JP2018030072A - ハニカムフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】再生時のクラックの発生を低減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１００Ｆは、一端１００ｉｎが閉じられ他端１００ｏｕｔが開口された複数の第１流路、一端１００ｉｎが開口されて他端１００ｏｕｔが閉じられた複数の第２流路、及び、一端１００ｉｎ及び他端１００ｏｕｔの両方が閉じられた複数の第３流路ＦＰ３を備えるハニカム構造体１００ＳＴを備える。一端１００ｉｎにおける重心Ｃから外周１００Ｔまでの距離をＲとした時に、重心Ｃからの距離が０．３Ｒ以上０．８Ｒ以下の中央環状領域Ａ２内に第３流路ＦＰ３が閉じた環Ｓを形成するように並び、重心Ｃからの距離が０．８Ｒ超の外側環状領域Ａ３内に、第３流路ＦＰ３が存在しない。【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、一端側が閉じられ他端側が開口された複数の第１流路、一端側が開口されて他端側が閉じられた複数の第２流路、及び、一端側及び他端側の両方が閉じられた複数の第３流路を備えるハニカムフィルタが知られている。

特開２００３−１６１１３６号公報

しかしながら、従来のハニカムフィルタでは、フィルタの再生時、すなわち、フィルタに捕集された煤を燃焼する際に、熱応力によりクラックが発生する場合がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、再生時のクラックの発生を低減できる、ハニカムフィルタを提供する。

本発明に係るハニカムフィルタは、一端、他端、前記一端で閉じられ前記他端で開口された複数の第１流路、前記一端で開口されて前記他端で閉じられた複数の第２流路、及び、前記一端及び前記他端の両方で閉じられた複数の第３流路を有するハニカム構造体を備える。
そして、前記一端における重心から外周までの距離をＲとした時に、前記重心からの距離が０．３Ｒ以上０．８Ｒ以下の中央環状領域内に前記第３流路が閉じた環を形成するように並び、前記重心からの距離が０．８Ｒ超の外側環状領域内に前記第３流路が存在しない。

本発明によれば、第３流路には煤が溜まらずガスも通過しにくいので、再生時に第３流路は断熱層として機能する。そして、０．３Ｒ以上０．８Ｒ以下の中央環状領域内に第３流路が閉じた環を形成しているので、半径方向における再生時の熱の伝搬が抑制され、煤の捕集量が多い場合に煤の燃焼量（再生率）が低くされて、再生時の最高温度及び／又は最高温度差を低減できる。

さらに、第３流路が０．８Ｒ超の外側環状領域に存在すると、外側環状領域の煤の捕集量が少なくなって、再生時に外周部の温度が下がり、かえって再生時の半径方向の温度差が大きくなるが、本発明では、外周領域に第３流路が存在しないので、好適である。

ここで、前記重心からの距離が０．３Ｒ未満のコア領域内に、前記第３流路が存在しないことが好適である。

これによれば、第３流路を０．３Ｒ未満のコア領域内に存在させないことにより、最もガスが流れやすいコア領域での圧力損失を抑制できる効果がある。

本発明によれば、再生時のクラックの発生を低減できるハニカムフィルタが提供される。

図１は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの斜視図である。 図２は、図１のハニカムフィルタの軸と平行な部分断面図である。 図３は、図１のハニカムフィルタの軸方向中央部の軸に垂直な断面の拡大図である。 図４は、図１のハニカムフィルタの入口端の中央環状領域の拡大図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係るハニカムフィルタの入口端の中央環状領域の拡大図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係るハニカムフィルタの入口端の中央環状領域の拡大図である。 図７は、本発明の比較例３に係るハニカムフィルタの入口端の拡大図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態のハニカムフィルタ１００Ｆの斜視図である。図１に示されるように、ハニカムフィルタ１００Ｆは入口端（一端）１００ｉｎ及び出口端（他端）１００ｏｕｔを有する円柱形状のハニカム構造体１００ＳＴを備えている。図２はハニカムフィルタの軸に平行な断面図である。ハニカム構造体１００ＳＴは、ハニカム構造体１００ＳＴの軸方向に延びる多数の貫通孔４０を形成するハニカム壁１００Ｗと、貫通孔４０の端部を封口する封口部１００Ｐを有する。

各貫通孔４０が有する封口部１００Ｐの配置によって、貫通孔４０は出口流路（第１流路）ＦＰ１、入口流路（第２流路）ＦＰ２、又は、両端封口流路（第３流路）ＦＰ３のいずれかとされている。

入口端１００ｉｎで封口部１００Ｐにより封口され、出口端１００ｏｕｔで開口された貫通孔４０は、出口流路（第１流路）ＦＰ１を形成する。出口端１００ｏｕｔで封口部１００Ｐにより封口され、入口端１００ｉｎで開口された貫通孔４０は入口流路（第２流路）ＦＰ２を形成する。入口端１００ｉｎ及び出口端１００ｏｕｔでそれぞれ封口部１００Ｐにより封口された貫通孔４０は両端封口流路（第３流路）ＦＰ３を形成する。

ハニカム構造体１００ＳＴの軸方向長さ（すなわち、入口端１００ｉｎと出口端１００ｏｕｔとの距離）は、例えば１０〜１０００ｍｍとすることができる。ハニカム構造体１００ＳＴの外径は、例えば５０〜１０００ｍｍとすることできる。

ハニカム壁１００Ｗの材料は、多孔質（例えば、空隙率が４０〜７０％、平均細孔直径が５〜５０μｍ）のセラミクス材料である。セラミクス材料としては、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、ジルコニア、イットリア等が挙げられる。チタン酸アルミニウムは、更に、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１００Ｐの材料も、ハニカム壁１００Ｗと同様とすることができる。ハニカム壁１００Ｗの熱伝導率は、２０Ｗ／Ｋｍ未満であることが好適である。熱伝導率の下限はたとえば０．１Ｗ／Ｋｍである。ハニカム壁１００Ｗの４０〜８００℃の間の平均熱膨張係数は１．４×１０^−６〜２．０×１０^−６／Ｋであることが好適である。

図３は、ハニカム構造体１００ＳＴの軸方向中央部における、軸に垂直な断面図である。ハニカム壁１００Ｗは、断面形状が六角形である複数のＡセル４０ａと、長辺と短辺とが交互に配置された等角六角形である複数のＢセル４０ｂとを有する。Ｂセル４０ｂの長辺は、Ａセル４０ａの辺と同じ長さである。１つのＡセル４０ａに６つのＢセル４０ｂが隣接し、１つのＢセル４０ｂに３つのＡセル４０ａ及び３つのＢセル４０ｂが隣接している。

セル密度は、たとえば、５０〜１０００ｃｐｓｉとすることができる。ハニカム壁１００Ｗの壁の厚みは、たとえば、１００〜１０００μｍとすることができる。

続いて、３種の流路の配置について説明する。入口端１００ｉｎの拡大図である図４に示すように（図２も参照）、Ａセル４０ａはすべて出口流路ＦＰ１とされている。すなわち、Ａセル４０ａは入口端１００ｉｎにおいて封口部１００Ｐにより封口され、出口端１００ｏｕｔ側では開口されている。また、Ｂセル４０ｂの大部分が入口流路ＦＰ２とされ、Ｂセル４０ｂの残りの一部が両端封口流路ＦＰ３とされている。すなわち、Ｂセル４０ｂの大部分は、出口端１００ｏｕｔにおいて封口部１００Ｐにより封口され、入口端１００ｉｎでは開口されて入口流路ＦＰ２とされている。Ｂセル４０ｂの残りは、出口端１００ｏｕｔ及び入口端１００ｉｎでそれぞれ封口部１００Ｐにより封口され、両端封口流路ＦＰ３とされている。

次に両端封口流路ＦＰ３の位置及び並び方について説明する。ここでは、ハニカム構造体１００ＳＴの入口端（一端）１００ｉｎに着目する。まず、図１に示すように、入口端１００ｉｎの重心（中心）Ｃから外周１００Ｔまでの距離をＲとしたとき、入口端１００ｉｎを、重心Ｃからの距離が０．３Ｒ未満のコア領域Ａ１、重心Ｃからの距離が０．３Ｒ〜０．８Ｒの中央環状領域Ａ２、及び、重心Ｃからの距離が０．８Ｒを超える外側環状領域Ａ３に分ける。図１では、コア領域Ａ１と中央環状領域Ａ２との境界を０．３Ｒで、中央環状領域Ａ２と外側環状領域Ａ３との境界を０．８Ｒで示す。なお、コア領域Ａ１と中央環状領域Ａ２との境界は０．３５Ｒでもよく、中央環状領域Ａ２と外側環状領域Ａ３との境界は０．７５Ｒでもよい。

複数の両端封口流路ＦＰ３は、中央環状領域Ａ２内に、重心Ｃ周りに閉じた環Ｓを形成するように配置されている。特に本実施形態では、両端封口流路ＦＰ３の環Ｓは六角形状をなしている。

図４に示すように、環Ｓにおいて、両端封口流路ＦＰ３は互いに隣接している。即ち、一つの壁により離間されている。両端封口流路ＦＰ３は、Ｂセル４０ｂに設けられるので、両端封口流路ＦＰ３は隣接する２つの両端封口流路ＦＰ３（Ｂセル４０ｂ）に加えて、１つの入口流路ＦＰ２（Ｂセル４０ｂ）、及び３つの出口流路ＦＰ１（Ａセル４０ａ）と隣接する。

図１に戻って、コア領域Ａ１及び外側環状領域Ａ３には、出口流路ＦＰ１、及び、入口流路ＦＰ２のみが配置され、両端封口流路ＦＰ３は配置されない。

このようなハニカムフィルタ１００Ｆは、入口端１００ｉｎから供給されるガス中の粒子を捕集してガスを浄化するフィルタとして用いられる。すなわち、ハニカムフィルタ１００Ｆの入口端１００ｉｎに内燃機関から排出されたガスを供給すると、入口流路ＦＰ２にガスが供給される。各入口流路ＦＰ２内に流入したガスは、当該流路の出口端１００ｏｕｔに封口部１００Ｐがあるためにハニカム壁１００Ｗを通過して隣接する出口流路ＦＰ１に流入し、出口端１００ｏｕｔから排出される。この際に、ガス中の微細な粒子（すす等）がハニカム壁１００Ｗの入口流路ＦＰ２側に捕捉される。

所定量の煤がフィルタ内に溜まると、再生すなわち、煤の燃焼が行われる。この時に、ハニカムフィルタ１００Ｆは煤の燃焼によって加熱される。特に、煤の捕集量の多いハニカムフィルタの半径方向の中央部において温度が上がりやすい。

本実施形態によれば、両端封口流路ＦＰ３には煤が溜まらずガスも通過しにくいので、再生時に両端封口流路ＦＰ３は断熱層として機能する。そして、両端封口流路ＦＰ３が０．３Ｒ以上０．８Ｒ以下の中央環状領域Ａ２内において閉じた環Ｓを形成しているので、半径方向における再生時の熱の径方向への伝搬が抑制されて、煤の捕集量が多い場合に煤の燃焼量（再生率）が低くなって、再生時の最高温度及び／又は温度差を低減できる。

さらに、両端封口流路ＦＰ３が０．８Ｒ超の外側環状領域Ａ３にさらに存在すると、外側環状領域Ａ３の煤の捕集量が少なくなって、再生時に外側環状領域Ａ３の温度が下がり、かえって再生時の半径方向の温度差が高くなるが、本発明では、外側環状領域Ａ３に両端封口流路ＦＰ３が存在しないので好適である。

さらに、本実施形態では、コア領域Ａ１内にも、両端封口流路ＦＰ３が存在しないので、最もガスが流れやすいコア領域での圧力損失を抑制できるという効果がある。

このようなハニカム構造体１００ＳＴは以下のようにして製造できる。まず、セラミクス材料を型から上述の図３の断面構造となるよう押し出してグリーン（未焼成）ハニカム壁を得る。グリーン体の材料は、セラミクス原料である無機化合物源粉末、メチルセルロース等の有機バインダ、及び必要に応じて添加される添加剤を含み、焼成されるとセラミックを与える。次に、グリーンハニカム壁の各セルのいずれか一端を、上記の各流路の配置となるように公知の方法によりグリーン体と同様の材料で封口する。封口材料は、ハニカム壁と別種のセラミックでもよい。最後に、封口済のグリーン体を焼成すればよい。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。図５は、第二実施形態に係るハニカムフィルタの入口端１００ｉｎの拡大図である。第１実施形態との相違点は、両端封口流路ＦＰ３の配置のみである。本実施形態では、中央環状領域Ａ２内に両端封口流路ＦＰ３が互いに隣接した環Ｓが２つ形成され、当該２つの環Ｓ間において両端封口流路ＦＰ３が一つおきに隣接している。各環Ｓの両端封口流路ＦＰ３はそれぞれＢセル４０ｂに設けられている。本実施形態では、環Ｓを２つ備えるので、半径方向の断熱特性が向上する。

（第３実施形態）
続いて、第３実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。図６は、第三実施形態に係るハニカムフィルタの入口端１００ｉｎの拡大図である。第２実施形態との相違点は、両端封口流路ＦＰ３の配置のみである。本実施形態では、中央環状領域Ａ２内に両端封口流路ＦＰ３が互いに隣接した環Ｓが合計３つ形成され、当該３つの環Ｓのうちのそれぞれ２つの環Ｓ間において両端封口流路ＦＰ３がそれぞれ一つおきに隣接している。各環Ｓの両端封口流路ＦＰ３もＢセル４０ｂに設けられている。

本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、両端封口流路ＦＰ３の配置は、中央環状領域Ａ２において、閉じた環を形成するように互いに隣接して並んでいれば六角形に限定されない。たとえば、環の形状は、八角形等の多角形でもよいし、略円形でもよい。環Ｓの数も、４つ以上でもよい。

また、出口流路ＦＰ１、及び、入口流路ＦＰ２の配置も、１つの入口流路ＦＰ２のまわりに、４つの入口流路ＦＰ２及び２つの出口流路ＦＰ１が配置され、１つの出口流路ＦＰ１の周りに、６つの入口流路ＦＰ２が配置される配置でもよい。出口流路ＦＰ１と入口流路ＦＰ２の配置は、各セルの形状等に応じて適宜変更できる。少なくとも入口流路ＦＰ２に対して、１つ以上の出口流路ＦＰ１が隣接していることが好適である。

また、上記実施形態では、図２に示すようにプラグ状の封口部１００Ｐによって貫通孔４０が封口されているが、ハニカム壁１００Ｗの壁を折り曲げて封口した構造でもよい。

さらに、各流路の断面形状は、六角形や四角形に限定されず、これら以外の多角形、円形、楕円形、あるいはこれらを混合した形態などであることもできる。また、流路の角部は若干の丸みを帯びていてもよい。

さらに、ハニカム壁１００Ｗの外形形状は円柱でなくても、角柱や楕円柱でもよい。

また、図２の両端封口流路ＦＰ３において、封口された両端を除く部分は空洞になっているが、両端封口流路ＦＰ３は全体が封口材料によって埋められていてもよい。

また、ハニカム構造体は表面に触媒成分を担持していてもよい。

（実施例１）
フィルタサイズ：外径１６．２ｃｍ、長さ１４ｃｍの円柱
流路の配置：第１実施形態に係る配置とした。両端封口流路ＦＰ３の六角形の環Ｓの内接円の半径を２．９ｃｍとし、外接円の半径を３．５ｃｍとした。環Ｓの数は１とした。セル密度は３２０ｃｐｓｉとし、壁厚は０．３ｍｍとした。材質は、多孔質チタン酸アルミニウムとした。同じ構造のフィルタを２つ製造した。

（実施例２）
両端封口流路ＦＰ３の六角形の環Ｓの内接円の半径を５．０ｃｍとし、外接円の半径を６．０ｃｍとする以外は、実施例１と同様とした。

（比較例１）
両端封口流路ＦＰ３を設けない以外は、実施例１と同様とした。

（比較例２）
両端封口流路ＦＰ３の六角形の環Ｓの内接円の半径を１．３ｃｍとし、外接円の半径を１．５ｃｍとする以外は、実施例１と同様とした。

（比較例３）
さらに、図７に示すように、六角形の環Ｓに加えて、追加の両端封口流路ＦＰ３で、環Ｓの各頂点からさらに外周に向かって互いに隣接する線状部Ｌを６つ設けた以外は、実施例２と同様とした。

（煤の堆積）
煤発生速度１０ｇ／ｈ、ガス流量２５０ｋｇ／ｈ、ガス温度２４０℃にて、各実施例の一つのフィルタに対して約１２ｇ／Ｌの煤を堆積させ、他のフィルタに対して約１４ｇ／Ｌの煤を堆積させた。

（フィルタの再生実験）
煤を堆積させた後、まず、フィルタの温度を３５０℃で１０分間保持し、その後６５０℃のガスを流量約１０５ｋｇ／ｈで供給しながら、６０℃／ｍｉｎの昇温速度でフィルタを昇温した。このときの酸素濃度は約１５％であった。昇温中において、入口端から約５ｃｍ上流に設けた熱電対の温度が６００℃になった時点で、ガス流量を４５ｋｇ／ｈに落とし、供給するガスの温度を９０℃に下げて、４２０秒間保持して媒を燃焼させた。このときの酸素濃度は約２１％であった。そして、フィルタ内に設けた熱電対で、再生時のフィルタの最高温度と、最高温度差を測定した。さらに、再生後にフィルタにクラックが生じているか確認した。条件及び結果を表１〜表３に示す。なお、比較例３については、表２における１１．９ｇ／Ｌの煤量でクラックが発生したので、表３に対応する煤量のデータは取得していない。

煤の捕集量が少ない場合（表２）では、実施例１及び２では、比較例１に対して再生率が殆ど変化しない。これに対して、煤の捕集量が多い場合（表３）には、比較例１に対して再生率、すなわち、煤の燃焼率が低くなり、最高温度差が低減されていることがわかる。また、比較例２のように、コア領域Ａ１に両端封口流路ＦＰ３の環を配置すると、比較例１よりも最高温度が高くなる傾向がある。また、比較例３のように、環Ｓに加えて、外側環状領域Ａ３に両端封口流路ＦＰ３を配置すると、比較例１よりも最高温度が高くなる傾向がある。

ＦＰ１…出口流路（第１流路）、ＦＰ２…入口流路（第２流路）、ＦＰ３…両端封口流路（第３流路）、１００ｉｎ…入口端（一端）、１００ｏｕｔ…出口端（他端）、１００Ｗ…ハニカム壁、１００Ｐ…封口部、１００ＳＴ…ハニカム構造体、１００Ｆ…ハニカムフィルタ。

Claims (3)

1. 一端、他端、前記一端で閉じられ前記他端で開口された複数の第１流路、前記一端で開口されて前記他端で閉じられた複数の第２流路、及び、前記一端及び前記他端の両方で閉じられた複数の第３流路を有するハニカム構造体を備え、
   前記一端における重心から外周までの距離をＲとした時に、前記重心からの距離が０．３Ｒ以上０．８Ｒ以下の中央環状領域内に前記第３流路が閉じた環を形成するように並び、
   前記重心からの距離が０．８Ｒ超の外側環状領域内に前記第３流路が存在しない、ハニカムフィルタ。
2. 前記重心からの距離が０．３Ｒ未満のコア領域内に、前記第３流路が存在しない、請求項１記載のハニカムフィルタ。
3. 前記環の形状は多角形である、請求項１又は２記載のハニカムフィルタ。

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