过滤元件 【技术领域】
本发明涉及一种由烧结金属纤维绒(metal fiber fleece)构成的高温过滤元件以及一种形成这种过滤元件的方法。背景技术
由烧结金属纤维绒构成的耐高温过滤元件在本领域是已知的。
已知有不同的打褶几何形状。通常,烧结金属纤维过滤介质被打褶,从而形成其褶线基本上相互平行地延伸的褶,因此为褶提供烧结金属纤维壁。这些褶具有几个褶开口,它们将要被关闭以便利用入口褶开口通过烧结金属纤维壁将气体或液体引导给出口褶开口,该开口设置在烧结金属纤维介质的另一侧上。
常常通过将打褶的烧结金属纤维绒的边缘胶粘、焊接、滚轧成形或压制在外壁或过滤元件的端盖上来关闭和密封这些褶开口。由于过滤元件在高温下使用,所以连接和密封常常会由于相互连接的各部分的热冲击或热膨胀系数的不同而被破坏。发明内容
本发明的目的在于提供一种高温过滤元件,该元件包括打褶的烧结金属纤维绒,该过滤元件的褶开口以可选的方式闭合,从而降低了在烧结金属纤维绒和过滤元件的外壁或端盖之间的连接和密封被破坏的危险。
本发明还有一个目的在于提供一种生产这种包含打褶地烧结金属纤维绒的高温过滤元件的方法。
该过滤元件是过滤系统的一部分,该过滤系统具有用来将所要过滤的液体或气体提供给过滤元件的入口以及用来从过滤元件中排出被过滤的液体或气体的出口。
作为本发明主题的过滤元件包括按照几条褶线打褶的烧结金属纤维绒。每个褶包括两个由三条褶线限制的烧结金属纤维壁以及一个或多个褶开口,这些开口将被关闭和密封以防止气体或液体从过滤系统的入口没有经过烧结金属纤维壁就流到系统的出口。这就是所谓的没有过滤的液体或气体的旁通。
根据本发明,过滤元件包括一个或多个外壁,外壁关闭这些褶开口以防止不需要的旁通。
由于过滤器打算用在高温中,所以外壁优选由金属例如钢制成。
根据本发明,外壁包括至少两个部分,它们在下面被称为上面和下面部分。褶开口的边缘被设置并挤压在那两个部分之间。因此,与打褶的烧结金属纤维绒接触的上面部分的边缘具有波浪形的形状,该形状与褶开口的边缘由于打褶而形成的波浪形相同。与打褶的烧结金属纤维绒接触的下面部分的边缘也具有波浪形的形状,该形状与褶开口的边缘由于打褶而形成的波浪形相同。打褶的烧结金属绒被设置并挤压在外壁的上面和下面部分之间,从而褶开口被在这两个部分的边缘上的波浪所关闭。上面部分、打褶的烧结金属纤维绒和下面部分通过例如激光焊接、等离子焊接、TIG焊接或电阻焊接彼此相连。该焊接优选在外壁的外侧处进行。由于烧结金属纤维绒的可压缩性,所以高温气体或液体朝着过滤元件外面的泄漏即使没有被防止也可以减少。
为了进一步避免泄漏的危险,可以将过滤元件安装在第二外壁中,该外壁紧密装配在过滤元件的这个第一外壁上,它设置并挤压着烧结金属纤维绒。
本发明的更具体的过滤元件是通过使烧结金属纤维绒以打褶线从中心轴线朝向过滤元件的外壁延伸这样一种方式象contertina一样打褶来形成的。该外壁包围着中心轴线。因此每个褶包括一个褶开口,从而形成由该外壁关闭的外部波浪形边缘,在那里第二褶开口在敞开的芯部区域(open core area)朝着该中心轴线延伸,从而形成内部波浪形边缘。
这种过滤元件的优点在于,它具有较高的过滤表面/体积比。可以获得大于0.25mm2/mm3的过滤表面/体积比。优选的是,可以获得大于0.3mm2/mm3的过滤表面/体积比,甚至可以获得大于0.5mm2/mm3的过滤表面/体积比,并且该过滤器仍然具有合理的压降和过滤性能。
向外延伸的褶开口由包括有两个部分的外壁关闭,如上所述,烧结金属纤维绒被安置在这两个部分之间并且受到挤压。
朝着中心轴线延伸的褶开口的内部边缘可以通过应用另外的外壁来关闭,该外壁包括至少两个部分,并且以类似的方式挤压着朝着中心轴线延伸的褶开口的边缘。第二紧密装配的外壁在这里可以用来防止朝着敞开的芯部区域的泄漏。
关闭敞开的芯部区域的一种可选方案采用了一种烧结金属纤维管,该管的外径在最低限度上等于敞开的芯部区域的直径。这个烧结金属纤维管被插进敞开的芯部区域。然后该烧结金属纤维管通过一个或多个圆柱形或圆锥形元件压靠在褶开口的边缘上。这可以通过将管的圆柱体插在该烧结金属纤维管中来完成,只要该圆柱体或管的外径稍微大于烧结金属纤维管的外径。必要时,可以在该圆柱体或管子上安装例如拧接上端部部件用来固定圆柱体或管子。
将两个稍微呈圆锥形的部件带进烧结金属纤维管中,一个在管的每一侧并且以较小直径朝向烧结金属纤维管内部。锥形形状是这样选择的,锥体的最小直径小于烧结金属纤维管的内径,而锥形部分的最大直径稍稍大于烧结金属纤维管的内径。锥形部件的高度为烧结金属纤维管长度的一半。这两个锥形部件都被推进烧结金属纤维管中直到它们在烧结金属纤维管内部的中间相会,在那里它们通过压制、焊接或胶粘而相互连接。这些锥形部件迫使烧结金属纤维管向外挤压并且局部挤压在褶开口中。烧结金属纤维绒的褶开口由烧结金属纤维管关闭和密封。
本领域技术人员可以理解的是,外壁可以分成两个以上的部件,打褶的烧结金属纤维绒设置在它们之间并且受到挤压。
根据过滤元件的特定用途,可以使用不同的烧结金属纤维绒来提供适当的过滤性能。不锈钢烧结绒是优选的。不锈钢纤维可以例如成束拉拔出或刨削出,并且纤维直径从1μm至100μm。需要时,可以使用不同层的烧结金属纤维绒,一层位于另一层的顶部上。
金属纤维的合金要选择成能够承受过滤元件的工作环境。在承受高达360℃的温度时,最好用AISI 300型合金的不锈钢纤维,例如,AISI316L。基于INCONEL型合金例如INCONEL601或HASTELLOY型合金例如HASTELLOYHR的纤维可以分别被应用在高达500℃和560℃的温度下。基于Fe-Cr-Al合金的纤维可以选择以承受高度1000℃或者甚至更高的温度。
等效直径可以被认为是假想圆形纤维的径切面的直径,从而具有与所述纤维的径切面相同的表面。
本发明的过滤元件可以用来过滤内燃机的废气例如吸收烟灰颗粒。它们可以用作催化剂的承载元件,例如在内燃机的排气系统中。附图说明
现在将参照附图对本发明进行更详细的说明,其中:
图1显示出打褶烧结金属纤维绒的顶视图;
图2显示出外壁的两个部分,安放并挤压着图1的烧结金属纤维绒;
图3显示出用来形成本发明的过滤元件的第二外壁;
图4显示出通过烧结金属纤维管来关闭朝着中心轴线延伸的褶开口;
图5显示出另一种打褶的烧结金属纤维绒;
图6显示出外壁的两个部分,定位并挤压着图5的烧结金属纤维绒;
图7显示出圆柱形打褶的烧结金属纤维绒,其褶开口根据本发明被关闭;
图8显示出用来形成本发明的过滤元件的第二外壁。具体实施方式
本发明的过滤元件的优选实施方案包括如图1中所示的打褶的烧结金属纤维绒。
烧结金属纤维绒11以打褶线12从中心轴线13向外延伸的这种方式象conterina一样打褶。每个褶因此包括一个向外延伸的褶开口14,在那里第二褶开口15朝向在敞开的芯部区域16中的该中心轴线13延伸。所有向外延伸的褶开口提供一种波浪形边缘17。所有朝着敞开的芯部区域延伸的褶开口形成波浪形边缘18。
如图2中所示,打褶的烧结金属纤维绒的外缘17设置在外壁23的上面部分21和下面部分22之间并受到挤压。上面和下面部分形成在打褶的烧结金属纤维绒的波浪形的一个侧面处,从而出现在外缘17处。上面部分21、外缘17和下面部分22被安装并相互挤压。
通过将它们彼此焊接在一起从而使它们永久地相互连接。这个焊接优选在外壁的外侧处进行。
如图3中所示,可以在围绕着外壁的周边进行激光焊接、等离子焊接、TIG焊接或电阻焊接,沿着烧结金属纤维绒17的波浪形状或者通过沿着外壁周围上的圆31来进行,从而接触上面和下面部分几次。
为了防止气体或液体可能利用烧结金属纤维绒穿过外壁泄漏出,可以使用第二外壁32。该过滤元件被挤压在紧密装配的第二外壁32中,如由箭头33所示一样。从而防止了可能通过烧结金属纤维绒的延伸部分穿过外壁出现的泄漏。
朝着中心轴线延伸的褶开口可以以同样的方式关闭。
在优选的实施方案中,设有具有不同尺寸的如图3中所示的过滤元件。如在表1中所示一样,可以获得高过滤表面/体积(R1)和介质体积/过滤体积(R2)。至于过滤介质,可以使用具有35μm等同直径的由不锈钢纤维制成的烧结金属纤维绒。烧结金属纤维绒具有1.25mm的厚度。
表1 D(mm) d(mm) H(mm) 体积(mm3) 表面绒(mm2) 厚度(mm) 比率 R1 R2 110 55 50 356363 190000 1.25 0.533 0.666 100 50 200 1178063 625000 1.25 0.531 0.663 60 30 35 74218 40000 1.25 0.539 0.674 110 27 50 446525 141000 1.25 0.316 0.395 100 25 200 1472578 471000 1.25 0.320 0.400 60 15 35 92772 30000 1.25 0.323 0.404
过滤表面/体积比(R1)为过滤介质的总表面除以包含有过滤表面(或过滤介质)的过滤元件的总体积。
介质体积/过滤体积比(R2)为过滤介质的总体积除以包含有过滤表面(或过滤介质)的过滤元件的总体积。
在图4中显示出用于关闭朝着中心轴线延伸的褶开口的可选方法。烧结金属纤维管41被插入在打开的芯部区域16中。烧结金属纤维管的外径在最低程度上等于该敞开的芯部区域的直径。两个稍稍锥形的部分42和43被带进烧结金属纤维管中,其最小直径部分朝向烧结金属纤维管的内部。该最小直径稍微小于烧结金属纤维管的内径。锥形部件的最大直径稍微大于烧结金属纤维管的内径。它们的最小端面44大致会合在烧结金属纤维管的中间,在那里这两个锥形部分例如通过焊接、胶粘或挤压相互连接。最终,朝向过滤元件的入口的元件43的顶部45可以是锥形以进一步改善流动分布。由于锥形部分将烧结金属纤维管推进这些开口中并且将边缘牢牢地推压在烧结金属纤维管的内侧上,所以这些开口是关闭的。
在图5和6中显示出另一个实施方案。施加相互平行的打褶线52,烧结金属纤维绒51被打褶,褶开口53通过将打褶的烧结金属纤维绒51设置并且挤压在外壁的上面部分61和下面部分62之间来关闭和密封。
通过将它们彼此焊接在一起从而使它们永久地相互连接和密封。该焊接优选在外壁的外侧处进行。
可以在外壁的圆周上进行激光或电阻焊接,沿着烧结金属纤维绒51的波浪形,或沿着外壁周围的圆,与上下部分接触几次。
为了防止气体或液体可能通过烧结金属纤维绒穿过外壁泄漏,可以使用第二外壁。该过滤元件被挤压在紧密装配的第二外壁中。从而防止可能通过烧结金属纤维绒的延伸部分穿过外壁泄漏。
在图7和图8中显示出另一个实施方案,其中烧结金属纤维绒71以圆柱形的方式打褶,它包括基本上相互平行的褶线72。
在圆柱形的每一侧处的褶开口73将由两个外壁关闭,在圆柱体的每一侧有一个。这可以通过将外壁的下面部分74插入在打褶的烧结金属纤维绒的里面部分处来完成,以便使得该下面部分的边缘75能够与打褶的烧结金属纤维绒71的波浪形76装配在一起。外壁77和78的第二和第三上面部分每一个具有与一个部分配合的边缘,例如,打褶的烧结金属纤维绒71的一半圆周,用来将打褶的烧结金属纤维绒设置并挤压在外壁的三个部分之间。外壁和烧结金属纤维绒被互相焊在一起。烧结金属纤维绒的波浪形状可以由第二外壁81所覆盖,从而成为通过例如焊接安装在外壁上的板。
在另一侧处的其它褶开口可以由其它外壁以同样的方式关闭。
本领域普通技术人员要理解的是,以同样的方式可以获得具有不同外部几何形状的其它实施方案。
在过滤元件的使用期间,这些褶将保持在与初始引入的一样的形状中。本发明的烧结金属纤维绒与外壁的连接将防止由于过滤器的应用而出现褶塌陷。