JP4914496B2 - フィルタエレメント、特に内燃機関の排ガスを濾過するためのフィルタエレメント - Google Patents

フィルタエレメント、特に内燃機関の排ガスを濾過するためのフィルタエレメント Download PDF

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Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載されたフィルタエレメント、すなわちフィルタエレメント、特に内燃機関の排ガスを濾過するためのフィルタエレメントであって、互いに平行な複数の流路が設けられていて、この場合少なくとも２つのフィルタセグメントが設けられていて、これらのフィルタセグメントがそれぞれ流路の部分量を有している形式のものに関する。本発明はまた、フィルタエレメントを備えた微粒子フィルタ及び排ガス浄化装置に関する。本発明はさらに、フィルタエレメントを製造する方法であって、それぞれフィルタセグメントの流路の少なくとも１つの部分量を有する互いに異なったフィルタセグメントを、結合手段を介して互いに結合させる形式の方法に関する。
このようなフィルタエレメントは、押出し成形によって製造することができる。この場合セラミック材料が押出し工具によって押し出され、これにより、互いに平行に配置された多数の流路を備えたプリズム状の部材が生ぜしめられる。そしてこの押出し工程の後で、燃焼又は焼結工程が行われる。
公知のフィルタエレメントでは、コーディエライトや炭化ケイ素を使用することができる。両方の材料の間における大きな相違は、コーディエライトの熱膨張が、炭化ケイ素の熱膨張に比べて著しく低いことにある。この理由から、炭化ケイ素によって製造されたフィルタエレメントは、「１つの注型品」に、つまりモノリスとして製造されるのではなく、複数のフィルタセグメントから構成される。各フィルタエレメントは、互いに平行な流路の部分量を有している。これらのフィルタセグメントは、ブリックと呼ばれる複数の部分を形成しており、これらの部分もしくはブリックは、個々に製造されて、次いでセラミック製の接着手段によって１つのフィルタエレメントにまとめられる。
本発明の課題は、可能な限り簡単に製造可能なフィルタエレメントを提供することである。
この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式のフィルタエレメントにおいて、フィルタセグメントが互いの間に間隔を有していて、フィルタセグメントと一体に形成された結合手段を介して互いに結合されているようにした。
有利な作用効果
本発明によるフィルタエレメントは、１回の押出し工程によって製造することができ、しかもこの際に個々のフィルタセグメントを後で別体の結合手段例えば接着剤を介して互いに結合する必要はない。フィルタセグメントが互いに間隔をおいて位置していることによって、燃焼又は焼結工程中にフィルタセグメントにおいて生じる膨張を可能にする空間が得られ、この際にフィルタセグメントに高い内部応力が生じることはなく、隣接したフィルタセグメントに圧縮応力が加えられることもない。
フィルタエレメントを１回の押出し工程によって製造できることによって、相応に１つの押出し成形工具を準備するだけでよい。これに対して公知のフィルタエレメントでは、それぞれのフィルタエレメントのための特別な工具を準備することが必要であるか、又は初めは横断面が同一のフィルタセグメントを、個々のフィルタセグメントを互いに接着した後で、研削によってその輪郭を相応に整える必要がある。従来技術におけるこのような工程は、大きな材料損失を生ぜしめるが、このような材料損失は、本発明によるフィルタエレメントでは回避することができる。
確かにフィルタエレメントの本発明によるジオメトリは特に、少なくとも部分的に炭化ケイ素製のフィルタエレメントにおいて有利であるが、しかしながら本発明の枠内において、フィルタセグメントが少なくとも部分的にコーディエライトから又はその他の材料から形成されている構成も可能である。
フィルタセグメントは、全体として円筒形のフィルタエレメントを形成していることができる。このフィルタエレメントの直径は例えば１０〜１８ｃｍの間、特に５.６６インチである。またフィルタセグメントの大きさは、横断面で見て例えば４００〜１６００ｍｍ２である。
フィルタエレメントは少なくとも２つのフィルタセグメントを有しており、しかしながら有利には少なくとも４つのフィルタセグメントを有している。この場合それぞれ互いに隣接し合うフィルタセグメントの間には中間室が形成されており、これらの中間室内へと、フィルタエレメントの製造中又はフィルエレメントの使用時に加熱するフィルタセグメントは膨張することができる。
フィルタセグメントの横断面は、少なくとも次のような大きさ、つまり互いに平行な複数の流路を受容できるような大きさを有している。しかしながら少なくとも中央に配置された１つのフィルタセグメントのためには、正方形又は円形の横断面が有利であり、このようになっていると、フィルタエレメントの横断面にわたって、フィルタセグメントを全体的に均一に分配配置することが可能である。
フィルタセグメントの間における間隔は、１つのフィルタセグメントの横断面の大きさに比べて小さく、例えば０.５〜１０ｍｍ、特に１〜５ｍｍである。またこの間隔は、フィルタセグメントのために十分に大きな膨張空間を準備することが望ましいが、しかしながら、全体として利用できるフィルタ面があまりに強く小さくなるほど、不必要に大きく寸法設定されるべきではない。
互いに隣接し合うフィルタセグメントは、ただ１つの領域において又は複数の結合手段を介して互いに結合されていることができる。結合手段が、流路に対して平行に延びるウェブとして形成されていると、有利である。このようなウェブは、互いに隣接し合うフィルタセグメントの間の間隔に相当する幅を有している。フィルタセグメントに対して横方向に接触する材料厚は０.５〜１０ｍｍの間である。しかしながら、ウェブの材料厚が、流路を画成するフィルタセグメントのフィルタ壁の壁厚よりも薄いと、有利である。
フィルタエレメントの加熱中に生じる応力をさらに減じるために、ウェブが中央領域において、フィルタセグメントに直に隣接する外側領域におけるよりも、小さな材料厚を有していると、有利である。このようになっていると、ウェブはその中央領域において制限された程度で変形することになり、この際に許容の限界応力が越えられることはない。フィルタセグメントを機械的な過負荷に対して良好に保護するために、本発明の別の構成では、ウェブの曲げ破断強さが特にその中央領域において、フィルタセグメントの曲げ破断強さの最大６０％である。
本発明の特に有利な構成では、互いに結合された２つのフィルタセグメントの間の間隔によって生ぜしめられた中間室が、少なくとも部分的に充填材料によって満たされている。この充填材料によって、互いに結合されたフィルタセグメントの機械的な安定性、ひいてはフィルタエレメントの機械的な安定性を高めることができる。充填材料として例えばセラミック粉末、無機の結合剤及び／又はセラミック繊維を使用することができる。この場合充填材料が、フィルタセグメントの間に形成された中間室を、流路に対して平行な方向において完全に満たす必要はない。しかしながら、流路の長さの少なくとも２０％が充填材料によって満たされていると有利である。
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
排ガス浄化装置とフィルタエレメントとを備えた内燃機関を概略的に示す図である。 汎用のフィルタエレメントを示す縦断面図である。 ウェブを介して結合された本発明によるフィルタエレメントの第１実施例を示す横断面図である。 ウェブを拡大して示す横断面図である。 充填材料によって中間室を満たされた、図３に示されたフィルタエレメントを示す横断面図である。 図５に示されたフィルタエレメントの縦断面図である。 本発明によるフィルタエレメントの第２実施例を示す横断面図である。
実施例の記載
図１には内燃機関が符号１０で示されている。排ガスは排ガス管１２を介して排ガス浄化装置１４に導かれる。この排ガス浄化装置１４は、パティキュレートフィルタとも呼ばれる微粒子フィルタ１６を有しており、この微粒子フィルタ１６によって、排ガス管１２内を流れる排ガスから煤微粒子が除去される。このことは特にディーゼル機関においては、法規制を維持するために必要である。
微粒子フィルタ１６は、全体としてほぼ円筒形のフィルタエレメント１８を有している。
図２には、従来技術に基づいて公知のフィルタエレメント１８が縦断面図で示されている。このフィルタエレメント１８は矢印２０の方向で内燃機関１０の排ガスによって貫流される。濾過される排ガスのための流入面は、図２において符号２２で示され、濾過された排ガスのための流出面は符号２４で示されている。
フィルタエレメント１８の長手方向軸線２６に対して平行に、複数の流路２８，３０が延びている。流路２８は流入面２２のところで開放していて、流出面２４のところで閉鎖されている。逆に流路３０は流出面２４のところで開放していて、流入面２２の領域において閉鎖されている。
つまり未浄化の排ガスは、初めに流路２８のうちの１つに導入され、そこからフィルタ壁３２を介して流路３０のうちの１つに導入される。この排ガスの流れは矢印３４で例示されている。
図３には本発明によるフィルタエレメントが全体を符号１８で示されている。このフィルエレメント１８は全体として複数のフィルタセグメントを有しており、これらのフィルタエレメントのうち、図３には４つのフィルタエレメントが符号３６〜４２で示されている。これらのフィルタセグメントはセグメント境界４４によって画成されている。互いに隣接するフィルタセグメントのセグメント境界、例えばフィルタセグメント３８，４０のセグメント境界は、互いに対して間隔をおいて位置しており、その結果この領域に中間室４６が形成されている。この中間室４６は、フィルタエレメントを互いに結合しているウェブ形状の結合手段４８によってブリッジされ、つまり繋がれる。
図３に示された実施形態では、中央に配置されたフィルタセグメント３６は横断面が正方形である。このフィルタエレメントは有利には、４００〜１６００ｍｍ２の大きさの横断面を有している。個々のフィルタエレメントは互いの間に例えば０.５〜１０ｍｍの間隔５２を有している。
図４には、ウェブ形状の結合手段４８と、該結合手段４８と互いに隣接するフィルタセグメント４０，４２のセグメント境界４４との結合の様子が示されている。結合手段４８は中央領域５４を有しており、この中央領域５４は、該中央領域５４の側部に接続する外側領域５６よりも、薄い材料厚を有しており、外側領域５６はセグメント境界４４に直に隣接して配置されている。図４に示された実施例では、中央領域５４における僅かな材料厚は、対向して位置する溝形状の切欠きもしくは凹部によって生ぜしめられる。
図５には、中間室４６が充填材料５８によって満たされたフィルタエレメント１８が示されている。図６から明らかなように、充填材料５８は流路２８又は３０の全長に沿って延在しているのではなく、単に、それぞれ流入面２２もしくは流出面２４に隣接した領域に設けられているだけである。
図７には本発明によるフィルタエレメント１８の別の実施形態が示されている。このフィルタエレメントでは、横断面円形のフィルタセグメント６０が中央に配置されており、この中央のフィルタセグメント６０は複数のフィルタセグメント６２によって取り囲まれている。周囲に位置するこれらのフィルタセグメント６２は、それぞれ円形セグメントつまり扇形をしていて、中央のフィルタセグメント６０を取り囲むリングを形成している。各２つの個々のフィルタセグメント６０，６２は、この実施例においても、フィルタセグメントと一体的に形成された結合手段４８を介して互いに結合されている。
このフィルタエレメント１８の直径６４は例えば５.６６インチである。

Claims (22)

  1. 内燃機関（１０）の排ガスを濾過するためのフィルタエレメント（１８）であって、互いに平行な複数の流路が設けられていて、この場合少なくとも２つのフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）が設けられていて、これらのフィルタセグメントがそれぞれ流路（２８，３０）の部分量を有している形式のものにおいて、フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）が互いの間に間隔（５２）を有していて、フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）と一体に形成された結合手段（４８）を介して互いに結合されており、互いに隣接し合うフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）の間に複数の結合手段（４８）が設けられており、該結合手段（４８）が、流路（２８，３０）に対して平行に延びるウェブとして形成されていて、該ウェブとして形成された結合手段（４８）が、互いに隣接し合うフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）のセグメント境界（４４）の間における中間室（４６）をブリッジしていることを特徴とするフィルタエレメント（１８）。
  2. フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）が少なくとも部分的に炭化ケイ素から形成されている、請求項１記載のフィルタエレメント（１８）。
  3. フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）が少なくとも部分的にコーディエライトから形成されている、請求項１又は２記載のフィルタエレメント（１８）。
  4. フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）が、全体として円筒形のフィルタエレメント（１８）を形成している、請求項１から３までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  5. フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）の大きさが、横断面で見て４００〜１６００ｍｍ２である、請求項１から４までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  6. フィルタエレメント（１８）が少なくとも４つのフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  7. 中央に配置された少なくとも１つのフィルタセグメント（３６）が、横断面正方形である、請求項１から６までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  8. 中央に配置された少なくとも１つのフィルタセグメント（６０）が、横断面円形である、請求項１から６までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  9. 少なくともフィルタエレメント（１８）の周囲に沿って配置されたフィルタセグメント（６２）が、少なくとも部分的に円形セグメント形状つまり扇形である、請求項１から８までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  10. 流路（２８，３０）のセル密度が、８０〜３５０ｃｐｓｉ（channnels per square inch）である、請求項１から９までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  11. 互いに隣接し合うフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）の間の間隔（５２）が０.５〜１０ｍｍの間である、請求項１から１０までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  12. 互いに隣接し合うフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）の間の間隔（５２）が１〜５ｍｍの間である、請求項１から１１までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  13. ウェブが０.５〜１０ｍｍの間の材料厚を有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  14. ウェブの材料厚が、流路（２８，３０）を画成するフィルタセグメントのフィルタ壁（３２）の壁厚よりも小さい、請求項１から１３までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  15. ウェブが中央領域（５４）に、フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）に直に隣接した外側領域におけるよりも小さな壁厚を有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  16. ウェブの曲げ破断強さがその中央領域（５４）において、フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）の曲げ破断強さの最大６０％である、請求項１から１５までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  17. 互いに結合された２つのフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）の間の間隔（５２）によって生ぜしめられた中間室（４６）が、少なくとも部分的に充填材料（５８）によって満たされている、請求項１から１６までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）。
  18. 中間室（４６）が流路（２８，３０）に対して平行な方向において、流路（２８，３０）の長さの少なくとも２０％を満たされている、請求項１７記載のフィルタエレメント（１８）。
  19. 充填材料（５８）が下記の構成材料のうちの少なくとも１つを、すなわちセラミック粉末、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、無機の結合剤、二酸化ケイ素ゾル、酸化アルミニウムゾル、セラミック繊維、ムライト繊維、酸化アルミニウム繊維といった構成材料のうちの少なくとも１つを有している、請求項１７又は１８記載のフィルタエレメント（１８）。
  20. 請求項１から１９までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）を備えた微粒子フィルタ（１６）。
  21. 請求項１から１９までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）を備えた微粒子フィルタ（１６）を有する、排ガス浄化装置（１４）。
  22. 請求項１から１９までのいずれか１項記載のフィルタエレメント（１８）を製造する方法であって、それぞれフィルタエレメント（１８）の流路（２８，３０）の少なくとも１つの部分量を有する互いに異なったフィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）を、結合手段（４８）を介して互いに結合させる形式の方法において、フィルタセグメント（３６〜４２，６０〜６２）と結合手段（４８）とを互いに一体に押出し成形することを特徴とする、フィルタエレメント（１８）を製造する方法。
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