JP2006305503A

JP2006305503A - セラミックハニカムフィルタ

Info

Publication number: JP2006305503A
Application number: JP2005133549A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Suwabe; 博久諏訪部; Toshitaka Ishizawa; 俊崇石澤; Shunji Okazaki; 俊二岡崎
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタにおいて、ＰＭのセラミックハニカムフィルタへの堆積による圧力損失の上昇を確実に回避しうるようにすると共に、セラミックハニカムフィルタの破損の問題を回避して、高いＰＭ捕集効率を維持し、長期に亘り安定して使用できるセラミックハニカムフィルタを得る。
【解決手段】多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部がセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面より離れて配置されていると共に、前記排気ガス流入側目封止部の両端部に凹部が形成されている。
【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粒子状物質を含む排気ガスを浄化するのに使用されるセラミックハニカムフィルタに関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中には炭素質からなる煤と、高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とするＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）が含まれており、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の排気管の途中に、ＰＭを捕集するためのフィルタを装着することが従来から行われている。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）において、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の流路が、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、金属製収納容器（図示せず）内に配置されている。

図３に示すハニカムフィルタ３０において、排気ガスの浄化は以下の通り行われる。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を通過する際に捕集され、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に捕集されたＰＭが多くなると、隔壁が目詰まりしてしまい圧力損失が増加してしまうので、圧力損失が増加する前に、ＰＭを燃焼除去してハニカムフィルタを再生する必要がある。しかし、通常のディーゼルエンジンの運転状態では、ＰＭが燃焼するほどの高い排気ガス温度が得られることが少ないため、例えば高比表面積材料であるアルミナに白金族金属や酸化セリウムなどの希土類酸化物を担持した酸化触媒を一体的に担持させた触媒担持型のハニカムフィルタの実用化が進められている。このような触媒担持型のハニカムフィルタを採用すれば、捕集されたＰＭの燃焼反応が触媒により促進されて、ＰＭを燃焼、除去することが可能となる。

ところで、このような触媒担持型のハニカムフィルタを採用したとしても、排気ガス温度の低い運転状態が続くような、渋滞の市街地を走行するような場合には、触媒が活性とならずＰＭの燃焼除去が良好に行わない不具合が発生するため、特許文献１に記載の発明では、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、触媒物質を担持させたフィルタ上へのＰＭの堆積量を推定した上で、フィルタの上流側に燃料を未燃のまま噴射して、前記触媒物質上で、燃料の酸化反応を促し、その反応熱によりフィルタの内部温度を前記触媒物質の活性下限温度以上に維持することによって、堆積したＰＭを燃焼させる排気浄化方法が開示されている。しかしながら、このような燃料添加によるフィルタの強制再生を行うに際し、触媒物質における燃料の酸化反応は、下流側へ向かうにつれて触媒物質との接触頻度が増すことにより活性化してくるので、このフィルタでの温度分布は、排気ガス温度とほぼ等しい流入側端面の温度から下流側に向かうにつれ反応熱により徐々に上昇し、フィルタの流入側端面は常に触媒物質の活性度は低い状態にある。このため、排気ガス温度が低い運転状態が継続した場合、触媒物質の活性度が低くなっているフィルタ流入側端面７、特に排気ガス流入側目封止部５の排気ガス流入側端面に、ＰＭが付着し易くなり、ここに付着したＰＭの堆積量が多くなることによりフィルタの流入側流路３の流入側端部が閉塞して、圧力損失が上昇する虞があった。

このため、本出願人らは、特許文献２において、触媒担持型ハニカムフィルタの排気ガス流入側端部、特に排気ガス流入側目封止部の排気ガス流入側端面に、ＰＭが堆積して圧力損失が上昇するのを防ぐ目的で、図４に示すような、多孔質セラミックハニカム構造体の隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部４５が排気ガス流入側端面４７より離れて配置されていることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ４０及び排気ガス浄化方法を開示している。このような構成のセラミックハニカムフィルタによれば、内燃機関運転中にセラミックハニカムフィルタ上へのＰＭの堆積量がある一定値以上になった際に、セラミックハニカムフィルタの温度を上昇させる目的で行うフィルタ上流への未燃の燃料及び／又は炭化水素ガス噴射時において、ＰＭが付着、堆積しやすい流入側目封止部４５の流入側端面４５１がセラミックハニカムフィルタ内の温度の高い部位に配置されることから、当該部位に担持された触媒物質の活性度が高められるため、流入側目封止部端面４５１での微粒子の燃焼が容易に行われ、流入側目封止部端面４５１へのＰＭ堆積により発生する流路の閉塞を防ぐことができる。このため、長期に亘り安定して圧力損失の増加の少ないセラミックハニカムフィルタが得られる。

特開２００２−１２２０１５号公報特開２００４−２５１２６６号公報

しかしながら、本発明者らが提案した、多孔質セラミックハニカム構造体の隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されているとともに、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部４５が排気ガス流入側端面４７より離れて配置されていることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ４０では、排気温度が低い状態が続いて、ＰＭが多量に堆積したり、未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスが過剰に添加された際の熱衝撃によって、流入側目封止部、流入側目封止部と隔壁の境界、或いは流入側目封止部付近の隔壁が破損することがあった。目封止部や隔壁の破損が発生すると、破損部を通してＰＭが排出されることもあり、ＰＭ捕集効率が低下したり、目封止部や隔壁の破損が進展すると、目封止部や隔壁の一部が脱落して排気ガスの浄化が不能になったりして好ましくない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタ４０において、ＰＭのセラミックハニカムフィルタへの堆積による圧力損失の上昇を確実に回避しうるようにすると共に、セラミックハニカムフィルタの破損の問題を回避して、長期に亘り安定して使用できるセラミックハニカムフィルタを提供することにある。

本発明者らは、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタ４０で発生する上記破損の問題に対して鋭意検討を行った。セラミックハニカムフィルタ４０において、排気温度が低い状態が続いて、ＰＭが多量に堆積したり、未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスが過剰に添加された際には、排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁４２ｕや排気ガス流入側目封止部４５に担持された触媒物質による未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスの酸化燃焼反応により、排気ガス流入側目封止部４５の排気ガス流入側端面４５１の温度が上昇して、流入側目封止部端面４５１での微粒子の燃焼が容易に行われる。しかしながら、隔壁に比べて厚さの厚い排気ガス流入側目封止部４５では、目封止部４５自体が断熱材となり、隔壁４２ｕや排気ガス流入側目封止部４５の流入側端面４５１で発生した燃焼熱が、排気ガス流出側端面４５２まで伝わりにくいため、上記は破損の原因は、排気ガス流入側目封止部４５の流入側端面４５１と流出側端面４５２の温度差による熱衝撃応力が原因と推定し、本発明に想到した。

本発明のセラミックハニカムフィルタは、多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部がセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面より離れて配置されていると共に、前記排気ガス流入側目封止部の両端部に凹部が形成されていることを特徴とする。

本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記凹部の深さが流路の開口幅の５０％より大きいことが好ましい。

本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記排気ガス流入側目封止部の気孔率が５０％以上であることが好ましい。

また、本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記多孔質セラミックハニカム構造体の隔壁及び目封止部に触媒物質が担持されていることが好ましい。

（作用効果）
本発明のセラミックハニカムフィルタ１０の作用効果について、図１の模式断面図を用いて説明する。本発明のセラミックハニカムフィルタ１０は、多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部１５がセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面１７より離れて配置されていると共に、前記排気ガス流入側目封止部１５の両端部１５１及び１５２に凹部が形成されている。このため、内燃機関運転中にハニカムフィルタ上へのＰＭの堆積量がある一定値以上になって、フィルタ上流へ未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスを噴射した際に、排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁１２ｕや排気ガス流入側目封止部１５の流入側端面での未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスの酸化燃焼反応熱によって、排気ガス流入側目封止部１５の排気ガス流入側端面１５１の温度が上昇し易くなって、流入側目封止部端面１５１へのＰＭの堆積を防ぐことができ、堆積したＰＭが流路端部を閉塞させることによる圧力損失の上昇を低減することができる。更に、流入側目封止部１５の両端部１５１及び１５２に凹部が形成されていることから、隔壁１２ｕや排気ガス流入側目封止部１５の流入側端面１５１で発生した燃焼熱が、排気ガス流出側端面１５２へ伝わり易くなり、流入側目封止部１５の流入側端面１５１と流出側端面１５２の温度差により発生する熱衝撃応力を低減することができるため、排気温度が低い状態が続いて、ＰＭが多量に堆積したり、未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスが過剰に添加された際の熱衝撃による、流入側目封止部や、流入側目封止部と隔壁界面、或いは流入側目封止部付近の隔壁での破損を確実に回避することができる。

ここで重要なことは、排気ガス流入側目封止部１５の流入側端面１５１と流出側端面１５２との温度差を小さくするためには、流入側目封止部１５自体の厚さを薄くすれば効果はあるが、その場合、流入側目封止部１５と隔壁の接合面積が小さくなるため、接合強度が不足して、セラミックハニカムフィルタの使用中に両者が剥離して、目封止部が脱落することもあるが、本発明のセラミックハニカムフィルタでは、流入側目封止部１５と隔壁との接触面積を確保しつつ、流入側目封止部両端面の凹部により、流入側端面１５１と流出側端面１５２との温度差を小さくしているため、流入側目封止部と隔壁を確実に固着一体化でき、且つ熱衝撃による破損を防ぐことが可能になる。従って、本発明のセラミックハニカムフィルタによれば、圧力損失の上昇を防ぎ、且つ熱衝撃による破損を防止して、高いＰＭ捕集効率を維持し、長期に亘り安定して使用できるセラミックハニカムフィルタを得ることができる。

ここで、前記流入側目封止部１５の両端部に形成される凹部は、流入側目封止部の流入側端面１５１から流出側端面１５２に熱が伝わり易くなれば、その効果が得られることから、図２に示すように、目封止部と隔壁の接触点１５３及び１５４を結んだ仮想直線、或いは接触点１５５及び１５６を結んだ仮想直線に対して端面が流路方向に凹形状をなしていれば良い。また、図１のように流入側端面１５１と流出側端面が略同様の形状をしている必要もなく、図２のように流出側端面１５１と流出側端面の形状が異なっていても良い。一方、前記流入側目封止部１５の両端部に凹部を配置する目的は、流入側端面１５１から流出側端面１５２へ燃焼熱を伝わり易くするのと共に、流入側目封止部と隔壁の接触面積を確保して両者の一体化を確実にするためであり、流入側目封止部１５の厚さは８〜３０ｍｍが好ましい。ここで流入側目封止部の厚さは、流入側目封止部の流入側端面と隔壁の接触点と流出側端面と隔壁の接触点との長さの最大値のことを言い、図２の場合は接触点１５４と接触点１５６間の距離Ｌのことを言う。より好ましい流入側目封止部の厚さＬは１０〜２０ｍｍである。

また、前記流入側目封止部１５の両端部に形成される凹部は、図１及び図２に示す形状に限定される必要はなく、図５に示すような各種形状の凹部でも同様の効果が得られる。

本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、図１に示すように排気ガス流入側目封止部１５すべてが、セラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面１７から離れている必要はなく、本発明の効果が得られる程度に配置されていれば良い。具体的には少なくとも７０％以上の排気ガス流入側目封止部１５が、排気ガス流入側端面１７より離れていれば、ＰＭの排気ガス流入側端部への堆積による圧力損失上昇を防ぐ効果が大きくなる。より好ましくは９０％以上である。更に好ましくは９５％以上である。

また、本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、排気ガス流入側端面より離れて配置される排気ガス流入側目封止部１５の配置位置は、セラミックハニカムフィルタの所望の圧力損失やＰＭ捕集率が得られるように適宜選択すれば良いが、前記排気ガス流入側端面１５１が、セラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面１７から、該セラミックハニカムフィルタ全長の０．７倍以下の長さの区間に配置されていることが好ましい。ここで、排気ガス流入側目封止部１５の流入側端面１５１は凹形状をなしていることから、流入側目封止部１５の流入側端面１５１の位置は、流入側端面１５１と隔壁の接触点のことを言う。排気ガス流入側端面１５１の位置を、流入側端面１７から該セラミックハニカムフィルタ全長の０．７倍の長さの区間を越えて配置すると、セラミックハニカムフィルタの全体の長さには制約があるため、排気ガス流入側目封止部１５より流出側の隔壁１２ｄの面積が少なくなるため、セラミックハニカムフィルタ全体の圧力損失が上昇することもあるからである。また、ハニカムフィルタ上流に未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスを噴射した際の、排気ガス流入側目封止部１５より上流側の隔壁１２ｕでの温度上昇効果を確実なものとするためには、排気ガス流入側目封止部１５は流入側端面１７から１０ｍｍ以上に離れて配置されていることがさらに好ましい。また、更に好ましい流入側目封止部端面１５１の配置区間は、セラミックハニカムフィルタ流入側端面１７から該セラミックハニカムフィルタ全長の０．２５〜０．４５倍の長さの区間である。

本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記凹部の深さが流路の開口幅の５０％より大きいことが好ましい理由を、図２を用いて説明する。ここで流路の開口幅とは、流路に内接する円の直径を言い、流路断面が正方形の場合は流路断面の一辺の長さを言う。尚、流路断面は、正方形以外にも長方形、三角形、六角形などあらゆるものが使用できる。また凹部の深さとは、図２におけるＡのことをいい、凹部の深さＡが開口幅の５０％より大きいと、凹部の深さが大きくなるため、排気ガス流入側目封止部１５の流入側端面１５１から流出側端面へ燃焼熱がより伝わり易くなり、流入側目封止部１５の流入側端面１５１と流出側端面１５２の温度差により発生する熱衝撃応力を低減することができるため、排気温度が低い状態が続いて、ＰＭが多量に堆積したり、未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスが過剰に添加された際の熱衝撃による、流入側目封止部、流入側目封止部と隔壁界面、或いは流入側目封止部付近の隔壁での破損をより確実に防止することができるからである。

本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記排気ガス流入側目封止部１５の気孔率が５０％以上であることが好ましいのは、排気ガス流入側目封止部の気孔率を５０％以上とすることにより、排気ガス流入側目封止部１５の熱容量を低減することができ、隔壁１２ｕや排気ガス流入側目封止部の流入側端面１５１で発生した燃焼熱が、排気ガス流出側端面１５２へ、より伝わり易くなり、流入側目封止部１５の流入側端面１５１と流出側端面１５２との温度差により発生する熱衝撃応力を更に低減することができるため、流入側目封止部や、流入側目封止部と隔壁界面、或いは流入側目封止部付近の隔壁での破損を更に確実に防止することができるからである。また流入側目封止部１５の気孔率を５０％以上とすることにより、燃焼熱により高温となった排気ガスが流入側目封止部の細孔内を通過しやすくなることもあり、流入側目封止部１５の流入側端面１５１と流出側端面１５２との温度差がより小さくなるという効果もある。

本発明のセラミックハニカムフィルタにおいて、前記隔壁及び／または目封止部の少なくとも一部に触媒物質が担持されていることが好ましい。この理由は、内燃機関運転中にハニカムフィルタ上へのＰＭの堆積量がある一定値以上になった際のフィルタ上流への未燃の燃料及び／又は炭化水素ガス噴射時において、これら未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスの酸化反応を促進させ、この反応熱によって、セラミックハニカムフィルタの温度を上昇させることができるからである。更に、排気ガス温度の高い高速走行などの運転状態の場合、触媒物質の作用によりＰＭを連続的に燃焼させることができ、ＰＭ堆積による圧力損失の上昇を回避することができるからである。ここで前記ハニカムフィルタに担持される触媒物質は、白金族金属を含む酸化触媒や微粒子燃焼触媒であると好ましい。尚、白金族金属を含む酸化触媒は、たとえば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ又はその組合せ、白金族金属酸化物等が含まれるが、アルカリ土類金属酸化物や希土類酸化物等を含んでも良い。また、白金族金属を含む触媒物質には、公知のγアルミナ等の活性アルミナからなる高比表面積材料が含まれると、白金族金属等と排気ガスとの接触面積を大きくすることができ、排気ガスの浄化効率を高めることができることから好ましい。また、微粒子燃焼触媒としては、ベース金属触媒、典型的にはランタン、セシウム、バナジウム（Ｌａ／Ｃｓ／Ｖ₂Ｏ₃）類よりなる触媒物質であると好ましい。

次に本発明のセラミックハニカムフィルタの隔壁及び目封止部を構成する材料としては、本発明が主にディーゼルエンジンの排気ガス中の微粒子を除去するために使用されるため、耐熱性に優れた材料を使用することが好ましく、コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、チタン酸アルミニウム、窒化アルミニウム及びＬＡＳからなる群から選ばれた少なくとも１種を主結晶とするセラミック材料を用いることが好ましい。中でも、コージェライトを主結晶とする材料は、安価で耐熱性、耐食性に優れ、また低熱膨張であることから最も好ましい。なお、隔壁を構成する材料と目封止部を構成する材料は異なっていても構わないが、同一であれば、目封止部と隔壁の熱膨張係数の違いによって発生する熱応力を低減できることから好ましい。

前記セラミックハニカムフィルタの隔壁の気孔率は５０〜８０％、平均細孔径は１０〜４０μｍであることが好ましい。排気ガスが隔壁に形成された細孔を通過することから、隔壁の気孔率が５０％未満であると、ハニカムフィルタの圧力損失が上昇し、エンジンの出力低下につながるからであり、隔壁の気孔率が８０％を超えると、隔壁の強度が低下するため、使用時の熱衝撃や機械的振動により破損することがあるからであり、捕集効率も低下するからである。また、平均細孔径が１０μｍ未満であると、ハニカムフィルタの圧力損失が上昇し、エンジンの出力低下につながるからであり、平均細孔径が４０μｍを越えると、隔壁の強度が低下するため、使用時の熱衝撃や機械的振動により破損することがあるからであり、捕集効率も低下するからである。

本発明に係るセラミックハニカムフィルタの隔壁の厚さ０．１〜０．５ｍｍが好ましく、隔壁のピッチは１．０〜３．０ｍｍが好ましい。隔壁厚が０．１ｍｍ未満では、隔壁が細孔を有する高気孔率の多孔質体であることからハニカム構造体の強度が低下し、好ましくない。一方、隔壁厚が０．５ｍｍを超えると、如何に隔壁が高気孔率であっても、排気ガスに対する隔壁の通気抵抗が大きくなるため、セラミックハニカムフィルタの圧力損失が大きくなるからである。より好ましい隔壁厚さは、０．２〜０．４ｍｍである。また、隔壁のピッチが１．３ｍｍ未満であると、ハニカム構造体の流路の開口面積が小さくなることから、セラミックハニカムフィルタの流路を排気ガスが出入りする際の圧力損失が大きくなるため、好ましくない。一方、隔壁のピッチが３．０ｍｍを超えると、セラミックハニカムフィルタの単位体積当たりの表面積が小さくなることから、圧力損失が大きくなることも有るからである。より好ましい隔壁のピッチは１．２〜２．０ｍｍである。

本発明のセラミックハニカムフィルタは、排気ガス流入側目封止部１５がセラミックハニカムフィルタ内の温度の高い部位に配置されれば微粒子の燃焼が容易に行われ、微粒子の堆積による圧力損失の上昇が起こりにくくなることを考慮すると、排気ガス流入側目封止部５０は、図６（１）に示すように排気ガス流入側目封止部端面１５１が流入側端面１２から同一の位置に配置されなくても良く、また、図６（２）に示すように、排気ガス流入側目封止部１５及び流出側目封止部１６の長さは全て同一でなくても良いのである。また、本発明の効果が得られるのであれば、排気ガス流出側目封止部１６は、同一の位置に配置されなくても良い。

また、図６（３）に示すように、排気ガス流出側目封止部１６の一方の端面、或いは両端面に凹部が形成されていても良く、図６（４）に示すように排気ガス流出側端面１９から離れて配置されても良い。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、セラミックハニカムフィルタの流入側目封止部端面１５１を排気ガス流入側端面１７から離れて配置することにより、内燃機関運転中にセラミックハニカムフィルタ上へのＰＭの堆積量がある一定値以上になった際に、セラミックハニカムフィルタの温度を上昇させる目的で行うフィルタ上流への未燃の燃料及び／又は炭化水素ガス噴射時において、ＰＭが付着、堆積しやすい流入側目封止部が温度の高い位置に配置されているため、この部分でのＰＭの燃焼が確実に行われ、ＰＭ堆積による圧力損失の上昇を防ぐことができるのと共に、流入側目封止部１５の流入側端面１５１から流出側端面１５２へ燃焼反応熱が伝わり易くなって、排気温度が低い状態が続いて、ＰＭが多量に堆積したり、未燃の燃料及び／又は炭化水素ガスが過剰に添加された場合の流入側目封止部の流入側端面１５１と流出側端面１５２との温度差により発生する熱衝撃応力を低減することができ、流入側目封止部や、流入側目封止部と隔壁界面、或いは流入側目封止部付近の隔壁で発生する破損を確実に回避することができる。更には、流入側目封止部と隔壁との接触面積が確保できるため流入側目封止部と隔壁を確実に固着一体化できる。このため、圧力損失の上昇を防ぎ、且つ熱衝撃による破損を防止して、高いＰＭ捕集効率を維持し、長期に亘り安定して使用できるセラミックハニカムフィルタを得ることができる。

本発明の、多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタであって、排気ガス流入側目封止部がセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面より離れて配置されていると共に、前記排気ガス流入側目封止部の両端部に凹部が形成されたセラミックハニカムフィルタ１０の製造方法の一例を図７を用いて説明する。隔壁で仕切られた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体１１を準備（図７（１））した後、このハニカム構造体１１の流路１４内の所定位置に、流路幅より小さい外径を有する管状部材６１を挿入し、この管状部材からセラミック原料粉末、バインダー、水、必要に応じて分散材等の助剤等からなる目封止材スラリー６２を流路内に所定量注入する（図７（２））。注入された目封止材スラリー中の水は多孔質隔壁中に毛細管現象で吸水されるため、目封止材スラリーの両端部に凹部が形成されると共に、目封止材スラリーは固化して、排気ガス流入側端面から離れた位置に両端面に凹部を有する排気ガス流入側目封止部１５を形成する（図７（３））。次いで、排気ガス流入側目封止部を形成していない流路１３に対して、公知の方法で排気ガス流出側目封止部１６を形成した後、乾燥、焼成を行い、目封止部と隔壁を一体化させてセラミックハニカムフィルタ１０を得る（図７（４））。

ここで、排気ガス流入側目封止部の両端部に凹部を形成させるには、目封止材スラリーの配合比を、セラミック原料粉末１００質量部に対して、水３５〜８０質量部とし、且つ目封止材スラリーの粘度が２０〜８０Ｐａ・ｓとなるように、バインダーの種類と添加量を調整する。即ち、目封止材スラリーにおけるセラミック原料粉末に対する水の配合比３５〜８０質量％と多くすることにより、目封止材スラリー中の水が多孔質隔壁中に吸水され、固化する際の、目封止材スラリーの収縮割合を多くとることができ、端面に凹部が形成されやすくなるのと共に、目封止材スラリーの粘度を２０〜８０Ｐａ・ｓと比較的大きくしていることから、目封止材スラリーの表面張力が大きくなって、固化完了するまでの重力による変形を防ぐことができ、凹部が形成され易くなる。例えば、図７に示すようにセラミックハニカム構造体の流路が重力方向に沿うよう配置して、排気ガス流入側目封止部を形成する場合は、排気ガス流出側端面が重力の影響を受けて凸形状になりやすいが、目封止材スラリーの粘度を高くしていることから凹部が形成される。以上説明したように、本目封止材スラリーでは、セラミック原料粉末に対する水の配合比を多くしているにも係わらず、目封止材スラリーの粘度を高く設定していることから、排気ガス流入側目封止部の両端面に凹部が形成される。尚ここで用いるバインダーは水溶性のものが好ましく、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、ポリビニルアルコール、水溶性ワックスなどが好適であり、中でも２％水溶液粘度（２０℃）で５Ｐａ・ｓ以下のメチルセルロースが凹部を形成する上で好ましい。

ここで、目封止材スラリー中に含有される水のセラミックハニカム構造体の多孔質隔壁中への移動を容易にするため、多孔質隔壁の気孔率は、５０％以上が好ましいが、６０％以上が更に好ましい。また、同様に、目封止材スラリー中に含有される水のセラミックハニカム構造体の多孔質隔壁中への移動を容易にするため、セラミックスハニカム構造体は、目封止材スラリーを導入する前に一度、乾燥されていることが好ましく、更には目封止材スラリーを導入する直前の工程で乾燥されていることが好ましい。

また、目封止スラリー中に含有されるセラミック原料粉末は、水が多孔質隔壁中へ移動する際の、原料粉末の再配列による目封止スラリーの収縮が行われ、凹部が確実に形成されるよう、その粒度分布は広い方が好ましく、具体的には、ｄ₅₀（平均粒径、即ち粒度分布図における累積質量％が５０％に相当する粒径）は４〜８μｍが好ましく、ｄ₁₀（粒度分布図における累積質量％が１０％に相当する粒径）は１〜３μｍが好ましく、ｄ₉₀（粒度分布図における累積質量％が９０％に相当する粒径）は１５〜４０μｍが好ましい。

以下、発明の実施の形態を詳細に説明する。
（実施例１〜４）

図１は本発明の実施例１に係るハニカムフィルタの断面模式図である。図１のセラミックハニカムフィルタ１０は、外周壁の内側に隔壁で仕切られた多数の四角形の流路を有し、この流路は流入側目封止部１５、及び流出側目封止部１６で目封止されており、流入側目封止部１５は流入側端面１７から離れた流路内に配置され、流入側目封止部１５の両端面に凹部が形成されている。
本実施例１〜４におけるセラミックハニカムフィルタは、以下の製造工程で製造した。カオリン、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ₂：４８〜５２％、Ａｌ₂Ｏ₃：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％を含むコーディエライト生成原料粉末とする。本実施例１ではＳｉＯ₂：５０％、Ａｌ₂Ｏ₃：３５％、ＭｇＯ：１５％に調整した。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、潤滑材、造孔剤としてグラファイトを添加し、乾式で十分混練した後、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坏土を作成した。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した。次にこの成形体を、乾燥、焼成し、隔壁の厚さ０．３ｍｍ、気孔率６５％、平均細孔径２０μｍ、隔壁ピッチ１．５ｍｍ、外径が２６７ｍｍ、全長が３０５ｍｍのコーディエライト質セラミックハニカム構造体を得た。

次に、図７（２）に示すように、目封止材スラリー保管タンク（図示せず）から目封止材スラリー６２を管状部材６１に供給するチューブ６３、バルブ６４から構成される目封止材スラリー料供給装置に、セラミックハニカム構造体１１を流路方向が略重力方向に一致するように載置した。目封止材料の供給に使用する管状部材６１は、ステンレス鋼製で全長が１１０ｍｍで、外径φ１．１ｍｍ、内径φ０．８ｍｍの断面円形のものを用いた。また、目封止材スラリーは、セラミック原料粉末として、タルク、カオリン、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムのコーディエライト化原料粉末Ａを、質量比で、ＳｉＯ₂：５０％、Ａｌ₂Ｏ₃：３５％、ＭｇＯ：１５％となるよう調整して用い、セラミック原料粉末１００質量部に対し、表１に示すようにメチルセルロース１質量部を加えて、乾式混合した後、表１に示すように、イオン交換水５２〜７５質量部、分散剤としてポリカルボン酸系界面活性剤を３質量部加えて湿式混合して作製した。尚、タルク、カオリン、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムのコーディエライト化原料粉末Ａの粒径は、ｄ₁₀：２μｍ、ｄ₅₀：５．１μｍ、ｄ₉₀：２３μｍであった。そして、この目封止材スラリーの粘度は２１〜６８Ｐａ・ｓであった。

次に、管状部材６１を目封止する流路内へ、セラミックハニカム構造体１１の端面１７から１００ｍｍの位置に挿入し、所定量の目封止材スラリーを管状部材から注入し、目封止スラリー中の水を多孔質隔壁中に吸水させることにより、目封止材を固化させた。その他の流路についても同様に、目封止を行った後、乾燥を行った。その後、排気ガス流出側端面に公知の目封止用フィルムを貼り付け、所定の流路に相当する箇所を穿孔して、公知の方法で排気ガス流出側端面からコーディエライト化原料からなる目封止材スラリーを流入させて排気ガス流出側目封止部を形成した。その後、大気中で１４００℃に加熱して、目封止材の焼成を行うと共に、目封止部と隔壁を一体化させて、実施例１〜４のセラミックハニカムフィルタを作製した。

（実施例５）
実施例５のセラミックハニカムフィルタは実施例３のセラミックハニカムフィルタに対してバインダーの配合比を減少させた以外は、実施例３と同様にして作製した。実施例５の目封止材スラリーの粘度は実施例３に対して、バインダーの配合比が少ないことから、実施例３より低い２５Ｐａ・ｓであった。

（実施例６）
実施例６のセラミックハニカムフィルタは実施例２のセラミックハニカムフィルタに対してコーディエライト化原料Ｂを用いた以外は、実施例２と同様にして作製した。コーディエライト化原料の粒径は、ｄ₁₀：１．５μｍ、ｄ₅₀：６．２μｍ、ｄ₉₀：２５μｍであった。実施例６の目封止材スラリーの粘度は、コーディエライト化原料の粒度分布が異なることから実施例２に対してやや高くなった。

（比較例１）
比較例１のセラミックハニカムフィルタは実施例１のセラミックハニカムフィルタに対してコーディエライト化原料Ａを用いたこと、及びイオン交換水の配合比を減少させたこと以外は実施例１と同様にして作製した。コーディエライト化原料の粒度分布は、ｄ₁₀：４．１μｍ、ｄ₅₀：７．５μｍ、ｄ₉₀：１２μｍであった。比較例１の目封止材スラリーの粘度は、コーディエライト化原料の粒径が異なること、イオン交換水の配合比が少ないことから、実施例１より大きい１００Ｐａ・ｓであった。

実施例１〜６及び比較例１のセラミックハニカムフィルタに対して、Ｐｔ、酸化セリウム、及び活性アルミナからなる触媒物質を隔壁表面及び隔壁中の細孔内部、更には目封止部表面及び目封止部中の細孔内部に担持させた。担持量はＰｔ量で２ｇ／Ｌ（ハニカムフィルタ容積１Ｌに対して２ｇ担持の意味）とした。

上記のように作製した実施例１〜６及び比較例１のセラミックハニカムフィルタを圧力損失試験装置（図示せず）に設置し、空気流量７．５Ｎｍ³／ｍｉｎの条件で空気を流入し、流入側端面と流出側端面の差圧を測定し、各セラミックハニカムフィルタの初期圧力損失を評価した。更に、実施例１〜６及び比較例１のセラミックハニカムフィルタを、ディーゼルエンジンの排気管に配置し、市街地走行を模したパターン走行条件で耐久試験を行った。この際、排気ガス温度が触媒物質の活性下限温度を下まわるような運転状態が続くような場合を発生させ、ＰＭがフィルタ上に堆積するような条件を作り出した上で、この運転状態に応じて、触媒物質を担持させたセラミックハニカムフィルタ上へのＰＭの堆積量を推定し、堆積量が一定値以上なったと判断された時点で、フィルタの上流側に燃料を未燃のまま多量に噴射して、フィルタを強制再生する耐久試験を行った。そして、１０，０００ｋｍ走行に相当する時間経過後のハニカムフィルタの圧力損失を初期圧力損失と同様に測定し、初期圧力損失と比較して、圧力損失比：(試験後の圧力損失)／（初期圧力損失）を算出した。また、１０，０００ｋｍ走行に相当する時間経過後のセラミックハニカムフィルタの捕集効率を以下のようにして測定した。上記セラミックハニカムフィルタを、圧力損失試験装置（図示せず）に設置し、空気流量７．５Ｎｍ³／ｍｉｎの条件下で粒子径０．０４２μｍのカーボンを３ｇ／Ｈｒで２Ｈｒ投入後のセラミックハニカムフィルタの捕集量と投入量の割合として算出した。これらの試験結果を表２に示す。

また、試験終了後のセラミックハニカムフィルタを切断し、排気ガス流入側目封止部付近の観察を行い、流入側目封止部に実用上問題となる破損が発生していたものを不合格（×）、実用上問題ない亀裂程度の軽微な破損が発生していたものを合格（△）、破損が全く発生していなかったものを合格（○）と判定して、表１に記載した。また、任意の１０ケ所の流入側目封止部厚さＬ及び凹部の深さＡを測定し、平均値を求め表１に記載した。

実施例１〜６のセラミックハニカムフィルタは、所定の目封止材スラリーが得られるよう、調整していることから、排気ガス流入側目封止部の両端面に凹部が形成されていた。このため、耐久試験においても、流入側目封止部に破損は認められず、また破損があったとしても実用上問題ない程度であり、耐久試験後の圧力損失、捕集効率共に問題ない程度であった。なかでも、凹部の深さが大きい実施例２〜６のセラミックハニカムフィルタでは流入側目封止部の破損が認められなかった。一方、比較例１のセラミックハニカムフィルタは、排気ガス流入側目封止部の両端面には凸部が形成されていたため、流入側目封止部の破損が認められ、耐久試験後の圧力損失は低かったが、捕集効率が９０％未満の低いレベルであった。

以上説明してきたように、本発明のセラミックハニカムフィルタは、ディーゼル機関から排出される排気ガス中のＰＭを多孔質隔壁で捕集、浄化する構造のセラミックハニカムフィルタに好適に用いることができる。

本発明のセラミックハニカムフィルタの模式断面図である。本発明のセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側目封止部を拡大した模式断面図である。従来のセラミックハニカムフィルタを示した模式断面図である。従来のセラミックハニカムフィルタを示した模式断面図である。本発明のセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側目封止部を拡大した模式断面図である。本発明のセラミックハニカムフィルタの模式断面図である。本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法の一例を示す模式断面図である。

符号の説明

１：外周壁
２：隔壁
３、４：流路
５：排気ガス流入側目封止部
６：排気ガス流出側目封止部
７：排気ガス流入側端面
８：排気ガス流出側端面
１０：少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置され、排気ガス流入側目封止部の両端部に凹部が形成されているセラミックハニカムフィルタ
１１：セラミックハニカム構造体
１２ｕ：排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁
１２ｄ：排気ガス流入側目封止部より下流側の隔壁
１３：排気ガス流出側目封止部が形成されている流路
１４：排気ガス流入側目封止部が形成されている流路
１５：排気ガス流入側目封止部
１５１：排気ガス流入側目封止部の排気ガス流入側端面
１５２：排気ガス流入側目封止部の排気ガス流出側端面
１５３、１５４、１５５、１５６：排気ガス流入側目封止部と隔壁の接触点
１６：排気ガス流出側目封止部
１７：排気ガス流入側端面
１８：排気ガス流出側端面
３０：セラミックハニカムフィルタ
４０：少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部が排気ガス流入側端面より離れて配置されているセラミックハニカムフィルタ
４５：排気ガス流入側目封止部
４２ｕ：排気ガス流入側目封止部より上流側の隔壁
４５１：排気ガス流入側目封止部の排気ガス流入側端面
４５２：排気ガス流入側目封止部の排気ガス流出側端面
４６：排気ガス流出側目封止部
４７：排気ガス流入側端面
４８：排気ガス流出側端面
６１：管状部材
６２：目封止材スラリー
６３：チューブ
６４：バルブ
Ａ：凹部の深さ
Ｌ：流入側目封止部厚

Claims

多孔質セラミックハニカム構造体の所望の流路を目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一つの排気ガス流入側目封止部がセラミックハニカムフィルタの排気ガス流入側端面より離れて配置されていると共に、前記排気ガス流入側目封止部の両端部に凹部が形成されていることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
前記凹部の深さが流路の開口幅の５０％より大きいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックハニカムフィルタ。
前記排気ガス流入側目封止部の気孔率が５０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセラミックハニカムフィルタ。
前記多孔質セラミックハニカム構造体の隔壁及び目封止部に触媒物質が担持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のセラミックハニカムフィルタ。