(57)【要約】  この発明は接着または固着により結合されるハネカム型式要素の集成体を含み、各要素は多孔質壁体で隔てられ、相互平行軸の一組の隣接導管または導路20を組込み、導管をガス吸入面に通じる進入室とガス排気面25に通じる退出室の境界をなすほどにそれらの一または他の端で濾過されるべきガスが多孔質壁体を通過するように充填材により封鎖され、粒子負荷ガスを濾過分離する構造に関し、前記構造は幾何中心は主軸線に垂直構造断面に関して集成体要素または要素群30の対称要素に該当しないことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部により結合されるハネカム型要素の集成体を含む、微粒子含有ガスを濾過分離する構造体であって、各要素が相互平行軸を有して多孔質壁体で隔てられる一連の隣接導管または導路を含み、前記導管はガス吸入面に通じる進入室とガス排出面に通じる流出室の境界をなすほどに充填材でそれらの一または他の端を濾過されるべきガスが多孔質壁体を通過するように封鎖され、構造体の幾何中心は構造体の主軸線に垂直な構造体の断面に関して該集成体要素または要素群の対称要素に該当しないこと、及び、以下の幾何特性：
−  0 ＜ D ≦ 3×Le ＋ 4×Lj ならば、もしくは 4×Le ＋ 5×Lj ≦ D ≦ 4.25×Le ＋ 4×Lj ならば、もしくは 6×Le ＋ 5×Lj ≦ D ≦ 7×Le ＋ 6×Lj ならば、もしくは 8×Le ＋ 7×Lj ≦ D ≦ 8.5×Le ＋ 6×Lj ならばdは0 より大きく 0.1×Lj×Le以下であり、
−  3×Le ＋ 4×Lj ≦ D ≦ 3.5×Le ＋ 5×Lj ならば、もしくは 4.25×Le ＋ 5×Lj ≦ D ≦ 5×Le ＋ 5×Lj ならば、もしくは 5.6×Le ＋ 3×Lj ≦ D ≦ 6×Le ＋ 5×Lj ならばdは0.2×Lj×Le 〜 0.35×Lj×Le である、
（式中、Dはフィルター包囲の二点を結び、該フィルター幾何中心を通るかまたは対等に該フィルターの対称主軸線を通る最大距離を有する線分であり、dは該集成体の中心位置に配置される要素中心と該フィルター幾何中心の距離であり、Leは完全単位要素幅であり、及び、Ljは該接合部の平均厚さである。）に一致することを特徴とする構造体。
【請求項２】
該線分Dはまた該濾過材幾何中心かまたは対等に該濾過材対称主軸も通る、請求項１に記載のフィルター構造体。
【請求項３】
20〜800℃で少なくとも0.3 W/m・Kの熱伝導率を有する接合接着剤により相接合されたＳｉＣを基材とした複数のフィルター要素を含む、請求項１又は２に記載のフィルター構造体。
【請求項４】
１つの要素の横断面は平行六面体そして好ましくは方形であり、該要素の幅は30mm〜50mmである、請求項１〜請求項３に記載の構造体。
【請求項５】
該結合部の平均厚さは0.5mm〜4mmである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項６】
該壁体厚さは200〜500μｍである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項７】
さらにCOまたはHCおよびNOxのような汚染ガス処理用触媒塗被を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項８】
複数のハネカム要素は接合接着剤により合一され、該フィルター要素中の導路の数は1 cm2あたりおよそ7.75〜およそ62個であり、該導路はおよそ0.5〜9 mm2の横断面を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項９】
ディーゼルまたはガソリン機関、好ましくはディーセル機関の排気路において微粒子分離フィルターとして使用する請求項１〜８のいずれか１項に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は例えばディーゼル内燃機関に使用され、選択的に触媒部品を含む集成型式フィルタ構造の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスを処理する濾過装置とディーゼル機関で一般的に排気されるすすを取り除く濾過装置は先行技術においてよく知られている。すべてこれらの構造は通常はハネカム構造を有し、構造一表面は処理される排気ガスの吸入、裏面に処理された廃ガスの排出を許容する。吸入及び排出面の間に構造は多孔質壁体により隔てられる相平行軸を有する一組の隣接送管または導管を含む。送管はその一または他の末端で封鎖され、流入室口に吸入面に向けて、流出室口に排出面に向けて境界をなす。導管は、排気ガスがハネカム胴体を通過するとき強制され、入口導管の側壁を渡って出口導管に達するほどにある順序で交互に封鎖される。このように粒状物またはすすは濾過装置本体の多孔質壁体に堆積されて集積する。
【０００３】
現在では多孔質セラミックから製造される濾過装置はガスを濾過分離するために使用され、例えば、コルディアライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素で、珪素／炭化珪素混合物でまたは炭化珪素で製造される。
【０００４】
多孔質煤濾過装置またはフィルター構造は大規模にディーゼル内燃機関またはさらにまれにガソリン機関の排出ガス汚染を規制する装置に使用される。それに限定されないが、本発明は特にそのような装置に関する。
【０００５】
それ自体知られた手法で自動車排気管路においての使用中に粒状物濾過装置は一系統の濾過（煤集積）と再生（脱煤）状態にさらされる。濾過状態中にエンジンにより吐かれる煤粒子は保持され、濾過装置に堆積される。再生状態中に煤粒子は濾過装置で燃焼され、それによってその濾過分離特性を回復する。多孔質構造は次に、時間に関して単位装置の濾過分離容量の厳損またはさらに完全奪活の原因となりやすい微小割れを与える強度熱応力及び機械的応力にさらされる。この状況は特に大径一体式濾過装置で観測される。
【０００６】
これらの問題を解決するため及び濾過装置の実用寿命を延ばすためにより複雑な濾過構造がもっと最近には提案され、数個の一体ハネカム要素をある一濾過ブロックに組合せる。要素は通常には残りの説明で接合セメントまたは継ぎ目と称されるセラミックセメントを使用する接着剤で一緒に接合される。そのようなフィルター構造は、例えば、欧州特許出願公開第816065号明細書、欧州特許出願公開第1142619号明細書、欧州特許出願公開第1455923号明細書またはさらに国際公開第2004/090294号パンフレットにおいて与えられる。
【０００７】
粒状濾過装置の以前記載されたようにエンジン排気管路での投入はその性能を劣化しやすい圧力低下をもたらすことも知られている。集成濾過装置はそれゆえにそのような劣化を避けるかまたは少なくとも最小に至らせるように構成されなければならない。
【０００８】
当該発明による粒状物濾過装置は平行六面体に付形され、通例は正方形要素を接合セメントで結合することにより製造される。２つの接触要素接合部の厚さはおよそ1〜3ミリメートルである。セメントの養生及び硬化後に、排気管路の外被に適合されるフィルター造形品を得るために機械加工されるだけ十分な機械的強度を有する未加工形状が得られる。一般に濾過装置は集成フィルターを絶縁する塗被セメントで被覆する段階により完了される。運転中の濾過装置強さに必要な追加要求条件は構造自体の製造方法及びより詳細には異なった要素の機械加工の問題に属する。かくして、機械加工後に構造の最外要素残部が小さすぎるとすれば材料剥離の過度危険は存在し、軸端構造の機械的弱点という当然の結果が得られ、さらに極端な場合には要素をセメントから完全に分離するようであった。最外要素の残容積は機械加工後に、そのような状況が発生するおそれを最小にしてそれによって方法を工業生産に適合させるために典型的には機械加工前初容積のおよそ１／１６、及び好ましくは１／８未満でなければならない。
【０００９】
先行刊行物に記載され、現用販売される集成濾過装置はすべて少なくとも一対称軸を有する。最大特性形状は欧州特許出願公開第1455923号明細書または国際公開第2004/090294号パンフレットに記載されるように円形であるか、または、欧州特許出願公開第816065号明細書もしくはさらに欧州特許出願公開第1626037号明細書に記載されるように卵形である。２つの直前形状は最も普通ではあるが別の極異形状もまた記載されている。
【００１０】
単位装置要素は代表的には30ミリメートル〜50ミリメートルの断面幅を有する。例として角断面と36ミリメートルの長さを有する１４の単位装置要素はおよそ14センチメートルの直径を有する丸濾過装置に総合されるために必要とされる。
【００１１】
すべてのこれらの集成装置において濾過装置の幾何中心は横断面にあって図1a、図1b及び図1cに示されるように一要素中心とまたは二要素の接続を形成する接合セメントによる領有位置いずれか、あるいは濾過装置の四要素の接続を形成する接合中心であっても一致する。
【００１２】
欧州特許出願公開第1371406号明細書は集成構造、前記構造の一区分の重心と接合面の最近距離が前記中心と濾過装置の円周の最大距離の１／１０より短いものを記載する。
【発明の概要】
【００１３】
ゆえに以前に説明されたすべての課題に向けるために新規型式のハネカム構造を提供することはこの発明の目的である。
【００１４】
より正確にはこの発明は以前に説明された複数一体ハネカム要素の組立を含み、最大濾過効率と長期使用のために以下の特性：
−  典型的には内燃機関の排気系列で実施中に最小圧力降下、
−  濾過装置の作動応力に耐える十分耐熱機械性、
−  機械加工後である最終組立で中心位置要素の容積について少なくとも１６分の１に等しく、好ましくは８分の１に等しい外要素最小容積を兼備する濾過装置構造に関する。
この発明による濾過装置構造は要素を中心としないまたは片寄らせた組立を特徴とする、すなわち、例えば、図1a、図1bまたは図1cに示されるように前記構造の幾何中心は要素中心に該当しないかまたは二以上の前記要素間に存在する対称要素と同じくしない。
【００１５】
最も包括的実施形態において本発明は接合部により連結されるハネカム型要素の集成を含み、各要素は相互平行軸を有し、多孔質壁体により隔てられる一組の送管または導路を結合し、前記送管は濾過分離されるガスが多孔質壁体を通過するような過程でガス吸入面に通じる進入室とガス排出面に通じる流出室の境界となるほどにその一または他の端を充填により封鎖される粒状負荷ガス分離構造に関し、前記構造はその幾何中心が主軸線に垂直な構造断面にあって該組立要素または要素群の対称要素に該当しないこと、及び、前記横断面において、以下の特性：
−  0 ＜ D ≦ 3×Le ＋ 4×Lj もしくは 4×Le ＋ 5×Lj ≦ D ≦ 4.25×Le ＋ 4×Lj もしくは 6×Le ＋ 5×Lj ≦ D ≦ 7×Le ＋ 6×Lj もしくは 8×Le ＋ 7×Lj ≦ D ≦ 8.5×Le ＋ 6×Lj とすれば、dは0より大きく0.1×Lj×Le以下であり、
−  3×Le ＋ 4×Lj ≦ D ≦ 3.5×Le ＋ 5×Lj もしくは 4.25×Le ＋ 5×Lj ≦ D ≦ 5×Le ＋ 5×Lj とすれば、dは0.2×Lj×Le〜0.35×Lj×Le である、
に符号することを特徴とする。
式中、Dはフィルター包囲の二点を結ぶ最大距離を有する、及び、フィルター幾何中心を通るかあるいはフィルター対称主軸までも通る線分であり、dは組立品の中心位置に配置される要素の中心とフィルター幾何中心の距離であり、Leは全単位要素幅であり、Ljは結合部の平均厚さである。
【００１６】
パラメーターD、d、Lj及びLeは呼称値に該当し、ｍｍで表される。
【００１７】
好ましくはこの発明によれば線分Dはまた濾過装置幾何中心かまたは対等に濾過装置対称主軸も通る。
【００１８】
本発明に関連してＳｉＣ基材の材料とは前記材料が少なくとも30重量％ＳｉＣ、好ましくは少なくとも70重量％ＳｉＣ、最も好ましくは少なくとも98重量％を含むことをいう。
【００１９】
好ましくはフィルター構造体は20〜800℃で少なくとも0.3 W/m・Kの熱伝導率を有する接合接着剤により相接合されたＳｉＣに基づく複数のフィルター要素を含む。接合接着材の高熱伝導率は有利には濾過装置伝熱を均一にするようにはたらき、ところが一方で0.3 W/m・K未満の低熱伝導率（典型的には600℃の温度において測定される）は接合部及び濾過材の熱勾配と熱機械的応力を増加することに寄与する。
【００２０】
一般に１つの要素の横断面は平行六面体そして好ましくは正方形であり、要素の幅は30mm〜50mmである。
【００２１】
典型的には結合部の平均厚さは0.5〜4mmである。
【００２２】
有利には肉厚は200〜500μｍである。
【００２３】
構造はさらにCOまたはHC及びNOxのような汚染ガス処理用の触媒塗膜を含むことが可能である。
【００２４】
この発明による典型構造体は接合接着剤による複数の相接合ハネカム要素を含み、フィルター要素の経路数は1ｃｍ2についておよそ7.75〜およそ62であって、前記経路はおよそ0.5〜9 mm2の横断面を有する。
【００２５】
この発明はまた前述一の請求項に請求される構造体をディーゼル機関またはガソリン機関、好ましくはガソリン機関の排気系統で微粒フィルターとしての使用に関する。
【００２６】
以下の実施例は、限定的ではなく発明とその利点のよりよい理解を提供する。
実施例
【００２７】
以下の実施例において本発明により要求条件を満たす一系列濾過材を合成する試みがなされ、比較のために示され、この発明による判定基準を満たさない別系列濾過材と比較してその利点を説明する。
【００２８】
全濾過材は次の方法により合成された：
【００２９】
1）要素の合成：
【００３０】
単位要素は次のとおり合成された：
ミキサーで、よく知られた技術を用いて初期混合物は炭化珪素粉末、ポリエチレン型気孔形成剤、及び、メチルセルロース型有機結合剤で作製された。
【００３１】
水は粉末混合物に加えられ、混合が続けられて押出型により角断面と表１に示される寸法特性値を有する一体ハネカム構造の押出を可塑性が許容する均質スラリーを得た。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
得られた未加工モノリスは次にマイクロ波で十分時間乾燥され、非化学結合含有水分を重量で1％未満に減少した。
【００３４】
モノリス各作用面の導路は例えば、国際公開第2004/065088号に記載されるよく知られた技術により代替封鎖された。
【００３５】
モノリスは次におよそ2200℃の温度に達するまで20℃／時間の昇温で焼成され、２時間維持された。
【００３６】
一列の炭化珪素モノリスが最終的に得られ、実質的に同一微構造特性を有する。
【００３７】
2）フィルター集成
【００３８】
欧州特許出願第816065号明細書の教示によれば、要素は次に適当直径を有するフィルターを形成するためにセラミック接合剤を使用する粘着物により相接合され、次に機械加工された。
【００３９】
接続接合剤は：
−  10 〜 200μｍの粒度分布を有するＳｉＣ粉末を85重量％、
−  アルマティス（Almatis）による販売焼成アルミナ粉末を4重量％、
−  アルマティス（Almatis）による販売反応性アルミナ粉末を10重量％、
−  セルロース型一時結合剤及び可塑剤を0.8重量％、
−  TPPNa型（トリポリ燐酸ナトリウム）解膠剤を0.2重量％
混合することにより調製された。
【００４０】
水量はこの混合物重量の30％に相当して加えられ、適正粘度を有する接合剤を得た。
【００４１】
この合成手順に続いて、この発明による異なった濾過材または比較濾過材はフィルター形状、直径、及び、幾何中心に関して濾過材の要素位置及び寸法を少し変えることにより作製された。
【００４２】
試験は低熱伝導セメントで
−  10 〜 200μｍの粒度分布を有するＳｉＣ粉末を44重量％、
−  アルマティス（Almatis）による販売焼成アルミナ粉末を5重量％、
−  アルマティス（Almatis）による販売反応性アルミナ粉末を10重量％、
−  60％ＳｉＯ2と40％Ａｌ2Ｏ3の典型的化学組成及びおよそ100μｍのメジアン寸法を有し、名称“e-sphere”でエンバイロスフィア（Envirosphere）による販売中空球を40重量％、
−  セルロース型一時結合剤及び可塑剤を0.8重量％、
−  TPPNa型（トリポリ燐酸ナトリウム）解膠剤を0.2重量％
混合することにより実施された。
【００４３】
水量はこの混合物重量の30％に相当して加えられ、適正粘度を有する接合剤を得た。
【００４４】
組立前に目的フィルター寸法と形状に依存して一定の単要素は各集成体に必要とされる最小数の前記要素を使用するほど長さ方向にあるそれらの主軸線方角に切削された。
【００４５】
より大要素は要素の好ましい寸法に適合される押出成形ダイを使用して作製された。
【００４６】
フィルター特性は次の手順により測定された。
【００４７】
A．圧力降下の測定：
本発明に関連して圧力降下は濾過装置の上流及び下流端の差圧をいう。圧力降下は周囲空気流れで300 m3/hの気流量について当該分野の手法により測定された。
【００４８】
B．耐熱機械性の測定
異なったフィルターは最高速度（4000 rpm）で30分間作動される2.0 L ディーゼルエンジンの排気管路に取付けられ、次に取外されてそれらの初期重量を測定するために秤量された。フィルターはフィルターで8 g/Lのすす負荷量を得るために3000 rpmの速度及び50 Nmの回転力で次にエンジン検査卓上に再組立された。
【００４９】
すす負荷フィルターは管路に再組立てされ、次のとおり定義される過酷再生を受けた：
95 Nm回転力に対して1700 rpmのエンジン回転速度で2分間安定後に後噴射は18 mm3/strokeの後噴射率について70°位相調整で実施された。すす燃焼が開始されたら、より正確には圧力降下が少なくとも4秒間起こったときにエンジン回転速度は、すすの燃焼を促進するために40 Nm回転力に対して1050 rpmに5分間減じられる。フィルターは4000 rpmのエンジン回転速度に30分間さらされ、残すすを取り除いた。
【００５０】
フィルター割れ率は特にフィルターすべてにわたって超音波伝搬測定を含み、仏国特許出願第840405号に記載された非破壊方法を使用して測定された。伝播媒介変数（伝播速度、波周期数及び振幅）の中で速度は割れ量と重大性の信頼指標であることがわかった。新規材を通した超音波伝搬速度に比較した伝搬速度の過度減少は実際に割れの存在と相関を示されることができる。
【００５１】
割れ指数は百分率で再生前新品フィルターに比較して再生フィルターを通した超音波の伝搬速度の変化に一致し、二測定値は同作業手順でとられる。この指数は通常は負数である。
【００５２】
超音波の伝播速度は50 kHzの代表的周波数で測定される。使用装置は例えば名称“Pundit Plus”でCNS Farnellによる販売個別装置であることが可能である。
【００５３】
表２は以下本発明による合成フィルターまたはその外の異なった配置について圧力降下と機械的強度の点から得られた性能を比較する。
【００５４】
【表２】
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【００５５】
表１では発明領域外の実施例1a、2a及び2b、3a、4a、6a及び7aと比較されるこの発明による実施例1、2、3、4及び7はそれぞれ少なくとも、割れ指数と圧力降下の点から測定されるほど十分な熱機械的動作を示すことが観察されることが可能である。
【００５６】
比較フィルター2bはこの発明の製品よりも低圧力降下を示す、しかしその周辺要素のあるものについて微粒フィルターとしての用途に過小機械的強度を表示することはまた観察されることが可能である。この低機械的強度はフィルターの相当周辺要素の残容積、中心位置要素の容積の１／１６もしくは１／８までにも帰因された。
【００５７】
極不良伝導接合剤により区別される比較例5aはこの発明による実施例3より随分弱い機械的挙動を示す。
【００５８】
さらにまた等値寸法と形状について、表２はこの発明による構造はそれらの作業組立に最小単位要素数を必要とすることを示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【国際調査報告】
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