CN101384330A - 陶瓷蜂窝过滤器及排放气体净化装置 - Google Patents

陶瓷蜂窝过滤器及排放气体净化装置 Download PDF

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Abstract

提供一种陶瓷蜂窝过滤器，其具有：具有由多孔质的隔壁隔开的多个流路的陶瓷蜂窝结构体；设置于规定流路的排放气体流入侧或排放气体流出侧的密封部，在排放气体流入侧及排放气体流出侧均不具有密封部的开放流路超过整个流路数的15％但在40％以下，邻接的开放流路的配置为对角线方向。

Description

陶瓷蜂窝过滤器及排放气体净化装置
技术领域
本发明涉及适合于净化柴油发动机等的排放气体中所含有的粒状物质的陶瓷蜂窝过滤器及排放气体净化装置。
背景技术
为了环保，使用了从柴油发动机排出的气体中除去以碳为主成分的微粒的蜂窝过滤器。蜂窝过滤器在排放气体的流入侧及流出侧的两端面被交互网眼密封。在图6(a)及图6(b)中表示具有这种结构的现有的陶瓷蜂窝过滤器的一例。该陶瓷蜂窝过滤器50包括：由形成多个流路3a、3b的多孔质隔壁2、和包围多孔质隔壁2的外周部1构成的多孔质陶瓷蜂窝结构体11；在多孔质陶瓷蜂窝结构体11的一个端部密封流路3b，其结果是排列为格子状的网眼密封部5；在多孔质陶瓷蜂窝结构体11的另一个端部密封流路3a，其结果是排列为不与网眼密封部5重叠的格子状的网眼密封部6。含有微粒的排放气体从流入侧开口端12流入流路3a，通过隔壁2后，经邻接的流路3b，从流出侧端面13排出。这时，排放气体中所含有的微粒被形成在隔壁2上的细孔(图中未显示)捕获。在陶瓷蜂窝过滤器50中连续捕获微粒时，在隔壁2的细孔发生堵塞而使捕获功能大幅降低，并且压力损失变大使发动机输出降低。堆积的微粒(PM)通过电热器、燃烧器、微波等被燃烧，使陶瓷蜂窝过滤器50再生。另外通过担持在陶瓷蜂窝过滤器50中的催化剂促进堆积的微粒的氧化，也是对陶瓷蜂窝过滤器50进行再生。然而，根据运转状态大量微粒堆积再生不能充分进行，发动机输出降低，最差的情况是过滤器损坏。
为了解决上述问题，特开2002-371826号公开了一种排放气体净化用陶瓷蜂窝过滤器，其使网眼密封部的一部分脱落形成流过(flow through)状态，减小过滤器单位剖面的压力损失排放气体。在该陶瓷蜂窝过滤器中，在排放气体流入侧及排放气体流出侧的任一侧均在任意位置设有不具有密封部的少量的开放流路。但是，在该陶瓷蜂窝过滤器中，任意设置的开放流路彼此隔着隔壁邻接时，排放气体集中在通气阻力小的邻接的开放流路中流动，因此有排放气体微粒容易流出使捕获率变差的问题。
特开2004-251137号公开了仅在具有用多孔质的隔壁隔开的贯通轴向的多个流路的陶瓷蜂窝结构体一侧的端面，以格子状密封流路的端部的蜂窝过滤器。在该陶瓷蜂窝过滤器中，由于在另一端面没有设置密封部，因此实质上整个流路的大致一半没有密封部。因此得到低压力损失，但由于没有密封部的开放流路过多，因此有微粒捕获功能不充分的问题。
特开昭57-201518号公开了设有使整体的5～20％的排放气体通过的开放流路的陶瓷蜂窝过滤器。在该陶瓷蜂窝过滤器中，在开口端侧在本来应当设置密封部的流路(在四边未设置密封部)未设置密封部而形成开放流路，因此开放流路的比率为整个流路的约5％。然而开放流路的比率过少使压力损失降低的效果不充分。还有，开放流路的周围是整体一个被密封的流路，开放流路彼此在对角线方向不邻接。为此，排放气体流在通气阻抗小的开放流路中集中，因此有微粒捕获率变差的问题。
特开昭60-3420号公开了具有将入口端和出口端交互网眼密封的多个单元的陶瓷蜂窝过滤器，其设有在外周壁附近以整体流路的1～15％的比率没有密封部的开放流路。但是，陶瓷蜂窝过滤器的中心部容易通过排放气体，中心部容易堆积微粒，因此仅以这种外侧流路，降低压力损失的效果不明显。
特公平1-27767号公开了在排放气体流路的一部分中设有比隔壁的细孔孔径大的通气孔，从而抑制排放气体通过时的压力损失的上升的陶瓷蜂窝过滤器。还公开了在该陶瓷蜂窝过滤器中，以整体流路的0.5～10％的比率设置不密封两端面的开放流路。但是，以整体流路的0.5～10％左右的开放流路，压力损失降低的效果不充分。
在上述现有技术中，没有对开放流路的配置进行讨论。锐意研究的结果表明如果是邻接的开放流路，那么隔着隔壁两者间没有压差，因此排放气体不会通过隔壁而流动，其结果是，排放气体的流动在邻接的开放流路中集中，整体上微粒的捕获率变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种排放气体净化装置，其具有不损失微粒的捕获功能而使压力损失降低的陶瓷蜂窝过滤器、及相关的陶瓷蜂窝过滤器。
鉴于上述目的锐意研究的结果是本发明者们发现，使在两侧不具有密封部的开放流路在对角线方向邻接而形成时，不损失微粒捕获功能而降低压力损失。
即，本发明的陶瓷蜂窝过滤器，其特征在于，具有：具有由多孔质的隔壁隔开的多个流路的陶瓷蜂窝结构体；设置在各流路的排放气体流入侧或排放气体流出侧的密封部，在排放气体流入侧及排放气体流出侧的任一侧均不具有密封部的开放流路为整个流路数的比15％大但在40％以下，邻接的开放流路的配置为对角线方向。
优选在对角线方向上与密封流路(在排放气体流入侧或排放气体流出侧具有密封部的流路)邻接的开放流路为整个开放流路数的10～90％。
本发明的排放气体净化装置，其特征在于，具备上述陶瓷蜂窝过滤器。
具有上述结构的本发明的陶瓷蜂窝过滤器不损失微粒捕获功能而降低压力损失，因此可以有效除去柴油发动机等的排放气体中含有的粒子状物质。
附图说明
图1(a)是表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的一例的一端面的正视图。
图1(b)是表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的一例的部分剖面图。
图1(c)是表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的一例的另一端面的后视图。
图2是表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的制造工序的一例的概略图。
图3是表示在具有贯通孔形成开放流路的过滤器上粘贴带子工序的概略图。
图4(a)是表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的其他例的一端面的正视图。
图4(b)是表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的其他例的部分剖面图。
图4(c)是表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的其他例的另一端面的后视图。
图5是表示注入网眼密封材的装置的模式图。
图6(a)是表示现有的陶瓷蜂窝过滤器的一端面的正视图。
图6(b)是表示现有的陶瓷蜂窝过滤器的部分剖面图。
具体实施方式
如图1(a)～图1(c)所示，本发明的陶瓷蜂窝过滤器10由于在对角线方向上邻接的开放流路30的数为整个流路数的超过15％而在40％以下，因此具有以下的作用效果。从陶瓷蜂窝过滤器10的排放气体流入侧端面12流入流路3a的排放气体通过隔壁2从邻接的流路3b流出，但流入在排放气体流入侧和排放气体流出侧没有密封部5、6的开放流路30中的排放气体，不通过隔壁2而直接流出，因此能够抑制压力损失变高。另外如果是隔着隔壁面邻接的开放流路时，开放流路围绕在周围的开放流路通气阻抗小，在此排放气流集中，但在本发明中，由于开放流路30以在对角线方向邻接的方式配置，因此开放流路30彼此隔着隔壁面不邻接，排放气体流的集中也不会发生。其结果是排放气体流分散在在对角线方向上邻接的开放流路30中，能够降低压力损失，同时抑制排放气体中的微粒的流出。
如果开放流路30的数为整个流路数的15％以下，则降低压力损失的效果小，另外超过40％时，流出的微粒变多，因此捕获率降低。优选为开放流路30的数是整个流路数的20～35％。在各开放流路30中在对角线方向上4个流路邻接，其中至少一个流路为开放流路即可。
在对角线方向上与密封流路邻接的开放流路优选为整个流路数的10～90％。由此，排放气体流由于通气阻抗小的开放流路30而被分散，排放气体中的微粒数变少。低于10％或超过90％时，压力损失的降低效果小，微粒捕获能力低。优选为在对角线方向上邻接的密封流路为整个开放流路30的数的20～60％。
陶瓷蜂窝结构体的隔壁及密封部主要是作为用于除去柴油发动机的排放气体中的微粒的过滤器而起作用，因此优选由耐热性优异的材料构成。具体地说，优选使用以从堇青石、氧化铝、多铝红柱石、氮化硅、碳化硅、LAS、钛酸铝、氧化钛、氧化锆、氮化铝中选出的至少一种作为主结晶的陶瓷材料。其中，以堇青石为主结晶的陶瓷蜂窝过滤器廉价且耐热性及耐蚀性优异，另外低热膨胀，因此最为优选。
陶瓷蜂窝结构体的隔壁的气孔率优选为45～80％。流入开放流路中的排放气体中的微粒的大部分直接通过流路流出，隔壁的气孔率为45～80％时，微粒的一部分被形成于隔壁上的气孔捕获，因此没有使捕获率降低。气孔率低于45％时，蜂窝过滤器的压力损失上升发动机的输出下降，气孔率超过80％时，隔壁的强度下降，由于热冲击和震动而变得容易破损。另外蜂窝结构体的网眼密封材的气孔率与隔壁的气孔率相比，低、相同、或高的任意情况均可，比隔壁的气孔率高时，排放气体可以通过网眼密封材中的细孔内部，因此难以发生微粒向排放气体流入侧网眼密封部的排放气体流入侧端面51的堆积，因此优选。
陶瓷蜂窝结构体的隔壁厚优选为0.1～0.5mm，隔壁的间距优选为1.2mm以上。在隔壁厚低于0.1mm时，陶瓷蜂窝结构体的强度下降，如隔壁厚超过0.5mm，则隔壁对于排放气体的通气阻抗变大，过滤器的压力损失变大。更优选的隔壁厚度为0.2～0.4mm。另外，如果隔壁的间距低于1.3mm，则由于蜂窝结构体的排放气体流入侧的端口面积变小，过滤器入口的压力损失变大。
具备开放流路为整个流路数的20～40％的陶瓷蜂窝过滤器的本发明的净化排放气体的装置，保持良好的微粒捕获率，同时压力损失降低。通过在SCR催化剂的后段配置这种陶瓷蜂窝过滤器，可以以低压力损失有效地除去微粒及NOx。
图2表示本发明的陶瓷蜂窝过滤器的制造工序。具有由隔壁包围的多个流路的陶瓷蜂窝结构体11，是对陶瓷原料粉末的坯土进行混合，挤压成形，对所得到的蜂窝结构的成形体进行烧制而得到的。在陶瓷蜂窝结构体11的端面12粘贴树脂制膜7[工序(a)]，以格子状排列密封流路，开放流路30在对角线方向上配列，以如此方式通过激光加工在膜7上开设贯通孔8[工序(b)]。另外，替代以形成开放流路30的方式开设贯通孔8，如图3所示，也可以以格子状排列密封流路的方式开设贯通孔8后，在膜7上粘贴带子9a，在相当于开放流路30的位置堵住贯通孔8。也可以应对开放流路30的配置贴带子9b。
将陶瓷蜂窝结构体11的端面12浸渍于容器20内的密封用浆料21中[工序(c)]，通过加压机构22挤压陶瓷蜂窝结构体11的另一端面13，从贯通孔8向流路端部导入密封浆料[工序(d)]。除去膜7，进行干燥，从而在蜂窝结构体11的端面12上设置密封部5，[工序(e)]。在另一端面13同样粘贴膜7，在端面12侧在未设置密封部5的流路中通过激光加工以格子状开设贯通孔8’，将密封材浆料导入另一端面13侧的流路端部[工序(f)]。除去膜7后，进行干燥，从而得到分别在端面12、13侧具有的密封部5、6的成形体。通过烧制这个成形体，得到密封部5、6与隔壁2一体化的陶瓷蜂窝过滤器10[工序(g)]。
还有，也可以在一端面12上不粘贴膜7，将如图5所示的密封材注入装置31的喷嘴32插入流路，直接导入密封材浆料。如使用密封材注入装置31，则可以如图4所示在流路内部形成密封部5。
通过以下实施例更详细地说明本发明，但本发明并没有限定于此。
实施例1
将陶土粉末、滑石粉末、硅酸盐粉末、氢氧化铝粉末及氧化铝粉末调配成为由47～53质量％的SiO2、32～38质量％的Al2O3、及21～16质量％的MgO构成，CaO、Na2O、K2O、TiO2、Fe2O3、PbO、P2O5等不可避免的杂质整体在2.5％以下的组成，制作堇青石生成原料粉末。将该堇青石生成原料粉末与水、成形助剂及造孔剂充分混合，调制成可以挤压成为为蜂窝结构的陶瓷坯土。挤压成形该陶瓷坯土，制作具有外周壁、和在外周壁的内侧由隔壁围成的剖面四边形状的流路的蜂窝结构的成形体，干燥后进行烧制，制作成具有直径267mm、全长L300mm、隔壁的间距1.5mm及隔壁厚度0.3mm的隔壁结构，隔壁的气孔率为65％的蜂窝结构体。
根据图2所示的顺序制作本发明的陶瓷蜂窝过滤器。在陶瓷蜂窝结构体的端面12粘贴树脂制膜7[工序(a)]，以形成如表1所示配置的开放流路的方式通过激光在膜7上开设贯通孔8[工序(b)]。将陶瓷蜂窝结构体11的端面12浸渍于容器20内的密封用浆料21中[工序(c)]，向流路端部导入密封材浆料[工序(d)]。除去膜后，干燥密封部5[工序(e)]。在另一端面13也同样粘贴膜7，在密封流路中以仅密封一个端部的方式，通过激光在膜7上以格子状开设贯通孔8’，与端面12侧同样将密封材浆料导入流路端部[工序(f)]。除去膜7后，使密封部6干燥，对两密封部5、6进行烧制，从而得到密封部5、6与隔壁2一体化的陶瓷蜂窝过滤器[工序(g)]。陶瓷蜂窝过滤器具有：以格子状排列的密封流路、和在对角线方向上排列的开放流路。
实施例2～6及比较例1～3
以形成表1所示的配置的开放流路的方式，除变更在陶瓷蜂窝结构体的端面12上粘贴的树脂制膜7的贯通孔8的开设方法外，与实施例1同样，制作陶瓷蜂窝过滤器。在比较例3的陶瓷蜂窝过滤器中不设置开放流路。
实施例7～9及比较例4～5
使用如图5所示的密封材注入装置31，以形成表1所示的配置的开放流路的方式，在形成密封部的流路内插入喷嘴32，导入浆料直至距端面10mm的位置，在陶瓷蜂窝结构体的端面12形成密封部5。除此以外与实施例1相同，制作陶瓷蜂窝过滤器。在比较例6的陶瓷蜂窝过滤器中未设置开放流路。
对实施例1～9及比较例1～6的陶瓷蜂窝过滤器，进行压力损失及粒子状物质的捕获率的测定。使用压力损失测试仪根据15Nm3/min的空气流量中的陶瓷蜂窝过滤器的入口侧和出口侧的压差求出压力损失，将实施例1的测定结果作为1以相对值表示。微粒捕获率是在空气流量为10Nm3/min时，将平均粒径为0.042μm的碳粉以3g/h的比例投入陶瓷蜂窝过滤器2小时，测定捕获的碳粉的重量，根据(捕获的碳粉的重量/投入的碳粉的重量)×100(％)的公式算出。在表1中显示结果。
   [表1]
Figure A200780005618D00101
注：(1)开放流路数对于整体流路数的比率。
(2)在开放流路中，在对角线方向上密封流路邻接的数的比率。
(3)“端面”如图1(a)～图1(c)所示，是密封部与流路的端面相接而设置的情况，“内侧”如图4(a)～图4(c)所示，是密封部设于流路的端面更内侧的情况。
从表1可知，在开放流路在对角线方向上邻接，其数量为超过整个流路数的15％而在40％以下的实施例1～9的陶瓷蜂窝过滤器中，微粒的捕获功能未损失而压力损失降低。特别是开放流路的比率为20～35％的情况，微粒的捕获功能与压力损失的平衡良好。另一方面，开放流路为整个流路数的15％以下的比较例1及4的陶瓷蜂窝过滤器压力损失大。开放流路超过整个流路数的45％的比较例2及5的陶瓷蜂窝过滤器压力损失小但捕获率低，没达到实用水平。完全没有开放流路的比较例3及6捕获率良好，但压力损失高。
参照附图详细地说明了以上本发明，但本发明并不限定于此，在本发明的技术思想的范围内可以进行种种变更。

Claims (3)

1、一种陶瓷蜂窝过滤器，其具有：具有由多孔质的隔壁隔开的多个流路的陶瓷蜂窝结构体；设置在规定的流路的排放气体流入侧或排放气体流出侧的密封部，其特征在于，在排放气体流入侧及排放气体流出侧均没有密封部的开放流路超过整个流路数的15％但在40％以下，邻接的开放流路的配置为对角线方向。
2、根据权利要求1所述的陶瓷蜂窝过滤器，其特征在于，在对角线方向上与密封流路邻接的开放流路是整个开放流路数的10～90％。
3、一种排放气体净化装置，其特征在于，具备权利要求1或2所述的陶瓷蜂窝过滤器。
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