涂层单元
技术领域
本实用新型涉及一种涂层单元。
背景技术
机动车辆中的内燃机的排气通常包含有害气体一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和可能的硫氧化物(SOx)以及颗粒，这些颗粒主要由固体碳质微粒和可能粘附的有机附聚物组成。这些物质被称为主要排放物。一氧化碳、碳氢化合物和颗粒是燃料在发动机的燃烧室中不完全燃烧的产物。如果燃烧温度超过了1200℃，气缸中进气的氮气和氧气就会产生氮氧化物。硫氧化物由有机硫化合物的燃烧产生，这些有机硫化合物总是少量地包含在非合成燃料中。未来在欧洲、中国、北美和印度遵守适用的法定机动车辆排气限值需要从排气中大规模地除去所谓的有害物质。为了从机动车辆的排气中除去这些对环境和健康有害的排放物质，开发出了许多催化废气净化技术，其基本原理通常以以下方法为根据：将待净化的排气引导通过流通式 (flow-through)蜂窝体或壁流式(wall-flow)蜂窝体，该蜂窝体带有涂覆于其上的催化活性涂层。催化剂在形成无害的产物、例如二氧化碳、水和氮气的情况下促进各种排气组分的化学反应。
刚才描述的流通式蜂窝体或壁流式蜂窝体也被称为催化剂载体、载体或基材孔芯，然而在其表面或形成其表面的壁中承载催化活性涂层。该催化活性涂层通常在所谓的涂层过程中以悬浮液的形式涂覆在催化剂载体上。汽车废气催化器制造商过去为此公开了许多这类方法 (EP1064094B1、EP2521618B1、WO10015573A2、EP1136462B1、 US6478874B1、US4609563A、WO9947260A1、JP5378659B2、 EP2415522A1、JP2014205108A2)。
为除去颗粒排放物，带或不带附加催化活性涂层的柴油颗粒过滤器(DPF)或汽油颗粒过滤器(GPF)是合适的机组。为满足法律标准，对于当前和未来的内燃机废气后处理应用而言，出于成本原因，但是也出于结构空间原因，将颗粒过滤器与其他催化活性功能相结合是值得期待的。颗粒过滤器(无论其是否带有活性涂层)的使用导致与相同尺寸的流通载体相比排气背压的明显提高，并由此导致发动机扭矩的降低或可能燃料消耗的增加。为使排气背压不再继续升高，用于催化器的催化活性贵金属或过滤器中的氧化催化剂材料的氧化载体材料的涂覆量通常小于流通载体中的涂覆量。因此，带催化涂层的颗粒过滤器的催化有效性通常不如同样大尺寸设计的流通孔芯。
已经做出了一些努力来提供这样的颗粒过滤器：其由于活性涂层而具有良好的催化活性并且还是具有尽可能低的排气背压。一方面，经证明有益的是：催化活性涂层并非作为层位于多孔的壁流式过滤器的壁上，而是将过滤器的壁执行为带有催化活性材料(WO2005016497A1、JPH01-151706、EP1789190B1)。为此，如此选择催化涂层的颗粒尺寸，使得颗粒可侵入壁流式过滤器的细孔中并在该处通过煅烧被固定。
过滤器的可通过涂层进行优化的另一功能性在于其过滤效率、即过滤效果本身。在WO2011151711A1中描述了一种方法，借助该方法为无涂层或带催化涂层的过滤器施加干的气溶胶。气溶胶通过颗粒尺寸为0.2μm至5μm的粉状高熔点金属氧化物的分布来提供，并且借助气流通过壁流式过滤器的进气端来引导。在此，单个颗粒聚集成桥接的颗粒网络，并且作为层沉淀在单个穿越壁流式过滤器的进气道的表面。过滤器的粉末典型装载量为每升过滤器容积5g至50g。明确指出，不期望使用金属氧化物在壁流式过滤器的细孔中实现涂层。
WO2012030534A1中描述了另一种用于提高催化惰性过滤器的过滤效率的方法。在此，在入口侧的流动通道的壁上通过在颗粒气溶胶上方沉积陶瓷颗粒产生过滤层(“discriminating layer”)。这些层由锆、铝或硅的氧化物组成，优选以1nm至5μm的纤维形式，并且层厚大于10μm，通常为25μm至75μm。在涂层过程之后，在加热过程中对所涂覆的粉末颗粒进行煅烧。
US8388721B2中描述了借助干颗粒的雾化在壁流式过滤器机组的孔内进行涂层。在此，粉末自然应侵入细孔深处。壁表面的20％至 60％应对于碳黑颗粒而言是能够触及的，因此保持开放。取决于粉末- 气体混合物的流动速度，可在入口与出口侧设置或多或少强烈的粉末梯度。
同样地，在EP2727640A1中描述了向细孔内引入粉末，例如借助气溶胶发生器。在此，使用例如包含氧化铝颗粒的气流如此为未带催化涂层的壁流式过滤器涂层，使得颗粒大小为0.1μm至5μm的整个颗粒作为多孔填料沉淀在壁流式过滤器的细孔中。这些颗粒本身可在过滤效果之外还实现过滤器的另一功能性。示例性地，这些颗粒以大于 80g/l的量参照过滤器容积沉淀在过滤器的细孔中。这些颗粒在此填满通道壁中被填充的细孔的容积的10％至50％。该过滤器既在装载有炭烟、也在无炭烟的情况下在装载有炭烟的过滤器的排气背压较低时具有相对于未经处理的过滤器的优化的过滤效率。尽管如此，仍存在对于颗粒过滤器的需求，在这些颗粒过滤器中过滤效率在排气背压方面经过了优化。
DE4225970C1描述了一种用于为催化剂载体进行粉末涂层的方法。这些催化剂载体为流通式蜂窝体并且优选在涂覆粉末-气体气溶胶前用专用的水状溶液进行了润湿。
在EP2502661A1和EP2502662B1中提到了其他用于通过粉末应用来为过滤器进行壁涂层的方法。在其中也示出使用粉末-气体气溶胶来涂覆过滤器的对应的设备，其中粉末涂抹器和壁流式过滤器分别分开，使得空气在涂层期间被吸入穿过该间隙。专利文献US8277880B2 中描述了另一种方法，其中为提高催化惰性壁流式过滤器的过滤效率，在过滤器的入口通道表面产生一层膜(“Trapping layer”)。入口通道表面的过滤膜通过抽吸装载有陶瓷颗粒(例如碳化硅、堇青石) 的气流来实现。蜂窝体在涂覆过滤层后在高于1000℃的温度下燃烧，以提高通道壁上粉末层的粘附强度。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，给出一种简单且经过优化的涂层单元，借助该涂层单元可为壁流式过滤器类型的基材涂上干燥的粉末-气体气溶胶涂层。就此而论，使用具有本实用新型的特征的特殊涂层单元证实是非常有利的。
按照本实用新型的涂层单元，用于采用干粉末-气体气溶胶来为壁流式过滤器涂层。所述单元由三个相互连接的子单元组成，所述子单元安装在涂层设备中，使得可使用粉末-气体气溶胶来为所述壁流式过滤器涂层。
通过提供一种用于采用干粉末-气体气溶胶来为壁流式过滤器涂层的涂层单元，具有：1.用于将所述粉末-气体气溶胶与进来的气流4混合的子单元10；2.用于产生加速的活塞流的文氏管段20；以及3.用于容纳所述壁流式过滤器类型的基材3的子单元30，其中1.至3.下的所述单元如此相互连接，使得涂层过程期间粉末-气体气溶胶无法向外渗透，来达到上述目的的解决。
一种涂层单元，用于采用干粉末-气体气溶胶来为壁流式过滤器涂层，具有：
用于将所述粉末-气体气溶胶与进来的气流混合的第一子单元；
用于产生加速的活塞流的文氏管段；以及
用于容纳所述壁流式过滤器类型的基材的第二子单元，
其中第一子单元、文氏管段以及第二子单元如此相互连接，使得涂层过程期间粉末-气体气溶胶无法向外渗透。
有利地，用于将所述粉末-气体气溶胶与所述进来的气流混合的所述第一子单元具有用于产生所述粉末-气体气溶胶的单元。
有利地，用于将所述粉末-气体气溶胶与进来的气流混合的所述第一子单元具有用于产生旋涡的装置，所述用于产生旋涡的装置布置在用于产生所述粉末-气体气溶胶的单元的入流侧。
有利地，所述文氏管段与用于将所述粉末-气体气溶胶与进来的气流混合的所述第一子单元耦合并且在所述气流的流动方向上看具有逐渐变细的第一管材轮廓，所述第一管材轮廓后面是与出口横截面相比更小的、带平行壁的第一管材段并且最后具有再次扩大的第二管材轮廓。
有利地，用于气密性容纳所述壁流式过滤器类型的基材的所述第二子单元能够垂直移动，并且能够与所述文氏管段耦合。
有利地，用于气密性容纳所述壁流式过滤器类型的基材的第二子单元，其中，所述第二子单元可调整地实施在不同大小的基材或基材形状上。
有利地，用于容纳所述壁流式过滤器类型的基材的所述第二子单元具有带平行壁的第二管材段并且随后进而具有逐渐变细的第三管材段，所述第三管材段在其端部上适用于气密性地容纳所述基材。
附图说明
图1示出根据本实用新型的涂层单元。
具体实施方式
通过将在此显示的涂层单元安装进涂层设备中，如例如图1中所示，获得了非常简单地且在强大的过程中来为壁流式过滤器配备干粉末涂层的方法。
正如刚才所说，在此显示的涂层单元由三个子单元组成，所述涂层单元是完整的涂层设备的组成部分(如图1所示)。第一子单元10 用于将粉末-气体气溶胶与进来的气流混合。该第一子单元优选具有用于产生粉末-气体气溶胶的单元(分散单元)、旋涡发生器和混合段。
在该分散单元中，可按照专业人员的指示来制备由气体和粉末组成的分散体(例如如DE102018111246A1中所提及的那样)。为此一般将粉末与气体混合。这可以以各种方式进行。优选地，粉末的分散通过下列措置中的至少一种来产生
-借助压缩空气进行分散
-借助超声波进行分散
-借助筛分进行分散
-借助“原位碾磨”进行分散
-借助风扇进行分散
-借助气体的扩展进行分散
-在流化床中进行分散。
此外，用于将粉末-气体气溶胶与进来的气流混合的该子单元优选地还具有用于产生旋涡的装置，其中后者布置在用于产生粉末-气体气溶胶的单元的入流侧。进来的气体、优选空气那么有利地在进行粉末- 气体气溶胶的添加前首先由涡流装置转换成具有湍流部分的气流。由此进行粉末组分与进来的气流的良好的横向混合。在此，旋涡发生器可由栅格、转子(旋转式或固定式)、安装在管壁上的导向板组成或由如DE3920123C1中所述的静态混合单元组成。
根据本实用新型的涂层单元的下一子单元20是一个文氏管段。所述文氏管段与用于将所述粉末-气体气溶胶与进来的气流混合的子单元耦合并且具有在气流的流动方向上看逐渐变细的管材轮廓。所述管材轮廓后面是与出口横截面相比更小的、带平行壁的管材段并且最后具有再次扩大的管材轮廓。通过该管材轮廓实现达到粉末的均匀径向分布。此外，该管材轮廓促进了活塞流的形成。
根据本实用新型的涂层单元的第三子单元用于气密性地容纳壁流式过滤器类型的基材。该子单元的特征在于，该子单元可垂直移动并且密封地与文氏管段20耦合，使得尽可能让粉末-气体气溶胶无法到达外部。可移动性这一事实的目的在于，使得能够通过向上和向下移动来快速切换待涂层的壁流式过滤器。
在本实用新型的一种有利的设计方案中，用于气密性地容纳所述壁流式过滤器类型的基材3的子单元如此设计，使得所述子单元可调整地实施在不同大小的基材或基材形状上。替代性地或补充地，用于气密性地容纳所述壁流式过滤器类型的基材的所述第三子单元具有带平行壁的管材段并且随后进而具有逐渐变细的管材段，所述管材段在其端部上适用于气密性地容纳所述基材。
子单元3优选地由适配器组成，该适配器如此设计，使得不同几何尺寸的待涂层的壁流式过滤器可与设备相连。为此，优选使用椎体，该椎体使设备的管道直径缩小为壁流式过滤器的直径。该椎体上可连接有借助可充气密封件来夹紧基材的单元。
使用根据本实用新型的涂层单元将进来的气流与涂层粉末混合并且将其引导穿过该涂层单元并穿过所容纳的基材。没有粉末-气体气溶胶在第一子单元中的混合物与气体的通道之间穿过基材向外逸出。
在本实用新型的另一种有利的设计方案中，根据本实用新型的涂层单元的第三子单元具有一个或多个装置(涡流器、旋涡发生器)，借助这些装置可使承载粉末-气体气溶胶的气流在撞上壁流式过滤器之前产生旋涡。对应的筛网或格栅可作为对此的实例，这些筛网或格栅放置在过滤器入流侧足够的距离处。该距离不应过大或过小，使得紧靠过滤器的前方实现气流的充分的旋涡。专业人员可通过简单的试验确定该距离。该措施的优点经证实在于，不会有粉末组分沉淀在入口通道的入口塞上并且所有粉末均可侵入入口通道中。因此，根据本实用新型，优选的是，粉末在流入过滤器之前如此产生旋涡，使得尽可能避免粉末沉积在壁流式过滤器的入口塞上。空气动力学中的涡流器或湍流或旋涡发生器是指造成流动的人为干扰的整套装备。如专业人员已知的那样，在棒材、格栅和其他扰流内装件后面在对应的雷诺数下会形成旋涡(尤其微旋涡)。已知卡门涡街(H.Benard,C.R.Acad.Sci.Paris Ser.IV 147,839(1908)；147,970(1908)；T.von Karman, Nachr.Ges.Wiss.
凭借根据本实用新型的涂层单元，可实现用于为壁流式过滤器涂上粉末涂层的设备，这些设备符合产业规模要求。以可靠的方式方法，可借助该涂层单元统一地并以高质量为大量壁流式过滤器涂上粉末涂层。
附图标记列表：
1：用于产生旋涡的装置
2：用于产生粉末-气体气溶胶的分散装置
3：待涂层的基材
4：气流
5：可垂直移动的锥形入口，用于容纳基材
6：湍流发生器
10：用于将粉末-气体气溶胶与进来的气流混合的第1子单元
20：用于产生加速的活塞流的文氏管段(20)
30：第3子单元-用于容纳各种基材类型的可移动单元
