堵塞蜂窝体中选定孔道的方法 【发明领域】
本发明涉及选择性堵塞的蜂窝结构体，具体是涉及用粉末状堵塞材料选择性封闭蜂窝结构体的孔道的方法和装置。
【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，胶泥通过掩模上地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
提出本发明的方法能克服现有堵塞方法的缺点。该方法特别适用于仅使用一个掩模并向蜂窝结构体选定孔中装填粉末状堵塞材料，供使用于柴油机用颗粒过滤器中。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颗粒密封剂”中所述和要求专利保护的颗粒密封剂。
在本发明方法中，由一种蜂窝结构体制造陶瓷蜂窝过滤体，该蜂窝结构体中具有大量相互平行延伸的孔道，这些孔道在其端面部位形成互相平行的柱状体。该蜂窝结构体的第一端面上覆盖有一个掩模，该掩模上具有对应于第一部分孔道开口端的许多开口。通过掩模的这些开口将粉末状堵塞材料装填进入靠近第一端面的第一部分孔道的开口端中。包含大量颗粒的堵塞材料通过或流过孔道长度，到达与第一端面相对并靠近第二端面的孔道另一端。在形成堵塞物的过程中，通过适当的压实方法，比如震动，离心，手工压缩和类似技术，将该粉末状堵塞材料压实，然后加热至足以形成可流动材料的温度，填充并粘着于该孔道的全部四个壁。冷却该可流动材料后，在孔道末端固化形成堵塞物。
之后，从第一端面上取下掩模，然后对第二端面重复此堵塞过程。但是，第二端面不需要掩模。在第二端面已如此堵塞的孔道能有效地形成堵塞第一端面用的掩模。粉末状堵塞材料被装填进入第二部分孔道的开口端中，第二部分孔道对应于该蜂窝结构体第二端面上的开口孔道；而且，如上所述，在与蜂窝结构体第二端面相对的孔道末端处形成堵塞。
在一个优选实施方式中，覆盖蜂窝结构体第一端面的步骤包括将一种固体透明膜施加于该蜂窝结构体的第一端面上；对该膜扫描从而定出第一部分孔道位置；响应于此扫描步骤，产生第一组信号，这些信号表示出第一部分孔道的位置；响应于第一组信号，产生第二组信号，从而将成孔工具，即激光器对于第一部分孔道进行定位；响应于此第二组信号启动成孔工具，从而对应第一部分选定孔道透过该膜形成开口。
附图简要说明
通过附图能更清楚地理解本发明的各个方面，其中：
图1是表示按照本发明选择性堵塞蜂窝结构体孔道的流程图。
图2是用于本发明的蜂窝结构体轮廓图；
图3是蜂窝结构体和施加在第一端面的柔软掩模的示意图；
图4是覆盖本发明蜂窝结构体第一端面步骤优选实施方式的示意图；所示为具有覆盖层的蜂窝结构体和用于在第一端面上形成掩模的成孔工具；
图5是显示按照图4过程制成的掩模用于蜂窝结构体的部分截面图；
图6是显示堵塞蜂窝结构体第二端面步骤的放大截面图；
图7是显示堵塞蜂窝结构体第一端面步骤的放大截面图；
图8是本发明制造的固体颗粒过滤体的轮廓图；
图9是图8所示过滤体沿直线9-9的截面图。
本发明优选实施方式
本发明一个重要用途是制造固体颗粒过滤器，比如柴油机用颗粒过滤器。参考图1到9，将说明本发明制造这种过滤体的方法实施方式。
在本发明中，蜂窝结构体的第一端面上覆盖有一种掩模，该掩模是由一种弹性或坚硬的固体材料形成的，该掩模具有一些延伸穿透的开口，这些开口与蜂窝体第一部分孔道的开口端重合。通过掩模开口，向选定孔道中装填粉末状颗粒材料，在这些孔道的另一端，即靠近该蜂窝结构体第二端面处形成堵塞物。粉末状堵塞材料被进一步装填至第二端面的其余开口孔道中，在这些孔道靠近第一端面的末端形成堵塞物。制得的堵塞蜂窝结构体在一个端面上具有一系列交错的堵塞孔道，在相对的第二端面上具有类似但相反的堵塞图案。
图1显示形成过滤结构体的过程从提供蜂窝结构体开始(ST100)。用于本发明的合适蜂窝结构体10如图2所示。蜂窝结构体10具有大量相邻的孔道11，以基本相互平行的方向穿透在蜂窝结构体中，孔道11的两端是开口的，在结构体10的两个相对端面12和13上形成一对开口表面。孔道11是由交叉壁14形成的，交叉壁14延伸穿透并介于两个端面12和13(隐藏)之间。对于过滤体用途而言，壁14是连续，多孔和优选均匀薄壁的。外层15通常包围着端面12和13之间的孔道11。仅以说明为目的，结构体10的孔道11具有方形的横截面，在端面12和13以基本相互平行的方式排列成相互平行的柱状形式。能够理解，在制造固体颗粒过滤体和应用本发明方法时，可以使用其他横截面的孔道形状和孔道的其他排列形式。
用于固体颗粒过滤体和其他用途的蜂窝结构体可以由各种材料形成，包括陶瓷，玻璃陶瓷，玻璃，金属，而且要根据选定的材料选择各种方法。对于固体颗粒过滤用途而言，必须是具有均匀，多孔和互连薄壁的蜂窝结构体，优选由可塑性成形和可烧结的细颗粒物质制造，在烧结之后形成多孔的烧结材料。适用材料包括金属，陶瓷，玻璃陶瓷，和其他陶瓷基混合物。从一种挤压的堇青石材料形成这种陶瓷蜂窝整料的方法如共同转让给本受让人的美国专利5258150中所述和申请专利保护的该方法优选用于固体颗粒过滤用途中，该专利参考结合于此。
下一步骤是用一个掩模覆盖作为第一端面的端面12或13，该掩模被固定在孔道11的开口端上(ST102)。在如图3所示的一个实施方式中，覆盖步骤包括提供一个柔软掩模20，将其覆盖于蜂窝结构体10的端面12上，如共同转让给本受让人的美国专利4411856所述，该专利参考结合于此。掩模20的中央体21具有大量突起22，以基本垂直的方向从中央体21的外表面23上伸出。掩模20中还具有大量开口24，延伸透过中央体21，并透过外表面23和相对表面25。为了说明的目的，突起22和开口24在掩模20的外表面23上是彼此交错的。掩模20的外表面23装在蜂窝结构体10的端面12上，每个突起22都填入并较好封闭住端面12上交错孔道的开口端，而且每个开口24都并列位于其余交错孔道的开口端位置。
在如图4所示的另一个优选实施方式中，覆盖步骤包括按照共同转让给本受让人的美国专利4557773所述方法形成一个掩模。在这个实施方式中，也是先选定蜂窝结构体10的开口端面12进行堵塞，再用一个透明膜31进行覆盖，该膜优选是一种有胶粘剂背衬的压敏膜，由一种热塑性材料，优选聚酯制得。对应于端面12上的选定孔道11，使用由光学成像分析仪34控制的成孔工具33，形成透过膜31的开口32。掩模开口的面积基本与孔道11匹配。成孔工具33中包括一个市售激光器，能以单束38或多束燃烧或切割形成透过膜31的开口。适用的激光器是LB1010型Laser/Galvo系统，具有一个或多个100瓦CO2“封闭气体”激光器，是从Sommerset，WI的Laser Machining，Inc.购得的。光学成像分析仪34包括一个电视摄像机35或其他光学器件，能透过透明膜31扫描端面12并产生信号，表示出膜31下方孔道11的位置。由摄像机35所产生的信号被送入微处理器36，然后输出信号，直接定位并控制成孔工具或激光器33的操作，在端面12靠近选定孔道11处形成透过膜31的开口32。按照上述过程形成的一个例示性掩模如图5所示。掩模50具有一个中央体51，包括相对的外表面52和53以及延伸通过中央体51和位于表面52与53之间的一些开口54。这些开口位于中央体中，与要装填的第一部分孔道11末端重合。开口54的尺寸适合于暴露孔道11的开口端，但不至于大到暴露附近的孔道。但是，如果需要的话，也可以提供更大的开口，暴露若干相邻的孔道。掩模50的安放要使其下表面53覆盖蜂窝结构体10的整个端面12。掩蔽体51被粘合于蜂窝结构体10的相邻基质壁14的端面上，使掩模50固定到位。
下一步(ST104)包括将粉末状堵塞材料装填进入第一端面12的第一部分孔道中。这些第一部分孔道11a开口于端面12上，而且掩模50中的邻接开口54与之连接。参见图6和7，通过掩模开口54装填粉末状堵塞材料59，通过开口孔道末端进入孔道11a，经过孔道长度集中在蜂窝结构体10端面13附近的孔道末端。蜂窝结构体10较好置于一个平台57上，防止堵塞材料漏出装填孔道。由于某些在下文显而易见的原因，平台57具有个加热装置(未示出)，这是本领域已知的。装填粉末状堵塞材料的量能使蜂窝结构体孔道中的堵塞深度在0.04英寸(1毫米)到0.60英寸(15.5毫米)之间，优选是0.3英寸(7.5毫米)到0.5英寸(12.7毫米)。如何装填粉末状堵塞材料到孔道中对本发明而言是不重要的，可以是任何方式，比如过筛，倾倒和注入。装填过程可以想象是自动的，比如使用合适的压缩空气驱动枪，其喷嘴位于端面上的一些适当孔口处，能将粉末状堵塞材料注射进入选定的孔道中。
与使用潮湿糊状胶泥进行堵塞的现有方法不同，本发明特别适合用于不含水的粉末状堵塞材料。具体地说，适用于实施本发明的粉末状堵塞材料包括颗粒密封剂，如与本发明申请同时提交的待审专利申请，M.Fabian，S.Lakhwani，和M.Roberts的“用于形成过滤器堵塞物的颗粒密封剂”所述和所要求专利保护的。所述颗粒密封剂的重量配方是约70到90％的陶瓷混合物(该陶瓷混合物是陶瓷原料组合物，其重量百分比是大约12到16％的MgO，大约33到38％的Al2O3，和大约49到54％的SiO2，燃烧后形成堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2))和大约10到30％的非水相粘合剂，它是选自高分子量热塑性聚合物和热固性树脂的聚合物。实施本发明优选的颗粒密封剂组合物中包含大约78到84％的陶瓷混合物(该陶瓷混合物是原料陶瓷组合物，其重量百分比是大约12到16％的MgO，大约33到38％的Al2O3，和大约49到54％的SiO2，燃烧后形成堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2))和大约16到28％的非水相粘合剂，该粘合剂包含大约9.5-15.0重量％的低熔点蜡，选自脂肪醇，脂肪酸，脂肪二醇，和脂肪甘油蜡，大约5重量％的三嵌段苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯热塑性共聚物，和大约2重量％的分散剂。
下一步ST106是在第一部分孔道中形成堵塞物。在形成堵塞物的过程中，先通过任何适用的压实手段，将孔道末端处的粉末状堵塞材料压实，压实方式包括手动或机械压实，震动或离心。在图6和7中所示是机械压实。具体地说，将一根长棒60插入孔道中拍打并将堵塞材料颗粒向下压，形成压块61。该长棒优选与蜂窝结构体的一根根孔道具有相同的载面积。压实堵塞材料能保证形成强而致密的生坯和与全部四个孔道壁粘合的烧结堵塞物。
然后加热平台57至足以熔化堵塞材料中粘合剂的温度，形成能填充和粘合全部四个孔道壁的可流动液体，如与本申请同时提交的待审专利申请，M.Fabian，S.Lakhwani，和M.Roberts的“用于形成过滤器堵塞物的颗粒密封剂”中所述。冷却后，粘合剂发生再胶凝，堵塞材料再次固化，保持孔道末端中如此形成的堵塞物形状。先进行的试验时是在120℃加热15分钟。不管如何，加热温度和加热时间都取决于所用堵塞材料的组成，能很容易地从此确定。冷却之后，生坯堵塞物61在靠近蜂窝结构体10第一端面12的第一部分孔道11a中形成。
这时，从端面12上取下掩模。留下的是交错堵塞的孔道图案，在本发明中以此作为在另一端面13的孔道末端处形成堵塞物的掩模。因此，没有必要象对端面12一样，用掩模覆盖端面13。对端面13重复上述堵塞过程，参见图7(ST110)。在端面13上制得的堵塞图案与端面12上的堵塞图案相反。要形成最终结构体的堵塞物，应该在大约1350℃到1450℃的温度下，对封闭或堵塞的蜂窝体进行烧结，烧结时间应足以形成堇青石，如美国专利5258150所述。
所述和按照本发明过程制造的固体颗粒过滤体如图8和9所示。图8所示蜂窝结构体10中包括大量平行的末端堵塞的孔道11，这些孔道11从第一端面或进入端面12贯穿通过该蜂窝体至相对的第二端面或出口端面13。图9所示是流体流过该过滤体的方式。用带箭头的直线70表示流体。因此，流体70通过第一端面12流入开口孔道，但是由于在端面13处堵塞物61的堵塞作用，流体在一定压力下通过相邻孔道顶部，底面和两个侧面孔道壁14中的孔隙。流体70通过全部孔道壁14时，其孔隙尺寸使颗粒被截留在其中形成多孔的积聚物。然后流体70在出口端面13流出开口的孔道。
本发明的一个优点是，在制造固体颗粒过滤器时，优化了堵塞或封闭蜂窝结构体孔道的时间，即使所需要的时间最短，只需要在一个端面上使用掩模即可，而用不着在蜂窝结构体的另一端面上使用另一掩模。
根据上述说明，本领域技术人员能很容易地了解本发明的特征，可以在不超出其原理和范围条件下，对本发明作出各种变化和改进，使其适合于各种应用和条件。