DE60113675T2 - Filter aus porösem, gesinterten keramikkörper - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung und Beschreibung der verwandten Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filter, z.B. einen Diesel-Verbrennungsrückstandsfilter aus einem porösen gesinterten Keramikkörper, um Verbrennungsrückstände (feine Teilchen) in einem Fluid einzufangen.
  • Das Diesel-Verbrennungsrückstandfilter (DPF), eine Art von Filter aus einem porösen gesinterten Keramikkörper, weist eine Wabenstruktur mit einer großen Anzahl an Durchgangskanälen (Zellen) auf, die durch Trennwände (Rippen) getrennt sind und sich entlang einer Axialrichtung erstrecken, und die benachbarten Durchgangskanäle sind alternierend an den jeweils gegenüberliegenden Enden abgedichtet, so dass die beiden Endflächen des Filters schachbrettartig verschlossen sind.
  • Wird Abgas aus einem Dieselmotor von einer Endfläche dieser Wabenstruktur abgegeben, so fließt das die Verbrennungsrückstände enthaltende Abgas von den Durchgangskanälen, die nicht in einem Endabschnitt der Endfläche abgedichtet sind, ins Innere, geht durch die porösen Trennwände hindurch und tritt in die anderen Durchgangskanäle ein, die im anderen Endabschnitt der Struktur nicht abgedichtet sind. Und wenn das Abgas durch die Trennwände hindurchtritt, werden Verbrennungsrückstände im Abgas in den Trennwänden eingefangen, und das gereinigte Abgas, aus dem die Verbrennungsrückstände entfernt wurde, wird vom anderen Ende der Struktur ausgestoßen.
  • In einem Filter mit einem solchen Prinzip gibt es einen engen Zusammenhang zwischen dem Porendurchmesser eines porösen gesinterten Keramikkörpers, der ein Filter darstellt, der Einfangeffizienz der Verbrennungsrückstände und dem Druckverlust. Wie dies z.B. in der Druckschrift JP-A-5-23512 dargestellt ist, kann eine Verringerung der Einfangeffizienz in einem Filter, worin große Feinporen vorhanden sind, nicht vermieden werden. Andererseits steigt der Druckverlust an, wenn der Durchmesser der feinen Poren sich verringert.
  • Somit offenbart die oben angesprochene Druckschrift eine Technik zur Festlegung des mittleren Porendurchmessers eines Filters in einem vorbestimmten Bereich sowie der Standardabweichung bei der Verteilung der Porendurchmesser auf den vorbestimmten Wert oder weniger (d.h. damit eine möglichst große Anzahl an feinen Poren mit Porendurchmessern in einem begrenzten Bereich vorhanden ist), um ein DPF mit geringem Druckverlust und hoher Einfangeffizienz bereitzustellen.
  • Wie in JP-A-5-23512 aber dargestellt, ist es erforderlich, die Materialqualitäten, Rohmaterialien, das Herstellungsverfahren und dergleichen eines Filters vom Grund auf zu ändern, wodurch eine Einstellung unweigerlich erforderlich ist. Zusätzlich dazu gibt es das Problem, dass es nicht möglich ist, eine Filterart zu erzeugen, die einen beliebigen Porendurchmesser und eine beliebige Verteilung des Porendurchmessers in Entsprechung verschiedener Verwendungsarten abhängig von der Art der Verbrennungsrückstände, Temperaturen für die Verwendung oder dergleichen aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf solche herkömmlichen Umstände durchgeführt und hat das Ziel, ein Filter aus einem porösen gesinterten Keramikkörper bereitzustellen, für das keine Einstellung in einem großen Maßstab, so etwa eine Änderung der Materialeigenschaften für das Filter, erforderlich ist, das relativ einfach hergestellt werden kann und das sich flexibel auf die verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten einstellen kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Filter, wie es in Anspruch 1 dargelegt ist, bereitgestellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung der Vorrichtung, die zur Messung der Einfangeffizienz in den Beispielen verwendet wird.
  • Bester Ausführungsmodus der Erfindung
  • Wie oben beschrieben wurde, geht, wenn im Filter viele große Feinporen vorhanden sind, ein Teil der Verbrennungsrückstände, die Einfangziele darstellen, durch die Trennwand hindurch, ohne dabei von der Trennwand eingefangen zu werden, und wird ausgestoßen, und als Folge dessen kommt es zu einer Reduktion der Einfangeffizienz. Im Gegensatz dazu entsteht das Problem, dass der Druckverlust ansteigt, wenn sich die kleinen Feinporen vergrößern. Diese Probleme können aber dadurch gemindert werden, dass die Dicke der Trennwände innerhalb eines geeigneten Bereichs festgelegt wird, und die vorliegende Erfindung stellt das Ergebnis der intensiven Untersuchung des geeigneten Bereichs dar.
  • Spezifisch gesehen kann ein Anstieg des Druckverlusts dadurch geregelt werden, dass die Dicke der Trennwand dick festgelegt wird, um zu verhindern, dass Verbrennungsrückstände durchtreten, und um die Einfangeffizienz für den Fall zu erhöhen, dass viel größere Feinporen in einer großen Anzahl im filterbildenden Material ebenfalls vorhanden sind, und dass die Dicke der Trennwände für den Fall dünn festgelegt wird, dass kleinere Feinporen in großer Zahl vorhanden sind. Indem in ausgleichender Weise sowohl verhindert wird, dass Verbrennungsrückstände hindurchgehen, als auch unterdrückt, dass der Druckverlust ansteigt, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Filter der vorliegenden Erfindung entwickelt, in welchem sich die Einfangeffizienz mit dem Druckverlust im Gleichgewicht befindet. Da die Technik der vorliegenden Erfindung eine Technik ist, um zu konstruieren, dass ein Filterdesign, d.h. die Dicke der Trennwände, anders als bei einer Technik, in welcher das Filtermaterial selbst geändert wird, wie dies in der zuvor angesprochenen Technik der Fall ist, passend wird, kann die Technik der vorliegenden Erfindung relativ leicht durchgeführt werden und sich flexibel verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten anpassen. Die Aspekte eins bis drei der vorliegenden Erfindung sind hierin nachfolgend in Reihenfolge beschrieben.
  • Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Filter aus einem porösen gesinterten Keramikkörper mit einer Wabenstruktur mit einer großen Anzahl an Durchgangskanälen, die durch Trennwände getrennt sind und sich entlang einer Axialrichtung erstrecken, worin die Dicke der Trennwand basierend auf dem Verhältnis eines Gesamtvolumens der Poren mit einem Porendurchmesser (einem Durchmesser) gleich groß wie oder größer als ein vorbestimmter Wert eines filterbildenden Materials zum Gesamtvolumen der Poren festgelegt ist.
  • Insbesondere wenn das Verhältnis des Volumens der Poren mit einem Durchmesser von 30 μm oder mehr zum Gesamtvolumen der Poren des Filters, gemessen mithilfe des Verfahrens der Quecksilberpenetration, P1(%) ist, und wenn die Dicke der Trennwand T (μm) ist, so gilt für diese die durch die folgende Formel (1), vorzugsweise die Formel (2) und insbesondere die Formel (3) definierte Beziehung. P1 × 10 ≤ T ...(1) P1 × 15 ≤ T ...(2) P1 × 20 ≤ T ...(3)
  • Diese Formeln (1) bis (3) bedeuten, dass der Wert der linken Seite der Formeln umso mehr ansteigt, je mehr sehr große Feinporen mit einem Durchmesser von 30 μm ebenfalls vorhanden sind, und dass die Dicke der Trennwand umso dicker festgelegt wird. Als Ergebnis der Untersuchungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass eine hohe Einfangeffizienz im Fall erhalten werden kann, dass für die zuvor erwähnten Werte P1 und T diese Beziehungen gelten.
  • Weiters gilt im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wenn das Verhältnis des Volumens der Poren mit einem Durchmesser von 60 μm oder mehr zu einem Gesamtvolumen der Poren des Filters, gemessen mithilfe eines Verfahrens der Quecksilberpenetration, P2 (%) ist, und wenn die Dicke der Trennwand T (μm) ist, vorzugsweise für diese die durch die folgende Formel (4) in Hinblick auf ein Gleichgewicht zwischen Einfangeffizienz und Druckverlust Beziehung gilt, und insbesondere gilt dabei die durch die folgende Formel (5) definierte Beziehung. P2 × 15 ≤ T ...(4) P2 × 45 ≤ T ...(5)
  • Vorzugsweise wenn der mittlere Porendurchmesser des Filters, gemessen mithilfe eines Verfahrens der Quecksilberpenetration, D (μm) und die Dicke der Trennwand T (μm) ist, gilt für diese die durch die folgende Formel (6), vorzugsweise die folgende Formel (7) und insbesondere die folgende Formel (8) definierte Beziehung. D × 100 ≥ T ...(6) D × 70 ≥ T ...(7) D × 50 ≥ T ...(8)
  • Diese Formeln (6)–(8) bedeuten, dass der Wert auf der linken Seite der Formeln umso kleiner wird, je kleiner der mittlere Porendurchmesser des Filters ist, und dass die Obergrenze der Dicke der Trennwand umso dünner festgelegt wird. Als Ergebnis der Untersuchungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass der Druckverlust in dem Fall unterdrückt werden kann, wenn für die zuvor angesprochenen Werte D und T diese Beziehungen gelten.
  • Wenn weiters das Verhältnis des Volumens der Poren mit einem Durchmesser von weniger als 3 μm zu einem Gesamtvolumen der Poren des Filters, gemessen mithilfe eines Verfahrens der Quecksilberpenetration, P3 (%) und die Dicke der Trennwand T (μm) ist, so gilt für diese vorzugsweise die durch die folgende Formel (9) in Hinblick auf die Unterdrückung von steigendem Druckverlust und insbesondere die folgende Formel (10) definierte Beziehung. (1/P3) × 1500 ≥ T ...(9) (1/P3) × 400 ≥ T ...(10)
  • Vorzugsweise wenn das Verhältnis des Volumens der Poren mit einem Durchmesser von weniger als 6 μm zum Gesamtvolumen der Poren des Filters, gemessen mithilfe eines Verfahrens der Quecksilberpenetration, P4 (%) und die Dicke der Trennwand T (μm) ist, so gilt für diese die durch die folgende Formel (11), vorzugsweise die folgende Formel (12) und insbesondere die folgende Formel (13) definierte Beziehung. (1/P4) × 3000 ≥ T ...(11) (1/P4) × 2000 ≥ T ...(12) (1/P4) × 1300 ≥ T ...(13)
  • Diese Formeln (11) bis (13) bedeuten, dass der Wert auf der linken Seite umso kleiner ist, je höher die Anzahl an kleinen Feinporen mit einem Durchmesser von weniger als 6 μm im Filter ist, und dass die Dicke der Trennwand umso dünner festgelegt wird. Als Ergebnis der Untersuchungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass der Druckverlust in dem Fall unterdrückt werden kann, dass für die zuvor angesprochenen Werte P4 und T diese Beziehungen gelten.
  • Die Filter der vorliegenden Erfindung kann insbesondere geeignet als Filter verwendet werden, um von im Abgas eines Dieselmotors enthaltenen Verbrennungsrückständen Proben zu entnehmen, d.h. als DPF.
  • Für den Fall, dass das Filter der vorliegenden Erfindung als DPF verwendet wird, werden im Allgemeinen benachbarte Durchgangskanäle alternierend an den jeweils gegenüberliegenden Enden so abgedichtet, dass die beiden Endflächen des Filters mit der Wabenstruktur schachbrettartig verschlossen sind. Die Technik zum Abdichten ist dabei nicht besonders beschränkt. Es wird aber aufgrund der hohen Dichtungsfähigkeit vorzugsweise ein Dichtungsmaterial in einem Endabschnitt einer Zelle von einer Endfläche des Filters aus eingebettet. Zusätzlich dazu ist der Hauptbestandteil des Dichtungsmaterials vorzugsweise derselbe wie der Hauptbestandteil der Wabenstruktur, d.h. des Hauptkörpers des Filters, da die Koeffizienten der Wärmeausdehnung der beiden zusammenfallen.
  • Wird Abgas aus einem Dieselmotor von einer Endfläche eines solchen Filters abgegeben, so strömt das Abgas von den Durchgangskanälen, die an einer Endfläche nicht abgedichtet sind, in das Filter, geht durch die poröse Trennwand hindurch und tritt in die anderen Durchgangskanäle ein, die am Ende der anderen Endseite der Struktur nicht abgedichtet sind. Wenn das Abgas durch die Trennwände hindurchgeht, werden Verbrennungsrückstände im Abgas durch die Trennwände eingefangen, und das gereinigte Abgas, aus dem Verbrennungsrückstände entfernt wurden, wird von der anderen Endseite des Filters ausgestoßen.
  • Da es aufgrund der Akkumulierung von eingefangenen Verbrennungsrückständen auf den Trennwänden zu Verstopfung kommt und die Funktion als Filter abnimmt, wird das Filter regelmäßig durch ein Heizmittel so etwa eine Heizvorrichtung erhitzt, um die Verbrennungsrückstände mittels Verbrennung zu entfernen, so dass die Funktion des Filters revitalisiert wird. Das Filter kann eine Katalysatorkomponente tragen, um die Verbrennung der Verbrennungsrückstände bei der Revitalisierung zu fördern.
  • In der vorliegenden Erfindung werden gesinterte Körper aus Cordierit, Siliziumkarbid (SiC), Zirkonylphosphat und dergleichen als bevorzugte Materialien für poröse gesinterte Keramikkörper, aus denen ein Filter besteht, angegeben. Ein Filter der vorliegenden Erfindung kann eine einheitliche Struktur aufweisen, oder es kann eine Vielzahl von Segmenten aus einem porösen gesinterten Keramikkörper, der eine Wabenstruktur bildet, einheitlich verbunden werden, um eine erwünschte Struktur zu erhalten.
  • Zusätzlich dazu weist ein Filter der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Porosität von 30–60 % und insbesondere 40–55 % auf. Liegt die Porosität des Filters unter 30 %, so nimmt die Durchdringungsgeschwindigkeit eines Fluid als Filter beträchtlich ab, und wenn die Porosität mehr als 60 % beträgt, so wird die Festigkeit als Struktur verschlechtert.
  • [Beispiele]
  • Die vorliegende Erfindung ist im Detail auf Grundlage der Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist aber keineswegs auf diese Beispiele beschränkt.
  • (Herstellung des Filters)
  • Es wurden DPFs aus Cordierit und DPFs aus SiC mit einer säulenförmigen Gestalt als Außenform mit einem Durchmesser von 150 mm, einer Länge von 150 mm und verschiedenen Arten von Dicken der Trennwände hergestellt, wie dies in den Tabellen 2 und 3 dargestellt ist. Die Dicke der Trennwand wurde variiert, indem für das Strangpressen der Wabenstruktur verwendete Düsen ausgetauscht wurden. Auf diese Weise erzeugte DPFs aus Cordierit und SiC wurden auf die Verteilung der Porendurchmesser (Durchmesser) und den mittleren Porendurchmesser (Durchmesser) mithilfe eines Verfahrens der Quecksilberpenetration hin gemessen, und es konnten die in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse gewonnen werden. Für die DPFs aus denselben Materialien wurde, da dasselbe Herstellungsverfahren und dasselbe Rohmaterial verwendet wurden, selbst wenn die Dicken der Trennwände sich voneinander unterschieden, eine ähnliche Verteilung der Porendurchmesser und der mittleren Porendurchmesser gezeigt.
  • (Messung des Druckverlusts)
  • An jedem der auf diese Weise hergestellten PDFs wurde die Umwandlung in einen gekapselten Körper vorgenommen und mit einer Vorrichtung zum Messen des Druckverlusts verbunden. 7 Nm3/min Luft wurden durchgeschickt, um einen Druckunterschied im vorderen und im hinteren Bereich des DPF zu messen, der als Anfangsdruckverlust definiert wurde. Die Messtemperatur betrug 20 °C. Die Ergebnisse der Messung sind in Tabelle 2 dargestellt, und die DPFs der Beispiele 1 bis 4 der vorliegenden Erfindung wiesen im Vergleich zum DPF des Vergleichsbeispiels 1 einen geringen Druckenergieverlust auf.
  • (Messung der Ruß-Einfangeffizienz)
  • Wie in 1 dargestellt ist, wurde jedes oben hergestellte DPF 1 eingekapselt und mit einem Rußerzeuger 3 verbunden. Die Rohre für die Probenentnahme 5 und 7, die ein wenig Gas als Probe entnehmen können, wurden im vorderen und hinteren Bereich des DPF 1 bereitgestellt, und es wurde Filterpapier in jedem der Rohre für die Probenentnahme angeordnet. Nachdem Gas, das mit dem Rußerzeuger 3 erzeugten Ruß (Verbrennungsrückstände) enthielt, 1 Minute lang in das DPF 1 und die Rohre zur Probenentnahme 5 und 7 geleitet wurde, wurde der Ruß, der sich auf dem Filterpapier anhäufte, gewogen. Die Menge an Ruß, die sich auf dem im Rohr zur Probenentnahme 5 im vorderen Bereich des DPF 1 (auf der stromauf gelegenen Seite) angeordneten Filterpapier anhäufte, wurde als S1 definiert, und die Menge an Ruß, die sich auf dem im Rohr zur Probenentnahme 7 im hinteren Bereich des DPF 1 (auf der stromab gelegenen Seite) angeordneten Filterpapier anhäufte, wurde als S2 definiert. Die Ruß-Einfangeffizienz wurde durch die folgende Formel erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt, und die DPFs der Beispiele 5–8 der vorliegenden Erfindung zeigten im Vergleich zum DPF des Vergleichsbeispiels 2 eine hohe Einfangeffizienz. Es wurde herausgefunden, dass das SiC-DPF mit einer Dicke der Trennwand von 12,0 mil (305 μm) im Allgemeinen als DPF am meisten bevorzugt ist, da es die beste Einfangeffizienz und den geringsten Druckverlust bei der zuvor erwähnten Messung des Druckverlusts zeigte (siehe Ergebnisse der Beispiele 8 und 4). Ruß-Einfangeffizienz (%) = {(S1 – S2)/S1} × 100
  • [Tabelle 1]
    Figure 00100001
    • * Das Verhältnis von "Gesamtvolumen der Poren mit einem Porendurchmesser innerhalb eines spezifischen Bereichs " zu "Gesamtvolumen der Poren".
  • [Tabelle 2]
    Figure 00100002
  • [Tabelle 3]
    Figure 00100003
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie oben ausgeführt wurde, kann, da hohe Einfangeffizienz und geringer Druckverlust sowie weiters vorzugsweise ein Gleichgewicht zwischen diesen dadurch erreicht werden können, dass eine geeignete Dicke der Trennwände auf Grundlage der Verteilung der Porendurchmesser und eines mittleren Porendurchmessers der Filtermaterialien festgelegt wird, eine gute Filterleistung selbst dann erreicht werden, wenn die vorhandenen Filtermaterialien und das Herstellungsverfahren angewendet und verwendet werden, ohne dabei die Eigenschaften des Materials und der Rohmaterialien für ein Filter, das Herstellungsverfahren oder dergleichen zu verändern. Aus diesem Grund ist die Herstellung relativ einfach, und das Filter kann sich flexibel an verschiedene Verwendungsmöglichkeiten anpassen.

Claims (9)

  1. Filter in der Form eines porösen gesinterten Keramikkörpers mit einer Wabenstruktur mit einer großen Anzahl an Durchgangskanälen, die durch Trennwände getrennt sind und sich entlang einer Axialrichtung erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis P1 (%) des Volumens der Poren mit einem Durchmesser von 30 μm oder mehr zum Gesamtvolumen der Poren, das mithilfe des Verfahrens der Quecksilberpenetration gemessen wird, und für die Dicke T (μm) der Trennwände die folgende Gleichung gilt: P1 × 10 ≤ T
  2. Filter nach Anspruch 1, worin gilt: P1 × 15 ≤ T
  3. Filter nach Anspruch 1, worin gilt: P1 × 20 ≤ T
  4. Filter nach Anspruch 1, worin für das Verhältnis P2 (%) des Volumens der Poren mit einem Durchmesser von 60 μm oder mehr zum Gesamtvolumen der Poren, das mithilfe des Verfahrens der Quecksilberpenetration gemessen wird, und für die Dicke T (μm) der Trennwände die folgende Gleichung gilt: P2 × 15 ≤ T
  5. Filter nach Anspruch 1, worin gilt: P2 × 45 ≤ T
  6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin für den mittleren Porendurchmesser D (μm) die folgende Gleichung gilt: D × 100 ≥ T
  7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Filter als Filter zum Einfangen von Verbrennungsrückständen, die im Abgas eines Dieselmotors enthalten sind, eingesetzt wird.
  8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin benachbarte Durchgangskanäle alternierend an den jeweils gegenüberliegenden Enden abgedichtet sind, sodass beide Endflächen des Filters schachbrettartig verschlossen sind.
  9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Filter eine Porosität von 30 bis 60 % aufweist.
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