專利名稱：：具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的非對(duì)稱蜂窩狀壁流過(guò)濾器的制作方法具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的非對(duì)稱蜂窩狀壁流過(guò)濾器本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為"2004年9月17日"、申請(qǐng)?zhí)枮?200480027597.3"、題為"具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的非對(duì)稱蜂窩狀壁流過(guò)濾器"的分案申請(qǐng)。
背景技術(shù)：
：蜂窩狀壁流過(guò)濾器用于去除柴油機(jī)中的碳煙。圖1A示出了傳統(tǒng)的蜂窩狀壁流過(guò)濾器，它具有入口端102、出口端104以及從入口端102和出口端104中縱向伸出的一系列相互連接的多孔壁106。相互連接的多孔壁106限定了格狀的入口通道108和出口通道110。在入口端102處，用過(guò)濾材料112端塞出口通道110，而不端塞入口通道108。雖然圖中不可見(jiàn)，但在出口端104處，用過(guò)濾材料端塞入口通道108，而不端塞出口通道IIO。每個(gè)入口通道108的所有側(cè)面都與出口通道110相接，反之亦然。圖1B示出了用于蜂窩狀過(guò)濾器的孔眼結(jié)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。限定限定入口和出口通道(或孔眼)108和110的多孔壁106是筆直的，并且入口和出口通道108和110具有方形的截面與相等的水力直徑。再回到圖1A，柴油機(jī)的排氣從入口通道108的未堵塞端流入蜂窩狀過(guò)濾器100并從出口通道110的未堵塞端流出該蜂窩狀過(guò)濾器。在該蜂窩狀過(guò)濾器100內(nèi)部，強(qiáng)制柴油機(jī)的排氣從入口通道108通過(guò)多孔壁106流入出口通道110。由于柴油機(jī)的排氣流過(guò)該蜂窩狀過(guò)濾器100，則煙灰微粒就積累在多孔壁106上，從而就降低了入口通道108的有效通流面積。有效通流面積的降低產(chǎn)生了穿過(guò)該蜂窩狀過(guò)濾器的壓降，而這就導(dǎo)致了柴油機(jī)背壓的逐漸升高。當(dāng)壓降變得不可接受時(shí)，就用熱再生來(lái)去除捕獲在蜂窩狀過(guò)濾器內(nèi)的煙塵微粒。而包括金屬氧化物雜質(zhì)、潤(rùn)滑油添加劑、硫酸鹽在內(nèi)的灰塵微粒是非易燃的，無(wú)法使用熱再生來(lái)清除。熱再生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過(guò)高的溫度峰值，而這會(huì)導(dǎo)致該蜂窩狀過(guò)濾器的熱震動(dòng)、破裂甚至熔化。希望有一種具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而能夠經(jīng)受住熱再生的蜂窩狀過(guò)濾器。為了避免頻繁的熱再生，則還希望該蜂窩狀過(guò)濾器具有較大容量來(lái)存儲(chǔ)煙塵微粒。對(duì)于入口和出口通道具有相等水力直徑的孔眼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，入口通道的有效通流面積很容易變成遠(yuǎn)小于出口通道的有效通流面積，從而就產(chǎn)生穿過(guò)該蜂窩狀過(guò)濾器的巨大壓降。一種已提出用來(lái)減小該壓降的方法是使得入口通道的水力直徑(或有效橫截通流面積)大于出口通道的水力直徑。這樣由于煙塵微粒在多孔壁入口部分的累積，仍然會(huì)使入口通道的有效通流面積趨向于等于出口通道的有效通流面積。對(duì)于圖IB中示出的傳統(tǒng)蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)減小出口孔眼110的水力直徑而使得入口孔眼108的水力直徑大于出口孔眼110的水力直徑。圖1C示出了在減小出口孔眼110的水力直徑而使得出口孔眼IIO相較于入口孔眼108具有較小的水力直徑之后的圖IB的蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。可以做出另一種修改來(lái)增加入口孔眼108的水力直徑。該修改具有增加在該蜂窩狀過(guò)濾器入口部分收集煙塵微?？捎玫挠行П砻娣e的優(yōu)點(diǎn)，而這最終會(huì)增加該蜂窩狀過(guò)濾器的整體存儲(chǔ)能力。圖1D示出了在增加入口孔眼108的水力直徑之后的圖1C的蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。在不改變蜂窩狀過(guò)濾器孔眼密度的情況下，對(duì)入口孔眼108水力直徑的任何增加都會(huì)導(dǎo)致入口孔眼108相鄰角之間壁厚的相應(yīng)減小(比較圖ID中的12和圖1C中的t》。由于減小了入口孔眼各個(gè)角之間的壁厚，就降低了該蜂窩狀過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而使得該蜂窩狀過(guò)濾器在熱再生過(guò)程中更易于熱震動(dòng)和破裂。從前述可知，需要一種能改善蜂窩狀過(guò)濾器的存儲(chǔ)能力同時(shí)又保持通過(guò)蜂窩狀過(guò)濾器的良好流量并且不會(huì)顯著降低該蜂窩狀過(guò)濾器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法。
發(fā)明內(nèi)容一方面內(nèi)，本發(fā)明涉及一種包括了一系列相互連通的多孔壁的蜂窩狀過(guò)濾器，其中所述多孔壁限定了一系列的第一和第二通道。所述第一通道的各個(gè)側(cè)面都與所述第二通道相接并且具有大于所述第二通道的水力直徑。所述第一通道具有方形截面,而所述第一通道的轉(zhuǎn)角所具有的形狀使得所述第一通道的多孔壁鄰接角厚度與第一和第二通道的多孔壁鄰接邊緣的厚度是可比的。在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種包括了一系列相互連通的多孔壁的蜂窩狀過(guò)濾器，其中所述多孔壁限定了一系列具有方形截面的第一通道和具有方形截面的第二通道。所述第一通道的各個(gè)側(cè)面都與所述第二通道相接。所述第一通道的邊緣和第二通道的邊緣排列成行。所述第一通道的水力直徑大于所述第二通道的水力直徑。在又一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于制作蜂窩狀過(guò)濾器的擠壓模組件，其中所述蜂窩狀過(guò)濾器包括具有中央?yún)^(qū)和外圍區(qū)的孔眼成形模。所述中央?yún)^(qū)包括一系列排出槽，以切割用于限定一系列第一和第二管腳以及與所述一系列排出槽相連通的一系列第一導(dǎo)？L。外圍區(qū)包括至少一個(gè)第二導(dǎo)？L。第一管腳具有大于第二管腳的橫截面積。選擇第一管腳的橫截形狀使得所述排出槽的寬度大致統(tǒng)一。所述擠壓模組件包括與所述孔眼成形模同軸安裝并與其徑向間隔開(kāi)的表面成形罩，從而限定與所述至少一個(gè)第二導(dǎo)孔選擇性連通的表面槽。在隨后的描述和所附權(quán)利要求中，本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得顯而易見(jiàn)。圖1A是現(xiàn)有蜂窩狀壁流過(guò)濾器的立體圖。圖1B示出了具有相等水力直徑的入口和出口孔眼的標(biāo)準(zhǔn)蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。圖1C示出了在減小出口孔眼的水力直徑之后的圖1B的蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。圖1D示出了在增加入口孔眼的水力直徑之后的圖1C的蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。圖2A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的蜂窩狀壁流過(guò)濾器的立體圖。圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有不等水力直徑的入口和出口孔眼并且所述入口孔眼帶有圓角的蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。圖2C示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的具有不等水力直徑的入口和出口孔眼并且所述入口孔眼帶有斜角的蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。圖2D示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的具有不等水力直徑和成行邊緣的入口和出口孔眼的蜂窩狀孔眼結(jié)構(gòu)。圖2E是作為圓角半徑和孔眼寬度的水力直徑的曲線圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的擠壓模組件的橫截面。具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考在附圖中示出的若干較佳實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明。在隨后的描述中，將闡明許多具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解沒(méi)有這些部分或全部的具體細(xì)節(jié)也能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。在其他的實(shí)例中，將不會(huì)細(xì)節(jié)描述已知的特性和/或過(guò)程步驟以防對(duì)本發(fā)明主題不必要的淡化。在參考了隨后的附圖和討論之后，就能夠更好地理解本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)。為了示意的目的，圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的蜂窩狀壁流過(guò)濾器200。該蜂窩狀過(guò)濾器200具有其橫截面形狀由表面(或外壁)204限定的柱狀主體202。表面204的輪廓通常是圓形或橢圓形，但是本發(fā)明不限于任何具體的表面輪廓。柱狀主體202具有由所述表面204橫斷的一系列相互連通的多孔壁206。多孔壁206在柱狀主體202內(nèi)限定了格狀的入口通道208和出口通道210。入口和出口通道208和210沿著柱狀主體202的長(zhǎng)度方向縱向延伸。一般通過(guò)擠壓制成該柱狀主體202。通常該柱狀主體202由諸如堇青石或金剛砂的陶瓷材料制成，但是也可由其他的可擠壓材料制成，諸如玻璃、玻璃陶瓷、塑料和金屬。蜂窩狀過(guò)濾器200具有接受氣流(例如廢氣氣流)的入口端212以及過(guò)濾氣流可經(jīng)由其離開(kāi)該蜂窩狀過(guò)濾器的出口端214。在入口端212處，用過(guò)濾材料216堵塞出口通道210的尾部，而不堵塞入口通道208的尾部。通常過(guò)濾材料216是由諸如堇青石或金剛砂的陶瓷材料制成。雖然圖中不可見(jiàn)，但在出口端214處，用過(guò)濾材料216堵塞入口通道208的尾部，而不堵塞出口通道210的尾部。通常用過(guò)濾材料堵塞鄰近表面204外圍的部分孔眼。在蜂窩狀過(guò)濾器200內(nèi)部，相互連接的多孔壁206允許氣流從入口通道208流入出口通道210。多孔壁206的多孔性是可見(jiàn)的。一般說(shuō)來(lái)，該多孔性應(yīng)該成為未受損蜂窩狀過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)整體性。對(duì)于柴油機(jī)的過(guò)濾，多孔壁206可以含有平均直徑從l到60nm，最好是10到50um的孔。圖2B示出了蜂窩狀過(guò)濾器200的孔眼結(jié)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。每個(gè)入口孔眼208都與出口孔眼210相接，并且反之亦然。為了在使用蜂窩狀過(guò)濾器200時(shí)保持良好的流量，要將入口孔眼208的水力直徑制成大于出口孔眼210的水力直徑。在該圖中，出口孔眼210具有方形的幾何形狀。在該圖中，入口孔眼208也具有方形的幾何形狀，但是該方形的轉(zhuǎn)角為圓角218。圓角218的一個(gè)目的在于使入口孔眼208的鄰近轉(zhuǎn)角之間的厚度(t3)與入口孔眼208和出口孔眼210之間的厚度(U)具有可比性。在一個(gè)實(shí)施例中，厚度13是在厚度14的0.8到1.2倍的范圍內(nèi)。最好是選擇圓角218的半徑使得孔眼周?chē)亩嗫妆诤穸却笾戮鶆?。同樣選擇圓角218的半徑而使對(duì)于選定的孔眼密度和正面閉合面積而言，所述入口孔眼的水力直徑是最大的。如下的表1示出了具有200孔眼/英寸2(約31孔眼/厘米2)孔眼密度和正面閉合面積的孔眼結(jié)構(gòu)的實(shí)例?？籽劢Y(jié)構(gòu)A和B是圖2B中示出的本發(fā)明孔眼結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例?？籽劢Y(jié)構(gòu)C和D是圖1C中示出的現(xiàn)有技術(shù)孔眼結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>如下定義孔眼的水力直徑DH:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中A是該孔眼的橫截面積，而P是該孔眼的濕潤(rùn)周長(zhǎng)。對(duì)于方形孔眼，水力直徑是該孔眼的寬度。對(duì)于圓角的方形孔眼，則水力直徑要大于該孔眼的寬度。從上述表1，本發(fā)明孔眼結(jié)構(gòu)A和B的入口孔眼的水力直徑分別大于現(xiàn)有技術(shù)孔眼結(jié)構(gòu)C和D的入口孔眼的水力直徑。在保持與現(xiàn)有技術(shù)孔眼結(jié)構(gòu)C和D相同的孔眼密度以及正面閉合面積的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的孔眼結(jié)構(gòu)A和B的水力直徑。圖2E示出了水力直徑是如何作為給定孔眼寬度的圓角半徑的函數(shù)而變化的。在該圖中指出了孔眼結(jié)構(gòu)A、B、C和D的位置。該圖示出了水力直徑與圓角半徑的非線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，制作入口孔眼使其具有對(duì)應(yīng)于可實(shí)現(xiàn)用于所選孔眼寬度的最大水力直徑的圓角半徑?；氐綀D2B，本發(fā)明不限于在入口孔眼208的轉(zhuǎn)角處包括圓角218。入口孔眼208的轉(zhuǎn)角例如可以是斜角。圖2C示出了入口孔眼208的轉(zhuǎn)角包括斜角220的孔眼結(jié)構(gòu)。在此實(shí)施例中，也擴(kuò)大了入口孔眼208使得(對(duì)角)相鄰的入口孔眼208的邊緣大致排列成行。這就增加了蜂窩狀過(guò)濾器的整體存儲(chǔ)容量并允許保持通過(guò)該蜂窩狀過(guò)濾器的良好流量。斜角220(或代替斜角使用的圓角)能夠圍繞孔眼的均勻厚度的多孔壁206。對(duì)于圖2B和2C，特別是圖2C中示出的孔眼結(jié)構(gòu)，所述多孔壁206不是筆直的。這就增加了蜂窩狀結(jié)構(gòu)對(duì)熱震動(dòng)的抵抗能力。在圖2C所示的設(shè)計(jì)內(nèi)，多孔壁的部分(例如多孔壁206a)僅為入口孔眼208所共有。這些僅為入口孔眼208所共有的多孔壁部分便于熱再生期間熱量從一個(gè)入口孔眼轉(zhuǎn)移到另一個(gè)入口孔眼?？墒褂脠A角和斜角實(shí)現(xiàn)遍及該蜂窩狀過(guò)濾器的大致統(tǒng)一的多孔壁厚度，同時(shí)還保持所希望的正面閉合面積、孔眼密度以及入口孔眼與出口孔眼水力直徑的比率。通常期望入口孔眼與出口孔眼水力直徑的比率的范圍是在1.1到2.0之間，更好是1.3到2.0，最好是1.7到2.0。對(duì)于柴油機(jī)微粒過(guò)濾，通常認(rèn)為范圍在10到300孔眼/英寸2(約1.5到46.5孑L眼/厘米2)之間，更普遍地是在100到200孔眼/英寸2(約15.5到31孔眼/厘米2)之間的蜂窩狀孔眼密度有利于在致密結(jié)構(gòu)內(nèi)提供足夠薄的壁表面積。相互連接的多孔壁厚度能夠在保證結(jié)構(gòu)完整性的情況下從最小值0.02英寸.(0.05毫米)向上變化，但是通常要小于0.060英寸(1.5毫米)以使得過(guò)濾器體積最小。在較佳孔眼密度處最常選擇范圍約在0.010到0.030英寸(約0.25至U0.76毫米)之間，優(yōu)選地約在0.010到0.025英寸.(約0.25到0.64毫米)之間的多孔壁厚度。圖2D示出了另一種孔眼結(jié)構(gòu)，其中入口孔眼208的邊緣與出口孔眼210的邊緣排列成行并且所述圍繞蜂窩狀過(guò)濾器的多孔壁206的厚度是均勻的，同時(shí)還無(wú)需在入口孔眼208的轉(zhuǎn)角處使用斜角或圓角。然而入口孔眼208轉(zhuǎn)角的圓角或斜角能夠進(jìn)一步改善蜂窩狀過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在此實(shí)施例中的多孔壁206甚至比先前描述實(shí)施例中的多孔壁的筆直度還要小，從而進(jìn)一步改善了對(duì)熱震動(dòng)的抵抗力。適于制造上述蜂窩狀過(guò)濾器的蜂窩狀擠壓模具有包括大小管腳交替變化的管腳陣列。所述交變管腳的轉(zhuǎn)角可以是圓的或斜的。出于示意性的目的，圖3示出了擠壓模組件300的橫截面。擠壓模組件300包括孔眼成形模302和表面成形罩304?？籽鄢尚文?02用于形成限定蜂窩狀過(guò)濾器的入口和出口孔眼的相互連接的多孔壁?？籽鄢尚文?02結(jié)合表面成形罩304來(lái)限定蜂窩狀過(guò)濾器表面的形狀和厚度?？籽鄢尚文?02具有中央?yún)^(qū)。在所述中央?yún)^(qū)306內(nèi)切割一系列的排出槽308以限定一系列的入口和出口管腳310和312。在一個(gè)實(shí)施例中，入口和出口管腳310和312的橫截面是方形，并且入口管腳310的每個(gè)轉(zhuǎn)角都包括圓角或斜角?？籽鄢尚文?02的中央?yún)^(qū)還包括從模入口面315延伸到所述一系列排出槽308的一系列中央導(dǎo)孔314。中央導(dǎo)孔314為排出槽308供應(yīng)成批材料。選擇所述中央導(dǎo)孔314相對(duì)于所述排出槽308的大小和位置以實(shí)現(xiàn)通過(guò)所述排出槽308所希望的流量。作為一個(gè)實(shí)例，中央導(dǎo)孔314可以對(duì)應(yīng)于每個(gè)或所有其他的排出槽308或者可以對(duì)應(yīng)于每個(gè)或所有其他排出槽308的交叉點(diǎn)?？籽鄢尚文?02還包括鄰近中央?yún)^(qū)306形成的外圍區(qū)316。外圍區(qū)316提供用于表面成形罩304的安裝表面328并且包括用于將成批材料送予圍繞所述孔眼成形模302周?chē)臻g的導(dǎo)孔318。在一個(gè)實(shí)施例中，在安裝表面318和表面成形罩304之間放入墊片320以限定外圍區(qū)316和表面成形罩304之間的表面成形容器322。外圍區(qū)316內(nèi)的導(dǎo)孔318為表面成形容器322提供成批材料。表面成形罩304與所述中央?yún)^(qū)306徑向間隔開(kāi)以限定與所述表面成形容器322相連通的表面槽324。成批材料從表面槽324中擠壓出來(lái)以形成蜂窩狀過(guò)濾器表面?？梢哉{(diào)制所述容器322的容積用以控制成批材料送入表面槽324的速率。工作期間，將成批材料送入孔眼成形模302內(nèi)的導(dǎo)孔314和318并且從排出槽308和表面成形槽324中擠出。在表面成形容器322內(nèi)的成批材料的體積取決于表面成形罩304徑向懸掛于所述表面成形容器322上的程度。成批材料流入表面成形槽的速率確定了表面的性質(zhì)，同時(shí)成批材料流送入排出槽的速率確定了多孔壁的性質(zhì)?？梢允褂矛F(xiàn)有用于制造擠壓模的方法來(lái)生成上述擠壓模組件?？梢允褂糜煽杉庸げ牧现瞥傻呐髁系妮^低部分內(nèi)的加工孔來(lái)制造所述孔眼成形模。這些孔可以作為導(dǎo)孔。諸如插入式電火花加工之類的加工工藝可用于切割在所述坯料上部?jī)?nèi)的排出槽。在切割所述槽之后，管腳仍保留在所述坯料的上部上?？s短或完全移除在所述坯料外圍的管腳以提供用于表面成形模的安裝表面。排出槽以及蜂窩狀過(guò)濾器的孔眼結(jié)構(gòu)可以具有以上描述的任何幾何形狀。雖然結(jié)合有限幾個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是已從本公開(kāi)中獲益的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到可以做出其他實(shí)施例而不背離在此公開(kāi)的本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)僅由所附權(quán)利要求限制。權(quán)利要求1.一種用于制作蜂窩狀過(guò)濾器的擠壓模組件，包括具有中央?yún)^(qū)和外圍區(qū)的孔眼成形模，所述中央?yún)^(qū)包括一系列排出槽，切割該排出槽用于限定一系列第一和第二管腳以及與所述一系列排出槽相連通的一系列第一導(dǎo)孔，所述外圍區(qū)包括至少一個(gè)第二導(dǎo)孔，第一管腳具有大于第二管腳的橫截面積，選擇第一管腳的截面形狀使得所述排出槽的寬度大致均勻；以及表面成形罩，它與所述孔眼成形模同軸安裝并與其徑向隔開(kāi)從而限定與所述至少一個(gè)第二導(dǎo)孔選擇性連通的表面槽。2.如權(quán)利要求1所述的擠壓模組件，其特征在于，所述第一管腳的截面形狀包括帶有圓角的方形。3.如權(quán)利要求1所述的擠壓模組件，其特征在于，所述第一管腳的截面形狀包括帶有斜角的方形。4.如權(quán)利要求1所述的擠壓模組件，其特征在于，還包括在所述孔眼成形模和所述表面成形罩之間所限定的容器，所述容器與至少一個(gè)第二導(dǎo)孔和所述表面槽相連通。5.如權(quán)利要求1所述的擠壓模組件，其特征在于，調(diào)節(jié)所述外部表面容器的容積以控制成批材料流送入所述表面槽的速率。全文摘要一種蜂窩狀過(guò)濾器包括一系列相互連通的多孔壁(206)，它限定了一系列第一通道(208)和第二通道(210)。所述第一通道(208)的各個(gè)側(cè)面都與所述第二通道相接并且具有大于所述第二通道(210)的水力直徑。所述第一通道(208)具有方形截面，且所述第一通道的轉(zhuǎn)角所具有的形狀使得所述第一通道的多孔壁(206)鄰接角厚度(t₃)可與第一(208)和第二通道(210)的多孔壁(206)鄰接邊緣的厚度(t₄)相比。文檔編號(hào)C04B38/00GK101386214SQ20081012592公開(kāi)日2009年3月18日申請(qǐng)日期2004年9月17日優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日發(fā)明者R·I·弗羅斯特申請(qǐng)人:康寧股份有限公司