JP2007007559A

JP2007007559A - セラミックハニカムフィルタ

Info

Publication number: JP2007007559A
Application number: JP2005191858A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Motoi; 雅一許斐
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】共鳴管を構成する両側封止流路を適切に配置することで両側封止流路の数を低減し流出側封止流路の数を増やし、消音機能をできるだけ低下せずにＰＭ捕集容量を増大したハニカムフィルタを得る。
【解決手段】セラミックハニカム構造体の隔壁で囲まれた断面が四角形状である流路の排気ガス流入側を封止部で目封止した流入側封止流路と、流出側を封止部で目封止した流出側封止流路と、流入側と流出側を共に封止部で目封した両側封止流路とを有するセラミックハニカムフィルタにおいて、前記両側封止流路を囲む８つの流路が全て流入側封止流路または流出側封止流路であるとともに、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に並んで存在する２つの前記両側封止流路の間には少なくとも２つの流入側封止流路または流出側封止流路を有する。
【選択図】図６

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などの排気ガス中には炭素を主体とするＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）が多量に含まれており、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などの排気ガス系には、ＰＭを捕集、浄化するためのフィルタが搭載されている。

図１は、排気ガス中のＰＭを捕集、浄化する、従来のセラミックハニカムフィルタ（以下セラミックハニカムフィルタを略して「ハニカムフィルタ」という）１０の一例を示し、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ａ−Ａに沿った断面模式図である。図１で、ハニカムフィルタ１０は、ハニカムフィルタの流路方向に垂直な断面が略円状または略楕円状の外周壁１と、この外周壁１の内周側で隔壁２により囲まれた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体（以下セラミックハニカム構造体を略して「ハニカム構造体」という）（１）が、排気ガスの流入側端面７と流出側端面８において各々封止部５、６で交互に目封止されることで、流出側封止流路３と流入側封止流路４とを形成している。なお、外周壁を１、ハニカム構造体を（１）として示している。

図１のハニカムフィルタ１０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に開口している流出側封止流路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を通過する際に隔壁２の内部と表面に捕集され、浄化された排気ガスは、流出側端面８に開口している流入側封止流路４から流出、大気中に放出される。

ここで、隔壁２の内部と表面に捕集されたＰＭが多くなると、流出側封止流路３内にＰＭが堆積するとともに隔壁が目詰まりして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１０を再生する必要がある。

ところで、図１に示す基本的なハニカムフィルタに対して、特許文献１には、消音機能を付加したハニカムフィルタが記載されている。図２は特許文献１に記載されたハニカムフィルタの１例を示し、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｃ−Ｃに沿った断面模式図である。図２において、３は流出側封止流路、４は流入側封止流路、４Ｃは流路の流入側と流出側を共に封止した両側封止流路である。また図２（ａ）で、流入側封止流路４のハッチングは流路の流入側の封止部５を示しており、両側封止流路４ＣのハッチングとＸ印は、この流路が流入側の封止部５と流出側の封止部６とで目封止されていることを示す。ここで両側封止流路を共鳴室として機能させることで、消音機能を有するハニカムフィルタを得ることができるとしている。

特開２００３−２５４０３５号公報

しかしながら特許文献１に記載の図２に示す消音機能を有するハニカムフィルタ２０の場合には、図１に示すハニカムフィルタに比べて、両側封止流路４Ｃの数だけ流入側封止流路４と流出側封止流路３の数は減少する。ＰＭは流出側封止流路３を構成する隔壁の表面と内部に捕集されるため、流出側封止流路３の数が少ないと、短時間で流出側封止流路３内にＰＭが堆積するとともに隔壁２が目詰まりし圧力損失が増加してしまい、ハニカムフィルタの再生の間隔を短くする必要が生じる。ハニカムフィルタの再生の方法としては、電気ヒータ、バーナー、マイクロ波などでＰＭを燃焼する方法がとられるが、いずれの方法にせよ再生の間隔が短くなるとエネルギーの消費量が増大することとなる。

当然ながら両側封止流路４Ｃの数を減らして流出側封止流路３の数を増やせば、ハニカムフィルタの再生が必要になるまでのＰＭ捕集量（以下ハニカムフィルタの再生が必要になるまでのＰＭ捕集量を略して、「ＰＭ捕集容量」という）も増えるので、再生の間隔を延長することが可能となるが、消音機能は低減する。特許文献１には流入側封止流路と流出側封止流路及び両側封止流路の配置と割合は自由に変更できると記載されているが、消音機能をできるだけ低下させずに両側封止流路４Ｃの数を減らして流出側封止流路３の数を増やす具体的な配置と割合は提示されていない。

したがって本発明の課題は、両側封止流路を適切に配置することで両側封止流路の数を低減して流出側封止流路の数を増やし、消音機能をできるだけ低下せずにＰＭ捕集容量を増大したハニカムフィルタを得ることにある。

本発明は、セラミックハニカム構造体の隔壁で囲まれた断面が四角形状である流路の排気ガス流入側を封止部で目封止した流入側封止流路と、流出側を封止部で目封止した流出側封止流路と、流入側と流出側を共に封止部で目封した両側封止流路とを有するセラミックハニカムフィルタにおいて、前記両側封止流路を囲む８つの流路が全て流入側封止流路または流出側封止流路であるとともに、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に並んで存在する２つの前記両側封止流路の間には少なくとも２つの流入側封止流路または流出側封止流路を有することを特徴とする。

ここで両側封止流路を囲む８つの流路とは、図３に示すハニカムフィルタの流路垂直方向断面模式図において、両側封止流路４Ｃの周りを囲む８つの流路をいう。また流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向とは、図３に示す２つの矢印方向をいう。また、流路の断面の四角形状とは、正方形、長方形、台形、平行四辺形等に限らず、流路垂直方向断面において隔壁が交差することで形成されるコーナー部を４つ有する形状であればよい。

また本発明は、前記流入側封止流路の流入側の封止部と前記両側封止流路の流入側の封止部は、前記セラミックハニカム構造体の排気ガス流入側端面より離れて配置され、前記流入側封止流路と前記両側封止流路とが流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に隣接しないことが好ましい。

（作用）
本発明の作用を、図を用いて説明する。先ず図２に特許文献１に記載されたハニカムフィルタを示す。ここで（ａ）は流入側端面から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｃ−Ｃに沿った断面模式図である。また、２は隔壁、５、６は封止部、３は流出側封止流路、４は流入側封止流路、４Ｃは両側封止流路を示す。図２に示すハニカムフィルタの場合には、全流路の１／４の数の流路が流出側封止流路であり、すなわち全流路の数に対して２５％の数の流路が流出側封止流路３であるのでＰＭ捕集容量は小さい。ＰＭ捕集容量を増大するためには両側封止流路の数を減少させ、流出側封止流路の数を増加すればよいが、単に両側封止流路４Ｃの数を減少させて、例えば両側封止流路４Ｃを半減して図４の模式図のようにしただけではＰＭ捕集容量は増加するものの消音機能が大きく減少する。この理由は、流出側封止流路３のうち、例えば流出側封止流路３Ｈに流入した排気ガスのうち流入側封止流路４Ｉと４Ｊへ隔壁２を通過して流入した排気ガスは共鳴管を構成する両側封止流路４Ｃを囲む隔壁に触れることなくハニカムフィルタより排出されるためである。また、両側封止流路どうしが１つの流路を囲む４つの隔壁のうち２つを共有するように隣接しているため両側封止流路の消音機能が効果的に発揮されない。

上記の理由を回避して、図５に示すように両側封止流路４Ｃを隔壁の延伸方向から４５°方向にずらして配置した場合には、排気ガスはハニカムフィルタの内部で必ず両側封止流路を囲む隔壁に触れることになるため、消音機能は効果的に発揮できるものの、全流路の数に対する流出側封止流路３の数は２５％となり、ＰＭ捕集容量は小さい。

次に本発明のハニカムフィルタの一例を図６に示す。ここで（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｆ−Ｆに沿った断面模式図である。図６に示すハニカムフィルタ６０は、両側封止流路４Ｃ囲む８つの流路が全て流入側封止流路４または流出側封止流路３となっている。さらに流路垂直方向断面上で隔壁２の延伸方向に並んで存在する２つの両側封止流路４Ｃ（例えば４ＣＡと４ＣＢ）の間には少なくとも２つの流入側封止流路４または流出側封止流路３を有している。このように両側封止流路４Ｃを配置することで、全流路の数に対して流出側封止流路３の数は約４２％となる。図２と図５に示すハニカムフィルタでは全流路の数に対する流出側封止流路３の数は２５％であり、図４に示すハニカムフィルタでは全流路の数に対する流出側封止流路３の数は３７％であるため、本発明のハニカムフィルタ６０のＰＭ捕集容量は大きく増加する。さらに、排気ガスはハニカムフィルタの内部で必ず両側封止流路を囲む隔壁に触れることになるため、上記図５に示すハニカムフィルタと同様に消音機能は効果的に発揮される。

本発明のハニカムフィルタの別の一例を図７に示す。ここで（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｇ−Ｇに沿った断面模式図である。図７に示すフィルタ７０は、両側封止流路４Ｃ囲む８つの流路が全て流入側封止流路４または流出側封止流路３となっている。さらに流路垂直方向断面上で隔壁２の延伸方向に並んで存在する２つの両側封止流路４Ｃの間には３つの流入側封止流路４または流出側封止流路３を有している。このように両側封止流路４Ｃを配置することで、全流路の数に対して流出側封止流路３の数は５０％とさらに増加し、ハニカムフィルタのＰＭ捕集容量は上記の図６に示すハニカムフィルタ６０に比べてさらに増加する。また、排気ガスはハニカムフィルタ７０の内部で必ず両側封止流路４Ｃを囲む隔壁に触れることになるため、上記の図５に示すハニカムフィルタと同様に消音機能は効果的に発揮される。

本発明において、流路垂直方向断面上で隔壁２の延伸方向に並んで存在する２つの両側封止流路４Ｃの間に存在する流入側封止流路４または流出側封止流路３の数を増やすことも可能である。また、両側封止流路４Ｃを流入側封止流路４または流出側封止流路３に変更することも可能である。これにより共鳴管を構成する両側封止流路４Ｃの数が減少するため消音機能は減少するものの、両側封止流路４Ｃは隔壁２を挟んで全て流入側封止流路４または流出側封止流路３に接しているため、消音効果を効果的に発揮しながらＰＭ捕集容量することができる。

また、本発明において、両側封止流路４Ｃの内部にさらに封止部を設けることもできる。これにより、共鳴周波数の異なる共鳴管を構成することができる。

本発明のハニカムフィルタの別の一例を図８に示す。ここで（ａ）は流出側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｈ−Ｈに沿った断面模式図である。図８に示すハニカムフィルタでは、流入側封止流路４の流入側の封止部５と両側封止流路４Ｃの流入側の封止部５が、流入側端面７より離れて配置されている。これにより流入側の封止部の流入側にもＰＭを捕集でき、ＰＭ捕集容量がさらに増加する。さらに、流入側封止流路４と両側封止流路４Ｃとは流路垂直方向断面上で隔壁の延伸方向に隔壁２を挟んで隣接していない。これにより流入側封止流路４と両側封止流路４Ｃはそれぞれ高温になった排気ガスが流れる流出側封止流路３とのみ隔壁２を挟んで隣接するので、流入側封止流路４と両側封止流路４Ｃそれぞれの流入側の封止部５の流入側端面に堆積するＰＭが燃焼除去しやすい。

本発明のハニカムフィルタによれば、共鳴管を構成する両側封止流路を適切に配置することで両側封止流路の数を低減し流出側封止流路の数を増やし、消音機能をできるだけ低下せずにＰＭ捕集容量を増大したハニカムフィルタを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態の数例を、図面に基づき詳細に説明する。
（実施の形態１）
図６は実施の形態１に係るハニカムフィルタ６０であり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｆ−Ｆに沿った断面模式図である。ハニカムフィルタの６０の基本的な構造と両側封止流路４０Ｃの配置パターンは上記課題を解決するための手段で記したとおりである。すなわち図６に示すハニカムフィルタ６０は、両側封止流路４Ｃ囲む８つの流路が全て流入側封止流路４または流出側封止流路３となっており、さらに流路垂直方向断面上で隔壁２の延伸方向に並んで存在する２つの両側封止流路４Ｃの間には少なくとも２つの流入側封止流路４または流出側封止流路３を有している。実施の形態１に係るハニカムフィルタ６０は、以下のようにして得ることができる。先ず、カオリン、タルク、シリカ、水酸化アルミ、アルミナなどの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ₂：４７〜５３％、Ａｌ₂Ｏ₃：３３〜３８％、ＭｇＯ：１２〜１６％、およびＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、ＴｉＯ_2、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＰｂＯ、Ｐ₂Ｏ₅などの不可避的に混入する成分を全体で２．５％以下を含むようなコージェライト生成原料粉末とし、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、潤滑剤、造孔材としてグラファイトを添加し、乾式で十分混合した後、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杯土を作製する。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する。次に、成形体を、乾燥、焼成させ、外周壁１となる外径が２６７ｍｍ、全長Ｌが３００ｍｍ、隔壁２が、厚さ０．３ｍｍ、ピッチ１．５７ｍｍ、気孔率６５％、平均細孔径２０μｍのコージェライト質ハニカム構造体とする。このハニカム構造体（１）の流路の全数は、約２５，０００個となっている。

次に公知の方法でハニカム構造体の両端に封止部を形成する。まずハニカム構造体（１）の流入側端面７に樹脂製の封止用フィルムを貼着する。次に流入側封止部５を形成する位置の封止用フィルムを穿孔する。このとき流入側の封止部５が図６（ａ）に示すパターンになるようにする。次にハニカム構造体（１）の流入側端面７をスラリー状の封止材に浸漬し、穿孔を介して封止材を流路に充填する。その後、封止材が隔壁２に着肉し保形性が得られた後、封止用フィルムを除去し、封止材の乾燥を行う。続いて上記と同様にハニカム構造体（１）の流出側端面８より封止部６が図６（ａ）に示すパターンになるように封止材を充填し、封止用フィルムを除去し、封止材の乾燥を行う。その後バッチ式焼成炉を用いて温度制御しつつ封止材と共にハニカム構造体（１）の焼成を行うことで、図６に示すハニカムフィルタ６０となる。このハニカムフィルタ６０の両側封止流路4Ｃの数は全流路の数に対して４２％となる。

なお、ＰＭが燃焼するときの熱が外周壁１を通して外部に伝達しにくくするために、ハニカム構造体の外周部の流路の両端部に封止部を有する断熱層を設けることもあるが、この両端部を封止した流路は断熱の機能を持たせるために連続して隣接しているものであり、本件発明の共鳴管を構成した流路とは異なる。

（比較例）
次に比較例として図６のハニカム構造体（１）と同じ物を用いて、ただし流入側の封止部５と流出側の封止部６を形成する流路を変更して、流入側封止流路４と流出側封止流路３と両側封止流路４Ｃの配置が図５に示すパターンになるようにしてハニカムフィルタ５０を製作した。このハニカムフィルタ５０の両側封止流路4Ｃの数は全流路の数に対して２５％となる。上記実施の形態１に示すハニカムフィルタ６０と比較例に示すハニカムフィルタ５０とのＰＭ捕集容量を比較すると、実施の形態１に示すハニカムフィルタ６０のＰＭ捕集容量は比較例に示すハニカムフィルタ５０に対して１６０％に増加することができた。また、上記実施の形態１に示すハニカムフィルタ６０と比較例に示すハニカムフィルタ５０の消音機能はほぼ同等であった。

ここでＰＭ捕集容量は以下のようにして測定する。まず比較例のハニカムフィルタ５０を圧力損失測定装置に装着し、空気を１０Ｎｍ^３／ｍｉｎの量でハニカムフィルタ５０に通過させ初期の圧力損失を測定する。次に上記と同じ空気量とともに粒径０．０４２μｍのカーボン粉を少量ずつ３ｇ／ｍｉｎの割合でハニカムフィルタに投入しながら圧力損失を測定する。圧力損失の値が初期の圧力損質の１２５％となった時点までにハニカムフィルタ５０に投入したカーボン粉の重量をハニカムフィルタ５０のＰＭ捕集容量とし、またこのときの圧力損失の値をＫとする。次に実施の形態１に示すハニカムフィルタ６０を圧力損失測定装置に装着し、上記と同様に空気とともにカーボン粉を少量ずつハニカムフィルタに投入しながら圧力損失を測定し、圧力損失の値が上記Ｋとなった時点までにハニカムフィルタ６０に投入したカーボン粉の重量をハニカムフィルタ６０のＰＭ捕集容量とする。

（実施の形態２）
図７は実施の形態２に係わるハニカムフィルタ７０であり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｇ−Ｇに沿った断面模式図である。ハニカムフィルタ７０の製造方法は実施の形態１に係わるハニカムフィルタ６０と同じであるが、流出側封止流路３と流入側封止流路４と両側封止流路４Ｃの配置が図７に示すパターンになるように封止用フィルムの穿孔パターンのみを変更して製造した。上記のように製造したハニカムフィルタ７０は、全流路の数に対する流出側封止流路の数が５０％となり、実施の形態１に示すハニカムフィルタ６０に対してＰＭ捕集容量を１１０％とさらに増加することができた。また、上記実施の形態２に示すハニカムフィルタ７０と実施の形態１に示すハニカムフィルタ６０の消音機能はほぼ同等であった。

（実施の形態３）
図８は実施の形態３に係わるハニカムフィルタ８０であり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｈ−Ｈに沿った断面模式図である。ハニカムフィルタ８０の形態は実施の形態２に示すハニカムフィルタ７０と比較して、流入側封止流路４の封止部５と両側封止流路４Ｃの流入側の封止部５がハニカムフィルタの流入側端面７より離れて配置されていることを除き同じである。また、実施の形態３のハニカムフィルタ８０の製造方法は、流入側封止流路４の封止部５と両側封止流路４Ｃの流入側の封止部５の製造方法を除いて同じである。

ハニカムフィルタ８０の流入側封止流路４の封止部５と両側封止流路４Ｃの流入側の封止部５は、注射器状の管を流路の内部に挿入し、封止部の材料となるペースト状の封止材料を流入側端面７より離れた所望の位置に導入することで製造できる。

上記のように製造したハニカムフィルタ８０は、全流路の数に対する流出側封止流路の数が５０％となり、実施の形態２に示すハニカムフィルタ７０に対してＰＭ捕集容量を１４０％とさらに増加することができた。また、上記実施の形態３に示すハニカムフィルタ８０と実施の形態２に示すハニカムフィルタ７０の消音機能はほぼ同等であった。なお、流入側端面７より離れて配置された流入側封止流路４の封止部５と両側封止流路４Ｃの流入側の封止部５の製造方法として、ハニカム構造体（１）を封止部５が配置される位置で流路垂直方向に一旦切断分離し、ハニカム構造体の端面に封止部を設ける公知の方法を用いて封止部を配置した後、接合材を用いて分離したハニカム構造体を再び接合一体化することで得ることもできる。

従来のハニカムフィルタを示し、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ａ−Ａに沿った断面模式図である。特許文献１に提案しているハニカムフィルタを示し、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｃ−Ｃに沿った断面模式図である。両側封止流路を囲む８つの流路と、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向の意味を説明する図である。図４に示すハニカムフィルタ対して、両側封止流路の数を減少した例を示すハニカムフィルタであり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｄ−Ｄに沿った断面模式図である。比較例に係るハニカムフィルタであり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｅ−Ｅに沿った断面模式図である。実施の形態１に係るハニカムフィルタであり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｆ−Ｆに沿った断面模式図である。実施の形態２に係るハニカムフィルタであり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｇ−Ｇに沿った断面模式図である。実施の形態３に係るハニカムフィルタであり、（ａ）は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、（ｂ）は線Ｆ−Ｆに沿った断面模式図である。

符号の説明

１０、２０、４０、５０、６０、７０、８０：ハニカムフィルタ（セラミックハニカムフィルタ）
１：外周壁
（１）：ハニカム構造体（セラミックハニカム構造体）
２：隔壁
３：流出側封止流路
４：流入側封止流路
４Ｃ：両側封止流路
５：流入側の封止部
６：流出側の封止部
７：流入側端面
８：流出側端面

Claims

セラミックハニカム構造体の隔壁で囲まれた断面が四角形状である流路の排気ガス流入側を封止部で目封止した流入側封止流路と、流出側を封止部で目封止した流出側封止流路と、流入側と流出側を共に封止部で目封した両側封止流路とを有するセラミックハニカムフィルタにおいて、前記両側封止流路を囲む８つの流路が全て流入側封止流路または流出側封止流路であるとともに、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に並んで存在する２つの前記両側封止流路の間には少なくとも２つの流入側封止流路または流出側封止流路を有することを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
前記流入側封止流路の流入側の封止部と前記両側封止流路の流入側の封止部は、前記セラミックハニカム構造体の排気ガス流入側端面より離れて配置され、前記流入側封止流路と前記両側封止流路とが流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に隣接しな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。