JP2006061909A - セラミックフィルタ集合体 - Google Patents
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Abstract
【課題】フィルタ間の熱伝導が阻害されにくいため、均熱性に優れたセラミックフィルタ集合体を提供すること。
【解決手段】このセラミックフィルタ集合体9は、排気ガス浄化装置1の一部を構成する。セラミック集合体9は、α型炭化珪素焼結体からなる複数のフィルタF1の外周面同士をセラミック質シール材層15を介して接着することにより、各フィルタF1を一体化したものである。セラミック集合体は、断面円形状に外形カットされており、シール材層15の厚さt1は0.3mm〜5mmであり、かつその熱伝導率は0.1W/m・K〜10W/m・Kである。
【選択図】図2
【解決手段】このセラミックフィルタ集合体9は、排気ガス浄化装置1の一部を構成する。セラミック集合体9は、α型炭化珪素焼結体からなる複数のフィルタF1の外周面同士をセラミック質シール材層15を介して接着することにより、各フィルタF1を一体化したものである。セラミック集合体は、断面円形状に外形カットされており、シール材層15の厚さt1は0.3mm〜5mmであり、かつその熱伝導率は0.1W/m・K〜10W/m・Kである。
【選択図】図2
Description
本発明は、セラミック焼結体からなる複数のフィルタを接着して一体化した構造のセラミックフィルタ集合体に関するものである。
自動車の台数は今世紀に入って飛躍的に増加しており、それに比例して自動車の内燃機関から出される排気ガスの量も急激な増加の一途を辿っている。特にディーゼルエンジンの出す排気ガス中に含まれる種々の物質は、汚染を引き起こす原因となるため、現在では世界環境にとって深刻な影響を与えつつある。また、最近では排気ガス中の微粒子(ディーゼルパティキュレート)が、ときとしてアレルギー障害や***数の減少を引き起こす原因となるとの研究結果も報告されている。つまり、排気ガス中の微粒子を除去する対策を講じることが、人類にとって急務の課題であると考えられている。
このような事情のもと、従来より、多様多種の排気ガス浄化装置が提案されている。一般的な排気ガス浄化装置は、エンジンの排気マニホールドに連結された排気管の途上にケーシングを設け、その中に微細な孔を有するフィルタを配置した構造を有している。フィルタの形成材料としては、金属や合金のほか、セラミックがある。セラミックからなるフィルタの代表例としては、コーディエライト製のハニカムフィルタが知られている。最近では、耐熱性・機械的強度・捕集効率が高い、化学的に安定している、圧力損失が小さい等の利点があることから、多孔質炭化珪素焼結体をフィルタ形成材料として用いることが多い。
ハニカムフィルタは自身の軸線方向に沿って延びる多数のセルを有している。排気ガスがフィルタを通り抜ける際、そのセル壁によって微粒子がトラップされる。その結果、排気ガス中から微粒子が除去される。
しかし、多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタは熱衝撃に弱い。そのため、大型化するほどフィルタにクラックが生じやすくなる。よって、クラックによる破損を避ける手段として、複数の小さなフィルタ個片を一体化して1つの大きなセラミックフィルタ集合体を製造する技術が近年提案されている。
上述の集合体を製造する一般的な方法を簡単に紹介する。まず、押出成形機の金型を介してセラミック原料を連続的に押し出すことにより、四角柱状のハニカム成形体を形成する。ハニカム成形体を等しい長さに切断した後、その切断片を焼成してフィルタとする。焼成工程の後、フィルタの外周面同士を4mm〜5mm厚のセラミック質シール材層を介して接着することにより、複数のフィルタを束ねて一体化する。以上の結果、所望のセラミックフィルタ集合体が完成する。
そして、セラミックフィルタ集合体の外周面には、セラミックファイバ等からなるマット状の断熱材が巻き付けられる。この状態で、集合体は排気管の途上に設けられたケーシング内に収容される。
ところが、従来技術の場合、セラミックフィルタ集合体内にトラップされた微粒子が完全に焼失せず、部分的に燃え残りが生じやすいという問題があった。従って、排気ガスを処理する効率が悪かった。
そこで本発明者らは、このような問題が起こる1つの原因は、シール材層が熱抵抗となることによりフィルタ間の熱伝導が阻害され、これが集合体内に温度差を生じさせることにある、という結論に達した。そして、本発明者らはこの考えに基づいて鋭意研究を行い、最終的に以下のような発明を想到するに至った。
即ち、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルタ間の熱伝導が阻害されにくいため、均熱性に優れたセラミックフィルタ集合体を提供することにある。
上記の課題を解決するために開発した本発明は、
多孔質セラミック焼結体からなる複数のフィルタの外周面同士をセラミック質シール材層を介して接着することにより、前記各フィルタを一体化してなる集合体であって、
前記集合体は、断面円形状に外形カットされており、前記多孔質セラミック焼結体がα型炭化珪素焼結体にて構成され、前記シール材層は、その厚さが0.3mm〜5mmであり、かつその熱伝導率が0.1W/m・K〜10W/m・Kであることを特徴とするセラミックフィルタ集合体である。
多孔質セラミック焼結体からなる複数のフィルタの外周面同士をセラミック質シール材層を介して接着することにより、前記各フィルタを一体化してなる集合体であって、
前記集合体は、断面円形状に外形カットされており、前記多孔質セラミック焼結体がα型炭化珪素焼結体にて構成され、前記シール材層は、その厚さが0.3mm〜5mmであり、かつその熱伝導率が0.1W/m・K〜10W/m・Kであることを特徴とするセラミックフィルタ集合体である。
本発明において、α型炭化珪素焼結体からなるフィルタの熱伝導率は、20〜80W/m・Kとすることができる。
また、本発明において、前記各フィルタは、軸線方向に直交する方向に沿って互いにずらした状態で配置することができる。
また、本発明において、前記シール材層は、固形分で70重量%以下のセラミックファイバを含有することができる。
また、本発明において、前記シール材層は、繊維長が100mm以下のセラミックファイバを含有することができる。
また、本発明において、前記シール材層は、固形分で3重量%〜80重量%の無機粒子を含有することができる。
本発明によると、多孔質セラミック焼結体をα型炭化珪素焼結体にて構成し、フィルタ集合体を断面円形状に外形カットすると共に、シール材層の厚さ及び熱伝導率を上記好適範囲内に設定したことにより、シール材層の熱伝導性が改善される結果、シール材層によってフィルタ間の熱伝導が阻害されにくくなると共に、フィルタ集合体の外周への熱の伝達を均等にすることができる。従って、使用時において集合体内に温度差が生じにくくなる。
ここでシール材層の熱伝導率が0.1W/m・K未満であると、シール材層の熱伝導性を十分に改善することができないため、シール材層が依然として大きな熱抵抗となり、フィルタ間の熱伝導が阻害されてしまう。逆に、10W/m・Kを超える熱伝導率のものを得ようとすると、接着性や耐熱性等といった性能が損なわれるおそれがあり、事実上製造が困難になるおそれがある。
また、シール材層の厚さが5mmを超えるようになると、たとえ熱伝導率が高くてもシール材層が依然として大きな熱抵抗となり、フィルタ間の熱伝導が阻害されてしまう。逆に、シール材層の厚さが0.3mm未満であると、大きな熱抵抗にはならない反面、フィルタ同士を接着する力が不足してしまい、集合体が破壊しやすくなる。
本発明によると、α型炭化珪素焼結体からなるフィルタの熱伝導率を、20〜80W/m・Kとすることができる。
また、各フィルタを、軸線方向に直交する方向に沿って互いにずらした状態で配置することにより、集合体の均熱性をよりいっそう向上させることができる。
また、各フィルタを、軸線方向に直交する方向に沿って互いにずらした状態で配置することにより、集合体の均熱性をよりいっそう向上させることができる。
本発明によると、シール材層に高い熱伝導率及び弾力性が付与される。なお、セラミックファイバの含有量が固形分で70重量%を超えると、熱伝導率の低下を招くばかりでなく、弾力性も低下する。
本発明によると、シール材層におけるファイバの毛玉化が回避されるため、シール材層を比較的簡単に薄くすることができる。従って、その厚さを5mm以下に設定することができ、フィルタ間の熱伝導性の改善に寄与することができる。なお、繊維長が100mmを超えると、ファイバが毛玉化しやすくなる。
本発明によると、シール材層に高い熱伝導率が付与される。なお、無機粒子の含有量が固形分で3重量%未満であると、シール材層の熱伝導率の低下を招くため、シール材層が依然として大きな熱抵抗となってしまう。
以下、本発明を具体化した一実施形態のディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置1を、図1〜図5に基づき詳細に説明する。
図1に示されるように、この排気ガス浄化装置1は、内燃機関としてのディーゼルエンジン2から排出される排気ガスを浄化するための装置である。ディーゼルエンジン2は、図示しない複数の気筒を備えている。各気筒には、金属材料からなる排気マニホールド3の分岐部4がそれぞれ連結されている。各分岐部4は1本のマニホールド本体5にそれぞれ接続されている。従って、各気筒から排出された排気ガスは一箇所に集中する。
排気マニホールド3の下流側には、金属材料からなる第1排気管6及び第2排気管7が配設されている。第1排気管6の上流側端は、マニホールド本体5に連結されている。第1排気管6と第2排気管7との間には、同じく金属材料からなる筒状のケーシング8が配設されている。ケーシング8の上流側端は第1排気管6の下流側端に連結され、ケーシング8の下流側端は第2排気管7の上流側端に連結されている。排気管6,7の途上にケーシング8が配設されていると把握することもできる。そして、この結果、第1排気管6、ケーシング8及び第2排気管7の内部領域が互いに連通し、その中を排気ガスが流れるようになっている。
図1に示されるように、ケーシング8はその中央部が排気管6,7よりも大径となるように形成されている。従って、ケーシング8の内部領域は、排気管6,7の内部領域に比べて広くなっている。このケーシング8内には、セラミックフィルタ集合体9が収容されている。
集合体9の外周面とケーシング8の内周面との間には、断熱材10が配設されている。断熱材10はセラミックファイバを含んで形成されたマット状物であり、その厚さは数mm〜数十mmである。断熱材10は熱膨張性を有していることがよい。ここでいう熱膨張性とは、弾性構造を有するため熱応力を解放する機能があることを指す。その理由は、集合体9の最外周部から熱が逃げることを防止することにより、再生時のエネルギーロスを最小限に抑えるためである。また、再生時の熱によってセラミックファイバを膨張させることにより、排気ガスの圧力や走行による振動等のもたらすセラミックフィルタ集合体9の位置ずれを防止するためである。
本実施形態において用いられるセラミックフィルタ集合体9は、上記のごとくディーゼルパティキュレートを除去するものであるため、一般にディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)と呼ばれる。図2、図4に示されるように、本実施形態の集合体9は、複数個のフィルタF1を束ねて一体化することによって形成されている。集合体9の中心部分に位置するフィルタF1は四角柱状であって、その外形寸法は33mm×33mm×167mmである(図3参照)。四角柱状のフィルタF1の周囲には、四角柱状でない異型のフィルタF1が複数個配置されている。その結果、全体としてみると円柱状のセラミックフィルタ集合体9(直径135mm前後)が構成されている。
これらのフィルタF1は、セラミック焼結体の一種である多孔質炭化珪素焼結体製である。炭化珪素焼結体を採用した理由は、他のセラミックに比較して、とりわけ耐熱性及び熱伝導性に優れるという利点があるからである。炭化珪素以外の焼結体として、例えば窒化珪素、サイアロン、アルミナ、コーディエライト、ムライト等の焼結体を選択することもできる。
図3等に示されるように、これらのフィルタF1は、いわゆるハニカム構造体である。ハニカム構造体を採用した理由は、微粒子の捕集量が増加したときでも圧力損失が小さいという利点があるからである。各フィルタF1には、断面略正方形状をなす複数の貫通孔12がその軸線方向に沿って規則的に形成されている。各貫通孔12は薄いセル壁13によって互いに仕切られている。セル壁13の外表面には、白金族元素(例えばPt等)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。各貫通孔12の開口部は、いずれか一方の端面9a,9bの側において封止体14(ここでは多孔質炭化珪素焼結体)により封止されている。従って、端面9a,9b全体としてみると市松模様状を呈している。その結果、フィルタF1には、断面四角形状をした多数のセルが形成されている。セルの密度は200個/インチ前後に設定され、セル壁13の厚さは0.3mm前後に設定され、セルピッチは1.8mm前後に設定されている。多数あるセルのうち、約半数のものは上流側端面9aにおいて開口し、残りのものは下流側端面9bにおいて開口している。
フィルタF1の平均気孔径は1μm〜50μm、さらには5μm〜20μmであることが好ましい。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F1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。
フィルタF1の気孔率は30%〜70%、さらには40%〜60%であることが好ましい。気孔率が30%未満であると、フィルタF1が緻密になりすぎてしまい、内部に排気ガスを流通させることができなくなるおそれがある。一方、気孔率が70%を越えると、フィルタF1中に空隙が多くなりすぎてしまうため、強度的に弱くなりかつ微粒子の捕集効率が低下してしまうおそれがある。
多孔質炭化珪素焼結体を選択した場合においてフィルタF1の熱伝導率は、20W/m・K〜80W/m・Kであることがよく、さらには30W/m・K〜70W/m・Kであることが特によい。
図4、図5に示されるように、合計16個のフィルタF1は、外周面同士がセラミック質シール材層15を介して互いに接着されている。ここで、本実施形態のセラミック質シール材層15について詳細に述べる。
シール材層15の熱伝導率は0.1W/m・K〜10W/m・Kであることが必要であり、さらには0.2W/m・K〜2W/m・Kであることが好ましい。熱伝導率が0.1W/m・K未満であると、シール材層15の熱伝導性を十分に改善することができないため、シール材層15が依然として大きな熱抵抗となり、フィルタF1間の熱伝導が阻害されてしまう。逆に、10W/m・Kを超える熱伝導率のものを得ようとすると、接着性や耐熱性等といった性能が損なわれるおそれがあり、事実上製造が困難になるおそれがある。
また、シール材層15の厚さt1は0.3mm〜5mmであることが必要であり、さらには0.5mm〜4mm、特には1mm〜3mmであることが好ましい。
厚さt1が5mmを超えるようになると、たとえ熱伝導率が高くてもシール材層15が依然として大きな熱抵抗となり、フィルタF1間の熱伝導が阻害されてしまう。しかも、集合体9においてフィルタF1部分の占める割合が相対的に減るため、濾過能力の低下につながってしまう。逆に、シール材層15の厚さt1が0.3mm未満であると、大きな熱抵抗にはならない反面、フィルタF1同士を接着する力が不足してしまい、集合体9が破壊しやすくなる。
前記シール材層15は、少なくとも無機繊維、無機バインダ、有機バインダ及び無機粒子からなり、かつ三次元的に交錯する前記無機繊維と無機粒子とを、前記無機バインダ及び有機バインダを介して互いに結合してなる弾性質素材からなることが望ましい。
前記シール材層15に含まれる無機繊維としては、シリカ−アルミナファイバ、ムライトファイバ、アルミナファイバ及びシリカファイバから選ばれる少なくとも1種以上のセラミックファイバが挙げられる。これらのなかでも、特に、シリカ−アルミナセラミックファイバを選択することが望ましい。シリカ−アルミナセラミックファイバは、弾性に優れるとともに熱応力を吸収する作用を示すからである。
この場合、シール材層15におけるシリカ−アルミナセラミックファイバの含有量は、固形分で10重量%〜70重量%、好ましくは10重量%〜40重量%、より好ましくは20重量%〜30重量%である。含有量が10重量%未満であると、弾性体としての効果が低下するからである。一方、含有量が70重量%を超えると、熱伝導率の低下を招くばかりでなく、弾力性も低下するからである。
シリカ−アルミナセラミックファイバにおけるショット含有量は、1重量%〜10重量%、好ましくは1重量%〜5重量%、より好ましくは1重量%〜3重量%である。ショット含有量を1重量%未満にすることは、製造上困難だからである。一方、ショット含有量が50重量%を超えると、フィルタF1の外周面が傷付いてしまうからである。
シリカ−アルミナセラミックファイバの繊維長は、1mm〜100mm、好ましくは1mm〜50mm、より好ましくは1mm〜20mmである。繊維長が1mm未満であると、弾性構造体を形成することができないからである。繊維長が100mmを超えると、繊維が毛玉化して無機微粒子の分散性が悪化するからである。また、シール材層15を3mm以下に薄くすることが困難になり、フィルタF1間の熱伝導性の改善を図れなくなるからである。
前記シール材層15に含まれる無機バインダとしては、シリカゾル及びアルミナゾルから選ばれる少なくとも1種以上のコロイダルゾルが望ましい。そのなかでも、特にシリカゾルを選択することが望ましい。その理由は、シリカゾルは入手しやすく、焼成により容易にSiO2となるため、高温領域での接着剤として好適だからである。しかも、シリカゾルは絶縁性に優れているからである。
この場合、シール材層15におけるシリカゾルの含有量は、固形分で1重量%〜30重量%、好ましくは1重量%〜15重量%、より好ましくは5重量%〜9重量%である。含有量が1重量%未満であると、接着強度の低下を招くからである。逆に、含有量が30重量%を超えると、熱伝導率の低下を招くからである。
前記シール材層15に含まれる有機バインダとしては親水性有機高分子が好ましく、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース及びカルボメトキシセルロースから選ばれる少なくとも1種以上の多糖類がより好ましい。これらのなかでも、特にカルボキシメチルセルロースを選択することが望ましい。その理由は、カルボキシメチルセルロースは、シール材層15に好適な流動性を付与するため、常温領域において優れた接着性を示すからである。
この場合、シール材層15におけるカルボキシメチルセルロースの含有量は、固形分で0.1重量%〜5.0重量%、好ましくは0.2重量%〜1.0重量%、より好ましくは0.4重量%〜0.6重量%である。含有量が0.1重量%未満であると、十分にマイグレーションを抑制することができないからである。なお、「マイグレーション」とは、被シール体間に充填されたシール材層15が硬化する際に、シール材層15中のバインダが、溶媒の乾燥除去に伴って移動する現象のことをいう。一方、含有量が5.0重量%を超えると、高温によって有機バインダが焼失し、シール材層15の強度が低下するからである。
前記シール材層15に含まれる無機粒子としては、炭化珪素、窒化珪素及び窒化硼素から選ばれる少なくとも1種以上の無機粉末またはウィスカーを用いた弾性質素材であることが好ましい。このような炭化物や窒化物は、熱伝導率が非常に大きく、セラミックファイバ表面やコロイダルゾルの表面及び内部に介在して熱伝導性の向上に寄与するからである。
上記炭化物及び窒化物の無機粒子のなかでも、特に炭化珪素粉末を選択することが望ましい。その理由は、炭化珪素は熱伝導率が極めて高いことに加え、セラミックファイバと馴染みやすいという性質があるからである。しかも、本実施形態では、被シール体であるフィルタF1が同種のもの、即ち多孔質炭化珪素製だからである。
この場合、炭化珪素粉末の含有量は、固形分で3重量%〜80重量%、好ましくは10重量%〜60重量%、より好ましくは20重量%〜40重量%である。含有量が3重量%未満であると、シール材層15の熱伝導率の低下を招き、シール材層15が依然として大きな熱抵抗となるからである。一方、含有量が80重量%を超えると、高温時における接着強度の低下を招くからである。
炭化珪素粉末の粒径は、0.01μm〜100μm、好ましくは0.1μm〜15μm、より好ましくは0.1μm〜10μmである。粒径が100μmを超えると、接着力及び熱伝導性の低下を招くからである。一方、粒径が0.01μm未満であると、シール材層15のコスト高につながるからである。
次に、上記のセラミックフィルタ集合体9を製造する手順を説明する。まず、押出成形工程で使用するセラミック原料スラリー、端面封止工程で使用する封止用ペースト、フィルタ接着工程で使用するシール材層形成用ペーストをあらかじめ作製しておく。
セラミック原料スラリーとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ及び水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。封止用ペーストとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ、潤滑剤、可塑剤及び水を配合し、かつ混練したものを用いる。シール材層形成用ペーストとしては、無機繊維、無機バインダ、有機バインダ、無機粒子及び水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。
次に、前記セラミック原料スラリーを押出成形機に投入し、かつ金型を介してそれを連続的に押し出す。その後、押出成形されたハニカム成形体を等しい長さに切断し、四角柱状のハニカム成形体切断片を得る。さらに、切断片の各セルの片側開口部に所定量ずつ封止用ペーストを充填し、各切断片の両端面を封止する。
続いて、温度・時間等を所定の条件に設定して本焼成を行い、ハニカム成形体切断片及び封止体14を完全に焼結させる。このようにして得られる多孔質炭化珪素焼結体製のフィルタF1は、この時点ではまだ全てのものが四角柱状である。
なお、平均気孔径を6μm〜15μmとしかつ気孔率を35%〜50%とするために、本実施形態では焼成温度を2100℃〜2300℃に設定している。また、焼成時間を0.1時間〜5時間に設定している。また、焼成時の炉内雰囲気を不活性雰囲気とし、そのときの雰囲気の圧力を常圧としている。
次に、必要に応じてフィルタF1の外周面にセラミック質からなる下地層を形成した後、さらにその上にシール材層形成用ペーストを塗布する。そして、このようなフィルタF1を16個用い、その外周面同士を互いに接着して一体化する。
続く外形カット工程では、前記フィルタ接着工程を経て得られた断面正方形状の集合体9を研削し、外周部における不要部分を除去してその外形を整える。その結果、断面円形状のセラミックフィルタ集合体9とする。
次に、上記のセラミックフィルタ集合体9による微粒子トラップ作用について簡単に説明する。ケーシング8内に収容されたセラミックフィルタ集合体9には、上流側端面9aの側から排気ガスが供給される。第1排気管6を経て供給されてくる排気ガスは、まず、上流側端面9aにおいて開口するセル内に流入する。次いで、この排気ガスはセル壁13を通過し、それに隣接しているセル、即ち下流側端面9bにおいて開口するセルの内部に到る。そして、排気ガスは、同セルの開口を介してフィルタF1の下流側端面9bから流出する。しかし、排気ガス中に含まれる微粒子はセル壁13を通過することができず、そこにトラップされてしまう。その結果、浄化された排気ガスがフィルタF1の下流側端面9bから排出される。浄化された排気ガスは、さらに第2排気管7を通過した後、最終的には大気中へと放出される。また、トラップされた微粒子は、集合体9の内部温度が所定の温度に達すると、前記触媒の作用により着火して燃焼するようになっている。
(実施例1)
(1)平均粒径10μmのα型炭化珪素粉末51.5重量%と、平均粒径0.5μmのα型炭化珪素粉末22重量%とを湿式混合し、得られた混合物に有機バインダ(メチルセルロース)と水とをそれぞれ6.5重量%、20重量%ずつ加えて混練した。次に、前記混練物に可塑剤と潤滑剤とを少量加えてさらに混練したものを押出成形することにより、ハニカム状の生成形体を得た。
(1)平均粒径10μmのα型炭化珪素粉末51.5重量%と、平均粒径0.5μmのα型炭化珪素粉末22重量%とを湿式混合し、得られた混合物に有機バインダ(メチルセルロース)と水とをそれぞれ6.5重量%、20重量%ずつ加えて混練した。次に、前記混練物に可塑剤と潤滑剤とを少量加えてさらに混練したものを押出成形することにより、ハニカム状の生成形体を得た。
(2)次に、この生成形体をマイクロ波乾燥機を用いて乾燥した後、成形体の貫通孔12を多孔質炭化珪素焼結体製の封止用ペーストによって封止した。次いで、再び乾燥機を用いて封止用ペーストを乾燥させた。端面封止工程に続いて、この乾燥体を400℃で脱脂した後、さらにそれを常圧のアルゴン雰囲気下において2200℃で約3時間焼成した。その結果、多孔質でハニカム状の炭化珪素製フィルタF1を得た。
(3)セラミックファイバ(アルミナシリケートセラミックファイバ、ショット含有率3%、繊維長さ0.1mm〜100mm)23.3重量%、平均粒径0.3μmの炭化珪素粉末30.2重量%、無機バインダとしてのシリカゾル(ゾルのSiO2の換算量は30%)7重量%、有機バインダとしてのカルボキシメチルセルロース0.5重量%及び水39重量%を混合・混練した。この混練物を適当な粘度に調整することにより、シール材層15の形成に使用されるペーストを作製した。
(4)次に、フィルタF1の外周面に前記シール材層形成用ペーストを均一に塗布するとともに、フィルタF1の外周面同士を互いに密着させた状態で、50℃〜100℃×1時間の条件にて乾燥・硬化させる。その結果、フィルタF1同士をシール材層15を介して接着する。ここではシール材層15の厚さt1を0.5mmに設定した。シール材層15の熱伝導率は0.3W/m・Kであった。
(5)次に、外形カットを実施して外形を整えることにより、断面円形状のセラミックフィルタ集合体9を完成させた。次に、上記のようにして得られた集合体9に断熱材10を巻き付け、この状態で集合体9をケーシング8内に収容し、実際に排気ガスを供給した。そして、一定期間経過した後に集合体9を取り出してそれを複数箇所で切断し、各切断面を肉眼で観察した。
その結果、燃え残りの起こりやすい集合体9の外周部分(とりわけ下流側端面付近の外周部分)について、微粒子の残留は認められなかった。勿論、それ以外の部分についても、微粒子は完全に焼失していた。これは、前記シール材層15の使用によりフィルタF1間の熱伝導が阻害されにくくなり、集合体9の外周部分も十分に温度上昇したことによる利益であると考えられる。従って、実施例1によれば、排気ガスを効率よく処理できることが明らかとなった。
(実施例2,3,4,5)
実施例2では、シール材層15の厚さt1を1.0mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。実施例3では、シール材層15の厚さt1を2.5mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。実施例4では、シール材層15の厚さt1を3.0mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。実施例5では、シール材層15の厚さt1を4.5mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。
(実施例2,3,4,5)
実施例2では、シール材層15の厚さt1を1.0mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。実施例3では、シール材層15の厚さt1を2.5mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。実施例4では、シール材層15の厚さt1を3.0mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。実施例5では、シール材層15の厚さt1を4.5mmに設定し、それ以外の事項については基本的に実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。
次に、得られた4種の集合体9を、実施例1のときと同様に一定期間使用し、その後で切断面の肉眼観察を行ったところ、いずれも実施例1に匹敵する好適な結果が得られた。よって、実施例2,3,4,5についても排気ガスを効率よく処理できることが明らかとなった。
(実施例6)
実施例6では、セラミックファイバ(ムライトファイバ、ショット含有率5重量%,繊維長さ0.1mm〜100mm)25重量%、平均粒径1.0μmの窒化珪素粉末30重量%、無機バインダとしてのアルミナゾル(アルミナゾルの換算量は20%)7重量%、有機バインダとしてのポリビニルアルコール0.5重量%及びアルコール37.5重量%を混合・混練したものを、前記シール材層形成用ペーストとして使用した。それ以外の事項については実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。ここではシール材層15の厚さt1を1.0mmに設定した。シール材層15の熱伝導率は0.2W/m・Kであった。
(実施例6)
実施例6では、セラミックファイバ(ムライトファイバ、ショット含有率5重量%,繊維長さ0.1mm〜100mm)25重量%、平均粒径1.0μmの窒化珪素粉末30重量%、無機バインダとしてのアルミナゾル(アルミナゾルの換算量は20%)7重量%、有機バインダとしてのポリビニルアルコール0.5重量%及びアルコール37.5重量%を混合・混練したものを、前記シール材層形成用ペーストとして使用した。それ以外の事項については実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。ここではシール材層15の厚さt1を1.0mmに設定した。シール材層15の熱伝導率は0.2W/m・Kであった。
次に、得られた集合体9を、実施例1のときと同様に一定期間使用し、その後で切断面の肉眼観察を行ったところ、実施例1に匹敵する好適な結果が得られた。よって、実施例6についても排気ガスを効率よく処理できることが明らかとなった。
(実施例7)
実施例7は、セラミックファイバ(アルミナファイバ、ショット含有率4重量%, 繊維長さ0.1mm〜100mm)23重量%、平均粒径1μmの窒化硼素粉末35重量%、無機バインダとしてのアルミナゾル(アルミナゾルの換算量は20%)8重量%、有機バインダとしてのエチルセルロース0.5重量%及びアセトン35.5重量%を混合・混練したものを、前記シール材層形成用ペーストとして使用した。それ以外の事項については実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。ここではシール材層15の厚さt1を1.0mmに設定した。シール材層15の熱伝導率は2W/m・Kであった。
(実施例7)
実施例7は、セラミックファイバ(アルミナファイバ、ショット含有率4重量%, 繊維長さ0.1mm〜100mm)23重量%、平均粒径1μmの窒化硼素粉末35重量%、無機バインダとしてのアルミナゾル(アルミナゾルの換算量は20%)8重量%、有機バインダとしてのエチルセルロース0.5重量%及びアセトン35.5重量%を混合・混練したものを、前記シール材層形成用ペーストとして使用した。それ以外の事項については実施例1に準ずるようにして、セラミックフィルタ集合体9を作製した。ここではシール材層15の厚さt1を1.0mmに設定した。シール材層15の熱伝導率は2W/m・Kであった。
次に、得られた集合体9を、実施例1のときと同様に一定期間使用し、その後で切断面の肉眼観察を行ったところ、実施例1に匹敵する好適な結果が得られた。よって、実施例7についても排気ガスを効率よく処理できることが明らかとなった。
従って、本実施形態の各実施例によれば以下のような効果を得ることができる。
(1)各実施例では、いずれも、シール材層15の厚さt1を0.3mm〜5mmという好適範囲内に設定し、かつその熱伝導率を0.1W/m・K〜10W/m・Kという好適範囲内に設定している。このため、シール材層15の熱伝導性が改善される結果、シール材層15の介在によってフィルタF1間の熱伝導が阻害されにくくなる。従って、使用時において熱が集合体9の全体に均一にかつ速やかに伝導し、集合体9内に温度差が生じにくくなる。よって、集合体9の均熱性が向上し、部分的な燃え残りの発生も回避される。そして、このような集合体9を使用した排気ガス浄化装置1は、排気ガスの処理効率に優れたものとなる。
(1)各実施例では、いずれも、シール材層15の厚さt1を0.3mm〜5mmという好適範囲内に設定し、かつその熱伝導率を0.1W/m・K〜10W/m・Kという好適範囲内に設定している。このため、シール材層15の熱伝導性が改善される結果、シール材層15の介在によってフィルタF1間の熱伝導が阻害されにくくなる。従って、使用時において熱が集合体9の全体に均一にかつ速やかに伝導し、集合体9内に温度差が生じにくくなる。よって、集合体9の均熱性が向上し、部分的な燃え残りの発生も回避される。そして、このような集合体9を使用した排気ガス浄化装置1は、排気ガスの処理効率に優れたものとなる。
また、厚さt1及び熱伝導率が上記範囲内であるならば、接着性や耐熱性等といった基本性能も維持されるため、シール材層15の製造が困難になることも回避できる。しかも、フィルタF1同士を接着する力も備えているため、集合体9の破壊も回避できる。つまり、比較的製造しやすくて耐久性に優れた集合体9を実現することができる。
(2)各実施例におけるシール材層15は、固形分で10重量%〜70重量%のセラミックファイバを含有している。このため、シール材層15に高い熱伝導率及び弾力性を付与することができる。よって、フィルタF1間の熱伝導性が改善され、集合体9の均熱性がよりいっそう向上する。
(3)各実施例におけるシール材層15は、繊維長が100mm以下のセラミックファイバを含有している。従って、シール材層15の厚さt1を困難なく5mm以下に設定することができる。このことはフィルタF1間の熱伝導性の改善、ひいては集合体9の均熱化に寄与している。
(4)各実施例におけるシール材層15は、固形分で3重量%〜80重量%の無機粒子を含有している。従って、シール材層15に高い熱伝導率が付与される。このこともフィルタF1間の熱伝導性の改善、ひいては集合体9の均熱化に寄与している。
(5)各実施例におけるシール材層15は、少なくとも無機繊維、無機バインダ、有機バインダ及び無機粒子からなり、かつ三次元的に交錯する前記無機繊維と無機粒子とを、前記無機バインダ及び有機バインダを介して互いに結合してなる弾性質素材からなる。
このような材料には下記のような利点がある。即ち、低温域及び高温域の両方において十分な接着強度を期待することができる。また、この材料は弾性質素材であることから、集合体9に熱応力が加わるときでも、その熱応力を確実に開放することができる。
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
) フィルタF1の組み合わせ数は、前記実施形態のように16個でなくてもよく、任意の数にすることが可能である。この場合、サイズ・形状等の異なるフィルタF1を適宜組み合わせて使用することも勿論可能である。
) フィルタF1の組み合わせ数は、前記実施形態のように16個でなくてもよく、任意の数にすることが可能である。この場合、サイズ・形状等の異なるフィルタF1を適宜組み合わせて使用することも勿論可能である。
図6に示される別例のセラミックフィルタ集合体21のように、フィルタ軸線方向に直交する方向に沿って各フィルタF1をあらかじめ互いにずらした状態にして、各フィルタF1を接着しかつ一体化してもよい。このようにした場合には、ケーシング8への収容時にフィルタF1にずれが生じにくくなるため、集合体21の破壊強度が向上する。前記実施形態とは異なり、別例ではシール材層15が十字状になる箇所ができず、このことが破壊強度の向上に寄与しているものと考えられる。また、集合体21の径方向に沿った熱伝導性がさらに向上する結果、集合体21のよりいっそうの均熱化が図られる。
フィルタF1は前記実施形態にて示したようなハニカム状構造を有するもののみに限られず、例えば三次元網目構造、フォーム状構造、ヌードル状構造、ファイバ状構造等であってもよい。
外形カット工程前におけるフィルタF1の形状は、実施形態のような四角柱状に限定されることはなく、三角柱状や六角柱状等であっても構わない。また、外形カット工程によって集合体9の全体形状を断面円形状に加工するのみならず、例えば断面楕円形状等に加工してもよい。
実施形態においては、本発明のセラミックフィルタ集合体を、ディーゼルエンジン2に取り付けられる排気ガス浄化装置用フィルタとして具体化していた。勿論、本発明のセラミックフィルタ集合体は、排気ガス浄化装置用フィルタ以外のものとして具体化されることができ、例えば熱交換器用部材、高温流体や高温蒸気のための濾過フィルタ等として具体化されることができる。
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
(1)前記集合体はディーゼルパティキュレートフィルタであること。
(1)前記集合体はディーゼルパティキュレートフィルタであること。
(2)前記シール材層は、少なくとも無機繊維、無機バインダ、有機バインダ及び無機粒子からなり、かつ三次元的に交錯する前記無機繊維と無機粒子とを、前記無機バインダ及び有機バインダを介して互いに結合してなる弾性質素材からなること。
(3)前記シール材層は、固形分で10重量%〜70重量%のシリカ−アルミナセラミックファイバ、1重量%〜30重量%のシリカゾル、0.1重量%〜5.0重量%のカルボメトキシセルロース及び3重量%〜80重量%の炭化珪素粉末からなること。
(4) 内燃機関の排気管の途上に設けられたケーシング内に、多孔質セラミック焼結体からなる複数のフィルタの外周面同士をセラミック質シール材層を介して接着することにより前記各フィルタを一体化してなるセラミックフィルタ集合体を収容するとともに、その集合体の外周面と前記ケーシングの内周面とがなす隙間に断熱材を充填した排気ガス浄化装置において、前記セラミックフィルタ集合体が断面円形状に外形カットされ、前記多孔質セラミック焼結体がα型炭化珪素焼結体にて構成され、前記シール材層の厚さが0.3mm〜5mmであり、かつその熱伝導率が0.1W/m・K〜10W/m・Kであることを特徴とする排気ガス浄化装置。従って、この技術的思想4に記載の発明によれば、排気ガスの処理効率が高くて実用性に優れた装置を提供することができる。
9,21…セラミックフィルタ集合体、
15…セラミック質シール材層、
t1…シール材層の厚さ、
F1…フィルタ。
15…セラミック質シール材層、
t1…シール材層の厚さ、
F1…フィルタ。
Claims (6)
- 多孔質セラミック焼結体からなる複数のフィルタの外周面同士をセラミック質シール材層を介して接着することにより、前記各フィルタを一体化してなる集合体であって、
前記集合体は、断面円形状に外形カットされており、前記多孔質セラミック焼結体がα型炭化珪素焼結体にて構成され、前記シール材層は、その厚さが0.3mm〜5mmであり、かつその熱伝導率が0.1W/m・K〜10W/m・Kであることを特徴とするセラミックフィルタ集合体。 - α型炭化珪素焼結体からなるフィルタの熱伝導率は、20〜80W/m・Kであることを特徴とする請求項1に記載のセラミックフィルタ集合体。
- 前記各フィルタは、軸線方向に直交する方向に沿って互いにずらした状態で配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載のセラミックフィルタ集合体。
- 前記シール材層は、固形分で70重量%以下のセラミックファイバを含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミックフィルタ集合体。
- 前記シール材層は、繊維長が100mm以下のセラミックファイバを含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックフィルタ集合体。
- 前記シール材層は、固形分で3重量%〜80重量%の無機粒子を含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のセラミックフィルタ集合体。
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