(57)【要約】【課題】断面形状が正四角形又は三角形の従来のセグメント形状の場合に比べ、熱応力が緩和され、ＤＰＦ容量あたりのＰＭ捕集限界量を向上させたセグメント構造体を提供する。【解決手段】排出ガスが流通するガス流通方向に対して直交する断面の形状が正六角形状である複数のセグメント１１が接着層１２により接着され、外形は円筒形に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともガスが流通するガス流通孔を含み、軸方向に対して直交する断面の形状が正六角形状である複数のセグメントと、前記セグメント間を接着する接着層とを有する筒状のセグメント構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばエンジン等の熱機関などの排出ガスに含まれる例えば煤、燃料やエンジンオイルの燃えかすである可溶有機成分等の粒子状物質を浄化するのに好適なセグメント構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の燃焼・焼却施設等のほか、例えばディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排ガス中には、一般に窒素酸化物（ＮＯｘ）や一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などに加え、煤、燃料やエンジンオイルの燃えかすである可溶有機成分（ＳＯＦ：Soluble Organic Fraction）等の炭素を主成分とする粒子状物質（Particulate Matter；以下、ＰＭと略記する。）が含まれている。
【０００３】
そのため、内燃機関の開発及びその使用に際しては、大気や土壌等の汚染防止の観点から内燃機関より排出された排出ガスを浄化するための方法が検討されている。近年では、特にディーゼル機関において、ＰＭの浄化が注目されている。
【０００４】
ＰＭを浄化する技術に関しては、例えば内燃機関（例：ディーゼルエンジン）等の熱機関から排出された排出ガス中の粒子状物質を減少させるフィルター（ＤＰＦ（Diesel particulate filter）；以下、ＤＰＦと略記する）を用いる方法が知られている。例えば、粒子状物質を捕集除去するフィルターとして、多数の流通孔を有する２個以上のハニカムセグメントとこれらの間を接合する接合層とからなるハニカム構造体が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、隔壁によって区画された粒体の流路となる複数のセルの端面の形状を三角形としたセラミックハニカム構造体が開示されており（例えば、特許文献２参照）、セル密度を高くした場合に熱応力による破損に対する耐久性（耐熱衝撃性）に優れるとされている。
【特許文献１】特開２００１−１９０９１６号公報
【特許文献２】特開２００４−６７４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、ＤＰＦを構成するセグメントのセル形状（断面形状）については従来から種々存在している。例えば図２に示すように、断面正方形の筒形セグメントを複数組み合わせたＤＰＦなど、生産性に優れる正四角形状をはじめ、オイル由来の不燃成分（アッシュ）堆積による圧損上昇をより抑制し得る点から、八角−四角形状や六角−四角形状、三角形状などの断面形状のセグメントが提案されている。ところが、これらのいずれの形状でも、熱応力で亀裂、破損等を引き起こす場合があり、所定量でのＰＭを管理することが必要であった。
【０００６】
従来の例えば正四角柱のセグメントで構成されたフルサイズＤＰＦでは、ＰＭ堆積量が限界以下の所定量に到達後、ＤＰＦの昇温を６００℃以上の所定温度に制御して堆積したＰＭを強制的に燃焼させているが、過剰なＰＭ捕集状態でＰＭの燃焼が起きた場合には、局所的な温度上昇が避けられない。そのため、燃焼熱によりＤＰＦが熱膨張した際に内部熱膨張差により熱応力が生じ、その応力でセグメントやセグメントを接着している部分に亀裂や破損（クラック）を引き起こし易い。
【０００７】
従って、これまでのＤＰＦではＰＭ捕集量を限界量以下の所定範囲に管理する必要があるが、ＰＭ捕集量の限界量を高く設定すると粒子状物質の堆積・圧損上昇で燃費が低下し、逆にその限界量を低く抑えすぎると、燃料のポスト噴射によるＰＭ燃焼の回数が増え、それに伴ない燃料消費も増大し、更には噴射された燃料の侵入によりエンジンオイル内が希釈されることがある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、正四角形又は三角形の断面形状（セル断面の形状）を有する従来のセグメント形状の場合に比べ、熱応力が緩和され、ＤＰＦ容量あたりのＰＭ捕集限界量を向上させたセグメント構造体を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ＤＰＦを構成するセグメントの形状は、従来の正四角柱や三角柱に比べて正六角柱がＰＭ燃焼時の高温化したときの熱拡散性が高められ、応力低下に有利に働くとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のセグメント構造体は、少なくともガスが流通するガス流通孔を含み、軸方向に対して直交する断面の形状が正六角形状である複数のセグメントと、前記セグメント間を接着する接着層とを設けて筒状に構成したものである。
【００１１】
本発明のセグメント構造体においては、例えばディーゼルエンジン等の排出ガス中のＰＭを捕集するためのＤＰＦを構成するセグメントについて、セグメントの形状を従来の正四角柱に対して正六角柱にすることで、ＰＭ燃焼時の熱拡散性が上がり、セグメント間に生じる熱応力を緩和でき、亀裂や破損等のセグメントの損傷を効果的に防止することができる。これにより、損傷の発生が抑えられるＰＭ捕集量の限界値を高めることができる。その結果、ＰＭ燃焼制御の頻度を低減でき、燃費向上が向上すると共に、セグメント構造体（例えばＤＰＦ）の形状の小型化が図れる。また、熱拡散性向上に理想的なセグメント形状としては円柱形状が望ましいと考えられるが、複数のセグメント間に接着層を設けて固定化する構造では正六角柱が適している。
【００１２】
本発明のセグメント構造体は、ガス浄化用の触媒担体や、ディーゼルエンジン等の内燃機関等の熱機関又はボイラー等の燃焼装置から排出される排出ガスに含まれる粒子状物質を捕集除去するフィルター（例えばＤＰＦ）として好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、セル断面が正四角形状及び三角形状の従来のセグメントの場合に比べ、熱応力が緩和され、ＤＰＦ容量あたりのＰＭ捕集限界量を向上させたセグメント構造体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１を参照して、本発明のセグメント構造体の実施形態について詳細に説明する。但し、本発明においては、下記実施形態に制限されるものではない。
【００１５】
本実施形態のセグメント構造体１０は、図１（ａ）に示すように、柱構造の長手方向である軸方向との直交断面が正六角形状の正六角柱のセグメント１１を、フルサイズでのＤＰＦの外形が円筒形になるように、複数本を接着層１２で接着して配設することにより構成したものである。
【００１６】
セグメント構造体を構成するセグメント１１は、軸方向（長手方向）と直交する面（断面）が正六角形状の正六角柱に成形されている。各セグメントは、細孔構造を有することにより少なくともガスが流通可能なガス流通孔１３が形成されており、セグメントの一端及び他端がともに開口し、該一端から他端に向けてガスが流通できるようになっている。エンジン等において排出された排出ガスがセグメントの一端から供給され、セグメント中のガス流通孔を流通することにより、排出ガス中の粒子状物質（ＰＭ）が捕集され、ＰＭ除去されたガスが他端から排出される。
【００１７】
各セグメント１１は、図１（ａ）のように、各６面において互いに隣接して最密充填構造を形成している。隣接するセグメント１１間には、接着層１２が付与されており、隣接のセグメントを固定化している。接着層は、セグメントを固定化できる材料であれば特に制限はなく、例えば、アルミナゾル、シリカゾル、セメント等の無機接着剤や、メチルセルロース、エチルセルロース等の有機接着剤などが使用できる。
【００１８】
セグメント１１を構成する主成分としては、窒化ケイ素、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、ムライト、炭化珪素−コージェライト系複合材料、アルミナ、ジルコニアなどが挙げられ、好ましくは、窒化ケイ素、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、ムライト、炭化珪素−コージェライト系複合材料、及びアルミナから選ばれる１種又は２種以上を組み合わせた材料が用いられる。なお、「主成分」とは、セグメントの成分の８０質量％以上を占めることをいう。
セグメントの断面積を後述する範囲にする場合、本発明の効果がより奏される観点から、比較的熱膨張率が大きいために耐熱衝撃性が弱いとされる例えば炭化珪素が好ましい。
【００１９】
セグメント１１は、図１（ｂ）に示すように、ガス流通孔１３を有するように例えば炭化珪素のマトリックスで形成されたものであってもよい。
【００２０】
セグメント構造体を構成する各セグメントは、前記主成分に触媒能を有する金属（いわゆる触媒）をコート等して担持させた構成にしてもよい。触媒を担持させることにより、粒子状物質の燃焼を促進し、ＰＭの燃焼性をより向上できる。触媒の例としては、白金、パラジウム、ロジウム等が挙げられる。
【００２１】
セグメントの６面には、耐熱性やコストなどを考慮し、例えば、セラミックス、ステンレスなどの隔壁が設けられてもよい。
【００２２】
セグメントの特性は、初期、ＰＭ堆積時あるいはアッシュ堆積時の燃焼で生じる熱応力に伴なう損傷（亀裂や破損など）の防止、物理的強度、及びＰＭ捕集限界量の観点から、（１）〜（５）のいずれか１つ又は２つ以上を満たす場合が好ましい。
【００２３】
（１）セグメントに有するガス流通孔１３の平均細孔径は、セグメント内を流通する流通抵抗を抑え、燃費悪化を抑える観点から、５〜２０μｍの範囲であるのが好ましい。なお、平均細孔径は、孔の流通方向断面における最大距離の平均値である。
【００２４】
（２）セグメントの正六角断面の断面積としては、４〜２０ｃｍ２の範囲であるのが好ましい。セグメントの断面形状が正六角形状であることで、図１（ｂ）に示すように従来の例えば正四角形状に比べ、同じ断面積とした場合に一辺の距離及び対角距離が長くなるので（下記表１参照）、内部膨張率差で生じた熱応力に対する損傷抑制に適し、耐熱衝撃性に有利である。これより、セグメントの亀裂や破損等の損傷に対するＰＭ捕集限界量を向上させることができる。
【００２５】
（３）セグメントの空孔率としては、セグメント内を流通するガスの流通抵抗を抑え、燃費悪化を軽減する点で、３０％以上であるのが好ましい。
【００２６】
セグメントの柱長（正六角断面と直交する軸方向の長さ）には、特に制限はない。本発明のセグメント構造体は、従来同様の長さとした場合に、従来のセグメント形状の場合に比べ、熱応力が緩和され、ＤＰＦ容量あたりのＰＭ捕集限界量を高めることができる。
また、各セグメントの形状は、柱長方向（軸方向）との直交断面の少なくとも一部が正六角形状であれば特に制限はなく、適宜選択することができる。
【００２７】
（４）セグメントの隔壁の厚みとしては、強度の観点から、０．１ｍｍ以上であるのが好ましい。
【００２８】
（５）セグメント構造体を形成するセグメントの密度（セル密度）としては、構造体の耐久性付与の観点から、１００〜４００セル／平方インチ(inch2)の範囲であるのが好ましい。
【００２９】
セグメント構造体を用いて例えばディーゼルエンジンの排出ガスをその流通孔に流通させると、隔壁上に粒子状物質が堆積して圧損が上昇し、燃費が低下するため、ガス流通時に捕集されたＰＭを燃焼させる。粒子状物質を燃焼する場合、ＰＭ捕集限界量以下の所定量捕集時にエンジンのＰＭ燃焼制御（例えば、ポスト噴射、又は添加弁）を実行することにより、セグメント構造体自体を昇温し、ＰＭを燃焼させて除去することができる。
【００３０】
本実施形態のセグメント構造体は、従来の例えば断面四角状のセグメントを有する構造体と同様に、正六角形のセル形状を有する金型を用いて作製することができる。具体的には、セグメント構造体は、正六角柱の形状に仕切られた金型に炭化珪素等の前記主成分を含む組成物を注入し、乾燥、焼成することにより正六角柱のセグメントを用意し、複数のセグメントの各６面に所定厚になるように接着層を形成してセグメントを組み合わせ、所望の直径、高さ（柱長方向（軸方向）の長さ）を有する例えば円筒形状に作製できる。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
ＳｉＣ（炭化珪素）製の正六角柱ＤＰＦセグメント（壁厚み：１０ミル、セル密度：３００セル／平方インチ、断面形状＝正六角形、断面積＝１１．６ｃｍ２、流通孔の平均細孔径＝１２μｍ、空孔率＝４５％）を用意し、無機接着剤としてセメントを用いて、正六角柱の側面をなす６面に接着層を形成して組み合わせることにより、直径φ１４４ｍｍ、１．９Ｌ（リットル；以下同様）のＤＰＦを作製した。
【００３２】
（実施例２）
実施例１において、作製したＤＰＦにウォッシュコート（酸化触媒）を１０ｇ／Ｌコーティングし、Ｐｔが１ｇ／Ｌ担持されたＤＰＦを作製した。
【００３３】
（比較例１）
ＳｉＣ（炭化珪素）製の正四角柱ＤＰＦセグメント（壁厚み：１０ミル、セル密度：３００セル／平方インチ、断面形状＝正四角形、断面積＝１１．６ｃｍ２、流通孔の平均細孔径＝１２μｍ、空孔率＝４５％）を用意し、無機接着剤としてセメントを用いて、正四角柱の側面をなす４面に接着層を形成して組み合わせることにより、直径φ１４４ｍｍ、１．９Ｌ（リットル；以下同様）のＤＰＦを作製した。
【００３４】
（比較例２）
比較例１において、作製したＤＰＦにウォッシュコート（酸化触媒）を１０ｇ／Ｌコーティングし、Ｐｔが１ｇ／Ｌ担持されたＤＰＦを作製した。
【００３５】
なお、上記の実施例及び比較例で作製したＤＰＦのセグメントのサイズ比較を下記表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
（評価）
上記で作製した各ＤＰＦを用い、それぞれディーゼルエンジンの排気管に装着して定常運転を行ない、排出ガス中のＰＭを捕集した。捕集したＰＭを、ＤＰＦ中のガス温度が６５０℃になる条件で燃焼、具体的には、６５０℃まで燃料添加を行ない、６５０℃になった直後に燃料添加を止めると同時にエンジンをアイドル状態にして燃焼させ、燃焼後のＤＰＦの損傷の有無を調査し、下記の評価基準にしたがって評価した。評価結果を下記表２〜表３に示す。
なお、各ＤＰＦの評価は、ＤＰＦ１個あたりのＰＭ捕集量を変えた水準毎に実施した。
<評価基準>
○：亀裂及び破損はみられなかった。
×：亀裂及び破損がみられた。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
【表３】
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【００４０】
前記表２〜表３に示すように、実施例では、正四角形の断面形状を有する従来の四角柱のセグメントを用いた比較例に比べ、亀裂や破損の発生が抑制されており、亀裂や破損等の損傷が生じないＰＭ捕集量を拡げることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は本実施形態における断面正六角形の柱状セグメントを用いたセグメント構造体を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】（ａ）は従来の断面正四角形の柱状セグメントを用いたセグメント構造体を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０，１００・・・セグメント構造体
１１，１０１・・・セグメント
１２，１０２・・・接着層
１３，１０３・・・ガス流通孔
【図１】
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【図２】
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