JP2003328725A - 排気ガスフィルタ - Google Patents
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Abstract
孔を有し、しかも小さな電圧を印加することによって充
分に自己発熱させることができる排気ガスフィルタを提
供すること。 【解決手段】炭化珪素と、炭化珪素を除く炭化物、窒化
物、ホウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくと
も一種とからなる複合材料を用いてハニカム状の排気ガ
スフィルタ3を作製する。複合材料の固有抵抗値は10
-2Ω・cm〜1Ω・cm、密度は1.7g/cm3 〜2.3g/cm
3 、平均気孔径は1μm〜50μmの範囲内である。フ
ィルタ3の両端部4には一対の自己発熱用電極5が設け
られる。
Description
されるガス中に含まれる微粒子等を除去するための排気
ガスフィルタに係り、特には自己発熱型フィルタに用い
て好適な排気ガスフィルタに関するものである。
れるガス中には大気汚染を引き起こす原因となる微粒子
が含まれており、それらの中には発癌性の高い物質等の
存在も存在することが確認されている。このため、近年
では、内燃機関の排気経路上に排気ガスフィルタを配置
することによって微粒子を捕集し、更にその捕集された
微粒子を着火して燃焼させるという処理技術が広く研究
されている。
は、コージェライトや炭化珪素等といった多孔質セラミ
ックス製の材料が用いられている。かかるセラミックス
材料のなかでも、特に炭化珪素については耐熱温度が高
くしかも固有抵抗値が低いという特性が注目されてい
る。ゆえに、炭化珪素は、耐久性や再生効率等に優れた
フィルタを形成するための材料として有望視されてい
る。
が低い炭化珪素には、直接電圧を印加することによって
加熱できるという性質がある。このため、多孔質炭化珪
素を材料としてフィルタを作製すれば、いわゆる自己発
熱型の排気ガスフィルタを得ることが可能であると一般
的に考えられている。
タとしては、例えば多孔質炭化珪素にシリコン金属を含
浸してなるフォーム状構造体であって、約400ボルト
の電圧を印加することにより自己発熱するというタイプ
のものがある。
うしても固有抵抗値が高くなり、印加すべき電圧の値も
それに付随して高くなってしまう。このため、20ボル
ト程度のバッテリーしか備えていない一般車両には搭載
することができないという欠点が指摘されていた。
フィルタとしては、次のようなタイプのものが考えられ
る。即ち、主成分である炭化珪素に窒化アルミニウム
(またはアルミナ)と炭素とが含まれているセラミック
ス焼結体を材料として用いたフィルタである。このフィ
ルタの場合、固有抵抗値が10-1Ω・cm程度と極めて低
い値となるため、一般車両用の小型バッテリーでも充分
加熱することができるという利点がある。
したものであるため、比較的密度が高く、しかも気孔の
少ない緻密なものとなっている。このため、必ずしも微
粒子の捕集に適しているとはいい難かった。
電圧の印加によって充分に発熱させることができ、かつ
細かい微粒子の捕集に好適な気孔を有する排気ガスフィ
ルタを確実にかつ容易に得ることができる排気ガスフィ
ルタを提供することにある。
めに、本発明では、内燃機関の排気ガスを浄化するため
の多孔質セラミックス製のフィルタにおいて、前記多孔
質セラミックスを、炭化珪素と、炭化珪素を除く炭化
物、窒化物、ホウ化物及び酸化物のうちから選択される
少なくとも一種とからなる複合材料であって、その固有
抵抗値が10-2Ω・cm〜1Ω・cm、その密度が1.7g/
cm3 〜2.3g/cm3 、かつその平均気孔径が1μm〜5
0μmの範囲内である排気ガスフィルタを提案する。
て、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ化物及び酸化
物のうちから選択される少なくとも一種を5重量部〜3
0重量部混合してなるフィルタとしても良い。また、フ
ィルタの両端部に一対の自己発熱用電極を設けたり、フ
ィルタを複数個組み合わせて一つの排気ガスフィルタを
構成しても良い。更に、炭化物を炭化タングステンとし
たり、窒化物を窒化ホウ素、窒化チタンまたは窒化アル
ミニウムとしても良い。そして、ホウ化物を二ホウ化チ
タンとしたり、酸化物を酸化アルミニウムまたは酸化珪
素としても良い。
料である多孔質セラミックスの固有抵抗値が10-2Ω・
cm〜1Ω・cm、その密度が1.7g/cm3 〜2.3g/c
m3 、かつその平均気孔径が1μm〜50μmの範囲内
とすることが必須である。固有抵抗値が10-2Ω・cm未
満であると、発熱量が得られないからである。一方、固
有抵抗値が1Ω・cmを越えると、所定の温度に上げるた
めに大きな印加電圧が必要になり、自己発熱させるうえ
で不利になってしまうからである。
タ中に空隙が多くなり過ぎてしまい、強度的に弱くな
る。また、気孔率が高くなることにより、微粒子の捕集
効率が低下してしまう。一方、密度が2.3g/cm3 を越
えると、フィルタが緻密になり過ぎてしまい、内部に排
気ガスを流通させることができなくなり、微粒子の捕集
が不可能になってしまう。
の堆積によるフィルタ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。
己発熱型の排気ガスフィルタであるためには、請求項1
に記載の発明のフィルタのように、上記の諸物性値を全
て満たしていることが必須である。
0重量部に対して、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホ
ウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一種
の添加剤を5重量部〜30重量部混合してなることが望
ましい。添加剤の分量が5重量部より少ないと、固有抵
抗値を充分に低くすることができなくなる。一方、添加
剤の分量が30重量部を越えると、炭化珪素本来の物性
が損なわれてしまう虞れがある。
る方法を工程順に詳細に説明する。本発明の(a) 工程で
は、撥水性のある有機樹脂によって、炭化珪素を除く炭
化物、窒化物、ホウ化物及び酸化物のうちから選択され
る少なくとも一種の添加剤粉末の表面が被覆される。本
発明では、添加剤に使用される炭化物として、炭化タン
グステンを選択することが望ましい。また、窒化物とし
て窒化ホウ素、窒化チタンまたは窒化アルミニウムを選
択することが望ましい。同様に、ホウ化物として二ホウ
化チタンを、酸化物として酸化アルミニウムまたは酸化
珪素を選択することが望ましい。
について説明する。炭化珪素は固相焼結によって焼結
し、その際には珪素原子と炭素原子とが結晶粒子の結合
部分(ネック部)を介して拡散するということが知られ
ている。そして、現状における焼結体の固有抵抗値の下
限は、1Ω・cm程度となっている。そこで、より低い固
有抵抗値を実現するための方法としては、例えば次のよ
うな方法が考えられる。即ち、 ネック部に液相を形成する物質を存在させておくこ
と、 ネック部に固溶体を形成する物質を存在させておくこ
と、及び ネック部に固有抵抗値の低い物質を存在させておくこ
と の3つである。つまり、の方法は、ネック部に液相を
形成することにより、結晶粒子同士が接触する面積を確
保し、もって固有抵抗値を下げるというものである。
の方法も、ネック部に固溶体を形成することにより、結
晶粒子同士が接触する面積を確保し、もって固有抵抗値
を下げるというものである。の方法は、ネック部の電
気抵抗を下げてやることにより、焼結体全体の固有抵抗
値を下げるというものである。そして、上記の範疇に
属する物質としては、例えば先に述べた酸化アルミニウ
ム及び酸化珪素等がある。の範疇に属する物質として
は、例えば炭化タングステン、窒化チタン及び二ホウ化
チタンがある。の範疇に属する物質としては、例えば
窒化ホウ素及び窒化アルミニウム等がある。そして、こ
れらの方法によれば、現状における焼結体の固有抵抗値
の下限よりも1〜2オーダー低い値を実現することが可
能である。
樹脂によって被覆される必要がある。その理由は、炭化
珪素粉末と添加剤とからなる混合物を混練するときに、
添加剤が水と反応してしまうことを回避するためであ
る。例えば、添加剤が窒化アルミニウムである場合、被
覆を施しておけば、水との反応によるアンモニアガスの
生成が回避され、かつ材料の混練も可能なものとなる。
内に疎水基と窒素とを含有する樹脂を用いても良い。こ
のような樹脂を具体的に挙げると、パラフィン系アミ
ン、パラフィン系アミド、オレフィン系アミド、ナイロ
ン等がある。かかる有機樹脂は、添加剤に対して5重量
部〜30重量部ほど配合されることが良い。
剤とが乾式混合される。得られた混合物には有機バイン
ダと水とが加えられ、更に良く混練される。この場合、
必要に応じて、α型炭化珪素粉末、β型炭化珪素粉末ま
たはそれらの混合粉末を使用することが可能である。な
お、この工程では炭化珪素100重量部に対して添加剤
が5重量部〜30重量部混合される。
混練物は、多孔質形状に成形または保持された後に乾燥
される。このときの乾燥温度は50℃〜100℃である
ことが良い。
乾燥体は、脱脂されかつ不活性雰囲気下にて焼成され
る。このときの脱脂温度は400℃〜800℃であるこ
とが良く、焼成温度は1800℃〜2200℃であるこ
とが良い。なお、前記脱脂工程によって、乾燥体中に含
まれている炭素分、即ち撥水性樹脂及び有機バインダの
大部分が熱分解される。そして、以上のような工程を経
ることによって、固有抵抗値、密度及び平均気孔径の値
が上記の所定条件を満たした多孔質セラミックス焼結体
が得られる。
気ガス浄化装置に具体化した実施例を図1〜図4に基づ
き詳しく説明する。
1は、金属パイプ製のケーシング2を備えている。ケー
シング2の通路2aは、内燃機関としてのディーゼルエ
ンジンEの排気管路Eaに接続されている。ケーシング
2内には、ディーゼルエンジンEから排出されるガス中
の微粒子を除去するために、ハニカム構造を有する排気
ガスフィルタ3が配設されている。
ィルタ3は角柱状(33mm×33mm×150mm)を呈し
ている。フィルタ3には、断面略正方形状の連通孔3a
がフィルタ3の軸線方向に沿って規則的に形成されてい
る。各連通孔3aは、厚さ0.3mmの内壁3bによって
互いに隔てられている。各連通孔3aの排気ガス流入側
または流出側のいずれかの一端は、多孔質焼結体製の封
止片3cによって市松模様状に封止されている。その結
果、フィルタ3の流入側または流出側のいずれか一方の
みに開口するセルC1 ,C2 が形成された状態となって
いる。セルC1,C2 の内壁3bには、図示しないシリ
カ膜が形成されている。そして、そのシリカ膜には、白
金族元素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。
ルタ3の両端部4の外壁面には、自己発熱用の電極とし
て一対の白金製の電極5が設けられている。図4に示さ
れるように、これらの電極5は、各々配線6を介してバ
ッテリー(12V−2.5kW)7に接続されている。
し、ディーゼルエンジンEを始動させたときの排気ガス
の流れについて説明する。図2にて矢印A1 で示される
ように、排気ガスはまずフィルタ3の流入側に開口する
セルC1 内に導入される。次いで、排気ガスは内壁3b
を通過し、隣接するセルC2 、即ち流出側に開口するC
2 内に導入される。このとき、排気ガス中に含まれる微
粒子の移動が内壁3bによって阻止される。よって、微
粒子のみが内壁3bにトラップされる。そして、浄化さ
れた排気ガスは、流出側に開口するセルC2 内を抜け
て、最終的にフィルタ3から排出されることになる。
3に所定量の微粒子が捕集されたことが検知されると、
自動的にフィルタ3の再生処理が行われるようになって
いる。再生処理においては、図示しない検知手段からの
信号に基づき、バッテリー7からフィルタ3への通電が
開始される。すると、フィルタ3の自己発熱によってフ
ィルタ3の温度が上昇し、やがて微粒子が着火する。そ
の後、フィルタ3は800℃〜1000℃程度まで加熱
され、微粒子が燃焼・消失してしまうまでその温度に維
持される。その結果、フィルタ3は、微粒子を捕集する
前の元の状態に再生される。
について説明する。この特性評価試験では、表1に示さ
れるように実施例のサンプル(1〜16)と比較例のサ
ンプル(17,18)とをそれぞれ作製した。
アルミニウム粉末を選択し、その粉末の表面を撥水性の
ある有機樹脂(パラフィン系アミン)によって被覆し
た。次いで、β型炭化珪素粉末100重量部と窒化アル
ミニウム15重量部とを乾式混合した。更に、その混合
物に有機バインダ(メチルセルロース)と水とを所定分
量づつ加えて混練した。そして、この混練物を押出成形
することにより、ハニカム状の成形体を得た。次いで、
成形体の連通孔3aを多孔質焼結体製の封止片3c形成
用のペーストによって封止した後、その両端部4に電極
5の形成用の白金ペーストを含浸させた。その後、乾燥
機を用いて成形体、封止片3c用ペースト及び電極5用
ペーストを乾燥させた。そして、乾燥体を600℃で脱
脂した後、更にそれをアルゴン雰囲気下にて2200℃
で焼成した。その後、焼結体の両電極5に配線6をろう
付けることにより、最終的にサンプル1のフィルタ3と
した。
8を作製した。その際、原料組成のみを表1に示される
ように変更した。得られたサンプル1〜18における焼
結体部分の組成(SiC、添加剤、残留C)を分析した
結果を表2に示す。また、サンプル1〜18の平均気孔
径(μm)、固有抵抗値(Ω・cm)、密度(g/cm3 )を
調査した結果を表3に示す。
気ガス浄化装置1を構成し、排気ガスの浄化を行うこと
により、捕集効率及び再生状態の良否を調査した。その
結果も表3に共に示す。なお、捕集効率の良否は、非再
生時にフィルタ3から流出する排気ガス中の微粒子の量
を測定することによって判断した。また、再生状態の良
否は、微粒子が所定量捕集された後の通電によって微粒
子が完全に燃焼除去されるまでに要した時間を測定する
ことによって判断した。
ることはなく、以下のような構成に変更することが可能
である。例えば、(a)前記実施例にて示したようなハ
ニカム状のフィルタ3のみに限られず、例えば図5に示
されるようなフォーム状構造を持つフィルタ10として
も勿論良い。このフィルタ10は、例えば以下のような
手順によって作製される。
ウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一種
の添加剤粉末の表面を、撥水性のある有機樹脂によって
被覆する。次に、α型炭化珪素粉末、β型炭化珪素粉末
またはそれらの混合粉末と前記添加剤とを乾式混合した
後、その混合物に有機バインダと水とを加えて混練す
る。更に、前工程にて得られた混練物をウレタンフォー
ム等の発泡樹脂に含浸させることにより、その混練物を
一時的に所定の多孔質形状に保持する。そして、この状
態で乾燥を行い、混練物中の水分をある程度蒸発させ
る。前工程にて得られた乾燥体を脱脂した後、更にそれ
をアルゴン等の不活性雰囲気下にて焼成する。すると、
炭化珪素等の焼結が進行する一方で発泡樹脂が燃焼消失
するため、結果としてフォーム状構造を持つフィルタ1
0が得られることとなる。なお、フォーム状構造を有す
るフィルタ10の製造方法の利点としては、作製困難な
大型のものでも押出成形等によって比較的容易に得るこ
とができることである。
手段は、上記の発泡樹脂のみに限られるわけではない。
つまり、連続気孔を有しかつ所定の温度によって燃焼し
得るものであれば、保持手段として使用することが可能
である。
ハニカム構造やフォーム状構造以外にも、例えば三次元
網目構造、ヌードル状、ファイバー状等を採用すること
が勿論可能である。
の断面略正方形状のフィルタ3と、4個の断面略二等辺
三角形状のフィルタ12とからなる排気ガスフィルタ1
1とを組み合わせることにより、1つのフィルタ11を
構成しても良い。このような構成であると、あまり大き
くないフィルタ3,12を用いて、全体として大型のフ
ィルタ11を得ることができる。
6に示したもののみに限られず、使用するフィルタ3,
12の数なども勿論変更することが可能である。また、
ハニカム構造のフィルタ3,12に代え、フォーム状構
造のフィルタ10を用いても良い。
は、必ずしも自己発熱型として使用しなくても良い。つ
まり、バーナーやヒータ等のような外部の発熱手段によ
って加熱される被加熱型のものとして使用しても勿論良
い。
ズやスパッタリング等の方法によって作製することがで
きる。また、その際に使用される金属として、白金の以
外の高融点金属を選択しても勿論良い。
フィルタによれば、排気ガス中に含まれる微粒子の捕集
に好適な気孔を有し、しかも小さな電圧を印加すること
によって充分に自己発熱させることができるという優れ
た効果を奏する。
ある。
タを示す斜視図である。
気ガスフィルタを示す斜視図である。
3)
化珪素であることを特徴とする請求項1〜5いずれか1
項に記載の排気ガスフィルタ。
されるガス中に含まれる微粒子等を除去するための排気
ガスフィルタに係り、特には自己発熱型フィルタに用い
て好適な排気ガスフィルタに関するものである。
れるガス中には大気汚染を引き起こす原因となる微粒子
が含まれており、それらの中には発癌性の高い物質等の
存在も存在することが確認されている。このため、近年
では、内燃機関の排気経路上に排気ガスフィルタを配置
することによって微粒子を捕集し、更にその捕集された
微粒子を着火して燃焼させるという処理技術が広く研究
されている。
は、コージェライトや炭化珪素等といった多孔質セラミ
ックス製の材料が用いられている。かかるセラミックス
材料のなかでも、特に炭化珪素については耐熱温度が高
くしかも固有抵抗値が低いという特性が注目されてい
る。ゆえに、炭化珪素は、耐久性や再生効率等に優れた
フィルタを形成するための材料として有望視されてい
る。
成分を炭化珪素とするフィルターを提案している。
が低い炭化珪素には、電圧を直接印加することによって
加熱できるという性質がある。このため、多孔質炭化珪
素を材料としてフィルタを作製すれば、いわゆる自己発
熱型の排気ガスフィルタを得ることが可能であると一般
的に考えられている。
タとしては、例えば多孔質炭化珪素にシリコン金属を含
浸してなるフォーム状構造体であって、約400ボルト
の電圧を印加することにより自己発熱するというタイプ
のものがある。
うしても固有抵抗値が高くなり、印加すべき電圧の値も
それに付随して高くなってしまう。このため、20ボル
ト程度のバッテリーしか備えていない一般車両には搭載
することができないという欠点が指摘されていた。
フィルタとしては、次のようなタイプのものが考えられ
る。即ち、主成分である炭化珪素に窒化アルミニウム
(またはアルミナ)と炭素とが含まれているセラミック
ス焼結体を材料として用いたフィルタである。このフィ
ルタの場合、固有抵抗値が10-1Ω・cm程度と極めて低
い値となるため、一般車両用の小型バッテリーでも充分
加熱することができるという利点がある。
したものであるため、比較的密度が高く、しかも気孔の
少ない緻密なものとなっている。このため、必ずしも微
粒子の捕集に適しているとはいい難かった。
電圧の印加によって充分に発熱させることができ、かつ
細かい微粒子の捕集に好適な気孔を有する排気ガスフィ
ルタを確実にかつ容易に得ることができる排気ガスフィ
ルタを提供することにある。
めに、本発明では、内燃機関の排気ガスを浄化するため
の多孔質セラミックス製のフィルタにおいて、前記多孔
質セラミックスは、炭化珪素と、炭化珪素を除く炭化
物、窒化物、ホウ化物及び酸化物のうちから選択される
少なくとも一種とからなる複合材料であって、この複合
材料複数個を組み合わせて一つのフィルタとして構成し
たことを特徴とする排気ガスフィルタを提案する。な
お、本発明においては、前記複合材料は、固有抵抗値が
10-2Ω・cm〜1Ω・cmであること、密度が1.7g/c
m3〜2.3g/cm3であること、平均気孔径が1μm〜50
μmであることが好ましく、前記複合材料はまた、残留
カーボンを多孔質炭化珪素100重量部に対して0.01重量
部以上含むこと、より好ましくは0.01〜0.03重量部含む
ことが好ましい。そして、前記酸化物は、酸化アルミニ
ウム又は酸化珪素であることが好ましく、前記フィルタ
には、金属元素や金属酸化物を担持させることが好まし
い。とくに本発明において、前記多孔質セラミックス
を、炭化珪素と、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ
化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一種と
からなる複合材料であって、その固有抵抗値が10 -2Ω
・cm〜1Ω・cm、その密度が1.7g/cm3 〜2.3g/cm
3 、かつその平均気孔径が1μm〜50μmの範囲内で
ある排気ガスフィルタとすることが好ましい。
重量部に対して、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ
化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一種を
5重量部〜30重量部混合してなるフィルタとしても良
い。また、フィルタの両端部に一対の自己発熱用電極を
設けたり、フィルタを複数個組み合わせて一つの排気ガ
スフィルタを構成してもよい。更に、炭化物を炭化タン
グステンとしたり、窒化物を窒化ホウ素、窒化チタンま
たは窒化アルミニウムとしてもよい。そして、ホウ化物
を二ホウ化チタンとしたり、酸化物を酸化アルミニウム
または酸化珪素としてもよい。
料である多孔質セラミックスの固有抵抗値が10-2Ω・
cm〜1Ω・cm、その密度が1.7g/cm3 〜2.3g/c
m3 、かつその平均気孔径が1μm〜50μmの範囲内
とする。固有抵抗値が10-2Ω・cm未満であると、発熱
量が得られないからである。一方、固有抵抗値が1Ω・
cmを越えると、所定の温度に上げるために大きな印加電
圧が必要になり、自己発熱させるうえで不利になってし
まうからである。
タ中に空隙が多くなり過ぎてしまい、強度的に弱くな
る。また、気孔率が高くなることにより、微粒子の捕集
効率が低下してしまう。一方、密度が2.3g/cm3 を越
えると、フィルタが緻密になり過ぎてしまい、内部に排
気ガスを流通させることができなくなり、微粒子の捕集
が不可能になってしまう。
の堆積によるフィルタ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。
己発熱型の排気ガスフィルタであるためには、好ましく
は、上記の諸物性値を全て満たしていることが有効であ
る。
0重量部に対して、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホ
ウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一種
の添加剤を5重量部〜30重量部混合してなることが望
ましい。添加剤の分量が5重量部より少ないと、固有抵
抗値を充分に低くすることができなくなる。一方、添加
剤の分量が30重量部を越えると、炭化珪素本来の物性
が損なわれてしまうおそれがある。
る方法を工程順に説明する。工程a:この工程では、撥
水性のある有機樹脂によって、炭化珪素を除く炭化物、
窒化物、ホウ化物及び酸化物のうちから選択される少な
くとも一種の添加剤粉末の表面が被覆される。本発明で
は、添加剤に使用される炭化物として、炭化タングステ
ンを選択することが望ましい。また、窒化物として窒化
ホウ素、窒化チタンまたは窒化アルミニウムを選択する
ことが望ましい。同様に、ホウ化物として二ホウ化チタ
ンを、酸化物として酸化アルミニウムまたは酸化珪素を
選択することが望ましい。
について説明する。炭化珪素は固相焼結によって焼結
し、その際には珪素原子と炭素原子とが結晶粒子の結合
部分(ネック部)を介して拡散するということが知られ
ている。そして、現状における焼結体の固有抵抗値の下
限は、1Ω・cm程度となっている。そこで、より低い固
有抵抗値を実現するための方法としては、例えば次のよ
うな方法が考えられる。即ち、 ネック部に液相を形成する物質を存在させておくこ
と、 ネック部に固溶体を形成する物質を存在させておくこ
と、及び ネック部に固有抵抗値の低い物質を存在させておくこ
と の3つである。つまり、の方法は、ネック部に液相を
形成することにより、結晶粒子同士が接触する面積を確
保し、もって固有抵抗値を下げるというものである。
の方法も、ネック部に固溶体を形成することにより、結
晶粒子同士が接触する面積を確保し、もって固有抵抗値
を下げるというものである。の方法は、ネック部の電
気抵抗を下げてやることにより、焼結体全体の固有抵抗
値を下げるというものである。そして、上記の範疇に
属する物質としては、例えば先に述べた酸化アルミニウ
ム及び酸化珪素等がある。の範疇に属する物質として
は、例えば炭化タングステン、窒化チタン及び二ホウ化
チタンがある。の範疇に属する物質としては、例えば
窒化ホウ素及び窒化アルミニウム等がある。そして、こ
れらの方法によれば、現状における焼結体の固有抵抗値
の下限よりも1〜2オーダー低い値を実現することが可
能である。
樹脂によって被覆される必要がある。その理由は、炭化
珪素粉末と添加剤とからなる混合物を混練するときに、
添加剤が水と反応してしまうことを回避するためであ
る。例えば、添加剤が窒化アルミニウムである場合、被
覆を施しておけば、水との反応によるアンモニアガスの
生成が回避され、かつ材料の混練も可能なものとなる。
内に疎水基と窒素とを含有する樹脂を用いても良い。こ
のような樹脂を具体的に挙げると、パラフィン系アミ
ン、パラフィン系アミド、オレフィン系アミド、ナイロ
ン等がある。かかる有機樹脂は、添加剤に対して5重量
部〜30重量部ほど配合されることが良い。
前記添加剤とが乾式混合される。得られた混合物には有
機バインダと水とが加えられ、更に良く混練される。こ
の場合、必要に応じて、α型炭化珪素粉末、β型炭化珪
素粉末またはそれらの混合粉末を使用することが可能で
ある。なお、この工程では炭化珪素100重量部に対し
て添加剤が5重量部〜30重量部混合される。
られた混練物は、多孔質形状に成形または保持された後
に乾燥される。このときの乾燥温度は50℃〜100℃
であることが良い。
られた乾燥体は、脱脂されかつ不活性雰囲気下にて焼成
される。このときの脱脂温度は400℃〜800℃であ
ることが良く、焼成温度は1800℃〜2200℃であ
ることが良い。なお、前記脱脂工程によって、乾燥体中
に含まれている炭素分、即ち撥水性樹脂及び有機バイン
ダの大部分が熱分解される。そして、以上のような工程
を経ることによって、固有抵抗値、密度及び平均気孔径
の値が上記の所定条件を満たした多孔質セラミックス焼
結体が得られる。
気ガス浄化装置に具体化した実施例を図1〜図4に基づ
き詳しく説明する。
1は、金属パイプ製のケーシング2を備えている。ケー
シング2の通路2aは、内燃機関としてのディーゼルエ
ンジンEの排気管路Eaに接続されている。ケーシング
2内には、ディーゼルエンジンEから排出されるガス中
の微粒子を除去するために、ハニカム構造を有する排気
ガスフィルタ3が配設されている。
ィルタ3は角柱状(33mm×33mm×150mm)を呈し
ている。フィルタ3には、断面略正方形状の連通孔3a
がフィルタ3の軸線方向に沿って規則的に形成されてい
る。各連通孔3aは、厚さ0.3mmの内壁3bによって
互いに隔てられている。各連通孔3aの排気ガス流入側
または流出側のいずれかの一端は、多孔質焼結体製の封
止片3cによって市松模様状に封止されている。その結
果、フィルタ3の流入側または流出側のいずれか一方の
みに開口するセルC1 ,C2 が形成された状態となって
いる。セルC1,C2 の内壁3bには、図示しないシリ
カ膜が形成されている。そして、そのシリカ膜には、白
金族元素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。
ルタ3の両端部4の外壁面には、自己発熱用の電極とし
て一対の白金製の電極5が設けられている。図4に示さ
れるように、これらの電極5は、各々配線6を介してバ
ッテリー(12V−2.5kW)7に接続されている。
し、ディーゼルエンジンEを始動させたときの排気ガス
の流れについて説明する。図2にて矢印A1 で示される
ように、排気ガスはまずフィルタ3の流入側に開口する
セルC1 内に導入される。次いで、排気ガスは内壁3b
を通過し、隣接するセルC2 、即ち流出側に開口するC
2 内に導入される。このとき、排気ガス中に含まれる微
粒子の移動が内壁3bによって阻止される。よって、微
粒子のみが内壁3bにトラップされる。そして、浄化さ
れた排気ガスは、流出側に開口するセルC2 内を抜け
て、最終的にフィルタ3から排出されることになる。
3に所定量の微粒子が捕集されたことが検知されると、
自動的にフィルタ3の再生処理が行われるようになって
いる。再生処理においては、図示しない検知手段からの
信号に基づき、バッテリー7からフィルタ3への通電が
開始される。すると、フィルタ3の自己発熱によってフ
ィルタ3の温度が上昇し、やがて微粒子が着火する。そ
の後、フィルタ3は800℃〜1000℃程度まで加熱
され、微粒子が燃焼・消失してしまうまでその温度に維
持される。その結果、フィルタ3は、微粒子を捕集する
前の元の状態に再生される。
について説明する。この特性評価試験では、表1に示さ
れるように実施例のサンプル(1〜16)と比較例のサ
ンプル(17,18)とをそれぞれ作製した。
アルミニウム粉末を選択し、その粉末の表面を撥水性の
ある有機樹脂(パラフィン系アミン)によって被覆し
た。次いで、β型炭化珪素粉末100重量部と窒化アル
ミニウム15重量部とを乾式混合した。更に、その混合
物に有機バインダ(メチルセルロース)と水とを所定分
量づつ加えて混練した。そして、この混練物を押出成形
することにより、ハニカム状の成形体を得た。次いで、
成形体の連通孔3aを多孔質焼結体製の封止片3c形成
用のペーストによって封止した後、その両端部4に電極
5の形成用の白金ペーストを含浸させた。その後、乾燥
機を用いて成形体、封止片3c用ペースト及び電極5用
ペーストを乾燥させた。そして、乾燥体を600℃で脱
脂した後、更にそれをアルゴン雰囲気下にて2200℃
で焼成した。その後、焼結体の両電極5に配線6をろう
付けることにより、最終的にサンプル1のフィルタ3と
した。
8を作製した。その際、原料組成のみを表1に示される
ように変更した。得られたサンプル1〜18における焼
結体部分の組成(SiC、添加剤、残留C)を分析した
結果を表2に示す。また、サンプル1〜18の平均気孔
径(μm)、固有抵抗値(Ω・cm)、密度(g/cm3 )を
調査した結果を表3に示す。
気ガス浄化装置1を構成し、排気ガスの浄化を行うこと
により、捕集効率及び再生状態の良否を調査した。その
結果も表3に共に示す。なお、捕集効率の良否は、非再
生時にフィルタ3から流出する排気ガス中の微粒子の量
を測定することによって判断した。また、再生状態の良
否は、微粒子が所定量捕集された後の通電によって微粒
子が完全に燃焼除去されるまでに要した時間を測定する
ことによって判断した。
ることはなく、以下のような構成に変更することが可能
である。例えば、(a)前記実施例にて示したようなハ
ニカム状のフィルタ3のみに限られず、例えば図5に示
されるようなフォーム状構造を持つフィルタ10として
も勿論良い。このフィルタ10は、例えば以下のような
手順によって作製される。
ウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一種
の添加剤粉末の表面を、撥水性のある有機樹脂によって
被覆する。次に、α型炭化珪素粉末、β型炭化珪素粉末
またはそれらの混合粉末と前記添加剤とを乾式混合した
後、その混合物に有機バインダと水とを加えて混練す
る。更に、前工程にて得られた混練物をウレタンフォー
ム等の発泡樹脂に含浸させることにより、その混練物を
一時的に所定の多孔質形状に保持する。そして、この状
態で乾燥を行い、混練物中の水分をある程度蒸発させ
る。前工程にて得られた乾燥体を脱脂した後、更にそれ
をアルゴン等の不活性雰囲気下にて焼成する。すると、
炭化珪素等の焼結が進行する一方で発泡樹脂が燃焼消失
するため、結果としてフォーム状構造を持つフィルタ1
0が得られることとなる。なお、フォーム状構造を有す
るフィルタ10の製造方法の利点としては、作製困難な
大型のものでも押出成形等によって比較的容易に得るこ
とができることである。
手段は、上記の発泡樹脂のみに限られるわけではない。
つまり、連続気孔を有しかつ所定の温度によって燃焼し
得るものであれば、保持手段として使用することが可能
である。
ハニカム構造やフォーム状構造以外にも、例えば三次元
網目構造、ヌードル状、ファイバー状等を採用すること
が勿論可能である。
の断面略正方形状のフィルタ3と、4個の断面略二等辺
三角形状のフィルタ12とからなる排気ガスフィルタ1
1とを組み合わせることにより、1つのフィルタ11を
構成してもよい。このような構成であると、あまり大き
くないフィルタ3,12を用いて、全体として大型のフ
ィルタ11を得ることができる。
6に示したもののみに限られず、使用するフィルタ3,
12の数なども勿論変更することが可能である。また、
ハニカム構造のフィルタ3,12に代え、フォーム状構
造のフィルタ10を用いてもよい。
は、必ずしも自己発熱型として使用しなくてもよい。つ
まり、バーナーやヒータ等のような外部の発熱手段によ
って加熱される被加熱型のものとして使用しても勿論よ
い。
ズやスパッタリング等の方法によって作製することがで
きる。また、その際に使用される金属として、白金の以
外の高融点金属を選択しても勿論よい。
フィルタによれば、排気ガス中に含まれる微粒子の捕集
に好適な気孔を有し、しかも小さな電圧を印加すること
によって充分に自己発熱させることができるという優れ
た効果を奏する。
ある。
タを示す斜視図である。
気ガスフィルタを示す斜視図である。
Claims (8)
- 【請求項1】内燃機関の排気ガスを浄化するための多孔
質セラミックス製のフィルタにおいて、前記多孔質セラ
ミックスは、炭化珪素と、炭化珪素を除く炭化物、窒化
物、ホウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくと
も一種とからなる複合材料であって、その固有抵抗値が
10-2Ω・cm〜1Ω・cm、その密度が1.7g/cm3 〜
2.3g/cm3 、かつその平均気孔径が1μm〜50μm
の範囲内である排気ガスフィルタ。 - 【請求項2】前記フィルタは、炭化珪素100重量部に
対して、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ化物及び
酸化物のうちから選択される少なくとも一種を5重量部
〜30重量部含有してなることを特徴とする請求項1に
記載の排気ガスフィルタ。 - 【請求項3】両端部に一対の自己発熱用電極を設けたこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の排気ガスフィ
ルタ。 - 【請求項4】請求項1〜3の排気ガスフィルタを複数個
組み合わせてなる排気ガスフィルタ。 - 【請求項5】前記炭化物は炭化タングステンであること
を特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の排気
ガスフィルタ。 - 【請求項6】前記窒化物は窒化ホウ素、窒化チタンまた
は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項1〜
5のいずれか一項に記載の排気ガスフィルタ。 - 【請求項7】前記ホウ化物は、二ホウ化チタンであるこ
とを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の排
気ガスフィルタ。 - 【請求項8】前記酸化物は、酸化アルミニウムまたは酸
化珪素であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか
1項に記載の排気ガスフィルタ。
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JP2012106223A (ja) * | 2010-04-09 | 2012-06-07 | Ibiden Co Ltd | ハニカム構造体 |
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-
2003
- 2003-03-24 JP JP2003079915A patent/JP4119989B2/ja not_active Expired - Lifetime
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