JP2009006262A

JP2009006262A - セラミックハニカムフィルタ

Info

Publication number: JP2009006262A
Application number: JP2007170095A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Motoi; 雅一許斐
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: JP4900820B2

Abstract

【課題】隔壁と封止部の気孔率が異なる主としてチタン酸アルミニウムからなるハニカムフィルタにおいて、両者の熱膨張係数を略等しくすることで、隔壁や封止部及び隔壁と封止部との接合部の割れの発生を防止することができるハニカムフィルタを提供する。
【解決手段】多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を封止部で目封止することによりハニカム構造体の隔壁に排気ガスを通過させる構造のセラミックハニカムフィルタであって、前記隔壁と前記封止部は主成分としてチタン酸アルミニウムからなるとともにムライトを含有し、前記隔壁と前記封止部のうち、気孔率の小さい方のムライト含有率が気孔率の大きい方のムライト含有率よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等から排出される粒子状物質を含む排気ガスを浄化するのに使用されるセラミックハニカムフィルタに関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中には、炭素質からなる煤と高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とするＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）が含まれており、これが大気中に放出されると、人体や環境に悪影響を与える虞がある。このため、ディーゼルエンジンの排気管の途中に、ＰＭを捕集するためのセラミックハニカムフィルタ（以下セラミックハニカムフィルタを略して「ハニカムフィルタ」という）を装着することが従来から行われている。図２は、排気ガス中のＰＭを捕集、浄化するハニカムフィルタの一例を示し、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は側断面模式図である。図２（ａ）、（ｂ）において、ハニカムフィルタ１０は、外周壁１と、この外周壁１の内側に各々直交する多孔性の隔壁２で仕切られた多数の流路３が、排気ガス流入側端面８と排気ガス流出側端面９にて交互に封止部６で封止されている。また、ハニカムフィルタの外周壁１は、金属メッシュあるいはセラミックス製のマットなどで形成された把持部材（図示せず）で使用中に動かないように把持され、金属製収納容器（図示せず）内に配置されている。

図２に示すハニカムフィルタ１０において、排気ガスの浄化は以下の通り行われる。排気ガス（点線矢印で示す）は、排気ガス流入側端面８に開口している流路３から流入する。そして排気ガス中に含まれるＰＭは、隔壁２を通過する際に、詳しくは隔壁２の表面及び内部に存在する互いに連通した細孔により形成される連通孔を通過する際に捕集され、浄化された排気ガスは、排気ガス流出側端面９に開口している流路３から流出、大気中に放出される。

ハニカムフィルタは、ＰＭの捕集効率が高いことと、圧力損失が小さいことが要求され、これらの要求を満足させるために、隔壁の気孔率が適切に設定されており、現在では凡そ４５〜６５％程度のものが多く使用されている。

一方、封止部６の気孔率は、ハニカムフィルタの設計思想により、隔壁２の気孔率よりも大きくしたり、反対に隔壁２の気孔率よりも小さくする場合がある。例えば特許文献１には、封止部の気孔率を隔壁の気孔率よりも大きくすることで、隔壁のみならず封止部にも排気ガスが通過できるようにし、ハニカムフィルタ全体の圧力損失を低減すると共に、封止部の熱容量を小さくして、ハニカムフィルタの速熱性を向上したハニカムフィルタが記載されている。反対に、特許文献２や特許文献３には、封止部の気孔率を隔壁の気孔率よりも小さくしたハニカムフィルタが提案されている。隔壁２の材料としては、捕集したＰＭを燃焼させて浄化する際の、燃焼熱に耐えうる耐熱性セラミック材料、例えばコーディエライト、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等が用いられており、特に耐熱衝撃性に優れることから、低熱膨張係数を有するコーディエライト、チタン酸アルミニウムが好適とされている。

特開２００３−２３６３２２号公報特開２００５−２９７２号公報ＷＯ０４／０５２５０２号公報

ところが、好適に用いられているコーディエライトやチタン酸アルミニウムは、熱膨張係数の結晶異方性を有しマイクロクラックを内在させて低熱膨張を達成しているため、気孔率が大きくなると、マイクロクラック数が減少し、熱膨張係数が小さくなることがある。このため、隔壁の気孔率と封止部の気孔率が異なると、それぞれの熱膨張係数に差が発生するために、ＰＭ再生時にＰＭの燃焼熱によりハニカムフィルタの温度が上昇したときに、封止部や隔壁や封止部と隔壁との境界に割れが発生することがあった。特にコーディエライトに比べてマイクロクラックを多く発生させて低熱膨張係数を達成しているチタン酸アルミニウムを主成分とした隔壁と封止部を有するハニカムフィルタの場合は、マイクロクラックを起点として割れが発生する虞が大きかった。

従って本発明の目的は、隔壁と封止部の気孔率が異なる主としてチタン酸アルミニウムからなるハニカムフィルタにおいて、両者の熱膨張係数を略等しくすることで、上記割れの発生を防止することができるハニカムフィルタを提供することにある。

本発明は、多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を封止部で目封止することによりハニカム構造体の隔壁に排気ガスを通過させる構造のセラミックハニカムフィルタであって、前記隔壁と前記封止部は主成分としてチタン酸アルミニウムからなるとともにムライトを含有し、前記隔壁と前記封止部のうち、気孔率の小さい方のムライト含有率が気孔率の大きい方のムライト含有率よりも大きいことを特徴とする。

また本発明は、前記隔壁と前記封止部のうち、ムライト含有率が小さい方のムライト含有率が５％以上であることが好ましい。

また本発明は、前記隔壁と前記封止部のうち、ムライト含有率が大きい方のムライト含有率が３５％以下であることが好ましい。

（本発明の作用効果）
本発明の作用と効果を、図を用いて説明する。図１は本発明のハニカムフィルタの封止部６近傍における流路方向断面の一例を示す模式拡大図であり、隔壁２の気孔率が封止部６の気孔率よりも大きい例を示している。そして、隔壁２と封止部６は共にチタン酸アルミニウムを主成分としている。

図１に示すように、隔壁２の気孔率が封止部６の気孔率よりも大きい場合は、気孔率が大きいほどマイクロクラックの数が減少し熱膨張係数が大きくなるため、例えばＰＭ再生時のようにハニカムフィルタの温度が上昇するに従い、封止部６に比べて隔壁２が大きく膨張しようとする。その結果、封止部６には引張の応力、隔壁２には圧縮の応力が加わることになり、封止部６と隔壁２との境界上や、封止部６に割れが発生することがある。ときとして隔壁２に割れが発生することもある。

本発明の特徴は、上記の割れの発生を隔壁２のムライト含有量と封止部６のムライト含有量とを異ならせることで防止する点にある。チタン酸アルミニウムを主成分とするセラミックにムライトを含有させることは、強度の向上とチタン酸アルミニウムがチタニアとアルミナとに分解することの防止に有効であることが知られている。一方、チタン酸アルミニウムを主成分とするセラミック中にムライトを含有させると、その含有量の増加に応じて、熱膨張係数が大きくなる。従って、ハニカムフィルタ１０の隔壁２の気孔率が封止部６の気孔率よりも大きいことで、隔壁２の熱膨張係数が封止部６の熱膨張係数よりも大きくなるときには、封止部６のムライト含有率を隔壁２のムライト含有率より大きくすることで、封止６部の熱膨張係数を隔壁２の熱膨張と同程度に大きくし、上記割れの発生を防止することができる。また反対に、ハニカムフィルタ１０の隔壁２の気孔率が封止部６の気孔率よりも小さいことで、封止部６の熱膨張係数が隔壁２の熱膨張係数よりも大きくなるときには、隔壁２のムライト含有率を封止部６の含有率よりも大きくすることで、隔壁２の熱膨張係数を封止部６の熱膨張と同程度に大きくし、上記割れの発生を防止することができる。特に封止部の気孔率（ａ％）と隔壁の気孔率（ｂ％）との値の差（ａ−ｂ）が１０％以上（｜ａ−ｂ｜≦１０）であるときに上記割れの発生の防止効果が顕著になる。

また、上記のようにチタン酸アルミニウムを主成分とするセラミック中にムライトを含有することで、強度の向上に効果があると共に、チタニアとアルミナとへの分解を防止する効果があり、隔壁２のムライト含有率を５％以上とすることで、隔壁２に対する上記両効果が大きく表れ好ましい。１１％以上であることが特に好ましい。また同様に、封止部６のムライト含有率も５％以上とすることで、封止部６に対する上記両効果が大きく表れ好ましい。

一方、ムライトの含有率が過剰に大きくなると焼成体の強度が低下し割れの発生確率が大きくなる傾向にある。これは、ムライトの含有率が大きくなることで、チタン酸アルミニウムの粒子同士の接触確率が低下するためと思われる。このため、隔壁２および封止部６のムライト含有率を３５％以下とすることで、割れの発生をより防止することができ好ましい。

本発明の作用効果について、チタン酸アルミニウム及びムライトを含有した隔壁及び封止部からなるセラミックハニカムフィルタを用いて説明したが、本発明の作用効果からすれば、チタン酸アルミニウムは、本発明の作用効果を発揮する範囲で、公知のＦｅ、Ｍｇ、Ｓｉ等を固溶したチタン酸アルミニウムであってもよく、ムライト中にＴｉ、Ｍｇ等を含んでも良い。また、チタン酸アルミニウムおよびムライト以外にも、ＳｉＯ２を主成分とするガラス相、アルカリ長石、Ｓｒ長石などを含有してもよく、未反応のＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３を含んでいても良い。

また本発明のハニカムフィルタの隔壁の気孔率は、５０〜７０％であることが好ましく、気孔率を５０％以上とすることで隔壁の通気度を大きくでき、７０％以下とすることでハニカムフィルタの強度を大きくすることができる。５５〜６５％であることがより好ましい。封止部は、封止部の通気度を大きくし、または封止部の速熱性の向上を設計思想とした場合には、その気孔率は隔壁の気孔率よりも大きく、例えば６０％以上とすることが好ましく、封止部の強度を大きくするために７５％以下とすることが好ましい。一方封止部の熱容量を大きくすることを設計思想とした場合には、封止部の気孔率は隔壁の気孔率よりも小さく、例えば２０〜４５％とすることが好ましい。

本発明により、隔壁と封止部の気孔率が異なる主としてチタン酸アルミニウムからなるハニカムフィルタにおいて、両者の熱膨張係数を略等しくすることで、上記割れの発生を防止することができるハニカムフィルタを得ることができる。

次に本発明を実施例により具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例では、以下のように材料粉末等を混合混練して、まず隔壁となる坏土を得る。平均粒径が１μｍであるルチル型チタニア粉末と平均粒径が１１μｍであるアルミナ粉末とを、チタニアのモル％／アルミナのモル％が５０／５０になるように秤量したもの９７質量部に対して、平均粒径が８μｍであるムライト粉末を３質量部添加し、さらに発泡済み有機発泡剤を１２質量部、バインダー、その他の添加剤を加えて、混合した後、水を加えて混練し、可塑性坏土を作成する。次に、押出し成形用金型を用いて上記坏土を押出し成形し、切断して、ハニカム構造を有する成形体とする。次にこの成形体を、乾燥、焼成し、チタン酸アルミニウム質セラミックハニカム構造体を得る。このセラミックハニカム構造体は、外径は５０ｍｍ、長さは１３０ｍｍ、隔壁の厚さは０．３ｍｍ、隔壁ピッチは１．５ｍｍである。次に以下のように材料粉末等を混合混練して、封止部となるスラリーを得る。平均粒径が１μｍであるルチル型チタニア粉末と平均粒径が１１μｍであるアルミナ粉末とを、チタニアのモル％／アルミナのモル％が５０／５０になるように秤量したもの９５質量部に対して、平均粒径が８μｍであるムライト粉末を５質量部添加し、さらに発泡済み有機発泡剤を６質量部加えて混合した後、水を加えて混練し、封止部用スラリーを得る。この封止部用スラリーを上記のチタン酸アルミニウム質セラミックハニカム構造体の流路に公知の方法で挿入した後、乾燥焼成し、流路の一端を封止部で目封止したハニカムフィルタを得る。

上記の方法にて実施例１のハニカムフィルタを２ヶ製造し、内１ヶを切断して隔壁の気孔率測定用のテストピースを作成し、水銀圧入法により隔壁の気孔率を測定する。また、上記封止部用スラリーを用いて封止部の気孔率測定用のテストピースを成形し、この成形体を上記ハニカムフィルタの焼成と同条件で焼成して、封止部の気孔率測定用のテストピースを作成し、水銀圧入法により封止部の気孔率を測定する。また、本実施例では添加するムライト粉末の質量部を隔壁または封止部のムライト含有率とするが、他の方法としてハニカムフィルタよりムライト含有率測定用のテストピースを作成し、Ｘ線回折装置により封止部と隔壁の各ムライト含有率を測定することもできる。また切断したハニカムフィルタより隔壁の熱膨張係数測定用のテストピース（長さ５０ｍｍ）を作成し、４０〜８００℃における流路方向の平均線膨張係数を測定して、これを隔壁の熱膨張係数とする。また上記封止部用スラリーを用いて、上記封止部の気孔率測定用のテストピースと同様に熱膨張係数測定用のテストピース（長さ５０ｍｍ）作成し、４０〜８００℃における平均線膨張係数を測定して、これを封止部の熱膨張係数とする。実施例１における、封止部と隔壁の各気孔率、各ムライト含有率、各熱膨張係数を表１に記す。

次に、上記の残りのハニカムフィルタ１ヶを用いて、ハニカムフィルタの高温時の割れ発生状態を調査する。まず、排気ガス流入側端面８側より微粒子発生器により空気流量２Ｎｍ^３／ｍｉｎで、粒径０．０４２μｍのカーボン粉を３ｇ／ｈで１時間投入し、ハニカムフィルタの隔壁にカーボン粉を堆積させる。次にハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８側より８００℃の空気を０．１Ｎｍ^３／ｍｉｎで５分間流し、カーボン粉を燃焼させる。次にハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８側より５０℃の空気を０．１Ｎｍ^３／ｍｉｎで５分間流しハニカムフィルタを冷却する。上記カーボン粉の投入、燃焼、冷却をさらに２０回同様に繰り返した後、ハニカムフィルタを切断して割れの有無を確認する。結果を表１に示す。なお、表１において評価は、割れを確認できないものを◎、実使用に影響がない程度の割れを確認したものを○、実使用に影響のある割れを確認したものを×として示す。

（実施例２〜８、比較例１〜４）
実施例２〜４は、実施例１に対して、隔壁となる坏土に混合される発泡済み有機発泡剤とムライトの重量を変化させ、さらに、封止部となるスラリーへ混合されるムライトの重量を変化させる以外は同一である。また、実施例５〜８、および比較例１〜４は、実施例１に対して、隔壁となる坏土に混合される発泡済み有機発泡剤とムライトの重量を変化させ、さらに、封止部となるスラリーへ発泡済み有機発泡剤を添加重量を変更しつつ混合すると共に、スラリーへ混合されるムライトの重量を変化させる以外は同一である。実施例１と同様に隔壁と封止部の気孔率、ムライト含有率、熱膨張係数の測定結果、ハニカムフィルタの高温時の割れ発生状態を調査結果を表１に記す。

表１より、本発明の実施例１〜８のハニカムフィルタにおいては、ハニカムフィルタの高温時の割れ発生状態が○または◎判定となっている。これに対して比較例１〜２では、隔壁の気孔率が封止部の気孔率よりも大きく、かつ、隔壁のムライト含有率が封止部のムライト含有率と同じかあるいはより大きいために、割れが発生し、比較例３〜４では、封止部の気孔率が隔壁の気孔率よりも大きく、かつ、封止部のムライト含有率が隔壁のムライト含有率と同じかあるいはより大きいために、割れが発生している。上記より本発明のハニカムフィルタの有意性が確認できる。

本発明のハニカムフィルタの構造の一例を示す断面拡大図である。ハニカムフィルタの構造を示す模式図である。

符号の説明

１：外周壁
２：隔壁
３：流路
６：封止部
８：排気ガス流入側端面
９：排気ガス流出側端面
１０：ハニカムフィルタ
１５：気孔

Claims

多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を封止部で目封止することによりハニカム構造体の隔壁に排気ガスを通過させる構造のセラミックハニカムフィルタであって、前記隔壁と前記封止部は主成分としてチタン酸アルミニウムからなるとともにムライトを含有し、前記隔壁と前記封止部のうち、気孔率の小さい方のムライト含有率が気孔率の大きい方のムライト含有率よりも大きいことを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
前記隔壁と前記封止部のうち、ムライト含有率が小さい方のムライト含有率が５％以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックハニカムフィルタ。
前記隔壁と前記封止部のうち、ムライト含有率が大きい方のムライト含有率が３５％以下であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタ。