Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf einen Keramikwaben-Strukturkörper, der für einen
Katalysator für das Reinigen schädlicher Komponenten wie Kohlenwasserstoff,
Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide verwendet wird, die in einem Abgas, das von einem
internen Verbrennungsmotor eines Automobils oder dergleichen abgegeben wird,
enthalten sind, oder für einen Katalysator, der verschiedene schädliche Komponenten,
die von einem Boiler abgegeben werden, reinigt, und insbesondere auf einen
Keramikwaben-Strukturkörper mit einer Vielzahl von offenendigen Zellen, die durch
dünne Zellwände definiert sind.
Beschreibung der verwandten Technik
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Der Keramikwaben-Strukturkörper mit einer Vielzahl von offenendigen Zellen, die
durch eine zylindrische hohlgestaltige Außenwand und viele Zellwände definiert sind,
wird schon seit jeher als Träger für den Katalysator, der schädliche Komponenten wie
Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide, die in von einem internen
Verbrennungsmotor eines Automobils oder dergleichen abgegebenen Abgasen
enthalten sind, reinigt, oder für den Katalysator, der verschiedene schädliche
Komponenten reinigt, die von einem Boiler abgegeben werden, verwendet. Die
Entwicklung eines solchen Keramikwaben-Strukturkörpers spiegelt die Geschichte des
Verringerns der Dicke der Zellwand von einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung bis
zum jetzigen Zeitpunkt wider.
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Wenn die Dicke der Zellwand immer dünner wird, sinkt auch die mechanische
Festigkeit des Keramikwaben-Strukturkörpers, so dass verschiedene Techniken
vorgeschlagen werden, um dieses Problem in den Griff zu bekommen.
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Im allgemeinen kann angenommen werden, dass, wenn die mechanische Stärke nur
von der Außenumfangswand des Keramikwaben-Strukturkörper erbracht wird, die
Zellwände innerhalb des Strukturkörpers beliebig verdünnt werden können. Die
Materialien, aus denen sich der Keramikwaben-Strukturkörper zusammensetzt, sind
jedoch unter dem Gesichtspunkt der Wärmebeständigkeit und thermischen
Schockbeständigkeit beschränkt, und auch die Dicke der Außenumfangswand ist aufgrund von
produktionsbedingten Restriktionen auf nicht weniger als etwa 1,5 mm beschränkt, so
dass die mechanische Festigkeit, die für den Keramikwaben-Strukturkörper erforderlich
ist, nicht nur allein durch die Außenumfangswand erhalten werden konnte.
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Aus diesem Grund offenbaren JP-B-62-18797 und JP-B-61-60320 eine Technik, bei der
die Dicke aller Zellwände, die sich im Außenumfangsabschnitt des Keramikwaben-
Strukturkörpers befinden, verdickt wird und die Dicke der Zellwand innerhalb des
Strukturkörpers verdünnt wird, um eine Verringerung der mechanischen Festigkeit zu
verhindern. Da die Dicke der Zellwand, die im Außenumfangsabschnitt des
Keramikwaben-Strukturkörpers liegt, verdickt wird, kann gemäß dieser Technik jedoch
die mechanische Festigkeit verbessert werden, aber es tritt das Problem auf, dass es
schwierig wird, das Abgas in offenendigen Zellen im Bereich der dicken Zellwand im
Außenumfangsabschnitt strömen zu lassen.
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Weiters offenbart JP-B-5-41296 eine Technik, in der eine Dicke einer Zellwand, welche
die Außenumfangswand des Keramikwaben-Strukturkörpers mit einer rechteckigen
Form am seitlichen Abschnitt berührt, langsam zur Außenumfangswand hin ansteigt.
Diese Technik ist eine Technik, die nur bei einer extrem beschränkten Bedingung oder
einer Bedingung anwendbar ist, dass die Außenumfangswand des Keramikwaben-
Strukturkörpers mit rechteckiger Form durch Schlitze in einer Extrusionsform
ausgebildet wird und somit eine dimensionelle Toleranz der Außenumfangsgestalt sehr groß
ist. Somit ergibt sich das Problem, dass obige Technik nicht auf den Katalysator für das
Automobil in dieser Form angewendet werden kann. JP-A-55147154 offenbart eine
Wabenstruktur, in welcher alle Zellwände innerhalb eines Abstands vom Außenumfang
mit Bezug auf die Innenzellwände verdickt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist somit ein Ziel der Erfindung, die eben erwähnten Probleme herkömmlicher
Techniken zu lösen und einen Keramikwaben-Strukturkörper bereit zu stellen, der
verhindert, das die Festigkeit herabgesetzt wird, und der gleichzeitig wirtschaftlich und
sehr genau ist, wobei man ein Abgas in die offenendigen Zellen im Bereich der
Außenumfangswand strömen lässt, wenn dieser Körper als Träger für den Katalysator
verwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Keramikwaben-Strukturkörper gemäß Anspruch 1
oder 2 bereit.
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Erfindungsgemäß sind die Zellwände, aus denen sich die unregelmäßigen offenendigen
Zellen im Bereich der Außenumfangswand zusammensetzen, dicker ausgeführt als die
anderen restlichen Zellwände, und insbesondere die Dicke der Zellwand in der
unregelmäßigen offenendigen Zelle, die nicht in einer Richtung kreuzt, die normal auf die
Außenumfangswand steht, ist dick ausgeführt, wodurch Biegebeanspruchung, die auf
die Zellwand wirkt, verringert werden kann und es somit möglich ist, den Bruch des
Keramikwaben-Strukturkörpers auf einem niedrigen Niveau zu verhindern. Weiters kann
bei der Herstellung des Keramikwaben-Strukturkörpers die Verformung der Zellwand,
aus welcher die unregelmäßige offenendige Zelle besteht, welche durch den Druck, der
von der Außenumfangswand wirkt, hervorgerufen wird, verhindert werden. Und selbst
wenn die Zellwand, aus der sich die unregelmäßige offenendige Zelle zusammensetzt,
dick ausgeführt wird, wird dadurch der Druckverlust kaum beeinflusst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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Fig. 1a eine Perspektive einer Ausführungsform des Keramikwaben-Strukturkörpers
gemäß der Erfindung ist;
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Fig. 1b eine Teilschnittansicht des in Fig. 1a abgebildeten Strukturkörpers ist;
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Fig. 2 eine schematische vergrößerte Ansicht ist, welche die Druckbeanspruchung und
Biegebelastung veranschaulicht, die auf eine Zellwand wirken;
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Fig. 3 eine schematische vergrößerte Teilansicht ist, welche die Verformung der
Zellwand darstellt;
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Fig. 4a und 4b Teilaufrissansichten einer Ausführungsform sind, die eine Konstruktion
eines Katalysators veranschaulichen, die den Wabenstrukturkörper verwendet;
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Fig. 5 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform einer Extrusionsform des
Keramikwaben-Strukturkörpers gemäß der Erfindung ist;
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Fig. 6 eine schematische Teilansicht ist, die Positionen von im Beispiel gemessenen
Abschnitten darstellt;
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Fig. 7 eine schematische Ansicht ist, die ein Verfahren zum Messen des Druckverlusts in
einem Außenumfangsabschnitt des Keramikwaben-Strukturkörpers im Beispiel
veranschaulicht; und
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Fig. 8 eine schematische Ansicht ist, die ein Verfahren zur Messung der Festigkeit der
Außenumfangswand im Beispiel zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Details zur Ausgestaltung der Erfindung sind nachfolgend ausgeführt.
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In letzter Zeit wurden die gesellschaftlichen Anforderungen an Automobile immer
stärker, und in diesem Zusammenhang werden zwei Förderungen hinsichtlich des
Katalysators angeführt.
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(1) Die schädlichen Komponenten im Abgas werden so weit möglich nahe auf Null
gebracht.
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(2) Der Treibstoffverbrauch wird so weit wie möglich reduziert.
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Hinsichtlich dieser Forderungen stellt ein in der Praxis realisierbarer Lösungsvorschlag
für den Keramikwaben-Strukturkörper dar, dass die Dicke der Zellwand, wie
nachfolgend ausgeführt, dünn ausgebildet wird.
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Zur Zeit werden Katalysatoren weitestgehend als ein Mittel verwendet, um schädliche
Komponenten im Abgas zu verringern. Eine der Bedingungen des Keramikwaben-
Strukturkörpers, welche zur Verbesserung der Reinigungsleistung des Katalysators
beitragen, besteht darin, die Wärmekapazität zu senken, um die Temperatur des
Katalysators schnell auf eine Arbeitsstarttemperatur anzuheben. Es gibt verschiedene
Verfahren, um die Wärmekapazität des Keramikwaben-Strukturkörpers zu senken, aber
tatsächlich sind sie, wie nachstehend erläutert, beschränkt. Zuerst wird versucht, ein
Material mit einer geringen Wärmekapazität zu verwenden, aber das Material ist
vielmehr durch andere wichtige Eigenschaften ziemlich beschränkt, so etwa die
mechanische Festigkeit, Wärmebeständigkeit, thermische Schockbeständigkeit und
dergleichen, so dass die Wärmekapazität des Strukturkörpers durch ein solches Material
nicht gesenkt werden kann. Zweitens wird versucht, eine Porosität zu erhöhen, aber ein
Ansteigen der Porosität senkt die mechanische Festigkeit, so dass die Porosität
keinesfalls erhöht werden kann. Drittens wird überlegt, die Anzahl der Zellwände zu
senken, aber da die Reinigungsleistung des Katalysators proportional zur geometrischen
Oberfläche des Strukturkörpers ist, kann die Anzahl der offenendigen Zellen, die durch
die Zellwände definiert werden, auf keinen Fall gesenkt werden. Aus diesem Grund
bleibt als Mittel, um die Wärmekapazität des Keramikwaben-Strukturkörpers zu senken,
nur die Verringerung der Zellwanddicke.
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Andererseits gibt es Überlegungen, dass ein Druckabfall des
Keramikwaben-Strukturkörpers minimiert wird, um den Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Damit der
Druckabfall unter einer Bedingung, welche die geometrische Oberfläche gewährleistet, die für
die Reinigungsleistung erforderlich ist, minimiert wird, besteht die beste Lösung darin,
die Zellwände des Keramikwaben-Strukturkörpers zu verdünnen.
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Wie bereits zuvor erwähnt, stellt das Verdünnen der Zellwanddicke des Keramikwaben-
Strukturkörpers das beste Mittel dar, um die oben angeführten Anforderungen zu
erfüllen. Wird die Dicke der Zellwand jedoch verdünnt, so kann die mechanische
Festigkeit jedoch natürlich verringert werden, was einen Nachteil darstellt.
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Die mechanische Festigkeit des Keramikwaben-Strukturkörpers ist eine Festigkeit, die
den Strukturkörper fest und mechanisch gegen äußeren Druck zusammen hält, selbst
wenn der Strukturkörper als Halterung für den Katalysator in einem Automobil
verwendet und gewaltiger, hochgradiger Hitze und Vibrationen ausgesetzt wird. D. h.,
der Keramikwaben-Strukturkörper ist in einem Katalysator-Umwandler zum Zeitpunkt
des Anlassens des Kraftfahrzeugs kühl, so dass eine thermisch ausdehnbare
Keramikmatte zwischen einem Behälter für den Katalysator und dem Strukturkörper in einem
zusammengepressten Zustand angeordnet ist, so dass der Strukturkörper sich nicht frei
innerhalb des Behälters bewegen kann, selbst wenn Vibrationen beim Anlassen auf den
Katalysator wirken. Wenn der Katalysator durch die Wärme aus dem Abgas während
des Laufs des Automobils erwärmt wird, wird die thermisch ausdehnbare Keramikmatte
ausgedehnt, um den Druck, der auf den Strukturkörper wirkt, weiter zu erhöhen. Aus
diesem Grund sollte der Keramikwaben-Strukturkörper mechanische Festigkeit
aufweisen, die diesen Drücken standhalten kann, wobei die erforderliche Festigkeit
gewöhnlich nicht weniger als 1 MPa beträgt.
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Die Erfinder haben bemerkt, dass der Bruch des gewöhnlichen
Keramikwaben-Strukturkörpers mit einer kreisförmigen oder ellipsoiden Gestalt am seitlichen Abschnitt, wobei
quadratische offenendige Zellen, die durch Zellwände mit einer einheitlichen Dicke
definiert sind, mit umfasst sind, beinahe in einer Position der Zellwand hervorgerufen
wird, die nicht normal auf die Außenumfangswand steht, bei einem niedrigen
mechanischen Druck von außen. Die Fig. 1a und 1b sind eine Perspektive bzw. ein
Teilquerschnitt des Keramikwaben-Strukturkörpers mit obiger Struktur. In den Fig. 1a
und 1b bezeichnet die Ziffer 1 einen Keramikwaben-Strukturkörper, die Ziffer 2 eine
Außenumfangswand, die Ziffer 3 eine Zellwand, die Ziffer 4 eine offenendige Zelle, die
durch die Zellwände 3 definiert wird, und die Ziffer 4a bezeichnet eine unregelmäßige
offenendige Zelle.
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Berührt die Zellwand die Außenumfangswand in einem rechten Winkel, wenn der
externe Druck auf die Außenumfangswand wirkt, so wird nur eine Druckbeanspruchung
auf die Zellwand ausgeübt. Der Grund dafür ist, da bei einem niedrigen Niveau ein
Bruch in die Richtung der Zellwände schwierig ist, dass die Außenwand die Zellwände
richtig berührt. Andererseits werden die unregelmäßigen offenendigen Zellen immer
durch die Außenumfangswand und die darauf nicht normal stehenden Zellwände in der
Umgebung der Außenumfangswand definiert, wenn der seitliche Abschnitt des
Keramikwaben-Strukturkörpers mit quadratischen offenendigen Zellen kreisförmig oder
ellipsoid ausgebildet ist. Im letzteren Fall wird die Druckbeanspruchung und die
Biegebelastung auf die Zellwand ausgeübt, wie in Fig. 2 gezeigt, wenn externer Druck
auf die Außenumfangswand angewandt wird. Da eine Zugbeanspruchung in
Keramikmaterialien bei einem Bruch nur etwa 1/10 der Druckbeanspruchung bei einem Bruch
beträgt, wurde bestätigt, dass, wenn der externe Druck auf einen solchen
Keramikwaben-Strukturkörper wirkt, die Biegebelastung, einschließlich obiger
Zugbeanspruchung, auf die nicht zur Außenumfangswand normal stehenden Zellwände wirkt,
und somit der Strukturkörper bei einem niedrigen Niveau des externen Drucks bricht.
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In der Erfindung wird somit die Dicke der Zellwand, aus der sich die unregelmäßige
offenendige Zelle zusammensetzt, verstärkt, um die Biegebeanspruchung, die auf eine
solche Zellwand wirkt, zu verringern, wodurch ein Bruch des Strukturkörpers bei
niedrigem externen Druck verhindert werden kann. Im Gegensatz dazu kreuzen sich in
den quadratischen offenendigen Zellen, die im Inneren des Strukturkörper angeordnet
sind, alle Zellwände, die eine solche offenendige Zelle definieren, im rechten Winkel
zu einander, so dass eine Kraft, die von der Außenumfangswand wirkt, in die Zellwandrichtungen
aufgeteilt wird und somit nur die Druckbelastung auf solche Zellwände
wirkt. Daraus ergibt sich, dass der Bruch der Zellwände, welche die quadratischen
offenendigen Zellen definieren, nicht hervorgerufen wird, selbst wenn die Dicke einer
solchen Zelle verdünnt wird.
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Bei der Ausbildung der Gestalt des Keramikwaben-Strukturkörpers wird, wenn die
Absicht besteht, die Dicke der Außenumfangswand dicker als die der Zellwand
auszuführen, der Extrusionswiderstand für die Außenumfangswand klein und somit die
Extrusionsrate schnell, und dadurch wird auf die Zellwände, die an die
Außenumfangswand in Richtung zum Mittelpunkt des Keramikwaben-Strukturkörpers hin angrenzen,
Druck angewandt. Somit werden die Zellwände, welche die unregelmäßige
offenendigen Zelle definieren, die nicht normal auf die Außenumfangswand steht, einer
Biegebelastung unterworfen, wie dies in Fig. 2 der Fall ist, was leicht zu einer
Verformung und somit zu einer Absenkung der mechanischen Festigkeit in den
Zellwänden 3 der unregelmäßigen offenendigen Zellen 4a führt, wie dies in Fig. 3
gezeigt ist. In der Erfindung kann jedoch eine solche Verformung verhindert werden,
indem die Dicke der Zellwand, welche die unregelmäßige offenendige Zelle definiert,
verstärkt wird.
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Im Keramikwaben-Strukturkörper betrug die Dicke der Zellwand herkömmlicherweise
0,15-0,30 mm, aber eine Zellwanddicke von 0,14 mm oder 0,10 mm wurde in der
letzten Zeit in der Praxis realisiert. Beträgt die Dicke der Zellwand weniger als 0,15
mm, selbst wenn die Dicke der Außenumfangswand etwa 0,5 mm beträgt und der
herkömmliche Strukturkörper eine Zellwanddicke von 0,15-0,30 mm aufweist, kann
die Außenumfangswand leicht bei der Handhabung abplatzen, so wie das Gehäuse des
Strukturkörpers im Behälter für den Katalysator-Wandler od. dgl. Das Abplatzen erfolgt
in einer nicht rechtwinkeligen Position der Außenumfangswand auf die Zellwand oder
in einem Abschnitt der Außenumfangswand, welche die unregelmäßige offenendige
Zellwand definiert. Dies bedeutet, dass die absolute Festigkeit der Außenumfangswand
an sich nicht ausreichend ist und ein Abplatzen selbst in den Abschnitten der Außenumfangswand,
die durch die dünnen Zellwände getragen werden, leicht hervorgerufen
werden kann. In der Erfindung wird die Dicke der Zellwand, welche die unregelmäßige
offenendige Zelle definiert, verstärkt, um die mechanische Festigkeit zu verbessern,
wodurch ein Abplatzen kaum hervorgerufen wird.
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Um den Keramikwaben-Strukturkörper 1, der mit einem Katalysator im Behälter 11 für
den Katalysator-Konverter bereit gestellt ist, mechanisch zu halten (siehe Fig. 4b)
wurden bis jetzt ein Metallmaschennetz 12 oder eine Metallplatte mit einem L-förmigen
Querschnitt auf einem Eckteil jeder Endfläche des Strukturkörpers 1 angeordnet, um die
Bewegung des Strukturkörpers 1 in eine Verlängerungs-Richtung der offenendigen Zelle
zu verhindern. In dieser Struktur kann jedoch ein Katalysator, der in einem Abschnitt
der Endfläche, die mit dem Metallmaschengitter 12 oder der Metallplatte bedeckt ist,
angeordnet ist, nicht verwendet werden. Um dieses Problem zu lösen, wurde kürzlich
ein Design adaptiert, in welchem, wie in Fig. 4a gezeigt, ein Metallmaschengitter 13 an
Stelle des L-förmigen Metallmaschengitters 12 verwendet wird, und das mechanische
Halten des Strukturkörpers wird nur an der Seitenfläche durch das Metallmaschengitter
13 durchgeführt, um das Abgas über eine volle Endfläche des Keramikwaben-
Strukturkörpers 1, der mit dem Katalysator im Hinblick auf eine effektive Verwendung
des Katalysators versehen ist, strömen zu lassen.
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Im Allgemeinen weist der Katalysator, einschließlich des
Keramikwaben-Strukturkörpers, einen größeren Durchmesser als das Abgasrohr auf, so dass beide Enden des
Katalysators-Wandlers für die Verbindung mit dem Abgasrohr abgeschrägt sind. Der
Abschrägungswinkel kann aufgrund der Beschränkung durch die Befestigung nicht zu
mäßig ausgeführt werden. Im Fall eines solchen abgeschrägten Katalysators strömt das
Abgas selbst im herkömmlichen Keramikwaben-Strukturkörper mit einer einheitlichen
Zellwanddicke kaum durch den Außenumfangsabschnitt. In der oben angeführten
Technik, die in JP-B-62-18797 und JP-B-61-60320 offenbart ist, wird die Dicke aller
Zellwände, die im Außenumfangsabschnitt liegen, stark ausgeführt, so dass das Strömen
des Abgases im Vergleich zum Strömen in einem herkömmlichen Keramikwaben-
Strukturkörper mit einer einheitlichen Zellwanddicke schwieriger wird. Somit macht es
keinen Sinn, die in diesen Artikeln offenbarte Technik auf die Struktur des Katalysators,
wie in Fig. 4a gezeigt, anzuwenden.
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Es wird bestätigt, dass der Druckverlust des Keramikwaben-Strukturkörpers am meisten
von einem hydraulischen Radius abhängt, der dadurch entsteht, dass eine
Querschnittsfläche der offenendige Zelle durch ihren Innenumfang geteilt wird, wie dies durch die
folgende Gleichung (1) dargestellt ist:
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P = (0,2091 · UF/D²) + 63,93x(1-F)²/F² + 10,95 (1)
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worin P: Druckverlust bei einer Strömungsrate von 16 m/sec (mmH&sub2;O)
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L: volle Länge des Wabenstrukturkörpers (mm)
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F: Öffnungs-Flächen-Verhältnis
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D: hydraulischer Radius (mm) ist.
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Insbesondere in den unregelmäßigen offenendigen Zellen mit einer dreieckigen Gestalt,
die häufig ersichtlich ist, wenn der Winkel, der durch die Außenumfangswand und die
Zellwand definiert ist, bei etwa 45º liegt, ist der hydraulische Radius sehr klein und der
Druckverlust sehr groß, so dass das Abgas kaum strömt, selbst wenn die Dicke der
Zellwand nicht verstärkt ist. Selbst wenn die Zellwände, welche die unregelmäßige
offenendige Zelle definieren, gemäß der Erfindung verstärkt werden, hat dies somit
keinen Einfluss auf das Strömen des Abgases, so dass der Keramikwaben-Strukturkörper
der Erfindung am meisten bevorzugt in der Struktur des in Fig. 4a dargestellten
Katalysator-Wandlers verwendet wird. Darüber hinaus beträgt die Querschnittsfläche
der unregelmäßigen offenendigen Zelle weniger als 80% der Querschnittsfläche der
regelmäßigen offenendigen Zelle mit einer quadratischen Gestalt, wenn berücksichtigt
wird, dass das Strömen des Abgases kaum erfolgt, wenn der Druckverlust etwa das
Zweifache wird.
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Als Keramikmaterial, das in der Praxis gegenwärtig verwendet wird, wird Cordierit
hinsichtlich seiner Wärmebeständigkeit und thermischen Schockbeständigkeit ausgewählt.
Cordierit wird gewöhnlich verwendet, indem ein natürliches Material und ein
industriell erzeugtes Material kombiniert werden, so dass sich die äußere Dimension
des Strukturkörpers aus Cordierit in einem Bereich von mehreren Prozent gemäß der
Kombination des Ausgangsmaterials-Loses, der Streuung der Herstellungsbedingungen
und dergleichen ändert. Im KatalysatorWandler für Kraftfahrzeuge ist nur eine Toleranz
der Außendimension von 1-2% hinsichtlich der Haltung im Behälter für den Wandler
akzeptabel. Um eine solche Toleranz zu absorbieren, wird eine Extrusionsform, die in
JP-A-57-6722 offenbart und in Fig. 5 dargestellt ist, als Extrusionsform für die Ausbildung
der Gestalt des Keramikwaben-Strukturkörpers verwendet, welcher insbesondere eine
Zellwanddicke von weniger als 0,15 mm aufweist. In Fig. 5 setzt sich die Extrusionsform
21 aus Zufuhröffnungen 22 für den Keramikkörper und Schlitzen 23 zusammen, die
damit in Kommunikation stehen, um den Wabenstrukturkörper 1, wie in einem oberen
Abschnitt der Fig. 5 dargestellt, zu extrudieren. Die Dimension der Außengestalt des
Strukturkörpers kann eingestellt werden, indem Masken 24 mit unterschiedlichen
Innendurchmessern an einer Rückseite der Extrusionsform 21 in ihrer Extrusionsrichtung
festgelegt werden. Diese Technik ist auf die Erfindung anwendbar, wenn die Breite des
Schlitzes, welcher der die unregelmäßige offenendige Zelle definierenden Zellwand
entspricht, vergrößert wird.
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Besteht jedoch die Absicht, die Dimension der Außengestalt des Wabenstrukturkörpers,
in JP-B-5-41296 offenbart, durch die Verwendung der Extrusionsform der obigen
Struktur anzupassen, verändert sich auch eine Größe eines sich allmählich
vergrößernden Abschnitts der Zellwände. In Fig. 5 wird der sich allmählich vergrößernde
Abschnitt 25 erhalten, wenn die Maske mit einem Innendurchmesser A, der durch eine
durchgehende Linie dargestellt ist, verwendet wird, aber wenn ein Innendurchmesser B,
der durch eine Phantom-Linie definiert ist, verwendet wird, um auf diese Weise den
Außendurchmesser des Wabenstrukturkörpers klein auszubilden, wird der sich
allmählich vergrößernde Abschnitt nicht ausgebildet. Wird beabsichtigt, die Dimension
der Außengestalt anzupassen, müssen aus diesem Grund einige Arten der
Extrusionsform bereit gestellt werden, was jedoch ziemlich unwirtschaftlich wird. Wenn der
seitliche Abschnitt des Wabenstrukturkörpers kreisförmig oder ellipsoid ist, sind weiters
alle Zellwände, welche die Außenumfangswand berühren, in ihrer Gestalt über einen
Bereich, der einem Viertel des Außenumfangs entspricht, unterschiedlich, so dass eine
elektrische maschinelle Bearbeitung des Austrags für die Ausbildung der Schlitze in der
Extrusionsform, was allgemein in der Herstellung der Extrusionsform, wie in JP-B.5-
41296 offenbart ist, durchgeführt wird, nicht durchgeführt werden kann, und somit ist
eine mechanische Bearbeitung an Stelle der elektrischen maschinellen Bearbeitung des
Austrags erforderlich. Als Resultat davon kann die Extrusionsform nicht in einer hohen
Präzision maschinell bearbeitet werden.
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Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung und sind nicht als
Beschränkungen derselben gedacht.
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Zuerst werden die Keramikwaben-Strukturkörper als Beispiele und Vergleichsbeispiele
der Erfindung bereit gestellt, wobei jeder eine Konfiguration von 106 mm im
Durchmesser und 150 mm in der Gesamtlänge aufweist, wie dies in Fig. 1a dargestellt ist, und
wobei diese durch Sintern eines durch Extrusion ausgebildeten Körpers aus Cordierit-
Material erhalten werden; die Anzahl der Zellen (offenendigen Zellen), der
Zellwanddicke und der Dicke der Außenumfangswand ist wie in den Tabellen 1 und 2 angeführt
ausgebildet. In diesem Fall ist das Vergleichsbeispiel 1 ein
Keramikwaben-Strukturkörper, der am meisten dem Standard entspricht und häufig verwendet wird, in
welchem alle Zellwände die unregelmäßigen Zellen im Außenumfangsabschnitt
definieren und die quadratischen offenendigen Zellen im Innenabschnitt dieselbe Dicke
aufweisen. In den Vergleichsbeispielen 2-6 wird die Dicke der Außenumfangswand
durch Abstimmung der Form mit derselben Extrusionsform angepasst wird. Im
Vergleichsbeispiel 7 wird eine Extrusionsform verwendet, die solche Schlitze aufweist,
dass die Zellwanddicke bis zu einer zweiten Zellwand vom Außenumfang 0,15 mm und
die Zellwanddicke in den restlichen Zellwänden 0,11 mm beträgt. Im Vergleichsbeispiel
8 wird eine Extrusionsform verwendet, die solche Schlitze aufweist, dass die
Zellwanddicke bis zu der zweiten Zellwand vom Außenumfang 0,15 mm beträgt und die
Zellwanddicke in den dritten und vierten Zellwänden vom Außenumfang 0,13 mm und die
Zellwanddicke in den restlichen Zellwänden 0,11 mm beträgt. In den
Vergleichsbeispielen 9-24 wird die Dicke der Außenumfangswand wie in den
Vergleichsbeispielen 2-5 variiert, und auch die Anzahl der Zellen wird verändert. In den
Beispielen 1-6 der Erfindung und den anderen Beispielen der Erfindung wird die Dicke
der Zellwand, welche die unregelmäßige offenendige Zelle definiert, vergrößert, indem
die Breite des Schlitzes, der dieser Zellwand entspricht, in der in den
Vergleichsbeispielen 2-6 verwendeten Extrusionsform vergrößert, und auch die Dicke der
Außenumfangswand wird variiert, indem die Gestalt gleich diesen Vergleichsbeispielen
angepasst wird.
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Mit Bezug auf alle Wabenstrukturkörper werden die Dicke der Zellwand im
Mittelabschnitt, die Dicke der Zellwand im Außenumfangsabschnitt, die Dicke der die
unregelmäßige offenendige Zelle definierenden Zellwand und die Dicke der
Außenumfangswand sowie der Druckverlust in der Außenumfangswand, der externe Druck
beim Bruch und die thermische Schockbeständigkeit gemessen, um die in den Tabellen
1 und 2 dargestellten Ergebnisse zu erhalten. Weiters wird in den Vergleichsbeispielen
1-12 und den Beispielen der Erfindung 1-10 auch gemessen, ob das Abplatzen der
Kanten hervorgerufen wird, sowie auch die Festigkeit der Außenumfangswand.
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Die Dicke der Zellwand wird in einem Mittelabschnitt einer Länge einer Zellwand an
einem seitlichen Abschnitt des Wabenstrukturkörpers gemessen. Die Dicke der
Zellwand im Mittelabschnitt wird durch einen Durchschnitt der vier gemessen Werte in
Richtung der X- und Y-Achse der Zellwand dargestellt, die durch den Mittelpunkt am
seitlichen Abschnitt des Wabenstrukturkörpers hindurchgeht. Jede der Zellwanddicken
im Außenumfangsabschnitt und die Dicke der Außenumfangswand werden durch einen
Durchschnitt der an acht Stellen in Richtung der X- und Y-Achse und an einem
Mittelabschnitt der Zellwand dazwischen gemessenen Werte dargestellt, wobei die Zellwand
durch den Mittelpunkt am seitlichen Abschnitt des Wabenstrukturkörpers hindurchgeht.
Die Dicke der Zellwand, welche die unregelmäßige offenendige Zelle definiert, wird
durch einen Durchschnitt der an zwei Stellen an jedem der ersten bis vierten
Quadranten gemessenen Werte dargestellt, wenn die Richtungen der Zellwand, die
durch den Mittelpunkt des seitlichen Abschnitts des Wabenstrukturkörpers
hindurchgehen, die X-Achse bzw. die Y-Achse sind. Die Messung wird zwei Mal durchgeführt,
um einen Durchschnitt davon zu erhalten. Ein Beispiel der Messung ist in Fig. 6
veranschaulicht.
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Bei der Herstellung des Katalysators wird durch einen Imitationstest untersucht, ob ein
Abplatzen der Kanten im Wabenstrukturkörper durch den Transport mittels eines
Roboters, die Bewegung auf ein Förderband, den Kontakt mit einem Metallrohr auf dem
Beförderungsweg und das Einsetzen in eine Gummiplatte durch einen Roboter
hervorgerufen wird. Nachdem fünf Wabenstrukturkörper getestet sind, wird die
Bewertung des Abplatzens der Kanten klassifiziert: O - in fünf Körpern gab es kein
Abplatzen; Δ - es erfolgte ein akzeptables feines Abplatzen; es erfolgte inakzeptables
großes Abplatzen in einem oder mehreren Körpern; und X - es erfolgte inakzeptables
großes Abplatzen in drei oder mehr Körpern.
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Der Druckverlust im Außenumfangsabschnitt wird bewertet, indem ein dickes Papier
mit einem Durchmesser von 93 mm stromauf auf eine Endfläche des
Wabenstrukturkörpers angebracht wird, so dass Luft nicht durch den Mittelabschnitt des
Strukturkörpers an einem seitlichen Abschnitt hindurchströmen kann, indem der auf diese
Weise angeordnete Strukturkörper in einem Behälter durch eine Keramikmatte gehalten
und Luft in den Behälter eingeströmt wird, um einen Druckunterschied zwischen einem
Einlass und einem Auslass des Behälters durch ein Druckverlust-Manometer zu messen.
Der Druckverlust wird durch einen Durchschnitt der mit Bezug auf die drei Körper
gemessenen Werte dargestellt. Ein Beispiel dieser Messung wird in Fig. 7 gezeigt. In Fig.
7 bezeichnet die Ziffer 31 einen Behälter, die Ziffer 32 eine Keramikmatte, die Ziffer 33
ein dickes Papier und die Ziffer 34 ein Druckverlust-Manometer.
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Die Festigkeit der Außenumfangswand wird bewertet, indem der Wabenstrukturkörper
auf einem Mittelpunkt eines ringförmigen Neoprengummis mit einem
Außendurchmesser von 108 mm, einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Dicke von 3 mm
angeordnet wird und eine Belastung P auf eine Deckfläche des Strukturkörpers durch
eine mit einer Urethan-Schicht beschichtete Aluminiumplatte wirkt, um einen Wert der
Belastung zu messen, die ein Abplatzen der Außenumfangswand im Strukturkörper
auslöst, wenn der ringförmige Neoprengummi unter Druck nach außen drängt. Die
Festigkeit wird durch einen Durchschnitt der mit Bezug auf die drei Körper gemessenen
Werte dargestellt. Ein Beispiel dieser Messung ist in Fig. 8 dargestellt. In Fig. 8
bezeichnet die Ziffer 41 einen ringförmigen Neoprengummi und die Ziffer 42 eine
Aluminiumplatte, die mit einer Urethan-Schicht beschichtet ist.
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Der externe Druck beim Bruch wird gemessen, indem eine Aluminiumplatte mit einer
Dicke von etwa 20 mm auf jede Endfläche des Wabenstrukturkörpers durch eine
Urethan-Schicht angelegt wird, eine Seitenfläche des Strukturkörpers mit einem
Urethan-Rohr luftdicht abgedichtet wird, diese in einem Druckbehälter angeordnet und
der Druck erhöht wird, bis der Strukturkörper bricht. Der externe Druck wird durch
einen Durchschnitt der mit Bezug auf die fünf Körper gemessenen Werte dargestellt.
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Die thermische Schockbeständigkeit wird durch einen Temperaturwert bewertet, der
durch Subtraktion der Raumtemperatur von einer akzeptablem Maximaltemperatur
erhalten wird, wenn der Wabenstrukturkörper mit Raumtemperatur in einem
Elektroofen bei einer Temperatur in der Höhe der Raumtemperatur + 700ºC 20 Minuten lang
gehalten wird, danach daraus entfernt und auf einem feuerfesten Stein angeordnet wird
und schließlich mit einem schlanken Metallstab an seinem Außenumfangsabschnitt
leicht geschlagen wird, während sein Aussehen beobachtet wird, um einen akzeptablen
Zustand zu beobachten, in welchem keine Risse ausgebildet werden, und um ein
metallisches Geräusch zu entwickeln; dieser Vorgang wird danach wiederholt, wobei
die Temperatur des Elektroofens bei einer Rate von 50ºC erhöht wird, bis der Körper
inakzeptabel wird. Die thermische Schockbeständigkeit wird durch einen Durchschnitt
der mit Bezug auf die fünf Körper gemessenen Werte dargestellt. Diese Testergebnisse
sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.
Tabelle 1
Tabelle 2
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Wie aus den Ergebnissen in der Tabelle 1 ersichtlich ist, senken die
Wabenstrukturkörper der Beispiele 1-6 der Erfindung den externen Druck beim Bruch sowie die
thermische Schockbeständigkeit nicht, verursachen auch kein Abplatzen der Kanten und
weisen auch im Vergleich zum herkömmlichen Wabenstrukturkörper mit einer
einheitlichen Dicke der Zellwand (Vergleichsbeispiel 1) und dem in JP-B-62-18797 und
JP-B-61-60320 offenbarten Wabenstrukturkörper mit einer dicken Zellwand im
Außenumfangsabschnitt (Vergleichsbeispiele 7 und 8) nur einen geringen Druckverlust des
Außenumfangsabschnitts auf. In den anderen Beispielen der Tabellen 1 und 2 können
ähnliche Ergebnisse gewonnen werden. Somit wurde herausgefunden, dass die
Wabenstrukturkörper der Beispiele der Erfindung im Vergleich zu jenen der
Vergleichsbeispiele zweckdienlich sind.
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Wie oben ersichtlich ist, sind in Übereinstimmung mit der Erfindung die Zellwände, aus
welchen sich die unregelmäßigen offenendigen Zellen im Außenumfangsabschnitt des
Keramikwaben-Strukturkörpers zusammensetzen, dicker ausgeführt als die Zellwände,
die im anderen Abschnitt bestehen, und insbesondere die Zellwände der
unregelmäßigen offenendigen Zelle, die nicht normal auf die Außenumfangswand liegt, werden
verdickt, so dass die auf solche Zellwände wirkende Biegebelastung verringert und der
Bruch des Strukturkörpers bei niedrigem externen Druck verhindert werden kann.
Weiters kann in der Ausbildung der Gestalt des Keramikwaben-Strukturkörper
verhindert werden, dass die Zellwände, welche die unregelmäßigen offenendigen Zellen
definieren, aufgrund des externen Drucks verformt werden. Darüber hinaus gibt es im
Wesentlichen selbst bei Verdickung der Zellwand, welche die unregelmäßige
offenendige Zelle definiert, keinen Einfluss auf den Druckverlust.