JP2001096111A - 多孔質炭化珪素焼結体、ハニカムフィルタ、セラミックフィルタ集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ハニカムフィルタの機械的強度を確保すること
にある。 【解決手段】多孔質組織を構成した焼結体からなるハニ
カムフィルタ９であって、ハニカムフィルタ９の不純物
が５重量％以下で、かつ曲げ強度が４．５ＭＰａ以上に
なっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多孔質炭化珪素焼
結体、ハニカムフィルタ、セラミックフィルタ集合体に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車の台数は今世紀に入って飛躍的に
増加しており、それに比例して自動車の内燃機関から出
される排気ガスの量も急激な増加の一途を辿っている。
特にディーゼルエンジンの出す排気ガス中に含まれる種
々の物質は、汚染を引き起こす原因となるため、現在で
は世界環境にとって深刻な影響を与えつつある。又、最
近では排気ガス中の微粒子（ディーゼルパティキュレー
ト）が、ときとしてアレルギー障害や精子数の減少を引
き起こす原因となるとの研究結果も報告されている。つ
まり、排気ガス中の微粒子を除去する対策を講じること
が、人類にとって急務の課題であると考えられている。

【０００３】このような事情のもと、多様多種の排気ガ
ス浄化装置が提案されている。一般的な排気ガス浄化装
置は、エンジンの排気マニホールドに連結された排気管
の途上にケーシングを設け、その中に微細な孔を有する
フィルタを配置した構造を有している。フィルタの形成
材料としては、耐熱性・機械的強度・捕集効率が高い、
化学的に安定している、圧力損失が小さい等の利点があ
ることから、炭化珪素の多孔質焼結体をフィルタ形成材
料として用いることが多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、不純物が多
く含まれる多孔質焼結体によってハニカムフィルタを構
成した場合、曲げ強度の値が小さくなる。その結果、振
動や熱衝撃によりクラックが発生し、破損しやすいとい
う問題があった。

【０００５】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、十分な機械的強度を確保すること
が可能な多孔質炭化珪素焼結体、ハニカムフィルタ、セ
ラミックフィルタ集合体を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明では、炭化珪素結晶粒子に
よって多孔質組織を構成した焼結体であって、不純物が
５重量％以下で、かつ曲げ強度が４．５ＭＰａ以上であ
ることをその要旨とする。

【０００７】請求項２に記載の発明では、炭化珪素結晶
粒子によって多孔質組織を構成した焼結体からなるハニ
カムフィルタであって、不純物が５重量％以下で、かつ
曲げ強度が４．５ＭＰａ以上であることをその要旨とす
る。

【０００８】請求項３に記載の発明では、炭化珪素結晶
粒子によって多孔質組織を構成した焼結体からなるハニ
カムフィルタを構成部材として用い、それらの外周面同
士をセラミック質シール材層を介して接着することによ
り、前記各ハニカムフィルタを一体化してなる集合体で
あって、前記ハニカムフィルタの不純物が５重量％以下
で、かつ曲げ強度が４．５ＭＰａ以上であることをその
要旨とする。

【０００９】以下、本発明の「作用」について説明す
る。請求項１〜３に記載の発明によると、焼結体の不純
物が５重量％以下で、かつ曲げ強度が４．５ＭＰａ以上
になっていることから、高い機械的強度を得ることがで
きる。つまり、不純物が５重量％を超えると、炭化珪素
結晶粒子の粒界に不純物が偏り、粒界での強度が著しく
低下し、粒界破断しやすくなるからである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
形態のディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置１を、
図面に基づき詳細に説明する。

【００１１】図１に示されるように、この排気ガス浄化
装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２から
排出される排気ガスを浄化するための装置である。ディ
ーゼルエンジン２は、図示しない複数の気筒を備えてい
る。各気筒には、金属材料からなる排気マニホールド３
の分岐部４がそれぞれ連結されている。各分岐部４は１
本のマニホールド本体５にそれぞれ接続されている。従
って、各気筒から排出された排気ガスは一箇所に集中す
る。

【００１２】排気マニホールド３の下流側には、金属材
料からなる第１排気管６及び第２排気管７が配設されて
いる。第１排気管６の上流側端は、マニホールド本体５
に連結されている。第１排気管６と第２排気管７との間
には、同じく金属材料からなる筒状のケーシング８が配
設されている。ケーシング８の上流側端は第１排気管６
の下流側端に連結され、ケーシング８の下流側端は第２
排気管７の上流側端に連結されている。排気管６，７の
途上にケーシング８が配設されていると把握することも
できる。そして、この結果、第１排気管６、ケーシング
８及び第２排気管７の内部領域が互いに連通し、その中
を排気ガスが流れるようになっている。

【００１３】図１に示されるように、ケーシング８はそ
の中央部が排気管６，７よりも大径となるように形成さ
れている。従って、ケーシング８の内部領域は、排気管
６，７の内部領域に比べて広くなっている。このケーシ
ング８内には、ハニカムフィルタ９が収容されている。

【００１４】ハニカムフィルタ９の外周面とケーシング
８の内周面との間には、断熱材１０が配設されている。
断熱材１０はセラミックファイバを含んで形成されたマ
ット状物であり、その厚さは数ｍｍ〜数十ｍｍである。
断熱材１０は熱膨張性を有していることがよい。ここで
いう熱膨張性とは、弾性構造を有するため熱応力を解放
する機能があることを指す。その理由は、ハニカムフィ
ルタ９の最外周部から熱が逃げることを防止することに
より、再生時のエネルギーロスを最小限に抑えるためで
ある。又、再生時の熱によってセラミックファイバを膨
張させることにより、排気ガスの圧力や走行による振動
等のもたらすハニカムフィルタ９の位置ずれを防止する
ためである。

【００１５】本実施形態において用いられるハニカムフ
ィルタ９は、上記のごとくディーゼルパティキュレート
を除去するものであるため、一般にディーゼルパティキ
ュレートフィルタ（ＤＰＦ）と呼ばれる。図２等に示さ
れるように、本実施形態のハニカムフィルタ９は円柱状
である。

【００１６】図２，図３，図４に示されるように、本実
施形態のハニカムフィルタ９は、いわゆるハニカム構造
を備えている。ハニカム構造を採用した理由は、微粒子
の捕集量が増加したときでも圧力損失が小さいという利
点があるからである。ハニカムフィルタ９には、断面略
正方形状をなす複数の貫通孔１２がその軸線方向に沿っ
て規則的に形成されている。各貫通孔１２は薄いセル壁
１３によって互いに仕切られている。セル壁１３の外表
面には、白金族元素（例えばＰｔ等）やその他の金属元
素及びその酸化物等からなる酸化触媒が担持されてい
る。各貫通孔１２の開口部は、いずれか一方の端面９
ａ，９ｂの側において封止体１４により封止されてい
る。従って、端面９ａ，９ｂ全体としてみると市松模様
状を呈している。その結果、ハニカムフィルタ９には、
断面四角形状をした多数のセルが形成されている。セル
の密度は２００個／インチ前後に設定され、セル壁１３
の厚さは０．３mm前後に設定され、セルピッチは１．８
mm前後に設定されている。多数あるセルのうち、約半数
のものは上流側端面９ａにおいて開口し、残りのものは
下流側端面９ｂにおいて開口している。

【００１７】ハニカムフィルタ９の平均気孔径は１μｍ
〜５０μｍ、さらには５μｍ〜２０μｍであることが好
ましい。平均気孔径が１μｍ未満であると、微粒子の堆
積によるハニカムフィルタ９の目詰まりが著しくなる。
一方、平均気孔径が５０μｍを越えると、細かい微粒子
を捕集することができなくなるため、捕集効率が低下し
てしまう。

【００１８】ハニカムフィルタ９の気孔率は３０％〜７
０％、さらには４０％〜６０％であることが好ましい。
気孔率が３０％未満であると、ハニカムフィルタ９が緻
密になりすぎてしまい、内部に排気ガスを流通させるこ
とができなくなるおそれがある。一方、気孔率が７０％
を越えると、ハニカムフィルタ９中に空隙が多くなりす
ぎてしまうため、強度的に弱くなりかつ微粒子の捕集効
率が低下してしまうおそれがある。

【００１９】多孔質炭化珪素焼結体を選択した場合にお
いてハニカムフィルタ９の熱伝導率は、２０Ｗ／ｍＫ〜
７５Ｗ／ｍＫであることがよく、さらには３０Ｗ／ｍＫ
〜７０Ｗ／ｍＫであることが特によい。熱伝導率が小さ
すぎると、ハニカムフィルタ９内に温度差が生じやすく
なり、クラックをもたらす原因となる大きな熱応力の発
生につながってしまう。逆に、熱伝導率を高くしようと
すると、製造が困難となり、安定的な材料供給が難しく
なる。

【００２０】ハニカムフィルタ９は、セラミック焼結体
の一種である多孔質炭化珪素焼結体製である。炭化珪素
焼結体を採用した理由は、他のセラミックに比較して、
とりわけ強度、耐熱性及び熱伝導性に優れるという利点
があるからである。

【００２１】多孔質炭化珪素焼結体に含まれる不純物
は、５重量％以下に抑えられている。不純物の量は１重
量％以下であることがよく、０．１重量％以下であるこ
とが特によい。不純物が５重量％を超えると、炭化珪素
結晶粒子の粒界に不純物が偏り、粒界での強度（結晶粒
子間の結合強度）が著しく低下し、粒界破断しやすくな
るからである。具体的にいうと、４．５ＭＰａ以上の曲
げ強度をハニカムフィルタ９に付与できなくなるからで
ある。なお、不純物としては、Ａｌ、Ｆｅ、Ｏ、遊離Ｃ
等がある。

【００２２】又、前記封止体１４の形成材料において
も、ハニカムフィルタ９と同じ多孔質炭化珪素焼結体製
となっている。ここでも多孔質炭化珪素焼結体に含まれ
る不純物は、５重量％以下に抑えられている。不純物が
５重量％を超えると、炭化珪素結晶粒子の粒界に不純物
が偏り、粒界での強度（結晶粒子間の結合強度）が著し
く低下し、粒界破断しやすくなるからである。具体的に
いうと、封止体１４にクラックが生じるおそれがあるか
らである。

【００２３】なお、焼結体における炭化珪素結晶粒子１
６の平均粒径は５μｍ〜１５μｍ程度であることがよ
く、前記結晶粒子１６のうち平均粒径が５μｍ〜３０μ
ｍのものの存在率は３０％以上であることがよい。

【００２４】次に、上記のハニカムフィルタ９を製造す
る手順を説明する。まず、押出成形工程で使用するセラ
ミック原料スラリー、端面封止工程で使用する封止用ペ
ーストをあらかじめ作製しておく。

【００２５】セラミック原料スラリーとしては、高純度
（９９．９８％）の炭化珪素粉末に有機バインダ及び純
水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。
封止用ペーストとしては、高純度（９９．９８％）の炭
化珪素粉末に有機バインダ、潤滑剤、可塑剤及び水を配
合し、かつ混練したものを用いる。

【００２６】次に、前記セラミック原料スラリーを押出
成形機に投入し、かつ金型を介してそれを連続的に押し
出す。その後、押出成形されたハニカム成形体を等しい
長さに切断し、円柱状のハニカム成形体切断片を得る。
さらに、切断片の各セルの片側開口部に所定量ずつ封止
用ペーストを充填し、各切断片の両端面を封止する。

【００２７】続いて、温度・時間等を所定の条件に設定
して本焼成を行って、ハニカム成形体切断片及び封止体
１４を完全に焼結させることにより、所望のハニカムフ
ィルタ９が完成する。本実施形態では焼成温度を２１０
０℃〜２３００℃に設定し、かつ焼成時間を０．１時間
〜５時間に設定している。又、焼成時の炉内雰囲気を不
活性雰囲気とし、そのときの雰囲気の圧力を常圧として
いる。なお、焼成温度は前記範囲内において極力高めに
設定することが望ましい。

【００２８】次に、上記のハニカムフィルタ９による微
粒子トラップ作用について簡単に説明する。ケーシング
８内に収容されたハニカムフィルタ９には、上流側端面
９ａの側から排気ガスが供給される。第１排気管６を経
て供給されてくる排気ガスは、まず、上流側端面９ａに
おいて開口するセル内に流入する。次いで、この排気ガ
スはセル壁１３を通過し、それに隣接しているセル、即
ち下流側端面９ｂにおいて開口するセルの内部に到る。
そして、排気ガスは、同セルの開口を介してハニカムフ
ィルタ９の下流側端面９ｂから流出する。しかし、排気
ガス中に含まれる微粒子はセル壁１３を通過することが
できず、そこにトラップされてしまう。その結果、浄化
された排気ガスがハニカムフィルタ９の下流側端面９ｂ
から排出される。浄化された排気ガスは、さらに第２排
気管７を通過した後、最終的には大気中へと放出され
る。又、トラップされた微粒子は、ハニカムフィルタ９
の内部温度が所定の温度に達すると、前記触媒の作用に
より着火して燃焼するようになっている。

【００２９】

【実施例及び比較例】（実施例）純度９９．９８％かつ
平均粒径１２μｍのα型炭化珪素粉末５１．５重量％
と、純度９９．９８％かつ平均粒径０．５μｍのα型炭
化珪素粉末２２重量％とを湿式混合し、得られた混合物
に有機バインダ（メチルセルロース）と純水とをそれぞ
れ６．５重量％、２０重量％ずつ加えて混練した。この
ときの純水は、電気伝導率が１〜０．０５６μＳ／ｃｍ
のものを使用した。

【００３０】次に、前記混練物に可塑剤と潤滑剤とを少
量加えてさらに混練したものを押出成形することによ
り、ハニカム状の生成形体を得た。具体的には、平均粒
径が１２μｍのα型炭化珪素粉末として、屋久島電工株
式会社製、商品名：Ｃ−１０００Ｆを用いた。平均粒径
が０．５μｍのα型炭化珪素粉末として、屋久島電工株
式会社製、商品名：ＧＣ−１５を用いた。

【００３１】次に、この生成形体をマイクロ波乾燥機を
用いて乾燥した後、成形体の貫通孔１２を多孔質炭化珪
素焼結体製の封止用ペーストによって封止した。次い
で、再び乾燥機を用いて封止用ペーストを乾燥させた。
端面封止工程に続いて、この乾燥体を４００℃で脱脂し
た後、さらにそれを常圧のアルゴン雰囲気下において２
２５０℃で約３時間焼成した。その結果、多孔質炭化珪
素焼結体製のハニカムフィルタ９を得た。各ハニカムフ
ィルタ９の直径は１００ｍｍに設定し、長さは２００ｍ
ｍに設定した。

【００３２】次に、上記のようにして得られたハニカム
フィルタ９において、多孔質炭化珪素焼結体に含まれる
不純物を従来公知の方法により測定したところ、３重量
％であった。よって、実施例では、炭化珪素結晶粒子の
粒界に不純物が偏りにくく、粒界での強度が著しく低下
しないので、粒界破断しにくくなることが確認された。

【００３３】ここで、前記ハニカムフィルタ９の曲げ強
度を従来公知の方法により測定したところ、その測定値
の平均は６．５ＭＰａ以上であった。従って、このハニ
カムフィルタ９には極めて高い機械的強度が付与されて
いた。又、ハニカムフィルタ９をケーシング８内に収容
して一定期間使用をした結果、ハニカムフィルタ９に何
らクラックは発生しなかった。 （比較例）比較例では、基本的には実施例と同様に、炭
化珪素粉末を用いてハニカムフィルタ９を製造すること
とした。ハニカムフィルタ９の寸法等は実施例と等しく
した。ただし、ここでは純度９８．００％のα型炭化珪
素粉末を用い、純度９８．００％のβ型炭化珪素粉末を
用いた。又、それらの珪素粉末の混合物に混入する水を
水道水にした。

【００３４】多孔質炭化珪素焼結体に含まれる不純物を
測定したところ、８重量％でりあった。従って、比較例
では、炭化珪素結晶粒子の粒界に不純物が偏りやすく、
粒界での強度が著しく低下するため、粒界破断しやすく
なることが示唆された。

【００３５】又、ハニカムフィルタ９の曲げ強度測定値
は平均値で３．０ＭＰａであり、実施例に比べて機械的
強度に劣っていた。ハニカムフィルタ９をケーシング８
内に収容して一定期間使用をした結果、ハニカムフィル
タ９に若干のクラックが認められた。

【００３６】従って、本実施形態の実施例によれば以下
のような効果を得ることができる。実施例のハニカムフ
ィルタ９においては、炭化珪素結晶体の不純物が５重量
％以下である。そのため、炭化珪素結晶粒子の粒界に不
純物が偏りにくくなり、粒界での強度が向上し、粒界破
断しにくくなる。従って、多孔質組織であったとしても
十分な機械的強度を確保することができ、振動や熱衝撃
により破壊しにくいハニカムフィルタ９を得ることがで
きる。そして、このようなハニカムフィルタ９を用いた
排気ガス浄化装置１は、高強度であって長期にわたり使
用可能なため、実用性に優れたものとなる。

【００３７】なお、本発明の実施形態は以下のように変
更してもよい。 ・ ハニカムフィルタ９の形状は、実施形態のような円
柱状に限定されることはなく、三角柱状、四角柱状、六
角柱状等に変更しても構わない。

【００３８】・ 図５に示される別例のように、複数個
（ここでは１６個）のハニカムフィルタ２３を組み合わ
せて１つのセラミックフィルタ集合体２１を製造しても
よい。集合体２１を構成する角柱状ハニカムフィルタ２
３は、不純物が５重量％以下で、かつ曲げ強度が４．５
ＭＰａ以上の焼結体からなる。ハニカムフィルタ２３の
外周面は、互いにセラミック質シール材層２２を介して
接着されている。その結果、各ハニカムフィルタ２３が
束ねられた状態で一体化されている。このような構成に
すれば、加熱による温度勾配に起因する応力によってク
ラックが発生するのを防止でき、熱衝撃にも強くなる。
従って、比較的容易にフィルタの大型化を達成すること
ができる。

【００３９】・ ハニカムフィルタ２３の組み合わせ数
は、前記別例のように１６個でなくてもよく、任意の数
にすることが可能である。この場合、サイズ・形状等の
異なるハニカムフィルタ２３を適宜組み合わせて使用す
ることも勿論可能である。

【００４０】・ ハニカムフィルタ９，２３は前記実施
形態や別例にて示したようなハニカム状構造を有するも
ののみに限られず、例えば三次元網目構造、フォーム状
構造、ヌードル状構造、ファイバ状構造等であってもよ
い。

【００４１】・ 実施形態においては、本発明のハニカ
ムフィルタ（又はセラミックフィルタ集合体）を、ディ
ーゼルエンジン２に取り付けられる排気ガス浄化装置用
フィルタとして具体化していた。勿論、本発明のハニカ
ムフィルタ（又はセラミックフィルタ集合体）は、排気
ガス浄化装置用フィルタ以外のものとして具体化される
ことができる。その例としては、熱交換器用部材、高温
流体や高温蒸気のための濾過フィルタ等が挙げられる。
さらに、本発明の多孔質炭化珪素焼結体は、フィルタ以
外の用途にも適用可能である。

【００４２】次に、特許請求の範囲に記載された技術的
思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技
術的思想をその効果とともに以下に列挙する。 （１） 請求項２又は３において、セル壁により区画さ
れる複数の貫通孔を有し、各貫通孔の端部が封止体によ
って封止され、その封止体は不純物が５重量％以下であ
ること。この技術的思想１に記載の発明によれば、封止
体にクラックが入るのを確実に防止することができる。

【００４３】（２） 請求項１〜３のいずれか１つにお
いて、前記焼結体における炭化珪素結晶粒子の平均粒径
は５μｍ〜１５μｍであり、前記結晶粒子１６のうち平
均粒径が５μｍ〜３０μｍのものの存在率は３０％以上
であること。

【００４４】（３） 内燃機関の排気管の途上に設けら
れたケーシング内に、請求項２に記載のハニカムフィル
タ又は請求項３に記載のセラミックフィルタ集合体を収
容するとともに、前記フィルタ又は前記集合体の外周面
と前記ケーシングの内周面とがなす隙間に、断熱材を充
填した排気ガス浄化装置。従って、この技術的思想３に
記載の発明によれば、高強度であって長期にわたり使用
可能なため、実用性に優れた装置を提供することができ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に記載の
発明によれば、強度に優れた多孔質炭化珪素焼結体を提
供することができる。

【００４６】請求項２に記載の発明によれば、強度に優
れたハニカムフィルタを提供することができる。請求項
３に記載の発明によれば、強度に優れたセラミックフィ
ルタ集合体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した一実施形態の排気ガス浄化
装置の全体概略図。

【図２】実施形態のハニカムフィルタの斜視図。

【図３】実施形態のハニカムフィルタのＡ−Ａ線におけ
る断面図。

【図４】前記排気ガス浄化装置の要部拡大断面図。

【図５】複数個のハニカムフィルタを用いて構成される
別例のセラミックフィルタ集合体の斜視図。

【符号の説明】

９，２３…ハニカムフィルタ、２１…セラミックフィル
タ集合体、２２…セラミック質シール材層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G090 AA03 4D019 AA01 BA05 BB06 BC07 CA01 CB03 CB04 CB06 4D058 JA32 JB06 JB41 KA12 KA27 SA08 4G019 FA12

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化珪素結晶粒子によって多孔質組織を
   構成した焼結体であって、不純物が５重量％以下で、か
   つ曲げ強度が４．５ＭＰａ以上であることを特徴とする
   多孔質炭化珪素焼結体。
2. 【請求項２】 炭化珪素結晶粒子によって多孔質組織を
   構成した焼結体からなるハニカムフィルタであって、不
   純物が５重量％以下で、かつ曲げ強度が４．５ＭＰａ以
   上であることを特徴とするハニカムフィルタ。
3. 【請求項３】 炭化珪素結晶粒子によって多孔質組織を
   構成した焼結体からなるハニカムフィルタを構成部材と
   して用い、それらの外周面同士をセラミック質シール材
   層を介して接着することにより、前記各ハニカムフィル
   タを一体化してなる集合体であって、前記ハニカムフィ
   ルタの不純物が５重量％以下で、かつ曲げ強度が４．５
   ＭＰａ以上であることを特徴とするセラミックフィルタ
   集合体。