JP2008119663A

JP2008119663A - 排ガス浄化フィルタの製造方法

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Publication number: JP2008119663A
Application number: JP2006309640A
Authority: JP
Inventors: Mikio Ishihara; 幹男石原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: JP4899814B2

Abstract

【課題】焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができると共に、熱膨張係数が小さい排ガス浄化フィルタを製造できる排ガス浄化フィルタの製造方法を提供すること。
【解決手段】多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けたコーディエライトからなるハニカム構造体に栓部を設けてなる排ガス浄化フィルタの製造方法は、押出成形工程と乾燥工程と仮焼成工程と栓詰め工程と本焼成工程とを有する。仮焼成工程における１２００℃から最高温度Ｔ₁までの昇温に要する時間を昇温時間Ａ、最高温度Ｔ₁で保持する時間を保持時間Ｂとし、本焼成工程における１２００℃から最高温度Ｔ₂までの昇温に要する時間を昇温時間Ｃ、最高温度Ｔ₂で保持する時間を保持時間Ｄとし、これらＡ〜Ｄの合計を合計時間Ｓとした場合、（Ａ＋Ｂ）＜（Ｃ＋Ｄ）の関係を満たし、合計時間Ｓが２５〜４５ｈｒであり、かつ、保持時間Ｄが１１ｈｒ以上である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集して排ガスの浄化を行う排ガス浄化用フィルタに関する。

従来から、ディーゼルエンジン等の内燃機関より排出される排ガス中のパティキュレートを捕集して排ガスの浄化を行う排ガス浄化フィルタが知られている。
この排ガス浄化フィルタは、多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けた基材としてのハニカム構造体を有するものである（特許文献１参照）。そして、排ガスを導入する導入通路となるセルの下流端と、多孔質の隔壁を通過した排ガスを排出する排出通路となるセルの上流端とは、栓部によって閉塞されるのが一般的である。

上記排ガス浄化フィルタを用いて排ガスを浄化する際には、導入通路となるセルに浸入した排ガスが多孔質の隔壁を通過して、隣のセルよりなる排出通路に移動する。このとき、排ガス中のパティキュレートが隔壁に形成されている多数の細孔に捕集され、排ガスが浄化される。また、例えば隔壁に触媒を担持させておくことにより、捕集したパティキュレートを触媒反応により分解除去することができる。

上記排ガス浄化フィルタの基材となるハニカム構造体を作製するに当たっては、セラミック材料を押出成形してハニカム成形体を作製し、乾燥する。その後、栓詰めし、焼成する。
しかしながら、栓詰めしてから焼成を行う従来の製造方法では、昇温速度を速くして急激な焼成を行うと、栓詰めがされていることによってハニカム成形体中に含まれるバインダ等が分解（揮発）し難くなる。そのため、通常１０日以上という長時間の焼成が必要となり、生産性の低下を招いていた。

また、上記排ガス浄化フィルタは、捕集されたパティキュレートを燃焼除去する際に、発生する燃焼熱によって基材内に温度差が生じる。そして、この温度差によって熱応力が生じ、クラック等が発生するという問題がある。そのため、実用上、クラック等の発生を抑制することができる、熱膨張係数の小さいものが望まれている。

このようなことから、できるだけ焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができると共に、熱膨張係数が小さい排ガス浄化フィルタを製造できる排ガス浄化フィルタの製造方法が望まれている。

特開２００３−１４５５２１号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができると共に、熱膨張係数が小さい排ガス浄化フィルタを製造できる排ガス浄化フィルタの製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けたコーディエライトからなるハニカム構造体を有し、該ハニカム構造体の上記セルのうち、排ガスを導入する導入通路となるセルの下流端と、上記多孔質の隔壁を通過した排ガスを排出する排出通路となるセルの上流端とを栓部によって閉塞してなる排ガス浄化フィルタを製造する方法において、
コーディエライト化原料を含むセラミック材料を押出成形して、多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けたハニカム成形体を作製する押出成形工程と、
上記ハニカム成形体を乾燥する乾燥工程と、
上記ハニカム成形体を最高温度Ｔ₁（Ｔ₁：１３００〜１４００℃）で仮焼成する仮焼成工程と、
上記ハニカム成形体の端面における上記セルの開口部のうち、上記栓部によって栓詰めすべき部分に栓詰め用スラリーを配置する栓詰め工程と、
上記栓詰め用スラリーを配置した上記ハニカム成形体を最高温度Ｔ₂（Ｔ₂≧Ｔ₁、Ｔ₂：１４００〜１４５０℃）で本焼成して、上記栓詰めすべき部分に上記栓部を設けた上記ハニカム構造体を作製する本焼成工程とを有し、
上記仮焼成工程における１２００℃から上記最高温度Ｔ₁までの昇温に要する時間を昇温時間Ａ、上記最高温度Ｔ₁で保持する時間を保持時間Ｂとし、上記本焼成工程における１２００℃から上記最高温度Ｔ₂までの昇温に要する時間を昇温時間Ｃ、上記最高温度Ｔ₂で保持する時間を保持時間Ｄとし、これらＡ〜Ｄの合計を合計時間Ｓとした場合、（Ａ＋Ｂ）＜（Ｃ＋Ｄ）の関係を満たし、上記合計時間Ｓが２５〜４５ｈｒであり、かつ、上記保持時間Ｄが１１ｈｒ以上であることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法にある（請求項１）。

本発明の排ガス浄化フィルタの製造方法は、上記のごとく、押出成形工程と乾燥工程と仮焼成工程と栓詰め工程と本焼成工程とを行う。すなわち、本発明の製造方法では、上記ハニカム成形体を最高温度Ｔ₁（Ｔ₁：１３００〜１４００℃）で仮焼成する仮焼成工程と、上記栓詰め用スラリーを配置した上記ハニカム成形体を最高温度Ｔ₂（Ｔ₂≧Ｔ₁、Ｔ₂：１４００〜１４５０℃）で本焼成する本焼成工程との２回の焼成を行う。

ここで、上記仮焼成工程における仮焼成は、上記セラミック材料に含まれる例えばバインダや造孔材としてのカーボン等を焼失除去することを目的としている。そしてさらに、上記ハニカム成形体を焼成してコーディエライト化させ、ある程度の強度を得ることを目的としている。これは、その後の上記栓詰め工程における上記ハニカム成形体のハンドリング及び上記栓詰めスラリーの配置を容易にすることができるからである。

また、上記本焼成工程における本焼成は、上記栓詰め用スラリーを焼成して上記栓部を形成するという目的の他に、仮焼成した上記ハニカム成形体をさらに焼成し、得られる排ガス浄化フィルタの特性を向上させるという目的がある。特に、本発明では、この本焼成を行うことによって熱膨張係数を小さくする。したがって、上記本焼成工程における本焼成の時間（特に保持時間Ｄ）が、得られる排ガス浄化フィルタの熱膨張係数に最も寄与する。

そして、本発明では、上述した仮焼成工程及び本焼成工程の目的及び作用効果を踏まえて、上記仮焼成工程における昇温時間Ａ、保持時間Ｂ、上記本焼成工程における昇温時間Ｃ、保持時間Ｄ、及び合計時間Ｓの各時間を上記のように規定したのである。
以下、これを詳説する。

本発明では、（Ａ＋Ｂ）＜（Ｃ＋Ｄ）の関係を満たしている。
上記仮焼成工程では、少なくとも上述した仮焼成の目的を達成することができる昇温時間Ａ及び保持時間Ｂを確保すればよい。また、仮焼成を行うことによって、仮焼成後に上記ハニカム成形体のクラックや変形等を検査することができる。そして、不具合品が発見されれば、その時点で取り除くことができる。よって、仮焼成の目的を達成することができる昇温時間Ａ及び保持時間Ｂを確保した上で、（Ａ＋Ｂ）をできるだけ短くすることにより、不具合品を早期に発見して取り除き、生産性を向上させることができる。また、焼成時間を短縮することによって生産性を向上させることもできる。

また、上記合計時間Ｓを２５〜４５ｈｒとしている。
上記合計時間Ｓを充分に確保することができれば、当然ながら上記本焼成工程における上記保持時間Ｄも充分に確保することができる。つまり、得られる排ガス浄化フィルタの熱膨張係数に最も寄与する上記保持時間Ｄを充分に確保することができる。よって、上記合計時間Ｓを２５ｈｒ以上とし、上記本焼成工程における上記保持時間Ｄを充分に確保することにより、上記排ガス浄化フィルタの熱膨張係数をより小さくすることができる。そして、後述の実施例からもわかるように、熱膨張係数０．５×１０^-6／℃以下という実用上の条件を満たすことができる。

また、後述の実施例からもわかるように、上記合計時間Ｓを４５ｈｒより長くしても、熱膨張係数を小さくする効果の上積みを期待することができないと共に、単に焼成時間が長くなるだけで生産性が低下する。よって、できるだけ焼成時間を短縮させて生産性を向上させる目的からも、上記合計時間Ｓを４５ｈｒ以下としている。

また、上記保持時間Ｄを１１ｈｒ以上としている。
上記本焼成工程における上記保持時間Ｄは、得られる排ガス浄化フィルタの熱膨張係数に最も寄与する。そのため、上記保持時間Ｄを長くすればするほど、熱膨張係数をより小さくすることができる。よって、上記保持時間Ｄを１１ｈｒ以上とすることにより、上記排ガス浄化フィルタの熱膨張係数を小さくすることができる。そして、後述の実施例からもわかるように、熱膨張係数０．５×１０^-6／℃以下という実用上の条件を満たすことができる。

また、本発明の製造方法では、上述したように、上記仮焼成工程における仮焼成と上記本焼成工程における本焼成との２回の焼成を行う。すなわち、上記ハニカム成形体の実質的な最初の焼成と上記栓詰め用スラリーの焼成とを別々の工程で行う。これにより、焼成前の上記ハニカム成形体に上記栓詰め用スラリーを配置して、両者を同時に焼成する方法に比べて、焼成にかかる時間を短縮することができ、生産性の向上を図ることができる。

このように、本発明の製造方法によれば、焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができると共に、熱膨張係数が小さい排ガス浄化フィルタを得ることができる。

上記本発明においては、上記合計時間Ｓが２５ｈｒ未満の場合には、上記本焼成工程における上記保持時間Ｄを充分に確保することができないおそれがある。そのため、上記排ガス浄化フィルタの熱膨張係数を小さくするという効果を充分に得ることができないおそれがある。一方、４５ｈｒを超える場合には、熱膨張係数を小さくするという効果の上積みを期待することができないと共に、単に焼成時間が長くなるだけで生産性が低下するおそれがある。
また、上記保持時間Ｄが１１ｈｒ未満の場合には、上記排ガス浄化フィルタの熱膨張係数を小さくするという効果を充分に得ることができないおそれがある。

また、上記合計時間Ｓは、３０〜４５ｈｒであることがより好ましい（請求項２）。
上記合計時間Ｓをさらに３０ｈｒ以上とすることにより、上記本焼成工程における保持時間Ｄをより充分に確保することができる。そのため、得られる排ガス浄化フィルタの熱膨張係数をさらに小さくすることができる。

また、上記保持時間Ｂは、４ｈｒ以上であることが好ましい（請求項３）。
上記保持時間Ｂが４ｈｒ未満の場合には、上記仮焼成工程後における上記ハニカム成形体の強度を充分に得られないおそれがある。そのため、その後の上記栓詰め工程において、上記ハニカム成形体のハンドリングが困難となり、さらに上記栓詰め用スラリーの配置も困難となるおそれがある。よって、上記保持時間Ｂは、上記仮焼成工程後の上記ハニカム成形体の強度が安定して得られる４ｈｒ以上とすることが好ましい。

また、上記排ガス浄化フィルタは、熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下であることが好ましい。
例えば、上記排ガス浄化フィルタを自動車のディーゼルエンジン等に使用する場合、パティキュレートを捕集して燃焼除去する際に、発生する燃焼熱によって上記排ガス浄化フィルタ内に温度差が生じる。そして、この温度差によって熱応力が生じ、クラック等が発生するおそれがある。よって、実用上、クラック等の発生を抑制するためには、上記排ガス浄化フィルタの熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下であることが好ましい。

本発明の実施例について、図を用いて説明する。
本例において製造する排ガス浄化フィルタ１は、図１、図２に示すごとく、多孔質の隔壁１１をハニカム状に配し、断面四角形状のセル１２を多数設けてなるハニカム構造体１０を有する。ハニカム構造体１０は、コーディエライトを主成分とするセラミックより構成されており、円筒形状を呈している。

また、同図に示すごとく、ハニカム構造体１０のセル１２のうち、排ガスＧを導入する導入通路１２１となるセル１２の下流端と、多孔質の隔壁１１を通過した排ガスＧを排出する排出通路１２２となるセル１２の上流端とは、栓部１３によって閉塞されている。本例では、隣り合うセル１２が交互に導入通路１２１および排出通路１２２となるように、栓部１３を配してある。両端面から見ると、それぞれ縦方向及び横方向に交互に、いわゆる市松模様状に栓部１３が配された状態となっている。

本例の排ガス浄化フィルタは、粘度質のセラミック材料を押出成形し（押出成形工程）、得られたハニカム成形体を乾燥し（乾燥工程）、最高温度Ｔ₁で仮焼成する（仮焼成工程）。その後、仮焼成後のハニカム成形体に栓詰め用スラリーを配置し（栓詰め工程）、最高温度Ｔ₂（Ｔ₂≧Ｔ₁）で本焼成し、栓部を設けたハニカム構造体を作製する（本焼成工程）ことによって製造される。

本例においては、仮焼成工程及び本焼成工程における焼成パターン（後述する昇温時間Ａ、保持時間Ｂ、昇温時間Ｃ、保持時間Ｄ、及び合計時間Ｓ）が異なる排ガス浄化フィルタ（試料１〜試料１１）を作製する。
以下、各試料（試料１〜試料１１）の製造方法について説明する。

まず、カオリン、溶融シリカ、水酸化アルミニウム、アルミナ、タルク、造孔材（カーボン）を含有し、化学組成が重量比にて最終的にＳｉＯ₂：４５〜５５％、Ａｌ₂Ｏ₃：３３〜４２％、ＭｇＯ：１２〜１８％よりなるコーディエライトを主成分とする組成となるように調整したコーディエライト化原料を水に混合し、有機バインダを加えて混練することにより、粘土質のセラミック材料を得た。

次いで、粘土質のセラミック材料を押出機により押出成形し、所望の長さで切断してハニカム成形体を作製した。このハニカム成形体は、最終的なハニカム構造体とほぼ同様の形状を呈し、ハニカム状に設けられた隔壁と、これによって仕切られると共にハニカム成形体の長手方向を貫通する複数のセルとを有する。本例においては、粘土質のセラミック材料を直径１６０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、隔壁の厚み０．３ｍｍ、セル数３００メッシュのハニカム成形体に成形した。なお、このサイズは一例を示したものであり、用途に応じてその他のサイズを採用することもできる。

次いで、ハニカム成形体を乾燥させた後、最高温度Ｔ₁（本例では１３９０℃）で仮焼成した。このとき、各試料については、昇温時間Ａ及び保持時間Ｂを表１に示すような時間とした。なお、昇温時間Ａは、１２００℃から最高温度Ｔ₁までの昇温に要する時間であり、保持時間Ｂは、最高温度Ｔ₁で保持する時間である（図３参照）。

次いで、ハニカム成形体の端面におけるセルの開口部において、縦方向及び横方向に交互に、いわゆる市松模様状に栓部となる栓詰め用スラリーを配置した。
その後、ハニカム成形体を最高温度Ｔ₂（本例では１４３０℃）で本焼成した。このとき、各試料については、昇温時間Ｃ及び保持時間Ｄを表１に示すような時間とした。なお、昇温時間Ｃは、１２００℃から最高温度Ｔ₂までの昇温に要する時間であり、保持時間Ｄは、最高温度Ｔ₂で保持する時間である（図３参照）。

これにより、栓部を設けたハニカム構造体を有する排ガス浄化フィルタ（試料１〜試料１１）を作製した。

なお、本例では、各試料の各時間について、できるだけ焼成時間を短縮させて生産性を向上させる目的から、（Ａ＋Ｂ）＜（Ｃ＋Ｄ）を満たすように設定した。
また、表１には、各試料の昇温時間Ａ、保持時間Ｂ、昇温時間Ｃ、及び保持時間Ｄの他に、これらＡ〜Ｄの合計である合計時間Ｓを示した。
また、図３は、仮焼成工程及び本焼成工程における焼成パターンを示したものであり、便宜上、１２００℃以上の温度領域のみを示してある。

次に、得られた排ガス浄化フィルタ（試料１〜試料１１）について、熱膨張係数を測定した。
熱膨張係数は、押棒式熱膨張計を用いて４０〜８００℃の温度範囲で測定を行い、平均の熱膨張を評価して求めた。その結果を表１に示す。

なお、表１には、排ガス浄化フィルタを自動車のディーゼルエンジンに使用する場合、実用上の条件となる熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下という条件を満たすものについては○印を記した。一方、熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃を超えたものについては×印を記した。

表１の結果について、以下に説明する。
試料１〜試料５は、昇温時間Ａ（＝３ｈｒ）、保持時間Ｂ（＝４ｈｒ）、及び昇温時間Ｃ（＝２ｈｒ）が同じであり、保持時間Ｄ及び合計時間Ｓがそれぞれ異なるものである。各試料を比較すると、保持時間Ｄが長くなればなるほど熱膨張係数が小さくなっており、保持時間Ｄが熱膨張係数に大きく寄与していることがわかる。また、合計時間Ｓが２５ｈｒ以上であれば、熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下となり、実用上の条件を満たすことがわかる。

このことから、目標とする熱膨張係数を得るためには、合計時間Ｓを２５ｈｒ以上とすることが好ましいことがわかる。また、合計時間Ｓを４５ｈｒとした場合、熱膨張係数がほぼ０に近い値となっている。そのため、これ以上の焼成は、熱膨張係数を小さくするという効果の上積みも期待できず、単に焼成時間が長くなるだけであり、生産性の低下を招くおそれがある。よって、合計時間Ｓを４５ｈｒ以下とすることが好ましい。

また、試料６〜試料８は、合計時間Ｓ（＝２５ｈｒ）及び保持時間Ｄ（＝１１ｈｒ）が同じであり、昇温時間Ａ、保持時間Ｂ、及び昇温時間Ｃがそれぞれ異なるものである。各試料を比較すると、いずれも熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃以下となり、実用上の条件を満たすことがわかる。
また、試料９〜試料１１は、合計時間Ｓ（＝２５ｈｒ）及び保持時間Ｄ（＝６ｈｒ）が同じであり、昇温時間Ａ、保持時間Ｂ、及び昇温時間Ｃがそれぞれ異なるものである。各試料を比較すると、いずれも熱膨張係数が０．５×１０^-6／℃を超えており、実用上の条件を満たさないことがわかる。

このことから、目標とする熱膨張係数を得るためには、保持時間Ｄを１１ｈｒ以上とすることが好ましいことがわかる。

以上の結果から、本例の製造方法において、仮焼成工程における昇温時間Ａ、保持時間Ｂ、本焼成工程における昇温時間Ｃ、保持時間Ｄ、及び合計時間Ｓの各時間が、（Ａ＋Ｂ）＜（Ｃ＋Ｄ）の関係を満たし、合計時間Ｓが２５〜４５ｈｒであり、かつ、保持時間Ｄが１１ｈｒ以上であることにより、焼成時間を短縮して生産性の向上を図ることができる。また、得られる排ガス浄化フィルタは、熱膨張係数が小さく、実用上の条件（０．５×１０^-6／℃以下）を満たすものとなる。

実施例における、排ガス浄化フィルタを示す斜視図。実施例における、排ガス浄化フィルタを示す断面説明図。実施例における、仮焼成工程及び本焼成工程における焼成パターンを示す説明図。

符号の説明

１排ガス浄化フィルタ
１０ハニカム構造体
１１隔壁
１２セル
１２１導入通路
１２２排出通路
１３栓部
Ｇ排ガス

Claims

多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けたコーディエライトからなるハニカム構造体を有し、該ハニカム構造体の上記セルのうち、排ガスを導入する導入通路となるセルの下流端と、上記多孔質の隔壁を通過した排ガスを排出する排出通路となるセルの上流端とを栓部によって閉塞してなる排ガス浄化フィルタを製造する方法において、
コーディエライト化原料を含むセラミック材料を押出成形して、多孔質の隔壁をハニカム状に配して多数のセルを設けたハニカム成形体を作製する押出成形工程と、
上記ハニカム成形体を乾燥する乾燥工程と、
上記ハニカム成形体を最高温度Ｔ₁（Ｔ₁：１３００〜１４００℃）で仮焼成する仮焼成工程と、
上記ハニカム成形体の端面における上記セルの開口部のうち、上記栓部によって栓詰めすべき部分に栓詰め用スラリーを配置する栓詰め工程と、
上記栓詰め用スラリーを配置した上記ハニカム成形体を最高温度Ｔ₂（Ｔ₂≧Ｔ₁、Ｔ₂：１４００〜１４５０℃）で本焼成して、上記栓詰めすべき部分に上記栓部を設けた上記ハニカム構造体を作製する本焼成工程とを有し、
上記仮焼成工程における１２００℃から上記最高温度Ｔ₁までの昇温に要する時間を昇温時間Ａ、上記最高温度Ｔ₁で保持する時間を保持時間Ｂとし、上記本焼成工程における１２００℃から上記最高温度Ｔ₂までの昇温に要する時間を昇温時間Ｃ、上記最高温度Ｔ₂で保持する時間を保持時間Ｄとし、これらＡ〜Ｄの合計を合計時間Ｓとした場合、（Ａ＋Ｂ）＜（Ｃ＋Ｄ）の関係を満たし、上記合計時間Ｓが２５〜４５ｈｒであり、かつ、上記保持時間Ｄが１１ｈｒ以上であることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法。
請求項１において、上記合計時間Ｓは、３０〜４５ｈｒであることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法。
請求項１又は２において、上記保持時間Ｂは、４ｈｒ以上であることを特徴とする排ガス浄化フィルタの製造方法。