抗裂陶瓷蜂窩體結構的制作方法

專利名稱：抗裂陶瓷蜂窩體結構的制作方法
技術領域：
本發明一般性涉及陶瓷蜂窩體結構，具體地涉及如蜂窩體直通型催化劑基材 和壁流微粒過濾器的蜂窩體結構。
背景技術：
通常采用壁流式蜂窩體過濾器從柴油機廢氣除去煙炱(soot)微粒。圖l所 示為壁流式過濾器100的現有技術的陶瓷蜂窩體結構。適合于流體流動的平行 直孔104的陣列沿蜂窩體過濾器100的長度方向軸向延伸。孔104的截面通常 是正方形。孔104由互連多孔網狀物106的陣列限定，所述網狀物沿蜂窩體過 濾器100的長度方向延伸并與該蜂窩體過濾器100的外層105相交。按照跳棋 的圖案，在蜂窩體過濾器100的端面108和110用填充材料107對孔104進行 端部堵塞。柴油機的廢氣112通過未在端面108上進行堵塞的孔104的端部進 入蜂窩體過濾器100，從一個孔104流入，通過多孔網狀物106至另一個孔， 并通過未在端面110上進行堵塞的孔104的端部出來，在多孔網狀物106中保 留一部分的煙炱顆粒。蜂窩體過濾器100的效率與廢氣每次通過后多孔網狀物 106保留的煙炱顆粒量成正比。
當煙貧顆粒累積在多孔網狀物上時，蜂窩體過濾器的有效流動面積減小。有 效流動面積的減小在蜂窩體過濾器上形成壓降，使相對于柴油發動機的背壓逐漸升 高。當背壓達到不能接受的程度時，需采用熱再生過程除去被捕集在蜂窩體過濾器 中的煙炱顆粒。在熱再生過程中，可能發生過高溫度沖擊，在蜂窩體過濾器IOO 中產生熱應力。如果熱應力超過蜂窩體過濾器100的機械強度，則蜂窩體過濾器 IOO可能碎裂。在蜂窩體過濾器100是由低抗張強度材料熱陶瓷構成時，這種情況 尤其應被關注。陶瓷蜂窩體直通型催化劑基材具有常規過濾器100的蜂窩體結構，但是沒有 在蜂窩體通道中加入陶瓷材料進行端部堵塞。因此，當廢氣流直接從基材的通道通 過時，過濾器發揮作用，以處理發動機的廢氣。雖然這種直通型基材不需要進行再 生來除去捕集的顆粒，但是在組裝催化反應器時以及使用過程中，基材會遇到顯著 的應力。此外，先進的催化劑基材通常結合了多孔網狀物106，其厚度很小，如在
25-150微米范圍內，使它們的機械耐久性小于壁較厚的基材。
由于機械強度和壓降是反比關聯的，提供的蜂窩體基材和過濾器要具有足夠 的機械強度來承受熱沖擊和過濾器再生過程，而不降低蜂窩體基材和過濾器的性 能，這是人們面臨的挑戰。例如，對具有指定的有效流動面積和壓降的蜂窩體過濾 器，提高蜂窩體過濾器的機械強度的常規方法一直是對多孔網狀物增厚。這方面的 改進具有提高蜂窩體過濾器熱質量的優點，但是產生了不同的問題，因為網狀物增 厚減小了蜂窩體過濾器中的有效流動面積。蜂窩體過濾器有效流動面積的減小導致 蜂窩體過濾器上的壓降升高，甚至在煙炱顆粒累積在多孔網狀物之前就已經升高 了。要將蜂窩體過濾器上壓降升高幅度減至最小，可以提高網狀物的孔隙率，使改 進的蜂窩體過濾器的有效流動面積接近給定的有效流動面積。但是，提高網狀物孔 隙率是有問題的，因為它會導致蜂窩體過濾器的熱質量相應減小。
由上述內容可知，人們希望提高陶瓷蜂窩體如蜂窩體過濾器和催化劑基材在 機械負荷和/或熱再生條件下的抗碎裂性，而碎裂故障毫無疑問會提高使用時的蜂 窩體結構的壓降。

發明內容
一個方面，本發明涉及一種陶瓷蜂窩體結構，該結構包括具有由外層界定的 互連網狀物陣列的蜂窩體。互連網狀物限定縱向多邊形孔的陣列，其中一些孔通過 在孔的角落放置角增強件(稱作"角嵌條")得到選擇性增強。在一些實施方式中， 只有選定的孔的選定的角中有角嵌條或者通過其他方式增強。更具體地，角嵌條僅 包含在與外層垂直和/或基本上垂直的對角線的角中。對與外層垂直和/或基本垂直 的對角線的角，我們指與孔對角線相交的那些在對角線上相對的孔角，該對角線外 延后與外層垂直或基本垂直。
另一方面，本發明包括具有蜂窩體的蜂窩體結構，該結構包括由外層界定的
互連網狀物的陣列，所述互連網狀物限定具有多邊形截面的縱向孔的陣列。該孔陣 列包括加入了角增強件的孔和沒有角增強件的孔。較好地，加入角增強件的孔包含增強的角和未增強的角。在增強孔中的角增強件只位于與孔對角線相交的在對角線 上相對的孔角，所述孔對角線延伸至與外層相交的最近點時，與該結構的外層在交 叉點的切線垂直和/或基本上垂直。
在另一個方面，本發明涉及用于制造蜂窩體過濾器的擠出模頭，該模頭包括 模頭體，形成在模頭體上、用以限定第一針體和第二針體陣列的排放狹槽陣列，具 有與非圓化角相鄰、在對角線上相對的圓化角的第一針體，具有非圓化角的第二針 體，以及模頭體中用于將擠出材料傳送到排放狹槽的導孔陣列。
由以下描述和權利要求書，本發明的其他特征和優點將是顯而易見的。


下面描述的附圖示出本發明的典型實施方式，但不應認為附圖構成對本發明 范圍的限制，本發明容許其他等效的實施方式。附圖并未按照真實的比例給出；為 了清楚和簡明，附圖的一些特征和視圖按比例放大。
圖1是現有技術的壁流蜂窩體過濾器的透視圖。
圖2A是陶瓷蜂窩體結構的透視圖，該結構具有互連網狀物限定和由外層界定 的縱向孔，具有僅在與外層垂直的對角線上的角上形成的角嵌條。 圖2B是圖2A的陶瓷蜂窩體結構的橫截面圖。
圖2C是圖2B的變形，具有只在靠近外層且與外層垂直的孔對角線上的角上 形成的角嵌條。
圖2D是圖2B的變形，具有在與外層基本上垂直的孔對角線上的角上形成的 角嵌條。
圖2E是圖2D的變形，具有在所有角上形成的角嵌條。
圖3中比較了具有不同設計的陶瓷蜂窩體結構中的壓降，所述設計包括選擇
加入角嵌條的結構和沒有加入角嵌條的結構。
圖4是用于制造圖2A-2D所示的陶瓷蜂窩體結構的擠出模頭的垂直橫截面。
具體實施例方式
下面參考一些如附圖中所示的優選實施方式詳細描述本發明。主要就柴油機 微粒過濾器的實施方式進行描述，但是本發明可擴展到其他蜂窩體結構，如陶瓷直 通型催化劑基材。在描述優選的實施方式時提出了許多具體細節，以提供對本發明 的整體理解。但是，對本領域技術人員而言，顯然在沒有這些具體細節或只要其中部分細節的情況下也能夠實施本發明。在其他情況下，對公知的特征和/或方法步 驟沒有進行詳細描述，以免不必要地妨礙突出本發明。此外，使用類似或相同的附 圖標記來表示共同或類似的要素。
本發明提供在蜂窩體過濾器中的孔角加入角嵌條的策略，以提高蜂窩體過濾 器的機械強度，而沒有顯著增加蜂窩體過濾器上的壓降。這樣策略性地加入角嵌條 不會顯著改變蜂窩體過濾器的有效流動面積，因此提高了蜂窩體過濾器的機械強 度，同時在蜂窩體過濾器上保持低的壓降。
在熱再生條件下對蜂窩體過濾器進行理論分析，以確定蜂窩體結構中最高應 力集中的位置，由此決定放置結構增強件來提高機械強度的位置。分析結果表明， 在與外層垂直或接近垂直的孔對角線上，沿對角線相對的孔角上形成最大應力。這 些是與通過孔的對角線相交的孔角，如果對角線延伸到外層，會在它們的相交點以 與外層的切線成直角的方式相交。
為減少裂紋，角嵌條僅形成在與外層垂直的孔對角線上的角上，這些角不與 加入角嵌條的孔內的角相鄰。角嵌條還可以形成在與外層基本垂直的對角線上的角 中。通過只在這些高應力區域加入角嵌條，可以提高蜂窩體過濾器的抗裂性，而不 會顯著增加蜂窩體過濾器上的壓降。
圖2A示出陶瓷蜂窩體結構200，該結構具有提高的結構強度、抗裂性和低壓 降。陶瓷蜂窩體結構200包括一個柱形蜂窩體202。蜂窩體202通常由擠出燒制的 陶瓷形成，但是也可以使用其他材料。陶瓷可以是例如堇青石。蜂窩體202具有外 層204，在圖2A中為圓形。在其他實例中，外層204可以是橢圓形、卵形、所謂 的跑道形或者其他任何封閉的圓柱外形。
在蜂窩體202中形成縱向孔206的陣列。孔206的橫截面可以是任何所需的 形狀，但是在大多數實施方式中，橫截面的形狀為正方形或矩形，包含四條邊和四 個角。孔206由互連的多孔網狀物208限定，該網狀物208沿蜂窩體202的長度方 向延伸并與蜂窩體202的外層204相交。按照跳棋圖案，在蜂窩體202的端面212、 214用填充材料210對孔206進行端部堵塞。蜂窩體202中選定的孔206的選定的 角包含角嵌條215，以提高結構強度和抗裂性，而沒有過度增加壓降。
圖2B示出了陶瓷蜂窩體結構20的橫截面。按照本發明包含角嵌條215的孔 206與不包含角嵌條215的孔206相比顯示更厚的內襯(line)。角嵌條的形狀對本 發明并不重要；可以使用具有角增強作用的任何角增厚措施。因此，例如，角嵌條 215可以是凹面，如圖2B所示，或者是凸起或平面壓桿(strut)或支柱(brace)設計。圖2B中的角嵌條215形成在與外層204垂直的對角線角206a， 206b上。艮卩， 那些角和類似的對齊的角在穿過孔的對角線上，如用虛線表示的對角線217所示， 如果虛線對角線(線217在線217-切線218的交叉點與外層切線218成直角)延伸 則與外層垂直。另一方面，由虛線219表示的在孔對角線上的那些孔角沒有加入角 嵌條，因為對角線與外層不垂直或基本不垂直(S卩，線219在線219-切線220的交 叉點沒有與和外層切線220垂直的外層相交)。
對圓形外層204，與外層204垂直的對角線上的角206a, 206b與沿外層204 的半徑分開的那些對角線上的角一致，也用虛線217表示。在圖2B中，所有與外 層204垂直的對角線上的角206a， 206b包含角嵌條215。在另一個實例中，如圖 2C所示，只有靠近外層204的區域中的孔，在位于和外層204垂直的孔對角線上 的對角線角206a， 206b包含角嵌條215。為本發明的目的，靠近蜂窩體結構外層 的區域包含該結構截面靠近外側的1/3，從沿著與該結構的孔的取向軸垂直的方向 截取的蜂窩體截面的中心或質心進行測量。
在另一個實例中，如圖2D所示，被與外層204垂直或者基本垂直的孔對角線 橫貫的對角線上的角206a， 206b包含角嵌條215。在與外層204基本垂直的孔對 角線上的對角線角206a， 206b位于該結構內夾角(included angle )為a的扇形 區內，該區域包括一組由虛線217表示的孔對角線，虛線217與外層204精確垂直。 夾角a的范圍為30。(如，相對于圓形結構的45。對角線217的士15"范圍，如圖2D 所示)至最大為6(T(如，相對于該對角線的± 30"范圍)。與圖2C所示的實例一樣， 在該扇區內的角嵌條215也可以限制在靠近外層的區域。為本描述的目的，孔對角 線如果在夾角a之內，即在精確垂直于外層的± 30"之內，則孔對角線與外層基本 垂直。
在又一個實例中，如圖2E所示，在45"對角線317上下的夾角為a的區域內， 在所有孔角都加入角嵌條。圖2E所示的所有孔角中的角嵌條使氣體流動通過該結 構時的壓降略增加，但是該壓降的增大小于所有孔的所有角都增強的情況。
用于對具有更常見的封閉圓柱截面(圓形或非圓形)的蜂窩體結構進行增強的
最有效的扇區可以更一般地參照一定角度來確定，所述角度由一些穿過該結構的投 影對角線中每條對角線上的孔對角線與其投影/外層正切交點處的外層切線構成。
因此，在圖2D中，被與孔對角投影虛線219對齊的孔對角線橫貫的孔角不加入角 嵌條，因為這些孔對角線在切線220和投影219的交點處與外層切線220不垂直或基本不垂直。最有效地，加入角嵌條的角只是被在垂直于外層(外層切線)的±30° 范圍，更優選在±15°范圍之內的孔對角線橫貫的那些角。
回到圖2A，對例如柴油發動機廢氣的顆粒過濾器的應用，蜂窩體過濾器200 的孔密度為10-300個孔/英寸2(約1. 5-46. 5個孔/厘米2)，更典型為100-200個孔 /英寸2 (約15. 5-31個孔/厘米2)。多孔網狀物208的厚度可以在0. 002英寸(約0. 05 毫米)至0. 060英寸(1. 5毫米)范圍內，優選0. 010-0. 030英寸(約0. 25-0. 76毫米)。 多孔網狀物208的孔隙率為40-60體積％。多孔網狀物208可以結合有平均直徑在 1-60微米，更優選在10-50微米范圍內的孔。各角嵌條或支柱(圖2A-2C中的215) 的截面應使它們占據的面積不大于有這些角嵌條或支柱的孔的截面積的約12%，但 不小于約2%。
將角增強件僅限制在蜂窩體結構的選定區域的有益效果示于圖3。圖3繪出在 具有各種設計的多孔陶瓷廢氣過濾器上模擬的一組普通氣體流速產生的相對壓降。 樣品過濾器(l)是如圖l所示的常規設計的過濾器，在該過濾器中沒有任何角嵌條 或其他任何類型的角增強件。因此，報道的樣品過濾器(l)的壓降是過濾器結構本 身固有的壓降。
樣品過濾器(2)和(3)的尺寸和形狀與樣品過濾器(1)相同，用于說明相圖l所 示設計的改進型過濾器，孔的角增強件如角嵌條提高過濾器壓降的趨勢。在與評價 樣品過濾器(1)時所采用的氣體流速相同的情況下，樣品過濾器(2)在其選定的周邊 區域的所有孔的所有角上都有增強的角嵌條，其顯示出模擬的壓降性能。另一方面， 樣品過濾器(3)是尺寸和形狀與樣品過濾器(2)相同的過濾器，但是只在過濾器的周 邊區域的一半孔角中加入角嵌條，如只在加角嵌條孔內沿對角線相對的角上加入角 嵌條，該樣品過濾器(3)代表這類過濾器的壓降性能。由這些數據可以清楚地了解， 與加角嵌條的過濾器(2)相比，在加角嵌條的過濾器(3)上觀察到顯著減小的壓降損 失。
為了說明的目的，圖4示出適合用于制造蜂窩體過濾器的擠出模頭組件400 的縱向截面圖。擠出模頭組件400包括擠出模頭402和形成外層的掩模404。擠出 模頭402與形成外層的掩模404合作限定蜂窩體過濾器的外層的形狀和厚度。在該 擠出模頭402的形成孔的區域408中切割出排放狹縫406的陣列，以限定第一針體 和第二針體410, 412的陣列。在一個實例中，針體410， 412的橫截面一般是正方 形，第一針體410的對角線上的角被圓化。形成孔的區域包括進料孔414的陣列， 其從擠出模頭402的進口面416延伸到排放狹縫406的陣列。進料孔414向排放狹縫406供應批料。擠出模頭402中形成外層的區域418包括用于形成外層的掩模 404的裝配表面420。形成外層的掩模404的內表面404a與形成孔的區域408在徑 向隔開，限定形成外層的狹縫421。在裝配面420與形成外層的掩模404之間插入 薄墊片423，以限定在形成外層的區域和形成外層的掩模404之間的形成外層的存 儲器424。在形成外層的區域中的進料孔426向形成外層的存儲器424提供批料。 操作中，可以通過以下方式形成蜂窩體將批料供入進料孔414、 426，并將該批 料擠出通過排放狹縫406和形成外層的狹縫421。
上述擠出模頭可以采用現有的制造擠出模頭的方法制造，通過在由可機加 工材料形成的塊料的下部機加工成孔，形成成孔的區域。這些孔可以用作進料 孔。可以采用如插入放電機加工(plunge electrical discharge machining) (EDM)的方法在該塊料的上部切割排放狹縫。切割出狹縫后，針體 仍保留在塊料的上部。在塊料周邊的針體可以截短或完全去除，為形成外層的 掩模提供安裝面。排放狹縫和針體可以是圖2B-2D中所示的任何孔/網狀物構 形。或者，可以對常規的擠出模頭進行改進，構形中包括對角線上的圓化角， 以適合制造圖2A-2D所示的過濾器。可以采用插入E麗法對擠出模頭進行改進。 電極僅須包圍模頭的待改進區域，即模頭上對應于按照本發明具有對角線上的 圓化角的孔的區域。
權利要求
1. 一種蜂窩體結構，該結構包括具有由外層界定的互連網狀物陣列的蜂窩體，所述互連網狀物限定具有角的多邊形截面的縱向孔陣列，所述孔陣列包含加入角增強件的孔和沒有加入任何角增強件的孔，其中所述加入角增強件的孔位于與外層垂直和/或基本垂直的孔對角線上。
2. 如權利要求1所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述加入角增強件的孔包 括增強的角和未增強的角，角增強件只提供在與垂直和/或基本垂直于外層的孔對 角線相交的沿對角線相對的角上。
3. 如權利要求1所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述蜂窩體結構由多孔陶 瓷形成，所述孔具有正方形截面，所述角增強件是凹面角嵌條或支柱。
4. 如權利要求3所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述外層為圓形。
5. 如權利要求4所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述與基本垂直于外層的 孔對角線相交的增強的角位于所述結構的扇區內，所述結構的扇區設置在以垂直于 外層的孔對角線為中心線的10-60°的內含角度內。
6. 如權利要求1所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述增強的角與外層鄰近。
7. 如權利要求3所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述網狀物的厚度在 0. 025-0. 76毫米范圍內。
8. 如權利要求7所述的蜂窩體結構，其特征在于，各角嵌條占據所述孔截面 的2-12%。
9. 如權利要求3所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述蜂窩體結構的孔密度 在1.5-46.5個孔/厘米2范圍內。
10. 如權利要求l所述的蜂窩體結構，其特征在于，所述網狀物為多孔的。
11. 一種用于制造蜂窩體的擠出模頭，該模頭包括 模頭體；形成在所述模頭體上的排放狹槽的陣列，以限定第一針體和第二針體的陣列， 所述第一針體具有圓化角，所述第二針體具有非圓化角；和所述模頭體中的導孔的陣列，用于將擠出材料傳送到排放狹槽。
全文摘要
一種陶瓷蜂窩體結構，包括具有由外層界定的互連網狀物陣列的蜂窩體。互連網狀物限定具有對角線上角的縱向孔的陣列。角嵌條只形成在被垂直和/或基本垂直于外層的線橫貫的沿對角線相對的角上。
文檔編號F01N3/022GK101443291SQ200780017403
公開日2009年5月27日 申請日期2007年3月26日 優先權日2006年3月31日
發明者I·Z·阿邁德, 繆衛國 申請人:康寧股份有限公司