CN1411393A - 供流体混合用的螺旋形切割的蜂窝本体 - Google Patents
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Abstract
一蜂窝件(10)具有从一端面延伸至第二端面的纵向沟槽(20)。通过切割出一螺旋形缝槽(50)而去掉一部分蜂窝，缝槽在深度方向上从蜂窝的外表面(15)延伸通过大部分沟槽，而在长度方向上沿着蜂窝沟槽轴(60)、从第一端面处或附近开始向第二端面延伸。螺旋形缝槽(50)穿过环绕蜂窝轴的最少一个旋转。蜂窝件(10)可用于许多场合，包括从一端面进入的、或以逆流方式从两个端面进入的一种或多种工作流的热交换、热混合、物理混合、化学剥离和化学反应。
Description
技术领域
本发明涉及蜂窝件，特别涉及提供一种或几种工作流的混合的蜂窝件，工作流的混合是通过使用开槽的区域以分割各沟槽并作为混合场所而在蜂窝的各沟槽之间形成的，从而进行热平衡、物理混合、或使各种工作流起化学反应。
背景技术
蜂窝件在专利文献中有很好的说明。它们能够用于许多非常有用的地方，包括它们化学的、物理化学的、物理的、以及机械的性能。它们包括不同的用途，诸如净化、过滤、化学反应容器、光子能带间隙结构、显微透镜阵列、高温绝缘材料和均衡的轻型结构支承。已经发现，用作内燃机操作的汽车的催化转化器的零件特别有用。
由于它们的结构，蜂窝件除了低的压降还具有大的表面积。这种结合可有效地用于某些场合，特别是与使用填充层柱体的场合相比。在这种情况下，蜂窝件在工作中不可以仅仅是一种惰性物质，还可是一个动态参与者，或者通过使用其沟槽壁的化学成分与工作流起反应，或者能够从工作流里吸附特定的材料。这些特性可通过温度控制、或通过使用诸如玻璃、陶瓷、金属或石墨等特定的成分、或通过调整沟槽表面和壁的多孔性进行改进。其它的改进可通过用起反应的、接触催化的或吸附的材料涂覆蜂窝沟槽的表面获得。大量的设计的灵活性和相当简单的制造已经用于蜂窝结构，这在诸如流体分离和催化转化器之类的不同领域里是非常普通的。
尽管蜂窝件具有许多优点和用途，但这些结构仍具有不利于某些用途的特性。其中一个特性是，互不相同的沟槽(即使具有良好的多孔性)不能在相邻的沟槽里的工作流之间提供良好的混合。针对该专利的目的，工作流被限定为诸如气体或液体的原料流体，而与该原料流体的化学或物理变化则是所需要的。蜂窝的这种隔离的沟槽流动在某些用途里、诸如在等温环境下处理单一工作流不是缺点。然而，在另一种情况下，缺少热或物理混合可能导致所需的处理的无效或(在最坏的情况下)完全失败。
对良好混合和热平衡的需要导致了涉及蜂窝结构的设计，以便允许在沟槽之间互相混合。这种结构总是复杂的，而在制造时相应地较困难。为了通过挤压制造这种结构，通常需要可移动的模具。打扫可移动的模具设备和维持连续操作(即没有停工期)是非常困难的。这种混合用的蜂窝件和制造这种蜂窝件的工艺的例子可见下述文件：授予Luder等人的美国专利第5,032,156号，授予Stringaro等人的美国专利第5,240,663号，授予Levee的美国专利第5,928,521号，授予St.Julien的美国专利第5,525,291号，以及授予Toyao等人的欧洲专利申请EP O,705,962A。
因此，存在着提供一种经济实惠的结构的需要，该结构允许各种工作流容易地化学和/或热混合。另一种需要是提供一种结构，它允许通过逆流使工作流良好地混合和亲密接触。还有一个需要是，研制一种用来混合的、或用作活性催化剂、吸附器等的基体的结构，它将提供处理大量流体而不经受大的压降的能力，同时还容易制造。
发明内容
按照本发明，已研制了一种蜂窝件，它有利于在各沟槽之间的工作流的混合，但仍基本上保持需要高的质量传递效率的化学处理应用所需要的分区流动特性和高的表面积与体积之比。此外，该蜂窝件还可利用传统的蜂窝设计制造，如从蜂窝件制造的观点出发。
然后，在一个方面，本发明包括一蜂窝件，它包括从蜂窝件的一端面延伸至另一端面的许多纵向沟槽，该蜂窝件具有通过从蜂窝件侧面切割至少一条螺旋形缝槽而被切割掉的一部分。该螺旋形缝槽在深度方向上沿大致横向对着假想轴的取向的方向、从蜂窝件外周延伸至蜂窝里，而该假想轴与两端面的中心连接。通常，缝槽具有足以环绕蜂窝件至少一次的长度，并具有足以与构成蜂窝的沟槽的大部分(50％或以上)、在沿着沟槽的长度上的一个或多个点处相交的深度。它们可在与蜂窝件端面隔开的点处开始，或可从蜂窝件的第一端面连续延伸至第二端面，并可在它们的全部路径上一次或多次环绕蜂窝件。
这里所述的蜂窝件可在大量的应用中使用，这些应用包括从一个端面或以逆流方式从两个端面进入的一种或多种工作流的热交换、热混合、物理混合、化学剥离和化学反应。因此，在第二方面，本发明包括处理在上述大量应用中的任何一种应用中的工作流的方法。
总之，本发明的方法包括，首先引导工作流进入一蜂窝本体，该蜂窝本体包括第一端面、第二端面和许多端部敞开的沟槽，这些沟槽由设置在第一端面和第二端面之间的并连接第一端面和第二端面的共用的沟槽壁形成的。如上所述，该本体包括至少一条环绕的螺旋缝槽间断，该缝槽向内延伸通过沟槽壁，朝向与第一和第二端面的中心连接的轴。该缝槽间断的深度足以与存在于本体里的至少大部分沟槽相交。
被导入本体的第一端面的工作流首先通向和经过与螺旋形缝槽间断相交的第一部分沟槽。在这些沟槽部分里，诸如吸附、催化反应、和/或其它物理或化学反应的加工将开始。
然后，工作流被释放进入螺旋形缝槽间断，在那里允许发生混合。此外，这种混合可用来使工作流热平衡或化学平衡，或仅仅获得较好的物理混合。
一旦在螺旋形缝槽间断里的平衡、混合等进行至一较大或较小的程度，工作流重新进入和通过与缝槽相交的第二部分沟槽，以便进一步与沟槽壁互相作用。这个过程当然可沿着蜂窝的长度、根据提供的缝槽相交数量而重复一次或多次，直至工作流以加工的形式从蜂窝的第二端面排出。
附图的简要说明
通过下面结合附图的详细描述可进一步理解本发明，其中：
图1是实施本发明的蜂窝结构的立体图；
图2是图1中的结构沿其剖面线2-2的剖视图；以及
图3是互相紧靠的蜂窝元件的剖视图，这些蜂窝元件构成按照本发明的大开口前面区域的流动结构。
具体实施方式
按照本发明提供的蜂窝结构实质上可是任何尺寸和形状，但通常是具有封闭的圆柱体或多边形形状的规则固体，以及相应的(例如，椭圆形、圆形、正方形、六边形等)横截面。附图中的图1显示了一具有一般圆形横截面的挤压出来的单块蜂窝结构10，它由许多沟槽或蜂房20组合而成，而这些蜂房20具有与结构的中心纵向轴线60对齐的基本平行的蜂房轴。蜂房20从结构10的一端70延伸至另一端80。
提供的结构可包括一光滑的外套或壁，或者也可包括通过其它手段包裹的暴露的沟槽壁结构。图1中的结构10的外周15包括一光滑的整体壁40，它环绕着结构10，且通常包括与制造蜂房20的壁30同样的材料。环绕着外周以螺旋形延伸的是缝槽50，它横向切入蜂窝结构10的本体。这样，内部沟槽20被切割出一预定的距离，从而被缝槽50分割。
诸如图1中的缝槽50的缝槽的螺旋形特性给本发明的制品提供了一种混合作用，这种混合作用完全不同于在传统的、包括成堆的、互相间隔的、横切的蜂窝材料形成的蜂窝结构里可获得的工作流的相互作用。这起因于横向对着沟槽取向的非常高的工作流流速，而这种工作流流速是由螺旋形缝槽的倾斜取向提供的。
图2显示了图1中的单块蜂窝结构10的横截面。在图2中，沟槽20的一段用标号20a表示，而标号20a′表示同一沟槽20的第二段。如果需要，未切割的沟槽20b可保持在本体里。如所示的，它们比相交的沟槽更靠近中心轴60和更远离外壁40。
缝槽50里的区域对于所有的分段的沟槽20a-20a′来说基本上是共用区。在这个区域里，来自特定的分段的沟槽20a的工作流(未画出)可与来自另一分段的沟槽20aa的工作流混合。在接触和混合后，混合的工作流可被分割和被改道进入在缝槽50另一侧的其它分段的沟槽20a′。然后，刚形成的工作流继续它们各自的路径，以柱状流动方式通过沟槽段20a和20a′，直至它们到达下一个缝槽，在那里可再一次发生混合。在图2所示的蜂窝结构10里的缝槽50的深度可任意选择，而不是用来限制本发明的范围。
在图2中还显示了一可任意选择的外壳100，外壳100里可安装蜂窝结构10。在图2所示的蜂窝件10和外壳100的内壁110之间提供的紧密接触是一种有用的选择，它确保没有工作流可通过脱离缝槽50而绕过沟槽结构进入在沟槽结构和内壁110之间的环形间隙。
如上所述，本发明的蜂窝件10可具有圆形的、椭圆形的、或规则的和不规则的多边形的横截面形状。在需要广阔的开口蜂窝前面的情况下，选择将允许单块蜂窝件10密集的蜂窝横截面可能是有用的。正方形、三角形和六角形是能够提供密集的、由许多混合缝槽或沟槽组成的蜂窝件的横截面的例子。附图中的图3显示了一组六角形横截面的蜂窝件，以便提供这种类型的密集结构。
可用于成组的蜂窝阵列的一种选择是使各蜂窝元件里的沟槽排列成行，从而可获得在成组的结构里的内部混合的控制水平。即，如果各蜂窝合并一个或多个沟槽，各蜂窝的侧面被设计成与相邻的蜂窝的侧面紧密配合，那么可提供在蜂窝里的工作流的互相混合。此外，在蜂窝之间的工作流互相混合的量可通过控制各蜂窝里的螺旋形缝槽相对相邻的蜂窝的螺旋形缝槽敞开的程度进行控制。
再参看图3，各蜂窝元件10可合并一个或多个沿着箭头50a的方向环绕着它的外周的螺旋形缝槽。通过元件10的适当对齐和/或其中包含多个缝槽50a，至少一些互相混合可横跨成组的蜂窝的一个或多个面上发生。
在诸如图3所示的成组的蜂窝里互相混合的量可通过控制在所有的或选择的蜂窝元件里的缝槽的宽度或它们的有选择的面来控制。其它的控制互相混合的方法包括控制螺旋形缝槽的间距和相位，以实现缝槽之中的控制匹配，使用各蜂窝元件的多个各蜂窝元件上的多个螺旋形缝槽，以及使用在不同的元件上的右旋和左旋的缝槽的组合，以控制在蜂窝元件界面上的互相混合的紊流的水平。
蜂窝基体可用不同的材料制造，这些材料包括陶瓷、塑料、玻璃或金属。根据牵涉的最终用途，这些成分中的一个或另一个将是较佳的。
对于某些用途来说，蜂窝的成分与工作流不发生化学反应将是需要的。对于另一些用途来说，可提供实现吸附、催化反应或与工作流成分互相作用的有效表面。其它的可加以考虑的设计因素是脆度、热稳定性、尺寸稳定性、透明度、沟槽的多孔性、以及粘附催化剂的能力。
当蜂窝件包括陶瓷材料时，有用的陶瓷包括大量的氧化物、碳化物、氮化物、或具有适合于最终用途的物理或化学性能的传统的或新颖的成分的其它陶瓷材料。具有制造蜂窝结构的已知效用的陶瓷材料的特定例子包括堇青石、γ氧化铝和多铝红柱石。当蜂窝件包括玻璃材料时，诸如熔融石英、硼硅酸盐、铝矽酸盐、铝硼矽酸盐的玻璃或具有适当热和化学稳定性的其它玻璃通常会被选择。
针对特定的用途也可使用金属蜂窝，在这种情况下，可使用包括铜、锌、镍、铝、钢、银、金、铂的大量金属中的任何一种和其它商业上重要的合金、诸如耐盐酸镍基合金。同样地，也可使用由树脂或塑料形成的蜂窝，诸如高密度均聚物和共聚物的聚乙烯(例如，超高分子吸引力聚乙烯)的聚合体、诸如特氟纶聚合物的不起化学反应的碳氟聚合物、诸如酚醛(酚醛塑料)的高温塑料等可用来制造蜂窝。
如上所述，蜂窝10可用任何已知的方法制造，但通常的挤压是一种较佳的工艺。可用来说明本发明的观点的有用的制造方法和蜂窝基体可见授予Hollenbach的美国专利第3112184号、授予Bagley的美国专利第3790654号和授予Lachman等人的美国专利第3885977号，它们整体上在这里被参考引用。这些单块结构可利用上述专利所述的已知的方法挤压，以便用单一步骤形成单块蜂窝。
如果使用玻璃或陶瓷材料，被挤压的生料可能需要烧结。在使用玻璃的情况下，最后的玻璃材料可被回火，以便产生具有小横截面沟槽的较狭窄的蜂窝件。
本发明不限于具有环绕着许多沟槽的整体外周壁、外壳或外皮的蜂窝件。任何已在其中设置具有圆周沟槽的蜂窝的外壳可用来限制由外围沟槽结构携带的、通过在这些外围沟槽里的路径的流体。
沟槽横截面形状和尺寸可在本发明的范围内显著变化。每平方英寸在20和900个蜂房之间的典型数值是有用的。各沟槽20的横截面的形状不随蜂窝件10的效用而变化。通常，使用有规则的多边形，其中正方形、矩形、三角形、六角形是最常用的。
在本发明的范围内，沟槽20可是笔直的或弯曲的，沟槽互相之间可有规则地或无规则地取向，沟槽壁厚可固定或不固定，可使用沟槽横截面形状的混合体。例如，美国专利第5633066介绍了一种有用的开始结构，其中，沟槽本身沿着螺旋形路径通过蜂窝。在约0.001至0.020英寸范围内的沟槽壁厚度通常在通过挤压产生的陶瓷蜂窝的开始结构里看到。
缝槽可用任何机械的或非接触的方法在选定的蜂窝的开始结构里切割。回到图1，通过支承蜂窝10并环绕它的主轴60转动、以及转动蜂窝、同时与横向对着其长度的钻头或研磨杆接触，可使用研磨工艺来制造缝槽50。在这种工艺里，切割元件首先被设置成与蜂窝10的外周边缘15接触，并允许穿透至规定深度。然后，切割器沿蜂窝10的主轴60以固定速度移动，同时蜂窝以一固定速度转动，从而限定螺旋缝槽50的间距。
缝槽在生坯(未燃烧)状态时最容易被切割进入粉末形成的陶瓷蜂窝里，但也可在燃烧蜂窝以除去粘结剂成分和烧结或反应烧结粉末成分至最终的密度和强度后形成。后一种方法的优点是，在燃烧过程中，缝槽的扭曲可避免。
通过在蜂窝里进行割缝加工形成的缝槽50通常将垂直于蜂窝的主轴60，但远离垂线的转动对有些目的可能是有用的。切割缝槽50的非接触方法包括使用大功率激光器和液体喷射切割器，后者对于生坯蜂窝最有用。
缝槽50的厚度t限定了在沟槽段工作流之间的混合区域的参数之一。最理想的厚度取决于工作流，但从1/16″至1/2″范围内的值适用于大多数用途。
参看图2，如果蜂窝件10是圆柱形，而径向向内延伸的、约横跨30％的圆柱体半径的深度d的横向切割将与蜂窝10内的50％的沟槽20相交。同样地，50％径向距离的横向切割将切断75％的沟槽20。
而100％或更多的径向距离的横向切割将切断所有的沟槽20。虽然这种切割略微降低了蜂窝10承受纵向和径向力的结构完整性，但通过安装支承金属构件提供的中心或外周支承结构可给由此形成的结构提供任何必须的强度和硬度。在任何情况下，为了在单一的开槽结构里进行最好的混合操作，较佳的是缝槽横跨75-95％的蜂房。根据需要，其余的蜂房可以堵塞或不堵塞，这取决于针对特定的用途、工作流通过其余的未被切断的沟槽是否可接受。
虽然本发明可使用不连续的缝槽，但从容易制造和混合效率这两方面而言，较佳的是缝槽50基本上不间断地从一个端面70延伸至另一端面80。
在任何情况下，将容易地从上面描述中看到，对于任何单个蜂窝设计，螺旋形缝槽的深度、宽度、间距和数量可相对于特定的蜂窝设计参数、诸如蜂房密度、尺寸、形状和壁厚改变，以获得沟槽里的流动和螺旋形混合之间的精确平衡，这对于支持特定的反应或所需要的其它的处理条件可能是需要的。这是特别有用的，因为牵涉的工作流处理可能随要实现的工作流的化学变化而改变，例如，清除污染物，诸如酸基中和、离子交换、氧化还原作用等的化学反应，以及诸如热平衡、相变的物理变化，以及复杂混合/化学平衡处理。
使用按照本发明提供的蜂窝件将允许采用大量的不同加工选项，而不需要使用其它的处理介质。在这个最简单的实施例里，处理仅包括将工作流在端面70处引入蜂窝件10，和在经受所需的化学或物理处理后在另一端面80处退出。此外，两种工作流可通过同一端面70、但借助不同的沟槽20进入蜂窝10，这样，工作流开始是互相隔绝的。然后，工作流按照需要、以可能基本均一和平衡的状态从另一端面80退出。
在又一种处理变型中，一种工作流通过在第一端面70处敞开的蜂房进入蜂窝件10，而另一组工作流通过在第二端面80处敞开的蜂房进入蜂窝件10。工作流以逆流方式流动通过蜂窝件10，从而在蜂窝的开槽区域内发生高度相互作用。然后，产品通过在相反端面80和70处的敞开的蜂房从结构里退出。可认为适用于本实施例的处理包括化学剥离和热平衡，特别是其中一种工作流是液体，而另一工作流是气体。
虽然较理想的是支承在适当的外壳或导管里的蜂窝件或蜂窝组，以便引导工作流通过该结构和防止不希望的流体旁流，但腔室的具体结构或构造不是关键性的。此外，可设计用来引导或分配工作流、以便有效地输送或收集来自蜂窝结构工作流的歧管装置或其它相关装置，以便获得特定的工作流分配，对于特定的反应或蜂窝设计，它们可能是适当的。
按照本发明提供的蜂窝件的一个代表性例子包括这种一个开槽的笔直的圆柱形蜂窝本体，它具有约4英寸的直径，约14英寸的长度，以及基本上由堇青石构成的成分。蜂窝件的沟槽结构特征是，在每平方英寸的蜂窝横截面上具有约400个正方形沟槽的蜂房密度，而沟槽壁厚约是0.004英寸。
为了制造这种蜂窝件，包括铝、高岭石粘土和滑石、按比例生产堇青石成分、与水和甲基纤维素粘结剂/可塑剂一起形成的可塑的粉末配料被挤压通过一蜂窝模具，以形成所需尺寸的圆柱形蜂窝坯料，然后干燥。接着，将干燥的坯料放在钻床的床身上，通过一钻头在蜂窝件的侧表面上切割出单一的螺旋形缝槽。
这样形成的缝槽具有约1.5英寸的深度，该深度是从外周面沿着垂直于轴的方向径向朝向蜂窝件的中心圆柱轴测得的。它具有约0.25英寸的宽度，并从该结构的一端面延伸至另一端面，它环绕着蜂窝轴、在结构的整个长度上、以一个间距共提供12个全幅转弯。
这样制成的蜂窝然后被烧制至一温度，并持续一个足以使铝—粘土—滑石混合物转变成堇青石，然后冷却到室温以便检查。该产品是相当硬的和坚固的，但打开了蜂窝结构，其中，沿着它们的长度在12个间隔的点上，约94％的沟槽与螺旋形缝槽相交。两个因素提供给液体工作流的有效的混合，而该液体工作流横向经过该蜂窝的沟槽和缝槽的交点。首先，由缝槽形成的混合腔室占据在蜂窝结构里的各相交的蜂窝沟槽的长度的约20％。其次，缝槽的螺旋形结构提供了足够的、横向对着从在各腔室进入点处的沟槽进入混合腔室的流体流动方向的流体流速分量。
虽然显示和描述了本发明的较佳实施例，以及提出了各种替换和改进，但应该知道，附后的权利要求书意欲覆盖落入本发明真实精神和范围内的实施例和改进。
Claims (17)
1.一种整体的蜂窝本体，包括第一端面、第二端面和许多端部敞开的沟槽，这些沟槽由设置在第一端面和第二端面之间的、并连接第一端面和第二端面的、共用的沟槽壁形成，其中，至少一条螺旋形缝槽间断环绕着本体，并以横向对着本体的轴的方向、向内延伸通过沟槽壁、而朝向与第一和第二端面的中心连接的轴，该缝槽的长度和深度足以与存在于本体里的至少大部分沟槽相交。
2.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述沟槽互相平行，而缝槽以垂直于沟槽的方向向内延伸。
3.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述沟槽沿螺旋形路径而行，从第一端面向第二端面。
4.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述螺旋形缝槽间断在长度方向连续地从第一端面延伸至第二端面。
5.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述螺旋形缝槽间断在与第一和第二端面隔开的点处开始和结束。
6.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，大于50％至100％的沟槽与螺旋形缝槽相交。
7.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述螺旋形缝槽至少一次环绕着本体。
8.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述蜂窝本体是由玻璃或陶瓷形成的。
9.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述蜂窝本体是用塑料形成的。
10.如权利要求1所述的整体的蜂窝本体，其特征在于，所述蜂窝本体是用金属形成的。
11.一种处理工作流的方法，该方法包括：
引导工作流进入蜂窝本体，该蜂窝本体包括第一端面、第二端面和许多端部敞开的沟槽，这些沟槽由设置在第一端面和第二端面之间的、并连接第一端面和第二端面的、共用的沟槽壁形成，本体包括至少一条环绕的螺旋形缝槽间断，并向内延伸通过沟槽壁、而朝向与第一和第二端面的中心连接的轴，该缝槽间断与存在于本体里的至少大部分沟槽相交；
引导工作流进入和通过与螺旋形缝槽间断相交的第一部分沟槽；
使工作流在螺旋形缝槽间断里混合；以及
引导工作流进入和通过与螺旋形缝槽间断相交的第二部分沟槽。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，通过使工作流混合而达到它们的热平衡。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，通过使工作流混合而达到它们的化学平衡。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，通过使工作流混合而达到它们的物理均质化。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，将第一和第二工作流导入蜂窝本体的第一和第二端面。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，第一工作流是气体，而第二工作流是液体。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，蜂窝本体设置在一壳体里，壳体上设置有使穿过本体的工作流被加热和冷却的装置。
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