气或气流中的各种颗粒尺寸改变的情形下，这些固体厚媒质装置并不能适用于有效的过滤。如果这种厚媒质的固体百分比足够高，较大的颗粒会趋向于仅仅聚集在媒质的最外面或者最上游的部分上，从而导致不能充分利用整个的媒质厚度。也就是说，在这些情形下，固体颗粒(尤其是较大的)趋向于“承载”在媒质的前端或上游端上，因而不能非常深地渗透进。这就导致过早的堵塞或寿命缩短。本文中采用“过早的”一词，它是指虽然厚媒质的体积足够大到可非常多地“承载”固体，但由于承载是大量地偏向前端，从而产生堵塞(并且初期压差增大)。
另一方面，如果采用较低密度的厚媒质，则其体积的较大百分比部分会趋向于随时被较大颗粒载满或充满。例如当最初在较上游的区域形成的颗粒结块分离并向内再分配时，这种情况由于再分配而可能发生。这样，在“寿命”极限时刻或“极限压差”时，负载就可通过媒质厚度较均匀地被分配(虽然完全均匀的分配是不可能的)。然而，很大和很小的颗粒就较可能完全通过这样一个装置。
从本说明中可清楚地看到恒定密度的厚媒质并不能特别好地适合于下面两种情形在气流中各种颗粒尺寸扩展到一个相对较宽的范围；以及/或者空气过滤器很可能遇到其中存在各种颗粒尺寸分布的多种空气流(状态)。
很低密度的厚媒质，相类似于约1-3％，更理想约为1-2％的固体有时称作“高层”(“high loft”)媒质。这种媒质已被用作HVAC(热、通风、空调)过滤器中的过滤媒质。
上面所用和本文中所称的术语“承载”及其变化名称指的是由该厚媒质过滤器卷吸或截留的颗粒的数量或者位置。
如上所述，随着厚媒质的密度(即固体百分比)的增加，在承载不变的情况下，于使用后，该过滤器将趋向于朝着上游侧具有较大负载。假如负载状况包括空气中含有各种尺寸的颗粒，或者过滤器需要在多种使用条件下工作，则没有一种单种密度的厚媒质能有效地满足作为过滤器所提出的要求。也就是说，对于任何给定固体百分比的厚媒质来说，承载型式可根据在被过滤的空气或气流内颗粒尺寸分布情况而不同。这样，既使过滤器厚度可对一种具体颗粒尺寸被优化，但它对于在各种状况或气体中含有各种尺寸颗粒的情况下工作也可能是不够的。本发明概述本发明提供了一种空气过滤装置。所述空气过滤装置一般包括具有带一上游侧的过滤媒质的一第一过滤结构；以及以复盖关系被可操作地定位于所述第一过滤结构上游侧的一个可拆装更换的厚媒质过滤器。在所示的一个较佳实施例中，较理想是该可拆装和更换的过滤器是套筒式过滤器。在本文或类似文本中，术语“可操作”是指在普通用途中对过滤器使用定位。
在某些较理的应用中，该可拆装和更换的过滤器其中包含一层以上的厚媒质。在较理想的一些结构中，该可拆装和更换的过滤器是基本呈圆筒形的并包括一用于将内过滤结构插入的第一开口端和一第二端，它带有一个至少部分地包围所述第二端的端裙部。所述端裙部包含一个由柔性聚合材料制成的热成形环。
较理想是该套筒式过滤器包括一个具有圆筒形结构和足够弹性和形状可恢复性的可压缩的厚媒质套筒，当用手轻压时可使用圆筒形在褶皱或变形时可回弹到圆筒形状。采用这种结构并不意味着必定不能用手使装置不可逆向地变形，而相反，装置可在手的压力作用下容易地被挤压、压塌或延压，但又可从这种被压状态弹回，重新又形成圆筒套。这样的装置将特别方便于操作，储存和运输。
在某些实施例中，最好该内过滤器由一褶皱的纸质过滤器组成。较理想它可由褶皱的油纸制成。
在那些其中内过滤器包括一褶皱的纸质过滤器的装置中，较理想是该内过滤器包括一个刚好在该褶皱的纸质过滤器上游处的外衬套。该外衬套可由各种不同材料，例如聚合物的纤维织物或刚性的多孔金属衬套制成。
在某些较理想的装置中，该内过滤器包括一开口端盖和一封闭端盖。在那些实施例中可拆装和更换的过滤器是一装配在该内过滤器上的套筒，而内过滤器包括一开口端盖和一封闭端盖，较理想是该封闭端盖是由一种较硬的光滑材料制成，这种材料的摩擦系数或套筒过滤器在封闭端盖上的滑动阻力较小。用于这种端盖的一种较理想的材料是一种硬度至少约为肖氏30度的硬氨基甲酸乙酯材料或者一种如塑料溶胶那样的类似硬的光滑的塑料。
由于在使用时所述套筒过滤器的和基本长度并不滑动通过该开口端盖，因此如在附图中所示的典型装置中的这种开口端盖并不是必须受到它具有与套筒过滤器相配的低摩擦系数的好处。实际上，如果要求一个径向密封结构，则较理想的可以用较软的聚合物材料。在这种情况下，这种软的聚合材料最好是一种聚氨基甲酸酯泡沫材料，并且第一端盖包括构成一带壳体的径向密封的装置。
该开口端盖的环边有一种较理想的结构。该结构包括一密封斜面和密封凸缘，有利于密封。
在本发明的某些应用中，提供了带有壳体的整体空滤装置。在某些理想的应用中该壳体的结构制成使套筒在不需要将内过滤器卸离装置的情况下可以拆卸更换。这可例如采用一个壳体来实现，该壳体具有一个盖设在套筒过滤器的端裙部上的端盖。该壳体可由各种材料，例如片金属或塑料制成。
同样根据本发明，提供有一可拆卸更换的过滤器，以用于本发明的空气过滤器组件。并且本发明有利地提供过滤空气的方法。
在此所说明的一个实施例中，该装置包括一个外部的刚性过滤器和一个可拆卸更换的厚媒质的内过滤芯件。该厚媒质的内过滤芯件最好包含有一层以上的媒质，最理想是其中具有一定的过滤效率变化梯度。该内过滤芯件较理想是在手压力作用下可容易折皱，并且是用一种当手压力释放时可容易回复到其未折皱结构的材料制成。
在以下的附图中，为清楚表达起见，有关零部件尺寸和厚度可能予以夸张地显示。附图简述

图1是本发明的一种内过滤芯件的立体视图，这种内过滤芯件可用于本发明的某些装配组件上。
图2是图1中所示的装置的剖视图，它是沿图1的2-2线所取得的。
图3是本发明的一个套筒部件的立体视图，图3的套筒部件可用于本发明的某些整体装置或装配组件。
图4是沿图3的4-4线整个所取的剖视图。
图5是图1的内芯件和图3的套筒的一个装配组件的分解立体视图。
图6是图5所示装置的局部剖视图；图6是沿图5的6-6线所取得的。
图7是图5所示装置的仰视端面图。
图8是安装有本发明部件的一个空气过滤装置的局部视图；为显示内部结构细节，图8的一些部分断开并剖切表示出。
图9中含有套筒过滤器的一多层厚媒质的示意的局部剖视图，该多层媒质可用于本发明的一些装置上。
图10是本发明的一种过滤器替换结构的剖视图，这种结构带有一个设置在另一个过滤芯件内部的可拆卸更换的厚媒质过滤器。
图11是本发明的一些过滤套筒上的一个端裙部成形方法的局部示意图。本发明的详细说明本受让人所拥有的相关专利特点的简要说明请注意美国第5,238,474号、5,082,476号及5,364,456号专利，它们的揭示内容被援引于本文。这些专利已颁给本发明的受让人，明尼苏达州，明尼波利斯市的唐纳森有限公司。在这些专利中，说明了一些装置，在这些装置中，厚度媒质和褶皱的纸媒质都以同样的结构被使用。在所提供的一些例子中，过滤器芯件包括两个端盖，它们之间延伸有一褶皱的纸质芯件。在一些变型结构中，例如美国第5,238,474号专利的图10中，示出一个环绕过滤芯件的可拆卸的媒质上游区域。示出的装置包括一层以上的媒质，其过滤效率具有理想的梯度变化。传统过滤器中一些令人关注的问题通过考察一些传统的过滤装置及本文中所说明的用作重型车发动机的空气过滤器装置就可理解本发明的过滤装置的优点。然而可以理解到，发明的装置和原理可以适用于许多种设备或发动机，而不仅仅是用于一些重型车。
一般，重型车空滤器装置包括有定期更换的过滤器芯件。一般地说，当经过滤媒质的压降达到其(设计)极限时，空气过滤装置就已达到其设计寿命。在使用过程中，当颗粒物质加载于过滤器上时，过滤器对流经的气流阻力就增大。也就是说，经过过滤器的压降趋于增大。对于任何具体应用，“极限”压降值将是过滤器需要或应该更换时的压降值。例如，如果该过滤器用作重型车进气歧管的空气过滤器，则大约20-30英寸水柱的压降通常就是极限压降值。用于汽车，通常大约20-25英寸的水柱就是极限的压降值。在工业通风装置中，极限压降值通常为约3英寸水柱；而对燃气轮机，极限压降值通常为约5英寸水柱。在某些工业或应用中，极限压降值记载在适用于装置的说明书中或通过调整控制予以设定。
实际上，并不总是测量压降并且不都是仅仅当达到规定(设计)的压降值时才进行更换过滤器芯件。例如，大部分的车用发动机过滤器很可能是根据通常由里程规定的定期时间表，例如每30000英里或每40000英里进行维护保养的。这就意味着在过滤芯件已经历其使用寿命之前可能早就被更换丢弃掉。据估计，在重型车中平均要有一半以上的过滤器芯件的寿命由于按定期的保养而过早损失掉。
过早保养的后果远超出纯粹由于过滤器寿命的丧失所造成的以美元计算的成本损失。传统的车用发动机过滤器含大量的原料，包括结构金属件，端盖材料，密封垫和过滤媒质。填埋这些材料的影响令人关注，人们宁可延长其使用寿命以限制抛弃的次数。另外，即使过滤器芯件已用到其有用寿命，它们中仍可能有些部分还有使用功能因而还可用，但由于事实上它们是不可分离地安装进一个包括有“负载”媒质的装置中，因此只能一起抛弃使用。
传统装置，尤其那些没有任何内部安全过滤器的装置，如城市用卡车或在公路上长时期拖运的卡车所具有的另一个问题是，当更换过滤器芯件时，清洁的空气压力通风系统或进气系统是暴露于环境的。这样，灰尘或其他杂质就可能落入敞开的空气进气系统，从而对发动机产生内部损坏。
过早的过滤器保养还浪费了在拆卸用过的芯件、清洁空气清洁器壳体和安装新的过滤器中所花费的劳动时间。
此外，一般大家知道，“新”的过滤器要比使用了一段时间后的过滤器可通过更多的颗粒。这是由于在使用时最终“负载”到过滤器内的颗粒有助于过滤过程的效率的提高。这样，如可能的话，由于过滤器芯件可能处于它们使用寿命比更换新的更有效的时候，就并不需要过早地更换部分负载的过滤器芯件。附图的详细说明在图1至8中描述了本发明的一个过滤装置，在图8中，表示出该过滤芯件已完全装配在一个吸尘装置中。本发明的这个实施例的较理想过滤装置的过滤器芯件包括两个部件。这两个部件为一通常端部设盖的第一过滤器(对图1至8中所示的该实施例为内部的)；和一上游的(对图1至8中所示实施例为外部的)可拆卸和更换的过滤器(对所示的较佳实施例为一套筒过滤器)。在图1和2中示出一个内部的或安全的芯件。在图3和4中，描述了作为一初级过滤件的一个拆卸更换的过滤器套筒。在图5至7中示出一个由所述内芯件和可拆卸更换套筒组成的装配后的过滤器芯件。本文中所述术语“可拆卸和可更换”意指一种过滤器媒质包括可从过滤器芯件的剩下部拆卸和更换的部件。亦即，在本文中该术语并不是用来指这样的事实，即(当然)整个过滤器芯件(包括套筒和安全芯件两部分)可以卸离空气滤清器而被更换。而是，它是用来说明上游的过滤器部件(例如套筒)与下游的过滤器部件(例如内过滤器)的可分性。
请看图1，标号1总的表示本发明的一个较佳的内过滤芯件或滤芯。该内过滤芯件是刚性的，包括第一和第二相对的端盖3和4，其中延伸有过滤媒质6。在图示的装置中，该内滤芯件包括一内衬套8和一外表面或外衬套9。内衬套8和外衬套9可采用各种材料制成。对图示的具体装置，内衬套8包括一个多孔结构的金属衬套或网眼钢板衬套，而外衬套9包括纤维织物10，即一种纤维网的材料。
仍参照图1，对于如图所示的特定装置，内芯件1由构成内腔或内孔11的带有两相对端的基本圆筒结构组成。端盖3是一开口端盖，因而包括一个使空气流与内孔11流体连通的孔12。
在图示的具体实施例中，与端盖3相反，端盖4是一个封闭的端盖(图2)。也就是说，它并不含有孔，而是在孔11的端部上提供一封闭端或盖13。
对图1所示的特定装置，过滤媒质6由以一种圆筒形方式布置并带有纵向对准的褶的褶皱状纸媒质15组成。在一些实施例中，该较佳的褶皱媒质15是一种浸油媒质。在许多应用中，可以使用较短的褶皱厚度，例如约为0.375至0.81英寸。媒质6可包括对(浸油的)褶皱纸的替换媒质或附加媒质。例如，它可包括厚媒质和/或一种凝聚的过滤纸。
所图示的该特定的内滤芯1是一个“径向密封”的滤芯。如下所述，这可从图8的分析中得到理解。一般，这是指芯件通过沿在端盖3内的表面16与发动机空气进气导管的径向结合而被密封。本文中用“径向”，它是指用于密封的挤压力是关于芯件1的纵向轴线18径向地而不是轴向地(所谓轴向系指沿纵向轴线18延伸的方向)指向。本发明的一些特点可被用在一些轴向密封的装置上。然而，本发明的一个优点是装置可以容易地结合于并使用在径向密封的装置上。例如，在美国第4,720,292号专利中揭示了一些径向密封装置，该专利的揭示内容经引于本文。
仍参照图1，端盖3的外表面20可以是平凡的，或者可以具有各种有助于装配的特点。对图示的具体布置来说，该表面20包括数个突起或者减震垫21。这些突起可以用来有助于装配和保持所要求的在壳体内的位置，如图8。另一种替代方案或附加方案是，表面20可以在其上设置整个轴向的密封环或垫圈。
对于图1至8的装置来说，当含有径向密封布置时，用于构成内芯件1的端盖3的较理想的端盖材料包括下述的较理想的聚氨基甲酸酯，这种聚氨基甲酸酯可被加工成其“模制”密度为立方英尺为14-22磅及其柔度为具有25％挠度需要约10磅压力的最终产品(软的氨基甲酸乙酯泡沫材料)。较理想的聚氨基甲酸酯是包括一种用I35453R树脂和I3050U异氰酸盐制备的材料。所述材料应以一个100份I35453树脂对36.2份I3050U异氰酸盐(按重量)的混和比进行混和。该树脂的比重是1.04(8.7磅/加仑)，而用于异氰酸盐则其树脂比重为1.20(10磅/加仑)。该材料通常是与一种高动力剪切混合剂相混和。该部件温度应是70-95°F。而模制温度应是115-135°F。
该树脂材料I35453R具有如下说明(a)平均克分子重量1)基底多元醇聚醚＝500-15,0002)二醇类＝60-10,0003)三醇类＝500-15,000(b)平均官能度1)总系统＝1.5-3.2
(c)羟基数1)总系统＝100-300(d)催化剂1)胺＝空气产量0.1-3.0ppH2)锡＝Witco 0.01-0.5ppH(e)表面活化剂1)总系统＝0.1-2.0ppH(f)水1)总系统＝0.03-3.0ppH(g)色素/染料1)总系统＝1-5％碳黑(h)发泡剂1)0.1-6.0％HFC 134AI3050U异氰酸盐说明如下(a)NCO成份-22.4-23.4重量百分比(b)粘度，CPs在25℃时＝600-800(c)密度＝1.25g/cm3在25℃(d)初馏点-190℃在5毫米汞柱时(e)蒸气压力＝0.0002汞柱在25℃(f)外观-无色液体(g)闪点(Densky Martins封闭杯)＝200℃材料I35453R和I3050U可从BASF公司(Wyandotte Michigan 48192)获得。
端盖3当用于产生径向密封芯件而由软的聚氨基甲酸酯泡沫材料制成时，用以构成端盖4的材料最好是一种与用于端盖3的聚氨基甲酸酯材料不同的材料。这样做的一个原因是因为较软聚氨基甲酸酯泡沫材料通常具有类似橡胶表面结构，这种结构可产生在其它材料上滑动通过的较大的摩擦系数。在本发明的某些较佳的装置中，如下所述在装配过程中该外过滤器是一个可紧贴在端盖4上滑动的套筒过滤器。在端盖4和套筒件之间的摩擦系数较小是较理想的。只要避免使用软的聚氨基甲酸酯泡沫材料用作端盖4便有助于实现这一点。
较理想是构成端盖4的材料是一种相对较硬的光滑材料。如果它是一种聚合材料，则最好是一种硬聚氨基甲酸酯。由可购买到的WUC36081R(树脂)和I3050U(异氰酸盐)制成的聚氨基甲酸酯(两种都可从BASF公司得到)可用于这种端盖。这样，本发明的某些较理想的装置就具有较独特的结构，其中较有利的是相对的两个端盖是采用不同的材料。可以理解到，在各例中该材料较理想是这样一种材料，这种材料可以与被埋置并在两端盖3和4之间延伸的内芯件1的过滤材料一起予以模制成。
一般说，衬套9采用纤维织物10而不用网眼拉制钢板结构也可有助于装配。网眼拉制钢板衬套具有毛边，这些毛边可能会钩在滑动通过的媒质上。
现请看图2，在该图中，图1的装置是以剖面示出。从图2可以看出，过滤器媒质6包括分别埋置在端盖3和4内的相对端23和24。另外，衬套8和9包括也是埋置在端盖3和4内的相对端。
端盖3包括在其上的具有各种特点的一个外环形表面26和凸缘27。具体说，请看图6，表面26包括倾斜区域或密封斜面26以及第二外(轴向的)凸缘29。表面26还包括在倾斜区域28和第二凸缘29之间的环形表面30。本文中术语“轴向”是指凸缘在沿轴线18方向的力的作用下定位紧靠另一个结构部分上。
外环形表面26的这些特点有利于与外部的可拆卸更换的套筒过滤器结合。这可以从下面的关于图5、6和7的说明中提到理解。
再请看图2，端盖3还包括占据表面16和内衬套8一部分之间空间的内部可压缩环32。环32具有产生合乎要求的径向密封的尺寸和结构。表面16较理想是如以33所示的台阶面以有利于密封。
现来看图2中的端盖4。端盖4总的包括含有周边环36的一个外表面35。该端盖4还包括环圈37。对于图示的具体实施例，环圈37的表面38除了内凸缘40、倒圆角的外凸缘41(以及未图示出的任何由模制过程产生的残留结构)外通常没什么特别之处。由这些特点所产生的优点可从对图5-7的描述中看清楚。
现请看图3-5。图3中标号50总的表示一个其尺寸和结构适合在使用时安置在内芯件或滤芯1上的可拆卸更换的外套筒过滤器。采用图示的具体结构，外套筒50总的包括圆筒形外表面51、内孔52、嵌插端53和径向端凸缘或端裙部54。
仍参照图3，图示的套筒50包括四层厚媒质55、56、57和58。从下面的说明中可看到，可以采用不同数目的层。所示的这些层55、56、57和58提供了一具有较理想的截获颗粒效率的梯度。这些层55、56、57和58的每一层一般包括圆筒形卷板的厚媒质。在图3中，在各层内示出有接缝59。在接缝59处的连结可以由如3M Super 77那样的接触粘剂(可从明尼苏达州保罗大街的3M公司得到)提供。作为一种替代或附加，可以采用加热密封。
请看图5、6和7，在使用时，图示的那种外套筒50在外芯件1上滑动(即通过插入端53)，最好直到端裙部54接近(而最好是均匀抵靠)端盖4的表面35为止，如图7所示。这样，在使用时，内芯件1的过滤媒质6就可定位在外套筒50的内孔52内并可被套筒50内的各层厚媒质，即层55、56、57和58重叠(在上游处)。
对这些附图中所示的那种装置，没有采用任何分开的机械连结机构而是采用滑动配合来将外套筒50固定在内芯件1的合适位置上。一般，可以预知在邻接凸缘部29的斜面28上滑动的套筒50的外层可以用具有足够弹性和形状恢复性能的柔性多孔材料制成，以确保其在表面30上延伸时能有一种紧贴的结合，如图6。实际上，通常外套筒50至少在其外部各层上可包括具有这些特性的圆筒形的多孔厚媒质。
请看图4，对于所示较佳实施例，如前所示，外套筒50包括多层厚媒质的结构60。图示的那种套筒50包括外层55和三个内层56、57和58。在各不同层之间纤维、密度和/或厚度的不同可用于提供较理想的负载特性、过滤效率和过滤性能。实际上可以采用不同数目的层。关于这点的原理在下面将提供说明。
现请看图6，图中以剖面示出安装在内芯件1上的外套筒50。重点注意图中所示的外套筒50的插入端53与内芯件1的端盖3结合的那部分。具体说，外部两层55和56(在套筒50上)的两端65和66是在端盖3的斜面28上延伸并座抵外凸缘29和外环面30。这样，端65和66包括尺寸和结构适合与环面30紧配结合的扩展的(内)直径部分67。请注意，对通常应用来说，可以不必要对在此部位的端盖3和外套筒50之间的结合作进一步密封，这是因为在这两者间的紧滑动配合通常是足以提供由过滤媒质6所给予的保护。一般，较理想的是，足够的过盈配合使套筒50保持密配在端盖3上以使在它们之间通过以及未能受益于某些厚媒质的空气的量保持在最小的或至少低于不希望有的水平上。一般可确信，如果在斜面28上延伸的外层媒质是用一种可延展的聚合材料。例如吸附空气的聚酯纤维材料制成并当在斜面28上滑动时周长或直径至少扩展1％的话，就可实现上述这种情况。相信1％的这个最小数对于通常的载重车装置是足够的，这些装置具有这样的设计，即其中在表面30上的端盖3外径约为4.5至13英寸。
现来看图6中的内层57和58。具体请看内层57和58的端部70和71。端部70和71并不长到足够在斜面28上延伸。这样，端部70和71实质上并不延展或扩展。实际上，在某些例子中，由于内层57和58是类似地被定位的层并且在使用时实质上不需要扩展，因此它们可以用一种不能延展的材料制成或者可以在它们上面附设有纤维织物。这点从下面给出的说明中可以进一步理解到。一般，沿最里层58的内径的一层纤维织物是比较理想的，它可在装配和拆卸过程中有助于在套筒50和内芯件1之间滑动。
现请看图7中的端裙部54。一般，端裙部54包括在外套筒50的端部72上的一个圈。对所示的实例来说，端裙部54被设置成当外套筒50已合适定位在内芯件1上时被压抵端盖4上。一般，端裙部54可包括用至少构成外层55和56的同样纤维材料制成的一个裙部除非它被熔化和破裂。下面将联系图11说明其形成过程。
现请看图8，图8中标号80总的表示本发明的一个已装配成的空气滤清器装置。在图8中一些部分被剖开以显示其内部结构详细情况。图8的空气过滤装置80是一种“正常”或“向前”的流动装置。也就是说，被过滤的空气的正常工作流动是沿箭头81方向的；即从外面通过过滤媒质进入。
一般说，空气过滤装置80包括壳体83；在下游的内芯件1；以及在上游的外套筒50。壳体83包括外壁84、进口85、盖86和出口管87。对于所示的装置来说，盖86一般是可开启的，并且事实上可从外壁84上拆卸和更换，以便可进入容纳在内部的内芯件1和外套筒50。一般盖86和壳体83的剩下部分间的结合是通过螺栓90提供的。该装置的尺寸较理想是可使盖86可将裙部54压抵内芯件1上。这将有助于套筒50的定位以及在套筒50和端盖3之间提供非临界性的密封。
外壁84限定一个围绕外套筒50的空间92以使被过滤的空气可以在外套筒50的整个圆周上有效地流入外套筒。
出口管87通常包括带边缘96的内部段95。边缘96较理想是圆形的并具有合适的直径，以便当被插置在端盖3的孔内时，通过表面16构成一径向密封(在98处)。例如在本文中被经引的美国第4,720,292号专利中说明了适合于提供这种结构的装置。一般说为了获得良好的径向密封，较理想的是在表面16和衬套8间抵靠它们的环32内一些材料至少约压缩20-25％。
对于例如在图8中所示的那种通常的径向密封的结构来说，不一定需要将壳体83的内部长度，即表面100和盖86之间的距离设计成可将实际的轴向力作用于容纳其内的芯件的各个部分。这是由于径向密封提供了密封，而轴向力对于保持这种密封并不是必不可少的。然而，为了提供防止在使用中当装置跳动或被冲撞时产生的泄漏的保护，在这样的径向密封装置中可能需要一些轴向压缩。实际上在涉及径向密封的一些装置中，甚至可能需要有辅助的轴向密封环。
通过考察图8，可以容易地理解较理想的工作情况。进入进口85的空气通常在空间92内扩散，并按箭头81的方向通过外套筒50。在空气中被传送的许多颗粒物质就沿积在过滤器50的厚媒质内。空气然后流经内芯件1。任何应从空气流中去除但未从外套筒50去除的颗粒物质一般都会被内芯件1去掉。滤清后的空气然后流经内衬套8并流入内孔11中。空气然后从空气过滤装置80通过出口管87朝外流出并流入发动机的空气进气管。
当已经确定外套筒应更换时，例如在定期保养时或经测定通过过滤件的压降的标准水平已达到的情况下，保养是比较容易进行的。通过拆卸螺栓90将端盖86打开。外套筒50就可以容易地滑离内芯件1。实际上，如果希望的话，对于图示的具体装置来说，套筒50可以在端盖4上滑动并在不破坏内芯件1和出口管87间的径向密封的情况下被取出。一个新的套筒就可容易地被设置在内芯件1上。在盖86复位后，一般就可准备将空气过滤装置装回原处使用。使用过的外套筒就可被抛弃。(应注意该内芯件1可以借助类似的程序予以更换)。
从考察图1-8中的具体装置就可清楚看到本发明的一些可能的实施例的许多优点。例如，图示的那种外套筒50并不具有刚性结构的特点(例如金属、橡胶或硬塑料)，而是它仅仅由柔性厚媒质材料和柔性多孔的纤维织物构成。由于它并不含有硬性端盖、金属结构件等，因此它可以非常容易地被压塌和抛弃。另外，许多废弃的材料是空的(除了灰尘负载)，因此它实质上并不会如先前的许多装置那样会有填埋的问题。而且，新的套筒，即更换套筒可以一种“折叠”结构即被挤压或轧压后运输和储存。
从上面所提供的有关图8的说明中可清楚看到实质上在不从装置中去掉内芯件1的情况下是可以更新图示具体实施例的过滤芯件。这样，就不必要将在过滤装置下游的滤清的空气通风系统暴露于环境并避免了可能被灰尘或脏物污染。另外，还具有结构上的特点，例如因为实际上仅仅上游的厚媒质负载，就不必要更换褶皱的纸质过滤器、内衬套和两端盖。确切地说，它们是保持在适当位置上；而仅仅是在外套筒50内的厚媒质相对较为频繁地予以更换。这就有利于零件的处理，并且减少了存在于传统设计中的浪费。例如，可以将外套筒50设计得每30,000英里予以更换，而内过滤器1则每300,000英里予以更换。
另外，从说明中可清楚看到，保养工作比较简单和容易操作，因而较易实施。
通过考察图8可看到，在被选定的实施例中，有关材料和材料使用可以有利地应用本发明的某些原理。由于端盖的外径实际并不超出内褶皱纸材料的外径，端盖4的直径可比先前结构中类似设置的端盖的要小。实际上，它理想的是伸出外套筒9之外不超过0.125英寸，因此，在外套筒50的内层58和衬套9之间具有极小的间距(如有的话)。由于具有较小的外径，与传统装置相比，有时只需要较少的材料即可形成端盖4。这可用于实现材料的节约和加工的优点。在一些例子中，至少对于过滤芯件的硬性部分同样可以节省重量。媒质特性的选择；工作原理采用本发明设计可获得的灵活性可有利地应用以适应许多环境中的过滤需要。例如，该外套筒50可以设计成只包括一种型式的厚媒质、一种以上型式的厚媒质、具有理想变化梯度的密度的结构等。可设计不同的套筒件用于相同的空气过滤装置和设备，选择使用是取决于预期的工作条件。实际上，是根据设备将面临的具体环境来使用替换的套筒；并且当环境改变的话，可根据需要更换过滤套筒。另外，还可以采用不同的几何形状。例如，内过滤器可具有圆形的横截面，而外套筒具有椭圆形的横截面。
有关媒质的选择，一般可参考美国专利第5,238,474号、第5,364,456号和5,082,476号。在这些参考文件中所阐述的类似原理可以被应用于本发明的装置上。
例如，如上所述，均匀或具有恒定密度的厚媒质可以用于外套筒50中。然而，通过利用在外套筒50中的具有变化梯度的厚媒质过滤装置，在许多结构布置中可获得对采用具有恒定密度媒质的改进；也就是说，这些结构中中外套筒50的厚媒质并不整个都提供恒定的吸附或承载固体的能力(效率)。这可以通过利用如图3和4所示的一种多层结构布置而实现，在这种结构布置中在至少一些不同的层中的厚媒质是选得不同的。另外(或附加地)这种布置还可以通过在一层以上中采用同样的媒质但改变媒质的所承受压缩量是由此改变其安装后(不是自由状态)的紧密度来实现。
在一种较为理想的梯度变化厚媒质装置中，用于可拆卸更换的上游过滤芯件是这样一种过滤芯件，即它的吸附颗粒(尤其是较小颗粒)的效率或能力一般是从上游侧朝下游侧而逐步提高的。在通常的一些应用中，厚媒质的效率的提高是通过增大密度(固体百分比)的变化梯度来实现的。这还可(或作为一种替代)通过减小过滤器尺寸、改变厚媒质的厚度、改变挤压量或组合地采用这些技术来实现。在本文中采用“提高”“效率”或“吸附颗粒的能力”用词，这并不意味着在使用时下游层必定要收集较多的颗粒，相反，这是指如果对该两层分别暴露于含有小颗粒(约小于5微米)的灰尘的试验气流中(但以在该结构布置中它们具有的该形式和压缩状态)进行测试的话，则显示出该两层中构成较上游层的材料的吸附效率一般要低于构成内层的材料的吸附效率。换句话说，被比较的数层的最里面的一层的结构布置要能更有效地吸附较小的颗粒。
从上面所述可以清楚了解本发明过滤器的一些变型设计。例如，较理想的设计可以是这样的，大部分灰尘的吸附可发生在可拆卸更换的套筒50上；实际上通常可将该装置设计成大多数灰尘的吸附(用重量百分比表示)发生在此处。也就是说，在通常的使用中，对一些较佳实施例来说，使用时将含有较小量的泥土、灰尘或颗粒吸附在内过滤器1上或其内部。可使设计着在保证这一点。在这些布置中，内过滤器通常可作为安全过滤器和作为一种使外套筒50的厚媒质保持在合适位置并阻止其破裂的结构而工作。帮助外套筒正常工作而不破裂是由于下列事实而实现内过滤器包括可承受至少100英寸水柱的通常设计压力极限值的刚性结构件；而对于本文中所述的典型较佳实施例来说，该外筒套是一种可较容易压缩的套筒。
在本发明的许多较佳的结构布置中，可将上游的可拆卸更换的(例如套筒)过滤器设计成工作时收集至少90％的重量百分比(而在一些例子中为95％或95％以上)的使用时所收集的颗粒。本文中采用“工作时收集”，这是指，如果在一个通常使用的基本期限(例如公路行驶载重车或城市供货载重车行驶20,000英里)之后检查装置的话，就可发现吸附在整个装置中的颗粒的至少90％(在一些装置中至少95％)是在可拆卸更换的(套筒)过滤器上。
被选用于外套筒50内的媒质的材料可根据各种各样的需要或设计准则予以选择。例如，它可以被选择为一种具有良好储存或吸附性能的媒质。作为一种替代或附加，一层可被选择为一种具有良好结聚性的过滤器。一种结聚过滤器是采用这样一种材料，这种材料可有助于颗粒结聚在过滤器上并且通过它被结聚的颗粒最终可被释放而沉入内层或内过滤件中。具体说，结聚过滤器媒质的纤维间尺寸相对纤维本身尺寸和被过滤的颗粒来说是大的。当颗粒集合和结聚在纤维上时，它们不能越过纤维间的空间、在流体牵引力或者正在进入的颗粒的冲击影响下这些颗粒团作为结聚块可被从纤维驱散或移动。具有良好结聚性的媒质的具体尺寸取决于被过滤颗粒的尺寸分布和现有的流动状态。
如上所指出的那样，多种材料可以被用来制成内芯件1的外层或衬套9。如前所述，可采用一种纤维织物10粘结在各褶皱的末端上。例如，可以通过加热直接将一种热熔聚合物纤维织物粘贴在褶皱的末端上。这样一种聚合物纤维织物一旦定位后通常就可以帮助将褶皱末端固定在合适位置上从而在使用时可避免不应有的移动。采用厚度仅约为0.004-0.010英寸的一种纤维织物就能容易地适应这种使用要求。
理想的纤维织物是用聚合物(例如纺粘)织物或聚丙烯织物制成。这样的纤维织物可以是名称为REEMAY2011的商品，它可从田纳西州37138的老希科雷的丽曼公司得到。对于应用聚合物纤维织物的热熔纤维织物，可以采用Bostik2215，它可从马萨诸塞州01949米达莱顿市的博斯蒂克公司得到。这些材料的一个优点是不象许多金属衬套，它们是光滑的和无不应有的毛边。
在一些装置中，作为纤维织物较理想可采用粘贴有微纤维的多孔材料。这可产生一种可有利地作为一种“磨光”过滤器的微过滤媒质。在颁发给明尼苏达州，明尼波利期市的唐纳森有限公司的美国专利第4,650,506号中说明了将聚合微纤维粘贴于基片上的技术，现援引于此。另一种替代方案可采用经纤维。相信用于将微纤维粘贴于基片上的具体技术对于获得本发明的许多优点并不是关键的或必不可少的。
尽管本发明是有关空气过滤器，但可能应用到与本申请同日提交的发明名称为“褶皱式过滤器及其制造方法”的美国申请中所说明的技术，该美国申请的申请人为本申请的受让人以及同时为发明人的弗朗西斯A·弗里德曼，韦恩M·瓦格纳和丹尼尔T里什。弗里德曼等人的申请援引于本文。
在褶皱和内衬套8之间的密配也是所要求的。这可限制褶皱迎着内衬套的运动，从而将在此位置时在褶皱纸内产生孔的可能减小到最小程度。如果纤维织物10的材料是一种当加热固定于褶皱末端时可略微收缩的材料则将有利于这种紧密配合。材料REEMAY2011适合用作这种材料。
可预知到，在一些装置中本发明的这些原理可以应用在轴向密封的装置上。在这些情形中，至少在某些例子中，将硬金属套筒都用于内衬套8和外衬套9上可能是较理想的。这是为了使贴设在端盖3上的轴向密封衬垫设置在传递轴向负荷的两个刚性结构件，即内衬套8和外衬套9“之间”。当然，衬套9可以一层纤维织物10和一金属衬套两者组成。
现请看图9。该图是一个示意图，表示可用于要明的外套筒50上的多个层或多级结构。然而，应该理解到根据具体需要和设计所采用的层数可多些或少些。图9示意的目的是为讨论一些可能方案提供一个基础。
假定图9的结构是一个向前流动装置的一个外套筒。在这样的情形中，气流通常是对着最外面的或最大直径层，即层200流动，过滤气流向内引入。通常这种结构可设计得使各内层是一个与相邻外层等效的或更有效的过滤器。这并不意味着(在使用时)更多的过滤发生在内层，而是如果每层分开进行试验，内层就显示出对吸附颗粒，尤其小于5微米的颗粒的较高的效率。应预知到，在大多数例子中，较理想的设计，可以使较大的“负载”，即使用时由整个装置吸附的物质的较大的百分比发生在最外层。也就是说，最外面层至少可包含作为“储存”厚媒质工作的一些材料，这些材料过滤效率较低但实际储存经过滤物质的能力较大。
再参看图9，图示的结构包括四层200、201、203和204。从下面对用于开发公路行驶重载车过滤器的一种可能的结构的讨论可理解一些用于选择材料和各种各样用途的一般原理。
例如，在一个用在公路行驶载重车上的典型装置中，该外层200可以由一种纤维材料，典型的是一种有机聚合物例如聚酯。它最好具有良好的弹性和可压缩性。最好通过层200的物理性能得到加强的整个套筒50的所要求的特性包括对原有形状回弹恢复的压缩能力(为容易地运输或储存)；以及在过滤过程中吸附颗粒的实际能力。可预知到，在公路上行驶的载重车的通常应用中，该外层根据具体应用和尺寸的限制其厚度约为0.2-0.75英寸。可采用的材料为4.2盎司/码2的聚合物厚媒质，它可从北卡罗来纳州28241，卡洛特第的凯姆一沃夫有限公司得到，这种材料具有约0.8-1.4％的紧密度(自由状态)或者具有与之等效的性能。这种材料含有40％的重量百分比6丹尼尔(24微米)的纤维和60％的重量百分比1.5丹尼尔(约12-14微米)的纤维。
一般，可用于层200的材料由3.7-5.0盎司的聚合物厚媒质组成，它的紧密度(自由状态)是在0.55-1.4％的范围内(通常由一种纤维尺寸在1.5-6.0丹尼尔范围内的混和物组成)。如果希望的话，在基本无压缩的情况下可(并且通常是)采用这样的材料。
对于所提供的具体例子，相邻内层201是约0.15-0.4英寸厚的一层材料，它的过滤效率高于相邻的上游(外)层200，但它仍具有吸附或储存颗粒的基本能力。一种可购买到的较理想材料是一种具有1.5丹尼尔纤维尺寸(即，12-14微米)，及约1.5-1.8％百分比紧密度(自由状态)的聚合物材料。这种可购买到的材料是凯姆-沃夫8643。一般，一类实用的材料可以由紧密度(自由状态)在0.7-1.8％范围内(通常含有1.5丹尼尔纤维)的3.0-3.9盎司/码2的聚合物厚媒质组成。
较理想是在外套筒50的两层200和201之间敷涂接触粘剂。可以采用一种喷洒接触粘剂例如可从明尼苏达州圣保罗市的3M公司得到的3M Super 77，以将两层相互固定并提高套筒50的整体性。
如果图9示出的结构被用于图8的具体实施例上，则可以理解到现有的两外层(即层200和201)是可在斜面28上延展或扩展以与端盖3密封的两层。它们较理想可被选自能略微扩展并对维密配具有足够恢复性的那种材料。
相反，图9中所示的内层203和204，如果被应用在图8的实施例上，就可以是不在斜面28上扩展而是在端盖3上终止及并不为密配而伸展的层。然而这些层可以由本身并不很能伸长的或者是被固定在一不显著伸长的背衬或纤维织物上的材料组成。
再参看图9，对于所说明的例子，该内层203是由较细的并且其过滤效率高于层201或200的一种合纤维所组成。在一些典型的实例中它可具有约0.08-0.3英寸的厚度。一种用于层203的可购买到的实用材料是AF18，可从科罗拉多州80217，丹佛市的舒勒国际有限公司获得。它可借助一种接触粘剂被固定在层201上。
可以预见，在一些较理想的结构中，两层203和204可由同样的材料，例如AF18组成。还可预见到，在许多较理想的结构中，如在图9中标号205所示的该套筒50最下游的(内)表面可由厚约0.04-0.010英寸的一种纤维织物，较理想一种纺粘聚合物纤维组成。商业上实用的这样的材料是每平方码0.7盎司重的REEMAY2011。在某些例子中的一种以希望的选择方案是采用一种具有细纤维的纤维织物，以提供一种附加的过滤保护。在被转让给明尼苏达州，明尼玻利斯市的唐纳森有限公司的美国第4,650,506号专利中已说明可适用这种用途的细纤维技术。在一些例子中多层纤维织物可被尤其是，例如用于提高过滤效率。
一般，在为各不同层选择材料时的一个重要考虑是适当地建立变化梯度，虽然较为理想的是，各层的过滤效率等于或大于上游相邻层的过滤效率并且该装置包括至少三个具有不同过滤效率的层；但如果在任意给定的两层之间的变化梯度太陡的话，则该结构就较少可能很好地进行过滤以满足其使用目的。这是因为比较陡的变化梯度可导致在较上游处的效率较高的一些层的过早堵塞或吸附。
一般，第一层(最上层)媒质的目的是收集储存大部分(例如70-90％重量百分比)的在期望寿命中进入过滤器的空气传播颗粒。它对此目的的适用性是由其纤维尺寸、紧密度和厚度所确定的。厚度限于可被配置给第一层媒质的整个厚度的那部分，通常约为整个厚度的1/2。一种紧密度过大或具有过细纤维尺寸的媒质就会使过滤效率过高因而会过早堵塞。另一方面，较理想的第一层媒质应具有可保护下游媒质免于被过多数目的颗粒过早堵塞的合适效率。通过经验发现可满足用于公路行驶载重车的第一层(最上层)媒质要求的一种媒质是凯姆-沃夫4.2盎司的厚媒质。
在该芯件的可拆卸更换的部分上的最后(最下游)层的厚媒质可这样选定，即它具有一种在多次(而有时多到10至20次)更换套筒过滤器后仍可保护褶折内过滤器免于堵塞的高效率。该最后层媒质还可选择得适合对通常可穿过上游层的亚微米颗粒的有效性(即效率和储存能力)。通过经验发现满足这种要求的媒质包括AF18。
这样，该套筒过滤器由多层的厚媒质组成，其中效率通常从上游层向下游层逐层提高而灰尘储存能力通常从上游层向下游层逐层减小。该第一(最上游)层污染量最大因而必须具有大的吸附灰尘能力。对当今技术的厚过滤媒质来说，大的储存能力要求粗的纤维(例如12至24微米)及大的相互间的空间(即小紧密度)因此，大储存量的媒质的效率受到限制。紧密度通常是这些粗纤维媒质的效率和储存能力的理想指标。
由于经上游层预过滤，暴露在下游层上的颗粒数减少了。另外，由于上游层预过滤的原因，下游层的颗粒尺寸可比上游层的小。因此，可将较高效率的厚媒质(即较细的纤维和/或较高的紧密度)使用于下游层。为了实现保护内过滤器免于过早堵塞所要求的高效率，媒质的最后(下游)层可以采用直径小于5微米的纤维。这些细纤维媒质的紧密度不能始终与较粗的上游媒质的紧密度直接比较。
由于仅仅将密度作为对粗和细两种纤维进行性能测量是不充分的，因此采用效率测量来表示用于套筒过滤器的媒质的特点。试验对过滤器媒质过滤具有20fpm(每分钟英尺)的标准流速的0.78微米的聚苯乙烯颗粒的效率进行测量。在此试验中，被中和的聚苯乙烯颗粒以在3英寸直径的试验过滤器的上游的较小颗粒浓度传播进一种干燥空气流中。一颗粒计数器被用来对试验样品的效率进行测量。由于试验速度原因，对媒质的不同部分可得出几种效率的读数。对这些读数平均以确定媒质的效率。
下表列出就本发明实施例的套筒过滤器所讨论的各种媒质的0.78微米颗粒效率

媒质 效率(百分比)凯姆-沃夫4.2盎司5-6％凯姆-沃夫8643 8％AF1810-11％然而一般地说，在某些较理想的装置中在套筒过滤器中厚媒质的最上游区域是一种具有约小于6％(较理想是5-6％)的效率(对在试验条件下0.78微米的聚合物颗粒而言)的材料；相邻的下游区域是由一种其效率为7-9％(较理想约为8％)的材料组成(对于在试验条件下0.78微米聚合物颗粒而言)；以及再接着相邻的下游区域(较理想是最下游区域)是一层(或数层)其过滤这些颗粒的效率至少为10％，通常为10-11％的材料。在这种特征表示中，效率是就在结构外部被试验的材料而言的。端裙部的结构再请看图11，图11示意说明了形成本发明的过滤器套筒中的一端裙部例如端裙部54的一个步骤。请看图11，圆筒形布置的过滤器媒质总的以标号300表示。媒质300包含外两层的端部部分301和302，该外两层翻折构成该端裙部。该外两层301和302通常是对应于图3中55、56。内两层和纤维织物分别以标号303、304和305表示。
在图11中，外层301和302被翻折到模子306上，并通过第二模子308被固定在模子凹槽307中。在使用时，作为热压模的第三模子309压抵表面310。由于被加热，它就将聚合材料熔化在这个被压区域上。可用切割或修整操作形成在图7所示结构中的裙部54。替换实施例-反向流动装置本发明的一些技术可被用于反向流动装置上，这在图10中示出，该图是用到本发明原理的一个反向流动装置的剖视图。
该反向流动过滤装置是这样一种布置结构，其中过滤空气流是从过滤器内部朝外流动，如图10中箭头400所指示。请看图10，过滤件结构401包括一可拆卸更换的内过滤器405和一刚性外过滤器406。该可拆卸更换的内过滤器405通常包括具有一圆筒形式的厚媒质以及可具有在其底部上的一个开口端或者一封闭端。它可视为一种软保护套形式的过滤器。该外过滤器406包括一个具有端盖407和408的圆筒形褶皱过滤芯件。所示的特定的过滤件406具有由在端盖407和408间延伸的褶皱纸409组成的媒质。该内过滤器406还包括内衬套410和外衬套411。褶皱纸及内外衬套是被装入或埋置进端盖407和408内。
对图10的装置，刚性外过滤器406具有一封闭端415和一开口端416。被过滤的空气流过开口端416并流入外过滤器的内腔417中。该可拆卸更换的内过滤器被定位在内腔417内，以便在经过滤的空气流过硬性的外过滤器406前通过该过滤器405。可理解到，在使用一段时期后，该内过滤器405可以被拆卸更换。该内过滤器通常可包括一个可压缩的圆筒形结构，并可包括多层的厚媒质。通常可利用如上面对图1-8的布置中的可拆卸更换的外套筒讨论的同样原理来选择内过滤器406所用的材料。类似地，通常可以根据上面有关图1-8的实施例的内过滤器所讨论的同样的指导原理选择外过滤器406的材料。在一些例子中，使用过程中供内过滤器405穿过的端盖416上的孔的内径比内过滤器405在它扩展时的外径小。这是可允许的，由于内过滤器较理想是由一种可收缩的材料制成的，因此它可被压缩穿过开口端416，然后扩展以理想地定位。
对图10所示的该特定的布置，可预见在壳体内的芯件可通过与端盖407的外周凸缘420结合而予以密封。当这样做时，端盖407的材料最好是一种与上面有关图1-8中径向密封所讨论的相同的软的可压缩聚氨基甲酸酯材料，因而可以被压缩成在壳体上的具有合适尺寸的边缘。虽然替代密封结构是可行的，但是用已说明的外径式径向密封实现密封特别方便和容易。采用本发明的一些变型从以上所讨论以及附图中所反映的变型可以清楚地看到本发明的一些原理可以应用在很多种用途中并可具有各种各样的结构。例如，如已指示说明的那样，可拆卸更换的过滤件可以用各种各样的材料以及以各种各样的结构制成。它可以由厚媒质、凝聚媒质、高效率的媒质或组合媒质制成。它还可以有利地制成一种梯度变化的过滤器。它可包括一种纤维织物衬套，用于保持所要求的结构和形状并有利装配。
该过滤器构造可布置成可拆卸更换的过滤器是一个套筒或者一个可容纳于内部的部件。
在一些装置中，可能要求采用一种支撑可拆卸更换的过滤件的加强结构。例如，考虑在图8中所示的装置。可以想象到，一个有用的变型是将装置制作成端盖86包括可很好伸入区域92的一些结构件。在使用时，可以将过滤器套筒固定到盖上的结构件上由此予以支承。这样，当盖被置放到壳体上时，该结构件可以围绕被内部容置的硬过滤器1突出并可支承外过滤器筒50。
在一些装置中，可以设置这样一种装置，该装置用于将对应于图6中的端部65、66的套筒开口端固定于对应于图6中的端盖3的相邻端盖上。例如，可以采用包带或夹箍围绕套筒的外周以在这个位置将套筒固定于端盖。在这样一种装置下，一般要求，为更换可拆卸更换的外套筒，可以将整个过滤器组件卸离壳体。虽然由于结构的关系将会损失一个优点，但仍可获得本文中所述的其他优点。
当然，可以预见可将各种各样的几何形状用于刚性的过滤器芯件，例如图1的内芯件1；可拆卸更换的过滤器套筒，例如图3中的套筒50；以及壳体。在一些装置中，可以将非圆筒形结构用于任何或所有的部件中。不存在任何特别的理由，使套筒50的内外表面的横截面都必须是圆形的。但有助于与具有圆形外横截面的内过滤件1密配的一个圆形内横截面可能是合乎需要的。然而，采用这样一种装置，套筒50仍可采用非圆形的外表面，以便对应于具有非圆形的不同内横截面的壳体。例子下面的例子进一步提供了应用本发明原理的指示。
本发明的一种替代唐纳森P52-2606过滤器芯件(设计成处理500-600立方英尺/分)的用于城市供货型载重车的典型过滤器芯件结构如下所述。
内过滤芯件通常制作成如图1-3所示。开口端盖3的外径可约为7-8英寸。端盖3的内径在上表面20上可约为6英寸，而在其最狭窄的部位上可减小到5.25英寸，如图6所示。端盖3在其最厚部位，即沿区域32构成径向密封的部分的总厚度约为0.435英寸。用于端盖3的端盖材料，如上所述可是一种泡沫端聚氨基甲酸酯。
该第二端盖4如上所述最好由一种硬聚氨基甲酸乙酯制成。它较理想约厚0.31英寸以及其外径约为7.5英寸。该外径伸出外衬套9外约0.125英寸。
褶皱纸6可约有0.625英寸的褶皱并且最好是一种油性褶皱纸媒质。尤其是一种经油处理的高层压塑料纤维素。它可以被制成约12英寸长、具有内径约6英寸的圆筒形结构。较理想是围绕外径每英寸可约有12个褶皱。该内衬套可由延展金属制成。
该外套筒50在一种内纤维织物上包含有四层厚媒质。最外层约0.3英寸厚，由凯姆-沃夫4.2或(过滤)作用等同的材料制成。相邻内层约0.3英寸毫米)厚并由凯姆-沃夫8643或其(过滤)作用等同的材料制成。外面两层可用3MSuper 77相互固定。
厚媒质的内两层其每一层由一层厚约0.2英寸的AF18组成。最内层可以沿其带REEMAY201纤维织物的内表面形成皱纹。该内层和纤维织物可通过3M Super 77相互粘结在一起。
当如上所述那样制作时，就可使过滤芯件结构的尺寸和形状适合于装配在一个传统的唐纳森的EPG110138、EPG110118、EPG11014008，EPG110158壳体中。
权利要求
1.一种空气过滤装置，其特征在于，它包括(a)具有一上游侧的一个内部结构；以及(b)一个以复盖关系设置在所述内部结构上游侧上的由媒质组成的可拆卸更换的套筒过滤器；所述套筒过滤器包括一层以上的媒质。
2.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述内部结构由一种包含具有一上游侧的过滤媒质的过滤结构组成；以及(b)所述内部结构的过滤媒质容纳在所述套筒过滤器在内。
3.如权利要求2所述的空气过滤装置，其特征在于在所述内部结构内的过滤媒质包含褶皱的媒质。
4.如权利要求3所述的空气过滤装置，其特征在于在所述内部结构内的褶皱媒质是由褶皱纸质媒质组成。
5.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于所述套筒过滤器内包括至少一层厚媒质。
6.如权利要求5所述的空气过滤装置，其特征在于所述至少一层厚媒质由多孔的厚媒质组成。
7.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于所述套筒过滤器包括至少一第一层媒质和一第二层媒质；其中至少所述第一层媒质是由多孔厚媒质组成。
8.如权利要求7所述的空气过滤装置，其特征在于所述第二层媒质由多孔的厚媒质组成。
9.如权利要求7所述的空气过滤装置，其特征在于在所述套筒过滤器内的第一层媒质设置在所述第二层媒质的上游。
10.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述的套筒过滤器基本上是圆筒形并包括一个其尺寸适合所述内部结构插入其中的第一开口端；以及(b)所述的套筒过滤器包括一个至少部分地围住其第二端部的端裙部。
11.如权利要求10所述的空气过滤装置，其特征在于，所述套筒过滤器端裙部由一个柔性聚合物材料的圈组成。
12.如权利要求10所述的空气过滤装置，其特征在于，所述套筒过滤器是一个可压缩媒质套筒，它具有一个圆筒形结构并具有在手的压力作用下圆筒形变形时回弹到其圆筒形形状的足够恢复能力。
13.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述的内部结构包括一个在所述裙皱纸过滤器的相邻上游具有一外衬套的褶皱纸过滤器；以及(b)所述的套筒过滤器的尺寸和结构适合用处于所述内部结构的外衬套上游的一层媒质定位。
14.如权利要求13所述的空气过滤装置，其特征在于所述内部结构的外衬套由一层聚合纤维织物组成。
15.如权利要求13所述的空气过滤装置，其特征在于，所述内过滤器的外衬套是一个金属衬套。
16.如权利要求13所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述的内部结构包括一个开口端盖，该端盖具有一个含有轴向凸缘的外环面；以及(b)所述套筒过滤器包括一个带边缘的开口端，所述边缘的尺寸和结构适合当所述套筒过滤器可操作地设置在所述内部结构上时可与在所述开口端盖外环面上的轴向凸缘对准。
17.如权利要求13所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述内部结构包括一个带外环面的开口端；(b)所述开口端盖的外环面包括一个斜面部分，它的位置可使所述套筒过滤器的至少一部分使用时在其上滑动；(c)至少一部分在所述套筒过滤器中的媒质可适当扩展，其尺寸和结构可使所述套筒过滤器在所述斜面部分上滑动时，其内径至少扩展1％。
18.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于，它包括一具有一空气进口和一空气出口的壳体；所述壳体的尺寸和结构可使所述内部结构和套筒过滤器通过操作容纳在所述壳体中。
19.如权利要求18所述的空气过滤装置，其特征在于所述壳体包括一个通道盖；所述通道盖设置得使所述壳体可被选择地打开，以便在不需要从所述空气过滤装置移去所述内部结构的情况下就可选择地从空气过滤装置中移去所述套筒过滤器。
20.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于，所述套筒过滤器包括一个纤维织物的内衬套。
21.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于，所述的套筒过滤器包括一纤维厚媒质的最外层。
22.如权利要求21所述的空气过滤装置，其特征在于，所述纤维厚媒质的最外层是由一种自由状态时具有0.8-1.4％的百分比紧密度的聚合物厚媒质组成。
23.如权利要求21所述的空气过滤装置，其特征在于，所述纤维厚媒质的最外层是由3.7-5.0盎司的聚合物媒质组成。
24.如权利要求21所述的空气过滤装置，其特征在于，所述纤维厚媒质的最外层是由1.5-6.0丹尼尔范围内的纤维组成。
25.如权利要求21所述的空气过滤装置，其特征在于，所述纤维厚媒质的最外层是由纤维尺寸在1.5-6.0丹尼尔范围内的一种混和物组成。
26.如权利要求21所述的空气过滤装置，其特征在于所述套筒过滤器包括至少两层厚媒质，它们为一最外层的厚媒质和相邻内层的厚媒质；所述最外层厚媒质由一层纤维厚媒质组成；以及所述相邻内层的厚媒质是一种具有不同于所述最外层的纤维厚媒质的过滤效率的材料。
27.如权利要求26所述的空气过滤装置，其特征在于，所述相邻内层的厚媒质由纤维厚媒质组成。
28.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述套筒过滤器包括由一种凝聚过滤器媒质组成的外层；以及(b)所述套筒过滤器包括直接在凝聚过滤媒质最外层下游的一相邻层厚媒质。
29.如权利要求1所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述内部结构包括在第一和第二端盖之间延伸的圆筒形褶皱纸过滤器媒质；所述内过滤器结构包括一内衬套和一外衬套；(b)所述套筒过滤器包括一最外层的过滤厚媒质；以及(c)所述套筒过滤器包括相邻于所述内过滤器结构外衬套设置的一最内层媒质。
30.如权利要求29所述的空气过滤装置，其特征在于，所述最外层的多孔媒质具有与所述最内层厚媒质不同的过滤效率。
31.一种围绕一空气过滤器的一部分设置的可拆卸更换的套筒过滤器；所述套筒过滤器包括(a)一媒质套筒，具有一第一开口端并形成一用于容纳所述空气过滤器的所述部分的中心孔。
32.如权利要求31所述的套筒过滤器，其特征在于，所述套筒包括至少部分地被一端裙部封闭的一个端部。
33.如权利要求31所述的套筒过滤器，其特征在于(a)所述套筒通常是圆筒形的；(b)所述套筒的媒质包括至少一层聚合物的纤维厚媒质；以及(c)所述套筒具有足够的柔性和形状恢复能力，以使所述套筒可由于压缩并基本回弹到其圆筒形形状。
34.如权利要求31所述的套筒过滤器，其特征在于，它包括(a)一第一、最外层的纤维厚媒质；以及(b)在所述第一最外层厚媒质直接下游的一第二层媒质；所述第二层厚媒质包括其过滤效率与所述第一层厚媒质不同的一层。
35.如权利要求31所述的套筒过滤器，其特征在于(a)所述第一层媒质是一种当以20英尺/分表面速度被试验时具有对0.78微米聚苯乙烯颗粒的一第一种百分比效率的材料；以及(b)所述第二层媒质是一种当以20英尺/分的表面速度被试验时具有对0.78微米的聚苯乙烯颗粒的一第二种百分比效率的材料；所述第一百分比效率和所述第二百分比效率是互不相同的。
36.如权利要求25所述的套筒过滤器，其特征在于(a)所述第二百分比效率高于所述第一百分比效率；以及(b)所述第二百分比效率至少大约为7％，而所述第一百分比效率不大于约6％。
37.如权利要求35所述的套筒过滤器，其特征在于它包括所述第二层厚媒质下游的一第三层媒质；所述第三层媒质包括有比所述第二层厚媒质大的过滤效率的一层。
38.如权利要求31所述的套筒过滤器，其特征在于，一最下游层媒质是这样一层媒质，当以20英尺/分表面速度被试验时具有对0.78微米的聚苯乙烯颗粒的至少约10％的百分比效率。
39.一种空气过滤装置，其特征在于，它包括(a)一下游硬过滤器结构，它个有过滤媒质并具有一上游侧；以及(b)设置在所述硬过滤器结构下游的一可拆卸更换的厚媒质过滤器；所述可拆卸更换的厚媒质过滤器包括一层以上的厚媒质。
40.如权利要求39所述的空气过滤装置，其特征在于(a)所述下游的硬过滤器结构是一种带中心孔的反向流动的圆筒形过滤器芯件；以及(b)所述可拆卸更换的厚媒质过滤器的尺寸和结构可使它能可操作地定位在所述中心孔内。
全文摘要
本发明涉及用于收集来自气流中的颗粒物质的装置和方法。在一些被具体说明的空气过滤器装置中,一第一硬过滤结构与一种可拆卸更换的厚媒质过滤器结合使用。该较佳实施例的结构是可使可拆卸更换的厚媒质被拆卸和更换,如果要求则可无需从壳体的过滤器组件或壳体上拆卸第一过滤器结构。本发明还说明一些较理想的结构和材料。
文档编号B01D46/24GK1180320SQ96193059
公开日1998年4月29日 申请日期1996年4月12日 优先权日1996年4月12日
发明者丹尼斯J·迪德雷依, 布拉德E·卡尔鲍夫, 厄兰D·安迪生 申请人:唐纳森公司