JP2009011909A

JP2009011909A - ハニカム構造体

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Publication number: JP2009011909A
Application number: JP2007175077A
Authority: JP
Inventors: Koji Tsuneyoshi; 孝治常吉
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: JP5208458B2

Abstract

【課題】排気中の粒子状物質（ＰＭ）の捕集効率が高く、初期圧力損失が小さいと共に、ＰＭの捕集に伴う圧力損失の増大が抑制されたハニカム構造体を提供する。
【解決手段】ハニカム構造体は、多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えたハニカム構造体であって、水銀圧入法により測定された前記隔壁の気孔直径の平均値が１μｍ〜２０μｍであり、前記気孔直径を常用対数で表した場合の気孔径分布の標準偏差が０．２０以下であり、前記隔壁の厚さが０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍとされている。
【選択図】なし

Description

本発明は、ハニカム構造体に関するものであり、特に、ディーゼルエンジンの排気から粒子状物質を除去するために適したハニカム構造体に関するものである。

ディーゼルエンジンから排出されるガスに含まれるスス等の粒子状物質（パティキュレートマター。以下、「ＰＭ」と称する）を捕集し、除去するフィルタとして、従来より、多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された、複数のセルを備えるハニカム構造体が用いられている。このようなハニカム構造体では一般的に、一端が封止されたセルと他端が封止されたセルとが交互に配されており、ガスは一方向に開口したセルから流入し、多孔質の隔壁を通過してから、他方向に開口したセルから流出する。そして、ガスが隔壁を通過する際に、ガス中のＰＭが多孔質の隔壁の表面及び気孔内に捕集され、除去される。

そのため、気孔径が大きすぎる場合は、捕集されずに隔壁を通過してしまうＰＭが増加し、捕集効率が低下する。一方、気孔径が小さすぎる場合は、ガスの通過に対する抵抗により圧力損失が大きくなり、エンジンへの負荷が増大する。そこで、隔壁を構成する多孔質セラミックスの気孔径及び気孔径分布を制御することにより、相反する関係にある捕集効率と圧力損失との調和を図ったフィルタが提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

これらのフィルタは、隔壁の気孔径を限られた狭い範囲内となるように設定することにより、ＰＭの捕集に適した気孔の相対数を多くすることを意図したものであり、水銀圧入法によって測定された気孔径の平均値を、前者（特許文献１）では１μｍ〜１５μｍ、後者（特許文献２）では２０μｍ〜６０μｍとし、気孔径を常用対数で表した場合の気孔径分布における標準偏差を、共に０．２０以下としている。

特許３２７２７４６号公報特開２００２−２４２６５５号公報

しかしながら、ハニカム構造体でＰＭを捕集するためには、ガスが隔壁を通過しなくてはならないため、隔壁の厚さによっても圧力損失の大きさが左右されてしまい、上記のように気孔径や気孔径分布を制御したとしても、捕集効率が高く圧力損失の小さいハニカム構造体として不充分であるという問題があった。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、排気中の粒子状物質（ＰＭ）の捕集効率が高く、初期圧力損失が小さいと共に、ＰＭの捕集に伴う圧力損失の増大が抑制されたハニカム構造体の提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるハニカム構造体は、「多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えたハニカム構造体であって、水銀圧入法により測定された前記隔壁の気孔直径の平均値が１μｍ〜２０μｍであり、前記気孔直径を常用対数で表した場合の気孔径分布の標準偏差が０．２０以下であり、前記隔壁の厚さが０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍである」ものである。

「セラミックス」は特に限定されず、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト等を使用することができる。

「水銀圧入法」は、圧力をかけて水銀を開気孔に浸入させ、圧力値とそのときに浸入した水銀の体積とを用いて、円柱状と仮定した気孔の径をＷａｓｈｂｕｒｎの式から算出する方法であり、セラミックス成形体について規定されたＪＩＳＲ１６５５を準用することができる。また、「水銀圧入法により測定された気孔直径の平均値」とは、累積気孔体積が全気孔体積の５０％のときの直径（メディアン径）を指している。

気孔径及び気孔径分布を、ＰＭの捕集に適する範囲に制御した場合、捕集開始後の初期においては、ＰＭが捕集されつつガスの流路も確保されるが、ＰＭの堆積が進むと、それに伴ってガスの通過に対する抵抗が増加し、圧力損失が増大する。そして、ガスの通過に対する抵抗は、隔壁が厚いほど大きなものとなる。一方、隔壁を薄いものとすれば、ガスの通過に対する抵抗は減少し、ＰＭの堆積に伴って圧力損失が増大する程度も低減されると考えられる反面で、隔壁と隔壁との間に空隙を有するハニカム構造体の機械的強度が低下するおそれがある。仮に、ハニカム構造の機械的強度が不充分で、隔壁にクラックが生じることとなれば、クラックを介してガスが通過してしまい、ＰＭが隔壁に捕集されないため、隔壁の気孔をＰＭの捕集に適するよう制御したことも無意味に帰すこととなる。

発明者は、検討の結果、水銀圧入法により測定された隔壁の気孔直径の平均値を１μｍ〜２０μｍとし、かつ、気孔径を常用対数で表した場合の気孔径分布の標準偏差が０．２０以下としたハニカム構造体において、隔壁の厚さを０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍとすることにより、機械的強度を維持しつつ、ＰＭの堆積に伴う圧力損失の増大を抑制できることを見出した。隔壁の厚さが０．７ｍｍを超えた場合は、初期圧力損失が大きくなると共に、ＰＭの堆積に伴ってガスの通過抵抗が増大する程度が増し、圧力損失の増大が著しいものとなる。一方、隔壁の厚さが０．０５ｍｍ未満である場合は、機械的強度が低下し、隔壁にクラックが発生するおそれが大きなものとなる。なお、隔壁の厚さは、０．１ｍｍ〜０．７ｍｍであればより望ましく、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであれば更に望ましい。

従って、上記構成の本発明によれば、隔壁の気孔径及び気孔径分布を、ＰＭの捕集に適した範囲に制御し、かつ、機械的強度の低下を招くおそれを低減できる程度に隔壁の厚さを小さくすることにより、初期圧力損失の小ささを維持しつつ、高い捕集効率でＰＭを捕集することができる。

本発明にかかるハニカム構造体は、「前記多孔質セラミックスは、炭化珪素である」ものとすることもできる。

上記構成の本発明によれば、多孔質セラミックスとして、高強度で耐熱性に優れる炭化珪素を用いることにより、空隙の多い構造であり、高温の環境下で使用されるハニカム構造体として、より適したものとなる。また、優れた耐熱性を有することにより、堆積したＰＭを燃焼させるためにハニカム構造体を加熱する場合であっても、加熱による変形や溶損の生じ難いものとなる。

以上のように、本発明の効果として、排気中のＰＭの捕集効率が高く、初期圧力損失が小さいと共に、ＰＭの捕集に伴う圧力損失の増大が抑制されたハニカム構造体を提供することができる。

以下、本発明の最良の一実施形態であるハニカム構造体について、図１乃至図４に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態のハニカム構造体の構成を模式的に示す（ａ）側断面図、及び（ｂ）横断面図であり、図２は平均気孔直径と初期圧力損失との関係を示すグラフであり、図３は平均気孔直径と圧縮強度との関係を示すグラフであり、図４は隔壁の厚さと圧力損失との関係を示すグラフであり、図５は本実施形態のハニカム構造体についてＰＭ堆積量の増加に伴う圧力損失の変化を比較例と対比して示すグラフである。なお、本実施形態では、本発明のハニカム構造体を、ディーゼルエンジンの排気からＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と称する）として適用する場合を例示する。

本実施形態のハニカム構造体１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁２により区画された複数のセル３を備え、水銀圧入法により測定された隔壁２の気孔直径の平均値が１μｍ〜２０μｍであり、気孔直径を常用対数で表した場合の気孔径分布の標準偏差が０．２０以下であり、かつ、隔壁の厚さｄが０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍとされている。なお、図１（ａ）はガスが流入・流出する方向に平行な側断面図であり、図１（ｂ）はこれに直交する横断面図である。

より詳細に説明すると、本実施形態の多孔質セラミックスは炭化珪素であり、列設された複数のセル３は、一方向に開放したセル３ａと他方向に開放したセル３ｂとが交互となるように、それぞれのセル３の一端が封止部６によって封止されている。

かかる構成のハニカム構造体１０では、図１（ａ）に一点鎖線で示したように、ＰＭを含むディーゼル排気をセル３ａの開端から流入させると、ガスは多孔質の隔壁２を通過してから、他方向に開口したセル３ｂの開端から流出する。そして、ガスが隔壁２を通過する際に、隔壁の表面及び気孔内にＰＭが捕集される。

次に、気孔径と初期圧力損失、及び気孔径と圧縮強度との関係について検討した結果を示す。検討には、平均気孔直径以外は上記の構成であり、気孔率約５７％、セル密度１６９セル／平方インチ（２．６２セル／１０^−３ｍ^２）であるハニカム構造体について、平均気孔径（直径）の異なるものを複数作製して使用した。また、初期圧力損失は、サイズが直径約１００ｍｍ，長さ約１４０ｍｍの円柱状のハニカム構造体を、ＰＭを全く捕集させていない状態でガス流路に設置し、流量５Ｎｍ^３／ｍｉｎの空気を流通させ、流入側と流出側の差圧を測定して求めた。なお、平均気孔径は、島津製作所製ポアサイザ９３１０を使用して水銀圧入法により測定した気孔径分布からメディアン径として求めた。また、気孔率は、アルキメデス法により求めた。

その結果、図２に示すように、平均気孔直径が約２５μｍ以上の範囲では、初期圧力損失はほぼ一定で６ｋＰａ未満と小さいが、平均気孔径が十数μｍより小さくなると、初期圧力損失は急激に増大した。

一方、上記の複数のハニカム構造体について、ガスを流通させる方向（Ａａｘｉｓ）及びこれに直交する方向（Ｂａｘｉｓ）の圧縮強度を、自動車技術会規格ＪＡＳＯＭ５０５−８７に基づきクロスヘッドスピード１ｍｍ／ｍｉｎで測定し、気孔径と圧縮強度との関係について調べた。その結果を、図３に示す。一般的に、機械的強度と気孔径とは相反する関係にあるが、図３においてもその傾向は顕著であり、２０μｍ前後を境として、それより気孔直径が大きくなると、圧縮強度は大きく低下した。

以上の結果より、気孔径が大きいほど初期圧力損失を小さくすることができるが、機械的強度をある程度維持しつつ、気孔直径を大きくすることができる限度は、２０μｍ程度であると考えられた。従って、上記のように、気孔直径の平均値が１μｍ〜２０μｍに設定された本実施形態のハニカム構造体によれば、機械的強度をある程度維持しつつ、初期圧力損失を小さく抑えることができる。

次に、隔壁の厚さと圧力損失との関係について検討した結果を示す。検討のために用いたハニカム構造体は、以下の方法により作製した。まず、平均粒径（直径）１２μｍのＳｉＣ粉末７５重量％、平均粒径（直径）１０μｍのＳｉ_３Ｎ_４粉末２０重量％、及び、平均粒径（直径）１５μｍのＣ粉末５重量％の混合粉末を、有機バインダー（メチルセルロース）、水、界面活性剤と混合、混練し、次いで、混練物を押出成形によりハニカム状に成形した。このとき、押出成形の金型の設定により、隔壁の厚さの異なるものを複数種類作製した。その後、それぞれの成形体を、非酸化性雰囲気下で２３００℃，１０分間焼成することにより、ハニカム構造体を作製した。なお、それぞれのハニカム構造体は、何れもセル密度を２００セル／平方インチ（３．１０セル／１０^−３ｍ^２）とし、直径約１４０ｍｍ，長さ約１５０ｍｍの円柱状とした。

得られたハニカム構造体について、上記の装置を用いて、水銀圧入法により気孔径分布を測定し、累積気孔径分布より平均気孔直径（メディアン径）を求め、更に、水銀圧入法により測定された気孔直径を常用対数で表した場合の気孔径分布の標準偏差を求めたところ、平均気孔径は８μｍ、標準偏差は０．１６であった。

隔壁の厚さの異なる上記のハニカム構造体を、それぞれガス流路に設置し、ＰＭを含むガスを流量５Ｎｍ^３／ｍｉｎで流通させ、ＰＭがハニカム構造体の体積１リットル当たり２ｇ（ハニカム構造体１ｍ^３当たりＰＭ２ｋｇ）堆積した時点で、流入側と流出側の差圧を測定した。その結果を、図４に示す。

図４から明らかなように、隔壁の厚さが増加するほど圧力損失は大きくなり、圧力損失が増大する程度は、隔壁の厚さが大きくなるほど著しいものであった。そして、隔壁の厚さが０．７ｍｍを超えると、圧力損失はほぼ１０ｋＰａとなった。ここで、圧力損失が１０ｋＰａを超えると、エンジンの負荷が大きくなるため、１０ｋＰａは、通常ＰＭを燃焼させてＤＰＦを再生させる目安とする値である。これにより、隔壁の厚さは、０．７ｍｍ以下とすることが適切であると考えられた。

以下、本実施形態の具体的な実施例について、比較例と対比しつつ説明する。実施例及び比較例１，２のハニカム構造体は、隔壁の厚さを除き、上記と同様に作製した。隔壁の厚さは、表１に示すように、実施例では０．３ｍｍ、比較例１では１．２ｍｍ、比較例３では０．０３ｍｍとした。すなわち、比較例１は、隔壁の厚さが０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲を超える例、比較例２は０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲に満たない例である。

次に、実施例及び比較例１，２のハニカム構造体について、圧力損失の評価を行った。評価は、ガス流路に設置したハニカム構造体に、ＰＭを含むガスを流量５Ｎｍ^３／ｍｉｎで流通させ、ＰＭの堆積量の増加に伴う圧力損失の変化を測定することにより行った。その結果を、図５に示す。

図５から明らかなように、実施例ではＰＭが堆積していない時点での初期圧力損失も非常に小さく、ＰＭの堆積に伴い圧力損失は緩やかに増加したものの、圧力損失の小さい値が維持された。これに対し、隔壁が厚い比較例１では、初期圧力損失も実施例の４倍程度と大きく、更に、ＰＭの堆積に伴って圧力損失は大きく上昇し、実施例の圧力損失との差もＰＭが堆積するほど広がった。このことから、隔壁が厚い場合には、堆積したＰＭがガスの通過抵抗に与える影響は、極めて大きいと考えられた。

比較例２では、ガスの流通により隔壁に亀裂が生じ、亀裂を介してガスが流通してしまい、ＰＭの捕集を行うことができなかった。また、圧力損失の評価も正しく行うことができなかった。

以上のように、「水銀圧入法により測定された気孔直径の平均値が１μｍ〜２０μｍ」「気孔直径を常用対数で表した場合の気孔径分布の標準偏差が０．２０以下」の二要件を満たすのみでは、実用的なＤＰＦとして使用するハニカム構造体として不充分であり、隔壁の厚さが適切に設定されることが必要であると考えられた。そして、隔壁の厚さを０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍとすることにより、亀裂の発生などの機械的強度の低下を招くおそれを低減できる限度で隔壁を薄くすることができ、初期圧力損失を小さくできると共に、初期圧力損失の小ささを維持しつつ、高い捕集効率でＰＭを捕集することができると考えられた。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態では、多孔質セラミックスとして炭化珪素を用いた場合を例示したが、これに限定されず、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト等を使用することができる。また、熱膨張率が小さく耐熱衝撃性に優れたチタン酸アルミニウム等を使用することもできる。

また、本発明のハニカム構造体をＤＰＦとして適用する場合を例示したが、これに限定されず、例えば、ガソリンエンジンやボイラー等の内燃機関から排出されるガスを浄化するフィルタとして、広く適用することができる。

本実施形態のハニカム構造体の構成を模式的に示す（ａ）側断面図、及び（ｂ）横断面図である。平均気孔直径と初期圧力損失との関係を示すグラフである。平均気孔直径と圧縮強度との関係を示すグラフである。隔壁の厚さと圧力損失との関係を示すグラフである。本実施形態のハニカム構造体についてＰＭ堆積量の増加に伴う圧力損失の変化を比較例と対比して示すグラフである。

符号の説明

２隔壁
３，３ａ，３ｂセル
６封止部
１０ハニカム構造体

Claims

多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えたハニカム構造体であって、
水銀圧入法により測定された前記隔壁の気孔直径の平均値が１μｍ〜２０μｍであり、
前記気孔直径を常用対数で表した場合の気孔径分布の標準偏差が０．２０以下であり、
前記隔壁の厚さが０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍである
ことを特徴とするハニカム構造体。
前記多孔質セラミックスは、炭化珪素であることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。