专利名称：以单烧制周期生产堵塞的蜂窝式过滤器的方法
以单烧制周期生产堵塞的蜂窝式过滤器的方法
背景技术：
本发明涉及将可流动的材料装入蜂窝式结构的选定的孔中并使该可流动 的材料和蜂窝式结构干燥，更具体地，本发明涉及干燥可流动的材料和生坯蜂 窝式结构的方法。
横截面孔密度约为十分之一至一百个孔每平方厘米或更多的蜂窝式结构 有多种用处，包括作为固体颗粒过滤机构和静态热交换器。这些用途需要通 过增加等操作密封或堵塞所述结构的选择的孔各自的一端或两端。本文中使 用的术语"密封的"和其它相应的语法形式(即密封物、密封等)是指封闭孔的 开放的横截面的多孔的和非多孔的方法。
弓l用号IO(图l)一般指众所周知的固体颗粒过滤机构，它可以使用由交叉 的多孔薄壁14的阵列和围绕在其周围的外壁15形成的蜂窝式结构12来制造， 在所示的实施例中提供了该结构的圆形横截面构造。壁14在第一端面18和 反向的第二端面20之间纵横延伸，形成大量的也在其中延伸的毗邻的中空通 道或孔通道22，它们在过滤机构10的端面18和20处是开放的。为了形成过 滤器IO(图2和3),封闭每一个孔22的一端，在第一端面20处封闭孔22的第 一子集24，在过滤器10的第二端面18处封闭孔22的第二子集26。端面18 和20中的任意一者可用作所制成的过滤器10的入口面。
操作时，在压力下将污染的流体引至入口面，并通过在入口面具有开放端 的孔进入过滤器10。因为这些孔在相反的端面(即过滤机构的出口面)被封闭了， 所以污染的流体被强迫通过多孔薄壁14，进入毗邻的在入口面封闭而在出口面 开放的孔。流体中太大而不能通过壁中的多孔开口的固体颗粒污染物被留下， 而净化的流体则通过出口孔离开过滤器10以备使用。
为了大量生产这种过滤器和热交换器，人们极度需要能够尽可能快地和尽 可能廉价地封闭选择的孔通道。封闭这些选择的孔包含将堵塞材料插入选择 孔通道的开放端和随后使被堵塞的过滤器干燥的过程。现有的干燥方法包括在干燥炉中烧制高孔隙率制品，诸如生坯蜂窝式结构，堵塞选择的孔通道的开 放端，和重新烧制堵塞的蜂窝式结构。这些现有技术导致通道的壁产生裂缝 和应力性折断，产生结构完整性下降的过滤机构。而且，这些现有技术较昂贵 且耗时。
人们需要一种堵塞和使挤出的蜂窝式结构(诸如用于内燃机的陶瓷颗粒捕 捉器)干燥的方法，该方法具有高度的可重复性和准确性，同时周期短，并产 生具有较好结构完整性的过滤器。
发明内容
本发明的一方面，提供一种生产蜂窝式结构的方法，该方法包含提供有 多个孔通道贯穿其中的生坯蜂窝式结构，在该生坯蜂窝式结构的所述孔通道的 至少一个子集内插入堵塞物质以便在其中形成多个塞块，通过使这些塞块受到 电磁能作用使其干燥。较优地，使塞块干燥的步骤包括使塞块受到微波能作 用。较优地，生坯蜂窝式结构由形成堇青石的前体材料制成。
本发明的方法具有高度的准确性和可重复性，可以在较短的周期内完成， 操作较容易，产生具有较好结构完整性的过滤器。本方法还减少了干燥过程 中在所需的结构中产生的破裂和应力性折断，降低了与周期相关的生产成本， 使用效率高，特别适合于建议的应用。
通过参考以下的说明、权利要求和附图，本领域的技术人员将进一步理解 和认识本发明的这些优点和其它的优点。
图1是包括具有多个开放末端的孔通道的第一端的挤出过滤机构的透视
图2是该挤出的过滤机构的透视图，其中，孔通道的第一子集被堵塞，孔 通道的第二子集是开放的；
图3是包括第二端的过滤机构的侧视图，其中孔通道的第一子集是开放 的，孔通道的第二子集被堵塞；
图4是形成堵塞的蜂窝式结构的方法的流程图，该方法实施了本发明；图5A是生坯蜂窝式结构、顶部平板和底部平板的侧剖视图，顶部平板位 于起始位置；
图5B是生坯蜂窝式结构、顶部平板和底部平板的侧剖视图，堵塞材料被 插入孔通道的第二子集中；
图6是放大的侧剖视图5B的IV区域。
优选实施方式的具体描述
本文中，为了说明的目的，术语"上"、"下"、"右"、"左"、"后"、 "前"、"竖直"、"水平"和它们的衍生词涉及如图1中定向的本发明。然 而，应该理解，本发明可以采取各种替代的取向和步序，除了清楚地说明相反 的情况之处。也应该理解，附图中举例说明的和以下的说明中描述的具体设 备和方法是所附权利要求中定义的本发明概念的示例性的实施方式。因此， 涉及本文公开的实施方式的具体尺寸和其它物理特性不应该被认为是限制性 的，除非权利要求清楚地说明不同的情况。
形成图1中包括贯穿其中的多条中空的通道或孔通道22的蜂窝式结构12 的几种方法和程序是本领域己知的。本发明的方法包含在一个完整的方法中， 该完整的方法包含通过挤出模头挤出30(图4)湿的(较优地水基的)陶瓷前体混 合物以形成湿的料块，将挤出步骤中形成的湿料块切割32成几段，使分段部 分干燥34以便形成生坯蜂窝式形状(生坯蜂窝式料快)。该水基陶瓷前体混合 物较优地含有形成堇青石的无机前体材料、任选的孔形成物(诸如石墨或淀粉)、 粘合剂、润滑剂和媒介物的批料混合物。该无机批料成分可以是烧制后能够提 供具有由堇青石构成的主烧结相成分的多孔性陶瓷的任何无机成分的组合。
一方面，该无机批料成分可以选自氧化镁源、氧化铝形成源和氧化硅源。 进一步选择批料成分以便得到烧制后主要含有堇青石或堇青石的、富铝红柱石 和/或尖晶石的混合物的陶瓷制品。比如，但不限于， 一方面，选择无机批料 成分以提供含有至少约90重量％堇青石，或更优地93重量％堇青石的陶瓷制 品。含堇青石的蜂窝式制品基本上由约49至53重量％的Si02、约33至38 重量％八1203和约12至16重量％的MgO组成(以氧化物重量百分数为基础)。
为此，示例性的无机堇青石前体粉尘批料组合物较优地含有约33至41重量％的氧化铝源、约46至53重量％的氧化硅源和约11重量至17重量％的 氧化镁源。在美国专利第3885977、 5258150号，美国专利公开第2004/0261384 和2004/0029707号和RE38888中公开了用于形成堇青石的示例性的无限制性 的无机批料成分混合物。
无机陶瓷批料成分可以是以合成方法生产的材料，诸如氧化物、氢氧化物 等。或者，它们可以是天然存在的材料，诸如粘土、滑石或它们的任何组合。 因此，应该理解本发明不局限于任何特定的粉尘类型或原材料类型，这使得可 以根据最终陶瓷体中需要的性质来选择这些类型。
本方法还包含将生坯蜂窝体切割或分段成所需长度的生坯蜂窝式结构，之 后除去38在切割步骤36中形成的生坯蜂窝式结构上的粉尘(即生坯陶瓷前体 切割粉尘)。除去粉尘是为了增强堵塞材料与壁的粘合以及增强护罩与结构末 端的粘合。较优地，通过在切割步骤之后使高速空气通过结构的孔通道22来 完成除去粉尘步骤以便移去任何切割粉尘。然后，用合适的护罩掩盖每一个 蜂窝式结构12的每一个端面18和20，将堵塞材料装入选择的孔通道22中以 便在选择的孔通道中形成塞块42以形成如下所述的堵塞的生坯蜂窝式结构。
然后，根据本发明，通过使堵塞的生坯蜂窝式结构受到电磁能作用使生坯 蜂窝式结构干燥44。然后，可以烧制46该干燥的堵塞的生坯蜂窝式结构以便 进一步烧结，形成烧制的陶瓷制品。该完整的方法的几种步骤是本领域的技术 人员已知的，如此，本文中不再具体讨论挤出30、首次切割步骤32、干燥步 骤34、 二次切割步骤36和掩盖步骤40。
堵塞生坯蜂窝式结构12的步骤包括将可流动的用于堵塞的接合剂材料(诸 如较优地含有水稀释的陶瓷溶液的浆料)装入或以其它方式引入(取决于堵塞护 罩)选择的孔通道22中。可以通过2005年11月20日提交的题为"用于生产 蜂窝式载体的堵塞护罩的装置、系统和方法"的美国专利11/287000中教导的 方法来形成堵塞护罩，该专利由此通过引用结合于此。图5a和5b最好地说 明了堵塞方法42的一个例子，该例子使用固定的底部平板48和可移动的上部 平板或活塞50。平板48和50的该构造仅仅是举例说明性的，注意，可以使用 其它的装填或堵塞孔通道22的方法，包括使用固定的上部平板和可移动的底 部平板、或可移动的上部平板和底部平板。在被说明的例子中，以接合剂粒料(patty)(具有结构12的端面20的形状)52的形式提供堵塞材料。该粒料52位于 底部平板48和生坯蜂窝式结构12的第二端面20之间。然后以图5B中指示的 和方向箭头54代表的方向移动上部平板或活塞50，以便将至少一部分堵塞材 料或接合剂粒料52压入未掩盖的孔通道22的开放端，以此在选择的孔通道22 中形成多个塞块56。根据本发明，提供塞块56以便使其深度"d"为较优地 0.05毫米至20毫米，更优地深度"d"为0.5毫米至12毫米，最优地深度"d" 为0.5毫米至9毫米，并在电磁干燥步骤44的过程中合适地堵塞孔通道22以 及合适地干燥塞块56。在完成接合剂52的装嵌步骤以形成塞块56后，较优地， 从结构12的端部18和20除去护罩。尽管本文中描述了使用粒料进行堵塞， 但是也可以通过任何已知的堵塞方法来完成堵塞步骤，诸如美国专利4818317、 2005年11月5日提交的PCT/US05/042672、美国专利4427728、美国专利 4557682、美国专利4557773、美国专利4715801和美国专利5021204中教导的 方法。合适的堵塞材料可以与所述生坯蜂窝式结构或任选地在Pitcher的美国 专利第4329162号和Paisley的美国专利第4297140号中描述的蜂窝式结构具 有相同或相似的组成。
电磁干燥步骤44包含通过将塞块56受到电磁能作用而使在生坯蜂窝式结 构12的孔通道22中形成的塞块56干燥。优选以微波的形式提供该电磁能， 但是其它合适形式的电磁能也可以用于使塞块56干燥。塞块56的微波干燥导 致较快而均匀地加热生坯蜂窝式结构和塞块56，由此，相比常规的干燥方式， 减少干燥步骤44中塞块56的收縮并降低干燥步骤中施加在生坯蜂窝式结构12 的多孔壁14上的热应力。施加在多孔壁14上的应力的减少导致制得的颗粒 过滤器的结构完整性更好。优选使塞块56受到微波能作用直到塞块56的水 含量小于100%湿塞块重量的50%，更优地小于100%湿塞块重量的10%，最 优地小于100%湿塞块重量的约5%， 100%湿塞块重量定义为受到微波能作用 之前塞块56的水含量。优选提供微波能的范围是约3兆赫至3千兆赫，更优 地为约27兆赫至约2.45千兆赫，最优地约915兆赫至2.45千兆赫。而且， 电磁干燥步骤44包括使堵塞的生坯蜂窝式结构曝露于0.0001千瓦/立方英寸至 1.0千瓦/立方英寸、更优地0.001千瓦/立方英寸至1.0千瓦/立方英寸的单位体 积能级中。而且，优选上述的能量应用于堵塞的生坯蜂窝式结构的时间小于或等于60分钟，更优地小于或等于5分钟。在美国专利6706233和 2004/0079469中讨论了电磁干燥，诸如微波干燥。
如上所述，可以在以电磁方式使生坯蜂窝式结构干燥44之后实施烧制或 烧结步骤46。优选在高于130(TC的温度下通过常规的方法以足够的时间操作 该步骤以便主要形成堇青石相。也要注意，优选以水平取向方式进行蜂窝式 结构的干燥步骤。
本发明的一方面，提供一种生产蜂窝式结构的方法，该方法包含提供有
多个孔通道贯穿其中的生坯蜂窝式结构，在该生坯蜂窝式结构的所述孔通道的 至少一个子集内插入堵塞物质以便在其中形成多个塞块，通过使这些塞块受到
电磁能作用使其干燥。
本领域的技术人员将明白，在不脱离所附权利要求中定义的本发明的精神 和范围的情况下，可以对本发明的优选实施方式作各种修改。因此，本发明意 欲涵盖本发明的修改形式和变化形式，只要这些修改形式和变化形式落在附加 的权利要求和它们的等同物的范围内。
权利要求
1. 一种生产堵塞的蜂窝式结构的方法，该方法包括提供有多个孔通道贯穿其中的生坯蜂窝式结构，在该生坯蜂窝式结构的所述孔通道的至少一个子集内插入堵塞物质以便在其中形成多个塞块，通过使这些塞块受到电磁能作用而使其干燥。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入步骤包括以水基材 料形式提供堵塞材料。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括使塞块受 到电磁能作用，直到塞块的水含量小于100%湿塞块重量的约50%。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括使塞块受 到电磁能作用，直到塞块的水含量小于100%湿塞块重量的约10%。
5. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括使塞块受 到电磁能作用，直到塞块的水含量小于100%湿塞块重量的约5%。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入步骤包括为堵塞材 料提供一些组份，所述组份在20'C下显示等于或大于3的介电常数，从而提高 对电磁能的易感性。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使塞块干燥的步骤包括 使塞块受到微波能作用。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述使塞块干燥的步骤包括 提供范围为约3兆赫至3千兆赫的微波能。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述使塞块干燥的步骤包括 提供范围为约27兆赫至2.45千兆赫的微波能。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述使塞块干燥的步骤包括 提供范围为约915兆赫至2.45千兆赫的微波能。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括以约0.0001 千瓦/立方英寸至1.0千瓦/立方英寸的单位体积能级使塞块受到电磁能作用。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括以约0.001千瓦/立方英寸至0.1千瓦/立方英寸的单位体积能级使塞块受到电磁能作用。
13. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使塞块干燥的步骤包括 使塞块受到微波能作用小于或等于约60分钟。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括使塞块 受到微波能作用小于或等于约5分钟。
15. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入步骤包括将堵塞材 料插入孔通道至约0.5毫米至20毫米的深度。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述插入步骤包括将堵塞 材料插入孔通道至小于或等于约12毫米的深度。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述插入步骤包括将堵塞 材料插入孔通道至小于或等于约9毫米的深度。
18. 如权利要求1所述的方法，还包括在干燥步骤后进行的烧结步骤，其 中在足够的温度下将生坯蜂窝式结构和塞块烧结足够长的时间以形成堇青石。
19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，操作所述烧结步骤的最高 温度高于1300°C。
20. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括使蜂窝式 结构水平取向。
全文摘要
一种生产蜂窝式结构的方法，包含提供有多个孔通道贯穿其中的生坯蜂窝式结构，在该生坯蜂窝式结构的所述孔通道的至少一个子集内插入堵塞材料以便在其中形成多个塞块，通过使这些塞块受到电磁能作用使其干燥。
文档编号C04B38/00GK101432242SQ200780015192
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月18日 优先权日2006年4月27日
发明者D·J·布罗克韦, G·G·斯奎尔, J·M·米斯, K·A·韦克塞尔, R·L·舒尔茨, S·K·戈文达拉诺 申请人:康宁股份有限公司