JP4148149B2

JP4148149B2 - ディーゼルパティキュレートフィルタ及びその製造方法

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Publication number: JP4148149B2
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Description

本発明は、マイクロ波の照射により捕集された粒子状物質（ＰＭ）を燃焼除去してフィルタ機能を再生できるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）及びその製造方法に関する。

誘電損失の大きい無機材料として、炭素（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等が知られている。これらの材料は誘電損失が大きいという特性を有するために、マイクロ波の照射による誘電加熱が可能であり、この特徴を利用して、マイクロ波加熱、焼結の加熱源、オイルバス用ヒータ、マントルヒータ、及び、マイクロ波の照射により粒子状物質（ＰＭ）を再生できるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等への応用についての研究及び開発がなされている。

その一つとして、炭化ケイ素質の多孔体でＤＰＦを形成すると共に、マイクロ波を発生するマグネトロンを設け、この多孔体にマイクロ波を照射して誘導加熱することにより、捕集されたＰＭを燃焼除去するＤＰＦが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、マイクロ波に曝されると、フィルタの温度が時間の関数として約１，１００℃近辺で、より好ましくは９００℃〜１，０００℃で平衡点に達するような、温度上昇と共に減少する誘電正接を有する、特定の耐火性酸化物セラミック材料から形成され、２．４５ＧＨｚにおいて高い誘電正接を有する耐火性酸化物セラミック材料から形成されたマイクロ波吸収性フィルター本体を備えたＤＰＦも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、これらの炭化ケイ素や耐火性酸化物セラミック材料は、強度、靱性が低く熱衝撃性が低いため、構造材料としては扱い難いという問題がある。そのため、これらの材料で、マイクロ波の照射によりＰＭを再生できるＤＰＦ等を形成した場合には、構造的な強度が不足するという問題がある。例えば、炭化ケイ素材料は靱性と熱衝撃性が低く、炭素材料に至っては４００℃以上の大気中では酸化して消失するため使用できない。
特開平６−１７６３８号公報特開２００２−８０２７１号公報

本発明の目的は、強度、靱性、熱衝撃性、耐熱性に優れる窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）系セラミックスの母相（母材）中に鉄ケイ化物（ＦｅｘＳｉｙ）を所定量分散させて、優れた機械的特性を維持しつつ、誘電損失を大きくした窒化ケイ素系セラミックス製のＤＰＦ及びその製造方法を提案することにある。

上記の目的を達成するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集し、電磁波により加熱して、捕集された粒子状物質を燃焼除去してフィルタ機能の再生を行うディーゼルパティキュレートフィルタにおいて、窒化ケイ素系セラミックスを基材とし、１ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲の少なくとも一つの周波数における比誘電率と誘電正接の積が０．０１以上、３以下であり、且つ、電気抵抗率が１×１０⁸Ω・ｍ以上、１×１０¹³Ω・ｍ以下であるセラミックスで形成することを特徴として構成される。

この比誘電率ε’と誘電損失ｔａｎδの積は、誘電加熱時に加えたエネルギーが熱として失われる誘電損失Ｐに関係する値であり、この誘電損失Ｐは、比誘電率ε’と誘電損失ｔａｎδの積に比例する。

なお、比誘電率ε’、誘電正接ｔａｎδは、通常の一般的な測定方法で求めればよいが、例えば、次のようにして求めることができる。１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの周波数における比誘電率ε’及び誘電正接ｔａｎδは、φ２０×ｔの試料表面に金の蒸着を行い、１００ｎｍの電極を形成して、インピーダンスアナライザーにより電極間の静電容量Ｃｘを測定し、Ｓを電極面積、ｔを試料の厚さ、ε０を真空の誘電率、Ｃｅを絶縁容量、Ｄを試料の直径（３端子法：Ｄ＝（Ｄ₁＋Ｄ₂）／２，２端子法：Ｄ＝Ｄ₁，Ｄ₁は主電極の直径、Ｄ₂はガード電極の内径）とした時の、ε’＝（Ｃｘ−Ｃｅ）／Ｃ０，Ｃｅ＝πＤ（０．０２９−０．５８１×ｌｏｇ（ｔ）），Ｃ０＝ε０×Ｓ／ｔ，Ｓ＝（Ｄ²）／４の式から、比誘電率ε’を算出する。また、誘電正接ｔａｎδはＬＣＲメータ指示量である。なお、１００ｋＨｚより下では３端子法で、１００ｋＨｚ以上では２端子法とする。また、５ＭＨｚを越える周波数ではＪＩＳＲ１６２７（１９９６）「マイクロ波用ファインセラミックスの誘電特性の試験方法」に従う。

また、電気抵抗率ρに関しても、通常の一般的な測定方法で求めればよいが、例えば、次のようにして求めることができる。φ２０×ｔの試料表面に金の蒸着を行い、１００ｎｍの電極を形成して、電気抵抗率測定装置を用いて、試料に直流電圧（Ｖ）を加え、１分間充電後のデジタル・エレクトロメータに流れる電流（Ｉ）を読み抵抗（Ｒ）を求めた後、Ｒと試料寸法とから算出する。

上記の構成のＤＰＦを形成するセラミックスは、窒化ケイ素系セラミックスに、所定の周波数に関しての比誘電率と誘電正接の積が所定の範囲内で、且つ、電気抵抗率が所定の範囲内になるように形成すると、母材（マトリックス）の特性を活かしたまま高周波やマイクロ波により容易且つ均一に加熱でき、しかも、誘電加熱の制御が容易となるセラミックスとなるので、ＤＰＦは、高強度、高靱性、高耐熱衝撃性を有すると共に、マイクロ波の照射により容易にＰＭを燃焼除去してフィルタを再生できるＤＰＦとなる。

そして、上記のＤＰＦにおいて、前記セラミックスの基材中に、誘電加熱物質を２．５ｖｏｌ％以上、１０ｖｏｌ％以下分散する。このような範囲内における誘電加熱物質の分散により、上記の比誘電率、誘電正接、電気抵抗率を得ることができる。つまり、セラミックス基材（母材：マトリクッス）中に、基材に比べて比誘電率、誘電損失が大きく高周波やマイクロ波の照射により容易に加熱できる誘電加熱物質を所定の範囲量内で分散させることにより、母材の特性を活かしたまま良好な誘電加熱性能を持たせることができる。また、誘電加熱物質の分散量をこの範囲内とすることにより、耐熱性、耐熱衝撃性を良好なものにすることができる。

なお、ｖｏｌ％は体積％を示し、１００×（誘電加熱物質の体積）／（セラミックス基材の体積＋誘電加熱物質の体積）であり、この誘電加熱物質の体積％測定方法としては、走査電子顕微鏡で撮影した試料の断面を画像解析処理にて誘電加熱物質の体積％を算出する方法等がある。

この誘電加熱物質として、少なくともＦｅ（鉄）−Ｓｉ（ケイ素）（ＦｅｘＳｉｙ）系化合物を用いて形成することができる。つまり、強度や靱性等の機械的性質に優れた窒化ケイ素系セラミックスを基材とし、比誘電率、誘電損失が大きく、マイクロ波によって加熱可能なＦｅ−Ｓｉ系化合物である誘電加熱物質（誘電加熱粒子）を分散させることにより、温度制御性が良く早期に加熱可能なＤＰＦとすることができる。また、Ｆｅ−Ｓｉ系化合物を用いると、ＤＰＦに必要な特性である、高強度、耐熱性、耐熱衝撃性、及び、コストの点で有利となる。このＦｅ−Ｓｉ系化合物としてはＦｅ₅Ｓｉ₃が好ましく、このＦｅ₅Ｓｉ₃を焼結時に生成する誘電加熱物質生成成分としては、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）がある。

また、その他の誘電加熱物質として、Ｆｅ（鉄）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｅ（セリウム）のいずれか一つ又はその組み合わせとセラミックス基材含有成分との化合物を用いたりすることもできる。なお、セラミックス基材含有成分とは、セラミックス基材に含まれる成分であり、例えば、窒化ケイ素系セラミックスでは、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）等である。

あるいは、前記誘電加熱物質を生成する誘電加熱物質生成成分として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃ（炭素）、Ｎｉ（ニッケル）、ＣｕＯ（酸化第二銅）、Ｖ₂Ｏ₅（五酸化二バナジウム）、ＷＯ₃（三酸化タングステン）、ＮｉＯ（一酸化ニッケル）、Ｃｏ₂Ｏ₃（酸化第二コバルト）、Ｆｅ₂Ｏ₃（三酸化二鉄）のいずれか一つ又はその組み合わせを用いたりすることができる。これらの誘電加熱物質生成成分は、焼結時に、セラミックスの基材（母材）と反応して複合酸化物、ケイ化物、炭化物に変化する。

これらの構成により、焼結時にセラミックスの母材中に、金属や遷移金属の金属化合物や遷移金属化合物を生成すると共に、母材中に分散させることができる。

また、上記のＤＰＦにおいて、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの比表面積を３ｍ²／ｇ〜２０ｍ²／ｇとする。この比表面積は、焼結時の四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）の揮発によって発生する１μｍ程度の気孔や発泡剤による気孔等により大きくなるが、この比表面積の範囲は、強度、破壊靱性及び排気ガスの浄化効率から考えて、ＤＰＦに望ましい範囲である。

本発明の排気ガス浄化装置は、上記のディーゼルパティキュレートフィルタを備えて形成される。これにより、捕集したＰＭを燃焼除去してフィルタ機能を再生する時に、高周波やマイクロ波により容易且つ均一に加熱でき、しかも、誘電加熱の制御が容易となる。また、ＤＰＦは、高強度、高靱性、高耐熱衝撃性を有するので、車に搭載可能な排気ガス浄化装置とすることができる。

そして、上記のディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法は、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集し、該捕集された粒子状物質を電磁波により加熱して、フィルタ機能の再生を行うディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）において、窒化ケイ素系セラミックスを基材とし、１ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲の少なくとも一つの周波数における比誘電率と誘電正接の積が０．０１以上、３以下であり、且つ、電気抵抗率が１×１０⁸Ω・ｍ以上、１×１０¹³Ω・ｍ以下であるセラミックスで形成したディーゼルパティキュレートフィルタを製造する方法であって、前記窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）系のセラミックス原料に、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）を１０ｍａｓｓ％以上、３０ｍａｓｓ％以下添加し、焼結時に前記四酸化三鉄を揮発させて、気孔を形成することを特徴とする製造方法として構成される。

そして、上記のＤＰＦの製造方法において、焼結時に、前記四酸化三鉄を揮発させて０．０１μｍ以上、１μｍ以下の気孔を造るようにすると、ＰＭの微細な粒子も捕集できるようになる。

このＤＰＦの製造方法によれば、この四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）を１０ｍａｓｓ％以上、３０ｍａｓｓ％以下添加することにより、焼結後のＦｅ−Ｓｉ系化合物（主にＦｅ₅Ｓｉ₃）、即ち、誘電加熱物質の分散量を、２．５ｖｏｌ％以上、１０ｖｏｌ％以下とすることができる。その上、焼結時に四酸化三鉄を揮発させて、１μｍ以下の気孔を多数形成することができ、比表面積が大きくＰＭの捕集効率が高いＤＰＦを得ることができる。

また、この四酸化三鉄の添加量の範囲は、強度、破壊靱性の値から、構造物として使用するためには、３０ｍａｓｓ％以下が望ましく、比誘電率と誘電損失の積の値、及び電気抵抗率等の静電特性からは、１０ｍａｓｓ％〜４０ｍａｓｓ％の範囲であることが望ましい。また、この範囲内においては、セラミックス材料の静電特性は、１ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲で大きな変化が認められない。その結果、ＤＰＦの材料としては、１０ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％の範囲であることが望ましいことになる。

なお、ｍａｓｓ％は質量％を示し、１００×（誘電加熱物質生成成分の質量）／（セラミックス基材の質量＋誘電加熱物質生成成分の質量）であり、１００×（誘電加熱物質生成成分の重量）／（セラミックス基材の重量＋誘電加熱物質生成成分の重量）で計算される重量％（ｗｔ％）と同じ値となり、この誘電加熱物質生成成分の質量％算出方法としては、原料混合の際に電子天秤で秤量する方法等がある。

本発明のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）は、これを構成する窒化ケイ素系セラミックスは、通常の窒化ケイ素系セラミックスとほぼ同等の強度、破壊靱性、耐熱衝撃性を有している上に、これらよりも大きな誘電損失を有し、１ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲において誘電特性に大きな変化は認められないので、このセラミックスで形成したＤＰＦは、機械的性質に優れていると共に、電磁波の照射により容易に加熱して昇温でき、また、加熱制御も容易となるので、ＰＭを燃焼除去してＤＰＦを容易に再生できる。

そして、本発明のＤＰＦは、捕集したＰＭを燃焼除去してフィルタ機能を再生する時に、高周波やマイクロ波により容易且つ均一に加熱でき、しかも、誘電加熱の制御が容易となる。また、高強度、高靱性、高耐熱衝撃性等の優れた機械的特性を有するので、車に搭載可能なＤＰＦとすることができる。

また、本発明のＤＰＦの製造方法によれば、窒化ケイ素系のセラミックス原料に、四酸化三鉄を所定の範囲内添加することにより、高強度、高靱性、高耐熱衝撃性に優れ、電磁波による再生が容易で、しかも好ましい比表面積を有して排ガス浄化率の高いＤＰＦを提供することができる。

以下、本発明に係る実施の形態のディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、その製造方法について図面を参照しながら説明する。

最初に、図１に本発明に係わる実施の形態のＤＰＦ２を使用した排気ガス浄化装置１を示す。このＤＰＦ２を備えた排気ガス浄化装置１は、エンジン１０の排気通路１１に配設される。このＤＰＦ２の前後に網状の電磁波遮蔽部材４、４を設けると共に、この電磁波遮蔽部材４、４の間にマイクロ波発生部（マグネトロン）３を配設する。このマイクロ波発生部３は制御部５と電源６により、ＤＰＦ再生時にＤＰＦ２に捕集されたＰＭを燃焼除去するために、ＤＰＦ加熱用のマイクロ波を発生する。

そして、この本発明に係わる実施の形態のＤＰＦ２は、次のようにして作製することができる。このＤＦＰ２においては、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を９２ｍａｓｓ％（質量％）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を３ｍａｓｓ％、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を５ｍａｓｓ％で混合した窒化ケイ素系セラミックス原料を作製し、この窒化ケイ素系セラミックス原料に、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）を９０：１０〜７０：３０の重量割合で秤量し混合する。つまり、四酸化三鉄の添加量を１０ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％とする。この混合した０．２μｍφ〜２．０μｍφ程度の粉末を、粒状の発泡剤、水、バインダ、可塑剤と共に混合して成形用の４０μｍφ〜１００μｍφ程度の組成物を作製する。この発泡剤は、６００℃程度で蒸発又は気化して気孔を形成する。この気孔により所望の気孔率を得る。

この混合により得られた組成物を、押し出し成形装置に投入して、金型より押し出すことにより、ＤＰＦの基になるハニカム構造成形体を作製する。このハニカム構造成形体を十分に乾燥した後、脱脂処理を行ってバインダや可塑剤を除去すると共に、発泡剤を蒸発又は気化させて気孔を形成し、ハニカム構造体を多孔質化する。その後、１８５０℃の窒素中で焼成処理を行って、多孔質窒化ケイ素系セラミックス製のハニカム構造体を作製する。このセラミックスの焼結時に四酸化三鉄が揮発して、０．０１μｍ〜１μｍ程度の気孔を多数形成する。

このハニカム構造体の排気ガス入口側と排気ガス出口の両端面において、セルの出入口を千鳥状、あるいは、市松模様状に、互い違いに目封じして、所謂、ウォールフロータイプのハニカム構造体を作製する。その後、このハニカム構造体の多孔質の隔壁に白金（Ｐｔ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなる触媒を４０ｇ／Ｌ担持させてＤＰＦ２を作製する。更に、この作製したＤＰＦ２をケース１ｃに収納して排気ガス浄化装置１とする。このＤＰＦ２を備えた排気ガス浄化装置１を、排出される排気ガスを浄化できるように、ディーゼルエンジン１０の排気通路１１に配置する。それと共に、排気ガス浄化装置１に対して、マイクロ波発生部３、電磁波遮蔽部材４，４、制御装置５、電源６を配置し、図１に示すような構成にする。

このようにして得られたＤＰＦの機械的特性と電気的特性は、同じ製造方法で作製した板状の試験片に対する試験結果から、図２〜図８に示すようなものとなり、ＤＰＦのフィルタ性能は図９〜図１２に示すようなものとなる。

図２、図３に、作製した多孔質窒化ケイ素系セラミックスの機械的性質を示し、図４、図５に、四酸化三鉄の添加量と、比誘電率と静電正接の積との関係を示し、図６に、四酸化三鉄の添加量と電気抵抗率との関係を、また、図７に、四酸化三鉄の添加量と誘電加熱時間と温度の関係を示す。また、図８に、四酸化三鉄の添加量と鉄ケイ化物分散量との関係を示す。なお、比較のために、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）の重量割合が１００：０（０ｍａｓｓ％：添加しない）と６０：４０（４０ｍａｓｓ％）の多孔質窒化ケイ素系セラミックス、及び、多孔質炭化ケイ素（ＳｉＣ）系セラミックス（「ＳｉＣ」で表示）の値も示す。

これらの図から次のようなことが分かる。

四酸化三鉄の添加量が２０ｍａｓｓ％を越えると、図２に示すように、ＪＩＳ規格Ｒ１６０１に基づく、４点曲げ試験による曲げ強度は急激に低下し、３０ｍａｓｓ％を越えると、図３に示すようにＪＩＳ規格Ｒ１６０７に基づく試験によって測定された破壊靱性が急激に低下する。また、１０ｍａｓｓ％以上では、図４及び図５に示すように比誘電率と静電正接の積は０．０１以上となる。

また、各試料の比誘電率と静電正接の積の周波数特性を示す図５によれば、四酸化三鉄の添加量が変化しても、１ｋＨｚから２０ＧＨｚの広範囲において、比誘電率と静電正接の積の変化は認められない。また、四酸化三鉄の添加量が３０ｍａｓｓ％を越えると、図６に示すように、電気抵抗率は急激に低下する。図４と図６に好ましい四酸化三鉄の添加量の範囲や比誘電率と静電正接の積の範囲や電気抵抗率の範囲をＺで示す。

次に、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射して、多孔質窒化ケイ素系セラミックス及び多孔質炭化ケイ素系セラミックスの各試験片を誘電加熱した結果を図７に示す。この図７によれば、四酸化三鉄の添加量が１０ｍａｓｓ％以上、即ち、比誘電率と誘電正接の積が０．０１以上のセラミックスであれば短時間で加熱できることが分かる。また、四酸化三鉄の添加量が４０ｍａｓｓ％で、電気抵抗率が１×１０³Ω・ｍより小さくなった多孔質窒化ケイ素系セラミックスと、比較例の多孔質炭化ケイ素系セラミックスでは、図示した以後では加熱制御が困難となった。また、四酸化三鉄の添加量が３０ｍａｓｓ％を越えて比誘電率と誘電正接の積が３を越えた多孔質窒化ケイ素系セラミックスでは均一加熱性が失われた。

更に、マイクロ波の照射を用いた９００℃までの誘電加熱と冷風による２００℃までの強制冷却を繰り返したところ、表１に示すように、多孔質炭化ケイ素ハニカムは９回の繰り返しで割れが生じた。これに対して四酸化三鉄の添加量が１０、２０、３０ｍａｓｓ％の多孔質窒化ケイ素ハニカムでは、加熱と冷却を１００回繰り返しても、クラックや割れの発生等の異常は認められなかった。

また、四酸化三鉄を添加した多孔質窒化ケイ素系セラミックスの焼成後の組織分析を行った結果、添加した四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）は焼成後に鉄ケイ化物（ＦｅｘＳｉｙ：Ｆｅ₅Ｓｉ₃等）に変化していることが分かった。図８に四酸化三鉄の添加量と焼成後に検出された鉄ケイ化物分散量の関係を示す。なお、図２〜図４、図６において、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）ベースだけでなく、鉄ケイ化物（Ｆｅ₅Ｓｉ₃）分散量ベースでも図を見ることができるように、図８から得られるケイ化物（Ｆｅ₅Ｓｉ₃）分散量を図２〜図４、図６の横軸の目盛りに併記した。

次に、ＤＰＦのフィルタ性能について説明する。四酸化三鉄の添加量と、ガス吸着法により測定した多孔質窒化ケイ素系セラミックスの比表面積との関係を図９に示す。また、図１０に気孔分布の測定結果を、気孔径と気孔率で示す。四酸化三鉄を添加しない場合には、発泡剤の揮発により生じた２０μｍ前後の気孔の分布を有するが、四酸化三鉄を添加した場合は、この２０μｍ前後の気孔の分布に加えて、添加した四酸化三鉄が増えると酸素分圧が増えて、焼結中に蒸発即ち揮発して窒化ケイ素系セラミックス中に微細な気孔を形成するため、気孔径が１μｍ前後の気孔が５％〜２０％分布するようになる。そのため、四酸化三鉄を１０ｍａｓｓ％以上添加すると比表面積が増大する。なお、比較例の多孔質炭化ケイ素系セラミックスのＤＰＦは、２０μｍの平均気孔径と５５％〜６２％の気孔率を示した。

また、排気ガスの浄化に関して、排気ガス温度が１５０℃におけるＨＣの浄化率の測定結果を図１１に示す。この図１１に示すように、四酸化三鉄の添加量が１０ｍａｓｓ％以上でＨＣの浄化率が向上する。これはハニカム構造のＤＰＦにおける比表面積の増大により、触媒表面への排気ガス接触頻度が向上するためと考えられる。また、排気ガス中に含まれる粒子径４００ｎｍ以下のＰＭの粒子低減率を図１２は示す。この図１２に示すように、四酸化三鉄の添加量が１０ｍａｓｓ％以上になるとＰＭの低減率が向上する。これはＤＦＰの微細気孔がＰＭの微細な粒子の捕集に寄与しているためと考えられる。

これらの結果から、強度、破壊靱性の値から、構造物として使用するためには四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）の添加量は３０ｍａｓｓ％以下であることが望ましい。また、均一なマイクロ波を用いた誘電加熱が行える範囲としては、比誘電率と誘電損失の積に関しては０．０１〜３の範囲で、電気抵抗率に関して、１×１０⁸Ω・ｍ〜１×１０¹³Ω・ｍの範囲が望ましい。この場合に、四酸化三鉄の添加量は１０ｍａｓｓ％〜４０ｍａｓｓ％の範囲となる。更に、強度、破壊靱性及び排気ガスの浄化効率から考えて、多孔質窒化ケイ素の比表面積は３ｍ²／ｇ〜２０ｍ²／ｇの範囲が望ましい。

従って、総合的に考えると、マイクロ波を用いて誘電加熱できるＤＰＦを形成する多孔質窒化ケイ素系セラミックスは、四酸化三鉄の添加量は１０ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％の範囲であり、窒化ケイ素系セラミックスの焼結体中における鉄ケイ化物（主にＦｅ₅Ｓｉ₃）の分散量が２．５ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％であるものが望ましく、本発明のＤＰＦを形成する多孔質窒化ケイ素系セラミックスはこの範囲内のものとなるように構成される。

そして、ＤＰＦ及びこれを備えた排気ガス浄化装置としては、上記のウォールフロータイプのハニカム構造体のＤＰＦが好ましいが、これに限定されるものではなく、他の構造であって、フィルタ機能を有していれば、本発明の効果を十分に発揮できる。また、マイクロ波の代りに高周波を用いて誘電加熱することもできる。

更に、鉄ケイ化物以外にも、その他の誘電加熱物質として、Ｆｅ（鉄）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｃｅ（セリウム）のいずれか一つ又はその組み合わせとセラミックス基材含有成分との化合物を用いたりすることもできる。なお、セラミックス基材含有成分とは、セラミックス基材に含まれる成分であり、例えば、窒化ケイ素系セラミックスでは、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）等である。

また、四酸化三鉄以外にも、誘電加熱物質を生成する誘電加熱物質生成成分として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃ（炭素）、Ｎｉ（ニッケル）、ＣｕＯ（酸化第二銅）、Ｖ₂Ｏ₅（五酸化二バナジウム）、ＷＯ₃（三酸化タングステン）、ＮｉＯ（一酸化ニッケル）、Ｃｏ₂Ｏ₃（酸化第二コバルト）、Ｆｅ₂Ｏ₃（三酸化二鉄）のいずれか一つ又はその組み合わせを用いたりすることができる。これらの誘電加熱物質生成成分は、焼結時には、セラミックスの基材（母材）と反応して複合酸化物、ケイ化物、炭化物に変化する。

これらの構成により、焼結時に、セラミックスの母材中に、金属や遷移金属の金属化合物や遷移金属化合物を生成すると共に、母材中に及び分散させることができる。

上記の構成のＤＰＦは、通常の窒化ケイ素系セラミックスとほぼ同等の強度、破壊靱性、耐熱衝撃性を有している上に、これらよりも大きな誘電損失を有し、１ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲において誘電特性に大きな変化は認められないので、捕集したＰＭを燃焼除去してフィルタ機能を再生する時に、高周波やマイクロ波により容易且つ均一に加熱でき、しかも、誘電加熱の制御が容易となる。そのため、ＤＰＦの再生時に、電磁波によりＤＰＦを誘電加熱してＰＭを燃焼除去し、ＤＰＦを容易に再生できる。その上、微小気孔と大きな比表面積を有して微小粒子のＰＭの捕集性能が優れていると共に、高強度、高靱性、高耐熱衝撃性等の優れた機械的特性を有するので、車に搭載可能なＤＰＦとなる。

また、上記のＤＰＦの製造方法によれば、窒化ケイ素系のセラミックス原料に、四酸化三鉄を所定の範囲内添加することにより、高強度、高靱性、高耐熱衝撃性に優れ、電磁波による再生が容易で、しかも好ましい比表面積を有して排ガス浄化率の高いＤＰＦを提供することができる。

本発明の実施の形態のＤＰＦを備えた排気ガス浄化装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦを形成するセラミックスにおける四酸化三鉄の添加量と曲げ強度との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦを形成するセラミックスにおける四酸化三鉄の添加量と破壊靱性との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦを形成するセラミックスにおける四酸化三鉄の添加量と比誘電率×誘電正接との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦを形成するセラミックスにおける四酸化三鉄の添加量と周波数と比誘電率×誘電正接との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦを形成するセラミックスにおける四酸化三鉄の添加量と電気抵抗率との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦを形成するセラミックスにおける四酸化三鉄の添加量と誘電時間と温度との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦを形成するセラミックスにおける四酸化三鉄の添加量と鉄ケイ化物分散量との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦにおける四酸化三鉄の添加量と比表面積との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦにおける気孔径と気孔率との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦにおける四酸化三鉄の添加量とＨＣ浄化率との関係を示す図である。本発明の実施の形態のＤＰＦにおける四酸化三鉄の添加量とＰＭ４００ｎｍ以下の粒子低減率との関係を示す図である。

符号の説明

１排気ガス浄化装置
２ＤＰＦ
３マイクロ波発生部（マグネトロン）
４電磁波遮蔽部材
５制御部
６電源
１０エンジン
１１排気通路

Claims

排気ガス中の粒子状物質を捕集し、電磁波により加熱して、捕集された粒子状物質を燃焼除去してフィルタ機能の再生を行うディーゼルパティキュレートフィルタにおいて、窒化ケイ素系セラミックスを基材とし、１ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲の少なくとも一つの周波数における比誘電率と誘電正接の積が０．０１以上、３以下であり、且つ、電気抵抗率が１×１０⁸Ω・ｍ以上、１×１０¹³Ω・ｍ以下であるセラミックスで形成することを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタ。
前記セラミックスの基材中に、誘電加熱物質を２．５ｖｏｌ％以上、１０ｖｏｌ％以下分散することを特徴とする請求項１記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
前記誘電加熱物質として、少なくともＦｅ−Ｓｉ系化合物を用いることを特徴とする請求項２記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
前記ディーゼルパティキュレートフィルタの比表面積を３ｍ²／ｇ〜２０ｍ²／ｇとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のディーゼルパティキュレートフィルタ。
排気ガス中の粒子状物質を捕集し、電磁波により加熱して、捕集された粒子状物質を燃焼除去してフィルタ機能の再生を行い、窒化ケイ素系セラミックスを基材とし、１ｋＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲の少なくとも一つの周波数における比誘電率と誘電正接の積が０．０１以上、３以下であり、且つ、電気抵抗率が１×１０⁸Ω・ｍ以上、１×１０¹³Ω・ｍ以下であるセラミックスで形成したディーゼルパティキュレートフィルタを製造する方法であって、前記窒化ケイ素系のセラミックス原料に、四酸化三鉄を１０ｍａｓｓ％以上、３０ｍａｓｓ％以下添加し、焼結時に前記四酸化三鉄を揮発させて気孔を形成することを特徴とするディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法。
焼結時に、前記四酸化三鉄を揮発させて０．０１μｍ以上、１μｍ以下の気孔を造ることを特徴とする請求項５に記載のディーゼルパティキュレートフィルタの製造方法。