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JP2006150309A - ハニカムフィルタ - Google Patents

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JP2006150309A
JP2006150309A JP2004348310A JP2004348310A JP2006150309A JP 2006150309 A JP2006150309 A JP 2006150309A JP 2004348310 A JP2004348310 A JP 2004348310A JP 2004348310 A JP2004348310 A JP 2004348310A JP 2006150309 A JP2006150309 A JP 2006150309A
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JP2004348310A
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Masakazu Motoi
雅一 許斐
Hirohisa Suwabe
博久 諏訪部
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Hitachi Metals Ltd
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Abstract

【課題】 隔壁で仕切られた多数の流路を有し、所望の前記流路の端面において封止部により封止された複数のハニカム構造体が、流路方向に接続された構造のハニカムフィルタであって、接続する際に対向するハニカム構造体同士の隔壁の相対位置が万一ずれても、流路の断面積が縮小されることによる圧力損失の増加が抑制されるハニカムフィルタを得る。
【解決手段】 複数のハニカム構造体の接続する端面に存在する少なくとも1つの封止部および該封止部を囲む隔壁は、対向するハニカム構造体の端面の隔壁および封止部より流路方向に0.1〜5mm離れるとともに、前記端面の残りの封止部は、対向する封止部と接合している。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中の微粒子状物質(パティキュレート・マター、以下「PM」という)を除去するのに使用されるハニカムフィルタに関する。
ディーゼルエンジンなどの排気ガス中には黒煙を主体とするPMが多量に含まれており、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。このため、ディーゼルエンジンなどの排気系部品には、PMを捕捉するためのフィルタが搭載されている。図3は、自動車の排気ガス中のPMを捕集、浄化する、従来のハニカムフィルタ30の一例を示し、(a)は正面模式図、(b)は側断面模式図である。図3(a)(b)で、ハニカムフィルタ30は、多孔質セラミックからなり、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路3、4を有するハニカム構造体が、排気ガスの流入側端面7と流出側端面8で交互に封止部5、6で封止されている。また、ハニカム構造体の外周壁1は、金属メッシュあるいはセラミックス製のマットなどで形成された把持部材(図示せず)で使用中に動かないように把持され、金属製の収納容器(図示せず)に配置されている。
図3のハニカムフィルタ30で、排気ガスの浄化は以下の通り行われる。図3(b)に示すように排気ガス(点線矢印で示す)は、流入側端面7に開口している流路3から流入する。そして、排気ガス中に含まれるPMは、隔壁2を通過する際に捕捉され、浄化された排気ガスは、流出側端面8に開口している流路4から流出、大気中に放出される。一方、隔壁2に捕捉されたPMが一定量以上になると、目詰まりしてしまうので、バーナーや電気ヒーターなどによりこれを燃焼させ、ハニカムフィルタ30の再生が行われる。
ところで、図3に示すような封止部5が流入側端面7にあるハニカムフィルタ30は、封止部5の前面にPMが堆積・成長し、流路3の流入側端面7の開口が次第に狭くなって、圧力損失が増加し、エンジン出力を低下させてしまうおそれがある。これを防止しようとして、特許文献1には、図4(a)の側断面模式図で示す、2つのハニカム構造体を流路方向直列に配置したものが提案されている。図4(a)に示すハニカムフィルタ40は、外周壁1aの内側に隔壁2aで仕切られた多数の流路3a、4aを有するハニカム構造体40Aが、流路3aの流出側端面7bにおいて封止部5aで封止され、また、外周壁1bの内側に隔壁2bで仕切られた多数の流路3b、4bを有するハニカム構造体40Bが、流路3bの流入側端面8aにおいて封止部5bで封止されると共に流路4bの流出側端面8bにおいて封止部6で封止されている。そして、ハニカム構造体40Aの流出側端面7bとハニカム構造体40Bの流入側端面8aが流路方向に接続され、金属容器(図示せず)に収納されている。なお、排気ガスの流れを点線矢印で追記している。特許文献1には、図4(a)のハニカムフィルタ40によれば、流入側端面7aへのPMの付着、堆積がないので、流路4aの閉塞が防止されると共に、PMの補集効率を高めることができるとしている。
特開2004−251137号公報
しかしながら、特許文献1に提案される、図4(a)のハニカムフィルタ40は、ハニカム構造体40Aと別のハニカム構造体40Bとが接続される際、相対的にずれることがある。このようなことがあると、図4(b)に(a)の部分拡大図として示すように、ハニカム構造体40Aの隔壁2aと封止部5aが、別のハニカム構造体40Bの流路4bに跨がって、流路4bの入口断面積Sを縮小させ、排気ガス(点線矢印で示す)の流れが悪くなって、ハニカムフィルタ40の圧力損失を増加させてしまうことがある。この問題は、ハニカム構造体40Aと別のハニカム構造体40Bとをそれぞれの隔壁2a、2bの相対位置がずれないように注意深く接続することで、ある程度改善できるものの、皆無にすることは非常に困難である。また、特にハニカム構造体40A、40Bをそれぞれ個別に製造した場合は、成形過程で隔壁2a、2bの少なくとも一部に変形が生ずるため、多数ある隔壁2a、2bの全てにおいて相対位置がずれないようにして接合することは非常に困難である。
したがって、本発明の課題は、隔壁で仕切られた多数の流路を有し、所望の前記流路の端面において封止部により封止された複数のハニカム構造体が、流路方向に接続された構造のハニカムフィルタであって、接合する際に対向するハニカム構造体同士の隔壁の相対位置が万一ずれても、流路の断面積が縮小されることによる圧力損失の増加が抑制されるハニカムフィルタを得ることにある。
本発明者らは、複数のハニカム構造体の接続する端面同士の一部に間隙を形成して接続すれば、上記課題が解決できるとの知見を得、本発明に想到した。
すなわち、本発明は、ハニカム状に形成した多孔質材料からなる隔壁で仕切られた多数の流路を有し、所望の前記流路の端面において封止部により封止された複数のハニカム構造体が、前記流路方向に接続されてなるハニカムフィルタであって、接続する端面に存在する少なくとも1つの前記封止部および該封止部を囲む隔壁は、対向するハニカム構造体の端面の隔壁および封止部より流路方向に0.1〜5mm離れるとともに、前記端面の残りの封止部は、対向する封止部と接合していることを特徴とする。
上記構成とすることで隔壁の相対位置がずれた場合の圧力損失の増加が抑制できる。この理由を図1を用いて説明する。図1において、2つのハニカム構造体10Aと10Bは、ハニカム構造体10Aの流出側端面7bから突出した封止部5a−1とハニカム構造体10Bの流入側端面8aに存在する封止部5bとを接合することにより接続している。ハニカム構造体10Aの流出側端面7bに存在する封止部のうち、封止部5a−1以外の封止部5aとこの封止部5aを囲む隔壁2aは、ハニカム構造体10Bの流入側端面8aの隔壁2bおよび封止部5bと接続してなく、流路方向に離れて隙間Gを有している。仮に封止部5aとこの封止部5aを囲む隔壁2aが、ハニカム構造体10Bの流入側端面8aの隔壁2bおよび封止部5bと接続した状態では、図4(b)に示すように接続面Jの流路の流路幅Sが縮幅され、ハニカムフィルタの圧力損失が増加してしまう。一方、本発明では、上記のとおり、隙間(図1(b)に示すG)を有することにより、隔壁の相対位置がずれた場合における流路の縮幅の程度が図1(b)に示すように抑制され、これにより圧力損失の増加が抑制できる。
ただし、隙間Gの値は0.1mm未満では本発明の効果が十分に現れず、圧力損失の増加の抑制効果がない場合がある。一方、ハニカム構造体同士の接続は、ハニカム構造体10Aの流出側端面7bから突出した封止部5a−1とハニカム構造体10Bの流入側端面8aに存在する封止部5bとを接合してなる構造としているため、封止部5a−1が流出側端面7bから突出した部分が長いほど、すなわち上記隙間Gの値が大きいほど、2つのハニカム構造体10Aと10Bの接続強度が弱くなり、上記隙間Gの値が5mmより大きくなると実用に適さない場合がある。
なお図1において、ハニカム構造体の端面から突出した封止部はハニカム構造体10Aの流出側端面7bにのみ存在しているが、ハニカム構造体10Bの流入側端面8aにのみ存在してもよいし、前記端面両方に存在してもよい。また、PMの捕集率は低下するもののハニカムフィルタの圧力損失をさらに低下させるために、ハニカム構造体10Aの流出側端面7bに存在する封止部5aの一部、または/およびハニカム構造体10Bの流入側端面8aに存在する封止部5bの一部を設置しないこともできる。
また本発明は、前記接合されている封止部を有する流路の数が、前記ハニカム構造体の全流路の数の5〜38%であることが好ましく、また、前記接合されている封止部を有する流路の数が、前記ハニカム構造体の全流路の数の10〜18%であることがさらに好ましい。上記構成において、前記接合されている封止部を有する流路の数の割合が大きくなるほど、接続された2つのハニカム構造体の接続強度が強くなる。上記理由により、前記接合されている封止部を有する流路の数の割合を5%以上とすることが好ましく、10%以上とすることがより好ましい。一方、前記接合されている封止部を有する流路の数の割合は小さいほど隔壁の相対位置がずれた場合の圧力損失の上昇を抑制する効果は大きく、38%以下とすることが好ましく、18%以下とすることがより好ましい。
また本発明のハニカムフィルタは、前記複数のハニカム構造体の外周を囲む外周壁が一体に形成されていることが好ましい。上記構成とすることにより、一体に形成した外周壁が接続強度を一部負担するため、接続部の強度がさらに確保される。
また本発明のハニカムフィルタは、前記複数のハニカム構造体の接続する端面の外周に切欠きが施され、該切欠きを含んで外周壁が形成されていることが好ましい。図2に示すようにハニカム構造体の接続する端面の外周部に切欠きを施し、前記切欠きにより生じる略V字状の溝に一体に形成した外周壁が充填されることで、接合部の強度がまたさらに向上する。なお、切欠きに充填される材料は、外周壁と同一の材料でも別の材料でもよく、充填は、一周しなくてもよく、切欠きにより生じる溝は、図2に示すような略V字状とすることに限定されず、凹形状やU形状としてもよく、切欠きの形状は限定されない。
本発明によれば、接続する際に複数のハニカム構造体同士の隔壁の相対位置が万一ずれても、流路の断面積が縮小されることによる圧力損失の増加が抑制される。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係るハニカムフィルタ10を示し、(a)はその側断面模式図、(b)は(a)でのA部拡大図である。図1のハニカムフィルタ10は、外周壁1aの内側に隔壁2aで仕切られた多数の流路3a、4aを有するハニカム構造体10Aが、流路3aの流出側端面7bにおいて封止部5a、5a−1で封止され、また、外周壁1bの内側に隔壁2bで仕切られた多数の流路3b、4bを有するハニカム構造体10Bが、流路3bの流入側端面8aにおいて封止部5bで封止されると共に流路4bの流出側端面8bにおいて封止部6で封止されている。そして、ハニカム構造体10Aの流出側端面7bとハニカム構造体10Bの流入側端面8aとの間に0.3mmの間隙(G)が形成され、ハニカム構造体10Aの全流路の数の15%の流路は封止部5a−1により封止されている。ちなみに封止部5a−1により封止された流路は、前記封止された流路3aの一部であり、残りの流路3aは封止部5aにより封止されている。また、封止部5a−1とハニカム構造体10Bの封止部5bとを接合することによりハニカム構造体10Aとハニカム構造体10Bとが接続されて、金属容器(図示せず)に収納し使用される。なお、7aはハニカム構造体10Aの流入側端面である。
図1(a)(b)のハニカムフィルタ10で、排気ガスの浄化は以下のとおり行われる。排気ガス(点線矢印で示す)は、ハニカム構造体10Aの流入側端面7aに開口している流路3a、4aから流入する。そして、流路3aに入った排気ガスは、隔壁2aを通過して流路4aへ流入する。この排気ガスは隔壁2aを通過する際にPMが一次的に捕捉される。一方、ハニカム構造体10Aの流路4aに入った排気ガスは、直接、ハニカム構造体10Bの流入側端面8aに開口している流路4bに上記の流路3aから4aへ流入した排気ガスと共に流入する。そして、流路4bへ流入した排気ガスは、隔壁2bを通過する際にPMがさらに捕捉され、流出側端面8bに開口している流路3bから流出、大気中に放出される。ここで、図1(b)に示すように、0.3mmの間隙(G)が形成されているので、多数ある隔壁2a、2bの互いの位置が多少ずれても、排気ガス(点線矢印で示す)の流路の幅(S)の縮幅の程度が抑制され、これにより圧力損失の増加が抑制される。
図1に示すハニカムフィルタ10は、以下のようにして得ることができる。先ず、カオリン、タルク、シリカ、アルミナなどの粉末を調整して、質量比で、SiO:48〜52%、Al:33〜37%、MgO:12〜15%を含むようなコージェライト生成原料粉末とし、これにメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のバインダー、潤滑剤、造孔材としてグラファイトを添加し、乾式で十分混合した後、規定量の水を添加、十分な混練を行って可塑化したセラミック杯土を作成する。次に、押出し成形用金型を用いて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する。次に、成形体を、乾燥、焼成させ、隔壁の厚さ0.3mm、気孔率65%、平均細孔径20μm、ピッチ1.5mmで、外径が280mm、全長が310mmのコージェライト質ハニカム構造体とする。
次に、ダイヤモンド砥粒が電着された砥石で、全長が310mmのハニカム構造体を、長さ100mmとなるハニカム構造体10Aと、長さ205mmとなるハニカム構造体10Bの、2つに切断する。切断の前に、切断面となる位置を跨いで合い印を付けておくと、下記のハニカム構造体を接合する際に位置合せを行いやすい。次に、ハニカム構造体10Aの流出側端面7bと、別のハニカム構造体10Bの流入側端面8aとを、ダイヤモンド砥粒が電着された砥石で研削加工する。次に、ハニカム構造体10Aについて、流出側端面7bに封止用フィルムを貼着し、この封止用フィルムの封止部5aを形成すべき所定の流路部分を穿孔し、次いで封止材にディッピングする。次に前記封止用フィルムを除去した後、再度前記封止用フィルムより0.3mm厚い封止用フィルム貼着して、この封止用フィルムの封止部5a−1を形成すべき所定の流路部分を穿孔し、次いで封止材にディッピングし、乾燥して、封止部5aと5a−1を形成する。このとき、ハニカム構造体10Aの全流路(3a、4a)の数の15%を封止部5a−1により封止する。一方、別のハニカム構造体10Bについては、ハニカム構造体10Aの封止部5aおよび5a−1に対応する位置に流入側端面8aと同じ面内に納まるように封止部5bを形成する。
次に、切断前のハニカム構造体10A、10Bの前記合い印に加え、流路4aと4bの数箇所に位置決めピンを入れて、ハニカムフィルタ10Aの流路3a、4aと、別のハニカム構造体10Bの流路3b、4bが一致するように位置合わせする。次に、ハニカム構造体10Aの封止部5a−1と、別のハニカムフィルタ10Bの封止部5bとを突き合わせ圧着し、1400℃で焼成することにより、封止部5a−1と封止部5bとが接合する。これにより、図1(a)(b)に示すように、ハニカム構造体10Aの流出側端面7bと、別のハニカム構造体10Bの流入側端面8aと間に、0.3mmの間隙(G)が形成されて接続した、ハニカムフィルタ10となる。そして、前述したとおり、多数ある隔壁2a、2bの互いの位置が多少ずれても、流路幅(S)が縮小されることによる圧力損失の増加が抑制される。
(実施の形態2)
図2(a)は、実施の形態2に係るハニカムフィルタ20を示し、(a)はその側断面模式図、(b)は(a)でのB部拡大図である。図2のハニカムフィルタ20は、ハニカム構造体20Aの全流路(3a、4a)の数の10%の流路を封止した封止部5a−1と、別のハニカム構造体20Bの流入側端面8aに形成された封止部5bとが、流出側端面7bと流入側端面8aと間に0.4mmの間隙(G)が形成され接続されている。なお、図2で、前述した図1と同じ構成は同符号で示し、説明を省略する。これにより、多数ある隔壁2a、2bの互いの位置が多少ずれても、排気ガス(点線矢印で示す)の流路が確保され、流路4bの流路幅(S)が縮小されることによる圧力損失の増加が抑制される。
また、ハニカム構造体20A、20Bには、図2(b)に示すように、接続する端面の外周に各々切欠き1c、1dが施され、この切欠き1c、1dとハニカム構造体20A、20Bを囲む外周壁1が一体に形成されている。外周壁1は、ハニカム構造体20A、20Bと同材質としている。これにより、接続強度がさらに向上するようになっている。
図2に示すハニカムフィルタ20は、前述した実施の形態1と同様にして、混合、混練、押出し成形、切断、乾燥、焼成し、隔壁(2a、2b)が、厚さ0.3mm、気孔率65%、平均細孔径20μm、ピッチ1.5mmで、外径が280mm、全長が310mmのコージェライト質ハニカム構造体とする。次に、実施の形態1と同様に合い印を付け、長さ100mmとなるハニカム構造体20Aと、長さ205mmとなるハニカム構造体20Bの、2つに切断する。次に、ハニカム構造体20Aの流出側端面7bと、別のハニカム構造体20Bの流入側端面8aとを、ダイヤモンド砥粒が電着された砥石で研削加工する。次に、ハニカム構造体20Aについて、流出側端面7bに封止用フィルムを貼着し、この封止用フィルムの封止部5aを形成すべき所定の流路部分を穿孔し、次いで封止材にディッピングする。次に前記封止用フィルムを除去した後、再度前記封止用フィルムより0.4mm厚い封止用フィルム貼着して、この封止用フィルムの封止部5a−1を形成すべき所定の流路部分を穿孔し、次いで封止材にディッピングし、乾燥して、封止部5aと5a−1を形成する。このとき、ハニカム構造体20Aの全流路(3a、4a)の数の10%を封止部5a−1により封止する。一方、別のハニカム構造体20Bについては、ハニカム構造体20Aの封止部5aおよび5a−1に対応する位置に流入側端面8aと同じ面内に納まるように封止部5bを形成する。さらに、ハニカム構造体20A、20Bには、接続する端面(流出側端面7b、流入側端面8a)の外周に各々切欠き1c、1dを施す。
次に、切断前のハニカム構造体20A、20Bの前記合い印に加え、流路4aと4bの数箇所に位置決めピンを入れて、ハニカムフィルタ20Aの流路3a、4aと、別のハニカム構造体20Bの流路3b、4bが一致するように位置合わせする。次に、ハニカム構造体20Aの封止部5a−1と、別のハニカムフィルタ20Bの封止部5bとを突き合わせ圧着し、さらに、各々の切欠きとハニカム構造体20A、20Bを囲んで、外周壁1を形成する。その後1400℃で焼成することにより、図2(a)(b)に示すハニカムフィルタ20となる。そして、前述したとおり、多数ある隔壁2a、2bの互いの位置が多少ずれても、流路幅(S)が縮小されることによる圧力損失の増加が抑制され、また、接続強度がさらに確保される。
実施の形態1を模して、外径100mm、長さ50mmが同じハニカム構造体10Aとハニカム構造体10Bを準備した。次に、ハニカム構造体10Aの流出側端面7bとハニカム構造体10Bの流入側端面8aとの間隙(G)を0〜8mmの範囲で変え、ハニカム構造体10Aの全流路(3a、4a)うち接合している封止部5a−1により封止した流路の数の比率を3〜50%の範囲で変えて接続して、試験用のハニカムフィルタ10とした。ここでの間隙(G)は実施の形態1で記した封止部5a−1を形成するときに用いた封止用フィルムの厚さを変化させ、さらに封止用フィルムを数枚重ねて貼着することにより変化させた。次に、この試験用のハニカムフィルタ10について、比較例1、すなわち従来の図4に示す隙間(G)が0mmで接合されたハニカムフィルタ40との圧力損失対比(%)および接続の強度対比(%)を求めた。ここで接続の強度は3点曲げ接合強度の測定を行うことにより比較した。そして、圧力損失対比(%)については、95%以下を(◎)、96〜97%を(○)、98〜99%を(△)、99〜100%を(×)として評価した。また、強度対比(%)については、85〜100%を(◎)、70〜85%未満を(○)、55〜70%未満を(△)、55%未満を(×)として評価した。また総合評価して、上記の圧力損失対比の評価と強度対比の評価が共に(◎)の場合は(◎)、一方が(◎)で他方が(○)の場合は(○)、一方が(◎)で他方が(△)の場合は(△)、一方が(◎)で他方が(×)の場合は(×)と評価した。その結果を表1に示す。
Figure 2006150309
表1から、接続部間隙(G)が0.1〜5mmの実施例1〜8では総合評価が(△)以上の評価となり、特に接合した封止部5a−1の比率を5〜38%とした実施例2〜5および実施例7〜8では総合評価が(○)以上の評価となり、さらに接合した封止部5a−1の比率を10〜18%とした実施例3〜4では総合評価が(◎)の評価となり、圧力損失の増加が抑えられ、また接合部の強度低下が少ないことがわかる。
実施の形態1に係るハニカムフィルタ10を示し、(a)はその側断面模式図、(b)は(a)でのA部拡大図である。 、実施の形態2に係るハニカムフィルタ20を示し、(a)はその側断面模式図、(b)は(a)でのB部拡大図である。 自動車の排気ガス中のPMを捕集、浄化する、従来のハニカムフィルタの一例の模式図を示し、(a)は正面模式図、(b)は側断面模式図である。 特許文献1に提案されているハニカムフィルタ40の側断面模式図である。
符号の説明
10、20、30、40:ハニカムフィルタ
10A、10B、20A、20B、40A、40B:ハニカム構造体
1a、1b:外周壁
2a、2b:隔壁
3a、3b、4a、4b:流路
5a、5a−1、5b、6:封止部
7a、8a:流入側端面
7b、8b:流出側端面
G:間隙
J:接続面
S:隔壁2a、2bのずれにより縮小された流路幅

Claims (5)

  1. ハニカム状に形成した多孔質材料からなる隔壁で仕切られた多数の流路を有し、所望の前記流路の端面において封止部により封止された複数のハニカム構造体が、前記流路方向に接続されてなるハニカムフィルタであって、接続する端面に存在する少なくとも1つの前記封止部および該封止部を囲む隔壁は、対向するハニカム構造体の端面の隔壁および封止部より流路方向に0.1〜5mm離れるとともに、前記端面の残りの封止部は、対向する封止部と接合していることを特徴とするハニカムフィルタ。
  2. 前記接合されている封止部を有する流路の数が、前記ハニカム構造体の全流路の数の5〜38%であることを特徴とする請求項1に記載のハニカムフィルタ。
  3. 前記接合されている封止部を有する流路の数が、前記ハニカム構造体の全流路の数の10〜18%であることを特徴とする請求項2に記載のハニカムフィルタ。
  4. 前記複数のハニカム構造体の外周を囲む外周壁が一体に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3何れかに記載のハニカムフィルタ。
  5. 前記複数のハニカム構造体の接続する端面の外周に切欠きが施され、該切欠きを含んで外周壁が形成されていることを特徴とする請求項4に記載のハニカムフィルタ。
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