JP4767491B2 - ハニカム構造体 - Google Patents

Description

本発明は、目封じ部を備え、フィルタとして好適に用いることができるハニカム構造体に関し、特にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（以下、ＰＭという）を除去するフィルタ（以下、ＤＰＦという）に適したハニカム構造体に関する。

内燃機関、ボイラー等の排気ガス中の微粒子や有害物質は、環境への影響を考慮して、排気ガス中から除去する必要性が高まっている。特にＰＭの除去に関する規制は欧米、日本国内ともに強化される方向にあり、ＤＰＦとしてハニカム構造体の使用が広まりつつある。

このようなフィルタ用のハニカム構造体としては、例えば図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、一の端面４２から他の端面４４まで軸方向に貫通する複数のセル３を形成するように配置された多孔質の隔壁２と、セル３を何れかの端面において目封じするように配置された目封じ部４とを備えるハニカム構造体１が知られている。このような形態とすることにより、一の端面４２からセル内に流入する被処理流体は、多孔質の隔壁２を通って別のセル３を経て他の端面４４から排出される。この際、隔壁２がフィルタとなって、ＰＭなどを捕捉する。

しかしながら、このようなハニカム構造体をＤＰＦ等として用いた場合、セルの端面にＰＭ等の物質が多く堆積し、開口部にける流入面積が減少し、又は開口部が閉塞してハニカムフィルターの圧力損失が増大し、ディーゼルエンジンの出力低下や燃費の悪化を招くという問題があった。

特に、ディーゼルエンジンから排出される成分には粘着性を有する可溶性有機成分（以下、ＳＯＦという）が含まれており、開口端面にＳＯＦ等が付着し、これにその他の成分が付着し堆積することにより、開口部における流入面積が減少し、又は開口部が閉塞して圧力損失が増大するという問題があった。

目封じ部を備えるハニカム構造体をＤＰＦとして用いる際に、ＰＭの堆積による圧力損失の増大を防止する方法として、目封じ部に、セルの端面より上流側に向かって細くなる形状にて突出する突出部位が形成された目封じハニカム構造体が提案されている（特許文献１及び２参照）。このような形状の目封じ部を備えるハニカム構造体は、粘着性を有さない物質の端面への堆積を抑制する効果を有するが、粘着性を有する物質を含む場合の物質の端面での堆積を抑制する効果は十分とはいえない。

また、正方形セル通路先端においてその隔壁を変形屈曲させて隔壁同士を接合してセル通路の口を塞ぐ構造が提案されている（特許文献３参照）。このような構造でも閉塞を抑制する効果があるが、変形屈曲部分の形成が難しい。また、変形屈曲部分の強度を更に向上させた構造が望まれている。
特開昭６３−２４７３１号公報 米国特許出願公開第２００３／００９３９８２号明細書 特許第３０１２１６７号公報

本発明の目的は、被処理流体に粘着性の物質が含まれていても、端面における堆積物の増加を抑制し、開口部の閉塞を抑制しうるハニカム構造体を提供することにある。

本発明は、一の端面から他の端面まで軸方向に貫通する複数のセルを形成する隔壁と、前記セルを前記端面において目封じする目封じ部とを備えるハニカム構造体であって、前記目封じ部がドーム状であり、かつ前記目封じ部の少なくとも一部が、前記端面より突出しているハニカム構造体を提供するものである。

本発明において、前記目封じ部の気孔率が５０％以上であることが好ましく、前記ドーム状目封じ部により形成される空間部の少なくとも一部が、端面より突出した位置にあることが好ましい。また、前記目封じ部の外表面の少なくとも一部が、内部よりも緻密化されていることが好ましく、前記目封じ部の先端から端面までの長さ（Ａ）と前記目封じ部の幅（Ｂ）との比（Ａ／Ｂ）が０．５以上であることが好ましい。また、前記目封じ部に触媒が担持されていることも好ましい。

本発明のハニカム構造体によれば、目封じ部がドーム状であり、かつ目封じ部の少なくとも一部が、端面より突出しているため、端面におけるＰＭなどの堆積を抑制することができる。

以下、本発明の、ハニカム構造体を具体的な実施形態に基づき詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、以下において「断面」とは特に断りのない限り、軸方向（例えば図１（ａ）に示す軸方向）に対する垂直断面を意味する。

図１（ａ）は、本発明のハニカム構造体の一形態を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、その軸方向に平行な断面の一部を模式的に示す一部拡大図である。図１（ａ）、（ｂ）に示すハニカム構造体は、一の端面４２から他の端面４４まで軸方向に貫通する複数のセル３を形成するように配置された隔壁２を備える。更にこのハニカム構造体は、一の端面４２において、セル３を目封じする目封じ部４を備える。そして、この目封じ部４がドーム状であり、かつ目封じ部４が一の端面４２より軸方向に突出している。

このようにドーム状の目封じ部とすることにより、端面４２における被処理流体の流れがスムーズになる整流効果により、目封じ部４上へのＰＭ等の堆積が抑制されるとともに、堆積物のブリッジングによる閉塞が起こりにくくなる。更に、ドーム状とすることにより、目封じ部４の熱容量を軽減させることができ、目封じ部の昇温速度を向上させることができる。このため、ＳＯＦなどの粘着物質が目封じ部上に付着し堆積した場合にも、堆積した物質を燃焼させることができ、堆積物の増加を抑制することができる。更に、目封じ部４を端面４２より軸方向に突出させることにより、目封じ部の先端が端面と同位置又は端面より内側に位置する場合に比べて、良好な整流効果を得ることができる。

目封じ部４は、多孔質であることが好ましく、特に熱容量を軽減させる観点から、気孔率が５０％以上、更に６０％以上、特に６５％以上であることが好ましい。一方、気孔率があまりに大きすぎると強度及び作成の容易性という観点から好ましくない。従って、目封じ部４の気孔率は、９０％以下、更に８０％以下、特に７５％以下であることが好ましい。なお、気孔率は体積％を意味する。

図１（ｂ）に示すように、目封じ部４の全部が一の端面４２から軸方向に突出していることが整流効果の観点から好ましいが、必ずしも目封じ部４の全部が端面よりも外側に出ている必要はなく、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、目封じ部の一部が一の端面４２よりもハニカム構造体の内部側にあっても良い。

ドーム状とは、図１（ｂ）に示すように、その内部に空間部５が形成される形状を意味する。空間部５は、好ましくは一方向に開口しており、その開口部がセルに連通している。また、空間部５の少なくとも一部が、一の端面４２よりも軸方向に突出した位置にあることが、熱容量を軽減させ、整流効果を向上させる観点から好ましい。

ドーム状目封じ部の外形に特に制限はない。通常は、底部がセルの断面形状と同様の形状であって、先端に向かって窄む形状であることが好ましい。例えば、図３（ａ）に示す椀状、図３（ｂ）に示すテント状、図３（ｃ）に示す角錐状の他、円錐状、半球状、半楕円体状等の形状が挙げられる。

また、図４に示すように、目封じ部４の先端から端面４２までの長さ（Ａ）と目封じ部の幅（Ｂ）との比（Ａ／Ｂ）が、大きいほうが、整流効果により、目封じ部上の粒子がセル内に入りやすくなるため好ましい。この長さ／幅比（Ａ／Ｂ）は、０．５以上、更に１以上、特に２以上であることが好ましい。

また、目封じ部４の外表面の少なくとも一部、好ましくは全部が、その目封じ部の内部よりも緻密化されていることが好ましい。外表面が緻密化されることにより、粒子の付着が少なくなり、粒子の堆積が少なくなる。外表面が緻密化されるとは、外部に露出している面、即ち、空間部を形成する面の反対側の面における開気孔の占める面積の割合が、目封じ部の任意の断面における開気孔の占める面積の割合よりも小さくされることを意味する。外表面を緻密化する方法は、例えばコージェライト、シリカ、アルミナ等の粒子であって、粒子径の小さい粒子を目封じ部の表面にコーティングする方法が挙げられる。また、Ｔｉ系やＷ系の硬質材料を目封じ部の表面に溶射する方法もある。

目封じ部上にＰＭ等の粒子が堆積することを効果的に抑制するために、堆積したＰＭ等の粒子を燃焼させることが好ましい。ドーム状の目封じ部は熱容量が小さいため、昇温速度が速くなり、堆積した粒子の燃焼を促進する効果を有するが、更に燃焼を促進するために、目封じ部に触媒が担持されていることが好ましい。ドーム状の目封じ部に、燃焼を促進する触媒を担持させることにより、触媒が早期に活性温度に到達し、より燃焼を促進することができる。特に、目封じ部の外表面及び／又は開気孔内部に触媒を担持させることにより、目封じ部と堆積物との界面で燃焼が起こりやすくなる。そして、目封じ部と堆積物との接着力が弱まり、ドーム状という形状要因と相まって、堆積物が容易に剥離し、ハニカム構造体内に流入する。また、目封じ部で燃焼が起こることにより、発熱し、この熱がハニカム構造体内に伝達されることにより、ハニカム構造体内に堆積したＰＭ等の堆積物の燃焼を促進することもできる。特に、被処理流体の流入部付近は、温度が上がりにくいため、流入部に配置された目封じ部において燃焼を起こすことは、この部分の温度を上昇させることができる点でも好ましい。

触媒は、例えば触媒能を有する金属等が挙げられ、具体例としては、例えば、貴金属系のＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等、非金属系のペロブスカイト型触媒等が挙げられ、これらのうちの少なくとも１種を目封じ部に担持させることが好ましい。

上述してきたような目封じ部は、ハニカム構造体の何れか一方の端面に配置されていれば良いが、両方の端面に配置されていても良い。被処理流体が流入する端面にこのような目封じ部が配置され、流出する端面には図６（ｃ）に示すような従来の目封じ部を配置することが好ましい。また、一の端面における総ての目封じ部が上述してきたような目封じ部でなくても本発明の効果を得ることはでき、従来の目封じ部と混在していても良い。一の端面における目封じ部の５％以上、更には２０％以上、特に８０％以上が上述してきたような目封じ部であることが好ましい。

本発明のハニカム構造体は、その形状に特に制限はない。ハニカム構造体の断面形状は、例えば円形、楕円形、レーストラック形状、四角形等、用途や設置場所に応じて適宜決定することができる。また、セルの断面形状に特に制限はないが、三角形、四角形、六角形であることが好ましい。

セル密度も特に制限はないが、例えば６〜２０００セル／平方インチ（０．９〜３１１セル／ｃｍ²）、好ましくは５０〜１０００セル／平方インチ（７．８〜１５５セル／ｃｍ²）程度とすることができる。隔壁の厚さにも特に制限はないが、例えば３０〜２０００μｍ、好ましくは４０〜１０００μｍ、更に好ましくは５０〜７５０μｍ程度とすることができる。また、目封じ部は、隔壁を挟んで隣り合うセルが互いに反対側となる端部においてセルを目封じするよう配置されることが好ましく、各端面が市松模様状となるように目封じ部が配置されていることが好ましい。

本発明のハニカム構造体は、隔壁が多孔質であることが好ましい。その場合の隔壁の気孔率に特に制限はないが、例えば、ハニカム構造体１をＤＰＦに用いる場合の好ましい気孔率は２０％以上、より好ましくは４０％以上、更に好ましくは６０％以上である。また、隔壁２の厚さをほどほど薄くして、セル密度を少なくし、即ちセル通路の水力直径を大きくし、気孔率を上げることも、初期の圧力損失を小さくする観点から好ましい形態であり、例えば、隔壁２の厚さが１．５ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下、更に好ましくは０．５ｍｍ以下であって、セル密度が３００セル／平方インチ以下、より好ましくは２００セル／平方インチ以下、更に好ましくは１００セル／平方インチ以下であって、気孔率が５０％以上、より好ましくは６０％以上、更に好ましくは７０％以上であることも好ましい。一方、気孔率が大きすぎると強度が不足しすぎるため、気孔率は９０％以下であることが好ましい。隔壁２の厚さを更に薄くして気孔率を下げることも、隔壁の耐熱性と強度を確保しつつ初期の圧力損失を小さくする観点から好ましい形態であり、例えば、隔壁２の厚さが０．４ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以下、更に好ましくは０．２ｍｍ以下であって、気孔率が６０％以下、より好ましくは５０％以下、更に好ましくは４０％以下であることも好ましい。また、隔壁及び／又は外周壁に、目封じ部と同様の触媒を担持させることも好ましい。

更に、触媒をハニカム構造体に担持させてＰＭ等を連続して燃焼させる方式のフィルタ等に本発明のハニカム構造体を用いる場合には、気孔率が３０〜９０％の範囲にあることが好ましく、気孔率が５０〜８０％の範囲にあることが更に好ましく、気孔率が５０〜７５％の範囲にあることが特に好ましい。また、ハニカム構造体を、排気ガス中に粒子状物質の燃焼を促進させる触媒を含有させる方式のフィルタとして用いる場合には、粒子状物質の燃焼時に生じる大きな熱応力に耐えうるように、緻密で高強度な材料から形成されることが必要となる。このような材料の気孔率は２０〜８０％が好ましく、２５〜７０％が更に好ましく、３０〜６０％が特に好ましい。

隔壁が多孔質体である場合の隔壁の気孔径に特に制限はなく、当業者であれば用途に合わせて適宜選択することができる。一般に、気孔径は流体の粘度や分離すべき対象物によって選択することができ、例えば、ハニカム構造体１をＤＰＦに用いる場合は、平均値で１〜１００μｍ程度とすることが好ましい。

隔壁及び目封じ部の材質に特に制限はないが、強度、耐熱性、耐久性等の観点から、主成分は酸化物又は非酸化物の各種セラミックスや金属等が好ましく、具体的には、例えば、セラミックスとしてはコージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、リチウムアルミニウムシリケート及びチタン酸アルミニウム等を挙げることができ、金属としてはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属及び金属珪素等を挙げることができ、これらの中から選ばれた少なくとも１種を主成分とすることが好ましい。更に高強度、高耐熱性等の観点からは、アルミナ、ムライト、ジルコニア、炭化珪素及び窒化珪素からなる群から選ばれた少なくとも１種であることが好ましく、熱伝導率及び耐熱性の観点からは、炭化珪素又は珪素−炭化珪素複合材料が特に適している。また、活性炭、シリカゲル、ゼオライト等の吸着材料も隔壁２の好適な材料として挙げることができる。ここで、「主成分」とは、隔壁２の５０質量％以上、好ましくは７０質量％以上、更に好ましくは８０質量％以上を構成することを意味する。

隔壁と目封じ部の材質は同一であっても良いが、異なるものでも良い。隔壁と目封じ部とでは要求される機能が異なるため、各々の要求される機能に応じて、材質を選択することが好ましいため、異なる材質となることも好ましい。また、材質が同一であっても、気孔率や気孔径等の形態的特徴を各々の要求される機能に応じて設計することも好ましいため、これらの形態的特徴が異なることも好ましい。

次に、このようなハニカム構造体の製造方法ついて、具体例を基に説明する。まず常法に従って、目封じ部を除くハニカム構造体の構成材料となる原料を含む坏土を作成し、これを例えば押し出し成形してハニカム形状の成形体を作成する。次に、目封じ部の構成材料となる原料を含むスラリーを作成し、これを型に入れドーム状の成形体を作成する。この際、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、複数のドーム状の成形体を一度に形成できる型１０を用いることが好ましい。更に、目封じすべきセルに対応した位置にドーム状の成形体を形成できる型１０を用いることが好ましい。更に、ハニカム形状の成形体の一の端面における目封じすべき総てのセルに対応した位置にドーム状の成形体を一度に形成できる型を用いることが好ましい。

次に、型中のドーム状の成形体をハニカム状の成形体の目封じすべきセルの位置に合わせ、両者を合体させる。この際、接合材を用いることも好ましい。両者の位置を正確に効率良く合わせるためには、画像処理装置を用いて両者の位置を決定し、位置合わせを行うことが好ましい。

次に、合体した成形体を焼成することにより、ドーム状の目封じ部を備えるハニカム構造体を得ることができる。なお、上述の方法において、成形体同士を合体させたが、何れか一方又は両方が焼成体であっても良い。両方が焼成体の場合には、若干の熱処理により又は熱処理を行わなくても両者を接合できる場合もあり、次の焼成工程が不要になる場合もある。

以下、本発明を実施例に基づいて更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。

（実施例１）
コージェライト化原料にバインダー、造孔材、界面活性剤、水を添加し、これを混合、混練して坏土とした後、押出成形、乾燥の各工程を行って、直径１４４ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒状であって、セル形状が正方形、セル密度が３００セル／平方インチ（約４６セル／ｃｍ²）、隔壁厚さが１２ｍｉｌ（約０．３ｍｍ）のハニカム状の成形体を得た。また、同様の原料を用いてスラリーを作成し、これを型に入れて図１（ｂ）に示すようなドーム状の成形体を作成した。両者を乾燥させた後、接合面にコージェライト化原料のスラリーを塗り、合体させた後、焼成して、隔壁及び外周壁の気孔率が６５％、目封じ部の気孔率が５０％、目封じ部の（Ａ／Ｂ）が０．５のハニカム構造体を得た。

（実施例２〜５）
目封じ部の気孔率が表１に示す値となるよう造孔材の量を調節し、長さ／幅比（Ａ／Ｂ）が表１の値となるような型を用いたことを除いて実施例１と同様の方法で、実施例２〜５のハニカム構造体を作成した。

（比較例１）
図６（ａ）〜（ｃ）に示すような先端が平坦で空間部を有していない従来の形状の目封じ部であって、目封じ部の先端が端面から若干突出している目封じ部を備えるハニカム構造体を作成した。なお、目封じ部以外は、実施例１と同様の構造となるように作成した。

（評価）
得られたハニカム構造体をディーゼルエンジンの排気管に取り付け、排ガス温度を３００℃とし、約２５ｇのススを発生させてハニカム構造体に流入させた後、流入端面におけるススの詰まり具合を目視で観察して評価した。結果を表１に示す。表１より、比較例１で得られたハニカム構造体においては、目封じ部上にススが堆積し、開口しているセルの部分にもススが張り出し、開口部が小さくなっていることが観察されたのに対し、実施例１〜５で得られたハニカム構造体においては、目封じ部上に微量のススが観察されたのみであった。

以上説明してきたように、本発明のハニカム構造体は、端面における堆積物の増加を抑制することができるため、フィルタ、特にＤＰＦとして好適に用いることができる。

図１（ａ）は、本発明のハニカム構造体の一形態を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の軸方向に平行な断面の一部を模式的に示す一部拡大断面図である。 本発明のハニカム構造体の別の一形態における軸方向に平行な断面の一部を示す模式的な一部拡大断面図である。 本発明のハニカム構造体の更に別の一形態における軸方向に平行な断面の一部を示す模式的な一部拡大断面図である。 本発明のハニカム構造体の更に別の一形態における端面の一部を示す模式的な一部拡大斜視図である。 本発明のハニカム構造体の更に別の一形態における端面の一部を示す模式的な一部拡大斜視図である。 本発明のハニカム構造体の更に別の一形態における端面の一部を模式的に示す一部拡大斜視図である。 本発明のハニカム構造体の更に別の一形態における軸方向に平行な断面の一部を示す模式的な一部拡大断面図である。 本発明に係る目封じ部を成形する型の一形態を示す模式的な斜視図である。 本発明に係る目封じ部を成形する型の一形態を示す模式的な斜視図である。 従来のハニカム構造体を示す模式的な斜視図である。 図６（ａ）のｂ部分を示す模式的な一部拡大図である。 図６（ａ）の軸方向に平行な断面の一部を示す模式的な一部拡大断面図である。

符号の説明

１…ハニカム構造体、２…隔壁、３…セル、４…目封じ部、５…空間部、１０…型、４２、４４…端面。

Claims (5)

1. 一の端面から他の端面まで軸方向に貫通する複数のセルを形成する隔壁と、前記セルを前記端面において目封じする目封じ部とを備えるハニカム構造体であって、
   前記目封じ部がドーム状であり、前記目封じ部がドーム状の成形体を目封じすべきセルの位置に合わせて合体されて形成されており、かつ前記目封じ部の少なくとも一部が、前記端面より突出しており、かつ前記目封じ部の先端から端面までの長さ（Ａ）と前記目封じ部の幅（Ｂ）との比（Ａ／Ｂ）が０．５以上であり、前記隔壁と前記目封じ部との気孔率が互いに異なるかまたは前記隔壁と前記目封じ部との気孔径が互いに異なるハニカム構造体。
2. 前記目封じ部の気孔率が５０％以上である請求項１に記載のハニカム構造体。
3. 前記ドーム状目封じ部により形成される空間部の少なくとも一部が、端面より突出した位置にある請求項１または２に記載のハニカム構造体。
4. 前記目封じ部の外表面の少なくとも一部が、内部よりも緻密化されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
5. 前記目封じ部に触媒が担持されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のハニカム構造体。

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