[发明专利]用于冻结环境的液体过滤器结构

说明书

技术领域

本发明涉及过滤器，更具体地涉及可以被暴露于冻结条件下的液体过滤器。

背景技术

内燃发动机内部升高的温度可以在废气中产生氮氧化物。在许多管辖区域中的法规都对将氮氧化物排放到大气中进行了限制，这是由于它们对环境的已知的负面影响。控制氮氧化物排放的一种方式是将一种富含氢的化学物注入排放流中，如水溶液中的尿素。该尿素或类似化学物经历一个化学反应，这种化学反应将排放的烟气中的氮氧化物转化为无害的氮气和水。此类系统可以显著减小废烟气中的氮氧化物浓度以便与环境法规相符合。

投加到排放流中的尿素或其他富含氢的物质必须进行过滤，以便防止对投加模块的损害。然而，与内燃发动机的运行所必须的大多数流体过滤器不同，去除氮氧化物所必须的这种富含氢的物质典型地是一种水溶液，并且因此易于在低温下冻结。当一种水溶液冻结时，它的体积发生膨胀。在流体冻结温度时这种体积增大取决于该水溶液的类型，但通常是在百分之十的范围内。如果体积膨胀是在一个封闭的容器如过滤器壳体内发生，则这种膨胀可以导致压力的显著升高。当不考虑体积膨胀时，流体的冻结可以增大过滤器壳体内部的压力并且对壳体、过滤器元件或二者造成损害。

流体中的冻结的图案遵循着热图案并且根据包含该流体的容器的几何形状而显著变化。液体在处于或低于冻结温度的最低温度下开始凝固。这种现象可以在一个过滤器壳体内部的任何地方开始。一个壳体内部的流体的温度通常不是恒定的，因为可能存在多种热图案和温度梯度。随着总体温度的降低，水溶液在最低温度的位置开始冻结。这个位置可以出现在流体中的任何地方并且可以使得液体困在该壳体的一个区段中。如果困住的液体不能找到它可以膨胀的体积，则该过滤器壳体和元件就可能被损害。

解决过滤器壳体中流体冻结问题的一个途径是使用一种柔性或弹性的过滤器壳体，如在美国专利号4,842,737中描述的。这样的设计的一个显著缺点是，使用一个可变形的过滤器壳体对于如何将该过滤器壳体安装在发动机上产生了严重的约束，因为需要可供该过滤器壳体在该过滤器内部的流体冻结过程中进行膨胀的额外的空间。关于柔性壳体的另一个缺点是，难以构造与刚性过滤器壳体的耐久性和强度相匹配的一个柔性过滤器壳体。因此，柔性壳体增大了机械失效以及可能泄露的风险，并且相对于刚性壳体是不受欢迎的。

另一个可用于解决过滤器壳体内部的流体冻结问题的途径被描述于日本专利号JP61197013-A中，该途径使用了一个柔性隔膜，该隔膜被附接到过滤器的壳体内部并且在该隔膜的一侧界定了一定体积的空气。当过滤器中的液体冻结并且体积膨胀时，该隔膜后面的空气袋被设计用于吸收液体的增大体积而使该隔膜弹性地变形。然而，这种隔膜安排是相当复杂且脆弱的，如果该隔膜失效或以其他方式形成泄露的话，这增大了泄露和机械失效的风险。

一种类似的途径代替于一个柔性隔膜而结合了一个可压缩的泡沫部件。这样的部件一般具有多个含空气的小室，这些小室在暴露于超过一巴的绝对压力下时至少部分地坍塌。随着时间流逝，反复的压力改变导致了小室的壁的反复的膨胀和收缩，造成了该泡沫部件的退化。此外，该泡沫部件随着它的老化而可以发展出被液体渗透的裂纹，而液体可以冻结并然后融化。这样的状态改变也使该泡沫部件的小室的壁退化。最后，暴露于汽油中也使得许多类型的、可能在这些系统中应用的泡沫退化。泡沫中的任何退化都阻碍了该部件在水溶液冻结时有效地吸收体积。

解决这个流体膨胀问题的一种类似的途径在美国专利号7,481,319中进行了详细描述，该专利描述了使用一种膨胀元件，该膨胀元件被放置为与过滤器壳体内部的过滤器元件相接触。这些膨胀元件也是由一种具有含空气的小室的可变形的泡沫材料组成，这些小室在暴露于加压的液体时有坍塌的危险。然而，该膨胀元件仅能够吸收小的液体体积变化，因为它是由一种具有高的固体含量的可变形泡沫制成的。而且，该可变形元件与该过滤器元件相接触，因此在那个方向上该过滤器元件不能容易地吸收液体的体积变化。这限制了可以出现而不损害过滤器或壳体的可能的冻结图案的数目，并且增大了损害过滤器壳体、过滤器元件或二者的风险。最后，这种解决流体膨胀问题的途径也因为以上段落中解释的原因而易发生泡沫退化。

因此，对于一种用于在以下条件下使用的改进的过滤器结构存在着需要，即在有待过滤的流体是被加压的并且会经历冻结。

发明内容