專利名稱：微粒過濾器和過濾微粒物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及微粒過濾器，以及過濾微粒物質(zhì)的方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于捕集和燃燒發(fā)動機廢氣中所含微粒的微粒過濾器。
背景技術(shù)：
環(huán)境方面的問題促使全世界很多地方的人對內(nèi)燃機的排放提出要求。人們使用催化轉(zhuǎn)化器除去廢氣中包含的許多污染物；但是，人們經(jīng)常需要使用過濾器除去微粒物質(zhì)，例如灰和煙炱。例如，人們經(jīng)常在發(fā)動機系統(tǒng)中使用壁流式微粒過濾器從廢氣中除去微粒。這種壁流式微粒過濾器可用具有多條平行流動通道(有時稱作孔道)的基材制成，所述平行流動通道由內(nèi)部多孔壁限定。流動通道的入口端和/或出口端可有選擇地加以堵塞，例如按照棋盤格圖案堵塞，從而迫使廢氣一進入基材就通過所述內(nèi)部多孔壁，所述多孔壁由此截留廢氣中的一部分微粒。通過這種方式，人們發(fā)現(xiàn)壁流式微粒過濾器能夠有效地從廢氣中除去微粒，例如灰和煙炱。但是，隨著多孔壁和通道中捕集的微粒的量的增加，所述壁流式微粒過濾器上的壓降增大。越來越高的壓降會導(dǎo)致施加給發(fā)動機的背壓逐漸增大，相應(yīng)地降低發(fā)動機的性能。因此，通常在累積至過高的水平之前，用受控的再生工藝(即主動再生)對煙炱進行氧化，將其除去。然而，許多發(fā)動機系統(tǒng)，例如改裝系統(tǒng)、越野柴油機系統(tǒng)和汽油機系統(tǒng)，可能缺少精密的控制、精確的煙炱負(fù)載量測評方案和先進的再生策略，不能通過受控再生調(diào)節(jié)微粒過濾器因負(fù)載微粒而產(chǎn)生的壓降。因此，在這樣的系統(tǒng)中，為避免因煙炱過載而損害過濾器、發(fā)動機和/或后處理系統(tǒng)，可能需要提供在煙炱負(fù)載量較低的情況下具有較低壓降的微粒過濾器。可能還需要提供這樣一種微粒過濾器，它能使微粒物質(zhì)避開煙炱負(fù)載量高的過濾器的捕集，直到該過濾器在正常驅(qū)動條件下自然再生(即被動再生)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可以解決上述一個或多個問題，并且/或者能夠展現(xiàn)上文所述的一種或多種合乎需要的特征。借助以下描述，其它的特征和/或優(yōu)點將變得顯而易見。根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實施方式，微粒過濾器可包含入口端、出口端以及設(shè)置并構(gòu)造用來供流體從入口端流到出口端的多條平行通道，所述平行通道由構(gòu)造用來捕集微粒物質(zhì)的多個多孔壁限定。所述微粒過濾器可限定至少一個包含第一組通道的過濾區(qū)和至少一個包含第二組通道的旁通區(qū)，其中第一組通道中至少有一些通道在其一端被堵塞，第二組通道中的通道沒有被堵塞，且所述多條平行通道中約有多于或等于70%的通道在其一立而被堵塞。根據(jù)本發(fā)明的多個其它的示例性實施方式,過濾微粒物質(zhì)的方法可包括使流體流過微粒過濾器，所述微粒過濾器包含入口端、出口端以及設(shè)置并構(gòu)造用來供流體從入口端流到出口端的多條平行通道，所述平行通道由構(gòu)造用來捕集微粒物質(zhì)的多個多孔壁限定，其中當(dāng)微粒過濾器的微粒物質(zhì)負(fù) 載水平在約Og/L至約小于O. 5g/L的范圍內(nèi)時,大部分流體流過微粒過濾器的至少一個第一區(qū)，而當(dāng)微粒過濾器的微粒物質(zhì)負(fù)載水平約大于或等于5g/L時，大部分流體流過微粒過濾器的不同于所述至少一個第一區(qū)的至少一個第二區(qū)。其它的目的和優(yōu)點將部分在隨后的描述中陳述，部分由該描述可明顯看出，或可通過實施本發(fā)明而了解到。借助所附權(quán)利要求中特別指出的要素和組合，將會認(rèn)識和實現(xiàn)這些目的和優(yōu)點。應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述都只是示例和說明性的，不構(gòu)成對權(quán)利要求書的限制。


可單獨通過以下詳述或通過以下詳述和附圖一起理解本發(fā)明。所含附圖有助于進一步理解本發(fā)明，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖顯示了一個或多個示例性的實施方式，與描述一起用來解釋各種原理和操作。在附圖中圖I是本發(fā)明的微粒過濾器的一個示例性實施方式的透視圖；圖2是沿圖I中的線2-2截取的圖I所示微粒過濾器的縱截面示意圖；圖3是本發(fā)明的微粒過濾器的另一個示例性實施方式的頂視圖；圖4就本發(fā)明的微粒過濾器的過濾效率隨煙炱負(fù)載量的變化關(guān)系，比較了從模型數(shù)據(jù)和實驗測試得到的結(jié)果。
具體實施例方式對于缺少過濾器主動再生所需的精密控制、策略和/或空間的發(fā)動機系統(tǒng)來說，比較適宜的微粒過濾器是，當(dāng)過濾器較干凈時，它具有高過濾效率和低壓降，隨后當(dāng)過濾器變臟，也就是負(fù)載了包括例如煙炱在內(nèi)的微粒物質(zhì)時，過濾效率變低。本發(fā)明構(gòu)思了一些具有這種性質(zhì)的微粒過濾器設(shè)計，這些性質(zhì)包括例如初始過濾效率高，清潔壓降低，然后在微粒負(fù)載量變高時，過濾效率降低。根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實施方式的構(gòu)思，當(dāng)過濾效率因微粒負(fù)載量高而降低時，后面的微粒物質(zhì)可有效避開過濾器的捕集，從而避免煙炱在過濾器上過載，直至過濾器能夠在例如汽車的正常駕駛條件下被動再生。因此，本發(fā)明構(gòu)思了微粒過濾器，所述微粒過濾器被構(gòu)造用來有效除去流體流中的微粒物質(zhì)，同時使微粒物質(zhì)能夠避開微粒負(fù)載量高的過濾器的捕集；本發(fā)明還構(gòu)思了用這種微粒過濾器過濾微粒物質(zhì)的方法。更具體地，所述微粒過濾器可構(gòu)造用來在一段時間內(nèi)，在過濾器的過濾區(qū)捕集發(fā)動機廢氣所含的微粒物質(zhì)，例如煙炱和灰，而在另一段時間內(nèi)，當(dāng)煙炱負(fù)載量較高時，可通過利用過濾器的旁通區(qū)，使微粒物質(zhì)避開過濾器的捕集。換句話說，本發(fā)明的多個示例性實施方式提供了微粒過濾器構(gòu)造，它們包括至少一個包含第一組通道的過濾區(qū)和至少一個包含第二組通道的旁通區(qū)。所述至少一個過濾區(qū)可包括例如堵塞通道，在一個示例性實施方式中，所述堵塞通道可在其入口端和出口端被交替堵塞。因此，所述至少一個過濾區(qū)可包含常規(guī)壁流式通道，從而迫使攜帶微粒的流體流過多孔壁，所述多孔壁分隔和限定組成過濾區(qū)的所述第一組通道。另一方面，構(gòu)成所述至少一個旁通區(qū)的那組通道可以是未堵塞的貫通通道(也稱作流通通道)，使攜帶微粒的流體直接流過通道(即基本上沒有流過過濾器壁)，從而避免流過多孔壁，也避免過濾器捕集微粒物質(zhì)。在多個示例性實施方式中，當(dāng)過濾器干凈的時候，多孔壁的壓降阻力適中，從而使顯著比例的流體流過過濾區(qū)，這可得到較高的過濾效率。然后，隨著時間過去，微粒物質(zhì)(例如煙炱和灰)沉積在過濾區(qū)里的通道多孔壁內(nèi)部和表面，此時負(fù)載微粒的壁所提供的壓降阻力變大，大到足以使大部分流體轉(zhuǎn)而流過過濾器旁通區(qū)里的通道。結(jié)果，過濾器的過濾效率會顯著下降，并且在微粒負(fù)載量較高時變得較低。 因此，本發(fā)明認(rèn)為微粒過濾器的過濾效率和壓降隨著微粒負(fù)載量所表現(xiàn)出來的特點受微粒過濾器的微結(jié)構(gòu)和幾何性質(zhì)的影響。例如，過濾器的過濾區(qū)與旁通區(qū)的面積比例會影響過濾器在過濾效率和壓降方面的表現(xiàn)特點。過濾器的微結(jié)構(gòu)性質(zhì)，例如根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實施方式測定的孔徑、孔隙率和/或孔徑分布，可能足以提供較低的過濾器清潔壓降和較高的初始過濾效率。此外，可選擇過濾器的幾何性質(zhì)，例如根據(jù)本發(fā)明的多個另外的示例性實施方式測定的壁孔道密度[例如每平方英尺孔道數(shù)(CPSI)]、壁厚度、過濾器長度、過濾器直徑和/或過濾區(qū)與旁通區(qū)的相對面積比例，以便在微粒負(fù)載量較低時，包括在過濾器干凈時，提供較高的過濾效率，然后在微粒負(fù)載量較高時，過濾效率變得較低。上面提及的和本文描述的多個示例性實施方式代表這樣一些微粒過濾器，它們的微結(jié)構(gòu)和幾何性質(zhì)可以產(chǎn)生較低的清潔壓降和較高的初始過濾效率，然后在微粒負(fù)載量較高時，過濾效率較低，從而避免在無法主動再生的情況下，煙炱在過濾器上過載。本文所用的術(shù)語“初始過濾效率”是指微粒過濾器在比較干凈時(即負(fù)載過多微粒之前)所具有的過濾效率。初始過濾效率可定義為例如微粒過濾器在微粒負(fù)載量約為Og/L至約小于O. 5g/L時所具有的過濾效率。在本文中，術(shù)語“微粒過濾器”或“過濾器”表示一種結(jié)構(gòu)，它能夠從通過所述結(jié)構(gòu)的流體流中除去微粒物質(zhì)。本發(fā)明可以用來從任意的流體流除去任意的微粒物質(zhì)，所述流體流可以是氣體或液體的形式。氣體或液體還可包含另一相，例如在氣流或液流中的固體微粒，或者在氣流中的液滴。非限制性的示例性流體流包括內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣(例如柴油發(fā)動機和汽油發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣)、水性液流、煤氣化工藝產(chǎn)生的燃煤煙道氣。所述微粒物質(zhì)可以為任意的相。因此，所述微粒物質(zhì)可以作為在氣體流體流中的固體或液體存在，或者作為在液體流體流中的固體存在。示例性的微粒物質(zhì)包括例如柴油機微粒物質(zhì)(例如由柴油汽車和卡車排放的柴油機廢氣中的微粒組分)，它包含柴油機煙炱和氣溶膠，例如灰微粒、金屬磨損顆粒、硫酸鹽和/或硅酸鹽。在本文中，術(shù)語“煙炱”表示在內(nèi)燃過程中，由于烴類不完全燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)碳顆粒。術(shù)語“灰”表示幾乎在所有石油產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的不可燃的金屬材料。對于柴油機應(yīng)用，灰通常由曲軸箱用油和/或燃油催化劑產(chǎn)生。本文所用的術(shù)語“過濾區(qū)”是指微粒過濾器的一個區(qū)域，構(gòu)造用來過濾從該區(qū)域流過的流體流中的微粒物質(zhì)。過濾區(qū)可由微粒過濾器的一組連續(xù)通道限定，這些通道統(tǒng)一構(gòu)造用來在流體流流過過濾區(qū)的通道時，實現(xiàn)微粒物質(zhì)如煙炱和灰的過濾。術(shù)語“旁通區(qū)”也是指微粒過濾器的一個區(qū)域，構(gòu)造用來使流體流流過該區(qū)域，流過時基本上沒有從流體流中過濾任何微粒物質(zhì)。旁通區(qū)也可由微粒過濾器的一組連續(xù)通道限定，所述通道統(tǒng)一構(gòu)造成使流體流流過這些通道，使得基本上沒有發(fā)生對流體流中微粒物質(zhì)的過濾，從而使流體有效地避開過濾。本發(fā)明的微粒過濾器可具有適合所需應(yīng)用的任何形狀、尺寸或幾何性質(zhì)，以及各種構(gòu)造和設(shè)計，包括但不限于整體式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的多個示例性實施方式考慮例如一種包含過濾區(qū)和旁通區(qū)的結(jié)構(gòu)，所述過濾區(qū)構(gòu)成所述整體式結(jié)構(gòu)的壁流區(qū)或部分流通區(qū)(即壁流結(jié)構(gòu)與流通結(jié)構(gòu)的任意組合)，所述旁通區(qū)構(gòu)成所述整體式結(jié)構(gòu)的流通區(qū)。本發(fā)明的多個示例性實施方式考慮采用蜂窩式構(gòu)造的多孔幾何結(jié)構(gòu)，這是因為此種結(jié)構(gòu)每單位體積具有高表面積，可以用來沉積微粒物質(zhì)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解，蜂窩式結(jié)構(gòu)的孔道的橫截面實際上可以具有任意的形狀，而不限于正方形或六邊形。類似地，從下文可進一步理解，蜂窩式結(jié)構(gòu)可構(gòu)造成多個分開和 /或獨立的區(qū)域，包括例如壁流或部分流通區(qū)和流通區(qū)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將進一步理解，微粒過濾器的各區(qū)域(即過濾區(qū)和旁通區(qū))可具有適合于特定應(yīng)用的任何形狀或幾何性質(zhì)，以及各種構(gòu)造和設(shè)計，包括但不限于過濾區(qū)和旁通區(qū)被設(shè)置成彼此共中心的構(gòu)造。本發(fā)明的多個示例性實施方式構(gòu)思了一種旁通區(qū)圍繞著過濾區(qū)的構(gòu)造，而多個其它的示例性實施方式構(gòu)思了一種過濾區(qū)圍繞著旁通區(qū)的構(gòu)造。另外，微粒過濾器可包含多個過濾區(qū)和/或多個旁通區(qū)，這些區(qū)域可在微粒過濾器內(nèi)的多個位置，這也視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。圖I顯示了適合用來實施本發(fā)明的微粒過濾器的一個示例性實施方式。所述微粒過濾器100具有入口端102、出口端104以及從所述入口端102延伸到出口端104的多個通道108、109和110。所述通道108、109和110由交叉的多孔壁106限定，從而形成大體呈蜂窩狀的構(gòu)造。盡管圖中顯示微粒過濾器100的通道橫截面(即在垂直于過濾器100縱軸的平面上)基本為正方形，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解，通道108、109和110可以具有各種其它的幾何結(jié)構(gòu)，例如橫截面為圓形、正方形、三角形、矩形、六邊形、正弦曲線形或其任意組合，它們沒有偏離本發(fā)明的范圍。此外，盡管微粒過濾器100在圖中顯示為圓柱形，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解，這種形狀僅為示例，本發(fā)明的微粒過濾器可具有各種形狀并呈現(xiàn)各種不同的橫截面，包括但不限于例如橢圓形、正方形、矩形或三角形橫截面。微粒過濾器100可用任何合適的材料制成，多孔壁106不限于任何特定的多孔材料。示例性的材料包括各種多孔陶瓷，包括但不限于堇青石、碳化硅、氮化硅、鈦酸鋁、鋰霞石、鋁酸鈣、磷酸鋯和鋰輝石。在多個示例性實施方式中，所述微粒過濾器100可以通過例如擠出和/或模塑形成整體式結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟悉用來形成所述陶瓷整體式結(jié)構(gòu)的各種技術(shù)。在多個示例性實施方式中，微粒過濾器還可包括外皮，形成過濾器的外周側(cè)表面。所述外皮可以由與多孔壁相同或不同的材料制成，在多個實施方式中，所述外皮的厚度可以大于多孔壁的厚度。如圖I和圖2中的示例性實施方式所示，微粒過濾器100限定了包含第一組通道的過濾區(qū)112和包含第二組通道的旁通區(qū)114 ;區(qū)域112和114在圖I中用粗虛線分開。過濾區(qū)112具有選擇性堵塞的通道端部，以便提供壁流區(qū)，使流體流在區(qū)域112內(nèi)與多孔壁106更密切地接觸，并使流體流經(jīng)過濾區(qū)112里的通道108、109，流過這些通道之間的多孔壁，從而在此捕集微粒物質(zhì)。構(gòu)成旁通區(qū)114的第二組通道110包括具有開放通道端部的通道，以便提供流通區(qū)，使流體流直接通過微粒過濾器100 (即基本上不會使流過通道的流體通過區(qū)域114內(nèi)限定通道的多孔壁106)。 圖2是圖I所示的微粒過濾器100沿著直線2-2截取的截面示意圖，圖中顯示了微粒過濾器100中的通道108、109和110。在過濾器112中，通道108和109在相反的端部用栓塞115交替封堵。例如，在圖I和圖2所示的示例性實施方式中，通道108在過濾器100的入口端102用栓塞115封閉，通道109在過濾器100的出口端104用栓塞115封堵。這樣封堵通道108和109就迫使流經(jīng)通道108和109的流體從區(qū)域112內(nèi)的多孔壁106中流過。沿著箭頭F所示方向流動的流體通過入口端102,經(jīng)由通道109和110進入微粒過濾器100，但在出口端104被通道109里的栓塞115擋住。這種阻擋作用導(dǎo)致被封堵的通道109內(nèi)的壓力逐漸增大，迫使流體通過通道109的多孔壁106。當(dāng)流體被迫通過多孔壁106時，微粒物質(zhì)被捕集在壁106中，而流體則不受阻礙地通過。然后，經(jīng)過過濾的流體進入相鄰的通道108，通過通道108經(jīng)由出口端104離開微粒過濾器100。進入通道110的流體直接不受阻礙地通過通道110，通過通道110經(jīng)由出口端104離開微粒過濾器100。但是，由于過濾器112和旁通區(qū)114各自的大小不同，與進入通道109的流體量相比，僅有極少量的流體一開始就進入通道110 (即在過濾器較干凈的時候)。當(dāng)微粒過濾器100干凈時，多孔壁106形成的壓降阻力是適中的，從而使顯著比例的流體流過過濾區(qū)112，得到較高的初始過濾效率。然而，隨著微粒物質(zhì)沉積在過濾區(qū)112 (即被捕集在壁106中)，阻礙流體流過多孔壁106的壓降阻力變得足夠大，使大部分流體轉(zhuǎn)向旁通區(qū)114，流體在旁通區(qū)可直接流過通道110，而不通過多孔壁106，并經(jīng)由出口端104離開微粒過濾器100。根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實施方式的構(gòu)思，為最大程度增大初始過濾效率，所述多條平行通道中約有多于或等于70%的通道在其一端被堵塞。換句話說，在圖I和2所示的示例性實施方式中，當(dāng)過濾區(qū)112的所有通道108和109被堵塞時，過濾區(qū)112可包含約多于或等于70%的過濾器100的通道(即被堵塞的通道108和109占通道總數(shù)的比例約大于或等于70% )。根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實施方式的另一種構(gòu)思，為在煙炱負(fù)載量高的情況下最大程度減小過濾效率，所述多條平行通道中至少有5%的通道沒有被堵塞，并且完全與同樣沒有被堵塞的通道鄰接，從而形成貫通通道(即沒有被堵塞的通道)的毗連區(qū)。此外，第二組通道中約有少于或等于5%的通道鄰近被堵塞的通道(也就是說，在圖I和2所示的示例性實施方式中，約有少于或等于5%的通道110鄰近被堵塞的通道108和109)。所述栓塞115可以由任意合適的材料制成，不限于任何特定的堵塞糊料或材料。在多個示例性實施方式中，例如，特別是在堇青石制成的過濾器中，所述栓塞115可以由與粘結(jié)劑和填料一起使用的堇青石熟料形成。例如，示例性的栓塞還可以包括由以下組分的混合物組成的堵塞糊料鈦酸鋁粉末、鋁酸鈣粉末、Kaowool 鋁硅酸鹽纖維、二氧化硅溶膠、甲基纖維素粘結(jié)劑和水，通過加熱使其固化。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解，圖I和圖2所示以及上文所述的堵塞的通道的圖案僅僅是示例，可以在不偏離本發(fā)明范圍的前提下采用其它的布局堵塞通道。另外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解，在不偏離本發(fā)明范圍的前提下，還可以采用部分流通式構(gòu)造(即過濾區(qū)112的一些通道在一端被堵塞，過濾區(qū)112的一些通道在兩端都是開放的)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還將認(rèn)識到，圖I和2所示的過濾區(qū)112和旁通區(qū)114的形狀和/或構(gòu)造僅僅是示例，在不偏離本發(fā)明范圍的前提下，可以采用其它的通道布局。例如，如圖I和2所示，本發(fā)明的多個示例性實施方式考慮，可將過濾區(qū)112和旁通區(qū)114設(shè)置成彼此共中心的關(guān)系，其中旁通區(qū)114圍繞著過濾區(qū)112。因此，在圖I和2所示的示例性實施方式中，峰值流速可出現(xiàn)在微粒過濾器100的外周界。反過來，如圖3所示，本發(fā)明的多個其它的示例性實施方式考慮了一種過濾區(qū)312圍繞著旁通區(qū)314的復(fù)合微粒過濾器300。因此，在多個示例性實施方式中，峰值流速也可出現(xiàn)在微粒過濾器中央。雖然在圖1-3所示的示例性實施方式中僅呈現(xiàn)了單一過濾區(qū)和單一旁通區(qū)，但是本發(fā)明構(gòu)思了微粒過濾器包含不止一個過濾區(qū)和/或不止一個旁通區(qū)的實施方式。此外，一個或多個過濾區(qū)和一個或多個旁通區(qū)的各種布局都考慮在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，圖1-3所示的構(gòu)造是示例性和非限制性的。如上文所討論的，微粒過濾器，例如像圖I和2所示的復(fù)合微粒過濾器100那樣的微粒過濾器，其幾何性質(zhì)和多孔壁結(jié)構(gòu)性質(zhì)會影響微粒過濾器的過濾效率和壓降隨微粒負(fù)載量表現(xiàn)出來的特點。同樣如上文所討論并在下文將更詳細描述的那樣，當(dāng)無法進行主動再生時，具有低清潔壓降和高初始過濾效率，隨后在微粒負(fù)載量高的情況下具有低過濾效率的微粒過濾器可避免煙炱在過濾器上過載。因此，本發(fā)明考慮構(gòu)造一種具有多種幾何性質(zhì)和多孔壁微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的微粒過濾器，以實現(xiàn)上述所需的壓降和過濾效率。為研究壓降和過濾效率方面的性能隨過濾器的幾何性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系，建立了預(yù)測模型并通過實驗室實驗加以驗證，如圖4和表1、2所示，下面將結(jié)合這些圖表展開描述。例如，就過濾效率)隨煙炱負(fù)載量[單位為克/升(g/L)]的變化情況，圖4顯示了從模型數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，并與從實驗測試得到的結(jié)果作了比較。為了得到圖4所示的結(jié)果，建立了一個微粒過濾器模型并在75kg/h的流體流速和23°C的溫度下加以測試，該微粒過濾器的直徑為5. 66英寸，長度為6英寸，孔道密度為200CPSI，壁厚度為12密爾(=1/1000英寸)，壁孔隙率為50%，中值孔徑為19 μ m。如圖4所示，在模型和實驗測試中，初始過濾效率(用約Og/L煙炱負(fù)載量表示)隨著煙炱負(fù)載量增加而顯著下降，直至在高煙炱負(fù)載量水平(用約5g/L煙炱負(fù)載量表示)下，過濾效率僅約為10%。預(yù)測模型還考慮到，對于指定的煙炱負(fù)載量水平，流體流量如何根據(jù)每個區(qū)域的相對流動阻力在過濾器的各區(qū)域(即過濾區(qū)和旁通區(qū))之間分布。如上文所討論的，流量分布可在任何指定的煙炱負(fù)載量水平上主導(dǎo)微粒過濾器的總壓降和過濾效率。例如，如圖4所示，當(dāng)過濾器較干凈(即煙炱負(fù)載量在約Og/L至小于約O. 5g/L的范圍內(nèi))時，被堵塞的通道所提供的阻力是適中的，因此，顯著比例(即約大于或等于40%)的流量是通過過濾 區(qū)的流量，得到較高的初始過濾效率(即約大于或等于40% )。隨著過濾器變臟(即負(fù)載煙炱)，沿著被堵塞的通道的壓降增大，導(dǎo)致通過過濾區(qū)的流量減小，從而降低了過濾效率。在高煙炱負(fù)載量水平下(即煙炱負(fù)載量約大于或等于5g/L)，過濾效率實際上可降至足夠低的水平(即約小于或等于10% )，使得進來的煙炱大部分(即約大于或等于90% )完全繞過過濾區(qū)，從過濾器的旁通區(qū)流過。對于在375kg/h的流體流速和590°C的溫度條件下建立的一個微粒過濾器模型，下面的表I列出了壓降和過濾效率對各種過濾器幾何性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)的敏感性。表I :過濾器的過濾效率(FE)和壓降(dP)對過濾器的幾何性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)的敏感性
權(quán)利要求
1.一種微粒過濾器，它包含 入口端、出口端以及多條平行通道，所述多條平行通道設(shè)置并構(gòu)造用來使流體從入口端流到出口端，所述通道由多個構(gòu)造用來捕集微粒物質(zhì)的多孔壁限定； 其中所述微粒過濾器限定了至少一個包含第一組通道的過濾區(qū)和至少一個包含第二組通道的旁通區(qū)， 所述第一組通道中至少有一些通道在其一端被堵塞， 所述第二組通道中的通道沒有被堵塞，并且 所述多條平行通道中約有多于或等于70%的通道在其一端被堵塞。
2.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述多條平行通道中至少有5%的通道沒有被堵塞，并且完全與沒有被堵塞的通道鄰接。
3.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述第二組通道中約有少于或等于5%的通道鄰近被堵塞的通道。
4.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述微粒過濾器具有蜂窩式結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述多孔壁構(gòu)造用來捕集煙炱。
6.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述第一組通道中的通道在入口端和出口端交替被堵塞。
7.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述過濾區(qū)和所述旁通區(qū)被設(shè)置成彼此共中心的關(guān)系。
8.如權(quán)利要求7所述的微粒過濾器，其特征在于，所述旁通區(qū)圍繞著所述過濾區(qū)。
9.如權(quán)利要求7所述的微粒過濾器，其特征在于，所述過濾區(qū)圍繞著所述旁通區(qū)。
10.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述多孔壁構(gòu)造用來捕集煙炱，并且當(dāng)所述微粒過濾器的煙炱負(fù)載量水平約為Og/L時，所述微粒過濾器的過濾效率(FE)約大于或等于30%。
11.如權(quán)利要求10所述的微粒過濾器，其特征在于，當(dāng)所述微粒過濾器的煙炱負(fù)載量水平約為Og/L時，所述過濾效率(FE)約大于或等于40%。
12.如權(quán)利要求11所述的微粒過濾器，其特征在于，當(dāng)所述微粒過濾器的煙炱負(fù)載量水平約為Og/L時，所述過濾效率(FE)約大于或等于50%。
13.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述多孔壁構(gòu)造用來捕集煙炱，并且當(dāng)所述微粒過濾器的煙炱負(fù)載量水平約大于或等于5g/L時，所述微粒過濾器的過濾效率(FE)約小于或等于25%。
14.如權(quán)利要求13所述的微粒過濾器，其特征在于，當(dāng)所述微粒過濾器的煙炱負(fù)載量水平約大于或等于5g/L時，所述過濾效率(FE)約小于或等于15%。
15.如權(quán)利要求14所述的微粒過濾器，其特征在于，當(dāng)所述微粒過濾器的煙炱負(fù)載量水平約大于或等于5g/L時，所述過濾效率(FE)約小于或等于10%。
16.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述過濾區(qū)的孔道密度不同于所述旁通區(qū)的孔道密度。
17.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述過濾區(qū)的多孔壁厚度不同于所述旁通區(qū)的多孔壁厚度。
18.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述入口端通道的水力直徑不同于所述出口端通道的水力直徑。
19.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述第一組通道是一組毗連的通道，并且所述第二組通道也是一組毗連的通道。
20.如權(quán)利要求I所述的微粒過濾器，其特征在于，所述微粒過濾器具有這樣的構(gòu)造，也就是當(dāng)微粒過濾器的微粒物質(zhì)負(fù)載量水平在約Og/L至小于約O. 5g/L的范圍內(nèi)時,流經(jīng)微粒過濾器的流體大部分從過濾區(qū)流過，而當(dāng)過濾器的微粒物質(zhì)負(fù)載量水平約大于或等于5g/L時，流經(jīng)微粒過濾器的流體大部分從旁通區(qū)流過。
21.一種過濾微粒物質(zhì)的方法，它包括 使流體流過微粒過濾器，所述微粒過濾器包含入口端、出口端以及多條平行通道，所述多條平行通道設(shè)置并構(gòu)造用來使流體從入口端流到出口端，所述通道由多個構(gòu)造用來捕集微粒物質(zhì)的多孔壁限定， 其中當(dāng)微粒過濾器的微粒物質(zhì)負(fù)載量水平在約Og/L至小于約O. 5g/L的范圍內(nèi)時，所述流體大部分流過所述微粒過濾器的至少一個第一區(qū)，并且 當(dāng)過濾器的微粒物質(zhì)負(fù)載量水平約大于或等于5g/L時，所述流體大部分流過所述微粒過濾器的至少一個第二區(qū)，所述至少一個第二區(qū)不同于所述至少一個第一區(qū)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，流經(jīng)所述至少一個第一區(qū)的流體從至少包含一些一端被堵塞的通道的第一組通道中流過。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述第一組通道中的通道在入口端和出口端交替被堵塞。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，流經(jīng)所述至少一個第二區(qū)的流體從沒有被堵塞的第二組通道中流過。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，流經(jīng)所述至少一個第一區(qū)的流體至少有一些通過所述至少一個第一區(qū)中的多孔壁。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，流經(jīng)所述至少一個第二區(qū)的流體主要是從入口端到出口端途經(jīng)所述微粒過濾器，而沒有通過所述至少一個第二區(qū)的多孔壁。
全文摘要
一種微粒過濾器可以包括入口端、出口端以及多條平行通道，所述多條平行通道設(shè)置并構(gòu)造用來使流體從入口端流到出口端，所述通道由多個構(gòu)造用來捕集微粒物質(zhì)的多孔壁限定。所述微粒過濾器可限定至少一個包含第一組通道的過濾區(qū)和至少一個包含第二組通道的旁通區(qū)，其中第一組通道中至少有一些通道在其一端被堵塞，第二組通道中的通道沒有被堵塞，所述多條平行通道中約有多于或等于70％的通道在其一端被堵塞。
文檔編號B01D46/24GK102625727SQ201080039594
公開日2012年8月1日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者A·K·海貝爾, D·M·比爾, P·坦登 申請人:康寧股份有限公司