液體過濾介質(zhì)的制作方法
【專利說明】液體過濾介質(zhì) 相關申請的交叉引用
[0001 ] 本申請是在2011年2月14日以唐納森公司（Donaldson Company，一家美國公司，作 為除美國外所有指定國的申請人）以及美國公民Derek 0.Jones、美國公民Keh B.Dema、美 國公民Stephen M.Larsen、美國公民Mike J.Madsen、美國公民Andrew J.Dallas、黎巴嫩公 民Yehya A.Elasyed、以及美國公民Yang Chuanfang(作為僅美國指定國的申請人）的名義 提交的PCT國際專利申請，并且要求在2010年2月12日提交的美國專利申請序列號61/304， 232的優(yōu)先權;其內(nèi)容通過引用結合在此。
技術領域
[0002] 本發(fā)明是針對過濾介質(zhì)、過濾元件以及對液體燃料進行過濾的方法。具體地講，本 發(fā)明是針對用于將燃料降解產(chǎn)物(FDP)和其他污染物從液體燃料中去除的過濾介質(zhì)。
【背景技術】
[0003] 柴油燃料等液體燃料被用于具有不同構型和大小的內(nèi)燃發(fā)動機中。通常必須對此 類燃料進行過濾以去除微粒污染物，否則，這些微粒污染物可能使發(fā)動機性能出現(xiàn)重大問 題，并且可能導致發(fā)動機損壞。用于去除這些微粒污染物的過濾介質(zhì)通常需要去除非常高 百分比的微粒，從而必需使用具有緊密孔結構的過濾介質(zhì)。若不具有此類緊密孔結構，則不 可接受的水平的微粒可以穿過該過濾介質(zhì)并對發(fā)動機性能產(chǎn)生不利影響。
[0004] 目前用于將微粒污染物從燃料流中去除的一種介質(zhì)是熔噴介質(zhì)，該介質(zhì)能夠有效 地去除微粒污染物。盡管熔噴介質(zhì)能夠足夠有效地將微粒污染物從液體燃料中去除，但該 熔噴介質(zhì)可能因除了傳統(tǒng)微粒污染物以外的其他污染物的逐漸積聚而易于結垢。這種過早 結垢似乎在燃料經(jīng)歷反復的加熱和冷卻循環(huán)的情況下尤為明顯，例如，在用于許多柴油發(fā) 動機的公用軌道系統(tǒng)中。在此類系統(tǒng)中，柴油燃料在高壓下從燃料箱沿著連接到多個燃料 噴射器的公用管道(或軌道)進行栗送。一些柴油燃料穿過燃料噴射器并且燃燒，但剩余燃 料由于沿著公用軌道向下流過熱的柴油發(fā)動機的多個部分而在升高的溫度下被輸送回燃 料箱。一旦回到燃料箱中，燃料將迅速冷卻。據(jù)信，對燃料進行反復的加熱和冷卻循環(huán)促使 了燃料降解產(chǎn)物的產(chǎn)生，這些燃料降解產(chǎn)物加速了傳統(tǒng)燃料過濾介質(zhì)的結垢過程。
[0005] 除了因加熱和冷卻循環(huán)而產(chǎn)生的阻塞過濾器的材料之外，可能使燃料過濾器的性 能降低的其他污染物源包括在不同生物柴油混合物中發(fā)現(xiàn)的成分。盡管與在加熱和冷卻循 環(huán)過程中形成的燃料降解產(chǎn)物在來源上通常不同，但這些污染物也可能通過聚集在過濾介 質(zhì)上而致使燃料過濾器壽命顯著縮短。最后，即使是燃料的正常老化，尤其是在升高的溫度 下發(fā)生的，也可能產(chǎn)生進一步限制燃料過濾器壽命的燃料污染物，因為過濾介質(zhì)將與只存 在硬微粒污染物時預期發(fā)生的相比更早地發(fā)生結垢和阻塞。
[0006] 因此，實質(zhì)上需要可用于將污染物材料從液體燃料流中去除的過濾介質(zhì)、過濾元 件以及過濾方法。本發(fā)明提供此類介質(zhì)、過濾元件和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是針對經(jīng)過配置和安排以置于流體燃料流中的過濾介質(zhì);使用該過濾介質(zhì) 制成的過濾元件；以及對燃料流進行過濾的方法。該過濾介質(zhì)和元件被配置用于燃料可以 含有除傳統(tǒng)硬微粒以外的不同其他污染物的應用中。這些其他污染物可以包括(例如)蠟、 瀝青烯、留醇葡糖苷、固醇葡糖苷、留醇苷以及各種燃料降解產(chǎn)物(FDP)?？傮w來說，可將這 些其他污染物稱為燃料污染產(chǎn)物(FCP)。尤其對于柴油燃料過濾，該過濾介質(zhì)尤其被配置成 去除燃料降解產(chǎn)物(FDP)、以及類似的燃料污染產(chǎn)物(FCP)。
[0008] 在第一實例實施方案中，該過濾介質(zhì)包括一個上游過濾介質(zhì)層以及一個下游過濾 介質(zhì)層。該上游過濾介質(zhì)層含有熱粘合的聚合物雙組分纖維和玻璃纖維。該下游過濾介質(zhì) 層包括纖維素纖維。在該實例實施方案中，含有雙組分纖維和玻璃纖維的該上游介質(zhì)層可 以層壓到下游纖維素介質(zhì)上。已顯示出，含有雙組分纖維和玻璃纖維的該上游介質(zhì)層以如 下方式來去除燃料降解產(chǎn)物:使得過濾器壽命相對于現(xiàn)有技術過濾介質(zhì)而得以保持或者甚 至延長。該下游纖維素層具有雙重作用:作為上游過濾層的支撐層、同時還用于將硬微粒從 燃料流中去除。在上游將燃料降解產(chǎn)物去除避免了下游纖維素層因燃料降解產(chǎn)物而結垢， 從而使下游纖維素層能夠捕獲硬微粒而不過早結垢，盡管具有緊密孔結構。此外，在某些實 施方案中，與不使用一個(或多個)含有雙組分纖維和玻璃纖維的上游介質(zhì)層時可能的情況 相比，該下游纖維素層可以用更緊密的孔結構來構造，因為該一個(或多個)上游層去除了 可能使該更緊密的孔結構過早結垢的燃料降解產(chǎn)物(或燃料污染產(chǎn)物）。
[0009] 更概括地來說，本發(fā)明是針對能夠去除燃料降解產(chǎn)物和其他燃料污染產(chǎn)物等污染 物的不同過濾結構。此類過濾結構可以包括一個或多個過濾介質(zhì)區(qū)域，該一個或多個過濾 介質(zhì)含有以下至少兩種類型的纖維的混合物：（1)介質(zhì)纖維以及(2)粘合纖維。
[0010] 介質(zhì)纖維是向介質(zhì)提供了諸如可控的孔徑、滲透性以及效率等主要過濾特性的纖 維。根據(jù)本發(fā)明使用的介質(zhì)纖維可以是(例如)玻璃纖維或碳纖維。
[0011] 該粘合纖維向介質(zhì)纖維提供了支撐，并且對介質(zhì)加入了改進的處理性、加入更大 的強度、并且產(chǎn)生了更低的壓縮率。該粘合纖維可以是(例如)雙組分纖維。使用雙組分纖維 能形成沒有單獨樹脂粘合劑或者具有最少量樹脂粘合劑的一個(或多個)介質(zhì)層或過濾元 件。缺少樹脂粘合劑顯著地減少或防止了樹脂粘合劑形成薄膜，并且也防止了因樹脂移動 到介質(zhì)層的特定位置而導致介質(zhì)或元件缺乏均勻性。使用雙組分纖維降低了壓縮率，并且 獲得了更低的固體性、增大了拉伸強度，并且改進了玻璃纖維等介質(zhì)纖維與加入介質(zhì)層或 過濾元件中的其他亞微米纖維材料之間的粘合。此外，在某些實現(xiàn)方式中，粘合纖維提供了 在配料配制、片或?qū)拥某尚我约跋掠翁幚磉^程中的增強的可處理性，該下游處理包括厚度 調(diào)整、干燥、切割和過濾元件的成形。
[0012] 通常，介質(zhì)纖維具有比粘合纖維小得多的直徑。在多個實例實施方案中，介質(zhì)纖維 具有小于5微米的平均直徑，而粘合纖維具有大于5微米的平均直徑。更典型地，介質(zhì)纖維將 具有從0.1到20微米、并且任選地從0.1到15微米的平均直徑。在一些實現(xiàn)方式中，介質(zhì)纖維 將具有從0.4到12微米的平均直徑，并且在一些實現(xiàn)方式中為從0.4到6.5微米。平均直徑小 于10微米、小于7.5微米、小于6.5微米、以及小于5微米的介質(zhì)纖維通常是所希望的。
[0013] 粘合纖維將典型地具有從5到40微米、更典型地從7到20微米、并且通常從10到14 微米的直徑。請注意，介質(zhì)纖維和粘合纖維的直徑均可變化。在某些情況下，纖維直徑將沿 著自身的長度而變，而更常見的是將結合具有不同直徑的多種不同纖維。應了解，本文所用 的纖維直徑是基于介質(zhì)中存在的纖維的平均纖維直徑。
[0014]根據(jù)本發(fā)明制成的過濾介質(zhì)、尤其是介質(zhì)中與隔離（sequester )FDP (以及相關污 染物)相關的部分的另一特性是，該介質(zhì)通常具有相對低的固體性水平。本文所用的固體性 是固體纖維體積除以相關過濾介質(zhì)的總體積，通常用百分數(shù)表示。在一個典型實現(xiàn)方式中， 過濾介質(zhì)的與隔離FDP相關的固體性是小于15%，更典型地小于12%，更經(jīng)常地小于10%。 在某些實施方案中，固體性是小于9%、小于8%，或小于7%。
[0015]根據(jù)本發(fā)明制成的過濾介質(zhì)的另一特性是，它是相對不可壓縮的，尤其是相對于 該介質(zhì)的固體性而言。在一個第一實例實施方案中，該過濾介質(zhì)在1.24kg/cm2的壓力下具 有小于40 %的壓縮率。在其他實現(xiàn)方式中，該過濾介質(zhì)具有在1.24kg/cm2的壓力下小于 30%、在1.241^/〇11 2的壓力下小于20%、以及在1.241^/〇112的壓力下小于10%的壓縮率。因 此應了解，本發(fā)明的過濾介質(zhì)、至少是該介質(zhì)中最適于進行rop去除的部分，將典型地具有 相對較低的固體性以及相對較低的壓縮率(或高的剛性）。
[0016]介質(zhì)的孔結構提供了可以測量介質(zhì)的與隔離rop相關的特性的其他量度。通常，可 以用均值流量孔、眾數(shù)流量孔以及最大流量孔等參數(shù)來表征多孔介質(zhì)的特性。根據(jù)本發(fā)明 的傳授內(nèi)容，普遍希望的是使介質(zhì)的至少一部分具有較小的均值流量孔，同時還具有大的 最大流量孔。
[0017] 最大孔徑與均值流量孔的比率通常為至少2.5，任選地至少5.0，并且在一些實現(xiàn) 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對較大的某些實施方案中，該比 率可以是大于10.0,且任選地大于12.5或15。最大流量孔與均值流量孔的高比率反映出更 寬的孔徑分布，這可以減少因 FDP(以及相關)污染物而造成的結垢。
[0018] 該介質(zhì)也可被選擇為具有有利的孔徑分布，例如通過在第15.9個百分位上的孔徑 與在第50個百分位上的孔徑的比率進行衡量，該比率是一種對數(shù)正態(tài)分布(經(jīng)過對數(shù)變換 的值的正態(tài)分布)的幾何標準偏差。盡管介質(zhì)孔徑分布并非必須是對數(shù)正態(tài)的，但該比率在 此被用于估計孔徑分布的幾何標準偏差。除非另作說明，否則下述幾何標準偏差將指代上 文所定義的比率。該幾何標準偏差與相對于累積孔體積繪制的孔直徑曲線的斜率類似。1.0 的幾何標準偏差給出單一孔徑，而更大的幾何標準偏差反映出孔分布的加寬。因此，1.2的 幾何標準偏差反映出狹窄的分布，而2.0的幾何標準偏差表明顯著更廣的分布。2.5的幾何 標準偏差是較廣的分布。3.0的幾何標準偏差是非常廣的分布。通常，本發(fā)明的含有介質(zhì)纖 維和粘合纖維的上游過濾材料將具有大于2.0、更典型地大于3.0、并且在某些實現(xiàn)方式中 大于4.0的幾何標準偏差。
[0019] 如上所述，根據(jù)本發(fā)明制成的過濾介質(zhì)通常由兩層或更多層構成：上游過濾材料 (含有介質(zhì)纖維和粘合纖維，例如玻璃纖維和雙組分纖維）理想地與下游過濾材料進行組 合。該下游過濾材料通常針對有利地去除微粒污染物而進行選擇。該下游材料可以包括(例 如)纖維素纖維。
[0020] 在一些實施方案中，上游部分的眾數(shù)孔徑是大于下游部分的眾數(shù)孔徑。例如，該上 游部分(雙組分的/玻璃的）的眾數(shù)孔徑可以比下游部分(纖維素介質(zhì)）的眾數(shù)孔徑大出至少 20%或至少40%。在另一個實施方案中，上游部分的眾數(shù)孔徑比下游部分的眾數(shù)孔徑大至 少20% ;并且上游部分的均值流量孔徑是小于下游部分的均值流量孔徑的90%。在一些實 施方案中，上游部分的眾數(shù)孔徑是大于下游部分的眾數(shù)孔徑。例如，上游部分的眾數(shù)孔徑可 以比下游部分的眾數(shù)孔徑大至少40%、或者大至少60%。在一些實施方案中，上游部分的均 值流量孔徑是小于下游部分的均值流量孔徑。例如，上游部分的均值流量孔徑可以是小于 該下游部分的均值流量孔徑的70 %或者50 %。
[0021] 應了解，該下游部分可以含有平均直徑或截面大于上游部分中介質(zhì)纖維的平均直 徑的纖維。
[0022] 本說明書全文描述了過濾介質(zhì)的各部分的特性。具體地講，這些特性是針對具有 諸如纖維直徑、固體性、壓縮率、均值流量孔、眾數(shù)流量孔以及最大孔等特定屬性的過濾介 質(zhì)來進行描述的。應了解，根據(jù)本發(fā)明制成的介質(zhì)在這些特性方面通常呈現(xiàn)出無意的變化， 例如沿介質(zhì)網(wǎng)的變化性，以及沿一片介質(zhì)的厚度或深度的無意的變化。此外，例如通過提供 具有有意不同的特性的多個介質(zhì)層、或者通過提供具有梯度結構的介質(zhì)以使介質(zhì)特性沿介 質(zhì)的深度漸變，過濾介質(zhì)的特性可能存在有意的變化。應了解，此類無意的變化以及有意的 變化均旨在位于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0023] 以上的發(fā)明概述并不旨在描述本發(fā)明的每個所討論的實施方案。這是以下附圖和 詳細說明的目的。
【附圖說明】
[0024]本發(fā)明可以結合附圖來更全面地理解，在附圖中：
[0025]圖1是一個柴油發(fā)動機的燃料系統(tǒng)的示意圖。
[0026]圖2A是現(xiàn)有技術過濾介質(zhì)在暴露于柴油燃料中之前的照片。
[0027]圖2B是現(xiàn)有技術過濾介質(zhì)在暴露于柴油燃料中之后的照片。
[0028] 圖3是一個圖表，示出了在柴油發(fā)動機上進行大量測試之后，根據(jù)本發(fā)明制成的過 濾元件相較于現(xiàn)有技術過濾器構型的相對性能，顯示了在必須對每種過濾器進行更換之前 所行駛的英里。
[0029] 圖4是孔密度相對于直徑的圖表，用以示出介質(zhì)的眾數(shù)孔徑。
[0030] 圖5是累積孔徑分布的圖表，