CN104379232B - 蜂窝过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明的蜂窝过滤器是具备废气导入孔道和废气排出孔道的蜂窝过滤器,该废气导入孔道的废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔,该废气排出孔道的废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔,该蜂窝过滤器的特征在于,在废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁而邻接有废气导入孔道,废气导入孔道包括第1废气导入孔道和第2废气导入孔道这两种,第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积比第1废气导入孔道的大,且废气排出孔道的孔道截面积与第2废气导入孔道的孔道截面积相同或比其更大,废气排出孔道和废气导入孔道均由多边形构成,在构成第1废气导入孔道的截面形状的边中的与废气排出孔道面对的边的长度比在构成第2废气导入孔道的截面形状的边中的与废气排出孔道面对的边的长度长。

Description

蜂窝过滤器
技术领域
本发明涉及蜂窝过滤器。
背景技术
在由柴油发动机等内燃机排出的废气中含有烟尘等颗粒(下文中也称为PM),近年来,该PM对环境或人体产生危险已成为了问题。另外,在废气中还含有CO、HC或NOx等有害气体成分,因而也担心该有害气体成分对环境或人体产生影响。
因此,作为通过与内燃机联结而捕集废气中的PM、或对废气中含有的CO、HC或NOx等废气中的有害气体成分进行净化的废气净化装置,提出了由堇青石或碳化硅等多孔质陶瓷构成的蜂窝结构的各种过滤器(蜂窝过滤器)。
另外,在这些蜂窝过滤器中,为了改善内燃机的油耗定额、消除因压力损失上升所引起的运行时的故障等,提出了各种蜂窝过滤器:初期的压力损失低的蜂窝过滤器、及在堆积了特定量的PM时压力损失的上升比例低的蜂窝过滤器。
作为公开了这种过滤器的发明,可以举出专利文献1和专利文献2。
图17的(a)是示意性地示出专利文献1中记载的蜂窝过滤器的立体图,图17的(b)是示意性地示出构成上述蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的立体图。另外,图17的(c)~(d)是示意性地示出上述蜂窝过滤器的端面放大图。
专利文献1中,如图17的(a)~(d)所示,公开了蜂窝过滤器90,其具备废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的废气导入孔道102、和废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道101,废气排出孔道101的与孔道长度方向垂直的截面的截面形状为正方形,废气导入孔道102的与孔道长度方向垂直的截面的截面形状为八边形,交替地(以格子图案)配置有这些废气排出孔道101和废气导入孔道102的蜂窝烧制体100通过粘接材料层105而结合多个,并在外周形成有外周涂层106。
下面,在本发明和背景技术的说明中,将废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的孔道简记为废气排出孔道。另外,将废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的孔道简记为废气导入孔道、第1废气导入孔道、第2废气导入孔道。
在简记为孔道的情况下,表示废气排出孔道和废气导入孔道两者。
此外,将废气导入孔道、废气排出孔道等的与孔道长度方向垂直的方向的截面简记为废气导入孔道、废气排出孔道等的截面。
图18的(a)是示意性地示出专利文献2中记载的蜂窝过滤器的立体图,图18的(b)~(c)是示意性地示出上述蜂窝过滤器的端面放大图。
专利文献2中公开了一种蜂窝过滤器110,其为图18的(a)~(c)所示的各孔道的截面的截面形状全部为相同的正方形的蜂窝过滤器,在废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道111的整个周围,隔着孔道隔壁113邻接有废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的废气导入孔道112、114。需要说明的是,关于截面的形状,废气导入孔道112与废气排出孔道111隔着孔道隔壁113的1边是面对(対面)的,但废气导入孔道114与废气排出孔道111为角部彼此相对的关系,构成废气导入孔道114的截面形状的边均不与废气排出孔道111面对。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第2004/024294号小册子
专利文献2:美国专利第4417908号
发明内容
发明要解决的课题
该专利文献1所公开的蜂窝过滤器90中,堆积PM的废气导入孔道102的表面积比较大,因而压力损失增加的比例难以变大,但由于废气排出孔道101的截面积比废气导入孔道102的截面积小,因此具有初期的压力损失容易升高、整体上压力损失无法足够低的问题。
另外,在专利文献2所公开的蜂窝过滤器110中,废气导入孔道112、114的截面积与废气排出孔道111的截面积相同,因而废气排出孔道的总截面积相对于废气导入孔道的总截面积的比例小、各废气排出孔道的截面积小、PM的堆积容易不平衡,所以具有PM堆积后的压力损失升高的问题。
需要说明的是,在后述的本发明的作用及效果的说明中,对专利文献1所公开的蜂窝过滤器90和专利文献2所公开的蜂窝过滤器110与本发明的蜂窝过滤器10的作用及效果进行具体比较。
用于解决课题的方案
本发明人对上述问题进行了深入研究,结果发现,通过在废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁配置废气导入孔道,同时使废气导入孔道为第1废气导入孔道和与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积比该第1废气导入孔道大的第2废气导入孔道这两种,将上述废气排出孔道的截面的截面积设定成与上述第2废气导入孔道的截面的截面积相同或比上述第2废气导入孔道的截面的截面积大,此外,对构成废气排出孔道和隔着孔道隔壁而面对的这两种废气导入孔道的边的长度或上述孔道隔壁的厚度进行调节,从而可以从初期到PM堆积后的整个使用范围综合地使压力损失低于现有的蜂窝过滤器,由此实现了本发明。
即,本发明的蜂窝过滤器具备区划形成成为废气流路的多个孔道的多孔质的孔道隔壁,且具备废气导入孔道和废气排出孔道,上述废气导入孔道的废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔,上述废气排出孔道的废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔,上述废气导入孔道和上述废气排出孔道的与长度方向垂直的方向的截面形状为,除了封孔部分外,从上述废气入口侧的端部至上述废气出口侧的端部在各个孔道中的全部部位均是相同的,
该蜂窝过滤器的特征在于,
在上述废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁而邻接有上述废气导入孔道,上述废气导入孔道包括第1废气导入孔道和第2废气导入孔道这两种,所述第2废气导入孔道中的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积比该第1废气导入孔道的大,并且,
上述废气排出孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积形成为与上述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积相同,或者比上述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积大;
关于与孔道长度方向垂直的截面,
上述废气排出孔道和上述废气导入孔道均由多边形构成,在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对(対面)的边的长度比在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度长,或者,构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的任一条边与上述废气排出孔道面对,且构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边均不与上述废气排出孔道面对,
或者,该蜂窝过滤器的特征在于,
关于与孔道长度方向垂直的截面,
上述废气排出孔道和上述废气导入孔道为由曲线构成的形状,将上述第1废气导入孔道和上述废气排出孔道隔开的孔道隔壁的厚度比将上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道隔开的孔道隔壁的厚度薄。
需要说明的是,本发明中所说的截面形状是指,关于与孔道长度方向垂直的截面,为由废气排出孔道、第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的各孔道内壁所构成的形状。
另外,本发明中所说的截面积是指,关于与孔道长度方向垂直的截面,为由废气排出孔道、第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的各孔道内壁所构成的截面形状的面积。需要说明的是,孔道内壁是指构成孔道的孔道隔壁的表面中的孔道的内部侧的表面部分。
此外,本发明中所说的边是指,关于与孔道长度方向垂直的截面,在由废气排出孔道、第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的各孔道内壁所构成的截面形状为多边形的情况下,将该多边形的顶点间的线段称为边。
另外,边的长度是指该线段的长度,在顶点部分为由曲线构成的所谓倒角形状的情况下,是指除去该曲线部分外的直线部分的长度。
这是因为,在顶点部分为曲线的情况下,在该曲线部位,将孔道之间隔开的孔道壁变厚,因而渗透阻力升高,废气优先流入直线部分,因此需要调整该直线部分的长度,因而除去曲线部分进行考虑是妥当的。
需要说明的是,假设地延长多边形的直线部分,将该假设的直线彼此交叉的交点作为假设的顶点时,除去曲线部分外的直线部分的边的长度优选为将该假设的顶点间连结所构成的假设的边的长度的80%以上。这是因为,在孔道的截面形状为多边形的情况下,若边的长度为假设的边的长度的80%以上,则通过调整该边的长度,可以实现作为本发明的作用效果的主流路开关的效果。
本发明的蜂窝过滤器中,在构成第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的截面形状的边中的与废气排出孔道面对的边是指,关于与孔道长度方向垂直的截面,对于由第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的孔道内壁所构成的多边形的边,将平分这些边的假设的垂线(下文中称为垂直平分线)向第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的外侧进行描绘时,垂直平分线与隔着孔道隔壁和这些第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的边邻接的废气排出孔道的孔道内壁所构成的图形区域相交时,称为该边与废气排出孔道面对。
该情况下,称为具有与废气排出孔道面对的边的第1废气导入孔道或第2废气导入孔道与废气排出孔道面对。
另外,本发明的蜂窝过滤器中,在构成废气排出孔道的截面形状的边中的与第1废气导入孔道或第2废气导入孔道面对的边是指,关于与孔道长度方向垂直的截面,对于由废气排出孔道的孔道内壁所构成的多边形的边,将平分这些边的假设的垂线(下文中称为垂直平分线)向废气排出孔道的外侧进行描绘时,垂直平分线与隔着孔道隔壁和该废气排出孔道的边邻接的第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的孔道内壁所构成的图形区域相交时,称为该边与第1废气导入孔道或第2废气导入孔道面对。
该情况下,称为具有与第1废气导入孔道或第2废气导入孔道面对的边的废气排出孔道与第1废气导入孔道或第2废气导入孔道面对。
此外,本发明的蜂窝过滤器中,在构成第1废气导入孔道的边中的与第2废气导入孔道面对的边是指,关于与孔道长度方向垂直的截面,对于由第1废气导入孔道的孔道内壁所构成的多边形的边,将平分这些边的假设的垂线(下文中称为垂直平分线)向第1废气导入孔道的外侧进行描绘时,垂直平分线与隔着孔道隔壁和该第1废气导入孔道的边邻接的第2废气导入孔道的孔道内壁所构成的图形区域相交时,称为该边与第2废气导入孔道面对。
该情况下,称为具有与第2废气导入孔道面对的边的第1废气导入孔道与第2废气导入孔道面对。
另外,本发明的蜂窝过滤器中,在构成第2废气导入孔道的边中的与第1废气导入孔道面对的边是指,关于与孔道长度方向垂直的截面,对于由第2废气导入孔道的孔道内壁所构成的多边形的边,将平分这些边的假设的垂线(下文中称为垂直平分线)向第2废气导入孔道的外侧进行描绘时,垂直平分线与隔着孔道隔壁和该第2废气导入孔道的边邻接的第1废气导入孔道的孔道内壁所构成的图形区域相交时,称为该边与第1废气导入孔道面对。
该情况下,称为具有与第1废气导入孔道面对的边的第2废气导入孔道与第1废气导入孔道面对。
另外,本发明的蜂窝过滤器中,将2个孔道之间隔开的孔道隔壁的厚度如下定义。
即,在与孔道长度方向垂直的截面中,对2个孔道分别求出由孔道内壁构成的截面图形的几何学重心,描绘连结其重心间的直线,将直线与孔道隔壁区域重合的部分的线段的长度作为孔道隔壁的厚度。需要说明的是,孔道当然为空间,但此处所说的重心是指由孔道内壁构成的截面图形的几何学重心,即使是孔道这样的空间的截面图形也可以进行重心的定义。
本发明的蜂窝过滤器中使用的“邻接”的含义为日语中的“邻接”原本的含义。该“邻接”不仅可在废气导入孔道隔着多孔质的孔道隔壁与废气排出孔道面对地进行配置的情况中使用,而且即使是废气导入孔道不与废气排出孔道面对的情况也可以在隔着多孔质的孔道隔壁在废气排出孔道的斜向配置有废气导入孔道的情况中使用。日语中,作为“邻接”的用语的用例,允许“格子倾斜地邻接”这种表达。
废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状为多边形,废气导入孔道隔着多孔质的孔道隔壁与废气排出孔道面对地进行配置的情况具体是指图1所示的情况,图1中,废气导入孔道14隔着多孔质的孔道隔壁13与废气排出孔道11面对。另外,若废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状为圆或椭圆,由废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状即圆弧构成一个多孔质的孔道隔壁(从三维来说,废气排出孔道的内壁曲面和废气导入孔道的内壁曲面构成了1个多孔质的孔道隔壁的表面和背面的情况),则根据废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状为多边形的情况,可理解为废气导入孔道隔着多孔质的孔道隔壁与废气排出孔道面对地进行配置。具体来说为图14所示的情况,图14中,作为废气导入孔道54隔着多孔质的孔道隔壁53与废气排出孔道51面对来进行处理。
另外,废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状为多边形,废气导入孔道和废气排出孔道不面对,而隔着多孔质的孔道隔壁在废气排出孔道的斜向配置有废气导入孔道的情况具体是指图12所示的情况,图12中,废气导入孔道44和废气排出孔道41不相互面对,隔着多孔质的孔道隔壁43在废气排出孔道41的斜向配置有废气导入孔道44。
需要说明的是,废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状为除了圆或椭圆以外的由曲线构成的图形时,将曲线和曲线的交点作为顶点、将这些顶点间的曲线作为边进行处理,对构成废气排出孔道或废气导入孔道的截面形状的边(曲线)进行平分,将与连结边两端的顶点的直线相垂直的假设的垂线向废气排出孔道或废气导入孔道的外侧进行描绘时,该垂线与隔着孔道隔壁最近的废气导入孔道或废气排出孔道的孔道内壁所构成的图形区域相交时,视为废气排出孔道或废气导入孔道的边(曲线)与废气导入孔道或废气排出孔道面对。进而,称为废气排出孔道或废气导入孔道与废气导入孔道或废气排出孔道面对。另外,在相当于顶点的部分为所谓倒角形状的情况下,为了方便起见,将延长曲线、延长线彼此相交的假设的交点视为顶点。
废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状为除了圆或椭圆以外的由曲线构成的图形时,废气导入孔道和废气排出孔道不面对,隔着多孔质的孔道隔壁在废气排出孔道的斜向配置有废气导入孔道的情况具体是指图15所示的情况,图15中,废气导入孔道64和废气排出孔道61不相互面对,隔着多孔质的孔道隔壁63在废气排出孔道61的斜向配置有废气导入孔道64。
将权利要求1的“在上述废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有上述废气导入孔道”逐字翻译成英语则为“each exhaust gas emission cell isenclosed all around by the adjacent exhaust gas introduction cells across theporous cell walls”。
需要说明的是,“在斜向配置”是指,废气排出孔道和废气导入孔道不面对,在废气排出孔道的与长度方向垂直的截面中,将由该废气排出孔道内壁所构成的截面图形的几何学重心和该截面图形的顶点(截面形状的顶点部分为倒角形状时,假设地延长构成截面形状的边(直线或曲线),将该延长线的交点视为顶点)连结而成的假设线之一、和在废气导入孔道的与长度方向垂直的截面中由该废气导入孔道内壁所构成的截面图形的几何学重心和孔道的顶点(截面形状的顶点部分为倒角形状时,假设地延长构成截面形状的边(直线或曲线),将该延长线的交点视为顶点)连结而成的假设线之一是相互平行的,或者相互重合的来配置废气导入孔道和废气排出孔道。需要说明的是,若多个假设线中的一对假设线相互平行、或相互重合,则其它假设线彼此可以以特定角度(例如90°)相交。
另外,上述“邻接(adjacent)”的说明中,“废气导入孔道”是第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的统称。
接着,基于附图,对与孔道面对的边以及将2个孔道之间隔开的孔道隔壁的厚度进行说明。
图1是将本发明的一个实施方式的蜂窝过滤器的端面的一部分放大示出的放大端面图,示出了废气排出孔道11和在其周围存在的第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14。
在构成第1废气导入孔道12或第2废气导入孔道14的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边是指,关于图1所示的与孔道长度方向垂直的截面,对于由第1废气导入孔道12或第2废气导入孔道14的孔道内壁所构成的多边形的边12a、14a,将平分这些边的假设的垂线(下文中称为垂直平分线)向第1废气导入孔道12或第2废气导入孔道14的外侧进行描绘时,垂直平分线A、垂直平分线B如图1所示与隔着孔道隔壁和这些第1废气导入孔道12或第2废气导入孔道14的边12a、14a邻接的废气排出孔道11的孔道内壁所构成的图形区域(边11a、11b)相交时,称为边12a、14a与废气排出孔道11面对。
本发明中,以垂直平分线的相交而视为面对的原因在于,废气透过边的长度方向的中央附近、即将废气导入孔道和废气排出孔道隔开的孔道隔壁的中央部分时所受到的渗透阻力代表了废气透过整个隔壁所产生的压力损失。
本发明中,关于与孔道长度方向垂直的截面,在由废气排出孔道、第1废气导入孔道或第2废气导入孔道的各孔道内壁所构成的截面形状为多边形的情况下,该多边形的顶点部分为由曲线构成的所谓倒角形状时,各边的垂直平分线为除去该曲线外的线段的垂直平分线。
另外,在顶点部分为由曲线构成的所谓倒角形状时,该曲线不作为边对待。另外,在截面形状的顶点部分为倒角形状时,假设地延长构成截面形状的边,将该延长线的交点视为顶点,作为多边形来对待。
在通过挤出成型来制造蜂窝过滤器的情况下,孔道的与长度方向垂直的截面的形状为多边形时,为了使应力不集中于其顶点部分,有时由曲线构成顶点部分,即使在这样的顶点部分由曲线构成的情况下也作为多边形对待。
将2个孔道之间隔开的孔道隔壁的厚度如下定义。
即,在图1所示的与孔道长度方向垂直的截面中,对2个孔道分别求出由孔道内壁构成的截面图形的几何学重心(图1中,将废气排出孔道11的重心设为O11,将第2废气导入孔道14的重心设为O14),描绘连结其重心间的直线Z14,将直线Z14与孔道隔壁区域重合的部分的线段的长度D作为孔道隔壁的厚度。需要说明的是,孔道当然为空间,但此处所说的重心是指由孔道内壁构成的截面图形的几何学重心,即使是孔道这样的空间的截面图形也可以进行重心的定义。
如上所述定义孔道隔壁的厚度的原因如下。气体透过孔道隔壁时的渗透阻力达到最高的是透过孔道隔壁的气体的流速最高的部分,该部分的渗透阻力可以代表孔道隔壁的渗透阻力。关于蜂窝过滤器的相对于长度方向的气体的流速,在相当于由孔道内壁构成的截面形状的几何学重心的位置最高,在孔道的截面中以同心圆状降低,因此连结废气导入孔道和废气排出孔道的重心间的线与孔道隔壁的交点在透过孔道隔壁的气体的流速最高的部分。这样从压力损失的方面考虑时,描绘连结重心间的直线,将直线与孔道隔壁区域重合的部分的线段的长度D定义为孔道隔壁的厚度可以说是合理的。
需要说明的是,本发明中,孔道的边的长度和孔道隔壁的厚度的测定、孔道截面形状的确定使用电子显微镜照片进行。电子显微镜照片的拍摄通过电子显微镜(FE-SEM:日立高新技术公司制造的高分辨场发射型扫描电子显微镜S-4800)进行。
另外,电子显微镜照片的放大倍率是构成孔道的孔道隔壁的表面(内壁)的颗粒及气孔的凹凸不对孔道的截面形状的确定、边的长度、隔壁厚度和孔道截面积的计测带来影响的程度的倍率,并且需要采用能够进行孔道的截面形状的确定、边的长度、孔道隔壁的厚度和孔道截面积的计测的倍率,使用放大倍率为30倍的电子显微镜照片进行计测是最佳的。
即,基于上述的孔道的长度和孔道隔壁的厚度的定义,利用电子显微镜照片的比例尺测定孔道的各边的长度,求出其值,对于截面积,基于所得到的孔道的长度等值以算术方式求出。另外,在以算术方式计测截面积繁杂时,由电子显微镜照片的比例尺切下与单位面积相当的正方形(将比例尺长度作为1边的正方形),测定该重量,另一方面沿着孔道的截面形状切下孔道截面(在多边形的情况下,顶点部分为曲线时,沿着该曲线切下。),测定该切下的部分的重量。由重量比例可以计算孔道的截面的截面积。
例如,若为所附的图2的(a),由废气排出孔道和第2废气导入孔道的内壁构成的截面形状为八边形,它们的截面积相同,由第1废气导入孔道的内壁构成的截面形状为正方形(顶点部分由曲线构成,形成所谓倒角形状,但本发明中将构成截面形状的4条边延长而成的直线在4点相交,作为以4个交点为顶点的正方形对待。)。照片中示出了500μm的比例尺,由该照片切出以与该照片中的500μm相当的长度作为1边的正方形(相当于单位面积),测定其重量。接着,由照片切下八边形和正方形(正方形的4个顶点部分由曲线构成,因而沿着该曲线切下。),测定其重量。由500μm比例尺的正方形和切出物的重量比例计算出截面积。若为仅计测孔道截面积的比例的情况,则可以由八边形和正方形的重量比直接计算出面积比例。
另外,本发明中,关于孔道的长度和孔道隔壁的厚度、截面积的计测,也可以将电子显微镜照片作为图像数据得到,或者使用直接由电子显微镜得到的图像数据,输入照片的比例尺,从而从上述基于人工的计测换成电子计测。当然,基于人工的计测方法和电子化的计测方法均是基于电子显微镜图像的比例尺的计测,基于同一原理,当然两者的计测结果不会发生不一致。
作为电子计测,可以使用图像解析式粒度分布软件(株式会社マウンテック(Mountech)制造)MAC-View(版本3.5)的计测软件。利用该软件时,可以用扫描仪得到电子显微镜照片,或者使用直接由电子显微镜得到的图像数据,输入该照片的比例尺,沿着孔道的内壁指定范围,从而可以计测截面积。另外,图像中的任意的点间距离也可以基于电子显微镜照片的比例尺进行计测。在利用电子显微镜拍摄孔道截面时,与孔道长度方向垂直地切断过滤器,为了使其截面进入,准备1cm×1cm×1cm的样品,对样品进行超声清洗,或者利用树脂包埋,并拍摄电子显微镜照片。即使利用树脂进行包埋,也不会对孔道的边的长度和孔道隔壁的厚度的计测产生影响。
图2的(a)~(b)是示出利用电子显微镜所拍摄的孔道截面的形状的一例的照片。
图2的(a)中,可知废气排出孔道11和第2废气导入孔道14的截面形状为八边形。另外,第1废气导入孔道12的截面形状为正方形。第1废气导入孔道的顶点部分略由曲线构成,若将由第1废气导入孔道12的4条直线构成的边延长,则存在4个交点,可以构成以该交点为顶点的正方形,因此,根据本发明中的定义,将该孔道的截面形状作为正方形对待。
另外,通过使用MAC-View(版本3.5),可以计算出废气排出孔道11和第2废气导入孔道14的截面形状的面积(截面积)为2.14mm2,第1废气导入孔道12的截面形状的面积(截面积)为0.92mm2
此外,如图2的(b)所示,由于第1废气导入孔道的4个顶点部分由曲线构成,因而在构成第1废气导入孔道12的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边Ls的长度是除去了该曲线部分的长度。另外,在构成第2废气导入孔道14的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边的长度Lo为八边形的顶点间距离。
这样,边的长度Ls、Lo、截面积均可以由电子显微镜照片进行测定。
图3的(a)~(b)是示出与图2所示的孔道不同的孔道的孔道截面的形状的一例的扫描型电子显微镜照片(SEM照片)。
此外,根据图3的(a)可知,废气排出孔道41、第2废气导入孔道44、第1废气导入孔道42的截面形状均为下述形状:将4条相等长度的边假设地延长而成的直线相互垂直地相交,其交点(顶点)部分由曲线构成。这些孔道的截面形状均是顶点部分由曲线构成,若将构成各孔道的4条直线延长则存在4个交点,若将该交点作为假设的顶点,则4个顶点间距离均相等而构成正方形,因此,根据本发明中的定义,将这些孔道的截面形状作为正方形对待。
另外,由图3的(b)可以理解,构成第1废气导入孔道42的边由于其垂直平分线与废气排出孔道41相交,因此可以说构成第1废气导入孔道42的边与废气排出孔道41面对。另一方面,构成第2废气导入孔道44的边由于其垂直平分线不与废气排出孔道41相交,因此可以说构成第2废气排出孔道44的边不与废气排出孔道41面对。这样,可以由电子显微镜照片确定构成第2废气导入孔道44和第1废气导入孔道42的边是否与废气排出孔道41面对。
本发明中使用的膨胀正方形是指向图形的外侧弯曲的、由具有相同长度的4条曲线构成的图形,犹如正方形的边从其几何学重心向外侧方向膨胀的形状的图形。另外,收缩正方形是指向图形的内侧弯曲的、由具有相同长度的4条曲线构成的图形,犹如正方形的边向其几何学重心方向收缩的形状的图形。
本发明中,关于构成蜂窝过滤器的孔道的与长度方向垂直的截面,
第1废气导入孔道、第2废气导入孔道和废气排出孔道从废气入口端至废气出口端除了封孔部分外在各个孔道中的全部部位由这些孔道的内壁构成的截面形状均相同。即,仅对第1废气导入孔道来说,在对与其长度方向垂直的截面进行观察时,除了封孔部分外无论对从废气入口端至废气出口端的任何部分的截面进行观察,由其内壁构成的截面图形均为相同形状。相同形状是指全等的含义,不包括相似。即,为相似关系的形状是不同的形状。不仅是第1废气导入孔道,对于第2废气导入孔道和废气排出孔道来说,分别与第1废气导入孔道的情况同样的说明也是成立的。除去封孔部分外的原因是,由于在封孔部分存在封孔材料,因而由孔道隔壁的内壁构成的截面图形在物理上不存在。
本发明的蜂窝过滤器中,与现有的蜂窝过滤器相比,从初期开始到PM堆积量接近限界为止的整体过程中可以综合地降低压力损失。
本发明人认为,压力损失是由(a)废气流入蜂窝过滤器时的流入阻力、(b)废气导入孔道的通过阻力、(c)孔道隔壁的渗透阻力、(d)废气透过堆积的PM层时产生的渗透阻力、(e)废气排出孔道的通过阻力、(f)废气从蜂窝过滤器流出时的流出阻力所产生的。另外,根据本发明人的研究可查明,对于PM堆积前的初期压损而言(c)、(e)和(f)为主导因素,以及对于堆积了一定量PM后产生的瞬时压损而言(a)、(b)和(d)为主导因素。需要说明的是,作为初期压损的主导因素之一举出(e)废气排出孔道的通过阻力而不举出(b)废气导入孔道的通过阻力的原因在于,与基于废气导入孔道的蜂窝过滤器的开口率相比,基于废气排出孔道的蜂窝过滤器的开口率更小。同样地,作为初期压损的主导因素举出(f)废气从蜂窝过滤器流出时的流出阻力而不举出(a)废气流入蜂窝过滤器时的流入阻力的原因可推测为,与压缩气体的阻力相比,在气体从孔道中被排出而快速膨胀时在孔道出口附近产生涡流,该涡流抑制废气的流出而产生的阻力更高。
为了降低初期压损,需要降低通过阻力以及流出阻力,因此为了抑制快速膨胀而需要使废气排出孔道的截面积与废气导入孔道的截面积相同或者比其相对更大,另一方面,为了降低瞬时压损而需要使PM较宽、较薄地堆积,因而必须使废气导入孔道的截面积与废气排出孔道的截面积相比相对更大。
即,认为不可能同时降低瞬时压损和初期压损。本发明人进一步进行了研究,下面完成了本发明。
即,作为废气导入孔道,采用截面积大的废气导入孔道(第2废气导入孔道)和截面积小的废气导入孔道(第1废气导入孔道)这两种,同时采用截面积与第2废气导入孔道相同或相对更大的废气排出孔道,在该废气排出孔道的整个周围配置两种废气导入孔道,并且使隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的隔壁内壁的长度比隔开第2废气导入孔道和废气排出孔道的隔壁内壁的长度相对更长,或使隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的隔壁的厚度比隔开第2废气导入孔道和废气排出孔道的隔壁的厚度相对更薄,由此使废气首先优先地导入第1废气导入孔道。
对于第1废气导入孔道和废气排出孔道之间的隔壁而言,透过区域大(以多边形孔道的截面形状来说,边的长度长)或其厚度变薄,废气可以透过该合适的隔壁,可以降低(c)的渗透阻力。另外,由于废气排出孔道的截面积比第1废气导入孔道相对更大,因而可以使(e)的通过阻力降低。即,可以使(c)的渗透阻力和(e)的通过阻力均降低,可以降低初期压损。接着,在PM堆积一定量后,由于设定了第1废气导入孔道的截面积比第2废气导入孔道的截面积相对更小,因此在第1废气导入孔道堆积的PM层的渗透阻力提前升高,废气自然地(即自发地)更多进入第2废气导入孔道,从而废气的主流路被“开关”,在截面积大的第2废气导入孔道较宽、较薄地堆积了PM,即使是PM堆积后,也可以使(b)的通过阻力和(d)的渗透阻力降低,可以降低瞬时压损。
这样,本发明中,通过使主流路自开关,从而实现了以往被认为不可能的同时降低瞬时压损和初期压损的令人震惊的效果。
这样的废气更多流入的主流路的“开关”所产生的初期压损、瞬时压损的同时降低效果在之前说明的全部技术特征整体地发挥作用时表现出来,这样的构成、效果在公知文献中是不存在的。
如图17所示,在之前所示的国际公开第2004/024294号(专利文献1)中公开了一种废气导入孔道102的截面形状为八边形、废气排出孔道101的截面形状为四边形的蜂窝过滤器,公开了:通过增大废气导入孔道102的截面积而使PM较宽、较薄地堆积,使瞬时压损降低。但是,为了由该专利文献1达到本发明,需要将截面积小的废气排出孔道101的一部分变更为废气导入孔道102,将截面积大的废气导入孔道102的一部分变更为废气排出孔道101,但是这样的变更会否定欲增大废气导入孔道102的截面积的专利文献1中记载的发明思想,将专利文献1作为最近接文献无法导出本发明。
另外,如基于图18所说明的那样,在美国专利第4417908号说明书(专利文献2)中公开了一种蜂窝过滤器,其通过增加截面积相同的废气导入孔道的数量,增大废气导入孔道的总面积,从而可以使PM较宽、较薄地堆积,可以降低瞬时压损。
但是,为了由该专利文献2达到本发明,需要将废气导入孔道的一部分变更为截面积小的孔道,但是会减小废气导入孔道的截面积,结果否定了专利文献2的发明思想,将专利文献2作为最近接文献无法导出本发明。
这样,公知技术会否定本发明,本发明无法由公知文献导出。
下面,将实施方式作为例示,对本发明的作用效果进行详细说明。
图4的(a)~(c)是将本发明的一个实施方式的蜂窝过滤器的端面的一部分放大示出的放大端面图。
如图4的(a)所示,在该蜂窝过滤器20中,在废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道11的整个周围,隔着多孔质的孔道隔壁13邻接形成有废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14。
关于与孔道长度方向垂直的截面的形状,废气排出孔道11为与图17所示的废气导入孔道102同样形状的八边形,第1废气导入孔道12为正方形,第2废气导入孔道14为与废气排出孔道11相同形状的八边形。第2废气导入孔道14的孔道截面积比第1废气导入孔道12的孔道截面积大,与废气排出孔道11的截面积相同。因此,第2废气导入孔道14的截面积与废气排出孔道11的截面积相同,与第1废气导入孔道12的截面积相比,废气排出孔道11的截面积大。因此,可以将废气通过废气排出孔道11时的阻力、废气流出到过滤器的外部时的阻力抑制为较低,可以降低压力损失。
另外,在构成第1废气导入孔道12的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边12a的长度比在构成第2废气导入孔道14的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边14a的长度长。
若废气向蜂窝过滤器20的方向流来,则流入入口侧的端部开口的第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14。废气从过滤器内的容易流动的部分依次流动成整体的流动达到均等。本发明的蜂窝过滤器中,第1废气导入孔道12的边12a的长度(Ls)比第2废气导入孔道14的边14a的长度(Lo)长,因此将废气排出孔道11和第1废气导入孔道12隔开的孔道隔壁13a的表面积比将废气排出孔道11和第2废气导入孔道14隔开的孔道隔壁13b的表面积大,废气更容易透过孔道隔壁13a,在初期PM堆积于孔道隔壁13a的表面。
如上所述,由于能够同时降低废气排出孔道的通过阻力、废气从蜂窝过滤器流出时的流出阻力,因此可以降低PM堆积前的初期的压力损失。
如上所述对构成孔道的边的长度与表面积的关系作出结论是出于以下的理由。
将废气排出孔道11和第1废气导入孔道12隔开的孔道隔壁13a的表面积为第1废气导入孔道12的内壁侧的表面积,若将从废气入口端面和出口端面间距离中除去入口侧、出口侧的密封部的长度而得到的有效的过滤器的长度设为Le(参照图6的(b)),则第1废气导入孔道12的内壁侧的表面积用Ls×Le表示。另外,同样地,将废气排出孔道11和第2废气导入孔道14隔开的孔道隔壁13b的表面积为第2废气导入孔道14的内壁侧的表面积,若将从废气入口端面和出口端面间距离中除去入口侧、出口侧的密封部的长度而得到的有效的过滤器长度设为Le,则第2废气导入孔道14的内壁侧的表面积用Lo×Le表示。需要说明的是,作为过滤器的有效长度,在图6的(b)中采取以密封材料11的尖端为基准的长度。
因此,若边12a的长度(Ls)比边14a的长度(Lo)相对更长,则表面积方面也是Ls×Le比Lo×Le相对更大。即,边的长度和表面积的大小为相同含义。因此,若废气排出孔道11的边12a的长度(Ls)比第2废气导入孔道14的边14a的长度(Lo)长,则将废气排出孔道11和第1废气导入孔道12隔开的孔道隔壁13a的表面积比将废气排出孔道11和第2废气导入孔道14隔开的孔道隔壁13b的表面积大。
需要说明的是,在图4的(a)~(c)中,仅对图的一部分记入了与作用和效果有关的事项。图17、图18也相同。
接着,如图4的(b)所示,若PM在孔道隔壁13a的第1废气导入孔道12的内壁表面以某种程度的量堆积,则第1废气导入孔道12的截面积小,因而PM较厚地堆积,其结果,PM的堆积引起的阻力增加,废气变得难以透过孔道隔壁13a。若为这样的状况,则如上所述,废气透过将废气排出孔道11和第2废气导入孔道14隔开的孔道隔壁13b(主流路的开关),在孔道隔壁13b的第2废气导入孔道14的内壁表面也堆积PM。
接着,由于废气能够相当自由地在孔道隔壁中透过,因此如图4的(c)所示,废气还透过将第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14隔开的孔道隔壁13c的内部而流到废气排出孔道11。该情况下,废气还从第2废气导入孔道14侧侵入孔道隔壁13c,同时也从第1废气导入孔道12侧侵入孔道隔壁13c。
这样,PM不仅在第1废气导入孔道12的周围的孔道隔壁13a、13c的第1废气导入孔道12的内壁表面整体上,而且还在第2废气导入孔道14的周围的孔道隔壁13b、13c的第2废气导入孔道14的内壁表面整体上逐渐地堆积更多、但较宽、较薄地堆积。由于第1废气导入孔道12的截面积比第2废气导入孔道14的截面积小,因此PM较厚地堆积,PM层的渗透阻力升高,在废气导入后,与第1废气导入孔道12相比废气早期容易流入第2废气导入孔道14(之前说明的废气的主流路的开关),从而发生上述那样的PM堆积的变迁,与第1废气导入孔道12的周围的孔道隔壁13a、13c的第1废气导入孔道12的内壁表面相比,PM更在第2废气导入孔道14的周围的孔道隔壁13b、13c的第2废气导入孔道14的内壁表面整体上堆积。因此,可以将第2废气导入孔道14的周围的孔道隔壁13b、13c的第2废气导入孔道14的内壁表面整体应用于早期的PM堆积。另外,第2废气导入孔道14的周围的孔道隔壁13b、13c的第2废气导入孔道14的内壁表面积比第1废气导入孔道12的周围的孔道隔壁13a、13c的第1废气导入孔道12的内壁表面积大,即使PM在第2废气导入孔道14的周围的孔道隔壁13b、13c的整个周围堆积,也可以使堆积层的厚度较薄。因此,即使PM堆积,废气的压力损失的增加比例也小。其结果,即使PM的堆积量增加,也可实现能够将压力损失保持为较低的极优异的效果。
其结果,在搭载有本发明的蜂窝过滤器的车辆中,在整个使用区域难以发生压力损失的上升所引起的不适合运行的现象,也可以将油耗定额抑制为较低。
接着,对上述现有的蜂窝过滤器和本发明的蜂窝过滤器的作用和效果进行比较。
在专利文献1所公开的蜂窝过滤器90中,如图17的(a)~(d)所示,交替地(以格子图案)配置有截面为正方形的废气排出孔道101和截面为八边形的废气导入孔道102。
因此,在废气流入截面形状为八边形且截面积大于废气排出孔道101的截面积的废气导入孔道102后,透过将废气导入孔道102和废气排出孔道101隔开的孔道隔壁103a而流入废气排出孔道101。
此时,废气从截面积大的废气导入孔道102流入截面积小的废气排出孔道101时的阻力、通过截面积小的废气排出孔道101时的阻力、废气从截面积小的废气排出孔道101被排出到外部时的阻力高,与本发明的蜂窝过滤器相比初期的压力损失升高。
若PM以某种程度堆积,则废气也会透过将废气导入孔道102彼此隔开的孔道隔壁103b中,但与本发明的蜂窝过滤器10相比,由于PM堆积的孔道隔壁的表面积小,因而PM较厚地堆积,难以抑制压力损失的增加。
在专利文献2所公开的蜂窝过滤器110中,如图18的(a)所示,各孔道的与长度方向垂直的截面全部为相同的正方形,在废气排出孔道111的整个周围隔着孔道隔壁113b邻接有废气导入孔道112、114。另外,关于截面形状,废气导入孔道112与废气排出孔道111隔着孔道隔壁113a而1边是面对的,但废气导入孔道114与废气排出孔道111为角部彼此相对的关系,构成废气导入孔道114的边114a与构成废气排出孔道111的边111a不为面对的关系。
在这种结构的蜂窝过滤器110中,如图18的(b)所示,废气首先流入隔着孔道隔壁113a与废气排出孔道111相对的废气导入孔道112,在透过孔道隔壁113a后,流入废气排出孔道111。
该蜂窝过滤器110中,废气排出孔道111与废气导入孔道112的截面积是相同的,因此与废气由第1废气导入孔道12通过到截面积比第1废气导入孔道12大的废气排出孔道11的本发明的蜂窝过滤器10相比,初期的压力损失变得更高。
若PM在孔道隔壁113a的表面堆积为某种程度,则如图18的(c)所示,从与废气排出孔道111为角部彼此相对的关系的废气导入孔道114透过介于其间的孔道隔壁113b,并流入废气排出孔道111。但是,由于废气导入孔道112和废气导入孔道114的截面积相同,因而通过废气导入孔道时的阻力相等,因此至流入废气导入孔道114为止的时间长,PM堆积的不均衡也大。另外,用于PM堆积的表面积比本发明的蜂窝过滤器10小,因此压力损失升高。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与隔着孔道隔壁邻接的废气排出孔道和第1废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的截面,在它们的截面形状为多边形时,优选的是,在构成废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第1废气导入孔道邻接并与该第1废气导入孔道面对的边、和在构成第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与废气排出孔道邻接并与该废气排出孔道面对的边是相互平行的。
这意味着将废气排出孔道和第1废气导入孔道隔开的孔道隔壁的厚度在任何部位都是均匀的,这是因为,过滤器的抗破坏强度高,而且容易透过废气,可以均匀地堆积PM,因而可以使压力损失较低。
需要说明的是,截面形状中在多边形的顶点部分由曲线构成的情况下,该曲线部分不作为边对待。这是因为毕竟无法达到平行。
在与孔道长度方向垂直的截面中,假设地延长被视为边的直线部分,将该假设的直线彼此交叉的交点作为假设的顶点时,除去曲线部分外的截面形状的边的长度优选为将该假设的顶点间连结所构成的多边形的假设的边的长度的80%以上。换言之,不作为边对待的部分优选小于假设的边的长度的20%。
这是因为:在孔道的截面形状为多边形时,若边的长度为假设的边的长度的80%以上,则通过调整边的长度,可以实现作为本发明的作用效果的主流路开关的效果。
另外,本发明的蜂窝过滤器中,关于与隔着孔道隔壁邻接的废气排出孔道和第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的截面,在它们的截面形状为多边形的情况下,优选的是,在构成废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第2废气导入孔道邻接并与该第2废气导入孔道面对的边、和在构成第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与废气排出孔道邻接并与该废气排出孔道面对的边是相互平行的。
这意味着将废气排出孔道和第2废气导入孔道隔开的隔壁的厚度在任何部位都是均匀的,这是因为,过滤器的抗破坏强度高,而且容易透过废气,可以均匀地堆积PM,因而可以使压力损失较低。
需要说明的是,截面形状中在多边形的顶点部分由曲线构成的情况下,该曲线部分不作为边对待。这是因为毕竟无法达到平行。
在与孔道长度方向垂直的截面中,假设地延长被视为边的直线部分,将该假设的直线彼此交叉的交点作为假设的顶点时,除去曲线部分外的截面形状的边的长度优选为将该假设的顶点间连结所构成的多边形的假设的边的长度的80%以上。换言之,不作为边对待的部分优选小于假设的边的长度的20%。
这是因为:在孔道的截面形状为多边形时,若边的长度为假设的边的长度的80%以上,则通过调整边的长度,可以实现作为本发明的作用效果的主流路开关的效果。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与隔着孔道隔壁邻接的第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的截面,在它们的截面形状为多边形的情况下,优选的是,在构成第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第2废气导入孔道邻接并与该第2废气导入孔道面对的边、和在构成第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第1废气导入孔道邻接并与该第1废气导入孔道面对的边是相互平行的。
这意味着将第1废气导入孔道和第2废气导入孔道隔开的隔壁的厚度在任何部位都是均匀的,这是因为,过滤器的抗破坏强度高,容易使废气透过该隔壁并从第2废气导入孔道向废气排出孔道侧透过,可以使PM较宽、较薄地均匀堆积在第2废气导入孔道内壁,因而在PM堆积后可以使压力损失较低。
需要说明的是,截面形状中在多边形的顶点部分由曲线构成的情况下,该曲线部分不作为边对待。这是因为毕竟无法达到平行。
在与孔道长度方向垂直的截面中,假设地延长被视为边的直线部分,将该假设的直线彼此交叉的交点作为假设的顶点时,除去曲线部分外的截面形状的边的长度优选为将该假设的顶点间连结所构成的多边形的假设的边的长度的80%以上。换言之,不作为边对待的部分优选小于假设的边的长度的20%。
这是因为:在孔道的截面形状为多边形时,若边的长度为假设的边的长度的80%以上,则通过调整边的长度,可以实现作为本发明的作用效果的主流路开关的效果。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与隔着孔道隔壁分别邻接的废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的截面,在它们的截面形状为多边形的情况下,优选的是,
(a)在构成废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第1废气导入孔道邻接并与该第1废气导入孔道面对的边、和在构成第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与废气排出孔道邻接并与该废气排出孔道面对的边是相互平行的,
并且,
(b)在构成废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第2废气导入孔道邻接并与该第2废气导入孔道面对的边、和在构成第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与废气排出孔道邻接并与该废气排出孔道面对的边是相互平行的,
并且,
(c)在构成第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第2废气导入孔道邻接并与该第2废气导入孔道面对的边、和在构成第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第1废气导入孔道邻接并与该第1废气导入孔道面对的边是相互平行的。
另外,本发明的蜂窝过滤器中,关于与第1废气导入孔道、第2废气导入孔道和废气排出孔道的与长度方向垂直的截面,在它们的截面形状为多边形的情况下,除了同时具备上述(a)、(b)、(c)的构成外,还进一步优选(a)中平行的边彼此之间的距离、(b)中平行的边彼此之间的距离和(c)中平行的边彼此之间的距离分别相等。需要说明的是,关于边彼此之间的距离,从一条边的任意的点P假设地向另一条边描绘垂线,将该垂线与另一条边相交的点设为Q时,P与Q之间的距离被定义为平行的边彼此之间的距离。
这是因为,根据上述构成,蜂窝过滤器的抗破坏强度最高,在PM堆积前和堆积后的任意情况下均能够最为降低压力损失,并且可以抑制再生PM时产生的热冲击导致的过滤器破损。
需要说明的是,截面形状中在多边形的顶点部分由曲线构成的情况下,该曲线部分不作为边对待。这是因为毕竟无法达到平行。
在与孔道长度方向垂直的截面中,假设地延长被视为边的直线部分,将该假设的直线彼此交叉的交点作为假设的顶点时,除去曲线部分外的截面形状的边的长度优选为将该假设的顶点间连结所构成的多边形的假设的边的长度的80%以上。换言之,不作为边对待的部分优选小于假设的边的长度的20%。
这是因为:在孔道的截面形状为多边形时,若边的长度为假设的边的长度的80%以上,则通过调整边的长度,可以实现作为本发明的作用效果的主流路开关的效果。
本发明的蜂窝过滤器优选用于净化由汽车内燃机排出的废气中的PM。这是因为,可以同时降低PM堆积前在过滤器中产生的初期压损和通过PM堆积在过滤器中产生的瞬时压损这两者,因此可以改善发动机的油耗定额。
本发明的蜂窝过滤器最适合于采用柴油发动机作为汽车内燃机的情况。这是因为,由柴油发动机排出的PM的量比汽油发动机多,降低通过PM堆积而在过滤器中产生的瞬时压损的要求比汽油发动机高。
在将本发明的蜂窝过滤器用于净化由汽车内燃机排出的废气中的PM时,利用保持材料将本发明的蜂窝过滤器固定在排气管内而进行使用。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述废气排出孔道和上述废气导入孔道均由多边形构成,在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的与废气排出孔道面对的边的长度为在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度的0.8倍以下。
该情况下,废气更容易透过将废气排出孔道和第1废气导入孔道隔开的孔道隔壁,可以有效地抑制初期的压力损失,在PM堆积后也可以抑制压力损失的增加比例变大。
若第2废气导入孔道的边的长度相对于第1废气导入孔道的边的长度之比超过0.8,则两边的长度没有较大差异,因此难以将初期的压力损失抑制为较低。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选上述废气排出孔道为八边形,上述第1废气导入孔道为正方形,上述第2废气导入孔道为八边形。
上述构成的蜂窝过滤器的形状与对作用和效果进行了说明的图4的蜂窝过滤器相同,可以有效地抑制初期的压力损失,同时可以增大PM堆积的表面积,可以将压力损失保持为较低。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述第2废气导入孔道的截面积与上述废气排出孔道的截面积相同,
上述第1废气导入孔道的截面积为上述第2废气导入孔道的截面积的20%~50%。
该情况下,可以使废气通过第1废气导入孔道时的阻力与废气通过第2废气导入孔道时的阻力存在差距,可以有效地抑制压力损失。
若第1废气导入孔道的截面积小于第2废气导入孔道的截面积的20%,则第1废气导入孔道的截面积变得过小,废气通过第1废气导入孔道的通过阻力变大,压力损失容易变高。另一方面,若第1废气导入孔道的截面积超过第2废气导入孔道的截面积的50%,则两者的通过阻力之差减小,难以降低压力损失。
本发明的蜂窝过滤器中,废气排出孔道和废气导入孔道优选的是,关于与孔道长度方向垂直的截面,均由多边形构成,上述蜂窝过滤器的将孔道彼此隔开的孔道隔壁的厚度在全部部位是相等的。
该情况下,蜂窝过滤器的整体可以发挥出上述效果。
本发明的蜂窝过滤器中,上述蜂窝过滤器的孔道隔壁的厚度优选为0.10mm~0.46mm。
上述厚度的孔道隔壁具有对捕集该气体中的PM而言充分的厚度,同时可以有效地抑制压力损失的增加。因此,本发明的蜂窝过滤器中,可以充分发挥出作为上述本发明的蜂窝过滤器的效果。
上述孔道隔壁的厚度小于0.10mm时,孔道隔壁的厚度变得过薄,因此蜂窝过滤器的机械强度降低。另一方面,若孔道隔壁的厚度超过0.46mm,则孔道隔壁变得过厚,因此废气透过孔道隔壁时的压力损失变大。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述废气排出孔道的截面形状为八边形,上述第1废气导入孔道的截面形状为正方形,上述第2废气导入孔道的截面形状为八边形,
上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的截面形状为相互全等的形状,同时,
在上述废气排出孔道的周围隔着孔道隔壁分别交替地配置有上述第1废气导入孔道和第2废气导入孔道各4个,从而将废气排出孔道包围,
另外,分别配置上述废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,以使得:在将包围废气排出孔道的4个第2废气导入孔道的截面形状即各八边形的几何学重心连结的假设线段之中,穿过由废气排出孔道的截面形状构成的图形区域的两条线段的交点与废气排出孔道的截面形状即八边形的几何学重心一致,
并且,在将上述4个第2废气导入孔道的截面形状即各八边形的几何学重心连结的假设线段之中,不穿过由废气排出孔道的截面形状构成的图形区域的4条线段构成正方形,其各边的中点与包围废气排出孔道的4个第1废气导入孔道的截面形状即各正方形的几何学重心一致;
同时,在构成上述废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第1废气导入孔道面对的边、和在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着上述孔道隔壁与废气排出孔道面对的边是平行的,
在构成上述废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与上述第2废气导入孔道面对的边、和在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着上述孔道隔壁与废气排出孔道面对的边是平行的,另外,在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与上述第2废气导入孔道面对的边、和在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着上述孔道隔壁与第1废气导入孔道面对的边是平行的,
并且,上述平行的边之间的距离在所有组合中均相互相等。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选上述废气排出孔道、上述第1废气导入孔道和上述第2废气导入孔道均为正方形。
即使在这种上述第1废气导入孔道和上述第2废气导入孔道均为正方形的情况下,废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的大小的关系及位置关系等也不同,例如,第1废气导入孔道的截面的面积比废气排出孔道的截面积小,因而与现有技术中说明的蜂窝过滤器110不同,可以发挥出上述本发明的效果。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述第2废气导入孔道的截面积与上述废气排出孔道的截面积相同,
上述第1废气导入孔道的截面积为上述第2废气导入孔道的截面积的20%~50%。
上述构成的蜂窝过滤器中,可以使废气通过第1废气导入孔道时的阻力与废气通过第2废气导入孔道时的阻力存在差距,可以有效地抑制压力损失。
若第1废气导入孔道的截面积小于第2废气导入孔道的截面积的20%,则第1废气导入孔道的截面积变得过小,废气通过第1废气导入孔道的通过阻力变大,压力损失容易变高。另一方面,若第1废气导入孔道的截面积超过第2废气导入孔道的截面积的50%,则两者的通过阻力之差减小,难以降低压力损失。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述废气排出孔道的截面形状为正方形,上述第1废气导入孔道的截面形状为正方形,上述第2废气导入孔道的截面形状为正方形,
上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的截面形状为相互全等的形状,同时,
在上述废气排出孔道的周围隔着孔道隔壁分别交替地配置有上述第1废气导入孔道和第2废气导入孔道各4个,从而将废气排出孔道包围,
另外,分别配置上述废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,以使得:在将包围废气排出孔道的4个第2废气导入孔道的截面形状即各正方形的几何学重心连结的假设线段之中,穿过由废气排出孔道的截面形状构成的图形区域的两条线段的交点与废气排出孔道的截面形状即正方形的几何学重心一致,
并且,在将上述4个第2废气导入孔道的截面形状即各正方形的几何学重心连结的假设线段之中,不穿过由废气排出孔道的截面形状构成的图形区域的4条线段构成正方形,其各边的中点与包围废气排出孔道的4个第1废气导入孔道的截面形状即各正方形的几何学重心一致;
同时,在构成上述废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第1废气导入孔道面对的边、和在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着上述孔道隔壁与废气排出孔道面对的边是平行的,
在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与上述第2废气导入孔道面对的边、和在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着上述孔道隔壁与第1废气导入孔道面对的边是平行的,
并且,上述平行的边之间的距离在所有组合中均相互相等。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与上述孔道长度方向垂直的截面,优选由上述多边形构成的孔道的顶点部分为曲线倒角形状。
在这种方式的蜂窝过滤器中,由于孔道的顶点部分为曲线倒角形状,因而热等引起的应力难以集中于孔道的角部,难以产生裂纹。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述废气排出孔道、上述第1废气导入孔道和上述第2废气导入孔道为点对称的多边形,是其边数为八条以下的多边形。
通过为点对称的多边形,并使其边数为八条以下,可以减小废气通过孔道的阻力,可以进一步降低压力损失。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述废气排出孔道和上述废气导入孔道为由曲线构成的形状,
隔开上述第1废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度为隔开上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度的40%~75%。
本发明的蜂窝过滤器中,隔开上述第1废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度为隔开上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度的40%~75%时,在初期,废气容易透过隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁,在PM堆积了某种程度的阶段,会透过隔开第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁。另外,第2废气导入孔道的孔道截面积大于第1废气导入孔道的孔道截面积,废气排出孔道的截面积与第2废气导入孔道的截面积相同或比第2废气导入孔道的截面积大,因而可发挥出上述本发明的作用效果。
若隔开上述第1废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度小于隔开上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度的40%,则需要使隔开上述第1废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度极薄,因此蜂窝过滤器的机械特性降低。另一方面,若隔开上述第1废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度超过隔开上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度的75%,则两者的孔道隔壁的厚度不存在较大差异,因而有时无法得到上述压损降低的效果。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选上述废气排出孔道、上述第1废气导入孔道和上述第2废气导入孔道均为圆形。
即使废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的截面形状均为圆形,也可以发挥出本发明的作用和效果。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述废气排出孔道和上述第2废气导入孔道的截面形状为由向孔道外侧弯曲的4条曲线构成的膨胀正方形,另一方面,上述第1废气导入孔道的截面形状为由向孔道内侧弯曲的4条曲线构成的收缩正方形。
该蜂窝过滤器中,由于废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道具有上述构成,因而成为废气排出孔道的截面积大于第1废气导入孔道的截面积、废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的大小的关系也具有本发明的关系的蜂窝过滤器。因此,可以发挥出本发明的作用效果。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,
上述第2废气导入孔道的截面积与上述废气排出孔道的截面积相同,
上述第1废气导入孔道的截面积为上述第2废气导入孔道的截面积的20%~50%。
上述构成的蜂窝过滤器中,可以使废气通过第1废气导入孔道时的阻力与废气通过第2废气导入孔道时的阻力存在差距,可以有效地抑制压力损失。
若第1废气导入孔道的截面积小于第2废气导入孔道的截面积的20%,则第1废气导入孔道的截面积变得过小,废气通过第1废气导入孔道的通过阻力变大,压力损失容易变高。另一方面,若第1废气导入孔道的截面积超过第2废气导入孔道的截面积的50%,则两者的通过阻力之差减小,难以降低压力损失。
本发明的蜂窝过滤器中,作为上述废气导入孔道,优选仅包括第1废气导入孔道和第2废气导入孔道这两种,所述第2废气导入孔道中的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积比第1废气导入孔道的大。
这是因为,截面积比第2废气导入孔道的截面积小的废气导入孔道的数量少时,可以增大作为导入孔道的有效面积,可以使PM较薄、较宽地堆积。
本发明的蜂窝过滤器中,优选的是,上述蜂窝过滤器通过多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成,所述蜂窝烧制体具有上述废气排出孔道、上述第1废气导入孔道和上述第2废气导入孔道且在外周具有外周壁。
即使是通过这样的多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成的结构体,构成一个蜂窝烧制体的孔道具有本发明的构成,因而其集合体也可以发挥出本发明的效果。
本发明的蜂窝过滤器中,优选的是,上述蜂窝过滤器由一个蜂窝烧制体构成,该蜂窝烧制体具有上述废气排出孔道、上述第1废气导入孔道和上述第2废气导入孔道且在外周具有外周壁。
该蜂窝过滤器中,上述蜂窝过滤器由一个蜂窝烧制体构成,上述蜂窝烧制体可以发挥出本发明的效果。
本发明的蜂窝过滤器中,优选的是,上述蜂窝过滤器由蜂窝烧制体构成,该蜂窝烧制体由碳化硅或含硅的碳化硅构成。
上述碳化硅、上述含硅的碳化硅是耐热性优异的材料。因此,该蜂窝过滤器成为耐热性更优异的蜂窝过滤器。
本发明的蜂窝过滤器中,优选的是,上述蜂窝过滤器由蜂窝烧制体构成,该蜂窝烧制体由堇青石或钛酸铝构成。
上述堇青石、钛酸铝是热膨胀率低的材料。因此,该蜂窝过滤器可成为即使在再生时等产生大的热应力的情况下也难以产生裂纹等的蜂窝过滤器。
本发明的蜂窝过滤器中,上述孔道隔壁的气孔率优选为40%~65%。
孔道隔壁的气孔率为40%~65%的情况下,孔道隔壁可以良好地捕集废气中的PM,并且可以抑制孔道隔壁引起的压力损失的上升。因此,可成为初期的压力损失低、即使堆积PM也难以使压力损失上升的蜂窝过滤器。
孔道隔壁的气孔率小于40%时,孔道隔壁的气孔的比例过小,因此废气难以透过孔道隔壁,废气透过孔道隔壁时的压力损失变大。另一方面,若孔道隔壁的气孔率超过65%,则孔道隔壁的机械特性低,在再生时等不容易产生裂纹。
本发明的蜂窝过滤器中,优选上述孔道隔壁所含有的气孔的平均气孔径为8μm~25μm。气孔径可以利用水银压入法在接触角为130°、表面张力为485mN/m的条件下进行测定。
利用上述构成的蜂窝过滤器,可以在抑制压力损失增加的同时,以高捕集效率捕集PM。若孔道隔壁所含有的气孔的平均气孔径小于8μm,则气孔过小,因此废气透过孔道隔壁时的压力损失变大。另一方面,若孔道隔壁所含有的气孔的平均气孔径超过25μm,则气孔径变得过大,因而PM的捕集效率会降低。
本发明的蜂窝过滤器中,优选在外周形成有外周涂层。
该外周涂层可起到机械地保护内部的孔道的作用。因此,可成为压缩强度等机械特性优异的蜂窝过滤器。
本发明的蜂窝过滤器中,
关于与构成蜂窝过滤器的孔道的长度方向垂直的截面形状,优选的是,
上述第1废气导入孔道、上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道从废气入口侧的端部至废气出口侧的端部除了封孔部分外在各个孔道中的全部部位是相同的,上述第1废气导入孔道和上述第2废气导入孔道的截面形状相互不同,且上述废气排出孔道和上述第1废气导入孔道的截面形状也相互不同。该不同即是指不全等,但包括相似形。即,在截面形状为相似形的情况下,可解释成截面形状相互不同。
第1废气导入孔道本身如论观察哪个截面都为相同形状,第2废气导入孔道和废气排出孔道也分别无论观察哪个截面都为相同形状,但在比较第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的情况下,它们的截面形状相互不同,另外,在比较废气排出孔道和第1废气导入孔道的截面形状时也是相互不同的。
本发明的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,优选的是,将下述孔道结构作为1个孔道单元,该孔道单元相互共有在下述孔道结构中的废气排出孔道的周围所配置的第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,同时二维地进行重复,从而构成蜂窝过滤器。
孔道结构:在废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁而邻接有废气导入孔道,上述废气导入孔道包括第1废气导入孔道和第2废气导入孔道这两种,所述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积比该第1废气导入孔道的大,并且,上述废气排出孔道的与孔道长度方向垂直的截面的截面积形成为与上述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的截面的截面积相同、或者比上述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的截面的截面积大;关于与孔道长度方向垂直的截面,上述废气排出孔道和上述废气导入孔道均由多边形构成,在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度比在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度长,或者,构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的任一条边与上述废气排出孔道面对,且构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边均不与上述废气排出孔道面对;
或者孔道结构为下述结构:
关于与孔道长度方向垂直的截面,上述废气排出孔道和上述废气导入孔道为由曲线构成的形状,隔开上述第1废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度比隔开上述第2废气导入孔道和上述废气排出孔道的孔道隔壁的厚度薄。
这是因为,上述孔道单元二维地进行重复,从而构成大容积的过滤器。过滤器存在外周壁,当然孔道单元不会从该外周壁向外扩散。因此,孔道单元对应于该外周壁的形状而适当受到缺损。
附图说明
图1是将本发明的一个实施方式的蜂窝过滤器的端面的一部分放大示出的放大端面图。
图2的(a)~(b)是示出孔道截面的形状的一例的扫描型电子显微镜照片(SEM照片)。
图3的(a)~(b)是示出与图2所示的孔道不同的孔道的孔道截面的形状的一例的扫描型电子显微镜照片(SEM照片)。
图4的(a)~(c)是将本发明的一个实施方式的蜂窝过滤器的端面的一部分放大示出的放大端面图。
图5是示意性地示出本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器的一例的立体图。
图6的(a)是示意性地示出构成图5所示的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的一例的立体图。图6的(b)是图6的(a)所示的蜂窝烧制体的A-A线截面图。
图7是示出在孔道的截面形状中第2废气导入孔道和废气排出孔道为八边形、第1废气导入孔道为正方形的情况下,孔道单元(孔道结构)二维地即在X、Y方向如何重复、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道在各孔道单元(孔道结构)间如何共有的蜂窝过滤器的与孔道长度方向垂直的截面的放大图。
图8的(a)是示出本发明的蜂窝过滤器的第一实施方式的变形例的一例的立体图,图8的(b)是示意性地示出构成图8的(a)所示的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的立体图。
图9是示意性地示出压力损失测定方法的截面图。
图10是示出在实施例1和比较例1中测定的PM捕集量与压力损失的关系的曲线图。
图11的(a)是示意性地示出本发明的第二实施方式的整体型蜂窝过滤器的一例的立体图,图11的(b)是示出上述整体型蜂窝过滤器的B-B线截面的截面图。
图12是示意性地示出构成本发明的第三实施方式的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的端面的孔道的配置例的一例的放大端面图。
图13是示出在孔道的截面形状中第1废气导入孔道、第2废气导入孔道和废气排出孔道为正方形的情况下,孔道单元(孔道结构)二维地即在X、Y方向如何重复、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道在各孔道单元(孔道结构)间如何共有的蜂窝过滤器的与孔道长度方向垂直的截面的放大图。
图14是示意性地示出构成本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的端面的孔道的配置例的一例的放大端面图。
图15是示意性地示出构成本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的端面的孔道的配置例的一例的放大端面图。
图16的(a)是示意性地示出膨胀正方形的孔道形状的一例的说明图,图16的(b)是示意性地示出收缩正方形的孔道形状的一例的说明图,图16的(c)是示意性地示出对收缩正方形的顶点部分实施了倒角的形状的一例的说明图,图16的(d)是示意性地示出对膨胀正方形的顶点部分实施了倒角的形状的一例的说明图。
图17的(a)是示意性地示出专利文献1中记载的蜂窝过滤器的立体图,图17的(b)是示意性地示出构成图17的(a)所示的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的立体图,图17的(c)、(d)是示意性地示出上述蜂窝过滤器的端面放大图。
图18的(a)是示意性地示出专利文献2中记载的蜂窝过滤器的立体图,图18的(b)~(c)是示意性地示出上述蜂窝过滤器的端面放大图。
图19的(a)是示意性地示出比较例的蜂窝过滤器的立体图,图19的(b)是示意性地示出构成图19的(a)所示的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的立体图。
具体实施方式
下面,对本发明的实施方式进行具体说明。但是,本发明不限定于以下的实施方式,可以在不改变本发明的要点的范围内适宜变更而应用。
(第一实施方式)
下面,对作为本发明的蜂窝过滤器的一个实施方式的第一实施方式进行说明。
本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器通过多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成,该蜂窝烧制体具备废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道、以及作为废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的废气导入孔道的第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,且该蜂窝烧制体在外周具有外周壁。
另外,在上述废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,
关于与孔道长度方向垂直的方向的截面,上述第2废气导入孔道的截面积大于第1废气导入孔道的截面积,上述废气排出孔道的截面积与上述第2废气导入孔道的截面积相同,
关于与孔道长度方向垂直的截面,上述废气排出孔道和上述废气导入孔道均由多边形构成,在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度比在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度长。
需要说明的是,关于与孔道长度方向垂直的方向的截面形状,上述废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状除了封孔部分外从废气入口侧的端部至上述废气出口侧的端部在各个孔道中的全部部位是相同的。
图5是示意性地示出本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器的一例的立体图。
图6的(a)是示意性地示出构成图5所示的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的一例的立体图。图6的(b)是图6的(a)所示的蜂窝烧制体的A-A线截面图。
在图5所示的蜂窝过滤器20中,多个蜂窝烧制体10通过粘接材料层15进行结合而构成陶瓷块18,在该陶瓷块18的外周形成有用于防止废气漏出的外周涂层16。需要说明的是,外周涂层16根据需要形成即可。
这样的将多个蜂窝烧制体结合而成的蜂窝过滤器也称为集合型蜂窝过滤器。
需要说明的是,蜂窝烧制体10为四棱柱形状,如图6的(a)所示,实施倒角以使端面中的角部成为曲线形状,由此可以防止热应力集中于角部而产生裂纹等损伤。上述角部可以被倒角成直线形状。
需要说明的是,在第一实施方式的蜂窝过滤器中,优选废气排出孔道的废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔,废气导入孔道的废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔,封孔材料优选为与蜂窝烧制体相同的材料。
在图6的(a)和图6的(b)所示的蜂窝烧制体10中,在截面为八边形的废气排出孔道11的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有截面为正方形的第1废气导入孔道12和截面为八边形的第2废气导入孔道14。在废气排出孔道11的周围交替地配置有第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14,第2废气导入孔道14的截面积大于第1废气导入孔道12的截面积,废气排出孔道11的截面积与第2废气导入孔道14的截面积相同。另外,在该蜂窝烧制体10的外周形成有外周壁17。
第2废气导入孔道14和废气排出孔道11的截面形状均为八边形,是相互全等的八边形。
废气排出孔道11和第2废气导入孔道14具有相同的八边形的形状,该八边形相对于重心为点对称,是斜边(图4中用14a表示)的长度全部相等、纵横的边(图4中用14b表示)的长度全部相等的形状的八边形,且4个第1边(斜边)和4个第2边(纵横的边)交替地进行配置,第1边与第2边所成的角度为135°。
需要说明的是,“斜边”通常是指直角三角形的与直角相对的最长的边,该说明书中,为了便于说明,将相对于下述说明的4条假设线段具有不是90°或0°的特定角度的边14a及边11b表现为“斜边”。另外,作为与其相区别的含义,将相对于下述说明的假设的4条线段为平行或垂直的边14b及边11a表现为“纵横的边”。
“斜边”、“纵横的边”的说明中的假设线段是指,在将配置于废气排出孔道11的周围的4个第2废气导入孔道14的截面图形的几何学重心间连结的假设线段中的不与废气排出孔道11的截面图形相交的4条线段(这4条线段构成正方形)。
第1废气导入孔道12具有正方形的截面形状。
另外,关于相邻的3种孔道、即废气排出孔道11、第2废气导入孔道14和第1废气导入孔道12的截面形状,在八边形的废气排出孔道11的边中的隔着孔道隔壁13与第1废气导入孔道12面对的边11a与在正方形的第1废气导入孔道12的边中的隔着孔道隔壁13与废气排出孔道11面对的边12a是平行的。
另外,在八边形的废气排出孔道11的边中的隔着孔道隔壁13与八边形的第2废气导入孔道14面对的边11b与在八边形的第2废气导入孔道14的边中的隔着孔道隔壁13与废气排出孔道11面对的边14a是平行的。另外,在第1废气导入孔道12的边中的隔着孔道隔壁13与第2废气导入孔道14面对的边12b与在第2废气导入孔道14的边中的隔着孔道隔壁13与第1废气导入孔道12面对的边14b是平行的。另外,在所有组合中相互平行的边之间的距离均相互相等。即,相互平行的边11a与边12a之间的距离、相互平行的边11b与边14a之间的距离和相互平行的边12b与边14b之间的距离相互相等。
此外,废气排出孔道11、第1废气导入孔道12、第2废气导入孔道14分别以满足下述条件的方式进行配置。
即,在将包围废气排出孔道11的4个第2废气导入孔道14的八边形图形的几何学重心连结的假设线段之中,穿过废气排出孔道11的八边形图形区域的两条线段的交点与废气排出孔道11的八边形图形的几何学重心一致。
另外,在将4个第2废气导入孔道14的八边形图形的几何学重心连结的假设线段之中,不穿过废气排出孔道11的八边形图形区域的4条线段构成正方形,其各边的中点与包围废气排出孔道11的4个第1废气导入孔道12的正方形图形的几何学重心一致。
这样,将在作为八边形的废气排出孔道11的周围隔着孔道隔壁13分别交替地配置有正方形的第1废气导入孔道12和八边形的第2废气导入孔道14各4个而将废气排出孔道11包围的结构作为1个单元,该单元相互共有第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14,同时二维地重复并排列,构成蜂窝过滤器。各单元相互共有第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14,因而与废气排出孔道11隔着孔道隔壁13邻接的第1废气导入孔道12及第2废气导入孔道14与邻接的单元中的废气排出孔道11隔着孔道隔壁13而邻接。
图7是示出在孔道的截面形状中第2废气导入孔道14和废气排出孔道11为八边形、第1废气导入孔道12为正方形、是满足上述说明的条件的配置的情况下,孔道单元(孔道结构)二维地即在图7中记载的X、Y方向如何重复、第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14在各孔道单元(孔道结构)间如何被共有的蜂窝过滤器的与孔道长度方向垂直的截面的放大图。
为了满足上述说明的条件,孔道单元1、孔道单元2和孔道单元3均具有在废气排出孔道11的整个周围隔着孔道隔壁13分别交替地配置有第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14各4个的结构。孔道单元2具有与孔道单元1相同的结构,与孔道单元1共有1个第1废气导入孔道12和2个第2废气导入孔道14,并在X方向邻接。由孔道单元1和孔道单元2所共有的孔道在图7中记为“共有部分2”。另外,孔道单元3具有与孔道单元1相同的结构,与孔道单元1共有1个第1废气导入孔道12和2个第2废气导入孔道14并在Y方向邻接。由孔道单元1和孔道单元3所共有的孔道在图7中记为“共有部分1”。
需要说明的是,在将4个第2废气导入孔道14的八边形图形的几何学重心连结的假设线段之中,将不穿过废气排出孔道11的八边形图形区域的4条线段H、I、J、K以及穿过废气排出孔道11的八边形图形区域的假设的两条线段L、M示于图7中。并且,“共有部分2”通过与线段M相同方向的线段构成的影线进行描绘,“共有部分1”通过与线段L相同方向的线段构成的影线进行描绘。
如图7所示,两条线段L、M的交点与废气排出孔道11的几何学重心一致。
关于上述孔道的形状,在图4~6所示的蜂窝过滤器20中,废气排出孔道11和第2废气导入孔道14的截面为八边形,第1废气导入孔道12的截面为正方形,但构成本发明的蜂窝过滤器的废气排出孔道和废气导入孔道的截面的形状不限定于上述形状,如下所述可以全部为正方形,也可以为其它的多边形的组合。
另外,这样的截面为多边形的孔道的废气排出孔道11、第1废气导入孔道12、和第2废气导入孔道14的顶点部分可以形成截面为曲线的曲线倒角形状。
作为上述曲线,可以举出将圆4等分时得到的曲线、将椭圆用长轴和与长轴垂直的直线4等分时得到的曲线等。特别优选截面为四边形的孔道的顶点部分形成截面为曲线的曲线倒角形状。这是因为,能够防止因应力集中于角部而导致孔道隔壁产生裂纹。
另外,该蜂窝过滤器20中,根据需要可以部分包含截面由圆形等曲线构成的孔道。
第1废气导入孔道12的截面积优选为第2废气导入孔道14的截面积的20%~50%、更优选为22%~45%。
在图4~6所示的蜂窝过滤器20中,废气排出孔道11的截面积与第2废气导入孔道14的截面积相同,废气排出孔道11的截面积可以大于第2废气导入孔道14的截面积。
该情况下,废气排出孔道11的截面积优选为第2废气导入孔道14的截面积的1.05倍~1.5倍。
另外,在构成第1废气导入孔道12的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边12a的长度比在构成第2废气导入孔道14的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边14a的长度长。根据上述本发明的定义,边12a、14a是与废气排出孔道11面对的边。
对第2废气导入孔道14的边14a的长度相对于第1废气导入孔道12的边12a的长度之比(边14a的长度/边12a的长度)没有特别限定,优选为0.8以下、更优选为0.7以下、进一步优选为0.5以下。
如图6的(b)所示,流入第1废气导入孔道12或第2废气导入孔道14的废气G1(图6的(b)中,用G1表示废气,用箭头表示废气的流动)必然透过将废气排出孔道11与第1废气导入孔道12或第2废气导入孔道14隔开的孔道隔壁13,之后从废气排出孔道11流出。在废气G1透过孔道隔壁13时,废气中的PM等被捕集,因此孔道隔壁13起到过滤器的功能。
这样,废气排出孔道11、第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14可以使废气等气体流通。在图6的(b)所示的方向流通废气时,将蜂窝烧制体10的第1端面10a侧的端部(废气排出孔道11被封孔的一侧的端部)称为废气入口侧的端部,将蜂窝烧制体10的第2端面10b侧的端部(第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14被封孔的一侧的端部)称为废气出口侧的端部。
在这种构成的蜂窝过滤器20中,如在本发明的蜂窝过滤器的作用和效果中所说明的那样,可以使初期的压力损失低于现有的蜂窝过滤器,并且即使在相当量的PM堆积于孔道隔壁的阶段,压力损失的上升比例也小,在从初期至PM堆积量接近于界限的整个使用范围均可以大幅改善压力损失。
第一实施方式的蜂窝过滤器20由多个蜂窝烧制体10构成,作为蜂窝烧制体10的构成材料,可以举出例如碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化钨等碳化物陶瓷;氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化钛等氮化物陶瓷;氧化铝、氧化锆、堇青石、莫来石、钛酸铝等氧化物陶瓷;含硅的碳化硅等。这些之中,优选碳化硅或含硅的碳化硅。这是因为耐热性、机械强度、导热性等优异。
需要说明的是,含硅的碳化硅是在碳化硅中混配有金属硅的物质,优选包含60wt%以上碳化硅的含硅的碳化硅。
将构成第一实施方式的蜂窝过滤器20的蜂窝烧制体10的孔道彼此隔开的孔道隔壁的厚度优选在全部部位相等。另外,孔道隔壁的厚度优选为0.10mm~0.46mm、更优选为0.15mm~0.31mm。外周壁17的厚度优选为0.10mm~0.50mm。需要说明的是,孔道隔壁的厚度基于上述的定义,是作为图1所示的厚度D所测定的值。
构成第一实施方式的蜂窝过滤器20的蜂窝烧制体10的孔道隔壁和外周壁的气孔率优选为40%~65%。
构成第一实施方式的蜂窝过滤器20的蜂窝烧制体10的孔道隔壁所含有的气孔的平均气孔径优选为8μm~25μm。
蜂窝烧制体10的截面中的孔道的单位面积的数量优选为31~62个/cm2(200~400个/英寸2)。
本发明的实施方式的蜂窝过滤器20通过外周具有外周壁的多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成。粘接蜂窝烧制体的粘接材料层是涂布包含无机粘结剂和无机颗粒的粘接材料糊并使其干燥而得到的。上述粘接材料层可以进一步包含无机纤维和/或晶须。
粘接材料层的厚度优选为0.5mm~2.0mm。
本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器中,可以在蜂窝过滤器的外周具备外周涂层,外周涂层的材料优选与粘接材料的材料相同。
外周涂层的厚度优选为0.1mm~3.0mm。
接着,对本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器的制造方法进行说明。
需要说明的是,下文中,对使用碳化硅作为陶瓷粉末的情况进行说明。
(1)进行成型工序:将包含陶瓷粉末和粘结剂的湿润混合物挤出成型,从而制作蜂窝成型体。
具体来说,首先,将作为陶瓷粉末的平均粒径不同的碳化硅粉末、有机粘结剂、液态的增塑剂、润滑剂、和水进行混合,从而制备蜂窝成型体制造用的湿润混合物。
在上述湿润混合物中,根据需要可以添加以氧化物系陶瓷为成分的作为微小中空球体的空心球、球状丙烯酸颗粒、石墨等成孔剂。
作为空心球没有特别限定,可以举出例如氧化铝空心球、玻璃空心微球、火山灰空心球、飞灰空心球(FA空心球)、莫来石空心球等。这些之中,优选氧化铝空心球。
接着,将上述湿润混合物投入挤出成型机中进行挤出成型,从而制作特定形状的蜂窝成型体。
此时,使用制作具有图4、6所示的孔道结构(孔道的形状和孔道的配置)的截面形状那样的模具来制作蜂窝成型体
(2)将蜂窝成型体切断为特定长度,使用微波干燥机、热风干燥机、高频干燥机、减压干燥机、真空干燥机、冷冻干燥机等进行干燥后,进行在特定的孔道中填充成为密封材料的密封材料糊而将上述孔道进行封孔的封孔工序。
此处,作为密封材料糊,可以使用上述湿润混合物。
(3)将蜂窝成型体在脱脂炉中加热至300℃~650℃,进行除去蜂窝成型体中的有机物的脱脂工序,之后将脱脂后的蜂窝成型体搬运到烧制炉中,进行加热至2000℃~2200℃的烧制工序,从而制作图4~6所示的蜂窝烧制体。
需要说明的是,填充到孔道的端部的密封材料糊被烧制,成为封孔材料。
另外,切断工序、干燥工序、封孔工序、脱脂工序和烧制工序的条件可以采用以往在制作蜂窝烧制体时采用的条件。
(4)进行在支撑台上藉由粘接材料糊依次堆积多个蜂窝烧制体并将其结合的结合工序,制作多个蜂窝烧制体堆积而成的蜂窝集合体。
作为粘接材料糊,例如使用由无机粘结剂、有机粘结剂和无机颗粒构成的物质。另外,上述粘接材料糊可以进一步包含无机纤维和/或晶须。
作为上述粘接材料糊所含有的无机颗粒,可以举出例如碳化物颗粒、氮化物颗粒等。具体来说,可以举出碳化硅颗粒、氮化硅颗粒、氮化硼颗粒等。它们可以单独使用,也可以合用两种以上。在无机颗粒中,优选导热性优异的碳化硅颗粒。
作为上述粘接材料糊所含有的无机纤维和/或晶须,可以举出例如由二氧化硅-氧化铝、莫来石、氧化铝、二氧化硅等构成的无机纤维和/或晶须等。它们可以单独使用,也可以合用两种以上。在无机纤维中优选氧化铝纤维。另外,无机纤维也可以为生物体溶解性纤维。
此外,在上述粘接材料糊中根据需要可以添加以氧化物系陶瓷为成分的作为微小中空球体的空心球、球状丙烯酸颗粒、石墨等。作为空心球没有特别限定,可以举出例如氧化铝空心球、玻璃空心微球、火山灰空心球、飞灰空心球(FA空心球)、莫来石空心球等。
(5)通过将蜂窝集合体加热,从而使粘接材料糊加热固化而形成粘接材料层,制作四棱柱状的陶瓷块。
粘接材料糊的加热固化的条件可以采用以往在制作蜂窝过滤器时采用的条件。
(6)进行对陶瓷块实施切削加工的切削加工工序。
具体来说,使用金刚石切割器对陶瓷块的外周进行切削,制作外周被加工成近圆柱状的陶瓷块。
(7)进行外周涂层形成工序:在近圆柱状的陶瓷块的外周面涂布外周涂布材料糊,并干燥固化,形成外周涂层。
此处,作为外周涂布材料糊,可以使用上述粘接材料糊。需要说明的是,作为外周涂布材料糊,也可以使用与上述粘接材料糊不同组成的糊料。
需要说明的是,未必需要设置外周涂层,只要根据需要设置即可。
通过设置外周涂层,可以整理陶瓷块的外周的形状,制成圆柱状的蜂窝过滤器。
通过以上工序,可以制作包含蜂窝烧制体的蜂窝过滤器。
在上述工序中,通过进行切削工序而制作了特定形状的蜂窝过滤器,在制作蜂窝烧制体的工序中,可以制作在整个外周具有外周壁的多种形状的蜂窝烧制体,藉由粘接材料层将这些多种形状的蜂窝烧制体进行组合,从而可以形成圆柱等特定形状。该情况下,可以省略切削工序。
下面,对本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器的作用效果进行列举。
(1)本实施方式的蜂窝过滤器中,可以使初期的压力损失低于现有的蜂窝过滤器,并且即使在相当量的PM堆积于孔道隔壁的阶段,压力损失的上升比例也小,在从初期至PM堆积量接近于界限的整个使用范围均可以大幅改善压力损失。
(2)本实施方式的蜂窝过滤器中,第1废气导入孔道的截面积可以为第2废气导入孔道的截面积的20%~50%。
通过使第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的截面比例如上所述,可以使废气通过第1废气导入孔道时的阻力与通过第2废气导入孔道时的阻力存在差距,可以有效地抑制压力损失。
(3)本实施方式的蜂窝过滤器中,可以使第2废气导入孔道的边的长度相对于第1废气导入孔道的边的长度之比为0.8以下。
通过使第2废气导入孔道的边的长度相对于第1废气导入孔道的边的长度之比如上所述,可以使废气更容易透过隔开废气排出孔道和第1废气导入孔道的孔道隔壁,可以有效地抑制初期的压力损失,在PM堆积后也可以抑制压力损失的增加比例的上升。
(4)本实施方式的蜂窝过滤器中,作为蜂窝烧制体的构成材料,可以为碳化硅或含硅的碳化硅,可以制成耐热性优异的蜂窝过滤器。
(5)本实施方式的蜂窝过滤器中,隔开孔道彼此的孔道隔壁的厚度可以在全部部位相等。
通过如上设定孔道隔壁的整体厚度,可以使蜂窝过滤器整体发挥出同样的效果。
(6)本实施方式的蜂窝过滤器中,可以使孔道隔壁的厚度为0.10mm~0.46mm。
通过将孔道隔壁设定为这样的厚度,可以具有对捕集废气中的PM而言充分的厚度,同时可以有效地抑制压力损失的增加。
(7)本实施方式的蜂窝过滤器中,构成蜂窝过滤器20的孔道隔壁和外周壁的气孔率可以为40%~65%。
通过如此设定气孔率,孔道隔壁可以良好地捕集废气中的PM,并且可以抑制起因于孔道隔壁的压力损失的上升。
(8)本实施方式的蜂窝过滤器中,构成蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的孔道隔壁所含有的气孔的平均气孔径可以为8μm~25μm。
通过如此设定上述孔道隔壁所含有的气孔的平均气孔径,可以在抑制压力损失增加的同时,以高捕集效率捕集PM。
(9)本实施方式的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的方向的截面形状,上述废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状除了封孔部分外从废气入口侧的端部至上述废气出口侧的端部在各个孔道中的全部部位均相同。
因此,可以在蜂窝过滤器整体发挥出同样的效果,可以防止因蜂窝过滤器的部位导致的形状的不均匀所引起的不良情况的发生。
(10)本实施方式的蜂窝过滤器难以产生在将堆积于蜂窝过滤器的PM燃烧除去的再生时产生的热冲击所导致的裂纹。
本实施方式的蜂窝过滤器中,设置于废气出口侧的端部的密封部、即填充于第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的密封部隔着孔道隔壁而具有第1废气导入孔道的一个边的长度以上的宽度,在纵横方向成排地存在。通常使蜂窝过滤器再生的情况下,从堆积于蜂窝过滤器的废气入口侧的PM起依次燃烧,跟着废气的流动,向蜂窝过滤器的出口侧传递热,同时至出口侧为止全部的PM燃烧。因此,越是蜂窝过滤器的出口侧越暴露于高温下,容易在蜂窝过滤器的径向产生温度差,由于热应力而产生裂纹。这样的裂纹与孔道截面积存在大小关系,在包含正方形作为PM堆积的废气导入孔道的截面形状的情况下,应力集中容易发生,其是显著的。但是本实施方式的蜂窝过滤器中,在废气出口侧的端部在纵横方向成排的封口部成为导热层和向外部的放热层,可以减小蜂窝过滤器在废气出口侧的端部的径向的温度差,减小所产生的热应力,难以产生裂纹。此外,本实施方式的蜂窝过滤器中,在比第1废气导入孔道堆积更多PM的第2废气导入孔道中所填充的密封材料的量根据其截面积而增多,与之相伴密封部的热容也增大。因此认为:通过该密封部,即使以各孔道为单位进行考虑,也可以抑制PM的燃烧热更大的第2废气导入孔道的温度上升,可以减小蜂窝过滤器的径向的温度差,可以减小所产生的热应力。
因此认为,本实施方式的蜂窝过滤器即使包含正方形作为其废气导入孔道的截面形状,也可以抑制再生时的裂纹。
图8的(a)是示出本发明的蜂窝过滤器的第一实施方式的变形例的一例的立体图,图8的(b)是示意性地示出构成图8的(a)所示的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的立体图。
在构成图8的(a)和图8的(b)所示的蜂窝过滤器20a的蜂窝烧制体10a中,在截面为八边形的废气排出孔道11的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有截面为正方形的第1废气导入孔道12和截面为八边形的第2废气导入孔道14。第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14在废气排出孔道11的周围交替地配置,第2废气导入孔道14的截面积大于第1废气导入孔道12的截面积,废气排出孔道11的截面积与第2废气导入孔道14的截面积相同。另外,在该蜂窝烧制体10a的外周形成有外周壁17a,与外周壁17a邻接的孔道全部为废气导入孔道(第1废气导入孔道12和第2废气导入孔道14)。
第2废气导入孔道14和废气排出孔道11的截面形状均为八边形,是相互全等的八边形。
本实施方式的蜂窝过滤器20a中,为了使角部以外的外周壁17a的厚度均匀,与孔道长度方向垂直的截面中的外周壁17a所邻接的废气导入孔道的与外周壁17a邻接的边与形成外周壁17a的外壁的边平行且以直线的方式形成。
因此,与外周壁17a最近的第2废气导入孔道14A的截面被部分切去,因此从八边形变化为六边形。第1废气导入孔道12A的截面形状可以为被部分切去的形状,但优选与第1废气导入孔道12的截面形状为全等的形状。
另外,在蜂窝烧制体10a的角部存在的第2废气导入孔道14B从八边形变化为具有由曲线构成的倒角部140的近五边形。通过如此构成,可以通过外周壁提高蜂窝烧制体的强度,同时可进一步抑制蜂窝烧制体中的废气排出孔道与废气导入孔道的容积比例的部分偏差,废气的流动变得更均匀,因此可以降低压力损失。
下面,示出更具体地公开了本发明的第一实施方式的实施例。需要说明的是,本发明并不仅限于这些实施例。
(实施例1)
将具有平均粒径22μm的碳化硅的粗粉末52.8重量%、和平均粒径0.5μm的碳化硅的微粉末22.6重量%混合,对于所得到的混合物加入有机粘结剂(甲基纤维素)4.6重量%、润滑剂(日油株式会社制造UNILUB)0.8重量%、甘油1.3重量%、成孔材料(丙烯酸类树脂)1.9重量%、油酸2.8重量%以及水13.2重量%并进行混炼,得到湿润混合物后,进行挤出成型的成型工序。
本工序中,制作了与图8的(a)所示的蜂窝烧制体10a相同形状、且未进行孔道的封孔的生蜂窝成型体。
接着,使用微波干燥机来干燥上述生蜂窝成型体,从而制作出蜂窝成型体的干燥体。其后,在蜂窝成型体的干燥体的特定的孔道中填充密封材料糊,进行孔道的封孔。
具体来说,按照废气入口侧的端部和废气出口侧的端部在图8的(b)所示的位置被封孔的方式进行了孔道的封孔。
需要说明的是,使用上述湿润混合物作为密封材料糊。在进行了孔道的封孔后,再次使用干燥机对填充有密封材料糊的蜂窝成型体的干燥体进行了干燥。
接着,进行将进行了孔道的封孔的蜂窝成型体的干燥体在400℃脱脂的脱脂处理,此外,在常压的氩气氛下在2200℃、3小时的条件下进行了烧制处理。
由此,制作出四棱柱的蜂窝烧制体。
下面,可以使用之前说明的电子显微镜照片和图像解析式粒度分布软件(株式会社マウンテック(Mountech)制造)MAC-View(版本3.5)的计测软件,对边的长度和截面积进行计测。
所制作的蜂窝烧制体是气孔率为45%、平均气孔径为15μm、大小为34.3mm×34.3mm×150mm、孔道的数量(孔道密度)为290个/英寸2(蜂窝烧制体内的孔道的数量为529个)、孔道隔壁的厚度为0.25mm(10mil)、最外周壁的厚度为0.35mm的碳化硅烧结体构成的图8的(b)所示的形态的蜂窝烧制体10a。
关于与所制作的蜂窝烧制体10a的与孔道长度方向垂直的截面,在废气排出孔道11的整个周围邻接有第1废气导入孔道12、12A和第2废气导入孔道14、14A、14B。第1废气导入孔道12、12A由正方形构成,构成第1废气导入孔道12、12A的截面形状的边的长度为0.96mm。
第2废气导入孔道14除了与外周壁17邻接的第2废气导入孔道14A、14B外为八边形,与废气排出孔道11面对的边即斜边的长度为0.27mm,与废气排出孔道11不面对的纵横边的长度为1.11mm。
即,在构成第2废气导入孔道14的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边的长度为在构成第1废气导入孔道12的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边的长度的0.28倍。
需要说明的是,关于位于四角的第2废气导入孔道14B,与外周壁17邻接的边的长度为1.23mm,纵横的边的长度为1.04mm,斜边的长度为0.27mm,截面积为1.48mm2
另一方面,关于第2废气导入孔道14A,与外周壁17邻接的边的长度为1.49mm,和与外周壁17邻接的边平行的纵边的长度为1.11mm,和与外周壁17邻接的边以直角结合的横边的长度为1.04mm,斜边的长度为0.27mm,截面积为1.79mm2
废气排出孔道11为八边形,其形状与第2废气导入孔道14相同,与第2废气导入孔道14面对的斜边的长度为0.27mm,与第1废气导入孔道12面对的纵横边的长度为1.11mm。
第1废气导入孔道12的截面积为0.93mm2,第2废气导入孔道14和废气排出孔道11的截面积均为2.17mm2。即,第1废气导入孔道12的截面积为第2废气导入孔道14的截面积的43%。
另外,废气排出孔道11的截面积与第2废气导入孔道14的截面积相同,且大于第1废气导入孔道12的截面积。
需要说明的是,蜂窝烧制体是按照端面中的角部为曲线形状的方式实施了倒角的四棱柱形状。
接着,使用包含平均纤维长为20μm的氧化铝纤维30重量%、平均粒径为0.6μm的碳化硅颗粒21重量%、硅溶胶15重量%、羧甲基纤维素5.6重量%以及水28.4重量%的耐热性的粘接材料糊将多个蜂窝烧制体结合,进而,使粘接材料糊在120℃干燥固化,形成粘接材料层,制作出棱柱状的陶瓷块。
接着,使用金刚石切割器将棱柱状的陶瓷块的外周切断,从而制作出近圆柱状的陶瓷块。
接着,在陶瓷块的外周面涂布具有与粘接材料糊同样的组成的密封材料糊,使密封材料糊在120℃干燥固化,形成外周涂层,从而完成了圆柱状的蜂窝过滤器的制造。
蜂窝过滤器的直径为143.8mm,长度方向的长度为150mm。
(比较例1)
与实施例1同样地进行成型工序,得到生蜂窝成型体,接着使用微波干燥机来干燥上述生蜂窝成型体,从而制作出蜂窝成型体的干燥体。其后,在蜂窝成型体的干燥体的特定的孔道中填充密封材料糊,进行孔道的封孔。
此处,与实施例1相比变更了进行孔道的封孔的位置,在成为废气出口侧的端部的端面将全部八边形的孔道封孔,在成为废气入口侧的端部的端面将全部正方形的孔道封孔,从而在两个端面孔道被交替地封孔。
其结果,形成了废气入口侧的端部和废气出口侧的端部在图19的(b)所示的位置被封孔的蜂窝成型体。
之后,进行与实施例1相同的工序,制作图19的(a)、(b)所示的蜂窝烧制体130,制作出蜂窝过滤器120。
关于与所制作的蜂窝烧制体130的与孔道长度方向垂直的截面,对于废气导入孔道132,除了与外周壁137邻接的废气导入孔道132A、132B外全部为八边形。
其与废气排出孔道131面对的边为纵横边,其长度为1.11mm。
其与其它的废气导入孔道132、132A、132B面对的边为斜边,其长度为0.27mm。
废气排出孔道131、131A全部为正方形,构成废气排出孔道131、131A的截面形状的边的长度为0.96mm。
需要说明的是,关于位于四角的废气导入孔道132B,与外周壁137邻接的边的长度为1.23mm,纵横边的长度为1.04mm,斜边的长度为0.27mm,截面积为1.48mm2
另一方面,关于废气导入孔道132A,与外周壁137邻接的边的长度为1.49mm,和与外周壁17邻接的边平行的纵边的长度为1.11mm,和与外周壁17邻接的边以直角结合的横边的长度为1.04mm,斜边的长度为0.27mm,截面积为1.79mm2
另外,孔道隔壁133的厚度为0.25mm,外周壁的厚度为0.35mm。
废气导入孔道132的截面积为2.17mm2,废气排出孔道131的截面积为0.93mm2。即,废气导入孔道132的截面积大于废气排出孔道131的截面积。
对于实施例1和比较例1中制造的蜂窝过滤器,使用图9所示的压力损失测定装置测定了PM捕集量与压力损失的关系。
图9是示意性地示出压力损失测定方法的截面图。
该压力损失测定装置210中,将蜂窝过滤器20固定于金属外壳213内并配置于排气量为1.6升的柴油发动机211的排气管212,按照可检测出蜂窝过滤器20的前后的压力的方式安装有压力计214。
蜂窝过滤器20配置在其废气入口侧的端部接近柴油发动机211的排气管212的一侧。即,按照废气流入废气入口侧的端部被开口的孔道的方式进行配置。
使柴油发动机211以转速3100rpm、扭矩50Nm进行运转,使来自柴油发动机211的废气在蜂窝过滤器20中流通,使蜂窝过滤器捕集PM。
并且,测定了蜂窝过滤器的每1升表观体积的PM的捕集量(g/L)与压力损失(kPa)的关系。
图10是示出实施例1和比较例1中测定的PM捕集量与压力损失的关系的曲线图。
由该结果显示出下述的显著效果:在实施例1的蜂窝过滤器中,PM捕集量为0g/L的时刻的压力损失即初期压力损失低、为1.1kPa,此外,即使在捕集了PM至8g/L的情况下压力损失也低,为6.6kPa,在PM捕集量为0g/L至8g/L的全部时刻压力损失均比比较例1的蜂窝过滤器低。需要说明的是,在比较例1的蜂窝过滤器中,PM捕集量为0g/L的时刻的压力损失即初期压力损失为1.3kPa,捕集了PM至8g/L时的压力损失为7.2kPa。
(第二实施方式)
下面,对本发明的第二实施方式的蜂窝过滤器进行说明。
第二实施方式的蜂窝过滤器由一个蜂窝烧制体构成,该蜂窝烧制体具备废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道、以及作为废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的废气导入孔道的第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,且该蜂窝烧制体在外周具有外周壁。
另外,在上述废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,
关于与孔道长度方向垂直的方向的截面,上述第2废气导入孔道的截面积大于第1废气导入孔道的截面积,上述废气排出孔道的截面积与上述第2废气导入孔道的截面积相同,
关于与孔道长度方向垂直的截面,上述废气排出孔道和上述废气导入孔道均由多边形构成,在构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度比在构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边中的与上述废气排出孔道面对的边的长度长。
需要说明的是,关于与孔道长度方向垂直的方向的截面形状,上述废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状除了封孔部分外从废气入口侧的端部至上述废气出口侧的端部在各个孔道中的全部部位是相同的。
即,第二实施方式的蜂窝过滤器与第一实施方式的集合型的蜂窝过滤器不同,由外周具有外周壁的一个蜂窝烧制体构成,除此以外与第一实施方式的蜂窝过滤器同样地构成。这样的由一个蜂窝烧制体构成的蜂窝过滤器也称为整体型蜂窝过滤器。
图11的(a)是示意性地示出本发明的第二实施方式的整体型蜂窝过滤器的一例的立体图,图11的(b)是示出上述整体型蜂窝过滤器的B-B线截面的截面图。
在图11的(a)、(b)所示的蜂窝过滤器30中,在截面为八边形的废气排出孔道31的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有截面为正方形的第1废气导入孔道32和截面为八边形的第2废气导入孔道34。第1废气导入孔道32和第2废气导入孔道34在废气排出孔道31的周围交替地配置,第2废气导入孔道34的截面积大于第1废气导入孔道32的截面积,废气排出孔道31的截面积与第2废气导入孔道34的截面积相同。
另外,在构成第1废气导入孔道32的截面形状的边中的与废气排出孔道31面对的边32a的长度比在构成第2废气导入孔道34的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边34a的长度长。
本实施方式的蜂窝过滤器30由一个蜂窝烧制体构成,在外周形成有外周壁37。作为构成本实施方式的蜂窝过滤器30的材料,优选堇青石、钛酸铝。这些材料的热膨胀率低,因此,即使是大型的蜂窝过滤器也难以产生因再生时等产生的热应力所引起的裂纹等。
上述内容以外的实施方式的内容与第一实施方式中记载的内容相同,因此此处省略其说明。
本实施方式的蜂窝过滤器30可以直接使用第一实施方式中制造的蜂窝烧制体,或者除了在外周形成外周涂层外,可以使用与在本发明的第一实施方式中说明的方法同样的方法进行制造。因此,不需要本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器的制造方法中的(4)、(5)和(6)的工序,在不形成外周涂层的情况下,也不需要(7)的工序。
对于本实施方式的蜂窝过滤器30而言,基本的孔道的配置、形状、封孔方式等与第一实施方式的蜂窝过滤器20相同,因此可以发挥出与第一实施方式中记载的(1)~(10)的作用和效果同样的作用和效果。
(第三实施方式)
下面,对本发明的第三实施方式的蜂窝过滤器进行说明,以下说明的事项以外的事项与第一实施方式的蜂窝过滤器同样地构成。
本发明的第三实施方式的蜂窝过滤器通过多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成,该蜂窝烧制体具备废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道、以及作为废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的废气导入孔道的第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,且该蜂窝烧制体在外周具有外周壁。
另外,在上述废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,
关于与孔道长度方向垂直的方向的截面,上述第2废气导入孔道的截面积大于第1废气导入孔道的截面积,上述废气排出孔道的截面积与上述第2废气导入孔道的截面积相同,
关于与孔道长度方向垂直的截面,上述废气排出孔道和上述废气导入孔道均由正方形构成,构成上述第1废气导入孔道的截面形状的边中的任一条边与上述废气排出孔道面对,且构成上述第2废气导入孔道的截面形状的边均不与构成上述废气排出孔道的边面对。
关于与孔道长度方向垂直的方向的截面形状,上述废气导入孔道和废气排出孔道的截面形状除了封孔部分外从废气入口侧的端部至上述废气出口侧的端部在各个孔道中的全部部位是相同的。
即,第三实施方式的蜂窝过滤器中,废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道均具有正方形的截面形状,另外,除了以下说明的事项以外与第一实施方式的蜂窝过滤器同样地构成。
图12是示意性地示出构成本发明的第三实施方式的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的端面的孔道的配置例的一例的放大端面图。
在图12所示的蜂窝过滤器40中,在截面为正方形的废气排出孔道41的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁邻接有截面为正方形的第1废气导入孔道42和截面为正方形的第2废气导入孔道44。第1废气导入孔道42和第2废气导入孔道44在废气排出孔道41的周围交替地配置,第2废气导入孔道44的截面积大于第1废气导入孔道42的截面积,废气排出孔道41的截面积与第2废气导入孔道44的截面积相同。
另外,关于相邻的3种孔道、即废气排出孔道41、第2废气导入孔道44和第1废气导入孔道42的截面形状,在正方形的废气排出孔道41的边中的隔着孔道隔壁43与第1废气导入孔道42面对的边41a与在正方形的第1废气导入孔道42的边中的隔着孔道隔壁43与废气排出孔道41面对的边42a是平行的。
另外,在第1废气导入孔道42的边中的隔着孔道隔壁43与第2废气导入孔道44面对的边42b与在第2废气导入孔道44的边中的隔着孔道隔壁43与第1废气导入孔道42面对的边44b是平行的。另外,在所有组合中,相互平行的边之间的距离相互相等。即,相互平行的边41a与边42a之间的距离和相互平行的边42b与边44b之间的距离相互相等。
另外,在作为正方形的废气排出孔道41的周围隔着孔道隔壁43分别交替地配置有正方形的第1废气导入孔道42和正方形的第2废气导入孔道44各4个,从而将废气排出孔道41包围。第2废气导入孔道44的截面积大于第1废气导入孔道42的截面积。
此外,废气排出孔道41、第1废气导入孔道42、第2废气导入孔道44分别以满足下述条件的方式进行配置。
即,在将包围废气排出孔道41的4个第2废气导入孔道44的正方形图形的几何学重心连结的假设线段中,穿过废气排出孔道41的正方形图形区域的两条线段的交点与废气排出孔道41的正方形图形的几何学重心一致。
另外,在将4个第2废气导入孔道44的正方形图形的几何学重心连结的假设线段中,不穿过废气排出孔道41的正方形图形区域的4条线段构成正方形,其各边的中点与包围废气排出孔道41的4个第1废气导入孔道42的正方形图形的几何学重心一致。
这样,将在作为正方形的废气排出孔道41的周围隔着孔道隔壁43分别交替地配置有正方形的第1废气导入孔道42和正方形的第2废气导入孔道44各4个而将废气排出孔道41包围的结构作为1个单元,该单元相互共有第1废气导入孔道42和第2废气导入孔道44,同时二维地重复并排列,构成蜂窝过滤器。各单元相互共有第1废气导入孔道42和第2废气导入孔道44,因而与废气排出孔道41隔着孔道隔壁43邻接的第1废气导入孔道42和第2废气导入孔道44与邻接的单元中的废气排出孔道41隔着孔道隔壁43而邻接。
图13是示出在孔道的截面形状中第1废气导入孔道42、第2废气导入孔道44和废气排出孔道41为正方形、是满足上述说明的条件的配置的情况下,孔道单元(孔道结构)二维地即在图13中记载的X、Y方向如何重复、第1废气导入孔道42和第2废气导入孔道44在各孔道单元(孔道结构)间如何被共有的蜂窝过滤器的与孔道长度方向垂直的截面的放大图。为了满足上述说明的条件,孔道单元1、孔道单元2和孔道单元3均具有在废气排出孔道41的整个周围隔着孔道隔壁43分别交替地配置有第1废气导入孔道42和第2废气导入孔道44各4个的结构。
孔道单元2具有与孔道单元1相同的结构,与孔道单元1共有1个第1废气导入孔道42和2个第2废气导入孔道44,并在X方向邻接。由孔道单元1和孔道单元2所共有的孔道在图13中记为“共有部分2”。另外,孔道单元3具有与孔道单元1相同的结构,与孔道单元1共有1个第1废气导入孔道42和2个第2废气导入孔道44并在Y方向邻接。由孔道单元1和孔道单元3所共有的孔道在图13中记为“共有部分1”。
需要说明的是,在将4个第2废气导入孔道44的正方形图形的几何学重心连结的假设线段之中,将不穿过废气排出孔道41的正方形图形区域的4条线段h、i、j、k以及穿过废气排出孔道41的正方形图形区域的假设的两条线段l、m示于图13中。并且,“共有部分2”通过与线段m相同方向的线段构成的影线进行描绘,“共有部分1”通过与线段l相同方向的线段构成的影线进行描绘。
如图13所示,两条线段l、m的交点与废气排出孔道41的几何学重心一致。
另外,关于孔道的截面,由于按照构成第1废气导入孔道42的截面形状的边中的任一条边与废气排出孔道41面对且第2废气导入孔道44和废气排出孔道41以角部相对的方式进行了配置,因而构成第2废气导入孔道44的截面形状的边均不与废气排出孔道41面对。
该实施方式中,由于第2废气导入孔道和废气排出孔道不面对,因此与第一实施方式相比,在初期废气更容易流向第1废气导入孔道。因此,在早期PM停留于隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的第1废气导入孔道的内壁,上述主流路的开关更早地产生。因此,PM容易均匀地堆积在第1废气导入孔道的内壁和第2废气导入孔道的内壁,可以进一步降低堆积了一定量的PM后的压力损失。本实施方式的蜂窝过滤器难以产生在将堆积于蜂窝过滤器的PM燃烧除去的再生时产生的热冲击所导致的裂纹。
本实施方式的蜂窝过滤器中,设置于废气出口侧的端部的密封部、即填充于第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的密封部隔着孔道隔壁而具有第1废气导入孔道的一个边的长度以上的宽度,在纵横方向成排地存在。通常使蜂窝过滤器再生的情况下,从堆积于蜂窝过滤器的废气入口侧的PM起依次燃烧,跟着废气的流动,向蜂窝过滤器的出口侧传递热,同时至出口侧为止全部的PM燃烧。因此,越是蜂窝过滤器的出口侧越暴露于高温下,容易在蜂窝过滤器的径向产生温度差,由于热应力而产生裂纹。这样的裂纹与孔道截面积存在大小关系,在包含正方形作为PM堆积的废气导入孔道的截面形状的情况下,应力集中容易发生,其是显著的。但是本实施方式的蜂窝过滤器中,在废气出口侧的端部在纵横方向成排的封口部成为导热层和向外部的放热层,可以减小蜂窝过滤器在废气出口侧的端部的径向的温度差,减小所产生的热应力,难以产生裂纹。此外,本实施方式的蜂窝过滤器中,在比第1废气导入孔道堆积更多的PM的第2废气导入孔道中所填充的密封材料的量根据其截面积而增多,与之相伴密封部的热容也增大。因此认为:通过该密封部,即使以各孔道为单位进行考虑,也可以抑制PM的燃烧热更大的第2废气导入孔道的温度上升,可以减小蜂窝过滤器的径向的温度差,可以减小所产生的热应力。
因此认为,本实施方式的蜂窝过滤器即使包含正方形作为其废气导入孔道的截面形状,也可以抑制再生时的裂纹。
第1废气导入孔道42的截面积优选为第2废气导入孔道44的截面积的20%~50%,更优选为22%~45%。
图12所示的蜂窝过滤器40中,废气排出孔道41的截面积与第2废气导入孔道44的截面积相同,但废气排出孔道41的截面积可以大于第2废气导入孔道44的截面积。
该情况下,废气排出孔道41的截面积优选为第2废气导入孔道44的截面积的1.05倍~1.5倍。
关于孔道隔壁的厚度,根据上述孔道隔壁的厚度的定义,在第三实施方式的蜂窝过滤器40的截面中,在描绘将废气排出孔道41的重心O41与第1废气导入孔道42的重心O42连结的直线Z42时,将与孔道隔壁43重叠的部分的隔壁的厚度(边42a与边41a之间的厚度)设为X1。关于隔开第2废气导入孔道44和废气排出孔道41的隔壁43的厚度,在描绘将第2废气导入孔道44的重心O44和废气排出孔道41的重心O41连结的直线Z44时,将直线与孔道隔壁43重叠的部分(第2废气导入孔道44的角部44c与废气排出孔道41的角部41c之间的距离)设为孔道隔壁的厚度Y1
蜂窝过滤器40的孔道隔壁的厚度如图12所示因部分的不同而不同,可以将包括厚度X1、Y1的其厚度设为0.10mm~0.46mm的范围内的厚度。
上述内容以外的实施方式的内容与第一实施方式中记载的内容相同,因而此处省略其说明。
本实施方式的蜂窝过滤器除了改变在挤出成型工序中使用的模具的形状外,可以使用与本发明的第一实施方式中说明的方法同样的方法进行制造。
本实施方式的蜂窝过滤器为集合型的蜂窝过滤器,但也可以为整体型的蜂窝过滤器。
本实施方式的蜂窝过滤器40中,废气排出孔道41和第2废气导入孔道44的截面形状为正方形,与第一实施方式的情况不同,构成第2废气导入孔道44的截面形状的边均不与废气排出孔道41面对。另一方面,在构成第1废气导入孔道42的截面形状的边中存在与废气排出孔道41面对的边42a。因此认为,与第一实施方式的蜂窝过滤器同样地,在初期废气容易被导入第1废气导入孔道42,在堆积了一定量的PM后,废气容易被导入第2废气导入孔道44。
本实施方式的蜂窝过滤器40中,基本的孔道的配置、封孔的方式、各孔道截面积的大小关系等与第一实施方式的蜂窝过滤器20相同,因而可以发挥出与第一实施方式中记载的(1)~(4)和(7)~(10)的作用和效果同样的作用和效果。
(第四实施方式)
下面,对本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器进行说明,以下说明的事项以外的事项与第一实施方式的蜂窝过滤器同样地构成。
本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器通过多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成,该蜂窝烧制体具备废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道、以及作为废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的废气导入孔道的第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,该第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积大于该第1废气导入孔道,且该蜂窝烧制体在外周具有外周壁。
本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器中,上述废气排出孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积和上述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积相同,关于与孔道长度方向垂直的截面,废气排出孔道和废气导入孔道为由曲线构成的形状,废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的截面形状均为圆形。
本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,除了废气排出孔道、第2废气导入孔道和第1废气导入孔道的截面形状不同外,具有与本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器同样的构成。
图14是示意性地示出构成本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的端面的孔道的配置例的一例的放大端面图。
本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器50具备废气排出孔道51、第1废气导入孔道52、孔道隔壁53和第2废气导入孔道54。
另外,在废气排出孔道51的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁53邻接有第1废气导入孔道52和第2废气导入孔道54。
在图14所示的蜂窝过滤器50中,对于与孔道长度方向垂直的截面,第2废气导入孔道54的截面积与废气排出孔道51的截面积相同,第1废气导入孔道52的截面积小于第2废气导入孔道54的截面积。第1废气导入孔道52的截面积优选为第2废气导入孔道54的截面积的20%~50%。
废气排出孔道51、第1废气导入孔道52和第2废气导入孔道54的截面形状均为圆形。
关于孔道隔壁的厚度,根据上述孔道隔壁的厚度的定义,在图14所示的第四实施方式的蜂窝过滤器50的截面中,在描绘将废气排出孔道51的重心O51与第1废气导入孔道52的重心O52连结的直线时,将与孔道隔壁53重叠的部分的隔壁的厚度设为X2。关于隔开第2废气导入孔道54和废气排出孔道51的隔壁的厚度,在描绘将第2废气导入孔道54的重心O54和废气排出孔道51的重心O51连结的直线Z54时,将直线Z54与孔道隔壁53重叠的部分设为孔道隔壁的厚度Y2
本实施方式的蜂窝过滤器50中,隔开第1废气导入孔道52和废气排出孔道51的孔道隔壁53的厚度X2比隔开第2废气导入孔道54和废气排出孔道51的孔道隔壁53的厚度Y2薄。
该实施方式中,为可以使隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的厚度与隔开第2废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的厚度之差比第一实施方式更宽的形状。因此,与第一实施方式相比,废气在初期更容易流入第1废气导入孔道,在早期PM停留于隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的第1废气导入孔道的内壁,上述主流路的开关更早地产生。因此,PM容易均匀地堆积在第1废气导入孔道的内壁和第2废气导入孔道的内壁,可以进一步降低堆积了一定量的PM后的压力损失。
隔开第1废气导入孔道52和废气排出孔道51的孔道隔壁53的厚度X2优选为隔开第2废气导入孔道54和废气排出孔道51的孔道隔壁53的最薄的部分Y2的厚度的40%~75%。
另外,本实施方式的蜂窝过滤器50中,隔开第1废气导入孔道52和第2废气导入孔道54的孔道隔壁53的厚度可以与隔开第1废气导入孔道52和废气排出孔道54的孔道隔壁53的厚度同样地确定。
在图14所示的蜂窝过滤器50中,隔开第1废气导入孔道52和第2废气导入孔道54的孔道隔壁53的厚度与隔开第1废气导入孔道52和废气排出孔道51的孔道隔壁53的厚度相同。
上述内容以外的实施方式的内容与第一实施方式中记载的内容相同,因而此处省略其说明。
本实施方式的蜂窝过滤器除了改变在挤出成型工序中使用的模具的形状外,可以使用与本发明的第一实施方式中说明的方法同样的方法进行制造。
本实施方式的蜂窝过滤器为集合型的蜂窝过滤器,但也可以为整体型的蜂窝过滤器。
下面,对本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器的作用效果进行列举。
本发明的第一实施方式中说明的蜂窝过滤器的特征之一在于,在构成第1废气导入孔道12的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边12a的长度比在构成第2废气导入孔道14的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边14a的长度长,第四实施方式的蜂窝过滤器的特征之一在于,废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的截面形状均为圆,隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的厚度比隔开第2废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的厚度薄,在这点上它们是不同的。但是,其它构成大致相同。
即使废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道的截面形状均为圆,也认为若孔道隔壁的厚度薄则废气容易透过孔道隔壁,压力损失降低,因而可以认为构成孔道的截面形状的边的长度与隔开孔道的孔道隔壁的厚度大致具有对应关系。因此,本发明的第四实施方式的蜂窝过滤器可以发挥出第一实施方式中记载的(1)、(2)、(4)和(7)~(9)的作用效果。
(第五实施方式)
下面,对本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器进行说明,以下说明的事项以外的事项与第一实施方式的蜂窝过滤器同样地构成。
本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器通过多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成,该蜂窝烧制体具备废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔的废气排出孔道、以及作为废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔的废气导入孔道的第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,该第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积大于该第1废气导入孔道,且该蜂窝烧制体在外周具有外周壁。
本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器中,上述废气排出孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积和上述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积相同,关于与孔道长度方向垂直的截面,废气排出孔道和废气导入孔道为由曲线构成的形状,废气排出孔道和第2废气导入孔道的截面形状为由向孔道外侧弯曲的4条曲线构成的膨胀正方形,另一方面,第1废气导入孔道的截面形状为由向孔道内侧弯曲的4条曲线构成的收缩正方形。
本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器中,关于与孔道长度方向垂直的截面,除了废气排出孔道、第2废气导入孔道和第1废气导入孔道的截面形状不同外,具有与本发明的第一实施方式的蜂窝过滤器同样的构成。
图15是示意性地示出构成本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器的蜂窝烧制体的端面的孔道的配置例的一例的放大端面图。
本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器60具备废气排出孔道61、第1废气导入孔道62、孔道隔壁63和第2废气导入孔道64,在废气排出孔道61的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁63邻接有第1废气导入孔道62和第2废气导入孔道64。
在图15所示的蜂窝过滤器60中,对于与孔道长度方向垂直的截面,第2废气导入孔道64的截面积与废气排出孔道61的截面积相同,第1废气导入孔道62的截面积小于第2废气导入孔道64的截面积。第1废气导入孔道62的截面积优选为第2废气导入孔道64的截面积的20%~50%。
废气排出孔道61和第2废气导入孔道64的截面形状为由向孔道外侧弯曲的4条曲线构成的膨胀正方形。
此处,图16的(a)是示意性地示出膨胀正方形的孔道形状的一例的说明图,此处,图16的(b)是示意性地示出收缩正方形的孔道形状的一例的说明图,图16的(c)是示意性地示出对收缩正方形的顶点部分实施了倒角的形状的一例的说明图,图16的(d)是示意性地示出对膨胀正方形的顶点部分实施了倒角的形状的一例的说明图。
图16的(a)中示出了截面形状为膨胀正方形的第2废气导入孔道64和连结第2废气导入孔道64的4个顶点64e而成的正方形65。
本发明的说明中的膨胀正方形是指将4条曲线作为4边的近正方形的图形,与将该近正方形的图形的4个顶点连结而成的正方形相比,是4边向外侧弯曲的图形。
图16的(a)中示出了构成第2废气导入孔道64的截面形状的边64a与正方形65相比从其几何学重心向外侧弯曲(膨胀)。
图16的(a)中,作为膨胀正方形的孔道形状的例子示出了第2废气导入孔道64的截面形状,废气排出孔道61的截面形状也与第2废气导入孔道64的截面形状相同。
本实施方式中,关于长度方向的垂直的截面,在第1废气导入孔道中存在阻碍气体的流动而成为阻力的锐角的部分,另一方面,在第2废气导入孔道中以气体容易流动的钝角形成。因此,与第一实施方式相比,在隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的孔道壁的内壁略微堆积有PM的阶段,废气也容易流入第2废气导入孔道。因此,PM容易均匀地堆积在第1废气导入孔道的内壁和第2废气导入孔道的内壁,可以进一步降低堆积了一定量的PM后的压力损失。
第1废气导入孔道62的截面形状是由向孔道内侧弯曲的4条曲线构成的收缩正方形。
图16的(b)中示出了截面形状为收缩正方形的第1废气导入孔道62和连结第1废气导入孔道62的4个顶点62e而成的正方形66。
本发明的说明中的收缩正方形是指以4条曲线为4边的近正方形的图形,与将该近正方形的图形的4个顶点连结而成的正方形相比,是4边向其几何学重心弯曲(收缩)的图形。
图16的(b)中示出了构成第1废气导入孔道62的截面形状的边62a与正方形66相比向其几何学重心弯曲(收缩)。
另外,本发明的说明中的膨胀正方形和收缩正方形还包括对其顶点部分实施了倒角的形状。
在图16的(c)所示的形状中,作为分别构成收缩正方形的曲线的边62a1和边62a2不直接结合,边62a1和边62a2藉由作为直线倒角的倒角部62b而结合。
在作为分别构成收缩正方形的曲线的边藉由倒角部结合的情况下,如图16的(c)中虚线所示,划出将边62a1和边62a2延长的假设曲线,求出假设曲线的交点62c,可以将该交点62c确定为顶点。
在图16的(d)所示的形状中,作为分别构成膨胀正方形的曲线的边64a1和边64a2不结合,边64a1和边64a2藉由作为直线倒角的倒角部64b结合。
在作为分别构成膨胀正方形的曲线的边藉由倒角部结合的情况下,如图16的(d)中虚线所示,划出将边64a1和边64a2延长的假设曲线,求出假设曲线的交点64c,可以将该交点64c确定为顶点。
并且,通过将该顶点(交点62c或交点64c)连结而描绘正方形,可以确定构成孔道的截面形状的曲线是构成了膨胀正方形、还是构成了收缩正方形。
需要说明的是,倒角部不限定于直线倒角,也可以为曲线倒角。
关于孔道隔壁的厚度,根据上述孔道隔壁的厚度的定义,在图15所示的第五实施方式的蜂窝过滤器60的截面中,在描绘将废气排出孔道61的重心O61与第1废气导入孔道62的重心O62连结的直线时,将与孔道隔壁63重叠的部分的隔壁的厚度(边62a与边61a之间的厚度)设为X3。关于隔开第2废气导入孔道64和废气排出孔道61的隔壁63的厚度,在描绘将第2废气导入孔道64的重心O64与废气排出孔道61的重心O61连结的直线Z64时,将直线Z64与孔道隔壁63重叠的部分(第2废气导入孔道64的顶点64e与废气排出孔道61的顶点61e之间的距离)设为孔道隔壁的厚度Y3
本实施方式的蜂窝过滤器60中,隔开第1废气导入孔道62和废气排出孔道61的孔道隔壁63的厚度X3比隔开第2废气导入孔道64和废气排出孔道61的孔道隔壁63的厚度Y3薄。
另外,本实施方式的蜂窝过滤器60中,隔开第1废气导入孔道62和第2废气导入孔道64的孔道隔壁的厚度可以与隔开第1废气导入孔道62和废气排出孔道61的孔道隔壁的厚度同样地确定。
在图15所示的蜂窝过滤器60中,隔开第1废气导入孔道62和第2废气导入孔道64的孔道隔壁63的厚度是恒定的,与隔开第1废气导入孔道62和废气排出孔道61的孔道隔壁63的厚度相同。
本实施方式的蜂窝过滤器除了改变在挤出成型工序中使用的模具的形状外,可以使用与本发明的第一实施方式中说明的方法相同的方法进行制造。
本实施方式的蜂窝过滤器为集合型的蜂窝过滤器,但也可以为整体型的蜂窝过滤器。
下面,对本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器的作用效果进行列举。
本发明的第一实施方式中说明的蜂窝过滤器的特征之一在于,在构成第1废气导入孔道12的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边12a的长度比在构成第2废气导入孔道14的截面形状的边中的与废气排出孔道11面对的边14a的长度长,第五实施方式的蜂窝过滤器的特征之一在于,隔开第1废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的厚度比隔开第2废气导入孔道和废气排出孔道的孔道隔壁的厚度薄,在这点上它们是不同的。但是,其它构成大致相同。
认为若孔道隔壁的厚度薄则废气容易透过孔道隔壁,压力损失降低,因而可以认为构成孔道的截面形状的边的长度与隔开孔道的孔道隔壁的厚度大致具有对应关系。因此,本发明的第五实施方式的蜂窝过滤器可以发挥出第一实施方式中记载的(1)、(2)和(7)~(9)的作用效果。
符号说明
10 蜂窝烧制体
20、30、40、50、60 蜂窝过滤器
11、31、41、51、61 废气排出孔道
11a、11b、41a 边(废气排出孔道的边)
12、32、42、52、62 第1废气导入孔道
12a、32a、62a 边(第1废气导入孔道的边)
13、13a、13b、33、43、53、63 孔道隔壁
14、34、44、54、64 第2废气导入孔道
14a、34a 边(第2废气导入孔道的边)
15 粘接材料层
16 外周涂层
17、37 外周壁
18 陶瓷块
41c 角部(废气排出孔道的角部)
44c 角部(第2废气导入孔道的角部)
61a 边(废气排出孔道的边)
62b 倒角部
61e 顶点(废气排出孔道的顶点)
62e 顶点(第1废气导入孔道的顶点)
65、66 正方形
64e 顶点(第2废气导入孔道的顶点)

Claims (18)

1.一种蜂窝过滤器,其具备多孔质的孔道隔壁,该孔道隔壁区划形成成为废气流路的多个孔道,该蜂窝过滤器具备废气导入孔道和废气排出孔道,所述废气导入孔道的废气入口侧的端部被开口且废气出口侧的端部被封孔,所述废气排出孔道的废气出口侧的端部被开口且废气入口侧的端部被封孔,
所述废气导入孔道和所述废气排出孔道的与长度方向垂直的方向的截面形状为,除了封孔部分外,从所述废气入口侧的端部至所述废气出口侧的端部在各个孔道中的全部部位均是相同的,
该蜂窝过滤器的特征在于,
在所述废气排出孔道的整个周围隔着多孔质的孔道隔壁而邻接有所述废气导入孔道,所述废气导入孔道包括第1废气导入孔道和第2废气导入孔道这两种,所述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积比该第1废气导入孔道的大,并且,
所述废气排出孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积与所述第2废气导入孔道的与孔道长度方向垂直的方向的截面的截面积相同;
关于与孔道长度方向垂直的截面,所述废气排出孔道和所述废气导入孔道均由多边形构成,在构成所述第1废气导入孔道的截面形状的边中的与所述废气排出孔道面对的边的长度比在构成所述第2废气导入孔道的截面形状的边中的与所述废气排出孔道面对的边的长度长。
2.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,
在构成所述第2废气导入孔道的截面形状的边中的与废气排出孔道面对的边的长度为在构成所述第1废气导入孔道的截面形状的边中的与所述废气排出孔道面对的边的长度的0.8倍以下。
3.如权利要求1或2所述的蜂窝过滤器,其中,
关于与孔道长度方向垂直的截面,
所述废气排出孔道为八边形,所述第1废气导入孔道为正方形,所述第2废气导入孔道为八边形。
4.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,
关于与孔道长度方向垂直的截面,
所述第2废气导入孔道的截面积与所述废气排出孔道的截面积相同,
所述第1废气导入孔道的截面积为所述第2废气导入孔道的截面积的20%~50%。
5.如权利要求3所述的蜂窝过滤器,其中,所述蜂窝过滤器的将孔道彼此隔开的孔道隔壁的厚度在全部部位是相等的。
6.如权利要求3所述的蜂窝过滤器,其中,
关于与孔道长度方向垂直的截面,
所述废气排出孔道的截面形状为八边形,所述第1废气导入孔道的截面形状为正方形,所述第2废气导入孔道的截面形状为八边形,
所述第2废气导入孔道和所述废气排出孔道的截面形状为相互全等的形状,同时,
在所述废气排出孔道的周围隔着孔道隔壁分别交替地配置有所述第1废气导入孔道和第2废气导入孔道各4个,从而将废气排出孔道包围,
另外,分别配置所述废气排出孔道、第1废气导入孔道和第2废气导入孔道,使得在将包围废气排出孔道的4个第2废气导入孔道的截面形状即各八边形的几何学重心连结的假设线段之中,穿过由废气排出孔道的截面形状构成的图形区域的两条线段的交点与废气排出孔道的截面形状即八边形的几何学重心一致,
且使得在将所述4个第2废气导入孔道的截面形状即各八边形的几何学重心连结的假设线段之中,不穿过由废气排出孔道的截面形状构成的图形区域的4条线段构成正方形,其各边的中点与包围废气排出孔道的4个第1废气导入孔道的截面形状即各正方形的几何学重心一致;
同时,在构成所述废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与第1废气导入孔道面对的边和在构成所述第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着所述孔道隔壁与废气排出孔道面对的边是平行的,
在构成所述废气排出孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与所述第2废气导入孔道面对的边和在构成所述第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着所述孔道隔壁与废气排出孔道面对的边是平行的,另外,在构成所述第1废气导入孔道的截面形状的边中的隔着孔道隔壁与所述第2废气导入孔道面对的边和在构成所述第2废气导入孔道的截面形状的边中的隔着所述孔道隔壁与第1废气导入孔道面对的边是平行的,
并且,所述平行的边之间的距离在所有组合中均相互相等。
7.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,
关于与孔道长度方向垂直的截面,
由所述多边形构成的孔道的顶点部分为曲线倒角形状。
8.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,
关于与孔道长度方向垂直的截面,
所述废气排出孔道、所述第1废气导入孔道和所述第2废气导入孔道为点对称的多边形,是其边数为八条以下的多边形。
9.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,所述废气导入孔道仅包括第1废气导入孔道和第2废气导入孔道。
10.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,所述蜂窝过滤器通过多个蜂窝烧制体藉由粘接材料层进行粘接而形成,所述蜂窝烧制体具有所述废气排出孔道、所述第1废气导入孔道和所述第2废气导入孔道且在外周具有外周壁。
11.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,所述蜂窝过滤器由一个蜂窝烧制体构成,该蜂窝烧制体具有所述废气排出孔道、所述第1废气导入孔道和所述第2废气导入孔道且在外周具有外周壁。
12.如权利要求10所述的蜂窝过滤器,其中,所述蜂窝过滤器由蜂窝烧制体构成,该蜂窝烧制体由碳化硅或含硅的碳化硅构成。
13.如权利要求11所述的蜂窝过滤器,其中,所述蜂窝过滤器由蜂窝烧制体构成,该蜂窝烧制体由堇青石或钛酸铝构成。
14.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,所述孔道隔壁的厚度为0.10mm~0.46mm。
15.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,所述孔道隔壁的气孔率为40%~65%。
16.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,所述孔道隔壁所含有的气孔的平均气孔径为8μm~25μm。
17.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,该蜂窝过滤器在外周形成有外周涂层。
18.如权利要求1所述的蜂窝过滤器,其中,
关于与构成所述蜂窝过滤器的孔道的长度方向垂直的截面形状,
所述第1废气导入孔道、所述第2废气导入孔道和所述废气排出孔道从废气入口侧的端部至废气出口侧的端部除了封孔部分外在各个孔道中的全部部位是相同的,所述第1废气导入孔道和所述第2废气导入孔道的截面形状相互不同,且所述废气排出孔道和所述第1废气导入孔道的截面形状也相互不同。
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