DE102023106933A1

DE102023106933A1 - Wabenfilter

Info

Publication number: DE102023106933A1
Application number: DE102023106933.0A
Authority: DE
Inventors: Yudai KURIMOTO; Yasuyuki Furuta; Fumihiko YOSHIOKA; Tatsuya Ohashi; Ayaka SAKAI; Ritsuko Teranishi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2023-03-20
Publication date: 2023-10-05
Also published as: JP2023148836A; CN219344801U; CN116889772A; US20230311047A1

Abstract

Es wird ein Wabenfilter geschaffen, der in der Lage ist, einen Anstieg des Druckverlustes, der durch die Ablagerung von Feinstaub verursacht wird, effektiv zu unterdrücken. Der Wabenfilter enthält einen säulenförmigen Wabenstrukturkörper 4 mit einer porösen Trennwand 1, die so angeordnet ist, dass sie mehrere Zellen 2 umgibt, die als Fluiddurchgangskanäle dienen, die sich von einer ersten Stirnfläche 11 zu einer zweiten Stirnfläche 12 erstrecken, und einem Abdichtungsabschnitt 5, der an einem offenen Ende auf der Seite der ersten Stirnfläche 11 oder der Seite der zweiten Stirnfläche 12 jeder der Zellen 2 vorgesehen ist, wobei die Trennwand 1 eine mittlere Anzahl von Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 existieren, von größer als 7,5 und kleiner als 9,0 aufweist.

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Anmeldung basierend auf JP 2022-057087 , eingereicht am 30.3.2022 beim Japanischen Patentamt, deren Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wabenfilter. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Wabenfilter, der in der Lage ist, einen durch die Ablagerung von Feinstaub verursachten Anstieg des Druckverlusts effektiv zu unterdrücken.
Beschreibung des Stands der Technik
Herkömmlicherweise ist ein Wabenfilter, der eine Wabenstruktur verwendet, als Filter zum Abfangen von Feinstaub in Abgasen, die von einer Brennkraftmaschine, wie z. B. einer Fahrzeugkraftmaschine, ausgestoßen werden, oder als Vorrichtung zum Reinigen toxischer Gaskomponenten wie z. B. CO, HC, NOx bekannt (siehe Patentdokument 1). Die Wabenstruktur enthält eine aus poröser Keramik wie z. B. Cordierit hergestellte Trennwand und mehrere Zellen, die durch die Trennwand definiert sind. Ein Wabenfilter enthält eine solche Wabenstruktur, die mit Abdichtungsabschnitten versehen ist, um die offenen Enden auf der Einströmungsstirnflächenseite und der Ausströmungsstirnflächenseite der mehreren Zellen abwechselnd abzudichten. Mit anderen Worten besitzt der Wabenfilter eine Struktur, bei der Einströmungszellen, deren Einströmungsstirnflächenseite offen ist und deren Ausströmungsstirnflächenseite abgedichtet ist, und Ausströmungszellen, deren Einströmungsstirnflächenseite abgedichtet und deren Ausströmungsstirnflächenseite offen ist, abwechselnd angeordnet sind, wobei die Trennwand dazwischen liegt. In dem Wabenfilter dient die poröse Trennwand als Filter zum Abfangen von Feinstaub (z. B. Ruß) im Abgas. Nachstehend kann der im Abgas enthaltene Feinstaub als „PM“ bezeichnet sein. PM ist eine Abkürzung für „Particulate Matter“ [engl. für „Feinstaub“]
Wenn sich Feinstaub wie z. B. Ruß an einer Trennwand ablagert, steigt der Druckverlust des Wabenfilters an. Aus diesem Grund wurden verschiedene Studien durchgeführt, um einen durch die Ablagerung von Feinstaub verursachten Anstieg des Druckverlustes des Wabenfilters zu unterdrücken.
[Patentdokument 1] JP-A-2019-171318
Als ein Verfahren zum Unterdrücken eines Anstiegs des durch die Ablagerung von PM verursachten Druckverlustes des Wabenfilters ist beispielsweise ein Verfahren zum Steigern der Porosität der Trennwand genannt. Es ist auch bekannt, dass der Anstieg des Druckverlustes experimentell dadurch unterdrückt wird, dass die Größe der Poren, die an einer Oberfläche der Trennwand existieren, einheitlich gemacht wird. Der Grund, warum der Anstieg des Druckverlustes durch die Vereinheitlichung der Größe der an der Oberfläche der Trennwand existierenden Poren unterdrückt wird, ist jedoch aus Sicht der Porenstruktur der Trennwand nicht geklärt.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die Probleme mit dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik gemacht worden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wabenfilter geschaffen, der in der Lage ist, einen durch die Ablagerung von PM verursachten Anstieg des Druckverlusts effektiv zu unterdrücken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die Porenstruktur der Trennwand haben die jetzigen Erfinder die Unterdrückung des Anstiegs des durch die Ablagerung von PM verursachten Druckverlusts des Wabenfilters intensiv untersucht und sind zu folgenden Ergebnissen gekommen. Zuerst wurde festgestellt, dass der durch die Ablagerung von PM verursachte Druckverlust des Wabenfilters durch die Anzahl der Porenverzweigungen, die an der äußersten Oberfläche der porösen Trennwand existieren, beeinflusst wird. Die vorstehend beschriebene Anzahl der Verzweigungen der Poren bezieht sich auf die Anzahl der Verzweigungen, die die Anzahl der Verbindungen mit einer weiteren Pore für eine an der äußersten Oberfläche der Trennwand existierende Pore angibt. Dann wurde bestätigt, dass mit zunehmender Anzahl der Porenverzweigungen ein Anstieg des durch die Ablagerung von PM verursachten Druckverlusts unterdrückt wird. Aus diesen Erkenntnissen wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des durch die Ablagerung von PM verursachten Druckverlusts des Wabenfilters durch Spezifizieren einer mittleren Anzahl von Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der porösen Trennwand existieren, unterdrückt werden kann, und somit wurde die vorliegende Erfindung fertiggestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wabenfilter geschaffen, der nachstehend zu beschreiben ist.
[1] Wabenfilter, der enthält: einen säulenförmigen Wabenstrukturkörper mit einer porösen Trennwand, die so angeordnet ist, dass sie mehreren Zellen, die als Fluiddurchgangskanäle dienen, die sich von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstrecken, umgibt; und einen Abdichtungsabschnitt, der an einem offenen Ende auf der ersten Stirnflächenseite oder der zweiten Stirnflächenseite jeder der Zellen vorgesehen ist, wobei die Trennwand eine mittlere Anzahl von Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand existieren, von größer als 7,5 und kleiner als 9,0 aufweist.
[2] Wabenfilter nach [1], wobei die Trennwand einen durchschnittlichen Halsdurchmesser eines Halses, der die mehreren Poren auf einer Oberfläche der Trennwand trennt, von 6,0 µm oder größer und kleiner als 9,0 µm aufweist.
[3] Wabenfilter nach [1] oder [2], wobei die Porosität der Trennwand im Bereich von 45 bis 65 % ist.
[4] Wabenfilter nach einem aus [1] bis [3], wobei ein mittlerer Porendurchmesser der Trennwand 6,0 µm oder größer und 9,0 µm oder kleiner ist.
Der Wabenfilter der vorliegenden Erfindung kann einen Anstieg des durch die Ablagerung von PM verursachten Druckverlustes des Wabenfilters effektiv unterdrücken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Ausführungsform eines Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung gesehen von einer Einströmungsstirnflächenseite zeigt;
2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten Wabenfilters gesehen von der Einströmungsstirnflächenseite;
3 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Schnitt entlang der Linie A-A' von 2 zeigt; und
4 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern eines Messverfahrens für die Anzahl der Porenverzweigungen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. Daher ist zu verstehen, dass Ausführungsformen, für die Modifikationen, Verbesserungen und dergleichen den folgenden Ausführungsformen in geeigneter Weise hinzugefügt worden sind, im Umfang der vorliegenden Erfindung basierend auf dem normalen Wissen der Fachleute auf dem Gebiet sind, ohne von dem Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
(1) Wabenfilter
Wie in 1 bis 3 gezeigt ist eine erste Ausführungsform eines Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung der Wabenfilter 100, der einen Wabenstrukturkörper 4 und Abdichtungsabschnitte 5 enthält. Der Wabenstrukturkörper 4 ist eine säulenförmige Struktur, die eine poröse Trennwand 1 enthält, die so angeordnet ist, dass sie mehrere Zellen 2 umgibt, die als Fluiddurchgangskanäle dienen, die sich von einer ersten Stirnfläche 11 zu einer zweiten Stirnfläche 12 erstrecken. In dem Wabenfilter 100 ist der Wabenstrukturkörper 4 säulenförmig und enthält ferner eine Umfangswand 3 an seiner Umfangsseitenfläche. Mit anderen Worten ist die Umfangswand 3 so angeordnet, dass sie die in einem Gittermuster angeordnete Trennwand 1 umgibt.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Ausführungsform des Wabenfilters gemäß der vorliegenden Erfindung gesehen von einer Einströmungsstirnflächenseite zeigt. 2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten Wabenfilters gesehen von der Einströmungsstirnflächenseite. 3 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Schnitt entlang der Linie A-A' von 2 zeigt.
Die Haupteigenschaften des Wabenfilters 100 liegen insbesondere in der Konfiguration der Trennwand 1, die den Wabenstrukturkörper 4 bildet. Das heißt, in der Trennwand 1, die den Wabenstrukturkörper 4 bildet, ist die mittlere Anzahl der Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 existieren, größer als 7,5 und kleiner als 9,0. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, einen Anstieg des durch die Ablagerung von Feinstaub verursachten Druckverlustes des Wabenfilters 100 effektiv zu unterdrücken. Hier bezieht sich „die Anzahl der Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 existieren“ auf die Anzahl der Verzweigungen, in denen eine Pore, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 existiert, mit einer anderen Pore verbunden ist. Die Anzahl der Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 existieren, ist manchmal auch als „Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche“ der Trennwand 1 bezeichnet. Die Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 kann durch ein nachstehend beschriebenes Messverfahren gemessen werden, und die gemessene mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche ist die vorstehend beschriebene mittlere Anzahl der Verzweigungen. Nachstehend kann die mittlere Anzahl der Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 existieren, auch als „mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche“ in der Trennwand 1 bezeichnet sein.
Wenn die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 gleich 7,5 oder kleiner ist, kann kein ausreichender Effekt zum Unterdrücken eines Anstiegs des durch die Ablagerung von PM verursachten Druckverlusts des Wabenfilters 100 erhalten werden. Wenn andererseits die mittlere Anzahl der Verzweigungen Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 gleich 9,0 oder größer ist, neigt sie aufgrund der guten Verbindung der Poren zur Rissbildung, was im Hinblick auf eine Verschlechterung der Festigkeit nicht vorteilhaft ist. Die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 ist nicht besonders eingeschränkt, ist jedoch vorzugsweise größer als 7,6 und kleiner als 8,8, weiter bevorzugt größer als 7,9 und kleiner als 8,7.
Die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 kann durch das folgende Verfahren gemessen werden. Die Daten des porösen Körpers, der die Trennwand 1 bildet, werden aus der Basis von dreidimensionalem Abtasten erhalten. Beispiele für die Vorrichtung, die zum dreidimensionalen Abtasten verwendet wird, enthalten Xradia 520 Versa (Produktname), hergestellt von Carl Zeiss Co., Ltd. Die Auflösung in X-, Y- und Z-Richtung ist jeweils 1,2 µm, und der resultierende Würfel mit einer Seitenlänge von 1,2 µm ist das Voxel. Die durch das dreidimensionale CT-Abtasten erhaltenen Daten sind beispielsweise Leuchtdichtedaten für jede Koordinate aus X, Y und Z. Die dreidimensionalen Daten des porösen Körpers (nachstehend auch als „dreidimensionale Daten des porösen Körpers“ bezeichnet) können durch Binarisieren solcher Luminanzdaten bei einem vorgegebenen Schwellenwert und durch Bestimmen, ob es sich um ein räumliches Voxel oder ein Objektvoxel handelt, für jede Koordinate erhalten werden. Der Schwellenwert wird beispielsweise gemäß dem Verfahren von Otsu aus der Leuchtdichteverteilung der Leuchtdichtedaten bestimmt. Beispielsweise ist keine spezielle Beschränkung für den Bereich zum Erhalten der Daten des porösen Körpers der Trennwand 1 vorhanden. Der Bereich zum Erhalten der Daten des porösen Körpers der Trennwand 1 kann gemäß der zum dreidimensionalen Abtasten verwendeten Vorrichtung geeignet bestimmt werden, und Beispiele hierfür enthalten einen Bereich von 480µm×480µm×eine Dicke der Trennwand 1 (µm).
Als Nächstes wird der Raum durch das WaterShed-Verfahren in Bezug auf die erhaltenen der dreidimensionalen Daten des porösen Körpers durch den verengten Teil segmentiert. Der SNOW-Algorithmus ist im Programm implementiert, und die Segmentierung wird durch das WaterShed-Verfahren ausgeführt. Die Anzahl der Poren, die jeder der segmentierten Poren benachbart sind, ist als die Anzahl der Verzweigungen definiert. Das heißt, der vorstehend beschriebene „durch den verengten Teil segmentierte Raum“ wird als „Pore“ betrachtet, und die Anzahl der Verzweigungen wird durch Messen der Anzahl der der Pore benachbarten Poren erhalten. Die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche wird durch Berechnen und Mitteln der Anzahl der benachbarten Poren jeder Pore, die segmentierte Poren sind, die sich an der äußersten Oberfläche befinden (die Poren, die mit dem Raum außerhalb der Trennwand in Kontakt sind, als Ausgangsmaterial). Wenn beispielsweise, wie in 4 gezeigt, drei verengte Teile 17 in den Poren 16A, 16B, 16C und 16D vorhanden sind, ist die Pore 16A über die verengten Teile 17 (mit anderen Worten: einen Hals) den drei Poren 16B, 16C und 16D benachbart. Daher ist die Anzahl der Verzweigungen in der Pore 16A gleich drei, d. h. die Poren 16B, 16C und 16D. 4 ist ein schematisches Diagramm zum Erläutern eines Messverfahrens für die Anzahl der Porenverzweigungen. Für das Messverfahren für die Anzahl der Verzweigungen der Poren kann beispielsweise auf „Jeff T. Gostick, Versatile and efficient pore network extraction method using markerbased watershed segmentation, PHYSICAL REVIEW E 96, 023307, (2017)“ Bezug genommen werden.
Ferner ist in der Trennwand 1, die den Wabenstrukturkörper 4 bildet, wie in den 1 bis 3 gezeigt, der mittlere Halsdurchmesser des Halses, der die mehreren Poren auf der Oberfläche der Trennwand 1 unterteilt, vorzugsweise 6,0 µm oder größer und kleiner als 9,0 µm und weiter bevorzugt 6,2 µm oder größer und kleiner als 8,5 µm. Wenn der mittlere Halsdurchmesser 6,0 µm oder größer und kleiner als 9,0 µm ist, ist dies im Hinblick auf die Abfangleistung und die Leistung der katalytischen Beschichtung vorteilhaft. Wenn beispielsweise der mittlere Halsdurchmesser kleiner als 6,0 µm ist, ist dies nicht vorteilhaft, da der Katalysator am Hals leicht verstopft. Wenn andererseits der mittlere Halsdurchmesser 9,0 µm oder größer ist, ist dies im Hinblick auf die Verschlechterung der Abfangleistung nicht vorteilhaft.
Der mittlere Halsdurchmesser (µm) des Halses in der Trennwand 1 kann durch das folgende Verfahren gemessen werden. Bei der vorstehend beschriebenen Messung der mittleren Anzahl von Verzweigungen der äußersten Oberfläche der Poren der Trennwand 1 in Bezug auf die segmentierten Poren, die aus den dreidimensionalen Daten des porösen Körpers berechnet werden, wird das „Aggregat von Voxeln“ zwischen einer segmentierten Pore und einer weiteren segmentierten Pore benachbart der einen segmentierten Pore als ein „Hals“ bezeichnet, der die Poren unterteilt. Ein Wert, der durch Multiplizieren der Anzahl der Voxel, die den Hals bilden, mit dem Quadrat der Gitterauflösung (1,2 µm) erhalten wird (d. h. die Anzahl der Voxel×(1,2µm)²), ist als Halsfläche definiert. Der mittlere Halsdurchmesser wird durch V(Halsfläche/n) bestimmt).
Bei dem Wabenfilter 100 ist die Porosität der Trennwand 1 vorzugsweise im Bereich von 45 bis 65 %, weiter bevorzugt 56,0 bis 60,0 % und besonders bevorzugt 58,0 bis 59,5%. Die Porosität der Trennwand 1 ist ein Wert, der durch das Quecksilber-Einpressverfahren gemessen wird. Die Porosität Trennwand 1 kann beispielsweise unter Verwendung von Autopore 9500 (Produktname), hergestellt von Micromeritics, gemessen werden. Um die Porosität zu messen, kann ein Teil der Trennwand 1 aus dem Wabenfilter 100 herausgeschnitten werden, um ein Prüfstück für die Messung vorzubereiten. Wenn die Porosität der Trennwand 1 kleiner als 45 % ist, kann der anfängliche Druckverlust des Wabenfilters 100 erhöht sein. Ferner kann, wenn die Porosität der Trennwand 1 größer als 65 % ist, die mechanische Festigkeit des Wabenfilters 100 abnehmen.
Der Wabenfilter 100 besitzt einen mittleren Porendurchmesser der Trennwand 1 von vorzugsweise 6,0 µm oder größer und 9,0 µm oder kleiner, weiter bevorzugt 6,5 µm oder größer und 8,5µm oder kleiner und besonders bevorzugt 7,0 µm oder größer und 8,0 µm oder kleiner. Der mittlere Porendurchmesser der Trennwand 1 ist ein Wert, der durch ein Quecksilber-Einpressverfahren gemessen wird. Der mittlere Porendurchmesser der Trennwand 1 kann beispielsweise unter Verwendung von Autopore 9500 (Produktname), hergestellt von Micromeritics, gemessen werden. Der mittlere Porendurchmesser kann unter Verwendung des vorstehend zum Messen der Porosität beschriebenen Prüfstücks gemessen werden. Der mittlere Porendurchmesser der Trennwand 1 ist vorzugsweise im Bereich von 7 bis 12 µm. Der mittlere Porendurchmesser der Trennwand 1 ist der berechnete Wert als Porendurchmesser, der die Hälfte des gesamten Porenvolumens durch das Quecksilber-Einpressverfahren ergibt. Wenn der mittlere Porendurchmesser der Trennwand 1 kleiner als 6,0 µm ist, erhöht sich der Durchgangswiderstand der Trennwand 1, und der Druckverlust kann ansteigen. Wenn andererseits der mittlere Porendurchmesser der Trennwand 1 9,0 µm übersteigt, kann sich die Filtrationseffizienz des Wabenfilters 100 verschlechtern.
Die Dicke der Trennwand 1 ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise ist die Dicke der Trennwand 1 vorzugsweise im Bereich von 0,178 bis 0,254 mm, und weiter bevorzugt 0,191 bis 0,241 mm. Die Dicke der Trennwand 1 kann beispielsweise unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops oder eines Mikroskops gemessen werden. Falls die Dicke der Trennwand 1 extrem dick ist, kann sie nicht ausreichend effektiv sein, um einen Anstieg des Druckverlusts zu unterdrücken. Falls die Dicke der Trennwand 1 extrem dünn ist, können die Abfangleistung und die mechanische Festigkeit beeinträchtigt sein.
Das Material der Trennwand 1 ist nicht besonders eingeschränkt, und es kann irgendein poröses Material verwendet werden, solange die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand 1 den vorstehend beschriebenen Zahlenbereichen entspricht. Beispielsweise enthält das Material der Trennwand 1 vorzugsweise wenigstens eines, das aus der Gruppe bestehend aus Cordierit, Siliziumkarbid, Silizium-Siliziumkarbid-Verbundmaterial, Cordierit-Siliziumkarbid-Verbundmaterial, Siliziumnitrid, Mullit, Aluminiumoxid und Aluminiumtitanat ausgewählt ist. Das Material, das die Trennwand 1 bildet, ist vorzugsweise ein Material, das 90 Masseprozent oder mehr der in der vorstehenden Gruppe aufgeführten Materialien enthält, ist weiter bevorzugt ein Material, das 92 Masseprozent oder mehr der in der vorstehenden Gruppe aufgeführten Materialien enthält, und ist besonders bevorzugt ein Material, das 95 Masseprozent oder mehr der in der vorstehenden Gruppe aufgeführten Materialien enthält. Das Silizium-Siliziumkarbid-Verbundmaterial ist ein Verbundmaterial, das unter Verwendung von Siliziumkarbid als Aggregat und Silizium als Bindemittel gebildet ist. Das Cordierit-Siliziumkarbid-Verbundmaterial ist ein Verbundmaterial, das unter Verwendung von Siliziumkarbid als Aggregat und Cordierit als Bindemittel gebildet ist. Bei dem Wabenfilter 100 der vorliegenden Ausführungsform ist das Material, das die Trennwand 1 bildet, vorzugsweise ein Material, das Cordierit als Hauptkomponente enthält.
Die Form der Zellen 2, die in dem Wabenstrukturkörper 4 gebildet sind, ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise kann die Form der Zellen 2 in einem Schnitt, der orthogonal zur Erstreckungsrichtung der Zellen 2 ist, eine polygonale Form, eine kreisförmige Form, eine elliptische Form und dergleichen enthalten. Die polygonale Form kann ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck, ein Sechseck, ein Achteck und dergleichen enthalten. Die Form der Zellen 2 ist vorzugsweise ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck, ein Sechseck oder ein Achteck. Außerdem können in Bezug auf die Formen der Zellen 2 alle Zellen 2 die gleiche Form oder unterschiedliche Formen aufweisen. Beispielsweise können, obwohl es nicht gezeigt ist, viereckige Zellen und achteckige Zellen gemischt sein. Ferner können in Bezug auf die Größen der Zellen 2 alle Zellen 2 die gleiche Größe oder unterschiedliche Größen aufweisen. Zum Beispiel können, obwohl es nicht gezeigt ist, unter den mehreren Zellen einige Zellen groß sein, und andere Zellen können relativ klein sein. In der vorliegenden Erfindung bedeuten die Zellen 2 die von der Trennwand 1 umgebenen Räume.
Die Zellendichte der Zelle 2, die durch die Trennwand 1 definiert ist, ist vorzugsweise im Bereich von 43 bis 57 Zellen/cm², weiter bevorzugt 47 bis 54 Zellen/cm². Mit dieser Konfiguration kann der Wabenfilter 100 vorzugsweise als Filter zur Reinigung des von einer Kraftfahrzeugkraftmaschine ausgestoßenen Abgases verwendet werden.
Die Umfangswand 3 des Wabenstrukturkörpers 4 kann mit der Trennwand 1 integral konfiguriert sein, oder kann aus einer umlaufenden Beschichtungsschicht bestehen, die durch Aufbringen eines umlaufenden Beschichtungsmaterials auf die Umfangsseite der Trennwand 1 gebildet ist. Beispielsweise kann, obwohl nicht gezeigt, die umlaufende Beschichtungsschicht auf der Umfangsseite der Trennwand vorgesehen sein, nachdem die Trennwand und die Umfangswand integral gebildet worden sind, und dann wird die gebildete Umfangswand durch ein bekanntes Verfahren, wie z. B. Schleifen, in einem Herstellungsprozess entfernt.
Die Form des Wabenstrukturkörpers 4 ist nicht besonders eingeschränkt. Die Form des Wabenstrukturkörpers 4 kann eine Säulenform sein, in der eine Form der ersten Stirnfläche 11 (beispielsweise der Einströmungsstirnfläche) und der zweiten Stirnfläche 12 (beispielsweise der Ausströmungsstirnfläche) eine runde Form, eine elliptische Form, eine polygonale Form und dergleichen enthält.
Die Größe des Wabenstrukturkörpers 4, beispielsweise die Länge von der ersten Stirnfläche 11 zu der zweiten Stirnfläche 12, und die Größe eines Schnitts orthogonal zu der Erstreckungsrichtung der Zellen 2 des Wabenstrukturkörpers 4 sind nicht besonders eingeschränkt. Jede Größe kann wie jeweils erforderlich so gewählt werden, dass eine optimale Reinigungsleistung erhalten wird, wenn der Wabenfilter 100 als Filter zur Abgasreinigung verwendet wird.
In dem Wabenfilter 100 sind die Abdichtungsabschnitte 5 an den offenen Enden auf der Seite der ersten Stirnfläche 11 der vorbestimmten Zellen 2 und an den offenen Enden auf der Seite der zweiten Stirnfläche 12 der übrigen Zellen 2 angeordnet. Falls die erste Stirnfläche 11 als die Einströmungsstirnfläche definiert ist und die zweite Stirnfläche 12 als die Ausströmungsstirnfläche definiert ist, sind die Zellen 2, deren Abdichtungsabschnitte 5 an den offenen Enden auf der Ausströmungsstirnflächenseite angeordnet sind und deren Einströmungsstirnflächenseite offen ist, als Einströmungszellen 2a definiert. Außerdem sind die Zellen 2, deren Abdichtungsabschnitte 5 an den offenen Enden auf der Einströmungsstirnflächenseite angeordnet sind und deren Ausströmungsstirnflächenseite offen ist, als Ausströmungszellen 2b definiert. Die Einströmungszellen 2a und die Ausströmungszellen 2b sind vorzugsweise abwechselnd angeordnet, wobei die Trennwand 1 dazwischen liegt. Dadurch wird vorzugsweise ein Schachbrettmuster durch die Abdichtungsabschnitte 5 und „die offenen Enden der Zellen 2“ an beiden Stirnseiten des Wabenfilters 100 gebildet.
Das Material der Abdichtungsabschnitte 5 ist vorzugsweise ein Material, das als das Material der Trennwand 1 bevorzugt ist. Das Material der Abdichtungsabschnitte 5 und das Material der Trennwand 1 können gleich oder unterschiedlich sein.
In dem Wabenfilter 100 ist die Trennwand 1, die die mehreren Zellen 2 definiert, vorzugsweise mit einem Katalysator zur Abgasreinigung beladen. Das Beladen der Trennwand 1 mit einem Katalysator bezieht sich auf das Beschichten des Katalysators auf die Oberfläche der Trennwand 1 und der Innenwände der in der Trennwand 1 gebildeten Poren.
(2) Herstellungsverfahren des Wabenfilters
Es gibt keine besondere Einschränkung für das Herstellungsverfahren des Wabenfilters gemäß der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform, und der Wabenfilter kann beispielsweise nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Zuerst wird ein plastisches geknetetes Material vorbereitet, um einen Wabenstrukturkörper herzustellen. Das geknetete Material zum Herstellen des Wabenkörpers kann beispielsweise wie folgt vorbereitet werden. Talkum, Kaolin, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Siliziumdioxid und dergleichen werden als Ausgangsmaterialpulver verwendet, und diese Ausgangsmaterialpulver können so vorbereitet werden, dass sie eine chemische Zusammensetzung erhalten, die Siliziumdioxid im Bereich von 42 bis 56 Massenprozent, Aluminiumoxid im Bereich von 30 bis 45 Massenprozent und Magnesiumoxid im Bereich von 12 bis 16 Massenprozent enthält.
Bei dem Wabenfilter der vorliegenden Ausführungsform ist die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand größer als 7,5 und kleiner als 9,0. Beispiele für Herstellungsverfahren solcher Wabenfilter enthalten das Ersetzen von Quarzglas, das üblicherweise als eines der Ausgangsmaterialien verwendet wird, durch poröses Siliziumdioxid bei der Vorbereitung des gekneteten Materials.
Als Nächstes wird das so erhaltene geknetete Material extrudiert, um einen wabenförmigen Körper herzustellen, der eine Trennwand, die mehrere Zellen definiert, und eine Außenwand, die so angeordnet ist, dass sie die Trennwand umgibt, aufweist.
Der so erhaltene wabenförmige Körper wird beispielsweise durch Mikrowellen und Heißluft getrocknet, und die offenen Enden der Zellen werden unter Verwendung des gleichen Materials, das zum Herstellen des Wabenkörpers verwendet wird, abgedichtet, wodurch die Abdichtungsabschnitte hergestellt werden. Der wabenförmige Körper kann nach der Herstellung der Abdichtungsabschnitte weiter getrocknet werden.
Als Nächstes wird ein Wabenfilter hergestellt, indem der wabenförmige Körper, in dem die Abdichtungsabschnitte hergestellt wurden, gebrannt wird. Eine Brenntemperatur und eine Brennatmosphäre unterscheiden sich abhängig von dem Ausgangsmaterial, und Fachleute können die Brenntemperatur und die Brennatmosphäre auswählen, die die für das ausgewählte Material am besten geeigneten sind.
(Beispiele)
Das Folgende beschreibt die vorliegende Erfindung spezifischer anhand von Beispielen, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Ein geknetetes Material wurde vorbereitet, indem ein Porenbildner von 2,0 Masseteilen, ein Dispergiermedium von 1,0 Masseteilen und ein organisches Bindemittel von 6 Masseteilen zu einem Cordierit-bildenden Ausgangsmaterial von 100 Masseteilen hinzugefügt, gemischt und geknetet wurden. Als organisches Bindemittel wurde Methylcellulose verwendet. Als Dispergiermittel wurde eine Kaliumlauratseife verwendet. Als Porenbildner wurde ein wasserabsorbierendes Polymer mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 µm verwendet. Talkum, Kaolin, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und poröses Siliziumdioxid wurden als Cordierit-bildendes Ausgangsmaterial verwendet.
Als Nächstes wurde das erhaltene geknetete Material unter Verwendung eines Extruders geformt, um einen wabenförmigen Körper herzustellen. Als Nächstes wurde der erhaltene wabenförmige Körper durch dielektrische Hochfrequenzerwärmung getrocknet und dann unter Verwendung eines Heißlufttrockners weiter getrocknet. Die Form der Zellen in dem wabenförmigen Körper war viereckig.
Als Nächstes wurden in dem getrockneten wabenförmigen Körper die Abdichtungsabschnitte gebildet. Zuerst wurde die Einströmungsstirnfläche des wabenförmigen Körpers maskiert. Als Nächstes wurde der mit der Maske versehene Endabschnitt (der Endabschnitt auf der Einströmungsstirnflächenseite) in die Abdichtungsaufschlämmung getaucht, und die offenen Enden der Zellen ohne Maske (die Ausströmungszellen) wurden mit der Abdichtungsaufschlämmung aufgefüllt. Auf diese Weise wurden die Abdichtungsabschnitte auf der Einströmungsstirnflächenseite des wabenförmigen Körpers gebildet. Dann wurden die Abdichtungsabschnitte auch in den Einströmungszellen auf die gleiche Weise für die Ausströmungsstirnfläche des getrockneten wabenförmigen Körpers gebildet.
Als Nächstes wurde der wabenförmige Körper, in dem die Abdichtungsabschnitte gebildet worden sind, mit einem Mikrowellentrockner getrocknet und weiter mit einem Heißlufttrockner vollständig getrocknet, und dann wurden beide Stirnflächen des wabenförmigen Körpers geschnitten und auf eine vorbestimmte Größe angepasst. Der getrocknete wabenförmige Körper wurde entfettet und gebrannt, um den Wabenfilter von Beispiel 1 herzustellen.
Der Wabenfilter aus Beispiel 1 hatte einen Durchmesser der Stirnflächen von 266,7 mm und eine Länge in Erstreckungsrichtung der Zellen von 228,6 mm. Ferner war die Dicke der Trennwand 0,191 mm, und die Zellendichte war 48 Zellen/cm².

An den Wabenfiltern aus Beispiel 1 wurden die Porosität und der mittlere Porendurchmesser der Trennwand nach dem folgenden Verfahren gemessen. Zusätzlich wurden die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand und der mittlere Halsdurchmesser an der Oberfläche der Trennwand durch die folgenden Verfahren gemessen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. [Tabelle 1]

	Mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche [-]	Mittlerer Halsdurchmesser der Oberfläche [µm]	Porosität [%]	mittlerer Porendurchmesser [µm]	Bewertung der Druckverlustle istung (Druckverlustanstiegswert aufgrund von Rußablagerungen) [kPa]	Bewertung der Abfangleistung (Rußausstoß) [g/m³]
Vergleichsbeispiel 1	6,6	9,3	57,5	13,9	84	7,1×10^-8
Vergleichsbeispiel 2	7,0	7,4	56,2	8,6	126	7,4×10^-9
Vergleichsbeispiel 3	7,5	9,2	61,2	10,2	83	4,5×10^-8
Beispiel 1	8,4	8,4	60,0	10,1	67	1,8×10^-8
Beispiel 2	8,1	8,4	60,0	10,1	65	2,0×10^-8
Beispiel 3	8,3	9,0	59,5	10,3	65	2,2×10^-8
Beispiel 4	8,4	8,4	59,1	10,3	64	2,5×10^-8
Beispiel 5	7,8	7,8	56,2	8,0	77	2,3×10^-9
Beispiel 6	8,1	8,1	58,9	9,6	59	7,0×10^-9
Beispiel 7	8,5	6,7	58,0	7,0	60	1,6×10^-10

(Porosität und mittlerer Porendurchmesser)
Die Porosität und der mittlere Porendurchmesser der Trennwand wurden unter Verwendung von Autopore 9500 (Produktname), hergestellt von Micromeritics, gemessen. Bei der Messung der Porosität und des mittleren Porendurchmessers wurde ein Teil der Trennwand aus dem Wabenfilter herausgeschnitten, um ein Prüfstück zu erhalten, und die Porosität wurde unter Verwendung des erhaltenen Prüfstücks gemessen. Das Prüfstück war ein rechteckiges Parallelepiped mit einer Länge, einer Breite und einer Höhe von etwa 10 mm, etwa 10 mm bzw. etwa 20 mm. Der Probeentnahmeort des Prüfstücks war in der Nähe der Mitte des Wabenstrukturkörpers in der axialen Richtung eingestellt.
(Mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche)
Zuerst wurden die dreidimensionalen Daten des porösen Körpers der Trennwand durch dreidimensionales Abtasten gemessen. Das dreidimensionale Abtasten wurde unter Verwendung von Xradia 520 Versa (Produktname) von Carl Zeiss Co., Ltd., ausgeführt. Die dreidimensionalen Daten des porösen Körpers besitzen eine Auflösung in X-, Y- und Z-Richtung von jeweils 1,2 µm, und der resultierende Würfel mit einer Seitenlänge von 1,2 µm ist das Voxel. Die dreidimensionalen Daten des porösen Körpers sind Leuchtdichtedaten für jede Koordinate aus X, Y und Z. Als Nächstes wurde der Raum durch das WaterShed-Verfahren in Bezug auf die dreidimensionalen Daten des porösen Körpers durch den verengten Teil segmentiert. Der SNOW-Algorithmus war im Programm implementiert, und die vorstehende Segmentierung wurde durch das WaterShed-Verfahren ausgeführt. Die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche wurde durch Berechnen und Mitteln der Anzahl der benachbarten Poren jeder Pore, die segmentierte Poren sind, die sich an der äußersten Oberfläche befinden (die Poren, die mit dem Raum außerhalb der Trennwand in Kontakt sind) erhalten.
(Mittlerer Halsdurchmesser)
Wie bei den segmentierten Poren, die aus den dreidimensionalen Daten des porösen Körpers in der vorstehend beschriebenen Messung der mittleren Anzahl von Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand berechnet wurden, wurde ein Aggregat von Voxeln zwischen zwei benachbarten segmentierten Poren als ein Hals definiert. Ein Wert, der durch Multiplizieren der Anzahl der Voxel, die einen solchen Hals bilden, mit dem Quadrat der Gitterauflösung (1,2µm) erhalten wird, (d. h. die Anzahl der Voxel×(1,2µm)²), wurde als Halsfläche definiert, und der mittlere Halsdurchmesser wurde durch V(Halsfläche/n) berechnet.
An dem Wabenfilter aus Beispiel 1 wurden die Druckverlustleistung und die Abfangleistung in dem folgenden Verfahren bewertet. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
(Bewertung der Druckverlustleistung)
Bei der Bewertung der Druckverlustleistung wurde der Druckverlustanstiegswert aufgrund von Rußablagerungen (kPa) nach dem folgenden Verfahren bestimmt. Zuerst wurde eine Fluidanalyse durch das Lattice-Boltzmann-Verfahren unter Verwendung eines vorbestimmten relationalen Ausdrucks bezüglich der Strömung des Fluids zwischen jedem Gitterpunkt und seinem benachbarten Gitterpunkt, wenn ein Fluid von einer Einströmungsstirnfläche strömt, ausgeführt, wobei der Mittelpunkt jedes Voxels der dreidimensionalen Daten des porösen Körpers als jeder Gitterpunkt dient. Die Druckdifferenz zwischen der Einströmungsstirnfläche und einer Ausströmungsstirnfläche wurde als Anfangsdruckverlust (kPa) berechnet. Danach wurde basierend auf den Ergebnisse der Fluidanalyse für jedes räumliche Voxel der dreidimensionalen Daten des porösen Körpers ein Strömungsratenvektor, der aus einer Strömungsrate und einer Strömungsrichtung besteht, als Informationen über die Strömung des Fluids für jedes räumliche Voxel abgeleitet. Als Nächstes wurde die Bewegung des PM durch Simulieren eines Zustands, in dem der Feinstaub (Ruß) auf der durch den Strömungsvektor repräsentierten Fluidströmung platziert wurde. Zu diesem Zeitpunkt soll PM, der sich einem Objektvoxel nähern, am Objektvoxel abgefangen werden. Als der PM in etwa 1 % des Porenvolumens abgelagert war, wurde die Fluidanalyse erneut durchgeführt, um den Druckverlust (kPa) nach der Rußablagerung zu bestimmen. Die Differenz zwischen dem Anfangsdruckverlust und dem Druckverlust nach der Rußablagerung wurde als Druckverlustanstiegswert (kPa) definiert.
(Bewertung der Abfangleistung)
Bei dem Verfahren, das in dem vorstehenden Bewertungsverfahren zur Bewertung der Druckverlustleistung beschrieben ist, wurde die Bewegung von PM vorhergesagt, und die Menge des PM, der aus der Ausströmungsstirnfläche der dreidimensionalen Daten des porösen Körpers ausgestoßen wird, ohne abgefangen zu werden, wurde als die Leckmenge (d. h. die Rußausstoßmenge (g/m³) definiert).
(Beispiele 2 bis 7)
In den Beispielen 2 bis 7 wurden die Wabenfilter unter Verwendung des nachstehend gezeigten Ausgangsmaterials zum Vorbereiten des gekneteten Materials zum Herstellen der wabenförmigen Körper hergestellt. In den erhaltenen Wabenfiltern wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 die Porosität und der mittlere Porendurchmesser der Trennwand gemessen. Die mittlere Anzahl von Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand und der mittlere Halsdurchmesser an der Oberfläche der Trennwand wurden ebenfalls gemessen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. In den Beispielen 2 bis 7 wurden der mittlere Partikeldurchmesser des wasserabsorbierenden Polymers und dergleichen, das Mischungsverhältnis und der zuzusetzende Wassergehalt im Ausgangsmaterial verändert.
(Vergleichsbeispiele 1 bis 3)
In den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurden die Wabenfilter unter Verwendung des nachstehend gezeigten Ausgangsmaterials zum Vorbereiten des gekneteten Materials zum Herstellen der wabenförmigen Körper hergestellt. In den erhaltenen Wabenfiltern wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 die Porosität und der mittlere Porendurchmesser der Trennwand gemessen. Die mittlere Anzahl von Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand und der mittlere Halsdurchmesser an der Oberfläche der Trennwand wurden ebenfalls gemessen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. In den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wurden der mittlere Partikeldurchmesser des wasserabsorbierenden Polymers und dergleichen, das Mischungsverhältnis und der zuzusetzende Wassergehalt im Ausgangsmaterial verändert. Zusätzlich wurde in einigen Vergleichsbeispielen dem Porenbildner ein porenbildendes Harz hinzugefügt.
Bei den Wabenfiltern der Beispiele 2 bis 7 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurden die Druckverlustleistung und die Abfangleistung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 bewertet. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
(Ergebnisse)
Die Wabenfilter der Beispiele 1 bis 7 zeigten bei der Bewertung der Druckverlustleistung einen geringen Druckverlustanstiegswert aufgrund von Rußablagerungen (kPa). Die Wabenfilter der Beispiele 1 bis 7 zeigten bei der Bewertung der Abfangleistung auch einen niedrigen Rußausstoßwert.
Bei den Wabenfiltern der Vergleichsbeispiele 1 und 2 war die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche der Trennwand 7,5 oder kleiner, und der Druckverlustanstiegswert aufgrund von Rußablagerungen (kPa) war bei der Bewertung der Druckverlustleistung höher. Insbesondere im Wabenfilter von Vergleichsbeispiel 2 war die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche 7,5 oder kleiner, und der mittlere Halsdurchmesser der Oberfläche ist kleiner als die anderen Niveaus, so dass der Druckverlustanstiegswert (kPa) sehr hoch war.
Ferner war bei dem Wabenfilter von Vergleichsbeispiel 3, da die mittlere Anzahl der Verzweigungen der Poren an der äußersten Oberfläche 7,5 oder kleiner war, der Druckverlustanstiegswert aufgrund von Rußablagerungen (kPa) in der Bewertung der Druckverlustleistung höher.
Gewerbliche Verwertbarkeit
Der Wabenfilter gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Abfangfilter zum Entfernen von im Abgas enthaltenen Partikeln und dergleichen verwendet werden.
Beschreibung der Bezugszeichen
1: Trennwand; 2: Zelle; 2a: Einströmungszelle; 2b: Ausströmungszelle; 3: Umfangswand; 4: Wabenstrukturkörper; 5: Abdichtungsabschnitt; 11: erste Stirnfläche; 12: zweite Stirnfläche; 16A,16B,16C,16D: Poren; 17: verengter Teil; und 100: Wabenfilter.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2022057087 [0001]
JP 2019171318 A [0005]

Claims

Wabenfilter, der umfasst: einen säulenförmigen Wabenstrukturkörper mit einer porösen Trennwand, die so angeordnet ist, dass sie mehreren Zellen, die als Fluiddurchgangskanäle dienen, die sich von einer ersten Stirnfläche zu einer zweiten Stirnfläche erstrecken, umgibt; und einen Abdichtungsabschnitt, der an einem offenen Ende auf der ersten Stirnflächenseite oder der zweiten Stirnflächenseite jeder der Zellen vorgesehen ist, wobei die Trennwand eine mittlere Anzahl von Verzweigungen von Poren, die an der äußersten Oberfläche der Trennwand existieren, von mehr als 7,5 und weniger als 9,0 aufweist.
Wabenfilter nach Anspruch 1, wobei die Trennwand einen mittleren Halsdurchmesser eines Halses, der die mehreren Poren auf einer Oberfläche der Trennwand trennt, von 6,0 µm oder größer und kleiner als 9,0 µm aufweist.
Wabenfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Porosität der Trennwand im Bereich von 45 bis 65 % ist.
Wabenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein mittlerer Porendurchmesser der Trennwand 6,0 µm oder größer und 9,0 µm oder kleiner ist.