(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック体の入口端部から出口端部に延在する、隣接する入口流路及び出口流路により接続されている、入口端部及び出口端部を有する多孔質セラミックハニカム体を備えるセラミックハニカムフィルタであって、
気体が前記入口端部に流入したときに隔壁を通って前記出口端部から出るように、前記入口流路が前記セラミック体の出口端部に入口セラミックプラグを有し、かつ前記出口流路が前記セラミック体の入口端部に出口セラミックプラグを有するように、前記入口流路及び出口流路は、前記入口流路と前記出口流路の間の複数の絡合した、気体を濾過する薄い多孔質隔壁と、セラミックプラグとにより画定され、
この際、前記セラミックハニカム体は、前記ハニカムの流路を見下ろして眺めた場合に、（ｉ）少なくとも２つの円弧を有し、前記円弧の少なくとも１つがその他の１又は複数の円弧とは異なる曲率半径を有する形状を有する少なくとも１つの外側角部を有し、
前記形状が、等しい曲率半径を有する２つの円弧と、該等しい曲率半径を有する円弧とは異なる曲率半径を有する１つの円弧を有し、
前記異なる曲率半径を有する円弧が、前記等しい曲率半径を有する円弧の間に配置され、
前記外側角部と反対側に内側角部を有し、該内側角部が、（ｉ）少なくとも２つの円弧を有し、該円弧の少なくとも１つがその他の１又は複数の円弧とは異なる曲率半径を有する形状、（ｉｉ）非円形の弧、又は（ｉｉｉ）弧が存在しない場合に少なくとも４つの平坦な面取り面である形状を有する、セラミックハニカムフィルタ。
【請求項２】
前記外側角部の各々が前記形状を有する、請求項１に記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項３】
前記外側角部が異なる形状を有して、前記入口端部及び出口端部と前記角部の方向(orientation)を区別することのできる、請求項２に記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項４】
前記外側角部の各々が異なる形状を有する、請求項３に記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項５】
前記形状が少なくとも３つの円弧を有する、請求項１から４のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項６】
前記等しい半径を有する円弧の各々と異なる半径を有する円弧との間に平坦な面取り面がある、請求項１から５のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項７】
前記角部の応力が、円形の曲率半径を有する同じ角部と比較して少なくとも５％低下している、請求項１から６のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項８】
前記内側角部が、前記内側角部と反対側の前記外側角部の形状とは異なる形状を有する、請求項１から７のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許仮出願第６０／９２７，６５３号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、改良されたセラミックハニカム微粒子フィルタに関する。特に、本発明は、改良された強度及び損傷に対処することに対する改良された抵抗性を有する押出ハニカムセラミックフィルタに関する。
【背景技術】
【０００３】
ディーゼルエンジンは、その稼働方法のために、煤粒子又は凝縮液の非常に微細な液滴又は２つの（微粒子の）集塊ならびに典型的なガソリンエンジンの有害排気（すなわちＨＣ及びＣＯ）を排出する。これらの「微粒子」（ここではディーゼル煤）は、凝縮した多核炭化水素を多く含み、その一部は発癌物質であり得る。
【０００４】
ディーゼル煤が健康に与える危険性の認識は、ディーゼルエンジンの提供する、より優れた燃料効率に対する必要性と衝突するため、ディーゼル煤の許容排出量を制限する規制法が制定された。これらの課題に応じるため、煤フィルタが使用されている。フィルタは、英国特許第１，０１４，４９８号及び米国特許第４，８２８，８０７号に例示されるように、多くの構成を有する。最も一般的かつ有用なフィルタは、米国特許第４，３２９，１６２号に例示されるように、排ガスが流路に入り、流路の壁を通過しなければならないような、栓詰めされた流路を有する多孔質セラミックハニカムである傾向がある。
【０００５】
セラミックハニカムは、フロースルー触媒（３方向）、蓄熱器及び、米国特許第４，３０４，５８５号；同第４，３３３，５１８号；同第４，３８１，８１５号；同第４，９５３，６２７号；同第５，９１４，１８７号；同第６，６６９，７５１号；同第６，９８４，２５３号；同第７，０５６，５６８号及び米国特許公開第２００６／０２９３３３号に例示されるようなディーゼルフィルタなどの、より大きな装置を作るためのより小さなセグメントから作成されている。
【０００６】
特に、米国特許第６，６６９，７５１号及び米国特許公開第２００６／０２９３３３号には、例えば、外側角部が、平坦な面取り面又は０．３ｍｍ〜２．５ｍｍの曲率半径を有する丸い角部を有する、正方形の断面のフィルタセグメントを接合することが記載されている。後者には、角部は平坦な面取り面及び上述の曲率半径を有する丸い角部を有してもよいことがさらに教示されている。このような面は、強度（熱衝撃抵抗性）を改良するために有用であるといわれている。しかし、これらの角部は、角部での壁の厚さの柔軟性が制限されるという問題を抱え、取り扱いで生じ得る損傷（すなわち、依然として面取り面からの鋭い角部を有すること、角部の金型を適切にハードコートできないこと、及び米国特許公開第２００６／０２９３３３号に記載されるような意図される形状を正確に再現できないこと、これはエッジチッピング等の原因となる応力集中を引き起こし得る）を考慮に入れることができない。
【０００７】
１又はそれ以上の先行技術の問題、例えば１又はそれ以上の上に記載される問題などを回避するディーゼル微粒子フィルタが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】英国特許第１，０１４，４９８号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８２８，８０７号明細書
【特許文献３】米国特許第４，３２９，１６２号明細書
【特許文献４】米国特許第４，３０４，５８５号明細書
【特許文献５】米国特許第４，３３３，５１８号明細書
【特許文献６】米国特許第４，３８１，８１５号明細書
【特許文献７】米国特許第４，９５３，６２７号明細書
【特許文献８】米国特許第５，９１４，１８７号明細書
【特許文献９】米国特許第６，６６９，７５１号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，９８４，２５３号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，０５６，５６８号明細書
【特許文献１２】米国特許公開第２００６／０２９３３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らは、効果的な濾過の最大化を可能にし、取り扱い及び使用中の損傷を最小化する１又はそれ以上のセグメントから組み立てることのできる改良されたハニカム煤フィルタを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、セラミック体の入口端部から出口端部に延在する、隣接する入口及び出口流路により接続されている、入口端部及び出口端部を有する多孔質セラミックハニカム体を備えるセラミックハニカムフィルタであって、該入口及び出口流路は、流体が入口端部に流入した場合に隔壁を通って出口端部から出るように、入口流路がセラミック体の出口端部に入口セラミックプラグを有し、かつ出口流路がセラミック体の入口端部に出口セラミックプラグを有するような、入口流路と出口流路の間の複数の絡合した、気体を濾過する薄い多孔質隔壁及びセラミックプラグにより画定され、この際、該セラミックハニカム体は、ハニカムの流路を見下ろして眺めた場合に、（ｉ）該円弧の少なくとも１つがその他の１又は複数の円弧とは異なる曲率半径を有する、少なくとも２つの円弧、（ｉｉ）非円形の弧、又は（ｉｉｉ）弧が存在しない場合に少なくとも４つの平坦な面取り面、から構成される形状を有する少なくとも１つの外側角部を有する、セラミックハニカムフィルタである。
【００１１】
驚くことに、一実施形態では、応力の量は、単純な円半径を外側角部に有する角部と比較して少なくとも５％低下され得る。応力は、さらに１０％、１５％又は２０％低い可能性がある。同様に、望ましい実施形態では、上記の外側角部の反対側の内側角部は、本明細書に記載される外側角部の形状（すなわち非円形）と同じ形状又は異なる形状を有し得る。一実施形態では、２つの隣接する角部は、例えば、流路の端部の栓詰め及び複数のセグメントの組み立てが促進されるように、異なるセグメントの方向(orientation)を可能にする、異なる形状を有する。本発明はまた、数ある中でも、例えば取り扱い及び組み立ての間のスカッフィング及び破損に耐える、より優れたレジリエンスを許容する角部の頂点でより大きな壁の厚さを可能にする。
【００１２】
フィルタ又はハニカムは、セラミックハニカム、例えば、微粒子フィルタ（例えば、ディーゼル微粒子フィルタ）、蓄熱器、及びフロースルー触媒などを有することが有用な、あらゆる用途にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】該フィルタの流路を見下ろした、本発明のセラミックハニカムフィルタの角部の図である。
【００１４】
【図２】該フィルタの流路を見下ろした、本発明のセラミックハニカムフィルタの角部の図である。
【００１５】
【図３】該フィルタの流路を見下ろした、本発明にかかわらないセラミックハニカムフィルタの角部の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実践において、多孔質セラミックハニカムならびにプラグ（注：プラグはハニカムと同じ又は異なるセラミックであってもよく、さらに、一緒に挟んで流路を閉鎖する、単にハニカムの隔壁であってもよい）は、任意の適したセラミック又は当分野で公知のディーゼル煤を濾過するためのセラミックの組合せであってもよい。例示的なセラミックとしては、アルミナ、ジルコニア、シリコンカーバイド、シリコンナイトライド、アルミニウムナイトライド、シリコンオキシナイトライド、シリコンカーボナイトライド、ムライト、コーディエライト、β−スポジュメン、アルミニウムチタネート、ストロンチウムアルミニウムシリケート、リチウムアルミニウムシリケートが挙げられる。好ましい多孔質セラミック体としては、シリコンカーバイド、コーディエライト及びムライト又はそれらの組合せが挙げられる。シリコンカーバイドは、米国特許第６，５８２，７９６号及び同第６，６６９，７５１Ｂ１号ならびに国際公開公報ＥＰ１１４２６１９Ａ１号、ＷＯ２００２／０７０１０６Ａ１号に記載されるものであることが好ましい。その他の適した多孔質体は、ＷＯ２００４／０１１３８６Ａ１号、ＷＯ２００４／０１１１２４Ａ１号、米国特許第２００４／００２０３５９Ａ１号及びＷＯ２００３／０５１４８８Ａ１号に記載されている。
【００１７】
セラミックは、好ましくは針状粒子を有するセラミックである。このような針状セラミック多孔質体の例としては、ＷＯ２００５／０９７７０６号に記載されるもの、及び、例えば米国特許第５，１９４，１５４号；同第５，１７３，３４９号；同第５，１９８，００７号；同第５，０９８，４５５号；同第５，３４０，５１６号；同第６，５９６，６６５号及び同第６，３０６，３３５号；米国特許出願公開第２００１／００３８８１０号；ならびにＰＣＴ国際公開公報ＷＯ０３／０８２７７３号により記載される針状ムライトが挙げられる。
【００１８】
多孔質セラミックハニカムは、一般に、約３０％〜８５％の気孔率を有する。好ましくは、多孔質セラミックハニカムは、少なくとも約４０％、より好ましくは少なくとも約４５％、さらにより好ましくは少なくとも約５０％、最も好ましくは少なくとも約５５％〜好ましくは最大で約８０％、より好ましくは最大で約７５％、最も好ましくは最大で約７０％の気孔率を有する。
【００１９】
ハニカムならびに流路は、少なくとも１つの角部を有するような、任意の幾何学的な断面形状であってもよい。例示的な断面形状としては、正方形、長方形、台形、平行四辺形、環セグメント、五角形、六角形及び八角形が挙げられる。ハニカムは、任意のサイズであってもよく、用途によって決まる。一実施形態のハニカムは他のハニカム（すなわち、セグメント）と組み立てられて、それに関して既に引用された特許に記載されるように、当分野で周知のような、より大きなフィルタを作成することができる。
【００２０】
ハニカムは、当分野で公知のものなど任意の適したプロセスにより形成されてもよく、例えば、最も一般的であるのが、セラミック微粒子から構成されるセラミック塑性物質、及び、プラスチック塊(mass plastic)を作成し、微粒子を結合させるための押出添加剤及び液体の押出である。押出されたハニカムは、次に一般に液体（一般に水）を乾燥させ、加熱により有機添加剤、例えば滑沢剤、結合剤及び界面活性剤を除去し、セラミック微粒子が一緒に融解又は焼結するか、あるいは新しい微粒子を作り出す（その後一緒に融解する）ようにさらに加熱する。このような方法は多数の特許及び公開文献に記載されており、単なる少ない代表的なサンプルは、次の米国特許第４，３２９，１６２号；同第４，７４１，７９２号；同第４，００１，０２８号；同第４，１６２，２８５号；同第３，８９９，３２６号；同第４，７８６，５４２号；同第４，８３７，９４３号及び同第５，５３８，６８１号である。
【００２１】
本発明の１又は複数の角部は、任意の適した方法、例えば公知の方法を用いることにより形成されてもよく、公知の方法には、例えば、（１）焼結したハニカムを研磨すること（すなわち、ハニカムが焼結された後に、例えば、角部の形(form)がそれにインプリントされている砥粒砥石を用いて、研磨を用いて角部を機械加工する）、（２）任意の有機物(organic)及び／又は液体を取り除いた後、しかし焼結セラミックハニカムを研磨するために記載されるものと同様の方法でセラミック粒を焼結又は結合させる前に、ハニカムを機械加工すること、ハニカムが押出された後、しかし任意の有機物又は液体を除去する前に、所望の形状を有するツールで角部に単にプレスすることにより形状をインプリントすること、ならびに（４）角部に所望の形状を有する金型を機械加工することにより角部の形状を押出し、その後にセラミック塑性物質を金型から押出すること、が含まれる。
【００２２】
セラミック塑性物質(the plastic ceramic mass)を金型を通じて押出することにより形状を作成する場合、その形状は、任意の適した方法により金型の中で機械加工されてもよく、その方法には、例えば、ワイヤ放電加工（ワイヤＥＤＭ）、レーザー加工、フライス加工(milling)及び掘削が挙げられる。形状は、当分野で十分理解されているように、小さい方の端部で、任意の所与の機械加工法により達成することのできる、合理的な実際的な寸法のみに制限される。例えば、セラミックハニカムを作成するための押出金型を形成する最も一般的な方法であるワイヤＥＤＭは、一般に、最小ワイヤ直径寸法が約０．０２５ｍｍであるが、より一般に、最小サイズは直径が約０．１ｍｍ〜０．２ｍｍである。
【００２３】
このようにして、例えば、円の曲率を有する角部が望ましい場合、最小半径は、一般に、０．２ｍｍのＥＤＭワイヤを用いる場合には約０．１５ｍｍ以上であるが、一方で、最大の円の曲率は、数メートル又はそれ以上の半径を有し得る。一般に、曲率半径は、少なくとも約０．０５ｍｍから最大で約１０ｍ、５ｍ、４ｍ、３ｍ、２ｍ、１ｍ、０．５ｍ、０．１ｍ、０．０５ｍ、０．０１ｍ、５ｃｍ、４ｃｍ、３ｃｍ、２ｃｍ、１ｃｍ、９ｍｍ、８ｍｍ、７ｍｍ、６ｍｍ及び５ｍｍである。
【００２４】
円半径曲率(circular curvature of radii)を有する角部を作成する場合、少なくとも２つの円弧が存在し、この際、存在する円弧のうちの少なくとも１つが、存在するその他の円弧のうちの１又はそれ以上とは異なる曲率半径を有する。本発明のこの態様では、しかし、円弧の量は、一般に、２５未満〜２０、１５、１０、９、８、７、６、５、又は４未満の円弧である。２つの円弧が存在する場合、１又はそれ以上の面取り面（すなわち、定義によりストレートベベル）及び／又は１又はそれ以上の非円形の曲率（すなわち、一定の半径を有する円弧）も存在してもよく、この際、任意の非円形の弧を含むこのような特徴の総量は、円弧だけについて上に記載されるような量である。等しい曲率半径を有する２つの円弧と異なる曲率半径を有する１つの円弧を、それらの間に挟まれた２つの面取り面（接平面(tangent)とも呼ばれる）とともに含む一つの実施形態を、下の実施例１に記載する。
【００２５】
同様に、非円形の弧を作成する場合に、上記の最小寸法の制限は、そのような形状を、内部にその形状を有する金型から押出することにより作成する場合に適用される。非円形の弧は、円以外の形状、例えば、放物線、双曲線及び楕円で表される弧などの曲率の変化する任意の弧である。角部の形状が非円形の弧を有する場合、一般に、少なくとも１種類から一般に最大で約２５の弧が存在する。しかし、非円形の弧の量は、一般に、２５未満から２０、１５、１０、９、８、７、６、５又は４未満の弧である。また、１又はそれ以上の面取り面（すなわちフラットベベルの定義）及び／又は１又はそれ以上の円の曲率（すなわち一定の半径を有する弧）も存在してもよく、この際、任意の非円形の弧を含むこのような特徴の総量は、非線形の弧だけについて上に記載されるような量である。
【００２６】
面取り面だけが存在する場合、交点（すなわち、該面取り面により形成される角部）では、これらの交点は原子的に(atomically)鋭くないが、上記のような、例えば金型を作成するための実際的な機械加工法の制限によって鈍くなっている可能性があることは当然理解される。面取り面だけが存在する場合、面取り面の量は少なくとも４であるが、一般にそれより多く、例えば５、６、７、８、９、１０、１５、２０から最大で約２５などである。
【００２７】
ハニカムの有する角部の量にもよるが、角部が１つであるならば、好ましくは昇順で、角部の少なくとも２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％が本発明の形状を有する。より好ましくは全ての角部が、本発明の形状を有する。
【００２８】
好ましい実施形態では、例えば、１つの表面がそれらの角部の方向から簡単に分かるように、角部は異なる形状を有する。例として、正方形の断面を有するハニカムは、異なる形状の４つの角部を有し、１つの表面は角部の方向によって他の表面と区別することができる。同様に、同じ正方形ハニカムの２つの隣接する角部の形状が異なっていて、残りの２つの角部が同じであるが、最初に言及した角部とは異なる場合、表面は相互に区別することができる。このような実施形態により、ハニカムセグメントをより大型のフィルタに組み立てる場合に、例えば入口表面及び出口表面の迅速かつ容易な識別が可能となる。
【００２９】
よくあることだが、隔壁は、壁の中に、又は壁の表面の上に被覆された触媒を含み得る。このような触媒は、煤、一酸化炭素及び／又は炭化水素の燃焼を触媒するために有用ないずれの触媒であってもよい。また、触媒は、好ましくは、ディーゼル排気流中の１又はそれ以上のその他の汚染ガス、例えばＮＯｘを減らす（例えば、酸化した窒素及びＣＯに対する選択的接触還元「ＳＣＲ」によりＣＯ２を形成）。
（実施例）
【００３０】
全ての実施例及び比較例において、角部の寸法を表す図に示される単位はミリメートルである。応力モデルの各々における応力は、フォンミーゼス応力（ＭＰａ）である。
【実施例１】
【００３１】
図１に示されるように、２つの等しい円半径、２つの平坦な面取り面及び１つの異なる円半径を有する角部を有するハニカムを、有限要素解析を用いて、軸対称の４５度モデル、１Ｎ／ｍｍの長さのハニカムの４５度負荷下の８節点平面ひずみ要素を用いてモデル化した。図１中の単位はミリメートルである。材料特性を選択して典型的なセラミックの材料特性を反映すると、材料弾性率３０，０００ＭＰａ及びポアソン比０．２５であった。その角部に適用した負荷下での最大応力は３２．８ＭＰａであり、この最大負荷は流路の壁の表面の角部の中間点から移動してきた。
【実施例２】
【００３２】
図２に示されるように、２つの等しい円半径及び１つの異なる円半径を有する角部を有するハニカムを、同じ材料定数を用いて上と同じようにモデル化した。角部に適用した負荷下での最大応力は３０．６ＭＰａであり、この最大負荷は流路の壁の表面の角部の中間点から移動した。
（比較例）
【００３３】
角部が単一の曲率半径１.２５ｍｍを有することを除いて、全てが実施例１におけるものと同じハニカムの角部における応力（図３）を、同じ材料定数を用いて実施例１と同じ方法で決定した。角部に適用した負荷下での最大応力は３７ＭＰａであり、この最大負荷は、流路の壁の表面での角部の中間点であった。
【００３４】
実施例及び比較例から、角部での応力は、実施例１に関して約１０％、そして実施例２に関して２０％、実質的に本発明により低下する。その上、応力は両方の実施例に関して角部の半分の地点でさらにもっと低下する。このことは、損傷なく容易に扱うことのできる、より耐熱衝撃性及び耐擦り傷性の高いフィルタ又はフィルタセグメントを可能にする。
【００３５】
以下の特許請求の範囲は、たとえそれらが相互に明白に依存していなくとも、本発明は、いずれかの１又はそれ以上の請求項と組み合わせた、いずれか１つの請求項の１又はそれ以上の実施形態の任意の組合せを企図する。
【図１】
0005714897.tif 000002
【図２】
0005714897.tif 000003
【図３】
0005714897.tif 000004