JP2023150221A - ハニカムフィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】従来品と同等程度の熱伝導率を有し、かつ、生産コストが低いハニカムフィルタを提供する。【解決手段】ハニカムフィルタは炭化ケイ素粒子の焼結体であり、セル隔壁の断面を撮影し、気孔部と材料部とを二値化した画像において、焼結前の上記各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けするように区分け線を描写し、上記結合している炭化ケイ素粒子を複数のセグメントに分け、隣り合う上記セグメントにおいて上記セグメントの重心同士を結ぶ結合線54を描写し、連続する上記結合線を骨格線55とした際に、上記骨格線の内、最長の骨格線の長さを、上記セル隔壁の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2であり、上記セグメントの平均面積が320~2000μm2であることを特徴とするハニカムフィルタ。【選択図】図3C
Description
本発明は、ハニカムフィルタに関する。
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中には、スス等のパティキュレート(以下、PMともいう)が含まれており、近年、このPMが環境又は人体に害を及ぼすことが問題となっている。また、排ガス中には、CO、HC又はNOx等の有害なガス成分も含まれていることから、この有害なガス成分が環境又は人体に及ぼす影響についても懸念されている。
そこで、内燃機関と連結されることにより排ガス中のPMを捕集したり、排ガスに含まれるCO、HC又はNOx等の排ガス中の有害なガス成分を浄化したりする排ガス浄化装置として、コージェライトや炭化ケイ素等の多孔質セラミックからなるハニカム構造のフィルタ(ハニカムフィルタ)が種々提案されている。
このようなハニカムフィルタとして特許文献1には、多孔質組織を構成する炭化珪素結晶粒子同士がネック部によって結合された焼結体であって、粒径が5μm~20μmの結晶粒子が焼結体中に30%以上含まれるとともに、前記結晶粒子のネック部が0.1mm四方の範囲内に20個~150個存在していることを特徴とする多孔質炭化珪素焼結体からなるハニカムフィルタが開示されている。
ハニカムフィルタを用いて排ガスを浄化する場合、ハニカムフィルタにPMが捕集され堆積することになる。堆積されたPMは定期的に加熱して燃焼させる必要がある。
特許文献1に記載のハニカムフィルタを構成する多孔質炭化珪素焼結体は熱伝導率が高いので、特許文献1に記載のハニカムフィルタでは、効率よくPMを燃焼することができる。
特許文献1に記載のハニカムフィルタを構成する多孔質炭化珪素焼結体は熱伝導率が高いので、特許文献1に記載のハニカムフィルタでは、効率よくPMを燃焼することができる。
上記の通り、特許文献1に記載のハニカムフィルタでは、効率よくPMを燃焼することができるものの、特許文献1に記載のハニカムフィルタを製造する場合、2250℃という高温で焼成する必要がある。そのため、生産コストが高くなるという問題があった。
本発明は上記問題を鑑みてなされた発明であり、本発明の目的は、従来品と同等程度の熱伝導率を有し、かつ、生産コストが低いハニカムフィルタを提供することである。
本発明のハニカムフィルタは、排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質のセル隔壁と、排ガス入口側の端面が開口され且つ排ガス出口側の端面が封じられている排ガス導入セルと、排ガス出口側の端面が開口され且つ排ガス入口側の端面が封じられている排ガス排出セルとを備えたハニカムフィルタであって、上記ハニカムフィルタは炭化ケイ素粒子の焼結体であり、上記セル隔壁の断面を撮影し、気孔部と材料部とを二値化した画像において、焼結前の上記各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けするように区分け線を描写し、上記結合している炭化ケイ素粒子を複数のセグメントに分け、隣り合う上記セグメントにおいて上記セグメントの重心同士を結ぶ結合線を描写し、連続する上記結合線を骨格線とした際に、上記骨格線の内、最長の骨格線の長さを、上記セル隔壁の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2であり、上記セグメントの平均面積が320~2000μm2であることを特徴とする。
本発明のハニカムフィルタでは、骨格線の長さを、セル隔壁の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2である。
このような範囲であると、熱伝導パスとなるSiC粒子同士の結合がよいため、ハニカムフィルタのセル隔壁の熱伝導率が良好になる。
骨格線の長さを、セル隔壁の断面の面積で除した値が20000μm/mm2未満では、SiC粒子同士の結合が悪いため、熱伝導率が低下し、堆積したPM燃焼の際に、燃え残ることがある。
骨格線の長さを、セル隔壁の断面の面積で除した値が70000μm/mm2を超えても、SiC粒子が緻密になるだけで、熱伝導の向上には寄与しない。
このような範囲であると、熱伝導パスとなるSiC粒子同士の結合がよいため、ハニカムフィルタのセル隔壁の熱伝導率が良好になる。
骨格線の長さを、セル隔壁の断面の面積で除した値が20000μm/mm2未満では、SiC粒子同士の結合が悪いため、熱伝導率が低下し、堆積したPM燃焼の際に、燃え残ることがある。
骨格線の長さを、セル隔壁の断面の面積で除した値が70000μm/mm2を超えても、SiC粒子が緻密になるだけで、熱伝導の向上には寄与しない。
本発明のハニカムフィルタでは、上記セグメントの平均面積が320~2000μm2である。
上記特徴を有するハニカムフィルタは、平均粒子径が20μmを超え、50μm以下である炭化ケイ素粒子を用いることにより製造することができる。
このような炭化ケイ素粒子を用いてハニカムフィルタを製造する場合、1900~2200℃の温度で炭化ケイ素粒子を焼結することにより熱伝導率が高いハニカムフィルタを製造することができるので、製造コストを低減することができる。
上記特徴を有するハニカムフィルタは、平均粒子径が20μmを超え、50μm以下である炭化ケイ素粒子を用いることにより製造することができる。
このような炭化ケイ素粒子を用いてハニカムフィルタを製造する場合、1900~2200℃の温度で炭化ケイ素粒子を焼結することにより熱伝導率が高いハニカムフィルタを製造することができるので、製造コストを低減することができる。
本発明のハニカムフィルタは、上記セル隔壁の気孔率が35~55%であることが好ましい。
気孔率をこのように設定することにより、セル隔壁は、排ガス中のPMを良好に捕集することができ、かつ、セル隔壁に起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
セル隔壁の気孔率が35%未満である場合、セル隔壁の気孔の割合が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過しにくくなり、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
セル隔壁の気孔率が55%を超える場合、PMの捕集効率が低下することがある。
気孔率をこのように設定することにより、セル隔壁は、排ガス中のPMを良好に捕集することができ、かつ、セル隔壁に起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
セル隔壁の気孔率が35%未満である場合、セル隔壁の気孔の割合が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過しにくくなり、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
セル隔壁の気孔率が55%を超える場合、PMの捕集効率が低下することがある。
本発明のハニカムフィルタでは、上記セル隔壁の平均気孔径が5~20μmであることが好ましい。
平均気孔径が上記範囲であると、圧力損失の増加を抑制しながら、高い捕集効率でPMを捕集することができる
平均気孔径が5μm未満であると、気孔が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
平均気孔径が20μmを超えると、気孔が大きくなりすぎるので、PMの捕集効率が低下してしまう。
平均気孔径が上記範囲であると、圧力損失の増加を抑制しながら、高い捕集効率でPMを捕集することができる
平均気孔径が5μm未満であると、気孔が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
平均気孔径が20μmを超えると、気孔が大きくなりすぎるので、PMの捕集効率が低下してしまう。
本発明のハニカムフィルタでは、上記セル隔壁の厚さが0.1~0.46mmであることが好ましい。
このような厚さのセル隔壁は、充分な機械的強度を有するとともに、圧力損失の増加を効果的に抑制することができる。
このような厚さのセル隔壁は、充分な機械的強度を有するとともに、圧力損失の増加を効果的に抑制することができる。
本発明のハニカムフィルタは、外周に外周壁を有する複数のハニカム焼成体が接着材層を介して接着されることにより形成されていることが好ましい。
このような構成である場合、1つのハニカム焼成体に応力が生じた場合でも、その応力が接着材層により緩和され、他のハニカム焼成体に伝わりにくくなる。つまり、ハニカムフィルタに生じた応力を緩和させることができる。その結果、ハニカムフィルタが損傷することを防ぐことができる。
このような構成である場合、1つのハニカム焼成体に応力が生じた場合でも、その応力が接着材層により緩和され、他のハニカム焼成体に伝わりにくくなる。つまり、ハニカムフィルタに生じた応力を緩和させることができる。その結果、ハニカムフィルタが損傷することを防ぐことができる。
本発明のハニカムフィルタでは、外周には、外周コート層が形成されていることが好ましい。
外周コート層は、内部のセルを機械的に保護する役割を果たす。そのため、圧縮強度等の機械的特性に優れたハニカムフィルタとなる。
外周コート層は、内部のセルを機械的に保護する役割を果たす。そのため、圧縮強度等の機械的特性に優れたハニカムフィルタとなる。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタの一例について、図面を用いて詳述する。
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一例を模式的に示す斜視図である。
図2Aは、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタ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2Bは、図2Aに示すハニカム焼成体の排ガス入口側の端面図である。
図2Cは、図2Aに示すハニカム焼成体のA-A線断面図である。
以下、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタの一例について、図面を用いて詳述する。
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一例を模式的に示す斜視図である。
図2Aは、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタ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2Bは、図2Aに示すハニカム焼成体の排ガス入口側の端面図である。
図2Cは、図2Aに示すハニカム焼成体のA-A線断面図である。
図1に示すハニカムフィルタ20では、複数個のハニカム焼成体10が接着材層15を介して結束されてセラミックブロック18を構成し、このセラミックブロック18の外周には、排ガスの漏れを防止するための外周コート層16が形成されている。なお、外周コート層16は、必要に応じて形成されていればよい。
ハニカムフィルタ20では、複数個のハニカム焼成体10が接着材層15を介して結束されている。そのため、1つのハニカム焼成体10に応力が生じた場合でも、その応力が接着材層15により緩和され、他のハニカム焼成体10に伝わりにくくなる。つまり、ハニカムフィルタ20に生じた応力を緩和させることができる。その結果、ハニカムフィルタ20が損傷することを防ぐことができる。
接着材層15は、無機バインダと無機粒子とを含む接着材ペーストを塗布、乾燥させたものである。接着材層15は、さらに無機繊維及び/又はウィスカを含んでいてもよい。
接着材層15の厚さは、0.5~2.0mmが好ましい。
接着材層15は、無機バインダと無機粒子とを含む接着材ペーストを塗布、乾燥させたものである。接着材層15は、さらに無機繊維及び/又はウィスカを含んでいてもよい。
接着材層15の厚さは、0.5~2.0mmが好ましい。
外周コート層16は、内部のセルを機械的に保護する役割を果たす。そのため、ハニカムフィルタ20は、圧縮強度等の機械的特性に優れる。
なお、外周コート層16の材料は、接着材層15の材料と同じであることが好ましい。外周コート層16の厚さは、0.1~3.0mmが好ましい。
なお、外周コート層16の材料は、接着材層15の材料と同じであることが好ましい。外周コート層16の厚さは、0.1~3.0mmが好ましい。
なお、ハニカム焼成体10は、四角柱形状であるが、図2A及び図2Bに示すように、端面における角部が曲線形状となるように面取りが施されており、これにより角部に熱応力が集中し、クラック等の損傷が発生するのを防止している。上記角部は、直線形状となるように面取りされていてもよい。
図2Aに示すハニカム焼成体10は、排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質のセル隔壁13を備え、排ガス入口側の端面10aが開口され、かつ、排ガス出口側の端面10bが目封止された排ガス導入セル11と、排ガス出口側の端面10bが開口され、かつ、排ガス入口側の端面10aが目封止された排ガス排出セル12とを備えてなる。
なお、本発明のハニカムフィルタでは、排ガス導入セル及び排ガス排出セルを目封じする目封止材は、ハニカム焼成体と同じ材料であることが好ましい。
ハニカム焼成体10は、炭化ケイ素からなる。炭化ケイ素からなるハニカム焼成体は耐熱性が高い。
ハニカムフィルタ20では、排ガス導入セル11及び排ガス排出セル12の長手方向に垂直方向の断面形状は、目封止部分を除き排ガス入口側の端面10aから排ガス出口側の端面10bにかけて、それぞれのセルにおいて同じである。
図2Bに示すように、ハニカム焼成体10では、排ガス導入セル11の断面形状、及び、排ガス排出セル12の断面形状は同じ形状の正方形であり、これらは、交互に市松模様上に配置されている。
ここで、ハニカム焼成体10に排ガスが流入してPMが捕集される場合について説明する。
図2Cに示すように、排ガス導入セル11に流入した排ガスG(図2C中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で示す)は、排ガス排出セル12と排ガス導入セル11とを隔てるセル隔壁13を通過した後、排ガス排出セル12から流出するようになっている。排ガスGがセル隔壁13を通過する際に、排ガス中のPM等が捕集されるため、セル隔壁13は、フィルタとして機能する。
図2Cに示すように、排ガス導入セル11に流入した排ガスG(図2C中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で示す)は、排ガス排出セル12と排ガス導入セル11とを隔てるセル隔壁13を通過した後、排ガス排出セル12から流出するようになっている。排ガスGがセル隔壁13を通過する際に、排ガス中のPM等が捕集されるため、セル隔壁13は、フィルタとして機能する。
ハニカム焼成体10では、セル隔壁13の断面を撮影し、気孔部と材料部とを二値化した画像において、焼結前の各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けするように区分け線を描写し、結合している炭化ケイ素粒子を複数のセグメントに分け、隣り合うセグメントにおいてセグメントの重心同士を結ぶ結合線を描写し、連続する結合線を骨格線とした際に、骨格線の内、最長の骨格線の長さを、セル隔壁13の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2である。
この「最長の骨格線の長さ」の測定方法について説明する。
この「最長の骨格線の長さ」の測定方法について説明する。
図3A~図3Dは、骨格線を測定する方法の一例を模式的に示す説明図である。
骨格線を測定するためには、走査電子顕微鏡(SEM)を用いてセル隔壁13の断面を撮影する。
SEMとしては、電子顕微鏡(FE-SEM:日立ハイテクノロジーズ社製 高分解能電界放出形走査電子顕微鏡 S-4800)を用いることができる。拡大倍率は、100~400倍であることが好ましい。
骨格線を測定するためには、走査電子顕微鏡(SEM)を用いてセル隔壁13の断面を撮影する。
SEMとしては、電子顕微鏡(FE-SEM:日立ハイテクノロジーズ社製 高分解能電界放出形走査電子顕微鏡 S-4800)を用いることができる。拡大倍率は、100~400倍であることが好ましい。
次に、図3Aに示すように、セル隔壁13のSEM画像を、気孔部41と、材料部51とに二値化する。二値化する方法は特に限定されないが、例えば、画像解析処理ソフト「image J」を用いることができる。
次に、図3Bに示すように、材料部51において、焼結前の各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けするように区分け線52を描写し、結合している炭化ケイ素粒子を複数のセグメント53に分ける。
本明細書において、「焼結前の各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けする」とは、焼結により炭化ケイ素粒子が結合した境界を区分けすることであり、画像解析処理ソフト「image J」の「watershed処理」により行うことができる。
なお、実際のハニカム焼成体10では、炭化ケイ素粒子同士は焼結しているので、境界となるような線を観察することはできない。つまり、上記「区分け」は、ソフトウェアによる計算上の境界による区分けを意味する。
本明細書において、「焼結前の各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けする」とは、焼結により炭化ケイ素粒子が結合した境界を区分けすることであり、画像解析処理ソフト「image J」の「watershed処理」により行うことができる。
なお、実際のハニカム焼成体10では、炭化ケイ素粒子同士は焼結しているので、境界となるような線を観察することはできない。つまり、上記「区分け」は、ソフトウェアによる計算上の境界による区分けを意味する。
次に、図3Cに示すように、隣り合うセグメント53においてセグメント53の重心同士を結ぶ結合線54を描写する。そして連続する結合線54を、骨格線55とする。
なお、「隣り合うセグメント」とは、区分け線を挟んで隣り合うセグメントを意味する。
なお、「隣り合うセグメント」とは、区分け線を挟んで隣り合うセグメントを意味する。
次に、図3Dに示すように、骨格線55の内、最長のもののみを残す。そして、最長の骨格線55のピクセル数を数え、骨格線55の長さを算出する。
ハニカム焼成体10では、最長の骨格線55の長さを、セル隔壁13の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2である。この数値は、28000~70000μm/mm2であることが好ましく、35000~70000μm/mm2であることがより好ましい。
このような範囲であると、ハニカムフィルタ20のセル隔壁13の熱伝導率が良好になる。
なお、セル隔壁13の断面の面積とは、上記最長の骨格線55の長さを算出する際に用いたSEM画像において、材料部及び気孔部の両方の面積の合計値を意味する。
このような範囲であると、ハニカムフィルタ20のセル隔壁13の熱伝導率が良好になる。
なお、セル隔壁13の断面の面積とは、上記最長の骨格線55の長さを算出する際に用いたSEM画像において、材料部及び気孔部の両方の面積の合計値を意味する。
ハニカム焼成体10は、最長の骨格線55の長さを、セル隔壁13の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2であるので、熱伝導率を45W/m・K以上とすることができる。
なお、ハニカム焼成体10のセル隔壁13の熱伝導率は、45~75W/m・Kであることが好ましい。
なお、ハニカム焼成体10のセル隔壁13の熱伝導率は、45~75W/m・Kであることが好ましい。
ハニカム焼成体10では、セグメント53の平均面積は、320~2000μm2であることが好ましく、400~1600μm2であることがより好ましい。
セグメント53の平均面積が上記範囲となるようなハニカム焼成体10を製造する場合、平均粒子径が20μmを超え、50μm以下である炭化ケイ素粒子を用い、焼成温度を1900~2200℃とすることで製造することができる。
そのため、セグメント53の平均面積が上記範囲であるハニカム焼成体10は製造コストが低いと言える。
セグメント53の平均面積が上記範囲となるようなハニカム焼成体10を製造する場合、平均粒子径が20μmを超え、50μm以下である炭化ケイ素粒子を用い、焼成温度を1900~2200℃とすることで製造することができる。
そのため、セグメント53の平均面積が上記範囲であるハニカム焼成体10は製造コストが低いと言える。
ハニカム焼成体10は、セル隔壁13の気孔率が35~55%であることが好ましい。
気孔率をこのように設定することにより、セル隔壁13は、排ガス中のPMを良好に捕集することができ、かつ、セル隔壁13に起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
セル隔壁の気孔率が35%未満である場合、セル隔壁の気孔の割合が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過しにくくなり、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
セル隔壁の気孔率が55%を超える場合、PMの捕集効率が低下することがある。
気孔率をこのように設定することにより、セル隔壁13は、排ガス中のPMを良好に捕集することができ、かつ、セル隔壁13に起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
セル隔壁の気孔率が35%未満である場合、セル隔壁の気孔の割合が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過しにくくなり、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
セル隔壁の気孔率が55%を超える場合、PMの捕集効率が低下することがある。
ハニカム焼成体10では、セル隔壁13の平均気孔径が5~20μmであることが好ましい。
平均気孔径が上記範囲であると、圧力損失の増加を抑制しながら、高い捕集効率でPMを捕集することができる。
平均気孔径が5μm未満であると、気孔が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
平均気孔径が20μmを超えると、気孔が大きくなりすぎるので、PMの捕集効率が低下してしまう。
平均気孔径が上記範囲であると、圧力損失の増加を抑制しながら、高い捕集効率でPMを捕集することができる。
平均気孔径が5μm未満であると、気孔が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
平均気孔径が20μmを超えると、気孔が大きくなりすぎるので、PMの捕集効率が低下してしまう。
本明細書において、セル隔壁13の「気孔率」及び「平均気孔率」は、水銀圧入法にて接触角を130°、表面張力を485mN/mの条件で測定した値を意味する。
ハニカム焼成体10では、セル隔壁13の厚さが0.1~0.46mmであることが好ましい。
このような厚さのセル隔壁13は、充分な機械的強度を有するとともに、圧力損失の増加を効果的に抑制することができる。
このような厚さのセル隔壁13は、充分な機械的強度を有するとともに、圧力損失の増加を効果的に抑制することができる。
ハニカムフィルタ20では、ハニカム焼成体10の断面におけるセルの単位面積あたりの数は、31~93個/cm2(200~600個/inch2)であることが好ましい。
次に、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタの製造方法について説明する。
(1)炭化ケイ素粉末とバインダとを含む湿潤混合物を押出成形することによってハニカム成形体を作製する成形工程を行う。
具体的には、まず、平均粒子径が20μmを超え、50μm以下の炭化ケイ素粒子と、有機バインダと、液状の可塑剤と、潤滑剤と、水とを混合することにより、ハニカム成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
なお、炭化ケイ素粒子の平均粒子径は、22~45μmであることが好ましい。
また、炭化ケイ素粒子の真円度は、0.9~1.0であることが好ましく、0.91~0.98であることがより好ましい。
このような形状の炭化ケイ素粒子を用いることにより、後述するように焼成温度が低くても、焼成後のハニカム焼成体において、最長の骨格線の長さを、セル隔壁の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2とすることができる。
その結果、セル隔壁の熱伝導率が45~75W/m・Kであるハニカム焼成体を製造することができる。
なお、炭化ケイ素粒子の真円度は、MALVERN社製フロー式粒子像分析装置FPIA-3000を用いて測定することができる。
具体的には、まず、平均粒子径が20μmを超え、50μm以下の炭化ケイ素粒子と、有機バインダと、液状の可塑剤と、潤滑剤と、水とを混合することにより、ハニカム成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
なお、炭化ケイ素粒子の平均粒子径は、22~45μmであることが好ましい。
また、炭化ケイ素粒子の真円度は、0.9~1.0であることが好ましく、0.91~0.98であることがより好ましい。
このような形状の炭化ケイ素粒子を用いることにより、後述するように焼成温度が低くても、焼成後のハニカム焼成体において、最長の骨格線の長さを、セル隔壁の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2とすることができる。
その結果、セル隔壁の熱伝導率が45~75W/m・Kであるハニカム焼成体を製造することができる。
なお、炭化ケイ素粒子の真円度は、MALVERN社製フロー式粒子像分析装置FPIA-3000を用いて測定することができる。
上記湿潤混合物には、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よい。
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。これらの中では、アルミナバルーンが好ましい。
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。これらの中では、アルミナバルーンが好ましい。
続いて、上記湿潤混合物を押出成形機に投入し、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作製する。
この際、図2Bに示すセル構造(セルの形状及びセルの配置)を有する断面形状が作製されるような金型を用いてハニカム成形体を作製する。
この際、図2Bに示すセル構造(セルの形状及びセルの配置)を有する断面形状が作製されるような金型を用いてハニカム成形体を作製する。
(2)ハニカム成形体を所定の長さに切断し、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機、凍結乾燥機等を用いて乾燥させた後、所定のセルに封止材となる封止材ペーストを充填して上記セルを目封止する目封止工程を行う。
ここで、封止材ペーストとしては、上記湿潤混合物を用いることができる。
ここで、封止材ペーストとしては、上記湿潤混合物を用いることができる。
(3)ハニカム成形体を脱脂炉中、300~650℃に加熱し、ハニカム成形体中の有機物を除去する脱脂工程を行った後、脱脂されたハニカム成形体を焼成炉に搬送し、1900~2200℃に加熱する焼成工程を行う。この焼成温度は、セル隔壁の熱伝導率が、45~75W/m・Kである従来のハニカム焼成体の焼成温度より低い。このように低い温度で焼成することにより、ハニカム焼成体のセル隔壁の熱伝導率を45~75W/m・Kとしながら、従来品よりも、低コストでハニカム焼成体を製造することができる。なお、焼成温度は、1950~2150℃であることが好ましい。
このように焼成を行うことで、ハニカム焼成体を作製することができる。
なお、セルの端部に充填された封止材ペーストは、加熱により焼成され、目封止材となる。
また、切断工程、乾燥工程、目封止工程、脱脂工程及び焼成工程の条件は、従来からハニカム焼成体を作製する際に用いられている条件を適用することができる。
このように焼成を行うことで、ハニカム焼成体を作製することができる。
なお、セルの端部に充填された封止材ペーストは、加熱により焼成され、目封止材となる。
また、切断工程、乾燥工程、目封止工程、脱脂工程及び焼成工程の条件は、従来からハニカム焼成体を作製する際に用いられている条件を適用することができる。
(4)支持台上で複数個のハニカム焼成体を接着材ペーストを介して順次積み上げて結束する結束工程を行い、ハニカム焼成体が複数個積み上げられてなるハニカム集合体を作製する。
接着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粒子とからなるものを使用する。また、上記接着材ペーストは、さらに無機繊維及び/又はウィスカを含んでいてもよい。
接着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粒子とからなるものを使用する。また、上記接着材ペーストは、さらに無機繊維及び/又はウィスカを含んでいてもよい。
上記接着材ペーストに含まれる無機粒子としては、例えば、炭化物粒子、窒化物粒子等が挙げられる。具体的には、炭化ケイ素粒子、窒化ケイ素粒子、窒化ホウ素粒子等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。無機粒子の中では、熱伝導性に優れる炭化ケイ素粒子が好ましい。
上記接着材ペーストに含まれる無機繊維及び/又はウィスカとしては、例えば、シリカ-アルミナ、ムライト、アルミナ、シリカ等からなる無機繊維及び/又はウィスカ等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。無機繊維の中では、アルミナファイバが好ましい。また、無機繊維は、生体溶解性ファイバであってもよい。
さらに、上記接着材ペーストには、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、グラファイト等を添加してもよい。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。
(5)次に、ハニカム集合体を加熱することにより接着材ペーストを加熱固化して接着材層とし、四角柱状のセラミックブロックを作製する。
接着材ペーストの加熱固化の条件は、従来からハニカムフィルタを作製する際に用いられている条件を適用することができる。
接着材ペーストの加熱固化の条件は、従来からハニカムフィルタを作製する際に用いられている条件を適用することができる。
(6)セラミックブロックに切削加工を施す切削加工工程を行う。
具体的には、ダイヤモンドカッターを用いてセラミックブロックの外周を切削することにより、外周が略円柱状に加工されたセラミックブロックを作製する。
具体的には、ダイヤモンドカッターを用いてセラミックブロックの外周を切削することにより、外周が略円柱状に加工されたセラミックブロックを作製する。
(7)略円柱状のセラミックブロックの外周面に、外周コート材ペーストを塗布し、乾燥固化して外周コート層を形成する外周コート層形成工程を行う。
ここで、外周コート材ペーストとしては、上記接着材ペーストを使用することができる。なお、外周コート材ペーストとして、上記接着材ペーストと異なる組成のペーストを使用してもよい。
なお、外周コート層は必ずしも設ける必要はなく、必要に応じて設ければよい。
外周コート層を設けることによって、セラミックブロックの外周の形状を整えて、円柱状のハニカムフィルタとすることができる。
以上の工程によって、ハニカム焼成体を含む本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタを作製することができる。
ここで、外周コート材ペーストとしては、上記接着材ペーストを使用することができる。なお、外周コート材ペーストとして、上記接着材ペーストと異なる組成のペーストを使用してもよい。
なお、外周コート層は必ずしも設ける必要はなく、必要に応じて設ければよい。
外周コート層を設けることによって、セラミックブロックの外周の形状を整えて、円柱状のハニカムフィルタとすることができる。
以上の工程によって、ハニカム焼成体を含む本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタを作製することができる。
上記工程では、切削工程を行うことにより所定形状のハニカムフィルタを作製していたが、ハニカム焼成体を作製する工程において、外周全体に外周壁を有する複数形状のハニカム焼成体を作製し、それら複数形状のハニカム焼成体を接着材層を介して組み合わせることにより円柱等の所定形状となるようにしてもよい。この場合には、切削工程を省略することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。
本発明の第2実施形態に係るハニカムフィルタは、セルの配置位置が異なる以外は、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタと同じ態様である。
図4は、本発明の第2実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。
次に、本発明の第2実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。
本発明の第2実施形態に係るハニカムフィルタは、セルの配置位置が異なる以外は、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタと同じ態様である。
図4は、本発明の第2実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。
図4に示すハニカムフィルタ120では、排ガス導入セル111の断面形状及び排ガス排出セル112の断面形状は同じ形状の正方形である。また、排ガス排出セル112の周囲を、セル隔壁113を介して排ガス導入セル111が囲むように、排ガス導入セル111及び排ガス排出セル112が格子状に配列されている。
つまり、ハニカムフィルタ120では、排ガス導入セル111同士(便宜上、符号111a及び111bで示す)が隣接している部分がある。
つまり、ハニカムフィルタ120では、排ガス導入セル111同士(便宜上、符号111a及び111bで示す)が隣接している部分がある。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。
本発明の第3実施形態に係るハニカムフィルタは、セルの形状及び配置位置が異なる以外は、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタと同じ態様である。
図5は、本発明の第3実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。
次に、本発明の第3実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。
本発明の第3実施形態に係るハニカムフィルタは、セルの形状及び配置位置が異なる以外は、本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタと同じ態様である。
図5は、本発明の第3実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。
図5に示すハニカムフィルタ220では、断面が八角形状の排ガス排出セル212の周囲全体に、セル隔壁213を隔てて断面が正方形の第1排ガス導入セル211aと断面が八角形状の第2排ガス導入セル211bとが隣接している。第1排ガス導入セル211aと第2排ガス導入セル211bとは、排ガス排出セル212の周囲に交互に配置されており、第2排ガス導入セル211bの断面積が第1排ガス導入セル211aの断面積より大きく、排ガス排出セル212の断面積は、第2排ガス導入セル211bの断面積と同じである。
第2排ガス導入セル211bと排ガス排出セル212の断面形状は、いずれも八角形であり、互いに合同である。
第2排ガス導入セル211bと排ガス排出セル212の断面形状は、いずれも八角形であり、互いに合同である。
(その他の実施形態)
本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタでは、複数のハニカム焼成体が集合して形成された、いわゆる集合型のハニカムフィルタであったが、本発明のハニカムフィルタは、1つのハニカム焼成体からなる、いわゆる一体型ハニカムフィルタであってもよい。
本発明の第1実施形態に係るハニカムフィルタでは、複数のハニカム焼成体が集合して形成された、いわゆる集合型のハニカムフィルタであったが、本発明のハニカムフィルタは、1つのハニカム焼成体からなる、いわゆる一体型ハニカムフィルタであってもよい。
(実施例1)
平均粒子径が24μmであり、真円度が0.915である炭化ケイ素粒子54.6重量部、平均粒子径が0.5μmの炭化ケイ素粒子23.4重量部、有機バインダ(メチルセルロース)4.4重量部、潤滑剤(日油社製 ユニルーブ)2.6重量部、グリセリン1.2重量部、及び、水13.8重量部を加えて混練して湿潤混合物を得た後、押出成形する成形工程を行った。
本工程では、図2A~図2Cに示したハニカム焼成体10と同様の形状であって、セルの目封止をしていない生のハニカム成形体を作製した。
平均粒子径が24μmであり、真円度が0.915である炭化ケイ素粒子54.6重量部、平均粒子径が0.5μmの炭化ケイ素粒子23.4重量部、有機バインダ(メチルセルロース)4.4重量部、潤滑剤(日油社製 ユニルーブ)2.6重量部、グリセリン1.2重量部、及び、水13.8重量部を加えて混練して湿潤混合物を得た後、押出成形する成形工程を行った。
本工程では、図2A~図2Cに示したハニカム焼成体10と同様の形状であって、セルの目封止をしていない生のハニカム成形体を作製した。
次いで、マイクロ波乾燥機を用いて上記生のハニカム成形体を乾燥させることにより、ハニカム成形体の乾燥体を作製した。その後、ハニカム成形体の乾燥体の所定のセルに封止材ペーストを充填してセルの目封止を行った。
具体的には、排ガス入口側の端面及び排ガス出口側の端面が図2Bに示す位置で目封止されるようにセルの目封止を行った。
なお、上記湿潤混合物を封止材ペーストとして使用した。セルの目封止を行った後、封止材ペーストを充填したハニカム成形体の乾燥体を再び乾燥機を用いて乾燥させた。
具体的には、排ガス入口側の端面及び排ガス出口側の端面が図2Bに示す位置で目封止されるようにセルの目封止を行った。
なお、上記湿潤混合物を封止材ペーストとして使用した。セルの目封止を行った後、封止材ペーストを充填したハニカム成形体の乾燥体を再び乾燥機を用いて乾燥させた。
続いて、セルの目封止を行ったハニカム成形体の乾燥体を400℃で脱脂する脱脂処理を行い、さらに、常圧のアルゴン雰囲気下2050℃、3時間の条件で焼成処理を行った。
これにより、実施例1に係るハニカム焼成体を作製した。
これにより、実施例1に係るハニカム焼成体を作製した。
実施例1に係るハニカム焼成体において、セル隔壁の厚さは、0.18mmであった。また、気孔率が39%、平均気孔径が11μmであった。
また、ハニカム焼成体の全体の大きさは、大きさが36.4mm×36.4mm×177.8mmであり、セルの数(セル密度)が300個/inch2であった。
また、ハニカム焼成体の全体の大きさは、大きさが36.4mm×36.4mm×177.8mmであり、セルの数(セル密度)が300個/inch2であった。
出来上がったハニカム焼成体を、SiC粒子、シリカゾル、アルミナファイバの混合物からなる接着材ペーストを用いて複数個結束させ、外周を加工し、外周に接着材ペーストと同じ材料からなるコート層を設けて、φ330.2mm×177.8mmの円柱状のハニカムフィルタを作製した。
(比較例1)
平均粒子径が24μmであり、真円度が0.915である炭化ケイ素粒子に代えて、平均粒子径が11μmであり、真円度が0.908である炭化ケイ素粒子を用い、押出成形における金型のスリット幅を変更し、ハニカム焼成体の焼成条件を2250℃、3時間に変更した以外は、実施例1と同様に比較例1に係るハニカムフィルタを作製した。
比較例1に係るハニカムフィルタにおいて、セル隔壁の厚さは、0.40mmであった。また、気孔率が39%、平均気孔径が11μmであった。
平均粒子径が24μmであり、真円度が0.915である炭化ケイ素粒子に代えて、平均粒子径が11μmであり、真円度が0.908である炭化ケイ素粒子を用い、押出成形における金型のスリット幅を変更し、ハニカム焼成体の焼成条件を2250℃、3時間に変更した以外は、実施例1と同様に比較例1に係るハニカムフィルタを作製した。
比較例1に係るハニカムフィルタにおいて、セル隔壁の厚さは、0.40mmであった。また、気孔率が39%、平均気孔径が11μmであった。
(比較例2)
平均粒子径が24μmであり、真円度が0.896である炭化ケイ素粒子を用いた以外は実施例1と同様に、比較例2に係るハニカムフィルタを作製した。
比較例2に係るハニカムフィルタにおいて、セル隔壁の厚さは、0.18mmであった。また、気孔率が39%、平均気孔径が11μmであった。
平均粒子径が24μmであり、真円度が0.896である炭化ケイ素粒子を用いた以外は実施例1と同様に、比較例2に係るハニカムフィルタを作製した。
比較例2に係るハニカムフィルタにおいて、セル隔壁の厚さは、0.18mmであった。また、気孔率が39%、平均気孔径が11μmであった。
(骨格線の算出)
各実施例及び比較例に係るハニカムフィルタを長手方向に垂直な方向に切断し、SEMを用いてセル隔壁の断面(実施例1:180μm×640μm、比較例1:400μm×640μm、比較例2:180μm×640μm)を撮影した。
画像を図6に示す。
図6は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタにおけるセル隔壁の断面のSEM画像である。
各実施例及び比較例に係るハニカムフィルタを長手方向に垂直な方向に切断し、SEMを用いてセル隔壁の断面(実施例1:180μm×640μm、比較例1:400μm×640μm、比較例2:180μm×640μm)を撮影した。
画像を図6に示す。
図6は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタにおけるセル隔壁の断面のSEM画像である。
次に、画像解析処理ソフト「image J」を用いて各SEM画像を二値化した。二値化後の画像を図7に示す。
図7は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタにおけるセル隔壁の断面の二値化後の画像である。
図7は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタにおけるセル隔壁の断面の二値化後の画像である。
次に、二値化後の画像にwatershed処理を行い、焼結前の各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けするように区分け線を描写し、結合している炭化ケイ素粒子を複数のセグメントに分けた。
次に、隣り合うセグメントにおいてセグメントの重心同士を結ぶ結合線を描写した。そして連続する結合線を、骨格線とした。骨格線を描写した画像を図8に示す。
図8は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタの骨格線を示す画像である。
次に、隣り合うセグメントにおいてセグメントの重心同士を結ぶ結合線を描写した。そして連続する結合線を、骨格線とした。骨格線を描写した画像を図8に示す。
図8は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタの骨格線を示す画像である。
その後、最長の骨格線を残し、他の骨格線を削除した。最長の骨格線を残した画像を図9に示す。
図9は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタの最長の骨格線を示す画像である。
図9は、実施例及び比較例に係るハニカムフィルタの最長の骨格線を示す画像である。
最長の骨格線のピクセル数を数え、最長の骨格線の長さを算出し、その値を、上記SEM画像におけるセル隔壁の断面の面積で除した。結果を表1に示す。
また、セグメントの平均面積を測定した結果も表1に示す。
また、セグメントの平均面積を測定した結果も表1に示す。
(熱伝導率測定)
各実施例及び比較例に係るハニカムフィルタにおいて、セル隔壁の各数値を以下のそれぞれの方法により測定し、熱伝導率λ=比熱容量Cp×密度ρ×熱拡散率αにより熱伝導率を算出した。
比熱容量は、パーキンエルマー社製DSC8000を用いて、DSC(示差走査熱量分析)法により、測定温度25℃、昇温速度20℃/m、窒素雰囲気でサファイアを参照試料として測定した。
密度は、ハニカムフィルタから切り出したサンプルの重量と体積を測定し算出した。
熱拡散率は、NETZSCH社製LFA467を用いて、フラッシュ法により、室温、窒素雰囲気で測定し、パルス幅補正・熱損失補正を含む解析により求めた。
算出した熱伝導率の結果を表1に示す。
各実施例及び比較例に係るハニカムフィルタにおいて、セル隔壁の各数値を以下のそれぞれの方法により測定し、熱伝導率λ=比熱容量Cp×密度ρ×熱拡散率αにより熱伝導率を算出した。
比熱容量は、パーキンエルマー社製DSC8000を用いて、DSC(示差走査熱量分析)法により、測定温度25℃、昇温速度20℃/m、窒素雰囲気でサファイアを参照試料として測定した。
密度は、ハニカムフィルタから切り出したサンプルの重量と体積を測定し算出した。
熱拡散率は、NETZSCH社製LFA467を用いて、フラッシュ法により、室温、窒素雰囲気で測定し、パルス幅補正・熱損失補正を含む解析により求めた。
算出した熱伝導率の結果を表1に示す。
表1に示すように、実施例1に係るハニカムフィルタでは、比較例1に係るハニカムフィルタと比較して焼成温度が低いにも関わらず、比較例2に係るハニカムフィルタと比較して、最長の骨格線の長さが充分に長いため、高い熱伝導率が得られた。
10 ハニカム焼成体
10a 排ガス入口側の端面
10b 排ガス出口側の端面
11、111 排ガス導入セル
12、112、212 排ガス排出セル
13、113、213 セル隔壁
15 接着材層
16 外周コート層
18 セラミックブロック
20、120、220 ハニカムフィルタ
41 気孔部
51 材料部
52 区分け線
53 セグメント
54 結合線
55 骨格線
211a 第1排ガス導入セル
211b 第2排ガス導入セル
10a 排ガス入口側の端面
10b 排ガス出口側の端面
11、111 排ガス導入セル
12、112、212 排ガス排出セル
13、113、213 セル隔壁
15 接着材層
16 外周コート層
18 セラミックブロック
20、120、220 ハニカムフィルタ
41 気孔部
51 材料部
52 区分け線
53 セグメント
54 結合線
55 骨格線
211a 第1排ガス導入セル
211b 第2排ガス導入セル
Claims (6)
- 排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質のセル隔壁と、排ガス入口側の端面が開口され且つ排ガス出口側の端面が封じられている排ガス導入セルと、排ガス出口側の端面が開口され且つ排ガス入口側の端面が封じられている排ガス排出セルとを備えたハニカムフィルタであって、
前記ハニカムフィルタは炭化ケイ素粒子の焼結体であり、
前記セル隔壁の断面を撮影し、気孔部と材料部とを二値化した画像において、
焼結前の前記各炭化ケイ素粒子に由来する部分を区分けするように区分け線を描写し、前記結合している炭化ケイ素粒子を複数のセグメントに分け、
隣り合う前記セグメントにおいて前記セグメントの重心同士を結ぶ結合線を描写し、連続する前記結合線を骨格線とした際に、
前記骨格線の内、最長の骨格線の長さを、前記セル隔壁の断面の面積で除した値が、20000~70000μm/mm2であり、
前記セグメントの平均面積が320~2000μm2であることを特徴とするハニカムフィルタ。 - 前記セル隔壁の気孔率が35~55%である請求項1に記載のハニカムフィルタ。
- 前記セル隔壁の平均気孔径が5~20μmである請求項1又は2に記載のハニカムフィルタ。
- 前記セル隔壁の厚さが0.1~0.46mmである請求項1~3のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
- 前記ハニカムフィルタは、
外周に外周壁を有する複数のハニカム焼成体が接着材層を介して接着されることにより形成されている請求項1~4のいずれかに記載のハニカムフィルタ。 - 外周には、外周コート層が形成されている請求項1~5のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022059212A JP2023150221A (ja) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | ハニカムフィルタ |
Applications Claiming Priority (1)
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2022
- 2022-03-31 JP JP2022059212A patent/JP2023150221A/ja active Pending
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