JP2006167680A

JP2006167680A - セラミックハニカムフィルタの製造方法

Info

Publication number: JP2006167680A
Application number: JP2004367266A
Authority: JP
Inventors: Toshitaka Ishizawa; 俊崇石澤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】従来よりも容易にかつ安価に、流入側端面より離れた所望の位置に封止部を形成できるセラミックハニカムフィルタの製造方法を得ること。
【解決手段】ハニカム状に形成した多孔質隔壁で仕切られた多数の流路の端面から離れた位置に封止部を形成するセラミックハニカムフィルタの製造方法であって、スラリー状封止材を前記流路の端面へ導入した後に、前記スラリー状封止材を前記流路の端面から離れた位置へ移動させることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の微粒子状物質を除去するのに使用されるハニカムフィルタの製造方法に関する。

ディーゼルエンジンなどの排気ガス中には微粒子状物質が大量に含まれており、これが大気中に放出されると人体や環境に悪影響を与える。このため、ディーゼルエンジンなどの排気系部品には、微粒子状物質を捕捉するためのフィルタが搭載されている。図１は、排気ガスの微粒子状物質を捕捉し、排気ガスを浄化する従来のハニカムフィルタの一例を示し、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は横断面模式図である。図１（ａ）（ｂ）で、フィルタは多孔質セラミックからなり、外周壁１と、この外周壁の内側に各々直行する隔壁２で仕切られた多数の流路３、４を有するハニカム構造体が、排気ガスの流入側端面７と流出側端面８で交互に封止部５、６で封止されている。

図１のセラミックハニカムフィルタ１０で、排気ガスの浄化は以下のように行われる。図１（ｂ）に示すように排気ガス（点線矢印で示す）は、流入側端面７に開口している流路３から流入する。そして、排気ガス中に含まれる微粒子状物質は、隔壁２を通過する際に捕捉され、浄化された排気ガスは、流出側端面８に開口している流路４から流出、大気中に放出される。一方、隔壁２に捕捉された微粒子が一定量以上になると、目詰まりしてしまうので、バーナーやヒータなどによりこれを燃焼させ、セラミックハニカムフィルタ１０の再生が行われる。

しかしながら、図１に示すような封止部５が流入側端面７にあるセラミックハニカムフィルタ１０は、封止部５の前面より微粒子状物質が堆積、成長し、流路３の流入側端面７の開口が次第に狭くなって、圧力損失が増加し、エンジン出力を低下させる虞がある。これを防止するために、図２に示すように、流入側端面７より離れた位置に封止部５ａを設けたセラミックハニカムフィルタが開発されている。このような形態のセラミックハニカムフィルタによれば、封止部５ａの上流側に流路３ａが存在するため流入側端面７への微粒子状物質の堆積が生じにくく、流路の開口が次第に狭くなり圧力損失が増加することによるエンジン出力の低下がない。

ところで、図２に示す流入側端面７より離れた位置に封止部５ａを形成する方法として、例えば特許文献１には、ハニカム構造体の端面に封止部を施し、この端面に別のハニカム構造体を接合する形態のハニカムフィルタが記載されている。しかしながら、この形態のハニカムフィルタでは、ハニカム構造体を接合する際に、接合面の排気ガス流れ方向の上流側と下流側とで隔壁が必ずしも一致せず、接合面の流路が狭くなることがあり、圧力損失が増加する虞があった。

また、特許文献２には、安定した保形性のあるセラミックス粉末、有機バインダ、水からなるクリーム状のペーストを、所定の長さのパイプをもつペースト注入機（ディスペンサ）を用いて、端面から１０ｍｍ入った位置に、一舛ずつ目詰めして、流入側端面より離れた位置に封止部を形成する方法が記載されている。この方法では特許文献１に記載の方法のようにハニカム構造体を接合することがないため、接合面の流路が狭くなり圧力損失が増加する虞はない。

また、特許文献３には、コーディエライト粉末を素材とするペースト（第１のペースト）を乾燥ハニカム成形体の流路両端部にまず押込み、次にコーディエライト粉末と可燃性粉末からなるペースト（第２のペースト）を前記流路の上流端部に押込むことで、第１のペーストを封止部として、この封止部の上流側に多孔性充填セラミック体からなる微粒子状物質の捕集室を具備するセラミックハニカムフィルタの製造方法が記載されている。

特開２００４−２５１１３７号公報特開２００４−１９４９８号公報特開平６−３３７３９号公報

しかしながら、特許文献２に記載の方法では、ペースト注入機のパイプを流路内に挿入する際に隔壁と接触し隔壁を破損する場合があり、封止部を形成すべき全ての流路に隔壁にパイプが接触することなく作業を行うことは容易ではなかった。また、パイプの内部がペースト中に含まれるセラミックス粉末により急速に摩耗する場合があるため、頻繁にパイプの交換が必要となり、製造コスト上の問題が懸念される。更に、外径が２００ｍｍ以上であるような大型セラミックハニカムフィルタの場合、隔壁ピッチを１．５ｍｍとすると、流路数は１３０００ケ以上存在することから、流路に交互にパイプを挿入しペーストを注入して封止したとすると、一方の端面で６５００ケ以上の流路に封止部を形成する必要があるため膨大な時間が必要となり、工業的に採用することは困難である。また特許文献３に記載の方法では、流入側封止部の上流側に多孔質充填セラミック体が形成されるため、セラミックハニカムフィルタの上流側端面の多孔質充填セラミック体に微粒子状物質が堆積、成長し、流路３の流入側端面７の開口が次第に狭くなって、圧力損失が増加し、エンジン出力を低下させる虞があった。

したがって、本発明の課題は、従来よりも容易にかつ安価に、流路の端面より離れた所望の位置に封止部を形成できるセラミックハニカムフィルタの製造方法を得ることにある。

本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、ハニカム状に形成した多孔質隔壁で仕切られた多数の流路の端面から離れた位置に封止部を形成するセラミックハニカムフィルタの製造方法であって、スラリー状封止材を前記流路の端面へ導入した後に、前記スラリー状封止材を前記流路の端面から離れた位置へ移動させることを特徴とする。ここでスラリー状封止材とは、封止材料と溶媒とを混合して、流動性を持たせたものであり、例えば封止材料としてコーディエライト粉末を、溶媒として水を用い、両者を混ぜてペースト状のスラリーにしたものとすることができる。スラリー状として流動性を持たせることで、流路への封止材の導入が容易になる。そして移動手段を適切に設定し、スラリー状封止材を移動することで、所望の流路の端面から離れた位置へ容易にかつ安価に封止部を形成することができる。

スラリー状封止材は、上記封止材料及び溶媒の他に、本発明の効果を失わない限りにおいて種々の添加物を含むことができ、例えばメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルメチルセルロース等の有機バインダ、界面活性剤、沈殿防止剤などを含むことができる。封止材料としては、耐熱性を有するセラミック材料とすることが好ましく、例えば、コーディエライト、ムライト、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミ等の１種及び２種以上含むものが好適であり、封止すべき流路を構成する隔壁との密着性を勘案すると、セラミックハニカム構造体の構成成分と同様の組成であると更に好ましい。溶媒としては封止材料に流動性を与えると共に、スラリー状封止材の乾燥・焼成の過程で蒸発するものであれば良く、適度な温度で蒸発する液体、具体的には、水、アルコール、グリセリン等が好ましい。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記スラリー状封止材を前記流路の端面へ導入する前に、前記スラリー状封止材の溶媒が浸透しない非浸透性物質を前記隔壁に塗抹することが好ましい。そしてスラリー状封止材の溶媒が浸透しない非浸透性物質を隔壁に塗抹することで、非浸透性物質が隔壁に含浸または被覆され、流路の端面よりスラリー状封止材を導入したときに、スラリー状封止材の溶媒が隔壁に吸収され隔壁と固着することが少なく、より容易に移動することができる。また塗抹の手段は、刷毛塗りやスプレーによる塗布など種々の手段をとることができるが、液体状とした非浸透性物質へハニカム構造体をドブ付けした後、ハニカム構造体を非浸透性物質から取り出すことにより、ハニカム構造体の多孔質隔壁中に非浸透性物質を含浸または隔壁表面に被覆させる手段を用いるのが、簡便で好ましい。また本発明において、流入側端面７より離れた位置に形成した封止部５ａの上流側の流路３ａの隔壁にスラリー状封止材の一部が付着して流路を狭めることもあるが、各流路の隔壁間距離から計算される設計軸方向垂直断面積の９０％以上の実測流路軸方向断面積が確保できれば、実際の使用には問題は生じない。さらに好ましい実測流路軸方向断面積は９５％以上である。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記非浸透性物質が、１３００℃以下の温度で、燃焼、溶解または昇華する物質であることが好ましい。非浸透性物質が、１３００℃以下の温度で、燃焼、溶解または昇華する物質であることにより、封止材を焼成する際に、前記非浸透性物質を容易に隔壁より除去することができる。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記非浸透性物質が、ワックスであることが好ましい。非浸透性物質としてワックスを用いることにより、隔壁への非浸透性物質の塗抹が比較的低温で容易に実施でき、封止材を焼成する際に、前記非浸透性物質を容易に隔壁より除去することができる。またワックスを用いることにより、スラリー状封止材と隔壁との摩擦が低下し、より容易にスラリー状封止材を移動できる。またさらに、比較的もろいセラミックスからなる隔壁を、ワックスにより保護することで、取り回し時の隔壁の破損を防止する効果もある。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記非浸透性物質の隔壁への塗抹は、前記流路の端面から離れて形成する封止部を形成する部位の少なくとも一部に施さないことが好ましい。隔壁に塗抹された非浸透性物質により、スラリー状封止材は容易に流路の内部へ移動するが、隔壁に非浸透性物質が塗抹により含浸または被覆されていないところに達すると急速にスラリー状封止材の溶媒が隔壁に吸収され、固化し隔壁と固着
し、移動しづらくなるので、封止部を形成しようとする所望の位置により正確に封止部を形成することができる。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記スラリー状封止材の粘度が３〜３５０Ｐａ・ｓであることが好ましい。スラリー状封止材の粘度は高いほど、流路の内部へ移動する際に封止材の一部が隔壁に付着することなしに流路の端面から離れた位置へ移動することができる。封止材の一部の隔壁への付着量が多くなると、隔壁表面の細孔を封止材が埋めてしまい、セラミックハニカムフィルタの圧力損失が上昇する場合がある。よってスラリー状封止材の粘度は３Ｐａ・ｓ以上であることが好ましい。一方、隔壁には僅かながら歪が発生しており、流路に垂直方向の流路断面の形状は流路方向の位置によって一定でないことがあるので、スラリー状封止材の粘度は小さいほど流路の断面形状に沿って封止材が変形しやすくなり、流路の内部へ移動しやすくなる。よってスラリー状封止材の粘度は３５０Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。スラリー状封止材の粘度の更に好ましい範囲は８０〜３００Ｐａ・ｓである。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記スラリー状封止材の移動は、前記スラリー状封止材を導入した前記流路の端面側より、前記スラリー状封止材に対して略流路方向へ流体の圧力を加えることにより移動させることが好ましい。ここで流体とは気体、液体、微小な固体の集合体、ジェル状の物質とすることができ、また、これらの混合体でもよい。例えば、流路の端面に導入した封止材に、エアノズルから噴出する空気を吹き当てることにより、封止材を流路の内部へ容易にかつ安価に移動できる。また例えば、ジェル状物質を、封止材を導入した流路の端面より封止材を流路内部に押込みながら導入することで、封止材を流路の内部へ移動できる。また、上記流体は流路、隔壁表面及び隔壁内部から容易に除去可能なものが好ましく、微小な固体の集合体やジェル状の物質を使用しこれを燃焼により除去する場合は、急激に燃焼しないように昇温速度をコントロールすることが好ましい。微小な固体の集合体やジェル状の物質が急激に燃焼すると、隔壁の温度が急激に上昇して破損することがある。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記スラリー状封止材の移動は、前記隔壁と前記スラリー状封止材とに加速度を与え、よって生じる前記スラリー状封止材に加わる荷重により該封止材を移動させることもできる。例えば、流路の端面に封止材を導入したセラミックハニカムフィルタを、スラリー状封止材を導入した流路の端面方向を中心に回転させることにより加速度を与え、スラリー状封止材に加わる荷重（遠心力）により、封止材を流路の内部へ容易にかつ安価に移動できる。

また本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法は、前記流路の端面から離れた流路内に保持面を形成し、前記流路の端面よりスラリー状封止材を導入した後に、前記保持面に接するまで前記封止材を移動することが好ましい。ここで、上記保持面は、例えば、スラリー状封止材を導入する流路の端面の反対側の端面より、流路内に封止部を形成する所望の位置まで溶解状態のワックスを導入し、その後ワックスを冷却固化した状態の流路内のワックス表面とすることができる。封止部を形成する所望の位置に保持面を形成し、この保持面に接するまでスラリー状封止材を移動することで、封止部を形成しようとする所望の位置により正確に封止部を形成することができる。

本発明によれば、従来よりも容易にかつ安価に、流入側端面より離れた所望の位置に封止部を形成できるセラミックハニカムフィルタの製造方法を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例及び図に基づき説明する。なお、以下の実施例において、図２に示す流路の流入側端面７より離れた位置に封止部５ａを形成したセラミックハニカムフィルタの製造方法を説明するが、当然ながら同様の方法にて図２の流出側端面８に形成された封止部６に代わって、流出側端面８より離して封止部を形成したものを製造することができる。

図２は、実施例１に係わるセラミックハニカムフィルタ２０の横断面模式図である。図２のセラミックハニカムフィルタ２０は、外周壁１の内側に隔壁２で仕切られた多数の流路３ａ、３ｂ、４が封止部５ａ、６により封止されている。また、封止部５ａは流入側端面７より離れた位置に存在している。

本実施例１ではセラミックハニカムフィルタ２０を以下の工程で製作した。先ず、カオリン、タルク、シリカ、アルミナの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ_２：４８〜５２％、Ａｌ_２Ｏ_３：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％を含むコーディエライト生成原料粉末とする。本実施例１ではＳｉＯ_２：５０％、Ａｌ_２Ｏ_３：３５％、ＭｇＯ：１５％に調整した。これにメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のバインダ、潤滑材、造孔剤としてグラファイトを添加し、乾式で十分混練した後、規定量の水を添加、十分な混練を行って可塑化したセラミック坏土を作成した。次に、押出し成形用金型を用いて坏土を押出し成形し、切断して、ハニカム構造を有する成形体とした。次に前記成形体を、乾燥、焼成し、隔壁の厚さ０．３ｍｍ、気孔率６５％、平均細孔径２０μｍ、隔壁ピッチ１．５ｍｍ、外径が２８０ｍｍ、全長が３１０ｍｍの図３（ａ）に示すコーディエライト質ハニカム構造体２１とした。

次に、加熱溶解したロウ（パラフィンワックス）２２を満たした容器２３を準備し、図３（ｂ）に示すように、ハニカム構造体２１を溶解したロウを満たした容器２３に所定位置までドブ付けした。その後、図３（ｃ）に示すようにハニカム構造体を容器から引き抜き、流路内のロウを排出すると共に、冷却することにより、流入側端面７からＬ＝１００ｍｍまでの範囲の隔壁へロウを含浸した。

次に、ハニカム構造体２１の流入側端面７に封止用フィルムを貼着し、この封止用フィルムの封止部５ａを形成すべき所定の流路部分を穿孔し、次いでスラリー状封止材にディピングし、図３（ｄ）に示すように、流路の流入側端面７に封止材２４を導入した。ディッピングを行う際のスラリー状封止材の粘度は、３〜３５０Ｐａ・ｓであることが好ましく、本実施例１では１００Ｐａ・ｓとした。

次に、図４（ａ）に示すように、圧縮空気をエアノズル２５より封止材２４へ噴射し、図４（ｂ）に示すように、流路３ａの流入側端面７に導入した封止材２４を流路の内部へ移動したところ、上記の隔壁へロウを含浸した部位と含浸していない部位との境界部位にスラリー状封止材２４による封止部を形成することができた。

上記のスラリー状封止材を導入した流入側端面７と反対側の端面（流出側端面８）へも封止用フィルムを貼着し、この封止用フィルムの封止部６を形成すべき所定の流路部分を穿孔し、次いでスラリー状封止材にディピングし、図４（ｃ）に示すように、流路の流出側端面８へ封止材を導入した。次に封止材を導入したハニカム構造体を、加熱することにより隔壁に含浸したロウを溶解除去した後、最高温度１４００℃で焼成することにより、コーディエライト質のセラミックハニカムフィルタ２０を得た。

本実施例２では、セラミックハニカムフィルタ２０を以下の工程で製作した。ハニカム構造体２１の隔壁にロウを含浸しない以外、封止部５ａを形成すべき流路の流入側端面７に封止材２４を導入するまでは実施例１と同様である。本実施例２では、封止材の移動手段として、図５に模式的に示す回転装置５０を用いた。図５において、駆動部５１の回転軸に回転半径８００ｍｍのアーム５２が接続し、アーム５２の先端にはハニカム構造体２１を収納する容器５３が接続している。この回転容器５３に、流路の流入側端面７にスラリー状封止材を導入したハニカム構造体を流入側端面７が回転軸方向を向くように収納し、回転数３００ｒｐｍで６０秒間回転させた。これにより、流路３ａの流入側端面７に導入した封止材２４は流路内へ移動し、流入側端面７から離れた位置に封止部を形成することができた。その後、実施例１と同様にスラリー状封止材にディピングし、流路の流出側端面８へ封止材を導入した後封止材を導入したハニカム構造体を１４００℃で焼成することにより、セラミックハニカムフィルタ２０を得た。

本実施例３では、セラミックハニカムフィルタ２０を以下の工程で製作した。封止部５ａを形成すべき流路の流入側端面７に封止材２４を導入し、図３（ｄ）の状態にするまでは実施例１と同様である。次に、図６（ａ）に示すように、溶解したロウ４０を満たした容器４１にハニカム構造体２１を流出側端面８より浸漬し、流路内にロウを導入し冷却凝固させ、保持面３０を形成した。その後、図６（ｂ）に示すように実施例１と同様に、圧縮空気をエアノズル２５より封止材２４へ噴射し、図６（ｃ）に示すように、流入側端面７に導入した封止材２４を流路の内部へ移動したところ、保持面３０に接触したスラリー状封止材２４による封止部を形成することができた。次に上記の封止部を形成したハニカム構造体２１を１４００℃で焼成し、保持面３０を形成したロウを溶解除去した。次に流出側端面８に封止用フィルムを貼着し、この封止用フィルムの封止部６を形成すべき所定の流路部分を穿孔し、次いでスラリー状封止材にディピングし、流路の流出側端面８へ封止材を導入した。次に再度封止材を導入したハニカム構造体を１４００℃で焼成することにより、セラミックハニカムフィルタ２０を得た。

本実施例４では、実施例１と同様に隔壁へのロウの含浸、封止部５ａを形成すべき流路の流入側端面７に封止材２４の導入を行い、ただし、封止材２４の粘度を２〜４００Ｐａ・ｓで変化させて、封止材の移動実験を行った。この封止材の移動には、実施例１と同様にエアノズルを用いて行った。実験条件を表１に示す。実験結果の判定は、封止材を移動させた後１４００℃で焼成したハニカム構造体を流路方向に切断し、流路及び封止部を観察することで行い、スラリー状封止材が移動しない等により流路端面より離れた位置に封止部が形成されなかったものを（×）、不具合なく封止部を形成できたものを（○）、一部不具合があるものの封止部が形成できたものを（△）とした。判定結果を表１に示す。実験Ｎｏ１の粘度を２Ｐａ・ｓと低くした場合は、所定の位置へ封止材が移動できたものの、封止材の一部が隔壁に付着しながら移動し、隔壁に含浸したロウを１３００℃の温度下で溶解除去した後でも隔壁付着した封止材が除去できないものがあった。また、実験Ｎｏ５の粘度を４００Ｐａ・ｓと高くした場合は、封止材が所定の位置へ移動しにくいものがあった。ただし、この移動しにくい封止材も、集中的にエアノズルから噴出されるエアを当てることで所定位置に移動することができた。実験Ｎｏ２〜実験Ｎｏ４の封止材の粘度が３〜３５０Ｐａ・ｓの範囲にあるものは、エアノズルを用いて封止材を所定の位置へ封止材の変形なく短時間で移動することができた。

＊１：スラリー状封止材の一部が隔壁に付着
＊２：スラリー状封止材の移動に長時間を有する

封止部が流路の両端面にある従来のハニカムフィルタの模式図である。封止部が流路端面より離れて存在するハニカムフィルタの模式図である。実施例１でのハニカムフィルタの製造工程を示す図である。実施例１でのハニカムフィルタの製造工程を示す図である。実施例２で用いる回転装置の模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。実施例３でのハニカムフィルタの製造工程を示す図である。

符号の説明

１：外周壁
２：隔壁
３、３ａ、３ｂ、４：流路
５、５ａ、６：封止部
７：流入側端面
８：流出側端面
１０、２０：セラミックハニカムフィルタ
２１：ハニカム構造体
２４：封止材
３０：保持面
５０：回転装置

Claims

ハニカム状に形成した多孔質隔壁で仕切られた多数の流路の端面から離れた位置に封止部を形成するセラミックハニカムフィルタの製造方法であって、スラリー状封止材を前記流路の端面へ導入した後に、前記スラリー状封止材を前記流路の端面から離れた位置へ移動させることを特徴とするセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記スラリー状封止材を前記流路の端面へ導入する前に、前記スラリー状封止材の溶媒が浸透しない非浸透性物質を前記隔壁に塗抹することを特徴とする請求項１に記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記非浸透性物質が、１３００℃以下の温度で、燃焼、溶解または昇華する物質であることを特徴とする請求項２に記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記非浸透性物質が、ワックスであることを特徴とする請求項３に記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記非浸透性物質の隔壁への塗抹は、前記流路の端面から離れた封止部を形成する部位の少なくとも一部に施さないことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記スラリー状封止材の粘度が３〜３５０Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記スラリー状封止材の移動は、前記スラリー状封止材を導入した前記流路の端面側より、前記スラリー状封止材に対して略流路方向へ流体の圧力を加えることにより移動させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記スラリー状封止材の移動は、前記隔壁と前記スラリー状封止材とに加速度を与え、よって生じる前記スラリー状封止材に加わる荷重により該封止材を移動させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記流路の端面から離れた流路内に保持面を形成し、前記流路の端面よりスラリー状封止材を導入した後に、前記保持面に接するまで前記封止材を移動することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタの製造方法。