專利名稱：改進的蜂窩式過濾器的制作方法
改進的蜂窩式過濾器
相關申請的交叉引用
本申請要求美國臨時專利申請60/927,653的權益。 發(fā)明領域
本發(fā)明涉及一種改進的陶瓷蜂窩式微粒過濾器。具體地，本發(fā)明涉及 具有提高的強度和提高的抗處理損傷性的擠壓蜂窩式陶瓷過濾器。
背景技術：
柴油發(fā)動機，由于它們運行的方式，排出兩種(微粒)的冷凝物或聚集 物的煙塵粒子或很細的液滴，以及典型的有害汽油發(fā)動機廢氣(即，HC和 CO)。這些"微粒"(在本文中為柴油煙塵)富含冷凝的、多核的烴，它們中的 一些可能是致癌的。
由于危險物柴油煙塵對健康的危害的意識與對柴油發(fā)動機提供的更 大燃料效率的要求相沖突，已經(jīng)頒布了抑制允許排出的柴油煙塵的量的規(guī) 定。為了滿足這些挑戰(zhàn)，已經(jīng)使用了煙塵過濾器。如由GB 1,014,498和美 國專利4,828,807示例，過濾器有許多構造。大多數(shù)普通的有用的過濾器 往往是具有堵塞的通道的多孔陶瓷蜂窩，因而如由美國專利4,329,162示 例，廢氣必需進入通道并且通過通道壁。
如由美國專利4,304,585; 4,333，518; 4,381，815; 4,953,627; 5,914,187; 6,669,751; 6,984,253; 7,056，568和美國專利出版物2006/029333示例，陶 瓷蜂窩由制造更大的裝置如流通催化劑(flow through catalyst)(3通)、交流 換熱器和柴油過濾器的更小部分制成。
具體地，美國專利6,669,751和美國專利出版物2006/029333描述了接 合例如方形橫截面的過濾器部分，其中外拐角具有直倒角或曲率半徑為 0.3mm - 2.5 mm的圓拐角。后者進一步教導了拐角可以具有直倒角和具有 上述曲率半徑的圓拐角。這些倒角被描述為可用于提高強度(耐熱沖擊性)。然而，這些拐角所遇到的問題是在拐角的厚壁處的靈活性有限，不能顧及 到在處理時可能發(fā)生的損害(g卩，仍然具有倒角的尖銳拐角，在拐角中不能
具有充分硬的涂層模具(hard coat dies),并且不能精確地再現(xiàn)預期的形狀 (這由美國專利公布2006/029333所述)，從而可能導致應力集中，而應力 集中導致邊緣破碎等)。
需要的是避免一個或多個現(xiàn)有技術的問題如上述問題中的一個或多 個的柴油微粒過濾器。
發(fā)明概述
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種改進的蜂窩式煙塵過濾器，其可以由一個或 多個部分組裝，并且可以使有效過濾最大化并且將處理和應用過程中的損 害最小化。
本發(fā)明的第一方面是一種陶瓷蜂窩式過濾器，其包括具有入口端和出 口端的多孔陶瓷蜂窩體，所述入口端和出口端通過從陶瓷體的入口端延伸 至出口端的相鄰的入口和出口通道連接，所述入口和出口通道由入口和出 口通道之間的多個交錯的薄氣體過濾多孔間隔壁限定，并且由陶瓷插塞限 定，使得入口通道具有在陶瓷體的出口端的入口陶瓷插塞，并且出口通道 具有在陶瓷體的入口端的出口陶瓷插塞，使得流體在進入入口端時必須通 過間隔壁，以從出口端離開，其中陶瓷蜂窩體具有至少一個外拐角，在向 下觀察所述蜂窩的通道時所述至少一個外拐角的形狀包括以下各項(i)至 少兩個圓弧，其中所述圓弧中的至少一個的曲率半徑不同于一個或多個其 它圓弧，(ii)非圓弧、或(iii)至少4個沒有任何弧的直倒角。
令人驚奇的是，在一個實施方案中，與在外拐角具有簡單的圓半徑的 拐角相比，應力量可以降低至少5%。該應力甚至可以低10%、15%或20%。 同樣地，在一個適宜的實施方案中，與上述的外拐角相對的內(nèi)拐角可以具 有與本文中所述的外拐角形狀(即，不是圓形的)相同的形狀或者不同的形 狀。在一個實施方案中，兩個相鄰的拐角具有允許例如不同部分的定向以 促進通道末端的堵塞和組裝多個部分的不同形狀。本發(fā)明還允許在拐角的 定點的壁厚更大，其另外允許在處理和組裝過程中避免劃傷和破裂的彈性 更大。該過濾器或蜂窩可以用于其中可用于具有陶瓷蜂窩，如微粒過濾器 (例如，柴油微粒過濾器)、交流換熱器和流通催化劑的任何用途。
附圖簡述


圖1是本發(fā)明的陶瓷蜂窩式過濾器在向下觀察所述過濾器的通道時的 拐角的視圖。
圖2是本發(fā)明的陶瓷蜂窩式過濾器在向下觀察所述過濾器的通道時的 拐角的視圖。
圖3是非本發(fā)明的陶瓷蜂窩式過濾器在向下觀察所述過濾器的通道 時的拐角的視圖。
發(fā)明詳述
在實施本發(fā)明的過程中，多孔的陶瓷蜂窩以及插塞(注意，插塞可以 是與蜂窩相同或不同的陶瓷，以及可以僅僅是收縮在一起以封閉通道的蜂 窩的間隔壁)可以是任何適合的陶瓷或陶瓷的組合，如在本領域中己知的用 于過濾柴油煙塵的那些。示例性的陶瓷包括氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮 化硅、氮化鋁、氧氮化硅、碳氮化硅、莫來石、堇青石、(3鋰輝石、鈦酸 鋁、硅酸鋁鍶、硅酸鋁鋰。優(yōu)選的多孔陶瓷體包括碳化硅、堇青石和莫來
石或它們的組合。碳化硅優(yōu)選為美國專利6，582，796和6,669,751Bl和WO 出版物EP1142619A1、 WO 2002/070106A1中所述的碳化硅。WO 2004/011386A1 、 WO 2004/011124A1 、 US2004/0020359A1 和 WO 2003/051488A1描述了其它適合的多孔體。
陶瓷優(yōu)選為具有針狀粒子的陶瓷。這些針狀陶瓷多孔體的實例包括 WO 2005/097706所述的那些，以及針狀莫來石，所述針狀莫來石被描述 于例如美國專利5，194,154; 5,173,349; 5,198,007; 5,098,455; 5，340，516; 6,596,665和6,306，335;美國專利申請出版物2001/0038810;和國際PCT 出版物WO 03/082773。
多孔的陶瓷蜂窩通常具有約30%至85%的孔隙率。優(yōu)選地，多孔的 陶瓷蜂窩的孔隙率至少約40%，更優(yōu)選為至少約45%，還更優(yōu)選為至少約 50%，并且最優(yōu)選為至少約55%至優(yōu)選至多約80%，更優(yōu)選至多約75%并
6且最優(yōu)選至多約70%。
蜂窩以及通道可以是任何使得它具有至少一個拐角的幾何橫截面形 狀。示例性的橫截面形狀包括正方形、矩形、梯形、平行四邊形、環(huán)狀扇 形體、五邊形、六邊形和八邊形。蜂窩可以是任何尺寸，并且依賴于用途。 在一個實施方案中，蜂窩可以與其它蜂窩(即，部分)組裝成更大的過濾器， 這在本領域中是熟知的，這在之前引用的專利中有描述。
蜂窩可以通過任何適合的方法來形成，所述方法是例如本領域中己 知的那些，例如最普通的方法是擠出由陶瓷微粒以及擠出添加劑和液體組
成的陶瓷可塑坯料，所述添加劑和液體用于使坯料(mass)塑化并且粘合微 粒。然后通過加熱并且進一步加熱將擠出的蜂窩干燥除去液體(通常為水)， 除去有機添加劑如潤滑劑、粘合劑和表面活性劑，使得陶瓷微粒熔合或燒 結(jié)在一起或者產(chǎn)生隨后熔合在一起的新微粒。這些方法由大量的專利和公 開文獻描述過，以下僅僅是少數(shù)代表性實例美國專利4，329，162; 4,741,792; 4,001,028; 4,162,285; 3,899,326; 4,786,542; 4,837,943和 5,538,681。
本發(fā)明的一個或多個拐角可以通過任何適合的方法形成，例如使用
已知的方法形成，已知方法包括.例如，(l)研磨燒結(jié)的蜂窩(即，在蜂窩
被燒結(jié)后，使用其中刻印(imprint)有拐角的形狀的磨輪，利用例如研磨對 拐角進行加工)、(2)在除去任何有機物和/或液體之后，但是在以與研磨被 燒結(jié)的陶瓷蜂窩所述的類似方式燒結(jié)或者粘合陶瓷粒子之前，加工蜂窩， 在擠出蜂窩之后，但是在除去任何有機物或液體之前，通過在具有所需的 形狀的模具中簡單地壓制成拐角來刻印形狀，以及(4)通過加工具有所需的 拐角形狀的模具并且隨后通過該模具擠出陶瓷可塑坯料，而擠出拐角的形 狀。
當通過模具擠出塑性陶瓷坯料而形成形狀時，可以通過任何適合的 方法在模具中加工形狀，包括例如線材放電加工(線材EDM)、激光加工、 磨銑和鉆孔。如在本領域中很好地理解，在較小端的形狀僅僅受限于可以 通過任何給定的加工方法實現(xiàn)的合理實際尺寸。例如，線材EDM，其是 形成制造陶瓷蜂窩的擠出模具的最通常方法，通常具有約0.025 mm的最 小線材直徑的尺寸，但是更通常的是，直徑的最小尺寸為約0.1 mm至0.2mm。
因此，例如，當需要具有圓形曲率的拐角時，當使用0.2mm的EDM 線材時，最小半徑通常不小于約0.15mm，而最大的圓形曲率可以具有數(shù) 米以上的半徑。通常，曲率半徑為至少約0.05mm到至多約10m、 5 m、 4 m、 3 m、 2 m、 1 m、 0.5 m、 0.1 m、 0.05 m、 0.01 m、 5 cm,、 4 cm、 3 cm、 2 cm、 1 cm、 9 mm、 8 mm、 7 mm、 6 mm禾卩5 mm。
當形成具有圓形曲率的半徑的拐角時，存在至少兩個圓弧，其中所 存在的圓弧的至少一個的曲率半徑不同于所存在的其它圓弧中的一個或 多個的曲率半徑。然而，在本發(fā)明的該方面中，圓弧的數(shù)量典型地為小于 25至小于20、 15、 10、 9、 8、 7、 6、 5或4個的圓弧。當存在兩個圓弧時， 還可以存在一個或多個倒角(g卩，通過限定形成的直角)和/或一個或多個非 圓形曲率(g卩，具有恒定半徑的弧)，其中包括任何一個非圓弧的這些特征 的總數(shù)量與在上面對圓弧本身描述的數(shù)量相同。在下面的實施例1中描述 了一個實施方案，其中兩個圓弧具有相等的曲率半徑，而一個圓弧的曲率 半徑不同于置于其間的兩個倒角的曲率半徑(也稱為切線)。
類似地，當形成非圓弧時，在通過其中具有所制造的形狀的模具將 其擠出而形成該形狀時，應用上述對最小尺寸的限制。非圓弧是任何具有 變化的曲率的弧，如描繪成與圓不同的形狀的弧，例如，拋物線、雙曲線 和橢圓。當拐角的形狀具有非圓弧時，通常有至少一種弧至通常至多為25 種弧。然而，非圓弧的數(shù)量典型地為少于25、少于20、 15、 10、 9、 8、 7、 6、 5或4個弧。還可以有一個或多個倒角(即，平直角限定)和/或一個或多 個圓彎曲部(即，具有恒定的半徑的弧)，其中包括任何非圓弧在內(nèi)的這些 特征的總數(shù)量與在上面對非線性弧本身描述的總數(shù)量相同。
當僅有倒角時，應理解的是，在交叉點(即，由倒角形成的拐角)，這 些交叉點不是非常尖細的形狀，而是由于如上所述例如制備模具的實際加 工方法的局限性可能變鈍。在僅存在倒角時，倒角的數(shù)量至少為4，但是 通常有更多個，例如5、 6、 7、 8、 9、 10、 15、 20個到至多約25個。
取決于蜂窩具有的拐角的數(shù)量，但是只要有一個拐角，按上升順序優(yōu) 選為至少20%、 30%、 40%、 50%、 60°/。、 70%、 80%、 90%的拐角具有本 發(fā)明的形狀。更優(yōu)選地，所有的拐角具有本發(fā)明的形狀。在一個優(yōu)選的實施方案中，拐角具有不同的形狀，使得技術人員可以 從拐角本身的定向容易地識別例如一個面。作為說明，帶有正方形橫截面 的蜂窩具有四個不同形狀的拐角，根據(jù)拐角的定向， 一個面可以與另一個 面相區(qū)分。類似地，如果相同的正方形蜂窩的兩個相鄰的拐角的形狀不同 而另兩個拐角相同，但是與剛提及的拐角不同，則所述面可以被相互區(qū)分。 當將蜂窩部分組裝成更大的過濾器時，這些實施方案允許入口面和出口面 的快速而容易的識別。
通常地，間隔壁可以在壁內(nèi)含有催化劑，或者在壁的表面上涂覆有催 化劑。這種催化劑可以是任何對催化煙塵、 一氧化碳和/或烴的燃燒有用的 催化劑。催化劑還優(yōu)選減少柴油廢氣流中的一種或多種其它污染氣體，例
如NOx(例如，將"SCR"還原為氮和將CO氧化以形成C02的選擇性催化
劑)。 實施例
在所有的實施例和比較例中，在顯示拐角的尺寸的圖中所示的單位是
以毫米計的。在每一種應力模型中的應力是以MPa計的von-Mises應力。 實施例1:
使用不對稱的45度模型，8節(jié)點平面應變元件，在按每mm蜂窩長 度計的1N的45度負荷下，利用有限元分析將具有圖1中所示的拐角的 蜂窩模型化，該拐角具有兩個相同的圓半徑，兩個直倒角和一個不同的圓 半徑。在圖1中所示的單位是以毫米計的。將材料性質(zhì)選擇為反映通常的 陶瓷材料性質(zhì)，即30,000 MPa的材料模量和0.25的泊松比。在拐角施加 的負荷下的最大應力為32.8 MPa,并且這種最大負荷偏離通道中的壁表面 的拐角的中點。
實施例2
利用相同的材料常數(shù)，如上所述將具有圖2中所示的拐角的蜂窩模型 化，所述拐角具有兩個相同的圓半徑和一個不同的圓半徑。在拐角施加的 負荷下的最大應力為30.6 MPa，并且這種最大負荷偏離通道中的壁表面的拐角的中點。 比較例
利用相同的材料常數(shù)，以與實施例1中相同的方式測定蜂窩(圖3)的 拐角的應力，該蜂窩除了拐角具有1.25mm的單個曲率半徑之外，其它均 與實施例1相同。在拐角施加的負荷下的最大應力為37 MPa，并且這種 最大負荷位于通道中的壁表面的拐角的中點。
從實施例和比較例看出，通過本發(fā)明顯著地降低了在拐角的應力，對 于實施例1降低為約10%，而對于實施例2降低為約20%。另外，對于 兩個實施例，即使在拐角的中點，應力也降低。這實現(xiàn)了耐熱沖擊性更大 并且抗擦傷的過濾器或過濾器部分，其可以容易被處理，而沒有損傷。
下列權利要求，即使它們明確地可以不相互從屬，但是本發(fā)明也可預 見到任何一個權利要求與任何一個或多個權利要求相結(jié)合的一個或多個 實施方案的任何組合。
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權利要求
1.一種陶瓷蜂窩式過濾器，所述陶瓷蜂窩式過濾器包括具有入口端和出口端的多孔陶瓷蜂窩體，所述入口端和出口端由從所述陶瓷體的入口端延伸至出口端的相鄰的入口和出口通道連接，所述入口和出口通道由入口和出口通道之間的多個交錯的薄的氣體過濾多孔間隔壁限定，并且由陶瓷插塞限定，使得所述入口通道具有在所述陶瓷體的出口端的入口陶瓷插塞，并且所述出口通道具有在所述陶瓷體的入口端的出口陶瓷插塞，使得流體在進入所述入口端時必須通過間隔壁，以從所述出口端離開，其中所述陶瓷蜂窩體具有至少一個外拐角，在向下觀察所述蜂窩的通道時所述至少一個外拐角的形狀包括以下的各項(i)至少兩個圓弧，其中所述圓弧中的至少一個的曲率半徑不同于其它的一個或多個圓弧的曲率半徑，(ii)非圓弧、或(iii)至少4個沒有任何弧的直倒角。
2. 權利要求1所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中每一個外拐角具有所 述形狀。
3. 權利要求2所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述外拐角具有不同的形狀，使得能夠從所述拐角的定向區(qū)別所述入口和出口端。
4. 權利要求3所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述外拐角的每一個 都具有不同的形狀。
5. 權利要求1所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀是具有至少 兩個圓弧的形狀，其中所述圓弧中的至少一個的曲率半徑不同于其它一個 或多個圓弧的曲率半徑。
6. 權利要求5所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀具有至少3 個圓弧。
7. 權利要求6所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀具有2個曲 率半徑相同的圓弧，和1個曲率半徑不同于所述曲率半徑相同的圓弧的曲 率半徑的圓弧。
8. 權利要求7所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述曲率半徑不同的 圓弧被設置在所述曲率半徑相同的圓弧之間。
9. 權利要求8所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中在所述半徑相同的圓弧中的每一個與所述半徑不同的圓弧之間，存在直倒角。
10. 權利要求1所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀具有至少一 個非圓弧。
11. 權利要求io所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述非圓弧是拋物線、雙曲線或橢圓。
12. 權利要求10所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀是兩個以 上的非圓弧的組合。
13. 權利要求12所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀僅僅由非圓弧組成。
14. 權利要求10所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀包括至少 一個直倒角。
15. 權利要求IO所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀包括至少 一個圓弧。
16. 權利要求1所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀具有至少4 個沒有任何弧的直倒角。
17. 權利要求16所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述形狀具有至少 5個直倒角到至多20個直倒角。
18. 權利要求1所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述拐角與具有圓曲 率半徑的相同拐角相比，其中的應力減少了至少5%。
19. 權利要求1所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中與所述外拐角相對的 內(nèi)拐角具有以下形狀(i)至少兩個圓弧，其中所述圓弧中的至少一個的曲 率半徑不同于其它一個或多個圓弧，(ii)非圓弧、或(iii)至少4個沒有任何 弧的直倒角。
20. 權利要求19所述的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述內(nèi)拐角的形狀 不同于與所述內(nèi)拐角相對的外拐角的形狀。
全文摘要
一種改進的陶瓷蜂窩式過濾器，其中所述陶瓷蜂窩式過濾器具有至少一個外拐角，在向下觀察所述蜂窩的通道時所述至少一個外拐角的形狀包括如下各項(i)至少兩個圓弧，其中所述圓弧中的至少一個的曲率半徑不同于其它一個或多個圓弧的曲率半徑，(ii)非圓弧、或(iii)至少4個沒有任何弧的直倒角。
文檔編號B01D46/24GK101687132SQ200880014790
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月2日 優(yōu)先權日2007年5月4日
發(fā)明者杰弗里·D·扎維沙 申請人:陶氏環(huán)球技術公司