气流通常携带颗粒材料。在很多场合下，需要从气流中除去某些或全部颗粒材 料。例如，进入机动车辆的发动机或发电设备的进气气流，进入燃气轮机的气流，以 及进入各种燃烧炉的空气流通常包括夹带的颗粒材料。所述颗粒材料如果到达各种相 关设备的内部工作区，可能导致重大破坏。通常需要从发动机，涡轮机，燃烧炉或其 他相关设备的上游气流中除去颗粒材料。
本发明涉及用在增强效率(例如)HEPA或ULPA基片上的聚合细纤维合成物。 所述细纤维合成物具有改良的特性，可将它用于多种应用中，包括形成纤维，微纤维， 纳米纤维，纤维网，纤维垫，渗透结构如膜，敷层或薄膜。本发明的聚合材料是具有 物理特征的合成物，其使得具有各种物理形状或形式的聚合材料能够抵抗湿气，热， 空气流，化学物和机械应力或冲击的降解作用。
在制造细纤维过滤介质中，业已使用了多种材料，包括玻璃纤维，金属，陶瓷， 和一系列聚合组合物。业已将多种纤维成型方法或技术用于生产小直径微米和纳米纤 维。一种方法涉及让所述材料以熔融材料或以在随后蒸发的溶液中的形式通过细的毛 细管或孔。纤维还可以通过使用通常用于生产合成纤维如尼龙的＂喷丝头＂形成。静电 纺纱也是已知的。这种技术涉及使用皮下注射器针头，喷嘴，毛细管或活动滴头。所 述结构提供了聚合物的液体溶液，其随后被高压静电场吸引到收集区。由于所述材料 从所述发射体中被拉出并且加速通过静电区，所述纤维变得非常细，并能够通过溶剂 蒸发形成纤维结构。
由于规章要求越来越严格，还需要工业集尘设备以除去加工空气流中较大比例 的越来越小的颗粒。燃气轮机进气过滤系统同样必须除去大量非常小的颗粒，因为这 些颗粒的存在可能导致对涡轮叶片无法挽回的破坏。环境的清洁度，居住者的健康， 工业工艺的效率，工业设备的维护，以及生活的总体美观需要通过过滤器将亚微细粒 材料容易地从空气流中除去。
为了达到将亚微细粒通过所述系统从空气流中除去，惯性分离器倾向于只在颗 粒材料的通道上设置物理障碍，所述颗粒材料然后从空气流中被碰撞进入收集箱。纸 袋集尘器只是基于袋形的纸过滤器技术的过滤器。这种纸袋通常被简单地安装在空气 流中，以便分离空气流中的颗粒。
业已设计了更新的过滤器，其具有收集过滤器或平板或圆柱形滤芯。在这些用 途中，使用了HEPA过滤材料。通常这种HEPA结构包括延伸的PTFE(拉伸的特氟 龙)层带有一层熔融吹制纤维结合在过滤器结构上，或者纤维素滤纸层带有一层熔融 吹制纤维结合在过滤器结构上。这些结构通常仅通过轻敲过滤器或用压缩空气流将滤 饼或颗粒物从过滤器吹掉进行清洁。
更新的过滤器的过滤效率和可清洁能力是重要的。这些过滤器必须能够除去灰 尘和污物，但必须易于清洁而又不损坏过滤器。通常，在实心物体上轻敲过滤器以除 去灰尘和污物可能造成过滤介质报废或可能造成多层成分分层，因此导致所述过滤器 不能通过通道的形成使灰尘和污物通过过滤器结构。另一个失败的模式出现在当细的 灰尘颗粒滞留在过滤介质中时，以至灰尘不能通过通常的过滤器清理机构去除，导致 降低的真空功率和缩短的过滤器寿命。
本发明所披露的技术涉及本发明受让人，位于明尼苏达州明尼阿波利斯市的唐 纳森公司(Donaldson Company Inc.)正在进行的开发。本发明涉及的继续技术开发， 部分与以下美国专利中表征的主题相关：B2 4,720,292　Des 416,308；5,613,992； 4,020,783；和5,112,372。位于明尼苏达州明尼阿波利斯市的唐纳森公司(Donaldson， Inc.)；同样拥有上述所指的每个专利，每个专利的全部内容在此结合入本文。
本发明还涉及被用作耐用HEPA或ULPA基片的聚合材料，可以生产对热，湿 气，活性材料和机械应力具有改进环境稳定性的产品。所述材料可用于形成细纤维， 如具有改良稳定性和强度的微纤维和纳米纤维材料。随着纤维尺寸的缩小，这种材料 的耐久性越成为问题。这种细纤维可用于多种用途。在一种应用中，过滤器结构可以 用这种细纤维技术制备。本发明涉及聚合物，聚合合成物，纤维，过滤器，过滤器结 构，以及过滤方法。本发明的应用尤其涉及从液体流中过滤颗粒，例如从空气流和液 体(例如无水和有水液体)流中过滤。所披露的技术涉及在过滤介质中具有一层或多 层细纤维的结构。对于特性和耐久性的组合，可以对合成物和纤维的大小进行选择。
将细纤维层用于真空袋中的灰尘过滤器真空技术的一个例子是Emig等(Emig et al.)，美国专利号6,395,064的专利。在湿/干真空吸尘器中的过滤器滤芯使用延伸 的PTFE或拉伸的特氟龙的一个例子是Scanlon等(Scanlon et al.)，美国专利号 5,783,086的专利。纤维素滤纸/熔融吹制层状过滤器的一个例子是在Home Depot商 店有售的Ridgid-牌VF5000过滤器。平纹HEPA过滤器的一个例子是在 www.shop-vac.com有售的Shop-Vac903-34-00HEPA筒式过滤器。过滤材料，如平纹 HEPA介质通常具有高效率，不过通常使用寿命短，并可能因为接触水而影响质量。 延伸的PTFE介质通常具有非常高的压力降和中等的HEPA效率。纤维素滤纸/熔融 吹制层状过滤器通常表现出较差的过滤器净化能力。
在多用途真空吸尘器和湿/干真空系统的市场上，近几年来对真空吸尘器及其过 滤器的性能提出了越来越高的标准。要求这些装置在住宅，车库，地下室，商店，院 子以及多种工业环境中通常很湿或干燥的环境通过使用真空吸尘器除去气流中占比 例越来越高的越来越小的颗粒。提高的要求满足了改善健康，减少过敏，改善清洁度， 减少周围环境颗粒数量，以及住宅，商店和工业环境的其他要求的需要。
存在实际的需要，试图通过使用现有的过滤器结构，实现以中等至低的压力降 过滤，延长的使用寿命，以较高的流速除去大量亚微米颗粒的过滤能力和延长的使用 寿命。所述优选的过滤器可以通过在实心物体上轻敲或通过简单的水洗进行机械清 理，并可以经受重复使用和清洗周期。

本发明涉及层状过滤介质，涉及板式或圆筒式过滤器结构。所述过滤器采用了 活性过滤层的独特组合，包括至少一高效基片，和至少一细纤维或纳米纤维层以有效 除去灰尘，污物和其他颗粒。所述基片类型可以包括HEPA介质，玻璃纤维HEPA， ULPA介质，95％DOP介质，熔融吹制介质，电介体介质，纤维素/熔融吹制层状介 质等。我们业已发现，使用平板或圆柱形结构的过滤器，其内合适大小的层组合能够 在适合使用这种独特过滤器的系统中实现从机械上耐用装置的空气流中有效除去更 细的灰尘加载物。本发明的过滤器可以设计成作为过滤器结构，以板或圆柱形滤芯插 入过滤装置。所述过滤器包括高效基片层或多个层的组合，至少一层纳米纤维或细纤 维形成在基片层或所述层的组合上。对纳米纤维层和高效基片进行选择，以便获得一 组平衡的参数，其允许用户以较低的压力降有效除去亚微米颗粒。高效基片(单层或 层状基片结构)按照ASTM1215的测试具有颗粒过滤效率超过80％。我们业已发现， 高效纳米纤维层和高效过滤介质的组合提供了相当的过滤效率，无论使用何种过滤方 法清理过滤器都易于清洁，并且具有较低的生产成本。所述层状结构可以包括一层一 系列粗的分离介质，将细纤维从所述基片分离。
本发明能够以过滤介质，过滤器滤芯，以平板或圆柱形装置形式使用，可用于 多种过滤方法应用中。所述应用包括过滤气体和液体流，真空吸尘器，除尘，汽车和 其他运输设备(包括有轮的交通工具和航空设备上的过滤应用)，在唐纳森公司 (Donaldson Company，Inc.)的Powercore(Z-介质)应用中使用这些材料，燃气轮机 进入发电站气流的过滤，过滤军用，民用，工业和保健院所的市内空气，半导体生产 和其他应用中减少小颗粒对于健康，有效生产，清洁度，安全性或其他重要目的来说 相当重要，在军事应用中过滤空气流以除去当地环境中的生物危害或化学危害材料， 对密闭的通风设备进行过滤，这种设备用于例如航天飞机，飞机空气再循环，潜水艇， 绝对无尘室和其他这类密闭应用，作为高效过滤器用在由公用设施/安全人员，如警 察，消防，军事人员，平民，医院人员，产业工人，和其他需要高效地从吸入的空气 中除去小颗粒的人员使用的呼吸仪器上。
本发明的过滤介质结构还可以用作高效过滤器和液体应用。在这类应用中，典 型的液体材料包括流过导管的含水的和无水的液体，可能遇到位于穿过所述液体流在 ＂闭端＂或＂横向流动＂方向的过滤器。在闭端过滤中，所述颗粒撞击过滤器并被除掉。 在横向流动模式中，所述液体流通过所述纤维，同时，纳米纤维层的光滑表面形态增 强了介质表面来自横向流动效应的清洁能力。将高效纳米纤维层用在高效或ULPA 层上显著改善了该结构的使用寿命。
我们业已发现，包括湿/干真空系统和shop/vac系统在内的真空吸尘器的性能可 以通过使用包括至少一层细纤维和一层高效介质的层状介质显著提高。所述层状介质 还可以包括其他过滤和间隔层。所述介质可以制成板式或筒式的过滤器结构。我们 的实验表明所述结构能够以明显较低的流量和合理的压力降成功地除去空气流中的 亚微米颗粒。所述结构提供高过滤效率，有效清洁能力，和低生产成本。所述优选系 统包括一层或多层纳米纤维，其设置在使用基布或粗纤维无纺层作为隔离层的基片 上。纳米纤维层，基布隔离层和玻璃纤维基片的组合提供了高效，低压力降，有效的 清洁能力和低生产成本，和耐用的机械稳定性，即使面对艰苦的清洁作业时也是如此。
还提供了用于净化燃气轮机系统的进风口气流的方法。所述方法包括使用优选 的过滤介质。通常，所述优选的介质涉及在空气过滤器中使用阻隔介质，通常为折叠 介质，和细纤维，以突出优点。
所述过滤介质包括至少一个微米或纳米纤维网层与基片材料组合成机械上稳 定的过滤器结构。这些层共同提供了极好的过滤，高颗粒捕获，当诸如气体或液体的 流体通过所述过滤介质时效率在最低流动限制。所述基片可以放置在流体流上游，下 游或在内层中。多种行业业已在近些年对使用过滤介质过滤，即从诸如气体或液体的 流体中除去不想要的颗粒给予了很多关注。这些过滤方法需要微纤维和基片材料的机 械强度，化学和物理稳定性。所述过滤介质可适用于多种温度条件，湿度，机械振 动和震动，夹带在流体流中的反应性和非反应性，摩擦或非摩擦性颗粒。另外，所述 过滤介质通常需要自我净化能力，使过滤介质受反压力脉冲(短时间的反向流体流动 以便除掉颗粒的表面覆盖层)，机械振动或其他净化机构，能够从所述过滤介质表面 去除夹带的颗粒。这种反向净化可以导致在脉冲或振动清理后显著改善的(即)减弱 的压力降。在脉冲或振动清理之后，颗粒捕获效率通常不会改善，不过，这种脉冲或 振动清理会降低压力降，节省过滤作业的能量。所述过滤器可以拆卸保养，并可在含 水或无水清洗合成物中清洗。加工包括纺细纤维，然后在多孔基片上形成微纤维的连 接网，通常可形成所述介质。在纺织工艺中，所述纤维可以构成纤维之间的物理联结， 以便将所述纤维垫连接成完整的层。然后可以将所述材料制成需要的过滤器形式，如 筒状，扁平的圆盘，罐状，板状，袋状，和囊状。在所述结构中，所述介质可以充分 折叠，卷曲或否则放置在支撑结构上。
本发明的第一方面，它是过滤介质或过滤器结构，具有至少一细纤维或纳米纤 维层带有高效基片。在本发明的第二方面，它是细纤维或纳米纤维层，带有高渗透性 基布层与高效基片组合。本发明的第三方面是纳米纤维或细纤维层与基布层组合，高 效基片层包括第二层基布层与前面的基布层相对。本发明的第四方面是纳米纤维或细 纤维层与基布层组合，高效基片与基布层组合，以及最终的细纤维或纳米纤维层。本 发明的第五方面包括纳米纤维或细纤维层与基片组合，随后是第二纳米纤维或细纤维 层。本发明的第六方面包括纳米纤维层与基布层组合，高效基片层和第二纳米纤维层。 最后，本发明的最后方面包括纳米纤维层与基片层和基布层组合。上述各个方面，纳 米纤维或细纤维层可以被纺到任何附近的可纺基片上，并可根据需要与活性过滤介质 中的其他层组合。另外，细纤维或纳米纤维层可被纺到下一个相邻的层上，用于介质 或过滤器生产。在上述任何方面，对单一纳米纤维，基布或基片层的引用可能意味着 所述材料的多个层用在所述高效结构上。所述结构，组合(例如)基片层的每一层可 有较低的单层效率，不过，与其他基片层组合可以具有一效率，足以成为本发明所定 义的高效基片。另外，根据介质或过滤装置的设计理念，可以使用多层纳米纤维或细 纤维层和多层基布层。
附图说明
图1表示图解数据，表示与其他过滤材料相比，过滤器材料在进行重复清洁之 后对空气流的阻力增加。在本应用中示出的平板结构上增加的细纤维层明显增强了玻 璃纤维材料的清洁能力。＂清洁＂压力降的较小的增加表明在清洁时从本发明的纤维中 除掉了大量的灰尘和污物。
图2表示在重复使用和清洁之后，可以将介质的灰尘和污物保持力恢复到低水 平。本发明的实验中在对灰尘和污物的装载和清洁进行三次循环之后，HEPA材料持 有的灰尘明显多于细纤维HEPA层和PTFE材料。细纤维层材料实现了表面装载， 并由于灰尘和污物主要停留在细纤维层表面上，所述灰尘易于去除，导致出色的可清 洁能力。
图3表示与其他过滤材料重复循环相比，本发明的材料的清洁能力或灰尘装载 量。在达到实验的最终压力降之前，本发明的细纤维层介质和PTFE材料捕获的灰尘 和污物明显多于HEPA玻璃纤维材料。换句话说，将细纤维用在高效介质上的较低 成本的替代方案，取得了与更昂贵的PTFE材料相当的除尘能力。
图4表示图解数据，表明本发明的多层介质可被清洁并恢复到极好的过滤参数。
图5表示图解数据，表示HEPA玻璃纤维介质在恢复到原始条件方面不如多层 介质。
图6表示图解数据，表示PTFE玻璃纤维介质在恢复到原始条件方面不如多层 介质。图4-6表示本发明的层状介质(图4)在实验条件下显示出极好的除尘能力， 可以被清洁并大体恢复到新的条件，重复原始材料极好的过滤特性。图5所示的玻璃 纤维HEPA过滤器和图6所示的PTFE介质，均不能获得极好的可清洁能力，并在 三次清洁循环之后也不能恢复至高过滤特性。
图7是筒式过滤件的示意性透视图。
图8是图7所示过滤件的沿图7中线8-8的示意性剖视图。
图9是数据图表，表示与细纤维中的类似结构相比本发明的可清洁装置的前和 后脉冲清洁能力和使用寿命。
图10是发动机系统的示意图，其中可以使用根据本发明的空气过滤器；
图11是过滤件的一种实施方案的示意性透视图，其可用在图10所示系统中；
图12是可用于图11所示结构中的一部分过滤介质(Z-介质)的示意性透视图；
图13是图11所描述的过滤件安装在外壳内的示意性剖视图；
图14是用于图11所示过滤件的密封系统中的可压缩密封部件的一种实施方案 的分段、放大示意图；
图15是可用在图12所示发动机系统中的过滤件的另一种实施方案的示意性透 视图；
图16是图15所示过滤件安装在外壳内的示意性剖视图；
图17是可用在图10所示发动机系统中的过滤件和外壳的另一种实施方案的示 意性、分解透视图；
图18是燃气轮机系统的示意图，其中可以使用本发明的过滤件；
图19是可以用在图18所示燃气轮机空气吸入系统中的过滤件的一种实施方案 的示意性透视图；
图20是图19所示过滤件安装在管板内的后视图，并有前置过滤器安装在图19 所示过滤件上游；
图21是图19所示的空气过滤器结构，沿图19的线12-12的放大、示意性、分 段的剖视图。
图22是微型涡轮机系统的空气吸入系统的示意图，其中可以使用本发明的过 滤件；
图23是处在可操作安装，以净化燃气轮机系统的进入空气的过滤件的示意性 剖视图，剖面沿图24的线14-14，不过处于装配状态；
图24是图23所示过滤器装置的分解侧视图，并处在未组装的状态；
图25是分段的示意性剖视图，显示过滤件密封在过滤器外壳内；
图26是燃料电池系统的进风口的示意图，其可采用本文所描述的过滤件；
图27是过滤器组件的示意性剖视图，可用于图26的燃料电池进气系统中；和
图28是过滤器组件的另一种实施方案的示意性剖视图，可用于燃料电池系统 的进风口中。
图29是根据本发明，包括过滤件的空气过滤系统的一种实施方案的部分剖开 的侧视图；
图30是根据本发明，包括过滤件和文丘里(Venturi)件的空气过滤系统的另一种 实施方案的部分剖开的侧视图；
图31是图7和8所示过滤件密封在图30或31所示系统中的放大、示意性剖 视图；
图32是其上装有文丘里(Venturi)件的过滤件的一种实施方案的部分剖视图，可 用在图30所示系统中；和
图33是脉冲喷射清洗系统和文丘里件的平面图。
图34是燃气轮机进风口过滤系统的示意性剖视图，用于本文所披露的方法中； 和
图35是另一种燃气轮机进气过滤系统的示意性剖视图，与图29所示系统类似 但更小一些，用于本文所披露的方法中。
图36是数据图表，表示与没有细纤维的类似结构相比本发明的可清洁装置的 脉冲前和脉冲后效率。
图37-40表示优选的过滤器配置包括圆柱形滤芯，带密封件的滤芯和平板式结 构。
图41-46是数据图表，表示例4-8所述过滤器的过滤效率的各种测量。

层状介质包括至少一细纤维或纳米纤维网状层，与高效基片材料组合成机械上 稳定的结构。所述细纤维层必须在机械和化学上足够稳定，以便获得灰尘和污物的表 面装载，而不会在使用或清洗时对过滤器内的层造成明显的损伤或破坏。本发明的过 滤介质是通过在一层上纺细纤维，然后在高效基片上形成微纤维的联接网生产的。在 纺丝过程中，所述纤维可以在纤维之间形成物理结合，以将纤维垫联接形成基片上的 完整层。所述层状介质可以包括粗的无纺基布。
本发明涉及具有改善特性的聚合合成物，可用于形成过滤介质，平板或滤芯上 的纳米纤维，纤维网，纤维垫等。本发明的包括微米或纳米纤维层的细纤维可以是纤 维，并且直径大约为0.05-0.5微米。典型的细纤维层的厚度范围为所述纤维直径的 大约1-100倍(即大约0.05-50微米)，其基重范围大约为3 x 10-7-6 x 10-5克-cm-2。
可用于本发明过滤器中的细纤维或聚合纤维层的聚合材料包括加聚物和缩聚物 材料，如聚烯烃，聚缩醛，聚酰胺，聚酯，纤维素醚和酯，聚硫化亚烃，聚芳撑氧， 聚砜，改良的聚砜聚合物和其混合物。属于上述通类的优选材料包括聚乙烯，聚丙烯， 聚(氯乙烯)，聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸树脂)，聚苯乙烯，和其共聚物(包 括ABA型嵌段共聚物)，聚(偏二氟乙烯)，聚(偏二氯乙烯)，具有各种水解度 (87％-99.5％)交联的和非交联形式的聚乙烯醇。优选的加聚物倾向于玻璃状(Tg高 于室温)。对于聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯聚合物合成物或合金，或对 于具有低可结晶性的聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇材料来说是如此。聚酰胺缩聚物的一类 包括尼龙材料。术语＂尼龙＂是所有长链合成聚酰胺的总称。通常，尼龙命名法包括一 系列数字，如尼龙-6，6表示原始材料是C6二元胺和C6二酸(第一个数字表示C6二 元胺，而第二个数字表示C6二羧酸化合物)。另一种尼龙可在存在少量水的条件下 由ε己内酰胺的缩聚制成。这种反应形成了尼龙-6(由环状内酰胺-又被称作ε-氨基 己酸制成)，其是线性聚酰胺。另外，还考虑了尼龙共聚物。共聚物可通过在反应混 合物中组合各种二元胺化合物，各种二酸化合物和各种环状内酰胺结构，然后在聚酰 胺结构中形成带有随机定位的单体材料的尼龙。例如，尼龙6，6-6，10材料是由环 己二元胺和C6和C10二酸混合物制成的尼龙。尼龙6-6，6-6，10是通过ε氨基己酸， 环己二元胺和C6和C10二酸材料的混合物共聚合而制成的尼龙。
嵌段共聚物在本发明的加工过程中同样有用。对于这种共聚物来说，溶剂膨胀 剂的选择是重要的。选择的溶剂使得两种嵌段都能溶解在所述溶剂中。一种例子是在 二氯甲烷溶剂中的ABA(苯乙烯-EP-苯乙烯)或AB(苯乙烯-EP)聚合物。如果一 种成分不溶解于所述溶剂，将会形成凝胶。所述嵌段共聚物的例子是型苯 乙烯-b-丁二烯和苯乙烯-b-氢化丁二烯(乙烯丙烯)，型e-己内酰胺-b-乙撑 氧，聚酯-b-乙撑氧和乙撑氧的聚亚氨酯和异氰酸酯。
加聚物，如聚偏二氟乙烯，间同立构聚苯乙烯，偏二氟乙烯和六氟丙烯的共聚 物，聚乙烯醇，聚醋酸乙烯酯，非晶型加聚物，如聚(丙烯腈)，及其与丙烯酸和甲 基丙烯酸酯的共聚物，聚苯乙烯，聚(氯乙烯)及其各种共聚物，聚(甲基丙烯酸甲 酯)及其各种共聚物，能够比较容易地进行溶液纺丝，因为它们在低压和低温下可溶。 不过，诸如聚乙烯和聚丙烯的高度晶体状聚合物需要高温、高压溶剂，如果对它们进 行溶液纺丝的话。因此，聚乙烯和聚丙烯的溶液纺丝是非常困难的。静电溶液纺丝是 制造纳米纤维和微纤维的一种技术。
我们还发现以聚合物混合物，合金形式或交联化学结合结构构成包括两种或两 种以上聚合材料的聚合物合成物有相当大的优势。我们认为，这种聚合物合成物通过 改变聚合物的特质改善了物理特性，如改善聚合物链柔性或链能运性，增加总分子量 和通过聚合材料网络的形成提供加强作用。
在这种构思的一种实施方案中，可以将两种相关的聚合材料混合在一起以获得 有利的特性。例如，高分子量聚氯乙烯可以与低分子量聚氯乙烯混合。类似地，高分 子量尼龙材料可以与低分子量尼龙材料混合。另外，可以将同一大类的不同品种的聚 合材料混合在一起。例如，高分子量苯乙烯材料可以与低分子量，高冲击聚苯乙烯混 合。尼龙-6材料可以与尼龙共聚物，诸如尼龙-6；6，6；6，10共聚物混合。另外， 具有低水解度的聚乙烯醇，如87％水解的聚乙烯醇可以与具有98-99.9％和更高水解 度的完全或过水解的聚乙烯醇混合。混合物中的所有这些材料可以使用合适的交联机 构交联。尼龙可以使用能与酰胺键结的氮原子起反应的交联剂交联。聚乙烯醇材料可 以使用羟基活性材料交联，如一醛，如甲醛，尿素，三聚氰胺-甲醛树脂及其类似物， 硼酸以及其他无机化合物。二醛，二酸，聚氨酯橡胶，环氧树脂和其他已知的交联剂。 交联技术为本领域所熟知并了解的现象，其中交联剂反应并且形成聚合物链之间的共 价键，以便显著提高分子量，化学抗性，总体强度和对机械损伤的承受力。
细纤维可以由聚合物材料或聚合物加添加剂制成。本发明的一种优选模式是包 括第一种聚合物和第二种不同聚合物(在聚合物类型，分子量或物理特性方面不同) 的聚合物混合物，其在高温下调理或处理。所述聚合物混合物可以起反应，并且制成 单一的化学物种，或者可以通过退火工艺物理上合并成混合的合成物。退火表示物理 变化，如结晶度，应力松弛或定向。优选的材料是化学反应形成单一聚合物种，以使 微分扫描量热计分析显示单一聚合物材料。所述材料在与优选的添加剂材料组合时， 可以在微纤维上形成添加剂的表面覆盖层，在与高温，高湿和恶劣工作条件接触时提 供亲油性，疏水性或其他相关的改善的稳定性。所述类型材料的细纤维的直径为大约 0.01-5微米。这种微纤维可以具有光滑的表面，包括添加剂材料的分立层或添加剂 材料的外部覆盖层，在聚合物表面部分溶解或合金化，或同时具有这两种现象。用于 所述混合聚合物系统的优选材料包括尼龙6；尼龙66；尼龙6-10；尼龙(6-66-610) 共聚物和其他线性通常脂族尼龙合成物。通过端基滴定分析了优选的尼龙共聚物树脂 (SVP-651)的分子量(J.E.Walz and G.B.Taylor，determination of the molecular weight of nylon，Anal.Chem.Vol.19，Number7，pp448-450(1947)。数均分子量(Mn) 在21,500和24,800间。合成物由三种成分尼龙的熔点温度的相图估算，尼龙6大约 45％，尼龙66大约20％，尼龙610大约25％.(Page286，Nylon Plastics Handbook， Melvin Kohan ed.Hanser Publisher，New York(1995))。
报道的SVP 651树脂的物理参数为：
  参数 ASTM方法 单位 标准值 比重 D-792 -- 1.08 吸水量(浸泡24小 时)             D-570 ％ 2.5 硬度 D-240 Shore D 65 熔点 DSC ℃(℉) 154(309) 抗拉强度@Yield D-638 MPa(kpsi) 50(7.3) 断裂延伸量 D-638 ％ 350 挠曲模量 D-790 MPa(kpsi) 180(26) 体积电阻率 D-257 ohm-cm 1012
我们发现添加材料能够显著改善细纤维形式的聚合材料的特性。通过使用添加 材料能够明显改善对热，湿，冲击力，机械应力和其他不利的环境影响的承受力。我 们发现在加工本发明的微纤维材料时，所述添加材料能够改善疏油特征，疏水特征， 并有助于改善所述材料的化学稳定性。我们认为，由于这些疏油性疏水性添加剂的存 在，以微纤维形式的本发明的细纤维得到改善，因为这些添加剂形成了保护性覆盖层， 离格表面或渗透表面到某种深度，以便改善聚合材料的性质。我们认为，这些材料的 重要特征是存在强疏水性基团，所述基团优选还具有疏油特征。强疏水性基团包括碳 氟化合物基团，疏水性烃表面活性剂或嵌段和主要为烃的寡聚物合成物。所述材料以 合成物形式生产，其中部分分子倾向于与提供常见与聚合物物理结合或连接的聚合物 材料兼容，而强疏水性或疏油性基团由于所述添加剂与聚合物的结合，形成保护性表 面层位于该表面上，或者与聚合物表面层形成合金或与其混合。对于添加剂含量为 10％的0.2-微米的纤维来说，表面厚度计算为大约50，如果所述添加剂移向所述表 面。认为移动会发生是由于疏油性或疏水性基团在块材材料中不兼容性所致。50 厚度对于保护性覆盖层来说似乎是合理的厚度。对于0.05-微米直径的纤维，50厚 度相当于20％质量。对于2微米厚度的纤维，50厚度相当于2％质量。优选的，添 加材料的使用量为大约2-25wt.％。可以与本发明的聚合材料组合使用的寡聚物添加 剂包括分子量为大约500至大约5000的寡聚物，优选大约500至大约3000包括含氟 化学物，非离子型表面活性剂和低分子量树脂或寡聚物。被用作本发明合成物中的添 加剂材料的有用材料是叔丁基苯酚寡聚物。所述材料倾向是相对低分子量的芳族酚树 脂。所述树脂是通过酶促氧化结合制备的酚醛聚合物。亚甲基键的缺乏导致独特的化 学和物理稳定性。这些酚醛树脂可以与各种胺和环氧树脂交联，并且与多种聚合材料 兼容。这些酚醛材料的例子包括Enzo-BPA，Enzo-BPA/苯酚，Enzo-TBP，Enzo-COP 和其他相关的酚醛树脂，是从Enzymol International Inc.，Columbus，Ohio获得的。
存在多种高效介质材料可用于不同应用。这些基片介质可以包括HEPA，ULPA， HEPA玻璃纤维，95％ DOP，熔融吹制层，电介体纤维层，和纤维素/熔融吹制层状 介质。本文所披露的耐用性纳米纤维和微纤维可以添加到上述任何介质中。这些介质 可以是纺织物或无纺织物。所述织物可以是单层或多层。每一层可以包括单一成分的 纺织或无纺纤维或混合的纺织或无纺纤维。所述层可以与其它层组合，如基布或与其 他有用的过滤层。所述基片本质可以是亲水性的或疏水性的，或者可以经过处理以获 得所述特征。所述基片可经处理以包括抗菌，杀病毒或其他能力，以便减少感染剂的 群体。
本发明的结构包括第一层细纤维。所述细纤维被固定在介质层的表面上。所述 装置的微纤维或纳米纤维可以通过常用的静电纺纱工艺制成。Barris，美国专利号 4,650,506详细披露了静电纺纱工艺的装置和方法，该专利被特别结合入本文。用于 所述工艺中的装置包括用于容纳细纤维形成聚合物溶液的容器，泵和旋转型发射仪器 或发射体，将所述聚合物溶液泵送至其处并应用。所述发射体通常包括旋转部分。旋 转部分随后从所述容器中获得聚合物溶液，并当其在静电场中旋转时，所述静电场， 如下所述，使溶液的液滴加速朝向收集织物的表面。朝向发射体，但与其分隔的是大 体上为平面的网格，所述收集表面(即织物或多层多纤维织物)安置在其上。空气可 以通过所述网格。所述收集表面位于靠近网格相对端。通过适当的静电压源在发射体 和网格之间保持高压静电位。
在使用时，聚合物溶液从容器泵送到所述旋转部分。网格和发射体之间的静电 位使所述材料带有电荷，导致液体以细纤维的形式从发射体中喷射，所述纤维被拉向 网格，在这里纤维到达并且收集在基片织物上。对于溶液中的聚合物来说，溶剂在纤 维飞至网格时蒸发脱离纤维；因此所述纤维到达了所述织物。所述细纤维与在网格上 首先遇到的织物纤维结合。选择静电场强度，以确保聚合材料加速从发射体到达所述 织物；所述加速足以使得所述材料形成非常细的微纤维或纳米纤维结构。加快或降低 收集织物的前进速度可以在成型织物上沉积或多或少的发射纤维，从而可以控制安置 其上的每一层的厚度。
纳米纤维层的纤维尺寸为大约0.01-2微米或0.05-0.5微米，基重为大约3 x 10-7 -6 x 10-5克-cm-2，孔径大小为大约0.01-100微米。所述基片同样有一优选基重为大约 0.2oz-yd-2-350lb-3000ft-2，厚度为大约0.001-0.2英寸。所述纤维介质通常是折叠的， 并且使用支架和黏合剂材料将过滤介质黏合至板或筒状支架结构上形成滤芯。总的过 滤器滤芯以10ft-min-1的速度清除0.1微米颗粒的效率为大约35-99.99995％，以 10ft-min-1的速度清除0.76微米颗粒的效率为大约80至超过98％或按照ASTM1215 测试大约80-99.99995％。滤芯通常能够以大约5至大约104立方英尺/分钟的速度使 空气流动并有效清除颗粒物。所述特征是独特的并且是本发明的耐用过滤器的重要方 面。
本发明的过滤器可以由在基础介质或基片层上形成至少一纳米纤维或细纤维 层制成。所述多层结构可以包括其他所需的过滤或非过滤层。所述基础介质层可以包 括HEPA，ULPA，95％DOP级，熔融吹制，纤维素/熔融吹制层状，或电介体介质， 只要所述介质是高效介质就行。对本专利申请来说，＂高效介质＂表示按照ASTM1215 测试时颗粒清除效率超过80％。
基础介质或基片层可以包括HEPA(High Efficient Particle Arrester高效颗粒捕 获器)过滤器，即100等级(允许少于100个颗粒的尺寸超过0.5微米每立方英尺)。 根据场合，可以用等级10(允许少于10个颗粒的尺寸超过0.3微米每立方英尺)的 ULPA(Ultra Low Particle Arrester超低颗粒捕获器)取代。
一个有用的基础过滤介质或基片层的例子是在使用DOP悬浮颗粒渗透实验测 量时，基础过滤介质允许小于5％-0.0005％的颗粒渗透(效率为95％-99.9995％)。 所述基础过滤介质通常是纺织或无纺过滤介质由包括天然和合成纤维的短纤维制成。 可以使用在本发明的基础介质的纤维包括玻璃纤维，金属纤维，弹性体纤维，非弹性 体聚合物，聚氨酯，聚酯，聚酰胺及其它。
本发明的基础介质还可以包括无纺织物，特别优选熔融吹制的无纺织物，因为 所述过滤器或纤维的微小尺寸，即微型孔隙，以及所述纤维的随机收集导致了小孔径 尺寸，高效性和抗颗粒渗透性。所述熔融吹制的无纺织物在合理的压力降下表现出过 滤特性。所述熔融吹制织物可以通过多种已知的熔融驱动，纤维吹制技术生产。可以 用常用的热塑性材料生产本发明的无纺，熔融吹制材料。典型的熔融吹制聚合物包括 聚烯烃，如聚乙烯和聚丙烯，聚酯，聚酰胺尼龙和其它合理的Tm的无纺织物。本发 明的热塑性，熔融吹制，热压粘合，人造的，无纺纤维可以具有较轻的重量，在大约 0.05和大约10oz-yd-2之间。
本发明的多层结构的基础层可以包括电介体或摩擦电介体系统。术语＂电介体＂ 或＂摩擦电介体＂带电技术来自由本发明的基片，介质或无纺材料制成的聚合物的结 构，其导致在纤维上永久性形成静电荷。这种摩擦电或静电或静电荷是由材料纤维上 电子的不平衡产生。这种电荷通常可以在非导电表面材料上形成，包括合成的和非合 成的，有机和无机纤维材料。本发明的无纺织物可以制成摩擦电介体形式，通过覆盖 层产生摩擦电介体效应，通过共挤压不同材料在强静电场中纺丝。产生电介体或摩擦 电介体效应是无纺织物生产的众所周知的方面，并在多项美国专利中有所披露。电介 体或摩擦电介体纤维可以包括合成材料，如聚烯烃，聚酯，聚酰胺，丙烯腈，乙烯基 聚合物，亚乙烯基聚合物，聚偏二乙烯聚合物，改性的聚合物，合金，半合成材料， 如纤维素乙酸酯和PTFE。所述纤维还可以包括天然材料，如橡胶，乳胶，棉花，棉 花混合物，羊毛混合物，纤维素，纤维素衍生物等。一旦转化成摩擦电介体或电介体 形式，所述片层可能感应超过大约500伏的总的增加的静电压，通常在大约500-1000 伏范围内。
HEPA基础层或基片优选是用玻璃纤维材料制成。一种例子是合成的玻璃纤维 过滤介质，有包层的或没包层的，且呈波纹状，以增强性能。所述介质的表面速度为 至少0.1ft/min.，不超过200ft-min-1，通常为大约1-100ft.-min-1。折叠深度不小于0.25 英寸，不大于3英寸，通常为0.5-2英寸。折叠长度为至少1英寸，不超过20英寸， 通常为3-10英寸。折叠介质有上游介质表面积为至少2ft2，优选为大约3-5ft2。至少 有30个折叠，不超过大约150个折叠，通常为大约60-100个折叠。合成的玻璃纤维 过滤介质可以用低表面能量材料包层，如脂族碳氟化合物材料，可以从圣保罗，明尼 苏达(St.Paul，Minnesota)的3M公司购买。
在本发明的一种优选模式中，所述过滤介质由形成一多层结构制成，包括在中 央的高性能、高效基片，接着是一或多个粗的，无纺间隔层或基布层，接着是一个或 多个纳米纤维或细纤维层。这种模式，在与所述高效基片层组合前，细纤维材料可以 在预纺丝步骤中静电纺丝至粗的，无纺或基布上。另外，所述基布层可以与所述高效 层组合，然后可以将纳米纤维或细纤维层添加到所述预制的基布基片层上。所述基布 可经处理，以包括抗菌，杀病毒或其它能力以减少感染剂的群体。
一般，商业上可用的纤维织物可用作粗的支持物。聚酯，尼龙，和其他合适材 料可用作网状织物或基布。优选的是，所述材料包括基布，按照ASTM1215进行测 试时清除0.78微米颗粒的效率为大约10％或更低或4％或更低，在其上应用足够的 细纤维以提供除去上述0.78微米颗粒的合成物效率为至少10％或更高。这种布置， 优选地粗纤维织物是具有渗透性的材料，其上没有细纤维层，小于2000ft3-min-1，按 照ASTM D-737测试时通常范围在大约10-100ft3-min-1间。一种这样的纤维织物是 Reemay 2011，可以从Old Hickory，Ind.37138的Reemay公司购买。一般，它包括 0.7oz/yd2纺粘的聚酯。另外，可以使用Veratec级9408353，纺粘的聚丙烯。所述粗 的支持物包括直径为25-35微米的聚酯纤维的基质。
某些附图的详细说明
图1表示图解数据，表明与其他过滤材料相比，过滤材料在进行反复清洁后对 空气流的阻力增加。在本申请中所示出的平板结构上增加的细纤维层显著增强了玻璃 纤维材料的可清洁能力。“清洁”压力降的较小的增加表明在清洁时从本发明的纤维 上除掉了更大量的灰尘和污物。
图2表示在反复使用和清洁之后，所述介质的灰尘和污物保持力可以恢复到低 水平。在本发明的实验中，在对灰尘和污物的装载和清洁进行三次循环之后，HEPA 材料比细纤维HEPA层和PTFE材料持有明显更多的灰尘。所述细纤维层状材料实现 表面装载，并由于灰尘和污物主要残留在细纤维层表面上，所述污物易于去除，导致 出色的可清洁能力。
图3表示与其他过滤材料重复循环相比，本发明的材料的清洁能力或灰尘装载 量。在达到试验的最终压力降之前，本发明的细纤维层状介质和PTFE材料捕获的灰 尘和污物明显多于HEPA玻璃纤维材料。换句话说，将细纤维用在高效介质上的较 低成本的替代方案，获得了与更昂贵的PTFE材料相当的除尘能力。
图4表示图解数据，表明本发明的多层介质可被清洁并恢复到极好的过滤参数。
图5表示图解数据，表示HEPA玻璃纤维介质在恢复到原始条件方面不如多层 介质。
图6表示图解数据，表示PTFE玻璃纤维介质在恢复到原始条件方面不如多层 介质。图4-6表示本发明的层状介质(图4)在实验条件下显示出极好的除尘能力， 可被清洗并大体恢复到新的条件，再现原始材料极好的过滤特征。图5所示的玻璃纤 维HEPA过滤器和图6所示的PTFE介质均不能获得极好的可清洁能力，并在三次清 洁循环之后也不能恢复到高过滤器特性。
参见图7和8，以透视图和剖视图形式示出了一过滤件70。一般，过滤件70 包括第一和第二相对的端盖71，72，管状的，优选圆柱形结构的过滤介质73在其间 延伸。所述介质结构限定了开口的过滤器内部74，其在使用时还相当于干净的空气 导管或高压室。将波纹状过滤介质73的管状结构固定或粘结在端盖71，72上。在 所示出的过滤件70中，还有一个内部支撑管或衬套75，和外部支撑管或衬套76。每 个衬套75，76帮助提供介质73的结构完整性或支撑。
参见图9，图中表示在所述结构上添加细纤维层，使得在使用和反向脉冲清洁 步骤之后压力降显著降低。图中示出压力降越低，则寿命越长，过滤参数越好。
在图10中，总体上用103示出了系统的示意图。系统130是系统类型的一种 例子，其中可使用本文所述的空气过滤器装置和结构。在图10中，示意性地示出设 备131，如交通工具，有发动机132，带有某些明确额定的空气流要求，例如，至少 370cfm。设备131可以包括公共汽车，高速公路卡车，越野车辆，拖车，或船舶设备， 如汽艇。发动机132供给设备131动力，使用空气，燃料混合物。在图10中，示出 空气流由进气区域133吸入发动机132。虚线示出了可选的涡轮发动机134，作为可 选地推动空气进入发动机132。空气过滤器135有介质包136位于发动机132和涡轮 发动机134的上游。一般，在工作时，空气沿箭头137所示方向被吸入空气过滤器 135，并且通过介质包136。在那里，颗粒和污染物被从空气中除去。净化的空气沿 箭头137流入进气口133。从那里，空气流入发动机132，为交通工具131提供动力。
在发动机系统中，在发动机工作期间，引擎罩下面的温度通常为至少120℉， 并经常根据工作条件在140℉-220℉的范围内或更高。所述温度可能对过滤件的工作 效率产生负面影响。对排放的规定增加了对发动机排气的限制，导致温度进一步的提 高。正如下面所解释的，以阻隔介质和至少一单层，在某些场合下，多层“细纤维” 的合成物的形式构造过滤介质，能够改善所述过滤件的特性(特别是工作效率)，超 过不是用所述介质合成物构造的现有过滤件。
参见图11。图11是介质包140的第一种实施方案的透视图。所示出的优选的 介质包140包括过滤介质142和密封系统144。在优选结构中，所述过滤介质142 被设计成从通过过滤介质142的流体，诸如空气中除去颗粒物，同时将密封系统144 设计成将介质包140密封在外壳或导管侧壁上，参见图13。
图11-14所示介质包140大体在美国专利号6,190,432有描述，在此结合入 本文。
在某些优选的装置中，过滤介质142会被设置直通流动。“直通流动”是指过 滤介质142被设置成结构146，其有第一流面148(在所示出的实施方案中相当于入 口端)和相对的第二流面150(在所示出的实施方案中相当于出口端)，流体沿一个 方向152流入通过第一流面148，并沿相同的方向154从第二流面150流出。当使用 直进式-流动外壳时，一般，流体会沿一个方向进入通过外壳的入口，沿相同方向通 过第一流面148进入过滤器结构146，沿相同方向从第二流面150离开过滤器结构 146，并且同样沿相同的方向通过外壳出口离开所述外壳。
在图11中，所示的第一流面148和第二流面150呈平面状且平行。在其他实 施方案中，第一流面148和第二流面150可以是非平面的，例如，截头锥形。另外， 第一流面148和第二流面150不必是彼此平行的。
一般，过滤器结构146应当是卷绕结构。就是说，结构146通常包括过滤介质 层，其完全地或重复地绕中心点卷绕。通常，所述卷绕结构可以是盘卷，其中过滤介 质层绕中心点卷起一系列的圈。在使用卷绕的成卷结构的装置中，过滤器结构146 可以是过滤介质卷，通常是可渗透的有凹槽的过滤介质。
参见图12。图12是示意性透视图，表示可用于本发明过滤器结构的某些优选 介质的工作原理。在图12中，Z-介质的凹槽结构一般用156表示。优选的是，凹槽 结构156包括：波纹状层157有多个凹槽158和面板160。图11所示的实施方案示 出面板160的两个部分，160A(在波纹状层157之上)和160B(在波纹状层157之 下)。通常，用于本文所述装置的优选介质结构162包括波纹状层157固定在底部面 板160B上。将这种介质结构162用于卷绕结构时，其通常绕自身卷绕，以至底部面 板160B会覆盖波纹状层157的顶部。面板160覆盖所述波纹状层的顶部以160A表 示。应当理解，面板160A和160B是相同的面板160。
在使用这种类型的介质结构162时，凹槽室158优选构成交替的突起164和槽 166。槽166和突起164将凹槽分成上排和下排。在图12所示的具体结构中，上排凹 槽构成凹槽室168在下游端178封闭，而凹槽室170有其上游端181封闭形成下排凹 槽。凹槽室170由第一端球172封闭，其填充凹槽板171和第二面板160B之间的凹 槽的上游端181的一部分。类似地，第二端球174封闭其他凹槽168的下游端178。
在使用以介质结构162的形式制造的介质时，在使用期间，未过滤的流体，如 空气，进入凹槽室168，如带阴影的箭头176所示。凹槽室168的上游端169开口。 未经过滤的流体流不允许通过凹槽室168的下游端178，因为它们的下游端178被第 二端球174封闭。因此，流体被强制通过凹槽板171或面板160进行处理。当未经过 滤的流体通过凹槽板171或面板160，所述流体被净化或过滤。净化的流体用不带阴 影的箭头180表示。所述流体然后通过凹槽室170(它们的上游端181封闭)，以流 过开口的下游端184，流出凹槽结构156。采用所示出的结构，未经过滤的流体可以 流过凹槽板171，上面板160A，或下面板160B，并且进入凹槽室170。
通常，会准备介质结构162，然后卷绕形成过滤介质的卷绕结构146。在选择 使用这种类型的介质时，所准备的介质结构162包括波纹状板157，以端球172固定 至下面板160B(参见图23，不过图中没有上面板160A)。
再次参见图11。在图11中，示意性地示出了第二流面150。有一部分182，其 中所述凹槽包括开口端184和封闭端178。应当理解的是，该部分182代表整个流 面150。为了清楚简单起见，在流面150的其余部分183没有示出所述凹槽。在此 描述的系统和装置中使用的介质包140的上平面图和下平面图，以及侧视图在申请日 为1999年2月26日，标题为＂具有密封系统的过滤件＂(Filter Element Having Sealing System)的同样仍处申请阶段，共同转让的美国专利申请号29/101,193中示出，在 此结合入本文。
参见图13，所示出的过滤器结构146安装在外壳186内(其可以是进入空气过 滤器179的发动机或涡轮机进气管的一部分)。在所示出的装置中，空气在187处流 入外壳186，通过过滤器结构146，并且在188处离开外壳186。当介质结构诸如所 示类型的过滤器结构46被用于导管或外壳186上时，需要密封系统144以确保空气 流过介质结构146而不是绕过它。
所示出的具体密封系统144包括框架结构190和密封部件192。当使用这种类 型的密封系统144时，框架结构190提供支撑结构或支架，密封部件192可压在其上， 以与导管或外壳186形成径向密封194。
继续参见图13，在所示出的具体实施方案中，框架结构190包括刚性突出部分 196，其从过滤器结构146的第一和第二流面148，150中的其中之一的至少一部分 突出或延伸。在图13所示出的具体结构中，刚性突出部分196从过滤器结构146的 第二流面150轴向延伸。
所示的突出部分196有一对相对的侧面198，102通过末端点104连接。在优 选安置中，第一和第二侧面198，102的其中之一会对密封部件192提供支撑或支架， 以使在选定的侧面198或102和外壳或导管的合适表面之间形成密封194。当使用这 种类型的结构时，突出部分196将会是连续部件，形成封闭的环状结构106(图11)。
当使用这种类型的结构时，外壳或导管可以限定突出部分196和环状结构106 包括密封部件192，以在突出部分196的外侧102和外壳或导管的内表面110之间形 成密封194。
在图13中所示出的具体实施方案中，密封部件192同样接合突出部分196的 末端点104，以使密封部件192从外侧102覆盖突出部分196，盖过末端点104，并 至内侧面198。
参见图11和13，框架190有一带状，环绕的，或下垂的唇缘107，其用于将 框架190固定在介质结构146上。下垂的唇缘107从横拉条108处下垂或向下延伸第 一距离。
在使用本文所示类型的框架190时，向内的力被施加在框架190周围。横拉条 108支撑框架190。术语＂支撑＂是指横拉条108阻止框架190由于框架190周围上力 的作用而径向倒塌。
顶端部分104为可压缩的密封部件192提供支撑。可压缩的密封部件192优选 被构造和安置成可以充分地压缩，以压缩在框架190的顶端部分104和外壳或导管的 侧壁110之间。当顶端部分104和侧壁110之间充分压缩时，在介质包140和侧壁 110之间形成了径向密封194。
密封部件192的一种优选设置如图14所示。框架190的顶端部分104限定壁 或支撑结构，在其间并紧靠其由可压缩的密封部件192可形成径向密封194。可压缩 的密封部件192在密封系统144的压缩优选在不超过801bs.的插入压力下足以形成径 向密封，通常，插入压力不超过501bs.，例如，大约20-401bs.，并且足够轻以方便并 易于手的更换。
在图14所示的优选实施方案中，密封部件192是阶梯形截面构造，从第一端 112到第二端113具有逐渐缩小的最外部尺寸(圆形时为直径)，以便获得理想的密 封。对图14所示特定结构的剖面的优选说明如下：聚氨酯泡沫材料具有多个(优选 至少三个)逐渐变大的阶梯，设置成与侧壁110接口，并且提供不漏流体的密封。
可压缩的密封部件192限定表面内径逐渐加大的梯度，以接口侧壁110。具体 地讲，在图14所示例子中，可压缩的密封部件192限定三个阶梯114，115，116。 阶梯114，115，116的截面尺寸或宽度随阶梯114，115，116距离可压缩的密封部件 192的第二端113的增大而增加。第二端113处的较小直径使其易于插入导管或外壳。 第一端112处的较大直径确保紧密的密封。
一般，介质包140可被安排并设置成与外壳186或导管的侧壁110压力配合。 在图13所示具体实施方案中，可压缩的密封部件192被压在侧壁110和框架190的 顶端部分104之间。在压缩之后，可压缩的密封部件192对侧壁110施加力，因为可 压缩的密封部件192试图向外膨胀至其本来状态，在顶端部分104和侧壁110之间形 成了径向密封94。
多种外壳可与介质包140使用。在图13所示具体实施方案中，外壳186包括 主体部件或第一外壳腔室118，以及可拆卸盖子或第二外壳腔室120。在某些结构中， 第一外壳腔室118固定一物体上，如卡车。第二外壳腔室120通过锁紧装置122可拆 卸地固定在第一外壳腔室118上。
在图13所示的实施方案中，介质包140的第二端150带附着的框架190和可 压缩的密封部件192插入第一外壳腔室118。介质包140通过压配合进入第一外壳腔 室118中，以至可压缩的密封部件192被压在框架190的顶端部分104和第一外壳腔 室118的侧壁110之间，以在其间形成径向密封194。
在使用图13所示结构时，流体在第二外壳腔室120的入口区域124沿187所 示方向进入外壳组件185。流体通过过滤器结构146。随着流体通过过滤器结构146， 污染物被从流体中除去。所述流体在出口区域128沿188所示方向流出外壳组件185。 密封系统144的可压缩的密封部件192形成径向密封194，以防止污染的流体在没有 首先通过过滤器结构146的情况下从外壳组件185中流出。
图15是介质包130的另一实施方案的透视图。在所示出的结构中，介质包130 包括过滤介质132和密封系统134。过滤介质132被设计成从通过过滤介质132的流 体，诸如空气中除去污染物。将密封系统134设计成使过滤介质134与外壳或导管密 封。
图15-16所示介质包130的结构和几何形状，除了在下面的H部分所提供的优 选的介质配方之外，在美国专利号6,190,432中有描述，在此结合入本文。
在某些优选结构中，过滤介质132被设置成过滤器结构136，具有第一流面138 和相对的第二流面140。
过滤器结构136可以具有多种结构和截面形状。在图15所示出的具体实施方 案中，过滤器结构136具有非圆形截面，特别地，图15所示的过滤器结构136的实 施方案具有相向圆形或＂跑道＂截面形状。＂跑道＂截面形状是指过滤器结构136包括第 一和第二半圆形末端141，142，通过一对直段143，144连接在一起。
在图15中，某些部分146示出了凹槽，包括开口和封闭端，应当理解的是， 该部分或片断146代表整个流面140(以及第一流面138)。为了清楚和简单起见， 在流面140的其余部分149没有示出凹槽。可用于本文所述系统和结构中的介质包 130的上平面和下平面图，以及侧视图在同样处于申请阶段并共同转让的美国专利申 请流水号29/101,193，申请日为1999年2月26日，标题为＂具有密封系统的过滤件 ＂(Filter Element Having Sealing System)中有描述，在此结合入本文。
对于图11所示实施方案来说，介质包130包括密封系统134。在优选结构中， 密封系统134包括框架148和密封部件150。
框架148具有非圆形，例如，相向圆形(部分圆形和长方形)，特别是跑道形， 并且被安排和设置成连接至过滤介质132的端部。特别地，框架148具有带状或环状 或下垂的唇缘151，其大体呈跑道形状。下垂的唇缘151从横拉条152上下垂或向下 延伸一段距离，并且被用于将框架148固定在介质包130上。
在使用所示出的结构时，框架148的周边被施加向内的力。向内的力施加在半 圆形端141，142上会导致直段143，144成弓形或弯曲。提供横拉条152以提供结构 刚性和对直段143，144的支撑。参见图26，所示出的特定的横拉条152构成了在相 对的直段143，144之间的桁构系统154。桁构系统154包括多个刚性支撑156，优选 与框架148的其余部分模制成单个件。
框架148的构造与框架90类似。因此，框架148包括顶端部分158(图16)。 在优选结构中，顶端部分158起着环状密封支撑的作用。
优选的是，介质包130被安装在导管或空气过滤器外壳中。在图16中，所示 出的外壳是两件式外壳，包括盖子160和主体部件162。盖子160限定气流入口164。 主体部件162限定气流出口166。所述外壳还包括位于介质包130上游的前滤器结构 167，如在美国专利号2,887,177和4,162,906中所披露的，在此结合入本文。 在一种示出的结构中，前滤器结构167在盖子160内。盖子160包括灰尘排出器168， 排出收集在前滤器167内的灰尘和碎屑。
可压缩的密封部件150被压在侧壁170和框架150的顶端部分158之间。由于 介质包130是压配合，可压缩的密封部件150被压在框架148(具体地讲，在所示出 的具体实施方案中，为顶端部分158)和侧壁170之间。在压缩之后，由于可压缩的 密封部件150试图向外膨胀到它的本来状态，可压缩的密封部件150对侧壁170施加 力，与侧壁170形成径向密封171。
介质132的优选配方如下文所述。
图17中示出了另一种过滤器装置，一般用174表示。除了下面所描述的优选 介质配方以外，过滤器装置174在美国专利号5,820,646中有描述，在此结合入本 文。
过滤器装置174包括安装在内的介质包176，由板状结构178支撑。过滤器装 置174还包括外壳180，其包括主体181和可拆卸的盖子部件182。板状结构178将 介质包176密封在外壳180内，并可从外壳中取出和更换。
介质包176包括图22所示构造如上述的有凹槽的过滤介质184。
在图18中，燃气轮机系统的进气口以200表示。所示出的气流在箭头201处 被吸入进气系统200。进气系统200包括多个空气过滤器装置202，通常固定在管板 203上。在优选系统中，管板203被构造成以相对垂直轴线一定角度固定过滤器装置 202。优选的角度为5-25度，例如，大约7度。这使得当系统200不工作时，流体可 以从过滤器装置202中排出。
空气在空气过滤器装置202中净化，然后流向下游在箭头204处进入燃气轮机 发电机205，即发电的地方。
在图22中，微型涡轮机的进气口的一个例子以210表示。一般，微型涡轮机 是较小版本的燃气轮机，通常被用作备用发电机。在某些场合下，所述微型涡轮机为 大约24英寸×18英寸，并且电力输出通常为30千瓦-100千瓦。这些系统通常具有 1000cfm-10,000cfm的气流。
在图22中，所示气流在箭头212处被吸入进气系统211。进气系统211包括过 滤器装置213。随着空气通过过滤器装置213，空气在空气过滤器装置213中被净化， 然后流向下游在箭头214处进入燃气轮机215。燃气轮机随后通常为发电机，流体压 缩机，或流体泵提供动力。正如下面所讨论的，将过滤器装置构造成以阻隔介质和至 少一层，在某些场合下，多层＂细纤维＂的合成物的形式，可以改善过滤器装置的性 能(特别是工作效率)，超过不是用所述介质合成物构造的现有过滤器。
图19-21中示出了可用于系统200或系统210上的空气过滤器装置202的一个 例子。空气过滤器装置202在共同转让的U.S.S.N.09/437,867，申请日为1999年 11月10日的申请中有描述，在此结合入本文。一般，空气过滤器装置202包括第一， 或主过滤件220(图19和21)和第二过滤件222(图20和21)，后者起着前置过滤 器的作用。术语＂前置过滤器＂是指将分离器放置在主要的，第一位的过滤件220的上 游，它将大颗粒从气流中除去。所述主过滤件220和前置过滤件222优选固定在套 管部件224内，其可拆卸地安装在管板203的孔226中。一般，气流被吸入系统200， 并首先通过前置过滤件222，然后通过主过滤件220。在离开主过滤件220之后，所 述空气被导入发电机205。
一般，部件220由有凹槽的或z-形介质230构造而成，如上面结合图2和3所 示出的。在图19中，应当理解的是，出口面228是以示意的形式示出的。就是说， 仅示出了出口面228的一部分具有凹槽。应当理解的是，在典型的系统中，整个出口 面228都是有凹槽的。
过滤件220具有第一端232和相对的第二端234。在图19所示出的结构中，第 一端232相当于上游端入口面227，而第二端234相当于下游端出口面228。直通流 动使得气体流入第一端232，并且离开第二端234，以至进入第一端232的气流方向 与离开第二端234的气流方向相同。直通流动的方式能够减少气流中的紊流量。
介质230可以是聚酯合成介质，用纤维素，或这些类型的材料的混合物制成的 介质，并且用细纤维处理。
优选的，前置过滤件222是折叠的结构236，包括多个独立的折叠237。折叠 237以Z字形方式排列。优选的前置过滤件222一般具有圆形截面。
前置过滤件222被设置成允许直通流动。换句话说，气流直接通过前置过滤件 222，由入口面238进入，并从相对设置的出口面239离开，其中流体流进入入口面 238的方向与流体流离开出口面239的方向相同。
在某些优选实施方案中，至少有15个折叠237，不超过80个折叠237，通常 为30-50个折叠237。折叠的结构236用介质240制成，以折叠237环绕中心241的 形式折叠。介质240的有用类型包括玻璃纤维，或另外空气铺网式介质。可以使用的 介质240的具体特性包括：干燥成网的过滤介质，由随机取向的聚酯纤维制成，以形 成重量为2.7-3.3oz./yd3(92-112g/m3)的网；自由厚度(即，在0.002psi压力下的厚 度)为0.25-0.40英寸(6.4-10.2mm)；渗透性为至少400ft./min(122m/min)。
一般，前置过滤件222能够可拆卸地并可更换地安装在套管部件224上。套管 部件224将在下面详细描述。在某些系统中，通过挤或压介质240的末端点于套管部 件224的内侧壁，将前置过滤件222固定在套管部件224内。
按照本发明的原理制造的优选的过滤器装置202具有套管部件224固定并且限 定主过滤件220。一般，套管部件224将主过滤部件220在系统200中固定在位。优 选的套管部件224还将前置过滤件222在主过滤件220的上游固定在位。
参见图19和20，套管部件224优选具有一截面与主过滤件的截面匹配。套管 部件224包括周壁244，弯曲形式以形成周环245。套管部件224优选相对主过滤件 220取向，以使主过滤件220的轴向长度延伸至少30％。在很多典型的结构中，套管 部件224会使主过滤件220的轴向长度延伸超过50％。实际上，在最优选的实施方案 中，套管部件224会使主过滤件220的轴向长度延伸至少整个长度(即100％)。在 很多典型应用中，套管部件224的半径为至少10英寸，通常为15-30英寸，而在某 些场合下，不超过50英寸。
套管部件224优选构造和安排带有密封系统，以将主过滤件220固定在管板203 上，抑制空气绕过主过滤件220。在所示出的实施方案中，套管部件224包括密封部 件压力凸缘246。凸缘246至少部分，并在很多实施方案中完全环绕套管部件224的 壁244。密封部件压力凸缘246作为支持物支撑密封部件248，以便在凸缘246和管 板203之间形成密封250。凸缘246从套管部件224的壁244上径向延伸，并且完全 环绕密封部件224。凸缘246从壁244径向延伸一距离足以支撑密封部件248。
片夹或固定夹252(图19)延伸过接头254，以将套管部件224固定在其最终 结构。优选的是，固定夹252以永久性方式固定在套管部件224上；例如，通过超声 波焊接固定。
参见图21。可以看出，凸缘246将密封部件248支撑在轴向侧面256。密封部 件248通常包括圆形衬垫258。衬垫258优选通过在衬垫258和凸缘246的侧面256 之间的黏合剂固定在凸缘246上。衬垫258放置在凸缘246上，以使衬垫258完全 环绕壁244和主过滤件220。
所示出的结构还包括将套管部件224夹在管板203上的系统。在所示出的实施 方案中，所述夹紧系统包括多个插销和夹具260。应当有足够的插销和夹具260，以 当套管部件224可操作地安装在管板203时在凸缘246和管板203之间形成好的，紧 密的密封250；例如，所示为4个夹具260。在图32中，示出了夹具260的截面。每 个夹具260包括杠杆261，突出部262，及板263。板263包括孔，用于容纳诸如螺 栓264的固定部件，以将夹具260固定在管板203上。突出部262用于对凸缘246 施加压力，并将密封部件248压在管板203上。杠杆261用于选择性地移动突出部 262朝向和远离管板203。在其他实施方案中，夹具260可以是用手拧紧，如使用蝶 型螺母。
在典型的工作中，过滤器装置202有总的压力降，约为0.6-1.6英寸水。这包 括主过滤件220和前置过滤器222。通常，单是前置过滤器222的压力降会约为0.2-0.6 英寸水，而主过滤件220本身的压力降约为0.4-1英寸水。
图23-25中示出了可用于系统304或系统302上的空气过滤器装置213的另一 个例子。除了下面所提供的优选的介质配方之外，所述空气过滤器装置在共同转让的 美国专利申请流水号09/593,257，申请日为2000年6月13日的申请中有描述，在 此结合入本文。
图24示出分解，未组装的过滤器装置213，而图14示出组装好可以使用的过 滤器装置213。一般，空气过滤器装置213包括湿气分离器270，过滤器组件272， 和过滤器外壳274。在组装使用时，过滤器外壳274通常固定在管板276内。优选的 是，通过将过滤器外壳274焊接在管板276上，或者通过用螺栓将过滤器外壳274固 定在管板276上，将过滤器外壳274固定在管板276内。
在组装时，检修门278提供进入过滤器装置213的入口，并且允许空气被吸入 系统302。一般，检修门278被设计并构造成适用系统的特定外壳，如图33所示的 系统302，在组装时它被安装在该系统中并提供进入过滤器装置213的入口。检修门 278还被设计并构造成允许空气进入图22的系统210。
检修门278优选包括包括气流阻力装置280。一般，气流阻力装置280沿特定 方向将空气流引入过滤器装置213，以降低通过系统302的阻力。气流阻力装置280 还有助于降低噪音。在图34所示实施方案中，气流阻力装置由多个鱼鳞板282示出。 鱼鳞板282还有助于保护系统210防止大型物体和水分进入系统302，参见图22。鱼 鳞板282还有助于降低噪音。
进入气流中的水分可能破坏过滤器组件272的完整性，并且损坏，即导致系统 302的内部机构生锈。为了解决这一问题，过滤器装置包括湿气分离器270。一般， 湿气分离器270在空气到达过滤器组件272之前从进入的空气流中分离并且收集水 分。在一种实施方案中，湿气分离器270包括多个平板状筛网，例如，金属丝网。
一般，在进入系统302的内部机构之前，过滤器组件272从进入的空气流212 中除去污染物，见图33。优选的，过滤器组件272被设计成允许直通流动，直接通 过过滤器组件272，进入入口面284，并且从相对设置的出口面285离开，其中流体 流进入入口面284的方向与流体流离开出口面285的方向相同。
过滤器组件272包括介质包286，由有凹槽的介质288卷成圆筒状而成，如上 文结合图11和23所述。介质288可以是聚酯合成介质，用纤维素或这些类型的材料 的混合物制成的介质，并且用细纤维覆盖层或细纤维层处理。下面提供了优选的介质 配方。
所示出的过滤器组件272包括拔出机构290。拔出机构290被构造成允许使用 者方便地从过滤器外壳274中取出过滤器组件272。在所示出的方案中，拔出机构290 包括手柄292和保留机构294(图23)。通常，手柄292是球形把手296。在图23 所示装置中，保留机构294包括连接至球形把手296的螺栓298和位于螺栓另一端 的螺母299。另外，拔出机构和所述过滤介质芯可以是一个整体。
一般，过滤器外壳274被构造成容纳和固定过滤器组件272，并且有助于与过 滤器组件272密封。在图16所示装置中，过滤器外壳274包括过渡区302，相对外 壁304倾斜成一角度至少为10度，优选10-210度，最优选15度。过渡区302有助 于密封过滤器组件272，在下文将有更详细说明。
过滤器外壳274还包括装配凸缘306。装配凸缘306通过固定装置(例如螺栓) 将过滤器外壳274固定在管板276上。过滤器外壳274还包括阻挡装置308。阻挡装 置308将过滤器组件272置于过滤器外壳274内，以防止过滤器组件272被推至过滤 器外壳274内太深。阻挡装置308还有助于确保过滤器组件272和过滤器外壳274 之间的适当的密封。
阻挡装置308包括阻挡物310。优选的，阻挡物310从外壁304突出一段距离， 足以阻止过滤器组件272绕过阻挡物310。在使用时，过滤器组件272搁在阻挡物310 的上表面311上。
过滤器组件272还包括密封垫片312。密封垫片312将过滤器组件272密封在 过滤器外壳274内，阻止空气从过滤器组件272和过滤器外壳274之间进入系统302 并且绕过过滤器组件272。这样确保了空气流充分通过过滤器组件272。在所示出的 系统中，密封垫片312环绕过滤器组件272的径向边缘延伸。在一种实施方案中，密 封垫片312包括闭孔泡沫塑料；当然，密封垫片312可以包括其他合适材料。
在使用时，密封垫片312密封过滤器组件272和过滤器外壳274之间的接合处 314。在安装时，将过滤器组件272插入过滤器外壳274，直到末端315搁在阻挡物 310上。由于安装了过滤器组件272，密封垫片312在过渡区302被压缩在过滤器组 件272和过滤器外壳274之间，密封接合处314。
在组装时，过滤器外壳274滑入管板276，直到过滤器外壳274的装配凸缘306 搁在管板276上。然后，过滤器组件272被置于过滤器外壳274内。过滤器组件272 滑入过滤器外壳274，直到过滤器组件272的末端315搁在阻挡物310上。密封垫片 312部分受压，并且过滤器组件272与过滤器外壳274紧密固定。
在工作时，过滤器装置213使用如下：需过滤的空气在系统302中沿箭头212 的方向被引入进气系统211。空气流过过滤器组件272。所述空气从入口面284进入， 通过有凹槽的结构288，并且通过出口面285离开。从那里，所述空气进入涡轮机或 发电机215。
图26以330示意性地示出燃料电池进气口。如图26所示，大气或周围空气331 通过入口333进入过滤器组件332。在进入过滤器组件332之前，大气331是带有各 种物理(例如颗粒物)和化学污染物的脏空气。过滤器组件332从脏空气中除去各种 污染物，以提供干净的空气334从过滤器组件332排出。干净的空气334是燃料电池 335的进气，被用于发电。
继续参见图26，随着脏空气通过外壳336的入口333，大气331进入过滤器组 件332，并且前进到过滤件338的脏空气一侧337。在所述空气通过过滤件338到达 干净的空气一侧339时，污染物被过滤件338除去，以提供过滤的空气334。过滤的 空气334通过外壳336的出口340排出过滤器组件332，并被设备341使用。
过滤器组件332还可选择性地包括噪声抑制件342，以降低或抑制设备341的 噪音或声音水平。抑制件342可以安装在外壳336内，并在某些实施方案中，抑制件 342由外壳336限定。
设备341包括压缩机343，其提供空气给燃料电池335，用于催化反应。压缩 机343发出噪音，通常在3赫兹-30,000赫兹范围内，有时高达50,000赫兹，距 离1米的分贝在85-110dB水平。抑制件342，将上游从压缩机343发出的噪声水平 降低至少3dB，通常至少6dB，优选至少25dB。
燃料电池335接收氢燃料345，发出水和二氧化碳346副产物，并且产生电力 347。一般，燃料电池是由两个电极(阳极和阴极)组成的装置，在电极之间加有电 解液。含有氢的燃料流向阳极，在这里释放氢电子，留下带正电荷的离子。所述电子 通过外电路运动，其中离子通过电解液传播。在阴极，电子与氢离子和氧结合形成水 和二氧化碳副产物。常见的氧源是空气。为了加快阴极反应，通常使用催化剂。常用 于燃料电池反应的催化剂包括镍，铂，钯，钴，铯，钕，和其他稀土金属。燃料电池 中的反应物是氢燃料和氧化剂。
通常，＂低温燃料电池＂通常在大约70-100℃的温度，有时高达200℃下工作。 高温燃料电池通常对化学污染不太敏感，因为它们具有较高的工作温度。不过，高温 燃料电池对颗粒物污染和一些形式的化学污染敏感，因此，高温燃料电池能够从本文 所披露的过滤特征中获益。一种类型的低温燃料电池通常被称作＂PEM＂，是根据它们 用于质子交换膜命名。可以与本发明的过滤器组件组合使用的其他各种类型燃料电池 的例子包括，例如，美国专利号6,110,611；6,117,579；6,103,415；和6,083,637，其 内容在此结合入本文。各种燃料电池可以通过商业渠道获得，例如，Ballard Power Systems，Inc.of Vancouver，Canada；International fuel cells，of Connecticut；Proton Energy Systems，Inc.of Rocky Hill，CT；American fuel cell Corp.of Massachusetts； Siemans AG of Erlangen，Germany；Energy Partners，L.C.of Florida；General Motors of Detroit，MI；and Toyota Motor Corporation of Japan。
下面所披露的过滤器组件在空气被用于燃料电池工作之前从大气空气中除去 污染物。正如下面所说明的，以阻隔介质和至少单层，在某些场合下多层“细纤维” 的合成物的形式构造过滤器组件，能够改善所述过滤器组件的性能(特别是工作效 率)。所述细纤维处理在大部分过滤器几何形状和环境中有利于改善过滤器效率。在 过滤器温度超过120℉的某些恶劣环境下，包括低温和高温燃料电池，细纤维通常能 经受住并且提供延长的过滤寿命。
图27表示可用于图26所示系统的过滤器组件350。过滤器组件350包括外壳 352，其限定入口354和出口356。脏空气通过入口354进入过滤器组件350，干净的 空气通过出口356离开。
置于外壳352内的是过滤件358和噪声抑制件360。抑制件360包括第一共振 器361和第二共振器362。第一共振器361被设计成能减弱大约900Hz的高峰，第 二共振器362被设计成能减弱大约550Hz的高峰。
图27所示的过滤件358大体以类似于过滤件结构40(图22)构造。因此，它 包括有凹槽介质366(如结合图3所述)的介质包364，卷绕成过滤件358。
当过滤件358与直进式-流动外壳352使用时，空气会以一个方向进入通过外壳 352的入口354，以相同方向通过第一流面368进入过滤件358，以相同方向从第二 流面370离开过滤件358，并同样以相同方向通过出口356离开外壳352。
对于图11和24所示实施方案来说，通过压缩在框架376和外壳的内密封表面 378之间的密封垫片374形成径向密封372。
过滤器组件350优选还包括一部分被设计成通过或吸附或吸收除去大气中的污 染物。在本文中，术语“吸附”(＂adsorb＂)，“吸附”(＂adsorption＂)，“吸附剂” (＂adsorbent＂)等的含义还包括吸收和吸附机构。
化学清除部分通常包括物理或化学吸附材料，例如，干燥剂(即，吸附或吸收 水或水汽的材料)或吸附或吸收挥发性有机化合物和/或酸性气体和/或碱性气体的材 料。术语“吸附剂材料”(＂adsorbent material＂)，“吸附材料”(＂adsorption material＂)， “吸附的材料”(＂adsorptive material＂)，“吸收剂材料”(＂absorbent material＂)， “吸收材料”(＂absorption material＂)，“吸收的材料”(＂absorptive material＂)， 及其任何变化形式，意在包括任何通过吸附或吸收除去化学污染物的材料。合适的吸 收材料包括，例如，活性炭，活性炭纤维，浸渍碳，活性氧化铝，分子筛，离子交换 树脂，离子交换纤维，硅胶，氧化铝，和硅石。上述任何材料都可以与诸如高锰酸钾， 碳酸钙，碳酸钾，碳酸钠，硫酸钙，柠檬酸，或其混合物材料组合，包层或浸渍。在 某些实施方案中，所述吸附材料可以与第二种材料组合或浸渍。
吸附材料通常包括微粒或颗粒状材料，并且能以细粒，球，纤维，细粉，纳米 结构，纳米管，气凝胶的形式存在，或者可作为包层用于基础材料上，如陶瓷球，整 体结构，纸介质，或金属表面。通常，吸附材料，特别是微粒或颗粒状材料作为材料 床提供。
另外，吸附材料可以整体或单体形式成型，如大的片状物，颗粒，球，或折叠 或蜂巢结构，可选择进一步成形。至少在某些场合下，所述成形的吸附材料在过滤器 组件正常或预期的使用寿命期间大体保持其形状。所述成形的吸附材料可以用自由流 动颗粒材料与固态或液态黏合剂结合而成，然后将它成形为非自由流动制品。所述成 形的吸附材料可以通过，例如，模制，压缩模制，或挤压工艺制成。例如，成形的吸 附制品在，例如，美国专利号5，189,092(Koslow)，和5,331,037(Koslow)中披露， 在此结合入本文。
用于提供成形制品的黏合剂可以是干的，就是说，是粉末和/或颗粒形式，或者 所述黏合剂可以是液体，溶剂化物，或分散的黏合剂。某些黏合剂，如湿固化氨基甲 酸酯和通常被称作“热熔融物”的材料，可以通过喷雾工艺直接应用在所述吸附材料 上。在某些实施方案中，使用临时液体黏合剂，包括在模制工艺中可被除去的溶剂或 分散剂。合适的黏合剂包括，例如，乳胶，微晶纤维素，聚乙烯醇，乙烯-醋酸乙烯 聚合物，淀粉，羧甲基纤维素，聚乙烯吡咯烷酮，磷酸二钙二水合物，和硅酸钠。优 选的，成形材料的合成物包括重量至少约为70％，通常重量不超过约98％的吸附材 料。在某些场合下，所述成形的吸附剂包括重量为85-95％，优选约90％的吸附材料。 成形的吸附剂通常包括重量不低于大约2％的黏合剂，和重量不超过大约30％的黏合 剂。
用于所述化学清除部分的合适的吸附材料的另一种实施方案是包括载体的吸 附材料。例如，可以将网丝或基布可用于容纳吸附材料和粘合剂。可以将聚酯和其他 合适材料用作网丝或基布。通常，任何载体都不超过吸附材料重量的大约50％，并且 通常占吸附剂总重量的大约20-40％。带载体的成形吸附制品中的粘合剂量通常占吸 附剂总重量的大约10-50％，吸附材料量通常占吸附剂总重量的大约20-60％。
所述化学清除部分可以包括强碱性材料用于除去空气中的酸性污染物，或强酸 性材料用于除去空气中的碱性污染物，或同时包括这两种材料。优选的，所述碱性材 料和酸性材料被彼此除掉，以至它们不会彼此取消。在某些实施方案中，吸附材料本 身可能是强酸性或强碱性材料。所述材料的例子包括诸如聚合物颗粒，活性炭介质， 沸石，粘土，硅胶，和金属氧化物材料。在其他实施方案中，强酸性材料和强碱性材 料可以作为表面覆盖层在载体上，诸如颗粒状微粒，球，纤维，细粉，纳米管，和气 凝胶。作为替代或补充，构成酸性或碱性表面的酸性和碱性材料可以在载体的至少一 部分存在；这可以实现，例如，通过用酸性或碱性材料对所述载体材料包层或浸渍。
碱性和酸性材料均可能出现在过滤件的化学清除部分；不过，优选这两种类型 的材料彼此分开，以使它们不会彼此起反应并且彼此中和。在某些实施方案中，所述 碱性材料，酸性材料，或两者，可以由吸附材料，诸如活性炭隔开。
通常出现在大气中并被认为是燃料电池的污染物的酸性化合物的例子包括硫 氧化物，氮氧化物，硫化氢，氯化氢，以及挥发性有机酸和非挥发性有机酸。通常出 现在大气中并被认为是燃料电池的污染物的碱性化合物的例子包括氨，胺，酰胺，氢 氧化钠，氢氧化锂，氢氧化钾，挥发性有机碱和非挥发性有机碱。
对于PEM燃料电池来说，阴极反应在酸性条件下发生，因为不希望存在碱性 污染物。用于除去碱性污染物的优选材料的例子，如氨，是浸渍于柠檬酸的活性炭颗 粒床。
可用于图37所示系统中的过滤器组件的第二个例子在图39中以分段剖视图的 形式作为过滤器组件380示出。过滤器组件380包括外壳382，限定入口384和出口 386。脏空气通过入口384进入过滤器组件380，而干净的空气通过出口386离开。 声音抑制件388包括共振器390。过滤件391安装在外壳382内，与过滤件358类似。
过滤器组件380还包括吸附部件392。吸附部件392包括位于末端394，395 之间的筒状的大量炭393。在所示出的组件中，大量炭393是活性炭的中空的，圆形 延伸部分397，由热塑性粘合剂保持在一起。炭393可以按照，例如，美国专利号 5,189,092(Koslow)，和5,331,037(Koslow)所披露的技术生产。在第一端394安 装有密封系统396，而在第二端395安装有盖398。
密封系统396在吸附部件392和隔板401之间提供了气密封。密封系统396被 设计成将吸附部件392密封在隔板401上，并且在正常条件下，抑制空气通过吸附部 件392和外壳382的侧壁之间的区域。密封系统396抑制气流，防止其通过吸附部件 392的炭393。密封系统396通常是用柔性的，可压缩的材料，如聚氨酯制成。
盖398使离开过滤件358的空气转向，以使其通过炭393进入吸附部件392， 而不是轴向通过炭393的柱状延伸部分。来自过滤件391的空气撞击盖398的外露表 面402，并且路径由＂直线＂流动改为具有径向分量的流动。盖398包括其内的孔404， 使空气通过盖398，以使空气可以到达炭393。除了操纵气流外，盖398将吸附部件 392固定在过滤件391上。
吸附部件392同时起着化学清除部分和声音抑制件388的部件的作用。其他吸 附部件和吸收材料结构也可以具有化学清除能力和声音抑制能力。
本发明的细纤维材料可用于多种过滤器应用，包括脉冲清洁和非脉冲清洁过滤 器，用于集尘，燃气轮机和发动机进气口或进气系统；燃气轮机进气口或进气系统， 重型发动机进气口或进气系统，轻型发动机进气口或进气系统；交通工具(火车，汽 车，卡车，飞机等)舱内空气；越野汽车舱内空气，磁盘驱动器空气，复印机-墨粉 去除器；用于商业或住宅过滤用途的HVAC过滤器。当气体(流体)通过所述过滤 器时，过滤器上游一侧通过扩散和拦截工作，以截获并且保留气流(流体)流中选定 大小的颗粒。所述颗粒以灰尘块的形式收集在过滤器的上游一侧。同时，灰尘块也开 始起着过滤器的作用，提高效率。这种现象有时候被称作＂时效处理＂，即效率的发展 超过了原始效率。
本发明的过滤器结构包括第一层高效介质或基片具有第一表面。第一层细纤维 介质固定在高效介质的第一层的第一表面上。可以用一粗分离层从高效介质分离细纤 维。优选的，渗透性的粗纤维材料包括平均直径为至少10微米的纤维，通常并优选 大约为12(或14)-30微米。同样优选的，渗透性粗纤维材料的第一层包括基重不 超过大约200g/m2的介质，优选大约0.50-150g/m2，最优选至少8g/m2。优选的，渗 透性粗纤维介质的第一层至少0.0005英寸(12微米)厚，并通常为0.0006-0.02(15 -500微米)厚，优选为大约0.001-0.030英寸(25-800微米)厚。
在优选结构中，渗透性粗纤维材料层包括这样的材料，如果通过Frazier渗透 性试验从该结构的其余部分分离，会表现出至少1米/min的渗透性，通常并且优选 2-900米/min。在这里，在提到效率时，除了另有说明，效率是指按照ASTM-1215-89， 0.78μ单分散聚苯乙烯球状颗粒，以20fpm(6.1米/min)测定的效率，如本文所述。
优选的，细纤维层材料是纳米和微纤维介质层，其中所述纤维的平均纤维直径 不超过大约2微米，一般并且优选不超过大约1微米，通常并且优选的纤维直径小 于0.5微米，并且在大约0.05-0.5微米的范围内。另外，优选的，第一层细纤维材 料固定在渗透性粗纤维材料的第一层的第一表面上，其总厚度不超过大约30微米， 更优选不超过20微米，最优选不超过大约10微米，以及通常并且优选的厚度大约 为所述层的细纤维平均直径的1-8倍(更优选不超过5倍)。
本发明的某些优选结构包括一般定义的过滤介质，在总的过滤器结构中。用于 这种用途的某些优选的结构包括介质排列成圆柱形，折叠大体纵向延伸的折叠结构， 即沿与所述柱状形式的纵轴相同的方向。对于所述结构来说，所述介质可以埋入端盖 中，象传统的过滤器。如果需要的话，所述结构如果需要可以包括上游衬垫和下游衬 垫，用于典型的常用目的。
在某些应用中，本发明的介质可以与其他类型的介质，例如常规介质结合使用， 以改善总体过滤性能或寿命。例如，本发明的介质可以与常规介质层叠在一起，以用 于叠层结构上；或者组合(整体部件)入介质结构，包括一个或多个常规介质区。它 可以用在所述介质的上游，以便具有好的装载；和/或可以将它用在常规介质的下游， 作为高效精密过滤器。
本发明的某些结构还可用于液体过滤系统中，即其中要过滤的颗粒材料携带在 液体中。另外，本发明的某些结构可用在集雾器上，例如用于过滤空气中的细雾的装 置。
横向流动膜过滤技术利用流体成分的分离，通过半透膜，通过对所述膜表面施 加压力和切向流。这包括R/O，UF，纳米过滤和微孔过滤工艺。基本上，与引导所 有流体流过过滤介质(闭端流动)不同，所述流体流经薄膜材料；某些流体流过所述 薄膜材料(不是太多-也许大约10％)，因此在其余的液体流中集中污染物。所流经 的液体流还能从介质表面上排出任何颗粒，因为薄膜(和纳米纤维)表面加载了碎屑， 并且流动的液体的剪切力足够排出所述颗粒。这类系统被用于各种场合-有时带集中 碎屑的流体流实际上是产品(生化或制药加工)；在其他场合下，集中所述碎屑导致 较小体积的流出物被处理/保存。有时候所述系统还使用反向脉冲或振动清洁技术， 排除“固体物”。这些过滤器通常被用于获得或集中有价值的盐，蛋白，药品等，并 且通过分子大小区分和分离。采用合适的冲洗技术，可以延长过滤器寿命并且控制成 本。因为薄膜过滤器将颗粒限制在源侧，可以通过改变流动方向(逆流)冲洗过滤器。 很多薄膜过滤器以横向流动为特征，其中大部分流体切向运动到所述表面，以清除污 染物，并且避免阻塞过滤器。只有小部分(大约10％)的流体作为净化的渗透通过过 滤器。流动通过过滤器，如筒式过滤器，所述颗粒更难排除，因为它们更深地渗透到 过滤器中心，通常扔掉所述过滤器并且换个新的过滤器比试图更新所述过滤器更省 钱。以横向流动模式操纵过滤器或滤膜有助于污染物排除和价值回收过程。通过这样 做，被排除的污染物或有价值的材料被从所述薄膜表面连续带走，从而减少了集中层 的形成，并且使所述膜不会排斥进入的材料，保持高流动，并且允许液体自由地流动。 尽管需要对薄膜进行定期清洁，横向流动过滤的自动清洗性质使所述薄膜具有在经济 上吸引人的薄膜使用寿命。
横向流动操作通常属于三种类型中的一种：超滤(UF)，纳米过滤(NF)， 和超过滤，更常见的是被称作反渗透(RO)。这三种类型中最常用的是反渗透，因 为它具有分解杂质或回收有价值的固体材料的综合能力。机器通常包括薄膜部件和外 壳，相互连接的管子，泵，前置过滤器，控制器以及操作所需要的仪器。
由于膜占RO或UF仪器价值的15-40％，并且必须定期更换，因此需要仔细选 择。有多种类型的膜可供使用，并且每一种具有它自身的独特特征。选择标准应当包 括化学耐受性，机械适宜性，可清洁性，分离，和流动性能和价格。
对于其他机械装置来说，横向流动过滤仪在设计和材料彼此增强时功能最佳。 一旦选择了正确的薄膜，能提供合适的横向流动速度，压力和渗透后回收的设计成为 关键。废水比常见饮用水具有更高的起垢倾向，并且需要更保守的设计。好的机器设 计优点应该是一致的操作和分离性能，最低的薄膜清洁和更换频率，合理的能量消耗 和对操作注意的最低要求。
可能没有比制备膜处理给水设备更好的投资。所述设备相对便宜，但仍具有极 大的优点。例如，多介质过滤器能够非常有效地除去浑浊度和氧化金属(如铁和锰)。 筒式或袋式过滤器能除去大约五微米的残余不溶性材料是必须。化学物泵对注入酸或 阻垢剂有用，以保持盐的可溶性或用于生物控制剂的注入。根据给水的性质，其他设 备诸如澄清器或碳过滤器同样适用。
由于良好的预处理，横向流动机器中的薄膜不会承受超过它设计的负荷。其结 果是在用户方面能取得最佳性能，和最低的总体支出。如何确定正确的膜和合适的设 计和预处理，是用一种应用和试验性的程序开发所述用途。应用试验，或可行性试验， 是确定所述机器特征的第一个步骤。通常是在实验室或工作台规模进行，所述应用试 验表明了试验薄膜类型的杂质排除力，化学物适宜性，和起垢倾向的预期水平。结果 通常足够可靠，以将膜的选择缩小到不超过两种，并且预测是否需要任何预处理设备。
在应用试验中获得的信息随后可应用于现场先期测试。用几百个小时进行的先 期测试可以收集到稳态性能数据，用于全面设计。给水化学，清洁频率和技术效果的 变化在决定稳态操作方面发挥重要作用。
在应用开发和设备购买方面与有经验的公司合作的重要性再强调也不为过。废 水应用是独特的，个性化处理需要有效的评估和对工艺参数的微调，横向流动过滤技 术供应商和消费者之间的密切配合能取得最佳效果。
多年化学和采矿作业受到污染的地下水可以通过反渗透有效地净化。在得克萨 斯州的旧的铀矿上，例如，地下井抽水通过多介质过滤器到RO机器。RO-纯化的水 随后被重新注入地下。集中的污染物被拖走处置或蒸发。
来自饮料灌装厂，纸浆和造纸厂，制药厂和金属加工厂的废水通常含有一些杂 质含量超过管理机关允许的水平。超滤(UF)工艺有效降低BOD和COD含量，而 RO工艺除去重金属和溶剂，允许排出净化的水。在某些场合下，所述净化水适于在 工厂再利用，并且比工厂给水更好。
在一种成分构成分解固体含量的主体的情况时，对所述成分的回收通常被证实 在经济上有吸引力。从电镀作业流中回收镍或其他重金属，从生活废水流中分离并回 收蛋白，以及从汽车厂的电镀层沉积(ED)作业中回收油漆颜料是常见的例子。材 料回收能够为最终用户每年节省购买费用数千美元，或提供可以销售的产品。并且， 纯化的水仍然可用于排放或再利用，在这种情况下水循环可以实际上关闭。
根据本发明，提供了过滤方法。所述方法通常涉及利用本文所披露的介质的优 点进行过滤。正如从下面的描述和实施例中可以看出的，本发明的介质可以是专门设 计和构造，以在相对有效的系统中提供相对长的使用寿命，以突出优点。
在专利中示出的各种过滤器设计披露并且要求保护过滤器结构的各个方面和 使用所述过滤材料的结构。Engel等，美国专利号4,720,292，披露了用于过滤器 组件的径向密封设计，具有大体筒式过滤件设计，所述过滤件由相对柔软的，橡胶状 端盖密封，具有圆柱形，径向向内的表面。Kahlbaugh等，美国专利号5,082,476， 披露了使用深度介质的过滤器设计，包括泡沫基片有折叠部件与发明的微纤维材料组 合。Stifelman等，美国专利号5,104,537，涉及用于过滤液体介质的过滤器结构。 液体被夹带到过滤器外壳中，通过过滤器的外部进入内部环形过滤芯，然后恢复所述 结构的有效使用。所述过滤器非常适合用于过滤液压液体。Engel等，美国专利号5, 613,992，示出了典型的柴油机进气口过滤器结构。所述结构从外壳的外面获得空气， 所述空气可能包含或不含夹带的水分。所述空气通过过滤器，而所述水分可以通至外 壳的底部并且能够从外壳中排出。Gillingham等，美国专利号5,820,646，披露了 Z过滤器结构，该结构利用特殊的折叠的过滤器设计，涉及塞紧的通道，需要液体流 通过＂Z＂形通道中的至少一层过滤介质，以获得适当的过滤性能。被制作成折叠的Z 形形式的所述过滤介质可以包括本发明的细纤维介质。Glen等，美国专利号5,853， 442，披露了袋式外壳结构，具有过滤件，可以包含本发明的细纤维结构。Berkhoel等， 美国专利号5,954,849，示出了集尘器结构，用于处理通常大灰尘量的空气，以对 在环境空气中处理工件产生非常大的灰尘量后从气流中过滤灰尘。最后，Gillingham， 美国外观专利号425,189，披露了使用Z过滤器设计的板式过滤器。参见图29，空 气过滤系统或组件一般用410表示。所示出的系统410有三个部件或模块，以并排排 列方式配置在一起。这种结构可以，例如，具有适合6英尺×10英尺×10英尺空间的 尺寸。
图29中的系统410包括入口或导管411，用于吸入脏的或污染的空气(即带颗 粒物)。提供出口或导管412，以将清洁的或过滤的空气从过滤器组件410中排出。 系统410的内部可以通过检修门413进入。
继续参见图29，以剖开的形式示出了一个侧壁板417，以说明该组件的各个部 件的排列。在本实施方案中，空气入口411位于上壁板416，以便进入的带有灰尘的 空气或其他污染过的流体沿向下方向进入脏空气室422。这使得该组件能够利用重力 使灰尘通过组件410转移到收集区414。脏空气室422由门413，上壁板416，两对 相对的侧壁板417(它们从上板向下延伸)，阶梯形壁结构429，和一对倾斜表面423， 424限定。倾斜表面423,424部分限定位于该组件底部内的收集区或储存斗414。
密封至结构框架部件，沿每一个侧壁板417安装有间隔壁或管板结构428，具 有阶梯形设计，其上安装组件410的单独的过滤件432。管板结构428被密封在所有 侧面上，以将脏空气室422与干净的空气室460密封隔绝。安装在阶梯形管板结构 428上的过滤件432以阶梯形或分隔放置在脏空气室422中，部分重叠关系，大体沿 向下方向，相对上表面板416的水平面呈锐角倾斜。这样在过滤器组件410的最上部 限定了分配空间433。随着脏空气从入口420进入组件410，在它被过滤之前被接收 在分配空间433中。
所示出的独立的过滤件432包括折叠介质435，组成各自具有末端的圆柱形管 状部件。除了下面所披露的优选的介质配方之外，每一个部件432的结构以及它如何 支撑管板结构428与美国专利号4,395,269和美国专利号5,562,746的过滤件类 似，分别在此结合入本文。过滤件的结构细节以及所述过滤介质如何形成稳定的圆筒 形状并且用端盖密封披露于美国专利号4，171,963(Schuler)中，在此结合入本文。
图31是表示所示出的特定过滤件432如何密封管板428的一个例子。具体地 讲，第一端盖433包括轴向延伸的垫片440。垫片440被轭状组件压在管板428上， 如美国专利号5,803,941所述，以与管板428形成密封441。
再次参见图29，在所示出的结构中，过滤件432以端对端的关系成对排列。最 接近管板428的每一个过滤件432与管板428密封，而最接近阶梯形板429的每一 个部件432通过轭状组件与阶梯形板429密封。另外，彼此相邻并端对端叠放的每一 个过滤件432在各自端盖之间密封至相邻的过滤件432。
图30表示空气过滤系统410′的另一种实施方案。图30的结构包括入口411′， 出口412′，检修门413′，和侧板416′，417′。另外，具有脏空气室422′，干净的空气 室460′，和管板428′。管板428′将脏的一侧422′与干净空气一侧460′隔开。过滤件432′ 安装在空气过滤系统410′内，并且靠在管板428′上。图30的系统410′和图29的系 统410的一个差别是存在文丘里部件470，将在下文进一步说明。图15示意性地表 示一个过滤件432′可操作地安装在管板428′内并且与它密封。端盖433′上的垫片部 件440′被压在管板428′上，以与管板428′形成密封441′。
在干净的空气室460，460′中还提供了用于清洁每一个过滤件432，432′的系统。 参见图30，所述系统包括多个脉冲阀465和喷嘴或喷管497。阀465和喷管497置于 与管板结构428′的出口孔434(图15)直接内嵌，以将压缩空气的射流导入一对过滤 件432，432′的开口内部438。用于提供压缩空气的脉冲阀(或反向脉冲阀)，喷管， 管道结构的类型，以及它们的控制和操在本领域公知。
参见图32和33，所示出的每一个文丘里部件470包括入口钟口状部分(或文 丘里入口部分)474，和喉道部分476。在所示出的实施方案中，还有扩散部分(或 文丘里出口部分)472。喉道部分476置于扩散部分472和文丘里入口部分474之间 并且使它们相互连接。空气从文丘里部件470中排出，通过扩散器472进入干净的空 气室460′，此时空气被过滤并以正常过滤气流方式(即，没有反向脉冲)从脏空气室 430′通过过滤部件432′。所示出的扩散部分472具有分开的(或张开的)，大体上 垂直的壁477，以有助于正常过滤条件下的压力恢复。喉道部分476可以沿朝向其内 部方向凹入，如美国专利5,562,746中所披露；或，在图15中所示出的，其形状 可以为从基线406至出口部分472直径逐渐变小，如美国专利6,090,173中所披露。
文丘里部件470安装在管板结构428′上，与过滤部件432′相对，以便文丘里入 口部分474置于干净的空气室460′中。
继续参见图32，可以看出文丘里部件470通过合适的紧固装置481连接基线 406至管板428′而固定在管板428′上。文丘里部件470的其他细节在美国专利号 5,562,746和6,090,173中有描述，每个在此结合入本文。
在图33中，示意性地示出了脉冲射流系统的喷嘴或喷管497，它与文丘里部件 470相隔一段距离482。随着空气通过喷管497喷出，非对称的空气射流完全紊乱， 并且其行为就像无壁剪切流。对于这种类型的空气流来说，随着射流离开喷管497 并且逆着进入的空气流运动，如图所示的通道483，速度变化扩大。文丘里部件470 允许这种空气射流从通道83进入过滤件432，432′的内部438，438′，导致空气压力 在端盖433，434之间的过滤介质435，435′的整个长度上均匀分布。
喷管497和文丘里部件470的基线406之间的距离482通常小于25英寸，并 且大于10英寸。在某些结构中，所述距离为大约22-23英寸。在其他结构中，所述 距离为20-21英寸或更小。这些类型的结构导致了大体上沿过滤介质435，435′的延 伸部分的整个长度的正清洁压力微分。
在工作时，空气或其他颗粒加载的气态流体通过空气入口420，420′和过滤部 件432，432′进入脏空气室422，422′。通过过滤介质435，435′将颗粒物从空气流中 除去。如下文所述，采用优选的介质配方，以便产生有利的性能。净化的空气流入开 口的过滤器内部438，438′，并进入干净的空气室460，460′。如果存在文丘里部件 470，干净的空气在离开开口的过滤器内部438，438′并进入干净的空气室460，460’ 时流过文丘里部件470。净化的空气通过出口412，412′离开空气过滤器410，410′。
在过滤间隔之后，过滤件432，432′会覆盖上一层灰尘或其他颗粒材料。每一 个过滤件432，432′由各自的阀465和喷管497进入脉冲射流清洁，其将一定量的压 缩空气从喷管497喷向并且进入开口的过滤器内部438，438′。如果存在文丘里部件 470的话，所述压缩空气被导入文丘里部件470的扩散部分472。所述射流进入开口 的过滤器内部438，并且以与在过滤时空气流的正常流动方向相反的方向通过介质 435，435′。这种空气射流脉冲将灰尘块和其他颗粒物从过滤介质435，435′的外部敲 掉，并且通过重力使它落入储存斗14。单阶段的，自动净化空气过滤系统是已知的。 可以通过商业渠道获得的一种这样的系统是Donaldson GDXTM脉冲净化过滤系统， 可以从唐纳森公司，明尼阿波利斯(Donaldson Company，Inc.，Minneapolis，Minnesota) 获得。在图34中，示出了Donaldson GDXTM脉冲净化过滤系统20的示意性剖视图。 除了用于图34所示系统的优选的介质配方之外，图34所示系统中的结构在美国专利 6,123,751中有描述，在此结合入本文，并且可以从Donaldson公司购买。
参见图34，系统520包括腔室521，有空气入口侧522和空气出口侧523。空 气通过沿空气入口侧522分布的多个垂直间隔的入口罩526进入腔室521。入口罩526 起着保护系统520的内部过滤器免受雨，雪和阳光影响的作用。另外，入口罩526 是这样设计的，使得进入入口罩526的空气首先沿箭头527所示的向上的方向导入， 然后由偏转板528沿箭头529所示的向下的方向偏转。空气最初的向上运动导致来自 空气流的某些颗粒材料和水分沉淀或积累在入口罩526的下部530。空气随后的向下 运动迫使在腔室521内的灰尘向下朝向位于腔室521底部的集尘储存斗532运动。
系统520的腔室521通过隔板538分隔成上游和下游空间534和536。上游空 间534通常表示空气过滤器系统520的＂脏空气部分＂，而下游空间通常表示系统520 的＂干净的空气部分＂。隔板538限定多个孔540，以便空气能够从上游空间534流向 下游空间536。每个孔540被位于所述腔室的上游空间的空气过滤器542或过滤器滤 芯覆盖。过滤器542是这样排列和设计的，在通过孔40之前，空气从上游空间534通 过过滤器542流向下游空间536。
对于所示出的具体的过滤器装置来说，每一个空气过滤器542包括一对过滤件。 例如，每一个空气过滤器542包括圆柱形部件544和有些截短的圆锥形部件546。每 一个截短的圆锥形部件546包括一个大直径的末端和小直径的另一个末端。每一个过 滤器542的圆柱形部件544和截短的圆锥形部件546是同轴排列的，并且端对端的连 接，使每一个圆锥形部件546的小直径以密封方式固定在一个圆柱形部件544上。每 一个截短的圆锥形部件546的大直径末端固定在隔板538上，以便在其相应的孔540 周围形成环状密封。每一个过滤器542大体上是与其相应的孔540同轴排列的，并且 其纵向轴线是大体上水平的。
每一个过滤部件542，546包括介质包560，562，构成了管状结构564，566， 并且在所述结构中限定开口的过滤器内部568，570。开口的过滤器内部568，570也 是干净空气室。优选的，每一个介质包560，562是折叠的，并且包括至少部分被一 层细纤维覆盖的介质合成物。优选的介质合成物的配方在下面描述。
一般，在过滤时，空气是从上游空间534导入径向通过空气过滤器542，进入 过滤器542的内部空间568，570(干净空气室)。在过滤之后，空气从内部空间548 中流过隔板538，通过孔540，进入下游干净的空气空间536。然后干净的空气从下 游空间536中抽出，通过孔550，进入未示出的燃气轮机进气口。
隔板538的每个孔540包括安装在下游空间536的脉冲射流空气净化器552。 周期性地，脉冲射流空气净化器552引导空气的脉冲射流，如箭头572所示，使它反 向通过相关的空气过滤器542，即从过滤件的内部空间568，570向外振动或以其他 方式排出滞留在空气过滤器542的过滤介质内或上的颗粒材料。脉冲射流空气净化器 552可以从腔室521的顶部到底部顺序工作，以便最终将灰尘颗粒材料从过滤器上吹 入下面的储存斗532，以便排出。
诸如在图34中所示出的结构可能是相当大的。用于这种结构上的过滤器对通 常包括圆柱形过滤器，约26英寸长，直径约为12.75英寸，以及截短的圆锥形过滤 器，约26英寸长，小直径约为12.75英寸，大直径约为17.5英寸。这种结构可用 于，例如，过滤进入燃气轮机系统中的进气，该系统对空气流的需求为8000-1.2百 万立方英尺/分钟(cfm)。
在图35中，示出了燃气轮机的另一种进气过滤系统。除了优选的介质配方之 外，图35所示的系统可以通过商业渠道获得，从Donaldson购买Donaldson GDXTM自 动净化空气过滤器。在图35中，提供了Donaldson GDXTM自动净化空气过滤器520 的示意性剖视图。图35所示系统不是现有技术，因为其将某些优选的介质配方用于 过滤进气气流的方法中。图35所示的系统520与图34的系统20类似，除了系统 520是更小，更紧凑的装置。
在图35中，系统520包括腔室521，具有空气入口侧522和空气出口侧523。 空气通过沿空气入口侧522放置的入口罩526进入腔室521。入口罩526有助于引导 空气沿箭头527所示的向上的方向进入入口罩526，然后由偏转板528沿箭头529所 示的向下方向偏转。空气的向下运动迫使腔室521中的灰尘向下朝向位于腔室521 底部的集尘储存斗532运动。
对于图34所示的系统10来说，系统520的腔室521通过隔板538分隔成上游 和下游空间534和536。上游空间534表示空气过滤器系统520的＂脏空气部分＂， 而下游空间总体上表示系统520的＂干净空气部分＂。隔板538限定多个孔540，以允 许空气从上游空间534流向下游空间536。每个孔540被位于所述腔室上游空间534 中的空气过滤器542或过滤器滤芯覆盖。过滤器542是以这种方式排列和设计的，在 通过孔540之前，空气从上游空间534通过过滤器542流向下游空间536。
每个空气过滤器542包括一对过滤件。例如，每个空气过滤器542包括圆柱 形部件544，和截短的圆锥形部件546。每个截短的圆锥形部件546包括具有大直径 的一端和具有小直径的另一端。每个过滤器542的圆柱形部件544和截短的圆锥形部 件546是同轴排列的，并且端对端连接，使每个圆锥形部件546的小直径末端以密封 方式固定在一个圆柱形部件544上。每个截短的圆锥形部件546的大直径末端固定在 隔板538上，以使在其相应的孔540周围形成环状密封。每个过滤器542大体相对其 相应的孔540同轴排列，并且具有大体上水平的纵向轴线。
每个过滤件544，546包括介质包560，562，形成管状结构564，566，并在该 结构内限定开口的过滤器内部568，570。优选的，每个介质包560，562是折叠的， 并且包括至少部分由一层细纤维覆盖的基片合成物。优选的介质合成物的配方在下面 有描述。
一般，在过滤时，空气从上游空间534导入径向通过空气过滤器542进入过滤 器542的内部空间568，570(干净空气室)。在过滤之后，空气从内部空间568，570 流过隔板538，通过孔540，进入下游干净空气空间536。然后干净空气从下游空间 536抽出，通过孔550，进入未示出的燃气轮机进气口。
隔板538的每个孔540包括安装在下游空间536中的脉冲射流空气净化器552。 脉冲射流空气净化器552定期引导空气的脉冲射流反向流动，如箭头572所示，通过 相关的空气过滤器542，即从过滤件的内部空间568，570向外振动或以其他方式排 出滞留在空气过滤器542的过滤介质内或上的颗粒材料。脉冲射流空气净化器552 可以从腔室521的顶部到底部顺序工作，以使从过滤器上吹下的灰尘颗粒材料最终导 入下面的储存斗532，以便排出。
参见图37，示出了过滤件500的透视图。过滤件500包括圆柱形过滤器500， 包括第一和第二相对的端盖501和502，有管状，优选圆柱状结构的过滤介质504以 折叠形式延伸其间。所述介质结构限定开口的过滤器内部505，其与使用的干净空气 导管或空气室相应，另外，可以包括污染空气流的入射表面。波纹状过滤介质504 的管状结构通常采用粘合剂技术固定或粘接在端盖501和502上。在过滤器结构500 上，还有内部支撑管状衬垫503，提供介质504的结构完整性。
参见图38，示出了一个过滤件506的透视图。一般，过滤件506包括第一和 第二相对的端盖508和509，有管状，优选圆柱状结构的过滤介质507延伸其间。所 述介质结构限定开口的过滤器内部505。波纹状过滤介质507的管状结构通常采用粘 合剂技术固定或粘接在端盖508和509上。在过滤件506上，还可用锥形的圆柱形密 封件510将过滤件安装到过滤装置上，用末端密封耦合过滤器至过滤装置的入口或出 口。过滤件506被设计成支持污染空气流的通道，从介质507的外部流向过滤介质 506的内部505。
参见图39，示出了平板过滤件511的透视图。一般，过滤件511包括矩形外 壳513，矩形形式的折叠介质514与外壳513结合，使用常见的粘合剂技术(未示出) 将所述介质固定在外壳内。折叠介质514保持折叠的形式，间隔装置512将所述介质 固定成固定的折叠形式。所述间隔介质512可以包括预成形结构，或者可以包括挤压 结构的热塑间隔材料。外壳513的凸缘部分514可有助于将过滤件511安装入过滤装 置。将过滤件511设计成将干净空气部分排出所述折叠介质，参见图39。
图40是数据图表，示出了例4所述过滤件在10.5-50ft-m-1的空气速度时的分 级效率。
图41表示例5所示过滤件的类似的分级效率。
图42表示例6所示过滤件在单一流体速度下的分级效率，用于确定所述介质 对由于介质折叠而导致失效的抗性。
图43表示例6所示过滤件在所规定的流速的分级效率。
图44是数据图表，表示例7所示过滤件在10.5ft-m-1的流速下的分级效率， 示出由于叶片折叠或刻痕折叠所导致的阻力。
图45是数据图表，表示例7所示过滤件在所示出的气流流速下的分级效率。
图46是数据图表，表示例8所示过滤件的分级效率，表示当所述过滤件与基 片相比时，在所示颗粒大小的范围内的效率有不明显的增加。
实验
本发明过滤器的平板样品是通过在一层HEPA级玻璃纤维上形成一层无纺基布 制成。在所述基布上放置一层细纤维。测试所述过滤器板的效率和渗透性，并且与包 括基布和HEPA玻璃纤维但没有细纤维的过滤器板的性能比较，并且与包括膨胀的 PTFE的两个过滤器进行比较。
例1
将基重为591b-3000ft-2，厚度为0.013英寸的玻璃纤维过滤介质与两层纺粘聚 酯基布材料组合。将一层基布压在玻璃纤维过滤介质片材的任一侧。所述聚酯基布的 厚度为0.007英寸，基重为0.5oz-yd-2。这三层基片在流量为10.5ft-min-1气流速度下 的空气流阻力为39毫米水。所述基片在10.5ft-min-1气流速度下的效率(DOP)为 99.97％。然后将所述基片材料与静电纺织纳米纤维层结合。在按照ASTM 1215进行 测定时，所述聚酰胺纳米纤维层的效率为40％，基重为大约0.1gm-m-2。
例2
重复例1，所不同的是，在按照ASTM 1215测定时，所述纳米纤维层的效率为 70％，并且基重为大约0.2gm-m-2。
例3
重复例1，所不同的是，在按照ASTM 1215测定时，所述纳米纤维层的效率为 95％，并且基重为大约0.3gm-m-2。
例1-3所披露的介质以平板结构形式测试，在实验中检测它的过滤特性，包括 它的压力降，灰尘和污垢装载能力，以及净化特性。所述参数是这样测量的，首先称 取平板介质样品的重量，将所述平板介质样品放入导管，其中所述介质接触速度为 10ft-min的空气流，和速度为大约1.03gm-min的ASHRAE灰尘负荷。让所述设备 运行，直到通过介质的压力降为30英寸水。然后将所述介质从所述导管中取出，并 且称重，以便记录灰尘载荷。然后将所述介质夹在框架上，并且将所述框架装置在垃 圾箱上翻转。某些灰尘马上掉落，用螺丝刀轻轻敲打所述框架，直到灰尘不再从介质 上掉落。然后将所述介质重新装载到所述装置上，并且继续进行实验，直到所述介质 三次接触流速为10ft-min的空气流和1.03gm-min的负荷。
表1
测试的样品(各两个)
  样品描述(均为平板) 效率* 渗透性** 聚酯基布玻璃纤维 HEPA无细纤维     99.982％ 4.4 基布HEPA+细纤维例1 99.988％ 4.3 基布HEPA+细纤维例2 99.990％ 4.2 基布HEPA+细纤维 例3             99.993％ 3.8 PTFE A对照 98.354％ 3.6 PTFE B对照 98.243％ 8.2
*用0.3微米NaCl颗粒以10.5fpm的速度测定的效率。
**渗透性是通过所述材料的流量，以fpm为单位，0.5＂w.g.根据ASTM D-737。
例4
将玻璃纤维过滤介质层压到湿铺纤维素/合成混合介质上，合成物的特性如下：
基重为1321b.-3000ft.-2
厚度为0.045英寸
渗透性为5.1英尺-min-1，0.5＂w.g.(Frazier)
机器方向-Gurley硬度为28,000mg(1.0＂x3.5＂样品)。
效率：以10英尺/分钟(DOP)的速度过滤0.3微米颗粒的效率为99.85％
然后将此层压材料与静电纺丝的纳米纤维层组合。在测定时(ASTM 1215)， 聚酰胺纳米纤维层的效率为98％，基重为大约0.35gm-m-2。测定所述合成物的分级 效率，将NaCl用作挑战性气溶胶和TSI 8160试验器，采用图40中所示的介质速度 范围。在所有场合下，所述合成物过滤0.3微米颗粒的效率都超过99.97％。
例5
将玻璃纤维过滤介质层压到纺粘聚酯基布上。
该合成物的特性如下：
基重为1251b.-3000ft.-2
厚度为0.034英寸
渗透性为4.9英尺-min-1，0.5＂w.g.(Frazier)
机器方向Gurley硬度为12,867mg(1.0＂x3.5＂样品)。
效率：以10英尺/分钟(DOP)过滤0.3微米颗粒的效率为99.97％
然后将这种层压材料与静电纺丝的纳米纤维层组合。在测定时(ASTM 1215)， 聚酰胺纳米纤维层的效率为98％，基重为大约0.35gm-m-2。测定所述合成物的分级 效率，将NaCl用作挑战性气溶胶和TSI 8160试验器，采用图41中所示的介质速度 范围。在所有场合下，所述合成物过滤0.3微米颗粒的效率都超过99.97％。
例6
将湿铺纤维素/合成基布材料层压到玻璃纤维过滤介质的一侧。将轻质聚酯纺粘 材料层压到所述玻璃纤维过滤介质的另一侧。所述层压结构与一层静电纺丝纳米纤维 组合在湿铺基布上。该合成物介质的特性如下：
基重为99.991b.-3000ft.-2
厚度为0.032英寸
渗透性为4.22英尺-min-1，0.5＂w.g.(Frazier)
Gurley硬度为1336mg(1.0＂x3.5＂样品)。
效率：以10英尺/分钟(DOP)过滤0.3微米颗粒的效率为99.987％
然后利用旋转刻痕折叠机折叠该材料至0.75＂折叠高度。在折叠之前和之后使 用带NaCl的TSI 8160试验器测定所述介质的分级效率；结果如下所示。在两种情况 下，所述合成物过滤0.3微米颗粒的效率超过99.99％。还测定了例6的介质在空气 流速范围内的效率。结果如图42-43所示。所有测试表明，过滤0.3微米颗粒的效率 超过99.98％。
例7
将湿铺纤维素/合成基布材料层压到玻璃纤维过滤介质的一侧。所述层压结构与 一层静电纺丝纳米纤维组合在湿铺基布上。该合成物介质的特性如下：
基重为90.771b.-3000ft.-2
厚度为0.029英寸
渗透性为3.88英尺-min-10.5＂w.g.(Frazier)
Gurley硬度为1336mg(1.0”x3.5＂样品)。
效率：以10英尺/分钟(DOP)过滤0.3微米颗粒的效率为99.995％
然后采用两种不同的折叠技术对这种材料进行折叠。首先，使用叶片型折叠机， 折叠高度为0.5＂。其次，使用旋转刻痕型折叠机，折叠高度为0.75＂。在折叠之前和 之后使用带NaCl的TSI8160试验器测定所述介质的分级效率；结果如下所示。在所 有场合下，所述合成物过滤0.3微米颗粒的效率超过99.99％。还使用带NaCl的TSI 8160试验器测定所述介质在速度变化范围内的效率；结果如图44-45所示。在所有 场合下，所述合成物过滤0.3微米颗粒的效率都超过99.99％。
例8
将带静电荷的熔喷材料与湿铺基布支撑组合。这种基片材料的特性如下：
基重：128gm-m-2
厚度：0.031英寸
渗透性：25.1英尺-min-1，0.5＂w.g.(Frazier)
将所述层压的基片结构与一层静电纺丝纳米纤维组合在湿铺基布侧。在用0.8 微米聚苯乙烯乳胶颗粒以20英尺/分钟的速度(ASTM 1215)测试时，纳米纤维层的 效率为大约70％。所得到的结构的渗透性为17.8英尺-min-1，0.5＂w.g.(Frazier)。 使用TSI 8160测试仪和NaCl以10.5英尺/分钟测定所述结构的分级效率。结果如图 46所示。显然，暴露于用于静电纺丝工艺的电场没有对带静电荷的基片材料产生负 面影响。
图1-7包括所述实验测试的结果。图1表示在三次灰尘加载和净化周期后每个 样品的气流阻力增加。例1，2，和3都表现出阻力略有增加，与没有细纤维层的PTFE 样品和玻璃纤维HEPA相比较。所述例子的气流阻力的略有增加表明所述材料的可 清洁性有改善。所述灰尘加载到细纤维层的表面上，并通过常用的过滤器清洁机构方 便地去除。
图2表示在三次灰尘加载和清洁周期之后，每个样品的重量增加。重量增加表 明灰尘被留在样品中，并代表一定量的灰尘不能通过常用的过滤器清洁机制从材料上 清理掉。本示例的材料和PTFE材料与玻璃纤维HEPA材料相比均表现出适度重量 增加。
图3表示在三次灰尘加载和清洁周期之后加载到每个样品上的ASHRAE灰尘 的总重量。过滤介质的寿命与在气流速度降低到不可接受的水平之前能够加载到过滤 器上的灰尘量相关。图3表示在测试期间，相似灰尘量被加载到示例材料和PTFE材 料上。相反，玻璃纤维HEPA材料不易清洁，因此在测试中使用较少的灰尘。图3 中所示出的灰尘量导致了图1所示的最终的干净气流阻力。
图4，5，和6表示EX1，玻璃纤维HEPA，和PTFE样品的载荷曲线。利用这 些载荷曲线的数据产生图1-3。
图7表示测试结果，其中在脉冲清洁测试装置中将例3的平板介质与玻璃纤维 HEPA材料进行比较。曲线表明，玻璃纤维HEPA材料在脉冲前和脉冲后的压力降 比示例3的材料在脉冲前和脉冲后的压力降更高，并且增加更快。此测试提供了速度 为10个颗粒/立方英尺的碳酸钙粉尘(Atomite dust)的稳定的灰尘加载。碳酸钙粉尘 (Atomite dust)是自由流动的碳酸钙粉末，具有不规则的形状，由Imerys(法国) 生产，并且可以从包括George C.Brandt Co.在内的多种渠道获得。碳酸钙粉尘由以下 颗粒组成：小于1微米，重量百分比为25％；1-2.5微米，重量百分比为25％；2.5-5 微米，重量百分比为30％；5-10微米，重量百分比为18％；10-15微米，重量百分 比为2％。对于8＂直径的样品来说，将气流速度设定为9.1英尺/分钟。每分钟提供 一次40psi的反向脉冲，持续100毫秒。脉冲清洁过的过滤器在达到最终压力降时通 常要更换，例3所述介质的较低的压力降表明与没有纳米纤维的玻璃纤维HEPA相 比，其具有更好的可清洁性和更长的过滤器寿命。
图9比较了在脉冲实验之前和之后玻璃纤维HEPA和例3介质的效率。该图表 明了脉冲作用不会降低所述介质的效率。这个结果是令人吃惊的，因为脉冲压力和介 质运动被认为会导致微纤维玻璃纤维分离，可能产生空隙，并最终降低介质的效率。 这一看法被证实是不正确的，并且对于玻璃纤维HEPA材料和例3的介质来说都保 持了HEPA的效率。
表2
脉冲测试后的分级效率
  颗粒大小 例3(脉冲后) 例3(脉冲前) 基布HEPA (脉冲后) 基布HEPA (脉冲前) 0.02 99.9999 99.9996 99.9996 99.9995 0.03 99.9998 99.9995 99.9998 99.999 0.04 99.9997 99.999 99.9997 99.997 0.05 99.998 99.993 99.999 99.985 0.06 99.997 99.99 99.998 99.979 0.07 99.996 99.986 99.997 99.971 0.08 99.994 99.982 99.997 99.964 0.09 99.993 99.978 99.996 99.959 0.1 99.992 99.975 99.996 99.954 0.2 99.995 99.982 99.998 99.966 0.3 99.999 99.996 99.9993 99.982
图36是数据图表，表示本发明的可清洁装置与没有细纤维的类似结构相比在 脉冲前和脉冲后的效率。脉冲前材料的效率性能是相当的，不过，本发明材料的脉冲 后效率明显好于没有细纤维的对比过滤器。
上述讨论，实例，和数据说明了我们目前对本发明的理解。不过，由于在不超出 本发明的构思和范围的前提下可以对本发明作出多种改变，本发明完全落入以下所附 权利要求书的范围。