JPS61183182A - 多孔質セラミツク構造体 - Google Patents

多孔質セラミツク構造体

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JPS61183182A
JPS61183182A JP60024994A JP2499485A JPS61183182A JP S61183182 A JPS61183182 A JP S61183182A JP 60024994 A JP60024994 A JP 60024994A JP 2499485 A JP2499485 A JP 2499485A JP S61183182 A JPS61183182 A JP S61183182A
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square
porous ceramic
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inlet
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岡島　篤
均 吉田
幸久 竹内
福谷　正徳
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、主として内燃機関より排出される排出ガス中
に浮遊する微粒子を捕集する捕集担体または触媒担体等
として有効に用いられる多孔質セラミック構造体に関す
る。
（従来の技術） 従来、この種の多孔質セラミック構造体は、ディーゼル
エンジンから排出されるカーボン微粒子等を捕集する場
合、三次元網目状の骨格構造をもつセラミックフオーム
やハニカム構造をもった多孔質セラミック構造体が有効
に用いられている。
これらのセラミック構造体のうちでも特に通気抵抗が小
さく、微粒子の捕集効率が高いものとして、特開昭５８
−１６１９６２号公報に開示されているように、第２４
図（ａ）、　（ｂ）に示したような内部に互いに平行な
多数の正方形断面を有する中空穴６を格子状に配列させ
て穿設し、それらの隣接する中空穴の断面が交互に反対
側の端面で封止されている構造のものが知られている。
このような構造にあっては、隣接中空穴間の壁厚ｄ１が
大きいほど捕集効率は向上し、また開口率すなわち中空
大部分の合計の断面積がセラミック構造体全体の断面積
に占める割合が大きいほど圧力損失が減少する。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前記従来構造においては、゛圧力損失を
小さくするために開口率を大きくしようとすると壁厚ｄ
、が小さくなって捕集効率が低下するという問題が生じ
る。従って、一定の捕集効率を確保するために開口率を
高めるには限界があった。このような問題に対し、本発
明者らの実験研究によると、圧力損失は、セラミック構
造体の入口穴および出口穴の中間部でよりも、開口端近
傍で最も大きくなることがわかった。
（問題点を解決するための手段） そこで、本発明者らは上記のような実験研究結果に基づ
いて開口端近傍の開口率を高めるために次のような技術
的手段を採用する。
すなわち、多孔質セラミック構造体の入口穴および出口
穴の開口部がその断面積が開口端に向かうに従って増大
するように開口するテーパ形状を有する構造とするもの
である。
（作　用） 上記手段による作用を説明すると、前記入口穴および、
または出口穴の開口部をテーパ状の開口部とすることに
よってセラミック構造体の入口端面部および、または出
口端面部での開口率を高めることができ、セラミック構
造体を通過する気体の入口部および、または出口部での
気流の乱れを防止して有効に圧力損失を低減する。
（実施例） 以下本発明を図に示す実施例について説明する。
第１図（ａ）は、本発明のディーゼルエンジンから排出
されるカーボン微粒子を捕集する多孔質セラミックフィ
ルター１の排出ガス入口側からみた正面図、第１図（ｂ
）は、その軸線方向の断面図である。
セラミックフィルター１は、外径１０７ｍｍ、長さ７８
ｍｍの円柱形状であって、コーディエライト系セラミッ
クからなる。なお、これ以外にもＳｉ　Ｃ，Ｓ　ｉ３　
Ｎａ　、Ａ１１ｔ　Ｏｓ　、β−スブジェーメン系等の
種々のセラミック材料であってもよい。
最外周部には、厚さ２ｍｍにわたって緻密に構成された
補強層２が形成されている。内部は、第２図にその微細
構造を説明するような多孔質セラミック構造体からなる
。すなわち、三次元網目構造の骨格４と、それにより囲
まれて形成される通気部５を有する。セラミックフィル
ター１の内部には、格子状に配列された断面正方形の内
部中空穴６が隔壁３を隔てて軸線に対して平行に２２６
個設けられている。また中空穴はひとつおきに反対側の
端面７または８に開口し、他端は７ａおよび８ａで封止
されている。すなわち排出ガス入口側端面７、出口側端
面８に入口穴６１および出口穴６２がそれぞれ１１３個
ずつ開口している。開口率、すなわち内部中空穴の断面
積の総和がセラミックフィルターｌの全体の断面積にし
める割合は約２０％である。内部中空穴６の開口部は、
端面７または８に向かうに従ってその断面積が増大する
ように広がったテーパ一部９を有しており、端面開口部
１０は、内部中空穴の断面正方形と中心軸を共通にし、
その軸のまわりに４５度回転させた拡大正方形となって
いる。開口部１０の面積の合計が開口端７または８の面
積に占める割合すなわち開口端での開口率は５０％以上
である。なお、テーパ一部９の角度θは、以下のように
決められる。第１図（Ｃ）に示す端面部の拡大断面図に
おいて、隣接した内部中空間の隔壁３の壁厚ｘｍｍ、内
部中空穴の断面正方形の一辺の長さｙｍｍ、端面の封止
部７ａおよび８ａの壁厚Ｉ　Ｉｎ　ｍ　ｓ端面開口部１
０の正方形の対辺間の壁厚ｚｍｍとすると、θ＝ｔａｎ
−１・　（ｚ　＋　０’／２）−（ｚ／２））／ｌ で表わされる。ここでｙ＝３ｍｍ、Ｊ＝５ｍｍ。
端面部での強度を確保するためにｚ＝１．５ｍｍとして
多孔質セラミックの隔壁３の通気孔５の単位長さあたり
の数（以下、目の粗さといい単位をメツシュ／インチと
する。）と変化させたときの、一定水準以上の捕集効率
を確保するための壁厚Ｘ（ｍｍ）、中空穴ピッチＸ　＋
　ｙ　（ｍｍ）　、テーパ一部角度θの最大角度をまと
めると第１表のごとくである。
（以下余白） 表１ ここで、本発明のセラミック構造体１の製造方法を説明
する。一般に三次元網目状構造の隔壁を有するセラミッ
クフィルターを得るには、同様な三次元網目構造を有す
るポリウレタンフォームなとの有機化合物を骨材として
使用し、この骨材の表面にセラミック材料を固着し、こ
れを焼成すると母材たる有機化合物が燃焼飛散し、周囲
のセラミック材が母材と同様の構造となることを利用す
る。
第３図（ａ）および（ｂｌは、ポリウレタンフォーム成
形型のうち、成形型容器１１の形状を説明する図で、同
図（ａ）は平面図、同図（ｂｌは同図？ａｌにおけるＸ
−Ｘ線矢視断面図である。この成形型容器部１１は底板
１２と、底板１２上に植設された複数個の柱状部１３と
、底板１２の外周部に植設されて柱状部１３を取巻く円
管状側壁部１４とから成っている。柱状部１３は断面形
状が正方形で、下部１３ａが、第１図に示したセラミッ
ク構造体開口部９の形状に対応するように、底板１２に
向かって広がるテーパ一部１３ｂを有し、底板１２との
境では、柱状部１２の正方形の中心軸を４５度回転させ
た拡大正方形を形成している。また円管状側壁部１４上
面には外周４当分箇所に組付用ネジ孔１５が設けである
。
第４図（ａｌおよび（ｂｌは、上記成形型容器部１１に
施蓋するための成形型蓋部２０を示し、同図（ａｌは平
面図、同図中）はＹ−Ｙ線矢視断面図である。この成形
型蓋部２０は、蓋板２１と、蓋板２１上に植設された複
数個の柱状部２２とから成っている。
蓋板２１には、柱状部２２と干渉しない位置に貫通孔２
１ａが穿設されている。柱状部２２は、後述の如く成形
型蓋部２０を容器部１１に被せたときに、容器部１０の
柱状部１２に干渉しないように考慮して設けられている
。また蓋板２１の外周４等分箇所には、容器部１１に蓋
部２０を固定するための組付用孔２１ｂが穿設されてい
る。
第５図は、成形型容器部１１に成形型蓋部２０を組付け
てポルト２５により固定した状態を示しており、容器部
１１と、蓋部２０との組合せによってギヤビティー２６
が生じる。
次に、ウレタンフオームの成形法を説明すると、キャビ
ティ２６内面には予めワックス系離型剤を、成形型の離
型剤の融点以上に加熱しておき、スプレーまたはハケ塗
りによって塗布する。次に成形型を３０℃〜５０℃に調
整しておき、成形型容器部１１に有機イソシアネート、
ポリオール、整泡剤、発泡剤および触媒を混合したウレ
タンフオーム原料混合液を攪拌混合しながら注入し、成
形型蓋部２０を閉じる。ここで、前記有機イソシアネー
トとしては、トリレンジイソシアネート、またはメチレ
ンジイソシアネートまたは両者の混合物、前記ポリオー
ルとしては、ポリエーテルポリオールおよび、またはポ
リエステル系ポリオールとからなる重合体ポリオール、
またはこれとポリエーテルポリオールとの混合物、前記
発泡剤としては、水または、ハロゲン置換脂肪族炭化水
素系発泡剤（トリクロロモノフロロメタンなどのフロン
類）、または両者の混合物、前記整泡剤としては、アル
コール変性シリコーン整泡剤、前記触媒としては、樹脂
化反応を促進する触媒としてアルコールとイソシアネー
トとの反応触媒として有効に用いられる３級アミンおよ
びその有機酸塩類、発泡反応を促進する触媒としては、
水とイソシアネートとの反応触媒として有効に用いられ
るモルホリン、エタノールアミン等を用いた。ウレタン
フオーム原料混合液はキャビティ２６内で発泡り型内の
空気を押した後火２１ａより溢れるので栓をする０発泡
後１００℃〜１２０℃で２０〜６０分間加熱硬化させる
。硬化後に賽器部１１と蓋部２０とを分離させればウレ
タンフオーム成形体が得られる。
次に、このウレタンフオーム成形体にセラミックスラリ
−を含浸させた後、ポリウレタンを焼成し多孔質セラミ
ックフィルター１を得る方法について詳述する。含浸に
使用されるセラミックスラリ−の原料は、焼成によりコ
ージェライト組成となる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、
アルミナ（ＡｌｔＯｉ　）　、ケイ酸（ＳｉＯ□）を含
む混合粉末、あるいは上記混合粉末を加熱しコージェラ
イト系セラミックにし、これを粉末化した合成コージェ
ライト粉末、あるいは両者の混合物にメチルセルロース
、ポリビニルアルコール等のバインダ、および水を加え
たものである。前記ウレタンフオームをこのスラリーに
含浸した後、エアガンや遠心分離装置を用いて余分なス
ラリーを除去し、８０℃〜１２０℃の乾燥炉の中で２〜
３時間乾燥する。
以上の含浸から乾燥までの操作を２〜３回繰り返し、必
要量のセラミックスラリ−をウレタンフオーム発泡体骨
格表面に付着させる。その後焼成温度１３００〜１４７
０℃で５〜６時間焼成処理を行う。
以上のような方法によって多孔質セラミックフィルター
１が得られる。
次に本実施例の作用について説明する。第６図は、第２
４図に示す従来構造のセラミックフィルター５０（直径
Ｉ　Ｑ　７　ｍｍ、長さ７８　ｍｍ　ｓ入口穴の数１１
３、出口穴の数１１３、入口穴６１および出口穴６２の
正方形の一辺の長さ３ｍｍ、隔壁３の厚さ５ｍｍ、端面
の封止部７ａおよび８ａの厚さ５ｍｍ）をディーゼルエ
ンジンの排出ガスの流路途中に取り付け、毎分３ｍ’の
排出ガスを流入させるようにした実験装置によって測定
した入口穴６１または゛出口穴６２の入口端面７または
出口端面８に対する開口率を変化させた時の圧力損失と
の関係を調べたものである。曲、％Ｉａ、ｂ。
Ｃは、それぞれセラミック構造体の三次元網目構造の目
の粗さを８．１３．２０メツシュ／インチとそれぞれ変
化させたときの開口率と圧力損失の実測値を示している
が、いずれの場合も開口率が上がると同時に圧力損失が
減少していることがわかる。しかしながら、開口率を上
げるため北入口六６１および出口穴６２を広げていくと
壁厚３の厚さｄ、がしだいに薄くなり捕集効率が低下す
る。
第７図は、セラミック構造体の目の粗さが２０メ７９１
７インチの場合の壁厚ｄ＋　　（ｍｍ）と開口率との関
係を説明する図であるが、他の実験により捕集効率の水
準を満足させるためには、壁厚が２ｍｍ以上必要である
ことがわかっており、第７図よりこれに対応する開口率
は約２０％であることがわかる。このように従来構造の
場合には圧力損失を下げるために、開口率を高める手段
が著しく制限される。
これに対して、本発明の第２の実施例を第８図（ａ）に
正面図、同図ｆｂ）に軸線方向の断面図を示す。
このセラミックフィルター３０は、従来構造のフィルタ
ー５０に対して入口および出口の中空穴６の排出ガス入
口側端面７および出口側端面８の開口部にテーパ一部３
１を設け、中空穴６の断面正方形をそのまま中心軸のま
わりに回転させないで、投影拡大した正方形が開口端と
なるように構成したものである。なお、セラミック体の
目の粗さは２０メツシュ／インチで、外径等のその他の
寸法諸元は従来と同様である。
この実施例における端面７または８に対する入口部６１
または出口穴６２の開口端の開口率と、圧力損失との関
係を第９図に示す。第６図と比較しても明らかなように
圧力損失を低減することができる。しかしながら、端面
開口率を上げるために、すなわちテーパ一部３１の広が
りを大きくしていくにつれて、第８図（Ｃ）の入口側端
面の拡大図に示した壁厚ｄ２が薄くなり強度が低下して
欠けが生じ易くなるという問題が生じる。この部分での
強度を満足させる水準はｄｚ−１，５ｍｍ程度であり、
第１０図に示す端面開口率と壁厚との関係より、これに
対応する端面開口率は、約３４％である。
また、さらに第１の実施例のごとく、内部中空穴６の断
面の正方形を４５度その中心軸のまわりに回転させなが
ら投影７拡大した開口端形状としたものでは、隣接する
正方形の開口端どうしの干渉が緩和され、開口端の正方
形の相対する辺の間隔２を１．５ｍｍ確保しても、第１
１図に示すように入口側端面７または出口側端面８に対
する開口率は６４％にまで高めることができる。また軸
線方向の開口率においても第１２図に示すように前記従
来構造のセラミックフィルター５０の場合（実線）に比
較して、本実施例では（破線）入口側面、出口側面近傍
で大巾に増大していることが明らかである。
第１３図は、セラミック構造体の目の粗さが２０メツシ
ュ／インチである前記従来構造セラミックフィルター５
０と、このセラミックフィルターの入口穴開口部と出口
穴開口部の形状を第１の実施例に示したようにテーパー
状に広げたセラミックフィルタ１との圧力損失性能を先
の実験装置において比較した特性図である。
また、本発明は以上の実施例に限定されることなく広く
変形可能である。
第１の実施例では、端面開口部は、内部中空穴の断面正
方形に対して４５度回転した拡大正方形となっていたが
、中空穴のピッチによっては４５度以下の角度をとって
もよい。また端面開口部の形状は、第１４図（ａ）、　
（ｂ）に示すような方形形状、第１５図（ａｌ、　（ｂ
ｌに示すような多角形であってもかまわない。中空穴の
断面の形状は、正方形のみならず第１６図（ａ）、　（
ｂｌに示すような円形、第１７図（ａ）、　（ｂ）に示
すような楕円形、第１８図（ａｌ、　（ｂ）に示すよう
な三角形を含む多角形であってもよい。また内部中空穴
は、第１９図（ａｌ、　（ｂ）、第２０図（ａ）。
（ｂ）、第２１図（ａ）、　（ａ）に示すように内部に
向かうにつれて相似形断面小さくなっていくような形状
も可能である。さらに中空穴の端面入口部のテーパ一部
は、第２２図（ａｌ〜（樹の断面図に示すように、その
断面と交わる線が、円弧の一部（第２２図（ａ）。
伽））、楕円の一部（同図（Ｃ）、　（ｄ））　、放物
線の一部（同図ｆｅ）、双曲線の一部（同図（ｆ））、
正弦曲線の一部（同図（哨）等の形状も含まれる。また
、テーパー状開口部は、第２３図（ａ）、　（ｂ）に示
すように排出ガス入口側または、出口側端面の片側に設
けるだけであったり、同図（Ｃ）に示すように、最外周
部中空穴を除く内部中空穴のみに設ける場合であっても
ある程度の圧力損失低減は達成される。
（発明の効果） 以上述べたように本発明においては、軸線方向に多数の
中空穴が設けられ、それらの中空穴を交互に一端を開口
とし、他方を封止する構造を有する多孔質セラミック構
造体において、中空孔の開口部のすべてまたは一部をテ
ーパー状に広がった開口部とすることによって、前記中
空穴の開口部の開口率を大幅に向上させ、排出ガス通過
時の圧力損失を有効に低減させることができるというす
ぐれた効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の実施例のセラミックフィルタ
ー１の正面図（ａ）、および断面図中）、第１図（Ｃ）
は第１図中）の端部の拡大断面図、第２図は、多孔質セ
ラミックの微細構造を説明する模式図、第３図（ａ）、
　（ｂ）は、セラミックフィルター製造に使用する成形
型容器部の形状を説明する正面図および断面図、第４図
（ａ）、　（ｂ）は、成形型蓋部の形状を説明する正面
図および断面図、第５図は、前記容器部と前記蓋部を組
合せた状態の成形型の断面図、第６図は、従来構造のセ
ラミックフィルターの開口率と圧力損失との関係を説明
する特性図、第７図は、従来構造のセラミックフィルタ
ーの隣機中空穴間の壁厚と開口率との関係を説明する特
性図、第８図（ａｌ、　（ｂｌは、本発明の第２の実施
例の形状を説明する正面図および断面図、同図（Ｃ）は
同図（ａ）の開口部の拡大図、第９図は第２の実施例の
セラミックフィルターの端面の開口率と圧力損失との関
係を説明する特性図、第１０図、前記第２の実施例の壁
厚と端面の開口率との関係を説明する特性図、第１１図
は、第１の実施例の壁厚と端面の開口率との関係を説明
する特性図、第１２図は本発明の第１の実施例と、従来
のセラミックフィルターの開口率の軸線方向の変化を説
明する特性図、第１３図は、同様に本発明の第１の実施
例と、従来のセラミックフィルターの圧力損失性能を説
明する特性図、第１４図から第２２図まで、および第２
３図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）は本発明の他の実施例
を説明する図、第２４図（ａ）、　（ｂｌは、従来のセ
ラミックフィルターの形状を説明する正面図および断面
図である。 ｌ・・・セラミックフィルター、６・・・内部中空穴、
９・・・テーパ一部、ｌＯ・・・端面開口部。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 第１図 （＆） （＋）） 第１図 （Ｃ） 第２図 第７図 開口率（〃） 第９図 ｔｌｋ（ｌＥｌＷＡｏ５？−（Ｚ　） 第３ （＆） 第４ （ａＬ） 灰 図 （ｂ） 第８図 （ａ） １Ｊ 第１２図 第１３図 次束品　ネ発明あ 第１４図 第１５図 （ａ）　　　　　　　　　（ｂ） ら１ 第２２図 （ａ）　　　　　　　　　（ｂ） （ｅ）（↑） （ｇ） ＠１Ｇ図 （ａ）　　　　　　　　　　（ｂ） 第１８図 （＆）　　　　（ｂ） ！；１ 第２０図 （ａン　　　　　　　　　　（ｂ） 第１７図 第１９図 第２１図 （己）（ｂ）

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）軸線方向に設けられた多数の入口穴と、この多数
    の入口穴と隔壁をへだてて隣接する多数の出口穴とを有
    し、前記多数の入口穴は一端が開口で他端が封止され、
    前記出口穴は一端が封止で他端が開口さている多孔質セ
    ラミック構造体において、前記入口穴および、または出
    口穴の開口部がその断面積が開口端に向かうに従って増
    大するように広がったテーパ形状を有する構造であるこ
    とを特徴とする多孔質セラミック構造体。
  2. （２）前記入口穴および出口穴の各々が軸線方向に垂直
    な断面に格子状に配列されてなることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項記載の多孔質セラミック構造体。
  3. （３）前記入口穴および出口穴のテーパ形状の開口部を
    除く内部中空穴部が軸線方向に断面形状均一なストレー
    ト形状からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の多孔質セラミック構造体。
  4. （４）前記入口穴および出口穴の内部中空穴部の断面形
    状が正方形、円形、長方形、楕円形、三角形、五角形以
    上の多角形からなる群より選ばれたひとつの形状である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の多孔質セ
    ラミック構造体。
  5. （５）前記入口穴および出口穴の内部中空穴部が開口端
    から軸線方向に封止端に向かって、しだいに断面積が減
    少する非ストレート形状からなることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項または第４項記載の多孔質セラミック
    構造体。
  6. （６）前記入口穴および出口穴の開口端の形状が、正方
    形、長方形、四角形からなる群より選ばれたひとつ形状
    を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
    第５項のいずれか記載の多孔質セラミック構造体。
  7. （７）前記入口穴および出口穴の内部中空穴部の断面形
    状が正方形であり、かつ軸線方向に垂直な断面に格子状
    に配列されてなり、かつ前記入口穴および出口穴の開口
    端形状が前記正方形の拡大正方形であって、前記拡大正
    方形は、前記正方形の中心軸のまわりに４５度回転して
    なる正方形であることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項記載の多孔質セラミック構造体。
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