JP2007075733A - ハニカムセグメント及びこれを用いたハニカム構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】ハニカムセグメントの接合前のハンドリング時におけるカケやクラックの発生率を低減することができるため、ハニカム構造体の生産性や歩留まりを向上させることができるハニカムセグメントを提供する。
【解決手段】流体の流路となる複数のセル５が中心軸方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメント３である。ハニカムセグメント３の両端面の四隅のセルを充填材７で目封止したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハニカムセグメント及びこれを用いたハニカム構造体に関する。
ハニカム構造体が、排ガス用の捕集フィルタとして、例えば、ディーゼルエンジン等からの排ガスに含まれている粒子状物質（パティキュレート）を捕捉して除去するために、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）として、ディーゼルエンジンの排気系等に組み込まれて用いられている。このようなハニカム構造体は、使用時（パティキュレートを捕捉して除去する時）及び再生時（フィルタ内部に経時的に堆積したパティキュレートによる圧力損失の増大を取り除くためフィルタ内部に堆積したパティキュレートを燃焼させて除去する時）において、ハニカム構造体全体における温度上昇が不均一になり易く、熱応力によってクラック等の欠陥が発生するという不都合があった。このような不都合を解消する観点から、複数のハニカムセグメントを、接合材層を介して互いの接合面で一体的に接合させたハニカムセグメント接合体として構成することにより熱応力を低減したハニカム構造体が提案されている。
しかしながら、耐熱性に優れるという長所を有することから、その使用が期待されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）製のハニカム構造体は、熱膨張係数がコージェライト製ハニカム構造体に比べて大きく、耐熱衝撃性に劣るという短所を併せ持つことから、その長所を十分に生かすことが困難であるという不都合があった。また、近年のフィルタの大型化に伴い、使用時及び再生時に発生する熱応力が従来よりも著しく増大したことによって、熱応力に基づく欠陥の発生の頻度及びその程度は飛躍的に深刻化している。
このような不都合に対応して、多孔質セラミック部材（ハニカムセグメント）の側面に、この側面の総面積の６０％以上となるように接着剤ペースト層（接合材層）を形成した後、他の多孔質セラミック部材を積層する工程を繰り返して、セラミックブロックを組み上げる工程を含むことを特徴とするセラミック構造体（ハニカム構造体）の製造方法が開示されている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に開示されたセラミック構造体（ハニカム構造体）では、剛直な接合構造がかえって温度勾配から発生する熱応力を増大させるとともに、多孔質セラミック部材に比較して接合部材の熱容量が大きく、昇降温速度が遅いため、フィルタ内部の温度勾配を増大させやすいとの理由から、熱応力による欠陥の発生を必ずしも十分に防止することができないという問題があった。
また、ハニカムセグメントの搬送時や、ハニカムセグメント同士の接合前のハンドリング時に、ハニカムセグメントの四隅のセルに集中してカケやクラック等の欠損不良が発生しやすく、ハニカムセグメントの取扱いを慎重に行っても、ハニカムセグメントの欠損不良の低減化が困難であるため、完成品であるセラミック構造体（ハニカム構造体）の生産性や歩留まりの低下の原因となっていた。
特開２００２−２１９３１７号公報
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの機械的強度を高めることにより、ハニカムセグメントの接合前のハンドリング時におけるカケやクラックの発生率を低減することができるため、ハニカム構造体の生産性や歩留まりを向上させることができるハニカムセグメントを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明によって、下記のハニカムセグメント及びこれを用いたハニカム構造体が提供される。
［１］ 流体の流路となる複数のセルが中心軸方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメントであって、前記ハニカムセグメントの両端面の四隅のセルを充填材で目封止したハニカムセグメント。
［２］ ハニカムセグメントの隣接するセルが、互いに反対側の端面を充填材で目封止されている［１］に記載のハニカムセグメント。
［３］ 複数のハニカムセグメントが接合材層を介して互いの接合面で一体的に接合されたハニカムセグメント接合体と、前記ハニカムセグメント接合体の外周面を被覆する外周コート層とを備え、流体の流路となる複数のセルが中心軸方向に互いに並行するように配設された構造を有するハニカム構造体であって、前記ハニカムセグメントが、［１］又は［２］に記載のハニカムセグメントであるハニカム構造体。
本発明のハニカムセグメントは、ハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの機械的強度を高めることにより、ハニカムセグメントの接合前のハンドリング時におけるカケやクラックの発生率を低減することができるため、ハニカム構造体の生産性や歩留まりを向上させることができる。
以下、本発明のハニカム構造体を具体的な実施形態に基づき詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるもではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
本発明に係るハニカムセグメントは、流体の流路となる複数のセルが中心軸方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメントであって、ハニカムセグメントの両端面の四隅のセルを充填材で目封止したものである。尚、本発明のハニカムセグメントは、ハニカムセグメントの隣接するセルが、互いに反対側の端面を充填材で目封止されているものであってもよい。
これにより、本発明のハニカムセグメントは、ハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの機械的強度を高めることにより、ハニカムセグメントの接合前のハンドリング時におけるカケやクラックの発生率を低減することができるため、ハニカム構造体の生産性や歩留まりを向上させることができる。
次に、本発明のハニカムセグメント及びこれを用いたハニカム構造体について、図面に基づいて更に具体的に説明する。
図１は本発明のハニカムセグメントの一例を模式的に示す斜視図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。図３は本発明のハニカムセグメントを用いたハニカム構造体の実施の形態（中心軸に対して垂直な平面で切断した全体の断面形状が円形）の一例を模式的に示す斜視図、図４は図３の要部拡大図である。
ここで、本発明のハニカムセグメント３は、図１及び図２に示すように、ハニカム構造体１（ハニカムセグメント接合体）の全体構造の一部を構成する形状を有するとともに、ハニカム構造体１の中心軸に対して垂直な方向に組み付けられることによって全体構造を構成することになる形状を有している。セル５はハニカム構造体１の中心軸方向に互いに並行するように配設されており、隣接しているセル５におけるそれぞれの端部が交互に充填材７によって目封止されている。また、ハニカムセグメント２の四隅のセル８は、その両端面を充填材７で目封止されている。即ち、ハニカムセグメント３の両端面における四隅のセルに目封止部１０が形成されている。
所定のセル５（流入セル）においては、図１及び図２に示すように、左端部側が開口している一方、右端部側が充填材７によって目封止されており、これと隣接する他のセル５（流出セル）においては、左端部側が充填材７によって目封止されるが、右端部側が開口している。このような目封止により、図１に示すように、ハニカムセグメント２の端面が市松模様状を呈するようになる。このような複数のハニカムセグメント２が接合されたハニカム構造体１を排ガスの排気系内に配置した場合、排ガスが図２における左側から各ハニカムセグメント３のセル５内に流入して右側に移動する。
図１においては、ハニカムセグメント３の左側が排ガスの入口となる場合を示し、排ガスは、目封止されることなく開口しているセル５（流入セル）からハニカムセグメント２内に流入する。セル５（流入セル）に流入した排ガスは、多孔質の隔壁６を通過して他のセル５（流出セル）から流出する。そして、隔壁６を通過する際に排ガス中のスートを含む粒子状物質（パティキュレート）が隔壁６に捕捉される。このようにして、排ガスの浄化を行うことができる。このような捕捉によって、ハニカムセグメント３の内部にはスートを含む粒子状物質（パティキュレート）が経時的に堆積して圧力損失が大きくなるため、スート等を燃焼させる再生が行われる。
ハニカムセグメント３の材料としては強度、耐熱性の観点から、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、窒化珪素、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材、珪素−炭化珪素複合材、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属からなる群から選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。中でも、炭化珪素又は珪素−炭化珪素系複合材料が好ましい。
ハニカムセグメント３の作製は、例えば、上述の材料から適宜選択したものに、メチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等のバインダー、界面活性剤、溶媒としての水等を添加して、可塑性の坏土とし、この坏土を上述の形状となるように押出成形し、次いで、マイクロ波、熱風等によって乾燥した後、焼結することにより行うことができる。
セル５の目封止に用いる充填材７としては、ハニカムセグメント３と同様な材料を用いることができる。充填材７による目封止は、目封止をしないセル５をマスキングした状態で、ハニカムセグメント３の端面をスラリー状の充填材７に浸漬することにより開口しているセル５に充填することにより行うことができる。充填材７の充填は、ハニカムセグメント３の成形後における焼成前に行っても、焼成後に行ってもよいが、焼成前に行うことの方が、焼成工程が１回で終了するため好ましい。
以上のようなハニカムセグメント３の作製の後、ハニカムセグメント３の外周面にスラリー状の接合材層（部分接合材層）９を塗布し、所定の立体形状（ハニカム構造体１の全体構造）となるように複数のハニカムセグメント３を組み付け、この組み付けた状態で圧着した後、加熱乾燥する。このようにして、複数のハニカムセグメント３が一体的に接合された接合体を作製する。
尚、ハニカムセグメント３同士を接合した後、各ハニカムセグメント３の四隅のセル８を目封止した充填材７の内、余分なものを適宜除去してもよい。これにより、本発明のハニカム構造体は、セルを無駄なく活用することができるため、（例えば、ＤＰＦ等の）製品の性能向上に寄与することができる（図１及び図２参照）。
最後に、この接合体を上述の形状に研削加工し、外周面をコーティング材４によって被覆し、加熱乾燥する。このようにして、図３に示すハニカム構造体１が作製される。
本発明で得られるハニカム構造体は、例えば、図３及び図４に示すように、複数のハニカムセグメント３が接合材層を介して互いの接合面で一体的に接合されたハニカムセグメント接合体と、ハニカムセグメント接合体の外周面を被覆する外周コート層４とを備え、流体の流路となる複数のセル５が中心軸方向に互いに並行するように配設された構造を有するハニカム構造体１である。
尚、本発明に用いられる接合材層（部分接合材層）９は、ハニカムセグメント３の外周面に塗布されて、ハニカムセグメント３を接合するように機能する。接合材層（部分接合材層）９の形成は、例えば、ハニカムセグメント３の作製の後、ハニカムセグメント３の外周面にスラリー状の接合材層９を塗布し、所定の立体形状（ハニカム構造１の全体構造）となるように複数のハニカムセグメント３を組み付け、この組み付けた状態で圧着した後、加熱乾燥するようにして行うことを挙げることができる。この場合、塗布は隣接しているそれぞれのハニカムセグメント３の外周面に行ってもよいが、隣接したハニカムセグメント３の相互間においては、対応した外周面の一方に対してだけ行ってもよい。
このような対応面の片側だけへの塗布は、接合材層（部分接合材層）９の使用量を節約できる点で好ましい。接合材層（部分接合材層）９の厚さは、ハニカムセグメント３の相互間の接合力を勘案して決定され、例えば、０．２〜４．０ｍｍの範囲で適宜選択される。
本発明に用いられる接合材層（部分接合材層）９としては、無機繊維、無機バインダー、有機バインダー及び無機粒子から構成されてなるものを好適例として挙げることができる。具体的には、無機繊維としては、例えば、アルミノシリケート及びアルミナ等の酸化物繊維、その他の繊維（例えば、ＳｉＣ繊維）等を挙げることができる。無機バインダーとしては、例えば、シリカゾル、アルミナゾル、粘土等を挙げることができる。有機バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、カルボキシメチルセルローズ（ＣＭＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）等を挙げることができる。無機粒子としては、例えば、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト等のセラミックスを挙げることができる。
外周コート層４は、ハニカムセグメント３の接合体の外周面に塗布されて、ハニカムセグメント２の接合体の外周面を保護するように機能する。外周コート層４の厚さは、例えば、０．１〜１．５ｍｍの範囲で適宜選択される。
接合材層（部分接合材層）９及び外周コート層４の熱伝導率は、０．１〜５．０Ｗ／ｍ・ｋであることが好ましく、接合材層（部分接合材層）９及び外周コート層４の熱膨張率は、熱衝撃等によってクラックが発生するを防止するため、比較的低いことが好ましく、１×１０-6〜８×１０-6／℃の範囲であることが好ましい。
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によっていかなる制限を受けるものではない。
（ハニカムセグメント成形体の作製）
ハニカムセグメント原料として、ＳｉＣ粉末及び金属Ｓｉ粉末を８０：２０の質量割合で混合し、これに造孔剤として澱粉、発泡樹脂を加え、さらにメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロース、界面活性剤及び水を添加して、可塑性の坏土を作製した。この坏土を押出成形し、マイクロ波及び熱風で乾燥して隔壁の厚さが３１０μｍ、セル密度が約４６．５セル／ｃｍ2（３００セル／平方インチ）、断面が一辺３５ｍｍの正四角形、長さが１５２ｍｍのハニカムセグメント成形体を得た。
次に、上記ハニカムセグメント成形体の一端面をカメラで撮像し、撮像した画像を画像処理することにより、端面における全セルの位置を確認した。次に、上記ハニカムセグメントとほぼ同じ形状のシートを用意し、セル位置を認識した面全体に、シートを貼り付けた。次に、予め画像処理により認識したセル位置に基づき、ハニカムセグメント成形体の外径やセルピッチ等の諸仕様ごとに設定された基準となる位置を計算し、ハニカムセグメント成形体を載せたＸＹＺθステージで位置決めし、レーザ加工によりシートの開口させたいセル位置に穴を開け、シートをマスク化した。次に、得られたマスクが貼り付けられたハニカムセグメント成形体の一端面に目封止用の充填材をシートに開けた穴から浸漬させた後、セル内へ所定量を圧入・充填した。その後、マスクを剥がすことにより、一端面に対する目封止が終了した。その後、同様の目封止を他の端面にも実施した。尚、充填材としては、ハニカムセグメント原料と同様な材料を用いた。最後に、セルの両端面の目封止部を、乾燥させた後、大気雰囲気中約４００℃で脱脂し、その後、Ａｒ不活性雰囲気で約１４５０℃で焼成して、ＳｉＣ結晶粒子をＳｉで結合させ、多孔質構造を有するハニカムセグメントを得た。
（実施例）
ここで、使用したマスクは、ハニカムセグメント成形体の両端面で穴が交互に開けられているとともに、ハニカムセグメント成形体の両端面の四隅に穴が開けられたものである。これにより、作製されたハニカムセグメント成形体は、図３及び図４に示すように、端面が市松模様状を呈するように、セル５の両端面を充填材７で目封止されているとともに、ハニカムセグメント３の四隅のセル８に充填材７で目封止部１０が形成されたものである。更に詳細には、隣接するセルが、互いに反対側の端部で封じられるように目封止を行うとともに、ハニカムセグメント３の両端面における四隅のセルに目封止部１０が形成されたものである。
（比較例）
このとき、使用したマスクは、ハニカムセグメント成形体の両端面で穴が交互に開けられたものである。これにより、作製されたハニカムセグメント成形体２は、図５及び図６に示すように、端面が市松模様状を呈するように、セル５の両端面を充填材（目封止材）７で目封止されたものである。更に詳細には、隣接するセルが、互いに反対側の端部で封じられるように目封止が行われたものである。
次に、それぞれ得られたハニカムセグメント（実施例、比較例）を２万本成形し、焼成後のカケ不良発生率（％）の検査を実施した。その結果、カケ不良発生率は、比較例の場合、３％であったものを、実施例の場合、０．５％にまで大幅に改善することができた。
本発明のハニカムセグメントを用いたハニカム構造体は、排ガス用の捕集フィルタとして、例えば、ディーゼルエンジン等からの排ガスに含まれている粒子状物質（パティキュレート）を捕捉して除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）として有用である。
本発明のハニカムセグメントの一例を模式的に示す斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明のハニカムセグメントを用いたハニカム構造体の実施の形態（中心軸に対して垂直な平面で切断した全体の断面形状が円形）の一例を模式的に示す斜視図である。 図３の要部拡大図である。 従来のハニカム構造体に用いるハニカムセグメントの一例を模式的に示す斜視図である。 図５におけるＡ−Ａ断面図である。
符号の説明
１：ハニカム構造体、２：ハニカムセグメント（従来）、３：ハニカムセグメント（本発明）、４：コーティング材、５：セル、６：隔壁、７：充填材（目封止部）、８：四隅のセル、９：接合材層、１０：目封止部。

Claims (3)

  1. 流体の流路となる複数のセルが中心軸方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメントであって、前記ハニカムセグメントの両端面の四隅のセルを充填材で目封止したハニカムセグメント。
  2. 前記ハニカムセグメントの隣接するセルが、互いに反対側の端面を充填材で目封止されている請求項１に記載のハニカムセグメント。
  3. 複数のハニカムセグメントが接合材層を介して互いの接合面で一体的に接合されたハニカムセグメント接合体と、前記ハニカムセグメント接合体の外周面を被覆する外周コート層とを備え、流体の流路となる複数のセルが中心軸方向に互いに並行するように配設された構造を有するハニカム構造体であって、前記ハニカムセグメントが、請求項１又は２に記載のハニカムセグメントであるハニカム構造体。
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