JP2018051415A - ハニカムフィルタ - Google Patents

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友也 黒田
中山 篤
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篤 中山
和男 貞岡
Kazuo Sadaoka
和男 貞岡
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Abstract

【課題】粒子を捕集しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタを提供する。
【解決手段】ハニカム構造体201における入口流路210と出口流路220との間にある隔壁部210Wioは、入口流路210の内面に凹凸を有する。ハニカム構造体201は、出口流路220の表面から深さD(ただし、Dは隔壁部201Wioの最小厚みの半分)までの出口流路側部分R2と、出口流路側部分R2と複数の入口流路210との間の入口流路側部分R1とを有し、入口流路側部分R1の空隙率をεとし、出口流路側部分R2の空隙率をεとしたときに、ε>εを満たす。
【選択図】図5

Description

本発明は、ハニカムフィルタに関する。
従来より、粒子を含む流体から粒子を除去するセラミック製の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の一例は、互いに平行な多数の入口流路及び出口流路を有するセラミック製の多孔質基材と、この多孔質基材の細孔内に保持された触媒又は触媒を担持した担体を有する(例えば、下記特許文献1参照)ハニカム構造体を備える。多孔質基材が触媒又は触媒を担持した担体を保持することで、ハニカムフィルタは粒子の捕集に加えて触媒による様々な機能を追加して有することができる。
特許第4814886号
ところで、ハニカムフィルタが流体内の粒子の捕集を続けると、ハニカムフィルタの内部に捕集した粒子が堆積する。粒子の堆積量が増えると流体がハニカムフィルタを通過するために必要な圧力損失が上昇する。特に、触媒又は触媒を担持した担体を保持したハニカムフィルタでは粒子の捕集に伴って圧力損失が増加しやすい。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、粒子を捕集しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタを提供することを目的とする。
本発明に係るハニカムフィルタは、複数の第1流路及び複数の第2流路を有し、柱状形状を有するハニカム構造体を備える。
前記第1流路は、前記ハニカム構造体の一端面で開口されて他端面で閉じられ、前記第2流路は、前記ハニカム構造体の一端面で閉じられて前記他端面で開口され、前記第2流路は少なくとも1つの前記第1流路と隣り合い、前記ハニカム構造体における前記第1流路と前記第2流路との間にある隔壁部は、前記第1流路の内面に凹凸を有する。
前記ハニカム構造体は、前記第2流路の表面から深さD(ただし、Dは前記隔壁部の最小厚みの半分)までの第2流路側部分と、前記第2流路側部分と前記複数の第1流路との間の第1流路側部分とを有し、前記第1流路側部分の空隙率(単位:%)をεとし、前記第2流路側部分の空隙率(単位:%)をεとしたときに、ε>εを満たす。
本発明によれば、隔壁部の第1流路側に凸凹が存在し、かつ、ε>εを満たしている。したがって、第1流路側部分に比べて第2流路側部分の圧力損失が大きくなり、第1流路から第2流路に向かって流れるガスは、表面の凹凸にかかわらず第1流路側部分では比較的均一にガスが流れる。このため、凹凸表面に比較的均一に粒子を堆積させることができる。そして、第1流路の内面に凹凸を設けることにより生じたろ過面積の増加分を粒子の捕集中も維持しやすく粒子の堆積による圧力損失の増加を抑制できる。
ここで、10≦ε≦70であり、かつ、1≦ε−ε≦69であることができる。
また、前記ハニカム構造体は、細孔を有する多孔質基材と、前記細孔内に保持された、触媒、又は、触媒を担持した担体を有することができる。
本発明に係るハニカムフィルタによれば、粒子を捕集しても圧力損失が上昇しにくい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軸に沿う断面図である。 図2は、図1のII−II端面図である。 図3は、図1のIII−III端面図である。 図4は、図1のIV−IV断面図である。 図5は、図4の隔壁部210Wioの拡大図である。 図6は、実施例1の隔壁部210Wioの軸方向に垂直な断面のSEM写真である。 図7は、実施例1及び比較例1のフィルタの煤の捕集量に対する圧力損失を示すグラフである。
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るハニカムフィルタ200の軸に沿う断面図であり、図2〜図4は、それぞれ図1のハニカムフィルタ200の入口側端面201in、出口側端面201out、及び、軸方向中央部の断面の拡大図である。
ハニカムフィルタ200は、図1に示すように、入口側端面(一端面)201in及び出口側端面(他端面)201outを有する柱状で多孔質のハニカム構造体201を備える。ハニカム構造体201は、その軸方向すなわち入口側端面201in及び出口側端面201out間に延びて互いに略平行に設けられた多数の貫通孔thを形成する多孔質の隔壁201W、及び、各貫通孔thのいずれか一端を閉じる封口部201pを有している。図1〜図3に示すように、一部の貫通孔thの出口側端面201outを封口部201pで閉じることにより、入口側端面201inに開口して出口側端面201outで封口された複数の入口流路(第1流路)210が形成されている。また、残りの貫通孔thの入口側端面201inを封口部201pで閉じることにより、出口側端面201outに開口して入口側端面201inで開口する複数の出口流路(第2流路)220が形成されている。
ハニカム構造体201の軸方向長さは、例えば50〜300mmである。ハニカム構造体201の外径は、例えば50〜250mmである。
本実施形態では、図4に示すように、各入口流路210の隣には、3つの他の入口流路210と3つの出口流路220とが配置されている。一方、各出口流路220の隣には、6つの入口流路210が配置されている。出口流路220の隣に、他の出口流路220が配置されることはない。
図4に示すように、出口流路220の軸方向(長手方向)に略垂直な断面は、六角形状である。出口流路220の断面形状は、粒子を含む流体を6つの入口流路210から1つの出口流路220へ均等に流れ易くして、粒子の堆積時の圧力損失を低減し易くする観点から、6つの辺140の長さが互いに略等しい正六角形状が好ましいが、辺の長さが互いに異なる六角形状、及び/又は、角度が60°ではない六角形であってもよい。
本実施形態では、入口流路210の内面は、図1及び図4に示すように、入口流路210の軸方向に延びる多数の凸部210aと、凸部210a間にそれぞれ設けられた凹部210bを有している。図4に示すように、本実施形態においては、入口流路210及び出口流路220を隔てる隔壁部201Wioの入口流路210側に1つの凸部210a及び2つの凹部210bが設けられると共に、入口流路210及び他の入口流路210を隔てる隔壁部201Wiiの各入口流路210側にも1つの凸部210a及び2つの凹部210bが設けられている。また、隔壁部201Wiiと隔壁部201Wioとの間において、2つの凹部210bの間に1つの凸部210aが設けられている。
各凸部210aの高さは特に限定されないが、0.05〜0.6mmとすることが出来る。0.05mm未満では生産性が低く効果が低くなる場合がある。また、0.6mm超では生産性が低下する場合がある。
ここで、凸部210aの高さHは、図4に示すように、凸部210aの両側の2つの凹部210bの最底部Q同士を結ぶ直線L4を描き、凸部210aの内最も直線L4から離れた点Pを取得し、直線L4と点Pとの距離として求めることができる。
直線L4に沿って測定した凸部210aの頂となる点Pと凹部210bの最底部Qとの距離Fが0.08〜0.4mmであることが好ましい。
隔壁部201Wio、201Wiiの厚み(セル壁厚)は、例えば、圧力損失低減の観点から、最低厚み部が、0.6mm以下が好ましく、0.4mm以下がより好ましい。また、この厚みは、粒子の捕集効率及びハニカムフィルタ200の強度を高く維持する観点から、最低厚み部でも0.1mm以上が好ましく、0.2mm以上がより好ましい。
図4に示すように、入口流路210と出口流路220との距離Lio、すなわち、入口流路210の外接円CCの中心O210と出口流路220の中心O220(外接円の中心)との距離Lioは、特に限定されないが、1.0〜2.5mmとすることができる。また、出口流路220における一対の対向する辺140間の距離Looは、特に限定されないが、0.5〜2.5mmとすることができる。
隔壁201Wは、セラミクス製の多孔質基材と、多孔質基材の細孔内に保持された、触媒、又は、触媒を担持した担体から形成されている。多孔質基材の細孔には触媒又は触媒を担持した担体が保持されているが、隔壁201Wは全体として多孔質であり、隔壁201Wを介して一方流路から他方流路にガスが流通可能である。
セラミクスの例は、チタン酸アルミニウム、炭化ケイ素、コージェライトである。チタン酸アルミニウムは、マグネシウムやケイ素などを含むことができる。
触媒の例は、Pt、Pd、Rh、銀、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅からなる群より選択される少なくとも1つの金属元素を含む触媒、又は、ゼオライト粒子からなる触媒である。触媒の粒径は、例えば、1nm〜10μmとすることができる。
担体の例は、アルミナ、シリカ、マグネシア、チタニア、ジルコニア、セリア、La、BaO、ゼオライト等の酸化物、あるいは、これらの内の1種以上を含む複合酸化物の粒子である。担体の粒径は、例えば、0.1〜100μmとすることができる。
本実施形態では、ハニカム構造体201において空隙率に分布を生じている。具体的には、図5に示すように、ハニカム構造体201の流路に垂直な断面において、ハニカム構造体201の隔壁201Wは、出口流路220の表面から深さD(ただし、Dは出口流路220と複数の入口流路210との間の隔壁部201Wioの最小厚みDminの半分)までの出口流路側部分(第2流路側部分)R2と、出口流路側部分R2と複数の入口流路210との間の入口流路側部分(第1流路側部分)R1とを有する。これらの境界を図4及び図5に点線L3で示す。そして、入口流路側部分R1の空隙率(単位:%)をεとし、出口流路側部分R2の空隙率(単位:%)をεとしたときに、ε>εを満たす。
ここで、10≦ε≦70、かつ、1≦ε−ε≦69であることができる。好ましくは5≦ε−ε≦50であり、さらに好ましくは10≦ε−ε≦40である。ここで、空隙率εは、断面SEM写真に基づいて容易に取得することができる。
このようなハニカム構造体201の空隙率の分布は、例えば、空隙率が均一の多孔質基材を用意し、出口流路側部分R2の細孔内に選択的に触媒又は担体を保持させることにより容易に実現できる。この場合、ハニカム構造体201における触媒又は触媒を担持した担体の体積あたりの濃度は、入口流路側部分R1よりも出口流路側部分R2のほうが高くなる。
このようなハニカムフィルタの製造方法の一例を以下に示す。公知の方法に従って、セラミック原料及び造孔剤を含む材料で貫通孔thを有する成形体を押し出し成形法で製造する。続いて、貫通孔の一端又は他端を封口し、その後、焼成して、上述のハニカム構造体201と同様の流路形状を有する封口された多孔質基材を得る。続いて、触媒又は触媒を担持した担体を含むスラリーを用意し、多孔質基材の全体をスラリー中に浸漬する。その後、多孔質基材をスラリーから引き上げ、入口側端面を吸引して、空気などのガスを出口流路220、隔壁、及び、入口流路210内の順に流し、余分なスラリーを多孔質基材から吸引して除去する。これにより、多孔質基材の隔壁内に残るスラリーの大部分は、吸引側の逆側である出口流路220の近傍に偏在することになり、出口流路220の近傍に選択的に触媒又は触媒を担持した担体を保持させることができる。
なお、触媒又は触媒を担持した担体は、細孔内だけでなく隔壁部の表面上にも保持されうる。
また、上記例では、入口流路側部分R1と出口流路側部分R2との間で触媒又は担体の体積あたりの濃度が異なっていることによって空隙率の分布が形成されているが、このような空隙率の分布は、入口流路側部分R1と出口流路側部分R2との間で触媒又は担体の体積あたりの濃度が異なっていない場合、あるいは、触媒又は触媒を担持した担体を含まないフィルタでも実施可能である。例えば、触媒又は担体を保持する前の多孔質基材の空隙率に入口流路側部分R1と出口流路側部分R2との間で上述の差異があれば、触媒又は担体の濃度が空間的に均一であっても、あるいは、触媒又は担体を有さなくても上述の空隙率の分布を実現できる。このようなハニカム構造体は、入口流路側部分R1と出口流路側部分R2との空隙率が同一の焼結済の多孔質基材を得た後、セラミクス原料を含むスラリーを上記と同様に浸漬し、吸引し、焼成等すれば得られる。
このようなハニカムフィルタ200では、図1に示すように、入口側端面201inから入口流路210に供給されたガスGが隔壁部210wioを通過して隣の出口流路220に到達し、出口側端面201outから排出される。このとき、ガスG中の粒子が入口流路210の表面や隔壁部210wioの細孔内に捕集されてガスGから除去されることにより、ハニカムフィルタ200はフィルタとして機能する。上記ハニカムフィルタは、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれるすす等の粒子を捕集するハニカムフィルタとなることができる。
本実施形態に係るハニカムフィルタ200によれば、隔壁部W201Wioの入口流路210側に凸部210a及び凹部210bが存在し、かつ、ε>εを満たしている。したがって、入口流路側部分R1に比べて出口流路側部分R2の圧力損失が大きくなり、入口流路側部分R1では表面の凹凸にかかわらず比較的均一に入口流路から出口流路に向かってガスが流れ、凹凸表面に比較的均一に粒子を堆積させることができる。このため、入口流路210の内面に凹凸を設けることにより生じたろ過面積の増加分を粒子の捕集中も維持しやすく粒子の堆積による圧力損失の増加を抑制できる。
なお、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、ハニカムフィルタ200において入口流路210及び出口流路220の断面形状は、上記に限られるものではない。上記実施形態では、入口流路の断面形状は、隔壁部201Wioの入口流路210側に1つの凸部及び凸部の両側に2つの凹部を有しているが、凹部および凸部の数や形状も特に限定はない。
また、出口流路の断面形状は、6角形以外にも、例えば、4角形、8角形などの多角形や、円形(楕円形含む)にすることもできる。
また、出口流路220の隣に少なくとも1つの入口流路210が配置されていればよく、出口流路220に隣接して配置される入口流路210及び出口流路220の数や、入口流路210に隣接して配置される入口流路210及び出口流路220の数も任意に変更できる。例えば、出口流路220に6つの入口流路210が隣接し他の出口流路220が隣接せず、入口流路210に2つの出口流路220及び4つの入口流路210が隣接する形態を取ることが出来る。特に、各出口流路220には複数の入口流路210が隣接していることが好ましく、複数の入口流路210のみが隣接して他の出口流路220が隣接しない配置が好適である。
また、封口方法も、貫通孔の一端に封口部により栓をする形態に限定されず、封口すべき貫通孔の周りの封口されない貫通孔の径を拡張して、封口すべき貫通孔の隔壁をつぶして貫通孔の一端を閉鎖する形態でもよい。
また、フィルタの外形形状も柱状形状であれば特に、円柱状に限定されず、例えば、角柱等でもよい。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
チタン酸アルミニウム製の図1〜図4に示す流路形状を有する多孔質基材を用意した。外径は25.4mm、長さは50mm、セル密度は300cpsi、最薄部の壁厚みは10mil(0.25mm)、隔壁部210wioの凸部の高さHは150μm、隔壁部210wio凸部と凹部との距離Fは180μm、入口端の開口率40%、出口端の開口率28%、隔壁の空隙率はε及びεの両方とも58%であった。
触媒として平均粒径2.0μmゼオライト粒子を含む水スラリーを容器内に用意した。当該容器の水スラリー中に多孔質基材を沈めた。その後、多孔質基材を水スラリーから引き上げ、入口側端面を吸引することにより、空気などのガスを出口流路220、隔壁、及び、入口流路210内の順に供給し、余分なスラリーを多孔質基材から吸引して除去した。その後、多孔質基材を乾燥させ、ハニカム構造体を得た。触媒の担持量は、ハニカム構造体の単位体積あたり0.115g/mとした。
乾燥後のハニカム構造体の隔壁部210wioの垂直断面のSEM写真を図6に示す。黒い部分が空隙、白い部分が多孔質基材、グレーの部分が触媒である。入口流路側部分R1及び出口流路側部分R2の空隙率ε、εはそれぞれ、39.8%、及び、26.2%であった。空隙率の計算においては、画像の横幅が概ね700μmぐらいになる倍率で撮影された画像を用い、隔壁部の全体の体積と、隔壁部において多孔質基材及び触媒に該当しない空間部の体積を求めることにより、空隙率を求めた。
(比較例1)
入口流路内に凸部及び凹部を設けず六角形状とする以外は実施例1と同様にし、平坦な隔壁部210wioにおける出口流路に主として触媒が保持されるようにした。触媒付与前のε及びεは両方とも58%であった。触媒付与後のεは42.8%、εは30.1%であった。
(堆積した煤による圧力損失の測定)
煤発生速度10g/h、ガス流量6m/h、ガス温度室温にて各フィルタに対して煤を徐々に堆積させ圧力損失の変化を測定した。また、実施例1及び比較例1の触媒塗布前の多孔質基材についても、それぞれ同様に煤を堆積させ圧力損失の変化の測定を行った。結果を図7に示す。表1には、触媒付与前及び触媒付与後の実施例1及び比較例1のフィルタに煤を4.5g/L堆積したときの圧力損失、及び、触媒付与前後の圧力損失の上昇率を示す。実施例1及び比較例1の圧力損失の差は、触媒塗布前よりも触媒塗布後に拡大した。
200…ハニカムフィルタ、201in…入口側端面(一端面)、201out…出口側端面(他端面)、201Wio…入口流路210及び出口流路220を隔てる隔壁部、201…ハニカム構造体、201p…封口部、210…入口流路(第1流路)、210a…凸部、210b…凹部、220…出口流路(第2流路)、R1…入口流路側部分(第1流路側部分)、R2…出口流路側部分(第2流路側部分)。

Claims (3)

  1. 複数の第1流路及び複数の第2流路を有し、柱状形状を有するハニカム構造体を備え、
    前記第1流路は、前記ハニカム構造体の一端面で開口されて他端面で閉じられ、
    前記第2流路は、前記ハニカム構造体の一端面で閉じられて前記他端面で開口され、
    前記第2流路は少なくとも1つの前記第1流路と隣り合い、
    前記ハニカム構造体における前記第1流路と前記第2流路との間にある隔壁部は、前記第1流路の内面に凹凸を有し、
    前記ハニカム構造体は、前記第2流路の表面から深さD(ただし、Dは前記隔壁部の最小厚みの半分)までの第2流路側部分と、前記第2流路側部分と前記複数の第1流路との間の第1流路側部分とを有し、前記第1流路側部分の空隙率(単位:%)をεとし、前記第2流路側部分の空隙率(単位:%)をεとしたときに、ε>εを満たす、ハニカムフィルタ。
  2. 10≦ε≦70、かつ、1≦ε−ε≦69を満たす、請求項1記載のハニカムフィルタ。
  3. 前記ハニカム構造体は、細孔を有する多孔質基材と、前記細孔内に保持された、触媒、又は、触媒を担持した担体を含む、請求項1又は2に記載のハニカムフィルタ。
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