JP4959998B2 - パティキュレートフィルタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス中に含まれる微粒子を除去するためのパティキュレートフィルタの製造方法に関するものである。

内燃機関、ボイラー等の排ガス中の微粒子や有害物質は、環境への影響を考慮して、排ガス中から除去する要請が高まっている。
特にディーゼル機関から排出される微粒子物質（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯx）の除去に関する関心が高まっており、これらのＰＭやＮＯxを除去するための多角形構造のフィルタ（パティキュレートフィルタという）が注目されている。

このようなパティキュレートフィルタは、図１２（ａ）に示すように、多孔質の隔壁により仕切られた流体通路を複数個、縦に並べた構造をしている。図１２（ｂ）に端面を示すように、約半数の通路の流入側の開口端を閉塞し、残りの通路の流出側の開口端を閉塞している。したがって多孔質の隔壁が濾過面となる。
このパティキュレートフィルタの使用にあたっては、排気ガス管内において、パティキュレートフィルタの端面を排気ガスの流路に垂直に設置する。排気ガスは、パティキュレートフィルタの端面の流体通路の流入側の開口端より侵入し、隔壁を通過して、流出側の開口端より排出される。隔壁には、微細な貫通孔が無数に形成されているため、排気ガス中の微粒子は、この微粒子に補集される。
特開２００４−８９６号公報 特開平５―１６８８３１号公報 特開２００１−３３４１１４号公報

従来の特許文献に開示されたパティキュレートフィルタは、１つ１つの流体通路が角柱状であり、流入口から流出口にかけて同じ断面積（直径）であった。
パティキュレートフィルタをディーゼルエンジンのマフラに用いた場合などにおいては、ディーゼルエンジンから排出される微粒子（油分が多くくっつきやすい）がパティキュレートフィルタの流入口付近に多くくっついて溜まりやすくなっている。

この構造では、流入口において約半数の流体通路の開口端が閉塞されているため、開口部の面積比率が小さく、そのためガスの補集効率が低かった。また、この構造では、開口部の面積が小さいために圧力損失が大きかった。
そこで本発明は、圧力損失が小さく、補集効率の高いパティキュレートフィルタの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のパティキュレートフィルタの製造方法は、多孔質の隔壁により仕切られた流体通路によってフィルタ部が形成されており、前記流体通路の、被処理流体の流入口における開口部の断面積が、被処理流体の流出側における断面積よりも大きいパティキュレートフィルタの製造方法であって、セラミック粉末、光硬化性樹脂及び界面活性剤を含有するセラミックスラリーを製作する工程と、該セラミックスラリー中に支持板を浸漬させ、該支持板上にある前記セラミックスラリーに光照射を行って硬化させて前記支持板を降下させる工程と、前記工程を複数回繰り返すことにより、前記フィルタ部となるセラミック成形体を作製する工程と、該セラミック成形体を焼結する工程と、を含むことを特徴とする。
このパティキュレートフィルタの構造により、ディーゼルエンジンなどから排出される微粒子がパティキュレートフィルタの流入口付近に多くくっついても、流入口側の開口部の面積が比較的大きいために、圧力損失が小さくなり、微粒子の補集効率を高めることができる。

前記流体通路の断面形状は、被処理流体の流入口からある距離までは流入口と同じ形状であり、そこから流出側に行くにしたがって断面積が小さくなっているものであってもよく、この場合、流入口側の入り口付近での微粒子の補集量が多くなり、補集効率が高まる。
前記流体通路の流入口の断面形状は、多角形状であることが好ましい。開口部が多角形状であると流入口と流入口との間に存在する隔壁の面積を小さくできる。例えば、開口部が四角又は六角であれば隔壁は格子状になりさらに開口部の面積を大きくできる。

前記流入口の開口部の断面積が、前記フィルタ部の前記開口部及び前記隔壁を含む全断面積の７０〜８０％であることが、ガスの補集効率が上がり、圧力損失も小さくできるので好ましい。
前記隔壁は、前記流入口付近において隣接する流入口と共有する隔壁となっており、そこから流出側に行くに従って流体通路ごとの隔壁となっている場合は、隔壁は流入口付近において隣接する流入口と共有する隔壁となっていることから、高強度である。また、そこから流出口までは各流体通路ごとに隔壁を有するものであることから、ガスの透過効率を高めることができる。

前記隔壁がコーディエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム、リチウムアルミノシリケート、アルミナ、ムライト、スピネルの群から選ばれる少なくとも１種である場合、耐熱性、強度、耐久性が高い。特に、熱膨張係数が小さく、特に、耐熱衝撃性が高いという点でチタン酸アルミニウムが好ましい。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下において「断面」とは、特に断りのない限りフィルタ部の長手方向（図１におけるＺ方向）に対する垂直の断面を意味する。
図１は、パティキュレートフィルタの縦断面図である。図２はガスの流入端面における断面図、図３は中間部における断面図、図４はガスの流出端面における断面図を示す。

このパティキュレートフィルタは、被処理流体の流入端面から流出端面まで縦配置された多数のフィルタ部１を有する。各フィルタ部１は、角錐状の多孔質の隔壁２により形成されている。この角錐状の多孔質の隔壁２により区間されたガスＧの通路を「流体通路」という。各フィルタ部１は、複数集合して、枠体３とともに一体化して形成されている。
なお、枠体３と一体化する代わりに、例えば金属製の枠体に固定してもよい。

各フィルタ部１の流入端面は、その断面図を図２に示すように、隔壁２によって格子状に仕切られている。すなわち、隣接するフィルタ部１の隔壁２が互いに共有された隔壁２となっており、これらの隔壁２が格子を形成している。
各フィルタ部１の隔壁２は、流入口から流出側（Ｚ方向）に行くに従って、その断面形状が直線状に絞られていく。したがって、隣接するフィルタ部１の隔壁２同士は離れて行き、各フィルタ部１ごとの隔壁２となる。

図３は、この絞られた位置における隔壁２を示す断面図であり、フィルタ部１が角錐状に絞られた結果、流体通路の断面積が小さくなり、かつ隣接する隔壁２同士が離れている様子を示している。この中間部では、各フィルタ部１はフリーの状態であり、必ずしも相互に固定連結されていない（しかし後述するように隔壁２の先端部では固定されている）。

各フィルタ部１の隔壁２は、図４に示すように、流出端面において、その断面形状が最も絞られ、点状となり、格子点を形成する。すなわち、図４に示される格子５の交点が各フィルタ部１の先端に相当する。
この格子５は、例えば隔壁２と同じ材料で作られたものであり、各フィルタ部１の先端部を固定するためのものである。各フィルタ部１の先端部は、図１に示したように、格子５の中で固定される。なお、格子５を、ステンレスなどで形成してもよい。この場合、各フィルタ部１の先端部を金属ホウケイ酸ガラスなどの低融点ガラスによって封止するとよい。

本実施形態の特徴は、多孔質の隔壁２により仕切られたフィルタ部１の、処理流体が流入する流入口の断面積が被処理流体の流出側の断面積よりも大きいことである。
この構造により、ディーゼルエンジンなどから排出される微粒子がパティキュレートフィルタの流入口付近に多くくっついても、流入口側の開口部の面積が比較的大きいために、流入口の詰まりが少なくなる。したがって、圧力損失が小さくなり、微粒子の補集効率を高めることができる。

図５は、１つのフィルタ部１の断面図であり、図２〜図４のＸ−Ｚ面又はＹ−Ｚ面で切った断面を表している。フィルタ部１の断面は、ガスＧの流入端面から被処理流体の流出側に行くにしたがって絞られ、次第に細くなっていることを示している。隔壁２は直線状であり、段差がないために、流通するガスＧにかかる抵抗は小さくなる。したがって、圧力損失が小さくなり、補集効率が高まる。

図６は、変形例に係るフィルタ部１の断面図である。フィルタ部１の断面形状は、ガスＧの流入口からある距離Ｌ（ほぼ中間の位置）までは流入口と同じ形状であり、そこから流出側に行くにしたがって湾曲し、断面積が小さくなっている。このため、流入口から前記距離Ｌまで隔壁２の表面積が小さくならず、微粒子の補集量が多くなり、補集効率が高まる。

なお、図５，図６において、フィルタ部１のＸ−Ｙ面で切った断面は、流入口側では四角形状であるが、断面積が狭くなるに従って、円形などに変形していってもよい。また、断面積が狭くなっても、四角形状をそのまま保つようにしてもよい。
次に、本発明のパティキュレートフィルタの製造方法を説明する。
図７は、パティキュレートフィルタの製造装置を示す断面模式図である。

この製造装置は、セラミックスラリを溜めておく容器１１と、セラミックスラリ中を上下（Ｚ方向）に移動可能な、Ｘ−Ｙ面に平行に設定された支持板１２とを備えている。
さらに容器１１の上部空間には、光照射部としてのレーザー装置１３と、そのレーザー装置１３の照射光を水平方向（Ｘ−Ｙ面上）に走査するためのＸＹ移動部１４とを備えている。

前記レーザー装置１３には、紫外線レーザー、半導体レーザー、エキシマレーザー、Ａｒイオンレーザー又はＨｅ−Ｃｄレーザー等のレーザー装置１３があげられる。また、水銀ランプ等を光源として用い、所定形状のマスクを通して光を照射するものであってもよい。
なお、ＸＹ移動部１４とは別に、光照射部の照射光を微小走査するための走査部材、例えば、レーザー装置１３の照射光を反射させるための回転可能なガルバノミラー（図示せず）が設けられていてもよい。ガルバノミラーを設けた場合、レーザー装置１３の照射光の方向は、ガルバノミラーで反射された光が下向き（Ｚ方向）になるように、所定の方向（必ずしも下向きではない方向）に設定するとよい。

この製造装置でパティキュレートフィルタを製造するには、プラスチックスの成形分野で用いられている光硬化性樹脂を用いた「光造形法」を採用することができる。
この光造形法は、セラミック粉末、光硬化性樹脂及び界面活性剤等を混合してセラミックスラリー（以下、スラリーと称す）を作り、このスラリーに光を照射して光硬化性樹脂を硬化させ、所望形状のセラミック成形体を得た後、このセラミック成形体を加熱して光硬化性樹脂を脱脂するとともにセラミック成形体を焼結させる方法である。

なお、前記光硬化は、スラリー中のセラミック粒子の照射波長に対する透光性により影響を受ける。そのため、用いるセラミック粒子が使用する照射波長に対して実質的に透光性を示すものにするか、又は透光性を示す照射波長を有する光源を使用することが好ましい。
本発明で用いるセラミック粉末は、酸化物、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン等の炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、又はこれらの混合物などの各種セラミックスを用いることができる。セラミックスには、例えば、コーディエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム、リチウムアルミノシリケート、アルミナ、ムライト、スピネル、ジルコニア、イットリア等がある。

特に、チタン酸アルミニウムが好ましい。チタン酸アルミニウムは熱膨張係数が０に近く耐熱衝撃性に優れている。
セラミック粉末は光照射後、短時間で硬化させることができるという理由により、平均粒径は０．５〜１０μｍであって、粒径分布は０．１〜３０μｍであることが好ましい。
また、本発明で用いる光硬化性樹脂は、Ｘ線、紫外線、可視光線等の光線によって硬化する樹脂であり、例えばウレタンアクリレート系樹脂、エポキシアクリレート系樹脂、ポリエステルアクリレート系樹脂等を用いればよい。より詳しく言えば、エポキシアクリレート、ポリエーテルアクリレート、ポリエステルアクリレート、ウレタンアクリレート系樹脂等のラジカル重合型光硬化性樹脂、エポキシ樹脂等のカチオン重合系光硬化性樹脂等を用いることができる。

さらに、アミン塩系、第４級アンモニウム塩系、ピリジウム塩系等のカチオン界面活性剤をスラリーに対して０．１〜７体積％含有させることが好ましい。
また、前記光硬化性樹脂の硬化を誘発させるための光重合開始剤としては、通常の光重合に用いる開始剤、例えば、パーオキシド系、オニウム塩系、アセトフェニル系、ベンゾインエーテル系、ベンジルペタール系、ケトン類、アミン類、芳香族ジアゾニウム塩、芳香族スルホニウム塩等の開始剤を用いることができる。光重合開始剤は、光硬化性樹脂１００重量％に対して、１〜２０重量％であることが好ましい。なお、光重合開始剤の機能も備えた光硬化性樹脂を用いる場合には光重合開始剤を添加する必要はない。

また、前記スラリーの粘度は１．５Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。１．５Ｐａ・ｓ以下とすることで、半硬化状となっているスラリー層の平滑性を向上させることができるため、セラミック焼結体の平滑度も向上させられる。また、成形を短時間かつ効率的に
することができ、量産性も上げられる。
なお、スラリーの粘度を１．５Ｐａ・ｓ以下とするには、例えば、光重合開始剤を含む光硬化性樹脂３８〜４４．９体積％、カチオン界面活性剤０．１〜７体積％及び平均粒径０．５〜１０μｍのセラミック粉末５５〜６１．９体積％を、容積５００〜２０００ｃｃのポットに投入し、直径５〜２０ｍｍのアルミナボールを用い、回転数１００〜７００ｒｐｍで２４時間撹拌混合すればよい。

さらに、前記スラリーの粘度は１．０Ｐａ・ｓ以下であることがより好ましい。スラリーの粘度を１．０Ｐａ・ｓ以下とするには、例えば、光重合開始剤を含む光硬化性樹脂３８〜４４．９体積％、カチオン界面活性剤０．１〜７体積％及び平均粒径５〜１０μｍのセラミック粉末２７．５〜３０．９５体積％を、容積５００〜２０００ｃｃのポットに投入し、直径５〜２０ｍｍのアルミナボールを用い、回転数１００〜７００ｒｐｍで０．５〜２時間撹拌混合した後、さらに前記セラミック粉末の２７．５〜３０．９５体積％を前記ポットに投入し、２４時間撹拌混合することによって得られる。

ここで、上述のようにして得られたスラリーを用いてパティキュレートフィルタを作製する工程について、図８から図１１を用いて説明する。
まず、セラミック粉末、光硬化型樹脂等を混合してスラリーを調製し、容器１１に満たす。図８に示すように、支持板１２をスラリーの表面から硬化層一層分だけ沈める。あるいは、先に支持板１２を設置し、その後から、支持板１２がスラリー中に沈む程度に、スラリーを容器１１に溜めてもよい。

次に、スラリーの上面側から、光照射部をＸＹ方向に走査しながら、パティキュレートフィルタの断面としての隔壁２を形成する部分に、微小径の光を照射していき、スラリーを硬化させる。この場合、紫外線の照射領域はコンピュータにより設計される。
レーザー光線の照射光量は、光硬化性樹脂の硬化深度、セラミック粉末の種類に応じて、適宜選択すればよい。例えばレーザー光線の照射光量は、５０〜１０００mJ／cm²とすることが好ましい。なお、レーザー光線の照射光量は、レーザー出力（mW）／（スキャン間隔（cm）×スキャン速度（cm/sec）によって定義される。

次に、図９に示すように、支持板１２をＺ方向に動かして硬化した隔壁２の上面が再びスラリー中に沈む程度にした後、最初に光照射して硬化させた層の上に所定厚さになるように、スラリーを供給し、フィルタ部１の部分を光照射し硬化させる。降下距離は０．０５〜０．２ｍｍ程度となる。
このように、光照射し硬化させるという工程を繰り返し積層していく。このようにして、図１０に示したように３次元的なセラミック成形体が作製される。隔壁２となる部分を硬化層で形成した後、内部のスラリーを排出することで中空のフィルタ部１を製造することができる。

図１１は、所定寸法のフィルタ部１を形成した後、セラミックスラリ中から引き上げたところである。
次いで、セラミック成形体に含まれる光硬化性樹脂を真空雰囲気中、窒素ガス雰囲気中、又はアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で必要に応じて脱脂する。このような雰囲気で脱脂することにより、光硬化性樹脂が過度に発熱することはなく、クラックの発生を完
全に防止することができる。

脱脂は、真空雰囲気中、窒素ガス雰囲気中、不活性ガス雰囲気中のいずれかで、昇温速度１〜５０℃／時間の範囲で、３００〜６００℃の範囲まで昇温し、光硬化性樹脂が急激な分解とならないように設定することが好ましい。温度条件等は、セラミック成形体の肉厚や体積に応じて個々に設定するとよい。例えば肉厚が厚いほど昇温速度はゆっくり上げる方が良く、雰囲気についても、窒素ガスと不活性ガスの混合ガス雰囲気であってもよい。

しかる後、前記脱脂されたセラミック成形体を、通常のセラミック成形体の焼成方法である常圧焼結法等によって焼結させ、セラミック焼結体を得ることができる。このようにして、図１のパティキュレートフィルタが完成する。
この製造方法によって得られるセラミック焼結体は、腐食性のガスに対し耐食性を示すとともに、緻密質であることが要求される部品、例えば液晶製造装置用部品や半導体製造装置用部品に用いることができ、特に、軽量化あるいは断熱を要求される部品にも適用する中空体のセラミック焼結体を容易に得ることができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
セラミック粉末として、平均粒径０．７μｍのチタン酸アルミニウム粉末を用い、このアルミナ粉末１００重量％に、光重合開始剤を含む光硬化性樹脂としてウレタンアクリレート２０重量％を混合したペーストを３０ｍｍ×３０ｍｍのプラスチック基板に塗布し、ペーストに界面活性剤０．１ｍｌを滴下、混合してスラリーを得た。

得られた混合体をそれぞれパティキュレートフィルタの製造装置の容器１１に投入し、Ａｒイオンレーザーを照射して、厚み０．１ｍｍ毎に５００回積層することで、図５の形状の、５０ｍｍの長さの角錐状のフィルタ部１を形成した。次に成形体からスラリーを排出後、エタノールで洗浄して、未硬化部分を除去した。
その後、雰囲気中にて、昇温速度１．５℃／時間で６００℃まで昇温し脱脂した。得られた脱脂体の、入口側及び出口側の枠体の両端をテープ状のＳＵＳ板を用いて固定した。大気中にて昇温速度２００℃／時間で１７００℃まで昇温、２時間保持し焼成することでパティキュレートフィルタを得た。

作製されたパティキュレートフィルタの開口部の断面積は、フィルタ部１の開口部及び隔壁２を含む全断面積の７０〜８０％であった。図１２に示した従来の構造では、流入口において約半数の流体通路の開口端が閉塞されているため開口部の面積比率が約５０％であり、そのためガスＧの補集効率が低かったが、本実施例の構造では、開口部の面積比率を７０〜８０％に高めることができるため、ガスＧの補集効率が上がり、圧力損失も小さくできた。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記流体通路の流入口の断面形状は、四角形状であったが、四角に限定されるものではなく、ｎ角形状（ｎは３以上の整数）とすることができる。例えば六角形状であってもよい。六角形状とした場合、流入口はハニカム状になるので「ハニカムフィルタ」と呼ぶことができる。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

パティキュレートフィルタを示す縦断面図である。 パティキュレートフィルタの入口側端部における横断面図である。 パティキュレートフィルタの中間部における横断面図である。 パティキュレートフィルタの出口側端部における横断面図である。 直線状に絞られたパティキュレートフィルタの縦断面図である。 湾曲したパティキュレートフィルタの縦断面図である。 パティキュレートフィルタを製造するための製造装置を示す模式的な断面図である。 光造形法によるパティキュレートフィルタの製造工程図である。 光造形法によるパティキュレートフィルタの製造工程図である。 光造形法によるパティキュレートフィルタの製造工程図である。 光造形法によるパティキュレートフィルタの製造工程図であり、所定寸法のフィルタ部１を形成した後、セラミックスラリ中から引き上げた状態を示す。 従来のパティキュレートフィルタの内部構造を示す図である。

符号の説明

２ 隔壁
１ フィルタ部
３ 枠体
５ 格子
１１ 容器
１２ 支持板
１３ レーザー装置
１４ ＸＹ移動部

Claims (2)

1. 多孔質の隔壁により仕切られた流体通路によってフィルタ部が形成されており、前記フィルタ部の流体通路の、被処理流体の流入口における開口部の断面積が、被処理流体の流出側における断面積よりも大きいパティキュレートフィルタの製造方法であって、
   セラミック粉末、光硬化性樹脂及び界面活性剤を含有するセラミックスラリーを製作する工程と、
   該セラミックスラリー中に支持板を浸漬させ、該支持板上にある前記セラミックスラリーに光照射を行って硬化させて前記支持板を降下させる工程と、
   前記工程を複数回繰り返すことにより、前記フィルタ部となるセラミック成形体を作製する工程と、
   該セラミック成形体を焼結する工程と、を含むことを特徴とするパティキュレートフィルタの製造方法。
2. 前記パティキュレートフィルタの前記流入口側の端面において、前記流入口の断面積が、前記フィルタ部の前記開口部及び前記隔壁を含む全断面積の７０〜８０％である請求項１記載のパティキュレートフィルタの製造方法。

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