(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結相組成物を含む多孔質セラミックハニカム体であって、
メジアン細孔径（ｄ50）が、１０マイクロメートル以上であり、
細孔径分布ｄ因子の値が、０．８未満であり、
全気孔率の５％未満が１．０マイクロメートル未満の細孔径を有する細孔からなるものであり、
ウォッシュコートおよび触媒コーティングが施されていることを特徴とする多孔質セラミックハニカム体。
ただし、
細孔径分布ｄ因子の値は、式（Ａ）：ｄ因子＝（メジアン細孔径（ｄ50）−メジアン細孔径（ｄ10））／メジアン細孔径（ｄ50）、によって算出されるものとする
【請求項２】
前記メジアン細孔径が１０マイクロメートルから３０マイクロメートルの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項３】
前記全気孔率の５％未満が、０．１マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲にある細孔径を有する細孔からなることを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項４】
前記全気孔率の３％未満が、１．０マイクロメートル未満の細孔径を有する細孔からなることを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項５】
前記細孔径分布ｄ因子が０．１から０．８の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項６】
前記メジアン細孔径（ｄ50）が、１５マイクロメートルから２５マイクロメートルの範囲にあり、
前記細孔径分布ｄ因子の値が、０．１５から０．５０の範囲にあり、
全気孔率の５％未満が０．３マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲にある細孔径を有する細孔からなるものであることを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項７】
前記焼結相組成物が、酸化物の質量基準で、４９から５３質量パーセントのＳｉＯ２、３３から３８質量パーセントのＡｌ２Ｏ３、および１２から１６質量パーセントのＭｇＯから実質的になるコージエライトを含むことを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項８】
前記焼結相組成物がチタン酸アルミニウム組成物を含むことを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項９】
前記ハニカム体が、多孔質セラミック壁により境界が形成された複数の通路を含むウォールフロー型フィルタであり、選択された通路の各々が、前記通路の壁に封止された栓を含むことを特徴とする請求項１記載の多孔質セラミックハニカム体。
【請求項１０】
前記ハニカム体が、ディーゼル排ガス濾過に使用するディーゼル微粒子フィルタであることを特徴とする請求項９記載の多孔質セラミックハニカム体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック物品に関し、より詳しくは、排ガス後処理用途、特にディーゼル排ガス濾過に使用するのに適した性質を有するセラミック物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、効率、耐久性および経済面のために、ディーゼルエンジンに多大な関心が寄せられている。しかしながら、ディーゼル排気物質は、環境と人間への有害な影響のために、米国および欧州の両方において綿密に調査されてきた。それゆえ、より厳しい環境規制により、ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと同じ基準に維持する必要がある。したがって、ディーゼルエンジンの製造業者および放出物質規制団体は、より速く、より清浄なディーゼルエンジンであって、消費者の負担する費用を最小にしつつ、全ての動作条件下で最も厳しい要件を満たすディーゼルエンジンを実現するように働き続けている。
【０００３】
ディーゼル放出物質を減少させる最大の課題の１つは、ディーゼル排気流中に存在するディーゼル粒状物質のレベルを制御することである。１９９８年に、カリフォルニア大気資源委員会により、ディーゼル微粒子は毒性空気汚染物質であると公表された。移動型発生源および静止型発生源の両方から生成されるディーゼル微粒子汚染物質の濃度および粒径を規制する法案が可決された。
【０００４】
ディーゼル粒状物質は主に炭素煤からなる。ディーゼル排気物質から炭素煤を除去する方法の１つは、ディーゼルトラップに通すことである。最も広く用いられているディーゼルトラップは、フィルタ本体の多孔質壁上に煤を捉えることによって、ディーゼル排ガスを濾過するディーゼル微粒子フィルタである。ディーゼル微粒子フィルタは、排気流を著しく妨げずに煤をほぼ完全に濾過するように設計されている。しかしながら、煤の層が、ディーゼル微粒子フィルタの入口通路の表面上に収集するにつれて、煤層の透過率が低くなり、エンジンに対するフィルタの背圧が徐々に上昇して、エンジンの動作が厳しくなってくる。フィルタ内の煤があるレベルまで一旦蓄積すると、煤を燃焼させることによりそのフィルタを再生し、それによって、背圧を低レベルに復元しなければならない。通常、再生は、ゆっくりと燃焼が開始され、数分間続き、その間中、フィルタ内の温度が約４００〜６００℃から約８００〜１０００℃の最高値まで上昇するエンジン管理の制御条件下で行われる。
【０００５】
２０年以上にも亘り、ディーゼルエンジンの排ガスからの炭質煤微粒子の除去に、多孔質のウォールフロー型セラミックフィルタが利用されてきた。理想的には、多孔質セラミック製ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）は、低いＣＴＥ（耐熱衝撃性のため）、低い圧力降下（エンジン効率、および燃料の経済性のため）、高い濾過効率（排気流からほとんどの粒子を除去するため）、高強度（取扱い、キャニング、および使用中の振動に耐えるため）、および低コストを併せ持つべきである。この目的を達成するために、流速分布および背圧に影響する主要特性は、（ｉ）基体の微小構造、（ｉｉ）触媒コーティング、（ｉｉｉ）煤付着、（ｉｖ）フィルタの構成、および（ｖ）上流の排気ガス流量および分布である。所定のフィルタの構成および上流の流速分布および煤の物理的性質に関して、基体の微小構造、触媒コーティング分布および煤付着（壁中深く、および煤ケーキ）により、フィルタに生じる背圧が決まる。
【０００６】
ＤＰＦ基体の従来の微小構造設計は主に、基体の平均気孔率（ε）およびメジアン細孔径（ｄ50）に焦点を当ててきた。実際は、同じ気孔率および同じメジアン細孔径（ｄ50）を有する２つのフィルタは、異なる細孔径分布（ＰＳＤ）および／または異なる細孔モルホロジーのために、同じ煤付着量および同じ流量でさえも、異なる背圧を有するであろう。細孔径分布および細孔モルホロジーはまた多孔質媒体の浸透性にも寄与し、その結果、同じ気孔率および同じメジアン細孔径でさえも、異なるフィルタ背圧が生じ得る。
【０００７】
ＤＰＦの背圧への細孔径分布および細孔モルホロジーの定量的影響は、従来技術においてはまだよく理解されていない。比較的高い煤付着量（＞５ｇ／Ｌ）でさえ低い背圧を与えるＤＰＦに通じ得る様式での細孔径分布全体の制御に関する教示は、従来技術においては得られない。特に、基体の細孔径分布、細孔モルホロジーおよび多孔質媒質の浸透性の中で、定量的関係は得られていない。従来技術におけるフィルタ設計のほとんどは、フィルタの構造の最適化（セル密度、ウェブ厚などの）、および平均気孔率およびメジアン細孔径（ｄ50）などの基体微小構造の最適化に焦点を当てていた。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、セラミック物品に関し、より詳しくは、排ガス後処理用途、特にディーゼル排ガス濾過に使用するのに適した性質を有するセラミック物品に関する。ある態様において、本発明は、多孔質基体の全細孔径分布、細孔モルホロジー、および多孔質媒体の浸透性のうちで定量的関係の理解を与えることを追求する。この目的を達成するために、ある態様において、本発明は概して、最適化されたサブミクロンの細孔微小構造を有する多孔質セラミック体を提供する。
【０００９】
したがって、ある態様において、本発明は、焼結相組成物を含む多孔質セラミックハニカム体であって、１０マイクロメートル以上のメジアン細孔径（ｄ50）により定義される全気孔率（％Ｐ）、ｄ因子＝（ｄ50−ｄ10）／ｄ50である、０．８未満の細孔径分布ｄ因子値、および全気孔率の５％未満が１．０マイクロメートル未満の細孔径を有する細孔からなることを特徴とするサブミクロンの細孔分画を有するセラミック体を提供する。
【００１０】
別の態様において、本発明は、多孔質セラミック壁により境界が形成された複数の通路を含むウォールフロー型フィルタの形態にある多孔質セラミックハニカム体であって、触媒を含むコーティングが多孔質セラミック壁の少なくともいくらかの上に配置されているハニカム体を含む。
【００１１】
さらに別の態様において、本発明は、ここに記載された多孔質セラミック物品を製造する方法を提供する。
【００１２】
本発明の追加の態様は、一部は、詳細な説明、以下に続く図面および特許請求の範囲に述べられており、一部は、詳細な説明から導かれるか、または本発明を実施することにより分かるであろう。先の一般的な説明および以下の詳細な説明は、単に説明と例示であり、開示された本発明を制限するものではない。
【００１３】
本明細書に包含され、その一部を構成する添付の図面は、本発明の特定の態様を例示しており、前記説明と一緒になって、制限を意図せずに、本発明の原理を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のある態様によるウォールフロー型ディーゼル微粒子フィルタの例示のＣＦＤシミュレーションされた三次元単位通路を示す図
【図２】全細孔分布、直列の流路、および並列の流路を示す、抵抗網状構造の概略図
【図３】本発明による例示の触媒または未触媒ディーゼル微粒子フィルタに関する、ＣＦＤモデル予測背圧および実験で測定した背圧を比較したグラフ
【図４】本発明による例示の触媒または未触媒ディーゼル微粒子フィルタに関する、ＣＦＤモデル予測背圧および実験で測定した背圧を比較したグラフ
【図５】本発明による例示の触媒または未触媒ディーゼル微粒子フィルタに関する、ＣＦＤモデル予測背圧および実験で測定した背圧を比較したグラフ
【図６】本発明による例示の触媒または未触媒ディーゼル微粒子フィルタに関する、ＣＦＤモデル予測背圧および実験で測定した背圧を比較したグラフ
【図７】総細孔体積において０．５％、１．０％、２．０％、３．０％、５．０％および１０．０％のサブミクロンの細孔体積を有するいくつかの例示のＤＰＦに関する、ウォッシュコートにより生じた細孔径分布を示すグラフ
【図８】本発明のある態様によるサブミクロンの細孔の体積百分率を増加させることの、その結果生じた背圧への影響を示すグラフ
【図９】本発明のある態様によるサブミクロンの細孔の体積百分率を増加させることの、その結果生じた背圧への影響を示すグラフ
【図１０】基体の微小構造のｄ因子の、その結果得られたフィルタの背圧への影響のＣＦＤモデル予測を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を、特定の詳細および例示の実施例を参照して、以下にさらに説明する。本発明は、ここに例証の目的で開示された特定の物品、デバイス、および／または方法に制限されるものではないことが理解されよう。
【００１６】
先に手短に述べたように、本発明は、フィルタの長手方向に沿って低い圧力降下と合わせて、高い熱耐久性および高い濾過効率を必要とするセラミックフィルタ用途に有用な改良されたセラミック物品を提供する。詳しくは、本発明は、特に、多孔質セラミックハニカム体の、水銀圧入法により測定された、サブミクロンの細孔径分布制御のための、セラミック基体微小構造設計に関する発明基準を提供する。これらのセラミックハニカム体は、ある態様において、施栓された多孔質セラミックウォールフロー型ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）として使用するのによく適しており、比較的高レベルの煤付着、および／またはウォッシュコート／触媒コーティングが存在していてさえも、比較的低い背圧の利点を示すことができる。
【００１７】
当業者には理解されるように、ウォッシュコートおよび触媒コーティングによりしばしば、比較されたウォッシュコートおよび触媒の量および使用されるコーティング方法に応じて、気孔率、細孔径分布および細孔モルホロジーが変化する。最も典型的なコーティング方法では、特に、毛管圧力が比較的高い場合、基体の小さな細孔に向かってコーティング溶液を強制的に移動させる毛管圧力のためにサブミクロンの細孔から、多くの小さな細孔を形成するように試みている。その結果形成されたウォッシュコートおよび触媒コーティングは、小さな細孔を完全に封鎖するか、またはコーティング後にサブミクロンの細孔をさらに小さくし得る。したがって、所定の流量および煤付着量について、それらの小さな細孔は、特に、フィルタ多孔質体の浸透性がフィルタの総背圧に必須となり得る煤付着条件下で、フィルタの背圧の上昇に著しく寄与し得る。
【００１８】
したがって、どの特定の理論にも制限するものではなく、細孔の接続性の変化が、何故、煤付着触媒フィルタの背圧がしばしば、ウォッシュコートまたは触媒コーティングプロセスの前後に存在する細孔モルホロジーの程度に依存し、ウォッシュコートおよび／または触媒コーティングプロセスの結果として形成されるサブミクロンの細孔の量に依存する、様々な百分率だけ増加するかの理由であると考えられる。
【００１９】
これによれば、本発明は、セラミック体の全気孔率の５％以下が１マイクロメートル未満の細孔径を有するサブミクロンの細孔により提供されることが好ましい、制御されたサブミクロンの気孔率と組み合わされた、比較的狭い細孔径分布により特徴付けられる細孔微小構造を有する焼成セラミック体を提供しようと努める。そのような微小構造により、結果として生じる望ましくない背圧の増加を最小にして、フィルタに施すべきウォッシュコートの付着量のレベルを高くできることが分かった。
【００２０】
ある態様において、本発明のセラミック物品は、比較的高レベルの全気孔率を備える。例えば、本発明のセラミック物品は、３０％より大きい全気孔率％Ｐを備えることができる。
【００２１】
本発明のセラミック体は、比較的微細なおよび／または比較的大きい細孔径の最小化された百分率により証拠付けられる比較的狭い細孔径分布も備えることができる。この目的を達成するために、相対的な細孔径分布は、ここに用いるように、１００で割った、水銀圧入法により測定された、気孔率の体積パーセントである細孔分画により表すことができる。例えば、数量ｄ50は、細孔体積に基づくメジアン細孔径であり、マイクロメートルで測定される。それゆえ、ｄ50は、セラミックの開放気孔率の５０％が水銀により入り込まれる細孔径である。数量ｄ90は、細孔体積の９０％が、その直径がｄ90の値よりも小さい細孔からなる細孔径である。それゆえ、ｄ90は、セラミックの開放気孔率の１０体積％が水銀により入り込まれる細孔径に等しい。さらにまた、数量ｄ10は、細孔体積の１０％が、その直径がｄ10の値よりも小さい細孔からなる細孔径である。それゆえ、ｄ10は、セラミックの開放気孔率の９０体積％が水銀により入り込まれる細孔径と等しい。細孔分画ｄ10は、ある態様において、１マイクロメートル未満であり得る。細孔分画ｄ90は、別の態様において、５０マイクロメートルより大きくあり得る。
【００２２】
本発明のセラミック物品中に存在する細孔のメジアン細孔径（ｄ50）は、ある態様において、１０μｍより大きく、１５μｍより大きく、２０μｍより大きく、またはさらには２５μｍより大きくても差し支えない。別の態様において、メジアン細孔径は１０μｍから３０μｍの範囲にあり得る。さらに別の態様において、メジアン細孔径は１５μｍから２５μｍの範囲にあり得る。
【００２３】
本発明のセラミック物品の比較的狭い細孔径分布は、ある態様において、さらに細孔分画として数量が定められる、メジアン細孔径ｄ50よりも微細な細孔径の分布幅により証拠付けられる。ここに用いたように、メジアン細孔径ｄ50よりも微細な細孔径の分布幅は、数量（ｄ50−ｄ10）／ｄ50を表す「ｄ因子」値により表される。この目的を達成するために、本発明のセラミック構造体は、ある態様において、０．８０未満、０．５０未満、またはさらには０．２０未満のｄ因子を備える。さらに別の態様において、本発明のセラミック構造体は、０．１０から０．８０の範囲、またはさらには０．１５から０．５０の範囲にあるｄ因子を備えることができる。
【００２４】
上述した細孔微小構造の特徴に加え、本発明のセラミック体はさらに、総細孔体積の５％以下が１マイクロメートル未満の直径を有する細孔からなる、制御されたサブミクロンの細孔構造を備える。例えば、ある態様において、全気孔率の５％以下が、０．１マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲、またはさらには０．３マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲の直径を有する細孔によるものである。
【００２５】
より好ましい態様において、全気孔率の３％以下が、０．１マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲、またはさらには０．３マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲の直径を有する細孔によるものである。さらにまた、別の好ましい態様において、全気孔率の１％以下が、０．１マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲、またはさらには０．３マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲の直径を有する細孔によるものである。さらに別の態様において、全気孔率の０．５％以下が、０．１マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲、またはさらには０．３マイクロメートルから１．０マイクロメートル未満の範囲の直径を有する細孔によるものである。
【００２６】
本発明のセラミック体は、特定の用途に適した任意の形状または幾何構造を有していて差し支えない。本発明のセラミック体が特に適している、ディーゼル微粒子フィルタなどの高温濾過用途において、このセラミック体が、ハニカムモノリスの構造などのマルチセルラ構造を有することが好ましい。
【００２７】
例示のハニカム構造体は、入口端と出口端または入口面と出口面、および入口端から出口端まで延在する多数のセルを有し、このセルは多孔質壁を有する。このハニカム構造体はさらに、７０セル／平方インチ（１０．９セル／ｃｍ2）から４００セル／平方インチ（６２セル／ｃｍ2）のセル密度を有し得る。ある態様において、セルの一部は、入口端または出口端で、ここに引用する米国特許第４３２９１６２号明細書に記載されているような、ハニカム構造体のものと同じまたは同様の組成を有するペーストで施栓することができる。この施栓はセルの端部のみに行われ、それは典型的に約５から２０ｍｍの深さであるが、これは様々であって差し支えない。入口端の前記セルに対応しない出口端のセルの一部が施栓されている。したがって、各セルは一端でのみ施栓されている。好ましい配列は、市松模様におけるように、所定の面で１つおきのセルが施栓されたものである。
【００２８】
この施栓構成により、排気流と基体の多孔質壁との間の接触をより緊密にすることができる。排気流は、入口端で開いたセルを通って基体に流入し、次いで、多孔質セル壁を通り抜け、出口端で開いたセルを通って基体から流出する。ここに記載されたタイプのフィルタは、「ウォールフロー型」フィルタとして知られている。何故ならば、交互の通路施栓により形成された流路によって、処理されている排気流が、フィルタから流出する前に、多孔質セラミックセル壁を通り抜ける必要が生じるからである。
【００２９】
従来技術のセラミックフィルタと比較して、圧力降下が低いセラミックディーゼル微粒子フィルタが本発明により得られる。フィルタの前後の圧力降下は、ディーゼル微粒子フィルタの壁上の炭質煤の蓄積の関数である。蓄積する煤の量が増加するにつれて、排気ガスのフィルタの壁および炭素煤層を通る流れ抵抗が次第に増加する。この流れ抵抗は、フィルタの長手方向に測定できる圧力降下として明らかにされ、エンジンに対する背圧を増加させることになる。
【００３０】
所定の煤付着量（グラム／リットルで表される）での圧力降下の増加は、フィルタの幾何構造、セラミック壁の浸透性、および蓄積した煤層の浸透性に依存する。圧力降下に影響する幾何学的因子としては、フィルタの長さと直径、フィルタの端部での栓の深さ、単位面積当たりのセルの数、および壁の厚さが挙げられる。煤付着の前の清浄なセラミック壁の浸透性は、気孔率、細孔径分布、および細孔の接続性により制御される。
【００３１】
さらに、煤付着の初期段階の最中に、ある程度の煤が、セラミック壁の表面にある細孔中に進入する。これにより、壁の浸透性が、煤の堆積前の清浄な壁の浸透性と比較して減少する。この浸透性の減少により、フィルタを通る圧力降下が増加する。煤付着のこれらの初期段階の最中は、所定の煤付着量での圧力降下が増加する程度は、フィルタ壁の細孔中にある煤の浸透性に依存する。セラミック壁の細孔内の煤の浸透性は、転じて、煤粒子が細孔内にどれほど密に充填されているかに依存する。より密に充填された煤粒子により、細孔内の煤を通るガスの浸透性が低くなり、それゆえ、煤が入っている壁を通る浸透性が低くなる。壁内の煤の充填密度、およびそれゆえ、煤を収容している壁の浸透性は、その壁を備えたセラミックの気孔率、細孔径分布および細孔の接続性によっても影響を受ける。それゆえ、気孔率、細孔径分布および細孔の接続性は、清浄なフィルタと煤の付着したフィルタの圧力降下に影響を与え、これは転じて、ディーゼルエンジン効率および燃料の経済性に影響を及ぼす。
【００３２】
さらに、細孔径分布、特に、フィルタの多孔質体のサブミクロンの細孔分布を制御することにより、触媒コーティング分布（選択的コーティング）を制御し、触媒の利用率を改善することができる。そうしなければ、小さな細孔中の活性触媒は、煤粒子が少なく、そこを通る排ガス流が少なくなるので、触媒の利用率が非常に限られてしまう。受動的ＤＰＦ再生について、煤粒子と活性触媒との相互作用が、高い再生効率に影響を与え得る。触媒の利用率および熱分布を改善するために、より多くの触媒が、多くの煤微粒子（媒体、およびより大きな細孔中におけるような）と遭遇し、わずかの触媒しか少量の煤粒子（小さい細孔中におけるような）と相互作用しないことが望ましい。
【００３３】
本発明はまた、ここに記載された細孔微小構造を有するセラミック体を製造する方法も提供する。本発明の方法は概して、無機セラミック形成バッチ成分、随意的な細孔形成剤、液体ビヒクル、および結合剤を含む可塑化セラミック前駆体バッチ組成物を最初に提供し；この可塑化セラミック前駆体バッチ組成物から所望の形状を有する未焼成体を成形し、成形された未焼成体を、この未焼成体を多孔質セラミック物品に転化するのに効果的な条件下で焼成する、各工程を有してなる。
【００３４】
無機バッチ成分は、焼成の際に、主要な焼結相組成を提供できる無機成分の任意の組合せであって差し支えない。ある態様において、無機バッチ成分は、酸化マグネシウム源、アルミナ形成源、およびシリカ源から選択できる。さらにまた、バッチ成分は、焼成の際に、コージエライト、ムライト、スピネル、チタン酸アルミニウム、またはその混合物からなるセラミック物品を生成するように選択できる。例えば、制限するものではなく、ある態様において、無機バッチ成分は、酸化物の質量パーセント基準で特徴付けて、約４９から約５３質量％のＳｉＯ2、約３３から約３８質量パーセントのＡｌ2Ｏ3、および約１２から約１６質量パーセントのＭｇＯから実質的になるコージエライト組成物を提供するように選択できる。この目的を達成するために、例示の無機コージエライト前駆体粉末バッチ組成物は、約３３から約４１質量パーセントの酸化アルミニウム源、約４６から約５３質量パーセントのシリカ源、および約１１から約１７質量パーセントの酸化マグネシウム源を含むことが好ましい。コージエライトを形成するのに適した例示の非限定的無機バッチ成分混合物としては、米国特許第３８８５９７７号、米国再発行特許第３８８８８号、米国特許第６３６８９９２号、同第６３１９８７０号、同第６２４４３７号、同第６２１０６２６号、同第５１８３６０８号、同第５２５８１５０号、同第６４３２８５６号、同第６７７３６５７号、同第６８６４１９８号、および米国特許出願公開第２００４／００２９７０７号、同第２００４／０２６１３８４号の各明細書に開示されているものが挙げられる。
【００３５】
あるいは、別の態様において、無機バッチ成分は、酸化物の質量パーセント基準で特徴付けて、約２７から３０質量パーセントのＳｉＯ2、および約６８から７２質量パーセントのＡｌ2Ｏ3から実質的になるムライト組成物を提供するように選択できる。例示の無機ムライト前駆体粉末バッチ組成物は、約７６％のムライト耐火性凝集体、約９．０％の微細粘土、および約１５％のアルファアルミナを含み得る。ムライトを形成するのに適した追加の例示の非限定的無機バッチ成分混合物としては、米国特許第６２５４８２２号および同第６２３８６１８号の各明細書に開示されたものが挙げられる。
【００３６】
さらにまた、無機バッチ成分は、酸化物の質量パーセント基準で特徴付けて、約８から約１５質量パーセントのＳｉＯ2、約４５から約５３質量パーセントのＡｌ2Ｏ3、および約２７から約３３質量パーセントのＴｉＯ2から実質的になるチタン酸アルミニウム組成物を提供するように選択できる。例示の無機チタン酸アルミニウム前駆体粉末バッチ組成物は、約１０％の石英、約４７％のアルミナ、約３０％のチタニア、および約１３％の追加の無機添加物を含んで差し支えない。チタン酸アルミニウムを形成するのに適した例示の非限定的無機バッチ成分混合物としては、米国特許第４４８３９４４号、同第４８５５２６５号、同第５２９０７３９号、同第６６２０７５１号、同第６９４２７１３号、同第６８４９１８１号、米国特許出願公開第２００４／００２０８４６号、同第２００４／００９２３８１号の各明細書、並びに国際公開第２００６／０１５２４０号、同第２００５／０４６８４０号、および同第２００４／０１１３８６号の各パンフレットに開示されたものが挙げられる。
【００３７】
無機セラミックバッチ成分は、酸化物、水酸化物などの合成で生成された材料であっても差し支えない。あるいは、バッチ成分は、粘土、タルク、またはそれらの任意の組合せなどの天然に生成された材料であっても差し支えない。それゆえ、本発明は、粉末または原料の任意の特定のタイプに限られず、その自体、最終的なセラミック体に望ましい性質に依存して選択できることが理解されよう。
【００３８】
ある態様において、例示の非限定的酸化マグネシウム源はタルクを含み得る。さらに別の態様において、適切なタルクは、少なくとも約５μｍ、少なくとも約８μｍ、少なくとも約１２μｍ、またはさらには少なくとも約１５μｍの平均粒径を有するタルクを含み得る。さらに別の態様において、タルクは板状タルクであり得る。ここに用いたように、板状タルクは、小板粒子モルホロジー、すなわち、２つの長い寸法および１つの短い寸法を有する粒子、または例えば、厚さよりずっと大きい長さと幅を持つ小板を示すタルクを称する。ある態様において、タルクは、約０．５０、０．６０、０．７０、または０．８０より大きい形態指数を有する。この目的を達成するために、米国特許第５１４１６８６号明細書に開示されたような形態指数は、タルクの板状度の尺度である。形態指数を測定する典型的な手法の１つは、サンプルホルダの面内で板状タルクの配向が最大化されるようにサンプルをホルダ内に配置することである。次いで、Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンを、配向タルクについて決定できる。形態指数は半定量的に、以下の等式：
0005897242.tif 000002
を用いて、タルクの板状特性をそのＸＲＤピーク強度に関連付ける。ここで、Ｉxはピークの強度であり、Ｉyは反射の強度である。本発明に使用するのに適した市販の酸化マグネシウム源の例としては、限定するものではなく、両方ともカナダ国、オンタリオ州、オークヴィル所在のルゼナック社(Luzenac, Inc.)から販売されている、Ｍｉｓｔｒｏｎ  ００２および／またはＦＣＯＲ  Ｔａｌｃ、およびモンタナ州、ディロン所在のバレッツ・ミネラル社(Barrett's Minerals, Inc.)から販売されている９６−６７  Ｔａｌｃが挙げられる。
【００３９】
例示のアルミナ形成源としては、酸化アルミニウムまたは十分に高温に加熱されたときに、実質的に１００％の酸化アルミニウムを生成するアルミニウム含有化合物が挙げられる。アルミナ形成源の非限定的例としては、コランダムまたはアルファアルミナ、ガンマアルミナ、遷移アルミナ、ギブサイトおよびバイヤライトなどの水酸化アルミニウム、ベーマイト、ダイアスポア、アルミニウムイソプロポキシドなどが挙げられる。市販のアルミナ源としては、約４〜６マイクロメートルの粒径、および約０．５〜１ｍ2／ｇの表面積を有する、Ａｌｃａｎ  Ｃ−７００シリーズなどの比較的粗いアルミナ、例えば、Ｃ−７１４およびＣ−７０１（商標）が挙げられる。約０．５〜２マイクロメートルの粒径、および約８〜１１ｍ2／ｇの表面積を有する、アルコア社(Alcoa)から市販されているＡ１０およびＡ−１６ＳＧなどの、比較的微細なアルミナを用いても差し支えない。さらに別の態様において、アルミナ源は、水和アルミナまたは水酸化アルミニウム、例えば、ＡＣ−４００水和アルミナであってもよく、またはナイアコル・ナノ・テクノロジーズ社(Nyacol Nano Technologies, Inc.)から販売されているＮｙａｃｏｌ  Ａｌ−２０（商標）コロイドなどの、２０ｎｍから５０ｎｍの範囲にある粒径を有するコロイドアルミナであってもよい。
【００４０】
所望であれば、アルミナ源は、分散性アルミナ形成源を含んでも差し支えない。ここに用いたように、分散性アルミナ形成源は、溶媒または液体媒質中に少なくとも実質的に分散性であり、溶媒または液体媒質中にコロイド懸濁液を提供するのに使用できるアルミナ形成源である。ある態様において、分散性アルミナ源は、少なくとも２０ｍ2／ｇの比表面積を有する、比較的高表面積のアルミナ源であって差し支えない。あるいは、分散性アルミナ源は、少なくとも５０ｍ2／ｇの比表面積を有しても差し支えない。例示の態様において、本発明の方法に使用するのに適した分散性アルミナ源は、ベーマイト、擬ベーマイト、およびアルミニウム一水和物と一般に称される、水酸化酸化アルファアルミニウム（ＡｌＯＯＨ・ｘ・Ｈ2Ｏ）を含む。別の例示の態様において、分散性アルミナ源は、様々な量の化学結合水またはヒドロキシル官能基を含有し得るいわゆる遷移または活性化アルミナ（すなわち、水酸化酸化アルミニウムおよびカイ、イータ、ロー、イオタ、カッパ、ガンマ、デルタ、およびシータアルミナ）を含み得る。本発明に使用できる市販の分散性アルミナ源の特別な例としては、限定するものではなく、テキサス州、ヒューストン所在のコンデア・ヴィスタ社(CONDEA Vista Company)から市販されているＤｉｓｐａｌ（商標）ベーマイト、およびアルマティス社(Almatis, Inc.)から市販されているアルファアルミナＡ１０００が挙げられる。
【００４１】
適切なシリカ源は、ある態様において、例えば、生カオリン、か焼カオリン、および／またはそれらの混合物などの、粘土または混合物を含んで差し支えない。例示の非限定的粘土としては、Ｈｙｄｒｉｔｅ  ＭＰ（商標）などの、約７〜９マイクロメートルの粒径、および約５〜７ｍ2／ｇを有する、非薄層カオリン生粘土；Ｈｙｄｒｉｔｅ  ＰＸ（商標）およびＫ−１０生粘土などの、約２〜５マイクロメートルの粒径、および約１０〜１４ｍ2／ｇを有する、非薄層カオリン生粘土；ＫＡＯＰＡＱＵＥ−１０（商標）などの、約１〜３マイクロメートルの粒径、および約１３〜１７ｍ2／ｇを有する、薄層カオリナイト；Ｇｌｏｍａｘ  ＬＬなどの、約１〜３マイクロメートルの粒径、および約６〜８ｍ2／ｇを有する、か焼粘土が挙げられる。上述した名称の材料の全ては、ジョージア州、ドライブランチ所在のドライ・ブランチ・カオリン社(Dry Branck Kaolin)から市販されている。
【００４２】
さらに別の態様において、シリカ形成源は、所望であれば、溶融ＳｉＯ2；コロイドシリカを含むシリカ原料；石英またはクリストバライトなどの結晶質シリカ、または実質的にアルカリを含まない低アルミナゼオライトをさらに含んでも差し支えない。この目的を達成するために、市販の石英シリカ形成源としては、制限するものではなく、オハイオ州、バイズビル所在のラグナ・クレイ社(Laguna Clay Co.)から市販されている、Ｃｅｒａｓｉｌ  ３００、Ｕｎｉｍｉｍ  Ｓｉｌｖｅｒｂｏｎｄ  ２００、およびＩｍｓｉｌ  Ａ２５  Ｓｉｌｉｃａが挙げられる。その上、さらに別の態様において、シリカ形成源は、例えば、ケイ酸またはケイ素有機金属化合物などの、加熱されたときに遊離シリカを形成する化合物を含んでも差し支えない。
【００４３】
上述したように、可塑化セラミック前駆体バッチ組成物は、随意的な細孔形成剤をさらに含み得る。さらにまた、前駆体組成物は、所望であれば、特定の用途のために、焼成体における気孔率および細孔径分布を調整するために細孔形成剤を含有することができる。細孔形成剤は、所望の通常は高い気孔率および／または粗いメジアン粒径を得るために、未焼成体の乾燥または加熱中に、燃焼により気化するまたは蒸発する一時的材料である。適切な細孔形成剤としては、制限するものではなく、炭素；グラファイト；デンプン；木材、殻または木の実の粉末；ポリエチレンビーズなどのポリマー；ワックスなどが挙げられる。
【００４４】
無機バッチ成分および細孔形成成分は、原料が物体に成形されたときにその原料に未焼成強度および可塑成形性を与える成形助剤およびビヒクルと緊密にブレンドすることができる。成形は、例えば、成型または押出しにより行ってよい。成形を押出しにより行う場合、最も一般的に、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース誘導体、および／またはそれらの任意の組合せなどのセルロースエーテル結合剤が結合剤として働き、ステアリン酸ナトリウムが滑剤として働く。成形助剤の相対的な量は、使用する原料の性質や量などの要因に応じて様々であり得る。例えば、成形助剤の典型的な量は、約２質量％から約１０質量％、好ましくは約３質量％から約６質量％のメチルセルロース、および約０．５質量％から約１質量％、好ましくは約０．６質量％のステアリン酸ナトリウムである。原料および成形助剤は一般に、乾燥形態で一緒に混合され、次いで、ビヒクルとしての水と混合される。水の量は、バッチ材料毎に様々であり得、したがって、押出適性について特定のバッチを予備テストすることによって決まる。
【００４５】
単純なセルロース結合剤系に加え、またはそれに代えて、セラミック前駆体バッチは反応性結合剤系を含んでもよく、その例が、「Reactive Binders For Porous Wall-Flow Filters」と題する、２００６年３月３０日に出願された、同時係属出願の、共に譲渡された米国特許出願第１１／３９４５９４号明細書に開示されている。そのような結合剤は、バッチの２０質量％までの比率で水性アルミナコロイド（２０質量％のアルミナ）中に分散されたバッチの０．１〜１質量％の典型的な濃度でイオネンポリマーなどの反応性線状ポリマーの組合せを含む。
【００４６】
液体ビヒクル成分は、一部には、セラミックバッチ混合物中の他の成分との相溶性および取扱適性を最適化するために、使用する材料の種類に応じて様々であり得る。典型的に、液体ビヒクルの含有量は、通常、可塑化組成物の２０質量％から５０質量％までの範囲にある。ある態様において、液体ビヒクル成分は水を含んで差し支えない。別の態様において、セラミックバッチ組成物の成分の部分に応じて、例えば、メタノール、エタノール、またはそれらの混合物などの有機溶媒を液体ビヒクルとして使用できることが理解されるであろう。
【００４７】
次いで、得られた堅く、均一で、押出可能な可塑化セラミック前駆体バッチ組成物を、例えば、押出し、射出成形、鋳込み成形、遠心鋳造、圧力鋳造、乾式プレスなどの任意の公知の従来のセラミック成形法により未焼成体に成形することができる。例示の態様において、押出しは、油圧式ラム押出プレス、または二段脱気一軸オーガー押出機、または吐出端にダイアセンブリが取り付けられた二軸ミキサを用いて行うことができる。後者において、適切なスクリュー部材は、バッチ材料をダイに押し通すのに十分な圧力を発生させるために、材料および他の工程条件にしたがって選択される。
【００４８】
本発明の方法およびその結果得られるセラミック構造体は、ある態様において、ディーゼル微粒子フィルタとして使用するのに特に適している。具体的に、本発明のセラミック体は、高いフィルタ熱容量、フィルタの入口面と出口面の間の低い圧力降下、低いＣＴＥ、および高い濾過効率を有するマルチセルラハニカム構造体として特に適している。この目的を達成するために、ある態様において、可塑化セラミック前駆体バッチ組成物は、ハニカム構造に成形または他の様式で形成して差し支えない。本発明のハニカムセラミックフィルタは通常、排気ガス流入側の端面と排気ガス流出側の端面に開いた複数の貫通孔が、両端面で交互に封止されている構造体を有するが、ハニカムフィルタの形状は特に制限されていない。例えば、このフィルタは、円または楕円の形状の端面を有する円柱、三角形または正方形などの多角形の形状の端面を有するプリズム、これらの円柱やプリズムの側面が「くの字形」などのように曲げられている形状であってもよい。その上、貫通孔の形状は特に限定されない。例えば、その断面形状は、正方形または八角形などの多角形、円形、楕円形などであってよい。
【００４９】
本発明の方法によって製造されるセラミックハニカムのいくつかの例は一般に、２３５セル／ｃｍ2（約１５００セル／平方インチ）から１５セル／ｃｍ2（約１００セル／平方インチ）の範囲のセル密度を備える。さらに、壁すなわち壁厚は、典型的に、約０．０７から約０．６ｍｍ（約３から約２５ミル）に及ぶ。しかしながら、セラミック体の特定の所望のサイズおよび形状は、用途による、例えば、自動車用途では、エンジンサイズおよび搭載に利用できる空間などによる。この目的を達成するために、本発明のセラミック物品は、ある態様において、薄壁ハニカムの調製に適しているが、請求項に記載された混合物は、厚壁構造体に使用しても差し支えない。例えば、約１５から３０セル／ｃｍ2（約１００から約２００セル／平方インチ）のセル密度および約０．３０から７ｈ０．６４ｍｍ（約１２から約２５ミル）の壁厚を有するハニカム構造体が、ディーゼル微粒子フィルタ用途にうまく適している。
【００５０】
次いで、上述したような所望のサイズおよび形状を有する成形未焼成体を乾燥させて、過剰な水分を除去して差し支えない。乾燥工程は、熱風、マイクロ波、蒸気、または誘電乾燥により行い、その後、周囲空気乾燥を行っても差し支えない。一度乾燥したら、その後、未焼成体を、以下に記載するような主結晶相セラミック組成物からなるセラミック物品に転化するのに効果的な条件下で焼成できる。
【００５１】
未焼成体をセラミック物品に転化するのに効果的な焼成条件は、例えば、特定の組成、未焼成体のサイズ、および使用する設備の性質などの工程条件に応じて様々であり得る。その目的のために、ある態様において、本発明によるセラミック物品を得るのに必要な最適焼成条件は、単なる決まり切った実験によって当業者により得られるであろう。それゆえ、本発明は、特定の焼成温度および時間に制限されない。しかしながら、ある態様において、主にムライトを形成するために可塑化混合物について、焼成温度は約１４００℃から約１６００℃に及び、焼成時間は約１時間から約６時間に及び得る。あるいは、主にコージエライトを形成するための可塑化混合物について、焼成条件は、未焼成体を、例えば、１４２５℃の均熱温度を含む、約１３５０℃から約１４５０℃、または約１４００℃から約１４３０℃の均熱温度に加熱する工程を含む。
【００５２】
焼成時間は、約２０から２５０時間に及んで差し支えなく、その間、最高均熱温度に到達し、約５時間から約５０時間、または約１５時間から約３０時間の範囲の均熱時間に亘り保持して差し支えない。好ましい焼成スケジュールは、約１０時間から約３５時間に亘り約１４０５℃および１４３５℃の間の均熱時間で焼成する工程を含む。
【００５３】
サブミクロンの細孔の濃度は、無機バッチ成分、細孔形成剤、押出条件並びに焼成スケジュールに依存する。一般に、広い無機粒子分布および小さい平均粒径（粘土、タルク、シリカおよびアルミナなど）並びに広い有機細孔形成剤分布と小さい平均粒径により、サブミクロンの細孔が形成される。滑剤および水などの流体を少量しか使用せずに、高い押出圧で動作される押出プロセスでは、サブミクロンのより小さな細孔を生成できる。低い傾斜速度または低い均熱温度での焼成によっても、サブミクロンの細孔が生成される。
【００５４】
図３は、２つの異なる条件で押し出された同一のバッチからの細孔分布プロファイルを示している。サンプル２よりも３％水が少ない状態で押し出されたサンプル１は、サンプル２よりもサブミクロンの細孔が多い。その結果、サンプル２の圧力降下は、同じ５ｇ／Ｌの煤付着量で、サンプル１の圧力降下よりも２０％小さかった。
【００５５】
本発明の原理をさらに実証するために、本発明の純粋な具体例であることを意図した選択された実施例が以下に挙げられている。それらの実施例の選択されたものについて、本発明により製造されたセラミックフィルタに関する圧力降下などの流体流動特性に関連するテストデータおよびコンピュータモデル化データの両方が含まれている。背景として、ここに記載されたものなどのフロースルー型多孔質媒体システムは、流れ領域の幾何学形状および多孔質媒体の浸透性、流体特性、および流量が一度決定されたら、総合コンピュータ流体ダイナミクス（ＣＦＤ）流動モデル化ソフトウェアにより効果的にモデル化することができる。ＤＰＦの多孔質セラミック壁を流通する煤微粒子を含有する排気流は、「フロースルー型多孔質媒体」の典型的システムである。
【００５６】
そのようなシステムをモデル化する重要な態様は、フィルタの多孔質フロースルー壁内の煤粒子の付着の蓄積（いわゆる、「深床(deep-bed)」濾過現象）のために、多孔質壁の浸透性の変化を説明する。フルーエント社(Fluent, Inc.)からのＦＬＵＥＮＴ（登録商標）ＣＦＤなどの市販のＣＦＤコンピュータコードにより、多孔質媒体の浸透性値をその多孔質構造体および「深床」濾過現象に正確に相関させる多孔質媒体浸透性サブモデルを用いて、多孔質媒体が含まれている場合でさえも、層流領域（Ｒｅ＜２００００）の単相流／圧力分布を有効に予測できる。
【００５７】
図１は、従来のコンピュータ流体ダイナミクスソフトウェアを用いたシミュレーションに適した、入口通路（Ｉ）と出口通路（Ｏ）を備え、端部栓および多孔質基体壁を有する、本発明によるウォールフロー型ディーゼル微粒子フィルタの例示の三次元単位通路を示している。この完全な３Ｄ通路幾何学形状は、コンピュータ流体ダイナミクスで実施でき、「ＦＬＵＥＮＴ」ＣＦＤソフトウェアにおいて利用できる多孔質媒体モデルによりモデル化できる。
【００５８】
０．１から１マイクロメートルまでサイズが変動するサブミクロンの細孔は、多孔質フィルタ壁へのウォッシュコート／触媒の塗布、コーティングスラリーの粒径に依存する細孔径および／または特定のコーティング法に起因し得る。被覆フィルタシステムに関する多孔質媒体モデルの実施では、いくらかの以前に連結された細孔（いわゆる「並列名流路」を形成する）はウォッシュコートおよび／または触媒コーティングによりある程度または完全に封鎖され得るので、フィルタシステムにおける細孔の接続度または細孔モルホロジーは、比較的高い確率のいわゆる「直接の流路」に移行することを考慮する。そのような封鎖により、「並列の流路」の接続性の確率が減少する。
【００５９】
「抵抗網状構造」の概念が、ＣＦＤ「フロースルー型多孔質媒体」流／圧力シミュレーションにおけるより広範囲の多孔質媒体浸透性サブモデル実施の根底にある。多孔質網状構造ＰＮ、直列流路ＦＰ−Ｓ、および並列流路ＦＰ−Ｐの略図を含む、抵抗網状構造概念の略図が図２に示されている。この概念に基づく浸透性サブモデルを用いると、フィルタシステムの全細孔径分布（ＰＳＤ）および細孔モルホロジーが考慮され、いわゆる「直列流路」および「並列流路」の確率が、フィルタシステム全体の細孔モルホロジーに依存して、設定される。
【００６０】
ここに報告したＣＦＤシミュレーションされた実施例の目的のために、「並列流路」モルホロジーの確率が、細孔接続性係数（Ｃf）を指数化するのに用いられる。ここに用いたように、５０％（または比率で０．５０）のＣf値は、細孔網状構造において、「並列流路」の確率は約５０％（Ｃf＝０．５）であり、「直列流路」の確率は約５０％（１−Ｃf＝０．５）であることを意味している。サブミクロンの細孔は一般に「直列流路」において優勢であるが、１マイクロメートル以上の細孔は一般に「並列流路」において優勢であることが示唆される。もちろん、細孔網状構造内の開いた細孔の個々のサイズの全ては、多孔質媒体の巨視的浸透性に寄与する。
【００６１】
ここに報告したＣＦＤシミュレーションされた実施例の目的のために、各流路モルホロジーに関する抵抗（直列についてはＲsまたは並列についてはＲp）は、以下の式を用いてモデル化される。ここで、変数ｗiは、材料の総細孔体積を構成する所定のサイズの細孔の体積百分率を表し、Ｒiは、所定のサイズの細孔を原因とするガス流に対する抵抗である：
【数１】
0005897242.tif 000003
【数２】
0005897242.tif 000004
【００６２】
さらに、多孔質網状構造の全体の抵抗Ｒは、以下の式にしたがって流路モルホロジー並びに全細孔サイズの両方を考慮してモデル化される：
【数３】
0005897242.tif 000005
【００６３】
一方で、多孔質網状構造の浸透性は、以下の式にしたがってモデル化される：
【数４】
0005897242.tif 000006
【００６４】
上述した式において、清浄な（煤のない）フィルタについてはＫi＝ｋ0εｄi2であり、煤の付着したフィルタについてはＫi＝ｆ（ε，ｄi，ｎi）であり、Ｃfは上述した細孔接続性係数（網状構造の細孔モルホロジーに基づいて、０．０から１．０までに及ぶ）であり、ｎiは細孔の数密度であり、εは網状構造の気孔率を表し、ｄiは存在する細孔径の範囲内の所定の細孔径であり、ｋ0はエルガン(Ergun)の式から導かれた定数である。
【００６５】
様々な気孔率および制御されたサブミクロンの細孔径分布の多数のコージエライトセラミックハニカム製ウォールフロー型フィルタを、押出し、乾燥、コージエライトへの焼成、およびウォールフロー型フィルタ構造を作製するための従来のハニカム施栓によって、マグネシウム、アルミナおよびシリカの供給源を含有する適切なバッチ混合物から調製する。次いで、実験フィルタの圧力降下特性と、予測（モデル化）された圧力降下特性との間で比較を行う。後者は、上述したようなコンピュータ流体ダイナミクスモデル化に基づくものである。それらのフィルタおよびその製造の代表的な実施例が、以下の表に記載されている。
【表１】
0005897242.tif 000007
【００６６】
上の表１に記載されたようなコージエライトセラミック前駆体バッチをハニカムに押し出し、乾燥させ、様々な公知の焼成処理のいずれを用いて焼成してもよい。その目的に適した焼成処理の例が、以下の表２に挙げられている。それらのスケジュールは、１４１０〜１４２５℃の範囲にあるピーク焼成温度および７℃〜２０℃／時の範囲に入る報告された焼成サイクルに亘る平均加熱速度を含む焼成スケジュールを含む。２つのスケジュールは、前駆体の固結および／または反応焼結を制御するための中間温度保持を含む。一般に、表２のスケジュール２により、より多くのサブミクロンの細孔が存在する多孔質セラミックが生成される。
【表２】
0005897242.tif 000008
【００６７】
図３、４、５および６は、両方ともフィルタに亘る圧力降下のｋＰａで報告された、上述したような選択されたフィルタ設計のＣＦＤモデル化により生成された背圧データの、同じフィルタ設計に関する実験データとの比較を示している。データは、多数のセラミック組成物について、並びにそのままの（未触媒）フィルタおよび触媒を担持しているウォッシュコートを担持しているフィルタについて示されている。
【００６８】
各ケースにおいて報告されたデータは、モデル化されたフィルタと実験評価されたフィルタについての比較圧力降下の結果と共に、フィルタの各々に関して観察された細孔径の範囲に亘る体積に基づく可能性分布関数（ｐ．ｄ．ｆ．）の別々のプロットを含む。比較圧力降下のデータは、５グラム／Ｌまでの人工煤付着量および様々な流量から得られた測定背圧および予測背圧への細孔径分布を変更することの効果を示している。
【００６９】
図面をより詳しく参照すると、図３は、細孔径分布、気孔率および細孔モルホロジーが異なるが、共通する２インチ×６インチ（約５ｃｍ×１５ｃｍ）の円柱状フィルタサンプル形状を有する２つのフィルタに関する背圧のモデル化結果と実験結果を示している。両方のフィルタは、フィルタ断面の平方インチ当たり２００セルのセル密度および０．０２１インチ（約０．５ｍｍ）の壁厚を有する。サンプル１（Ｓ１）および２（Ｓ２）について、実験の清浄時Ｃ（Ｘ）および煤付着時Ｓ（Ｘ）の圧力降下と比較された、シミュレーションされた清浄時Ｃ（Ｘ）および煤付着時Ｓ（Ｘ）の圧力降下が記録されている。ＣＦＤモデルの有効性は、これらのデータから明らかに分かる。
【００７０】
図４は、５．６６インチ（約１４．１５ｃｍ）（直径）×６インチ（約１５ｃｍ）（長さ）の形状であり、公知の気孔率および細孔径分布を備え、この場合、平方インチ当たり２００セルのセル密度および０．０１２インチ（約０．３ｍｍ）の壁厚を有する、触媒（Ｃ）および未触媒（Ｕ）の円柱状微粒子フィルタサンプルの背圧のシミュレーションと実験に関する類似のモデル有効性結果を示している。ここでも、シミュレーション（Ｓ）および実験（Ｘ）の圧力降下の両方が報告されている。
【００７１】
図５は、図４において評価されたものと同様であるが、平方インチ当たり２００セルのセル密度および０．０１９インチ（約０．４８ｍｍ）の壁厚を有する、５．６６インチ（約１４．１５ｃｍ）×６インチ（約１５ｃｍ）のＤＰＦフィルタ形状を有する触媒および未触媒のフィルタに関する同様に行われた背圧結果を示している。モデル化データと実験データの両方とも、サブミクロンの細孔の増加した体積百分率に関連する背圧の増加を示している。
【００７２】
図６は、平方インチ当たり３００セルのセル密度および０．０１７インチ（約０．４３ｍｍ）の壁厚を有する、５．６６インチ（約１４．１５ｃｍ）×６インチ（約１５ｃｍ）のＤＰＦフィルタサンプルに関するさらに別のＣＦＤモデル化と実験の圧力降下の結果を示している。ここでも、測定とシミュレーションの背圧は、サブミクロンの細孔の体積百分率において観察された増加と共に増加している。
【００７３】
多孔質セラミックフィルタへの触媒層とウォッシュコート層の塗布により、多孔質セラミックの気孔率が一般に減少し、その減少量は、多孔質体の細孔中に堆積する触媒コーティングの量および使用される特定の塗布技法などの変動要因によることが知られている。ほとんどのコーティング配合物について、コーティング溶液は、コーティング溶液が基体材料と接触したときに生じる毛管力のために比較的小さな細孔を充填する傾向が強く、この充填により一般に、さらに小さな細孔径が形成される。したがって、メジアン細孔径ｄ50は、より小さなサブミクロンの細孔（１μｍ以下）が一般に形成されるので、ウォッシュコートおよび触媒のコーティングが施された後に減少することが多い。
【００７４】
この効果の実例が図７のデータにより与えられている。この図には、総細孔体積中に存在するサブミクロンの細孔体積が０．５％、１．０％、２．０％、３．０％、５．０％および１０．０％の場合に関する数値で示された細孔径分布を報告している。これらの細孔径分布に関する体積に基づく可能性分布関数（ｐ．ｄ．ｆ．）が、各場合に関する気孔率曲線の累積体積分画と共に示されている。これらの分布を生成するために用いられるフィルタモデルは、形状、平均粒径（ｄ50）およびバルク（パーセント）気孔率の全てが同じであったが、サブミクロンの細孔体積は、一連のモデルについて、０．５％から１％まで段階的に変えられた。
【００７５】
当該技術分野においてよく知られているように、共通する多孔質セラミックフィルタの細孔体積は一般に、コーティングプロセスの結果としていくぶん減少する（典型的に５〜１０％だけ）。しかしながら、コーティング材料が主にセラミック内の小さな細孔に移動できる場合、コーティングプロセス中に形成されるサブミクロンの細孔の数は比較的高くなる。この理由のために、ウォッシュコートおよび触媒のコーティングを、構造体の小さな細孔にではなく、比較的大きな細孔に向けることがより望ましい。このようにして、従来の触媒コーティングの堆積後のサブミクロンの細孔の増加を制御できる。先に記載したようにサブミクロンの細孔の生成を制御することによって、多孔質セラミック体に得られる浸透性、およびその結果として、フィルタの背圧を、捕捉煤を比較的高レベルで担持したときでさえ、制御できる。
【００７６】
図８および９は、他の点では同等の形状、組成および気孔率のセラミックフィルタにおけるサブミクロンの細孔の体積百分率を増加させることの煤付着フィルタの背圧への影響を示している。図８は、各々、２００セル／平方インチ（約３１セル／ｃｍ2）およびそれぞれ、０．０１２、０．０１４および０．０１９インチ（約０．３、０．３５および０．４８ｍｍ）の壁厚を有する３つのセラミックフィルタ体の背圧モデル化からのＣＦＤモデル化数値データを示している。これらデータは、５グラム／フィルタ体積のＬの人工煤付着量および２６．２５ＳＣＦＭ（標準立方フィート／分）の排気ガス流量の場合に関するものである。図９は、３００セル／平方インチ（約４６セル／ｃｍ2）およびそれぞれ、０．０１３、０．０１５５および０．０１７インチ（約０．３３、０．３９および０．４３ｍｍ）の壁厚を有するセラミックフィルタに関する同じ煤付着量および排気ガス流量での同様のモデル化データを示している。従来の市販のフィルタ形状の多孔質セラミックフィルタに関する煤付着背圧へのサブミクロンの細孔の体積百分率を増加させることの明らかに不利な影響が、これらのデータから分かる。
【００７７】
図１０は、フィルタの背圧への基体のｄ因子の影響を予測するモデル化された圧力降下データを示している。２００セル／平方インチ（約３１セル／ｃｍ2）および０．０１４インチ（約０．３５ｍｍ）の壁厚を有する、ＣＦＤシミュレーションされた５．６６インチ（約１４．１５ｃｍ）×６インチ（約１５ｃｍ）のフィルタ構造体が、５グラム／Ｌのシミュレーションされた煤付着量および２１０ＳＣＦＭの排気ガス流量の下でモデル化されている。データが示唆するように、モデル化された背圧は、ｄ因子値の増加と共に増加し、その理由のために、低いｄ因子並びに低いサブミクロンの細孔の両方とも含むフィルタは、未被覆と触媒コーティングが設けられた両方の場合で、濾過効率および減少した煤付着時の圧力降下の最良の組合せを与える。
【００７８】
上述した記載は、本発明の様々な特定の詳細の実施の形態を表しているが、そのような実施の形態は単なる例示であり、記載された実施の形態の様々な改変が、添付の特許請求の範囲内で実施できることが認識されよう。
【図１】
0005897242.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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