JP6609381B2 - ハニカム体の押出構成部材 - Google Patents

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１６年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／２９５３８４号および２０１６年２月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／２９４１９９号に関連する。

本開示は、ダイなどの押出構成部材およびそれを使用してハニカム体を製造する方法に関し、より詳しくは、セラミック組成物を押し出すための押出ダイ、およびそれを使用してセラミック組成物のハニカム体を製造する方法に関する。

セラミックハニカム体の製造は、セラミック粉末のバッチ混合物をハニカム押出ダイに通して押し出してハニカム押出物を形成し、その押出物を乾燥させ、焼成して、高強度および熱耐久性を有するセラミックハニカムを製造するプロセスにより行われることがある。そのように製造されたセラミックハニカムは、セラミック製触媒担体および流体を洗浄するための壁流微粒子フィルタとして広く使用されている。

ハニカム押出ダイは、複数の供給孔および吐出スロットのハニカム網目構造を画成するように間隔が空けられたピンのアレイを備え得る。そのダイは、セラミックおよび／またはセラミック形成材料のバッチからハニカム体を押し出すための押出装置の一部に取り付けられることがある。

この背景技術の項目に開示された先の情報は、本開示の背景の理解を向上させるためだけであり、したがって、従来技術のどの部分も形成しない情報、または従来技術が当業者に示唆するであろうものを形成しない情報を含むことがある。

本開示の実施の形態は、ハニカム押出ダイを提供する。

本開示の実施の形態は、ハニカム押出ダイアセンブリも提供する。

本開示の追加の特徴は、以下の説明に述べられており、一部は、その説明から明白となるか、または本開示の実施により分かるであろう。

ここに開示された実施の形態は、入口面およびその入口面と反対の吐出面を有するダイ本体、およびそのダイ本体の入口面に配置された成形板を備える、ハニカム押出ダイアセンブリを提供する。そのダイ本体は、吐出面の表皮形成領域、入口面からダイ本体中に延在する供給孔、および吐出面からダイ本体中に延在して、ダイ本体内の交差点で供給孔と接続する吐出スロットの交差アレイをさらに備え、その吐出スロットの交差アレイは、スロットを境界とする複数のピンの側面により形成され、吐出面からダイ本体中に延在する。その表皮形成領域は、ダイ本体中に延在する第１段およびその第１段よりもダイ本体中にさらに延在する、第１段から外周に向かって配置された第２段を備える。スロットの壁を形成するピンの側面の少なくともいくつかは、供給孔とスロットの交差点から間隔が空けられ、吐出面から間隔が空けられた窪みを備え、その複数のスロットは、吐出面で隣接するピンの間の幅Ｗ１を有する第１群のスロット、および吐出面で隣接するピンの間の、Ｗ１より大きい第２の幅Ｗ２を有する第２群のスロットを備え、Ｗ２は、吐出面から窪みまで一定である。ダイ本体の入口面に配置された成形板は、吐出面での第１段に対応する供給孔を塞ぎ、吐出面での第２段に対応する供給孔は塞がない。

先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、説明のためであり、本開示のさらなる説明を与える目的であることを理解すべきである。

本開示のさらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する添付図面は、本開示の実施の形態を示しており、先の説明と共に、本開示の原理を説明する働きをする。

本開示の実施の形態によるハニカム押出ダイアセンブリの断面図 様々なランド長さで押し出された２０ミル（０．５１ｍｍ）のリボンにおける接線熱膨張係数（ＣＴＥ）を示す実験データをプロットしたグラフ

本開示は、本開示の例示の実施の形態が示されている添付図面を参照して、以下により詳しく記載する。しかしながら、本開示は、多くの異なる形態で具体化してもよく、ここに述べられた例示の実施の形態に限定されると解釈すべきではない。そうではなく、これらの実施の形態は、本開示が完全であり、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように、設けられている。図面において、層および領域のサイズと相対的サイズは、明確にするために、誇張されているであろう。

図面における同様の参照番号は、同様の要素を示す。本開示の目的に関して、「Ｘ、Ｙ、およびＺの少なくとも１つ」は、Ｘのみ、Ｙのみ、Ｚのみ、または２つ以上の項目Ｘ、Ｙ、およびＺの任意の組合せとして解釈できることが理解されよう。

多孔質セラミックハニカム体の製造は、セラミック粉末のバッチ混合物を可塑化し、その混合物をハニカム押出ダイに通して押し出してハニカム体を形成し、そのハニカム体を切断し、乾燥させ、焼成して、第１の端面から第２の端面まで軸方向に延在する通路を有する、高強度および熱耐久性を有する多孔質セラミックハニカム体を製造するプロセスによって行われることがある。押出機を軸方向に出る際に、そのバッチは、軸方向に延在する通路および軸方向に延在する外周面を形成する軸方向に延在する交差壁（ウェブ）の網目構造を有する湿った押出物に硬化する。そのウェブと通路がマトリクスを形成する。そのマトリクスの外周に、外周面が配置されている。その外周面は、共押出表皮または一体成形された共押出表皮、もしくは一般に表皮によって設けることができる。そのマトリクス上に表皮と共に押し出された未焼成ハニカム体から形成された多孔質セラミックハニカム体、並びにその未焼成ハニカム体は、所定形状に押し出された(extrude-to-shape)ハニカム体と称することができる。ここに用いたように、セラミックハニカム体は、セラミックハニカムモノリスおよびセラミックセグメント化ハニカム体、並びにハニカム体セグメントを含む。ここに用いたように、ハニカム体は、湿ったまたは乾燥した未焼成品、もしくは焼成品、ハニカム押出物、ハニカム胴体(log)、ハニカム片、またはハニカム物品を称することができる。

共押出されたまたは後で施された外皮は、セラミックハニカム体の第１の端面から第２の端面まで軸方向に延在する外周面を形成するであろう。モノリスであろうとセグメント化されていようと、交差壁（ウェブなど）により画成されるハニカム体の各通路は、フィルタを製造するために、入口面または出口面で施栓することができる。いくつかの通路が施栓されずにいる場合、部分フィルタを製造することができる。モノリスであろうとセグメント化されていようと、そのハニカム体に触媒を施して基体を製造することができる。施栓されていないハニカム体は、概して、ここでは基体と称される。触媒基体は、後で施された触媒を有しても、押出触媒を含んでも差し支えない。さらに、フィルタおよび部分フィルタに触媒を施して、多機能性を与えることができる。このように製造されたセラミックハニカム体は、エンジン排気の浄化などの流体洗浄のために、触媒担体として、膜担体として、壁流フィルタとして、部分フィルタとして、その組合せとして、広く使用されている。

セラミックハニカム体組成物は、特に限定されず、多量および微量のコージエライト、チタン酸アルミニウム、ムライト、β−スポジュメン、炭化ケイ素、ゼオライトなど、およびそれらの組合せを含み得る。さらなる例として、セラミックハニカム体は、押出ゼオライトまたは他の押出触媒を含み得る。

本開示の実施の形態は、ハニカム押出ダイアセンブリに関する。その押出ダイアセンブリは、ハニカム押出ダイ（ダイ）および成形板（流量制御装置）を備え得る。実施の形態は、表皮形成マスクをさらに備え得る。その全ての内容が、ここに完全に述べられているかのように引用により含まれる、２０１３年１月８日に発行された米国特許第８３４８６５９号明細書には、マスクおよび成形板が記載されている。

図１は、本開示の実施の形態によるハニカム押出ダイアセンブリ１０の断面図である。ハニカム押出ダイアセンブリ１０は、ハニカム押出ダイ７０１、矢印「Ａ」により示されるバッチ流れ方向にハニカム押出ダイ７０１の下流に配置されたマスク９００、およびバッチ流れ方向にハニカム押出ダイ７０１の上流に配置された成形板８００を備える。ハニカム押出ダイ７０１は、供給孔３０４との交差点から吐出面７１０に向かって間隔が空けられた窪み３１２と、幅広部分７２２であって、窪みを有するが、吐出面７１０で幅広部分７２２を持たない公称スロットからダイ周囲に向かった配置された強化区域における吐出面７１０でダイ７１０中に延在する幅広部分７２２とを有するスロット、第１の周囲段７５８、第１の周囲段７５８からダイ周囲に向かって配置された第２の周囲段７６０、および吐出面７１０と第１の周囲段７５８との間に配置された表皮形成面７７４を備える。マスク９００は、吐出面における第１の周囲段７５８および第２の周囲段７６０で吐出面に面する逸らせ面９１４、および表皮形成面７７４に面する案内面９２４を備える。成形板８００は、遮断区画８０４から半径方向外側に配置された流動孔８１０を備える。遮断区画８０４は、第１の周囲段７５８からダイ本体中に延在するスロット７６４にバッチを供給する周囲供給孔３０６へのバッチ流Ｑ２を遮断するために、ハニカム押出ダイ７０１の周囲供給孔３０６上に配置されている。流動孔８１０は、吐出面において第２の周囲段７６０からダイ本体中に延在するスロットにバッチを供給するハニカム押出ダイ７０１の周囲供給孔３０２にバッチ流Ｑ１を提供するように配置されている。

成形板８００は、ダイの上流側に配置することができ、マスク９００とダイの吐出面７５８との間、およびダイの表皮形成面（表皮ランプ）７７４とマスクの表皮形成面９２４との間の、表皮領域９０４、９０８においてダイ７０１の下流側のバッチＱ２の流路を効果的に変える。成形板８００は、バッチ流Ｑ２がいくつの供給孔３０６にも入るのを防ぐまたは制限することができる一方で、バッチ流Ｑ１およびＱ３の他の区域を妨げずに、逸らせ面９１４と第２の周囲段７６０との間の空間９１６を充填し、強化区域のスロット７０４およびバルク区域の公称スロットを充填する。ここに開示されたように、成形板８００は、表皮ランプ９０４に流れを与える供給孔３０６および表皮ランプ７４４に密接に隣接した、例えば、図１に示されるように、表皮ランプ７４４からほぼ２つのセル距離内にあるマスク下の領域９０８への流れを制限することができる。少なくともいくつかの実施の形態において、それらの特定の区域へのバッチ流を制限することにより、セラミックペースト中のタルクなどの高アスペクト比粒子の配列の乱れに寄与するであろうウェブスロット７６４から表皮への流れなどのために、表皮とマトリクスの交差点での所定形状に押し出された表皮におけるハニカム体の一部内に生じる粒子の配列の乱れ（板状タルクなどの板状バッチ粒子の配列の乱れのため）を防ぐことができる。高アスペクト比粒子の配列の乱れは、焼成の際にそれに続くランダム結晶構造をもたらし、表皮のＣＴＥを増加させ得る。ハニカム体の表皮とマトリクスとの間の平均接線ＣＴＥ差により、表皮の割れ目をもたらし得る表皮応力が生じる。

同量のバッチが表皮ランプ９０４およびその表皮ランプに近接したマスク下の領域９０８に到達して、主に異なる流路から到達してマスクの下の容積を満たし、よって粒子の配列の乱れが避けられることが好ましい。成形板８００は、その成形板により測られながら供給されるバッチ流Ｑ２をより多く供給孔３０６の周りに向けて、ウェブスロット７６４から表皮９０４への流れを少なくし、それゆえ、高アスペクト比粒子の配列の乱れを制限するように流路を変えることができる。

代わりの通路Ｑ１、Ｑ３、Ｑ４から所望のバッチ流を提供するために、マスクの下でより長い流路が使用され、その流路のインピーダンス（または抵抗）をより大きくすることができ、これにより、マスクの下の容積を満たすのに十分に供給されないまたは不適切な質量流がもたらされ得る。そのようなインピーダンスのより大きい流路を補償するために、ダイの下流側で切断された、「段状切削部」７５８、７６０タイプの表皮形成体を利用することができる。この「段状切削部」７５８、７６０は、成形板の遮断区画８０４の外縁よりも大きく、周囲まで延在し得る半径に位置する第２のより深い切削部７６０を含む。ダイの前面にあるそのようなより深い切削部７６０には、バッチ流の抵抗を低下させる効果がある。何故ならば、スロットは、バッチ流がダイを通って移動するときに遭遇するダイの特徴のいずれかの最大流れ抵抗を生じるからである。段状切削部７６０のより低い流れ抵抗により、成形板８００がダイ７０１の下流側に取り付けられたときに、表皮形成容積９０４、９０８を満たすのに適切な体積および速度で、バッチはマスク９００の下のより長い流路を流通することができる。図２は、押し出されたリボン（表皮）のＣＴＥ（様々なランド長さで押し出された２０ミル（０．５１ｍｍ）のリボンにおいて生じた接線ＣＴＥ）に対するより長い流路（ランド）７５８の長さの影響を示す実験結果を表す。この実験研究に基づいて、最小「表皮」流路長さは、適切な粒子配列を与えるために特定できることが分かる。ここでは、２ミル（０．００２インチまたは０．０５１ｍｍ）の壁を有するハニカム体を形成するために使用した高アスペクト比のタルク組成物について、最小ランド７５８長さは、１．５ｍｍ（０．０６０インチ）であることが分かった。０．０２０インチ（０．５１ｍｍ）のより短い流路長さでは、ＣＴＥの増加と配列の乱れが観察された。

ステンレス鋼などの高強度材料から形成されたものなどの押出ダイは、供給孔が設けられたダイ本体を備え、可塑化されたセラミックバッチ材料はその供給孔を通じてダイに導入される。その供給孔は、ダイの吐出面で終端する吐出スロットと接続されており、その可塑化されたバッチ材料は、外形を取り囲み周囲壁に付着した押出外皮を有するハニカム押出物の形態でその吐出面から吐出される。

厚さが内壁より厚いより強力な周囲壁を製造する目的のために、広げられた周囲吐出スロットが設けられる。スロットの拡大は、例えば、適切な幅のタブ電極を備えたプランジ放電加工機によって行うことができる。このように、スロットの拡大により、ハニカム体の周囲壁が肥厚化されて、これにより、乾燥され焼成されたハニカム構造に追加の強度を与えることができる。しかしながら、肥厚化された周囲壁の歪み、所望の強化とのそのような歪みの干渉、およびある場合には、焼成ハニカム体の強度の低下の可能性がある。

本開示の実施の形態は、ダイスロットの少なくともいくつかの各々が、供給孔との交差点から吐出面に向かって間隔が空けられた窪みと、本開示の実施の形態によるハニカム押出物の周囲領域を強化するために吐出面で公称スロット幅のバルク領域を取り囲む周囲領域において窪みまでダイ本体中に延在する吐出面での幅広部分とを有する、新たなダイ設計に関する。これらの実施の形態は、幅がより広いスロット部分と窪みとの間の相互作用を利用し、このことは、例えば、バッチ流の双安定状態およびバッチ流へのバッチからの圧力の増加を避け、また強化領域の幅広スロット部分における正確なバッチ流に必要なインピーダンスプロファイルを与えるのに役立つ。これらの実施の形態によれば、そのダイは、壁の幅が外周に向かって徐々に増加するハニカム体を製造することができる。これらの実施の形態によれば、そのダイを通じた押出しは、十分に充填された周囲ダイスロットを示し、ハニカム体の強化領域における目標の壁厚を満たし、このことは、外周近くの壁の歪みおよびハニカム体の強化領域とバルク領域との間の裂け目などの押出欠陥を回避するのに役立つことができる。

これらの実施の形態によれば、窪みは、非接合部(non-knitter)および歪曲ウェブなどの流動低下欠陥、および多孔質セラミック壁の亀裂などのその後の焼成欠陥に対する窪みの寄与、およびより高いアイソスタティック強度および／または減少したチッピングなどの改善された強度をハニカム体に与えるのに役立つ強化領域を維持しつつ、バルク流のバランスを改善するように周囲流を与えるためにスロットの深さに沿った位置に配置することができる。

周囲領域においてダイ本体中に窪み３１２まで延在する吐出面７１０での幅広部分７２２を通る増加したバッチ流は、図１に示されるように、表皮領域にバッチ流Ｑ４も与える。公称スロット、または窪みまでずっとではないが、ダイ本体中に延在する吐出面での幅広部分を有するスロットからのバッチ流を上回るこれらの窪みまで切削されたスロット７０４からの追加のバッチ流Ｑ４は、段状に切削された表皮形成ダイ吐出面７６０、７５８からの追加のバッチ流と共に、表皮形成領域９０８、９０４に、成形板８００によって欠乏しているであろうバッチを適切に供給すると同時に、高アスペクト比のバッチ粒子の配列の乱れをもたらし得る、表皮形成領域における短い流路を減少させるまたはなくす。表皮のひびおよび裂け目が減少しているまたはなくなっている一方で、表皮ＣＴＥとマトリクスＣＴＥとの間の差が、ハニカム体において減少していることが好ましい。このように、窪みまで切削されたスロット７２２、段状に切削された表皮形成ダイ吐出面７６０、７５８、および成形板８００は、少なくともいくつかの実施の形態において、相乗効果を与えて、ハニカム体の表皮とマトリクスとの間の平均接線ＣＴＥ差を減少させ、したがって、好ましくは、表皮のひびの量、長さ、および／または幅を減少させることができる。

いくつかの実施の形態において、前記ハニカム体は、平方インチ（約６．２５ｃｍ^２）当たりのセル数（ｃｐｓｉ）で約１００と１２００の間のセル壁を、対応する密度のスロットを有するダイ７０１により備えることができる。典型的なセル壁の厚さおよび対応するダイスロットの幅は、約０．０２５ｍｍから約１．５ｍｍ（約１から６０ミル）に及び得る。例えば、ハニカム体２００およびダイ７００の形状は、４００ｃｐｓｉであり、約８ミル（約０．２ｍｍ）（４００／８）、または約６ミル（約０．１５ｍｍ）（４００／６）の壁／スロット厚であることがある。他の形状の例としては、１００／１７、２００／１２、２００／１９、２７０／１９、３５０／３、４００／３、４００／４、５００／２、６００／２、６００／３、６００／４、７５０／２、９００／２、９００／３、１２００／２、さらには７５０／１および９００／１が挙げられる。ハニカム体２００は、正方形構造のセル壁とセルを有し得る、または例えば、六角形、八角形、三角形、長方形またはどの他の適切なセル形状を使用してもよい。また、セル状ハニカム体２００の外周断面が円形であることがあるが、そのように限定されず、例えば、その断面は、楕円形、正方形、三角形、または他の所望の形状、およびその組合せであって差し支えない。

本開示の精神または範囲から逸脱せずに、本開示に様々な改変および変更を行えることが当業者に明白であろう。それゆえ、付随の特許請求の範囲が、本開示の改変および変更を、それらが付随の特許請求の範囲およびその等価物の範囲に入るという条件で、網羅することが意図されている。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
ハニカム押出ダイアセンブリにおいて、
ダイ本体であって、
入口面および該入口面と反対の吐出面と、
前記吐出面の表皮形成領域であって、
前記ダイ本体中に延在する第１段および該第１段よりも該ダイ本体中にさらに延在する、該第１段から外周に向かって配置された第２段、
を有する表皮形成領域と、
前記入口面から前記ダイ本体中に延在する供給孔と、
前記ダイ本体内の交差点で前記供給孔と接続するように前記吐出面から該ダイ本体中に延在する吐出スロットの交差アレイであって、該スロットを境界とする複数のピンの側面により形成され、前記吐出面から前記ダイ本体中に延在する吐出スロットの交差アレイと、
を含むダイ本体、および
前記ダイ本体の入口面に配置されて、前記吐出面で前記第１段に対応する供給孔を塞ぎ、該吐出面で前記第２段に対応する供給孔を塞がない成形板、
を備え、
前記スロットの壁を形成する前記ピンの側面の少なくともいくつかは、前記供給孔と該スロットの交差点から間隔が空けられ、前記吐出面から間隔が空けられた窪みを備え、
前記複数のスロットは、
前記吐出面で隣接するピンの間の幅Ｗ１を有する第１群のスロット、および
該吐出面で隣接するピンの間の、Ｗ１より大きい第２の幅Ｗ２を有する第２群のスロット、
を備え、Ｗ２は前記吐出面から前記窪みまで一定である、ハニカム押出ダイアセンブリ。

実施形態２
前記第１群のスロットが前記窪みの少なくともいつくかを構成し、Ｗ１が前記吐出面から前記窪みまで一定である、実施形態１に記載のハニカム押出ダイアセンブリ。

実施形態３
Ｗ１が前記供給孔とスロットの交差点から前記窪みまで一定である、実施形態１または２に記載のハニカム押出ダイアセンブリ。

実施形態４
前記第２群のスロットにおけるスロットが、前記第１群のスロットから前記ダイ本体の周囲領域に向かって配置されている、実施形態１から３いずれか１つに記載のハニカム押出ダイアセンブリ。

実施形態５
前記第２群のスロットが前記第１群のスロットを取り囲む、実施形態１から４いずれか１つに記載のハニカム押出ダイアセンブリ。

１０ ハニカム押出ダイアセンブリ
３０２、３０６ 周囲供給孔
３０４ 供給孔
３１２ 窪み
７０１ ハニカム押出ダイ
７１０ 吐出面
７２２ 幅広部分
７５８ 第１の周囲段
７６０ 第２の周囲段
７７４ 表皮形成面
８００ 成形板
９００ マスク
９１４ 逸らせ面
９２４ 案内面

Claims (5)

1. ハニカム押出ダイアセンブリにおいて、
   ダイ本体であって、
   入口面および該入口面と反対の吐出面と、
   前記吐出面の表皮形成領域であって、
   前記ダイ本体中に延在する第１段および該第１段よりも該ダイ本体中にさらに延在する、該第１段から外周に向かって配置された第２段、
   を有する表皮形成領域と、
   前記入口面から前記ダイ本体中に延在する供給孔と、
   前記ダイ本体内の交差点で前記供給孔と接続するように前記吐出面から該ダイ本体中に延在する吐出スロットの交差アレイであって、該スロットを境界とする複数のピンの側面により形成され、前記吐出面から前記ダイ本体中に延在する吐出スロットの交差アレイと、
   を含むダイ本体、および
   前記ダイ本体の入口面に配置されて、前記吐出面で前記第１段に対応する供給孔を塞ぎ、該吐出面で前記第２段に対応する供給孔を塞がない成形板、
   を備え、
   前記スロットの壁を形成する前記ピンの側面の少なくともいくつかは、前記供給孔と該スロットの交差点から間隔が空けられ、前記吐出面から間隔が空けられた窪みを備え、
   前記複数のスロットは、
   前記吐出面で隣接するピンの間の幅Ｗ１を有する第１群のスロット、および
   該吐出面で隣接するピンの間の、Ｗ１より大きい第２の幅Ｗ２を有する第２群のスロット、
   を備え、Ｗ２は前記吐出面から前記窪みまで一定である、ハニカム押出ダイアセンブリ。
2. 前記第１群のスロットが前記窪みの少なくともいつくかを構成し、Ｗ１が前記吐出面から前記窪みまで一定である、請求項１記載のハニカム押出ダイアセンブリ。
3. Ｗ１が前記供給孔とスロットの交差点から前記窪みまで一定である、請求項１または２記載のハニカム押出ダイアセンブリ。
4. 前記第２群のスロットにおけるスロットが、前記第１群のスロットから前記ダイ本体の周囲領域に向かって配置されている、請求項１から３いずれか１項記載のハニカム押出ダイアセンブリ。
5. 前記第２群のスロットが前記第１群のスロットを取り囲む、請求項１から４いずれか１項記載のハニカム押出ダイアセンブリ。

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