陶瓷過濾器的制造方法
【專利說明】陶瓷過濾器
[0001]本申請要求于2013年3月15日提交的標題為“陶瓷過濾器(Ceramic Filters)”的美國臨時申請?zhí)?1/800，065的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容以引用的方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002]存在由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫形成的陶瓷泡沫過濾器(CFF)。這些CFF通過如下步驟而形成:用陶瓷泥漿浸漬網(wǎng)狀聚氨酯泡沫；通過擠壓泡沫移除多余的泥漿；然后，干燥并且燒制本體，從而形成CFF。
[0003]然而，在生產(chǎn)CFF和應(yīng)用CFF中，這些CFF產(chǎn)生了眾多問題。在生產(chǎn)CFF時，因為CFF是經(jīng)由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫形成的，所以網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的精確孔大小和形狀難以控制。一個難點是控制一批網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的孔大小和形狀到另一批網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的孔大小和形狀。另外，網(wǎng)狀聚氨酯泡沫在CFF的截面上僅僅提供一種孔大小和形狀。例如，網(wǎng)狀聚氨酯泡沫相對于CFF的深度提供單種孔大小和形狀。換言之，網(wǎng)狀聚氨酯泡沫在沿著流經(jīng)CFF的液體的流動方向上提供單種孔大小和形狀。
[0004]在生產(chǎn)CFF中的難點的另一示例中，因為燒蝕或者燒盡了位于下面的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫，所以CFF是脆弱的或者易碎的，并且聚氨酯泡沫流失到環(huán)境中是有害的。例如，從包圍位于下面的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的陶瓷排出燒蝕的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫，這產(chǎn)生了不期望的陶瓷晶須。不期望的晶須脫離CFF，產(chǎn)生碎肩。在另一示例中，燒蝕的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫產(chǎn)生陶瓷的中空芯部。例如，燒蝕的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫在陶瓷中留下空隙。陶瓷的中空芯部減弱了由此產(chǎn)生的CFF。
[0005]在生產(chǎn)CFF的難點的另一示例中，因為用陶瓷泥漿浸漬了聚氨酯泡沫，所以聚氨酯泡沫局限于最大高度或者厚度(例如，約50毫米的最大高度)。例如，聚氨酯泡沫局限于最大高度，這是因為陶瓷泥漿必須能夠分散遍及聚氨酯泡沫的整個本體，并且，通過擠壓聚氨酯泡沫，隨后能夠從聚氨酯泡沫的整個本體移除。
[0006]由多層聚氨酯泡沫形成的CFF是可能的，但是在每個層之間具有不同的界面。例如，具有第一孔大小和形狀的第一層可以固定至并且通過界面連接具有第二孔大小和形狀的第二層。然而，在所述兩個不同層之間的界面產(chǎn)生不規(guī)則性，該不規(guī)則性降低了多層式CFF的性能。除了界面不規(guī)則性之外，多層式CFF也難以生產(chǎn)并且很昂貴。
[0007]在CFF的應(yīng)用中，因為CFF是脆弱的或者易碎的，所以CFF難以更換。例如，在使用CFF的熔融鋁鑄件中，新的或者未使用過的CFF安裝在過濾盒中，通過CFF過濾一滴或者一劑熔融鋁，并且隨后，移除所述一滴熔融鋁所使用的或者耗費的CFF。因為CFF是脆弱的或者易碎的，所以，在一滴熔融鋁之后，使用者難以將CFF從過濾盒移除。例如，使用者可能試圖用工具(例如，夾子、鉗子、叉等)抓取耗費的CFF來移除CFF，但是，因為CFF是脆弱的，所以CFF可能會由于工具施加到CFF上的力而斷裂成多個碎片，使得CFF的移除難以進行。
[0008]在應(yīng)用CFF的難點的另一示例中，因為CFF具有單種孔大小，所以對使用了 CFF的熔融鋁的鑄造過程嚴格控制，以優(yōu)化過濾效率。例如，由于熔融鋁鑄造行業(yè)所需的精細孔過濾(例如，達到80級)和高金屬流動速率(例如，達到19毫米/秒)，對過濾系統(tǒng)的操作參數(shù)(例如，過濾系統(tǒng)預熱、過濾系統(tǒng)碗(bowl)設(shè)計、過濾系統(tǒng)碗大小設(shè)計等)嚴格控制，以確保實現(xiàn)最佳過濾效率。另外，對正確的CFF大小和等級嚴格控制，以確保實現(xiàn)最佳過濾效率。
[0009]除了 CFF之外，存在其它陶瓷過濾器。然而，其它陶瓷過濾器具有缺陷。例如，存在深床或者填充床過濾器，其提供了中到高的效率，但是與CFF相比，其非常大并且維護費用高。在另一示例中，存在顆粒結(jié)合管過濾器，其提供了非常高的過濾效率，但是其非常大，具有非常昂貴的過濾介質(zhì)，并且需要長預熱時間。相比之下，CFF系統(tǒng)提供了中到高等過濾效率，其緊湊，使用低成本過濾介質(zhì)(即，低成本CFF)，并且具有快速預熱時間。隨后，在鑄造廠中利用CFF過濾鋁已經(jīng)成為貫穿熔融鋁鑄造行業(yè)的標準，以滿足對半成品鍛鋁產(chǎn)品的不斷增加的質(zhì)量需求。
[0010]由此，仍然需要研發(fā)不由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫形成的新的陶瓷過濾器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本
【發(fā)明內(nèi)容】
的提供是為了介紹與制造包括優(yōu)化孔的陶瓷過濾器(諸如熔融金屬過濾器)的技術(shù)有關(guān)的簡化構(gòu)思，下面將在【具體實施方式】中對其進行進一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不旨在識別所要求的主題的本質(zhì)特征，也不旨在用于確定所要求的主題的范圍。
[0012]本公開設(shè)計增材制造型過濾器和用于制造這種過濾器的技術(shù)。在一些實施例中，這種增材制造型過濾器可以由陶瓷形成，并且可以構(gòu)造為過濾熔融金屬(例如，熔融鋁)。
[0013]在一些實施例中，增材制造型陶瓷過濾器可以包括設(shè)置在單個陶瓷單元的進口表面與出口表面之間的多個孔或者開口。例如，多個孔可以設(shè)置在進口表面與出口表面之間，使得多個孔從進口表面到出口表面均勻地改變大小。此外，可以對孔的大小、形狀和/或取向進行選擇以針對給定液體和污染物提供有效的深度過濾。例如，可以對孔的大小、形狀和/或取向進行選擇以提供水動力特征(例如，層流、瑞流、渦流、漩渦等)，該水動力特征針對給定液體和污染物提供有效的深度過濾。深度過濾是與濾餅過濾相比捕獲的動力更適合移除過濾器內(nèi)具有低夾雜物負載的較小夾雜物，而濾餅過濾指在過濾器的表面處移除較大夾雜物的高夾雜物負載。
[0014]在一些實施例中，多個孔可以互連。例如，設(shè)置在進口表面與出口表面之間的多個孔可以分別互連。此外，可以對孔的互連進行選擇，以針對給定液體和污染物提供有效的深度過濾。
[0015]在一些實施例中，設(shè)置在進口表面與出口表面之間的多個孔可以按照孔的大小順序設(shè)置。例如，設(shè)置在進口表面與出口表面之間的多個孔可以按照從進口(例如，前表面或者進入口)到出口(例如，后表面或者退出口)的孔的直徑的大小順序設(shè)置。此外，可以對孔的大小的順序進行選擇，以針對給定液體和污染物提供有效的深度過濾。
【附圖說明】
[0016]參照附圖闡述【具體實施方式】。在附圖中，附圖標記的最左邊的數(shù)字表示附圖標記首次出現(xiàn)的附圖。在不同附圖中使用相同的附圖標記表示相似或者相同的物體。
[0017]圖1是在過濾系統(tǒng)的過濾盒中用于例如過濾給定液體(例如，熔融鋁)的增材制造型陶瓷過濾器的側(cè)視圖。
[0018]圖2示出了圖1的增材制造型陶瓷過濾器的透視前視圖。
[0019]圖3示出了沿著剖面線A-A截取的在圖1中示出的示意性增材制造型陶瓷過濾器的詳細剖面圖。
[0020]圖4示出了多個孔的設(shè)置的實施例。
[0021]圖5示出了可以被選擇且可以被數(shù)字建模以在給定液體和污染物中產(chǎn)生期望漩渦和/或渦流的孔的實施例。
[0022]圖6是示出了制造在圖1中示出的示意性增材制造型陶瓷過濾器的示例過程的流程圖。
[0023]圖7是示出了制造在圖1中示出的示意性增材制造型陶瓷過濾器的示例過程的流程圖。
[0024]圖8是示出了制造在圖1中示出的示意性增材制造型陶瓷過濾器的示例過程的流程圖。
[0025]圖9示出了可以被選擇且可以被數(shù)字建模以在給定液體和污染物中產(chǎn)生期望漩渦和/或渦流的孔的實施例。
【具體實施方式】
[0026]概述
如上所述，即使存在現(xiàn)有的由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫形成的陶瓷泡沫過濾器(CFF)，CFF也在孔大小和/或形狀方面無法提供足夠的精確度，從而在生產(chǎn)CFF和應(yīng)用CFF中產(chǎn)生很多問題。另外地，因為現(xiàn)有的CFF是通過燒蝕或者燒盡位于下面的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫而形成的，所以CFF是脆弱的和/或易碎的。此外，因為現(xiàn)有的CFF是通過燒盡位于下面的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫而形成的，所以生產(chǎn)CFF成本很高并且對環(huán)境有害。本申請描述了由具有優(yōu)化的孔大小、形狀、取向和互連的陶瓷形成的增材制造型過濾器，這些特點在孔大小變化方面共同展現(xiàn)出了更高的精確度。而且，在本申請中描述的增材制造型過濾器展現(xiàn)出了比CFF更高效的過濾效率和更高的強度。本申請還描述了用于在制造設(shè)施處增材制造此陶瓷過濾器的各種技術(shù)。舉例說明，但非限制性的，本申請描述了在鑄造領(lǐng)域中使用的增材制造型陶瓷過濾器。例如，本申請描述了在半成品鍛鋁產(chǎn)品鑄造領(lǐng)域中使用的增材制造型陶瓷過濾器。然而，增材制造型陶瓷過濾器也可以用在其它領(lǐng)域中。例如，增材制造型陶瓷過濾器可以用在水過濾、油過濾、燃料過濾等領(lǐng)域中。
[0027]通常，如在本申請中描述的增材制造型陶瓷過濾器包括單個陶瓷單元，其具有進口表面和出口表面；以及設(shè)置在進口表面和出口表面之間的多個孔，使得多個孔從進口表面到出口表面均勻地改變大小。多個孔從進口表面到出口表面是連續(xù)的，使得多個孔沒有層和干擾表面。例如，多個孔可以設(shè)置在進口表面與出口表面之間，使得多個孔沒有產(chǎn)生降低深度過濾性能的不規(guī)則性的層和干擾表面?？梢詫走M行選擇，以針對給定液體和污染物提供有效深度過濾。在一個示例中，孔可以包括均勻幾何結(jié)構(gòu)，該幾何結(jié)構(gòu)包括多面體形狀的幾何結(jié)構(gòu)。取決于具體的應(yīng)用(例如，期望的增材制造型陶瓷過濾器的滲透性)，均勻幾何結(jié)構(gòu)可以是十二面體、立方體、球、人字形體、錐體、角錐體、曲線管等。例如，可以對均勻幾何結(jié)構(gòu)進行選擇，以提供用于產(chǎn)生水動力特征(例如，層流、湍流、渦流、漩渦等)，這些水動力特征為增材制造型陶瓷過濾器的深度過濾截面賦予了提高的深度過濾。在 www.Pyrotek.1nfo 上由 Pyrotek TM發(fā)表的標是員為‘‘Improving Performance In TheFiltrat1n Process (過濾過程中改進的性能)”的論文中描述了深度過濾，其全部內(nèi)容以引用的方式并入本文。
[0028]可以對均勻幾何結(jié)構(gòu)進行選擇，以在層流和/或湍流中產(chǎn)生邊界層，該層流和/或湍流在均勻幾何結(jié)構(gòu)中的期望位置(例如，捕獲點)處的流動中產(chǎn)生渦流、漩渦和/或死點。對渦流和/或期望位置進行選擇，以通過增材制造型陶瓷過濾器針對具有所選速度的給定液體和污染物產(chǎn)生有效的過濾。例如，孔可以具有被選擇成在位于接近孔的流體進入口(例如，窗、開口、孔口等)處提供渦流、漩渦和/或死點的均勻幾何結(jié)構(gòu)。即，可以對均勻幾何結(jié)構(gòu)進行選擇，以在接近流體進入口處具有一個結(jié)構(gòu)(例如，障礙物、壁、屏障)，該結(jié)構(gòu)相對于在孔內(nèi)部產(chǎn)生期望漩渦或者渦流的流體進入口具有一定的角度和/或半徑。因為孔在給定液體和污染物中在期望位置處產(chǎn)生了期望的渦流、漩渦和/或死點，所以孔捕獲了更多污染物，從而，與由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫形成的CFF的孔相比，增加了增材制造型陶瓷過濾器的深度過濾效率。而且，因為孔具有三維數(shù)字建模且隨后增材制造的所選的均勻幾何結(jié)構(gòu)，所以，與由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫形成的CFF的孔大小的精確度相比，孔在孔大小變化方面提供更高的精確度。這是因為，與經(jīng)由測量和規(guī)格對形成待燒蝕的網(wǎng)狀聚氨酯泡沫實行嚴格控制相比，三維(3D)建模的孔恰好按照所選特征3D來建模。例如，與在嚴格質(zhì)量控制下形成網(wǎng)狀聚氨酯泡沫來產(chǎn)生CFF相比，可以將所選的均勻幾何結(jié)構(gòu)三維數(shù)字建模為確切的規(guī)格，并且隨后用更高的精確度進行增材制造。
[0029]在均勻幾何結(jié)構(gòu)為十二面體的示例中，孔可以包括中空的、基本上十二面體形狀的陶瓷單元，所述陶瓷單元選擇成設(shè)置在鄰近區(qū)域中?？梢詫椎木鶆驇缀谓Y(jié)構(gòu)和/或布置進行選擇，以提供用于產(chǎn)生“迂回路徑(tortuous path)”。例如，可以對孔的均勻幾何結(jié)構(gòu)和孔進行選擇和設(shè)