УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НА ПОДЛОЖКИ ПОКРЫТИЯ ИЗ ПОРИСТОГО ОКСИДА
APPARATUS AND METHOD FOR APPLYING A POROUS OXIDE COATING ON SUBSTRATES

Настоящее описание относится к устройству и способам нанесения на подложки покрытия из пористого оксида. В частности, оно относится к покрытию подложек, используемых для очистки отработавших газов.
Предпосылки создания изобретения
Ежегодно выпускается большое количество устройств контроля выбросов, содержащих монолитные подложки с нанесенным покрытием. Одним из основных применений таких устройств является обработка отработавших газов, например, производимых электроустановкой или двигателем внутреннего сгорания, в частности автомобильным двигателем внутреннего сгорания. Монолитная подложка содержит множество каналов, которые приводят отработавший газ в контакт с покрытием на стенках канала внутри подложки. Такое покрытие может улавливать, окислять и (или) уменьшать количество компонентов отработавшего газа, опасных для здоровья человека или вредных для окружающей среды. Монолитная подложка катализатора также может представлять собой подложку фильтра, которая может удалять сажу (т. е. твердые частицы), такие как сажа, образуемая двигателями внутреннего сгорания.
Подложка для очистки отработавших газов, как правило, может представлять собой монолитную подложку, снабженную каналами для сквозного потока отработавших газов. На подложку может быть нанесено покрытие, которым может быть каталитическое покрытие. На подложку можно наносить покрытие из пористого оксида, которое проходит через каналы подложки. Известны различные способы нанесения покрытия на подложку. Один такой способ включает нанесение покрытия из пористого оксида на первую поверхность подложки (например, верхнюю) и воздействие на противоположную, вторую поверхность (например, нижнюю) подложки по меньшей мере низким вакуумом для перемещения покрытия из пористого оксида через каналы. После нанесения покрытия подложку можно высушить и прокалить.
Подложка может иметь проточное исполнение, в котором каждый канал открыт как на первой, так и на второй стороне подложки, а канал проходит по всей длине подложки. Следовательно, отработавшие газы, поступающие через первую поверхность подложки в канал, проходят через подложку в пределах того же канала до тех пор, пока отработавшие газы не выйдут из второй поверхности подложки. Альтернативно подложка может быть выполнена в виде подложки фильтра, в которой некоторые каналы соединены с первой поверхностью подложки, а другие каналы соединены со второй поверхностью подложки. В такой конфигурации отработавшие газы, входящие через первую поверхность подложки в первый канал, проходят вдоль первого канала частично вдоль подложки, а затем проходят через фильтрующую стенку подложки во второй канал. Затем отработавшие газы проходят по указанному второму каналу и выходят из второй поверхности подложки. Такая конструкция стала известной в данной области как фильтр с проточными стенками.
Подложка фильтра или изделие с нанесенным покрытием может, например, представлять собой подложку фильтра, которая включает каталитический нейтрализатор окисления (например, катализируемый сажевый фильтр [CSF]), каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) (например, изделие затем можно назвать фильтром селективного каталитического восстановления [SCRF]), композицию адсорбера оксидов азота (NOx) (например, изделие затем можно назвать катализатором-ловушкой обедненных оксидов азота [LNTF]), композицию тройного катализатора (например, изделие затем можно назвать фильтром твердых частиц для бензиновых двигателей [GPF]), катализатор проскока аммиака [ASC], или комбинацию двух или более из них (например, подложку фильтра, содержащую каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор проскока аммиака [ASC]).
Подложка может быть покрыта однократным нанесением, причем покрытие из пористого оксида можно нанести на подложку за один этап, при этом подложка остается в одном положении. В альтернативном варианте осуществления изобретения подложка может быть покрыта двукратным нанесением. Например, при первом нанесении подложка находится в первом положении с первой поверхностью вверху и второй — внизу. Покрытие наносится на первую поверхность и покрывает часть длины подложки. Затем подложка переворачивается таким образом, что вторая поверхность оказывается сверху. Затем на вторую поверхность наносят покрытие, чтобы покрыть участок подложки, не покрытый при первом нанесении. Преимуществом является то, что процесс с двумя нанесениями позволяет наносить различные покрытия на каждый конец подложки.
Для обеспечения наилучших рабочих характеристик подложки было бы целесообразно обеспечить полное покрытие подложки для максимального увеличения площади поверхности подложки с нанесенным покрытием. Однако также целесообразно обеспечить, чтобы участки подложки не были покрыты более чем одним слоем покрытия из пористого оксида (например, при двойном нанесении), поскольку это может привести к увеличению потери давления на подложке. Таким образом, желательно, чтобы процесс нанесения на подложку покрытия из пористого оксида обеспечивал надежные и контролируемые профили покрытия подложек.
В документе WO 99/47260 описан общий способ нанесения покрытия на монолитную подложку. Пример способа нанесения покрытия на подложку с проточной пористой структурой приведен в WO 99/47260. Этот способ обычно применяют для нанесения покрытия из пористого оксида с относительно высокой вязкостью.
Один способ, который демонстрирует хорошие результаты равномерного нанесения покрытия из пористого оксида на стенки подложки фильтра, описан в WO 2011/080525. В WO 2011/080525 описан способ покрытия монолитной подложки, содержащей множество каналов, жидкостью, содержащей каталитический компонент, причем способ включает этапы: (i) по существу вертикального удерживания монолитной подложки с пористой структурой; (ii) введения предварительно заданного объема жидкости в подложку через открытые концы каналов на нижнем конце подложки; (iii) герметичное удерживание введенной жидкости внутри подложки; (iv) переворачивание подложки, содержащей удерживаемую жидкость; и (v) создание вакуума для открытых концов каналов подложки на перевернутом нижнем конце подложки для втягивания жидкости вдоль каналов подложки.
Другой способ нанесения покрытия из пористого оксида на стенки подложки фильтра описан в WO 2015/145122. В данном способе используют «распылитель», включающий множество отверстий, расположенных с возможностью равномерного осаждения жидкости на верхнюю торцевую поверхность подложки фильтра.
Подложка может иметь однородную или практически однородную структуру по всему ее поперечному сечению и вдоль ее продольной длины. Альтернативно подложка может иметь неоднородную структуру. Например, подложка может иметь неоднородную структуру по всему ее поперечному сечению, т. е. на плоскости, взятой перпендикулярно продольной оси подложки. Например, подложка может содержать упрочненную периферийную область, причем толщина стенки каналов в периферийной области больше, чем в центральной области подложки. Толщина стенки может увеличиваться с градиентом к наружной поверхности подложки. Хотя структура подложки такого типа может обеспечивать лучшую прочность и долговечность подложки, заявитель обнаружил, что это может вызывать проблемы с достижением надежных и контролируемых профилей покрытия, поскольку упрочненная периферийная область может иметь большее водопоглощение из-за увеличенной толщины стенок.
Реферат
В первом аспекте в настоящем изобретении предложено устройство для нанесения покрытия на подложку, содержащее:
источник покрытия из пористого оксида;
распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида, содержащий пластину распылителя, имеющую множество отверстий сопла для выпуска покрытия из пористого оксида к поверхности подложки, размещенной под распылителем для нанесения покрытия из пористого оксида;
канал, соединяющий по текучей среде источник покрытия из пористого оксида с распылителем для нанесения покрытия из пористого оксида для подачи покрытия из пористого оксида в распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида; и
разделительное кольцо, расположенное между распылителем для нанесения покрытия из пористого оксида и поверхностью подложки;
причем размеры разделительного кольца меньше размеров поверхности подложки, а устройство для нанесения покрытия на подложку выполнено с возможностью приведения разделительного кольца в контакт с поверхностью подложки, тем самым образуя центральную область поверхности подложки, которая находится во внутренней части разделительного кольца, и периферийную область поверхности подложки, которая находится за пределами разделительного кольца;
Причем пластина распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида выполнена с возможностью применения для выпуска покрытия из пористого оксида как на центральную область, так и на периферийную область поверхности подложки.
Преимуществом является то, что устройство для нанесения покрытия на подложку по настоящему описанию, содержащее такое разделительное кольцо, обеспечивает более надежные и контролируемые профили покрытия подложек, имеющих упрочненные периферийные области. В частности, разделительное кольцо может обеспечивать направление большего объема покрытия из пористого оксида на периферийную область поверхности подложки, таким образом обеспечивая возможность проведения большего объема покрытия из пористого оксида через периферийную область подложки, компенсируя большее водопоглощение в этой области за счет увеличенной толщины стенки.
Устройство для нанесения покрытия на подложку может быть выполнено с возможностью приведения разделительного кольца в контакт с поверхностью подложки таким образом, чтобы разделительное кольцо располагалось по центру на поверхности подложки. Разделительное кольцо может быть подвижным в направлении вдоль продольной оси подложки, так что непосредственный контакт между разделительным кольцом и поверхностью подложки может поддерживаться во время перемещения подложки вдоль продольной оси.
Устройство для нанесения покрытия на подложку может дополнительно содержать направляющий механизм для поддержания выравнивания разделительного кольца. Направляющий механизм может содержать множество направляющих штифтов, которые проходят поперечно продольной оси разделительного кольца и выполнены с возможностью контакта с наружной поверхностью разделительного кольца в разнесенных друг от друга местах по окружности разделительного кольца. Альтернативно направляющий механизм может содержать направляющее кольцо, которое проходит поперек продольной оси разделительного кольца и выполнено с возможностью контакта с наружной поверхностью разделительного кольца.
Размеры разделительного кольца могут быть выбраны относительно размеров поверхности подложки таким образом, чтобы ширина периферийной области составляла от 5 до 15 мм, предпочтительно от 8 до 12 мм, более предпочтительно 10 мм.
Пластина распылителя может выступать при использовании как над центральной областью, так и по меньшей мере над частью периферийной области поверхности подложки. Диаметр пластины распылителя может быть равен диаметру подложки или превышать его.
Устройство для нанесения покрытия на подложку может дополнительно содержать собирающую манжету, выполненную с возможностью размещения вокруг поверхности подложки для сбора и направления покрытия из пористого оксида к периферийной области. Собирающая манжета может быть образована частью крепления головки устройства для нанесения покрытия на подложку.
Множество отверстий сопла в пластине распылителя могут быть расположены концентрическими круговыми рядами. Пластина распылителя может не содержать отверстий сопла в кольцевом пространстве над местоположением разделительного кольца.
Распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида может дополнительно содержать корпус, имеющий входное отверстие для приема покрытия из пористого оксида из канала и перегородку;
причем корпус и пластина распылителя образуют полость распылителя, а перегородка расположена в полости распылителя;
причем перегородка содержит непроницаемый центральный корпус и множество лопастей, проходящих от непроницаемого центрального корпуса, при этом множество лопастей образует множество проточных отверстий, расположенных по окружности вокруг непроницаемого центрального корпуса;
причем перегородку устанавливают в полости распылителя таким образом, чтобы непроницаемый центральный корпус находился на расстоянии от пластины распылителя;
причем непроницаемый центральный корпус выравнивают под впускным отверстием корпуса таким образом, что покрытие из пористого оксида, поступающее в полость распылителя через впускное отверстие, обходит непроницаемый центральный корпус и перед выпуском через отверстия сопла в распылителе проходит через множество проточных отверстий к поверхности подложки.
Преимуществом является то, что распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида, содержащий такую перегородку, позволяет покрывать подложку более равномерно и, в частности, может обеспечивать более надежные и контролируемые профили покрытия. Применение перегородки может быть особенно полезно для продуктов, когда может быть желательно использовать покрытия из пористого оксида, которые имеют относительно низкую вязкость и минимальные реологические свойства. Заявитель настоящего изобретения обнаружил, что это также может вызывать проблемы с достижением надежных и контролируемых профилей покрытия подложек, поскольку реология покрытия из пористого оксида означает сложность равномерного нанесения покрытия из пористого оксида на верхнюю поверхность подложки. Было обнаружено, что при использовании покрытий из пористого оксида с низкой вязкостью сложно обеспечить равномерную подачу покрытия из пористого оксида с пластины распылителя. Это может привести к проблемам с непокрытыми участками подложки после нанесения покрытия, когда на область подложки нанесено слишком мало покрытия, или, альтернативно, к «протягиванию», когда избыток подложки вытягивается с нижней стороны подложки, где на участок основания нанесено слишком много пористого оксида.
Перегородку и разделительное кольцо можно эффективно использовать в комбинации, так как они могут в комбинации обеспечивать более контролируемую подачу покрытия из пористого оксида с пластины распылителя и более контролируемый объем покрытия из пористого оксида, нанесенного как на центральную область, так и на периферийную область поверхности подложки.
Перегородка может содержать четыре лопасти, проходящие от непроницаемого центрального корпуса, причем четыре лопасти образуют четыре проточных отверстия, расположенных по окружности вокруг непроницаемого центрального корпуса; и четыре лопасти необязательно могут быть расположены на равном расстоянии по окружности вокруг непроницаемого центрального корпуса. Множество лопастей может проходить радиально от непроницаемого центрального корпуса; и при этом ширина каждой из множества лопастей необязательно может увеличиваться от места вблизи непроницаемого центрального корпуса до места, удаленного от непроницаемого центрального корпуса. Могут быть предусмотрены четыре лопасти.
Непроницаемый центральный корпус может иметь круглую форму в горизонтальной проекции. Непроницаемый центральный корпус может иметь диаметр, превышающий диаметр впускного отверстия корпуса; и при этом при необходимости центральная продольная ось впускного отверстия и центральная ось непроницаемого центрального корпуса могут совпадать. Диаметр непроницаемого центрального корпуса может составлять 20–55 мм; предпочтительно 25–50 мм; более предпочтительно 27, 35 или 50 мм.
Внутренний диаметр впускного отверстия корпуса может составлять до 25,4 мм (1 дюйма).
Верхняя поверхность непроницаемого центрального корпуса, обращенная к впускному отверстию, может включать выступ; причем предпочтительно выступ представляет собой коническую или полуконическую поверхность.
Преимущество обеспечивается наличием выступа на верхней поверхности, который сводит к минимуму турбулентное движение внутри распылителя для покрытия из пористого оксида, поскольку покрытие из пористого оксида направляют на периферию пластины распылителя.
Перегородка может быть установлена по меньшей мере на одно из корпуса и пластины распылителя; причем предпочтительной является установка перегородки только на корпус. Перегородка может быть установлена в монтажных точках корпуса, которые окружают впускное отверстие корпуса, но не соприкасаются с ним. Перегородка может быть установлена с помощью фиксаторов, проходящих между множеством лопастей и по меньшей мере одним из корпуса и пластины. Фиксаторы могут проходить от дистального конца каждого из множества лопастей. Фиксаторы могут быть расположены на диаметре окружности шага 65–75 мм; предпочтительным является расстояние 70 мм и при возможном центрировании по центральной оси непроницаемого центрального корпуса. Предпочтительно фиксаторы следует расположить за пределами диаметра непроницаемого центрального корпуса.
Преимуществом является то, что размещение фиксаторов за пределами диаметра непроницаемого центрального корпуса может сводить к минимуму взаимодействие фиксаторов с поступающим покрытием из пористого оксида, что приводит к более равномерному распределению покрытия из пористого оксида на верхней поверхности подложки.
Глубина полости распылителя может составлять 12–40 мм; предпочтительно 15–30 мм.
Непроницаемый центральный корпус может быть отделен от пластины распылителя зазором 5–10 мм.
Преимуществом является то, что расположение непроницаемого центрального корпуса на расстоянии 5–10 мм от пластины распылителя может улучшать циркуляцию покрытия из пористого оксида внутри полости распылителя и, в частности, обеспечивать достаточное количество покрытия из пористого оксида для подачи обратно в центр верхней поверхности пластины распылителя для обеспечения более равномерного распределения покрытия из пористого оксида на верхней поверхности подложки.
Вышеописанная перегородка для формирования части распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида содержит непроницаемый центральный корпус и множество лопастей, проходящих от непроницаемого центрального корпуса, причем множество лопастей образуют множество проточных отверстий, расположенных по окружности вокруг непроницаемого центрального корпуса.
Множество лопастей может проходить радиально от непроницаемого центрального корпуса; и (или) ширина каждой лопати из множества лопастей может увеличиваться от места вблизи непроницаемого центрального корпуса до места, удаленного от непроницаемого центрального корпуса; и (или) непроницаемый центральный корпус может иметь круглую форму в горизонтальной проекции; и (или) диаметр непроницаемого центрального корпуса может составлять 20–55 мм; предпочтительно 25–50 мм; более предпочтительно 27, 35 или 50 мм; и (или) верхняя поверхность непроницаемого центрального корпуса может содержать выступ; причем предпочтительно, чтобы выступ представлял собой коническую или полуконическую поверхность; и (или) множество лопастей может оснащаться монтажными точками для присоединения фиксаторов; и (или) монтажные точки могут быть расположены на дистальном конце каждого из множества лопастей; и (или) монтажные точки могут быть расположены на диаметре окружности шага от 65 до 75 мм; предпочтительным является расстояние 70 мм и при возможном центрировании по центральной оси непроницаемого центрального корпуса.
Во втором аспекте в настоящем изобретении предложена система для нанесения покрытия на подложку, содержащая устройство для нанесения покрытия на подложку, как описано выше, и подложка. Известны различные подложки, включая подложки с проточным исполнением (например, монолитные подложки с проточной структурой) и подложки фильтра (например, монолитные подложки фильтра), гранулы и керамические пены. Однако подложка предпочтительно выбирается из проточной подложки или подложки фильтра (например, подложки фильтра с проточными стенками).
Проточная подложка по существу содержит множество каналов, как правило, проходящих через нее, причем каждый канал открыт на обоих концах (т. е. на открытом конце у впуска и на открытом конце у выпуска). Каналы образованы между множеством стенок. Стенки, как правило, включают непористый материал. Проточная монолитная подложка, содержащая матрицу параллельных каналов, проходящих через нее, в настоящем документе также называется монолитной подложкой с пористой структурой.
Напротив, подложка фильтра включает множество каналов, причем каждый канал имеет открытый конец и закрытый конец (например, заблокированный или закупоренный конец). Каждый канал, как правило, отделен от смежного или соседнего канала стенкой. Стенка включает пористый материал или по существу состоит из него. Такие пористые материалы хорошо известны в данной области техники.
Как правило, подложка фильтра включает множество впускных каналов и множество выпускных каналов. Каждый впускной канал имеет открытый конец на первой поверхности подложки и закрытый (например, заблокированный или закупоренный) конец на противоположной второй поверхности подложки (т. е. второй конец является противоположным первому концу), а каждый выпускной канал имеет закрытый (например, заблокированный или закупоренный) конец на первой стороне подложки и открытый конец на противоположной второй стороне подложки.
В подложке фильтра каждый канал, имеющий открытый конец на первой поверхности подложки и закрытый конец на второй (т. е. противоположной) поверхности подложки, как правило, смежен с каналом, имеющим закрытый конец на первой поверхности подложки и открытый конец на второй (т. е. противоположной) поверхности подложки. Гидравлическое сообщение между каналами осуществляется через стенку (например, через пористый материал) подложки.
Толщина стенки, как правило, составляет 0,002–0,1 дюймов (0,05–2,54 мм), например 0,005–0,050 дюймов (0,12–1,27 мм), в частности 0,010–0,025 дюймов (0,25–0,64 мм).
Как правило, каналы подложки фильтра имеют поочередно закрытые (например, заблокированные или закупоренные) и открытые концы. Таким образом, каждый впускной канал может быть расположен смежно с выпускным каналом, а каждый выпускной канал может быть расположен смежно со впускным каналом. Если смотреть с обоих концов подложки фильтра, каналы могут иметь внешний вид шахматной доски.
Однако подложка фильтра может оснащаться впускным каналом (т. е. «первым» впускным каналом), расположенным смежно с другим впускным каналом (т. е. «вторым» впускным каналом) и необязательно с выпускным каналом, таким как «первый» выпускной канал и (или) «второй» выпускной канал. Подложка фильтра может включать выпускной канал (т. е. «первый» выпускной канал), расположенный смежно с другим выпускным каналом (т. е. «вторым» выпускным каналом) и необязательно с впускным каналом, таким как «первый» впускной канал и (или) «второй» впускной канал.
Подложка фильтра может включать 100–700 ячеек (или каналов) на квадратный дюйм (cpsi), в частности 250–400 cpsi.
Подложка может содержать периферийную зону, проходящую вдоль продольной длины подложки, причем периферийная зона имеет повышенную прочность по сравнению с центральной зоной подложки за счет увеличенной толщины стенки в периферийной зоне по сравнению с центральной зоной. Периферийная зона проходит радиально от наружного края подложки к центру подложки на длину приблизительно 20 ячеек, предпочтительно приблизительно 10 ячеек. Предпочтительно периферийная зона проходит радиально от наружного края подложки к центру подложки равномерно на длину приблизительно 20 ячеек, более предпочтительно приблизительно 10 ячеек.
В третьем аспекте в настоящем изобретении предложен способ нанесения на подложку покрытия из пористого оксида с помощью устройства для нанесения покрытия на подложку;
причем устройство для нанесения покрытия на подложку такого типа содержит:
источник покрытия из пористого оксида;
распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида, содержащий пластину распылителя, имеющую множество отверстий сопла;
канал, соединяющий по текучей среде источник покрытия из пористого оксида с распылителем для нанесения покрытия из пористого оксида; и
разделительное кольцо, расположенное между распылителем для нанесения покрытия из пористого оксида и поверхностью подложки;
причем способ включает следующие стадии:
– помещение подложки под распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида;
– приведение разделительного кольца в контакт с поверхностью подложки, таким образом образуя центральную область поверхности подложки, которая находится во внутренней части разделительного кольца, и периферийную область поверхности подложки, которая находится за пределами разделительного кольца;
– перемещение покрытия из пористого оксида от источника покрытия из пористого оксида по каналу и через распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида;
– выпуск покрытия из пористого оксида через отверстия сопла к поверхности подложки, причем пластина распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида выпускает покрытие из пористого оксида как на центральную область, так и на периферийную область поверхности подложки.
Способ может дополнительно включать выравнивание разделительного кольца, находящегося в контакте с поверхностью подложки, таким образом, что разделительное кольцо размещено по центру на поверхности подложки.
Способ может дополнительно включать перемещение разделительного кольца в направлении вдоль продольной оси подложки таким образом, что при перемещении подложки вдоль продольной оси сохраняется непосредственный контакт между разделительным кольцом и поверхностью подложки.
Способ может дополнительно включать отсутствие выпуска покрытия из пористого оксида из пластины распылителя в кольцевую зону над местоположением разделительного кольца.
Подложка может быть выбрана из проточной подложки или фильтрующей подложки, как описано выше.
Покрытие из пористого оксида включает жидкость и, как правило, каталитический компонент. Жидкость может быть раствором или суспензией. Суспензия может представлять собой как коллоидную суспензию, такую как золь, так и неколлоидную суспензию. Когда жидкость представляет собой раствор или суспензию, это может быть водный раствор или водная суспензия. Как правило, жидкость представляет собой суспензию, в частности, водную суспензию.
Как правило, жидкость включает каталитический компонент. Выражение «каталитический компонент» охватывает любой компонент, который может быть включен в состав покрытия из пористого оксида, способствующий работе устройства контроля выбросов, такой как металл платиновой группы (МПГ), материал подложки (например, тугоплавкий оксид) или цеолит. Следует понимать, что термин «каталитический компонент» не требует, чтобы сам компонент обладал каталитической активностью в строгом смысле значения термина «катализатор» (например, увеличивая скорость реакции). Например, каталитический компонент может относиться к материалу, который способен хранить или поглощать NOx или углеводород. Жидкости (например, покрытия из пористого оксида), содержащие каталитический компонент, известны специалистам в данной области. Каталитический (-ие) компонент (-ы), включенный (-ые) в жидкость, будет (-ут) зависеть от изготавливаемого изделия.
Подложка фильтра или изделие с нанесенным покрытием, полученные способом, предусмотренным настоящим изобретением, или с применением устройства, предусмотренного настоящим изобретением, могут, например, представлять собой подложку фильтра, которая включает каталитический нейтрализатор окисления (например, катализируемый сажевый фильтр [CSF]), каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) (тогда, например, изделие можно назвать фильтром селективного каталитического восстановления [SCRF]), композицию адсорбера оксидов азота (NOx) (тогда, например, изделие можно назвать катализатором-ловушкой обедненных оксидов азота [LNTF]), композицию тройного катализатора (тогда, например, изделие можно назвать фильтром твердых частиц для бензиновых двигателей [GPF]), катализатор проскока аммиака [ASC], или комбинацию двух или более из них (например, подложку фильтра, содержащую каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор проскока аммиака [ASC]).
В дополнение к «каталитическому компоненту» жидкость может включать вспомогательное вещество. Термин «вспомогательное вещество» относится к компоненту, который добавляется в жидкость с целью модификации ее химических или физических свойств для нанесения на подложку фильтра. Вспомогательное вещество может, например, способствовать диспергированию каталитического компонента в жидкости или изменять вязкость жидкости. Вспомогательное вещество может отсутствовать в конечной покрытой подложке фильтра (например, вещество может расщепляться или разлагаться в процессе обжига). Вспомогательное вещество может представлять собой, например, кислоту, основание, загуститель (например, органический загуститель) или связующее вещество.
Вязкость покрытия из пористого оксида может составлять 1–3000 сП при 50 об/мин Брукфильда, предпочтительно 100–3000 сП при 50 об/мин Брукфильда, более предпочтительно менее 600 сП при 50 об/мин Брукфильда; в одном варианте осуществления изобретения вязкость покрытия из пористого оксида составляет 100–3000 сП при 50 об/мин Брукфильда, в другом варианте осуществления вязкость покрытия из пористого оксида составляет 1–350 сП при 50 об/мин Брукфильда, более предпочтительно 1–100 сП при 50 об/мин Брукфильда. В настоящей заявке все измерения вязкости относятся к измерениям, выполненным на вискозиметре Брукфильда DV-II+Pro (LV) с использованием шпинделя SC4-18, поставляемого компанией Brookfield Engineering Laboratories, Inc., Middleboro, MA, USA (Мидлборо, штат Массачусетс, США).
Подача покрытия из пористого оксида может осуществляться посредством поршня распылителя, выполненного с возможностью перемещения внутри отверстия, причем внутренний диаметр отверстия составляет от 38 мм до 170 мм, а поршень перемещается со скоростью 45–150 мм/с.
3
–1
3
–1
Покрытие из пористого оксида может подаваться посредством распылителя со скоростью 9–540 смс, предпочтительно со скоростью 9–270 смс.
Краткое описание графических материалов
Далее варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на Фиг. 1 представлено устройство для нанесения покрытия — вид в поперечном сечении;
на Фиг. 2 представлен увеличенный вид части, показанной на фиг. 1;
на Фиг. 3 представлен схематический вид части устройства для нанесения покрытия в соответствии с настоящим изобретением, включающего в себя разделительное кольцо;
на Фиг. 4 представлен вид в поперечном сечении части устройства для нанесения покрытия в соответствии с настоящим изобретением, включающего в себя разделительное кольцо;
на Фиг. 5 представлен вид в поперечном сечении разделительного кольца в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 6 представлен вид в перспективе направляющего механизма в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 7 представлен вид в перспективе направляющего механизма, показанного на Фиг. 6, вместе с разделительным кольцом;
на Фиг. 8 представлен вид в перспективе направляющего механизма и разделительного кольца, показанных на Фиг. 7, вместе с креплением головки;
на Фиг. 9 представлен вид в горизонтальной проекции пластины распылителя в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 10 представлен вид в перспективе пластины распылителя, показанной на Фиг. 9;
на Фиг. 11 представлен вид в горизонтальной проекции другой пластины распылителя в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 12 представлен вид в перспективе пластины распылителя, показанной на Фиг. 11;
на Фиг. 13 представлен вид в поперечном сечении в перспективе распылителя в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 14 представлен вид в поперечном сечении другого распылителя в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 15 представлен вид снизу первого варианта перегородки в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг.16 представлен вид сбоку в вертикальной проекции второго варианта перегородки в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 17 представлен вид снизу второго варианта перегородки, показанной на Фиг.16;
на Фиг. 18 представлен вид в перспективе сверху второго варианта перегородки, показанной на фиг.16;
на Фиг. 19 представлен вид сбоку в вертикальной проекции третьего варианта перегородки в соответствии с настоящим изобретением;
на Фиг. 20 представлен вид снизу третьего варианта перегородки, показанной на фиг. 19;
на Фиг. 21 представлен вид в перспективе сверху третьего варианта перегородки, показанной на Фиг. 16;
на Фиг. 22a–22e представлены схематические изображения желательных и нежелательных профилей покрытия;
на Фиг. 23 представлены типичные профили дозирования для подложки с повышенной периферийной прочностью, покрываемой из распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида без модификаций;
на Фиг. 24 представлено рентгеновское изображение профиля дозирования для повышенной периферийной прочности, наносимого на подложку при помощи разделительного кольца по настоящему изобретению;
на Фиг. 25 показано нанесение покрытия из пористого оксида с низкой вязкостью из распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида без модификаций;
на Фиг. 26 представлено рентгеновское изображение покрытия из пористого оксида с низкой вязкостью, нанесенного на подложку из распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида без модификаций;
на Фиг. 27 представлено рентгеновское изображение покрытия из пористого оксида, нанесенного на подложку из распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида с применением первого варианта перегородки по настоящему изобретению;
на Фиг. 28 представлено рентгеновское изображение покрытия из пористого оксида, нанесенного на подложку из распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида с применением второго варианта перегородки по настоящему изобретению; и
на Фиг. 29 представлено рентгеновское изображение покрытия из пористого оксида, нанесенного на подложку из распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида с применением третьего варианта перегородки по настоящему изобретению.
Подробное описание
Ниже настоящее изобретение будет далее описано. В следующих разделах более подробно описаны различные аспекты/варианты осуществления изобретения. Каждый описанный аспект/вариант осуществления можно комбинировать с любым другим аспектом/ вариантом осуществления или аспектами/вариантами осуществления, если явно не указано обратное. В частности, любой элемент, обозначенный как предпочтительный или преимущественный, можно комбинировать с любым другим элементом или элементами, указанными как предпочтительные или преимущественные. Предполагается, что элементы, описанные в отношении изделий, могут быть скомбинированы с элементами, описанными в отношении способа, и наоборот.
На Фиг. 1 представлено поперечное сечение устройства 1 для нанесения покрытия на подложку, которое можно применять для нанесения на подложку 10 покрытия из пористого оксида.
Устройство 1 для нанесения покрытия на подложку может включать в себя распределитель 2 с корпусом 40, содержащим устройство для активации дозатора. Как показано, дозатор может включать поршень 41, который выполнен с возможностью осевого перемещения внутри отверстия 42 для вытеснения текучей среды из выпускного отверстия 43 к каналу 35, размещенному ниже по потоку относительно распределителя 2.
Устройство 1 для нанесения покрытия может дополнительно содержать бункер 3, формирующий резервуар 30 с выпускным отверстием 31, соединенным с выпускным отверстием 43 распределителя 2 посредством мембранного клапана 32. Бункер 3 может быть заполнен покрытием из пористого оксида, которое было изготовлено и предварительно смешано в другом месте. Покрытие из пористого оксида может нагнетаться в резервуар 30 или может подаваться под действием силы тяжести в резервуар 30 посредством соответствующих трубок.
Выходной канал 43 распределителя 2 гидравлически соединен с каналом 35, который, в свою очередь, может проходить по текучей среде с дозирующим клапаном 4. Распылитель 5 для нанесения покрытия из пористого оксида может быть соединен с нижней поверхностью дозирующего клапана 4, причем распылитель 5 расположен над подложкой 10.
Подложка 10 может быть размещена и расположена между креплением головки 6 и вставкой поддона 8. Вакуумное устройство, которое включает вакуумный конус 7, может быть расположено под подложкой 10.
На Фиг. 2 показана увеличенная часть устройства 1 для нанесения покрытия на подложку, изображенного на Фиг. 1, и более подробно показано, как можно расположить подложку 10 относительно распылителя 5 для нанесения покрытия из пористого оксида и крепления 6 головки.
Подложка 10 может представлять собой монолитный блок с корпусом подложки 11, который может иметь равномерную форму поперечного сечения вдоль своей продольной длины. Корпус 11 подложки в поперечном сечении может иметь круглую или почти круглую форму. Корпус 11 подложки может иметь диаметр, d.
Корпус 11 подложки может быть расположен так, чтобы проходить между креплением головки 6 и вставкой поддона 8 таким образом, чтобы верхняя поверхность 12 корпуса 11 подложки была наверху, а нижняя поверхность 13 корпуса 11 подложки была внизу. Распылитель 5 для нанесения покрытия из пористого оксида может быть расположен над креплением головки 6 и предпочтительно может быть выровнен с креплением головки 6 и подложкой 10 таким образом, чтобы центральная продольная ось x распылителя для нанесения покрытия из пористого оксида 5 совпала с центральной продольной осью как крепления головки 6, так и подложки 10, как показано на Фиг. 2.
Распылитель 5 для нанесения покрытия из пористого оксида может включать корпус 21 распылителя, с которым на нижней стороне может быть соединена пластина распылителя 23 посредством болтов 28. Переходная пластина 27 может быть соединена с верхней стороной корпуса 21 распылителя также при помощи болтов.
Корпус 21 распылителя может содержать расположенное в центре отверстие, которое формирует впускное отверстие 22 полости 24 распылителя, образованное между корпусом 21 распылителя и пластиной 23 распылителя. Ось впускного отверстия 22 может совпадать с продольной осью x. Переходная пластина 27 также может включать расположенное по центру отверстие, которое может совпадать с продольной осью x и иметь размеры, позволяющие размещать центральный участок 20 корпуса 21 распылителя. Дозирующий клапан 4 может быть вводится и удерживаться в гидравлическом сообщении с впускным отверстием 22 корпуса 21 распылителя.
Пластина 23 распылителя может быть снабжена набором отверстий 25 сопел.
При использовании мембранный клапан 32 открывается, а покрытие из пористого оксида втягивается в отверстие 42 из резервуара 30 посредством перемещения поршня вправо (как показано на Фиг. 1). Затем мембранный клапан 32 закрывают, а дозу покрытия из пористого оксида затем смещают по каналу 35 под действием поршня 41 распределителя 2 влево (как показано на Фиг. 1). Покрытие из пористого оксида проходит через дозирующий клапан 4 и впускное отверстие 22 в полость 24 распределителя. Затем покрытие из пористого оксида проходит через отверстия 25 сопла и спадает вниз, контактируя с верхней поверхностью 12 подложки 10. Затем покрытие из пористого оксида протягивают через каналы подложки 10. Протягивание покрытия из пористого оксида через подложку 10 приводится в действие, по меньшей мере частично, силой всасывания, приложенной к нижней поверхности 13 подложки 10 вакуумным конусом 7.
На Фиг. 3 схематически показано применение разделительного кольца 60 в составе устройства 1 для нанесения покрытия на подложку. Разделительное кольцо 60 расположено между распылителем 5 для нанесения покрытия из пористого оксида и поверхностью подложки 10. Разделительное кольцо 60 может быть размещено между пластиной 23 распылителя и верхней поверхностью 12 подложки 10.
Размеры разделительного кольца 60 меньше размеров верхней поверхности 12 подложки 10. Таким образом, внутренний диаметр p меньше диаметра d подложки 10.
Разделительное кольцо 60 может иметь такую же форму поперечного сечения, что и верхняя поверхность 12 подложки 10. Альтернативно форма разделительного кольца 60 может отличаться от формы верхней поверхности 12 подложки 10. Разделительное кольцо 60 предпочтительно является кольцевым. Разделительное кольцо 60 может быть цилиндрическим в горизонтальной проекции. Разделительное кольцо 60 может быть правильным цилиндрическим. Разделительное кольцо 60 может иметь форму поперечного сечения, которая является круглой в плоскости, взятой перпендикулярно продольной оси разделительного кольца 60. Как лучше всего показано на Фиг. 5, разделительное кольцо 60 может содержать боковую стенку 78, которая проходит от верхнего борта 77 к нижнему борту 76. Верхний борт 77 может быть снабжен выступающей наружу кромкой 63. Нижний борт 76 может быть коническим. Боковая стенка 78 может иметь толщину стенки t. Толщина стенки t составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 5 мм, предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 3 мм, особенно предпочтительно приблизительно 2 мм.
Как показано на Фиг. 3, при использовании разделительное кольцо 60 может быть размещено на верхней поверхности 12 подложки 10 для образования центральной области 14 верхней поверхности 12 и периферийной области 15 верхней поверхности 12. Центральная область 14 определяется как площадь верхней поверхности 12, которая находится внутри боковой стенки 78 разделительного кольца 60. Периферийная область 15 определяется как область верхней поверхности 12, которая находится за пределами боковой стенки 78 разделительного кольца 60.
Размеры разделительного кольца 60 могут быть выбраны относительно размеров верхней поверхности 12 подложки 10 таким образом, чтобы ширина w периферийной области составляла от 5 до 15 мм, предпочтительно от 8 до 12 мм, более предпочтительно 10 мм. Подложка 10 может иметь типичный диаметр до приблизительно 330 мм.
Глубина полости 24 распылителя 5 для нанесения покрытия из пористого оксида может составлять 12–40 мм, предпочтительно 15–30 мм. Диаметр полости 24 распылителя может составлять 150–200 мм, предпочтительно 160–170 мм. Пластина 23 распылителя может проходить по всему диаметру полости 24 распылителя. Отверстия 25 сопла могут быть расположены вдоль пластины 23 распылителя. Отверстия 25 сопла могут быть расположены в правильной или неправильной последовательности. Отверстия 25 сопла могут быть расположены в виде множества концентрических круговых массивов.
Пластина 23 распылителя может выступать при использовании как над центральной областью 14, так и над периферийной областью 15 подложки 10. Пластина 23 распылителя может иметь диаметр, равный диаметру d подложки 10 фильтра или превышающий его.
Устройство 1 для нанесения покрытия на подложку может дополнительно содержать собирающую манжету 75, которая может образовывать часть крепления 6 головки. Собирающая манжета 75 может содержать наклонную внутреннюю поверхность 74. Собирающая манжета 75 может быть расположена смежно и/или вокруг верхней поверхности 12 подложки 10 таким образом, что наклонная внутренняя поверхность 74 проходит вниз и внутрь к периферийной области 15 верхней поверхности 12. Предпочтительно собирающая манжета 75 образует непроницаемое для текучей среды уплотнение с подложкой 10 для предотвращения или по существу предотвращения утечки покрытия из пористого оксида при использовании вниз по наружной поверхности подложки 10.
Устройство 1 для нанесения покрытия на подложку может дополнительно содержать направляющий механизм, который может обеспечивать и поддерживать надлежащее совмещение разделительного кольца 60 с верхней поверхностью 12 подложки 10. В частности, может быть предпочтительным обеспечить совпадение продольной оси разделительного кольца 60 с продольной осью подложки 10 таким образом, чтобы разделительное кольцо 60 было центрировано по верхней поверхности 12 подложки 10. Альтернативно или дополнительно может быть полезно обеспечить нахождение нижнего борта 76 разделительного кольца 60 в непосредственном контакте и поддержание непосредственного контакта с верхней поверхностью 12 подложки 10 при использовании.
Направляющий механизм может содержать множество направляющих штифтов, которые проходят поперечно продольной оси разделительного кольца 60 и выполнены с возможностью контакта с наружной поверхностью боковой стенки 78 разделительного кольца 60 в разнесенных друг от друга местах по окружности разделительного кольца 60. Направляющие штифты могут быть установлены с возможностью перемещения на креплении 6 головки, например, проходя из собирающей манжеты 75.
На Фиг. 6–8 представлена альтернативная форма направляющего механизма, который содержит направляющее кольцо 62. Направляющее кольцо 62 может содержать кольцевой корпус 66 и множество проходящих наружу лопастей 67, каждая из которых содержит болтовое отверстие 68. Кольцевой корпус 66 имеет такие размеры, что боковая стенка 78 может перемещаться с возможностью скольжения внутри кольцевого корпуса 66, но защищена от по существу бокового перемещения относительно кольцевого корпуса 66. Если разделительное кольцо 60 включает в себя выступающую наружу кромку 63 на верхнем борту 77, выступающая наружу кромка 63 имеет размеры, превышающие внутренний диаметр кольцевого корпуса 66. Использование этого элемента будет дополнительно описано ниже.
Таким образом, как показано на Фиг. 7, разделительное кольцо 60 может быть принято внутрь кольцевого корпуса 66. Как показано на Фиг. 8, болтовые отверстия 68 на дистальных концах лопастей 67 можно использовать для жесткого крепления направляющего кольца 62 к креплению 6 головки с помощью зажимных приспособлений, таких как болты. Таким образом, направляющее кольцо 62 может быть зафиксировано в положении относительно крепления 6 головки, позволяя разделительному кольцу 60 перемещаться продольно относительно как направляющего кольца 62, так и крепления 6 головки.
Пластина 23 распылителя может быть снабжена отверстиями 25 сопла. Отверстия 25 сопла могут быть расположены рядами. На Фиг. 9 и 10 показан первый вариант пластины 23 распылителя, причем отверстия 25 сопла расположены концентрическими круговыми рядами. Круговые ряды отверстий 25 сопла могут покрывать по существу всю площадь пластины 23 распылителя, которая выступает над верхней поверхностью 12 подложки 10 и, при наличии, наклонной внутренней поверхностью 74 собирающей манжеты 75.
Альтернативный вариант пластины 23 распылителя показан на Фиг. 11 и 12. В данном варианте ряды отверстий 25 сопла отличаются тем, что в области пластины 23 распылителя, которая при использовании находится вертикально над боковой стенкой 78 разделительного кольца 60, отверстия 25 сопла не размещены. В показанном примере это достигается путем исключения одного кругового ряда отверстий. Эта пластина 23 распылителя может быть полезна при уменьшении или предотвращении осаждения покрытия из пористого оксида непосредственно на верхний борт 77 и/или выступающую наружу кромку 63 разделительного кольца 60.
При использовании подложка 10, как правило, может быть выполнена с возможностью перемещения в зацепление с креплением 6 головки и выведения из него путем перемещения подложки 10 в продольном направлении вверх и вниз. Как указано выше, разделительное кольцо 60 может быть предусмотрено внутри крепления 6 головки и установлено на нем с помощью направляющего кольца 62. Подложку 10 можно сначала разместить на вставке 8 поддона, а затем поднять до зацепления с креплением 6 головки. Во время этого движения верхняя поверхность 12 подложки 10 может входить в контакт с нижним бортом 76 разделительного кольца 60. Дальнейшее перемещение подложки 10 вверх для ее герметичного сцепления с креплением 6 головки может в то же время привести к перемещению разделительного кольца 60 вверх внутри направляющего кольца 62, таким образом гарантируя, что нижний борт 76 будет находиться в непосредственном контакте с верхней поверхностью 12. Таким образом, когда подложка 10 находится в своем конечном положении, разделительное кольцо 60 может быть размещено по центру на верхней поверхности 12 и в непосредственном контакте с верхней поверхностью 12.
3
–1
Затем покрытие 9 из пористого оксида можно сместить на верхнюю поверхность 12 путем выпуска покрытия из пористого оксида через отверстия 25 сопла в пластине 23 распылителя. Покрытие из пористого оксида может подаваться посредством распылителя 5 для нанесения покрытия из пористого оксида с использованием поршня 41 распределителя 2. Поршень 41 может перемещаться внутри отверстия 42, и отверстие 42 может иметь внутренний диаметр от 38 мм до 170 мм, а поршень 41 может перемещаться со скоростью 45–150 мм/с. Покрытие из пористого оксида перемещается по каналу 35 через дозирующий клапан 4 в распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида 5. Покрытие из пористого оксида может подаваться посредством распылителя 5 для нанесения пористого оксида со скоростью 7–640 смс .
Выпуск покрытия 9 из пористого оксида через отверстия 25 сопла приведет к выпуску части покрытия 9 из пористого оксида в центральную область 14 верхней поверхности 12, т.е. к выпуску во внутреннее пространство разделительного кольца 60, в то время как оставшаяся часть покрытия 9 из пористого оксида будет выпускаться в периферийную область 15 верхней поверхности 12 — либо напрямую, либо посредством протока вниз по наклонной внутренней поверхности 74 собирающей манжеты 75, если она используется. Таким образом, большая доля покрытия 9 из пористого оксида может быть нанесена на периферийную область 15 верхней поверхности 12, чем в случае отсутствия разделительного кольца 60. После осаждения покрытия 9 из пористого оксида, покрытие 9 из пористого оксида вытягивают через каналы корпуса 11 подложки посредством всасывающей силы, прилагаемой вакуумным конусом 7.
Сравнительный пример
Получали каталитическое покрытие из пористого оксида с селективным каталитическим восстановлением (SCR — англ.: selective catalytic reduction) для фильтрующей подложки, имеющее содержание твердых веществ 35% и вязкость 58 сП при частоте вращения шпинделя 25 об/мин; и вязкость 32 сП при частоте вращения шпинделя 100 об/мин; с применением ротационного вискозиметра Брукфильда DV-II+ Pro (LV) и шпинделя SC4-18.
Покрытие из пористого оксида наносили на фильтр из титаната алюминия с повышенной периферийной прочностью (поставляется компанией Corning) диаметром 163,4 мм и высотой 193 мм.
Нанесение покрытия проводили с помощью устройства, показанного на Фиг. 1, без разделительного кольца 60.
Типичный профиль этой подложки EPS, покрытой посредством устройства при различных скоростях поршня распределителя, показан на Фиг. 23. Это рентгеновские изображения подложки, на которых покрытие показано более темным на светлой непокрытой подложке (в нижней части изделия) из-за более высокой массовой плотности покрытия.  Как показано на Фиг. 23, при данной дозе покрытия участок на краю субстрата короткий.
Пример 1
Для устранения эффекта, показанного на Фиг. 23, использовали разделительное кольцо 60.
Использовали то же покрытие из пористого оксида, что и в сравнительном примере, и его наносили на ту же подложку — фильтр из титаната алюминия с повышенной периферийной прочностью (поставляемый компанией Corning) диаметром 163,4 мм и высотой 193 мм.
Разделительное кольцо 60 имеет внутренний диаметр 143 мм, ведущий к ширине w периферийной области 10 мм.
Итоговый профиль покрытия представлен на Фиг. 24, на которой показано, что получен более плоский профиль покрытия.
На Фиг. 13 показана модификация распылителя 5 для нанесения покрытия из пористого оксида устройства 1 для нанесения покрытия на подложку в соответствии с настоящим изобретением, причем в полости 24 распылителя предусмотрена перегородка 50.
Перегородка 50 включает непроницаемый центральный корпус 51 и множество лопастей 52, которые проходят от непроницаемого центрального корпуса 51 с образованием множества проточных отверстий 53, расположенных по окружности вокруг непроницаемого центрального корпуса 51.
Перегородка 50 может быть установлена на корпусе 21 распылителя с помощью болтов 29, которые могут проходить через болтовые отверстия 55 к дистальному концу каждой из лопастей 52. Точки крепления перегородки 50 могут окружать, но предпочтительно не соприкасаться с впускным отверстием 22 корпуса 21 распылителя. Болты 29 могут представлять собой болты 4 мм. Каждое из болтовых отверстий 55 может быть окружено центрирующим кольцом 56, которое может служить для создания расстояния между верхней поверхностью 57 перегородки 50 и верхней внутренней поверхностью корпуса 21 распылителя, а также создания расстояния 26 между нижней поверхностью 58 перегородки 50 и верхней внутренней поверхностью пластины 23 распылителя. Каждое центрирующее кольцо 56 может иметь высоту от 4 до 6 мм, предпочтительно 4,5 мм. Интервал 26 может составлять от 5 до 10 мм, предпочтительно приблизительно 8 мм.
На Фиг. 13–15 проиллюстрирован первый вариант перегородки 50 в соответствии с настоящим изобретением. Перегородка 50 (по настоящему варианту и другим вариантам, описанным ниже) может оснащаться верхней поверхностью 57, которая может быть плоской, как показано на Фиг. 13, или может иметь конический или частично конический выступ 54, расположенный по центру верхней поверхности 57, как показано на Фиг. 14.
Как лучше всего видно на Фиг. 15, перегородка 50 (независимо от того, снабжена ли она коническим или частично коническим выступом 54 или нет) может иметь форму креста, в которой предусмотрены четыре лопасти 52a–d. В предпочтительном варианте четыре лопасти 52a–d расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности непроницаемого центрального корпуса 51 таким образом, что каждая из них расположена на расстоянии 90° от соседних лопастей. Аналогичным образом перегородка 50 может содержать четыре проточных отверстия 53a–d, равномерно распределенных по окружности непроницаемого центрального корпуса 51 таким образом, что каждое из них находится на расстоянии 90° от соседних проточных отверстий.
1
Длина лопастей 52a–d может быть относительно короткой по сравнению с диаметром непроницаемого центрального корпуса 51. Лопасти 52a–4 могут иметь равномерную ширину и глубину. В примере, показанном на Фиг. 5, болтовые отверстия 55 могут быть расположены с шагом в 70 мм, а непроницаемый центральный корпус 51 может иметь радиус r 25 мм и диаметр 50 мм.
Перегородка 50 может быть из нержавеющей стали, например, типа 316.
Особенно предпочтительным исполнением 50 является первый вариант при нанесении покрытия на подложку 10 с круглой формой поперечного сечения, диаметр которой меньше приблизительно 175 мм, в частности меньше 172,8 мм. Особенно предпочтительным исполнением перегородки 50 является первый вариант при нанесении покрытия на подложку 10 с некруглой формой поперечного сечения. Особенно предпочтительным исполнением перегородки 50 является первый вариант при нанесении покрытия на подложку 10 для фильтра селективного каталитического восстановления (SCRF), катализируемого сажевого фильтра легкого для дизельного двигателя (LDD CSF) или фильтра твердых частиц для бензиновых двигателей (GPF).
На Фиг. 16–18 проиллюстрирован второй вариант перегородки 50 в соответствии с настоящим изобретением. Как лучше всего видно на Фиг. 17 и 18, перегородка 50 (независимо от того, снабжена ли она коническим или частично коническим выступом 54 или нет) может иметь форму креста, в которой предусмотрены четыре лопасти 52a–d. Как и в первом варианте, четыре лопасти 52a–d могут быть расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности непроницаемого центрального корпуса 51 таким образом, что каждая из них расположена на расстоянии 90° от соседних лопастей. Аналогичным образом перегородка 50 может содержать четыре проточных отверстия 53a–d, равномерно распределенных по окружности непроницаемого центрального корпуса 51 таким образом, что каждое из них находится на расстоянии 90° от соседних проточных отверстий.
2
Длина лопастей 52a–d превышает значения длин первого варианта исполнения. В примере, показанном на Фиг. 17, болтовые отверстия 55 могут быть расположены с шагом в 70 мм, а непроницаемый центральный корпус 51 может иметь радиус r 17,5 мм и диаметр 35 мм. Следовательно, уменьшается площадь непроницаемого центрального корпуса 51, а открытая площадь отверстий 53a–d для потока увеличивается по сравнению с первым вариантом исполнения перегородки 50.
Лопасти 52а–4 могут иметь равномерную глубину. Ширина лопастей 52a–d может сужаться. Ширина каждой из множества лопастей 52a–d может увеличиваться от местоположения проксимального к центральному корпусу 51, до местоположения, дистального к центрального корпуса 51.
Перегородка 50 может быть из нержавеющей стали, например, типа 316.
Особенно предпочтительным исполнением перегородки 50 является второй вариант при нанесении покрытия на подложку 10, диаметр которой больше приблизительно 250 мм, в частности больше 266,7 мм. Особенно предпочтительным исполнением перегородки 50 является второй вариант при нанесении на подложку 10 фильтра для дизельного двигателя тяжелого режима работы (HDD).
На Фиг. 19–21 представлен третий вариант перегородки 50 в соответствии с настоящим изобретением. Как лучше всего видно на Фиг. 20 и 21, перегородка 50 (независимо от того, снабжена ли она коническим или частично коническим выступом 54 или нет) может иметь форму креста, в которой предусмотрены четыре лопасти 52a–d. Как и в случае первого и второго варианта, четыре лопасти 52a–d могут быть расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности непроницаемого центрального корпуса 51 таким образом, что каждая из них расположена на расстоянии 90° от соседних лопастей. Аналогичным образом перегородка 50 может содержать четыре проточных отверстия 53a–d, равномерно распределенных по окружности непроницаемого центрального корпуса 51 таким образом, что каждое из них находится на расстоянии 90° от соседних проточных отверстий.
3
Длина лопастей 52a–d превышает значения длин второго варианта исполнения. В примере, показанном на Фиг. 10, болтовые отверстия 55 могут быть расположены с шагом в 70 мм, а непроницаемый центральный корпус 51 может иметь радиус r 13,5 мм и диаметр 27 мм. Следовательно, уменьшается площадь непроницаемого центрального корпуса 51, а открытая площадь отверстий 53a–d для потока увеличивается по сравнению с вторым вариантом исполнения перегородки 50.
Лопасти 52а–4 могут иметь равномерную глубину. Как и во втором варианте, ширина лопастей 52a–d может сужаться. Ширина каждой из множества лопастей 52a–d может увеличиваться от местоположения проксимального к центральному корпусу 51, до местоположения, дистального к центрального корпуса 51.
Перегородка 50 может быть из нержавеющей стали, например, типа 316.
Особенно предпочтительным исполнением перегородки 50 является третий вариант при нанесении покрытия на подложку 10, диаметр которой 170–275 мм, в частности 172,8–266,7 мм. Особенно предпочтительным исполнением перегородки 50 является третий вариант при нанесении покрытия на подложку 10 для катализируемого сажевого фильтра (CSF).
3
–1
При использовании, как описано выше, покрытие из пористого оксида может подаваться в распылитель 5 для нанесения покрытия из источника покрытия из пористого оксида с помощью поршня 41 распределителя 2. Поршень 41 может перемещаться внутри отверстия 42, и отверстие 42 может иметь внутренний диаметр от 38 мм до 170 мм, а поршень 41 может перемещаться со скоростью 45–150 мм/с. Покрытие из пористого оксида перемещается по каналу 35 через дозирующий клапан 4 в распылитель для нанесения покрытия из пористого оксида 5. Покрытие из пористого оксида может подаваться посредством распылителя 5 для нанесения пористого оксида со скоростью 7–640 смс .
Покрытие из пористого оксида может попадать в полость распылителя 24 через впускное отверстие 22. Покрытие из пористого оксида входит в контакт с непроницаемым центральным корпусом 51 перегородки (включая конический выступ или выступ в форме усеченного конуса, при наличии), прежде чем достигнет пластины распылителя 23. Таким образом, покрытие из пористого оксида отклоняется в боковом направлении к периферии полости распылителя 24 таким образом, что покрытие из пористого оксида не сразу достигает отверстий сопла 25, расположенных в центре пластины распылителя 23 или вблизи него. Покрытие из пористого оксида протекает через множество проточных отверстий 53a–d в перегородке, а затем циркулирует в полости 24 распылителя для прохождения через отверстия сопла 25. Благодаря конфигурации размера и формы лопастей 52a–d и проточных отверстий 53a–d можно обеспечить достаточную рециркуляцию покрытия из пористого оксида обратно в центр пластины 23 распылителя таким образом, что достигается равномерная или почти равномерная подача покрытия из пористого оксида через отверстия 25 сопла.
Выпуск покрытия 9 из пористого оксида через отверстия 25 сопла приведет к выпуску части покрытия 9 из пористого оксида в центральную область 14 верхней поверхности 12, т. е. к выпуску во внутреннее пространство разделительного кольца 60, в то время как оставшаяся часть покрытия 9 из пористого оксида будет выпускаться в периферийную область 15 верхней поверхности 12 — либо напрямую, либо посредством протока вниз по наклонной внутренней поверхности 74 собирающей манжеты 75, если она используется. Таким образом, большая доля покрытия 9 из пористого оксида может быть нанесена на периферийную область 15 верхней поверхности 12, чем в случае отсутствия разделительного кольца 60. После осаждения покрытия 9 из пористого оксида, покрытие 9 из пористого оксида вытягивают через каналы корпуса 11 подложки посредством всасывающей силы, прилагаемой вакуумным конусом 7.
Во всех вариантах устройства 1 для нанесения покрытия на подложку покрытие из пористого оксида может содержать жидкость и, как правило, каталитический компонент. Жидкость может быть раствором или суспензией. Суспензия может представлять собой как коллоидную суспензию, такую как золь, так и неколлоидную суспензию. Когда жидкость представляет собой раствор или суспензию, это может быть водный раствор или водная суспензия. Как правило, жидкость представляет собой суспензию, в частности, водную суспензию.
Как правило, жидкость включает каталитический компонент. Выражение «каталитический компонент» охватывает любой компонент, который может быть включен в состав покрытия из пористого оксида, способствующий работе устройства контроля выбросов, такой как металл платиновой группы (МПГ), материал подложки (например, тугоплавкий оксид) или цеолит. Следует понимать, что термин «каталитический компонент» не требует, чтобы сам компонент обладал каталитической активностью в строгом смысле значения термина «катализатор» (например, увеличивая скорость реакции). Например, каталитический компонент может относиться к материалу, который способен хранить или поглощать NOx или углеводород. Жидкости (например, покрытия из пористого оксида), содержащие каталитический компонент, известны специалистам в данной области. Каталитический (-ие) компонент (-ы), включенный (-ые) в жидкость, будет (-ут) зависеть от изготавливаемого изделия.
Подложка фильтра или изделие с нанесенным покрытием, полученные способом, предусмотренным настоящим изобретением, или с применением устройства, предусмотренного настоящим изобретением, могут, например, представлять собой подложку фильтра, которая включает каталитический нейтрализатор окисления (например, катализируемый сажевый фильтр [CSF]), каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) (тогда, например, изделие можно назвать фильтром селективного каталитического восстановления [SCRF]), композицию адсорбера оксидов азота (NOx) (тогда, например, изделие можно назвать катализатором-ловушкой обедненных оксидов азота [LNTF]), композицию тройного катализатора (тогда, например, изделие можно назвать фильтром твердых частиц для бензиновых двигателей [GPF]), катализатор проскока аммиака [ASC], или комбинацию двух или более из них (например, подложку фильтра, содержащую каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (SCR) и каталитический нейтрализатор проскока аммиака [ASC]).
В дополнение к «каталитическому компоненту» жидкость может включать вспомогательное вещество. Термин «вспомогательное вещество» относится к компоненту, который добавляется в жидкость с целью модификации ее химических или физических свойств для нанесения на подложку фильтра. Вспомогательное вещество может, например, способствовать диспергированию каталитического компонента в жидкости или изменять вязкость жидкости. Вспомогательное вещество может отсутствовать в конечной покрытой подложке фильтра (например, вещество может расщепляться или разлагаться в процессе обжига). Вспомогательное вещество может представлять собой, например, кислоту, основание, загуститель (например, органический загуститель) или связующее вещество.
Вязкость покрытия из пористого оксида может составлять 1–3000 сП при 50 об/мин Брукфильда, предпочтительно 100–3000 сП при 50 об/мин Брукфильда, более предпочтительно менее 600 сП при 50 об/мин Брукфильда; в одном варианте осуществления изобретения покрытие из пористого оксида может иметь вязкость от 100 до 3000 сП при 50 об/мин Брукфильда, в другом варианте осуществления изобретения покрытие из пористого оксида может иметь вязкость от 1 до 350 сП при 50 об/мин Брукфильда, более предпочтительно — от 1 до 100 сП при 50 об/мин Брукфильда. (Все измерения были получены на вискозиметре Брукфильда DV-II+Pro (LV) с использованием шпинделя SC4-18.)
Для максимального увеличения объема подложки и предотвращения нанесения множества покрытий на участки подложки 10 и проталкивания покрытия из пористого оксида желательно обеспечить стабильный и предсказуемый профиль покрытия. Например, желателен плоский профиль покрытия, как схематически изображено на Фиг. 22а. Как показано, на участок 45 подложки 10 нанесено покрытие из пористого оксида, а на участок 46 не нанесено покрытие из пористого оксида. Граница раздела между покрытым участком 45 и непокрытым участком 46 является плоской, что является желательным результатом.
На Фиг. 22b показана нежелательная U-образная граница раздела между покрытым участком 45 и непокрытым участком 46. В частности, это показывает, где покрытие из пористого оксида не проникло настолько далеко вниз в подложку 10 в периферийной области корпуса 11 подложки, как в центральной области. Считается, что это связано с большим водопоглощением в периферийной области и может представлять особую проблему для подложек, содержащих упрочненную периферийную область, в которой толщина стенок каналов в периферийной области больше, чем в центральной области подложки.
На Фиг. 22c показана нежелательная V-образная граница раздела между покрытым участком 45 и непокрытым участком 46. Считается, что это связано с тем, что на центральный участок верхней поверхности 12 подложки 10 наносят слишком большое количество покрытия из пористого оксида, и это может представлять собой конкретную проблему, когда покрытие из пористого оксида имеет низкую вязкость.
На Фиг. 22d показан профиль покрытия, аналогичный профилю на Фиг. 22c, с тем отличием, что на нем показано, как может произойти протягивание покрытия из пористого оксида через центральную часть нижней поверхности 13 подложки перед тем, как периферийная часть подложки будет покрыта надлежащим образом.
Наконец, на Фиг. 22e показан другой нежелательный профиль покрытия, имеющий М-образную границу раздела между покрытым участком 45 и непокрытым участком 46. Считается, что это происходит в том случае, если покрытие из пористого оксида не может рециркулировать в достаточной степени обратно в центр пластины распылителя 23 перед ее прохождением через отверстия сопла 25.
Сравнительный пример
Каталитическое покрытие из пористого оксида для подложки было приготовлено с содержанием твердых веществ 10 % и ньютоновской вязкостью 5 сП при скорости вращения шпинделя 25–100 об/мин с использованием ротационного вискозиметра Брукфильда DV-II+Pro (LV) и шпинделя SC4-18.
При нанесении покрытия из пористого оксида на подложку из карбида кремния с использованием устройства 1 для нанесения покрытия, изображенного на Фиг. 1, а также распылителя 5 для нанесения покрытия из пористого оксида без перегородки из центральных отверстий распылителя 5 для нанесения покрытия из пористого оксида выбрасывается больше покрытия из пористого оксида, как показано на Фиг. 25.
Было обнаружено, что это обеспечивает v-образный неравномерный профиль покрытия, показанный на Фиг. 26. На этой фигуре представлено рентгеновское изображение, на котором покрытие из пористого оксида показано темнее на светлой непокрытой подложке из-за более высокой массовой плотности покрытия из пористого оксида.
Пример 2
Для устранения эффекта, показанного на Фиг. 26 в корпус 21 распылителя, показанный на Фиг. 13, добавили первый вариант перегородки 50, как показано на Фиг. 13–15.
Затем на подложку 10 фильтра из карбида кремния диаметром 143,8 мм наносят покрытие с использованием этой перегородки 50 и такого же каталитического покрытия из пористого оксида, что и в приведенном выше сравнительном примере. Был получен более равномерный профиль покрытия, как показано на рентгеновском изображении на Фиг. 27, где покрытие из пористого оксида показано более темным на светлой непокрытой подложке из-за более высокой массовой плотности покрытия из пористого оксида.
Пример 3
Для устранения эффекта, показанного на Фиг. 26, в корпус 21 распылителя добавили второй вариант перегородки 50, показанный на Фиг. 16–18.
Затем на подложку 10 фильтра из карбида кремния диаметром 330,3 мм нанесли покрытие с использованием этой перегородки 50 и того же каталитического покрытия из пористого оксида, что и в приведенном выше сравнительном примере. Был получен более равномерный профиль покрытия, как показано на рентгеновском изображении на Фиг. 28, где покрытие из пористого оксида показано более темным на светлой непокрытой подложке из-за более высокой массовой плотности покрытия из пористого оксида.
Пример 4
Для устранения эффекта, показанного на Фиг. 26, в корпус 21 распылителя добавили третий вариант перегородки 50, показанный на Фиг. 19–21.
Затем на подложку 10 фильтра из карбида кремния диаметром 172,8 мм наносят покрытие с использованием этой перегородки 50 и того же каталитического покрытия из пористого оксида, что и в приведенном выше сравнительном примере. Был получен более равномерный профиль покрытия, как показано на рентгеновском изображении на Фиг. 29, где покрытие из пористого оксида показано более темным на светлой непокрытой подложке из-за более высокой массовой плотности покрытия из пористого оксида.
Как отмечалось выше, заявитель обнаружил, что желательные плоские или почти плоские профили покрытия можно получить в широком диапазоне размеров подложки, включая подложки, содержащие упрочненную периферийную область, причем толщина стенок каналов в периферийной области больше, чем в центральной области подложки, за счет применения разделительного кольца 60, как описано в настоящем документе, необязательно в комбинации с распылителем 5 для нанесения покрытия из пористого оксида, который содержит перегородку 50, как описано в настоящем документе.
Во избежание сомнений полное содержание всех документов, признанных в настоящем документе, включено в настоящий документ путем отсылки.