JP3971215B2 - 排ガス浄化用フィルター - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルターに代表される、排ガス中の固体微粒子（パティキュレート）を除去するために使用される排ガス浄化用フィルターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばディーゼルエンジンから排出される燃焼排ガスより炭素を主成分とする固体微粒子を除去するために、多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫通孔を有するハニカム構造体の所定の貫通孔の一端部を目封じするとともに、残りの貫通孔の他端部を目封じすることにより、貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とした排ガス浄化用フィルター（以下、単に「フィルター」という）が使用されている。
【０００３】
図６は、フィルター端面の目封じ状態を示す模式図であり、フィルターの端面が市松模様状を呈するように、隣接する貫通孔（セル）３において、互いに反対側となる端部に目封じ材を充填してなる目封じ部１０を交互に形成し、貫通孔（セル）３を閉塞している状態を示している。また、図５は、従来の排ガス浄化用フィルターの目封じ構造を示す模式図であり、貫通孔（セル）３の一端部と残余の貫通孔（セル）３の他端部に目封じ部１０が形成されることによって、貫通孔（セル）３を仕切る隔壁２が濾過層の役割を担っている。
【０００４】
近年のディーゼルエンジンの技術進歩、特に燃料の高噴射化に起因し、ディーゼルエンジンから排出される固体粒子の微粒化が進んでおり、このように細かな固体微粒子を捕捉するために用いられるＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）の開発に期待が高まっている。
【０００５】
また、環境問題への関心が高まるとともに、排ガス規制も強化されつつあり、前述の固体微粒子をより効果的に捕捉することが可能である、高気孔率、薄壁等の特性を有するフィルターの開発が急ピッチで進められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、隔壁の高気孔率・薄壁化を実現する反面、隔壁の強度も同時に低下する傾向にあるため、微弱な衝撃負荷によっても欠損、ひび割れ等の不具合が生じ易くなるといった弊害が起こり易い。このため、製品の梱包、輸送をはじめとして、取り付け加工等の製品の取り扱い場面においても細心の注意を払う必要性がある。
【０００７】
特に、図５における目封じ材が充填された目封じ部１０と、目封じ材が充填されていない貫通孔（セル）３との境界にひび割れを生ずる場合があり、それにともなって目封じ部の欠損、脱落等の不具合を生ずる場合が多い。これは、目封じ部１０と貫通孔（セル）３との強度差に起因した現象であると推測されるが、隔壁２の高気孔率・薄壁化にともなってこのような問題が顕在化しており、その具体的な対応策が求められている。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高気孔率、薄壁といった特性を有しながらも、梱包、輸送、取り扱いの際において目封じ部の欠損、脱落等の不具合を生じ難い排ガス浄化用フィルターを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫通孔を有するハニカム構造体の所定の貫通孔の一端部と、残余の貫通孔の他端部に目封じ部を形成することにより、前記貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とした排ガス浄化用フィルターであって、前記排ガス浄化用フィルターの中心部における前記貫通孔の目封じ長さが、前記排ガス浄化用フィルターの外周部における前記貫通孔の目封じ長さに比して徐々に短く形成されてなるとともに、前記目封じ部の中心部における目封じ長さが、前記目封じ部の外周部における目封じ長さに比して徐々に短く形成されてなることを特徴とする排ガス浄化用フィルターが提供される。
【００１２】
上述してきた本発明のハニカム構造体は、コージェライト、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、ＬＡＳ（リチウムシリケート）及び炭化珪素よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなることが好ましい。
【００１３】
また、本発明においては、触媒が担持されていることが好ましく、更にこの触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｋ、Ｂａ、Ｌｉ、及びＮａからなる群より選択される少なくとも一種を含む触媒であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００１５】
本発明の排ガス浄化用フィルターは、多孔質セラミック材料よりなる多数の貫通孔を有するハニカム構造体の所定の貫通孔の一端部を目封じするとともに、残りの貫通孔の他端部を目封じすることにより、貫通孔を仕切る隔壁を濾過層としたものである。目封じは従来公知のディーゼルパティキュレートフィルターと同様、図６に示すように、その端面が市松模様状を呈するように、隣接する貫通孔（セル）３において、互いに反対側となる端部に目封じ材を充填してなる目封じ部１０を交互に形成し、貫通孔（セル）３を閉塞させることが好ましい。
【００１６】
このようなフィルターの一端面より排ガスを通気させると、固体微粒子を含む排ガスは、この一端面側の端部が封じられていない貫通孔よりフィルター内部に流入し、多孔質の隔壁を通過して、フィルターの他端面側の端部が封じられていない他の貫通孔に入る。そして、この隔壁を通過する際に排ガス中の固体微粒子が隔壁に捕捉され、固体微粒子を除去された浄化後の排ガスがフィルターの他端面より排出される。
【００１７】
図１は、排ガス浄化用フィルターの一例を示す模式図であり、貫通孔（セル）３の一端部と残余の貫通孔（セル）３の他端部に目封じ部１０が形成されている状態を示している。このようなフィルターは、目封じ部１０毎の目封じ長さが不均一となるように構成されている。即ち、目封じ材が充填された目封じ部１０と、目封じ材が充填されていない貫通孔（セル）３との境界が貫通孔（セル）毎に不均一となっている。従って、この境界にひび割れが生じ難く、それにともなって目封じ部の欠損、脱落等の不具合が生じ難いといった効果を奏する。
【００１８】
次に、本発明に係るフィルターの一実施形態を説明する。本発明のフィルターは、目封じ部の中心部における目封じ長さが、目封じ部の外周部における目封じ長さに比して徐々に短く形成されていることを特徴の一つとしている。
図３は、本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の一実施形態を示す模式図であり、貫通孔（セル）３の一端部に、目封じ部の中心部Ｘにおける目封じ長さが、同じ目封じ部の外周部Ｙにおける目封じ長さに比して徐々に短く形成されている状態を示している。
【００１９】
なお、ここでいう目封じ部の「外周部」とは、貫通孔と平行方向にフィルターの端面を観察した場合、貫通孔を構成する隔壁に当接する部分とその近傍を意味し、また、目封じ部の「中心部」とは、貫通孔の中央に近く、前記「外周部」よりも内側の部分を意味する。
【００２０】
このように、本実施形態のフィルターは、目封じ材が充填された目封じ部１０と、目封じ材が充填されていない貫通孔（セル）３との境界においてフィルターの強度が徐々に変化するように構成されている。従って、この境界にひび割れが生じ難く、それにともなって目封じ部の欠損、脱落等の不具合が生じ難いといった効果を奏する。
【００２１】
図４は、本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の他の実施形態を示す模式図であり、貫通孔（セル）３の一端部に、目封じ部の中心部Ｘにおける目封じ長さが、同じ目封じ部の外周部Ｙにおける目封じ長さに比して徐々に短く形成されている状態であって、目封じ材が充填されていない部分の形状を錐形とした一例である。このように、目封じ部の形状を変化させた場合においても、上述してきた目封じ部の欠損、脱落等の不具合が生じ難いといった同等の効果を奏することはいうまでもない。
【００２２】
図２は、排ガス浄化用フィルターの他の例を示す模式図であり、図１の場合と同様に、貫通孔（セル）３の一端部と残余の貫通孔（セル）３の他端部に目封じ部１０が形成されている状態を示しているが、本実施形態においては、ハニカム構造体の中心部Ａにおける貫通孔３の目封じ長さが、ハニカム構造体の外周部Ｂにおける貫通孔３の目封じ長さに比して徐々に短く形成されている。即ち、このような実施形態とすることによって、目封じ材が充填された目封じ部１０と、目封じ材が充填されていない貫通孔（セル）３との境界が貫通孔（セル）毎に不均一となるため、この境界にひび割れが生じ難く、それにともなって目封じ部の欠損、脱落等の不具合が生じ難いといった効果を奏する。
【００２３】
なお、本発明にいうハニカム構造体の「外周部」とは、図６において示す、貫通孔と平行方向にハニカム構造体（排ガス浄化用フィルター１）の端面を観察した場合におけるハニカム構造体（排ガス浄化用フィルター１）の外周壁２０の近傍のことであり、また、ハニカム構造体の「中心部」とは、前記「外周部」よりも内側の部分のことである。
【００２４】
このようなフィルターの一端面よりディーゼルエンジンの排ガスを通気させると、排ガスは、この一端面側の端部が封じられていない孔よりフィルター内部に流入し、多孔質の隔壁を通過して、構造体の他端面側の端部が封じられていない他の孔に入る。そして、この隔壁を通過する際に排ガス中の固体微粒子が隔壁に捕捉され、固体微粒子を除去された浄化後の排ガスがフィルターの他端面より排出される。
【００２５】
なお、捕捉された固体微粒子が隔壁上に堆積してくると、目詰まりを起こしてフィルターとしての機能が低下するので、定期的にヒーター等の加熱手段でフィルターを加熱して固体微粒子を燃焼除去し、フィルター機能を再生させるようにするが、この再生時の固体微粒子の燃焼を促進するために、フィルターに触媒を担持させてもよい。このような触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｋ、Ｂａ、Ｌｉ、及びＮａからなる群より選択される少なくとも一種を含む触媒であることが、効率的なフィルター機能の再生を図るといった観点から好ましい。
【００２６】
また、本発明のような市松模様状にセルを目封じしたハニカム構造のフィルターの場合、流入側に開口したセルと排出側に開口したセルの両方にセラミック粒子層がコーティングされていても構わないが、排ガス中の固体微粒子は前者に蓄積されるため、前者のみにコーティングすることも、コーティングによる圧力損失上昇を最小限に抑える観点からは好ましいことである。
【００２７】
本発明のフィルターの主体をなすハニカム構造体の構成材料としては、コージェライト、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、ＬＡＳ及び炭化珪素よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料であることが好ましい。コージェライト、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム及びＬＡＳは熱膨脹率が低いため、これらよりなる群から選ばれた一種の材料、又はこれらの材料を二種以上混合した複合材料をハニカム構造体の構成材料として用いると、耐熱衝撃性に優れたフィルターが得られるからである。また、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム及び炭化珪素をハニカム構造体の構成材料として使用した場合は、融点が高いため、耐熱性に優れたフィルターが得られる。ハニカム構造体の貫通孔（セル）の目封じに用いる目封じ材は、ハニカム構造体の構成材料と一致させると、両者の熱膨張率が一致するため好ましい。
【００２８】
なお、本発明に係るフィルターは、従来の目封じ部の構造を有するフィルターに比して梱包・輸送・取り扱い中において、目封じ部の欠損、脱落等の不具合を生じ難い。従って、フィルター製造後の保守にかかるコストも低減されるといった効果を奏する。
【００２９】
次に、本発明のフィルターの詳細を、その製造方法を例に挙げて説明する。
ハニカム構造を有するフィルターは、押出成形方法によってその基本構造を形成する。ここでいう基本構造とは、セル構造、即ちリブ厚み、セル密度、径、及び、長さのことであり、これらを押出成形時に形成する。一般的には成形時の寸法と焼成後の寸法の比率を考慮して、焼成後に所望の寸法を達成できるように成形を行えばよい。
【００３０】
こうして得られたハニカム構造成形体を適当な条件下で加熱乾燥した後、フィルター機能を付与するための目封じを行う。なお、目封じは成形乾燥後に行う場合と焼成後に行う場合があるが、いずれの場合であってもよい。
【００３１】
次に、一般的な目封じ材の充填方法の一例を説明する。ハニカム構造体の端面に市松模様状に開口した薄膜フィルムを貼り付け、端面からスラリー状の目封じ材に浸漬してフィルム開口部に相当するハニカムの貫通孔にスラリーを進入させることで目封じ材を充填する。目封じ長さは、ハニカム構造体をスラリーに浸漬する深さで制御すればよい。
【００３２】
目封じ材を、全ての貫通孔について一様な長さに充填するためには、前述の通り、一度のフィルム貼り付けとスラリーの浸漬で可能であるが、図２に示すような構造のフィルターを得るためには２回以上の浸漬作業を行えばよい。即ち、２回以上の浸漬を行う場合は、例えばハニカム構造体の端面の中心部と外周部の二種以上の開口パターンを有する薄膜フィルムを用意し、これを使用して、浸漬深さを変えることで目封じ長さの分布を有するハニカム構造のフィルターを得ることができる。
【００３３】
その他の方法としては、フィルム開口部の面積を、中央部は小さく、周辺部は大きしてスラリーの貫通孔に流れ込む量を制御することによっても、目封じ長さの分布を有するハニカム構造のフィルターを得ることができる。
【００３４】
また、図３、４に示す目封じ部構造とするためには、ハニカム構造体の端面に市松模様状に開口したゴム膜を貼り付け、端面からスラリー状の目封じ材を流し込めばよく、その際に、ゴム膜の開口面積を変えることで各セルに流れ込むスラリー量を調整することが可能であり、これにより目封じ部構造を図３、４に示す構造とすることができる。
【００３５】
【実施例】
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。
【００３６】
（参考例１〜１０）
従来公知の方法により坏土を作製し、押出成形法により、直径１４５ｍｍ、長さ１５２ｍｍ、壁厚０．３１ｍｍ、及び、セル密度３００セル／平方インチであるハニカム構造に成形した。次に、得られた成形体を乾燥後、開口パターンの異なる複数枚の薄膜フィルムを用いて、本体と同材質の目封じ材にて、表１に示す目封じ長さ分布を有するように貫通孔の端部を封止し、これを１４００℃で焼成することによって、コージェライト製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。なお、表１における「目封じ長さ（ｍｍ）」とは、貫通孔と平行方向にフィルターの端面を観察したとき、中央部を（Ａ）、中央部から２４ｍｍの位置を（Ｂ）、中央部から４８ｍｍの位置を（Ｃ）、最外周部を（Ｄ）とした場合の、各部における目封じ長さのことを意味する。なお、表１において、フィルターの気孔率（％）、及び平均細孔径（μｍ）は水銀圧入法により測定した値である。
【００３７】
（参考例１１〜１３）
前記参考例１〜１０の場合と同様の手順により、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、ＬＡＳ製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。
【００３８】
（参考例１４、１５）
前記参考例１〜１０の場合と同様の手順により、ガラス結合ＳｉＣ製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。
なお、ＳｉＣ材料は焼成によりその焼結体を得ることができるが、一般的にはその焼成温度は高く、２０００℃以上である。一方、純粋なＳｉＣ原料にガラス形成材料を加えて焼成した場合、ガラスの軟化温度が低く低温での焼成が可能となり、得られる焼結体の微構造は、原料ＳｉＣがガラス相で部分的に結合された二相構造の多孔体である。本実施例においては、原材料となるＳｉＣに、コージェライト質の原料を１５質量％加えて用いることにより、ガラス結合ＳｉＣ製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。
【００３９】
（実施例１、２）
複数枚の前記薄膜フィルムに代えて、この薄膜フィルムに比して開口面積が小さい開口部を有する、開口パターンの異なる複数枚のゴム膜を用いること以外は、前記参考例１〜１０の場合と同様の手順により、コージェライト製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。
【００４０】
（比較例１〜５）
全ての貫通孔について目封じ長さを同一とすること以外は、実施例１〜１０の場合と同様の方法によって、コージェライト製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。
【００４１】
（比較例６〜８）
全ての貫通孔について目封じ長さを同一とすること以外は、実施例１１〜１３の場合と同様の方法によって、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、及びＬＡＳ製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。
【００４２】
（比較例９、１０）
全ての貫通孔について目封じ長さを同一とすること以外は、実施例１４、１５の場合と同様の方法によって、ガラス結合ＳｉＣ製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。
【００４３】
（衝撃強度試験）
参考例１〜１５、実施例１、２、及び比較例１〜１０の各フィルターについて、図７に示すように、シャルピー試験機のハンマー１５を利用してフィルター１の端部１６に対して、側面方向に衝撃を加えた。衝撃後のフィルターを目視観察して、損傷程度、即ち、ダメージを評価した。結果を表１に示す。なお、評価基準は、損傷が生じなかった場合を「◎」、微少であった場合を「○」、中程度であった場合を「△」、著しかった場合を「×」として、表１中の、「衝撃に対するダメージの評価」に記載した。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１に示す結果から明らかなように、本発明に係る実施例のフィルターは、比較例のフィルターに比して、端部、即ち目封じ部への衝撃に対するダメージが少なく、本発明の優位性を確認することができた。
また、コージェライト以外の材料として、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、ＬＡＳ、及びガラス結合ＳｉＣを用いて作製した場合であっても、優れた耐衝撃性を有するフィルターであることを確認できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排ガス浄化用フィルターによれば、その目封じ部を所定の構造としているために、高気孔率、薄壁であるといった特性を有しながらも、従来の目封じ部の構造を有する排ガス浄化用フィルターに比して梱包・輸送・取り扱い中において、目封じ部の欠損、脱落等の不具合を生じ難いといった効果を奏する。また、梱包・輸送・取り扱い等のフィルターの保守にかかるコストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排ガス浄化用フィルターの一例を示す模式図である。
【図２】 排ガス浄化用フィルターの他の例を示す模式図である。
【図３】 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の一実施形態を示す模式図である。
【図４】 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の他の実施形態を示す模式図である。
【図５】 従来の排ガス浄化用フィルターの目封じ構造を示す模式図である。
【図６】 フィルター端面の目封じ状態を示す模式図である。
【図７】 衝撃強度試験の実施方法を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…排ガス浄化用フィルター、２…隔壁、３…貫通孔（セル）、１０…目封じ部、１５…ハンマー、１６…端部、２０…外周壁、Ａ…ハニカム構造体の中心部、Ｘ…目封じ部の中心部、Ｂ…ハニカム構造体の外周部、Ｙ…目封じ部の外周部。

Claims (4)

1. 多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫通孔を有するハニカム構造体の所定の貫通孔の一端部と、残余の貫通孔の他端部に目封じ部を形成することにより、前記貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とした排ガス浄化用フィルターであって、
   前記排ガス浄化用フィルターの中心部における前記貫通孔の目封じ長さが、前記排ガス浄化用フィルターの外周部における前記貫通孔の目封じ長さに比して徐々に短く形成されてなるとともに、
   前記目封じ部の中心部における目封じ長さが、前記目封じ部の外周部における目封じ長さに比して徐々に短く形成されてなることを特徴とする排ガス浄化用フィルター。
2. 前記ハニカム構造体が、コージェライト、リン酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、ＬＡＳ及び炭化珪素よりなる群より選択される少なくとも一種の材料からなる請求項１に記載の排ガス浄化用フィルター。
3. 触媒が担持されている請求項１又は２に記載の排ガス浄化用フィルター。
4. 前記触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｋ、Ｂａ、Ｌｉ、及びＮａからなる群より選択される少なくとも一種を含む触媒である請求項３に記載の排ガス浄化用フィルター。

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