JP2013166121A - ハニカム構造体および排ガス処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】再生処理の際に、リングオフクラックのようなワレや破損の生じにくいハニカム構造体を提供する。
【解決手段】セル壁を隔てて長手方向に並設された複数のセルを有する柱状のハニカム構造体であって、前記複数のセルは、一方の端部が封止されており、前記セル壁の少なくとも一部には、触媒が担持されており、当該ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面で見た場合、該断面の中心を中心として、前記断面の外周形状を方向を変えずに縮小することにより得られる相似形であって、囲まれた面積が前記断面の面積の１／４となる相似形を描き、該相似形で囲まれた領域を中央側領域とし、前記相似形よりも外側の領域を外周側領域としたとき、外周側領域の方が、中央側領域に比べて、担持されている触媒量が多いことを特徴とするハニカム構造体。
【選択図】図１
【解決手段】セル壁を隔てて長手方向に並設された複数のセルを有する柱状のハニカム構造体であって、前記複数のセルは、一方の端部が封止されており、前記セル壁の少なくとも一部には、触媒が担持されており、当該ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面で見た場合、該断面の中心を中心として、前記断面の外周形状を方向を変えずに縮小することにより得られる相似形であって、囲まれた面積が前記断面の面積の１／４となる相似形を描き、該相似形で囲まれた領域を中央側領域とし、前記相似形よりも外側の領域を外周側領域としたとき、外周側領域の方が、中央側領域に比べて、担持されている触媒量が多いことを特徴とするハニカム構造体。
【選択図】図１
Description
本発明は、ハニカム構造体およびそのようなハニカム構造体を備える排ガス処理装置に関する。
従来より、車両または建設機械等の内燃機関用の各種排ガス処理装置が提案され、実用化されている。一般的な排ガス処理装置は、エンジンの排ガスマニホールドに連結された排気管の途上に、例えば金属等で構成されたケーシングを設け、その中にハニカム構造体を配置した構造となっている。ハニカム構造体は、例えば、排ガス中に含まれるパティキュレートを捕捉して、排ガスを浄化するフィルタ（ＤＰＦ：ディーゼルパティキュレートフィルタ）として機能する。
ハニカム構造体がＤＰＦとして使用される場合、ハニカム構造体には、多孔質なセル壁を隔てて長手方向に延伸する複数の柱状セルが構成される。それぞれのセルは、いずれか一方の端部が封止材で封止されているため、ハニカム構造体内に導入された排ガスは、必然的にセル壁を通過してからハニカム構造体外部へ排出される。従って、排ガスがこのセル壁を通過する際に、排ガス中のパティキュレート等を捕捉することができる（特許文献１）。
ところで、ＤＰＦのようなハニカム構造体を長時間使用し続けると、捕捉されたパティキュレートによってセル壁の気孔が閉塞され、排ガスの浄化性能が低下する。このため、ハニカム構造体は、内部に捕捉されたパティキュレートを除去して、定期的に再生させる必要がある。
このようなハニカム構造体の再生処理は、ハニカム構造体に高温ガスを供給し、パティキュレートを高温燃焼除去することにより行われる。なお、この燃焼反応を活性化させるため、通常、ハニカム構造体のセル壁には、触媒が設置されている。
この再生処理の際には、ハニカム構造体の径方向外側よりも径方向中心側において、より迅速にパティキュレートの燃焼が開始される傾向にある。すなわち、再生処理の際には、最初にハニカム構造体の径方向中心側に存在するパティキュレートが燃焼し、その後、燃焼領域が径方向外側に広がって行く。これは、通常の場合、ハニカム構造体の径方向外側に比べて、中心側ではガスがよりスムーズに流通、供給されるためである。
しかしながら、このようなハニカム構造体の径方向における燃焼タイミングのずれは、ハニカム構造体の同一面内で温度分布が生じることにつながる。特に、径方向中心側と外周側との間で燃焼タイミングのずれが大きくなると、これにより、ハニカム構造体の同一面内で大きな温度差が生じることになる。
さらに、このような温度差が顕著になると、ハニカム構造体に、リングオフクラックと呼ばれるリング状のワレが生じ、ハニカム構造体が破損してしまう危険性がある。
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、再生処理の際に、リングオフクラックのようなワレや破損の生じにくいハニカム構造体を提供することを課題とする。
本発明では、
セル壁を隔てて長手方向に並設された複数のセルを有する柱状のハニカム構造体であって、
前記複数のセルは、一方の端部が封止されており、
前記セル壁の少なくとも一部には、触媒が担持されており、
当該ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面で見た場合、
該断面の中心を中心として、前記断面の外周形状を方向を変えずに縮小することにより得られる相似形であって、囲まれた面積が前記断面の面積の１／４となる相似形を描き、該相似形で囲まれた領域を中央側領域とし、前記相似形よりも外側の領域を外周側領域としたとき、
外周側領域の方が、中央側領域に比べて、担持されている触媒量が多いことを特徴とするハニカム構造体が提供される。
セル壁を隔てて長手方向に並設された複数のセルを有する柱状のハニカム構造体であって、
前記複数のセルは、一方の端部が封止されており、
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当該ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面で見た場合、
該断面の中心を中心として、前記断面の外周形状を方向を変えずに縮小することにより得られる相似形であって、囲まれた面積が前記断面の面積の１／４となる相似形を描き、該相似形で囲まれた領域を中央側領域とし、前記相似形よりも外側の領域を外周側領域としたとき、
外周側領域の方が、中央側領域に比べて、担持されている触媒量が多いことを特徴とするハニカム構造体が提供される。
ここで、本発明によるハニカム構造体において、前記中央側領域のセル壁には、触媒が担持されていなくても良い。
また、本発明によるハニカム構造体において、前記中央側領域に担持されている触媒量Ｃｉ（ｇ／Ｌ）と、前記外周側領域に担持されている触媒量Ｃｏ（ｇ／Ｌ）の比Ｃｉ：Ｃｏは、１：１．１〜１：１０の範囲であっても良い。
また、本発明によるハニカム構造体において、前記断面の外周形状は、円、楕円、または矩形であっても良い。
また、本発明では、
外周面に保持シール材が巻き回されたハニカム構造体を金属製のケーシング内に収容することにより構成される排ガス処理装置であって、
前記ハニカム構造体は、前述のような特徴を有するハニカム構造体であることを特徴とする排ガス処理装置が提供される。
外周面に保持シール材が巻き回されたハニカム構造体を金属製のケーシング内に収容することにより構成される排ガス処理装置であって、
前記ハニカム構造体は、前述のような特徴を有するハニカム構造体であることを特徴とする排ガス処理装置が提供される。
本発明では、再生処理の際に、リングオフクラックのような破損の生じにくいハニカム構造体を提供することを提供することが可能となる。
以下、図面により本発明の構成（第１のハニカム構造体）および特徴について説明する。
図１には、本発明によるハニカム構造体の一例を模式的に示す。また図２（ａ）は、図１に示したハニカム構造体を構成するハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したハニカム焼成体のＡ−Ａ線断面図である。
図１は、本発明の第１のハニカム構造体の一例を模式的に示す斜視図であり、図２（ａ）は、本発明の第１のハニカム構造体を構成するハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図である。
図１に示すハニカム構造体１００は、多孔質セラミックからなるハニカム焼成体１２０が接着材層１１１を介して複数個結束されてセラミックブロック１１３を構成し、このセラミックブロック１１３の周囲には、排ガスの漏れを防止するためのコート層１１２が形成されている。
なお、コート層１１２は、必要に応じて形成されていれば良い。
このようなハニカム焼成体が複数個結束されてなるハニカム構造体は、集合型ハニカム構造体ともいう。
また、ハニカム焼成体１２０は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、長手方向（図２（ａ）中、矢印ａの方向）に多数のセル１２１が並設され、セル１２１同士を隔てるセル壁１２３がフィルタとして機能するようになっている。
すなわち、ハニカム焼成体１２０に形成されたセル１２１は、図２（ｂ）に示すように、排ガスの入口側の端部が封止材ペーストを固化させて形成した封止部１２２ａで封止されるか、または排ガスの出口側の端部が封止材ペーストを固化させて形成した封止部１２２ａで封止され、排ガスの出口側の端部が封止されたセル１２１に流入した排ガスは、必ずセル１２１を隔てるセル壁１２３を通過した後、ガスの入口側の端部が封止されたセル１２１から流出するようになっており、排ガスがこのセル壁１２３を通過する際、ＰＭがセル壁１２３部分で捕捉され、排ガスが浄化される。
なお、図２（ｂ）中の矢印は、排ガスの流れを示している。
なお、後に詳しく示すように、ハニカム構造体１００のセル壁１２１には、触媒が設置されている。
このような構成のハニカム構造体は、例えば、車両の排ガス処理装置に用いることができる。
図３には、ハニカム構造体１００が装着された排ガス処理装置７００の一例を模式的に示す。
図３に示すように、排ガス処理装置７００は、主としてハニカム構造体１００、ハニカム構造体１００を収容する金属製のケーシング７２０、およびハニカム構造体１００とケーシング７２０との間に配設され、ハニカム構造体１００を適切な位置に保持する保持シール材７３０で構成される。また、排ガス処理装置７００の一方の端部（導入部）には、エンジン等の内燃機関から排出された排ガスを導入するための導入管７４０が接続されており、排ガス処理装置７００の他方の端部（排出部）には、排ガスを排出するための排出管７５０が接続されている。図３において矢印Ｐは、排ガスの流れを示している。
このような構成の排ガス処理装置７００において、エンジン等の内燃機関から排出された排ガスは、導入管７４０を介して、排ガス処理装置７００内に導入される。
この排ガスは、矢印Ｐに示すように、導入管７４０と面するハニカム構造体１００の第１の端面１１０の側が開放されたセル１２１から、ハニカム構造体１００に流入される。ハニカム構造体１００のセル１２１に流入した排ガスは、セル壁１２３を通過して流通する。すなわち、排ガスは、セル壁１２１でパティキュレートが捕捉されて浄化された後、ハニカム構造体１００の第２の端面１１５の側が開放されたセル１２１を通過し、さらに排出管７５０を通り、排ガス処理装置７００から排出される。
このように、排ガスを排ガス処理装置中に流通させることにより、排ガス中のパティキュレートを除去することができる。
ところで、ハニカム構造体を長時間使用し続けると、捕捉されたパティキュレートによってセル壁の気孔が閉塞され、排ガスの浄化性能が低下するという問題が生じる。このため、ハニカム構造体は、内部に捕捉されたパティキュレートを除去して、定期的に再生させる必要がある。
通常、このようなハニカム構造体の再生処理は、ハニカム構造体に高温ガスを供給し、パティキュレートを高温燃焼除去することにより行われる。前述のように、ハニカム構造体のセル壁には、触媒が設置される場合があるが、これは、この再生処理の際の燃焼反応を活性化させるためである。
なお、この再生処理の際には、ハニカム構造体の径方向外側よりも径方向中心側において、より迅速にパティキュレートの燃焼が開始される傾向にある。すなわち、再生処理の際には、最初にハニカム構造体の径方向中心側に存在するパティキュレートが燃焼し、その後、燃焼領域が径方向外側に広がって行く。これは、通常の場合、ハニカム構造体の径方向外側に比べて、中心側ではガスがよりスムーズに流通、供給されるためである。
しかしながら、このようなハニカム構造体の径方向における燃焼タイミングのずれは、ハニカム構造体の同一面内で温度分布が生じることにつながる。特に、径方向中心側と外周側との間で燃焼タイミングのずれが大きくなると、これにより、ハニカム構造体の同一面内で大きな温度差が生じることになる。
このような温度差が顕著になると、ハニカム構造体に、リングオフクラックと呼ばれるリング状のワレが生じ、ハニカム構造体が破損してしまう場合がある。
これに対して、本発明によるハニカム構造体１００では、長手方向に対して垂直な同一断面で比べた場合、ハニカム構造体１００の半径方向外側（以下、単にハニカム構造体（１００）の「外周側」と称する）の方が半径方向中央側（以下、単にハニカム構造体（１００）の「中央側」と称する）に比べて、担持されている触媒量が多くなっているという特徴を有する。
このような構成では、ハニカム構造体１００の再生処理の際、触媒の働きにより、本来、パティキュレートの燃焼開始が遅く、温度上昇が生じにくいハニカム構造体１００の「外周側」の温度を迅速に上昇させることができる。また、これにより、本来、パティキュレートの燃焼開始が迅速に生じ、温度が速やかに上昇するハニカム構造体１００の「中央側」と、ハニカム構造体１００の「外周側」の間において、温度差をより小さくすることができる。
従って、本発明によるハニカム構造体１００では、再生処理の際に、リングオフクラックのようなワレや破損が発生する危険性を有意に軽減することができる。
ここで、本願において、ハニカム構造体の「中央側」および「外周側」は、以下のように定められる。
すなわち、図４に示すように、ハニカム構造体の長手方向に対して垂直な断面１０５が円柱形状の場合、ハニカム構造体の外周輪郭に対応する円ＥＬ１のＸ方向の長さをＤＸとし、Ｙ方向の長さをＤＹとし、中心をＣとする。
円ＥＬ１の中心Ｃを中心として、長軸および短軸の長さが、それぞれ、円ＥＬ１の半分の円ＥＬ２を描く。この場合、円ＥＬ２のＸ方向の半径は、４／ＤＸとなり、Ｙ方向の半径は、４／ＤＹとなる。得られた円ＥＬ２で囲まれた領域を、ハニカム構造体の「中央側」と定義し、円ＥＬ２よりも外側の部分を、ハニカム構造体の「外周側」と定義する。
その他の形状のときも、ハニカム構造体の「外周側」と「中央側」は、同様に定義される。
また、ハニカム構造体の「中央側」および「外周側」の触媒量は、それぞれの領域全体における平均値で表される。
なお、本発明では、ハニカム構造体の「外周側」が「中央側」に比べて、担持されている触媒量が多くなっている限り、触媒の絶対量は、特に限られない。例えば、ハニカム構造体の「中央側」には、触媒が担持されておらず、ハニカム構造体の「外周側」にのみ、触媒が担持されていても良い。
また、ハニカム構造体の「中央側」に担持されている触媒量をＣｉとし、ハニカム構造体の「外周側」に担持されている触媒量をＣｏとしたとき、両者の比Ｃｉ：Ｃｏは、１：
１．１〜１：１０の範囲であっても良い。比Ｃｉ：Ｃｏは、１：２〜１：８の範囲であることが好ましい。
１．１〜１：１０の範囲であっても良い。比Ｃｉ：Ｃｏは、１：２〜１：８の範囲であることが好ましい。
（第２のハニカム構造体）
図５（ａ）は、本発明の第２のハニカム構造体の一例を模式的に示す斜視図であり、図５（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線断面図である。
図５（ａ）は、本発明の第２のハニカム構造体の一例を模式的に示す斜視図であり、図５（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線断面図である。
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、長手方向に多数のセル２２１が並設され、セル２２１同士を隔てるセル壁２２３がフィルタとして機能するようになっている。
すなわち、ハニカム構造体２００に形成されたセル２２１は、図５（ｂ）に示すように、排ガスの入口側の端部が封止材ペーストを固化させて形成した封止部２２２ａで封止され、排ガスの出口側の端部が封止されたセル２２１に流入した排ガスは、必ずセル２２１を隔てるセル壁２２３を通過した後、ガスの入口側の端部が封止されたセル２２１から流出するようになっており、排ガスがこのセル壁２２３を通過する際、ＰＭがセル壁２２３部分で捕捉され、排ガスが浄化される。
なお、図５（ｂ）中の矢印は、排ガスの流れを示している。
このような、単一のハニカムモノリスとして構成されているハニカム構造体は、一体型ハニカム構造体ともいう。一体型ハニカム構造体は、単一のモノリスが焼結により作製されていること以外は、前記集合型ハニカム構造体と同様に構成されている。
この一体型ハニカム構造体２００のハニカムモノリスの外周には、排ガスの漏れを防止するためのコート層２２０が形成されている。
なお、コート層２２０は、必要に応じて形成されていれば良い。
（ハニカム構造体の各部材について）
次に、本発明によるハニカム構造体を構成する各部材について、詳しく説明する。なお、以下の記載では、特に、図１に示したような、集合型ハニカム構造体１００を例に、その構成部材を説明する。ただし、以下の記載の一部が、一体型ハニカム構造体２００にも当てはまることは、当業者には明らかである。
次に、本発明によるハニカム構造体を構成する各部材について、詳しく説明する。なお、以下の記載では、特に、図１に示したような、集合型ハニカム構造体１００を例に、その構成部材を説明する。ただし、以下の記載の一部が、一体型ハニカム構造体２００にも当てはまることは、当業者には明らかである。
（ハニカムユニット）
ハニカムユニット１２０は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等の窒化物セラミック、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物セラミック、アルミナ、ジルコニア、コージュエライト、ムライト、シリカ、チタン酸アルミニウム等の酸化物セラミック等で構成される。
ハニカムユニット１２０は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等の窒化物セラミック、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物セラミック、アルミナ、ジルコニア、コージュエライト、ムライト、シリカ、チタン酸アルミニウム等の酸化物セラミック等で構成される。
上記セラミック材料の中では、耐熱性が高く、機械的特性に優れた炭化ケイ素質セラミックが望ましい。機械的特性と多孔質性によるフィルタ性能とを併せ持つことにより、フィルタとして好適に使用することができるからである。
セル壁１２３の厚さは特に限定されないが、強度の点から望ましい下限は、０．２〜０．４ｍｍである。セル壁の厚さが０．２ｍｍ未満であると、ハニカム構造体を支持するセル壁の厚さが薄くなり、ハニカム構造体の強度を保つことができなくなるおそれがあり、一方、上記厚さが０．４ｍｍを超えると、圧力損失の上昇を引き起こす場合があるからである。
本発明のハニカム構造体２００において、第１の端面２１０および第２の端面２１５と平行な面の断面形状は、いかなる形状であっても良い。例えば、ハニカム構造体の断面形状は、円形、楕円形、または多角形であっても良い。
また、ハニカム構造体１００の第１の端面１１０の側から見たとき、セル１２１の形状は、いかなる形状であっても良く、例えば、正方形、長方形、三角形、六角形または八角形である。さらに、各セルの前記形状は、全て同一の形状である必要はなく、相互に異なる形状であっても良い。
（接着層およびコート層）
接着層２５０とコート層２２０とは、同じ材料であっても、異なる材料であっても良い。
接着層２５０とコート層２２０とは、同じ材料であっても、異なる材料であっても良い。
また、これらの層は、緻密質でも多孔質であっても良いが、シール性を重視する場合は、緻密質であることが好ましい。接着層１１１およびコート層１１２を構成する材料は、特に限られないが、例えば、無機バインダと有機バインダと無機繊維および／または無機粒子とからなるものを使用することができる。
上記無機バインダとしては、例えば、シリカゾル、アルミナ等を使用することができ、これらは単独で使用しても、２種類以上のものを混合して使用しても良い。上記無機バインダの中では、シリカゾルが望ましい。
上記有機バインダとしては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース等を使用することができ、これらは単独で使用しても、２種類以上のものを混合して使用しても良い。上記有機バインダの中では、カルボキシルメチルセルロースが望ましい。
上記無機繊維としては、例えば、シリカ−アルミナ、ムライト、アルミナ、シリカ等のセラミックファイバーを使用することができる。これらは、単独で使用しても、２種類以上のものを混合して使用しても良い。上記無機繊維の中では、シリカ−アルミナファイバーが望ましい。
上記無機粒子としては、例えば、炭化物、窒化物等を使用することができ、具体的には、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ヒ素等からなる無機粉末またはウィスカー等を使用することができる。これらは、単独で使用しても、２種類以上のものを混合して使用しても良い。上記無機粒子の中では、熱伝導性に優れる炭化ケイ素が望ましい。
なお、通常の場合、接着層１１１およびコート層１１２は、前記成分を含むペースト液を原料として調製し、これを所定の箇所に設置後、乾燥させることにより形成される。原料となるペースト液には、必要に応じて、酸化物系セラミックを成分とする微小中空球体であるバルーンや、球状アクリル粒子、グラファイト等の造孔剤を添加しても良い。
（ハニカム構造体の製作方法）
次に、集合型ハニカム構造体１００を例に、本発明のハニカム構造体の製造方法を説明する。
次に、集合型ハニカム構造体１００を例に、本発明のハニカム構造体の製造方法を説明する。
まず、セラミック原料として、平均粒子径の異なる炭化ケイ素粉末と有機バインダとを乾式混合して、混合粉末を調製するとともに、液状の可塑剤と潤滑剤と水とを混合して、混合液体を調製し、続いて、上記混合粉末と上記混合液体とを湿式混合機を用いて混合することにより、成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
湿潤混合物における炭化ケイ素粉末の粒子径は、後の焼成工程で収縮の少ないものが望ましい。例えば１．０−５０μmの平均粒子径を有する粉末１００重量部と、０．１−１．０μmの平均粒子径を有する粉末５−６５重量部とを組み合わせたものが望ましい。
湿潤混合物における有機バインダは、特に限定されず、例えば、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ポリエチレングリコール等が挙げられる。有機バインダの配合量は、通常、セラミック粉末１００重量部に対して、１−１０重量部が望ましい。また、湿潤混合物を調製する際は、分散溶媒を用いても良く、分散溶媒としては、例えば、水、ベンゼン等の有機溶媒、メタノール等のアルコールが挙げられる。さらに、湿潤混合物中には、成形助剤が添加されても良い。
成形助剤としては、特に限定されず、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等が挙げられる。
さらに、湿潤混合物には、必要に応じて酸化物系セラミックを成分とする微小中空流体であるバルーンや、粒状アクリル粒子、グラファイト等の造孔材を添加しても良い。バルーンとしては、特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン（ＦＡバルーン）、ムライトバルーン等が挙げられる。
前記湿潤混合物は、特に限定されるものではないが、例えば、焼成後のハニカム焼成体の気孔率が３５−６０％となるものが望ましい。
続いて、上記湿潤混合物を押出成形機に投入する。
上記湿潤混合物を押出成形機に投入し、湿潤混合物を押出成形することにより、所定の形状のハニカム成形体を形成する。押出成形されたハニカム成形体を切断し、乾燥機により乾燥させ、乾燥させたハニカム成形体とする。
乾燥させたハニカム成形体の両端を切断装置を用いて切断し、所定の長さのハニカム成形体を得る。次に、流入側端面で開口する各セルの排ガス流出側の端部、および流出側端面で開口する各セルの排ガス流入側の端部に、封止材ペーストを所定量充填し、セルを封止する。セルを封止する際は、ハニカム成形体の端面（すなわち、両端を切断した後の切断面）に、セル封止用マスクを当てて、封止の必要なセルにのみ、封止材ペーストを充填する。
このような工程を経て、セルを封止したハニカム成形体を作製する。
セルを封止する封止材ペーストとしては、特に限定されないが、後工程を経て製造される封止材の気孔率が３０−６０％となるものが望ましく、例えば、湿潤混合物と同様のものを用いることができる。
次に、セルを封止したハニカム成形体を脱脂炉中で加熱し、脱脂したハニカム成形体を焼成炉に搬送して焼成することにより、ハニカム焼成体を作製する。そして、得られたハニカム焼成体の側面に、シール材ペーストを塗布してシール材ペースト層を形成し、このシール材ペースト層を介して、順次他のハニカム焼成体を積層する。この手順を繰り返して、所定数のハニカム焼成体が結束されたハニカム焼成体の集合体を作製する。なお、シール材ペーストとしては、例えば、無機バインダと有機バインダと無機繊維および／または無機粒子とからなるものを使用することができる。
シール材ペーストにおける無機バインダとしては、例えば、シリカゾル、アルミナゾル等が挙げられる。これらは、単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
シール材ペーストにおける有機バインダとしては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。これらは、単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
シール材ペーストにおける無機繊維としては、例えば、シリカ−アルミナ、ムライト、アルミナ、シリカ等のセラミックファイバ等が挙げられる。これらは、単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
シール材ペーストにおける無機粒子としては、例えば、炭化物、窒化物等を挙げることができ、具体的には、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素からなる無機粉末等を挙げることができる。これらは単独で用いても良く、２種以上を併用しても良い。
さらに、シール材ペーストには、必要に応じて酸化物系セラミックを成分とする微小中空流体であるバルーンや、粒状アクリル粒子、グラファイト等の造孔材を添加しても良い。バルーンとしては、特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン（ＦＡバルーン）、ムライトバルーン等が挙げられる。
次に、このハニカム焼成体の集合体を加熱してシール材ペースト層を乾燥、固化させて接着材層とする。その後、ダイヤモンドカッター等を用いてハニカム焼成体の集合体に切削加工を施してセラミックブロックとし、セラミックブロックの外周面にシール材ペーストを塗布して乾燥固化させることにより、コート層を形成する。こうして、ハニカム構造体を製造する。
次に、所定の領域に、触媒が担持される。
通常、この工程は、ハニカム構造体のセル壁に、触媒担持層を形成した後、この触媒担持層に、白金のような触媒を担持させることにより実施される。ただし、本発明の場合、ハニカム構造体の「外周側」の触媒担持量が、「中央側」に比べて多くなるようにして、触媒を担持する必要がある。従って、例えば、以下のような方法が採用される。
まず、ハニカム構造体の中央側の領域を、例えばシリコーン樹脂のようなマスク剤でコーティングする。
次に、ハニカム構造体を、アルミナ溶液中に、一方の端面を下にして浸漬させる。このアルミナ溶液中には、触媒が付着されたアルミナ粒子が含まれている。従って、含浸処理により、ハニカム構造体のセル壁に、触媒含有アルミナ粒子が付着する。ここで、ハニカム構造体の「外周側」では、アルミナ粒子は、セル壁の表面に直接付着されるがハニカム構造体の「中央側」では、アルミナ粒子は、マスク剤を介して、セル壁の表面に付着される。
次に、ハニカム構造体を１１０℃〜２００℃の温度で２時間保持し、十分に乾燥させる。さらに、ハニカム構造体を３００℃程度まで加熱し、マスク剤を溶解させる。これにより、ハニカム構造体の中央側のセル壁において、アルミナ粒子は、マスク剤とともに除去される。
次に、ハニカム構造体を５００℃〜１０００℃の温度で加熱することにより、ハニカム構造体の「外周側」に、触媒を含むアルミナ層を形成することができる。その後、洗浄等により、ハニカム構造体に残留するマスク剤を、完全に除去しても良い。
なお、以上の工程では、ハニカム構造体の「外周側」にのみ、触媒が担持される。一体型セラミックブロックの「中央側」にも、ある程度の触媒を担持させたい場合は、
（ｉ）ハニカム構造体をアルミナ溶液に含浸、
（ｉｉ）中央部にマスク、
（ｉｉｉ）マスク付きハニカム構造体をアルミナ溶液に浸漬、
（ｉｖ）乾燥（上記同様）。
（ｉ）ハニカム構造体をアルミナ溶液に含浸、
（ｉｉ）中央部にマスク、
（ｉｉｉ）マスク付きハニカム構造体をアルミナ溶液に浸漬、
（ｉｖ）乾燥（上記同様）。
以上、ハニカム構造体の「外周側」の触媒担持量が、「中央側」に比べて多くなるようにして、触媒を担持する方法について説明した。しかしながら、これは一例であって、「外周側」の触媒担持量が、「中央側」に比べて多いハニカム構造体は、この他にも、様々な方法で調製することができる。
以上のような工程を経て、本発明による一体型ハニカム構造体を製造することができる。
一体型ハニカム構造体２００の場合も、同様の工程で製造することが可能である。一体型ハニカム構造体を製造する場合は、押出成形により成形するハニカム成形体の大きさが、集合型ハニカム構造体を製造する場合に比べて大きいこと以外は、集合型ハニカム構造体を製造する場合と同様の方法を用いてハニカム成形体を作製する。その後は、集合型ハニカム構造体を製造する方法と同様にして、一体型ハニカム構造体を製造することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
（接合型ハニカム構造体の製作）
平均粒子径２２μｍを有する炭化ケイ素の粗粉末５２．８重量％と、平均粒子径０．５μmの炭化ケイ素の微粉末２２．６重量％とを湿式混合し、得られた混合物に対してアクリル樹脂２．１重量％、有機バインダ（メチルセルロース）４．６重量％、潤滑剤（ユニループ：日本油脂社製）２．８重量％、グリセリン１．３重量％、および水１３．８重量％を加えて、混練して混合組成物を得た後、押出成形を行い、セルが封止されていない生のハニカム成形体を作製した。
（接合型ハニカム構造体の製作）
平均粒子径２２μｍを有する炭化ケイ素の粗粉末５２．８重量％と、平均粒子径０．５μmの炭化ケイ素の微粉末２２．６重量％とを湿式混合し、得られた混合物に対してアクリル樹脂２．１重量％、有機バインダ（メチルセルロース）４．６重量％、潤滑剤（ユニループ：日本油脂社製）２．８重量％、グリセリン１．３重量％、および水１３．８重量％を加えて、混練して混合組成物を得た後、押出成形を行い、セルが封止されていない生のハニカム成形体を作製した。
次に、マイクロ波乾燥機を用いて上記ハニカム成形体を乾燥し、乾燥したハニカム成形体の所定のセルに、上記成形体と同様の組成のペーストを充填してセルの封止を行い、再び乾燥機を用いて乾燥させた。
乾燥したハニカム成形体を４００℃で脱脂し、常圧のアルゴン雰囲気下２２００℃、３時間の条件で焼成を行うことにより、気孔率が４５％、平均気孔径が１５μｍ、高さ３４．３ｍｍ×幅３４．３ｍｍ×高さ１５０ｍｍ、セルの数（セル密度）が４６．５個／ｃｍ２、セル壁の厚さが０．２５ｍｍの炭化ケイ素焼結体からなるハニカム焼成体を製造した。
平均繊維長２０μｍのアルミナファイバ３０重量％、平均粒子径０．６μｍの炭化ケイ素粒子２１重量％、シリカゾル１５重量％、カルボキシメチルセルロース５．６重量％、および水２８．４重量％を含む耐熱性のシール材ペーストを用いて、ハニカム焼成体を多数接着させた。さらに、この接着物を１２０で乾燥させ、続いて、ダイヤモンドカッターを用いて切断することにより、接着材層の厚さが１．０ｍｍの円柱状のセラミックブロックを作製した。
次に、上記シール材ペーストを用いて、セラミックブロックの外周部に厚さ０．２ｍｍのシール材ペースト層を形成した。そして、このシール材ペースト層を１２０℃で乾燥して、外周にコート層が形成された直径１４３．８ｍｍ×長さ１５０ｍｍの円柱状のハニカムフィルタを製造した。
次に、このハニカム構造体に触媒を担持させた。
平均粒子径０．８μｍのγ−アルミナ粒子を水と混合して撹拌し、アルミナスラリーを作製した。ハニカム構造体の「中心側」の領域に、シリコンゴム製のマスクを貼り付けたハニカム構造体を流入側端面を下にしてアルミナスラリー中に浸漬した。マスクを取り外した後、ハニカム構造体を１１０℃で１時間加熱して乾燥し、さらに７００℃で１時間焼成することにより、ハニカム構造体のガス流入側端面からハニカム構造体の「外周側」の領域に、触媒担持層を形成した。
このとき、触媒担持層の形成量（ｇ／Ｌ）が、ハニカム構造体のうち触媒担持層が形成されている領域の見掛けの体積１Ｌ当たり４０ｇとなるように、アルミナスラリーへの浸漬と、乾燥、焼成を繰り返し行った。
（再生試験）
図３に示すように、金属ケーシングに設置した排ガス浄化システムにより、導入管７４０と接続する２Ｌディーゼルエンジンを回転数３０００ｍｉｎ−１、トルク４０ＮｍでＰＭの捕捉量が６ｇ／Ｌとなるまで運転した。
図３に示すように、金属ケーシングに設置した排ガス浄化システムにより、導入管７４０と接続する２Ｌディーゼルエンジンを回転数３０００ｍｉｎ−１、トルク４０ＮｍでＰＭの捕捉量が６ｇ／Ｌとなるまで運転した。
その後、エンジンの回転数４０００ｍｉｎ−１、フルロードにして、フィルタ温度が７００℃付近で一定になったところで、エンジン回転数１０５０ｍｉｎ−１、トルク３０Ｎｍにすることによって、ＰＭを強制燃焼させた。
試験後に、ハニカム構造体には、クラック等の異常は観測されず、ハニカム構造体は、健全な状態であった。
（比較例１）
実施例１の場合と同様の方法により、ハニカム構造体を製作し、これを用いて排ガス処理装置を構成した。ただし、この比較例１では、ハニカム構造体に、触媒は担持させなかった。
実施例１の場合と同様の方法により、ハニカム構造体を製作し、これを用いて排ガス処理装置を構成した。ただし、この比較例１では、ハニカム構造体に、触媒は担持させなかった。
実施例１の場合と同様の方法により、このハニカム構造体を装着した排ガス処理装置を用いて再生試験を行った。
その結果、試験後に、ハニカム構造体にクラックが生じていることが確認された。
（比較例２）
実施例１の場合と同様の方法により、ハニカム構造体を製作し、これを用いて排ガス処理装置を構成した。ただし、この比較例２では、ハニカム構造体の全体に、均一に触媒を担持させた。触媒の担持量は、４０ｇ／Ｌとした。
実施例１の場合と同様の方法により、ハニカム構造体を製作し、これを用いて排ガス処理装置を構成した。ただし、この比較例２では、ハニカム構造体の全体に、均一に触媒を担持させた。触媒の担持量は、４０ｇ／Ｌとした。
実施例１の場合と同様の方法により、このハニカム構造体を装着した排ガス処理装置を用いて再生試験を行った。
その結果、試験後に、ハニカム構造体にクラックが生じていることが確認された。
このように、実施例１に係るハニカム構造体では、比較例１および比較例２に係るハニカム構造体に比べて、再生処理の際に、リングオフクラックのようなワレや破損が発生する危険性を有意に軽減することができることが確認された。
１００ 本発明のハニカム構造体
１１０ 第１の端面
１１２ コート層
１１３ セラミックブロック
１１５ 第２の端面
１２１ セル
１２３ セル壁
１５２ 第１の端面
１５４ 第２の端面
１５８ 封止材
２００ 接合型ハニカム構造体
２１０ 第１の端面
２１５ 第２の端面
２２０ コート層
２２１ セル
２２３ セル壁
７００ 排ガス処理装置
７２０ ケーシング
７３０ 保持シール材
７４０ 導入管
７５０ 排出管
ＥＬ１、ＥＬ２ 円
１１０ 第１の端面
１１２ コート層
１１３ セラミックブロック
１１５ 第２の端面
１２１ セル
１２３ セル壁
１５２ 第１の端面
１５４ 第２の端面
１５８ 封止材
２００ 接合型ハニカム構造体
２１０ 第１の端面
２１５ 第２の端面
２２０ コート層
２２１ セル
２２３ セル壁
７００ 排ガス処理装置
７２０ ケーシング
７３０ 保持シール材
７４０ 導入管
７５０ 排出管
ＥＬ１、ＥＬ２ 円
Claims (5)
- セル壁を隔てて長手方向に並設された複数のセルを有する柱状のハニカム構造体であって、
前記複数のセルは、一方の端部が封止されており、
前記セル壁の少なくとも一部には、触媒が担持されており、
当該ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面で見た場合、
該断面の中心を中心として、前記断面の外周形状を方向を変えずに縮小することにより得られる相似形であって、囲まれた面積が前記断面の面積の１／４となる相似形を描き、該相似形で囲まれた領域を中央側領域とし、前記相似形よりも外側の領域を外周側領域としたとき、
外周側領域の方が、中央側領域に比べて、担持されている触媒量が多いことを特徴とするハニカム構造体。 - 前記中央側領域のセル壁には、触媒が担持されていないことを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造体。
- 前記中央側領域に担持されている触媒量Ｃｉ（ｇ／Ｌ）と、前記外周側領域に担持されている触媒量Ｃｏ（ｇ／Ｌ）の比Ｃｉ：Ｃｏは、１：１．１〜１：１０の範囲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。
- 前記断面の外周形状は、円、楕円、または矩形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のハニカム構造体。
- 外周面に保持シール材が巻き回されたハニカム構造体を金属製のケーシング内に収容することにより構成される排ガス処理装置であって、
前記ハニカム構造体は、請求項１乃至４のいずれか一つに記載のハニカム構造体であることを特徴とする排ガス処理装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2012031122A JP2013166121A (ja) | 2012-02-15 | 2012-02-15 | ハニカム構造体および排ガス処理装置 |
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|---|---|
| JP2013166121A true JP2013166121A (ja) | 2013-08-29 |
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| JP2012031122A Pending JP2013166121A (ja) | 2012-02-15 | 2012-02-15 | ハニカム構造体および排ガス処理装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015025890A1 (ja) * | 2013-08-23 | 2015-02-26 | 住友化学株式会社 | パティキュレートフィルタ |
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-
2012
- 2012-02-15 JP JP2012031122A patent/JP2013166121A/ja active Pending
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