CN110997099A

CN110997099A - 具有间隔部的过滤器元件

Info

Publication number: CN110997099A
Application number: CN201880049639.5A
Authority: CN
Inventors: 威尔逊·L·柯里尔; 彼得·K·赫尔曼; A·P·贾纳基拉曼; J·D·许美克
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-04-10
Also published as: WO2019023121A1; US11383184B2; US20210154602A1; US20220323885A1; DE112018003163T5

Abstract

一种用于过滤流体的过滤器元件，包括褶皱过滤器介质和支撑结构。褶皱过滤器介质包括褶皱部，褶皱部界定了沿该褶皱过滤器介质的上游表面的上游间隙和沿该褶皱过滤器介质的下游表面的下游间隙。支撑结构沿着褶皱过滤器介质的下游表面延伸并支撑褶皱部。支撑结构在下游间隙内折叠成包括第一层和第二层的两个层。第一层内表面和第二层内表面在下游间隙内彼此相邻定位。该支撑结构包括至少一个间隔部，该间隔部增加第一层外表面和第二层外表面之间的距离，使得穿过支撑结构的位于下游间隙内的部分的压差降减小。

Description

具有间隔部的过滤器元件

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月27日提交的第62/537,752号美国临时专利申请的优先权，并且出于所有的目的，该美国临时专利申请的内容通过引用并入本文。

领域

本申请总体上涉及用于过滤器组件内的具有褶皱过滤器介质(pleated filtermedia)的过滤器元件。

背景

常规的过滤器元件可用于过滤过滤器组件内的各种不同流体。如图1所示，常规的褶皱过滤器元件130可以包括起皱或褶皱过滤器介质140，该起皱或褶皱过滤器介质140凸起(embossed)或被网状物支撑(mesh-supported)以过滤流体。常规的褶皱过滤器介质140包括多个起皱部(corrugations)、凸起部(embossments)或网状物(mesh)或褶皱部(pleats)，这些褶皱部在褶皱部之间形成流动通道间隙分离部141(如图2所示)。因此，褶皱过滤器介质140界定了沿着褶皱过滤器介质140的上游表面的褶皱部之间的上游流动通道或间隙142以及沿着褶皱过滤器介质140的下游表面的褶皱部之间的下游流动通道或间隙144。如图1所示，流体进入褶皱过滤器介质140的褶皱部之间的上游流动间隙142内，沿横向方向流向褶皱过滤器介质，然后改变方向并沿基本正交于该横向方向的方向流经褶皱过滤器介质140，然后通过沿横向流动方向流动从而流出褶皱过滤器介质，径向地流向下游流动间隙144并穿过下游流动间隙144流向中心管。

如图3A-图3B所示，常规的褶皱过滤器元件130可以包括常规的支撑结构150，该支撑结构150沿着褶皱过滤器介质140的下游表面定位并支撑褶皱过滤器介质140的下游表面，以产生允许过滤流体流过的出口流动通道，并且该出口流动通道允许过滤流体在下游间隙144的端部处径向地离开褶皱过滤器介质140。支撑结构150沿着褶皱过滤器介质140的下游侧延伸，以便为整个褶皱过滤器介质区域140提供支撑，包括包绕在褶皱过滤器介质140的内部褶皱弯曲部和外部褶皱弯曲部周围。图4示出了可以支撑该褶皱过滤器介质140的两种不同类型的常规的线材网状物支撑结构150的光学显微照片。

支撑结构150被配置为向褶皱过滤器介质140提供高压支撑，并有助于褶皱部之间的下游间隙144中的下游排放(即，横向流动)，特别是对于高流速和/或压降应用(例如，发动机润滑油和液压流体过滤)。具体而言，支撑结构150保持褶皱部之间的下游间隙144打开，即使在横跨褶皱过滤器介质140具有高压差的情况下。在高压差条件下，压差通常超过100磅/平方英寸压差(pounds per square inch differential，psid)，例如在冷启动或部分堵塞过滤器的启动期间。

如图5-图6所示，支撑结构150可以包括网状物。这种支撑结构150包括多根线材(wire)152，该多根线材152以不同方向定向。线材152可以全都具有相同的直径153，并且彼此间隔开距离155。如图5所示，支撑结构150的单层的厚度151大约等于线材152的直径153的两倍(因为线材152具有相同的直径153)。如图6所示，支撑结构150的两个层的厚度151(例如，因为支撑结构150在下游流动间隙144内为双份)大约等于线材152的直径153的四倍。因此，下游间隙144的横向流动宽度145也大约等于线材152的直径153的四倍。

下游间隙比(Gr)取决于线材的直径153和下游间隙144的横向流动宽度145。由于下游间隙144的横向流动宽度145大约等于线材152的直径153的四倍，因此在包括支撑结构150的常规的过滤器元件130中，下游间隙比大约为1.00。

常规上认为，支撑结构150允许过滤器元件130具有足够的出口间隙排放，从而提供过滤器元件130可接受的低初始压差降(dP)。然而，最新的测试-方法开发、后续测试和分析(如流体动力学模型计算)已经证明，总压差降没有得到优化，并且也没有期望的那么低。有许多不同的因素影响总压差降。

图7A-图7E示出了流体流过过滤器元件130，其具有相应的压差降的源。图7A示出了收缩或惯性损失压差损失，这是由于当流体进入褶皱过滤器介质140的上游间隙142时流体的入口收缩或惯性损失造成的。收缩压差损失与流体的速度(或体积流率)的平方相关，并对总压差降的贡献相对较小。

图7B示出了上游间隙压差损失，这是由于流体流入上游间隙142并径向向内流过上游间隙142时的粘滞损失造成的。粘滞损失与流体的通道间隙速度(或体积流率)线性相关，并且上游间隙压差损失对总压差降的贡献相对较小。当流体径向向内流经上游间隙142时，流体的速度随着流体进一步径向向内流动而降低，这是由于当流体(大致均匀地)流经褶皱过滤器介质140时流体流动的损失。

图7C示出了介质压差损失，这是由于流体流过褶皱过滤器介质130的表面区域。介质压差损失随流体的粘度和速度线性变化，并与过滤器介质的渗透率成反比(根据描述流体流经多孔介质的达西定律)。介质压差损失对总压差降的贡献相对显著。应当注意，由于下游间隙压差损失产生的高径向压力梯度，通过褶皱过滤器介质140的流可以是相对均匀的或者可以朝向褶皱过滤器介质140的内径移动。

由于介质可压缩性导致的过滤器介质压差损失也对总压差降产生相对显著的贡献。过滤器介质根据介质压差降压缩。因此，随着压差降增加，介质压缩增加，这增加了总压差降(例如，随着过滤器介质压缩，褶皱过滤器介质140的渗透率降低，而介质实度(solidity)增加)。

由于上游褶皱部压紧造成的压差损失进一步影响总压差降。由于流动引起的褶皱部变形，这种压差损失减少了褶皱过滤器介质140的有效流动面积，并且也增加了下游间隙压差损失，原因在于出口通道速度在保持开放流动的区域(即，没有褶皱部压紧的区域)增加了。

图7D示出了下游间隙压差损失，该下游间隙压差损失是由于当流体从褶皱过滤器介质130径向流入支撑结构150时以及当流体沿横向流动方向移动通过下游间隙144时产生的粘性阻力造成的。粘滞损失的程度取决于支撑结构150(其在下游间隙144内为双份)的横向渗透率。当流体流过下游间隙144内的支撑结构150时，流体在支撑结构150内的网状物线材之间的小间隙之间“摆动”，直到流体到达过滤器元件130的内径处的支撑结构150的出口点。由于通过褶皱过滤器介质140的半均匀流的累积，随着流体接近过滤器元件130的内径，下游间隙144内的流体的平均速度线性增加。下游间隙压差损失是影响带有褶皱过滤器介质140和支撑结构150的过滤器元件130内的总压差降的首要的压差降源。

图7E示出了出口扩展压差损失，这是由于一旦流体从下游间隙144排出，流体流动扩展，并因此具有惯性喷射出口损失和动能损失。出口扩展压差损失对总压差降的贡献相对较小。

概述

各种实施例提供了用于过滤流体的过滤器元件，该过滤器元件包括褶皱过滤器介质和支撑结构。褶皱过滤器介质包括褶皱部，该褶皱部界定了沿该褶皱过滤器介质的上游表面的上游间隙和沿该褶皱过滤器介质的下游表面的下游间隙。支撑结构沿着该褶皱过滤器介质的下游表面延伸并支撑褶皱部。支撑结构在褶皱过滤器介质的下游间隙内折叠成包括第一层和第二层的两个层。第一层包括第一层外表面和第一层内表面。第二层包括第二层外表面和第二层内表面。第一层内表面和第二层内表面在下游间隙内彼此相邻。该支撑结构包括至少一个间隔部，该间隔部增加第一层外表面和第二层外表面之间的距离，使得穿过支撑结构的位于下游间隙内的部分的压差降减小。

本文公开的各种实施例提供了许多不同的益处，包括进一步降低压差降(特别是下游间隙压差损失，其是总压差降的主要贡献者)，从而最小化寄生损失(parasiticlosses)。此外，下游排放流也可以得到改善。

根据结合附图时进行的以下的详细描述，这些和其他的特征(包括但不限于保留特征和/或可见特征)连同其组织和操作的方式将变得明显，其中在所有的下文描述的若干个附图中，相似的元件具有相似的标记。

附图简述

图1是常规的过滤器元件的横截面视图。

图2是常规的过滤器元件的流动通道的透视图。

图3A是常规的过滤器元件的截面视图。

图3B是图3A中的常规的过滤器元件的一部分的放大视图。

图4是常规的支撑结构的显微照片。

图5是常规的支撑结构的一部分的截面视图。

图6是在常规的褶皱过滤器介质中的图5的常规的支撑结构的一部分的截面视图。

图7A是流体流入图3A中的常规的过滤器元件的截面视图。

图7B是流体流经图3A中的常规的过滤器元件的截面视图。

图7C是流体流经图3A中的常规的过滤器元件的截面视图。

图7D是流体流经图3A中的常规的过滤器元件的截面视图。

图7E是流体从图3A中的常规的过滤器元件流出的截面视图。

图8A是根据一个实施例的过滤器组件。

图8B是可以定位在图8A中的过滤器组件内的过滤器元件。

图9是根据一个实施例的通过过滤器组件的流的代表视图。

图10是根据一个实施例的过滤器元件的一部分的截面视图。

图11A是根据另一实施例的过滤器元件的一部分的透视图。

图11B是图11A中的过滤器元件内的支撑结构的平面图。

图12是常规的支撑结构的平面图。

图13A是根据又一实施例的支撑结构的透视图。

图13B是图13A中的支撑结构的平面图。

图13C是图13A中的支撑结构的截面视图。

图14过滤器元件的一部分的截面视图，其示出了视图方向。

图15是根据一个实施例的支撑结构的一部分的截面视图(从图14的视图方向)。

图16是根据另一实施例的支撑结构的一部分的截面视图(从图14的视图方向)。

图17是根据又一实施例的支撑结构的一部分的截面视图(从图14的视图方向)。

图18A是根据又一实施例的支撑结构的一部分的截面视图(从图14的视图方向)。

图18B是褶皱过滤器介质内的图18A中的支撑结构的截面视图(从图14的视图方向)。

图19是示出常规的支撑结构和各种支撑结构的实施例中的各种测量值之间的比较的图表。

图20是示出压差降的最佳点的图形表示。

图21是示出与限制相比较的流体流的图形表示。

图22是比较常规的支撑结构和具有间隔部的支撑结构的压差降的图形表示。

详细描述

总体上参考附图，本文公开的各种实施例涉及用于过滤器组件的过滤器元件。过滤器元件包括褶皱过滤器介质和下游支撑结构，该下游支撑结构包括至少一个间隔部

间隔部(spacer)通过进一步增加褶皱部之间的下游间隙来减少过滤器元件的下游间隙压差损失(并因此也减少总压差降(dP))，这增加了支撑结构的横向固有渗透率，这改善(即降低)了支撑结构的横向流动限制。因此，间隔部改善了过滤器元件的下游排放流，并减少了过滤器元件的寄生损失总量。寄生损失定义为体积流率*dP，并且单位为“功率”。间隔部能够改善热和/或冷流与过滤器元件的压差降。

通过减小总的过滤器压差降，从过滤器元件施加到发动机上的寄生损失(例如，燃料经济性，例如，通过减小泵送功率，其等于dP*流率)和过滤器元件的效率得以改善。此外，较低的冷流压差降可以防止旁通阀(其中旁通阀通常位于过滤器头部上或者可以安装在过滤器元件端帽本身上)过早打开或者至少最小化旁通阀在预热期间“打开”的持续时间，这减少了旁通到过滤器元件清洁侧的可能是脏的(例如，未过滤的)油的量。此外，较低的冷流压差降也减少了油枪加压前的时间量。在油枪加压前的时间量越短，对关键轴承(例如涡轮增压器、主曲轴轴承等)的磨损量减少，这提高了发动机的总寿命。

注意，为了清楚起见，图中示出的某些特征，例如褶皱过滤器介质和支撑结构的厚度，在图中被夸大了。

过滤器组件

过滤器滤筒(在图8A中用20表示)被配置成过滤流体，并且可以包括过滤器壳体22和过滤器元件30，过滤器元件30定位于过滤器壳体22内。过滤器滤筒可拆卸地附接到过滤器头部(在图9中用24表示)。图8A描绘了代表性的过滤器滤筒20，并且图8B描绘了代表性的过滤器元件30(包括过滤器介质和至少两个端板)。图9示出了当过滤器滤筒20被正确安装时穿过过滤器滤筒20和过滤头部24的代表性流动路径。如本文进一步描述的，支撑结构50可以被包含在图8A-图9所示的过滤器组件内。

过滤器组件可用于过滤各种不同类型的流体，包括但不限于过滤润滑油、液压流体或燃料。因此，被过滤的流体可以是各种不同的流体(例如液体)，包括但不限于润滑油、液压流体和燃料。

过滤器元件

过滤器元件30(其一部分在图11A中示出)包括褶皱过滤器介质40和支撑结构50(这两者都在本文中进一步描述)，褶皱过滤器介质40用于过滤流体，支撑结构50用于支撑该褶皱过滤器介质40。

过滤器元件30可用于各种不同的过滤器元件应用中，例如润滑油过滤器元件、液压过滤器元件或燃料过滤器元件。因此，过滤器元件30可用于各种不同的应用，例如发动机润滑油过滤、

润滑油应用、液压流体过滤或应用和/或燃料应用。

褶皱过滤器介质

过滤器元件30的起皱或褶皱过滤器介质40被配置成过滤流体。如图10所示，褶皱过滤器介质40包括上游表面41和下游表面43。流体穿过上游表面41进入该褶皱过滤器介质40，并穿过下游表面43从该褶皱过滤器介质40流出。褶皱过滤器介质40还包括多个起皱部或褶皱部48，该多个起皱部或褶皱部48界定褶皱部48之间的褶皱部通道或间隙。因此，褶皱部48界定了沿褶皱过滤器介质40的上游表面41的褶皱部48之间的褶皱部入口或上游通道或间隙42，以及沿褶皱过滤器介质40的下游表面43的褶皱部48之间的褶皱部出口或下游通道或间隙44。

为了过滤流体，流体流过褶皱过滤器介质40。流体进入并流过褶皱过滤器介质40的褶皱部48之间的上游间隙42的至少一部分，沿横向方向流入褶皱过滤器介质的上游表面41，穿过褶皱过滤器介质40，并从褶皱过滤器介质40的下游表面43流出，流过下游间隙44的至少一部分，并从下游间隙44径向地向例如中心管流出。

褶皱过滤器介质40可以是各种不同类型的过滤器介质，例如合成非编织过滤器介质、微玻璃湿法或干法铺设过滤器介质、聚合物熔喷过滤器介质、纺粘过滤器介质或使用合成聚合物微纤维介质的

过滤器介质。

支撑结构

如图10所示，过滤器元件30的支撑结构50定位于褶皱过滤器介质40的下游，以生成穿过下游间隙44的出口通道，出口通道用于过滤流体在离开褶皱过滤器介质40之后移动通过(以便离开过滤器元件30)。如本文进一步描述的，支撑结构50包括至少一个间隔部60(例如，如图11A所示)，该至少一个间隔部60进一步隔开支撑结构50(与常规的支撑结构150(例如，如图12所示)相比)，以便改善过滤器元件30的横向流动特性并减小过滤器元件30的总压差降。

具体而言，支撑结构50沿着褶皱过滤器介质40的整个下游表面43定位并支撑褶皱过滤器介质40的整个下游表面43(具体而言，支撑结构50从褶皱过滤器介质40的下游表面43支撑每个褶皱部48)。支撑结构50围绕该褶皱过滤器介质40的下游表面43的周边延伸。支撑结构50可以可选地围绕整个下游表面43延伸。例如，支撑结构50沿着每个褶皱部48的下游表面43延伸，并包绕在该褶皱过滤器介质40的内部褶皱弯曲部和外部褶皱弯曲部周围。由于支撑结构50沿着该褶皱过滤器介质40的整个下游表面43延伸，支撑结构50在下游间隙44内折叠在其本身上或折成双层(如图10所示)。

如图10所示，支撑结构50在该褶皱过滤器介质40的下游间隙44内折叠成两个层，包括第一层82和第二层92。第一层82包括第一层外表面84和第一层内表面86。第二层92包括第二层外表面94和第二层内表面96。第一层内表面86和第二层内表面96在下游间隙44内彼此相邻。第一层外表面84和第二层外表面94各自邻接并支撑下游间隙44内的褶皱过滤器介质40的下游表面43。根据一个实施例，第一层外表面84相对于第一层内表面86是上游表面，并且第一层内表面86相对于第一层外表面84是下游表面。此外，第二层外表面94相对于第二层内表面96是上游表面，并且第二层内表面96相对于第二层外表面94是下游表面。

支撑结构50被配置成向褶皱过滤器介质40提供高压支撑，并有助于褶皱部48之间的下游间隙44中的下游排放，特别是对于高流速和/或高压降应用(例如，发动机润滑油和液压流体过滤)。具体而言，支撑结构50保持褶皱部48之间的下游间隙44打开，即使在横跨褶皱过滤器介质140具有高压差的情况下。在高压差条件下，例如在冷启动或流动表面条件下，压差通常超过100磅/平方英寸压差(psid)。

排放、分离或支撑材料、层或结构50可以包括例如网状物(例如线材网状物)、筛网状物或编织材料。支撑结构50可以由各种不同的材料构成，包括但不限于金属或聚合物。

在图11A所描绘的实施例中，支撑结构50包括网状物，该网状物包括与径向平行的线材52和与径向垂直的线材54，它们定向在不同的方向上并形成该网状物。支撑结构50包括网状物，该网状物具有平纹方形的(plain square)或近似方形的编织物，使得线材52、54基本上彼此正交。与径向平行的线材52基本平行于褶皱过滤器介质40的径向方向延伸。与径向垂直的线材54基本垂直于或正交于褶皱过滤器介质40的径向方向延伸。根据一个实施例，线材52、54具有相同的宽度或直径。根据另一个实施例(如图18A-图18B所示并且如本文进一步描述的)，线材52、54具有不同的宽度或直径。

间隔部

如图10所示，支撑结构50包括至少一个间隔部60，该至少一个间隔部60被配置成进一步隔开支撑结构50，这增加了下游间隙44内的第一层外表面84和第二层外表面94之间的距离98(如图10所示)，使得穿过支撑结构50的位于下游间隙44内的部分的压差降减小。因此，间隔部60也因此将褶皱过滤器介质40的褶皱部48隔开，并增加褶皱部48之间的下游间隙44的尺寸(即横向宽度或流动间隙)，这增加了离开褶皱过滤器介质40的流体的流动路径的可用空间。

通过进一步增加褶皱部48之间的下游间隙44的尺寸，间隔部60显著降低了横跨过滤器元件30的下游间隙44上的下游间隙压差损失(并且因此也降低了总压差降(dP))，这增加了下游间隙44内支撑结构50的横向固有渗透率并降低了粘性阻力，这改善(即降低)了支撑结构50的横向流动限制。因此，间隔部60改善了过滤器元件30的下游排放流，并减少了过滤器元件30的寄生损失总量。根据各种实施例，间隔部60可以帮助减少下游间隙压差损失，因为间隔部60防止支撑结构50的两个层在下游间隙44内彼此紧密叠加。

排放构件、分离构件或间隔部60(本文统称为“间隔部”)在下游间隙44内产生额外的空间或间隙62，以便进一步隔开支撑结构50并增加褶皱部48之间的下游间隙44的尺寸(即横向宽度或流动间隙)。通过形成包括间隔部60的支撑结构50而产生间隙62。

由于间隔部60增加了下游间隙44的横向流动间隙，过滤器元件30的下游间隙比小于1.00。支撑结构150的横向固有渗透率与下游间隙比相关，因为随着下游间隙比的增加，横向固有渗透率降低。随着下游间隙比从1.00减小，下游间隙44的横向宽度增加，这增加了支撑结构50和下游间隙44内的横向固有渗透率。如上所述，在包括常规的支撑结构150的常规的过滤器元件130中，下游间隙比大约为1.00。

间隔部60可以具有多种不同的构型，间隔部60的这些构型增加支撑结构50的宽度以降低支撑结构50的横向固有渗透率。例如，在支撑结构50内间隔部60可以包括折叠部、波浪部(即类似起皱的波浪部)、起皱部、脊部、肋、凹坑、凹槽、凸起凸块和/或凸起部。根据各种实施例，间隔部60防止支撑结构50的两个层彼此紧密叠加并且基本上彼此平行，这增加了支撑结构50的两个层的总厚度(如图15-图17所示)。相反，如图15-图17所示，间隔部60使得支撑结构50的两个层基本上是彼此的镜像。因此，由于间隔部60，支撑结构50的第一层82的厚度和第二层92的厚度各自小于下游间隙44内支撑结构50的第一层外表面84和第二层外表面94之间的距离98的一半。

根据如图11A-图11B、图13A-图13B和图15所示的一个实施例，间隔部60包括形成在支撑结构50内的至少一个折叠部72，以便增加褶皱过滤器介质40的下游间隙44的横向宽度或流动间隙以及过滤器元件30的横向固有渗透率。折叠部72沿着支撑结构50的长度(沿着褶皱过滤器介质40的y轴或轴向方向)周期性地定位和间隔开，并且在各个折叠部72之间形成流动通道。折叠部72沿褶皱过滤器介质40的横向方向(例如，沿z轴)纵向延伸，使得每个折叠部72在下游间隙44内自身对齐(如图15所示)。支撑结构50沿褶皱过滤器介质40的径向方向(例如，沿x轴)折叠，使得折叠部72沿径向方向定向。因此，折叠部72基本上正交于褶皱过滤器介质40的褶皱部48的折叠部(如图11A-图11B所示)。

如图13C和图15所示，支撑结构50自身折叠，以产生间隔部60的折叠部72。因此，支撑结构50仅沿着折叠部72为三层厚(而不是一层厚)，并且在其他任何地方为一层厚。因此，支撑结构50的局部厚度沿着折叠部72增加(与支撑结构50的一层的厚度相比)，这增加了支撑结构50的总厚度，从而增加了褶皱过滤器介质40的下游间隙44的横向宽度。折叠部72的形状可以变化。例如，图13C的布置中的单个折叠部72是“L形”形状的。

为了比较，在图12中示出了常规的支撑结构150。如图所示，常规的支撑结构150不包括任何折叠部(不同于图11B所示的支撑结构50)，并且为一层厚。因此，常规的支撑结构150的总厚度小于具有间隔部60的支撑结构50的总厚度。图12中的常规的支撑结构150具有用于发动机润滑油的典型褶皱过滤器介质格栅的固有渗透率为2,650μm²。具有相同材料的带有折叠部72(如图11B所示)的支撑结构50的固有渗透率为10,500μm²，这比常规的支撑结构150显著提高。

折叠部72的宽度取决于支撑结构的期望构型。根据折叠部72的压缩和压延的不同，过滤器元件30(其具有带有折叠部72的支撑结构50)的下游间隙比可以在大约0.1至0.5之间的范围内。根据一个实施例，下游间隙比大约为0.33。

根据如图16所示的另一个实施例，间隔部60包括形成在支撑结构50内的至少一个波浪部、凸块、成形特征或起皱部74(本文统称为“起皱部”)，以便增加褶皱过滤器介质40的下游间隙44的横向流动间隙和过滤器元件30的横向固有渗透率。类似于折叠部72，起皱部74沿着支撑结构50的长度(沿着褶皱过滤器介质40的y轴或轴向方向)周期性地定位和间隔开。起皱部74沿褶皱过滤器介质40的横向方向(例如，沿z轴)纵向延伸，使得每个起皱部74在下游间隙44内自身对齐(如图16所示)。支撑结构50沿褶皱过滤器介质40的径向方向(例如，沿x轴)起皱，使得起皱部74沿径向方向定向。因此，起皱部74基本上正交于褶皱过滤器介质40的褶皱部48的折叠部。

起皱部74的深度取决于期望构型和横向固有渗透率。根据起皱部74的深度，过滤器元件30(其具有带有起皱部74的支撑结构50)的下游间隙比可以在大约0.2至0.6之间的范围内。

根据如图17所示的另一个实施例，间隔部60包括形成在支撑结构50内的至少一个凸块、凹坑或脊部76(本文统称为“脊部”)，以便增加褶皱过滤器介质40的下游间隙44的横向流动间隙和过滤器元件30的横向固有渗透率。类似于折叠部72，脊部76沿着支撑结构50的长度(沿着褶皱过滤器介质40的y轴或轴向方向)周期性地定位和间隔开。脊部76沿褶皱过滤器介质40的横向方向(例如，沿z轴)纵向延伸，使得每个脊部76在下游间隙44内自身对齐(如图17所示)。支撑结构50沿褶皱过滤器介质40的径向方向(例如，沿x轴)弯曲，使得脊部76沿径向方向定向。因此，脊部76基本上正交于褶皱过滤器介质40的褶皱部48的折叠部。

脊部76的深度取决于期望构型和横向固有渗透率。根据脊部76的深度，过滤器元件30(其具有带有脊部76的支撑结构50)的下游间隙比可以在大约0.2到0.6之间的范围内。

根据如图18A-图18B所示的另一个实施例，间隔部60包括这样的构型，其中与径向平行的线材52和与径向垂直的线材54具有两种不同的直径，以便增加褶皱过滤器介质40的下游间隙44的横向流动间隙和过滤器元件30的横向固有渗透率。例如，与径向平行的线材52具有比与径向垂直的线材54更大的线材直径。因此，与与径向平行的线材52相比，与径向垂直的线材54是较小的纬线或纬线材(fill or shute wires)，而与径向平行的线材52是较大的经线材。

如图18A所示，较大的与径向平行的线材52彼此间隔开距离55。如图18B所示，较大的与径向平行的线材52在下游间隙44内彼此对齐，这增加了下游间隙44的横向流动间隙和横向固有渗透率。

如图18A所示，支撑结构50的一层的厚度51(T)(如图18A所示)等于与径向平行的线材52的直径(dw)加上与径向垂直的线材54的直径(df)。因此，如图18B所示，下游间隙44的横向流动间隙45等于支撑结构50的一层厚度的两倍，原因在于支撑结构50在下游间隙44内为双份。

与常规的具有平纹方形编织物的支撑结构150相比，具有平纹方形编织物(或近似方形编织物)的支撑结构50具有不同直径的线材52、54，其产生更大的下游间隙44。支撑结构50的近似方形编织比可以在大约1∶1至3∶1的范围内。图19描绘了常规的支撑结构150和支撑结构50的各种实施例中的各种测量值之间的比较。

由于支撑结构50提供了比常规的支撑结构150更低的限制，如图19所示，与常规的支撑结构150相比，该支撑结构具有低得多的实度。例如，常规的支撑结构150可以具有平纹荷兰编织物(plain dutch weave)、斜纹荷兰编织物(twill dutch weave)或类似的网状物，以便与具有相同直径的线材的典型方形编织网状物相比，提供更大的机械强度和改进的颗粒保持力(通过具有更小的孔直径)。典型的荷兰编织网状物可能有不同的线材直径，这允许每英寸使用更多的线材。经线材和纬线材的直径之比可以在1∶3至1∶10的范围内。通过增加典型荷兰编织网状物内的线材的数量，网状物的实度可以增加至少30％(相比之下，在典型方形编织网状物中增加不到5％)。由线材间距产生的实度和较小孔隙尺寸的增加提高了网状物的颗粒去除。因此，具有典型荷兰编织网状物(即使具有不同直径的线材)的常规的支撑结构150比具有不同直径的线材52、54的平纹编织物支撑结构50具有明显高得多的限制。

如图19进一步所示，线材直径比等于与径向平行的线材52的直径除以与径向垂直的线材54的直径。支撑结构50的线材直径比大约在2.0至4.0的范围内。然而，具有典型荷兰编织物或斜纹荷兰编织物的常规的支撑结构150的线材直径比大约为1.2至1.8。

流体流动

以下等式控制圆柱形过滤器元件中的流体流动。

等式1

等式2

等式3

等式4

等式5

然而，如果假设上游流动分布是均匀的，上述等式可以简化为以下单个等式。

等式6

横跨褶皱过滤器介质上的压降用以下等式描述。

等式7

如果压力损失由等式7中的第一项首要地影响，等式7简化为下面的等式，其中L是褶皱部深度，T₂是褶皱部间距(假设褶皱过滤器介质的内径到外径之间的褶皱部间距恒定)，α_网状物是夹在褶皱部之间的支撑结构的横向固有渗透率，u是介质面速度，以及μ是流体粘度。α_网状物是T₂的函数，并且不独立于T₂。

等式8

贯穿该过滤器介质的压力损失由以下等式给出，其中α_介质为介质固有渗透率，且t为介质厚度。

等式9

总压力损失由以下等式给出。

等式10

在等式10中，u_f由以下等式给出。

等式11

通过进一步简化，总压力损失由以下等式给出，其中，Q是流率，N_褶皱部是过滤器中的褶皱部的数量，以及S_HT是狭缝高度。下面等式中的第一项是横跨褶皱过滤器介质的压力损失，并且下面等式中的第二项是由于支撑结构的存在和支撑结构为离开褶皱过滤器介质下游表面的流体流产生的曲折路径而在褶皱过滤器介质下游间隙中引起的压力损失。

等式12

根据上述等式，可以看出压力损失和褶皱部深度以复杂的方式相关。如图20所示，基于下面的压力损失等式计算出横跨褶皱过滤器介质的初始压力损失的最佳点210。

等式13

此外，压力损失与α_网状物成反比。因此，当α_网状物减小时，压力损失增加。因此，可以提供相同结构功能但具有较高固有渗透率的支撑结构将比具有较低固有渗透率的支撑结构表现得更好(从压力损失的角度来看)。

分析

根据流体动力学模型计算，与目前公开的具有间隔部的过滤器元件30相比，间隔部可以例如将具有常规的支撑结构150(其不包括间隔部)的润滑油过滤器元件的压差降减少多达60％(取决于操作条件)。

图21示出了将间隔部60包括在过滤器元件内的压降和流速的改善。具体而言，图21示出了元件压差降如何根据100℉的油测试液体的流速而变化的流体动力学模型计算，并且具体地比较了常规的过滤器元件与本发明的过滤器元件30(其包括具有间隔部的支撑结构)的性能。曲线212示出了实际的测试数据。线214基于使用常规的支撑结构150的概念固有渗透率的流体动力学模型计算。线216基于使用具有折叠部72的支撑结构50的概念固有渗透率的流体动力学模型计算。

如图所示，横跨常规的支撑结构150的压差降(参见线214)与横跨具有折叠部72的支撑结构50的压差降(参见线216)相比，从19.0psid降低到6.0psid(在大约0.06gpm/in²的流密度下，这是典型的润滑油流率)。因此，初始压差降减少了68％。

线218示出了应得压差降目标(entitlement differential pressure dropobjective)，其中除了由于褶皱过滤器介质渗透率本身造成的损失(例如，与流过过滤器介质的“平坦片”相比的损失)之外，压力损失为零。如图所示，与线214(基于使用常规的支撑结构150的概念固有渗透率的流体动力学模型计算)相比，线216(基于使用具有折叠部72的支撑结构50的概念固有渗透率的流体动力学模型计算)相对靠近线218。

图22显示了在温度为100°F、粘度为113厘泊(cP)以及以

名称销售的15W-40发动机油的情况下，压差如何受到流率的影响。曲线222示出了来自具有常规的支撑结构150的常规的过滤器元件130的实际测试数据。曲线224示出了具有支撑结构50(其带有折叠部72)的过滤器元件30(如图11A所示)。如图22所示，折叠部72的设置在40加仑每分钟(gpm)处提供了减小到四分之一的压差降。

如在本文利用的，术语“基本上”和任何类似的术语旨在具有与本公开的主题所属的领域中的普通技术人员的常见和被接受的使用一致的含义。查阅本公开的本领域的技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变被认为在如所附权利要求中所陈述的发明的范围内。

如在本文中所使用的术语“联接”、“附接”以及类似术语意味着两个构件彼此直接或间接地连结。这样的连结可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。通过两个构件或两个构件和任何附加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两个构件和任何附加的中间构件附接至彼此，这样的连结可以被实现。

本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”等)的引用仅用于描述各种元件在附图中的定向。应当指出的是，根据其他的示例性实施例不同元件的定向可以不同，并且这种变化意在被本公开所涵盖。

重要的是注意到，各种示例性实施例的结构和装置仅仅是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了几个实施例，但是查阅本公开的本领域技术人员将容易认识到，很多修改(例如，在大小、尺寸、结构、各种元件的形状和比例、参数的值、安装装置、材料的使用、颜色、定向等上的变化)是可能的，而实质上不偏离本文所述的主题的新颖教导和优点。例如，示出为整体形成的元件可由多个部分或元件构成，元件的位置可以倒置或者以其他方式改变，并且分立的元件或位置的性质或数目可以发生改变或变化。根据可替代的实施例，任何工艺或方法步骤的顺序或次序可以改变或者重新排列。也可在各种示例性实施例的设计、操作状况和布置上做出其他替代、修改、变化和省略，而不偏离本发明的范围。

Claims

1.一种过滤器元件，其用于过滤流体，所述过滤器元件包括：

褶皱过滤器介质，其包括褶皱部，所述褶皱部界定了沿所述褶皱过滤器介质的上游表面的上游间隙和沿所述褶皱过滤器介质的下游表面的下游间隙；和

支撑结构，其沿着所述褶皱过滤器介质的所述下游表面延伸并支撑所述褶皱部，所述支撑结构在所述褶皱过滤器介质的所述下游间隙内折叠成第一层和第二层，所述第一层包括第一层外表面和第一层内表面，所述第二层包括第二层外表面和第二层内表面，所述第一层内表面和所述第二层内表面在所述下游间隙内彼此相邻定位，

所述支撑结构包括至少一个间隔部，所述至少一个间隔部增加所述第一层外表面和所述第二层外表面之间的距离，使得穿过所述支撑结构的位于所述下游间隙内的部分的压差降减小。

2.根据权利要求1所述的过滤器元件，其中，所述支撑结构的所述第一层的厚度小于所述第一层外表面和所述第二层外表面之间的距离的一半。

3.根据权利要求1所述的过滤器元件，其中，所述至少一个间隔部包括形成在所述支撑结构内的至少一个折叠部。

4.根据权利要求3所述的过滤器元件，其中，所述至少一个折叠部包括沿着所述支撑结构的长度间隔开的多个折叠部，并且其中，流动通道形成在所述多个折叠部的每一个之间。

5.根据权利要求1所述的过滤器元件，其中，所述至少一个间隔部包括形成在所述支撑结构内的至少一个起皱部。

6.根据权利要求5所述的过滤器元件，其中，所述至少一个起皱部包括沿着所述支撑结构的长度间隔开的多个起皱部，使得所述多个起皱部中的每一个在所述下游间隙内对齐。

7.根据权利要求1所述的过滤器元件，其中，所述至少一个间隔部包括形成在所述支撑结构内的至少一个脊部。

8.根据权利要求7所述的过滤器元件，其中，所述至少一个脊部包括沿着所述支撑结构的长度间隔开的多个脊部，所述多个脊部沿着所述褶皱过滤器介质的横向方向纵向延伸，使得所述多个脊部中的每一个在所述下游间隙内对齐。

9.根据权利要求8所述的过滤器元件，其中，所述多个脊部中的每一个定位成基本上正交于所述褶皱过滤器介质的所述褶皱部的折叠部。

10.根据权利要求1所述的过滤器元件，其中，所述支撑结构包括平纹方形编织网状物，所述平纹方形编织网状物具有与径向平行的线材和与径向垂直的线材。

11.根据权利要求10所述的过滤器元件，其中，所述与径向平行的线材和所述与径向垂直的线材具有不同的直径。

12.根据权利要求11所述的过滤器元件，其中，所述与径向平行的线材在所述下游间隙内彼此对齐。

13.根据权利要求12所述的过滤器元件，其中，所述支撑结构的一层的厚度等于所述与径向平行的线材的直径加上所述与径向垂直的线材的直径。

14.根据权利要求12所述的过滤器元件，其中，所述与径向平行的线材的直径与所述与径向垂直的线材的直径的比为2.0至4.0。

15.根据权利要求1所述的过滤器元件，其中，所述第一层外表面相对于所述第一层内表面是上游表面且所述第一层内表面相对于所述第一层外表面是下游表面，并且其中，所述第二层外表面相对于所述第二层内表面是上游表面且所述第二层内表面相对于所述第二层外表面是下游表面。

16.一种过滤器滤筒，其被配置为附接到过滤系统中的过滤头部，所述过滤器滤筒包括：

过滤器壳体；和

过滤器元件，其定位在所述过滤器壳体内，所述过滤器元件包括：

第一端板；

第二端板；

褶皱过滤器介质，其在所述第一端板和所述第二端板之间延伸，所述褶皱过滤器介质包括褶皱部，所述褶皱部界定沿着所述褶皱过滤器介质的上游表面的上游间隙和沿着所述褶皱过滤器介质的下游表面的下游间隙；以及

17.根据权利要求1所述的过滤器滤筒，其中，所述至少一个间隔部包括形成在所述支撑结构内的至少一个折叠部。

18.根据权利要求17所述的过滤器滤筒，其中，所述至少一个折叠部包括沿着所述支撑结构的长度间隔开的多个折叠部，并且其中，流动通道形成在所述多个折叠部的每一个之间。

19.根据权利要求18所述的过滤器滤筒，其中，所述多个折叠部沿所述褶皱过滤器介质的横向方向纵向延伸，使得所述多个折叠部中的每一个在所述下游间隙内自身对齐。

20.根据权利要求19所述的过滤器滤筒，其中，所述支撑结构沿着所述褶皱过滤器介质的径向方向折叠，使得所述多个折叠部沿所述径向方向定向。

21.根据权利要求17所述的过滤器滤筒，其中，所述支撑结构自身折叠，从而产生所述间隔部的至少一个折叠部，导致所述支撑结构沿着所述至少一个折叠部有三层厚。

22.根据权利要求16所述的过滤器滤筒，其中，所述至少一个间隔部包括形成在所述支撑结构内的至少一个起皱部。

23.根据权利要求16所述的过滤器滤筒，其中，所述至少一个间隔部包括形成在所述支撑结构内的至少一个脊部。

24.根据权利要求16所述的过滤器滤筒，其中，所述支撑结构包括平纹方形编织网状物，所述平纹方形编织网状物具有与径向平行的线材和与径向垂直的线材。