DE112021000439T5

DE112021000439T5 - Wabenstruktur und abgasreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021000439T5
Application number: DE112021000439.5T
Authority: DE
Inventors: Kazuya Hosoda; Takafumi Kimata; Yunie IZUMI
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2022-10-20
Also published as: JP7246525B2; CN115023538B; WO2021157746A1; CN115023538A; JPWO2021157746A1; US20220362704A1

Abstract

Eine säulenförmige Wabenstruktur weist eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, auf, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer Endfläche zu einer anderen Endfläche erstreckt, um einen Strömungspfad zu bilden, wobei die Zellen mehrere Drahtstücke aufweisen, die aus einer magnetischen Substanz bestehen, wobei die Drahtstücke durch Zwischenräume oder Puffermaterialien in einer Ausdehnungsrichtung der Zellen voneinander getrennt bereitgestellt sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wabenstruktur und eine Abgasreinigungsvorrichtung. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Wabenstruktur und eine Abgasreinigungsvorrichtung, die eine verbesserte Wärmeschockbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, wenn die Wabenstruktur einer elektromagnetischen Induktionsheizung unterzogen wird.
Stand der Technik
Abgase von Kraftfahrzeugen enthalten typischerweise schädliche Bestandteile wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide und/oder Kohlenstoff-Feinstaub oder dergleichen als Folge einer unvollständigen Verbrennung. Unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung von Gesundheitsgefahren für einen menschlichen Körper besteht ein zunehmender Bedarf daran, schädliche Gaskomponenten und Feinstaub in Abgasen von Kraftfahrzeugen zu reduzieren.
Gegenwärtig werden diese schädlichen Komponenten jedoch während eines Zeitraums unmittelbar nach dem Starten einer Kraftmaschine freigesetzt, d. h. während eines Zeitraums, in dem eine Katalysatortemperatur niedriger und eine katalytische Aktivität unzureichend sind. Daher können die schädlichen Komponenten im Abgas ausgetragen werden, ohne durch den Katalysator gereinigt zu werden, bevor er eine Katalysatoraktivierungstemperatur erreicht. Um diesen Bedarf zu decken, ist es notwendig, die Emission, die ohne Reinigung durch einen Katalysator abgegeben wird, bevor die Katalysatoraktivierungstemperatur erreicht wird, so weit wie möglich zu reduzieren. Beispielsweise sind im Stand der Technik Maßnahmen unter Verwendung einer elektrischen Heiztechnik bekannt.
Als eine solche Technik schlägt Patentdokument 1 eine Technik zum Einsetzen eines Magnetdrahts in einen Teil von Zellen einer Cordierit-Wabe vor, die weithin als eine katalysatorgestützte Wabe verwendet wird. Gemäß dieser Technik kann ein Strom durch die Spule an einem Außenumfang der Wabe geleitet werden, um eine Drahttemperatur durch elektromagnetische Induktionsheizung zu erhöhen, und ihre Wärme kann eine Temperatur der Wabe erhöhen.
Kohlenstoff-Feinstaub im Abgas von Diesel-Kraftmaschinen und Benzin-Kraftmaschinen wirkt sich auf die menschliche Gesundheit aus, so dass auch ein erhöhter Bedarf an der Reduzierung dieses Feinstaubs besteht. Für eine solche Abgasbehandlung werden Filter vom Wandströmungstyp mit Wabenstrukturen verwendet, die abwechselnd mit verstopften Abschnitten versehen sind. Der von den Filtern gesammelte Kohlenstoff-Feinstaub (Ruß) wird ausgebrannt und entfernt, indem eine Temperatur des Abgases erhöht wird. Eine längere Zeitspanne, die für das Verbrennen und Entfernen erforderlich ist, verursacht jedoch das Problem, dass der Verbrauch eines Kraftstoffs, der zum Erhöhen der Temperatur des Abgases erforderlich ist, zunimmt. Ferner ist es vom Standpunkt des Sicherstellens eines Montageraums hinsichtlich des Sicherstellens eines Freiheitsgrads bei einer Konstruktion eines Abgassystems bevorzugt, den Filter an einer Unterbodenposition zu montieren, die relativ viel Platz aufweist. Wenn es jedoch an der Unterbodenposition platziert wird, sinkt eine Temperatur eines Abgases aus einer Kraftmaschine, was das Problem verursacht, dass der Kohlenstoff-Feinstaub nicht ausgebrannt und entfernt werden kann.
Um dieses Problem anzugehen, offenbart Patentdokument 2 eine Technik zum verteilten Anordnen feiner magnetischer Teilchen auf Oberflächen von Trennwänden eines Filters und zum Erwärmen derselben durch elektromagnetische Induktionsheizung. Ferner offenbart Patentdokument 3 eine Technik zum Einsetzen eines Magnetdrahts in verstopfte Abschnitte eines Filters.
Entgegenhaltungsliste
Patentdokument(e)

[Patentdokument 1] US-Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017/0022868 A1
[Patentdokument 2] WO 2016/021186 A1
[Patentdokument 3] U US-Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017/0014763 A1

Zusammenfassung der Erfindung
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalldrahts ist jedoch viel höher als jener der Wabe. Wenn daher, wie es in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbart ist, der Metalldraht in die Wabenzellen eingesetzt und daran fixiert wird und die Temperatur durch elektromagnetische Induktionsheizung erhöht wird, verursacht dies das Problem, dass mechanische Spannungen in verstopften Abschnitten der Zellen der Wabe erzeugt werden, so dass die verstopften Abschnitte zerstört werden.
Ferner haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass dann, wenn magnetische Teilchen anstelle der Metalldrähte auf Oberflächen von Trennwänden des Filters verteilt und angeordnet und durch elektromagnetische Induktionsheizung erhitzt werden, die Oberfläche der magnetischen Teilchen größer ist, so dass sie möglicherweise leicht oxidieren und die Heizleistung sich vielleicht verschlechtert.
Angesichts der vorstehenden Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wabenstruktur und eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Wärmeschockbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweisen, wenn die Wabenstruktur einer elektromagnetischen Induktionsheizung unterzogen wird.
Als Ergebnis intensiver Studien haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass die obigen Probleme gelöst werden können, indem eine Wabenstruktur so ausgebildet wird, dass in Zellen, die als Strömungspfade für ein Fluid in der Wabenstruktur dienen, mehrere Drahtstücke aus einer magnetischen Substanz über Zwischenräume oder Puffermaterialien in einer Ausdehnungsrichtung der Zellen voneinander getrennt bereitgestellt werden. Das heißt, die vorliegende Erfindung wird wie folgt spezifiziert:

(1) Säulenförmige Wabenstruktur, die aufweist:
- eine Außenumfangswand; und
- poröse Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer Endfläche zu einer anderen Endfläche erstreckt, um einen Strömungspfad zu bilden,
- wobei die Zellen mehrere Drahtstücke aufweisen, die eine magnetische Substanz enthalten, wobei die Drahtstücke über einen Zwischenraum oder ein Puffermaterial in einer Ausdehnungsrichtung der Zellen voneinander getrennt bereitgestellt sind.
(2) Abgasreinigungsvorrichtung, die aufweist:
- die Wabenstruktur nach (1);
- eine Spulenverdrahtung, die einen Außenumfang der Wabenstruktur schraubenlinienförmig umgibt; und
- ein Metallrohr zum Aufnehmen der Wabenstruktur und der Spulenverdrahtung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Wabenstruktur und eine Abgasreinigungsvorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Wärmeschockbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweisen, wenn die Wabenstruktur einer elektromagnetischen Induktionsheizung unterzogen wird.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Wabenstruktur gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Querschnitt einer Wabenstruktur 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, der parallel zu einer Ausdehnungsrichtung von Zellen 15 ist;
3 sind Querschnittsansichten, die schematisch Querschnitte von Wabenstrukturen 10 gemäß Ausführungsform 1 vor dem elektromagnetischen Induktionsheizen (die obere Ansicht) und nach dem elektromagnetischen Induktionsheizen (die untere Ansicht) zeigen, die parallel zu einer Ausdehnungsrichtung der Zellen 15 sind;
4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Querschnitt einer Wabenstruktur 20 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, der parallel zu einer Ausdehnungsrichtung von Zellen 15 ist; und
5 ist eine schematische Ansicht eines Abgasströmungswegs einer Abgasreinigungsvorrichtung, die eine Wabenstruktur gemäß Ausführungsform 1 oder 2 aufweist.

Genaue Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend werden Ausführungsformen einer Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Verbesserungen können basierend auf dem Wissen von Fachleuten vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
<1. Wabenstruktur>
(Ausführungsform 1)
1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Wabenstruktur gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Querschnitt der Wabenstruktur 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, der parallel zu einer Ausdehnungsrichtung von Zellen 15 ist. Die Wabenstruktur 10 ist in einer Säulenform strukturiert und umfasst eine Außenumfangswand11 und poröse Trennwände 12, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand 11 angeordnet sind und mehrere Zellen 15 definieren, die sich von einer Endfläche 13 zu der anderen Endfläche 14 erstrecken, um Strömungspfade zu bilden.
Ein Teil der mehreren Zellen 15 ist mit Drahtstücken 18 versehen, die unten im Einzelnen beschrieben werden. Die Position der mit den Drahtstücken 18 zu versehenden Zelle 15 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise können in einem Querschnitt senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Zellen 15 die Zellen 15, die mit den Drahtstücken 18 versehen sind, und die Zellen 15, die nicht mit den Drahtstücken 18 versehen sind, abwechselnd in einer vertikalen Richtung und einer horizontalen Richtung angeordnet sein. Somit kann das abwechselnde Anordnen der Zellen 15, die mit den Drahtstücken 18 versehen sind, und der Zellen 15, die nicht mit den Drahtstücken 18 versehen sind, zu einer besseren Effizienz des elektromagnetischen Induktionsheizens führen. Die Anordnungsposition und die Anzahl der Anordnungen der Zellen 15, die mit den Drahtstücken 18 versehen sind, können im Hinblick auf die Heizeffizienz und den Druckverlust der Wabenstruktur 10 geeignet gestaltet werden.
Die Drahtstücke 18 sind aus einer magnetischen Substanz hergestellt und mehrere der Drahtstücke 18 sind über Puffermaterialien 17 in der Ausdehnungsrichtung der Zellen 15 voneinander getrennt in den Zellen 15 bereitgestellt. Das heißt, das Drahtstück 18 und das Puffermaterial 17 sind in der Ausdehnungsrichtung der Zellen 15 abwechselnd benachbart zueinander angeordnet. Ferner sind eine Endfläche 13 und eine andere Endfläche 14 der Zellen 15, die mit den Drahtstücken 18 versehen sind, jeweils mit verstopften Abschnitten 16 versehen. Die verstopften Abschnitte 16 können die gleiche Struktur wie die verstopften Abschnitte einer herkömmlich bekannten Wabenstruktur verwenden.
Wirkungen der Wabenstruktur 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die obere Ansicht von 3 zeigt eine schematische Ansicht der Zelle 15, die mit den Drahtstücken 18 in der Wabenstruktur 10 versehen ist. In der Zelle 15 sind die verstopften Abschnitte 16 an beiden Endflächen 13 und 14 bereitgestellt und mehrere Drahtstücke 18 sind über das Puffermaterial 17 in der Ausdehnungsrichtung der Zelle 15 voneinander getrennt angeordnet, um mit den verstopften Abschnitten 16 in Kontakt zu sein. Die elektromagnetische Induktionsheizung der Wabenstruktur 10 einschließlich der Zellen 15 mit einer solchen Struktur führt zu einer Erhöhung der Temperatur und Ausdehnung der mehreren Drahtstücke 18 aus der magnetischen Substanz, wie es in der unteren Ansicht von 3 gezeigt ist. Da in diesem Fall jeweils die Puffermaterialien 17 zwischen den benachbarten Drahtstücken 18 bereitgestellt sind, absorbieren die Puffermaterialien 17 Abschnitte, die durch die Ausdehnung der Drahtstücke 18 verlängert werden. Daher ist es möglich, die Zerstörung der verstopften Abschnitte, die an beiden Endflächen 13 und 14 der Zellen 15 bereitgestellt sind, aufgrund der Ausdehnung der Drahtstücke 18 zufriedenstellend zu unterdrücken. Ferner werden als magnetische Substanz die Drahtstücke 18 mit einer geringeren Oberfläche anstelle von feinen magnetischen Teilchen mit einer größeren Oberfläche verwendet. Daher führt das Erhitzen mittels elektromagnetischer Induktionsheizung zu Schwierigkeiten beim Oxidieren, so dass eine Verschlechterung der Heizleistung zufriedenstellend unterdrückt werden kann. Da ferner die feinen magnetischen Teilchen ein geringeres Volumen haben, ist eine Hochfrequenz-Induktionsheizung für die elektromagnetische Induktionsheizung erforderlich, was die Kosten einer Leistungsquelle und dergleichen erhöht. Da jedoch Drahtstücke 18 mit einem größeren Volumen als dem der feinen magnetischen Teilchen verwendet werden, sinken die Kosten der Leistungsversorgung und dergleichen.
Obwohl 2 und 3 zeigen eine Konfiguration, bei der die Puffermaterialien 17 jeweils zwischen den benachbarten Drahtstücken 18 bereitgestellt sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und jeweils ein Zwischenraum kann zwischen den benachbarten Drahtstücken 18 ausgebildet sein. In diesem Fall kann beispielsweise ein Teil der Seitenfläche des Drahtstücks 18 mit einem Verbindungsmaterial an der Trennwand 12 fixiert und somit in der Zelle angeordnet sein. Beispiele des Verbindungsmaterials, das hierin verwendet werden kann, umfassen eine Paste, die durch geeignete Zugabe eines Porenbildners, eines organischen Bindemittels und von Wasser zu Cordierit-Pulver hergestellt wird.
Selbst dann, wenn die Zwischenräume anstelle der Puffermaterialien 17 bereitgestellt sind, absorbieren somit die Zwischenräume die Abschnitte, die sich durch Ausdehnung der Drahtstücke 18 aus magnetischem Material ausdehnen, wenn die Temperatur der Drahtstücke 18 steigt und sie sich während der elektromagnetischen Induktionsheizung ausdehnen, wie es oben beschrieben ist, so dass die Zerstörung der an beiden Endflächen 13 und 14 der Zelle 15 bereitgestellten verstopften Abschnitte zufriedenstellend unterdrückt werden kann.
Die Drahtstücke 18 haben bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 bis 12 × 10^-6/°C. Bei der elektromagnetischen Induktionsheizung der Wabenstruktur 10 erfordert ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Drahtstücke 18 von mehr als 12 × 10^-6/°C eine vergrößerte Länge des Puffermaterials oder des Zwischenraumabschnitts, um die durch die Ausdehnung der Drahtstücke 18 ausgedehnten Abschnitte aufzunehmen, so dass es schwierig sein kann, eine ausreichende Drahtlänge bereitzustellen, um die erforderliche Heizleistung aufrechtzuerhalten. Ferner gibt es im Wesentlichen kein magnetisches Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 8 × 10^-6/°C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei 900 °C, wenn 25 °C als Referenztemperatur verwendet wird.
Beispiele für die magnetische Substanz mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 bis 12 × 10^-6/°C umfassen eine FeCo-Legierung, die 10 Masse-% oder mehr Co enthält, oder Edelstahl und dergleichen. Beispiele der FeCo-Legierung, die 10 Masse-% oder mehr Co enthält, umfassen Permendur, Fe-49 Masse-% Co-2 Masse-% mit Rest V, Fe-17 Masse-% Co-2 Masse-% Cr-1 Masse-% mit Rest Mo und dergleichen. Ferner umfasst der Edelstahl auf Ferrit basierende Edelstähle wie SUS 430f.
Die Drahtstücke 18 sind magnetische Substanzen und werden durch ein Magnetfeld magnetisiert, und ein Magnetisierungszustand variiert in Abhängigkeit von der Intensität des Magnetfelds. Dies wird durch eine „Magnetisierungskurve“ dargestellt. Die Magnetisierungskurve kann ein Magnetfeld H auf einer horizontalen Achse und eine magnetische Flussdichte B auf einer vertikalen Achse aufweisen (B-H-Kurve). Ein Zustand, in dem kein Magnetfeld an die magnetische Substanz angelegt ist, bezieht sich auf einen Entmagnetisierungszustand, der durch einen Ursprung O dargestellt wird. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, wird eine Kurve aufgetragen, in der die magnetische Flussdichte von dem Ursprung O zu einem gesättigten Zustand ansteigt. Diese Kurve ist eine „Anfangsmagnetisierungskurve“. Eine Steigung einer Geraden, die einen Punkt auf der Anfangsmagnetisierungskurve mit dem Ursprung verbindet, ist eine „magnetische Permeabilität“. Die magnetische Permeabilität gibt eine Magnetisierbarkeit der magnetischen Substanz in dem Sinne an, dass das Magnetfeld eindringt. Die magnetische Permeabilität in der Nähe des Ursprungs, wo das Magnetfeld kleiner ist, ist eine „anfängliche magnetische Permeabilität“, und eine magnetische Permeabilität, die auf der Anfangsmagnetisierungskurve maximal ist, ist eine „maximale magnetische Permeabilität“.
Die Drahtstücke 18 haben bevorzugt eine maximale magnetische Permeabilität von 10000 oder mehr. Gemäß einer solchen Konfiguration kann dann, wenn die Wabenstruktur 10 mit den Drahtstücken 18 der elektromagnetischen Induktionsheizung unterzogen wird, die Temperatur in kurzer Zeit auf eine Temperatur erhöht werden, bei der Wasser verdampft (ungefähr 100 °C), und weiter auf eine Temperatur erhöht werden, bei der der Katalysator aktiviert wird (ungefähr 300 °C). Die Drahtstücke 18 können stärker bevorzugt eine maximale magnetische Permeabilität von 25000 oder mehr und noch stärker bevorzugt eine maximale magnetische Permeabilität von 50000 oder mehr aufweisen. Beispiele der magnetischen Substanz mit einer maximalen magnetischen Permeabilität von 10000 oder mehr umfassen Fe-10 Masse-% Si-5 Masse-% mit Rest Al, Co-49 Masse-% Fe-2 Masse-% mit Rest V und Fe-36 Masse-% mit Rest Ni, Fe-45 Masse-% mit Rest Ni und dergleichen.
Die Drahtstücke 18 haben bevorzugt eine Curie-Temperatur von 600 °C oder mehr. Eine Curie-Temperatur der Drahtstücke 18 von 600 °C oder mehr kann es ermöglichen, dass eine Wabentemperatur ausreichend ist, um die Katalysatortemperatur auf die zu erreichende Katalysatoraktivierungstemperatur oder mehr zu erhöhen, und dies kann zu einem leichten Ausbrennen und Entfernen von PM (Feinstaub) führen, der in den ersten Zellen 15 angesammelt ist, um einen Wabenstrukturfilter zu regenerieren. Die magnetischen Substanzen mit einer Curie-Temperatur von 600 °C oder mehr umfassen beispielsweise Co-20 Masse-% mit Rest Fe; Co-25 Masse-% Ni-4 Masse-% mit Rest Fe; Fe-15-35 Masse-% mit Rest Co; Fe-17 Masse-% Co-2 Masse-% Cr-1 Masse-% mit Rest Mo; Fe-49 Masse-% Co-2 Masse-% mit Rest V; Fe-18 Masse-% Co-10 Masse-% Cr-2 Masse-% Mo-1 Masse-% mit Rest AI; Fe-27 Masse-% Co-1 Masse-% mit Rest Nb; Fe-20 Masse-% Co-1 Masse-% Cr-2 Masse-% mit Rest V; Fe-35 Masse-% Co-1 Masse-% mit Rest Cr; reines Kobalt; reines Eisen; elektromagnetisches Weicheisen; Fe-0,1-0,5 Massen-% mit Rest Mn; Fe-3 Masse-% mit Rest Si; und dergleichen. Hier bezieht sich die Curie-Temperatur der magnetischen Substanz auf eine Temperatur, bei der eine ferromagnetische Eigenschaft verloren geht.
Die Drahtstücke 18 haben bevorzugt einen intrinsischen Widerstandswert von 10 µΩcm bis 100 µΩcm bei 25 °C. Die Drahtstücke 18 mit einem intrinsischen Widerstandswert von 10 µΩcm oder mehr bei 25 °C können aufgrund des höheren Widerstandswerts zu einer erhöhten Wärmemenge führen, die durch elektromagnetische Induktionsheizung erzeugt wird. Außerdem können Drahtstücke mit einem intrinsischen Widerstandswert von 100 µΩcm oder weniger bei 25 °C zu einer erhöhten Anzahl von Abschnitten führen, in denen aufgrund der elektromagnetischen Induktion elektrischer Strom fließt, so dass eine durch elektromagnetische Induktionsheizung erzeugte Wärmemenge weiter ansteigen kann. Beispiele der magnetischen Substanzen mit einem intrinsischen Widerstandswert von 10 µΩcm oder mehr bei 25 °C umfassen Fe-18 Masse-% mit Rest Cr; Fe-13 Masse-% Cr-2 Masse-% mit Rest Si; Fe-20 Masse-% Cr-2 Masse-% Si-2 Masse-% mit Rest Mo; Fe-10 Masse-% Si-5 Masse-% mit Rest AI; Co-20 Masse-% mit Rest Fe; Fe-15 bis 35 Masse-% mit Rest Co; Fe-49 Masse-% Co-2 Masse-% mit Rest V; Fe-18 Masse-% Co-10 Masse-% Cr-2 Masse-% Mo-1 Masse-% mit Rest Al; Fe-36 Masse-% mit Rest Ni; Fe-45 Masse-% mit Rest Ni; und dergleichen.
Die Drahtstücke 18 haben bevorzugt eine Koerzitivkraft von 100 A/m oder mehr. Gemäß einer solchen Konfiguration kann dann, wenn die Wabenstruktur 10 mit den Drahtstücken 18 der elektromagnetischen Induktionsheizung unterzogen wird, die Temperatur in kurzer Zeit auf eine Temperatur erhöht werden, bei der Wasser verdampft (ungefähr 100 °C), und weiter bis zu einer Temperatur erhöht werden, bei der der Katalysator aktiviert wird (etwa 300 °C). Die magnetischen Substanzen mit einer Koerzitivkraft von 100 A/m oder mehr umfassen Fe-35 Masse-% mit Rest Co; Fe-20 Masse-% Co-1 Masse-% mit Rest V; Fe-13 Masse-% Cr-2 Masse-% mit Rest Si; Fe-18 Masse-% mit Rest Cr; und dergleichen.
Jedes der Drahtstücke 18 hat bevorzugt eine Länge von 1 bis 20 mm in der Ausdehnungsrichtung der Zellen. Eine Länge jedes Drahtstücks 18 von 1 mm oder mehr kann eine bessere Effizienz der elektromagnetischen Induktionsheizung bieten. Ferner kann eine Länge jedes Drahtstücks 18 von 20 mm oder weniger die Verlängerungjedes Drahtstücks 18 aufgrund der Ausdehnung unterdrücken, so dass jegliche Zerstörung der verstopften Abschnitte 16 zufriedenstellend unterdrückt werden kann. Die Länge jedes der Drahtstücke 18 in der Ausdehnungsrichtung der Zellen beträgt stärker bevorzugt 3 bis 15 mm und noch stärker bevorzugt 4 bis 6 mm. Die mehreren Drahtstücke 18, die in der Zelle 15 bereitgestellt sind, können die gleiche Länge oder unterschiedliche Längen haben.
Der Außendurchmesser jedes der Drahtstücke 18 kann gleich dem Innendurchmesser der Zelle 15 sein oder kann kleiner als der Innendurchmesser der Zelle 15 sein. Ferner können die Außendurchmesser der mehreren Drahtstücke 18 gleich oder voneinander verschieden sein.
Jedes Puffermaterial 17 oder jeder Zwischenraum, das/der zwischen den mehreren Drahtstücken 18 bereitgestellt ist, kann eine beliebige Größe aufweisen, solange es auf eine Größe geformt ist, die die Dehnung aufgrund der Ausdehnung beim Heizen und thermischen Ausdehnen der mehreren Drahtstücke 18, die in der Zelle 15 bereitgestellt sind, während der elektromagnetischen Induktionsheizung vollständig absorbieren kann. Die Länge jedes Puffermaterials 17 oder Zwischenraums in Ausdehnungsrichtung der Zelle beträgt bevorzugt 1 mm oder mehr. Gemäß einer solchen Konfiguration können die mehreren Drahtstücke 18 ferner die Dehnung aufgrund von Ausdehnung dann, wenn die Temperatur während der elektromagnetischen Induktionsheizung ansteigt und eine Wärmeausdehnung auftritt, zufriedenstellend absorbieren. Die Länge jedes Puffermaterials 17 oder Zwischenraums in der Ausdehnungsrichtung der Zelle beträgt stärker bevorzugt 2 mm oder mehr und noch stärker bevorzugt 2 bis 3 mm. Die mehreren Puffermaterialien 17 oder Zwischenräume, die in der Zelle 15 bereitgestellt sind, können die gleiche Länge oder voneinander verschiedene Längen haben.
Bevorzugt beträgt die Gesamtlänge der Puffermaterialien 17 oder der Zwischenräume in Ausdehnungsrichtung der Zelle 15 1/5 oder mehr der Gesamtlänge der Drahtstücke 18 in Ausdehnungsrichtung der Zelle 15. Gemäß einer solchen Konfiguration können die mehreren Drahtstücke 18 die Dehnung aufgrund der Ausdehnung dann, wenn die Temperatur während der elektromagnetischen Induktionsheizung ansteigt und eine thermische Ausdehnung auftritt, besser aufnehmen. Es ist stärker bevorzugt, dass die Gesamtlänge der Puffermaterialien 17 oder der Zwischenräume in der Ausdehnungsrichtung der Zelle 15 1/5 bis 1/2, noch stärker bevorzugt 1/5 bis 1/3 der Gesamtlänge der Drahtstücke 18 in Ausdehnungsrichtung der Zelle 15 beträgt.
Die Puffermaterialien 17 haben bevorzugt einen Elastizitätsmodul von 50 bis 500 MPa. Ein Elastizitätsmodul der Puffermaterialien 17 von 500 MPa oder weniger kann zu einer besseren Kompensation der Dehnung aufgrund der Ausdehnung führen, wenn die Temperatur während der elektromagnetischen Induktionsheizung ansteigt und eine thermische Ausdehnung auftritt. Ferner kann ein Elastizitätsmodul des Puffermaterials 17 von 50 MPa oder mehr ermöglichen, dass die mechanische Festigkeit aufrechterhalten wird, so dass Risse, die durch Dehnung aufgrund von Ausdehnung erzeugt werden, wenn die Temperatur während der elektromagnetischen Induktionsheizung ansteigt und eine thermische Ausdehnung auftritt, zufriedenstellend unterdrückt werden können. Die Puffermaterialien 17 haben bevorzugt einen Elastizitätsmodul von 100 bis 400 MPa und noch stärker bevorzugt 200 bis 300 MPa.
Die Puffermaterialien 17 haben bevorzugt eine Porosität von 40 bis 70 %. Eine Porosität der Puffermaterialien 17 von 40 % oder mehr führt zu einem verringerten Elastizitätsmodul der Puffermaterialien 17 und sorgt für eine bessere Aufnahme der Dehnung aufgrund der Ausdehnung, wenn die Temperatur während der elektromagnetischen Induktionsheizung ansteigt und eine thermische Ausdehnung auftritt. Ferner kann eine Porosität der Puffermaterialien 17 von 70 % oder weniger ermöglichen, dass die mechanische Festigkeit der Puffermaterialien 17 aufrechterhalten wird, so dass Risse, die durch Dehnung aufgrund von Ausdehnung erzeugt werden, wenn die Temperatur während elektromagnetischer Induktionsheizung ansteigt und thermische Ausdehnung eintritt, unterdrückt werden können. Die Puffermaterialien 17 haben bevorzugt eine Porosität von 40 bis 60 % und noch stärker bevorzugt von 45 bis 50 %.
Die Puffermaterialien 17 können aus Cordierit, Siliciumoxid, einem keramischen Material oder dergleichen bestehen.
Obwohl die Materialien der Trennwände 12 und der Außenumfangswand 11 der Wabenstruktur 10 nicht besonders eingeschränkt sind, muss die Wabenstruktur ein poröser Körper mit einer großen Anzahl von Poren sein. Daher ist die Wabenstruktur 10 typischerweise aus einem keramischen Material ausgebildet. Beispiele des keramischen Materials umfassen einen Sinterkörper aus Keramik, der aus Cordierit, Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Siliciumnitrid, Mullit, Aluminiumoxid, einem Verbundmaterial auf Silicium-Siliciumcarbid-Basis oder einem Verbundmaterial auf Siliciumcarbid-Cordierit-Basis besteht, insbesondere einen Sinterkörper, der hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial oder Siliciumcarbid basiert. Wie er hierin verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „auf Siliciumcarbidbasis“, dass die Wabenstruktur 10 Siliciumcarbid in einer Menge von 50 Massen-% oder mehr der gesamten Wabenstruktur 10 enthält. Der Ausdruck „die Wabenstruktur 10 basiert hauptsächlich auf einem Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial“ bedeutet, dass die Wabenstruktur 10 90 Masse-% oder mehr des Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterials (Gesamtmasse) basierend auf der gesamten Wabenstruktur 10 enthält. Hier enthält das Silicium-Siliciumcarbid-Verbundmaterial Siliciumcarbidteilchen als Aggregat und Silicium als Bindematerial zum Binden der Siliciumcarbidteilchen, und mehrere Siliciumcarbidteilchen sind bevorzugt durch Silicium gebunden, um Poren zwischen den Siliciumcarbidteilchen zu bilden. Der Ausdruck „die Wabenstruktur 10 basiert hauptsächlich auf Siliciumcarbid“ bedeutet, dass die Wabenstruktur 10 90 Masse-% oder mehr Siliciumcarbid (Gesamtmasse) basierend auf der gesamten Wabenstruktur 10 enthält.
Bevorzugt ist die Wabenstruktur 10 aus mindestens einem keramischen Material ausgebildet, das aus der Gruppe aus Cordierit, Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Siliciumnitrid, Mullit und Aluminiumoxid ausgewählt ist.
Die Form der Zelle 15 der Wabenstruktur 10 kann ohne Einschränkung darauf eine polygonale Form wie etwa ein Dreieck, ein Viereck, ein Fünfeck, ein Sechseck und ein Achteck; eine kreisförmige Form; eine Ellipsenform; oder eine andere unregelmäßige Form in einem Querschnitt orthogonal zur Mittelachse der Wabenstruktur 10 sein.
Ferner kann eine äußere Form der Wabenstruktur 10 ohne Einschränkung darauf eine Form wie etwa eine Säulenform mit kreisförmigen Endflächen (zylindrische Form), eine Säulenform mit ovalen Endflächen und eine Säulenform mit polygonalen (viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen, siebeneckigen, achteckigen und dergleichen) Endflächen und dergleichen sein. Außerdem ist die Größe der Wabenstruktur 10 nicht besonders beschränkt und eine axiale Länge der Wabenstruktur beträgt bevorzugt 40 bis 500 mm. Wenn die äußere Form der Wabenstruktur 10 beispielsweise zylindrisch ist, beträgt der Radius jeder Endfläche bevorzugt 50 bis 500 mm.
Jede der Trennwände 12 der Wabenstruktur 10 hat im Hinblick auf eine einfache Herstellung bevorzugt eine Dicke von 0,10 bis 0,50 mm und stärker bevorzugt von 0,25 bis 0,45 mm. Beispielsweise verbessert eine Dicke von 0,10 mm oder mehr die Festigkeit der Wabenstruktur 10. Eine Dicke von 0,50 mm oder weniger kann zu einem geringeren Druckverlust führen, wenn die Wabenstruktur 10 als Filter verwendet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Dicke der Trennwände 12 ein Durchschnittswert ist, der durch ein Verfahren zum Betrachten des axialen Querschnitts mit einem Mikroskop gemessen wird.
Ferner haben die Trennwände 12, die die Wabenstruktur 10 bilden, im Hinblick auf eine einfache Herstellung bevorzugt eine Porosität von 30 bis 70 % und stärker bevorzugt von 40 bis 65 %. Eine Porosität von 30 % oder mehr verringert tendenziell einen Druckverlust. Eine Porosität von 70 % oder weniger kann die Festigkeit der Wabenstruktur 10 aufrechterhalten.
Die porösen Trennwände 12 haben bevorzugt eine durchschnittliche Porengröße von 5 bis 30 µm und stärker bevorzugt von 10 bis 25 µm. Eine durchschnittliche Porengröße von 5 µm oder mehr kann den Druckverlust verringern, wenn die Wabenstruktur 10 als Filter verwendet wird. Eine durchschnittliche Porengröße von 30 µm oder weniger kann die Festigkeit der Wabenstruktur 10 aufrechterhalten. Wie sie hierin verwendet werden, bedeuten die Begriffe „durchschnittlicher Porendurchmesser“ und „Porosität“ einen durchschnittlichen Porendurchmesser bzw. eine Porosität, der/die mit einem Quecksilberporosimeter gemessen wird.
Die Wabenstruktur 10 hat bevorzugt eine Zellendichte in einem Bereich von 5 bis 93 Zellen/cm² und stärker bevorzugt 5 bis 63 Zellen/cm² und noch stärker bevorzugt in einem Bereich von 31 bis 54 Zellen/cm², obwohl sie nicht speziell darauf beschränkt ist.
Eine solche Wabenstruktur 10 wird hergestellt, indem ein Grünkörper, der ein keramisches Rohmaterial enthält, zu einer Wabenform mit Trennwänden 12 geformt wird, die sich von einer Endfläche zu der anderen Endfläche erstrecken und mehrere Zellen 15 definieren, um Strömungswege für ein Fluid zu bilden. um einen Wabenformkörper zu bilden, und der Wabenformkörper getrocknet wird und anschließend gebrannt wird. Wenn eine solche Wabenstruktur als Wabenstruktur 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, kann die Außenumfangswand einstückig mit einem Wabenstrukturabschnitt, der so wie er ist als Außenumfangswand verwendet wird, extrudiert werden oder ein Außenumfang des Wabenformkörpers (der Wabenstruktur) kann geschliffen und in eine vorbestimmte Form geformt werden, nachdem er geformt oder gebrannt wurde, und ein Beschichtungsmaterial kann auf die Wabenstruktur mit geschliffenem Außenumfang aufgebracht werden, um eine Außenumfangsbeschichtung zu bilden. Bei der Wabenstruktur 10 dieser Ausführungsform kann beispielsweise eine Wabenstruktur mit einem Außenumfang ohne Schleifen des äußersten Umfangs der Wabenstruktur verwendet werden und das Beschichtungsmaterial kann ferner auf die Außenumfangsfläche der Wabenstruktur mit dem Außenumfang (d. h. einer weiteren äußeren Seite des Außenumfangs der Wabenstruktur) aufgebracht werden, um die äußere Beschichtung zu bilden. Das heißt, in dem ersteren Fall bildet nur die Außenrandbeschichtung aus dem Beschichtungsmaterial die an dem äußersten Umfang positionierte äußere Randfläche. Andererseits wird im letzteren Fall eine Außenumfangswand mit einer an dem äußersten Umfang angeordneten zweischichtigen Struktur gebildet, bei der die Außenumfangsbeschichtung aus dem Beschichtungsmaterial weiter auf die Außenumfangsfläche der Wabenstruktur laminiert ist. Die Außenumfangswand kann einstückig mit dem Wabenstrukturabschnitt extrudiert und so wie sie ist gebrannt werden, was als Außenumfangswand ohne Bearbeitung des Außenumfangs verwendet werden kann.
Eine Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials ist nicht besonders beschränkt und verschiedene bekannte Beschichtungsmaterialien können in geeigneter Weise verwendet werden. Das Beschichtungsmaterial kann ferner kolloidales Siliciumdioxid, ein organisches Bindemittel, Ton und dergleichen enthalten. Das organische Bindemittel wird bevorzugt in einer Menge von 0,05 bis 0,5 Massen-% und stärker bevorzugt von 0,1 bis 0,2 Massen-% verwendet. Ferner wird der Ton bevorzugt in einer Menge von 0,2 bis 2,0 Massen-% und stärker bevorzugt von 0,4 bis 0,8 Massen-% verwendet.
Die Wabenstruktur 10 ist nicht auf eine Wabenstruktur 10 vom einstückigen Typ beschränkt, bei der die Trennwände 12 einstückig ausgebildet sind. Beispielsweise kann die Wabenstruktur 10 eine Wabenstruktur 10 sein, bei der säulenförmige Wabensegmente, die jeweils mehrere Zellen 15 aufweisen, die jeweils durch die porösen Trennwände 12 definiert sind, um Strömungspfade für ein Fluid zu bilden, über Verbindungsmaterialschichten kombiniert sind (im Folgenden als „verbundene Wabenstruktur“ bezeichnet).
Die Wabenstruktur 10 kann eine Wabenstruktur mit verbundenen Wabensegmenten sein, die erhalten wird, indem unter Verwendung jeder der gebrannten Wabenstrukturen als Wabensegment die Seitenflächen der mehreren Wabensegmente mit einem Verbindungsmaterial verbunden und integriert werden. Beispielsweise kann die Wabenstruktur, in der die Wabensegmente verbunden sind, wie folgt hergestellt werden.
Zuerst wird das Verbindungsmaterial auf die Verbindungsflächen (Seitenflächen) jedes Wabensegments aufgebracht, während Masken zum Verhindern der Anhaftung des Verbindungsmaterials an beiden Endflächen jedes Wabensegments angebracht sind. Diese Wabensegmente werden dann benachbart zueinander angeordnet, so dass die Seitenflächen der Wabensegmente einander gegenüberliegen, und die benachbarten Wabensegmente werden miteinander druckverbunden und dann erwärmt und getrocknet. Somit wird die Wabenstruktur hergestellt, bei der die Seitenflächen der benachbarten Wabensegmente mit dem Verbindungsmaterial verbunden sind. Für die Wabenstruktur kann der Außenumfangsabschnitt in eine gewünschte Form (z. B. eine zylindrische Form) geschliffen werden und das Beschichtungsmaterial kann auf die Außenumfangsfläche aufgebracht und dann erwärmt und getrocknet werden, um eine Außenumfangswand 11 zu bilden .
Das Material der Anhaftungsverhinderungsmaske für das Verbindungsmaterial, das hierin geeigneterweise verwendet werden kann, umfasst ohne Einschränkung darauf synthetische Harze wie Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyimid, Teflon (eingetragenes Warenzeichen) und dergleichen. Ferner ist die Maske bevorzugt mit einer Haftschicht versehen und das Material der Haftschicht ist bevorzugt ein Acrylharz, ein Kautschuk (z. B. ein Kautschuk, der hauptsächlich auf Naturkautschuk oder einem synthetischen Kautschuk basiert) oder ein Silikonharz.
Beispiele für die Maske zur Verhinderung der Anhaftung von Verbindungsmaterial, die hierin geeignet verwendet werden können, umfassen beispielsweise einen Haftfilm mit einer Dicke von 20 bis 50 µm.
Das hierin verwendbare Verbindungsmaterial kann beispielsweise durch Mischen von Keramikpulver, einem Dispersionsmedium (beispielsweise Wasser oder dergleichen) und optional Zusatzstoffen wie einem Bindemittel, einem Entflockungsmittel und einem Schaumharz hergestellt werden. Die Keramiken können bevorzugt Keramiken sein, die mindestens ein aus der Gruppe bestehend aus Cordierit, Mullit, Zirkon, Aluminiumtitanat, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Spinell, Indialit, Saphir, Korund und Titanoxid ausgewähltes Material enthalten und stärker bevorzugt das gleiche Material wie die Wabenstruktur aufweisen. Das Bindemittel umfasst Polyvinylalkohol, Methylzellulose, CMC (Carboxymethylzellulose) und dergleichen.
Die Wabenstruktur 10 kann Oberflächenschichten mit Permeabilität auf mindestens einem Teil der Oberflächen der Trennwände 12 aufweisen. Bei Verwendung hierin bedeutet „Permeabilität“, dass eine Permeabilität jeder Oberflächenschicht 1,0 × 10^-13 m² oder mehr beträgt. Im Hinblick auf eine weitere Verringerung des Druckverlusts beträgt die Permeabilität bevorzugt 1,0 x 10^-12 m² oder mehr. Da jede Oberflächenschicht Permeabilität aufweist, kann der Druckverlust der Wabenstruktur 10, der durch die Oberflächenschichten verursacht wird, unterdrückt werden.
Ferner bezieht sich die „Permeabilität“, wie sie hier verwendet wird, auf einen Wert einer physikalischen Eigenschaft, der durch die folgende Gleichung (1) berechnet wird, wobei der Wert ein Index ist, der den Durchgangswiderstand angibt, wenn ein bestimmtes Gas durch ein Objekt (Trennwände 12) hindurchtritt. Hier repräsentiert in der folgenden Gleichung (1) C eine Permeabilität (m²), F repräsentiert eine Gasflussrate (cm³/s), T repräsentiert eine Dicke einer Probe (cm), V repräsentiert eine Gasviskosität (dyn·s/cm²), D repräsentiert einen Durchmesser einer Probe (cm), P repräsentiert einen Gasdruck (PSI). Die numerischen Werte in der folgenden Gleichung (1) sind: 13,839 (PSI) = 1 (atm) und 68947,6 (dyn·s/cm²) = 1 (PSI).
[Gleichung 1] $C = \frac{8 FTV}{π D^{2} (P^{2} - {13.839}^{2}) / 13.839 \times 68947.6} \times 10^{- 4}$
Beim Messen der Permeabilität werden die Trennwände 12 mit den Oberflächenschichten ausgeschnitten, die Permeabilität wird an den Trennwänden 12 mit den Oberflächenschichten gemessen, und die Permeabilität wird dann an den Trennwänden 12 gemessen, von denen die Oberflächenschichten entfernt wurden. Aus einem Verhältnis der Dicken der Oberflächenschicht und der Trennwand und den Ergebnissen der Permeabilitätsmessung wird die Permeabilität der Oberflächenschichten berechnet.
Die Oberflächenschichten haben bevorzugt eine Porosität von 50 % oder mehr und stärker bevorzugt 60 % oder mehr und noch stärker bevorzugt 70 % oder mehr. Durch eine Porosität von 50 % oder mehr kann der Druckverlust unterdrückt werden. Wenn die Porosität jedoch zu hoch ist, werden die Oberflächenschichten spröde und lösen sich leicht ab. Daher beträgt die Porosität bevorzugt 90 % oder weniger.
Als Verfahren zum Messen der Porosität der Oberflächenschichten durch das Quecksilber-Einpressverfahren wird eine Differenz zwischen einer Quecksilber-Porositätskurve einer Probe mit einem Substrat und Oberflächenschichten und einer Quecksilber-Porositätskurve nur des Substrats, von dem nur die Oberflächenschichten abgeschabt und entfernt wurden, als Quecksilber-Porositätskurve der Oberflächenschichten bestimmt und die Porosität der Oberflächenschichten wird aus der Masse der abgeschabten Oberflächenschichten und der Quecksilber-Porositätskurve berechnet. Ein REM-Bild kann aufgenommen werden und die Porosität der Oberflächenschichten kann aus einem Flächenverhältnis der Hohlraumabschnitte und der massiven Abschnitte durch Bildanalyse der Oberflächenschichtabschnitte berechnet werden.
Die Oberflächenschichten haben bevorzugt einen durchschnittlichen Porendurchmesser von 10 µm oder weniger und stärker bevorzugt 5 µm oder weniger und weiter bevorzugt 4 µm oder weniger und besonders bevorzugt 3 µm oder weniger. Der durchschnittliche Porendurchmesser von 10 µm oder weniger kann eine höhere Teilchensammeleffizienz erzielen. Wenn jedoch der durchschnittliche Porendurchmesser der Oberflächenschichten zu gering ist, steigt der Druckverlust. Daher beträgt der durchschnittliche Porendurchmesser bevorzugt 0,5 µm oder mehr.
Als Verfahren zum Messen des durchschnittlichen Porendurchmessers der Oberflächenschichten durch das Quecksilber-Einpressverfahren wird in Form von Spitzenwerten in dem QuecksilberPorosimeter eine Differenz zwischen einer Quecksilber-Porositätskurve (Porenvolumenfrequenz) auf dem Substrat, auf dem die Oberflächenschichten ausgebildet sind, und eine Quecksilber-Porositätskurve nur auf dem Substrat, von dem nur die Oberflächenschichten abgeschabt und entfernt sind, als eine Quecksilber-Porositätskurve der Oberflächenschichten bestimmt und ihre Spitze wird als durchschnittlicher Porendurchmesser bestimmt. Ferner kann ein REM-Bild des Querschnitts der Wabenstruktur 10 aufgenommen werden und der Oberflächenschichtabschnitt kann einer Bildanalyse unterzogen werden, um die Hohlraumabschnitte und die massiven Abschnitte zu digitalisieren, und zwanzig oder mehr Hohlräume können zufällig ausgewählt werden, um die eingeschriebenen Kreise zu mitteln, und der Durchschnitt kann als der durchschnittliche Porendurchmesser bestimmt werden.
Ferner ist die Dicke jeder Oberflächenschicht nicht besonders beschränkt. Um jedoch die Wirkung der Oberflächenschichten deutlicher zu erzielen, beträgt die Dicke jeder Oberflächenschicht bevorzugt 10 µm oder mehr. Andererseits beträgt die Dicke jeder Oberflächenschicht im Hinblick auf die Vermeidung eines Anstiegs des Druckverlusts bevorzugt 80 µm oder weniger. Die Dicke jeder Oberflächenschicht beträgt stärker bevorzugt 50 µm oder weniger. Für ein Verfahren zum Messen der Dicke jeder Oberflächenschicht wird beispielsweise die Wabenstruktur 10, auf der die Oberflächenschichten ausgebildet sind, in einer Richtung senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Zellen geschnitten und die Dicke jeder Oberflächenschicht wird aus dem Querschnitt der Wabenstruktur 10 gemessen und die gemessenen Dicken an beliebigen fünf Punkten können gemittelt werden.
Als Nächstes wird das Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 10 beschrieben. Zuerst wird die Wabenstruktur mit den porösen Trennwänden und den mehreren durch die Trennwände definierten Zellen hergestellt. Beispielsweise wird bei der Herstellung der Wabenstruktur aus Cordierit zuerst ein cordieritbildendes Rohmaterial vorbereitet. Das cordieritbildende Rohmaterial enthält eine Siliciumdioxid-Quellenkomponente, eine Magnesiumoxid-Quellenkomponente und eine Aluminiumoxid-Quellenkomponente und dergleichen, um jede Komponente so zu formulieren, dass sie eine theoretische Zusammensetzung von Cordierit hat. Darunter umfasst die Siliciumdioxid-Quellenkomponente, die hierin verwendet werden kann, bevorzugt Quarz und Quarzglas und der Teilchendurchmesser der Siliciumdioxid-Quellenkomponente beträgt bevorzugt 100 bis 150 µm.
Beispiele der Magnesiumoxid-Quellenkomponente umfassen Talk und Magnesit. Darunter ist Talk bevorzugt. Der Talk ist bevorzugt in einer Menge von 37 bis 43 Masse-% in dem cordieritbildenden Rohmaterial enthalten. Der Talk hat bevorzugt einen Teilchendurchmesser (durchschnittlichen Teilchendurchmesser) von 5 bis 50 µm und stärker bevorzugt von 10 bis 40 µm. Ferner kann die Magnesiumoxid-Quellenkomponente (MgO-Quellenkomponente) Fe₂O₃, CaO, Na₂O, K₂O und dergleichen als Verunreinigungen enthalten.
Die Aluminiumoxid-Quellenkomponente enthält im Hinblick auf weniger Verunreinigungen bevorzugt Aluminiumoxid und/oder Aluminiumhydroxid. Ferner ist in dem cordieritbildenden Rohmaterial Aluminiumhydroxid bevorzugt in einer Menge von 10 bis 30 Massen-% enthalten und Aluminiumoxid bevorzugt in einer Menge von 0 bis 20 Massen-% enthalten.
Dann wird ein Material für einen Grünkörper hergestellt, der dem cordieritbildenden Rohmaterial zuzusetzen ist (Zusatzstoff). Als Zusatzstoffe werden mindestens ein Bindemittel und ein Porenbildner eingesetzt. Zusätzlich zu dem Bindemittel und dem Porenbildner kann ein Dispergiermittel oder ein Tensid verwendet werden.
Der Porenbildner, der hier verwendet werden kann, umfasst eine Substanz, die durch Reaktion mit Sauerstoff bei einer Temperatur kleiner oder gleich einer Brenntemperatur von Cordierit oxidativ entfernt werden kann, oder einen Reaktanten mit niedrigem Schmelzpunkt, der einen Schmelzpunkt bei einer Temperatur kleiner oder gleich der Brenntemperatur von Cordierit hat, oder dergleichen. Beispiele der Substanz, die oxidativ entfernt werden kann, umfassen Harze (insbesondere teilchenartige Harze), Graphit (insbesondere teilchenartiges Graphit) und dergleichen. Beispiele für den Reaktanten mit niedrigem Schmelzpunkt, der hier verwendet werden kann, umfassen mindestens ein Metall, das aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Kupfer, Zink, Blei, Aluminium und Nickel ausgewählt ist, Legierungen, die hauptsächlich auf diesen Metallen basieren (z. B. Kohlenstoffstahl und Gusseisen für Eisen und Edelstahl) oder Legierungen, die hauptsächlich auf zwei oder mehr dieser Metalle basieren. Darunter ist der Reaktant mit niedrigem Schmelzpunkt bevorzugt eine Eisenlegierung in Form eines Pulvers oder einer Faser. Ferner hat der Reaktant mit niedrigem Schmelzpunkt bevorzugt einen Teilchendurchmesser oder einen Faserdurchmesser (einen durchschnittlichen Durchmesser) von 10 bis 200 µm. Beispiele für eine Form des Reaktanten mit niedrigem Schmelzpunkt umfassen eine sphärische Form, eine gewickelte Rautenform, eine Konfettiform und dergleichen. Diese Formen sind bevorzugt, da die Form der Poren leicht gesteuert werden kann.
Beispiele für das Bindemittel umfassen Hydroxypropylmethylcellulose, Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und dergleichen. Ferner umfassen Beispiele des Dispergiermittels Dextrin, Polyalkohol und dergleichen. Darüber hinaus umfassen Beispiele des Tensids Fettsäureseifen. Der Zusatzstoff kann allein oder in Kombination von zwei oder mehr verwendet werden.
Anschließend werden zu 100 Masseteilen des cordieritbildenden Rohmaterials 3 bis 8 Masseteile des Bindemittels, 3 bis 40 Masseteile des Porenbildners, 0,1 bis 2 Masseteile des Dispergiermittels und 10 bis 40 Massenteile Wasser zugegeben und diese Materialien für einen Grünkörper werden geknetet, um einen Grünkörper herzustellen.
Der hergestellte Grünkörper wird dann durch ein Extrusionsformverfahren, ein Spritzgussverfahren, ein Pressformverfahren oder dergleichen zu einer Wabenform geformt, um einen Roh-Wabenformkörper zu erhalten. Das Extrusionsformverfahren wird bevorzugt verwendet, da fortlaufendes Formen einfach ist und beispielsweise Cordierit-Kristalle orientiert werden können. Das Extrusionsformverfahren kann unter Verwendung einer Vorrichtung wie z. B. eines Unterdruck-Grünkörperkneters, einer Extrusionsformmaschine vom Kolbentyp, einer kontinuierlichen Extrusionsformmaschine vom Doppelschneckentyp oder dergleichen durchgeführt werden.
Der Wabenformkörper wird dann getrocknet und auf eine vorbestimmte Größe angepasst, um einen getrockneten Wabenkörper zu erhalten. Der Wabenformkörper kann durch Heißlufttrocknung, Mikrowellentrocknung, dielektrische Trocknung, Trocknung unter vermindertem Druck, Unterdrucktrocknung, Gefriertrocknung und dergleichen getrocknet werden. Es ist bevorzugt, eine kombinierte Trocknung aus Heißlufttrocknung und Mikrowellentrocknung oder dielektrischer Trocknung durchzuführen, da der gesamte Wabenformkörper schnell und gleichmäßig getrocknet werden kann.
Anschließend werden die aus der magnetischen Substanz hergestellten Drahtstücke und die aus Cordierit oder dergleichen hergestellten Puffermaterialien abwechselnd in den definierten Zellen des getrockneten Wabenkörpers bereitgestellt. Wenn die Zwischenräume anstelle der Puffermaterialien bereitgestellt werden, wird das Verbindungsmaterial auf der Seitenfläche jedes Drahtstücks bereitgestellt und das Drahtstück wird an der Zellenwand fixiert.
Anschließend wird ein Rohmaterial für die verstopften Abschnitte hergestellt. Das Material für die verstopften Abschnitte (Verstopfungsaufschlämmung) kann das gleiche Material für einen Grünkörper wie die Trennwände (getrockneter Wabenkörper) verwenden, oder es kann ein anderes Material verwendet werden. Insbesondere kann das Rohmaterial für die verstopften Abschnitte durch Mischen eines keramischen Rohmaterials, eines Tensids und Wasser und gegebenenfalls Hinzufügen einer Sinterhilfe, eines Porenbildners und dergleichen erhalten werden, um eine Aufschlämmung zu bilden, die unter Verwendung eines Mischers oder dergleichen geknetet wird.
Anschließend werden Masken auf einige der Zellöffnungsabschnitte an einer Endfläche des getrockneten Wabenkörpers aufgebracht und die Endfläche wird in einen Lagerbehälter eingetaucht, in dem die Verschlussaufschlämmung gelagert wird, um die nicht maskierten Zellen mit der Verschlussaufschlämmung zu füllen. In ähnlicher Weise werden Masken auf einige der Zellöffnungsabschnitte auf der anderen Endfläche des getrockneten Wabenkörpers aufgebracht und die Endfläche wird in einen Lagerbehälter eingetaucht, in dem die Verschlussaufschlämmung gelagert wird, um die nicht maskierten Zellen mit der Verschlussaufschlämmung zu füllen. Somit werden beide Enden jeder Zelle, die mit den Drahtstücken versehen sind, verstopft. Es wird dann getrocknet und gebrannt, um eine Wabenstruktur mit verstopften Abschnitten zu erhalten. Als Trocknungsbedingungen können die gleichen Bedingungen wie diejenigen zum Trocknen des Wabenformkörpers verwendet werden. Ferner können die Bedingungen für das obige Brennen typischerweise in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 1410 bis 1440 °C für 3 bis 15 Stunden sein, wenn das cordieritbildende Rohmaterial verwendet wird.
Ein Verfahren zum Verstopfen wird einfach durchgeführt, indem ein pastenartiges Material mit einem Spatel, wie z. B. einer Rakel, in die Zellen gedrückt wird. Es ist einfach, die Tiefe durch die Anzahl der Rakelschiebevorgänge zu steuern. Die Anzahl der Schiebevorgänge wird für die Abschnitte der Zellen erhöht, bei denen erwünscht ist, das magnetische Material tief einzuführen, und die Anzahl der Schiebevorgänge wird für flache Abschnitte um die erstgenannten Zellen verringert.
Wenn die resultierende Wabenstruktur in einem Zustand hergestellt wird, in dem die Außenumfangswand auf der Außenumfangsfläche der Wabenstruktur ausgebildet ist, kann die Außenumfangsfläche ferner geschliffen werden, um die Außenumfangswand zu entfernen. Das Beschichtungsmaterial wird in einem nachfolgenden Schritt auf den Außenumfang der Wabenstruktur, von der die Außenumfangswand entfernt wurde, aufgebracht, um eine Außenumfangsbeschichtung zu bilden. Ferner kann beim Schleifen der Außenumfangsfläche ein Teil der Außenumfangswand geschliffen und entfernt werden und auf diesem Teil kann die Außenumfangsbeschichtung durch das Beschichtungsmaterial ausgebildet werden. Bei der Herstellung des Beschichtungsmaterials kann dieses beispielsweise unter Verwendung eines biaxialen Vertikalmischers vom Rotationstyp hergestellt werden.
Ferner kann das Beschichtungsmaterial weiterhin kolloidales Siliciumdioxid, ein organisches Bindemittel, Ton und dergleichen enthalten. Der Gehalt an dem organischen Bindemittel beträgt bevorzugt 0,05 bis 0,5 Massen% und stärker bevorzugt 0,1 bis 0,2 Massen-%. Der Tongehalt beträgt bevorzugt 0,2 bis 2,0 Masse-% und stärker bevorzugt 0,4 bis 0,8 Masse-%.
Das Beschichtungsmaterial wird auf die Außenumfangsfläche der zuvor hergestellten Wabenstruktur aufgebracht und das aufgebrachte Beschichtungsmaterial wird getrocknet, um eine Außenumfangsbeschichtung zu bilden. Eine solche Struktur kann eine wirksame Unterdrückung von Rissen in der Außenumfangsbeschichtung während des Trocknens und der Wärmebehandlung ermöglichen.
Beispiele für ein Verfahren zum Auftragen des Beschichtungsmaterials können ein Verfahren zum Auftragen des Beschichtungsmaterials durch Anordnen der Wabenstruktur auf einem Drehtisch und Drehen desselben und Drücken einer klingenförmigen Auftragsdüse entlang des Außenumfangsabschnitts der Wabenstruktur während des Abgebens des Beschichtungsmaterials aus der Auftragsdüse umfassen. Eine solche Konfiguration kann es ermöglichen, das Beschichtungsmaterial mit einer gleichmäßigen Dicke aufzutragen. Ferner kann dieses Verfahren zu einer verringerten Oberflächenrauigkeit der gebildeten Außenumfangsbeschichtung führen und kann in einer Außenumfangsbeschichtung, die ein verbessertes Aussehen hat und durch Wärmeschock schwer zu brechen ist, resultieren.
Wenn die Außenumfangsfläche der Wabenstruktur geschliffen ist und die Außenumfangswand entfernt ist, wird das Beschichtungsmaterial auf die gesamte Außenumfangsfläche der Wabenstruktur aufgebracht, um die Außenumfangsbeschichtung zu bilden. Wenn andererseits die Außenumfangswand auf der Außenumfangsfläche der Wabenstruktur vorhanden ist oder ein Teil der Außenumfangswand entfernt ist, kann das Beschichtungsmaterial teilweise aufgebracht werden, um die Außenumfangsbeschichtung zu bilden, oder das Beschichtungsmaterial kann natürlich auf die gesamte Außenumfangsfläche der Wabenstruktur aufgebracht werden, um die Außenumfangsbeschichtung zu bilden.
Das Verfahren zum Trocknen des aufgetragenen Beschichtungsmaterials (d. h. der ungetrockneten Außenumfangsbeschichtung) ist nicht beschränkt, aber im Hinblick auf das Verhindern von Trockenrissen kann es geeigneterweise z. B. ein Verfahren zum Trocknen von 25 % oder mehr eines Wassergehalts in dem Beschichtungsmaterial verwendet werden, bei dem das Beschichtungsmaterial 24 Stunden oder länger bei Raumtemperatur gehalten wird und es dann 1 Stunde oder länger in einem Elektroofen bei 600 °C gehalten wird, um Feuchtigkeit und organische Stoffe zu entfernen.
Wenn die Öffnungsabschnitte der Zellen der Wabenstruktur nicht im Voraus verstopft werden, kann das Verstopfen ferner in den Öffnungsabschnitten der Zellen nach dem Bilden der Außenumfangsbeschichtung durchgeführt werden.
Darüber hinaus entwickelt das in dem Beschichtungsmaterial enthaltene Siliciumcarbidpulver Farbe durch Bestrahlen der Außenumfangsfläche der resultierenden Wabenstruktur mit einem Laser. Daher können Produktinformationen oder dergleichen auf die Außenumfangsbeschichtung der resultierenden Wabenstruktur gedruckt (markiert) werden, indem sie mit Laserlicht bestrahlt wird.
Bevorzugte Beispiele für Laserlicht, das zum Markieren mit Laser verwendet wird, umfassen Kohlendioxidgas-Laser (CO₂-Laser), YAG-Laser und YVO₄-Laser. Laserbedingungen für die Bestrahlung mit dem Laserlicht können entsprechend dem Typ des zu verwendenden Lasers geeignet ausgewählt werden. Beispielsweise wird bei Verwendung des CO₂-Lasers bevorzugt mit einer Leistung von 15 bis 25 W und einer Abtastgeschwindigkeit von 400 bis 600 mm/s markiert. Ein solches Markierungsverfahren ermöglicht es dem bestrahlten Abschnitt, Farbe zu entwickeln, um eine dunkle Farbe, wie etwa schwarz bis grün, darzustellen, was zu einem sehr guten Kontrast aufgrund der Farbentwicklung gegenüber dem nicht bestrahlten Abschnitt führt.
(Ausführungsform 2)
Als Nächstes wird eine Wabenstruktur 20 gemäß Ausführungsform 2 beschrieben. 4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Querschnitt der Wabenstruktur 20 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt, der parallel zu einer Ausdehnungsrichtung von Zellen 25 ist. Die Wabenstruktur 20 ist in einer Säulenform strukturiert und umfasst eine Außenumfangswand 21 und poröse Trennwände 22, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand 21 angeordnet sind und eine mehrere Zellen 25 definieren, die sich von einer Endfläche 23 zu der anderen Endfläche 24 erstrecken, um Strömungspfade zu bilden.
Ein Teil der mehreren Zellen 25 ist mit Drahtstücken 28 versehen. Die Drahtstücke 28 bestehen aus einer magnetischen Substanz und mehrere Drahtstücke 28 sind in den Zellen 25 über Puffermaterialien 27 in der Ausdehnungsrichtung der Zellen 25 voneinander getrennt bereitgestellt. Zwischen den benachbarten Drahtstücken 28 kann anstelle des Puffermaterials 27 ein Zwischenraum bereitgestellt sein. Ferner sind eine Endfläche 23 und eine andere Endfläche 24 der Zellen 25, die mit den Drahtstücken 28 versehen sind, jeweils mit verstopften Abschnitten 26 versehen.
Die Wabenstruktur 20 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der Wabenstruktur 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darin, dass erstere eine Filterstruktur bildet. Das heißt, bei der Wabenstruktur 20 umfassen die Zellen 25 mehrere Zellen A, bei denen die Seite der einen Endfläche 23 geöffnet ist und die andere Endfläche 24 verstopften Abschnitte 26 aufweist, und mehrere Zellen B, bei denen die Seite der anderen Endfläche 24 ist offen und die eine Endfläche 23 die verstopften Abschnitte 26 aufweist, wobei die Zellen B abwechselnd mit den Zellen A angeordnet sind. Die Anzahl, Anordnung, Form und dergleichen der Zellen A und B sind nicht beschränkt und können bedarfsgerecht gestaltet werden. Eine solche Wabenstruktur 20 kann als ein Filter zum Reinigen von Teilchen (Kohlenstoff-Feinstaub) in einem Abgas (z. B. ein Benzinpartikelfilter (im Folgenden auch „GPF“ genannt) oder ein Dieselpartikelfilter (nachfolgend auch „DPF“ genannt) verwendet werden.
Die Wabenstruktur 20 gemäß Ausführungsform 2 kann einen Katalysator aufweisen, der auf den Oberflächen der porösen Trennwände 22, die Innenwände der Zellen 25 bilden, und/oder in Poren der Trennwände 22 getragen wird. Eine Art des Katalysators ist nicht besonders beschränkt und kann gemäß den Verwendungszwecken und Anwendungen der Wabenstruktur 20 geeignet ausgewählt werden. Beispiele des Katalysators umfassen Edelmetallkatalysatoren oder andere Katalysatoren. Veranschaulichende Beispiele der Edelmetallkatalysatoren umfassen einen Dreiwegekatalysator und einen Oxidationskatalysator, der erhalten wird, indem ein Edelmetall wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) auf Oberflächen von Poren von Aluminiumoxid aufgebracht wird, und der einen Cokatalysator wie Cerdioxid und Zirkondioxid umfasst, oder einen NO_x-Speicher-Reduktions-Katalysator (LNT-Katalysator), der ein Erdalkalimetall und Platin als Speicherkomponenten für Stickoxide (NO_x) enthält. Veranschaulichende Beispiele eines Katalysators, der das Edelmetall nicht verwendet, umfassen einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator), der einen kupfersubstituierten oder eisensubstituierten Zeolith enthält, und dergleichen. Es können auch zwei oder mehr Katalysatoren verwendet werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus diesen Katalysatoren besteht. Ein Verfahren zum Auftragen des Katalysators ist nicht besonders beschränkt und es kann gemäß einem herkömmlichen Verfahren zum Auftragen des Katalysators auf der Wabenstruktur durchgeführt werden.
Die Wirkungen der Drahtstücke 28 der Wabenstruktur 20 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung und des Puffermaterials 27 oder des Zwischenraums, das/der zwischen den benachbarten Drahtstücken 28 bereitgestellt ist, sind die gleichen wie die der Wabenstruktur 10 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3 gezeigt ist. Das heißt, die elektromagnetische Induktionsheizung der Wabenstruktur 20 einschließlich der Zellen 25 mit einer derartigen Struktur führt zu einem Temperaturanstieg und einer Ausdehnung der mehreren Drahtstücke 28, die aus der magnetischen Substanz bestehen. Da in diesem Fall die Puffermaterialien 27 oder Zwischenräume jeweils zwischen den benachbarten Drahtstücken 28 bereitgestellt sind, absorbieren die Puffermaterialien 27 oder Zwischenräume Abschnitte, die durch die Ausdehnung der Drahtstücke 28 verlängert werden. Daher ist es möglich, die Zerstörung der verstopften Abschnitte, die an beiden Endflächen 23 und 24 der Zellen 25 bereitgestellt sind, aufgrund der Ausdehnung der Drahtstücke 28 zufriedenstellend zu unterdrücken. Ferner werden als magnetische Substanz die Drahtstücke 28 mit einer kleineren Oberfläche anstelle von feinen magnetischen Teilchen, die eine größere Oberfläche haben, verwendet. Daher führt das Erwärmen mittels elektromagnetischer Induktionsheizung zu Schwierigkeiten beim Oxidieren, so dass eine Verschlechterung der Heizleistung zufriedenstellend unterdrückt werden kann. Da ferner die feinen magnetischen Teilchen ein geringeres Volumen haben, ist eine Hochfrequenz-Induktionsheizung für die elektromagnetische Induktionsheizung erforderlich, was die Kosten für eine Stromquelle und dergleichen erhöht. Da jedoch Drahtstücke 28 mit einem größeren Volumen als dem der feinen magnetischen Teilchen verwendet werden, werden die Kosten der Leistungsversorgung und dergleichen reduziert.
Das Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 20 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung kann auf die gleiche Weise wie das Verfahren zum Herstellen der Wabenstruktur 10 gemäß Ausführungsform 1 durchgeführt werden, mit der Ausnahme, dass die verstopften Abschnitte für andere vorbestimmte Zellen als diejenigen, die mit den Drahtstücken versehen sind, bereitgestellt werden.
<2. Abgasreinigungsvorrichtung>
Unter Verwendung der Wabenstruktur gemäß jeweiliger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben sind, kann eine Abgasreinigungsvorrichtung gebildet werden. Als Beispiel zeigt 5 eine schematische Ansicht eines Abgasströmungswegs einer Abgasreinigungsvorrichtung 6, die die Wabenstruktur 10 oder die Wabenstruktur 20 umfasst. Die Abgasreinigungsvorrichtung 6 umfasst die Wabenstruktur 10, 20 und eine den Außenumfang der Wabenstruktur 10, 20 schraubenlinienförmig umgebende Spulenverdrahtung 4. Außerdem weist die Abgasreinigungsvorrichtung 6 ein Metallrohr 2 zum Unterbringen der Wabenstruktur 10, 20 und der Spulenverdrahtung 4 auf. Die Abgasreinigungsvorrichtung 6 kann in einem Abschnitt mit erhöhtem Durchmesser 2a des Metallrohrs 2 angeordnet sein. Die Spulenverdrahtung 4 kann im Inneren des Metallrohrs 2 durch ein Fixierungselement 5 fixiert sein. Das Fixierungselement 5 ist bevorzugt ein hitzebeständiges Element wie z. B. Keramikfasern. Die Wabenstruktur 10, 20 kann einen Katalysator tragen.
Die Spulenverdrahtung 4 ist schraubenlinienförmig um den Außenumfang der Wabenstruktur 10, 20 gewickelt. Es wird auch angenommen, dass zwei oder mehr Spulenverdrahtungen 4 verwendet werden. Ein aus einer Wechselstromquelle CS zugeführter Wechselstrom fließt als Antwort auf das Einschalten (EIN) eines Schalters SW durch die Spulenverdrahtung 4 und im Ergebnis wird um die Spulenverdrahtung 4 herum ein Magnetfeld erzeugt, das sich periodisch ändert. Das Einschalten/Ausschalten des Schalters SW wird durch eine Steuereinheit 3 gesteuert. Die Steuereinheit 3 kann den Schalter SW synchron mit dem Start einer Kraftmaschine einschalten und einen Wechselstrom durch die Spulenverdrahtung 4 leiten. Es wird auch angenommen, dass die Steuereinheit 3 den Schalter SW ungeachtet des Starts der Kraftmaschine ein schaltet (beispielsweise als Antwort auf eine Betätigung eines Heizungsschalters, der von einem Fahrer gedrückt wird).
In der vorliegenden Offenbarung wird eine Temperatur der Wabenstruktur 10, 20 als Antwort auf die Änderung des Magnetfelds gemäß dem durch die Spulenverdrahtung 4 fließenden Wechselstrom erhöht. Basierend darauf wird der durch die Wabenstruktur 10, 20 gesammelte Kohlenstoff-Feinstaub und dergleichen ausgebrannt. Wenn die Wabenstruktur 10, 20 den Katalysator trägt, erhöht die Erhöhung der Temperatur der Wabenstruktur 10, 20 zudem eine Temperatur des Katalysators, der von dem in der Wabenstruktur 10, 20 enthaltenen Katalysatorträger getragen wird, und fördert die katalytische Reaktion. Kurz gesagt, werden Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxid (NO_x) und Kohlenwasserstoff (CH) zu Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) oxidiert oder reduziert.
Beispiele
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung auf der Grundlage von Beispielen spezifisch beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Beispiele beschränkt.
<Beispiele 1 bis 7>
Eine rechteckige Spat-Cordierit-Wabe mit einer Länge von 11 mm, einer Breite von 19 mm, einer Höhe von 25 mm, einer Dicke jeder Trennwand von 0,1 mm und einem Abstand zwischen den Trennwänden von etwa 1 mm wurde mit Drahtstücken, die jeweils die in Tabelle 1 gezeigte Länge aufweisen und aus einer magnetischen Substanz hergestellt sind, in einer einzelnen Zelle in Intervallen von 5×5 Zellen über Puffermaterialien in der Ausdehnungsrichtung der Zelle versehen. Jedes Puffermaterial bestand aus Cordierit und Siliciumoxid und hatte eine Länge von 1 mm in Ausdehnungsrichtung der Zelle. Ferner wurden die verstopften Abschnitte an beiden Enden der mit den Drahtstücken versehenen Zelle bereitgestellt.
<Vergleichsbeispiele 1 und 2>
Es wurden die gleichen rechteckigen Spat-Cordierit-Waben wie in Beispiel 1 hergestellt. Anschließend wurde ein Draht, der die in Tabelle 1 gezeigte Länge hatte und aus einer magnetischen Substanz bestand, in einer einzelnen Zelle in Intervallen von 5×5 Zellen in der Ausdehnungsrichtung der Zelle bereitgestellt. In den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde kein Puffermaterial bereitgestellt und ein einzelner Draht wurde in der Zelle so bereitgestellt, dass er sich von dem verstopften Abschnitt an einem Ende zu dem verstopften Abschnitt an dem anderen Ende erstreckt.
<Elektromagnetische Induktionsheizung>
Anschließend wurde ein Erwärmungstest für jede der Wabenstrukturen gemäß den Beispielen 1 bis 7 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktionsheizvorrichtung vorgenommen und eine Temperatur (Temperatur bei Induktionsheizung wie in Tabelle 1 gezeigt) der Endfläche jeder Wabenstruktur wurde mit einem Infrarot-Thermometer gemessen. Die Eingangsleistung betrug 4 kW und die elektromagnetische Induktionsheizfrequenz betrug 500 kHz.
Nach dem Erhöhen der Temperatur wurde bestätigt, ob Risse in den verstopften Abschnitten erzeugt wurden oder nicht.
Wärmeausdehnungskoeffizient, Curie-Temperatur, Porosität, Elastizitätsmodul>

Der Wärmeausdehnungskoeffizient der magnetischen Substanz, wie er in Tabelle 1 gezeigt ist, war der Wärmeausdehnungskoeffizient bei 900 °C, wenn 25 °C als Referenztemperatur verwendet werden. Die in Tabelle 1 gezeigte Curie-Temperatur war eine Temperatur, bei der die ferromagnetische Eigenschaft verloren ging. Die Porosität der Puffermaterialien, wie sie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde durch Bildanalyse aus einem REM-Bild eines Querschnitts des Puffermaterials gemessen. Der Elastizitätsmodul des Puffermaterials, wie er in Tabelle 1 gezeigt ist, wurde gemäß JIS R 1602 gemessen. Tabelle 1

		Substrat	Zusammensetzung der magnetischen Substanz	Wärmeausdehnungskoeffizient (× 10^-6/°C)	Curie-Temperatur (°C)	Drahtlänge der magnetischen Substanz (mm)	Puffermaterial				Temperatur der Induktionsheizung (°C)	Temperaturbewertung	Anwesenheit oder Abwesenheit von Rissen in verstopften Abschnitten nach Temperaturanstieg	Gesamtbewertung
		Substrat	Zusammensetzung der magnetischen Substanz	Wärmeausdehnungskoeffizient (× 10^-6/°C)	Curie-Temperatur (°C)	Drahtlänge der magnetischen Substanz (mm)	Material	Länge (mm)	Porosität (%)	Elastizitätsmodul (Mpa)	Temperatur der Induktionsheizung (°C)	Temperaturbewertung		Gesamtbewertung
Bsp. Nr.	1	Cordierit	49CoFe	11,1	950	1	Cordierit, Siliziumoxid	1	40	470	286	C	Abwesend	B
	2					3	Cordierit, Siliziumoxid	1	40	470	523	B	Abwesend	A
	3					5	Cordierit, Siliziumoxid	1	40	470	612	A	Abwesend	A
	4					5	Cordierit, Siliziumoxid	1	51	340	604	A	Abwesend	A
	5					5	Cordierit, Siliziumoxid	1	60	240	610	A	Abwesend	A
	6		SUS 430f	12,4	680	1	Cordierit, Siliziumoxid	1	40	470	250	C	Abwesend	B
	7		SUS 430f	12,4	680	3	Cordierit, Siliziumoxid	1	40	470	363	C	Abwesend	B
Vergl. Nr.	1		49CoFe	11,1	950	23	-	-	-	-	612	A	Anwesend	F
Vergl. Nr.	2		SUS 430f	12,4	680	23	-	-	-	-	357	C	Anwesend	F

<Bewertung>
Die Kriterien für die Temperaturbewertung in Tabelle 1 lauten wie folgt:

A: 600 °C oder mehr [Verbrennungstemperatur von Ruß (abgeleitet von Diesel)];
B: 500 °C oder mehr und weniger als 600 °C [Verbrennungstemperatur von Ruß (abgeleitet von Benzin)];
C: 250 °C oder mehr und weniger als 500 °C [erforderliche Temperatur für Autoabgas-Reinigungskatalysator]; und
D: weniger als 250 °C.

Die Kriterien für die Gesamtbewertung in Tabelle 1 lauten wie folgt:

A: Kann für GPFs (Benzinpartikelfilter) verwendet werden;
B: Kann als Träger für Autoabgas-Reinigungskatalysatoren verwendet werden; und
F: Kann nicht für GPFs und als Träger für Autoabgas-Reinigungskatalysatoren verwendet werden.

Da alle Wabenstrukturen gemäß den Beispielen 1 bis 7 Drahtstücke mit einer geringeren Oberfläche als magnetische Substanzen verwendeten, waren sie auch dann schwierig zu oxidieren, wenn sie durch elektromagnetische Induktionsheizung erhitzt wurden, und unterdrückten eine Verschlechterung der Heizleistung. Auch nach dem Temperaturanstieg wurden keine Risse in den verstopften Abschnitten erzeugt.
Da andererseits die Wabenstrukturen gemäß den Vergleichsbeispielen 1 und 2 jeweils mit keinem Puffermaterial versehen waren und der einzelne Draht in der Zelle so angeordnet war, dass er sich von dem verstopften Abschnitt an einem Ende zu dem verstopften Abschnitt an dem anderen Ende erstreckte, wurden nach dem Temperaturanstieg Risse in den verstopften Abschnitten erzeugt.
Bezugszeichenliste

10, 20: Wabenstruktur
2: Metallrohr
3: Steuereinheit
4: Spulenverdrahtung
5: Fixierungselement
6: Abgasreinigungsvorrichtung
11: Außenumfangswand
12, 22: Trennwand
13, 14, 23, 24: Endfläche
15: Zelle
16, 26: Verstopfter Abschnitt
17, 27: Puffermaterial
18, 28: Drahtstück
25: Zellen (Zelle A + Zelle B)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0022868 A1 [0006]
WO 2016/021186 A1 [0006]

Claims

Säulenförmige Wabenstruktur, die umfasst: eine Außenumfangswand; und poröse Trennwände, die auf einer Innenseite der Außenumfangswand angeordnet sind, wobei die Trennwände mehrere Zellen definieren, wobei sich jede der Zellen von einer Endfläche zu einer anderen Endfläche erstreckt, um einen Strömungspfad zu bilden, wobei die Zellen mehrere Drahtstücke aufweisen, die eine magnetische Substanz enthalten, wobei die Drahtstücke durch Zwischenräume oder Puffermaterialien in einer Ausdehnungsrichtung der Zellen voneinander getrennt bereitgestellt sind.
Wabenstruktur nach Anspruch 1, wobei die Drahtstücke in der Ausdehnungsrichtung der Zellen jeweils eine Länge von 1 bis 20 mm aufweisen.
Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenräume oder Puffermaterialien in der Ausdehnungsrichtung der Zellen jeweils eine Länge von 1 mm oder mehr aufweisen.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gesamtlänge der Zwischenräume oder der Puffermaterialien in der Ausdehnungsrichtung der Zellen 1/5 oder mehr der Gesamtlänge der Drahtstücke in der Ausdehnungsrichtung der Zellen beträgt.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Puffermaterialien einen Elastizitätsmodul von 50 bis 500 MPa aufweisen.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Puffermaterialien eine Porosität von 40 bis 70 % aufweisen.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Puffermaterialien Cordierit, Siliciumoxid oder ein keramisches Material umfassen.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Drahtstücke eine Curie-Temperatur von 600 °C oder mehr aufweisen.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Drahtstücke einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 × 10^-6/°C bis 12 × 10^-6/°C aufweisen.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Drahtstücke eine FeCo-Legierung mit 10 Masse-% oder mehr Co oder Edelstahl enthalten.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Trennwände und die Außenumfangswand ein keramisches Material enthalten.
Wabenstruktur nach Anspruch 11, wobei das keramische Material mindestens ein aus Cordierit, Siliciumcarbid, Aluminiumtitanat, Siliciumnitrid, Mullit und Aluminiumoxid ausgewähltes Material ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Zellen umfassen: mehrere Zellen A, die auf der Seite der einen Endfläche geöffnet sind und auf der anderen Endfläche verstopfte Abschnitte aufweisen; und mehreren Zellen B, die abwechselnd mit den Zellen A angeordnet sind und die auf der Seite der anderen Endfläche geöffnet sind und auf der einen Endfläche verstopfte Abschnitte aufweisen.
Abgasreinigungsvorrichtung, die aufweist: die Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13; eine Spulenverdrahtung, die einen Außenumfang der Wabenstruktur schraubenlinienförmig umgibt; und ein Metallrohr zum Aufnehmen der Wabenstruktur und der Spulenverdrahtung.