НОВАЯ ГЕОМЕТРИЯ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2016 года по МПК B01D63/06 

Изобретение относится к технической области тангенциального разделения с использованием фильтрующих элементов, обеспечивающих разделение молекул или частиц, содержащихся в обрабатываемой текучей среде. В частности, объектом изобретения являются новые фильтрующие элементы, содержащие жесткую пористую подложку, в которой выполнены каналы для циркуляции текучей среды, при этом указанная подложка имеет оригинальную геометрию.

Изобретение находит свое предпочтительное применение в области фильтрации в широком смысле этого термина и, в частности, для нанофильтрации, ультрафильтрации, микрофильтрации или обратного осмоса.

В предшествующем уровне техники известны различные фильтрующие элементы, выполненные из подложки, имеющей трубчатую или плоскую форму. В частности, были предложены фильтрующие элементы трубчатого типа, содержащие пористую подложку, например, из неорганического материала, такого как керамика, в которой выполнен ряд каналов. Эту подложку можно сочетать с одним или несколькими разделительными слоями, например, из неорганического материала, нанесенными на поверхность каждого циркуляционного канала и соединенными между собой и с подложкой посредством спекания. Эти слои позволяют регулировать фильтрационную способность фильтрующего элемента.

В области трубчатых фильтрующих элементов жесткая пористая подложка имеет удлиненную форму и имеет прямое поперечное сечение чаще всего в виде многоугольника или окружности. Заявителем уже были предложены различные подложки, содержащие множество каналов, параллельных между собой и относительно продольной оси пористой подложки. Например, фильтрующие элементы, содержащие ряд не круглых каналов, описаны в патентной заявке WO 9307959, поданной на имя CERASIV, в патентной заявке EP 0780148 на имя CORNING, в патентной заявке WO 00/29098 на имя ORELIS, в патентах EP 0778073 и EP 0778074 на имя заявителя и в патентных заявках WO 01/62370 на имя компании «Societe des ceramiques techniques» и FR 2898513 на имя ORELIS. Во время работы каналы сообщаются, с одной стороны, с камерой входа обрабатываемой текучей среды и, с другой стороны, с выходной камерой. Чаще всего поверхность каналов покрыта, по меньшей мере, одним разделительным слоем, обеспечивающим разделение молекул или частиц, содержащихся в текучей среде, циркулирующей внутри каналов в заданном направлении от одного конца каналов, называемого входным, к другому концу, называемому выходным. Такой фильтрующий элемент обеспечивает разделение молекул или частиц обрабатываемого вещества за счет эффекта просеивания, поскольку все частицы или молекулы размером, превышающим диаметр пор зоны фильтрующего элемента, с которым они входят в контакт, задерживаются. Во время разделения перемещение текучей среды происходит через подложку и, возможно, через разделительный слой или разделительные слои, если они присутствуют, и текучая среда распространяется в порах подложки, направляясь к наружной поверхности пористой подложки. Часть обрабатываемой текучей среды, прошедшая через разделительный слой и пористую подложку, называется пермеатом или фильтратом и попадает в коллекторную камеру, окружающую фильтрующий элемент.

С целью увеличения площади каналов, обеспечивающих фильтрацию текучей среды, часто стараются расположить внутри одной подложки большое число каналов. Учитывая большое число каналов, столь же большим является и число возможных расположений каналов относительно друг друга. В этом контексте заявитель, поставивший перед собой задачу создания новых фильтрующих элементов, предлагает в рамках настоящего изобретения новую геометрию подложки.

Объектом настоящего изобретения является фильтрующий элемент для фильтрации текучей среды, содержащий жесткую пористую подложку цилиндрической формы, имеющую центральную продольную ось и содержащую множество каналов для циркуляции фильтруемой текучей среды с целью сбора фильтрата на периферии подложки, выполненных в подложке параллельно ее центральной оси, при этом общая площадь прямых поперечных сечений всех каналов, выполненных в подложке, составляет, по меньшей мере, 42% общей площади прямого поперечного сечения подложки, и указанные каналы образуют, в частности, фильтрующие кольца, по меньшей мере, в количестве трех, в каждом из которых:

- каналы имеют не круглое прямое поперечное сечение, при этом прямое поперечное сечение каждого канала имеет ось симметрии, которая проходит через центр подложки,

- два соседних канала разделены соединительными проходами, при этом указанные соединительные проходы имеют ось симметрии, которая проходит через центр подложки,

- все соотношения между двумя любыми гидравлическими диаметрами каналов, принадлежащих к фильтрующим кольцам, находятся в интервале 0,75-1,25, предпочтительно в интервале 0,95-1,05.

Кроме того, фильтрующие кольца распределены концентрично и отделены друг от друга сплошной пористой зоной без взаимопроникновения между двумя смежными кольцами. Кроме того, если фильтрующий элемент в соответствии с изобретением имеет более трех фильтрующих колец, то среди трех колец, наиболее близких к периферии подложки, называемых кольцами рада n, n-1 и n-2, существует, по меньшей мере, одно кольцо, в котором число каналов не является кратным числу каналов кольца, наиболее близкого к центру подложки, называемого кольцом ряда 1.

Согласно основному отличительному признаку, на уровне трех колец, наиболее близких к периферии подложки, называемых кольцами ряда n, n-1 и n-2, существует, по меньшей мере, одно совмещение 3 смежных осей среди осей соединительных проходов и осей каналов, которое способствует механической прочности подложки. Иначе говоря, в кольце n существует одна ось соединительного прохода или одна ось канала, которая, по существу, находится на одной линии с осью соединительного прохода или с осью канала кольца n-1, которая, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью соединительного прохода или с осью канала кольца n-2, причем эти три, по существу, совмещенные оси находятся с одной стороны по отношению к центру A подложки и называются смежными.

Такие фильтрующие элементы, имеющие повышенную прозрачность, представляют исключительный интерес в силу их фильтрующей способности.

Кроме того, в рамках изобретения заявитель оценил поля напряжений, существующие внутри подложек, содержащих набор, по меньшей мере, из трех колец каналов, и установил, что максимальное напряжение находится на уровне колец, ближайших к периферии подложки. Заявитель предлагает выбрать особые расположения трех колец, наиболее близких к периферии подложки, с целью улучшить механические характеристики фильтрующего элемента.

Согласно первому варианту осуществления, совмещение между осями соединительных проходов и осями каналов, которое способствует механической прочности подложки, соответствует тому, что, по меньшей мере, одна ось соединительного прохода кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, по существу, находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-1, при этом указанная ось канала, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-2.

Согласно второму варианту осуществления, совмещение между осями соединительных проходов и осями каналов, которое способствует механической прочности подложки, соответствует тому, что, по меньшей мере, одна ось канала кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, по существу, находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-1, при этом указанная ось соединительного похода, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-2.

Оба вышеуказанных варианта осуществления можно комбинировать.

Согласно варианту осуществления, который можно комбинировать с предыдущими, по меньшей мере, одна ось соединительного прохода кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, по существу, находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-1, при этом указанная ось соединительного прохода кольца ряда n-1, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-2.

Согласно варианту осуществления, который можно комбинировать с предыдущими, по меньшей мере, одна ось канала кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, по существу, находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-1, при этом указанная ось канала кольца ряда n-1, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-2.

Ниже пояснено, что следует понимать под выражением «находиться по существу на одной линии». Как правило, это значит, что можно допустить определенный допуск при совмещении, но без значительного снижения механических характеристик фильтрующего элемента. Например, оси X и Y (X_n и Y_n-1 и Y_n-1 и X_n-2 или Y_n и X_n-1 и X_n-1 и Y_n-2), которые, по существу, находятся на одной линии в соответствии с изобретением, совпадают идеально или образуют угол, меньший или равный 3°, предпочтительно меньший 2° и предпочтительно меньший 1°. Во всех случаях, представленных в описании, идеальное совмещение рассматриваемых осей соответствует наиболее предпочтительной конфигурации.

Канал или проход кольца ряда i и проход или канал, наиболее близкий к нему в соседнем кольце ряда i+1 или i-1, называются смежными.

Согласно частным вариантам осуществления, которые можно комбинировать с предыдущими и которые будут подробно описаны ниже, фильтрующие элементы в соответствии с изобретением могут иметь один или другой из нижеследующих отличительных признаков или любую комбинацию этих признаков и даже все эти признаки, если они не исключают друг друга:

- с одной стороны, ось соединительного прохода кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-1 с допуском +/-16% и предпочтительно +/-10% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1, и, с другой стороны, указанная ось канала, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-2 с допуском +/-16% и предпочтительно +/-10% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1;

- с одной стороны, ось канала кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-1 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n, и, с другой стороны, указанная ось соединительного прохода, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-2 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-2;

- с одной стороны, ось канала кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-1 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1, и, с другой стороны, указанная ось канала кольца нижнего ряда n-1, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-2 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1;

- с одной стороны, ось соединительного прохода кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-1 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1, и, с другой стороны, указанная ось канала, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-2 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1;

- с одной стороны, ось соединительного прохода кольца, наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-1 с допуском +/-3°, предпочтительно +/-2° и еще предпочтительнее +/-1° и, с другой стороны, указанная ось соединительного прохода кольца ряда n-1, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-2 с допуском +/-3°, предпочтительно +/-2° и еще предпочтительнее +/-1°;

- число каналов на одно кольцо возрастает от колец ряда n-2 до колец ряда n. Это позволяет, в частности, в этих трех последних кольцах получить еще меньший разброс гидравлического диаметра каналов от одного кольца к другому. Чаще всего число каналов в каждом из этих колец будет больше или равно 4 и увеличится, по меньшей мере, на два канала на каждый верхний ряд;

- все соотношения между двумя любыми площадями прямого поперечного сечения каналов, принадлежащих к фильтрующим кольцам, находятся в интервале 0,75-1,25, предпочтительно в интервале 0,95-1,05;

- каждое из колец ряда n, n-1 и n-2 имеет число каналов, кратное целому числу m, и число осей соединительного прохода кольца ряда n, которые, по существу, находятся на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-1, при этом указанная ось канала, в свою очередь, по существу, находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-2, соответствует этому целому числу m. Такая конфигурация обеспечивает очень хорошую стойкость к разрушению фильтрующего элемента;

- все каналы одного кольца являются идентичными и предпочтительно разделены одинаковым расстоянием. Предпочтительно они также ориентированы одинаково относительно центра подложки. Таким образом, напряжения, действующие на каналы одного кольца, являются более равномерными;

- значения ширины проходных перегородок равны внутри одного кольца и равны от одного кольца к другому;

- ширина каждой проходной перегородки является постоянной по всей ее длине;

- фильтрующий элемент содержит центральный канал предпочтительно круглой формы, и фильтрующие кольца распределены концентрично относительно центрального канала; классически под центральным каналом следует понимать канал, прямое поперечное сечение которого проходит через центральную ось подложки и центровано по указанной оси;

- фильтрующие кольца распределены по концентричным окружностям;

- все каналы фильтрующих колец имеют трапециевидное или треугольное сечение;

- все каналы фильтрующих колец ограничены, в частности, двумя боковыми стенками, наружной стенкой, скругленными сопряжениями и, в случае необходимости, внутренней стенкой, при этом каждое из скругленных сопряжений имеет профиль в виде дуги окружности, радиус которой предпочтительно превышает или равен 0,3 мм и предпочтительно находится в интервале 0,3-1,5 мм;

- фильтрующий элемент содержит, по меньшей мере, четыре фильтрующих кольца, и на уровне, где ось соединительного прохода кольца ряда n, по существу, находится на одной линии с осью смежного канала кольца нижнего ряда n-1, при этом указанная ось канала, в свою очередь, по существу, находится на одной линии с осью смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда n-2, по существу, имеется совмещение между указанной осью соединительного прохода кольца ряда n-2 и осью смежного соединительного прохода кольца ряда n-3;

- подложка имеет круглое или многоугольное сечение;

- средняя толщина пористой зоны, наиболее близкой к центральной оси, меньше средней толщины пористой зоны, наиболее близкой к периферии подложки, а по мере удаления от центральной оси подложки к ее периферии средняя толщина одной пористой зоны либо идентична со следующей, либо меньше;

- поверхность каналов покрыта, по меньшей мере, одним неорганическим фильтрующим слоем.

Объектом настоящего изобретения являются также установки или модули фильтрации, содержащие в картере фильтрующий элемент в соответствии с изобретением.

Другие отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания вариантов осуществления подложек в соответствии с изобретением, представленных в качестве неограничивающих примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1A - увеличенный вид в поперечном разрезе примера осуществления фильтрующего элемента в соответствии с изобретением.

Фиг.1B - вид в поперечном разрезе фильтрующего элемента, представленного в качестве сравнения и аналогичного фиг.1A, но в котором кольцо ряда n смещено поворотом на 3,75° вокруг продольной оси подложка.

Фиг.1C - вид в поперечном разрезе фильтрующего элемента, представленного в качестве сравнения и аналогичного фиг.1A, но в котором кольцо ряда n-2 смещено поворотом на 11,25° вокруг продольной оси подложка.

Фиг.2 - увеличенный вид в поперечном разрезе другого примера осуществления фильтрующего элемента в соответствии с изобретением.

Фиг.3A - увеличенный вид в поперечном разрезе еще одного примера осуществления фильтрующего элемента в соответствии с изобретением.

Фиг.3B - вид в поперечном разрезе фильтрующего элемента, представленного в качестве сравнения и аналогичного фиг.3A, но в котором кольцо ряда n-1 смещено поворотом на 7,5° вокруг продольной оси подложка.

Прямое поперечное сечение фильтрующего элемента соответствует его сечению, взятому перпендикулярно к его центральной оси. Как правило, структура и размеры прямого поперечного сечения являются постоянными по всей длине фильтрующего элемента, и геометрия на этом сечении отображает таким образом геометрию многоканального фильтрующего элемента, имеющего симметрию экструзии. В тексте описания понятия угла, толщины, сечения и смещения внутри подложки следует рассматривать в плоскости прямого поперечного сечения подложки. На прямом поперечном сечении будут одинаково рассматриваться ось подложки и центр подложки.

Как видно из фиг.1A, 2, 3A и 3B, неорганический фильтрующий элемент I имеет форму, адаптированную для обеспечения разделения или фильтрации молекул или частиц, содержащихся в текучей среде, предпочтительно жидкости разной природы, содержащей или не содержащей твердую фазу. Фильтрующий элемент I содержит жесткую пористую подложку 1, выполненную из материала, сопротивление потоку в которой адаптировано для необходимого разделения. В частности, подложка 1 выполнена из одного или нескольких неорганических материалов, таких как металлические оксиды (в частности, диоксид титана, оксид алюминия, диоксид циркония), углерод, карбид или нитрид кремния, или из металлов. Подложка I имеет удлиненную форму и выполнена в виде трубки, проходящей вокруг центральной продольной оси A. Пористая подложка 1 обычно имеет средний гидравлический диаметр пор от 2 до 12 мкм. Подложка 1 имеет прямое поперечное сечение, которое может иметь разные формы, например многоугольную или, как в вариантах осуществления, представленных на чертежах, круглую. Таким образом, подложка 1 имеет наружную цилиндрическую поверхность 1₁.

Подложка 1 выполнена таким образом, чтобы содержать множество каналов C₀₁, C₁₁, C₁₂…, C₂₁, C₂₂…, C_n1, C_n2… (имеющих общее обозначение C_ij), выполненных параллельно продольной оси A подложки. Каналы распределены по фильтрующим зонам ряда i, при этом каждая фильтрующая зона может содержать один или несколько каналов и может быть отделена пористой зоной. Таким образом, каждая пористая зона Z заключена между двумя фильтрующими зонами, при этом каждая фильтрующая зона содержит канал или множество каналов, если речь идет о фильтрующем кольце. Каналы C_ij имеют, каждый, поверхность 2, которая может быть покрыта, по меньшей мере, одним не показанным разделительным слоем, предназначенным для вхождения в контакт с обрабатываемой текучей средой, циркулирующей внутри каналов. Материал разделительного слоя или разделительных слоев выбирают в зависимости от искомой способности разделения или фильтрации, и они образуют с подложкой тесное соединение таким образом, чтобы давление от текучей среды передавалось на пористую подложку 1. Этот слой или эти слои можно наносить, например, путем осаждения из суспензий, содержащих, по меньшей мере, один металлический оксид, в частности, типа диоксида титана, оксида алюминия, диоксида циркония, в случае необходимости, в смеси и классических используемых для производства минеральных фильтрующих элементов. После сушки этот слой или эти слои подвергают операции спекания, которая обеспечивает их упрочнение и позволяет соединить их между собой, а также с пористой подложкой 1.

Согласно изобретению, подложка 1 содержит, по меньшей мере, три концентрично распределенных фильтрующих кольца F₁, F₂, … F_n (имеющих общее обозначение F_i). Два смежных (то есть последовательных или соседних) фильтрующих кольца разделены сплошной пористой зоной. Таким образом, между двумя соседними фильтрующими кольцами F расположена пористая зона Z. Пористые зоны, которые являются зонами из пористого материала, в которых циркулирует фильтрат, называют сплошными, так как существует четкое разграничение между двумя смежными фильтрующими кольцами, то есть нет взаимопроникновения или перекрывания между двумя смежными фильтрующими кольцами. Иначе говоря, канал одного фильтрующего кольца не может находиться даже частично между двумя каналами смежного фильтрующего кольца.

Каждое кольцо образует зону фильтрации, и его можно определить как совокупность каналов, находящихся на замкнутой кривой, то есть барицентры этих каналов находятся на этой кривой. В представленных примерах каналы одного кольца находятся на одной окружности.

Внутри каждого кольца каналы имеют не круглое прямое сечение. В представленных примерах каналы колец имеют трапециевидную форму. Как правило, каналы фильтрующих колец образуют сектора этих фильтрующих колец, форма которых адаптирована к требованиям фильтрации и механической прочности. Эти каналы имеют стенку, обращенную к периферии 1₁ подложки (называемую наружной стенкой), стенку, обращенную к центру A подложки (называемую внутренней стенкой), и две боковые стенки R, соединяющие внутреннюю стенку и наружную стенку. Чаще всего боковые стенки соединены с внутренней и наружной стенками через скругленные сопряжения. В некоторых случаях внутреннюю стенку можно заменить скругленным сопряжением, соединяющим две боковые стенки R. Крайние точки стенки являются точками, находящимися на ее двух концах непосредственно перед скругленными сопряжениями. Для каждой боковой стенки определяют направление d, которое соединяет эти две крайние точки. В рамках изобретения это направление d направлено к центру подложки, и боковые стенки R будут также называться радиальными. Тем не менее, это направление d не обязательно проходит через центр подложки. Однако направления d двух радиальных стенок R одного канала пересекаются в точке, находящейся со стороны центра подложки по отношению к указанному каналу, и, в частности, в точке D, находящейся между указанным каналом и центром подложки, как показано в примере на фиг.1A. Согласно вариантам, представленным на чертежах, радиальные стенки R, которые участвуют в образовании контура канала, соответствуют двум прямым сторонам, и направление d совпадает с этими сторонами. Кроме того, два канала одного кольца называются соседними, если они имеют общий соединительный проход P. Таким образом, этот соединительный проход P образует перегородку, разделяющую два соседних канала одного кольца.

В дальнейшем тексте описания считается, что фильтрующие кольца и пористые зоны занимают разные ряды, порядок которых увеличивается в направлении периферии подложки. Так, для двух рассматриваемых фильтрующих колец (или пористых зон) считается, что фильтрующее кольцо (или соответственно пористая зона), наиболее близкое к периферии, занимает верхний ряд относительно фильтрующего кольца (или соответственно пористой зоны), находящегося ближе к центру и считающегося фильтрующим кольцом (или соответственно пористой зоной) нижнего ряда. Таким образом, кольцо данного ряда окружено кольцом или кольцами верхнего ряда.

В примере, показанном на фиг.1A, подложка содержит три фильтрующих кольца F₁-F₃ и центральный канал C₀₁, что позволяет избегать накапливания вещества в центре подложки. В представленном примере центральный канал C₀₁ имеет круглую форму, хотя можно предусмотреть и форму типа многоугольника или другую форму. С другой стороны, каждое фильтрующее кольцо состоит из набора не круглых каналов. Центральный канал отделен от фильтрующего кольца ряда 1 пористой зоной Z₀. Фильтрующие кольца F₁ и F₂ разделены пористой зоной Z₁, а фильтрующие кольца F₂ и F₃ разделены пористой зоной Z₂. В каждом фильтрующем кольце каналы разделены перегородками для прохождения фильтрата, обозначенными общими позициями P и P₁ в кольце ряда 1, P₂ в кольце ряда 2 и P₃ в кольце ряда 3. Эти проходные перегородки P₁, P₂ и P₃ позволяют фильтрату проходить внутри подложки от одной пористой зоны к другой до периферической зоны Zp, которая тоже является пористой, чтобы выйти на наружную поверхность 1₁ подложки 1. В примере, представленном на фиг.1A, каналы кольца F₃, ближайшего к периферии подложки, имеют профиль в виде свода, как описано в патенте FR 2741821, зарегистрированном на имя заявителя. Вместе с тем, можно вполне предусмотреть, чтобы ширина зоны Zp, находящейся между наружной стенкой канала кольца F₃ и периферией 1₁ подложки, была постоянной.

Чтобы облегчить прохождение фильтрата, указанные соединительные проходы P₁, P₂ и P₃ имеют ось симметрии, которая проходит через центр A подложки. Эти оси симметрии обозначены общими позициями Y и Y₁ в кольце ряда 1, Y₂ в кольце ряда 2 и Y₃ в кольце ряда 3. Проходы P и оси симметрии Y проиндексированы следующим образом: внутри кольца ряда i соединительный проход, находящийся между каналами C_ij и C_i(j+1), обозначен P_ij, а его ось симметрии - Y_ij.

Различные каналы фильтрующего кольца тоже имеют ось симметрии, обозначенную общей позицией X, которая проходит через центр подложки, из соображений оптимизации фильтрующей площади. Эти оси симметрии обозначены общей позицией X₁ в кольце ряда 1, X₂ в кольце ряда 2 и X₃ в кольце ряда 3, и, согласно более конкретной индексации, они имеют те же индексы, что и канал, осью которого они являются.

Эти фильтрующие кольца F₁-F₃ распределены следующим образом, если следовать от центральной оси A к периферии 1₁ подложки:

- фильтрующее кольцо F₁ ряда 1 состоит из 8 идентичных каналов C₁₁-C₁₈ трапециевидной формы,

- фильтрующее кольцо F₂ ряда 2 состоит из 16 идентичных каналов C₂₁-C₂₁₆ трапециевидной формы,

- фильтрующее кольцо F₃ ряда 3 состоит из 24 идентичных каналов C₃₁-C₃₂₄ трапециевидной формы.

Таким образом, число каналов в каждом фильтрующем кольце увеличивается по мере удаления от центра к периферии подложки.

Каналы одного кольца считаются идентичными, поскольку они имеют, в частности, одинаковую форму, одинаковое сечение и одинаковый гидравлический диаметр, если не считать небольших различий, связанных с процессом изготовления. Согласно конкретному варианту осуществления, наружный диаметр подложки может составлять 41 мм, а средние гидравлические диаметры (соответствующие среднему арифметическому всех гидравлических диаметров каналов одного кольца) на кольцах рядов 1, 2 и 3 соответственно могут составлять 4,00-4,04-4,00 и 4,00 мм для центрального канала C₀₁. Таким образом, существуют также небольшой разброс гидравлических диаметров от одного кольца к другому. Средние площади прямых поперечных сечений (соответствующие среднему арифметическому всех площадей прямых поперечных сечений каналов одного кольца) на кольцах рядов 1, 2 и 3 соответственно равны 14,7-14,5-13,8 и 12,5 мм² для центрального канала C₀₁.

Фильтрующие кольца F₁-F₃ распределены концентрично по отношению к центральному каналу C₀₁. Барицентры каналов C₁₁, C₁₂… C₁₈ кольца F₁ ряда 1 находятся на окружности, коаксиальной с центральной осью A, причем эта коаксиальная окружность имеет меньший диаметр по сравнению с коаксиальной окружностью, на которой находятся барицентры каналов C₂₁, C₂₂… C₂₁₆ кольца F₂ ряда 2, и так далее.

Согласно существенному признаку изобретения, в варианте осуществления, представленном на фиг.1A, по меньшей мере, одна ось Y₃ соединительного прохода P₃ кольца F₃ ряда 3, ближайшего к периферии 1₁ подложки 1, по существу, находится на одной линии с осью X₂ смежного канала кольца F₂ нижнего ряда 2, при этом указанная ось X₂, в свою очередь, находится на одной линией с осью Y₁ смежного соединительного прохода P₁ кольца F₁ нижнего ряда 1. В рамках изобретения считается, что ось Y соединительного прохода P, по существу, находится на одной линии с осью симметрии X канала, если обе оси совпадают или образуют угол с угловым значением менее +/-16%, предпочтительно менее +/-10% и, в частности, менее +/-5% от значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающий указанный канал. Угловой сектор, образованный двумя соседними осями Y, соответствует, например, углу от 5 до 60°. В частности, две оси X_n-1 и Y_n, с одной стороны, и Y_n-2 и X_n-1 с другой стороны, которые, по существу, находятся на одной линии, согласно изобретению, идеально совпадают или образуют угол, меньший или равный 3°, предпочтительно меньший 2° и еще предпочтительнее меньший 1°. Согласно предпочтительному варианту, Y_n, X_n-1 и Y_n-2 находятся абсолютно на одной линии. Двойное линейное совмещение в соответствии с изобретением позволяет фильтрующему элементу выдерживать применяемые высокие давления. Действительно, заявитель установил, что максимальные напряжения, находящиеся в зоне, куда выходит соединительный проход P₃ кольца ряда 3 на уровне середины наружной стенки канала кольца ряда 2, компенсируются за счет того, что соединительный проход P₁ кольца F₁ ряда 1 выходит, по существу, посередине внутренней стенки этого же канала кольца ряда 2.

На фиг.1A, учитывая, что в одном кольце и, следовательно, в частности, на кольце F₂ все каналы являются идентичными и равномерно отстоят друг от друга, все угловые сектора, образованные двумя осями симметрии Y₂ (например, Y₂₁ и Y₂₂) соединительных проходов P₂, охватывающих канал кольца ряда 2, равны. В представленном примере эти угловые сектора равны 15°. Кроме того, на фиг.1A точное двойное наложение друг на друга осей в соответствии с изобретением отмечается восемь раз на прямом поперечном сечении подложки. Число каналов, присутствующих на каждом из колец F₁-F₃, является кратным этому числу 8. Существует строгое линейное совмещение:

- с одной стороны, между осью Y₃₂ соединительного прохода P₃₂ кольца F₃ ряда 3, ближайшего к периферии 1₁ подложки 1, и осью X₂₂ смежного канала C₂₂ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₂ канала C₂₂ и осью Y₁₁ смежного соединительного прохода P₁₁ кольца F₁ нижнего ряда 1, и

- с одной стороны, между осью Y₃₅ соединительного прохода P₃₅ кольца F₃ ряда 3 и осью X₂₄ смежного канала C₂₄ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₄ канала C₂₄ и осью Y₁₂ смежного соединительного прохода P₁₂ кольца F₁ нижнего ряда 1, и

- с одной стороны, между осью Y₃₈ соединительного прохода P₃₈ кольца F₃ ряда 3 и осью X₂₆ смежного канала C₂₆ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₆ канала C₂₆ и осью Y₁₃ смежного соединительного прохода P₁₃ кольца F₁ нижнего ряда 1, и

- с одной стороны, между осью Y₃₁₁ соединительного прохода P₃₁₁ кольца F₃ ряда 3 и осью X₂₈ смежного канала C₂₈ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₈ канала C₂₈ и осью Y₁₄ смежного соединительного прохода P₁₄ кольца F₁ нижнего ряда 1, и

- с одной стороны, между осью Y₃₁₄ соединительного прохода P₃₁₄ кольца F₃ ряда 3 и осью X₂₁₀ смежного канала C₂₁₀ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₁₀ канала C₂₁₀ и осью Y₁₅ смежного соединительного прохода P₁₅ кольца F₁ нижнего ряда 1, и

- с одной стороны, между осью Y₃₁₇ соединительного прохода P₃₁₇ кольца F₃ ряда 3 и осью X₂₁₂ смежного канала C₂₁₂ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₁₂ канала C₂₁₂ и осью Y₁₆ смежного соединительного прохода P₁₆ кольца F₁ нижнего ряда 1, и

- с одной стороны, между осью Y₃₂₀ соединительного прохода P₃₂₀ кольца F₃ ряда 3 и осью X₂₁₄ смежного канала C₂₁₄ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₁₄ канала C₂₁₄ и осью Y₁₇ смежного соединительного прохода P₁₇ кольца F₁ нижнего ряда 1, и

- с одной стороны, между осью Y₃₂₃ соединительного прохода P₃₂₃ кольца F₃ ряда 3 и осью X₂₁₆ смежного канала C₂₁₆ кольца F₂ нижнего ряда 2 и, с другой стороны, между осью X₂₁₆ канала C₂₁₆ и осью Y₁₈ смежного соединительного прохода P₁₈ кольца F₁ нижнего ряда 1.

Следует также отметить, что прямое поперечное сечение, показанное на фиг.1A, имеет 4 оси симметрии.

В представленном примере существует также линейное совмещение между смежными осями X различных каналов колец 1, 2 и 3, причем 8 раз (на уровне каналов C₁₁, C₂₁ и C₃₁; каналов C₁₂, C₂₃ и C₃₄; каналов C₁₃, C₂₅ и C₃₇; каналов C₁₄, C₂₇ и C₃₁₀; каналов C₁₅, C₂₉ и C₃₁₃; каналов C₁₆, C₂₁₁ и C₃₁₆; каналов C₁₇, C₂₁₃ и C₃₁₉ и каналов C₁₈, C₂₁₅ и C₃₂₂).

Чтобы наглядно показать преимущество изобретения, при помощи программы Abaqus было проведено исследование для оценки полей напряжения, существующих внутри подложки, когда в каждом из каналов создают напряжение, соответствующее давлению 100 МПа. Необходимо отметить, что распределение напряжений является строго одинаковым, независимо от прикладываемого внутреннего усилия. Таким образом, выводы, сделанные на основании этих вычислений, абсолютно не зависят от измеренного значения внутреннего давления. Подложку, показанную на фиг.1A, сравнили с подложками, показанными на фиг.1B и 1C и выполненными для сравнения. Подложки на фиг.1B и 1C совершенно идентичны подложке на фиг.1A с той лишь разницей, что применили поворот на заданный угол относительно продольной оси A либо к кольцу ряда 3, либо к кольцу ряда 1. На фиг.1B кольцо ряда 3 было смещено поворотом на 3,75° вокруг продольной оси A подложки, тогда как на фиг.1B было смещено кольцо ряда 1 поворотом на 11,25° вокруг продольной оси A подложки. Действительно, если на фиг.1A оси Y₃₂, X₂₂ и Y₁₁ находились на одной линии, то на фиг.1B оси X₂₂ и Y₁₁ остаются на одной линии, но смещены на 3,75° относительно оси Y₃₂. Точно так же, на фиг.1C оси X₂₂ и Y₃₂ остаются на одной линии, но смещены на 11,25° относительно оси Y₁₁. Максимальное напряжение, вычисленное для фиг.1A, составляет 71,5 МПа по сравнению с 77,4 МПа и 80,7 МПа соответственно для фиг.1B и 1C. Таким образом, новое расположение каналов в кольцах ряда от n до n-2 (что соответствует рядам от 3 до 1 на фиг.1A-1C) в соответствии с изобретением значительно уменьшает локальные зоны ослабления. Наблюдаемые напряжения связаны с давлением, которым действует текучая среда внутри каналов, в частности, в случае гидравлического удара. Это внутреннее давление стремится деформировать и, следовательно, напрягает материал. Геометрическая конфигурация в соответствии с изобретением позволяет добиться более сбалансированного распределения напряжений внутри сечения подложки. Например, m-кратное воспроизведение оптимальной конфигурации на сечении через равномерные угловые интервалы способствует этой сбалансированности, которая ограничивает эффекты сдвига. Чем больше конфигурация разбалансирована, тем больше зоны высокой жесткости (где все радиальные перегородки находились бы на одной линии) объединены с зонами низкой жесткости (без совмещения вообще), то есть с зонами сильной деформации, что приводит к более значительному эффекту сдвига между этими двумя зонами.

На фиг.2 представлен другой пример осуществления изобретения, в котором подложка 1 содержит 4 фильтрующих кольца F₁-F₄. В данном примере подложка тоже содержит центральный канал C₀₁ круглой формы, вокруг которого концентрично распределены фильтрующие кольца F₁-F₄. Эти зоны фильтрации распределены следующим образом, если перемещаться от центральной оси A к периферии 1₁ подложки 1:

- фильтрующее кольцо F₁ ряда 1 состоит из 6 идентичных каналов C₁₁-C₁₆ трапециевидной формы,

- фильтрующее кольцо F₂ ряда 2 состоит из 10 идентичных каналов C₂₁-C₂₁₀ трапециевидной формы,

- фильтрующее кольцо F₃ ряда 3 состоит из 15 идентичных каналов C₃₁-C₃₁₅ трапециевидной формы, и

- фильтрующее кольцо F₄ ряда 4 состоит из 20 идентичных каналов C₄₁-C₄₂₀ трапециевидной формы.

Согласно конкретному варианту осуществления, наружный диаметр подложки может составлять 25 мм, а средние гидравлические диаметры на кольцах рядов 1, 2, 3 и 4 соответственно могут составлять 2,30-2,32-2,31-2,28 и 2,30 мм для центрального канала C₀₁. Таким образом, существуют также небольшой разброс гидравлических каналов от одного кольца к другому. Это же относится и площадям прямых поперечных сечений. Средние площади прямых поперечных сечений (соответствующие среднему арифметическому всех площадей прямых поперечных сечений каналов одного кольца) на кольцах рядов 1, 2, 3 и 4 соответственно равны 4,6-4,8-4,7-4,5 и 4,2 мм² для центрального канала C₀₁.

На фиг.2 кольца рядов от n до n-2 соответствуют кольцам рядов от 4 до 2. На этом примере осуществления в соответствии с существенным признаком изобретения 5 раз на прямом поперечном сечении подложки наблюдается точное двойное наложение осей. Число каналов на каждом из колец F₁-F₄ является кратным этому числу 5. С другой стороны, число каналов, присутствующих на каждом из колец F₁-F₄ (соответственно 10, 15 и 20), не является кратным числу 6, соответствующему числу каналов кольца F₁ наиболее близкого к центру подложки.

Существует строгое линейное совмещение:

- с одной стороны, между осью Y₄₂ соединительного прохода P₄₂ кольца F₄ ряда 4, ближайшего к периферии 1₁ подложки 1, и осью X₃₂ смежного канала C₃₂ кольца F₃ нижнего ряда 3 и, с другой стороны, между осью X₃₂ канала C₃₂ и осью Y₂₁ смежного соединительного прохода P₂₁ кольца F₂ нижнего ряда 2, и

- с одной стороны, между осью Y₄₆ соединительного прохода P₄₆ кольца F₄ ряда 4 и осью X₃₅ смежного канала C₃₅ кольца F₃ нижнего ряда 3 и, с другой стороны, между осью X₃₅ канала C₃₅ и осью Y₂₃ смежного соединительного прохода P₂₃ кольца F₂ нижнего ряда 2, и

- с одной стороны, между осью Y₄₁₀ соединительного прохода P₄₁₀ кольца F₄ ряда 4 и осью X₃₈ смежного канала C₃₈ кольца F₃ нижнего ряда 3 и, с другой стороны, между осью X₃₈ канала C₃₈ и осью Y₂₅ смежного соединительного прохода P₂₅ кольца F₂ нижнего ряда 2, и

- с одной стороны, между осью Y₄₁₄ соединительного прохода P₄₁₄ кольца F₄ ряда 4 и осью X₃₁₁ смежного канала C₃₁₁ кольца F₃ нижнего ряда 3 и, с другой стороны, между осью X₃₁₁ канала C₃₁₁ и осью Y₂₇ смежного соединительного прохода P₂₇ кольца F₂ нижнего ряда 2, и

- с одной стороны, между осью Y₄₁₈ соединительного прохода P₄₁₈ кольца F₄ ряда 4 и осью X₃₁₄ смежного канала C₃₁₄ кольца F₃ нижнего ряда 3 и, с другой стороны, между осью X₃₁₄ канала C₃₁₄ и осью Y₂₉ смежного соединительного прохода P₂₉ кольца F₂ нижнего ряда 2.

Следует также отметить, что прямое поперечное сечение подложки 1, показанной на фиг.2, имеет ось симметрии B.

В представленном примере существует также линейное совмещение между смежными осями Y разных соединительных проходов колец 2, 3 и 4, причем 5 раз (на уровне осей Y₂₂, Y₃₃ и Y₄₄; осей Y₂₄, Y₃₆ и Y₄₈; осей Y₂₆, Y₃₉ и Y₄₁₂; осей Y₂₈, Y₃₁₂ и Y₄₁₆ и осей Y₂₁₀, Y₃₁₅ и Y₄₂₀).

На фиг.3A представлен еще один пример осуществления изобретения, в котором подложка содержит пять фильтрующих колец F₁-F₅ и центральный канал C₀₁ круглой формы, хотя для него можно предусмотреть форму типа многоугольника или другую форму. Центральный канал отделен от фильтрующего кольца ряда 1 пористой зоной Z₀. Фильтрующие кольца F₁ и F₂ разделены пористой зоной Z₁, фильтрующие кольца F₂ и F₃ разделены пористой зоной Z₂, фильтрующие кольца F₃ и F₄ разделены пористой зоной Z₃ и фильтрующие кольца F₄ и F₅ разделены пористой зоной Z₄. Фильтрующие кольца F₁-F₅, концентричные относительно центрального канала C₀₁, распределены следующим образом, если перемещаться от центральной оси A к периферии 1₁ подложки 1:

- фильтрующее кольцо F₁ ряда 1 состоит из 7 идентичных каналов C₁₁-C₁₇ трапециевидной формы,

- фильтрующее кольцо F₂ ряда 2 состоит из 13 идентичных каналов C₂₁-C₂₁₃ трапециевидной формы,

- фильтрующее кольцо F₃ ряда 3 состоит из 21 идентичного канала C₃₁-C₃₂₁ трапециевидной формы,

- фильтрующее кольцо F₄ ряда 4 состоит из 24 идентичных каналов C₄₁-C₄₂₄ трапециевидной формы, и

- фильтрующее кольцо F₅ ряда 5 состоит из 27 идентичных каналов C₅₁-C₅₂₇ трапециевидной формы.

Согласно конкретному варианту осуществления, наружный диаметр подложки может составлять 25 мм, а средние гидравлические диаметры на кольцах рядов 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно могут составлять 1,57-1,60-1,60-1,62-1,62 и 1,80 мм для центрального канала C₀₁. Таким образом, существуют также небольшой разброс гидравлических диаметров от одного кольца к другому. Это же относится и площадям прямых поперечных сечений. Средние площади прямых поперечных сечений (соответствующие среднему арифметическому всех площадей прямых поперечных сечений каналов одного кольца) на кольцах рядов 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно равны 2,1-2,1-2,2-2,2-2,3 и 2,5 мм² для центрального канала C₀₁.

На фиг.3A кольца рядов от n до n-2 соответствуют кольцам рядов от 5 до 3. На этом примере осуществления в соответствии с существенным признаком изобретения на прямом поперечном сечении подложки 3 раза наблюдается точное двойное наложение осей. Число каналов на каждом из колец F₃-F₅ является кратным этому числу 3. С другой стороны, число каналов, присутствующих на кольцах F₄ и F₅ (соответственно 24 и 27), не является кратным числу 7, соответствующему числу каналов кольца F₁ наиболее близкого к центру подложки.

Существует строгое линейное совмещение:

- с одной стороны, между осью Y₅₅ соединительного прохода P₅₅ кольца F₅ ряда 5, ближайшего к периферии 1₁ подложки 1, и осью X₄₅ смежного канала C₄₅ кольца F₄ нижнего ряда 4 и, с другой стороны, между осью X₄₅ канала C₄₅ и осью Y₃₄ смежного соединительного прохода P₃₄ кольца F₃ нижнего ряда 3, и

- с одной стороны, между осью Y₅₁₄ соединительного прохода P₅₁₄ кольца F₅ ряда 5, ближайшего к периферии 1₁ подложки 1, и осью X₄₁₃ смежного канала C₄₁₃ кольца F₄ нижнего ряда 4 и, с другой стороны, между осью X₄₁₃ канала C₄₁₃ и осью Y₃₁₁ смежного соединительного прохода P₃₁₁ кольца F₃ нижнего ряда 3, и

- с одной стороны, между осью Y₅₂₃ соединительного прохода P₅₂₃ кольца F₅ ряда 5, ближайшего к периферии 1₁ подложки 1, и осью X₄₂₁ смежного канала C₄₂₁ кольца F₄ нижнего ряда 4 и, с другой стороны, между осью X₄₂₁ канала C₄₂₁ и осью Y₃₁₈ смежного соединительного прохода P₃₁₁ кольца F₃ нижнего ряда 3.

Следует также отметить, что прямое поперечное сечение подложки 1, показанной на фиг.3A, имеет ось симметрии B'. На уровне этой оси симметрии B', которая совпадает с осями Y₅₂₃, Y₄₂₁ и Y₃₁₈, существует также абсолютное линейное совмещение между осью прохода, разделяющего каналы C₂₁₂ и C₂₁₁ кольца ряда 2, и осью X₃₁₈ прохода, разделяющего каналы C₃₁₈ и C₃₁₉ кольца верхнего ряда 3, которая, в свою очередь, находится на одной линии с осями Y₅₂₃ и Y₄₂₁.

В представленном примере существует также линейное совмещение между смежными осями X разных соединительных проходов колец 3, 4 и 5, причем 3 раза (на уровне каналов C₃₁, C₄₁ и C₅₁; каналов C₃₈, C₄₉ и C₅₁₀ и каналов C₃₁₅, C₄₁₇ и C₅₁₉).

Кроме того, в примере, показанном на фиг.3A, не все значения толщины каждой из зон фильтрации Z₀-Z₄ и периферической зоны Z_p являются идентичными. В представленном примере для каждой из зон фильтрации центростремительные (то есть ближайшие к центру A) точки каждого канала одного фильтрующего кольца находятся на окружности, центром которой является центр подложки, причем эта окружность соответствует внутренней огибающей соответствующего фильтрующего кольца. Точно так же, для каждой из зон фильтрации центробежные (то есть ближайшие к периферии 1₁ подложки) точки каждого канала одного фильтрующего кольца находятся на окружности, центром которой является центр подложки, причем эта окружность соответствует внешней огибающей соответствующего фильтрующего кольца. Таким образом, внешняя огибающая и внутренняя огибающая, ограничивающие каждую пористую зону, являются концентричными окружностями, и, следовательно, каждая пористая зона имеет постоянную толщину. Расстояние (соответствующее толщине e_z0 пористой зоны Z₀), отделяющее центральный канал C₀₁ от соседнего фильтрующего кольца, то есть фильтрующего кольца F₁, меньше, чем расстояние (соответствующее толщине e_z4 пористой зоны Z₄), отделяющее последнее фильтрующее кольцо F₅ от соседнего фильтрующего кольца в направлении центра подложки, то есть четвертого фильтрующего кольца F₄. Это увеличение толщины, по меньшей мере, некоторых из пористых зон по мере удаления от центральной оси подложки предусматривают, чтобы минимизировать эффект давления, действующего со стороны ретентата, или при гидравлических происшествиях, возникающих во время работы установки, таких как гидравлические удары. Для этого в представленном примере, начиная от третьей пористой зоны Z₂, если рассматривать две последовательные пористые зоны, отношение средней толщины наиболее наружной пористой зоны к средней толщине ближайшей пористой зоны, если перемещаться от центра подложки, всегда превышает 1. В примере, представленном на фиг.3A, пористые зоны Z₀, Z₁ и Z₂ имеют одинаковую толщину. Начиная от пористой зоны Z₂, средняя толщина зон фильтрации увеличивается по мере приближения к периферии 1₁ подложки. Соотношения толщин e_z3/e_z2 и e_z4/e_z3 находятся в пределах от 1,14 до 1,17.

Чтобы еще больше усилить механическую прочность фильтрующего элемента, можно предусмотреть, как в примере, представленном на фиг.3A, чтобы периферическая зона Zp, отделяющая последнее фильтрующее кольцо F₅ от наружной поверхности 1₁ подложки 1, тоже была больше, чем средняя толщина пористой зоны Z₄. Вместе с тем, согласно не предпочтительному варианту, можно было бы предусмотреть, чтобы эта периферическая пористая зона Zp имела такую же толщину, что и пористая зона Z₄. В примере, представленном на фиг.3A, средняя толщина периферической зоны Zp соответствует примерно 1,13 средней толщины пористой зоны Z₄.

Фиг.3B практически идентична фиг.3A с той лишь разницей, что для кольца ряда 4 применили поворот на 7,5° относительно продольной оси A. На фиг.3B представлен еще один вариант осуществления изобретения, в котором существует линейное совмещение между, по меньшей мере, одной осью X канала кольца ряда 5, осью Y смежного соединительного прохода кольца нижнего ряда 4 и осью X смежного канала кольца нижнего ряда 3. Действительно, в представленном примере существует строгое совмещение:

- между осью X₅₂₆ канала C₅₂₆ кольца F₅ ряда 5, ближайшего к периферии h подложки 1, осью Y₄₂₃ смежного соединительного прохода P₄₂₃ кольца F₄ нижнего ряда 4 и осью X₃₂₁ канала C₃₂₁ кольца F₃ нижнего ряда 3, и

- между осью X₅₈ канала C₅₈ кольца F₅ ряда 5 подложки 1, осью Y₄₇ смежного соединительного прохода P₄₇ кольца F₄ нижнего ряда 4 и осью X₃₇ канала C₃₇ кольца F₃ нижнего ряда 3, и

- между осью X₅₁₇ канала C₅₁₇ кольца F₅ ряда 5 подложки 1, осью Y₄₁₅ смежного соединительного прохода P₄₁₅ кольца F₄ нижнего ряда 4 и осью X₃₁₄ канала C₃₁₄ кольца F₃ нижнего ряда 3.

В представленном примере существует также линейное совмещение между смежными осями Y различных соединительных проходов P колец 3, 4 и 5: на уровне проходов P₃₁₇, P₄₁₉ и P₅₂₁ оси Y₃₁₇, Y₄₁₉ и Y₅₂₁ находятся на одной линии. Существует также совмещение осей Y₅₃, Y₄₃ и Y₃₃ на уровне проходов P₅₃, P₄₃ и P₃₃, а также осей Y₅₁₂, Y₄₁₁ и Y₃₁₁ на уровне проходов P₅₁₂, P₄₁₁ и P₃₁₁.

Прямое поперечное сечение подложки 1 тоже имеет ось симметрии В".

При помощи программы Abaqus было проведено исследование с целью оценки полей напряжения, существующих внутри подложки, когда в каждом из каналов создают напряжение, соответствующее давлению 100 МПа. Максимальное напряжение, вычисленное для фиг.3A, равно 56,1 МПа, а для фиг.3B - 56,2 МПа.

В рамках изобретения, как показано на фиг.1A, 2, 3A и 3B, зоны фильтрации могут исключительно соответствовать единому центральному каналу C₀₁ и кольцам каналов, охарактеризованным в рамках изобретения и распределенным концентрично относительно центральной оси подложки. Тем не менее, можно вносить различные изменения. В частности, единый центральный канал можно исключить или заменить совокупностью каналов, расположенных в виде лепестков, начинающихся от центральной оси A подложки 1. Если подложка содержит более трех фильтрующих колец, можно предусмотреть, чтобы три кольца, ближайшие к периферии подложки, не проникали друг в друга, тогда как другие кольца, ближайшие к центру подложки, могут проникать друг в друга. Можно также предусмотреть выполнение всех имеющихся колец без взаимного проникновения, как в представленных примерах.

Предпочтительно для всех каналов, включая центральный канал, предусмотрено, чтобы для любой пары из двух каналов соотношение между их гидравлическими диаметрами находилось в интервале 0,75-1,25 и даже в интервале 0,95-1,05 и/или соотношение между площадями их прямых поперечных сечений находилось в интервале 0,75-1,25 и даже в интервале 0,95-1,05.

Точно так же, в рамках изобретения, как показано на фиг.1A, 2, 3A и 3B, предпочтительно каналы разных колец расположены через равномерные и идентичные интервалы на их соответствующем кольце, хотя можно предусмотреть и другие конфигурации. Кроме того, следует отметить, что, если все каналы являются идентичными внутри одного кольца, как на фиг.1A, 2, 3A и 3B, то они и расположены одинаково на кольце, учитывая требования с точки зрения симметрии каналов и соединительных проходов.

Согласно другому отличительному признаку, проиллюстрированному разными примерами осуществления изобретения, предпочтительно проходные перегородки P имеют внутри одного кольца, по существу, идентичные толщины. Согласно варианту осуществления, в частности, представленному на фиг.1A, 2, 3A и 3B, предусмотрено, чтобы ширина соединительных проходов P, находящихся между двумя соседними каналами кольца, была постоянной по всей их длине. Эта ширина является также идентичной от одного фильтрующего кольца к другому. Действительно, заявитель установил, что изменения ширины проходов для фильтрата, описанные в патентных заявках WO 93 07959 на имя CERASIV и EP 0780148 на имя CORNING, приводят к появлению точек ослабления по отношению к механическим напряжениям, которым подвергается фильтрующий элемент. Применение проходов для фильтрата в сторону периферии, имеющих постоянную ширину, позволяет оптимизировать механические характеристики фильтрующего элемента. Действительно, если сравнить проход постоянной ширины и проход, в котором ширина увеличивается от центра к периферии подложки при постоянных сечении и числе каналов, образующих проходы, наименьшая ширина прохода переменной ширины меньше ширины с постоянной шириной, и эта точка наименьшей ширины становится таким образом точкой механического ослабления. Выбор соединительного прохода постоянной ширины позволяет также добиться наилучшей производительности при изготовлении, так как давления экструзии являются более равномерными.

Ширину соединительного прохода можно определить следующим образом: внутри каждого кольца каналы имеют не круглые прямые сечения. В представленных примерах каналы колец имеют трапециевидную форму. Они содержат стенку, обращенную к периферии 1₁ подложки (называемую наружной стенкой), стенку, обращенную к центру А подложки (называемую внутренней стенкой), и две боковые стенки, соединяющие внутреннюю стенку и наружную стенку. Чаще всего боковые стенки соединены с внутренней и наружной стенками через скругленные сопряжения. В некоторых случаях внутреннюю стенку можно заменить скругленным сопряжением, соединяющим две боковые стенки R. Радиальная стенка образована сегментом прямой, соединенным скругленными сопряжениями с внутренней и наружной стенками канала, который она ограничивает. Ширина соединительного прохода соответствует ширине прохода на части, соответствующей этим сегментам прямых, которая находится между скругленными сопряжениями.

Изобретение относится к технической области тангенциального разделения с использованием фильтрующих элементов. Фильтрующий элемент (I) для фильтрации текучей среды, содержащий жесткую пористую подложку (1) цилиндрической формы, имеющую центральную продольную ось (A) и содержащую множество каналов (C₀₁, C₁₁, C₁₂,…C₂₁, C₂₂…C_n1, C_n2…) для циркуляции фильтруемой текучей среды с целью сбора фильтрата на периферии (1₁) подложки, выполненных в подложке (1) параллельно ее центральной оси (A), при этом указанные каналы (C₀₁, C₁₁, C₁₂,…C₂₁, C₂₂…C_n1, C_n2…) образуют, в частности, фильтрующие кольца (F₁, F₂…F_n) по меньшей мере в количестве трех, в каждом из которых:

- каналы (C₁₁, C₁₂,…C₂₁, C₂₂…C_n1, C_n2…) имеют не круглое прямое поперечное сечение, при этом прямое поперечное сечение каждого канала имеет ось симметрии (X, X₁,…X_n, X₁₁,…X₂₁…, X_n1…), которая проходит через центр подложки,

- два соседних канала разделены соединительными проходами (P, P₁, P₂,…P_n, P₁₁,…P₂₁…, P_n1…), при этом указанные соединительные проходы (P, P₁, P₂,…P_n, P₁₁,…P₂₁…, P_n1…) имеют ось симметрии (Y, Y₁, Y₂…Y_n, Y₁₁,…Y₂₁…, Y_n1…), которая проходит через центр подложки,

- все соотношения между гидравлическими диаметрами двух любых каналов (C₁₁, C₁₂,…C₂₁, C_22…C_n1, C_n2…) фильтрующих колец находятся в интервале 0,75-1,25, предпочтительно в интервале 0,95-1,05,

при этом указанные фильтрующие кольца (F₁, F₂…F_n) распределены концентрично и отделены друг от друга сплошной пористой зоной (F₁, F₂…F_n-1) без взаимопроникновения между двумя смежными кольцами, при этом на уровне трех колец, наиболее близких к периферии подложки, называемых кольцами ряда n, n-1 и n-2, существует по меньшей мере одно совмещение между тремя смежными осями среди осей (Y, Y₁, Y₂…Y_n, Y₁₁,…Y₂₁…, Y_n1…) соединительных проходов и осей (X, X₁…X_n, X₁₁, …X₂₁…, X_n1…) каналов, которое способствует механической прочности подложки, при этом, если фильтрующий элемент имеет более трех фильтрующих колец, то среди трех колец, наиболее близких к периферии подложки, называемых кольцами ряда n, n-1 и n-2, существует, по меньшей мере, одно кольцо, в котором число каналов не является кратным числу каналов кольца, наиболее близкого к центру подложки, называемого кольцом ряда 1. Технический результат - увеличение площади каналов для обеспечения фильтрации текучей среды. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Фильтрующий элемент (I) для фильтрации текучей среды, содержащий жесткую пористую подложку (1) цилиндрической формы, имеющую центральную продольную ось (А) и содержащую множество каналов (C₀₁, С₁₁, С_12, … С₂₁, С₂₂… C_n1, C_n2…) для циркуляции фильтруемой текучей среды с целью сбора фильтрата на периферии (1₁) подложки, выполненных в подложке (1) параллельно ее центральной оси (А), при этом указанные каналы C₀₁, С₁₁, С_12, … С₂₁, С₂₂… C_n1, C_n2…) образуют, в частности, фильтрующие кольца (F₁, F₂…F_n) по меньшей мере в количестве трех, в каждом из которых:
- каналы (С₁₁, С₁₂, … С₂₁, С₂₂… C_n1, C_n2…) имеют не круглое прямое поперечное сечение, при этом прямое поперечное сечение каждого канала имеет ось симметрии (X, X₁, … X_n, Х₁₁, …Х₂₁…, X_n1…), которая проходит через центр подложки,
- два соседних канала разделены соединительными проходами (Р, P₁, Р₂, … P_n, Р₁₁, …Р₂₁…, P_n1…), при этом указанные соединительные проходы (Р, P₁, Р₂, … P_n, P₁₁, …Р₂₁…, P_n1…) имеют ось симметрии (Y, Y₁, Y₂… Y_n, Y₁₁, …Y₂₁…, Y_n1…), которая проходит через центр подложки,
- все соотношения между гидравлическими диаметрами двух любых каналов (С₁₁, С₁₂, … С₂₁, С₂₂… C_n1, C_n2…) фильтрующих колец находятся в интервале 0,75-1,25, предпочтительно в интервале 0,95-1,05,
при этом указанные фильтрующие кольца (F₁, F₂ …F_n) распределены концентрично и отделены друг от друга сплошной пористой зоной (F₁, F₂ …F_n-1) без взаимопроникновения между двумя смежными кольцами, при этом на уровне трех колец, наиболее близких к периферии подложки, называемых кольцами ряда n, n-1 и n-2, существует по меньшей мере одно линейное совмещение между тремя смежными осями среди осей (Y, Y₁, Y₂… Y_n, Y₁₁, …Y₂₁…, Y_n1…) соединительных проходов и осей (X, X₁… X_n, Х₁₁, …Х₂₁…, X_n1…) каналов, которое способствует механической прочности подложки, при этом, если фильтрующий элемент имеет более трех фильтрующих колец, то среди трех колец, наиболее близких к периферии подложки, называемых кольцами ряда n, n-1 и n-2, существует по меньшей мере одно кольцо, в котором число каналов не является кратным числу каналов кольца, наиболее близкого к центру подложки, называемого кольцом ряда 1.

2. Фильтрующий элемент (I) по п. 1, отличающийся тем, что указанное линейное совмещение между осями соединительных проходов и осями каналов, которое способствует механической прочности подложки, соответствует тому, что по меньшей мере одна ось (Y_n) соединительного прохода (P_n) кольца (F_n), наиболее близкого к периферии (1₁) подложки (1), называемого кольцом ряда n, по существу находится на одной линии с осью (X_n-1) смежного канала кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1, при этом указанная ось (X_n-1) канала, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью (Y_n-2) смежного соединительного прохода (P_n-2) кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2.

3. Фильтрующий элемент (I) по п. 2, отличающийся тем, что ось (Y_n) соединительного прохода (P_n) кольца (F_n), наиболее близкого к периферии (1₁) подложки (1), называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью (X_n-1) смежного канала кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1, а указанная ось (X_n-1) канала, по существу, находится на одной линии с осью (Y_n-2) смежного соединительного прохода (P_n-2) кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-1.

4. Фильтрующий элемент (I) по п. 2 или 3, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере четыре фильтрующих кольца (F₁, F₂, F₃, …F_n), и при этом, по меньшей мере, для оси (Y_n) соединительного прохода (P_n) кольца (F_n) ряда n, которая, по существу, находится на одной линии с осью (X_n-1) смежного канала кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1 с указанной осью канала, которая, по существу, находится на одной линии с осью (Y_n-2) смежного соединительного прохода (P_n-2) кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2, имеется, по существу, линейное совмещение между указанной осью (Y_n-2) соединительного прохода (P_n-2) кольца (F_n-2) ряда n-2 и осью (Y_n-3) смежного соединительного прохода (P_n-3) кольца (F_n-3) ряда n-3.

5. Фильтрующий элемент (I) по п. 1, отличающийся тем, что указанное линейное совмещение между осями соединительных проходов и осями каналов, которое способствует механической прочности подложки, соответствует тому, что по меньшей мере одна ось (X_n) канала кольца (F_n), наиболее близкого к периферии (1₁) подложки (1), называемого кольцом ряда n, по существу, находится на одной линии с осью (Y_n-1) смежного соединительного прохода (P_n-1) кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1, при этом указанная ось (Y_n-1) соединительного похода, по существу, находится на одной линии с осью (X_n-2) смежного канала кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2.

6. Фильтрующий элемент (I) по п. 5, отличающийся тем, что ось (X_n) канала кольца (F_n), наиболее близкого к периферии (1₁) подложки (1), называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью (Y_n-1) смежного соединительного прохода кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n, а указанная ось (Y_n-1) соединительного прохода, в свою очередь, по существу находится на одной линии с осью (X_n-2) смежного канала кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал кольца ряда n-2.

7. Фильтрующий элемент (I) по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна ось (Y_n) соединительного прохода (P_n) кольца (F_n), наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, по существу, находится на одной линии с осью (Y_n-1) смежного соединительного прохода (P_n-1) кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1, при этом указанная ось (Y_n-1) соединительного прохода (P_n-1), по существу, находится на одной линии с осью (Y_n-2) смежного соединительного прохода (P_n-2) кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2.

8. Фильтрующий элемент (I) по п. 7, отличающийся тем, что ось (Y_n) соединительного прохода (P_n) кольца (F_n), наиболее близкого к периферии (1₁) подложки (1), называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью (Y_n-1) смежного соединительного прохода (P_n-1) кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1 с допуском +/-3°, предпочтительно +/-2° и еще предпочтительнее +/-1°, а указанная ось (Y_n-1) соединительного прохода (P_n-1), по существу, находится на одной линии с осью (Y_n-2) смежного соединительного прохода (P_n-2) кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2 с допуском +/-3°, предпочтительно +/-2° и еще предпочтительнее +/-1°.

9. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, отличающийся тем, что по меньшей мере одна ось (X_n) канала кольца (F_n), наиболее близкого к периферии подложки, называемого кольцом ряда n, по существу находится на одной линии с осью (X_n-1) смежного канала кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1, при этом указанная ось (X_n-2) канала, по существу, находится на одной линии с осью (X_n-2) смежного канала кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2.

10. Фильтрующий элемент (I) по п. 9, отличающийся тем, что ось (X_n) канала кольца (F_n), наиболее близкого к периферии (1₁) подложки, называемого кольцом ряда n, находится на одной линии с осью смежного канала (X_n-1) кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал (X_n-1) кольца ряда n-1, при этом указанная ось (X_n-1) канала кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1, по существу, находится на одной линии с осью (X_n-2) смежного канала кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2 с допуском +/-16%, предпочтительно +/-10% и еще предпочтительнее +/-5% значения углового сектора, образованного двумя осями симметрии соединительных проходов, ограничивающих указанный канал (X_n-1) кольца ряда n-1.

11. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что число каналов на одно кольцо возрастает от колец ряда n-2 до колец ряда n.

12. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что в каждом из колец ряда от n-2 до n все каналы являются идентичными.

13. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что все соотношения между площадями прямого поперечного сечения любых каналов, принадлежащих к фильтрующим кольцам, находятся в интервале 0,75-1,25, предпочтительно в интервале 0,95-1,05.

14. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что значения ширины проходных перегородок равны внутри одного кольца и равны от одного кольца к другому.

15. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что ширина каждой проходной перегородки является постоянной по всей ее длине.

16. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что все каналы фильтрующих колец (F₁, F₂ …F_n)) ограничены наружной стенкой, двумя боковыми стенками и скругленными сопряжениями и, в случае необходимости, внутренней стенкой, при этом каждое из указанных скругленных сопряжений имеет профиль в виде дуги окружности, радиус которой предпочтительно превышает или равен 0,3 мм и предпочтительно находится в интервале 0,3-1,5 мм.

17. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что каждое из колец (F_n, F_n-1, F_n-2) ряда n, n-1 и n-2 имеет число каналов, кратное целому числу m, а число осей (Y_n) соединительного прохода (P_n) кольца (F_n) ряда n, которые, по существу, находятся на одной линии с осью (X_n-1) смежного канала кольца (F_n-1) нижнего ряда n-1, при этом указанная ось канала, по существу, находится на одной линии с осью (Y_n-2) смежного соединительного прохода (P_n-2) кольца (F_n-2) нижнего ряда n-2, соответствует этому целому числу m.

18. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что все каналы (C_n1, C_n2…) одного кольца являются идентичными и предпочтительно разделены одинаковым расстоянием.

19. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что содержит центральный канал (C₀₁) предпочтительно круглой формы, при этом фильтрующие кольца распределены концентрично относительно центрального канала (С₀₁).

20. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что фильтрующие кольца (F₁, F₂ …F_n) распределены по концентричным окружностям.

21. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что все каналы (С₁₁, С₁₂, … С₂₁, С₂₂… C_n1, C_n2…) фильтрующих колец (F₁, F₂ …F_n) имеют трапециевидное или треугольное сечение.

22. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что подложка имеет круглое или многоугольное сечение.

23. Фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что поверхность каналов (С₀₁, С₁₁, C₁₂, … С₂₁, С₂₂… C_n1, C_n2…) покрыта по меньшей мере одним неорганическим фильтрующим слоем.

24. Фильтрующий элемент (I) по одному из п.п. 1-3, 5-8, 10, отличающийся тем, что средняя толщина пористой зоны (Z₀), наиболее близкой к центральной оси, меньше средней толщины пористой зоны (Z_n-1), наиболее близкой к периферии подложки, а по мере удаления от центральной оси (А) подложки к ее периферии средняя толщина одной пористой зоны либо идентична со следующей, либо меньше.

25. Фильтрующая установка, содержащая в картере фильтрующий элемент (I) по одному из пп. 1-24.