改进的蜂窝式过滤器的制作方法

专利名称：改进的蜂窝式过滤器的制作方法
改进的蜂窝式过滤器
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请60/927,653的权益。 发明领域
本发明涉及一种改进的陶瓷蜂窝式微粒过滤器。具体地，本发明涉及 具有提高的强度和提高的抗处理损伤性的挤压蜂窝式陶瓷过滤器。
背景技术：
柴油发动机，由于它们运行的方式，排出两种(微粒)的冷凝物或聚集 物的烟尘粒子或很细的液滴，以及典型的有害汽油发动机废气(即，HC和 CO)。这些"微粒"(在本文中为柴油烟尘)富含冷凝的、多核的烃，它们中的 一些可能是致癌的。
由于危险物柴油烟尘对健康的危害的意识与对柴油发动机提供的更 大燃料效率的要求相冲突，已经颁布了抑制允许排出的柴油烟尘的量的规 定。为了满足这些挑战，已经使用了烟尘过滤器。如由GB 1,014,498和美 国专利4,828,807示例，过滤器有许多构造。大多数普通的有用的过滤器 往往是具有堵塞的通道的多孔陶瓷蜂窝，因而如由美国专利4,329,162示 例，废气必需进入通道并且通过通道壁。
如由美国专利4,304,585; 4,333，518; 4,381，815; 4,953,627; 5,914,187; 6,669,751; 6,984,253; 7,056，568和美国专利出版物2006/029333示例，陶 瓷蜂窝由制造更大的装置如流通催化剂(flow through catalyst)(3通)、交流 换热器和柴油过滤器的更小部分制成。
具体地，美国专利6,669,751和美国专利出版物2006/029333描述了接 合例如方形横截面的过滤器部分，其中外拐角具有直倒角或曲率半径为 0.3mm - 2.5 mm的圆拐角。后者进一步教导了拐角可以具有直倒角和具有 上述曲率半径的圆拐角。这些倒角被描述为可用于提高强度(耐热冲击性)。然而，这些拐角所遇到的问题是在拐角的厚壁处的灵活性有限，不能顾及 到在处理时可能发生的损害(g卩，仍然具有倒角的尖锐拐角，在拐角中不能
具有充分硬的涂层模具(hard coat dies),并且不能精确地再现预期的形状 (这由美国专利公布2006/029333所述)，从而可能导致应力集中，而应力 集中导致边缘破碎等)。
需要的是避免一个或多个现有技术的问题如上述问题中的一个或多 个的柴油微粒过滤器。
发明概述
本申请人已经发现了一种改进的蜂窝式烟尘过滤器，其可以由一个或 多个部分组装，并且可以使有效过滤最大化并且将处理和应用过程中的损 害最小化。
本发明的第一方面是一种陶瓷蜂窝式过滤器，其包括具有入口端和出 口端的多孔陶瓷蜂窝体，所述入口端和出口端通过从陶瓷体的入口端延伸 至出口端的相邻的入口和出口通道连接，所述入口和出口通道由入口和出 口通道之间的多个交错的薄气体过滤多孔间隔壁限定，并且由陶瓷插塞限 定，使得入口通道具有在陶瓷体的出口端的入口陶瓷插塞，并且出口通道 具有在陶瓷体的入口端的出口陶瓷插塞，使得流体在进入入口端时必须通 过间隔壁，以从出口端离开，其中陶瓷蜂窝体具有至少一个外拐角，在向 下观察所述蜂窝的通道时所述至少一个外拐角的形状包括以下各项(i)至 少两个圆弧，其中所述圆弧中的至少一个的曲率半径不同于一个或多个其 它圆弧，(ii)非圆弧、或(iii)至少4个没有任何弧的直倒角。
令人惊奇的是，在一个实施方案中，与在外拐角具有简单的圆半径的 拐角相比，应力量可以降低至少5%。该应力甚至可以低10%、15%或20%。 同样地，在一个适宜的实施方案中，与上述的外拐角相对的内拐角可以具 有与本文中所述的外拐角形状(即，不是圆形的)相同的形状或者不同的形 状。在一个实施方案中，两个相邻的拐角具有允许例如不同部分的定向以 促进通道末端的堵塞和组装多个部分的不同形状。本发明还允许在拐角的 定点的壁厚更大，其另外允许在处理和组装过程中避免划伤和破裂的弹性 更大。该过滤器或蜂窝可以用于其中可用于具有陶瓷蜂窝，如微粒过滤器 (例如，柴油微粒过滤器)、交流换热器和流通催化剂的任何用途。
附图简述


图1是本发明的陶瓷蜂窝式过滤器在向下观察所述过滤器的通道时的 拐角的视图。
图2是本发明的陶瓷蜂窝式过滤器在向下观察所述过滤器的通道时的 拐角的视图。
图3是非本发明的陶瓷蜂窝式过滤器在向下观察所述过滤器的通道 时的拐角的视图。
发明详述
在实施本发明的过程中，多孔的陶瓷蜂窝以及插塞(注意，插塞可以 是与蜂窝相同或不同的陶瓷，以及可以仅仅是收縮在一起以封闭通道的蜂 窝的间隔壁)可以是任何适合的陶瓷或陶瓷的组合，如在本领域中己知的用 于过滤柴油烟尘的那些。示例性的陶瓷包括氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮 化硅、氮化铝、氧氮化硅、碳氮化硅、莫来石、堇青石、(3锂辉石、钛酸 铝、硅酸铝锶、硅酸铝锂。优选的多孔陶瓷体包括碳化硅、堇青石和莫来
石或它们的组合。碳化硅优选为美国专利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描述了其它适合的多孔体。
陶瓷优选为具有针状粒子的陶瓷。这些针状陶瓷多孔体的实例包括 WO 2005/097706所述的那些，以及针状莫来石，所述针状莫来石被描述 于例如美国专利5，194,154; 5,173,349; 5,198,007; 5,098,455; 5，340，516; 6,596,665和6,306，335;美国专利申请出版物2001/0038810;和国际PCT 出版物WO 03/082773。
多孔的陶瓷蜂窝通常具有约30%至85%的孔隙率。优选地，多孔的 陶瓷蜂窝的孔隙率至少约40%，更优选为至少约45%，还更优选为至少约 50%，并且最优选为至少约55%至优选至多约80%，更优选至多约75%并
6且最优选至多约70%。
蜂窝以及通道可以是任何使得它具有至少一个拐角的几何横截面形 状。示例性的横截面形状包括正方形、矩形、梯形、平行四边形、环状扇 形体、五边形、六边形和八边形。蜂窝可以是任何尺寸，并且依赖于用途。 在一个实施方案中，蜂窝可以与其它蜂窝(即，部分)组装成更大的过滤器， 这在本领域中是熟知的，这在之前引用的专利中有描述。
蜂窝可以通过任何适合的方法来形成，所述方法是例如本领域中己 知的那些，例如最普通的方法是挤出由陶瓷微粒以及挤出添加剂和液体组
成的陶瓷可塑坯料，所述添加剂和液体用于使坯料(mass)塑化并且粘合微 粒。然后通过加热并且进一步加热将挤出的蜂窝干燥除去液体(通常为水)， 除去有机添加剂如润滑剂、粘合剂和表面活性剂，使得陶瓷微粒熔合或烧 结在一起或者产生随后熔合在一起的新微粒。这些方法由大量的专利和公 开文献描述过，以下仅仅是少数代表性实例美国专利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。
本发明的一个或多个拐角可以通过任何适合的方法形成，例如使用
已知的方法形成，已知方法包括.例如，(l)研磨烧结的蜂窝(即，在蜂窝
被烧结后，使用其中刻印(imprint)有拐角的形状的磨轮，利用例如研磨对 拐角进行加工)、(2)在除去任何有机物和/或液体之后，但是在以与研磨被 烧结的陶瓷蜂窝所述的类似方式烧结或者粘合陶瓷粒子之前，加工蜂窝， 在挤出蜂窝之后，但是在除去任何有机物或液体之前，通过在具有所需的 形状的模具中简单地压制成拐角来刻印形状，以及(4)通过加工具有所需的 拐角形状的模具并且随后通过该模具挤出陶瓷可塑坯料，而挤出拐角的形 状。
当通过模具挤出塑性陶瓷坯料而形成形状时，可以通过任何适合的 方法在模具中加工形状，包括例如线材放电加工(线材EDM)、激光加工、 磨铣和钻孔。如在本领域中很好地理解，在较小端的形状仅仅受限于可以 通过任何给定的加工方法实现的合理实际尺寸。例如，线材EDM，其是 形成制造陶瓷蜂窝的挤出模具的最通常方法，通常具有约0.025 mm的最 小线材直径的尺寸，但是更通常的是，直径的最小尺寸为约0.1 mm至0.2mm。
因此，例如，当需要具有圆形曲率的拐角时，当使用0.2mm的EDM 线材时，最小半径通常不小于约0.15mm，而最大的圆形曲率可以具有数 米以上的半径。通常，曲率半径为至少约0.05mm到至多约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。
当形成具有圆形曲率的半径的拐角时，存在至少两个圆弧，其中所 存在的圆弧的至少一个的曲率半径不同于所存在的其它圆弧中的一个或 多个的曲率半径。然而，在本发明的该方面中，圆弧的数量典型地为小于 25至小于20、 15、 10、 9、 8、 7、 6、 5或4个的圆弧。当存在两个圆弧时， 还可以存在一个或多个倒角(g卩，通过限定形成的直角)和/或一个或多个非 圆形曲率(g卩，具有恒定半径的弧)，其中包括任何一个非圆弧的这些特征 的总数量与在上面对圆弧本身描述的数量相同。在下面的实施例1中描述 了一个实施方案，其中两个圆弧具有相等的曲率半径，而一个圆弧的曲率 半径不同于置于其间的两个倒角的曲率半径(也称为切线)。
类似地，当形成非圆弧时，在通过其中具有所制造的形状的模具将 其挤出而形成该形状时，应用上述对最小尺寸的限制。非圆弧是任何具有 变化的曲率的弧，如描绘成与圆不同的形状的弧，例如，抛物线、双曲线 和椭圆。当拐角的形状具有非圆弧时，通常有至少一种弧至通常至多为25 种弧。然而，非圆弧的数量典型地为少于25、少于20、 15、 10、 9、 8、 7、 6、 5或4个弧。还可以有一个或多个倒角(即，平直角限定)和/或一个或多 个圆弯曲部(即，具有恒定的半径的弧)，其中包括任何非圆弧在内的这些 特征的总数量与在上面对非线性弧本身描述的总数量相同。
当仅有倒角时，应理解的是，在交叉点(即，由倒角形成的拐角)，这 些交叉点不是非常尖细的形状，而是由于如上所述例如制备模具的实际加 工方法的局限性可能变钝。在仅存在倒角时，倒角的数量至少为4，但是 通常有更多个，例如5、 6、 7、 8、 9、 10、 15、 20个到至多约25个。
取决于蜂窝具有的拐角的数量，但是只要有一个拐角，按上升顺序优 选为至少20%、 30%、 40%、 50%、 60°/。、 70%、 80%、 90%的拐角具有本 发明的形状。更优选地，所有的拐角具有本发明的形状。在一个优选的实施方案中，拐角具有不同的形状，使得技术人员可以 从拐角本身的定向容易地识别例如一个面。作为说明，带有正方形横截面 的蜂窝具有四个不同形状的拐角，根据拐角的定向， 一个面可以与另一个 面相区分。类似地，如果相同的正方形蜂窝的两个相邻的拐角的形状不同 而另两个拐角相同，但是与刚提及的拐角不同，则所述面可以被相互区分。 当将蜂窝部分组装成更大的过滤器时，这些实施方案允许入口面和出口面 的快速而容易的识别。
通常地，间隔壁可以在壁内含有催化剂，或者在壁的表面上涂覆有催 化剂。这种催化剂可以是任何对催化烟尘、 一氧化碳和/或烃的燃烧有用的 催化剂。催化剂还优选减少柴油废气流中的一种或多种其它污染气体，例
如NOx(例如，将"SCR"还原为氮和将CO氧化以形成C02的选择性催化
剂)。 实施例
在所有的实施例和比较例中，在显示拐角的尺寸的图中所示的单位是
以毫米计的。在每一种应力模型中的应力是以MPa计的von-Mises应力。 实施例1:
使用不对称的45度模型，8节点平面应变元件，在按每mm蜂窝长 度计的1N的45度负荷下，利用有限元分析将具有图1中所示的拐角的 蜂窝模型化，该拐角具有两个相同的圆半径，两个直倒角和一个不同的圆 半径。在图1中所示的单位是以毫米计的。将材料性质选择为反映通常的 陶瓷材料性质，即30,000 MPa的材料模量和0.25的泊松比。在拐角施加 的负荷下的最大应力为32.8 MPa,并且这种最大负荷偏离通道中的壁表面 的拐角的中点。
实施例2
利用相同的材料常数，如上所述将具有图2中所示的拐角的蜂窝模型 化，所述拐角具有两个相同的圆半径和一个不同的圆半径。在拐角施加的 负荷下的最大应力为30.6 MPa，并且这种最大负荷偏离通道中的壁表面的拐角的中点。 比较例
利用相同的材料常数，以与实施例1中相同的方式测定蜂窝(图3)的 拐角的应力，该蜂窝除了拐角具有1.25mm的单个曲率半径之外，其它均 与实施例1相同。在拐角施加的负荷下的最大应力为37 MPa，并且这种 最大负荷位于通道中的壁表面的拐角的中点。
从实施例和比较例看出，通过本发明显著地降低了在拐角的应力，对 于实施例1降低为约10%，而对于实施例2降低为约20%。另外，对于 两个实施例，即使在拐角的中点，应力也降低。这实现了耐热冲击性更大 并且抗擦伤的过滤器或过滤器部分，其可以容易被处理，而没有损伤。
下列权利要求，即使它们明确地可以不相互从属，但是本发明也可预 见到任何一个权利要求与任何一个或多个权利要求相结合的一个或多个 实施方案的任何组合。
10
权利要求
1.一种陶瓷蜂窝式过滤器，所述陶瓷蜂窝式过滤器包括具有入口端和出口端的多孔陶瓷蜂窝体，所述入口端和出口端由从所述陶瓷体的入口端延伸至出口端的相邻的入口和出口通道连接，所述入口和出口通道由入口和出口通道之间的多个交错的薄的气体过滤多孔间隔壁限定，并且由陶瓷插塞限定，使得所述入口通道具有在所述陶瓷体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体的入口端的出口陶瓷插塞，使得流体在进入所述入口端时必须通过间隔壁，以从所述出口端离开，其中所述陶瓷蜂窝体具有至少一个外拐角，在向下观察所述蜂窝的通道时所述至少一个外拐角的形状包括以下的各项(i)至少两个圆弧，其中所述圆弧中的至少一个的曲率半径不同于其它的一个或多个圆弧的曲率半径，(ii)非圆弧、或(iii)至少4个没有任何弧的直倒角。
2. 权利要求1所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中每一个外拐角具有所 述形状。
3. 权利要求2所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述外拐角具有不同的形状，使得能够从所述拐角的定向区别所述入口和出口端。
4. 权利要求3所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述外拐角的每一个 都具有不同的形状。
5. 权利要求1所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状是具有至少 两个圆弧的形状，其中所述圆弧中的至少一个的曲率半径不同于其它一个 或多个圆弧的曲率半径。
6. 权利要求5所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状具有至少3 个圆弧。
7. 权利要求6所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状具有2个曲 率半径相同的圆弧，和1个曲率半径不同于所述曲率半径相同的圆弧的曲 率半径的圆弧。
8. 权利要求7所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述曲率半径不同的 圆弧被设置在所述曲率半径相同的圆弧之间。
9. 权利要求8所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中在所述半径相同的圆弧中的每一个与所述半径不同的圆弧之间，存在直倒角。
10. 权利要求1所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状具有至少一 个非圆弧。
11. 权利要求io所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述非圆弧是抛物线、双曲线或椭圆。
12. 权利要求10所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状是两个以 上的非圆弧的组合。
13. 权利要求12所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状仅仅由非圆弧组成。
14. 权利要求10所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状包括至少 一个直倒角。
15. 权利要求IO所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状包括至少 一个圆弧。
16. 权利要求1所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状具有至少4 个没有任何弧的直倒角。
17. 权利要求16所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述形状具有至少 5个直倒角到至多20个直倒角。
18. 权利要求1所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述拐角与具有圆曲 率半径的相同拐角相比，其中的应力减少了至少5%。
19. 权利要求1所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中与所述外拐角相对的 内拐角具有以下形状(i)至少两个圆弧，其中所述圆弧中的至少一个的曲 率半径不同于其它一个或多个圆弧，(ii)非圆弧、或(iii)至少4个没有任何 弧的直倒角。
20. 权利要求19所述的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述内拐角的形状 不同于与所述内拐角相对的外拐角的形状。
全文摘要
一种改进的陶瓷蜂窝式过滤器，其中所述陶瓷蜂窝式过滤器具有至少一个外拐角，在向下观察所述蜂窝的通道时所述至少一个外拐角的形状包括如下各项(i)至少两个圆弧，其中所述圆弧中的至少一个的曲率半径不同于其它一个或多个圆弧的曲率半径，(ii)非圆弧、或(iii)至少4个没有任何弧的直倒角。
文档编号B01D46/24GK101687132SQ200880014790
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月2日 优先权日2007年5月4日
发明者杰弗里·D·扎维沙 申请人:陶氏环球技术公司