利用微粒流体检测蜂窝结构体中的缺陷的方法、系统和装置的制作方法

专利名称：利用微粒流体检测蜂窝结构体中的缺陷的方法、系统和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及微粒过滤器。更具体地讲，本发明涉及利用微粒流体检测 蜂窝式微粒过滤器中的缺陷的方法和装置。
背景技术：
壁流蜂窝式过滤器被用于除去流体(比如废气流)中的固体微粒。图l示 出了典型的现有技术壁流蜂窝式过滤器100。蜂窝式过滤器100具有输入端 面102;输出端面104;以及互连多孔壁106的阵列，该阵列从输入端面102 纵向地延伸到输出端面104。互连多孔壁106形成了输入单元108和输出单元 110的栅格。在输出单元110与输入端面102邻接之处用塞子112使输出单元 110闭合，而在它们与输出端面104邻接之处则打开。相反，在输入单元108 与输出端面104邻接之处用塞子(未示出)使输入单元108闭合，而在它们与 输入端面102邻接之处则打开。这种过滤器IOO通常被包括在刚性外壳(未示 出)中。被引至蜂窝式过滤器100的输入端面102处的流体进入输入单元108， 流过互连多孔壁106并且进入输出单元110，并且在输出端面104处从蜂窝式 过滤器100中出来。在典型的单元结构中，每一个输入单元108都在一个或多个边上与输出单 元110邻接，反之亦然。输入单元108和输出单元110可以具有图1所示的正 方形横截面，或者可以具有其它单元几何结构，比如矩形、三角形、六边形、 八边形等。内燃机微粒过滤器通常都由陶瓷材料制成，比如堇青石、钛酸铝、或碳化硅。对于内燃机微粒过滤而言，其蜂窝密度介于约10 300个单元/平方英寸即约1.5 46.5个单元/平方厘米(更典型的是介于约100 200个单元/平 方英寸即约15.5 31个单元/平方厘米)之间的蜂窝式过滤器被视为可用于在 紧凑的结构中提供足够大的薄壁表面面积。壁厚度可以从用于提供结构完整性 的最小尺寸约0.002英寸即0.05毫米起变得更大，但是通常都小于会使过滤体 积达到最小的约0.060英寸即1.5毫米。对于像堇青石、钛酸铝和碳化硅等陶 瓷材料而言，在较佳的蜂窝密度处，最常选择约0.010 0.030英寸即0.25 0.76 毫米的范围。当微粒(比如废气中的烟灰)流过蜂窝式过滤器100的互连多孔壁106时， 该流体中的一部分微粒便留在了互连多孔壁106上或其中。在过滤该流体中的 微粒的过程中，蜂窝式过滤器100的效率与互连多孔壁106的效用有关。在使 用具有上述特性的蜂窝式过滤器的情况下，按微粒的重量计算，可以实现高达 或超过90%的过滤效率。然而，蜂窝式过滤器的过滤效率或完整性可能因制造 缺陷(比如孔、裂口、或裂缝)而大打折扣。这种缺陷允许流体穿过过滤器却 没有进行适当的过滤。由此，在应用于内燃机微粒过滤的蜂窝式过滤器的生产 过程中，可能期望能对蜂窝式过滤器进行测试，看看有没有会影响过滤效率的 缺陷。可以对检测到缺陷的蜂窝式过滤器进行维修，或者若不可维修，则将其 丢弃。美国专利申请公报2003/0112437 (Enomoto等人)揭示了一种利用微粒(比 如烟)来检测内燃机微粒过滤器中的缺陷的方法。该方法包括产生微粒并将它 们引至过滤器的输入端面使得这些微粒进入该过滤器。有缺陷的单元很容易让 其内部的微粒流入相邻的单元或者流过有缺陷的塞子。由此，在蜂窝式过滤器 的输出端面处，出现了大量来自有缺陷的单元/塞子且通常较大的微粒。设置一 光源(比如激光源)以发射光线，使得该光线穿过该过滤器的附近区域以便照 射从中出现的那些微粒。在过滤器上方安装一照相机，以便对与上述光线相交 的微粒所产生的反射光束拍照。所拍图像中较明亮的斑点对应于含缺陷的单元 虔子。Enomoto等人在其图1中揭示了用于向过滤器20的输入端面提供微粒的 微粒入口 6。该微粒入口6是一个管子，其尺寸与过滤器相同并且与过滤器轴向对准。当微粒流过该管子时，相对于管心处的微粒流体的流动而言管壁附近 的微粒流体的流动可能会被延迟，这是因流体流动现象导致的，由此有可能导 致更靠近蜂窝式过滤器外围的那些单元所接收到的微粒少于离过滤器外围更 远的那些单元所接收到的微粒。在测试期间，有缺陷的单元对流动的阻力更低， 每单位时间内它们允许更多的微粒以及更大的微粒穿过其中，由此提供了一种 指示(如在激光和微粒之间那样)。如果有缺陷的单元中缺乏流体流动且由此 缺少输入端面处的微粒，则相对于并非如此缺乏的那些单元而言这种有缺陷的 单元所产生的斑点指示的亮度将减弱。相应地，这种单元将因其缺乏微粒流动 而不指示缺陷(或指示得不明显)，虽然它确实是有缺陷的单元。据此，期望避免测试结果含糊不清，特别是在被测蜂窝式过滤器的外围或 其附近的测试结果含糊不清。发明内容在一个方面中，本发明是一种用于检测蜂窝结构体中的缺陷的系统，它包 括夹具，适于固定蜂窝结构体；微粒流体源；管子，用于在微粒流体源和蜂 窝结构体的第一端面之间限定一条用于微粒流体的流动路径；以及流动矫直装 置，它包括设置在该流动路径中的多个叶片。当蜂窝结构体的第二端面处出现 微粒流体时，可以通过照明来检测出现的微粒流体以便标识蜂窝结构体中的缺 陷(壁或塞子中的缺陷)。设置在流动路径中的流动矫直装置使管子对其中流 动着的微粒流体的边界层影响达到最小。如本文所示，术语"微粒流体"是指 固体或液体微粒在气体介质中的悬浮状况。较佳地，微粒流体是包括水粒子的 雾。根据另一方面，本发明是一种用于在蜂窝结构体的端面上施加微粒流体的 装置，该装置包括微粒流体源，它具有带有内部空腔的外壳以及用于产生微 粒流体的微粒发生器；管子，它被设置在外壳中并具有连到内部空腔的第一端 口和连到外壳外部的第二端口，其中压力差将微粒流体驱动到管子中；以及流 动矫直装置，它包括设置在该管子中的多个流动叶片。在另一方面，本发明是一种用于检测蜂窝结构体中的缺陷的方法，并且包 括如下步骤向蜂窝结构体的第一端面提供其速度分布基本上均匀的微粒流体的流动；以及检测蜂窝结构体的第二端面处出现的微粒以便标识有缺陷的单 元。较佳地，该检测步骤包括照射这些粒子。接下来，最好对被照射的粒子进 行成像。根据下面的附图、详细描述以及所附的权利要求书，本发明的其它特征和 优点将变得很明显。


图1示出了现有技术的壁流蜂窝式过滤器的立体图。图2A示出了根据本发明的实施方式一种用于检测蜂窝结构体中的缺陷的 系统装置的部分横截面图。图2B是示出了在蜂窝结构体中从有缺陷的单元(塞子或壁缺陷)中出现 的微粒的部分立体图。图3是图2A的蜂窝结构体的横截面图。图4A是图2A的流动矫直装置的一种配置的侧视图。图4B-4E是图2A的流动矫直装置的备选配置的部分侧视图。图5示出了现有技术装置的非均匀流速分布。图6是一部分横截面图示，示出了本发明的基本上均匀的流速分布。图7是一底部横截面视图，示出了本发明的微粒发生器的一个实施方式。
具体实施方式
如附图所示，将参照一些较佳实施方式对本发明进行详细描述。在下面的 描述中，阐明了大量具体的细节以便透彻地理解本发明。然而，对于本领域的 技术人员而言，很明显，在没有这些具体细节的情况下也可以实现本发明。在 其它实例中，为了凸显本发明，没有详细描述一些公知的特征和/或过程步骤。 参照下面的附图、讨论以及权利要求书，可以更好地理解本发明的特征和优点。本发明的装置实施方式提供了一种用于检测蜂窝结构体(比如内燃机微粒 过滤器)中的缺陷的系统，该蜂窝结构体所具有的单元(或通道)是选择性末 端塞住的。该蜂窝结构体的内壁和塞子最好是多孔的。由此，最好测试这些多 孔壁和塞子以检查是否有缺陷，因为任何缺陷都可能是有害的。该系统包括一装置，在蜂窝结构体的第一端面上该装置基本上均匀地施加一定流速分布的微 粒流体，由此能可靠地检测到穿过该蜂窝结构体的缺陷。本发明的发明人曾认识到，检测技术的准确性至少部分取决于被提供到蜂 窝结构体端面处的微粒的连贯性和均匀性。特别是，本发明解决了用现有技术装置向过滤器300提供非均匀的流动分布114的问题(参照图5)，美国专利 申请公报2003/0112437对此进行了描述。通常，如图6所示，本发明的装置在 蜂窝结构体300的第一端面302上给出具有基本上均匀的流速分布419的微粒 流体(参照图6)-这些等长的箭头用于指明在蜂窝结构体一端302的所有部 分上所提供的速度基本上都相同。这是根据一个实施方式通过在微粒流体源和 蜂窝结构体300的第一端面302之间设置一条由管子420所限定的流动路径而 实现的。管子420最好包括圆形横截面(然而，其它横截面形状也是可行的， 比如正方形、矩形等)，并且通常最好与蜂窝结构体300轴向对齐。此外，较 佳地，在向第一端面302提供微粒流体处(管子的上端附近)管子420的至少 内部尺寸D (比如直径)要大于蜂窝结构体300的最大横向外部尺寸d。该特 征提高了流速分布419的均匀性，因为这减小了边界层流动对蜂窝结构体300 的第一端面302上的微粒流体分布的影响。特别是，最好不要将与管子外围区 域相关的流体流动引至端面302，使得只有分布419中最中心的部分被呈现给 蜂窝结构体300。根据图6所示本发明的另一方面，该装置可以包括设置在流动路径中的流 动矫直装置424。该流动矫直装置424最好包括多个流动叶片425，它们使大 管子420中的流体流动的边界层影响达到最小和/或减轻该影响。特别是，这些 叶片425使在管子420中逐渐形成非均匀流动分布的可能性达到最小。特别是， 这些叶片425限制了微粒流体在管子420内横向(横向流动方向即垂直于轴向 流动方向)流动的能力。这能够在蜂窝结构体300的第一端面上提供基本上均 匀的流速分布419 (参照图6)。叶片425最好彼此平行，并且最好互连以便 形成蜂窝式构件429。图2A示出了根据本发明的实施方式用于检测蜂窝结构体300中的缺陷的 系统200的详细描述。系统200包括微粒流体源400、蜂窝结构体夹具500以 及微粒检测器600。微粒流体源400产生微粒流体，通过流动路径将该微粒流体呈现到蜂窝结构体300的端面302。微粒流体是悬浮在气体介质中的固体或 液体微粒。在一个实施方式中，微粒流体是细液体粒子薄雾，这可能是通过使 水或其它液体成雾状或雾化而产生的。空气中悬浮的水粒子的薄雾是最佳的。蜂窝结构体夹具500将蜂窝结构体300固定到一合适的位置以便接收来自 微粒流体源400的微粒流体的流动。微粒检测器600通过将光线投影到蜂窝结 构体300的端面304上方的一平面中而照射该微粒流体。最佳地，该检测器拍 摄被照射的粒子的位置的图像，这是因该光束与蜂窝结构体300的第二端面304 处所出现的微粒相干涉而产生的。蜂窝结构体300最好定位于系统200中，并 且配置该系统使得可能会使流入蜂窝结构体中的微粒流体或流出蜂窝结构体 300的微粒流体发生扭曲的对流和涡流都达到最少或得以避免。蜂窝结构体300最好是由堇青石、钛酸铝、或碳化硅构成的多孔陶瓷体， 并且最好是通过挤出增塑性陶瓷-构成批材料(其中包括孔形成物，比如石墨或 淀粉)、纤维素材料以及溶剂而形成的。挤出的蜂窝结构体最好经烧制以烧去 上述孔形成物。这种烧制过程最好是在测试蜂窝结构体300看其有没有缺陷之 前就进行。然而，应该认识到，本发明也可以用于检测未加工(未经烧制)的 蜂窝结构体中的缺陷。图3示出了根据本发明一实施方式一典型的蜂窝结构体300的侧面横截面 图。蜂窝结构体300具有端面302、 304以及在端面302、 304之间延伸的多孔 陶瓷内壁306。这些内壁306限定了输入单元和输出单元308和310。在输入 单元308与端面304邻接之处，用塞子308p使输入单元308闭合(将其塞住)； 而在它们与第一端面302邻接之处它们是打开的。在输出单元310与第一端面 302邻接之处，用塞子310p使输出单元310闭合；而在它们与端面304邻接之 处它们是打开的。塞子308p、 310p可能是由陶瓷材料、粘合剂和增塑剂的混 合物制成的，并且最好是多孔的。当蜂窝结构体300被用作壁流蜂窝式过滤器 时，壁306的厚度和孔隙率应使得蜂窝结构体300的结构完整性是足够的。对 于内燃机废气过滤而言，壁306所包括的孔可以具有介于1 60 nm( 10 50 pm 更佳)范围中的平均直径以及高于35% (介于40-65%更佳)的孔隙率。塞子 呈现出相似的孔隙率。再次参照图2A,微粒流体源400最好包括用于形成内部空腔403的外壳402。致动器404 (比如水压或气压缸)耦合到外壳402，使得外壳402可以垂 直移动，比如在非测试位置和测试位置之间垂直移动。微粒流体源400还包括 微粒发生器408，它与外壳402的内部空腔403相通。在较佳实施方式中，测 试用的微粒流体是悬浮在空气中的液体微滴即雾。对于该实施方式而言，微粒 发生器408是一种用于产生细粒子雾的设备，比如喷雾器、雾化器、或加湿器。 在一个典型的实施方式中，微粒发生器408包括一个或多个喷嘴410，它们最 好被安装在外壳402的壁上，以使出口 412朝着内部空腔403打开。喷嘴410 的入口 414通过导管而与高压液体源416 (比如液态水)流体连通。喷嘴410 将从液体源416中接收到的液体转换成微粒流体417的细喷雾(最好是悬浮在 空气中的水粒子)。较佳地，在该空腔中形成了浓雾状的微粒流体。根据本发明的另一个方面，如图7所示，通过将漩涡图形赋予外壳402的 空腔403中的微粒流体，便可以进一步增强用于检测蜂窝式物件的单元中的缺 陷的能力。如箭头405所示，空腔403中的漩涡图形(具有旋转分量)最好是 通过使多个喷嘴410恰当定向而实现的，使得它们从其出口 412处发射具有一 正切分量的喷雾。换句话说，在外壳402内，喷嘴410被定向成使得其出口 412 基本上横向地指向。喷嘴410最好偏离管子420的中心线，并且每一喷嘴410 的喷雾轨迹(如箭头417a所示)通常最好都与管子420的外围正切。例如，喷 嘴412可以被安装在外壳402的四个角落附近，并且包括基本上沿着外壳的四 个边的喷雾轨迹417a。然而，应该认识到，在空腔403中，向微粒流体产生一 漩涡的任何定向或手段都是可以使用的。微粒流体源400最好通过管子420与流动路径互连，该管子420被插在外 壳402的顶部一开口418中。管子420的上端延伸到外壳402之外，并且最好 终止于法兰422处。管子420可以通过任何合适的手段(比如胶水或紧固件) 被固定到开口 418中。管子420在微粒流体源的内部空腔403与蜂窝结构体300 的第一端面302之间限定了一条用于微粒流体417的流动路径。管子420最好 是圆柱形且直的。在较佳实施方式中，在微粒流体从管子420中出来之处管子 420的内部尺寸D (比如直径)大于蜂窝结构体300的最大外部尺寸d (比如圆 形物体的直径或非圆形物体的最长横向尺寸)。在一些实施方式中，管子420 在出口处的内部尺寸D比蜂窝式过滤器300的最大外部直径d至少大30%;至少大50%则更佳；至少大75%则最佳。通常，选择管子420的内部直径，使 得边界层流动不会对蜂窝结构体300的端面302上的微粒流体分布产生显著的 影响。在一个实施方式中，选择管子420的长度L和内部尺寸D(比如直径)， 使得呈现给端面302的流动形式基本上是层流状的。特别是，L/D比例最好介 于0.25 1.5之间。在测试期间，管子420通常与蜂窝结构体300轴向对齐， 以便将最均匀的流动分布呈现给第一端面302。根据本发明的较佳方面，上述流动路径还包括流动矫直装置424 (比如设 置在管子420中)。如图2A、 4A和6所示，流动矫直装置424定位于管子420 中并且形成了多个流动通道428，这些通道最好在轴向上彼此平行。当微粒流 体穿过管子420时，这些矫直装置相互作用以基本上防止微粒流体的横向流动， 即减轻管子的边界层影响/使这种影响达到最小。在一个实施方式中，流动矫直 装置424包括多个流动叶片425，它们最好在轴向上彼此平行。这些叶片425 最好互连(如图4A-4D底面图所示)以形成蜂窝式构件429，由此在管子420 之内形成多个更小的流动通道428。流动矫直装置424最好可以包括不止一个 蜂窝式构件429，特别是，在管子420中轴向层叠的多个蜂窝式盘片426 (参 照图2A和6)。较佳地，这些叶片425在管子420的整个内部尺寸上延伸。蜂 窝式盘片426具有单元(或通道)428，它们在层叠时可以被对准或错开。此 外，每一个蜂窝式盘片426的单元密度可以相同，也可以不同。在一个实施方 式中，单位面积中单元428的个数大于蜂窝式过滤器300中单位面积中单元 308、 310的个数。蜂窝式构件429所包括的单元密度最好大于每平方英寸1个 单元即每平方厘米0.15个单元，介于每平方英寸4 64个单元即每平方厘米 0.62 9.92个单元之间则更佳。为了消除水阻塞，单元密度最好小于每平方英 寸16个单元即每平方厘米0.62 2.48个单元。蜂窝式盘片426可以由任何合 适的材料制成，比如金属、塑料、玻璃、复合材料、或陶瓷。此外，蜂窝式构 件429可以包括任何种类的单元配置，比如矩形(图4B)、三角形(图4C)、 六边形(图4D)、或正方形(4a)。铝六边形蜂窝式盘片是较佳的。然而，应 该认识到，能提供多个流动通道的任何配置都是可以使用的。例如，流动矫直 装置424可以包括由多个层叠的管子形成的叶片425，就像图4E所示那样。能 够在上述管子中提供多个平行的流动通道的任何合适的其它结构都是可以使用的。较佳地，流动矫直装置424定位于管子420中并且基本上填满了其整个 长度L。较佳地，每一个流动通道都包括大于10的长度/横向尺寸比。在一个实施方式中，如图2A和6所示，多孔介质430 (比如纤维材料) 被安装在流动矫直装置424的入口附近且被定位在该入口处。多孔介质430可 以控制进入流动矫直装置424的微粒的尺寸。通常，期望测试过程中所用的微 粒的尺寸介于1 50 pm范围中，介于1 30 pm范围中较佳，介于l 10ium 范围中则更佳。在较佳的实现方式中，隔离物432被设置在外壳402之内且围绕着管子 420，使得在外壳402的内部空腔403之内形成并限定了上腔室434和下腔室 436。隔离物432包括孔440，这些孔允许流体在上腔室434和下腔室436之间 流体连通并流动。下腔室436包含由微粒发生器408所产生的微粒流体。上腔 室434包含加压的空气并且基本上没有微粒。空气的加压是由上腔室434中开 口 437处所安装的鼓风机438提供的。鼓风机438可以由控制单元202来控制。 鼓风机438维持上腔室434和室内大气压(外壳之外)之间的压力差，这使空 气从上腔室434流向下腔室436并防止微粒流体从下腔室436穿过孔440流入 上腔室434。在测试期间，压力差最好小于0.5英寸水柱。然而，应该认识到， 良好的检测所需的压力取决于部件尺寸、几何结构和孔隙率。所加的压力差由 例行的试验设定，直到最佳检测得以实现。这些孔440排列在板432中，使得 气流基本上均匀地分布在下腔室436上。被迫进入下腔室436的空气驱使着下 腔室436中的微粒流体，使它们向上穿过包括流动矫直装置424的流动路径以 便向蜂窝结构体300的端面302提供基本上均匀的流动分布。在本文中，术语 "基本上均匀的"流动分布是指沿物件300底端任何一点处的流速在该物件的 纵向上不会有超过25%的变化；不超过20%更佳；不超过10%最佳。特别是， 本发明可以在物件300外围处提供一定流速的微粒流体，该流速基本上等于物 件300中心处的微粒流体的流速。蜂窝式夹具500包括夹具502，该夹具具有用于容纳蜂窝结构体300的开 口 503。在夹具502的内壁507中，安装一可膨胀的气囊504。流动管线509 从流体压力源506向气囊504提供压力，或者向排气装置510排放压力，由此 按需要将流体提供给气囊504或者从气囊504中排出流体。该流体可以是空气或其它适于使气囊504膨胀的流体。在流动管线509中设置一阀门508，以便 控制在流体压力源506、气囊504和排气装置510之间的流体传输。阀门508 的开和关最好由合适的控制单元202来控制，该控制单元202也可以控制提供 给微粒流体的压力。当阀门508打开时，加压流体可以从流体压力源506流入 气囊504，由此使气囊504膨胀，使得它与蜂窝结构体300接合从而将该部件 固定在夹具中。然而，应该认识到，本发明并不限于使用可膨胀的气囊504将 蜂窝结构体300固定到夹具502中。或者，可以使用夹子或其它合适的机构将 蜂窝结构体300固定到夹具502中。夹具502被支撑在平台512上。平台512具有一开口 511，该开口 511与 夹具502中的开口 503对齐。当不进行测试时，平台512通常停放在导轨514 上。致动器404可以使外壳402朝上移动，直到管子420的法兰422与平台512 接合。接下来，外壳402进一步向上移动，将使平台512离开导轨514到达一 个可进行测试的位置。特别是，期望当法兰422与平台512接合时夹具502的 底端、平台512的内壁以及外壳502的顶端构成了一个与管子420的出口端相 邻的腔室204。如图2A和6所示，在较佳实施方式中，蜂窝结构体300的底端最好延伸 到腔室204内一预定的量S。如此一来，蜂窝结构体300的输入端面302便暴 露于从管子420中出来的自由的微粒流体中，而非暴露于在空腔204边界处逐 渐形成的涡流中。本发明的这一方面被认为进一步提高了穿过蜂窝结构体300 的微粒流体流动的均匀性。任选地，可以在夹具502 (或平台512)中设置端 口 502a，例如，可以利用真空泵通过这些端口 502a来提取腔室204的边界处 的流体，或者可以让腔室204的边界处的流体自然地逸出(如图6中箭头所示)。此处，发明人曾发现，在蜂窝结构体300的输入端面304周围往往容易形 成对流，比如这是因室内环境与蜂窝结构体300之间的温度梯度而导致的。这 种对流可能使从蜂窝结构体300中出来的微粒流发生横向偏移，使得很难准确 地定位从中出现这些微粒的任何有缺陷的单元。为了抑制输出端面304周围的 对流，本发明的一个示例实施方式包括对流遮蔽板513。在较佳实施方式中， 对流遮蔽板513可以是固定安装的。当夹具502上升进入工作状态中时，蜂窝 结构体300的第二端面304延伸穿过遮蔽板513中的开口 514，使得在测试位置中蜂窝结构体300的顶端位于遮蔽板513的上方。选定遮蔽板513的开口 514 的大小和形状，使得它与蜂窝结构体300的外围密切相符，与蜂窝结构体300 之间的间隙最好不大于K英寸(12.7 mm)。蜂窝结构体300的顶端304延伸穿 过对流遮蔽板513且在其上方并且开口 514密切配合蜂窝结构体300的周围， 这两点共同用于抑制在输出端面304周围形成对流。遮蔽板513最好被附加到 垂直的壁515上，以进一步抑制来自室内环境的气流。较佳地，该装置被置于 更大的腔室(未示出)之内。微粒检测器600检测有缺陷的单元/塞子的存在与否以及它们的位置。更佳 地，检测器600包括与蜂窝结构体的输出端面相邻的光源602，用于产生光束 604。光源602的一个例子是激光。激光光源最好与其它光学元件配合使用， 比如旋转多面镜608，以便将光束604转换成平的光片606。镜子608最好以 大于500 rpm的速度旋转，并且最好具有10个面。自旋镜使光束604偏转约 72度角，由此，产生一光平面606，该光平面足够大以完全横跨蜂窝结构体300 的端面304。任选地，可能需要不止一个光源以便在蜂窝结构体300的输出端 面304上形成均匀的(最好是平面的)光片606，比如L. Zoeller， III在12/21/04 提交的题为"Method and System for Identifying Defective Cells in A Plugged Honeycomb Structure"的美国临时专利申请60/638,201对此进行了描述。光片606最好形成于对流遮蔽板513的上方，并且基本垂直于输出端面 304。或者，可能期望控制光片606的扩展。在这种情况下，可以在垂直壁515 中形成槽516，光片606延伸穿过该槽516并且被投影到输出端面304的上方。 选择槽516的宽度，以控制光片606的扩展。较佳地，光片606与输出端面304 之间的距离使得从输出端面304中出来的微粒仍然具有足够的动量以与平面的 光片606相交。由此，光片606应该与端面304尽可能靠近，同时又不与端面 304相互干扰。在一个实施方式中，光片606与输出端面304之间的距离介于 1/16 1/2英寸(即1.6mm 12.7mm)的范围中。应该认识到，也可以使用白 光源，只要能形成限定良好的光平面即可。其它形式的检测器也是可以使用的。微粒检测器600最好还包括成像设备609，比如照相机或便携式摄像机， 其位于蜂窝结构体300的输出端面304的上方。成像设备609拍摄从端面304 流出的任何被照射的粒子的图像。特别是，被指明有缺陷的区域在该图像中显示成亮斑。对于单个缺陷，上述亮斑是一个点，基本上直接位于其微粒流体增 多的那个单元的上方(这是因缺陷造成的)。由此，该位置可以立刻被识别以 便堵漏。微粒检测器600可以进一步包括光学系统610，比如透镜，以便将被照射的区域聚焦到成像设备609上。成像设备609可以包括内部处理器，用于 将该设备所收集的信息处理成图像文件并且将这些图像文件存储到该设备的 存储器中。该处理器可以支持各种类型的图像文件格式，比如TIFF和JPEG。 成像设备609可以耦合到计算机系统612 (未按比例绘制)。计算机系统612 可以包括处理器614和视频监控器616以及与该系统交互作用所必需的其它外 围设备(比如键盘和鼠标)。这些外围设备是本领域公知的，不再详细讨论。 成像设备609的存储器中所存储的图像文件可以被转移给处理器614以便进一 步处理。该图像文件也可以被显示在视频监控器616上。除了白光以外，成像设备609还能够检测彩色光。例如，成像设备609可 检测红绿蓝中的一种或多种彩色光。在后一种情况下，光片606可以具有适于 成像设备609检测到的颜色，比如红色。既然光片606定位于输出端面304的 上方，则从输出端面304中出来的微粒将与光片606相交，从而在它们与光片 606相交的那些位置使光片606发生散射并照亮这些粒子。为了解释说明，图2B示出了蜂窝结构体300中的缺陷312、 314a、 314b、 315和316。在塞子308p中，缺陷312是一个孔或其它缺陷，比如部分填充或 裂缝。缺陷314a、 314b是蜂窝结构体300的内壁304中因挤出或加工而导致的 撕裂(为了清晰只显示了几个)。缺陷315是蜂窝结构体300的壁(它可能是 内壁或外壁)中的裂缝。缺陷316是蜂窝结构体300的壁中因孔形成器燃烧而 形成的孔。为了解释说明，微粒206被显示成从缺陷312、 314a中出来。微粒 206被显示成与光片606相交并且使光片606发生散射，并且照亮了微粒流体 中的粒子206。可以操作成像设备609以拍摄被反射(散射)的光束以及被照 亮的粒子206的图像。在蜂窝结构体300中，与没有缺陷的单元相比，有缺陷 的单元将排出更多的微粒和更大的微粒。由此，在成像设备所拍摄的图像中， 有缺陷的单元可能看起来呈更明亮或带颜色的斑点。这些斑点的大小可以指示 蜂窝式过滤器300中的缺陷的大小。如果该图像看起来均匀，则在蜂窝式过滤 器300中没有缺陷。更明亮或带颜色的斑点的位置可以被用于标识蜂窝式过滤器300中的缺陷的位置。返回到图2A，使微粒源400上升，使得法兰422与平台512接合。微粒 源400进一步上升，使得平台512离开导轨514，插入蜂窝结构体300使其穿 过对流遮蔽板513并且使其上升到端面304稍稍低于光平面606的位置，就如 上文所描述的那样。如上所述，在下腔室436内部产生的微粒流体被提供给流 动路径。用于在上腔室434和下腔室436之间产生压力差的鼓风机438驱动着 下腔室436中的微粒流体使其向上穿过管子420和流动矫直装置424。流动矫 直装置424减轻了当微粒流体穿过管子420到空腔204时大管子对边界层影响 或者使这种影响达到最小。由此，在从管子中出来时，蜂窝结构体300的端面 302暴露于其流速分布基本上均匀的微粒流体。另外，通过使底部端面302隔 开一定的距离而非紧靠着夹具502的下表面，便将端面302置于微粒流体的自 由流动之中，从而使涡流对端面302上的微粒流体分布的影响达到最小。通常， 如图6所示，端面302与表面505间隔有一定的距离S，约^英寸(即6.35 mm) 或更大些；1/2英寸(即6.35 mm)或更大些则更佳。通常，微粒流体将通过输入端面302上未塞住的输入单元进入蜂窝结构体 300中。如果蜂窝结构体300的单元中有缺陷，则这些有缺陷的单元中的微粒 将很容易地流过这些缺陷进入到相邻的单元或穿过塞子并且从输出端面304中 出来，从而与输出端面304上方所形成的光片606相交并使该光片606发生散 射。成像设备609对通过散射而产生的反射光束以及被照亮的粒子进行成像。 成像设备609所拍摄的图像可以被翻译以便确定有缺陷的单元的位置以及这些 缺陷的大小，并且任何被发现的缺陷都可以被修复。为了便于定位有缺陷的单 元，可能期望对蜂窝结构体300的输出端面304的表面进行成像。该表面图像 将显示出蜂窝结构体300中的单元的位置。本发明的一个优点是，可以避免在用微粒流体对蜂窝结构体的完整性进行 测试的过程中出现的模糊性。这一点在一个实施方式中是这样实现的向微粒 流体提供均匀的流速，使得在蜂窝结构体的端面上流体流动基本上相同。特别 是，本发明可用于确定并定位该蜂窝结构体外围附近的有缺陷的单元。当用一 种包括对蜂窝结构体端面处出现的微粒的特性进行监控或成像的方法来检测 缺陷时，可以使用根据本发明一实施方式的微粒源。然而，微粒发生器的使用并不限于该方法。当通过监控从中出现微粒的蜂窝结构体的端面所发出的红外 线从而检测该蜂窝结构体中的缺陷时，也可以使用微粒发生器。通常，只要当 检测蜂窝结构体中的缺陷的方法包括使微粒流体穿过该蜂窝结构体并且用任 何合适的方法监控从该蜂窝结构体端面中出来的微粒时，上述微粒发生器都是 有用的。尽管已参照有限数目的实施方式对本发明进行了描述，但是从本文获益的 本领域技术人员将会理解，在不背离本文所揭示的本发明的范围的情况下可以 设想出其它实施方式。相应地，本发明的范围仅由所附的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种用于检测蜂窝结构体中的缺陷的系统，包括夹具，适于固定所述蜂窝结构体；微粒流体源；在所述微粒流体源与所述蜂窝结构体的第一端面之间的用于微粒流体的流动路径；以及流动矫直装置，所述流动矫直装置包括被设置在所述流动路径中的多个叶片。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流动路径包括一管子，并且 在所述微粒流体从所述管子中出来之处所述管子的内部尺寸大于所述蜂窝结构体 的最大横向外部尺寸。
3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流动矫直装置的多个叶片构 成多个流动通道。
4. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述流动通道是由蜂窝式构件提 供的。
5. 如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述蜂窝式构件还包括层叠的蜂 窝式盘片。
6. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在所述流动矫直装置附近 安装的多孔介质。
7. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，基本上沿着一管子的整个长度， 包括所述所述流动矫直装置的多个叶片。
8. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微粒流体源包括具有一个或 多个喷嘴的微粒发生器。
9. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微粒流体源包括一微粒发生 器，使所述微粒发生器定向以便具有一基本上正切的粒子轨迹。
10. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述流动路径包括一管子，并且 选择所述管子的长度L和内部直径D使得L/D介于0.25和1.5之间。
11. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述第一端面暴露于来自所述流 动路径、且其流速分布基本上均匀的微粒流体的流动之中。
12. 如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述基本上均匀的流速分布在用于限定第一端面的区域上的变化不超过25%。
13. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述第一端面相对于周围的夹具 底侧间隔了 一段距离S > 6mm。
14. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括位于所述夹具上方且具有 一开口的对流遮蔽板，所述开口的形状和大小与所述蜂窝结构体的外形基本上一 致。
15. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，还包括检测系统，用于监控在所 述蜂窝结构体的第二端面处出现的微粒流体。
16. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述检测系统包括一光源，用 于将光束投影到所述蜂窝结构体的第二端面附近。
17. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述检测系统还包括一成像设 备，用于拍摄被照射的微粒的图像。
18. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述流动路径的输出端附近形 成一腔室，并且所述腔室包括至少一个端口，所述腔室的边界处的微粒流体通过所 述端口被收回或可以逸出。
19. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，所述微粒流体是微粒水雾。
20. —种用于将微粒流体施加到一蜂窝结构体的端面上的装置，包括 微粒流体源，所述微粒流体源具有带一内部空腔的外壳以及用于产生微粒流体的微粒发生器；管子，所述管子被设置在所述外壳中并且具有朝着所述内部空腔打开的第一 端以及第二端，其中压力差将微粒流体驱动到所述管子中；以及 流动矫直装置，它包括被设置在所述管子中的多个流动叶片。
21. 如权利要求22所述的装置，其特征在于，还包括设置在所述外壳中的隔 离物，所述隔离物将所述空腔划分成第一腔室和第二腔室。
22. 如权利要求22所述的装置，其特征在于，由所述多个流动叶片的相交提 供了流动通道。
23. 如权利要求22所述的装置，其特征在于，由一蜂窝式构件提供了流动通道。
24. 如权利要求23所述的装置，其特征在于，还包括蜂窝式盘片的层叠体。
25. 如权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括在所述流动矫直装置的 一端安装的多孔介质。
26. —种用于检测蜂窝结构体中的缺陷的方法，包括向一蜂窝结构体的第一端面提供其流速分布基本上均匀的微粒流体的流动；以及检测从所述蜂窝结构体的第二端面中出来的微粒以便标识有缺陷的单元。
27. 如权利要求26所述的检测缺陷的方法，其特征在于，所述提供步骤包括: 将所述微粒流体驱动到具有流动矫直装置的管子的第一端中， 使所述微粒流体流过所述流动矫直装置并达到所述管子的第二端，以及 将从所述管子的第二端中出来的微粒流体呈现给所述蜂窝结构体的第一端面。
28. 如权利要求26所述的检测蜂窝结构体中的缺陷的方法，其特征在于，所 述基本上均匀的流速分布在用于限定所述端面的区域上的变化不超过25%。
29. 如权利要求26所述的检测蜂窝结构体中的缺陷的方法，其特征在于，所 述检测微粒的步骤包括照射所述微粒。
30. 如权利要求26所述的检测缺陷的方法，其特征在于，所述提供步骤包括 将所述蜂窝结构体安装到一夹具中，使得所述第一端面在夹具周围的表面下方的一 定距离处。
31. 如权利要求26所述的检测缺陷的方法，其特征在于，所述提供步骤包括: 在空腔中形成微粒流体，并且在所述空腔中将一漩涡图案赋予所述流体。
全文摘要
一种用于检测蜂窝结构体中的缺陷的系统、装置和方法。该系统和装置包括夹具，适于固定蜂窝结构体；微粒流体源；管子，该管子限定一条在微粒流体源和蜂窝结构体的第一端面之间的流动路径，由此允许微粒流体从微粒流体源流向蜂窝结构体的第一端面。微粒流体穿过蜂窝结构体中的缺陷(如果有的话)从蜂窝结构体的第二端面中出来，这种缺陷的位置可以被监控。该系统和装置包括设置在流动路径中的流动矫直装置，以使管子对微粒流体的流动的边界层影响达到最小。基本上均匀的流速分布被提供给蜂窝结构体的第一端面。
文档编号G01N15/08GK101258398SQ200680032240
公开日2008年9月3日 申请日期2006年7月17日 优先权日2005年7月29日
发明者B·R·拉加, D·J·沃斯, L·R·左勒三世, M·G·舒尔茨, P·M·加佳诺, W·P·拉滋蒂维斯杰 申请人:康宁股份有限公司