DE60206141T2

DE60206141T2 - Honigwabenfilter und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60206141T2
Application number: DE60206141T
Authority: DE
Inventors: Takashi Nagoya-shi HARADA; Toshiyuki Nagoya-shi HAMANAKA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: ZA200208784B; EP1366792B1; PL201496B1; EP1366792A4; US20030138596A1; EP1366792A1; JP4404497B2; DE60206141D1; WO2002070106A1; JP2002253916A; PL363083A1; US6797666B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein in einem Brenner (z.B. einem Boiler) oder einer Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors (z.B. einem Dieselmotor) verwendetes Wabenfilter sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wabenfilters.
Hintergrund des Stands der Technik
Seit kurzem wird die Einwirkung von partikulären Stoffen auf die Umwelt, die aus Dieselmotoren usw. emittiert werden, ernsthaft behandelt. Als wichtiges Mittel zum Einfangen und Beseitigen solcher partikulärer Stoffe wird ein Wabenfilter zur Abgasreinigung verwendet.
Das Wabenfilter zur Abgasreinigung weist im Allgemeinen eine Struktur mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern auf, die durch poröse Trennwände getrennt sind und alternierend an ihrer Abgaseinlass-Stirnseite und ihrer Abgasauslass-Stirnseite verschlossen sind. Der Wabenfilter fängt die in Abgasen enthaltenen partikulären Stoffe ein und entfernt diese, indem ein Abgas, das durch die offenen Durchgangslöcher der Abgaseinlass-Stirnseite eintritt, gezwungen wird, durch die Trennwände im Filter hindurch zu treten.
Aus diesem Merkmal ergibt sich, dass ein derartiges Wabenfilter während der Verwendung der raschen Temperaturänderung des Abgases ausgesetzt ist oder lokal auf eine hohe Temperatur erwärmt wird; die Temperaturverteilung des Filters wird ungleichmäßig; dadurch steigt die Wärmespannung des Filters aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung in den jeweiligen das Filter bildenden Abschnitten an, was folglich zur Entstehung von Rissen und dergleichen im Filter führt. Dieses Problem wird hier hervorgehoben.
Wird nun das Filter im Besonderen als ein Mittel zur Abgasreinigung in einem Dieselmotor usw. verwendet, so wird das Filter beim Schritt der Filterregeneration, im Rahmen dessen die im Filter abgelagerten feinen Kohlenstoffteilchen zur Beseitigung verbrannt werden, lokal auf eine hohe Temperatur erwärmt; dadurch wird die Rissbildung und dergleichen im Filter zu einem ernst zu nehmenden Problem.
Da ein solches Filter sehr hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wird ein vorwiegend aus hoch wärmebeständigem Siliciumcarbid oder aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid bestehendes Filter verwendet. Siliciumcarbid und dergleichen weisen aber den Nachteil eines hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf; deshalb erzeugt das Filter eine starke Wärmespannung und weist das Problem einer leichteren Rissbildung usw. auf.
Zur Lösung dieser Probleme wurden bisher verschiedene Wabenstrukturen vorgeschlagen, die jeweils aus dem Zusammenfügen einer Vielzahl an Wabensegmenten über ein Haftmaterial erhalten wurden, um die Wärmespannung der verschiedenen Stellen der Wabenstruktur zu senken (diese Stellen schränken sich gegenseitig ein und können sich unter Wärmespannungen nicht frei verformen).
In der JP-B-61-51240 ist beispielsweise ein temperaturwechselbeständiger Wärmedrehregenerator geoffenbart, der durch das Verbinden einer Vielzahl von keramischen Wabensegmenten mithilfe eines Haftmaterials, das in etwa dieselbe Mineralzusammensetzung wie das Wabensegment aufweist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der von dem des Wabensegments bei 800 °C um 0,1 % oder weniger abweicht, erhalten wurde.
Da aber bei diesem Wärmedrehregenerator die Mineralzusammensetzung des Haftmaterials im Wesentlichen der des Wabensegments entspricht, sind die einzelnen Wabensegmente durch das Haftmaterial stark eingeschränkt, wodurch sich das Problem stellte, dass die von jedem Wabensegment erzeugte Wärmespannung nicht ausreichend gesenkt werden kann.
Weiters ist in der JP-A-8-28246 ein keramisches Wabenfilter mit verbesserter Haltbarkeit des Basiskörpers des Wabenfilters geoffenbart, welches durch das Zusammenfügen einer Vielzahl von Wabensegmenten mit einem elastischen Dichtungsmaterial erhalten wurde, indem eine zumindest dreidimensional verflochtene anorganische Faser und anorganische Teilchen über ein anorganisches Bindemittel oder ein organisches Bindemittel verbunden wurden.
Da aber bei diesem Wabenfilter die thermische Leitfähigkeit des Dichtungsmaterials niedrig ist und die einzelnen Wabensegmente thermisch voneinander abgeschirmt sind, kann keine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den jeweiligen das Filter bildenden Abschnitten erzielt werden, und die Senkung der im Wabenfilter erzeugten Wärmespannung war nicht völlig ausreichend.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obgenannten Probleme entwickelt und zielt auf die Bereitstellung eines Wabenfilters, das die Wärmespannungen bei den jeweiligen das Filter bildenden Abschnitten senken und die Bildung von Rissen und dergleichen stark unterdrücken kann und das gute Arbeit leistet, und zwar insbesondere dann, wenn es vorwiegend aus Siliciumcarbid oder aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid besteht, sowie auf die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Wabenfilters ab.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfinder vorliegender Erfindung führte eine Studie durch, um das obgenannte Ziel zu erreichen. Dabei fand der Erfinder heraus, dass das obige Ziel erreicht werden kann, indem eine hohe Wärmeleitfähigkeit im Gesamtabschnitt eines Wabenfilters gewährleistet wird, der so herzustellen ist, dass sich jeweils die zwei benachbarten Wabensegmente an einem Abschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten berühren, und indem eine Struktur verwendet wird, in der die Wabensegmente an zumindest einem Teil eines jeden Abschnitts, der nicht der obige Abschnitt (dieser Abschnitt wird hierin in Folge in einigen Fällen als der "berührte Abschnitt" bezeichnet) ist, entweder direkt oder über ein wärmeleitendes Element durch ein Haft- bzw.
Verbindungsmaterial mit einer niedrigeren Festigkeit als das Basiskörpermaterial des Wabensegments verbunden sind. Die vorliegende Erfindung wurde aufgrund der obgenannten Erkenntnisse entwickelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wabenfilter bereitgestellt, das durch Verbinden einer Vielzahl von Wabensegmenten, von denen jedes eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist, die durch poröse Trennwände voneinander getrennt sind und alternierend an der Abgaseinlass-Stirnseite und der Abgasauslass-Stirnseite des Wabensegments verschlossen sind, erhalten wird,
dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Wabensegmente einander jeweils an einem Abschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten berühren gelassen werden, und dass sie an zumindest einem Teil eines jeden Abschnitts der genannten Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, über ein Haftmaterial mit einer niedrigeren Festigkeit als die des Basiskörpers des Wabensegments miteinander verbunden sind.
In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass jeder Abschnitt der einander gegenüberliegenden Seiten von jeweils zwei benachbarten Wabensegmenten, der nicht jener Abschnitt ist, an dem sie einander entweder direkt oder über ein wärmeleitendes Element berühren (der erstere Abschnitt wird hierin in Folge in einigen Fällen als der "nicht berührte Abschnitt" bezeichnet), so bereitgestellt ist, dass er zumindest jeweils den Gesamtabschnitt der Seiten mit dem berührten Abschnitt umfasst, der sich zur Gaseinlass-Stirnseite des Wabensegments hin öffnet. Noch bevorzugter ist der Abschnitt so bereitgestellt, dass er zumindest jeweils den Gesamtabschnitt der Seiten umfasst, der sich zur Abgaseinlass-Stirnseite des Wabensegments, Abgasauslass-Stirnseite des Wabensegments und einer Außenoberfläche des Wabenfilters hin öffnet. In diesem Fall ist es auch bevorzugt, dass der nicht berührte Abschnitt zumindest jeweils den Teil der Seiten mit dem berührten Abschnitt umfasst, der zur Abgaseinlass-Stirnseite des Wabensegments hinführt, und das Haftmaterial an einem Teil des nicht berührten Abschnitts bereitgestellt ist.
Zudem ist es in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, über eine Struktur zu verfügen, bei der zumindest eines der jeweils zwei benachbarten Wabensegmente an einem Abschnitt seiner Seite, die einer Seite des anderen Wabensegments gegenüberliegt, einen Vorsprung aufweist und über diesen Vorsprung einen Abschnitt einer Seite des anderen benachbarten Wabensegments berührt, oder bei der zumindest eines der jeweils zwei benachbarten Wabensegmente an einem Abschnitt seiner Seite, die einer Seite des anderen Wabensegments gegenüberliegt, ein aus dem gleichen Material wie das Wabensegment hergestelltes wärmeleitendes Element aufweist und über dieses wärmeleitende Element einen Abschnitt der Seite des anderen benachbarten Wabensegments berührt.
In der vorliegenden Erfindung ist es außerdem bevorzugt, dass jedes Wabensegment vorwiegend aus Siliciumcarbid oder aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid besteht, dass das Haftmaterial vorwiegend aus einer wärmebeständigen anorganischen Verbindung besteht und dass die zwischen den Durchgangslöchern des Wabensegments ausgebildeten Trennwände mit einem Metall mit katalytischer Wirkung beladen sind.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters bereitgestellt, gekennzeichnet durch:
das Verkneten eines aus einem Keramikmaterial und/oder einem Metall bestehenden Pulvermaterials, eines Bindemittels und Wasser, um eine Mischung zu erhalten, und das Formen der Mischung, um eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von durch Trennwände voneinander getrennten Durchgangslöchern zu erhalten,
das Trocknen der Wabenstruktur und das darauf folgende Verschließen der Vielzahl von Durchgangslöchern alternierend an der Abgaseinlass-Stirnfläche und der Abgasauslass-Stirnfläche der Wabenstruktur, um ein getrocknetes Wabensegment zu erhalten,
das Verbinden eines wärmeleitenden Elements, das aus dem gleichen Material wie das getrocknete Wabensegment besteht, mit einem Abschnitt einer jeden Seite des getrockneten Wabensegments, gefolgt vom Trocknen und Brennen, um ein Verbundwabensegment zu erhalten,
das In-Berührung-Bringen des am Wabensegment bereitgestellten wärmeleitenden Elements, über das wärmeleitende Element, mit einem Abschnitt einer Seite eines anderen, benachbarten Wabensegments, die dem vorigen Wabensegment gegenüberliegt, und das Bereitstellen eines Haftmaterials mit einer niedrigeren Festigkeit als die des Basiskörpers des Wabensegments an zumindest einem Teil eines nicht berührten Abschnitt, um einen vereinigten Körper zu erhalten.
Gemäß der Erfindung ist weiters ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters bereitgestellt, gekennzeichnet durch:
das Verkneten eines aus einem Keramikmaterial und/oder einem Metall bestehenden Pulvermaterials, eines Bindemittels und Wasser, um eine Mischung zu erhalten, und das Formen der Mischung, um eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von durch Trennwände voneinander getrennten Durchgangslöchern zu erhalten,
das Trocknen der Wabenstruktur und das darauf folgende Verschließen der Vielzahl von Durchgangslöchern alternierend an der Abgaseinlass-Stirnfläche und der Abgasauslass-Stirnfläche der Wabenstruktur, um ein getrocknetes Wabensegment zu erhalten,
das Schneiden des getrockneten Wabensegments zur Ausbildung eines Vorsprungs an jeder Seite des getrockneten Wabensegments und das Brennen, um ein Wabensegment zu erhalten,
das In-Berührung-Bringen eines jeden an jeder Seite des Wabensegments ausgebildeten Vorsprungs mit einem Abschnitt einer Seite eines anderen, benachbarten Wabensegments, die dem vorigen Wabensegment gegenüberliegt, und das Bereitstellen eines Haftmaterials mit einer niedrigeren Festigkeit als die des Basiskörpers des Wabensegments an zumindest einem Teil eines nicht berührten Abschnitts, um einen vereinigten Körper zu erhalten.
Bei diesen Vorgängen der vorliegenden Erfindung besteht das Pulvermaterial vorzugsweise vorwiegend aus Siliciumcarbid oder aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid. Das Haftmaterial besteht hingegen vorzugsweise vorwiegend aus einer wärmebeständigen anorganischen Verbindung.
Da in der vorliegenden Erfindung jeweils immer zwei Wabensegmente an zumindest einem Abschnitt mit einem Haftmaterial mit einer niedrigeren Festigkiet als jene des Basiskörpers des Wabensegments mit einander verbunden sind, ist die Einschränkung eines jeden Wabensegments durch das Haftmaterial gering und die einzelnen Abschnitte des Filters können sich frei in Übereinstimmung mit ihrer Temperaturänderung verformen. In der Folge ist die im Filter entstehende Wärmespannung selbst dann niedrig, wenn in verschiedenen Abschnitten des Filters während der Verwendung des Filters eine ungleichmäßige Temperaturverteilung auftritt; dadurch kann die Rissbildung verhindert und ein Wabenfilter mit besserer Haltbarkeit erhalten werden.
Weiters berühren sich in der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl an Segmenten an jeweils einem Abschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten, und diese Berührung gewährleistet gemeinsam mit einem Haftmaterial oder auch ohne die Hilfe eines derartigen Haftmaterials die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Filters, und die Temperaturverteilung im Filter kann vereinheitlicht werden. In der Folge können die bei der Verwendung des Filters an verschiedenen Stellen im Filter auftretenden Wärmespannungen zusätzlich zum oben beschriebenen Effekt, der durch das Haftmaterial erzielt wird, weiter gesenkt werden und die Bildung von Rissen kann weitgehend verhindert werden. Eine derartige Wirkung tritt besonders deutlich zutage, wenn die Wabensegmente vorwiegend aus hoch wärmeleitendem Siliciumcarbid oder aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid bestehen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Teilansicht von der Seite, die schematisch eine andere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Teilansicht von der Seite, die schematisch eine weitere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine andere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine weitere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine andere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine weitere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine andere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine weitere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine andere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine weitere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 12(a) und 12(b) zeigen schematisch eine weitere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung. 12(a) ist eine perspektivische Ansicht, während 12(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie Y-Y' aus 12(a) ist.
Die 13(a) und 13(b) zeigen schematisch eine andere Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung. 13(a) ist eine perspektivische Ansicht, während 13(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie Z-Z' aus 13(a) ist.
14 zeigt schematisch ein Beispiel für die Methode zur Ausbildung eines berührten Abschnitts im Rahmen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt schematisch ein anderes Beispiel für die Methode zur Ausbildung eines berührten Abschnitts im Rahmen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für die Methode zur Ausbildung eines berührten Abschnitts im Rahmen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Beste Art der Umsetzung der Erfindung
Arten zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
1. Wabenfilter
Wie in 1 dargestellt ist, ist das Wabenfilter 10 der vorliegenden Erfindung ein Wabenfilter, bei dem jeweils zwei benachbarte Wabensegmente 4 und 5 einander an jeweils einem Abschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten 6 und 7 berühren gelassen werden und an zumindest einem Teil eines jeden nicht berührten Abschnitts 12 über ein Haft- bzw. Verbindungsmaterial 24 mit einer niedrigeren Festigkeit als die der Basiskörper 4 und 5 der Wabensegmente miteinander verbunden sind.
Dadurch können die Wärmespannungen an verschiedenen Stellen des Filters, wie zuvor bereits erwähnt, bei der Verwendung des Filters deutlich gesenkt werden und die Bildung von Rissen und Ähnlichem größtenteils verhindert werden.
Wie in 1 dargestellt ist, weisen die Wabensegmente 4 und 5 in der vorliegenden Erfindung eine Struktur mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 21 auf, die voneinander durch poröse Trennwände 20 getrennt und alternierend an der Abgaseinlass-Stirnseite 16 und der Abgasauslass-Stirnseite 14 des Wabensegments mit einem Stopfmaterial 26 verschlossen sind. Dadurch, dass das Abgas 30 durch die zur Abgaseinlass-Stirnseite 16 offenen Durchgangslöcher in das Filter strömen gelassen wird und dann das Abgas zum Hindurchtreten durch die Trennwände 20 im Filter gezwungen wird, werden die im Abgas enthaltenen partikulären Stoffe gesammelt und beseitigt.
Als Material für die Wabensegmente 4 und 5 können unter anderem Keramikmaterialien aufgeführt werden, die jeweils als ihre Hauptkristallphase zumindest eine aus der aus nicht orientiertem Cordierit, orientiertem Cordierit, Mullit-Zircon, Mullit, Zircon, Cordierit-Mullit, Mullit-Aluminiumtitanat, tongebundenes Siliciumcarbid, metallisches Silicium, Zirconiumdioxid-Spinell usw. bestehenden Gruppe ausgewählte Art umfassen.
Von diesen sind all jene bevorzugt, die Siliciumcarbid oder metallisches Silicium und Siliciumcarbid als Hauptkristalle enthalten, da diese eine höhere Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen und im Gesamtabschnitt des Filters eine hohe Wärmeleitfähigkeit gewährleisten, wodurch die Senkung der Wärmespannungen in verschiedenen Stellen des Filters möglich wird.
In der vorliegenden Erfindung unterliegen die Form und die Zelldichte der Durchgangslöcher 21 der Wabensegmente 4 und 5 keiner besonderen Einschränkung. Gewünschte Form und Zelldichte können je nach Anwendung usw. des Filters passend eingesetzt werden.
In der vorliegenden Erfindung gibt es auch hinsichtlich der Form der Durchgangslöcher 21 der Wabensegmente 4 und 5 keine besonderen Einschränkungen. Gewünschte Form und Zelldichte können entsprechend der Anwendung etc. des Filters angewandt werden.
In der gegenständlichen Erfindung gibt es auch keine bestimmte Einschränkung, was die Form der Wabensegmente 4 und 5 betrifft. Hier können aber als Beispiele ein Wabensegment erwähnt werden, das beispielsweise durch Schneiden eines Zylinders in drei oder vier Abschnitte mit einer durch die Mittelachse 31 des Zylinders verlaufenden Ebene (der senkrecht zur Axialrichtung verlaufende Querschnitt dieses Wabensegments ist fächerförmig) erhalten wird, so wie in den 4 bis 11 dargestellt ist; und ein Wabensegment, das beispielsweise durch Schneiden eines Zylinders an bestimmten Abständen in der Axialrichtung in neun oder mehr Abschnitte (der senkrecht zur Axialrichtung verlaufenden Querschnitte dieser Wabensegmente weisen unterschiedliche Formen auf, beispielsweise fächerförmig, quadratisch und dergleichen) erhalten wird, wie in den 12(a) und 12(b) und den 13(a) und 13(b) dargestellt ist. Von diesen ist ein Wabensegment 4 bevorzugt, das durch Teilen eines Wabenfilters 10 in neun oder mehr Abschnitte erhalten wird, wie in den 12(a) und 12(b) und den 13(a) und 13(b) dargestellt ist, da bei einem solchen Wabensegment ein berührter Abschnitt 8 in großer Anzahl und dreidimensional bereitgestellt und die Wärmespannung im Filter deutlich gesenkt werden kann.
Wird das Wabenfilter 10 als ein Mittel zur Reinigung von aus Verbrennungsmotoren oder Brennern ausgestoßenen Abgasen verwendet, so ist es bevorzugt, die Trennwände 20 mit einem Metall mit katalytischer Wirkung, wie etwa Pt, Pd, Rh oder dergleichen, zu beladen, um die Verbrennung und die Beseitigung der eingefangenen teilchenförmigen Stoffe zu beschleunigen und die Filterregeneration wirksam durchzuführen.
Das Wabenfilter 10 der vorliegenden Erfindung weist eine Struktur auf, bei der die oben erwähnten jeweils zwei benachbarten Wabensegmente 4 und 5 einander am jeweiligen Abschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten 6 und 7 berühren; dadurch ist die Wärmeleitfähigkeit im Gesamtabschnitt des Filters 10 ohne die Hilfe eines Haftmaterials 24 oder aber mithilfe eines derartigen Haftmaterials 24 gewährleistet, und die Wärmespannungen in verschiedenen Stellen des Filters kann gemindert werden.
In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich "Berührung" auf einen Zustand, indem zwischen den Wabensegmenten 4 und 5 Wärme geleitet wird und indem bei einer durch die Wärmeausdehnung auftretenden Verformung die Positionsbeziehung der einander gegenüberliegenden Seiten der Wabensegmente 4 und 5 sich ändern kann.
Als Wabenfilter können hier spezifisch als Beispiele ein so wie in 1 dargestelltes Wabenfilter erwähnt werden, bei dem ein Wabensegment 4 der zwei benachbarten Wabensegmente 4 und 5 einen Vorsprung 2a an einem Abschnitt einer Seite 6, die der Seite 7 des anderen Wabensegments 5 gegenüberliegt, aufweist und einen Abschnitt der Seite 7 des anderen, benachbarten Wabensegments 5 über den Vorsprung 2a berührt; ein so wie in 2 dargestelltes Wabenfilter, bei dem ein Wabensegment 4 der zwei benachbarten Wabensegmente 4 und 5 an einem Abschnitt einer Seite 6, die der Seite 7 des anderen Wabensegments 5 gegenüberliegt, über ein wärmeleitendes Element 18, welches aus dem gleichen Material wie das Wabensegment 4 aufgebaut ist, verfügt und einen Abschnitt der Seite 7 des anderen, benachbarten Wabensegments 5 über das wärmeleitende Element 18 berührt; und ein so wie in 3 dargestelltes Wabenfilter, bei dem jedes der zwei benachbarten Wabensegmente 4 und 5 an einem Abschnitt der Seite 6 oder 7 (6 und 7 liegen einander gegenüber) einen Vorsprung (nicht dargestellt) oder ein wärmeleitendes Element 18 aufweisen und die benachbarten Wabensegmente 4 und 5 einander über ihre jeweiligen Vorsprünge oder wärmeleitenden Elemente berühren.
Von diesen ist ein Wabenfilter bevorzugt, bei dem zumindest ein Wabensegment 4 der zwei benachbarten Wabensegmente 4 und 5 über ein aus dem gleichen Material wie das Wabensegment 4 bestehendes wärmeleitendes Element 18 (19) verfügt und das andere, benachbarte Wabensegment 5 über das wärmeleitende Element 18 (19) berührt.
Hinsichtlich der jeweiligen Stelle des berührten Abschnitts 8 und des nicht berührten Abschnitts 12 können als Beispiele die in den 4 bis 11 dargestellten Fälle angeführt werden, bei denen ein berührter Abschnitt 8 in der Mitte eines Wabenfilters 10 bereitgestellt ist, ohne dass dieser sich bis an die Außenoberfläche 23, die Abgaseinlass-Stirnseite 16 und die Abgasauslass-Stirnseite 14 des Wabenfilters erstreckt, und ein nicht berührter Abschnitt 12 so bereitgestellt ist, dass der einen gesamten Abschnitt, der sich zur Oberfläche 13 und den Stirnseiten 14 und 16 öffnet, umfasst.
Wie in den 4 bis 11 dargestellt ist, wird bei derartigen Wabenfiltern eine Struktur möglich, bei der wirksam verhindert werden kann, dass Ruß durchgeblasen wird, da ein Haftmaterial 24 so bereitgestellt werden kann, dass es den gesamten Abschnitt, der sich zur Abgaseinlass-Stirnseite 16 und die Abgasauslass-Stirnseite 14 und der Außenoberfläche 13 hin öffnet, umschließt. Da der berührte Abschnitt 8 in der Mitte des Filters bereitgestellt ist, kann außerdem die Temperatur des Gesamtabschnitts des Filter leicht vereinheitlicht werden, und ein Abschnitt 37, der kein Haftmaterial aufweist, kann außerhalb des berührten Abschnitts 8 (zur Abgaseinlass-Stirnseite und die Abgasauslass-Stirnseite und der Außenoberfläche des Wabenfilters) bereitgestellt werden; dadurch wird eine Struktur möglich, in der die Wärmespannung noch wirksamer gesenkt werden kann. Außerdem kann, da der berührte Bereich 8 mehr zur Mitte des Wabenfilters 10 hin als das Haftmaterial 24 bereitgestellt ist, die Berührung selbst dann zuverlässig gewährleistet werden, wenn es durch die Wärmeausdehnung zu einer Verformung im Filter kommt.
In der vorliegenden Erfindung unterliegt die Form des berührten Abschnitts 8 keiner besonderen Einschränkung. Als Beispiele für dessen Querschnittsform in der Axialrichtung des Wabenfilters 10 können ein Dreieck, ein Rechteck, ein Quadrat, ein Rhombus, ein Trapezoid, eine Ellipse, ein Kreis, Superellipse, eine Halbellipse und ein Halbkreis erwähnt werden. Von diesen sind eine Ellipse, ein Kreis, Superellipse usw. bevorzugt, da so die Temperatur des Gesamtabschnitts des Filters 10 einfach vereinheitlicht werden kann.
In der vorliegenden Erfindung weist der berührte Abschnitt 8 vorzugsweise eine passende Fläche auf, um die Wärmeleitfähigkeit zu steigern und dadurch die Wärmespannungen der Wabensegmente 4 und 5 zu senken, aber auch beispielsweise im Hinblick auf die Haftfestigkeit des Wabensegmente 4 und 5 durch das Haftmaterial 24 (wird später noch beschrieben) und die Wärmeleitfähigkeit durch das Haftmaterial 24.
Weiters sind im Wabenfilter 10 der vorliegenden Erfindung die jeweils zwei benachbarten Wabensegmente 4 und 5 am jeweiligen Teil des entsprechenden nicht berührten Abschnitts 12 über ein Haftmaterial 24 mit einer niedrigeren Festigkeit als jene des Basiskörpers der Wabensegmente 4 und 5 miteinander verbunden. Dadurch wird beim Filter, in dem die Wabensegmente 4 und 5 vereinigt wurden, die Einschränkung durch das Haftmaterial 24 niedrig, und die Wärmespannungen in den verschiedenen Stellen des Filters können verringert werden.
In der vorliegenden Erfindung bezieht sich "Festigkeit" auf einen Wert, der durch eine Messung gemäß einem Vier-Punkte-Biegefestigkeitstest (JIS 1601) erhalten wurde.
In der vorliegenden Erfindung kann es sich beim Haftmaterial 24 um ein beliebiges Haftmaterial handeln, dessen Festigkeit geringer als jene des Basiskörpers der Wabensegmente 4 und 5 ist, so wie oben bereits angesprochen, und muss kein wärmeleitendes Material sein, um die Wärmeleitfähigkeit im Gesamtabschnitt des Filters 10 zu gewährleisten. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Haftmaterial 24 aus einer wärmeleitenden Komponente besteht, um dadurch die Wärmeleitfähigkeit sowohl an den berührten Abschnitten 8 und 9 als auch an den Haftungsabschnitten 35 und 36 zu gewährleisten, da so eine starke Senkung der thermischen Spannungen erzielt werden kann.
Angesichts der Tatsache, dass das Haftmaterial bei der Verwendung des Filters hohen Temperaturen ausgesetzt ist, besteht das Haftmaterial vorzugsweise vorwiegend aus einer wärmebeständigen anorganischen Verbindung, da diese Verbindung bessere Eigenschaften der Wärmebeständigkeit und der Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Als Beispiele für die wärmebeständige anorganische Verbindung können hier jene Materialien erwähnt werden, die durch Mischen eines Fasermaterials (welches ein Keramikmaterial und/oder ein Metall, das im oben erwähnten Pulvermaterial verwendet wird) oder eines Pulvers mit einem Cermetmaterial und dergleichen erhalten wurden.
Von diesen ist ein Material bevorzugt, das durch Mischen eines Fasermaterials (welches ein Keramikmaterial und/oder ein Metall, das im oben erwähnten Pulvermaterial verwendet wird) mit einem Zement und dergleichen erhalten wurde, da ein solches einen hohen Elastizitätsmodul aufweist und die Wärmespannung deutlich senken kann. Als Zement können ein hydrierter Zement, ein wärmehärtbarer Zement usw. verwendet werden, wobei der wärmehärtbare Zement aufgrund seiner Festigkeit und Bearbeitbarkeit bevorzugt ist.
In der vorliegenden Erfindung kann das Haftmaterial 24 am Gesamtabschnitt des nicht berührten Abschnitts 12, so wie in den 8 bis 11 dargestellt, oder an einem Teil des nicht berührten Abschnitts 12, so wie in den 4 bis 7 dargestellt, bereitgestellt werden.
Bei der ersteren Struktur ist es möglich, die Festigkeit des Gesamtabschnitts des Wabenfilters 10 gegenüber mechanischer Beanspruchung zu erhöhen, während es bei der letzteren Struktur es möglich ist, die Wärmespannung des Gesamtabschnitts des Wabenfilters 10 weiter zu reduzieren.
Ist das Haftmaterial 24 an einem Teil des nicht berührten Abschnitts 12 bereitgestellt, so ist ein Teil 37, der nicht mit dem Haftmaterial 24 versehen ist (dieser Teil wird hierin in Folge in einigen Fällen als "nicht verbundener Teil" bezeichnet), vor zugsweise an einer Stelle bereitgestellt, die sich vom berührten Abschnitt 8 aus zur Abgaseinlass-Stirnseite 16 oder zur Abgasauslass-Stirnseite 14 hin erstreckt.
Dadurch können die Wärmespannungen an der Abgaseinlass-Stirnseite 16 und der Abgasauslass-Stirnseite 14 (an diesen Stirnflächen tritt bei der Verwendung des Filters eine hohe Wärmespannung auf) konzentriert verringert und die Wärmspannung im Gesamtabschnitt des Wabenfilters 10 wirksam gesenkt werden.
Um zu verhindern, dass Ruß durchgeblasen wird, ist das Haftmaterial 24 vorzugsweise so bereitgestellt, dass es zumindest den Gesamtteil des nicht berührten Abschnitts 12 umfasst, der sich zur Abgaseinlass-Stirnseite 16 öffnet, noch bevorzugter so, dass es zumindest den Gesamtteil des nicht berührten Abschnitts 12 umfasst, der sich zur Abgaseinlass-Stirnseite 16, zur Abgasauslass-Stirnseite 14 und zur Außenoberfläche 23 hin öffnet.
In diesem Fall kann, wie in 4 und den 13(a) und 13(b) dargestellt ist, das Haftmaterial 24 mit konstanter Breite von der Außenoberfläche, der Abgaseinlass-Stirnseite 16 und Abgasauslass-Stirnseite 14 in senkrecht zu 23, 26 und 14 stehenden Richtungen bereitgestellt sein; oder aber, wie in den 5 bis 7 dargestellt ist, kann das Haftmaterial 24 mit unterschiedlicher Breite bereitgestellt sein.
In der vorliegenden Erfindung kann der nicht-verbundene Teil 37, so wie in den 4 bis 7 gezeigt ist, in Übereinstimmung mit der Form des berührten Abschnitts 8 die Form von beispielsweise einem Viereck (z.B. einem Rechteck, Quadrat oder Rhombus), einem Trapezoid, einem Kreis, einer Superellipse oder dergleichen aufweisen; oder der nicht-verbundene Teil 37 kann eine andere Form wie jene des berührten Abschnitts 8 aufweisen, wie in den 13(a) und 13(b) dargestellt ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters
Beim Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung werden zunächst ein Pulvermaterial, das aus einem Keramikmaterial und/oder einem Metall besteht, mit einem Bindemittel und Wasser verknetet und geformt, um eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern, die durch Trennwände voneinander getrennt sind, zu erhalten; diese Wabenstruktur wird getrocknet; daraufhin wird die Vielzahl von Durchgangslöchern alternierend an der Abgaseinlass-Stirnseite und der Abgasauslass-Stirnseite verschlossen, um ein getrocknetes Wabensegment zu erhalten.
Als Beispiele für das aus einem Keramikmaterial und/oder einem Metall bestehende Pulvermaterial können hier jene angeführt werden, die als Hauptkomponente zumindest eine aus der aus metallischem Silicium, Siliciumcarbid, Titan, Zirconium, Borcarbid, Titancarbid, Zirconiumcarbid, Siliciumnitrid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Mullfit, zur Bildung von Cordierit fähige Materialien, Aluminiumtitanat, Sialon, Kaolin, Talk, Aluminiumhydroxid, Quarzglas und Quarz bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente umfassen.
Von diesen sind hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmebeständigkeit jene bevorzugt, die vorwiegend aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid oder aus Siliciumcarbid bestehen.
Als Beispiele für das Bindemittel können Hydroxymethylcellulose, Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose und ein Polyvinylalkohol erwähnt werden. Diese Bindemittel können einzeln oder als Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung ist außerdem es je nach Bedarf möglich, Ethylenglykol, Dextrin, eine Fettsäurenseife, einen Polyalkohol oder dergleichen, die gemeinhin als Formgebungshilfsmittel verwendet werden, zuzusetzen.
Die Menge an zugesetztem Wasser beträgt üblicherweise in etwa 10 bis 40 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des obgenannten Pulvermaterials. Nach dem Zusetzen von Wasser wird das erhaltene Gemisch unter Verwendung einer Va kuummischtrommel oder dergleichen verknetet, um ein plastisches Material zu erhalten.
Beim Formverfahren handelt es sich vorzugsweise um die Extrusion; diese Extrusion kann beispielsweise unter Verwendung einer Sinter-Extruders oder eines Doppelschnecken-Strangextruders durchgeführt werden.
Als Verfahren zur Trocknung der Wabenstruktur können beispielsweise die Heißlufttrocknung, die Mikrowellentrocknung, die dielektrische Trocknung, die Trocknung mit reduziertem Druck, die Vakuumtrocknung und die Gefriertrocknung angeführt werden. Von diesen können die dielektrische Trocknung, die Mikrowellentrocknung und die Heißlufttrocknung einzeln oder in Kombination bevorzugt eingesetzt werden.
Das Stopfmaterial kann ein gewöhnlicherweise verwendetes sein. Beispielsweise kann das gleiche Material wie das oben angeführte Pulvermaterial verwendet werden.
Beim Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung wird an einem Anschnitt einer Seite des oben erhaltenen getrockneten Wabensegments ein berührter Abschnitt ausgebildet, der dann mit einer Seite eines anderen getrockneten Wabensegments in Berührung zu bringen ist, gefolgt vom Trocknen und Brennen, um ein Wabensegment zu erhalten.
Als Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden des berührten Abschnitts kann ein Verfahren angeführt werden, bei dem, so wie in 14 gezeigt ist, ein getrocknetes Wabensegment 1 geschnitten oder anderweitig bearbeitet wird, um einen Vorsprung an einem Abschnitt einer Seite 2 auszubilden; und ein Verfahren, bei dem, so wie in 15 gezeigt ist, ein Abschnitt einer Seite 2 eines getrockneten Wabensegments 1 mit einem wärmeleitenden Element 18 verbunden wird, welches aus dem gleichen Material wie das getrocknete Wabensegment 1 besteht. Von diesen ist das letztere Verfahren bevorzugt, das es einfachen Aufbau des berührten Abschnitts zulässt.
Wie in 16 gezeigt ist, können Vorsprünge (nicht dargestellt) oder wärmeleitende Elemente 18 und 19 an zwei getrockneten Wabensegmenten ausgebildet werden. die miteinander in Berührung zu bringen sind.
Das Verfahren der Trocknung ist das gleiche wie das oben erwähnte Verfahren zur Trocknung einer Wabenstruktur. Hinsichtlich der Brennbedingungen können je nach verwendeter Materialart geeignete Bedingungen ausgewählt werden.
Beim Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird dann der ausgebildete berührte Abschnitt (bei dem es sich um ein wärmeleitendes Element oder um einen Vorsprung handelt) des Wabensegments mit einem Abschnitt einer Seite eines anderen, benachbarten Wabensegments in Berührung gebracht; weiters wird an zumindest einem Teil des nicht berührten Abschnitts ein Haftmaterial mit einer niedrigeren Festigkeit als die des Basiskörpers des Wabensegments bereitgestellt; somit wird ein vereinigter Körper erhalten.
Die jeweiligen Stellen des berührten Abschnitts usw. und der das Haftmaterial bildenden Komponenten entsprechen den oben für das Wabenfilter der vorliegenden Erfindung beschriebenen; deshalb wird hier auf eine Beschreibung verzichtet.
Als wärmebeständige anorganische Verbindung, die als Komponente des Haftmittels eingesetzt wird, wird vorzugsweise ein Gemisch verwendet, das durch den bedarfsentsprechenden Zusatz eines organischen oder anorganischen Bindemittels usw. erhalten wird. Das Haftmaterial kann beispielsweise in Form eines plattenförmigen getrockneten Materials oder in Form einer Aufschlämmung bereitgestellt sein.
Die durch das Haftmaterial bereitgestellte Haftverbindung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Haftmaterial an einem Teil des nicht berührten Abschnitts bereitgestellt und, je nach Komponente des Haftmaterials, eine Hydratations- oder Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Wird die Verbindung durch eine Wärmebehandlung durchgeführt, so kann eine passende Wärmebehandlungstemperatur in Abhängigkeit von der Komponente des Haftmaterials ausgewählt werden. Die Wärmebehandlung wird im Allgemeinen vorzugsweise bei 200 bis 400 °C durchgeführt.
Wird ein plattenförmiges getrocknetes Haftmaterial verwendet, so kann die Verbindung beispielsweise durch Befeuchten des Haftmaterials und Pressverbinden durchgeführt werden, woraufhin eine Hydratations- oder Wärmebehandlung durchgeführt wird. Wird ein aufgeschlämmtes Haftmaterial verwendet, so wird das aufgeschlämmte Material aufgetragen und danach eine Hydratations- oder Wärmebehandlung durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend detaillierter anhand von Beispielen spezifisch beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist aber keinesfalls auf diese Beispiele eingeschränkt.
(Beispiel 1)
Ein Pulvergemisch, bestehend aus 75 Gew.-% eines SiC-Pulvers und 25 Gew.-% eines metallischen Si-Pulvers, wurde als Keramikmaterial verwendet. 100 Gewichtsteilen dieses Pulvergemischs wurden 6 Gewichtsteile eines Bindemittels, bestehend aus Methylcellulose und Hydroxypropoxylmethylcellulose, 0,8 Gewichtsteile eines Tensids und 22 Gewichtsteile Wasser zugesetzt. Das erhaltene Gemisch wurde unter Verwendung einer Knetvorrichtung geknetet, um eine plastische Masse zu erhalten.
Diese Masse wurde anschließend extrudiert, um Wabenstrukturen zu erhalten, die aussehen, als wären sie durch Schneiden eines Zylinders in vier Abschnitte mit einer die Mittelachse umfassenden Ebene erhalten worden, einen in senkrecht zur Axialrichtung stehenden fächerförmigen Querschnitt, eine Trennwanddicke von 0,3 mm und eine Zelldichte von 31 Zellen/cm² aufweisen.
Danach wurde jede Wabenstruktur mittels Mikrowelle und Heißluft getrocknet, woraufhin deren Durchgangslöcher alternierend an der Abgaseinlass-Stirnseite und an der Abgasauslass-Stirnseite verschlossen wurden, um ein getrocknetes Wabensegment zu erhalten.
Nun wurde das getrocknete Wabensegment an Abschnitten seiner Seite mit einer aus dem gleichen Material wie das Wabensegment bestehenden Aufschlämmung beschichtet und daraufhin ein aus dem gleichen Material wie das getrocknete Wabensegment bestehendes plattenförmiges wärmeleitendes Element mit dem mit der Aufschlämmung beschichteten Abschnitt pressverbunden, gefolgt von der Trocknung, um ein getrocknetes Wabensegment, an dem ein wärmeleitendes Element angehaftet wurde, zu erhalten.
Anschließend wurde das getrocknete Verbundsegment einem Entbinderverfahren in einer N₂-Atmosphäre bei etwa 400 °C unterzogen und danach in einer inerten Ar-Gasatmosphäre bei etwa 1.550 °C gebrannt, um ein Wabenverbundsegment zu erhalten.
Dann wurde der berührte Abschnitt (gebildet durch das wärmeleitende Element) des Wabenverbundsegments mit einem Abschnitt einer (dem Wabenverbundsegment gegenüberliegenden) Seite eines anderen, benachbarten Wabensegments in Berührung gebracht. Daraufhin wurde am jeweiligen Abschnitt der nicht berührten Abschnitte ein aus einer auf Aluminiumsilicat basierenden Faser, einem SiC-Pulver, einem anorganischen Bindemittel und Wasser bestehendes Haftmaterial bereitgestellt; die entsprechenden Wabensegmente wurden zu einem vereinigten Körper verbunden, um ein Wabenfilter mit der in 4 dargestellten Struktur zu erhalten. Das vereinigte Wabenfilter wies die Maße von 144 mm (Durchmesser) × 152 mm (Länge) auf, und sein nicht berührter Abschnitt besaß einen Spalt von 2 mm.
(Beispiel 2)
Ein getrocknetes Wabensegment wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Das getrocknete Wabensegment wurde geschnitten, um an seiner Seite einen Vorsprung auszubilden, und anschließend gebrannt, um ein Wabensegment zu ergeben.
Solche Wabensegmente wurden daraufhin so verbunden, dass der Vorsprung des Wabensegments direkt mit einer Seite eines anderen Wabensegments in Berührung gebracht wurde, das zum vorherigen Wabensegment benachbart war; das gleiche Haftmaterial wie in Beispiel 1 wurde an einem Teil eines jeden nicht berührten Abschnitts der einander gegenüberliegenden Seiten bereitgestellt (die benachbarten Wabensegmente standen an den nicht berührten Stellen nicht in Berührung); die benachbarten Wabensegmente wurden miteinander zu einem Stück verbunden; dadurch wurde ein in 4 dargestelltes Wabenfilter erhalten.
Das Wabensegment wies die Maße von 144 mm (Durchmesser) × 152 mm (Länge), eine Trennwanddicke von 0,3 mm und eine Zelldichte von 31 Zellen/cm² auf.
(Beispiele 3 bis 5)
Es wurden Wabenfilter auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die in 8, den 12(a) und (b) bzw. den 13(a) und (b) dargestellten Strukturen verwendet wurden.
(Vergleichsbeispiel 1)
Ein Wabenfilter wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass jeweils zwei benachbarte Wabensegmente am Gesamtabschnitt ihrer jeweiligen einander gegenüberliegenden Seiten mit einem aus einer Faser auf Aluminiumsilicat, einem SiC-Pulver, einem anorganischen Bindemittel und Wasser be stehenden Haftmaterial versehen wurden, um eine berührungsabschnittsfreie Struktur zu erhalten.
(Vergleichsbeispiel 2)
Ein Wabenfilter wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass jeweils zwei benachbarte Wabensegmente am Gesamtabschnitt ihrer jeweiligen Seiten mit einer aus dem gleichen Material wie das getrocknete Wabensegment bestehenden Aufschlämmung beschichtet wurden, danach ein plattenförmiges wärmeleitendes Element, das aus dem gleichen Material wie das getrocknete Wabensegment besteht, mit jedem mit der Aufschlämmung beschichteten Abschnitt pressverbunden wurde und danach zum Verbinden des wärmeleitendes Elements mit den beiden Wabensegmenten getrocknet wurde, wodurch eine berührungsabschnittsfreie Struktur erhalten wurde.
(Bewertungsverfahren)
Eine aus Keramik hergestellte, nicht schwellende Matte wurde als Trägermaterial um die äußere Oberfläche eines jeden der Wabenfilter auf Siliciumcarbidbasis, die mit den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhalten wurden, gewickelt. Jedes der resultierenden Wabenfilter wurde in ein Einblechungsgehäuse des Modells SUS-409 geschoben, um eingeblechte Strukturen zu erhalten. Dann wurde ein durch Verbrennung eines Gasöls (Dieselbrennstoff) erzeugtes, rußhältiges Verbrennungsgas von der unteren Stirnseite (der Abgaseinlass-Stirnseite) aus in die eingeblechte Struktur einströmen und von der oberen Stirnseite (der Abgasauslass-Stirnseite) der Wabenstruktur ausströmen gelassen, wodurch der im Abgas enthaltene Ruß im Inneren der Wabenstruktur eingefangen wurde.
Anschließend wurde jede eingeblechte Struktur auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und daraufhin ein Verbrennungsgas mit einem bestimmten Anteil Sauerstoff bei 900 °C von der oberen Stirnseite (der Abgasauslass-Stirnseite) der Wabenstruk tur aus einströmen gelassen, um den Ruß zu verbrennen und zu beseitigen. Somit wurde ein Filterregenerationstest durchgeführt.
Bei diesem Filterregenerationstest wurden die Übergangszeit der Erhöhung der Einlassgastemperatur auf 900 °C und das Gewicht des eingefangenen Rußes jeweils auf 3 Werte eingestellt und die Regeneration des Filters durchgeführt, wonach die Rissbildung an der oberen Stirnseite (der Abgasauslass-Stirnseite), der unteren Stirnseite (der Abgaseinlass-Stirnseite), an der Seite und im Inneren der Wabenstruktur untersucht wurden. Die Ergebnisse der Bewertung sind in Tabelle 1 zusammengefasst. In Tabelle 1 weist Δ auf eine Rissbildung hin, während O keine Rissbildung kennzeichnet.
(Bewertung)
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, kam es unter Standardbedingungen in der Abgasauslass-Stirnseite des Wabenfilters zur Rissbildung beim Wabenfilter des Vergleichsbeispiels 1, bei dem jeweils zwei benachbarte Wabensegmente mit einem Haftmaterial am Gesamtabschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten miteinander verbunden wurden; auch konnte eine Rissbildung im Wabenfilter bei der Abgaseinlass-Stirnseite, der Abgasauslass-Stirnseite, der Seite und im Inneren des Wabenfilters des Vergleichsbeispiels 2 beobachtet werden, bei dem jeweils zwei am Gesamtabschnitt ihrer Seiten durch die Verwendung eines aus dem gleichen Material wie das getrocknete Wabenfilter bestehenden wärmeleitenden Elements miteinander verbunden wurden.
Im Gegensatz dazu traten bei den Wabenfiltern der Beispiele 1 bis 5 keine Risse auf, bei denen jeweils zwei benachbarte Wabensegmente an einem Abschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten miteinander in Berührung gebracht wurden und an zumindest einem Abschnitt ihrer Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, mit einem Haftmaterial, das eine geringere Festigkeit als jene des Basiskörpers des Wabensegments aufweist, miteinander verbunden wurden.
Bei einer Verkürzung der Übergangszeit, einem erhöhten Gewicht des eingefangenen Rußes und einer äußerst großen Ungleichmäßigkeit in der Temperaturverteilung kam es teilweise selbst bei den Beispielen der vorliegenden Erfindung zur Bildung von Rissen. Doch war die Rissbildung bei den Beispielen 1 und 5, bei denen einen Haftmaterial an einem Teil des nicht berührten Abschnitts bereitgestellt worden war, wie in den 4, 13(a) und (b) dargestellt ist, im Vergleich mit den Ergebnissen der Beispiele 3 und 4, bei denen das Haftmaterial am Gesamtabschnitt des nicht berührten Abschnitts bereitgestellt worden war, wie in den 8, 12(a) und (b) dargestellt ist, gering.
Die Rissbildung war bei den Wabenfiltern der Beispiele 4 und 5, bei denen das Wabenfilter in neun Abschnitte unterteilt, der berührte Abschnitt in großer Anzahl bereit gestellt und das Volumen eines jeden Wabensegments klein war, so wie in den 12(a) und (b) und 13(a) und (b) dargestellt ist, im Vergleich zu den Ergebnissen der Beispiele 1 und 5, bei denen das Wabenfilter in vier Abschnitte mit einer die Mittelachse umfassenden Ebene unterteilt war, äußerst gering.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung ein Wabenfilter bereitstellen, worin die auf Wärmespannung zurückzuführende Rissbildung und Ähnliches im Vergleich zur Verwendung von herkömmlichen Wabenfiltern deutlich gemindert ist, wobei dieses Merkmal besonders deutlich zutage tritt, wenn das Filter vorwiegend aus Siliciumcarbid oder metallischem Silicium und Siliciumcarbid hergestellt ist; und zudem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wabenfilters bereitstellen.

Claims

Wabenfilter, erhalten durch Verbinden einer Vielzahl von Wabensegmenten, von denen jedes eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist, die durch poröse Trennwände voneinander getrennt sind und alternierend an der Abgaseinlass-Stirnseite und der Abgasauslass-Stirnseite verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Wabensegmente einander jeweils an einem Abschnitt ihrer einander gegenüberliegenden Seiten berühren gelassen werden, und dass sie an zumindest einem Teil eines jeden Abschnitts der genannten Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, über ein Haftmaterial mit einer niedrigeren Festigkeit als die des Basiskörpers des Wabensegments miteinander verbunden sind.
Wabenfilter nach Anspruch 1, worin der jeweilige Abschnitt der Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, so bereitgestellt ist, dass er zumindest einen Gesamtabschnitt der Seiten umfasst, der sich zur Gaseinlass-Stirnseite des Wabensegments hin öffnet.
Wabenfilter nach Anspruch 1, worin der jeweilige Abschnitt der Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, so bereitgestellt ist, dass er zumindest einen Gesamtabschnitt der Seiten umfasst, der sich zur Abgaseinlass-Stirnseite des Wabensegments, Abgasauslass-Stirnseite des Wabensegments und einer Außenoberfläche des Wabenfilters hin öffnet.
Wabenfilter nach Anspruch 2 oder 3, worin der jeweilige Abschnitt der Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, so bereitgestellt ist, dass er zumindest den Gesamtabschnitt der Seiten umfasst, der zur Abgaseinlass-Stirnseite des Wabensegments hinführt, und worin das Haftmaterial an einem Teil des jeweiligen Abschnitts der Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, bereitgestellt ist.
Wabenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin zumindest eines der jeweils zwei benachbarten Wabensegmente an einem Abschnitt seiner Seite, die einer Seite des anderen Wabensegments gegenüberliegt, einen Vorsprung aufweist und über diesen Vorsprung einen Abschnitt der Seite des anderen benachbarten Wabensegments berührt.
Wabenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin zumindest eines der zwei benachbarten Wabensegmente an einem Abschnitt seiner Seite, die einer Seite des anderen Wabensegments gegenüberliegt, ein aus dem gleichen Material wie das Wabensegment hergestelltes wärmeleitendes Element aufweist und über dieses wärmeleitende Element einen Abschnitt der genannten Seite des anderen benachbarten Wabensegments berührt.
Wabenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Wabensegmente vorwiegend aus Siliciumcarbid oder aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid bestehen.
Wabenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das Haftmaterial vorwiegend aus einer wärmebeständigen anorganischen Verbindung besteht.
Wabenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände mit einem Metall mit katalytischer Wirkung beladen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters, gekennzeichnet durch: das Verkneten eines aus einem Keramikmaterial und/oder einem Metall bestehenden Pulvermaterials, eines Bindemittels und Wasser, um eine Mischung zu erhalten, und das Formen der Mischung, um eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von durch Trennwände voneinander getrennten Durchgangslöchern zu erhalten, das Trocknen der Wabenstruktur und das darauf folgende Verschließen der Vielzahl von Durchgangslöchern alternierend an der Abgaseinlass-Stirnfläche und der Abgas auslass-Stirnfläche der Wabenstruktur, um ein getrocknetes Wabensegment zu erhalten, das Verbinden eines wärmeleitenden Elements, das aus dem gleichen Material wie das getrocknete Wabensegment besteht, mit einem Abschnitt einer jeden Seite des getrockneten Wabensegments, gefolgt vom Trocknen und Brennen, um ein Verbundwabensegment zu erhalten, das In-Berührung-Bringen des am Wabensegment bereitgestellten wärmeleitenden Elements, über das wärmeleitende Element, mit einem Abschnitt einer Seite eines anderen, benachbarten Wabensegments, die dem vorigen Wabensegment gegenüberliegt, und das Bereitstellen an zumindest einem Teil des jeweiligen Abschnitts der beiden einander gegenüberliegenden Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, eines Haftmaterials mit einer niedrigeren Festigkeit als die des Basiskörpers des Wabensegments, um einen vereinigten Körper zu erhalten.
Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters, gekennzeichnet durch: das Verkneten eines aus einem Keramikmaterial und/oder einem Metall bestehenden Pulvermaterials, eines Bindemittels und Wasser, um eine Mischung zu erhalten, und das Formen der Mischung, um eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl von durch Trennwände voneinander getrennten Durchgangslöchern zu erhalten, das Trocknen der Wabenstruktur und das darauf folgende Verschließen der Vielzahl von Durchgangslöchern alternierend an der Abgaseinlass-Stirnfläche und der Abgasauslass-Stirnfläche der Wabenstruktur, um ein getrocknetes Wabensegment zu erhalten, das Schneiden des getrockneten Wabensegments zur Ausbildung eines Vorsprungs an jeder Seite des getrockneten Wabensegments und das Brennen, um ein Wabensegment zu erhalten, das In-Berührung-Bringen eines jeden an jeder Seite des Wabensegments bereitgestellten Vorsprungs mit einem Abschnitt einer Seite eines anderen, benachbarten Wabensegments, die dem vorigen Wabensegment gegenüberliegt, und das Bereitstellen an zumindest einem Teil des jeweiligen Abschnitts der beiden einander gegenüberliegenden Seiten, der nicht der berührte Abschnitt ist, eines Haftmaterials mit einer niedrigeren Festigkeit als die des Basiskörpers des Wabensegments, um einen vereinigten Körper zu erhalten.
Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters nach Anspruch 10 oder 11, worin das Pulvermaterial vorwiegend aus Siliciumcarbid besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters nach Anspruch 10 oder 11, worin das Pulvermaterial vorwiegend aus metallischem Silicium und Siliciumcarbid besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Wabenfilters nach Anspruch 10 bis 13, worin das Haftmaterial vorwiegend aus einer wärmebeständigen anorganischen Verbindung besteht.