JP3431670B2

JP3431670B2 - 排気ガスフィルタの製造方法

Info

Publication number: JP3431670B2
Application number: JP22909393A
Authority: JP
Inventors: 充藤沢
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 2003-07-28
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: JPH0780226A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関から排出され
るガス中に含まれる微粒子等を除去するための排気ガス
フィルタの製造方法に係り、特に自己発熱型フィルタに
用いて好適な排気ガスフィルタの製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼル車などの内燃機関から排出さ
れるガス中には大気汚染を引き起こす原因となる微粒子
が含まれており、それらの中には発癌性の高い物質等の
存在も存在することが確認されている。このため、近年
では、内燃機関の排気経路上に排気ガスフィルタを配置
することによって微粒子を捕集し、更にその捕集された
微粒子を着火して燃焼させるという処理技術が広く研究
されている。

【０００３】従来、上記のような排気ガスフィルタに
は、コージェライトや炭化珪素等といった多孔質セラミ
ックス製の材料が用いられている。かかるセラミックス
材料のなかでも、特に炭化珪素については耐熱温度が高
くしかも固有抵抗値が低いという特性が注目されてい
る。ゆえに、炭化珪素は、耐久性や再生効率等に優れた
フィルタを形成するための材料として有望視されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、固有抵抗値
が低い炭化珪素には、直接電圧を印加することによって
加熱できるという性質がある。このため、多孔質炭化珪
素を材料としてフィルタを作製すれば、いわゆる自己発
熱型の排気ガスフィルタを得ることが可能であると一般
的に考えられている。

【０００５】前述のような自己発熱型の排気ガスフィル
タとしては、例えば多孔質炭化珪素にシリコン金属を含
浸してなるフォーム状構造体であって、約４００ボルト
の電圧を印加することにより自己発熱するというタイプ
のものがある。

【０００６】しかし、このタイプのフィルタの場合、ど
うしても固有抵抗値が高くなり、印加すべき電圧の値も
それに付随して高くなってしまう。このため、２０ボル
ト程度のバッテリーしか備えていない一般車両には搭載
することができないという欠点が指摘されていた。

【０００７】また、これと異なる自己発熱型の排気ガス
フィルタとしては、次のようなタイプのものが考えられ
る。即ち、主成分である炭化珪素に窒化アルミニウム
（またはアルミナ）と炭素とが含まれているセラミック
ス焼結体を材料として用いたフィルタである。このフィ
ルタの場合、固有抵抗値が１０^-1Ω・cm程度と極めて低
い値となるため、一般車両用の小型バッテリーでも充分
加熱することができるという利点がある。

【０００８】ところが、前記フィルタは発熱性を最優先
したものであるため、比較的密度が高く、しかも気孔の
少ない緻密なものとなっている。このため、必ずしも微
粒子の捕集に適しているとはいい難かった。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、主たる目的は、排気ガス中に含まれる微粒子の
捕集に好適な気孔を有し、しかも小さな電圧を印加する
ことによって充分に自己発熱させることができる排気ガ
スフィルタの製造方法を提供することにある。

【００１０】また、本発明の具体的な的は、小さな電圧
の印加によって充分に発熱されることができ、かつ細か
い微粒子の捕集に好適な気孔を有する排気ガスフィルタ
を確実にかつ容易に得ることができる排気ガスフィルタ
の製造方法を提供することにある。

【００１１】

【００１２】

【００１３】上記の課題を解決するために、請求項１に
記載の発明は、（ａ）炭化珪素を除く炭化物、窒化物、
ホウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一
種の添加剤粉末の表面を、撥水性のある有機樹脂によっ
て被覆する工程、（ｂ）α型炭化珪素粉末、β型炭化珪
素粉末またはそれらの混合粉末と前記添加剤とを乾式混
合した後、その混合物に有機バインダと水とを加えて混
練する工程、（ｃ）前記（ｂ）工程にて得られた混練物
を多孔質形状に成形または保持した後にその乾燥を行う
工程、（ｄ）前記（ｃ）工程にて得られた乾燥体を脱脂
した後、更にそれを不活性雰囲気下にてい焼成する工程
からなる排気ガスフィルタの製造方法である。

【００１４】この場合、前記(c) 工程において混練物を
発泡樹脂に含浸させることによりその混練物を所定の多
孔質形状に保持し、この状態で乾燥を行うこととしても
良い。また、撥水性のある有機樹脂として、分子内に疎
水基と窒素とを含有する樹脂を用いても良い。

【００１５】

【作用】本発明に係る製造方法の下で得られるフィルタ
の場合、複合材料である多孔質セラミックスの固有抵抗
値が10^-2Ω・cm〜1Ω・cm、その密度が1.7g/cm³〜2.3g/
cm³、かつその平均気孔径が1μｍ〜50μｍの範囲内とす
ることが必須である。固有抵抗値が10^-2Ω・cm未満であ
ると、発熱量が得られないからである。一方、固有抵抗
値が1Ω・cmを越えると、所定の温度に上げるために大
きな印加電圧が必要になり、自己発熱させるうえで不利
になってしまうからである。

【００１６】密度が１．７g/cm³未満であると、フィル
タ中に空隙が多くなり過ぎてしまい、強度的に弱くな
る。また、気孔率が高くなることにより、微粒子の捕集
効率が低下してしまう。一方、密度が２．３g/cm³を越
えると、フィルタが緻密になり過ぎてしまい、内部に排
気ガスを流通させることができなくなり、微粒子の捕集
が不可能になってしまう。

【００１７】平均気孔径が１μｍ未満であると、微粒子
の堆積によるフィルタの目詰まりが著しくなる。一方、
平均気孔径が５０μｍを越えると、細かい微粒子を捕集
することができなくなるため、捕集効率が低下してしま
う。

【００１８】なお、優れた排気ガスフィルタ、特に自己
発熱型の排気ガスフィルタであるためには、請求項１に
記載の製造方法の下に得られるフィルタのように、上記
の諸物性値を全て満たしていることが好ましい。

【００１９】また、本発明の製造方法の下で得られるフ
ィルタは、炭化珪素１００重量部に対して、炭化珪素を
除く炭化物、窒化物、ホウ化物及び酸化物のうちから選
択される少なくとも一種の添加剤を５重量部〜３０重量
部混合してなることが望ましい。添加剤の分量が５重量
部より少ないと、固有抵抗値を充分に低くすることがで
きなくなる。一方、添加剤の分量が３０重量部を越える
と、炭化珪素本来の物性が損われてしまう虞れがある。

【００２０】次に、本発明の排気ガスフィルタを製造す
る方法を工程順に詳細に説明する。本発明の(a) 工程で
は、撥水性のある有機樹脂によって、炭化珪素を除く炭
化物、窒化物、ホウ化物及び酸化物のうちから選択され
る少なくとも一種の添加剤粉末の表面が被覆される。本
発明では、添加剤に使用される炭化物として、炭化タン
グステンを選択することが望ましい。また、窒化物とし
て窒化ホウ素、窒化チタンまたは窒化アルミニウムを選
択することが望ましい。同様に、ホウ化物として二ホウ
化チタンを、酸化物として酸化アルミニウムまたは酸化
珪素を選択することが望ましい。

【００２１】ここで炭化珪素に「添加剤」を加える理由
について説明する。炭化珪素は固相焼結によって焼結
し、その際には珪素原子と炭素原子とが結晶粒子の結合
部分（ネック部）を介して拡散するということが知られ
ている。そして、現状における焼結体の固有抵抗値の下
限は、１Ω・cm程度となっている。そこで、より低い固
有抵抗値を実現するための方法としては、例えば次のよ
うな方法が考えられる。即ち、ネック部に液相を形成する物質を存在させておくこ
と、ネック部に固溶体を形成する物質を存在させておくこ
と、及びネック部に固有抵抗値の低い物質を存在させておくこ
との３つである。つまり、の方法は、ネック部に液相を
形成することにより、結晶粒子同士が接触する面積を確
保し、もって固有抵抗値を下げるというものである。
の方法も、ネック部に固溶体を形成することにより、結
晶粒子同士が接触する面積を確保し、もって固有抵抗値
を下げるというものである。の方法は、ネック部の電
気抵抗を下げてやることにより、焼結体全体の固有抵抗
値を下げるというものである。そして、上記の範疇に
属する物質としては、例えば先に述べた酸化アルミニウ
ム及び酸化珪素等がある。の範疇に属する物質として
は、例えば炭化タングステン、窒化チタン及び二ホウ化
チタンがある。の範疇に属する物質としては、例えば
窒化ホウ素及び窒化アルミニウム等がある。そして、こ
れらの方法によれば、現状における焼結体の固有抵抗値
の下限よりも１〜２オーダー低い値を実現することが可
能である。

【００２２】本発明の場合、添加剤は撥水性のある有機
樹脂によって被覆される必要がある。その理由は、炭化
珪素粉末と添加剤とからなる混合物を混練するときに、
添加剤が水と反応してしまうことを回避するためであ
る。例えば、添加剤が窒化アルミニウムである場合、被
覆を施しておけば、水との反応によるアンモニアガスの
生成が回避され、かつ材料の混練も可能なものとなる。

【００２３】なお、撥水性のある有機樹脂として、分子
内に疎水基と窒素とを含有する樹脂を用いても良い。こ
のような樹脂を具体的に挙げると、パラフィン系アミ
ン、パラフィン系アミド、オレフィン系アミド、ナイロ
ン等がある。かかる有機樹脂は、添加剤に対して５重量
部〜３０重量部ほど配合されることが良い。

【００２４】次に、(b) 工程では、炭化珪素と前記添加
剤とが乾式混合される。得られた混合物には有機バイン
ダと水とが加えられ、更に良く混練される。この場合、
必要に応じて、α型炭化珪素粉末、β型炭化珪素粉末ま
たはそれらの混合粉末を使用することが可能である。な
お、この工程では炭化珪素１００重量部に対して添加剤
が５重量部〜３０重量部混合される。

【００２５】(c) 工程では、前記(b) 工程にて得られた
混練物は、多孔質形状に成形または保持された後に乾燥
される。このときの乾燥温度は５０℃〜１００℃である
ことが良い。

【００２６】(d) 工程では、前記(c) 工程にて得られた
乾燥体は、脱脂されかつ不活性雰囲気下にて焼成され
る。このときの脱脂温度は４００℃〜８００℃であるこ
とが良く、焼成温度は１８００℃〜２２００℃であるこ
とが良い。なお、前記脱脂工程によって、乾燥体中に含
まれている炭素分、即ち撥水性樹脂及び有機バインダの
大部分が熱分解される。そして、以上のような工程を経
ることによって、固有抵抗値、密度及び平均気孔径の値
が上記の所定条件を満たした多孔質セラミックス焼結体
が得られる。

【００２７】

【実施例】以下に、本発明をディーゼルエンジン用の排
気ガス浄化装置に具体化した実施例を図１〜図４に基づ
き詳しく説明する。

【００２８】図４に示されるように、排気ガス浄化装置
１は、金属パイプ製のケーシング２を備えている。ケー
シング２の通路２ａは、内燃機関としてのディーゼルエ
ンジンＥの排気管路Ｅａに接続されている。ケーシング
２内には、ディーゼルエンジンＥから排出されるガス中
の微粒子を除去するために、ハニカム構造を有する排気
ガスフィルタ３が配設されている。

【００２９】図１〜図３に示されるように、排気ガスフ
ィルタ３は角柱状（３３mm×３３mm×１５０mm）を呈し
ている。フィルタ３には、断面略正方形状の連通孔３ａ
がフィルタ３の軸線方向に沿って規則的に形成されてい
る。各連通孔３ａは、厚さ０．３mmの内壁３ｂによって
互いに隔てられている。各連通孔３ａの排気ガス流入側
または流出側のいずれかの一端は、多孔質焼結体製の封
止片３ｃによって市松模様状に封止されている。その結
果、フィルタ３の流入側または流出側のいずれか一方の
みに開口するセルＣ1 ，Ｃ2 が形成された状態となって
いる。セルＣ1，Ｃ2 の内壁３ｂには、図示しないシリ
カ膜が形成されている。そして、そのシリカ膜には、白
金族元素やその他の金属元素及びその酸化物等からなる
酸化触媒が担持されている。

【００３０】また、図１〜図３に示されるように、フィ
ルタ３の両端部４の外壁面には、自己発熱用の電極とし
て一対の白金製の電極５が設けられている。図４に示さ
れるように、これらの電極５は、各々配線６を介してバ
ッテリー（１２Ｖ−２．５ｋＷ）７に接続されている。

【００３１】ここで、フィルタ３を所定の位置に配置
し、ディーゼルエンジンＥを始動させたときの排気ガス
の流れについて説明する。図２にて矢印Ａ1 で示される
ように、排気ガスはまずフィルタ３の流入側に開口する
セルＣ1 内に導入される。次いで、排気ガスは内壁３ｂ
を通過し、隣接するセルＣ2 、即ち流出側に開口するＣ
2 内に導入される。このとき、排気ガス中に含まれる微
粒子の移動が内壁３ｂによって阻止される。よって、微
粒子のみが内壁３ｂにトラップされる。そして、浄化さ
れた排気ガスは、流出側に開口するセルＣ2 内を抜け
て、最終的にフィルタ３から排出されることになる。

【００３２】この排気ガス浄化装置１の場合、フィルタ
３に所定量の微粒子が捕集されたことが検知されると、
自動的にフィルタ３の再生処理が行われるようになって
いる。再生処理においては、図示しない検知手段からの
信号に基づき、バッテリー７からフィルタ３への通電が
開始される。すると、フィルタ３の自己発熱によってフ
ィルタ３の温度が上昇し、やがて微粒子が着火する。そ
の後、フィルタ３は８００℃〜１０００℃程度まで加熱
され、微粒子が燃焼・消失してしまうまでその温度に維
持される。その結果、フィルタ３は、微粒子を捕集する
前の元の状態に再生される。

【００３３】次に、排気ガスフィルタ３の特性評価試験
について説明する。この特性評価試験では、表１に示さ
れるように実施例のサンプル（１〜１６）と比較例のサ
ンプル（１７，１８）とをそれぞれ作製した。

【００３４】

【表１】

【００３５】例えば、サンプル１では添加剤として窒化
アルミニウム粉末を選択し、その粉末の表面を撥水性の
ある有機樹脂（パラフィン系アミン）によって被覆し
た。次いで、β型炭化珪素粉末１００重量部と窒化アル
ミニウム１５重量部とを乾式混合した。更に、その混合
物に有機バインダ（メチルセルロース）と水とを所定分
量づつ加えて混練した。そして、この混練物を押出成形
することにより、ハニカム状の成形体を得た。次いで、
成形体の連通孔３ａを多孔質焼結体製の封止片３ｃ形成
用のペーストによって封止した後、その両端部４に電極
５の形成用の白金ペーストを含浸させた。その後、乾燥
機を用いて成形体、封止片３ｃ用ペースト及び電極５用
ペーストを乾燥させた。そして、乾燥体を６００℃で脱
脂した後、更にそれをアルゴン雰囲気下にて２２００℃
で焼成した。その後、焼結体の両電極５に配線６をろう
付けることにより、最終的にサンプル１のフィルタ３と
した。

【００３６】また、上記の手順に準じてサンプル２〜１
８を作製した。その際、原料組成のみを表１に示される
ように変更した。得られたサンプル１〜１８における焼
結体部分の組成（ＳｉＣ、添加剤、残留Ｃ）を分析した
結果を表２に示す。また、サンプル１〜１８の平均気孔
径（μｍ）、固有抵抗値（Ω・cm）、密度（g/cm³）を
調査した結果を表３に示す。

【００３７】更に、前記各サンプル１〜１８を用いて排
気ガス浄化装置１を構成し、排気ガスの浄化を行うこと
により、捕集効率及び再生状態の良否を調査した。その
結果も表３に共に示す。なお、捕集効率の良否は、非再
生時にフィルタ３から流出する排気ガス中の微粒子の量
を測定することによって判断した。また、再生状態の良
否は、微粒子が所定量捕集された後の通電によって微粒
子が完全に燃焼除去されるまでに要した時間を測定する
ことによって判断した。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
ることはなく、以下のような構成に変更することが可能
である。例えば、（ａ）前記実施例にて示したようなハニカム状のフィル
タ３のみに限られず、例えば図５に示されるようなフォ
ーム状構造を持つフィルタ１０としても勿論良い。この
フィルタ１０は、例えば以下のような手順によって作製
される。

【００４１】まず、炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホ
ウ化物及び酸化物のうちから選択される少なくとも一種
の添加剤粉末の表面を、撥水性のある有機樹脂によって
被覆する。次に、α型炭化珪素粉末、β型炭化珪素粉末
またはそれらの混合粉末と前記添加剤とを乾式混合した
後、その混合物に有機バインダと水とを加えて混練す
る。更に、前工程にて得られた混練物をウレタンフォー
ム等の発泡樹脂に含浸させることにより、その混練物を
一時的に所定の多孔質形状に保持する。そして、この状
態で乾燥を行い、混練物中の水分をある程度蒸発させ
る。前工程にて得られた乾燥体を脱脂した後、更にそれ
をアルゴン等の不活性雰囲気下にて焼成する。すると、
炭化珪素等の焼結が進行する一方で発泡樹脂が燃焼消失
するため、結果としてフォーム状構造を持つフィルタ１
０が得られることとなる。なお、フォーム状構造を有す
るフィルタ１０の製造方法の利点としては、作製困難な
大型のものでも押出成形等によって比較的容易に得るこ
とができることである。

【００４２】また、混練物を所定形状に保持するための
手段は、上記の発泡樹脂のみに限られるわけではない。
つまり、連続気孔を有しかつ所定の温度によって燃焼し
得るものであれば、保持手段として使用することが可能
である。

【００４３】（ｂ）フィルタの構造としては、前述した
ハニカム構造やフォーム状構造以外にも、例えば三次元
網目構造、ヌードル状、ファイバー状等を採用すること
が勿論可能である。

【００４４】（ｃ）図６に示されるように、例えば８個
の断面略正方形状のフィルタ３と、４個の断面略二等辺
三角形状のフィルタ１２とからなる排気ガスフィルタ１
１とを組み合わせることにより、１つのフィルタ１１を
構成しても良い。このような構成であると、あまり大き
くないフィルタ３，１２を用いて、全体として大型のフ
ィルタ１１を得ることができる。

【００４５】なお、フィルタ３，１２の組み合わせは図
６に示したもののみに限られず、使用するフィルタ３，
１２の数なども勿論変更することが可能である。また、
ハニカム構造のフィルタ３，１２に代え、フォーム状構
造のフィルタ１０を用いても良い。

【００４６】（ｄ）本発明のフィルタ３，１０，１２
は、必ずしも自己発熱型として使用しなくても良い。つ
まり、バーナーやヒータ等のような外部の発熱手段によ
って加熱される被加熱型のものとして使用しても勿論良
い。

【００４７】（ｅ）自己発熱用の電極５を金属メタライ
ズやスパッタリング等の方法によって作製することがで
きる。また、その際に使用される金属として、白金の以
外の高融点金属を選択しても勿論良い。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
排気ガス中に含まれる微粒子の捕集に好適な気孔を有
し、しかも小さな電圧を印加することによって充分に自
己発熱させることができるという優れた効果を奏する。
排気ガスフィルタを、確実かつ容易に製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】排気ガスフィルタを示す斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線における一部破断拡大断面図で
ある。

【図３】図２のＢ−Ｂ線における拡大断面図である。

【図４】排気ガス浄化装置を示す概略断面図である。

【図５】フォーム状構造を持つ別例１の排気ガスフィル
タを示す斜視図である。

【図６】複数のフィルタによって構成される別例２の排
気ガスフィルタを示す斜視図である。

【符号の説明】

Ｅ…内燃機関としてのディーゼルエンジン、３，１０，
１２…フィルタ、４…両端部、５…（自己発熱用）電
極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０１Ｎ 3/02 ＺＡＢＦ０１Ｎ 3/02 ＺＡＢ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】以下の（ａ）〜（ｄ）のシークエンスから
なる排気ガスフィルタの製造方法：（ａ）炭化珪素を除く炭化物、窒化物、ホウ化物及び酸
化物のうちから選択される少なくとも一種の添加剤粉末
の表面を、撥水性のある有機樹脂によって被覆する工
程、（ｂ）α型炭化珪素粉末、β型炭化珪素粉末またはそれ
らの混合粉末と前記添加剤とを乾式混合した後、その混
合物に有機バインダと水とを加えて混練する工程、（ｃ）前記（ｂ）工程にて得られた混練物を多孔質形状
に成形または保持した後にその乾燥を行う工程、（ｄ）前記（ｃ）工程にて得られた乾燥体を脱脂した
後、更にそれを不活性雰囲気下にて焼成する工程。
【請求項２】前記（ｃ）工程において、前記混練物を発
泡樹脂に含浸させることによりその混練物を所定の多孔
質形状に保持し、この状態で乾燥を行うことを特徴とす
る請求項１に記載の排気ガスフィルタの製造方法。
【請求項３】前記撥水性のある有機樹脂は、分子内に疎
水基と窒素とを含有する樹脂であることを特徴とする請
求項１または請求項２に記載の排気ガスフィルタの製造
方法。