JP2007167781A

JP2007167781A - ハニカム構造体およびこれを用いたフィルター

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Publication number: JP2007167781A
Application number: JP2005370178A
Authority: JP
Inventors: Osamu Furukawa; 治古川; Shinichi Yamaguchi; 新一山口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP4841244B2

Abstract

【課題】ハニカム構造体で捕集する流体は、速度がハニカム構造体の外周部、中心部でばらつき、中心部の流量が多くなるため、中心部において流体中の微粒子の捕集効率が悪く、破損を生じやすい。
【解決手段】軸方向に配置された隔壁４で仕切られた複数の流通孔２を有し、前記複数の流通孔２のうち一部の流通孔２の一端が封止されているハニカム構造体１であって、軸方向に対して垂直な断面における前記流通孔２の断面積が、中心部に位置する流通孔２に比し外周部に位置する流通孔２に向かって漸減することから、排気ガス中の微粒子を捕集する際、外周部より中心部で排気ガスの流量が多く、排気ガス中の微粒子の捕集量が増加すすが、中心部の流通孔の容積が大きいため、中心部の圧力損失の増加を抑制し、外周部ほど流通孔の断面積は減少し、単位面積当たりに占める隔壁の面積が増加するため、応力のかかる外周部の機械的強度を高くできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、ボイラー等で発生する排気ガスに含まれる炭素を主成分とする微粒子を捕集するフィルター、あるいは上水、下水等の液体の濾過用のフィルターとして用いられるハニカム構造体とフィルターに関する。

従来より、内燃機関、ボイラー等で発生する排気ガス中に含まれる炭素を主成分とする微粒子、特にディーゼルエンジンの排気ガス中の炭素を主成分とする微粒子を捕集するフィルターとしてハニカム構造体が用いられている。この微粒子は環境汚染の原因となるため、フィルターでの吸着により環境汚染を抑制するものである。

このような目的で用いられるフィルターとして、特許文献１には、図４（ａ）の斜視図、（ｂ）の断面図に示すように軸方向に複数の多孔質である隔壁２４により仕切られた流通孔２２を有し、排気ガスが導入される流通孔２２ａの流入側端面（ＩＦ）および排気ガスが排出される流通孔２２ｂの流出側端面（ＯＦ）で市松模様状に所定の流通孔２２を封止して封止部２３を形成したハニカム構造体２１が用いられている。

このハニカム構造体２１は、図５に示す排気ガス浄化装置３０Ａのように、長手方向の両端に排気ガス流入口２５と排気ガス流出口２６とを有するコーンカップ形状の金属製のケース２７の内面でセラミックファイバを含むマット状の断熱材層２８を介して固定される。ケース２７には排気管２９が連通し、この排気管２９より排気ガス（ＥＧ）がケース２７の内部に流入する。ディーゼルエンジン（不図示）が作動し、排気ガス（ＥＧ）が排気管２９よりケース２７内に流入すると、ハニカム構造体２１の内部では、封止部２３ａがない流通孔２２ａより排気ガス（ＥＧ）が導入されるが、流出側端面（ＯＦ）に形成された封止部２３ｂによって排気ガス（ＥＧ）の流出は遮られる。流出が遮られた排気ガス（ＥＧ）は、多孔質の隔壁２４を通過する際、この隔壁２４の気孔で排気ガス（ＥＧ）中の炭素を主成分とする微粒子を捕集して、排気ガス（ＥＧ）が浄化される。浄化された排気ガス（ＥＧ）は、流入側端面（ＩＦ）に封止部２３ａが形成され、流出側端面（ＯＦ）が開放されている流通孔２２ｂより外部に排出することができる。

しかしながら、排気管２９とハニカム構造体２１との位置関係が図５に示すような排気ガス浄化装置３０Ａでは、排気ガス流入口２５の直径の範囲内における排気ガス（ＥＧ）の流速は、排気ガス流入口２５の直径の範囲外における排気ガス（ＥＧ）の流速より大きいため、微粒子はハニカム構造体２１の外周部に位置する隔壁２４よりも中心部に位置する隔壁２４に捕集されやすく、圧力損失も中心部に位置する隔壁２４のほうが外周側に位置する隔壁２４より著しく上昇するという問題があった。

また、隔壁２４に捕集された微粒子を除去するために必要とされる再生ガスを用いた逆洗の頻度は実質的に中心部に位置する隔壁２４の捕集効率に支配され、その頻度も高いという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献２では、図６に示すように、フィルターとして機能するハニカム構造体２１の中心部に微粒子が集中しないようにハニカム構造体２１の流入側に回転板３１を設置し、この回転板３１によって排気ガス（ＥＧ）の流れを制御した排気ガス浄化装置３０Ｂが提案されている。この回転板３１は、支軸３２に取り付けられ、ハニカム構造体２１の流入側端面（ＩＦ）の近傍に設置された圧力センサ３５およびハニカム構造体２１の流出側端面（ＯＦ）の近傍に設置された温度センサ３３からの情報を受けた制御部（コントローラ）３４が出す指令によって、その姿勢は変化し、排気ガス（ＥＧ）の流れを調整するようにしている。

また、特許文献３では、図７に示すように、電磁アクチュエータ３６で調節されるリンク機構３８によって軸方向に移動可能とした整流板３９をハニカム構造体２１の流入側に配置した排気ガス浄化装置３０Ｃが提案されている。

この整流板３９は、排気ガス（ＥＧ）をハニカム構造体２１の外周側に誘導する斜面３９ａを有するとともに、軸方向に移動して整流板３９の底面３９ｂ、ハニカム構造体２１の流入側端面（ＩＦ）間の距離（Ｌ）を調整することで、ハニカム構造体２１の中心部に流入する排気ガス（ＥＧ）を制御している。整流板３９の移動量は、制御部（ＥＣＵ）３４によって制御される。制御部（ＥＣＵ）３４には、ハニカム構造体２１の上流側および下流側の排気圧を検出する排気圧センサ３７ａ、３７ｂの検出信号およびハニカム構造体２１の流出側端面（ＯＦ）の中心部および外周部の温度を検出する温度センサ４４ａ、４４ｂの検出信号が入力される。そして、制御部（ＥＣＵ）３４は、各検出信号を演算処理し、整流板３９の適正な移動量を決定し、電磁アクチュエータ３６に駆動信号を出力する。そして、ケース２７に取り付けられたステー４３により固定されたスリーブ４０内を軸方向に摺動するシャフト４１は、一端が整流板３９の上流側に固定され、他端が電磁アクチュエータ３６によりリンク機構３８に接続される。電磁アクチュエータ３６の駆動により、リンク機構３８を介して、シャフト４１とともに整流板３９は、ハニカム構造体２１による微粒子の捕集状況に応じて軸方向に移動し、排気ガス（ＥＧ）のハニカム構造体２１の中心部への流入を制御する。

なお、ハニカム構造体２１の流入側端面（ＩＦ）には、整流板３９がハニカム構造体２１に接触しないように円板状のストッパ４２が設けられている。
特開２００５−２４６３８２号公報実開昭６２−１７６４１７号公報特開平５−１２５９２３号公報

しかしながら、特許文献２で提案された回転板３１を設置した排気ガス浄化装置３０Ｂでは、使用初期の段階では、排気ガス（ＥＧ）の流れは良好に制御され、ハニカム構造体２１の中心部に微粒子は集中しなくなるものの、使用を重ねると、回転板３１と支軸３２の隙間から微粒子が浸入、蓄積し、故障が頻繁に発生するとともに、圧力センサ３５にも微粒子が付着、蓄積して圧力センサ３５が機能しなくなるという問題があった。

また、特許文献３で提案された整流板３９を設置した排気ガス浄化装置３０Ｃでは、使用初期の段階では、排気ガス（ＥＧ）の流れは良好に制御され、ハニカム構造体２１の中心部に微粒子は集中しなくなるものの、ハニカム構造体２１以外に電磁アクチュエータ３６、リンク機構３８、整流板３９、スリーブ４０、シャフト４１等の部品点数が多く、装置自体が高価であることに加え、使用を重ねると、流入側に設置された排気圧センサ３７ａにも微粒子が付着、蓄積して排気圧センサ３７ａが機能しなくなるという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑み、ハニカム構造体全体の中心部における圧力損失の上昇を抑制するとともに、熱応力による破損が発生しない、耐久性に優れたハニカム構造体を提供するものである。

本発明のハニカム構造体は、軸方向に配置された隔壁で仕切られた複数の流通孔を有し、前記複数の流通孔のうち一部の流通孔の一端が封止されているハニカム構造体であって、軸方向に対して垂直な断面における前記流通孔の断面積が、中心部に位置する流通孔に比し外周部に位置する流通孔に向かって漸減することを特徴とする。

前記複数の流通孔は、前記断面において中心から略等距離に位置するもの同士が略同一の径を有することを特徴とする。

前記複数の流通孔は、前記断面において最大径に対する最小径の比が５０％以下であることを特徴とする。
またさらに、前記複数の流通孔は、四角形状であることを特徴とするものである。

さらにまた、前記ハニカム構造体は、コージェライトまたはチタン酸アルミニウムを主成分とする焼結体からなることを特徴とするものである。

本発明のハニカム構造体は、軸方向に配置された隔壁で仕切られた複数の流通孔を有し、前記複数の流通孔のうち一部の流通孔の一端が封止されているハニカム構造体であって、軸方向に対して垂直な断面における前記流通孔の断面積が、中心部に位置する流通孔に比し外周部に位置する流通孔に向かって漸減することから、排気ガス中の微粒子を吸着捕集する場合、ハニカム構造体の外周部より中心部で排気ガスの流量が多く、排気ガス中の微粒子の捕集量が増加しても、中心部の流通孔の容積が大きい、即ち微粒子を捕集できる空間が大きいので、中心部における圧力損失の増加を抑制することができる。併せて、外周部に向かうほど流通孔の断面積は減少するので、前記断面における単位面積当たりに占める隔壁の面積が増加し、応力のかかりやすい外周部の機械的強度を高くすることができる。

また、前記複数の流通孔は、前記断面において中心から略等距離に位置するもの同士が略同一の径を有することから、局部的な圧力損失をより効果的に抑制することができる。

さらに、前記複数の流通孔は、前記断面において最大径に対する最小径の比が５０％以下であることから、外周側で隔壁が緻密に配置されるため、機械的強度をさらに高くすることができる。

またさらに、前記複数の流通孔は、前記断面において四角形状とすることにより、円形状または楕円形状にした場合より、隔壁の体積を減少させられるため、各流通孔の容積は増加し、捕集効率を高くすることができる。

さらにまた、前記ハニカム構造体はコージェライトまたはチタン酸アルミニウムを主成分とする焼結体とすることにより、耐熱衝撃性が高くすることができ、長期間信頼性を高いものとすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明のハニカム構造体の一実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は軸方向に平行な面におけるＡ−Ａ線における断面図である。

本発明のハニカム構造体１は、
軸方向に配置された隔壁４で仕切られた複数の流通孔２を有し、前記複数の流通孔２のうち一部の流通孔２の一端が封止されている市松模様となっている。このハニカム構造体１は、コージェライト、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート等を主成分とする焼結体により形成されるものであり、外径が１００〜２００ｍｍ、軸方向の長さが１００〜２５０ｍｍの円柱であって、軸方向に対して垂直な断面における流通孔２の個数が１平方インチ当たり５０〜８００個であり、流通孔２の一端が交互に封止部材３により封止されている。

ここで本発明は、図１に示すように軸方向に対して垂直な断面における前記流通孔２の断面積が、中心部に位置する流通孔２に比し外周部に位置する流通孔２に向かって漸減することが重要である。

例えば、図２に示すように、本発明のハニカム構造体１を、ディーゼルエンジンの排気ガス（ＥＧ）中の炭素を主成分とする微粒子を捕集する排気ガス浄化装置として用いる場合、長手方向の両端に排気ガス流入口５と排気ガス流出口６とを有するコーンカップ形状の金属製のケース７の内面でセラミックファイバを含むマット状の断熱材層８を介して固定される。ケース７には排気管９が連通し、この排気管９より排気ガスがケース７内に流入する。ディーゼルエンジン（不図示）が作動して、排気ガスが排気管９よりケース７に流入すると、ハニカム構造体１の内部では、流入側端面（ＩＦ）で封止部のない流通孔２より排気ガスが導入されるが、流出側端面（ＯＦ）に形成された封止部３ｂによって排気ガスの流出は遮られる。流出が遮られた排気ガスは、多孔質の隔壁４を通過し、隣接する流通孔２より排出されるようになっている。隔壁４では、その気孔内で排気ガス中の炭素を主成分とする微粒子が捕集され、隣接する流通孔２の流入側端面（ＩＦ）には封止部３ａが形成されているので、排気ガスは前記微粒子を含まない状態に浄化され、流出側端面（ＯＦ）より外部に排出することができるようになっている。

このハニカム構造体１は、図１に示すように、流通孔２の断面形状が四角形であるとともに、流入側端面（ＩＦ）では開放され、流出側端面（ＯＦ）では封止部３によって封止されている。また、流通孔２ａを中心にして流入側端面（ＩＦ）、流出側端面（ＯＦ）とも市松模様状に封止する封止部３ａ，３ｂが形成され、例えば流通孔２の断面積は、中心部に位置する流通孔２ａで２．５６〜２７．２ｍｍ^２、外周部に位置する最小の流通孔２ｊで０．６４〜６．８ｍｍ^２であって、各流通孔２を軸方向に仕切る隔壁４の厚みは０．０５〜１．０ｍｍである。

このようにハニカム構造体１を自動車の排気ガス浄化装置のように、フィルターとして機能させる場合には、このハニカム構造体１を管状の流路上に設置することとなる。この場合、排気ガスは流路の壁面部近傍では壁面からのせん断応力の影響を受けるため、流速が遅くなり、流路では外周部から中心部に向かって流速が大きくなる分布となる。そのため、排気ガス中の微粒子もハニカム構造体１の外周部より中心部で排気ガスの流速、流量が大きく、排気ガス中の微粒子の捕集量も増加し、且つ流路内に設置されたハニカム構造体１に作用する圧力損失は、外周部に位置する隔壁４の圧力損失より中心部に位置する隔壁４の圧力損失は著しく上昇することとなる。

そのため、図1に示すように各流通孔２の断面積を中心部から外周部に向かって漸減させることで、ハニカム構造体１の外周部より中心部で排気ガスの流量が多く、排気ガス中の微粒子の捕集量が増加しても、中心部の流通孔２の容積が大きいため、微粒子の捕集効率が向上するとともに、中心部における圧力損失の増加を抑制することができる。さらに、外周部ほど単位面積当たりに占める隔壁４の面積は増加するため外周部の機械的強度を高くすることができる。

また、流通孔２はその配置の形態および径の大きさが圧力損失に影響を及ぼし、前記複数の流通孔２は、前記断面において中心部から略等距離に位置するもの同士が略同一の径を有することが好ましい。

これにより、各流通孔２の捕集効率は略均一となるため、局部的な圧力損失を招くことがないからである。

図１に示すハニカム構造体では、例えば、流通孔２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉが同心円（Ｃ）状に同一の径を有するように配置されており、軸方向に対して垂直な断面が略四角形状である流通孔の径とは、前記四角形状の最も短い辺の長さを指すものとし、略同一の径を有するとは、この最も短い辺の長さ（Ｌ）がハニカム構造体の外径（Ｄ）に対して、同心円上で１０％以下の範囲である、即ち、(Ｌ_ｍａｘ−Ｌ_ｍｉｎ）／Ｄ×１００≦１０（％）以下（Ｌ_ｍａｘは任意の同心円上における最も短い辺の長さ（Ｌ）の最大値、Ｌ_ｍｉｎは前記同心円上における最も短い辺の長さ（Ｌ）の最小値である。）であるものをいう。同様に、前記断面が円形状である場合には、円の直径（ｄ）がハニカム構造体の外径（Ｄ）に対して、同心円上で１０％以下の範囲である、即ち、(ｄ_ｍａｘ−ｄ_ｍｉｎ）／Ｄ×１００≦１０（％）以下（ｄ_ｍａｘは任意の同心円上における直径（ｄ）の最大値、ｄ_ｍｉｎは任意の同心円上における直径（ｄ）の最小値である。）であるものをいう。

さらに、前記流通孔２は、その最大径に対する最小径の比が、ハニカム構造体１の機械的強度に影響を与える。

特に、前記複数の流通孔２は、その最大径に対する最小径の比が５０％以下である場合、外周側で隔壁４が緻密に配置されるため、機械的強度をさらに高くすることができる。

図１に示すハニカム構造体１では、中心軸に位置する流通孔２ａの短辺が前記最大径に相当し、その長さは、例えば１．６〜５．２ｍｍであり、長辺の長さは２．０〜６．０ｍｍである。また、外周側に位置し、前記断面が略四角形である流通孔のうち、最も小さい流通孔２ｊの短辺が最小径に相当し、その長さは、例えば０．８〜２．６ｍｍであり、長辺の長さは１．０〜３．０ｍｍである。このような流通孔２ａ，２ｊを有するハニカム構造体は、その最大径に対する最小径の比が５０％以下であるので、外周側で隔壁４が緻密に配置される結果、その機械的強度は高くなる。

図３は本発明のハニカム構造体１における他の実施形態を示し、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は軸方向に対して平行な面における断面図である。ここで、流通孔２の軸方向に対して垂直な断面の形状は円形状であり、流通孔２の形状は、四角形状や円形状以外、楕円形状、Ｎ角形状（Ｎは５以上の整数）であっても何等差し支えないが、特に、流通孔２は、軸方向に対して垂直な断面における形状によって流通孔２の容積が変わり、ハニカム構造体１の捕集効率に影響を与える。

そのため、流通孔２は、前記断面において四角形状とすることが好ましく、円形状または楕円形状にした場合より、隔壁２の体積を減少できるため、各流通孔２の容積は増加し、捕集効率を高くすることができるからである。さらに、流通孔２は前記断面において四角形状の中でも正方形状であることがより好ましい。断面が長方形、菱形、台形の場合に比べ、正方形のほうが、流通孔２の内部における排気ガスの流速を一定に保ちやすいため、排気ガス中の微粒子を捕集効率が高いからである。

また、ハニカム構造体１は構成する組成によって、耐熱衝撃性は影響を受けるため、コージェライトまたはチタン酸アルミニウムを主成分とする焼結体とすることが好ましい。これは、コージェライトおよびチタン酸アルミニウムの耐熱衝撃性が高いため、長期間信頼性を高いものとすることができるからである。

なお、本発明における主成分とは、ハニカム構造体を構成する成分のうち、５０質量％以上を占める成分をいう。

次に、本発明のハニカム構造体の製造方法について説明する。

ここでは、主成分がコージェライトである本発明のハニカム構造体について説明する。先ず、焼結体におけるコージェライトの組成がＳｉＯ_２が４０〜５６質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が３０〜４６質量％、ＭｇＯが１２〜１６質量％となるように、カオリン、仮焼カオリン、アルミナ、水酸化アルミニウム、シリカ、タルク、焼タルクなどのコージェライト化する原料を調合して調合原料を得る。これにグラファイト、澱粉、樹脂粉末等の造孔剤の所定量を添加した後、さらに可塑剤、増粘剤、滑り剤、水等を加えて、万能攪拌機、回転ミル、Ｖ型攪拌機等を使って混合物とする。次に、この混合物を三本ロールや混練機等を用いて混練し、可塑化した混練体を得る。

次に、成形体の外径を決定する内径が例えば、１００〜２５０ｍｍであるとともに、ハニカム構造体の隔壁を形成するためのスリットを有する金型を用いて前記混練体を押出成形機に投入し、圧力を加えてハニカム状に成形した後、乾燥して所定長さに切断加工する。その後、水に溶かしてペースト状にした前記調合原料を流入側端面（ＩＦ）および流出側端面（ＯＦ）に市松模様状に塗って封止部を形成する。そして、電気炉、ガス炉等の焼成炉を用い、成形体を温度１３５０℃〜１４５０℃で焼成して、本発明のハニカム構造体を得ることができる。

また、主成分がチタン酸アルミニウムである本発明のハニカム構造体を得るには、ＴｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３との比率がモル比で４０〜６０：６０〜４０である成分１００質量部と、組成式が（Ｎａ_ｙＫ_１−ｙ）ＡｌＳｉ_３Ｏ_８（０≦ｙ≦１）で表わされるアルカリ長石、Ｍｇを含むスピネル型構造の酸化物、ＭｇＯおよび焼成によりＭｇＯに転化するＭｇ含有化合物の少なくともいずれか１種からなる成分を１〜１０質量部と、を調合して調合原料を得る。これ以降、封止部を形成するまでの工程は、主成分がコージェライトの場合と同様である。ハニカム構造体の主成分がチタン酸アルミニウムの場合、電気炉、ガス炉等の焼成炉を用い、成形体を温度１２５０℃〜１７００℃で焼成して、本発明のハニカム構造体を得ることができる。

本発明のハニカム構造体の一実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は同図（ａ）の軸方向に平行な面であるＡ−Ａ線における断面図である。本発明のハニカム構造体を用いた排気ガス浄化装置を示す概略断面図である。本発明のハニカム構造体における他の実施形態を示し、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は軸方向に対して平行な面であるＢ−Ｂ線における断面図である。従来のハニカム構造体を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である。従来のハニカム構造体を用いた排気ガス浄化装置を示す断面図である。従来のハニカム構造体を用いた他の排気ガス浄化装置を示す断面図である。従来のハニカム構造体を用いた他の排気ガス浄化装置を示すケースを透視した透視図である。

符号の説明

１，２１：ハニカム構造体
２，２２：流通孔
３，２３：封止部
４，２４：隔壁
５，２５：排気ガス流入口
６，２６：排気ガス流出口
７，２７：ケース
８，２８：断熱材層
９，２９：排気管
３０：排気ガス浄化装置
３１：回転板
３２：支軸
３３：温度センサ
３４：制御部
３５：圧力センサ
３６：電磁アクチュエータ
３７：排気圧センサ
３８：リンク機構
３９：整流板
４０：スリーブ
４１：シャフト
４２：ストッパ
４３：ステー
４４：温度センサ

Claims

軸方向に配置された隔壁で仕切られた複数の流通孔を有し、前記複数の流通孔のうち一部の流通孔の一端が封止されているハニカム構造体であって、軸方向に対して垂直な断面における前記流通孔の断面積が、中心部に位置する流通孔に比し外周部に位置する流通孔に向かって漸減することを特徴とするハニカム構造体。
前記複数の流通孔は、前記断面において中心から略等距離に位置するもの同士が略同一の径を有することを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
前記複数の流通孔は、前記断面において最大径に対する最小径の比が５０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のハニカム構造体。
前記複数の流通孔は、前記断面において四角形状であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のハニカム構造体。
前記ハニカム構造体は、コージェライトまたはチタン酸アルミニウムを主成分とする焼結体からなることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のハニカム構造体。
請求項１〜５の何れかに記載のハニカム構造体における各流路孔にディーゼル微粒子を捕集させることを特徴とするフィルター。