液体过滤介质的制作方法
【专利说明】液体过滤介质 相关申请的交叉引用
[0001 ] 本申请是在2011年2月14日以唐纳森公司（Donaldson Company，一家美国公司，作 为除美国外所有指定国的申请人）以及美国公民Derek 0.Jones、美国公民Keh B.Dema、美 国公民Stephen M.Larsen、美国公民Mike J.Madsen、美国公民Andrew J.Dallas、黎巴嫩公 民Yehya A.Elasyed、以及美国公民Yang Chuanfang(作为仅美国指定国的申请人）的名义 提交的PCT国际专利申请，并且要求在2010年2月12日提交的美国专利申请序列号61/304， 232的优先权;其内容通过引用结合在此。
技术领域
[0002] 本发明是针对过滤介质、过滤元件以及对液体燃料进行过滤的方法。具体地讲，本 发明是针对用于将燃料降解产物(FDP)和其他污染物从液体燃料中去除的过滤介质。
【背景技术】
[0003] 柴油燃料等液体燃料被用于具有不同构型和大小的内燃发动机中。通常必须对此 类燃料进行过滤以去除微粒污染物，否则，这些微粒污染物可能使发动机性能出现重大问 题，并且可能导致发动机损坏。用于去除这些微粒污染物的过滤介质通常需要去除非常高 百分比的微粒，从而必需使用具有紧密孔结构的过滤介质。若不具有此类紧密孔结构，则不 可接受的水平的微粒可以穿过该过滤介质并对发动机性能产生不利影响。
[0004] 目前用于将微粒污染物从燃料流中去除的一种介质是熔喷介质，该介质能够有效 地去除微粒污染物。尽管熔喷介质能够足够有效地将微粒污染物从液体燃料中去除，但该 熔喷介质可能因除了传统微粒污染物以外的其他污染物的逐渐积聚而易于结垢。这种过早 结垢似乎在燃料经历反复的加热和冷却循环的情况下尤为明显，例如，在用于许多柴油发 动机的公用轨道系统中。在此类系统中，柴油燃料在高压下从燃料箱沿着连接到多个燃料 喷射器的公用管道(或轨道)进行栗送。一些柴油燃料穿过燃料喷射器并且燃烧，但剩余燃 料由于沿着公用轨道向下流过热的柴油发动机的多个部分而在升高的温度下被输送回燃 料箱。一旦回到燃料箱中，燃料将迅速冷却。据信，对燃料进行反复的加热和冷却循环促使 了燃料降解产物的产生，这些燃料降解产物加速了传统燃料过滤介质的结垢过程。
[0005] 除了因加热和冷却循环而产生的阻塞过滤器的材料之外，可能使燃料过滤器的性 能降低的其他污染物源包括在不同生物柴油混合物中发现的成分。尽管与在加热和冷却循 环过程中形成的燃料降解产物在来源上通常不同，但这些污染物也可能通过聚集在过滤介 质上而致使燃料过滤器寿命显著缩短。最后，即使是燃料的正常老化，尤其是在升高的温度 下发生的，也可能产生进一步限制燃料过滤器寿命的燃料污染物，因为过滤介质将与只存 在硬微粒污染物时预期发生的相比更早地发生结垢和阻塞。
[0006] 因此，实质上需要可用于将污染物材料从液体燃料流中去除的过滤介质、过滤元 件以及过滤方法。本发明提供此类介质、过滤元件和方法。
【发明内容】
[0007] 本发明是针对经过配置和安排以置于流体燃料流中的过滤介质;使用该过滤介质 制成的过滤元件；以及对燃料流进行过滤的方法。该过滤介质和元件被配置用于燃料可以 含有除传统硬微粒以外的不同其他污染物的应用中。这些其他污染物可以包括(例如)蜡、 沥青烯、留醇葡糖苷、固醇葡糖苷、留醇苷以及各种燃料降解产物(FDP)。总体来说，可将这 些其他污染物称为燃料污染产物(FCP)。尤其对于柴油燃料过滤，该过滤介质尤其被配置成 去除燃料降解产物(FDP)、以及类似的燃料污染产物(FCP)。
[0008] 在第一实例实施方案中，该过滤介质包括一个上游过滤介质层以及一个下游过滤 介质层。该上游过滤介质层含有热粘合的聚合物双组分纤维和玻璃纤维。该下游过滤介质 层包括纤维素纤维。在该实例实施方案中，含有双组分纤维和玻璃纤维的该上游介质层可 以层压到下游纤维素介质上。已显示出，含有双组分纤维和玻璃纤维的该上游介质层以如 下方式来去除燃料降解产物:使得过滤器寿命相对于现有技术过滤介质而得以保持或者甚 至延长。该下游纤维素层具有双重作用:作为上游过滤层的支撑层、同时还用于将硬微粒从 燃料流中去除。在上游将燃料降解产物去除避免了下游纤维素层因燃料降解产物而结垢， 从而使下游纤维素层能够捕获硬微粒而不过早结垢，尽管具有紧密孔结构。此外，在某些实 施方案中，与不使用一个(或多个)含有双组分纤维和玻璃纤维的上游介质层时可能的情况 相比，该下游纤维素层可以用更紧密的孔结构来构造，因为该一个(或多个)上游层去除了 可能使该更紧密的孔结构过早结垢的燃料降解产物(或燃料污染产物）。
[0009] 更概括地来说，本发明是针对能够去除燃料降解产物和其他燃料污染产物等污染 物的不同过滤结构。此类过滤结构可以包括一个或多个过滤介质区域，该一个或多个过滤 介质含有以下至少两种类型的纤维的混合物：（1)介质纤维以及(2)粘合纤维。
[0010] 介质纤维是向介质提供了诸如可控的孔径、渗透性以及效率等主要过滤特性的纤 维。根据本发明使用的介质纤维可以是(例如)玻璃纤维或碳纤维。
[0011] 该粘合纤维向介质纤维提供了支撑，并且对介质加入了改进的处理性、加入更大 的强度、并且产生了更低的压缩率。该粘合纤维可以是(例如)双组分纤维。使用双组分纤维 能形成没有单独树脂粘合剂或者具有最少量树脂粘合剂的一个(或多个)介质层或过滤元 件。缺少树脂粘合剂显著地减少或防止了树脂粘合剂形成薄膜，并且也防止了因树脂移动 到介质层的特定位置而导致介质或元件缺乏均匀性。使用双组分纤维降低了压缩率，并且 获得了更低的固体性、增大了拉伸强度，并且改进了玻璃纤维等介质纤维与加入介质层或 过滤元件中的其他亚微米纤维材料之间的粘合。此外，在某些实现方式中，粘合纤维提供了 在配料配制、片或层的成形以及下游处理过程中的增强的可处理性，该下游处理包括厚度 调整、干燥、切割和过滤元件的成形。
[0012] 通常，介质纤维具有比粘合纤维小得多的直径。在多个实例实施方案中，介质纤维 具有小于5微米的平均直径，而粘合纤维具有大于5微米的平均直径。更典型地，介质纤维将 具有从0.1到20微米、并且任选地从0.1到15微米的平均直径。在一些实现方式中，介质纤维 将具有从0.4到12微米的平均直径，并且在一些实现方式中为从0.4到6.5微米。平均直径小 于10微米、小于7.5微米、小于6.5微米、以及小于5微米的介质纤维通常是所希望的。
[0013] 粘合纤维将典型地具有从5到40微米、更典型地从7到20微米、并且通常从10到14 微米的直径。请注意，介质纤维和粘合纤维的直径均可变化。在某些情况下，纤维直径将沿 着自身的长度而变，而更常见的是将结合具有不同直径的多种不同纤维。应了解，本文所用 的纤维直径是基于介质中存在的纤维的平均纤维直径。
[0014]根据本发明制成的过滤介质、尤其是介质中与隔离（sequester )FDP (以及相关污 染物)相关的部分的另一特性是，该介质通常具有相对低的固体性水平。本文所用的固体性 是固体纤维体积除以相关过滤介质的总体积，通常用百分数表示。在一个典型实现方式中， 过滤介质的与隔离FDP相关的固体性是小于15%，更典型地小于12%，更经常地小于10%。 在某些实施方案中，固体性是小于9%、小于8%，或小于7%。
[0015]根据本发明制成的过滤介质的另一特性是，它是相对不可压缩的，尤其是相对于 该介质的固体性而言。在一个第一实例实施方案中，该过滤介质在1.24kg/cm2的压力下具 有小于40 %的压缩率。在其他实现方式中，该过滤介质具有在1.24kg/cm2的压力下小于 30%、在1.241^/〇11 2的压力下小于20%、以及在1.241^/〇112的压力下小于10%的压缩率。因 此应了解，本发明的过滤介质、至少是该介质中最适于进行rop去除的部分，将典型地具有 相对较低的固体性以及相对较低的压缩率(或高的刚性）。
[0016]介质的孔结构提供了可以测量介质的与隔离rop相关的特性的其他量度。通常，可 以用均值流量孔、众数流量孔以及最大流量孔等参数来表征多孔介质的特性。根据本发明 的传授内容，普遍希望的是使介质的至少一部分具有较小的均值流量孔，同时还具有大的 最大流量孔。
[0017] 最大孔径与均值流量孔的比率通常为至少2.5，任选地至少5.0，并且在一些实现 方式中是大于7.5。在均值流量孔非常小并且最大流量孔相对较大的某些实施方案中，该比 率可以是大于10.0,且任选地大于12.5或15。最大流量孔与均值流量孔的高比率反映出更 宽的孔径分布，这可以减少因 FDP(以及相关)污染物而造成的结垢。
[0018] 该介质也可被选择为具有有利的孔径分布，例如通过在第15.9个百分位上的孔径 与在第50个百分位上的孔径的比率进行衡量，该比率是一种对数正态分布(经过对数变换 的值的正态分布)的几何标准偏差。尽管介质孔径分布并非必须是对数正态的，但该比率在 此被用于估计孔径分布的几何标准偏差。除非另作说明，否则下述几何标准偏差将指代上 文所定义的比率。该几何标准偏差与相对于累积孔体积绘制的孔直径曲线的斜率类似。1.0 的几何标准偏差给出单一孔径，而更大的几何标准偏差反映出孔分布的加宽。因此，1.2的 几何标准偏差反映出狭窄的分布，而2.0的几何标准偏差表明显著更广的分布。2.5的几何 标准偏差是较广的分布。3.0的几何标准偏差是非常广的分布。通常，本发明的含有介质纤 维和粘合纤维的上游过滤材料将具有大于2.0、更典型地大于3.0、并且在某些实现方式中 大于4.0的几何标准偏差。
[0019] 如上所述，根据本发明制成的过滤介质通常由两层或更多层构成：上游过滤材料 (含有介质纤维和粘合纤维，例如玻璃纤维和双组分纤维）理想地与下游过滤材料进行组 合。该下游过滤材料通常针对有利地去除微粒污染物而进行选择。该下游材料可以包括(例 如)纤维素纤维。
[0020] 在一些实施方案中，上游部分的众数孔径是大于下游部分的众数孔径。例如，该上 游部分(双组分的/玻璃的）的众数孔径可以比下游部分(纤维素介质）的众数孔径大出至少 20%或至少40%。在另一个实施方案中，上游部分的众数孔径比下游部分的众数孔径大至 少20% ;并且上游部分的均值流量孔径是小于下游部分的均值流量孔径的90%。在一些实 施方案中，上游部分的众数孔径是大于下游部分的众数孔径。例如，上游部分的众数孔径可 以比下游部分的众数孔径大至少40%、或者大至少60%。在一些实施方案中，上游部分的均 值流量孔径是小于下游部分的均值流量孔径。例如，上游部分的均值流量孔径可以是小于 该下游部分的均值流量孔径的70 %或者50 %。
[0021] 应了解，该下游部分可以含有平均直径或截面大于上游部分中介质纤维的平均直 径的纤维。
[0022] 本说明书全文描述了过滤介质的各部分的特性。具体地讲，这些特性是针对具有 诸如纤维直径、固体性、压缩率、均值流量孔、众数流量孔以及最大孔等特定属性的过滤介 质来进行描述的。应了解，根据本发明制成的介质在这些特性方面通常呈现出无意的变化， 例如沿介质网的变化性，以及沿一片介质的厚度或深度的无意的变化。此外，例如通过提供 具有有意不同的特性的多个介质层、或者通过提供具有梯度结构的介质以使介质特性沿介 质的深度渐变，过滤介质的特性可能存在有意的变化。应了解，此类无意的变化以及有意的 变化均旨在位于本发明的范围内。
[0023] 以上的发明概述并不旨在描述本发明的每个所讨论的实施方案。这是以下附图和 详细说明的目的。
【附图说明】
[0024]本发明可以结合附图来更全面地理解，在附图中：
[0025]图1是一个柴油发动机的燃料系统的示意图。
[0026]图2A是现有技术过滤介质在暴露于柴油燃料中之前的照片。
[0027]图2B是现有技术过滤介质在暴露于柴油燃料中之后的照片。
[0028] 图3是一个图表，示出了在柴油发动机上进行大量测试之后，根据本发明制成的过 滤元件相较于现有技术过滤器构型的相对性能，显示了在必须对每种过滤器进行更换之前 所行驶的英里。
[0029] 图4是孔密度相对于直径的图表，用以示出介质的众数孔径。
[0030] 图5是累积孔径分布的图表，