轴向分节陶瓷蜂窝组件的制作方法
【专利摘要】陶瓷蜂窝组件由在轴向上顺次地排列的陶瓷蜂窝节制成。变化多个节中的蜂房的堵塞图案以使得进入所述组件的流体的一部分可以在不被过滤的情况下穿过所述组件的一个或多个上游节。一个或多个下游节捕获在不被过滤的情况下穿过所述上游节的颗粒物。这种设计减少″环脱离″破裂，并且有高过滤容量，在操作过程中压降增加不多。
【专利说明】轴向分节陶瓷蜂窝组件
[0001] 本发明涉及轴向分节陶瓷蜂窝组件。
[0002] 陶瓷蜂窝在多种应用中广泛地用作过滤器和催化剂载体。它们通过如下频繁地用 于处理流体如燃烧废气：过滤出颗粒（如烟灰粒子）和/或气溶胶液滴，或作为用于催化废 气的特定组分（如NOx化合物）至气候温和化合物（如N2和H2O)的转化的催化材料的载 体。这种蜂窝也可用于过滤或催化液体如水和有机溶剂和溶液。
[0003] 陶瓷蜂窝具有沿蜂窝的长度轴向延伸的多个通道（或"蜂房"）。蜂房由沿蜂窝 的长度轴向延伸的交叉壁限定。由这些交叉的壁形成的蜂房提供从蜂窝的上游入口端至下 游出口端的流路。蜂房的一部分典型地在出口端堵塞，并且蜂房的另一部分在入口端堵塞。 在出口端堵塞的蜂房在入口端开放，从而形成气体通过其进入蜂窝的入口蜂房。在入口端 堵塞的蜂房在出口端开放，从而形成流体通过其离开蜂窝的出口蜂房。建立交替的入口和 出口蜂房的"跳棋盘"堵塞图案是典型的。
[0004] 交叉的蜂房壁是多孔的并且因此能够使流体渗透。当流体进入入口蜂房时，它们 穿过壁至流体从其离开蜂窝的相邻的出口蜂房中。捕获不能透过壁（如固体粒子）的夹带 物，并且因此将其从流体移除。蜂窝结构也通常被称为"壁流"器件，因为流体以这种方式 穿过蜂房壁。流体当它们穿过一个或多个多孔壁时被过滤和/或接触活性催化剂材料。
[0005] 当使用陶瓷蜂窝处理热流体，如来自固定发电设备或移动发电设备（如内燃机） 的废气时，通常会观察到破裂问题。在操作过程中在蜂窝内通常形成温度梯度，尤其是在过 渡阶段如开始过程中和在"烧尽"循环过程中，在该过程中，操作温度临时增加以点燃并 烧尽捕获在过滤器中的灰，并且之后回到正常的操作温度。温度梯度通常导致在蜂窝内产 生机械应力，因为蜂窝的不同部分以不同的速率热膨胀或收缩。破裂作为这些机械应力的 结果产生。陶瓷蜂窝耐受这种热诱导的破裂的能力可以表达为其"耐热冲击性"。
[0006] 改进陶瓷蜂窝中的耐热冲击性的一种方式是将其分段。代替由单一的单块体形成 整个蜂窝结构，分开制造许多更小的蜂窝，并且之后组装为更大的结构。将段沿在过滤器 的轴向上前进的平面在长度上连接。使用无机接合剂以将更小的蜂窝结合至一起。无机 接合剂通常比蜂窝结构上更有弹性。这种更大的弹性允许热诱导的应力通过该结构消散， 从而减少可能以其他方式导致断裂形成的高局部应力。所使用的段在尺寸上也更小，并且 在使用过程中较不倾向于经历大热梯度，以及相关的热应力。分段方案的实例参见于USP 7, 112, 233、USP 7, 384, 441、USP 7, 488, 412 和 USP7, 666, 240 中。
[0007] 分段方案被证实为主要在减少轴向破裂（一般沿平行于流体流动和通道轴的线 或平面形成的破裂）上是有效的。分段方案可以有助于减少径向破裂（一般沿垂直于流体 流动和通道轴的线或平面形成的破裂；通常称为"环脱离（ring-off)"破裂）。但未发现 分段方案在减少环脱离破裂上是足够有效的。因此，需要另一个或另外的方案解决环脱离 破裂的问题。
[0008] 在很多情况下，蜂窝负载一种或多种催化材料。催化材料典型地通过涂覆方法沉 积至蜂窝壁上，其中将过滤器用催化材料（或其前体）的溶液或悬浮液浸渍，以将蜂窝壁用 催化剂材料或前体涂覆。随后的干燥和/或烧制产生催化材料的涂层。有时，仅需要涂覆 蜂窝的一部分，以便提供足够的催化剂用于最终应用。在其他情况下，可能适宜的是用不同 的催化材料涂覆蜂窝的不同部分。通常所说的"区域涂覆"方法尝试解决这种需要。在区 域涂覆方法中，仅将蜂窝的一部分与涂覆流体接触。然而，涂覆流体被"抽吸"至多孔蜂窝 结构中并且因此散布超出蜂窝的初始润湿区域。这使得难以制造部分地涂覆的蜂窝，或在 不同的区域具有两种以上催化材料的蜂窝。因此，适宜的是提供一种方法，从而可以方便地 制造仅部分地涂覆有催化材料或其中蜂窝的不同部分涂覆有不同的催化材料的陶瓷蜂窝。
[0009] 美国专利号8,007, 731描述了一种"分层的"陶瓷蜂窝结构，其中多个陶瓷蜂 窝"层"轴向排列，在相继的蜂窝层之间具有间隙。该器件主要作为催化剂载体。蜂窝的 蜂房对于大部分在每一端开放，以使得穿过蜂房的流体可以在不穿过蜂房壁的情况下穿过 每一层。流体当其穿过蜂房时与沉积在蜂房壁上的催化材料接触。颗粒材料未被移除，因 为流体未穿过蜂房壁。单独的蜂窝层可以以"跳棋盘"图案堵塞以驱使流体穿过蜂房壁并 且由其过滤颗粒物。归因于不存在或接近不存在可以作为过滤器的堵塞层，这种分层结构 具有非常小的用于捕获颗粒物的容量，导致积累灰的可得过滤器壁区域的低效率使用。
[0010] 本发明一方面是一种陶瓷蜂窝组件，所述陶瓷蜂窝组件包含：一个或多个穿过型 陶瓷蜂窝节和一个或多个下游陶瓷蜂窝节，所述陶瓷蜂窝节在轴向上在蜂窝节的每一顺次 对之间具有间隙的情况下顺次地排列；结构装置，所述结构装置用于将所述蜂窝段彼此以 固定的空间关系保持；以及包封装置，所述包封装置用于包封蜂窝节的每一顺次对之间的 所述一个或多个间隙的周边，其中：
[0011] (a)至少一个下游陶瓷蜂窝节位于至少一个穿过型陶瓷蜂窝节的下游；
[0012] (b)所述穿过型和下游陶瓷蜂窝节各自具有由交叉的多孔壁限定的多个轴向延伸 蜂房；
[0013] (C)所述一个或多个穿过型陶瓷蜂窝节的轴向延伸蜂房和所述一个或多个下游 蜂窝节的轴向延伸蜂房一起限定从上游端至下游端穿过所述陶瓷蜂窝组件的多个流体流 路；
[0014] (d)每一穿过型陶瓷蜂窝节包括：（i)至少15数量％的穿过型蜂房，所述穿过型蜂 房在每一端开放，以形成用于流体在不穿过型蜂房壁的情况下流动穿过所述穿过型陶瓷蜂 窝的通道；和（ii)入口蜂房，所述入口蜂房在所述穿过型陶瓷蜂窝节的出口端但不在其入 口端封闭，以使得进入这些入口蜂房的流体当其穿过所述穿过型陶瓷蜂窝时必须穿过至少 一个蜂房壁；并且
[0015] (e)每一下游陶瓷蜂窝节包括：⑴出口蜂房，所述出口蜂房在所述下游陶瓷蜂窝 节的入口端但是不在出口端封闭；（ii)入口蜂房，所述入口蜂房在所述下游陶瓷蜂窝节的 出口端但是不在入口端封闭，以使得进入所述入口蜂房的入口端的流体必须穿过蜂房壁， 以从所述下游陶瓷蜂窝的所述出口端被移除；以及（iii)〇至10数量％的穿过型蜂房，所述 穿过型蜂房在每一端开放，以形成用于流体在不穿过蜂房壁的情况下流动穿过所述下游陶 瓷蜂窝的通道。
[0016] 申请人:发现：陶瓷蜂窝中环脱离破裂的问题可以通过轴向分割蜂窝改进，即，沿垂 直于蜂窝的轴向延伸前进的平面。因此，本发明的蜂窝组件的一个特征是：该组件包括从上 游至下游方向顺次地排列的两个以上蜂窝节。与其他方面类似（包括物理尺度）而不这样 分割的蜂窝比较，环脱离破裂减少。
[0017] 因为可以分开地制造蜂窝节并且之后将它们组装在一起，将催化材料涂布至节的 一些部分并且制造其中仅在限定位置中存在催化材料的组件是方便的。类似地，可以将不 同的催化材料涂布至不同的蜂窝节，之后将其组装以制造在离散的位置具有两种以上不同 的催化材料的组件。
[0018] 申请人:进一步发现，当轴向分隔蜂窝时，传统堵塞图案的修改变得必须。如果将单 独的节的入口和出口端两者上的蜂房以标准跳棋盘节堵塞（如在美国专利号8, 007, 731中 关于一些蜂窝"层"所描述的），看到过滤容量的显著损失（即，在必须将过滤器替换或再 生之前过滤器可以捕获的颗粒物的量（包括在烧尽循环过程中形成的灰））。这种问题用本 发明经由以下方式克服：在多个节中使用不同的堵塞图案，并且特别是具有穿过型蜂房的 至少一个节（"穿过型"节）的存在，其在具有少的并且优选没有这种穿过型蜂房的另一 个节（"下游"节）上游。
[0019] 图1是本发明的一个实施方案的截面图，其中单个穿过型节之后是下游节。
[0020] 图2是本发明的一个实施方案的截面图，其中两个穿过型节之后是下游节。
[0021] 图3是本发明的一个实施方案的截面图，其中三个穿过型节之后是下游节。
[0022] 图4是本发明的一个实施方案的截面图，其是轴向分节和径向分段的。
[0023] 图5是本发明的另一个实施方案的截面图，其是轴向分节和径向分段的。
[0024] 图6是本发明的再另一个实施方案的截面图，其是轴向分节和径向分段的。
[0025] 陶瓷蜂窝节的轴向延伸蜂房的特征在于具有三种不同的类型。"穿过型"蜂房在 每一端开放。穿过型蜂房因此形成用于流体在不穿过蜂房壁的情况下流动穿过陶瓷蜂窝节 的通道。
[0026] "入口 "蜂房在蜂窝节的入口端开放并且在出口端封闭。对于本发明而言，蜂窝 节或作为整体的蜂窝组件的"入口"端是在操作过程中流体从其进入的节或组件的轴向 端。相反，蜂窝节或组件的"出口"端是在操作过程中流体从其离开的节或组件的轴向端。 因为入口蜂房在入口端开放，所以流体可以在操作过程中进入这种蜂房的入口端。然而，因 为蜂房在出口端封闭，流体不能从入口蜂房的出口端离开，并且必须代之为穿过蜂房壁以 从蜂窝移除。
[0027]"出口蜂房"在入口端封闭，以使得流体不能进入这种蜂房的入口端，但是代替 为必须通过穿过至少一个蜂房壁而从另一个蜂房进入这种蜂房。出口蜂房在出口端开放， 所以可以将流体从这种蜂房出口端移除。
[0028] 穿过型蜂窝节和下游蜂窝节在它们含有的蜂房的类型上不同。穿过型蜂窝节含有 至少15数量％的穿过型蜂房，并且还含有入口蜂房。穿过型蜂窝节可以还含有出口蜂房， 但这不是所需要的。穿过型蜂窝节可以含有多至85数量％的穿过型蜂房。在具体的实施 方案中，以穿过型蜂房的数目计，穿过型节可以含有20至75 %，25至70 %，或33至67%。 穿过型蜂窝段优选含有至少15数量％的入口蜂房，并且更优选含有至少25数量％的入口 蜂房。穿过型节可以含有多至85数量％的入口蜂房。在具体的实施方案中，以数目计，穿 过型节可以含有25至80%，30至75%，或33至67%的入口蜂房。
[0029] 如果在穿过型节中存在出口蜂房，它们可以占蜂房以数目计的至少2 %或至少 5 %，以数目计不超过70 %，优选不超过50 %，更优选不超过33 %的蜂房。
[0030] 下游蜂窝节含有入口蜂房和出口蜂房两者，但不大于10数量％的穿过型蜂房。下 游蜂窝节优选不含有大于5数量％的穿过型蜂房，更优选不大于其2 %并且最优选不含有 穿过型蜂房。一种优选的下游蜂窝节含有25至75数量％的入口蜂房和25至75数量％出 口蜂房，入口和出口蜂房一起占下游蜂窝节的蜂房的至少95 %，更优选至少98 %，再更优 选 100%。
[0031] 本发明的蜂窝组件含有位于至少一个穿过型节下游的至少一个下游节。蜂窝组件 可以含有任意更大数目的穿过型节。因此，蜂窝组件可以含有1，2, 3,4, 5或任意更大数目 的穿过型节。蜂窝组件可以含有大于一个下游节，但是在提供多余一个下游节的情况下一 般存在很小的好处。蜂窝组件中最后的（即，最下游的）轴向蜂窝节优选是下游节。在一 种优选的排列中，蜂窝组件包括，按顺序地，一个或多个穿过型节，之后是一个或多个，优选 一个下游节，所述一个或多个下游节是组件中的蜂窝节中的最后。最优选地，该组件含有不 含穿过型蜂房的至少一个下游蜂窝节，其是组件中蜂窝节的最后（最下游）。
[0032] 本发明的两节蜂窝组件的一个实施方案描述在图1中。在图1中，陶瓷蜂窝组件 1包括穿过型蜂窝节2和下游蜂窝节3。箭头5指示陶瓷蜂窝组件1的轴向并且流体从一 般由箭头7方向指示的入口端向一般由箭头10指示的出口端流动穿过陶瓷蜂窝组件1的 大体方向。在该实施方案中，箭头7还指出穿过型蜂窝节2的入口端,并且箭头10还指出 下游蜂窝节3的出口端。
[0033] 穿过型蜂窝节2含有由多孔蜂房壁16限定的轴向延伸蜂房4和6。穿过型蜂房4 在每一端（即在入口端7和穿过型蜂窝出口端8)开放，并且形成通道，在入口端7通过其 进入穿过型蜂窝节2的流体可以穿过穿过型蜂窝节2并且在出口端8在不穿过任何蜂房壁 16的情况下离开。入口蜂房6在入口端7开放并且在出口端8用塞11堵塞。进入入口蜂 房6的流体当其朝向出口端8穿过穿过型蜂窝节2时必须穿过一个或多个蜂房壁16至穿 过型蜂房4。
[0034] 下游蜂窝节3含有由多孔壁16限定的入口蜂房6和出口蜂房13。入口蜂房6在 出口端10用塞11封闭，并且在入口端9开放。出口蜂房13在入口端9用塞11封闭并且 在出口端10开放。在入口端9进入下游蜂窝节3的流体必须穿过入口蜂房6进入并且当 其朝向出口端10穿过下游陶瓷蜂窝节3时，必须穿过一个或多个蜂房壁16至出口蜂房13。
[0035] 穿过型蜂窝节2和下游蜂窝节3由间隙18分隔。间隙18限定离开穿过型蜂窝节 2的流体在进入下游蜂窝节3之前从其中通过的空间。
[0036] 在操作过程中，进入穿过型蜂窝节2的一部分流体进入至穿过型蜂房4中，并且另 一部分进入至入口蜂房6中。压力在入口端7处高于在出口端10处，所以流体流动穿过蜂 窝组件1的大体方向是由箭头5指示的方向。在入口端7进入至穿过型蜂房4中的流体的 一部分可以在不穿过任何蜂房壁16的情况下穿过穿过型蜂窝节2。可能的是，作为局部湍 流流动的结果，或者如果跨越蜂窝组件1的压降小，进入穿过型蜂房4的一些流体可以穿过 蜂房壁16至相邻的蜂房。然而，在大多数情况下，相信进入穿过型蜂房4的入口端7的基 本上所有流体将在不穿过任何蜂房壁16的情况下穿过蜂窝段2。
[0037] 进入入口蜂房6的流体的那部分当其穿过穿过型蜂窝节2至间隙18时必须穿过 蜂房壁16。
[0038] 不穿过蜂房壁16的任何流体当其穿过穿过型蜂窝节2时在那个蜂窝节2中，如果 根本上被过滤，将最低限度地被过滤。虽然一些被夹带的粒子或液滴当流体穿过穿过型蜂 房4时可以沿壁16沉积，那些粒子或液滴的大部分将不与壁16接触并沉积在其上，相反将 被携带穿过穿过型蜂窝节2,至间隙18中并且之后至下游陶瓷蜂窝3中。
[0039] 相反，进入至穿过型节2中的入口蜂房6中的任何流体当流体穿过蜂房壁16时将 在其穿过穿过型蜂窝节2的路径上被过滤。
[0040] 作为存在两种类型的蜂房（穿过型蜂房4和入口蜂房6)的结果，流体中含有的一 部分粒子或液滴沉积至蜂窝节2的至少一些多孔壁16上，并且粒子或液滴的另一部分被携 带至下游蜂窝节3中。这是本发明的一个重要特征和益处，因为它允许以轴向节形成蜂窝 组件而不严重降低过滤容量或过滤效率。如果不存在穿过型蜂房4,大部分或所有粒子（以 及在烧尽循环过程中由捕获的粒子形成的灰）或液滴将被捕获在穿过型蜂窝节2中。如果 有，很少的这些粒子（以及所得到的灰）或液滴将通过至下游陶瓷蜂窝节3中。在效果上， 过滤器的过滤容量将基本上限定于穿过型蜂窝节2自身的过滤容量。穿过型蜂房4的存 在允许粒子或液滴被携带至下游陶瓷蜂窝3中并且被沉积在那。因为粒子（以及所得到的 灰）和液滴可以被捕获在穿过型蜂窝节2和下游节3两者中，蜂窝组件1的容量比穿过型 蜂窝节2自身的容量大得多。
[0041] 穿过穿过型蜂窝节2的出口端8离开的流体穿过间隙18并且从其进入下游陶瓷 蜂窝节3。因为出口蜂房13被塞11在下游陶瓷蜂窝节3的入口端9封闭，所以流体不能 在那端进入出口蜂房13,并且相反通过入口蜂房6进入下游陶瓷蜂窝节3。因为入口蜂房 6被塞11在出口端10封闭，所以进入入口蜂房6的流体必须穿过至少一个蜂房壁16至出 口蜂房13中，以被从出口端10移除。因为下游蜂窝节3的所有蜂房或者是入口蜂房6或 者是出口蜂房13 (在所示实施方案中），所以穿过下游陶瓷蜂窝节2的所有流体被在那节中 过滤。特别是，在不被过滤的情况下穿过穿过型蜂窝节2的穿过型蜂房4的流体当流体穿 过下游蜂窝节3时将被过滤。
[0042] 该概念可以延伸至任意更多量的顺次地排列蜂窝节，条件是存在如所述的至少一 个穿过型蜂窝节，并且还存在如所述的至少一个下游节，下游节位于至少一个穿过型节下 游（即，流体流动穿过该组件的方向上轴向）。典型地，如所描述的下游节将是次序上的最 后一个节。虽然在如所述的下游节之后可以包括一个或多个另外的节，但是这种节一般地 是不必要的，因为如果有，很少的粒子或液滴将穿过下游节。然而，可能的是在组件中包括 两个以上下游节。如之前，优选的是组件中的最后一个节是下游节，并且更优选的是这种最 后的下游节不含有穿过型蜂房。
[0043] 图2示例其中两个穿过型节在下游节之前的一个实施方案。在图2中，蜂窝组件 IA包括，按顺序地，穿过型蜂窝节2A和2B，之后是下游节3。穿过型蜂窝节2A包括穿过型 蜂房4和入口蜂房6,如关于图1所述。多孔壁16位于相邻的蜂房之间。塞11封闭入口蜂 房6的出口端。附图标记7A指出穿过型节2A的入口端，在此处将所要处理的流体引入至 穿透蜂窝2A和作为整体的蜂窝组件IA中。8A指出穿过型蜂窝节2A的出口端。
[0044] 穿过型蜂窝节2B在穿过型蜂窝节2A下游并且由间隙18A从其隔开。穿过型蜂窝 节2B包括穿过型蜂房4,以及在出口端8B用塞11封闭并且在入口端7B开放的入口蜂房 6。穿过型蜂窝节2B的穿过型蜂房4和入口蜂房6执行如关于图1中相应的特征所述的相 同的功能。此外，穿过型蜂窝节2B包括任选的出口蜂房13,其在入口端7B用塞11阻塞并 且在出口端8B开放。如之前，穿过型蜂窝节2B中的相邻的蜂房由多孔壁16分隔。附图标 记7B是指穿过型节2B的入口端，在此处将所要处理的流体在离开穿过型蜂窝节2A和穿透 间隙18A的出口端8A之后将引入至穿透蜂窝2B中。8B指示穿过型蜂窝节2B的出口端。
[0045] 再参考图2,下游蜂窝节3在穿透蜂窝2B下游并且由间隙18B从其分隔。下游蜂 窝节3含有在出口端10由塞11封闭并且在入口端9开放的入口蜂房6,以及在入口端9由 塞11封闭并且在出口端10开放的出口蜂房13。如之前，蜂房6和13由多孔壁16分隔。 将所要处理的流体在离开穿过型蜂窝节2B的出口端8B和穿透间隙18B之后引入至下游蜂 窝3的入口端9中。流体通过至下游蜂窝节3的入口蜂房6中，穿过至少一个壁16至出口 蜂房13中并且之后离开下游蜂窝节3的出口端10。
[0046] 图3示例一个实施方案（IB)，其包括，按顺序地，三个穿过型节2A、2B和2C，之后 是单个下游节3。间隙18A分隔穿过型节2A和2B，间隙18B分隔穿过型节2B和2C，并且间 隙18C分隔穿过型节2C和下游节3。穿过型蜂窝节2A-2C的每一个包括穿过型蜂房4和入 口蜂房6,其用塞11在相应的蜂窝节的出口端8A、8B和8C封闭。此外，穿过型蜂窝节2B和 2C各自含有用塞11在相应的节的入口端7B和7C封闭的出口蜂房13。下游蜂窝节3含有 入口蜂房6,其在出口端10用塞11封闭并且在入口端9开放；以及出口蜂房13,其在入口 端9通过塞11封闭并且在出口端10开放。如之前，多孔壁16分隔相邻的蜂房。
[0047] 含有3个以上节的本发明的蜂窝组件与图1中所示的两节蜂窝组件相似地操作。 因此，例如参考图2,进入至蜂窝组件IA的入口端7A中的流体将连续地流动穿过穿过型蜂 窝节2A，间隙18A，穿过型蜂窝节2B，间隙18B和下游蜂窝节3至出口端10,在此处它离开 蜂窝组件1。进入任意蜂窝节2A、2B和3的入口蜂房6的流体必须穿过多孔壁16以穿过这 种节，并且这样做在那节中被过滤。进入穿过型节2A或2B的穿过型蜂房4的流体可以在 不穿过蜂房壁16的情况下穿过那个节，并且所以在那个节中将至多最低限度地过滤。穿过 型节2A和2B中的穿过型蜂房4的存在因此允许颗粒和液滴被向下游携带至随后的节，并 且以这种方式蜂窝组件的容量本质上不限于穿过型蜂窝节2A的容量。因为在下游蜂窝节 3中没有穿过型蜂房，所以基本上没有粒子或液滴完全穿过蜂窝组件1A。
[0048] 图3的四节蜂窝组件以相似方式发挥功能，每一穿过型节2A、2B和2C的穿过型蜂 房允许一部分流体向下游在不被过滤的情况下通过至后继节，包括下游蜂窝节3,从而允许 粒子和液滴沿蜂窝组件的整个长度被捕获。
[0049] 图1-3的每一个中的多个蜂窝节2、2A、2B、2C和3包括外周壁19。在图1-3中所 示的实施方案中，外周壁19充当用于将所述蜂窝段彼此以固定的空间关系保持的结构装 置和用于包封蜂窝节的每一顺次对之间的一个或多个间隙的周边的包封装置两者。因此， 壁19将多个蜂窝节2、2A、2B、2C和3彼此以所需的空间关系保持，S卩，以需要的顺序并且 在相继节之间具有需要的间隙。在图1-3中所示的实施方案中，外周壁19也封闭间隙18、 18A、18B和18C周边。外周壁19优选是非多孔的或具有低孔隙率，以使得流体不脱离相应 的蜂窝节或从间隙18、18A、18B和18C穿过外周壁19脱离。
[0050] 外周壁19可以包括蜂窝组件的外表皮或由其组成。这种外表皮可以与蜂窝节一 体和/或是涂布层或包装。在一些情况下，外周壁19可以整体地或部分地由蜂窝组件位于 其中的容器组成。例如，蜂窝组件可以容纳在金属或其他容器中，其贴身地贴合在蜂窝组件 的周边，形成阻碍流体从蜂窝组件的周边逃离的阻碍。这种容器可以形成外周壁19的全部 或一部分。可压缩或可膨胀的垫或泡沫材料也可以充当蜂窝组件与容器之间的外周壁。
[0051] 如从图1-3可见，任何穿过型蜂窝节的穿过型蜂房和入口蜂房可以以各种图案排 列，或甚至随机排列。此外，任意穿过型蜂窝节中的穿过型蜂房和入口蜂房的相对数目可以 显著地变化。因此，在图1的穿过型蜂窝节2和图3的2A中，穿过型蜂房4和出口蜂房6 以跳棋盘图案排列，而在图2的穿过型蜂窝节2A中，那些蜂房以A-A-B-A-A-B图案排列，其 中每一 A表不穿过型蜂房并且每一 B表不入口蜂房。
[0052] 类似地，当在穿过型蜂窝节中存在出口蜂房时，可以使用穿过型蜂房、入口蜂房和 出口蜂房的各种排列。因此，在图3的穿过型蜂窝节2B和2C中，这些蜂房以重复的A-B-C-B 图案存在，其中每一 A表不穿过型蜂房，每一 B表不入口蜂房，并且每一 C表不出口蜂房。如 果在穿过型蜂窝节中存在出口蜂房，每一出口蜂房优选与至少一个入口蜂房相邻（即，与 其共享多孔壁）。
[0053] 如果存在多个穿过型节，在多个穿过型节中的穿过型、入口和出口蜂房的比例可 以在每一节中是相同的，或从一个节至另一个节变化。此外，多个穿过型节中穿过型、入口 和出口蜂房的排列可以在所有节中是相同的，或者可以在多个节中使用不同的排列。如果 在蜂窝节中存在两个以上穿过型节，在一些实施方案中第一穿过型节不含有出口蜂房，并 且至少一个后面的穿过型节除了含有穿过型蜂房和入口蜂房之外，优选还含有出口蜂房。
[0054] 图1-3中所示的蜂房的排列仅是示例性的；很多其他的排列也是有用的。应注意 虽然图1-3仅在一个维度显示蜂房的排列，在每种情况下的蜂房图案将延伸至两个正交维 度。一个维度中的蜂房的排列不需要在另一个正交维度中必须是相同的。
[0055] 下游蜂窝节中的入口和出口蜂房（以及如可以存在的任何穿过型蜂房）的排列也 可以以多种图案或甚至随机地排列。因此，在图1和3中，下游蜂窝节3的蜂房6和13以 交替图案排列，而在图2中，下游蜂窝节3的蜂房6和13以B-B-C图案排列，其中如之前， 每一 B表不入口蜂房并且每一 C表不出口蜂房。优选的是，下游蜂窝节中的每一出口蜂房 与至少一个入口蜂房相邻（即，与其共享多孔壁）。
[0056] 为了容易示例，相继的蜂窝节的蜂房显示为彼此成一条直线。然而，这不是必须的 或甚至适宜的，并且可以在相继的蜂窝节中的蜂房可以是排成直线的或未排成直线的。间 隙如图1-3中的间隙18、18A、18B和18C的存在允许流体离开任何蜂窝节以将其自身分配 至下一个相继的蜂窝节的入口蜂房（和穿过型蜂房，如果有）中。
[0057] 多个穿过型、入口和出口蜂房的尺寸不被认为对于本发明是关键的，并且可以对 于特定的最终用途按需要或希望广泛地变化。用于很多过滤或催化应用的典型的蜂窝将含 有25至1000个蜂房/平方英寸（约4至150个蜂房/平方厘米）的横截面积（即，相对 于蜂房的纵向延伸的横向上）。对于燃烧废弃物过滤应用，优选的蜂房密度是100至400个 蜂房/平方英寸（约16至64个蜂房/平方厘米）。给定节中的所有蜂房不需要是相同的 尺寸，虽然它们可以是。给定节中的穿过型蜂房与这种节中的入口或出口蜂房不需要是相 同的尺寸，虽然它们可以是。不同的节中的蜂房不需要是相同的尺寸，虽然它们可以是。不 同的节可以具有不同的蜂房密度（每单位横截面积的蜂房数目）或者可以具有相同的蜂房 密度。
[0058] 类似地，各种穿过型、入口和出口蜂房的截面形状一般不被认为对于本发明是关 键的，并且也可以宽泛地变化。因此，蜂房在截面上可以是圆形的、椭圆形的、矩形的或不 规则多边形的（如方形、矩形、六边形、八边形或三角形等），或者可以具有更复杂的形状， 如"哑铃"形状。不同类型的蜂房可以具有彼此相同的或不同的形状。不同的节中的蜂房 可以具有彼此相同的或不同的形状。
[0059] 各种节的长度（轴向延伸）可以彼此相等，也可以变化。穿过型节可以长于，短于， 或等于下游节或其他穿过型节的长度。
[0060] 陶瓷蜂窝节的壁是多孔的。壁的孔隙率可以低至5体积％或高至约90体积％。优 选的孔隙率为至少25体积％。更优选的孔隙率为至少40体积％并且再更优选的孔隙率为 至少50体积％。孔隙率可以通过种种浸渍或汞孔隙率测量方法测量。壁孔的体积平均孔 径优选为至少2微米并且尤其是至少5微米，不超过50微米，不超过35微米或不超过25 微米。"孔径"对于本发明而言表达为如通过孔隙率测量法测量的表观体积平均孔径（其 呈现为圆柱形孔）。
[0061] 壁厚度可以依赖于应用和机械需求如所需的物理强度显著地变化。对于很多过滤 应用，典型的壁厚度为0.05至10mm，优选0.2至1mm。
[0062] 相继的轴向蜂窝节之间的间隙可以是任意方便的长度（"长度"指的是轴向）。 每一间隙的长度与蜂窝节的多孔壁的孔径比较应当大，并且应当足够大以避免相继的段之 间的大压降。间隙优选在长度上为至少〇. 1mm，并且在长度上更优选至少Imm并且在长度上 再更优选至少4mm。任何更长的长度是有用的，虽然对考虑如整体部件尺寸和成本带来不大 于150mm，更优选不大于50mm，再更优选不大于25mm并且甚至再更优选不大于15mm的优选 的间隙长度。
[0063] 蜂窝节是陶瓷材料，例如，氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧氮化硅、氮 化硅碳、莫来石、堇青石、3 -锂辉石、钛酸铝、硅酸锶铝或硅酸锂铝，或这些陶瓷材料中的任 意两种以上的组件合。在优选的实施方案中，陶瓷蜂窝的至少一部分是针状莫来石。不同 的节可以由不同的陶瓷材料制成。如果将任何节如下所述分段，则在任何节中的多个段可 以全部由相同的陶瓷材料制成，或者不同的段可以由不同的陶瓷材料制成。
[0064] 任意蜂窝段可以含有涂布至多孔壁上和/或浸渍在多孔壁中的催化或其他功能 材料。在有用的催化剂类型中，包括对于发动机废弃流体（如柴油发动机排放物）的处理 有用的那些，例如，直接氧化催化剂（DOC)、三元催化剂（TWC)、烟灰氧化催化剂、燃料添加 型（borne)催化剂（FBC)、选择性催化还原（SCR)、贫NOx捕集（LNT)和氨滑移（slip)催 化剂。这些催化剂是公知的并且描述在"柴油机排放物和它们的控制（Diesel Emissions and Their Control),y, Majewski, WA. , Khair, M. D. SAE International, Warrendale, PA, 2006 中和"催化空气污染控制：商业技术（Catalytic Air Pollution Control !Commercial Technology) "，Heck，R. M.，Farrauto, R. J.，Van Nostrand Reinhold，纽约，1995 中。这些 催化材料包括多种金属、金属氧化物、金属硅酸盐和金属沸石。在有用的金属中有钡、钼、 钯、银、金、钒、铯、铁、铜等。本发明的一个益处是可以将这些催化或功能材料分开地涂布至 不同的节。当组装所述节时，可以制造具有限定至预定节的催化或功能材料，和/或位于组 件的不同的节中的不同催化或功能材料的蜂窝组件。组件可以包括不包含这种催化或功能 材料的一个或多个节，以及含有催化材料的一个或多个节。除了上述催化材料之外，还可以 使用各种有机或无机功能材料。用于将各种无机材料沉积至蜂窝结构上的合适的方法描述 在，例如，US 205/0113249 和 W02001045828 中。
[0065] 用于将所述蜂窝段彼此以固定的空间关系保持的各种类型的结构装置是有用的。 结构装置的优选类型是如已经描述的外周壁（如多个图中的壁19)。这种外周壁可以是整 体表皮、涂布表皮和/或包装、可压缩或可膨胀的垫或泡沫体，或至少在一个或多个间隙的 区域中紧密地配合在蜂窝组件周围的外部容器。这种外周壁可以仅涂布在一个或多个间隙 周边的周围，也可以，如图1-3中所示，延伸蜂窝组件的整个长度。除了这种外周壁之外， 以固定的空间关系将蜂窝彼此固定或固定至外部支撑体的多种类型的机械器件可以充当 这种结构。这些机械器件包括，例如，夹持器件和多种其他类型的连接器。蜂窝节可以彼此 接合在它们的周边周围，或以其他方式接合或固定至支撑体以将它们以固定的空间关系保 持。在一些实施方案中，特别是当如下所述将一些或全部蜂窝节径向分段时，结构装置可以 是或包括多个段之间的一个或多个接合剂层。
[0066] 包封装置包封蜂窝节的每一顺次对之间的一个或多个间隙的周边并且基本上阻 止流体穿过蜂窝结构从组件通过一个或多个间隙的周边逃逸。在一些实施方案中，相同的 结构发挥包封装置和结构装置两者的功能。例如，优选的包封装置是外周壁（如多个图中 的壁19)，其也可以发挥将蜂窝节以固定空间关系保持的结构装置的功能。涂布至间隙周边 的接合剂层作为包封装置是有用的，并且也可以形成结构装置全部或一部分。当蜂窝节径 向分段时，多个段之间的接合剂层可以形成包封装置的一部分以及结构装置的全部或一部 分。此外，包封装置可以包括多种类型的衬垫材料，所述衬垫材料选择为耐受使用的条件。 [0067] 本发明的蜂窝组件，或其任意轴向节，可以或其轴向长度的全部或一部分径向分 段。通过"径向"分段，意指将蜂窝组件或轴向节对于其长度的至少一部分沿平行于组件 或节的轴向延伸（即，在轴向蜂房的方向上）前进的一个或多个平面分割。
[0068] 径向段的至少一个包括如本文描述的一个或多个穿过型蜂窝节和如本文描述的 至少一个下游陶瓷蜂窝节。任意段中的下游节位于这种段中至少一个穿过型陶瓷蜂窝节的 下游，在特定节内蜂窝节的每一顺次对之间具有如本文所描述的间隙。
[0069] 径向段适宜地通过插在相邻的段之间的接合剂层结合在一起。接合剂层用于将段 结合在一起，并且因为接合剂层一般比陶瓷蜂窝更有弹性，所以也有助于在温度循环过程 中减少外周破裂。
[0070] 图4示例这种径向分段蜂窝组件的一个实施方案。在图4中，蜂窝组件41包括穿 过型蜂窝节42和下游蜂窝节44,其每一个径向分段。穿过型节42径向分段为段42A和段 42B，并且下游蜂窝节44分段为段44A和段44B。接合剂层43A将段42A和42B结合至相邻 的蜂窝段。接合剂层43B将段44A和44B结合至相邻的蜂窝段。如之前，穿过型蜂窝节42 含有穿过型蜂房4,以及在穿过型节42的出口端8封闭的入口蜂房6。同样，如之前，下游 蜂窝节44包括在出口端10封闭的入口蜂房6,以及在下游蜂窝节44的入口端9封闭的出 口蜂房13。多孔壁16分隔相邻的蜂房。如之前，间隙18将穿过型节42从下游节44分隔。 外周壁19环绕蜂窝组件41的周边。在该实施方案中，外周壁19将穿过型蜂窝节42和下 游蜂窝节44以固定空间关系保持，并且阻止流体从间隙18的周边逃逸。
[0071] 在图4中，穿过型节42在长度上比下游节44短，但这不是关键的。如之前，各种节 的长度可以是相同的或不同的，并且下游节可以长于，短于，或等于任何穿过型节的长度。
[0072] 图5示例本发明的另一个实施方案（41A)，其中蜂窝节径向分段。图5的多个特征 与图4中带有相同附图标记的那些是相同的。在图5中，穿过型蜂窝段42B比穿过型蜂窝 段42A短。另外，下游蜂窝段44B比下游蜂窝段44A长。作为这的结果，穿过型蜂窝段42B 与下游蜂窝段44B之间的间隙18B关于间隙18A偏离。这种设计的一个益处是用充当用于 将蜂窝节和段以固定空间关系保持的装置的接合剂层43形成单块的组件。用这种设计，提 供用于将蜂窝节和段以固定空间关系保持的外部装置不是必须的，虽然可以存在这种外部 装直。
[0073] 再另一个变化在图6中示出。图6的多个特征与图4和5中带有相同的附图标记 的那些是相同的。在图6中，中心蜂窝45未轴向分割，并且延伸蜂窝组件60的整个长度。 如同用图5的实施方案，该设计的一个益处是用充当用于将多个蜂窝以固定空间关系保持 的装置的接合剂层43形成单块组件。用这种设计，用于将蜂窝节和段以固定空间关系保持 的外部装置不是必须的，虽然也可以存在这种外部装置。
[0074] 本发明的蜂窝组件可以通过以下方式制备：（1)形成单独的蜂窝节，（2)阻塞蜂窝 节的蜂房以形成如上所述的穿过型、入口和出口蜂房，以及（3)将单独的蜂窝节组装成固 定空间关系，在蜂窝节的每一相继对之间具有间隙；和包封间隙。进行步骤（3)的方式有， 例如，（a)将表皮或包裹涂布至蜂窝节，所述表皮或包裹至少包封蜂窝节的每一相继对之间 的间隙，（b)将蜂窝节放置至将节以所需的空间关系保持并且包封间隙的容器中和/或，在 一些情况下，（c)将蜂窝节粘贴在一起。也可以使用进行步骤（3)的其他方法。如果一些 或所有蜂窝节是径向分段的，那么可以在步骤（3)之前或作为其一部分进行组装径向段的 步骤。
[0075] 在步骤（3)过程中涂布的表皮或包裹优选包括需要烧制的接合剂材料。在这种情 况下，步骤（3)包括这种烧制步骤。
[0076] 在步骤（3)中，间隙可以通过将临时分隔体插入蜂窝节的每一相继对之间并且在 将蜂窝固定成所需空间关系之后移除分隔体建立。分隔体优选是在适度升高的温度，如1〇〇 至1200°C，特别是200至500°C分解、反应或挥发以形成一种或多种气体的材料。这种材料 的实例包括多种有机材料如木质素纤维素（包括，例如，纸和植物物质），以及宽范围的有 机聚合物。在这种情况下，将组件加热至所需温度以将临时分隔体转化为气体。当外周表 皮是需要烧制的接合剂材料时，临时分隔体可以在进行烧制步骤的同时移除。
[0077] 本发明的蜂窝组件在宽范围的过滤应用中是有用的，特别是包括高温操作和/或 在高腐蚀性和/或反应性环境中操作的那些，其中有机过滤器可能是不合适的。过滤器的 一个用途是在燃烧废气过滤应用中，尤其是用于移动发电装置如车用发动机。因此，过滤器 可用作柴油废气过滤器和作为其他车用废气过滤器。通常，本发明的蜂窝组件可以以与传 统陶瓷蜂窝过滤器相同的方式使用；关于本发明的蜂窝组件的使用不需要特别的条件。 [0078] 提供以下实例以举例说明本发明，但不意图限制其范围。除非另外指出，所有份数 和百分数以重量计。
[0079] 实施例1和比较样品A
[0080] 制备具有正方形截面的九个相同的蜂窝。每一为大约20. 3cm长度和8. Ocm X 8. Ocm的截面。每一含有每平方厘米约31个蜂房（约200个蜂房/in2)的横截面区域。壁 厚度为265 iim;壁孔隙率为68. 6 %并且孔径大小为10. 7 iim。这些蜂窝以3X 3图案排列 并且接合在一起。之后将所得到的组件切割为具有约22. 9cm的直径和20. 3cm的长度的圆 柱体。之后切割所得到的圆柱体以制备两个分段的蜂窝节，一个长度为3. 8cm并且另一个 长度为16. 5cm。
[0081] 通过如下将3. 8cm节形成为穿过型节：以跳棋盘图案在出口端堵塞交替的蜂房， 以形成相等数目的穿过型蜂房和入口蜂房（并且没有出口蜂房）。通过如下将16. 5cm节形 成为下游节：以跳棋盘图案在每一端堵塞交替的蜂房，以形成相等数目的入口蜂房和出口 蜂房（并且无穿过型蜂房）。之后将3-5mm厚纸分隔体放置在穿过型节的出口端与下游节 的一端之间。之后将接合剂表皮涂布至周边并且将所得到的组件烧制以干燥接合剂，产生 外周接合剂壁并且移除纸分隔体，从而在蜂窝节之间留下3-5mm间隙。将所得到的轴向分 隔的蜂窝标记为实施例1。
[0082] 用于比较，以相同的方式制备其他等同的蜂窝过滤器，除了不将过滤器轴向分割 之外。将蜂房以跳棋盘图案在每一端堵塞以形成相等数目的入口和出口蜂房（并且无穿过 型蜂房）。将该过滤器标记为比较样品A。
[0083] 通过如下测量穿过实施例1和比较样品A的每一个的压降：使室温空气以130立 方米/小时的流速流动通过它们的每一个。穿过实施例1的压降是〇. 177kPa，其略微高于 穿过比较样品A的0. 144kPa压降。在实施例1中预期有些更高的压降，因为流动通过实施 例1的一些气体当其流动穿过过滤器时必须穿过两个蜂房壁。
[0084] 使用环状燃烧器测试评价实施例1和比较样品A的每一个的耐热冲击性。将过滤 器放置至罐中并且通过两个锥管连接至入口和出口管。将燃料注入至燃烧器中以产生热空 气，将其通过入口锥管引入至罐并且从出口锥管移除。通过控制温度升高速率和流速建立 热冲击条件。测试方案由七个逐渐增加的苛刻条件组组成。将部件循环穿过这组条件的每 一个10次，之后进入下一个，更苛刻的组的条件。在将部件通过一组条件循环10次之后， 检查其破裂之后，再进行下一组条件。测试条件为：
[0085]
【权利要求】
1. 一种陶瓷蜂窝组件，所述陶瓷蜂窝组件包含：一个或多个穿过型陶瓷蜂窝节和一个 或多个下游陶瓷蜂窝节，所述陶瓷蜂窝节在轴向上在蜂窝节的每一顺次对之间具有间隙的 情况下顺次地排列；结构装置，所述结构装置用于将所述蜂窝段彼此以固定的空间关系保 持；以及包封装置，所述包封装置用于包封蜂窝节的每一顺次对之间的所述一个或多个间 隙的周边，其中： (a) 至少一个下游陶瓷蜂窝节位于至少一个穿过型陶瓷蜂窝节的下游； (b) 所述穿过型和下游陶瓷蜂窝节各自具有由交叉的多孔壁限定的多个轴向延伸蜂 房； (c) 所述一个或多个穿过型陶瓷蜂窝节的轴向延伸蜂房和所述一个或多个下游蜂窝节 的轴向延伸蜂房一起限定从上游端至下游端穿过所述陶瓷蜂窝组件的多个流体流路； (d) 每一穿过型陶瓷蜂窝节包括：（i)至少15数量％的穿过型蜂房，所述穿过型蜂房在 每一端开放，以形成用于流体在不穿过型蜂房壁的情况下流动穿过所述穿过型陶瓷蜂窝的 通道；和（ii)入口蜂房，所述入口蜂房在所述穿过型陶瓷蜂窝节的出口端但不在其入口端 封闭，以使得进入这些入口蜂房的流体当其穿过所述穿过型陶瓷蜂窝时必须穿过至少一个 蜂房壁；并且 (e) 每一下游陶瓷蜂窝节包括：（i)出口蜂房，所述出口蜂房在所述下游陶瓷蜂窝节的 入口端但是不在出口端封闭；（ii)入口蜂房，所述入口蜂房在所述下游陶瓷蜂窝节的出口 端但是不在入口端封闭，以使得进入所述入口蜂房的入口端的流体必须穿过蜂房壁，以从 所述下游陶瓷蜂窝的所述出口端被移除；以及（iii) O至10数量％的穿过型蜂房，所述穿过 型蜂房在每一端开放，以形成用于流体在不穿过蜂房壁的情况下流动穿过所述下游陶瓷蜂 窝的通道。
2. 权利要求1所述的陶瓷蜂窝组件，其中下游节是所述组件中的最后一个节。
3. 权利要求1或2所述的陶瓷蜂窝组件，所述陶瓷蜂窝组件仅含有一个下游节。
4. 权利要求1-3中任一项所述的陶瓷蜂窝组件，其中所述下游节不含有穿过型蜂房。
5. 任一在前权利要求所述的陶瓷蜂窝组件，所述陶瓷蜂窝组件含有至少两个在下游节 之前的穿过型节。
6. 任一在前权利要求所述的陶瓷蜂窝组件，其中外周壁形成所述结构装置和所述包封 装直。
7. 任一在前权利要求所述的陶瓷蜂窝组件，其中罐形成所述结构装置和所述包封装 置。
8. 任一在前权利要求所述的陶瓷蜂窝组件，其中每一间隙的长度为1至25mm。
9. 任一在前权利要求所述的陶瓷蜂窝组件，所述陶瓷蜂窝组件对于其长度的至少一部 分径向分段。
10. 权利要求9所述的陶瓷蜂窝组件，其中每一径向段包括位于至少一个穿过型蜂窝 节下游的至少一个下游蜂窝节，其中在蜂窝节的每一顺次对之间具有间隙。
11. 权利要求9所述的陶瓷蜂窝组件，其中至少一个径向段的至少一个间隙偏离相邻 的径向段的间隙。
12. 权利要求9所述的陶瓷蜂窝组件，其中所述径向段的至少一个延伸所述蜂窝组件 的整个长度，并且所述径向段的至少一个包括至少一个位于至少一个穿过型蜂窝节下游的 下游蜂窝节，其中在蜂窝节的每一顺次对之间具有间隙。
13. 任一在前权利要求所述的陶瓷蜂窝组件，其中至少一个蜂窝节的壁涂覆有催化材 料。
14. 权利要求13所述的陶瓷蜂窝组件，其中所述催化材料包括柴油机氧化催化剂。
15. -种形成权利要求1-14中任一项所述的陶瓷蜂窝组件的方法，所述方法包括：（1) 形成陶瓷蜂窝，（2)阻塞所述蜂窝的至少一个的蜂房以形成具有入口和出口蜂房的穿过型 蜂窝节，并阻塞至少一个其他蜂窝的蜂房以形成具有入口和出口蜂房和〇至10数量％的穿 过型蜂房的下游蜂窝节，以及（3)将所述一个或多个穿过型蜂窝节和一个或多个下游蜂窝 节组装成固定空间关系，其中至少一个下游蜂窝节位于至少一个穿过型节之后，其中在蜂 窝节的每一相继对之间具有间隙，并且包封所述间隙。
16. 权利要求15所述的方法，其中所述间隙通过如下形成：在蜂窝节的每一相继对之 间插入临时分隔体，并且烧制所述组件以移除所述临时分隔体并形成所述间隙。
17. -种用于从燃烧废弃流移除颗粒物的方法，所述方法包括：使所述燃烧废弃流通 过权利要求1-14中任一项所述的陶瓷蜂窝组件。
【文档编号】B01D46/24GK104321123SQ201380021296
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年4月23日
【发明者】詹姆斯·J·奥布内恩, 蔡军, 阿希什·科特尼斯, 保罗·C·沃斯杰普卡 申请人:陶氏环球技术有限责任公司