CN105228722B - 具有弯曲网的基材以及包含该基材的颗粒过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种包含中心纵轴、第一支持网和第二支持网的基材。弯曲网可位于第一支持网和第二支持网之间。弯曲网可包含横向网部分和桥连网部分，其中桥连网部分交替连接相邻横向网部分的末端。弯曲网可通过在桥连网部分与第一支持网的表面之间延伸的支持腿连接至第一支持网。弯曲网可通过在桥连网部分与第二支持网的表面之间延伸的支持腿连接至第二支持网。支持腿的长度与横向网部分之间距离的比例可以是约1.0至约4.0。

Description

具有弯曲网的基材以及包含该基材的颗粒过滤器
背景
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119要求2012年11月30日提交的美国临时申请系列第61/731,840号的优先权，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。本申请根据35U.S.C.§120还要求2013年3月14日提交的美国专利申请系列号第13/826,476号的优先权，本文以该申请为基础并将其全部内容结合于此。
本申请与2012年11月30日提交的美国专利申请系列号第13/690,186相关，但不要求其优先权，该申请涉及包含集成热电发电机的槽式过滤器，包含槽式过滤器的车辆，和处理废气的方法。
技术领域
本发明涉及用于气流的催化转化或过滤的基材，并且涉及包含陶瓷的适用于明显径向壁流的壁流过滤器。
背景技术
已知用于汽车废气系统的陶瓷蜂窝体基材和蜂窝体过滤器。通常通过挤出制成正方形和长方形的蜂窝体单元室(honeycomb cells)。通常由包含低热膨胀材料，如堇青石或钛酸铝基材料，的壁流蜂窝体处理从柴油发动机排出的废气中的颗粒排放物。市售的产品具有通常直的、轴向排列的具有均一截面的通道，以及在蜂窝片的末端的交替方格图案的封堵物以使废气通过单元室通道壁。
发明内容
本发明的实施方式提供了具有可通过流体的纵向通道的基材。该基材可包含中心纵轴、第一支持网(support web)和第二支持网。弯曲网可位于第一支持网和第二支持网之间。弯曲网可包含横向网部分和桥连网部分，其中桥连网部分交替连接离纵轴较近的相邻横向网部分的末端以及离纵轴较远的相邻横向网部分的末端。桥连网部分和横向网部分可在与纵轴垂直的截面中形成弯曲形状。弯曲网可通过在桥连网部分与背对纵轴的第一支持网的表面之间延伸的支持腿连接至第一支持网。弯曲网可通过在桥连网部分与朝向纵轴的第二支持网的表面之间延伸的支持腿连接至第二支持网。支持腿长度与横向网部分之间距离的比率可以是约1.0至约4.0。
附图说明
当结合以下附图阅读时，能对本发明下文的具体实施方式的详细描述有最好的理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：
图1显示了相关领域的单层过滤器，其中过滤槽具有两种不同的长度；
图2显示了相关领域的单层过滤器，其中过滤槽有一种长度；
图3显示了一种基材，其具有：弯曲过滤器元件的两个冠(crown)、三个支持网以及连接弯曲过滤器元件和圆柱形支持网的支持腿；
图4显示了一种基材，其具有：弯曲过滤器元件的四个冠、五个支持网以及连接弯曲过滤器元件和支持网的支持腿；
图5是显示弯曲过滤元件和支持网中的元件的示意图；
图6是显示流体进入部分和流体排出部分的示意图；
图7是显示弯曲过滤结构的进入和排出部分的示意图，其中所有的横向网部分都不相等，并且不是所有的桥连网部分都是连接的桥连网部分；
图8A和8B是分别显示偏移和对齐的支持腿的示意图；
图9A和9B是显示排出部分和过滤槽的封堵和显示进入部分和过滤槽的封堵的示意图；
图10A和10B是显示多个排出部分和所有过滤槽的封堵和显示多个进入部分和所有过滤槽的封堵的示意图；
图11是显示与正方形单元室蜂窝体相比的槽式过滤器的净压降对比气流的图；
图12是显示与正方形单元室蜂窝体相比的槽式过滤器的再生最高温度与烟尘负荷的关系的图；以及
图13是显示槽式过滤器的压降与槽的数量和槽网厚度的关系的图。
图14是槽式过滤元件的3D流体流模型的示意图。
图15是压降与支持腿长度和横向网部分之间的距离之比的关系的图。
具体实施方式
应当理解，上述一般描述和以下详细描述仅仅是示例性和说明性的，而非限制性的。其他实施方式就说明书而言是显而易见的。
本文所述的基材可提供通过多孔陶瓷壁的增强的径向流，并且可以是指颗粒过滤器或径向壁流颗粒过滤器。可以采用颗粒过滤器来从废气流(如内燃机废气流)中去除颗粒材料。
图1和图2显示了相关领域的颗粒槽式过滤器。颗粒槽式过滤器100可具有中心纵轴104，过滤器100可包含多个在纵轴104周围周向排列的相邻槽106。各槽106可具有一个开放末端116和设置在开放末端116的相反侧的封闭末端118。
在图2所示的过滤器中，在开放末端116处的槽106的壁114基本上在相同的外径RO1或内径RI1处终止(取决于槽的径向定向)，并且槽106的封闭末端118基本上设置在相同外径RO1或内径RI1处。然而，如图1所示，槽106的壁114可能不在基本上相同的外径RO1或内径RI1处终止，并且槽106的封闭末端118可能不设置在基本上相同的外径RO1或内径RI1处。
再次参考图1和图2，过滤器100还可包含在槽106周围的外周壁140。在所示的构型中，外周壁140通过与槽106的封闭末端118连接的支持部分201来覆盖槽106的开放末端116，并且此外，外周壁140基本上沿着过滤器100的完整长度来覆盖槽106的径向朝外的开放末端116。
图1显示了各槽106的壁114，其具有靠近其开放末端116的圆化表面185和靠近其封闭末端118的圆化表面187。如图1所示，槽106包含槽的第一195和第二197子结构，第一子结构195的槽106的封闭末端118设置为比第二子结构197的槽106的封闭末端118更远离中心纵轴104。在槽的各子结构中，靠近开放末端116的圆化表面185围绕相邻的槽，使得相邻的槽壁汇聚形成一个在圆化表面185的最外部分和外径RO1之间的共同径向延伸的壁段117。在第二子结构197的槽中，靠近封闭末端118的圆化表面187互相围绕，使得槽壁汇聚形成一个在圆化表面187的最内部分和内径RI1之间的共同径向延伸的壁段119。如图1所示，过滤器还包括半径约等于RO1的外周壁140和半径约等于RI1的内周壁200，使得各槽的壁114的最外部分通过支持部分201接触外周壁140，并且各槽的壁114的最内部分通过支持部分201接触内周壁200。
图2显示了与图1中所示的构型相似的构型，除了所有相似定向的槽106的封闭末端118设置在距离中心纵轴104大致相同距离处，并且靠近各槽封闭末端118的圆化表面187彼此相对圆化，使得各槽的槽壁114汇聚形成一个在圆化表面187的最内部分和内径RI1之间共同的径向延伸的壁段119。
现在参考图3，在实施方式中，该基材可包含弯曲网312和311的两个冠。弯曲网312通过支持网301在其内径处结合，并且通过支持网302在其外径处结合。支持网301和302可由与弯曲网相同或不同的材料制成。在实施方式中，支持网301和302可以是多孔的；然而，在其他实施方式中，支持网301和302可以是无孔的。包含第二冠的弯曲网311可由与弯曲网312相同或不同的材料制成。在实施方式中，弯曲网311可通过支持网302在其内径处接触，并且弯曲网311可通过支持网303在其外径处接触。在实施方式中，支持网303可由与支持网301和302相同或不同的材料制成。在实施方式中，支持网303可以是多孔的；然而，在其他实施方式中，支持网可以是无孔的。
应理解，基材可包含任意合适数量的弯曲网冠。例如，基材可包含三个或更多个冠、四个或更多个冠、五个或更多个冠、六个或更多个冠、或者七个或更多个冠等。在实施方式中，可以对冠进行配置，使得一个冠的外径支持网也用作相邻冠的内径支持网。例如，在图4所示的实施方式中，该基材包含具有增加直径的四个冠。四个冠各自包含由5个支持网301、302、303、304和305结合的弯曲网312、311、313和314。支持网302可以是包含冠的弯曲网312的外径支持网，并且其可以是包含冠的弯曲网311的内径支持网。类似地，支持网303可以是包含冠的弯曲网311的外径支持网，并且其可以是包含冠的弯曲网313的内径支持网。相似的结构可以在包含冠的弯曲网314和支持网304及305中重复。
在实施方式中，如图3和4所示，该基材可以具有通常圆形的横截面形状，虽然其他实施方式可以具有其他截面形状，如正方形、长方形、三角形、椭圆形或六边形。在一些构型中，如图3和图4所示，该基材是圆柱形过滤器体。
现在参考图5，将更详细地描述单个冠的组件。在各冠中的弯曲网可包含横向网部分520和桥连网部分530。在实施方式中，横向网部分520可以长于相邻横向网部分522之间的间隙。在一些实施方式中，横向网部分的长度可以超过相邻横向网部分之间距离的2倍，或者甚至超过相邻横向网部分之间距离的3倍。在一些实施方式中，横向网部分的长度可以超过相邻横向网部分之间距离的约4倍，或者甚至超过相邻横向网部分之间距离的约5倍。虽然，图5中显示的所有横向网部分520长度相同，应理解多个横向网部分可以短于多个其他横向网部分，如图1所示。在一些实施方式中，可通过将横向网部分520与桥连网部分530连接来形成弯曲网。根据图5所示的实施方式，桥连网部分530可以圆化并且连接相邻横向网部分520的末端。桥连部分530交替连接离中心轴较近的位置处的相邻横向部分和离中心轴较远的位置处的相邻横向部分，从而形成弯曲网。
在实施方式中，弯曲网可以通过支持腿510连接到支持网303、302或301。例如，支持腿可将桥连网部分530连接至支持网303、302或301，如图5所示。支持腿可以由任意合适的材料制成，并且可以是与支持网和/或弯曲网相同或不同的材料。支持腿的长度可以短于横向网部分520的长度。在实施方式中，支持腿510的长度可以小于横向网部分520的长度的3/4，或者甚至小于横向网部分的长度的2/3。在其他实施方式中，支持腿的长度可以小于横向网部分的长度的1/2，或者甚至小于横向网部分的长度的1/3。
现在参考图6，流体排出部分或流体进入部分可以在相邻支持腿510之间形成。流体进入部分或流体排出部分可以贯穿基材的整个长度，或其任意部分。流体可在与基材的中心轴平行的方向上流动。例如，部分620可以是流体排出部分，并且部分610可以是流体进入部分。流体进入或排出部分610和620的宽度W可以大于相邻横向网部分522之间的距离。在实施方式中，流体进入或排出部分610和620的宽度可以大于相邻横向网部分之间距离的约1.1倍，或者甚至大于相邻横向网部分之间距离的约1.3倍。在其他实施方式中，流体进入或排出部分610和620的宽度可以大于相邻横向网部分之间距离的约1.5倍，或者甚至大于相邻横向网部分之间距离的约1.7倍。在一些实施方式中，流体进入或排出部分610和620的宽度W可以大于相邻横向网部分之间距离的约1.9倍。
可由支持腿510的长度L确定流体进入或排出部分610和620的长度，其可以等于或大于相邻横向网部分522之间的距离。在实施方式中，支持腿与相邻横向网部分之间距离的比率可以是约1.0至约4.0，或者甚至约1.5至约3.5。在其他实施方式中，支持腿与相邻横向网部分之间距离的比率可以是约2.0至约3.0，或者甚至约2.5。简单参考图15，其在下文中更详细地描述，当支持腿长度与相邻横向网部分之间距离的比率从约1.0增加至约2.0时，穿过过滤器壁的压降可显著降低，并且当支持腿长度与相邻横向网部分之间距离的比率增加至3.0以上时，压降降低逐渐停止。因此，在实施方式中，当支持腿与相邻横向网部分之间距离的比率是约1.0至约4.0之间的特定值时，可优化压降。
除了流体进入和流体排出部分以外，该基材可包含流体过滤器部分。流体过滤器部分包括相邻横向网部分522之间的区域。在实施方式中，第一流体过滤器部分可包含在弯曲网一侧的相邻横向网部分之间的区域，并且第二流体过滤器部分可包含在弯曲网相反侧的相邻横向网部分之间的区域。在一些实施方式中，第一流体过滤器部分可与流体进入部分流体连通，从而形成第一流体通道。在实施方式中，第二流体过滤器部分可与流体排出部分流体连通，从而形成第二流体通道。
在实施方式中，对于直径为5.7英寸的过滤器，通过该基材的流体流可以是约10SCFM或更高，如约50SCFM或更高，约100SCFM或更高，或约250SCFM或更高。应理解流体流可根据过滤器的构型和尺寸变化。在实施方式中，穿过直径为5.7英寸的过滤器并经过10SCFM的流体流的压降可以低于约1.50kPa，如低于约1.25kPa，低于约1.10kPa，或者甚至低于约1.00kPa。
现在参考图7，在实施方式中，各桥连网部分530可以不与支持网301，302连接。这种构型使流体进入或排出部分的尺寸增加了约2倍或更多。如图7所示，当支持腿510不与桥连网连接时，流体排出部分或流体进入部分增加以跨越支持腿之间。由于进入或排出部分的尺寸相对于相邻横向网部分522之间较窄的距离增加，压降可更低。虽然图7仅显示了一个不通过支持腿与支持网连接的桥连网部分，应理解，超过一个桥连网部分可不通过支持腿与支持网连接。
图8A和8B显示了各冠中弯曲网的构型。图8A显示了一种构型，其中来自一个冠的支持腿并不在冠之间的支持网处与相邻冠的支持腿会合(即，径向对齐)。图8A中的构型可称为偏移构型。图8B显示了一种构型，其中一个冠的支持腿在冠之间的支持网处与相邻冠的支持腿会合(即，径向对齐)。该构型可称为对齐构型。然而，应理解可能难以将径向对称的基材或具有一定曲率的基材中的各支持腿精确对齐，因此，对齐的构型可不使支持腿精确对齐。
基材100可包含一个或多个纵向末端封堵物，该末端封堵物接触性地在基材的一个或两个纵向末端封堵所选的流体通道。在一些实施方式中，纵向末端封堵物可包含多孔陶瓷。在其他实施方式中，纵向末端封堵物可包含抑制从中通过的气流的无孔材料。如下文更详细的描述，可封堵基材的全部或部分纵向末端。
可以采用多种封堵几何形状，并且并不限于以下实施方式。如图9A的实施方式所示，可以封堵第一流体通道(即，流体进入部分和相关的第一流体过滤器部分)。图9B显示了封堵第二流体通道(即，流体排出部分和相关的第二流体过滤器部分)。这种封堵可存在于基材的相反侧向末端(lateral end)，其中侧向末端可包含与中心轴垂直的基材的最外表面。例如，基材的一个侧向末端可封堵进入部分和与它们连通的过滤槽，并且基材的相对侧向末端可封堵排出部分和与它们连通的过滤槽。
其他根据实施方式的封堵构型示于图10A和10B。如图10A所示，封堵了第一流体通道(即，流体进入部分和相关的第一流体过滤器部分)和第二流体通道。如图10B所示，封堵了第二流体通道(即，流体排出部分和相关的第二流体过滤器部分)和第一流体通道。图10A和图10B所示的封堵构型可单独使用或一起使用。例如，图10A所示的封堵构型可用在基材的一个侧向末端，并且图10B所示的封堵构型可用在基材的相对侧向末端。这种构型会使流体仅在进入或排出部分进入或排出基材，并且因此可使流体在过滤器槽中停留更长的时间以增加流体过滤。
可通过以下方法制造基材，如挤出、3D打印、使用陶瓷生坯片的折叠和结合方法、注模或粉浆浇铸。
可优选地通过挤出制造实施方式的基材。形状可以是垂直、水平或以之间的任意角度挤出。在实施方式中，基材可在模具出口处迅速变硬，或者它们可从模具挤出到心轴上以避免形状塌陷。可以使模具图案化以使用本领域技术人员已知的方法挤出形状，这些方法包括但不限于直接金属激光烧结(DMLS)。
也可通过粉浆浇铸/加压浇铸来制备本发明的基材的实施方式。可以非常低的质量制备内部模具以避免冗长的模具烧尽/升华程序或成本。对于加压浇铸，模具可能需要显著的结构刚性，但是应该具有流体逃逸的准备，如具有向模具中心的孔或多孔性数量逐渐加大的多孔表面层。对于粉浆浇铸，模具可能在孔隙率上是相对均匀的，但是粉浆载剂应该润湿模具。粉浆浇铸也可具有分级的孔隙率结构。两种模具都应该是空心的或几乎空心的，其具有强化/支持肋材。内部模具可在心轴上得到支持，并考虑到粉浆载剂的逃逸进一步降低模具中材料的量。
也可通过注模来制备本发明的基材的实施方式。对于注模，内部模具可向内径逐渐变小，并且槽的内部部分也可能逐渐变小使得可容易地去除注入的部分。
注模用于加压浇铸或粉浆浇铸的聚合物模具可为一种高效的方法。陶瓷的注模可具有高成本，因为陶瓷粉末磨损模具并且导致模具寿命短。然而，大多数聚合物/有机材料并不像陶瓷填充材料那样多地磨损模具，并且聚合物模具产品通常有更大的弹性/塑性，由此产生更高的产率和更复杂的设计和特征的可能性。
本发明的实施方式是固体但多孔的壁流陶瓷废气过滤器，其可提供比大致圆周方向上定向的单元室壁明显更多的在大致径向方向上定向的单元室壁。本发明的过滤器的实施方式可在径向/圆周方向上同时提供比常规正方形单元室/长方形单元室/六边形单元室蜂窝体过滤器更多的废气流。本发明的过滤器结构的实施方式可比已知的蜂窝体结构，尤其是正方形单元室蜂窝体，有更多的径向/圆周顺应性。
在本发明的实施方式中的弯曲网的横向网部分之间更短的距离被认为与具有相似壁厚度的灰尘储存概念单元室设计或常规正方形单元室相比，可提供更低的穿过颗粒过滤器的压降并降低净背压。本发明的实施方式的过滤器也可提供比正方形单元室更低的再生温度。具有超过一个冠的过滤器可提供更高的过滤容量、更高的烟尘负荷、和更低的烟尘负荷背压。过滤器的实施方式可被容易地封堵并且通过挤出来制备，其可能导致更低的成本。
对于整体式圆柱形的柴油和汽油发动机废气过滤器，槽式过滤器可以在直径上超过3英寸，或者甚至在直径上超过约4英寸。在一些实施方式中，过滤器可以在直径上超过约5英寸，或者甚至在直径上超过约6英寸。过滤器可以是3英寸或更长，或者甚至长于4英寸。过滤器的外冠的直径可超过5.5英寸，并且具有超过120个槽。具有直径超过4英寸的支持网的过滤器可具有超过80个与支持网连接的槽。具有直径超过3英寸的支持网的过滤器可具有超过50个与之连接的槽。直径超过2英寸的支持网可具有超过20个与之连接的槽。
具有多冠槽式过滤器的汽油或柴油发动机废气过滤器的过滤表面积可大于10平方英寸/立方英寸。多冠槽式过滤器的过滤表面积可大于20平方英寸/立方英寸。槽式过滤器的网厚度可能低于25密耳，或者甚至低于20密耳。在一些实施方式中，网厚度可以是低于15密耳。
多冠槽式过滤器可由低膨胀钛酸铝、堇青石、铌酸盐等制成，并且可由具有更高膨胀系数的材料制成，如碳化硅、硅结合的碳化硅、氮化硅、赛隆(sialon)、富铝红柱石等。
为了描述和限定本发明，特别提出本文中使用的术语“基本上”和“约”表示可被认为是任意定量比较、数值、测量或其他表示法造成的固有的不确定性程度。词语“基本上”和“约”在本文中还用来表示数量的表达值与所述的参比值的偏离程度，这种偏离不会导致所讨论的主题的基本功能发生改变。
应当指出，本文所用的诸如“常用”之类的词语不是用来限制本发明要求保护的范围，也不表示某些特征对本发明要求保护的结构或者功能来说是重要的、关键的、或者甚至是必不可少的。相反地，这些术语仅仅用来表明本发明实施方式的特定方面，或者强调可以用于或者可以不用于本发明特定实施方式的可选或附加的特征。
在结合具体实施方式详细描述了本发明的主题之后，应当指出，本文披露的各种细节不应理解为暗示着这些细节涉及属于本文所述各种实施方式的实质性组成的要素，即便在本文所附的每幅图中都示出了特定要素的情况下也是如此。相反，所附的权利要求应该被认为是本发明范围和本文所述各实施方式的相应范围的唯一代表。此外，显而易见，所附权利要求的范围以外的修饰和变化是可能的。
实施例
实施例1
通过直接激光金属烧结(一种3D制造方法)来制备具有20密耳网的2英寸模具。
图3显示了形成的颗粒过滤器。该颗粒过滤器是一种挤出的、干燥的并且烧制的钛酸铝(如按照美国专利号7,259,120中所述制备的钛酸铝，其通过引用全文纳入本文)，其具有弯曲过滤网的两个冠。颗粒过滤器的直径为2英寸，并且在1500–2000psi的条件下采用32mm双螺杆挤出机，用包含氧化铝、二氧化钛、甲基纤维素(methocel)、durasin油、油酸、石墨和水的批料组分挤出。使用微波辐射使挤出物干燥并硬化，然后在120℃的烘箱中空气干燥20小时。使用1427℃作为最高温度来烧制干燥的颗粒过滤器并保持16小时。过滤器具有20密耳的网厚度，在外过滤冠上有48个槽，并在内过滤冠上有24个槽。挤出和干燥的部分具有4个圆柱形支持网。
弯曲网的外冠具有9-10mm的横向网部分长度和约1mm的最小间距。连接较长的横向网部分的桥连网部分是稍稍圆化的，并且长度为约1mm，并且支持腿的长度为1mm。对于弯曲网的内冠，横向网部分长度为5mm，在最小间距处，横向网部分相距约1mm。连接较长的横向网部分的桥连网部分是稍稍圆化的，并且长度为约1mm，并且桥连网部分的长度为1mm和2mm。
整个颗粒过滤器(即，支持网、桥连网部分、横向网部分和支持腿)是相同的钛酸铝材料。支持网是与颗粒过滤器的其他组件相同的材料。支持网形成弯曲网冠之间的圆柱形结构、外表面和内部支持圆柱体。
在挤出物中有三个这类支持网，如图3的实施方式中所示。这种结构中的一些在烧制后，使用过滤器前经加工或消除。
实施例1具有2个弯曲网冠，其具有一系列横向网部分，所述横向网部分的长度等于或大于横向网部分之间距离的4倍。这些横向网部分的交替末端由圆化的桥连网部分连接。桥连网部分连接到交替横向网部分末端以形成弯曲网。支持腿将桥连网与支持网连接。支持腿的长度小于横向网部分的长度的1/2，并且连接到弯曲网之间的支持网。流体进入和排出部分的宽度是2mm，大于相邻横向网部分之间最小距离的宽度(减去网的厚度)的1.9倍。
对于初始压降和再生温度测试，去除过滤器的内冠。6英寸部分在轴向上被分段成2个3-英寸长的部分。对圆柱形支持网进行加工以使流体易于进入过滤层。使用基于堇青石的冷固化封堵批料手工形成三个“圆环形”封堵物(2个用于进入部分，1个用于排出部分)。第二过滤器部段的排出末端的盘状封堵物由径向流动蜂窝体的薄片和在所有通道的整个表面上的冷固化封堵批料形成，并且由冷固化批料连接至主要的颗粒过滤器。在冷固化批料干燥后，手工使用砂纸使其平滑。测试2个3-英寸部段的压降和再生温度(一个进入部段和一个排出部段)。对于净压降测试，使用橡胶垫圈和纤维垫间隔件。对于再生测试，使用纤维垫间隔件和垫圈。
图11显示了单冠槽式过滤器和具有15密耳网厚度的295psi正方形单元室钛酸铝蜂窝体对于气体流速的净压降测试的结果。在图11中，用三角形表示的趋势线显示具有约295个单元室/平方英寸和15密耳壁厚度的正方形单元室钛酸铝蜂窝体(即，“295/15”几何形状)，用方形表示的趋势线显示具有中心洞入口的槽式过滤器的外冠，并且用菱形表示的趋势线显示具有外侧流的槽式过滤器的外冠。槽式过滤器的净压降大约小于常规正方形单元室蜂窝体的净压降的一半，尽管该实施例仅具有40％的正方形单元室蜂窝体过滤表面积并具有更厚的过滤网，20密耳而不是正方形单元室的15密耳。
图12显示了单冠槽式过滤器和具有295/15几何形状的正方形单元室钛酸铝蜂窝体的再生最高温度对于烟尘负荷的结果。在图12中，用三角形表示的趋势线显示槽构型，而用方形表示的趋势线显示蜂窝体构型。槽式过滤器具有低得多的再生最高温度，尽管仅具有常规正方形单元室蜂窝体的净压降的不到一半。尽管该实施例仅具有正方形单元室蜂窝体的53％(40％×1.33)的热物质。
实施例2
对具有1cm槽长度和20密耳过滤网厚度且具有与实施例1相似的构型的2英寸单层槽式过滤器进行2D流体流压降计算机模型计算。该模型并不包含受限制的进入和排出部分。这种模型也不包含实施例1中径向渐细的细流体过滤通道，并且模型中的过滤通道的末端是正方形的，而不是圆化的。在该模型中并不包含支持腿。
图13显示该计算机模型的结果。在图13中，用圆形表示的趋势线显示20密耳的壁厚度，而用方形表示的趋势线显示10密耳的壁厚度。这种计算表明可通过将过滤槽的数量从50个增加到120-130个，在2英寸直径过滤器中采用20密耳的网厚度，可使单过滤冠的压降降低至1/2。甚至可以通过将网厚度降低至10密耳并同时在2英寸直径过滤器中将槽的数量增加至超过150-180个来进一步降低压降。
实施例3
通过直接激光金属烧结(一种3D制造方法)来制备具有2密耳网的5.7英寸直径模具。产生具有4个弯曲过滤网冠的挤出、干燥并烧结的钛酸铝颗粒过滤器。使用1500-1800psi下的柱塞式挤出机挤出过滤器。使用微波辐射使挤出物干燥并硬化，然后在120℃的烘箱中空气干燥20小时。使用1427℃的最高温度烧制干燥的颗粒过滤器。过滤器的网厚度为20密耳，并且在外过滤冠上有120个槽，在中外冠上有96个槽，在中内冠上有64个槽，且在内过滤冠上有32个槽。挤出和烧制的部分具有直接与弯曲过滤元件连接的4个支持网和总共6个圆柱形支持网。
整个颗粒过滤器由相同材料制成。在限定不对称长宽单元室的弯曲网冠之间有物理上支持颗粒过滤器的支持网。支持网由与过滤网相同的材料制成。支持网形成弯曲网冠和内部支持物之间的圆柱形结构。
在挤出物中的弯曲网之间有4个支持网。一些这种结构可在烧制后，使用过滤器前经加工或消除。
实施例3的过滤器具有4个弯曲网冠，它们包含一系列1cm的横向网部分，这些横向网部分比横向网部分之间最小1mm的间隙的5倍还要更长。这些横向网部分的交替末端由桥连网部分连接。这些桥连网部分是圆化的，并且直径为1mm。桥连网部分连接到交替横向网部分以形成整体弯曲网。支持腿的长度为2mm，小于横向网部分长度的1/3，并且连接到弯曲元件之间的支持网。2mm的支持腿长度和1mm的横向网部分之间的距离得出了支持腿长度与横向网部分之间距离的比率为2。
实施例3的烧制的颗粒过滤器的长度超过6英寸。
实施例4
通过直接激光金属烧结(一种3D制造方法)来制备具有20密耳网的5.7英寸模具。形成具有4个弯曲过滤网冠的挤出、干燥并烧结的钛酸铝颗粒过滤器。使用2000psi的柱塞式挤出机挤出过滤器。使用微波辐射使挤出物干燥和/或硬化，然后在120℃的烘箱中空气干燥20小时。
使用1427℃作为最高温度来烧制干燥的颗粒过滤器并保持16小时。过滤器的网厚度为20密耳，并且在外冠上有120个槽，在中外冠上有96个槽，在中内冠上有64个槽，且在内冠上有32个槽。挤出和烧结的部分具有直接与弯曲网连接的5个支持网和总共7个圆柱形支持网。
整个颗粒过滤器由相同材料钛酸铝制成。在弯曲网元件的冠之间，存在物理上支持颗粒过滤器的支持网。支持网是与过滤网相同的材料。支持网形成弯曲网冠和内部支持圆柱体之间的圆柱形结构。
在挤出物中有5个这类支持网。一些这种结构可在烧制后，使用过滤器前经加工或消除。
实施例4的过滤器具有4个弯曲网冠，它们包含一系列8mm的横向网部分，这些横向网部分比横向网部分之间最小1mm的距离的5倍还要更长。这些横向网部分的交替末端由桥连网部分连接。这些桥连网部分是圆化的，并且直径为1mm。桥连网部分连接到交替横向网部分的末端以形成整体物理过滤元件。支持腿的长度为2.5mm，小于横向网部分的长度的1/3，并且连接到弯曲元件之间的支持网。2.5mm的支持腿长度和1mm的横向网部分之间的距离得出了支持腿长度与横向网部分之间距离的比率为2.5。
实施例5
对具有限制高度和宽度的排出部分、但具有大的进入部分的槽式过滤元件(例如图14所示)进行3D空气流数字模拟。该模型不包含径向渐细。槽的数量是50个并且通过这些槽的流是10SCFM。具有变化的排出部分高度的数字参数研究有助于鉴定排出部分的优选高度，其提供了最优的压降。具体地，用1cm长度的过滤通道，6英寸长度的过滤器，1mm宽度的过滤通道和20密耳的过滤网厚度，压降损失随着排出部分高度从1mm增加至约2.5mm显著降低。
参考图14，该图显示了在过滤元件左下方的流体进入部分610。流体流表示为趋势线1400，其存在于过滤元件的进入侧上(即，过滤元件的底部)，流过过滤元件的进入侧的流体速度从左到右降低。在过滤元件的进入侧的左侧，流体的速度可以是约2.4m/s。流体的速度随着流体在过滤元件的进入侧从左向右移动(即，随着流体移动离开流体进入部分610)而逐渐降低。在过滤元件的进入侧的右侧，流体的速度接近0m/s。相似地，过滤元件的进入侧的压力从左到右(即，随着流体移动离开流体进入部分610)而降低。过滤元件的进入侧的左侧处的压力可以是约2.5kPa，而过滤元件的进入侧的右侧处的压力可以是约2.0kPa。因此，在图14中，在趋势线1400的聚集度最高处，过滤元件的进入侧的流体压力和速度是最高的，而在趋势线1400的聚集度最低处，过滤元件的进入侧的流体速度和压力是最低的。
仍然参考图14，当流体与多孔弯曲网14接触时，一些流体渗透通过多孔弯曲网14，并通过流体排出部分620从过滤元件中排出。由趋势线1410表示过滤元件的排出侧(即，过滤元件的顶侧)中的流体流。流体的速度和压力在过滤元件的排出侧是相对恒定的。过滤元件的排出侧中的压力可以为约2.5kPa。过滤元件的排出侧中的流体速度可以是约2.4m/s。
图15显示了支持腿长度(SL)与横向网部分之间距离(DBTP)的比率从约1.0增加至约4.0时的影响。在图15中，SL/DBTP是支持腿长度与横向网部分之间距离的比率，用菱形表示的趋势线显示穿过整个过滤元件的压降，用方形表示的趋势线显示穿过多孔弯曲网的压降，用圆形表示的趋势线显示穿过过滤元件的进入侧的压降，而用三角形表示的趋势线显示穿过过滤元件的排出侧的压降。可以看出，当SL/DBTP高于约1.0时，压降最小化。如图15所示，一旦SL/DBTP达到约2.5时，压降并不显著改善。因此，可以认为当SL/DBTP为约1.0至约4.0时，压降被优化。
使用该信息来设计实施例4的模具，支持腿的长度为2.5mm，以最小化进入和排出部分中的压降，同时保留尽可能多的过滤面积。

Claims (20)

1.一种具有其中可通过流体的纵向通道的基材，所述基材包含：
中心纵轴；
第一支持网和第二支持网；以及
位于所述第一支持网和所述第二支持网之间的弯曲网，其中
所述弯曲网包含横向网部分和桥连网部分，
所述桥连网部分交替连接离所述纵轴较近的相邻横向网部分的末端以及离所述纵轴较远的相邻横向网部分的末端，在与所述纵轴垂直的截面中形成弯曲形状，
所述弯曲网通过第一支持腿连接至所述第一支持网，所述第一支持腿在连接离所述纵轴较近的相邻横向网部分的末端的桥连网部分和背向所述纵轴的所述第一支持网的表面之间延伸，
所述弯曲网通过第二支持腿连接所述第二支持网，所述第二支持腿在连接离所述纵轴较远的相邻横向网部分末端的桥连网部分和朝向所述纵轴的所述第二支持网的表面之间延伸，
所述第一支持腿和第二支持腿包含支持腿的长度，并且
所述支持腿的长度与相邻横向网部分之间距离的比率是1.0至4.0。
2.如权利要求1所述的基材，其特征在于，所述支持腿长度与相邻横向网部分之间距离的比率是1.5至3.5。
3.如权利要求1所述的基材，其特征在于，所述弯曲网包含钛酸铝、堇青石、铌酸盐、富铝红柱石、氮化硅、赛隆或碳化硅。
4.如权利要求1-3中任一项所述的基材，其特征在于，所述第一和第二支持网和所述弯曲网由相同材料制成。
5.如权利要求1-3中任一项所述的基材，其特征在于，所述第一和第二支持网和所述弯曲网由不同材料制成。
6.如权利要求1所述的基材，其特征在于，所述桥连网部分是弯曲的。
7.如权利要求1-3中任一项所述的基材，其特征在于，所述基材还包含第三支持网和在所述第二支持网与所述第三支持网之间的第二弯曲网，其中
所述第二弯曲网包含横向网部分和桥连网部分，
所述第二弯曲网的桥连网部分交替连接离所述纵轴较近的所述第二弯曲网的相邻横向网部分的末端以及离所述纵轴较远的所述第二弯曲网的相邻横向网部分的末端，在与所述纵轴垂直的截面中形成弯曲形状，
所述第二弯曲网通过第三支持腿连接至所述第二支持网，所述第三支持腿在连接离所述纵轴较近的横向网部分的相邻末端的桥连网部分和背对所述纵轴的所述第二支持网的表面之间延伸，
所述第二弯曲网通过第四支持腿连接至所述第三支持网，所述第四支持腿在连接离所述纵轴较远的横向网部分的相邻末端的桥连网部分和朝向所述纵轴的所述第三支持网的表面之间延伸。
8.如权利要求7所述的基材，其特征在于，所述弯曲网和所述第二弯曲网是同心的。
9.如权利要求8所述的基材，其特征在于，所述第一支持网、第二支持网和第三支持网是同心的。
10.如权利要求9所述的基材，其特征在于，所述基材的直径大于3英寸。
11.如权利要求7所述的基材，其特征在于，所述弯曲网的桥连网部分与所述第二弯曲网的桥连网部分对齐。
12.如权利要求7所述的基材，其特征在于，所述弯曲网的桥连网部分相对于所述第二弯曲网的桥连网部分偏移。
13.如权利要求1所述的基材，其特征在于，所述横向网部分的长度至少是所述桥连网部分的长度的3倍。
14.如权利要求1所述的基材，其特征在于，所述支持腿的长度短于所述横向网部分的长度。
15.如权利要求1所述的基材，其特征在于
由流体进入部分和第一流体过滤器部分形成的第一流体通道，
由流体排出部分和第二流体过滤器部分形成的第二流体通道，
流体进入部分包含在所述弯曲网的第一侧上的第一支持腿之间的区域，并且流体排出部分包含在所述弯曲网的第二侧上的第二支持腿之间的区域，
所述第一流体过滤器部分包含位于所述弯曲网的第一侧上的相邻横向网部分之间的区域，并且与所述流体进入部分流体连通，并且
所述第二流体过滤器部分包含位于所述弯曲网的第二侧上的相邻横向网部分之间的区域，并且与所述流体排出部分流体连通。
16.如权利要求15所述的基材，其特征在于，所述流体进入部分的宽度或所述流体排出部分的宽度大于相邻横向网部分之间的距离。
17.如权利要求16所述的基材，其特征在于，所述流体进入部分的宽度或所述流体排出部分的宽度大于相邻横向网部分之间距离的1.5倍。
18.如权利要求15所述的基材，其特征在于，所述基材的通道密度至少为22条流体通道/平方英寸。
19.如权利要求15所述的基材，其特征在于，通过封堵所述第一流体通道或者通过封堵所述第二流体通道来形成所述过滤器。
20.如权利要求19所述的基材，其特征在于，所述基材的过滤表面积大于10平方英寸/立方英寸。
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