CN1323824C - 选择性堵塞蜂窝结构体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种堵塞蜂窝结构体(10)中所选孔道组的方法，所述蜂窝结构体具有许多相邻孔道，孔道具有开口端(21，22)，在两个相对端面(12，13)之间的整个结构体(10)中延伸。所述方法包括下列步骤：a.将粉末填塞材料装入在该蜂窝结构体的一个端面的孔道开口端(21)，此粉末堵塞材料通过整个孔道长度，在孔道的另一端部沉积；b.粉末填塞材料在孔道中在蜂窝结构体(10)一个端面(13)的位置被压实；c.扫描蜂窝结构体(10)的一个端面(13)，定位出要堵塞的孔道组；d.响应于扫描步骤产生第一信号，指出所选的孔道组的位置；e.响应于第一信号产生第二信号，用来为激光器(43)定位于所选组的孔道；f.激光器(43)定位于所选组孔道时，激光产生的能量使压实的堵塞材料(32)粘结于周围的孔道壁(14)，形成堵塞体；g.从除了已被堵塞的所选组孔道外的所有孔道除去剩余的压实堵塞材料(31)。

Description

选择性堵塞蜂窝结构体的方法
发明领域
本发明涉及一种选择性堵塞的蜂窝结构体，具体涉及对蜂窝结构体的孔道进行选择性堵塞的方法和装置，堵塞了的蜂窝结构体供制造过滤体之用。
发明背景
具有横向截面上孔道密度在10和300孔道/平方英寸(约1.5到46.5孔道/平方厘米)之间，更典型在约100和200孔道/平方英寸(约15.5到31孔道/平方厘米)之间，壁厚在0.010和0.030英寸(约0.25到0.76毫米)之间，特别是那些由陶瓷材料制成的蜂窝结构体被用作固体颗粒过滤体，此时需要在其一端或两端选择性封闭或堵塞该结构体的孔道。
众所周知的是，固体颗粒过滤体，比如柴油机用颗粒过滤器，可以由一种延伸穿过并介于其两个相对端面之间的交叉多孔薄壁基质形成，所形成的大量相邻中空通道即孔道也在其间延伸，并开口于该结构体的两个端面上。要形成一个过滤体，每个孔道的一个末端应该是封闭的，第一部分孔道在一个端面上被封闭，其余孔道在该结构体的另一相对端面上被封闭。任何一个端面都可以被用作所得过滤器的进入面。在压力作用下污染流体到达进入面并通过那些在进入面上具有开口端的孔道进入过滤体内。因为这些孔道在该过滤体的出口端面上被封闭，所以该污染流体被压过孔道的多孔薄壁进入在过滤体进入面被封闭而在其出口面开口的相邻孔道中。流体中因为太大而无法通过壁中孔隙的固体颗粒污染物被留下，而净化流体通过出口孔道离开过滤体，以备使用。
目前是用泡沫胶泥封闭或堵塞选定的孔道，如美国专利4297140，4239357和4559193中所述。将陶瓷原料和水相粘合剂比如甲基纤维素、增塑剂和水混合成一种糊状物，形成胶泥。使用这种泡沫胶泥时，用柔软掩模覆盖该蜂窝结构体的两端，胶泥通过掩模上的开口被压入蜂窝体孔道的末端。使用这种填充或堵塞材料会产生很多缺点。每次使用之后，该掩模必须加以清洁并干燥。不干净的掩模会导致堵塞遗漏，需要进行额外的手工操作。该胶泥配料是时间，剪切和温度依赖的；经常因为老化限制而无法使用丢弃掉；而且必须经过干燥以除去所含的水。
发明概述
本发明提供的方法克服了现有堵塞方法的缺点。该方法是用粉末堵塞材料来堵塞陶瓷蜂窝结构体孔道中选定的子孔道，所述蜂窝结构体具有许多相邻的孔道，这些孔道的开口端在两个相对端面上，并延伸通过此结构体。本发明说明书中所用的“粉末状堵塞材料”是指一种由颗粒形成的材料。这种堵塞材料不同于现有技术中潮湿糊状的胶泥堵塞材料。虽然任何适用于形成堵塞物的粉末状堵塞材料都可以用于本发明，但是优选材料包括M.Fabian，S.Lakhwani，和M.Roberts在待审专利申请“用于形成过滤器堵塞物的粒子密封剂”中所述和要求专利保护的粒子密封剂。
实际上，粉末状堵塞材料通过在蜂窝结构体一个端面上所有孔道的开口端部分装入，并通过该结构体装入孔道相对的另一端。然后，用适当的压实手段，例如震荡，离心，人工压实等将粉末状堵塞材料压实。使用光学成像分析仪包括照相机，扫描并确定需要堵塞的孔道的选定组。产生的第一组信号指示所选的一组孔道的位置，该信号输入到微处理器。然后，微处理器产生第二信号，针对所选的一组孔道定位激光器，从而，激光系统施加激光能量于粉末堵塞材料，形成堵塞物。施加激光能量时，粉末堵塞材料被充分加热成能够流动，粘附到孔壁上。冷却该材料使之再固化，在所选的孔道端部形成了堵塞体。未暴露于激光的剩余的堵塞材料容易不被压实，并能容易地从蜂窝结构体中除去。将这样堵塞的蜂窝结构体进行焙烧，以烧结堵塞体，形成要求的最终结构体。
第一实施方案中，固体颗粒过滤体的制造方法是，在蜂窝结构体第一组孔道中，在一个端面位置形成堵塞体，从端部除去在其余的第二组孔道中的未被压实的堵塞材料；再使用堵塞材料，在第二组孔道的另一端部形成堵塞体。产生的蜂窝结构体的所有孔道仅有一端，较好以交替方格图案的形式被堵塞。
第二实施方案中，固体颗粒过滤体的形成方法是，在蜂窝结构体所选的第一组孔道中，在一个端面位置形成堵塞体；除去在其余第二组孔道中的堵塞材料；在堵塞的端面，通过第二组孔道的开口端加入新的堵塞材料；使堵塞材料通过第二组孔道到另一端部，进行压实和辐照激光能量，形成粘着的堵塞体。产生的蜂窝结构体的所有孔道仅有一端，较好以交替方格图案的形式被堵塞。
附图简述
通过附图能更清楚地理解本发明的各个方面，其中：
图1是本发明方法制造固体颗粒过滤体中采用的蜂窝结构体示例图；
图2a-d说明本发明方法一个实施方案的步骤；
图3是本发明方法制造的固体颗粒过滤体的透视图；
图4是显示流体通过固体颗粒过滤体的剖面图。
发明详述
本发明一个重要用途是制造固体粒子过滤器，比如用于柴油机废气过滤的过滤器
所有的图显示了在制造本发明过滤体中采用的示例性蜂窝结构体10。如图1所示，结构体10包括许多中空的通道即孔道，它们以基本上相互平行的方式延伸通过在两个相对的圆形端面12和13之间的结构体。端面12和13通常基本上垂直于由壁14形成的孔道11的中轴。对制造固体颗粒过滤体，壁14是多孔的，且彼此相交形成端面12和13之间的连续基质。壁14较好是薄而均匀的，尽管不均匀厚度的壁也可以使用，但效率低。在端面12和13之间的孔道周围有略为较厚的外覆盖层或皮层15，通常是由和孔道薄壁相同的材料形成。尽管绘出的孔道横截面基本上是方形，但是也可以用其他形状例如圆形，椭圆形，三角形来代替。
用于颗粒过滤体和其他用途的蜂窝结构体可以用各种材料，包括陶瓷、玻璃-陶瓷、玻璃、金属，并根据选择的材料采用各种方法来制造。具有固体颗粒过滤用途所必需的均匀薄的多孔和交叉孔壁的蜂窝结构体最好是由能可塑性成形，能烧结的细颗粒物质制造，在烧结后会得到多孔的烧结材料。适用的材料包括金属、陶瓷、玻璃陶土和其他基于陶瓷的混合物。由挤出的堇青石材料制成陶瓷蜂窝体的一种方法详见于共同转让的待审专利申请(牢固堇青石的用途)，其中给出适用的组合物。
下面参见图2a-d，图示了实施本发明形成过滤体的方法的步骤。是图1的放大局部剖面图。该方法开始是将粉末状填塞材料20通过蜂窝结构体10的一个端面位置上的孔道11的开端部分加入，为了说明目的，将端面12设定为第一端面。如图2a所示，粉末状填塞材料20是干而疏松的粉末，它从装入的开端部分21通过孔道11到达相对的另一端部分22。
本发明的粉末堵塞材料包括和本申请同时提交的专利申请，M.Fabian，S.Lakhwani和M.Roberts的标题为“用于形成过滤体堵塞的颗粒密封剂”中所述并要求专利保护的颗粒密封剂，该申请在此全文参考结合之。所揭示的颗粒密封剂的配料基本上由约70-90重量％的陶瓷混合物以及10-30重量％包含选自高分子量热塑性聚合物和热固性树脂的聚合物的非水性粘合剂组成，选择该陶瓷混合物的陶瓷原料，形成基本上下列组成的组合物：约12-16重量％的MgO，约33-38重量％的Al2O3和约49-54重量％的SiO2，该陶瓷混合物经烧制会形成堇青石(2MgO.2Al2O3.5SiO2)。本发明优选使用的颗粒状密封剂基本上由约78-84重量％陶瓷混合物和约16-28重量％的非水粘合剂组成，选择该陶瓷混合物的陶瓷原料，能形成基本上下列组成的组合物：12-16重量％MgO，33-38重量％Al2O3和49-54重量％SiO2，经烧制可形成堇青石(2MgO.2Al2O3.5SiO2)，所述粘合剂基本上由约9.5-15.0％低熔点蜡、约5％三嵌段的苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯的热塑性共聚物和2％分散剂组成，所述低熔点蜡选自脂肪醇、脂肪酸、脂肪二醇和脂肪甘油酯蜡。
在蜂窝结构体的孔道中装入粉末填塞材料，堵塞的深度在0.04英寸(1毫米)到0.6英寸(15.5毫米)之间，较好在0.3英寸(7.5毫米)到0.5英寸(12.7毫米)之间。如何将粉末状填塞材料装入蜂窝结构体对本发明并不重要，可以采取任何方式，例如筛分，倾倒和注入等方法。装入过程可以设想是自动化的，例如使用合适的压缩空气枪，其喷嘴可位于端面上适当的孔开口位置，以便将粉末堵塞材料注入孔道。
下一步骤是在选定的孔道内形成堵塞体。形成堵塞体过程中，通过任何合适的压实方式，包括用手压实或机械压实、振动或离心压实。在图2a中，为说明目的，显示了机械挤实。一支长棒状部件30插入孔道11中，轻叩并压制粉末堵塞材料成为31所示的块。压实的堵塞材料块有效地封住了整个端面13。挤实后，堵塞材料结合在一起，能够阻止向相对的孔道端部分流动。棒状部件的表面积最好与各孔道表面积相同，以取得好的压实效果。堵塞材料的压实确保了高致密坯体以及烧结后堵塞体能结合于孔道的四壁。
本发明中，通过形成堵塞体，在靠近蜂窝结构体10端面13的孔道端部分22，仅是蜂窝结构体10的所选孔道被封堵。图2c所示是形成堵塞体工具示意图，包括图像分析仪40和激光器43。激光器43根据图像分析仪40产生的信号进行操作，图像分析仪40包括扫描装置41如电视摄像机或其他光学装置，处理器42如个人电脑。选择市售的激光器以供使用，例如sommerset，WI的Laser Machining，Inc.所提供的。用摄像机41对在其孔道端部有挤压堵塞材料的端面13进行扫描，用以确定将要形成堵塞体的预选孔道的位置。响应于该扫描步骤，由摄像机41产生第一组信号，表示出确定的位置。然后，第一组信号传入处理器42，响应于这些信号并根据其内置的程序，产生第二组信号，用来定位激光器43并控制其操作。激光器43将单束44或多束(未显示)激光对准选择的孔道，激光产生的能量充分加热压料的堵塞材料，使之成为可流动并熔合于周围的孔壁。为说明目的，激光束44交替对准孔道11，但是，可以提供其他图形。经激光操作后，堵塞材料冷却并再固化，形成粘结的堵塞体32。对本领域技术人员，能容易地操作激光器。
接下来，使未经激光辐照的压实的堵塞材料松动并且从孔道末端除去。参见图2d，再次用棒状部件30，将在交替孔道11的孔道端部22的压实材料捣松。堵塞材料就很容易分离并流动通过孔道长度至邻近于端面12的相对孔道端部21。此时，堵塞材料或可从蜂窝结构体除去，或再用来在孔端部分21再形成堵塞体，如前所述。如果堵塞材料从蜂窝结构体中除去，并且第二组孔道集需要堵塞的话，可使用新一批粉末堵塞材料。
制造颗粒过滤器时，通过首先在第一组孔道中形成堵塞体，第一组孔道在一个端面上保持被堵塞，随后，在第二组孔道的另一端面形成堵塞体。在一较好实施方案中，在一个端面堵塞第一组孔道后，堵塞的孔道产生的图案起“掩模”作用，在蜂窝结构相对的端面上在第二组孔道中形成堵塞体。较好的，以两个端面上呈相反的格子图形堵塞孔道。要形成最终的堵塞体结构体，密封或堵塞了的蜂窝体在约1350-1450℃烧制或烧结足够的时间，形成堇青石，如美国专利5258150所揭示的。
按照本发明方法制造的固体颗粒过滤体的类型示于图3和图4。图3所示是蜂窝结构体10，包含许多端部堵塞的平行孔道11，这些孔道从第一端面或进口端面12穿过该过滤体至相对的第二端面或出口端面13。图4显示了液体流过此过滤体的情况。用有箭头的流线表示流体的流动。例如，流体40从第一端面12流动进入开口孔道，但是由于堵塞体32在端面13的阻碍作用，在一定压力下，流体穿过在孔道壁14中的孔隙，到达相邻管道的顶部，底部和侧壁。当流体50完全穿过所有孔道壁14的时候，孔道壁上的孔隙尺寸应能限制颗粒留在其中或留在其上。然后，流体40在出口端面13从开口孔道流出。
本发明的一个优点在于，制造固体颗粒过滤体时堵塞或封闭蜂窝结构体孔道的时间很短，即省去了使用掩模。其他的优点包括能自动视象扫描和绘制蜂窝结构体图，以适应于孔道壁的不均匀性和缺陷；激光系统的程序能很容易地改变以适应不同的堵塞体的分布图案；并且能更容易堵塞孔道密度高的蜂窝结构体。
根据以上描述，本领域技术人员能容易地理解本发明的基本特征，并且在不偏离本发明精神和范围下，进行各种变化和修改，以适应不同用途和条件。

Claims (5)

1.一种堵塞蜂窝结构体中所选孔道组的方法，所述蜂窝结构体具有许多相邻孔道，孔道在两端开口，并在两个相对端面间的整个结构体中延伸，所述方法包括下列步骤：
a.将粉末填塞材料装入在该蜂窝结构体的一个端面的孔道开口端，粉末堵塞材料通过孔道整个长度，在孔道的另一端部沉积；
b.粉末填塞材料在孔道中在与装填粉末堵塞材料的端面相背的端面位置被压实；
c.扫描在孔道端面的孔道端部中的粉末堵塞材料，定出粉末堵塞材料的位置；
d.响应于扫描步骤产生第一信号，指出所选孔道组的位置；
e.响应于第一信号产生第二信号，用来为激光器定位于所选组的孔道；
f.激光器定位于所选组孔道时，激光产生的能量使压实的堵塞材料粘结于周围的孔道壁，在所选孔道形成堵塞体；
g.从除了已被堵塞的所选组孔道外的所有孔道除去剩余的压实堵塞材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括堵塞第二组孔道。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，两组孔道以格子图案分布的形式被堵塞，在两个端面的这两个图案相反。
4.一种制造固体颗粒过滤体的方法，该方法包括：
a.提供具有许多相邻孔道的蜂窝结构体，所述孔道以平行方式延伸在两个相对的端面之间，由交叉的多孔薄壁基质形成，薄壁延伸贯穿在相对的第一和第二端面之间；孔道在蜂窝结构体的两个端面上都有开口；
b.从第一端面上第一组孔道的各孔道的一个端部使粉末填塞材料通过蜂窝结构体至蜂窝结构体第二端面上这些孔道的另一端部；
c.压实在蜂窝结构体第二端面孔道中的粉末填塞材料；
d.扫描蜂窝结构体的第二端面，定位出第一组孔道；
e.响应于扫描步骤产生第一信号，表示第一组孔道的位置；
f.响应于第一信号产生第二信号，使激光器定位于第一组孔道；
g.激光器定位于第一组孔道时，从而激光体系施加能量，在第一组孔道中形成堵塞体；
h.从除堵塞的孔道外的所有孔道除去残留的压实堵塞材料，此时除堵塞的孔道以外的所有孔道形成第二组孔道；
f.在第一端面在第二组孔道中提供堵塞体。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在第二组孔道提供堵塞体的步骤包括：将从第一组孔道除去的堵塞材料再使用，在第二组孔道中形成堵塞体。
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