JP5503236B2

JP5503236B2 - セラミックフィルター及びセラミックフィルターの製造方法

Info

Publication number: JP5503236B2
Application number: JP2009217871A
Authority: JP
Inventors: 淳菅井; 宏山口
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: JP2011063497A

Description

ケイ素を含む原料を主成分とするセラミックフィルター及びセラミックフィルターの製造方法に関する。

一般にセラミックフィルターは、耐熱性、耐食性に優れ、例えばディーゼルエンジンから排出されるスス等の広い粒度分布を有する粒状物質（パティキュレートマター。以下「ＰＭ」と称する）の捕集を効率的に行なうために使用される。
しかし、ＰＭの捕集効率と圧力損失との関係は、一般的には相反する関係になることが多く、例えば気孔径が大きすぎると、捕集されずに通過してしまい捕集効率が低下し、気孔径が小さすぎるとガスの通過に対する抵抗により圧力損失が大きくなり、エンジンへの負荷が増大するばかりか、その小さな気孔が目詰まりしやすく、そのために圧力損失の上昇がはげしく長期使用が困難になる。
そこで従来、捕集効率と圧力損失とを調整したものとして炭化ケイ素からなるセラミックフィルターが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１１９０８号公報

上述した従来の炭化ケイ素からなるセラミックフィルターにおいて、初期捕集効率が低く、そのために微細気孔を多くすると目詰まりが激しく、圧力損失の上昇においても満足いくものではなかった。結局、微細気孔は減らすのが良いと考えられている。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、初期捕集効率を上昇させると共に、圧力損失の上昇を、より抑えることができるフィルター及びその製造方法を提供するところにある。

本発明の第１の特徴構成は、窒化ケイ素の柱状結晶が複数集合した結晶塊を複数有すると共に、それら複数の結晶塊同士が結合したものから構成され、前記複数の結晶塊同士の間に孔が複数存在すると共に、前記複数の柱状結晶同士の間に、前記孔よりも小径の小径孔が複数存在するように成形してあり、気孔径分布曲線において極大値が２箇所存在し、第１の極大値が８〜２５μmの範囲に存在し、第２の極大値が０．２〜３μmの範囲に存在し、圧力損失が１２ｋＰａ未満であり、粒状物質の捕集率が８５％以上であるところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、結晶塊同士の間の多数の大径孔の存在で、圧力損失の上昇を抑え、しかも、柱状結晶の集合した結晶塊に微細なＰＭが引っ掛り易く、そのために、捕集率を高くすることができる。
その上、結晶塊にＰＭが多く引っ掛っても、柱状結晶同士の間の多数の小径孔が通気を許し、そのために目詰まりしにくく圧力損失の上昇を抑えることができる。
従って、捕集性能を高く維持しながら長期使用を図ることが可能となる。

また、２箇所の極大値を有する上記気孔径分布により、高い捕集効率と圧力損失の上昇抑制作用が実現できる。

本発明の第２の特徴構成は、前記柱状結晶は、六方晶系であるところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、六方晶系の結晶構造により、ＰＭが引っ掛り安く捕集効率が向上する。六方晶系の柱状結晶を有するセラミックの代表として、窒化ケイ素が挙げられる。

本発明の第３のセラミックフィルターの製造方法の特徴構成は、前記第１の特徴構成に記載のセラミックフィルターの製造方法であって、金属シリコンを含む原料を主成分とすると共に、造孔剤を含む原料を、所定の配合によって混合及び成形を行った後、その成形物を窒素中において反応焼結を行うセラミックフィルターの製造方法であって、前記原料中にβ型窒化ケイ素を１０〜５０質量％混入させて、反応焼結を行うところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、反応焼結を行う原料中に１０〜５０質量％のβ型窒化ケイ素を混入させることによって、焼結時に金属シリコンがβ型窒化ケイ素に窒化され柱状結晶を形成しやすくなり、且つβ型窒化ケイ素の結晶塊を形成することができる。

本発明の第４の特徴構成は、前記第３の特徴構成における前記混合時に、さらにジルコニウムを含む原料を混入させるところにある。

本発明の第４の特徴構成によれば、反応焼結時の金属シリコンの窒化率が向上し、柱状結晶をより形成しやすくすることができる。

本発明の窒化ケイ素フィルターの電子顕微鏡写真である。本発明の窒化ケイ素フィルターの気孔径分布曲線のグラフである。比較例の炭化ケイ素フィルターの電子顕微鏡写真である。比較例の炭化ケイ素フィルターの気孔径分布曲線のグラフである。初期圧力損失の変化曲線のグラフである。長期圧力損失の変化曲線のグラフである。圧力損失の変化を測定する試験装置を表す概略図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する
本発明のセラミックフィルターは、耐熱性、耐食性、及び耐熱衝撃性に優れ、例えばディーゼルエンジンから排出されるスス等の広い粒度分布を有するＰＭの捕集を効率的に行なうために、排ガス濾過用セラミックフィルター（以下ＤＰＦと称する）として使用されるものである。

一般的に、ＤＰＦ前の圧力が１２ｋＰａ以上になると、ＤＰＦに溜まったＰＭの燃焼による除去（再生）又は、ＤＰＦ自身の交換が必要になる。
また、高性能なＤＰＦに求められる捕集性能（＝捕集率）は、８５％以上であり、これを下回るとＰＭの排出規制値をクリアすることが難しくなる。
そこで、本発明のセラミックフィルターは、図１の電子顕微鏡写真に示すように、六方晶系のβ型窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）柱状結晶が集合した結晶塊を多数有すると共に、それら多数の結晶塊同士が結合したものから構成され、多数の結晶塊同士の間に大径孔が多数存在すると共に、結晶塊を構成する多数の柱状結晶同士の間に小径孔が多数存在するように成形してある。
前記大径孔と小径孔は、図２に示すように、気孔径分布曲線において極大値が２箇所存在し、第１の極大値が８〜２５μmの範囲に存在し、第２の極大値が０．２〜３μmの範囲に存在する。また、表１に示すように、気孔率が５０〜６５％で、比表面積が０．６〜０．７５ｍ²／ｃｃである。

尚、本発明の窒化ケイ素からなるフィルターと比較する従来の炭化ケイ素からなるフィルターは、図３の電子顕微鏡写真及び図４に示すように、気孔径分布曲線において１箇所に極大値が存在するのみで、単純な形状の粒子が結合したものである。

〔物理的性質〕
本発明のセラミックフィルターの物理的性質を、炭化ケイ素からなるフィルターを比較例として対比する実証試験を行い、次の表２及び図５、図６に示した。

表２中の初期の捕集率は、排ガス出口にろ紙をセットし、運転開始から２０分間運転した時の捕集率をフィルターの有無で測定した。また、図５と図６の圧力損失の変化を調べるのに、図７の実験装置を用いた。図７中の１は５０×５０×１５０ｍｍ２６０ＣＰＳＩ、１３ｍｉｌのハニカム状試験片を作成し、その試験片をフィルターＦとして通気路２に配置して、５００ｃｃディゼルエンジンの排気ガスを通過させ、ハニカム前後の差圧（ｋＰａ）を圧力計３で測定する。

図５は、特に初期における圧損（圧力損失）の変化曲線を示し、図６は、長期における圧損の変化曲線を示す。これによると、初期において、本発明のフィルターは圧損が比較例よりも高く、捕集率も高い。また、長期使用に伴って、圧損は比較例のほうが本発明のフィルターよりも高くなり、しかも、捕集率に差はない。これは、比較例のフィルターが、初期において捕集すべきＰＭを通過させ易い気孔径や分布をなしていることを示しているのに対して、本発明のフィルターが捕集率を高く維持しながら圧損の変化が少なく、長期使用が可能になることを意味し、フィルターそのものに形成された気孔が、大径孔のみならず結晶塊中の柱状結晶同士の間の小径孔の存在によるものと考えられる。

推察ではあるが、結晶塊中の柱状結晶同士間の小径孔は、フィルター内の比表面積を増大させる効果を有していると共に、その結晶形状から気孔間の連通性が高い構造をなしており、これを理由として、本願のセラミックフィルターは、高い捕集率を有しながら、圧力損失の上昇を抑制することができていると考えられる。

〔製造方法〕
本発明の窒化ケイ素フィルターの製造方法について説明する。
原料として、金属シリコン（Ｓｉ）４８質量％、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）１．３質量％、アルミナマグネシアスピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）１．３質量％、β型窒化ケイ素（β―Ｓｉ₃Ｎ₄）２５質量％、造孔剤１３質量％、その他バインダーを１１．４質量％、準備する。
原料を準備した後、以下の工程で製造する。
１．上記原料を混合・混練する。
２．押出装置で、例えばφ１４４ｍｍ×１５０ｍｍのハニカム状の円筒体を成形する。
３．脱脂後、窒素中で反応焼結を行う。焼成温度は、第１段焼成が１０００℃〜１４５０℃で行い、第２段焼成が１７００℃〜１８００℃未満で行う。
４．研磨、接合等の加工を行う。

上記製造方法により形成された成形品としては、β型窒化ケイ素が９５質量％以上で残部がその他助剤成分から成っており、小径孔を多数有する図１に示す柱状結晶の集合した結晶塊が多数存在し、それらの結晶塊同士が、それら同士の間に大径孔を多数存在させる状態で結合してセラミックフィルターが形成される。

１試験片
２通気路
３圧力計
Ｆフィルター

Claims

窒化ケイ素の柱状結晶が複数集合した結晶塊を複数有すると共に、それら複数の結晶塊同士が結合したものから構成され、
前記複数の結晶塊同士の間に孔が複数存在すると共に、
前記複数の柱状結晶同士の間に、前記孔よりも小径の小径孔が複数存在するように成形してあり、
気孔径分布曲線において極大値が２箇所存在し、第１の極大値が８〜２５μmの範囲に存在し、第２の極大値が０．２〜３μmの範囲に存在し、
圧力損失が１２ｋＰａ未満であり、粒状物質の捕集率が８５％以上であるセラミックフィルター。
前記柱状結晶は、六方晶系である請求項１に記載のセラミックフィルター。
金属シリコンを含む原料を主成分とすると共に、造孔剤を含む原料を、所定の配合によって混合及び成形を行った後、その成形物を窒素中において反応焼結を行うセラミックフィルターの製造方法であって、前記原料中にβ型窒化ケイ素を１０〜５０質量％混入させて、反応焼結を行う請求項１に記載のセラミックフィルターの製造方法。
前記混合時に、さらにジルコニウムを含む原料を混入させる請求項３に記載のセラミックフィルターの製造方法。