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CN107847839B - 高速旋转曲轴箱通风过滤介质和介质包 - Google Patents

高速旋转曲轴箱通风过滤介质和介质包 Download PDF

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Abstract

描述了在曲轴箱通风系统中为高速旋转聚结器(HSRC)元件提供鲁棒性能的过滤介质和介质包.过滤介质是HSRC过滤介质.如此,过滤介质比传统聚结器过滤介质,例如用于低速旋转聚结器布置或静止聚结器布置中的过滤介质具有更高的抗压缩性。

Description

高速旋转曲轴箱通风过滤介质和介质包
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月21日提交的名称为“高速旋转曲轴箱通风过滤介质(HIGHSPEED ROTATING CRANKCASE VENTILATION FILTER MEDIA)”的申请号为第62/208,284的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文作为参考。
技术领域
本申请涉及曲轴箱通风系统。
背景技术
在内燃机的运行过程中，一部分燃烧气体会从燃烧气缸中流出并流入发动机的曲轴箱。这些气体通常称为“窜气”气体。窜气包括气溶胶、油和空气的混合物。如果直接排放到环境中，窜气会危害环境。因此，窜气通常按路线经曲轴箱通风系统从曲轴箱排出。曲轴箱通风系统可以使窜气通过聚结器(即，聚结过滤元件)以去除在窜气中包含的大部分气溶胶和油。聚结器包括过滤介质。而后，过滤后的窜气或排放到环境中(在开放式曲轴箱排气系统中)或按路线返回至内燃机的进气口以进一步燃烧(在闭合式曲轴箱排气系统中)。
一些曲轴箱通气系统利用旋转聚结器，旋转聚结器在过滤期间通过旋转过滤介质来提高聚结过滤元件的过滤效率。在旋转滤筒中，污染物(例如，由窜气悬浮和输送的油滴)在滤筒的内部通过诸如惯性撞击、拦截、扩散和重力等颗粒捕获机制被分离到纤维上。通过旋转过滤介质，附加的离心力增强了惯性撞击和重力。此外，滤筒的旋转可以产生泵送效果，这减少了通过过滤系统的压降。旋转滤筒可以包括纤维过滤器和离心分离设备。
发明内容
一个示例实施例涉及一种过滤介质。上述过滤介质包括具有介于5μm至40μm之间的几何平均纤维直径的纤维。上述纤维具有介于5％和30％之间的实密度。上述过滤介质具有在大于20kPa压强下小于25％的压缩率。
另一个示例实施例涉及一种高速旋转聚结器元件。上述高速旋转聚结器元件包括第一端板、第二端板和过滤介质包，上述过滤介质包包括在第一端板和第二端板之间定位的过滤介质。上述过滤介质包括具有介于5μm至40μm之间的几何平均纤维直径的纤维。上述纤维具有介于5％和30％之间的实密度。上述过滤介质具有在大于20kPa压强下小于25％的压缩率。
又一个示例实施例涉及一种用于高速旋转聚结器的过滤介质包。上述过滤介质包包括过滤介质，上述过滤介质具有介于5μm至40μm之间的几何平均纤维直径的纤维。上述纤维具有介于5％和30％之间的实密度。上述过滤介质具有在大于20kPa压强下小于25％的压缩率。
从以下结合附图的详细描述中，这些和其他特征及其组织和操作方式将变得显而易见，其中相同的元件在下面描述的几个附图中具有相同的附图标记。
附图说明
图1示出了根据一个示例实施例的曲轴箱通风系统的剖视图。
图2示出了可与图1的曲轴箱通风系统一起使用的过滤介质包的立体图。
图3示出了可与图1的曲轴箱通风系统一起使用的作为过滤元件一部分的可选过滤介质包的立体图。
图4至图10示出了高速旋转聚结器(HSRC)介质对比常规介质的各种比较图表和曲线图。
具体实施方式
总体参考各附图,描述了在曲轴箱通风系统的HSRC元件中提供稳固性能的过滤介质和介质包。过滤介质是HSRC过滤介质。这样，过滤介质比诸如在低速旋转聚结器布置或静止聚结器布置中使用的传统聚结器过滤介质具有更高的抗压缩性。HSRC过滤介质可以包括单层过滤介质、具有不同性质的多层过滤介质或性质根据设计为优化性能的深度函数而变化的过滤介质(即，梯度过滤介质)。如以下进一步详细描述，HSRC过滤介质结构比传统聚结器过滤介质具有更高的抗压缩性。
参照图1，示出了根据一示例实施例的曲轴箱通风系统100的截面图。曲轴箱通风系统100包括固定壳体102。固定壳体102包括窜气入口104，窜气入口104接收来自内燃机的曲轴箱的窜气。例如，内燃机可以为柴油内燃机。固定壳体102还包括过滤后的窜气出口106。出口106将过滤后的窜气从曲轴箱通风系统100中排出。在一些布置中，曲轴箱通风系统100是闭合式曲轴箱通风系统。在这种构造中，出口106将过滤后的窜气提供至内燃机的进气口。在另一些布置中，曲轴箱通风系统100是开放式曲轴箱通风系统。在这种布置中，出口106将过滤后的窜气提供至周边环境。
曲轴箱通风系统100包括聚结器108。聚结器108是旋转聚结器。聚结器108包括第一端板110和第二端板112，第二端板112与第一端板110轴向隔开。由过滤介质组成的过滤介质包114位于第一端板110和第二端板112之间。过滤介质包114包括在下文进一步详细描述的纤维过滤介质。纤维过滤介质可以包括熔喷聚酯过滤介质、熔喷聚苯硫醚过滤介质、针刺纺粘(needle punched spunbond)聚苯硫醚过滤介质、具有丙烯酸粘合剂过滤介质的微玻璃、具有酚醛粘合剂过滤介质的微玻璃，熔喷尼龙过滤介质、针刺毡(needlefelt)聚对苯二甲酸乙二醇酯过滤介质或其他合适的过滤介质中的任一种。过滤介质包114的过滤介质在下文进一步详细描述。
过滤介质包114被密封至第一端板110和第二端板112使得进入入口104的窜气通过过滤介质包114。过滤介质包114呈圆柱形。在一些布置中，过滤介质包114是端部开口的圆柱形介质包(例如，如图2所示)。在这种布置中，过滤介质形成具有开口端的闭环结构，开口端被固定到第一端板110和第二端板112(例如，通过灌封、通过粘合、通过机械密封系统等)。在进一步的布置中，过滤介质包114与在主过滤介质上游或下游的附加介质层联接，以进行结构支撑或附加过滤。在这种布置中，介质包114保持圆柱形闭环结构。附加介质层可以被结合或用其他方式固定到过滤介质包114上。在附加布置中，过滤介质包114包括褶状过滤介质(例如，如图3所示)。在进一步的布置中，过滤介质包114包括无褶圆柱形过滤介质。
在一些布置中，聚结器108包括支撑罩116，支撑罩116在与过滤介质包114邻近的第一端板110和第二端板112之间延伸。支撑罩116为过滤介质包114提供支撑表面。支撑罩116相对于聚结器108的中心轴118由过滤介质包114径向向外定位。
在运行过程中，曲轴箱通风系统100通过入口104接收来自内燃机的窜气。窜气从聚结器元件108的内部区域流出、通过过滤介质包114并从出口106排出(如箭头所示)。聚结器108以旋转速度ω绕其中心轴118旋转。聚结器108是HSRC元件。如本文所用，HSRC元件是指在过滤介质处产生超过500G(G在以下公式1中定义)离心力的旋转聚结器元件。在一些布置中，旋转速度ω可以超过10,000RPM。例如通过电动机、油驱动马达、聚结器108和内燃机之间的机械联动装置等可以旋转上述聚结器108。由窜气输送的污染物(例如，油滴、气溶胶等)在过滤介质包114的内部通过诸如惯性撞击、拦截、扩散和重力等颗粒捕获机制被分离到纤维上。通过旋转过滤介质包114，附加的离心力增强了惯性撞击。此外，聚结器108的旋转可以产生泵送效果，这减少了通过曲轴箱通风系统100的压降。在一些布置中，支撑罩116包括增强泵送效果的翅片或挡边。诸如油的分离后的污染物落到固定壳体102的底部，污染物可以在底部通过排水口120离开壳体。
如上文所述，曲轴箱通风系统100去除诸如来自窜气的细小油滴的污染物。这有助于减少从内燃机的排放。在曲轴箱通风系统100是闭环曲轴箱通风系统的一部分的布置中，去除污染物也保护了内燃机的进气部件，例如涡轮增压器。在一些布置中，曲轴箱通风系统100被构造成高效去除污染物。例如，曲轴箱通风系统100可以被构造成在内燃机满负荷时以小于0.8kPa的压降去除大于99％的小至0.3μm的颗粒。在一些布置中,聚结器108的寿命在性能上没有显著恶化的情况下大于7000运行小时。聚结器可以以高达120摄氏度的温度运行。为了达到上述设计参数，聚结器108是HSRC。如下文所述，介质包114具有与用于静止(即，不旋转)聚结器和低速旋转聚结器(LSRC)的介质包不同的介质特性。LSRC是旋转且产生小于约200至500G离心力的聚结器，而HSRC旋转且产生大于500G的离心力，并可以超过1000G的离心力。G由公式1定义。
Figure BDA0001571672000000041
在公式1中，ω是给定旋转聚结器的旋转速度，单位是弧度每秒，R是旋转聚结器的半径，单位是米。
诸如聚结器108的HSRC元件被设计成与常规静止(即，不旋转)聚结器应用和常规LSRC应用不同的系统和运行参数。本文的常规静止聚结器应用和常规LSRC应用是指“常规曲轴箱通风应用”。在这些常规曲轴箱通风应用中，控制几何平均介质纤维直径、实密度和厚度以满足所需的去除效率、压降和寿命要求。本文所用的短语“几何平均”是指表示一组数的集中趋势或典型值的平均值，其通过对一组数
Figure BDA0001571672000000051
取n个数乘积的n次方根(即，
Figure BDA0001571672000000052
)来标识，而不是依赖于n个数的总和除以n的算术平均。对于内燃机进气过滤系统和常规曲轴箱通风应用，可能需要低压降，和使用低于15％的低实密度的介质。表1总结了用于各种曲轴箱通风应用的过滤介质的一些特性。
Figure BDA0001571672000000053
表1
参考表1,介质A、C、D和E是常规曲轴箱通风应用中采用的常规介质。介质B和F是在HSRC应用中采用的介质的示例，例如聚结器108的介质包114。本文所用的介质B和F可以是指“HSRC介质”。包括聚酯、玻璃、纤维素、金属纤维和聚酰胺的多种材料已经用于常规曲轴箱通风应用中。然而，在HSRC应用中，由于高速旋转产生的离心力，过滤介质暴露于超过20kPa压强下。离心力会压缩上述过滤介质，这对HSRC应用中的性能有负面影响。这在下文详细描述的曲线图400和500中示出。
图4示出了对于两种类型的过滤介质：介质A和介质B(如表1所列)在20摄氏度的温度下作为流速的函数的约束的曲线图400。介质A是聚酯(PE)熔喷介质，其在典型的工艺条件下通过使用如美国专利第8，231,752所描述的工艺制造，该文献通过整体引用并入本文并用于所有目的。这种介质对于常规曲轴箱通风应用是典型的。介质B是可用于聚结器108的过滤介质包114的针刺聚苯硫醚(PPS)过滤介质。因此，介质B可用于HSRC应用。示出了两种介质在0和10,000RPM下的约束结果，这在过滤介质上产生大约5700G。对于介质A，曲线图400示出曲线的斜率在高速(例如，10,000RPM)旋转下变得更陡。事实上，高速下的约束实际超过大约7立方英尺每分钟(CFM)的流速的静止约束。因此，利用介质A的过滤器变得更约束并且由于压降增加和流速约束增加无法满足所需的过滤效率。介质A的结构在高转速下的压缩和皱缩导致压降增加和流速约束增加。然而，与介质A相比，介质B的约束在高速(例如，10,000RPM)旋转时在所有流速下减小。因此，介质B允许在HSRC应用中实现去除污染物高效率和低压降。
参照图5，示出了对于两种类型的过滤介质：介质A和介质B(如表1所列)在120摄氏度的温度下作为流速的函数的约束的曲线图500。如曲线图500所示，介质A和介质B在120摄氏度下与在20摄氏度下(如曲线图400所示)表现相似。尽管介质A和介质B在高温下的总体行为相似，但是对于介质A而言在更高发动机运行温度下约束效果更急剧，其中介质A在10，000RPM下曲线的斜率比在20摄氏度下更陡。因此，旋转对约束的不利影响在更高的温度下更差。这对于曲轴箱通风应用而言具有严重的负面含义。许多曲轴箱通风系统安装在内燃机舱内或内燃机舱附近泵经受高温。
用于曲轴箱通风应用的聚结器介质必须既展示对细小油滴的高去除效率又展示低压降。采用ASTM D737或类似检测方法测定的弗雷泽渗透率是在静止条件下与压降直接相关并且与去除效率间接相关的介质性质。弗雷泽渗透率在水压降为0.5英寸下以立方英尺每分钟(cfm)的流速记录。通常，弗雷泽渗透率的较低值对应较高压降和较高去除效率。对于HSRC应用，期望弗雷泽渗透率低于或等于250cfm以满足这些要求。较优的，弗雷泽渗透率介于10cfm和100cfm之间以满足曲轴箱通气应用的去除效率和压降要求。在更具体的实施方式中，弗雷泽渗透率可以介于10cfm和50cfm之间。
由于过滤介质的压缩和介质结构的皱缩导致在HSRC应用中诸如曲线图400和曲线图500所示的介质A的常规介质的相对较差性能。在高速旋转过程中经受的高离心力下，过滤介质压缩并皱缩。已知介质压缩增加压降，通过本文所述的HSRC介质可以实现在维持高去除效率的同时减少压降的介质设计挑战。因此，在HSRC应用中，需要(1)在高旋转速度下抵抗压缩和结构皱缩，以及(2)维持高去除效率的介质。这种介质在下文进一步详细描述。除非另有说明(例如，如关于图7的描述所进行的那样)，下文描述的压缩率的特定值理解为室温(即，20摄氏度)下的限制(即，最大压缩率)。
聚结器108的介质包114包括由单一聚合物材料(例如，PPS)、单一共聚物(例如，聚甲醛共聚物)或单一聚合物共混物(例如聚对苯二甲酸丁二醇酯-聚对苯二甲酸乙二醇酯共混物)的各纤维构成的HSRC过滤介质，其具有在油滴去除高效率和在超过约200G，更具体地超过1000G的离心力下低约束方面提供功能性的特性。在其他布置中，HSRC过滤介质可以包括超过一种类型的聚合物、微玻璃或金属纤维。在这种布置中，HSRC过滤介质可以布置为复合介质(例如，具有多个不同介质纤维的介质)、梯度(例如，介质具有多个不同的介质纤维，各介质纤维布置成使得过滤元件的过滤效率随过滤元件的深度而变化)，或多层介质(例如，具有不同过滤材料彼此层叠的介质)以实现不同的过滤区域。其次，介质包114的介质表现出适用于曲轴箱通风应用的化学兼容性和热性质。因此，过滤介质应该与发动机油、乙二醇和水化学兼容并且能够承受80摄氏度到120摄氏度范围的温度而不丧失功能性。大体上，这些应用的HSRC过滤介质应该具有5至40μm范围内的几何平均纤维直径、5至30％之间的实密度以及在0.5英寸的水压降下达到250cfm的弗雷泽渗透率。在一些布置中，弗雷泽渗透率在0.5英寸的水压降下为10至100cfm。在一些布置中，过滤介质具有10至20μm范围内的几何平均纤维直径、15至30％之间的实密度以及在0.5英寸的水压降下达10到20cfm的弗雷泽渗透率。此外，过滤介质在大于20kPa压强下具有少于20％的压缩率。在一些布置中，过滤介质在大于20kPa压强下具有少于15％的压缩率。本文所用的“压缩率”是过滤介质的体积受压强或力影响产生的相对变化。本文讨论的压缩率的具体示例是通过在约1至30kPa范围上增加施加到介质表面的力的量同时测量过滤介质的厚度变化确定的。本文限定的“压缩率”为过滤介质在特定压强下相对于1kPa压强下体积的体积变化百分比。因此，在1kPa下厚度为1mm以及在10kPa下厚度为0.9mm的过滤介质在10kPa下具有10％的压缩率。作为压强或离心力函数的介质压缩率(在给定温度下)受很多因素决定，包括但不限于介质的纤维尺寸分布、介质实密度、聚合物的挠曲模量(即，纤维材料)、介质中纤维与纤维结合的强度和程度、以及纤维的缠结程度。
在图6中，示出了表1所描述的各种过滤介质作为压强函数的压缩率的曲线图600。曲线图600示出表1中描述的六种过滤介质的压缩率。六种过滤介质包括四种常规介质(即，A、C、D和E)以及两种HSRC应用的示例介质，介质B和F。介质A和B已在上文关于图4和图5讨论。介质C是用丙烯酸树脂粘合在一起的微玻璃介质。介质D是尼龙6,6纺粘介质。介质E是聚对苯二甲酸乙二醇酯针刺介质。介质F是可用在聚结器108的过滤介质包114中的聚酯(PE)熔喷HSRC介质。介质F由与介质A相同的聚合物和相同的工艺制成，但是采用与介质A不同的工艺条件，在这种情况下称为工艺2，以产生表1中总结的具有对HSRC介质更希望的性质的介质。如曲线图600所示，对于常规介质(A、C、D和E)，介质压缩率随着施加的压强迅速增加。对于常规介质，由于介质结构皱缩，介质压缩率在超过约5至20kPa压强时开始趋于平衡。如前文指出，在HSRC应用中使用的介质由于高速旋转赋予到介质上的离心力将会经受超过20kPa的压强。因此，为静止和低速应用设计的介质将不会在HSRC应用中保持它们的结构，并且对于HSRC必须考虑在近似20kPa量级的压强下的压缩率。
图7示出了条状图700，其对比常规介质A和HSRC介质B在25摄氏度、100摄氏度和120摄氏度的温度下的压缩率。如图700所示，即便在曲轴箱通风系统应用下会经受的升高温度下，HSRC介质B的抗压缩性仍可保持。
HSRC介质和介质包(例如，介质包114)由于离心力的压缩率与介质由于压降的抗压缩性有关。然而，由于离心力的压缩也考虑其他因素，例如介质包设计和应用因素(例如，转速、介质包的半径等)。在一些布置中，介质包114的HSRC介质在室温(即，20摄氏度)和200G下具有小于20％的压缩率。在另一些布置中，介质包114的HSRC介质在室温(即，20摄氏度和)1000G下具有小于20％的压缩率。在附加的布置中，介质包114的介质在200G下具有少于15％的压缩率。在另一些布置中，介质包114的介质在1000G下具有少于15％的压缩率。
如前文所述，HSRC过滤介质和介质包(例如，介质包114)具有5至40μm范围内的几何平均纤维直径以提供HSRC应用的去除效率、压降和压缩率需求。参照图8，示出了表1中描述的介质(即，常规介质A、C、D和E以及HSRC介质B和F)的纤维直径的直方图800。在图8中，“平均”是指几何平均以及“N”是指确定尺寸的纤维数。如图8所示，介质的几何平均纤维直径在指示的5至40μm范围内。显著小于5至40μm范围(例如介质C中)的几何平均纤维直径可以提供高去除效率但也会过度地增加压缩率，这会导致介质结构皱缩并且导致在HSRC应用中不期望的压降增加。在另一方面，介质D展现出大于指示的5至40μm范围的几何平均纤维直径，介质E展现出稍微小于指示的5至40μm范围的几何平均纤维直径。介质D和介质E都展现出在HSRC应用的测试条件下不期望的低去除效率和增加的压降。介质D和介质E也展现出超过HSRC过滤介质上述范围的弗雷泽渗透率。在一些具体布置中，HSRC介质的几何平均纤维直径在10至40μm范围内。因此，数据显示出一段几何平均纤维直径的范围，低于此范围用于HSRC应用，介质结构会皱缩并且压降会变得不可接受地高。然而，几何平均纤维直径大于约5至10μm的介质在常规曲轴箱通风应用中不能提供期望的去除效率。这提出了矛盾，需要大的纤维预防皱缩而需要细小纤维用于去除。在HSRC应用中，由聚结器元件108的高速转动引起的离心力增强了污染物去除，由此有助于抵消较大纤维直径对于去除的有害影响。一般来说，大于约40μm的几何平均纤维直径不会给HSRC提供期望的去除效率。因此，介质B和F具有在5至30μm范围内的几何平均纤维直径，这对应于介质抗压缩和提供期望去除效率的纤维直径范围。在较高转速下，纤维直径的期望范围可扩展到5至40μm。
尽管HSRC介质的几何平均纤维直径在5至40μm的范围内，HSRC介质在一些布置中包括直径大于20μm的一些纤维。例如，注意在介质B中大于20μm的纤维的相对数量和在介质F中大于30μm的纤维的相对数量。这些较大的纤维有助于减少给定介质的压缩率。因此，在具体实施方式中，HSRC介质(例如，介质B和介质F)在如直方图800所示的最小模式下包括至少一些较大的介质，但是以较小纤维为主导。相对于较小的纤维，大于30μm的纤维的相对丰富度应较低，使得不会不利地影响污染物去除。因此，HSRC介质可以包括介于1％和5％之间的大于40μm的纤维以减少压缩率。在一些布置中，HSRC介质包括大约3％的大于30μm的纤维。在另一些布置中，HSRC介质包括介于1％和5％之间的大于大约20μm的纤维。在进一步的布置中，HSRC介质包括几何平均直径在5至40μm范围内的一层纤维介质以及具有直径大于30μm的纤维的一个或多个上游和/或下游层。
影响介质压缩率的另一个因素是过滤介质的实密度。实密度是指被介质纤维物理占据的过滤介质的相对体积。因此，在其结构中不具有空隙的完全无孔固体具有100％的实密度，而不含固体材料的气体或液体样本具有0％的实密度。数值上，实密度等于100％减去过滤介质样本的孔隙率。对较低的实密度，介质在HSRC应用中变得过度可压缩。在较高的实密度，介质变得过于约束，这会导致在曲轴箱通风系统100中引起高压降。在一些布置中，HSRC介质具有介于5％和30％之间的实密度(更具体地，介于5％和25％之间)。在其他的布置中，HSRC介质具有优选的介于15％和30％的实密度。在另外的布置中，HSRC介质具有更优选的介于18％和25％之间的实密度。作为参考点，在表1中的非HSRC介质具有8％至16％的实密度。HSRC介质的上述15％至30％的实密度对于常规曲轴箱通风应用和进气应用是不期望的，这是由于所得的压降是超量的。然而，对于HSRC应用，高实密度不仅是需要的而且是合理的，这是因为在高速下，过滤器的旋转产生泵送动作，其抵消了增加的过滤介质的约束(例如，如上文关于图1所述)。如此，HSRC介质的理想实密度范围比常规曲轴箱通风介质显著更大。
材料刚度也影响介质压缩率。例如，具有较大刚度的纤维(即，高挠曲模量)具有更大的抗压缩性。采用ASTM D790测试方法或其他测试方法可以确定挠曲模量。常规介质A(PE-工艺1)、介质D(尼龙6,6)和介质E(PET)各自具有约2400MPa至2800MPa的挠曲模量。介质B(PPS)具有大约4200MPa的挠曲模量。介质E(PE-工艺2)具有在2300Mpa和2800MPa之间的挠曲模量，但是由于其更多的结晶聚合物结构，介质F预期具有比介质A更大的挠曲模量。因此，介质B和介质F具有比介质A、介质D和介质E显著更高的刚度。挠曲模量不仅仅取决于所使用的具体聚合物，而且还取决于材料生产的条件。例如，常规介质A的刚度可以通过在介质生产过程中减慢吸收心轴(uptake mandrel)的速度而显著增加，这允许聚合物更慢冷却并且获得如介质F所观察到的更多结晶和三维结构。对于HSRC应用，制造纤维的聚合物在23摄氏度下应具有至少2000MPa的挠曲模量，以抵抗皱缩。在一些布置中，生产HSRC介质用纤维的聚合物的挠曲模量大于3000MPa。在另一些布置中，生产HSRC介质用纤维的聚合物的挠曲模量大于4000MPa。
如前文所述，HSRC介质和介质包(例如，介质包114)由各纤维构成，各纤维包括单一聚合物、单一共聚物或单一聚合物共混物。在其他布置中，HSRC过滤介质可以包括超过一种类型的聚合物、微玻璃或金属纤维。在这种布置中，HSRC过滤介质可以布置为复合材料、梯度或对于不同过滤区域可以具有不同材料的多层介质。与常规曲轴箱通风介质相比，当通过具有支架纤维或颗粒的双组分或多组分结构或通过使用粘合剂或树脂以使纤维固定就位来获得包括抗压缩性的期望性质时，会导致不太理想的性能权衡。所得介质的压缩率会受到纤维与纤维结合的强度和程度的强烈影响。单一聚合物、单一共聚物或单一聚合物共混物的使用简化了生产和制造，并且还使得能够使用可替代(alternative)的制造方法以在制造介质包114时实现更强的纤维与纤维的结合。在一些布置中，通过热加工实现较强的纤维与纤维结合。非织造介质通过诸如熔纺、熔喷、闪纺或纺丝成网等工艺进行制造以形成网或垫子，其中新形成的软纤维或熔融纤维在冷却和钢化之前相互叠置。在冷却时，各纤维彼此结合，而不需要附加的粘合剂或树脂。热制造加工确保了HSRC介质中丰富的强纤维与纤维结合。
过滤介质的三维结构的增加也减少了介质压缩。通过湿法成网工艺或干法成网工艺(例如熔喷和熔纺)产生的介质，通常会导致其各纤维大部分在两维结构定向的介质，接近X-Y-Z坐标系的堆叠X-Y平面结构，其中X-Y平面垂直于通过过滤介质的流动方向，Z轴平行于该流动方向并定义介质的厚度。介质A、介质C、介质D和介质E是这种介质的示例。为了减少压缩，可以将HSRC介质制造成具有更大的三维结构(例如，通过增加Z方向上的纤维取向)。这可以通过多种方法实现。在一些布置中，通过针刺法(即，穿刺)增加介质B的三维特性。在其他布置中，通过其他工艺，诸如水射流(例如射流网络法)、空气射流和/或毡制等加强HSRC介质的三维结构。在进一步的布置中，在介质生产工艺过程中通过在Z方向上增加各纤维取向来增强HSRC介质的三维结构，例如在介质F的情况下通过降低用于生产介质的生产线速度。
上述HSRC介质(例如，介质B和介质F)和介质包(例如，介质包114)在HSRC应用中提供比常规曲轴箱通风介质更好的优势。例如，HSRC介质对于直径介于0.4μm和2.0μm之间的颗粒具有更有效的污染物去除效果。在环境温度下运行的测试中，常规介质A和介质B对于直径在0.4μm和2.0μm之间的颗粒的累积油滴去除效率分别达到99.94％和99.97％。如图9所示，示出了介质A和介质B的分级效率的曲线图900。如图900所示，两种类型介质的分级效率相似。然而，介质A对于小于0.3μm的颗粒去除稍高，而介质B对于大于1.5μm的颗粒去除较高。对于曲轴箱通风应用，累积去除效率和较大颗粒的去除更受关注。尽管就去除而言获得相似的性能，介质B展现了比常规介质A显著更低的系统压降，这由图10的曲线图1000所示。介质B的较低压降比常规介质具有明显优势。实际上，如其他常规介质，介质A在不损失去除效率的情况下不能满足HSRC应用的压降要求。
应该注意的是，本文使用术语“示例”来描述各种实施例旨在表示这样的实施例是可能实施例的可能实例、表示和/或说明(并且这样的术语不旨在暗示这样的实施例必然是不一般的或最优的例子)。
如本文所使用的，术语“大约”或“近似”当与数字或范围连接时意味着经修改的数字或范围的正负百分之五。当范围描述为两个数字之间时，范围旨在包括界定该范围的两个数字。
如本文所使用的术语“联接”等意味着两个构件直接或间接地彼此接合。这种接合可以是静止的(例如永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的接合可以通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体，或者通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构件相互附接来实现。
本文参考的各元件的位置(例如，“顶”、“底”、“上”、“下”等)仅仅用于描述附图中各种元件的取向。应注意各种元件的取向可以根据其他示例实施例而有所不同，这种变形旨在包含在本文公开的范围内。
需要重点注意的是，各种示例实施例的构造和布置只是说明性的。尽管在本公开中仅仅详细描述了一些实施例，但是阅读本公开内容的本领域技术人员将容易理解，许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、维度、结构，形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等的变化)而实质上不脱离本文所述主题内容的新颖性教导和优点。例如，示出为整体形成的元件可以由多个部件或元件构成，元件的位置可以颠倒或者以其他方式变化，并且可以更改或改变分立元件的性质或数量或位置。任何过程或方法步骤的次序或顺序可以根据替代实施例而改变或重新排序。另外，如本领域普通技术人员将理解的，来自具体实施例的各特征可以与来自其他实施例的各特征组合。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以在各种示例实施例的设计、操作条件和布置中进行其他替代、修改，改变和省略。

Claims (39)

1.一种过滤介质，其特征在于，包括：
纤维，所述纤维具有介于5μ至40μm之间的几何平均纤维直径，所述纤维具有介于5％和30％之间的实密度；
其中，所述过滤介质形成为圆柱形的过滤介质包,并且所述过滤介质具有在大于20kPa的压强下、在200G下小于25％的压缩率，其中G由公式
Figure FDA0002267738440000011
定义，ω是单位为弧度每秒的所述过滤介质包的旋转速度，R是单位为米的所述过滤介质包的半径。
2.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述纤维由聚合物材料组成。
3.根据权利要求2所述的过滤介质，其特征在于，所述聚合物材料是针刺聚苯硫醚过滤介质。
4.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述过滤介质具有在1000G下小于25％的压缩率。
5.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，大约3％的所述纤维具有大于20μm的直径。
6.根据权利要求2所述的过滤介质，其特征在于，所述聚合物材料是单一聚合物材料、单一共聚物材料或单一聚合物共混物。
7.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述过滤介质在0.5英寸的水压降下具有少于或等于250立方英尺每分钟的弗雷泽渗透率。
8.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述纤维是第一纤维，所述几何平均纤维直径是第一几何平均纤维直径，其中所述过滤介质还包括具有第二几何平均纤维直径的第二纤维，所述第二几何平均纤维直径与所述第一几何纤维直径不同。
9.根据权利要求8所述的过滤介质，其特征在于，所述第二纤维叠在所述第一纤维上形成多层过滤介质。
10.根据权利要求8所述的过滤介质，其特征在于，所述第二纤维相对于所述第一纤维定位，使得所述过滤介质随所述过滤介质的深度而具有变化的过滤效率以形成梯度效率过滤介质。
11.根据权利要求8所述的过滤介质，其特征在于，所述过滤介质是包括所述第一纤维和所述第二纤维的复合过滤介质。
12.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述压缩率是在20摄氏度下。
13.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述压缩率是在120摄氏度下。
14.一种高速旋转聚结器元件，其特征在于，包括：
第一端板；
第二端板；
圆柱形过滤介质包，所述过滤介质包包括位于所述第一端板和所述第二端板之间的过滤介质，所述过滤介质包括几何平均纤维直径介于5μm至40μm之间的纤维，所述纤维具有介于5％和30％之间的实密度，所述过滤介质在大于20kPa的压强下、在200G下具有小于25％的压缩率，其中G由公式
Figure FDA0002267738440000021
定义，ω是单位为弧度每秒的所述过滤介质包的旋转速度，R是单位为米的所述过滤介质包的半径。
15.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述过滤介质在0.5英寸的水压降下具有小于或等于250立方英尺每分钟的弗雷泽渗透率。
16.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，还包括在所述第一端板和所述第二端板之间延伸的支撑罩，所述支撑罩邻接所述过滤介质包定位以使得所述支撑罩在所述聚结器元件旋转期间为所述过滤介质包提供支撑表面。
17.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述纤维由聚合物材料构成，并且所述聚合物材料是针刺聚苯硫醚过滤介质。
18.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述过滤介质具有在1000G下小于25％的压缩率。
19.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，大约3％的所述纤维具有大于20μm的直径。
20.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述过滤介质在0.5英寸的水压降下具有小于或等于250立方英尺每分钟的弗雷泽渗透率。
21.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述纤维是第一纤维，所述几何平均纤维直径是第一几何平均纤维直径，其中所述过滤介质还包括具有第二几何平均纤维直径的第二纤维，所述第二几何平均纤维直径与所述第一几何纤维直径不同。
22.根据权利要求21所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述第二纤维叠在所述第一纤维上形成多层过滤介质。
23.根据权利要求21所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述第二纤维相对于所述第一纤维定位，使得所述过滤介质随所述过滤介质的长度而具有变化的过滤效率以形成梯度效率过滤介质。
24.根据权利要求21所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述过滤介质是包括第一纤维和第二纤维的复合过滤介质。
25.根据权利要求14所述的高速旋转聚结器元件，其特征在于，所述纤维有聚合物材料组成。
26.一种用于高速旋转聚结器的过滤介质包，其特征在于，所述过滤介质包包括：
过滤介质，所述过滤介质形成为圆柱形的过滤介质包，所述过滤介质具有聚合物材料的纤维，所述纤维具有介于5μm至40μm之间的几何平均纤维直径，所述纤维具有介于5％和30％之间的实密度，所述过滤介质在大于20kPa压强下、在200G下具有小于25％的压缩率，其中G由公式
Figure FDA0002267738440000031
定义，ω是单位为弧度每秒的所述过滤介质包的旋转速度，R是单位为米的所述过滤介质包的半径。
27.根据权利要求26所述的过滤介质包，其特征在于，所述纤维在0.5英寸的水压降下具有小于或等于250立方英尺每分钟的弗雷泽渗透率。
28.根据权利要求26所述的过滤介质包，其特征在于，所述纤维由聚合物材料组成。
29.根据权利要求28所述的过滤介质包，其特征在于，所述聚合物材料是针刺聚苯硫醚过滤介质。
30.根据权利要求26所述的过滤介质包，其特征在于，所述过滤介质具有在1000G下小于25％的压缩率。
31.根据权利要求26所述的过滤介质包，其特征在于，大约3％的所述纤维具有大于20μm的直径。
32.根据权利要求26所述的过滤介质包，其特征在于，所述过滤介质布置在圆柱体中。
33.根据权利要求26所述的过滤介质包，其特征在于，所述纤维是第一纤维，所述几何平均纤维直径是第一几何平均纤维直径，其中所述过滤介质还包括具有第二几何平均纤维直径的第二纤维，所述第二几何平均纤维直径与所述的第一几何纤维直径不同。
34.根据权利要求33所述的过滤介质包，其特征在于，所述第二纤维叠在所述第一纤维上形成多层过滤介质。
35.根据权利要求33所述的过滤介质包，其特征在于，所述第二纤维相对于所述第一纤维定位，使得所述过滤介质随所述过滤介质的长度而具有变化的过滤效率以形成梯度效率过滤介质。
36.根据权利要求33所述的过滤介质包，其特征在于，所述过滤介质是包括所述第一纤维和所述第二纤维的复合过滤介质。
37.一种过滤介质，其特征在于，包括：
纤维，所述纤维具有介于5μm至30μm之间的几何平均纤维直径，所述纤维具有介于5％和25％之间的实密度；
其中，所述过滤介质形成为圆柱形的过滤介质包，所述过滤介质具有在大于20kPa压强下、在200G下小于25％的压缩率，其中G由公式
Figure FDA0002267738440000041
定义，ω是单位为弧度每秒的所述过滤介质包的旋转速度，R是单位为米的所述过滤介质包的半径并且所述过滤介质在0.5英寸的水压降下具有小于或等于250立方英尺每分钟的弗雷泽渗透率。
38.根据权利要求37所述的过滤介质，其特征在于，所述纤维由聚合物材料构成。
39.根据权利要求37所述的过滤介质，其特征在于，所述过滤介质具有在1000G下小于25％的压缩率。
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