JP2008169081A

JP2008169081A - ハニカム構造体の補修方法並びに製造方法

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Publication number: JP2008169081A
Application number: JP2007003922A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yasuda; 和彦安田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】低コスト及び高補修効率を実現すると同時に、熱衝撃に対する強度を確保するハニカム構造体の補修方法の提供。
【解決手段】ハニカム状のセラミック成形体を焼成してなるハニカム構造体の補修方法は、アルミナ及びシリカの少なくとも一方を骨材として無機バインダと混合してなり硬化後の耐熱温度がハニカム構造体の実使用温度よりも高い無機接着剤により、ハニカム構造体の外壁欠陥を埋めた（Ｓ１０６ａ）後、無機バインダの脱水縮合反応により無機接着剤を硬化させる（Ｓ１０６ｂ）ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、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フィルタに用いられるハニカム構造体の補修方法並びに製造方法に関する。

従来、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フィルタとして、セラミックハニカム構造体を有する排ガス浄化フィルタがある。一般にハニカム構造体は、ハニカム状のセラミック成形体を焼成することにより形成されるが、応力集中に起因するクラック、亀裂等の欠陥が当該焼成により外壁に生じることが知られている。このような外壁欠陥は、高温下で使用されるハニカム構造体においては熱衝撃に対する強度を低下させることになるため、望ましくない。

そこで、焼成後のハニカム構造体と同質となるコージェライト質の粉末を骨材として無機バインダに混合してなる補修材を用い、当該補修材により外壁欠陥を埋めて補修する技術が、特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示の技術によれば、補修材を熱処理することによりハニカム構造体の使用温度下での耐熱性が得られることから、使用時において熱衝撃に対する強度を確保することができるのである。
特開２００５−１４４２８４号公報

しかし、上記特許文献１に開示の技術のようにコージェライト質の粉末を含む補修材を用いた場合、当該コージェライト質の粉末はアルミナ、シリカ、タルク等のセラミック材料から合成するものであり、比較的高価になることから、補修箇所が増えるほど補修費用が大幅に増大するという問題がある。さらに、上記特許文献１に開示の技術では、熱処理によって補修材を乾燥させているが、同文献には、熱処理温度についての記載がない。そのため、熱処理温度によっては昇温、冷却に時間がかかって補修効率が悪化するおそれもある。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、低コスト及び高補修効率を実現すると同時に、熱衝撃に対する強度を確保するハニカム構造体の補修方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、低コスト及び高生産効率を実現すると同時に、熱衝撃に対する強度を確保するハニカム構造体の製造方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、ハニカム状のセラミック成形体を焼成してなるハニカム構造体の補修方法であって、アルミナ及びシリカの少なくとも一方を骨材として無機バインダと混合してなり硬化後の耐熱温度がハニカム構造体の実使用温度よりも高い無機接着剤により、ハニカム構造体の外壁欠陥を埋めた後、無機バインダの脱水縮合反応により無機接着剤を硬化させることを特徴とする。

このように請求項１に記載の発明によると、ハニカム状のセラミック成形体を焼成してなるハニカム構造体の外壁欠陥を、硬化後の耐熱温度がハニカム構造体の実使用温度よりも高い無機接着剤により埋めてから、当該接着剤を硬化させる。故に、無機接着剤が硬化して外壁欠陥が補修された形となったハニカム構造体によれば、実使用温度下において耐熱性を発揮することができるので、使用時において熱衝撃に対する強度が確保され得る。また、無機接着剤は、比較的安価なアルミナ及びシリカを骨材として無機バインダと混合してなるので、コストの低減に貢献することができる。さらに、無機接着剤は、無機バインダの脱水縮合反応により硬化するので、硬化させる際の温度を可及的に下げて補修効率を高めることもできる。

請求項２に記載の発明によると、無機接着剤は、１００℃以上５００℃以下の温度で硬化する。これによれば、１００℃未満の例えば常温下において、未硬化状態の無機接着剤により容易に外壁欠陥を埋めることができる。さらに、１００℃以上５００℃以下という一般的な焼成温度よりも低い温度下において無機接着剤を硬化させることにより、昇温、冷却のための時間を短縮することができる。これらのことから、補修効率を確実に高めることができるのである。

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フィルタとして使用されるハニカム構造体の実使用温度は、９００℃程度の高温となる。請求項３に記載の発明によると、無機接着剤の硬化後の耐熱温度は１２００℃以上であるので、上記高温下で使用されるハニカム構造体について耐熱性を発揮して、熱衝撃に対する強度を確保することが可能になる。

コージェライト質のハニカム構造体は、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フィルタとして好適に使用されている。請求項４に記載の発明によると、コージェライト質のハニカム構造体を補修するので、浄化フィルタとして好適なコージェライト質のハニカム構造体について、低コスト且つ高効率の補修を実現すると同時に熱衝撃に対する強度を確保することができる。

コージェライト質のハニカム構造体の熱膨張率は、一般に０．５×１０^−６／℃程度である。請求項５に記載の発明によると、無機接着剤の硬化後の熱膨張率は５×１０^−６／℃以下であるので、硬化後の無機接着剤とコージェライト質のハニカム構造体との熱膨張差を小さくすることが可能になる。このように熱膨張差が小さくなることによれば、硬化後の無機接着剤が熱衝撃を受けても、熱膨張差に起因して当該接着剤が剥がれる事態を抑制することができるのである。

請求項６に記載の発明によると、無機接着剤は、珪酸系バインダを無機バインダとして、骨材であるアルミナ及びシリカの少なくとも一方と混合してなる。このような混合組成の無機接着剤によれば、脱水縮合反応による硬化作用並びに硬化後における５×１０^−６／℃以下の熱膨張率を実現可能となる。

請求項７に記載の発明によると、無機接着剤をハニカム構造体に塗布することにより外壁欠陥を埋める。これによれば、塗布という比較的簡単な操作により外壁欠陥を埋めることができるので、補修効率を高めることができる。

請求項８に記載の発明によると、無機接着剤により外壁欠陥が埋められたハニカム構造体を乾燥させることにより、無機接着剤を硬化させる。これによれば、ハニカム構造体の乾燥により無機バインダの脱水縮合反応を確実に進行させることができるので、補修効率を高めることができる。

請求項９に記載の発明は、セラミック原料を成形してセラミック成形体を形成する成形工程と、成形工程により得られたセラミック成形体を焼成してハニカム構造体を形成する焼成工程と、焼成工程により得られたハニカム構造体の外壁欠陥を検査する検査工程と、検査工程により外壁欠陥が発見されたハニカム構造体を、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法により補修する補修工程と、を含むことを特徴とする。

このように請求項９に記載の発明によると、セラミック成形体を焼成して得られたハニカム構造体のうち検査工程により外壁欠陥を発見したものについて、上記請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法により補修する。故に、熱衝撃に対して強度の確保されたハニカム構造体を、低コスト及び高生産効率にて製造することができるのである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図２及び図３は、本発明の一実施形態により製造されるハニカム構造体１０を示す斜視図及び断面図である。ハニカム構造体１０は、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フィルタとして白金等の触媒を担持して使用されるものであり、特に本実施形態では、９００℃程度の温度下にて使用される。ハニカム構造体１０は、全体として円筒状であり、隔壁１２により区画されて軸方向に貫通する多数のセル１４を有している。各セル１４のいずれか一方の端部は閉塞され、当該閉塞側の端部とは反対側の端部は開放されている。ここで本実施形態では、ハニカム構造体１０の両端部において各セル１４の閉塞側端部を市松模様状に配列させている。

図１は、本発明の一実施形態によるハニカム構造体１０の製造方法を示すフローチャートである。以下、ハニカム構造体１０の製造フローを図１に従って説明する。

図１のステップＳ１０１では、セラミック原料を成形することにより、ハニカム構造体１０となるハニカム状のセラミック成形体１００（図４参照）を形成する。

具体的にステップＳ１０１では、まず、セラミック主材にバインダ、添加剤及び水を加えて混練してなるセラミック原料を準備する。ここでセラミック主材は、本実施形態ではコージェライト化原料であり、例えば所定のタルク、シリカ、アルミナ等を混合することにより得られる。バインダとしては、例えばメチルセルロース等の有機バインダが配合される。添加剤としては、例えばカーボンといった可燃性物質等が配合される。

図１のステップＳ１０１では、次に、準備したセラミック原料をハニカム状に押出成形し、さらに所定の長さに切断することで、多数のセル１４０が隔壁１２０によって区画されてなるセラミック成形体１００を形成する。但し、本実施形態のステップＳ１０１の終了時点においては、図４に示すように、各セル１４０の両端部が共に開放された状態となっている。

このようなステップＳ１０１の後、図１のステップＳ１０２では、セラミック成形体１００を乾燥させる。ここでセラミック成形体１００の乾燥は、例えば熱風乾燥、マイクロ波乾燥等によって行われる。またステップ１０２では、乾燥後１４００℃程度で乾燥体を仮焼してもよい。続いてステップＳ１０３では、乾燥したセラミック成形体１００又はその仮焼体の各セル１４０の端部を、図５に示すように、栓材１６０によって閉塞する。

さらに続いて、図１のステップＳ１０４では、各セル端部の閉塞されたセラミック成形体１００又はその仮焼体を焼成してコージェライト質のハニカム構造体１０を形成する。ここでセラミック成形体１００の焼成は、上記セラミック原料の配合組成に応じて焼成温度、焼成時間、昇温速度、降温速度等の焼成条件を設定し、当該条件下にて行われる。例えば、セラミック成形体１００を焼成炉内に投入して昇温速度７５°Ｃ／ｈｒで加熱し、１４３０°Ｃの焼成温度で５ｈｒ程度保持した後、降温速度７５°Ｃ／ｈｒで冷却する。

さて、焼成によって得られるハニカム構造体１０の外壁１８には、図６に示すように、クラック、亀裂等の欠陥２０が生じることがある。こうして外壁１８に生じた欠陥２０は、排ガス浄化フィルタとして高温下で使用されるハニカム構造体１０においては、熱衝撃に対する強度を低下させることになるため、補修する必要がある。

そこで、図１のステップＳ１０５では、焼成によって得られたハニカム構造体１０の外壁１８について、欠陥２０の有無を検査する。ここで欠陥２０の検査は、例えば目視によって、あるいは外壁１８における光の透過率を検出することによって、またあるいは外壁１８における煙の通過率を検出することによって、行われる。

そして、ステップＳ１０５の検査の結果、欠陥２０が発見された場合には、ステップＳ１０６において、本発明の一実施形態としての補修方法によりハニカム構造体１０を補修することとなる。

具体的にステップＳ１０６では、まず、ステップＳ１０６ａとして図７に示すように、ハニカム構造体１０の欠陥２０を無機接着剤２２によって埋める。ここで無機接着剤２２は、本実施形態では、骨材としてのアルミナ及びシリカの少なくとも一方と、無機バインダとしてのゾル状の珪酸系バインダとを混合してなり、下記の（１）〜（３）の特性を実現するものである。尚、下記（１）〜（３）の特性を実現する限りにおいて、無機接着剤２２には、適当な添加剤を配合してもよい。

（１）硬化温度
無機接着剤２２が硬化する温度は、１００℃以上５００℃以下、より好ましくは１００℃以上２００℃以下である。

（２）耐熱温度
無機接着剤２２の硬化後の耐熱温度は、１２００℃以上、より好ましくは１４００℃以上である。

（３）熱膨張率
無機接着剤２２の硬化後の膨張率は、５×１０^−６／℃以下、より好ましくは３×１０^−６／℃以下である。

このような無機接着剤２２によって欠陥２０を埋める方法としては、本実施形態では、常温下における刷毛塗り、ローラ塗り、吹き付け等によって、無機接着剤２２をハニカム構造体１０の外壁１８に塗布する方法を採用する。これは、塗布という比較的簡単な操作によって欠陥２０を埋めることにより、補修効率を高めることができるからである。尚、無機接着剤２２の塗布操作によって欠陥２０を埋める場合には、欠陥２０からはみ出した余剰分の無機接着剤２２について、例えばブレード、ローラ、布等によって可及的に除去しておくことが好ましい。

さて、図１のステップＳ１０６ではさらに、無機接着剤２２により欠陥２０を埋めた後のステップＳ１０６ｂとして、当該接着剤２２を硬化させる。ここで無機接着剤２２の硬化は、本実施形態では、当該接着剤２２中のシリカゾルを脱水縮合反応させて水分を脱離させ、シリカの網目構造を形成することによって実現する。故に本実施形態では、無機接着剤２２の硬化方法として、図８に示すようにハニカム構造体１０を乾燥チャンバ３０内に投入し、熱風等によって当該チャンバ３０内の雰囲気温度を無機接着剤２２の上記硬化温度に調整しつつ、ハニカム構造体１０を乾燥させる方法を採用する。これは、ハニカム構造体１０の乾燥によりシリカゾルの脱水縮合反応を確実に進行させて、補修効率を高めることができるからである。

こうして、欠陥２０を埋める無機接着剤２２が硬化することによりハニカム構造体１０は、当該欠陥２０が補修された形となるので、製造完了として本製造フローを終了させる。尚、上記ステップＳ１０５の検査の結果、欠陥２０が発見されなかった場合には、ステップＳ１０６の補修操作を行うことなく、本製造フローを終了させることとなる。

以上説明した本実施形態によると、外壁１８に欠陥２０のあるハニカム構造体１０については、その実使用温度よりも高い１２００℃以上の耐熱温度を硬化後に実現できる無機接着剤２２を用いて、補修される。故に、欠陥２０を埋める無機接着剤２２が硬化することによって補修されてなるコージェライト質のハニカム構造体１０によれば、９００℃程度の実使用温度下であっても耐熱性を発揮して、使用時の熱衝撃に対する強度を確保することができるのである。

また、本実施形態によると、ハニカム構造体１０を補修する無機接着剤２２は、硬化後の熱膨張率が５×１０^−６／℃以下となるものである。故に、硬化後の無機接着剤２２は、熱膨張率が０．５×１０^−６／℃程度とされるコージェライト質のハニカム構造体１０に対して、熱膨張差の小さなものとなるので、ハニカム構造体１０の使用時に熱衝撃を受けても剥がれ難くなる。

さらに、本実施形態によると、ハニカム構造体１０を補修する無機接着剤２２は、比較的安価なアルミナ及びシリカを骨材とするものであるので、コストの低減に貢献することができる。

加えて、本実施形態によると、ハニカム構造体１０を補修する無機接着剤２２は、無機バインダとしての珪酸系バインダであるシリカゾルの脱水縮合反応により、１００℃以上５００℃以下で硬化するものである。故に、上記ステップＳ１０６ａにおいてハニカム構造体１０の外壁１８の欠陥２０を無機接着剤２２により埋める操作は、当該接着剤２２を未硬化状態に保持可能な常温下にて容易に行うことができる。また、上記ステップＳ１０６ｂにおいてハニカム構造体１０の乾燥により無機接着剤２２を硬化させる操作は、一般的な焼成温度よりも低い１００℃以上５００℃以下の乾燥温度とすることにより、乾燥チャンバ３０内の昇温、冷却に要する時間を短縮することができる。これらのことから、本実施形態によれば、ハニカム構造体１０の補修効率、ひいてはハニカム構造体１０の生産効率を高めることができるのである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は当該実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

例えば、本発明が適用されるハニカム構造体１０の全体形状については、円筒状のもの以外にも、多角筒状のものであってもよい。

また、セラミック成形体１００を形成して焼成によりハニカム構造体１０を構成するセラミック原料については、セラミック主材としてコージェライト化原料を含むもの以外にも、ムライト、アルミナ、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素等をセラミック主材として含むものであってもよい。尚、この場合には、焼成後のハニカム構造体１０の熱膨張率に応じて無機接着剤２２の硬化後の熱膨張率を設定することが、好ましい。

さらに、ハニカム構造体１０となるセラミック成形体１００の形成方法については、一つ乃至複数のセルを有するハニカムセグメントの複数を押出成形等により形成した後、それらハニカムセグメント同士を接合する方法等を採用してもよい。

本発明の一実施形態によるハニカム構造体の製造方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態により製造されるハニカム構造体を示す斜視図である。図２のIII−III線断面図である。図１のステップＳ１０１により形成されるセラミック成形体を示す図であって、図３に対応する断面図である。図１のステップＳ１０３により各セル端部が閉塞された状態のセラミック成形体を示す図であって、図３に対応する断面図である。図１のステップＳ１０４によりハニカム構造体に生じる外壁欠陥について説明するための拡大斜視図である。図１のステップＳ１０６によるハニカム構造体の補修方法について説明するための拡大斜視図である。図１のステップＳ１０６によるハニカム構造体の補修方法について説明するための模式図である。

符号の説明

１０ハニカム構造体、１２隔壁、１４セル、１８外壁、２０欠陥、２２無機接着剤、３０乾燥チャンバ、１００セラミック成形体、１２０隔壁、１４０セル、１６０栓材、Ｓ１０１ステップ（成形工程）、Ｓ１０４ステップ（焼成工程）、Ｓ１０５ステップ（検査工程）、Ｓ１０６ステップ（補修工程）

Claims

ハニカム状のセラミック成形体を焼成してなるハニカム構造体の補修方法であって、
アルミナ及びシリカの少なくとも一方を骨材として無機バインダと混合してなり硬化後の耐熱温度が前記ハニカム構造体の実使用温度よりも高い無機接着剤により、前記ハニカム構造体の外壁欠陥を埋めた後、前記無機バインダの脱水縮合反応により前記無機接着剤を硬化させることを特徴とするハニカム構造体の補修方法。
前記無機接着剤は、１００℃以上５００℃以下の温度で硬化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の補修方法。
前記耐熱温度は、１２００℃以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のハニカム構造体の補修方法。
コージェライト質の前記ハニカム構造体を補修することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカム構造体の補修方法。
前記無機接着剤の硬化後の熱膨張率は、５×１０^−６／℃以下であることを特徴とする請求項４に記載のハニカム構造体の補修方法。
前記無機接着剤は、珪酸系バインダを前記無機バインダとして前記骨材と混合してなることを特徴とする請求項５に記載のハニカム構造体の補修方法。
前記無機接着剤を前記ハニカム構造体に塗布することにより前記外壁欠陥を埋めることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のハニカム構造体の補修方法。
前記無機接着剤により前記外壁欠陥が埋められた前記ハニカム構造体を乾燥させることにより、前記無機接着剤を硬化させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のハニカム構造体の補修方法。
セラミック原料を成形してセラミック成形体を形成する成形工程と、
前記成形工程により得られた前記セラミック成形体を焼成してハニカム構造体を形成する焼成工程と、
前記焼成工程により得られた前記ハニカム構造体の外壁欠陥を検査する検査工程と、
前記検査工程により前記外壁欠陥が発見された前記ハニカム構造体を、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法により補修する補修工程と、
を含むことを特徴とするハニカム構造体の製造方法。