具有外部和内部介质部件的过滤器及过滤方法 相关申请的交叉引用 ： 这个申请要求 2007 年 11 月 20 日递交的美国临时申请 No.60/989,338 的优先权， 所述美国临时申请通过引用被整体并入本文。
背景技术 本发明一般地涉及流体过滤领域。
过滤器和过滤方法被广泛地用于许多商业和工业应用中， 并且还被用于实验室、 医疗和住宅设施。这样的过滤器和方法可以被用来净化流体 ( 例如， 液体和气体 ) 以及提 取包含在流体中的化合物 ( 例如， 流体或固体 )。
本发明提出一种用于流体过滤的独特设计和方法。
发明内容 一般地， 本发明的特征为一种具有顶部密封件、 底部密封件和主过滤器芯部的过 滤节 (filtration segment)。所述主过滤器芯部可操作地耦合到至少一个开口， 所述至少 一个开口位于所述顶部密封件和所述底部密封件两者中的一个上。 所述过滤节还包括一个 或更多个围绕所述主过滤器芯部的内部过滤器。 每个内部过滤器包括围绕次芯部的过滤器
材料， 所述次芯部可操作地耦合到至少一个开口， 所述至少一个开口位于所述顶部密封件 和所述底部密封件两者中的一个上。每个过滤器还可以包括围绕所述过滤器材料内侧、 外 侧或两个侧的刚性或半刚性支撑件的保持器具 (retaining medium)。所述过滤节具有围 绕所述内部过滤器的外部过滤器介质的一层或更多层， 并且可操作地耦合在所述顶部密封 件和所述底部密封件间。 所述外部过滤器介质可以被刚性或半刚性材料支撑来保持其完整 性。所述方法一般地包含使流体环绕所述外部过滤器介质流动， 同时使剩余的流体通过所 述内部过滤器的芯流动。所述密封件阻止所述流体进入到所述主过滤器芯部， 所述主过滤 器芯部可以是圆筒形的流体可渗透材料或是由所述内部过滤器之外和所述外部过滤器介 质之内的空间形成的空腔 (viod)。
所述方法还可以包括反向流动 (reverse flow)。 未过滤的流体从所述外过滤器介 质的内部通到外部， 同时待过滤流体的部分从所述内部过滤器的外部通到内部。已过滤流 体在所述过滤节之外收集， 所述过滤节可以在一壳体中。 附图说明
图 1A 是过滤节的实施方案的透视图， 示出顶部密封件。
图 1B 是图 1A 的过滤节的侧视图。
图 2A 是图 1B 的过滤节的实施方案的横截面视图。
图 2B 是在一应用的实施方案中， 图 1A 的过滤节的横截面侧视图， 示出外面向内 (outside-in) 的流动路径。
图 2C 是图 2B 的过滤节的横截面顶视图， 示出外面向内的流动路径。
图 2D 是在顶部密封件上没有开口的横截面侧视图。图 3 是具有不同大小的内部过滤器的图 1A 的过滤节的可替换实施方案的横截面顶视图。 图 4 是有粒状材料的图 1A 的过滤节的另一可替换实施方案的横截面顶视图。
图 5A 是在一应用的可替换实施方案中， 过滤节横截面侧视图， 示出里面向外 (inside-out) 的流动路径。
图 5B 是图 5A 的过滤节的横截面顶视图， 示出里面向外的流动路径。
图 6 是在具有外面向内流动路径的两重堆叠方案中的过滤节的横截面侧视图。
图 7 是在具有里面向外流动路径的两重堆叠方案中的过滤节的横截面侧视图。
图 8A 是在交叉流动结构中的过滤节的横截面侧视图。
图 8B 是在具有两重堆叠方案的交叉流动结构中的过滤节的横截面侧视图。
图 8C 是示出在交叉流动结构中的过滤系统的流动模式的示意图。
图 9 是在交叉流动结构的可替换实施方案中的过滤节的横截面侧视图。
图 10 是在其中顶部密封件完全关闭的可替换实施方案中的过滤系统的横截面侧 视图。
具体实施方式
图 1A 和 1B 描绘本发明的一个实施方案。图 1A 是过滤节 10 的顶部透视图， 所述 过滤节 10 在相对端被顶部密封构件 12 和底部密封构件 14 密封。图 1B 是图 1A 所示的过 滤节 10 的侧视图。在这个实施方案中， 顶部密封构件 12 包括主开口 22a 以及一个或更多 个次开口 32a， 所述主开口 22a 一般地占据顶部密封构件 12 的中间部分， 所述一个或更多个 次开口 32a 一般地以围绕主开口 22a 的环状图案排列。为了便利通过顶盖 40 密封主开口 22a( 在图 1A 和 1B 中未示出， 但在图 2B 中示出 )， 或为了便利多个过滤节 10 在彼此顶部的 堆叠 ( 将在后面的图 6 和 7 中更详细的论述 )， 在优选的实施方案中， 环绕主开口 22a 设置 环形凸缘 (flange)23a。优选地， 凸缘 23 不但从顶部密封构件 12 向上延伸， 而且向下延伸 到过滤节 10 的主体内， 从而形成密封 / 耦合表面 27 来接纳顶盖 40 或堆叠适配器 70( 将在 下面更详细地论述 )。
类似地， 在这个实施方案中， 底部密封构件 14 具有主开口 22b( 如图 1B 所示 )、 一 个或更多个次开口 32b( 在图 1A 和 1B 中未示出 ) 以及环形凸缘 23b。在底部密封构件 14 上的主开口 22b 和次开口 32b 的位置一般地对应于在顶部密封构件 12 上的主开口 22a 和 次开口 32a 的位置。
顶部密封构件 12 和底部密封构件 14 优选地由针对待过滤流体是不能渗透的材料 制成。顶部密封构件 12 和底部密封构件 14 中的每一个可以具有沿 (lip)34， 所述沿 34 在 外部过滤器 16 的边 (edge) 上延伸。沿 34 有助于保持过滤节 10 的外部过滤器 16 的形状。
图 2A-2C 描绘根据本发明的实施方案的过滤节 10 的横截面视图。特定地， 图 2A 是过滤节 10 的横截面顶视图。图 2B 是图 1 中的过滤节 10 的横截面侧视图。图 2C 是的过 滤节 10 的另一横截面顶视图。图 2B 和 2C 示出本发明的一种应用， 其中液体被过滤并随后 在过滤节 10 的中间部分被收集。本发明的另一种应用在后面的图 5A 和 5B 中描绘， 其中液 体被过滤并随后在过滤节 10 的外围部分被收集。
参考图 2A， 在本发明的一个实施方案中， 过滤节 10 包括外部过滤器 16 和一个或更多个内部过滤器 18(18a、 18b、 18c 等等 )。外部过滤器 16 围住内部过滤器 18。内部过滤器 18 的总数量等于次开口 32a 的总数量， 并且内部过滤器 18 的位置基本上对应于分别位于顶 部密封构件 12 和底部密封构件 14 上的次开口 32a 和 32b 的位置。因此， 当过滤节 10 被适 当的组装时， 顶部密封构件 12 覆盖外部过滤器 16 和内部过滤器 18 的上端 (upperends)， 底 部密封构件 14 覆盖外部过滤器 16 和内部过滤器 18 的下端 (lower ends)， 并且内部过滤 器 18 与次开口 32a 和 32b 流体连通。虽然所示的外部过滤器 16 和内部过滤器 18 的横截 面形状为圆形， 任何横截面形状都可以被使用。
在一些实施方案中， 过滤器 ( 例如， 外部过滤器 16 和内部过滤器 18) 中的每一个 包括位于两个同心排列的保持架 (cage) 之间的过滤器介质。因此， 对于外部过滤器 16， 所 述过滤器介质被放置于外保持架 19o 和内保持架 19i 之间 ； 对于内部过滤器 18， 所述过滤 器介质被放置于外保持架 29o 和内保持架 29i 之间。所述保持架有助于保持过滤器的结构 完整性。当过滤系统在反向流动模式 ( 如下面图 5A 和 5B 中所论述的 ) 时， 所述保持架也 可以是有益的。
但是， 使用两个保持架来容纳 (house) 所述过滤器介质不是总是必要的。取决 于过滤器介质的材料和结构、 以及各种因素 ( 例如， 在过滤系统中将使用的压力 )， 保持 架或多或少可以被用在本发明中。例如， 在一些实施方案中， 每个过滤器仅需要一个保持 架， 并且该单个保持架可以是外保持架 ( 例如 19o 和 29o) 或内保持架 ( 例如 19i 和 29i) 中的一个。在一些其他的实施方案中， 完全不需要保持架。一个实施例是在折叠金属 (pleatedmetal) 被用作过滤节中的过滤器介质时。 因为折叠金属能够在大多数情况下保持 其物理结构， 使用保持架来保持所述介质经常是不必要的。 本领域技术人员可以容易理解， 没有保持架、 有一个或更多个保持架的过滤器在 单个过滤节中可以是混合匹配 (mix-matched) 的， 取决于每种过滤方法 (process) 的特定 要求。例如， 在一个实施方案中， 为外部过滤器 16 提供外保持架， 但不为内部过滤器 18 提 供保持架。全部这些变化都落入本发明范围内。
所示的保持架是刚性或半刚性支撑件 ( 例如， 合成的网状支撑件 ) 的示例性使用， 所述支撑件允许流体流动通过所述介质。 支撑过滤器介质并且允许流体流动的任何类型的 材料都可以被使用。
支撑架 19 或 29 可以是各种形式的。在一些实施方案中， 所述支撑架成形为弹 簧或同心环。在一些其他的实施方案中， 所述保持架是流体可渗透套、 聚合物网 (polymer meshes) 或辛奇带 (cinch straps) 的形式， 所述流体可渗透套支撑所述过滤器介质。在折 叠金属被用作所述过滤器介质的优选实施方案中， 壳体支撑架是金属弹簧的形式。在优选 实施方案中， 当折叠非金属被使用时， 优选的支撑架是合成网。
各种形式的过滤器介质都可以被用在本发明中。 实施例包括但不限于本领域技术 人员已知的折叠介质、 纺制介质、 粒状介质、 固体介质以及其他介质。 类似地， 可以被用在本 发明中的各种类型的材料包括但不限于金属、 玻璃纤维、 纤维素、 合成介质 ( 例如， 聚丙烯 或聚乙烯、 聚酯 )、 布、 纸、 尼龙、 晴纶、 聚四氟乙烯及其组合。 在一个优选实施方案中， 所述过 滤器介质由折叠合成介质制成。所述过滤节可以单个使用， 并且可以是一次性使用的或可 重复使用的。
图 2B 示出根据本发明的一个实施方的过滤节 10 的纵向横截面视图， 所述过滤节
10 固定在壳体 36 中。过滤节 10 可以被包括杆 38、 顶盖 40、 底盖 42、 螺母 44 以及柱 49 的 组件固定在壳体 36 中。杆 38 被插入通过主开口 22a、 顶盖 40 上的开口、 主开口 22b 以及底 盖 42 上的开口。杆 38 可以被螺母 44 或本领域已知的任何其他装置固定。流体可以经过 入口 46 进入壳体 36 并且经过出口 48 离开。所述流体可以是加压的或通过重力流动。优 选地， 所述流体处于压力下， 从而其流动更加流畅和有效。
顶盖 40 密封主开口 22a。 在一个实施方案中， 所述密封是通过使顶盖 40 与环形凸 缘 23a( 未示出 ) 和 / 或如在上面图 1A 中所描绘的密封表面 27( 未示出 ) 以紧密接触的方 式结合来实现的。因此， 从壳体 36 的入口 46 进入了的流体将不能够经过主开口 22a 进入 到过滤节 10 内。类似地， 在过滤节 10 底部， 柱 49 也环绕主开口 22b 形成密封， 从而， 从壳 体 36 的入口 46 进入了的未过滤流体不可以沿过滤节外围流动至过滤节 10 的底部来经过 主开口 22b 进入到过滤节 10 内。
如图 2A 和 2B 中所示， 根据本发明一些实施方案， 可以具有多个内部过滤器 18a、 18b、 18c、 18d 和 18e， 它们以这样的方式被隔开 ： 它们集体地 (collectively) 围绕一般沿外 部过滤器 16 中心轴的区域。这个区域被选择作为主过滤器芯部 20， 所述主过滤器芯部 20 从顶部密封构件 12 中的主开口 22a 延伸至底部密封构件 14 的主开口 22b。外部过滤器 16 可以被 O 形密封圈 ( 未示出 ) 固定至顶部密封件 12 和底部密封件 14， 所述 O 形密封圈被设 置在围绕过滤器 16 顶部和底部部分的密封件的边之间。这个更改便利过滤节的构成。在 优选实施方案中， 主过滤器芯部 20 只是一空腔。可替换地， 主过滤器芯部 20 是有孔的圆筒 形管或由流体可渗透材料制成的圆筒形管。 在如图 2B 所示的实施方案中， 主过滤器芯部 20 是一空腔。主过滤器芯部 20 的开口的上端被顶盖 40 密封， 并且主过滤器芯部 20 的下端经 由底盖 42 中的孔与出口 48 流体连通。
类似地， 次过滤器芯部 28a-e 可以沿每个内部过滤器 18 中的中心轴形成。次过滤 器芯部 28 的上端与顶部密封构件 12 中的开口 32a 连通。次过滤器芯部 28 的下端与底部 密封构件 14 中的开口 32b 连通。
如图 2B 和 2C 中的箭头所示， 在优选实施方案中， 未过滤流体经由入口 46 进入过 滤器组件。所述流体随后通过以下两条路径中的一个流动 ：
●所述流体首先经由顶部密封件 12 中 32a 处所示的开口进入内部过滤器 18 的次 过滤器芯部 28， 从过滤器之内穿过内部过滤器 18 的过滤器介质至过滤器之外， 随后进入到 过滤节 10 中的各个空腔 50 内， 以及最终在与空腔 50 连通的主过滤器芯部 20 中被收集。
●所述流体首先沿壳体 36 的内壁流动至围绕外部过滤器 16 的外围区域， 随后从 过滤器之外穿过外部过滤器 16 至过滤器之内， 进入到过滤节 10 中的各个空腔 50 内， 以及 最终在主过滤器芯 20 中被收集。
图 2D 是过滤节 36 的一种变化， 其中顶部密封件 80 不具有用于流体流进入内部过 滤器 18 的开口。所述流体流仅从底部密封件 14 中的开口进入所述内部过滤器。此外， 所 述过滤与图 2B 和 2C 中所示相同。
过滤节 10 中可以有一个或更多个空腔 50。 空腔 50 的数量和形状取决于内部过滤 器 18 的形状、 大小和排列。空腔 50 与主过滤器芯 22 连通。在主过滤器芯部 20 中收集的 所有已过滤流体随后穿过底盖 42 并且经过出口 48 离开过滤器组件。
图 3 图示具有内部过滤器 18 的过滤节 10 的可替换的实施方案， 所述内部过滤器18 具有两个不同的直径。内部过滤器 18u、 18v 和 18w 比内部过滤器 18x、 18y 和 18z 小。在 一些实施方案中， 所有内部过滤器 18 可以是不同的直径、 形状和大小。图 3 中还示出其中 没有为内部和外部过滤器提供保持架的实施方案。
图 4 图示有各种大小的内部过滤器 18 的过滤节 10 的实施方案。还示出用过滤器 介质 52 来填充过滤节 10 的空腔 50 的实施方案。过滤器介质 52 可以是粒状的， 例如， 碳。 可替换地， 其可以是任何其他过滤器介质或其组合。所述过滤器介质一般填充并且分布在 空腔 50 中， 所述空腔 50 由外部过滤器 16 和内部过滤器 18 限定。如果过滤器介质 52 是粒 状介质， 主过滤器芯部 20 优选地是有细孔的圆筒形管或由流体可渗透材料制成的圆筒形 管， 从而， 防止粒状过滤器介质 52 进入主过滤器芯部 20 污染干净的流体。
图 5A 和 5B 详细描述与上面描述的流体进入主芯之内相反的流动模式。图 5A 和 5B 还描绘了壳体 36 的可替换实施方案， 其中出口 46 被设置在壳体的一侧而非顶部。在这 个实施方案中， 所述流体通过壳体 36 和底盖 42 上的开口 48 进入到主过滤器芯部 20 内。 所 述流体随后进入空腔 50， 并且穿过外部过滤器 16 或内部过滤器 18 中的一个。在之后的事 件中， 所述流体经过次过滤器芯部 28 的开口 32a 和 32b 离开内部过滤器 18。所述流体随后 经过出口 46 离开壳体 36。 所述反向流动模式可以在正常流动模式下使用过滤节 10 一段时 间后被用来除去沉积在过滤器上的杂质。 所述反向流动模式还有助于为了重新使用而清理 过滤节。 图 6 和 7 示出本发明的可替换的实施方案， 其中两个过滤节 10 被一个堆叠在另一 个顶上来使用。图 6 示出正常流动模式， 而图 7 示出反向流动模式。所述流动模式如上所 述。过滤节 10 可以简单地堆叠在彼此之上。可替换地， 过滤节 10 可以被堆叠适配器 70 固 定或被本领域已知的任何其他设备固定。根据壳体 36 的直径、 长度和高度， 可以使用任何 数量的过滤节 10。
图 8A、 8B 和 8C 示出本发明的另一可替换的实施方案， 其中所述流体的仅一部分被 过滤并且其余部分未过滤地离开过滤器组件。这个流动模式在本发明中一般被称为 “交叉 流动” 配置。具体地， 图 8A 示出 “交叉流动” 过滤组件， 其中仅使用一个过滤节 ； 并且图 8B 示出 “交叉流动” 过滤组件， 其中两个过滤节 10 堆叠在一起。在图 8A 和 8B 两者中， 流体首 先经过入口 46 进入过滤节 10。其后， 所述流体沿以下两条路径中的一个流动 ：
●所述流体的一部分进入 32a 所图示的开口到次过滤器芯部 28a 内并且穿过内部 过滤器 18， 或沿壳体 36 的内壁流动至围绕外部过滤器 18 的外围区域并且穿过外部过滤器 16。已过滤的流体在主过滤器芯部 20 被收集并且经过出口 48 离开过滤节 10。
●所述流体的其余部分沿壳体 36 的内壁流动并且未过滤地经过 “交叉流动” 出口 47 离开过滤节 10。如图 8A 中的当前实施方案所示， 所述 “交叉流动” 出口 47 被设置在过 滤节 10 的右下角。
图 8C 是根据本发明的一个实施方案示出 “交叉流动” 配置的流动模式的示意性图 示。 首先， 待过滤流体经由入口 46 进入过滤组件。 泵 100 可以可选地被用来便利所述过程。 所述流体的一部分被过滤并且经过出口 48 离开过滤组件， 并且被收集在干净的罐 110 中。 所述流体的其余部分没有被过滤并且经过 “交叉流动” 出口 47 离开过滤组件。所述未过滤 流体被收集在不干净流体的罐 120 中并且经过泵 100( 可选的 ) 和入口 46 重新进入过滤组 件。附加的不干净流体可以从源 ( 例如， 容器 130 等等 ) 加入到不干净流体的罐 120 中。
所述 “交叉流动” 配置的一个益处是它在过滤不同类型的流体时的灵活性。可以 调整流速和 / 或过滤压力， 并且可以实现不同的流入 / 流出比。在一些实施方案中， 具有大 约 1 ∶ 1 的流入 / 流出比是优选的。在一些其他实施方案中， 具有大约 10 ∶ 1 的流入 / 流 出比是优选的。一般而言， 当不干净流体包含大量 (substantial amount) 的固体杂质时， 可以选择更高的流入 / 流出比。
图 9 示出 “交叉流动 (cross-flow)” 配置的另一实施方案。这里， 入口 46 和出口 48 被设置在基本一样的水平面上， 并且这样的水平面相对地远离过滤组件。 另一方面， 交叉 流动出口 47 被设置在相对接近于过滤组件的位置上。因此， 过滤组件可以被设置在远离流 入 / 流出管道的位置， 并且可以更容易地使设计入口 46 和出口 48 与工厂的其他设备形成 流畅结合。如图 9 所示的特定实施方案中， 芯部 20 中的主管 140 和一个或更多个次管 150 被用来确保恰当地隔离干净流体于不干净流体。主管 140 包括上部部分 140a 和下部部分 140b。上部部分 140a 一般占据过滤节 10 的主芯部 20 并且优选地是流体可渗透的， 从而已 过滤的流体可以进入到管内并且流动至管的下部部分 140b。另一方面， 管的下部部分 140b 优选地是流体不可渗透的。下部部分 140b 从管的上部部分 140a 向下延伸， 直到达到入口 46 和出口 48 的水平面， 并且随后转向并经由出口 48 离开过滤组件。
次管 150 附接于次过滤器 18 的底部开口 32b 并且从开口 32b 收集未过滤流体。 次 管 150 形成圆形同心室， 该圆形同心室在底部密封件之下并且围绕主管 140 与与开口 32b 流体连通， 并且所述次管 150 经由 “交叉流动” 出口 47 与过滤组件流体连通。次管和由管 150 形成的室是流体不可渗透的。
图 10 示出本发明的另一实施方案。在这个实施方案中， 顶部密封件 80 不包含开 口以及用于将过滤节 10 组配到壳体 36 的杆或螺母。流体首先从入口 46 进入， 沿顶部密封 件 12 流动至过滤节 10 的外围区域。其后， 所述流体的一部分穿过外部过滤器 16 到空腔 50( 未示出 ) 内并且最终聚集在主芯部 20 处。所述流体的其余部分进入内部过滤器 18 底 部处的开口 32b， 通过内过滤器 18， 并且再次聚集在主芯部 20 处。已过滤流体最终经由出 口 48 离开过滤组件。
这个发明还涉及过滤流体的一种新方法。 所述流体环绕过滤器介质的一般为圆筒 形的外层流动， 并且所述流体的部分穿过所述介质。 同时， 剩余流体通过在圆筒形外部介质 内的一般为圆筒形的过滤器介质的芯部， 允许流体通到内部过滤器的芯部之外的外层中的 收集空间。已过滤流体在所述芯部空间中被收集， 所述芯部空间由过滤器介质的所述圆筒 形外层的外壁和所述内部过滤器的外壁形成。
也可以使用反向过滤器流动。待过滤流体经由一般地为圆筒形的流体可透过外 过滤器介质层的内部至外部流动， 所述外过滤器介质层允许所述流体的部分通过过滤器介 质。同时， 流体经由所述外过滤器介质围绕的多于一个的一般地为圆筒形的过滤器介质的 内部至外部流动， 从而所述流体通到所述内部过滤器介质芯部。收集已经通过所述外部过 滤器介质和所述内部过滤器介质芯部的流体。
虽然本发明已针对有限数量的实施方案进行了描述， 但是取决于例如待过滤流 体、 跨过滤器的压力降以及过滤方向， 几乎无尽数量的过滤器节和过滤器组件可以被使用。 同样地， 一个实施方案的具体特征不应被认为是本发明其他实施方案所有的， 并且没有单 个实施方案可表征本发明的所有方面。而且， 从中存在变化和更改。所附权利要求书意图覆盖落入本发明范围内的所有这些变化和更改。