JP2012228655A

JP2012228655A - ハニカムフィルタ

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Publication number: JP2012228655A
Application number: JP2011098469A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Uoe; 康輔魚江; Keiichiro Suzuki; 敬一郎鈴木; Takuhiro Kaita; 拓洋戒田
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-11-22
Also published as: WO2012147468A1

Abstract

【課題】触媒含有層の原料溶液に浸漬し、引き上げた際に、端面に触媒含有層の原料溶液が残りにくく、下端面における流路の開口が狭くなることを抑制できるハニカムフィルタを提供する。
【解決手段】ハニカムフィルタ１００は、Ｚ軸方向に延びる複数の流路１１０を形成する柱状の多孔質の隔壁１１２と、複数の流路１１０の一部の一端及び前記複数の流路の残部の他端を封じる複数の封口部１１４と、を備える。隔壁１１２及び封口部１１４はセラミクスから構成される。隔壁１１２における、Ｚ軸方向の少なくとも一端面１１２ｅは、外周１１２ｅｐから中央１１２ｅｃに向かうほど、Ｚ軸方向の外側への突出量が増えかつＺ軸と直交するＸＹ平面に対する傾斜が減るような曲面を形成する、又は、外周から中央に向かうほど、前記軸方向の内側に凹む量が増えかつ前記軸と直交する平面に対する傾斜が減るような曲面を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハニカムフィルタに関する。

従来より、ディーゼルパティキュレートフィルタとして用いられるハニカムフィルタが知られている。このようなハニカムフィルタは、軸方向に延びる複数の流路を形成する柱状の多孔質のハニカム構造体と、複数の流路の一部の一端及び前記複数の流路の残部の他端を封じる複数の封口部と、を備え、セラミクスから構成される（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００３−２４７２６号公報

ところで、隔壁による炭素粒子の捕集に加えて、ハニカムフィルタの流路の内面に設けた触媒含有層により、炭素粒子の燃焼や炭化水素や一酸化炭素の除去を促進させる場合がある。そして、ハニカムフィルタの流路の内面に触媒含有層を形成する場合、ハニカムフィルタを触媒含有層の原料溶液と接触させ、その後引き上げ、乾燥させることが通常行われる。

しかしながら、従来のハニカムフィルタは、原料溶液から引き上げた後に、下端面において多量の原料溶液が付着したまま残りやすかった。この場合、原料溶液の無駄が増える上に、液がそのまま乾燥すると下端面における流路の開口面積が低下し圧力損失が増加さすることがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、触媒含有層の原料溶液から引き上げた際に、下端面に原料溶液が残りにくく、下端面において流路の開口が狭くなることを抑制できるハニカムフィルタを提供することを目的とする。

本発明にかかるハニカムフィルタは、軸方向に延びる複数の流路を形成する柱状の多孔質の隔壁と、前記複数の流路の一部の一端及び前記複数の流路の残部の他端を封じる複数の封口部と、を備える。そして、前記隔壁における、前記軸方向の少なくとも一端面は、外周から中央に向かうほど、前記軸方向の外側への突出量が増えかつ前記軸と直交する平面に対する傾斜が減るような曲面を形成する、又は、外周から中央に向かうほど、前記軸方向の内側に凹む量が増えかつ前記軸と直交する平面に対する傾斜が減るような曲面を形成する。

本発明によれば、隔壁の一端面が、外周から中央に向かうほど、軸方向の外側への突出量が増える、又は、内側に凹む量が増えるような曲面であるので、このフィルタを触媒含有層の原料溶液に接触させ、引き上げた際に、一端面において原料溶液が中央又は外周に集まって、滴下等により効率よく除去できるので、下端面における原料溶液の残存量を低減できる。また、当該隔壁の一端面が、外周から中央に向かうほど、軸と直交する平面に対する傾斜が減るような曲面であるので、曲面部分の軸方向の高さをあまり大きくしなくてすむので、濾過面積を損ないにくい。

ここで、前記一端面における、前記外周と前記中央との間の前記軸方向の高さの差が０．５〜２．０ｍｍであることが好ましい。

前記一端面における外周の径は、１００〜３００ｍｍ（約４．５〜１１．５インチ）であることが好ましい。

また、前記隔壁及び前記複数の封口部はチタン酸アルミニウム系セラミクスから構成されることが好ましい。

また、前記複数の流路のうちの前記一端面に開口する流路の表面に貴金属触媒を含む層をさらに有することが好ましい。

本発明によれば、触媒含有層の原料溶液に接触させ、引き上げた際に、下端面に原料溶液が残りにくく、下端面において流路の開口が狭くなることを抑制できるハニカムフィルタを提供できる。

図１の（ａ）は本発明の第一実施形態にかかるハニカムフィルタ１００の側面図、図１の（ｂ）は（ａ）のＺ軸に平行な断面図、図１の（ｃ）はＺ軸方向から見た正面図、図１の（ｄ）は（ｂ）に対してさらに触媒含有層１２０を図示した断面図である。図２の（ａ），（ｂ）は、図１のハニカムフィルタ１００の製造方法の一例を順に示す断面模式図である。図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図２のハニカムフィルタ１００を触媒含有溶液に含浸させ、引き上げる方法を順に説明する模式図である。図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１のハニカムフィルタ１００の製造方法の他の一例を順に示す断面模式図である。図５の（ａ）は第二実施形態にかかるハニカムフィルタ１００の側面図、図５の（ｂ）は（ａ）のＺ軸に平行な断面図、図５の（ｃ）はＺ軸方向から見た正面図、図５の（ｄ）は（ｂ）に対してさらに触媒含有層１２０を図示した断面図である。

（第一実施形態）
図面を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。第１実施形態にかかるハニカムフィルタ１００は、図１の（ａ）〜（ｄ）に示すように、主として、隔壁１１２及び複数の封口部１１４を有する。

隔壁１１２は、Ｚ軸方向に延びる柱状の形状を有し、Ｚ軸方向に伸びる複数の流路１１０を形成している。流路１１０の断面形状は正方形であり、図１の（ｃ）に示すようにこれらがＺ軸方向から見てマトリクス状に並んでいる。

隔壁１１２における、Ｚ軸方向の下端面１１２ｅは、外周１１０ｅｐから中央１１２ｅｃに向かうほど、Ｚ軸方向の外側、すなわち、反対側の端面（上面）から離れる方向に突出量が増える曲面（以下、凸曲面と呼ぶことがある）を形成している。また、この凸曲面は、外周１１０ｅｐから中央１１２ｅｃに向かうほど、Ｚ軸と直交する平面（ＸＹ面）に対する傾斜が減る。ここで、傾斜とは、ＸＹ面と曲面上の各点の接線とのなす角度（鋭角）である。この凸曲面は、上述の条件を満たせば曲率などは特に限定されず、例えば、球面、楕円面、二葉双曲面、放物面等が挙げられる。

隔壁１１２の下端面１１２ｅにおける、外周１１２ｅｐと中央１１２ｅｃとの間のＺ軸方向の高さの差Ｈ２は特に限定されないが、０．５〜２．０ｍｍであることが好ましい。

隔壁１１２における、両端面の外周間の距離Ｈ１は、特に限定されないが、例えば、４０〜３５０ｍｍとすることができる。

また、隔壁１１２の外径、すなわち、外周１１２ｅｐの径も特に限定されないが、例えば、１００〜３００ｍｍとすることできる。流路１１０の断面のサイズは、例えば、正方形の場合一辺０．８〜２．５ｍｍとすることができる。隔壁１１２の厚みは、０．０５〜０．５ｍｍとすることができる。

ハニカムフィルタ１００の隔壁１１２の材質は、多孔性セラミクス（焼成体）である。セラミクスは特に限定されないが、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、コーディエライト、ガラス、チタン酸アルミニウム等の酸化物、シリコンカーバイド、窒化珪素、金属等が挙げられる。なお、チタン酸アルミニウムは、さらに、マグネシウム及び／又はケイ素を含むことができる。

封口部１１４は、複数の流路１１０の内の一部の一端（図１の（ｂ）の左端）、及び、複数の流路１１０の内の残部の他端（図１の（ｂ）の右端）を閉鎖する柱体である。この封口部１１４により、図１の（ｂ）において、流路１１０の下端から供給されたガスは、隔壁１１２を通過して隣の流路１１０に到達し、流路１１０の上端から排出される。このとき、流入したガス中の粒子（例えば炭素粒子）が、隔壁１１２によって除去され、フィルタとして機能する。ここでは、上端が封口され下端が開口する流路をガス入口側流路１１０ｉｎ、上端が開口し下端が封口された流路をガス出口側流路１１０ｏｕｔと呼ぶことがある。ガス入口側流路１１０ｉｎは、隔壁１１２の下端面１１２ｅに開口している。

下部の封口部１１４の下面は、隔壁１１２の下端面１１２ｅが形成する曲面に沿う曲面であることもできるが、別の曲面でもよいし、平面でもよいし、当該平面すなわち隔壁１１２の下端面１１２ｅから突出していても窪んでいてもかまわない。

封口部１１４の材質としては、ハニカムフィルタ１００と同様のセラミクス材料を用いることができる。封口高さ（Ｚ軸方向）も特に限定されないが例えば、０．５〜１０ｍｍとすることができる。

このハニカムフィルタ１００は、図１の（ｄ）に示すように、ガス入口側流路１１０ｉｎの表面に、触媒含有層１２０を有することができる。なお、触媒含有層１２０は、隔壁１１２の下端面１１２ｅ上、及び、隔壁１１２の側面１１２ｓ上にも設けられることができる。触媒含有層１２０は、微視的には、隔壁１１２のこれらの表面や端面や側面の下に存在する、隔壁１１２の細孔の表面上にも形成されることができる。

触媒含有層１２０は、触媒を含む層である。触媒としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ、Ａｇ等の貴金属又は貴金属を含む合金の微粒子が挙げられる。これらの触媒は、例えば、捕集した炭素の燃焼、ＣＯ，炭化水素等の除去を促進させることができる。触媒含有層１２０は、さらに、触媒を支持する多孔質セラミクス材料を含むことができる。このセラミクス材料としては、隔壁１１２を構成するセラミクス、当該セラミクスを構成する一部の元素の酸化物等が挙げられる。例えば、ハニカムフィルタを構成するセラミクスがチタン酸アルミニウムである場合には、例えば、チタン酸アルミニウム、アルミナ、チタニア等を用いることができる。このセラミクス材料は、隔壁１１２に含まれない成分を主成分とするセラミクスとすることもできる。

流路１１０内における触媒含有層１２０の厚みは特に限定されないが、０．０５〜１００μｍとすることができる。

このようなハニカムフィルタ１００は例えば以下のようにして製造することができる。

まず、セラミクス源粉末と、有機バインダと、溶媒と、必要に応じて添加される添加物（例えば、を用意する。
例えば、チタン酸アルミニウムのグリーン成形体の場合、セラミクス源粉末は、αアルミナ粉等のアルミニウム源粉末、及び、アナターゼ型やルチル型のチタニア粉末等のチタニウム源粉末を含み、必要に応じて、さらに、マグネシア粉末やマグネシアスピネル粉末等のマグネシウム源粉末及び／又は、酸化ケイ素粉末やガラスフリット等のケイ素源粉末を含むことができる。

有機バインダとしては、メチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ヒドロキシアルキルメチルセルロース、ナトリウムカルボキシルメチルセルロースなどのセルロース類；ポリビニルアルコールなどのアルコール類；リグニンスルホン酸塩を例示できる。

添加物としては、例えば、造孔剤、潤滑剤および可塑剤、分散剤、溶媒が挙げられる。

造孔剤としては、グラファイト等の炭素材；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル等の樹脂類；でんぷん、ナッツ殻、クルミ殻、コーンなどの植物材料；氷；およびドライアイス等などが挙げられる。

潤滑剤および可塑剤としては、グリセリンなどのアルコール類；カプリル酸、ラウリン酸、パルミチン酸、アラキジン酸、オレイン酸、ステアリン酸などの高級脂肪酸；ステアリン酸Ａｌなどのステアリン酸金属塩などが挙げられる。

分散剤としては、たとえば、硝酸、塩酸、硫酸などの無機酸；シュウ酸、クエン酸、酢酸、リンゴ酸、乳酸などの有機酸；メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類；ポリカルボン酸アンモニウム、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルなどの界面活性剤などが挙げられる。

溶媒としては、たとえば、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノールなどのアルコール類；プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレングリコールなどのグリコール類；および水などを用いることができる。

そして、これらを混練機等により混合して原料混合物を得、得られた原料混合物を隔壁の形状に対応する出口の開口を有する押出機から押し出す。そして、押し出された成形体を、所望の長さに軸方向に対して略垂直に切断後、公知の方法で乾燥することにより、図２の（ａ）に示すグリーン隔壁１１２’を得る。そして、グリーン隔壁１１２’の流路１１０の端部を封口材１１４’で封口し、グリーンハニカム構造体１００’を得る（図２の（ａ）参照）。

封口材１１４’には、グリーン隔壁１１２‘と同様の材料を用いることができる。また、特定の流路１１０の端部を封口材で封口する方法も特に限定されない。例えば、封口すべき流路の部分に穴が開いたマスクを隔壁１１２の端面上に配置し、当該穴から当該流路内に封口材を押し込む方法、特定の流路のみに対して封口材を吐出可能なノズルを有し、さらに当該ノズルを任意の位置に移動可能な構成を有するいわゆるインクジェット装置を用いる方法等を利用できる。

続いて、図２の（ｂ）に示すように、このグリーンハニカム構造体１００’を、上面が凹曲面とされた焼成台３００上に載せ、その状態で焼成を行う。この際、グリーンハニカム構造体１００’が倒れないように、側面を支持具により支持することが好ましい。そうすると、自重でグリーンハニカム構造体１００’の下面が焼成台３００の上面に沿うように凸状に変形し、図１の（ｂ）ように下端面１１２ｅが上述のような凸曲面の形状をしたハニカムフィルタ１００が得られる。なお、この状態のハニカムフィルタ１００は、触媒含有層１２０を有していないが、粒子フィルタとしては機能する。

次に、下端面１１２ｅに開口するガス入口側流路１１０ｉｎに触媒含有層１２０を形成する。ここでは、具体的には、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、触媒含有層の原料溶液２０２を貯留する槽２００に、下端面１１２ｅを下にした状態で、好ましくはガス出口側流路１１０ｏｕｔ内に原料溶液２０が入らないように、ハニカムフィルタ１００を浸して、ガス入口側流路１１０ｉｎを原料溶液２０２と接触させる。その後、図３の（ｃ）に示すようにハニカムフィルタ１００を原料溶液から引き上げる。これにより、ガス入口側流路１１０ｉｎの表面に原料溶液の層１２０’が塗布され、この層を乾燥、あるいは、必要に応じて熱処理することにより、触媒含有層１２０が得られる。

原料溶液２０２の組成は特に限定されないが、上述の触媒又はその原料、及び、溶媒を含むことができる。また、原料溶液２０２は、さらに、多孔質セラミクス材料の原料を含むことができる。

触媒及び触媒の原料としては、上述の金属や合金の微粒子、及び、上述の金属（合金の場合には合金を構成する金属成分）の、アルコキシド、硝酸塩、塩化物、水酸化物、又は炭酸塩が挙げられる。

多孔質セラミクス材料の原料としては、例えば、セラミクス粉、及び、造孔剤があげられる。

さらに、必要に応じて、原料溶液２０２は、分散剤（例えば、ポリカルボン酸型高分子界面活性剤）、消泡剤等の添加剤を含むこともできる。

溶媒としては、例えば、水、アルコール（例えば、メタノール等の一価アルコール、エチレングリコール等のジオール、多価アルコール）、トリエタノールアミン、エチレンオキシド、キシレン等があげられる。

原料溶液２０２の粘度は特に限定されないが、例えば、０．５〜１００００ｍＰａ・ｓとすることができる。

本実施形態によれば、下端面１１２ｅが、外周１１２ｅｐから中央１１２ｅｃに向かうほどＺ軸方向の外側に突出量が増える曲面を形成している。これにより、図３の（ｃ）に示すように、触媒含有層の原料溶液２０２からハニカムフィルタ１００を引き上げる際に、下端面１１２ｅに付着する余分な原料溶液が中央１１２ｅｃに集まり、効率的に下方に滴下する。したがって、下端面１１２ｅに残る触媒含有層の原料溶液２０２の量を低減でき、原料溶液２０２の効率的な利用が可能となる。また、原料溶液の乾燥等の処理後に下端面における流路の開口が狭くなることを抑制できる。
また、下端面１１２ｅが、外周１１２ｅｐから中央１１２ｅｃに向かうほどＺ軸と直交する平面（ＸＹ面）に対する傾斜が減るような曲面を形成している。これにより、例えば、下端面を下に突出する円錐形状の曲面とする場合のように、曲面の部分のＺ軸方向の高さをいたずらに高くしなくてすむので、濾過面積を損ないにくい。

上述のようなハニカムフィルタは以下のような方法によっても製造することができる。

まず、上述と同様にしてグリーン隔壁１１２’を得たのち、これを乾燥させ、焼成し、図４の（ａ）のような平坦な下端面１１２ｅを有する隔壁１１２を得る。続いて、図４の（ｂ）に示すように、この隔壁１１２の下端面１１２ｅを研削して上述の凸曲面を形成する。続いて、このように凸曲面を有する隔壁１１２の流路１１０の端部を封口材で封口し、焼成することにより封口部１１４を設け、図４の（ｃ）に示すハニカムフィルタ１００を得ることができる。

そして、このハニカムフィルタ１００を、上述と同様に触媒含有層の原料溶液２０２と接触させことにより、触媒含有層１２０を有するハニカムフィルタ１００を得ることができる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態にかかるハニカムフィルタ１００について図５の（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。本実施形態にかかるハニカムフィルタ１００が、第一実施形態にかかる図１のハニカムフィルタ１００と異なる点は、隔壁１１２におけるＺ軸方向の下端面１１２ｅが、外周１１０ｅｐから中央１１２ｅｃに向かうほど、Ｚ軸方向の内側、すなわち、反対側の端面（上面）に近づく方向に凹む量が増え、かつ、Ｚ軸と直交する平面（ＸＹ面）に対する傾斜が減るような曲面（以下、凹曲面と呼ぶことがある）を形成している点である。この凹曲面は、上述の条件を満たしていれば曲率などは特に限定されず、例えば、球面、楕円面、二葉双曲面、放物面等が挙げられる。

本実施形態によれば、下端面１１２ｅが、外周から中央に向かうほどＺ軸方向の内側に凹む量が増える曲面を形成している。これにより、触媒含有層の原料溶液からハニカムフィルタ１００を引き上げる際に、下端面１１２ｅに付着する余分な原料溶液が外周に集まり、効率的に下方に滴下する。したがって、下端面１１２ｅに残る触媒含有層の原料溶液２０２の量を低減でき、原料溶液２０２の効率的な利用が可能となる。
また、下端面１１２ｅが、外周１１２ｅｐから中央１１２ｅｃに向かうほどＺ軸と直交する平面（ＸＹ面）に対する傾斜が減るような曲面を形成している。これにより、例えば、上に突出する円錐形状の曲面とする場合のように、曲面の部分のＺ軸方向の高さをいたずらに高くすることがないので、濾過面積を損ないにくい。

このようなハニカムフィルタ１００も、第一実施形態と同様に製造することができる。詳しくは、焼成台３００の上面の形状を凸曲面にしたり、隔壁１１の下端面を凹曲面に研削したりすればよい。

本発明は上記実施形態に限定されずさまざまな変形態様が可能である。
例えば、上記実施形態では、流路１１０の断面形状は、略正方形であるがこれに限定されず、矩形、円形、楕円形、３角形、６角形、８角形等にすることができる。また、流路１１０には、径の異なるもの、断面形状の異なるものが混在してもよい。また、流路の配置も、図１ではマトリクス状に並ぶ正方形配置であるが、これに限定されず、断面において流路の中心軸が正三角形の頂点に配置される正三角形配置、千鳥配置等にすることができる。さらに、ハニカムフィルタの外形も、円柱に限られず、例えば３角柱、４角柱、６角柱、８角柱等とすることができる。

また、上記実施形態では、隔壁１１２の一端面としての下端面のみに凸曲面又は凹曲面が形成されていたが、両端面に凸曲面又は凹曲面が形成されていてもよく、一端面が凹曲面で、他端面が凸曲面とされていてもよい。

１００…セラミクスハニカムフィルタ、１１０…流路、１１２…隔壁、１１２ｅ…隔壁の下端面（隔壁の一端面）、１１２ｅｐ…下端面の外周、１１２ｅｃ…下端面の中央、１１４…封口部、１２０…触媒含有層。

Claims

軸方向に延びる複数の流路を形成する柱状の多孔質の隔壁と、前記複数の流路の一部の一端及び前記複数の流路の残部の他端を封じる複数の封口部と、を備え、
前記隔壁及び封口部はセラミクスから構成され、
前記隔壁における前記軸方向の一端面は、外周から中央に向かうほど、前記軸方向の外側への突出量が増えかつ前記軸と直交する平面に対する傾斜が減るような曲面を形成する、又は、外周から中央に向かうほど、前記軸方向の内側に凹む量が増えかつ前記軸と直交する平面に対する傾斜が減るような曲面を形成する、ハニカムフィルタ。
前記一端面における、前記外周と前記中央との間の前記軸方向の高さの差が０．５〜２．０ｍｍである請求項１記載のフィルタ。
前記一端面における外周の径は、１００〜３００ｍｍである請求項１又は２記載のフィルタ。
前記隔壁及び前記複数の封口部はチタン酸アルミニウム系セラミクスから構成された請求項１〜３のいずれか一項記載のフィルタ。
前記複数の流路のうちの前記一端面に開口する流路の表面に触媒含有層をさらに有する請求項１〜４のいずれか一項記載のフィルタ。