DE69636077T2

DE69636077T2 - Filter zur Reinigung von Abgas

Info

Publication number: DE69636077T2
Application number: DE69636077T
Authority: DE
Inventors: Kazuya Ibi-gun Naruse; Satoshi Ibi-gun Ohno; Koji Ibi-gun Shimato; Hiroshi Ageo-shi Okazoe; Seiki Ageo-shi Iwahiro
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2016-01-13
Also published as: DE69636077D1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Filter zum Reinigen von Abgasen.
Technischer Hintergrund
Im Allgemeinen wird ein keramischer Strukturkörper, beispielsweise ein Keramik-Körper mit Wabenstruktur und dgl., hergestellt durch Bohren einer Vielzahl von durchgehenden Löchern parallel zueinander in ein Element in der Längsrichtung desselben, als Filter zum Reinigen der von Fahrzeugen, Fabriken und dgl. abgegebenen Abgase verwendet.
Dieser keramische Strukturkörper weist eine solche Stirnfläche auf, dass der offene-geschlossene Zustand der durchgehenden Löcher (Durchgangsbohrungen) ein Schachbrett-artiges Muster ergibt (die benachbart zueinander angeordneten durchgehenden Durchgangsbohrungen liegen abwechselnd im offenen-geschlossenen Zustand vor). Das heißt, diese durchgehenden Löcher (Durchgangsbohrungen) sind nur an einer ihrer Stirnflächen verschlossen und benachbarte durchgehende Löcher (Durchgangsbohrungen) sind jeweils geöffnet oder geschlossen unter Ausbildung eines Schachbrett-artigen Musters. Daher ist dann, wenn ein durchgehendes Loch an einer Stirnfläche offen ist, die andere Stirnfläche verschlossen, während das benachbarte durchgehende Loch an einer Stirnfläche verschlossen ist und an der anderen Stirnfläche offen ist.
Darüber hinaus ist der keramische Strukturkörper ein solcher poröser Körper, der dann, wenn ein Gas, das behandelt werden soll, aus einer Stirnfläche einer der oben genannten Durchgangsbohrungen ausströmt, das behandelte Gas in eine benachbarte Durchgangsbohrung eintritt, wobei es die porösen Trennwände auf dem Weg zu der anderen Stirnfläche passiert und dann aus dieser anderen Stirnfläche austritt. Das heißt, der keramische Strukturkörper ermöglicht den jeweiligen Durchgang des Gases durch die Trennwand, welche die Durchgangsbohrungen voneinander trennt. Daher gelangt das zu behandelnde Gas leicht in die andere Durchgangsbohrung in dem Strukturkörper, sodass das Gas verschiedene Durchgangsbohrungen an der Einlassseite und an der Auslassseite passiert.
Daher werden dann, wenn das Abgas den oben genannten keramischen Strukturkörper durchströmt, die teilchenförmigen Substanzen (Teilchen) in dem Abgas zurückgehalten und gereinigt in dem Trennwandabschnitt, während das Abgas von einer Stirnfläche durch die Trennwand zu der Auslassöffnung strömt. Durch die Reinigungswirkung auf das Abgas wird der Durchgang des Gases durch den keramischen Strukturkörper erschwert, weil die Teilchen sich in der Trennwand auf der Seite der Einlassöffnung sammeln und anreichern, wodurch allmählich eine Verstopfung entsteht. Daher muss der keramische Strukturkörper einer Behandlung unterzogen werden, um die auf der Trennwand angereicherten Teilchen, die zu einer Verstopfung führen, periodisch zu verbrennen und zu entfernen mittels einer Heizeinrichtung, beispielsweise einem Brenner, einem Erhitzer oder dgl. (nachstehend einfach als "Regenerierung" bezeichnet).
In dem oben genannten keramischen Strukturkörper tritt jedoch im Innern des Strukturkörpers als Folge einer lokalen Wärmeanreicherung, die einhergeht mit einem ungleichförmigen Erhitzungsverfahren und einem abnormen Verbrennen der Teilchen, eine ungleichförmige Temperaturverteilung auf, und es tritt ein Wärmeschock auf durch eine plötzliche Temperatur-Änderung des Abgases und dgl., sodass Wärmespannungen entstehen. Als Folge davon treten bei dem oben genannten keramischen Strukturkörper die Probleme auf, dass Risse entstehen und Verluste an ge schmolzenem Material auftreten, was schließlich zu einem Bruch führt, wodurch das Einsammeln von Teilchen verhindert wird.
Dagegen wurde bisher als Mittel zur Lösung der oben genannten Probleme beispielsweise ein Verfahren zur Herabsetzung der thermischen Spannungen vorgeschlagen, die auf einen keramischen Strukturkörper einwirken, durch Aufteilen des keramischen Strukturkörpers in eine Vielzahl von keramischen Teilen bzw. Elementen in der Fläche senkrecht zur Achse oder in der Fläche parallel zur Achse (vgl. JP-A-60-65219). Darüber hinaus wurde bereits ein aufgeteilter keramischer Strukturkörper mit verbesserten Eigenschaften in Bezug auf die Versiegelung des Abgases vorgeschlagen durch Einführen eines nicht-haftenden Abdichtungselements in einen Zwischenraum, der zwischen den benachbarten keramischen Teilen bzw. Elementen in diesem keramischen Strukturkörper vom unterteilten Typ entsteht (nachstehend als "unterteilter keramischer Strukturkörper" bezeichnet) (vgl. JU-A-1-63715).
Bei den oben genannten jeweiligen Vorschlägen kann der aufgeteilte keramische Strukturkörper die thermischen Spannungen auflösen, die in einem aus einem Stück bestehenden keramischen Strukturkörper festzustellen sind als Folge der Verwendung des oben genannten Abdichtungselements.
Das Abdichtungselement ist jedoch nicht-haftend, sodass die keramischen Teile bzw. Elemente nicht fest miteinander verbunden werden können. Deshalb musste der oben genannte, nach dem konventionellen Verfahren unterteilte keramische Strukturkörper eine Druckkraft aufweisen, um diese keramischen Elemente miteinander zu vereinigen, um die Form eines aus einem Stück bestehenden Strukturkörpers aufrechtzuerhalten. Als Mittel, um diese Druckkraft zu erzeugen, wurde bisher eine Anordnung aus einem sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolator oder die Verwendung des sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolators als inneres Abdichtungselement verwendet.
Das oben genannte nicht haftende Abdichtungselement und der sich thermisch ausdehnende Wärmeisolator weisen jedoch eine geringe Beständigkeit (Haltbarkeit) ge genüber der Wärme bei der Regenerierung und dem Auftreten wiederholter Oszillationen auf, die durch einen Verbrennungsmotor entstehen. Deshalb führt das Abdichtungselement zu einer Abnahme der Volumenschrumpfung und der Festigkeit unter Verschlechterung der Abdichtungseigenschaften, während als Folge des sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolators das Problem auftritt, dass die Erholungskraft nach der Volumenexpansion schnell abnimmt.
Deshalb nimmt bei dem oben genannten unterteilten keramischen Strukturkörper die Kraft zum Zusammenhalten einer Vielzahl von keramischen Teilen bzw. Elementen, die diesen Strukturkörper aufbauen, ab und er zerfällt und wird dispergiert durch den Druck des Abgases. Darüber hinaus ist es selbst dann, wenn ein Verstärkungselement an einer Stirnfläche an einer Auslassseite des Gases angeordnet ist, schwierig, den Abbau des Abdichtungselements zu verhindern, und es ist wünschenswert, die Beständigkeit (Haltbarkeit) zu verbessern.
Zur Bildung eines groß dimensionierten unterteilten keramischen Strukturkörpers ist insbesondere eine größere Druckkraft erforderlich, da die Kombination aus dem konventionellen nicht haftenden Abdichtungselement und dem sich thermisch ausdehnenden Wärmeisolator dies von Beginn an nicht schaffen kann, sodass kein Strukturkörper erhalten wird, welcher der Verwendung in der Praxis standhält.
Unter den oben genannten Umständen haben die Erfinder bereits früher eine "Abgasreinigungs-Vorrichtung und einen dafür geeigneten Strukturkörper" vorgeschlagen, bei dem eine Abdichtungsmasse verwendet wird, die besteht aus einer Keramikfaser, Siliciumcarbid-Pulver und einem anorganischen Bindemittel, durch Verbesserung der Abdichtungsmasse, die den unterteilten keramischen Strukturkörper aufbaut, als Mittel zur Überwindung der Probleme, die bei der oben genannten konventionellen Technik auftreten (vgl. die japanische Patentanmeldung Nr. 5-204 242).
Nach diesem Vorschlag wird eine Vielzahl von keramischen Teilen bzw. Elementen durch eine solche Abdichtungsmasse miteinander verbunden, sodass es möglich ist, die Beständigkeit (Haltbarkeit) des unterteilten keramischen Strukturkörpers bis zu einem gewissen Grade zu verbessern.
Die Abdichtungsmasse hat jedoch die Neigung, leicht eine Wanderung hervorzurufen (ein Phänomen, bei dem sich das Bindemittel beim Trocknen und bei der Entfernung eines Lösungsmittels bewegt), wenn sie zwischen die jeweiligen Keramikelemente eingefüllt und gehärtet wird. Deshalb wird die Abdichtungsschicht, die durch die Aushärtung der Abdichtungsmasse gebildet wird, spröde.
Das heißt, das anorganische Bindemittel, welches die oben genannte Abdichtungsmasse aufbaut, bewirkt, dass das Keramikelement mit der Abdichtungsschicht und einem Schnittpunkt von sich dreidimensional überkreuzenden Keramikfasern fest verbunden wird als ein wichtiges Element zur Entwicklung einer Spannungspuffer-Funktion der Abdichtungsschicht. Das anorganische Bindemittel wandert jedoch aus dem Innern der Abdichtungsschicht zu der Oberfläche der Verbindungsstelle zusammen mit dem Keramikelement durch die Wanderung, die beim Trocknen und Aushärten entsteht, wodurch die Bindungskraft an der Schnittstelle herabgesetzt wird, und dadurch wird die Festigkeit des keramischen Strukturkörpers selbst verringert, sodass die gewünschte Beständigkeit (Haltbarkeit) bisher nicht in zufriedenstellender Weise erhalten werden konnte.
Außerdem bewegt sich das Siliciumcarbid-Pulver, welches die Abdichtungsmasse aufbaut, ebenfalls bei der oben genannten Wanderung, was eine Herabsetzung und Ungleichförmigkeit der Wärmeleitfähigkeit mit sich bringt, die zur Verringerung des Regenerierungs-Wirkungsgrades des keramischen Strukturkörpers führt.
Es wurde auch bereits ein Verfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit (Beständigkeit) des Strukturkörpers vorgeschlagen durch Kontrolle (Bekämpfung) der Wanderung. Dieses Verfahren dauert jedoch lang in Bezug auf die Trocknung und die Aushärtung der Abdichtungsmasse und es setzt in unerwünschter Weise die Produktivität herab.
Die Druckschriften FR-A-2 167 918, US-A-4 595 662, JP-A-01/042 373, JP-A-07/054 643 und JP-A-07/080 226 beziehen sich auf Abgas-Filtereinrichtungen.
Wie oben angegeben, lässt der konventionelle unterteilte keramische Strukturkörper noch Raum für eine Verbesserung in Bezug auf die Beständigkeit (Haltbarkeit) und dgl. als keramischer Strukturkörper.
Die Erfindung dient dazu, die oben genannten verschiedenen Probleme zu lösen, die bei der konventionellen Technik auftreten, und das Hauptziel der Erfindung besteht darin, die Beständigkeit (Haltbarkeit) des keramischen Strukturkörpers zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Materialeigenschaften, wie z.B. die Haftungseigenschaften einer Abdichtungsmasse bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur, und dgl. zu verbessern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Haftungseigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit der Abdichtungsmasse bei Raumtemperatur und hoher Temperatur zu verbessern unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Elastizität und Wärmebeständigkeit, um dadurch gleichzeitig sowohl die Beständigkeit (Haltbarkeit) als auch den Regenerierungswirkungsgrad des unterteilten keramischen Strukturkörpers zu verbessern.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfinder haben weitere Untersuchungen durchgeführt, um die oben genannten Ziele zu erreichen. Als Folge davon haben die Erfinder eine Erfindung gefunden, die den nachstehend angegebenen Aufbau hat.
Das heißt, die Erfindung betrifft einen Filter, wie er in Anspruch 1 definiert ist, der eine Anordnung von mehreren miteinander verbundenen keramischen Teilen (Elementen) umfasst, die jeweils eine Vielzahl von durchgehenden Löchern (Durch gangsbohrungen) aufweisen, die entlang der Längsrichtung (Längsachse) nebeneinander liegend angeordnet sind, bei denen die Stirnflächen auf jeder Seite dieser durchgehenden Löcher (Durchgangsbohrungen) in der Art eines Schachbrettmusters verschlossen sind, sodass sie wechselseitig offen und geschlossen sind zwischen einer Gaseinlassseite und einer Gasauslassseite, und zueinander benachbarte durchgehende Löcher (Durchgangsbohrungen) untereinander durchlässig sind durch poröse Trennwände, wobei der Filter dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Vielzahl der keramischen Teile (Elemente) zu einer Einheit miteinander verbunden ist durch eine dazwischen befindliche Abdichtungsmasse aus einem elastischen Material, die besteht mindestens aus anorganischen Fasern, einem anorganischen Bindemittel, einem organischen Bindemittel und anorganischen Teilchen, die miteinander verbunden sind durch sich dreidimensional überschneidende anorganische Fasern und anorganische Teilchen mit dem anorganischen Bindemittel und organischen Bindemittel zwischen den keramischen Teilen (Elementen). Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 definiert.
Die Abdichtungsmasse ist zweckmäßig ein elastisches Material, das hergestellt worden ist durch Verwendung von keramischen Fasern als anorganische Fasern, durch Verwendung eines kolloidalen Sols als anorganisches Bindemittel, durch Verwendung von Polysaccharid als organisches Bindemittel und durch Verwendung mindestens eines anorganischen Pulvers oder Faserkristalls (Whiskers), ausgewählt aus Carbiden und Nitriden, als anorganische Teilchen, und Mischen derselben miteinander. Insbesondere ist die Abdichtungsmasse zweckmäßig ein elastisches Material, das hergestellt worden ist durch Verwendung mindestens einer keramischen Faser, ausgewählt aus Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Mullit, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid, als anorganische Faser, durch Verwendung mindestens eines kolloidalen Sols, ausgewählt aus Silicasol und Aluminasol, als anorganisches Bindemittel, durch Verwendung mindestens eines Polysaccharids, ausgewählt aus Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Ethylcellulose und Carboxymethylcellulose, als organisches Bindemittel, und durch Verwendung mindestens eines anorganischen Pulvers oder Faserkristalls (Whiskers), ausgewählt aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Bornitrid, als anorganische Teilchen. Insbesondere ist es zweckmäßig, dass es sich um ein elastisches Material handelt, das besteht aus Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Keramikfasern, Silicasol, Carboxymethylcellulose und Siliciumcarbid-Pulver.
Konkret weist die oben genannte Abdichtungsmasse zweckmäßig die folgende Zusammensetzung auf:

➀ In der keramischen Faser ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Faser 10 ~ 70 Gew.-%, vorzugsweise 10 ~ 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 ~ 30 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, da dann, wenn der Gehalt weniger als 10 Gew.-% beträgt, der Effekt als elastischer Körper abnimmt, während dann, wenn er 70 Gew.-% übersteigt, die Wärmeleitfähigkeit abnimmt und auch der Effekt als elastischer Körper abnimmt.
➁ In dem kolloidalen Sol ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Siliciumdioxid-Sol (Silicasol) 1 ~ 30 Gew.-%, vorzugsweise 1 ~ 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 ~ 9 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, weil dann, wenn der Gehalt weniger als 1 Gew.-% beträgt, die Haftfestigkeit abnimmt, und dann, wenn er 30 Gew.-% übersteigt, die Wärmeleitfähigkeit abnimmt.
➂ In dem Polysaccharid ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Carboxymethylcellulose 0,1 ~ 5,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 ~ 1,0 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,4 ~ 0,6 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, weil dann, wenn der Gehalt weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, die Wanderung nicht gesteuert (kontrolliert) werden kann, und dann, wenn er 5,0 Gew.-% übersteigt, das organische Bindemittel durch thermische Hysterese bei hoher Temperatur verbrennt und die Festigkeit abnimmt.
➃ In dem anorganischen Pulver oder Faserkristall (Whisker) ist es zweckmäßig, dass der Gehalt an Siliciumcarbid-Pulver 3 ~ 80 Gew.-%, vorzugsweise 10 ~ 60 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 ~ 40 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, beträgt, weil dann, wenn der Gehalt weniger als 3 Gew.-% beträgt, die Wärmeleitfähigkeit abnimmt, während dann, wenn er 80 Gew.-% übersteigt, die Haftfestigkeit bei hoher Temperatur abnimmt.
➄ Bei der keramischen Faser, die in der Abdichtungsmasse enthalten ist, ist es zweckmäßig, dass die Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Keramikfaser einen Schmelzperlen-Gehalt (shot content) von 1 ~ 10 Gew.-%, vorzugsweise von 1 ~ 5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1 ~ 3 Gew.-%, und eine Faserlänge von 0,1 ~ 100 mm, vorzugsweise von 0,1 ~ 50 mm, besonders bevorzugt von 0,1 ~ 20 mm, hat, da dann, wenn der Schmelzperlen-Gehalt weniger als 1 Gew.-% beträgt, die Herstellung schwierig ist, während dann, wenn der Schmelzperlen-Gehalt 10 Gew.-% übersteigt, die Wand eines Teils, das versiegelt (verschlossen) werden soll (keramisches Teil) beschädigt wird. Wenn andererseits die Faserlänge weniger als 0,1 mm beträgt, kann kein elastischer Strukturkörper gebildet werden, während dann, wenn sie 100 mm übersteigt, die Faser flauschig wird, wodurch die Dispersion der anorganischen Teilchen schlechter wird, und außerdem die Dicke der Abdichtungsmasse nicht niedrig gemacht werden kann, sodass die Wärmeleitfähigkeit zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen abnimmt.
➅ Bei dem anorganischen Pulver oder Faserkristall (Whisker), das (der) in der Abdichtungsmasse enthalten ist, ist es zweckmäßig, dass die Teilchengröße des Siliciumcarbid-Pulvers 0,01 ~ 100 μm, vorzugsweise 0,1 ~ 15 μm, besonders bevorzugt 0,1 ~ 10 μm beträgt, weil dann, wenn die Teilchengröße 100 μm übersteigt, die Klebekraft (Haftfestigkeit) und die Wärmeleitfähigkeit abnehmen, während dann, wenn sie weniger als 0,01 μm beträgt, die Kosten unerwünscht hoch werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung, in dem der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper verwendet wird.
2 zeigt eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Filters für die Abgasreinigungsvorrichtung, in dem der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper verwendet wird.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines keramischen Teils in dem Filter für die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine teilweise weggeschnittene vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A der 3.
5 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie B-B der 4.
6 ist eine Darstellung, die einen Test zur Messung der Haftfestigkeit erläutert.
7 ist eine Darstellung, die einen Test zur Messung der Wärmeleitfähigkeit erläutert.
Erfindungsgemäß bezeichnen die Bezugsziffer 1 einen Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung,
die Bezugsziffern 2 und 3 keramische Elemente bzw. Teile,
die Bezugsziffer 4 eine Abdichtungsmasse und
die Bezugsziffer 5 einen Wärmeisolator.
Beste Art der Durchführung der Erfindung
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Abgas-Reinigungsfilters bzw. keramischen Strukturkörpers besteht im Aufbau der Abdichtungs bzw. Versiegelungsmasse (des Abdichtungs- bzw. Versiegelungselements), die (das) eine Vielzahl von keramischen Teilen integral miteinander verbinden kann.
Konkret ist ein erster Punkt die Verbesserung der Beständigkeit (Haltbarkeit) des keramischen Strukturkörpers durch Verfilzung (Verhakung) der anorganischen Fasern mit dem organischen Bindemittel, welche die Abdichtungsmasse aufbauen, um die Gleichförmigkeit der Struktur und die Bindungseigenschaften in einem Niedertemperatur-Bereich zu verbessern. Das heißt, ein wesentlicher Punkt besteht darin, dass es möglich ist, die dreidimensionale Bindung der anorganischen Fasern und die Fixierung der anorganischen Teilchen an den anorganischen Fasern aufrechtzuerhalten durch Verwendung eines organischen Bindemittels, das trocknen und aushärten kann, in einer frühen Stufe, um das Auftreten einer Wanderung zu kontrollieren (zu steuern), wie sie bei einer konventionellen Abdichtungsmasse auftritt.
Die Abdichtungsmasse kann somit ein elastisches Material sein, das eine einheitliche Struktur und ausgezeichnete Haftungseigenschaften, eine ausgezeichnete Elastizität und Festigkeit aufweist. Als Folge davon weist der keramische Strukturkörper, der durch integrales Verbinden einer Vielzahl von keramischen Teilen unter Verwendung dieser Abdichtungsmasse hergestellt worden ist, eine ausreichende Haftfestigkeit auf, ohne dass eine Druckkraft von außen angewendet wird, und dadurch können gleichzeitig die thermischen Spannungen aufgelöst werden.
Ein zweiter Punkt besteht darin, dass die Haftfestigkeit in einem Hochtemperatur-Bereich aufrechterhalten werden kann durch den Verhakungs- bzw. Verfilzungseffekt zwischen den anorganischen Fasern und dem anorganischen Bindemittel, welche die Abdichtungsmasse aufbauen. Der Grund ist der, wie angenommen wird, dass das organische Bindemittel in dem Hochtemperatur-Bereich calciniert und entfernt wird, jedoch das anorganische Bindemittel durch das Erhitzen in ein Keramikmaterial umgewandelt wird und dieses Keramikmaterial an den Schnittpunkten der anorganischen Fasern vorliegt und zur Entstehung von Bindungen zwischen den anorganischen Fasern und zwischen der anorganischen Faser und dem keramischen Teil beiträgt. Andererseits kann das anorganische Bindemittel die Haftfestigkeit auch in dem Niedertemperatur-Bereich durch Trocknen und Erhitzen beibehalten.
Der keramische Strukturkörper, der ausgezeichnete Haftfestigkeiten im Niedertemperatur-Bereich und im Hochtemperatur-Bereich aufweist, kann daher gebildet werden aufgrund einer synergistischen Wirkung des organischen Bindemittels mit dem oben genannten Effekt der Verhakung (Verfilzung) der keramischen Fasern, beispielsweise derjenigen aus Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, mit dem anorganischen Bindemittel, wie z.B. Siliciumdioxid-Sol (Silicasol).
Ein dritter Punkt besteht darin, dass die anorganischen Teilchen auf der Oberfläche der anorganischen Faser und auf der Oberfläche des anorganischen Bindemittels oder im Innern derselben vorliegen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Strukturkörpers verbessert wird.
Insbesondere kann durch die anorganischen Teilchen, wie z.B. aus Nitrid und Carbid, die Wärmeleitfähigkeit beträchtlich verbessert werden aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften, die dem Nitrid und dem Carbid eigen sind.
Die Abdichtungsmasse, welche die anorganischen Teilchen enthält, weist daher eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf und kann auf wirksame Weise das Brechen des keramischen Strukturkörpers verhindern, ohne dass ein Temperaturspitzenwert-Phänomen bei der Regenerierung hervorgerufen wird durch das Auffüllen der Zwischenräume, die beim Zusammenfügen der Vielzahl von keramischen Teilen entstehen, wenn die Abdichtungsmasse verwendet wird, beispielsweise als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung. Darüber hinaus kann das Auftreten von Rissen durch den Wärmezyklus verringert werden und der Randabschnitt des äußeren Umfangs des Filters kann in einer verhältnismäßig kurzen Zeit erhitzt werden, um den Regenerierungswirkungsgrad zu verbessern.
Nachstehend wird der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper näher beschrieben.
Wenn der keramische Strukturkörper als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird, ist die Abdichtungsmasse, die den Strukturkörper aufbaut, erforderlich, um ihm zusätzlich zu der Wärmebeständigkeit Elastizität, Wärmeleitfähigkeit, Verbindungs- bzw. Anschlusseigenschaften, Festigkeit und dgl. zu verleihen. Wenn die Elastizität ausgezeichnet ist, kann selbst dann, wenn eine thermische Spannung durch Erhitzen in dem Filter entsteht, diese thermische Spannung sicher abgebaut werden. Wenn die Wärmeleitfähigkeit ausgezeichnet ist, wird die Wärme eines Heizelements sofort und gleichmäßig über den gesamten Strukturkörper verteilt, wobei die Temperaturdifferenz in der Abgasreinigungsvorrichtung minimiert wird. Darüber hinaus wird dann, wenn die Verbindungs- bzw. Anschlusseigenschaften und die Festigkeit ausgezeichnet sind, die Haftung zwischen benachbarten, miteinander verbundenen keramischen Teilen ausgezeichnet und die Beständigkeit (Haltbarkeit) des keramischen Strukturkörpers selbst wird ausgezeichnet.
Die Erfindung besteht darin, dass der Aufbau der Abdichtungsmasse (des Abdichtungselements), die (das) die oben genannten Eigenschaften aufweist, ein elastischer Strukturkörper ist, der gebildet wird durch Verwendung von anorganischen Fasern, eines anorganischen Bindemittels, eines organischen Bindemittels und von anorganischen Teilchen und durch wechselseitiges Verbinden der sich dreidimensional überschneidenden anorganischen Fasern und anorganischen Teilchen innerhalb des anorganischen Bindemittels und des organischen Bindemittels.
Als anorganische Faser verwendbar sind eine keramische Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Faser, eine Mullit-Faser, eine Aluminiumoxid-Faser und eine Siliciumdioxid-Faser. Vorteilhaft ist insbesondere die keramische Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Faser, weil sie eine ausgezeichnete Elastizität aufweist und die Funktion hat, Wärmespannungen zu absorbieren.
Als anorganisches Bindemittel ist ein kolloidales Sol geeignet, das beispielsweise umfasst Aluminiumoxid-Sol und Siliciumdioxid-Sol. Besonders erwünscht ist Siliciumdioxid-Sol, das als Klebstoff (anorganisches Bindemittel) fungiert. Dieses Siliciumdioxid-Sol ist leicht zugänglich und geeignet als Klebstoff im Hochtemperatur-Bereich, weil es sich beim Brennen leicht in SiO₂ umwandelt und ausgezeichnete Isoliereigenschaften hat.
Als organisches Bindemittel geeignet ist ein hydrophiles organisches hohes Polymer und besonders bevorzugt ist insbesondere ein Polysaccharid. Konkret können genannt werden Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Ethylcellulose, Carboxymethylcellulose und dgl. Unter ihnen ist die Carboxymethylcellulose besonders vorteilhaft, weil sie die Fließfähigkeit zum Zeitpunkt des Zusammenfügens gewährleistet (zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit beiträgt) und ein ausgezeichnetes Haftungsvermögen im Raumtemperatur-Bereich aufweist.
Als anorganische Teilchen werden zweckmäßig anorganische Teilchen aus Carbid und/oder Nitrid, wie z.B. Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und Bornitrid, verwendet. Diese Carbid- und Nitrid-Teilchen weisen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf und tragen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bei, wenn sie an der Oberfläche der Keramikfaser und an der Oberfläche und im Innern des kolloidalen Sols vorliegen. Beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Siliciumcarbid 0,19 cal/cm.s.°C und die Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid beträgt 0,136 cal/cm.s.°C, während die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid etwa 0,08 cal/cm.s.°C beträgt, sodass selbstverständlich das Carbid und das Nitrid besonders wirksam sind in Bezug auf die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
Unter den anorganischen Teilchen, den Carbid- und Nitrid-Teilchen, ist Siliciumcarbid in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit optimal. Bornitrid weist eine niedrigere Affinität gegenüber Keramikfasern auf als Siliciumcarbid. Das heißt, die Siliciumcarbid-Teilchen weisen alle Eigenschaften auf, nämlich Haftung, Wärmebeständigkeit, Beständigkeit gegen Wasser und Wärmeleitfähigkeit.
Eine Ausführungsform, bei der der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper in einem Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird, die an einem Dieselmotor befestigt ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 ~ 5 näher beschrieben.
Die 1 zeigt einen Filter 1 für eine Abgasreinigungsvorrichtung, in welcher der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper verwendet wird, und die 2 zeigt eine partiell vergrößerte Schnittansicht des Filters. In diesen Figuren ist der Filter 1 für die Abgasreinigungsvorrichtung hergestellt durch integrales haftendes Verbinden von acht prismatischen keramischen Teilen 2 und vier keramischen Teilen 3 mit einem gleichseitigen rechtwinkligen Dreieck im Querschnitt mittels der Abdichtungsmasse bzw. Abdichtungselemente 4 (in einer Dicke von 1,5 ~ 3,0 mm) aus einem elastischen Material, die zwischen den jeweiligen Teilen angeordnet ist (sind).
Die 3 bis 5 zeigen ein keramisches Teil 2, das einen Teil des Filters für die Abgasreinigungsvorrichtung darstellt. In diesen Figuren ist das keramische Teil 2 mit einer prismatischen Gestalt (33 mm × 33 mm × 150 mm) entlang seiner Längsachse mit durchgehenden Löchern (Durchgangsbohrungen) 2a in regelmäßiger Anordnung mit einem etwa quadratsichen Querschnitt versehen. Diese Durchgangsbohrungen 2a sind durch poröse Trennwände 2b mit einer Dicke von 0,3 mm voneinander getrennt. Jeweils ein Ende auf der Abgas-Einlassseite und der -Auslassseite jedes der durchgehenden Löcher (Durchgangsbohrungen) 2a ist mit einem Abdichtungsstück 2c aus einem porösen Sinterkörper in Art eines Schachbrettmusters verschlossen. Infolgedessen werden Zellen C1, C2 gebildet, die nur auf einer der Einlass- und Auslassseiten des keramischen Teils 2 offen sind. Darüber hinaus kann sich ein Oxidationskatalysator, der aus einem Platinelement, einem anderen Metallelement oder einem Oxid davon besteht, auf den Trennwänden 2b der Zellen C1, C2 befinden, weil die Entzündungstemperatur der Teilchen durch den Katalysator herabgesetzt wird. Darüber hinaus hat das keramische Teil 3 den gleichen Aufbau wie das keramische Teil 2, jedoch mit der Ausnahme, dass der Querschnitt ein gleichseitiges rechtwinkliges Dreieck ist. Für den Fall, dass die keramischen Teile 2, 3 den Filter 1 für die Abgasreinigungsvorrichtung, dieser Ausführungsformen der Erfindung darstellen, werden ein mittlerer Porendurchmesser von 10 μm, eine Porosität von 43 %, eine Dicke der Zellwand von 0,3 mm bzw. ein Zellenabstand von 1,8 mm eingestellt.
Bei dieser Ausführungsform wird der Filter 1 für die Abgasreinigungsvorrichtung, welche die oben genannte Struktur hat, hergestellt zur Durchführung der Bewertung des Leistungsvermögens in dem Filter.
Beispiel 1

(1) 51,5 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver vom α-Typ und 22 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver vom β-Typ wurden nass miteinander gemischt und die resultierende Mischung wurden zugegeben und verknetet mit 6,5 Gew.-% eines organischen Bindemittels (Methylcellulose) und 20 Gew.-% Wasser. Danach wurden geringe Mengen eines Weichmachers und eines Schmiermittels zugegeben und verknetet, dann wurde das Ganze durch Extrusion geformt, wobei man einen wabenförmigen ungebrannten Grünkörper (Grünpressling) erhielt.
(2) Danach wurde dieser ungebrannte Formkörper unter Verwendung eines Mikrowellentrockners getrocknet. Anschließend wurden die Durchgangsbohrungen 2a des Formkörpers mit einer Paste verschlossen zur Bildung eines Versiegelungsstücks 2c aus einem porösen Sinterkörper und dann wurde die Paste für das Versiegelungsstück 2c getrocknet, wiederum unter Verwendung des Trockners. Danach wurde der getrocknete Formkörper bei 400 °C entfettet, in einer Argonatmosphäre bei 2200 °C weiter gebrannt, wobei man poröse wabenförmige keramische Teile 2, 3 erhielt.
(3) Eine Abdichtungsmasse bzw. ein Abdichtungselement wurde hergestellt aus einer Paste, die durch Mischen und Verkneten von 23,3 Gew.-% Keramikfasern (Aluminiumoxid-Silicat-Keramikfasern, Schmelzperlen-Gehalt 3 Gew.-%, Faserlänge: 0,1 ~ 100 mm), 30,2 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 μm, 7 Gew.-% Siliciumdioxid-Sol (SiO₂-Umwandlungsmenge des Sols: 30 %) als einem anorganischen Bindemittel, 0,5 Gew.-% Carboxymethylcellulose als einem organischen Bindemittel und 39 Gew.-% Wasser hergestellt worden war.
(4) Die oben genannte Abdichtungsmasse wurde zwischen die jeweiligen keramischen Teile 2, 3 eingefüllt, getrocknet und gehärtet bei 50 bis 100 °C × 1 h zur Herstellung eines Filters 1, in dem die keramischen Teile 2, 3 mit der Abdichtungsmasse 4 zu einer Einheit verbunden waren, wie in 1 dargestellt.

Darüber hinaus konnte die oben genannte Abdichtungsmasse getrocknet und gehärtet werden, ohne dass eine Wanderung auftrat.
Beispiel 2
Dieses Beispiel ist im Prinzip das gleiche wie das Beispiel 1, es wurde jedoch die folgende Abdichtungsmasse anstelle derjenigen des Beispiels 1 verwendet.
Die Abdichtungsmasse wurde hergestellt durch Mischen und Verkneten von 25 Gew.-% keramischen Fasern (Mullit-Fasern, Schmelzperlen-Gehalt 5 Gew.-%, Faserlänge: 0,1 bis 100 mm), 30 Gew.-% Siliciumnitrid-Pulver mit einer mittleren Teil chengröße von 1,0 μm, 7 Gew.-% Aluminiumoxid-Sol (Umwandlungsmenge des Aluminiumoxid-Sols: 20 %) als einem anorganischen Bindemittel, 0,5 Gew.-% Polyvinylalkohol als einem organischen Bindemittel und 37,5 Gew.-% Alkohol.
Darüber hinaus konnte die oben genannte Abdichtungsmasse getrocknet und gehärtet werden, ohne dass eine Wanderung auftrat.
Beispiel 3
Dieses Beispiel ist im Prinzip das gleiche wie das Beispiel 1, es wurde jedoch die folgende Abdichtungsmasse anstelle derjenigen des Beispiels 1, verwendet.
Die Abdichtungsmasse wurde hergestellt durch Mischen und Verkneten von 23 Gew.-% Keramikfasern (Aluminiumoxid-Fasern, Schmelzperlengehalt 4 Gew.-%, Faserlänge: 0,1 bis 100 mm), 35 Gew.-% Bornitrid-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm, 8 Gew.-% Aluminiumoxid-Sol (Umwandlungsmenge des Aluminiumoxid-Sols: 20 %) als einem anorganischen Bindemittel, 0,5 Gew.-% Ethylcellulose als einem organischen Bindemittel und 35,5 Gew.-% Aceton.
Darüber hinaus konnte die oben genannte Abdichtungsmasse getrocknet und gehärtet werden, ohne dass eine Wanderung auftrat.
Vergleichsbeispiel
Dieses Beispiel ist im Prinzip das gleiche wie das Beispiel 1, wobei jedoch die folgende konventionelle Abdichtungsmasse anstelle der Abdichtungsmasse des Beispiels 1 verwendet wurde und außerdem ein äußerer Umfangsabschnitt des Filters 1 mit einem Wärmeisolator abgedeckt wurde (63 Gew.-% Keramikfaser, 7 Gew.-% α-Sepiolit, 20 Gew.-% nicht-geblähter Vermiculit und 10 Gew.-% eines organischen Bindemittels).
Die Abdichtungsmasse wurde hergestellt in Form einer Paste oder einer Folie durch Mischen und Verkneten von 44,2 Gew.-% Keramikfasern (Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Fasern, Schmelzperlen-Gehalt 2,7 Gew.-%, Faserlänge: 30 bis 100 mm), 13,3 Gew.-% Siliciumdioxid-Sol als einem anorganischen Bindemittel und 42,5 Gew.-% Wasser.
Beim Trocknen und Härten trat bei der oben genannten Abdichtungsmasse eine Wanderung auf.
Die Bewertung der Eigenschaften der Filter 1, die in den Beispielen 1 bis 3 und in dem Vergleichsbeispiel hergestellt worden waren, wurde unter Anwendung des folgenden Verfahrens durchgeführt.
Messung der Haftfestigkeit in der Anfangsstufe und nach einem Wärmezyklus
Wie in der 6 dargestellt, wurde ein Teststück, das drei keramischen Teilen entsprach, aus dem Filter 1 herausgeschnitten und auf ein zentrales keramisches Teil wurde eine Belastung einwirken gelassen, um die Belastung, welche die Ablösung bewirkt, zu bestimmen. Darüber hinaus wurde das Teststück einem Wärmezyklustest bei Raumtemperatur bis 900 °C unterworfen, um das schnelle Erhitzen und Abkühlen von Raumtemperatur auf 900 °C bei der praktischen Verwendung zu simulieren.
Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse, die für die Haftfestigkeit in der Anfangsstufe und nach dem Wärmezyklus (nach 100 Zyklen) zwischen den benachbarten keramischen Teilen 2, 3, die den Filter 1 aufbauen, gemessen wurden. Darüber hinaus wird angenommen, dass der Grund dafür, warum die Haftfestigkeit nach dem Wärmezyklus verbessert war, auf die Sinterwirkung von Siliciumdioxid durch Erhitzen auf 900 °C zurückzuführen war.
Tabelle 1
Messung der Wärmeleitfähigkeit
Wie in 7 darstellt, wurde ein Teststück entsprechend vier keramischen Teilen herausgeschnitten und auf seinem äußeren Umfang mit einem Wärmeisolator bedeckt und in eine Heizeinrichtung 6 eingeführt, um ein 20-minütiges Erhitzen durchzuführen. Die Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 wurde bestimmt.
Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse, die als Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2, wie in 7 dargestellt, gemessen wurde für die Beispiele 1 bis 3 und das Vergleichsbeispiel. Tabelle 2
Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, weist der Filter, in dem der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper verwendet wird, eine sehr hohe Haftfestigkeit sowohl bei hoher Temperatur als auch bei Raumtemperatur auf und er weist ausgezeichnete Wärmezyklus-Eigenschaften auf, sodass bestätigt wurde, dass die Beständigkeit (Haltbarkeit) als Filter ausgezeichnet war.
Außerdem weist dieser keramische Strukturkörper eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, sodass das Auftreten einer Spitzentemperatur in dem keramischen Teil, das im Innern des Filters angeordnet ist, vermindert werden kann und auch die Temperaturerhöhungszeit des keramischen Strukturkörpers, der an dem Randabschnitt angeordnet ist, verkürzt werden kann und dadurch der Regenerierungswirkungsgrad gleichzeitig verbessert werden kann.
Darüber hinaus ist der Aufbau des Filters 1, in dem der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper verwendet wird, nicht auf solche beschränkt, wie sie in den obigen Beispielen beschrieben sind, und der Aufbau kann beispielsweise wie folgt geändert werden:

(a) Die Anzahl der miteinander kombinierten keramischen Teile beträgt nicht notwendigerweise 12 wie in den Beispielen, sondern es ist jede beliebige Zahl möglich. In diesem Fall ist es natürlich möglich, keramische Teile mit unterschiedlichen Größen, Formen und dgl. in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Aufbaus, der durch Kombinieren von mehreren keramischen Teilen hergestellt worden ist, besonders vorteilhaft bei der Herstellung eines Filters für eine groß dimensionierte Abgasreinigungsvorrichtung.
(b) Der Filter 1 der obigen Beispiele kann angesehen werden als Teilstück eines so genannten großen Filters, der entlang der Längsachse in viele Teile unterteilt ist. Er kann daher angesehen werden beispielsweise als Teilstück des Filters in Form eines Doughnut, als Teilstück des Filters in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung und dgl.
(c) Es ist natürlich möglich, nicht nur die wabenförmigen keramischen Teile 2, 3, wie sie in den obigen Beispielen angegeben sind, zu verwenden, sondern es kann auch eine dreidimensionale Netzwerkstruktur, eine Schaumstruktur, eine Nudelstruktur, eine Faserstruktur und dgl. verwendet werden. Darüber hinaus kann das Material für die keramischen Elemente 2, 3 natürlich auch aus anderen Materialien als Siliciumcarbid ausgewählt werden.
(d) Im Falle der Herstellung des Filters 1 kann eine Heizeinrichtung zwischen den keramischen Teilen 2, 3 angeordnet sein. In diesem Fall ist die Heizeinrichtung nicht auf einen Metalldraht beschränkt. Das heißt, die Heizeinrichtung kann hergestellt werden nach einem Verfahren, wie z.B. durch Metallisierung, durch Aufdrucken einer elektrischen Leiterpaste, durch Zerstäuben oder dgl.

Obgleich die vorstehenden Beispiele unter Bezugnahme auf den Fall der Verwendung des erfindungsgemäßen keramischen Strukturkörpers als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung, die an einem Dieselmotor befestigt ist, beschrieben wurde, kann dieser keramische Strukturkörper beispielsweise auch als Wärmeaustauscher-Element oder als Filter zum Filtrieren eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit bei hoher Temperatur oder von Dampf bei hoher Temperatur zusätzlich zu dem Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben angegeben, ist der erfindungsgemäße keramische Strukturkörper ausgezeichnet in Bezug auf die Haftfestigkeit, unabhängig von der Temperatur, und außerdem ist er ausgezeichnet in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit, sodass dann, wenn er als Filter für eine Abgasreinigungsvorrichtung verwendet wird, es möglich ist, die Regenerationszeit zu verkürzen und den Regenerations-Wirkungsgrad und die Beständigkeit (Haltbarkeit) zu verbessern.

Claims

Filter zum Reinigen von Abgas, umfassend eine Anordnung von mehreren miteinander vereinigten Siliciumcarbid-Elementen, die jeweils eine Vielzahl von durchgehenden Bohrungen (Löchern) aufweisen, die in Richtung der Längsachse nebeneinander angeordnet sind, wobei die Stirnflächen auf beiden Seiten dieser durchgehenden Bohrungen (Löcher) in der Art eines Schachbrettmusters abwechselnd so verschlossen sind, dass sie auf der Gaseinlassseite und der Gasauslassseite jeweils offen bzw. geschlossen sind und benachbarte durchgehende Bohrungen (Löcher) durch poröse Trennwände hindurch durchlässig sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Siliciumcarbid-Elemente zu einer integralen Einheit miteinander verbunden ist durch Anordnen eines Abdichtungselements, umfassend anorganische Fasern, ein anorganisches Bindemittel, ein organisches Bindemittel und anorganische Teilchen zwischen den Siliciumcarbid-Elementen, mit miteinander verbundenen, sich dreidimensional überschneidenden anorganischen Fasern und anorganischen Teilchen mit dem anorganischen Bindemittel und organischen Bindemittel zwischen den Keramik-Elementen.
Filter zum Reinigen von Abgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als organisches Bindemittel ein Polysaccharid verwendet wird.
Filter zum Reinigen von Abgas nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharid mindestens ein solches, ausgewählt aus der Gruppe Polyvinylalkohol, Methylcellulose, Ethylcellulose und Carboxymethylcellulose, ist.
Filter zum Reinigen von Abgas nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Siliciumcarbid vom α-Typ umfasst.
Filter zum Reinigen von Abgas nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Metallelemente von dem Filter zum Reinigen von Abgas getragen werden.
Filter zum Reinigen von Abgas nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid der Metallelemente von dem Filter zum Reinigen von Abgas getragen wird.
Filter zum Reinigen von Abgas nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Keramik-Elementen (2, 3) eine Heizeinrichtung vorgesehen ist.
Filter zum Reinigen von Abgas nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Keramik-Elementen (2, 3) keine Heizeinrichtung vorgesehen ist.