JP2007519505A - 構造強度が改善された非対称ハニカム・ウォールフロー・フィルタ - Google Patents

Abstract

ハニカム・フィルタは、第１の通路（２０８）と第２の通路（２１０）のアレイを画成する相互に連結した多孔質壁（２０６）のアレイを含む。第１の通路（２０８）は、第２の通路と側面で隣接し、第２の通路（２１０）よりも大きい水力直径を有する。第１の通路（２０８）は正方形の断面を有し、第１の通路の角部は、第１の通路（２０８）の角部に隣接する多孔質壁（２０６）の厚さ（ｔ₃）が第１と第２の通路（２０８，２１０）の縁に隣接する多孔質壁（２０６）の厚さ（ｔ₄）と同等であるような形状を有する。

Description

本発明は、ハニカム・ウォールフロー・フィルタに関する。

ハニカム・ウォールフロー・フィルタは、ディーゼル機関の排気ガスから炭質煤を除去するために用いられる。図１Ａは、入口端１０２、出口端１０４、および入口端１０２から出口端１０４に長手方向に延在する相互に連結した多孔質壁１０６のアレイを有する従来のハニカム・ウォールフロー・フィルタ１００を示している。相互に連結した多孔質壁１０６は、入口通路１０８と出口通路１１０の格子を画成する。入口端１０２では、出口通路１１０は充填材料１１２で端部が塞がれており、一方で、入口通路１０８は端部が塞がれていない。図面からは見えないが、出口端１０４では、入口通路１０８は充填材料１１２で端部が塞がれており、一方で、出口通路１１０は端部が塞がれていない。各入口通路１０８は全側面で出口通路１１０と隣接しており、またその逆も同様である。図１Ｂは、ハニカム・フィルタに用いられるセル構造の拡大図を示している。入口および出口通路（またはセル）１０８，１１０を画成している多孔質壁１０６は真っ直ぐであり、入口および出口通路１０８，１１０は、正方形の断面および等しい水力直径を有している。

図１Ａに戻る。ディーゼルの排気ガスが、入口通路１０８の塞がれていない端部を通ってハニカム・フィルタ１００に流入し、出口通路１１０の塞がれていない端部を通ってハニカム・フィルタから流出する。ハニカム・フィルタ１００の内部では、ディーゼルの排気ガスは、入口通路１０８から、多孔質壁１０６を通って出口通路１１０中に押し通される。ディーゼルの排気ガスがハニカム・フィルタ１００を流通するときに、煤と灰の粒子が多孔質壁１０６上に蓄積し、入口通路１０８の有効流動面積が減少する。有効流動面積が減少すると、ハニカム・フィルタを横切って圧力降下が発生し、これにより、ディーゼル機関に対する背圧が徐々に上昇してしまう。圧力降下が許容できなくなると、熱再生を用いて、ハニカム・フィルタ中に捕捉された煤粒子を除去する。金属酸化物粒子、潤滑油からの添加剤、硫酸塩などを含む灰粒子は、可燃性ではなく、熱再生によって除去することができない。熱再生中、過度の温度上昇が生じる。これは、ハニカム・フィルタに熱衝撃を与えたり、亀裂を生じたり、溶融さえすることがある。

ハニカム・フィルタが、熱再生に耐えるのに十分な構造強度を有することが望ましい。頻繁に熱再生を行う必要をなくすために、ハニカム・フィルタの、煤および灰の粒子を貯蔵する能力が高いことも望ましい。入口および出口通路が等しい水力直径を有するセラミック構造体について、入口通路の有効流動面積は、出口通路のものよりもずっと小さくなり、ハニカム・フィルタを横切って大きな圧力降下が生じ得る。この圧力降下を減少させることに対して提案された解決策の１つは、入口通路の水力直径（または有効流動断面積）を出口通路のものよりも大きくする工程を含む。このようにして、煤と灰の粒子が多孔質壁の入口部分に蓄積するにつれ、入口通路の有効流動面積は、出口通路のものと等しくなる傾向にある。

図１Ｂに示した従来のハニカム・セル構造について、入口通路１０８の水力直径は、出口通路１１０の水力直径を減少させることによって、出口通路１１０のものより大きくすることができる。図１Ｃは、出口通路１１０が入口通路１０８と比較して小さな水力直径を有するように出口通路１１０の水力直径を減少させた後の図１Ｂのハニカム・セル構造を示している。実施できる別の改変は、入口通路１０８の水力直径を増加させることである。この改変には、ハニカム・フィルタの入口部分において煤と灰の粒子を収集するのに利用できる有効表面積を増加させるという利点がある。これにより、ハニカム・フィルタの全体の貯蔵能力が最終的に増加する。図１Ｄは、入口通路１０８の水力直径を増加させた後の図１Ｃのハニカム・セル構造を示している。ハニカム・フィルタのセル密度を変更せずに、入口通路１０８の水力直径を増加させると、入口通路１０８の隣接する角部の間の壁厚がそれに対応して減少する（図１Ｄのｔ₂を図１Ｃのｔ₁と比較する）。入口通路の角部の間の壁がより薄くなるので、ハニカム・フィルタの構造強度が減少し、ハニカム・フィルタが、熱再生中に熱衝撃と亀裂形成をより受けやすくなってしまう。

上述した点に鑑みて、ハニカム・フィルタの構造強度を著しく減少させずに、ハニカム・フィルタを通る流量を良好に維持しながら、ハニカム・フィルタの貯蔵能力を改善する方法が望まれている。

本発明は、ある態様において、第１の通路と第２の通路のアレイを画成する相互に連結した多孔質壁のアレイを含むハニカム・フィルタに関する。第１の通路は、第２の通路と側面で隣接し、第２の通路よりも大きい水力直径を有する。第１の通路は正方形の断面を有し、第１の通路の角部は、第１の通路の角部に隣接する多孔質壁の厚さが第１と第２の通路の縁に隣接する多孔質壁の厚さと同等であるような形状を有する。

本発明は、別の態様において、正方形断面を持つ第１の通路および正方形断面を持つ第２の通路のアレイを画成する、相互に連結した多孔質壁のアレイを有してなるハニカム・フィルタに関する。第１の通路は、その縁で第２の通路と隣接している。第１の通路の縁は、隣接する第２の通路の縁とアライメントされている。第１の通路は、第２の通路よりも大きい水力直径を有する。

本発明は、さらに別の態様において、中央領域および周辺領域を有するセル形成ダイを備えた、ハニカム・フィルタを製造するための押出ダイ・アセンブリに関する。この中央領域は、第１と第２のピンのアレイを画成するように切り込まれた吐出スロットのアレイ、および吐出スロットのアレイと繋がった第１の供給孔のアレイを含む。周囲領域は少なくとも第２の供給孔を含む。第１のピンは第２のピンよりも大きい断面積を有する。第１のピンの断面形状は、吐出スロットの幅が実質的に均一になるように選択される。押出ダイ・アセンブリは、少なくとも第２の供給孔と選択的に繋がっている表皮スロットを画成するように、セル形成ダイと同軸に取り付けられ、セル形成ダイから半径方向に離れて置かれた表皮形成マスクも備えている。

本発明の他の特徴と利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになる。

ここで、添付の図面に示したいくつかの好ましい実施の形態を参照して、本発明を詳しく説明する。以下の説明において、本発明を完全に理解できるように、数々の特別な詳細を述べる。しかしながら、これらの特別な詳細の内のいくつかまたは全てを含まずに、本発明を実施してもよいことが当業者には明らかであろう。他の例において、本発明の不必要に分かりにくくしないように、よく知られた特徴および／またはプロセスの工程は、詳しく説明していない。本発明の特徴および利点は、図面および以下の説明を参照して、よりよく理解されるであろう。

説明目的のために、図２Ａは、本発明の実施の形態によるハニカム・ウォールフロー・フィルタ２００を示している。ハニカム・フィルタ２００は、表皮（または周囲壁）２０４により断面形状が画成された円柱体２０２を有する。表皮２０４の外形は、一般に、円形または楕円形であるが、本発明は、いずれの特定の表皮外形にも制限されない。円柱体２０２は、相互に連結した多孔質壁２０６のアレイを有し、これらのアレイは表皮２０４と交差している。多孔質壁２０６は、円柱体２０２内に入口通路２０８と出口通路２１０の格子を画成する。入口通路２０８と出口通路２１０は、円柱体２０２の長手方向に延在する。一般に、円柱体２０２は押出しにより製造される。一般に、円柱体２０２は、コージエライトや炭化ケイ素などのセラミック材料から製造されるが、ガラス、ガラスセラミック、プラスチック、および金属などの他の押出可能な材料から製造することもできる。

ハニカム・フィルタ２００は、流れ、例えば、排気ガス流を受け入れるための入口端２１２、および濾過された流れがそこを通ってハニカム・フィルタから流出できる出口端２１４を有する。入口端２１２では、出口通路２１０の端部部分が充填材料２１６により塞がれており、一方で、入口通路２０８の端部部分は塞がれていない。一般に、充填材料２１６は、コージエライトや炭化ケイ素などのセラミック材料から製造される。図面からは見えないが、出口端２１４では、入口通路２０８の端部部分が充填材料２１６により塞がれており、一方で、出口通路２１０の端部部分は塞がれていない。表皮２０４の周囲に近い部分セルは、一般に、充填材料により塞がれている。ハニカム・フィルタ２００の内部では、相互に連結した多孔質壁２０６により、入口通路２０８から出口通路２１０中に流れが生じる。多孔質壁２０６の気孔率は様々であってよい。一般に、気孔率は、ハニカム・フィルタの構造健全性が損なわれないようなものであるべきである。ディーゼル排気微粒子の濾過のためには、多孔質壁２０６は、１から６０μｍの範囲、より好ましくは１０から５０μｍの範囲の平均直径を有する細孔を含む。

図２Ｂは、ハニカム・フィルタ２００のセル構造の拡大図を示している。各入口通路２０８は出口通路２１０と隣接し、またその逆もまた同様である。ハニカム・フィルタ２００の使用中に流量を良好に維持するために、入口通路２０８は、出口通路２１０よりも大きい水力直径を有するように製造されている。図面において、入口通路２０８は正方形の形状を有しているが、その正方形の角部は丸み２１８も帯びている。丸み２１８の目的の１つは、入口通路２０８の隣接する角部の間の厚さ（ｔ₃）を、入口通路２０８と出口通路２１０との間の厚さ（ｔ₄）と同等にすることにある。ある実施の形態において、厚さｔ₃は、厚さｔ₄の約０．８から１．２倍の範囲にある。丸み２１８の半径は、多孔質壁の厚さが通路の周りで実質的に均一であるように選択される。丸み２１８の半径は、入口通路２０８の水力直径が、選択されたセル密度および閉じた前面面積について最大であるように選択してもよい。

以下の表１は、２００セル／平方インチ（約３１セル／ｃｍ²）のセル密度および４７％の閉じた前面面積を有するセル構造の例を示している。セル構造ＡおよびＢは、図２Ｂに示された本発明のセル構造の特別な例である。セル構造ＣおよびＤは、図１Ｃに示した従来技術のセル構造の特別な例である。

セルの水力直径Ｄ_Hは、以下のように定義される：
Ｄ_H＝４Ａ／Ｐ （１）
ここで、Ａはセルの断面積であり、Ｐはセルのぬれ周囲である。正方形のセルについて、水力直径はセルの幅である。角部が丸まった正方形について、水力直径は、セルの幅よりも大きい。

上記表１から、本発明のセル構造ＡおよびＢの入口通路の水力直径は、それぞれ、従来技術のセル構造ＣおよびＤの入口通路の水力直径よりも大きい。従来技術のセル構造ＣおよびＤと同じセル密度と閉じた前面面積を維持しながら、セル構造ＡおよびＢの水力直径を大きくできた。図２Ｅは、所定の通路幅に関する丸み半径の関数として水力直径がどのように変化するかを示している。セル構造Ａ，Ｂ，ＣおよびＤの位置がグラフに示されている。このグラフは、水力直径が、丸み半径と非線形関係にあることを示している。実際に、入口通路は、選択された通路幅に達成できる最大の水力直径に対応する丸み半径を有するように製造できる。

図２Ｂに戻る。本発明は、入口通路２０８の角部に丸み２１８を帯びさせることに制限されるものではない。入口通路２０８の角部は、例えば、斜面を含んでいてもよい。図２Ｃは、入口通路２０８の角部が斜面２２０を含むセル構造を示している。この実施の形態において、入口通路２０８は、（対角状に）隣接する入口通路２０８の縁が実質的にアライメントされているように大きくされている。これにより、ハニカム・フィルタを通る流量を良好に維持しながら、ハニカム・フィルタの全体の貯蔵容量が増加する。斜面２２０（または斜面の代わりに用いられる場合には、丸み）によって、通路の周りの多孔質壁２０６の厚さを均一にすることができる。図２Ｂおよび２Ｃに示したセル構造について、特に図２Ｃにおいて、多孔質壁２０６は真っ直ぐではない。これにより、ハニカム構造の耐熱衝撃性が増加する。図２Ｃに示した設計において、多孔質壁のある部分、例えば、多孔質壁２０６ａは、入口通路２０８のみに共通する。入口通路２０８のみに共通するこれらの多孔質壁の部分によって、熱再生中にある入口通路から別の入口通路への熱伝達を促進できる。

丸みおよび斜面を用いて、所望の閉じた前面面積、セル密度、および入口通路の水力直径対出口通路の水力直径の比を維持しながら、ハニカム・フィルタ全体に亘って多孔質壁の厚さを実質的に均一にすることができる。一般に、１．１から２．０、好ましくは１．３から２．０，より好ましくは１．７から２．０の範囲の入口通路の水力直径対出口通路の水力直径の比が望ましい。ディーゼル排気微粒子の濾過について、１０から３００セル／平方インチ（約１．５から４６．５セル／ｃｍ²）の範囲、より一般的には１００から２００セル／平方インチ（約１５．５から３１セル／ｃｍ²）の範囲のセル密度を有するハニカムが、小型の構造で十分な薄壁表面積を提供するのに有用であると考えられている。相互に連結した多孔質壁の厚さは、構造健全性を提供する約０．００２インチ（０．０５ｍｍ）の最小寸法以上でまちまちであって差し支えないが、一般に、フィルタ容積を最小にするために約０．０６０インチ（１．５ｍｍ）未満である。約０．０１０から０．０３０インチ（約０．２５から０．７６ｍｍ）の範囲、好ましくは約０．０１０から０．０２５インチ（約０．２５から０．６４ｍｍ）の範囲の多孔質壁の厚さが、好ましいセル密度で、選択されることが最も多い。

図２Ｄは、入口通路２０８の縁が出口通路２１０の縁にアライメントされており、入口通路２０８の角部に斜面も丸みも使用せずに、多孔質壁２０６の厚さがハニカム・フィルタ全体に亘って均一である別のセル構造を示している。しかしながら、入口通路２０８の角部に丸みまたは斜面を設けることによって、ハニカム・フィルタの構造強度をさらに改善できる。この実施の形態における多孔質壁２０６は、先に説明した実施の形態における多孔質壁２０６よりさらに真っ直ぐではなく、耐熱衝撃性がさらに改善される。

上述したハニカム・フィルタの製造に適したハニカム押出ダイは、サイズが交互になったピンを含むピン・アレイを有する。交互のピンの角部は、丸まっていても面取りされていても差し支えない。説明目的のために、図３は、押出ダイ・アセンブリ３００の垂直断面を示している。押出ダイ・アセンブリ３００は、セル形成ダイ３０２および表皮成形マスク３０４を含む。セル形成ダイ３０２は、ハニカム・フィルタの入口通路および出口通路を画成する相互に連結した多孔質壁を形成するために用いられる。セル形成ダイ３０２は、表皮形成マスク３０４と協働して、ハニカム・フィルタの表皮の形状と厚さを画成する。セル形成ダイ３０２は中央領域３０６を有する。吐出スロット３０８のアレイが、中央領域３０６内に切り込まれて、入口ピンと出口ピン３１０，３１２のアレイを画成する。ある実施の形態において、入口ピンと出口ピン３１０，３１２の横方向の断面は正方形であり、入口ピン３１０の各角部は丸みまたは斜面を含む。

セル形成ダイ３０２の中央領域３０６は、中央供給孔３１４のアレイをさらに含む。これらの供給孔は、ダイの入口面３１５から吐出スロット３０８のアレイへと延在している。中央供給孔３１４は、バッチ材料を吐出スロット３０８に供給する。吐出スロット３０８に対する中央供給孔３１４のサイズと位置は、吐出スロット３０８を通る流量を所望にするように選択される。例として、中央供給孔３１４は、各または１つおきの吐出スロット３０８に対応しても、吐出スロット３０８の各または１つおきの交点に対応してもよい。

セル形成ダイ３０２は、中央領域３０６と隣接して形成された周辺領域３１６も含む。周辺領域３１６は、表皮形成マスク３０４のための取付面３１８を提供し、セル形成ダイ３０２の周りの空間にバッチ材料を供給するための供給孔３１８を含む。ある実施の形態において、周辺領域３１６と表皮形成マスク３０４との間に表皮形成リザーバ３２２を画成するために、取付面３１８と表皮形成マスク３０４との間に詰め物が置かれている。周辺領域３１６にある供給孔３１８が、表皮形成リザーバ３２２にバッチ材料を供給する。表皮形成マスク３０４は、中央領域３０６から半径方向に間が置かれ、表皮スロット３２４を画成している。このスロットは、表皮形成リザーバ３２２と繋がっている。バッチ材料は、表皮スロット３２４を通して押し出されて、ハニカム・フィルタの表皮を形成する。リザーバ３２２の容積は、表皮スロット３２４中に供給されるバッチ材料の流量を制御するように調節できる。

動作中、バッチ材料は、セル形成ダイ３０２中の供給孔３１４，３１８に供給され、吐出スロット３０８および表皮形成スロット３２４を通して押し出される。表皮形成リザーバ３２２中のバッチ材料の容積は、表皮形成リザーバ３２２に亘る表皮形成マスク３０４の半径方向の張出しの程度による。表皮形成スロット中へのバッチ材料の流量が、表皮の特徴を決定し、一方で、吐出スロット中へのバッチ材料の流量が、多孔質壁の特徴を決定する。

上述した押出ダイ・アセンブリは、押出ダイを製造するための既存の方法を用いて製造できる。セル形成ダイは、機械加工用材料から製造されたブロックの下側部分に機械加工により孔を開けることによって製造してもよい。これらの孔は、供給孔として働くであろう。プランジ放電加工などのプロセスを用いて、ブロックの上側部分に吐出スロットを切り込んでも差し支えない。スロットが切り込まれた後に、ブロックの上側部分にピンが残ったままである。ブロックの周囲にあるピンは、表皮形成マスクのための取付面を提供するために、短くしても、完全に除去しても差し支えない。吐出スロットは、ハニカム・フィルタのセル構造と共に、上述した幾何学形状のいずれを有していても差し支えない。

限られた数の実施の形態に関して本発明を説明してきたが、この開示の恩恵を受けた当業者には、ここに開示された本発明の範囲から逸脱しない他の実施の形態を考え出せることが認識されるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって制限される。

従来技術のハニカム・ウォールフロー・フィルタの斜視図 水力直径が等しい入口通路と出口通路を持つ標準的なハニカム・セル構造の部分拡大図 出口通路の水力直径を減少させた後の図１Ｂのハニカム・セル構造の部分拡大図 入口通路の水力直径を増加させた後の図１Ｃのハニカム・セル構造の部分拡大図 本発明の実施の形態によるハニカム・ウォールフロー・フィルタの斜視図 本発明のある実施の形態による、独自の水力直径を持つ入口通路と出口通路を有し、入口通路の角に丸みが付けられているハニカム・セル構造の部分拡大図 本発明の別の実施の形態による、独自の水力直径を持つ入口通路と出口通路を有し、入口通路の角が斜面を含むハニカム・セル構造の部分拡大図 本発明のさらに別の実施の形態による、独自の水力直径を持ち、縁がアライメントされた入口通路と出口通路を有するハニカム・セル構造の部分拡大図 丸み半径と通路幅の関数としての通路の水力直径のグラフ 本発明のある実施の形態による押出ダイ・アセンブリの断面図

符号の説明

１００，２００ ハニカム・ウォールフロー・フィルタ
１０２，２０２ 円柱体
１０４，２０４ 表皮
１０６，２０６ 多孔質壁
１０８，２０８ 入口通路
１１０，２１０ 出口通路
３００ 押出ダイ・アセンブリ
３０２ セル形成ダイ
３０４ 表皮形成マスク
３０６ 中央領域
３１６ 周辺領域

Claims (13)

1. 第１の通路と第２の通路のアレイを画成する交互に連結した多孔質壁のアレイを含むハニカム・フィルタであって、
   前記第１の通路が、前記第２の通路と側部で隣接し、かつ該第２の通路よりも大きい水力直径を有しており、前記第１の通路が正方形断面を有し、該第１の通路の角部が、該第１の通路の角部に隣接する前記多孔質壁の厚さが、前記第１と第２の通路の縁に隣接する該多孔質壁の厚さと同等になるような形状を有することを特徴とするハニカム・フィルタ。
2. 前記形状が丸みを含むことを特徴とする請求項１記載のハニカム・フィルタ。
3. 前記形状が斜面を含むことを特徴とする請求項１記載のハニカム・フィルタ。
4. 対角的に隣接する前記第１の通路の縁が実質的にアライメントされていることを特徴とする請求項１記載のハニカム・フィルタ。
5. 前記第２の通路が正方形断面を有することを特徴とする請求項１記載のハニカム・フィルタ。
6. 前記第１の通路の水力直径対前記第２の通路の水力直径の比が１．１から２．０の範囲にあることを特徴とする請求項５記載のハニカム・フィルタ。
7. 前記第１の通路の水力直径対前記第２の通路の水力直径の比が１．７から２．０の範囲にあることを特徴とする請求項６記載のハニカム・フィルタ。
8. 前記第１の通路中への流れが、前記多孔質壁を通り、次いで、前記第２の通路を通って該ハニカム・フィルタから流出するように、前記第１の通路が、前記ハニカム・フィルタの第１の端部で塞がれており、前記第２の通路が、前記ハニカム・フィルタの第２の端部で塞がれていることを特徴とする請求項１記載のハニカム・フィルタ。
9. ハニカム・フィルタを製造するための押出ダイ・アセンブリにおいて、
   中央領域および周辺領域を有するセル形成ダイであって、前記中央領域が、第１と第２のピンのアレイを画成するように切り込まれた吐出スロットのアレイおよび該吐出スロットのアレイと繋がった第１の供給孔のアレイを含み、前記周辺領域が少なくとも第２の供給孔を含み、前記第１のピンが前記第２のピンよりも大きい断面積を有し、該第１のピンの断面形状が、前記吐出スロットの幅が実質的に均一であるように選択されているセル形成ダイ、および
   前記少なくとも第２の供給孔と選択的に繋がった表皮スロットを画成するように、前記セル形成ダイと同軸で取り付けられ、該セル形成ダイから半径方向に間が置かれた表皮形成マスク、
   を備えたことを特徴とする押出ダイ・アセンブリ。
10. 前記第１のピンの断面形状が、丸まった角部を持つ正方形を含むことを特徴とする請求項９記載の押出ダイ・アセンブリ。
11. 前記第１のピンの断面形状が、斜面角部を持つ正方形を含むことを特徴とする請求項９記載の押出ダイ・アセンブリ。
12. 前記セル形成ダイと前記表皮形成マスクとの間に画成されたリザーバをさらに含み、該リザーバが、前記少なくとも第２の供給孔と前記表皮スロットと繋がっていることを特徴とする請求項９記載の押出ダイ・アセンブリ。
13. 前記リザーバの容積が、前記表皮スロットへのバッチ材料の流量を制御するように調節されることを特徴とする請求項９記載の押出ダイ・アセンブリ。

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