專利名稱：空間優(yōu)化的聚結(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚結(jié)器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知聚結(jié)器用來聚結(jié)具有兩種不混溶的相，即連 續(xù)相和分散相的介質(zhì)。例如在發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和其它空氣-油 分離系統(tǒng)中，連續(xù)相是空氣，而分散相是油在諸如燃料過濾器的燃 料-水分離系統(tǒng)中，燃料是連續(xù)相，而水是分散相；在水-油分離系統(tǒng)中， 水是連續(xù)相，而油是分散相。聚結(jié)器元件具有聚結(jié)器介質(zhì)，該聚結(jié)器 介質(zhì)俘獲分散相的微滴，使微滴聚結(jié)地成長為較大的液滴，該液滴進 一步聚結(jié)并成長以形成排出的池。本發(fā)明特別好地適用于發(fā)動機曲軸 箱的通風(fēng)應(yīng)用，但也可以用于具有不混溶的流體(例如，空氣-油、燃 料-水、水-油等)的其它分離系統(tǒng)。
在設(shè)計聚結(jié)器中，經(jīng)常需要做出折衷。例如，a)髙去除效率或b) 低壓降或c)長使用壽命或d)小尺寸可以單獨地實現(xiàn)，但不必組合地實 現(xiàn)。本發(fā)明解決并減小組合中的這些折衷。


圖2是示出加載和飽和的曲線圖。 圖3是根據(jù)No.l 1/230694申請的聚結(jié)器的透視圖。 圖4是圖3的聚結(jié)器的前正視圖，并且示出根據(jù)No.ll/230694申 請的另外實施例。
圖5類似圖4并且示出另一實施例。 圖6類似圖4并且示出另一實施例。 圖7類似圖4并且示出另一實施例。 圖8類似圖4并且示出另一實施例。 圖9類似圖4并且示出另一實施例。 圖10類似圖4并且示出又一實施例。 圖11是示出纖維取向角的示意圖。 圖12類似圖11并且示出另一實施例。 圖13類似圖11并且示出另一實施例。 圖14類似圖11并且示出另一實施例。 圖15類似圖11并且示出另一實施例。 圖16類似圖11并且示出另一實施例。 圖17類似圖ll并且示出另一實施例。 圖18類似圖ll并且示出另一實施例。 圖19類似圖ll并且示出另一實施例。 圖20類似圖ll并且示出另一實施例。 圖21類似圖11并且示出另一實施例。 圖22類似圖ll并且示出另一實施例。
圖23是用掃描電子顯微鏡以43X的放大率獲取的纖維介質(zhì)的顯微 照片。
圖24是相對于圖23成90。取向用掃描電子顯微鏡以35X的放大 率獲取的纖維介質(zhì)的顯微照片。
圖25是又一實施例的示意圖，示出跨越局部凹處的纖維取向。 圖26-28取自上述專利No.l 1/273101申請。
圖26是示意性透視圖，示出用來制造根據(jù)No.ll/273101申請的 聚結(jié)器的方法。圖27類似圖26并且示出又一實施例。
圖28是曲線圖，示出根據(jù)No.11/273101申請的聚結(jié)器特性。
圖29是剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的聚結(jié)器。
圖30類似圖29并且示出另一實施例。
圖31類似圖29并且示出另一實施例。
圖32類似圖29并且示出另一實施例。
圖33類似圖29并且示出另一實施例。
圖34類似圖29并且示出另一實施例。
圖35類似圖29并且示出另一實施例。
圖36類似圖29并且示出另一實施例。
圖37類似圖29并且示出另一實施例。
具體實施例方式
美國專利申請No. 11/230694
下面關(guān)于圖1-25的描述取自上述No.11/230694申請。
圖1示出用來聚結(jié)介質(zhì)22的聚結(jié)器20，該介質(zhì)具有兩種不混溶 的相，即連續(xù)相24和分散相26。例如，對于發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)聚結(jié)器 的情況，連續(xù)相24是空氣，并且分散相是油，例如，以具有微滴26 的細霧的形式，該微滴26的直徑大約為一微米和更小。連續(xù)相24從 上游流到下游，即在圖1中從左流到右。聚結(jié)器包括纖維介質(zhì)28，該 纖維介質(zhì)28俘獲分散相的微滴，使微滴聚結(jié)地成長為較大的液滴(例 如像在30、 32處所示的)，它進一步聚結(jié)并成長以形成例如34的池， 該池如在36處所示的那樣排出。在氣體或空氣流24內(nèi)，微滴26可碰 撞并且通過液滴到液滴的聚結(jié)而尺寸增加。在進入聚結(jié)器20時，微滴 通過撞擊、攔截、擴散、或者靜電的或其它過濾機理被俘獲。微滴在 被俘獲時尺寸增加，并且未俘獲的微滴聚結(jié)以形成較大的液滴。當(dāng)液 滴變得足夠大并且匯聚在34使得流動力和/或'重力超過附著力時，變大 的/匯聚的液滴流過纖維介質(zhì)層并且如在36處所示那樣被釋放。分散相 飽和度在聚結(jié)器內(nèi)變化，典型地，由于粘性力，在接近下游面(圖1的右手面)處具有增加的飽和度，并且由于重力，在聚結(jié)器的底部具 有增加的飽和度。與空隙率一樣，飽和度是無量綱數(shù)，代表由俘獲的 分散相占據(jù)的過濾器介質(zhì)的空隙空間的百分率或百分比。飽和不意味 著整個空隙體積充滿俘獲的諸如油的分散相，而是意味著該元件保持 盡可能多的油。在飽和的情況下，在圖1中，與頂部和左部相比，底 部和右部保持更多的油。
在沒有固體污染物的情況下，在聚結(jié)器的加載期間跨越聚結(jié)器的
壓降增加(圖2的左側(cè))，且然后一旦聚結(jié)器變得飽和，壓降就變得 穩(wěn)定(圖2的右側(cè))。圖2是以毫米水柱為單位的壓降A(chǔ)P對以分鐘為 單位的時間的圖表。在加載期間，俘獲的速率大于排出的速率。在飽 和期間，俘獲的速率等于排出的速率。實際上，由于固體污染物被俘 獲并由聚結(jié)器保持和/或俘獲速率超過從聚結(jié)器排出的速率，因而出現(xiàn) 堵塞或過高的壓力。在本公開內(nèi)容的兩個希望的方面，聚結(jié)器的固體 保持容量增加且聚結(jié)器的排出速率增加。上述飽和度分布圖在聚結(jié)器 設(shè)計中是重要的，因為增加的飽和度對應(yīng)于纖維介質(zhì)層中的減小的有 效空隙率和增加的限制。
No.ll/230694申請的公開內(nèi)容提供了一種具有纖維介質(zhì)的聚結(jié) 器，該纖維介質(zhì)適于通過增加來自它的排出來減小跨越它的壓力降。 這以將要被描述的各種方式實現(xiàn)。
圖3示出纖維介質(zhì)聚結(jié)器40，該纖維介質(zhì)聚結(jié)器40具有空心內(nèi) 部42且提供由內(nèi)向外的流動，即如在44處示出的進入空心內(nèi)部42的 入流，和隨后從空心內(nèi)部42通過纖維介質(zhì)46向外的流動，如在箭頭 48處所示。聚結(jié)器40具有沿第一水平面50的第一橫截面積Ap和沿 第二水平面52的第二橫截面積A2。水平面52在豎直方向上位于水平 面50下方(圖3、 4)。橫截面積A2小于橫截面積A,。聚結(jié)器40具 有周邊54,該周邊54具有跨越它的多個弦，所述多個弦包括諸如56 的豎直弦和諸如58的水平弦。最長的弦豎直地延伸，例如56。水平弦速率是分散相柱的高 度的函數(shù)，該分散相柱的髙度與元件高度和橫截面積成比例。通過沿 豎直取向提供形狀的較長尺寸，最大化了排出壓力。通過使橫截面積 向著聚結(jié)器的底部減小，獲得兩個優(yōu)點。首先，在限制為最大且污染 流體的流動速率和去除為最小的情況下，浸透了分散相的元件的體積 被最小化。相反，在限制最小且污染流體的流動速率和去除最大的情 況下，所述元件的體積被最大化。第二，較大比例的元件體積可用來 俘獲并保持可能堵塞聚結(jié)器或以其它方式引起過度壓降的任何固體。 由于相對于上段增加的局部飽和度，下段更具有限制性并且具有比上 段小的流動速率。人們可能期望在下端中去除也較高，然而實際情況 不是這樣，原因是(a)由于較小的流穿過下段，它對由元件進行的 總?cè)コ呢暙I較??；和(b)下段中的局部速度相對較高，這連同增加 的飽和度一起增加了液滴的再H散，這不利地影響了去除。
圖3、 4將豎直平面中的上述給定形狀示出為空心跑道形狀。豎直 平面中的其它給定形狀是可能的，例如空心的橢圓形形狀62 (圖5)、 空心的三角形形狀64 (圖6)、空心的正方形形狀66 (圖7)、空心 的梯形形狀68 (圖8)和空心的圓形形狀70 (圖9)。從內(nèi)向外流是 優(yōu)選的，因此流動速度隨著進入介質(zhì)的距離而減小，這最小化了再飛 散和將聚結(jié)的液滴攜帶入清潔側(cè)的可能性，并減小聚結(jié)器的飽和度高 的部分中的速度。這對于跑道形和橢圓形是特別有利的，這是因為由 這些形狀的元件的內(nèi)部中的較小的上游敞開空心空間導(dǎo)致的它們的較 好的空間利用。從外向內(nèi)流也是可以的。
在一個實施例中，纖維介質(zhì)由多個纖維提供，該多個纖維具有非 隨機的主導(dǎo)豎直取向(圖4)。纖維優(yōu)選為聚合物，并且優(yōu)選地取向成 圍繞給定形狀的周邊且在可能的情況下平行于重力的方向。纖維優(yōu)選 地沿周邊54主導(dǎo)周向相切地延伸。優(yōu)選地沿周邊54主導(dǎo)周向相切地延伸的纖維是主導(dǎo)豎直的，并且在聚結(jié)器的下部區(qū)域提供增加的排出 壓力。所述元件優(yōu)選地通過靜電紡絲或熔噴纖維，或者圍繞給予纖維 上述優(yōu)選取向的元件周圍包覆或纏繞纖維介質(zhì)的片材而制造。纖維的 優(yōu)選取向和對準減小了所俘獲的液滴流動的阻力，并通過形成平行于 重力的流路和通道增強了排出。為了易于制造，優(yōu)選通過熔噴或靜電 紡絲形成的聚合物纖維，但也可以使用其它材料。
在另外的實施例中(圖4),聚結(jié)器沿豎直方向的振動或擺動， 特別地連同上述纖維取向一起，是增強排出、最小化限制和增加聚結(jié) 器壽命的另外方法。在一個實施例中可以是內(nèi)燃機或其它機械部件的 如虛線所示的搖動器72沿豎直方向振動或擺動聚結(jié)器。沿豎直方向的 這種運動或振動使俘獲的液滴加速，并且突然反向引起它們從纖維剝 落并以最小阻力排出。在上述實施中，發(fā)動機或其它設(shè)備的正常振動 促進這種振動，然而，可能希望提供聚結(jié)器的明智的定位和安裝或通 過添加機械振動器來振動聚結(jié)器。
聚結(jié)器具有下部區(qū)域，例如在圖4中平面52處，與例如在平面 50處的上部區(qū)域相比，該下部區(qū)域具有較大的分散相飽和度和較小的 體積，從而在限制最大且連續(xù)相的流動速率最小且污染物去除最小的 情況下最小化浸透分散相的纖維介質(zhì)的體積，并且在限制最小且連續(xù) 相流動速率最大且污染物去除最大的情況下最大化纖維介質(zhì)的體積。 在另外的實施例中(圖10)，下部介質(zhì)元件74設(shè)置成具有比纖維介質(zhì) 46更大的分散相可濕性并接觸聚結(jié)器40的下部區(qū)域，并且在在下部區(qū) 域從纖維介質(zhì)46中芯吸聚結(jié)的液滴。在一個實施例中，纖維介質(zhì)46 相對于分散相是不潤濕的，并且下部介質(zhì)元件74相對于分散相是潤濕 的。在優(yōu)選的形式中，下部介質(zhì)元件74的分散相接觸角的余弦大于纖 維介質(zhì)46的分散相接觸角的余弦。在上述內(nèi)燃機應(yīng)用中，芯吸層74 的目的是從聚結(jié)器吸油并將油引到收集容器，例如發(fā)動機或油箱。在 這種實施例的優(yōu)選形式中，芯吸層74是非編織的過濾器介質(zhì)，雖然替 代地它可以是油箱自身的壁或具有合適可濕性特性的其它材料。上述公開內(nèi)容提供了用來減小跨越聚結(jié)器的壓降的各種手段，包
括增強從聚結(jié)器排出聚結(jié)的分散相。如圖2所示，跨越聚結(jié)器的壓降隨時間增加，直到聚結(jié)的分散相(例如，在曲軸箱通風(fēng)過濾器的情況下是油)的排出速率等于分散相的俘獲速率。通過增加排出速率可減小平衡壓降，而這轉(zhuǎn)而減小聚結(jié)器的分散相飽和度并增加聚結(jié)器的有效空隙率。通過增加空隙率，，聚結(jié)器的固體加載容量增加了，也增加了聚結(jié)器的壽命。
除了上面公開的用來增加排出速率的方式，各種方式可用來利用纖維取向的另外優(yōu)點。如上所述，纖維可以相對于重力且相對彼此有利地取向。為了此處的目的，相對于水平方向，即相對于垂直于重力的方向的角度,第一主導(dǎo)纖維取向角a被定義為纖維延伸76(圖11-22)。在圖11、 18、 20中，a是0。。在圖12、 15、 21中，a是負45。。在圖13、 16、 22中，a是負卯。。在圖14、 17、 19中，a是45。。纖維也可以相對于流動方向有利地取向。為了此處的目的，第二主要纖維取向角i8被定義為纖維延伸76相對于流動方向24的角度。在圖11、 15、19中，P是0°。在圖12、 16、 20中，e是負45°。在圖13、 17、 21中，P是負卯。。在圖14、 18、 22中，j8是45。。圖11-22示出從空心內(nèi)部42穿過纖維介質(zhì)46向外的多個流動方向中的各種示例性流動方向。圖11-14示出平行于水平方向的流動方向24。圖15-18示出相對于水平方向成負45°的流動方向24。圖19-22示出相對于水平方向成45°的流動方向24。
三個力作用在所俘獲和聚結(jié)的液滴上，即由于流體流動引起的拖曳力；重力；和由于毛細壓力引起的粘附力或附著力。第三個力由介質(zhì)的潤濕特性控制且上文中已描述過。同樣重要的是，拖曳力和重力之間的相互作用。由于希望向下排出液滴，因此希望纖維取向角a滿足sina小于零的條件，使得重力輔助排出，例如圖12、 13。如果sina大于零，則重力阻礙排出，增加平衡壓降并減小壽命。因此，圖11和14中的纖維取向角a是較少被希望的。優(yōu)選的是，a小于0。且大于或等于負卯°。至于相對于流動方向24的纖維取向角/3，由于流體流動引起的拖曳力隨著cosin/3增加而減小。優(yōu)選的是，cosinP大于0.5,即e小于60°且大于負60。。
為了減少聚結(jié)器的總體飽和度，減小壓降，且增加壽命，所有的纖維都展示優(yōu)選的取向是不必要的。而是，大多數(shù)纖維應(yīng)具有所希望的取向，即具有主導(dǎo)纖維取向或角度。圖23是顯微鏡照片，示出大致平行于重力且垂直于流動方向的主導(dǎo)纖維取向，如指示箭頭所示。圖24是顯微鏡照片，示出相對于重力的纖維取向，其中流動方向進入頁面。在另外的實施例中，可提供具有所希望的取向的足夠數(shù)量的纖維以局部增強排出。因為聚結(jié)的分散相從這種區(qū)域更自由地排出，所以保持了低的局部分散相飽和度和壓降，并且減小了聚結(jié)器的凈有效飽和度。雖然希望所有的纖維的a小于0。且大于或等于負90°，并且/3小于60°且大于負60°，但這是不可行的。也可以使用各種組合。例如，在圖25中，如果希望不同纖維取向的局部區(qū)域不垂直，則諸如在78處示出的局部凹處可形成在纖維介質(zhì)中，這種凹處使多個纖維沿其它的纖維取向角a和jS偏斜。這些局部凹處可設(shè)置成如以引用的方式并入這里的美國專利6387144中所示，例如，在纖維取向角a和/3不同于0。且不同于90°或負90°的情況下，通過針刺法產(chǎn)生這種局部凹處、凹陷或凹痕。其它手段也可用于形成局部凹處，例如所述介質(zhì)可釘有較大的纖維、絲線、釘子、曲頭釘或具有高的長寬縱橫比的類似結(jié)構(gòu)，使得a和/或/3不同于卯。或負卯°，如希望的那樣。在另一替代方案中，在線沿著0°的角度(平行于流動方向)取向的情況下，線狀材料可使用縫紉機等縫制到聚結(jié)器介質(zhì)中，并且穿刺針和線將引起周圍的纖維介質(zhì)以不同于90°或負90。的角度取向。在另--替代方案中，使用加熱的針或超聲波焊接型工藝而不是使用針刺法，可產(chǎn)生局部凹處。這將產(chǎn)生導(dǎo)致聚結(jié)的分散相從聚結(jié)器排出的飽和度梯度。因此，即使不是所有的纖維都具有不同于0。的所希望的取向角a，與所有的纖維以a等于0。取向的情況相比，排出仍將增強。這些改進引入優(yōu)選地相對于流動取向以有助于排出并減小壓降的方式取向的纖維或結(jié)構(gòu)。由于使所有纖維都如此取向通常是不切實際的，可以在分層的介質(zhì)中產(chǎn)生具有優(yōu)選取向的局部凹處以減小壓降和提高聚結(jié)器的壽命。
No.ll/230694申請的系統(tǒng)提供一種增加聚結(jié)器的壽命的方法。該聚結(jié)器具有跨越它的壓降，該壓降隨時間增加，直到所聚結(jié)的分散相的排出速率等于俘獲速率，提供平衡壓降。該方法通過減小分散相飽和度并增加空隙率來增加聚結(jié)器的壽命，并且通過增加排出速率以減小平衡壓降來增加固體加載容量。該方法包括提供纖維介質(zhì)作為多個纖維，并且使該纖維優(yōu)選地沿小于0°且大于或等于負90。的第一主導(dǎo)纖維取向角a，并且優(yōu)選地沿小于60。且大于負60。的第二主導(dǎo)纖維取向角/3主要地取向。在一個實施例中，該聚結(jié)器豎直地振動。該方法包括通過為聚結(jié)器設(shè)置有與上部區(qū)域相比具有較大分散相飽和度和較小體積的下部區(qū)域，在限制最大且流動速率和去除最小的情況下最小化浸透有分散相的纖維介質(zhì)的體積，并且在限制最小且流動速率和去除最大的情況下最大化纖維介質(zhì)的體積。在一個實施例中，在增加的分散相飽和度的下部區(qū)域處從纖維介質(zhì)將聚結(jié)的液滴芯吸走。
美國專利申請No. 11/273101
下面關(guān)于圖26-28的公開內(nèi)容取自上述No. 11/273101申請。
在優(yōu)選實施例中，No.ll/273101申請的系統(tǒng)使用熔噴技術(shù)來制造聚結(jié)器。用于粒子過濾器的熔噴技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，例如以引用的方式并入這里的美國專利6860917、 3755527。參考圖26，并且也注意所并入的美國專利6860917第3欄25行開始的描述，熱塑性聚合物的小球被引入擠出機102的小球儲料器101，所述熱塑性聚合物例如聚酯、聚丙烯、聚醚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚苯硫醚、尼龍、乙烯丙烯酸共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、硅樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯，或者這些的摻合物或混合物。驅(qū)動或熔化泵104迫使熱塑性聚合物通過擠出機102進入模頭103。模頭103可包含加熱裝置105，該加熱裝置105可控制模頭103中的溫度。然后，迫使熱塑性聚合物離開模頭103中的一排模開口 106(也稱為噴絲頭)進入氣流，該氣流使熱塑性聚合物變細為纖維107，該纖維107被收集在諸如如旋轉(zhuǎn)的心軸或滾筒109的運動的收集裝置8上，以形成連續(xù)的110。使熱塑性聚合物變細的氣流通過氣體噴口 111和U2被供給，對此可另外參考上述并入的美國專利3755527的圖2。氣體狹縫111和112由氣體管路113和114供給熱氣體，優(yōu)選為空氣。也參考通過引用的方式并入這里的美國專利3978185，以示出熔噴工藝。熔噴包括有時稱為熔體紡絲和紡粘法的工藝。典型地，通過與熔噴模相關(guān)聯(lián)的孔U擠出聚合物以形成指向收集器的過濾器，從而制成熔噴過濾器筒。在熔噴期間，惰性氣體(例如空氣)流作用在熔融纖維上，從而使纖維變細到相對細的直徑并將變細的纖維隨機地分布到收集器上。大量非編織的隨機地互相混合的固化的纖維積聚在收集器上。由旋轉(zhuǎn)心軸109提供的收集器108收集纖維并將纖維巻成環(huán)形過濾器輥115。
在一方面，No.ll/273101申請?zhí)峁┝擞糜谕ㄟ^熔噴工藝來生產(chǎn)具有可變直徑的聚合物的基本上連續(xù)的長纖維的一種方法。纖維纏繞成規(guī)定形狀的形式以產(chǎn)生具有分級的纖維直徑和空隙率特性的聚結(jié)器元件。聚結(jié)器聚結(jié)具有兩種不混溶的相，即連續(xù)相和分散相的介質(zhì)。連續(xù)相從上游流到下游。聚結(jié)器元件由俘獲分散相的微滴的纖維介質(zhì)提供，使微滴聚結(jié)地成長為較大的液滴，該液滴進一步聚結(jié)并成長以形成排出的池。在一個優(yōu)選實施例中，希望聚結(jié)器介質(zhì)的性質(zhì)作為深度的函數(shù)而變化。在諸如曲軸箱通風(fēng)聚結(jié)器、霧移除過濾器、燃料水聚結(jié)器和油水分離器的聚結(jié)器應(yīng)用中，在一個優(yōu)選實施例中，希望空隙率和/或纖維直徑隨著進入介質(zhì)的距離增加而減小，在中間深度，即上游和下游端部之間的某處達到最小值，并且然后，空隙率和/或纖維直徑從中間深度到接近下游面的下游隨著進入介質(zhì)的距離的進一步增加而增加并且變得更加敞開。這種U形輪廓在后面，例如在圖28中被進一步描述，其纖維直徑和/或空隙率從上游到中間深度減小，并且然后從中間深度到下游增加。減小的空隙率和纖維直徑在聚結(jié)器的上游部分中導(dǎo)致較低的限制。最小的纖維直徑和/或空隙率是獲得最大去除效率的部位。從中間深度前進到下游的空隙率和纖維直徑的隨后增加促進了從聚結(jié)器排出和釋放所俘獲的微滴。
各種方法已經(jīng)用來改變作為深度的函數(shù)的聚結(jié)器介質(zhì)的性質(zhì)。例如，不同的介質(zhì)層可層疊以獲得這種效果。例如，聚結(jié)過濾器由內(nèi)部的高效率聚結(jié)層和外部的粗糙排出層構(gòu)成。在一些應(yīng)用中，例如多達七個不同的層的多個層用于實現(xiàn)所述優(yōu)點。典型地，這可以通過以多層的方式將不同的介質(zhì)片材碾壓或打褶在一起，或者通過將不同的層熔噴(包括熔體紡絲)在彼此頂部上來完成。每個層可由要在生產(chǎn)中獲得并處理的不同材料組成。每個層可能需要不同的步驟和/或設(shè)備以便處理和生產(chǎn)。層之間的過渡傾向于突變的或展示階梯的函數(shù)變化，
壽命及容量。
在No.11/273101申請的一個方面，提供一種用于生產(chǎn)聚結(jié)器元件的方法，包括用于曲軸箱通風(fēng)和除霧的聚結(jié)器，和用于使用纖維聚結(jié)器介質(zhì)的其它類型的聚結(jié)器，其中可以如希望地作為進入聚結(jié)器的深度的函數(shù)而改變纖維直徑和/或空隙率。纖維通過由合適的熱塑性聚合物熔噴而形成基本上連續(xù)的長度，例如上述那些。纖維被收集到回轉(zhuǎn)的/自轉(zhuǎn)的/旋轉(zhuǎn)的心軸或合適橫截面形狀的其它合適的收集器上，所述合適橫截面形狀例如圓形、卵形、橢圓形、跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。在一方面，當(dāng)生產(chǎn)纖維以產(chǎn)生沿其長度在不同點具有不同直徑的長纖維時，單個纖維的直徑發(fā)生變化。在另外的方
面，當(dāng)生產(chǎn)纖維時，相對于形成在心軸上的聚結(jié)器介質(zhì)的厚度控制纖維的直徑，以便產(chǎn)生具有聚結(jié)器介質(zhì)性質(zhì)(例如，作為深度的函數(shù)而變化的纖維直徑和/或空隙率)的聚結(jié)器元件。在另一方面，收集器或心軸和熔噴模以一維、二維或三維的方式彼此相對地運動。圖26示意性地示出上述方法。它示出熔噴工藝，包括含有聚合物小球的所述儲料器101，熔化泵104，空氣管路113、 114，模103，心軸109,纖維107，和所形成的聚結(jié)器元件115。也示出的是具有彼此正交的X、 Y和Z軸的三維坐標系，其中由旋轉(zhuǎn)心軸109提供的收集器108繞Z軸旋轉(zhuǎn)并且沿X軸與模103間隔開。模103沿Z軸的長度典型地小于元件115沿Z軸的長度，以便在元件115的生產(chǎn)期間允許模103和收集器心軸109的相對運動而不會有纖維107的顯著噴濺。在纖維的生產(chǎn)期間，沿纖維的長度，通過以下方式改變纖維的直徑通過使模和收集器/心軸沿X和/或Y方向彼此相對地運動，改變模和收集器/心軸之間的距離和/或控制模和收集器/心軸沿X、 Y和Z方向的彼此相對的位置和/或控制聚合物吞吐量；和/或控制空氣壓力和/或流動速率；和/或例如通過使模和收集器心軸沿X、 Y和/或Z方向彼此相對地運動和/或控制繞Z軸的心軸旋轉(zhuǎn)速度，來控制心軸速度；和/或聚合物的溫度。這些因素也影響聚結(jié)器介質(zhì)的空隙率和纖維取向。例如，通過沿Z方向來回移動模和收集器的相對位置，纖維的取向在沿收集器或模的方向的這種變化下顛倒。這產(chǎn)生增加作為結(jié)果的元件的結(jié)構(gòu)完整性的互鎖纖維的交叉模式，并且促進所聚結(jié)的液體的排出，例如，如在上述No.11/230694申請中闡述的。
空隙率也可通過施加壓力到介質(zhì)來控制。圖27和圖26—樣，并且在適合于促進理解的情況下，使用與上面相同的附圖標記。通過使用壓縮輥116提供一種控制空隙率的方法。通過以施加壓力在聚結(jié)器元件U5上的壓縮輥116的受控使用，并通過控制壓縮輥116碾壓元件U5的壓力/力，可在元件生產(chǎn)期間控制空隙率。纖維直徑和/或空隙率被控制作為深度的函數(shù)，而不使用提供復(fù)合或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的不同介質(zhì)的不同層。
纖維直徑也是引入儲料器的熱塑性聚合物的類型的函數(shù)。這可有利地用于產(chǎn)生較髙性能的聚結(jié)器元件。例如，通過在儲料器中混合兩種或更多不同類型的相容聚合物(例如具有不同熔點的兩種聚酯)的小球，并且熔噴作為結(jié)果的混合物，兩種或更多不同直徑、化學(xué)和物理特性的纖維可被同時熔噴并相對于元件中的深度放置在相同的位置。例如，如果兩種聚合物具有不同熔點，一種聚合物將比另一種聚合物冷卻得更快，并且具有最低熔點的所述一種聚合物將堅固地粘接到其它類型的聚合物并增加介質(zhì)的總體強度和結(jié)構(gòu)完整性，同時產(chǎn)生雙模態(tài)纖維直徑分布，每個模態(tài)的纖維直徑在纖維生產(chǎn)期間變化。類似地，例如，通過將小百分比能產(chǎn)生大直徑纖維的聚合物與較髙百分比能產(chǎn)生較細纖維的聚合物混合，可優(yōu)化限制和去除。替代地，例如，通過將小百分比能產(chǎn)生大直徑堅固纖維的聚合物與較高百分比能產(chǎn)生較好地適于俘獲細污染物但缺乏結(jié)構(gòu)完整性的較細纖維的聚合物混合，可增加元件的結(jié)構(gòu)完整性。通過混合相對髙潤濕的聚合物與相對非潤濕的聚合物，可以獲得所聚結(jié)的液體從聚結(jié)器的排出和減小的限制。為了進一步優(yōu)化聚結(jié)器介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可以通過控制儲料器中的或泵送到模的不同類型的聚合物的相對量作為深度的函數(shù)來改變不同類型的纖維的相對量。該組合產(chǎn)生特別良好地適于聚結(jié)器應(yīng)用的元件，所述聚結(jié)器應(yīng)用包括曲軸箱通風(fēng)過濾器、除霧過濾器、燃料水聚結(jié)器和油水分離器。這種元件從流體流聚結(jié)并去除污染物微滴。它們實現(xiàn)了高的移除效率，以促進所聚結(jié)的液體污染物的排出，以具有髙的污染物保持容量和長的使用壽命。
作為例子，在第一聚結(jié)器實施例中，具有至少雙模態(tài)纖維直徑分布的纖維被纏繞在輥中作為單個片材，但在實現(xiàn)作為深度的函數(shù)而變
化的空隙率的元件輥115中有效地提供多層。取決于效率要求，在纖維分布中較小纖維的平均直徑在0.05到lOpm的范圍中。這些纖維的功能是高效率地去除細的污染物。較粗的纖維具有20到100"m的直徑以促進排出。這些元件制造為具有10mm最小厚度的深度型元件。為了使元件物理上堅固并同時產(chǎn)生兩種不同直徑的纖維，使用兩種不同類型的聚合物，例如使用95%的PBT (聚對苯二甲酸丁二酯)聚合物和5%的PET (聚對苯二甲酸乙二酯)聚合物。平均纖維密度是1.38克每立方厘米，并且平均元件空隙率大于80%。組合使用細的和粗的纖維，即沿其長度在不同點具有不同直徑的單個纖維，導(dǎo)致了高的效率、好的排出性質(zhì)和低的微滴再飛散。在應(yīng)用于曲軸箱通風(fēng)中在柴油機上測試時，對于特細的油霧和碳黑，新元件的去除效率大丁-卯％。
油霧的微滴尺寸從小于0.03^n變動到10jrai，而平均直徑在0.4到l.Opm的范圍內(nèi)。即使對于聚結(jié)過程的油浸透階段，也獲得大于80%的效率。
在第二聚結(jié)器實施例中，相同的聚合物混合物用于實現(xiàn)雙模態(tài)分布，然而，模和收集器心軸之間的距離在聚結(jié)器元件生產(chǎn)的開始時(例如，在鄰近心軸的環(huán)形元件115的中心115a附近)減小，然后在元件生產(chǎn)的中間時間附近(例如，介質(zhì)的中間深度115b)逐漸增加，并且然后在元件生產(chǎn)的快結(jié)束時(例如，在環(huán)形元件的外部部分115c)再次減小。這通過使模103和心軸109沿X方向相對彼此運動來實現(xiàn)。同時，模103和心軸109可沿Z方向相對彼此運動以實現(xiàn)希望的纖維取向。這導(dǎo)致具有過濾器面115a附近的兩種類型的較粗纖維的元件結(jié)構(gòu)，從而當(dāng)用于從內(nèi)向外流的幾何結(jié)構(gòu)時，在元件的上游側(cè)促進較粗污染物而不是較細污染物的去除。纖維直徑在區(qū)域115a和115c處最大，并且在區(qū)域115b處最小。纖維直徑從區(qū)域115a到115b減小，并且然后從區(qū)域115b到區(qū)域115c增加。空隙率在區(qū)域115a和115c處最大，并且在區(qū)域115b處最小?？障堵蕪膮^(qū)域115a到區(qū)域115b減小，并且然后從區(qū)域115b到區(qū)域115c增加。纖維直徑和空隙率作為從心軸109向外的距離的函數(shù)變化，即作為從區(qū)域115a到區(qū)域115b和從區(qū)域115b到區(qū)域115c的過濾器深度的函數(shù)變化。這示出于圖28中，圖28示出是元件115的徑向深度的從心軸的中心沿橫坐標或水平軸的距離，并沿縱坐標或豎直軸示出相對纖維直徑和相對空隙率。纖維直徑和空隙率從區(qū)域115a到115b減小的上述變化示出于向下斜線117、 118，并且中間深度區(qū)域115b處的纖維直徑和空隙率示出于119、 120,并且從中間深度區(qū)域115b到下游區(qū)域115c增加的纖維直徑和空隙率示出于121、 122，結(jié)果形成U形分布。
上述U形分布123 (圖28)導(dǎo)致跨越聚結(jié)器元件的總限制的凈降的纖維直徑的曲線圖(圖
28)中，上述變化的纖維直徑具有U形分布123，最小纖維深度直徑 在上述中間深度115b位于U的彎曲部119。同樣，在沿著橫坐標的元 件深度對沿著縱坐標的空隙率的曲線圖中，上述變化的空隙率具有U 形分布，最小空隙率在上述中間深度115b位于U的彎曲部。纖維直徑 和空隙率從區(qū)域115a到區(qū)域115b減小，在去除和限制最髙的點上兩 個參數(shù)獲得最小值。從這個最小值，纖維直徑和空隙率從區(qū)域115b到 區(qū)域115c再次增加，以減小限制和促進所俘獲的聚結(jié)液體從聚結(jié)器排 出。纖維直徑和空隙率的逐漸改變避免多介質(zhì)元件固有的流動不連續(xù) 和污染物聚積不連續(xù)，所述多介質(zhì)元件具有不同介質(zhì)材料的不同層或 片材和/或不同纖維直徑的不同層或片材和/或不同空隙率的不同層或 片材。替代地，本系統(tǒng)中的纖維直徑和空隙率的例如沿著上述單個連 續(xù)纖維的逐漸改變消除了階梯變化不連續(xù)，并減小了限制及增加了聚 結(jié)器的使用壽命。在聚結(jié)器中，毛細壓力將微滴保持在適當(dāng)位置。如 果遭遇階梯變化，例如大空隙降至小空隙，則微滴的運動對抗毛細壓 力以使微滴運動到較小的空隙中，這顯著增加了限制。在本系統(tǒng)中， 通過提供逐漸的變化，例如避免不同層的形成并試圖迫使微滴從其通 過，避免這種不希望有的特性。對于分散相所潤濕的介質(zhì)，這在上述U 形分布123的上坡部分121、 122中特別顯著。對于分散相不潤濕的介 質(zhì)，這在上述U形分布123的下坡部分117、 118中特別顯著。本系統(tǒng) 將相同的這種給定的單個纖維的纖維直徑從第一環(huán)形區(qū)域中的第一直 徑逐漸改變到第二環(huán)形區(qū)域中的第二直徑(例如從115a到115b和/或 從115b到115c)以在它們之間提供逐漸過渡，消除了包括在流體流動 速度和壓降特性中的突變的階梯函數(shù)變化和對應(yīng)的不連續(xù)，這以其它 方式增加了限制并減小了壽命與容量。
以上例子提到環(huán)形元件輥，該環(huán)形元件輥具有封閉的環(huán)形，例如 圓形、橢圓形、橢圓跑道形、三角形、矩形、菱形、梯形、星形等。 在一些應(yīng)用中，包裝或其它理由可決定其它的形狀或敞開的形狀，例 如平坦面板構(gòu)造。通過沿著平行于環(huán)體的軸線的平面軸向切割或分割作為結(jié)果的元件，從上述封閉環(huán)環(huán)形可制成這些，以提供面板元件等, 或以其它方式獲得希望的橫截面。
在No.11/273101申請的系統(tǒng)中，聚結(jié)器的單個纖維的直徑沿著纖 維的長度被控制和改變。纖維直徑、空隙尺寸和/或空隙率作為聚結(jié)器 元件中的深度的函數(shù)而改變并且實現(xiàn)了使用相同的介質(zhì)和相同的介質(zhì) 片材，即相同的介質(zhì)和介質(zhì)片材被用來獲得寬范圍的性質(zhì)。纖維直徑 空隙尺寸和/或空隙率可連續(xù)地逐漸改變，消除作為深度的函數(shù)的介質(zhì) 性質(zhì)中的上述階梯變化，并避免元件內(nèi)的流體流動速度和壓降特性中 的相應(yīng)不連續(xù)，導(dǎo)致了較持久的元件。通過改變并控制熔噴生產(chǎn)的參 數(shù)可實現(xiàn)上述逐漸而連續(xù)的改變，所述熔噴生產(chǎn)的參數(shù)包括例如模和 心軸/收集器之間的距離、模和心軸彼此的相對位置、聚合物吞吐量、 空氣壓力、流動速率、心軸/收集器速度和溫度。通過使模和收集器沿 X、 Y和/或Z方向彼此相對地運動，可改變并控制作為深度的函數(shù)的 介質(zhì)性質(zhì)。該系統(tǒng)組合構(gòu)思以生產(chǎn)給出性能優(yōu)點的聚結(jié)器，其中纖維 直徑、空隙尺寸和/或空隙率作為深度的函數(shù)改變。不需要以順次的方 式產(chǎn)生分離的多層，不管每個層是否通過不同的熔噴機器被獨立地生 產(chǎn)并且未完成的元件從機器轉(zhuǎn)移到機器，或者不管是否通過以順次的 方式沿Z方向?qū)识鄠€模實現(xiàn)分層并連續(xù)地產(chǎn)生沿相同的Z方向成長 或延展的管狀元件，在最后的模之后，完成的元件被切割成-定長度， --系列模中的每一個模以其自身性質(zhì)生產(chǎn)不同的層。
No.ll/273101申請的系統(tǒng)提供一種制造聚結(jié)器元件115的方法， 該方法通過將多個聚合物纖維107熔噴在收集器108上，并在熔噴期 間，沿單個纖維的長度改變單個纖維的直徑使得單個纖維沿其長度在 不同點具有不同的直徑。纖維107從模103被熔噴，該模103通過噴 絲頭106噴出熔融的聚合物以產(chǎn)生纖維。在纖維生產(chǎn)期間，纖維直徑 沿纖維的長度改變。收集器108與模103間隔開，并且在一個實施例 中，通過改變收集器108和模103之間的間隔，在纖維生產(chǎn)期間，纖 維直徑沿纖維的長度改變。當(dāng)在這種實施例中收集器108是旋轉(zhuǎn)心軸109時，通過沿X和Y軸的至少一個改變模103和心軸109相對彼此 的相對位置，在纖維生產(chǎn)期間，纖維直徑沿纖維的長度改變。在另一 個實施例中，通過改變通過噴絲頭106的聚合物吞吐量，在纖維生產(chǎn) 期間，纖維直徑沿纖維的長度改變。如上所述，聚合物通過噴絲頭106 噴出到加壓氣體流中，以便產(chǎn)生纖維107。在另一實施例中，通過改變 氣體壓力和氣體流動速率的至少一個，在纖維生產(chǎn)期間，纖維直徑沿 纖維的長度改變。在另一實施例中，當(dāng)收集器108是旋轉(zhuǎn)心軸109時， 通過改變心軸109的旋轉(zhuǎn)速度，在纖維生產(chǎn)期間，纖維直徑沿纖維的 長度改變。在另一個實施例中，通過改變通過噴絲頭106的聚合物吞 吐量，在纖維生產(chǎn)期間，纖維直徑沿纖維的長度改變。在另一實施例 中，兩種聚合物同時用在模中以產(chǎn)生雙模態(tài)纖維分布，每個模態(tài)的纖 維直徑如上述那樣改變。在一個實施例中，兩種聚合物具有不同的熔 點。在上述方法的優(yōu)選實施例中，在纖維生產(chǎn)期間當(dāng)纖維從模103被 熔噴時，纖維直徑沿纖維的長度改變。
當(dāng)收集器108是旋轉(zhuǎn)心軸109時，旋轉(zhuǎn)心軸收集纖維107并將纖 維碾壓成環(huán)形元件輥115，該環(huán)形元件輥115在心軸處具有內(nèi)部區(qū)域 115a,并且具有外部區(qū)域115c，該外部區(qū)域以元件輥的徑向厚度從內(nèi) 部區(qū)域115a徑向地向外間隔開。元件輥115具有沿這種徑向厚度的深 度尺寸。在纖維生產(chǎn)期間，纖維直徑沿纖維的長度改變，使得纖維直 A作為元件深度的函數(shù)而改變。在一個實施例中，如上所述，在纖維 生產(chǎn)期間，纖維直徑沿纖維的長度改變，以提供第一纖維直徑的例如 115a的第一環(huán)形區(qū)域，和相同的單個熔噴纖維的不同于第一纖維直徑 的第二纖維直徑的例如115b和/或115c的第二環(huán)形區(qū)域。單個纖維從 模103被熔噴。這種單個纖維在心軸109上被碾壓以形成所述的第一 環(huán)形區(qū)域。相同的這種給定的單個纖維在第一環(huán)形區(qū)域上被碾壓以形 成例如115b的第二環(huán)形區(qū)域，并且在希望的情況下，相同的這種給定 的單個纖維在第二環(huán)形區(qū)域U5b上被進一步碾壓以形成例如115c的 第三環(huán)形區(qū)域等等。給定的單個纖維在第一環(huán)形區(qū)域115a中以上述第 一直徑被碾壓，然后，相同的這種給定的單個纖維的纖維直徑逐漸改變到第二直徑，并且然后，相同的這種給定的單個纖維在第二環(huán)形區(qū)
域115b中以這種第二纖維直徑被碾壓，等等。給定的單個纖維可在其 它的環(huán)形區(qū)域中以按順序的步驟被碾壓，但仍然碾壓相同的這種給定 的單個纖維，因此提供上述連續(xù)性和逐漸變化，并避免上述階梯變化 不連續(xù)。在熔噴期間，給定的單個纖維的直徑的變化逐漸出現(xiàn)，并且 跨越元件的徑向厚度和深度的從區(qū)域到區(qū)域的變化是逐漸的。
內(nèi)部和外部區(qū)域115a和115c中的一個處于上游表面，并且內(nèi)部 和外部區(qū)域115a和115c中的另一個處于下游表面。流動方向是從上游 到下游。例如，在從內(nèi)向外流的幾何結(jié)構(gòu)中，區(qū)域115a處于上游表面 且區(qū)域115c處于下游表面。在從外向內(nèi)流的幾何結(jié)構(gòu)中，外部區(qū)域115c 處于上游表面且內(nèi)部區(qū)域115a處于下游表面。在一個實施例中，如上 所述，在纖維生產(chǎn)期間纖維直徑沿纖維的長度改變，以作為元件深度 的函數(shù)改變纖維直徑，使得纖維直徑沿流動方向隨著進入元件的深度 的增加而減小。另外，在這種實施例中，碾壓纖維使得空隙率也沿流 動方向隨著進入元件的深度的增加而減小。在另一實施例中，在纖維 生產(chǎn)期間纖維直徑沿纖維的長度改變，以作為元件深度的函數(shù)改變纖 維直徑，使得纖維直徑沿流動方向隨著進入元件的深度的增加而增加。 另外，在這種實施例中，碾壓纖維使得空隙率也沿流動方向隨著進入 元件的深度的增加而增加。在另一實施例中，在纖維生產(chǎn)期間纖維直 徑沿纖維的長度改變，以作為元件深度的函數(shù)改變纖維直徑，使得纖 維直徑沿流動方向從上游到中間深度115b隨著進入元件的深度的增加 而減小，并且然后，沿流動方向從中間深度115b到下游隨著進入元件 的深度的增加而增加。這些特性在圖28中示出于U形輪廓123。另外， 在這種實施例中，碾壓纖維使得空隙率沿著流動方向從上游到中間深 度115b隨著進入元件的深度的增加而減小，并且然后，沿流動方向從 中間深度115b到下游隨著進入元件的深度的增加而增加。典型地，纖 維直徑和空隙率相對于元件深度遵循相同的增加或減小趨勢，但不是 必要的。例如，元件可以具有減小的纖維直徑而空隙率增加，或者反 過來。No.ll/273101申請的系統(tǒng)還提供一種制造聚結(jié)器的方法，該方法 通過將多種聚合物纖維熔噴到收集器上，并且在熔噴期間，可控地改 變由纖維形成的聚結(jié)器的空隙率，例如通過如上所述地改變纖維直徑 和/或通過所述碾壓。在一個實施例中，空隙率隨著進入聚結(jié)器的深度 的增加而減小。在另一實施例中，空隙率隨著進入聚結(jié)器的深度的增 加而增加。在另一實施例中，空隙率從上游到中間深度115b隨著進入 聚結(jié)器的深度的增加而減小，并且然后，從中間深度115b到下游隨著 進入聚結(jié)器的深度的增加而增加(圖28)。在另一實施例中，通過提 供壓縮輥116來可控地改變空隙率，該壓縮輥116在聚結(jié)器元件輥形 成期間在區(qū)域115c的外表面接合并施加壓力到聚結(jié)器元件輥115。在 另外的實施例中，改變空隙率以提供第一空隙率的諸如115a的第一環(huán) 形區(qū)域、相同的單個熔噴纖維的不同于第一空隙率的第二空隙率的諸 如115b的第二環(huán)形區(qū)域，以及相同的單個熔噴纖維的不同于第一和/ 或第二空隙率的第三空隙率的諸如115c的第三環(huán)形區(qū)域等等。給定的 單個纖維從模103被熔噴。這種給定的單個纖維在心軸109上被碾壓 以形成第一環(huán)形區(qū)域115a，以及相同的這種給定的單個纖維在第一環(huán) 形區(qū)域115a上被碾壓以形成第二環(huán)形區(qū)域115b等等。
No.ll/273101申請的系統(tǒng)和方法提供一種具有多個熔噴纖維的聚 結(jié)器，其中單個纖維的直徑沿纖維的長度改變，使得單個纖維沿其長 度在不同點具有不同直徑。纖維直徑沿纖維的長度改變，從而提供沿 .K:長度在不同點具有不同直徑的單個纖維，使得這種單個纖維的纖維 復(fù)徑作為聚結(jié)器深度的函數(shù)而改變。聚結(jié)器具有第一纖維直徑的諸如 115a的第-區(qū)域、相同的單個熔融纖維的不同于第一纖維直徑的第二 纖維直徑的諸如115b的第二區(qū)域等等。如上所述，纖維直徑的改變是 逐漸的，從而避免所述不連續(xù)和階梯變化以及其中固有的所述缺點。 在-個實施例中，纖維直徑沿單個纖維的長度改變以作為元件深度的 函數(shù)而改變纖維直徑，使得纖維直徑沿單個纖維隨著進入元件的深度 的增加而減小。另外，在這種實施例中，空隙率也優(yōu)選地隨著進入元件的深度的增加而減小。在另-實施例中，纖維直徑沿單個纖維的長 度改變，以作為元件深度的函數(shù)而改變纖維直徑，使得纖維直徑沿單 個纖維隨著進入元件的深度的增加而增加。在這種實施例中，空隙率 也優(yōu)選地隨著進入元件的深度的增加而增加。在另一實施例中，纖維 直徑沿單個纖維的長度改變，以作為元件深度的函數(shù)而改變纖維直徑，
使得纖維直徑沿單個纖維從上游到中間深度115b隨著進入元件的深度 的增加而減小，并且然后，從中間深度115b到下游隨著進入元件的深 度的增加而增加(圖28)。在這種實施例中，空隙率優(yōu)選地從上游到 中間深度115b隨著進入元件的深度的增加而減小，并且然后，從中間 深度115b到下游隨著進入元件的深度的增加而增加。該系統(tǒng)提供一種 由制造聚結(jié)器的上述方法生產(chǎn)的聚結(jié)器，該方法包括將多個聚合物纖 維熔噴在收集器上，并在熔噴期間，沿單個纖維的長度改變單個纖維 的直徑使得單個纖維沿其長度在不同點具有不同的直徑。
該系統(tǒng)和方法也提供一種具有多個熔噴纖維的聚結(jié)器，該聚結(jié)器 的上游表面與下游表面以它們之間的深度尺寸間隔開，該聚結(jié)器具有 第一空隙率的第一深度區(qū)域，和與第一區(qū)域相同的單個熔噴纖維的不 同于第一空隙率的第二空隙率的第一深度區(qū)域下游的第二深度區(qū)域。 如上所述，所述改變是逐漸的，從而避免上述不連續(xù)或階梯變化的缺 點。在一個實施例中，空隙率隨著進入聚結(jié)器元件的深度的增加而減 小。在另一實施例中，空隙率隨著進入元件的深度的增加而增加。在 另一實施例中，空隙率從上游到中間深度115b隨著進入元件的深度的 增加而減小，并且然后，從中間深度115b到下游隨著進入元件的深度 的增加而增加(圖28)。該系統(tǒng)提供了一種由制造聚結(jié)器的所述方法 生產(chǎn)的聚結(jié)器，該方法通過將多種聚合物纖維熔噴到收集器上，并在 熔噴期間，可控地改變由纖維形成的聚結(jié)器的空隙率。
希望的是，許多以上技術(shù)也可應(yīng)用到粒子過濾器。例如，在固體 過濾器實施例中，相同的聚合物混合物可用于實現(xiàn)雙模態(tài)分布，并且 模103和心軸109之間的距離在區(qū)域115a在元件生產(chǎn)的開始時增加，然后隨著元件的直徑和介質(zhì)的厚度從區(qū)域115a到區(qū)域115b和115c增 加而逐漸減小。如在以上例子中，這通過使模103和心軸109沿X和 Z方向彼此相對地運動來實現(xiàn)。對于從外向內(nèi)流的幾何結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致在 區(qū)域115a中具有兩種類型的較細纖維的元件結(jié)構(gòu)，以促進在元件的下 游側(cè)的細粒子的去除，并且在這種從外向內(nèi)流的幾何結(jié)構(gòu)中通過上游 側(cè)U5c處的粗纖維來去除粗粒子和淤渣。纖維直徑在區(qū)域115a處于最 小值，井且逐漸增大到區(qū)域115b處的所增加的纖維直徑，并繼續(xù)增大 到區(qū)域U5c處的最大纖維直徑。空隙率在區(qū)域115a處于最小值，并且 增加到區(qū)域115b處的較高空隙率，并繼續(xù)增加到區(qū)域115c處的最大 空隙率。因此，纖維直徑和空隙率作為離開心軸109的距離的函數(shù)， 即作為徑向厚度和過濾器深度尺寸的函數(shù)而改變。這導(dǎo)致跨越過濾器 元件的總限制的凈降低，因為限制和效率隨著流體進一步滲入元件而 逐漸增加。纖維直徑和空隙率的逐漸改變避免了不同纖維直徑和/或空 隙率的多層或片不同過濾器介質(zhì)的多介質(zhì)過濾器中固有的流動和污染 物積聚的不連續(xù)。上述的逐漸改變消除了階梯變化不連續(xù)，并且減小 限制且增加使用壽命。
本申請
本申請?zhí)峁┮环N在較小的包裝尺寸(體積)中獲得提高的污染物 去除、壽命和壓降的聚結(jié)器，包括應(yīng)用于曲軸箱通風(fēng)、油霧和其它聚 結(jié)器。
背景技術(shù)：
從過濾的觀點來看，柴油機曲軸箱通風(fēng)的應(yīng)用是極具挑 戰(zhàn)性的。必須以大于卯％的效率去除平均微滴尺寸在0.6和1.7/rni之間 的高濃度油霧以滿足排放要求并防止發(fā)動機渦輪增壓器變臟。需要低 的限制和長的使用壽命。對于移動式應(yīng)用，例如長途運輸?shù)目ㄜ?，?統(tǒng)的總包裝尺寸也必須非常小。聚結(jié)是用于實現(xiàn)這些相抵觸目標的有 前景的技術(shù)。然而，當(dāng)前聚結(jié)器的設(shè)計實踐和產(chǎn)品缺乏這些要求，原 因足可以實現(xiàn)i^ i除效率或tC:使用壽命或小尺寸，但當(dāng)前的實踐一直 不能以可接受的方式同吋實現(xiàn)全部三個。對于曲軸箱通風(fēng)聚結(jié)器(實際上對于所有類型的聚結(jié)器)，設(shè)計 難題是最大化可被去除并保持在給定體積中的污染物的量。去除取決 于污染物被介質(zhì)纖維俘獲的可能性。去除隨著過濾器介質(zhì)的量的增加
而增加。設(shè)計成去除大于大約0.2Mm的污染物的過濾器和聚結(jié)器典型 地使用打褶的或有凹槽的平坦片材介質(zhì)。打褶的聚結(jié)器利用髙的介質(zhì) 面面積來減小面速度、增加容量和壽命。為了實現(xiàn)這一點，使用薄的 相對致密(即，小的空隙尺寸、細的纖維、低的空隙率)的過濾器介
塞。在這種情況下，設(shè)計策略是最大化介質(zhì)面面積。這使單位體積的 纖維介質(zhì)最大化、通過介質(zhì)的流體速度最小化并且污染物，特別是較 大的污染物可聚集在其上的表面面積增加了。通過這種途徑，介質(zhì)被 設(shè)計成盡可能薄，同時維持效率和強度，以便增加褶皺密度和總的介 質(zhì)面面積。褶皺密度被定義為單位長度褶皺的數(shù)量，并且等于褶皺尖 端之間的距離的倒數(shù)。對于打褶的介質(zhì)，在褶皺之間存在許多浪費的 空間。對于圓柱形打褶元件，最佳褶皺高度是元件的外徑的25% (Tadeusz Jaroszczyk et al.， "Chapter 10 Cartridge Filtration", in Filtration Principles and Practices, Second Edition, Revised and Expanded, Michael Matteson and Clyde Orr， eds. Marcel Dekker， Inc. New York, 1987，p.547)。對于褶皺高度大于或小于此，元件相應(yīng)的過濾器介質(zhì)面 面積減小。因此，25%的元件體積由內(nèi)腔占據(jù)并且不直接有助于污染物 的去除。因此，對于打褶元件，介質(zhì)對元件體積的比率被限制到75% 的最大值。實際上，這個比率被進一步減小，因為褶皺必須分開最小
在沒有間隔的情況下，只有元件的靠近褶皺尖端的若干部分被利用。 這導(dǎo)致了增加的壓降、介質(zhì)表面面積的低效率利用和減小的壽命。介 質(zhì)的上游和下游側(cè)上的褶皺之間的這種未使用的空間可以同樣地由過 濾器介質(zhì)占據(jù)。結(jié)果，對于圓形橫截面的打褶元件，介質(zhì)體積對元件 體積的比率實際上小于55%，并且典型地在25%到50%的范圍內(nèi)。打褶的替代設(shè)計策略依賴于形成為圓形橫截面的元件的深度過濾 器介質(zhì)。圓形深度聚結(jié)器利用過濾器介質(zhì)的整個深度結(jié)構(gòu)來影響去除 并嘗試最大化內(nèi)腔的直徑以增加容量和壽命。與打褶的介質(zhì)對比，使 用薄的相對開放的(即較大的空隙尺寸、較粗的纖維、較髙的空隙率) 過濾器介質(zhì)。雖然當(dāng)對比等效上游介質(zhì)面面積的聚結(jié)器時比打褶的介 質(zhì)更不容易堵塞，但圓形深度聚結(jié)器傾向于比相同尺寸的打褶介質(zhì)聚 結(jié)器更容易堵塞，因為較小的面面積可被封裝到相同的體積內(nèi)。在圓 形深度聚結(jié)器的情況下，設(shè)計者面臨以下抵觸的要求
1. 介質(zhì)必須足夠厚以獲得希望的去除
2. 介質(zhì)必須足夠薄以提供可接受的(足夠低的)壓降；以及
3. 必須最大化內(nèi)腔的直徑。
前兩個是直接抵觸的，因為去除和壓降都隨著厚度的增加、纖維 直徑和空隙率的減小而增加。經(jīng)驗顯/jR，嬡件i的聚結(jié)器厚度大約為3 到7mm?？墒褂靡韵戮劢Y(jié)模型來解釋L. Spielman et al.， "Progress in Induced Coalescence and a New Theoretical Framework for Coalescence by Porous Media", Flow through Porous Media, R. Nunge, Chairman, ACS Publications, Washington, D.C.， 1970; L. Spielman et al.， "Theory of Coalescence by Flow through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:66-72， 1972; L. Spielman et al， "Experiments in Coalescence by Flow through Fibrous Mats.", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 11:73-83， 1972; L. Spielman et al" "Coalescence in Oil-in-Water Suspensions by Flow Through Porous Media", Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 16:272-282， 1977。它們按照三個區(qū)域來模擬聚結(jié) 器。區(qū)域l，位于聚結(jié)器的上游側(cè)，是微滴俘獲和成長發(fā)生之處。區(qū)域 2,位于中間，是所聚結(jié)的液滴通過聚結(jié)器的毛細傳導(dǎo)發(fā)生之處。區(qū)域 3，位于下游側(cè)，是所聚結(jié)的液滴進一步成長并被釋放之處。需要區(qū)域 1以俘獲并聚結(jié)微滴。需要區(qū)域3以保證所聚結(jié)的液滴被釋放而不破裂。 區(qū)域2是不必要的，因為其功能、毛細傳導(dǎo)可并入?yún)^(qū)域1和3。對于厚 于3到7mm的聚結(jié)器介質(zhì)，超出最佳的另外厚度有助于區(qū)域2，并且
29在增加壓降的同時不會顯著地改善去除。
對于圓形深度聚結(jié)器，希望的是，最大化內(nèi)腔的直徑，以便減小 固體堵塞、增加壽命和最小化壓降。對于低雷諾數(shù)，壓降與流體速度 成比例。對于從內(nèi)到外流動的元件，在沒有俘獲污染物的情況下，局 部限制與從元件的中心的徑向距離成反比。這樣，局部限制在元件的 上游面最大，并且隨著進入介質(zhì)的距離增加而減小。當(dāng)介質(zhì)厚度超過
元件的外徑的25%時，壓降開始近似指數(shù)地增加。內(nèi)徑(D,)由方程 Dj-D。-2t給出，其中D。是元件外徑并且t是介質(zhì)厚度。這是設(shè)計圓形 深度聚結(jié)器以最大化內(nèi)腔的直徑并維持A大于D。的50%的一個原因。 此外，在沒有污染物(無論固體或微滴)的情況下，介質(zhì)上最大的污 染物積聚發(fā)生在上游側(cè)，進一步增加了局部限制。聚結(jié)器的壽命與上 游側(cè)上的介質(zhì)面面積成正比。增加內(nèi)腔的直徑或元件的高度，成比例 地增加聚結(jié)器的壽命。為了滿足最小使用壽命的要求，圓形橫截面深 度聚結(jié)器元件設(shè)計成具有最大可能的元件外徑。如果需要另外的壽命， 則必須相應(yīng)地增加元件高度(h)。對于具有使用從外到內(nèi)流動的圓形 深度介質(zhì)的固體過濾器，由于外周邊控制這些元件的容量和壽命，因 此使用大約80%的介質(zhì)體積對元件體積的比率。然而，對于具有從內(nèi) 到外流動的圓形深度介質(zhì)聚結(jié)器，介質(zhì)體積對元件體積的比率小于 75%,并且典型地小于30%。
本系統(tǒng)
本申請?zhí)峁┮环N聚結(jié)器，該聚結(jié)器更好地利用可用空間，以便提 高去除、聚結(jié)器壽命和/或減小包裝尺寸。通過將用于打褶的聚結(jié)器和 圓形深度聚結(jié)器的設(shè)計策略和作為結(jié)果的特征組合成新穎的設(shè)計，實 現(xiàn)這種效果。這特別良好地適于從曲軸箱通風(fēng)的氣體中去除油微滴， 但也適于從柴油中去除空氣傳播的油和水霧、水微滴，從廢水中去除 油微滴以及其它的聚結(jié)器應(yīng)用。該系統(tǒng)組合五個特征或特性，從而在 去除、壽命和尺寸方面產(chǎn)生具有獨特性能優(yōu)點的聚結(jié)器。這些特性包 括A. 使用了纖維深度過濾器介質(zhì)；
B. 跨越介質(zhì)的纖維直徑和空隙率梯度輪廓，使得纖維直徑和/或空 隙率在上游和下游面最大并且在其間穿過最小值；
C. 通過將介質(zhì)形成為各種封閉的環(huán)、非圓形橫截面的幾何形狀而 得到的大于或等于1.5的面面積比率；
D. 內(nèi)腔的尺寸和橫截面積必須使得內(nèi)腔內(nèi)的最大動壓小于跨越 元件的總壓降的10%:以及
E. 介質(zhì)體積對元件體積的比率大于或等于50%，并且優(yōu)選地大于 或等于75%，通過以下方式獲得
使用無褶深度過濾器介質(zhì)；
使用封閉環(huán)橫截而的幾何形狀以最小化內(nèi)腔的橫截面積； 將不用于污染物去除的元件中的開放空間最小化，包括褶鈹或凹
槽之間的空間、介質(zhì)的層之間或不同的聚結(jié)器、過濾器和/或分離器級
之間的空間。
在圖29-36中的橫截面視圖中示出一些實施例。優(yōu)選實施例是星-圓橫截面。其它的優(yōu)選實施例包括也給出高的面面積比率的跑道、狗 骨頭、三凸角和多凸角幾何形狀，稍后將描述。
對于封閉環(huán)幾何結(jié)構(gòu)，該聚結(jié)器理想地用在從內(nèi)向外流的構(gòu)造中， 但從外向內(nèi)流也是可以的。從內(nèi)向外流對于聚結(jié)來說是優(yōu)選的，因為 它保證了局部流體速度在所聚結(jié)的液滴的釋放發(fā)生的下游面處最低。 這最小化了所聚結(jié)的液滴在釋放時破裂為較小的液滴。缺點是減小的 壽命，這是山于在上游側(cè)存在較少的介質(zhì)面面積以保持可能堵塞聚結(jié) 器的固體。本系統(tǒng)將這種不利的效果最小化。如果應(yīng)用要求有限定， 本系統(tǒng)可與從外向內(nèi)流—起使用。在這種情況下，可以增加壽命，但 在某種程度上，微滴去除減小且壓降增加。
特性A
該系統(tǒng)利用纖維深度過濾器介質(zhì)。纖維深度過濾器介質(zhì)指的是(1)由非編織纖維所形成的介質(zhì)；(2)不以打褶的或有凹槽的形式 用作平坦片材的介質(zhì)和(3)其中在過濾器介質(zhì)的深度內(nèi)初步去除污 染物的介質(zhì)。深度介質(zhì)的空隙傾向于大于被去除的污染物。典型地， 深度過濾器介質(zhì)大于10mm厚，并且該介質(zhì)是分層的或分級的，該介 質(zhì)的性質(zhì)作為深度的函數(shù)而改變。相比之下，表面過濾器介質(zhì)在表面 初步去除污染物以形成實際上實現(xiàn)去除塊的團塊，而例如纖維素的平 坦片材介質(zhì)傾向于較薄并以打褶的或有凹槽的形式被使用。優(yōu)選的纖 維深度過濾器介質(zhì)是熔噴過濾器介質(zhì)，如在上述No.l 1/273101申請中 描述的。替代地，可以使用其它非編織的纖維過濾器介質(zhì)，包括熔噴 的、空中壓條的、濕壓條的和豎直重疊的過濾器介質(zhì)，只要它可形成 為所需的元件形狀。典型地，所述介質(zhì)在本質(zhì)上是聚合物的，但可以 使用微玻璃、纖維素、陶瓷或者甚至金屬纖維。通過將介質(zhì)熔噴或空 中壓條到旋轉(zhuǎn)心軸或通過將介質(zhì)的平坦片材碾壓成希望的形狀，可形 成元件。
特性B
過濾器介質(zhì)展示作為進入聚結(jié)器的深度的函數(shù)的"U形"纖維直 徑和/或空隙率分布。局部平均纖維直徑和/或空隙率應(yīng)當(dāng)在上游和下游 面附近展示最大值，并且在其間穿過最小值。當(dāng)從上游面走向中心時， 盡管有較高的流體速度，纖維直徑和空隙率的初始減少在上游面減小 了局部限制。此外，它提供作為粒子尺寸的函數(shù)的污染物的分級俘獲。 引起堵塞的大的污染物在初始的更開放而限制性較小的層中被俘獲， 而較小的污染物在最小值附近被去除。這增加了聚結(jié)器的固體保持容 量和壽命。在這種上游部分內(nèi)，發(fā)生了微滴的俘獲和成長。最大的去 除效率和最大的限制出現(xiàn)在纖維直徑/空隙率最小之處。在最小他的下 游，纖維直徑和空隙率隨著深度的增加而增加，以促進所俘獲且聚結(jié) 的微滴的排出。與用于固體污染物的過濾器相反，聚結(jié)器設(shè)計成排出 和釋放所俘獲且聚結(jié)的液滴，而不是保留它們。通過在接近下游面時 增加纖維直徑和空隙率，作用在聚結(jié)的液滴上的毛細力減小，促進從 介質(zhì)排出和釋放液滴。在下游面的最大值保證釋放的液滴是大的，促進通過沉淀從流動的流中去除。
特性c
通過將介質(zhì)形成為各種封閉的環(huán)、非圓形橫截面的幾何形狀，提
供大于或等于1.5的面面積比率。在帶有顯著水平的固體的應(yīng)用中，聚 結(jié)器遭受固體堵塞和縮短的使用壽命。固體快速地積聚在介質(zhì)的表面 上及其表面層內(nèi)，導(dǎo)致了堵塞。由于這個原因，希望最大化上游的介
質(zhì)面面積。在這一點上，打褶的元件特別良好地適合，而圓形深度介
質(zhì)元件由于上游內(nèi)腔中的相對較小的介質(zhì)面面積而遭受損失。對于具
有圓形橫截面的元件，不管特定元件的尺寸如何，內(nèi)腔周長(L,)對其
橫截面積(A,)的比率由以下公式給出
i —丄 7、
其中D,是內(nèi)腔的直徑。在當(dāng)前系統(tǒng)中，代替圓形橫截面，使用具 有內(nèi)腔橫截面的幾何形狀的封閉環(huán)元件，使得內(nèi)腔周長對其面積的比 率超過圓的對應(yīng)比率，或者
其中DA是如前面方程中定義的內(nèi)腔的面積等效直徑。使用該關(guān) 系，面面積比率(F)可定義為
相對于相同高度的圓形深度過濾器的壽命的聚結(jié)器壽命的增加由 值F給出。對于打褶的聚結(jié)器元件，F(xiàn)大約為10到25并且由過濾器介 質(zhì)厚度和褶皺之間所需的間隔的物理局限性限制。對于當(dāng)前系統(tǒng)，F(xiàn)典 型地在1.5和15之間。在封閉環(huán)的、非圓形元件的幾何結(jié)構(gòu)中使用不 打褶的介質(zhì)獲得F的這些較高的值，所述非圓形元件幾何結(jié)構(gòu)例如橢 圓形124 (圖29)、跑道形125 (圖30)、三角形126 (圖31)、狗 骨頭形172 (圖32)、諸如三個凸角形128的多凸角形(圖33)、包括正方形129的矩形(圖34)、梯形130 (圖35)、星-圓形131 (圖 36)或者其它的幾何形狀。這些中的數(shù)個受到特別注意。橢圓形、跑 道形、狗骨頭形、多凸角形和多邊形的幾何形狀全部可由初始圓柱形 的元件容易地形成。圓柱形元件通過壓縮、通過在相應(yīng)成形的心軸上 形成它們或其它手段可以容易地轉(zhuǎn)變?yōu)檫@些其它的形狀。這方便了這 些幾何形狀的制造和生產(chǎn)。通過增加跑道形或橢圓形元件、或者三個 凸角及多個凸角的元件的腿部的長度，可以獲得F的較高的值。狗骨 頭幾何形狀具有特別的優(yōu)點，在于它容易地由圓柱形管形成并且可容 易地嵌套類似的形狀，或者甚至用于多元件應(yīng)用的圓柱形元件。對于 星-圓形幾何形狀，通過增加星形上的尖端的數(shù)量和長度，可以獲得高 的F值。同樣重要的是，內(nèi)腔和元件外部的幾何形狀是不一樣的，如 在星-圓形幾何形狀中可見。通過將介質(zhì)熔噴或碾壓在打褶的元件或星 形元件上，可產(chǎn)生這種元件。
增加F的值的另外優(yōu)點是，可以以短的元件高度，即小于元件橫 截面的最長弦，制造出長使用壽命的聚結(jié)器。這是因為不再需要大的 元件高度來獲得所需的使用壽命。而是，使用非圓形的幾何形狀所獲 得的增加的內(nèi)腔周長提供了增加的介質(zhì)面面積、增加的灰塵保持容量、 減小的面速度和較長的壽命。在曲軸箱通風(fēng)過濾器直接安裝在發(fā)動機 上的許多應(yīng)用中，這提供了顯著的包裝優(yōu)點。
特性D
內(nèi)腔的尺寸和橫截面形狀必須使得內(nèi)腔內(nèi)的最大動壓小于跨越元 件的總壓降的10%。內(nèi)腔的橫截面積典型地受限于流體進入內(nèi)腔時的 限制，而不是由于介質(zhì)引起的限制。進入限制由通過孔口進入內(nèi)腔的 流動產(chǎn)生。對于本系統(tǒng)，通過選擇內(nèi)腔的形狀和尺寸而最小化限制， 使得內(nèi)腔中的最大動壓小于跨越元件的總壓降的10%。動壓(Pd)被 定義為
其中p是流體密度且V是流體速度。計算流體動力學(xué)可用于模擬特定幾何形狀的限制和動壓，以便確定內(nèi)腔中的最大動壓。這將確定 內(nèi)腔的最小橫截面。
特性E
聚結(jié)器具有大于或等于50%，并且優(yōu)選地大于或等于75%的微分
體積比率。微分體積比率是介質(zhì)體積對元件體積的比率。例如，圖36 示出聚結(jié)器131，該聚結(jié)器131具有沿軸線134軸向地延伸(延伸進頁 面中)的聚結(jié)器元件132并具有聚結(jié)器介質(zhì)136。該元件在與軸線134 成橫向的平面(圖36的頁面的平面)中具有封閉環(huán)橫截面的幾何形狀， 即圖36中的星-圓形，并且具有限定內(nèi)腔140的內(nèi)表面138，且具有外 表面142，該外表面142從內(nèi)表面138向外間隔開內(nèi)表面138和外表面 142之間的元件132的厚度。介質(zhì)體積是內(nèi)和外表面138和142之間的 介質(zhì)136的體積。元件體積是由外表面142界定的體積，包括內(nèi)腔140 的體積。在打褶的元件144的情況下(圖37)，聚結(jié)器介質(zhì)146具有 限定內(nèi)腔150的內(nèi)表面148，并且具有外表面152，該外表面152從內(nèi) 表面148向外間隔內(nèi)和外表面148和152之間的元件144的厚度，元 件體積是由外褶皺尖端154的輪廓線界定的體積，該輪廓線如在156 處以虛線示出的在外褶皺尖端間延伸的外投影線所連接的，因此元件 體積是由投影線表面156界定的體積，包括外褶皺之間的體積158、介 質(zhì)體積和內(nèi)腔150的體積。在例如圖36中的非打褶的元件中，所述投 影線邊界與例如142的所述外表面重合。
聚結(jié)器的設(shè)計難題是將在給定體積內(nèi)可被去除的污染物的量最大 化。去除取決于污染物被介質(zhì)纖維俘獲的可能性。去除隨著過濾器介 質(zhì)的量的增加而增加。因此，希望消除對于去除來說未被充分利用的 元件體積。如前所述，對于打褶的和圓形深度聚結(jié)器，超過25%的總 元件體積不能用于去除。在本系統(tǒng)中，褶皺之間的未被充分利用的空 間填充有深度過濾器介質(zhì)。此外，通過明智地選擇局部介質(zhì)纖維的直 徑和空隙率性質(zhì)、U形過濾器介質(zhì)輪廓和最小化的內(nèi)腔橫截面，不可 用的過濾器體積的量可減小到5%-25%。介質(zhì)體積對元件體積的比率可超過75%。典型地，使用大于85%的比率。
本系統(tǒng)提供一種聚結(jié)器，該聚結(jié)器用來聚結(jié)具有兩種不混溶的相， 即連續(xù)相和分散相的介質(zhì)。連續(xù)相沿流動方向從上游流到下游。聚結(jié) 器包括沿軸線軸向地延伸并具有聚結(jié)器介質(zhì)的聚結(jié)器元件，該聚結(jié)器 介質(zhì)俘獲分散相的微滴并使微滴聚結(jié)地成長為較大的液滴，該液滴進 一步聚結(jié)并成長以形成排出的池。該元件在與所述軸線(延伸到圖
29-36的頁面中)成橫向的平面(例如，圖29-36中的頁面的平面)中 具有封閉環(huán)橫截面的幾何形狀，并且具有限定諸如140的內(nèi)腔的內(nèi)表 面(例如138)，且具有諸如142的外表面，該外表面從內(nèi)表面向外間 隔開內(nèi)表面138和外表面142之間的元件132的厚度。介質(zhì)136具有 沿著這種厚度的深度尺寸。內(nèi)表面138和外表面142中的一個是上游 表面，并且內(nèi)表面138和外表面142中的另一個是下游表面。例如， 在從內(nèi)向外流的聚結(jié)器中，內(nèi)表面138是上游表面，外表面142是下 游表面。在從外向內(nèi)流的聚結(jié)器中，外表面142是上游表面，內(nèi)表面 138是下游表面。
在本系統(tǒng)中，滿足以下標準中的至少兩個，并且優(yōu)選為三個，并 且更優(yōu)選為四個，并且更更優(yōu)選為所有五個
A) 介質(zhì)136是纖維深度介質(zhì)，優(yōu)選為非打褶的；
B) 該介質(zhì)具有梯度輪廓，其至少一個參數(shù)沿所述流動方向作為進 入所述介質(zhì)的深度的函數(shù)而改變，并且優(yōu)選地所述介質(zhì)具有梯度輪廓， 該梯度輪廓沿著流動方向作為進入介質(zhì)的深度的函數(shù)而改變，使得纖 維直徑和空隙率的至少一個沿著流動方向從上游到中間深度隨著進入 介質(zhì)的深度的增加而減小，并且然后沿著流動方向從中間深度到下游 隨著進入介質(zhì)的深度的增加而增加；
C) 所述元件具有由所述橫向平面中具有非圓形幾何形狀的上游表 面提供的上游面面積，并且優(yōu)選地該元件的面面積比率F大于或等于 1.5，其中其中L,是內(nèi)腔的周邊的長度，DA是內(nèi)腔的面積等效直徑，即
其中A,是內(nèi)腔的面積；
D) 內(nèi)腔140具有根據(jù)跨越元件的壓降所選定的最小橫截面積，并 且優(yōu)選地所述元件是從內(nèi)向外流的元件，且選定內(nèi)腔的最小橫截面積， 使得內(nèi)腔中的最大動壓小于跨越元件的總壓降的10%;
E) 所述聚結(jié)器具有為空間效率選定的微分體積比率，其中，如上 所述，微分體積比率是介質(zhì)體積對元件體積的比率，其中介質(zhì)體積是 上述內(nèi)和外表面之間的介質(zhì)的體積，且元件體積是由上述外表面界定 的體積，包括上述內(nèi)腔的體積，并且優(yōu)選地所述聚結(jié)器具有大于或等
于50%的微分體積比率，并且更優(yōu)選地所述介質(zhì)是非打褶的深度介質(zhì) 且微分體積比率大于或等于75%。
在前面的描述中，為了簡潔、清楚和理解，已經(jīng)使用某些術(shù)語。 在現(xiàn)有技術(shù)的要求之外，不從其暗示不必要的限制，因為這種術(shù)語是 用于描述目的且傾向于被廣泛地解釋。這里描述的不同構(gòu)造可以單獨 地或者結(jié)合其它構(gòu)造使用。希望的是，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，各 種等同物、替代物和改型是可能的。
權(quán)利要求
1.一種聚結(jié)器，用于聚結(jié)具有兩種不混溶的相即連續(xù)相和分散相的介質(zhì)，所述連續(xù)相沿流動方向從上游流到下游，所述聚結(jié)器包括沿軸線軸向地延伸并具有聚結(jié)器介質(zhì)的聚結(jié)器元件，所述聚結(jié)器介質(zhì)俘獲所述分散相的微滴并使所述微滴聚結(jié)地成長為較大的液滴，所述液滴進一步聚結(jié)并成長以形成排出的池，所述元件在與所述軸線成橫向的平面中具有封閉環(huán)橫截面的幾何形狀，并且具有限定內(nèi)腔的內(nèi)表面且具有外表面，所述外表面從所述內(nèi)表面向外間隔開所述內(nèi)和外表面之間的所述元件的厚度，所述介質(zhì)沿所述厚度具有深度尺寸，所述內(nèi)和外表面中的一個是上游表面，所述內(nèi)和外表面中的另一個是下游表面，其中，組合滿足下列五個標準中的至少兩個A)所述介質(zhì)是纖維深度介質(zhì)；B)所述介質(zhì)具有梯度輪廓，其至少一個參數(shù)沿所述流動方向作為進入所述介質(zhì)的深度的函數(shù)而變化；C)所述元件具有由所述橫向平面中的具有非圓形幾何形狀的所述上游表面提供的上游面面積；D)所述內(nèi)腔具有根據(jù)跨越所述元件的壓降所選定的最小橫截面積；E)所述聚結(jié)器具有為了空間效率而選定的微分體積比率，其中，所述微分體積比率是介質(zhì)體積對元件體積的比率，其中介質(zhì)體積和元件體積如在說明書中所定義的；并且其中，所述兩個標準中的一個是標準C到E中的一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的聚結(jié)器，其中標準C還要求所述元件具有大于或等于1.5的面面積比率F，其中尸-込 ",其中L,是所述內(nèi)腔的周邊的長度，DA是所述內(nèi)腔的面積等效直 徑，即其中A,是所述內(nèi)腔的面積標準D還要求選定所述內(nèi)腔的最小橫截面積，使得所述內(nèi)腔中的 最大動壓小于跨越所述元件的總壓降的10%:標準E還要求所述聚結(jié)器具有大于或等于50%的微分體積比率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚結(jié)器，其中，滿足標準C到E中的至 少兩個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聚結(jié)器，其中，滿足所述標準C到E中 的全部三個。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的聚結(jié)器，其中，組合滿足所述標準中的 至少三個。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聚結(jié)器，其中，滿足所述標準中的至少 四個。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚結(jié)器，其中，滿足所述標準中的全部 五個。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚結(jié)器，其中滿足標準B,并且其中標 準B還要求所述介質(zhì)具有沿所述流動方向作為進入所述介質(zhì)的深度的 函數(shù)而變化的梯度輪廓，使得纖維直徑和空隙率的至少一個作為深度 的函數(shù)而變化。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚結(jié)器，其中纖維直徑和空隙率中的所 述至少一個沿所述流動方向從上游到中間深度隨著進入所述介質(zhì)的深度的增加而減小，并且然后沿所述流動方向從中間深度到下游隨著進 入所述介質(zhì)的深度的增加而增加。
10.根據(jù)權(quán)利要求l所述的聚結(jié)器，其中滿足標準c,并且其中標 準C還要求所述元件具有大于或等于1.5的面面積比率F，其中其中L,是所述內(nèi)腔的周邊的長度，DA是所述內(nèi)腔的面積等效直 徑，即其中A,是所述內(nèi)腔的面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求IO所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是橢圓形。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是跑道形。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是三角形。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是狗骨頭形。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是三凸角形。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是矩形。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的聚結(jié)器，其中所述矩形是正方形。
18. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是梯形。
19. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的聚結(jié)器，其中所述幾何形狀是星-圓 形，即所述內(nèi)表面具有星形，且所述外表面具有圓形。
20. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的聚結(jié)器，其中所述內(nèi)和外表面具有不 同的幾何形狀。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚結(jié)器，其中滿足標準D，并且其中 標準D還要求選定所述內(nèi)腔的最小橫截面積，使得所述內(nèi)腔中的最大 動壓小于跨越所述元件的總壓降的10%。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的聚結(jié)器，其中所述內(nèi)表面是所述上游 表面，并且所述外表面是所述下游表面，使得所述元件是從內(nèi)向外流 元件。
23. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的聚結(jié)器，其中滿足標準E,并且其中標 準E還要求所述聚結(jié)器具有大于或等于50%的微分體積比率。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的聚結(jié)器，其中所述介質(zhì)是不打褶的深 度介質(zhì)，并且其中標準E還要求所述微分體積比率大于或等于750/0。
25. —種聚結(jié)器，用來聚結(jié)具有兩種不混溶的相即連續(xù)相和分散 相的介質(zhì)，所述連續(xù)相沿流動方向從上游流到下游，所述聚結(jié)器包括 沿軸線軸向地延伸并具有聚結(jié)器介質(zhì)的聚結(jié)器元件，所述聚結(jié)器介質(zhì) 俘獲所述分散相的微滴并使所述微滴聚結(jié)地成長為較大的液滴，所述 液滴進一步聚結(jié)并成長以形成排出的池，所述元件在與所述軸線成橫 向的平面中具有封閉環(huán)橫截面的幾何形狀，并且具有限定內(nèi)腔的內(nèi)表 面且具有外表面，所述外表面從所述內(nèi)表面向外間隔開所述內(nèi)和外表 面之間的所述元件的厚度，所述介質(zhì)沿所述厚度具有深度尺寸，所述 內(nèi)和外表面中的一個是上游表面，所述內(nèi)和外表面中的另一個是下游 表面，其中，組合滿足下列標準的全部五個A) 所述介質(zhì)是不打褶的纖維深度介質(zhì)；B) 所述介質(zhì)具有梯度輪廓，該梯度輪廓沿著所述流動方向作為進 入所述介質(zhì)的深度的函數(shù)而改變，使得纖維直徑和空隙率中的至少一個沿著所述流動方向從上游到中間深度隨著進入所述介質(zhì)的深度的增 加而減小，并且然后沿著所述流動方向從中間深度到下游隨著進入所 述介質(zhì)的深度的增加而增加；C)所述元件具有大于或等于1.5的面面積比率F,其中其中L,是所述內(nèi)腔的周邊的長度，DA是所述內(nèi)腔的面積等效直 徑，即其中A,是所述內(nèi)腔的面積；D) 所述內(nèi)表面是所述上游表面，并且所述外表面是所述下游表面, 使得所述元件是從內(nèi)向外流元件，并且選定所述內(nèi)腔的最小橫截面積, 使得所述內(nèi)腔中的最大動壓小于跨越所述元件的總壓降的10%:E) 所述聚結(jié)器具有大于或等于50%的微分體積比率，其中所述微 分體積比率是介質(zhì)體積對元件體積的比率，其中介質(zhì)體積和元件體積如在說明書中所定義的。叢
全文摘要
提供一種聚結(jié)器，該聚結(jié)器使高去除效率、低壓降、長壽命和小尺寸之間的折衷最小化。
文檔編號B01D39/08GK101541391SQ200680052207
公開日2009年9月23日 申請日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月3日
發(fā)明者巴麗·M·韋德甘, 布賴恩·W·施萬特, 庫爾特·M·A·巴德奧, 彼得·K·赫爾曼, 杰弗里·A·費德勞伊茲, 羅伯特·E·繆斯, 羅格·L·佐奇 申請人:弗利特加爾公司