空气过滤器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种空气过滤器或过滤模块及其制造方法，尤其是涉及用于轨道应用的高容尘量过滤模块。

背景技术

车辆空调用于在特定的隔室(例如，火车或其他车辆中的乘客室)中维持温度、湿度和空气质量的某些条件。为了执行车辆空调的功能，车辆空调吸收来自隔室的一定量(也可以等于零)的空气(下文称为室内空气)和来自车辆外部的一定量(也可以等于零)的空气(下文称为室外空气)。

图4描绘了用于轨道车辆50的示例性空调(AC)系统。该空调系统包括用于室外空气流20的入口、混合区1、用于室内空气流40的入口和用于供应空气30的出口3，该供应空气30被引导进入隔室中。室内空气20和室外空气40通常在穿过空调热交换器、电阻或允许改变进入隔室内的供应空气的温度和湿度的其他装置之前在混合区1中混合。

为了减少室内空气和室外空气中的污染物(例如，灰尘)，通常将过滤器2、3、4插入到气流20、30、40中。根据过滤器2、3、4的位置，在实践中可以看到几种构造：室外空气流20中设置至少一个过滤器2，在混合区1之后设置至少一个过滤器3；室外空气流20中设置至少一个过滤器2，室内空气流40中设置至少一个过滤器4；仅在混合区1之后设置至少一个过滤器3；室内空气流40中设置至少一个过滤器4，在混合区1之后设置至少一个过滤器3。

过滤器2、3、4是空气可透过的，并且在一定程度上是灰尘不可透过的。由于过滤器保留了污染物，因此它们的空气透过性在运行期间会降低(下文称为堵塞现象)，并且对于给定的空气流而言，通过过滤器的压降会增加。无论过滤器2、3、4在空气流20、30、40中的位置(即，选定的构造)如何，压降的增加都会影响在系统中循环的空气流量和/或维持该空气流量所需的风扇功率。由于这个主要原因，定期更换过滤器2、3、4，从而确保将所需量的室内空气和室外空气供应到隔室。

频繁的维护会增加成本。因此，期望的是增加过滤器的持续时间，即增加过滤器被堵塞和需要更换所花费的时间以减少维护成本。这种持续时间的增加应该在不影响供应到隔室的空气的整体质量的情况下实现；换句话说，正是为了获得更长的过滤器持续时间，保留的灰尘颗粒的数量和类型不应降至某个值以下。

图5示出了轨道行业中使用的最简单的过滤器类型之一。它是一种平坦面板型过滤器，所述平坦面板型过滤器包括形成为平坦层的空气过滤介质5，该平坦层的厚度适于提供足够的空气过滤。过滤介质5由纤维制成并由金属或纸板或合成材料框架6保持。过滤介质5由额外的紧固装置22(例如，插入在过滤介质5和框架6之间的加强元件)支撑。然而，这种过滤器在保持可接受的压降水平的同时具有有限的保留大量灰尘的能力。

图6示出了另一种传统空气过滤器，其改善了过滤器的持续时间，其中，过滤介质7同样被框架保持，并且另外还被金属网8保持，所述金属网使过滤介质7以波的形式成形以增加过滤介质7的表面面积。增加的表面面积具有如下的效果，即，除了过滤介质7的容积中的过滤外，表面面积还提供了空气的额外过滤。

两种过滤器都具有相当厚的过滤介质，使得过滤机制主要依赖于过滤器的容积(下文称为深度过滤)来收集灰尘颗粒，压降不会过多增加。为了避免堵塞并增加过滤器的持续时间，深度过滤是一种有效的策略。在尝试改进过滤器，在不增加过滤器占据的空间的情况下，可以增加波数量或深度过滤。该解决方案的缺点在于，褶皱越窄，特别是在处理相当厚的介质时，褶皱夹在一起的机会就越高并且压缩过滤介质从而减少实际可用容积的风险就越高。

因此，存在对避免这些问题的其他空气过滤器的需要。

发明内容

传统空气过滤器存在的问题中的至少一些通过权利要求1的空气过滤器或根据权利要求11的其制造方法来克服。从属权利要求涉及独立权利要求的主题的进一步有利的实现。

本发明涉及一种用于空调系统的、特别是用于轨道车辆的空调系统的空气过滤器(或过滤模块)。空气过滤器包括具有第一介质表面的第一过滤介质的第一层、具有第二介质表面的第二过滤介质的第二层以及用以保持第一层和第二层彼此相邻(或彼此叠置)的外围框架，其中，第二表面介质区域是非平坦的，并且提供了比第一层大的过滤表面面积。

第一和第二过滤介质应被理解为具有特定堆积密度的特定材料。由于各层的材料可以包括各种纤维，因此各层的性质将由布置在特定容积内的纤维的密度确定。这进而又确定了过滤介质内可以存储的污染物的量。还应理解的是，介质表面不仅涉及其几何形状(平坦，弯曲，波浪形，褶皱状等等)，而且还涉及其表面面积。

因此，第二层可以包括褶皱状层材料(或者具有其他方式弯曲的表面)。另一方面，第一层可以包括平坦表面。可选地，第一层被粘结/熔接或者以其他方式固定在褶皱状的第二层的一侧上，以在第一层和第二层之间提供空气腔。这具有提供稳定性的优点。不需要加强元件或紧固装置，这是因为褶皱状的第二层已经为空气过滤器的层结构提供了足够的支撑。

应当理解，概念“第一层”并不必须意味着该层沿着空气通过过滤器的流动方向是第一个。仅是为了区分该层与第二层的名称而已。本发明将涵盖两种可能性，即，流过空调系统的空气通过第一层或通过第二层进入空气过滤器。另外，第一层同样也可能是不平坦的(例如，褶皱状的)。此外，应当理解，概念“第一层”和“第二层”意味着存在至少一个这样的层。因此，本发明还应涵盖具有两个第一平坦层和两个褶皱状层的空气过滤器。

这两层的过滤可以依赖于不同的机制。例如，第一层可以将污染物存储在其内部中(容积或深度过滤)，而第二层可以将污染物主要存储在其扩大的表面上(表面过滤)。例如，第二介质表面的面积大于第一介质表面的面积的两倍。然而，本发明不应局限于特定的表面面积比。但有利的是，将两种过滤机制结合在一起，这是因为某些污染物可以通过容积过滤更好地吸收，而其他污染物则可以通过表面过滤有效地过滤。

可选地，第一层包括以下材料中的至少一种：玻璃纤维、合成纤维、有机纤维和合成纤维的混合物。类似地，第二层可以包括以下材料中的至少一种：玻璃纤维、合成纤维、有机纤维和合成纤维的混合物、纤维素纤维。

可选地，第一层被布置成相对于通过过滤器的空气流动方向位于第二层的上游并且包括比第二层低的堆积密度。例如，第一层的堆积密度小于0.05、或小于0.04、或小于0.03。类似地，第二层的堆积密度可以大于0.05或至少与第一层的堆积密度一样大。堆积密度可以定义为相应层的过滤材料(例如，纤维)所占的体积与过滤介质所占的总体积之比。

可选地，空气过滤器包括过滤介质的至少一个附加层，该过滤介质的至少一个附加层与第一层和第二层形成由外围框架保持彼此叠置的多个层。沿着通过具有这种空气过滤器的空调系统的流动方向，堆积密度可以逐层逐步增加。另外，过滤器的层形成为使得对于不同的层，容积过滤可以减少，而表面过滤增加。

可选地，框架构造成允许空气流不受约束地进入第一层，特别是在不被任何加强元件分开的情况下进入第一层。因此，根据另外的实施例，空气过滤器在没有诸如传统空气过滤器中那样的紧固装置或网之类的额外加强元件的情况下提供了足够的稳定性。

本发明同样还涉及一种用于制造用于空调系统的空气过滤器的方法。该方法包括以下步骤：

﹣提供具有第一介质表面的第一过滤介质的第一层；

﹣提供具有第二介质表面的第二过滤介质的第二层；和

﹣布置外围框架以保持第一层和第二层彼此相邻，其中，第二表面介质区域是非平坦的，并且提供了比第一层大的过滤表面面积。

可选地，该方法可以进一步包括将褶皱状的第二层固定在第一层上，以实现褶皱状的第二层对第一层的加强。该固定可以包括粘结、熔接或任何其他永久固定。

简而言之，各实施例通过在紧凑的过滤模块中将深度过滤与表面过滤结合的配置来解决上述问题中的至少一些。

附图说明

下面将仅以示例的方式参照附图来描述系统和/或方法的一些示例，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的空气过滤器；

图2示出了被保持在(额外的)框架内的褶皱状空气过滤介质的示例；

图3示出了根据本发明的实施例的制造空气过滤器的方法的示例性流程图；

图4示出了用于轨道车辆的示例性空调(AC)系统；

图5示出了传统空气过滤器；和

图6描绘了另一传统空气过滤器。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的空气过滤器。该空气过滤器包括具有第一介质表面的第一过滤介质的第一层12和具有第二介质表面的第二过滤介质的第二层13。第一层12和第二层13两者由框架11保持彼此叠置。

与平坦的第一层12相比，第二层13具有非平坦的表面，从而提供了扩大的过滤表面面积。特别地，第二层13形成为褶皱状层。根据有利的实施例，第二层13被粘结到框架11上，并且第一层12被简单地坐置在第二层13上。此外，框架11具有两种竖直折片19，每侧各一个，它们成褶皱状并且被粘结到第一层12上。以这种方式，第一层12被保持在竖直折片19和粘结到框架11上的第二层13内。可选地，在两个层12、13之间可以存在一定永久固定，例如在第二层13的褶皱的峰顶上用胶水固定。因此，第二层13可以粘结或不粘结或以其他方式固定在第一层12上，以通过褶皱为空气过滤器提供足够的稳定性。因此，根据本发明的实施例的空气过滤器不需要像在图5和图6中的传统空气过滤器中那样的金属网8或紧固装置22。这转而又意味着通过空气过滤器的空气流21没有分开，而是无阻碍地流过框架11内的过滤介质。

沿着通过空气过滤器的空气流动方向21，空气首先通过第一层12，然后是第二层13。第一层12可以包括比第二层13大的厚度17，所述第二层形成有更薄的厚度33，但具有褶皱状结构。此外，第一层11的堆积密度可以等于或小于第二层13的材料的堆积密度。

框架11包括深度16、高度15和宽度14。过滤模块的宽度14和高度15可以根据车辆空调的管道或空气通道的几何形状而变化。例如，在一种应用中，宽度14可以在300mm至600mm的范围内，高度15可以在200mm至400mm的范围内。过滤模块可以设计为任何其他尺寸，只要它在运行期间保持足够的刚性即可。有利地，前部19为褶皱状的，以便为第一层建立前部框架，如图1所示。实际上，框架11的两个竖直侧比深度16深，但是接着它们在制造期间被制成褶皱状的，框架的最终深度等于深度16。如果需要，框架11的顶侧和底侧也可以制成更长的且褶皱状的(使得第一层12具有小的前部框架)。可选地，过滤模块的深度16可以根据可用空间而变化。该深度也可以大于第一层12和第二层13的组合厚度，以提供用于空气引导和额外支撑的前部19。对于给定的流速，更深的模块可以达到更长的持续时间(因为它们可以存储更多的污染物)。

第一层12的深度17可以为至少5mm，并且可以调整以适应提供足够的容积过滤的需要。第一层12可以进一步具有低的堆积密度(例如，小于0.04或0.03)，该堆积密度可以根据在紧固外围框架11内部的第一层12的期望压缩等级而方便地改变。第一层12的过滤介质可以包括各种纤维。用于第一层的优选纤维材料是玻璃纤维或合成纤维或有机纤维和合成纤维的混合物。

第二层13由薄的过滤介质制成(厚度33可以在小于1mm到高达20mm的范围内)。第二层13成褶皱状以增加可用的过滤表面，实现表面过滤，其中褶皱的数量取决于过滤介质的厚度和整个过滤模块深度16。褶皱的数量可以最大化，只要不夹住褶皱以及发生不希望的过滤介质压缩即可。例如，如果过滤介质厚度33为约1mm，则第二层13可以成褶皱状，使得褶皱具有以15mm至25mm范围内的距离x间隔开的峰顶。峰顶的高度18可以在30mm至40mm的范围内。

如前所述，较深的过滤模块可以具有较长的过滤寿命，这同样取决于提供更多或更少的去污体积的填充密度。第二层13可以具有比第一层12高的堆积密度(大于0.05)或者至少与第一层12的堆积密度一样大(或者至少比第一层12的堆积密度大50％)。

第二层13的过滤介质同样可以包括各种纤维。用于第二层的纤维的优选材料是玻璃纤维、合成纤维、有机纤维和合成纤维的混合物、或纤维素纤维。第二层13优选地通过粘合剂粘结到外围框架11，从而将褶皱保持在期望的距离，密封框架和该层之间的界面，并增加外围框架的刚性。由于第一层12与褶皱状的第二层13和前部19被一起固定在外围框架11中，因此牢固地支撑了将第一层12推靠第二层13的空气流。与传统空气过滤器相比，不需要紧固元件22(图5)或金属网8(图6)。

所示的空气过滤器可以是能够与其他过滤模块组合的过滤模块。例如，框架11可以具有矩形形状(或三角形、六边形等等)，以允许根据空气通道的尺寸排列并排布置的多个过滤模块。

图2示出了被保持在框架10内的褶皱状空气过滤介质9的更多细节。根据本发明，至少一个这样的层将被包括在空气过滤器中作为第二层13。相邻褶皱之间的距离可以根据过滤需要而变化。

用于第二层13的过滤介质9比用于第一层12的过滤介质薄，以允许足够高数量的褶皱，使得过滤机制主要依赖于过滤器的表面(表面过滤)。表面过滤的优点涉及在不过多增加压降的情况下通过表面收集灰尘颗粒。而且，利用较薄的介质(可以仅仅是1mm或2mm或5mm厚)，可以在制造期间形成褶皱，然后通过用粘合剂和/或使用褶皱间隔片将褶皱粘合到单独的框架10或与图1的框架11粘结在一起而保持在适当的位置。

图3描绘了根据本发明的实施例的用于制造用于空调系统的空气过滤器的方法的流程图。该方法包括以下步骤：

﹣S110，提供具有第一介质表面的第一过滤介质的第一层12；

﹣S120，提供具有第二介质表面的第二过滤介质的第二层13；和

﹣S130，布置外围框架11以保持第一层12和第二层13彼此相邻，其中，第二表面介质区域是非平坦的，并且提供了比第一层大的过滤表面面积。

各实施例在紧固外围框架11内将过滤介质的最少两个层12、13组合在一起。尽管本发明不局限于此，但是第一层12可以是直的过滤介质，类似于图5中的过滤介质5。第一层12通过深度过滤或容积过滤保留一部分进入的灰尘。第二层12可以是褶皱状类型的，如图2中的过滤介质9那样。褶皱的数量可以根据介质厚度而变化。为了进一步改善过滤模块的持续时间，在每个层中使用的过滤介质具有特定的纤维所占的体积与所占的总体积之比(下文称为堆积密度)。堆积密度在空气流动方向上与介质表面一起在每个层处都是恒定的或增加的。

根据另外的实施例，提供另外的层以使得空气过滤器具有多个层。例如，第一层12可以同样形成为如图1所示的平坦形式，随后是形成有一些褶皱的第二层13，然后是形成有更多褶皱的第三层，使得用于供气流21穿过空气过滤器的表面面积将逐层增加。

本发明的有利实施例可以总结如下：

根据本发明的空气过滤模块可以用在轨道车辆的空调中，并且由最少两层12、13的过滤介质构成，每个层具有不同的几何形状，从而沿空气流动方向21增大介质表面，并且沿空气流动方向21在每个层处采用相同或增大的堆积密度。所有过滤层都可以容纳在紧固外围框架11内。

根据过滤模块的又一个实施例，其由两层12、13过滤介质构成，其中第一层纤维由玻璃纤维或合成纤维或有机纤维和合成纤维的混合物制成，第二层纤维由玻璃纤维或合成纤维或有机纤维和合成纤维的混合物或纤维素纤维制成。

根据过滤模块的又一个实施例，第一层12具有较低的堆积密度(小于0.03)，第二层13具有较高的堆积密度(大于0.05)。

根据过滤模块的又一个实施例，第二层表面大于第一层表面的两倍。

说明书和附图仅示出了本公开的原理。因此，将理解的是，本领域技术人员将能够设计出尽管未在本文中明确描述或示出、但体现了本公开的原理并且包括在其范围内的各种配置。

此外，尽管每个实施例可以作为单独的示例而独立，但是要注意，在其他实施例中，可以不同地组合所限定的特征，即，在一个实施例中描述的特定特征也可以在其他实施例中实现。除非声明不意图特定的组合，否则本文的公开内容涵盖此类组合。

1：空调系统的混合区

2，3，4：空气过滤器

5、7：传统过滤介质

6：传统框架

8：金属网

9：薄的褶皱状过滤介质

10、11：外围框架

12：第一层

13：第二层

14：空气过滤器的宽度

15：空气过滤器的高度

16：外围框架的深度

17：第一层的深度

18：第二层的深度

19：框架的前部

20：室外气流

21：空气流动方向

22：紧固元件

33：第二层的中间厚度

40：室内气流

50：轨道车辆

x：褶皱的峰顶之间的距离