(57)【要約】互いに反対にある入口端および出口端並びに入口端から出口端まで軸に沿って延在する、等しくない正方形断面を持つ複数のセル通路を備えたハニカム構造体、およびそれを製造するための押出ダイが記載されている。
2005501991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック材料からなるウォールフロー式ハニカムフィルタ本体であって、該本体をその前方入口端から排出出口端まで延在する、端部の塞がれた複数の平行な入口セルおよび出口セルを含み、該セルが市松模様に配置されているハニカムフィルタ本体を備えたディーゼル排気微粒子フィルタにおいて、
前記セルが、多孔質内壁により形成された等しくない正方形断面を有し、前記入口セルが前記出口セルより大きい断面を有し、前記多孔質内壁が前記入口セルと前記出口セルとの間の連絡を促進させる第１の部分を有し、前記内壁の残りの部分は前記出口セルと連絡していない入口セルのみに関係していることを特徴とするディーゼル排気微粒子フィルタ。
【請求項２】
前記内壁の第１の部分が濾過活性であり、前記内壁の残りの部分が濾過不活性であることを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気微粒子フィルタ。
【請求項３】
前記入口セルが前記出口セルより１．１〜２倍大きい水力直径を有することを特徴とする請求項１記載のディーゼル排気微粒子フィルタ。
【請求項４】
前記入口セルが前記出口セルより１．３〜１．６倍大きい水力直径を有することを特徴とする請求項３記載のディーゼル排気微粒子フィルタ。
【請求項５】
前記ハニカムフィルタ本体がコージエライトまたは炭化ケイ素から製造されていることを特徴とする請求項４記載のディーゼル排気微粒子フィルタ。
【請求項６】
ダイ本体を有するハニカム押出ダイであって、該ダイ本体が、
入口面、
該入口面の反対にある吐出面、
前記入口面から前記ダイ本体中に延在する複数の供給孔、および
前記ダイ本体内の供給孔とスロットとの交差点で前記供給孔と接続するように前記吐出面から前記ダイ本体中に延在する吐出スロットの交差アレイ、
を備え、
該吐出スロットの交差アレイが、サイズが交互になっているピンの市松模様を形成する２つの異なる断面積を持つ複数のピンの側面により形成されていることを特徴とするハニカム押出ダイ。
【請求項７】
前記ピンが正方形断面を有することを特徴とする請求項６記載のハニカム押出ダイ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本発明は、２００１年８月３０日に出願した米国特許出願第０９／９４３２５８号の一部継続出願である。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、特に、ディーゼル排気微粒子を捕捉し、燃焼させるための、ハニカムなどのマルチセルラ構造体に関する。
【背景技術】
【０００３】
ディーゼル排気流の精製にウォールフロー式フィルタが用いられている。そのようなディーゼル微粒子フィルタは、典型的に、コージエライトまたは炭化ケイ素から製造されており、構造体の端部面間に長手方向に延在する、水力直径が等しい平行なセル通路を形成する相互に連絡した多孔質薄壁を持つハニカム体を備えている。ハニカムの一方の端面で交互のセルがセラミックフィルタ材料で塞がれて、「市松模様」を形成している。この模様は反対側の端面で逆になっており、したがって、各セルの端部は構造体の一方の端部でのみ塞がれている。ディーゼル排気流が一方の端面（すなわち、入口端）を通ってフィルタに入ると、反対側の端面（すなわち、出口端）を通って流出するために、排気流は多孔質薄壁を通過しなければならない。
【０００４】
ディーゼル微粒子フィルタについて、約１０から３００セル／平方インチ（約１．５から４６．５セル／ｃｍ2）の、より一般的には、約１００から２００セル／平方インチ（約１５．５から３１セル／ｃｍ2）のセル密度を持つハニカム構造体が、コンパクトな構造体で十分な薄壁表面積を提供するのに有用であると考えられている。壁厚は、約０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）の構造健全性を提供する最小寸法から上の範囲で様々であって差し支えないが、一般に、フィルタ容積を最小にするために、約０．０６０インチ（１．５ｍｍ）未満である。好ましいセル密度のこれらの材料については、約０．０１０から０．０３０インチ（約０．２５から０．７６ｍｍ）の範囲、例えば、０．０１９インチ（約０．５０ｍｍ）が最も頻繁に選択される。
【０００５】
これらの薄壁の相互に連絡した開気孔率は様々であってよいが、最も一般的には、薄壁容積の約２５％より大きく、通常は、流体を薄壁に通して流動させるように、約３５％より大きい。ディーゼルフィルタの健全性は、約７０％を超えた開気孔率では、疑わしくなり、それゆえ、約５０％の開気孔率が一般的である。ディーゼル微粒子濾過について、開気孔率は、平均直径が約１から６０マイクロメートルの範囲にある通路壁の細孔により与えられ、約１０から５０マイクロメートルの範囲が好ましいと考えられている。
【０００６】
上述したコージエライト材料により、ディーゼル排気微粒子の９０重量％までとそれを超える濾過効率を達成することができる。より小型のディーゼル機関の排気流の濾過を含む他の濾過用途については、それより低いがそれでもまだ相当な比率（すなわち、５０％未満）の微粒子の濾過が望ましいかもしれない。もちろん、効率は、排気流内で運搬される微粒サイズの範囲と分布により変動するであろう。容積気孔率および平均細孔直径は、典型的に、従来の水銀圧入法により測定されて特定される。
【０００７】
フロスト(Frost)等の特許文献１では、コージエライト製ウォールフロー式ディーゼル微粒子フィルタの設計が論じられている。特許文献２では、炭化ケイ素製ウォールフロー式ディーゼル微粒子フィルタが論じられている。
【０００８】
ここに記載されているタイプの従来のフィルタには、いくつかの問題が関連している。具体的には、排気流がフィルタを通過するときに、粒状物質（すなわち、炭素煤）がセル通路の壁上または壁の細孔中に蓄積し、煤層を形成する。この煤層は、セル通路の水力直径を減少させ、フィルタの長手方向に亘る圧力降下に寄与し、エンジンに対するフィルタの背圧を次第に上昇させる。
【０００９】
やがて、圧力降下は許容できなくなり、フィルタの再生が必要になる。従来の装置において、再生工程は、フィルタを加熱して、炭素煤層の燃焼を開始させる工程を含む。通常、フィルタの温度は再生中に約４００〜６００℃から約８００〜１０００℃の最高値まで上昇する。ある環境下では、燃焼の開始と同時か直後に排気ガス中の高酸素濃度および低流量（エンジンのアイドリング状態などの）が生じるときに、いわゆる「制御されていない再生」が起こることがある。制御されていない再生中に、煤の燃焼により、フィルタ内に温度が急上昇する点が生じ、これにより、フィルタが熱衝撃を受け、亀裂が生じたり、溶融したりすることさえある。再生中の最高温度は、排気流が燃焼熱をフィルタの下流方向に運ぶときにフィルタの入口面から出口面に進む煤燃焼波の累積効果のために、フィルタの出口端近くで生じる傾向にある。
【００１０】
フィルタは、炭素煤を捕捉することに加え、排気ガスにより運ばれる「灰」粒子も捕捉する。金属酸化物不純物、潤滑油からの添加剤、硫酸塩などを含むこれらの粒子は、燃焼性ではなく、再生中に除去できない。さらに、制御されていない状態の最中の温度が十分に高い場合、灰粒子は、最終的に、フィルタに焼結するか、またはフィルタと反応し、部分溶融を生じるかもしれない。
【００１１】
作動中に煤の蓄積によりセル通路の有効流動面積が減少するので、セル壁表面上および細孔中にケークを形成するこの微粒子の堆積物も、最終的に、圧力降下に影響を与える。この問題に対処するための手法の１つが、１９８１年６月３０日にオートランド(Outland)に発行された特許文献３に提案されている。オートランドは、隣接する出口通路すなわち排気通路の断面積よりも大きい断面積の入口通路を持つフィルタ設計を開示している。面積の等しくない入口通路と出口通路を形成するために、オートランドは、図５ｈ〜ｊに示されている、三角断面の出口セル通路に隣接した非等辺六角断面の入口セル通路、および図５ｋ〜ｐに示されている、湾曲したまたは膨れた入口通路および／または出口通路を持つパターンを教示している。フィルタ構造体の設計において、オートランドは、内壁の全てが、角などの交差点を除いて、入口通路と出口通路の間に延在することを要求している。しかしながら、そのような設計は、実際的ではなく、より重要なことには、効率的かつ対費用効果的な様式での製造が難しい。現在のダイの技術により、そのような複雑なハニカム構造体の製造は制限される。
【特許文献１】
米国特許第４４２０３１６号明細書
【特許文献２】
米国特許第５９１４１８７号明細書
【特許文献３】
米国特許第４２７６０１７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ガス流量を良好に維持しながら、炭質煤および灰粒子の蓄積容量が増大したディーゼル排気微粒子フィルタを得ることが望ましいであろう。現在のダイの技術でそのような濾過装置を効率的かつ対費用効果的に製造することも望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、使用中にガスの流量を良好に維持しながら、炭質煤および灰粒子を蓄積する容量が増大したディーゼル微粒子フィルタを提供する。これと同時に、本発明の構造体は、現在のダイの技術で効率的かつ対費用効果的な様式で製造することができる。
【００１４】
経済的な利点に加え、本発明のフィルタの他の利点には、性能の利点もある。そのような利点の１つは、より低い圧力降下にあり、その結果、高煤充填量（すなわち、＞５ｇ／Ｌ）での圧力上昇速度が低くなると予測される。ウォールフロー式フィルタに亘る圧力降下は、構造体の初期すなわち「清浄なときの」圧力降下、セル通路の水力直径、構造体の内壁上の煤の充填密度、および特に煤堆積の初期段階中の、煤が内壁の細孔(porosity)を貫通する程度を含む、様々な要因による。蓄積する煤の量が増加するにつれ、水力直径が減少し、壁および炭素煤層を通る排気ガスの流動抵抗が次第に増加する。この流動抵抗は、フィルタの長さに亘り測定することができ、エンジンに対する背圧を上昇させることになる。
【００１５】
本発明のフィルタのより大きな入口セル通路において、同量の煤がより薄い炭素煤を形成し、水力直径の有害な減少が小さくなる。したがって、排気ガスは、セル通路だけでなく、内壁上の煤層をより容易に流動できるようになる。その結果、再生を必要とする回数が減る。
【００１６】
関連する利点は、高い灰蓄積容量である。煤のように、灰は入口セルの内壁上に堆積する。ここでも、入口セルのより大きい表面積は、より多い量の灰を収容することができ、クリーニング周期の頻度が少なくなる。
【００１７】
別の利点は面の詰まりが少なくなることである。面の詰まりは、灰や煤が入口セルを覆うすなわち塞ぐときに生じる状態であり、要するに、これらの開いたセル中に栓を形成する。望ましくないことに、この状態ではフィルタが機能しなくなる。より大きい入口通路により、この問題を低減するかなくすことができる。
【００１８】
本発明のフィルタは、セル内壁がより薄い構造体のみに得られる増大した開放前方面積および大きな入口水力直径と同時に、壁の厚いハニカム構造体に関連する高い熱質量を維持するように設計されている。説明目的のために、２００セル毎平方インチ（ｃｐｓｉ）（約３１セル毎平方ｃｍ）のセル密度を持つ本発明の構造体において、熱質量は、同じセル密度および０．０１９ミル（約０．５０ｍｍ）の壁厚のハニカム構造体のものと同じであり、一方で、開放前方面積および水力直径は、同じセル密度を持つが、壁厚が０．０１２ミル（約０．３ｍｍ）のハニカム構造体のものと等しい。高い熱質量により、ディーゼル排気装置において遭遇する条件下での溶融および熱亀裂に対する耐性が確実に相当大きくなり、一方で、入口端でのより大きい開放前方面積および入口セル通路の水力直径により、前述したように、高い煤充填量でのより低い圧力降下が維持される。
【００１９】
本発明のディーゼル微粒子フィルタは、互いに反対にある入口端および出口端すなわち排気端並びに入口端から出口端まで軸に沿って延在する複数のセル通路を備えたハニカム構造体を備えている。これらのセル通路は、直径が等しくなく、構造体の面で交互になっている水力直径を有する。水力直径は、排気流がその中を通って流動するセルの有効断面積を称する。セル通路は、真っ直ぐな多孔質内壁により形成された正方形の断面を持ち、入口セルは、出口セルよりも大きい断面を有する。本発明の構造体において、内壁は、入口セルと出口セルとの間の連絡を促進する第１部分を備え、残りの部分すなわち第２部分は、出口セルと連絡していない入口セルのみに関係している。第１の内壁部分は濾過活性であることが好ましい。濾過活性とは、排気ガスがそこを容易に通過して、入口セル通路を出て、出口セル通路に入り、炭質煤、灰粒子等がそのなかに収集され、捕捉されることを意味する。内壁の残りの部分は濾過不活性であることが好ましい。濾過不活性とは、ディーゼル排気ガスがそこを通過し、入口セル通路を出て、出口セル通路に入ることが予測されないことを意味する。この第２の内壁部分は、入口通路の周りに延在し、これらの通路のみと連絡している。入口セルは、出口セルの約１．１〜２．０倍、好ましくは、１．３〜１．６倍の断面を持つことが好ましい。本発明の構成により、等しくない入口通路および出口通路の利点、すなわち、現行のダイ設計技術により効率的かつ対費用効果的なプロセスで製造できる正方形断面のセル設計において、増大した煤および灰粒子の蓄積容量、およびより少ない面の詰まりが得られる。
【００２０】
本発明においてセル密度は重要ではないが、ハニカム構造体が、好ましくは、約１００〜３００セル／平方インチ（約１５．５〜４６．５セル／ｃｍ2）、より好ましくは、約２００セル／平方インチ（約３１セル／ｃｍ2）のセル密度および約０．０１から０．２５インチ（０．２５〜０．６４ｍｍ）の壁厚を持つ。
【００２１】
本発明はまた、現行のダイ技術により容易に製造できる、本発明のハニカム構造体を製造するための押出ダイにも関する。この新規のダイは、入口面、入口面の反対にある吐出面、入口面からダイ本体中に延在する複数の供給孔、およびダイ内の供給孔とスロットとの交差部で供給孔と接続するように吐出面からダイ本体中に延在する吐出スロットの交差アレイを備えたダイ本体を含み、吐出スロットの交差アレイが、市松模様を形成するようにサイズが交互となった、２つの異なる断面積を持つ複数のピンの側面により形成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１を参照すると、水力直径の等しいセル通路を持つ従来技術の端部に栓がされたハニカム構造体の平面図が示されている。本発明の実施の形態の平面図が図２に示されている。ハニカム１０は前端すなわち入口端１２を持つ。図示されていないが、出口端は入口端１２の反対にある。入口セル通路１４および出口セル通路１６に分けられる複数のセル通路が入口端と出口端との間に延在している。セル通路は、多孔質内壁１８により形成された正方形断面を有する。内壁１８は、真っ直ぐであり、構造体の入口端と出口端との間に実質的に長手方向に相互に平行に延在している。セル通路は、入口セル通路１４と出口セル通路１６とが交互になるように配置されており、その結果として、小さな水力直径と大きな水力直径とが交互になったセル通路のパターンが形成されている。したがって、各々の入口セル通路１４は、出口セル通路１６と全ての側で面しており、その逆も同様である。
【００２３】
図３を参照すると、本発明のハニカムの構造をより分かり易く示している、図２の区画１００の拡大図が示されている。内壁１８の第１の部分は、入口セル通路１４および出口セル通路１６の両方に共通している。参照番号１１０により示されるこの部分は、出口セル通路１６の全長にある。内壁１８の部分１１０は濾過活性であることが好ましい。濾過活性とは、動作中に、ディーゼル排気流が入口セル通路１４から出口セル通路１６へと流動することを意味する。内壁１８の残りの部分１１２は、出口通路１６と連絡していない入口通路１４の部分に関連する。残りの部分１１２は濾過不活性であることが好ましい。濾過不活性とは、動作中に、排気ガスが入口通路１４からそこを通って出口通路１６に到達しそうにないことを意味する。しかしながら、その中にある程度の炭質粒子および灰粒子が捕捉され、収集されてもよいことに留意すべきである。入口セル通路１４の断面すなわち水力直径は、出口セル通路１６の水力直径よりも、約１．１〜２．０倍、好ましくは、約１．３〜１．６倍大きい。重要ではないが、構造体は、好ましくは、約１００〜３００セル／平方インチ（約１５．５〜４６．５セル／ｃｍ2）、より好ましくは、約２００セル／平方インチ（約３１セル／ｃｍ2）のセル密度および好ましくは、約０．０１から０．２５インチ（０．２５〜０．６４ｍｍ）、より好ましくは、約０．０１９インチ（０．４８６ｍｍ）の壁厚を持つ。
【００２４】
入口セル通路１４および出口セル通路１６の両方は、入口端または出口端のいずれかで、長さの一部に亘り塞がれている。図２および３において、入口端が示されているので、出口セル通路１６が塞がれている。栓の厚さ、すなわち、深さは、約２ｍｍから５ｍｍであることが好ましい。したがって、入口セル通路１４は、入口端で開いており、出口端で塞がれている。その逆に、出口セル通路１６は、入口端で塞がれており、出口端で開いている。この閉塞の市松模様の構成により、流体流と構造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。流体流は、入口セル通路を通って、ハニカムに流入し、多孔質セル壁を通り抜け、出口セル通路を通って構造体から流出する。
【００２５】
図４ａ〜ｄを参照する。本発明は、対称な従来技術のハニカムおよびそれから製造された端部の塞がれたフィルタを、本発明のハニカムおよびそれから製造された端部の塞がれたフィルタをそれぞれ並べて比較することにより、分かり易く示される。
【００２６】
本発明の構造体は、特に、炭素煤を燃焼させてフィルタの再生を行うことにより、フィルタ内で局部的に高温が生じ、したがって、優れた耐熱衝撃性が必要となる用途における、ディーゼル微粒子フィルタとして特に適している。本発明のハニカム構造体は、コージエライト、炭化ケイ素または他の同様に多孔質であるが熱耐久性のセラミック材料から形成されていてもよい。ハニカム構造体は、断面が円形または正方形のいずれであってもよい。しかしながら、もちろん、フィルタは、これらの形状である必要はなく、楕円、矩形、または使用のために選択された特定の排気装置設計により決定されるであろう他の任意の断面形状のものであってよい。
【００２７】
本発明はまた、本発明のハニカム構造体を製造するための押出ダイにも関する。本発明に記載したような通路の直径が交互になっているハニカム体の製造に適したハニカム押出ダイは、サイズが交互になっているピンから構成されたピンアレイを有する。本発明にとっては、そのようなダイがどのように製造されるかは重要ではなく、それ自体は、米国特許第４４６８３６５号明細書に開示されているプレートアレイの組立てや、米国特許第５７６１７８７号明細書に記載されているような適切なダイベースプレートへのピンアレイの接着を含む、多数の公知の方法のうちのいずれか１つにより提供されるものであって差し支えない。しかしながら、好ましい方法では、２つの異なる断面積のものが交互に配置された平行にアライメントされた多数の列のタブを持つように構成されたＥＤＭ電極によるプランジＥＤＭプロセスを使用する。
【００２８】
したがって、新規のダイは、入口面、入口面の反対にある吐出面、入口面からダイ本体中に延在する複数の供給孔、およびダイ内部の供給孔とスロットとの交差点で供給孔と接続するように吐出面からダイ本体中に延在する吐出スロットの交差アレイを備えたダイ本体を有し、吐出スロットの交差アレイは、市松模様を形成するようにサイズが交互になっている等しくない断面積の複数のピンの側面により形成されている。
【００２９】
本発明の構造体を製造するための適切な方法は、粉末原料の可塑化混合物を形成し、次いで、セル通路の直径が交互になっているハニカム体に押し出し、必要に応じて乾燥させ、次いで、焼成して、製品の構造体を形成することによるものである。焼成されたハニカムフィルタは、一般に、円筒鋼製フィルタ外囲容器内にフィルタを、フィルタの側壁と外囲容器の壁との間に耐火性弾性マットを配置して、ぴったりと配置することにより取り付けられる。次いで、外囲容器の端部に、排気ガスを交互に塞がれた通路に入れ、構造体の多孔質壁に通すように導くための入口コーンと出口コーンを設けてもよい。
【００３０】
本発明において、閉塞工程は、入口セル通路と出口セル通路のサイズが異なっているために、より容易に行える。一般に、閉塞工程は、手作業で行われ、市松模様で１つおきのセル通路を被覆するようにフィルタの一方の端に軟質マスクを用いることを含む。次いで、露出された通路に、焼成するとセラミック栓を形成できるセラミックペースト（ハニカム構造体に似た材料のもの）を充填する。各々のセル通路を一端でのみ塞ぐように構造体の反対端でそのパターンは逆になっている。この方法の欠点は、最初の側を塞いだ後、第２の端部でどの孔にマスクを挿入するかを決めるのが難しいことである。好ましい実施の形態において、上述した欠点を克服するために、別々のマスクを前端すなわち入口端および後端すなわち出口端にはめ込む。ハニカム構造体は、米国特許第４３２９１６２号明細書に記載されているように、必要に応じて結合剤および可塑剤を添加して、作業可能な粘度を与えるように適量の液相を用いて、未焼成体の組成と同じか類似の組成を持つペーストで、焼成の前後いずれに塞いでもよい。
【００３１】
ここに示した実施の形態に加えて、当業者には、意図した精神および範囲から逸脱せずに、上記の本発明に様々な改変および変更を行ってもよいことが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】入口セル通路と出口セル通路の直径が等しい、従来技術の端部に栓がされたハニカム構造体の平面図
【図２】入口セル通路のほうが出口セル通路よりも直径が大きい、本発明による端部に栓がされたハニカム構造体の平面図
【図３】図２の構造体の断面１００の拡大図
【図４】図４ａおよびｂは、対称の従来技術のハニカム構造体およびそれから製造されたウォールフロー式フィルタの写真、図４ｃおよびｄは、本発明の教示にしたがって製造されたハニカムおよびそれから製造されたウォールフロー式フィルタの写真
【符号の説明】
【００３３】
１０    ハニカム
１２    入口端
１４    入口セル通路
１６    出口セル通路
１８    多孔質内壁
【国際公開パンフレット】
2005501991.tif 000003
2005501991.tif 000004
2005501991.tif 000005
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2005501991.tif 000019
2005501991.tif 000020
2005501991.tif 000021
2005501991.tif 000022
2005501991.tif 000023
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005501991.tif 000024
【国際調査報告】
2005501991.tif 000025