JP2675071B2

JP2675071B2 - ハニカム状フィルター

Info

Publication number: JP2675071B2
Application number: JP63131446A
Authority: JP
Inventors: 輝代隆 ▲塚▼田
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1997-11-12
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JPH01304022A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、気体中に含まれる微粒子、特に自動車の排
ガス中に含まれるカーボンや未反応燃料等の微粒子を捕
集・除去して排ガスを浄化するためのハニカム状フィル
ターに関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］例えば第５図、第６図に示すような薄い隔壁1bを介し
て蜂の巣状に連なる無数の貫通孔を有するハニカム構造
体の一方の端部に例えば縦横一つおきに封止材２を充填
して封止し、この封止した貫通孔に隣接している貫通孔
の他端部に封止材３を充填して封止した多孔質隔壁から
なるセラミック質のハニカム状フィルターは、自動車の
ディーゼルエンジンを初めとして各種燃焼機器の排ガス
中に含まれる微粒子を吸着して浄化する排ガス浄化装置
として知られている。

通常、排ガス中に含まれる微粒子は前記セラミック質
ハニカム状フィルターの隔壁表面に捕集・蓄積されるの
で、長期に亙って使用すると、目詰まりが生じ圧力損失
が高くなる。従来、かかる欠点を解消する手段として、
フィルターの微粒子捕集部、すなわち隔壁にニクロム線
ヒーターなどの発熱金属を組合せて通電加熱したり、該
捕集部に加熱空気を供給したり、あるいは燃料や火花放
電を用いて加熱したり、さらには、フィルター自体をヒ
ーターとして電極を設けて発熱させるなどして、前記微
粒子を燃焼・除去してフィルターを再生する方法が採ら
れている。また、上記した手段に触媒等を併用して燃焼
効率を高めて再生する手段も行なわれている。

しかしながら、前記微粒子中、あるいは、各種燃焼器
中に供給される燃料中には灰分などの金属化合物が少な
からず含まれていたり、燃焼器内の構成部品が酸化した
り摩耗したりして発生する金属微粉、あるいは、自動車
用エンジン等における摺動用の潤滑オイルからの灰分等
の不燃性微粒子が存在する。これらの金属微粉あるいは
灰分等の不燃性微粒子は可燃性微粒子とともに前記隔壁
表面で捕集・蓄積されるが、前記フィルターを再生する
際、隔壁表面で化学反応を起こし、逆に一層強く付着し
て目詰まりしてしまい、長期に亙って使用すると圧力損
失が徐々に高くなって、最終的にフィルターの再生が不
可能となる、という欠点があった。

一方、高分子発泡体材料にセラミック泥漿を含浸し、
該高分子発泡体材料を熱処理により消失せしめた後、さ
らに焼成して得られたセラミックスケルトン構造体を前
記排ガス用のフィルターに使用することが考えられてい
る。しかしながら、該セラミックスケルトン構造体を使
用しても、圧力損失は極めて低いが、捕集効率は比較的
小さいという欠点を有している。したがって、自動車の
排ガス用のようにフィルターの排ガス流入側の圧力変動
が極めて激しい場合には、捕集された微粒子が吹き抜け
てしまうことがあり、効率よくしかも安定して微粒子を
捕集・除去することは困難となるおそれがある。

本発明は、上記した問題点を解消し、排ガス中に含ま
れる微粒子を効率的に捕集・除去でき、しかも長期に亙
り使用しても圧力損失が小さく安定して使用することが
できるハニカム状フィルターの提供を目的とする。

［課題を解決するための手段・作用］本発明のハニカム状フィルターは、多孔質セラミック
材より成るハニカム構造体の所定の貫通孔の端部を封止
して成るハニカム状フィルターであって、気体流入側の
端部が開口している貫通孔内に、セラミック繊維または
ウィスカーを充填したことを特徴とする。

以下、図面に基づき本発明をさらに詳細に説明する。

第１図は本発明のハニカム状フィルターの縦断面模式
図である。

すなわち、本発明のハニカム状フィルターは、多孔性
の薄い隔壁1bを介してハチの巣状に連なる多数の貫通孔
のうちの所定の貫通孔1aの一端を封止材２によって封止
し、該封止した貫通孔を除く貫通孔1cの他端を封止材３
によって封止して、排ガスが隔壁1bを通過する構造とな
っているハニカム状フィルターであり、該フィルターの
気体流入側の端部が開口している貫通孔1cの中にセラミ
ックよりなる繊維、あるいはウィスカーが充填された構
造である。

別言すれば、排ガス中に含まれる不燃性微粒子と可燃
性微粒子とを主として前記セラミック繊維あるいはウィ
スカー部分で捕集し、一方、セラミック繊維あるいはウ
ィスカーで捕集されず吹き抜けた微粒子をハニカム状フ
ィルターの隔壁1bの表面で捕集せんとする構造体であ
る。したがって、捕集された微粒子は、加熱空気を加え
たり燃料を用いたり、あるいはそれらの手段に触媒を加
える等の方法を施してフィルターの燃焼再生処理を行な
うと、残存する不燃性微粒子は、前記セラミック繊維あ
るいはウィスカーに主として蓄積されるのである。

したがって、本発明のハニカム状フィルターは、従来
のフィルターのように隔壁1bのみで微粒子の捕集・除去
を行なうのではなく、セラミック繊維あるいはウィスカ
ーと隔壁1bとの２段階の過手段が施されているので、
不燃性微粒子の隔壁1bへの蓄積を極めて低く抑えること
ができる。長期使用により、セラミック繊維等に不燃性
微粒子が多く蓄積した場合は、該セラミック繊維等のみ
を交換すれば、再びフィルターを使用することができ
る。

なお、前記セラミック繊維等の交換は、ハニカム状フ
ィルターの気体流出側より加圧逆洗いして除去し、新た
な繊維やウィスカーを充填すればよい。

本発明によれば、前記セラミック繊維あるいはウィス
カーは平均繊維径が80μｍ以下であることが好ましい。

平均繊維径が80μｍより大きいと１つの貫通孔に入る
繊維の数量が少なくなり、排ガスとの接触面積が小さく
なるため、この部分での排ガス中の微粒子を効率よく除
去することができなくなるからである。

また、前記セラミック繊維あるいはウィスカーは気体
流入側に開口部を有する貫通孔の容積に対し、少なくと
も10vol％充填されていることが好ましい。10vol％より
も少ないと効率のよい排ガス過ができなくなるからで
ある。

より効率のよい過を行なうためには繊維径が細く、
それらが複雑に絡み合って充填されていることが好まし
く、中でも繊維径が0.5〜10μｍのものを20〜30vol％充
填することによって圧力損失が小さく、しかも高い効率
で排ガス中の微粒子を除去することができ効果的であ
る。

さらに、上記充填物が複雑に絡み合って形成された平
均気孔径が20〜180μｍ、さらには50〜150μｍであるこ
とがより一層効果的である。

前記セラミック繊維またはウィスカーとしては、SiC,
Si₃Ｎ₄,TiB₂,ZrB₂,B₄C,BN,Al₂Ｏ₃,ZrO₂，チラノ繊維,Ti
O₂,MgOから選ばれるいずれか少なくとも１つの化合物を
主体として構成されるものが好ましい。

これらの成分で構成される繊維あるいはウィスカー
は、フィルター再生時、すなわち可燃性微粒子の燃焼除
去時において発生する熱に対して優れた耐熱性と耐酸化
性を有しており、溶融したりあるいは融着してハニカム
母体と結合することが極めて小さいからであり、なかで
もSiC繊維、SiCウィスカー、Si₃Ｎ₄ウィスカー、Al₂Ｏ₃
繊維、Al₂Ｏ₃ウィスカー、チラノ繊維が優れている。

また、本発明のハニカム状フィルターの開放気孔率は
55〜80vol％であることが好ましい。開放気孔率が55vol
％よりも小さいとフィルター内での圧力損失が高くな
り、80vol％を超えると圧力損失は小さくなるが、同時
に隔壁の厚さが薄くなるので、フィルターの機械的強度
が小さくなるおそれがある。より好ましくは60〜75vol
％である。また、以上のことと相俟って、隔壁の厚さ
は、0.1mm以上が好ましい。

また、本発明のハニカム状フィルターの気体流入側の
端部が開口している貫通孔（以下、場合により、「流入
側貫通孔」と称す。）と気体流出側の端部が開口してい
る貫通孔（以下、場合により、「流出側貫通孔」と称
す。）との容積比率は、1.1〜2:1であることが好まし
い。その理由は、流入側貫通孔には前記充填物が充填さ
れているので、流入側貫通孔の容積を大きくすることに
より、流入側と流出側の有効開口面積が同一になり、そ
の結果、気体の流速を同一にすることができ過効率が
上昇するからである。流入側貫通孔が流出側貫通孔に対
して1.1倍よりも小さい場合、あるいは２倍よりも大き
い場合には、いずれも気体の有効通過面積が小さくなり
使用時の過圧力が大きくなる傾向がある。

なお、ハニカム状フィルターの材質は一般的な材料、
コージェライト，ムライト，炭化ケイ素，アルミナ等を
使用できるが、とりわけ、熱伝導性に優れた炭化ケイ素
が好適である。

次に、本発明を実施例を用いて説明する。

実施例１炭化ケイ素98％，ホウ素0.3％からなる粉末より押出
成形によって製造したハニカム構造体に、封止材をハニ
カム構造体と同じ材料を使用して製造し所定の位置の貫
通孔の端部に栓詰めした。このハニカム状フィルター
は、隔壁の厚み0.4mm、開口部寸法、すなわち貫通孔の
横断面形状が1.5×1.5mmの正方形であり、開放気孔率が
61.5vol％、隔壁の平均気孔径が28μｍ、直径142mm×長
さ150mmであった。なお、流入側と流出側の開口部の封
止状態は流入側貫通孔容積：流出側貫通孔容積が1.2:1
となるようにした。次いで、流入側開口部に99％が炭化
ケイ素からなるウィスカー、平均繊維径1.8μm,平均ア
スペクト比85のものを25vol％充填した。

このフィルターを第２図に示す排ガス処理装置内に装
填して、エンジン負荷100％回転数3000rpmで発生したデ
ィーゼルエンジンのパティキュレートを過した。

この時流出側の排ガスの含まれるパティキュレートの
量をサンプリングし、流入側の濃度とガス量により過
効率を求め、さらに初期圧力損失を調べた。

運転時間は圧力損失が200mmHgとなるまで行なった。
そして、フィルター自体を酸化雰囲気中、800℃で加熱
して可燃性微粒子を完全に燃焼させ、フィルターを再生
した。

フィルターの捕集効率および初期圧力損失を再生回数
ごとに調べたのが第３及び第４図である。

第３図から明らかなように初回の捕集効率は76％で10
0回の繰り返し再生を行なっても78％であり、高い捕集
効率でその変動も少なかった。

また、第４図から明らかなように、初期圧力損失は初
回と100回再生後とでは若干増加したにすぎず、少ない
圧力損失で高い捕集効率を得ることができた。100回再
生後、フィルターに2.5kg/cm²で加圧逆洗を施して充填
していたウィスカーを除去し、再度、新しいウィスカー
を同様に充填して圧力損失を測定したところ、46mmHgで
あり、フィルターの圧力損失はほとんど上昇していない
ことがわかった。

比較例１コージェライト質によって実施例１と同様、ハニカム
構造体に封止材を充填してハニカム状フィルターを製造
した。このハニカム構造体は、隔壁の厚みは0.4mm、貫
通孔の横断面形状は1.5×1.5mmの正方形、開放気孔率は
61.9vol％、隔壁の平均気孔径は26μｍ、直径142mm×長
さ150mmであった。流入側貫通孔容積と流出側貫通容積
の比率は1:1とした。実施例１と同様にパティキュレー
トの捕集と圧力損失を測定し第３図，第４図において比
較した。

第３図から明らかなように、捕集効率は最初65％であ
り、再生回数を増すごとに捕集効率は上昇する傾向があ
り、100回の再生時には95％と上昇変動した。

また、第４図から明らかなように初期圧力損失は25mm
Hgであるが、再生回数を増すごとに初期圧力損失は上昇
する傾向となり、100回の再生では105mmHgとなり、フィ
ルターの再生ごとに処理することのできる排ガス量も徐
々に低下した。すなわち、ハニカム状フィルターの隔壁
の気孔が徐々に目詰まりを生じ、再生加熱処理を行なっ
ても従来の気孔と同様にならないことがわかった。

実施例２〜８、比較例２〜５ハニカム構造体の開放気孔率を77.9％とした他は、実
施例１と同様の場合（実施例２）、ハニカム構造体の開
放気孔率を44.4vol％とした他は実施例１と同様の場合
（比較例２）、充填物として平均繊維径5.5μｍ、平均
アスベクト比70の炭化ケイ素繊維を用い、充填率を26vo
l％とした他は実施例１と同様の場合（実施例３）、平
均繊維径28μｍの炭化ケイ素繊維（より線：平均繊維径
5.5μｍ平均アスペクト比70単繊維をよったもの）を用
い、充填率を27vol％とした他は実施例１と同様の場合
（実施例４），炭化ケイ素繊維の平均繊維径120μｍの
炭化ケイ素繊維（より線：平均繊維径5.5μｍ平均アス
ペクト比70単繊維をよったもの）を充填率28vol％で充
填し、開放気孔率を61.9％とした他は実施例１と同様の
場合（比較例３）、炭化ケイ素ウィスカーの充填率を35
vol％とした他は実施例１と同様の場合（実施例５）、
炭化ケイ素ウィスカーの充填率を5vol％とし、開放気孔
率を61.9％とした他は実施例１と同様の場合（比較例
４）、充填物として、平均繊維径8.5μｍ、平均アスペ
クト比60のチラノ繊維、または平均繊維径3.0μｍ、平
均アスペクト比60のAl₂Ｏ₃繊維を充填した他は実施例１
と同様の場合（実施例6,7）、流入側貫通孔と流出側貫
通孔との容積比率を1.6:1とした他は実施例１と同様の
場合（実施例８）、流入側貫通孔と流出側貫通孔との容
積比率を3:1とし、炭化ケイ素繊維の充填率を25vol％と
した他は比較例４と同様の場合（比較例５）によって得
られたハニカム状フィルターを、それぞれ実施例１と同
様にパティキュレートの捕集効率と圧力損失を調べて次
表に示す。

表からも明らかなように、本発明のハニカム状フィル
ターは、圧力損失が小さく高い捕集効率を長期に亙って
維持していることがわかる。

［発明の効果］以上詳述したように、本発明のハニカム状フィルター
は、気体流入側貫通孔にセラミック繊維またはウィスカ
ーが充填されているので、排ガス等の気体に含まれる微
粒子を効率よく捕集・除去し、しかも、フィルターの再
生のための燃焼処理に伴う不燃性微粒子の隔壁への付着
・蓄積を防ぐことができ、フィルターを長期間に亙り使
用しても、圧力損失が上昇せずに高い捕集効率を維持す
ることができる。

また、本発明のハニカム状フィルターは、セラミック
繊維やウィスカーが充填されているので、高温焼却炉や
高温反応炉等において使用される高温付着性のある粒子
を含んだガスを過するフィルターとしても有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のハニカム状フィルターを示す縦断面
模式図である。第２図は、実施例、比較例において使用
した排ガス処理装置を示す模式図である。第３図及び第
４図は、実施例１と比較例１で測定した捕集効率と初期
圧力損失を示す図である。第５図は、一般的なハニカム
状フィルターを説明するための正面図であり、第６図
は、気体の流入，流出状態を示す模式図である。１−ハニカム状フィルター、2,3−封止材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔質セラミック材より成るハニカム構造
体の所定の貫通孔の端部を封止して成るハニカム状フィ
ルターであって、気体流入側の端部が開口している貫通
孔内に、セラミック繊維またはウィスカーを充填したこ
と、該セラミック繊維またはウィスカーの平均繊維径が
80μｍ以下であること及び該セラミック繊維またはウィ
スカーが貫通孔の容積に対し、少なくとも10vol％を占
めてなること、を特徴とするハニカム状フィルター。
【請求項２】前記ハニカム構造体の開放気孔率が55〜80
vol％である請求項１記載のハニカム状フィルター。
【請求項３】気体流入側の端部が開口している貫通孔
と、気体流出側の端部が開口している貫通孔との容積比
率が、1.1〜2:1の割合である請求項１又は２に記載のハ
ニカム状フィルター。
【請求項４】前記セラミック繊維またはウィスカーが、
SiC,Si₃Ｎ₄,TiB₂,ZrB₂,B₄C,BN,Al₂Ｏ₃,ZrO₂，チラノ繊
維,TiO,MgOから選ばれるいずれか少なくとも１種を主成
分として構成される請求項１〜３のいずれか１に記載の
ハニカム状フィルター。