JP4969103B2 - ハニカム構造体 - Google Patents
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Description
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中のパティキュレート等を除去するフィルタとしての用途等に用いられるハニカム構造体に関する。
この排気ガスを多孔質セラミックを通過させ、排気ガス中のパティキュレートを捕集して、排気ガスを浄化することができるセラミックフィルタが種々提案されている。
上記多数の貫通孔は、長手方向に垂直な断面における面積の総和が相対的に大きくなるように、上記ハニカム構造体の一方の端部で封止されてなる大容積貫通孔群と、上記断面における面積の総和が相対的に小さくなるように、上記ハニカム構造体の他方の端部で封止されてなる小容積貫通孔群とからなり、
上記貫通孔壁面の表面粗さRyは、10〜100μmであることを特徴とするハニカム構造体。
以下、本発明のハニカム構造体について説明する。
本発明のハニカム構造体は、大容積貫通孔群と小容積貫通孔群とを有しており、その両端面における開口率が異なるものである。このようなハニカム構造体においては、構造上、大容積貫通孔群を構成する貫通孔同士の間に位置する隔壁の占める割合が多くなる。逆にいうと、大容積貫通孔群を構成する貫通孔と小容積貫通孔群を構成する貫通孔との間に位置する隔壁の占める割合が小さくなる。従って、直接、大容積貫通孔群を構成する貫通孔から小容積貫通孔群を構成する貫通孔へガスが流入しにくくなる。そのため、両端面の開口率が同一のハニカム構造体と比較すると、エンジンの排気量が同一であれば、隔壁内に流入するガスの流れが早くなり、その結果、パティキュレートや、アッシュが高密度となって隔壁の深くまで浸透しやすくなると考えられる。
そのため、本発明のハニカム構造体では、部分的には煤やアッシュの蓄積量が増すこととなるが、煤やアッシュの剥離が可能であるため、結果的には、圧力損失が小さくなると考えられる。
また、ハニカム構造体が緻密な状態に近づくため、少量のパティキュレートの堆積により急激な圧力損失の上昇が発生し、エンジンに大きな負荷がかかり、パティキュレートの排出量が不安定になる。これに伴い、パティキュレートの捕集状態も不均一になり、再生を行った際にアッシュがブリッジを形成し、気孔への目詰まりが発生しやすくなり、これがまた圧力損失上昇の原因となるとも考えられる。
また、本発明のハニカム構造体では、アッシュの堆積に起因する圧力損失を長時間に渡って低い状態に保つことができ、大容積貫通孔の容積を有効に利用することが可能となり、エンジンへの負荷を低減することができるとともに、長寿命のハニカム構造体を提供することができる。このため、逆洗浄等のメンテナンス費用を低く抑えることができる。
上記多数の貫通孔は、長手方向に垂直な断面における面積の総和が相対的に大きくなるように、上記ハニカム構造体の一方の端部で封止されてなる大容積貫通孔群と、上記断面における面積の総和が相対的に小さくなるように、上記ハニカム構造体の他方の端部で封止されてなる小容積貫通孔群とからなり、
上記貫通孔壁面の表面粗さRyは、10〜100μmであることを特徴とする。
さらには、上記多孔質セラミックブロックを含み、その周囲部にシール材層が形成されているものであってもよい。
ここで、各貫通孔は、それぞれの貫通孔の長手方向に垂直な断面における面積が同一で、大容積貫通孔群を構成する一方の端部が封止された貫通孔の数が、小容積貫通孔群を構成する他方の端部が封止された貫通孔の数よりも多くなるように構成されていてもよいし、また、大容積貫通孔群を構成する貫通孔の長手方向に垂直な断面における面積が相対的に大きく、小容積貫通孔群を構成する貫通孔の長手方向に垂直な断面における面積が相対的に小さくなるように構成されていてもよい。
また、後者の場合、大容積貫通孔群を構成する貫通孔の数と、小容積貫通孔群を構成する貫通孔の数とは特に限定されず、大容積貫通孔群を構成する貫通孔の長手方向に垂直な断面における面積の総和が、小容積貫通孔群を構成する貫通孔の長手方向に垂直な断面における面積の総和よりも大きければ、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
なお、上記気孔率は、例えば、水銀圧入法、アルキメデス法及び走査型電子顕微鏡(SEM)による測定等、従来公知の方法により測定することができる。
一方、平均気孔径が100μmを超えると、パティキュレートが気孔を通り抜けてしまい、該パティキュレートを捕集することができず、フィルタとして機能することができないことがある。
また、上記2種類の粉末の粒径、特に大きい方の粉末の粒径を調製することにより、貫通孔壁面の粗度を調整することができる。一体型ハニカム構造体を製造する場合においても、同様の方法をとることができる。
本発明のハニカム構造体において、上記封止材により一端部が封止された多孔質セラミック部材は、多孔質セラミックからなるものであるため、上記封止材を上記多孔質セラミック部材と同じ多孔質セラミックとすることで、両者の接着強度を高くすることができるとともに、封止材の気孔率を上述した多孔質セラミック部材と同様に調整することで、上記多孔質セラミック部材の熱膨張率と封止材の熱膨張率との整合を図ることができ、製造時や使用時の熱応力によって封止材と隔壁との間に隙間が生じたり、封止材や封止材に接触する部分の隔壁にクラックが発生したりすることを防止することができる。
なお、上述した通り、本発明のハニカム構造体において、シール材層は、多孔質セラミック部材間、及び、セラミックブロックの外周に形成されているが、これらのシール材層は、同じ材料からなるものであってもよく、異なる材料からなるものであってもよい。
さらに、上記シール材層が同じ材料からなるものである場合、その材料の配合比は同じものであってもよく、異なるものであってもよい。
図3には示していないが、多孔質セラミックブロック35の周囲には、図1に示したハニカム構造体10と同様に、シール材層が形成されていてもよい。
長手方向に垂直な断面における貫通孔の密度が62個/cm2を超えると、個々の貫通孔の断面積が小さくなりすぎるので、アッシュがブリッジを形成し、目詰まりを起こしやすくなることがあり、一方、上記貫通孔の密度が15.5個/cm2未満であると、ハニカム構造体全体としての濾過面積が減少してしまうため、パティキュレート捕集時の圧力損失が大きくなり、エンジンに大きな負荷がかかり、パティキュレートの排出量が不安定になりやすい。これに伴い、パティキュレートの捕集状態も不均一になり、再生を行った際にアッシュがブリッジを形成し、気孔への目詰まりが発生しやすくなり、これがまた圧力損失上昇の原因となることがある。
上記面積の比(大容積貫通孔群/小容積貫通孔群)が6を超えると、小容積貫通孔群の容積が小さくなりすぎて、貫通孔出口側を通過する際の摩擦及び隔壁を通過する際の抵抗に起因する圧力損失が増大し、初期の圧力損失が大きくなってしまう。上記面積の比(大容積貫通孔群/小容積貫通孔群)は、1.2〜5がより好ましい。さらに、上記面積の比(大容積貫通孔群/小容積貫通孔群)は、1.2〜3.0がより一層好ましい。
上記開口比率が6を超えると、小容積貫通孔の容積が小さくなりすぎて、貫通孔出口側を通過する際の摩擦及び隔壁を通過する際の抵抗に起因する圧力損失が増大し、初期の圧力損失が大きくなってしまう。上記開口比率は、1.2〜5がより好ましい。
さらに、上記開口比率は、1.2〜3.0がより一層好ましい。
「隣り合う上記大容積貫通孔の上記断面の重心間距離」とは、一の大容積貫通孔の長手方向に垂直な断面における重心と、隣り合う大容積貫通孔の長手方向に垂直な断面における重心との最小の距離をいい、一方、「隣り合う上記小容積貫通孔の上記断面の重心間距離」とは、一の小容積貫通孔の長手方向に垂直な断面における重心と、隣り合う小容積貫通孔の重心との最小の距離のことをいう。
本発明では、貫通孔壁面のJIS B 0601に基づく表面粗さ(最大高さ)Ryを10〜100μmとしているため、貫通孔壁面の気孔と粒子も適切に配置されて適切な凹凸を形成しており、このような凹凸に起因してパティキュレートが貫通孔壁面に均一に堆積しやすいため、パティキュレートを捕集した際の圧力損失を低く抑えることができる。
パティキュレート中には、燃焼して消滅する炭素等のほかに、燃焼により酸化物となる金属等が含まれており、パティキュレートを燃焼させても、これら金属の酸化物等がフィルタ中にアッシュとして残留する。
本発明のハニカム構造体の構造が図3に示したような、その全体が一の焼結体から構成された一体型ハニカム構造体である場合、まず、上述したようなセラミックを主成分とする原料ペーストを用いて押出成形を行い、図3に示したハニカム構造体30と略同形状のセラミック成形体を作製する。
上記バインダーの配合量は、通常、セラミック粉末100重量部に対して、1〜10重量部が望ましい。
上記分散媒液は、原料ペーストの粘度が一定範囲内となるように、適量配合される。
上記成形助剤としては特に限定されず、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を挙げることができる。
上記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)及びムライトバルーン等を挙げることができる。これらのなかでは、フライアッシュバルーンが望ましい。
下記の乾燥工程で乾燥条件を変化させることにより、表面粗度を変化させることもできるが、条件によっては、生成形体にクラックが形成されてしまうため、乾燥条件は、従来の製造方法から余り変化させない方が望ましい。
なお、上記セラミック乾燥体の脱脂及び焼成の条件等は、従来から多孔質セラミックからなるハニカム構造体を製造する際に用いられている条件を適用することができる。
上記貫通孔の壁面の粗度は、得られたハニカム構造体の貫通孔にサンドブラスト処理等の粗化処理を施すことにより調整してもよい。
なお、上記封止材ペーストは、上述した一体型ハニカム構造体において説明した封止材ペーストと同様のものを挙げることができ、上記封止処理は、封止材ペーストを充填する対象が異なるほかは、上述した一体型ハニカム構造体の場合と同様の方法を挙げることができる。
なお、上記生成形体の脱脂及び焼成の条件等は、従来から多孔質セラミック部材がシール材層を介して複数個結束されて構成されたハニカム構造体を製造する際に用いられている条件等を適用することができる。
なお、上記シール材ペーストを構成する材料としては、上述した本発明のハニカム構造体において説明した通りであるのでここではその説明を省略する。
図7は、本発明のハニカム構造体が設置された車両の排気ガス浄化装置の一例を模式的に示した断面図である。
また、図7において、ハニカム構造体80は、図1に示したハニカム構造体10であってもよく、図3に示したハニカム構造体30であってもよい。
上記再生処理では、加熱手段810を用いて加熱されたガスをハニカム構造体80の貫通孔の内部へ流入させることで、ハニカム構造体80を加熱し、壁部(隔壁)に堆積したパティキュレートを燃焼除去させるのである。
本発明では、上記方法のほか、ポストインジェクション方式を用いてパティキュレートを燃焼除去してもよい。
このような触媒が担持されていることで、本発明のハニカム構造体は、排気ガス中のパティキュレートを捕集するハニカム構造体として機能するとともに、排気ガスに含有される上記CO、HC及びNOx等を浄化するための触媒コンバータとして機能する。
また、場合によっては、パティキュレートの燃焼温度を低下させることができる。
但し、本発明のハニカム構造体に担持させることができる触媒は、上記貴金属に限定されることはなく、排気ガス中のCO、HC及びNOx等を浄化することができる触媒であれば、任意のものを担持させることができる。
なお、得られた多孔質セラミック部材20の一方の端面においては、大容積貫通孔21aのみを封止材により封止し、他方の端面においては、小容積貫通孔21bのみを封止材により封止した。
このとき、上記多孔質セラミック部材を結束するシール材層の厚さが1.0mmとなるように調整した。
得られたハニカム構造体の貫通孔を構成する壁面の面粗度、ハニカム構造体の気孔率を表1に示す。
(1)の工程において、大容積貫通孔及び小容積貫通孔の断面形状を表1に示す形状とし、壁厚を表1に示す値となるように設定したほかは、実施例1と同様にして多孔質セラミック部材を製造し、続いて、ハニカム構造体を製造した。得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
(1)の工程において、大容積貫通孔及び小容積貫通孔の断面形状を表1に示す形状とし、壁厚を表1に示す値となるように設定したほかは、実施例1と同様にして多孔質セラミック部材を製造し、続いて、ハニカム構造体を製造した。得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
なお、比較例1に係るハニカム構造体は、図8に示すハニカム構造体400であり、壁部402を隔てて形成された貫通孔401の断面積は、端部を除いて、全て同じ値となっている。
(1)の工程において、大容積貫通孔及び小容積貫通孔の断面形状を表1に示す形状とするとともに、平均粒径11μmのα型炭化珪素粉末60重量%と、平均粒径0.5μmのβ型炭化珪素粉末40重量%とからなる混合物100重量部、有機バインダー(メチルセルロース)5重量部、及び、水20重量部を用いて混合組成物を得、焼成条件を1800℃、3時間としたほかは、実施例1と同様にして、多孔質セラミック部材を製造し、続いて、ハニカム構造体を製造した。
得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
(1)の工程において、大容積貫通孔及び小容積貫通孔の断面形状を表1に示す形状とするとともに、平均粒径50μmのα型炭化珪素粉末80重量%と、平均粒径0.5μmのβ型炭化珪素粉末20重量%とからなる混合物100重量部、有機バインダー(メチルセルロース)15重量部、及び、水20重量部を用いて混合組成物を得、焼成条件を2300℃、12時間としたほかは、実施例1と同様にして多孔質セラミック部材を製造し、続いて、ハニカム構造体を製造した。
得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
(1)の工程において、大容積貫通孔及び小容積貫通孔の断面形状を表1に示す形状とするとともに、平均粒径50μmのα型炭化珪素粉末80重量%と、平均粒径0.5μmのβ型炭化珪素粉末20重量%とからなる混合物100重量部、有機バインダー(メチルセルロース)15重量部、及び、水20重量部を用いて混合組成物を得、焼成条件を2300℃、24時間としたほかは、実施例1と同様にして多孔質セラミック部材を製造し、続いて、ハニカム構造体を製造した。
得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
(1)の工程において、大容積貫通孔及び小容積貫通孔の断面形状を図9に示す形状としたほかは、実施例1と同様にして多孔質セラミック部材を製造し、続いて、ハニカム構造体を製造した。得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
なお、参考例1に係るハニカム構造体は、図9に示すハニカム構造体200であり、貫通孔は、その断面が六角形の大容積貫通孔201と三角形の小容積貫通孔202とからなり、小容積貫通孔202の数が大容積貫通孔201の約2倍となっている。
(1)の工程において、大容積貫通孔及び小容積貫通孔の断面形状を表1に示す形状とし、壁厚を表1に示す値となるように設定したほかは、実施例1と同様にして多孔質セラミック部材を製造し、続いて、ハニカム構造体を製造した。得られたハニカム構造体の壁厚、貫通孔壁面の面粗度Ry、貫通孔の密度、気孔率を表1に示す。
(1)貫通孔壁面の面粗度の測定
各実施例、比較例及び参考例に係るハニカム構造体を、貫通孔が露出するように貫通孔に平行に切断し、表面粗さ測定機(東京精密社製 サーフコム 920A)を用いて貫通孔表面の粗度を測定し、その結果からJIS B 0601に基づく表面粗さRyを決定した。その結果を表1に示す。
(2)圧力損失変化
図7に示したように、各実施例、比較例及び参考例に係るハニカム構造体をエンジンの排気通路に配設して排気ガス浄化装置とし、上記エンジンを回転数3000min−1、トルク50Nmで所定の時間運転し、パティキュレート捕集量を測定するとともに、圧力損失を測定した。そのときの初期圧力損失の値及びパティキュレート6(g/L)捕集時の圧力損失を表1に示す。
図7に示したように、各実施例、比較例及び参考例に係るハニカム構造体をエンジンの排気通路に配設して排気ガス浄化装置とし、上記エンジンを回転数3000min−1、トルク50Nmで所定の時間運転し、その後に再生処理を繰り返す実験を行い、ハニカム構造体を構成する貫通孔に充填されたアッシュ重量を測定するとともに、ハニカム構造体の圧力損失を測定した。アッシュ150g堆積時の圧力損失の値を表1に示す。
図10は、貫通孔密度と圧力損失との関係を示したグラフであり、図11は、貫通孔壁面の面粗度と圧力損失との関係を示すグラフである。
アルキメデス法により気孔率を測定した。その結果を表1に示す。
[図2](a)は、図1に示したハニカム構造体を構成する多孔質セラミック部材の一例を模式的に示した斜視図であり、(b)は、(a)に示した多孔質セラミック部材のA−A線断面図である。
[図3](a)は、本発明のハニカム構造体の別の一例を模式的に示した斜視図であり、(b)は、(a)に示したハニカム構造体のB−B線断面図である。
[図4](a)〜(d)は、本発明のハニカム構造体を構成する多孔質セラミック部材の長さ方向に垂直な断面を模式的に示した断面図である。
[図5](a)〜(f)は、本発明のハニカム構造体の一例を模式的に示した縦断面図である。
[図6]本発明のハニカム構造体の他の一例を模式的に示した縦断面図である。
[図7]本発明のハニカム構造体を用いた排気ガス浄化装置の一例を模式的に示した断面図である。
[図8]従来のハニカム構造体の一例を模式的に示した断面図である。
[図9]ハニカム構造体の一例を模式的に示した断面図である。
[図10]実施例、比較例及び参考例に係るハニカム構造体の貫通孔密度と圧力損失との関係を示したグラフである。
[図11]実施例、比較例及び参考例に係るハニカム構造体の貫通孔壁面の面粗度と圧力損失との関係を示すグラフである。
13、14 シール材層
15 セラミックブロック
20、40、50、70 多孔質セラミック部材
21a、31a、41a、51a、71a 大容積貫通孔
21b、31b、41b、51b、71b 小容積貫通孔
22 封止材
23、43、53、73 隔壁
33 壁部
160、170、180、260、270、280 多孔質セラミック部材
161a、171a、181a、261a、271a、281a 大容積貫通孔
161b、171b、181b、261b、271b、281b 小容積貫通孔
163、173、183、263、273、283 壁部
60 多孔質セラミック部材
61a 大容積貫通孔
61b 小容積貫通孔
62a、62b 壁部
Claims (5)
- 多数の貫通孔が壁部を隔てて長手方向に並設された柱状の多孔質セラミック部材が、シール材層を介して複数個結束された柱状の多孔質セラミックブロックからなるハニカム構造体であって、
前記多数の貫通孔は、長手方向に垂直な断面の面積が相対的に大きく、排気ガス流出側の端部が封止された大容積貫通孔、及び、長手方向に垂直な断面の面積が相対的に小さく、排気ガス流入側の端部が封止された小容積貫通孔からなり、
前記貫通孔の長手方向に垂直な断面の形状は、八角形及び四角形であり、
前記多数の貫通孔において、隣り合う前記大容積貫通孔の長手方向に垂直な断面の重心間距離と、隣り合う前記小容積貫通孔の長手方向に垂直な断面の重心間距離とが等しく、
長手方向に垂直な断面における単位面積当たりの貫通孔の数は、23.3〜54.3個/cm 2 であり、
前記貫通孔壁面の表面粗さRyは、10〜100μmであることを特徴とするハニカム構造体。 - 大容積貫通孔と小容積貫通孔との断面の面積の比(大容積貫通孔/小容積貫通孔)は、1.01〜6である請求項1に記載のハニカム構造体。
- 長手方向に垂直な断面における前記一の大容積貫通孔が隣り合う大容積貫通孔と共有する壁部と、前記一の大容積貫通孔が隣り合う前記小容積貫通孔と共有する壁部との交わる角の少なくとも1つが鈍角である請求項1又は2に記載のハニカム構造体。
- 大容積貫通孔及び/又は小容積貫通孔の長手方向に垂直な断面の角部の近傍が曲線により構成されている請求項1〜3のいずれか1に記載のハニカム構造体。
- 車両の排気ガス浄化装置に使用される請求項1〜4のいずれか1に記載のハニカム構造体を用いたフィルタ。
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