JPS62234519A - 多孔質セラミツク構造体 - Google Patents

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
に淳遊する微粒子を捕集する捕集置体として有効に用い
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として、特開昭
５８−１６１９６２号公報に示されるような、入口通路
、出口通路、および両者の間に位置した多孔質隔壁を備
えたハニカムフオームフィルターが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、この構造においては、微粒子を捕集しようと
した場合、上記隔壁のセル径（孔径）を小さくすること
になるが、孔径を小さくすれば圧力損失は大きくなり、
圧力損失を低く押さえるためには、排気ガスの通過する
壁を薄くしなければならない。しかし、この両方（セル
径小、壁厚薄）とも構造体の機械的強度を低下させるこ
とになり、このままでは使用に耐えうる十分な強度は得
られない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記の点に鑑みて鋭意研究の結果、入口通路と
、出口通路と、該両通路の間に位置した多孔質構造の隔
壁とを有し、該隔壁を、前記入口通路側に位置した微粒
子捕集層と、該捕集層を保持し前記出口通路側に位置し
た補強層とにより構成し、前記微粒子捕集層における孔
径を小さく設定するとともに該層の厚さ寸法を薄く設定
し、前記補強層における孔径を前記捕集層より大きく設
定するとともに、該補強層の厚さ寸法を前記捕集層より
厚く設定した構成を具備するものである。

〔作用〕

本発明においては、入口通路に入った排気ガスは多孔質
構造の隔壁を通過して出口通路に排出される。このとき
、排気ガス中の微粒子は隔壁の、孔径の小さい微粒子捕
集層で捕集される。この捕集層はその厚みが薄いため圧
力損失は高くない。

しかるに、厚みが薄いと強度的に弱くなるが、該捕集層
の下流側に位置した厚みの厚い捕集層によって強度を保
持できる。また、該補強層は孔径が捕集層に比べて大き
いため、圧力損失があまり上昇しない。

〔発明の効果〕　　　　□ 従って、本発明によれば、圧力損失をさほど上昇させる
ことなく所定の微粒子捕集効率を得ることができ、かつ
構造体の強度を十分にもたせることができる。

〔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（ａｌ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構造
体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。セラミック構造体１は
、外径９５鶴、長さ１５０　ａｒｍの円柱状であって、
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ＳｉＣ，５ｉｚＮ４Ａ１２ｏ３、β−スポジュー
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、厚さ１龍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
る孔５　（通気部）を有する。

上記構造体１の内部には、格子状に配列された断面円形
の入口通路６ａ、出口通路６ｂが隔壁３を隔てて互いに
平行に設けである。また、入口通路６ａは端面７で開口
し、端面８で閉鎖され、出口通路６ｂは端面７で閉鎖さ
れ、端面８で開口している。

隔壁３は第１図（ｂ）に模式的に示すよう入口側壁３ａ
とこれを保持する出口側壁３ｂとより構成されている。

該出口側壁３ｂの孔径は、入口側壁３ａより十分大きく
しである。即ち、孔径は入口側３ａは０．０１　ｍｉ＋
〜ｏ、１　ａｍ、出ロイ則３ｂは、０．５鶴〜３龍（い
ずれも平均値）に設定されている。入口側壁３ａの孔径
は、内燃機関から排出される微粒子径、量、および要求
される捕集効率により適宜選択される数値であるが、望
ましくは０．０１１ｍ〜０．Ｏ３ｍ−がよい。

一方、入口側壁３ａの厚さは０．０５龍〜０．７鰭、出
口側壁３ｂの厚さはｌ　ｍｍ〜５鴎論としである。

ここで、本発明のセラミック構造体ｌ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どの有機化合物等を骨材とし
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。

すなわちウレタンフオームの成形は、セラミック構造体
１と同一の外形形状のキャビティを有する金型のキャビ
ティ内面に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、成形型容器内に有機イソシアネート、ポリオール
、製泡剤、発泡剤および触媒を混合したウレタンフオー
ム原料混合液を撹拌混合しながら注入する。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、前述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、前記製
泡剤としては、アルコール変性シリコーン製泡剤、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Ｎ−エチルモルホリン、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をキ
ャビティ内で発泡させた後１００℃〜１５０℃で２０〜
６０分間加熱硬化させる。

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（Ａ４２ｚ　Ｏｘ　）
　、シリカ（ＳｉＯｚ）を含む混合粉末、あるいは上記
混合物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、１００
〜１５０℃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。その後外周面に全体にセラミックスラリ
−を付着させ補強層２を形成させて乾燥し、前記入口側
壁３ａを除く構造体を成形する。

次に、同一組成のセラミックスラリ−を塗布もしくは浸
漬した紙または不織布製のパイプを用意し、これを予め
セラミックスラリ−が含浸され、余剰のスラリーを除去
したウレタンフオームの入口通路担当の中空孔内に挿入
する。

この状態で、焼成温度１３５０〜１４１Ｏ℃で５〜６時
間全体を焼成することにより、上記ウレタンフオームは
勿論のこと上記紙または不織布製のパイプも焼失する。

これにより、該パイプの表面のセラミックスラリ−はセ
ラミック薄膜となって構造体の入口通路内面に一体的に
結合することになる。該セラミック薄膜は紙または不織
布の焼失により多孔質となる。

このようにして、第１図（ｂ）、（Ｃ）のごとく構造体
の隔壁が出口側壁３ｂ（ウレタンフオーム焼失による三
次元網状骨格構造を有する）および上記セラミックの薄
膜より成る入口側壁３ａの二層構造となる構造体１を得
ることができる。

なお、本実施例において、上記セラミック薄膜の孔の大
きさは前記パイプの材質に影響される。

例えば製図用の紙（一般名トレーシングペーパー）は非
常に繊維間の空隙が緻密構造であるため、咳紙を出発原
料として用いると、肉厚が０．０５＋ｎ〜０．１龍と薄
くしかも平均０．０２龍〜０．０３龍程度の孔径の極め
て小さい（密度の密な）セラミック薄膜を得ることがで
きる。

また、一般のエアーフィルタとして用いられているが紙
、不織布等の繊維間の空隙が荒いものを出発材料として
使えば、該材料の表面のみならず内部までもセラミック
スラリ−が浸透し、０．１鰭〜０．３龍と比較的肉厚が
厚くしかも孔径の大きい（密度の組な）セラミック薄膜
が得られる。

更に、上記紙、濾紙、不織布等に塗布もしくは含浸させ
るセラミックスラリ−中に発泡剤、一定位径の燃焼によ
り焼失するカーボンを混入させれば、上記セラミック薄
膜に任意の孔径を与えることができる。またこのセラミ
ックスラリ−の粘度、あるいは塗布量、含浸量、更には
前記パイプの壁厚を選定することによってセラミック薄
膜の膜Ｉ７を制御できる。

本発明になる多孔質セラミック構造体の作用効果につい
て説明する。排気ガスは入口通路６ａから隔壁３の孔５
を通って出口通路６ｂに至る。このとき、排気ガス中の
微粒子は壁３ａに捕集される。壁３ａは非常に厚みが薄
く形成されているため、圧力損失は高くないが、薄いた
めに壁３ａのみでは強度的に満足できない。そこで、こ
の壁３ａを厚みの厚い強固な壁３ｂで保持することによ
り、構造体の全体が構成され得る。また、壁３ｂの孔径
は十分に大きく構成しであるため、壁３ａと比べて圧力
損失にあまり大きな影響を与えていない。

本発明は、孔径を小さくかつ薄くシた入口側壁３ａにお
いて粒子の捕集を行い、出口側壁３ｂは入口側壁３ａを
保持し、構造体全体の強度を保つものである。

従って、本発明によれば圧損をさほど上昇させることな
く、所定の捕集効率を得ることができ、構造体の強度を
十分にもたせることができる。第３図は上記実施例と比
較例との強度データを、第４図は捕集効率ならびに圧力
損失の比較データを示している。

実験に供した本実施例を構造体は前述したとおりの寸法
を有している。即ち、外径９５龍、長さ１５０　ａｍの
円柱状であり、入口通路６ａの数が８９個、出口通路６
ｂの数が８８個で、これら通路６ａ、６ｂの直径は４１
■である。隔壁３において入口側壁３ａの厚さは０．２
ｍｓ、その孔径は平均で０．０３ｍｍ、出口側壁３ｂの
厚さは２１■、その孔径は０．７鳳鵬程度（２０メツシ
ュ／インチのフオーム）である。

一方、比較例の構造体は、外径寸法、および入口、出口
通路の数、径寸法は上記実施例と同一であり、隔壁は厚
さ２Ｉ１ｍで孔径は０．４１■程度（４０メツシュ／イ
ンチのフオーム）である。

第３図および第４図から明らかなごとく、本構造体は粒
子を捕集する壁３ａが従来（比較例）より孔径が小さく
かつ薄いために捕集効率は８０％と高く、圧損も良好で
あり、かつ補強を行う壁３により、強度も高いことがわ
かる。

ここで、第４図に示したデータの実験条件は排気容１２
．２１のディーゼルエンジンを２０００回転／分、駆動
トルク５　ｋｇ−ｍの条件で運転したときのものである
。

なお、本発明は前記実施例に限定されず、次のごとき変
形が可能である。

（１１微粒子捕集層としての前記壁３ａは一層であるが
、多層構造にししてもよい。このことは補強層としての
前記壁３ｂにも当てはまる。

（２）前記実施例の紙、不織布製のパイプが吸水性を有
していることに着目し、１亥バイブをセラミ・２クスラ
リーが含浸されたウレタンフオームの中空孔内に挿入し
、該パイプの吸水作用によって該パイプの表面にウレタ
ンフオームに含浸されているセラミックスラリ−を付着
させてもよい。

このような方法によっても前記実施例と同じくセラミッ
ク’ｉＲｍつまり壁３ａを得ることができる。

（３）成形型でウレタンフオームを成形し、該フオーム
の入口通路に相当する中空孔の内面に、該フオームのセ
ル径より小さいセル径を有したウレタンフオームパイプ
を挿入もしくは接合し、これを出発材料とし、本発明の
構造体を得てもよい。

（４）本発明は各種燃焼装置の排気ガス中の微粒子を捕
集するものに適用できることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）は本発明構造体の一実施例を示す
もので、第１図（ａ）は正面図、第１図（ｂ）は断面図
、第１図（Ｃ）は第１図（ｂ）の隔壁の模式断面図、第
２図は第１図における多孔セラミックの組織構造を模式
的に示す断面図５、第３図及び第４図はそれぞれ本発明
の詳細な説明に供する特性図である６３・・・隔壁、３
ａ・・・入口側壁、３ｂ・・・出口側壁。 ６ａ・・・入口通路、６ｂ・・・出口通路。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 ｌじカムフオームフィルタの強度 第３図 （−）　　沢

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入口通路と、出口通路と、該両通路の間に位置し
   た多孔質構造の隔壁とを有し、該隔壁を、前記入口通路
   側に位置した微粒子捕集層と、該捕集層を保持し前記出
   口通路側に位置した補強層とにより構成し、前記微粒子
   捕集層における孔径を小さく設定するとともに該層の厚
   さ寸法を薄く設定し、前記補強層における孔径を前記捕
   集層より大きく設定するとともに、該補強層の厚さ寸法
   を前記捕集層より厚く設定したことを特徴とする多孔質
   セラミック構造体。
2. （２）前記捕集層の孔径は、平均値で０．０１ｍｍ〜０
   ．１ｍｍであり、かつ該層の厚さ寸法は０．０５ｍｍ〜
   ０．７ｍｍであり、前記補強層の孔径は平均値で０．５
   ｍｍ〜３ｍｍであり、かつ該層の厚さ寸法は１ｍｍ〜５
   ｍｍ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。