專(zhuān)利名稱(chēng)：以單燒制周期生產(chǎn)堵塞的蜂窩式過(guò)濾器的方法
以單燒制周期生產(chǎn)堵塞的蜂窩式過(guò)濾器的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及將可流動(dòng)的材料裝入蜂窩式結(jié)構(gòu)的選定的孔中并使該可流動(dòng) 的材料和蜂窩式結(jié)構(gòu)干燥，更具體地，本發(fā)明涉及干燥可流動(dòng)的材料和生坯蜂 窩式結(jié)構(gòu)的方法。
橫截面孔密度約為十分之一至一百個(gè)孔每平方厘米或更多的蜂窩式結(jié)構(gòu) 有多種用處，包括作為固體顆粒過(guò)濾機(jī)構(gòu)和靜態(tài)熱交換器。這些用途需要通 過(guò)增加等操作密封或堵塞所述結(jié)構(gòu)的選擇的孔各自的一端或兩端。本文中使 用的術(shù)語(yǔ)"密封的"和其它相應(yīng)的語(yǔ)法形式(即密封物、密封等)是指封閉孔的 開(kāi)放的橫截面的多孔的和非多孔的方法。
弓l用號(hào)IO(圖l)一般指眾所周知的固體顆粒過(guò)濾機(jī)構(gòu)，它可以使用由交叉 的多孔薄壁14的陣列和圍繞在其周?chē)耐獗?5形成的蜂窩式結(jié)構(gòu)12來(lái)制造， 在所示的實(shí)施例中提供了該結(jié)構(gòu)的圓形橫截面構(gòu)造。壁14在第一端面18和 反向的第二端面20之間縱橫延伸，形成大量的也在其中延伸的毗鄰的中空通 道或孔通道22，它們?cè)谶^(guò)濾機(jī)構(gòu)10的端面18和20處是開(kāi)放的。為了形成過(guò) 濾器IO(圖2和3),封閉每一個(gè)孔22的一端，在第一端面20處封閉孔22的第 一子集24，在過(guò)濾器10的第二端面18處封閉孔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過(guò)濾器10的入口面。
操作時(shí)，在壓力下將污染的流體引至入口面，并通過(guò)在入口面具有開(kāi)放端 的孔進(jìn)入過(guò)濾器10。因?yàn)檫@些孔在相反的端面(即過(guò)濾機(jī)構(gòu)的出口面)被封閉了， 所以污染的流體被強(qiáng)迫通過(guò)多孔薄壁14，進(jìn)入毗鄰的在入口面封閉而在出口面 開(kāi)放的孔。流體中太大而不能通過(guò)壁中的多孔開(kāi)口的固體顆粒污染物被留下， 而凈化的流體則通過(guò)出口孔離開(kāi)過(guò)濾器10以備使用。
為了大量生產(chǎn)這種過(guò)濾器和熱交換器，人們極度需要能夠盡可能快地和盡 可能廉價(jià)地封閉選擇的孔通道。封閉這些選擇的孔包含將堵塞材料插入選擇 孔通道的開(kāi)放端和隨后使被堵塞的過(guò)濾器干燥的過(guò)程。現(xiàn)有的干燥方法包括在干燥爐中燒制高孔隙率制品，諸如生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)，堵塞選擇的孔通道的開(kāi) 放端，和重新燒制堵塞的蜂窩式結(jié)構(gòu)。這些現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)致通道的壁產(chǎn)生裂縫 和應(yīng)力性折斷，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)完整性下降的過(guò)濾機(jī)構(gòu)。而且，這些現(xiàn)有技術(shù)較昂貴 且耗時(shí)。
人們需要一種堵塞和使擠出的蜂窩式結(jié)構(gòu)(諸如用于內(nèi)燃機(jī)的陶瓷顆粒捕 捉器)干燥的方法，該方法具有高度的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)周期短，并產(chǎn) 生具有較好結(jié)構(gòu)完整性的過(guò)濾器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面，提供一種生產(chǎn)蜂窩式結(jié)構(gòu)的方法，該方法包含提供有 多個(gè)孔通道貫穿其中的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)，在該生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)的所述孔通道的 至少一個(gè)子集內(nèi)插入堵塞物質(zhì)以便在其中形成多個(gè)塞塊，通過(guò)使這些塞塊受到 電磁能作用使其干燥。較優(yōu)地，使塞塊干燥的步驟包括使塞塊受到微波能作 用。較優(yōu)地，生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)由形成堇青石的前體材料制成。
本發(fā)明的方法具有高度的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，可以在較短的周期內(nèi)完成， 操作較容易，產(chǎn)生具有較好結(jié)構(gòu)完整性的過(guò)濾器。本方法還減少了干燥過(guò)程 中在所需的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的破裂和應(yīng)力性折斷，降低了與周期相關(guān)的生產(chǎn)成本， 使用效率高，特別適合于建議的應(yīng)用。
通過(guò)參考以下的說(shuō)明、權(quán)利要求和附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將進(jìn)一步理解 和認(rèn)識(shí)本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)和其它的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是包括具有多個(gè)開(kāi)放末端的孔通道的第一端的擠出過(guò)濾機(jī)構(gòu)的透視
圖2是該擠出的過(guò)濾機(jī)構(gòu)的透視圖，其中，孔通道的第一子集被堵塞，孔 通道的第二子集是開(kāi)放的；
圖3是包括第二端的過(guò)濾機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖，其中孔通道的第一子集是開(kāi)放 的，孔通道的第二子集被堵塞；
圖4是形成堵塞的蜂窩式結(jié)構(gòu)的方法的流程圖，該方法實(shí)施了本發(fā)明；圖5A是生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)、頂部平板和底部平板的側(cè)剖視圖，頂部平板位 于起始位置；
圖5B是生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)、頂部平板和底部平板的側(cè)剖視圖，堵塞材料被 插入孔通道的第二子集中；
圖6是放大的側(cè)剖視圖5B的IV區(qū)域。
優(yōu)選實(shí)施方式的具體描述
本文中，為了說(shuō)明的目的，術(shù)語(yǔ)"上"、"下"、"右"、"左"、"后"、 "前"、"豎直"、"水平"和它們的衍生詞涉及如圖1中定向的本發(fā)明。然 而，應(yīng)該理解，本發(fā)明可以采取各種替代的取向和步序，除了清楚地說(shuō)明相反 的情況之處。也應(yīng)該理解，附圖中舉例說(shuō)明的和以下的說(shuō)明中描述的具體設(shè) 備和方法是所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明概念的示例性的實(shí)施方式。因此， 涉及本文公開(kāi)的實(shí)施方式的具體尺寸和其它物理特性不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性 的，除非權(quán)利要求清楚地說(shuō)明不同的情況。
形成圖1中包括貫穿其中的多條中空的通道或孔通道22的蜂窩式結(jié)構(gòu)12 的幾種方法和程序是本領(lǐng)域己知的。本發(fā)明的方法包含在一個(gè)完整的方法中， 該完整的方法包含通過(guò)擠出模頭擠出30(圖4)濕的(較優(yōu)地水基的)陶瓷前體混 合物以形成濕的料塊，將擠出步驟中形成的濕料塊切割32成幾段，使分段部 分干燥34以便形成生坯蜂窩式形狀(生坯蜂窩式料快)。該水基陶瓷前體混合 物較優(yōu)地含有形成堇青石的無(wú)機(jī)前體材料、任選的孔形成物(諸如石墨或淀粉)、 粘合劑、潤(rùn)滑劑和媒介物的批料混合物。該無(wú)機(jī)批料成分可以是燒制后能夠提 供具有由堇青石構(gòu)成的主燒結(jié)相成分的多孔性陶瓷的任何無(wú)機(jī)成分的組合。
一方面，該無(wú)機(jī)批料成分可以選自氧化鎂源、氧化鋁形成源和氧化硅源。 進(jìn)一步選擇批料成分以便得到燒制后主要含有堇青石或堇青石的、富鋁紅柱石 和/或尖晶石的混合物的陶瓷制品。比如，但不限于， 一方面，選擇無(wú)機(jī)批料 成分以提供含有至少約90重量％堇青石，或更優(yōu)地93重量％堇青石的陶瓷制 品。含堇青石的蜂窩式制品基本上由約49至53重量％的Si02、約33至38 重量％八1203和約12至16重量％的MgO組成(以氧化物重量百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ))。
為此，示例性的無(wú)機(jī)堇青石前體粉塵批料組合物較優(yōu)地含有約33至41重量％的氧化鋁源、約46至53重量％的氧化硅源和約11重量至17重量％的 氧化鎂源。在美國(guó)專(zhuān)利第3885977、 5258150號(hào)，美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)第2004/0261384 和2004/0029707號(hào)和RE38888中公開(kāi)了用于形成堇青石的示例性的無(wú)限制性 的無(wú)機(jī)批料成分混合物。
無(wú)機(jī)陶瓷批料成分可以是以合成方法生產(chǎn)的材料，諸如氧化物、氫氧化物 等?；蛘撸鼈兛梢允翘烊淮嬖诘牟牧?，諸如粘土、滑石或它們的任何組合。 因此，應(yīng)該理解本發(fā)明不局限于任何特定的粉塵類(lèi)型或原材料類(lèi)型，這使得可 以根據(jù)最終陶瓷體中需要的性質(zhì)來(lái)選擇這些類(lèi)型。
本方法還包含將生坯蜂窩體切割或分段成所需長(zhǎng)度的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)，之 后除去38在切割步驟36中形成的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)上的粉塵(即生坯陶瓷前體 切割粉塵)。除去粉塵是為了增強(qiáng)堵塞材料與壁的粘合以及增強(qiáng)護(hù)罩與結(jié)構(gòu)末 端的粘合。較優(yōu)地，通過(guò)在切割步驟之后使高速空氣通過(guò)結(jié)構(gòu)的孔通道22來(lái) 完成除去粉塵步驟以便移去任何切割粉塵。然后，用合適的護(hù)罩掩蓋每一個(gè) 蜂窩式結(jié)構(gòu)12的每一個(gè)端面18和20，將堵塞材料裝入選擇的孔通道22中以 便在選擇的孔通道中形成塞塊42以形成如下所述的堵塞的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)。
然后，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使堵塞的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)受到電磁能作用使生坯 蜂窩式結(jié)構(gòu)干燥44。然后，可以燒制46該干燥的堵塞的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)以便 進(jìn)一步燒結(jié)，形成燒制的陶瓷制品。該完整的方法的幾種步驟是本領(lǐng)域的技術(shù) 人員已知的，如此，本文中不再具體討論擠出30、首次切割步驟32、干燥步 驟34、 二次切割步驟36和掩蓋步驟40。
堵塞生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)12的步驟包括將可流動(dòng)的用于堵塞的接合劑材料(諸 如較優(yōu)地含有水稀釋的陶瓷溶液的漿料)裝入或以其它方式引入(取決于堵塞護(hù) 罩)選擇的孔通道22中。可以通過(guò)2005年11月20日提交的題為"用于生產(chǎn) 蜂窩式載體的堵塞護(hù)罩的裝置、系統(tǒng)和方法"的美國(guó)專(zhuān)利11/287000中教導(dǎo)的 方法來(lái)形成堵塞護(hù)罩，該專(zhuān)利由此通過(guò)引用結(jié)合于此。圖5a和5b最好地說(shuō) 明了堵塞方法42的一個(gè)例子，該例子使用固定的底部平板48和可移動(dòng)的上部 平板或活塞50。平板48和50的該構(gòu)造僅僅是舉例說(shuō)明性的，注意，可以使用 其它的裝填或堵塞孔通道22的方法，包括使用固定的上部平板和可移動(dòng)的底 部平板、或可移動(dòng)的上部平板和底部平板。在被說(shuō)明的例子中，以接合劑粒料(patty)(具有結(jié)構(gòu)12的端面20的形狀)52的形式提供堵塞材料。該粒料52位于 底部平板48和生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)12的第二端面20之間。然后以圖5B中指示的 和方向箭頭54代表的方向移動(dòng)上部平板或活塞50，以便將至少一部分堵塞材 料或接合劑粒料52壓入未掩蓋的孔通道22的開(kāi)放端，以此在選擇的孔通道22 中形成多個(gè)塞塊56。根據(jù)本發(fā)明，提供塞塊56以便使其深度"d"為較優(yōu)地 0.05毫米至20毫米，更優(yōu)地深度"d"為0.5毫米至12毫米，最優(yōu)地深度"d" 為0.5毫米至9毫米，并在電磁干燥步驟44的過(guò)程中合適地堵塞孔通道22以 及合適地干燥塞塊56。在完成接合劑52的裝嵌步驟以形成塞塊56后，較優(yōu)地， 從結(jié)構(gòu)12的端部18和20除去護(hù)罩。盡管本文中描述了使用粒料進(jìn)行堵塞， 但是也可以通過(guò)任何已知的堵塞方法來(lái)完成堵塞步驟，諸如美國(guó)專(zhuān)利4818317、 2005年11月5日提交的PCT/US05/042672、美國(guó)專(zhuān)利4427728、美國(guó)專(zhuān)利 4557682、美國(guó)專(zhuān)利4557773、美國(guó)專(zhuān)利4715801和美國(guó)專(zhuān)利5021204中教導(dǎo)的 方法。合適的堵塞材料可以與所述生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)或任選地在Pitcher的美國(guó) 專(zhuān)利第4329162號(hào)和Paisley的美國(guó)專(zhuān)利第4297140號(hào)中描述的蜂窩式結(jié)構(gòu)具 有相同或相似的組成。
電磁干燥步驟44包含通過(guò)將塞塊56受到電磁能作用而使在生坯蜂窩式結(jié) 構(gòu)12的孔通道22中形成的塞塊56干燥。優(yōu)選以微波的形式提供該電磁能， 但是其它合適形式的電磁能也可以用于使塞塊56干燥。塞塊56的微波干燥導(dǎo) 致較快而均勻地加熱生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)和塞塊56，由此，相比常規(guī)的干燥方式， 減少干燥步驟44中塞塊56的收縮并降低干燥步驟中施加在生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)12 的多孔壁14上的熱應(yīng)力。施加在多孔壁14上的應(yīng)力的減少導(dǎo)致制得的顆粒 過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)完整性更好。優(yōu)選使塞塊56受到微波能作用直到塞塊56的水 含量小于100%濕塞塊重量的50%，更優(yōu)地小于100%濕塞塊重量的10%，最 優(yōu)地小于100%濕塞塊重量的約5%， 100%濕塞塊重量定義為受到微波能作用 之前塞塊56的水含量。優(yōu)選提供微波能的范圍是約3兆赫至3千兆赫，更優(yōu) 地為約27兆赫至約2.45千兆赫，最優(yōu)地約915兆赫至2.45千兆赫。而且， 電磁干燥步驟44包括使堵塞的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)曝露于0.0001千瓦/立方英寸至 1.0千瓦/立方英寸、更優(yōu)地0.001千瓦/立方英寸至1.0千瓦/立方英寸的單位體 積能級(jí)中。而且，優(yōu)選上述的能量應(yīng)用于堵塞的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)的時(shí)間小于或等于60分鐘，更優(yōu)地小于或等于5分鐘。在美國(guó)專(zhuān)利6706233和 2004/0079469中討論了電磁干燥，諸如微波干燥。
如上所述，可以在以電磁方式使生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)干燥44之后實(shí)施燒制或 燒結(jié)步驟46。優(yōu)選在高于130(TC的溫度下通過(guò)常規(guī)的方法以足夠的時(shí)間操作 該步驟以便主要形成堇青石相。也要注意，優(yōu)選以水平取向方式進(jìn)行蜂窩式 結(jié)構(gòu)的干燥步驟。
本發(fā)明的一方面，提供一種生產(chǎn)蜂窩式結(jié)構(gòu)的方法，該方法包含提供有
多個(gè)孔通道貫穿其中的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)，在該生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)的所述孔通道的 至少一個(gè)子集內(nèi)插入堵塞物質(zhì)以便在其中形成多個(gè)塞塊，通過(guò)使這些塞塊受到
電磁能作用使其干燥。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，在不脫離所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的精神 和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式作各種修改。因此，本發(fā)明意 欲涵蓋本發(fā)明的修改形式和變化形式，只要這些修改形式和變化形式落在附加 的權(quán)利要求和它們的等同物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種生產(chǎn)堵塞的蜂窩式結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括提供有多個(gè)孔通道貫穿其中的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)，在該生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)的所述孔通道的至少一個(gè)子集內(nèi)插入堵塞物質(zhì)以便在其中形成多個(gè)塞塊，通過(guò)使這些塞塊受到電磁能作用而使其干燥。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入步驟包括以水基材 料形式提供堵塞材料。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥步驟包括使塞塊受 到電磁能作用，直到塞塊的水含量小于100%濕塞塊重量的約50%。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥步驟包括使塞塊受 到電磁能作用，直到塞塊的水含量小于100%濕塞塊重量的約10%。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥步驟包括使塞塊受 到電磁能作用，直到塞塊的水含量小于100%濕塞塊重量的約5%。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入步驟包括為堵塞材 料提供一些組份，所述組份在20'C下顯示等于或大于3的介電常數(shù)，從而提高 對(duì)電磁能的易感性。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述使塞塊干燥的步驟包括 使塞塊受到微波能作用。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述使塞塊干燥的步驟包括 提供范圍為約3兆赫至3千兆赫的微波能。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述使塞塊干燥的步驟包括 提供范圍為約27兆赫至2.45千兆赫的微波能。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述使塞塊干燥的步驟包括 提供范圍為約915兆赫至2.45千兆赫的微波能。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥步驟包括以約0.0001 千瓦/立方英寸至1.0千瓦/立方英寸的單位體積能級(jí)使塞塊受到電磁能作用。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述干燥步驟包括以約0.001千瓦/立方英寸至0.1千瓦/立方英寸的單位體積能級(jí)使塞塊受到電磁能作用。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述使塞塊干燥的步驟包括 使塞塊受到微波能作用小于或等于約60分鐘。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述干燥步驟包括使塞塊 受到微波能作用小于或等于約5分鐘。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入步驟包括將堵塞材 料插入孔通道至約0.5毫米至20毫米的深度。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述插入步驟包括將堵塞 材料插入孔通道至小于或等于約12毫米的深度。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述插入步驟包括將堵塞 材料插入孔通道至小于或等于約9毫米的深度。
18. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在干燥步驟后進(jìn)行的燒結(jié)步驟，其 中在足夠的溫度下將生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)和塞塊燒結(jié)足夠長(zhǎng)的時(shí)間以形成堇青石。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，操作所述燒結(jié)步驟的最高 溫度高于1300°C。
20. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥步驟包括使蜂窩式 結(jié)構(gòu)水平取向。
全文摘要
一種生產(chǎn)蜂窩式結(jié)構(gòu)的方法，包含提供有多個(gè)孔通道貫穿其中的生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)，在該生坯蜂窩式結(jié)構(gòu)的所述孔通道的至少一個(gè)子集內(nèi)插入堵塞材料以便在其中形成多個(gè)塞塊，通過(guò)使這些塞塊受到電磁能作用使其干燥。
文檔編號(hào)C04B38/00GK101432242SQ200780015192
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者D·J·布羅克韋, G·G·斯奎爾, J·M·米斯, K·A·韋克塞爾, R·L·舒爾茨, S·K·戈文達(dá)拉諾 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司