JPWO2008114480A1

JPWO2008114480A1 - ハニカム構造体

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Publication number: JPWO2008114480A1
Application number: JP2009505067A
Authority: JP
Inventors: 小倉　豊; 豊小倉
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: EP2127720B1; US20090304988A1; WO2008114480A1; ATE543556T1; US7914876B2; EP2127720A1; JP5324423B2; EP2127720A4

Abstract

２つの端面間を連通する複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁と、当該隔壁を囲む外壁とを備えたハニカムセグメントを、その軸方向に直交する方向において複数個組み合わせ、互いの外壁を接合材で接合することにより一体化してなるハニカム構造体であって、前記ハニカムセグメントの前記外壁が角部を持つとともに、前記外壁の前記角部を持った部分の内面に接するセルが、前記内面により形成される二辺と、前記内面に片端が接している二辺とを含む複数の辺によって輪郭形成されており、前記内面に片端が接している二辺のなす角の角度θａが１００〜１５０゜である。

Description

本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルター等の集塵用フィルターなどに好適に使用されるハニカム構造体に関する。

排ガスの集塵用フィルター、例えば、ディーゼルエンジン等の排ガスに含まれるスート等の粒子状物質（パティキュレート）を捕捉し除去するためのディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）として、ハニカム構造体が広く使用されている。

このような目的で使用されるハニカム構造体は、排ガスの急激な温度変化や局所的な発熱にさらされ内部に不均一な温度分布が生じやすく、それが原因でクラックが発生する等の問題があった。そこで、このような問題を解消するため、ハニカム構造体を複数のハニカムセグメントから構成し、各ハニカムセグメント間を弾性質素材からなる接合材で接合一体化した構造とすることにより、ハニカム構造体に作用する熱応力を緩和する方法が提案された（例えば、特許文献１参照）。

一般に、ＤＰＦに用いられたハニカム構造体の温度分布が最も不均一な状態となるのは、フィルターの再生時、すなわちハニカム構造体内部に経時的に堆積したスートにより上昇した圧力損失を初期状態に戻すためにハニカム構造体を加熱してスートを燃焼除去する処理を行う時であるが、この再生時には、前記のような構造を採用したハニカム構造体であっても十分に熱応力を緩和できず、クラック（特にハニカム構造体径方向のリング状のクラック）が発生したり、発生したクラックが更に進展したりすることが少なくなかった。
特開２０００−２７９７２９号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数のハニカムセグメントを接合一体化した構造を有するハニカム構造体であって、ＤＰＦに用いた場合の再生時のように、内部の温度分布が不均一になった場合にも、局所的な応力集中を緩和して、クラックの発生や進展を抑制できるものを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、以下のハニカム構造体が提供される。

［１］２つの端面間を連通する複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁と、当該隔壁を囲む外壁とを備えたハニカムセグメントを、その軸方向に直交する方向において複数個組み合わせ、互いの外壁を接合材で接合することにより一体化してなるハニカム構造体であって、前記ハニカムセグメントの前記外壁が角部を持つとともに、前記外壁の前記角部を持った部分の内面に接するセルが、前記内面により形成される二辺と、前記内面に片端が接している二辺とを含む複数の辺によって輪郭形成されており、前記内面に片端が接している二辺のなす角の角度θ_ａが１００〜１５０゜であるハニカム構造体。

［２］更に、前記内面により形成される二辺のなす角の角度θ_ｂが１００〜１５０゜である［１］に記載のハニカム構造体。

［３］前記２つの端面の内の何れか一方の端面において、前記セルの一方の端部を目封止する目封止部が形成された［１］又は［２］に記載のハニカム構造体。

［４］開口面積の異なる２種類のセルが交互に配置されている［１］〜［３］の何れかに記載のハニカム構造体。

本発明によれば、ＤＰＦに用いた場合の再生時のように、内部の温度分布が不均一になった場合にも、ハニカムセグメントの角部に局所的な応力集中が生じるのを緩和でき、クラックの発生や進展を抑制することができる。

本発明のハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの一例を示す、一端面の部分拡大平面図である。本発明のハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの他の一例を示す、一端面の部分拡大平面図である。本発明のハニカム構造体の実施形態の一例を示す側面図である。図３のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１：ハニカム構造体、２：セル、２’：セル、２ａ：セル、２ｂ：セル、３：ハニカムセグメント、４：隔壁、５：接合材、６ａ：辺、６ｂ：辺、６ｃ：辺、６ｄ：辺、７：外壁、８：角部。

以下、本発明を具体的な実施形態に基づき説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるもではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

図１は、本発明のハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの一例を示す、一端面の部分拡大平面図である。本発明のハニカム構造体を構成するハニカムセグメント３は、２つの端面間を連通する複数のセル２を区画形成する多孔質の隔壁４と、隔壁４を囲む外壁７とを備えており、その軸方向に垂直な断面が、例えば正方形や長方形といった形状のように、外壁７が角部８を持つ形状を呈したものである。

そして、この外壁７の角部８を持った部分の内面に接するセル２’は、前記内面により形成される二辺６ｃ、６ｄと、前記内面に片端が接している二辺６ａ、６ｂとを含む複数の辺によって輪郭形成されており、内面に片端が接している二辺６ａ、６ｂのなす角の角度θ_ａが１００〜１５０゜、好ましくは１１５〜１５０゜、より好ましくは１４０〜１５０゜となっている。

複数のハニカムセグメントを接合一体化して構成したハニカム構造体をＤＰＦに用いた場合において、フィルター再生時に発生する高い熱応力は、ハニカムセグメントの角部に集中しやすく、当該角部が熱応力により生じるクラックの起点になる場合が多い。そこで、本発明のハニカム構造体においては、前記のように、外壁７の角部８を持った部分の内面に接するセル２’の輪郭を形成している辺の内、内面に片端が接している二辺６ａ、６ｂにより形成される角の角度θ_ａを所定範囲の鈍角として角部８への応力集中を緩和し、当該角部８を起点とするクラックの発生や進展を抑制するようにしている。

なお、θ_ａが１００゜未満では、たとえ鈍角であったとしても、角部８への応力集中を十分に緩和できず、クラックの発生や進展の抑制効果が不十分となる。また、θ_ａが１５０゜を超えると、セル２’の開口面積が減少し、圧力損失が上昇する懸念があるため好ましくない。

また、本発明では、外壁７の角部８を持った部分の内面に接し、内面により形成される二辺６ｃ、６ｄと、内面に片端が接している二辺６ａ、６ｂとを含む複数の辺によって輪郭形成されたセル２’において、内面により形成される二辺６ｃ、６ｄのなす角の角度θ_ｂが１００〜１５０゜となっていることが好ましく、１１５〜１５０゜となっていることがより好ましく、１４０〜１５０゜となっていることが更に好ましい。

θ_ａに加え、θ_ｂもこのような範囲の鈍角とすることにより、角部８への応力集中をより一層緩和することができ、耐熱衝撃性が更に向上する。なお、θ_ｂが１００゜未満では、角部への応力集中緩和を促す効果が低く、一方、θ_ｂが１５０゜を超えると、セル２’の開口面積が減少し、圧力損失が上昇する懸念があるため好ましくない。

図３は本発明のハニカム構造体の実施形態の一例を示す側面図で、図４はそのＡ−Ａ断面図である。これらの図に示すように、本発明のハニカム構造体１は、前記のような構造を有するハニカムセグメント３をその軸方向に直交する方向において複数個組み合わせ、接合材５で互いの外壁を接合することにより一体化されたものである。本例では、断面形状が正方形のハニカムセグメント３を組み合わせて接合することにより、四角柱状のハニカム構造体１としているが、接合後、外周部を研削加工するなどして、円柱状等の所望形状に加工してもよい。なお、この場合、加工により内部の隔壁とセルが露出した状態となるので、露出面をコーティング材で被覆するなどして外周壁を形成することが好ましい。

本発明のハニカム構造体を、ＤＰＦ等の集塵用フィルターとして用いる場合には、ハニカムセグメントの２つの端面の内の何れか一方の端面において、セルの一方の端部を目封止する目封止部を形成することが好ましい。通常は、一方の端面と他方の端面とが、相補的な市松模様を呈するように、隣接するセルを互い違いに目封止する。

このように目封止が施されたハニカムセグメントから構成されるハニカム構造体の一端面よりスート等のパティキュレートを含む流体を通気させると、流体は、当該一端面側において端部が目封止さていないセルよりハニカム構造体内部に流入し、濾過能を有する多孔質の隔壁を通過して、ハニカム構造体の他端面側が目封止されていない他の流通孔に入る。そして、この隔壁を通過する際に流体中のパティキュレートが隔壁に補足され、パティキュレートが除去された浄化後の流体がハニカム構造体の他端面より排出される。

隔壁により区画形成されるセルは、図１のように同形状で同じ開口面積を持ったセル２のみで構成されていても良いが、図２のように、開口面積の異なる２種類のセル２ａ、２ｂが交互に配置されているのも好ましい形態の１つである。

従来、ＤＰＦ等に使用されるハニカム構造体は、全てのセルが同形状（通常は四角形）で同じ開口面積を持ち、それらが入口側面と出口側面とで市松模様を呈するよう交互に目封止されているため、入口側端面と出口側端面とで開口率が同等であるのが一般的であるが、最近は、スート捕集後の圧力損失の上昇抑制等を目的として、入口端面の開口率を出口端面の開口率よりも大きくしたハニカム構造体も提案されている。

このような入口側端面と出口側端面とで開口率が異なるハニカム構造体は、例えば図２のように、開口面積の異なる２種類のセル２ａ、２ｂを交互に配置させ、開口面積の小さい方のセル２ｂを一方の端面（入口側端面）にて目封止し、開口面積の大きい方のセル２ａを他方の端面（出口側端面）にて目封止することにより得ることができる。

本発明のハニカム構造体に使用されるハニカムセグメントの構成材料としては、強度、耐熱性の観点から、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）を骨材としてかつ珪素（Ｓｉ）を結合材として形成された珪素−炭化珪素系複合材料、窒化珪素、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属からなる群から選択される少なくとも一種の材料を好適なものとして挙げることができる。中でも、炭化珪素（ＳｉＣ）又は珪素−炭化珪素系複合材料から構成されてなるものが好ましい。また、目封止部の構成材料は、ハニカムセグメントとの熱膨張差を小さくするため、ハニカムセグメントと同じ材料を用いることが好ましい。

ハニカムセグメントの製造方法には、従来公知の方法を用いることができる。具体的な方法の一例としては、前記のような材料に、メチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等のバインダー、造孔材、界面活性剤、溶媒としての水等を添加して、可塑性の坏土とし、この坏土を所定のハニカム形状となるように押出成形し、次いで、マイクロ波、熱風等によって乾燥した後、焼成する。セルに目封止部を形成する場合、前記焼成は、セルに目封止部を形成する前に行っても良いし、セルに目封止部を形成した後で、目封止部の焼成と一緒に行うようにしても良い。

セルを目封止する方法にも、従来公知の方法を用いることができる。具体的な方法の一例としては、ハニカムセグメントの端面にシートを貼り付けた後、当該シートの目封止しようとするセルに対応した位置に穴を開け、このシートを貼り付けたままの状態で、目封止部の構成材料をスラリー化した目封止用スラリーに、ハニカムセグメントの端面を浸漬し、シートに開けた孔を通じて、目封止しようとするセルの開口端部内に目封止用スラリーを充填し、それを乾燥及び／又は焼成して硬化させる。

ハニカムセグメントの隔壁の厚さは、５０〜２０００μｍが好ましい。隔壁の厚さが５０μｍ未満になると、ハニカムセグメントとしての強度が不足する場合があり、２０００μｍを超えると、ハニカムセグメントの有効ＧＳＡが低下するとともに、ガスが流れる場合の圧力損失が大きくなる。

ハニカムセグメントのセル密度は、６〜２０００セル／平方インチ（０．９〜３１０セル／ｃｍ^２）が好ましい。セル密度が６セル／平方インチ（０．９セル／ｃｍ^２）未満になると、ハニカムセグメントとしての強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）が不足する場合があり、２０００セル／平方インチ（３１０セル／ｃｍ^２）を超えると、ガスが流れる場合の圧力損失が大きくなる。

ハニカムセグメントの接合には、接合材の成分をペースト状にした接合剤組成物を使用し、当該接合材組成物を、ハニカムセグメントの外壁面に所望の厚さとなるように塗布し、その上に別のハニカムセグメントを載置する工程を繰り返して、ハニカムセグメントの積層体を作製し、適宜、外部より圧力を加えるなどして、全体を接合させた後、接合材組成物を乾燥硬化させる。

接合剤組成物としては、耐熱性を有するセラミックファイバー、セラミック粒子等からなるフィラーと、コロイダルシリカ等の無機接着剤とを主成分とし、更に必要に応じて有機バインダー（例えば、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等）、分散剤、水等を加え、それをミキサー等の混練機を使用して混合、混練してペースト状にしたものが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（ハニカムセグメントの作製）
ＳｉＣ粉末及び金属Ｓｉ粉末を７５：２５の質量割合で混合し、これにメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルメチルセルロース、界面活性剤及び水を添加して混練し、可塑性の坏土を得た。この坏土を押出成形した後、乾燥して、隔壁の厚さが１２ｍｉｌ（３００μｍ）、セル密度が約４７セル／ｃｍ^２（３００セル／平方インチ）、セル形状が四角形、軸方向に垂直な断面が一辺３６ｍｍの正方形、長さが１５２ｍｍで、図１に示すθ_ａ及びθ_ｂをそれぞれ表１〜４に示す角度としたハニカムセグメント成形体を得た。このハニカムセグメント成形体を、端面が市松模様状を呈するように、セルの端部を目封止した。すなわち、隣接するセルが、互いに反対側の端部で封じられるように目封止を行った。目封止用の充填材には、ハニカムセグメントと同様の材料を用いた。こうしてセルの端部を目封止し、乾燥させた後、Ｎ_２雰囲気にて約４００℃で脱脂し、その後、Ａｒ不活性雰囲気にて約１５５０℃で焼成して、珪素−炭化珪素系複合材料からなる多孔質のハニカムセグメントを得た。

（接合材組成物の調製）
無機繊維としてアルミノシリケート繊維、無機バインダーとしてコロイダルシリカ及び粘土、無機粒子としてＳｉＣを混合したものに、更に水、有機バインダー（ＣＭＣ、ＰＶＡ）、発泡樹脂及び分散剤を加えて、ミキサーにて３０分間混練を行い、ペースト状の接合材を得た。

（ハニカム構造体の作製）
ハニカムセグメントの外壁面に、接合材組成物を、厚さ約１ｍｍとなるようにコーティングして接合材層を形成し、その上に別のハニカムセグメントを載置する工程を繰り返し、縦４個×横４個に組み合わせた合計１６個のハニカムセグメントからなるハニカムセグメント積層体を作製し、適宜、外部より圧力を加えるなどして、全体を接合させた後、１４０℃で２時間乾燥してハニカムセグメント接合体を得た。得られたハニカムセグメント接合体の外周を円柱状に研削加工した後、その外周面に接合材組成物と同じ組成のコーティング材を塗布して外周壁を形成し、７００℃で２時間、乾燥硬化させ、実施例１〜２２及び比較例１〜４のハニカム構造体を得た。

（ハニカム構造体の評価）
前記のようにして得られた実施例１〜２２及び比較例１〜４のハニカム構造体の外周に保持材としてセラミック製無膨張マットを巻き、ＳＵＳ４０９製のキャニング用缶体に押し込んでキャニング構造体とした後、ディーゼル燃料軽油の燃焼により発生させたスートを含む燃焼ガスを、ハニカム構造体の一方の端面より流入させ、反対側の端面より流出させることにより、スートをハニカム構造体内に４〜１６ｇ／Ｌの範囲で堆積させ、一旦室温まで放冷してから、ハニカム構造体の一方の端面より６８０℃で一定割合の酸素を含む燃焼ガスを流入させハニカム構造体の圧力損失が低下した時、燃焼ガス流量を減少させることにより、スートを急燃焼させる再生限界試験を実施した。この再生限界試験は、各実施例及び比較例につき３体のハニカム構造体について実施し、表１〜４に示すスート堆積量において、試験後にクラックの発生が認められない場合を「○」、クラックの発生が認められた場合を「×」として、その結果を表１〜４に示した。

（考察）
比較例１、２及び実施例１〜１１は、θ_ｂを９０゜に固定し、θ_ａを９０〜１５０゜の範囲で変化させたものであるが、θ_ａが１００゜未満である比較例１及び２に比して、θ_ａが１００〜１５０゜である実施例１〜１１は、再生限界試験によりクラックが発生するスート堆積量が多かった。一般に、スート堆積量が多いほど再生時の発熱は大きく、ハニカム構造体の内部と外部との温度差が拡大する傾向にあるので、再生限界試験によりクラックが発生するスート堆積量が多いほど、耐熱衝撃性が高いと考えられる。

比較例３、４及び実施例１２〜２２は、θ_ａとθ_ｂとを共に９０〜１５０゜の範囲で変化させたものであるが、θ_ａとθ_ｂとが１００゜未満である比較例３及び４に比して、θ_ａとθ_ｂとが１００〜１５０゜である実施例１２〜２２は、再生限界試験によりクラックが発生するスート堆積量が多く、高い耐熱衝撃性を示した。

また、比較例１、２及び実施例１〜１１と比較例３、４及び実施例１２〜２２とを、θ_ａが同じ角度のもの同士で比較すると、θ_ｂが９０゜に固定されている場合よりも、θ_ｂがθ_ａとともに鈍角化されている場合の方が、再生限界試験によりクラックが発生するスート堆積量が多く、高い耐熱衝撃性を示した。

本発明のハニカム構造体は、ＤＰＦ等の集塵用フィルターとして好適に使用することができる。

Claims

２つの端面間を連通する複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁と、当該隔壁を囲む外壁とを備えたハニカムセグメントを、その軸方向に直交する方向において複数個組み合わせ、互いの外壁を接合材で接合することにより一体化してなるハニカム構造体であって、
前記ハニカムセグメントの前記外壁が角部を持つとともに、前記外壁の前記角部を持った部分の内面に接するセルが、前記内面により形成される二辺と、前記内面に片端が接している二辺とを含む複数の辺によって輪郭形成されており、前記内面に片端が接している二辺のなす角の角度θ_ａが１００〜１５０゜であるハニカム構造体。
更に、前記内面により形成される二辺のなす角の角度θ_ｂが１００〜１５０゜である請求項１に記載のハニカム構造体。
前記２つの端面の内の何れか一方の端面において、前記セルの一方の端部を目封止する目封止部が形成された請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
開口面積の異なる２種類のセルが交互に配置されている請求項１〜３の何れか一項に記載のハニカム構造体。