流体过滤器 背景技术
本发明涉及高流量滤筒，更具体地讲涉及用于气体或液体过滤应用的可置换滤筒，而更具体地讲涉及成菱形图案的管状褶皱型过滤元件，其每单位体积包络的可用介质表面积比许多常规褶皱型过滤介质滤筒的介质表面积要高，甚至更具体地讲涉及用于滤筒的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件。
近来，人们致力于提供高流量流体过滤系统和用于制造高流量流体过滤系统的系统，包括具有相对较高流量滤筒的筒式过滤器，其通过单个滤筒和与其相关的系统的流量高达约500gpm(1893lpm)。先前的研究(参见美国专利No.4,842,739和5,336,405)使得在使滤筒尺寸最小化的同时相对增加了有效过滤介质面积并产生了多种滤筒结构，在该结构中平坦的过滤介质片被折叠成褶皱结构放置在滤筒中。
与本发明主题相竞争的技术之一是容纳径向褶皱型过滤介质的滤筒。当用于本发明滤筒的预期应用时，径向成褶的缺点之一是单个滤筒可容纳的过滤介质面积的量。例如，一种目前市售的滤筒(可以商品名BETAFINEXL得自CUNO Incorporated(3M公司)的产品)包络过滤介质的容量高于目前已知的2.5英寸(6cm)外径的类似滤筒，但是，即使它具有增加的过滤介质包络量，其仍需要比本发明的某些实施例更多数量的滤筒。
美国专利No.4,842,739和5,336,405所描述的滤筒的每单位滤筒体积具有相对较高的过滤介质表面积，但是这些滤筒的内芯直径为约1.5英寸(4cm)。与这种特定滤筒(通常被称为3M型号740B系列滤筒产品)相关的缺陷之一是，由于该特定滤筒的内芯直径为约1.5英寸(4cm)，每个滤筒的流量不应高于约八十(80)gpm(303lpm)的最大流量。因此，这种特定的现有技术滤筒具有性能上的缺陷，从而影响了其在高流量过滤应用领域的潜在市场拓展。
包括美国专利No.2,683,537、2,897,971、3,087,623、2,732,951、2,556,521、2,186,440、1,928,049、5,336,405、5,702,603、2,683,537、3,867,294和2,186,440在内的许多现有技术专利使用用于过滤机油的纸张过滤介质和/或滤筒，而本发明滤筒中使用的过滤介质在某些实施例中是采用由聚烯烃材料(例如聚丙烯)或等效材料制成的熔喷介质。
因此，希望提供示例性高流量流体过滤系统，以及制造高流量流体过滤系统的方法和系统，该过滤系统包括(但不限于)用于封闭至少一个滤筒的过滤器壳体、具有褶皱型过滤介质包络元件的滤筒，每个滤筒具有处理相对较高液体流量的能力，例如，约50gpm(189lpm)或高于类似的已知现有技术滤筒(例如3M型号740B系列滤筒)的流量；在一个实施例中，对于长度为四十(40)英寸(100cm)、给定滤筒内部体积为约1327立方英寸(21745cm
3)的滤筒，以及长度为六十(60)英寸(150cm)、内部体积为约1991立方英寸(32626cm
3)的滤筒，它可提供约145平方英尺(13m
2)的过滤介质面积；在一个实施例中，与其他相当的先前已知的高流量流体过滤系统(例如以商品名ULTIPLEAT得自Pall Corporation(East Hills，New York)的产品或其他直径为2.5英寸(6cm)的传统滤筒)相比，它具有相对较小的占有面积，同时还可达到大致相同的通过过滤器壳体的流体流量；在一个实施例中，与目前市场上市售的类似过滤系统相比，它可为使用者提供具有相对较低过滤成本的高流量过滤系统；在一个实施例中，与相竞争的过滤系统产品(例如3M型号740B系列滤筒或PALL ULTIPLEAT滤筒)相比，它可提供具有相对较高介质包络密度(每单位滤筒体积的表面积为约0.10至约0.14平方英尺/立方英寸(约5.7至约7.9平方厘米/立方厘米))的高流量过滤系统；与其他已知的高流量流体过滤系统(例如3M型号740B系列滤筒)相比，它可提供具有基本一致的过滤介质褶绉构造的高流量过滤系统；在一个实施例中，与类似的相竞争的过滤系统(例如3M型号740B系列滤筒)相比，它可提供具有相对较大芯内径(包括(但不限于)约3英寸(8cm))的高流量过滤系统；在一个实施例中，它可以根据滤筒长度，提供能够处理流量高达约三百五十(350)gpm(1325lpm)至约五百(500)gpm(1893lpm)的滤液的单个滤筒，并且它还可以提供具有褶皱型过滤介质包络元件的过滤系统，在该过滤系统中过滤介质被折叠成如上所述的一致的圆柱式样，并且在至少一个实施例中具有大约八(8)个形成于其自身周围的翼，从滤筒顶部观察时，其形成了八角形形状。
【发明内容】
在一个方面，本发明提供了高流量滤筒，其包括具有内径、两端和形成于芯中的孔的芯元件；环绕芯元件布置的具有内径和外径的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件，其中，在一个实施例中，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的外径和内径之比在约1.5至2.5之间(在一些实施例中，在1.8至2.4之间，或在2.0至2.3之间)；开口端盖，其位于芯的一端，用于让流体流入或流出芯元件；以及封闭端盖，其位于芯的另一端，用于防止流体由此溢出，封闭端盖包括用于将开口端盖定位于过滤器壳体中的结构。
如本发明的上下文所用，术语“成菱形图案的管状褶皱型过滤元件”是指由管状过滤介质形成的过滤元件，该管状过滤介质以能够在过滤介质中形成折叠的菱形褶绉的方式成褶。图6示出了成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的一个示例性实施例，用虚线40绘出了一个折叠的菱形褶绉的轮廓。如本发明的上下文所用，虚线40表示单个褶绉的周边。菱形褶绉可以是菱面形或三角形(即筝形)的。由于过滤介质材料的性质和折叠管状材料的固有难度，菱形褶绉可以具有可能会改变菱形形状的其他皱纹或变型，但是菱形形状要仍保持可辨别。
图6示出的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件通过以下方式形成：将圆管的第一周边再成形为虚线42所示的第一正方形，将圆管的第二周边再成形为虚线44所示的第二正方形，并重复该过程(即虚线42、44、46)。如图6所示，第一正方形和第二正方形可以相对于彼此错开45度，以获得菱面形图案的管状褶皱型过滤元件。作为另外一种选择，第一正方形和第二正方形可以相对于彼此以多种角度错开，以获得三角图案的管状褶皱型过滤元件。
成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的内径由成菱形图案的管状褶皱型过滤器的内切圆的直径限定。成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的外径由成菱形图案的管状褶皱型过滤器的外切圆的直径限定。成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的内径和外径根据菱形的数量、形状和尺寸，以及过滤介质的折叠厚度和所得过滤器的压实度的不同而有所差别。例如，图6示出的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的压实度较低，这是因为线42、44和46形成的平面彼此之间的距离相对较大。
在更进一步的理论基础上考虑图6所示的实施例，每个正方形的边长(即菱形的中心轴)等于管的周长除以四。因此，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的内径理论上为管的周长除以四，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的外径理论上为四分之一管周长乘以二的平方根，外径和内径的比率为1.4(假设无材料厚度，并且完全压实)。在具有三角形横截面形状(即三个菱形的长度/周长)的实施例的类似计算中，外径与内径的比率为2.0。在具有5、6、7、8、9和10个边的其他多边形横截面形状的实施例的计算中，理想的比率分别为1.24、1.15、1.11、1.08、1.06和1.05。获得的实际比率通常将会(至少部分地)变大，因为过滤元件厚度使内径减小并使外径增大。
在另一方面，本发明提供了包括以下组件的高流量过滤系统：具有流体入口的壳体结构，用于容纳至少一个滤筒；连接至壳体结构的流体出口；至少一个高流量滤筒，在一个实施例中，其外表面外径为约6.5英寸(16.5cm)，内芯直径为约3.0英寸(8cm)，该至少一个滤筒布置在过滤器壳体中，使得流体流可以从该至少一个滤筒的外表面流至和流出该至少一个高流量滤筒的内芯，该至少一个高流量滤筒的内芯与壳体结构的流体出口流体连通；以及成菱形图案的管状褶皱型过滤元件，其外径为约6.5英寸(16.5cm)，布置在至少一个高流量滤筒的内芯附近，在一个实施例中，这使得单个高流量滤筒能够处理流体流量高达约500gpm的滤液。
在另一方面，本发明提供了包括以下组件的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件：由至少一层其中形成有多个褶绉的过滤介质构成的管，其中每个褶绉所在的平面与相邻褶绉所在的平面错开约十(10)度至约八十(80)度。
用制造本发明滤筒的系统和方法制造的高流量流体过滤系统中所使用的滤筒的示例性实施例包括能够处理四十(40)英寸(102cm)高流量滤筒中流量高达约三百五十(350)gpm(1325lpm)的流体和六十(60)英寸(152cm)高流量长滤筒中流量高达约五百(500)gpm(1893lpm)的流体的滤筒。
在一个实施例中，通过本发明的系统和方法制造的滤筒可有效地处理相对较高的每滤筒液体流量，该实施例包括成菱形图案的管状褶皱型过滤元件，对于给定的滤筒体积来说，其具有相对较大的过滤介质面积。
用于制造本发明滤筒的系统和方法的示例性实施例的其他特征包括(但不限于)用于产生与大多数其他竞争性产品相比相对更大的介质包络密度(表面积/单位滤筒体积)的系统，用于产生均匀的过滤介质褶绉几何构造的系统和方法，用于制备在保持较小的过滤器壳体直径的同时能够加强对过滤器壳体内部空间的有效利用的系统，以及用于制造每体积处理流体需要的过滤器壳体空间较小的滤筒的系统。
通过本发明的系统和方法制造的滤筒的其他示例性实施例包括(但不限于)具有约(包括(但不限于))三(3)英寸(8cm)的相对较大芯内径的滤筒设计，连同其他特征使得单个滤筒可以处理高达约三百五十(350)gpm(1325lpm)(滤筒长度为40英寸(102cm))至约五百(500)gpm(1893lpm)(滤筒长度为60英寸(152cm))的流量。
通过本发明的系统和方法制造的高流量过滤系统的示例性实施例的其他特征包括(但不限于)能够提供内含过滤介质元件的滤筒，该滤筒具有每单位体积相对较高的过滤介质表面积。可以通过改变过滤介质的包络密度来在较大范围内控制滤筒内容纳的过滤介质的表面积，这将在下文中详细解释。另外，可以在滤筒长度方向上以连续或不连续的方式控制过滤介质嵌套密度，以制备在滤筒长度上分布有均一或梯度分布的过滤介质的滤筒。例如，沿着芯的单位长度方向，每单位长度上的褶绉数量可以有所不同。
通过本发明的系统和方法制造的高流量过滤系统的一些实施例的另一个特征是，高流量过滤系统包括(但不限于)这样的过滤器壳体：其具有相对较小的占有面积，但可实现大约相同的通过过滤器壳体的流体流，并且能够容纳多个或一组滤筒，这在以前需要相对较大尺寸的壳体。
通过本发明的系统和方法制造的高流量过滤系统的某些实施例的另一个特征是与这些系统相关的每个滤筒的过滤成本相对较低。
通过本发明的系统和方法制造的高流量过滤系统的一些实施例的又一个特征包括(但不限于)锁紧机构，该锁紧机构包括(但不限于)滤筒上的互补性滑道结构和过滤器壳体插座，其需较小的旋转力来将滤筒安装进高流量过滤器壳体中或将滤筒从高流量过滤器壳体中卸下。
通过本发明的系统和方法制造的高流量过滤系统的某些实施例的另一个特征是，高流量过滤系统可以减少需进行处理的滤筒的使用数量，从而是对环境相对有好的。
通过本发明的系统和方法制造的高流量过滤系统的一些实施例的又一个特征是，与许多其他类似的过滤系统相比，为了处理相同的流体流量，该高流量过滤系统需要的滤筒相对较少。
本发明的高流量过滤系统的某些实施例的又一个特征是，与目前市场上可获得的许多其他类似的过滤系统相比较时，通过本发明的系统和方法制造的高流量过滤系统的过滤成本相对较低。
本发明的一个特征包括通过本发明的系统和方法制造的滤筒，其包括：具有直径和形成于其中的孔的内芯；以及布置于内芯附近的具有内径和外径的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件，其中，在一个实施例中，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的外径和内径的比率在约1.5至约2.5之间，在其他实施例中，该比率在约1.8至约2.4之间，而在另外的实施例中，该比率在2.0至2.3之间。
本发明的另一个特征还包括通过本发明的系统和方法制造的滤筒，其中滤筒的外径包括(但不限于)约6.5英寸(16.5cm)。
本发明的以上发明内容并非意图描述本发明的每个公开实施例或每种实施方式。以下附图和具体实施方式更具体地举例说明了图示实施例。
【附图说明】
图1为本发明的示例性高流量流体过滤系统的透视示意图，部分为剖面图；
图2为本发明的高流量液体过滤系统中使用的示例性滤筒的透视图；
图3A为图2中示例性滤筒的顶部端盖的平面图；
图3B为图2中示例性滤筒的部分剖视图，示出了它的芯和端盖部件；
图3C为图2中示例性滤筒的底部端盖的平面图；
图3D为图2中示例性滤筒的顶部端盖部件的部分剖视图；
图3E为图2中示例性滤筒的底部端盖部件的部分剖视图；
图4A为本发明的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的外部部分的数字图像；
图4B为图4A中成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的放大部分的数字图像；
图4C为图4A中成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的内部放大部分的数字图像；
图5A为本发明的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的两(2)套同步褶绉的平面图；
图5B为本发明的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的透视图；
图6为本发明的部分成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的等比例示意图；
图7为本发明的示例性褶皱型系统的示意图；
图8为图7中示例性褶皱型系统的部分透视图；
图9为图8中示例性褶皱型系统的两个示例性叶片装置之一的部分剖面透视图；
图10为图9中示例性叶片装置的示例性叶片运动特征图的图示；
图11为本发明示例性组件模块处于装载位置时的透视图；
图12为图11中示例性组件模块处于成褶包络就绪位置时的透视图；
图13为图11中示例性组件模块处于旋转焊接就绪位置时的透视图；并且
图14为示例性滤筒/壳体锁紧机构的部分剖视图和部分透视图。
图15A为根据本发明的装入单个滤筒的示例性滤筒壳体的示意性剖视图，该滤筒允许过滤系统在约350gpm(1325lpm)的流量下运行；
图15B为竞争性滤筒壳体的示意性剖视图，该滤筒壳体中装入了该竞争性过滤系统在约350gpm(1325lpm)的流量下运行所需的18个滤筒；
图15C为另一竞争性滤筒壳体的示意性剖视图，该滤筒壳体中装入了该竞争性过滤系统在约350gpm(1325lpm)的流量下运行所需的24个滤筒；
图16A为根据本发明的装入七个滤筒的示例性滤筒壳体的示意性剖视图，该滤筒允许过滤系统在约2000gpm(7571lpm)的流量下运行；
图16B为竞争性滤筒壳体的示意性剖视图，该滤筒壳体中装入了运行一个竞争性过滤系统所需的85个滤筒，以便该竞争性系统在约2000gpm(7571lpm)的流量下运行；
图16C为一个滤筒壳体的示意性剖视图，该滤筒壳体装入了另一竞争性过滤系统在约2000gpm(7571lpm)流量下运行所需的120个滤筒；
图17A为在约350gpm(1325lpm)流量下运行时，图15A-15C的滤筒的典型时间/工效坐标图；并且
图17B为在约2000gpm(7571lpm)流量下运行时，图16A-16C的滤筒的典型时间/工效坐标图。
尽管上述各图示出了本发明的若干实施例，但还可以想到其他的实施例。本公开以示例性而非限制性的方式提供实施例。应当理解，本领域内的技术人员可以设计出许多其他修改形式和实施例，这些修改形式和实施例均在本发明原理的范围和精神内。附图可能没有按比例绘制。在所有附图中，类似的附图标记表示类似的部件。
【具体实施方式】
除非另外指明，在本发明中，以下定义的术语具有以下含义：
如本文所用，术语“高流量”指通过滤筒的相对较高的液体流量，例如，在40英寸(102cm)长的滤筒中高达约350gpm(1325lpm)的流量，以及在60英寸(152cm)长的滤筒中高达约500gpm(1893lpm)的流体流量，或甚至更高，从而产生相对较高的通量。
如本文所用，术语“通量”指每单位过滤介质面积的液体流量。
如本文所用，术语“插座”指过滤器壳体中用来接纳滤筒连接器的部件。
如本文所用，术语“包络密度”指过滤介质表面积除以滤筒体积。
如本文所用，术语“吹制微纤维”指通过在旋转的收集器滚筒上吹制细小的熔融材料流(这样得到一卷过滤介质)而制成的非织造过滤介质，也称为熔喷过滤介质。
如本文所用，术语“TYPAR”指用在细丝结点处随机布置、分配和粘合的连续长丝聚丙烯纤维制成的纺粘聚丙烯纤维网结构(产品可以商品名TYPAR得自Reemay，Inc(Charleston，South Carolina))。
如本文所用，术语“纺粘”指通过如下方法制备的非织造材料，在该方法中将热塑性纤维成形聚合物通过线状或圆形喷丝头挤出。将挤出的聚合物流迅速冷却，并用空气和/或机械拉伸辊使其细化，形成所需直径的细丝。然后将细丝铺到传送带上，形成纤维网。然后使纤维网粘合而形成纺粘纤维网。在某些实施例中，纺粘法是整合的一步式处理方法，从聚合物树脂开始，以纤维网成品结束。
高流量过滤系统 如图1所示，本发明的高流量过滤系统50包括高流量滤筒壳体52和布置在其中的至少一个高流量滤筒54。本领域的技术人员应当理解，如图所示，这种特定的高流量滤筒壳体52示出为水平过滤器壳体，但应当了解，同样可构造为竖直过滤器壳体。本领域的技术人员还应当理解，将一个或多个高流量滤筒或滤筒54布置在过滤器壳体主体的内部，并且可以用多个本领域技术人员已知的可能结构(例如，插座)将其固定在其中。
具体地讲，在示例性实施例中，本发明的高流量过滤系统50可以制成多种尺寸，以容纳一个至七个并且可能更多的两种现行工业标准长度(其为40英寸(102cm)和60英寸(152cm)长度)的高流量滤筒54。高流量过滤系统50可以制成水平或竖直构造，这取决于具体的操作需要。一般来讲，最终使用者将会为了操作简便而选择水平构造，或者为了减少高流量过滤系统的占有面积，从而减少投资花费而选择竖直构造。
图1详细地示出了本发明的一个示例性高流量过滤系统50。如图所示，示例性高流量过滤系统50可包括由一对腿56、58支承的高流量滤筒壳体52，其具有外表面60和内表面62，适于接纳至少一个具有中央芯元件63(参见图3)和开口端盖65以及封闭端盖66(参见图2和3a-3c)的高流量滤筒54，该中央芯元件具有形成于其中的孔64。高流量滤筒壳体52具有开口端67和封闭端68，开口端适于接纳闭合构件70，闭合构件70能够通过本领域内技术人员已知的方法有选择地、密封地封闭开口端67。入口72可以布置在滤筒壳体52中，用于接纳来自外部来源(未示出)的待过滤流体，流体出口74相对于封闭端68布置，用于接纳来自高流量滤筒54中央芯元件63(参见图3a)的已过滤流体，并将已过滤流体输送到远处的位置(未示出)。
为了将示出的水平壳体52转换成竖直壳体的一个实施例，在除去一对支承腿56、58并将类似的支承结构布置在封闭端68后，壳体会旋转九十度(90°)，使得开口端67在封闭端68的上方，封闭端68布置在开口端67的下方并靠近地面。
过滤介质 如图4A-6所示，一种发现可用于安装在示例性系统的高流量滤筒54内的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76中的过滤介质为非织造材料，而在另一个实施例中，为本领域内技术人员已知的非织造吹制微纤维网(或熔喷纤维网)。(参见美国专利No.4,842,739和5,336,405，每个专利的公开内容在与本发明不冲突的范围内以引用的方式并入本文。)
一种可用于制造安装在高流量滤筒54内的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的示例性过滤介质包括(但不限于)吹制微纤维或其他能够执行具体应用中所需过滤功能的过滤介质，该吹制微纤维被制成严格控制的纤维直径规格，以产生绝对额定保留效率。此类吹制微纤维介质的一个实例是由3M公司(St.Paul，MN)制造，并且可以现有的滤筒型号740商购获得。具体地讲，可用作安装在高流量滤筒54内的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的过滤介质可以用熔喷FDA适形聚丙烯微纤维介质制成，其具有高粒子去除效率和广泛的化学相容性。在某些实施例中，制造过程中未使用粘合剂、粘结剂或硅氧烷。本领域内技术人员应当理解，所有支承层和/或相关的硬件(如果使用)都用聚丙烯或其他能够执行具体应用中所需功能的材料制成。
成菱形图案的管状褶皱型系统和方法 根据本发明的一个示例性实施例，将一系列非织造过滤介质纤维网(包括(但不限于)上游相对开放的预过滤层(如TYPAR)、相对细小的颗粒过滤介质以及下游支承层)通过至少一个流体不能透过的接缝一起缝合在过滤管材中，形成扁平管状缝合过滤介质，然后将其用热和压力进行压印，如美国专利No.4,842,739(Tang)中所述。
在成菱形图案的管状褶皱型过滤元件成褶过程中，将管状层合和缝合过滤介质打开、折叠并纵向伸缩，以形成由堆叠的盘状层构成的大致圆柱形的过滤元件，如图4A-6所示。已发现，所得的管状层合和缝合过滤介质78在转换为用于示例性滤筒中的紧凑且节省空间的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件时，具有相对稳定的颗粒保留率。
将过滤管材进行转换，然后在轴柄上成褶，以形成用于制造本发明高流量滤筒54的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76，以下将进行更详细的描述。此外，与许多传统的褶皱型介质过滤器相比，所得的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76在某些实施例中表现出相对更高的介质利用率。
图4A-6示出了如上所述制造的示例性成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76，其中过滤介质成褶方向是从内部(芯)向外朝向外径，并且当成品高流量滤筒54以一端站立或者当过滤介质褶绉平面与高流量滤筒54的纵轴成约90°布置时，过滤介质褶绉在基本水平的平面上。
如图7示意性地示出，在一个实施例中，此前组装的管状层合和缝合过滤介质78布置在介质退绕装置80上，使得管状层合和缝合过滤介质78退绕并送入锥形起始点82，该起始点与用作轴柄86的管相连，管状层合和缝合过滤介质78在轴柄86上方通过图中示出的示例性成褶过程84成褶。管状层合和缝合过滤介质78加载至轴柄86的锥形起始点82中后，随着过滤介质78经过轴柄86的锥形起始点82，管状层合和缝合过滤介质78从其平坦状态伸展为圆柱形。
驱动辊88具有双重作用：支承轴柄86的锥形起始点82，以及将管状层合和缝合过滤介质78驱动至轴柄86的锥形起始点82上。
在成褶过程中，用来自空气狭槽90的空气对管状层合和缝合过滤介质78进行加压，该空气狭槽90设置在轴柄86中，其可以使空气在区域101(参见图8)处逸出轴柄86进入管状层合和缝合过滤介质78中，区域101正好在完成过滤介质成褶操作的区域前面。在该加压过程中，压缩空气使管状层合和缝合过滤介质78膨胀，以确保管状层合和缝合过滤介质78保持具有足够结构完整性的圆柱形来抵抗成褶过程中的伸缩。
如图7-10所示，根据本发明的示例性成褶装置92包括两组叶片装置94、96(参见图8)，每组有四(4)个叶片106、108、110、112(参见图9)，用于对管状层合和缝合过滤介质78进行成褶操作。在一个实施例中，叶片装置94、96交替接合管状层合和缝合过滤介质78；朝轴柄86径向压缩管状层合和缝合过滤介质78，并将新成褶的过滤介质113推向下游，在那里拖拉输送带98接合过滤介质成褶装置92下游处的现已成褶的管状层合和缝合过滤介质100。设置拖拉输送带98的速度使得可以生成背压以便褶绉形成，这会影响均匀度，也就是说在成褶过程中每个褶绉看起来与现已成褶的管状层合和缝合过滤介质100的其他褶绉相似。已经发现，从退绕装置以降低的速度运行拖拉输送带98会导致褶绉形成区域115内的背压增大。背压增大会产生更剧列折叠的褶绉并且各个褶绉之间的距离更小。
图8示出了一个示例性成褶装置92，其支承和驱动至少两个成褶叶片装置92的叶片装置94、96中的一个，每个成褶叶片装置包括多个成褶叶片106、108、110、112。如图所示，成褶叶片106、108、110、112的取向为间隔约九十(90)度。所有四(4)个成褶叶片106、108、110、112机械连接，同时在径向方向114上移动，使得四个成褶叶片106、108、110、112都基本上同时朝成褶叶片装置102、104的中心移动或远离该中心。如图所示，示例性成褶装置92还包括板116，用于将成褶叶片106、108、110、112安装在其上，板116能够在轴向方向118上移动。该构造可确保成褶叶片106、108、110、112也基本上同时在轴向方向118上移动。
在其他实施例中，成褶叶片可以多于或少于示出的四个叶片，并且可以相对于成褶装置的轴向方向118以不同的角度布置。在某些实施例中，该角度可以在约二十(20)至约一百二十(120)度之间。
如图8和9所示，成褶叶片装置102、104以重复循环的方式传动，并且径向114运动和轴向118运动同时发生，以形成上文所述的叶片运动。每个重复的循环可使管状层合和缝合过滤介质78从其初始的圆柱形状压缩和折叠成新形成的过滤介质褶绉113，例如，四(4)次折叠，每个褶绉由在4个不同位置接触管的4个叶片形成，每次折叠通过每个叶片朝圆柱中心径向移动来进行。轴向叶片运动118可压缩过滤介质，并使其向下游移动而远离成褶装置92。针对新形成的过滤介质褶绉113的下游移动而存在的背压是非常有用的，因为如果没有提供抵抗力来限制新形成的过滤介质褶绉113向下游移动，就不能防止褶皱型过滤介质在经过成褶装置后立即恢复其初始的管状。新形成的过滤介质褶绉113受到拖拉输送带98的阻止，产生背压，从而形成新形成过滤介质褶绉叠堆。为得到新形成的过滤介质褶绉113，过滤介质材料的成褶程度取决于拖拉输送带从成褶装置92向下游移动时，与拖拉输送带98相连的结构(未示出)的移动阻力所施加的背压。每个过滤介质褶绉形成后，成褶叶片106、108、110、112向上移动，脱离过滤介质，并返回过滤介质成褶过程起始点，以再次开始成褶过程。
第二成褶叶片装置104与第一成褶叶片装置102相似，不同的是第二成褶叶片装置104的取向与第一成褶叶片装置102成约四十五(45)度(在管状层合和缝合过滤介质78的纵向轴线周围测量)。在其他实施例中，第二成褶叶片装置的取向可以与第一成褶叶片装置成约十(10)度至约八十(80)度的角。
在成褶过程中，每个成褶叶片装置102、104通过基本上相同的叶片运动曲线120进行循环，如图10所示。图10是叶片106顶端的运动轨迹图；水平轴表示平行于轴柄86移动的距离；竖直轴表示径向移动距离(朝向或远离轴柄86)，不同的是两个循环之间存在约一百八十(180)度的相位差，因为第一成褶叶片装置102形成过滤介质褶绉时，第二成褶叶片装置104回缩并移回至起始位置，反之亦然。
在某些实施例中，已经确定的是，至少一组成褶叶片106、108、110、112每一次都与管状层合和缝合过滤介质78接触，以使得成褶的管状层合和缝合过滤介质100不能在褶绉形成过程中朝上游的进给方向弹回(参见图7)。在此类实施例中，成褶叶片装置102、104均在基本上相同的移动范围内运转，每个起始点相对于管状层合和缝合过滤介质78基本上相同。
因为两个成褶叶片装置102、104错开(如图所示)约四十五(45)度，所以每个过滤介质褶绉77(参见图6)的取向与过滤介质褶绉实时形成之前和之后形成的过滤介质褶绉成约四十五(45)度。
在预定量的管状层合和缝合过滤介质78成褶而形成一个成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76之后，将该预定量的新形成的过滤介质褶绉113从成褶叶片装置102、104下游的轴柄86上的缝合过滤介质上切断，以制成单个分开的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76。切断之后，将单个分开的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76沿着轴柄86远离成褶装置92、朝滤筒组装工位124推进(图11和12)。
图11示出了本发明的处于装载就绪位置的示例性滤筒组装工位124。为了准备滤筒组装工位124以便将新形成的褶皱型过滤介质113从轴柄86转移至滤筒组装工位124(参见图7)，操作员可以将其中形成有孔64(参见图3A)的中央芯元件63设置为其开口端盖65连接主轴126的一端，和/或将封闭端盖66放置在旋转焊接夹头128中，夹头128布置在旋转焊接臂130上。
一旦满足上述条件，滤筒组装工位124就自动横移至一个位置，在该位置，主轴支承件132旋转约90度并平移，带动主轴126与轴柄86对齐。然后，将主轴126和轴柄86与脱离的轴柄支承件134机械耦合，使得轴柄86由主轴126来支承。
如图12所示，应在此前已加载到主轴126上的新形成的褶皱型过滤介质113(参见图7)沿着轴柄86横移并位于中央芯元件63上方，如图3B所示。新形成的过滤介质褶绉113布置到中央芯元件63上之后，滤筒组装工位124移动至图13所示的位置。
如图13所示，将主轴126分离并从轴柄86移走，移动旋转焊接臂130使其对准主轴126。当主轴126横移以使中央芯元件63与封闭端盖66接触时，例如通过旋转布置在旋转焊接臂130上的旋转焊接夹头128来进行旋转焊接，从而操作性地连接封闭端盖66。
卸载成品高流量滤筒54之后，滤筒组装工位124返回至图11所示的位置。在该位置，滤筒组装工位126所处的状态为准备将新的封闭端盖66装载到旋转焊接夹头128中，并将新的中央芯元件63装载到主轴126上，以准备进行下一个滤筒组装循环。
如图5B示例性地示出，当中央芯元件63(未示出)的外径(OD)或高流量滤筒54的内径(ID)(这些直径基本相同)增大时，沿着居间或相连的介质测量，布置在中央芯元件63上的高流量滤筒54内的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的任意两个过滤介质褶绉之间的距离减小。每单位长度的单个褶绉的数量可以有所不同，这取决于褶绉的几何形状，以及介质沿着滤筒纵向轴线的压实度。
如图5A-6中很好的示出，根据本发明制造的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的一个可能的实施例包括多个单个分开的径向成褶过滤介质褶绉77，当用于接纳成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的中央芯元件63的内径为约三(3)英寸(8cm)时，其正面等于约3.6in
2(23cm
2)或约0.025ft
2(.0023m
2)。
如上所述并且如图4A-5B所示，成菱形图案的管状褶皱型过滤介质设计式样的至少一个实施例包括在两个不同平面中发生褶绉形成的交替式样，在示出的实施例中，彼此以约四十五(45)度的增量逐级排列或错开。通常，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的密度会增大，因为示出的径向过滤介质褶绉成褶过程中所用的四十五(45)度相位使得径向成褶过滤介质在彼此上方相对紧密地叠堆，如图5A-5B所示。在某些实施例中，成菱形图案的管状褶皱型介质包络元件包括约250至400个褶绉，在某些实施例中，为约300至350个褶绉。
本发明的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76包括内径和外径。成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的内径适于布置在中央芯元件63的外径的上方。在一些实施例中，当成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的外径为约6.5英寸时，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的内径为约2.5英寸至约3.75英寸。当外径为约6.5英寸时，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件的外径与内径的比率为约1.5至约2.5。在一个具体的实施例中，成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76的内径为约3.0英寸。
滤筒构造 如上文所讨论并且如图2、6和7所示，本发明的示例性高流量滤筒54具有大致为圆柱形的形状，并且包括具有多种形状的盘状嵌套布置方式的中央芯元件63，包括如图5B所示，当高流量滤筒54处于竖直位置并且其上安装了封闭端盖66和开口端盖65时，由以水平成褶式样排列的径向成褶过滤介质褶绉77组成的八角形盘。
如图3A所示，在至少一个实施例中，中央芯元件63是由挤出聚丙烯制成，并且包括为流体流从中央芯元件63外部流入或从内部流出提供液体流动通道的孔64。如图3B所示，中央芯元件63还包括位于中央芯元件63两端的无孔周边肋136、138，在一个实施例中，中央芯元件63的宽度为约0.25英寸(1cm)，以便通过(包括(但不限于))旋转焊接接头或任何其他能够在预期使用环境中提供合格性能的连接方法来提供最佳强效的操作性连接。
在一个具体的示例性实施例中，中央芯元件63的一端被旋转焊接到具有结构140(例如手柄)的封闭端盖66上，另一端被旋转焊接到具有O形环142的开口端盖65上。已经确定的是，在使用旋转焊接工艺的组装过程中，熟知的用于连接上述类型部件的组装技术可提供中央芯元件63与滤筒端盖65、66之间的充分强效的结合，使得高流量滤筒能够在预期的使用环境中提供合格的性能。
如上所述，示例性高流量滤筒54包括具有孔64的中央芯元件63；位于中央芯元件63上方的成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76；位于中央芯元件63的一端并具有流体出口74的开口端盖65，用于使过滤流体流出高流量滤筒54；包括手柄140的封闭端盖66，其通过使用结构140来将高流量滤筒54连接至高流量滤筒壳体52上，以及将高流量滤筒54从高流量滤筒壳体52上拆除。
在某些实施例中，已确定的是，与某些其他类型的类似传统滤筒相比，本发明高流量滤筒54中使用的单个成菱形图案的管状褶皱型过滤元件76可以在给定体积内提供更大的介质表面积和/或更高的加载容量，从而具有更长的使用寿命和/或更低的过滤成本。
本发明高流量过滤系统50的高流量滤筒54的一个特征是中央芯元件63的内径尺寸。例如，已经发现，通过增加中央芯元件63的内径至高达(包括但不限于)约三(3)英寸(8cm)或更大一些，可以增加通过本发明高流量滤筒54以及随后的高流量过滤系统50的流量。具体地讲，根据本发明，已经发现中央芯元件63的直径为约3英寸(8cm)的单个高流量滤筒54能够处理长度为40英寸(102cm)的滤筒中高达约350gpm(1325lpm)的流体流量，以及长度为60英寸(152cm)的滤筒中高达约500gpm(1893lpm)的流体流量。
具体地讲，已经确定的是，本发明过滤介质在给定空间内较高的可用过滤表面积导致每个滤筒的流体流动能力达到约500gpm(1893lpm)，这已确定可以减少所用过滤器的数量。更具体地讲，当过滤流体中等量的污染物时，根据本发明系统制造的可置换滤筒比至少若干现有技术制造的滤筒的使用数量要少，从而使产品损耗最小化(因为在处理时每个所用滤筒都会残留有一定量的已过滤流体)，和/或使人工成本最小化，和/或使处理成本最小化，和/或使暴露于污染物的操作员最少化，和/或使更换过滤器的停机时间最小化。
高流量过滤器壳体构造 如图1所示，根据本发明的高流量过滤器壳体52被特别设计以提供占有面积紧凑的有效高流量过滤系统，如上文所述。壳体可以按照标准设计以及定制构造来制造以满足具体的需要，并且可以制成多种尺寸以容纳(但不限于)一(1)至七(7)个滤筒，或数量在实际可行范围内的高流量滤筒54，滤筒长度为(例如)40英寸(102cm)和60英寸(152cm)。如上文所述，本发明的高流量滤筒壳体52也可以制成水平或竖直构造。
例如，如图15B和15C所示，要过滤流量为约350gpm(1325lpm)的流体，需要多达约二十四(24)个或更多个高度为三十(30英寸)(76cm)、直径为2.5(7cm)英寸的传统褶皱型滤筒200，而且需要高达十六(16)英寸(41cm)或更大直径的过滤器壳体202来包封所需的滤筒200。
相比之下，如图15A所示，要过滤相同流量的相同流体，只需要一个本发明的高流量滤筒54，并且将需要直径为约8.6英寸(22cm)的壳体，几乎是现有技术滤筒壳体直径的约一半。较小的外径可以直接降低过滤器壳体的制造成本。具体地讲，与使用平板制成的较大外径的滤筒壳体相比，外径的减小会直接导致用本发明有角偏转板制造较小直径滤筒壳体所需的金属的使用量减少。此类具有较小外径的滤筒壳体自然会导致工厂地面的占有面积减小，从而减少了容纳相同数量滤筒所需的工厂地面空间，并因此节省了一些工厂地面空间，以用于其他设备或操作。
又如，如图16B-16C所示，要过滤流量为约2000gpm(7571lpm)的流体，需要多达约一百二十(120)个或更多个高度为三十(30英寸)(76cm)、直径为2.5(7cm)英寸的传统褶皱型滤筒200，而且需要高达三十六(36)英寸或更大直径的过滤器壳体202来包封所需的竞争性滤筒200。
相比之下，如图16A所示，要过滤相同流量的相同流体，只需要七个本发明的高流量滤筒，并且将需要直径为约24英寸的壳体，几乎是竞争性滤筒壳体直径的约一半。
上面阐述了与现有技术的某些相当的滤筒和滤筒壳体构造相比本发明示例性高流量滤筒54和高流量滤筒壳体52构造的有益效果。
具体地讲，与示出的对比尺寸的滤筒壳体相比，本发明的高流量系统在给定流量下过滤时使用的滤筒最多可减少约90％，高流量壳体的尺寸减小了约33％至约50％。
图17A和17B示出了上文所述各个例子中更换滤筒的时间/工效图。如图所示，在每个示出的例子中，更换滤筒所需的典型时间/工效与示出的竞争性2.5英寸滤筒系统相比至少低一半(50％)。
滤筒/壳体锁紧机构 本文所述的高流量过滤系统50可以以易于使用的思路设计。具体地讲，易于使用的部件的实例包括(但不限于)便于用户操作并且符合人体工程学设计的手柄140，与许多已知的系统相比，它可以使滤筒安装和拆卸相对容易，无需使用工具或其他硬件；以及“扭转锁定”有滑道结构的滤筒密封装置148，它可确保高流量滤筒54与滤筒壳体52的插座150之间的绝对密封，下文将进行详细的讨论。
如图14所示，除了其他部件，本发明的示例性高流量滤筒54的实施例包括具有密封O形环142的开口端盖65，并包括在其周围的两个或更多个闭锁凸耳152、154，用于将高流量滤筒54引入位于高流量滤筒壳体52中的插座150中(参见图1)。
本发明高流量滤筒壳体52的一个示例性实施例包括具有成角度的滑道结构的插座150、两个或更多个永久焊接在高流量滤筒壳体52底板160上的滑道156、158(未示出)，如图1所示。当打开的具有密封O形环142的滤筒端盖65插入高流量滤筒壳体52的插座150中时，滤筒开口端盖65与滤筒壳体52的成角度的滑道156对齐。当转动高流量滤筒54(例如)约九十度(90°)时，高流量滤筒壳体52的成角度滑道156将高流量滤筒54轴向拉进插座150，使得O形环142与插座150完全接合，从而形成滤筒54的滤筒开口端盖65与滤筒壳体52之间的防漏密封。
据信可用于本发明的示例性O形环可得自多种材料，包括(但不限于)标准Buna N、乙丙橡胶(EPR)、硅氧烷和氟弹性体，例如以商品名VITON得自DuPont Performance Elastomers LLC(Wilmington，Delaware)的产品。
据信，当滤筒54被安装到高流量滤筒壳体52中较长一段时间时(例如，根据具体的应用，滤筒可安装到滤筒壳体内仅约一周至约三个月，在某些情况下要更长)，如本领域内技术人员已知的那样，O形环142会与插座150的O形环密封面162嵌在一起。一旦发生这种O形环/插座套嵌，就需要相对较大的力来将滤筒54从滤筒壳体52上取下，这是因为插座150的O形环密封面162与O形环142之间的摩擦力比O形环/插座套嵌发生之前从滤筒壳体52上取下滤筒所需的力相对要大。
已观察到，当转动高流量滤筒54时，O形环142不会相对于插座150的O形环密封面162转动，但会轴向移动，降低高流量滤筒54从滤筒壳体插座150上完成脱离所需的扭矩，从而有助于将高流量滤筒54从高流量滤筒壳体52上取下并进行更换。已经发现，与笔直推拉设计的具有O形环密封构造的已知滤筒相比，使用上述特定的布置方式，安装和移除高流量滤筒54只需要相对较低的扭力。
图1示出了本发明的完全放入插座150中的一个滤筒54、即将放入或移出插座150的第二滤筒54，以及一个空的插座150，其将操作性地接纳滤筒壳体52中的第三滤筒54。
当在滤筒壳体52中转动高流量滤筒54，例如逆时针旋转使高流量滤筒54从滤筒壳体插座150上脱离时，O形环142与插座150的滤筒壳体O形环密封面162结合，并且基本上同时相对于模制的滤筒开口端盖65上形成的O形环凹槽164的表面发生横移。
虽然本文所公开的用于制备系统、制品和装置的系统、制品、装置和方法构成了本发明的示例性实施例，但应当理解，本公开并不限于这些精确的系统、制品、装置和方法，可以在不脱离所附权利要求范围的情况下进行修改。