DE60206938T2

DE60206938T2 - Hochfeste wabenstruktur

Info

Publication number: DE60206938T2
Application number: DE60206938T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Nagoya-shi KONDO; Yukihito Nagoya-shi ICHIKAWA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: WO2003021089A1; US7803447B2; JP2003181233A; ZA200401496B; EP1422390A1; US20040206044A1; CN1578871B; EP1422390B1; JP4282960B2; CN1578871A; EP1422390A4; DE60206938D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenstruktur mit hoher Festigkeit, insbesondere eine Wabenstruktur, die sogar bei einer geringen mittleren Dicke der Trennwände eine zufrieden stellende isostatische Festigkeit und/oder Einblechungsfestigkeit aufweist, und einen Wabenstrukturkatalysator unter Verwendung der Wabenstruktur. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Formen einer Wabenstruktur, die über eine zufrieden stellende isostatische Festigkeit und/oder Einblechungsfestigkeit verfügt.
Stand der Technik
Die Verwendung von Wabenstrukturen ist bisher in Filtern, Katalysatorträgern und dergleichen weit verbreitet gewesen. Diese wurden häufig insbesondere als Katalysatorträger in Abgaskatalysatoren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, wie z.B. eines Kraftfahrzeugmotors, sowie als Filter zur Reinigung von Abgasen eines Dieselmotors und dergleichen eingesetzt.
Bei der Verwendung der Wabenstruktur in Katalysatorträgern von Abgaskatalysatoren zur Reinigung von Kraftfahrzeugsabgasen sind die Abgasbestimmungen in Hinblick auf Umweltprobleme von Jahr zu Jahr verschärft worden, und zur Lösung der Probleme besteht eine Nachfrage nach verbesserten Reinigungsleistungen von Abgasreinigungskatalysatoren. Andererseits ist auf dem Gebiet der Motorentwicklung eine Richtung erkennbar, die auf geringen Treibstoffverbrauch bei hoher Leistung abzielt, und darüber hinaus besteht auch eine Nachfrage nach verringerten Druckverlusten bei Abgasreinigungskatalysatoren, um diese Situation zu bewältigen.
Zur Lösung dieses Problems zeichnet sich eine Tendenz dahingehend ab, die Druckverluste zu reduzieren, indem die Trennwände und die Außenwand der Wabenstruktur zur Verbesserung der Atmungsaktivität dünner gemacht werden, sowie die Reinigungsleistung beim Aufwärmen zu verbessern, indem das Gewicht des Ab gasreinigungskatalysators verringert wird, damit es zu einer Reduktion der Wärmekapazität kommt.
In solchen Anwendungen wird die Wabenstruktur so verwendet, dass diese in einer Metalleinblechung oder dergleichen in Kontakt mit dem Haltematerial gehalten wird. Bei solcher Verwendung muss die Wabenstruktur in einer bestimmten Festigkeit gehalten werden, sodass es zwischen der Wabenstruktur und der Einblechung zu keinem Rutschen kommt. Folglich ist eine isostatische Festigkeit erforderlich, die der obigen Festigkeit standhält. Eine Bruchverhinderung beim Halten der Struktur mittels Einblechung während des Kontakts mit dem Haltematerial (im weiteren Verlauf als Einblechung bezeichnet) ist ebenfalls erforderlich. Deshalb ist es notwendig, eine Verringerung der isostatischen Festigkeit und/oder eine Verringerung des Einblechungswiderstands (im weiteren Verlauf als Einblechungsfestigkeit bezeichnet) zu unterdrücken, wenn die Wände der Wabenstruktur aufgrund der geforderten Reduktion der Wärmekapazität dünner werden. Zur Beseitigung der Festigkeitsverminderung der Wabenstruktur, die aufgrund des Verdünnens der Trennwände vorliegt, wurde beispielsweise in JP-B-54-110189 eine Struktur vorgeschlagen, worin die Dicke der Trennwände regelmäßig in Richtung Mittelpunkt des Querschnitts eines Wabenträgers reduziert wird. Zudem wurde in JP-A-54-150406 und JP-A-55-147154 eine Struktur vorgeschlagen, worin eine Zelltrennwand eines äußeren Umfangsabschnitts so gebildet ist, dass dieser dicker als der innere ist. Die Verminderung der isostatischen Festigkeit, die auf der fortgeschrittenen Verdünnung der Trennwände vorliegt, kann jedoch sogar von diesen Strukturen nicht ausreichend unterdrückt werden, und die Verminderung der Einblechungsfestigkeit kann ebenfalls nicht wirksam unterdrück werden.
Zudem wurde in WO 98/05602 eine keramische Wabenstruktur vorgeschlagen, worin die mittlere Zellwanddicke T 0,05 bis 0,13 mm beträgt, die mittlere Dicke der Außenwand größer als T ist, W > T (W ist die mittlere Breite des Kontakts zwischen den Zellwänden und der Außenwand) ist und 0,7 ≥ –(T/4) + 0,18 ist. Obwohl eine bestimmte Wirkung bei der Verhinderung von Abplatzungen bei der Handhabung die ser keramischen Wabenstruktur erzielt wird, wird die isostatische Festigkeit nicht ausreichend verbessert, und die Verminderung der Einblechungsfestigkeit kann nicht wirksam unterdrückt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme entwickelt und zielt darauf ab, eine Wabenstruktur bereitzustellen, die eine Verminderung der isostatischen Festigkeit und/oder der bei der Verdünnung der Wabenstruktur vorliegenden Einblechungsfestigkeit unterdrücken kann, und einen Wabenstrukturkatalysator davon bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Formverfahrens, wodurch eine Verminderung der isostatischen Festigkeit und/oder der Einblechungsfestigkeit unterdrückt wird, indem eine Wabenstruktur bereitgestellt wird.
Als Ergebnis intensiver Studien seitens der Erfinder vorliegender Erfindung wurde herausgefunden, dass eine Dicke (TY) der Trennwände, deren Längsrichtung eine Richtung (Y-Richtung) in einem Abschnitt ist, der senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur steht, größer ist als jene anderer Trennwände, und folglich die isostatische Festigkeit, die eine Festigkeit gegen das isotrope Unterdrucksetzen darstellt, verbessert wird. Zudem wurde herausgefunden, dass die Dicke der Trennwände in einem vorbestimmten Teil der Trennwände, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, erhöht wird und folglich Brüche in der Einblechung reduziert werden können.
Das bedeutet, dass gemäß der Erfindung eine Wabenstruktur bereitgestellt wird, die Folgendes umfasst: eine durch Trennwände unterteilte und sich in Axialrichtung erstreckende Anzahl von Zellen, worin die Dicke (TY) der Trennwände, deren Längsrichtung eine Richtung (Y-Richtung) in einem Abschnitt ist, der senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur steht, größer ist als die Dicke (TX) jener Trennwände, deren Längsrichtung die andere Richtung ist.
In der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis zwischen TX und TY 1,10 ≤ TY/TX ≤ 1,50 und TX ist 10 μm ≤ TX ≤ 115 μm. Das Verhältnis der offenen Stirnfläche der Wabenstruktur beträgt vorzugsweise 60 bis 95%. Zudem ist die Form des Querschnitts der Zelle eine vieleckige Form, und die vieleckige Form ist vorzugsweise eine oder mehrere aus einer aus einer quadratischen Form, rechteckigen Form, dreieckigen Form und sechseckigen Form bestehenden Gruppe ausgewählte vieleckige Form.
In der vorliegenden Erfindung ist die Form des senkrecht zur Axialrichtung stehenden Querschnitts der Wabenstruktur vorzugsweise eine elliptische Form, eine ovale Form oder eine unregelmäßige Form, und die Richtung des kurzen Durchmessers des Querschnitts ist vorzugsweise die Y-Richtung, wobei auch die Dicke der Trennwände in einem äußeren Umfangsabschnitt der Wabenstruktur vorzugsweise größer als die der Trennwände in einem inneren Abschnitt ist. Darüber hinaus ist die Dicke der Trennwände in einem äußeren Umfangsabschnitt der Wabenstruktur vorzugsweise größer als die der Trennwände in einem inneren Abschnitt. Noch bevorzugter weist die Wabenstruktur eine die Trennwände umgebende zylindrische Außenwand auf und worin unter der Voraussetzung, dass im senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur stehenden Querschnitt ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt des Querschnitts aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 35 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 75 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt O₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₂ ist, und ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt P₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₂ ist, die Dicke von zumindest einigen der Trennwände, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, in einem von Linien umgebenen Bereich, die den Punkt O₁ entlang der Außenwand mit dem Punkt P₁ (eine runde Bogenlinie), den Punkt P₁ mit dem Punkt P₂ (eine gerade Linie), den Punkt P₂ entlang der Außenwand mit dem Punkt O₂ (eine runde Bogenlinie) und den Punkt O₂ mit dem Punkt O₁ (eine gerade Linie) verbinden, größer als die der anderen Trennwände ist. Es wird außerdem bevorzugt, dass die Wabenstruktur eine ovale zylindrische oder eine elliptische zylindrische Außenwand, die die Trennwände umgibt, und die Trennwände aufweist, deren Y-Richtung in einem senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur stehenden Querschnitt die Richtung des kurzen Durchmessers einer ovalen oder elliptischen Querschnittsform ist; und worin unter der Voraussetzung, dass im Querschnitt ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt des Querschnitts aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 35 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 85 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt O₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₂ ist, und ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt P₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₂ ist, die Dicke von zumindest einigen der Trennwände, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, in einem von Linien umgebenen Bereich, die den Punkt O₁ entlang der Außenwand mit dem Punkt P₁ (eine runde Bogenlinie), den Punkt P₁ mit dem Punkt P₂ (eine gerade Linie), den Punkt P₂ entlang der Außenwand mit dem Punkt O₂ (eine runde Bogenlinie) und den Punkt O₂ mit dem Punkt O₁ (eine gerade Linie) verbinden, größer als die der anderen Trennwände ist.
Zudem wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Wabenstrukturkatalysator bereitgestellt, worin die oben erläuterte Wabenstruktur, welche über eine Anzahl an durch Trennwände unterteilte und sich entlang der Axialrichtung erstreckende Zellen verfügt, in einem Metallgehäuse eingeblecht ist. Im Wabenstrukturkatalysator der vorliegenden Erfindung ist die Wabenstruktur, worin die Dicke von zumindest einigen Trennwänden, deren Längsrichtung eine Y-Richtung ist, in oben erläutertem vorbestimmtem Bereich größer ist als jene anderer Trennwände, vorzugsweise in zwei getrennte Metallgehäuse eingeblecht und zusammengefügt.
Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Formen einer Wabenstruktur bereitgestellt, in dem die oben erläuterte Wabenstruktur, welche über eine Anzahl an durch Trennwände unterteilte und sich entlang der Axialrichtung erstreckende Zellen verfügt, geformt wird, wobei das Verfahren ein Spritzgussformen umfasst, sodass die Y-Richtung der Schwerkraftrichtung entspricht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) ist eine schematisch-perspektivische Ansicht einer Wabenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1(b) ist eine schematische Draufsicht der Wabenstruktur der 1(a).
2(a) ist ein vergrößerter schematischer Querschnitt der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung, worin die Zellen quadratisch sind. 2(b) ist ein vergrößerter schematischer Querschnitt der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung, worin die Zellen rechteckig sind. 2(c) ist ein vergrößerter schematischer Querschnitt der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung, worin die Zellen dreieckig sind. 2(d) ist ein vergrößerter schematischer Querschnitt der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung, worin die Zellen sechseckig sind.
3 ist eine schematische Draufsicht der Wabenstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Beispiel eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Wabenstruktur.
5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Wabenstruktur.
6 zeigt ein weiteres Beispiel eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Wabenstruktur.
7 zeigt ein weiteres Beispiel eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Wabenstruktur.
8 zeigt ein weiteres Beispiel eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Wabenstruktur.
9 zeigt ein weiteres Beispiel eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Wabenstruktur.
10 zeigt ein weiteres Beispiel eines Querschnitts der erfindungsgemäßen Wabenstruktur.
Die 11(a) und 11(b) sind vergrößerte schematische Querschnitte, die vorzugsweise Beispiele einer erfindungsgemäßen Wabenstruktur zeigen.
12 ist ein schematischer Querschnitt, der ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Wabenstruktur zeigt.
13 ist ein schematischer Querschnitt, der ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Wabenstruktur zeigt.
14 ist ein Graph, der ein Beispiel der Druckverteilung der Wabenstruktur zum Zeitpunkt des Einblechens der Wabenstruktur zeigt.
15 ist ein Graph, der ein weiteres Beispiel der Druckverteilung der Wabenstruktur zum Zeitpunkt des Einblechens der Wabenstruktur zeigt.
16 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel des zum Stopfen einer Zellstruktur in ein Metallgefäß angewandten Stopfverfahrens zeigt.
17 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel des zur Unterbringung einer Zellstruktur in einem Metallgefäß angewandten Einschnürungs-Verfahrens zeigt.
18 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel des zur Unterbringung einer Zellstruktur in einem Metallgefäß angewandten Klemmschellenverfahrens zeigt.
19 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Extrusionsformen zur Verwendung in einem Formverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beste Art der Durchführung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden bezogen auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehenden Ausführungsformen eingeschränkt ist. Im Folgenden bezeichnet der Ausdruck "Querschnitt" einer Wabenstruktur, sofern nicht anders angegeben, einen senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur stehenden Querschnitt.
Die 1(a) und 1(b) sind schematische Diagramme, die eine Ausführungsform einer Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. Wie in den 1(a) und 1(b) gezeigt, weist eine Wabenstruktur 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Zellen 3 auf, die durch die Trennwände 2 getrennt sind und sich in Axialrichtung erstrecken. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Dicke der Trennwände 2Y, deren Längsrichtung eine Richtung (Y-Richtung) ist, größer als jene der Trennwände 2X ist, deren Längsrichtung eine andere Richtung ist, beispielsweise eine X-Richtung in 2(b) in einem Abschnitt der Wabenstruktur. Indem die Wabenstruktur 1 auf diese Weise aufgebaut wird und vorzugsweise auf solche Weise extrusionsgeformt wird, dass die Y-Richtung der Schwerkraftrichtung entspricht, wird die isostatische Festigkeit erhöht. Es ist erstaunlich, dass das Dickermachen der Trennwände in einer Richtung eine Erhöhung der isostatischen Festigkeit bewirkt, die eine Festigkeit gegen das isotrope Unterdrucksetzen aus einem äußeren Umfangsabschnitt darstellt. Ein Grund dafür liegt, wie angenommen, darin, dass eine Verformung der Trennwände 2 während des Extrudierens und Brennens durch oben beschriebenen Aufbau verhindert wird, um eine wie konstruierte Wabenstruktur herzustellen und deshalb ein durch die Verformung hervorgerufener Spannungskonzentrationsabschnitt der Trennwände 2 beseitigt werden kann.
Der Querschnitt der Zelle 3 in der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, wobei der Querschnitt vorzugsweise vieleckig ist, da die Gesamtlänge der Trennwände, deren Längsrichtung im Querschnitt eine Richtung ist, mittels eines bestimmten oder größeren Verhältnisses gesichert werden kann. Zudem kann die vergleichsweise große Gesamtlänge der Trennwände, deren Längsrichtung im Querschnitt eine Richtung ist, wie in den 2(a) bis 2(d) aufgezeigt, vorzugsweise gesichert werden, wenn der Querschnitt quadratisch, rechteckig, dreieckig oder sechseckig ist. Darüber hinaus müssen sämtliche Querschnittsformen der Zellen 3 nicht gleich sein; in einer Wabenstruktur können zwei oder mehr unterschiedliche Formen vorliegen.
Wenn der Querschnitt der Zelle 3, wie in 2(a) oder 2(b) aufgezeigt, quadratisch oder rechteckig ist, sind in der vorliegenden Erfindung die Trennwände, deren Längsrichtung jede beliebige Richtung sein kann, als 2Y definiert, und die Dicke einiger oder aller Wände kann so eingestellt sein, dass diese größer ist als jene der Trennwände 2X, deren Längsrichtung der senkrecht auf die 2Y-Richtung stehenden Richtung (X-Richtung) entspricht.
Wenn die Querschnittsform der Zelle 3, wie in 2(c) gezeigt, dreieckig ist, wird die Richtung jeder beliebigen Seite des Dreiecks als Y definiert, werden die Trennwände, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, nämlich jene Trennwände, die der ausgewählten Seite entsprechen, jene Trennwände, die auf einer verlängerten Linie vorliegen und jene Trennwände, die parallel mit der Seite vorliegen, als 2Y definiert und wird die Dicke einiger oder sämtlicher Wände gegebenenfalls so eingestellt, dass diese größer ist als jene der Trennwände 2X, deren Längsrichtungen anderen Richtungen entsprechen. Wie in 2(d) gezeigt, wird, wie im Falle des Dreiecks, wenn die Querschnittsform der Zelle 3 sechseckig ist, die Richtung jeder beliebigen Seite des Sechsecks als Y definiert, werden die Trennwände, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, nämlich jene Trennwände, die der ausgewählten Seite entsprechen, jene Trennwände, die auf einer verlängerten Linie vorliegen und jene Trennwände, die parallel mit der Seite vorliegen, als 2Y definiert und wird die Dicke einiger oder sämt licher Wände gegebenenfalls so eingestellt, dass diese größer ist als jene der Trennwände 2X, deren Längsrichtungen anderen Richtungen entsprechen.
In der vorliegenden Erfindung setzt sich die Dicke (TY) der Trennwände 2Y, deren Längsrichtung im Querschnitt eine Richtung (Y-Richtung) ist, aus der Dicke der vorbestimmten Trennwände 2Y und der Dicke der Trennwände 2X zusammen, deren Längsrichtung der anderen Richtung entspricht, und umfasst die mittlere Dicke sämtlicher Trennwände 2X, deren Längsrichtung der anderen Richtung entspricht. In der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung ist die Dicke sämtlicher Trennwände 2Y, deren Längsrichtung eine Richtung ist, vorzugsweise größer als die mittlere Dicke der Trennwände 2X, wobei jedoch die Dicke einiger Trennwände 2Y, deren Längsrichtung eine Richtung ist, größer als die mittlere Dicke der Trennwände 2X sein kann. In diesem Fall ist die Dicke einer gesamten Einheit von Trennwänden, wie in 3 aufgezeigt, vorzugsweise dicker, indem sich die Trennwände auf einer geraden Linie als eine Einheit erstrecken. Zudem sind die Trennwände im Hauptteil, nämlich die längeren Trennwände, die sich auf einer geraden Linie erstrecken, vorzugsweise dicker. Wie später detaillierter beschrieben wird, ist die Dicke der Trennwände im verstärkten Teil in einem vorbestimmten Bereich von Positionen, die vom Hauptteil abweichen, vorzugsweise größer als jene anderer Trennwände.
In der erfindungsgemäßen Wabenstruktur unterliegt das Verhältnis zwischen TY und TX, nämlich TY:TX, keinen besonderen Einschränkungen, sofern das Verhältnis größer als 1,0 ist. Wenn das Verhältnis jedoch zu nahe an 1,0 ist, kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht erzielt werden. Wenn das Verhältnis übermäßig groß ist, kommt es zu einer unvorteilhaften Verschlechterung der Temperaturschockresistenz. Zur Erzielung eines bevorzugten Bereichs beträgt TY:TX 1,10 oder mehr, noch bevorzugter 1,15 oder mehr, insbesondere 1,20 oder mehr und 1,50 oder weniger, noch bevorzugter 1,45 oder weniger, insbesondere 1,40 oder weniger. In diesem Fall genügen TX und sämtliche TY dem oben beschriebenen Verhältnis, wobei jedoch einige TY, beispielsweise TY in verstärkten Abschnitt, die später beschrieben werden, genügen vorzugsweise dem oben beschriebenen Verhältnis.
In der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung unterliegt die Dicke (TX) der Trennwände, deren Längsrichtung keine Y-Richtung ist, keinen besonderen Einschränkungen. Wenn die Dicke jedoch zu gering ist, wird es schwierig, sogar die erfindungsgemäße Wabenstruktur zu extrudieren. Wenn die Dicke zu groß ist, wird eine ausreichende isostatische Festigkeit problemlos erhalten, sogar bei einer anderen als der erfindungsgemäßen Wabenstruktur, und die Wirkung der vorliegenden Erfindung wird nicht so einfach erzielt. Zur Erzielung eines bevorzugten Bereichs beträgt TX 10 μm oder mehr, noch bevorzugter 20 μm oder mehr, insbesondere 30 μm oder mehr, und 115 μm oder weniger, noch bevorzugter 100 μm oder weniger, insbesondere 95 μm oder weniger.
In der erfindungsgemäßen Wabenstruktur unterliegt die Zelldichte keinen besonderen Einschränkungen. Wenn die Zelldichte jedoch zu groß ist, erhöht sich die Anzahl der Trennwände pro Einheitsquerschnittsfläche. Sogar bei Strukturen, die keine Wabenstrukturen der vorliegenden Erfindung sind, kommt es zu keinen einfachen Verformungen der Trennwände, kann eine zufrieden stellende isostatische Festigkeit erhalten werden und die Wirkung der vorliegenden Erfindung wird nicht ohne weiteres erzielt. Ähnlich unterliegt das Verhältnis, der offenen Stirnfläche keinen besonderen Einschränkungen. Wenn jedoch das Verhältnis der offenen Stirnfläche zu groß ist, wird, sogar bei der erfindungsgemäßen Wabenstruktur, keine ausreichende Festigkeit erhalten. Wenn das Verhältnis der offenen Stirnfläche zu gering ist, nimmt die Leistung als Katalysatorträger unvorteilhaft ab. Das Verhältnis der offenen Stirnfläche beträgt vorzugsweise 60 bis 95%, noch bevorzugter 65 bis 92%, insbesondere 70 bis 89%.
Die Querschnittform der erfindungsgemäßen Wabenstruktur 1 weist, zusätzlich zur in 1(b) angeführten elliptischen Form, beispielsweise eine kreisförmige, eine ovale (superellipitische Form) oder eine unregelmäßige Form auf, wie z.B. eine im Wesentlichen dreieckige Form, eine im Wesentlichen trapezförmige Form, eine im Wesentlichen viereckige Form und eine asymmetrische Form. Darüber hinaus weisen die elliptischen, ovalen oder unregelmäßigen Formen kurze und lange Durchmesser auf, und sind deshalb als jene in der Erfindung angewandte Form zu bevorzugen. Bei der elliptischen, ovalen oder unregelmäßigen Form kann die Richtung des langen Durchmessers des Querschnitts auch als Y-Richtung definiert werden, wobei jedoch zur Verbesserung der isostatischen Festigkeit die Richtung des kurzen Durchmessers als Y-Richtung definiert wird.
Zudem ist die Dicke der Trennwände im äußeren Umfangsabschnitt der Wabenstruktur, wie in den 11(a) und 11(b) aufgezeigt, vorzugsweise größer als die der Trennwände im inneren Abschnitt, um die Einblechungsfestigkeit zu verbessern. Hierin ist auch eine Außenwand der Wabenstruktur in den Trennwänden enthalten. In diesem Fall kann, wie in 11(b) aufgezeigt, nur die Dicke der Außenwand der Wabenstruktur erhöht werden. Zudem kann, wie in 11(a) aufgezeigt, die Dicke der Trennwände, die mehrere Zellen aus der äußeren Umfangsseite umgeben, erhöht werden. Es wird angemerkt, dass bei den 11(a) und 11(b) die Dicke von 2Y natürlich größer als die von 2X ist. Ein Bereich, worin die Dicke der Trennwände des äußeren Umfangsabschnitts erhöht wird, ist vorzugsweise ein Bereich, der sich aus der äußeren Umfangsseite von einer ersten zu einer 15ten Zelle erstreckt, noch bevorzugter ein Bereich, der sich aus einer ersten zu einer 10ten Zelle erstreckt. Innerhalb dieses Bereichs kann die Dicke der vorbestimmten Trennwände erhöht werden, wobei jedoch die Dicke mehrerer Trennwände aus der Außenwandseite vorzugsweise erhöht wird. Bevorzugte konkrete Beispiele umfassen ein Beispiel, worin die Dicke der Trennwände 2 der Zelle, welche die Außenwand kontaktiert, nämlich die äußerste Zelle 3_a1, die im Querschnitt als erste Zelle angesehen wird, die jeweils drei aufeinanderfolgende Zellen in Richtung Innenseite umgeben, nämlich die Zellen 3_a1 bis 3_a3, auf etwa 80 μm eingestellt ist, und die Dicke anderer Trennwände, nämlich der Trennwände im Inneren der Trennwände mit der Dicke von 80 μm, auf 50 μm eingestellt ist. Als weiteres Beispiel kann erläutert werden, dass die Dicke der Trennwände 2, die jeweils die Zellen 3_a1 bis 3_a3 umgeben, auf etwa 80 bis 100 μm eingestellt ist, die Dicke der Trennwände 2, die jeweils die vierten und sechsten aufeinanderfolgenden Zellen 3a₄ bis 3a₆ innen umgeben, auf etwa 60 bis 80 μm eingestellt ist, die Dicke der Trennwände 2, die jeweils die aufeinanderfolgenden siebten und achten Zellen 3_a7 bis 3_a10 innen umgeben, auf etwa 50 bis 60 μm eingestellt ist, die Dicke der inneren Trennwände auf etwa 50 μm eingestellt ist und die Trennwanddicke schrittweise innen auf diese Weise von der äußeren Umfangsseite her reduziert wird. Zudem kann erwähnt werden, dass die Dicke der Trennwände 2, die jeweils die Zellen 3_a1 bis 3_a3 umgeben, auf 80 μm eingestellt ist, und die Dicke der inneren Trennwände auf 50 μm eingestellt ist.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Wabenstruktur 1 als eine weitere bevorzugte Ausführungsform, wie in 12 aufgezeigt, beispielsweise eine die Trennwände umgebende zylindrische Außenwand 7 auf. In dem in 12 dargestellten Querschnitt, worin definiert ist, dass ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Mittelpunkt 8 des Querschnitts aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 35 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie 30 ein Punkt O₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Mittelpunkt 8 aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 75 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie 32 ein Punkt P₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Punkt O₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie 43 ein Punkt O₂ ist, und ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Punkt P₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie 41 ein Punkt P₂ ist, die Dicke von zumindest einigen der Trennwände 2Y, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, in einem von Linien umgebenen Bereich, die den Punkt O₁ entlang der Außenwand mit dem Punkt P₁ (eine runde Bogenlinie 40), den Punkt P₁ mit dem Punkt P₂ (eine gerade Linie 41), den Punkt P₂ entlang der Außenwand mit dem Punkt O₂ (eine runde Bogenlinie 42) und den Punkt O₂ mit dem Punkt O₁ (eine gerade Linie 43) verbinden, größer als die der anderen Trennwände ist. Dies bedeutet, dass die Dicke in einem schattierten Abschnitt (im weiteren Verlauf als verstärkender Abschnitt bezeichnet), wie in 12 dargestellt, größer ist als die der anderen Trennwände, nämlich jener Trennwände, deren Längsrichtung die andere Richtung ist, und jener Trennwände, die außerhalb des oben beschriebenen Bereichs angeordnet sind, deren Längsrichtung der Y-Richtung entspricht. Die Trennwände 2Y im verstärkenden Abschnitt, deren Längsrichtung der Y-Richtung entspricht, werden im weiteren Verlauf als Trennwände 2Y_r bezeichnet und die mittlere Dicke der Trennwände 2Y_r wird als HY_r bezeichnet.
Wenn die Wabenstruktur beispielsweise wie in 18 dargestellt untergebracht wird, und zwar mittels zweier getrennter Metallgehäuse 11a und 11b über ein elastisches Druckmaterial eingeblecht wird, wird in Vertikalrichtung, nämlich in Pfeilrichtung, bezogen auf die Wabenstruktur in 18, eine Druckspannung ausgeübt. Es ist erwiesen, dass der Druck in einer wie in 14 gezeigten spezifischen Position der Wabenstruktur sehr hoch wird. In 14 wird eine relative Druckfestigkeit in der Position der jeweiligen Außenwand dargestellt, und zwar in einem Fall, bei dem die Position der Außenwand in vertikaler Richtung vom Mittelpunkt des Querschnitts der Wabenstruktur aus in 18 als 0 Grad angenommen wird, und die Position der Außenwand in horizontaler Richtung vom Mittelpunkt des Querschnitts aus, nämlich einem Abschnitt, worin die zwei getrennten Metallgehäuse verbunden sind, 90 Grad beträgt.
Wie aus 14 hervorgeht wird in der in 12 dargestellten Wabenstruktur die Struktur beispielsweise in zwei getrennten Metallgehäusen 11a und 11b so eingeblecht, dass die Y-Richtung der Trennwände 2Y der vertikalen Richtung aus 18 entspricht, nämlich einer mittels Pfeil angezeigten Druckrichtung, und die Trennwände 2Y_r unter starkem Druck in einer Position angeordnet werden. Somit kann der Bruch der Wabenstruktur während oder nach dem Einblechen verhindert werden.
In 12 wird zur Verbesserung des Drucks ein breiterer verstärkender Bereich bevorzugt, wobei ein engerer Bereich ebenfalls bevorzugt wird, und zwar hinsichtlich der Verdünnung sämtlicher Trennwände. Deshalb beträgt der Winkel, der den Punkt O₁ anzeigt (im weiteren Verlauf als Winkel des O₁-Punkts bezeichnet), nämlich ein Winkel, der von einer sich aus dem Mittelpunkt 8 des Querschnitts zum Punkt O₁ erstreckenden Linie und einer sich aus dem Mittelpunkt 8 des Querschnitts in Y-Richtung (nämlich die 0-Grad-Richtung) erstreckenden Linie 20 gebildet ist, vorzugsweise 35 Grad, noch bevorzugter 45 Grad, insbesondere 50 Grad. Ähnlich beträgt ein Winkel, der den Punkt P₁ anzeigt (im weiteren Verlauf als Winkel des P₁- Punkts bezeichnet), nämlich ein Winkel, der von einer sich aus dem Mittelpunkt 8 des Querschnitts zum Punkt P₁ erstreckenden Linie und einer sich aus dem Mittelpunkt 8 des Querschnitts in Y-Richtung (nämlich die 0-Grad-Richtung) erstreckenden Linie 20 gebildet ist, vorzugsweise 75 Grad, noch bevorzugter 70 Grad, insbesondere 65 Grad. Einige der Trennwände 2Y_r können dicker gemacht werden, und es können auch sämtliche Trennwände 2Y_r gegebenenfalls dicker gemacht werden. Für die verstärkenden Abschnitte können in 12 zwei Stellen rechts und links angeordnet werden. Wenn zumindest einige der Trennwände 2Y_r in einem der verstärkenden Abschnitte dick sind, wird ein bestimmter Wirkungsgrad erzielt. Vorzugsweise sind zumindest einige der Trennwände 2Y_r in beiden verstärkenden Abschnitten dick.
Ein Beispiel, worin die Druckverteilung auf gleiche Weise wie in 14 gemessen wird, ist in 15 in einem Fall dargestellt, bei dem die Wabenstruktur eine oval-zylindrische oder elliptisch-zylindrische Außenwand aufweist, nämlich die Querschnittsform der Wabenstruktur oval oder elliptisch ist. Es ist erwiesen, dass auf den äußeren Umfangsabschnitt bei 35 bis 85 Grad und 40 bis 80 Grad des Ovals oder der Ellipse ein starker Druck ausgeübt wird. Deshalb weist die Wabenstruktur 1, wie in 13 dargestellt, Trennwände auf, deren Y-Richtung im Querschnitt der Richtung des kurzen Durchmessers der ovalen oder elliptischen Form entspricht, nämlich die 0-Grad-Richtung darstellt. Wenn definiert ist, dass ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Mittelpunkt 8 des Querschnitts aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 35 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie 34 ein Punkt O₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Mittelpunkt 8 aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 85 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie 36 ein Punkt P₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Punkt O₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie 48 ein Punkt O₂ ist, und ein Schnittpunkt der Außenwand 7 und einer sich vom Punkt P₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie 46 ein Punkt P₂ ist, ist die Dicke von zumindest einigen der Trennwände 2Y_r , darunter Trennwände in einem von Linien umgebenen Bereich, die den Punkt O₁ entlang der Außenwand mit dem Punkt P₁ (eine runde Bogenlinie 45), den Punkt P₁ mit dem Punkt P₂ (eine gerade Linie 46), den Punkt P₂ entlang der Außenwand mit dem Punkt O₂ (eine runde Bogenlinie 47) und den Punkt O₂ mit dem Punkt O₁ (eine gera de Linie 48) verbinden, nämlich im verstärkenden Abschnitt, der vom schattierten Abschnitt dargestellt ist, vorzugsweise größer als die der anderen Trennwände ist.
Dabei beträgt der Winkel des O₁-Punkts, aus ähnlichen Gründen wie jenen des kreisförmigen Querschnitts, vorzugsweise 35 Grad, noch bevorzugter 40 Grad, insbesondere 50 Grad. Der Winkel des O₁-Punkts beträgt vorzugsweise 85 Grad, noch bevorzugter 80 Grad. Zudem können einige oder sämtliche Trennwände 2Y_r im verstärkenden Abschnitt dicker gemacht werden. Für die verstärkenden Abschnitte können in 13 zwei Stellen rechts und links angeordnet werden. Wenn zumindest einige der Trennwände 2Y_r in einem der verstärkenden Abschnitte dick sind, wird ein bestimmter Wirkungsgrad erzielt. Vorzugsweise sind zumindest einige der Trennwände 2Y_r in beiden verstärkenden Abschnitten dick.
In der in den 12 oder 13 gezeigten Ausführungsform wird eine Verbesserung der Einblechungsfestigkeit erzielt, sogar wenn einige der TY:TX einen geringen Wert anzeigen. Zudem ist die Dicke der Trennwände in der erfindungsgemäßen Wabenstruktur in Axialrichtung im Allgemeinen konstant und vorzugsweise ebenfalls konstant. Wenn sogar die Dicke nicht konstant ist, liegt ein solcher Bereich der Axialrichtung zur Erzielung der erfindungsgemäßen Wirkung gegebenenfalls im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße Wabenstruktur wird vorzugsweise zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors oder dergleichen, aber auch für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. in verschiedenen Filtern und Katalysatorträgern, verwendet. Die erfindungsgemäße Wabenstruktur kann zum Einsatz als Wabenstrukturkatalysator in einem Katalysatorgehäuse mittels Einblechen angeordnet werden. Dabei wird die Wabenstruktur 1 vorzugsweise zusammen mit einem elastischen Material 5 im Druckzustand in ein Metallgehäuse 11 eingeblecht. Als jeweiliges Einblechverfahren eignet sich ein in 16 dargestelltes Stopfverfahren unter Verwendung eines Führungselements 17; ein Einschnürungs-Verfahren, welches das Wickeln einer Metallplatte 11c um die Wabenstruktur, das Ziehen der Platte zur Ausübung eines Drucks auf die Außenoberfläche der Waben struktur und das Schweißen sowie das Anbringen der zu verbindenden Flächen der Metallplatte 11c umfasst; und ein in 18 dargestelltes Klemmschellenverfahren, das die Anordnung einer Wabenstruktur zwischen zwei Metallgehäuseteile 11a und 11b unter Ausübung einer Last auf die Teile 11a und 11b und das Schweißen der zu verbindenden Flächen (Flansche) 16a und 16b der Teile 11a und 11b umfasst, um ein integriertes Gehäuse zu erhalten.
Beispiele für ein Material der erfindungsgemäßen Wabenstruktur umfassen vorzugsweise eine oder mehrere Keramiken, die aus der aus Cordierit, Mullit, Aluminiumoxid, Spinell, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Lithiumaluminiumsilicat, Aluminiumtitanat, Zirconiumdioxid und einer Kombination davon bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Darin besteht das Siliciumcarbid aus Metallsilicium und Siliciumcarbid. Darunter wird Cordierit, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, vorzugsweise als Wabenstruktur zur Reinigung von Abgasen eines Kraftfahrzeugsmotors verwendet, und ist auch insbesondere in vorliegender Erfindung zu bevorzugen.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wabenstruktur unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Beispielsweise wird ein Bindemittel und dergleichen in einem Pulver des oben beschriebenen Materials vermischt und das Material kann in einer bestimmten Form mittels Spritzgussformen oder Extrusionsformen geformt werden und wird anschließend getrocknet sowie gebrannt, um die Struktur zu erhalten. Darüber hinaus wird das Material vorzugsweise mittels Extrusionsformen geformt.
Für eine aus Cordierit bestehende Wabenstruktur wird eine lehmartige Masse erhalten, indem als Porenbildner 15 bis 25 Gewichtsteile Graphit und 5 bis 15 Gewichtsteile Kunstharze, wie z.B. PET, PMMA, vernetztes Polystyrol und Phenolharz zu 100 Gewichtsteilen des Rohmaterials für Cordierit zugesetzt werden, das erhalten wird, indem Talk, Kaolin, kalziniertes Kaolin, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und Silica zu vorbestimmten Anteilen eingemischt werden, um eine chemische Zusammensetzung aus SiO₂ (42 bis 56 Gew.-%), Al₂O₃ (30 bis 45 Gew.-%) und MgO (12 bis 16 Gew.-%) zu ergeben, und weiters erforderliche Mengen eines Typs von Me thylcellulose und ein Tensid sowie Wasser in geeigneten Mengen zugesetzt wird, wonach ein Knetvorgang erfolgt. Als nächstes wird die lehmartige Masse einer Vakuumentlüftung unterzogen und anschließend einer Extrusion in eine Wabenstruktur. Die Wabenstruktur wird mittels dielektrischer Trocknung, Mikrowellentrocknung oder Heißlufttrocknung getrocknet und sodann entfettet sowie mittels eines Erhitzungsvorgangs bei einer maximalen Temperatur von 1.400 bis 1.435°C gebrannt. Die Wabenstruktur kann mittels der oben beschriebenen Schritte hergestellt werden.
Als nächstes wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Formen der Wabenstruktur beschrieben. Gemäß dem erfindungsgemäßen Formverfahren wird ein Extrusionsverfahren bereitgestellt, dass sich zum Formen der oben beschriebenen Wabenstruktur eignet. Das erfindungsgemäße Formverfahren ist so durch das Extrusionsformen gekennzeichnet, dass die Y-Richtung in der oben beschriebenen Wabenstruktur der Schwerkraftrichtung entspricht, nämlich senkrecht ist.
Folglich ist die Festigkeit der dickeren Trennwände 2Y höher, sogar wenn die Trennwände insgesamt dünn sind, wodurch eine Verformung durch deren eigenes Gewicht bei der Extrusion verhindert, die Entstehung von Spannungskonzentrationsstellen vermieden und die Verschlechterung der isostatischen Festigkeit unterdrückt werden kann.
19 stellt eine schematische Seitenansicht eines Extrusionsformgeräts dar, das vorzugsweise zum Extrusionsformen in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. Die lehmartige Masse in einem Extruder 10 wird in horizontaler Richtung durch eine Düse 22 extrudiert, um einen als Wabenformkörper 24 auszubilden. Der Wabenformkörper 24 weist unmittelbar nach der Extrusion eine hohe Formbarkeit auf. Wenn die Trennwände dünn sind, kommt es leicht zu Verformungen und Verbiegungen der Trennwände, die durch ihr eigenes Gewicht hervorgerufen werden. Dabei wurde die Extrusion auf solche Weise ausgeführt, dass die Y-Richtung der Schwerkraftrichtung entspricht, was bedeutet, dass die dickeren Trennwände 2Y senkrecht sind. Folglich wird die Festigkeit der Schwerkraftrichtung höher, und Verformungen sowie Verbiegungen der Trennwände können verhindert werden.
Das in vorliegender Erfindung verwendete Formgerät unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, sofern das Gerät eine Erhitzungs- sowie Druckausübungsfunktion aufweist und Extrudieren kann, wobei ein Extruder vom Kolbentyp, eine Mischtrommel, ein kontinuierlicher Einschneckenextruder, ein kontinuierlicher Doppelschneckenextruder oder dergleichen verwendbar ist.
Zudem kann das Kneten und Formen in der vorliegenden Erfindung mittels eines kontinuierlichen Doppelschneckenextruders, der zugleich Kneten und Formen kann, gleichzeitig erfolgen. Die Temperaturkontrollvorrichtung des Formgeräts unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Die Temperatur kann beispielsweise auch anhand eines Heizelements, eines Wärmeumlaufs mit Öl oder einer Kombination daraus gesteuert werden.
In der vorliegenden Erfindung unterliegt das Verfahren zum Abkühlen des aus der Düse 22 extrudierten Formkörpers keinen besonderen Einschränkungen; dabei können Verfahren, wie z.B. Luftkühlung und Wasserkühlung mittels Sprühen, angewandt werden. Der Formkörper kann auch durch Wasser passieren gelassen und abgeschreckt werden. Es wird angemerkt, dass die Wabenstruktur im erfindungsgemäßen Extrusionsverfahren je nach Formtemperatur, Extrusionsgeschwindigkeit, Typ und Menge der Additive wie konstruiert erhalten werden kann, ohne dass dabei die Trennwände beim Abkühlen bei Raumtemperatur ohne Zwangskühlung verformt werden.
Die Abkühlungstemperatur unmittelbar nach der Extrusion aus der Düse 22 kann eine Temperatur sein, bei der das Bindemittel fest ist. Hinsichtlich Spannungsreduktion beim Abkühlen ist die Differenz zwischen Formtemperatur und Abkühlungstemperatur vorzugsweise gering und eine geringere Abkühlungsgeschwindigkeit besser. Wenn als Bindemittel ein thermoplastisches Material verwendet wird, wird das Material mittels Temperaturabfall abgekühlt bzw. verfestigt. Wenn nur die Oberfläche gut verfestigt ist, kann es deshalb dazu kommen, dass ein Riss an den Innenabschnitten der Zelle, worin die Temperatur hoch ist, entsteht. Beim erfindungsgemäßen Formverfahren wird die Wabenstruktur entsprechend den Konstruktionen problemlos er halten ohne dass die Trennwände dabei verformt werden, sogar wenn die Differenz zwischen Formtemperatur und Abkühltemperatur gering ist, wobei es vorteilhafterweise auch zu einer Verhinderung der Bildung von inneren Rissen kommt.
In der Herstellung der erfindungsgemäßen Wabenstruktur unterliegt das beim Kneten verwendete Knetgerät keinen besonderen Einschränkungen, sofern das Gerät eine Erhitzungs- sowie Druckausübungsfunktion aufweist; hierbei kann ein allgemeiner Kneter, ein Druckkneter, ein kontinuierlicher Doppelschneckenextruder und dergleichen angewandt werden.
Beim kontinuierlichen Formen muss das Bindemittel zu Teilchen geformt werden, wobei zur Bildung der Teilchen Verfahren, wie z.B. Sprühtrocknen und Zerkleinerung durch Kühlen, angewandt werden können.
Zum Brennen des Formkörpers in einem niedrigen Temperaturbereich werden die Bedingungen so gewählt, dass es anhand einer Dissipationskurve des Bindemittels zu keinem Zellbruch kommt, und in einem hohen Temperaturbereich sind die Bedingungen so gewählt, dass die Zielmerkmale, wie z.B. Porosität und Wärmeausdehnungskoeffizient erhalten werden können.
Zudem können zum Entfetten und Brennen des Wabenformkörpers je nach Typ des Rohmaterialpulvers Umgebungsluft, eine Inertatmosphäre, ein Vakuum oder dergleichen entsprechend ausgewählt werden.
Bei dem Cordieritzusammensetzungsmischpulver, das ein Oxid ist, erfolgt nach dem Entfetten in Umgebungsluft das Brennen in Umgebungsluft, wobei gewöhnlich das Entfetten und Brennen gleichzeitig ausgeführt wird, indem ein Brennofen vom Batch-Typ oder ein kontinuierlicher Brennofen, wie z.B. ein Tunnelofen oder dergleichen verwendet wird.
Wenn die wie oben hergestellte Wabenstruktur in einem Katalysator für Kraftfahrzeugsabgase verwendet wird, bildet sich auf der Oberfläche in einer Zellpassage ei ne γ-Aluminiumoxidschicht und eine Edelmetallkomponente, wie z.B. Platin, Rhodium und Palladium, wobei die Katalysatorkomponente auf die γ-Aluminiumoxidschicht beladen wird. Danach wird der Katalysator bei einer Temperatur von etwa 600°C gebrannt.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden detailliert anhand von Beispielen beschriebene, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele eingeschränkt ist.
Als Beispiele 1 bis 6 und als Vergleichsbeispiel 1 wurden zylindrische Cordierit-Wabenstrukturen hergestellt, wobei der Querschnitt der Zellen quadratisch war, die Zelldichte 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Quadratzoll), betrug, die mittlere Dicke (TX) der Trennwände, die sich in horizontaler Richtung erstreckten, beim Extrudieren 88,9 μm (3,5 Mil) betrug und die gesamte Querschnittsform kreisförmig mit einem Durchmesser von 86 mm war.
Beispiel 1
Eine vorbestimmte Menge jedes der Rohmaterialpulver aus Talk, Kaolin und Aluminiumhydroxid wurde gewogen und anschließend vermischt, um ein Rohmaterialbatch zu erhalten. Anschließend wurden zu dem erhaltenen Rohmaterialbatch beim Kneten 4 Masseprozent Methylcellulose, bezogen auf 100 Masseprozent des Rohmaterialbatch, zugesetzt und mittels Knetgerät zum Erhalten eines Knetmaterials geknetet. Die Temperatur des Knetgeräts wurde so gesteuert, dass das Knetmaterial in diesem Knetschritt bei 10°C gehalten wurde. Als nächstes wurde das erhaltene Knetmaterial durch eine Vakuumkammer entlüftet und erneut geknetet, um eine säulenartige lehmähnliche Masse herzustellen. Die säulenartige lehmähnliche Masse wurde in eine Extrusionsformmaschine gefüllt und so extrudiert, dass die Y-Richtung der Schwerkraftrichtung (senkrechte Richtung) und die Axialrichtung der Horizontalrichtung entsprach, um einen Wabenformkörper A zu erhalten. Anschließend wurde die Feuchtigkeit des Wabenformkörpers A mittels dielektrischem Trocknen und Heiß lufttrocknen entfernt. Danach wurde der Körper entfettet und unter Bedingungen gebrannt, bei denen die Maximaltemperatur etwa 1.450°C und die maximale Haltezeit der Temperatur 8 Stunden betrug, wonach die Wabenstruktur A erhalten wurde, worin die Dicke (TY) der Trennwände in Y-Richtung etwa 100 μm (etwa 3,85 Mil) betrug, und zwar betrug TY:TX 1,1.
Beispiele 2 bis 6
Es wurden Wabenstrukturen B bis F als Beispiele 2 bis 6 auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die jeweiligen Dicken (TY) sämtlicher Trennwände, die auf die senkrechte Richtung während des Extrudierens hinweisen, auf etwa 107 μm (etwa 4,2 Mil), etwa 115 μm (etwa 4,5 Mil), etwa 125 μm (etwa 4,9 Mil, etwa 135 μm (etwa 5,2 Mil) und etwa 142 μm (etwa 5,6 Mil) eingestellt wurden.
Vergleichsbeispiel 1
Es wurde eine Wabenstruktur G auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Dicke sämtlicher Trennwände auf 88,9 μm (3,5 Mil), und zwar TY:TX auf 1,0, eingestellt wurden.
Bewertung der Verformung der Trennwände
Die in den Beispielen 1 bis 6 und im Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Trennwände der Wabenstrukturen A bis G wurden anhand eines universellen Projektors überprüft, um die Verformung der Trennwände zu bewerten. Strukturen, bei denen keine Verformung auftrat wurden mit O markiert und Strukturen mit Verformungen mit X markiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt. Die Verformung wurde nur in den Trennwänden der Wabenstruktur G des Vergleichsbeispiels 1 beobachtet. Bei den Trennwänden der Wabenstrukturen A bis F der Beispiele 1 bis 6 kam es zu keinen Verformungen.
Tabelle 1
Bewertung der isostatischen Festigkeit
Die isostatische Festigkeit wurde gemäß dem JASO-Standard M505-87, herausgegeben von der Society of Automotive Engineers of Japan, überprüft. In diesem Test wird die Wabenstruktur in einen zylindrischen Gummibehälter platziert und mit einem Aluminiumplattendeckel abgedeckt, um diese mittels isotroper Unterdrucksetzung in Wasser zusammenzupressen, wobei dieser Test eine Simulation für eine Druckbelastung darstellt, die auf die Wabenstruktur ausgeübt wird, und zwar wenn die Wabenstruktur an der äußeren Umfangsoberfläche in einem Einblechelement des Katalysators gehalten wird. Strukturen, die dem Druck von 10 kp/cm² standhielten wurden mit O markiert und Strukturen, die dem Druck nicht standhielten und zerstört wurden, wurden mit X markiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt. Lediglich die Wabenstruktur G des Vergleichsbeispiels 1 konnte dem Druck von 10 kp/cm² nicht standhalten und wurde zerstört, während die Wabenstrukturen A bis F der Beispiel 1 bis 6 sogar bei einem Druck von 10 kp/cm² nicht zerstört wurden.
Bewertung der Elektroofen-Absplitterungseigenschaften (ESP)
Nachdem die bei Raumtemperatur gehaltene Wabenstruktur in vorbestimmter Temperatur in einen bei einer höheren als Raumtemperatur gehaltenen Elektroofen platziert und die Struktur 20 Minuten im Ofen gehalten worden ist, wurde die Wabenstruktur entnommen, auf einen feuerfesten Ziegel gelegt und 15 Minuten stehen ge lassen. Danach wurde die Struktur auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Erscheinungsbild wurde geprüft, und der äußere Umfangsabschnitt der Wabenstruktur mit einem Metallstab dagegen geklopft, um die Temperaturwechselbeständigkeit zu bewerten. In der Wabenstruktur wurden keinerlei Risse entdeckt, der Klang beim Klopfen war kein dumpfer Klang, sondern ein metallischer, der als annehmbar bewertet wurde. Eine ähnliche Überprüfung fand schrittweise bei allen Temperaturerhöhungen um 50°C statt, bis die Temperatur im Ofen 700°C erreichte. Strukturen, bei denen sogar bei 700°C keine Abnormalität bezüglich Erscheinung und Klang beim Klopfen erkennbar war, wurden mit O markiert und Strukturen, bei denen es bei 700°C oder darunter zu Abnormalitäten bezüglich Erscheinung und Klang beim Klopfen kam, wurden mit X markiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt. Risse wurden lediglich in der Wabenstruktur F des Beispiels 6 bestätigt bis die Temperatur 700°C erreichte, wobei in anderen Wabenstrukturen sogar bei 700°C keine Risse bestätigt wurden. Da die Differenz bezüglich Dicke der Trennwände in der Wabenstruktur F zu groß war, wurde ein Abfall der Temperaturwechselbeständigkeit angezeigt.
Beispiele 7 bis 10, Vergleichsbeispiel 2
Die Wabenstruktur wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Querschnitt der Wabenstruktur eine kreisförmige Form mit einem Durchmesser von 118,4 mm und einer Länge von 100 mm aufwies, und die Dicken von TY_r der Trennwände 2Y_r im verstärkenden Bereich der Winkel der Punkte O₁ und P₁ wie in Tabelle 2 eingestellt waren, und die Dicken der anderen Trennwände so eingestellt waren, wie es in Tabelle 2 angeführt ist. Es wird angemerkt, dass die Dicken sämtlicher Trennwände der Trennwände 2Y_r bzw. sämtlicher anderer Trennwände konstant eingestellt wurden.
Beispiel 11 und Vergleichsbeispiel 3
Die Wabenstruktur wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 7 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Querschnitt der Wabenstruktur eine kreisförmige Form mit einem Durchmesser von 118,4 mm und einer Länge von 100 mm aufwies, die Zelldichte auf 93 Zellen/cm² (600 Zellen/Quadratzoll) eingestellt war und die Winkel dichte auf 93 Zellen/cm² (600 Zellen/Quadratzoll) eingestellt war und die Winkel der Punkte O₁ und P₁ sowie die Dicken der Trennwände wie in Tabelle 2 angeführt eingestellt waren.
Beispiel 12 und Vergleichsbeispiel 4
Die Wabenstruktur wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 7 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Querschnitt der Wabenstruktur eine kreisförmige Form mit einem Durchmesser von 143,8 mm und einer Länge von 100 mm aufwies und die Winkel der Punkte O₁ und P₁ wie die in Tabelle 2 angeführten Winkel eingestellt waren.
Beispiele 13 und 14
Die Wabenstruktur wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 7 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Querschnitt der Wabenstruktur eine elliptische Form mit einem langen Durchmesser von 125,0 mm, einem kurzen Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 100 mm aufwies, und die Winkel der Punkte O₁ und P₁ sowie die Dicken der Trennwände wie die in Tabelle 2 angeführten Winkel und Dicken eingestellt waren.
Beispiele 15 und 16 sowie Vergleichsbeispiel 5
Die Wabenstruktur wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 7 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Querschnitt der Wabenstruktur eine elliptische Form mit einem langen Durchmesser von 147,0 mm, einem kurzen Durchmesser von 95,0 mm und einer Länge von 100 mm aufwies, und die Winkel der Punkte O₁ und P₁ sowie die Dicken der Trennwände wie die in Tabelle 2 angeführten Winkel und Dicken eingestellt waren.
Beispiele 17 und 18 sowie Vergleichsbeispiel 6
Die Wabenstruktur wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 7 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Querschnitt der Wabenstruktur eine elliptische Form mit einem langen Durchmesser von 169,7 mm, einem kurzen Durchmesser von 80,8 mm und einer Länge von 100 mm aufwies, und die Winkel der Punkte O₁ und P₁ sowie die Dicken der Trennwände wie die in Tabelle 2 angeführten Winkel und Dicken eingestellt waren.
Einblechungstest
Die in den Beispielen 7 bis 18 und den Vergleichsbeispielen 2 bis 6 erhaltenen Wabenstrukturen wurden unter Verwendung zweier unterschiedlicher in 18 gezeigter Metallbehälter 11a und 11b mittels eines elastischen Druckmaterials 5 anhand des Klemmschellenverfahrens eingeblecht, und überprüft, ob die Wabenstruktur während des Einblechens aufgrund des Drucks gebrochen war. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angeführt.
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, kamen die in den Vergleichsbeispielen 2 bis 6 erhaltenen Wabenstrukturen, worin die Dicken sämtlicher Trennwände gleich waren, unter Einwirkung des während des Einblechens herrschenden Drucks zu Bruch, während die Wabenstruktur, einschließlich der dicker gemachten Trennwände, deren Längsrichtung im verstärkenden Bereich der Y-Richtung entsprach, nicht brach. Wie aus den Ergebnissen der Beispiele 10, 14, 16 bis 18 hervorgeht, wurde eine zufrieden stellende Wirkung erzielt, wenn die Dicke der Trennwände TX_r lediglich von 90 μm auf 100 μm verändert wurde, was eine 11%ige Steigerung bedeutete. Als die Trennwanddicken TY_r im verstärkenden Bereich, worin die Winkel der Punkte O₁ und P₁ auf 50 bzw. 60 Grad eingestellt waren, wobei der Querschnitt kreisförmig ist, oder im verstärkenden Bereich, worin die Winkel der Punkte O₁ und P₁ auf 60 bzw. 70 Grad eingestellt waren, wobei der Querschnitt elliptisch ist, vergrößert wurden, konnte eine zufrieden stellende Wirkung erzielt werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben für die erfindungsgemäße Wabenstruktur beschrieben, werden Verformungen während des Extrudierens unterdrückt und die isostatische Festigkeit verbessert, da die Dicke (TY) der Trennwände, deren Längsrichtung eine Richtung ist, die größer ist als die (TX) der Trennwände, deren Längsrichtung der anderen Richtung entspricht. Wenn TY in einem verstärkenden Bereich, nämlich TY_r, vergrößert wurde, konnte eine zufrieden stellende Einblechungsfestigkeit erzielt werden. Die oben beschriebene Wirkung wird problemlos erhalten, indem ein Extrusionsverfahren der vorliegenden Erfindung angewandt wird. Deshalb eignen sich die erfindungsgemäße Wabenstruktur und das Verfahren zur Herstellung der Struktur für Filter, Katalysatorträger oder dergleichen.

Claims

Wabenstruktur, umfassend: eine durch Trennwände unterteilte und sich in Axialrichtung erstreckende Anzahl von Zellen, worin für die Dicke (TY) der Trennwände, deren Längsrichtung in einem senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur stehenden Querschnitt eine Richtung (Y-Richtung) ist, und für die Dicke (TX) der Trennwände, deren Längsrichtung die andere Richtung ist, die Gleichung 1,10 ≤ TY/TX ≤ 1,50und für TX die Gleichung 10 μm ≤ TX ≤ 95 μmgilt.
Wabenstruktur nach Anspruch 1, worin der Anteil der offenen Stirnfläche der Wabenstruktur 60% bis 95% beträgt.
Wabenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, worin die Form des Querschnitts der senkrecht zur Axialrichtung stehenden Zelle eine vieleckige Form ist.
Wabenstruktur nach Anspruch 3, worin die vieleckige Form eine oder mehrere aus einer aus einer quadratischen Form, rechteckigen Form, dreieckigen Form und sechseckigen Form bestehenden Gruppe ausgewählte vieleckige Form ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Form des senkrecht zur Axialrichtung stehenden Querschnitts der Wabenstruktur eine elliptische Form, eine ovale Form oder eine unregelmäßige Form ist und die Richtung des kurzen Durchmessers des Querschnitts die Y-Richtung ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Dicke der Trennwände in einem äußeren Umfangsabschnitt der Wabenstruktur größer als die der Trennwände in einem inneren Abschnitt ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Wabenstruktur eine die Trennwände umgebende zylindrische Außenwand aufweist und worin unter der Voraussetzung, dass im senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur stehenden Querschnitt ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt des Querschnitt aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 35 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 75 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt O₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₂ ist, und ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt P₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₂ ist, die Dicke von zumindest einigen der Trennwände, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, in einem von Linien umgebenen Bereich, die den Punkt O₁ entlang der Außenwand mit dem Punkt P₁ (eine runde Bogenlinie), den Punkt P₁ mit dem Punkt P₂ (eine gerade Linie), den Punkt P₂ entlang der Außenwand mit dem Punkt O₂ (eine runde Bogenlinie) und den Punkt O₂ mit dem Punkt O₁ (eine gerade Linie) verbinden, größer als die der anderen Trennwände ist.
Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Wabenstruktur eine ovale zylindrische oder eine elliptische zylindrische Außenwand, die die Trennwände umgibt, und die Trennwände aufweist, deren Y-Richtung in einem senkrecht zur Axialrichtung der Wabenstruktur stehenden Querschnitt die Richtung des kurzen Durchmessers einer ovalen oder elliptischen Querschnittsform ist; und worin unter der Voraussetzung, dass im Querschnitt ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt des Querschnitts aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 35 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Mittelpunkt aus in eine in Bezug auf die Y-Richtung um 85 Grad versetzte Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₁ ist, ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt O₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt O₂ ist, und ein Schnittpunkt der Außenwand und einer sich vom Punkt P₁ aus in die Y-Richtung erstreckenden Linie ein Punkt P₂ ist, die Dicke von zumindest einigen der Trennwände, deren Längsrichtung die Y-Richtung ist, in einem von Linien umgebenen Bereich, die den Punkt O₁ entlang der Außenwand mit dem Punkt P₁ (eine runde Bogenlinie), den Punkt P₁ mit dem Punkt P₂ (eine gerade Linie), den Punkt P₂ entlang der Außenwand mit dem Punkt O₂ (eine runde Bogenlinie) und den Punkt O₂ mit dem Punkt O₁ (eine gerade Linie) verbinden, größer als die der anderen Trennwände ist.
Wabenstrukturkatalysator, worin die Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche über eine Anzahl an durch Trennwände unterteilte und sich entlang der Axialrichtung erstreckende Zellen verfügt, in einem Metallgehäuse eingeblecht ist.
Wabenstrukturkatalysator, worin die Wabenstruktur nach Anspruch 7 oder 8, welche über eine Anzahl an durch Trennwände unterteilte und sich entlang der Axialrichtung erstreckende Zellen verfügt, in zwei getrennte Metallgehäuse eingeblecht und zusammengefügt ist.
Verfahren zum Formen einer Wabenstruktur, in dem die Wabenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche über eine Anzahl an durch Trennwände unterteilte und sich entlang der Axialrichtung erstreckende Zellen verfügt, geformt wird, wobei das Verfahren ein Spritzgussformen umfasst, sodass die Y-Richtung der Schwerkraftrichtung entspricht.