JP5242178B2

JP5242178B2 - スペーサー付ハニカムセグメント、及びハニカム構造体

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Publication number: JP5242178B2
Application number: JP2008007939A
Authority: JP
Inventors: 博之真藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: EP2080548A1; US8202602B2; JP2009167058A; US20090186188A1

Description

本発明は、スペーサー付ハニカムセグメント、及びハニカム構造体に関する。

環境改善、公害防止等のため、排ガス用の捕集フィルタとしてハニカム構造体が多用されている。現在、例えば、ＳｉＣ製ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）は熱衝撃による割れを防止するために分割した１６個の基材（ハニカムセグメント）を接合材（セラミックスセメント）で接合し一体化して作製している（例えば、特許文献１参照）が、接合層の厚さ（接合幅）がばらつくために、その特性にもばらつきが生じ、耐熱試験時に特性の低い箇所に割れが生じる問題があった。

そのため、接合層の厚さを安定させる為に「スペーサー」を用いてハニカムセグメントを接合する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−７４５５号公報特開２００２−１０２６２７号公報

しかしながら、この方法では、セグメントの形状が曲がっている場合などは、依然として端面の接合幅がばらつき、ハニカム構造体としての開口率がばらついていた。また、ハニカムセグメントの接合時に、スペーサーが潰れやすい、ハニカムセグメントどうしの位置ずれが発生しやすいという問題があった。

本発明の課題は、ハニカムセグメント間の接合層の厚さを所望の厚さとし、ハニカムセグメントの接合時のずれを防止し、寸法不良が少ないハニカム構造体を形成することのできるスペーサー付ハニカムセグメント、及びそのスペーサー付ハニカムセグメントによって構成されたハニカム構造体を提供することにある。

本発明者は、ハニカムセグメントの外周壁の外周面に、外周面の一方の長辺から他方の長辺へ、その中心を経由する経路長の３０〜８０％を占めるような長さを有するスペーサーを形成することにより、接合材のはみだしを抑えることができ、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下のスペーサー付ハニカムセグメント、及びハニカム構造体が提供される。

［１］多孔質の隔壁によって区画された軸方向に延びる流体の流路となる複数のセルを有し、外周壁の一つの外周面の、前記軸方向の一方の端面から前記軸方向に所定の領域内に、かつ、前記軸方向の他方の端面から前記軸方向に所定の領域内に、それぞれスペーサーが前記外周面に固定されて備えられ、前記スペーサーは、前記外周面の一方の長辺から他方の長辺へ、その中心を経由する経路長の３０〜８０％を占めるように形成され、かつ、前記軸方向の一方の端面から前記軸方向に前記長辺の２０％以内の前記領域内に、他方の端面から前記長辺の２０％以内の前記領域内に形成されているスペーサー付ハニカムセグメント。

［２］前記スペーサーは、一つの前記領域内において短辺方向に沿って設けられており、前記短辺方向において、その短辺方向に占める長さが、前記短辺の長さの３０〜８０％である前記［１］に記載のスペーサー付ハニカムセグメント。

［４］前記［１］または［２］に記載のスペーサー付ハニカムセグメントを積層して形成したハニカム構造体。

ハニカムセグメントの外周壁の一つの外周面の一方の端面側と他方の端面側のそれぞれに、スペーサーを、外周面の一方の長辺から他方の長辺へ、その中心を経由する経路長の３０〜８０％を占めるように形成することにより、接合材のはみだしを抑えることができ、一定の接合幅でハニカムセグメントを積層することができる。そして、接合層の均一なハニカム構造体を作製することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１に、スペーサー１１が形成されたハニカムセグメント１０を示す。ハニカムセグメント１０は、セラミックによって形成され、外周壁７と、外周壁７の内側に形成された隔壁２と、隔壁２により仕切られた複数のセル３とを有する。ハニカムセグメント１０の外周壁７の外周面７ｓにスペーサー１１を形成し、複数のハニカムセグメント１０を接合することにより、図８に示すハニカム構造体１とされる。

図１に示す本発明のスペーサー付ハニカムセグメント１０は、多孔質の隔壁２によって区画された軸方向に延びる流体の流路となる複数のセル３を有する。本発明のハニカムセグメント１０を接合したハニカム構造体１をフィルタとして用いる場合には、一部のセル３がハニカムセグメント１０の端面８において目封じされていることが好ましい。特に、隣接するセル３が互いに反対側となる端面８において交互に目封じされており、端面８が市松模様状に目封じされていることが好ましい。この様に目封じすることにより、例えば一の端面８から流入した被処理流体は隔壁２を通って、他の端面８から流出し、被処理流体が隔壁２を通る際に多孔質の隔壁２がフィルタの役目をはたし、目的物を除去することができる。

ハニカムセグメント１０には、その外周壁７の一つの外周面７ｓの軸方向の一端側と他端側の両端面位置より軸方向内側の所定の領域内に、それぞれのスペーサー１１が備えられている。そして、スペーサー１１は、外周面７ｓの一方の長辺７ｘから他方の長辺７ｘへ、その中心を経由する経路長の３０〜８０％を占めるように形成されている。スペーサー１１は、一つの領域内に１個または複数個設けられており、図１の実施形態は２個形成された例である。図１の実施形態では、スペーサー１１が短辺７ｙに沿った方向に並んで配置されているため、短辺７ｙの長さａに対して、スペーサー１１の短辺方向の長さｂ_１＋ｂ_２がａの３０〜８０％となるように形成されている。またスペーサー１１が形成される位置は、一端側と他端側の両端面位置より軸方向内側の所定の領域内であるが、具体的には、軸方向の一方の端面から軸方向に長辺の２０％以内の領域内に、他方の端面から長辺の２０％以内の領域内に形成されている。つまり、図１のＳが長辺７ｘの長さＬの２０％であり、それよりも端面側にスペーサー１１が形成されている。端面近傍にスペーサー１１を配置すると、セグメントの曲がり等、形状の影響を受けにくくなるため接合幅を安定して形成することができる。

なお、スペーサー１１は、外周面の一方の長辺から他方の長辺へ、その中心を経由する経路長の３０〜８０％を占めるように形成されれば、形状は問わない。図１のスペーサー１１は、円柱状に形成されている（図７参照）。図２に、四角柱状のスペーサーが一つの領域内に３つ形成された例を示す。図２の場合は、３つのスペーサー１１の短辺方向の長さｂ_１＋ｂ_２＋ｂ_３が短辺の長さａの３０〜８０％であればよい。

スペーサー１１は、支えとして機能するとともに、生産が容易という点から、１〜３個程度形成されるのが好ましいが、１個の場合は、支えとして弱く平行が出しにくいため２個以上が好ましく、生産性の観点からは、２個以下が好ましいため、２個形成するのが最も好ましい。

また、スペーサー１１が短辺７ｙに沿った方向に並んで形成されていない場合の経路長の考え方を説明する。図９に示すように、経路長は、外周面７ｓの一方の長辺７ｘから他方の長辺７ｘへ、スペーサー１１の中心を経由し、長さが最短となる経路の長さとする。すなわち、スペーサー１１の中心ｍ_２，ｍ_３，ｍ_４を経由し、ｍ_２から長辺７ｘへの垂線を引いてｍ_１、ｍ_４から長辺７ｘへ垂線を引いてｍ_５とし、ｍ_１〜ｍ_５を結んだ経路の長さを経路長と考える。そして、その経路上のスペーサー１１の占める長さ（図の太線部分ｂ_１＋ｂ_２＋ｂ_３）が、経路長の３０〜８０％となるようにスペーサー１１を形成する。また、図１０に示すように、スペーサー１１が長辺方向に沿って並んだ場合も、経路長は、外周面の一方の長辺７ｘから他方の長辺７ｘへ、スペーサー１１の中心を経由し、長さが最短となるよう考えればよい。このような経路長に対するスペーサー１１の長さ（スペーサー比率）を考えるのは、このスペーサー比率が、接合材の流動性に影響するからである。すなわち、経路長に対するスペーサー１１の割合が小さければ、接合材の流動する隙間が大きいことを意味し、経路長に対するスペーサー１１の割合が大きければ、接合材の流動する隙間が小さいことを意味する。

また、図１１に示すように、長辺方向に並んでスペーサー１１ｂ，１１ｄが形成された場合は、流動抵抗に対して支配的なスペーサー１１を通過する経路を考えればよい。すなわち、スペーサー１１の大きさが異なる場合には、一番面積が大きいスペーサー１１のみを通る経路を考えればよい。図１１においては、長辺方向に並んで配置されているスペーサー１１ｂとスペーサー１１ｄでは、スペーサー１１ｄは、小さく流動抵抗に寄与しないため、スペーサー１１ａ、スペーサー１１ｂ、スペーサー１１ｃを通過する経路を考え、その経路上のスペーサー１１ａ，１１ｂ，１１ｃの占める長さ（図の太線部分ｂ_１＋ｂ_２＋ｂ_３）が、経路長の３０〜８０％となるようにスペーサー１１を形成する。

さらに、図１２に示すように、長辺方向に並んで、同じ大きさのスペーサー１１ｂ，１１ｄ，１１ｅが形成された場合は、経路が最も短くなる部分が律速となるため、その部分のみで考えればよい。つまり、図１２においては、経路が最も短くなるスペーサー１１ａ、スペーサー１１ｂ、スペーサー１１ｃを通過する経路を考え、その経路上のスペーサー１１ａ，１１ｂ，１１ｃの占める長さ（図の太線部分ｂ_１＋ｂ_２＋ｂ_３）が、経路長の３０〜８０％となるようにスペーサー１１を形成する。

図３及び図４に、図１のハニカムセグメント１０の軸方向に垂直な平面で切断した断面図を示す（セル３は省略して描かれている）。図１に示す実施形態のハニカムセグメント１０には、外周壁７の１つの外周面７ｓにおいて、軸方向の両端側にそれぞれ２つのスペーサー１１が形成されており、図３に示すように４つのスペーサー１１が４つの外周面７ｓ、または、図４に示すように、隣接する２つの外周面７ｓのそれぞれに形成されている（なお、スペーサー１１の数は、本実施形態に限られない）。

本発明において、ハニカムセグメント１０は、セラミック材料によって形成することができるが、強度、耐熱性等の観点から、コーディエライト、ＳｉＣ、アルミナ、ムライト、窒化珪素、燐酸ジルコニウム、アルミニウムチタネート、ジルコニア、チタニア及びこれらの組み合わせによりなる群から選ばれるセラミックスであることが好ましい。或いは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属、ニッケル系金属、金属珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）のいずれかを含んで形成することもできる。

本発明のハニカムセグメント接合体１ａをＤＰＦに用いる場合には、耐熱性を高くするという点から、炭化珪素又は珪素−炭化珪素系複合相を用いることが好ましく、また、熱膨張係数を低く、良好な耐熱衝撃性を示すようにする点からはコージェライトを用いることが好ましい。また、本発明において、ハニカムセグメント接合体１ａが金属珪素（Ｓｉ）と炭化珪素（ＳｉＣ）とからなる場合、ハニカムセグメント接合体１ａのＳｉ／（Ｓｉ＋ＳｉＣ）で規定されるＳｉ含有量が少なすぎるとＳｉ添加の効果が得られないため強度が弱く、５０質量％を超えるとＳｉＣの特徴である耐熱性、高熱伝導性の効果が得られない。Ｓｉ含有量は、５〜５０質量％であることが好ましく、１０〜４０質量％であることが更に好ましい。

上記原料にメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロース等のバインダー、有機造孔材、界面活性剤及び水等を添加して、可塑性の坏土を作製し、坏土を、例えば押出成形し、隔壁２により仕切られた軸方向に貫通する多数のセル３を有する四角柱形状のハニカム成形体を成形する。これを、例えばマイクロ波及び熱風などで乾燥した後、仮焼してバインダーや有機造孔材を除去し、その後焼成することにより、ハニカムセグメント１０を製造することができる。

また、セル３が端面８において目封じされている場合の目封じ部は、上述の隔壁２の主結晶相に好適なものとして挙げたものの中から選ばれる少なくとも１種の結晶相を主結晶相として含むことが好ましく、ハニカムセグメント１０の主結晶相と同様の種類の結晶相を主結晶相として含むことが更に好ましい。

次に、スペーサー付ハニカムセグメント１０の製造方法、及びそれを接合した形成されたハニカム構造体１の製造方法を説明する。

まず、スペーサー１１が形成される前のハニカムセグメントを以下のように製造する。ハニカムセグメントの原料粉末として、前述の好適な材料、例えば炭化珪素粉末を使用し、これにバインダー、例えばメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロースを添加し、さらに界面活性剤及び水を添加し、可塑性の坏土を作製する。この坏土を押出成形により、例えば図１に示されるようなハニカムセグメント（スペーサー１１のない状態）を成形する。すなわち、多孔質の隔壁２によって区画された軸方向に延びる流体の流路となる複数のセル３を有するハニカムセグメント１０を形成する。

これら複数のハニカムセグメント１０を、例えばマイクロ波及び熱風で乾燥後、その端面８に、接合材によるセル３の目詰まりを防止するための目詰まり防止用テープ（マスクテープ）を貼付し、外周面７ｓに、例えば坏土と同じ組成のスペーサー形成材を塗布し、図１〜４のようにスペーサー１１を形成する。具体的には、ハニカムセグメント１０の外周壁７の外周面７ｓの軸方向の一端側と他端側の両端面位置より軸方向内側の前述の領域内に、スペーサー１１とされる非固化状態のスペーサー形成材を付着させ、スペーサー形成材を固化させ、経路長の３０〜８０％の長さを有するスペーサー１１を形成する。

このようにスペーサー１１を形成することにより、ハニカムセグメント１０の接合層５の厚さを一定にして、ハニカムセグメント１０を接合しハニカム構造体を製造することができる。

図５は、本発明の一実施形態としてのハニカムセグメント接合体１ａの接合方法を示す。このハニカムセグメント接合体１ａは、隔壁２により仕切られ軸方向に貫通する多数のセル３を有するセラミック多孔質体のハニカムセグメント１０が、接合層５を介して複数個結束されて構成される。

具体的には、図５に示すように、縦受板２０と横受板２１とにより、Ｌ字状断面に形成された収容エリアＡ内にハニカムセグメント１０の各々が、各々の外周壁７を接合面として、その接合面間に接合層５を介在させて積層される。この積層は、２面を縦受板２０および横受板２１に沿わせて行われる。

接合層５の接合材は、無機粒子、無機接着剤を主成分とし、副成分として、有機バインダー、界面活性剤、発泡樹脂、水等を含んで構成される。無機粒子としては、板状粒子、球状粒子、塊状粒子、繊維状粒子、針状粒子等を利用でき、無機接着剤としては、コロイダルシリカ（ＳｉＯ_２ゾル）、コロイダルアルミナ（アルミナゾル）、各種酸化物ゾル、エチルシリケート、水ガラス、シリカポリマー、りん酸アルミニウム等を利用できる。主成分としてはハニカムセグメント１０の構成成分と共通のセラミックス粉を含むものが好ましく、また健康問題等からは、セラミックスファイバー等の繊維状粒子を含まないものが好ましく、板状粒子を含有する方が好ましい。板状粒子としては、例えば、マイカ、タルク、窒化ホウ素及びガラスフレーク等を利用することができる。この接合材をハニカムセグメント１０の接合面に付着させることにより接合層５を形成することができる。この接合層５の形成は、積層前のハニカムセグメント１０に対して行ってもよく、あるいは既に積層されているハニカムセグメント１０の露出している接合面に対して行ってもよい。また積層は、ハニカムセグメント１０を１個ずつ積み重ねることにより行われる。

そして、図５に示すように、ハニカムセグメント１０を所定の個数（本実施形態では、１６個）積層後、最外層に位置するハニカムセグメント１０を介して全体を同時に矢印Ｆ１およびＦ２方向に本加圧する。このときの本加圧は、積層体の２面が縦受板２０および横受板２１で覆われているので、他の２面の全体を同時に矢印Ｆ１およびＦ２方向に本加圧する。このときの加圧動力は、エアシリンダ、あるいは油圧シリンダ等が用いられる。このようにハニカムセグメント１０を積層した場合でも、スペーサー１１が形成されているため、接合層が加圧によって潰れない。

また、従来は、図６に示すように、スペーサー１１が小さく、加圧時に接合材がはみ出すことにより、接合幅が不均一になっていたが、前述のように、スペーサー塗布量を増やし経路長の３０〜８０％の長さを有するスペーサー１１を形成することにより、図７に示すように、接合材のはみ出しを極力抑えることで接合幅を安定化することができる。つまり、一定量以上のスペーサーが存在することによって、端面方向への接合材の移動が遮蔽される効果により、接合幅を均一化することができる。一方、経路長の８０％を超える長さを有するスペーサー１１を形成すると、接合材の流動性が悪くなりすぎ、接合層が厚くなってしまう。

以上のようにして、ハニカムセグメント１０は、接合層５を介して複数個結束され、ハニカムセグメント接合体１ａとされる。そしてハニカムセグメント接合体１ａの外周の一部を除去して、コーティング材を塗布することにより、図８に示すように、ハニカム構造体１が製造される。なお、ハニカム構造体１を乾燥する際には、端面８の乾燥が遅くならないように、ハニカムセグメント１０の接合時に端面８に貼付したマスクテープは、剥離する。

以下、本発明を実施例に基づいてさら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を６列×６列積層し、平均細孔径２５μｍ、気孔率５８％のＳｉＣ−ＤＰＦ（容量２．５Ｌ、隔壁の厚さ１２ｍｉｌ、セル密度３００ｃｐｓｉ）を製造した。なお、積層のために形成したスペーサーは、ＳｉＣを主材料（４０質量％）とし、それに６０質量％のセラミックファイバーを加え、さらに、外配で１２質量％の造孔材、界面活性剤、水を加えたもので構成されるセラミックス製接着剤（スペーサー形成材）を使用した。スペーサー形成材は、１８０℃にて、４５秒間加熱して固化させ、厚さ（接合幅）の設計値が１．０ｍｍのスペーサーを外周壁のすべての外周面（４面）に形成した。

一側面（一つの外周面）につき４個（片端面２個ずつ）のスペーサーを円形状に配置し（図１参照）、セグメント片面、および両面に配置した場合について実験を行った。なお、片面に配置する場合のスペーサー厚みは１．０ｍｍ、両面に配置する場合は片面０．５ｍｍ（両面あわせて１．０ｍｍ）とした。また、スペーサーは、端面からの距離を変えて作製した。表１に、各種スペーサー配置方法で接合実験を実施し、接合幅を測定した結果を示す。

スペーサー比率が経路長の３０％以上では、片面・両面に関わらず所望の接合幅１．０ｍｍが安定して得られることがわかった。２０％以下（比較例１，２，４，５）では接合幅が１．０ｍｍを下回っており、実際に端面からの接合材のはみ出し量が増加した。一方で、スペーサー比率を９０％（比較例３，６）にすると、２つのスペーサーが重なってしまうため接合幅が１０％以上厚くなる傾向が見られた。したがって、スペーサー比率として適正な範囲は３０〜８０％であると考えられる。また、端面から外周面の長辺の２０％以内にスペーサーを形成した実施例では、接合幅を所望の接合幅に形成することができたのに対し、比較例７では、接合幅が大幅に減少してしまった。

内燃機関、ボイラー、化学反応機器及び燃料電池改質器等の担体又は排ガス中の微粒子捕集フィルタ等に用いられ、複数のハニカムセグメントにより構成されるハニカム構造体の製造方法として利用できる。

本発明のスペーサー付ハニカムセグメントの一実施形態を示す模式図である。本発明のスペーサー付ハニカムセグメントの他の実施形態を示す模式図である。ハニカムセグメントの軸方向に垂直な断面を示す断面図である。ハニカムセグメントの軸方向に垂直な断面を示す他の実施形態の断面図である。スペーサー付ハニカムセグメントの積層を示す模式図である。従来の接合材のはみ出しを説明する模式図である。本発明の接合材のはみ出しを説明する模式図である。本発明のスペーサー付ハニカムセグメントを積層して形成したハニカム構造体の一実施形態を示す斜視図である。経路の考え方を説明するための説明図である。経路の考え方を説明するための他の説明図である。長辺方向にスペーサーが並んで設けられた場合の経路の考え方を説明するための説明図である。長辺方向にスペーサーが並んで設けられた場合の経路の考え方を説明するための他の説明図である。

符号の説明

１：ハニカム構造体、１ａ：ハニカムセグメント接合体、２：隔壁、３：セル、５：接合層、７：外周壁、７ｓ：外周面、７ｘ：（外周面の）長辺、７ｙ：（外周面の）短辺、８：端面、１０：ハニカムセグメント、１１：スペーサー、２０：縦受板、２１：横受板。

Claims

多孔質の隔壁によって区画された軸方向に延びる流体の流路となる複数のセルを有し、外周壁の一つの外周面の、前記軸方向の一方の端面から前記軸方向に所定の領域内に、かつ、前記軸方向の他方の端面から前記軸方向に所定の領域内に、それぞれスペーサーが前記外周面に固定されて備えられ、
前記スペーサーは、前記外周面の一方の長辺から他方の長辺へ、その中心を経由する経路長の３０〜８０％を占めるように形成され、かつ、前記軸方向の一方の端面から前記軸方向に前記長辺の２０％以内の前記領域内に、他方の端面から前記長辺の２０％以内の前記領域内に形成されているスペーサー付ハニカムセグメント。
前記スペーサーは、一つの前記領域内において短辺方向に沿って設けられており、前記短辺方向において、その短辺方向に占める長さが、前記短辺の長さの３０〜８０％である請求項１に記載のスペーサー付ハニカムセグメント。
請求項１または２に記載のスペーサー付ハニカムセグメントを積層して形成したハニカム構造体。