ВОЗДУШНЫЙ ФИЛЬТР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
AIR FILTER AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF

Изобретение относится к воздушному фильтру или модулю фильтрации и способу его изготовления и, в частности, к модулю фильтрации с высокой пылеулавливающей способностью для использования на железнодорожном транспорте.
Воздушные кондиционеры транспортных средств используются для поддержания определенных параметров температуры, влажности и качества воздуха в салоне специального назначения, например, в пассажирском салоне поезда или другого транспортного средства. Для надлежащего функционирования воздушные кондиционеры транспортных средств забирают некоторое количество воздуха (которое также может быть равно нулю), поступающего из салона (далее именуемого как внутренний воздух), и некоторое количество воздуха (которое также может быть равно нулю), поступающего снаружи транспортного средства (далее именуемого как наружный воздух).
На фиг. 4 показан пример системы кондиционирования воздуха для железнодорожного вагона 50. Система кондиционирования воздуха содержит впуск воздуха для потока 20 наружного воздуха, зону 1 смешивания, впуск воздуха для потока 40 внутреннего воздуха и выпуск 3 для подачи воздуха 30 непосредственно в салон. Потоки 20, 40 наружного и внутреннего воздуха обычно смешиваются в зоне 1 смешивания перед прохождением через теплообменники воздушного кондиционера, сопротивления или другие средства, которые обеспечивают изменение температуры и влажности подаваемого воздуха перед его поступлением в салон.
Для уменьшения загрязнений во внутреннем и наружном воздухе, например, пыли, воздушные потоки 20, 30, 40 обычно проходят через фильтры 2, 3, 4. В зависимости от положения фильтров 2, 3, 4 на практике рассматриваются несколько компоновок: по меньшей мере, один фильтр 2 в потоке 20 наружного воздуха и, по меньшей мере, один фильтр 3 после зоны 1 смешивания, по меньшей мере, один фильтр 2 в потоке 20 наружного воздуха и, по меньшей мере, один фильтр 4 в потоке 40 внутреннего воздуха, по меньшей мере, только один фильтр 3 после зоны 1 смешивания, по меньшей мере, один фильтр 4 в потоке 40 внутреннего воздуха и, по меньшей мере, один фильтр 3 после зоны 1 смешивания.
Фильтры 2, 3, 4 являются проницаемыми для воздуха и до некоторой степени непроницаемыми для пыли. Поскольку фильтры задерживают загрязнения, их воздухопроницаемость в ходе эксплуатации уменьшается (что далее именуется как явление забивания), и падение давления для заданного воздушного потока увеличивается. Независимо от положения фильтров 2, 3, 4 в воздушных потоках 20, 30, 40 (т.е., выбранной компоновки), увеличение падения давления влияет на величину воздушного потока, циркулирующего в системе, и/или мощность вентилятора, необходимую для поддержания указанной величины воздушного потока. Исходя из указанной главной причины, фильтры 2, 3, 4 периодически заменяют, обеспечивая подачу в салон требуемых количеств внутреннего и наружного воздуха.
Частое техническое обслуживание увеличивает расходы. Таким образом, для уменьшения расходов на техническое обслуживание желательно увеличить долговечность фильтров, т.е. период времени, в течение которого они забиваются, что требует их замены. Такое увеличение долговечности должно достигаться без влияния на общее качество воздуха, подаваемого в салон; другими словами, количество задерживаемых частиц пыли не должно опускаться ниже определенно величины только ради увеличения долговечности фильтра.
На фиг. 5 показан фильтр самого простого типа, используемый в железнодорожном секторе. Он представляет собой плоский панельный фильтр, содержащий материал 5 воздушного фильтра, образованный в виде плоского слоя, толщина которого пригодна для обеспечения достаточной фильтрации воздуха. Фильтрующий материал 5 изготовлен из волокон и удерживается с помощью рамы 6 из металлического или картонного или синтетического материала. Фильтрующий материал 5 поддерживается дополнительными крепежными средствами 22 (например, усиливающими элементами, вставленными между фильтрующим материалом 5 и рамой 6). Однако фильтр такого типа имеет ограниченную способность к улавливанию большого количества пыли, сохраняя при этом приемлемый уровень падения давления.
На фиг. 6 показан другой обычный воздушный фильтр, который повышает долговечность фильтра, причем фильтрующий материал 7 также удерживается рамой и, кроме того, металлической сеткой 8, которая придает фильтрующему материалу 7 форму волн для увеличения площади поверхности фильтрующего материала 7. Увеличенная поверхность создает эффект, состоящий в том, что в добавление к фильтрации в объеме фильтрующей среды 7 площадь поверхности обеспечивает дополнительную фильтрацию воздуха.
Оба фильтра содержат достаточно толстый фильтрующий материал, так что механизм фильтрации главным образом базируется на объеме фильтра (что далее именуется как глубинная фильтрация) для сбора частиц пыли без чрезмерного увеличения падения давления. Во избежание забивания и для повышения долговечности фильтра глубинная фильтрация является обоснованной концепцией. Для усовершенствования фильтров без увеличения пространства, занимаемого фильтром, количество волн или глубинная фильтрация может быть увеличена. Недостаток этого технического решения состоит в том, что чем уже гофры, особенно при использовании материалов достаточно большой толщины, тем выше вероятность стягивания гофр, а также риск сжатия фильтрующего материала, уменьшающего фактический полезный объем.
Следовательно, существует потребность в других воздушных фильтрах, которые исключают указанные проблемы.
По меньшей мере, некоторые из проблем, связанных с обычными воздушными фильтрами, можно решить с помощью воздушного фильтра по п. 1 формулы изобретения или способа его изготовления по п. 11 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к другим преимущественным внедрениям предмета изобретения независимых пунктов.
Изобретение относится к воздушному фильтру (или фильтрующему модулю) для системы кондиционирования воздуха, в частности, для железнодорожного транспортного средства. Воздушный фильтр включает в себя первый слой первого фильтрующего материала с первой поверхностью материала, второй слой второго фильтрующего материала со второй поверхностью материала и периферийную раму для удержания первого слоя и второго слоя рядом (или поверх) друг с другом, причем площадь второй поверхности материала является неплоской и обеспечивает большую площадь поверхности фильтра, чем первый слой.
Первый и второй фильтрующие материалы означают конкретные материалы с конкретной плотностью упаковки. Поскольку материал слоев может включать в себя различные виды волокон, свойства слоев определяются плотностью волокон, расположенных в конкретном объеме. Это, в свою очередь, определяет количество загрязнений, которые могут накапливаться в фильтрующем материале. Также следует принять во внимание, что поверхность материала относится не только к его геометрии (плоская, криволинейная, волнообразная, гофрированная и т.д.), но также к его площади поверхности.
Второй слой может содержать гофрированный материал (или имеет иную криволинейную поверхность). С другой стороны, первый слой может иметь плоскую поверхность. Опционально первый слой приклеивается/расплавляется или иным образом крепится на одной стороне гофрированного второго слоя для образования воздушных полостей между первым слоем и вторым слоем. Это, как преимущество, обеспечивает жесткость. Не требуются никакие усиливающие элементы или крепежные средства, поскольку гофрированный второй слой уже обеспечивает достаточную опору для слоистой структуры воздушного фильтра.
Подразумевается, что выражение «первый слой» необязательно означает, что этот слой расположен первым в направлении течения воздуха через фильтр. Такое наименование служит только для того, чтобы отличить указанный слой от второго слоя. Изобретение относится к обоим вариантам, а именно, что воздух, текущий через систему кондиционирования воздуха, поступает в воздушный фильтр через первый слой или через второй слой. Кроме того, сходным образом первый слой может быть неплоским (например, гофрированным). Кроме того, подразумевается, что выражения «первый слой» и «второй слой» означают, что существует, по меньшей мере, один из таких слоев. Следовательно, изобретение также относится к воздушным фильтрам с двумя первыми плоскими слоями и двумя гофрированными слоями.
Фильтрация в обоих слоях может основываться на различных механизмах. Например, первый слой может накапливать загрязнения во внутренней части (объемная или глубинная фильтрация), в то время как второй слой может накапливать загрязнения в первую очередь на увеличенной поверхности (поверхностная фильтрация). Например, площадь поверхности второго материала более чем в два раза превышает площадь поверхности первого материала. Однако изобретение не ограничивается до конкретного соотношения площадей поверхностей. Как преимущество, оба механизма фильтрации можно комбинировать, поскольку некоторые загрязнения лучше поглощаются посредством объемной фильтрации, в то время как другие загрязнения эффективно фильтруются посредством поверхностной фильтрации.
Как вариант, первый слой содержит по меньшей мере один из следующих материалов: стекловолокна, синтетические волокна, смесь органических и синтетических волокон. Сходным образом, второй слой может содержать по меньшей мере один из следующих материалов: стекловолокна, синтетические волокна, смесь органических и синтетических волокон, целлюлозные волокна.
Опционально первый слой расположен выше второго слоя по потоку относительно направления течения воздуха через фильтр и имеет более низкую плотность упаковки, чем второй слой. Например, первый слой имеет плотность упаковки меньше 0,05 или меньше 0,04 или меньше 0,03. Сходным образом, второй слой может иметь плотность упаковки выше 0,05 или по меньшей мере такую же плотность упаковки, как и первый слой. Плотность упаковки может определяться как соотношение объема, занимаемого фильтрующим материалом (например, волокнами), и общего объема, занимаемого фильтрующим материалом соответствующего слоя.
Опционально воздушный фильтр содержит по меньшей мере один дополнительный слой фильтрующего материала, образующий с первым слоем и вторым слоем множество слоев, удерживаемых периферийной рамой поверх друг друга. Плотность упаковки может ступенчато увеличиваться от слоя к слою в направлении течения воздуха через систему кондиционирования воздуха, оборудованную таким воздушным фильтром. Кроме того, слои фильтра образованы так, что от слоя к слою объемная фильтрация может уменьшаться, в то время как поверхностная фильтрация увеличивается.
Опционально рама выполнена с возможностью беспрепятственного течения воздуха, поступающего в первый слой, в частности, без разделения усиливающими элементами. По другим вариантам выполнения воздушный фильтр имеет достаточную жесткость без дополнительных усиливающих элементов, таких как крепежные средств или сетка, которые используются в обычных воздушных фильтрах.
Изобретение сходным образом относится к способу изготовления воздушного фильтра для системы кондиционирования воздуха. Способ включает в себя следующие этапы:
- обеспечение наличия первого слоя первого фильтрующего материала с первой поверхностью материала;
- обеспечение наличия второго слоя второго фильтрующего материала со второй поверхностью материала; и
- размещение периферийной рамы для удерживания первого слоя и второго слоя рядом друг с другом, причем участок материала со второй поверхностью является неплоским и обеспечивает большую площадь фильтрующей поверхности, чем первый слой.
Опционально способ также включает в себя крепление второго гофрированного слоя на первом слое для обеспечения усиления первого слоя вторым гофрированным слоем. Это крепление может включать в себя приклеивание, расплавление или другое постоянное крепление.
Варианты выполнения устраняют по меньшей мере некоторые из указанных проблем с помощью компоновки, в которой глубинная фильтрация скомбинирована с поверхностной фильтрацией в компактном модуле фильтрации.
Некоторые примеры систем и/или способов описаны ниже только в качестве примеров со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показан фильтр согласно варианту выполнения изобретения;
на фиг. 2 – пример гофрированного материала воздушного фильтра, который удерживается в (дополнительной) раме;
на фиг. 3 – пример схемы последовательности операций способа изготовления воздушного фильтра согласно варианту выполнения изобретения;
на фиг. 4 – пример системы кондиционирования воздуха для транспортного средства;
на фиг. 5 – обычный воздушный фильтр;
на фиг. 6 – другой обычный воздушный фильтр.
На фиг. 1 показан воздушный фильтр согласно варианту выполнения изобретения. Воздушный фильтр содержит первый слой 12 из первого фильтрующего материала с поверхностью первого материала и второй слой материала 13 из второго фильтрующего материала с поверхностью второго материала. Первый слой 12 и второй слой 13 удерживаются поверх друг друга с помощью рамы 11.
Второй слой 13 имеет неплоскую поверхность, которая образует большую фильтрующую поверхность по сравнению с плоским первым слоем 12. В частности, второй слой 13 образован в виде гофрированного слоя. Согласно преимущественным вариантам выполнения второй слой 13 приклеивается к раме 11, а первый слой 12 просто опирается на второй слой 13. Кроме того, рама 11 имеет вертикальные отвороты (клапаны)  19 двух видов, по одному с каждой стороны, которые согнуты и приклеены к первому слою 12. Таким образом, первый слой 12 удерживается внутри вертикальных отворотов (клапанов) 19 и второго слоя 13, который приклеен к раме 11. Опционально может быть предусмотрена постоянная фиксация двух слоев 12, 13, например, с помощью клея на вершинах гофр второго слоя 13. Таким образом, второй слой 13 может быть приклеен или не приклеен или иным образом прикреплен к первому слою 12 для обеспечения достаточной жесткости воздушного фильтра с помощью гофр. По этой причине воздушный фильтр согласно вариантам осуществления изобретения не требует установки металлических сеток 8 или крепежных средств 22, как в обычных воздушных фильтрах, показанных на фиг. 5 и 6. Это, в свою очередь, предусматривает, что воздушный поток 21, проходящий через воздушный фильтр, не разделяется, а беспрепятственно течет через фильтрующий материал внутри рамы 11.
В процессе движения через воздушный фильтр в направлении 21 воздушного потока воздух сначала проходит через первый слой 12, за которым расположен второй слой 13. Первый слой 12 может иметь большую толщину 17, чем второй слой 13, который имеет меньшую толщину 33, но является гофрированным. Кроме того, плотность упаковки первого слоя 12 может быть равна или меньше плотности упаковки материала второго слоя 13.
Рама 11 имеет глубину 16, высоту 15 и ширину 14. Ширина 14 и высота 15 модуля фильтрации могут варьироваться в зависимости от геометрии трубопровода или воздушного канала воздушного кондиционера транспортного средства. Например, в частном случае ширина 14 может составлять 300 – 600 мм, и высота 15 может составлять 200 – 400 мм. Модуль фильтрации может иметь любые другие размеры при условии сохранения достаточной жесткости во время эксплуатации. Как преимущество, передняя часть 19 является изогнутой с целью получения передней рамы для первого слоя, как показано на фиг. 1. Фактически, две вертикальные боковые стороны рамы 11 имеют размер больше глубины 16, но в дальнейшем в процессе изготовления они подвергаются гибке, и окончательная глубина равна глубине 16. При необходимости верхняя и нижняя боковые стороны рамы 11 также могут быть изготовлены с большей длиной и в дальнейшем согнуты (так чтобы первый слой 12 имел небольшую переднюю раму). Опционально глубина 16 модуля фильтрации может варьироваться в зависимости от имеющегося пространства. Она также может быть больше совместной толщины первого слоя 12 и второго слоя 13 для получения передней части 19 для направления воздуха и создания дополнительной опоры. При заданном расходе более глубокие модули могут быть более долговечными (поскольку они могут накапливать больше загрязнений).
Глубина 17 первого слоя 12 может составлять по меньшей мере 5 мм и при необходимости может регулироваться для обеспечения достаточной объемной фильтрации. Первый слой 12 также может иметь низкую плотность упаковки (например, меньше 0,04 – 0,03), которая может легко варьироваться в зависимости от степени сжатия первого слоя 12 внутри крепежной рамы 11. Фильтрующий материал первого слоя 12 может содержать различные волокна. Предпочтительными волокнистыми материалами первого слоя являются стекловолокна или синтетические волокна или смесь органических и синтетических волокон.
Второй слой 13 выполнен из тонкого фильтрующего материала (толщина 33 может составлять от менее 1 мм вплоть до 20 мм). Второй слой 13 является гофрированным для увеличения доступной поверхности фильтрации и обеспечения поверхностной фильтрации, причем количество гофр зависит от толщины фильтрующего материала и общей глубины 16 модуля фильтрации. Количество гофр может быть максимально увеличено при условии отсутствия сжимания гофр, а также нежелательного сжатия фильтрующего материала. Например, если толщина 33 фильтрующего материала составляет приблизительно 1 мм, второй слой 13 может быть гофрирован таким образом, чтобы гофры имели вершины, расположенные друг от друга на расстоянии x в диапазоне 15 – 25 мм. Высота 18 вершин может составлять 30 – 40 мм.
Как указано выше, более глубокие модули фильтрации могут иметь больший срок службы для выполнения фильтрации, что сходным образом зависит от плотности упаковки, обеспечивающий больший или меньший объем для удаления загрязнений. Второй слой 13 может иметь более высокую плотность упаковки, чем первый слой 12 (больше 0,05), или по меньшей мере равную (или по меньшей мере на 50% больше) плотности упаковки первого слоя 12.
Фильтрующий материал второго слоя 13 сходным образом может содержать различные волокна. Предпочтительными материалами волокон второго слоя являются стекловолокна, синтетические волокна, смесь органических и синтетических волокон или целлюлозные волокна. Второй слой 13 предпочтительно соединен с периферийной рамой 11 с помощью клея, удерживающего гофры на требуемом расстоянии, уплотняющего зону контакта рамы и слоя и увеличивающего жесткость периферийной рамы. Поскольку первый слой 12 соединен с гофрированным вторым слоем 13 и передней стороной 19 периферийной рамы 11, воздушный поток, прижимающий первый слой 12 ко второму слою 13, поддерживается надежным образом. В отличие от обычных воздушных фильтров отсутствует необходимость в крепежных элементах 22 (фиг. 5) или металлической сетке 8 (фиг. 6).
Показанный воздушный фильтр может быть модулем фильтрации, который может быть объединен с другими модулями фильтрации. Например, рама 11 может иметь прямоугольную форму (или треугольную, шестиугольную и т.д.) и обеспечивать выравнивание нескольких модулей фильтрации, расположенных бок о бок в зависимости от размеров воздушного прохода.
На фиг. 2 показаны другие конструктивные особенности материала 9 воздушного фильтра, который удерживается внутри рамы 10. Согласно изобретению по меньшей мере один такой слой будет включен в состав воздушного фильтра в качестве второго слоя 13. Расстояние между соседними гофрами может варьироваться в зависимости от требований к фильтрации.
Что касается второго слоя 13, фильтрующий материал 9 тоньше первого слоя 12, позволяя получить достаточно большое количество гофр, так чтобы механизм фильтрации главным образом базировался на использовании поверхности фильтра (поверхностная фильтрация). Преимущество поверхностной фильтрации относится к сбору частиц пыли с помощью поверхности без чрезмерного увеличения падения давления. Кроме того, благодаря использованию более тонкого материала (толщина может составлять только 1 мм или 2 мм или 5 мм) гофры могут формироваться во время производственного процесса и в дальнейшем удерживаться в требуемом положении посредством их соединения с отдельной рамой 10 или совместно с рамой 11 по фиг. 1 с помощью клея и/или используя проставки гофр.
На фиг. 3 показана схема последовательности операций способа изготовления воздушного фильтра для системы кондиционирования воздуха согласно вариантам осуществления изобретения. Способ включает в себя следующие этапы, на которых:
- обеспечивают (S110) наличие первого слоя 12 первого фильтрующего материала с первой поверхностью материала;
- обеспечивают (S120) наличие второго слоя 13 второго фильтрующего материала со второй поверхностью материала; и
- размещают (S130) периферийную раму 11 для удерживания первого слоя 12 и второго слоя 13 рядом друг с другом, причем участок материала со второй поверхностью является неплоским и обеспечивает большую площадь фильтрующей поверхности, чем первый слой.
Варианты выполнения предусматривают объединение, как минимум, двух слоев 12, 13 фильтрующего материала внутри периферийной крепежной рамы 11. Несмотря на то, что изобретение этим не ограничивается, первый слой может быть прямолинейным фильтрующим материалом, сходным с фильтрующим материалом 5 на фиг. 5. Первый слой 12 удерживает часть поступающей пыли по глубине или объему фильтрации. Второй слой 13 может быть гофрированного типа, как фильтрующий материал 9 по фиг. 2. Количество гофр может варьироваться в зависимости от толщины материала. Для дополнительного увеличения долговечности модуля фильтрации фильтрующий материал, используемый в каждом слое, имеет определенное соотношение между объемом, занимаемым волокнами, и общим занимаемым объемом (далее именуемым как плотность упаковки). Плотность упаковки является или постоянной или увеличивающейся с каждым слоем совместно с поверхностью материала в направлении воздушного потока.
Согласно другим вариантам выполнения предусмотрены другие слои для получения воздушного фильтра с множеством слоев. Например, первый слой 12 может быть снова образован в плоской форме, как показано на фиг.1, с последующим вторым слоем 13 с несколькими гофрами, за которым следует третий слой с большим количеством гофр, так что площадь поверхности увеличивается от слоя к слою относительно воздушного потока 21, проходящего через воздушный фильтр.
Преимущественные варианты осуществления изобретения можно кратко сформулировать следующим образом.
Модуль фильтрации воздуха согласно изобретению может использоваться в воздушном кондиционере железнодорожного транспортного средства и состоит, как минимум, из двух слоев 12, 13 фильтрующего материала, причем каждый слой имеет отличающуюся геометрию, которая увеличивает поверхность материала в направлении 21 воздушного потока, и использует одну и ту же или увеличивающуюся плотность упаковки в каждом слое в направлении 21 воздушного потока. Все слои фильтра могут находиться внутри периферийной крепежной рамы 11.
Согласно еще одному варианту выполнения модуля фильтрации он состоит из двух слоев 12, 13 фильтрующего материала, причем волокна первого слоя являются или стекловолокнами, или синтетическими волокнами, или смесью органических и синтетических волокон, а волокна второго слоя являются или стекловолокнами, или синтетическими волокнами, или смесью органических и синтетических волокон, или целлюлозными волокнами.
Согласно еще одному варианту выполнения модуля фильтрации первый слой 12 имеет низкую плотность упаковки (меньше 0,03), а второй слой 13 имеет более высокую плотность упаковки (больше 0,05).
Согласно еще одному варианту выполнения модуля фильтрации поверхность второго слоя больше чем в два раза превышает поверхность первого слоя.
Описание и чертежи служат только для объяснения идей изобретения. Следует принять во внимание, что специалисты в рассматриваемой области могут предложить различные конструкции, которые, хотя они не описаны и не показаны в документе в явной форме, позволяют внедрить идеи изобретения и соответствуют его объему.
Кроме того, несмотря на то, что каждый вариант выполнения можно рассматривать в качестве отдельного примера, следует отметить, что в других вариантах выполнения определенные признаки могут комбинироваться различным образом, т.е. конкретный признак, описанный в одном варианте выполнения, так же может быть внедрен в других вариантах выполнения. Такие комбинации соответствуют приведенному здесь описанию, если не указано, что конкретная комбинация не предусмотрена.
Список позиций
1 – зона смешивания системы кондиционирования воздуха
2, 3, 4 – воздушные фильтры
5, 7 – обычные фильтрующие материалы
6 – обычная рама
8 – металлическая сетка
9 – тонкий гофрированный фильтрующий материал
10, 11 – периферийные рамы
12 – первый слой
13 – второй слой
14 – ширина воздушного фильтра
15 – высота воздушного фильтра
16 – глубина периферийной рамы
17 – глубина первого слоя
18 – глубина второго слоя
19 – передняя часть рамы;
20 – поток наружного воздуха
21 – направление потока воздуха
22 – крепежные элементы
33 – толщина материала второго слоя
40 – поток внутреннего воздуха
50 – железнодорожный вагон
x – расстояние между вершинами гофр