JP2004154647A - セラミックスハニカムフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱歪を緩和するための複数の接合箇所を特段設けることなく、捕集されたＰＭの燃焼再生時に破損しにくい、耐熱性、耐衝撃性、耐久性に優れ、しかも生産性の高いセラミックスハニカムフィルタおよびその製造法の提供を目的とする。
【解決手段】多孔質の隔壁で区画された、複数のおおむね平行な貫通孔を有し、基本的に該貫通孔の片端のみが閉塞されるように、端面が市松模様状に封止されているセラミックスハニカムフィルタであって、前記貫通孔の一部についてはその両端が封止されていることを特徴とするセラミックスハニカムフィルタ。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性、耐熱衝撃性に優れたセラミックス多孔体で、ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出されるスス等の粒子状物質を捕集するフィルタとして好適で、特に捕集された前記粒子状物質を燃焼再生する際に破損しにくい、セラミックスハニカムフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル内燃機関または希薄燃焼ガソリン内燃機関などは、その排気ガス中にパティキュレートマターと呼ばれるススを主成分とする粒子状物質（以下、ＰＭと略す）を含んでおり、その大気への放出を防ぐ有効な手段としてセラミックスハニカムフィルタが使用される。フィルタにより集塵されたＰＭは、定期的にエンジン排気ガス温度を上げることにより酸化燃焼させ、ＣＯ_２として排出されるが、この燃焼時に熱応力が発生し、フィルタを破損させることがある。
【０００３】
また、捕集したＰＭの燃焼にはエンジンにて燃料噴射（ポストインジェクション）が使われることが多く、フィルタの限界ＰＭ量が小さいと頻繁にポストインジェクションが必要となって燃費に悪影響がある。さらに、渋滞時には燃料噴射してもフィルタがＰＭの燃焼に必要な温度に達しないことから、長時間、渋滞状態で走行した場合には限界ＰＭ量を超えてしまい、その後の走行時に一度に燃焼が始まりフィルタの破損が起こるおそれもある。
【０００４】
前記のＰＭの燃焼に起因する破損対策として耐熱衝撃性を低減する観点から低熱膨張材料であるコーディエライトが使用されているが、耐熱温度が約１３００℃と低く捕集したＰＭ量が限界を超えて堆積し燃焼するとその発熱により溶損が起こりやすいという問題があった。コーディエライトに代わる材料として耐熱温度、耐食性に優れるＳｉＣやＳｉ_３Ｎ_４も考えられるが熱膨張率がコーディエライトより大きいため耐熱衝撃性の向上が望まれている。
【０００５】
対策として、ＳｉＣフィルタを一体成形せずに、より小さいハニカムを組み合わせた構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この構造ではＰＭ燃焼時に発生する熱歪が低ヤング率の接合層で緩和されることから破損が回避され、より多くのＰＭ量を捕集できるとされている。しかし、接合箇所が多数あるため、製造工数が多くなるおそれがある。
【０００６】
また、別の対策としては、燃焼再生中に熱損傷を与えないハニカムフィルタとして、ハニカムフィルタを中心領域と周辺領域に分け、中心領域の通気抵抗を大きくして通過するガス量を抑えて中心領域の微粒子堆積量を減らし、逆に周辺領域の通気抵抗を小さくして通過するガス量を増やし周辺領域の微粒子堆積量を増やす方法が提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）。具体的には、中心領域では４セル（以下、貫通孔ともいう）以上を１つの単位として封止し、逆に周辺領域では１セルを１つの単位として封止する封止パターンが提案されている。しかし、この方法でも封止作業が複雑になり生産性が低くなるおそれがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２８２４８号公報（第１頁〜第５頁、第２図）
【特許文献２】
特開平４−１４８０１３号公報（第１頁〜第５頁、第１図、第１３図）
【特許文献３】
特開平５−１６８８３４号公報（第１頁〜第５頁、第２図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、熱歪を緩和するための複数の接合箇所を特段設けることなく、捕集されたＰＭの燃焼再生時に破損しにくい、耐熱性、耐熱衝撃性、耐久性に優れ、しかも生産性の高いセラミックスハニカムフィルタおよびその製造法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質の隔壁で区画された、複数のおおむね平行な貫通孔を有し、基本的に該貫通孔の片端のみが閉塞されるように、ガス入口とガス出口の両端面が市松模様状に封止されているセラミックスハニカムフィルタであって、前記貫通孔の一部についてはその両端が封止されていることを特徴とするセラミックスハニカムフィルタを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、従来のセラミックスハニカムフィルタ（以下、単にハニカムフィルタと略す）内のガス流れを観察・解析した知見に基づく。従来のハニカムフィルタとは、多孔質の隔壁で区画された、複数のおおむね平行な貫通孔を有し、該貫通孔の片端のみが閉塞されるようにガス入口とガス出口の両端面が市松模様状に封止されているフィルタをいう。本明細書において、市松模様状に封止するとは、両端面の貫通孔を白と黒の四角形または三角形を互い違いに並べた碁盤目模様に封止することをいい、１つの貫通孔に着目したとき、その貫通孔の入口側が開放されているときはその出口側を封止し、逆に入口側が封止されているときは出口側を開放するようにすることをいう。通常、四角形の場合は正方形、三角形の場合は正三角形のことが多い。
【００１１】
図２で代表的な従来のハニカムフィルタ２０の構造を説明する。（ａ）図は端面図を、（ｂ）図は流れ方向の縦断面図をそれぞれ示す。図中、１１は貫通孔を、１２は多孔質の隔壁を、１３は封止材を、１５はガス流れを、それぞれ示す。
被処理ガスは封止材１３のない貫通孔１から入り多孔質の隔壁２を通過して隣接する貫通孔１から出る。この多孔質の隔壁２で除塵したい微粒子を捕捉するものである。
【００１２】
図２ではガス流れ１５は場所に関係せずに均一になるように図示してあるが、実際に観察・解析するとそうではない。すなわち、従来のハニカムフィルタ内では端面と平行な横断面でのガス流れが均一ではなく、周辺部から流れ込むガスによりフィルタ中心部のガス流れが速く、捕集するＰＭ量も中心部で多いこと、さらにはＰＭの燃焼も中心部で行われ、その燃焼により発生する破損も中心部で発生する可能性が高いとの知見が得られた。
【００１３】
本発明は、上記知見に基づき、本来、片端のみを封止する貫通孔の一部を両端共に封止することによりフィルタ内部でのガス流れを中央部に集中しないように制御したハニカムフィルタを提供する。前記特許文献２、特許文献３では中心領域全体の通気抵抗を上げてガス流れを中央部に集中させないようにするものであるが、本発明は中心領域と周辺領域との境界にガス流れのない領域を設けて周辺領域から中心領域へのガス流入を阻止するものである。
【００１４】
すなわち、本発明のハニカムフィルタ（以下、本フィルタという）は、多孔質の隔壁で区画された、複数のおおむね平行な貫通孔を有し、基本的に前記貫通孔の片端のみが閉塞されるようにガス入口とガス出口の両端面が市松模様状に封止されているハニカムフィルタであって、前記貫通孔のうち一部の貫通孔の両端を封止することを特徴とする。なお、基本的に前記貫通孔が片端のみが閉塞されるとは、前記貫通孔の大部分が片端のみを封止するが一部はそうではない、との意味である。両端を封止された貫通孔（以下、単に両端封止貫通孔と略す）がガス流れのない領域となり、それより内側の中心領域と、それより外側の周辺領域との間でのガスの流れを実質的に遮断する。ガス流れを遮断することにより、中心領域への熱の流入も防げる。
【００１５】
本フィルタの構造を図１により説明する。図１は、流れ方向に円形断面を有する本フィルタ１０の概略図である。（ａ）図は端面図を、（ｂ）図は流れ方向の縦断面図をそれぞれ示す。図１中、１は貫通孔を、２は多孔質の隔壁を、３は封止材を、４は両端封止貫通孔の封止材を、５はガスの流れ方向を、それぞれ示す。（ｂ）図のガス流れ５をみると分かるように、両端封止貫通孔がガス流れのない領域Ｂであるため、それより内側の中心領域Ａと、それより外側の周辺領域Ｃとの間にガスの流れはない。
【００１６】
なお、本明細書において、両端を封止するとは、該貫通孔へのガス流入や該貫通孔からのガス流出がなく、実質的にガスに対して当該貫通孔が閉塞されていればよい。一例として図１の（ｂ）図のように当該貫通孔の両端部だけを封止する方法が挙げられるが、それに限定されず、当該貫通孔の内部全体を封止してもよい。当該貫通孔の内部全体を封止する場合には、当該貫通孔の熱容量を大きくすることができ、周辺領域から中心領域へのガス流入を阻止する効果に加えてＰＭの急速燃焼時の温度上昇を緩和する効果も期待できる。
【００１７】
なお、当該貫通孔の内部全体を封止せずに両端部だけを封止し、その封止部の間の空間を炭化ケイ素粒子のような耐熱性粒子で充填すると前記温度上昇を緩和する効果も期待でき、しかも当該貫通孔全体を封止する場合に比べて剛性の上昇が抑えられ耐クラック性の点で好ましい。耐熱性粒子を充填する場合には両端封止貫通孔の全部について耐熱性粒子を充填してもよいが、両端封止貫通孔の一部に耐熱性粒子を充填してもよい。
【００１８】
本フィルタにおいて、両端封止貫通孔の配置は、ハニカムフィルタの形状やハニカムフィルタに流入するガスの横断面方向流出分布などにより適宜選択されるが、端面内で周状に配置するのが好ましい。前記周状が略円形状、略楕円形状または略四角形状であると作成が容易であり、しかも効果的であることから好ましい。ここで略円形状とは、目視レベルで円形状であることをいう。略楕円形状、略四角形状についても同様である。
【００１９】
本フィルタにおいて、両端封止貫通孔を端面内で周状に配置し、さらに連続するようにすると前記中心領域と前記周辺領域との間のガス流れを効果的に遮断できるため好ましいが、目的とする範囲内で周状に不連続に配置してもよい。周状で連続的に配置した例が図１の（ａ）図である。周状で不連続的に配置した例を図３に示す。図３は、図１と両端封止貫通孔の配置以外は同一構成を有する本フィルタ３０の概略図である。図３中、２１は貫通孔を、２２は多孔質の隔壁を、２３は封止材を、２４は両端封止貫通孔の封止材を、２６は両端封止貫通孔を連続的に配置する場合には両端封止貫通孔となるべき場所であるが、実際は、片端のみが封止された貫通孔を、それぞれ示す。
【００２０】
本フィルタにおいて、両端封止貫通孔の位置も重要である。該位置は本フィルタに流す被処理ガスの性状、流速、等の条件を勘案して最適な位置が選択されるが、定性的には中心に近すぎてもまた中心から離れすぎても所望の効果は得られにくいため好ましくない。なお、前記周状の位置を特定するときは、両端封止貫通孔の数が最も多くなるようにとるものとする。
【００２１】
両端封止貫通孔を端面内で略円形状に周状に配置する場合、ガス流出口の断面に内接する円の半径をｒとしたとき、該内接円の中心から０．２ｒ〜０．６ｒの位置に周状に配置するのが好ましい。０．２ｒよりも中心に配置すると中心部へのガスや熱の流入は阻害できるものの、その外周外で熱の集積があり、その部分の最高温度は両端封止貫通孔を設けない場合の中心部とあまり差異がない。一方、両端封止貫通孔の位置を０．６ｒより外周側とすると、内側で中心部でのガスや熱の集中があるため好ましくなく、さらに、ＰＭのろ過に寄与する貫通孔数が減少し圧損が高くなるため好ましくない。なお、本フィルタの端面の形状が円でである場合は、ｒは該端面の円の半径となる。
【００２２】
本フィルタにおいて、フィルタの端面が長軸２ａ、短軸２ｂの楕円形状で両端封止貫通孔を略楕円形状に周状に配置する場合には、両端封止貫通孔を端面の中心から長軸方向に０．２ａ〜０．６ａで、かつ該中心から短軸方向に０．２ｂ〜０．６ｂの位置に配置すると好ましい。また、フィルタの端面が縦２ａ、横２ｂの四角形状で両端封止貫通孔を略四角形状に周状に配置する場合には、両端封止貫通孔を端面の中心から縦方向に０．２ａ〜０．６ａで、かつ該中心から横方向に０．２ｂ〜０．６ｂの位置に配置すると好ましい。
【００２３】
本発明において、両端封止貫通孔の全数中、７０％以上が前記内接円の中心から０．２ｒ〜０．６ｒにあることが好ましく、さらには８０％以上であると好ましく、より好ましくは９０％以上である。両端封止貫通孔の全数が内接円の中心から０．２ｒ〜０．６ｒにあると最も好ましい。本フィルタの端面が楕円である場合、ｒは該断面の楕円の短軸２ｂのｂとなる。両端封止貫通孔の全数をカウントする場合、本フィルタの端面に仮想の円を引いたときに両端封止貫通孔の一部でもかかるものはカウントするものとする。図１の場合は０．４６ｒに全数２０個ある場合であり、図３の場合は０．４６ｒに全数２０個中１４個＝７０％ある場合である。
【００２４】
本フィルタにおいて両端封止貫通孔の配置パターンは前述した図１、図３に限定されるものではなく、中心領域と周辺領域とのガス流れが実質的に分断されていればよい。図１、図３以外の両端封止貫通孔の代表的な配置パターンを図４に示す。図中、貫通孔等は図示していない。図４（ａ）は連続的に全周に渡るパターンが２重になっているパターンである。図４（ｂ）は不連続的に全周に渡って配置するパターンと周辺部をさらに４分割するパターンとを複合したパターンである。
【００２５】
本フィルタにおいて両端封止貫通孔を封止するための材料としては、ハニカムフィルタの材料と同材質であると発生熱応力が低いため好ましい。例えば、ハニカムフィルタがＳｉ_３Ｎ_４であるときは、両端封止貫通孔を封止するための材料もＳｉ_３Ｎ_４であることが好ましい。封止の方法は、ガスが閉塞される限り特に制限されるものでない。
【００２６】
また、本フィルタの材質としては、セラミックスであれば特に制限されないが、コーディエライト、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣなどが挙げられる。また、本フィルタの用途としては、ディーゼルパティキュレートトラップ用フィルタとして好適なものであるが、特にこの用途に限定されるものではない。
【００２７】
【実施例】
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２８】
外径寸法が直径１４４ｍｍの円形断面を有する長さ１５２ｍｍの一体型の窒化ケイ素ハニカムフィルタ（以下、評価用フィルタという）を８個準備した。評価用フィルタの貫通孔（セル）密度は３１セル／ｃｍ^２、貫通孔間の多孔質隔壁の壁厚は３００μｍである。まず全部の評価用フィルタを市松模様状に封止した。
【００２９】
このうち、例１〜例７の７個については両端封止貫通孔をさらに形成し、例８は特に両端封止貫通孔を形成せずに市松模様状のままとしてある。例４以外の例１〜例７は、図１と同様に円周状に連続的に配置したパターンで中心からの距離は８〜５５ｍｍの範囲で変えてある。例７は例３において両端封止貫通孔の封止部以外の内部空間を平均粒子直径１０μｍの窒化ケイ素粒子（デンカ社製、商品名：ＳＮ−ＢＬ）で充填した。例４は図３と同様に円周状に両端封止貫通孔が略均等になるように不連続的に７分割としたものである。
【００３０】
次に両端封止貫通孔の効果を確認するため、例１〜例８の評価用フィルタをディーゼルエンジン試験ベンチにセットして２０ｇのＰＭを堆積後、ポストインジェクションによってエンジン排気ガス温度を上昇させ、ＰＭの燃焼を行った。評価用フィルタにはガス出口側から複数の熱電対を挿入して内部温度を測定し、測定した温度データから燃焼時最高温度、燃焼時最大温度勾配を求めた。ポストインジェクションの時間は１０分間とした。その後評価用フィルタを取り出し、クラックの有無を目視による外観検査で評価した。またポストインジェクション前後の圧力損失（以下、圧損という）も測定し、４００ｍ^３／ｈでの圧損に換算した。結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
本フィルタでは、中心領域と周辺領域との境界にガス流れのない領域を設けて周辺領域から中心領域へのガス流入を阻止する構造を採用しているので、ＰＭの燃焼再生時の最大温度勾配、燃焼時最高温度を低減して破損しにくい。また、ガス流れのない領域を設ける手段も単に特定位置のセルの両端を封止するだけであり、簡易で生産性も高い。ガス流入を阻止する構造として特定の貫通孔の両端を封止し該貫通孔の封止部間の内部空間を耐熱性粒子で充填するとＰＭの急速燃焼時の温度上昇を緩和する効果も期待できる。したがって、本発明により、燃焼再生時に破損しにくく、耐熱性、耐熱衝撃性、耐久性に優れ、しかも生産性の高いハニカムフィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本フィルタの概略図。（ａ）円形断面図。（ｂ）流れ方向縦断面図。
【図２】市松模様状に封止された、一般的なハニカムフィルタ１０の概略図。（ａ）円形断面図。（ｂ）流れ方向縦断面図。
【図３】周状に断続的に両端を封止した本フィルタの端面図。
【図４】本フィルタの図１、図３以外の円形断面図のパターン例。
（ａ）連続的に全周に渡るパターンが２重になっているパターン。（ｂ）不連続的に全周に渡って配置するパターンと周辺部をさらに４分割するパターンとを複合したパターン。
【符号の説明】
１０、３０：本フィルタ。
２０：従来の市松模様状に封止されたハニカムフィルタ。
１、１１、２１：片端のみが封止された貫通孔。
２、１２、２２：多孔質の隔壁。
３、１３、２３：片端を封止するための封止材
４、２４：両端を封止するための封止材。
５、１５：ガス流れ。
２６：両端封止貫通孔を連続的に配置する場合には両端封止貫通孔となるべき場所であるが、実際は、片端のみが封止された貫通孔。
Ａ：中心領域。
Ｂ：ガス流れのない領域、両端封止貫通孔。
Ｃ：周辺領域。
ｒ：ガス流出口の断面に内接する円の半径。

Claims (6)

1. 多孔質の隔壁で区画された、複数のおおむね平行な貫通孔を有し、基本的に該貫通孔の片端のみが閉塞されるように、ガス入口とガス出口の両端面が市松模様状に封止されているセラミックスハニカムフィルタであって、前記貫通孔の一部についてはその両端が封止されていることを特徴とするセラミックスハニカムフィルタ。
2. 前記両端が封止された貫通孔が周状に配置されている請求項１記載のセラミックスハニカムフィルタ。
3. 前記両端が封止された貫通孔が周状、かつ連続的に配置されている請求項２記載のセラミックスハニカムフィルタ。
4. 前記周状が略円形状、略楕円形状または略四角形状である請求項２または３記載のセラミックスハニカムフィルタ。
5. 前記周状が略円形状であり、その位置が前記端面の断面に内接する円の半径をｒとするとき該内接円の中心から０．２ｒ〜０．６ｒにある請求項４記載のセラミックスハニカムフィルタ。
6. 前記両端が封止されている貫通孔の内、７０％以上が前記内接円の中心から０．２ｒ〜０．６ｒにある請求項５記載のセラミックスハニカムフィルタ。

Images