DE68904712T2

DE68904712T2 - Bienenwabenstruktur und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: DE68904712T2
Application number: DE8989307944T
Authority: DE
Inventors: Takashi Harada; Osamu Horikawa; Koichi Ikeshima
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-08-02
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2009-08-01
Also published as: JPH0243955A; JPH0545296B2; EP0354053B1; US5073432A; EP0354053A3; DE68904712D1; EP0354053A2

Description

Die Erfindung betrifft eine als Substrat für Katalysatoren zur Reinigung von Auspuffgasen aus Verbrennungsmotoren und als Filter zum Entfernen feiner Teile aus Auspuffgasen und als Substrat verschiedener Katalysatoren zum Desodorisieren und/oder Reinigen von beim Verbrennen von Brennstoffen, wie verschiedenen Gasen oder Benzin, entstehenden Feuergasen benutzte Wabenstruktur und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Wabenstruktur.
30 Fig. 1 stellt einen Katalysator-Konverter dar, der gemeinhin praktisch zur Reinigung der Auspuffgase von mit dem Konverter versehenen Autos benutzt worden ist. Um den Konverter gegen starke Vibrationen während der Benutzung unempfindlich zu machen, umfaßt er Polsterteile 12-1 und 12-2 und Dichtteile 12-3 um eine Durchgangsöffnungen 11-1, durch die Auspuffgase gehen, aufweisende Wabenstruktur und Scheibenteile 13 an der An- und Abströmseite dieser Struktur. Die Polsterteile und die Dichtteile beaufschlagen die Wabenstruktur in bezüglich der Richtungen der Durchgangsöffnungen 11-1 quergerichteten oder seitlichen Richtungen (auf die im folgenden als "radiale Richtungen" Bezug genommen wird) mit Kräften und die Scheibenteile 13 beaufschlagen die Wabenstruktur direkt oder durch die Polsterteile 12-1 mit Kräften in Richtung der Durchgangsöffnungen 11-1. Auf diese Weise ist die Wabenstruktur befestigt und an der Befestigung festgehalten.
Mit einer solchen Konstruktion des Katalysator-Konverters schließen die Polsterteile 12-1 oder die Scheibenteile 13 jedoch einige Öffnungen 11-2 der Durchgangsöffnungen 11-1, so daß Auspuffgase nicht durch die Öffnungen 11-2 gehen, was zum Ergebnis hat, daß der von diesen Bereichen der Öffnungen 11-2 getragene Katalysator unwirksam wird.
Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde praktisch zum Zweck des Sparens katalytischer Edelmetalle vorgeschlagen, die Wabenstruktur in radialer Richtung nur von radial außen an der Wabenstruktur angeordneten Dichtteilen zu halten.
Bei der praktisch begrenzt benutzten, nur radial gestützten Wabenstruktur ist jedoch zur Befestigung derselben gegen von während der Benutzung erzeugten starken Vibrationen hervorgerufener Bewegung zur radialen Abstützung der Struktur hoher Druck erforderlich. In dem Fall, in dem die Trennwände der keramischen Wabenstruktur zur Lieferung einer hohen Festigkeit gegen äußere Drucke vergleichsweise dick, beispielsweise 0,3 mm, sind, ist die radiale Unterstützung derselben möglich. Eine solche Unterstützung der Wabenstruktur ist jedoch bei einer Wabenstruktur, deren Trennwände relativ dünn, so wie 0,15 mm bis 0,20 mm, und empfindlich gegen äußere Drucke sind, nicht anwendbar. Daher konnte mit dem bekannten Stand der Technik eine hohe Zuverlässigkeit aufweisende Wabenstruktur nicht erhalten werden.
Zur Lieferung einer festen, axiale Bewegung zwischen der Wabe und dem zwischen der Wabe und einem Gehäuse vorgesehenen umhüllenden Material verhindernden Verbindung, ist es aus DE-A2312794 bekannt, der gesamten Wabe eine rauhe äußere Oberfläche zu geben.
Die Lieferung einer verbesserten Wabenstruktur und ein Verfahren zur Herstellung der Struktur, die die Nachteile des bekannten Stands der Technik behebt und der zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Wabenstruktur die Verhinderung jeder Verschiebung der Wabenstruktur in radialer und axialer Richtung möglich ist, wenn sie in einen Katalysator-Konverter eingebaut ist, ist ein Ziel der Erfindung.
Zum Erreichen dieses Ziels ist eine in Anspruch 1 niedergelegte Wabenstruktur vorgesehen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur ist in Anspruch 7 niedergelegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach Extrudieren und Trocknen der Wabenstruktur eine einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisende Verbindung an einer vorbestimmten Stelle an einer äußeren Wandoberfläche der Struktur angebracht, und dann wird die Struktur gebrannt. In diesem Fall wird der Teil der äußeren Wand, an dem die den niedrigen Schmelzpunkt aufweisende Verbindung angebracht ist, bei dem Schritt des Erhöhens der Temperatur mit Hilfe eines eutektischen Phänomens etwas geschmolzen. Daher kann leicht die Wabenstruktur erhalten werden, bei der die geschmolzene Oberfläche gröber ist als die anderen Oberflächen.
Wenn die hergestellte Wabenstruktur zusammen mit einem Dichtmaterial in einen Konverter eingebaut wird, greift das Dichtmaterial mit dem Ergebnis, daß die Wabenstruktur zur effektiven Verhinderung des Verrückens der Struktur in axialer Richtung und des Drehens um ihre Achse in dem Konverter festgehalten ist, in die geschmolzene Oberfläche hinein.
Beim Anwenden der einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Verbindung wird vorzugsweise ein Brei aus Talk, Magnesiumsalz oder einer Mischung dieser Verbindungen aufgespritzt oder aufgeschichtet, oder ein mit einem solchen Brei getränktes Band angebracht, oder ein mit einem einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Füllstoff getränktes Klebeband angebracht.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Ansprüche in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung vollständiger verstanden.
Fig. 1 und 2 sind Beispiele von Katalysator-Konvertern des bekannten Stands der Technik darstellende Schnittansichten;
Fig. 3 ist eine ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wabenstruktur darstellende perspektivische Ansicht;
Fig. 4 ist eine eine Wabenstruktur eines in Vergleichstests benutzten Vergleichsbeispiels zeigende perspektivische Ansicht; und
Fig. 5a und 5b sind eine perspektivische und eine Schnittansicht zur Erklärung des Einbaus der erfindungsgemäßen Wabenstruktur in Behälter als in den Tests benutzte Katalysator-Konverter.
Fig. 3 stellt in einer perspektivischen Ansicht einen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Wabenstruktur dar. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine äußere Umfangsoberfläche einer zylindrischen Wabenstruktur 1 dazu gebracht, zum Schmelzen über ihr gesamtes Umfangsgebiet teilweise chemisch zu reagieren, so daß ein geschmolzener Oberflächenbereich 2 geliefert wird, dessen Oberflächenrauhigkeit gröber ist, als die der anderen Oberflächenbereiche 3.
Eine solche in Fig. 3 dargestellte Wabenstruktur wird wie folgt erhalten: Nach Extrudieren einer eine vorbestimmte Zusammensetzung aufweisenden keramischen Masse wird die extrudierte Wabenstruktur zum Erhalt einer getrockneten Struktur getrocknet. Eine einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisende chemische Verbindung wird dann an einer vorbestimmten Stelle auf der äußeren Umfangsoberfläche der getrockneten Wabenstruktur angebracht. Danach wird die Wabenstruktur zum Erhalt der Struktur, die den Teil, deren Oberflächenrauhigkeit gröber ist als die anderen Oberflächenbereiche, aufweist, gebrannt.
Jede chemische Verbindung kann ohne spezielle Begrenzung der Zusammensetzung zum Anbringen an der getrockneten keramischen Wabenstruktur benutzt werden, solange sie bei Temperaturen geschmolzen wird, die im Vergleich zur Brenntemperatur geringer sind. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise ein Brei aus Talk, Magnesiumsalz oder einer Mischung dieser Verbindungen benutzt.
Wie die chemische Verbindung auf die getrocknete keramische Wabenstruktur aufzubringen ist, ist keiner speziellen Beschränkung unterworfen. Wegen der Einfachheit bevorzugte Verfahren sind Aufsprühen eines und Beschichten mit einem Brei aus Talk, Kaolin oder einer Mischung dieser Verbindungen, oder Anbringen eines mit einem solchen Brei oder einem einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Füllstoff getränkten Bandes oder Klebebandes. Praktische Beispiele werden im folgenden erklärt.

Beispiel

Zum Erhalt der Wabenstruktur des Ausführungsbeispiels 1 wurde erfindungsgemäß nach Extrudieren eines Cordierits in eine Wabenstruktur ein mit Bestandteilen aus Erdalkalielementen getränktes Klebeband an einem über seine gesamte Umfangsoberfläche eine Breite von 25 mm aufweisenden Zentrum einer äußeren Wand angebracht und dann gebrannt, wie in Fig. 3 dargestellt. Weil das Band mit Magnesium als Hauptkomponente beinhaltendem Talk getränkt war, wurde die dem Band entsprechende äußere Wand mit der Hilfe eines von der getränkten Verbindung hervorgerufenen eutektischen Phänomens geschmolzen.
Die gebrannte Wabenstruktur hatte einen äußeren Durchmesser von 100 mm, eine Gesamtlänge von 100 mm, eine Dichte der Durchgangsöffnungen von 46,5/cm², Dicken der Trennwände von 0,2 mm und Dicken der nicht geschmolzenen äußeren Wand von näherungsweise 0,3 mm.
Zum Erhalt von Wabenstrukturen des Ausführungsbeispiels 2 wurde erfindungsgemäß nach Extrudieren in der gleichen Weise wie in dem Ausführungsbeispiel 1 ein Brei von in Wasser gelöstem Talk, dem eine geringe Menge eines Bindemittels hinzugefügt wurde, auf ein eine Breite von 25 in über seine gesamte Umfangsfläche aufweisendes Zentrum einer äußeren Wand geschichtet und dann gebrannt. Als Ergebnis wurde die dem aufgeschichteten Brei entsprechende äußere Wand durch das Brennen geschmolzen.
Andererseits wurde zum Erhalt von einheitliche äußere Oberflächen 3, 100 mm Durchmesser, 100 mm Gesamtlänge, Dichte der Durchgangsöffnungen von 46,5/cm² und Dicken der Trennwände von 0,2 mm aufweisenden Wabenstrukturen von Vergleichsbeispielen 1 und 2, wie in Fig. 4 gezeigt, ein gewöhnliches Cordierit extrudiert und gebrannt. Wabenstrukturen des Vergleichsbeispiels 3 wurden hergestellt, die im wesentlichen die gleichen waren wie die der Vergleichsbeispiele 1 und 2, mit der Ausnahme der Dicken der Trennwände von 0,23 mm. Die Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden mit den Produkten der Ausführungsbeispiele 1 und 2 in derselben Partie gleichzeitig extrudiert und gebrannt.
Diese Wabenstrukturen der Ausführungsbeispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1, 2 und 3 wurden wie in Fig. 5a und 5b gezeigt mittels keramischer Matten 5 wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt in Behälter 4 eingebaut und verschiedenen Funktionstest unterworfen, deren Ergebnisse in Tabelle 1 gezeigt sind. Tabelle 1 Klasse Festigkeit gegen äußeren Druck *3 Kg/cm² Festigkeit gegen thermische Schocks ºC Verpackungstest X beschädigt O Geräusch Hitzeschwingungstest Aufbau der Hülse Freiraum *1 mm Axiale Verschiebung *2 Struktur mit geschmolzener äußerer Wand herkömmliche Struktur Ausführungsbeispiel Vergleichsbeispiel Bemerkung *1 Freiraum zwischen Hülse und Struktur *2 X axial verschoben, O nicht verschoben *3 Beschändigungen der Strukturen der Ausführungsbeispiele bei den äußeren Drucktests kamen an nicht geschmolzenen Bereichen äußeren Wandoberflächen vor.
In den Tests auf äußere Druckfestigkeit wurden eine Dicke von 20 mm aufweisende Aluminiumplatten über eine Dicke von etwa 0,5 mm aufweisende Urethan-Lagen an Endoberflächen einer Wabenstruktur angelegt, und eine Umfangsoberfläche der Struktur wurde von einer eine Dicke von 0,5 mm aufweisenden Urethanröhre hermetisch umschlossen. Die Wabenstruktur wurde in einem mit Wasser gefüllten Behälter untergebracht, und dann wurde der Druck in dem Behälter langsam erhöht. Der Druck in dem Behälter wurde gemessen, wenn ein Geräusch durch die Beschädigung der Wabenstruktur erzeugt wurde. In dem Test gab es drei Teststücke.
Bei thermischen Schocktests wurde eine keramische Wabenstruktur auf einem Gestell angeordnet, an dem ein metallischer Draht angeordnet war, und in einen bei 800º C gehaltenen elektrischen Ofen eingesetzt. Nach einer Stunde wurde sie in einen Raum außerhalb des Ofens gebracht, und ihre äußeren Oberflächen wurden dann durch einen dünnen Draht leicht abgeklopft, während das äußere Erscheinungsbild visuell beobachtet wurde.
In dem Fall, daß bei der visuellen Beobachtung keine Brüche gefunden wurden und nur ein metallisches Geräusch erhalten wurde, wurde die Wabenstruktur für eine Stunde in dem Raum gehalten, bis die Struktur auf Zimmertemperatur gekühlt war. Danach wurde die Struktur in einen bei einer um 50º C höheren Temperatur als die Zimmertemperatur gehaltenen Ofen eingesetzt. Solche Kühl- und Heizvorgänge wurden wiederholt, bis die Wabenstruktur beschädigt war. Ein Auftreten der Beschädigung der Wabenstruktur wurde durch die Tatsache der Beobachtung von Brüchen oder der Veränderung des Geräuschs der Struktur durch den dünnen Draht in ein rauhes oder dumpfes Geräusch bestimmt. Die Festigkeit gegen thermische Schocks wurde durch die Höhe der maximalen Temperatur, bei der die Struktur nicht beschädigt wurde, gekennzeichnet. Bei dem Test wurden von jedem Ausführungsbeispiel und den Vergleichsbeispielen zwei Stücke getestet und Mittelwerte benutzt.
Bei Verpackungstests wurde eine keramische Matte als Halteteil um eine Wabenstruktur gewunden, und diese Anordnung wurde in eine Montagevorrichtung eingesetzt. Die Montagevorrichtung hatte zur Bildung einer konischen Montagevorrichtung einen Einlaß, dessen innerer Durchmesser größer war als der eines Auslasses der Montagevorrichtung. Der innere Durchmesser des Auslasses der Montagevorrichtung war im wesentlichen der gleiche wie ein innerer Durchmesser eines Einlasses einer Hülse. Der Auslaß der Montagevorrichtung wurde an dem Einlaß der Hülse angebracht, und die Wabenstruktur wurde vermittels einer hydraulischen Presse in die Hülse gezwungen. Nachdem die Wabenstruktur aus der Hülse entfernt worden war, wurde ein äußeres Erscheinungsbild der Struktur beobachtet. Die keramische Matte hatte eine Dicke von 4,9 mm. Der innere Durchmesser der Hülse betrug 104,4 mm. Für jedes der Ausführungsbeispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 3, 4 und 5 wurden zwei Teststücke benutzt.
Bei den Hitzeschwingungstests wurde ein Halteteil um eine Wabenstruktur gewunden, und die Anordnung wurde in eine Hülse mit einem daran angeschweißten, einen Freiraum zwischen der Wabenstruktur und der Hülse bildenden inneren Flansch gezwungen. Danach wurden hohle konische Teile an beiden Enden der Hülse verbolzt und getestet.
Als Testbedingungen wurde ein durch einen Propanbrenner auf 800º C geheiztes Gas veranlaßt zum Heizen der Wabenstruktur für zwei Minuten gegen die Hülse zu strömen. Dann wurde Luft bei Zimmertemperatur dazu veranlaßt, zur Kühlung der Wabenstruktur für zwei Minuten gegen die Hülse zu strömen. Ein durch ein solches Heizen und Kühlen gebildeter Zyklus wurde bis zu 50 Zyklen wiederholt, während die Hülse Schwingungen von 0-20 g mit 200 Hz unterworfen wurde. Danach wurden die hohlen konischen Teile von der Hülse entfernt, von der die Wabenstruktur zur Beobachtung eines äußeren Erscheinungsbildes der Struktur entfernt wurde. In den Tests gab es zwei Teststücke.
Aus der obigen Tabelle 1 wurde befunden, daß die mechanische und thermische Festigkeit einer Wabenstruktur nicht vermindert wird, selbst wenn sie an ihrem Umfangsabschnitt der erfindungsgemäßen Schmelzbehandlung unterzogen wurde, und daß die erfindungsgemäßen Wabenstrukturen den die tatsächlichen Bedingungen während der Benutzung simulierenden geheizten Schwingungstests genügend widerstehen können, selbst wenn sie eine relativ niedrige Festigkeit gegen äußere Kräfte aufweisen und nur von seitlichen Oberflächen getragen sind, so daß die Wirksamkeit der Erfindung gesichert werden kann.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und verschiedene Abweichungen und Modifikationen an der Erfindung gemacht werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzugehen. Beispielsweise sind Größen, Zusammensetzungen und Flächen der geschmolzenen Oberflächenbereiche gemäß der Erfindung nicht auf die dargestellten und erläuterten beschränkt, weil diese der durch die Benutzungsbedingungen und Breiten der Durchgangsöffnungsrichtungen der gegen den geschmolzenen Bereich stoßenden Polsterteile zu bestimmenden Konstruktionswahl unterliegen.
Obwohl die Querschnittsform der keramischen Wabenstruktur in dem obigen Ausführungsbeispiel genau kreisförmig ist, ist sie nicht auf kreisförmige beschränkt und kann beispielsweise elliptisch sein. Darüber hinaus ist die Querschnittsform der Zellen der Wabenstruktur nicht auf Quadrate beschränkt wie in den Ausführungsbeispielen, und deren Material ist nicht auf das in den obigen Ausführungsbeispielen benutzte Cordierit beschränkt. Darüber hinaus können selbstverständlich beide Enden der Ausgangsöffnungen der Wabenstruktur abwechselnd geschlossen werden.
Wie aus der obigen Beschreibung entnommen werden kann, liefert die Erfindung auf einfache Weise die Wabenstruktur, die mindestens einen Teil der äußeren Wandoberfläche als geschmolzene Oberfläche aufweist, deren Rauhigkeit gröber ist als die der anderen Oberflächen, so daß Verschiebungen in Durchgangsöffnungsrichtungen und Drehungen um ihre Achse verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit eines mit der Wabenstruktur ausgestatteten Katalysator-Konverters erhöht wird.

Claims

1. keramiscne Wabenstruktur zur Nutzung als Nataiysatorträger oder Pilter, dadurch gekennzeichnet, daß zumindestens ein Bereich (2) ihrer äußeren Umfangsoberfläche zur Lieferung eines Oberßlächenbereichs, der rauher ist als ein benachbarter Bereich oder benachbarte Bereiche (3) des äußeren Umfangsbereichs teilweise geschmolz en wurde.

2. Wabenstruktur nach Anspruch 1, bei der der teilweise geschmolzene Oberflächenbereich (2) bezüglich des benachbarten Bereichs (3) oder der benachbarten Bereiche (3) zurückgesetzt ist.

3. Wabenstruktur nach Anspruch oder 2, bei der sich der teilweise geschinolzene Oberflächenbereich (2) in einer axial-zentrischen Lage auf der Umfangsoberfläche der zylindrischen Wabenstruktur befindet.

4. Wabenstruktur nach Anspruch 3, bei der sich der teilweise geschmolzene Oberflächenbereich umfänglich kontinuierlich um die Wabenstruktur erstreckt.

5. Wabenstruktur nach einem der Ansprüche bis 4, mit einer an ihrer Umfangsoberfläche zumindestens in dem teilweise geschmolzenen Oberflächenbereich anliegenden Abdichtung (5).

6. Wabenstruktur nach einem der Anspruche bis 4, bei der die Wehe ein Katalysatorträger ist und mittels einer an dem teilweise geschmolzenen Oberflächenbereich (2) anliegenden keramischen Matte (5) In die Konverterdose eingesetzt ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur mit den Schritten: nach Extrudieren einer keramischen Masse in eine Wabenstruktur, Trocknen und Brennen der extrudierten Wabenstruktur, gekennzeichnet durch Anbringen einer einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden chemischen Verbindung in einem Bereich auf der äußeren Umfangswandoberfläche der getrockneten Wabenstruktur vor dem Brennen, so daß die äußere Wandoberfläche während des Brennens in dem Bereich teilweise geschmolzen wird, wodurch eine einen teilweise geschmolzenen Oberflächenbereich (2), dessen Rauhigkeit größer als die eines benachbarten Oberflächenbereichs oder benachbarter Oberflächenbereiche (3) der äußeren Wandoberfläche ist, aufweisende Wabenstruktur erhalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Anbringens der chemischen Verbindung durch Aufsprühen eines oder Beschichten mit einem aus einem der Materialien Talk, Kaolin, Magnesiumsalz und einer Mischung dieser Verbindungen ausgewählten Brei durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Anbringens der chemischen Verbindung durch Anbringen eines mit einem aus einem der Materiellen Talk, Kaolin, Magnesiumsalz und einer Mischung dieser Verbindungen ausgewählten Brei getränkten Bandes durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Anbringens der chemischen Verbindung durch Anbringen eines mit einem einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Füllstoff getränkten Klebebandes durchgeführt wird.