EP2755741A1 - Élément en nid d'abeille a coins renforces - Google Patents

Élément en nid d'abeille a coins renforces

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Publication number
EP2755741A1
EP2755741A1 EP12773022.4A EP12773022A EP2755741A1 EP 2755741 A1 EP2755741 A1 EP 2755741A1 EP 12773022 A EP12773022 A EP 12773022A EP 2755741 A1 EP2755741 A1 EP 2755741A1
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EP
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thickness
corner
monolithic
section
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12773022.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Bernard Bouteiller
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Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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Filing date
Publication date
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24149—Honeycomb-like

Definitions

  • the invention relates to the field of honeycomb structures, more particularly for thermal applications, in particular heat exchangers or particulate filters used in an exhaust line of an engine for the removal of soot produced by the combustion of a diesel fuel or gasoline in an internal combustion engine.
  • Filtration structures for soot contained in the exhaust gas of an internal combustion engine are well known in the prior art. These structures most often have a honeycomb structure, one of the faces of the structure for the admission of the exhaust gases to be filtered and the other side the exhaust of the filtered exhaust gases.
  • the structure comprises, between the intake and discharge faces, a set of adjacent ducts or channels of axes parallel to each other separated by porous filtration walls, which ducts are closed to one or the other of their ends for delimiting input chambers s' opening according to the inlet face and outlet chambers opening along the discharge face.
  • the peripheral part of the structure is most often surrounded by a coating cement.
  • the channels or conduits are alternately closed in an order such that the exhaust gases, during the crossing of the honeycomb body, are forced to pass through the side walls of the inlet channels to join the outlet channels. In this way, the particles or soot are deposited and accumulate on the porous walls of the filter body.
  • Filter bodies used in automotive exhaust lines are porous ceramic material, for example cordierite, aluminum titanate or silicon carbide or silicon nitride.
  • the particulate filter is subjected to a succession of filtration phases (accumulation of soot) and regeneration (removal of soot).
  • filtration phases the soot particles emitted by the engine are retained and are deposited inside the filter.
  • regeneration phases the soot particles are burned inside the filter, in order to restore its filtration properties.
  • the porous structure is then subjected to intense thermomechanical stresses, which can cause microcracks likely over time to cause a severe loss of filtration capacity of the unit, or even its complete deactivation. This phenomenon is particularly observed on monolithic filters of large diameter. It has indeed been observed, operating in an exhaust line, that the thermal gradient between the center and the periphery of such structures is even higher than the dimensions of the monolith are important.
  • unitary elongate elements are firstly extruded from a loose slip of particles of the preceding material, most often including porogenic organic materials, and then fired in such a way as to obtain elements in particular. honeycomb, suitable for the filtration of particulate-laden gases by the porous walls that constitute them.
  • honeycomb suitable for the filtration of particulate-laden gases by the porous walls that constitute them.
  • unitary ceramic elements or monoliths have a section in a polygonal radial section, usually of quadrangular type, in particular square.
  • the sections may be triangular or even more rarely hexagonal or a mixture of these different forms (triangular, quadrangular, hexagonal).
  • unitary elements of square section are assembled by means of a seal cement first affixed to the outer walls of the unitary elements, then baked at a generally temperature typically less than 1000 ° C, so as to ensure the assembly a sufficient cohesion, without stiffening it in proportions that tend to to render its mechanical properties comparable to that of a monolithic structure of the same size.
  • the applicant company has found that the assembly of monolithic ceramic honeycomb elements poses reliability problems of the process for obtaining the assembled filter, especially when one or more peripheral elements in the assembly are subjected to a transverse stress, that is to say in the plane perpendicular to the direction formed by the channels of the Honeycomb.
  • a transverse stress that is to say in the plane perpendicular to the direction formed by the channels of the Honeycomb.
  • Such a solicitation results in particular from the forces applied during the abrasion and the elimination of the peripheral portions of the assembled filter, with a view to its resizing. If the cement does not allow sufficient grip, it is common that some of the unitary elements, including the most peripheral in the assembly, then detach from the entire structure.
  • the surface of the ceramic honeycomb unit elements is also very smooth and the attachment of the cement nevertheless seems to require cements having a very strong adhesion. As previously described, this strong adhesion can quickly be problematic because it helps to stiffen the whole structure. In such a case, when the final assembled filter is subjected to high temperatures related to the burning of soot (typically more than 800 ° C), the expansion phenomena can then create internal mechanical stresses likely to damage and dissociate the together, as explained previously.
  • radial mechanical stresses means stresses contributing to dissociating the unit blocks of the assembly with respect to the main central axis of the assembly parallel to the channels of the honeycombs.
  • the assembly can also be weakened during handling operations when the cement is not yet completely set and when the hardening is not completed.
  • the most peripheral elements, in particular those whose essential of the initial material must be eliminated during the machining, are obviously those which have the greatest probability of detaching.
  • the present invention therefore essentially aims to solve the previously discussed manufacturing problems and in particular to provide elements for the formation of a structure formed by the assembly of honeycombs maintaining its integrity even under strong radial mechanical stresses , of the type exercised during of its machining in order to obtain the final external dimensions of the structure.
  • the present invention relates in a first aspect to a monolithic honeycomb element comprising a set of adjacent conduits parallel axes between them separated by walls made of a porous material.
  • the element has, in a cross section, a polygonal section, in particular quadratic, delimited by external wall elements of average thickness E. It is characterized in that at least one corner of said polygon, preferably all corners of the polygon, present, according to the bisector of the angle at said corner, an excess thickness e c , so that the total thickness E c of the outer wall, also measured along the bisector of the angle at said corner, is greater than the average thickness E (expressed in the same unit) of said outer walls by a factor of at least 1.43.
  • said excess thickness e c is obtained at least partly by an additional material disposed on the outer face of said corner.
  • the monolithic element has a section, in a cross section, of substantially quadratic or triangular shape and the corners have aperture angles at the vertex a between 60 and 120 °.
  • the monolithic element has a section, in a cross section, of substantially square shape.
  • Said overthickness has a substantially rounded outer edge s' registering in a radius of curvature R between 0.3 and 3 mm.
  • Said excess thickness in cross-section, extends over a length li and has a maximum value e 1 according to the first wall element constituting the corner and over a length 1 2 and said extra thickness has a maximum value e 2 according to the second element wall forming the corner, so that:
  • the lengths li and 1 2 described above are substantially equal.
  • the ratio of the total thickness E c of the external wall, also measured along the bisector of the angle at the said corner (11), to the average thickness E of the said walls is greater than or equal to 1.45; preferably greater than 1.5 and most preferably greater than 1.6.
  • the ratio of the total thickness E c of the external wall, also measured along the bisector of the angle at the said corner, to the average thickness E is less than or equal to 2.8, preferably less than or equal to 2.5 and even more preferably less than 2.
  • the average thickness E of the outer walls of the channels is between 100 and 1000 microns, preferably between 300 and 800 microns.
  • the thickness of the inner walls of the channels is between 100 and 1000 microns, preferably between 200 and 600 microns.
  • said ducts are closed by plugs to one or the other of their ends to define inlet ducts opening along a gas intake face and outlet ducts opening along a gas evacuation face, so that the gas passes through the walls porous.
  • the porous material is silicon carbide (SiC), silicon nitride or aluminum titanate, in particular silicon carbide.
  • the porous material constituting the unitary element is, for example, recrystallized silicon carbide at a temperature of between 2100 and 2400 ° C.
  • the present invention also relates to a structure, in particular a particle filter, obtained by assembling a plurality of monolithic elements as previously described, said elements being bonded by a joint cement.
  • the ratio of the excess thickness ei on the average thickness of the joint cement between two constituent elements (measured according to the same unit, of course), according to said transverse plane, is less than or equal to 0, 4 and / or the ratio of the excess thickness e 2 on the average thickness of joint cement, always according to said transverse plane, is less than or equal to 0.4.
  • these two ratios are less than or equal to 0.4.
  • the joint cement comprises grains and / or a matrix of a ceramic nature.
  • said elements and the joint cement essentially comprise the same ceramic material, and preferably are based on silicon carbide (SiC).
  • SiC silicon carbide
  • FIG. 1 schematizes a cross-section and in perspective of a monolithic element according to the invention.
  • FIG. 2 diagrammatically and in more detail voluntarily exaggerates, according to this same cross-section, the corner portion of the monolithic element according to the invention.
  • all the monolithic elements are advantageously obtained by extrusion of a loose paste, for example silicon carbide, to form after baking a porous honeycomb structure.
  • a loose paste for example silicon carbide
  • the shape of the extruder head is configured according to conventional methods, for example as described in US Pat. No. 5,761,787, for obtaining and forming honeycomb elements having the wedge thicknesses according to the invention. , as schematized in Figures 1 and 2 which follow.
  • FIG. 1 the extruded structure is presented according to FIG. 1 in the form of a block or monolithic unitary element 1 whose external shape is that of a rectangular parallelepiped extending along a longitudinal axis between its faces. upstream and downstream. Its cross section is substantially square. On the ends of the elements 1 open a plurality of adjacent channels 2, 3, whose main axis is parallel to the longitudinal axis L of the block.
  • the extruded porous structures may be alternately plugged on their upstream face or on their downstream face by upstream and downstream plugs, respectively, to form outlet channels 3 and inlet channels 2, respectively, for the formation of filtering structures.
  • Each channel 2 or 3 then defines an interior volume delimited by internal walls 4, a closure plug (not shown in the figures) disposed either on the upstream face for an outlet channel, or on the downstream face for a control channel. an inlet and an opening opening alternately towards the downstream face or the upstream face, such that the inlet and outlet channels 3 and 3 are in fluid communication by the internal walls 4.
  • monolithic unit elements 1 are assembled together by bonding by means of a cement cement of a ceramic nature, for example also based on silicon carbide, into a filtration structure or filter assembled.
  • the assembly thus formed must then be machined to take, for example, a round or ovoid section, then for example to be covered with a coating cement to seal and have a smooth outer surface.
  • the section transversal input channels 2 is different from that of the output channels 3.
  • the cross sections of the input channels 2 are greater than those of the output channels 3, to increase the overall volume of the input channels at the expense of that of the exit channels.
  • the walls 4 follow one another in cross-section and in a horizontal (along the x-axis) or vertical (along the y-axis) row of channels to define a sinusoidal or wave shape. (wavy in English).
  • the wall elements wave substantially a half-period of sinusoid over the width of a channel.
  • the storage capacity of the particles per unit element 1 is thus advantageously increased.
  • the cross sections of the input and output channels were identical and the walls 4 planar.
  • FIG. 2 diagrammatically and in greater detail shows, in the same cross section, the corner portion of the monolithic element described in FIG. 1. More precisely, FIG. 2 illustrates in greater detail (and in an exaggerated manner to facilitate comprehension and reading), the profile of the wedges 11 having extra thicknesses 10.
  • the filtering elements are therefore characterized, at the wedge 11, by the presence of an excess thickness 10, in the form a supplementary material disposed at the outer portion 12 of the corner 11.
  • This extra thickness is characterized by an additional layer of material relative to the conventional configuration described in the documents of the art, illustrated for example in the application EP0816065.
  • the two wall elements 6 and 7 meet to form the outer corners of the unitary element, according to straight edges having an angle of 90 °, to form outer edges along the entire length of the element.
  • an additional quantity of material of a thickness e c measured along the bisector 13 of the angle formed by the wall elements 6 and 7, is disposed at said corner 11.
  • this additional quantity of material is present on the outer side (the edge) 12 of the corner of the element such that, along said bisector 13, the value e c contributes to the total thickness E c of the outer wall, and in such a way that said total thickness E c of the wall, again according to this same bisector, is greater than the average thickness E of said walls 6 and 7 by a factor of at least 1, 43, preferably at least 1, 45 or even at least 1.5, or very preferably at least 1.6.
  • said extra thickness preferably has a rounded outer edge, in particular inscribed in a radius of curvature R between 0.3 and 3 mm, the center of the circle inscribed along the rounded outer edge being placed on said bisector 13.
  • said excess thickness extends over a length li on the first wall element 6 constituting the wedge 11 (that is to say in the X direction) and over a length 1 2 on the second wall element 7 constituting the corner 11 (that is to say in the Y direction).
  • the ratio of the lengths li and 1 2 is between 0.5 and 2 and very preferably is close to 1 or equal to 1.
  • said excess thickness 10 has a maximum value ei vis-vis the first wall element 7 constituting the corner and a maximum value ⁇ 2 vis-a-vis the second wall element 6 constituting the corner.
  • the ratio of the lengths e 1 and e 2 is between 0.5 and 2 and very preferably is close to 1 or equal to 1.
  • the element channel density is from 1 to about 280 c / cm 2 , preferably from about 14 to about 62 c / cm 2 .
  • the extra thickness at the corners preferably extends over the entire length L of the element, from the upstream face to the downstream face.
  • a population of monolithic elements in the form of a honeycomb and, for example, those described in patents EP 816065, EP 1142619, EP 1455 923 or WO 2004/090294, has been synthesized according to the techniques of the art, for example silicon carbide.
  • a SiC powder whose grains have a median diameter d 5 o of 10 microns are mixed initially with a second one.
  • the median pore diameter d 5 o is the diameter of the particles such as respectively 50% of the total population of grains has a size smaller than this diameter.
  • a porogen of the polyethylene type in a proportion equal to 5% by weight of the total weight of the SiC grains and a methylcellulose type shaping additive in a proportion equal to 10% by weight of the total weight of the SiC grains.
  • the quantity of water required is then added and kneaded to obtain a homogeneous paste whose plasticity allows extrusion through a die configured to obtain monolithic blocks of square section and whose internal channels have a cross section. illustrated schematically in Figure 1.
  • the half-period p ripples is 1.83mm.
  • the green monoliths obtained are dried by microwave for a time sufficient to bring the water content not chemically bound to less than 1% by weight.
  • the channels of each face of the monolith are alternately blocked according to well-known techniques, for example described in application WO 2004/065088.
  • the monoliths (elements) are debonded then baked under argon according to a rise in temperature of 20 ° C / hour until reaching a maximum temperature of 2200 ° C which is maintained for 6 hours.
  • the porous material obtained has an open porosity of 47% and a median pore diameter of the order of 15 microns.
  • the assembly is then machined by abrasion, the most peripheral parts being eliminated in order to constitute assembled filters of cylindrical shape.
  • a cement of the same composition as the joint cement is deposited at the periphery of the machined filter at an average thickness of 1 mm in order to smooth the outer surface of the cylindrical filters.
  • a plurality of assembled filters have thus been made from the unit elements.
  • Thickness Thickness max Thickness max li e c according to the total E c ei e 2 (mm) bisector according to ( ⁇ ) ( ⁇ )
  • the advantages of the present invention have been mainly exposed in relation to the honeycomb structures used as particulate filters in an exhaust line of an internal combustion engine, allowing the elimination of soot produced by the combustion of a diesel fuel or gasoline.
  • the invention is obviously not limited to such an application and also finds application in all areas where the previously discussed problems arise, particularly in the field of heat exchangers.

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Abstract

Élément monolithique en nid d'abeille (1) comprenant un ensemble de conduits adjacents (2,3) d'axes parallèles entre eux séparés par des parois ( 4 ) faites dans une matière poreuse, ledit élément (1) présentant, selon une coupe transversale, une section polygonale, notamment quadratique, délimitée par des éléments de parois extérieures (6-9), ledit élément se caractérisant en ce qu'au moins un coin (11) dudit polygone, de préférence tous les coins du polygone, présente, selon la bissectrice (13) de l'angle au niveau dudit coin (11), une surépaisseur ec, de telle sorte que l'épaisseur totale Ec de la paroi externe, également mesurée selon ladite bissectrice (13) de l'angle au niveau dudit coin (11), soit supérieure à l'épaisseur moyenne E desdites parois extérieures d'un facteur d'au moins 1,43, ladite surépaisseur ec étant obtenue au moins pour partie par un supplément (10) de matière poreuse sur la face externe dudit coin.

Description

ELEMENT EN NID D ' ABEILLE A COINS RENFORCES
L'invention se rapporte au domaine des structures en nid d'abeille, plus particulièrement pour les applications thermiques, notamment les échangeurs thermiques ou les filtres à particules utilisés dans une ligne d ' échappement d'un moteur pour l'élimination des suies produites par la combustion d'un carburant diesel ou essence dans un moteur à combustion interne. Les structures de filtration pour les suies contenues dans les gaz d'échappement de moteur à combustion interne sont bien connues de l'art antérieur. Ces structures présentent le plus souvent une structure en nid d'abeille, une des faces de la structure permettant l'admission des gaz d'échappement à filtrer et l'autre face l'évacuation des gaz d'échappement filtrés. La structure comporte, entre les faces d'admission et d'évacuation, un ensemble de conduits ou canaux adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois poreuses de filtration, lesquels conduits sont obturés à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des chambres d'entrée s ' ouvrant suivant la face d'admission et des chambres de sortie s'ouvrant suivant la face d'évacuation. Pour une bonne étanchéité, la partie périphérique de la structure est le plus souvent entourée d'un ciment de revêtement. Les canaux ou conduits sont alternativement obturés dans un ordre tel que les gaz d'échappement, au cours de la traversée du corps en nid d'abeille, sont contraints de traverser les parois latérales des canaux d'entrée pour rejoindre les canaux de sortie. De cette manière, les particules ou suies se déposent et s'accumulent sur les parois poreuses du corps filtrant. Le plus souvent, les corps filtrants utilisés dans les lignes d'échappement automobile sont en matière céramique poreuse, par exemple en cordiérite, en titanate d'aluminium ou en carbure de silicium ou encore en nitrure de silicium.
De façon connue, durant sa mise en œuvre, le filtre à particules est soumis à une succession de phases de filtration (accumulation des suies) et de régénération (élimination des suies) . Lors des phases de filtration, les particules de suies émises par le moteur sont retenues et se déposent à l'intérieur du filtre. Lors des phases de régénération, les particules de suie sont brûlées à l'intérieur du filtre, afin de lui restituer ses propriétés de filtration. La structure poreuse est alors soumise à des contraintes thermo-mécaniques intenses, qui peuvent entraîner des micro-fissurations susceptibles sur la durée d'entraîner une perte sévère des capacités de filtration de l'unité, voire sa désactivâtion complète. Ce phénomène est particulièrement observé sur des filtres monolithiques de grand diamètre. Il a en effet été observé, en fonctionnement dans une ligne d'échappement, que le gradient thermique entre le centre et la périphérie de telles structures est d'autant plus élevé que les dimensions du monolithe sont importantes .
Pour résoudre ces problèmes et augmenter la durée de vie des filtres, il a été proposé plus récemment des structures de filtration associant plusieurs blocs ou éléments monolithiques en nid d'abeille. Les éléments sont le plus souvent assemblés entre eux par collage au moyen d'une colle ou d'un ciment de nature céramique, appelés dans la suite de la description ciment de joint. Des exemples de telles structures filtrantes sont par exemple décrits dans les demandes de brevets EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923, WO 2004/090294 ou encore WO 2005/063462. Afin d'assurer une meilleure relaxation des contraintes dans une structure assemblée, il est connu que les coefficients de dilatation thermique des différentes parties de la structure (éléments de filtration, ciment de revêtement, ciment de joint) doivent être sensiblement du même ordre. De ce fait, lesdites parties sont avantageusement synthétisées sur la base d'un même matériau, le plus souvent le carbure de silicium (SiC), la cordiérite ou le titanate d'aluminium. Ce choix permet en outre d'homogénéiser la répartition de la chaleur lors de la régénération du filtre.
Lors du procédé de fabrication de telles structures filtrantes, des éléments allongés unitaires sont dans un premier temps extrudés à partir d'une barbotine meuble de particules du matériau précédent incluant le plus souvent des matériaux organiques porogènes, puis cuits de manière à obtenir des éléments en nid d'abeille, apte à la filtration des gaz chargés en particules par les parois poreuses qui les constituent. Ces éléments céramiques unitaires ou monolithes présentent une section selon une coupe radiale polygonale, le plus souvent de type quadrangulaire, en particulier carrée.
Selon d'autres modes possibles, les sections peuvent être triangulaires ou encore plus rarement hexagonales ou un mélange de ces différentes formes (triangulaire, quadrangulaire, hexagonale) .
Classiquement dans le procédé d'obtention d'une structure en nid d'abeille de grande taille (que les parois soient obturées ou non par des bouchons à l'une ou l'autre des extrémités), des éléments unitaires de section carré (qu'on prendra pour référence dans la suite de la description sans pourtant s'y limiter) sont assemblés au moyen d'un ciment de joint d'abord apposé sur les parois externes des éléments unitaires, puis cuit à généralement une température typiquement inférieure à 1000 °C, de façon à assurer à l'assemblage une cohésion suffisante, sans pour autant le rigidifier dans des proportions qui tendent à rendre ses propriétés mécaniques comparables à celle d'une structure monolithique de même taille.
La production des structures assemblées est donc nécessairement le résultat d'un compromis entre l'adhérence souhaitée entre les éléments unitaires et une valeur limitée de la rigidité globale de la structure assemblée finalement obtenue .
Un tel problème est d' autant plus crucial que la structure assemblée doit le plus souvent faire l'objet d'un réajustement de ses dimensions extérieures pour l'adapter à son logement dans la ligne d'échappement. Le plus souvent, la structure de grande dimension doit par exemple se présenter sous la forme d'un cylindre allongé, de section plus ou moins elliptique selon le cahier des charges imposé par chaque constructeur automobile (on entend ici par constructeur automobile, le constructeur de véhicules particuliers mais aussi celui qui réalise des véhicules utilitaires, notamment des camions) . Pour obtenir de telles formes adaptées, il est nécessaire d'éliminer la partie périphérique des structures assemblées à partir des éléments de section carrée par abrasion et de recouvrir finalement le filtre découpé aux bonnes dimensions par un ciment de revêtement externe pour en lisser la surface externe, selon les principes décrits par exemple dans les demandes EP 1142619 Al, EP 1516659 Al ou encore US 2006/289501 Al.
Cependant, lors de la mise en œuvre des différentes solutions décrites dans ces publications antérieures, la société déposante a pu constater que l'assemblage des éléments monolithiques céramique en nid d'abeille pose des problèmes de fiabilité du procédé d'obtention du filtre assemblé, notamment lorsqu'un ou plusieurs éléments périphériques dans l'assemblage sont soumis à une sollicitation transversale, c'est-à-dire dans le plan perpendiculaire à la direction formée par les canaux du nid d'abeille. Une telle sollicitation résulte en particulier des forces appliquées lors de l'abrasion et de l'élimination des portions périphériques du filtre assemblé, en vue de son redimensionnement . Si le ciment ne permet pas une accroche suffisante, il est fréquent que certains des éléments unitaires, notamment les plus périphériques dans l'assemblage, se détachent alors de l'ensemble de la structure.
La surface des éléments unitaires en nids d' abeille en céramique est en outre très lisse et l'accrochage du ciment semble pourtant nécessiter des ciments présentant une très forte adhésion. Comme décrit précédemment, cette forte adhésion peut rapidement être problématique car elle contribue à rigidifier l'ensemble de la structure. Dans un tel cas, lorsque le filtre assemblé final est soumis à des températures élevées liés au brûlage des suies (typiquement plus de 800°C) , les phénomènes de dilatation peuvent alors créer des contraintes mécaniques internes susceptibles d'endommager et de désolidariser l'ensemble, comme expliqué précédemment.
II a été proposé des solutions consistant à réduire la rigidité du ciment en utilisant des compositions conduisant à un matériau de joint présentant un module d'élasticité plus faible comme dans EP1249262. Des ensembles avec joints à base de fibres céramiques sont ainsi dévoilés par EP0816065, permettant une meilleure accroche.
D'autres solutions existent, qui consistent à réaliser des zones de non adhésion pour relaxer les contraintes ou réduire la rigidité de l'ensemble (FR2833857A1 ou FR2853256A1) . Ces solutions, qui apportent une amélioration sensible en ce qui concerne la tendance observée précédemment à la désolidarisation des éléments unitaires, restent cependant perfectibles, en particulier en ce qui concerne la résistance aux contraintes mécaniques radiales exercées sur la structure lors de l'étape de redimensionnement de la structure assemblé.
Au sens de la présente invention et comme indiqué précédemment, on entend par contraintes mécaniques radiales des contraintes contribuant à dissocier les blocs unitaires de l'assemblage par rapport à l'axe central principal de l'assemblage parallèles aux canaux des nids d'abeille. L'ensemble peut également être fragilisé lors de manipulations réalisées lorsque le ciment n'est pas encore complètement pris et lorsque le durcissement n'est pas achevé. Les éléments les plus périphériques, en particulier ceux dont l'essentiel de la matière initiale doit être éliminée lors de l'usinage, sont bien évidemment ceux qui présentent la plus grande probabilité de se détacher.
Des solutions existent visant à éliminer l'opération d'usinage comme par exemple EP1977808A1 en assemblant des blocs unitaires périphériques de forme finale. Le problème de la manipulation persiste. Par ailleurs cette solution est peu flexible industriellement car elle suppose la gestion d'au moins trois familles de blocs unitaires différents par forme de filtre et une adaptation des filières pour chacun des éléments. En outre les filières doivent être changées dès que la forme finale du filtre évolue. Ainsi, sur la base d'un eu de filière approprié et spécifique, cette solution ne permet de réaliser que des structures en nid d'abeille assemblées répondant à un diamètre extérieur fixé et unique, sans adaptation possible.
La présente invention a donc essentiellement pour but de résoudre les problèmes de fabrication précédemment exposés et en particulier de fournir des éléments pour la formation d'une structure formée par l'assemblage de nids d'abeille conservant son intégrité même sous de fortes contraintes mécaniques radiales, du type de celle exercées lors de son usinage afin d'obtenir les dimensions externes finales de la structure.
Plus précisément, la présente invention se rapporte selon un premier aspect à un élément monolithique en nid d'abeille comprenant un ensemble de conduits adjacents d'axes parallèles entre eux séparés par des parois faites dans une matière poreuse. L'élément présente, selon une coupe transversale, une section polygonale, notamment quadratique, délimitée par des éléments de parois extérieures d'épaisseur moyenne E. Il se caractérise en ce qu'au moins un coin dudit polygone, de préférence tous les coins du polygone, présente, selon la bissectrice de l'angle au niveau dudit coin, une surépaisseur ec, de telle sorte que l'épaisseur totale Ec de la paroi externe, mesurée également selon la bissectrice de l'angle au niveau dudit coin, soit supérieure à l'épaisseur moyenne E (exprimée dans la même unité) desdites parois extérieures d'un facteur d'au moins 1,43. Selon une autre caractéristique essentielle de la présente invention, ladite surépaisseur ec est obtenue au moins pour partie par un supplément de matière disposée sur la face externe dudit coin.
Selon des réalisations avantageuses de la présente invention, qui peuvent bien évidemment le cas échéant être combinées entre elles :
- L'élément monolithique présente une section, selon une coupe transversale, de forme sensiblement quadratique ou triangulaire et les coins présentent des angles d'ouverture au sommet a compris entre 60 et 120°.
- L'élément monolithique présente une section, selon une coupe transversale, de forme sensiblement carrée.
- Ladite surépaisseur présente un bord externe sensiblement arrondie s' inscrivant dans un rayon de courbure R compris entre 0,3 et 3 mm.
- Ladite surépaisseur, selon une coupe transversale, s'étend sur une longueur li et présente une valeur maximale ei selon le premier élément de paroi constituant le coin et sur une longueur 12 et ladite surépaisseur présente une valeur maximale e2 selon le second élément de paroi constituant le coin, de telle sorte que :
Les longueurs li et 12 décrites précédemment sont sensiblement égales.
- Les surépaisseurs ei et e2 décrites précédemment sont sensiblement égales.
- Le rapport de l'épaisseur totale Ec de la paroi externe, mesurée également selon la bissectrice de l'angle au niveau dudit coin (11), sur l'épaisseur moyenne E desdites parois est supérieur ou égal à 1,45, de préférence supérieur à 1,5 et de façon très préférée supérieur à 1,6.
- Le rapport de l'épaisseur totale Ec de la paroi externe, mesurée également selon la bissectrice de l'angle au niveau dudit coin, sur l'épaisseur moyenne E est inférieur ou égal à 2,8, de préférence inférieur ou égal à 2,5 et de manière encore plus préférée inférieur à 2.
- L'épaisseur moyenne E des parois externes des canaux est comprise entre 100 et 1000 microns, de préférence entre 300 et 800 microns.
- L'épaisseur des parois internes des canaux est comprise entre 100 et 1000 microns, de préférence entre 200 et 600 microns.
- Lesdits conduits sont obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des conduits d'entrée s'ouvrant suivant une face d'admission des gaz et des conduits de sortie s'ouvrant suivant une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz traverse les parois poreuses.
- Ladite surépaisseur s'étend sur toute la longueur de
1' élément .
- La matière poreuse est du carbure de silicium (SiC) , du nitrure de silicium ou du titanate d'aluminium, en particulier du carbure de silicium. Le matériau poreux constituant l'élément unitaire est par exemple du carbure de silicium recristallisé à une température comprise entre 2100 et 2400°C.
Selon un autre aspect, la présente invention se rapporte également à une structure, notamment un filtre à particules, obtenu par 1 ' assemblage d ' une pluralité d ' éléments monolithiques tels que précédemment décrits, lesdits éléments étant liés par un ciment de joint.
De préférence, dans une telle structure, le rapport de la surépaisseur ei sur l'épaisseur moyenne du ciment de joint entre deux éléments constitutifs (mesurées selon la même unité, bien évidemment) , selon ledit plan transversal, est inférieur ou égal à 0,4 et/ou le rapport de la surépaisseur e2 sur l'épaisseur moyenne de ciment de joint, toujours selon ledit plan transversal, est inférieur ou égal à 0,4. De préférence ces deux rapports sont inférieurs ou égaux à 0,4.
De préférence, le ciment de joint comporte des grains et/ou une matrice de nature céramique .
Avantageusement, au sein du filtre, lesdits éléments et le ciment de joint comprennent essentiellement le même matériau céramique, et préférentiellement sont à base de carbure de silicium (SiC) . L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de différents modes de réalisations de l'invention qui suivent, respectivement illustrés par les figures 1 et 2.
La figure 1 schématise une coupe transversale et en perspective d'un élément monolithique selon l'invention.
La figure 2 représente schématiquement et plus en détail, de façon volontairement exagérée, selon cette même coupe transversale, la partie de coin de l'élément monolithique selon l'invention.
Selon des techniques bien connues, tous les éléments monolithiques sont avantageusement obtenus par extrusion d'une pâte meuble, par exemple en carbure de silicium, pour former après cuisson une structure poreuse en nid d'abeille. La forme de la tête d'extrudeuse est configurée selon les méthodes classiques, par exemple telles que décrites dans le brevet US 5,761,787, pour l'obtention et la formation d'éléments en nid d'abeille présentant les surépaisseurs en coin selon l'invention, telles que schématisées sur les figures 1 et 2 qui suivent.
Sans que cela puisse être considéré comme restrictif, la structure extrudée se présente selon la figure 1 sous forme d'un bloc ou élément unitaire monolithique 1 dont la forme extérieure est celle d'un parallélépipède rectangle s 'étendant selon un axe longitudinal entre ses faces amont et aval. Sa section transversale est sensiblement carrée. Sur les extrémités des éléments 1 débouchent une pluralité de canaux 2, 3 adjacents, dont l'axe principal est parallèle à l'axe longitudinal L du bloc.
De façon connue mais non représentée sur les figures, les structures poreuses extrudées peuvent être alternativement bouchées sur leur face amont ou sur leur face aval par des bouchons amont et aval, respectivement, pour former des canaux de sortie 3 et des canaux d'entrée 2, respectivement, pour la formation de structures filtrantes. Chaque canal 2 ou 3 définit alors un volume intérieur délimité par des parois internes 4, un bouchon d'obturation (non représenté sur les figures) disposé soit sur la face amont pour un canal de sortie, soit sur la face aval pour un canal d'entrée et une ouverture débouchant alternativement vers la face aval ou la face amont, de telle façon que les canaux d'entrée 2 et de sortie 3 sont en communication de fluide par les parois internes 4.
De manière connue et non représentée sur les figures, plusieurs éléments unitaires monolithes 1 sont assemblés entre eux par collage au moyen d'un ciment de joint de nature céramique, par exemple également à base de carbure de silicium, en une structure de filtration ou filtre assemblé. L'assemblage ainsi constitué doit être ensuite usiné pour prendre, par exemple, une section ronde ou ovoïde, puis par exemple être recouvert d'un ciment de revêtement pour en assurer l'étanchéité et présenter une surface externe lisse.
Lorsque les éléments monolithiques sont bouchés tels que précédemment décrit, il en résulte un filtre assemblé apte à être inséré dans une ligne d'échappement, selon des techniques bien connues. En fonctionnement, le flux des gaz d'échappement entre dans le filtre par les canaux d'entrée 2, puis traverse les parois internes filtrantes 4 de ces canaux pour rejoindre les canaux de sortie 3. Pour plus de précision en ce qui concerne la structure des éléments monolithiques et leur assemblage pour la formation d'un filtre, on pourra par exemple se reporter aux demandes EP 1142619, WO 05/063462 ou encore WO 05/016491.
Dans le mode représenté sur la figure 1, la section transversale des canaux d'entrée 2 est différente de celle des canaux de sortie 3. Ainsi, les sections transversales des canaux d'entrée 2 sont supérieures à celles des canaux de sortie 3, afin d'accroître le volume global des canaux d'entrée aux dépens de celui des canaux de sortie. Dans le mode illustré par les figures, les parois 4 se succèdent, en coupe transversale et en suivant un rang horizontal (selon l'axe x) ou vertical (selon l'axe y) de canaux, pour définir une forme sinusoïdale ou en vague (wavy en anglais) . Les éléments de paroi ondulent par exemple sensiblement d'une demi-période de sinusoïde sur la largeur d'un canal.
Dans une application de la structure comme filtre, la capacité de stockage des particules par élément unitaire 1 est ainsi avantageusement augmentée. On ne sortirait cependant pas de l'invention si les sections transversales des canaux d'entrée et de sortie étaient identiques et les parois 4 planes.
Des éléments de paroi externes 6, 7, 8, 9 d'épaisseur E complètent et entourent les parois internes 4. Ces éléments de paroi se rejoignent et se recoupent deux à deux suivant une bissectrice, au niveau de coins présentant des angles d'ouverture au sommet a= 90° pour la structure de section carrée représentée sur la figure 1.
Sur la figure 2, on a représenté schématiquement et plus en détail, selon la même coupe transversale, la partie de coin de l'élément monolithique décrit sur la figure 1. Plus précisément, la figure 2 illustre plus en détail (et de façon exagérée pour en faciliter la compréhension et la lecture) , le profil des coins 11 présentant des surépaisseurs 10. Selon l'invention, les éléments filtrants se caractérisent donc, au niveau du coin 11, par la présence d'une surépaisseur 10, sous la forme d'un supplément de matière disposé au niveau de la partie externe 12 du coin 11. Cette surépaisseur est caractérisée par une couche supplémentaire de matière par rapport à la configuration classique décrite dans les documents de l'art, illustrée par exemple dans la demande EP0816065.
Plus précisément, selon la configuration classique et tel que représentée par les lignes en pointillés sur la figure 2, les deux éléments de parois 6 et 7 se rejoignent pour former les coins extérieurs de l'élément unitaire, selon des bords droits présentant un angle de 90°, pour former des arêtes extérieures sur toute la longueur de l'élément.
Selon l'invention et tel que représentée sur la figure 1, une quantité supplémentaire de matière, d'une épaisseur ec mesurée selon la bissectrice 13 de l'angle formé par les éléments de parois 6 et 7, est disposée au niveau dudit coin 11. Selon l'invention, cette quantité supplémentaire de matière est présente sur le côté (l'arête) extérieur 12 du coin de l'élément de telle façon que, selon ladite bissectrice 13, la valeur ec contribue à l'épaisseur totale Ec de la paroi externe, et de telle façon que ladite épaisseur totale Ec de la paroi, toujours selon cette même bissectrice, soit supérieure à l'épaisseur moyenne E desdites parois 6 et 7 d'un facteur d'au moins 1,43, de préférence d' au moins 1 , 45 ou même d' au moins 1 , 5 , ou encore de façon très préférée d'au moins 1,6.
Tel que représenté sur la figure 2, ladite surépaisseur présente préférentiellement un bord externe arrondi, en particulier s' inscrivant dans un rayon de courbure R compris entre 0,3 et 3 mm, le centre du cercle inscrit selon le bord extérieur arrondi se plaçant sur ladite bissectrice 13.
Selon l'invention, ladite surépaisseur s'étend sur une longueur li sur le premier élément de paroi 6 constituant le coin 11 (c'est-à-dire dans la direction X) et sur une longueur 12 sur le second élément de paroi 7 constituant le coin 11 (c'est-à-dire dans la direction Y) . De préférence, le rapport des longueurs li et 12 est compris entre 0,5 et 2 et de manière très préférée est proche de 1 ou égal à 1. Selon l'invention, ladite surépaisseur 10 présente une valeur maximale ei vis-vis du premier élément de paroi 7 constituant le coin et une valeur maximale Θ2 vis-vis du second élément de paroi 6 constituant le coin. De préférence, le rapport des longueurs ei et e2 est compris entre 0,5 et 2 et de manière très préférée est proche de 1 ou égal à 1.
Typiquement, la densité de canaux éléments est comprise entre 1 et environ 280 c/cm2, de préférence entre environ 14 et environ 62 c/cm2. Selon l'invention, la surépaisseur au niveau des coins s'étend de préférence sur toute la longueur L de l'élément, depuis la face amont jusqu'à la face aval.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de l'exemple qui suit, donné à titre purement illustratif.
Exemple :
Les éléments selon l'invention ont été synthétisés de manière classique:
Plus précisément, on a synthétisé selon les techniques de l'art, par exemple décrites dans les brevets EP 816065, EP 1142619, EP 1455 923 ou encore WO 2004/090294, une population d'éléments monolithiques en forme de nid d'abeille et en carbure de silicium.
Pour ce faire, de manière comparable au procédé décrit dans la demande EP 1 142 619, on mélange dans un premier temps 70% poids d'une poudre de SiC dont les grains présentent un diamètre médian d5o de 10 microns, avec une deuxième poudre de SiC dont les grains présentent un diamètre médian d5o de 0,5 micron. Au sens de la présente description, on désigne par diamètre médian de pore d5o le diamètre des particules tel que respectivement 50% de la population totale des grains présente une taille inférieure à ce diamètre. A ce mélange est ajouté un porogène du type polyéthylène dans une proportion égale à 5% poids du poids total des grains de Sic et un additif de mise en forme du type méthylcellulose dans une proportion égale à 10% poids du poids total des grains de SiC.
On ajoute ensuite la quantité d'eau nécessaire et on malaxe jusqu'à obtenir une pâte homogène dont la plasticité permet l'extrusion à travers une filière configurée pour l'obtention de blocs monolithes de section carrée et dont les canaux internes présentent une section transversale illustrée schématiquement en figure 1. La demi-période p des ondulations est de 1,83mm.
Les monolithes crus obtenus sont séchés par micro-onde pendant un temps suffisant pour amener la teneur en eau non liée chimiquement à moins de 1% en masse.
Les canaux de chaque face du monolithe sont alternativement bouchés selon des techniques bien connues, par exemple décrites dans la demande WO 2004/065088. Les monolithes (éléments) sont déliantés puis cuits sous argon selon une montée en température de 20°C/heure jusqu'à atteindre une température maximale de 2200 °C qui est maintenue pendant 6 heures.
Le matériau poreux obtenu, présente une porosité ouverte de 47% et un diamètre médian de pores de l'ordre de 15 micromètres .
Les caractéristiques structurales des éléments ainsi obtenus sont données dans le tableau 1 ci-après, en connexion avec les données déjà décrites dans la description précédente des figures 1 et 2. Pour la formation du filtre, 16 éléments (4x4) sont ensuite assemblés entre eux par collage au moyen d'un ciment de composition chimique suivante : 72% poids de Sic, 15% poids d'Al203, 11% poids de S1O2, le reste étant constitué par des impuretés ma oritairement de Fe2Û3 et d'oxydes de métaux alcalins et alcalino-terreux . L'épaisseur moyenne du joint entre deux blocs voisins est de l'ordre de 2 mm. La conductivité thermique du ciment de joint après traitement thermique est d'environ 2,1 W/m.K à la température ambiante et sa porosité ouverte mesurée est d'environ 38%.
L'ensemble est ensuite usiné par abrasion, les parties les plus périphériques étant éliminées afin de constituer des filtres assemblés de forme cylindrique. Un ciment de même composition que le ciment de joint est déposé à la périphérie du filtre usiné selon une épaisseur moyenne de 1mm afin de lisser la surface externe des filtres de forme cylindrique.
Une pluralité de filtres assemblés ont ainsi été confectionnés à partir des éléments unitaires .
Section Taille des Longueur des Géométrie des Densité de éléments éléments éléments canaux canaux
(section) (cm) internes (c/cm2)
(mm x mm)
carrée 35,8 35,8 25,4 « Wavy » Environ 30
Nombre Epaisseur du Diamètre Epaisseur des Epaisseur d' éléments j oint final du parois moyenne E des assemblés (mm) filtre internes parois assemblé (mm) (μπι) externes
(μπι)
16 1,2 144 370 650
Surépaisseur Epaisseur Epaisseur max Epaisseur max li ec selon la totale Ec ei e2 (mm) bissectrice selon la (μπι) (μπι)
(μπι) bissectrice
(μπι)
420 1136 300 300 10
12 Rayon de
(mm) courbure R
(mm)
10 2
Tableau 1 Lors de l'étape de redimensionnement des filtres, contrairement aux filtres connus de l'art, il n'a été constaté aucun arrachement des éléments unitaires périphériques des structures pré-assemblées, sous les forces permettant l'abrasion des parties périphériques du filtre. Un tel résultat indique sans conteste que les éléments filtrants polygonaux selon la présente l'invention, présentant un supplément de matière poreuse sur les faces externes des coins, permettent d'améliorer de manière significative de la cohésion des éléments filtrants au sein de la structure, notamment lorsque celle-ci doit être soumise à des contraintes mécaniques radiales importantes.
Dans la description qui précède, les avantages de la présente invention ont été principalement exposés en relation avec les structures en nid d'abeille utilisées comme filtres à particules dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, permettant l'élimination des suies produites par la combustion d'un carburant diesel ou essence. L'invention n'est bien évidemment pas limitée à une telle application et trouve également son application dans tous les domaines où les problèmes précédemment exposés se posent, en particulier dans le domaine des échangeurs thermiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Élément monolithique en nid d'abeille (1) comprenant un ensemble de conduits adjacents (2,3) d'axes parallèles entre eux séparés par des parois internes (4) faites dans une matière poreuse, ledit élément (1) présentant, selon une coupe transversale, une section polygonale, notamment quadratique, délimitée par des éléments de parois extérieures (6-9), ledit élément se caractérisant en ce qu'au moins un coin (11) dudit polygone, de préférence tous les coins du polygone, présente, selon la bissectrice (13) de 1 ' angle au niveau dudit coin (11), une surépaisseur ec, de telle sorte que l'épaisseur totale Ec de la paroi externe, également mesurée selon ladite bissectrice (13) de l'angle au niveau dudit coin (11), soit supérieure à l'épaisseur moyenne E desdites parois extérieures d'un facteur d'au moins 1,43, ladite surépaisseur ec étant obtenue au moins pour partie par un supplément (10) de matière sur la face externe dudit coin.
2. Élément monolithique selon la revendication 1 présentant une section, selon une coupe transversale, de forme sensiblement quadratique ou triangulaire et dont les coins présentent des angles d'ouverture au sommet a compris entre 60 et 120°.
3. Élément monolithique selon l'une des revendications 1 ou 2, présentant une section, selon une coupe transversale, de forme sensiblement carrée.
4. Élément monolithique selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel ladite surépaisseur présente un bord externe sensiblement arrondie s' inscrivant dans un rayon de courbure R compris entre 0,3 et 3 mm.
5. Élément monolithique selon l'une des revendications précédente, dans lequel selon une coupe transversale, ladite surépaisseur (10) s'étend sur une longueur li et présente une valeur maximale ei selon le premier élément de paroi (7) constituant le coin et sur une longueur 12 et présente une valeur maximale e2 selon le second élément de paroi (6) constituant le coin, et dans lequel :
6. Élément monolithique selon la revendication précédente, dans lequel les longueurs li et 12 sont sensiblement égales et/ou dans lequel les surépaisseurs ei et e2 sont sensiblement égales.
7. Élément monolithique selon l'une des revendications précédentes dans lequel le rapport de l'épaisseur totale Ec de la paroi externe, mesurée selon la bissectrice de l'angle au niveau dudit coin (11), sur l'épaisseur moyenne E desdites parois est supérieur ou égal à 1,45, de préférence supérieur à 1,5, et de manière très préférée supérieur à 1,6.
8. Elément monolithique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur moyenne E des parois externes des canaux est comprise entre 100 et 1000 microns.
9. Elément monolithique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits conduits sont obturés par des bouchons à l'une ou l'autre de leurs extrémités pour délimiter des conduits d'entrée (2) s ' ouvrant suivant une face d'admission des gaz et des conduits de sortie (3) s ' ouvrant suivant une face d'évacuation des gaz, de telle façon que le gaz traverse les parois poreuses (4) .
10. Elément monolithique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite surépaisseur (10) est présente sur toute la longueur de l'élément.
11. Elément monolithique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la matière poreuse est du carbure de silicium (SiC) ou du nitrure de silicium.
12. Structure assemblée, notamment filtre à particules, obtenu par 1 ' assemblage d ' une pluralité d ' éléments monolithiques selon l'une des revendications précédentes, lesdits éléments étant liés par un ciment de joint.
13. Structure assemblée selon la revendication précédente, dans laquelle le rapport de la surépaisseur ei sur l'épaisseur moyenne du ciment de joint entre deux éléments constitutifs, selon ledit plan transversal, est inférieur ou égal à 0,4 et/ou dans lequel le rapport de la surépaisseur e2 sur l' épaisseur moyenne de ciment de joint, selon ledit plan transversal, est inférieur ou égal à 0,4.
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