КОНСТРУКЦИЯ ФИЛЬТРА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ФИЛЬТРАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК B01D27/00 B01D39/16 B01D46/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к фильтрам, конструкциям фильтров, материалам, используемым в конструкциях фильтров, и к способам фильтрации. В частности, изобретение относится к фильтрации частиц, удаляемых из потоков текучей среды, например из потока воздуха. Описанные здесь способы, в частности, относятся к успешному применению одного или нескольких слоев тонких волокон в качестве фильтрующей среды.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Потоки текучей среды, такие как воздух и газовые потоки, часто содержат твердые частицы. Во многих случаях желательно удалить часть или все твердые частицы из потока текучей среды. Например, из потока воздуха, подаваемого в кабины транспортных средств, в двигатели транспортных средств или к оборудованию силовых установок: газовые потоки, подаваемые в газовые турбины, и воздушные потоки к различным камерам сгорания, которые часто содержат твердые частицы. При использовании воздушных фильтров в системах подачи воздуха в каюты морских судов или в салоны транспортных средств желательно удалять частицы пыли для комфорта пассажиров и/или в эстетических целях. Что касается воздушных и газовых потоков, подаваемых в двигатели, газовые турбины и камеры сгорания, то желательно удалить из них твердые частицы, потому что они могут причинять существенный вред различным внутренним устройствам этих установок. В других случаях производственные газы или отходящие газы промышленных процессов или двигателей могут также содержать твердые частицы. Прежде чем пропустить такие газы в последующие технологические узлы или в атмосферу, желательно обеспечить максимальное удаление твердых частиц из этих потоков.

Были разработаны различные фильтры для удаления твердых частиц из потоков текучих сред. По причинам, которые будут очевидны из последующего описания, достижение указанной цели потребовало определенного усовершенствования таких устройств.

Общее понимание некоторых из основных принципов и проблем, связанных с проектированием воздушных фильтров, может быть достигнуто при рассмотрении следующих типов фильтрующей среды: поверхностно загружаемая среда и глубинная среда. Каждый из этих типов среды хорошо изучен, и каждая такая среда широко используется. Некоторые принципы, относящиеся к этим средам, описаны, например, в патентах США 5082476; 5238474 и 5364456. Полное раскрытие этих трех патентов включено здесь в качестве ссылки.

Вообще для любого конкретного применения конструкция фильтра является компромиссным сочетанием целей достижения высокой эффективности фильтра и длительного срока службы. Срок службы фильтра, как правило, зависит от перепада давления через фильтр. Иными словами, для любого данного применения фильтр будет, как правило, конструироваться с таким расчетом, чтобы обеспечить разумный срок службы, когда повышение давления через фильтр достигло некоторого определенного максимального уровня для данного типа фильтра. Так как это повышение давления является результатом нагрузки, при равной эффективности более длительный срок службы, как правило, непосредственно связан с более высокой пропускной способностью.

Эффективность фильтра - это его способность улавливать твердые частицы, а не пропускать их. Ясно, что, как правило, чем эффективнее фильтрующая среда удаляет частицы из потока отходящего газа, тем скорее эта фильтрующая среда приблизится к перепаду давления, укорачивающего срок службы фильтра (предполагая, что другие переменные поддерживаются постоянными).

Широко используемые бумажные фильтрующие элементы являются примером поверхностно загружаемой среды. Бумажные элементы содержат плотную подложку из волокон целлюлозы, ориентируемых поперек газового потока, несущего твердые частицы. Бумага в основном структурируется так, чтобы быть проницаемой для потока газа, иметь небольшие поры и соответствующую общую пористость, чтобы преградить проход через нее частиц больше установленного размера. По мере прохождения газов или жидкостей через фильтровальную бумагу фронтальная сторона фильтровальной бумаги работает по методу диффузии и перехвата, чтобы захватывать и удерживать твердые частицы установленного размера из потока газа или жидкости. Твердые частицы собираются как спекшаяся пыль на "выходной" стороне фильтровальной бумаги. Со временем спекшаяся пыль также начинает работать как фильтр, увеличивая эффективность фильтра. Иногда это называется "приработкой бумаги" или повышением эффективности по отношению к начальной величине. Фильтр простой конструкции описанного выше типа имеет по меньшей мере два недостатка. Во-первых, это возможный разрыв бумаги, который приводит к отказу всей системы. Во-вторых, когда твердые частицы быстро накапливаются на выходной стороне фильтра как тонкая спекшаяся пыль, она образует слой, который, в конечном счете, забивает часть фильтра и закрывает проход жидкости через него. Таким образом, в то время как такие фильтры имеют относительно высокую производительность, они, как правило, имеют непродолжительный срок службы, особенно если они используются в устройстве, через которое проходит большой объем текучей среды, содержащей значительное количество твердых частиц "заданного размера" или превышающих его; "заданный размер" в этом контексте означает размер, при достижении или превышении которого частица эффективно задерживается фильтром.

Используются различные способы увеличения "срока службы" поверхностно загружаемых фильтрующих систем, в частности бумажных фильтров. Один способ состоит в том, что фильтрующая поверхность делается складчатой с тем, чтобы увеличить площадь поверхности фильтра, с которой сталкивается поток отходящего газа, в противовес относительно плоской нескладчатой конструкции. Хотя это увеличивает срок службы фильтра, он все еще существенно ограничен. По этой причине поверхностно загружаемая среда, прежде всего, нашла применение там, где имеют место относительно низкие скорости потока через фильтрующую среду, в основном, не более чем приблизительно 6-9 метров в минуту и, как правило, порядка около 3,048 метров в минуту или менее. Термин "скорость" в этом контексте - средняя скорость потока через фильтрующую среду (иными словами, объем потока + площадь среды).

Вообще, поскольку скорость потока воздуха, проходящего через складчатую бумажную среду, увеличивается, срок службы фильтра снижается на коэффициент, пропорциональный квадрату скорости. Таким образом, когда используется складчатая бумага с загружаемой поверхностью как фильтр твердых частиц в системе, которая требует значительных потоков воздуха, необходима относительно большая площадь поверхности фильтрующей среды. Например, типичный цилиндрический складчатый бумажный фильтрующий элемент дизельного грузовика для обычных шоссейных дорог будет приблизительно 23-38 см в диаметре и длиной приблизительно 30-60 см, со складками приблизительно 2,5-5 см глубиной. Таким образом, площадь фильтрующей поверхности среды (с одной стороны), как правило, составляет от 3,4 до 25,5 квадратных метров.

Во многих областях применения, особенно при относительно высоких расходах потока, используется альтернативный тип фильтрующей среды, иногда называемый "глубинной средой". Типичная глубинная среда содержит относительно толстый слой волокнистого материала. Глубинная среда, в основном, характеризуется пористостью и плотностью или процентами содержания в ней твердого материала. Например, среда с содержанием твердого материала 2-3% представляет собой толстую подложку, в которой волокна распределены так, что составляют приблизительно 2-3% от полного объема волокнистых материалов (твердого вещества), а остальное составляет объем воздуха или газа.

Другим полезным параметром для определения глубинной среды является диаметр волокна. Если процент твердого вещества поддерживается постоянным, но диаметр волокна уменьшен, размер пор также уменьшается; иными словами, производительность фильтра повышается, и он будет более эффективно улавливать небольшие твердые частицы.

Типичный обычный "глубинный" фильтр имеет относительно толстую фильтрующую среду постоянной (или равномерной) плотности, т.е. является системой, в которой твердая глубинная среда, в основном, однородна по всей ее толщине. Термин "в основном, однородна" в этом контексте означает, что по всей глубине среды имеют место только относительно незначительные колебания плотности, если таковые вообще имеются. Такие колебания, например, могут быть вызваны небольшим сжатием внешней поверхности кожухом, в который помещена фильтрующая среда.

Были также разработаны конструкции с переменной плотностью глубинной среды. Некоторые из них описаны, например, в патентах США 4082476; 5238474 и 5364456. Вообще говоря, структура глубинной среды может быть разработана так, чтобы обеспечить "загрузку" твердых частиц, в основном, по всему объему или глубине этой структуры. Таким образом, могут быть предусмотрены меры, обеспечивающие загрузку глубинного фильтрующего слоя большим количеством твердых частиц, по сравнению с поверхностной загрузкой системы, в течение всего срока службы фильтра. Однако, вообще, в таком устройстве приходится поступиться производительностью фильтра, поскольку для существенной загрузки требуется среда с относительно небольшим количеством твердых частиц. Были разработаны системы градиентной плотности, раскрытые в упомянутых выше патентах, которые обеспечивают значительную эффективность и более длительный срок службы. В некоторых случаях в таких устройствах фильтры с поверхностной загрузкой используется как "очистные" фильтры.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним объектом настоящего изобретения является конструкция фильтрующей среды. Конструкция фильтрующей среды используется в предпочтительных вариантах фильтра. В ряде случаев такая конструкция используется как однослойная или многослойная среда. В некоторых устройствах слои фильтрующей среды по настоящему изобретению могут быть уложены друг на друга, что создает конструкцию, имеющую определенные преимущества. В настоящем описании различные слои или объемы среды будут иногда называться как "области" среды.

Предпочтительная конструкция фильтрующей среды по настоящему изобретению включает первый слой проницаемой грубой волокнистой среды, создающей первую поверхность. Первый слой тонковолокнистой среды отделен от поверхности первого слоя проницаемой грубой волокнистой среды. Предпочтительно первый слой проницаемого грубого волокнистого материала содержит волокна, как правило, имеющие средний диаметр по меньшей мере 10 микрон и предпочтительно приблизительно от 12 (или 14) до 30 микрон. Также предпочтительно, чтобы основной вес первого слоя проницаемого грубого волокнистого материала был бы не больше, чем около 50 г/м², предпочтительно от 0,50 до 25 г/м² и наиболее предпочтительно по меньшей мере 8 г/м². Как правило, предпочтительно, чтобы первый слой проницаемой грубой волокнистой среды имел толщину по меньшей мере 12 микрон и предпочтительно приблизительно от 25 до 254 микрона.

В предпочтительных вариантах изобретения первый слой проницаемого грубого волокнистого материала содержит материал, который, если бы он был оценен отдельно от остальной структуры тестом Фрейзера на проницаемость, показал бы проницаемость по меньшей мере 150 м/мин и предпочтительно приблизительно 200-450 м/мин. Также предпочтительно, чтобы этот материал, если его оценивать отдельно, имел бы эффективность не более 10% и предпочтительно не более чем 5%. Как правило, это будет материал, имеющий эффективность приблизительно от 1 до 4%. В данном описании ссылка на эффективность, если не определено иначе, имеет в виду эффективность, измеряемую по стандарту ASTM No. 1215-89 при работе с монодисперсными полистироловыми сферическими частицами диаметром 0,78 микрона при скорости потока 6,1 м/мин. В настоящем описании эта эффективность иногда называется как "эффективность LEFS" (стандарт США).

Если слой материала, используемого в устройствах по настоящему изобретению, характеризуется по его свойствам словами он "имеет", это указывает на его собственные свойства или, если когда испытан "отдельно от остальной конструкции", предполагается, что слой материала характеризуется по данным источника, из которого эти данные получены. Иными словами, если ссылка делается на "грубый" слой материала в композите, описание относится к материалу и его свойствам, которые были ему присущи до его включения в конструкцию фильтра. Ссылка в этом контексте не обязательно делается по отношению к конкретным числовым характеристикам или к рабочим свойствам материала в структуре композита.

Предпочтительно, если слой тонких волокон, прикрепленный к первой поверхности слоя проницаемой грубой волокнистой среды, является слоем тонковолокнистой среды, в котором средний диаметр волокна, в основном, не более 10 микрон и предпочтительно не более чем приблизительно 8 микрон; как правило, предпочтительно диаметр волокна менее 5 микрон и в пределах диапазона приблизительно от 0,1 до 3,0 микрон. Также предпочтительно, чтобы первый слой тонковолокнистого материала, прикрепленного к первой поверхности первого слоя проницаемого грубого волокнистого материала, имел бы полную толщину, которая не превышала бы приблизительно 30 микрон, предпочтительно не более 20 микрон и наиболее предпочтительно не более чем около 10 микрон, как правило, в пределах толщины приблизительно в 1-8 раза (предпочтительно не больше, чем в 5 раз) больше среднего диаметра тонкого волокна слоя.

Предпочтительно в случаях применения для воздушных фильтров, таких как фильтры для автомобилей, газовых турбин, системы очистки воздуха пассажирских салонов и в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), предпочтительные основные веса для тонковолокнистых слоев следующие: для слоя материала из стекловолокна среднего диаметра 5,1 микрон - около 35,8 г/м²; для слоя материала из стекловолокна среднего диаметра 0,4 микрона - около 0,76 г/м²; для слоя материала из стекловолокна среднего диаметра 0,15 микрона - около 0,14 г/м²; для полимерных тонковолокнистых материалов со средним диаметром волокна 5,1 микрон - около 17,9 г/м²; для полимерных тонковолокнистых материалов со средним диаметром волокна 0,4 микрона - около 0,3 г/м² и для полимерных тонковолокнистых материалов со средним диаметром волокна 0,15 микрон - около 0,07 г/м². Вообще предпочтительно, чтобы самый последний по ходу потока тонковолокнистый слой имел бы основной вес не более чем приблизительно 1 г/м² для таких областей применения.

Когда материал используется в областях высокой производительности, таких как внутренние воздухозаборники и для очистки жидкостей (таких как смазочные масла, гидравлические жидкости, системы фильтрации топлива или сборники масляного тумана), предпочтительны верхние пределы основных весов для тонковолокнистых слоев, а именно: для стекловолокна среднего диаметра 2 микрона - около 15,9 г/м²; для стекловолокна среднего диаметра 0,4 микрона - около 1,55 г/м²; для стекловолокна среднего диаметра 0,15 микрона - около 0,14 г/м²; для полимерных тонковолокнистых материалов со средним диаметром волокна 2 микрона - около 8,0 г/м²; для полимерных тонковолокнистых материалов со средним диаметром волокна 0,4 микрона - около 0,78 г/м² и для полимерных тонковолокнистых материалов со средним диаметром волокна 0,15 микрон - около 0,19 г/м². Вообще предпочтительно, чтобы для таких областей применения последний по ходу потока тонковолокнистый слой имел бы основной вес не более чем приблизительно 1 г/м².

Верхние пределы для фильтрации воздуха в таких областях, как системы забора воздуха и т. д. , были основаны на толщине тонковолокнистого слоя приблизительно 5 диаметров волокон и эффективности LEFS 50%.

Для достижения высокой производительности предложение было основано на пяти толщинах тонковолокнистых слоев и эффективность LEFS для этого слоя равна приблизительно 90%.

Вообще предпочтительный основной вес в любой конкретной ситуации зависит от таких переменных, как область применения (например, улавливание грубых или тонких твердых частиц или обоих типов частиц, требуется ли высокая производительность или более низкая эффективность); желательный срок службы; выбранный волокнистый материал и используемый размер волокон. Вообще, когда требуется высокая производительность однослойной структуры (желательна, например, эффективность порядка 90%), целесообразно использовать стекловолокно и система будет иметь более высокие основные веса (например, приблизительно 20 г/м²) при более высоких диаметрах волокна (например, 2-3 микрона).

С другой стороны, когда требуются относительно низкая эффективность одного слоя, но относительно высокий срок службы до полной забивки фильтра (в зависимости от числа слоев), будут использованы относительно низкие величины эффективности для любого данного слоя (например, порядка 10% LEFS). Это будет связано с относительно низкими основными весами и весьма малым диаметром волокна. Для этой цели годятся полимерные волокна (хотя в этом случае может использоваться и стекловолокно) и, соответственно, основные веса порядка 0,005 г/м², с размером волокна приблизительно 0,2 микрона. При этом для стекловолокна предполагаемая плотность равна 2,6 г/см³, а для полимерных волокон предполагаемая плотность равна 1,3 г/см³. Вообще, если проектировщику желательно обеспечить продолжительный срок службы, следует использовать, в основном, большее количество слоев, причем каждый слой с относительно низкой эффективностью. Если нужен фильтр очень высокой производительности и продолжительный срок службы не обязателен, будет использоваться меньшее количество слоев с высокой эффективностью LEFS каждого слоя.

При этом термин "первый" или "второй" в отношении конструкции, например по отношению к поверхности фильтрующей среды, не означает какого-либо конкретного местоположения слоя в среде. Например, термин "первая поверхность" не является показателем того, является ли эта поверхность верхней или нижней по потоку относительно других поверхностей или размещена выше или ниже других поверхностей. Скорее, этот термин используется, чтобы внести ясность при ссылке и как база антецедента. Термин "1-8 средних диаметров тонкого волокна" означает, что глубина или толщина приблизительно в 1-8 раз больше средних диаметров тонких волокон в упомянутом тонковолокнистом слое.

В типичных предпочтительных системах тонкие волокна первого слоя тонковолокнистой среды содержат волокна диаметром не более чем 1/6, предпочтительно не более чем 1/10 и в некоторых случаях предпочтительно не более чем 1/20 диаметра волокна первого слоя проницаемой грубой волокнистой среды.

В некоторых областях применения предпочтительно, чтобы первый слой (самый первый по потоку при работе) тонковолокнистого материала был бы скомпонован так, чтобы обеспечить итоговый композит (т.е. комбинацию первого слоя проницаемой грубой среды и первого слоя тонковолокнистой среды) с общей эффективностью LEFS по меньшей мере 8%, предпочтительно по меньшей мере 10%; как правило, в пределах от 20 до 60% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 30% и не более чем 70%. Такие композиты могут быть сложены вместе, чтобы создать фильтры с очень высокой эффективностью, например больше 97% и, если желательно, до 99% или более. Они могут также использоваться в фильтрах с меньшей эффективностью, но очень большим сроком службы, в частности с эффективностью от 10 до 50-97%. Также предпочтительно, чтобы первый слой тонковолокнистой среды (первый вверх по потоку) был бы выполнен как готовый композит (т.е. в виде комбинации первого слоя проницаемой волокнистой среды с первым слоем тонковолокнистой среды на нем) и имел бы общую проницаемость по меньшей мере 20 м/мин, и, как правило, и предпочтительно приблизительно от 30 до 350 м/мин. При этом термин "первый вверх по потоку" или "наиболее удаленный" по отношению к тонковолокнистому слою означает, что слой тонковолокнистого материала (средний диаметр волокна менее 8 микрон) расположен так, что в фильтре он является последним вверх по потоку относительно других тонковолокнистых слоев. Фильтр может иметь большее количество верхних слоев фильтрующей среды (не из тонкого волокна), чем первый вверх по потоку тонковолокнистый слой.

Первый слой проницаемого грубого волокнистого материала может быть выполнен из волокон, выбранных из разнообразных материалов, включая, например, полимерные волокна, такие как полипропилен, полиэтилен, полиэфир, полиамид или волокна винилхлорида и стекловолокна. Согласно некоторым аспектам настоящего изобретения, разработана конструкция фильтра, который имеет более одного слоя, предпочтительно по меньшей мере 3 слоя, тонковолокнистого материала. Как правило, это устройство будет включать три или несколько таких слоев. Это не означает, что тонковолокнистые слои в такой многослойной системе должны быть идентичны друг другу. Однако предпочтительно, чтобы каждый тонковолокнистый слой был бы в пределах приведенных выше общих параметров в описании первого слоя тонковолокнистой среды в конструкции описанного выше фильтра. Предпочтительно, чтобы в таких устройствах каждый слой тонковолокнистого материала был бы отделен от следующего смежного слоя тонковолокнистого материала слоем проницаемого грубого волокнистого материала, который действует как прокладка или матрица.

Слои проницаемого грубого волокнистого материала не должны быть идентичными, но предпочтительно, чтобы каждый слой был бы в пределах приведенного выше общего описания конструкции фильтра в отношении первого слоя проницаемой грубой волокнистой среды. В некоторых предпочтительных вариантах общая конструкция составной среды также имеет упомянутый выше слой проницаемой грубой волокнистой среды на входе и выходе фильтра.

Если желательно, конструкция фильтра может иметь складчатое строение составного материала. Например, такое устройство может иметь складки от 0,6 до 30,5 см глубиной с плотностью складок по меньшей мере 1-15 складок/2,5 см. Когда в описании говорится, что плотность складок составляет по меньшей мере 1-15 складок/2,5 см и устройство имеет цилиндрическую форму со складками, простирающимися по длине, это означает, что складки расположены вокруг внутреннего диаметра или поверхности.

Некоторые предпочтительные устройства по настоящему изобретению включают среду как часть общей конструкции фильтра. Некоторые предпочтительные устройства такого типа содержат фильтрующую среду цилиндрической конфигурации со складками, расширяющимися, в основном, по длине, т.е. в направлении продольной оси цилиндрического корпуса. Для таких устройств фильтрующая среда может быть вставлена в концевые колпаки, как в обычных фильтрах. Такие устройства при необходимости могут включать обычные штуцеры, установленные на входе и выходе фильтра. Такие конструкции могут быть соединены с внутренним или внешним каркасом для глубинной среды, например, как описано в патентной заявке США No. 08/426220, упомянутой здесь в качестве ссылки.

Предполагается, что в некоторых применениях фильтрующая среда по настоящему изобретению может быть использована вместе с другими такими средами, например с обычными фильтрующими материалами, для повышения общей фильтрующей способности или срока службы. Например, фильтрующая среда по настоящему изобретению может быть слоистой или наложена на обычную среду и использоваться в пакете, или встроена в структуру, имеющую одну или большее количество областей обычной среды. Она может быть размещена за такой обычной средой для лучшей загрузки и/или она может быть использована перед обычной средой в качестве высокопроизводительного очистного фильтра. Из приведенного ниже более подробного описания будут очевидны многие другие возможные модификации устройства.

Некоторые устройства по настоящему изобретению могут также использоваться в системах фильтрации жидкостей, т.е. для удаления твердых частиц, которые находятся в жидкости. Также некоторые устройства по настоящему изобретению могут использоваться в сборниках тумана, например в устройствах для удаления тонких туманов из воздуха.

По настоящему изобретению предлагаются также способы фильтрации. Способы, в основном, включают использование описываемой здесь фильтрующей среды. Как будет ясно из приведенных ниже описаний и примеров, фильтрующая среда по настоящему изобретению может быть сконфигурирована так, что она обеспечит относительно продолжительный срок службы в системах относительно высокой производительности.

Как следует из вышеупомянутых объяснений и приведенного ниже подробного описания, способ предусматривает создание некоторых предпочтительных устройств, особенно воздушных фильтров. По форме они характеризуются как конструкции фильтрующей среды. Предпочтительные конструкции фильтрующей среды содержат множество слоев тонкого волокна; по меньшей мере два слоя, причем каждый слой тонковолокнистой среды содержит волокна, имеющие диаметры не более 8 микрон. Множество слоев тонковолокнистой среды включает наиболее удаленный слой. Снова под "наиболее удаленным" слоем в этом контексте подразумевается тонковолокнистый слой в среде, используемой в качестве фильтрующей среды и расположенной выше по потоку, чем любой другой слой тонковолокнистого материала. Это не означает, что первый "наиболее удаленный" слой тонковолокнистого материала является самым удаленным слоем среды в конструкции. Скорее, это "наружный" или концевой слой среди множества других тонковолокнистых слоев. Когда эта конструкция фильтрующей среды находится в работе, этот тонковолокнистый слой будет расположен в данной конструкции вверх по потоку. Предпочтительно, чтобы этот наиболее удаленный слой волокнистого материала содержал бы волокна, имеющие средний диаметр не более приблизительно 5 микрон, и толщину, приблизительно в 5 раз превышающую средний диаметр тонких волокон в этом наиболее удаленном слое. Таким образом, он имел бы толщину максимум 25 микрон, и в типичных областях применения, где используются волокна диаметром менее 5 микрон, имел бы толщину, в основном, менее 25 микрон.

Предпочтительно, чтобы этот наиболее удаленный тонковолокнистый слой являлся бы относительно проницаемым, имея собственную проницаемость для воздуха по меньшей мере 90 метров в минуту. Конечно, если проницаемость этого тонковолокнистого слоя измерена вместе с грубой подложкой, служащей как опора, и вся комбинация имеет проницаемость по меньшей мере 90 метров в минуту, это будет проницаемость собственно тонковолокнистого слоя.

Предпочтительно, чтобы эта конструкции имела бы слой проницаемой грубой волокнистой среды, размещенной между каждой парой слоев тонковолокнистой среды. Предпочтительно, чтобы каждый слой проницаемой грубой волокнистой среды содержал бы волокна диаметром по меньшей мере 10 микрон, и предпочтительно, чтобы каждый слой имел бы эффективность, оцениваемую отдельно от конструкции не более чем приблизительно 20% и более предпочтительно не более чем 10% для частиц размером 0,78 микрона.

Предпочтительно, чтобы эта конструкция среды включала бы по меньшей мере три слоя тонковолокнистого материала, причем по меньшей мере два слоя перед "наиболее удаленным" слоем не обязательно должны иметь средний диаметр меньше 5 микрон, а скорее было бы предпочтительно, если они имели диаметр меньше 8 микрон; и их проницаемость может быть меньше проницаемости наиболее удаленного слоя тонковолокнистого материала. Предпочтительно, чтобы каждый слой имел бы собственную проницаемость, равную по меньшей мере 45 метрам в минуту.

Кроме того, конструкция предпочтительной фильтрующей среды по настоящему изобретению может иметь первый слой проницаемой грубой волокнистой среды, содержащей грубые волокна, имеющие средний диаметр по меньшей мере 10 микрон, эффективность не более чем приблизительно 5% для частиц размером 0,78 микрона, на первой поверхности которой размещен первый слой тонковолокнистой среды. Предпочтительно, чтобы первый слой тонковолокнистого материала содержал бы волокна, имеющие средний диаметр, не превышающий приблизительно 5 микрон, и толщину, приблизительно не более чем в 5 раз превышающую средний диаметр тонких волокон в этом первом слое. Предпочтительно, чтобы этот материал имел бы собственную проницаемость порядка по меньшей мере 90 метров в минуту. Эта конструкция среды может, конечно, использоваться вместе с другими слоями тонкого волокна и грубоволокнистого материала и может даже использоваться в конструкции с другими типами фильтрующей среды, например вместе с бумагой или стекловолокном или другими материалами глубинной среды. Конструкция среды по этому варианту изобретения может также включать множество дополнительных слоев тонковолокнистого материала, каждый из которых отделен от смежного слоя слоем грубоволокнистой среды.

В некоторых случаях волокна могут быть подвергнуты дополнительной обработке, чтобы улучшить такие характеристики, как производительность и срок службы фильтра.

Можно создать полную конструкцию фильтра, используя среду по настоящему изобретению, как она описана на примере двух предпочтительных вариантов изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - поперечный разрез теоретического мономолекулярного слоя тонковолокнистой фильтрующей среды.

Фиг. 2 - поперечный разрез теоретического мономолекулярного слоя грубоволокнистой фильтрующей среды.

Фиг. 3 - поперечный разрез теоретического мономолекулярного слоя тонковолокнистой фильтрующей среды; при этом на фиг.3 показана фильтрующая среда, отличная от среды, показанной на фиг.1.

Фиг. 4 - поперечный разрез теоретического мономолекулярного слоя грубоволокнистой среды, имеющей тот же самый процент твердого вещества, что и устройство, показанное на фиг.3.

Фиг. 5 - вид в плане с частичным разрезом поверхности конструкции среды по настоящему изобретению.

Фиг.6 - поперечный разрез среды, показанной на фиг.5.

Фиг. 7 - перспективный вид с частичным разрезом конструкции многослойной среды по настоящему изобретению.

Фиг. 8А - вид сверху с частичным разрезом на складчатую структуру среды, включая конструкцию среды по настоящему изобретению.

Фиг.8В - увеличенный вид в разрезе части устройства, показанного на фиг. 8А.

Фиг. 9 - схема среды по настоящему изобретению, укрепленной на механической опорной конструкции.

Фиг. 10 - вид сбоку на систему фильтра, содержащего конструкцию фильтрующей среды по настоящему изобретению.

Фиг.11 - увеличенный вид, частично в разрезе, по линии 11-11 фиг.10,
Фиг. 12 - микроснимок обычной волокнистой полимерной среды воздушного прессования, полученный на сканирующем электронном микроскопе.

Фиг.13 - микроснимок стекловолокна воздушного прессования, полученный на сканирующем электронном микроскопе.

Фиг. 14 - микроснимок двухфазной среды, полученный на сканирующем электронном микроскопе.

Фиг.15 - тот же микроснимок двухфазной среды мокрого прессования, показанный на фиг.14; при этом на фиг.15 показана противоположная стороны среды, показанной на фиг.14.

Фиг. 16 - микроснимок среды согласно первому варианту настоящего изобретения.

Фиг. 17 - микроснимок среды согласно второму варианту настоящего изобретения.

Фиг. 18 - микроснимок среды согласно третьему варианту настоящего изобретения.

Фиг.19 - микроснимок среды согласно четвертому варианту настоящего изобретения.

Фиг. 20 - микроснимок среды согласно пятому варианту настоящего изобретения.

Фиг. 21 - микроснимок среды, показанной на фиг.19, после загрузки NaCl согласно настоящему описанию.

Фиг.22 - график данных из эксперимента 5.

Фиг.23 - график некоторых данных из эксперимента 6,
Фиг.23A - еще один график данных из эксперимента 6.

Фиг. 24 - микроснимок среды по настоящему изобретению, показанной после загрузки NaCl.

Фиг.25 - схема лабораторной экспериментальной соляной установки, используемой в некоторых экспериментах.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
А. Преимущества фильтрации тонковолокнистыми материалами
В общих чертах, в устройствах с фильтрующей средой некоторое улучшение фильтрации теоретически обеспечивается использованием в качестве фильтрующей среды относительно тонких волокон вместо грубых волокон. Рассмотрим, например, фиг.1 и 2. На фиг.1 схематически показан "одиночный" слой или "монослой" тонковолокнистой среды, с фиксированньм расстоянием между волокнами, D_х, представляющим расстояние между поверхностями смежных волокон. На фиг.2 представлена схема одиночного слоя с тем же самым расстоянием D_х, но здесь диаметр волокна приблизительно в 12 раз больше, чем диаметр волокна на фиг.1. Из сравнения фиг. 1 и 2 следует, что для площади фиксированного периметра среды общая сумма воздушного пространства или пустого места между волокнами в устройстве фиг.2, в основном, меньше, чем пустое место в устройстве фиг.1. Таким образом, в устройстве фиг.2 имеется значительно меньший объем, доступный для загрузки твердых частиц, захваченных системой. Кроме того, в устройстве фиг. 2 воздушный поток более прерывистый, чем в устройстве фиг.1, так как открыт меньший процент поверхности для непрерывного воздушного потока через среду.

При сравнении фиг. 1 и 2 видно, что, если среднее расстояние между волокнами (D_х) поддерживается постоянным, но средний размер волокна уменьшен, как правило, имеется больше места, доступного для загрузки уловленных частиц, и обеспечивается более высокая проницаемость для воздушного потока.

Теперь рассмотрим устройства, представленные на фиг.3 и 4. Фиг.3 и 4 схематично представляют одиночный слой волокон в двух системах глубинной среды, в которых используются волокна различных размеров, но процент твердого вещества или плотность поддерживается постоянной. Из обзора этих фигур должно стать очевидным, что устройство с большими волокнами, т.е. устройство на фиг.4, имеет потенциально такие же большие открытые области и что эффективность фильтра является относительно низкой (при очень высокой проницаемости) по сравнению с устройством с волокнами меньшего диаметра, но с тем же самым процентом твердого вещества, т.е. что и устройство на фиг.3.

Эффектов использования волокон меньшего диаметра были изучены теоретически и количественно представляются числом Стокса и параметром захвата частиц. Безразмерное число Стокса представлено следующей формулой:
ЧИСЛО СТОКСА = d_p ²r_рv/9d_fm,
где d_f - размер волокна (диаметр), d - размер твердой частицы (диаметр), r - плотность твердой частицы; v - скорость сближения и m - вязкость жидкости.

Из этой формулы ясно (по крайней мере, теоретически), что при уменьшении d_f (размера волокна) число Стокса увеличивается (предполагая, что другие переменные остаются без изменения). Вообще, число Стокса является отражением инерционного уплотнения. Это можно легко понять из вероятности того, что когда воздушный поток огибает волокно, частица, увлекаемая этим воздушным потоком по направлению к волокну, выйдет из этого потока (не будет огибать волокно вместе с воздушным потоком) и столкнется с волокном. Переменные, отраженные в приведенной выше формуле для числа Стокса, логически отражают тот факт, что, как правило, увеличение импульса твердой частицы (из-за увеличения плотности и/или скорости) связано с большей вероятностью того, что частица не будет обходить волокно вместе с потоком воздуха, а скорее всего выйдет из этого потока и столкнется с волокном. Формула также указывает, что эта вероятность тем больше, чем меньше диаметр волокна, частично благодаря тому факту, что, когда диаметр волокна небольшой, волокно прерывает воздушный поток в меньшей степени. Это воздействует на поле потока, огибающего воздушного потока, приближает его к поверхности волокна и увеличивает вероятность того, что частица с малым импульсом, тем не менее, выйдет из потока и столкнется с волокном. Другое соображение, объясняющее, почему некоторые тонковолокнистые системы теоретически, в основном, более эффективны как фильтры, чем системы с грубым волокном, относится к параметру захвата. Параметр захвата (R) может быть выражен следующей формулой:
R=d_p/d_f
где d_p и d_f определены выше.

В целом, параметр захвата не зависит от скорости и импульса частицы и относится к ее размеру и размеру волокна. В принципе, он относится к вероятности того, что частица, которая имеет тенденцию двигаться вместе с воздушным потоком по мере того, как воздушный поток огибает поверхность волокна, тем не менее, столкнется с волокном и будет захвачена. Это непосредственно не относится к вероятности того, что импульс твердой частицы выведет ее из воздушного потока и столкнет ее с волокном, а скорее к вероятности того, что частица, увлекаемая воздушным потоком, тем не менее, столкнется с волокном. Вообще, поскольку небольшие волокна прерывают поток воздуха в меньшей степени и искривление воздушного потока (от линейного) происходит ближе к поверхности волокна, менее толстые волокна ассоциируются с более высокой эффективностью и более высокой степенью уплотнения, чем более толстые волокна.

В целом, преимущества, связанные с использованием тонких волокон в фильтрующей среде, ярче всего выявляются с частицами очень малого размера. Таким образом, преимущества тонких волокон могут вызвать особый интерес, когда требуется отфильтровать очень небольшие частицы, особенно частицы диаметром 10 микрон и менее.

В. Некоторые проблемы и ограничения, связанные с использованием относительно тонких волокон в Фильтрующей среде
В предыдущем разделе были рассмотрены теоретические преимущества, обеспечиваемые при выборе волокон малого диаметра для фильтрующей среды по сравнению с более грубыми волокнами. Однако при простой замене грубых волокон диаметром около 10 или 12 микрон по глубине фильтрующей среды очень тонкими волокнами приблизительно от 8 микрон и ниже, как правило, 5 микрон и ниже, возникают определенные трудности, особенно при использовании волокон порядка 0,2-3,0 микрона. Например, с конструкциями, созданными из волокон размером приблизительно 0,2-5 микрон, будет труднее работать (по сравнению с конструкциями более грубых волокон) и они имеют тенденцию разрушаться при работе, создавая очень низкую проницаемость. Иными словами, возникают трудности в обслуживании, в основном, открытых конструкций при большой нагрузке и интенсивном потоке через систему, если конструкция содержит только волокна диаметром 5 микрон, так как такая фильтрующая среда, как правило, обладает недостаточной механической прочностью (не имеет "корпуса"), чтобы сопротивляться смятию. При смятии среды пространство между волокнами уменьшается, и конструкция, хотя она, возможно, весьма эффективна как фильтр, быстро забивается фильтратом и становится непроницаемой. Действительно, такая система по своему поведению приближается к системе с загружаемой поверхностью, поскольку это вытекает из относительно низкой пористости и малой глубины.

Можно предусмотреть конструкцию, в которой очень тонкие волокна переплетены с грубыми волокнами. Однако конструкцию эффективных фильтрующих устройств, используя обычные способы для создания глубинной среды из волокон различного диаметра, создать нелегко, если диаметры волокон очень сильно различаются. В качестве примера рассмотрим теоретическую систему, в которой тонкие волокна составляют 1/20 диаметра грубых волокон. Если фильтрующая среда, через которую проходит фильтруемый воздух, содержит 50% по весу грубого волокна и 50% по весу тонкого волокна, система является одной их тех, в которых имеется очень большое количество тонких волокон по сравнению с грубыми волокнами (или соотношение длины тонких волокон с длиной грубых волокон). Такая среда представляет собой систему с относительно низким межволоконным пространством или пористостью. Она может быть относительно эффективной, но снова будет быстро забита твердым веществом. Вообще, если вес грубых волокон относительно тонких волокон мал, проблема обостряется. Если вес грубых волокон относительно веса тонких волокон увеличивается, преимущества, связанные с тонкими волокнами и захватом частиц с инерционным уплотнением, в значительной степени утрачиваются.

С. Некоторые области обычного использования тонких волокон в фильтрующей среде
Имеются некоторые области обычного использования тонких волокон в фильтрующей среде. В частности, компания Donaldson Company Inc., которая является правопреемником настоящего изобретения, использовала тонковолокнистую технологию в своих продуктах Ultra-Web^® ("сверхтонкая паутина"). Эти изделия в основном включали поверхностно-загружаемую среду из целлюлозы, которая имеет "паутину" или сетку из полимерных микроволокон менее 1 микрона в диаметре на выходной стороне поверхности.

Такая фильтрующая среда, как правило, находит применение в импульсных пылеуловителях. При работе без тонких волокон поверхностно-загружаемая фильтрующая среда из грубых волокон целлюлозы частично работает как внутренняя ловушка мелких частиц. В этом случае импульсная очистка менее эффективна, так как некоторые твердые частицы задерживаются внутри целлюлозной среды. Однако тонкая сетка, в основном, собирает твердые частицы за загружаемой поверхностью из волокон целлюлозы и содействует освобождению твердых частиц при подаче обратного импульса. Еще одно использование тонких волокон описано в патенте США 4011067, включенном в данное описание в качестве ссылки. В этом патенте тонкие волокна накладываются на пористую основу.

D. Общий подход для эффективного использования тонковолокнистой фильтрующей среды в конструкции фильтра
Разработан общий подход к использованию тонких волокон диаметром порядка 8 или 10 микрон или менее, предпочтительно 5 микрон и, как правило, приблизительно от 0,1 до 3,0 микрон в диаметре (в среднем) в фильтрующей среде. Как правило, очень пористая, проницаемая подложка относительно грубых волокон используется как опора, опорная матрица или прокладка для тонковолокнистой среды. После этого материал может быть сформирован нужным образом для достижения нужной производительности и относительно продолжительного срока службы фильтра.

В предпочтительных системах преимущественно используются многократные слои тонковолокнистой среды, разделенные, как описано выше. При использовании многослойной тонковолокнистой среды можно получить высокоэффективные фильтрующие системы с продолжительным сроком службы.

На фиг. 5 представлена схема материала фильтра, созданная по настоящему изобретению. Обращаясь к фиг.5, мы видим, что материал 1 включает грубые волокна 2 и тонкие волокна 3. Однако материал 1 не является материалом, в котором волокна различного размера смешаны или переплетены. Скорее, материал 1, в основном, содержит глубинный слой грубых волокон 2, одна внешняя поверхность которых имеет тонкие волокна 3, наложенные на грубые волокна. Иными словами, фильтрующая среда содержит сетку из тонких волокон по меньшей мере на одной внешней поверхности конструкции из грубых волокон. При этом тонкие волокна в сетке тонких волокон не смешаны или переплетены с матрицей грубых волокон. В описании слой грубых волокон 2 иногда называется слоем проницаемой грубоволокнистой среды или материала. Он содержит подложку, на которой размещены тонкие волокна 3.

Устройство на фиг.5 можно образно рассматривать, как паутину, натянутую между досками забора. (Такая аналогия еще более приемлема, если мы также предположим, что паутина сплетена на одной стороне или поверхности забора). Доски или грубые волокна 2 обеспечивают очень пористую открытую область и, в основном, не мешают потоку воздуха через открытое пространство. Тонкие волокна 3 представляют собой сетку, натянутую поперек открытого пространства. Так как большая часть воздушного потока через такой материал, в основном, не задерживается грубыми волокнами 2, роль грубых волокон 2 в захвате и инерционном уплотнении частиц относительно небольшая. Очень тонкие волокна 3 натянуты поперек объема, через который проходит основной поток воздуха. Таким образом, мы имеем явное преимущество тонковолокнистых волокон при захвате частиц и инерционном уплотнении. Там, где используется несколько слоев тонкого волокна, аналогия с паутиной требует наличия множества заборов, уложенных друг на друга, причем каждый забор имеет паутину на одной своей стороне. В результате мы имели бы многослойную паутину с разделенными досками забора слоями.

На фиг.6 представлен поперечный разрез материала, показанного на фиг.5. Фиг. 6 - упрощенная схема. Следует отметить, что фиг.5 это увеличенный вид фиг.6, на котором можно видеть детали конструкции.

На фиг. 6 слой глубинной среды грубых волокон представлен позицией 4, а слой очень тонких волокон - позицией 5. Следует учесть, что тонкие волокна 5 накладываются на поверхность 6 матрицы грубых волокон 4.

Вообще, для предпочтительной конструкции тонковолокнистый слой будет скомпонован приблизительно как монослой и его толщина не будет больше, чем приблизительно 1-8 диаметров тонких волокон. При этом глубина слоя будет не больше приблизительно 10-15 микрон в любом данном месте и, как правило, не более чем приблизительно 2-4 микрона.

Глубина опорной грубой среды 4 будет меняться от системы к системе. Схема на фиг. 6 просто поясняет, что в принципе глубина грубой среды 4 будет относительно большой по сравнению с глубиной слоя тонких волокон 5.

Однако конструкция, представленная на фиг.5 и 6, является относительно неэффективным фильтром, особенно, если используется открытый тонковолокнистый слой, так как создается большой объем пустот или межволоконное пространство (т.е. пространство между тонкими волокнами). Иными словами, воздух, проходящий через объем пустот, а не рядом с тонким волокном, не будет в достаточной степени отфильтрован через редкие тонкие волокна. Как указано выше, в предпочтительных конструкциях фильтров по настоящему изобретению материал, показанный на схеме фиг.5, распределен в нескольких слоях, например в пакете. Пакет слоев, каждый из которых аналогичен слою, представленному на фиг. 5, состоит из относительно тонких волокон 3 эффективной плотности, в смысле большой вероятности сталкивания с ними твердых частиц, увлекаемых потоком воздуха, проходящем через всю систему. Относительно большой объем пустот, создаваемый очень пористыми грубыми волокнами 2, обеспечивает существенный объем загрузки, проницаемость и, таким образом, относительно продолжительный срок службы. Теоретически доказывается, что можно разработать такую конструкцию, которая была бы высокоэффективной в качестве фильтра с относительно продолжительным сроком службы. Описанные ниже эксперименты указывают на практическую возможность создания такого фильтра.

Еще одно преимущество устройства, показанного на фиг.5, может быть оценено при рассмотрении эффекта такого состава при улавливании частиц в процессе работы фильтра. Если исследовать устройство после периода загрузки твердых частиц, то можно видеть, что твердые частицы, прежде всего, оседают на отдельных тонких волокнах в виде небольших отдельных твердых частиц или в виде скопления частиц. Пространство между тонкими волокнами достаточно большое, чтобы между ними не образовывались перемычки из частиц. Это показано на фиг.21 и обсуждено ниже. Действительно, пространство между волокнами достаточно большое, так что, как только начинают образовываться перемычки, дендриты частиц имеют тенденцию к разрушению и проваливаются через слой тонкого волокна.

Это очень выгодно. В устройствах, в которых пространство между волокнами относительно небольшое, при относительно высокой эффективности образуется значительное количество перемычек из твердых частиц среди волокон или поперек свободного пространства. Эти частицы могут забить часть рабочей фильтрующей среды, затруднить проход воздуха через нее и значительно уменьшить проницаемость фильтра.

Это ведет к увеличению перепада давления через фильтр и, в конечном счете, укорачивает срок службы фильтра. Увеличенное пространство между волокнами в слое уменьшает вероятность этих неблагоприятных эффектов.

Как будет понято из дальнейшего описания, тот факт, что мостик из твердых частиц, если он начинает формироваться, имеет тенденцию к разрушению и проваливанию через слой или материал, не ставит проблему снижения производительности, так как материал, показанный на фиг.5, обычно используется в устройствах, которые имеют более одного слоя фильтрующей среды.

В данном разделе будут описаны некоторые устройства по настоящему изобретению, которые представляют собой пакет из слоев фильтрующей среды. Как будет подробно рассказано в других разделах описания, пакет может быть построен, чередуя грубые и тонкие волокна в конструкции, вместо предварительно сформированных композитов (или слоев), таких как показаны на фиг.5. В конечном счете, эффективность фильтрования должна, в основном, быть той же самой, однако тот или иной тип процесса или структуры может быть предпочтен по причинам, не связанным с работой итоговой конструкции.

Е. Типичные конструкции
Из вышеупомянутого описания ясно, что многие типичные конструкции фильтрующей среды по настоящему изобретению, когда они используются в качестве фильтра, будут включать многослойные среды, состоящие по меньшей мере из двух слоев грубой опорной структуры и разнесенные тонкие волокна или тонковолокнистые сетки. Пример такого устройства, иногда называемого пакетом, схематично показан на фиг.7.

Вообще, сложенные в пакет структуры выполнены из нескольких слоев того же самого состава среды. Альтернативно, можно обеспечить в сложенном в пакет устройстве градиент плотности, используя, например, несколько различных композитных материалов в каждом слое или применяя соответствующие слои при создании многослойного композита. В частности, в различных слоях плотность материалов может быть изменена относительно средней плотности комбинацией тонких волокон поперек открытых областей грубых волокон. Вместо или в дополнение к этому диаметры тонких волокон могут изменяться от слоя к слою. Конечно, устройства могут включать один или большее количество слоев одного конкретного материала и также один или нескольких слоев различного материала или более чем один материал другого состава.

На фиг.7 показана конструкция среды 10, включающая пакет различных слоев фильтрующей среды. Для устройства, показанного на фиг.7, рассмотрим воздушный поток в направлении, обозначенном стрелками 11. Конструкция 10 включает слой или область 13 среды, содержащей опору из грубых волокон 14 и слой 15 из тонких волокон, размещенных на опорной поверхности. В конкретном показанном на чертеже устройстве слой 15 находится на выходной стороне опорной поверхности 14. Вниз по потоку от слоя 13 размещен аналогичный слой 17, включающий грубую опору 18, и вверх по потоку расположен тонковолокнистый слой 19. Устройство 10 включает дополнительные слои 20, 21 и 22, построенные аналогично слоям 13 и 17. Таким образом, для устройства, показанного на фиг. 7, грубая область 25 или слой 22 является наиболее удаленной вниз по потоку.

В данном устройстве первый вверх по потоку тонковолокнистый слой 15 размещен на слое 27 из грубого волокна в качестве защитной подложки.

Следует отметить, что в некоторых вариантах изобретения общая конструкция 10 из фиг.7 будет иметь толщину приблизительно только от 0,05 до 0,15 см и в некоторых случаях будет даже более тонкой. Таким образом, для ясности она увеличена только на чертежах. Конструкция содержит пакет слоев тонких волокон, каждый из которых отделен от следующего смежного тонковолокнистого слоя грубыми волокнами или опорным слоем или матрицей. На каждой стороне, т. е. последней вверх по потоку стороне 27 и на большинстве сторон вниз по потоку 25, расположен защитный слой грубых волокон или защитной среды. На конкретном устройстве фиг.7 показаны пять дискретных и пять тонковолокнистых слоев, но могут использоваться и дополнительные слои. Опять же не выдвигается никаких требований в том, что тонковолокнистые слои должны быть идентичны друг другу или что различные грубые опорные слои должны быть одинаковыми. Под термином "дискретный" в этом контексте подразумевается то, что каждый тонковолокнистый слой, в основном, не перепутан с отдельными грубыми опорными волокнами; скорее каждый тонковолокнистый слой, в основном, просто уложен на поверхность опорной конструкции.

1. Основа грубой поддержки/разнесения
Основная функция грубого материала в слоях фильтрующей среды по настоящему изобретению заключается в создании каркаса, поперек которого растянуты тонкие волокна. Другая основная функция грубого материала состоит в том, чтобы создать пространство между областями или слоями тонких волокон в пакете с тем, чтобы отделенные слои тонких волокон не разрушились и не превратились в относительно плотную структуру с низкой проницаемостью и относительно низкой фильтрующей способностью. Грубая конструкция для создания опоры и для разделения волокон, как правило, не предназначена для выполнения функций фильтрования. Фактически предпочтительно, чтобы этот материал был бы открытым и проницаемым и не выполнял никаких функций фильтрования.

Вообще, для типичных описанных выше применений предпочтительно, чтобы весь композит (т. е. итоговая многослойная фильтрующая среда) был бы относительно гибким устройством, который может быть встроен в разнообразные геометрические конфигурации. В некоторых устройствах будет предпочтительно, чтобы грубая опора имела бы гибкую волокнистую структуру, которая имеет достаточную механическую целостность или образует "корпус" для фильтрующего материала. Однако в некоторых устройствах этот "корпус" можно обеспечить материалом, отличным от грубоволокнистого материала, используемого для разделения тонковолокнистых слоев, или можно использовать композит. Такое устройство будет описано ниже.

Некоторые из более важных параметров, которые определяют выбор гибкой волокнистой конструкции из грубых волокон, могут быть изложены следующим образом:
(а) Предпочтительно выбрать материал, который имеет очень низкий процент твердости и по возможности очень высокую проницаемость, чтобы расширить "пустое пространство", поперек которого будет простираться тонковолокнистая сетка. Материал, который имеет коэффициент фильтрации приблизительно 10% или менее, как правило, 5% или менее и предпочтительно только 1-4% для улавливания частиц размером 0,78 микрона согласно описанному здесь испытанию, при этом этот коэффициент иногда упоминается как эффективность LEFS. Предпочтительно, чтобы это был бы материал, имеющий проницаемость одиночного слоя по тесту Фрейзера по меньшей мере 150 м/мин, как правило, по меньшей мере приблизительно 200-450 м/мин.

(b) Грубый опорный/разделительный материал должен быть достаточно толстым, чтобы держать на себе слои тонких разделенных волокон. Вообще, для некоторых систем слой грубого материала не должен быть толще, чем это минимально необходимо для получения нужного зазора. Предполагается, что толщина порядка приблизительно 25 микрон или около этого будет более чем достаточной. Хотя материал, выбранный для грубой подложки, может быть толще 25 микрон, например порядка 254 микрон, дополнительная толщина не обязательно дает преимущество при использовании такой структуры в качестве эффективного фильтра. Иными словами, особенно в пакетных структурах, толщины порядка 25 микрон будут достаточны для поддержки тонких волокон и обеспечивают открытый объем для загрузки частиц. Во многих системах большие толщины фактически не улучшат работу фильтра в значительной степени. Таким образом, в некоторых предпочтительных вариантах каждый слой грубоволокнистого материала, который разделяет слои тонких волокон, имеет толщину не более приблизительно 760 микрон. Отмечается, что толщина тонковолокнистого слоя предпочтительно не должна иметь толщину более приблизительно 760 микрон. Однако большие толщины допустимы и могут обеспечить более широкий выбор доступных материалов, которые следует использовать в качестве грубого слоя. Кроме того, более толстые слои грубых волокон могут обеспечить повышенную механическую прочность "корпуса". С другой стороны, относительно толстые слои могут занимать слишком много места в некоторых конструкциях фильтров.

(c) В то время как конкретный материал, из которого сделаны грубые волокна, не является критическим, тем не менее, предпочтительно выбрать материал, который является достаточно прочным и жестким, чтобы противостоять нагрузкам при изготовлении и обработке и также хорошо переносить эксплуатационные режимы.

Преимущество конструкций по настоящему изобретению состоит в том, что можно создать среду для многих высокопроизводительных фильтрующих систем без использования "электрически заряженных" или "статически заряженных" волокон. Таким образом, в некоторых предпочтительных системах по настоящему изобретению используются волокна без приложенной к ним статической нагрузки. Преимуществом также является то, что грубую поддержку можно обеспечить, используя доступный волокнистый материал, такой как полимерные волокна. Таким образом, в качестве грубой опоры могут быть выбраны коммерчески доступные материалы.

(d) Материал, из которого сформирована грубая опора, должен обеспечивать удобное соединение с тонкими волокнами.

В то время как размер тонких волокон выбирается, по меньшей мере частично, в зависимости от конкретного использования, для которого предназначена конструкция, диаметр грубых волокон менее важен для предпочтительной работы фильтра, если обеспечены приведенные здесь минимальные свойства. Вообще предполагается, что в типичных и предпочтительных применениях диаметр грубого волокна будет по меньшей мере приблизительно в 6 раз и, как правило, приблизительно в 20-200 раз превышать диаметр тонкого волокна. В типичных устройствах, в которых тонкие волокна имеют размер приблизительно 0,2-3,0 микрона, предполагается, что грубый волокнистый материал будет иметь средний диаметр приблизительно от 10 до 40 микрон и, как правило, 12 микрон или более. Как правило, грубый материал для предпочтительных устройств будет иметь основной вес в пределах от 6,0 до 45,0 г/м². Вообще, слой грубого волокна может содержать комплект или смесь коротких волокон или нетканый материал, в основном, в виде непрерывной волокнистой основы. В этом контексте, термин "непрерывный" означает волокна, которые достаточно длинные и по существу бесконечные, т.е. по меньшей мере 500 м или более. Могут использоваться материалы мокрого прессования как нетканая опора, однако материалы воздушного прессования также могут использоваться в некоторых системах.

Вообще предполагается, что коммерчески доступное волокно типа хлопка может также использоваться в качестве грубой опоры. Один из видов хлопчатобумажного полотна "Reemay 2011" продается фирмой "Reemay Co.". Этот материал содержит 0,7 унции штапельного полиэфира.

Альтернативно, предлагается готовый к употреблению полипропиленовый материал "Veratec" сорт 9408353 со склада Veratec, Walpole, MA 02081.

Грубый опорный слой может содержать смесь волокон различных материалов различной длины и/или диаметра.

2. Тонковолокнистая сетка или паутина
Предполагается, что могут быть выбраны самые разнообразные материалы, из которых изготавливается тонковолокнистая сетка или паутина. Этот выбор основан на следующих общих принципах.

(а) Это должен быть материал, который легко формируется в волокна относительно малого заданного диаметра для использования в качестве грубой опоры или сетки из таких тонких волокон.

(b) Это должен быть материал, который является достаточно прочным, чтобы не повреждаться при его обработке и во время операции фильтрации.

(с) Это должен быть материал, который может применяться на грубой опоре.

Выше была сделана ссылка на некоторые изделия, изготавливаемые и продаваемые компанией Donaldson, которая является правопреемником настоящего изобретения. Эти материалы продаются под торговой маркой Ultra-Web^®
Эти изделия содержат тонкую волокнистую сетку, уложенную на поверхность целлюлозной среды. Процесс, используемый для создания этого тонкого волокна в виде продукта Ultra-Web^®, является коммерческой тайной компании "Donaldson". Предполагается, однако, что подобные способы и сетки на опорных конструкциях из грубого волокна, как описанные выше и используемые в пакетных структурах, найдут соответствующие применения по настоящему изобретению. Это станет более очевидным из приведенных ниже примеров. Другие типы волокон и процессов, например процессы изготовления нетканого материала аэродинамическим способом из расплава, могут также успешно использоваться для этой цели.

Вообще, для типичных конструкций по настоящему изобретению предполагается, что тонковолокнистая компонента будет иметь диаметр волокна 8 микрон или менее, как правило, менее 5,0 микрон и предпочтительно приблизительно 0,1-3,0 микрона в зависимости от конкретно выбранной структуры. Фильтрующие материалы с волокном такого диаметра могут быть самыми разнообразными, включая, например, стекловолокно; волокна полипропилена; волокна полихлорвинила и волокна полиамида.

Также могут использоваться такие материалы, как полиакрилонитрил и хлорид поливиниламина, производимые фирмой "Dow Chemicals", под маркой SeranF-150^®. Могут использоваться другие подходящие синтетические полимерные материалы для изготовления очень тонких волокон, включая полисульфон, сульфированный полисульфон, полиимид, полихлорвинил, фторид полихлорвинила, хлорированный полихлорвинил, поликарбонат, нейлон, ароматический нейлон, сложные эфиры целлюлозы, аэролат, пенопласт, поливинил бутирил и сополимеры этих полимеров. Тонкие волокна могут быть защищены грубой опорой различным образом. Используемая методика может частично зависеть от процесса, используемого для создания тонких волокон или сетки и материала, из которого формируются тонкие и грубые волокна, например тонкие волокна, могут быть соединены с грубой опорой клеем или термически сплавлены с грубыми волокнами. Грубые двухкомпонентные волокна с плавкой оболочкой могут использоваться при термической обработке для сплавления тонких волокон с грубыми волокнами. Можно использовать растворители, термическую связь и автогенное прилипание. Для клеев можно использовать мокрое прессование растворимых в воде или в растворителях синтетических смол. В некоторых системах могут быть использованы уретановые аэрозоли, термоклеющие аэрозоли или термоклеющие листы. В некоторых случаях предполагается не использовать клеи для приклеивания тонковолокнистой сетки к грубой опоре. В этом случае используются системы, в которых после создания всей композиции тонкое волокно будет помещено между слоями грубого материала и такое расположение между двумя грубыми слоями используется для фиксации тонковолокнистого слоя или сетки.

Здесь делается ссылка на тонковолокнистый слой, содержащий "тонкие волокна" или "сетку или паутину" из тонких волокон. Термин "сетка" или "паутина" тонких волокон в этом контексте означает не только материал, содержащий отдельные тонкие волокна, но также и сетку, которая состоит из тонких волокон или фибрилл, соединенных друг с другом или пересекающих друг друга в узлах или пересечениях. Пример такого устройства показан на фиг.20 и подробно обсуждается ниже. На фиг.20 можно видеть, что сетка из тонкого материала, в основном, содержит множество очень тонких волокон или проволоки, некоторые из которых простираются от узлов или точек пересечения.

F. Некоторые характеристики слоя среды, используемой в конструкциях по настоящему изобретению
Из вышеописанного ясно, что слой среды, используемой в конструкциях по настоящему изобретению, будет, в основном, включать грубую опору или матрицу, имеющую слой или сетку тонких волокон, прикрепленную по меньшей мере к одной поверхности этой конструкции. Грубая опора (или матрица) и тонкие волокна могут, в основном, быть изготовлены, как описано выше. Весь слой может быть охарактеризован различным образом, в частности, просто как слой, содержащий описанные выше грубые и тонкие волокна, структура которых показана на чертежах.

Характеристика предпочтительной среды по настоящему изобретению как "смеси" тонких волокон с грубыми волокнами будет не очень точной. Материал, в основном, не структурируется как смесь таких волокон, т.е. как среда, в которой эти волокна переплетены. Скорее, волокна размещены в фильтрующей среде в отдельных дискретных зонах или областях. Более точно, любой из композитных слоев, в основном, содержит слой грубого материала, имеющего по меньшей мере одну поверхность, на которую накладывается слой тонкого материала. Даже если фильтрующая среда выполнена в виде многослойной структуры, при прохождении воздуха через такой "пакет" области тонкого волокна и грубого волокна, в основном, разделены.

Как станет ясно из приведенного здесь полного описания, могут быть использованы различные способы, изготовления пакетных устройств по настоящему изобретению. В некоторых случаях, например, для достижения целей изобретения слои изготавливаются мокрым прессованием, когда тонкие и грубые волокна могут быть спутаны. Степень запутанности, конечно, не должна быть такой, чтобы тонкие и грубые волокна представляли бы собой "однородную смесь", когда среда не будет функционировать в соответствии с принципами настоящего изобретения. Вообще говоря, грубые слои будут использоваться только для того, чтобы разделить различные тонковолокнистые слои. Когда в описании тонковолокнистые слои называются "дискретными" относительно друг друга и относительно слоев грубого волокна, это не значит, что нет никакого спутывания, а скорее означает, что для целей фильтрации конструкция представляет собой многослойную структуру, т.е. тонковолокнистые слои отделены друг от друга и фильтруемая жидкость или воздух свободно проходит через это устройство. В общем, дискретность слоев означает, что волокна лишь незначительно спутаны между собой. В основном, спутанность тонковолокнистых и грубоволокнистых слоев между собой если и происходит, то в относительно малом процентном отношении по весу тонких волокон, как правило, менее 15%.

В результате создания конструкции, описанной в предыдущем параграфе, воздушный поток не встречает однородной фильтрующей среды. Иными словами, воздух проходит через фильтрующее устройство на различных глубинах или уровнях и сталкивается с различными материалами. Например, в некоторых системах воздух проходит через чередующиеся ряды грубоволокнистого и тонковолокнистого материала, поскольку он проходит через всю систему. Это обеспечивает важные преимущества. В типичных устройствах, составной слой среды может быть охарактеризован по отношению к массе тонкого волокна на единицу площади поверхности грубой опоры или синтетического полотна. Это иногда называется весом подложки грубоволокнистого слоя. Такая характеристика будет меняться в зависимости от конкретного диаметра используемого волокна, конкретного выбранного материала и конкретной плотности тонковолокнистого материала или желательной эффективности фильтрующего слоя.

Предполагается, что в типичных предпочтительных конструкциях, имеющих тонкие волокна диаметром приблизительно от 0,1 микрона до 5,0 микрон, масса материала, из которого изготовлены тонкие волокна, приводится на единицу поверхности грубоволокнистого синтетического полотна (или матрицы) и будет в пределах приблизительно от 0,2 до 25 г/м², независимо от конкретного используемого материала.

Дополнительный способ определения типичного и предпочтительного слоя среды в конструкциях по настоящему изобретению относится к объему открытого или видимого межволоконного пространства, когда мы смотрим со стороны тонковолокнистого слоя на грубоволокнистую опору или полотно, которые покрыты тонкими волокнами или сеткой
тонких волокон. Этот способ определения будет отчасти лучше уяснен при изучении фиг.16-20.

Фиг. 16-20 представляют собой микроснимки, выполненные с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) при различном увеличении, различных видов синтетического полотна с тонковолокнистой сеткой по настоящему изобретению на одной поверхности этого полотна. Грубая опора содержит матрицу из волокон полиэфира от 25 до 35 микрон в диаметре. Тонкие волокна, в основном, содержат стекловолокно приблизительно от 0,1 микрона до 3 микрон в диаметре.

Процент площади открытых пор в синтетическом полотне, занятом тонкими волокнами, может быть оценен по результатам измерения на снимках, сделанных при помощи СЭМ и показанных на фиг.16-20. Предполагается, что для типичных и предпочтительных конструкций по настоящему изобретению средний процент открытой площади грубой опоры или синтетического полотна, занятого тонкими волокнами, при использовании такого способа оценки будет составлять 55% или менее, как правило, приблизительно от 20 до 40% для предпочтительного воздушного фильтра. Это не значит, что конструкции вне этих пределов будут неработоспособными, а, скорее, означает, что такие проценты являются типичными и связаны в целом с работоспособными и эффективными материалами.

Еще один способ, по которому можно охарактеризовать некоторые слои материала по настоящему изобретению, предназначенного для использования в конструкции фильтра, относится к наблюдениям работы фильтра при испытании материала в потоке воздуха. В частности, во многих предпочтительных вариантах изобретения при описанных ниже испытаниях в воздушном потоке для определения эффективности наблюдается то, что большинство частиц (по числу и массе), задержанных слоем, улавливается тонкими волокнами, а не более грубыми. Примером этого может служить электронный микроснимок на фиг.21.

Альтернативно или аналогично эффективность любого данного составного слоя может быть определена на основе эмпирического наблюдения. Вообще, если конструкция грубоволокнистой опоры или матрицы, содержащая волокна со средним диаметром по меньшей мере 10 микрон и эффективностью 6% или менее, для тонких частиц размером 0,78 микрона улучшается применением по меньшей мере одного дополнительного тонковолокнистого слоя, в котором тонкие волокна имеют средний диаметр приблизительно 5 микрон или менее. Такой улучшенный материал при испытании имеет эффективность по меньшей мере 8% и предпочтительно по меньшей мере 10% для частиц размером 0,78 микрон. При этом конструкция имеет по меньшей мере некоторые из желательных свойств для использования по меньшей мере в некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения. Предпочтительно, чтобы материал имел бы синтетическое полотно с эффективностью приблизительно 4% или менее, на котором располагались бы достаточные тонкие волокна, обеспечивающие общую эффективность по меньшей мере 10% или более для частиц размером 0,78 микрона. В таких устройствах предпочтительно, чтобы слой грубого волокна без наложенного на него тонковолокнистого слоя состоял бы из материала, имеющего проницаемость порядка 250-450 м/мин. Кроме того, как правило, тонковолокнистый материал устроен таким образом, что проницаемость одного составного слоя из тонких и грубых волокон равна по меньшей мере 10 м/мин, предпочтительно по меньшей мере около 25 м/мин. В некоторых случаях она может быть выбрана значительно большей величины, т.е. порядка 100-325 м/мин.

G. Проницаемость
В данном описании везде делается ссылка на проницаемость следующих материалов: материалы данного слоя или синтетическое полотно, композит или слой синтетического полотна, на котором имеется по меньшей мере один слой тонких волокон, и композит всей среды. В этом контексте, конкретные цифры "проницаемости" среды относятся к скорости воздуха, требуемой для того, чтобы создать ограничение 12,5 см Н₂О через плоский лист предпочтительного материала, среды или композита.

Вообще, проницаемость слоя среды, как этот термин используется здесь, оценивается испытанием на проницаемость Фрейзера по стандарту ASTM D737, используя тестер Фрейзера, поставляемый компанией "Frazier Precision Instrument Co.", или проводя аналогичные испытания.

Типичная фильтрующая среда по настоящему изобретению, особенно для использования в воздушных фильтрах для очистки воздуха салонов автомобилей, системах вентиляции или воздухозаборниках двигателей, будет иметь полную проницаемость по меньшей мере 6 м/мин и более предпочтительно 10-20 м/мин, когда проницаемость является функцией общей эффективности, числа слоев и размера волокон. Под словом "полный" в этом контексте подразумевается полный пакет фильтрующей среды.

Н. Эффективность
В данном описании везде делается ссылка на эффективность слоя или композита и такие данные даются в виде конкретных числовых величин. Иными словами, иногда для выбранного слоя синтетического полотна по меньшей мере с одним слоем тонковолокнистого материала на нем дается предпочтительная эффективность в процентах. В некоторых случаях числовые данные эффективности в процентах приведены для полного композита, содержащего многослойные материалы. В этом смысле для обеспечения числовых характеристик "эффективность", в основном, означает процент уловленных частиц при испытаниях, когда характеризуемый материал испытывается по методике ASTM 1215-89, включенной здесь в качестве ссылки. При этом испытательный материал представляет собой монодисперсные сферы из латекса полистирола диаметром 0,78 микрон поставки лаборатории Duke Scientific, Palo Alto CA при скорости потока приблизительно 6 м/мин.

Вышеописанное не означает, что фильтрующее устройство по настоящему изобретению, в основном, описывается как "эффективное"; оно просто описывается применительно к его фильтрующему действию при улавливании частиц размером 0,78 микрона при условиях испытаний, описанных в стандарте ASTM 1215-89. Скорее, "эффективность" по улавливанию таких частиц и при таких условиях испытаний - это просто один из относительно воспроизводимых способов использования материалов в конструкциях по настоящему изобретению, который может использоваться для оценок или характеристик.

I. Промежуток между волокнами; вес тонкого волокна, нанесенного на единицу площади грубого волокна
Как описано выше, материалы по настоящему изобретению могут быть охарактеризованы по отношению к промежутку между волокнами или количеству тонковолокнистого материала, уложенного на единицу площади грубой подложки или синтетического полотна (основной вес). Способы такой оценки изложены ниже.

1. Твердость по площади из анализа цифрового изображения
Используемый здесь способ состоит в исследовании микроснимков, сделанных при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и введенных в компьютер для анализа. Практическое увеличение сканирующего электронного микроскопа зависит от размера интересующих исследователя волокон в структуре среды и должно быть выбрано так, чтобы края анализируемых волокон отличались бы от фона. По мере увеличения масштаба изображения глубина резкости падает. После сканирования можно использовать коммерчески доступное программное обеспечение, в частности "Visilog" (фирмы "Noesis" Ville, Laurent), Квебек, Канада, чтобы перенести изображение на передний план и отделить его от фона путем установки величины шкалы полутонов, которая определяет края между передним планом и фоном, преобразуя отсканированное полутоновое изображение в двоичную форму (передний план и фон). Более четкое разделение переднего плана и двоичного изображения фона может быть достигнуто, используя команды размывания и изменения глубины резкости. Интересующие нас детали тонкого волокна будут на переднем плане. (Предполагается, что среда, имеющая синтетическое полотно с наложенным на него только одним слоем тонких волокон и только на одной поверхности этого синтетического полотна; и также предполагая, что СЭМ ориентирован таким образом, что наблюдатель видит тонкие волокна). После разделения элементы изображения на экране используются для показа переднего плана и фона и последний может быть рассчитан, используя инструменты анализа данной программы. Отношение числа элементов изображения переднего плана (тонкие волокна) к числу элементов изображения, показывающих интересующий нас участок (ИУ = передний план + фон), из которого были взяты тонкие волокна, представляет собой твердую площадку. Волокнистые конструкции - трехмерные, тогда как микроснимки СЭМ представляют собой выступ трехмерного объекта на плоскости или площади; отсюда термин "твердость по площади".

2. Цифровой анализ размера пор
Принятая здесь методика состоит в сканировании микроснимка СЭМ в компьютере для анализа изображения, опять же используя коммерчески доступное программное обеспечение "Noesis Visilog". Увеличение сканирующего электронного микроскопа зависит от размера интересующих нас волокон в структуре среды и должно быть выбрано так, чтобы края волокон, которые будут проанализированы, отличались от фона. По мере увеличения размера изображения глубина резкости падает. После сканирования можно использовать любое доступное программное обеспечение, в частности "Visilog" (фирмы"Noesis Vision"), чтобы разделить изображение на передний план и фон путем установки величины шкалы полутонов, которая определяет края между передним планом и фоном, и преобразуя отсканированное полутоновое изображение в двоичную форму (передний план и фон). Более четкого разделения переднего плана и двоичного изображения фона можно достигнуть, используя команды размывания и изменения глубины резкости. Деталями, представляющими интерес, являются поры, образованные грубыми волокнами на переднем плане. Затем детали интересующего нас изображения, которые представляют собой аномалии в инструментах аналитической программы, должны быть удалены из нужного изображения. Такие аномалии включают выпуклые поры и поры, частично расположенные внутри оригинального изображения, т.е. края таких пор не полностью определены. Инструментальные программные средства могут затем использоваться для вычисления периметра, площади и отношения размеров элемента изображения для каждой ячейки внутри измененного изображения. Коэффициент формы кривой, определяемый как
(4р • площадь пор)/(измеренный периметр пор)²,
может быть рассчитан для каждой поры внутри измененного изображения. Используя разрешение сканера, увеличение микроснимка СЭМ и программные средства, можно преобразовать размеры промежутков между волокнами из пикселей в технические единицы. Тест по этой методике должен быть повторен несколько раз, чтобы гарантировать репрезентативное число (или распределение) для данного образца.

3. Способ пересечения волокон
Прежде всего, с помощью сканирующего электронного микроскопа делается нужное количество микроснимков образцов среды с соответствующим увеличением, чтобы определить распределение волокон в среде по размеру. Для калибровки волокон, как правило, устанавливается увеличение от 1000-кратного до более чем 6000-кратного. На фотографии из другого набора, увеличенные так, что на них видны по меньшей мере от 15 до 50 пор, наносится сетка линий (увеличенная копия) микроснимков. Используя случайно выбранные линии наложенной сетки, можно посчитать число волокон, беспорядочно пересекающих выбранные линии сетки, с тем, чтобы определить число пересечений на дюйм линии. Накапливая данные статистически значимых чисел линий, можно вычислить средние межволоконные промежутки и распределение этих промежутков. Тест по этой методике должен быть повторен несколько раз, чтобы гарантировать репрезентативное число (или распределение) для данного образца.

4. Основной вес
Вес тонкого волокна на единицу площади (поверхности) грубых волокон или матрицы межволоконных промежутков (например, г/м²) может быть использован для оценки размеров межволоконных промежутков, поскольку в типичных конструкциях, тонковолокнистая структура аппроксимирует моноволоконный слой. С другой стороны, если волоконная конструкция не является монослоем и толщина волоконной структуры может быть определена, то можно рассчитать твердый объем, который является индексом межволоконных промежутков.

5. Размер пор
(а) Геометрия цилиндра под углом 45^o
Как правило, там, где слои волокон находятся в близком контакте, предполагается, что поры имеют квадратное сечение при пересечении волокон под углом 45^o и слои ориентируются беспорядочно относительно друг друга. В ссылке "Fluid Filtration: Gas Volume 1" ASTM Special Technical Publication 975,©1986, ASTM publication 04-975001-39, Donald R. Monson -"Key Parameters Used In Modeling Pressure Loss Of Fibrous Filter Media" приведены следующие параметры:
L - расстояние по диаметральной плоскости между параллельными волокнами на противоположных сторонах предполагаемой квадратной поры;
D_f - среднеквадратичный диаметр волокна;
b - L-d_f - внутренний размер поры, исключая толщину волокон, обрамляющих пору;
С - твердое состояние = объем волокна/ объем среды;
R - L/d_f.

Используя вышеупомянутые определения, согласованные единицы измерения и следующие уравнения, выведенные Монсоном, можно оценить расстояние "b" между волокнами из следующих уравнений:
R = 1/{1,1781-(1,3879-1,5•С}2^1/2
b = (R-1) • d_f
b. Геометрия цилиндра под углом 45^o: измененная
Эта модель вносит коррективы в промежутки между последовательными слоями волокон, предполагая, что внутреннее расстояние слоя = L/2, и считая ее обоснованной для величин С < 0,6.

R = 1,4472/(0,5 • С)^1/2 • COS{1/3 • COS^-1[-0,87979 • (0,5 • С)^1/2]}
b = (R-1) • d_f
с. Геометрия цилиндра под углом 45^o: изменения для конструкции моноволоконного слоя
R = (0,5 • р/С) + ({0,5 • р/С}² - {8/[3 • С]})^1/2
b = (R-1)•d_f.

J. Проектирование фильтрующей среды на основе принципов настоящего изобретения
Из предыдущего описания ясно что, в основном, конструкция фильтра, в котором используется среда по настоящему изобретению, будет иметь среду, содержащую несколько слоев, более точно слои тонких волокон, разделенных грубоволокнистым материалом или матрицей грубых волокон. В многих случаях при проектировании конструкции воздушных фильтров инженерам-проектировщикам придется выбирать материалы для отдельных слоев и определять как они должны быть организованы в общем композите. В данном разделе кратко обсуждаются некоторые соображения, относящиеся к этому процессу.

В целом, выбор будет частично зависеть от области применения фильтрующей среды и процесса ее изготовления. Область применения будет основным критерием для проектировщика фильтра при выборе эффективности фильтра и необходимой проницаемости. Эффективность для данной области применения может быть определена средствами, иными, чем определение способности улавливать частицы размером 0,78 микрона при описанных выше условиях испытаний. Например, изготовитель автомобиля может иметь конкретные технические условия на фильтр, используемый для очистки воздуха в салоне, которые должен использовать проектировщик фильтра из материалов по настоящему изобретению. Эти технические условия могут быть основаны на способности фильтра улавливать твердые частицы при условиях испытаний, которые не эквивалентны условиям, определенным относительно улавливания частиц размером 0,78 микрона. Проектировщик может использовать описанные выше способы, чтобы приблизить возможную конструкцию к таким условиям и затем провести соответствующее испытание, чтобы увидеть, в какой степени они выполнены. В качестве альтернативы, после проведения достаточного числа испытаний инженер-проектировщик может получить достаточно большое количество данных для корреляции и предсказать работу фильтра при условиях, основанных на результатах испытаний.

При этом предполагается, что в некоторых случаях проектирование начнется с рассмотрения инженером-проектировщиком доступных материалов, которые обладают свойствами согласно настоящему изобретению. Например, проектировщик может выбрать синтетическое полотно и получать различные образцы материала из синтетического полотна с различными количествами уложенного на него тонковолокнистого материала. Как гипотетический пример, предположим, что инженер-проектировщик имел различные образцы синтетического полотна, содержащего материал "Reemay 2011", обработанного тонким стекловолокном в различных количествах, нанесенных на одну поверхность синтетического полотна, чтобы получить восемь образцов, в которых тонковолокнистые слои имеют характеристики, приведенные в табл.1.

Имея вышеупомянутую информацию и материалы, инженер-проектировщик фильтра может начать проектирование. При определении эффективности композита для частиц размером 0,78 микрона при определенных условиях испытаний будет найдена "сумма" эффективности каждого из слоев. Например, если используются два слоя, каждый из которых имеет эффективность 35%, общая эффективность 1-[(1-0,35)•(1-0,35)] или 57,75%. Таким образом, зная свойства различных слоев, проектировщик может определить, сколько слоев и какие материалы использовать, чтобы достичь желательного уровня производительности фильтра.

В предыдущем параграфе была дана общая формулировка для определения эффективности многослойной системы. Конкретное вычисление было по следующим принципам.

Для заявленного размера твердой частицы и скорости:
h_i = эффективность слоя для слоя i,
h_t = общая эффективность композита,
1-h_i = проницаемость слоя для слоя i,
l-h_t = проницаемость всего композита,
(1-l-h_t) = (l-l-h₁)(l-l-h₂)...(l-l-h_i).

Таким образом, общая проницаемость композита может быть найдена из проницаемости различных слоев в композите согласно следующим математическим отношениям:

где с_{композита} = проницаемость всего композита;
r_i = проницаемость слоя композита, включающего либо слой грубого волокна + слой тонкого волокна, либо только слой грубого волокна, в зависимости от конструкции.

Таким образом, зная проницаемость различных слоев, инженер может рассчитать проницаемость всего композита и может выбрать различные слои, чтобы обеспечить конкретную желательную проницаемость. Например, скорость потока типичного фильтра для очистки воздуха салона автомобиля составляет 15-24 метра в минуту и устройство работает с расходом воздуха 6,2-8,5 м³/мин. Это может быть достигнуто в фильтре, имеющем следующий композит:
1. Слой или матрица вверх по потоку с эффективностью 30%.

2. Следующий слой или матрица вниз по потоку с эффективностью 35%.

3. Следующий слой или матрица вниз по потоку с эффективностью 45%.

Общая эффективность композита будет порядка 75%.

Можно видеть, что если проектировщик знает желательную проницаемость всего композита (при условиях испытаний, проведенных для определения проницаемости данных слоев), то он может определить эффективность различных слоев и знает, какие материалы выбрать, чтобы достичь нужных результатов.

Проектировщик может, конечно, учитывать и другие переменные или факторы, например то, что меньшее количество слоев может быть связано с более тонким композитом и в некоторых случаях такая структура предпочтительна. Следует учитывать стоимость и доступность материалов для любого конкретного слоя и другие связанные с этим факторы. Должны быть также учтены итоговые физические свойства композитов, например относительная легкость формирования складчатой структуры.

В качестве примера условий, которые могут быть приняты во внимание проектировщиком фильтра при отборе материалов, рассмотрим следующие. Если два листа материала той же самой площади, один из которых, в основном, более толстый, чем другой, являются складчатыми, то число складок, которые могут быть эффективно размещены в пределах данного объема, будет больше для более тонкого листа. Таким образом, если проблема проектирования фильтра состоит в том, чтобы создать эффективный фильтр для данного цилиндрического корпуса, проектировщик может отдать предпочтение более тонкому складчатому материалу. Если складчатый материал должен быть сделан из слоев среды по настоящему изобретению проектировщик может предпочесть выбрать комбинацию слоев, которая позволит создать относительно тонкую общую конструкцию, в противоположность более толстой.

Однако, в целом, при сравнении композитов равного общей эффективности, более толстый композит будет, как правило, иметь более продолжительный срок службы (при равной площади), чем более тонкий. Этот фактор может быть учтен проектировщиком в свете предпосылок предыдущего параграфа при проектировании некоторых систем.

Предполагается, что в некоторых случаях проектировщик будет желать иметь все слои в пакете с одним и тем же составом материала. Однако в других случаях в некоторых или всех слоях могут использоваться различные материалы (с различной эффективностью и т. д.). Предполагается, что для обычной работы фильтра проектировщик должен предусмотреть слои с различной эффективностью в композите, чтобы итоговая эффективность была бы предпочтительно такой, что эффективность отдельных слоев увеличивается по направлению к выходу из фильтра. Иными словами, предполагается, что предпочтительная организация слоев будет такой, что более эффективные слои композита расположены далее вниз по потоку, чем менее эффективные слои композита, с тем, чтобы обеспечить более длительный срок службы. Причина достижения более длительного срока службы, в основном, заключается в том, что при таких обстоятельствах более эффективные слои не будут слишком быстро окклюдировать, если они помещены вниз по потоку, поскольку менее эффективные слои обеспечат по меньшей мере некоторое фильтрование прежде, чем поток текучей среды достигает более эффективных слоев. Это означает, что более эффективные слои будут иметь тенденцию окклюдировать менее быстро, чем если бы они были помещены на входе в систему.

К. Геометрия
Фильтрующая среда по настоящему изобретению может иметь самую разнообразную геометрическую форму. Например, плоские листы могут быть уложены в простой пакет для формирования среды нескладчатого панельного фильтра.

Конечно, листы могут быть выполнены в виде салфетки или обернуты вокруг цилиндрического каркаса.

Уникальной особенностью изобретения является то, что листу можно легко придать складчатую форму. В некоторых случаях это можно выполнить, выбирая межволоконное синтетическое полотно таким, что в сложенном состоянии итоговый композит имеет достаточную прочность или имеет складчатый "корпус". Это схематично показано на фиг.8А и 8В.

На фиг.8А фильтрующая среда 30 имеет складчатую цилиндрическую форму. На фиг. 8В часть материала фотографически увеличена так, чтобы можно было видеть, что материал содержит множество слоев. Что касается фиг.8В, то на ней материал 30 включает грубые слои 31 со слоями 32 из тонких волокон, помещенных между ними. Вообще, предполагается, что для многих предпочтительных устройств число складок, не важно, являются ли они цилиндрическими или панельными, будет приблизительно от 1 до 15 на дюйм (2,5 см). При описании цилиндрической конфигурации число складок на приводимое здесь расстояние считается относительно внутреннего диаметра цилиндрического корпуса.

Складчатая цилиндрическая форма по настоящему изобретению уникальна по меньшей мере в том, что фильтрующая среда по настоящему изобретению демонстрирует свойства систем с глубинной средой в смысле загрузки и рабочих скоростей. Однако обычная глубинная фильтрующая среда, в основном, не складчатая. Конкретно, складчатые конструкции, в основном, ассоциируются с бумажной или целлюлозной загружаемой поверхностью. Однако принципы настоящего изобретения могут использоваться для создания устройства, которое является глубинной средой, но которое может быть скомпоновано в виде складчатой структуры, как и поверхностно-загружаемая фильтрующая среда на основе целлюлозы.

Следует отметить, что для некоторых устройств можно предусмотреть синусоидальную форму (волнообразную или складчатую) даже при том, что оно не имеет корпуса, для жесткой фиксации складчатой структуры. Несколько способов такой реализации приводятся ниже. Во-первых, "корпус" можно сделать, имея только один или несколько слоев материала (в среде). Например, один или два слоя синтетического полотна в многослойной системе могут быть достаточны для создания этого корпуса, без использования для этой цели всех слоев. Кроме того или альтернативно, опорные слои материала на одной стороне или на обеих сторонах можно использовать в виде сложенного в пакет устройства, чтобы создать такой корпус или обеспечить механическую целостность. Такой композит можно изготовить, используя коммерчески доступные синтетические или целлюлозные волокна как опорные слои.

Второй подход к обеспечению синусоидального устройства без складок грубого синтетического полотна состоит в использовании механического каркаса, чтобы удерживать материал в складчатом состоянии. Такое решение схематически показано на фиг. 9. На фиг.9 механические опоры 40 показаны вместе с удерживаемой на них средой 41.

Другие подходы могут включать соответствующую тепловую, химическую или физическую обработку материала, чтобы обеспечить достаточную жесткость и сохранить складчатую конфигурацию или рифление. Могут также использоваться наконечники и клеи. Также могут использоваться металлические ленты или проволока, помещенные в различные слои композита, чтобы фиксировать складчатую конструкцию.

Из вышеупомянутых соображений ясно, что преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно может применяться в материалах, обеспечивающих широкое разнообразие геометрических конфигураций. Таким образом, оно может успешно применяться в самых различных конструкциях фильтров. Как отмечено выше, свойства материалов могут быть выбраны так, чтобы по желанию было можно изменять необходимую глубину фильтра для повышения эффективности.

L. Конструкция воздушного фильтра
Фильтрующая среда по настоящему изобретению может быть использована в воздушных фильтрах различной конструкции. Она может быть использована, например, как круглый складчатый материал в цилиндрических элементах. Она может также использоваться как складчатый материал в фильтрах панельного типа. Она может быть использована в нескладчатых конструкциях, таких как рукавные фильтры, и внутри других фильтрующих элементов или на внешней стороне других фильтрующих элементов. Она может также использоваться в виде нескладчатой конструкции в цилиндрических и панельных элементах. Фактически, она может найти применение в качестве заменителя фильтрующей среды или части среды в почти любой конструкции фильтрующих систем.

В некоторых случаях фильтрующая среда по настоящему изобретению может быть использована, чтобы усилить действие другой среды, например других типов коммерчески доступной среды. Таким образом, фильтрующая среда по настоящему изобретению может применяться на выходной стороне фильтра или между слоями различной среды, чтобы получить фильтр с нужными характеристиками. Например, вариант среды высокой производительности по настоящему изобретению может быть использован вниз по потоку различных других сред, в частности в очистном фильтре. Вариант с увеличенным сроком службы и более низкой эффективностью по настоящему изобретению может быть использован на выходной стороне обычной среды, чтобы увеличить общую эффективность на выходной стороне фильтра. Фильтрующая среда по настоящему изобретению может также использоваться между слоями обычной среды в различных системах фильтрации.

Один тип конструкции фильтра по настоящему изобретению показан на фиг.10 и 11.

Устройство фиг.10, в целом, аналогично устройству, раскрытому в патенте США 4720292, и включено в описание в качестве ссылки, за исключением того, что фильтрующая среда по этому патенту была заменена улучшенной средой по настоящему изобретению. Изображенное на фиг.10 фильтрующее устройство 100 включает корпус 101, выходной штуцер 102 и фильтрующий элемент 103. Доступ к внутренней части 104 корпуса 101 для обслуживания фильтрующего элемента 103 осуществляется через смотровой люк или крышку 105.

Фильтрующий элемент 103, в основном, содержит складчатую фильтрующую среду 110, внешнюю прокладку 111 и внутреннюю прокладку 112. В устройстве, показанном на фиг. 10, фильтрация воздуха происходит при проходе воздуха в направлении стрелки 115. Таким образом, корпус 101 включает вход 120 для фильтруемого воздуха. Воздух направляется в камеру 121 прежде, чем он пройдет через фильтрующий элемент 103. Затем воздух входит во внутреннюю камеру или отверстие 122 и выходит через фильтрующий элемент и выходной штуцер 102.

Фильтрующий элемент 103 включает первый и второй противоположные концевые колпачки 130 и 131 соответственно. Фильтрующая среда 110 прикреплена к колпачкам, вложена в них и проходит между концевыми колпачками 130 и 131. Концевой колпачок 130 имеет такой размер и конфигурацию, что образует радиальное уплотнение с выходной трубой 102 в области 140. Концевой колпачок 131 закрывает конец 142 фильтрующего элемента 103 обычным образом.

На фиг. 11 часть устройства, показанного на фиг.10, изображена в поперечном разрезе. Можно заметить, что фильтрующая среда 110 - многослойное устройство, содержащее множество слоев 150 из грубого материала и отделенные друг от друга слои 151 из тонковолокнистого материала. Конкретное устройство, показанное на фиг.10, имеет два слоя тонких волокон 151, отделенные друг от друга и зажатые между тремя грубыми слоями 150. Снова, согласно принципам настоящего изобретения в качестве фильтрующей среды 110 можно использовать различные дополнительные структуры.

Фильтрующая среда, показанная на фиг.10 и 11, помещена в цилиндрический элемент, радиально уплотненный с выходной трубой. Фильтрующая среда может также использоваться в фильтрующих элементах для устройств с осевым уплотнением.

Изобретение можно использовать для создания среды, имеющей высокую пропускную способность по сравнению с пропускной способностью поверхностной среды, но ее преимущества более очевидны при очистке потока от мелких твердых частиц, в противоположность ее использованию для улавливания грубых частиц. Следовательно, создание складок по изобретению и размещение вниз по потоку некоторой глубинной среды дает определенные преимущества, так как глубинная фильтрующая среда собирает грубые твердые частицы более эффективно, позволяя повысить качество фильтрации из-за высокой производительности тонковолокнистой среды по настоящему изобретению. Использование глубинной среды вверх по потоку для более эффективных фильтров описано в патентах США 5082476; 5238474 и 5364436, а использование аналогичной методики за глубинной средой, позволяет использовать все преимущества фильтрующей среды по настоящему изобретению. Например, глубинная фильтрующая среда, описанная в вышеупомянутых патентах, может быть очень эффективно использована для удаления твердых частиц размером от 2-10 микрон перед средой по настоящему изобретению, тогда как среда по настоящему изобретению используется, чтобы обеспечить эффективное удаление субмикронных частиц далее по потоку. Таким образом, фильтрующая среда по настоящему изобретению может предпочтительно быть использована в сочетании с обычными способами фильтрации.

В некоторых областях применения фильтрующая среда по настоящему изобретению может быть выполнена не складчатой, а скорее в виде панельного или цилиндрического фильтрующего элемента, расположенного за глубинной средой. Фильтрующая среда может быть элементом, отделяемым от остальных частей фильтра, и использоваться при в качестве сменной части. Фильтрующая среда по настоящему изобретению может также использоваться в дополнение к другим узлам фильтра как сменная часть. Способы использования сменных секций среды описаны, например, в вышеупомянутых патентах США, а также в патентной заявке США 08/426220, которая включена в описание в качестве ссылки.

М. Размещение тонкого волокна на грубой опоре; ориентация тонковолокнистого слоя относительно потока жидкости
Как объяснено выше, как правило, фильтрующий материал по настоящему изобретению содержит грубую опору с тонковолокнистой сеткой, укладываемой по меньшей мере на одну поверхность этой опоры. Как видно из приложенных чертежей, грубоволокнистая опора может рассматриваться как подложка, имеющая две поверхности, на которые укладываются тонковолокнистые слои, по одному на каждой стороне подложки. Нет причины, почему бы тонковолокнистый слой не мог бы быть наложен на противоположные поверхности слоя грубого материала, по меньшей мере в некоторых работающих системах. Грубый материал или матрица служат для разделения соответствующих тонковолокнистых слоев. Предполагается, что если бы такие устройства могли использоваться в виде пакета, в некоторых случаях было бы желательно разместить слой, содержащий только грубый материал или синтетическое полотно, между теми слоями грубого материала, который имеет на нем тонкие волокна с обеих сторон для отделения каждого слоя тонких волокон от другого слоя. Однако возможно, что в некоторых случаях количество наложенного на подложку тонкого волокна может быть выбрано с таким расчетом, что когда тонковолокнистые слои чередуются с грубоволокнистыми слоями, достигается желательная общая эффективность системы.

Что касается ориентации материала относительно воздушного потока, то в пакетной структуре трудно отдать какое-либо предпочтение. Иными словами, тонковолокнистый слой может быть размещен на любой стороне грубоволокнистой подложки.

N. Выбор среды для использования в устройствах по настоящему изобретению
Как отмечено выше, в настоящее время считается, что основное внимание при разработке фильтрующих сред должно быть уделено выбору материалов, таких как грубые волокна, которые хорошо разделяются и предназначены, в основном, не для фильтрования, а для опоры и разделения тонких волокон в конструкции фильтра. Тонкие волокна выбраны из-за их относительно небольшого диаметра. Таким образом, предполагается, что в конструкциях по настоящему изобретению можно использовать самые разнообразные материалы и способы для изготовления таких материалов.

В целом, способы для подготовки волокнистых материалов для использования их в конструкциях фильтров по настоящему изобретению не входят в обычную практику проектировщика или конструктора фильтров, а скорее лежат в области обработки волокон и полимеров. Предполагается, что такие компании, как "Hollingsworth & Vose", "East Walpole", MA 03032 и "Lydall Inc", Рочестер, NH 03867, имеют большой опыт в области производства тонковолокнистых материалов и их применения вместе с другими материалами. Как отмечено выше, компания "Donaldson" разработала новую технологию, являющуюся коммерческой тайной в этой области и обеспечивающую получение продукта с торговой маркой "Ultra-Web^®" ("ультра паутина").

Приведенные ниже ссылки, в основном, описывают изготовление тонких или "Ultra-Web^®" волокон по патентам США 2450363 (для стекловолокна); 4650506; Wente, Van А. "Высококачественные термопластичные волокна", "Промышленная техническая химия", том. 48, стр. 1342 (1956); Шоффель Норман В. "Последние усовершенствования в среде микростекловолокна" в журнале "Технология Фильтрации и разделения" том. 9, стр.184-199 (1995). Вообще предполагается, что многие из этих материалов могут быть использованы как тонковолокнистая сетка в конструкциях по настоящему изобретению.

Что касается поверхности подложки или матрицы из грубого волокна, то здесь мы снова имеем широкое разнообразие материалов, включая по меньшей мере описанные выше коммерчески доступные материалы.

Что касается способов производства тонковолокнистых сеток и их соединения с поверхностью грубого материала, то здесь опять можно использовать различные подходы. Предпочтительные подходы для данного применения зависят, по меньшей мере частично, от области применения фильтра, доступного обрабатывающего оборудования, конкретного материала, выбранного для тонковолокнистой сетки, и материала и процессов, используемых для изготовления подложки из грубого волокна. По меньшей мере, такие способы как процесс мокрого прессования; процесс воздушного прессования; получение нетканого материала аэродинамическим способом из расплава и непрерывная намотка полимерного волокна пригодны для целей реализации настоящего изобретения.

Хотя в настоящее время не выработан конкретный подход к способу изготовления волокон или к составу материалов как наиболее предпочтительных для эффективной конструкции фильтра, изобретатели оценили и сравнили фильтрующую среду в результате двух подходов. Один из них состоит в использовании тонких волокон, содержащих стекловолокно, как возможный способ изготовления среды из тонких волокон, накладываемых на грубоволокнистый материал "Reemay 2011". Было найдено, что этот способ позволяет получить нужную среду, отвечающую общим критериям настоящего изобретения. Другой подход относится к тонким полимерным волокнам, изготавливаемым, используя модифицированный процесс "Ultra-Web^®" компании "Donaldson" для наложения тонких волокон на подложку "Reemay 2011".

В частности, по отношению к стекловолокну изобретатели успешно использовали подход, основанный на изменении описания в примере 1 из патента США 5336286, для формирования материала, подходящего для целей изобретения. Пример 1 из патента 5336286 был изменен, использовалось стекло или стекловолокно для волокнистого материала, которое можно использовать как материал, на который наносятся тонкие волокна. Кроме того, 2 мл соляной кислоты (37%) были добавлены к суспензии вода/волокно при помощи кухонного смесителя, чтобы химически диспергировать стекловолокно.

Таким образом, в результате модификации происходит процесс мокрого прессования, помещается стекловолокно на синтетическую подложку "Reemay 201", которая была помещена на сито, чтобы из волокна сформировался лист.

Другие образцы были изготовлены, используя модифицированный процесс "Ultra-Web^®" компании "Donaidson", описанный ниже.

В процессе проведения описанного ниже сравнительного испытания не наблюдалось никакого существенного различия в работе двух типов материалов. Таким образом, по принципам настоящего изобретения нет никакого основания для предпочтения одного из них.

O. Применение описанных здесь способов для сбора тумана
Предполагается, что некоторые из описанных здесь материалов могут использоваться в конструкциях для фильтрации очень тонких туманов, взвешенных в воздухе. Как правило, такие туманы содержат капельки размером приблизительно 1 микрон или менее. При таком размере с ними до некоторой степени можно обращаться как с твердыми частицами при оценке возможности их фильтрации. Описанные здесь некоторые материалы могут использоваться для улавливания таких туманов. Как правило, можно обеспечить высокую эффективность разделения без небольших промежутков между волокнами участков (т.е. пор), типичных для фильтрующих туман сред высокой производительности. Небольшие поры обычной высокопроизводительной среды удерживают отделенную жидкость благодаря капиллярным силам. Удерживаемая жидкость в таких системах быстро увеличивает гидравлическое сопротивление проходу воздуха, что сокращает полезный срок службы фильтра. Предполагается, что для таких областей применения можно вполне использовать для этой цели поверхности волокон, которые отталкивают собираемую жидкость.

Р. Системы для фильтрации жидкости
Как правило, описываемые здесь способы могут использоваться в областях применения, включающих потоки различных жидкостей. Многие из конкретных описаний были пока посвящены вопросам фильтрации воздуха или отходящего газа, несущего твердые частицы. Однако легко понять, что описываемые здесь материалы могут также использоваться в системах для фильтрации жидкостей с взвешенными твердыми частицами, которые можно пропустить через среду по настоящему изобретению.

Как правило, если эти материалы применяются в жидкостных системах, предполагается, что принцип увеличения срока службы фильтрующей среды, путем увеличения числа раздельных слоев тонких волокон будет, в основном, тем же самым для жидкости, что и для воздуха, хотя механизмом сбора является просеивание. Поскольку механизмом сбора является просеивание, общая производительность при использовании среды для фильтрации жидкости ограничена эффективностью отдельного слоя с самой высокой эффективностью. Типичная эффективность для применения в области фильтрации жидкости изменяется приблизительно от 50% для смазочного масла приблизительно до 99% для топлива. Следовательно, практические варианты изобретения применительно к жидким системам фильтрации будут, в основном, относится к слоям с более высокой эффективностью слоя, чем те, которые используются в воздушных системах фильтрации с более низкими эффективностями, такие как системы для газовых турбин, системы забора воздуха транспортных средств и системы внутренней вентиляции. Изобретение также обеспечивает преимущества применительно к воздушным фильтрам высокой производительности, таким как марки "НЕРА" или марки "УЛПА" в системах вентиляции. Изобретение также обеспечивает преимущество в отношении срока службы фильтра и повышения надежности при использовании многослойных сред. При наличии избыточных фильтрующих элементов вся система менее чувствительна к выходу из строя отдельного слоя фильтрующей среды.

Q. Дополнительные замечания
При оценке материалов по результатам следующих экспериментов были сделаны некоторые дальнейшие наблюдения по отношению к некоторым предпочтительным материалам по настоящему изобретению. Во-первых, грубая подложка или матрица обеспечивает целостность самих тонких волокон и конструкций, уменьшая, таким образом, вероятность того, что тонкие волокна будут повреждены в процессе производства, обработки или использования. При отсутствии грубых волокон или матрицы тонковолокнистая конструкция очень легко повреждается при контакте с другими материалами. Однако предпочтительные устройства по настоящему изобретению часто являются настолько выносливыми, что некоторые уже использованные конструкции могут быть промыты жидкостью или очищены потоком воздуха для их восстановления.

Также очевидно, что желательно создать устройства по настоящему изобретению с многократными слоями на подложке. Например, может быть использована подложка из пористого синтетического полотна, на которую накладывается слой тонкого волокна, затем снова укладывается грубоволокнистый слой с дальнейшим тонковолокнистым слоем и т.д. Таким образом, общий композит может быть создан воздушным прессованием множества слоев волокна, последовательно наложенных друг на друга. Это может оказаться желательным для некоторых процессов обработки. Ожидается, что это не обязательно приведет к различиям в работе конструкции по сравнению с работой отдельных слоев.

R. Дополнительные замечания
1. Характеристики оцененной длины микроволокна и/или площади поверхности микроволокна на единицу площади грубоволокнистой опоры
В предыдущих разделах обсуждались характеристики некоторых предпочтительных материалов, содержащих тонкие волокна (т.е. микроволокна), наложенные на грубоволокнистую опорную подложку, в отношении веса микроволокна на единицу площади грубоволокнистой подложки. В этом смысле, обратимся, например, к табл. 1 так же, как к замечаниям в разделах "F" и "I.4". Стекло - один из материалов, охарактеризованных здесь, как годный к использованию для формирования микроволокна. Учитывая удельный вес стекла около 2,6 г/см³, очевидно, что можно альтернативно характеризовать количество тонкого волокна (или микроволокна), наложенного на подложку грубого волокна, в терминах "длина волокна на квадратный метр площади грубоволокнистой опоры" так же, как по весу на квадратный метр площади стекловолокна данного диаметра. Так как волокна, в основном, имеют цилиндрическое сечение, характеристика "площадь поверхности тонкого волокна на единицу площади грубоволокнистой опоры" является также приемлемой.

В табл. R1 оцененные длины микроволокна на квадратный метр среды и оцененные площади поверхности микроволокна в квадратных метрах среды приведены для некоторых основных весов стекловолокна. Конкретно, представлены три диаметра стекловолокна: диаметр 0,10 микрона; диаметр 1,00 микрон и диаметр 3,00 микрона. Представлены также три конкретные основные веса: 0,10 грамма на квадратный метр; 1,00 грамм на квадратный метр и 10,00 граммов на квадратный метр. На основе этих параметров и предполагаемого удельного веса 2,6 г/м³ в таблице приведены числа, представляющие величину длины микроволокна на квадратный метр среды и площадь поверхности микроволокна на квадратный метр среды.

Для облегчения интерпретации приведенной в табл. R1 информации в связи с подходом табл. R1 обратимся теперь к табл. R2. В табл. R2 табл. 1 изменена, чтобы включить признак длины волокна и поверхностной площади наложенного на подложку волокна в некоторых примерах на основе расчетов при предполагаемом удельном весе порядка 2,6 г/м³ для стекла при среднем диаметре волокна 0,4 микрона.

Табл. R3 аналогична табл. R2, за исключением того, что расчет основан на диаметре волокна порядка 2,2 микрона.

После того как инженер приобретет нужный опыт работы с выбранными материалами, можно будет моделировать системы, частично на основе вычислений. В табл. R4 даны характеристики слоев тонкого стекловолокна на основе предполагаемой толщины материала, диаметра волокна и основных весов.

Как обсуждено в предыдущих разделах и подтверждено экспериментами, описанными ниже, конкретный материал, из которого были сформированы микроволокна, во многих случаях не является критическим фактором для достижения выгодных эффектов согласно принципам, изложенным ниже. Количество волокна для любого данного диаметра или величины поверхностной площади волокна для любого данного волокна является, как правило, более важным для достижения желательных результатов. На табл. R1, R2, R3 и R4 продемонстрирован более "родовой" подход к характеристике количества тонкого волокна, уложенного на подложку, которая, как правило, не зависит от конкретного выбранного материала. Иными словами, оценивая количество тонкого волокна, уложенного на единицу площади по длине или по поверхности, можно удалить из этой оценки переменную плотности тонковолокнистого материала, т.е. конкретный состав тонковолокнистого материала. С другой стороны, расчеты с использованием стекловолокна указывают на рабочие параметры, ожидаемые при некоторой длине волокна или поверхностной площади волокна на единицу площади подложки для данного волокна диаметра. Замена стекловолокна другим материалом, имеющим тот же диаметр, длину волокна на единицу площади или поверхностную площадь волокна на единицу площади подложки, обеспечит аналогичные фильтрующие свойства и производительность.

Следует отметить, что такие характеристики, как длина волокна на единицу площади являются эффективными показателями плотности упаковки или твердости. Кроме того, они относительно подробно описывают геометрию волокон, особенно с низкими основными весами.

2. Электростатически заряженная фильтрующая среда
Выше указывалось, что тонкое волокно по настоящему изобретению может использоваться вместе с различными другими средами. Была упомянута возможность использования нейтральной среды или, наоборот, электростатически заряженной среды.

В частности, предполагается, например, что микроволокно по настоящему изобретению можно использовать в композитах, которые включают в себя электростатически заряженную среду. Электростатически заряженная фильтрующая среда, которая иногда называется "электретной" фильтрующей средой, может быть использована как подложка, к которой крепится микроволокно, и/или как отдельный слой, размещенный в общей многослойной среде либо (а) за микроволокнистым материалом, либо (b) перед микроволокнистым материалом, либо (с) между слоями микроволокнистого материала.

При использовании электростатически заряженной фильтрующей среды могут быть созданы разнообразные работоспособные конструкции. В частности, электростатически заряженная среда обеспечивает относительно высокие начальные эффективности во многих областях применения. Однако с этой средой возникает проблема, состоящая в том, что она имеет тенденцию терять работоспособность с течением времени. Электростатически заряженная фильтрующая среда по настоящему изобретению может быть использована вверх по потоку за средой микроволокон, чтобы обеспечить некоторое увеличение начальной эффективности. Предпочтительной фильтрующей средой для такой области применения является электростатически заряженная среда типа Е30, представляющая собой заряженный волокнистый материал IL 60135, поставляемый фирмой "ALL FELT", Генуя. Его характеристики: основной вес 30 г/м², толщина 0,06 см (при давлении 0,035 кг/см²), проницаемость 183 м/мин и эффективность LEFS 43%. Как правило, предпочтительно, чтобы это была фильтрующая среда, которая без электростатической нагрузки имеет эффективность LEFS не более 80% и, как правило, от 10 до 50% (обычно 20-50%).

Также предполагается, что в некоторых случаях было бы желательно электростатически зарядить часть грубоволокнистой структуры, включая сами микроволокна. В других случаях, вместо размещения дополнительных слоев электростатически заряженного материала в общей конструкции, может оказаться желательным зарядить одну или несколько "опор", на которые укладываются микроволокна. Иными словами, микроволокна могут быть непосредственно наложены на электростатически заряженную подложку или заряд может быть приложен к подложке после того, как на нее уложены микроволокна.

Предполагается, что можно использовать различные способы приложения электростатических зарядов к среде, включая обычные методики. В некоторых случаях, могут быть использованы имеющиеся в продаже материалы.

3. Использование среды, содержащей химическое адсорбирующее или абсорбирующее вещество
Здесь термин "адсорбирующее вещество" или "адсорбент" будет использоваться применительно к адсорбирующему и абсорбирующему веществам. Иными словами, конкретный характер взаимодействия между захваченным химическим материалом, обычно органическим, и материалом фильтра не описывается.

Ряд материалов использовался как химические адсорбирующие вещества. Например, активированный углерод или фильтрующая среда из древесного угля используется для адсорбции запахов и различной другой органики.

Была разработана волокнистая фильтрующая среда, которая включает химические адсорбенты, в частности, из частиц углерода. Один из таких материалов торговой марки AQF^TM представляет собой адсорбционную среду поставки фирмы "Celanese Corp", Северная Каролина, 28232-6085. Этот материал имеет различную проницаемость (как правило, 137-279 футов в минуту), толщину (от 0,0661 до 0,0882 дюйма); основные веса (280-382 фунтов/3000 фут²); прочность на растяжение порядка 17-30 фунтов/дюйм. Предпочтительный материал для описываемых здесь применений - AQF-375C, который имеет следующие характеристики:
Основной вес - 480 г/м²
Высокопроизводительный активированный углерод в виде сферических гранул
Содержание углерода - 375 г/м²
Угольная пыль - отсутствует
Калибр - 1,45 мм
Предел прочности - 30 Фунтов на дюйм
Проницаемость воздуха - 160 фут³/фут²/мин
Перепад давления - 300 куб. фут/мин/фут², плоскость 1,2 дюйма
Динамическая адсорбция - 100 куб. фут/мин воздуха, для фильтра 10•10•1,5" со складчатой средой 0,63 м²
Адсорбционная способность n-бутана 80 ррм - 0,6 г
Проницаемость в течение 5 мин - 40%
Адсорбционная способность толуола 80 ррм - 55 г
Проницаемость в течение 5 мин - 7%
Адсорбционная способность газа 5O₂ 30 ррм - 9,2 г
Проницаемость в течение 5 мин - 21%
Эффективность удаления частиц размером 0,4 микрона - 0%
Эффективность удаления мелкой пыли 1 микрон со скоростью 313 фут/мин - 10%
Расход по частицам 3 микрона - 70%
Загрузка по пыли - 50%, подъем DP - 6 г (фильтр 10•10•15")
Такая фильтрующая среда может быть использована в полных устройствах по настоящему изобретению. Фильтрующая среда может, например, использоваться как опора, к которой крепятся микроволокна. Альтернативно такой материал можно использовать как часть среды вверх или вниз по потоку от микроволокнистой среды (с ее опорой), чтобы создать общий композит с нужными свойствами.

4. Вопросы, относящиеся к толщине складчатой среды; обработка
Как правило, при использовании обычного оборудования для создания складок на фильтрующей среде, например, вращательного типа максимальная толщина среды, на которой могут быть сделаны складки, равна приблизительно 0,15 см и, как правило, это более тонкая среда (0,009 см, часто 0,0076 см или менее). Таким образом, основным фактором, принимаемым во внимание при создании складчатой среды, является общая толщина материала.

Как правило, масляная обработка среды, такой как целлюлоза, продлевает срок службы. Отчасти это может быть объяснено тем, что, поскольку обработанная маслом среда собирает карбонатные частицы, а не дендрит и блокирует воздушный поток, карбонатные частицы становятся взвешенными в масле. Устройства для масляной обработки среды описаны, например, в патенте США 5238474, включенным в данную заявку в качестве ссылки.

В последнее время датчики массового расхода, размещенные на выходе воздушного фильтра, находят все большее применение. Например, в автомобильно-тракторной промышленности датчики массового расхода иногда размещаются за воздушным фильтром. Если среда, используемая в воздухоочистителе, включает масляную обработку, сама эта обработка может загрязнить оборудование. Кроме того, при масляной обработке фильтрующая среда имеет тенденцию пропустить некоторое количество мелких частиц, что продлевает срок службы фильтра за счет снижения эффективности.

Во многих случаях фильтрующая среда, включающая описанные выше тонковолокнистые слои, может быть эффективно использована вместо среды, подвергнутой масляной обработке. Некоторые примеры этого приведены ниже. Однако следует снова напомнить, что для цели создания складчатой структуры толщина среды должна быть 0,15 см или менее, предпочтительно 0,076 см или менее. Чтобы выполнять это требование, может оказаться необходимым ограничить число слоев тонкого волокна и, по возможности, уменьшить толщину разделяющих слоев. Предпочтительно, чтобы толщина разделяющих волокон не превышала бы 0,0076 см и наиболее предпочтительно не более 0,0038 см.

5. Вопросы, связанные с входной скоростью и градиентными системами по сравнению с неградиентными системами
Поскольку некоторые из приведенных ниже примеров показывают, что при пакетировании слоев или создании тонковолокнистых слоев с равными процентами эффективности, при некоторых условиях испытаний можно показать, что градиент между слоями тонких волокон может быть более предпочтителен, чем использование тонковолокнистых слоев равной эффективности. Иными словами, если учитываются общая равная эффективность композита, как правило, градиент в отдельных тонковолокнистых слоях, составляющих композит, от более низкой к более высокой эффективности в композите (сверху вниз по потоку) может оказаться предпочтительным.

Можно сомневаться, будет ли справедливо такое наблюдение в широком диапазоне входных скоростей. Конкретно, по мере увеличения входной скорости можно предположить, что в слоях вверх по потоку будут формироваться дендритные частицы, но с меньшей скоростью, поскольку более высокая входная скорость обычно связана с большей проницаемостью, когда удар пылевых частиц о формирующиеся дендриты вызывает разрушение этих дендритов (или ограничение их формирования). Таким образом, можно ожидать, что применение более высоких входных скоростей будет иметь тенденцию отрицания преимуществ, связанных с использованием градиентных слоев в тонковолокнистом композите, в отличие от неградиентных слоев.

6. Некоторые возможные конструкции.

(а) Усовершенствование конструкций складчатых листов.

Складчатая фильтрующая среда (из листов) используется в самых разнообразных конструкциях фильтров. Наиболее часто используемые фильтрующие материалы: целлюлоза, стекловолокно или синтетические полимерные волокнистые листы; листы облегченного политетрафторэтилена (ПТФЭ) и листы смесей волокон. Практически выполнимы улучшенные композиты, в которых применяются многослойные тонковолокнистые структуры по настоящему изобретению, в составе такой среды.

Следует отметить, что типичные листы политетрафторэтилена, используемые в качестве фильтрующей среды, имеют размер нитевидных молекулярных образований порядка 0,1-0,3 микрона, проницаемость (фут-метр) 2-70; эффективность LEFS>80%, как правило, >90% (как правило, эффективность по очистке масла составляет 80-99,9999%).

При этом термин "Многослойная тонковолокнистая конструкция или "область" или "Конструкция или область МТЛК" будет обозначать тонковолокнистую конструкцию в соответствии с настоящим изобретением, в основном, она будет содержать множество (по меньшей мере, два) тонковолокнистых слоев, разделенных прокладочным слоем или матрицей. В соответствии с описанными здесь принципами, использование тонковолокнистых слоев (одинаковой или разной эффективности LEFS) позволяет обеспечить общую предпочтительную тонковолокнистую конструкцию нужной эффективности.

Рассмотрим обычный лист целлюлозы, имеющий эффективность LEFS больше 15%; проницаемость больше 10 футов в минуту и общую толщину менее 0,020 дюйма. Это обычная складчатая фильтрующая среда. (Конечно, могут быть использованы обсужденные выше заменители).

Можно сложить листы целлюлозы (или другие описанные выше листы) конструкции МТЛК по настоящему изобретению, чтобы получить улучшенную складчатую среду. Рассмотрим, например, размещение рядом с листом целлюлозы на выходной стороне листа конструкции МТЛК, имеющей общую эффективность LEFS меньше или равную 60%. Такая конструкция, например, могла бы быть сформирована, используя три слоя тонкого волокна, разделенного опорными структурами (матрицами), как описано выше. Большая часть слоя тонкого волокна, расположенного вниз по потоку, при желании может быть непосредственно уложена на лист целлюлозы. Общая "эффективность LEFS порядка 60% может быть достигнута, например, при трех слоях, демонстрирующих среднее значение эффективности LEFS приблизительно 25%.

Предпочтительно использовать разделительные слои менее 0,0076 см толщиной, более предпочтительно менее 0,0038 см толщиной. Таким образом, общая толщина будет, в основном, менее 0,15 см и будет иметь складчатую форму.

Этот материал или участок фильтра может быть легко преобразован в складчатый автомобильный фильтр вместо обычного листа целлюлозы. Он может обеспечить всей конструкции фильтра продленный срок службы, учитывая тип загрузки конструкции МТЛК за целлюлозой. При альтернативном решении он может использоваться для создания фильтрующего элемента, имеющего срок службы, примерно равный сроку службы обычного элемента (складчатая целлюлоза), но меньшего размера. Таким образом, к преимуществам всего воздухоочистителя можно отнести его малый размер. В некоторых случаях он может даже быть смонтирован не снаружи, а внутри транспортного средства, например под капотом двигателя.

В описанной выше конструкции лист целлюлозы (или другого материала), расположенный за конструкцией МТЛК, обеспечивает некоторую структурную целостность системы. Таким образом, конструкция МТЛК может быть использована в случае относительно низких входных скоростей, а также и в областях применения, которые характеризуются относительно высокими входными скоростями, например в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или для фильтрации воздуха в салоне. Безусловно, такая конструкция может также использоваться с фильтрами типа "НЕРА" или "ULPA".

(b) Улучшенные Фильтры, на основе конструкции глубинной среды.

В патентах США 5082476; 5364456; 5238474 и 5423892, включенных в описание в качестве ссылки, описаны различные конструкции воздушных фильтров, в которых используется глубинная среда или различные слои глубинной среды. Во многих случаях за участком глубинной среды размещена складчатая фильтрующая среда (например, из целлюлозы). В некоторых случаях, например тех, которые описаны в патенте США 5238474, размещенная вниз по потоку складчатая фильтрующая среда характеризуется как масляная складчатая фильтрующая среда, как правило, из целлюлозы, обработанная маслом. Как отмечено выше, можно исключить масляную обработку, используя сочетание листа целлюлозы (или листа из другого материала) и конструкцию МТЛК по настоящему изобретению. В некоторых случаях это делается, чтобы сэкономить место; в других случаях, чтобы избежать использования масляного материала, который может оказать нежелательное влияние на оборудование, размещенное вниз по потоку, такое как датчики массового расхода.

Конечно, конструкция МТЛК по настоящему изобретению может быть использована и в устройствах с масляной средой.

(с) Устройства для фильтрации воздуха в салоне
Как правило, фильтрация воздуха салонов, например фильтрация воздуха салона транспортного средства, преследует две цели: удаление запахов и удаление взвешенных частиц. Композиты, используемые в конструкции МТЛК по настоящему изобретению, могут быть включены в общую систему очистки для достижения желательной эффективности обоих частей системы. Конечно, могут также использоваться отдельные слои тонковолокнистого материала в сочетании с такими материалами, как электретная или углеродистая адсорбционная среда.

Как отмечено выше, для фильтрации запаха, как правило, используются фильтры из химического адсорбента. С этой целью можно использовать такой материал, как активированная углеродистая фильтрующая среда, например, Hoeschst Celanese AQF-375С. Такую среду можно было бы поместить, например, за конструкцией МТЛК по настоящему изобретению. Конструкция МТЛК была бы весьма эффективна для удаления твердых частиц из фильтруемого воздуха салона.

Кроме того, можно было бы ввести в общую систему "электретную" конструкцию. Иными словами, фильтрующая среда с приложенным к ней электрическим зарядом могла бы также использоваться в общей конструкции фильтра для очистки воздуха в салоне.

Как правило, электретная фильтрующая среда имеет высокую начальную эффективность, которая уменьшается с ее загрузкой, пока не начнет образовываться твердая корка при относительно медленном увеличении разности развиваемого через фильтр давления из-за падения его производительности. Как описано выше, конструкции МТЛК могут, как правило, иметь небольшую начальную производительность по сравнению с электретной. При объединении этих двух систем могут в полной мере быть использованы преимущества каждой из них. Если электретный материал размещен за материалом МТЛК по настоящему изобретению, может быть достигнута относительно высокая начальная производительность электретного материала. В частности, относительно легкий (тонкий) электретный материал можно использовать, чтобы обеспечить некоторую желательную начальную производительность, а также замедлить развитие нежелательного перепада давления. Конструкция МТЛК, размещенная перед электретным материалом, может обеспечить полную желательную производительность и продолжительный срок службы (медленное повышение давления). Эта комбинация, конечно, может быть использована вместе с загруженной углеродом фильтрующей средой, чтобы достичь нужного уровня адсорбции запаха.

Типичная конструкция, например, будет содержать сверху вниз по потоку электретный адсорбент и конструкцию МТЛК.

Ожидается, что такие конструкции могут иметь толщину, которая обеспечит складчатую структуру, используя описываемые здесь способы.

(d) Устройства для фильтрации воздуха двигателя
Предполагается, что способ по настоящему изобретению может использоваться, чтобы обеспечить значительное улучшение систем фильтрации воздуха, поступающего в камеры сгорания двигателей. Такие системы широко используются в различных двигателях внутреннего сгорания. Они, например, используются в таких транспортных средствах, как автомобили, легкие и тяжелые грузовики, шоссейные трейлеры, сельскохозяйственное оборудование, автобусы, самосвалы, мусоровозы, различное другое транспортное оборудование.

Например, заявленные способы могут использоваться в воздухозаборниках двигателей, в основном, мощностью приблизительно от 100 до 3000 л.с.

В таких системах среда, особенно складчатая фильтрующая среда, как описано выше, может успешно использоваться, чтобы повысить производительность или срок службы или оба эти параметра. Можно создать композиты, имеющие общую эффективность до 99% или более, которые состоят из отдельных тонковолокнистых слоев, имеющих эффективность от 10 до 90%, обычно от 10 до 70%. В этом случае Фильтрующая среда может иметь складки вместе с другой средой, такой как складчатая бумага или складчатая синтетика, чтобы образовать нужный общий композит. Действительно, в некоторых системах может также применяться глубинная среда, расположенная вверх или вниз по потоку и состоящая из тонких волокон. Различные подходы к такой конструкции были описаны выше.

(е) Применение в среде, используемой в конструкции Z-фильтра
В литературе описываются устройства, обычно именуемые как "Z-фильтр". В частности, такие устройства раскрыты в патентах США со следующими номерами: 1729135; 2599604; 3025963; 4589983; 2552615; 2558185; 5322537; 3112184; 4439321; 4310419; 4713097; 5512075 и 4039457 и одновременно рассматриваемые заявки:
08/639371, зарегистрирована 26 апреля 1996 года;
08/638453, зарегистрирована 26 апреля 1996 года; 08/638703, зарегистрирована 26 апреля 1996 года; 08/639220, зарегистрирована 26 апреля 1996 года; 08/638421, зарегистрирована 26 апреля 1996 года и 08/639154, зарегистрирована 26 апреля, 1996. Вышеупомянутые 19 документов включены в описание в качестве ссылки. Предполагается, что описываемые здесь тонковолокнистые конструкции могут применяться в такой среде. Иными словами, такие конструкции, которые формируются из гофрированных целлюлозных или синтетических листов, могут быть улучшены путем соединения их (как правило, на выходной стороне фильтра) с разделенными тонколистовыми слоями (или конструкцией МТЛК) по настоящему изобретению. Общий композит будет иметь улучшенные характеристики производительности и загрузки. Предполагается, что такие устройства могут, например, найти применение в таких системах, как газовые турбины, воздухозаборники для двигателей, системы фильтрации воздуха и другие применения в системах очистки.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для оценки среды по настоящему изобретению, проводилось различные эксперименты. Результаты экспериментов позволили выявить определенные преимущества использования среды по настоящему изобретению.

Фильтрующая среда, используемая в экспериментах
Для экспериментов использовались различные среды. Для сравнительных целей в одном из экспериментов использовалась целлюлоза мокрого прессования в качестве фильтрующей среды с эффективностью LEFS 35%. Термин "LEFS 35%" в этом контексте означает, что эффективность среды по улавливанию частиц размером 0,78 микрона при методике характеристики для описанной эффективности составляет 35%.

В некоторых экспериментах использовалась фильтрующая среда, в которой микроволокна содержали стекловолокно. В этих случаях фильтрующая среда содержала слой стеклянного микроволокна на подложке из пористого полиэфира ("Rеемау 2011"). Стеклянные микроволокна имели различные диаметры приблизительно от 0,1 до 3,0 микрон. Грубое синтетическое полотно или волокнистая основа, в основном, состояли из описанного выше полиэфирного полотна, поставляемого под обозначением "Rеемау 2011". Общая методика подготовки различных образцов стекловолокна описана в вышеупомянутом патенте США 5336286. Фильтрующая среда из стекловолокна или композит, в основном, характеризуются эффективностью LEFS в процентах, которые обозначают эффективность улавливания частиц размером 0,78 микрона по методам, описанным в этом патенте.

Некоторые из описанных здесь образцов называются как материал под торговой маркой "Ultra-Web^®" или полимерное волокно типа DCI. Эта среда обычно содержит грубое полиэфирное волокно ("Reemay 2011"), на которое накладывается микроволокно "Ultra-Web^®", выпускаемое компанией "Donaldson Company". Микроволокно обычно имеет размер около 0,1-0,5 микрона и включает полимер.

Если не оговорено особо, во всех экспериментах использовалась грубая подложка типа "Reemay 2011" и ламинирование композитов осуществлялось с помощью аэрозольного клея "3М Super 77".

Эксперимент 1
Загрузка табачным дымом
В этом эксперименте оценивается высокоэффективная среда, используя относительно открытую пористую и волокнистую конструкцию по настоящему изобретению, чтобы улучшить загрузку (срок службы) фильтрующей среды, выполненной из тех же самых тонких волокон и приблизительно той же самой начальной эффективности, но с меньшим зазором между волокнами. Табачный дым использовался по нескольким причинам. Во-первых, он имеет тенденцию очень быстро забивать обычные высокоэффективные фильтры с небольшими порами. Смола в дыме представляет собой аморфное твердое вещество, которое обладает текучестью и подвергается большим капиллярным силам небольших волокон. Капиллярные силы заставляют остаток табачного дыма покрывать волокна и входить в поры. Во-вторых, это обычный загрязнитель пассажирских салонов, морских кают, комнат в помещениях и т.д.

Проверенные материалы:
(a) Одиночный слой тонковолокнистого материала типа "Ultra-Web^®", содержащий высокоэффективные тонкие полимерные субмикронные волокна на подложке "Hovolin 7311". "Hovolin 7311" это модификация прежней подложки "Hollingsworth & Vose", содержащая полиэфирные волокна.

(b) Одиночный слой "средней" эффективности (LEFS 68,6%) тонких волокон "Ultra-Web^®", которые имеют большие поры (межволоконные промежутки), чем поры одиночного слоя высокоэффективного слоя из тонких полимерных волокон по пункту (а). Материалом подложки был "Hovolin 7311".

(c) Композит из 14 слоев тонких полимерных волокон на подложке "Reemay 2011". Общая начальная эффективность LEFS 99,6%, эффективность одиночного слоя приблизительно LEFS 28%. Размер внутренних межволоконных промежутков между тонкими волокнами этого материала превышал соответствующий размер в среде, описанной в пунктах (а) или (b). Этот материал был изготовлен, используя методику "Ultra-Web^®", с наложением тонких волокон на подложку "Reemay 2011".

Результаты:
1. Загрузка через трехдюймовый слой воды со скоростью 2,1 м/мин измерялась числом использованных сигарет.

2. В каждом случае нагружаемая площадь составляла 522,5 см² (см. табл. 2).

3. Конечная эффективность LEFS, которая ниже, чем начальная эффективность LEFS (для среды (b) и (с)), как полагают, связана с природой загрязнителя. (Следует отметить, что эффект был более выражен для системы из отдельного слоя, чем для многослойной системы.) Жидкости, которые покрывают волокна, увеличивают диаметр влажных волокон. Кроме того, поскольку малые поры закрыты и перепад давления увеличивается, поток и аэрозоли могут быть отклонены к порам большего размера, которые остаются открытыми в течение более длительного времени. Относительно небольшие частицы (0,78 микрона), проходящие через большие поры или мимо больших влажных волокон, имеют более низкую склонность к концентрации, чем когда фильтрующая среда не загружена.

Заключение
Сравнение различий между средой (а) и (b), отчетливо демонстрирует компромисс между сроком службы и эффективностью, который типичен при выборе фильтрующей среды для практических целей. В этом примере по мере перехода от среды (а) к среде (b) срок службы увеличивается в 5 или 6 раз за счет уменьшения прохода загрязнителя в 45 раз (на основе начальной эффективности).

Сравнение различий между средой (b) и (с) при переходе от среды (b) к среде (с) получено четырехкратное увеличение срока службы, и проницаемость твердых частиц в композит была снижена в 78 раз, что отражено начальным увеличением эффективности от 68,6 до 99,6%.

Сравнение различия между средой (а) и средой (с) дает 22-кратное увеличение срока службы и проницаемость твердых частиц в композит была, по существу, неизменной.

Для выбранного уровня эффективности срок службы можно значительно повысить, используя большие волокна для разделения тонких волокон. По настоящему изобретению в некоторых системах возможно увеличение и срока службы, и эффективности или по меньшей мере улучшение одного без нежелательного ухудшения другого, принимая во внимание, что, используя обычную среду, сроком службы обычно жертвуют в пользу эффективности.

Эксперимент 2
Эффективность и загрузка с использованием масляной среды
Эти испытания проводились, чтобы оценить высокоэффективную среду, используя относительно открытую, пористую волоконную конструкцию, чтобы увеличить загрузку (срок службы) фильтрующей среды, сделанной из тех же самых тонких волокон и приблизительно той же самой начальной эффективности, но с меньшим промежутком между волокнами. Альтернативно было заявлено, что изучение имело целью оценить, можно ли увеличить срок службы фильтра, уменьшая эффективность одиночного слоя при поддержании общей эффективности композита. Диоктилфталат представляет собой масло; неаморфное твердое вещество подобно смоле, содержащейся в дыме сигарет, но в эксперименте 1 действует как смола в отношении закрытия пор, капиллярного затекания и покрытия тонких волокон. Однако испытательное оборудование, используемое для этого эксперимента, измеряло производительность и перепад давления в режиме реального времени.

Установка:
Документ MIL STD 282, ASTM D 2986
Испытываемые материалы:
(a) Одиночный слой высокоэффективных субмикронных полимерных волокон на подложке "H&V 7311" с объединенной эффективностью LEFS 99%.

(b) Композит с 8 слоями, содержащий: 7 слоев тонких полимерных волокон на подложке "Reemay 2011" и покрывающий слой "Reemay 2011". Тонкие волокна типа "Ultra-Web^®" поставки компании Donaldson. Общая эффективность композита составляла 97.5% LEFS; эффективность одного слоя ("Reemay 2011" с тонким волокном) - 41% LEFS. Промежутки между тонкими волокнами этого материала были больше, чем промежутки в среде, описанной в пункте (а).

(с) Композит из 14 слоев тонких полимерных волокон на подложке "Reemay 2011". Общая начальная эффективность LEFS 99,6%, эффективность одиночного слоя (на подложке "Rеемау 2011") приблизительно LEFS 28%. Размер внутренних межволоконных промежутков между тонкими волокнами этого материала был больше, чем в среде по пунктам (а) или (b).

Результаты:
Фильтрующая среда (b) и (с) показала существенные преимущества по загрузке по среде, состоящей из относительно близко расположенных тонких полимерных волокон (т.е. фильтрующая среда (а)) (см. табл. 3).

Потеря эффективности со временем постоянно наблюдается при работе со всеми испытанными образцами и аналогична уменьшению LEFS в экспериментах с загрузкой фильтра табачным дымом (Эксперимент 1). Причиной снижения эффективности может быть та же, что и описанная выше в выводах по экспериментам с табачным дымом (Эксперимент 1) (см. табл. 4).

Заключение
Результаты при загрузке диоктилфталата совпадают с результатами загрузки табачным дымом. Сумма слоев низкой эффективности в структуре, где слои тонкого волокна чередуются со слоями грубого волокна, обеспечивает существенные преимущества по загрузке (сроку службы) по сравнению с эффективностью фильтрующей среды, состоящей из одного слоя тонких волокон.

Эксперимент 3
Загрузка NaCl
Эта серия испытаний была проведена для оценки повышения срока службы фильтра, которое может быть получено при переходе от отдельного слоя на опорной подложке в тонковолокнистой среде высокой эффективности, к нескольким слоям тонкого волокна низкой эффективности на подложке с приблизительно равными коэффициентами LEFS. Эти испытания отличались от испытаний с табаком и диэтифталатом в том смысле, что твердые частицы соли, подаваемые в среду, представляли собой дискретные твердые частицы; не жидкость или полуаморфное твердое вещество, следовательно, при загрузке происходит увеличение спекания и повышение эффективности фильтра. Было отмечено, что после спекания кривые загрузки были очень сходными для всех проверенных сред. В частности, после спекания фильтрующая среда больше не проверялась.

Установка
Фильтрующая среда загружалась на специальном стенде (схема установки приведена на фиг.25), используя общедоступные узлы, в частности высокопроизводительный распылитель 3076 для создания частиц, нейтрализатор аэрозоля типа TSI 3054 и электрический анализатор аэрозоля (ЭАА), модель 3030, используемый для подсчета твердых частиц и калибровки при измерении эффективности частиц в качестве испытательной загружаемой среды. В качестве загрязнителя использовалась субмикронная соль, поскольку при использовании этого загрязнителя легче найти различия в загрузке различных сред, чем когда традиционно используется кремнеземная пыль.

Испытанные материалы
Фильтрующая среда с эффективностью композита LEFS 40-45%, 60-65% и 75-80%. Все композиты были приготовлены из тонких полимерных волокон "Ultra-Web^®" на подложке "Rеемау 2011". Для данного образца композита все слои в этом образце были изготовлены из сред с равной эффективностью LEFS среды (т.е. без градиентов эффективности композитов, испытанных в этой серии экспериментов). Например, если композит имел эффективности LEFS 50% и было сделано 6 слоев, каждый слой (подложка "Rеемау 2011" с тонкими волокнами на ней) будет иметь эффективность LEFS 10,9%.

Результаты
Сложная фильтрующая среда со слоем более низкой эффективности LEFS выдерживает большую загрузку (более длительный срок службы), чем сложная фильтрующая среда, состоящая из меньшего количества слоев с более высокой эффективностью LEFS слоя. Явная возможность выбора эффективности и срока службы независимо друг от друга отличает эту среду от многих областей применения традиционной среды. На практике при использовании обычной среды срок службы можно увеличить только за счет снижения эффективности фильтра (см. табл. 5, 6, 7, 8).

Заключение
Из результатов этого эксперимента вытекает, что можно независимо выбирать и эффективность среды и загрузку (срок службы), принимая во внимание, что для типичной обычной среды и выбранной начальной эффективности LEFS, соответствующие величины срока службы при загрузке соли могут быть ограничены отношением менее 2: 1. Этот эксперимент продемонстрировал способность увеличения срока службы при загрузке субмикронных частиц соли в 5 или 6 раз, благодаря увеличенному зазору между тонкими волокнами путем снижения средней эффективности слоя и увеличения числа слоев.

Эксперимент 4
Загрузка соли при 150 фут/мин.

Установка
Площадь образца: 25 квадратных дюймов (плоский квадратный лист), используя специальный испытательный стенд (схема 14) и обычный распылитель вместе с нейтрализатором TSI 3054.

Испытанные материалы
1. Обычная целлюлоза, полученная способом мокрого прессования и используемая в воздушных машинных фильтрах с начальной эффективности LEFS 35-38%. Как правило, работает при скорости потока 8 и 10 фут/мин.

2. Трехслойный композит, выполненный из листов из стекловолокна размером от субмикронного до около 3 микрон на подложке "Rеемау 2011".

Эффективность всего композита LEFS 32%. Эффективность отдельного слоя LEFS 12%, эффективность слоя 12% (каждого).

Используемое стекловолокно - "Schuller #106".

Результаты (см. табл. 9).

Заключение
Трехслойная складчатая фильтрующая среда, включая синтетическое полотно с сеткой из тонкого стекловолокна (от субмикронной до 3 микрон в диаметре), продемонстрировала значительно большую проницаемость (13х) и срок службы при загрузке субмикронными частицами соли (>5х), чем складчатая поверхностно-загружаемая целлюлоза, причем обе приблизительно равной начальной эффективности LEFS. Скорость при испытаниях порядка 150 фут/мин была выбрана произвольно, чтобы показать возможности среды. Это не значит, что предлагается использовать фильтрующую среду из целлюлозы в воздушных фильтрах, работающих именно с этой скоростью потока 150 футов в минуту.

Эксперимент 5
Неградиентный и градиентный варианты изобретения
Этот эксперимент был проведен для сравнения результатов загрузки градиентной среды с начальной эффективностью LEFS приблизительно 65% с вариантом неградиентной среды с одинаковым числом слоев и той же эффективностью LEFS.

Установка
Установка аналогична установке системы при загрузка соли в эксперименте, описанном выше.

1. Неградиентная Фильтрующая среда состояла из субмикронных полимерных волокон (типа волокна "Ultra-Web^®"), помещенных на подложку "Rеемау 2011" и ламинированных вручную, используя клей "3М супер 77", причем каждый слой имел приблизительно ту же самую эффективность LEFS, что и другие два слоя композита. Эффективность LEFS одного слоя была равна приблизительно 24%.

2. Фильтрующая среда состояла из субмикронных полимерных волокон (типа волокна "Ultra-Web^®"), помещенных на подложку "Rеемау 2011", причем последующие слои имели большую эффективность, чем предыдущие слои. Градиент был выбран произвольно, и не было бы известно, будет ли увеличен срок службы при выборе различных слоев для трехслойного градиентного композита при одной и той же общей эффективности LEFS. В этом примере эффективность LEFS от позиции слоев вверх по потоку до позиции слоев вниз по потоку составляли приблизительно 10%, 20% и 40%. Эти слои были также ламинированы вручную, используя клей "3М супер 77".

Результаты
Результаты показаны на фиг.22.

Наблюдения и заключение
В градиентной версии изобретения лучше используется объем среды, чем в соответствующем варианте неградиентной среды (толщина, проницаемость и эффективности LEFS). Это демонстрируется увеличением на 66% при загрузке субмикронных частиц (NaCl) в градиентном образце по сравнению с неградиентным. Это снова можно объяснять разницей в величине промежутка между тонкими волокнами. Структура неградиентной среды того же объема и эффективности, что и градиентная среда, не использует в полном объеме потенциал загрузки волокон на выходной стороне среды из-за формирования корки на входной стороне неградиентной среды. Корка формируется быстрее на неградиентной среде, чем на градиентном материале. Это объясняется тем, что среднее расстояние между тонкими волокнами меньше в неградиентной среде, чем в низкоэффективных выходных слоях градиентной среды. Используя эффективность LEFS как указатель межволоконного расстояния, мы видим, что первый слой неградиентной структуры имеет эффективность LEFS 24%, тогда как первый слой градиентной структуры имеет эффективность 10%. Следовательно, структура градиентной среды будет иметь тенденцию более эффективно использовать весь имеющийся объем среды, чем эквивалентная неградиентная структура.

Эксперимент 6
Сравнение субмикронного стекловолокна с полимерным субмикронным волокном
Это испытание осуществляется для сравнения градиента среды, испытанной в эксперименте 5 и состоящей из субмикронных полимерных волокон "Ultra-Web^®", с системой, состоящей из стекловолокна. Полимерные волокна имели диаметр 0,4 микрона с относительно небольшой разницей в размере волокон. Стекловолокно было около 0,2-3,0 мкм в диаметре (типа "Schuller 106"). Была также испытана однослойная среда в стеклянных и полимерных версиях с эффективностью LEFS 40%.

Установка
См. эксперимент 10 по загрузке соли со скоростью 10 фут/мин.

Испытанные материалы
1. Полимерная тонковолокнистая фильтрующая градиентная среда из эксперимента 5.

2. Версия градиента стекловолокна - субмикронной градиентной среды, проверенной в эксперименте 5. Субмикронное стекловолокно было выбрано, чтобы соответствовать среднему размеру полимерного волокна, но с различным распределением относительно среднего размера. Листы были подготовлены мокрым ручным прессованием, используя формат 8•8 дюймов. Стекловолокно было размещено на подложке "Reemay 2011", которая удерживалась тонкой пластмассовой сеткой, на которой обычно собираются волокна, дренированные из суспензии.

3. Одиночный слой тонковолокнистой полимерной среды с эффективностью LEFS 40%.

4. Одиночный слой тонкого стекловолокна ("Schuller #106") в фильтрующей среде с эффективностью LEFS 40%.

Результаты
Различие в загрузке для градиентной среды было приблизительно 5% при 5,0 в Н₂О и загрузке одиночного слоя, с эффективностью LEFS 40% образцы отличались друг от друга примерно на 10%. Скорость обработки многослойной фильтрующей среды была очень близкой скорости для однослойной среды. Для градиентной среды эффективность образца стекловолокна увеличивалась быстрее, чем для полимерного варианта волокна. Причина этого была частично понята позднее, когда было обнаружено, что стекловолокно примерно до 3 микрон было включено в запас стекловолокна, используемого для изготовления плоских образцов вручную. Это было обнаружено, когда снимки СЭМ были взяты для анализа размера пор. Результаты этого эксперимента отражены на фиг.23 и 23А.

На графике фиг.23 приведено сравнение рабочих характеристик варианта одиночного слоя полимерного волокна (LEFS 40%) с вариантом однослойной среды из стекловолокна (LEFS 40%).

На графике фиг. 23А приведено сравнение рабочих характеристик варианта трехслойной градиентной среды из полимерного волокна (LEFS 60%) с вариантом трехслойной градиентной среды из стекловолокна (LEFS 60%). Следует обратить внимание на то, что для каждого типа (полимерное волокно или стекловолокно) фильтрующая среда в виде градиентной системы имела приблизительно на 70% увеличение срока службы и примерно на 33% меньшую проницаемость. Это указывает на то, что нет необходимости жертвовать эффективностью для увеличения срока службы, если используются предпочтительные способы настоящего изобретения.

Заключение
Градиентные виды среды загружаются лучше, чем неградиентные системы. Перед образованием корки стекловолокно и полимерное волокно ведут себя аналогично, хотя стекловолокно характеризуется более широким распределением волокон по размеру, чем полимерные волокна. Учитывая неравенство размеров и распределения волокон, это было неожиданно. Различие в наклоне кривой загрузки после образования корки пока не объяснено.

Эксперимент 7
Наблюдения для различных образцов
На фиг. 12-21 представлены микроснимки различных сред, выполненные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Принципы настоящего изобретения можно понять, рассматривая различные изображенные здесь среды.

Сначала обратим внимание на фиг.12. На фиг.12 представлен микроснимок со 100-кратным увеличением, на котором показана обычная среда из полимерного волокна, полученная воздушным прессованием, в частности материал "Kem Wove 8643". Заметно постоянство размера волокна. Это материал в 1,5 денье. Его эффективность LEFS - 3%. Его толщина - приблизительно 0,30 дюйма. Он имеет основной вес приблизительно 73 фунта/3000 фут², объемную твердость 1,1% и проницаемость 400 футов на метр.

На фиг. 13 показана обычная среда из стекловолокна воздушного прессования, увеличенная в 100 раз. Это конкретная фильтрующая среда типа AF18, поставляемая фирмой "Schuller". Здесь снова мы наблюдаем постоянство размера волокна. Оно имеет эффективность LEFS порядка 12%; толщина 0,18 дюйма; основной вес 60 фунтов/3000 фут²; объемная твердость 0,9% и проницаемость 230 футов на метр. Материал имеет 45% наполнителя "ASHRAE"; приблизительный размер волокна 4,5 мкм.

На фиг.14 и 15 показана обычная двухфазная среда с 500-кратным увеличением. Обе фазы - стекловолокно. Среда на двух фотографиях представляет собой материал "Hollingsworth" и "Vose HF343" соответственно. Фиг.14 представляет сторону вверх по потоку, где расположено более грубое волокно. Фиг.15 представляет сторону вниз по потоку, где можно видеть смесь более тонких волокон с грубыми. Материал HF343 представляет собой стекловолоконную среду, изготовленную способом мокрого прессования. Сторона вверх по потоку этой среды (первая фаза) имеет относительно открытые, большие, грубые, самоподдерживающиеся волокна, предназначенные для захвата и удержания крупных частиц загрязнителя.

Сторона вниз по потоку (вторая фаза) среды состоит из сочетания тонких и грубых волокон. Тонкие волокна обеспечивают более высокоэффективный слой, но с меньшей загрузочной способностью, чем большие волокна в одной фазе. Фильтрующая среда имеет оценку ASHRAE приблизительно 60-65%. Среда "HF343" имеет эффективности LEFS 23%; толщина 0,02 дюйма; основной вес 50 фунт/3000 фут²; объемная твердость 7.1% и проницаемость приблизительно 135 футов на метр.

Как правило, измерить объемную твердость тонковолокнистого слоя по настоящему изобретению непосредственно или косвенно довольно трудно и становится еще более трудным при эффективности LEFS приблизительно менее 15-20%. Первая трудность заключается в оценке нормальной местной толщины тонковолокнистого слоя. При типичном сочетании тонких и грубых волокон, используемых для создания устройства по настоящему изобретению, тонкие волокна создают открытую пористую "поверхность". Топография поверхности напоминает паутину на опорной конструкции. Поверхность матрицы микроволокон приобретает ее форму из структуры волокна и пустот под ней (форму опорной конструкции), следовательно, матрица имеет много пиков, долин, горных хребтов и углублений. Измерение толщины, используемое для оценки твердости не делается от пика до долины, но измеряется толщина слоя в пике, долине или в местной плоскости. Эта геометрия имеет особенности, которые не очевидны на микроснимках СЭМ, но легко видны при просмотре через стереоскоп при 10-кратном или 40-кратном увеличении. Оценки твердости, приведенные для материалов изобретения, получены из оценок местной толщины, перпендикулярно тонковолокнистому слою.

На фиг.16 представлена композитная фильтрующая среда по настоящему изобретению. Фильтрующая среда содержит стекловолокно "Schuller 106", размещенную на подложке "Rеемау 2011". Диапазон диаметра тонкого волокна лежит в пределах от субмикронного размера до приблизительно 3 микрон. Количество размещенного на подложке волокна 106 достаточно для того, чтобы общий слой имел бы эффективность LEFS 40%. На фотографии ясно различимы очень тонкие волокна, составляющие тонковолокнистый слой. Под ним видны более грубые волокна.

Материал, представленный на фиг. 16, был изготовлен способом ручного мокрого прессования листа тонковолокнистого материала, размещенного на подложке "Reemay 2011", как описано выше. В этой среде отношение диаметра грубого волокна подложки к диаметру тонкого волокна намного больше, чем в среде, изображенной на фиг. 14 и 15. Проницаемость тонковолокнистого слоя оценивается, удаляя вклад подложки в проницаемость композита. Для образцов с низкой эффективностью и высокой проницаемостью было необходимо сложить в пакет несколько слоев, чтобы получить измеримые величины для расчета средней проницаемости.

Для этого материала, измеренного при 1000-кратном увеличении, средняя твердость по площади составляла около 52%. Проницаемость составляла около 190 футов на метр, объемная твердость около 10%, основной вес 1,5 фунт/3000 фут² и толщина 10 микрон.

На фиг. 17 представлен другой материал фильтрующей среды по настоящему изобретению. Фильтрующая среда на фиг.17 показана при 100-кратном увеличении. Фильтрующая среда содержит тонкое полимерное волокно DCI (поставки компании "Donaldson"), помещенное на грубую подложку "Reemay 2011". Тонкое полимерное волокно DCI было изготовлено, в основном, по тому же самому процессу, который используется для формирования тонких полимерных волокон для изделий "Ultra-Web^®" компании "Donaldson".

Диаметр тонкого волокна лежал в субмикронном диапазоне.

На фиг. 18 представлена еще одна композитная фильтрующая среда согласно настоящему изобретению. На фиг.18 среда показана при 100-кратным увеличении. Среда содержит стекловолокно "Schuller 106", помещенную на подложку "Reemay 2011". Количество стекловолокна было достаточным для обеспечения эффективности LEFS 12%. Основной вес тонковолокнистого слоя был приблизительно 0,5 фунт/3000 фут² и проницаемость около 600 футов на метр. На микроснимке грубые волокна и тонкие волокна хорошо различимы. Этот материал имел среднюю твердость по площади приблизительно 33% при 1000-кратном увеличении.

На фиг.19 показана другая составная среда согласно настоящему изобретению. Она содержит тонкое полимерное волокно DCI, размещенное на подложке "Reemay 2011" и показанное при 100-кратном увеличении. Фильтрующая среда имеет эффективность LEFS 12%. Здесь опять хорошо видна сетка из тонких волокон, расположенных на грубоволокнистой опоре. При оценке с 500-кратным увеличением этот материал имел среднюю твердость по площади 22%.

Фиг. 20 представляет собой микроснимок материала, показанного на фиг.19, при 500-кратном увеличении. Хорошо видна сетка из тонких волокон, расположенных на грубоволокнистой опоре.

На фиг. 21 представлен материал, показанный на фиг.19 после загрузки NaCl, при 1000-кратном увеличении. На этом снимке видны частицы соли, уловленные тонким волокном.

Как видно на этом микроснимке, частицы NaCl, в основном, оседают на тонких волокнах.

На фиг. 24 показана среда, загруженная NaCl с эффективностью LEFS 18%. Частицы NaCl, в основном, оседают на тонких волокнах. Материал, показанный на фиг. 24, представляет собой тонкие полимерные волокна "DCI" на грубоволокнистой подложке "Rеемау 2011".

В устройствах по настоящему изобретению, представленных на фиг.16-20, характеристики тонких волокон, расположенных на грубой подложке, в основном, различимы. В этом случае эффективность в процентах или конкретный материал, используемый для формирования тонких волокон, не имеет значения. На фиг.21 видна загружаемая среда.

ДРУГИЕ АЛЬТЕРНАТИВЫ
Предполагается, что в некоторых случаях устройства по настоящему изобретению могут быть использованы для фильтрования текучей среды, которая содержит компоненты, являющиеся химически несовместимыми с некоторыми тонковолокнистыми материалами. Например, некоторые воздушные потоки могут нести химические вещества, которые оказывают разрушительное действие на полимерные материалы, но не оказывают влияния на стекловолокно. В этом случае целесообразно использовать такие фильтрующие материалы, которые являются стойкими к воздействию веществ, содержащихся в фильтруемой среде.

Предполагается также, что в некоторых случаях может быть желательно использовать настоящее изобретение в "увеличенной" модификации. Это может быть область применения, в которой "тонкие волокна" композита являются относительно большими по размеру, а грубые волокна - еще больше. Иными словами, отношение размера между тонкими волокнами и грубыми волокнами поддерживается, в основном, в пределах заявленного диапазона, однако размер и толщина каждого волокна будет, в основном, за пределами предлагаемых здесь предпочтительных диапазонов. Например, каждый диаметр мог бы быть от 5 до 10 раз больше, чем определено в данной заявке. Такие конструкции могут быть, например, полезны для формирования агломератов в пределах глубинной среды или формирования относительно эффективной глубинной среды, которая включает небольшие волокна и является стойкой к разрушению, когда загрузка происходит при уникальных рабочих условиях, связанных с фильтрованием довольно крупных частиц. Не ожидается, что такие конструкции будут предпочтительны или желательны для типичных промышленных и/или транспортных условий.

Изобретение предназначено для фильтрации. Фильтр содержит область фильтра, включающую по меньшей мере два разнесенных слоя тонких волокон; каждый из по меньшей мере двух слоев тонких волокон содержит волокна, имеющие диаметры не более 8 мкм; каждый из указанных по меньшей мере двух разнесенных слоев тонких волокон имеет диаметр волокна не более 5 мкм, и первый слой из по меньшей мере двух слоев тонких волокон, имеющий первую собственную эффективность по улавливанию монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм, и второй слой из по меньшей мере двух слоев, имеющий собственную эффективность по улавливанию монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм; первая эффективность отличается от второй эффективности; и прокладочный слой из грубоволокнистого материала, размещенный между двумя слоями тонких волокон, при этом прокладочный слой грубоволокнистого материала имеет диаметр волокна по меньшей мере 10 мкм; и толщину, которая разделяет первый и второй слои тонких волокон на расстояние не более 254 мкм. Способ фильтрации текучей среды включает направление потока загрязненной среды через вышеописанную конструкцию фильтра. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки. 4 с. и 17 з.п.ф-лы, 27 ил., 13 табл.

1. Конструкция фильтра, содержащая область фильтра, включающую, по меньшей мере, два разнесенных слоя тонких волокон, каждый из, по меньшей мере, двух слоев тонких волокон содержит волокна, имеющие диаметры не более приблизительно 8 мкм, приблизительно каждый из слоев тонких волокон имеет средний диаметр волокна не более приблизительно 5 мкм и собственную эффективность по улавливанию не более приблизительно 90% для монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм, и по меньшей мере, один из слоев тонких волокон, имеющий собственную эффективность по улавливанию не более 32,6% для монодисперсных полистироловых латексных сфер, и прокладочный слой из грубоволокнистого материала, размещенный между двумя слоями тонких волокон, причем прокладочный слой грубоволокнистого материала имеет диаметр волокна, по меньшей мере, 10 мкм и толщину, которая разделяет два слоя тонких волокон на расстояние не более 254 мкм. 2. Конструкция фильтра, содержащая область фильтра, включающую, по меньшей мере, два разнесенных слоя тонких волокон, каждый из, по меньшей мере, двух слоев тонких волокон содержит волокна, имеющие диаметры не более 8 мкм; каждый из указанных, по меньшей мере, двух разнесенных слоев тонких волокон имеет диаметр волокна не более 5 мкм и первый слой из, по меньшей мере, двух слоев тонких волокон, имеющий первую собственную эффективность по улавливанию для монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм, и второй слой из, по меньшей мере, двух слоев, имеющий собственную вторую эффективность по улавливанию для монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм, причем первая эффективность по улавливанию отличается от второй эффективности по улавливанию, а прокладочный слой из грубоволокнистого материала размещен между двумя слоями тонких волокон и имеет толщину, которая разделяет первый и второй слои тонких волокон на расстояние не более 254 мкм. 3. Конструкция фильтра, содержащая область фильтра, включающую, по меньшей мере, два разнесенных слоя тонких волокон, каждый из, по меньшей мере, двух слоев тонких волокон содержит волокна с диаметром не более 8 мкм, каждый из, по меньшей мере, двух разнесенных слоев тонких волокон имеет диаметр волокна не более 5 мкм и прокладочный слой из грубоволокнистого материала, размещенный между двумя слоями тонких волокон, имеющий средний диаметр волокна, по меньшей мере, 10 мкм и толщину, которая разделяет первый и второй слои тонких волокон на расстояние не более 254 мкм, причем прокладочный слой и два наиболее близких слоя тонких волокон, между которыми находится прокладочный слой, имеет, по меньшей мере, одну из следующих конфигураций в области фильтра: складчатую, гофрированную и/или цилиндрическую. 4. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что область фильтра выполнена таким образом, что имеет общую эффективность по улавливанию, по меньшей мере, 99% для монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм. 5. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что область фильтра выполнена, по меньшей мере, для одной из следующих областей применения: фильтрации воздуха, фильтрации жидкости и/или сбора тумана. 6. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что каждый слой тонких волокон в пределах области фильтра имеет диаметр волокна не более 5 мкм и собственную эффективность по улавливанию не более 70% для монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм. 7. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что указанная область фильтра имеет общую толщину не более 0,15 см. 8. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что область фильтра представляет собой воздухозаборник фильтра двигателя для использования в двигателе мощностью, по меньшей мере, 100 л. с. 9. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что область фильтра расположена между первым и вторым концевыми колпаками. 10. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что каждый прокладочный слой имеет основной вес не более 45,0 г/м². 11. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что каждый прокладочный слой имеет собственную эффективность по улавливанию, оцененную отдельно от конструкции, не более 10% для монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм. 12. Конструкция фильтра по п. 1, отличающаяся тем, что каждый слой тонких волокон имеет диаметр волокна не более 5 мкм и расположен в пределах области фильтра толщиной не более 20 мкм. 13. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что включает, по меньшей мере, одну область химического адсорбента в ней. 14. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что включает, по меньшей мере, одну область электростатически заряженной среды в ней. 15. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-14, отличающаяся тем, что указанная область фильтра является складчатой с глубиной складки, по меньшей мере, 0,6 см и с более чем одной складкой на каждые 2,54 см, а складчатая область фильтра имеет общую толщину среды не более 0,15 см. 16. Конструкция фильтра по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два слоя тонких волокон составляют первый и второй слои, второй слой тонких волокон расположен за указанным первым слоем тонких волокон, указанный первый слой тонких волокон имеет толщину не более 15 мкм; второй слой тонких волокон имеет собственную эффективность по улавливанию фильтрации не более 32,6% для монодисперсных полистироловых латексных сфер размером 0,78 мкм, область фильтра имеет третий слой тонких волокон, расположенный за указанными первым и вторым слоями тонких волокон, третий слой тонких волокон имеет средний диаметр волокна не более 5 мкм и отделен от указанного второго слоя тонких волокон прокладочным слоем, имеющим диаметр волокна, по меньшей мере, 10 мкм и толщину не более 254 мкм. 17. Способ фильтрации текучей среды для удаления загрязняющего материала из нее, включающий направление потока загрязненной текучей среды через конструкцию фильтра, описанную в пп. 1-16. 18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что загрязненная текучая среда является воздухом. 19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что включает процесс удаления частиц. 20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что включает процесс сбора тумана. 21. Способ по п. 17, отличающийся тем, что загрязненная текучая среда является жидкостью.