用于过滤器打褶的周期性径向对称的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月14日提交的美国临时专利申请号62/598,692的优先权和权益，所述文献的全部内容通过援引以其全文并入本文。

本发明涉及过滤器，并且更具体地涉及以圆柱形构型布置用于过滤器组件的打褶的过滤器元件。

背景技术：

流体过滤器通常用于移除来自液体或气体的污染物，以防止对下游部件(比如发动机)的损坏。过滤系统总体上被构造成使得进入的被污染的流体沿着流动路径移动，直到它遇到过滤材料。在流体经过过滤材料时，足够量的污染物将被过滤材料捕获，从而认为离开过滤器的流体对于所得流体的特定用途是足够干净的。

各种各样的过滤器构型可用于在不同的应用中使用。在相对简单的构型中，单个平坦的过滤材料片材被定位在流体路径中，使得被污染的流体从过滤材料的“脏”侧流到“干净”侧，其中平坦的过滤片材特别地被设计成具有过滤材料，过滤材料将捕获具有特定大小和/或成分的污染物。为了提供附加的过滤能力，通常将过滤材料打褶以增加在相同空间中使用的过滤介质的量。特别地，过滤介质可以以类似手风琴的方式折叠，以在材料的宽度上产生多个褶皱。用于这些布置的褶皱通常包括在介质包的宽度上具有相同或相似高度的褶皱。

为了装配到特定的开口中和/或进一步增加在给定体积中提供的过滤材料的量，打褶的过滤材料也可以被布置成圆柱形构型，其中褶皱在径向方向上延伸，比如从打褶的材料围绕其缠绕的中心芯区域延伸。在这种构型中，被污染的流体可以通过圆柱体的侧面进入介质包，穿过打褶的过滤介质，然后通过中心芯区域离开过滤器。由于这种圆柱体的几何形状，靠近中心芯区域的褶皱内端头比靠近圆柱体的外侧的褶皱外端头更紧密地装填。在这种布置中的芯的相对大小是在确定在给定空间中可以提供的过滤材料的量中的重要参数。为了进一步利用褶皱在该处被更远地间隔开的外周边，圆柱形过滤器元件已设有在一直延伸到中心芯的褶皱之间从过滤器的外周边径向向内延伸的不同长度的褶皱。这种布置带来的一个挑战是较短的褶皱倾向于朝向中心芯区域迁移，或者以其他方式背离最初制造过滤器的构型移动。

虽然上述构型对于许多过滤应用来说是足够的，但是需要为过滤材料提供褶皱构型，所述褶皱构型可以进一步增加给定过滤空间中可用的打褶的材料的量，同时保持其期望的构型。

技术实现要素：

根据本发明，为圆柱形过滤器元件提供了多种褶皱构型，这些褶皱构型增加了给定体积中包含的介质，同时提供了其他有益的特性。这些过滤器元件可以用于发动机和工业液体应用、整体过滤、或其中增加的单位体积介质是期望的任何液体应用。这些过滤器元件构型包括打褶的材料片材，打褶的材料片材在围绕元件的圆周的图案中在褶皱高度方面具有不同，其中每个褶皱由相邻的较短褶皱以最小化褶皱的装袋的方式进行支撑。对于给定的体积，这种相同的褶皱构型形成了具有增加的介质面积的多个内部入口/出口通路，并且还提供了对与褶皱深度无关的入口/出口通路速度的控制。

在本发明的某些实施例中，打褶构型可以比在具有均匀尺寸的褶皱的类似构型的情况下产生多出近50％的介质。在一个实施例中，褶皱围绕圆周以重复的图案布置，其中图案的每个实例从接近元件直径的近50％的长褶皱或主褶皱开始并逐渐减小至更小的长度，其中用于折叠材料的制造限制可以有助于确定最小褶皱高度。整个图案中的褶皱高度以及褶皱间距方面的减小的性质被设计成形成一系列入口/出口通道，这些通道与具有相对应的开口的开放端盖相配合，该开口通常类似于花瓣或风扇叶片。图案中的褶皱高度的序列可以被设计或“调整”以形成期望的入口/出口通道区域。在某些实施例的情况下，每个图案的主褶皱可以在圆柱形过滤器元件的中心处(例如，在其中心纵向轴线处)彼此结合或结合到胶珠，以对过滤介质提供附加的支撑，而不干扰过滤期间的流体流动。

根据实施例，提供了一种圆柱形过滤器元件，该圆柱形过滤器元件包括中心纵向轴线和过滤介质，该过滤介质包括多个径向延伸的褶皱，这些褶皱以围绕中心纵向轴线重复的图案进行布置。过滤介质的外圆柱形周边由多个径向延伸的褶皱中的每一个的褶皱外端头限定；并且每个褶皱图案包括：主褶皱，该主褶皱具有第一长度并从外圆柱形周边处的褶皱外端头径向延伸至中心纵向轴线处的褶皱内端头；与主褶皱间隔开的次褶皱，该次褶皱包括小于第一长度的第二长度并且从外圆柱形周边处的褶皱外端头朝向中心纵向轴线径向延伸至褶皱内端头；至少第一中间褶皱，该至少第一中间褶皱被定位在主褶皱与次褶皱之间并且具有在主褶皱的第一长度与次褶皱的第二长度之间的长度；以及至少第二中间褶皱，该至少第二中间褶皱被定位在相邻的褶皱图案的次褶皱与主褶皱之间，并且具有在相邻的褶皱图案的次褶皱的第二长度与主褶皱的第一长度之间的长度。

在另一实施例中，提供了一种圆柱形过滤器元件，该圆柱形过滤器元件包括中心纵向轴线和过滤介质，该过滤介质包括多个径向延伸的褶皱，这些褶皱以围绕中心纵向轴线重复的图案进行布置。褶皱中的每一个包括褶皱内端头，其中每个图案的褶皱内端头限定沿着过滤器元件的高度延伸的开放区域，并且其中每个褶皱图案包括在长度方面从主褶皱下降到次褶皱的第一系列中间褶皱和在长度方面从相邻的褶皱图案的次褶皱上升到主褶皱的第二系列中间褶皱。

附图说明

将参照附图对本发明作进一步的解释，其中若干个视图中的类似结构由类似的数字来表示，并且在附图中：

图1是本发明的打褶的过滤器的实施例的透视图，包括过滤过程期间的示例性流体流动路径的表示；

图2是图1的打褶的过滤器的俯视示意图；

图3是本发明的打褶的过滤器的实施例的俯视示意图；

图4是本发明的打褶的过滤器的实施例的俯视示意图；

图5是本发明的打褶的过滤器的实施例的俯视示意图；

图6是本发明的打褶的过滤器的实施例的俯视示意图；

图7是包括端盖的本发明的打褶的过滤器组件的实施例的透视图；

图8是图7的打褶的过滤器组件的底部透视图；

图9是包括端盖的本发明的打褶的过滤器组件的实施例的透视图；以及

图10是图9的打褶的过滤器组件的底部透视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中，在整个若干附图中，用相似的附图标记来标记部件，并且首先参考图1，展示了本发明的圆柱形过滤器10的透视图，并用箭头展示了过滤过程期间流体流动的示例性方向。如图所示，过滤器10包括围绕中心纵向轴线14以圆柱形构型布置的打褶的过滤材料12，其中材料包括具有不同长度的、以围绕其圆周重复一定次数的图案进行布置的褶皱。在本实施例中，流体通过过滤器10的侧面或外周边进入，如箭头16所指示，并通过多个开口(其将在下面进行描述)在大致由箭头18指示的方向上离开。替代性地，流体可以在与所示的方向相反的方向上被引导，和/或流体可以以不同于平行和垂直于中心轴线14的角度朝向和/或背离过滤器移动。

如上所述和所展示的，本发明的过滤器构型被提供为具有圆形端部轮廓的圆柱体。然而，应当理解的是，过滤器元件在形状方面可以是非圆柱形的，比如在形状方面至少稍微卵形或椭圆形、跑道型形状、或其他规则或不规则的形状。进一步，各种构型可以关于垂直于纵向轴线14行进的平面对称，或者这些构型可以是非对称的。

打褶的过滤材料12可以选自多种不同的材料，比如非织造材料片材(例如，熔喷材料)或微孔膜(例如，尼龙、聚酯(四氟乙烯)(ptfe)、聚丙烯、聚乙烯等)。打褶的过滤材料12可以被提供为片材，该片材可折叠多次以形成所期望的图案、并因此设有将允许其折回到其自身上并保持折叠的图案的厚度。

本文使用的术语“褶皱”通常指的是过滤材料的v形构型，这些构型包括具有在“峰”处在圆柱形过滤器的外周边相遇的远端的两个相邻的臂。这些臂中的每一个还包括近端，该近端从外周边径向向内间隔开，以在“谷”处限定外过滤器周边内部的v形构型的一部分。进一步，虽然描述了v形，但是v形的端头或点可以至少稍微被圆化，其中端头的半径是所使用的打褶方法和工具以及过滤材料的厚度的函数。用于过滤材料的这些峰和谷的各种布置将在下面更详细地描述。

附加地参考图2，展示了图1的圆柱形过滤器10的俯视图。过滤材料12以从褶皱28处开始的图案进行布置，该褶皱包括第一臂29和相邻的第二臂30，这些臂在v形交叉31处相遇，该v形交叉的内部折叠部或“谷”被定位在纵向轴线14处或其附近。由于这个区域中相对较密的过滤材料的量，因此这两个臂在它们之间可能几乎没有空间、特别是在折叠线附近。在本发明的实施例中，第一臂29和第二臂30将朝向纵向轴线14延伸一定距离，该距离在圆柱形过滤器10的半径的75％和100％之间的范围内，其中所展示的实施例将这个长度示出为延伸从圆柱体的外周边到中心纵向轴线14的径向距离的90％以上。褶皱28因此可以被称为图案的最长或“主”褶皱。在实施例中，褶皱28的臂29、30具有大致相同的长度，从而认为褶皱关于平分臂29、30之间的空间的径向平面(未示出)对称；然而，臂29、30中的一个可以可选地比这个褶皱28的另一臂更短。

然后，褶皱图案在顺时针方向上以相邻或“次”褶皱32继续，该相邻或“次”褶皱包括从其在圆柱体的外周边处的远端朝向中心轴线14延伸的臂33。根据本发明，臂33的长度至少稍微短于图案的前一褶皱28的臂30的长度。褶皱32还包括臂34，该臂在v形交叉35处与臂33相遇，该v形交叉的内部折叠部或“谷”比前一褶皱28的v形交叉31与中心轴线14间隔得更远。如相对于褶皱28的臂所描述的，臂34可以具有与臂33大致相同的长度，尽管可能的是臂34比臂33稍短。

这个图案围绕圆柱形过滤器10在顺时针方向上以相对于褶皱28和32描述的进展相类似的进展继续，其中，图案中的每个渐进次褶皱包括至少比图案的前一褶皱的臂稍短的臂，其中这些臂的远端全部位于圆柱体的外周边。在这个特定实施例中，示例性图案包括：褶皱40，该褶皱邻近褶皱36并具有比褶皱36的臂更短的至少一个臂；褶皱44，该褶皱邻近褶皱40并具有比褶皱40的臂更短的至少一个臂；褶皱48，该褶皱邻近褶皱44并具有比褶皱44的臂更短的至少一个臂；褶皱52，该褶皱邻近褶皱48并具有比褶皱48的臂更短的至少一个臂；以及褶皱56，该褶皱邻近褶皱52并具有比褶皱52的臂更短的至少一个臂。在这个实施例中，褶皱56包括图案的两个最短的臂57、58，并且当这些臂是相同长度时，将认为褶皱56关于平分臂57、58之间的空间的径向平面59对称。

如上所述，褶皱图案包括首先在长度方面从主褶皱28顺序减小到最短的次褶皱56的褶皱。在褶皱图案的延续中，该图案包括在长度方面从最短褶皱56顺序增加到主褶皱(作为下一褶皱图案的第一褶皱)的褶皱。特别地，褶皱52’邻近褶皱56并且包括至少一个臂，该至少一个臂至少比次褶皱56的臂稍长。褶皱52’可以具有在长度方面与褶皱52的臂相同或相似的臂，从而为图案的这一部分提供关于径向平面59的对称性。替代性地，褶皱52’的臂可以具有不同于褶皱52的臂的长度，从而图案关于径向平面59不对称。

该图案在顺时针方向上以与以上相对于褶皱56和52’描述的进展相类似的进展继续，其中该序列中的每个渐进次褶皱包括至少比该图案的前一褶皱的臂稍长的臂，并且这些臂的远端位于圆柱体的外周边。所展示的图案提供了关于径向平面59的对称性，并且因此包括褶皱48’、44’、40’、36’和32’，这些臂的长度分别与它们的镜像对应的褶皱48、44、40、36、32相同或相似。该图案可以被认为在褶皱32’处结束，因为邻近褶皱32’的下一褶皱是另一主褶皱，该另一主褶皱是围绕圆柱形过滤器10的下一重复图案序列的开始。如所示和所描述的，这个特定图案包括十四个褶皱；然而，应当理解，在特定的图案中可以使用更多或更少的褶皱。可以进一步设想的是，围绕过滤器的圆周的褶皱图案可以具有与该过滤器的其他图案相同或不同的褶皱数量。

利用相对于图2示出和描述的图案，流动通道或开口60由图案的每个褶皱的褶皱内端头限定。当每个图案的褶皱数量与图2中示出的褶皱数量相似时，并且当褶皱长度方面的顺序增加和减少与图2的增加和减少成比例地相似时，每个流动通道60将具有卵形、踏板形或眼形的形状，如图所展示。然而，图案中的褶皱的数量和大小可以相当大地变化，使得每个流动通道60的形状可以不同于所示出的。例如，可以提供比所展示的实施例中更多或更少的褶皱，和/或相邻褶皱的高度差的量可以大于或小于所示出的，这可以提供由褶皱内端头形成的更交错或更平滑的图案。

图2的实施例包括以上所述图案的五个重复，因此其包括五个主褶皱并提供五个流动通道或开口60。主褶皱中的每一个可以延伸圆柱体的半径的至少75％，并且在这个实施例中，主褶皱延伸到中心轴线14的径向距离的90％以上。主褶皱的褶皱内端头可以粘附或以其他方式附接到沿着中心轴线14延伸的较小的芯(未示出)，或者在褶皱内端头几乎延伸到中心轴线14的情况下，褶皱内端头可以利用胶珠(未示出)沿着圆柱体的高度彼此粘附。如果提供芯，则它可以是实心的或空心的，并且通常具有尽可能小的直径，以便最大化提供在这些过滤器中的过滤介质。所使用的任何芯可以是圆形的或具有不同的形状，其中芯的形状可以与过滤器的外周边的形状匹配，或者可以具有不同的形状。

现在参考图3，展示了用于圆柱形过滤器110的另一打褶材料的图案，该圆柱形过滤器由以围绕中心纵向轴线114的图案布置的打褶的过滤材料112制成。这个图案也开始于褶皱128，该褶皱包括臂，这些臂在v形交叉处相遇，该v形交叉的内部折叠部或“谷”被定位在纵向轴线114处或其附近。这个图案的臂朝向纵向轴线114延伸一定距离，该距离在圆柱体半径的75％和100％之间的范围内，其中所展示的实施例将这个长度示出为延伸从圆柱体的外周边到中心纵向轴线114的整个距离(即，大约100％的径向距离)。褶皱128因此可以被称为图案的最长或“主”褶皱。在这个实施例中，沿着中心轴线114展示了胶珠170，该胶珠用于固定每个图案中的最长的或主褶皱。在实施例中，构成褶皱128的臂具有相同的长度，从而认为褶皱关于平分其臂之间的空间的径向平面(未示出)对称；然而，如同在图2的实施例的情况下，这些臂中的一个可以可选地比这个褶皱128的另一臂短。

用于圆柱形过滤器110的褶皱图案围绕其圆周继续，其中该序列中的每个渐进次褶皱包括臂，这些臂至少比图案的前一褶皱的臂稍短，直到达到图案的最小褶皱。利用围绕过滤器110的圆周的这种重复图案，六个流动通道或开口160将由每一褶皱序列的褶皱内端头限定。如图所示，流动通道160也是大致卵形或眼形的。

图4展示了围绕圆柱形过滤器210的圆周设置的重复图案的数量的又一变化，其中该图提供了具有四个卵形或眼形开口或通道260的实施例。如图所展示，用于圆柱形过滤器210的过滤材料的密度小于图1至图3中提供的过滤材料的密度。类似地，图5的圆柱形过滤器310的实施例提供了三个卵形或眼形开口或通道360，使得该结构将具有比图1至图4的构型甚至更小的过滤材料密度。最后，图6展示了过滤器410的实施例，该过滤器包括位于中心轴线414的相对侧上的两个流动通道460。由于仅具有这些通道460中的两个的几何形状同时提供了稳定组装版本的过滤器，这些流动通道460在形状方面更圆。

圆柱形过滤器10在一个端部或两个端部处可以由端盖封闭，这些端盖可以被设计成与其中安装过滤器的设备接合，并且因此可以包括用于这种接合的各种凸缘或其他特征。每个端盖可以用任何期望的方法附接到打褶的过滤材料上，比如粘合剂、环氧树脂、热焊接或超声波焊接、机械紧固件、和/或附接技术的组合。

图7和图8中展示了包括端盖的过滤器组件500的一种示例性构型。过滤器组件500包括过滤器包502，该过滤器包具有以与上述打褶的过滤器构型一致的方式布置的过滤材料。在这个特定示例中，打褶的过滤材料具有围绕其圆周重复五次以提供五个流动通道或开口504的图案。在过滤器的一个端部处，设置第一端盖506，该第一端盖具有材料可以流过的中心开口508。尽管这个开口508被展示为圆形开口，但是开口508可以具有不同的形状和/或可以比所展示的更大或更小。端盖506设有内唇缘或凸缘，过滤器包502的褶皱外端头将抵靠该内唇缘或凸缘定位。端盖506可以被粘附、焊接或以其他方式附接到褶皱端头，以便将褶皱以期望的构型固定。过滤器组件500进一步包括在过滤器包502的与第一端盖506相对的另一端部处的第二端盖510。端盖510具有不允许材料流动的实心端面，从而引导材料流过端盖506的开口508。像第一端盖506一样，第二端盖510可以粘附、焊接或以其他方式附接到过滤器包502的褶皱端头。

图9和图10中展示了包括端盖的过滤器组件600的另一示例性构型。过滤器组件600包括过滤器包602，该过滤器包具有以与上述打褶的过滤器构型一致的方式布置的过滤材料。在这个特定示例中，打褶的过滤材料具有围绕其圆周重复五次以提供五个流动通道或开口的图案。第一端盖606设置在包括五个开口608的一个端部处，这些开口中的每一个与过滤器包602的五个流动通道或开口中的一个相对应。尽管开口608被展示为花瓣形或眼形，以大致匹配流动通道的形状，但是开口608可以具有不同的形状和/或可以比所展示的更大或更小。端盖606设有内唇缘或凸缘，过滤器包602的褶皱外端头将抵靠该内唇缘或凸缘定位。端盖606可以被粘附、焊接或以其他方式附接到褶皱端头，以便将褶皱以期望的构型固定。过滤器组件600进一步包括在过滤器包602的与第一端盖606相对的另一端部处的第二端盖610。端盖610具有不允许材料流动的实心端面，从而引导材料流过端盖606的开口608。像第一端盖606一样，第二端盖610可以粘附、焊接或以其他方式附接到过滤器包602的褶皱端头。

过滤器构型可能包括其他特征，以在制造后为过滤器构造提供附加支持。例如，一个或多个胶条带、弹性带或其他特征可以在打褶的过滤材料的端部之间的一个或多个位置处缠绕打褶的过滤材料的全部或部分外周边。对于另一示例，过滤器可以包括连接至少两个主褶皱的内端头的粘合剂。圆柱形过滤材料也可以被定位在沿其高度的全部或部分延伸的外管构件内。

现已参考本发明的若干实施例对本发明进行了描述。本文中指明的任何专利或专利申请的全部披露内容特此通过援引并入。上述详细说明和实例仅是为了获得清楚的理解而给出。不应由此理解为不必要的限制。对本领域的技术人员来说清楚的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对所描述的实施例进行多种修改。因此，本发明的范围不应限于本文所述的结构，而是仅受权利要求书的文字所述的结构及其等同结构的限制。