JPWO2007094499A1 - セラミックハニカムフィルタ及び排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体と、所定の流路の排気ガス流入側又は排気ガス流出側に設けられた封止部とを有し、排気ガス流入側及び排気ガス流出側のいずれにも封止部を有さない開放流路が全流路の数の15％超40％以下であり、隣接する開放流路の配置が対角線方向であるセラミックハニカムフィルタ。

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の排気ガス中に含まれる粒子状物質を浄化するのに好適なセラミックハニカムフィルタ及び排気ガス浄化装置に関する。

環境保全のため、ディーゼルエンジンの排気ガスから炭素を主成分とする微粒子を除去するハニカムフィルタが使用されている。ハニカムフィルタは、排気ガスの流入側及び流出側の両端面が交互に目封止されている。このような構造を有する従来のセラミックハニカムフィルタの一例を図6(a) 及び図6(b) に示す。このセラミックハニカムフィルタ50は、複数の流路3a，3bを形成する多孔質隔壁2と、多孔質隔壁2を包囲する外周部1とからなる多孔質セラミックハニカム構造体11と、多孔質セラミックハニカム構造体11の一方の端部において流路3bを封止した結果、市松模様に配列した目封止部5と、多孔質セラミックハニカム構造体11の他方の端部において流路3aを封止した結果目封止部5と重ならない市松模様に配列した目封止部6とからなる。微粒子を含有する排気ガスは流入側開口端12から流路3aに流入し、隔壁2を通過した後、隣接した流路3bを経て、流出側端面13から排出される。この際、排気ガス中に含まれる微粒子は、隔壁2に形成された細孔（図示せず）に捕集される。セラミックハニカムフィルタ50に微粒子が捕集され続けると、隔壁2の細孔に目詰まりを生じて捕集機能を大幅に低下させるとともに、圧力損失が大きくなりエンジン出力を低下させる。堆積した微粒子（PM）は、電気ヒータ、バーナー、マイクロ波等で燃焼させ、セラミックハニカムフィルタ50を再生する。またセラミックハニカムフィルタ50に担持した触媒により堆積した微粒子の酸化を促進し、セラミックハニカムフィルタ50を再生することも行われている。ところが、運転状態によっては、多量の微粒子が堆積してしまい、再生が十分に行われずにエンジン出力が低下し、最悪の場合はフィルタが破損してしまう。

上記問題を解決するために、特開2002-371826号は、封止部の一部分を欠落させてフロースルー状態とし、フィルタ単位断面の圧力損失を小さくした排出ガス浄化用セラミックハニカムフィルタを開示している。このセラミックハニカムフィルタには、排気ガス流入側及び排気ガス流出側のいずれにも封止部を有さない少数の開放流路が任意の位置に設けられている。しかしながら、このセラミックハニカムフィルタでは、任意に設けられた開放流路同士が隔壁を介して隣接する場合、排気ガスは通気抵抗の小さい隣接した開放流路に集中して流れるため、排気ガス中の微粒子が流出し易くなり捕集率が悪くなるという問題がある。

特開2004-251137号は、多孔質の隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流路を有するセラミックハニカム構造体の片側の端面においてのみ、市松模様に流路の端部を封止してなるハニカムフィルタを開示している。このセラミックハニカムフィルタでは、他端面には封止部が設けられていないため、実質的には全流路のほぼ半分に封止部がないことになる。従って、低圧力損失は得られるが、封止部のない開放流路が多すぎるため微粒子捕集性能が十分でないという問題がある。

特開昭57-201518号は、全体の5〜20％の排ガスが通過する開放流路が設けられたセラミックハニカムフィルタを開示している。このセラミックハニカムフィルタでは、開口端側で本来封止部が設けられるべき流路（その四辺に封止部が設けられていない）に封止部を設けずに開放流路を形成しているので、開放流路の割合は全流路の約５％である。しかしながら、開放流路の割合が少なすぎて圧力損失を低減する効果が十分でない。さらに、開放流路の周囲は全て一方が封止された流路であり、開放流路同士は対角線方向に隣接していない。そのため、排気ガス流は通気抵抗の小さい開放流路に集中し、微粒子の捕集率が悪くなるという問題がある。

特開昭60-3420号は、入口端と出口端とを交互に目封止した多数のセルを有するセラミックハニカムフィルタであって、外周壁付近に全流路の1〜15％の割合で封止部を有さない開放流路を設けたセラミックハニカムフィルタを開示している。しかしながら、セラミックハニカムフィルタの中心部の方が排気ガスを通し易く、中心部に微粒子が堆積し易いため、このような外側流路だけでは、圧力損失を低減する効果が十分でない。

特公平1-27767号は、排気ガス流路の一部に、隔壁の細孔より径の大きい吹抜孔を設けることで、排ガス通過時の圧力損失が上昇するのを抑制したセラミックハニカムフィルタを開示している。さらに、このセラミックハニカムフィルタに両端面とも封止しない開放流路を全流路の0.5〜10％の割合で設けることも開示している。しかしながら、全流路の0.5〜10％程度の開放流路では圧力損失を低減する効果が十分でない。

上記先行技術では、開放流路の配置について検討がされていない。鋭意研究の結果、隣接する開放流路があると、隔壁を介して両者間に差圧がないので、排気ガスは隔壁を通ることなく流れ、その結果、排気ガスの流れが隣接する開放流路に集中し、全体的に微粒子の捕集率が悪くなることが分った。

従って本発明の目的は、微粒子の捕集性能を損なうことなく圧力損失を低減させたセラミックハニカムフィルタ、及びかかるセラミックハニカムフィルタを有する排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、両側に封止部を有さない開放流路を対角線方向に隣接するように形成すると、微粒子の捕集性能を損なうことなく圧力損失が低減することを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明のセラミックハニカムフィルタは、多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体と、各流路の排気ガス流入側又は排気ガス流出側に設けられた封止部とを有し、排気ガス流入側及び排気ガス流出側のいずれにも封止部を有さない開放流路が全流路の数の15％超40％以下であり、隣接する開放流路の配置が対角線方向であることを特徴とする。

対角線方向に封止流路（排気ガス流入側又は排気ガス流出側に封止部を有する流路）と隣接する開放流路は、全開放流路の数の10〜90％であるのが好ましい。

本発明の排気ガス浄化装置は上記セラミックハニカムフィルタを具備することを特徴とする。

上記構造を有する本発明のセラミックハニカムフィルタは、微粒子の捕集性能を損なうことなく圧力損失を低減したため、ディーゼルエンジン等の排気ガス中に含まれる粒子状物質を効率よく除去するのに好適である。

本発明のセラミックハニカムフィルタの一例の一端面を示す正面図である。 本発明のセラミックハニカムフィルタの一例を示す部分断面図である。 本発明のセラミックハニカムフィルタの一例の他端面を示す背面図である。 本発明のセラミックハニカムフィルタの製造工程の一例を示す概略図である。 開放流路を形成するように貫通孔を有するフィルムにテープを貼る工程を示す概略図である。 本発明のセラミックハニカムフィルタの他の例の一端面を示す正面図である。 本発明のセラミックハニカムフィルタの他の例を示す部分断面図である。 本発明のセラミックハニカムフィルタの他の例の他端面を示す背面図である。 目封止材を注入する装置を示す模式図である。 従来のセラミックハニカムフィルタの一端面を示す正面図である。 従来のセラミックハニカムフィルタを示す部分断面図である。

図1(a)〜図1(c) に示すように、本発明のセラミックハニカムフィルタ10は、対角線方向に隣接する開放流路30の数が全流路の数の15％超40％以下であるため、以下の作用効果を有する。セラミックハニカムフィルタ10の排気ガス流入側端面12から流路3aに流入した排気ガスは、隔壁2を通過して隣接する流路3bから流出するが、排気ガス流入側と排気ガス流出側に封止部5，6を有さない開放流路30に流入した排気ガスは、隔壁2を通過することなくそのまま流出するので、圧力損失が高くなるのを抑えることができる。また隔壁面を介して隣接する開放流路があると、周囲を開放流路が囲まれた開放流路は通気抵抗が小さく、そこに排気ガス流が集中するが、本発明では開放流路30が対角線方向に隣接するように配置されているので、開放流路30同士は隔壁面を介して隣接せず、排気ガス流の集中も起こらない。その結果、排気ガス流は対角線方向に隣接する開放流路30に分散され、圧力損失を低減しつつ、排気ガス中の微粒子の流出を抑えることができる。

開放流路30の数が全流路の数の15％以下であると圧力損失の低減効果が小さく、また40％を超えると流出する微粒子が多くなるので捕集率が低下する。好ましくは開放流路30の数は全流路の数の20〜35％である。各開放流路30には対角線方向に４つの流路が隣接するが、そのうち少なくとも１つの流路が開放流路であれば良い。

対角線方向に封止流路と隣接する開放流路は全開放流路の数の10〜90％であるのが好ましい。これにより、排気ガス流は通気抵抗の小さい開放流路30により分散され、排気ガス中の微粒子の流出が少なくなる。10％未満又は90％超の場合、圧力損失の低減効果が小さく、微粒子の捕集能が低い。好ましくは対角線方向に隣接する封止流路は全開放流路30の数の20〜60％である。

セラミックハニカム構造体の隔壁及び封止部は、主にディーゼルエンジンの排気ガス中の微粒子を除去するためのフィルタとして作用するため、耐熱性に優れた材料で構成されるのが好ましい。具体的には、コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、LAS、チタン酸アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化アルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種を主結晶とするセラミック材料を用いるのが好ましい。中でも、コージェライトを主結晶とするセラミックハニカムフィルタは、安価で耐熱性及び耐食性に優れ、また低熱膨張であることから最も好ましい。

セラミックハニカム構造体の隔壁の気孔率は45〜80％であるのが好ましい。開放流路に流入した排気ガス中の微粒子の大部分は、そのまま流路を通過して流出するが、隔壁の気孔率が45〜80％であると、微粒子の一部は隔壁に形成された細孔に捕集されるので、捕集率をそれほど低下させることがない。気孔率が45％未満であると、ハニカムフィルタの圧力損失が上昇しエンジンの出力低下につながり、気孔率が80％を超えると、隔壁の強度が低下し、熱衝撃や振動により破損しやすくなる。またハニカム構造体の目封止材の気孔率は、隔壁の気孔率に比べて低い場合、同程度の場合、又は高い場合いずれの場合でも良いが、隔壁の気孔率より高い場合は、排気ガスが目封止材中の細孔内部を通過することも可能となるため、排気ガス流入側目封止部の排気ガス流入側端面51への微粒子の堆積が起こりにくくなるので好ましい。

セラミックハニカム構造体の隔壁厚は0.1〜0.5 mmが好ましく、隔壁のピッチは1.2 mm以上が好ましい。隔壁厚が0.1 mm未満では、セラミックハニカム構造体の強度が低下し、隔壁厚が0.5 mmを超えると、排気ガスに対する隔壁の通気抵抗が大きくなり、フィルタの圧力損失が大きくなる。より好ましい隔壁厚さは、0.2〜0.4 mmである。また、隔壁のピッチが1.3 mm未満であると、ハニカム構造体の排気ガス流入側の開口面積が小さくなることから、フィルタ入口の圧力損失が大きくなる。

開放流路が全流路の数の20〜40％であるセラミックハニカムフィルタを具備する本発明の排気ガスを浄化する装置は、良好な微粒子の捕集率を保持しながら圧力損失が低い。このようなセラミックハニカムフィルタをSCR触媒の後段に配置することにより、低圧力損失で微粒子及びNOxを効率よく除去することができる。

図2は本発明のセラミックハニカムフィルタの製造工程を示す。隔壁により囲まれた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体11は、セラミックス原料粉末の坏土を混練し、押出成形し、得られたハニカム構造の成形体を焼成することにより得られる。セラミックハニカム構造体11の端面12に樹脂製フィルム7を貼り付け［工程(a)］、封止流路が市松模様に配列し、開放流路30が対角線方向に配列するように、フィルム7にレーザ加工等により貫通孔8を開ける［工程(b)］。また開放流路30を形成するように貫通孔8を開ける代りに、図3 に示すように、封止流路が市松模様に配列するように貫通孔8を開けた後、フィルム7上にテープ9aを貼り付けて、開放流路30に相当する位置にある貫通孔8を塞いでもよい。開放流路30の配置に応じて、さらにテープ9bを貼っても良い。

セラミックハニカム構造体11の端面12を容器20内の封止用スラリー21に浸漬し［工程(c)］、セラミックハニカム構造体11の他端面13を加圧手段22により押し、貫通孔8より封止材スラリーを流路端部に導入する［工程(d)］。フィルム7を除去し、乾燥することにより、ハニカム構造体11の端面12に封止部5を設ける［工程(e)］。他端面13にも同様にフィルム7を貼り付けて、端面12側で封止部5を設けなかった流路にレーザ加工等により市松模様に貫通孔8’を開け、封止材スラリーを他端面13側の流路端部に導入する［工程(f)］。フィルム7を除去後、乾燥することにより、端面12，13側にそれぞれ封止部5，6を有する成形体を得る。これを焼成することにより、封止部5，6が隔壁2と一体化したセラミックハニカムフィルタ10を得る［工程(g)］。

なお一端面12にフィルム7を貼り付けずに、図5に示す封止材注入装置31のノズル32を流路に挿入し、封止材スラリーを直接導入しても良い。封止材注入装置31を使用すると、図4に示すように流路内部に封止部5を形成することができる。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

実施例1
カオリン粉末、タルク粉末、シリカ粉末、水酸化アルミニウム粉末及びアルミナ粉末を、47〜53質量％のSiO₂、32〜38質量％のAl₂O₃、及び21〜16質量％のMgOからなり、CaO、Na₂O 、K₂O、TiO₂、Fe₂O₃、PbO、P₂O₅等の不可避的不純物が全体で2.5％以下の組成となるように配合し、コーディエライト生成原料粉末を作製した。このコージェライト生成原料粉末を、水、成形助剤及び造孔剤と十分混合し、ハニカム構造に押出成形可能なセラミック坏土を調製した。このセラミック坏土を押出成形し、外周壁と、外周壁の内側で隔壁により囲まれた断面四角形状の流路を有するハニカム構造の成形体を作製し、乾燥後焼成し、直径267 mm、全長Ｌ300 mm、隔壁のピッチ1.5 mm及び隔壁厚さ0.3 mmの隔壁構造を有し、隔壁の気孔率が65％のハニカム構造体を作製した。

図2に示す手順に従って本発明のセラミックハニカムフィルタを作製した。セラミックハニカム構造体の端面12に樹脂製フィルム7を貼り付け［工程(a)］、表１に示す配置の開放流路が形成されるようにフィルム7にレーザにより貫通孔8を開けた［工程(b)］。セラミックハニカム構造体11の端面12を容器20内の封止用スラリー21に浸漬し［工程(c)］、封止材スラリーを流路端部に導入した［工程(d)］。フィルムを除去した後、封止部5を乾燥した［工程(e)］。他端面13にも同様にフィルム7を貼り付け、封止流路では一方の端部だけが封止されるように、レーザによりフィルム7に市松模様に貫通孔8’を開け、端面12側と同様に封止材スラリーを流路端部に導入した［工程(f)］。フィルム7を除去後、封止部6を乾燥させ、両封止部5、6を焼成することにより、両封止部5、6が隔壁に一体化したセラミックハニカムフィルタを得た［工程(g)］。セラミックハニカムフィルタは、市松模様に配列した封止流路と、対角線方向に配列した開放流路とを有していた。

実施例２〜６及び比較例１〜３
表１に示す配置の開放流路が形成されるように、セラミックハニカム構造体の端面12に貼り付けた樹脂製フィルム7の貫通孔8の開け方を変更した以外は、実施例１と同様にして、セラミックハニカムフィルタを作製した。比較例３のセラミックハニカムフィルタには開放流路を設けなかった。

実施例７〜９及び比較例４〜５
図5に示す封止材注入装置31を用い、表１に示す配置の開放流路が形成されるように、封止部を形成する流路内にノズル32を挿入し、端面12から10 mmの位置にスラリーを導入して、セラミックハニカム構造体の端面12に封止部5を形成した。これ以外は実施例１と同様にして、セラミックハニカムフィルタを作製した。比較例６のセラミックハニカムフィルタには開放流路を設けなかった。

実施例１〜９及び比較例１〜６のセラミックハニカムフィルタに対して、圧力損失及び粒子状物質の捕集率の測定を行った。圧力損失は、圧力損失テストスタンドを用い、15 Nm³/minの空気流量におけるセラミックハニカムフィルタの入口側と出口側との差圧から求め、実施例１の測定結果を１として相対値で示す。微粒子捕集率は、空気流量10 Nm³/minで、平均粒径0.042μmのカーボン粉を3 g/hの割合で２時間セラミックハニカムフィルタに投入し、捕集したカーボン粉の重量を測定し、（捕集したカーボン粉の重量／投入したカーボン粉の重量）×100（％）の式により算出した。これらの結果を表１に示す。

注：(1) 全流路数に対する開放流路数の割合。
(2) 全開放流路のうち、対角線方向に封止流路が隣接するものの数の割合。
(3) 「端面」は図1(a)〜図1(c)に示すように封止部が流路の端面に接して設けられている場合であり、「内側」は図4(a)〜図4(c)に示すように封止部が流路端面より内側に設けられている場合である。

表１から、開放流路が対角線方向に隣接し、その数が全流路の数の15％超40％以下である実施例１〜９のセラミックハニカムフィルタでは、微粒子の捕集性能が損なわれずに圧力損失が低減していることが分る。特に開放流路の割合が20〜35％の場合、微粒子の捕集性能と圧力損失とのバランスが良好であった。一方、開放流路が全流路の数の15％以下である比較例１及び４のセラミックハニカムフィルタは、圧力損失が大きかった。開放流路が全流路の数の45％を超えた比較例２及び５のセラミックハニカムフィルタは、圧力損失は小さかったが捕集率が低く、実用レベルに至らなかった。開放流路を全く有さない比較例３及び６は、捕集率は良好であったが、圧力損失が高かった。

以上本発明を添付図面を参照して詳細に説明したが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更が可能である。

Claims (3)

1. 多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体と、所定の流路の排気ガス流入側又は排気ガス流出側に設けられた封止部とを有するセラミックハニカムフィルタにおいて、排気ガス流入側及び排気ガス流出側のいずれにも封止部を有さない開放流路が全流路の数の15％超40％以下であり、隣接する開放流路の配置が対角線方向であることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
2. 請求項１に記載のセラミックハニカムフィルタにおいて、対角線方向に封止流路と隣接する開放流路が全開放流路の数の10〜90％であることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
3. 請求項1又は2に記載のセラミックハニカムフィルタを具備することを特徴とする排気ガス浄化装置。

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