JPWO2008026675A1 - セラミックハニカムフィルタ - Google Patents

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Abstract

多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有するハニカム構造体と、前記流路の排気ガス流入側又は排気ガス流出側に交互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であって、前記隔壁の厚さW(mm)、前記隔壁の通気度κ(μm2)、前記流路の長さL(mm)及び前記流路の長さ方向に垂直な面における前記流路の断面積A(mm2)が、0.1≦W≦0.5、8≦κ/W≦26.7、及び125≦L/A0.5≦360を満たすことを特徴とす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から排出される粒子状物質を含む排気ガスを浄化するのに使用されるセラミックハニカムフィルタに関する。
ディーゼルエンジンの排気ガス中には、炭素（煤等）及び高沸点炭化水素を主成分とする微粒子(Particulate Matter)が含まれており、これが大気中に放出されると人体や環境に悪影響を与えるおそれがある。このため、ディーゼルエンジンの排気管の途中に、微粒子を除去し排気ガスを浄化するためのセラミックハニカムフィルタ(以下「ハニカムフィルタ」ともいう)を装着することが従来から行われている。図8(a)及び図8(b)に示すように、従来のハニカムフィルタ20は、多数の流路3,4を形成する多孔質隔壁2と外周壁1とからなるセラミックハニカム構造体と、流路3,4の両端面8,9を市松模様に交互に封止する封止部6a,6bとからなる。ハニカムフィルタの外周壁1は、金属メッシュ又はセラミックス製のマット等で形成された把持部材(図示せず)で固定され、金属製収納容器(図示せず)内に配置されている。
ハニカムフィルタ20において、排気ガスは点線矢印で示すように、排気ガス流入側端面8に開口している流出側封止流路3から流入する。排気ガス中に含まれる微粒子は、隔壁2に形成された細孔を通過する際に捕集され、排気ガス流出側端面9に開口している流入側封止流路4から浄化された排気ガスが流出する。隔壁2に微粒子が捕集され続けると隔壁の細孔が目詰まりし、圧力損失を増加させる。堆積した微粒子をバーナーやヒーター等により燃焼させることで、ハニカムフィルタを再生することができる。しかし、微粒子を燃焼させるにはエネルギーを消費するため、できるだけ再生処理の間隔を長くするのが好ましい。そのためには、ハニカムフィルタの初期圧損が小さいこととともに、微粒子を捕集した後もハニカムフィルタの圧力損失が急激に大きくならないことが要求される。
ハニカムフィルタには、微粒子の高い捕集効率を維持しつつ圧力損失が小さいことが要求される。ハニカムフィルタの圧力損失は、図2に模式的に示すように、排気ガスが流入側端面8から流入する際の入口損失(P1)、流出側端面9から流出する際の出口損失(P2)、隔壁2を通過する際の隔壁損失(P3)、流路3,4を流れる際の隔壁との摩擦による流路損失(P4)の合計であると考えられている。中でも隔壁損失(P3)がフィルタの圧力損失の大部分を占めると考えられているため、これを低減する技術が検討されている。特に微粒子を捕集した後の圧力損失の上昇は隔壁損失(P3)の寄与が非常に大きい。
特開2003-40687号は、気孔率が55〜65％、平均細孔径が15〜30μm及び隔壁の面積に対する隔壁表面に露出した気孔の総面積が35％以上であるハニカムフィルタを開示しており、隔壁の気孔率等を規定することにより、微粒子の高捕集効率と低圧力損失との両立が可能であると記載している。さらに隔壁損失(P3)の大きさに影響を与える隔壁の通気度(パーミアビリティー)は1.5〜6μm2が好ましいと記載している。しかし特開2003-40687号は、隔壁損失(P3)を低減する技術に関して記載しているが、流路の長さ及び断面積を規定することで流路損失(P4)を低減する技術に関して記載していない。
特開2002-239322号は、隔壁の厚さが0.1〜0.3 mm、隔壁ピッチが1.4〜3 mm、流路の断面積が1.3 mm2以上、流路の一辺の長さが1.15 mm以上、及び単位体積当たりのフィルタ表面積が7 cm2/cm3以上である多孔質セラミックハニカム構造体を開示しており、これらの規定により微粒子を高効率に捕集するとともに圧力損失を低くできると記載されている。さらに特開2002-239322号は、隔壁ピッチが小さすぎると、排気ガスが流入側端面8から流入する際の入口損失(P1)が大きくなることも記載している。この記載から出口損失(P2)も大きくなることは容易に想像できる。しかしながら特開2002-239322号は、隔壁ピッチを3 mm以下と小さくした場合に、隔壁損失(P3)が小さくなる一方で、入口損失(P1)と出口損失(P2)が大きくなった結果、ハニカムフィルタのトータルの圧力損失がどのようになるかについて記載していない。さらに流路損失(P4)に関しては検討されていないので、例えば隔壁ピッチを一定として流路の長さを長くした場合には、隔壁2の総面積が大きくなるので隔壁損失(P3)は小さくなるが、一方で流路損失(P4)は大きくなると予想され、その結果ハニカムフィルタのトータルの圧力損失がどのようになるかは特開2002-239322号の記載からは判らない。
WO2003/074848号は、流路の断面の最長辺の長さl(mm)と、流路の長さL(mm)とが、60≦L/l≦500の関係を満たし、流路内壁の表面粗さRaが100μm以下であるハニカムフィルタを開示している。WO2003/074848号は、流路の長さが過度に長い場合や、流路の長さ方向に垂直な断面の面積(以下、単に流路の断面積ともいう)が過度に小さい(すなわち隔壁の厚さが同じならば隔壁ピッチが小さい)場合には、流路損失(P4)が大きくなると記載している。しかしながら流路が長い場合や隔壁ピッチが小さい場合は、流路損失(P4)が大きくなる一方で隔壁の総面積が大きくなるために隔壁損失(P3)が小さくなることは検討されていない。すなわち流路損失(P4)が大きくなり隔壁損失(P3)が小さくなった結果、ハニカムフィルタのトータルの圧力損失がどのようになるかWO2003/074848号の記載からは判らない。
流路の長さとハニカムフィルタの圧力損失との関係を示す公知文献として、特表2003-515023号は、少なくとも約0.50 g/cm3の嵩密度を有し、直径に対する長さの比が約0.9を超えないセラミックフィルタを開示している。特表2003-515023号は、隔壁の厚さ、隔壁のピッチ、及びハニカムフィルタの体積を一定にしたときのハニカムフィルタの全長と圧力損失との関係を示しており、全長が短くなるに従って(このとき、体積は一定であるから流路垂直方向断面積は増加している)、ハニカムフィルタの圧力損失が減少すると記載している。つまり隔壁の総面積が一定であるから隔壁損失(P3)は変わらないが、流路の長さが短くなる分、流路損失(P4)は減少するためトータルの圧力損失は減少する。しかし仮にハニカムフィルタの断面積を一定として全長（流路長さ）を変更した場合には、流路損失(P4)は減少し隔壁損失(P3)は増加するため、トータルの圧力損失がどのようになるか特表2003-515023号の記載からは判らない。
以上のように隔壁のピッチと流路の長さにより、P1〜P4の4つの損失がそれぞれ大きくなるか小さくなるかは推定できるものの、4つの損失を合計したハニカムフィルタの圧力損失がどのようになるのかは容易には判らない。
特開平9-299811号は、直径dと長さLとの比L/dが0.4〜1.3の範囲にあり、隔壁の厚さが0.1 mm以下であり、流路の数が100個/cm2以上であるハニカム構造体を記載している。しかしこのハニカム構造体は、高い排気ガス浄化性能を維持しつつスポーリング強度を高めたものであり、圧力損失を低減することを目的としたものではない。従って、特開平9-299811号からはハニカムフィルタの圧力損失を低減するために、隔壁のピッチ及び流路の長さをどのように設定すればよいかの指針を得ることができない。
以上のように隔壁のピッチと流路の長さにより、P1〜P4の4つの損失がそれぞれ大きくなるか小さくなるかは推定できるものの、4つの損失を合計したハニカムフィルタの圧力損失がどのようになるのかは容易には判らない。このためハニカムフィルタの開発は、実際に何種類ものハニカムフィルタを製作して特性を測定し、これを繰り返すことによってより好ましいものを得るといった方法で行われている。
また隔壁のピッチ及び流路の長さは、ハニカムフィルタの再生（微粒子の燃焼）時の温度上昇に影響を与え、流路が長いほど排気ガス流出側端面9近傍の温度が高くなり、溶損が発生しやすくなるという問題もあった。
従って、本発明の目的は、圧力損失を低減し、溶損の発生しにくいハニカムフィルタを得ることである。
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、隔壁の厚さと通気度との関係、及び流路の断面積と長さの関係を規定することで、圧力損失を低減し、溶損の発生しにくいハニカムフィルタが得られることを見出し、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ハニカム構造体と、前記流路の排気ガス流入側又は排気ガス流出側に交互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であって、前記隔壁の厚さW(mm)、前記隔壁の通気度κ(μm2)、前記流路の長さL(mm)及び前記流路の長さ方向に垂直な面における前記流路の断面積A(mm2)が、
0.1≦W≦0.5、
8≦κ/W≦26.7、及び
125≦L/A0.5≦360
を満たすことを特徴とする。
前記通気度κ(μm2)は2以上であるのが好ましい。
前記L及び前記流路の長さ方向に垂直な面における前記ハニカムフィルタの断面積S(mm2)は、0.75≦L/S0.5≦1.2を満たすのが好ましい。
前記長さLは140 mm以上であるのが好ましい。
前記流入側封止部の流出側端面と、前記流出側封止部の流入側端面との距離は120 mm以上であるのが好ましい。
セラミックハニカムフィルタの隔壁の厚さと通気度、及び流路の断面積と長さの関係を規定することで、圧力損失を低減し、かつ溶損の発生しにくいハニカムフィルタを得ることができる。さらにこれらの関係から、圧力損失が最も低くなる構成のセラミックハニカムフィルタの形状パラメータを決めることができる。
本発明のセラミックハニカムフィルタの一例を流路に垂直に示す模式断面図である。 本発明のセラミックハニカムフィルタの一例を流路に平行に示す模式断面図である。 圧力損失を構成するP1〜P4の各損失を模式的に表す図である。 L/A0.5と圧力損失との関係の一例を示すグラフである。 L/A0.5と圧力損失との関係の他の例を示すグラフである。 L/A0.5と圧力損失との関係のさらに他の例を示すグラフである。 L/A0.5と微粒子捕集前後の圧力損失との関係の一例を示すグラフである。 L/A0.5と微粒子燃焼時のハニカムフィルタの流出側端面の最高温度との関係を示すグラフである。 流路の長さと圧力損失との関係を示すグラフである。 実施例20〜23及び比較例5〜7において、流路の長さと微粒子捕集後の圧力損失との関係を示すグラフである。 従来のセラミックハニカムフィルタを流路に垂直に示す模式断面図である。 従来のセラミックハニカムフィルタを流路に平行に示す模式断面図である。
[1]本発明の作用効果
本発明のハニカムフィルタ10は、図1(a)及び図1(b)に示すように、外周壁1と、この外周壁1の内側に各々直交する隔壁2で仕切られた多数の流出側封止流路3と流入側封止流路4とを有する多孔質セラミックハニカム構造体と、排気ガス流入側端面8と排気ガス流出側端面9を市松模様に交互に封止する流入側封止部6aと流出側封止部6bとからなる。
(1) 隔壁の厚さW
隔壁2の厚さW(mm)は0.1〜0.5 mmである。Wが0.5 mmより大きいと隔壁損失(P3)が増大するとともに入口損失(P1)と出口損失(P2)が増加し、ハニカムフィルタの圧力損失が増加する。Wが0.1 mmより小さいとハニカムフィルタの強度が低くなり実用に適さない。
(2) 通気度κ
通気度κ(μm2)は、式(1)により表される。
κ＝1×10-3η・Q・W/(E・P3) ・・・(1)
式(1)において、ηは室温における空気の粘度(MPa・s)、Wは隔壁の厚さ(mm)、Qは隔壁を通過するガスの流量(m3/s)、Eはガスが通過する隔壁の面積(m2)、P3は隔壁の厚さ方向の圧力差[隔壁損失](MPa)である。通気度の測定方法は例えば特表2003-534229号に記載されている。式(1)より、隔壁損失(P3)は、
P3＝(1×10-3ηQ/E)・W/κ ・・・(2)
となるので、ハニカムフィルタの隔壁損失(P3)はκ/Wに反比例することが分かる。つまりκ/Wが大きいほど隔壁損失(P3)は小さくなる。
隔壁2の通気度κは2μm2以上であるのが好ましい。通気度κが2μm2未満の場合、隔壁損失(P3)が大きいためハニカムフィルタの圧力損失が大きくなる。隔壁2の通気度κは4μm2以上であるのがさらに好ましい。また、通気度κが10μm2を超えると微粒子の捕集率が悪化すので、通気度κは10μm2以下であるのが好ましい。さらに好ましくは8μm2以下である。通気度κは隔壁の気孔率及び気孔径によって調節する。具体的には、発泡樹脂等の造孔剤の坏土への添加量を増減することで調整することができる。
式(1)より、ハニカムフィルタの隔壁損失(P3)は隔壁の面積Eに反比例することが分かる。つまり隔壁の面積が大きいほど隔壁損失(P3)は小さくなる。隔壁の面積Eは、流路の長さL（ハニカムフィルタの全長）に比例し、隔壁ピッチPに反比例する。ここで隔壁ピッチPは流路の断面積Aの平方根に比例するので、隔壁の面積EはL/A0.5に比例し、従って隔壁損失(P3)はL/A0.5に反比例する。さらに隔壁の総面積が大きいほど隔壁単位面積当たりに捕集される微粒子の量が低減するため、微粒子を捕集した後の圧力損失［隔壁損失(P3)］の上昇は小さくなる。
一方、流路損失(P4)は、流路の長さLが長いほど、また流路の断面積Aが小さいほど（隔壁ピッチPが小さいほど）大きくなり、ほぼL/A0.5に比例する。κ/Wが一定でL/A0.5を変化させたときの隔壁損失(P3)、流路損失(P4)、及び隔壁損失(P3)と流路損失(P4)の合計(図では計と表示)の変化の一例を図3(a)に示す。ハニカムフィルタの圧力損失［隔壁損失(P3)と流路損失(P4)の合計］が極小となるL/A0.5が存在し、単に隔壁ピッチPを小さくし隔壁の面積を大きくするほど、又は流路長さLを短くするほどハニカムフィルタの圧力損失が小さくなるわけではないことが理解できる。過度にL/A0.5が大きい場合にもハニカムフィルタの圧力損失は上昇する。
(3) 通気度と隔壁の厚さの比：κ/W
κ/Wは、8≦κ/W≦26.7を満たす値である。κ/Wが図3(a)の場合よりも小さい場合のL/A0.5と圧力損失の関係を図3(b)に示す。κ/Wが小さくなると隔壁損失(P3)が大きくなるため、ハニカムフィルタの圧力損失［隔壁損失(P3)と流路損失(P4)の合計］が大きくなる。従って過度にκ/Wが小さい場合にはハニカムフィルタの圧力損失が著しく大きくなり実用に適さない。従ってκ/Wを8以上にすることでハニカムフィルタの圧力損失の上昇を防止できる。
κ/Wが図3(a)の場合よりも大きい場合のL/A0.5と圧力損失の関係を図3(c)に示す。κ/Wが大きくなると隔壁損失(P3)が小さくなるため、ハニカムフィルタの圧力損失［隔壁損失(P3)と流路損失(P4)の合計］も小さくなる。従ってハニカムフィルタの圧力損失を低減するためにはκ/Wは大きいほど好ましい。しかし隔壁の気孔率及び／又は平均気孔径を大きくして通気度κを大きくしたり、隔壁の厚さWを薄くしたりするとハニカムフィルタの強度は小さくなってしまう。従って過度にκ/Wを大きくするような設計を行うとハニカムフィルタの強度が低下し実用に適さない。例えば、κ＝8μm2（気孔率を70％程度）の隔壁を、厚さW＝0.3 mmより小さくするとハニカムフィルタの強度は低くなりすぎて実用に適さなくなる。従ってκ/Wは26.7以下である。
(4) 流路の長さと(流路の断面積)0.5の比：L/A0.5
流路の長さL(mm)と流路の断面積A(mm2)の平方根との比L/A0.5は、125≦L/A0.5≦360を満たす値である。L/A0.5が360より大きな値になるとハニカムフィルタの圧力損失が上昇するとともに、ハニカムフィルタの再生時に溶損が発生する。ハニカムフィルタの再生は、フィルタに流入させた高温の空気によって隔壁の表面に堆積した微粒子を燃焼させることによって行うが、流路の長さL及び流路の断面積Aは、ハニカムフィルタ再生時のフィルタの温度に影響を与える。
図5は、流路の長さLのみが異なる各種ハニカムフィルタに一定量の微粒子を捕集させた後、流入側端面8より550℃の空気を流入させ微粒子を燃焼させたときの、L/A0.5の値と排気ガス流出側端面の最高温度との関係を示す。L/A0.5の値が大きくなると急激に排気ガス流出側端面の最高温度が上昇する。つまり流路の長さLが長いほどフィルタ温度が高くなり、溶損が発生しやすくなる。また流路の断面積Aを小さくすると隔壁の総面積が大きくなり、隔壁の単位面積当たりの微粒子の堆積量が減少する。このため空気との接触面積が増加し、微粒子が効率よく燃焼するようになる。その結果、急激な温度上昇が起こり、ハニカムフィルタに溶損が発生しやすくなる。
本発明において上記のκ/Wが8以上で、かつL/A0.5が360以下である場合にハニカムフィルタの圧力損失を低減することができる。κ/Wが8未満であると隔壁損失(P3)が高いため、圧力損失を低減するためには流路の長さLを長くしたり、隔壁のピッチを小さくしてA0.5を小さくしたりする必要がある。しかし流路の長さLを長くすると上記溶損の問題が生じ、隔壁ピッチを小さくすると後述するように嵩密度が増大する。
図3(a)に示すように、L/A0.5が125以下になるとハニカムフィルタの圧力損失が急激に大きくなる。しかし図3(c)に示すように、κ/Wの値の大きいハニカムフィルタを使用した場合、隔壁損失(P3)と流路損失(P4)の合計が極小となるL/A0.5は小さくなる。従って、ハニカムフィルタの強度を満足する範囲内でκ/Wを大きくすることによりハニカムフィルタの全長Lを短くしても十分に圧力損失を小さくできる。しかしながら、L/A0.5が小さい（ハニカムフィルタの全長Lが短い及び／又は隔壁ピッチPが大きい）、すなわち隔壁の総面積が小さいときには、図4に示すように、微粒子を捕集するに伴って隔壁単位面積当たりの微粒子の堆積量が急激に増加し、ハニカムフィルタの圧力損失が上昇する。従ってL/A0.5の値の下限は微粒子捕集時の圧力損失により制限され、125≦L/A0.5とすることで、微粒子捕集時のハニカムフィルタの圧力損失が急激に上昇することを防ぐことができる。そしてL/A0.5を大きくすることによって、例えハニカムフィルタの初期圧損が増加する場合であっても、微粒子捕集時の圧力損失の上昇を低減することができる。よって133.3≦L/A0.5であるのが好ましく、166≦L/A0.5であるのがより好ましく、175≦L/A0.5であるのが最も好ましい。
なお、本発明においては全ての流路が125≦L/A0.5≦360の式を満たす必要はなく、半数以上の流路がこの式を満たせばよい。さらに好ましくは80％以上の流路がこの式を満たせばよい。
(5) 流路の長さと(フィルタ断面積)0.5の比：L/S0.5
流路の長さL(mm)方向に垂直な面におけるハニカムフィルタの断面積をS(mm2)としたとき、LとSとの関係が0.75≦L/S0.5≦1.2を満足するのが好ましい。流路の断面積Aが一定である場合、ハニカムフィルタの断面積Sが減少すると、流路3,4の数が減少しハニカムフィルタの圧力損失が大きくなるので、圧力損失を低減するためにはSは大きい方が好ましい。また流路の長さLが大きくなると、ハニカムフィルタの体積が大きくなり、車両への搭載スペースを大きくとるため好ましくない。従ってL/S0.5≦1.2とすることでハニカムフィルタの圧力損失の増大を防止するとともに、ハニカムフィルタの体積の増大を防止できる。なお、Lと次元をあわせるためS0.5としている。
流路の長さLに対してハニカムフィルタの断面積Sが大きくなると、ハニカムフィルタの重量と体積が大きくなり好ましくない。またハニカムフィルタの断面積Ｓが大きくなると、ハニカムフィルタの圧力損失が増大し好ましくない。Ｓが大きくなるとハニカムフィルタを収納する容器の直径が大きくなる。排気管を流れるガスがハニカムフィルタを通過する前後で膨張・収縮するため、この収納容器の直径が大きくなるとガスの膨張収縮量が大きくなり、圧力損失が大きくなるためである。従って0.75≦L/S0.5とすることで、ハニカムフィルタの圧力損失の増大を防止すると同時に、ハニカムフィルタの体積と重量の増大を防止でき好ましい。0.87≦L/S0.5であるのが好ましく、0.98≦L/S0.5であるのがさらに好ましい。L/S0.5が0.98未満の場合にはL/A0.5は210以下であるのがハニカムフィルタの圧力損失が低減できるので好ましい。
(6) 嵩密度
本発明のハニカムフィルタは、嵩密度［ハニカムフィルタの質量(g)/ハニカムフィルタの体積(cm3)］を0.5 g/cm3未満にするのが好ましい。嵩密度が0.5 g/cm3以上であると熱容量が大きくなるため、特に触媒担持型（担持した触媒物質の作用により捕集した微粒子を燃焼浄化する）ハニカムフィルタの場合には、高温の排気ガスや未燃燃料等の加熱手段による温度の上昇が遅く、触媒物質が活性化されるのに時間がかかる。そのためハニカムフィルタの再生を短時間で行うことができない。また高温の排気ガスや未燃燃料等の加熱手段を大量に供給しなければならず燃費が悪くなる。ハニカムフィルタの嵩密度は0.4 g/cm3未満であるのがさらに好ましい。一方、ハニカムフィルタの嵩密度は、流路3,4の断面積が大きいほど、また隔壁の厚さWが薄いほど、また隔壁の気孔率が大きいほど小さくなるため、極端に嵩密度の小さな設計にした場合はハニカムフィルタの強度が弱く実用に適さなくなる。また過度に嵩密度が小さいと、ハニカムフィルタの再生時に温度が上昇しすぎるため、溶損が発生したり、部位ごとに大きな温度差が生じて割れが発生したりする。従ってハニカムフィルタの嵩密度は0.1 g/cm3以上であるのが好ましく、0.3 g/cm3以上であるのがさらに好ましい。
ハニカムフィルタの嵩密度を小さくするために、外周壁1の気孔率は30％以上であるのが好ましく、35％以上であるのがより好ましい。外周壁1の気孔率は極端に大きいと強度が低下し実用に適さなくなるため、80％以下であるのが好ましく、60％以下であるのがさらに好ましい。外周壁1は、押出成形時に隔壁2の成形と同時に一体成形することもできるし、押出成形セラミックハニカム構造体の外周に後から形成することもできる。後者の場合は、隔壁2と外周壁1とを異なった気孔率にすることができる。
(7) 開口率
排気ガス流入側端面8での開口率は30％以上であるのが好ましい。開口率は30％未満であると入口損失(P1)が小さくなり、ハニカムフィルタの圧力損失が大きくなってしまう。開口率は34％以上がより好ましい。上記開口率とは、排気ガス流入側端面8の面積に対する流出側封止流路3の開口面積の総和の割合である。
(8) 流路の長さL
本発明のハニカムフィルタは、流路の長さL(mm)が140 mm以上であるのが好ましい。本発明者らは、ハニカムフィルタに微粒子を捕集した後における圧力損失の大きさが、流路の長さLが140 mmを境として大きく変化することを見出した。流路の長さLと微粒子捕集後の圧力損失の大きさとの関係を概念的に表したグラフを図6に示す。Lの値が140 mmより小さい値であるときに、微粒子捕集後における圧力損失が著しく大きくなる。
(9) 流入側封止部の流出側端面と流出側封止部の流入側端面との距離X
さらに、図1に示すように流入側封止部6aの流出側端面7aと、流出側封止部6bの流入側端面7bとの距離X(mm)を120 mm以上にすることで、封止部6a、6bの流路方向の長さが10 mm以上と長い場合や、流入側封止部6aが排気ガス流入側端面8より離れて配置されている場合であっても、微粒子捕集後における圧力損失が小さいハニカムフィルタをより確実に得ることができる。
(10) 酸化触媒
排気ガスの温度が低い場合でも、効率よく微粒子を燃焼させるために、隔壁の表面及び細孔内に酸化触媒を担持させるのが好ましい。酸化触媒としては、白金族金属触媒が特に好ましい。触媒が担持された隔壁の通気度κは1以上であるのが好ましく、2以上であるのが特に好ましい。触媒担持後の隔壁の気孔率を50％以上とすることで、触媒担持した場合でも通気度κを1以上にすることができる。通気度κを大きくするためには、触媒の担持量をハニカムフィルタ体積1リットル当り6 g以下、好ましくは4 g以下とするのが好ましい。この時、触媒担持前の隔壁の気孔率は60％以上、通気度κを3以上とするのが好ましい。
[2] セラミックハニカムフィルタ
本発明のセラミックハニカムフィルタ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目的で使用されるため、隔壁及び封止部を構成する材料としては耐熱性に優れたものが好ましく、コーディエライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、チタン酸アルミニウム、窒化アルミニウム及びLASからなる群から選ばれた少なくとも一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材料は、安価で耐熱性及び耐食性に優れ、低熱膨張であることから最も好ましい。隔壁を構成する材料と封止部を構成する材料は異なっていても構わないが、隔壁と封止部との熱膨張係数の違いによって発生する応力を低減するために、同一の材料を用いるのが好ましい。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例1
カオリン、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムの粉末を、50質量％のSiO2、35質量％のAl2O3、及び15質量％のMgO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とした。これにバインダーとしてメチルセルロース及びヒドロキシプロピルメチルセルロース、潤滑材及び造孔剤として発泡樹脂を添加し、乾式で十分混合した後、水を添加して十分に混練し、可塑化セラミック坏土を作製した。この坏土を押出し成形し、切断して、ハニカム構造を有する成形体とした。この成形体を乾燥及び焼成し、コーディエライト質セラミックハニカム構造体を得た。このハニカム構造体の各流路3,4の一端に封止部6a,6bを設け、さらに外周壁1を設け、全長(L)360 mm、外径(2r)300 mm、隔壁の厚さ(W)0.3 mm、隔壁ピッチ(P)1.5 mm及び気孔率60％の図1に示すハニカムフィルタ10を得た。得られたハニカムフィルタの通気度κは4.6μm2、嵩密度は0.4 g/cm3であった。通気度κは造孔剤である発泡樹脂の坏土への添加量を増減することで調整することができる。排気ガス流入側端面8での開口率は、[(隔壁ピッチP−隔壁厚さW)2/(隔壁ピッチP)2]×0.5で表され、1.22/1.52×0.5＝32％であった。
実施例2〜9
流路の長さLを表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にしてハニカムフィルタを作製した。
実施例1〜9のハニカムフィルタの、L/A0.5の値、κ/W、L/S0.5の値、体積及び嵩密度を表1に示す。なお体積は実施例3のハニカムフィルタを100とした相対値で示した。
圧力損失の測定
各ハニカムフィルタの排気ガス流入側端面8側より、微粒子発生器からのカーボン粉（粒径0.042μm）を0.4 g/min（空気流量1 Nm3/min）で1時間投入した。その後これらのハニカムフィルタに20℃の空気を10 Nm3/minの流量で通過させ、上流側と下流側との差圧（圧力損失）を圧力損失測定装置で測定した。
溶損の評価
圧力損失の測定を行った後の各ハニカムフィルタに、さらに上記のカーボン粉を1.6 g/minで1時間投入し、550℃の空気でカーボン粉を燃焼させた後のハニカムフィルタの溶損を以下の基準で評価した。
溶損が確認されなかったもの・・・○
溶損が確認されたが、実用上問題のないもの・・・△
溶損が確認されたもの・・・×
通気度の測定
実施例1〜9のハニカムフィルタとそれぞれ同一条件で製造したハニカムフィルタの隔壁より切り出したテストピースを用いて通気度を測定した。通気度の測定は特表2003-534229号に記載の方法に倣って行った。
圧力損失、溶損の評価及び通気度を表1に示す。なお、圧力損失の値は実施例3の値を100とした相対値で示した。
実施例10〜18
隔壁の厚さW、通気度κ、流路の長さL、ハニカムフィルタの断面積S、隔壁ピッチP及び流路の断面積Aを表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、実施例10〜18のハニカムフィルタを作製した。これらのハニカムフィルタの嵩密度、体積及び圧力損失の測定、並びに溶損の評価を実施例1のハニカムフィルタと同様に行った。結果を表1に示す。
実施例19
隔壁の厚さWを0.2、ハニカムフィルタの隔壁に白金金属を担持（フィルタ1Lあたり3 g）して通気度κを2.0とした以外は実施例3と同様にして、ハニカムフィルタを作製した。これらのハニカムフィルタの嵩密度、体積及び圧力損失の測定、並びに溶損の評価を実施例1のハニカムフィルタと同様に行った。結果を表1に示す。
比較例1
フィルタの全長Lを表1に示すように短縮した以外は実施例13と同様にしてハニカムフィルタを作製した。
比較例2
通気度κ、フィルタの全長L及び隔壁ピッチPを表1に示すように変更した以外は実施例13と同様にしてハニカムフィルタを作製した。
比較例3
隔壁の厚さWを表1に示すように変更した以外は実施例3と同様にしてハニカムフィルタを作製した。
比較例4
隔壁厚さW及び通気度κを表1に示すように変更した以外は実施例3と同様にしてハニカムフィルタを作製した。
比較例1〜4のハニカムフィルタの嵩密度、圧力損失及び通気度の測定、並びに溶損の評価を実施例1のハニカムフィルタと同様に行った。結果を表1に示す。
また実施例3と比較例4のハニカムフィルタのアイソスタティック強度を測定した結果、実施例3のハニカムフィルタに対して比較例4のハニカムフィルタの強度は約50％であった。
本発明のハニカムフィルタ（実施例1〜19）は、表1より分かるように、隔壁の厚さが0.1〜0.5 mmであり、125≦L/A0.5≦360及び8≦κ/W≦26.7を満足しているため、圧力損失が140以下と低い値であった。中でも隔壁の通気度κが2.0μm2以上の実施例1〜16及び19のハニカムフィルタは、圧力損失が138以下と低い値であった。また実施例2〜7及び14のハニカムフィルタは、0.75≦L/S0.5≦1.2の関係を満足しているため、圧力損失、体積が小さく特に優れた形状である。
本発明の実施例に比較して、L/A0.5の値が125より小さい比較例1のハニカムフィルタは圧力損失が222と大きい。またL/A0.5の値が360よりも大きい比較例2のハニカムフィルタは圧力損失が142と大きく、溶損が確認された。隔壁厚さWが0.5より大きい比較例3は、κ/Wが8.0より小さいため圧力損失も157と大きい。比較例3のハニカムフィルタには溶損は確認されなかったが、微粒子の燃焼のこりが確認された。これは嵩密度が0.7 g/cm3と高いことが原因と推定される。κ/Wが26.7より大きい比較例4は、前述のようにアイソスタティク強度が小さいため実用に適さない。
Figure 2008026675
表1（続き）
Figure 2008026675
注*：体積及び圧力損失の値はそれぞれ実施例3の値を100とした相対値で示した。
実施例20〜23
隔壁のピッチP及びフィルタの外径をそれぞれ1.4 mm及び190 mmに変更し、流路の長さLを表2に示す値に変更した以外は実施例8と同様にしてハニカムフィルタを作製した。
実施例20〜23のハニカムフィルタの排気ガス流入側端面8側より、微粒子発生器からのカーボン粉（粒径0.042μm）を0.3 g/min（空気流量1 Nm3/min）で1時間投入した。その後これらのハニカムフィルタに20℃の空気を10 Nm3/minの流量で通過させ、上流側と下流側との差圧（圧力損失）を圧力損失測定装置で測定した。結果を表2に示す。なお圧力損失の値は実施例20の値を100とした相対値で示した。
比較例5〜7
流路の長さLを変更した以外は実施例20と同様にしてハニカムフィルタを作製した。
比較例5〜7のハニカムフィルタの圧力損失を、実施例20〜23と同様にして測定した。結果を表2に示す。なお圧力損失の値は実施例20の値を100とした相対値で示した。
実施例20〜23及び比較例5〜7のハニカムフィルタの長さLと微粒子捕集後の圧力損失の関係を図7に示す。表2及び図7より、ハニカムフィルタの全長Lが140 mm以上の場合には、微粒子捕集後の圧力損失の大きさはLの大きさにほとんど影響されないが、ハニカムフィルタの全長Lが140 mmより小さい場合には、Lが小さくなるに従い急激に微粒子捕集後の圧力損失が増加した。
Figure 2008026675
 注*：Xは流入側封止部の流出側端面と流出側封止部の流入側端面との距離である。
注**：圧力損失の値は実施例20の値を100とした相対値で示した。

Claims (5)

  1. 多孔質の隔壁で仕切られた多数の流路を有するハニカム構造体と、前記流路の排気ガス流入側又は排気ガス流出側に交互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であって、前記隔壁の厚さW(mm)、前記隔壁の通気度κ(μm2)、前記流路の長さL(mm)及び前記流路の長さ方向に垂直な面における前記流路の断面積A(mm2)が、
    0.1≦W≦0.5、
    8≦κ/W≦26.7、及び
    125≦L/A0.5≦360
    を満たす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、前記通気度κ(μm2)が2以上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において、前記L及び前記流路の長さ方向に垂直な面における前記ハニカムフィルタの断面積S(mm2)が、
    0.75≦L/S0.5≦1.2
    を満たすことを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記長さLが140 mm以上であることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記流入側封止部の流出側端面と、前記流出側封止部の流入側端面との距離が120 mm以上であることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
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