JP2008093599A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧損が抑えられたセラミックスハニカム構造体を提供すること。
【解決手段】本発明のセラミックスハニカム構造体１は、多孔質のセラミックスよりなり軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部２と、一端封止部と、他端封止部と、を有する封止部３と、を有し、さらに、封止部３が形成されていないセル６を有することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、ハニカム構造体に関し、圧損が抑えられたハニカム構造体に関する。

内燃機関、ボイラー、化学反応機器、燃料電池用改質器等の触媒作用を利用する触媒用担体、排ガス中の微粒子（特にディーゼルエンジンからの排気ガス中の微粒子物質（ＰＭ））の捕集フィルタ（以下、ＤＰＦという）等には、セラミックス製のハニカム構造体が用いられている。

セラミックス製のハニカム構造体は、一般に、多孔質のセラミックスよりなり、流体の流路となる複数のセルを隔壁で区画する隔壁部と、端面が市松模様状を呈するように隣接するセルが互いに反対側となる端部を封止するセラミックスよりなる封止部と、を備えた構造を有している。このハニカム構造体は、すべてのセルのいずれか一方の端部に封止部が形成されている。

そして、このようなハニカム構造体は、隔壁部のセルを区画するとともに隣接するセルを隔離するセル壁を排気ガスが通過するウォールフロー型の触媒として用いられている。ウォールフロー型の触媒は、セル壁に形成された連続した細孔を排気ガスが通過し、細孔を通過できない排気ガス中のＰＭを捕集する。

このような触媒は、軸方向にのびるセルのいずれもが封止部をもつため、排ガスが触媒を通過するときの圧力損失（圧損）が高いという問題があった。つまり、排ガスが触媒のセル壁の連続した細孔を通過するためには排ガスが高い圧力をもつ必要があり、排ガスの発生源（内燃機関、エンジン等）に高い負荷がかかるようになっていた。排ガスの発生源に高い負荷が加わることは、この発生源自身に耐圧性などの向上を要求することとなり、コストの上昇をまねく。

また、このような触媒においては、捕集したＰＭが堆積して細孔を閉塞し、圧損を生じるという問題があった。このような問題に対して、触媒自体を加熱して捕集したＰＭを分解浄化（触媒の再生）することが行われていた。

しかしながら、触媒の再生前に捕集したＰＭによる圧損の上昇を防ぐことは困難であった。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、圧損が抑えられたハニカム構造体を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは、すべてのセルに封止部が形成されていることに着目し、本発明をなすに至った。

本発明のセラミックスハニカム構造体は、多孔質のセラミックスよりなり軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部と、多数のセルのうち所定のセルの一方の端部に充填された封止材よりなる一端封止部と、多数のセルの残余のセルのうち所定のセルの他方の端部に充填された封止材よりなる他端封止部と、を有する封止部と、を有し、さらに、封止部が形成されていないセルを有することを特徴とする。

本発明のハニカム構造体は、封止部が形成されていないセルをもつことにより、全体の通気性が向上している。このセルにより、封止部を備えたセルが捕集したＰＭにより閉塞しても、十分な通気性を確保できる。この結果、本発明のハニカム構造体は、高いＰＭの捕集率を確保しつつすぐれた通気性と低い圧損をもつこととなった。

本発明のハニカム構造体は、多孔質のセラミックスよりなり軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部と、多数のセルのうち所定のセルの一方の端部に充填された封止材よりなる一端封止部と、多数のセルの残余のセルのうち所定のセルの他方の端部に充填された封止材よりなる他端封止部と、を有する封止部と、を備えている。つまり、本発明のセラミックスハニカム構造体は、多数のセルをもち、そのセルの一方の端部あるいは他方の端部のいずれか一方が封止材により封止された構成を有している。

そして、本発明のハニカム構造体は、封止部が形成されていないセルを有する。このような構成においては、フィルタ触媒として用いられたときに、封止部が形成されていないセルを気体が通過するときに、圧損が生じなくなり、ハニカム構造体全体における圧損を低下することができる。また、封止部が形成されていないセルを区画するセル壁を気体が通過しなくなり、ハニカム構造体全体の通気性が高くなる。この結果、封止部による圧損を低下することができ、排ガスの発生源であるエンジンにかかる負荷を低減できる効果を発揮する。さらに、封止部が形成されたセルにおいてＰＭが堆積してそのセルにおける圧損が過剰に大きくなっても、封止部が形成されていないセルを気体が通過することで、ハニカム構造体全体の圧損の上昇を抑えることができる。つまり、本発明のハニカム構造体を用いたフィルタ触媒においては、初期およびＰＭ堆積時の圧損の上昇が抑えられており、エンジンへの負荷が小さくなっている。

本発明のハニカム構造体において、封止部が形成されていないセルのセル数（断面積に占める割合）に付いては、特に限定されるものではなく、ハニカム構造体の使用形態等の条件により決定することができる。たとえば、ハニカム構造体の断面積を１００％としたときに、封止部が形成されていないセルの面積が１〜１０％であることが好ましい。封止部が形成されていないセルの面積が１〜１０％となることで、フィルタ触媒として用いられたときに、ＰＭの捕集効率を過度に低下させることなく、圧損の上昇を抑えることができる。面積が１％未満では、封止されていないセルの効果が十分に発揮されなくなり、圧損が上昇する。また、１０％を超えると、ＰＭの捕集能力が大きく低下する。より好ましくは、３〜８％である。

本発明のハニカム構造体において、封止部が形成されていないセルは、その配置が特に限定されるものではない。封止部が形成されていないセルは、ハニカム構造体の断面において、等間隔で配置したことが好ましい。等間隔で配置されることで、部分的な圧損の上昇を抑えられる。

本発明のハニカム構造体において、セルの形状（断面形状）は、特に限定されるものではなく、従来公知の断面形状とすることができる。従来公知のセル形状のうち、正方形状であることがより好ましい。

セルの断面形状が正方形状であるときに、封止部が形成されていないセルは、各セルの対角線方向において、二つのセルおきに位置することが好ましい。セルの断面形状が正方形状をなす形態においては、一端封止部および多端封止部は、セルの対角線方向に並んでもうけられている。そして、封止部が形成されていないセルが二つのセルおきに位置することで、ハニカム構造体の断面に均一な割合で、部分的な偏りを生じることなく、封止部が形成されていないセルを配置できる。このような形態は、図３に示したように封止部が形成された形態である。図３に示した形態においては、封止部が形成されていないセルの占める面積がハニカム構造体全体の断面積の５．５６％を占める。

隔壁部を形成するセラミックスは、特に限定されるものではなく、従来公知のセラミックスを用いることができる。セラミックスは、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、コーディエライトより選ばれる一種を主成分とすることが好ましい。これらのセラミックスのうち、とくに、チタン酸アルミニウムを主成分とするセラミックスよりなることが好ましい。チタン酸アルミニウムよりなるセラミックスは、その内部にマイクロクラックをもつ。そして、このマイクロクラックをもつことで、ハニカム構造体が熱膨張を生じても、このマイクロクラックの開口が開閉することで熱膨張により生じる応力を緩和し、形状変化や損傷が生じなくなる。

本発明のハニカム構造体において、隔壁部は、従来公知のハニカム構造体のように、複数部の分体を接合材で接合した構成としてもよい。このような構成は、隔壁部ごとにその特性を変化させることができ、隔壁部全体に所望の性能を付与できる。隔壁部が複数部の分体よりなるときに、それぞれの分体の材質は同じであっても異なっていてもいずれでもよい。すなわち、隔壁部は、複数のセラミックス分体が接着剤層を介して接合されてなることが好ましい。

さらに、隔壁部が複数のセラミックス分体が接着剤層を介して接合されてなるときに、それぞれのセラミックス分体に形成されたセルの大きさ（セル形状）は、同じであっても、異なっていても、いずれでもよい。それぞれのセラミックス分体のセルの大きさ（セル形状）は、同じであることが好ましい。

セラミックス分体を接合する接合材についても、従来公知の接合材を用いることができる。この接合材としては、例えば、ＳｉＣ系接合材を用いることができる。セラミックス分体を接合材で接合したときにセラミックス分体の間に形成される接合材層は、０．５〜５ｍｍの厚さで形成することが好ましい。

周方向の外周面上に、０．５ｍｍ以上の厚さの外周材層を有することが好ましい。外周材層をもつことで、ハニカム構造体をＤＰＦなどに使用したときに生じる形状変化が抑えられる。具体的には、ハニカム構造体をＤＰＦなどの用途に使用したときに、ハニカム構造体は高熱にさらされる。そして、ハニカム構造体は、熱膨張を生じる。外周材層をもつことでこの熱膨張を抑えることができる。外周材層を構成する材質は、従来公知の材質を用いることができる。たとえば、ＳｉＣ、シリカ系化合物、チタン酸アルミニウム、ムライトなどのアルミナ系化合物などを用いることができる。

また、外周材層は、ハニカム構造体の形状により異なるため、その厚さが一概に決定できるものではないが、たとえば、０．５ｍｍ以上の厚さで形成することが好ましい。さらに好ましくは、０．５〜５．０ｍｍである。

本発明のハニカム構造体において、一端封止部および他端封止部を形成する封止材は、その材質が特に限定されるものではなく、セルを封止できる材質であれば従来公知の材質を用いることができる。

本発明のハニカム構造体は、ＤＰＦに用いることが好ましい。本発明のハニカム構造体は、隔壁部と封止部とを備えたことで、隔壁部のセルを区画するセル壁を排気ガス（気体）が通過するウォールフロー型のフィルタ触媒として用いることができ、このようなフィルタ触媒のうち特に、ＤＰＦとして用いることが好ましい。

本発明のハニカム構造体をＤＰＦとして用いるときに、少なくとも隔壁部の細孔表面に、アルミナ等よりなる多孔質酸化物、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ等の触媒金属の少なくともひとつを担持したことが好ましい。これらの物質を担持したことで、ＤＰＦとしてパティキュレートなどの浄化性能が向上する。

本発明のハニカム構造体は、その外周形状が特に限定されるものではなく、従来公知の形状とすることができる。たとえば、断面が真円や楕円の略円柱状、断面が方形や多角形の角柱状とすることができ、より好ましくは円柱形状である。

本発明のハニカム構造体の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、以下の製造方法で製造することができる。

まず、軸方向にセルが区画された角柱状のセラミックス分体を従来公知の製造方法で製造する。そして、ＳｉＣなどの接合材を用いて複数のセラミックス分体を接合する。その後、封止材を形成できるスラリーを調製し、このスラリーをセラミックス分体の接合体の所望のセルの端部に注入する。その後、スラリーを加熱焼成して、封止部を形成した。

つづいて、焼成体の周方向の外周面を切削等の手段で成形した。この成形は、両端に封止部が形成されたセルが外周面を形成するようになされた。

そして、周方向の外周面に、チタン酸アルミニウムなどのセラミックスを主成分とするスラリーを塗布し、乾燥、焼成して外周材層を製造する。これにより、本発明のハニカム構造体を製造できる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

本発明の実施例として、ＤＰＦ用ハニカム構造体を製造した。

（実施例）
まず、ＳｉＣを主成分とするセラミックス分体の原料を秤量し、この原料を十分に混合（混練）した後に、軸方向に多数のセルが形成された７０×７０×１５０ｍｍの柱状のＳｉＣよりなるセラミックス分体２の成形体を従来公知の製造方法である押出成形で製造した。セラミックス分体２の成形体は、断面が正方形状に区画されたセルをもつ。また、セルの一部を区画しかつ隣接するセルを隔離するセル壁の厚さは０．３ｍｍであった。このセラミックス分体２の成形体を図１に示した。ここで、セラミックス分体２の成形体の外周形状（見かけの形状）は、図１に示したように角柱状だけでなく、ハニカム構造体を形成したときの外周形状と略一致する外周形状に形成することができる。

つづいて、固形分がほぼＳｉＣ粒子よりなるスラリーを調製した。なお、このスラリーは、粘度調整材等の添加剤を含む。そして、このスラリーを、乾燥させたセラミックス分体２の成形体の両端の端部から所定のセルに注入し、８０℃で乾燥させた。ここで、スラリーの注入は、セルの断面形状の正方形の対角線にそって注入し、かつ二つおきにスラリーの注入を行わないセルが存在した。また、一端の端部からスラリーの注入を行ったセルは、他方の端部からスラリーの注入を行わなかった。より具体的には、セルの断面が正方形状の従来のハニカム構造体においては、市松模様をなすようにセルが封止されているが、本実施例においては、この市松模様のうち、対角線方向に二つおきのセルが封止されないようにスラリーが注入された。

そして、その後の工程で成形したときに、ハニカム構造体１の外周面を区画するセルには、その両端にスラリーを注入した。

その後、２３００℃でセルにスラリーが注入されたセラミックス分体２の成形体を焼成してセラミックス分体２を焼成するとともにスラリーを固化させて封止材３とし、封止材３で封止されたセル（封止部）をもつセラミックス分体２を形成した。セルの軸方向における封止材の長さはそれぞれ３ｍｍであった。

そして、封止部が形成されたセラミックス分体２同士をＳｉＣ系接合材で接合した。接合材による接合は、厚さが０．５〜１．５ｍｍとなるようにセラミックス分体２の外周面に接合材を塗布した後、別のハニカム分体２をこの面にすりあわせて接合した。この接合を繰り返して、断面が正方形をなすように１６個のセラミックス分体２を接合し、８０℃で乾燥した。セラミックス分体２の接合体を図２〜３に示した。なお、図２はセラミックス分体２の接合体の構成がわかる端面を示し、図３はセラミックス分体２の接合体において封止部の配置がわかるように示した図である。

そして、この焼成体を電動ノコギリを用いて切削して外周形状を成形した。電動ノコギリによる切削は、両端部に封止材が形成されたセルが外周面を形成する略円柱状をなすようになされた。成形後の焼成体を図４に模式的に示した。

そして、ＳｉＣを主成分とするスラリーを調製し、成形体の外周面に塗布し、８０℃で乾燥した後に８５０℃で加熱して接合材およびスラリーを固化させた。これにより、外周面上に厚さが０．５ｍｍの外周材層５が形成できた。

以上により、本実施例のハニカム構造体１が製造できた。本実施例のハニカム構造体を図５〜６に示した。なお、図５はハニカム構造体１の端面を、図６はハニカム構造体１の軸方向での断面を、それぞれ示した。

図に示したように、本実施例のハニカム構造体１は、複数の多孔質のチタン酸アルミニウムセラミックスよりなるセラミックス分体２が接合材層４を介して接合されてなる隔壁部と、多数のセルのうち所定のセルの一方の端部に充填された封止材３よりなる一端封止部と、多数のセルのうち残余のセルの所定のセルの他方の端部に充填された封止材３よりなる他端封止部と、を有する封止部と、隔壁部の周方向の外周面上に形成された外周材層５と、を備えた構成を有している。そして、本実施例のハニカム構造体１は、封止材３の形成されていないセル６をもつ。

本実施例において、軸方向の断面に占める封止材３の形成されていないセル６の割合を測定したところ、５．５６％であった。

（評価）
本実施例のハニカム構造体１の評価として、圧損およびＰＭの捕集率を測定した。

（圧損の測定）
圧損の測定は、内部をガス（空気）を流通可能な管路中にハニカム構造体１を設置し、ハニカム構造体１の直上流と直下流における圧力を測定し、その差を圧損とした。圧損は、管路を流れるガスの流速を変化させ、それぞれの流速で測定された。ガスの流速は、ハニカム構造体１の下流で測定した流速である。また、本評価においては、ＰＭが堆積していない状態での圧損（初期圧損）と、ＰＭが８ｇ／Ｌの割合で堆積したときの圧損とを測定した。ＰＭの堆積は、ディーゼルエンジンをもつ車両の排気系に組み付けた状態でエンジンを作動してＰＭを堆積させた。ＰＭの堆積量は、エンジン作動前後での重量の変化により求めた。圧損の測定結果を図７に示した。

また、比較例として、封止材３の形成されていないセル６をもたない従来公知の構成のハニカム構造体の圧損を測定した。なお、比較例のハニカム構造体は、封止材３の形成されていないセル６をもたない（市松模様をなすように封止材３が形成された）こと以外は、実施例のハニカム構造体と同様な構成である。

図７に示したように、実施例のハニカム構造体１は、比較例のハニカム構造体よりもいずれの流速においても圧損が低いことがわかる。つまり、本実施例のハニカム構造体１は、圧損を抑えることができ、エンジンへの負荷が低いことがわかる。

（ＰＭの捕集率の測定）
捕集率の測定は、自動粒径分布測定器（ＥＬＰＩ）を用いて行った。より具体的には、まず、排気量が２．５Ｌのディーゼルエンジンをもつ車両（日産自動車製、車種名：セレナ）の排気管路にハニカム構造体１をＤＰＦとして組み付けた。そして、エンジンを作動してアイドリング状態（７００ｒｐｍ）に保持し、ハニカム構造体１の直上流と直下流で排ガスのサンプリングを行った。

サンプリングした排ガスを希釈器（Ｍａｔｔｅｒ社製、商品名：ＭＤ−１９−２Ｅ）で１００倍に希釈した後に、さらに空気で２倍に希釈した。これにより、サンプリングされた排ガスは、２００倍に希釈された。

希釈された排ガスをＥＬＰＩに導入し、ＰＭを測定した。ＰＭの測定粒度領域は、０．０１〜１０μｍであった。ハニカム構造体１の直上流と直下流における排ガス中のＰＭ量の比から捕集率を求めた。

本実施例のハニカム構造体１のＰＭの捕集率は、８５％であった。すなわち、本実施例のハニカム構造体１は、十分に高いＰＭの捕集率をもつことがわかる。

上記したように、本実施例のハニカム構造体１は、初期およびＰＭ堆積時に圧損の上昇が抑えられており、エンジンに対しての負荷が少ないハニカム構造体である。そして、本実施例のハニカム構造体１は、十分に高いＰＭの捕集率をもつ。すなわち、本実施例のハニカム構造体１は、ＰＭの捕集率を維持しながら圧損の上昇が抑えられたハニカム構造体となっている。

本実施例のセラミックスハニカム構造体１は、低い圧損と十分なＰＭの捕集率をもつことから、ＤＰＦとして用いることができる。

実施例のハニカム構造体に用いられるセラミックス分体を示した図である。 セラミックス分体の接合体の端面を示した図である。 セラミックス分体の接合体に封止材を形成した状態を示した図である。 成形後の焼成体を示した図である。 実施例のハニカム構造体の端面を示した図である。 実施例のハニカム構造体の断面図である。 実施例および比較例のハニカム構造体の圧損の測定結果を示した図である。

符号の説明

１：スハニカム構造体
２：セラミックス分体
３：封止材
４：接合材層
５：外周材層
６：封止材の形成されていないセル

Claims (6)

1. 多孔質のセラミックスよりなり軸方向に貫通する多数のセルを区画する隔壁部と、
   多数の該セルのうち所定のセルの一方の端部に充填された封止材よりなる一端封止部と、多数の該セルの残余のセルのうち所定の該セルの他方の端部に充填された該封止材よりなる他端封止部と、を有する封止部と、
   を有し、
   さらに、該封止部が形成されていないセルを有することを特徴とするハニカム構造体。
2. 前記ハニカム構造体の断面積を１００％としたときに、前記封止部が形成されていないセルの面積が１〜１０％である請求項１記載のハニカム構造体。
3. 前記セルの断面形状が正方形状であるときに、
   前記封止部が形成されていない前記セルは、各該セルの対角線方向において、二つの該セルおきに位置する請求項１記載のハニカム構造体。
4. 前記隔壁部は、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、コーディエライト、ムライトより選ばれる一種を主成分とするセラミックスよりなる請求項１記載のハニカム構造体。
5. 前記隔壁部は、複数の分体が接着剤層を介して接合されてなる請求項１記載のハニカム構造体。
6. 周方向の外周面上に、０．５ｍｍ以上の厚さの外周材層を有する請求項１記載のハニカム構造体。

Images