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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wabenstruktur und eine Einblechstruktur,
welche eine Wabenstruktur enthält.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vor kurzem verschärften
Abgasregelungen haben eine Reduktion der von einem Motor selbst
ausgestoßenen
Schadstoffmengen, wie etwa Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid
(CO) und Stickoxide (NOx) bewirkt; auch
der Drei-Wege-Katalysator, der derzeit am häufigsten verwendete Katalysator,
wurde verbessert. Beide Maßnahmen
haben sich als effektiv, was die Verringerung der ausgestoßenen Schadstoffmenge
anbetrifft, erwiesen.
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Die
direkt nach dem Anlassen eines Motors ausgestoßene Schadstoffmenge stieg
jedoch an, während die
im Laufe des Betriebs eines Motors ausgestoßenen Schadstoffe, aufgrund
der dank strengerer Abgasregelungen erzielten Fortschritte, reduziert
wurden. In einem FTP-75-Zyklus, der ein geregelter Fahrzyklus in
den USA ist, werden beispielsweise 60–80% des Gesamtausstoßes des
gesamten Fahrzyklus im Bag-1-Modus 140 Sekunden lang direkt nach
dem Anlassen des Motors ausgestoßen. Dies geschieht, da ein
Katalysator aufgrund der niedrigen Temperatur des Abgases direkt
nach dem Anlassen des Motors (Bag-1A) nicht ausreichend aktiviert
ist, wodurch Schadstoffe durch den Katalysator hindurchströmen.
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Deshalb
werden Maßnahmen
angewandt, wie etwa das Platzieren des Katalysators in einer Position, die
so nahe wie möglich
am Motor liegt und an der die Abgase eine hohe Temperatur aufweisen,
um die Temperatur des Katalysators direkt nach dem Anlassen eines
Motors anzuheben, sowie das Ausdünnen
der Zelltrennwände
zur Verringerung der Wärmekapazität des Katalysators
und die Steigerung der Zelldichte eines Trägers, um die Abgaswärme rascher
aufzunehmen und den Kontaktbereichs eines Katalysators mit dem Abgas
zu vergrößern.
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Im
Allgemeinen wird ein Katalysator verwendet, der ein durch Laden
mittels γ-Aluminiumoxid erzeugter
Katalysator mit einer feinporigen Struktur ist; welche einen großen Oberflächenbereich
auf der Oberfläche der
Zelltrennwände
einer keramischen Wabenstruktur aufweist, die eine der Zellenstrukturen
ist, und dann werden Edelmetalle, wie Platin, Palladium und Rhodium,
als Katalysatorkomponenten auf das Aluminiumoxid geladen. Ferner
werden Ceroxid, Zirkonerde und Ähnliches
zu diesen Edelmetallen hinzugegeben, um den in den Abgasen enthaltenen
Sauerstoff zu speichern und freizusetzen. Derartige Edelmetalle
und Sauerstoff speichernde Substanzen sind in einem verteilten Zustand
in den Poren der γ-Aluminiumoxid-Schicht vorhanden,
welche auf die Oberfläche
der porösen
Zelltrennwände
(Rippen) des Trägers
geladen wurde.
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Eine
Wabenstruktur wird im Allgemeinen so verwendet, dass sie in einem
Behälter
aus Metall, wie etwa Edelstahl, eingesetzt (eingeblecht) wird, wobei
sie durch den Behälter
gehalten wird. Außerdem
wird ein Wabenfilter, der durch alternierendes Verschließen jeder
Endseite der Wabenstruktur erhalten wird, wodurch ein schachbrettartiges
Muster entsteht, als geeigneter Filter zur Aufnahme und Abgabe von
Partikeln, welche sich in einem staubhältigem Fluid, etwa in Abgasen
von Dieselmotoren (ein derartiger Filter wird im Folgenden als „DPF" bezeichnet) befinden,
eingesetzt und der Filter wird in einer vorbestimmten Position angeordnet, nachdem
dieser in ähnlicher
Weise wie die zuvor erwähnte
Wabenstruktur eingeblecht wurde.
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Nach
dem Einblechen wird ein geeignetes und zusammendrückbares,
elastisches Element in einem Spalt zwischen dem Behälter und
der Randoberfläche
der Wabenstruktur angeordnet, um einen geeigneten Verdichtungs-Oberflächendruck
auf die Wabenstruktur auszuüben.
Ein Beispiel gemäß bekanntem
Stand der Technik ist ein Verfahren zum Einblechen einer Wabenstruktur
in einem Metallbehälter,
wobei die Wabenstruktur durch eine Matte aus nichtanschwellendem
Material, das Vermiculit enthält
(siehe US-Patente Nr. 5.207.989 und 5.385.873), gehalten wird.
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Im
Falle des in den oben erwähnten
US-Patenten Nr. 5.207.989 und 5.385.873 offenbarten Verfahrens,
wird der Verdichtungs-Oberflächendruck
durch Anschwellen rasch erhöht.
Dadurch neigt der rasch erhöhte
Verdichtungs-Oberflächendruck
dazu, die Stärke
(isostatische Stärke)
einer Wabenstruktur mit dünnen Wänden, welche
eine geringe Stärke
aufweisen, zu überschreiten,
wodurch die Wabenstruktur brechen könnte. Da außerdem die Zusammendrückbarkeit
einer anschwellenden Matte ab etwa 800°C rasch abnimmt, geht der Verdichtungs-Oberflächendruck
bei etwa 1000°C
verloren und ein Halten der Wabenstruktur ist nicht mehr länger möglich.
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In
einer nichtanschwellenden, kein Vermiculit enthaltenden Matte (siehe
US-Patente Nr. 5.580.532 und 2.798.871) ist die Veränderung
des Oberflächendrucks
in Übereinstimmung
mit dem Temperaturanstieg sehr gering und die Wabenstruktur kann
mit einem, sogar bei 1000°C,
nur wenig verminderten Oberflächendruck
gehalten werden.
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Eine
Wabenstruktur mit dünnen
Wänden
wird herkömmlicherweise
mithilfe einer nichtanschwellenden Matte statt einer anschwellenden
Matte gehalten. Wenn eine Wabenstruktur jedoch mit einer Matte als
Haltelement gewickelt ist und in einem Metallbehälter eingeblecht wird, kann
dies an der Verbindungsstelle der Matte ein Abgleiten bewirken und
ein Ansteigen des Oberflächendrucks
hervorrufen. Wenn ferner eine Wabenstruktur mit einer auf diese
gewickelten Matte in einen Metallbehälter eingesetzt wird, neigt
die Matte zum Verknittern und der Oberflächendruck dazu, an diesem Punkt
anzusteigen. Dadurch wird eine nicht einheitliche Verteilung des
Verdichtungs-Oberflächendrucks,
der sich auf einer Randoberfläche
der Wabenstruktur auswirkt, hervorgerufen. Wenn der teilweise erhöhte Verdichtungs-Oberflächendruck
die isostatische Stärke
der Wabenstruktur überschreitet,
wird ein Bruch der Zellstruktur bewirkt. Aufgrund der nicht einheitlichen
Verteilung des Oberflächendrucks
neigt außerdem
die Zellstruktur in der Praxis dazu, während der Schwingungen des
Motors oder des Drucks der Abgase abzugleiten.
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Hierbei
ist anzumerken, dass der Ausdruck „isostatische Stärke" einen durch einen „isostatischen Bruchfestigkeitstest" gemessenen Wert
bezeichnet, wobei dieser Test durch die von der Society of Automotive Engineers
of Japan, Inc. herausgegebenen Automobilnormen, nämlich der
JASO-Spezifikation M505-87, bereitgestellt wird. Der Test wird im
Besonderen so durchgeführt,
dass eine Zellstruktur als Träger
in eine Gummiröhre
eingebracht wird, sowie der Behälter
mit einer Abdeckung versehen und einer isostatischen Druckkompression
unterzogen wird, welche die Drucklast für den Fall nachbildet, dass
ein Träger
an seiner Randoberfläche
durch die Einblechung eines Wandlers gehalten ist. Die isostatische
Stärke
wird durch einen Druckwert zum Zeitpunkt des Trägerbruchs angezeigt. Ein Katalysator
zur Abgasreinigung von Kraftfahrzeugen verwendet im Allgemeinen
eine Einblechstruktur, in der ein Träger an seiner Randoberfläche gehalten
wird. Es ist selbstverständlich,
dass hohe isostatische Stärke
im Hinblick auf das Einblechen bevorzugt wird.
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Wenn
der tatsächliche
Oberflächendruck
höher als
der beabsichtigte Oberflächendruck,
der bei der Konstruktion der Einblechung vorgesehen worden ist,
kann die Struktur brechen und zwar dann, wenn der Oberflächendruck
die isostatische Stärke
der Wabenstruktur überschreitet.
Wenn die Dicke der Zelltrennwände
abnimmt und die Stärke
der Struktur sich verringert, wird eine Reduktion des beabsichtigten
Oberflächendrucks
und eine Minimierung der Fluktuation des Oberflächendrucks durch Unterdrücken eines
außergewöhnlichen
Anstiegs des tatsächlichen
Einblech-Oberflächendrucks
notwendig. Idealerweise entspricht der tatsächliche Oberflächendruck
dem beabsichtigten Oberflächendruck,
da dadurch das erwünschte
Einblech-Design ermöglicht werden
kann.
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Außerdem kann
eine Wabenstruktur aufgrund eines verschieden großen Spalts
zwischen der Wabenstruktur und dem Metallbehälter, aufgrund der Genauigkeit
des Umrisses brechen, der Wabenstruktur oder wegen des ungleichmäßigen Kompressionsdrucks
auf den Randabschnitt der Wabenstruktur und es wirkt ein hoher Halteoberflächendruck
der teilweise als Ergebnis des Abgleitens eines Halteelements wirksam
wird, wobei Letzteres hervorgerufen wird, wenn sich die Wabenstruktur
in einem Metallbehälter
befindet. Wenn die Trennwände
einer Wabenstruktur eine dünnere
Stärke
aufweisen, wird der Pegel der isostatischen Stärke niedriger, wodurch ein
Herabsetzen des Oberflächendrucks
der Wabenstruktur auf einen so niedrig wie möglichen Wert, unter Beibehaltung
des für
das Halten einer Wabenstruktur benötigten Minimum-Oberflächendrucks,
notwendig wird. Wenn der Pegel des Verdichtungs-Oberflächendrucks herabgesetzt wird,
wird die Reduktion der Abweichungen des Oberflächendrucks notwendig, etwa
um eine einheitlichere Verteilung des Oberflächendrucks zu erzielen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Probleme des bekannten
Stands der Technik entwickelt und es wurde die Bereitstellung einer
Wabenstruktur angestrebt, welche sicher in einem Metallbehälter eingesetzt
werden kann, kaum für
Probleme, wie Brüche
oder Ausfälle,
anfällig
ist und hervorragende Ergebnisse im Bereich der Schwingungsfestigkeit
unter hohen Temperaturen vorweisen kann.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wird eine Wabenstruktur nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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In
der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass eine zweite Phase
des Verbundmaterials mit Siliciumcarbid (SiC) als Hauptkristallphase
zumindest eine ist, die aus der Gruppe bestehend aus metallischem Silicium
(Si), Metalloxid, Metallnitrid, Metallborid und Metallcarbid ausgewählt wird
und dass das Metalloxid zumindest eines ist, welches aus der Gruppe
bestehend aus SiO2, Al2O3 und MgO ausgewählt wird.
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Die
Wabenstruktur wird vorzugsweise zur Abgasreinigung von Kraftfahrzeugen
verwendet und bevorzugterweise als Filter zum Auffangen von Dieselpartikeln
eingesetzt. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ferner eine Einblechstruktur bereitgestellt, umfassend:
die oben beschriebene Wabenstruktur und ein Metallbehälter, in
dem die Wabenstruktur eingesetzt ist; worin die Wabenstruktur im
Behälter
in einem Haltezustand vorhanden ist, indem ein zusammendrückbares,
elastisches Element mit Wärmebeständigkeit
und Dämpfungsvermögen zwischen
dem Randabschnitt der Wabenstruktur und dem Behälter in einem verdichteten
Zustand angeordnet ist.
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In
der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass das Metall einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von
8 × 10–7 bis
13 × 10–7 aufweist
und dass das Metall eine Edelstahllegierung auf Ferritbasis und/oder
eine niedrig-wärmeausdehnbare
Spezial-Legierung
ist.
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In
der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass das zusammendrückbare,
elastische Element eine Keramikfasermatte ist und dass die Keramikfasermatte
eine nichtanschwellende Matte ist.
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Außerdem wird
in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass eine Wabenstruktur
im Behälter
durch eines aus Stopfen, Manschette, Zweischalen-Gehäuse, Gesenkschmieden
und Rotationsschmieden gehalten wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für das Stopfverfahren zum Einsetzen
einer Wabenstruktur in einen Metallbehälter abbildet.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für das Tourniquet-Manschettenverfahren
zum Einsetzen einer Wabenstruktur in einen Metallbehälter zeigt.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, welche ein Beispiel für das Zweischalen-Gehäuse-Verfahren zum
Einsetzen einer Wabenstruktur in einen Metallbehälter darstellt.
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4 ist
eine Schnittansicht, die parallel zur Ausrichtung der Durchgangslöcher abgebildet
ist und die ein Beispiel für
das Gesenkschmiedeverfahren zum Einsetzen einer Wabenstruktur in
einen Metallbehälter zeigt.
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5 ist
eine parallel zur Ausrichtung der Durchgangslöcher angeordnete Schnittansicht,
die ein Beispiel für
das Gesenkschmiedeverfahren zum Einsetzen einer Wabenstruktur in
einen Metallbehälter
darstellt.
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6 ist
eine schematische Darstellung, welche einen Hochtemperatur-Gaserzeuger
und einen Schwingungsgenerator abbildet, der mit dem Hochtemperatur-Gaserzeuger verbunden
ist.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
ZUM DURCHFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und
es wird vorausgesetzt, dass Veränderungen
in der Konstruktion, Verbesserungen, etc. in angemessener Weise
durch Fachleute auf diesem Gebiet in einem gewissen Bereich durchgeführt werden
können,
ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Der
erste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Wabenstruktur,
umfassend: Trennwände,
und eine Anzahl an Durchgangslöchern,
die mittels der Trennwände
voneinander getrennt sind und sich in Axialrichtung erstrecken,
wobei die Wabenstruktur Siliciumcarbid (SiC) oder ein Verbundmaterial
mit Siliciumcarbid (SiC) als Hauptkristallphase enthält und eine
Zylinderförmigkeit
aufweist; worin die Kreisform des Wabenstrukturumfangs im Bereich
von 1,0 bis 2,5 mm liegt. Die Details werden im Folgenden näher erläutert.
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Wie
oben erwähnt,
ist zum Verwenden einer Wabenstruktur zur Abgasreinigung von Kraftfahrzeugen im
Allgemeinen eine Einblechstruktur durch Einsetzen (Einblechen) der
Wabenstruktur in einen Behälter
aus Metall, wie etwa Edelstahl, vorzubereiten, welche durch den
Behälter
gehalten wird. Eine Wabenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
weist eine Kreisform (Unrundheit) des Wabenstrukturumfangs von 1,0
bis 2,5 mm auf. Dies bedeutet, dass die Form eines senkrecht zur
Ausrichtung der Durchgangslöcher
angeordneten Querschnitts nicht exakt kreisförmig ist und die zylindrische
Struktur eine kleine Verformung aufweist. Wenn daher eine Wabenstruktur
in einer Einblechstruktur verwendet wird, wird ein Verdichtungs-Oberflächendruck angelegt,
um zwar nicht den gesamten Oberflächenrand, aber einen Teil des
Oberflächenrands
der Wabenstruktur zu halten. Eine Wabenstruktur der vorliegenden
Er findung enthält
Siliciumcarbid (SiC) oder ein Verbundmaterial mit Siliciumcarbid
(SiC) als Hauptkristallphase. Ihr Wärmeausdehnungskoeffizienten
ist höher als
verglichen mit etwa jenem von Cordierit (Siliciumcarbid: 4 × 10–7,
Cordierit: 0,5 × 10–7 bis
1,2 × 10–7)
und ist näher
am Wärmeausdehnungskoeffizienten
eines einen Behälter
bildenden Metalls (Edelstahl: 8 × 10–7 bis
13 × 10–7).
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Es
ist daher möglich,
den Verdichtungs-Oberflächendruck
beim Einblechen der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung niedriger
anzulegen, als es etwa bei einer Wabenstruktur aus Cordierit der
Fall wäre.
Da eine Einblechstruktur der vorliegenden Erfindung eine Struktur
zum Anlegen des Verdichtungs-Oberflächendrucks aufweist, um zwar
nicht den gesamten Oberflächenrand,
aber einen Teil des Oberflächenrands
der Wabenstruktur zu halten, ist es demgemäß sehr effektiv eine Wabenstruktur
am Gleiten zwischen der Struktur und einem Behälter oder vom Ablösen vom
Behälter
aufgrund eines Temperaturunterschieds an einer Stelle, an der die
Einblechstruktur platziert wurde, zu hindern oder das Brechen der
Wabenstruktur aufgrund eines hohen Verdichtungs-Oberflächendrucks
sowie ihrer hohen Schwingungsfestigkeit bei hohen Temperaturen zu
vermeiden.
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Um
außerdem
größere Auswirkungen
beim Vermeiden des Abgleitens, Ablösens, Brechens oder Ähnlichem
zu erzielen, wird ein Randabschnitt mit einer Kreisform (Unrundheit)
in den Abmessungen von 1,5 bis 2,5 mm, vorzugsweise 1,5 bis 2,0
mm, bevorzugt. Hierbei ist anzumerken, dass der in der vorliegenden
Erfindung erwähnte
Ausdruck „Kreisform" einen Wert bezeichnet,
der durch die Durchmesserdifferenz in einem abgemessenen Abschnitt
einer zylindrischen Wabenstruktur angegeben ist, um das Rundheitsausmaß anzuzeigen.
Das Abmessen wird automatisch mithilfe einer Laser-Abmessvorrichtung,
digitaler Durchmesser-Messgeräte
oder Ähnlichem
durchgeführt.
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Der
zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine zylindrische
Wabenstruktur mit Trennwänden
und eine Anzahl an Durchgangslöchern,
die mittels der Trennwände
voneinander getrennt sind und sich in Axialrichtung erstrecken,
wobei die Wabenstruktur Siliciumcarbid (SiC) oder ein Verbundmaterial
mit Siliciumcarbid (SiC) als Hauptkristallphase enthält, worin
die Zylinderförmigkeit
des Wabenstrukturumfangs im Bereich von 1,0 bis 3,0 mm liegt.
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In
einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung wird die Zylinderförmigkeit
des Wabenstrukturumfangs als im Bereich von 1,0 bis 3,0 mm liegend
angegeben. Dadurch ergibt sich, dass ein parallel zur Ausrichtung
der Durchgangslöcher
angeordneter Abschnitt nicht ganz rechteckig ist und die zylindrische
Wabenstruktur eine kleine Verformung aufweist. Daher wird, wie beim
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, auf eine Wabenstruktur,
deren Umfang eine Kreisform (Unrundheit) mit einem vorbestimmten
Bereich aufweist, der Verdichtungs-Oberflächendruck beim Einblechen angelegt,
um zwar nicht die gesamte Randoberfläche der Wabenstruktur, aber
einen Teil der Randoberfläche
zu halten, und zwar für
den Fall, dass die Wabenstruktur in einer Einblechstruktur verwendet
wird.
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Da
eine Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung Siliciumcarbid (SiC)
oder ein Verbundmaterial mit Siliciumcarbid (SiC) als Hauptkristallphase
enthält,
ist es möglich,
dass der Verdichtungs-Oberflächendruck beim
Einblechen einer Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung im Vergleich
zu einer Wabenstruktur aus Cordierit geringer dosiert angewendet
wird. Da eine Einblechstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Struktur zum Anlegen des Verdichtungs-Oberflächendrucks
zum Halten nicht der gesamten Randoberfläche, aber eines Teils der Oberfläche aufweist,
ist es demgemäß sehr effektiv
eine Wabenstruktur am Gleiten zwischen der Struktur und einem Behälter oder
vom Ablösen
vom Behälter
aufgrund eines Temperaturunterschieds an einer Stelle, an der die
Einblechstruktur platziert wurde, zu hindern oder das Brechen der
Wabenstruktur aufgrund eines hohen Verdichtungs-Oberflächendrucks
sowie ihrer hohen Schwingungsfestigkeit bei hohen Temperaturen zu
vermeiden.
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Um
außerdem
größere Auswirkungen
beim Vermeiden des Abgleitens, Ablösens, Brechens oder Ähnlichem
zu erzielen, wird ein Randabschnitt mit einer Zylinderförmigkeit
in den Abmessungen von 1,5 bis 2,5 mm bevorzugt. Hierbei ist anzumerken,
dass der in der vorliegenden Erfindung verwendete Ausdruck „Zylinderförmigkeit" ei nen Wert bezeichnet,
der durch die Durchmesserdifferenz zweier koaxialer, geometrischer
Zylinder (Standardzylinder) im Falle des Ausbildens des Minimum-Spalts
angegeben wird, welcher dann ausgebildet wird, wenn eine Wabenstruktur
zwischen den koaxialen, geometrischen Zylindern (Standardzylindern) eingeschoben
wird, und zwar um anzuzeigen, ob es sich um einen geometrischen
Zylinder handelt oder nicht. Das Abmessen wird automatisch mithilfe
einer Laser-Abmessvorrichtung, digitaler Durchmesser-Messgeräte oder Ähnlichem, ähnlich wie
bei den Abmessungen im Falle der Kreisform (Undrundheit), durchgeführt.
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Für die zweite
Phase des Verbundmaterials mit Siliciumcarbid (SiC) als Hauptkristallphase
wird zumindest eine aus der Gruppe aus metallischem Silicium (Si),
Metalloxid, Metallnitrid, Metallborid und Metallcarbid nach Aspekten
wie geringer Wärmeausdehnung,
Wärmebeständigkeit,
Oxidationsbeständigkeit
und Ähnlichem
ausgewählt.
Im Besonderen aus praktischen Gesichtspunkten wird vorzugsweise,
wie im Falle des oben erwähnten
Metalloxids, zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus SiO2, Al2O3 und
MgO ausgewählt. Hierbei
ist anzumerken, dass in der vorliegenden Erfindung zwangsläufig neben
der zuvor erwähnten
Hauptkristallphase und der zweiten Phase aus Produktionsgründen noch
eine kleine Phase vorhanden sein kann.
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Wie
oben erwähnt,
wird eine Wabenstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise als Filter zur Abgasreinigung von Kraftfahrzeugen
oder weiters zum Auffangen von Dieselpartikeln eingesetzt, indem die
Vorteile von Eigenschaften, wie etwa der hohen Schwingungsfestigkeit
bei hohen Temperaturen, ausgenützt
werden.
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Eine
Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden detaillierter
und in Bezug auf ein Beispiel für
ein Produktionsverfahren derselben beschrieben. Zuerst wird Siliciumcarbid
(SiC) zur Herstellung einer Wabenstruktur vorbereitet. Siliciumcarbid
(SiC) enthält
manchmal kleine Verunreinigungen, etwa durch Fe, Al und Ca. Derartige
Siliciumcarbide können
verwendet werden, wie sie vorliegen oder einer chemischen Behandlung
zur Reinigung, etwa chemischem Waschen, unterzogen werden. Zur Bildung
der zweiten Phase kann dem Siliciumcarbid (SiC) zumindest ei nes
aus der Gruppe bestehend aus metallischem Silicium (Si), Metalloxiden,
wie SiO2, Al2O3 und MgO, nicht oxidierende Substanzen,
wie etwa Metallnitrid, Metallborid und Metallcarbid und Ähnlichem
beigefügt
werden.
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Damit
Ton reibungslos in eine wabenartige Form gepresst werden kann, ist
vorzugsweise zumindest ein geeignetes, organisches Bindemittel in
einer entsprechenden Menge beizugeben. Weiters werden dann dem Material
Wasser und Ähnliches
beigefügt,
worauf das Mischen und Kneten der Masse erfolgt, um Ton zur weiteren
Verarbeitung zu erhalten.
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Wenn
die die Zellen der Wabenstruktur bildenden Trennwände (Zelltrennwände) als
Filter verwendet werden, wird dem Material ein Porenbildner beigegeben,
um die Porosität
des Ton steigern zu können.
In diesem Fall ist, da Poren an Stellen ausgebildet werden, an denen
sich der Porenbildner nach dem Brennvorgang auflöst, die Verwendung eines Porenbildners
mit dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser im Bereich von 100
bis 150% in Bezug auf den nach dem Brennvorgang erwünschten
Porendurchmesser vorzuziehen.
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Der
durch Mischen und Kneten des obigen Materials mittels herkömmlichen
Verfahrens erhaltene Ton wird zu einer wabenartigen Struktur ausgebildet,
die die gewünschte
Zellenform durch Pressen oder Ähnlichem
erhält.
Was die Form der Zellen anbetrifft, wird im Allgemeinen eine Wabenstruktur
mit einer viereckigen Zellenform als DPF verwendet. Die Zellenform
der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf
eine viereckige Form beschränkt,
sondern kann ein Rechteck, ein Dreieck, ein Sechseck, ein Kreis,
etc. sein.
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Wenn
eine Wabenstruktur als Katalysatorträger zur Abgasreinigung von
Kraftfahrzeugen oder als DPF verwendet wird, können die Zelltrennwände eine
Dicke von 0,11 bis 0,17 mm und eine Zellendichte von 300 bis 1200
cpsi aufweisen oder die Zelltrennwände können über eine geringere Dicke von
0,02 bis 0,10 mm verfügen.
Eine Wabenstruktur als Wärmetauscher
kann eine Struktur mit einer hohen Zellendichte von 1200 cpsi und
mehr aufweisen. Hier ist anzumerken, dass eine Zellen struktur durch
eine Zellenwanddicke und eine Zellendichte spezifiziert wird und
eine Zellendichte im Allgemeinen durch cpsi angegeben wird. So bedeutet
beispielsweise eine Zellendichte von 400 cpsi ein Vorhandensein
von 400 Zellen pro Quadratzoll, wobei „cpsi" eine Abkürzung für „cells per square inch" (Zellen pro Quadratzoll)
ist. Die Dicke der Zelltrennwände,
die auch als Rippenstärke
bezeichnet wird, wird herkömmlicherweise
mit der Einheit „mil" gemessen. Ein mil
ist 1 × 10–3 Zoll
und dies entspricht etwa 0,025 mm.
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Der
oben ausgebildete Körper
wird kalziniert, um ein im ausgebildeten Körper enthaltenes Bindemittel zu
entfernen und dann wird dieser gebrannt. Es ist vorzuziehen, dass
die Kalzinierung bei einer niedrigeren Temperatur, als jener bei
der metallisches Silicium schmilzt, durchgeführt wird. Im Besonderen sollte
vorübergehend
eine vorbestimmte Temperatur von etwa 150°C bis 700°C gehalten werden. Alternativ
dazu, kann die Kalzinierung bei einer Aufwärmgeschwindigkeit von 50°C/h oder
weniger innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs durchgeführt werden.
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Beim
vorübergehendem
Brennen des ausgebildeten Körpers
bei einer vorbestimmten Temperatur, kann der ausgebildete Körper bei
einem Temperaturniveau oder einer Vielzahl an Temperaturniveaus
gebrannt werden. Wenn der geformte Körper bei einer Vielzahl an
Temperaturniveaus gebrannt wird, kann die Zeitspanne des Haltens
der Temperatur jeweils gleich oder unterschiedlich lang sein. Dementsprechend
wird, was die Verringerung der Aufheizgeschwindigkeit anbetrifft,
die Aufheizgeschwindigkeit in einem bestimmten Temperaturbereich
oder in einer Vielzahl an Temperaturbereichen reduziert. Wenn die
Aufheizgeschwindigkeit verlangsamt wurde, kann die Geschwindigkeit
jeweils gleich oder unterschiedlich sein.
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Die
Kalzinierung kann in einer Oxidationsatmosphäre durchgeführt werden. Wennn eine große Menge organischen
Bindemittels bzw. organischer Bindemittel im ausgebildeten Körper enthalten
ist bzw. sind, brennt das organische Bindemittel bzw. brennen die
organischen Bindemittel heftig mit dem Sauerstoff, um die Temperatur
des ausgebildeten Körpers
während
der Kalzinierung rasch anzuheben. In einem solchen Fall ist daher eine
Durchführung
der Kalzinierung in einer inerten Atmosphäre, etwa als N2 und
Ar, zur Unterdrückung
außergewöhnlicher
Temperaturanstiege des ausgebildeten Körpers vorzuziehen.
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Die
Kalzinierung und der folgende Hauptbrennvorgang können im
gleichen Ofen oder die jeweiligen, unterschiedlichen Schritte in
verschiedenen Öfen
durchgeführt
werden. Alternativ dazu, können
diese Schritte auch im gleichen Ofen aufeinander folgend ausgeführt werden.
Die zuvor erwähnte
Durchführungsart
ist ebenfalls vorzuziehen, wenn die Kalzinierung und der Hauptbrennvorgang
in verschiedenen Atmosphären
durchgeführt
werden. Die zuletzt genannte Art und Weise ist auch vom Standpunkt
des Gesamtbrennzeit, der laufenden Kosten eines Ofen usw. vorzuziehen.
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Die
optimale Brenntemperatur während
des Hauptbrennvorgangs wird je nach Mikrostruktur und Eigenschaften
festgelegt und die geeignete Temperatur beträgt im Allgemeinen 1400°C bis 1800°C. Was die
Atmosphäre
des Hauptbrennvorgangs anbetrifft, so ist eine nicht oxidierende
Atmosphäre,
etwa N2 und Ar, zur Vermeidung der Oxidation
von Siliciumcarbid bei hohen Temperaturen vorzuziehen.
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Wenn
die Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung als Katalysatorträger in einem
Verbrennungsmotor, einem Boiler, einem chemischen Reaktor, einem
Brennstoffzellen-Reformer oder Ähnlichem
verwendet wird, können
die darin eingesetzten Wabensegmente Metall mit katalytischer Aktivität auf diese
laden. Als repräsentative
Metalle mit katalytischer Aktivität gelten Pt, Pd, Rh, K, Na,
Li. etc. Es wird bevorzugt, dass zumindest eines dieser Metalle
ausgewählt
und auf die Wabensegmente geladen wird.
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Wenn
jedoch die Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung als Filter zum
Auffangen von Partikeln in Abgasen, etwa als DPF, eingesetzt wird,
wird aus den Zellwänden
durch alternierendes Verschließen
der Zellendseiten ein Filter gebildet, so dass die Endseiten ein
Schachbrettmuster darstellen. Wenn das Partikel enthaltende Abgas
durch eine aus solchen Wabensegmenten bestehende Wabenstruktur hindurchströmt, tritt
das Abgas ins Innere der Wabenstruktur durch die nicht geschlossenen Endseiten-Öffnungen
ein, geht durch die porösen
Zellewände
mit Filtrationsfähigkeit
hindurch und wird an den nicht geschlossenen Öffnungen der anderen Endseiten
wieder ausgestoßen.
Wenn das Abgas durch die Zellwände
hindurchströmt,
werden die im Abgas enthaltenen Partikel durch die Trennwände aufgefangen.
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Wenn
die aufgefangenen Partikel sich an den Zellwänden ansammeln, steigt der
Druckabfall rasch an, die Motorleistung steigt an, der Brennstoffverbrauch
und das Fahrverhalten verschlechtern sich. Daher werden die Partikel
verbrannt und regelmäßig durch
Heizmittel, wie ein Heizelement, entfernt, um die Filtrationsfähigkeit
des Filters wieder zu erneuern. Damit die Verbrennung während der
Erneuerung unterstützt
wird, können Metalle
mit katalytischer Aktivität,
wie oben erwähnt,
auf die Wabenstruktur geladen werden.
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Als
Nächstes
wird der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der
dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einblechstruktur,
umfassend: eine der oben beschriebenen Wabenstrukturen; und einen
Metallbehälter,
der als Gehäuse
für die
Wabenstruktur dient; wobei die Wabenstruktur in einem Haltezustand
im Behälter
eingesetzt ist, indem ein zusammendrückbares, elastisches Element
mit Wärmebeständigkeit
und Dämpfungsvermögen zwischen
einem Randabschnitt der Wabenstruktur und dem Behälter in
verdichtetem Zustand angeordnet ist. Die Details dazu werden im
Folgenden näher
erläutert.
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Da,
wie oben beschrieben, ein Randabschnitt einer Wabenstruktur der
vorliegenden Erfindung eine vorbestimmte Kreis- oder Zylinderförmigkeit
aufweist, hält
eine durch die Verwendung der Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung
erhaltene Einblechstruktur der vorliegenden Erfindung nicht die
gesamte Randoberfläche
der Wabenstruktur, aber einen Teil der Randoberfläche durch
Anlegen des Verdichtungs-Oberflächendrucks,
wenn die Wabenstruktur mit einem zusammendrückbaren, wärmedämmenden Material zwischen dem Randabschnitt
der Wabenstruktur und einem Metallbehälter eingeblecht wird. Da die
im Behälter
einzusetzende Wabenstruktur aus Siliciumcarbid (SiC) besteht, weist
die Struktur einen höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Cordierit auf (Siliciumcarbid: 4 × 10–7,
Cordierit: 0,5 × 10–7 bis 1,2 × 10–7)
und der Wärmeausdehnungskoeffizient
ist nahe an jenem des den Behälter
bildenden Metalls (Edelstahl: etwa 10 × 10–7).
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Was
die Einblechstruktur der vorliegenden Erfindung anbetrifft, ist
es daher möglich,
einen geringeren Verdichtungs-Oberflächendruck beim Einsetzen der
Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem Fall
einer Wabenstruktur aus Cordierit zu verwenden. Da eine Einblechstruktur
der vorliegenden Erfindung eine Struktur zum Anlegen des Verdichtungs-Oberflächendrucks
aufweist, um zwar nicht den gesamten Oberflächenrand, aber einen Teil des
Oberflächenrands
der Wabenstruktur zu halten, ist es demgemäß sehr effektiv eine Wabenstruktur
am Gleiten zwischen der Struktur und einem Behälter oder vom Ablösen vom
Behälter
aufgrund eines Temperaturunterschieds an einer Stelle, an der die
Einblechstruktur platziert wurde, zu hindern oder das Brechen der
Wabenstruktur aufgrund eines hohen Verdichtungs-Oberflächendrucks sowie ihrer hohen
Schwingungsfestigkeit bei hohen Temperaturen zu vermeiden.
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Weiters
wird bevorzugt, dass das den Behälter
zum Einsetzen der Wabenstruktur bildende Metall einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 8 × 10–7 bis
13 × 10–7,
vorzugsweise von 8 × 10–7 bis
11 × 10–7,
aufweist. Eine Einblechstruktur mit einem Behälter aus einem Metall mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb
des oben genannten Bereichs weist hervorragende Eigenschaften, wie
etwa eine Schwingungsfestigkeit bei hohen Temperaturen, durch das
Verhältnis
zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des die Wabenstruktur bildenden Siliciumcarbids (SiC) 4 × 10–7,
der Kreisform und der Zylinderförmigkeit
auf.
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Außerdem ist
ein den Behälter
zum Einsetzen der Wabenstruktur bildendes Metall, welches aus einer Edelstahllegierung
auf Ferritbasis und/oder einer niedrigwärmeausdehnbaren Spezial-Legierung
gebildet wird, vorzuziehen. Jedes dieser Metalle weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, der zur Bildung eines Behälters
einer Einblechstruktur mit herausragenden Eigenschaften, wie etwa
Schwingungsfestigkeit bei hohen Temperaturen, durch das Verhältnis zwischen
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
des die Wabenstruktur bildenden Siliciumcarbids (SiC) 4 × 10–7,
der Kreisform und der Zylinderförmigkeit
eines Randabschnitts der Wabenstruktur, geeignet ist.
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In
der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass das zusammendrückbare,
elastische Element eine Keramikfasermatte ist. Dies deshalb, weil
eine Keramikfasermatte eine ausreichende Wärmebeständigkeit und Dämpfungsvermögen aufweist
und leicht erzeugt und bearbeitet werden kann. Eine bevorzugte Keramikfasermatte
ist eine nichtanschwellende Matte, die im Wesentlichen kein Vermiculit
enthält,
sowie eine gering anschwellende Matte, die nur einen geringen Anteil
an Vermiculit aufweist oder Ähnliches
und die als Hauptbestandteil Keramikfasern hat, welche Aluminiumoxid,
einen hohen Aluminiumoxidanteil, Mullit, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid,
Zirkonerde, Titanoxid oder eine Mischung dieser Substanzen umfassen.
Daraus ist weiters eine nichtanschwellende Matte vorzuziehen, die
im Wesentlichen kein Vermiculit enthält und als Hauptbestandteil Aluminiumoxid
oder Mullit umfasst.
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Als
Nächstes
wird im Folgenden eine Einblechstruktur der vorliegenden Erfindung
detaillierter in Bezug auf ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung
derselben beschrieben. Eine Einblechstruktur kann durch Einsetzen
einer Wabenstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung, welche durch das zuvor erwähnte Herstellungsverfahren
erzeugt wurde, in einen Metallbehälter erhalten werden. Die in
der vorliegenden Erfindung zum Ausüben des Verdichtungs-Oberflächendrucks
auf die Wabenstruktur durch Einsetzen der Wabenstruktur in einen
Behälter
und unter Anwendung eines zusammendrückbaren, elastischen Elements
bevorzugten Verfahren werden im Folgenden näher erläutert.
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Zu
diesen geeigneten Verfahren gehören
ein Stopfverfahren, dargestellt in 1, welches
eine Führungsvorrichtung
einsetzt; ein Manschettenverfahren, abgebildet in 2,
welches das Wickeln einer metallenen Platte 11c um die
Wabenstruktur, das Ziehen der Platte zur Druckausübung auf
die äußere Oberfläche der Wabenstruktur
und das Schweißen
und Befestigen der miteinander zu verbindenden Bereiche der metallenen Platte 11c umfasst;
und ein in 3 dargestelltes Zweischalen-Gehäuse-Verfahren, welches
das Dazwischenlegen einer Wabenstruktur zwischen zwei Me tallbehälterteile 11a und 11b und
das Aufbringen einer Beladung an den Teilen 11a und 11b und
das Schweißen
der miteinander zu verbindenden Bereiche (Flansche) 16a und 16b der
Teile 11a und 11b umfasst, um einen gut verbundenen
Behälter
zu erhalten. Als geeignetes Verfahren kann auch ein Umformtechnik
einsetzendes Gesenkschmiedeverfahren, wie in 4 zu sehen,
verwendet werden, welches das Anlegen einer Druckkraft auf einen
Metallbehälter 11 von
außerhalb
durch einen Zapfen (der Druck einsetzt) zur Reduktion des äußeren Durchmessers
des Metallbehälters 11 umfasst.
Weiters ist ebenfalls ein Gesenkschmiedeverfahren geeignet, wie
es in 5 zu sehen ist, welches das Drehen der äußeren Oberfläche eines
Metallbehälters 11 durch
den Umformvorgang mithilfe einer Bearbeitungsvorrichtung 18 zur
Drehung des Metallbehälters 11 umfasst,
um den äußeren Durchmesser
des Metallbehälters
zu verringern und dadurch einen Druck auf die äußere Oberfläche einer Wabenstruktur im
Metallbehälter
auszuüben. Hierbei
ist anzumerken, dass die Referenznummer 5 einen zusammendrückbaren,
elastischen Körper
B und das Bezugszeichen 11 einen Metallbehälter bezeichnet.
Auch in den anderen Zeichnungen entsprechen dieselben Referenznummern
den gleichen Abschnitten.
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Die
genauen Ergebnisse der Durchführung
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
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(Beispiele 1 bis 33, Vergleichsbeispiele
1 bis 14)
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Ein
Siliciumcarbidpulver wurde als Rohmaterial verwendet. Diesem wurden
Methylcellulose, Hydroxypropyl-Methylcellulose, ein Surfactant und
Wasser zur Vorbereitung eines verformbaren Tons beigegeben. Der Ton
wurde in eine wabenartige Form gepresst, daraufhin getrocknet und
dann wurden beide Endseiten mit einem Verschlussmaterial aus dem
gleichen Material wie die Wabenstruktur alternierend verschlossen,
so dass die Endseiten ein Schachbrettmuster aufwiesen. Nach der
Entfettung durch Hitze des wabenartig geformten Tons in einer N2-Atmosphäre,
wurde diese in eine Ar-Atmosphäre
zur Erhaltung einer zylindrischen Wabenstruktur mit einem Durchmesser
von 5,66 Zoll, einer Länge
von 6 Zoll und einer Dicke von 15 mil/Zellendichte von 300 cpi gebrannt.
Hierbei ist anzumerken, dass die Porosität und der durchschnittliche
Porendurchmesser jeder der erhaltenen Wabenstrukturen mittels eines
Quecksilberporosimeters, sowie deren Kreis- und Zylinderförmigkeit
mithilfe des oben beschriebenen Verfahrens gemessen wurden. Die
Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.
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Eine
nichtdehnbare Keramikmatte mit einer Dicke von 6,8 mm wurde um den
Randabschnitt jeder durch obiges Verfahren erhaltenen Wabenstruktur
gewickelt und jede dieser Wabenstrukturen wurde in einen SUS409-Behälter gepresst,
um eine Einblechstruktur durch Einblechen zu erhalten. Hierbei ist
anzumerken, dass eine nichtanschwellende Keramikmatte nach dem Pressen
in den Behälter
eine Dicke von 4 mm aufwies.
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(Evaluierung der Haltbarkeit)
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Die
Haltbarkeit einer Einblechstruktur wurde mithilfe eines Hochtemperatur-Gaserzeugers 23,
in 6 abgebildet, und eines Schwingungsgenerators 21,
der mit dem Hochtemperatur-Gaserzeuger 23 verbunden ist,
bewertet. Nachdem die Einblechstruktur 20 am Schwingungsabschnitt 22 des
Schwingungsgenerators 21 angebracht wurde, wurde das vom
Hochtemperatur-Gaserzeuger 23 produzierte Hochtemperaturgas
von der unteren Seite Endseite (Abgas-Eintritts-Endseite) in die
Wabenstruktur eingebracht und durch die oben liegende Endseite (Abgas-Austritts-Endseite)
ausgestoßen,
wobei der Schwingungsgenerator 21 zur Erzeugung vertikaler
Schwingungen eingesetzt wurde. Hierbei ist anzumerken, dass nach
dem Ende der Haltbarkeitstestzeit, die Einblechstruktur entfernt
und die Bedingungen der Wabenstruktur evaluiert wurden. Die Ergebnisse
sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt. Dabei ist anzumerken,
dass die Evaluierungen der Haltbarkeit mit „schlecht", wenn die Wabenstruktur sowohl abglitt
als auch brach, mit „ausreichend", wenn die Wabenstruktur brach,
mit „gut", wenn die Wabenstruktur
leicht abglitt (1 mm oder weniger), und mit „ausgezeichnet" bezeichnet wurden,
wenn die Wabenstruktur keinerlei Probleme hatte. Hierbei ist anzumerken,
dass in 6 das Bezugszeichen 30 eine
Austrittsöffnung,
das Bezugszeichen 31 einen Durchflussmesser und das Bezugszeichen 32 einen
Brenner bezeichnet.
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Wie
anhand der Ergebnisse in den Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, konnten
in Bezug auf Einblechstrukturen mit einer Kreisform (Unrundheit)
im Bereich von 1,0 bis 2,5 mm der Beispiele 1 bis 16 und auf Einblechstrukturen
mit einer Zylinderförmigkeit
im Bereich von 1,0 bis 3,0 mm der Beispiele 17 bis 33 keine Probleme wie
Abgleiten oder Brechen der Wabenstruktur festgestellt werden und
es wurde deutlich, dass diese Einblechstrukturen im Vergleich mit
den Einblechstrukturen mit ähnlichem
Oberflächenkompressionsdruck
der Vergleichsbeispiele 1 bis 14 eine herausragende Hochtemperatur-Schwingungsfestigkeit
aufweisen.
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INDUSTRIELLE
EIGNUNG
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Wie
oben erläutert,
kann eine Wabenstruktur der vorliegenden Erfindung, da diese eine
vorbestimmte Kreis- und Zylinderförmigkeit aufweist, in einem
sicheren Haltezustand in einen Metallbehälter eingesetzt werden und
ist kaum anfällig
für Probleme,
wie Brüche
oder Ausfälle.
Da eine Einblechstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Metallbehälter
zum Einsetzen der obigen Wabenstruktur umfasst, weist diese besonders
bei hohen Temperaturen eine außerordentliche
Schwingungsfestigkeit auf.
