具有楔形槽的褶状过滤介质的制作方法

具有楔形槽的褶状过滤介质的制作方法
【专利说明】具有楔形槽的褶状过滤介质 相关申请的交叉引用
[0001 ]本申请是在2011年1月25日作为PCT国际专利申请以作为除美国外所有指定国的 申请人的唐纳森公司（Donaldson Company，Inc.，一家美国公司）、以及仅作为指定国美国 的申请人的Gary J.Rocklitz(-位美国公民）的名义提交的，并且要求于2010年1月25日提 交的美国临时专利申请号61/298,109的优先权，这些申请的内容通过引用结合在此。美国 临时专利申请号61/298,109的全部披露内容通过引用整体结合在此。
技术领域
[0002] 本发明涉及褶状过滤介质、介质组件(pack)、过滤元件，以及介质、介质组件、过滤 元件的制造方法。
【背景技术】
[0003] 流体流，如气体和液体，通常在其中携带有污染物质。在许多情况下，希望的是从 该流体流中过滤出一些或全部的污染物质。例如，在进入机动车辆和发电设备的发动机中 的空气流中、进入气体涡轮机系统中的空气和气体流中、进入不同燃烧炉中的空气和气体 流中、以及进入热交换器(例如，加热和空气调节）中的空气和气体流中，通常存在颗粒污染 物。发动机润滑剂系统、液压系统、冷却剂系统以及燃料系统中的液体流还可能携带有应该 被过滤掉的污染物。对于此类系统而言优选的是，将选定的污染物材料从流体中去除(或使 之在流体中的水平降低）。已经开发了多种流体过滤器(气体或液体过滤器）用于减少污染 物。然而总体上，仍寻求继续的改进。
[0004] 褶状过滤介质已经使用了很多年，并且被广泛地用于流体过滤应用中，包括气体 和液体过滤中。褶状过滤介质在给定的体积内通过将介质来回折叠而提供了较大的介质表 面积，这样使得可以在较小的体积中安排大量的介质。褶状介质典型地是由连续的或卷绕 的过滤介质片材形成的，其中这些褶皱是垂直于介质的机器方向而形成的。介质的机器方 向一般是指介质在从一个来源(例如供应卷材）中出来时的连续方向。该连续方向有时也称 为介质的机器方向。因此，这些褶皱折痕总体上横过了介质的连续方向。总体上，第一组褶 皱折痕形成了该介质组件的第一面并且第二组褶皱形成了该介质组件的第二面，其中这些 第一和第二褶皱折痕是彼此交替的。将会理解的是，在某些实施方案中，在此描述的"面"可 以是实质上不平的或不规则的、并且可以是平面的或非平面的。
[0005] 设计含有褶状过滤介质的过滤元件的一个挑战是，当给定体积内的褶皱数目增加 时，可能出现不希望的流体流动限制程度。当褶皱被挤压到彼此太靠近时，这种限制变得很 关键，这可能导致对过滤器性能的显著干扰。例如，褶皱可能太过靠在一起以致于流体难以 进入褶皱之间的区域。由于这种限制，某些现有的褶状过滤器中的介质经修饰以便创造出 不均匀的表面，其中沿着该介质表面具有浅的重复弧段的抬升区域。随着具有这种不均匀 表面的褶皱被彼此挤压在一起，介质上的抬升区域有助于通过形成辅助流体流动的通道而 维持褶皱表面之间的流体流动。虽然具有不均匀表面的褶皱可以提供优点，但其改进受到 限制，尤其是关于更深的褶皱构造而言。
[0006] 因此，对于改进的褶状过滤介质存在着需求。

【发明内容】

[0007] 本发明是针对褶状过滤介质以及包含该褶状过滤介质的褶状过滤介质组件。这些 褶皱组件进而可以形成为过滤元件，过滤元件也是本发明的主题。该介质和介质组件包含 在褶皱折痕之间延伸的槽。这些槽是在过滤介质中形成的三维结构，它们提供了沿着褶皱 表面的有利的流动路径，这些流动路径允许流体有利地流动穿过该介质、协助控制褶皱间 距、辅助对褶皱面提供刚性和结构、并且提供有效的污染物去除。
[0008] 该介质组件中的至少一些槽具有楔形的几何形状。该楔形的几何形状典型地包括 沿着其长度在槽的宽度、和/或高度、和/或截面积方面的变化。在褶状介质中使用楔形槽可 以具有在过滤性能方面的显著益处。例如，楔形槽可以允许形成更深的褶皱组件而同时在 穿过该褶皱组件的流体流动方面提供益处。这样的益处可以通过在介质组件的上游侧上、 在该介质组件的前面附近(在这里流体进入介质组件中）形成具有较大截面积的槽，并且在 介质组件的下游侧上、在该介质组件的后面附近(在这里流体离开介质组件)布置具有较大 截面积的相反的槽。这种上游和下游的槽截面积的变化可以减小与进入和离开褶皱组件相 关的收缩以及膨胀压力损失、并且当流体沿着楔形槽所形成的通道流动时可以减小压力损 失。那么因此，楔形槽可以减小褶皱组件的初始压降。通过减小初始压降并且影响沿着槽穿 过介质的流动分布，楔形槽可以增大过滤器能力和寿命。
[0009] 在宽度、高度和/或截面积上的变化通常沿着槽的长度是逐渐式的，并且在一些实 现方式中这些变化可以是阶梯式的或者非逐渐式的。在大多数实现方式中，这些楔形槽将 沿着全部或大部分槽长度展现出基本上均匀的楔度。然而在一些实现方式中，有可能使得 这种楔度沿着槽长度发生改变，这样使得该楔度是不均匀的或不连续的。例如，该槽可以从 一个楔形区域过渡至一个非楔形区域、到达另一个楔形区域。
[0010]虽然特定槽的截面积可以从槽的一端到另一端发生变化，但是槽的宽度或槽的高 度不需要同时逐渐减小。其实在一些实现方式中，宽度、高度、或二者沿着槽的长度是恒定 的或基本上恒定的。如在详细说明中将会解释的，有可能改变一个槽的截面积而不改变其 宽度或高度。这可以通过改变槽的侧壁的形状来进行，例如通过沿着槽壁形成脊并且沿着 槽改变这些脊的位置。如在此使用的，脊一般是在介质中沿着一个槽的一部分或全部长度 的一种限定的弯曲、皱纹、或变形。脊典型地是在介质的曲线中的一种不连续性，在总体上 弯曲的介质中不存在。因此，脊一般并不简单地是一条渐变曲线之间的一个拐点，而是曲率 中一个更显著的不连续性(例如在本发明的图9A和9B中所示）。如在详细说明中详述的，根 据本发明的传授内容所构造的脊能获得专门的楔形槽。特别是，有可能使脊的位置沿着槽 的长度改变以便促成这些槽的受控的楔度。因此，沿着槽的长度添加所形成的脊、并且改变 这些脊的形状和位置，可以导致槽截面积的显著的逐渐减小；并且这样的逐渐减小可以任 选地在不显著改变槽的高度或宽度的情况下进行。
[0011]本发明的褶状介质进一步的优点在于这些楔形槽允许得到对过滤介质的高利用 水平。高利用水平是指在介质中存在较小的遮盖。如在此使用的，遮盖是指相邻的且相接触 的介质面之间的接近区域。当上游或下游的相邻介质面相接触时，缺少跨越介质的实质性 的压力差或者对于跨越介质的流动存在显著的阻力，该阻力大于在这些片材没有紧密靠近 时将会观察到的。总体上，在介质中在与另一个介质片材或流动边界表面存在紧密靠近或 接触的位置出现遮盖。这种紧密靠近可能在该位置造成用于驱动流动穿过介质的压力减 小。其结果是，被遮盖的介质对过滤介质的过滤性能不够有用。介质遮盖的显著减少可以代 表对过滤器性能和设计的重大改进，因为这增加了可用于过滤流体的介质的量。
[0012] 因此，希望的是减少遮盖以便增大可用于过滤的过滤介质的量。减少遮盖增大了 过滤介质褶皱组件的灰尘储存能力、增大了给定的压降下流体穿过过滤介质的通过量、和/ 或减小了给定的总流体流量下该过滤介质褶皱组件的压降。根据本发明的传授内容制造的 褶状介质中的槽允许减少介质的遮盖。这种减少是通过控制槽的形状、特别是通过使具有 减小的表面积的槽尖端与相邻褶皱上的槽相接触而实现的。尖锐的槽尖端可以通过形成尖 锐的半径或限定的尖端来创造，这减小了褶皱之间的遮盖。如在详细说明中将说明的，在本 发明的不同的实施方案中，这些尖锐的槽尖端是与沿着该槽的脊一起形成的，以便增大介 质表面积、创造楔形的槽、并且另外控制过滤介质的性能。
[0013] 虽然沿着一个给定槽遭受遮盖的特定介质面积可能是较小的，但在整个过滤元件 上被遮盖的介质总量可能是相当大的。因此，在减小遮盖方面甚至有限改进都可能具有显 著的价值。有可能减小过滤元件中被遮盖介质的量而同时修饰槽的几何形状，以便甚至进 一步增加在过滤器中存在的有效介质的量。通过减小遮盖，该过滤元件的性能或寿命可以 增加，或者该过滤元件的尺寸可以减小而同时维持相同的性能或过滤器寿命。总体上，增强 过滤元件的寿命或减小对于给定过滤元件尺寸的过滤器初始压降或者减小对于给定过滤 元件性能的过滤元件尺寸都可以称为增强过滤器的性能。本发明的楔形槽可以被构造成具 有减少的介质遮盖，即使槽的宽度、高度或截面沿其长度改变;并且这种限制遮盖的能力允 许由于将可用介质最大化而提高过滤器性能。
[0014] 根据本发明制造的褶状介质进一步的优势在于，这些楔形槽可以被构造成使得在 生产过程中介质上存在极小的应变，从而允许将相对不可拉伸的介质形成为在从一个褶状 介质组件的一个褶皱面到另一个褶皱面的定向延伸的楔形槽。具有高纤维素含量的介质通 常由于其低成本而是所希望的，并且本发明允许结合高纤维素的介质并且形成适当的楔形 槽而不对介质造成不可接受的损害。同样，具有高玻璃纤维含量的介质也可以使用并且被 形成为楔形槽而不造成该介质的不可接受的降级。
[0015] 在某些实施方案中，根据本发明制成的过滤介质褶皱组件被构造有具有不同槽形 状的槽，使得在该褶皱组件的上游和下游侧存在不同的开放体积，这是一种在此被称为褶 皱组件的体积不对称性的特性。这种褶皱组件体积不对称性在一些实施方案中可以促进污 染物质的储存、改进的流动以及更好的过滤作用。褶皱组件体积不对称性对于改进具有浅 褶皱组件的过滤器构型中的性能可能是特别有帮助的。褶皱组件体积不对称性与槽的楔度 不同，但是将体积不对称性与楔度相结合可以导致对褶皱组件性能以及使用寿命的显著改 进。的确，槽的楔度可以用于产生或增大体积不对称性。
[0016] 本发明还针对褶状过滤介质组件。短语"褶状过滤介质组件"是指通过折叠、打褶 或以其他方式将过滤介质形成为三维网络所构造或形成的介质组件。褶状过滤介质组件可 以更简单地称为介质组件。褶状过滤介质组件任选地可以与在过滤元件中存在的其他特征 进行组合，例如密封件、密封件支撑件、以及褶皱组件末端包裹物。总体上，褶状过滤介质组 件包括具有形成了该介质组件的第一面的第一组褶皱折痕以及形成了该介质组件的第二 面的第二组褶皱折痕的过滤介质，并且该过滤介质在该第一组褶皱折痕与该第二组褶皱折 痕之间以往复的安排进行延伸。
[0017] 这些褶皱典型地是横过介质的机器方向形成的，但并不要求如此。这些褶皱能以 一个角度形成，该角度不同于横过该机器方向的角度。该第一面一般是该褶状过滤介质的 入口或出口，并且该第二面是该过滤介质的入口或出口中的另一个。例如，未过滤的流体可 以经由该第一面进入该褶状过滤介质组件中，并且过滤后的流体可以经由该第二面离开该 褶状过滤介质组件，反之亦然。
[0018] 根据本发明制造的褶状介质可以组装成大量的形状和构型，包括板式过滤器、圆 柱形过滤器、以及锥形过滤器。在板式过滤器中，褶状介质典型地以平面的或平板构型延 伸，其中由第一组褶皱折痕(也称为褶皱尖端)形成了该褶状介质的第一面并且由第二组褶 皱折痕(也称为褶皱尖端)形成了该褶状介质的第二面。这些褶皱折痕形成的第一和第二面 是基本上平行的。流体通过一个面流入该板式过滤器并且通过另一个面流出该板式过滤 器。
[0019] 在圆柱形或锥形过滤器中，褶状介质一般被形成为管或锥体(或者是管或锥体的 部分区段），其中该褶状介质的第一面（由第一组褶皱折痕形成)创造了一个内部面并且该 褶状介质的第二面（由第二组褶皱折痕形成)创造了一个外部面。在用于空气过滤的圆柱形 和锥形过滤器的情况下，空气典型地从该外部面流入该过滤元件而到达该内部面(在有时 称为逆向流动过滤器的情况下反之亦然）。
[0020] 以上的发明概述并不旨在描述本发明的每个所披露的实施方案。这是以下详细说 明和权利要求书的目的。
【附图说明】
[0021] 联系附图来考虑以下对本发明的不同实施方案的详细说明，可以更全面地理解本 发明，在附图中：
[0022]图1是根据本发明的原理的一种过滤元件的透视图。
[0023]图2A是图1的过滤元件的正视图。
[0024]图2B是图1的过滤元件的特写正视图。
[0025]图3A是图1的过滤元件的后视图。
[0026]图3B是图1的过滤元件的特写后视图。
[0027] 图4是图1的过滤元件的侧视图，示出了将该过滤元件分为图5A-5C中所绘截面的 一系列平面。
[0028] 图5A是来自图1的过滤元件的过滤介质的特写透视图，该截面是沿图5的平面A-A' 截取的。
[0029] 图5B是来自图1的过滤元件的过滤介质的特写透视图，该截面是沿图5的平面B-B' 截取的。
[0030] 图5C是来自图1的过滤元件的过滤介质的特写透视图，该截面是沿图5的平面C-C' 截取的。
[0031] 图6是从图1的过滤元件中获取的一片过滤介质的一部分的特写透视图。
[0032] 图7是从图1的过滤元件中获取的一个单独的槽的特写透视图。
[0033] 图8A是图7所示的一片过滤介质的一部分的截面视图，该截面是沿图7的线A-A'截 取的。
[0034] 图8B是图7所示的一片过滤介质的一部分的截面视图，该截面是沿图7的线B-B'截 取的。
[0035] 图8C是图7所示的一片过滤介质的一部分的截面视图，该截面是沿图7的线C-C'截 取的。
[0036] 图8D是图7所示的一片过滤介质的一部分的截面视图，该截面是沿图7的线D-D'截 取的。
[0037]图9A-9C是根据本发明的原理的过滤介质的放大的、示意性的截面视图。
[0038] 图10是根据本发明的一个实现方式所构造的槽式介质的放大的截面视图。
[0039] 图IlA是根据本发明的原理的过滤介质组件的一部分的放大的、示意性的截面视 图。
[0040] 图IlB是根据本发明的原理的过滤介质组件的一部分的放大的、示意性的截面视 图。
[0041] 图12是根据本发明的原理的褶状过滤介质组件的一部分的透视端视图。
[0042] 图13是根据本发明的一个实现方式所制造的过滤介质组件的一部分的放大的局 部透视图。
[0043] 图14是根据本发明的一个实现方式所制造的一片槽式过滤介质的放大的局部透 视图。
[0044] 图15是一片连续的、成形的、具有浮雕式槽的过滤介质的局部俯视平面图。
[0045] 图16是一片连续的成形的具有浮雕式槽的过滤介质的局部俯视平面图。
[0046] 图17是根据本发明的原理的槽的放大的截面扫描图像，示出了用于测量槽的有效 内半径的方法。
[0047] 图18是根据本发明的一个实现方式用于形成槽式介质的设备的示意图。
[0048]图19A是正从扁平的连续片材转换成槽式并且褶状的介质的过滤介质片材的俯视 示意图。
[0049] 图19B是正从扁平连续片材转换成槽式并且褶状的介质的、来自图19A的过滤介质 片材的侧面示意图。
[0050] 图20是根据本发明的一个实现方式制造的一种束合(bunching)机构的侧面透视 图，该束合机构被配置成将介质在薄片横向上聚拢以便随后形成为槽。
[0051] 图21是根据本发明的一个实现方式制造的一种束合机构以及成形辊的侧面透视 图，该束合机构被配置成将介质在薄片横向上聚拢以便随后形成为槽。
[0052]图22是根据本发明的一个实现方式制造的成形辊的侧面透视图，这些成形辊被配 置成在过滤介质中制造槽。
[0053]图23是根据本发明的一个实现方式制造的替代性成形辊的侧面透视图，这些成形 辊被配置成在过滤介质中制造槽。
[0054]图24是根据本发明的一个实现方式制造的成形辊的分解透视图，该成形辊被配置 成在过滤介质中制造槽。
[0055]图25是根据本发明的一个实现方式制造的成形辊的截面，该成形辊被配置成在过 滤介质中制造槽。
[0056]图26是图25中所绘的成形辊的一个区段的透视图。
[0057]图27A至27C是截面图示，展示了一个分段的钳夹辊上这些刻痕条之间的不同间 距，这些刻痕条被配置用于在连续介质中形成适当的褶皱折痕。
[0058]图28是根据本发明的一个实现方式用于形成槽式介质的设备的示意图。
[0059]图29是根据本发明的一个实现方式用于形成槽式介质的设备的示意图。
[0060]图30是根据本发明的原理的圆柱形过滤介质组件的一部分的透视图。
[0061] 图31是图30的圆柱形过滤介质组件的一部分的透视图并且示出了穿过该过滤介 质组件的从外向内的流动。
[0062] 图32是有一部分破掉的圆柱形过滤介质的侧面立面图。
[0063]图33是图32的圆柱形过滤元件的透视图。
[0064]图34是一种类型的锥形过滤元件的侧面示意性立面图。
[0065] 这些图应被认为是本发明的一般代表，并且将会了解的是它们不是被绘制用于涵 盖本发明的所有实施方案，而且它们也不总是按比例绘制的。将会理解的是，根据本发明制 造的介质一般将展现出变化。
[0066] 尽管本发明对于多种改性和替代形式是敏感的，但已经通过实例和附图的方式示 出了其特殊性，并且将详细进行描述。然而，应当理解，本发明并不限于所描述的这些具体 实施方案。与此相反，本发明将覆盖落入本发明精神和范围内的修改、等效物、以及替代方 案。
【具体实施方式】
[0067] 本发明是针对褶状过滤介质以及过滤介质褶皱组件，它们包含在褶皱折痕之间定 向延伸的槽，并且还涉及用于生产褶状过滤介质以及介质褶皱组件的方法和设备。这些槽 是在过滤介质中形成的三维结构，这些结构提供了沿着