专利名称：过滤介质的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过滤介质，其适合被用作过滤介质，使用这种过滤介质以便将烟灰从柴油内燃机装置的排出气体中去除。
背景技术：
包括纤维的过滤介质通常被用于将烟灰从燃烧装置的排出气体中去除的目的。
包括金属和/或陶瓷纤维的柴油机烟灰过滤介质在现有技术中是公知的，例如在WO01/00971中所披露的。
包括由多于一层纤维组成的金属纤维的过滤介质也是公知的，例如在US3505038和EP1018357中所披露的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种过滤介质，其适合被用作燃烧装置的过滤介质。
按照本发明，已发现，这种包括纤维的过滤介质包括至少两层不同的纤维层，以下称为第一和第二层。
每层“q”具有一定的“层体积”(VLq)，由m3表示，该体积由过滤介质的层q的外尺寸确定。通常，但并非限定的，该过滤介质为平面，且具有一长度，一宽度和一厚度。此外，每层q具有一定的“层过滤表面”(SLq)，由m2表示。该SLq由存在于过滤介质的层q中的所有覆盖表面(mantle surface)或纤维的累积限定。纤维的覆盖表面为基本上平行于纤维轴的表面。该覆盖表面可以这样计算即，SLq＝Lq*Aq其中，→Lq为存在于层q中的纤维长度之和；→Aq为存在于层q中的纤维的周长。
其中，术语“层”被理解为，过滤介质的体积部分，在其整个体积中，基本上具有相同的性质。
按照本发明，一种过滤介质被设置成具有一第一层(q＝1)，该层的SL1/VL1之比小于32500m2/m3。该过滤介质具有一第二层(q＝2)，该层具有的SL2/VL2之比大于1.1×SL1/VL1，优选是大于1.25×SL1/VL1或甚至是大于1.4/×SL1/VL1。
为了满足过滤介质的要求，可以对待过滤的排出气体所流经的过滤介质的厚度进行选择。优选的是，按照本发明的过滤介质的第一层的厚度大于0.2mm，更优选的是大于0.5mm或甚至是大于0.75mm。优选的是，按照本发明的过滤介质的第二层的厚度大于0.05mm，或甚至是大于0.1mm，更优选的是大于0.15mm。优选的是，该厚度小于1mm或甚至是小于0.5mm。
通过对所述层的孔隙度和纤维当量直径以及纤维的表面形状进行选择性的选择和组合，可获得所需的SLq/VLq比率。
层q的孔隙度Pq由％表示，为 优选的是，第一层(P1)的孔隙度大于50％，更优选的是在80％到95％的范围内。优选的是第二层(P2)的孔隙度小于90％，更优选的是在50％到87％的范围内。
按照本发明，过滤介质的每层q包括纤维。优选的是，每层包括多于70％vol或甚至是多于80％vol的纤维。可以是一层或多层包含纤维。每一层均可包括添加到纤维中的其它成分例如粉末。
构成过滤介质的不同层q的纤维的特征在于，具有当量直径(Dq)，表面形状和“平均长度(LMq)与当量直径之比”-比率(LMq/Dq)。
术语“当量直径”是指与垂直于纤维的主轴切割的纤维截面的表面具有相同表面的假想圆的直径。构成按照本发明的过滤介质的层的纤维优选是在0.5μm到100μm的范围内。通常，第一层由具有在22μm到100μm范围内的D1的纤维构成，而第二层由具有在0.5μm到30μm的范围内的D2的纤维构成。优选是，在第一层中的纤维的当量直径大于在第二层中的纤维的当量直径。两种或多种具有不同当量直径的纤维可被用于构成一层。为清楚起见，该层的覆盖面积由存在于该层中的每种类型的纤维的长度的覆盖面积之和来计算。在当量直径Dq上的定量平均长度LMq，为LMq/Dq，优选是大于5或10，或甚至是大于25或50，更优选的是大于100。
纤维的表面的形状可以发生较大程度的变化。该形状由纤维的径向截面的几何图形确定。可以是例如矩形或正方形，圆形，三角形，或包括相当多锯齿的截面周缘。对于所使用的大多数纤维而言，径向截面的形状基本上在纤维的整个长度上是相同的。存在于层q中的纤维的形状也基本上与构成该层q的所有纤维的形状相同。该形状在较大程度上限定了存在于层q中的纤维的周长Aq。
优选的是，层的尺寸按照以下方式进行选择，即作为“过滤介质中空气体积”与“过滤介质中总纤维长度”之比的比率VS大于1000。优选是大于5000。该比率VS按照每层q的相应比率的总和来计算，即VS=Σq=1xVSq]]>X为层数，且对于每层qVSq=(Pq/100)*VLqLq]]>其中，Pq为层q的孔隙度Lq为存在于层q中的纤维长度之和VLq为层q的体积优选的是，按照本发明的过滤介质由耐高温纤维例如金属和/或陶瓷纤维组成。
更优选的是，所述层仅包括由金属形成的纤维，例如可以通过捆扎拉伸或如WO97/04152中更加详细地描述的，由一盘绕板切成薄片而获得，或由本领域公知的其它任何方法形成。
按照过滤介质的特定用途，不同金属和/或合金，优选是不锈钢纤维，可被用于提供金属纤维。
金属或钢的合金可以根据金属纤维所耐受的温度范围进行选择。优选是，300-或400系的AlSl合金或例如lnconel的合金的不锈钢纤维。在将耐受高温的情况下，优选是包括Fe，Al和Cr的合金，例如Fecr合金(Fecralloy)。
如WO97/04152中所详细说明的，在所述金属纤维是通过从一盘绕的板上切成薄片而获得的情况下，该金属纤维的径向截面基本上为矩形。两侧的长度应考虑到对包括该纤维的层的SL的计算。
在所述金属纤维是通过捆扎拉伸而获得的情况下，该金属纤维具有近似呈圆形的五边形径向截面。已发现，通过使用具有与纤维的径向截面的表面相同的表面的假想圆的周长来近似估计纤维径向截面的周长。
更优选的是，为了对每层中的金属纤维进行粘合，包括包含金属纤维的至少两层的过滤介质被烧结，从而将不同层粘合在一起。在第一烧结周期期间，第一和第二层可以被烧结并分别达到所需的孔隙度。在第二烧结周期期间，在彼此被叠合在一起之后，它们被彼此烧结在一起。或者是，在烧结之前，所述第一和第二层可以被彼此叠和在一起。在第一烧结周期期间，两层均被烧结，且通过烧结处理两层被彼此粘合在一起。
虽不是必须的，但所述过滤介质可以包括多于2层。一额外的中间层可以位于第一和第二层之间，以便例如在烧结期间提高两层之间的粘合度。
按照本发明的过滤介质适合被用作柴油机烟灰过滤介质。
这种应用包括以下步骤，提供按照本发明的过滤介质，将待去除烟灰的排出气体传导经过所述过滤介质，将排出气体中的烟灰颗粒留置在所述过滤介质中。
很明显，所述过滤介质可以是平面的，或可存在于滤筒中，该滤筒包括所述过滤介质，且呈折叠状表面。为了在滤筒中提供更多的过滤表面，后者是更理想的。
所述排出气体流经所述过滤介质，使用过滤介质的第一层作为流入侧，并使用过滤介质的第二层作为流出侧。
按照本发明的过滤介质的第一层用作对被迫使流过该层的烟灰颗粒进行减速的一层，且可能将这些颗粒留置。由于在该层中具有相对较大的孔隙，以及相对有限的纤维覆盖表面积，运动经过该层的颗粒可能击打纤维表面，或交叉流过所述孔隙。所述颗粒的动能被减小和/或甚至减小到零。在后一种情况下，所述颗粒被留置在第一层的孔隙体积中。其它颗粒，通常是较小的颗粒，在经过所述第一层时，可仍然具有一些动能。
这些小颗粒被第二层留置，且通常被留置在第二层与第一层相接触的表面上。由于该第二层基本上在其表面上进行过滤，因此其厚度可以被限制。根据所述排出气体的速度，可以对所述第一层的厚度进行选择。优选的是，该厚度大于0.2mm，更优选的是大于0.5mm。为了限制在整个过滤介质上的压力下降，所述第二层的厚度范围优选是从0.05mm到0.5mm或1mm。
按照本发明，已发现，过滤介质包括至少两层，第一层具有的SL1/VL1小于32500m2/m3，第二层具有的SL2/VL2至少为1.1×SL1/VL1，可具有大于70％的烟灰留置度(retention)，或甚至是大于90％的烟灰留置度以及可接受的压力下降。该可接受的压力下降由使用该过滤介质的特定燃烧装置确定。
另外，如果过滤介质的VS被保持为大于1000，更优选的是大于5000，则可获得大于5g/m2或甚至是大于8g/m2的最大烟灰留置度。而通过提供一可接受的压力下降，也可获得上述的烟灰留置度，例如在70mBar的压力下降下，可实现8g/m2的烟灰留置度。通过使用已知的陶瓷过滤介质也可获得相同的烟灰留置度，然而，必须提供200mBar的压力下降。与已知的陶瓷过滤介质相比，为了达到一定水平的烟灰留置度，按照本发明的过滤介质大体上仅需要约1/3的压力下降。
按照本发明的过滤介质的特性参数按以下方式进行选择，即，如不满足按照本发明的过滤介质的标准，则与按照本发明的过滤介质相比，具有相对较低的性能。
现将参照以下附图对本发明进行更加详细的描述，其中，图1为一示意图，示出了按照本发明的过滤介质的横截面；图2为一示意图，示出了按照本发明的另一过滤介质；图3为一示意图，示出了具有矩形截面的纤维的径向截面；图4为一示意图，示出了具有圆形截面的纤维的径向截面；图5为一示意图，示出了一种用作柴油机排气系统中的烟灰捕获装置的过滤介质。
具体实施例方式
图1示意性示出了过滤介质的一个优选实施例。
过滤介质11包括一第一层12和一第二层13。每层优选是包括或甚至由金属纤维构成，该金属纤维为耐高温合金，例如Fe-Cr-Al合金，例如，Fecralloy。
如图2所示，所述第一层12包括盘绕-切成薄片状纤维(coil-shaved fibers)。这些盘绕-切成薄片状纤维21具有基本上呈矩形的径向截面22，其特征在于，包括一长侧边23和一短侧边24。优选的是，使用具有35μm的当量直径25的纤维，长侧边23为50μm，短侧边24为19μm。所述纤维的圆周长为135μm。
所述第一层优选是具有85％的孔隙度。
85％的孔隙度的意思是指，所述层的15％的体积由35μm的当量直径25的金属纤维所占据。即，每mm3的过滤介质，设有当量直径为35μm的157.9mm长度的金属纤维。考虑到径向截面的矩形形状，周长为138μm，其定义，在每mm3的过滤介质中对于每mm3层体积VL1而言存在157.9mm*0.138mm＝21.789mm2的覆盖表面(mantlesurface)或层过滤表面SL1。
具有SL1/VL1-21789m2/m3的比。
层厚度14优选是在0.4到0.8mm的范围内。
如图3所示，所述第二层13包括捆扎的拉伸纤维。这些捆扎的拉伸纤维(bundled drawn metal fibers)31具有基本上呈圆形的径向截面32，其特征在于当量直径为33。优选的是，使用当量直径为17μm的纤维。该纤维的圆周长或周长为53.4μm。
所述第二层13的孔隙度优选是在60％到85％的范围内，且厚度15在0.1mm到0.55mm的范围内。
对于第二层13的孔隙度为60％而言，意思是，对于每mm3的过滤介质而言，具有长度为1762.3mm，且当量直径为17μm的捆扎拉伸金属纤维。考虑到径向截面的圆形形状，其圆周长为53.4μm，其定义，在每mm3的过滤介质中，存在1762.3mm*0.0534mm＝94.10mm2的覆盖表面或过滤表面SL2。
具有SL2/VL2之比为94109m2/m3。该过滤介质的SL2/VL2为4.3×SL1/VL1。该过滤介质具有VS＝5724。
在使用相同纤维，在所述第二层13的孔隙度增加到85％的情况下，具有SL/VL-35291m2/m3的比。该过滤介质的SL2/VL2为1.6×SL1/VL1。该过滤介质具有VS＝6669。
或者是，所述第二层13可以由当量直径为22μm的盘绕-切成薄片状，且具有长侧边为25μm、短侧边为15μm的矩形形状的金属纤维提供。该第二层13的孔隙度为60％时，提供的SL2/VL2之比为121263m2/m3，而85％的孔隙度提供的SL2/VL2之比为45474m2/m3。对于孔隙度为60％时，SL2/VL2为5.6×SL1/VL1，且对于孔隙度为85％的层13，SL2/VL2为2.1×SL1/VL1。对于孔隙度为60％时，过滤介质具有VS＝5953，对于孔隙度为85％时，过滤介质具有VS＝7537。
上述两层分别烧结，且在将一层定位在另一层上之后，彼此被烧结在一起。或者是，可以在烧结之前，将一层定位在另一层之上。那么，仅需要一次烧结处理。
可获得大于60％的烟灰留置率，同时，对于上述实施例中的每一个，污物保持能力均大于11g/m2。在背压为80mBar且排气速度为80cm/s的情况下，可获得上述结果。
图4中给出了另一种过滤介质。该过滤介质包括三层纤维，例如，由Fe-Cr-Al-合金制成的不锈钢金属纤维。第一层41与图1中的第一层12相同，孔隙度为85％且包括当量直径为35μm的盘绕切成薄片状纤维。该层的SL1/VL1之比为21789m2/m3。该第一层的厚度优选为0.52mm。
第二层42与图1中的第二层13相同，包括当量直径为17μm的捆扎拉伸金属纤维，且孔隙度为85％。该第二层42的SL2/VL2之比为35291mm2/m3。该层的厚度优选为0.52mm。
在上述两层之间，插入一第三层43，其厚度为0.21mm，且孔隙度为85％。该层使用盘绕切成薄片状的22μm金属纤维构成。对于该第三层，可计算出，SL3/VL3之比为31579mm2/m3。
该过滤介质的SL2/VL2为1.6×SL1/VL1。该过滤介质具有VS＝8893。
可获得大于91％的烟灰留置率，同时，污物保持能力大于26g/m2。在背压为100mBar且排气速度为25cm/s的情况下，可获得上述结果。
或者是，通过改变层q的不同参数，例如，孔隙度，厚度，纤维特性和VSq，可获得按照图1的具有两层的过滤介质，或者是按照图4的具有第三层的过滤介质。
这些实施例可被用作对从内燃柴油机装置中排出的气体中的烟灰进行捕获的过滤介质。如图5所示，按照本发明的过滤介质51被安装在一柴油机排气系统52中。排出气体按照指示待过滤气体方向的箭头53所指示的方向被引导到所述过滤介质，所述气体流经过滤介质51，且沿箭头54所示方向被排出所述排气系统。所述过滤介质51的第一层55被用作该过滤介质51的流入侧，而第二层56被用作过滤介质51的流出侧。
烟灰颗粒被捕获在所述过滤介质中。较大烟灰颗粒57被留置在第一层55中，而细微颗粒58被留置在第二层56中。
当上述优选实施例被用于对排出内燃柴油机装置(例如柴油机)的气体中的烟灰进行过滤时，可达到90％或更高的过滤效率。
权利要求
1.一种过滤介质，包括至少一第一层和一第二层，所述层包括纤维，其特征在于，第一层和第二层均具有层体积VLq和层过滤表面SLq，所述第一层具有的SL1/VL1之比小于32500m2/m3，所述第二层具有的SL2/VL2之比大于1.1×SL1/VL1。
2.如权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述第一层的厚度大于0.2mm，所述第二层的厚度大于0.05mm。
3.如权利要求1至2中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述第一层的厚度大于0.5mm。
4.如权利要求1至3中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述第一层包括当量直径在22μm到100μm范围内的纤维，所述第二层包括当量直径在0.5μm到35μm范围内的纤维。
5.如权利要求1至3中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述第一层由当量直径在22μm到100μm范围内的纤维构成，所述第二层由当量直径在0.5μm到35μm范围内的纤维构成。
6.如权利要求1至5中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述第一层的孔隙度大于50％，所述第二层的孔隙度小于90％。
7.如权利要求1至6中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述第一层的孔隙度在80％到95％的范围内，所述第二层的孔隙度在50％到87％的范围内。
8.如权利要求1至7中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述过滤介质包括金属纤维。
9.如权利要求8中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述过滤介质由金属纤维构成。
10.如权利要求9中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述第一层和第二层由烧结的金属纤维构成。
11.如权利要求1至10中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述层彼此被烧结在一起。
12.如权利要求8或9中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述金属纤维可通过捆扎拉伸获得。
13.如权利要求8或9中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述金属纤维可通过盘绕切成薄片状而获得。
14.如权利要求1至13中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述介质包括位于所述第一层和所述第二层之间的第三层。
15.如权利要求1至14中任何一个所述的过滤介质，其特征在于，所述过滤介质具有的VS大于1000，所述VS为所有层的VSq之和，所述VSq为层q中空气的体积除以所述层q中纤维的总长度所得的比率。
16.使用如权利要求1至15中任何一个所述的过滤介质，将从内燃柴油机装置排出的气体中的烟灰去除。
17.如权利要求16中所述的过滤介质的应用，包括以下步骤，-提供一种如权利要求1至15中任何一项所述的过滤介质；-将柴油内燃机装置的排出气体引导到所述过滤介质；-在所述过滤介质中留置所述排出气体中的烟灰。
全文摘要
一种过滤介质(11)，至少包括一第一层(12)和一第二层(13)，第一层和第二层两层均具有层体积VLq和层过滤表面SLq，其中SLq为存在于该层q中的纤维的覆盖面积的累积。所述第一层具有的SL1/VL1之比小于32500m
文档编号B01D39/14GK1599635SQ02824383
公开日2005年3月23日 申请日期2002年12月5日 优先权日2001年12月7日
发明者梅锋, 威利·马尔考 申请人:贝克特股份有限公司