JP2008506523A - 特に内燃機関の排ガスシステムにおける粒子フィルタのためのフィルタ構造体の少なくとも１つの領域を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

特に内燃機関の排ガスシステムにおける粒子フィルタのためのフィルタ構造体の少なくとも１つの領域を製造するための方法であって、以下のステップ、すなわち、
ａ．焼結金属粉末と有機質のバインダとから成る混合物の製造、
ｂ．該混合物からのシートの製造、
ｃ．該シートの構造化、
ｄ．焼結
のステップを有する方法。

Description

背景技術
本発明は、特に内燃機関の排ガスシステムにおける粒子フィルタのためのフィルタ構造体の少なくとも１つの領域を製造するための方法に関する。

金属製のフィルタマットを製造するためには焼結金属が適している。特に粉末状の金属の加工が有利である。なぜならば、使用した粉末の粒度および粒度分布ならびに焼結条件を介して、焼結金属の規定された密度と孔径とが調整され得るからである。

焼結金属からフィルタマットを製造するためには、目下、担持材料（たとえばエキスパンドメタルまたは金属組織体）に、焼結金属粉末が被層され、共に焼結される。この場合、担持材料またはフレーム材料は２つの役割を果たしており、つまり焼結金属粉末を位置固定するのに役立ち、後にフィルタポケットを安定化させる。

このようなフィルタ装置は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１２８９３６号明細書に基づき公知である。この明細書に示された粒子フィルタは、ディーゼル内燃機関の排ガスシステムに組み込まれている。公知のフィルタ装置におけるフィルタ壁は、焼結金属から製造されていて、楔形のフィルタポケットを形成するように配置されている。フィルタポケットの尖端に向かって延びる楔縁部は、排ガスの流れ方向とは逆方向を向いていて、流れ方向で見て後方のフィルタポケットの狭幅側は開放されている。フィルタポケットは、互いに隣り合って配置されていて、これによって全体的に回転対称的で、環状のフィルタ構造体が形成される。

公知の粒子フィルタの場合、フィルタ壁は不安定な焼結金属シートまたは焼結金属マットにより形成されている。これらの焼結金属シートまたは焼結金属マットは、別体の担持構造体もしくは支持構造体、たとえば多孔板または金属組織体またはこれと同様なものに結合されている。

焼結金属および、可能な限り僅かな割合の有機質のバインダから塗布可能なモルタル状の材料を製造することが市場から公知である。この材料は、羽根車原理により金属組織体またはエキスパンドメタル内にドクタブレード法で流し出される。これによって、平坦でひいては比較的僅かなフィルタ表面が生成される。

さらに、焼結金属粉末および有機質のバインダ、ならびに溶剤から流動性のペーストまたはスラリを製造することができる。その後、こうして処理した粉末は、ペーストもしくはスラリ内に金属組織体またはエキスパンドメタルを沈み込ませることにより被着させられ得るか、または金属組織体もしくはエキスパンドメタルに、鋳造法でスラリを注ぐことができる、もしくはペーストを重ね刷りすることができる（たとえばスクリーン印刷法）。これらのプロセスのどの変化形でも、続いて乾燥ステップが必要であり、この乾燥ステップで溶剤は蒸発し、焼結金属粉末は金属フレームに位置固定される。

最後に、焼結金属粉末をワックスパール（Ｗａｃｈｓｐｅｒｌｅｎ）と混合し、この混合物をエキスパンドメタルもしくは金属組織体に吹き付けることがさらに公知である。加熱により溶融するワックスパールは、金属フレームでの粉末の位置固定をもたらす。

しかしこの場合、使用された被層方法に基づき、焼結金属層の層厚さおよび層密度を正確に調整して支配することが困難なままである。同時に、フレーム材料が、フィルタマットの重量とコストとを明らかに高める。したがって、フレーム材料を省くことができ、それにもかかわらず、規定された安定的な焼結金属シートを形成することが望ましい。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の方法を改良して、正確に規定された特性を有する、担持構造体を使用せずに廉価に製造することができるフィルタ装置を提供することである。

本課題は、冒頭で述べた形式の方法において、この方法が以下のステップを有していることによって解決される。

ａ．焼結金属粉末と有機質のバインダとから混合物を製造し、
ｂ．この混合物からシートを製造し、
ｃ．このシートを構造化し、
ｄ．焼結する。

発明の利点
シートを使用することにより、シートの厚さと密度と焼結金属充填剤の構造化とを極めて正確に規定することができるという利点が得られる。これらのパラメータにより、焼結金属フィルタの透過度を正確に予め規定することができる。

さらにこのようなシートは、プロセス技術的に簡単で廉価に再現可能な品質で製造され得る。このようなシートの持続的な品質コントロールおよび成層も可能である。このことは同様に、製造プロセスを容易にし、製造コストをも下げる。

このシートの構造化により、規定された表面構造の形成が可能になり、ひいてはアクティブなフィルタ表面積の効果的な拡大が可能になる。

本発明の有利な構成は、従属請求項に記載した手段からもたらされる。

第１の有利な方法では、ステップｂでシートを、シートドクタブレード法またはシート鋳造成形またはシート押出し成形により製造することが提案される。前記の全ての方法により、シート厚さの正確な調整と、均一で平坦な、気泡の無い焼結金属シートの製造とが可能になる。

ステップｂにおいてシート（グリーンシート）を製造した後、かつ構造化する前に、これらの個々のシートからいわゆる多層グリーンシートを製造することも可能である。

有利には、この構造化はステップｃにおいて８０〜１５０℃、有利には８０〜９０℃の範囲の所定の温度のもとで実施される。焼結金属シートが塑性変形可能である構造化温度は、有機質のバインダの相応な選択および量により極めて良好に調整され得る。したがって、既述の温度範囲が特に有利であるのは、必要なエネルギー使用が制限されつつも、汎用の有機質で熱塑性的なバインダにより既に良好な作用が達成されるからである。このことは特に８０〜９０℃の範囲に当てはまる。

構造化は、シート上に載置されて押圧される圧印加工板によって実施されるので有利である。しかし構造化された積層ローラが使用されてもよく、または複数のローラが相前後して配置されていてよい。ローラの両側配置も可能である。

本発明による方法の有利な別の構成では、シートの両面に構造化ステップが施される。このようにして、たとえばシートの両面にワッフル構造を獲得することが可能である。このことは、表面が形成されるだけでなく、適切なジオメトリ（ワッフル構造、ハニカム構造、以下参照）を介してシートの機械的な安定性も改善されて有利である。

本発明による方法の特に有利な構成では、それぞれ異なって構造化されている複数のシートが互いに積層されていてもよく、これによって、層厚さが全体的にまたは局所的に拡大される。このことは、圧印過程の前または後に行われ得るが、有利には、まず複数のグリーンシートが、所望の層厚さ、または粒度分布および／または密度分布に関する所望の勾配をも調整するために互いに積層され、続いて一方または両方の表面が圧印される。しかし、構造化前の、たとえば有孔シートを互いに積層することも可能である。

さらに、微細なまたは粗大な焼結金属粉末をそれぞれ異なって含有しているシートは、完成したフィルタシートの細孔構造に影響を及ぼすために互いに組み合わせることができる。焼結時には、粗大な粉末と微細な粉末とが、互いに異なるように結合しがちである。同様に多大な影響を、シートのいわゆるグリーン密度は有している。すなわち粒子がどの程度密に互いに接していて、どの程度迅速に、どの程度良好に互いに結合するのかが重要である。２つのシートを互いに積層することも可能である。２つのシートの一方のシートは、その組成に基づき特に良好に構造化することができ、他方のシートは機械的に特に安定している。これによって、製造プロセスにおける確実な処理が可能になる。このことは、シート製造において使用された有機体、すなわち使用されたポリマバインダおよび可塑化を促進する添加剤等により規定される。

本発明によるさらに別の方法では、シートを付加的に担持構造体に結合することが可能である。有利には、担持構造体として金属製の組織体またはエキスパンドメタルまたは多孔板が使用される。これらは廉価であり、僅かな表面しか覆わず、したがって運転中に高いガス流量を許容する。

焼結金属粉末が、約１〜１５０μｍ、有利には４０〜７０μｍ、さらに有利には５０〜６０μｍの粒度を有していると、最適なフィルタ特性が、特に、内燃機関の排ガスシステムにおける粒子フィルタとしてフィルタ装置を使用する際に得られる。

ステップａにおいて焼結金属粉末を、約８重量％のアクリレートバインダと、溶剤であるブチルアセテートとを処理して、ドクタブレード法により処理することのできるスラリを形成すると、製造コスト的に有利である。

図面の簡単な説明
以下に、本発明の特に有利な実施例を添付の図面に基づき詳細に説明する。

図１は、フィルタ構造体を有する粒子フィルタを備えた内燃機関の概略図、
図２は、図１のフィルタ構造体の斜視図、
図３は、図１のフィルタ構造体の２つのフィルタポケットを示した図、
図４は、図１のフィルタ構造体のフィルタ壁を製造する方法のフローチャート、
図５は、構造化ステップ前の焼結金属シートの断面図、
図６は、第１の圧印加工板によって構造化した後の、図５の焼結金属シートの断面図、
図７は、第２の圧印加工板によって構造化した後の、図５の焼結金属シートの断面図、
図８は、ワッフル形の圧印加工板による構造化の構成を示した図、
図９は、本発明による多層グリーンシートの種々異なる構成を示した図である。

実施例の説明
図１には、内燃機関が符号１０で示してある。内燃機関１０には排ガスシステム１２が設けられている。この排ガスシステム１２には粒子フィルタ１４が配置されている。この粒子フィルタ１４により、たとえば煤粒子が内燃機関１０の排ガスから濾別され得る。粒子フィルタ１４はケーシング１６と、このケーシング１６内に配置されているフィルタ構造体１８とを備えている。

図２には、フィルタ構造体１８が詳細に示されている。このフィルタ構造体１８は、楔形の複数のフィルタポケット２０を有している。これらのフィルタポケット２０の尖端に向かって延びている楔縁部は、排ガスの流れ方向とは逆の側に配置されている。これらのフィルタポケット２０は、全長手方向軸線を中心にして互いに隣り合って配置されていて、これによって全体として回転対称的なフィルタ構造体１８が形成される。半径方向内側および外側にある、フィルタポケット２０の狭幅面は閉じられている。流れ方向で後方にある、フィルタポケット２０の狭幅面は開かれている。これらのフィルタポケット２０は、流れ方向で後方の端部の領域で互いに結合されている。

図３には、隣り合っている２つのフィルタポケット２０ａと２０ｂとが示してある。排ガスは、運転中に２つのフィルタポケット２０ａと２０ｂとの間の領域に進入し、側方のフィルタ壁２２を貫通し、これによりそれぞれのフィルタポケット２０ａと２０ｂの内側に到達する。排ガス流は、矢印２４により示してある。粒子は、側壁２２の貫通時に排ガスから分離され、側壁２２の上流側の表面に堆積する。

複数の壁、特にフィルタポケット２０の側壁２２は、多孔性の焼結金属から製造されている。図４には、たとえばフィルタポケット２０の側壁２２を製造するための方法が示してある。まず、約５０〜６０μｍ、有利には５３μｍの粒度を有する焼結金属粉末２６と、約２〜８重量％のアクリレートバインダ２８と、たとえばブチルアセテートまたはアルコール３０のような揮発性の有機質の溶剤とを装置３２によって処理し、ドクタブレード法により処理することのできるスラリ３４を形成する。このスラリ３４は、薄膜ドクタブレード装置（Ｆｉｌｍｒａｋｅｌｇｅｒａｅｔ）３６によって１００〜５００μｍの厚さの焼結金属シート３８（グリーンシート）に加工される。この個々のシートから、いわゆる多層グリーンシート３９が製造される場合、厚さは有利には４５０μｍより厚くなっている。

この金属シートまたは多層グリーンシートは、続いて装置４０によって構造化される。この場合、圧印加工板または構造化された積層ローラを使用することができる。このために、焼結シートは約８０℃に加熱され、異なる圧印加工板が載置され、押圧される。これらの圧印加工板の構造が、圧着後に相応の素材４２に明確に浮き出る。続いて素材４２は炉４４内で焼結される。この場合、いわば一体の結合体４６が生成される。続いて焼結金属シートから、打抜きと折曲げと溶接４８とにより側壁２２が製造される。

図５、図６および図７には、本発明により使用される素材４２の断面図が示されている。図５には、規定された層厚さとグリーン密度とを有する、比較的厚い焼結金属シート３８によって製造された素材４２が示してある。全体的に、焼結金属シート３８の表面５２は平坦である。図６に示してある素材４２は、図４に記載した方法を使って製造したものに相当する。圧印加工板４０の表面構造が、焼結シート３８の表面５２に写し取られることがわかる。図７には、別様に構造化された圧印加工板４０によって製造された素材４２が示してある。この素材４２の表面５２は、相応に圧印されたパターン５４を有している。

既述したように、シートの機械的な安定性は、適切なジオメトリを介して改善することができる。したがって、たとえば高い表面積を有すると同時に高い機械的な安定性を有する焼結金属シートが、以下に記載した「ワッフル型構造」を製造することによって製造可能である。

まず、約５０〜６０μｍ、有利には５３μｍの粒度を有する焼結金属粉末２６と、約２〜８重量％のアクリレートバインダと、たとえばブチルアセテートまたはアルコール３０のような揮発性の有機質の溶剤とを装置３２によって処理し、ドクタブレード法により処理することのできるスラリ３４を形成する。このスラリ３４は、薄膜ドクタブレード装置３６によって１００〜５００μｍ、有利には４５０μｍよりも厚い焼結金属グリーンシート３８に加工される。続いてこのシートはたとえば、図８に示した圧印加工板５６によって構造化される。このためには、工具は約８０℃に加熱され、グリーンシート３８が挿入され、工具が圧力下で閉じられる。工具の開放後に、グリーンシート３８は再び取り出され、今や圧印加工板の構造を受け取ったことになる。続いて素材は炉４４内で焼結される。この場合、３次元的に構造化されたシート３８のジオメトリは完全に維持されたままである。この工具の場合、規定のシート３８の代わりに別のジオメトリ（ビレット、大まかに分割された板、平板等）の焼結金属粉末を、熱塑性的な化合物５８として使用することも可能である。

以下の例には、勾配のあるグリーンシートもしくは多層シートの使用により、高い表面積を有する焼結金属シートの製造例が記してある。

たとえば、５０μｍの粒度を有する焼結金属粉末２６と、約２〜８重量％のアクリレートバインダと、たとえばブチルアセテートまたはアルコール３０のような揮発性の有機質の溶剤とを装置３２によって処理し、ドクタブレード法により処理することのできるスラリ３４をまず形成する。このスラリ３４は、薄膜ドクタブレード装置３６によって、１００〜５００μｍ、有利には２００μｍよりも薄い厚さの焼結金属グリーンシート３８に加工される。同様に、たとえば３０μｍと８０μｍとの粒度を有する粉末によっても実施される。

別のグリーンシートの変化形は、より高い有機物割合（たとえば６〜２０重量％のアクリルバインダ）を有するシート組成体であるか、または焼結プロセスにおいて完全に揮発する孔を形成する添加剤を含んだシートである。それぞれ異なる層厚さを有するシートも、たとえば、規定された粉末混合物（密な単峰性または二峰性または三峰性の粒度分布）または異なる粉末タイプ（たとえば球状の、丸味を帯びた粉末タイプ、非規則的な滴状の粉末タイプ、フレーク状の粉末タイプ等）のシート製造時の使用と同様に可能な変化形である。

このようなシート変化形３８は、種々異なる形式で互いに組み合わされて多層グリーンシート３９を形成することができる。したがって、適切な焼結プロフィールにより、焼結されたフィルタシート４６のポロシティおよび表面特性が適切に調整され得るか、もしくは規定され得る。したがって、たとえば種々異なるシートの変化形の積層により、焼結後に、マクロ細孔の面とミクロ細孔の面とを有するフィルタシートが得られるか、またはそれぞれ異なるグリーン密度のシートを使用する際、焼結後に、極めて著しい表面粗さを有するフィルタシートが得られる。なぜならば、比較的僅かなグリーン密度を有する面は、焼結時に不均一に収縮し、多孔性の表面構造が形成されるからである。どちらの場合も、勾配のあるポロシティと高い表面積とを有する焼結金属シートが得られる。

既述した、個々のシート３８を互いに積層することにより製造された多層グリーンシート３９は、グリーンシート３８のように加工され、必要な場合には、グリーンシート３８自体もそうであるように、たとえばエキスパンドメタル６２のような支持フレームに積層され得る、および／または圧印加工により付加的に機械的に構造化され得る。

図９には、多層グリーンシート３９の構成の種々異なる可能性が示してある。図９Ａには、同種の３つのグリーンシート３８から成る三重積層板６０が、支持構造体であるエキスパンドメタル６２に積層された状態で示してある。図９Ｂには、微細な粉末と粗大な粉末（６６，６８）とをそれぞれ有する異なる２つのグリーンシート３８から成る二重積層板６４が示してある。粗い粉末６８を有するシートの表面積は、さらに付加的に圧印加工によって構造化され、これによって、フィルタ表面積は高くされる。図９Ｃには、いわゆる「ワッフル構造」を有するグリーンシートが示してあり、この「ワッフル構造」は、種々異なる粉末充填度を有する３つの層（７０，７２，７４）から成る多層グリーンシート３９を使って製造される。最後に図９Ｄには、異なる２つのグリーンシート７８，８０から成る二重積層板７６が示してある。この場合、一方のシートは高充填されていて、他方のシートは、金属粉末のより低い充填度を有しており、場合によっては、さらに孔形成を促す添加剤も含有している。図９Ｄにもやはり積層されるエキスパンドメタル６２が示してある。

フィルタ構造体を有する粒子フィルタを備えた内燃機関の概略図である。 図１のフィルタ構造体の斜視図である。 図１のフィルタ構造体の２つのフィルタポケットを示した図である。 図１のフィルタ構造体のフィルタ壁を製造する方法のフローチャートである。 構造化ステップ前の焼結金属シートの断面図である。 第１の圧印加工板によって構造化した後の、図５の焼結金属シートの断面図である。 第２の圧印加工板によって構造化した後の、図５の焼結金属シートの断面図である。 ワッフル形の圧印加工板による構造化の構成を示した図である。 本発明による多層グリーンシートの種々異なる構成を示した図である。

Claims (14)

1. 以下のステップ、すなわち、
   ａ．焼結金属粉末（２６）と有機質のバインダ（２８）とから成る混合物（３４）の製造（３２）、
   ｂ．該混合物（３４）からのシート（３８）の製造（３６）、
   ｃ．該シート（３８）の構造化（４０）、
   ｄ．焼結（４４）
   のステップを有していることを特徴とする、特に内燃機関（１０）の排ガスシステム（１２）における粒子フィルタ（１４）のためのフィルタ構造体（１８）の少なくとも１つの領域（２２）を製造するための方法。
2. 構造化ステップｃ）の前に、ステップｂ）において製造されたシート（３８）から、多層グリーンシート（３９）を製造する付加的なステップを行い、この製造された多層グリーンシート（３９）を構造化する、請求項１記載の方法。
3. シート（３８）および／または多層グリーンシート（３９）が、焼結金属粉末（２６）の粉末粒度分布および／または密度分布に関して勾配を有している、請求項１または２記載の方法。
4. ステップｂ）でシート（３８）を、シートドクタブレード法（３６）またはシート鋳造成形またはシート押出し成形により製造する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ステップｃ）の構造化（４０）を、８０〜１５０℃、有利には８０〜９０℃の範囲の温度で実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ステップｃ）の構造化（４０）を、圧印加工によって達成する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 圧印加工のために圧印加工板および／または構造化された積層ロールを使用し、圧印加工板および／または構造化された積層ローラの表面構造をシート（３８）または多層グリーンシート（３９）に写し出す、請求項６項記載の方法。
8. 約１〜１５０μｍ、有利には４０〜７０μｍ、さらに有利には５０〜６０μｍの粒度を有する焼結金属粉末（２６）を使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. ステップａ）で焼結金属粉末（２６）と、約２〜８重量％のアクリレートバインダ（２８）と、揮発性の有機質の溶剤（３０）とを処理して、ドクタブレード法により処理することのできるスラリ（３４）を形成する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 揮発性の有機質の溶剤（３０）がブチルアセテートまたはアルコールである、請求項９記載の方法。
11. シート（３８）または多層グリーンシート（３９）の両面的な構造化（４０）を実施する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. シート（３８）または多層グリーンシート（３９）の両面に、ワッフル構造を付与する、請求項１１記載の方法。
13. シート（３８）または多層グリーンシート（３９）を、付加的に支持構造体（６２）に結合する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 支持構造体（６２）として、金属製の組織体またはエキスパンドメタルまたは多孔板を使用する、請求項１３記載の方法。

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