專利名稱：用于改進(jìn)的顆粒過濾性能的過濾結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過濾結(jié)構(gòu)。具體來說，本發(fā)明涉及具有適于用在燃燒后應(yīng)用、諸如廢氣過濾的性能的過濾結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
環(huán)境問題推動(dòng)世界上大部分地方內(nèi)燃機(jī)和其它燃燒系統(tǒng)的排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。在廢氣后處理系統(tǒng)中實(shí)施的催化式排氣凈化器已經(jīng)用于消除廢氣中存在的多種污染物；但是， 通常需要過濾器來去除顆粒物質(zhì)，諸如灰和炭黑。壁流式顆粒過濾器例如通常用在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中以從廢氣中去除顆粒，諸如炭黑和灰。這種顆粒過濾器可由蜂窩狀基材制成，該蜂窩狀基材具有通過內(nèi)部多孔壁分開的平行的流道或孔道。流道的入口端和出口端可被選擇性地例如以棋盤圖案堵塞，從而，一旦進(jìn)入基材，廢氣就被強(qiáng)制穿過內(nèi)部多孔壁，由此多孔壁截留廢氣內(nèi)的一部分顆粒?？煞謨蓚€(gè)階段進(jìn)行通過多孔壁的顆粒捕集首先，在多孔壁內(nèi)的捕集(深床過濾)，且之后，在流道內(nèi)的多孔壁上的捕集(餅層過濾)。這樣，業(yè)已發(fā)現(xiàn)壁流式顆粒過濾器在從廢氣去除諸如灰和炭黑之類的顆粒時(shí)是有效的。但是，跨越壁流式顆粒過濾器的壓降隨著捕集在多孔壁內(nèi)和通道內(nèi)的顆粒量的增加而增加。對于未經(jīng)調(diào)整的(即不具有足夠的灰層來阻擋顆粒物質(zhì)滲入多孔過濾壁)過濾器， 在初始深床過濾階段(其中通常少于lg/L(克/升)的顆粒被捕集在過濾器內(nèi))通常有壓降的顯著增加，接著在餅層過濾階段隨著顆粒加載壓降逐漸增加。壓降增加致使朝向發(fā)動(dòng)機(jī)的背壓逐漸升高，且發(fā)動(dòng)機(jī)的性能相應(yīng)降低。過濾器的幾何和微結(jié)構(gòu)性能不僅會(huì)影響過濾器的過濾效率(FE)，而且還會(huì)影響深床過濾階段期間的初始壓降。例如，壓降的初始增加在深床過濾階段更大地受到過濾器的微結(jié)構(gòu)性能的影響，而在餅層過濾階段中更大地受到其幾何性能的影響。因此，理想的可能是提供不僅會(huì)在過濾器的任何顆粒加載之前(即，當(dāng)過濾器清潔時(shí))導(dǎo)致高的過濾器FE，而且會(huì)實(shí)現(xiàn)與初始背壓增加相關(guān)的相對低的深床過濾的微結(jié)構(gòu)性能，從而在過濾器清潔時(shí)且在深床過濾的初始階段期間使過濾器的壓降最小。此外，如下文將進(jìn)一步解釋的，可能理想的是提供這樣一種過濾結(jié)構(gòu)，其中跨越過濾器的壓降在過濾器炭黑加載之前(例如，當(dāng)過濾器清潔時(shí))以及在炭黑加載的初始階段期間(例如深床過濾期間)保持相對低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可解決上述問題中的一個(gè)或多個(gè)和/或可論證上述理想特征中的一個(gè)或多個(gè)。其它特征和/或優(yōu)點(diǎn)會(huì)從以下說明書中顯現(xiàn)出來。
根據(jù)各示例性實(shí)施例，本發(fā)明提供一種顆粒過濾器，包括入口端、出口端以及設(shè)置和構(gòu)造成使流體從入口端流到出口端的多個(gè)通道，其中各通道由構(gòu)造成捕集顆粒物質(zhì)的多孔壁限定。多孔壁可具有大于約45%的總孔隙率、范圍從約13微米至約20微米的中值孔尺寸、以及使得小于10微米的孔貢獻(xiàn)小于約10%的孔隙率的孔尺寸分布。另外的目的和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的描述中部分地陳述，且根據(jù)該描述部分地顯而易見，或可通過本發(fā)明的實(shí)踐部分地獲知。通過所附權(quán)利要求中特別指出的要素和組合將會(huì)認(rèn)識和獲得這些目的和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解以上一般描述和以下詳細(xì)說明僅僅是示例性和說明性的而不是限制權(quán)利要求。


可單獨(dú)從下面的詳細(xì)描述中理解本發(fā)明或與附圖一起理解本發(fā)明。所包括的附圖用于提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，且被結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成其一部分。這些附圖示出一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例，與說明書一起，用于解釋各種原理和運(yùn)行。圖1是根據(jù)本發(fā)明的顆粒過濾器的一示例性實(shí)施例的立體圖；圖2是圖1的顆粒過濾器的示意性剖視圖；圖3A示出從作為對應(yīng)于各種幾何尺寸的過濾器的壁中值孔尺寸的函數(shù)的清潔壓降的模擬數(shù)據(jù)得到的結(jié)果；圖;3B示出從作為對應(yīng)于各種幾何尺寸的過濾器的壁中值孔尺寸的函數(shù)的清潔壓降的實(shí)驗(yàn)測試得到的結(jié)果；圖4A示出從作為對應(yīng)于各種幾何尺寸的過濾器的壁孔隙率的函數(shù)的清潔壓降的模擬數(shù)據(jù)得到的結(jié)果；圖4B示出從作為對應(yīng)于各種幾何尺寸的過濾器的壁孔隙率的函數(shù)的清潔壓降的實(shí)驗(yàn)測試得到的結(jié)果；圖5A示出從作為壁中值孔尺寸的函數(shù)的清潔過濾器效率的模擬數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果；圖5B示出從作為壁中值孔尺寸的函數(shù)的清潔過濾器效率的實(shí)驗(yàn)測試獲得的結(jié)果；圖6A示出從作為壁孔隙率的函數(shù)的清潔過濾器效率的模擬數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果；圖6B示出從作為壁孔隙率的函數(shù)的清潔過濾器效率的模擬數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果；圖7示出從由于深床過濾說明壁孔隙率對初始背壓降斜率的影響的模擬數(shù)據(jù)得到的結(jié)果；以及圖8示出從由于深床過濾說明壁孔尺寸分布對初始背壓降斜率的影響的模擬數(shù)據(jù)得到的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式在顆粒過濾器中，諸如壁流式或局部流式顆粒過濾器中，當(dāng)來自流體流(例如廢氣流)的顆粒物質(zhì)(例如炭黑和灰)初始被捕獲在過濾器的多孔壁內(nèi)時(shí)(深床過濾階段)， 背壓顯著大地增加，這會(huì)不利地影響燃燒系統(tǒng)的效率。例如，在汽車或其它燃燒系統(tǒng)應(yīng)用中，燃油經(jīng)濟(jì)性可能降低。但同時(shí)，F(xiàn)E從清潔過濾器FE增加到最大值。這是由于沉積在過濾器的壁內(nèi)的顆粒用作過濾介質(zhì)本身，并使得更多的顆粒沉積在過濾器壁上。一旦達(dá)到餅層過濾階段(即，顆粒物質(zhì)被捕集在通道內(nèi)過濾器的壁上而不是壁內(nèi)部)，則FE在最大值保持基本上恒定，且背壓的增加比在深床過濾階段更逐漸增加。本發(fā)明考慮這樣的過濾器在過濾器清潔時(shí)(即在炭黑加載之前)產(chǎn)生低的壓降， 且在深床過濾期間產(chǎn)生相對低的初始背壓，同時(shí)還具有相對高的FE。換言之，本發(fā)明的各示例性實(shí)施例考慮這樣的顆粒過濾器構(gòu)造其在炭黑積聚在過濾器的多孔壁的表面上之前 (例如在深床過濾之前或期間)起初具有相對低的壓降。根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例確定的過濾器的微結(jié)構(gòu)特性，諸如孔尺寸、孔隙率和/或孔尺寸分布可能足以在其清潔時(shí)(炭黑積聚之前)提供跨越過濾器的低的壓降，并在深床過濾期間(當(dāng)炭黑積聚在過濾器的壁內(nèi)時(shí))提供相對低的初始背壓增加(即相對于顆粒加載的壓降曲線的相對小的斜率或響應(yīng)于顆粒加載的低的壓降)。在本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，披露了這樣的顆粒過濾器，其具有在深床過濾顆粒加載期間可產(chǎn)生低的清潔壓降和相對低的初始背壓增加的微結(jié)構(gòu)，由此增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性并增加過濾器的過濾效率。本文所使用的術(shù)語“顆粒過濾器”或“過濾器”是指能夠從穿過該結(jié)構(gòu)的流體流去除顆粒物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可應(yīng)用于從任何流體流去除任何顆粒物質(zhì)，且該流體流可以是氣體或液體的形式。氣體或液體也可包含其它相，諸如氣體或液體流中的固體顆?；驓怏w流中的液滴。非限制性示例性流體流包括通過諸如柴油機(jī)或汽油機(jī)之類的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢氣，以及煤氣化過程產(chǎn)生的煤燃燒廢氣。顆粒物質(zhì)可以是任何相。因此，顆粒物質(zhì)可例如在氣態(tài)流體流中作為液態(tài)或固態(tài)存在，或在液態(tài)流體流中作為固態(tài)存在。示例性顆粒物質(zhì)包括例如柴油顆粒物質(zhì)(例如從柴油汽車或卡車排出的柴油的顆粒成分)，柴油顆粒物質(zhì)包括柴油炭黑和諸如灰顆粒、金屬磨損顆粒、硫酸鹽和/或硅酸鹽的浮粒。本文所使用的術(shù)語“炭黑”是指在內(nèi)部燃燒過程期間碳?xì)浠衔锏牟煌耆紵a(chǎn)生的不純碳顆粒。術(shù)語“灰”是指在幾乎所有的石油產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的不可燃燒金屬材料。對于柴油應(yīng)用來說，灰通常由曲軸箱油和/或燃油攜帶的催化劑產(chǎn)生。本發(fā)明的顆粒過濾器可具有適于特定應(yīng)用的任何形狀和幾何形狀，以及各種構(gòu)造和設(shè)計(jì)，包括但不限于例如壁流式單體結(jié)構(gòu)或局部流式單體結(jié)構(gòu)(即，壁流式單體結(jié)構(gòu)和流通式單體結(jié)構(gòu)的任何組合)。示例性壁流式單體包括例如包括通道或多孔網(wǎng)絡(luò)或其它通路的單體結(jié)構(gòu)，其它通路中各個(gè)通路在結(jié)構(gòu)的相對端敞開且或堵塞，由此當(dāng)流體從一端流到另一端時(shí)增強(qiáng)穿過單體的通道壁的流體流動(dòng)。示例性局部流式單體包括例如如上所述部分壁流式且部分流通式的任何單體結(jié)構(gòu)，其中某些通道或多孔網(wǎng)絡(luò)或其它通路在兩端敞開并允許流體流從一端向相對端流過單體通路。由于其每單位體積的用于沉積顆粒物質(zhì)的高表面面積，本發(fā)明的各示例性實(shí)施例考慮利用蜂窩結(jié)構(gòu)的多孔幾何形狀。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解，蜂窩結(jié)構(gòu)的孔道的橫截面可實(shí)際上具有任何形狀，并不限于方形或六邊形。 類似地，且可如從以下講授進(jìn)一步理解的，蜂窩結(jié)構(gòu)可構(gòu)造為壁流式結(jié)構(gòu)或局部流式結(jié)構(gòu)。圖1示出適于本發(fā)明的實(shí)踐的顆粒過濾器的一示例性實(shí)施例。顆粒過濾器100具有入口端102、出口端104以及從入口端102延伸到出口端104的多個(gè)通道108、110。通道108、110由相交的多孔壁106限定，由此形成大致蜂窩構(gòu)造。盡管示出顆粒過濾器100具有大致方形橫截面(即垂直于過濾器100的縱向軸線的平面)的通道，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解，通道108、110可具有各種其它幾何形狀，諸如圓形、方形、三角形、矩形、六邊形、正弦曲線形或其任何組合的橫截面而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，盡管顆粒過濾器100示出為圓柱形，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解該形狀僅是示例性的，且根據(jù)本發(fā)明的顆粒過濾器可具有各種形狀，包括但不限于卵形、塊形、方形、
三角形等。顆粒過濾器100可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥桑叶嗫妆?06并不限于任何特定的多孔材料。示例性材料包括各種多孔陶瓷，包括但不限于堇青石、碳化硅、氮化硅、鈦酸鋁、鋰霞石、鋁酸鈣、磷酸鋯、鋰輝石。在各示例性實(shí)施例中，顆粒過濾器100可通過例如擠壓和/ 或模制形成為單體結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知用于形成這些陶瓷單體結(jié)構(gòu)的各種技術(shù)。在各示例性實(shí)施例中，顆粒過濾器也可包括形成過濾器的外周側(cè)部表面的表皮。該表皮可由與多孔壁相同或不同的材料制成，且在各實(shí)施例中可比多孔壁更厚。如圖1和2所示，本發(fā)明的各示例性實(shí)施例還考慮顆粒過濾器100具有一個(gè)或多個(gè)選擇性堵塞的通道端以提供允許流體流與多孔壁106之間更緊密接觸的壁流式結(jié)構(gòu)。圖 2是沿線2-2取得的圖1的顆粒過濾器100的示意性剖視圖，示出顆粒過濾器100中的通道 108、110。交替的通道108和110在相對端處用塞子112阻塞。在圖1和2的示例性實(shí)施例中，通道110在過濾器100的入口端102處由塞子112阻塞，而通道108在過濾器100的出口端104處由塞子112阻塞。通道108、110的阻塞強(qiáng)制流體傳送通過多孔壁106。沿箭頭F方向流動(dòng)的流體經(jīng)由入口端102通過通道108進(jìn)入顆粒過濾器100，但這些通道在出口端104處被塞子阻塞。這種阻塞產(chǎn)生積聚在阻塞通道108內(nèi)的壓力，該壓力迫使流體穿過通道108的多孔壁106。由于流體被強(qiáng)制穿過多孔壁106，在流體不受阻礙地穿過時(shí)，顆粒物質(zhì)被捕集在壁106內(nèi)和壁106上。然后過濾的流體進(jìn)入相鄰?fù)ǖ?10并經(jīng)由出口端104 通過通道110排出顆粒過濾器100。塞子112可由任何適當(dāng)材料制成，不限于任何特定的堵塞糊料或材料。在各示例性實(shí)施例中，例如，尤其對于由堇青石制成的過濾器，塞子112可由用于粘合和填充的堇青石熟料制成。示例性塞子例如還可包括通過加熱固化的由鈦酸鋁粉末、鋁酸鈣粉末、 Kaowool 硅酸鋁纖維、硅膠、甲基纖維素粘合劑和水的混合物構(gòu)成的堵塞糊料。如以上討論的，且根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例，多孔壁106可以各種不同方式捕集顆粒物質(zhì)，諸如捕集在多孔壁106的厚度內(nèi)和多孔壁106的表面107上。如上所述，將顆粒物質(zhì)捕集在過濾壁內(nèi)通常稱為深床過濾。但是，超過一定點(diǎn)，顆粒物質(zhì)在多孔壁106內(nèi)的沉積會(huì)充分降低壁的滲透性，從而任何隨后的顆粒捕集都在多孔壁106的表面107上，稱為餅層過濾。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，圖1和2中所示以及上文描述的堵塞通道端部的圖案僅是示例性的，且也可利用其它堵塞通道的布置而不偏離本發(fā)明的范圍。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，也可利用局部流式過濾器結(jié)構(gòu)(例如其中過濾器的某些通道在兩端敞開) 而不偏離本發(fā)明的范圍。關(guān)于深床過濾和餅層過濾的以上描述以及與這種過濾時(shí)期相關(guān)的壓降響應(yīng)與壁流式過濾器結(jié)構(gòu)同樣適用于局部流式過濾器結(jié)構(gòu)，因?yàn)榱鬟^局部流式過濾器結(jié)構(gòu)內(nèi)通道的至少某些流體穿過多孔過濾壁，致使顆粒物質(zhì)捕集在這些壁內(nèi)。
如上所述，顆粒過濾器、諸如像圖1和2的顆粒過濾器100的顆粒過濾器的多孔壁結(jié)構(gòu)特性影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和顆粒過濾器的過濾效率。如下文將更詳細(xì)討論的，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了在深床過濾期間實(shí)現(xiàn)低清潔壓降和低背壓增加的顆粒過濾器可提高燃油經(jīng)濟(jì)性和過濾效率。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了在初始炭黑加載(深床過濾)期間可實(shí)現(xiàn)低清潔壓降和低初始背壓增加的多孔壁結(jié)構(gòu)性能(例如微結(jié)構(gòu)特性)。本文所使用的術(shù)語“清潔壓降”是指當(dāng)顆粒過濾器清潔時(shí)，當(dāng)流體從入口端向出口端流過顆粒過濾器時(shí)產(chǎn)生的流體壓降。因而，具有“低清潔壓降”的顆粒過濾器是指起初允許流體相對自由地通過，當(dāng)流體流過過濾器時(shí)產(chǎn)生流體的低壓降。本文所使用的具有“低初始背壓增加”的顆粒過濾器是指具有與顆粒過濾的深床過濾階段相關(guān)的初始背壓降的低增加的過濾器。本文所使用的術(shù)語“響應(yīng)于顆粒加載的壓降”是指隨著過濾器變臟且加載有顆粒物質(zhì)，當(dāng)流體從入口端向出口端流過顆粒過濾器時(shí)產(chǎn)生的流體壓降的變化。本文所使用的深床過濾階段期間響應(yīng)于顆粒過濾器的顆粒加載的低或平緩壓降是指這樣的過濾器在深床過濾的初始階段期間對顆粒加載具有減弱敏感度(與常規(guī)過濾器相比)，當(dāng)顆粒過濾器加載有顆粒物質(zhì)時(shí)致使穿過其中流體的壓降的相對低的增加(與常規(guī)過濾器相比)。如上所述且如下文進(jìn)一步解釋的，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生在深床過濾階段期間具有上述低壓降和低初始背壓增加(例如響應(yīng)于顆粒加載的低壓降)的顆粒過濾器的各種顆粒過濾器多孔壁特性(例如微結(jié)構(gòu)特性)。如上所述，本發(fā)明考慮使用顆粒過濾器的各種微結(jié)構(gòu)特性，以在深床過濾期間實(shí)現(xiàn)所要求的低清潔壓降、高過濾效率以及降低的初始背壓增加。為了確定這些微結(jié)構(gòu)特性， 發(fā)明人使用模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來獲得用于具有這些所要求特性的顆粒過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的范圍，如下文參照圖3-8所示和所述。圖3A和;3B以及圖4A和4B中分別示出對于壁孔道密度/壁厚度的各種組合 (200cpsi(每平方英寸的孔道數(shù))/12mils(mils = 1/1000 英寸)、200cpsi/18mils 以及 275cpsi/12mils)，清潔壓降對于壁中值孔尺寸和壁孔隙率的敏感度。在圖3A和4A中，在 25°C下以42Ag/hr的氣體流率模擬5. 66英寸直徑乘以6英寸長度的顆粒過濾器。如圖3A 所示，具有約50%孔隙率的顆粒過濾器的清潔壓降對于小于約13 μ m的壁中值孔尺寸顯著增加，大于約13 μ m的壁中值尺寸致使清潔壓降的僅適度減小。如圖4A所示，具有約15 μ m 的壁中值孔尺寸的顆粒過濾器的清潔壓降隨著壁孔隙率的增加而適度減小。因此，基于圖 3A和4A所示的模擬結(jié)果，清潔壓降對于壁孔隙率的增加相對不敏感，但對于壁中值孔尺寸的減小，例如小于約13 μ m相對敏感。在圖;3B和4B中，在42Ag/hr的氣體流率下在25 °C下在具有各種壁孔道密度/壁厚度的各種組合(即對應(yīng)于圖上菱形的200cpSi/iaiiilS、對應(yīng)于圖上方形的 200cpsi/18mils、以及對應(yīng)于圖上三角形的275cpsi/12mils)、具有5. 66英寸直徑乘以6英寸長度的過濾器上進(jìn)行試驗(yàn)測試。類似于以上圖3A和4A中所描述的模擬數(shù)據(jù)，圖:3B示出清潔壓降對于壁孔隙率的增加相對不敏感，而圖4B示出清潔壓降對于壁中值孔尺寸的減小相對敏感。圖5A和5B以及圖6A和6B分別示出初始(清潔過濾器)過濾效率對于壁中值孔尺寸和壁孔隙率的敏感度。在圖5A和6A中，在15.59cfm(立方英尺/分鐘)的氣體流率下在25°C下對具有275cpsi的壁孔道密度、UmiIs的壁厚度、5. 66英寸的直徑和6英寸長度的過濾器進(jìn)行模擬。如圖5A所示，當(dāng)壁中值孔尺寸從約20 μ m減小到約14 μ m時(shí)，具有約50%的壁孔隙率的顆粒過濾器的初始過濾效率(FE)從約34%增加到約58%。如圖6A 所示，當(dāng)過濾器的壁孔隙率從約48%增加到約55%時(shí)，具有約17 μ m的壁中值孔尺寸的顆粒過濾器的初始過濾效率從約42%增加到約45%?；趫D5A和6A所示的模擬數(shù)據(jù)，因此，顯示初始過濾效率對于壁孔隙率的增加相對不敏感，但對于壁中值孔尺寸的減小相對敏感，隨著壁中值孔尺寸的減小而顯著增加。類似地，在圖5B和6B中，以15. 59cfm的氣體流率在25°C下，在直徑5. 66英寸、長度6英寸的、具有孔道密度/壁厚度的各種組合、即275cpsi/12mils (275/12對應(yīng)于圖上的方形)和200cpsi/12mils (200/12對應(yīng)于圖上的菱形)的實(shí)際過濾器上進(jìn)行試驗(yàn)測試。類似于以上所描述的模擬數(shù)據(jù)，圖6B進(jìn)一步顯示初始過濾效率對于壁孔隙率的增加相對不敏感，而圖5B進(jìn)一步顯示初始過濾效率對于壁中值孔尺寸的減小相對敏感。圖7示出從模擬數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果，顯示壁孔隙率對由于深床過濾造成的初始背壓降的斜率的影響。如圖 所示，對于以26. 25cfm的氣體流率、在25°C下、以直徑2英寸、長度6英寸、以及中值孔尺寸約20 μ m模擬的顆粒過濾器，其中小于10 μ m的孔貢獻(xiàn)約6%的孔隙率，且大于40 μ m的孔貢獻(xiàn)約10. 25%的孔隙率，初始壓降(在y軸線上測得)斜率隨著壁孔隙率從48%增大到而下降。因此，基于圖3-7所示的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)所要求的深床過濾期間低清潔壓降、低初始壓力增加、以及顆粒過濾器的過濾效率性能的努力中，本發(fā)明的示例性實(shí)施例考慮使用這樣的結(jié)構(gòu)多孔壁具有范圍從約13 μ m至約20 μ m、或約13 μ m至約16 μ m 的中值孔尺寸，這可能導(dǎo)致相對高的過濾效率性能而不顯著增加過濾器的清潔壓降性能。 此外，盡管清潔壓降可隨著壁孔隙率增大而僅適度改進(jìn)，但較大的壁孔隙率也可有助于降低由深床過濾產(chǎn)生的高的初始背壓。因而，本發(fā)明還考慮使用具有總孔隙率大于約45%的多孔壁的顆粒過濾器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例還考慮這樣的顆粒過濾器，該顆粒過濾器具有總孔隙率范圍在約45%至約60%之間的多孔壁，從而解決由于較高的孔隙率水平產(chǎn)生的對過濾器的容積密度/熱質(zhì)量的可能的不利影響。圖8示出從模擬數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果，顯示壁孔尺寸分布對由于深床過濾造成的初始背壓降的斜率的影響。如圖8所示，初始背壓降對于由尺寸小于10 μ m的孔(通過壓汞測孔技術(shù)確定的細(xì)孔)貢獻(xiàn)的孔隙率相對敏感。如圖所示，對于以26. 25的氣體流率在25°C 下、直徑2英寸、長度6英寸、中值孔尺寸約19 μ m且孔隙率52%進(jìn)行模擬的顆粒過濾器，當(dāng)由尺寸小于IOym的孔貢獻(xiàn)的孔隙率從約2. 15%增加到12%時(shí)(同時(shí)由尺寸大于40 μ m 的孔貢獻(xiàn)的孔隙率相應(yīng)從約10. 68%減小到約9. 6%以保持恒定的中值分布)，深床過濾期間初始壓降的斜率增加約66%。因而，提供這樣的過濾器結(jié)構(gòu)對于幫助在深床過濾階段期間減小初始壓降增加可能是理想的，該過濾器結(jié)構(gòu)具有的孔尺寸分布使得小于10 μ m的孔貢獻(xiàn)小于約10%的孔隙率，例如小于約6%的孔隙率，例如小于約2%的孔隙率。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解，參照圖3-8所示和所述的結(jié)果和相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)特性僅是示例性的，且并不用于限制本發(fā)明或權(quán)利要求書的范圍。例如，進(jìn)入結(jié)構(gòu)的流體流的特性，諸如溫度、壓力、流體中污染物和/或氣體物質(zhì)的濃度、流率(進(jìn)入、穿過和流出系統(tǒng)的流率)可能也是根據(jù)本發(fā)明考慮選擇過濾器的微結(jié)構(gòu)特性的當(dāng)前因素。因而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā)明的顆粒過濾器可包括多個(gè)微結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些微結(jié)構(gòu)參數(shù)由于深床過濾實(shí)現(xiàn)低清潔壓降、高過濾效率以及低的初始背壓增加。也可按要求改變本發(fā)明的顆粒過濾器的其它特性，包括用于結(jié)構(gòu)的材料、通道的結(jié)構(gòu)構(gòu)造(例如尺寸、形狀等)和/或進(jìn)入結(jié)構(gòu)的流體流的特性，諸如溫度、壓力、流體中污染物和/或氣體物質(zhì)的濃度、流率(包括進(jìn)入、穿過和流出系統(tǒng)的流率)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解，基于在上述各種特性和特征中至少某些下處理所要求的總體后處理系統(tǒng)操作和流體流的各種參數(shù)可選擇成有助于在深床過濾期間實(shí)現(xiàn)低清潔壓降、高過濾效率和低的初始背壓增加。例如，在本發(fā)明的一示例性應(yīng)用中，除了上述多孔壁結(jié)構(gòu)特性之外，顆粒過濾器也可考慮例如2009年1月21日提交的題為“Particulate Filters and Methods for Regenerating Particulate Filters”的美國申請12/356, 965中所揭示的各種幾何特性， 其全部內(nèi)容以參見的方式納入本文，從而不僅保持過濾器清潔時(shí)的低壓降和深床過濾階段期間低的初始背壓增加，還實(shí)現(xiàn)深床過濾階段期間響應(yīng)于顆粒過濾器的顆粒(例如炭黑) 加載的陡峭壓降。本文所使用的術(shù)語“深床過濾階段期間響應(yīng)于顆粒過濾器的顆粒加載的陡峭壓降”是指這樣的過濾器在餅層過濾的后期階段期間對顆粒加載具有增高的敏感度 (與常規(guī)過濾器相比)，致使當(dāng)顆粒過濾器加載有顆粒物質(zhì)時(shí)穿過其中流體的壓降的相對大的增加(與常規(guī)過濾器相比)。但是，總體來說，基于本發(fā)明，通過考慮本文所述的結(jié)構(gòu)特性的各種有利性能特征，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解怎樣改進(jìn)過濾器的性能，包括例如改進(jìn)其多孔壁結(jié)構(gòu)性能以在深床過濾期間實(shí)現(xiàn)所要求的低清潔壓降、高過濾效率和低的初始背壓增加。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也會(huì)理解，除了其微結(jié)構(gòu)特性，怎樣改進(jìn)過濾器的幾何特性，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)餅層過濾期間響應(yīng)于顆粒加載的相對陡峭的壓降，如以參見方式納入本文的美國申請 12/356,965所揭示的。此外，盡管本發(fā)明各示例性實(shí)施例應(yīng)用于柴油機(jī)顆粒過濾器，用于過濾灰和炭黑顆粒物質(zhì)，但本發(fā)明涵蓋用于各種應(yīng)用中以及用于過濾各種類型顆粒物質(zhì)的寬范圍的過濾器。示例性應(yīng)用包括但不限于例如用于燒煤發(fā)電設(shè)備、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以及用于固定和非固定應(yīng)用中的過濾器。就本說明書和所附權(quán)利要求書而言，除非另外指示，表示數(shù)量、百分比或比例的所有數(shù)字，以及說明書和權(quán)利要求書中所用的其它數(shù)值應(yīng)理解成在所有情況中由術(shù)語“約”修改。因而，除非有相反指示，否則下面說明書和所附權(quán)利要求書中闡述的數(shù)字參數(shù)是可根據(jù)被認(rèn)為待由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的所要求的特性而變化的近似值。最低程度但不作為限制權(quán)利要求書的范圍的等價(jià)原則的應(yīng)用的嘗試，每個(gè)數(shù)字參數(shù)應(yīng)至少根據(jù)所報(bào)道的重要數(shù)字并通過應(yīng)用普通的舍入技術(shù)解釋。盡管陳述本發(fā)明的寬泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但在特定示例中陳述的數(shù)值仍然盡可能精確地報(bào)告。然而，任何數(shù)值固有地包含必然來自它們相應(yīng)的試驗(yàn)測量中存在的標(biāo)準(zhǔn)差的某些誤差。而且，本文中公開的所有范圍應(yīng)當(dāng)被理解為包含其中所包含的任何和所有的子范圍。注意，當(dāng)用在本說明書和所附權(quán)利要求書時(shí)，除非清楚地且明確地限于一個(gè)指示物，否則單數(shù)形式術(shù)語“一”、“一個(gè)”、和“該”，以及任何詞的單數(shù)形式使用，包括復(fù)數(shù)形式指示物。如本文所使用的，術(shù)語“包括”及其語法變型表示非限制性，使得清單中物件的列舉不排除可代替所列物件或增加到所列物件的其它相似物件。 應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然已關(guān)于本發(fā)明的各示例性實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明局限于這些，因?yàn)樵诓黄x由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的寬廣范圍的情況下，多種修改是可能的。
權(quán)利要求
1.一種顆粒過濾器，包括入口端、出口端、以及設(shè)置并構(gòu)造成使流體從所述入口端流到所述出口端的多個(gè)通道；其中所述通道由構(gòu)造成捕集顆粒物質(zhì)的多孔壁限定，所述多孔壁具有 大于約45%的總孔隙率；范圍從約13微米至約20微米的中值孔尺寸，以及孔尺寸分布，所述孔尺寸分布使得小于10微米的孔貢獻(xiàn)少于約10%的孔隙率。
2.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述總孔隙率的范圍是從約45%至約 60%。
3.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述中值孔尺寸的范圍是從約13微米至約16微米。
4.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述孔尺寸分布使得小于10微米的孔貢獻(xiàn)少于約6%的孔隙率。
5.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述孔尺寸分布使得小于10微米的孔貢獻(xiàn)少于約2%的孔隙率。
6.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述多孔壁具有密度小于約200cpsi 的孔道密度。
7.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述顆粒過濾器是蜂窩結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述顆粒過濾器是壁流式整體結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述顆粒過濾器是局部流式整體結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述多孔壁構(gòu)造成捕集炭黑。
11.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述多個(gè)通道構(gòu)造成使發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流過。
12.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述顆粒過濾器是柴油機(jī)顆粒過濾器ο
13.如權(quán)利要求1所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述顆粒過濾器包括陶瓷材料。
14.如權(quán)利要求13所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述顆粒過濾器包括堇青石。
15.如權(quán)利要求13所述的顆粒過濾器，其特征在于，所述顆粒過濾器包括碳化硅。
全文摘要
一種顆粒過濾器(100)，可包括入口端(102)、出口端(104)、以及設(shè)置并構(gòu)造成使流體從入口端(102)流到出口端(104)的多個(gè)通道(108，110)，其中通道(108，110)由構(gòu)造成捕集顆粒物質(zhì)的多孔壁(106)限定。多孔壁(106)可具有大于約45％的總孔隙率，范圍從約13微米至約20微米的中值孔尺寸，以及使得小于10微米的孔貢獻(xiàn)少于約10％的孔隙率的孔尺寸分布。
文檔編號B01D46/24GK102325574SQ201080009571
公開日2012年1月18日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者A·K·海貝爾, D·M·比爾, P·坦登 申請人:康寧股份有限公司