Двухступенчатый водоотделитель для топлива и фильтр для отделения твердых частиц - RU2557613C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Это изобретение относится к водоотделителю для топлива и фильтру для отделения твердых частиц, сконструированных для предоставления высокой эффективности удаления воды и твердых частиц. Описание этой заявки, в частности, связано с описаниями заявки на патент США № 12/820784, зарегистрированной 22 июня 2010 г. и озаглавленной «TWO STAGE WATER SEPARATOR AND PARTICULATE FILTER», и заявки на патент США № 12/820791, зарегистрированной 22 июня 2010 г. и озаглавленной «MODULAR FILTER ELEMENTS FOR USE IN A FILTER-1N-FILTER CARTRIDGE», в отношении которых данная заявка испрашивает преимущество приоритета и содержание которых включено в данный документ посредством ссылки во всей его полноте.

Уровень техники

Фильтры для жидкостей широко известны и используются в различных системах фильтрации и видах применения, например, там, где имеется потребность в отделении твердых частиц и/или жидкости от рабочей жидкости в защищенной системе. В качестве одного из примеров, системы фильтрации топлива для двигателей хорошо известны и могут применять фильтры для текучих сред, которые направлены на отделение воды и твердых частиц от топлива. Фильтрующие картриджи в некоторых из этих фильтров имеют один фильтрующий элемент со средой, сконфигурированной, чтобы коалесцировать воду, и имеют другой фильтрующий элемент, который имеет среду, сконфигурированную для дополнительной фильтрации топлива и отделения коалесцированной воды от топлива. Во многих случаях фильтрующие элементы расположены в виде концентрической конфигурации с фильтром внутри фильтра, в которой внешний фильтрующий элемент окружает внутренний фильтрующий элемент.

Сущность изобретения

Описан фильтр, который обладает улучшенной способностью к разделению смесей топливо-вода на протяжении срока службы фильтра. Фильтр имеет двухступенчатую конфигурацию, например концентрическую конфигурацию с фильтром внутри фильтра, при первой или внешней ступени, сконфигурированной главным образом, чтобы коалесцировать воду из топлива или другой текучей среды, с которой фильтр используется, и второй или внутренней ступени, сконфигурированной, чтобы отделять коалесцированную воду от жидкости и также удалять тонкие твердые частицы загрязняющих веществ из текучей среды. Фильтр предпочтительно сконфигурирован для применения с топливом, таким как дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD) или биодизельное топливо, однако идеи в отношении фильтра, описанного в данном документе, могут быть использованы с любым типом текучей среды, для которой требуется отделение воды от текучей среды, например с жидкостью для гидравлической системы, маслом или смазочной жидкостью, воздухом и т.п. При применении для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD), биодизельного топлива или других топлив, имеющих низкие величины поверхностного натяжения на границе раздела (IFT), например величины поверхностного натяжения на границе раздела (IFT) менее чем примерно 15 дин/см, достигается улучшенное разделение смесей топливо-вода.

В одном из вариантов осуществления фильтр может быть изготовлен полностью из полимерных материалов. Например, двухступенчатый фильтр, включая среду и торцевые крышки, может быть изготовлен из термопластичного(ых) материала(ов), чтобы способствовать избавлению от отработанного фильтра, например, посредством утилизации или сжигания. Применение полностью полимерных (например, термопластичных) слоев среды делает возможным улучшенное связывание смежных слоев среды одного с другим. В дополнение к этому, полимерная среда предоставляет более высокую химическую стойкость/совместимость по сравнению со средой, образованной из других неполимерных материалов. Кроме того, определенные свойства среды, например размер пор и распределение пор по размеру, лучше регулируются при применении полимерных сред.

Хотя фильтр будет описан главным образом как имеющий двухступенчатую конфигурацию, первая ступень может быть применена сама по себе в одноступенчатой конфигурации, применена в комбинации с другими конструкциями второй ступени или применена в комбинации с двумя или более дополнительными ступенями. Аналогичным образом, вторая ступень может быть применена сама по себе в одноступенчатой конфигурации, применена в комбинации с другими конструкциями первой ступени или применена в комбинации с двумя или более дополнительными ступенями.

В одном из вариантов осуществления фильтр для коалесцирования жидкости включает гофрированный цилиндр из полимерной среды, сконфигурированный, чтобы коалесцировать воду, которая имеется в жидкости. Гофрированный цилиндр из полимерной среды имеет впадины складок и расположенные ниже по потоку вершины складок и места отвода расположенные на расположенных ниже по потоку вершинах складок или рядом с ними.

В одном из вариантов осуществления гофрированный цилиндр среды имеет противоположные концы, которые прикреплены к торцевым крышкам, например, при применении адгезива, заделыванием концов в торцевых крышках, которые предпочтительно изготовлены из полимерного (например, термопластичного) материала, при применении механических крепежных средств или при применении других подходящих методов закрепления. Гофрированный цилиндр может иметь единственный слой или более слоев среды.

Места отвода могут быть расположены, например, на местах соединения расположенных ниже по потоку вершин складок и негофрированного цилиндра из полимерной (например, термопластичной) среды или расположены на месте отверстий, образованных в расположенных ниже по потоку вершинах складок. Когда негофрированный цилиндр расположен рядом с вершинами складок, расстояние между внутренними вершинами гофрированного цилиндра и негофрированным цилиндром является таким, что отсутствует значительный зазор или существенное разделение между ними. Вершины складок гофрированного цилиндра могут быть закреплены или могут быть не закреплены на внешней поверхности негофрированного цилиндра. Также опорный цилиндр для поддержки среды может быть расположен между вершинами складок и негофрированным цилиндром или расположен внутри негофрированного цилиндра и окружен им.

В случае двухступенчатой конфигурации первая ступень расположена выше по потоку второй ступени с зазором между ними. Например, первая и вторая ступени могут быть в компоновке с фильтром в фильтре, при первой ступени, являющейся внешней ступенью, и второй ступенью, являющейся внутренней ступенью. Внешняя ступень включает гофрированный цилиндр из полимерной (например, термопластичной) среды, сконфигурированный, чтобы коалесцировать воду, которая находится в текучей среде. Гофрированный цилиндр имеет впадины складок и расположенные ниже по потоку вершины складок и места отвода, расположенные на расположенных ниже по потоку вершинах складок. Внутренняя ступень включает негофрированный цилиндр из полимерной (например, термопластичной) среды, окружающий многослойный гофрированный цилиндр из полимерной (например, термопластичной) среды, и внутренняя ступень сконфигурирована, чтобы отделять коалесцированную воду от потока текучей среды и удалять тонкие твердые частицы загрязняющих веществ из потока текучей среды.

Внешняя ступень и внутренняя ступень могут быть прикреплены к торцевым крышкам. Торцевые крышки могут быть разделены таким образом, что внешняя ступень включает торцевые крышки, присоединенные к ее противоположным концам, а внутренняя ступень включает торцевые крышки, присоединенные к ее противоположным концам. В другом варианте осуществления внешняя ступень и внутренняя ступень могут использовать совместно одну или обе торцевые крышки, при этом единственная общая крышка присоединена к одному концу каждой из внешней ступени и внутренней ступени, и единственная общая крышка присоединена к противоположному концу каждой из внешней ступени и внутренней ступени.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой вид с пространственным разделением деталей одного из вариантов осуществления двухступенчатого фильтра, описанного в данном документе.

Фиг.2 представляет собой вид поперечного сечения двухступенчатого фильтра по фиг.1 в собранном состоянии.

Фиг.3 представляет собой вид с пространственным разделением деталей другого варианта осуществления двухступенчатого фильтра, в котором могут быть использованы идеи, описанные в данном документе.

Фиг.4 представляет собой вид с пространственным разделением деталей первой или внешней ступени двухступенчатого фильтра по фиг.1 и 2.

Фиг.5 представляет собой вид с пространственным разделением деталей второй или внутренней ступени двухступенчатого фильтра по фиг.1 и 2.

Фиг.6A-6C показывают различные конфигурации слоев среды первой ступени.

Фиг.7 показывает типичную конфигурацию слоев среды второй ступени.

Фиг.8 показывает пример внешней ступени со щелями, отверстиями или проемами, сформированными в расположенных ниже по потоку вершинах складок, чтобы образовать места отвода.

Подробное описание

Конфигурация двухступенчатого фильтра с первой ступенью, которая сконфигурирована главным образом, чтобы коалесцировать воду из потока текучей среды, с которой фильтр используется, и второй ступенью, которая сконфигурирована, чтобы отделять коалесцированную воду от потока текучей среды и также удалять тонкие твердые частицы загрязняющих веществ из потока текучей среды. Текучая среда первоначально протекает через первую ступень, после чего протекает через вторую ступень. Хотя фильтр будет описан главным образом как имеющий двухступенчатую конфигурацию, первая ступень может быть применена сама по себе в одноступенчатой конфигурации, применена в комбинации с другими конструкциями второй ступени, чем те, что описаны в данном документе, или применена в комбинации с двумя или более дополнительными ступенями. Аналогичным образом, вторая ступень может быть применена сама по себе в одноступенчатой конфигурации, применена в комбинации с другими конструкциями первой ступени, чем те, что описаны в данном документе, или применена в комбинации с двумя или более дополнительными ступенями.

Фильтр предпочтительно сконфигурирован для применения к топливу, предпочтительно дизельному топливу, такому как дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD), биодизельное топливо или другие топлива, имеющие низкие величины поверхностного натяжения на границе раздела (IFT), для фильтрации топлива перед достижением им двигателя, в котором топливо сжигается. Однако идеи фильтра, описанные в данном документе, могут быть использованы с любым типом текучей среды, для которой требуется отделение воды от текучей среды, например с жидкостью для гидравлической системы, маслом или смазочной жидкостью, воздухом и т.п.

Фиг.1 и 2 иллюстрируют пример двухступенчатого фильтра 10, имеющего верхнюю по потоку первую ступень 12, которая сконфигурирована главным образом, чтобы коалесцировать воду из потока текучей среды, и вторую ступень 14, расположенную ниже по потоку от первой ступени 12, которая сконфигурирована, чтобы отделять коалесцированную воду от потока текучей среды и также удалять тонкие твердые частицы загрязняющих веществ из потока текучей среды. В этом примере фильтр 10 является конструкцией с фильтром в фильтре, сконфигурированной для протекания от периферии к центру, при первой ступени 12, являющейся внешней ступенью для коагуляции, и второй ступенью 14, являющейся внутренней ступенью для разделения, при том, что внешняя ступень окружает внутреннюю ступень с зазором 16 между ними. Фильтр 10 сконфигурирован таким образом, что расположен внутри корпуса фильтра, при этом корпус закреплен на головке фильтра. Пример этого типа корпуса фильтра и закрепления на головке, используемого для одноступенчатого фильтра, описан в публикации заявки на патент США № 2007/0267338.

Торцевая крышка 18 соединена с первым или верхним концом первой ступени 12, а торцевая крышка 20 соединена со вторым или нижним концом первой ступени. Торцевые крышки 18, 20 изготовлены из полимерного материала, например термопластичного материала, и концы среды первой ступени соответствующим образом прикреплены к торцевым крышкам, например, при применении адгезива, заделывания концов среды в торцевые крышки или других подходящих методов закрепления. В другом варианте осуществления торцевые крышки 18, 20 могут быть изготовлены из неполимерного материала, например металла, при закреплении концов среды на металлических торцевых крышках при применении герметизирующего материала, известного в данной области техники.

Как показано на фиг.2, торцевая крышка 18 включает центральное отверстие 22, образованное втулкой 23, которая образует выпускной канал для текучей среды, которая профильтрована фильтром 10. Эластомерная уплотнительная прокладка 25 окружает втулку 23 для герметизирующего контактирования с головкой фильтра, когда фильтр и корпус фильтра смонтированы. Торцевая крышка 20 включает отверстие 24, которое делает возможным введение второй ступени 14 внутрь первой ступени 12 во время сборки фильтра.

В дополнение к этому, торцевая крышка 26 соединена с первым или верхним концом второй ступени 14, а торцевая крышка 28 соединена со вторым или нижним концом второй ступени. Торцевые крышки 26, 28 также изготовлены из полимерного материала, например термопластичного материала, и концы среды второй ступени соответствующим образом прикреплены к торцевым крышкам, например, при применении адгезива, заделывания концов среды в торцевые крышки или других подходящих методов закрепления. В другом варианте осуществления торцевые крышки 26, 28 изготовлены из неполимерного материала, например металла, при закреплении концов среды на металлических торцевых крышках при применении герметизирующего материала, известного в данной области техники.

Торцевая крышка 26 включает центральное отверстие 30 (см. фиг.1, 2 и 5), которое делает возможным скольжение торцевой крышки 26 по цилиндрической трубе 32 и размещение на ней (см. фиг.2), вытянутое вниз от торцевой крышки 18 и образующее часть центрального отверстия 22. Торцевая крышка 28 обычно закрыта, чтобы предотвращать протекание топлива через торцевую крышку 28.

Первая ступень 12 и вторая ступень 14 могут быть соединены одна с другой при применении любого подходящего метода соединения. Пример подходящего метода соединения описан в публикации заявки на патент США № 2009/0065425. При применении метода, описанного в публикации № 2009/0065425, торцевые крышки 18, 26 могут быть соединены с помощью раздавливаемых ребер, наряду с тем, что торцевые крышки 20, 28 могут быть соединены с помощью применения упругих рычагов 34, которые защелкиваются при соединении с торцевой крышкой 20.

Фиг.1 и 2 иллюстрируют, что торцевые крышки 18, 20 первой ступени 12 отделены от торцевых крышек 26, 28 второй ступени 14. Однако в другом варианте осуществления первая ступень 12 и вторая ступень 14 могут использовать совместно общие торцевые крышки, при этом единственная общая торцевая крышка присоединена к первым или верхним концам первой ступени и второй ступени, и единственная общая торцевая крышка присоединена ко вторым или нижним концам первой ступени и второй ступени. Пример первой ступени и второй ступени, использующие совместно общие торцевые крышки, может быть найден в публикации заявки на патент США № 2007/028991.

Фиг.3 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей другого варианта осуществления двухступенчатого фильтра 40, сконфигурированного в виде конструкции с фильтром в фильтре для протекания от периферии к центру, который может использовать идеи изобретения, описанные в данном документе, с первой ступенью 42, являющейся внешней ступенью для коагуляции, и второй ступенью 44, являющейся внутренней ступенью для разделения, при том, что внешняя ступень окружает внутреннюю ступень с зазором между ними. Фильтрующая среда первой ступени 42 и фильтрующая среда второй ступени 44 соединены с торцевыми крышками 46, 48 и 51, 53, соответственно, таким же образом, как описано выше для торцевых крышек 18, 20, 26, 28, хотя также может быть использована общая торцевая крышка на каждом конце. Фильтр 40 сконфигурирован таким образом, чтобы быть установленным над нагнетательной трубой внутри корпус фильтра. Кроме того, подробности этого общего типа конструкции двухступенчатого фильтра описаны в публикации заявки на патент США № 2009/0065425.

Фиг.4 и 5 иллюстрируют детали первой или внешней ступени 12 для коагуляции и второй или внутренней ступени 14 для разделения фильтра 10, соответственно. Ступени 42, 44 фильтра 40 сконфигурированы по существу таким же образом, что и ступени 12, 14, за исключением торцевых крышек, и не будут описываться отдельно.

Как показано на фиг.2 и 4, первая или внешняя ступень 12 для коагуляции включает гофрированный цилиндр 50 из полимерной среды, который в собранном состоянии окружает негофрированный цилиндр 52 из полимерной среды. Как показано на фиг.2 и 5, вторая или внутренняя ступень 14 для разделения включает негофрированный цилиндр 54 из полимерной среды, который в собранном состоянии окружает гофрированный цилиндр 56 из полимерной среды.

При возвращении к фиг.2 и 4, гофрированная среда 50 включает внутренние (т.е. ниже по потоку) вершины 60 складок, которые при применении расположены рядом с внешней поверхностью цилиндра 52, так что отсутствует значительный зазор или существенное разделение между ними. В одном из вариантов осуществления внутренние вершины 60 складок находятся в плотном контакте с внешней поверхностью цилиндра 52. Внутренние вершины 60 складок могут быть или могут не быть закреплены или зафиксированы на внешней поверхности цилиндра 52, однако они расположены рядом с цилиндром, например, при соприкосновении с ним.

Фиг.6A показывает вид поперечного сечения одного из вариантов осуществления первой ступени 12 с толщиной слоев, преувеличенной для ясности. На фиг.6A расположенные ниже по потоку вершины складок 60 гофрированной среды 50 находятся в непосредственном, плотном контакте с внешней поверхностью негофрированной среды 52, при том, что вершины 60 опционально закреплены или не закреплены на указанной внешней поверхности. Таким образом, в варианте осуществления на фиг.6A не используется центральная труба, сито, элемент в виде клетки или другой опорный элемент для среды первой ступени 12. В этом случае, негофрированная среда 52 и/или гофрированная среда 50 должна быть достаточно жесткой, чтобы действовать сама по себе как опорный элемент.

Фиг.6B показывает другой вариант осуществления первой ступени, в котором центральная труба, сито, элемент в виде клетки, пружина или другой опорный цилиндрический элемент 70 для среды первой ступени 12 расположен ниже по потоку цилиндра 52 из негофрированной среды и смежным с ним образом. Опорный элемент 70, если он используется, может быть сформирован из полимерного материала, например термопластичного материала, и снабжен отверстиями, чтобы предоставить возможность протекания текучей среды через первую ступень ко второй ступени. Опциональный опорный элемент 70 используется, чтобы предотвращать сплющивание внутренней негофрированной среды 52 под воздействием потока и перепада давления текучей среды. В идеальном случае, однако, гофрированная 50 и негофрированная среда 52 совместно предоставляют достаточную прочность и жесткость, делающую ненужным применение опорного элемента 70. В варианте осуществления на фиг.6B негофрированная среда 52 может быть соединена с опорным элементом 70 лишь на торцевых крышках, поскольку отсутствует необходимость ее соединения где-либо в другом месте вследствие давления текучей среды во время применения. Тем не менее, негофрированная среда 52 может быть прикреплена к опорному элементу 70 в любых подходящих местах.

Фиг.6C показывает другой вариант осуществления первой ступени, в котором опорный элемент 70 расположен между расположенной выше по потоку гофрированной средой 50 и расположенной ниже по потоку негофрированной средой 52, смежным с ними образом и при соприкосновении с ними. На фиг.6C опорный элемент 70 обеспечивает поддержку гофрированной среде 50, внутренние вершины 60 складок которой находятся в плотном контакте с ним, наряду с тем, что негофрированная среда 52 расположена внутри опорного элемента 70, в его ниже по потоку и в плотном контакте с ним. Негофрированная среда 52 может быть термически приварена к полимерному опорному элементу 70 или сформована литьем вместе с ним, чтобы прикрепить ее к опорному элементу.

На фиг.6A-6C номера 1-5 обозначают, в порядке от выше по потоку к ниже по потоку в направлении потока текучей среды, разные слои среды одного из примеров гофрированной среды 50. В примерах, описанных в данном документе, слои гофрированной среды 50 изготовлены из полимерных материалов, например термопластичных материалов.

В одном из вариантов осуществления гофрированная среда 50 может включать три слоя полимерной, волокнистой фильтрующей среды (1-3), один слой полимерной нановолокнистой среды (4) и конечный слой (5) полимерной волокнистой среды. В этом примере негофрированная среда 52 является одиночным слоем полимерной волокнистой среды, сформированным в виде трубы и размещенным внутри гофрированной среды 50 с его расположенной выше по потоку поверхностью, находящейся в непосредственном соприкосновении с гофрированной средой посредством вершин 60 складок или в косвенном соприкосновении с гофрированной средой 50 посредством промежуточного опорного элемента 70.

Типично, длины в осевом направлении L₁ (см. фиг.2) слоев гофрированной среды 50, негофрированной среды 52 и опорного элемента (если он используется) являются одинаковыми, при этом концы каждого из них встроены в торцевые крышки 18, 20 или герметизированы посадкой в адгезив, например полиуретан, или присоединены иным образом к торцевым крышкам, с тем, чтобы предотвращать обход среды нефильтрованной жидкостью.

Наряду с тем, что фиг.6A-6C показывают пять слоев для гофрированной среды 50 и один слой для негофрированной среды 52, больше или меньше слоев могут быть использованы для гофрированной среды 50 и негофрированной среды 52 в зависимости, например, от требований вида применения и конструкции коагулятора.

Теперь будут описаны функционирование и конструктивные ограничения для каждого слоя первой ступени или ступени 12 для коагуляции и то, как и когда они применяются. Для иллюстративных целей, примеры каждого слоя описаны в таблице 1 для трех разных комбинаций сред, на которые делается ссылка как на коагулятор X, Y, и Z. Следует указать на то, что эти три комбинации сред отражают выбор конструкционных решений на основе того определения, что в топливах с низким поверхностным натяжением на границе раздела, таких как дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD) и биодизельное топливо, имеет место относительно небольшая термодинамическая движущая сила для коалесценции, и кинетика коалесценции склонна быть медленной. Примеры, описанные в данном документе, спроектированы для физического замедления прохождения капель через среду и для увеличения их концентрации в определенных местах внутри коагулятора.

Комбинации среды, материалы и свойства, перечисленные в таблице 1, являются лишь примерами и представляют собой комбинации, материалы и свойства, которые, как полагают авторы изобретения, на момент регистрации данной заявки, могли бы предоставлять адекватные результаты определения эксплуатационных характеристик в отношении топливных систем с общей магистралью высокого давления для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD) или биодизельного топлива. Дополнительные исследования могут выявить подходящие комбинации среды, материалы и свойства материалов, иные, чем те, что перечислены в таблице 1, как в отношении дизельных топливных систем с общей магистралью высокого давления для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD) или биодизельного топлива, так и в отношении других видов текучих сред в других типах систем.

Поэтому, несмотря на то, что в таблице 1 приведен перечень различных конкретных термопластичных материалов, таких как полиамид, полибутилентерефталат и полиэтилентерефталат, слои среды не ограничиваются этими конкретными термопластичными материалами. Могут быть применены и другие термопластичные материалы. Кроме того, слои среды не ограничиваются термопластичными материалами. Другие полимерные материалы могут быть применены для слоев среды, включая, однако не ограничиваясь ими, термоотверждающиеся пластики.

В таблице 1 (и таблице 2 ниже): величина в г/м² определяется как граммы на квадратный метр, величина в куб.футах/мин определяется как кубические футы в минуту; толщина определяется от выше по потоку к ниже по потоку для основного направления потока жидкости через слои среды.

Коагулятор X

Пример коагулятора X включает по меньшей мере 6 слоев среды, и может быть использован опциональный опорный элемент. Слои 1-5 образуют гофрированную среду 50, и слой 6 образует негофрированный цилиндр 52. Коагулятор X может быть назван коагулятором с изменением скорости (см., например, публикацию PCT № WO 2010/042706) для применения в конструкции с фильтром в фильтре.

Слой 1 функционирует как предварительный фильтр и уменьшает перепад давления на внешней ступени 12. Слой 1 является более открытым (например, имеет более высокую пористость, больший размер пор, больший средний диаметр волокон, более высокую проницаемость по Фрейзеру и/или более низкую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 2.

Слой 2 функционирует, чтобы улавливать тонкие эмульгированные капли, например капли воды в дизельном топливе с ультранизким содержанием серы (ULSD). Слой 2 является более плотным (например, имеющим более низкую пористость, меньший размер пор, меньший средний диаметр волокон, более низкую проницаемость по Фрейзеру и/или более высокую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 3.

Слой 3 функционирует, чтобы уменьшать скорость потока внутри слоя и предоставлять пространство для того, чтобы капли, уловленные в слое 2, стекали, аккумулировались и коалесцировали. Физические свойства слоя 3 являются такими, что скорость потока в этом слое меньше, чем в слое 4. Слой 3 является более открытым (например, имеет более высокую пористость, больший размер пор, больший средний диаметр волокон, более высокую проницаемость по Фрейзеру и/или более низкую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 4.

Слой 4 функционирует, чтобы улавливать капли, которые не были уловлены предшествующими слоями, особенно более тонкие капли, и чтобы служить в качестве полупроницаемого барьера для прохождения уловленных капель. Функционирование в качестве полупроницаемого барьера принуждает капли к концентрированию и к аккумулированию в слое 3, предоставляя им больше времени и увеличенную возможность для протекания коалесценции. Слой 4 также является причиной локально увеличенной скорости потока и временного увеличения площади поверхности капель, что дополнительно улучшает коалесценцию. Скорость потока в слое 4 выше, чем в слое 5. Слой 4 является более плотным (например, имеет более низкую пористость, меньший размер пор, меньший средний диаметр волокон, более низкую проницаемость по Фрейзеру и/или более высокую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 5.

Слой 4 может быть, например, термопластичной нановолокнистой фильтрующей средой с диаметром волокон менее чем 1 мкм, которая способствует достижению требуемой очень высокой эффективности удаления воды для современных топливных систем с общей магистралью высокого давления для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD) или биодизельного топлива. Слой 4 может быть сформирован при применении процесса электровыдувания, однако может быть сформирован при применении других подходящих процессов. В дополнение к свойствам, приведенным в таблице 1 для слоя 4, слой 4 может также иметь соотношение максимального и среднего размера пор менее чем примерно 3 и более предпочтительно менее чем примерно 2.

Слой 5 функционирует, чтобы создавать окружение с уменьшенной скоростью для коалесцированных капель, сформированных в предшествующих слоях, чтобы они могли собираться и отводиться перед высвобождением. Слой 5 является более открытым (например, имеет более высокую пористость, больший размер пор, больший средний диаметр волокон, более высокую проницаемость по Фрейзеру и/или более низкую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 4.

Слой 6 (т.е. негофрированный цилиндр 52) функционирует, чтобы предоставлять места отвода для коалесцированных капель. В связи с этим, слой 6 является более открытым (например, имеет более высокую пористость, больший размер пор, больший средний диаметр волокон, более высокую проницаемость по Фрейзеру и/или более низкую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 5. В одном из вариантов осуществления слой 6 также предоставляет опору для первой ступени 12, как рассмотрено выше для фиг.6A, устраняя необходимость в отдельном опорном элементе.

Коагулятор Y

В примере коагуляторе Y два или три слоя среды используются с опциональным опорным элементом или без него. Коагулятор Y может быть назван однослойным поверхностным коагулятором (см. заявку на патент США с порядковым № 61/178738, зарегистрированную 15 мая 2009 г., и заявку на патент США с порядковым № 12/780392, зарегистрированную 14 мая 2010 г.) для применения в конструкции с фильтром в фильтре.

Первый слой, слой 4, функционирует, чтобы предоставлять полупроницаемый барьер для прохождения тонких эмульгированных капель, принуждая их концентрироваться на его верхней по потоку поверхности. Таким образом, капли имеют время и подходящее окружение для протекания коалесценции и роста капель. Слой 4 является сравнительно плотным слоем с характеристиками, сравнимыми со слоем 4 в коагуляторе X или даже плотнее. Слой 4 основывается на просеивании, чтобы предотвратить прохождение тонких капель, и в этом примере может являться термопластичной нановолокнистой фильтрующей средой с волокнами диаметром менее чем примерно 1 мкм, иметь средний размер пор меньше, чем средний размер поступающих капель, и может иметь соотношение максимального и среднего размера пор менее чем примерно 3 и предпочтительно менее чем примерно 2. Слой 4 может быть сформирован при применении процесса электровыдувания, однако может быть сформирован при применении других подходящих процессов.

Слой 5 является опциональным и предоставляет опору для слоя 4, если это требуется, и служит в качестве пути для стекания коалесцированных капель, продавленных через слой 4. Слой 5 также соединяет слой 4 со слоем 6 для отделения (т.е. негофрированным цилиндром 52). Слой 5 создает окружение с уменьшенной скоростью для коалесцированных капель, чтобы они могли собираться и отводиться перед высвобождением. Слой 5 (если он используется) является более открытым, чем слой 4, и является структурно более прочным, чтобы предоставлять опору слою 4 и содействовать функционированию фильтрующей среды.

Коагулятор Y имеет дополнительный негофрированный слой 6 (т.е. негофрированный цилиндр 52) ниже по потоку от слоя 4 и опциональный слой 5, который предоставляет места отвода для коалесцированных капель. Слой 6 является более открытым, чем опциональный слой 5.

Коагулятор Z

В примере коагулятора Z используются три или более слоев среды с опциональным опорным элементом (см. заявку на патент США с порядковым № 61/179170, зарегистрированную 18 мая 2009 г.; заявку на патент США с порядковым № 61/179939, зарегистрированную 20 мая 2009 г.; и заявку на патент США с порядковым № 12/780392, зарегистрированную 14 мая 2010 г. Коагулятор Z является более комплексным поверхностным коагулятором, чем коагулятор Y, в конструкции с фильтром в фильтре.

Слой 3 функционирует, чтобы уменьшать перепад давления на коагуляторе, и служит в качестве предварительного фильтра для отделения твердых частиц для коагулятора и чтобы увеличить срок его службы. Слой 3 является более открытым, чем слой 4, и имеет более высокое капиллярное давление (т.е. большее избыточное капиллярное давление), чем слой 4.

Назначения и свойства слоя 4, слоя 5 (опционального) и слоя 6 являются такими же, как описано для коагулятора Y.

Во всех трех коагуляторах X, Y и Z представляет интерес природа перехода от слоя 5 к слою 6. В проиллюстрированных и описанных вариантах осуществления слои 1-5 являются гофрированными. В связи с этим, профиль протекания потока в складках и протягивание уловленных капель побуждает их накапливаться во впадинах 62 (в направлении ниже по потоку) складок гофра. Это приводит к концентрированию капель в этой локализованной области, увеличивая коалесценцию посредством предоставления увеличенного времени для коалесценции капель, прежде чем они высвобождаются. Авторы данного изобретения наблюдали, что коалесцированные капли проявляют тенденцию к высвобождению из одних и тех же активных областей или зон на поверхности коагуляторов ниже по потоку, в то время как высвобождение небольших капель происходит где-нибудь в другом месте. Это указывает на то, что как только путь для выпуска через среду создан, он используется повторно.

В описанной первой ступени предпочтительные пути для выпуска, заканчивающиеся в более крупных порах, образованы плотного контакта внутренних вершин складок слоя 4 (для коагуляторов Y и Z) или слоя 5 (для коагулятора X, а также коагуляторов Y и Z, если слой 5 включен) с расположенной выше по потоку поверхностью негофрированного слоя 6. В месте соприкосновения между гофрированной средой и негофрированной средой возникает локализованное разрушение пористой структуры среды, которое создает эти предпочтительные пути для выпуска. Результатом является высвобождение капель большего размера. Кроме того, эти пути для выпуска возникают на дне 64 впадин 62 складок гофра (см. фиг.6A, 6B и 6C), где коалесцированные капли имеют тенденцию к концентрированию, и данный эффект является наибольшим. Соприкосновение между слоями 4 или 5 и слоем 6 не обязательно является непосредственным. Вместо этого, такие же преимущества могут быть достигнуты косвенным образом, посредством того, что внутренние или находящиеся ниже по потоку вершины 60 складок гофрированной среды 50 непосредственно соприкасаются с пористым опорным элементом 70, который, в свою очередь, находится в непосредственном соприкосновении со слоем 6 (т.е. негофрированным цилиндром 52) на своей стороне ниже по потоку, как показано на фиг.6C.

В дополнительном варианте осуществления гофрированная среда 50 может быть такой, как описано в случае примеров коагуляторов X, Y или Z, описанных выше, за исключением того, что слой 6, т.е. негофрированный цилиндр 52, может отсутствовать. Этот дополнительный вариант осуществления достигает такого же профиля протекания потока внутри складок гофра и таких же эффектов в отношении отвода уловленных капель, что и в коагуляторах X, Y или Z, чтобы обусловить концентрирование мелких капель и коалесцированных капель во впадинах 62 складок гофра для улучшения коалесценции. Однако вместо отвода коалесцированных капель к слою 6. капли высвобождаются из небольших щелей или отверстий (т.е. проемов) на внутренних вершинах 60 складок. Эти проемы могут быть сформированы прошивкой иглой или другими средствами и могут иметь размер порядка 30-300 мкм. Проемы служат в качестве мест отвода для коалесцированных капель.

Фиг.8 иллюстрирует пример проемов 80, сформированных на внутренних вершинах складок гофрированной среды 50. Также может присутствовать опциональный слой 82 с относительно большим размером пор (по сравнению со средой 50), который может являться эквивалентом негофрированного цилиндра 52 или опорного элемента 70. Как проиллюстрировано на фиг.8, во время протекания, эмульсия, содержащая мелкие капли воды, втекает в складку в месте (1). В месте (2) мелкие капли воды, которые не в состоянии пройти через барьер, образованный средой, протекают вдоль поверхности среды к впадине складки. В месте (3) мелкие капли воды накапливаются во впадине и коалесцируют в более крупные капли. В месте (4) перепад давления принуждает коалесцированные капли к прохождению через проем 80 на вершине складки. В месте (5) капли высвобождаются через слой 82, если он присутствует. В месте (6) коалесцированные капли воды оседают и/или переносятся вниз по потоку к внешнему, негофрированному цилиндру 54 второй ступени 14, где они отделяются и отводятся.

Фиг.7 и таблица 2 представляют типичную конфигурацию второй или внутренней ступени 14 для разделения. Вторая ступень 14 служит, чтобы отделять коалесцированные капли воды из потока текучей среды и чтобы удалять тонкие твердые частицы загрязняющих веществ из потока текучей среды. Вторая ступень 14 включает внешний, негофрированный цилиндр 54, находящийся в плотном соприкосновении с внешними вершинами складок внутреннего многослойного гофрированного цилиндра 56.

Как показано на фиг.2, длины L₂ в осевом направлении негофрированного цилиндра 54 и гофрированного цилиндра 56 являются по существу одинаковыми, при этом концы цилиндров встроены в торцевые крышки 26, 28 или герметизированы посадкой в адгезив, например полиуретан, или присоединены иным образом к торцевым крышкам, с тем, чтобы предотвращать обход среды нефильтрованной жидкостью.

Комбинации среды, материалы и свойства, перечисленные в таблице 2, являются лишь примерами и представляют собой комбинации, материалы и свойства, которые, как полагают авторы изобретения, на момент регистрации данной заявки, могли бы предоставлять адекватные результаты определения эксплуатационных характеристик в отношении топливных систем с общей магистралью высокого давления для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD) или биодизельного топлива. Дополнительные исследования могут выявить подходящие комбинации среды, материалы и свойства материалов, иные, чем те, что перечислены в таблице 2, как в отношении дизельных топливных систем с общей магистралью высокого давления для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD) или биодизельного топлива, так и в отношении других видов текучих сред в других типах систем.

Поэтому, несмотря на то, что в таблице 2 приведен перечень различных конкретных термопластичных материалов, таких как полиамид, полибутилентерефталат и полиэтилентерефталат, слои среды не ограничиваются этими конкретными термопластичными материалами. Могут быть применены и другие термопластичные материалы. Кроме того, слои среды не ограничиваются термопластичными материалами. Другие полимерные материалы могут быть применены для слоев среды, включая, однако не ограничиваясь ими, термоотверждающиеся пластики.

В примере, проиллюстрированном на фиг.7 и в таблице 2 выше, вторая ступень включает по меньшей мере пять слоев. Слой A (т.е. негофрированный цилиндр 54) функционирует, чтобы отделять коалесцированные капли воды от топлива. Слой A может быть, например, тканой полимерной сеткой в форме трубы, которая отталкивает коалесцированные капли воды и предоставляет им возможность свободно стекать с поверхности. Слой A находится с внешней стороны и в плотном соприкосновении с внешними вершинами 90 складок внутреннего многослойного гофрированного цилиндра 56. Авторы изобретения в настоящее время полагают, что отверстия сетки слоя A должны быть менее чем 100 мкм и предпочтительно менее чем 50 мкм для видов применения с дизельным топливом с ультранизким содержанием серы (ULSD) и биодизельным топливом. Однако дополнительные исследования могут обнаружить другие подходящие размеры отверстий сетки.

Гофрированные слои (слои B-E, т.е. гофрированный цилиндр 56) функционируют, чтобы захватывать твердые частицы загрязняющих веществ и капли, не удаленные верхними по потоку слоями. Первые из этих гофрированных слоев, слоев B и C на фиг.7 и в таблице 2, являются промежуточными слоями, которые функционируют, чтобы уменьшать перепад давления, обеспечивать дополнительное удаление капель разного размера и уменьшать накапливание твердых частиц на последующем нановолокнистом фильтрующем слое, слое D. Слои B и C обладают свойствами, сходными со свойствами слоев 1 и 2 во внешней ступени 12. Слой B также способствует изготовлению и функционированию.

Следующий гофрированный слой, слой D, функционирует в качестве высокоэффективного фильтра для тонких твердых частиц, 4 мкм и менее. Для видов применения с общей магистралью высокого давления требуются высокие величины эффективности удаления таких малых частиц, как примерно 4 мкм, чтобы защитить топливные форсунки. Слои выше по потоку от слоя D функционируют главным образом, чтобы удалять и отделять капли воды. Слой D функционирует, чтобы защищать расположенную ниже по потоку систему, например систему инжекции топлива с общей магистралью высокого давления, от загрязнения твердыми частицами. Слой D также удаляет капли, которые могли пройти через предшествующие слои. Предпочтительно, слой D является более плотным, чем любые другие слои внешнего ступени 12 или внутренней ступени 14, и одном из типичных вариантов осуществления содержит термопластичную нановолокнистую фильтрующую среду с диаметром волокон менее чем 1 мкм. Как минимум, слой D должен быть таким же плотным, как и слой 4 внешней ступени 12.

Конечный слой, слой E, функционирует, чтобы обеспечивать поддержку для предшествующих слоев без существенного увеличения перепада давления. Слой E является относительно открытой средой, обладающей достаточной прочностью и жесткостью, чтобы поддерживать расположенные выше по потоку слои внутренней ступени 14 при условиях применения и чтобы улучшить функционирование среды внутренней ступени 14.

Примеры в таблицах 1 и 2 выше приводят различные слои среды как изготовленные из определенных термопластичных материалов. Торцевые крышки и опорный элемент 70 также описаны как изготовленные из термопластичных материалов. Однако, преимущества в эксплуатационных качествах фильтра, описанного в данном документе, могут быть получены, когда некоторые из компонентов не являются термопластичными, а изготовлены из других полимерных материалов или, в некоторых случаях, из неполимерных материалов. Например, один или более слоев среды внешней ступени 12 и/или внутренней ступени 14 могут быть изготовлены из полимерных материалов, не являющихся термопластичными материалами. В другом варианте осуществления торцевые крышки могут быть сформированы из материала, иного, чем термопластичные материалы, например металла или другого полимерного материала, такого как термоотверждающиеся пластики. В дополнение к этому, опорный элемент 70 может быть изготовлен из материалов, иных, чем термопластичные, например других полимерных материалов, металла или других материалов, известных в данной области техники.

Подходящие полимерные материалы, которые могут быть использованы для различных элементов фильтра, описанного в данном документе, могут включать, однако не ограничиваясь ими, полиамидный материал, полиалкилентерефталатный материал (например, полиэтилентерефталатный материал или полибутилентерефталатный материал), другой полиэфирный материал, галоидоуглеводородный материал (например, этилен-хлортрифторэтилен (ECTFE) под торговой маркой Halar®), и полиуретановый материал.

Гофрированная среда 50 и гофрированная среда 56 могут быть сформированы при применении любых подходящих методов, известных в данной области техники, включая, однако не ограничиваясь ими, выдувание из расплава двух разных слоев среды, один поверх другого, процесс мокрой выкладки, электропрядение, электровыдувание, формование волокон из расплава, ультразвуковую сварку, совместное гофрирование или химическое или физическое связывание иным образом двух или более разных слоев совместно, или при применении других методов или комбинаций методов.

Данное изобретение может быть осуществлено в других формах без отклонения от его сущности и новых признаков. Варианты осуществления, описанные в этой заявке, должны рассматриваться во всех отношениях как иллюстративные и неограничивающие. Объем данного изобретения определяется приложенной формулой изобретения, а не предшествующим описанием, и предполагается, что все изменения, которые относятся к смыслу формулы изобретения и входят в объем ее эквивалентов, включены в нее.

Реферат

Изобретение относится к водоотделителю для топлива и фильтру для отделения твердых частиц. Водоотделитель и фильтр для отделения твердых частиц содержит первую или внешнюю ступень, сконфигурированную, чтобы коалесцировать воду из текучей среды, такой как топливо, и вторую или внутреннюю ступень, сконфигурированную, чтобы отделять коалесцированную воду от потока текучей среды и также удалять тонкие твердые частицы загрязняющих веществ из потока текучей среды. Ступень для коалесцирования включает гофрированный цилиндр из полимерной среды. Гофрированный цилиндр имеет впадины складок и расположенные ниже по потоку вершины складок и места отвода, установленные на расположенных ниже по потоку вершинах складок. Ступень для разделения включает негофрированный цилиндр из полимерной среды, окруженный многослойным гофрированным цилиндром и находящийся в соприкосновении с внешними вершинами его складок. Изобретение обеспечивает высокую эффективность удаления воды и твердых частиц. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 3 табл., 10 ил.

Формула