JP3558217B2

JP3558217B2 - セラミックハニカムフィルタの製造方法

Info

Publication number: JP3558217B2
Application number: JP2001051053A
Authority: JP
Inventors: 博文松江; 里枝豊福; 博久諏訪部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002248311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、デイーゼルエンジンから排出される排気ガスより微粒子を取り除くセラミックハニカムフィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境の保全面から、自動車などのエンジンから排出される排気ガスに含まれる有害物質の削減が求められ、特に最近は、ディーゼルエンジンからの排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために、排気ガスの流路を排気ガス流入側または流出側で交互に封止したハニカム形状のセラミックハニカム構造体の排気ガス浄化フィルタが使用されるようになってきた。
【０００３】
図２は、排気ガス中の微粒子、特に黒鉛微粒子を捕捉するセラミックハニカムフィルタの使用例の一例を示す要部の模式断面概略図である。図２に示すように、セラミックハニカムフィルタ１１は、収納容器１２内に収納され、シール材１４、把持部材１３を介して把持されている。通常セラミックハニカムフィルタ１１の端面外周の形状は、ほぼ円筒状で、その外周壁１１ａとこの外周壁１１ａの内周側に各々直交する隔壁１１ｂにより形成された複数の流路１１ｃを有し、この流路１１ｃの両端部が交互に流入側封止材１ａ、流出側封止材１ｂで封止されている。
このような構造のセラミックハニカムフィルタでの排気ガス浄化作用は以下の通り行われる。先ず、流入側排気ガス２ａは収納容器１２に収納されたセラミックハニカムフィルタ１１の流入側端面の開口している流路１１ｃから流入し、矢印で示すように、隔壁１１ｂを通過し流出側排気ガス２ｂとして排気される。流入側排気ガス２ａが隔壁１１ｂを通過する際に、流入側排気ガス２ａに含まれる微粒子は、隔壁１１ｂに捕捉され、浄化された排気ガスが流出側排気ガス２ｂとして、大気中に放出される。隔壁１１ｂに捕捉された微粒子は一定量以上になるとフィルタの目詰まりが発生するため、バーナーや電気ヒーターにより燃焼させ、フィルタの再生が行われる。
【０００４】
上述のような構造をとるハニカムフィルタでは、確実に微粒子を捕捉するためには、封止部から排気ガス中の微粒子が漏れないことが重要で、流入側及び流出側封止材１ａ、１ｂが、確実に隔壁１１ｂに固着し、しかも、流入側及び流出側封止材１ａ、１ｂに内部と外部とに貫通したクラックが生じないことが重要である。これに関して、特開平５−２５４９６２号公報には、複数の貫通孔が並列して配列され、かつ各貫通孔の所定の開口部が目封止されているセラミック構造体において、貫通孔の所定の開口端部の目封止部は高粘性素地を貫通孔に圧入してなる目封止材にて目封止された後、焼成一体化されてなり、目封止材は、貫通孔の内壁の開口端側に密着する筒部と筒部の内端側に位置し内壁から漸次離間して突出する湾曲部を有するセラミック構造体により、確実に目封止して微粒子の捕集効率と耐久性の向上を図る技術が開示されている。また、特許第３０１２１６７号公報には、ハニカム形状の両端部を、目封止部により交互に目封止した形態の排ガス浄化フィルタにおいて、前記両端部に形成した目封止部の目封止厚さが均一でなく、目封止部と隔壁の境界が直線または、一定のパターンで連続しないことを特徴とする排ガス浄化フィルタにより、微粒子の燃焼時の熱衝撃によりクラックの発生や、溶損を防止する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−２５４９６２号公報による目封止材は、高粘性素地を大きな貫通孔に圧入するため、開口部が大きいときは、比較的容易に目封止材が、圧入されるが、開口部が小さくなると、圧入が困難となるため、封止材とセル壁の密着性が悪くなり、微粒子の捕集効率が悪くなるという問題がある。更には、目封止材が貫通孔の内壁から漸次離間して突出していることから、熱衝撃が発生した場合、目封止材と隔壁界面の流路側端部が切欠きとして作用するため、クラックが発生し易いという問題がある。一方、特許第３０１２１６７号公報によるフィルタによれば、目封止部と隔壁の境界が直線上または一定のパターンで連続していないため、応力や燃焼熱が分散される効果はあるが、目封止材と隔壁のなす角度が９０度となっていることから、熱衝撃が発生した場合、目封止材と隔壁の界面端部の応力集中係数が高くなり、クラックが発生し易いという問題がある。
本発明の課題は、封止材と隔壁が密着し、高温にさらされても熱衝撃によるクラックの発生を防止することの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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討の結果、封止材の形状に着目し、封止材の流路側表面に凹部を設けることにより、封止材と隔壁が密着し、高温にさらされても熱衝撃によるクラックの発生を防止することのできるセラミックハニカムフィルタを得られることに想到した。
【０００７】
具体的に第１の発明は、複数の流路が互いに並列して長手方向に延びると共に、これら流路のうち所定の開口端部が封止材により封止されているセラミックハニカムフィルタの製造方法において、封止材のスラリー粘度を調整することにより前記流路を封止している封止材の流路側表面が少なくとも凹部を有し、前記封止材と前記流路を形成する隔壁のなす流路側の接触角（θ）が１度以上７０度未満であるように形成することを特徴とするセラミックハニカムフィルタの製造方法である。
【０００８】
ここで、接触角とは、図１に示すように開口端部が封止材により封止されている流路断面図において、封止材の流路側表面と隔壁の間に形成される角度（θ）をいう。
【０００９】
そして、第２の発明は、前記封止材の流路方向長さの最長部と最短部の差が、隔壁厚さの１５倍以下であることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
上述した構成の本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法において、封止材の流路側表面に凹部が形成されていることから、目封止材と隔壁が滑らかに接合され、そのため、目封止材と隔壁の界面での応力集中を減少させ、熱衝撃が発生した場合の応力を低く押さえることが出来、結果として、熱衝撃によるクラックの発生を防止したセラミックハニカムフィルタを製造することが出来る。
なお、本発明において、目封止材と隔壁のなす流路側の接触角（θ）を１度以上７０度未満と限定したのは、１度未満の場合、実質的に目封止材と隔壁の密着長さが長くなるため、隔壁のフィルタ面積の減少につながり、微粒子の捕集時間が短くなることから好ましくないためである。一方、接触角（θ）が７０度以上になると、目封止材と隔壁界面の流路側端部が切欠きとして作用するため、熱衝撃が発生した場合、目封止材と隔壁界面の流路側端部の応力集中が大きくなるため発生応力が大きくなり、結果として、熱衝撃によるクラックが発生し易くなるため好ましくないためである。
【００１１】
また、本発明において、封止材の流路方向長さの最長部（図１に示す（Ｔ））と最短部（図１に示す（Ｂ））の差（Ｈ）を、セル壁厚さ（ｔ）の１５倍以下としたのは、１５倍を超えると、凹部の流路方向の長さが実質的に大きくなることから、凹部が欠陥サイズとして無視できなくなり、凹部頂点に熱衝撃による応力が発生し易くなり、封止材自体に熱衝撃によるクラックが発生し易くなるためである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態により説明する。
図１に本願発明により製造されたセラミックハニカムフィルタの１つの流路１１ｃの封止端面を切断した隔壁１１ｂと流入側封止材１ａ（或いは流出側封止材１ｂ）の関係を示した内部形状の模式拡大断面図を示す。
１１ｂは、流路１１ｃの隔壁である。この流路１１ｃが流入側封止材１ａ（或いは流出側封止材１ｂ）により封止され、これら封止材１ａ（１ｂ）の流路側表面に凹部が形成されている。１１ｄは、封止材１ａ（１ｂ）と隔壁１１ｂの接する境界を示す。
ここで、本発明の実施の形態は図１の形状に限定されるものでなく、図３に示す他の発明例の形状でも封止材と隔壁のなす流路側の接触角（θ）が１度以上９０度未満であるため、熱衝撃によるクラックを防止する効果が得られる。
また、本発明のセラミックハニカムフィルタを構成する材料としては、本発明が主としてディーゼルエンジンから排出される排ガスを対象とするため、耐熱性の良い材料を使用することが好ましい。このためコージェライト、ムライト、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、LAS等を主結晶相とするセラミック材料を用いることが好ましいが、中でもコージェライトを主結晶相とするセラミックハニカムフィルタは、安価で耐熱性、耐化学性に優れ最も好ましい。
【００１３】
図４に封止材スラリー１６をセラミックハニカム構造体に目封止する方法の１形態の図面を示している。目封止材スラリー１６を所定の容器１５に収納する。ここで目封止材は、セラミックハニカム構造体と同じ材質のものを用いることが出来るが、公知の技術であるアルミナセメント、ハニカム構造体に対する熱膨張係数差が３．５×１０^−７／℃以下のもの、α−アルミナや仮焼タルク等含有したコージェライト質材料で焼成収縮の小さいもの等を用いることが出来る。一方、ハニカム構造体の各流路１１ｃにおける一端側の所定の開口端部を樹脂製マスク１７により閉塞すると共に、多端側の所定の開口端部を樹脂製マスクにより閉塞し、当該ハニカム構造体を目封止材スラリーの上方から浸積させ、次いでハニカム構造体の多端側を同様に目封止材スラリーの上方から浸積させる。この際、隔壁の厚さや間隔に応じたスラリーの粘度を調整することにより、封止材の流路側表面に凹部が形成される。
【００１４】
（実施例１）
コージェライト化原料を混合、混練し、公知の押出成形法により、ハニカム形状の成形体を得た。得られた成形体に対して１４１０℃の温度で焼成を行いコージェライト質ハニハム構造体を得た。このハニカム構造体の寸法は、直径１４３．８ｍｍ、長さ１５２．４ｍｍ、隔壁厚さ０．４３ｍｍ、隔壁のピッチ２．５４ｍｍであった。
まず粘度を約０．１〜１０Ｐａ・ｓに調整したコージェライト化原料からなる目封止材スラリー１６を所定の容器１５に収納する。一方、ハニカム構造体の各流路１１ｃにおける一端側の所定の開口端部を樹脂製マスク１７により閉塞すると共に、他端側の所定の開口端部を樹脂製マスクにより閉塞し、当該ハニカム構造体を目封止材スラリーの上方から浸漬させ、所定時間経過後、ハニカム構造体をスラリーから取り出し、別の場所で乾燥させた。次いでハニカム構造体の他端側を同様に目封止材スラリーの上方から浸漬させ、同様に所定時間経過後、ハニカム構造体をスラリーから取り出し、別の場所で乾燥させた。そして、各種粘度に調整された封止材スラリー１５を用い、図１、図３に示す封止材１ａ（１ｂ）の流路側表面に凹部が形成されたものを製作した。
【００１５】
乾燥が終了後、１４００℃の温度で焼成を行い、セラミックハニカム構造体の流路１１ｃの端部を交互に封止材で閉塞させた表１に示す試験Ｎｏ．１〜１２（Ｎｏ．９、１０は参考例）のコージェライト質セラミックハニカムフィルタ１１を得た。
【００１６】
得られたセラミックハニカムフィルタ１１について、耐熱衝撃性の試験を行った。ここで耐熱衝撃性の評価方法として、一定温度に加熱された電気炉中にフィルターを３０分間保持し、その後室温に急冷し、目視にてクラックが発見された時の加熱温度と室温との温度差を耐熱衝撃温度とした。また、クラックが発見されない場合は２５℃温度を上昇させ同様の試験を行い、クラックが発生するまで繰り返した。なお試験数は各３個とし、それらの平均で示した。そして、試験終了後、図１に示す隔壁１１ｂと封止材１ａ（１ｂ）のなす流路側の接触角（θ）及び封止材の流路方向長さの最長部（Ｔ）と最短部（Ｂ）の差（Ｈ）を測定した。測定はハニカムフィルタの入り口側及び出口側の端面からそれぞれ３個の封止材について行い、計６個の平均値とした。
【００１７】
試験Ｎｏ．１〜８、１１、１２のセラミックハニカムフィルタは、封止材の流路側表面が凹部を有しており、封止材と隔壁のなす流路側の接触角（θ）が１度以上７０度未満であるので、再生時の耐熱熱衝撃性が実使用上問題ないレベルである６８０℃以上を有している。中でも、試験Ｎｏ．１〜８、１１のセラミックハニカムフィルタは、封止材の流路方向長さの最長部と最短部の差が、隔壁厚さの１５倍以下であるので、耐熱衝撃温度が７００℃以上の好ましい結果となった。このため、試験Ｎｏ．１〜８、１１、１２のセラミックフィルタは実使用時においても熱衝撃によるクラックが発生する心配がない。
【００１８】
【表１】

【００１９】
（実施例２）
実施例１と同様の方法を用い、押出成形時の口金の寸法を調整することにより、直径１４３．８ｍｍ、長さ１５２．４ｍｍ、隔壁厚さ０．３０ｍｍ、隔壁のピッチ１．８０ｍｍのコージェライト質セラミックハニカム構造体を得た。その後実施例１と同様に、流路１１ｃの端部を交互に封止材で閉塞させ、表１に示す試験Ｎｏ．１３〜１６のコージェライト質セラミックハニカムフィルタを得た。
【００２０】
得られたセラミックハニカムフィルタについて、実施例１と同様に耐熱衝撃性の試験を行った後、隔壁１１ｂと封止材１ａ（１ｂ）のなす流路側の接触角（θ）及び封止材の流路方向長さの最長部（Ｔ）と最短部（Ｂ）の差（Ｈ）を測定した。
試験Ｎｏ．１３〜１６のセラミックハニカムフィルタは、封止材の流路側表面が凹部を有しており、封止材と隔壁のなす流路側の接触角（θ）が１度以上９０度未満であり、また、封止材の流路方向長さの最長部と最短部の差が、隔壁厚さの１５倍以下であることから、いずれも６８０℃以上の耐熱衝撃温度を有していることが判る。このため、試験Ｎｏ．１３〜１６のセラミックフィルタは実使用時においても熱衝撃によるクラックが発生する心配がない。
【００２１】
（比較例）
実施例１と同様の方法を用い、直径１４３．８ｍｍ、長さ１５２．４ｍｍ、隔壁厚さ０．４３ｍｍ、隔壁のピッチ２．５４ｍｍのコージェライト質セラミックハニカム構造体を得た。
その後、ハニカム構造体と同様のコージェライト質セラミックス材料に水や添加剤を添加し高粘性素地を作成し、この素地を所定の容器１５に収納する。一方、ハニカム構造体の各流路１１ｃにおける一端側の所定の開口端部を樹脂製マスク１７により閉塞すると共に、多端側の所定の開口端部を樹脂製マスクにより閉塞し、当該ハニカム構造体を高粘性素地の上方から２０ｍｍ／分の速度で押し込み、所定時間経過後、ハニカム構造体を高粘性素地から取り出し、別の場所で乾燥させた。次いでハニカム構造体の多端側を同様に高粘性素地の上方から押し込み、同様に所定時間経過後、ハニカム構造体を素地から取り出し、別の場所で乾燥させた。
【００２２】
乾燥が終了後、１４００℃の温度で焼成を行い、表１に示す試験Ｎｏ．１７〜２０に示すセラミックハニカムフィルタを得た。封止材に高粘性素地を使用し、隔壁で囲まれた流路内に押し込んだことから、流路側表面は凸形状であった。
【００２３】
得られたセラミックハニカムフィルタについて、実施例１と同様に耐熱衝撃性の試験を行った後、隔壁１１ｂと封止材１ａ（１ｂ）のなす流路側の接触角（θ）及び封止材の流路方向長さの最長部（Ｔ）と最短部（Ｂ）の差（Ｈ）を測定した。
試験Ｎｏ．１７〜２０のセラミックハニカムフィルタは、封止材の流路側表面が凸部を有しており、このため封止材と隔壁のなす流路側の接触角（θ）が９０度を越えていることから、いずれも耐熱衝撃温度は６８０℃を下回った。このため、実使用時において再生時等に熱衝撃によるクラック発生が心配される。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のセラミックハニカムフィルタの製造方法によれば、封止材の流路側表面が凹部を有していることから、封止材と隔壁のなす接触角が７０°未満となり、封止材と隔壁界面の流路側端部への応力集中を減少させることにより発生応力を低く押さえることが出来るため、熱衝撃によるクラックの発生を防止したセラミックハニカムフィルタを製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックハニカムフィルタの１つの流路を切断した封止材の形状の一例の模式拡大断面図である。
【図２】セラミックハニカムフィルタの使用状態の１例を示す要部の模式断面概略図である。
【図３】本発明のセラミックハニカムフィルタの１つの流路を切断した封止材の形状の他の例の模式拡大断面図である。
【図４】本発明のセラミックハニカムフィルタの目封止を実施する一例の模式断面図である。
【符号の説明】
１ａ流入側封止材
１ｂ流出側封止材
２ａ流入側排気ガス
２ｂ流出側排気ガス
１１セラミックハニカム構造体
１１ａ外周壁
１１ｂセル壁
１１ｃセル目
１１ｄセル壁と封止材の境界
１２収納容器
１３ａ、１３ｂ把持部材
１４シール材
１５封止材容器
１６封止材スラリー
１７樹脂製マスク

Claims

複数の流路が互いに並列して長手方向に延びると共に、これら流路のうち所定の開口端部が封止材により封止されているセラミックハニカムフィルタの製造方法において、封止材のスラリー粘度を調整することにより前記流路を封止している封止材の流路側表面が少なくとも凹部を有し、前記封止材と前記流路を形成する隔壁のなす流路側の接触角（θ）が１度以上７０度未満であるように形成することを特徴とするセラミックハニカムフィルタの製造方法。
前記封止材の流路方向長さの最長部と最短部の差が、隔壁厚さの１５倍以下である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の製造方法。