(57)【要約】  セラミックハニカム構造体は、表皮により境界が形成された一連の相互に連結したウェブを有するハニカム体を備える。相互に連結したウェブは、対角線上の角部を有する一連の縦のセルを画成する。表皮に対して垂直なおよび／または実質的に垂直な線により横切られる対角線上の対向する角部のみに隅肉が形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表皮により境界が形成された一連の相互に連結したウェブを有するハニカム体からなるハニカム構造体において、
前記相互に連結したウェブが、角部を有する多角形断面の一連の縦のセルを画成し、
前記一連のセルが、角部の補強を含むセルおよびどのような角部の補強もないセルの両方からなり、前記角部の補強を含むセルが、前記表皮に対して垂直および／または実質的に垂直なセル対角線上にあることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項２】
前記角部の補強を含むセルが、補強された角部および補強されていない角部の両方を含み、前記角部の補強は、前記表皮に対して垂直および／または実質的に垂直なセル対角線と交差した、対角線上の対向した角部のみに設けられていることを特徴とする請求項１記載のハニカム構造体。
【請求項３】
多孔質セラミックから形成され、前記セルが正方形の断面を有し、前記角部の補強が凹面の隅肉または梁であることを特徴とする請求項１記載のハニカム構造体。
【請求項４】
前記表皮に対して実質的に垂直なセル対角線と交差する、前記補強された角部が、前記表皮に対して垂直な前記セル対角線を中心として１０から６０度の夾角内に配置された前記構造体の扇形領域内に位置することを特徴とする請求項３記載のハニカム構造体。
【請求項５】
各隅肉が前記セルの断面の２〜１２％を占めることを特徴とする請求項３記載のハニカム構造体。
【請求項６】
ハニカム体を製造するための押出ダイにおいて、
ダイ本体、
一連の第１と第２のピンを画成するように前記ダイ本体内に形成された一連の吐出スロットであって、前記第１のピンが丸まった角部を有し、前記第２のピンが丸まっていない角部を有するものである吐出スロット、および
押出材料を前記吐出スロットに導くための前記ダイ本体内の一連の供給孔、
を備えた押出ダイ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、「耐亀裂性のセラミックハニカム構造体」と題する、２００６年３月３１日に出願された米国仮特許出願第６０／７８７７８２号の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、広く、セラミックハニカム構造体に関し、特に、ハニカム型フロースルー式触媒基体およびウォールフロー式微粒子フィルタなどのハニカム構造体に関する。
【背景技術】
【０００３】
煤粒子は、一般に、ウォールフロー式ハニカムフィルタを用いてディーゼル排気ガスから除去される。図１は、ウォールフロー式フィルタ１００の形態にある従来技術のセラミックハニカム構造体を示している。流体流に適用された一連の平行で真っ直ぐなセル１０４が、ハニカムフィルタ１００の長手の軸方向に沿って延在している。セル１０４の断面は一般に正方形である。セル１０４は、ハニカムフィルタ１００の長手方向に沿って延在し、ハニカムフィルタ１００の表皮１０５と交差する一連の相互接続した多孔質ウェブ１０６により画成される。セル１０４は、ハニカムフィルタ１００の端面１０８，１１０で、市松模様に充填材料１０７によって端部が施栓されている。ディーゼル排気ガス１１２は、端面１０８でセル１０４の施栓されていない端部を通ってハニカムフィルタに入り、多孔質ウェブ１０６を通ってあるセル１０４から別のセルに流れ、端面１１０でセル１０４の施栓されていない端部を通って出る。このとき、多孔質ウェブ１０６は煤粒子の一部を保持する。ハニカムフィルタ１００の効率は、排気ガスが通過する毎に、多孔質ウェブ１０６により保持された煤粒子の量に正比例する。
【０００４】
煤粒子が多孔質ウェブ上に蓄積するにつれ、ハニカムフィルタの有効流動面積が減少する。この減少した有効流動面積により、ハニカムフィルタに亘り圧力降下が生じ、ディーゼルエンジンに対する背圧が徐々に上昇する原因となる。圧力降下が許容できなくなると、熱再生が用いて、ハニカムフィルタ内に捕捉された煤粒子が除去される。熱再生中、過剰な温度急上昇が生じ、ハニカムフィルタ１００内に熱応力が生じ得る。熱応力がハニカムフィルタ１００の機械的強度を超えると、ハニカムフィルタ１００に亀裂が生じ得る。ハニカムフィルタ１００がセラミックなどの低引張強さの材料から製造されている場合、このことは特に懸念である。
【０００５】
セラミックハニカム型フロースルー式触媒基体は、フィルタ１００の一般的なハニカム構造を有するが、ハニカムのチャンネル内に充填材料１０７の端部栓は含んでいない。それゆえ、触媒基体はエンジン排気ガスを、その排気ガスが基体のチャンネルを通って直接流動するときに、処理するように働く。そのようなフロースルー式基体は、捕捉された微粒子を除去するための再生は必要としないが、それにもかかわらず、触媒反応装置の組立て中および使用の過程で、相当な応力にさらされる。さらに、新型の触媒基体は、一般に、非常に薄い厚さ、例えば、２５〜１５０μｍの範囲にある厚さの多孔質ウェブ１０６を備えており、より厚い壁を持つ基体よりも、機械的な耐久性が低くなっている。
【０００６】
ハニカム基体およびフィルタの性能を減少させずに、熱衝撃およびフィルタの再生に耐えるのに十分な機械的強度を有するハニカム基体およびフィルタを提供することは、機械的強度と圧力降下は逆に結びつけられる傾向にあるので、難題である。例えば、所定の有効流動面積および圧力降下を有するハニカムフィルタについて、ハニカムフィルタの機械的強度を改善することに対する一般的に手法は、多孔質ウェブを厚くすることであった。この改良には、ハニカムフィルタの熱質量を増加させるという利点があるが、ウェブが厚くなることにより、ハニカムフィルタの有効流動面積が減少するという点で、異なる問題が生じてしまう。ハニカムフィルタの有効流動面積がこのように減少すると、煤粒子が多孔質ウェブ上に蓄積する前でさえも、ハニカムフィルタに亘る圧力降下が増加してしまう。ハニカムフィルタに亘る圧力降下の増加を最小にするために、ウェブの気孔率を、改良されたハニカムフィルタの有効流動面積が所定の有効流動面積に近くなるように増加させてもよい。しかしながら、ウェブの気孔率を増加させることは、ハニカムフィルタの熱質量がそれに対応して減少するという点で、問題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した点に鑑みて、ハニカムフィルタおよび触媒基体などのセラミックハニカムの、使用中のハニカム構造体に亘る圧力降下を問題となるように増加させない、機械的負荷および／または熱再生の下での亀裂破損に対する耐性を改善することが、引き続き望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ある態様において、本発明は、表皮により境界が形成された一連の相互に連結したウェブを有するハニカム体からなるセラミックハニカム構造体に関する。相互に連結したウェブは、一連の縦の多角形セルを画成し、その内のいくつかは、セルの角部において角補強材（「隅肉(fillets)」と称する）の配置により選択的に補強されている。ある実施の形態において、選択されたセルの選択された角部のみに隅肉が付けられているかまたは他の様式で補強されている。より詳しくは、隅肉は、表皮に対して垂直なおよび／または実質的に垂直な対角線の角部内にのみ含まれる。表皮に対して垂直なおよび／または実質的に垂直な対角線の角部により、表皮に対して垂直または実質的に垂直に延在するセルの対角線と交差する、対角線上に対向するセルの角部を意味する。
【０００９】
別の態様において、本発明は、表皮により境界が形成された一連の相互に連結したウェブを備えたハニカム体を有するハニカム構造体であって、それらの相互に連結したウェブが、多角形断面の一連の縦のセルを画成しているハニカム構造体を含む。一連のセルは、角部補強材を含むセルと、角部補強材が全くないセルの両方からなる。角部補強材を含むセルは、補強角部および非補強角部の両方を含むことが好ましい。補強セルにおいて設けられた角部補強材は、表皮と交差する最も近い点まで延長されたときに、交点で構造体の表皮の接線に対して垂直なおよび／または実質的に垂直な、セルの対角線と交差する対角線上で対向するセルの角部においてのみ設けられる。
【００１０】
別の態様において、本発明は、ハニカムフィルタを製造するための押出ダイであって、ダイ本体、一連の第１と第２のピンを画成するためのダイ本体に形成された一連の吐出スロット、および押出材料を吐出スロットに導くためのダイ本体内にある一連の供給孔を備え、第１のピンが、丸くない角部に隣接した対角線上で対向した丸い角部を有し、第２のピンが、丸くない角部を有するものである押出ダイに関する。
【００１１】
本発明の他の特徴と利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に記載する添付の図面は、本発明の典型的な実施の形態を図示するものであり、本発明の範囲を制限するものと考えるべきではなく、本発明に関して、他の同等に有効な実施の形態が認められるであろう。これらの図面は、真の比率または倍率を表すことを意図したものではない。その図面の特定の特徴および特定の図は、明瞭さと簡潔さのために、倍率または概略的に誇張して表されているかもしれない。
【００１３】
ここで、添付の図面に示されたいくつかの好ましい実施の形態を参照して、本発明を詳細に説明する。その説明は、本発明はセラミック製フロースルー式触媒基体などの他のハニカム構造体までに及ぶが、主に、ディーゼル微粒子フィルタの実施の形態に関して提示される。好ましい実施の形態を説明するにあたり、本発明を完全に理解するために、多くの特定の詳細が述べられている。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細のいくつかまたは全てを伴わずに実施してもよいことが当業者には明らかである。他の場合、本発明を不必要に分かりにくくしないように、よく知られた特徴およびプロセス工程は、詳細に記載していない。その上、共通または同様の要素を特定するために、同様のまたは同一の参照番号が用いられる。
【００１４】
本発明は、ハニカムフィルタに亘る圧力降下を実質的に増加させずに、ハニカムフィルタの機械的強度を増加させるために、ハニカムフィルタ内のセルの角部に戦略的に隅肉形成することを提供する。この戦略的な隅肉形成は、ハニカムフィルタの有効流動面積が実質的に変わらないようなものであり、それによって、ハニカムフィルタに亘る圧力降下を低い状態に維持しながら、ハニカムフィルタの機械的強度を増強する。
【００１５】
熱再生条件下でのハニカムフィルタの理論分析を行って、ハニカム構造体内の細孔の応力集中位置を判定し、それゆえ、機械的強度を向上させるために構造的補強をどこに配置したらよいかを決定した。分析の結果、最大の応力は、その対角線が表皮に垂直またはほぼ垂直になっているセルの対角線上の対向する角部で生じることが示された。これらの角部は、対角線が表皮まで延長されたときに、その交点で表皮の接線に対して直角に交差するで、セルを通る対角線と交差するセルの角部である。
【００１６】
亀裂形成を減少させるために、隅肉は、表皮に垂直なセルの対角線上の角部のみに形成され、隅肉の形成されたセル内の隣接する角部には形成されていない。隅肉は、表皮に実質的に垂直な対角線上の角部に形成されてもよい。隅肉をこれらの高圧力区域のみに加えることによって、ハニカムフィルタに亘る圧力降下を実質的に増加させずに、ハニカムフィルタの耐亀裂性を増大させることができる。
【００１７】
図２Ａは、改善された構造強度、耐亀裂性および低い圧力降下を有するセラミックハニカム構造体２００を示している。セラミックハニカム構造体２００は、柱状のハニカム体２０２を含む。ハニカム体２０２は、典型的に、押出焼成セラミックから形成されるが、他の材料を用いてもよい。セラミックは、例えば、コージエライトであってよい。ハニカム体２０２は、図２Ａにおいては、円形断面を持つ表皮２０４を有する。他の実例において、表皮２０４は、楕円形、長円形、いわゆるレーストラックの形状、または任意の他の閉じた円筒形状を有していてもよい。
【００１８】
ハニカム体２０２内に一連の縦のセル２０６が形成されている。セル２０６の縦断面は任意の所望の形状を有して差し支えないが、ほとんどの実施の形態において、その形状は、４つの辺と４つの角を含む、正方形または矩形である。セル２０６は、ハニカム体２０２の長手方向に沿って延在し、ハニカム体２０２の表皮２０４と交差する一連の相互に連結した多孔質ウェブ２０８により画成される。セル２０６は、ハニカム体２０２の端面２１２，２１４で市松模様の形態で、充填材料２１０により端部が施栓されている。ハニカム体２０２内の選択されたセル２０６の選択された角部は、圧力降下を過度に増加させずに、構造強度および耐亀裂性を改善するために、選択されたセルの角部内に隅肉２１５を含んでいる。
【００１９】
図２Ｂは、セラミックハニカム構造体２００の縦断面を示している。本発明による隅肉２１５を含むセル２０６が、隅肉２１５を含んでいないセル２０６より太い線で示されている。隅肉の形状は、本発明の重要な特徴ではない。角部を補強する効果のある任意の角部の肥厚を用いて差し支えない。それゆえ、例えば、隅肉２１５は、図２Ｂに示すように凹面であっても、または凸面または平らな支柱または梁のデザインのものであってもよい。図２Ｂにおける隅肉２１５は、表皮２０４に垂直な対角線上の角部２０６ａ，２０６ｂに形成されている。すなわち、それらの角部と同様に揃った角部は、対角線が延長された場合、表皮に垂直な、点線の対角線２１７により示された、セルを通る対角線上にある（線２１７は、２１７−２１８の交点で、表皮の接線２１８に直角である）。他方では、点線の対角線２１９により示された対角線上にあるセルの角部には、隅肉が形成されていない。何故ならば、その対角線は、表皮に垂直または実質的に垂直ではないからである（すなわち、線２１９は、２１９−２２０の交点で、表皮の接線２２０に垂直に表皮と交差していない）。
【００２０】
円形の表皮２０４について、表皮２０４に垂直な対角線上の角部２０６ａ，２０６ｂは、再度、点線２１７により示されるように、表皮２０４までの半径により割られたものと一致する。図２Ｂにおいて、表皮に対して垂直な全ての対角線上の角部２０６ａ，２０６ｂは隅肉２１５を含んでいる。図２Ｃに示すような別の実例において、表皮２０４に近い領域内のセルについて、表皮に垂直なセルの対角線上にある対角線上の角部２０６ａ，２０６ｂが隅肉２１５を備えている。本発明の目的について、ハニカム構造体の表皮に近い領域は、構造体のセルのが手方向の軸に垂直にとられたハニカム断面の中心または重心から測定して、構造体の断面の外側の１／３を含む。
【００２１】
図２Ｄに示されるような別の実例において、表皮２０４に垂直であるかまたは実質的に垂直であるかのいずれかのセルの対角線が横切る対角線上の角部２０６ａ，２０６ｂが隅肉２１５を備えている。表皮２０４に実質的に垂直なセル対角線上にある対角線角部２０６ａ，２０６ｂは、表皮２０４に正確に垂直な点線の対角線２１７により示されるセルの対角線の群を包含する角度α内の構造体の扇形領域内に位置している。角度αは、３０度（例えば、図２Ｄに示すような円形の構造体を通る４５度の対角線２１７から±１５度）から６０度（例えば、その対角線から±３０度）ほど大きくまで及んでよい。図２Ｃに示した実例におけるように、この扇形領域内の隅肉２１５は、表皮に近い領域に制限されていてもよい。本発明の説明の目的のために、セルの対角線は、表皮に正確に垂直から±３０度内である角度α内に入る場合、表皮に対して実質的に垂直である。
【００２２】
図２Ｅに示したさらに別の実例において、隅肉は、約４５度の対角線３１７の周りの角度α内の全てのセルの角部に設けられている。図２Ｅに示された全てのセルの角部における隅肉は、構造体を通って流動するガスの圧力降下をわずかに増加させるが、その増加は、全てのセルの全ての角部が補強された構造体において遭遇するものよりも小さい。
【００２３】
より一般的な閉じた円柱断面（円形並びに非円形）のハニカム構造体における補強のための最も効果的な扇形領域は、構造体を通るいくつかの延伸された対角線の各々の上にあるセル対角線が、延伸／表皮の接線の交点で、表皮の接線と形成する角度に関してより一般に決定できる。それゆえ、図２Ｄにおいて、点線のセル対角線の補助線２１９上に並んだセル対角線が横切るセル角部には隅肉が形成されない。何故ならば、それらのセル対角線は、接線２２０および補助線２１９の交点で、表皮の接線に対して垂直またはほぼ垂直ではないからである。隅肉の設けられた角部は、表皮（表皮の接線）に対して垂直から±３０°内、より好ましくは表皮に対して垂直から±１５°内にあるセル対角線が横断する角部のみであることが最も効果的である。
【００２４】
図２Ａを参照すると、ディーゼル排気粒状物質濾過などの用途について、ハニカムフィルタ２００は、１０から３００セル／平方インチ（約１．５から４６．５セル／ｃｍ2）、より一般的には１００から２００セル／平方インチ（約１５．５から３１セル／ｃｍ2）のセル密度を有するであろう。多孔質ウェブ２０８の厚さは、０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）から０．０６０インチ（約１．５ｍｍ）、好ましくは０．０１０から０．０３０インチ（約０．２５から０．７６ｍｍ）の範囲にあるであろう。多孔質ウェブ２０８の気孔率は、４０および６０体積％の間であろう。多孔質ウェブ２０８は、１から６０μｍの範囲、より好ましくは１０から５０μｍの範囲にある平均直径を有する細孔を含むであろう。各隅肉または梁（図２Ａ〜２Ｃにおける２１５）は、それが設けられたセルの断面積の約１２％以下から約２％以上を占めるような断面を有するべきである。
【００２５】
角部の補強をハニカム構造体の選択された領域のみに制限することの効果が図３に示されている。図３は、様々な設計の多孔質セラミック排気ガスフィルタに亘る共通の設定ガス流速でのモデル化された相対的な圧力降下をプロットしている。サンプルフィルタ（１）は、図１に示される従来の設計のフィルタであり、そのフィルタでは、角部に隅肉もどのようなの種類の他の角部の補強も設けられていない。それゆえ、サンプルフィルタ（１）に報告された圧力降下は、フィルタ構造体自体に生来のものである。
【００２６】
サンプルフィルタ（１）と同じサイズで同じ形状のサンプルフィルタ（２）および（３）は、改良された図１の設計のフィルタに関する、隅肉などのセルの角部の補強の圧力降下を増加させる傾向を示している。サンプルフィルタ（２）は、サンプルフィルタ（１）を評価するために用いたのと同じガス流速でのモデル化された圧力降下性能を示しているが、フィルタの選択された周囲領域にある全てのセルの全ての角部に補強隅肉が設けられている。他方で、サンプルフィルタ（３）は、サンプルフィルタ（２）と同じサイズと同じ形状のフィルタに関する圧力降下の性能を示しているが、隅肉の形成されたセルの対角線上の対向する角部のみに隅肉を形成する場合のように、フィルタの同じ周囲領域におけるセルの角部の半分だけに隅肉が設けられている。これらのデータから、隅肉形成サンプルフィルタ（３）では、隅肉形成サンプルフィルタ（２）と比較して、圧力降下が十分に減少したことが観察されるのが明らかである。
【００２７】
説明の目的で、図４は、ハニカムフィルタの製造に適した押出ダイアセンブリの垂直断面を示している。押出ダイアセンブリ４００は、押出ダイ４０２および表皮形成マスク４０４を備えている。押出ダイ４０２は、表皮形成マスク４０４と協同して、ハニカムフィルタの表皮の厚さと形状を画成する。一連の吐出スロット４０６は、押出ダイ４０２のセル形成領域４０８内で切断されて、一連の第１と第２のピン４１０，４１２を画成する。ある実例において、ピン４１０，４１２の横断面は略正方形であり、第１のピン４１０の対角線上の角部は丸まっている。セル形成領域は一連の供給孔４１４を備え、これら供給孔は、押出ダイ４０２の入口面４１６から一連の吐出スロット４０６まで延在する。供給孔４１４は、バッチ材料を吐出スロット４０６に供給する。押出ダイ４０２の表皮形成領域４１８は、表皮形成マスク４０４のための取付面４２０を備えている。表皮形成マスク４０４の内面４０４ａは、表皮形成スロット４２１を画成するように、セル形成領域４０８から半径方向に間隔があけられている。表皮形成領域と表皮形成マスク４０４との間に表皮形成貯留部４２４を画成するように、取付面４２０と表皮形成マスク４０４との間に、シム４２３が挿入されていてもよい。表皮形成領域にある供給孔４２６が、バッチ材料を表皮形成貯留部４２４に供給する。動作において、ハニカム体は、バッチ材料を供給孔４１４，４２６に供給し、バッチ材料を、吐出スロット４０６および表皮形成スロット４２１に通して押し出すことにより形成される。
【００２８】
先に記載された押出ダイは、押出ダイを製造するための既存の方法を用いて製造することができる。セル形成領域は、機械加工できる材料から製造されたブロックの下側部分に孔を機械加工することにより製造してもよい。これらの孔は、供給孔として働くであろう。プランジ放電加工（ＥＤＭ）などのプロセスを用いて、ブロックの上側部分に吐出スロットを切削することができる。スロットが切削された後に、ブロックの上側部分にピンが残っている。ブロックの周囲にあるピンは、表皮形成マスクの取付面を提供するために、短くするかまたは完全に除去して差し支えない。吐出スロットおよびピンは、図２Ｂ〜２Ｄに記載されたセル／ウェブ構造のいずれを有していても差し支えない。あるいは、従来の押出ダイを、図２Ａ〜２Ｄに記載されたフィルタを製造するのに適した構造の丸まった対角線上の角部を含ませるように、改良することができる。プランジＥＤＭを用いて、押出ダイを改良してもよい。電極は、改良すべきダイの区域、すなわち、本発明による丸まった対角線上の角部を有するセルに対応するダイの区域を取り囲むことだけが必要である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術のウォールフロー式ハニカムフィルタの斜視図
【図２Ａ】表皮に垂直なセルの対角線の角部のみに隅肉が形成されている、表皮により境界が形成された相互に連結したウェブにより画成された縦のセルを有するセラミックハニカム構造体の斜視図
【図２Ｂ】図２Ａのセラミックハニカム構造体の縦断面図
【図２Ｃ】表皮に近くそれに垂直なセルの対角線上の角部に隅肉が形成された図２Ｂの変更例の縦断面図
【図２Ｄ】表皮に実質的に垂直なセルの対角線上の角部に隅肉が形成された図２Ｂの変更例の縦断面図
【図２Ｅ】全ての角部に隅肉が設けられた図２Ｄの変更例の縦断面図
【図３】選択的に隅肉を有する構造体と有さない構造体を含む、設計の異なるセラミックハニカム構造体における圧力降下を比較したグラフ
【図４】図２Ａ〜２Ｄのセラミックハニカム構造体を製造するための押出ダイアセンブリの垂直断面図
【符号の説明】
【００３０】
１００    ハニカムフィルタ
１０４，２０６    セル
１０５，２０４    表皮
１０６，２０８    ウェブ
１０７，２１０    充填材料
１０８，１１０，２１２，２１４    端面
２００    ハニカム構造体
２０２    ハニカム体
２１５    隅肉
４００    押出ダイアセンブリ
４０２    押出ダイ
４０４    表皮形成マスク
４０６    吐出スロット
４０８    セル形成領域
４１４，４２６    供給孔
４１８    表皮形成領域
【図１】
2009532197.tif 000003
【図２Ａ】
2009532197.tif 000004
【図２Ｂ】
2009532197.tif 000005
【図２Ｃ】
2009532197.tif 000006
【図２Ｄ】
2009532197.tif 000007
【図２Ｅ】
2009532197.tif 000008
【図３】
2009532197.tif 000009
【図４】
2009532197.tif 000010
【国際調査報告】
2009532197.tif 000011
2009532197.tif 000012