JP2010281306A - ガス浄化フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】高温下で使用されることがあるガス浄化フィルタであって、フィルタ基体における温度分布が不均一であっても亀裂が発生しにくいガス浄化フィルタを提供する。
【解決手段】ガスの流通路に配設されてガス中の物質を捕集するガス浄化フィルタであって、多孔質セラミックス焼結体で形成され単一の軸方向Ｚに延びて列設された隔壁４により区画された複数のセル５からそれぞれ構成された複数のセグメント部１０、及び、隣接するセグメント部を連結する連結部１１を備えるフィルタ本体１ａを具備し、連結部は、セグメント部と一体のセラミックス焼結体で形成されていると共に、軸方向の長さＬがセグメント部の軸方向の長さＮより短く、フィルタ本体は、隣接するセグメント部が連結部によって連結されている一体型フィルタ部Ｃｆ、及び、隣接するセグメント部間に連結部が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス浄化フィルタに関するものであり、特に高温下で使用されることがあるガス浄化フィルタに関するものである。

高温下で使用されるフィルタの多くでは、加熱されることに起因する亀裂の発生が問題となる。例えば、ディーゼルエンジンから排出されるガスに含まれる粒子状物質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」と称することがある）は、捕集された粒子状物質がある程度堆積した時点で、自己発熱または外部加熱によって粒子状物質を燃焼させる再生処理が行われる。その際に、フィルタ基体における温度分布が不均一になると、熱応力によりフィルタ基体に亀裂が発生するおそれがある。そして、フィルタ基体に亀裂が発生すると、ＤＰＦによって捕集されずに排ガスと共に排出される粒子状物質が増大してしまう。

そこで、従前より、フィルタ基体を複数のセグメントの接合により形成し、セグメント間のシール材層によって熱応力の緩和が図られた接合型のＤＰＦが提案され（例えば、特許文献１参照）、実施されている。ここで、特許文献１の技術は、複数のセグメントを無機繊維，無機バインダー，有機バインダー，及び無機粒子からなるシール材で接着し、各セグメントにおいて発生する熱応力をシール材層で吸収・緩和すると共に、シール材層によって複数のセグメントを強固に接合しようとするものである。

しかしながら、上記のように複数のセグメントがシール材で接合された従来の接合型ＤＰＦでは、熱応力が十分に緩和されているとは言えないのが現状である。例として、炭化珪素質のセラミックスで形成されたセグメントの複数を、炭化珪素質のシール材で接着したＤＰＦ１００について、粒子状物質を堆積させた後に再生処理を行った際の温度分布を図１４に示す。ここで、測定に用いたＤＰＦ１００は、セル密度１５０ｃｐｓｉ，隔壁の厚さ０．４ｍｍのセグメント４個×４個をシール材で接合した後、直径５．６６インチ，長さ１０インチの円柱状に外形を加工したものであり、再生処理は、粒子状物質８ｇ／Ｌを堆積させた段階で、約６８０℃まで排ガス温度を上昇させた後でエンジンを一気にアイドリング状態とし、酸素供給量を増加させた環境下で粒子状物質を燃焼させることにより行った。なお、図１４は、再生処理の開始後３０秒が経過した時点での温度分布を示しており、図中の矢印は排ガスの流通方向を示している。

図１４から、ＤＰＦ１００では再生処理時に温度分布が著しく不均一であることが分かる。即ち、ガス流通の下流側では９００℃以上と極めて高温になっており、上流側である端部とでは約２５０℃の温度差が生じている。また、温度分布は径方向においても不均一であり、下流側ではフィルタ基体の中心部と周縁部とでは約２００℃の温度差が生じている。このように、複数のセグメントが接合された接合型のＤＰＦでは、セグメントの位置によって温度が大きく相違し、これに応じて熱膨張率に著しい差異が生じる。また、一般的に高温になるほど、セグメントを構成する材料の熱膨張率とシール材の熱膨張率との差異も大きくなる。その結果、従来の接合型のＤＰＦでは、シール材層では緩和できないほどの大きな熱応力が発生し、亀裂の発生に至ることが多い。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、高温下で使用されることがあるガス浄化フィルタであって、フィルタ基体における温度分布が不均一であっても亀裂が発生しにくいガス浄化フィルタ、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、本発明にかかるガス浄化フィルタは、
「ガスの流通路に配設されてガス中の物質を捕集するガス浄化フィルタであって、
多孔質セラミックス焼結体で形成され単一の軸方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルからそれぞれ構成された複数のセグメント部、及び、隣接する前記セグメント部を連結する連結部を備えるフィルタ本体を具備し、
前記連結部は、前記セグメント部と一体のセラミックス焼結体で形成されていると共に、前記軸方向の長さが前記セグメント部の前記軸方向の長さより短く、
前記フィルタ本体は、隣接する前記セグメント部が前記連結部によって連結されている一体型フィルタ部、及び、隣接する前記セグメント部間に前記連結部が存在しない分離型フィルタ部から構成されている」ものである。

セグメント部を構成する「多孔質セラミックス焼結体」としては、炭化珪素質、窒化珪素質、コージェライト質、アルミナ質、ムライト質セラミックス等の多孔質焼結体を使用することができる。

連結部を構成する「セラミックス焼結体」は、多孔質であっても緻密質であっても良いが、多孔質であれば連結部によってもフィルタリング作用が発揮される。また、連結部を構成するセラミックス材料の種類は、セグメント部を構成するセラミックス材料の種類と同じであっても相違していても良いが、両者の熱膨張率が近い方が望ましい。

連結部が「前記セグメント部と一体のセラミックス焼結体で形成されている」構成としては、セグメント部の未焼成体と連結部の未焼成体とが焼結によって一体化した構成、セグメント部と連結部とが一体成形された後に焼成された構成、を例示することができる。

本発明は、複数のセグメント部を連結している連結部が、軸方向の長さにおいてセグメント部より短いことを特徴としている。この点で、上記のように、複数のセグメントのそれぞれが、軸方向の全長にわたり、シール材層を介して隣接するセグメントと接着されている従来のフィルタと大きく相違している。

上記構成の本発明のガス浄化フィルタでは、複数のセグメント部のそれぞれが、隣接するセグメント部と部分的にしか連結されていない。そのため、隣接するセグメント部が連結されていない分離型フィルタ部においては、各セグメント部は隣接するセグメント部によって動きを制限されることなく、伸縮することが可能である。即ち、温度分布が不均一となって、セグメント部ごとに熱膨張率に差異が生じても、個々のセグメント部はそれぞれの熱膨張率で熱膨張する自由度が高い。これにより、熱膨張率の差異に起因して、フィルタ本体に亀裂が発生することが抑制される。

加えて、本発明では、複数のセグメント部を連結している連結部が焼結体であることも特徴である。この点でも、無機粉末等をバインダーと混合して得たペースト状のシール材をセグメントの表面に塗布し、隣接するセグメントと接着した後、乾燥処理のみが行われてシール材層が形成されている従来の接合型フィルタと相違する。従来のフィルタでは、シール材層の弾性によって熱応力を緩和することを意図しているため、シール材層が焼成されることはない。これに対し、本発明では、セグメント部間に発生する熱応力を連結部によって緩和させるのではなく、連結部の長さを短くし、個々のセグメント部をそれぞれの熱膨張率に応じて、できるだけ自由に熱膨張させることにより熱応力の発生を抑制する。そのため連結部は、部分的な連結であってもセグメント部間を強固に連結させられることが必要となる。

そこで、本発明では、連結部をセグメント部と一体の焼結体とした。セラミックスの焼結体は、一般的に焼結していないセラミックス材料に比べて常温及び高温下での機械的強度が高い。従って、一体型フィルタ部において、複数のセグメント部は連結部を介して強固に一体化されており、複数のセグメント部の集合体としてのフィルタ本体の形態が保持され易いものとなっている。これにより、複数のセグメント部が部分的にのみ連結されている構成であっても、フィルタ本体の外形を切削加工する作業や、フィルタ本体をケーシング缶にセットする作業（キャニング）を、支障なく行うことができる。

更に、分離型フィルタ部においては、セグメント部において最外周に位置するセルに流入したガスは、隔壁を通過してセグメント部間の空間を流通する。そのため、隣接するセグメント部がシール材で接着されており、シール材層中はガスが流通することができない従来の接合型のフィルタと比べて、本発明のガス浄化フィルタはフィルタリングの効率が高いと共に、圧力損失が小さいという利点も有している。

本発明にかかるガス浄化フィルタは、
「前記一体型フィルタ部は、前記フィルタ本体においてガス流通の上流側となるべき端部側に形成されており、
前記分離型フィルタ部は、前記フィルタ本体においてガス流通の下流側となるべき端部側に形成されている」ものとすることができる。

ガス浄化フィルタがＤＰＦとして用いられた場合、再生処理の際には、上述のように、ガス流通の下流側では上流側に比べてセグメント部が極めて高温となると共に、下流側では上流側に比べて温度分布が著しく不均一となりやすい。

上記構成の本発明では、複数のセグメント部が連結部で連結されていることにより、セグメント部の個々の伸縮が制限されている一体型フィルタ部は、再生処理の際にセグメント部の温度がさほど高くならず、且つ、セグメント部間の温度差も大きくない上流側である。そのため、一体型フィルタ部において個々のセグメント部の自由な伸縮が制限されていることは、熱応力に起因する亀裂の発生につながりにくい。一方、セグメント部が連結されていない分離型フィルタ部は、再生処理時にセグメント部の温度が極めて高温となることがあり、セグメント部間の温度差も大きくなりやすい下流側に設けられているため、個々のセグメント部がそれぞれの熱膨張率に応じて自由に熱膨張することができるという本発明の作用を、より効果的に得ることができる。

本発明にかかるガス浄化フィルタは、
「前記連結部は、前記一体型フィルタ部において、隣接する前記セグメント部間を閉塞している閉塞型連結部である」ものとすることができる。

隣接するセグメント部間が閉塞型連結部で閉塞されていることから、当然ながら、フィルタ本体において上流側の端部から下流側の端部まで、隣接するセグメント部間に貫通する空間は存在しない。なお、ここでは、連結部の内部に存在する連続気孔については、上記の“セグメント部間に貫通する空間”という概念に含めていない。

従って、上記構成の本発明によれば、ガス中の物質が捕集されることなく、隣接するセグメント部間を介して外部に排出される事態が防止されている。

本発明にかかるガス浄化フィルタは、
「前記連結部は、隣接する前記セグメント部間を前記軸方向に垂直な方向に架橋している架橋型連結部であって、架橋している方向に垂直な方向の幅は、隣接する前記セグメント部において互いに対面している側面の前記軸方向に垂直な方向の長さより短く、
前記セグメント部及び前記架橋型連結部の間には、未焼成の充填材によって未焼成材充填層が形成されている」ものとすることができる。

架橋型連結部の「架橋している方向に垂直な方向の幅」とは、換言すれば、架橋型連結部の軸方向に垂直な二方向の長さのうち、隣接するセグメント部間の距離に相当する長さ、ではない方の長さである。

「未焼成材充填層」は、炭化珪素・アルミナ・ムライト等のセラミックス粉末あるいはセメント等の無機材料粉末を、無機バインダー及び／又は有機バインダーと混合して得た充填材を、隣接するセグメント部間に充填した後、焼成することなく、有機成分や水分を除去するための熱処理を行うことによって形成することができる。なお、充填材には、アルミナ繊維等のセラミックス繊維を添加しても良い。

本発明の連結部は架橋型連結部であって、その幅は、連結部によって連結されているセグメント部の辺（即ち、セグメント部が隣接するセグメント部と対面している側面の軸方向に垂直な方向の長さ）より短いため、セグメント部の前記辺の全長にわたる幅で架橋する構成を採用した場合に比べて機械的強度が低い。そのため、万一、一体型フィルタ部に大きな熱応力が発生した場合には、架橋型連結部が破壊しやすく、その破壊によって熱応力を吸収・緩和することができる。

また、セグメント部より幅の短い架橋型連結部及びセグメント部間に生じる空間が、未焼成の充填材で充填され閉塞されていることにより、ガス中の物質が捕集されることなく、隣接するセグメント部間の空間を介して外部に排出されることが防止されている。そして、この充填材層は未焼成の充填材によって形成されているため、焼結体に比べれば機械的強度が低く、架橋型連結部の破壊によって熱応力を吸収・緩和するという作用が、充填材の存在によって妨げられることがないものとなっている。

本発明にかかるガス浄化フィルタは、
「前記分離型フィルタ部において隣接する前記セグメント部間に、前記セグメント部の表面に接着されていない充填材によって非接着材充填層が形成されている」ものとすることができる。

「非接着材充填層」としては、セラミックス繊維やシート状のセラミックス材料が、隣接するセグメント間に単に挿入されることにより形成された層を例示することができる。

フィルタ本体において分離型フィルタ部の占める割合が大きい場合、換言すれば、各セグメント部において他のセグメント部と連結されていない部分が長い場合は、ガス浄化フィルタの使用に際して、各セグメント部が振動しやすくなるおそれがある。これに対し、本発明では、分離型フィルタ部のセグメント部間に充填材の層が設けられているため、各セグメント部の振動を低減することができる。

加えて、セグメント部間に充填された充填材は、セグメント部の表面に接着されていないため、セグメント部に対して相対的に摺動可能である。これにより、各セグメント部は自由な伸縮を充填材によって制限されることがなく、個々のセグメント部がそれぞれの温度に応じた熱膨張率で自由に熱膨張できるという本発明の作用効果が、妨げられることのないものとなっている。

以上のように、本発明の効果として、高温下で使用されることがあるガス浄化フィルタであって、フィルタ基体における温度分布が不均一であっても亀裂が発生しにくいガス浄化フィルタ、を提供することができる。

本発明の第一実施形態におけるフィルタ本体の（ａ）上流側から見た平面図、（ｂ）Ａ−Ａ線端面図、（ｃ）一体型フィルタ部を軸方向に垂直な面で切断した端面図、（ｄ）分離型フィルタ部を軸方向に垂直な面で切断した端面図である。 第一実施形態におけるフィルタ本体が非接着材充填層を更に備える場合のＡ−Ａ線端面図である。 （ａ）図１のフィルタ本体の製造方法を示す工程図、図２のフィルタ本体の製造方法を示す工程図である。 図１及び図２のフィルタ本体の製造に用いるセグメント成形体の（ａ）斜視図、（ｂ）一方の端部近傍において軸方向に垂直な面で切断した断面図である。 第一実施形態のフィルタ本体の製造について貼合工程を説明する図である。 図１のフィルタ本体の製造について、外周加工工程を行う前のフィルタ本体の焼結体の（ａ）上流側から見た平面図、（ｂ）側面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線端面図、（ｄ）Ｃ−Ｃ線端面図、（ｅ）Ｄ−Ｄ線端面図、（ｆ）Ｅ−Ｅ線端面図である。 本発明の第二実施形態におけるフィルタ本体の（ａ）上流側から見た平面図、（ｂ）ア−ア線端面図、（ｃ）イ−イ線端面図、（ｄ）分離型フィルタ部を軸方向に垂直な面で切断した端面図である。 図７のフィルタ本体について、一体型フィルタ部の端部近傍において軸方向に垂直な面で切断した断面の部分拡大図である。 第二実施形態におけるフィルタ本体が非接着材充填層を更に備える場合のイ−イ線端面図である。 第二実施形態のフィルタ本体を製造するための成形体におけるア−ア線端面に相当する端面図である。 図７のフィルタ本体の製造方法を示す工程図、図９のフィルタ本体の製造方法を示す工程図である。 閉塞型連結部を備えるフィルタ本体の他の実施形態について、軸中心を通り軸方向に平行な面で切断した端面図である。 架橋型連結部を備えるフィルタ本体の他の実施形態について、ガス流通の下流となるべき端部側で軸方向に垂直な面で切断した端面図である。 従来の接合型ディーゼルパティキュレートフィルタについて、再生処理時の温度分布を説明する図である。

以下、本発明の第一実施形態であるガス浄化フィルタについて、図１乃至図６に基づいて説明する。ここでは、ディーゼルエンジンから排出されるガスの流通路に配設されてガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタに、本発明のガス浄化フィルタを適用する場合を例示する。なお、焼結体は熱収縮により成形体より全体的にサイズが小さくなるが、このようなサイズ差については図面では表していない。

第一実施形態のガス浄化フィルタは、図１に示すように、多孔質セラミックス焼結体で形成され単一の軸方向Ｚに延びて列設された隔壁４により区画された複数のセル５からそれぞれ構成された複数のセグメント部１０、及び、隣接するセグメント部１０を連結する連結部１１を備えるフィルタ本体１ａを具備し、連結部１１は、セグメント部１０と一体のセラミックス焼結体で形成されていると共に、軸方向Ｚの長さＬがセグメント部１０の軸方向Ｚの長さＮより短く、フィルタ本体１ａは、隣接するセグメント部１０が連結部１１によって連結されている一体型フィルタ部Ｃｆ、及び、隣接するセグメント部１０間に連結部１１が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆから構成されている。

ここで、各セグメント部１０において複数のセル５は、一方向に開放したセルと他方向に開放したセルとが交互となるように、それぞれの一端が封止部６によって封止されている。このようにセル５が交互に封止されていることにより、セグメント部１０の軸方向Ｚが排ガスの流通方向に一致するようにガス浄化フィルタをガスの流通路に配設すると、排ガスは上流側に開口したセル５から流入し、多孔質の隔壁４を通過してから下流方向に開口したセルから流出するため、ガスが隔壁４を通過する際に、隔壁４の表面及び気孔内に排ガス中の粒子状物質が捕集される。

第一実施形態のフィルタ本体１ａについてより詳細に説明すると、一体型フィルタ部Ｃｆはフィルタ本体１ａの一端側に形成されており、残部が分離型フィルタ部Ｓｆとなっている。より具体的には、一体型フィルタ部Ｃｆはフィルタ本体１ａにおいてガス流通の上流側となるべき端部Ｅｕ側に形成されており、フィルタ本体１ａにおいてガス流通の下流側となるべき端部Ｅｄ側が分離型フィルタ部Ｓｆとなっている。加えて、連結部１１は図１（ｃ）に示すように、一体型フィルタ部Ｃｆにおいて、隣接するセグメント部間を閉塞している閉塞型の連結部１１である。ここで、閉塞型の連結部１１は本発明の「閉塞型連結部」に相当する。なお、本実施形態では九つのセグメント部１０が連結部１１によって連結されてフィルタ本体１ａが形成されており、フィルタ本体１ａの外形は円柱状である。

また、本実施形態のフィルタ本体は、上記の構成に加え、図２にＡ−Ａ線端面図に相当する端面図を示すように、分離型フィルタ部Ｓｆにおいて隣接するセグメント部１０間に、セグメント部１０の表面に接着されていない充填材により非接着材充填層８が形成されているフィルタ本体１ｂとすることができる。なお、非接着の充填材としては、セラミックス繊維のように弾性に富んだ材料とすれば、セグメント部１０の振動を抑制するのに好適である。また、アルミナ質セラミックスなど熱膨張率の大きな材料でセグメント部１０を形成した場合は、セグメント部１０の自由な熱膨張を充填材によって妨げないためには、摺動性が良好で耐磨耗性に優れる充填材を用いることが望ましく、かかる充填材としては、セグメント部間の空間に嵌め込まれる寸法のシート状に形成されたセラミックス焼結体を例示することができる。

第一実施形態のガス浄化フィルタのフィルタ本体１ａ，１ｂは、例えば、次のように製造することができる。まず、フィルタ本体１ａの製造方法は、図３（ａ）に示すように、単一の軸方向Ｚに延びて列設された隔壁４により区画された複数のセル５からなるセグメント成形体１０ｇを、焼成により多孔質体となる未焼成のセラミックス材料の押出成形により複数成形する成形工程Ｓ１と、各セグメント成形体１０ｇにおいてセル５の一端を交互に封止する目封止工程Ｓ２と、複数のセグメント成形体１０ｇ間に、セラミックス材料で形成され軸方向Ｚの長さがセグメント成形体１０ｇの軸方向Ｚの長さより短い未焼成の連結体１１ｇを配設し、隣接するセグメント成形体１０ｇを連結体１１ｇで貼り合わせる貼合工程Ｓ３と、貼り合わされたセグメント成形体１０ｇ及び連結体１１ｇを焼成し、セグメント成形体１０ｇと連結体１１ｇとを焼結させることにより、セグメント部１０及びセグメント部１０より軸方向Ｚの長さが短い連結部１１が一体化された一体型フィルタ部Ｃｆ、及び、隣接するセグメント部１０間に連結部が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆを備えるフィルタ本体の焼結体１５を得る焼成工程Ｓ４と、フィルタ本体の焼結体１５の外形を加工する外形加工工程Ｓ５とを具備している。

より詳細に説明すると、成形工程Ｓ１では押出成形により、例えば、図４（ａ）に示すような四角柱状のセグメント成形体１０ｇを成形する。ここでは、１８個×１８個のセル５を有し、軸方向Ｚに垂直な方向における断面形状が正方形であるセグメント成形体１０ｇを例示している。次に、目封止工程Ｓ２では、セグメント成形体１０ｇにおいて列設されているセル５のそれぞれについて、セル５の一端または他端のみに目封止材料を充填することにより、図４（ｂ）に示すように、セル５が交互に封止されるように封止部６を形成する。ここで、図４（ｂ）は、セグメント成形体１０ｇの一方の端部近傍において軸方向Ｚに垂直な面で切断した断面図である。

貼合工程Ｓ３では、図５に示すように、九つのセグメント成形体１０ｇを３個×３個配置した上で、隣接するセグメント成形体１０ｇ間に未焼成の連結体１１ｇを配設し、連結体１１ｇによって隣接するセグメント成形体１０ｇを貼り合わせる。このとき、連結体１１ｇの軸方向Ｚの長さはセグメント成形体１０ｇの軸方向Ｚの長さより短いため、連結体１１ｇによってセグメント成形体１０ｇを軸方向Ｚの全長にわたって貼り合わせることはできない。本実施形態では、セグメント成形体１０ｇの一端と連結体１１ｇの端部が一致するように貼り合わせており、より具体的には、セグメント成形体１０ｇにおいて、ガス浄化フィルタの使用時にガス流通の上流側となるべき端部に連結体１１ｇを貼り付けている。なお、未焼成の連結体１１ｇとしては、例えば、セグメント成形体１０ｇに用いられたセラミックス材料と同質のセラミックス材料をバインダーと混合し、得られた粘土状の混合物から形成されたシート材を使用することができる。

このようにして複数のセグメント成形体１０ｇが未焼成の連結体１１ｇで貼り合わされた成形体を、焼成工程Ｓ４で焼成しフィルタ本体の焼結体１５を得る。この焼成工程Ｓ４により、セグメント成形体１０ｇと未焼成の連結体１１ｇとが焼結により強固に結合する。その結果、図６に示すように、セグメント成形体１０ｇが焼結して形成されたセグメント部１０と、連結体１１ｇが焼結して形成された連結部１１とが一体化されている一体型フィルタ部Ｃｆが、ガス流通の上流側となるべき端部Ｅｕ側に形成され、隣接するセグメント部１０間に連結部が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆが、ガス流通の下流側となるべき端部Ｅｄ側に形成された四角柱状のフィルタ本体の焼結体１５が得られる。その後、切削により外形を円柱状に加工する外形加工工程Ｓ５を行うことにより、図１を用いて上述した円柱状のフィルタ本体１ａの焼結体を得ることができる。

なお、上記では、成形工程Ｓ１に引き続いて目封止工程Ｓ２が行われる場合を例示したが、成形工程Ｓ１に引き続いて貼合工程を行い、その後に目封止工程を行うこととしても構わない。

また、図２に示したように、更に非接着材充填層８を備えるフィルタ本体１ｂを製造する場合は、図３（ｂ）に示すように、外形加工工程Ｓ５の後に非接着材充填工程Ｓ６を設ければ良い。

このようにして得られた第一実施形態のフィルタ本体１ａ，１ｂは、外周面を弾性を有する耐熱材料のシート材で被覆しつつキャニングし、軸方向Ｚを排ガスの流通方向と一致させて排ガスの流通路に設置することにより、排ガス中から粒子状物質を捕集し除去するＤＰＦとして使用することができる。

上記の製造方法で製造された上記構成の第一実施形態のガス浄化フィルタによれば、分離型フィルタ部Ｓｆにおいては、各セグメント部１０は隣接するセグメント部１０に動きを制限されることなく自由に伸縮することができるため、温度分布が不均一であっても、個々のセグメント部１０はそれぞれの温度に応じた熱膨張率で熱膨張することができる。これにより、熱膨張率の差異に起因して、フィルタ本体に亀裂が発生することを抑制することができる。

加えて、連結部１１は、焼結によってセグメント部１０と強固に一体化している焼結体であるため、部分的な連結であっても、複数のセグメント部１０の集合体としてのフィルタ本体１ａ，１ｂの形態が保持され易いものとなっている。

また、ＤＰＦとして使用されるガス浄化フィルタは、捕集された粒子状物質を燃焼させて除去する再生処理の際に、ガス流通の下流側では上流側に比べて極めて高温となると共に、温度分布が著しく不均一となる。上記のフィルタ本体１ａ，１ｂでは、再生処理の際に熱応力がそれほど作用しないガス流通の上流側となるべき端部Ｅｕに、各セグメントの自由な伸縮が制限される一体型フィルタ部Ｃｆが設けられ、極めて高温となることがあると共に温度分布が不均一となる下流側の端部Ｅｄに分離型フィルタ部Ｓｆが設けられているため、個々のセグメント部１０の自由な熱膨張により亀裂の発生を抑制するという作用を、効果的に発揮することができる。

更に、第一実施形態では、連結部として閉塞型の連結部１１を用いているため、排ガス中の粒子状物質が、隣接するセグメント部１０間を介して外部に排出される事態が防止されている。また、フィルタ本体１ｂでは、分離型フィルタ部Ｓｆにおいてセグメント部１０間に非接着材充填層８が設けられているため、個々のセグメント部１０の自由な膨張を許容しつつセグメント部１０の振動を抑制することができる。

なお、フィルタ本体１ａ，１ｂにおいて、連結部１１の長さＬが短過ぎるとセグメント部１０を連結する力が弱くなるが、実際に、セグメント部１０の長さＮに対する連結部１１の長さＬの比Ｌ／Ｎが１／３０のときは、貼合工程Ｓ３において未焼成の連結体１１ｇによってセグメント成形体１０ｇを貼り合わせることが困難であった。一方、連結部１１の長さＬがセグメント部１０の長さＮと等しくなるほど長い場合は、分離型フィルタ部Ｓｆにおいて個々のセグメント部１０を自由に熱膨張せるという作用効果が小さいものとなる。そのため、比Ｌ／Ｎは１／２以下であることが望ましい。

また、比Ｌ／Ｎの異なるフィルタ本体を用いて、所定温度の炉内で１５分保持した後、炉外に出して急冷する熱衝撃試験を行ったところ、比Ｌ／Ｎが１／１５〜２／１５のとき、６５０〜７００℃の炉内からの急冷で閉塞型の連結部１１に亀裂が生じた。このことから、比Ｌ／Ｎを上記範囲とすることにより、極めて大きな熱衝撃が加わったときには、一体型フィルタ部Ｃｆで連結部１１に亀裂が生じることで、熱衝撃を吸収できることが分かる。なお、連結部１１に亀裂が生じたとしても、フィルタ本体１ｂのように、連結部１１より下流側に非接着材充填層８が設けられている場合は、非接着材充填層８によって粒子状物質を捕集することが可能であり、セグメント部１０間を介して粒子状物質が外部に排出されることを防止することができる。また、極言すれば、複数のセグメント部１０の集合体としてのフィルタ本体の形態を連結部１１によって保持するという作用は、外形加工工程Ｓ５及びキャニング作業を終えるまで得られれば足りる。即ち、その後の使用においては、非接着材充填層８を適切に設けると共にフィルタ本体の外周面とケーシングとの間に被覆材を適切に充填することにより、仮に連結部１１に亀裂が生じたとしても、フィルタ本体の形態を保持することが可能である。

従って、上記より、比Ｌ／Ｎは１／１５〜１／２とすると好適であり、１／１５〜２／１５とすればより好適である。

次に、第二実施形態のガス浄化フィルタについて、図７乃至図１０を用いて説明する。ここで、第二実施形態のガス浄化フィルタも、第一実施形態と同様にディーゼルエンジンから排出されるガスの流通路に配設されてガス中の粒子状物質を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタである。なお、第一実施形態のガス浄化フィルタと同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

第二実施形態のガス浄化フィルタは、図７及び図８に示すように、多孔質セラミックス焼結体で形成され単一の軸方向Ｚに延びて列設された隔壁４により区画された複数のセル５からそれぞれ構成された複数のセグメント部２０、及び、隣接するセグメント部２０を連結する連結部２１を備えるフィルタ本体２ａを具備し、連結部２１は、セグメント部２０と一体のセラミックス焼結体で形成されていると共に、軸方向Ｚの長さＭがセグメント部２０の軸方向Ｚの長さＮより短く、フィルタ本体２ａは、隣接するセグメント部２０が連結部２１によって連結されている一体型フィルタ部Ｃｆ、及び、隣接するセグメント部２０間に連結部が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆから構成されている。ここで、一体型フィルタ部Ｃｆはフィルタ本体２ａの一端側に形成されており、残部が分離型フィルタ部Ｓｆとなっている。より具体的には、第一実施形態と同様に、一体型フィルタ部Ｃｆはフィルタ本体２ａにおいてガス流通の上流側となるべき端部Ｅｕ側に形成されており、フィルタ本体２ａにおいてガス流通の下流側となるべき端部Ｅｄ側が分離型フィルタ部Ｓｆとなっている。

また、第一実施形態と相違する構成として、連結部は、隣接するセグメント部２０間を軸方向Ｚに垂直な方向に架橋している架橋型の連結部２１であって、架橋している方向に垂直な方向の幅ｄは、隣接するセグメント部２０において互いに対面している側面の前記軸方向Ｚに垂直な方向の長さＷより短く、セグメント部２０及び架橋型の連結部２１の間には、未焼成の充填材により未焼成材充填層２９が形成されている。なお、架橋型の連結部２１は、本発明の「架橋型連結部」に相当する。

具体的には、図８に示すように、連結部２１の幅ｄはセル５を区画する隔壁４の厚さとほぼ等しく、複数のセル分の間隔をおいて、隣接するセグメント部２０の隔壁４が延設されるように連結部２１が形成されている。そして、各セグメント部２０において複数のセル５は、一方向に開放したセルと他方向に開放したセルとが交互となるように、それぞれの一端が封止部６によって封止されている。このようにセル５が交互に封止されていることにより、セグメント部２０の軸方向Ｚが排ガスの流通方向に一致するようにガス浄化フィルタをガスの流通路に配設すると、排ガスは上流側に開口したセル５から流入し、多孔質の隔壁４を通過してから下流方向に開口したセルから流出するため、ガスが隔壁４を通過する際に、隔壁４の表面及び気孔内に排ガス中の粒子状物質が捕集される。なお、図８は、一体型フィルタ部Ｃｆの端部Ｅｕ近傍において軸方向Ｚに垂直な面で切断した断面の一部を拡大して示した図である。また、図７及び後述の図９，図１０は、構成を明示して説明するため、連結部２１の幅を実際より大きく、且つ実際より連結部２１の数を減じて、模式的に図示している。

そして、分離型フィルタ部Ｃｆにおいては、図７（ｄ）に示すように、隣接するセグメント部２０間には連結部が存在せず、空間Ｏｐが形成されている。本実施形態では、空間Ｏｐは、軸方向Ｚに垂直な方向にフィルタ本体を貫通するように開放している。

また、本実施形態のフィルタ本体は、上記の構成に加え、図９にイ−イ線端面図を示すように、分離型フィルタ部Ｓｆにおいて隣接するセグメント部２０間に、セグメント部２０の表面に接着されていない充填材により非接着材充填層８が形成されているフィルタ本体２ｂとすることができる。なお、非接着の充填材としては、第一実施形態に関して上述したものを好適に使用することができる。

第二実施形態のガス浄化フィルタのフィルタ本体２ａ，２ｂは、例えば、次のように製造することができる。まず、フィルタ本体２ａの製造方法は、図１１（ａ）に示すように、単一の軸方向Ｚに延びて列設された隔壁４により区画された複数のセル５からそれぞれ構成された複数のセグメント部２０、及び、隣接するセグメント部２０間を軸方向Ｚに垂直な方向に架橋していると共に、隣接するセグメント部２０を軸方向Ｚの全長にわたり連結している架橋型の連結部２１であって、架橋している方向に垂直な方向の幅が隣接するセグメント部２０において互いに対面している側面の軸方向Ｚに垂直な方向の長さより短い連結部２１を備える成形体２５ｇを、焼成により多孔質体となる未焼成セラミックス材料で押出成形する成形工程Ｐ１と、成形体２５ｇの一端から他端に向かって、他端に至ることなく軸方向Ｚに平行に連結部２１に沿って成形体２５ｇを切断することにより、隣接するセグメント部２０が未切断の連結部２１によって連結されている一体型フィルタ部Ｃｆ、及び、隣接するセグメント部２０間に連結部が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆを備えるフィルタ本体の成形体２５ｇを得る切断工程Ｐ２と、各セグメントにおいてセル５の一端を交互に封止する目封止工程Ｐ３と、フィルタ本体の成形体２５ｇを焼成する焼成工程Ｐ４と、フィルタ本体の焼結体の一体型フィルタ部Ｃｆにおいて、セグメント部２０及び連結部２１の間に未焼成の充填材を充填する未焼成材充填工程Ｐ５とを具備している。

より詳細に説明すると、成形工程Ｐ１では、セグメント部２０と連結部２１とを備える成形体２５ｇを押出成形により一体成形する。即ち、第二実施形態では第一実施形態とは異なり、最初からセグメント部２０が連結部２１によって連結されている構成の成形体２５ｇを得る。ただし、押出成形であるから、図１０にイ−イ線端面図を示すように、成形体２５ｇにおける連結部２１の軸方向Ｚの長さは、成形体２５ｇの軸方向Ｚの全長に等しい。なお、成形工程Ｐ１では、最終的なフィルタ本体２ａの外形に合わせて成形体２５ｇを成形することができる。本実施形態では、外形が円柱状の成形体２５ｇを成形する場合を例示している。

次に、切断工程Ｐ２で、成形体２５ｇの一端から他端に向かって、連結部２１に沿って軸方向Ｚに平行に切断する。即ち、円柱状の成形体２５ｇを縦割りにするように切断するのであるが、このとき、他端に至るまでは切断せず、他端側に未切断部を残す。なお、本実施形態では、軸方向Ｚに垂直な方向では、成形体２５ｇの端から端までを切断する。このように切断することにより、成形工程Ｐ１では成形体２５ｇの軸方向Ｚの全長にわたり形成された連結部２１は、一端側を部分的に残して切除される。なお、本実施形態では、製造されたガス浄化フィルタが使用される際にガス流通の下流側となる端部Ｅｄから、成形体２５ｇの切断を開始する。

このようにして、セグメント部２０と連結部２１とが一体的に形成された一体型フィルタ部Ｃｆが、ガス流通の上流側となるべき端部Ｅｕ側に形成され、連結部２１が切除されたことにより隣接するセグメント部２０間に連結部が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆが、ガス流通の下流側となるべき端部Ｅｄ側に形成された成形体が得られる。次に、目封止工程Ｐ３を行い、続いて焼成工程Ｐ４で成形体２５ｇを焼成することにより、上記構成の成形体が焼結しフィルタ本体の焼結体が得られる。更に、未焼成材充填工程Ｐ５では、一体型フィルタ部Ｃｆにおいてセグメント部２０と連結部２１との間の空隙に、未焼成の充填材を充填して未焼成材充填層２９を形成することにより、上流側の端部Ｅｕから下流側の端部Ｅｄに向けて、セグメント部２０間を貫通する空間が閉塞される（図７（ｂ），（ｃ）参照）。上記の製造工程により、上述した構成のフィルタ本体２ａを得ることができる。なお、未焼成材充填工程Ｐ５の後に、未焼成の充填材に含有される有機成分や水分を除くための加熱処理工程を設けても良い。

また、図９を用いて上述したように、更に非接着材充填層８を備えるフィルタ本体２ｂを製造する場合は、図１０（ｂ）に示すように、未焼成材充填工程Ｐ５後またはその後に行われる加熱処理工程後に、非接着材充填工程Ｐ６を設ければ良い。

なお、上記では、成形工程Ｐ１に引き続いて切断工程Ｐ２を行う場合を例示したが、成形工程Ｐ１に引き続いて目封止工程及び焼成工程を行い、その後に切断工程を行うこととしても、上記構成の第二実施形態のフィルタ本体２ａ，２ｂを製造することができる。

このようにして得られた第二実施形態のフィルタ本体２ａ，２ｂは、外周面を弾性を有する耐熱材料のシート材で被覆しつつキャニングし、軸方向Ｚを排ガスの流通方向と一致させて排ガスの流通路に設置することにより、排ガス中から粒子状物質を捕集し除去するＤＰＦとして使用することができる。

上記の製造方法で製造された上記構成の第二実施形態のガス浄化フィルタによれば、分離型フィルタ部Ｓｆにおいては、各セグメント部２０は隣接するセグメント部２０に制限されることなく自由に伸縮することができるため、温度分布が不均一であっても、個々のセグメント部２０はそれぞれの温度に応じた熱膨張率で熱膨張することができる。これにより、熱膨張率の差異に起因して、フィルタ本体２ａに亀裂が発生することを抑制することができる。

加えて、連結部２１は、セグメント部２０と一体成形された後に焼成された焼結体であるため、部分的な連結ではあっても、複数のセグメント部２０の集合体としてのフィルタ本体２ａの形態が保持され易いものとなっている。

また、ＤＰＦとして使用されるガス浄化フィルタは、捕集された粒子状物質を燃焼させて除去する再生処理の際に、ガス流通の下流側では上流側に比べて極めて高温となると共に、温度分布が著しく不均一となるところ、フィルタ本体２ａ，２ｂでは、ガス流通の上流となるべき端部Ｅｕ側に、各セグメント部２０の自由な伸縮が制限される一体型フィルタ部Ｃｆが設けられ、下流となるべき端部Ｅｄ側に各セグメント部２０が自由に伸縮できる分離型フィルタ部Ｓｆが設けられているため、個々のセグメント部２０の自由な熱膨張により熱応力を緩和するという作用を、効果的に発揮することができる。

更に、第二実施形態の連結部２１として、機械的強度が低い架橋型の連結部２１を採用しているため、万一、一体型フィルタ部Ｃｆに大きな熱応力が発生しても、架橋型の連結部２１が破壊しやすく、その破壊によって熱応力を吸収・緩和することができる。なお、連結部２１に亀裂が生じたとしても、フィルタ本体２ｂのように、連結部２１より下流側に非接着材充填層８が設けられている場合は、セグメント部２０間を介して粒子状物質が外部に排出されることを防止することができる。また、第一実施形態と同様、複数のセグメント部２０の集合体としてのフィルタ本体の形態を連結部２１によって保持するという作用は、キャニング作業を終えるまで得られれば足りる。その後の使用においては、非接着材充填層８を適切に設けると共に、フィルタ本体の外周面とケーシングとの間に被覆材を適切に充填することにより、複数のセグメント部２０の集合体としての形態を保持することが可能である。

そして、連結部２１の軸方向Ｚの長さＭは、個々のセグメント部２０をそれぞれ自由に熱膨張させ、且つ、大きな熱応力が発生した場合には適度に破壊してその熱応力を緩和・吸収する作用を効果的に発揮するためには、長過ぎないことが求められる。一方、少なくともキャニング作業を終えるまでは、セグメント部２０の集合体としての形態を保持できるだけの長さは必要である。このような観点から、連結部２１の軸方向Ｚの長さＭは、連結部２１の幅やセルの数に対する連結部２１の数等にもよるが、フィルタ本体の軸方向Ｚの長さＮの１／５〜１／２とすると好適である。

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、連結部として閉塞型の連結部１１を備える第一実施形態では、ガス流通の上流となる端部Ｅｕ側に一体型フィルタ部が設けられる場合を例示したが、これに限定されず、図１２（ａ）に示すように、フィルタ本体の軸方向の中間部分においてセグメント部１０が連結部１１によって連結されている構成とすることもできる。このような構成のフィルタ本体１ｃは、ガス流通の上流となる端部Ｅｕ側及び下流となる端部Ｅｄ側の両方に分離型フィルタ部Ｓｆを備え、軸方向Ｚの長さの中間部分に一体型フィルタ部Ｃｆを備える。

或いは、図１２（ｂ）に示すように、一つのフィルタ本体が閉塞型の連結部として、隣接するセグメント部１０を上流となる端部Ｅｕ側で連結している連結体１１ｕと、下流となる端部Ｅｄ側で連結している連結体１１ｄとを共に備える構成とすることもできる。このような構成のフィルタ本体１ｄは、隣接するセグメント部１０が連結部１１ｕまたは連結部１１ｄで連結されている一体型フィルタ部Ｃｆと、隣接するセグメント部１０間に連結部が存在しない分離型フィルタ部Ｓｆとを、フィルタ本体における同じ端部側に備える構成となる。

また、連結部として架橋型の連結部２１を備える第二実施形態として、分離型フィルタ部Ｓｆにおいてセグメント部２０間の空間Ｏｐが、軸方向Ｚに垂直な方向でフィルタ本体を貫通するように開放している場合を例示したが、これに限定されず、図１３に示すように、セグメント部２０間の空間Ｏｐが軸方向Ｚに垂直な方向にフィルタ本体を貫通してはいない構成とすることもできる。このような構成のフィルタ本体２ｃは、分離型フィルタ部Ｓｆを備える端部側、即ち、製造の際に切断工程で切断が開始される方の端部側においても、隣接するセグメント部が連結部で連結されている一体型フィルタ部Ｃｆを部分的に備える構成である。

更に、第一実施形態のセグメント部１０、及び第二実施形態のセグメント部２０が、ともに四角柱状である場合を例示したが、これに限定されず、例えば、三角柱状とすることもできる。また、最終的なフィルタ本体の外形が円柱状である場合を例示したが、これに限定されず、角柱状や断面が楕円の柱状とすることができる。

加えて、上記では、本発明のガス浄化フィルタをディーゼルエンジンから排出されるガスを浄化するＤＰＦに適用した場合を例示したが、これに限定されず、その他の内燃機関や蒸気タービン等で使用されるガス浄化フィルタ、即ち、高温下で使用されることがあるガス浄化フィルタに広く適用することが可能である。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，２ａ，２ｂ フィルタ本体
４ 隔壁
５ セル
８ 非接着材充填層
１０，２０ セグメント部
１１ 閉塞型の連結部（閉塞型連結部）
２１ 架橋型の連結部（架橋型連結部）
２９ 未焼成材充填層
Ｃｆ 一体型フィルタ部
Ｓｆ 分離型フィルタ部
Ｅｕ ガス流通の上流側となるべき端部
Ｅｄ ガス流通の下流側となるべき端部

特許第３１２１４９７号公報

Claims (5)

1. ガスの流通路に配設されてガス中の物質を捕集するガス浄化フィルタであって、
   多孔質セラミックス焼結体で形成され単一の軸方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルからそれぞれ構成された複数のセグメント部、及び、隣接する前記セグメント部を連結する連結部を備えるフィルタ本体を具備し、
   前記連結部は、前記セグメント部と一体のセラミックス焼結体で形成されていると共に、前記軸方向の長さが前記セグメント部の前記軸方向の長さより短く、
   前記フィルタ本体は、隣接する前記セグメント部が前記連結部によって連結されている一体型フィルタ部、及び、隣接する前記セグメント部間に前記連結部が存在しない分離型フィルタ部から構成されている
   ことを特徴とするガス浄化フィルタ。
2. 前記一体型フィルタ部は、前記フィルタ本体においてガス流通の上流側となるべき端部側に形成されており、
   前記分離型フィルタ部は、前記フィルタ本体においてガス流通の下流側となるべき端部側に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス浄化フィルタ。
3. 前記連結部は、前記一体型フィルタ部において、隣接する前記セグメント部間を閉塞している閉塞型連結部である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス浄化フィルタ。
4. 前記連結部は、隣接する前記セグメント部間を前記軸方向に垂直な方向に架橋している架橋型連結部であって、架橋している方向に垂直な方向の幅は、隣接する前記セグメント部において互いに対面している側面の前記軸方向に垂直な方向の長さより短く、
   前記セグメント部及び前記架橋型連結部の間には、未焼成の充填材によって未焼成材充填層が形成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス浄化フィルタ。
5. 前記分離型フィルタ部において隣接する前記セグメント部間に、前記セグメント部の表面に接着されていない充填材によって非接着材充填層が形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載のガス浄化フィルタ。

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