專利名稱：過濾元件及其制造和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過濾元件及其制造中所用的方法。
背景技術(shù)：
已有用來以連續(xù)工藝制造管狀過濾元件的機器。美國專利4，101，423 公開了 一種在單級多巻繞機器(multiple winding machine)上由螺旋狀巻 繞并重疊的多層制造的管狀過濾元件，所述層例如高濕強度、高度多孔 紙的內(nèi)層、無菌級薄微孔過濾材料的第二層、發(fā)泡聚乙烯多孔片材的外 層和支承所述過濾材料的多孔外層。這些層包繞在固定芯軸上而以單層 重疊的方式自重疊并在巻繞時一致地沿所述芯軸推進以便該層合體的 相鄰層間無相對運動。阻止被過濾的顆粒物質(zhì)和細菌通過的粘合劑材料 將第二過濾層密封在重疊區(qū)域內(nèi)。該管狀層合結(jié)構(gòu)的端部靠近所述結(jié)構(gòu) 各邊緣處預(yù)定的長度用適宜的密封粘合劑材料如聚氨酯封裝化合物浸 漬。當(dāng)粘合劑材料固化時，所述端部為管提供機械支承，同時阻止流體 或顆粒和細菌污染物通過(參見第5欄，第4-26行)。
美國專利4，986，909中示出了一種環(huán)狀巻繞的螺旋形色鐠柱。此處， 片材式可溶脹纖維基體與隔離裝置層的交替層的夾層結(jié)構(gòu)或?qū)雍象w與 所述夾層結(jié)構(gòu)的周緣被壓縮成流體不透的構(gòu)造。通常，可膨脹纖維基體 與隔離裝置的交替盤的周緣結(jié)合。優(yōu)選所述纖維基體含有或其中粘結(jié)有 熱塑性聚合物材料，隔離裝置也如此。邊緣可通過適宜的加熱如聲波焊 接結(jié)合(參見第10欄，第40-61行)。
美國專利5,114,582中公開了另一種螺旋狀環(huán)形巻繞的過濾元件，其 包括一個或多個螺旋狀巻繞于圓筒形滲透物輸運管上的過濾元件。各過 濾元件包括熱封膜元件和進料隔離體(參見摘要)。
美國專利5，264，162中公開了一種制造由碳-碳復(fù)合材料以墊條形式 螺旋狀巻繞于芯軸上制成的高滲透多孔管的方法。多孔管由所述材料通 過在芯軸上巻繞由碳纖維前體制成的非織造片材，然后對組件進行壓縮和熱穩(wěn)定化而制成。用樹脂浸漬所述片材，然后對樹脂進行熱碳化處理。 獲得的管滲透性高、孔徑小且內(nèi)表面粗糙度低(參見摘要)。還公開了使 用連續(xù)墊層可以在最終管中獲得孔徑在待過濾流體的方向上一般從管 內(nèi)側(cè)向管外側(cè)增大。有利的是這些孔徑在一層和下 一層之間的比率基本
為10，這可通過調(diào)節(jié)墊的密度和/或纖維的直徑獲得(參見第4欄，第 10-20行)。
美國專利5,409,515中公開了一種螺旋狀巻繞的單繞過濾元件，其 包括聚四氟乙烯的多孔膜和一個或多個由熱熔合成樹脂制成的纖維構(gòu) 成的片體(參見摘要)。所述片體在選定的長度上熱熔合(參見Col.第 40-46行)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一般目的是提供用改進的方法制得的改進的過濾元件及 用于其制造的機器。
該目的通過由被壓縮形成具有選定孔隙率的墊或片材的基體材料 和粘結(jié)材料的均勻混合物的至少一種非織造織物制成的過濾元件達到。 所述粘結(jié)纖維有至少一個熔融溫度低于所述基體纖維的表面。所述片材 形成為選定的幾何形狀并被加熱至熱熔以結(jié)合基體纖維成為多孔過濾 元件。優(yōu)選的形狀為多個片材的螺旋巻繞管，各片材自重疊并被壓縮以 與另一片材重疊。各片材優(yōu)選單獨加熱和壓縮且片材可選擇為具有不同 的孔隙率和密度。粘結(jié)材料選自熱塑性材料和樹脂，基體材料選自熱塑 性材料和天然材料。
優(yōu)選用來生產(chǎn)所述過濾元件的機器采用的制造方法包括形成如上 所述被壓縮形成具有選定孔隙率的片材的基體纖維和粘結(jié)纖維的均勻 網(wǎng)的非織造織物的步驟。多個非織造織物片材螺旋形地巻繞于帶有單獨 的皮帶的多站巻繞機上，各皮帶由絞盤供以動力，從而形成各個層，這 些層重疊而形成層合體。各皮帶的張力選擇為壓縮各層至選定的程度。 加熱各層以實現(xiàn)熱熔合步驟。冷卻流體通過空心芯軸泵送以防止芯軸中 的過度熱積聚。機器由計算機控制，計算機接收調(diào)節(jié)機器功能的輸入信 號如絞盤驅(qū)動電機速度、片材巻繞皮帶的張力、用來實現(xiàn)各層的熱熔合 的加熱器陣列的溫度和流經(jīng)空心芯軸的冷卻流體的流量。通過下面的詳細描述，本發(fā)明的上述以及另外的目的、特征和優(yōu)勢 將變得明顯。
圖1為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案的部分截面的透視圖，示出了在 四站巻繞機中用四巻選定的非織造織物制得的多重疊無芯過濾元件。
圖2為橫截面視圖，示出了在空心芯軸上形成的圖1的多重疊無芯 過濾元件。
圖3為用來制造圖1的過濾元件的機器的三個站的示意性頂視圖。
圖4為透視圖，示出了用來生產(chǎn)圖1的過濾元件的多級巻繞機的一 個優(yōu)選實施方案。
圖5為用來生產(chǎn)圖1的過濾元件的優(yōu)選非織造織物制造工藝的框圖。
圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的具有夾層帶(interlaying band)的多重疊無芯過濾元件的橫截面視圖。
圖6B示出了用來形成夾層帶的條，所述條位置抵靠著用來形成過 濾元件的帶的條的表面以同時巻繞而提供圖6A中所示的構(gòu)造。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的具有插入帶(interleafing band)的另 一多重疊無芯過濾元件的橫截面視圖。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的具有另一插入帶的多重疊 無芯過濾元件的橫截面視圖。
特定實施方案的描述
看附圖的圖1,數(shù)字ll代表根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的多重疊無芯過 濾元件。其包括第一多重疊非織造織物條13、第二多重疊非織造織物條
15、 第三多重疊非織造織物條17和第四多重疊非織造織物條19。各織 物條13、 15、 17、 19以重疊的層螺旋形地巻繞而分別形成重疊的帶14、
16、 18、 20。帶14的徑向內(nèi)表面21形成從過濾元件的一端25向過濾元件11的相對端27延伸的軸向延伸環(huán)形空間(即通路)的周緣。圖中放 大了織物的厚度。
在附圖的圖2中，數(shù)字47代表具有環(huán)形外表面49和環(huán)形內(nèi)表面51 的空心圓筒形芯軸，所述環(huán)形內(nèi)表面51形成圓筒形通道53的周緣，液 體或氣體換熱介質(zhì)(未示出)通過圓筒形通道53流動。多重疊非織造織物 條13的帶14示意為被多重疊非織造織物條15的帶16重疊，帶16又 被多重疊非織造織物條17的帶18重疊，帶18又被多重疊非織造織物 條19的帶20重疊。
如附圖的圖3中所示，僅示出了圖4中更詳細地示出的多級巻繞機 的三個級。在圖3中，第一壓縮皮帶55示意為以多重疊方式繞空心芯 軸47巻繞非織造織物條13。第二壓縮皮帶57示意為以多重疊方式繞多 重疊非織造織物條13巻繞非織造織物條15。第三壓縮皮帶59示意為以 多重疊方式繞多重疊非織造織物條15巻繞非織造織物條17。優(yōu)選紅外 加熱器的第一加熱器陣列63示意為處在與壓縮皮帶55壓縮的同時向多 重疊非織造織物條13施加熱的位置。紅外加熱器的第二加熱器陣列65 示意為處在與壓縮皮帶57壓縮的同時向多重疊非織造織物條15施加熱 的位置。紅外加熱器的第三加熱器陣列67示意為處在與壓縮皮帶59壓 縮的同時向多重疊非織造織物條17施加熱的位置。
現(xiàn)在看附圖的圖4，數(shù)字71代表用來制造多重疊無芯過濾元件11 的多級巻繞機。非織造織物條13的巻示意為安裝在巻支承體75上，巻 支承體75由豎立構(gòu)件77構(gòu)成，豎立構(gòu)件77上安裝了一個或多個圓筒 形巻支承軸79，圓筒形巻支承軸79從豎立構(gòu)件77垂直地向外延伸以接 收非織造織物條13的巻的管狀芯(未示出)。各巻支承軸79在沿豎立構(gòu) 件77的長度的某個點處連接到豎立構(gòu)件77上。豎立構(gòu)件77的底部與 多個水平腿(未示出)連接，這些水平腿垂直向外延伸至為豎立構(gòu)件77、 各巻支承軸79和各巻支承軸79上裝載的各巻非織造織物條13提供支 承的長度。
進料盤81由矩形板構(gòu)成，矩形板的兩個最長的相對邊緣83和85 各以直角巻起以形成起支承和引導(dǎo)作用并可調(diào)節(jié)為非織造織物條13的 寬度的通道。巻繞機71的各個級具有進料盤81和與氣缸(未示出)連接 的張緊器輥147。加熱器陣列支承體87 (即第一加熱器陣列63的安裝板)垂直地位于 與巻繞機71的軸89相垂直的平面中。加熱器陣列支承體87沿其底部 邊緣與機器支承結(jié)構(gòu)91連接，機器支承結(jié)構(gòu)91平行于巻繞機71的軸 89延伸并支承其各個級。加熱器陣列支承體87具有輸入表面(未示出) 和輸出表面93?？招男据S47連接到輸出表面93并沿軸89延伸通過巻 繞機71的各個級。加熱器陣列支承體87的輸入表面上接有導(dǎo)管(未示 出)，用于從泵送設(shè)備(在圖7中以數(shù)字324示意性地代表)通過加熱器陣 列支承體87中的孔(未示出)向加熱器陣列支承體87輸送換熱介質(zhì)并使 其進入空心芯軸47的圓筒形通道53 (參見圖2)中。加熱器陣列支承體 87的輸出表面93連接有多個加熱器執(zhí)行機構(gòu)97，所述多個加熱器執(zhí)行 機構(gòu)97各包括通過齒輪機構(gòu)(未示出)與加熱器執(zhí)行機構(gòu)板101連接的刻 度盤調(diào)節(jié)機構(gòu)99。
各加熱器執(zhí)行機構(gòu)板101上接有紅外加熱器63，所述紅外加熱器 63從加熱器陣列支承體87的輸出表面93向外延伸并與巻繞機71的軸 89平行。各紅外加熱器63以垂直于空心芯軸47及沿空心芯軸47的方 向引導(dǎo)熱的方式接在對應(yīng)的加熱器執(zhí)行機構(gòu)板IOI上。各紅外加熱器63 從加熱器陣列支承體87的輸出表面93向外延伸選定的距離。
由驅(qū)動絞盤105和從動絞盤106構(gòu)成的一對絞盤垂直豎立，其軸(未 示出)與巻繞機71的軸89垂直并位于巻繞機71的軸89的任一側(cè)上。 驅(qū)動絞盤105安裝在驅(qū)動絞盤齒輪箱107上，從動絞盤106安裝在從動 絞盤齒輪箱109上。驅(qū)動絞盤齒輪箱107的底部與齒輪箱平臺113連接。 齒輪箱平臺113為矩形板，該矩形板水平地位于機器支承結(jié)構(gòu)91上面。 絞盤驅(qū)動電機(未示出)安裝在齒輪箱平臺113下面并具有軸(未示出)， 該軸延伸通過齒輪箱平臺113中的孔(未示出)并與驅(qū)動絞盤齒輪箱107 的齒輪連接。驅(qū)動絞盤齒輪箱107通過花鍵軸(在第一級中未示出，但 與第四級的花鍵軸lll相同)與從動絞盤齒輪箱109連接，從而提供以相 同的角速度但相反的方向驅(qū)動絞盤105和106的裝置。
從動絞盤齒輪箱109的底部與齒輪箱滑板115連接。齒輪箱滑板115 的下側(cè)有多個沿其長度延伸并與齒輪箱平臺113的長度平行的凹槽。齒 輪箱滑板115的凹槽容納數(shù)字線性編碼器117的導(dǎo)軌，從而使數(shù)字線性 編碼器117可以增量的方式測定從動絞盤109沿數(shù)字線性編碼器117的導(dǎo)軌相對于數(shù)字線性編碼器117上的基準(zhǔn)點的位置。數(shù)字線性編碼器117 可為美國專利4,586,760中所公開的類型或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任何 其他增量線性測量設(shè)備。齒輪箱平臺113的中心附近有弧形狹縫(在第 一級中未示出，但與第四級的弧形狹縫119相同)，該弧形狹縫切穿過 平臺的厚度，其弦與齒輪箱113的長度平行。齒輪箱平臺調(diào)節(jié)固定螺釘 (在第一級中未示出，但與第四級的齒輪箱平臺調(diào)節(jié)固定螺釘121相同) 穿過與狹縫119相同的弧形狹縫并被接納進機器支承結(jié)構(gòu)91中的螺紋 孑L(未示出)內(nèi)。皮帶55相對于芯軸47的角度可用該機構(gòu)調(diào)節(jié)。
絞盤套筒123和125分別與驅(qū)動絞盤105和從動絞盤106的軸同心。 絞盤套筒123和125的徑向內(nèi)表面分別與驅(qū)動絞盤105和從動絞盤106 的徑向外表面緊密配合并通過驅(qū)動絞盤105上和從動絞盤106上的選定 位置處的適宜裝置接于其上。環(huán)形絞盤套筒法蘭127和129分別從驅(qū)動 絞盤105和從動絞盤106徑向向外延伸。
壓縮皮帶55繞驅(qū)動絞盤105的周緣的一半和從動絞盤106的周緣 的一半形成閉合環(huán)路并按驅(qū)動絞盤105和從動絞盤106的軸之間的距離 置于張緊狀態(tài)。壓縮皮帶在驅(qū)動絞盤105和從動絞盤106之間自身橫穿 單次。此外，壓縮皮帶55繞空心芯軸47形成單螺旋。
張緊器氣缸133安裝在齒輪箱平臺113上與從動絞盤齒輪箱109同 一端。張緊器氣缸133為常用的氣動氣缸，其軸135從張緊器氣缸133 的一端平行于齒輪箱平臺113的長度延伸并在相反端與從動絞盤齒輪箱 109連接。
圖4中示出了多級巻繞機71的三個附加級。這類附加級各由與第 一級相同的部件構(gòu)成，不同在于各附加級的加熱器陣列支承體137包括 與巻繞機71的軸89同心的孔139,空心芯軸47通過孔139并有足夠的 余隙用于過濾元件11的帶14、 16、 18、 20;不同還在于用進料張緊器 141代替了進料盤81，進料張緊器141由垂直豎立構(gòu)件143構(gòu)成，垂直 豎立構(gòu)件143的底部與多個水平腿145連接并在相反端與進料張緊器輥 147連接。
現(xiàn)在看附圖的圖5,其示意了非織造織物制造工藝的各個步驟的框 圖。制造工藝的各個重要步驟在單獨的框中示出?？?51中，步驟l為纖維的獲取，纖維常是從紡織纖維生產(chǎn)商處購得的大包形式。各個條13、 15、 17、 19由一種或多種纖維構(gòu)成。如果條13、 15、 17、 19僅由一種 纖維組成，則其應(yīng)為由較低熔點的外殼和較高熔點的內(nèi)核構(gòu)成的類型。 如果條13、 15、 17、 19由兩種或更多種纖維構(gòu)成，則至少一種所述纖 維的熔點必須低于其他的或為上面提到的核殼類型。
框153中，步驟2為纖維材料的開松和稱量。纖維被輸送到同步共 混機中，在同步共混機中其被進一步開松以為框155中的最終共混作準(zhǔn) 備。
框155中，步驟3為纖維的最終共混，由此各纖維通過一系列圓筒 形輥和刺輥被徹底相互混合以提供纖維的均勻分散。該步驟在與美國專 利3,744,092中所公開的共混機類似的共混機中進行。
框157中，步驟4為徹底混合的纖維通過由直徑約12英寸的管構(gòu) 成的風(fēng)道系統(tǒng)的輸送，通過該風(fēng)道系統(tǒng)，空氣以約1,500英尺每分鐘的 速率從共混機循環(huán)到進料器。
框159中，步驟5為相互混合的纖維向與美國專利2,774,294和 2，890，497中所公開的進料器類似的進料器中的進料。
框161中，步驟6為網(wǎng)形成步驟，在該步驟中，纖維從進料器傳送 到與美國專利2,8卯，497和2,703,441中所公開的成網(wǎng)機類似的成網(wǎng)機 中，該成網(wǎng)機由多個圓筒形輥和刺輥組成以便形成均勻分散纖維的連續(xù) 網(wǎng)。
框163中，步驟7為在一系列通風(fēng)爐和/或可替代熱源中進行的液化 和壓縮步驟，在這樣的通風(fēng)爐和/或可替代熱源中，加熱至選定溫度的 空氣流被向下吹到網(wǎng)上從而引起所有或部分特定類型的均勻分散纖維 的液化，這將在下文更詳細地說明。與所有或部分特定類型的均勻分散 纖維的液化同時進行的是連續(xù)形成的網(wǎng)壓縮形成薄片材。通風(fēng)爐中的空 氣用低壓蒸汽飽和至近100。/。。液態(tài)水通過管道泵送到通風(fēng)爐中，在通 風(fēng)爐中其濺射到加熱的不銹鋼板上從而產(chǎn)生低壓蒸汽。所需飽和度取決 于通風(fēng)爐內(nèi)的溫度，通風(fēng)爐內(nèi)的溫度為200華氏度到550華氏度。該蒸 汽中和以高達40,000立方英尺每分鐘的速率循環(huán)的空氣所產(chǎn)生的靜電荷。通風(fēng)爐中網(wǎng)兩側(cè)有4-8英寸水柱的壓力差。網(wǎng)在通風(fēng)爐中的停留時 間取決于在成網(wǎng)機產(chǎn)生的網(wǎng)的卸放速率并與其相協(xié)調(diào)。
框165中，步驟8為通過在兩個圓筒形不銹鋼輥間傳送均勻分散纖 維的片材而將所述片材壓縮成希望的過濾效率所需厚度的非織造織物。
框166中，步驟8-A為在巻繞機上形成非織造織物的巻。
框167中，步驟9的制造工藝為由非織造織物的片材形成條。切割 裝置位于非織造織物片材寬度上的選定點處以便將片材切割成多個選 定寬度的條，從而形成非織造織物條如13、 15、 17、 19。
在框169的步驟10中，非織造條13、 15、 17、 19在常見的由多個 用來將非織造織物條13、 15、 17、 19排列和巻繞到芯上的圓筒形輥構(gòu) 成的巻繞機上巻繞到圓筒形管形式的芯上。
整個非織造片材制造工藝在濕度受控的環(huán)境中進行。環(huán)境中空氣的 相對濕度按濕球/干球溫度計和焓圖測得為60%到80%。
各非織造織物條13、 15、 17、 19由用作基體纖維和粘結(jié)纖維的選 定聚合物纖維如聚酯和聚丙烯構(gòu)成?；w纖維的熔點高于粘結(jié)纖維?；?體纖維的作用是在無芯過濾元件11中產(chǎn)生小孔結(jié)構(gòu)。粘結(jié)纖維或粘結(jié)
材料的作用是將基體纖維粘結(jié)成不需要單獨的芯的剛性過濾元件。粘結(jié) 纖維可由純纖維或由具有較低熔點的外殼和較高熔點的內(nèi)核的那種組 成。如果粘結(jié)纖維是純纖維類型，則其將在足夠熱的存在下全部液化。 如果粘結(jié)纖維具有外殼和內(nèi)核，則使其經(jīng)受在熱的存在下僅外殼液化的 溫度而留下內(nèi)核來輔助基體纖維產(chǎn)生小孔結(jié)構(gòu)。因此粘結(jié)纖維的作用是 在熱的存在下全部或部分液化，其液體部分芯吸到基體纖維上以在基體 纖維間形成粘結(jié)點，從而在冷卻時將基體纖維粘結(jié)在一起。粘結(jié)材料可 為非纖維的形式。
現(xiàn)在看本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，基體纖維和粘結(jié)纖維根據(jù)圖5 中所列制造工藝共混形成各具有選定組成的非織造織物條13、 15、 17、 19的巻。當(dāng)完成非織造織物條13、 15、 17、 19的巻的制造時，將其巻 裝載到巻繞機71的各級中巻支承體75的巻支承軸79上。各巻支承體 75安置為將非織造織物條13、 15、 17、 19以選定的角度引入空心芯軸47。然后以美國專利5,827,430中給出的方式選擇多重疊無芯過濾元件 ll的所需規(guī)格，該專利通過引用并入本文。
展開一定長度的非織造織物條13的巻并將其在進料盤81上喂入， 使其在進料盤81巻起的邊緣83和85之間。進料盤81安置為使非織造 織物條13以選定的角度引向空心芯軸47，其后的驅(qū)動絞盤齒輪箱107 起到轉(zhuǎn)動驅(qū)動絞盤105的作用。巻繞機71的第一級的花鍵軸向從動絞 盤齒輪箱109傳送動力，從動絞盤齒輪箱109的齒輪又使從動絞盤106 以與驅(qū)動絞盤105相同的角速度但相反的方向轉(zhuǎn)動。壓縮皮帶55的內(nèi) 表面與驅(qū)動絞盤105和從動絞盤106的徑向外表面之間的摩擦使皮帶可 與絞盤105和106 —起轉(zhuǎn)動而無切向滑移。絞盤套筒123和125的絞盤 套筒法蘭127和129分別抑制壓縮皮帶55在驅(qū)動絞盤105和從動絞盤 106上向下滑移。
然后非織造織物條13的前緣31被送到空心芯軸47的環(huán)形外表面 49與壓縮皮帶55之間在壓縮皮帶55繞空心芯軸47形成其單螺旋環(huán)路 的點處。由于壓縮皮帶55和非織造織物條13之間產(chǎn)生的摩擦阻力大于 非織造織物條13和空心芯軸47間產(chǎn)生的摩擦阻力，故形成錐形螺旋線 形狀的無芯過濾元件11且元件11沿空心芯軸47被驅(qū)向其自由端。非 織造織物條13和空心芯軸47之間的喂入角要使得當(dāng)在壓縮皮帶55和 空心芯軸47之間壓縮時非織造織物條13自身多次重疊，從而產(chǎn)生本發(fā) 明的多重疊錐形螺旋線特征。壓縮皮帶55的選定壓縮力的來源為壓縮 皮帶55中的張力，該張力由驅(qū)動絞盤105和從動絞盤106的軸間的選 定距離決定。由于從動絞盤106與從動絞盤齒輪箱109連接而從動絞盤 齒輪箱109的底部與齒輪箱滑板115連接，故從動絞盤106可自由地沿 數(shù)字線性編碼器117的導(dǎo)軌平移。數(shù)字線性編碼器117以增量的方式測 定從動絞盤齒輪箱109沿數(shù)字線性編碼器117的導(dǎo)軌相對于數(shù)字線性編 碼器117上的基準(zhǔn)點的位置。壓縮皮帶55向非織造織物條13傳遞的壓 縮力由氣動張緊器氣缸133中的選定壓力來控制和保持，氣動張緊器氣 缸133的軸135與從動絞盤齒輪箱109的底部連接。氣動張緊器氣缸133 中的壓力按操作輸入調(diào)節(jié)以便其軸135延伸或縮回，從而控制和保持壓 縮皮帶55向非織造織物條13傳遞的壓縮力。
在前述壓縮的同時，向多重疊非織造織物條13上施加選定量的熱，該熱由距非織造織物條13選定距離的紅外加熱器63的陣列生成。各紅 外加熱器63與加熱器執(zhí)行機構(gòu)板101連接，加熱器執(zhí)行機構(gòu)板101使 各紅外加熱器63可向著或遠離空心芯軸47運動。加熱器執(zhí)行機構(gòu)板101 的刻度盤調(diào)節(jié)機構(gòu)99可以增量方式調(diào)節(jié)各紅外加熱器63和空心芯軸47 之間的距離。各紅外加熱器63用來加熱多重疊非織造織物條13至選定 的溫度，使得多重疊非織造織物條13的基體纖維在條內(nèi)及帶14的多重 疊層間通過液化粘結(jié)纖維的芯吸過程粘結(jié)在一起。
隨著非織造織物條13被同時加熱和壓縮以產(chǎn)生所需的孔隙率，換 熱介質(zhì)經(jīng)泵送設(shè)備(未示出)以使空心芯軸47的外表面49保持選定溫度 的選定流率泵送通過空心芯軸47的圓筒形通道53。 一個或多個溫度檢
非織造織物條13繼續(xù)在其自身上重疊，從而形成帶14，帶14沿空 心芯軸47以連續(xù)的無終止方式被驅(qū)動通過巻繞機71各剩余級的加熱器 陣列支承體137的孔139。帶14通過巻繞機71的所有級后， 一定長度 的第二級非織造織物條15的巻被展開并送入進料張緊器141的進料張 緊器輥147之間。然后非織造織物條15的前緣35被送到壓縮皮帶57 與帶14的環(huán)形外表面之間在壓縮皮帶57繞空心芯軸47形成其單螺旋 環(huán)路的點處。
非織造織物條15通過與第一級非織造織物條13相同的裝置同時壓 縮和加熱。非織造織物條15繼續(xù)在其自身上重疊，從而形成帶16,帶 16的環(huán)形內(nèi)表面與帶14的環(huán)形外表面粘結(jié)。合并的帶14和16沿空心 芯軸47以連續(xù)的無終止方式被驅(qū)動通過巻繞機71各剩余級的加熱器陣 列支承體137的孔139。合并的帶14和16通過巻繞機71的所有剩余級 后， 一定長度的第三級非織造織物條17的巻被展開并送入進料張緊器 141的進料張緊器輥147之間。然后非織造織物條17的前緣39被送到 壓縮皮帶59與帶16的環(huán)形外表面之間在壓縮皮帶59繞空心芯軸47形 成其單螺旋環(huán)路的點處。
非織造織物條17通過與第一級非織造織物條13相同的裝置同時壓 縮和加熱。非織造織物條17繼續(xù)在其自身上重疊，從而形成帶18，帶 18的環(huán)形內(nèi)表面與帶16的環(huán)形外表面粘結(jié)。合并的帶14、 16、 18沿空 心芯軸47以連續(xù)的無終止方式被驅(qū)動通過巻繞機71各剩余級的加熱器陣列支承體137的孔139。合并的帶14、 16、 18通過巻繞機71的所有 剩余級后， 一定長度的第四級非織造織物條19的巻禮艮開并送入進料 張緊器141的進料張緊器輥147之間。然后非織造織物條19的前緣43 被送到壓縮皮帶61與帶18的環(huán)形外表面之間在壓縮皮帶61繞空心芯 軸47形成其單螺旋環(huán)路的點處。
非織造織物條19繼續(xù)在其自身上重疊，從而形成帶20,帶20的環(huán) 形內(nèi)表面與帶18的環(huán)形外表面粘結(jié)。合并的帶14、 16、 18、 20沿空心 芯軸47以連續(xù)的無終止方式被驅(qū)向測定設(shè)備(未示出)和切割設(shè)備(未示 出)。合并的帶14、 16、 18、 20通過巻繞機71的最終級后，由測定設(shè) 備測定過濾元件11并由切割設(shè)備將其切割至一定長度。
絞盤驅(qū)動電機的角速度要使得非織造織物條13、 15、 17、 19與紅 外加熱器63、 65、 67、 68在選定的持續(xù)時間內(nèi)保持足夠緊密地靠近以 便使粘結(jié)纖維可適當(dāng)液化。此外，各級之間提供足夠的距離以便粘結(jié)纖 維可部分冷卻，從而在各非織造條13、 15、 17、 19內(nèi)、其各層之間以 及各帶14、 16、 18、 20之間粘結(jié)基體纖維，進而在各層之間和各帶14、 16、 18、 20之間提供所需的孔隙率。
選定量的熱和壓縮同時施向非織造織物條13、 15、 17、 19的層要 使得僅選定的性質(zhì)改變而形成具有足以自支承(即不需結(jié)構(gòu)芯)的結(jié)構(gòu)強 度同時保持所需孔隙率的無芯過濾元件11。
如上所述選定量的熱和壓縮同時施向非織造織物條13、 15、 17、 19 可使得過濾元件壁上非織造織物條13、 15、 17、 19的層的密度發(fā)生系 統(tǒng)改變以及元件11的基體纖維的孔隙率發(fā)生系統(tǒng)改變。
濾液流過過濾元件11的方向可為從芯流向環(huán)形外壁或為從環(huán)形外 壁向芯，但在任一情況下，濾液的流動一般與過濾元件11的軸垂直。 但由于非織造織物條13、 15、 17、 19的層的錐形螺旋線性質(zhì)，故由粘 結(jié)的基體纖維形成的孔與過濾元件11的軸成一定角度而使濾液的大顆 粒更難通過過濾元件11。
過濾元件11可通過用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任何適宜裝置封蓋端 部25和27(例如在聚合物樹脂中封裝)而完成。電纜觸發(fā)的切斷開關(guān)(未示出)在巻繞機71的一定長度內(nèi)伸出以使巻 繞機71停止。
圖1中所示類型的過濾元件的制造方法和手級的一個實例如下四 種不同類型的纖維從Hoechst Celanese of Charlotte, N.C.購買以纖維代 碼"252"、 "121"、 "224"和"271，，出售的。纖維"252"為核殼型，而纖維 "121"、 "224，，和"271"為單組分純纖維型。纖維"252"的旦尼爾為3，其 長度為1.500英寸。纖維"121"的旦尼爾為1，其長度為1.500英寸。纖 維"224，，的旦尼爾為6,其長度為2.000英寸。纖維"271，，的旦尼爾為15， 其長度為3.000英寸。纖維的第一共混物由纖維"121"和纖維"252"制造， 各纖維類型占50重量％。纖維的第二共混物由纖維"224"和纖維"252" 制造，各纖維類型占50重量％。纖維的第三共混物由25重量％的纖維 "121"、 25重量％的纖維"224"和50重量％的纖維"252"的組合物制造。 纖維的第四共混物由纖維"271"和纖維"252"制造，各纖維類型占50重 量％。核殼型的纖維"252，，在各前述共混物中用作粘結(jié)纖維。纖維的每 種共混物按圖5中所示的工藝制造。纖維的各共混物形成為厚約1/2英 寸的網(wǎng)。在通風(fēng)爐中九十秒的停留時間中，由于蒸汽所飽和的空氣以約 40,000立方英尺每分鐘在400華氏度的溫度下循環(huán)，故各網(wǎng)的厚度減少 約50%而形成墊。通風(fēng)爐中墊兩側(cè)有6英寸水柱的壓力差。離開通風(fēng)爐 后，各墊被喂入兩個不銹鋼圓筒形輥之間，該圓筒形輥將各墊的厚度壓 縮約50%成為寬約37英寸的非織造織物片材。將各37英寸寬的非織造 織物片材切割成6英寸寬的條13、 15、 17、 19。各非織造織物片材的基 本重量測得為0.5-1.2盎司每平方英尺。作為質(zhì)量保證步驟，切割非織 造織物的條后，在Frasier氣流式試驗儀上進行試驗以測定其空氣滲透 率，單位為立方英尺每分鐘每平方英尺。然后將非織造織物條13、 15、 17、 19裝在巻支承體75的巻支承軸79上，巻繞機71的每級上裝一巻。
將非織造織物條13、 15、 17、 19的規(guī)格輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中?？?心芯軸47由不銹鋼制成，公稱外徑為l英寸。啟動換熱介質(zhì)泵送設(shè)備， 開始以不同的流率泵送換熱介質(zhì)通過空心芯軸47,使得空心芯軸47的 環(huán)形外表面49的溫度保持在200華氏度。以約50赫茲的控制速度啟動 第一級絞盤驅(qū)動電機。開啟第一級加熱器陣列63并供給足以在空心芯 軸47處產(chǎn)生300華氏度的溫度的電壓。通過將非織造織物條13送到空心芯軸47和第一級壓縮皮帶55之 間來開始形成非織造織物條13的第一帶14。隨著非織造織物條13在壓 縮皮帶55下并沿空心芯軸47推進，它以重疊的方式螺旋形地巻繞在其 自身上而形成帶14。隨著帶14的外徑增大，從動絞盤106移向驅(qū)動絞 盤105以縮短其間的距離并使從壓縮皮帶55施加到帶14上的壓力保持 IO磅每平方英寸。該壓縮壓力是壓縮皮帶55中的張力引起的，壓縮皮 帶55中的張力因張緊器氣缸133中50磅每平方英寸的表壓而產(chǎn)生。從 動絞盤106的運動通過改變張緊器氣缸133中的壓力實現(xiàn)。數(shù)字線性編 碼器117檢測從動絞盤106的運動，且如果必要時對絞盤驅(qū)動電機的速 度加以適當(dāng)改變。紅外加熱器63產(chǎn)生的溫度為"凝點(ironing point)，，溫 度。此300華氏度的凝點溫度有助于帶14的層間基體纖維的壓縮和粘 結(jié)。在這種熱和壓縮的同時施加下，非織造織物條13的厚度被壓縮約 50%且存在層間粘結(jié)。
帶14可行進通過巻繞機71的各個級，且在遇到各級的壓縮皮帶前 開啟該級的絞盤驅(qū)動電機并將其調(diào)節(jié)到第一級絞盤驅(qū)動電機的速度。
帶14行進通過巻繞機71的所有級后，通過將非織造織物15送到 第二級壓縮皮帶57和帶14的環(huán)形外表面間開始形成非織造織物條15 的第二帶16。隨著非織造織物15在壓縮皮帶57下并沿空心芯軸47推 進，它以重疊的方式螺旋形地巻繞在其自身上而形成帶16。開啟第二級 加熱器陣列65并供給它足以在帶16的環(huán)形外表面保持300華氏度的熨 點溫度的電壓。隨著帶16的外徑增大，第二級從動絞盤移向第二級驅(qū) 動絞盤以縮短其間的距離并使從壓縮皮帶57施加到帶16上的壓力保持 IO磅每平方英寸。該壓縮壓力是壓縮皮帶57中的張力引起的，壓縮皮 帶57中的張力因第二級張緊器氣缸中50磅每平方英寸的表壓而產(chǎn)生。 第二級從動絞盤的運動通過改變第二級張緊器氣缸中的壓力實現(xiàn)。第二 級數(shù)字線性編碼器檢測第二級從動絞盤的運動，且如果必要時對第二級 絞盤驅(qū)動電機的速度加以適當(dāng)改變以使第二級絞盤驅(qū)動電機的速度與 第一級絞盤驅(qū)動電機同步。300華氏度的凝點溫度有助于帶16的層間基 體纖維的壓縮和粘結(jié)。在這種熱和壓縮的同時施加下，非織造織物條15 的厚度被壓縮約50。/。且存在層間粘結(jié)。帶16的環(huán)形內(nèi)表面與帶14的環(huán) 形外表面粘結(jié)且?guī)?6沿空心芯軸47向第三級壓縮皮帶59行進。帶16 可行進通過巻繞機71的剩余級，且在遇到各級的壓縮皮帶前開啟該級的絞盤驅(qū)動電機并將其調(diào)節(jié)到第二級絞盤驅(qū)動電機的速度。
帶16行進通過巻繞機71的所有級后，通過將非織造織物條17送 到第三級壓縮皮帶59和帶16的環(huán)形外表面間開始形成非織造織物17 的第三帶18。隨著非織造織物17在壓縮皮帶59下并沿空心芯軸47推 進，它以重疊的方式螺旋形地巻繞在其自身上而形成帶18。開啟第三級 加熱器陣列67并供給它足以在帶18的環(huán)形外表面保持300度的熨點溫 度的電壓。隨著帶18的外徑增大，第三級從動絞盤移向第三級驅(qū)動絞 盤以縮短其間的距離并使從壓縮皮帶59施加到帶18上的壓力保持10 磅每平方英寸。該壓縮壓力是壓縮皮帶59中的張力引起的，壓縮皮帶 59中的張力因第三級張緊器氣缸中50磅每平方英寸的表壓而產(chǎn)生。第 三級從動絞盤的運動通過改變第三級張緊器氣缸中的壓力實現(xiàn)。第三級 數(shù)字線性編碼器檢測第三級從動絞盤的運動，且如果必要時對第三級絞 盤驅(qū)動電機的速度加以適當(dāng)改變以使第三級絞盤驅(qū)動電機的速度與第 一級絞盤驅(qū)動電機同步。300華氏度的熨點溫度有助于帶18的層間基體 纖維的壓縮和粘結(jié)。在這種熱和壓縮的同時施加下，非織造織物條17 的厚度被壓縮約50%且存在層間粘結(jié)。帶18的環(huán)形內(nèi)表面與帶16的環(huán) 形外表面粘結(jié)且?guī)?8沿空心芯軸47向第四級壓縮皮帶61行進。帶18 可行進通過巻繞機71的剩余級，且在遇到第四級壓縮皮帶前將第四級 絞盤驅(qū)動電機設(shè)定到第三級絞盤驅(qū)動電機的速度。
帶18行進通過巻繞機71的所有剩余級后，通過將非織造織物條19 送到第四級壓縮皮帶61和帶18的環(huán)形外表面之間開始形成非織造織物 條19的第四帶20。隨著非織造織物條19在壓縮皮帶61下并沿空心芯 軸47推進，它以重疊的方式螺旋形地巻繞在其自身上而形成帶20。開 啟第四級加熱器陣列68并供給足它以在帶20的環(huán)形外表面處保持300 度的凝點溫度的電壓。隨著帶20的外徑增大，第四級從動絞盤移向第 四級驅(qū)動絞盤以縮短其間的距離并使從壓縮皮帶61施加到帶20上的壓 力保持10磅每平方英寸。該壓縮壓力是壓縮皮帶61中的張力引起的， 壓縮皮帶61中的張力因第四級張緊器氣缸中50磅每平方英寸的表壓而 產(chǎn)生。第四級從動絞盤的運動通過改變第四級張緊器氣缸中的壓力實 現(xiàn)。第四級數(shù)字線性編碼器檢測第四級從動絞盤的運動，且如果必要時 對第四級絞盤驅(qū)動電機的速度加以適當(dāng)改變以使第四級絞盤驅(qū)動電機 的速度與第一級絞盤驅(qū)動電機同步。300華氏度的熨點溫度有助于帶20的層間基體纖維的壓縮和粘結(jié)。在這種熱和壓縮的同時施加下，非織造
織物條19的厚度被壓縮約50%且存在層間粘結(jié)。帶20的環(huán)形內(nèi)表面與 帶18的環(huán)形外表面粘結(jié)且?guī)?0沿空心芯軸47向測定和切割設(shè)備行進， 由此對其進行測定并將其切割成30英寸的長度。
所得過濾元件11的標(biāo)稱內(nèi)徑為1英寸、標(biāo)稱外徑為2.5英寸并被切 割為長30英寸。其重l磅，氣流容量為20立方英尺每分鐘，產(chǎn)生的壓 力差為4.9英寸水柱。
在本發(fā)明的一個可替代的實施方案中，在多級巻繞機71的一個或 多個級可包括惰輪皮帶，以使空心芯軸47保持在適當(dāng)固定的位置。
在本發(fā)明的另一實施方案中，多級巻繞機71的單個級中添加了多 個非織造織物條。
應(yīng)指出，如上所述制造本發(fā)明過濾元件的方法提供的過濾元件的表 面區(qū)域包括多個重疊的介質(zhì)層(即帶)，由此鄰近的層在結(jié)合點處具有交 會平面。在一個實施方案中，這樣的設(shè)計可提高帶的過濾能力。此外， 采用這樣的設(shè)計，可以在過濾元件11內(nèi)沿過濾元件11的深度上提供密 度梯度。
在進一步描述之前，定義一些后文中用到的術(shù)語是有用的。"孔尺 寸"指介質(zhì)中孔的尺寸，其將決定不能通過介質(zhì)的顆粒的尺寸即微米額 定值。對于大多數(shù)介質(zhì)來說，由于孔尺寸可能不是到處都均勻，故這可 以按分布來關(guān)聯(lián)。"滲透性，，是介質(zhì)的流動阻力的量度。這可在空氣中或 在液體中測定。較高的滲透性意味著較低的流動阻力和給定流量下通過 介質(zhì)較低的壓力降。較低的滲透性意味著較高的流動阻力或給定流量下 通過介質(zhì)較高的壓力降。"纖維尺寸"是介質(zhì)中纖維尺寸的量度，單位為 微米，或?qū)τ诰酆衔?，單位為旦尼爾。通常，纖維越小，介質(zhì)中的孔越 小。纖維尺寸的分布通?？苫谠O(shè)計改變。"基本重量，，指給定表面積的 介質(zhì)有多重，其單位通常為磅(lbs.)每平方碼或克每平方米。"孔隙率"(空 隙體積)為有多少介質(zhì)體積是開放空間的量度。通常，較高的孔隙率意 味著介質(zhì)內(nèi)較高的納污能力和較高的滲透性。
如上面所提到的，所用材料和制造方法可影響介質(zhì)的特性。為此可利用介質(zhì)的特性來開發(fā)可具有相對高過濾能力的過濾器。已經(jīng)4艮好地確 定了過濾性能的三個主要量度，即流動能力、微米額定值和顆粒容納能 力，可成比例地彼此相關(guān)。例如，隨著微米額定值變嚴(yán)格，流動能力傾 向于減小。同樣，隨著微米額定值變嚴(yán)格，顆粒容納能力傾向于減小。 因此，基于這些特性，可根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案設(shè)計其過濾能力能 移除污染物同時具有相對高顆粒容納能力和流動能力以及能夠保持指 定微米額定值的過濾元件。
參照本發(fā)明的另一實施方案，為進一步提高過濾元件11的過濾能
力，本發(fā)明可提供在帶14、 16、 18或20的至少一個內(nèi)具有介質(zhì)夾層的 過濾元件。在一個實施方案中，過濾元件11中存在這樣的夾層可使過 濾元件11具有額外的過濾表面積。特別地，就夾層的特性和性質(zhì)可能 與下面的過濾元件帶14、 16、 18和20不同而言，密度、纖維尺寸等可 有明顯的突然改變，這實際上在本發(fā)明的過濾元件的毗連結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生額 外的表面積。該夾層也可產(chǎn)生改變流動方向及增加特定尺寸污染物的沉 積的能力。
現(xiàn)在看圖6A,其中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的多重疊無芯 過濾元件60的橫截面視圖。如圖6A中所示的過濾元件60可用上述方 法制造。為此，與過濾元件11類似，過濾元件60可包括多個帶61、 62、 63和64。當(dāng)然，如果需要，可提供更多或更少的帶。過濾元件60可還 包括布置在至少一個重疊的帶例如帶61內(nèi)的夾層65。過濾元件60的重 疊的帶61內(nèi)夾層65的存在使過濾元件60可設(shè)計為可控制和賦予過濾 元件60內(nèi)流動的流體特定的過濾或流動型式，例如以基本軸向的方向。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，夾層65可由能提供與帶61到64的 那些不同的特性的一種或多種材料制成。在一個實施方案中，這些特性 可基于例如纖維的尺寸以及夾層65的制備中所用的工藝或配方賦予。 一般來"^兌，所用纖維的直徑可不同，尺寸通常為微米(即1/1，000，000米)。 直徑也可以旦尼爾描述。旦尼爾為9,000米纖維的重量(克)。使用纖維 中例如聚合物的密度，纖維的直徑可由旦尼爾計算。在一個實施方案中， 夾層65可由直徑相差很大的纖維的混合物制備。該混合物或配方可決 定夾層65的性能或特性，且才艮據(jù)應(yīng)用，夾層65的性能或特性可與帶61 到64的特性或性能明顯不同或略微不同。夾層65的制造中可用的材料的實例范圍廣泛，包括金屬(如不銹鋼)、 無機組分(如玻璃纖維或陶瓷)、有機纖維素、紙或有機聚合物(如聚丙烯、 聚酯、尼龍等)或其組合。這些材料具有不同的耐化學(xué)性和其他性質(zhì)。
此外，現(xiàn)在看圖6B,在一個實施方案中，夾層65可由其寬度與夾 層65布置于其內(nèi)的帶的制作中所用的條例如條611的尺寸基本相似的 條例如條651提供。或者，夾層65可由其寬度可測程度地小于夾層65 布置于其內(nèi)的帶中使用的條的寬度的條提供。在一個實施方案中，夾層 65可包括比帶中所用條的寬度小約2英寸的寬度。
為以圖6A中所示的方式布置夾層65，在制造工藝開始時可將由其 形成夾層65的條651基本平行于并抵靠著例如帶61的形成中所用的例 如條611的表面設(shè)置。條611通過上述工藝制造，其性質(zhì)可為非織造的。 在一個實施方案中，也可為非織造的或為其他的條651可抵靠著隨后可 成為帶61的內(nèi)表面的條611的表面設(shè)置。作為替代方案，條651可抵 靠著隨后可成為帶61的外表面的條611的表面設(shè)置。其后，隨著條611 繞芯軸47巻繞形成帶61，條651可與帶61的條611同時巻繞而提供圖 6A中所示的構(gòu)造。換句話說，夾層條651的各層可夾在非織造條611 的兩個相鄰的重疊層之間。應(yīng)指出，帶61內(nèi)的夾層65提供在巻繞過程 中芯軸47所形成的通路67的上方和下方，如圖6A中所示。此外，雖 然僅與帶61連接出，但應(yīng)理解剩余的帶62到64中的一個或多個內(nèi)可 布置夾層65。此外，在一個實施方案中，帶61到64每一個中的各夾層 65的特性可與其他夾層不同或相似，這取決于特定的應(yīng)用或所需的性 能。
在一個可替代的實施方案中，如圖7中所示，可繞重疊帶71的周 緣提供中間層(interleaf)75，而不是在重疊的帶61內(nèi)提供夾層65。為以 圖7中所示的方式布置中間層75，在一個實施方案中，在形成重疊帶 71后，可將中間層75的形成中所用的條以與帶71相似的方式繞帶71 的外表面包繞或巻繞，以提供圖7中中間層75所具有的重疊分布。當(dāng) 然，盡管示意為僅一個中間層，但可繞過濾元件70中剩余的帶中的一 個或多個提供中間層75。
現(xiàn)在看圖8,作為替代方案，可沿過濾元件80的整個長度和帶81 內(nèi)布置中間層85作為一個層而不是提供重疊的中間層75。在該實施方案中，條851的長度可與過濾元件80的長度基本相似，寬度可與帶81 的周長基本相似。這樣，過濾元件80的帶81可沿條851的長度，和隨 后繞帶81包繞一次條851的寬度布置。當(dāng)然這可在帶81的形成過程中 進行以便可在帶81內(nèi)提供中間層85，或在帶81的形成后進行以便可繞 帶81的外表面提供中間層85。也可繞過濾元件80中剩余的帶中的一個 或多個提供中間層85。
在一個相關(guān)的實施方案中，條851的長度可短于過濾元件80的長 度。當(dāng)長度較短時，可繞過濾元件80的各個帶以從一個帶到下一個帶 交錯的方式提供中間層85 (未示出)。
除材料(例如類型和尺寸)外，下文可稱為介質(zhì)的夾層65以及帶61 到64的特性或性質(zhì)可取決于孔尺寸、滲透率、基本重量和孔隙率(空隙 體積)等。這些性質(zhì)的組合可使夾層65和帶61到64 —起具有特定的流 動能力(過濾器上流體的差壓)、微米額定值(被過濾元件60移除的顆粒 的尺寸)、顆粒容納能力(堵塞前可被過濾元件60從工藝中移除的污染物 的量)和物理化學(xué)性質(zhì)。
此外，通過為過濾元件60提供特性和性質(zhì)與多重疊帶61到64所 具有的那些不同的夾層65，過濾元件60內(nèi)可存在例如密度的明顯突然 改變，該改變實際上可產(chǎn)生額外的表面積，從而可以微觀水平及宏觀水 平在過濾元件60內(nèi)產(chǎn)生梯度密度。
在一個實施方案中，過濾元件60內(nèi)夾層65的存在還可賦予沿過濾 元件60的基本軸向的流體流動通路。通常，流體或從外到內(nèi)或從內(nèi)到 外基本徑向地流過元件60上的重疊帶如帶61到64。但使用如上所述較 密實或滲透較低介質(zhì)的夾層，流體通過過濾元件60的流動可沿過濾元 件60的長度基本軸向?qū)?，如圖6A中箭頭66所示。
使用深度介質(zhì)如過濾元件60的過濾中廣為接受的事實是能移除小
于孔尺寸的顆粒。例如，氣體中非常小的顆?？梢员幻枋鰹椴祭蔬\動的
方式無規(guī)運動。這些顆?？膳c過濾元件中容納的纖維或液體接觸并可除
去，縱使就其大小而言其可容易地通過過濾元件的帶內(nèi)較大的孔。此外， 流體中顆粒的質(zhì)量傾向于比存在所述顆粒的流體大，因此，顆粒有以相
對直的線流動的趨勢。這樣的流動型式可引起顆粒與纖維的慣性撞擊，使顆?？烧吃诶w維上而被除去。此外，縱使這些顆?？赡苄〉阶阋酝ㄟ^ 過濾器的孔，其仍可被除去。
在一個實施方案中，這兩種移除機理均可以提高過濾能力，因為顆 粒必須沿其行進通過過濾元件的路徑變得更曲折和/或更長。特別地， 當(dāng)行進路徑更曲折和/或更長時，顆粒的接觸概率可增大。所述接觸概 率是顆粒將與纖維接觸或在流體為氣體的情況下與過濾元件內(nèi)容納的 液體接觸而使其可被移除的概率。因此，通過賦予沿過濾元件的軸向流
動，本發(fā)明的過濾元件60可相當(dāng)大地提高其移除較小顆粒的能力同時 增大其流動能力(即移除微米尺寸的顆粒同時提供較大的顆粒容納和流 動能力)。
例如，在外徑(OD)為約2.5"、內(nèi)徑(ID)為1.19"的液體過濾元件中， 過濾元件的徑向深度可為約0.655"。使用這樣的過濾元件，顆粒或污染 物通?？蓮较蛄鲃蛹s0.665，，以通過該過濾器。另一方面，當(dāng)這樣的過濾 器在一個帶(如圖6A中的帶61)內(nèi)具有寬約4.0"的夾層(如夾層65)時， 流過過濾元件的顆粒現(xiàn)在必須沿箭頭66所示的方向流動。才艮據(jù)顆粒在 何處與夾層65接觸，是在點A還是B還是其間的某處，在其可通過過 濾元件前顆?？尚羞M高達約4.665"。這樣的距離高達無夾層時的距離的 約7.1倍，因此大大提高了移除污染物的接觸概率。當(dāng)然，如果第二帶 內(nèi)具有另一 4"的夾層，則行進的距離將高達8.665"或是無夾層過濾元件 的13.2倍。
使用本發(fā)明的夾層65，與可賦予各帶61到64的特性一起，過濾元 件可制造為由此可賦予通過過濾元件的流體以特定設(shè)計的流動型式(即 流體流動方向)。特別地，在兩個極端中，例如如果夾層65是基本不可 滲透的，則可以要求軸向流動通過其內(nèi)可能布置了夾層65的帶，直至 流動到達帶的出口端。另一方面，如果夾層65的特性和性質(zhì)與其內(nèi)可 能布置了夾層65的帶基本相似，則通過該帶的流動很可能繼續(xù)基本徑 向地通過夾層和帶而幾乎沒有或沒有軸向流動。
設(shè)計通過過濾元件的特定流動型式的能力取決于在上述兩個極端 之間找到合適的平衡和組合。在一個實施方案中，夾層65可設(shè)計為比 其內(nèi)布置了所述夾層的帶更密實更低滲。這樣，當(dāng)含污染物的流體到達 夾層65時，流動的方向可為通過夾層或軸向，這取決于流體的內(nèi)容物。在一個實施方案中，流動的方向可由孔尺寸、滲透率及賦予帶和夾層65 的其他特性決定。
在一個實施方案中，對于相對密實的夾層65可為可滲透的來說， 可允許錯流過濾通過夾層65。具體而言，隨著流體沿夾層65流動，可 允許流體流過可滲透的夾層65而留下污染物。過了過濾元件的使用期 限后，隨著相對密實的夾層65被污染物堵塞，沿夾層65流動的流體可 被迫流經(jīng)另一流徑，例如以圖6A中箭頭66的方向通過具有更大空隙體 積的更可滲透的帶。
應(yīng)理解，當(dāng)使用與其內(nèi)布置了夾層的帶所用的材料不同的材料制成 的夾層時，由于緊密靠近的兩種不同材料的物理化學(xué)相互作用，故可能 產(chǎn)生靜電荷。由于這樣的物理化學(xué)相互作用產(chǎn)生的靜電荷可能導(dǎo)致制造 的過濾元件包含多種纖維尺寸。此外，這樣的相互作用可能導(dǎo)致制造的 纖維基體在不同的位置有不同的纖維。本發(fā)明的過濾元件的夾層和帶的 制造中可采用的纖維的實例包括細纖維，包括來自玻璃纖維、熔噴纖維 或新近的納米纖維或改進的納米顆粒的那些。
就向夾層65中結(jié)合納米顆粒來說，這樣的納米顆?？蔀槟芤瞥?金屬污染物如無機汞(例如二價陽離子Hg2+、單價Hg +和中性化合物如 HgCl2、 Hg[OHh)、有機汞如因污泥中的酶反應(yīng)產(chǎn)生的曱基汞(例如 CH3HgCH3或CH3Hg+)、金屬汞、銀、鉛、鈾、钚、镎、銷、鎘及其組 合的廢物吸附材料。
在一個實施方案中，所述廢物吸附材料可為由中孔載體上自組裝的 單層(self國assembled monolayer on mesoporous support, SAMMS)制得 的納米吸附材料。所述載體可由各種多孔材料制備，包括二氧化硅?？?用于本發(fā)明中的SAMMS材料的實例包括硫醇-SAMMS，例如美國專利 6,326,326中所^^開的那些，該專利通過引用并入本文。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，所述納米吸附材料可為大小約5微米 到約200微米的多孔顆粒。在一個實施方案中，所述顆粒的平均大小可 為約50微米到約80微米，可包括約3納米(nm)到約4nm的孔尺寸， 表觀密度可為約0.2克/毫升到約0.4克/毫升。如上面提到的本發(fā)明的夾層設(shè)計可用于處理受污染流體的過濾元 件中?？杀惶幚淼氖芪廴玖黧w包括粘性流體(如油)或非粘性流體(如液體 或氣體)。在涉及氣/液聚結(jié)的應(yīng)用中，可能出現(xiàn)涉及移除非常細的浮質(zhì) 而同時讓聚結(jié)元件在固體污染物的存在下保持較長使用壽命的問題。已 觀察到，通過使用本發(fā)明的夾層設(shè)計，非常細的浮質(zhì)可被俘獲在夾層的 細纖維中并可聚結(jié)成小滴，所述小滴最終形成沿軸向路徑向下流動的流
體。在一個實施方案中，通過使一些污染物可在排出的液體中移除而不 是保持俘集在夾層中并隨后堵塞夾層，小滴/流體的軸向流動可增長聚 結(jié)元件的使用壽命。在一定程度上，這賦予夾層自潔效應(yīng)，從而可延長 其使用壽命。
在一個可替代的實施方案中，在涉及氣/液聚結(jié)的應(yīng)用中也可使用密 實度比其內(nèi)布置了夾層的帶低的更開放的夾層。在這樣的實施方案中， 可在聚結(jié)元件內(nèi)產(chǎn)生可積聚和沉積污染物的區(qū)域。
此外應(yīng)理解，當(dāng)設(shè)計的中間層(如中間層85)比繞其包繞該中間層的 帶的密實度高得多而滲透性較低時，由于流體可能不能橫貫密實的中間 層，故流動通過過濾元件的流體可能被迫基本沿過濾元件的整個長度運 動。
雖然已參照其具體實施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解其能進一步改變。 此外，本申請意在涵蓋本發(fā)明的任何變體、用途或改編，包括像本發(fā)明所
屬領(lǐng)域中熟知或慣例范圍內(nèi)的這樣一類與^^開的偏離。
權(quán)利要求
1. 一種過濾元件，所述過濾元件包括非織造條，其具有選定孔隙率并以多個重疊層螺旋形卷繞在其自身上以形成選定徑向厚度的帶；夾層條，其具有與所述非織造條不同的孔隙率并布置在所述非織造條所形成的帶內(nèi)；和流體流動通路，其由所述夾層條所限定，以控制和賦予通過所述過濾元件的特定流動型式。
2. 如權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中所述非織造條螺旋狀巻繞 并熱熔合及壓縮，以基本為管狀。
3. 如權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中所述非織造條由可以因所 述非織造條與所述夾層條之間的物理化學(xué)相互作用而產(chǎn)生靜電荷的材 料制成。
4. 如權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中所述夾層條的滲透性較所 述非織造條低。
5. 如權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中所述夾層條設(shè)計成要移除 尺寸比通過所述非織造條移除的那些小的顆粒或污染物。
6. 如權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中可由其制備所述夾層條的 材料包括金屬、無機組分、有機纖維素、有機聚合物中的一種或其組合。
7. 如權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中可由其制備所述夾層條的 材料包括不銹鋼、玻璃纖維、熔噴纖維、陶瓷、紙、聚丙烯、聚酯、尼 龍、其他聚合物材料、由中孔載體上的自組裝單層(SAMMS)制得的多 孔顆粒中的一種或其組合。
8. 如權(quán)利要求7所述的過濾元件，其中所述多孔顆粒由二氧化硅 制備。
9. 如權(quán)利要求7所述的過濾元件，其中所述多孔顆粒的孔尺寸為 約3納米(nm)到約4nm。
10. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條由與所述非織 造條所用不同的材料制備。
11. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條可設(shè)計為提供特定的流動能力、微米額定值、顆粒容納能力和物理化學(xué)性質(zhì)。
12. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條具有與所述非 織造條中明顯不同的密度，以允許所述過濾元件內(nèi)存在梯度密度。
13. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條以多個重疊層 布置在由所述非織造條所形成的所述帶內(nèi)。
14. 如權(quán)利要求13所述的過濾元件，其中所述夾層條與所述非織造 條同時以多個重疊層螺旋形地巻繞，以便所述夾層條的各層夾在所述非 織造條的兩個相鄰的重疊層之間。
15. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條的寬度相比所 述非織造條的寬度在尺寸上從可測量地小于至基本相近。
16. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條沿所述過濾元 件的整個長度且在所述非織造條所形成的帶內(nèi)布置作為一個層。
17. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條所限定的流體 流動通路設(shè)計為引導(dǎo)流體沿所述過濾元件基本軸向地流動。
18. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條所限定的流體 流動通路設(shè)計為提供流體沿其流過所述過濾元件的長而曲折的路徑。
19. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，其中所述夾層條所限定的流體 流動通路設(shè)計為使得尺寸與所述過濾元件中的孔尺寸相對更小的顆粒 可以通過流體流中顆粒的慣性撞擊或布朗運動而被移除。
20. 如權(quán)利要求l所述的過濾元件，所述過濾元件還包括第二非織 造條，其具有選定孔隙率并以多個重疊層螺旋形巻繞在其自身上，以在非織造條所形成的帶周圍形成選定徑向厚度的第二帶。
21. 如權(quán)利要求20所述的過濾元件，所述過濾元件還包括第二夾層 條，其具有與所述非織造條不同的孔隙率并布置在所述第二非織造條所形成的第二帶內(nèi)。
22. —種制造過濾元件的方法，所述方法包括提供具有選定孔隙率、內(nèi)表面和外表面的非織造條； 將具有與所述非織造條不同孔隙率的夾層條平行并抵靠著所述非 織造條的一個表面設(shè)置；以多個重疊層同時螺旋形巻繞所述非織造條和所述夾層條，以便形成其中布置所述夾層條的多個層的具有選定徑向厚度的帶。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述提供步驟包括由與所述夾 層條所用不同的材料制備所述非織造條。
24. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述設(shè)置步驟包括將所述夾層 條抵靠著所述非織造條的內(nèi)表面設(shè)置。
25. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述設(shè)置步驟包括將所述夾層 條抵靠著所述非織造條的外表面設(shè)置。
26. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述設(shè)置步驟包括設(shè)計所述夾 層條使其滲透性相對低于所述非織造條。
27. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述設(shè)置步驟中，可由其 制備所述夾層條的材料包括金屬、無機組分、有機纖維素、有機聚合物 中的一種或其組合。
28. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述設(shè)置步驟中，可由其 制備所述夾層條的材料包括不銹鋼、玻璃纖維、熔噴纖維、陶瓷、紙、 聚丙烯、聚酯、尼龍、其他聚合物材料、由中孔載體上的自組裝單層 (SAMMS)制得的多孔顆粒中的一種或其組合。
29. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述設(shè)置步驟包括設(shè)計所述夾 層條以提供特定的流動能力、微米額定值、顆粒容納能力和物理化學(xué)性 質(zhì)。
30. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述螺旋形巻繞步驟包括布置 所述夾層條使得所述夾層條的各層夾在所述非織造條的兩個相鄰重疊 層之間。
31. 如權(quán)利要求22所述的方法，所述方法還包括由所述夾層條的多 個層限定沿所述過濾元件的基本軸向的流體流動通路。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，在所述限定步驟中，所述流 體流動通路通過流體流中顆粒的慣性撞擊或布朗運動賦予能夠移除尺 寸小于所述過濾元件中的孔尺寸的顆粒的能力。
33. 如權(quán)利要求22所述的方法，所述方法還包括在所述第一帶的外 表面周圍以多個重疊層在其自身上螺旋形巻繞具有選定孔隙率的第二 非織造條，以在所述第一帶的外表面周圍形成選定徑向厚度的第二帶。
34. 如權(quán)利要求22所述的方法，所述方法還包括與所述第二非織造 條同時螺旋形巻繞具有與所述非織造條不同的孔隙率的第二夾層條，使 得所述第二夾層條以多個層布置在所述第二帶內(nèi)。
35. —種過濾方法，所述方法包括提供過濾元件，所述過濾元件包括以多個重疊層巻繞在其自身上以 形成選定徑向厚度的帶的多孔非織造條，具有與所述非織造條不同的孔 隙率并布置在所述帶內(nèi)的夾層條和所述夾層條所限定的流體流動通路；讓流體流在所述過濾元件內(nèi)基本徑向地向所述夾層條遷移；賦予所述流體流通過過濾元件的限定流動型式，以從所述流體流中 移除某些污染物；和讓經(jīng)處理的流體離開所述過濾元件。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述讓流體流遷移的步驟包括 在所述非織造條內(nèi)截留尺寸比在所述夾層條內(nèi)截留的那些大的顆粒。
37. 如權(quán)利要求35所述的方法，所述方法還包括隨著更多顆粒被截 留在其中而所述夾層條的滲透性隨時間降低，以〗更基本所有的流體流最 終均被迫沿所述夾層條的重疊層軸向流動。
38. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述賦予步驟包括引導(dǎo)一定量 的流體沿所述夾層條的重疊層基本軸向地流動。
39. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述引導(dǎo)步驟包括通過流體流 中顆粒的慣性撞擊或布朗運動賦予移除尺寸小于所述過濾元件中的孔 尺寸的顆粒的能力。
全文摘要
提供了一種無芯的螺旋形卷繞非織造過濾元件。所述過濾元件包括至少一個具有選定孔隙率的基體介質(zhì)的帶和具有不同孔隙率的在至少一個基體介質(zhì)的帶內(nèi)的夾層。所述過濾元件中所述夾層的存在可在過濾元件的毗連結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生額外的過濾表面區(qū)域。該夾層還可產(chǎn)生改變流動方向及增加特定尺寸污染物的沉積的能力。
文檔編號B23K31/00GK101547767SQ200780044436
公開日2009年9月30日 申請日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者丹·克勞, 約翰·A·克羅格 申請人:派瑞設(shè)備公司