PL205752B1

PL205752B1 - Filtr o strukturze plastra pszczelego

Info

Publication number: PL205752B1
Application number: PL361655A
Authority: PL
Inventors: Shuichi Ichikawa; Naoshi Masukawa
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2010-05-31
Also published as: EP1437168A1; EP1437168A4; JP4246425B2; WO2003033104A1; US6984253B2; EP1437168B1; US20040045267A1; PL361655A1; JP2003117322A

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

Przedmiotem wynalazku jest filtr o strukturze plastra pszczelego stosowany przykładowo do zatrzymywania drobnych cząstek zawartych w spalinach z silnika spalinowego, kotła itp., a zwłaszcza filtr o strukturze plastra pszczelego, który jest zabezpieczony przed nadmiernym wzrostem temperatury, charakteryzuje się małą nierównomiernością rozkładu temperatury i ma lepszą trwałość.

Stan techniki

Filtry o strukturze plastra pszczelego są stosowane przykładowo do zatrzymywania cząstek stałych zawartych w spalinach z silnika spalinowego, kotła itp., a zwłaszcza w spalinach z silników wysokoprężnych.

Filtr o strukturze plastra pszczelego stosowany do takiego celu zwykle ma, jak pokazano na fig. 6(a) i 6(b), strukturę posiadającą wiele przelotowych otworów 3 przebiegających w kierunku osi X i otoczonych przegrodami 2, przy czym każde dwa sąsiednie przelotowe otwory 3 są zamknięte na przemian przy przeciwległym końcu struktury, tak że każda powierzchnia końcowa ma wygląd kratownicy. W filtrze o strukturze plastra pszczelego posiadającym taką budowę oczyszczany płyn wchodzi w przelotowe otwory 3, które nie są zamknięte przy wlotowej powierzchni końcowej 42 struktury filtra, to znaczy które są zamknięte przy wylotowej powierzchni końcowej 44, przechodzi przez porowate przegrody 2 i jest wyprowadzany z sąsiednich przelotowych otworów 3, to znaczy tych przelotowych otworów 3, które są zamknięte przy wlotowej powierzchni końcowej, a nie są zamknięte przy wylotowej powierzchni końcowej 44. Przegroda 2 staje się wtedy elementem filtrującym, na przykład sadze wyrzucane z silnika wysokoprężnego są zatrzymywane przez przegrody i osadzają się na nich. W filtrach o strukturze plastra pszczelego wykonanych w taki sposób gwałtowna zmiana temperatury spalin i lokalne grzanie powodują nierównomierny rozkład temperatury wewnątrz struktury plastra pszczelego i powstają problemy, takie jak pękanie filtru o strukturze plastra pszczelego itp. Kiedy powyższy filtr o strukturze plastra pszczelego jest stosowany zwłaszcza do zatrzymywania cząstek stałych zawartych w spalinach z silnika wysokoprężnego, wówczas konieczne jest wypalanie cząstek węgla osadzonych na filtrze, aby usunąć te cząstki i zregenerować filtr, a w takim przypadku lokalnie w filtrze powstaje wysoka temperatura. Na skutek tego istniały problemy, takie jak zmniejszenie skuteczności regeneracji na skutek nierównomierności temperatury regeneracji i powstawanie pęknięć na skutek dużych naprężeń cieplnych. Ponadto, ponieważ rozkład temperatury podczas regeneracji nie jest równomierny, trudno jest otrzymać optymalną temperaturę w całym filtrze i osiągnąć lepszą skuteczność regeneracji.

Proponowano zatem procesy wytwarzania filtra o strukturze plastra pszczelego przez spajanie wielu oddzielnych segmentów za pomocą kleju. Przykładowo w patencie USA nr 4.335.783 ujawniono proces wytwarzania filtra o strukturze plastra pszczelego, który zawiera spajanie dużej liczby części struktury plastra pszczelego za pomocą nieciągłego kleju. Również w JP-B-61-51240 zaproponowano odporny na wstrząs termiczny, obrotowy regeneracyjny wymiennik ciepła, który jest utworzony przez formowanie wytłoczeniowe segmentów matrycy o strukturze plastra pszczelego z materiału ceramicznego, wypalanie ich, wygładzanie przez obróbkę zewnętrznej obwodowej części wypalonego segmentu; powlekanie spajanej części uzyskanego segmentu klejem ceramicznym, który ma zasadniczo taki sam skład mineralny jak segment matrycy i różnicę wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej 0,1% lub mniej przy 800°C po wypaleniu; oraz wypalanie powleczonych segmentów. Ponadto w dokumencie SAE 860008 z 1986 r. ujawniono ceramiczną konstrukcję o strukturze plastra pszczelego, otrzymaną przez spojenie kordierytowych segmentów struktury plastra pszczelego klejem kordierytowym. Ponadto w JP-A-8-28246 ujawniono ceramiczną konstrukcję o strukturze plastra pszczelego otrzymaną przez spojenie ceramicznych członów struktury plastra pszczelego elastycznym szczeliwem wykonanym z przynajmniej trójwymiarowo splecionych ze sobą włókien nieorganicznych, nieorganicznego spoiwa, organicznego spoiwa i cząstek nieorganicznych. Próbowano również wytwarzać filtr o strukturze plastra pszczelego wykorzystując na przykład materiał w rodzaju węglika krzemu o dużej przewodności cieplnej i dużej odporności na wysoką temperaturę, aby uniknąć lokalnego przegrzewania go do wysokich wartości temperatury i uszkodzeń powodowanych przez naprężenie cieplne.

Stosując taki segment i/lub materiał o dużej odporności na wysoką temperaturę, taki jak materiał w rodzaju węglika krzemu, można do pewnego stopnia uniknąć naprężeń cieplnych. Jednakże nie jest możliwe wyeliminowanie różnic temperatury pomiędzy zewnętrzną częścią obwodową a środkiem filtru o strukturze plastra pszczelego, a równomierna regeneracja i w konsekwencji polepszenie

PL 205 752 B1 trwałości staje się niewystarczające. Ponadto istnieją przypadki lokalnego wytwarzania ciepła podczas regeneracji.

Ponadto w JP-A-2001-162119 ujawniono filtr, który jest integralną ceramiczną strukturą filtrującą wytworzoną przy użyciu warstwy spajającej (kleju) o grubości 0,3-5 mm i o przewodności cieplnej 0,1-10 W/mK, w którym temperatura całej części jest równomierna, a trudno jest zobaczyć lokalnie niewypalony materiał. Przy stosowaniu kleju o określonej grubości i określonej przewodności cieplnej możliwe jest zmniejszenie lokalnie niewypalonego materiału i zwiększenie skuteczności regeneracji przez wypalanie sadzy. Jednakże umożliwienie regeneracji przez wypalanie sadzy nie wystarcza to do uniknięcia gradientu temperatury podczas lokalnego ogrzewania do wysokiej temperatury i wynikowego naprężenia cieplnego oraz nie wystarcza do zwię kszenia krytycznej ilości sadzy. Ponadto, jak ujawniono w powyższych dokumentach, przez zmianę grubości kleju można sterować przewodnością cieplną i pojemnością cieplną kleju. Jednakże zwiększenie grubości kleju powoduje inne niedogodności zmniejszenia skutecznego pola powierzchni filtru i zmniejszenia spadku ciśnienia po osadzeniu się sadzy. Przewodność cieplna i pojemność cieplna oraz spadek ciśnienia na filtrze stają się zatem właściwościami sprzecznymi, kiedy chce się sterować nimi tylko przez grubość kleju, a ponadto istnieje granica grubości spoiwa praktycznie obowiązująca w filtrze.

Znany jest również z opisu patentowego EP 1142619 zespół filtra ceramicznego o zwiększonej efektywności przetwarzania gazu wylotowego. Zespół filtra ceramicznego wytwarzany jest przez pokrywanie ceramiczną warstwą okrywającą zewnętrznych powierzchni wielu filtrów (F1), z których każdy utworzony jest z korpusu ze spiekanego ceramicznego materiału porowatego. Warstwa okrywająca ma grubość w zakresie od 0,3 mm do 3 mm oraz przewodność cieplną w zakresie od 0,1 W/mk do 10 W/mK.

Istota wynalazku

Przedmiotowy wynalazek powstał z uwzględnieniem takiej sytuacji, by opracować filtr o strukturze plastra pszczelego, który może przeciwdziałać nadmiernemu wzrostowi temperatury i może mieć większą trwałość, chociaż grubość kleju nie jest zmieniana.

Przedmiotowy wynalazek przedstawia filtr o strukturze plastra pszczelego, zawierający integralną strukturę z wielu segmentów plastra pszczelego spojonych ze sobą klejem, przy czym segment plastra pszczelego ma wiele przelotowych otworów, które są otoczone przegrodami i przebiegają w kierunku osiowym tego segmentu przy czym stosunek przewodnoś ci cieplnej κ s segmentu plastra pszczelego do przewodności cieplnej Ka kleju, KS/κα, jest w zakresie 5-300, charakteryzujący się tym, że gęstość pa kleju jest w zakresie 0,1-4 g/cm³ a pojemność cieplna Ha na jednostkę objętości kleju, reprezentowana przez ciepło właściwe Cpa x gęstość pa jest w zakresie od 0,1x10⁶ do 3x10⁶ J/m³-K.

Według przedmiotowego wynalazku korzystne jest, że klej ma pory i że zawiera metal. Ponadto w filtrze o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku korzystne jest, że zawiera on dwa lub więcej klejów o różnej lub jednakowej przewodności cieplnej Ka i pojemności cieplnej Ha na jednostkę objętości, jak również że współczynnik rozszerzalności cieplnej kleju jest w zakresie od 1x10^-6 do 8x10^-6/°C. Korzystne jest również, że segment o strukturze plastra pszczelego zawiera jako składnik główny węglik krzemu lub materiał kompozytowy z krzemu i węglika krzemu. Korzystne jest również w segmencie o strukturze plastra pszczelego pewne przelotowe otwory są zatkane przy jednej powierzchni końcowej segmentu, pozostałe przelotowe otwory są zatkane przy drugiej powierzchni końcowej segmentu, jak również że 70% lub więcej objętości filtru o strukturze plastra pszczelego jest utworzone przez segment plastra pszczelego o polu powierzchni przekroju 900-10000 mm².

Krótki opis rysunków

Fig. 1(a) jest schematycznym widokiem perspektywicznym przykładu wykonania segmentu struktury plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku;

fig. 1(b) jest schematycznym widokiem perspektywicznym przykładu wykonania filtra według przedmiotowego wynalazku;

fig. 1(c) jest schematycznym widokiem z góry przykładu filtra o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku;

fig. 2 jest schematycznym widokiem z góry innego przykładu wykonania filtra o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku;

fig. 3 jest schematycznym widokiem perspektywicznym innego przykładu wykonania segmentu struktury plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku;

fig. 4 jest widokiem perspektywicznym z góry filtrów o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku wykonanych według przykładów 1-5;

PL 205 752 B1 fig. 5 jest widokiem perspektywicznym z góry filtrów o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku wykonanych według przykładów 6 i 7;

fig. 6(a) jest schematycznym widokiem perspektywicznym konwencjonalnego filtra o strukturze plastra pszczelego; oraz fig. 6(b) jest częściowo powiększonym widokiem z góry z fig. 6(a).

Najlepszy tryb realizacji wynalazku

Poniżej opisano szczegółowo na podstawie załączonych rysunków filtr o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku. Jednakże przedmiotowy wynalazek nie jest w żaden sposób ograniczony do następujących trybów realizacji wynalazku. Określenie „przekrój” oznacza poniżej przekrój prostopadły do kierunku przelotowych otworów (kierunek osi X), chyba że podano inaczej.

Jak pokazano przykładowo na fig. 1(a), fig. 1(b) i fig. 1(c) filtr 1 o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku jest to filtr o strukturze plastra pszczelego zawierający integralną strukturę z wielu segmentów 12 plastra pszczelego spojonych klejem 8, przy czym segment taki ma wiele przelotowych otworów 3, które są otoczone przegrodami i przebiegają w kierunku 2 osi X.

Ważną właściwością wynalazku jest to, że przy stosunku przewodności cieplnej ks segmentu 12 plastra pszczelego do przewodności cieplnej Ka kleju 8, Ks/Ka, w zakresie 5-500, korzystnie 8-280, korzystniej 10-250 gęstość pa kleju 8 wynosi 0,1-4 g/cm³, korzystnie 0,3-3,5 g/cm³, jeszcze korzystniej 0,5-3,0 g/cm³. Przez kontrolowanie Ks/Ka i pa w tych zakresach można uniknąć nadmiernego wzrostu temperatury i/lub gradientu temperatury filtru o strukturze plastra pszczelego i otrzymać dużą trwałość. W szczególności najwyższa temperatura i/lub gradient temperatury występujący przy używaniu filtru o strukturze plastra pszczelego w charakterze filtru spalin z silników wysokoprężnych, który nadaje się do regenerowania, mogą być zmniejszone i można otrzymać filtr o strukturze plastra pszczelego mający lepszą trwałość.

Przykładowo, kiedy filtr o strukturze plastra pszczelego jest używany jako filtr spalin z silnika wysokoprężnego, w filtrze tym osadza się sadza. Gdy ilość sadzy wzrasta, zwiększa się ilość ciepła wytwarzanego podczas regenerowania, na skutek czego najwyższa temperatura zwiększa się i większe staje się naprężenie cieplne. W takim przypadku, aby kontrolować gradient temperatury i zmniejszać wytwarzanie naprężenia cieplnego, trzeba nie tylko kontrolować przewodność cieplną każdego segmentu 12 struktury plastra pszczelego lub kleju 8, ale również kontrolować stosunek przewodności cieplnej ks segmentu 12 plastra pszczelego do przewodności cieplnej Ka kleju 8, Ks/Ka. Kiedy wartość Ks/Ka jest za mała, klej 8 nie działa jako warstwa izolująca cieplnie. Na skutek tego ciepło jest przewodzone z jednego segmentu plastra pszczelego do sąsiedniego segmentu poprzez klej 8 i gradient temperatury wewnątrz segmentu plastra pszczelego ma tendencję do zwiększania się. W międzyczasie, kiedy stosunek Ks/Ka jest zbyt duży, przewodność cieplna kleju 8 w stosunku do przewodności cieplnej segmentu 12 plastra pszczelego jest zbyt mała. W rezultacie gradient temperatury w kleju 8 staje się zbyt duży, pojawia się tendencja do powstawania pęknięć w kleju 8 i może nastąpić pęknięcie filtru o strukturze plastra pszczelego.

Ponadto, kiedy gęstość pa kleju 8 jest za mała, klej 8 słabo działa jako warstwa izolująca cieplnie niezależnie od poziomu przewodności cieplnej kleju 8. Dlatego ciepło jest przewodzone z jednego segmentu struktury plastra pszczelego do sąsiedniego segmentu poprzez klej 8 i gradient temperatury wewnątrz segmentów struktury plastra pszczelego jest duży. W międzyczasie, kiedy gęstość pa kleju 8 jest zbyt duża, gradient temperatury w kleju 8 jest za duży i pojawia się tendencja do powstawania pęknięć w kleju 8. Przez kontrolowanie Ks/Ka i pa w powyższych zakresach według przedmiotowego wynalazku można uzyskać zatem filtr o strukturze plastra pszczelego, mający doskonałą trwałość.

Według przedmiotowego wynalazku przewodność cieplna ks segmentu 12 struktury plastra pszczelego odnosi się do średniej przewodności cieplnej przegród 2 i zewnętrznej ścianki 7 segmentu 12 struktury plastra pszczelego, a wyklucza przewodność cieplną przelotowych otworów 3. Ponadto stosunek przewodności cieplnej ks segmentu 12 struktury plastra pszczelego do przewodności cieplnej Ka kleju 8, to znaczy Ks/Ka, odnosi się do stosunku średniej przewodności cieplnej ks segmentu 12 struktury plastra pszczelego w filtrze 1 o strukturze plastra pszczelego i średniej przewodności cieplnej kleju 8 w tym filtrze 1.

Ponadto, kiedy pojemność cieplna Ha kleju 8 na jednostkę objętości jest za mała, klej 8 trudno działa jako warstwa izolująca cieplnie. W rezultacie ciepło jest łatwo przewodzone z jednego segmentu 12 plastra pszczelego na sąsiednie segmenty 12 poprzez klej 8, a gradient temperatury łatwo zwiększa się wewnątrz segmentów 12 plastra pszczelego. W międzyczasie, kiedy pojemność cieplna Ha jest za duża, gradient temperatury zwiększający się w kleju 8 ma tendencję do zwiększania się i powodowania tendencji do powstawania pęknięć w kleju 8. Pojemność cieplna Ha kleju 8 na jednostkę objętości,

PL 205 752 B1 reprezentowana przez ciepło właściwe Cpa x gęstość pa jest korzystnie w zakresie 0,1x10⁶ - 3x10⁶ J/m³-K, korzystniej 0,3x10⁶ - 2,5x10⁶ J/m³-K, a najkorzystniej 0,6x10⁶ - 2,0x10⁶ J/m³-K.

Przy odpowiednim wybraniu materiału i porowatości segmentu plastra pszczelego, materiału kleju itd. możliwe jest kontrolowanie Ks/Ka oraz pa w odpowiednich zakresach według przedmiotowego wynalazku. Jako korzystny specyficzny sposób kontrolowania Ks/Ka oraz pa wspomniano sposób, w którym klej może posiadać określone pory i zamierzoną małą gęstość. Tym sposobem można równocześnie zmniejszyć pojemność cieplną Ha na jednostkę objętości, gęstość Ka oraz przewodność cieplną pa. Aby umożliwić posiadanie przez klej porów, można wspomnieć przykładowo sposób dodawania podczas wytwarzania kleju czynnika porotwórczego, który zawiera już pewną objętość porów, do wspomnianego surowca, na przykład wydrążonych cząstek z materiału nieorganicznego lub organicznego, takich jak balonikowo spieniona żywica, wydrążone mikrokulki mineralne itp. Kiedy po spojeniu można przeprowadzać obróbkę cieplną, możliwe jest również dodawanie w charakterze czynnika porotwórczego skrobi, celulozy lub cząstek materiału nieorganicznego lub organicznego, które są wypalane lub roztapiane w danej temperaturze i tworzą przez to pory.

Jak inny korzystny sposób kontrolowania Ks/Ka oraz pa można wspomnieć sposób pozwalający, by klej zawierał metal w postaci włókien, cząstek itp. Sposobem tym można równocześnie zwiększać przewodność cieplną, pojemność cieplną i gęstość. Jako korzystny metal można wspomnieć miedź, stal nierdzewną itp., a szczególnie korzystne są włókna z nich. Ponadto, jako jeszcze inny korzystny sposób kontrolowania Ks/Ka oraz pa można wspomnieć sposób pozwalający, by klej zawierał materiał o dużym ciężarze właściwym, na przykład krzemian cyrkonu, tlenek cyrkonu itp. Przy stosowaniu tego sposobu możliwe jest zwiększenie tylko pojemności cieplnej i zmniejszenie przewodności cieplnej.

Możliwe jest również zmienianie Ks i przez to umożliwienie, by Ks/Ka zmniejszył się w odpowiednim zakresie, przez zmianę składu, średnic cząstek itd. surowca używanego do wytwarzania segmentu o strukturze plastra pszczelego. Przykładowo przez stosowanie czynnika porotwórczego jako surowca na segment o strukturze plastra pszczelego można otrzymać segment o dużych porach i małym przewodnictwie cieplnym. Kiedy jako materiał składowy segmentu o strukturze plastra pszczelego stosuje się metaliczny krzem i węglik krzemu, można otrzymać segment o dużej przewodności cieplnej przez zwiększenie zawartości metalicznego krzemu.

Przez odpowiednie wybranie lub połączenie tych sposobów można korzystnie wytwarzać segment o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku.

Korzystne jest również, że filtr o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku zawiera co najmniej dwa rodzaje klejów różniących się przewodnością cieplną Ka i/lub pojemnością cieplną Ha na jednostkę objętości. Kiedy taki filtr o strukturze plastra pszczelego jest używany przykładowo jako filtr spalin z silnika wysokoprężnego, ilość wytwarzanego ciepła jest szczególnie duża w części środkowej. Dlatego przy stosowaniu, jak pokazano przykładowo na fig. 2, kleju 8A o małej przewodności cieplnej i małej pojemności cieplnej na jednostkę objętości w części środkowej oraz kleju 8B o dużej przewodności cieplnej Ka i dużej pojemności cieplnej Ha w zewnętrznej części obwodowej zapobiega się wzrostowi temperatury w części środkowej, a rozkład temperatury w filtrze o strukturze plastra pszczelego staje się bardziej równomierny. Przez spojenie segmentów przy użyciu różnych klejów w zależności od wymagań wewnątrz filtru w celu kontrolowania gradientu temperatury w filtrze można bardziej zwiększyć trwałość filtra o strukturze plastra pszczelego. Nie ma żadnych szczególnych ograniczeń, jeśli chodzi o kombinację klejów i wiele klejów o różnym Ka i/lub Ha można stosować razem zależnie od struktury, warunków stosowania itd. filtra o strukturze plastra pszczelego tak, że rozkład temperatury całego filtra o strukturze plastra pszczelego staje się równomierny. Kleje różniące się Ka i/lub Ha można wytwarzać wymienionymi powyżej sposobami stosując czynnik pianotwórczy, metal, materiał o dużym ciężarze właściwym itp.

Jako klej do filtru o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku korzystny jest klej o stosunkowo małym współczynniku rozszerzalności cieplnej, ponieważ duży współczynnik rozszerzalności cieplnej powoduje tendencję do powstawania pęknięć na skutek wstrząsu cieplnego itp. Współczynnik rozszerzalności cieplnej kleju przy 20-800°C wynosi korzystnie 1x10^-6 - 8x10^-6/°C, korzystniej 1,5x10^-6 - 7x10^-6/°C, a najkorzystniej 2x10⁶ - 6x10⁶/°C. Zbyt duża różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy klejem a segmentem struktury plastra pszczelego nie jest korzystna, ponieważ naprężenie cieplne koncentruje się przy ich obszarze spojenia, kiedy są one ogrzewane lub chłodzone. Różnica wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzy klejem a segmentem struktury plastra pszczelego od 20°C do 800°C wynosi korzystnie 1x10^-6/°C lub mniej. Zwykle stosuje się klej zawierający jako główny składnik materiał ceramiczny. W charakterze surowca do wytwarzania kleju stosuje się przykładowo mieszaninę cząstek lub włókien glinokrzemianowych, fosforanu glinu itp. oraz koloidalnego zolu, takiego

PL 205 752 B1 jak koloidalna krzemionka, koloidalny tlenek glinu itp. oraz, jak wspomniano powyżej, metal taki jak włókna metalu itp., czynnik porotwórczy, cząstki ceramiczne itd. zależnie od żądanych właściwości.

Według przedmiotowego wynalazku głównym składnikiem segmentu o strukturze plastra pszczelego jest korzystnie przynajmniej jeden rodzaj materiału wybrany z grupy złożonej z kordierytu, mulitu, tlenku glinowego, spinelu, węglika krzemu, kompozytu typu węglik krzemu - kordieryt, kompozytu typu krzem - węglik krzemu, azotku krzemu, glino-krzemianu litu, tytanianu glinu, stopu typu Fe-Cr-AI oraz ich kombinacji z punktu widzenia wytrzymałości, odporności na wysoką temperaturę itd. Węglik krzemu lub kompozyt krzem - węglik krzemu jest szczególnie odpowiedni z punktu widzenia przewodności cieplnej i odporności na wysoką temperaturę. Określenie „główny składnik” oznacza tu, że stanowi on co najmniej 50% masy, korzystnie co najmniej 70% masy, a jeszcze korzystniej co najmniej 80% masy segmentu struktury plastra pszczelego. Według przedmiotowego wynalazku, kiedy segment struktury plastra pszczelego zawiera jako składnik główny kompozyt z metalicznego krzemu (Si) i węglika krzemu (SiC); w przypadku gdy zawartość Si w segmencie struktury plastra pszczelego, określona przez stosunek Si/(Si+SiC), jest za duża, trudno jest otrzymać jakiś rezultat przez dodanie Si, w przypadku, gdy zawartość Si jest większa niż 50% masy, trudno jest uzyskać jakiś wynik, jeśli chodzi o odporność na wysoką temperaturę i dużą przewodność cieplną. Dlatego zawartość Si wynosi korzystnie 5-50% masy, jeszcze korzystniej 10-40% masy. Według przedmiotowego wynalazku przegroda segmentu struktury plastra pszczelego jest korzystnie porowatym materiałem służącym jako filtr. Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia, jeśli chodzi o grubość przegrody. Jednakże zbyt duża grubość powoduje zbyt duży spadek ciśnienia, kiedy oczyszczany płyn przechodzi przez porowatą przegrodę, a zbyt mała grubość powoduje niewystarczającą wytrzymałość filtru. Dlatego takie grubości nie są korzystne. Grubość przegrody korzystnie wynosi 30-2000 μm, korzystniej 40-1000 μm, a najkorzystniej 50-500 μm.

Według przedmiotowego wynalazku nie ma żadnego szczególnego ograniczenia, jeśli chodzi o gęstość komórek (liczba przelotowych otworów na jednostkowe pole powierzchni przekroju) segmentu struktury plastra pszczelego. Jednakże zbyt mała gęstość komórek powoduje niewystarczającą wytrzymałość filtru i niewystarczające skuteczne pole powierzchni geometrycznej. Zbyt duża gęstość komórek powoduje duży spadek ciśnienia podczas przepływu oczyszczanego płynu. Gęstość komórek jest w zakresie korzystnie 6-2000 komórek na cal kwadratowy (0,9-311 komórek na cm²), korzystniej 50-1000 komórek na cal kwadratowy (7,8-155 komórek na cm²), najkorzystniej 100-400 komórek na cal kwadratowy (15,5-62,0 komórek na cm²). Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia, jeśli chodzi o kształt przekroju otworów przelotowych (kształt komórki). Jednakże z punktu widzenia wytwarzania korzystnym kształtem jest trójkąt, czworokąt, sześciokąt lub pofalowanie.

Według przedmiotowego wynalazku nie ma żadnego ograniczenia, jeśli chodzi o wielkość segmentu struktury plastra pszczelego. Jednakże zbyt duże wymiary powodują problem z pękaniem na skutek naprężenia cieplnego, a zbyt małe wymiary powodują kłopoty przy wytwarzaniu poszczególnych segmentów i przy ich scalaniu przez spajanie. Dlatego takie wymiary nie są korzystne. Jeśli chodzi o wielkość segmentu struktury plastra pszczelego, pole przekroju segmentu struktury plastra pszczelego wynosi korzystnie 900-10000 mm², korzystniej 900-5000 mm², a najkorzystniej 900-3600 mm², przy czym co najmniej 70% objętości filtru o strukturze plastra pszczelego jest korzystnie utworzone przez segmenty struktury plastra pszczelego o takiej wielkości. Nie ma żadnego specjalnego ograniczenia, jeśli chodzi o kształt segmentu struktury plastra pszczelego. Jednakże podstawowym kształtem przekroju poprzecznego może być czworokąt, to znaczy segment taki ma kształt graniastosłupa o podstawie czworokąta, na przykład fig. 1(a), a kształt zewnętrznych obwodowych segmentów struktury plastra pszczelego może być odpowiednio wybrany tak, aby pasował do kształtu filtru o strukturze plastra pszczelego po zintegrowaniu, jak pokazano na fig. 1(b) i 1(c).

Nie ma żadnego specjalnego ograniczenia, jeśli chodzi o kształt filtra o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku kształt przekroju może być kołowy, jak pokazano przykładowo na fig. 2, owalny, kształtu bieżni, eliptyczny, wielokątny (np. trójkątny, zasadniczo trójkątny, czworokątny lub zasadniczo czworokątny), albo nieregularny. Nie ma żadnego specjalnego ograniczenia, również jeśli chodzi o przewodność cieplną całego filtra o strukturze plastra pszczelego. Jednakże zbyt duża przewodność cieplna nie jest korzystna, ponieważ nawet w filtrze o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku ilość uwalnianego ciepła jest zbyt duża, nie ma wystarczającego wzrostu temperatury podczas regeneracji, a skuteczność wzrostu temperatury podczas regeneracji, a skuteczność regeneracji jest mała. Zbyt mała przewodność cieplna nie jest również korzystna, ponieważ ilość wyzwalanego ciepła jest za mała, co powoduje zbyt duży wzrost temperatury.

PL 205 752 B1

Przewodność cieplna przy 40°C wynosi korzystnie 10-60 W/mK, korzystniej 15-55 W/mK, najkorzystniej 20-50 W/mK.

Kiedy segment 12 struktury plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku jest używany zwłaszcza jako filtr spalin z silnika wysokoprężnego, korzystne jest, gdy otwory przelotowych otworów 3a, jak pokazano na fig. 3, są zamknięte przy jednej powierzchni końcowej 46 segmentu, a otwory pozostałych przelotowych otworów 3b są zamknięte przy drugiej końcowej powierzchni 48 segmentu. Szczególnie korzystne jest, gdy każde dwa sąsiednie przelotowe otwory 3, jak pokazano na fig. 3, są zamknięte na przemian przy przeciwnym końcu struktury tak, że obie końcowe powierzchnie 46 i 48 mają wygląd kratownicy. Na skutek takiego zamykania otworów oczyszczany płyn wchodzący przykładowo ze strony jednej końcowej powierzchni 46 przechodzi przez przegrody_2 i wychodzi ze strony drugiej końcowej powierzchni 48. Przegrody 2 służą jako filtr, kiedy oczyszczany płyn przechodzi przez nie, dzięki czemu można usuwać substancję, o którą chodzi.

Jako materiał do zamykania otworów można odpowiednio użyć co najmniej jednego rodzaju materiału wybranego z wymienionych wyżej materiałów ceramicznych i metali odpowiednio użytych na segment o strukturze plastra pszczelego.

Korzystne jest, że filtr o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku jest ładowany katalizatorem, np. metalem aktywnym katalitycznie, kiedy taki filtr o strukturze plastra pszczelego jest przeznaczony do użytku w charakterze nośnika katalizatora do oczyszczania spalin z gorącego silnika, takiego jak silnik spalinowy itp., albo z palnika, np. w kotle itp., albo do reformowania ciekłego lub gazowego paliwa. Przykładowym metalem aktywnym katalitycznie jest Pt, Pd, Rh, przy czym korzystne jest ładowanie filtra o strukturze plastra pszczelego przynajmniej jednym rodzajem takiego metalu.

Poniżej opisano proces wytwarzania filtra o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku.

Wymieniony wyżej korzystny materiał, przykładowo sproszkowany węglik krzemu, jest stosowany jako proszek surowca na filtr o strukturze plastra pszczelego. Do niego dodaje się spoiwo, na przykład metylocelulozę i hydroksypropoksylometylocelulozę. Ponadto dodaje się środek powierzchniowo czynny i wodę. Ciasto takie poddaje się formowaniu wytłoczeniowemu, aby otrzymać segment o strukturze plastra pszczelego posiadający zamierzony kształt.

Segment o strukturze plastra pszczelego suszy się na przykład mikrofalami i gorącym powietrzem. Każde dwa sąsiednie otwory przelotowe 3 segmentu o strukturze plastra pszczelego zamyka się na przemian na przeciwległym końcu segmentu takim samym materiałem, jaki był użyty przy wytwarzaniu filtru o strukturze plastra pszczelego tak, że obie powierzchnie końcowe segmentu o strukturze plastra pszczelego mają wygląd kratownicowy. Otrzymany segment suszy się, następnie odtłuszcza się za pomocą ciepła, na przykład w atmosferze azotu, i wypala się w atmosferze obojętnej, np. w argonie itp., aby otrzymać segment struktury plastra pszczelego posiadający żądaną przewodność cieplną ks. Segmenty takie spaja się używając surowca klejowego, na przykład cementu ceramicznego zawierającego środek porotwórczy, metal (np. włókna metalowe), materiał o dużym ciężarze właściwym itd. Spojone segmenty suszy się i utwardza przy 200°C. Dzięki temu można otrzymać filtr o strukturze plastra pszczelego.

Ładowanie katalizatora na tak wykonany filtr o strukturze plastra pszczelego można przeprowadzać sposobem zwykle stosowanym przez fachowców. Można to przeprowadzić na przykład przez nakładanie zawiesiny katalizatora na filtr o strukturze plastra pszczelego, a następnie przeprowadzanie suszenia i wypalania. Czasami można przeprowadzić ładowanie katalizatora na segment o strukturze plastra pszczelego, po czym przeprowadza się spajanie, aby otrzymać filtr o strukturze plastra pszczelego, albo wytworzyć filtr o strukturze plastra pszczelego i później załadować na niego katalizator.

Przedmiotowy wynalazek jest opisany bardziej szczegółowo poniżej w przykładach. Jednakże przedmiotowy wynalazek nie jest w żaden sposób ograniczony do tych przykładów.

Przykłady i przykłady porównawcze

Wytwarzanie segmentów o strukturze plastra pszczelego

Jako surowce wymieszano sproszkowany SiC i sproszkowany metaliczny Si oraz polimetakrylan metylu jako czynnik porotwórczy w proporcjach masy podanych w tablicy 1. Do tego dodano metylocelulozy, hydroksypropoksylometylocelulozy, środka powierzchniowo czynnego i wody, aby przygotować plastyczne ciasto. Ciasto to poddano formowaniu wytłoczeniowemu, a wytłoczki suszono mikrofalami i gorącym powietrzem, aby uzyskać segment o strukturze plastra pszczelego posiadający grubość przegrody 380 um, gęstość komórek 31,0 na cm² (200 komórek na cal kwadratowy), kwadratowy przekrój 35 x 35 mm oraz długość 152 mm. Każde da sąsiednie przelotowe otwory segmentu o strukturze plastra pszczelego zamknięto na przemian przy przeciwległych końcach segmentu takim samym materiałem, jaki

PL 205 752 B1 użyto przy wytwarzaniu filtru o strukturze plastra pszczelego tak, że dwie powierzchnie końcowe miały wygląd kratownicy. Zamknięty segment o strukturze plastra pszczelego suszono, następnie odtłuszczono w powietrzu przy temperaturze około 400°C i wypalono w obojętnej atmosferze argonu przy około 1450°C, by otrzymać spojone krzemem segmenty A lub B filtru o strukturze plastra pszczelego z SiC.

Te segmenty A i B o strukturze plastra pszczelego zmierzono pod względem porowatości, wytrzymałości na zginanie w czterech punktach, moduł sprężystości i przewodność cieplną. Wyniki podano w tablicy 1. Porowatość mierzono metodą Archimedesa. Przewodność cieplną mierzono metodą błysku laserowego ujawnioną w JIS R 1611. Wytrzymałość na zginanie w czterech punktach zmierzono metodą według JIS R 1601.

T a b l i c a 1

Segment o strukturze plastra pszczelego	Przeciętna średnica cząstki proszku SiC (μιτι)	Ilość użytego proszku SiC (części masowe)	Przeciętna średnica cząstek metalicznego Si (μτ)	Ilość użytego metalicznego Si (części masowe)	Przeciętna średnica cząstek czynnika porotwórczego (μτ)	Ilość użytego czynnika poro- twórczego (części masowe)	Przeciętna średnica porów (μτ)	Porowatość (%)	Wytrzymałość na zginanie w czterech punktach (MPa)	Moduł sprężystości (GPa)	Przewodność cieplna (W/mK)
A	50	70	4	30	-	-	15	40	35	25	40
B	32,6	80	4	20	12	20	10	55	12	10	12

Przygotowanie surowców kleju

W kompozycji przedstawionej w tablicy 2 zmieszano włókno glinokrzemianowe o przeciętnej średnicy 100 μm, sproszkowany węglik krzemu o przeciętnej średnicy cząstek 100 μm, krzemian cyrkonu, wodny roztwór 40% mas. krzemionki koloidalnej w charakterze spoiwa nieorganicznego oraz glinę. Dodano do tego wody, a następnie zagniatano przez 30 min. za pomocą mieszalnika, aby wytworzyć surowce klejowe 1-5. W surowcach klejowych 2 i 3 dodana była spieniona żywica jako czynnik porotwórczy. Do surowca klejowego 4 dodano miedzianych włókien o długości 1 mm w charakterze włókien metalu. Zamiast węglika krzemu użyto krzemianu cyrkonu, by otrzymać surowiec klejowy 6, a krzemian cyrkonu i krzemionkę koloidalną użyto zamiast włókien glinokrzemianowych i zamiast węglika krzemu, by otrzymać klejowy surowiec 7. Klejowe surowce 1-7 suszono i utwardzono, by otrzymać kleje 1-7. Te kleje 1-7 zmierzono pod względem przewodności cieplnej, gęstości i pojemności cieplnej. Wyniki przedstawiono w tablicy 3. Przewodność cieplną mierzono metodą błysku laserowego, jak ujawniono w JIS R 1611. Pojemność cieplną określano przez mierzenie właściwej pojemności cieplnej metodą błysku laserowego, jak ujawniono w JIS R 1611, mierząc gęstość metodą Archimedesa, obliczając iloczyn z tych dwóch pomiarów i biorąc ten iloczyn za pojemność cieplną.

T a b l i c a 2

Surowiec kleju	Włókna glinokrzemianowe (% mas.)	Węglik krzemu (% mas.)	Krzemian cyrkonu (% mas.)	Krzemionka koloidalna (% mas.)	Glina (% mas.)	Woda (% mas.)	Włókna miedziane (% mas.)	Spieniona żywica (% mas.)
1	32	37	-	20	1	10	-	-
2	28	27	-	27	1	9	-	8
3	24	24	-	24	1	8	-	19
4	27	33	-	16	1	8	15	-
5	-	69	-	27	1	3	-	-
6	27	-	46	18	1	8	-	-
7	-	-	50	29	1	20	-	-

PL 205 752 B1

T a b l i c a 3

Klej	Przewodność cieplna (W/mK)	Gęstość (g/cm³)	Współczynnik rozszerzalności cieplnej (x10⁶/°C)	Pojemność cieplna (Ha)x10^-6(J/m³-K)
1	0,9	1,7	3,2	1,3
2	0,2	1	2,8	0,8
3	0,05	0,6	2,5	0,5
4	2	2	3,8	1,8
5	3,5	1,9	3,6	1,3
6	0,3	1,3	3,5	1,4
7	0,1	4,3	3,3	3,1

P r z y k ł a d y 1-5 i przykłady porównawcze 1-3

Przy użyciu segmentów A i B o strukturze plastra pszczelego oraz surowców klejowych 1-7, otrzymanych w powyższych operacjach, spajanie segmentów o strukturze plastra pszczelego przeprowadzono w kombinacji przedstawionej w tablicy 4. Następnie przeprowadzono suszenie i utwardzanie w temperaturze 200°C, i potem cięcie, aby otrzymać kolumnowe filtry o strukturze plastra pszczelego z fig. 4 do spalin z silników wysokoprężnych, każdy o średnicy 144 mm i o długości 152 mm. Każdy filtr o strukturze plastra pszczelego zainstalowano w przewodzie wydechowym silnika wysokoprężnego z bezpośrednim wtryskiem o pojemności 3 I i uruchomiono ten silnik zasilając go olejem napędowym zawierającym 30 ppm dodatku Ce do paliwa, wytworzonego przez Rhodia, a na filtrze gromadziła się sadza w podanej ilości. Następnie ten filtr o strukturze plastra pszczelego ogrzewano do 600°C palnikiem na propan i zawartość tlenu w filtrze o strukturze plastra pszczelego zmieniono do 18% przez włączenie zaworu bocznikowego i regenerowano filtr o strukturze plastra pszczelego przez wypalanie sadzy. Ilość nagromadzonej sadzy stopniowo zwiększała się za każdym razem o 2 g/l, zaczynając od 4 g/l, a ilość sadzy przechwyconej i nagromadzonej w czasie, gdy przy obserwacji pod mikroskopem wykryte zostały pęknięcie na jednej powierzchni czołowej filtra, przyjęto jako krytyczną ilość sadzy. Wyniki podano w tablicy 4. Według tablicy 4, każdy z filtrów o strukturze plastra pszczelego, otrzymanych w przykładach 1-5, ma Ks/Ka i Ha według przedmiotowego wynalazku, a w porównaniu z filtrami o strukturze plastra pszczelego, otrzymanymi w porównawczych przykładach 1-3, z których każdy ma pewną wartość Ks/Ka i Ha, nie mieszczącą się w ramach przedmiotowego wynalazku, miały one dużą krytyczną ilość sadzy, co oznacza, że filtry o strukturze plastra pszczelego z przykładów 1-5 są wyraźnie lepsze, jeśli chodzi o trwałość, niż filtry z porównawczych przykładów 1-3.

T a b l i c a 4

	Segment o strukturze plastra pszczelego	Klej	Ks/Ka	Ha x 10'⁶(J/m³K)	Krytyczna ilość osadzonej sadzy (g/l)	Wygląd próbki
Przykład 1	A	1	44	0,9	10	Mikropęknięcia
Przykład 2	A	2	200	0,2	12	Mikropęknięcia
Przykład 3	A	5	11	1,9	12	Mikropęknięcia
Przykład 4	B	3	240	0,6	12	Mikropęknięcia
Przykład 5	B	4	6	1,8	10	Mikropęknięcia
Porównawczy przykład 1	A	3	800	0,5	6	Pęknięcia wewnątrz kleju
Porównawczy przykład 2	B	5	4,3	1,3	6	Pęknięcie pod kątem 45°
Porównawczy przykład 3	A	7	400	3,1	4	Pęknięcia wewnątrz kleju

PL 205 752 B1

P r z y k ł a d y 6 i 7

Filtry o strukturze plastra pszczelego były wytwarzane w taki sam sposób, jak w przykładzie 1 z tym wyjątkiem, że klej 8A, jak pokazano na fig. 5 (krzyżowa część kleju, przechodząca przez środek filtra o strukturze plastra pszczelego) oraz klej 8B (obwodowa część kleju) były połączone, jak podano w tabeli 3. Dokonano pomiarów krytycznej ilości sadzy w taki sam sposób, jak w przykładzie 1. W wyniku, jak podano w tablicy 5, rozkład temperatury zmniejszył się przy stosowaniu w obwodowej części kleju o małej przewodności cieplnej i pojemności cieplnej w porównaniu z przykładami 1 i 3, gdzie stosowano tylko jeden rodzaj kleju, zaś krytyczna ilość sadzy zwiększyła się o jeden stopień. Ponadto zwiększyła się trwałość.

T a b l i c a 5

	Podłoże	Klej 8A (część w kształcie krzyża)	Klej 8B (część obwodowa)	Ks/Ka (8A)	Ks/Ka (8B)	Krytyczna ilość osadzonej sadzy (g/l)
Przykład 6	A	1	2	44	200	14
Przykład 7	A	5	2	11	200	14

Zastosowanie przemysłowe

Jak opisano powyżej, w filtrze o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku stosunek przewodności cieplnej ks segmentu struktury plastra pszczelego do przewodności cieplnej Ka kleju, Ks/Ka, jest w zakresie 5-300, a gęstość pa kleju jest w zakresie 0,1-4 g/cm³. Dlatego taki filtr o strukturze plastra pszczelego ma dobrą trwałość. Filtr o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku stosowany jest zwłaszcza do spalin z silników wysokoprężnych, ponieważ zaletą wynalazku jest uniknięcie nadmiernego wzrostu temperatury filtra i bardziej równomierny rozkład temperatury wewnątrz filtra, przy czym zastosowania tego filtra nie ograniczają się tylko do spalin z silników wysokoprężnych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Filtr o strukturze plastra pszczelego, zawierający integralną strukturę z wielu segmentów plastra pszczelego spojonych ze sobą klejem, przy czym segment plastra pszczelego ma wiele przelotowych otworów, które są otoczone przegrodami i przebiegają w kierunku osiowym tego segmentu, przy czym stosunek przewodności cieplnej Ks segmentu plastra pszczelego do przewodności cieplnej Ka kleju, Ks/Ka, jest w zakresie 5-300, znamienny tym, że, gęstość pa kleju jest w zakresie 0,1-4 g/cm³a pojemność cieplna Ha na jednostkę objętości kleju, reprezentowana przez ciepło właściwe Cpa x gęstość pa jest w zakresie od 0,1x10⁶ do 3x10⁶ J/m³-K.
2. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że klej ma pory.
3. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że klej zawiera metal w postaci włókien i tym podobnych cząstek.
4. Filtr według zastrz. 1-3, znamienny tym, że zawiera dwa lub więcej klejów o różnej lub jednakowej przewodności cieplnej Ka i pojemności cieplnej Ha na jednostkę objętości.
5. Filtr według zastrz. 1-4, znamienny tym, że współczynnik rozszerzalności cieplnej kleju jest w zakresie od 1 x10^-6 do 8x10^-6/°C.
6. Filtr według zastrz. 1-5, znamienny tym, że segment plastra pszczelego zawiera jako główny składnik węglik krzemu lub materiał kompozytowy z krzemu i węglika krzemu.
7. Filtr według zastrz. 1-6, znamienny tym, że w segmencie plastra pszczelego pewne przelotowe otwory są zatkane przy jednej powierzchni końcowej segmentu, pozostałe przelotowe otwory są zatkane przy drugiej powierzchni końcowej segmentu.
8. Filtr według zastrz. 1-7, znamienny tym, że 70% lub więcej objętości filtru o strukturze plastra pszczelego jest utworzone przez segment plastra pszczelego o polu powierzchni przekroju 900-10000 mm².