JP4392984B2 - Ceramic structure - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、セラミック構造体に関し、特に、セラミック製のハニカム構造体、モノリス構造体、その他部材の長手方向に沿って複数の貫通孔を並列して設けてなるセラミック構造体の新規な構造について提案する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、長手方向に沿って複数の貫通孔を並列して設けてなるセラミック製ハニカム構造体などは、車両用排気ガスや工場からの排気ガスなどを浄化処理するためのフィルタとして使われている。このセラミック構造体は、その端面における貫通孔の開一封状態が市松模様状(隣接する貫通孔同士が互いに他と異なるように開一封状態となっている状態)を呈するようになっている。即ち、これらの貫通孔はいずれか一方の端面のみが目封じされており、しかも隣接する貫通孔同士は、互いに異なる開封状態か閉塞状態となっていて、市松模様状の目封じとなっている。従って、1つの貫通孔は一方の端面が開なら他端面は閉となり、これに隣接する貫通孔は逆に一方の端面は閉で他端面は開となる。そして、このセラミック構造体は、上記各貫通孔のいずれか一方の端面から被処理ガスを流入させると、他端に向かう途中において多孔質な隔壁を抜けて、隣接する貫通孔に入って他端面から処理済ガスを流出させるようになっている。なお、このセラミック構造体は、多孔質体であり、それゆえに各貫通孔を隔てる隔壁を通じて互いに通気が可能で、該構造体の中で容易に他の貫通孔へ入る。このことのために、ガスの入側と出側とでは、異なる貫通孔を流通していくことになる。このようなセラミック構造体に排気ガスを通気すると、上記のようにして一方の端面から流入した排気ガスは、隔壁を通過して流出口に向かう間に、排気ガス中の粒子状物質(パティキュレート)がこの隔壁部分に捕捉され浄化される。なお、この排気ガスの上記浄化作用に伴い、特に流入口側の隔壁には前記パティキュレートが捕集され堆積するため、次第に目詰まりを起こして通気を妨げるようになる。そのため、このセラミック構造体は、定期的に、バーナーやヒータといった加熱手段によって目詰まりの原因となる隔壁に堆積したパティキュレートを燃焼除去する処理(以下、単に「再生」という)が必要となる。
【0003】
ところが、上記セラミック構造体では、かかる再生において、不均一な加熱過程やパティキュレートの異常燃焼に伴う局部的な発熱、排気ガスの急激な温度変化が与える熱衝撃などによって、構造体内部に不均一な温度分布が生じ、熱応力が作用する。その結果、上記セラミック構造体は、クラックの発生や溶損を招き、ひいては破壊に到らしめてパティキュレートの捕集に支障を与えるという問題があった。
【0004】
これに対し従来、上記問題を解決する手段として、例えば、セラミック構造体を、その軸線に垂直な面やその軸線に平行な面で、複数個のセラミック部材に分割することにより、前記セラミック構造体に作用する熱応力を低減させる方法が提案されている(特開昭60-65219号公報参照)。更に、この分割型のセラミック構造体(以下、「分割セラミック構造体」という)のセラミック部材相互間に生じる隙間に、非接着性のシール剤を介挿させることにより、排気ガスのシール性を改善した分割セラミック構造体が提案されている(実開平1-63715 号公報参照)。
【0005】
上記各提案によれば、分割セラミック構造体は、前記シール剤を採用したことによって、一体型のセラミック構造体で見られるような熱応力を開放することができる。しかしながら、上記シール剤は非接着性であるため、各セラミック部材を強固に接合できない。そのため、上記従来技術にかかる分割セラミック構造体は、セラミック部材を結束させて一構造体としての形態を維持するための拘束力が必要であった。この拘束力を付与する手段として、従来、熱膨張性断熱材を最外周部に設ける、あるいは熱膨張性断熱材を内部シール剤として適用している。
【0006】
しかしながら、上記の非接着性シール剤や熱膨張性断熱材は、再生時の熱や、内燃機関から発生する振動の繰り返しに対する耐久性が低く、そのために、シール剤は、体積収縮や強度の劣化が進みシール性が低下してしまう一方、熱膨張性断熱材も、体積膨張後の復元力が急激に低下するという問題があった。従って、上記分割セラミック構造体は、それを構成する複数個のセラミック部材を支持する力を失い、排気ガスの圧力により分解、飛散してしまうことがあった。しかも、たとえガスの流出口側端面に補強部材を設けてもシール剤の劣化を防止することは難しく、耐久性の改善が望まれていた。
【0007】
このような実情に鑑み、発明者らは、先に、従来技術が抱える上記問題を克服するための手段として、各セラミック部材の相互間を、少なくとも無機繊維、無機バインダー、有機バインダー及び無機粒子からなり、かつ三次元的に交錯する前記無機繊維と無機粒子とを、前記の無機バインダー及び有機バインダーを介して互いに結合して成る弾性質素材のシール剤を開発した(特開平8−28246)。上記の非接着性シール剤は、三次元的に絡み合った無機繊維を主成分とし、接着性を持たせるための有機バインダー、高温での接着力を持たせるための無機バインダーから成っており、さらに熱伝導性を持たせるためにSiC等の無機粒子を加えて構成されている。この発明により、温度に関係なく接着強度に優れ、かつ熱伝導率にも優れるシール剤を得ることができ、このシール剤を用いたセラミック構造体を排気ガス浄化装置用フィルタに適用すると、再生時間の短縮、再生効率や耐久性の向上を実現することができた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記排気ガス浄化装置は通常の使用条件においては優れた耐久力を有しているが、さらに過酷な条件での使用も想定されるため、そうした場合にも耐え得るセラミック構造体を発明することが必要である。
【0009】
この発明は、従来技術が抱えている、上述した問題を解消するためになされたものであり、その主たる目的は、セラミック構造体の耐久性を向上させることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的の実現に向け、発明者らは鋭意研究を続けた結果、以下に示す内容を要旨構成とする発明を見出した。即ち、請求項1による発明は、長手方向に沿って並列する複数の貫通孔を有し、かつ、これらの貫通孔の各端面は、それぞれ市松模様状に目封じされていると共に、ガスの入側と出側とでは開閉が逆の関係にあり、そして、これらの貫通孔の隣接するもの同士は、多孔質な隔壁を通じて互いに通気可能にしたセラミック部材を、複数個結束させて集合体としたセラミック構造体において、前記各セラミック部材の相互間は、ペースト状のシール剤を乾燥硬化させることより結束されており、前記シール剤は、無機繊維、無機バインダー、有機バインダーからなり、前記無機繊維の配向度は70%以上であることを特徴とするセラミック構造体である。なお、ここでいう配向度とは一方向の応力方向に対する繊維の方向性の程度を意味するもので、本発明においては、図7のように定量吐出ポンプから吐出されたシール剤の吐出方向を基準(0°)として、これに対し繊維の傾きが絶対角20°以内のものが任意の繊維数に含まれる本数を百分率で表したものをいう。
【0011】
本発明においては、シール剤の吐出速度を上げることに加え、例えば図10のような細孔ノズルを備えた吐出ポンプを用いることにより、前記ノズル付近に強い剪断力を生じさせて、無機繊維の内部まで一軸配向させる。また、吐出口の大きなノズルを用いる場合には、図11のような網目状の仕切り板をシール剤の吐出方向に沿う形で上下左右がずれるように設置し、厚みのあるシール剤の内部まで剪断力を作用させることにより、無機繊維を一軸配向させる。
【0012】
こうすることにより、従来、三次元的に絡み合った無機繊維では長手方向に対するフィルタの伸縮を抑えることができず、フィルタを極めて過酷な条件の下で使用した場合には、熱応力を開放できなくなる可能性があったものを、本発明によれば、無機繊維が長手方向に沿って一軸配向され、同方向に対する伸縮を抑える効果が得られ、フィルタに加わる熱応力を開放することができる。
その結果、上記無機繊維を用いることによって、過酷な使用条件の下でも優れた耐久性を有するセラミック構造体とすることができる。
【0013】
従って、シール剤を吐出する接着剤塗布機の吐出口の形状は様々な形が考えられるが、セラミック部材の接着面に均等に塗布できるために接着面積が安定し、強い接着力が得られ、さらには前述したように高い配向度が得られやすいという点で、図6( b )のような平型ノズルが望ましい。
【0014】
前記のような吐出口を有する定量吐出ポンプのノズルの開口面積としては、33mm2〜112 mm2、好ましくは39mm2〜84 mm2、より好ましくは42mm2〜52mm2、であることが望ましい。開口面積が33mm2未満であると、シール剤を棒状に吐出することができなくなり、安定した接着面積を確保できなくなってしまう。一方、112 mm2を超えるとシール剤の厚みがありすぎて、吐出ポンプからのシール剤の供給量が追いつかなくなり、ペーストの途中でシール剤が切れてしまうからである。
【0015】
また、シール剤ペーストの吐出速度が速いほど、さらにノズルのアスペクト比(横/縦比)が大きいほど配向度は増す。
【0016】
上記定量吐出ポンプのノズルのアスペクト比としては、ノズルの開口面積が52mm2の場合、4.3〜16.1、好ましくは8.3〜13であることが望ましい。この理由は、4.3未満であると配向度が低くなりすぎてしまうと共に、セラミック部材の接着面に対して十分な接着面積を確保することができなくなってしまい、一方、16.1を超えるとセラミック部材の接着面に対して過度に塗布してしまうため、組立ての際にシール剤がはみ出してしまい、除去を行う工程が増え生産性が落ちてしまうからである。
【0017】
前記シール剤の厚さとしては1.0mm〜6.0mm、好ましくは1.5mm〜5.0mm、より好ましくは2.5mm〜3.5mmであることが望ましい。この理由は、1.0mm未満であると、再生時に生じる熱膨張を吸収することができなくなり、フィルタが割れてパティキュレートが漏れてしまい、一方、6.0mmを超えると熱伝導率が落ちてしまい、フィルタ内部の温度が上がりきらずにパティキュレートを完全に再生しきれなくなってしまうからである。
【0018】
また、シール剤に含有する無機繊維の配向度は、70%以上であることが望ましい。その理由は、配向度が70%未満になってしまうと、無機繊維が三次元的に絡み合うことによって長手方向に対するフィルタの伸縮を抑えることができず、フィルタを過酷な条件の下で使用した場合には熱応力を解放できなくなり、前記の一体型セラミック構造体のように熱応力を開放できなくなる可能性があるからである。
【0019】
ここで、前記シール剤は、無機繊維として、炭化珪素ファイバーから選ばれる少なくとも1種以上の繊維を用い、無機バインダーとして、シリカゾル及びアルミナゾルから選ばれる少なくとも1種以上のコロイダルゾルを用い、有機バインダーは、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース及びカルボメトキシセルロースから選ばれる少なくとも1種以上の多糖類であることが望ましい。
【0020】
具体的には、上記シール剤は、下記に述べる構成を備えることがより好ましい。コロイダルゾルのうち、シリカゾルの含有量は、固形分で、1〜30wt%、好ましくは1〜15wt%、より好ましくは5〜9wt%であることが望ましい。この理由は、含有量が1wt%未満では接着強度の低下を招き、一方、30wt%を超えると熱伝導率の低下を招くからである。
【0021】
多糖類のうち、カルボキシメチルセルロースの含有量は、固形分で、0.1〜5.0wt%、好ましくは0.2〜1.0wt%、より好ましくは0.4〜0.6wt%であることが望ましい。この理由は、含有量が0.1wt%未満ではマイグレーションを抑制できず、一方、5.0wt%を超えると高温の熱履歴により有機バインダーが焼失し、強度が低下するからである。
【0022】
請求項2による発明は、前記シール剤が無機繊維、有機バインダー、無機バインダー、無機粒子からなることを特徴とする、請求項1に記載のセラミック構造体である。
【0023】
ここで、上記シール剤を構成する無機粉末またはウィスカーのうち、炭化珪素粉末の含有量は、固形分で、3〜80wt%、好ましくは10〜60wt%、より好ましくは20〜40wt%であることが望ましい。この理由は、含有量が3wt%未満では、熱伝導率の低下を招き、一方、80wt%を超えると高温時での接着強度の低下を招くからである。
【0024】
無機粉末またはウィスカーのうち、炭化珪素粉末は、その粒径が0.01〜100μm、好ましくは0.1〜15μm、より好ましくは0.1〜10μmであることが望ましい。この理由は、粒径が100μmを超えると、接着力(強度)及び熱伝導性の低下を招き、一方、0.01μm未満ではコスト高になるからである。
【0025】
請求項3による発明は、前記無機繊維が炭化珪素ファイバーから選ばれる少なくとも1種以上の繊維からなることを特徴とする、請求項1に記載のセラミック構造体である。
【0026】
無機繊維のうち、炭化珪素ファイバーの繊維長は、20〜300μmであることが好ましく、50〜200μmであることがより好ましい。繊維長が20μm未満であると、その性質が粒子に近くなり接着強度の低下を招く場合がある。一方、300μmを超えると、接着層に均一に分散させることが困難になり、やはり接着強度の低下を招く場合がある。また、その繊維径は3〜15μmであることが好ましい。繊維径が3μm未満であると、炭化珪素ファイバーの強度が低下し容易に切断されてしまうため接着強度の低下を招く場合があり、一方、15μmを超えると、シリカゾルとの絡み合いが阻害され、接着強度の低下を招く場合があり、また、このような太い炭化珪素ファイバーを得ること事態が困難であり原料コストの高騰を招く。
【0027】
また、上記炭化珪素ファイバーの含有量は、固形分で、3〜80wt%が好ましく、10〜70 wt%がより好ましく、40〜60 wt%がさらに好ましい。炭化珪素ファイバーの含有量が3 wt%未満であると、熱伝導率の低下を招き、一方、80 wt%を超えると、接着層が高温にさらされた場合に、接着強度の低下を招く。
【0028】
【作用】
請求項1に記載されたセラミック構造体の特徴は、図8のようにシール剤の吐出方向に対して無機繊維の配向度を70%以上とすることより、セラミック構造体の耐久性を向上させた点にある。つまり、前記のようにシール剤の吐出速度を速め、細孔ノズルや網目状の仕切り等を用いて無機繊維の配向度を高めることにより、フィルタの長手方向に対する伸縮を抑える効果が得られ、過酷な使用条件の下でもフィルタに加わる熱応力を解放することができる。
【0029】
請求項2に記載されたシール剤の特徴は、優れた熱伝導特性を持つ炭化物または窒化物からなる無機粒子を加えることによって、セラミック構造体の熱伝導率を著しく向上させることができる点にある。
【0030】
従って、上記無機粒子を含むシール材は、熱伝導率に優れ、例えば、排気ガス浄化装置用フィルタに用いると、複数のセラミック部材を組み合わせたときにできる空隙を埋めると同時に、再生時に温度ピーク現象を招くことなく、セラミック構造体の破損を有効に防止することができる。しかも、熱サイクルによるクラックの発生が低減され、フィルタ外周のエッジ部の加熱も比較的短時間ででき、再生効率を向上させることができる。
【0031】
請求項3に記載されたセラミック構造体の特徴は、無機繊維に熱伝導性、弾性ともに優れ、セラミック部材と同じ材質からなる炭化珪素ファイバーを用いることによって、シール剤の接着性と熱伝導性を向上させるとともに、熱膨張率をセラミック部材と同一にすることができる点にある。
【0032】
従って、熱伝導性を高める効果はあっても接着性を低減させてしまう無機粒子を用いることなく、シール剤を接着性及び強度に優れる弾性質素材とすることができ、なおかつフィルタに加わる熱応力を解放することができる。その結果、このようなシール剤によって複数個のセラミック部材を一体に拘束したセラミック構造体は、十分な耐久性と接着性、熱伝導性を有する。
【0033】
以上まとめると、本発明によるセラミック構造体は、フィルタの伸縮を抑えることにより、過酷な使用条件下での熱応力によるクラックの発生の防止は勿論のこと、接着性、熱伝導性をも兼ね備えたシール剤を有することに特徴がある。
【0034】
ここで、無機繊維としては、特に炭化珪素ファイバーが望ましく、接着剤として作用する。この炭化珪素は、接着性や耐熱性及び弾性に優れると共に、熱伝導率を高める作用がある。
【0035】
無機バインダーとしては、コロイダルゾルが望ましく、例えば、アルミナゾル、シリカゾルがあるが、特にシリカゾルが望ましく、接着剤(無機バインダー)として作用する。このシリカゾルは、入手しやすく、焼成により容易にSiO2となるため高温領域での接着剤として好適である。
【0036】
有機バインダーとしては、親水性有機高分子が望ましく、特に多糖類がより好ましい。具体的には、ポリビニルアルコールやメチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロースなどがあるが、特にカルボキシメチルセルロースが望ましく、組立て時の流動性を確保するために作業性向上に寄与し、常温領域での優れた接着性を示す。
【0037】
無機粒子としては、炭化物または窒化物の無機粒子が望ましく、例えば炭化珪素、窒化珪素及び窒化硼素がある。これらの炭化物や窒化物は、熱伝導率が非常に大きく、セラミックファイバー表面やコロイダルゾルの表面及び内部に介在して熱伝導性の向上に寄与する。例えば、炭化珪素の熱伝導率は79.2W/mk、窒化硼素の熱伝導率は56.7W/mkで、これに対してアルミナの熱伝導率は33.4W/mk程度であり、特に炭化物や窒化物は、熱伝導率の改善に効果的であることがわかる。これらの炭化物または窒化物からなる無機粒子のうち、特に炭化珪素は熱伝導の点で最適である。即ち、接着性、耐熱性、耐水性及び熱伝導率をすべて兼ね備えているのが炭化珪素であることがその理由である。
【0038】
以下に、この発明のセラミック構造体をディーゼルエンジンに取り付けられる排気ガス浄化装置用フィルタに具体化した実施例を図1〜図5に基づき詳しく説明する。図1は、この発明のセラミック構造体を用いた排気ガス浄化装置用フィルタ1を示す図であり、図2は、このフィルタの部分断面拡大図である。これらの図において、排気ガス浄化装置用フィルタ1は、8本の角柱状のセラミック部材2と4本の断面直角二等辺三角形状のセラミック部材3を、部材相互間に弾性質素材からなるシール剤(厚さ2.5〜3.5mm)4を介在させて一体に接着し、外周加工により円柱状に加工して構成されている。図3〜5は、排気ガス浄化装置用フィルタ1の部分を構成しているセラミック部材2を示す図である。これらの図において、角柱状(33mm×33mm×254mm)のセラミック部材2には、断面略正方形状の貫通孔6がその軸線方向に沿って規則的に穿設されている。これらの貫通孔6は、厚さ0.3mmの多孔質な隔壁7によって互いに隔てられている。各貫通孔6の排気ガス流入側または流出側のいずれかの一端は、多孔質焼結体製の封止片5によって市松模様状に封止されている。その結果、セラミック部材2の流入側または流出側のいずれか一方のみに開口するセル8が形成された状態となっている。なお、セル8の隔壁7には、白金族元素やその他の金属元素及びその酸化物等からなる酸化触媒を担持してもよい。担持するとパティキュレートの着火温度が低下するためである。また、セラミック部材3は、断面形状が直角二等辺三角形状であることを除いてセラミック部材2と同様の構成を有している。そして、本実施例の排気ガス浄化装置用フィルタ1を構成するセラミック部材2、3の場合、平均気孔径が10μm、気孔率が43%、セル壁の厚さが0.3mm、セルピッチが1.8mmに設定されている。本実施例は、以上説明したような構成にある排気ガス浄化装置用フィルタ1を作成して、そのフィルタの性能評価を行ったものである。
【0039】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【0040】
(実施例1)
α型炭化珪素粉末(粒径5μm)51.5重量%とβ型炭化珪素粉末22重量%とを湿式混合し、得られた混合物に有機バインダー(メチルセルロース)と水とをそれぞれ6.5重量%、20重量%ずつ加えて混練した。次に、可塑剤と潤滑剤を少量加えて更に混練し、この混練物を押出し整形することにより、ハニカム状の生成形体を得た。次に、この生成形体をマイクロ波による乾燥機を用いて乾燥し、その後、成形体の貫通孔6を多孔質焼結体製の封止片5形成用のペーストによって封止した後、再び乾燥機を用いて封止片5用ペーストを乾燥させた。そして、この乾燥体を400℃で脱脂した後、更にそれをアルゴン雰囲気下にて2200℃で焼成し,多孔質でハニカム状のセラミック部材2、3を得た。
【0041】
接着工程に先立ちあらかじめ、炭化珪素粉末(30 wt%〜50 wt%)、樹脂バインダーPV−5(商品名:株式会社マルバン社製)(40 wt%〜60 wt%)、及び助剤としてのグリセリン5 wt%〜10 wt%からなる、セラミックス製の下地層を塗布する。この理由は、下地層を形成することにより、微細な孔のあるセラミック部材の外周面へのシール剤の染込みを阻止することができるため、接着剤を比較的短時間で十分にムラなく行き渡らせることができるからである。
【0042】
無機繊維としてのセラミックファイバー(アルミナシリケートセラミックファイバー、ショット含有率3%、繊維長さ0.1〜100μm、繊維径3〜15μm)23.3 wt%、無機バインダーとしてのシリカゾル(ゾルのSiO2の換算量は30%)7wt%、有機バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース0.5 wt%及び水39 wt%を混合し、混練して、粘度32Pa・sのシール剤を作成した。
【0043】
セラミック部材2、3相互間に、前記シール剤を、図6(b)のような開口面積が52 mm2で、アスペクト比が13の平型ノズルを有する、図6 (a) に示す定量吐出ポンプにより無機繊維の配向度が90%となるように37g吐出して、図9に示すとおり、厚さ3.0 mm、幅26mm、長さ244mmになるように充填した。
【0044】
なお、配向度の測定方法としては、定量吐出ポンプから吐出されたシール剤を吐出方向に沿って切断し、その切断面上を100本の繊維についてSEMによる撮影を行った。また、シール剤の中心部を繊維配向度の評価対象とする。この理由は、シール剤を吐出する際、吐出ポンプの壁面に接する部分ではマトリックスの塑性流れによって繊維の配高度は高くなり、逆に中心部ではその影響は小さいため、中心部を評価することにより全体の配向度がそれ以上であることが保証されるためである。
【0045】
次に、セラミック部材2、3と前記シール剤4とを接合して一体化させ、50〜100℃×1時間にて乾燥、硬化して、図示しない外周加工機を用いて円筒状に切断、加工し、図1に示すようなフィルタ1を作成した。
【0046】
前記フィルタの外周部に、セラミックファイバーを含んで形成された保持シール体17(厚さ4ミリ)の層を形成し、図12のような排気ガス浄化装置に設置した。なお、フィルタ1の排気ガス導入側となる部分には、フィルタ1を加熱するための電気ヒータ21が設けられると供に、温度センサ22がフィルタ1の端面に接するように設けられている。
【0047】
上記排気ガス浄化装置の導入管18をエンジンの排気ガス排出口に接続し、上記エンジンを3000rpm、60Nmにして12時間運転するパティキュレート捕集試験を行い、捕集終了後に上記電気ヒータ21を用いて、フィルタ1を600℃に加熱することで、蓄積されたパティキュレートを燃焼除去する再生処理を40分間行う試験を20サイクル行った。
【0048】
その後、各セラミック部材の接合部分を吐出方向に切断して、切断面をSEMで観察してクラックの測定を行ったところ、クラックは発見されなかった。
【0049】
(実施例2)
本実施例は、基本的に実施例1と同様であるが、シール剤に含まれる無機繊維の配向度を、実施例1にあるものに代えて40%として、実施例1と同条件でパティキュレートの捕集、再生処理を行いクラックの測定を行ったところ、クラックが多数発見された。
【0050】
(実施例3)
本実施例は、基本的に実施例1と同様であるが、シール剤に無機粒子(炭化珪素粉末30.2wt%、平均粒径0.3μm)を加え、無機繊維の配向度を60%として、実施例1と同条件でパティキュレートの捕集、再生処理を行いクラックの測定を行ったところ、クラックは発見されなかった。
【0051】
(実施例4)
本実施例は、基本的に実施例1と同様であるが、シール剤に含まれる無機繊維を、実施例1にあるものに代えて炭化珪素ファイバー(繊維長さ50〜200μm、繊維径3〜15μm) 60wt%とし、無機繊維の配向度を60%として、実施例1と同条件でパティキュレートの捕集、再生処理を行いクラックの測定を行ったところ、クラックは発見されなかった。
【0052】
以上の結果から明らかなように、この発明のセラミック構造体を用いたフィルタは、過酷な使用条件下での運転の際に発生するヒートサイクルや、パティキュレートが偏って堆積することにより、再生を行う際に生じるパティキュレートの燃焼による温度差が生じても熱応力を開放することができ、過酷な使用条件下で用いても、フィルタとしての耐久性に優れることを確認した。しかも、このセラミック構造体は、熱伝導性にも優れるので、フィルタ内部に位置するセラミック部材でのピーク温度の発生を低減でき、エッジ部分に位置するセラミック構造体の昇温時間を短縮させることができることから、再生効率の向上を同時に実現させることができる。
【0053】
なお、この発明のセラミック構造体が適用されるフィルタ1の構成は、上記実施例に記載のものに限定されることはなく、以下のような構成に変更することが可能である。例えば、
セラミック部材の組み合わせ数は前記実施例のように12個でなくてもよく、任意の数にすることが可能である。この場合、サイズ・形状などの異なるセラミック部材を適宜組み合わせて使用することも勿論可能である。なお、セラミック部材を複数個組み合わせた構成を採ることは、大型の排気ガス浄化装置用フィルタを作成するときに特に有利である。
前記実施例のフィルタ1は、いわば1つの大きなフィルタが軸線方向に沿って複数個に分割された状態になっているとも捉えることができる。そこで、例えばフィルタをドーナツ状に分割した状態、軸線方向に垂直に分割した状態などにするというような変形例も考えられる。
前記実施例にて示したようなハニカム状のセラミック部材2、3のみに限られず、例えば三次元網目構造、フォーム状、ヌードル状、ファイバー状等を採用することが勿論可能である。また、セラミック部材2、3用の材料として、炭化珪素以外のものを選択しても勿論よい。
フィルタ1を構成する場合、セラミック部材2、3相互間にヒータを設けてなる構成としてもよい。この場合、ヒータは金属線であることのみに限定されない。つまり、ヒータは、金属メタライズ、導体ペーストの印刷、スパッタリング等といった方法によって作成したものであってもよい。
【0054】
本実施例においては、この発明のセラミック構造体を、ディーゼルエンジンに取り付けられる排気ガス浄化装置用フィルタに具体化した例について説明したが、このセラミック構造体の用途は、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化装置用フィルタに限定されるものではない。例えば、熱交換器用部材、あるいは高温流体、高温蒸気の濾過フィルタとして使用することができる。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明のシール剤を用いたセラミック構造体は、使用条件に関係なく接着強度に優れ、しかも熱伝導率にも優れるので、例えば、排気ガス浄化装置用フィルタに適用すると、過酷な使用条件下においても、耐久性の向上だけでなく、再生時間の短縮、再生効率を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のセラミック構造体を用いた排気ガス浄化装置用フィルタを示す斜視図である。
【図2】この発明のセラミック構造体を用いた排気ガス浄化装置用フィルタの部分拡大断面図である。
【図3】この発明にかかる排気ガス浄化装置用フィルタのセラミック部材を示す斜視図である。
【図4】図3のA−A線における一部破断拡大断面図である。
【図5】図4のB−B線における拡大断面図である。
【図6】シール剤を吐出する定量吐出ポンプの図及びノズルの形状図である。
【図7】シール剤の吐出方向に対する繊維の傾きを示した図である。
【図8】無機繊維がシール剤の吐出方向に対して配向している図である。
【図9】接着剤塗布機の図である。
【図10】細孔ノズルの側面断面図である。
【図11】網目状の仕切り板及びノズルの断面図である。
【図12】排気ガス浄化装置の一例を示した断面図である。
【符号の説明】
1 排気ガス浄化装置用フィルタ
2、3 セラミック部材
4 シール剤
5 封止片
6 貫通孔
7 隔壁
8 セル
9排気ガス
10ロータ
11ドライブシャフト
12ロッド
13ノズル
14定量吐出ポンプ
15無機繊維
16網目状の仕切り板
17保持シール体
18導入管
19排出管
20ケーシング
21電気ヒータ
22温度センサ
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a ceramic structure, and in particular, proposes a novel structure of a ceramic structure in which a plurality of through holes are provided in parallel along the longitudinal direction of a ceramic honeycomb structure, a monolith structure, and other members. To do.
[0002]
[Prior art]
In general, a ceramic honeycomb structure in which a plurality of through holes are provided in parallel along the longitudinal direction is used as a filter for purifying exhaust gas for vehicles, exhaust gas from a factory, and the like. In this ceramic structure, the open state of the through-holes on the end surface thereof exhibits a checkered pattern (a state where the adjacent through-holes are in an open-sealed state so as to be different from each other). . That is, only one of the end faces of these through-holes is sealed, and the adjacent through-holes are opened or closed different from each other to form a checkered plug. . Therefore, if one end face of one through hole is open, the other end face is closed. Conversely, a through hole adjacent thereto is closed on one end face and opened on the other end face. Then, when the gas to be treated is introduced from one end face of each of the through holes, the ceramic structure passes through the porous partition wall on the way to the other end, enters the adjacent through hole, and enters the other end face. The treated gas is allowed to flow out of the tank. Note that this ceramic structure is a porous body, and therefore can ventilate each other through the partition walls separating the through holes, and easily enters other through holes in the structure. For this reason, different through holes are circulated on the gas inlet side and the gas outlet side. When exhaust gas is passed through such a ceramic structure, the exhaust gas flowing in from one end face as described above passes through the partition wall toward the outlet, and particulate matter (particulates) in the exhaust gas. ) Is captured and purified by the partition wall. As the exhaust gas is purified, the particulates are collected and accumulated especially on the partition wall on the inlet side, so that clogging gradually occurs and ventilation is hindered. For this reason, the ceramic structure needs to be periodically treated (hereinafter simply referred to as “regeneration”) to remove the particulates accumulated on the partition walls causing clogging by a heating means such as a burner or a heater.
[0003]
However, in the above-mentioned ceramic structure, the inside of the structure is uneven due to uneven heating process, local heat generation due to abnormal combustion of particulates, thermal shock caused by sudden temperature change of exhaust gas, etc. Temperature distribution occurs and thermal stress acts. As a result, the ceramic structure has a problem in that cracks are generated or melted, resulting in breakage and hindering the collection of particulates.
[0004]
On the other hand, as a means for solving the above problem, for example, the ceramic structure is divided into a plurality of ceramic members by a plane perpendicular to the axis or a plane parallel to the axis. There has been proposed a method for reducing the thermal stress acting on the surface (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-65219). Furthermore, non-adhesive sealant is inserted into the gap between the ceramic members of this split ceramic structure (hereinafter referred to as “split ceramic structure”) to improve the exhaust gas sealing performance. A divided ceramic structure has been proposed (see Japanese Utility Model Publication No. 1-63715).
[0005]
According to each of the above proposals, the split ceramic structure can release the thermal stress as seen in the integrated ceramic structure by adopting the sealing agent. However, since the sealing agent is non-adhesive, the ceramic members cannot be joined firmly. For this reason, the divided ceramic structure according to the above-described prior art requires a binding force to bind the ceramic members and maintain the form as one structure. As means for imparting this restraining force, conventionally, a heat-expandable heat insulating material is provided on the outermost periphery, or a heat-expandable heat insulating material is applied as an internal sealant.
[0006]
However, the non-adhesive sealant and the heat-expandable heat insulating material have low durability against regenerative heat and vibration generated from the internal combustion engine. For this reason, the sealant has a volume shrinkage and a deterioration in strength. However, while the sealing performance is lowered, the heat-expandable heat insulating material also has a problem that the restoring force after volume expansion is drastically reduced. Therefore, the above-mentioned divided ceramic structure loses the force to support a plurality of ceramic members constituting it, and may be decomposed and scattered by the pressure of the exhaust gas. In addition, even if a reinforcing member is provided on the end face on the gas outlet side, it is difficult to prevent deterioration of the sealing agent, and improvement in durability has been desired.
[0007]
In view of such a situation, the inventors firstly used at least inorganic fibers, inorganic binders, organic binders and inorganic particles as a means for overcoming the above-described problems of the prior art. And an elastic material sealing agent in which the inorganic fibers and the inorganic particles that are three-dimensionally crossed are bonded to each other via the inorganic binder and the organic binder (Japanese Patent Laid-Open No. 8-28246). The above non-adhesive sealing agent is mainly composed of inorganic fibers entangled three-dimensionally, and consists of an organic binder for imparting adhesiveness, an inorganic binder for imparting adhesive strength at high temperatures, and In order to give thermal conductivity, inorganic particles such as SiC are added. According to the present invention, it is possible to obtain a sealant having excellent adhesive strength regardless of temperature and excellent thermal conductivity. When a ceramic structure using this sealant is applied to a filter for an exhaust gas purifying apparatus, the regeneration time Shortening, and improving the reproduction efficiency and durability.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, although the exhaust gas purifying apparatus has excellent durability under normal use conditions, it is assumed that the exhaust gas purification apparatus is used under more severe conditions, and therefore a ceramic structure that can withstand such cases is invented. It is necessary.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and its main purpose is to improve the durability of the ceramic structure.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of continual research aimed at realizing the above object, the inventors have found an invention having the following contents as a gist. That is, the invention according to claim 1 has a plurality of through-holes arranged in parallel along the longitudinal direction, and each end face of these through-holes is sealed in a checkered pattern, and the gas can be entered. Opening and closing of the side and the exit side are in a reverse relationship, and adjacent ones of these through-holes are bundled together to form an aggregate by binding a plurality of ceramic members that can be vented to each other through a porous partition wall In the ceramic structure, between the ceramic members, From drying and curing a paste-like sealant The ceramic structure is bound, and the sealing agent is composed of an inorganic fiber, an inorganic binder, and an organic binder, and the orientation degree of the inorganic fiber is 70% or more. The degree of orientation here means the degree of directionality of the fiber with respect to the stress direction in one direction.In the present invention, the discharge direction of the sealant discharged from the metering discharge pump as shown in FIG. As a reference (0 °), a fiber whose inclination is within an absolute angle of 20 ° is expressed as a percentage of the number of fibers included in an arbitrary number of fibers.
[0011]
In the present invention, in addition to increasing the discharge speed of the sealing agent, for example, by using a discharge pump equipped with a pore nozzle as shown in FIG. Uniaxially oriented to the inside. When using a nozzle with a large discharge port, install a mesh-like partition plate as shown in Fig. 11 along the discharge direction of the sealant so that it is displaced vertically and horizontally, up to the inside of the thick sealant. The inorganic fiber is uniaxially oriented by applying a shearing force.
[0012]
By doing this, conventionally, the inorganic fibers entangled three-dimensionally cannot suppress the expansion and contraction of the filter in the longitudinal direction, and the thermal stress cannot be released when the filter is used under extremely severe conditions. According to the present invention, there is a possibility that the inorganic fibers are uniaxially oriented along the longitudinal direction, the effect of suppressing expansion and contraction in the same direction is obtained, and the thermal stress applied to the filter can be released.
As a result, by using the inorganic fiber, a ceramic structure having excellent durability even under severe use conditions can be obtained.
[0013]
Therefore, the shape of the discharge port of the adhesive applicator that discharges the sealing agent can be various, but since it can be applied evenly to the bonding surface of the ceramic member, the bonding area is stable and a strong bonding force is obtained, Furthermore, as described above, a flat nozzle as shown in FIG. 6B is desirable in that a high degree of orientation is easily obtained.
[0014]
The opening area of the nozzle of the quantitative discharge pump having the discharge port as described above is desirably 33 mm 2 to 112 mm 2, preferably 39 mm 2 to 84 mm 2, more preferably 42 mm 2 to 52 mm 2. If the opening area is less than 33 mm2, the sealing agent cannot be discharged in a rod shape, and a stable bonding area cannot be secured. On the other hand, if the thickness exceeds 112 mm2, the thickness of the sealing agent is too large, and the supply amount of the sealing agent from the discharge pump cannot catch up, and the sealing agent is cut off in the middle of the paste.
[0015]
The degree of orientation increases as the discharge speed of the sealant paste increases and the aspect ratio (horizontal / vertical ratio) of the nozzle increases.
[0016]
The aspect ratio of the nozzle of the above-mentioned constant discharge pump is 4.3 to 16.1, preferably 8.3 to 13 when the nozzle opening area is 52 mm2. The reason for this is that if it is less than 4.3, the degree of orientation becomes too low, and it becomes impossible to ensure a sufficient adhesion area with respect to the adhesion surface of the ceramic member. On the other hand, if it exceeds 16.1, This is because the adhesive is excessively applied to the adhesive surface, so that the sealing agent protrudes during assembly, and the number of steps for removal increases, resulting in a decrease in productivity.
[0017]
The thickness of the sealing agent is 1.0 mm to 6.0 mm, preferably 1.5 mm to 5.0 mm, and more preferably 2.5 mm to 3.5 mm. The reason for this is that if it is less than 1.0 mm, it will not be possible to absorb the thermal expansion that occurs during regeneration, the filter will crack and the particulates will leak, while if it exceeds 6.0 mm, the thermal conductivity will decrease. This is because the temperature inside the filter cannot be fully raised and the particulates cannot be completely regenerated.
[0018]
In addition, the orientation degree of the inorganic fibers contained in the sealing agent is desirably 70% or more. The reason is that when the degree of orientation is less than 70%, the inorganic fibers are intertwined in three dimensions, so that the expansion and contraction of the filter in the longitudinal direction cannot be suppressed, and the filter is used under severe conditions. This is because there is a possibility that the thermal stress cannot be released and the thermal stress cannot be released as in the case of the integrated ceramic structure.
[0019]
Here, the sealing agent uses at least one fiber selected from silicon carbide fibers as the inorganic fiber, uses at least one colloidal sol selected from silica sol and alumina sol as the inorganic binder, and the organic binder is Desirably, at least one polysaccharide selected from polyvinyl alcohol, methyl cellulose, ethyl cellulose, and carbomethoxy cellulose.
[0020]
Specifically, it is more preferable that the sealing agent has a configuration described below. Of the colloidal sol, the content of the silica sol is 1 to 30 wt%, preferably 1 to 15 wt%, more preferably 5 to 9 wt% in terms of solid content. The reason for this is that if the content is less than 1 wt%, the adhesive strength is reduced, while if it exceeds 30 wt%, the thermal conductivity is reduced.
[0021]
Among the polysaccharides, the content of carboxymethylcellulose is 0.1 to 5.0 wt%, preferably 0.2 to 1.0 wt%, more preferably 0.4 to 0.6 wt% in terms of solid content. This is because when the content is less than 0.1 wt%, migration cannot be suppressed, whereas when the content exceeds 5.0 wt%, the organic binder is burned out due to the high-temperature heat history, and the strength is lowered.
[0022]
The invention according to claim 2 is the ceramic structure according to claim 1, wherein the sealing agent is composed of inorganic fibers, an organic binder, an inorganic binder, and inorganic particles.
[0023]
Here, in the inorganic powder or whisker constituting the sealing agent, the content of silicon carbide powder is 3 to 80 wt%, preferably 10 to 60 wt%, more preferably 20 to 40 wt% in solid content. Is desirable. The reason for this is that if the content is less than 3 wt%, the thermal conductivity decreases, while if it exceeds 80 wt%, the adhesive strength decreases at high temperatures.
[0024]
Of the inorganic powders or whiskers, the silicon carbide powder has a particle size of 0.01 to 100 μm, preferably 0.1 to 15 μm, more preferably 0.1 to 10 μm. The reason for this is that if the particle size exceeds 100 μm, the adhesive strength (strength) and thermal conductivity are reduced, while if it is less than 0.01 μm, the cost is increased.
[0025]
The invention according to claim 3 is the ceramic structure according to claim 1, wherein the inorganic fiber is made of at least one fiber selected from silicon carbide fibers.
[0026]
Of the inorganic fibers, the fiber length of the silicon carbide fiber is preferably 20 to 300 μm, and more preferably 50 to 200 μm. If the fiber length is less than 20 μm, the properties may be close to particles and the adhesive strength may be reduced. On the other hand, if it exceeds 300 μm, it is difficult to uniformly disperse in the adhesive layer, which may cause a decrease in adhesive strength. Moreover, it is preferable that the fiber diameter is 3-15 micrometers. If the fiber diameter is less than 3 μm, the strength of the silicon carbide fiber will be reduced and it will be cut easily, which may lead to a decrease in the adhesive strength. In some cases, the strength may be lowered, and it is difficult to obtain such a thick silicon carbide fiber, resulting in an increase in raw material costs.
[0027]
Further, the content of the silicon carbide fiber is preferably 3 to 80 wt%, more preferably 10 to 70 wt%, and further preferably 40 to 60 wt% in terms of solid content. When the content of silicon carbide fiber is less than 3 wt%, the thermal conductivity is lowered. On the other hand, when it exceeds 80 wt%, the adhesive strength is lowered when the adhesive layer is exposed to a high temperature.
[0028]
[Action]
The feature of the ceramic structure according to claim 1 is to improve the durability of the ceramic structure by setting the orientation degree of the inorganic fibers to 70% or more with respect to the discharge direction of the sealing agent as shown in FIG. It is in the point. In other words, the effect of suppressing the expansion and contraction in the longitudinal direction of the filter can be obtained by increasing the discharge rate of the sealing agent as described above and increasing the orientation degree of the inorganic fiber using a fine nozzle or a mesh-like partition. The thermal stress applied to the filter can be released even under various use conditions.
[0029]
The feature of the sealing agent described in claim 2 is that the thermal conductivity of the ceramic structure can be remarkably improved by adding inorganic particles made of carbide or nitride having excellent heat conduction characteristics. .
[0030]
Therefore, the sealing material containing the inorganic particles is excellent in thermal conductivity. For example, when used in a filter for an exhaust gas purification device, the gap between the plurality of ceramic members is filled, and at the same time, the temperature peak phenomenon occurs during regeneration. It is possible to effectively prevent the ceramic structure from being damaged without incurring any damage. In addition, the occurrence of cracks due to thermal cycling is reduced, and the edge portion on the outer periphery of the filter can be heated in a relatively short time, thereby improving the regeneration efficiency.
[0031]
The feature of the ceramic structure according to claim 3 is that the inorganic fiber has excellent thermal conductivity and elasticity, and by using silicon carbide fiber made of the same material as the ceramic member, the adhesiveness and thermal conductivity of the sealing agent are improved. In addition, the thermal expansion coefficient can be made the same as that of the ceramic member.
[0032]
Therefore, the sealing material can be made of an elastic material having excellent adhesion and strength without using inorganic particles that reduce the adhesion even though it has the effect of increasing the thermal conductivity, and the thermal stress applied to the filter. Can be released. As a result, the ceramic structure in which a plurality of ceramic members are integrally restrained by such a sealing agent has sufficient durability, adhesiveness, and thermal conductivity.
[0033]
In summary, the ceramic structure according to the present invention has adhesiveness and thermal conductivity as well as prevention of cracking due to thermal stress under severe use conditions by suppressing expansion and contraction of the filter. It is characterized by having a sealing agent.
[0034]
Here, as the inorganic fiber, silicon carbide fiber is particularly desirable and acts as an adhesive. This silicon carbide is excellent in adhesiveness, heat resistance and elasticity, and has an effect of increasing thermal conductivity.
[0035]
As the inorganic binder, colloidal sol is desirable, for example, alumina sol and silica sol, but silica sol is particularly desirable and acts as an adhesive (inorganic binder). This silica sol is easy to obtain and is easily converted into SiO2 upon firing, and thus is suitable as an adhesive in a high temperature region.
[0036]
The organic binder is preferably a hydrophilic organic polymer, and more preferably a polysaccharide. Specific examples include polyvinyl alcohol, methylcellulose, ethylcellulose, and carboxymethylcellulose. Carboxymethylcellulose is particularly desirable, contributing to improved workability to ensure fluidity during assembly, and excellent adhesion at room temperature. Indicates.
[0037]
The inorganic particles are preferably carbide or nitride inorganic particles, such as silicon carbide, silicon nitride and boron nitride. These carbides and nitrides have a very high thermal conductivity, and contribute to the improvement of thermal conductivity by interposing on the surface of the ceramic fiber and the surface of the colloidal sol and the inside thereof. For example, the thermal conductivity of silicon carbide is 79.2 W / mk, the thermal conductivity of boron nitride is 56.7 W / mk, whereas the thermal conductivity of alumina is about 33.4 W / mk, especially carbides and nitrides. Is effective in improving the thermal conductivity. Of these inorganic particles made of carbide or nitride, silicon carbide is particularly optimal in terms of heat conduction. That is, silicon carbide has all of adhesiveness, heat resistance, water resistance and thermal conductivity.
[0038]
Hereinafter, an embodiment in which the ceramic structure of the present invention is embodied in a filter for an exhaust gas purifying device attached to a diesel engine will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a view showing an exhaust gas purifying filter 1 using the ceramic structure of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged partial sectional view of the filter. In these drawings, the exhaust gas purifying device filter 1 includes eight prismatic ceramic members 2 and four ceramic members 3 with isosceles right angles in cross section, and a sealant made of an elastic material between the members. (Thickness 2.5-3.5 mm) 4 is interposed and bonded together, and is processed into a cylindrical shape by outer peripheral processing. 3 to 5 are views showing the ceramic member 2 constituting the part of the exhaust gas purifying filter 1. In these drawings, through-holes 6 having a substantially square cross section are regularly drilled along the axial direction of a prismatic (33 mm × 33 mm × 254 mm) ceramic member 2. These through holes 6 are separated from each other by a porous partition wall 7 having a thickness of 0.3 mm. One end on either the exhaust gas inflow side or the outflow side of each through hole 6 is sealed in a checkered pattern by a sealing piece 5 made of a porous sintered body. As a result, the cells 8 that are open only on either the inflow side or the outflow side of the ceramic member 2 are formed. The partition wall 7 of the cell 8 may carry an oxidation catalyst made of a platinum group element, other metal elements, oxides thereof, or the like. This is because, if supported, the ignition temperature of the particulates decreases. The ceramic member 3 has the same configuration as the ceramic member 2 except that the cross-sectional shape is a right-angled isosceles triangle. In the case of the ceramic members 2 and 3 constituting the exhaust gas purifying filter 1 of the present embodiment, the average pore diameter is 10 μm, the porosity is 43%, the cell wall thickness is 0.3 mm, and the cell pitch is 1.8 mm. Is set. In the present embodiment, the exhaust gas purifying filter 1 having the configuration as described above is prepared, and the performance of the filter is evaluated.
[0039]
【Example】
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0040]
(Example 1)
α-type silicon carbide powder (particle size 5μm) 51.5% by weight and β-type silicon carbide powder 22% by weight are wet mixed, and the resulting mixture is mixed with organic binder (methylcellulose) and water 6.5% by weight and 20% by weight, respectively. It was added and kneaded. Next, a small amount of a plasticizer and a lubricant were added and further kneaded, and the kneaded product was extruded and shaped to obtain a honeycomb-shaped formed shape. Next, this formed shape is dried using a microwave dryer, and then the through hole 6 of the molded body is sealed with a paste for forming a sealing piece 5 made of a porous sintered body, and then dried again. The paste for sealing piece 5 was dried using a machine. The dried body was degreased at 400 ° C. and then fired at 2200 ° C. in an argon atmosphere to obtain porous and honeycomb-like ceramic members 2 and 3.
[0041]
Prior to the bonding process, silicon carbide powder (30 wt% to 50 wt%), resin binder PV-5 (trade name: manufactured by Malvan Co., Ltd.) (40 wt% to 60 wt%), and glycerin as an auxiliary agent Apply a ceramic underlayer consisting of 5 wt% to 10 wt%. The reason for this is that by forming the base layer, it is possible to prevent the sealing agent from permeating into the outer peripheral surface of the ceramic member having fine pores, so that the adhesive can be distributed sufficiently evenly in a relatively short time. It is because it can be made.
[0042]
Ceramic fiber as inorganic fiber (alumina silicate ceramic fiber, shot content 3%, fiber length 0.1-100 μm , Fiber diameter 3 ~ 15μm) 23.3 wt%, silica sol as inorganic binder 7wt% (the equivalent amount of SiO2 in the sol is 30wt%), carboxymethylcellulose 0.5wt% and 39wt% water as organic binder are mixed and kneaded Thus, a sealant having a viscosity of 32 Pa · s was prepared.
[0043]
A metering pump as shown in FIG. 6 (a) having a flat nozzle having an opening area of 52 mm2 and an aspect ratio of 13 as shown in FIG. 6 (b) between the ceramic members 2 and 3. Thus, 37 g was discharged so that the orientation degree of the inorganic fibers was 90%, and as shown in FIG. 9, it was filled so as to have a thickness of 3.0 mm, a width of 26 mm, and a length of 244 mm.
[0044]
In addition, as a measuring method of orientation degree, the sealing agent discharged from the fixed discharge pump was cut | disconnected along the discharge direction, and it image | photographed by SEM about 100 fibers on the cut surface. Moreover, let the center part of a sealing agent be the evaluation object of fiber orientation degree. The reason for this is that when discharging the sealant, the fiber distribution height is high due to the plastic flow of the matrix in the part in contact with the wall of the discharge pump, and conversely the influence is small in the central part. This is because the entire degree of orientation is guaranteed to be higher.
[0045]
Next, the ceramic members 2 and 3 and the sealant 4 are joined and integrated, dried and cured at 50 to 100 ° C. for 1 hour, and cut into a cylindrical shape using a peripheral processing machine (not shown). After processing, a filter 1 as shown in FIG. 1 was created.
[0046]
A layer of a holding sealing body 17 (thickness 4 mm) formed including ceramic fibers was formed on the outer periphery of the filter, and the filter was installed in an exhaust gas purification apparatus as shown in FIG. In addition, an electric heater 21 for heating the filter 1 is provided at a portion on the exhaust gas introduction side of the filter 1, and a temperature sensor 22 is provided in contact with the end face of the filter 1.
[0047]
Connect the inlet pipe 18 of the exhaust gas purification device to the exhaust gas exhaust port of the engine, perform a particulate collection test in which the engine is operated at 3000 rpm, 60 Nm for 12 hours, and use the electric heater 21 after the collection is completed. Then, 20 cycles of a test in which regeneration treatment for burning and removing accumulated particulates was performed for 40 minutes by heating the filter 1 to 600 ° C. were performed.
[0048]
Then, when the joint part of each ceramic member was cut | disconnected in the discharge direction and the cut surface was observed with SEM and the crack was measured, the crack was not discovered.
[0049]
(Example 2)
This example is basically the same as Example 1, except that the degree of orientation of the inorganic fibers contained in the sealant is 40% instead of that in Example 1, and the same conditions as in Example 1 are applied. When cracks were measured by collecting and regenerating curate, many cracks were found.
[0050]
(Example 3)
This example is basically the same as Example 1, except that inorganic particles (silicon carbide powder 30.2 wt%, average particle size 0.3 μm) are added to the sealant, and the orientation degree of inorganic fibers is set to 60%. When cracks were measured by collecting and regenerating particulates under the same conditions as in Example 1, no cracks were found.
[0051]
(Example 4)
This example is basically the same as Example 1, except that the inorganic fibers contained in the sealant are replaced with those in Example 1, silicon carbide fibers (fiber length 50 to 200 μm, fiber diameter 3 to 15 μm) 60 wt%, the orientation degree of the inorganic fibers was 60%, the particulates were collected and regenerated under the same conditions as in Example 1, and cracks were measured. No cracks were found.
[0052]
As is clear from the above results, the filter using the ceramic structure of the present invention can be regenerated by heat cycles generated during operation under severe use conditions and by the uneven deposition of particulates. It was confirmed that the thermal stress can be released even if a temperature difference due to burning of the particulates generated during the process occurs, and that the filter is excellent in durability even under severe use conditions. Moreover, since this ceramic structure is also excellent in thermal conductivity, it is possible to reduce the occurrence of peak temperature in the ceramic member located inside the filter, and to shorten the heating time of the ceramic structure located in the edge portion. As a result, improvement in reproduction efficiency can be realized at the same time.
[0053]
Note that the configuration of the filter 1 to which the ceramic structure of the present invention is applied is not limited to that described in the above embodiment, and can be changed to the following configuration. For example,
The number of combinations of ceramic members does not have to be 12 as in the above embodiment, and can be any number. In this case, it is of course possible to appropriately combine ceramic members having different sizes and shapes. In addition, it is particularly advantageous to adopt a configuration in which a plurality of ceramic members are combined when creating a large exhaust gas purifying filter.
In other words, the filter 1 of the above-described embodiment can be regarded as one large filter being divided into a plurality of pieces along the axial direction. Thus, for example, a modification in which the filter is divided into a donut shape, or is divided perpendicularly to the axial direction can be considered.
Of course, the present invention is not limited to the honeycomb-shaped ceramic members 2 and 3 as shown in the above-described embodiments, and it is of course possible to adopt, for example, a three-dimensional network structure, a foam shape, a noodle shape, or a fiber shape. Of course, materials other than silicon carbide may be selected as the material for the ceramic members 2 and 3.
When the filter 1 is configured, a heater may be provided between the ceramic members 2 and 3. In this case, the heater is not limited to being a metal wire. That is, the heater may be formed by a method such as metal metallization, conductive paste printing, sputtering, or the like.
[0054]
In the present embodiment, the ceramic structure of the present invention has been described as an example of a filter for an exhaust gas purification device attached to a diesel engine. However, the use of the ceramic structure is intended for an exhaust gas purification device of a diesel engine. It is not limited to the filter for use. For example, it can be used as a heat exchanger member, or as a high temperature fluid or high temperature steam filter.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, the ceramic structure using the sealant of the present invention is excellent in adhesive strength regardless of use conditions and also in heat conductivity. Even under proper use conditions, not only the durability can be improved, but also the reproduction time can be shortened and the reproduction efficiency can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an exhaust gas purifying filter using a ceramic structure according to the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view of a filter for an exhaust gas purifying device using the ceramic structure of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a ceramic member of a filter for an exhaust gas purifying apparatus according to the present invention.
4 is a partially broken enlarged cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
5 is an enlarged cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 6 is a view of a fixed discharge pump for discharging a sealant and a shape diagram of a nozzle.
FIG. 7 is a diagram showing the inclination of the fiber with respect to the discharge direction of the sealing agent.
FIG. 8 is a diagram in which inorganic fibers are oriented with respect to the discharge direction of the sealing agent.
FIG. 9 is a diagram of an adhesive applicator.
FIG. 10 is a side sectional view of a pore nozzle.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a mesh-like partition plate and a nozzle.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of an exhaust gas purification device.
[Explanation of symbols]
1 Filter for exhaust gas purifier
2-3 Ceramic parts
4 Sealant
5 Sealing piece
6 Through hole
7 Bulkhead
8 cells
9 exhaust gas
10 rotor
11 drive shaft
12 rods
13 nozzles
14 Metering pump
15 inorganic fiber
16 mesh divider
17 Holding seal body
18 introduction pipe
19 discharge pipe
20 casing
21 Electric heater
22 temperature sensor

Claims (3)

長手方向に沿って並列する複数の貫通孔を有し、かつ、これらの貫通孔の各端面は、それぞれ市松模様状に目封じされていると共に、ガスの入側と出側とでは開閉が逆の関係にあり、そして、これらの貫通孔の隣接するもの同士は、多孔質な隔壁を通じて互いに通気可能にしたセラミック部材を、複数個結束させて集合体としたセラミック構造体において、
前記各セラミック部材の相互間は、ペースト状のシール剤を乾燥硬化させることより結束されており、
前記シール剤は、少なくとも無機繊維、有機バインダー、無機バインダーからなり、前記無機繊維の配向度は、70%以上であることを特徴とするセラミック構造体。
It has a plurality of through-holes arranged in parallel along the longitudinal direction, and each end surface of these through-holes is sealed in a checkered pattern, and the opening and closing of the gas inlet and outlet sides are reversed. In the ceramic structure in which the adjacent ones of these through-holes are made into an aggregate by bundling a plurality of ceramic members that are capable of venting each other through a porous partition wall,
Between each ceramic member is bound by drying and curing a paste-like sealant,
The said sealing agent consists of an inorganic fiber, an organic binder, and an inorganic binder at least, The orientation degree of the said inorganic fiber is 70% or more , The ceramic structure characterized by the above-mentioned .
前記シール材は、少なくとも無機繊維、有機バインダー、無機バインダー、無機粒子からなることを特徴とする、請求項1に記載のセラミック構造体。  2. The ceramic structure according to claim 1, wherein the sealing material includes at least an inorganic fiber, an organic binder, an inorganic binder, and inorganic particles. 前記無機繊維は、少なくとも炭化珪素ファイバーを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のセラミック構造体。 The inorganic fibers, characterized in that it comprises at least silicon carbide fibers, ceramic structure according to claim 1 or 2.
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