JPWO2008117559A1 - ハニカムフィルタ - Google Patents
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Abstract
ハニカムセグメント2は、長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が異なる2種類のセル5a,5bが形成されている。第1のセル(大セル)5aは、セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が第2のセル(小セル)5bの断面積よりも大きく、角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成されており、第2のセル(小セル)5bは、四角形状に形成されている。第1のセル5aと、その第1のセル5aに隣接する第1のセル5aとの1−1セル間壁の壁厚は、第1のセル5aと、その第1のセル5aに隣接する第2のセル5bとの1−2セル間壁の壁厚よりも大きく形成されている。本発明のハニカムフィルタは、隔壁における流体の流通を向上させることにより捕集性能を向上させるとともに、強度も増加させることができる。
Description
本発明は、ハニカムフィルタに関し、さらに詳しくは、流体の流入側の端面が微粒子等で閉塞されることを抑制し、かつ、高強度を維持することが可能なハニカムフィルタに関する。
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必要性が高まっている。特にディーゼルエンジンから排出される微粒子(以下「PM」ということがある。)の除去に関する規制は世界的に強化される傾向にあり、PMを除去するための捕集フィルタ(以下「DPF」ということがある。)としてハニカムフィルタの使用が注目され、種々のシステムが提案されている。上記DPFは、通常、多孔質の隔壁によって流体の流路となる複数の断面形状が四角形のセルが区画形成されたものであり、セルを交互に目封じすることで、セルを構成する多孔質の隔壁がフィルタの役目を果たす構造である。ここで、断面形状とは、セルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの、その断面の形状をいう。
DPFは、一方の端部側から微粒子を含有する排ガス等を流入させ、隔壁で微粒子を濾過した後に、浄化されたガスを他方の端部側から排出するものであるが、排ガスの流入に伴い、排ガス中に含有される微粒子が上記一方の端部(排ガスが流入する側の端部)に堆積し、セルを閉塞させるという問題があった。これは、排ガス中に多量の微粒子が含有される場合や、寒冷地において発生し易い現象である。このようにセルが閉塞すると、DPFにおける圧力損失が急激に大きくなるという問題があった。このようなセルの閉塞を抑制するために、上記排ガスが流入する側の端部において開口しているセル(流入側セル)の断面積と、上記他方の端部(排ガスが流出する側の端部)において開口しているセル(流出側セル)の断面積とを異ならせるものが提案されている。ここで、断面積とは、セルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの、その断面の面積をいう。
しかし、セルの断面形状が四角形のハニカムフィルタの、流入側セルの断面積と流出側セルの断面積とを互いに異ならせるようにすると、セルを形成する隔壁の厚さが、隔壁同士が交差する部分(以下、「交点部」ということがある。)の一部で薄くなることになり、強度的に弱くなるという問題があった。そのため、DPFにPMが堆積したときにポストインジェクションを実施し、PMを燃焼除去するが、この際に、薄くなった交点部の一部に応力が集中し、破壊し易くなるという問題があった。ここで、隔壁同士が交差する部分とは、ハニカムフィルタをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面において、交差する隔壁の双方に属する部分をいう。例えば、上記断面において、直線状に延びる同じ厚さの隔壁同士が交差する場合には、交差する部分の正方形の範囲をいう。
また、断面積の大きな流入側セルと断面積の小さな流出側セルとを有するハニカムフィルタであって、断面積の大きなセルの断面形状が、四角形の角部を直線的に切り落とした八角形であるハニカムフィルタが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
セルの断面形状を八角形とすることにより、上記交点部の一部が薄くなる状態は若干解消されるが、強度的な弱さの問題は依然として残っている。そこで、セルを閉塞させるという問題と強度的な弱さの問題とを解決したハニカムフィルタが望まれている。
本発明の課題は、隔壁における流体の流通を向上させることにより捕集性能を向上させるとともに、強度も増加させたハニカムフィルタを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明によれば、以下のハニカムフィルタが提供される。
[1] 流体の流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封じされた第1のセルと、前記一方の端部が目封じされ且つ前記他方の端部が開口された第2のセルとが交互に配設されて、前記第1のセルが開口する前記一方の端部から流入した前記流体を、前記隔壁を透過させて前記第2のセル内に透過流体として流出させ、前記透過流体を前記第2のセルが開口する前記他方の端部から流出させることができるように構成されており、
前記第1のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が前記第2のセルの断面積よりも大きく、
前記第1のセルと前記第2のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面において、第1の方向と、その第1の方向に垂直な第2の方向に、交互に並んで配設されており、
前記第1のセルと、その第1のセルに隣接する第1のセルとの間に形成された1−1セル間壁の壁厚は、前記第1のセルと、その第1のセルに隣接する第2のセルとの間に形成された1−2セル間壁の壁厚よりも大きく形成されたハニカムフィルタ。
前記第1のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が前記第2のセルの断面積よりも大きく、
前記第1のセルと前記第2のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面において、第1の方向と、その第1の方向に垂直な第2の方向に、交互に並んで配設されており、
前記第1のセルと、その第1のセルに隣接する第1のセルとの間に形成された1−1セル間壁の壁厚は、前記第1のセルと、その第1のセルに隣接する第2のセルとの間に形成された1−2セル間壁の壁厚よりも大きく形成されたハニカムフィルタ。
[2] 前記第1のセルは、前記角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成され、
前記第2のセルは、四角形状に形成された前記[1]に記載のハニカムフィルタ。
前記第2のセルは、四角形状に形成された前記[1]に記載のハニカムフィルタ。
[3] 前記セルのセル間壁の壁厚とセル幅は、下記式(1)を満たす前記[1]または[2]に記載のハニカムフィルタ。
ただし、Rib1−1:第1のセルとそれに隣接する第1のセルとの1−1セル間壁の壁厚
Rib1−2:第1のセルとそれに隣接する第2のセルとの1−2セル間壁の壁厚
W1:第1のセルのセル幅
W2:第2のセルのセル幅
l:第2のセルとそれに隣接する第2のセルとのセル間壁の壁厚
Rib1−2:第1のセルとそれに隣接する第2のセルとの1−2セル間壁の壁厚
W1:第1のセルのセル幅
W2:第2のセルのセル幅
l:第2のセルとそれに隣接する第2のセルとのセル間壁の壁厚
[4] 前記セルのセル間壁の壁厚は、下記式(2)を満たす前記[3]に記載のハニカムフィルタ。
1<Rib1−1/Rib1−2<1.175・・・(2)
1<Rib1−1/Rib1−2<1.175・・・(2)
[5] 複数の前記第1のセルと前記第2のセルが長手方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメントを、接合材層を介して複数接合して形成された前記[1]〜[4]のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
第1のセル−第1のセル間の壁厚を第1のセル−第2のセル間の壁厚より厚くすることにより、第1のセルから第2のセルへ流体を流れやすくすることができる。そして、スス付圧損を減少させつつ流体の流量を増大させ、つまり捕集性能を向上させつつ、ハニカムフィルタの強度を増大させることができる。
1:ハニカムフィルタ、2:ハニカムセグメント、4:外周コート層、5:セル、5a:第1のセル(大セル)、5b:第2のセル(小セル)、6:隔壁、7:充填材、9:接合材層。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
図1は本発明のハニカムフィルタを模式的に示す斜視図である。図2は、図1のハニカムフィルタを構成するハニカムセグメントを示す斜視図である。さらに、図3は、図2のハニカムセグメントのA−A断面図である。
ここで、本発明のハニカムセグメント2は、図1及び図2に示すように、ハニカムフィルタ1(ハニカムセグメント接合体)の全体構造の一部を構成する形状を有し、ハニカムフィルタ1の中心軸(長手方向)に対して垂直な方向に組み付けられることによってハニカムフィルタ1を構成する。セル5はハニカムフィルタ1の中心軸方向に互いに並行するように配設されており、隣接しているセル5におけるそれぞれの端部が交互に充填材7によって目封止されている。
さらに具体的に説明すると、ハニカムセグメント2は、断面が四角形状の柱状に形成されており、流体の流路となる複数のセル5を区画形成する多孔質の隔壁6を備え、セル5の長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が異なる2種類のセル5a,5bが形成されている。第1のセル(大セル)5aは、セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が第2のセル(小セル)5bの断面積よりも大きく、角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成されており、第2のセル(小セル)5bは、四角形状に形成されている。また、角部とは、断面形状が、相当する多角形(直線部分を延長して形成される多角形)であるとした場合の頂点及びその周辺に相当する部分である。
これら第1のセル5aと第2のセル5bは、セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面において、第1の方向と、その第1の方向に垂直な第2の方向に、交互に並んで配設されており、第1のセル5aと、その第1のセル5aに隣接する第1のセル5aとの1−1セル間壁の壁厚は、第1のセル5aと、その第1のセル5aに隣接する第2のセル5bとの1−2セル間壁の壁厚よりも大きく形成されている。そして、図3に模式的に示す断面図のように、一方の端部Aが開口され且つ他方の端部Bが目封じされた第1のセル5aと、一方の端部Aが目封じされ且つ他方の端部Bが開口された第2のセル5bとが交互に配設されて、第1のセル5aが開口する一方の端部Aから流入した流体を、隔壁6を透過させて第2のセル5b内に透過流体として流出させ、透過流体を第2のセル5bが開口する他方の端部Bから流出させることができるように構成されている。
このように、本実施の形態のハニカムフィルタ1によれば、第1のセル5aの断面積と第2のセル5bの断面積とを異ならせ(第1のセル5aの断面積が第2のセル5bの断面積より大きい)、第1のセル5aが開口する側の端部(一方の端部)Aから流体を流入させることにより(断面積の大きい第1のセル5aが流入側セルとなる)、ハニカムフィルタ1に微粒子を含有する排ガスを流したときに、一方の端部(流入側の端部)Aに開口する第1のセル5aが閉塞されることを抑制することができる。また、断面積の大きい第1のセル5aの断面形状を、四つの角部に相当する部分が切り落とされた八角形形状または円弧状の四角形とし、1−1セル間壁の壁厚は、1−2セル間壁の壁厚よりも大きく形成されていることにより、隔壁同士が交差する部分(交点部)の一部で薄くなることを防止でき、高強度を維持することができる。
図4を用いて、第1のセル(大セル)5aと第2のセル(小セル)5bとの位置関係について説明する。ハニカムセグメント2は、流体の流路となる複数の第1のセル5aと第2のセル5bが長手方向(軸方向)に互いに並行するように配設されており、セル5のセル間壁の壁厚とセル幅は、下記式(1)を満たすように形成されている。
ただし、Rib1−1:第1のセルとそれに隣接する第1のセルとの1−1セル間壁の壁厚
Rib1−2:第1のセルとそれに隣接する第2のセルとの1−2セル間壁の壁厚
W1:第1のセルのセル幅
W2:第2のセルのセル幅
l:第2のセルとそれに隣接する第2のセルとのセル間壁の壁厚
Rib1−2:第1のセルとそれに隣接する第2のセルとの1−2セル間壁の壁厚
W1:第1のセルのセル幅
W2:第2のセルのセル幅
l:第2のセルとそれに隣接する第2のセルとのセル間壁の壁厚
さらに、セル5のセル間壁の壁厚は、下記式(2)を満たすように形成されている。
1<Rib1−1/Rib1−2<1.175・・・(2)
Rib1−1/Rib1−2は、望ましくは、1.05〜1.15、さらに望ましくは、1.07〜1.13である。
1<Rib1−1/Rib1−2<1.175・・・(2)
Rib1−1/Rib1−2は、望ましくは、1.05〜1.15、さらに望ましくは、1.07〜1.13である。
以上のように構成することにより、図5(a)に示すように、第1のセル−第1のセル(大-大セル)間壁を第1のセル−第2のセル(大-小セル)間壁より厚くすることにより、大セルから小セルへ気流を流れやすくすることができる。大-大セル間壁が薄いと気流の流路の確保ができないため、壁面のフィルタ効果を活用しきれないが、壁厚を厚くし、流路を確保することにより入口セル全壁面をフィルタとして等しく活用できる。そのため、有効なフィルタ面積が増大し、捕集性能が向上する。また、強度が弱く歪みやすい大セル角部の壁を厚くすることにより強度を増加させることができる。つまり、フィルタ有効面積を増大させ、スス付き圧損減少させることができる。一方、図5(b)に示すように、従来のように大-大セル間壁の壁厚と大-小セル間壁の壁厚が等しいと流体の流路の確保が困難であった。式(2)を満たすように構成することにより、スス付圧損を減少させつつ流体の流量を増大させ、つまり捕集性能を向上させつつ、ハニカムフィルタの強度を増大させることができる。
ハニカムセグメント2の材料としては強度、耐熱性の観点から、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、窒化珪素、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材、珪素−炭化珪素複合材、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、Fe−Cr−Al系金属からなる群から選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。中でも、炭化珪素又は珪素−炭化珪素系複合材料が好ましい。
ハニカムセグメント2の作製は、例えば、上述の材料から適宜選択したものに、メチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等のバインダー、界面活性剤、溶媒としての水等を添加して、可塑性の坏土とし、この坏土を上述の形状となるように押出成形し、次いで、マイクロ波、熱風等によって乾燥した後、焼結することにより行うことができる。
セル5の目封止に用いる充填材7としては、ハニカムセグメント2と同様な材料を用いることができる。充填材7による目封止は、目封止をしないセル5をマスキングした状態で、ハニカムセグメント2の端面をスラリー状の充填材7に浸漬することにより開口しているセル5に充填することにより行うことができる。充填材7の充填は、ハニカムセグメント2の成形後における焼成前に行っても、焼成後に行ってもよいが、焼成前に行うことの方が、焼成工程が1回で終了するため好ましい。
以上のようなハニカムセグメント2の作製の後、ハニカムセグメント2の外周面にスラリー状の接合材層9を塗布し、所定の立体形状(ハニカムフィルタ1の全体構造)となるように複数のハニカムセグメント2を組み付け、この組み付けた状態で圧着した後、加熱乾燥する。このようにして、複数のハニカムセグメント2が一体的に接合された接合体を作製する。
本発明で得られるハニカムフィルタ1は、例えば、図1に示すように、複数のハニカムセグメント2が接合材層を介して互いの接合面で一体的に接合されたハニカムセグメント接合体と、ハニカムセグメント接合体の外周面を被覆する外周コート層4とを備え、流体の流路となる複数のセル5が中心軸方向に互いに並行するように配設された構造を有する。
尚、本発明に用いられる接合材層9は、ハニカムセグメント2の外周面に塗布されて、ハニカムセグメント2を接合するように機能する。接合材層9の形成は、例えば、ハニカムセグメント2の作製の後、ハニカムセグメント2の外周面にスラリー状の接合材層9を塗布し、所定の立体形状(ハニカム構造1の全体構造)となるように複数のハニカムセグメント2を組み付け、この組み付けた状態で圧着した後、加熱乾燥するようにして行うことを挙げることができる。この場合、塗布は隣接しているそれぞれのハニカムセグメント2の外周面に行ってもよいが、隣接したハニカムセグメント2の相互間においては、対応した外周面の一方に対してだけ行ってもよい。
本発明に用いられる接合材層9としては、無機繊維、無機バインダー、有機バインダー及び無機粒子から構成されてなるものを好適例として挙げることができる。具体的には、無機繊維としては、例えば、アルミノシリケート及びアルミナ等の酸化物繊維、その他の繊維(例えば、SiC繊維)等を挙げることができる。無機バインダーとしては、例えば、シリカゾル、アルミナゾル、粘土等を挙げることができる。有機バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、カルボキシメチルセルローズ(CMC)、メチルセルロース(MC)等を挙げることができる。無機粒子としては、例えば、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト等のセラミックスを挙げることができる。
外周コート層4は、ハニカムセグメント2の接合体の外周面に塗布されて、ハニカムセグメント2の接合体の外周面を保護するように機能する。外周コート層4の厚さは、例えば、0.1〜1.5mmの範囲で適宜選択される。
以上のように形成されたハニカムフィルタ1は、第1のセル(流入セル)5aにおいては、図3に示すように、左端部側が開口している一方、右端部側が充填材7によって目封止されており、これと隣接する他のセル(流出セル)5bにおいては、左端部側が充填材7によって目封止されているが、右端部側が開口している。このような目封止により、図2に示すように、ハニカムセグメント2の端面が市松模様状を呈するようになる。このような複数のハニカムセグメント2が接合されたハニカムフィルタ1を排ガスの排気系内に配置した場合、排ガスが図3における左側から各ハニカムセグメント2のセル5内に流入して右側に移動する。そして、隔壁6を通過する際に排ガス中のスートを含む粒子状物質(パティキュレート)が隔壁6に捕捉される。このようにして、排ガスの浄化を行うことができる。このような捕捉によって、ハニカムセグメント2の内部にはスートを含む粒子状物質(パティキュレート)が経時的に堆積して圧力損失が大きくなるため、スート等を燃焼させる再生が行われる。
なお、上記実施の形態では、第1のセル5aは、角部に相当する部分が切り落とされた八角形状として説明したが、角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成されたものであってもよい。また、第1のセル5a及び第2のセル5bがハニカムセグメント2に形成され、そのハニカムセグメント2を接合してハニカムフィルタ1を形成する場合について説明したが、一体として成形されたハニカムフィルタに第1のセル5a及び第2のセル5bが形成されていてもよい。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
第1のセル−第1のセル間、つまり大-大セル間の壁厚の異なるサンプルを準備し、初期圧損、スス付き圧損、捕集効率評価を実施した。以下、詳細に説明する。
初期圧損は、大型風洞内にて、気流温度:室温、計測流量:10Nm3/min.、スス量:0g/Lの測定条件にて測定した(図6)。スス付き圧損は、Soot Generatorにて、気流温度:200℃、計測流量:2.27Nm3/min.、スス量:4g/Lとして測定した(図7)。大−大セル間の壁厚比による流量比は、流体解析汎用コードStar−LTを用いて大−大セル間壁近傍における壁面へ向かう流速分布を評価し、大−小セル間壁近傍の流れと比較した(図8)。計算条件は、気流温度:20℃、計算流速:10m/sec.、スス量:4g/Lとした。大−大セル間の壁厚比による圧縮強度比は、j1”×1”L(直径1インチ×長さ1インチ)にサンプルを切り出し、JIS R 1608に準拠する方法にて計測した(図9)。以上の結果を、表1及び表2にまとめて示す。
図6は、大−小セル間の壁厚に対する大−大セル間の壁厚による初期圧損比を示す。図6に示すように、大−大セル間の壁厚を大きくすると、初期圧損比も増大するため、一見すると不利のように思われるが、図7に示すように、スス付き圧損比は、大−大セル間の壁厚比が1.1程度まで減少する。つまり、セラミックフィルタを使用することによるススの付着が生じた場合の圧損は、大−大セル間の壁厚比が1.18程度以下であれば、大−大セル間の壁厚比が大きいほうが、セラミックフィルタの使用期間中有利であることが示されている。図8に示すように、大−大セル間の流量比や、図9に示すように、強度比は、大−大セル間の壁厚比が大きいほど増大するために有利であることが示されている。以上のように、大−大セル間の壁厚比が1より大きく1.18程度以下であれば、流体の流量やセラミックフィルタの強度を増大しつつ、スス付圧損を減少させて、捕集効率を向上させることができる。
本発明のハニカムフィルタは、排ガス用の捕集フィルタとして、例えば、ディーゼルエンジン等からの排ガスに含まれている粒子状物質(パティキュレート)を捕捉して除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)として有用である。
Claims (5)
- 流体の流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封じされた第1のセルと、前記一方の端部が目封じされ且つ前記他方の端部が開口された第2のセルとが交互に配設されて、前記第1のセルが開口する前記一方の端部から流入した前記流体を、前記隔壁を透過させて前記第2のセル内に透過流体として流出させ、前記透過流体を前記第2のセルが開口する前記他方の端部から流出させることができるように構成されており、
前記第1のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が前記第2のセルの断面積よりも大きく、
前記第1のセルと前記第2のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面において、第1の方向と、その第1の方向に垂直な第2の方向に、交互に並んで配設されており、
前記第1のセルと、その第1のセルに隣接する第1のセルとの間に形成された1−1セル間壁の壁厚は、前記第1のセルと、その第1のセルに隣接する第2のセルとの間に形成された1−2セル間壁の壁厚よりも大きく形成されたハニカムフィルタ。 - 前記第1のセルは、前記角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成され、
前記第2のセルは、四角形状に形成された請求項1に記載のハニカムフィルタ。 - 前記セルのセル間壁の壁厚は、下記式(2)を満たす請求項3に記載のハニカムフィルタ。
1<Rib1−1/Rib1−2<1.175・・・(2) - 複数の前記第1のセルと前記第2のセルが長手方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメントを、接合材層を介して複数接合して形成された請求項1〜4のいずれか1項に記載のハニカムフィルタ。
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