(57)【要約】【課題】製造コストを安く抑え、再生処理時の燃焼制御がしやすく、機械的強度の高いセラミックフィルタを提供する。【解決手段】セラミックフィルタ１は、排気ガスを通過させることで排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するハニカム構造体１０を備える。ハニカム構造体１０の主要成分はコージェライトおよびジルコンからなり、主要成分はジルコンを４０〜８０重量％含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスを通過させることで排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する多孔質体を備え、上記多孔質体に捕集された粒子状物質が燃焼除去されることで再生されるセラミックフィルタであって、
上記多孔質体の主要成分はコージェライトおよびジルコンからなり、上記主要成分はジルコンを４０〜８０重量％含むことを特徴とするセラミックフィルタ。
【請求項２】
上記多孔質体は、焼結助剤として長石を含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集し、捕集した粒子状物質を燃焼させることで再生するセラミックフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ウォールフロータイプのセラミックフィルタが内燃機関の排気ガス処理部材として使用されている。ウォールフロータイプのセラミックフィルタとは、多孔質のセラミックで構成された壁に排ガスを通過させ、排ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタである。
【０００３】
このようなセラミックフィルタでは、捕集された粒子状物質を燃焼除去する再生処理が行われる。そのため、セラミックフィルタに使用されるこのような多孔質体においては、高温と急激な温度変化とに耐えることができ、かつ、機械的強度の高いことが要求される。
【０００４】
表１に、このようなセラミックフィルタとして既に実用化されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）、コージェライト、チタン酸アルミニウムをそれぞれ主原料としたセラミックフィルタの気孔率（ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）気孔率）、密度（ＤＰＦ密度）、熱容量、圧縮密度を示す。なお、これらの測定方法については、実施の形態の項に記載する。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
表１に示すように、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のセラミックフィルタは、熱容量が比較的高い。そのため、粒子状物質の燃焼除去の際、温度がセラミックフィルタ全体で均一になりやすく、熱衝撃に有利である。しかしながら、粒子が硬いために押出用金型が磨耗し易く、雰囲気調整された高温度での焼成が必要であるため製造コストが高いという問題がある。
【０００７】
チタン酸アルミニウムのセラミックフィルタは、押出原料の硬さが低いために押出用金型の磨耗も生じ難く、かつ大気焼成できるため、炭化ケイ素に比べて製造コストを安く抑えることができる。ただし、熱容量は炭化ケイ素に比べると低く、粒子状物質の燃焼除去の際、部分的に高温になるところができやすい。また、結晶の熱膨張差に起因して材料中に微小クラックが内在しているために強度が小さくなり、使いづらいといった問題もある。
【０００８】
コージェライトのセラミックフィルタも、押出原料（タルク、アルミナ、カオリン等）の硬さが低いために押出用金型の磨耗も生じ難く、かつ大気焼成できるため、炭化ケイ素に比べて製造コストを安く抑えることができる。ただし、熱容量がチタン酸アルミニウムよりもさらに低いため、粒子状物質の燃焼除去の際、部分的に高温になるところができやすく、再生処理時の燃焼制御が難しいという問題がある。
【０００９】
また、特許文献１には、コーディライトを３０〜８０重量％、ジルコンを１０〜３０重量％含有することで、機械的強度を向上させることが記載されている。ただし、特許文献１では熱容量について何ら考慮されておらず、粒子状物質の燃焼除去の際、部分的に高温になるところができやすく、再生処理時の燃焼制御が難しいという問題が残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６３−２４２９８０号公報（１９８８年１０月７日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、従来提案されている材料のセラミックフィルタはいずれも一長一短があり、製造コストを安く抑え、再生処理時の燃焼制御がしやすく、機械的強度の高いセラミックフィルタは実現されていなかった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑み成されたもので、その目的は、製造コストを安く抑え、再生処理時の燃焼制御がしやすく、機械的強度の高いセラミックフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のセラミックフィルタは、排気ガスを通過させることで排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集する多孔質体を備え、上記多孔質体に捕集された粒子状物質が燃焼除去されることで再生されるセラミックフィルタであって、上記多孔質体の主要成分はコージェライトおよびジルコンからなり、上記主要成分はジルコンを４０〜８０重量％含むことを特徴としている。
【００１４】
上記多孔質体の主要成分を上記のような組成にすることで、炭化ケイ素と略同等程度以上の熱容量を得ることができる。これにより、粒子状物質が燃焼除去する際に部分的に温度が高くなりすぎることを防止でき、熱衝撃に対する耐性を向上させることができる。
【００１５】
また、チタン酸アルミニウムやコージェライト（ジルコンの添加なし）に比べて機械的強度が強くすることができる。
【００１６】
そして、コージェライトおよびジルコンは大気中で焼結させることができる。また、これらの原料となる粉末の硬さは炭化ケイ素より低い。そのため、押出用金型の耐用期間は炭化ケイ素に比べて長くなる。その結果、製造コストを抑えることができる。
【００１７】
以上から、製造コストを安く抑え、再生処理時の燃焼制御がしやすく、機械的強度の高いセラミックフィルタを提供することができる。
【００１８】
さらに、本発明のセラミックフィルタは、上記多孔質体は、焼結助剤として長石を含むことが好ましい。
【００１９】
上記の構成によれば、焼成温度を低下させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、製造コストを安く抑え、再生処理時の燃焼制御がしやすく、機械的強度の高いセラミックフィルタを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の一形態に係るハニカムフィルタの概観を示す斜視図である。
【図２】上記ハニカムフィルタの軸方向に平行な面の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施の形態により説明する。図１は、本発明の実施の一形態であるセラミックフィルタの概観を示す斜視図である。図２は、柱状のセラミックフィルタの軸方向に平行な面の模式断面図である。
【００２３】
セラミックフィルタ１は、ガソリンエンジン用の排ガスに含まれる粒子状物質を捕集浄化するＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）や、ディーゼルエンジン用の排ガスに含まれる粒子状物質を捕集浄化するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）として使用される。
【００２４】
図１、図２に示すように、セラミックフィルタ１は、円柱状のハニカム構造体（多孔質体）１０を有する。ハニカム構造体１０における円柱状の本体の内部には、一方向に延伸する複数のセル１１が形成されている。各セル１１は、軸方向（セルの延伸方向）に垂直な方向の断面形状が略正方形をなし、多孔性のセル壁１２に区画されることによって形成されている。多孔性のセル壁１２が粒子状物質（以下、ＰＭ（Particulate Matter））の捕集部材となる。
【００２５】
ハニカム構造体１０に設けられている各セル１１は、軸方向（延伸方向）の一方側の端部に封止部１２により封止（目封じ）されている。封止部１２は、ハニカム構造体１０の軸方向の両端部で、複数のセル１１が交互に封止されるように配置されている。
【００２６】
ハニカム構造体１０の外周部は、外周被覆層１５にて被覆されている。外周被覆層１５はセラミック層からなり、ハニカム構造体１０の外周部に塗布された外周被覆材が焼成されることで形成されている。外周被覆層１５は必ずしも必要なものではない。なお、図２においては、外周被覆層１５の記載を省略している。
【００２７】
このような構成を有するセラミックフィルタ１は、図２に示すように、セル１１の延伸方向でもある軸方向が排気ガスの流れと平行となるように配置される。排気ガスは、流れの上流側に位置する、セル端部が封止されていないセル（流入側セル）１１より流入する。セル１１内に流入した排気ガスは、多孔性のセル壁１２の微細孔を通過して、流れの下流側に位置する、セル端部が封止されていない隣接セル（流出側セル）１１へと移動し、そこから流出する。
【００２８】
排気ガスがセル壁１２の微細孔を通過することにより、排気ガスに含まれるＰＭがセル壁１２に捕集される。捕集されたＰＭは、セラミックフィルタ１を加熱することでセル壁１２より燃焼除去され（再生処理）、これにより、セラミックフィルタ１が再生される。
【００２９】
なお、図１においては、ハニカム構造体１０として、セラミックフィルタ１の軸方向に垂直な面の断面形状が円形をなす円柱状のものを例示したが、該断面形状は特に限定されるものではなく、例えば、楕円形、正方形、長方形、多角形であってもよい。このようなハニカム構造体１０の成型は、押出機を用いることで、所望する形状に予め成型することができる。また、セラミックフィルタ１の軸方向に垂直な面の断面の大きさは、エンジンの排気量によって最適値が決定されるものである。
【００３０】
一方、セル１１の断面形状は、略正方形であることが好ましい。しかしながら、必ずしもこれに限定されるものではなく、他の形状であってもよい。セル壁１２の厚さも特に限定されるものではなく、例えば、０．２〜０．４ｍｍとすればよい。また、単位面積中のセル数も特に限定されるものではなく、例えば、２００〜３００ｃｐｓｉとすればよい。外周被覆層１５の厚さも特には限定されないが、概して０．３ｍｍ〜２．０ｍｍに設定される。
【００３１】
セラミックフィルタ１における各部の材料は、ハニカム構造体１０を除き、従来からある既存の材料を用いることができる。
【００３２】
例えば、セル端部を封止する充填材としては、酸化アルミニウム（アルミナ）、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、ムライト、アパタイトなどのセラミック坏土、またはセメント材料を使用することができる。これらは単独で使用してもよいし、複数種類を併用してもよい。中でもセメント材料としての汎用性の観点から、酸化アルミニウムを材料とすることが特に好ましい。
【００３３】
外周被覆層１５はセラミック層よりなり、ハニカム構造体１０の材料に、無機バルーン、コロイダルシリカ、ベントナイト等の無機粒子や無機バインダー等を配合した材料が用いられる。
【００３４】
次に、本実施形態に係るハニカム構造体１０を構成する多孔質セラミックスについて説明する。本実施形態に係るハニカム構造体１０は、製造コストを安く抑え、再生処理時の燃焼制御がしやすく、機械的強度の高い多孔質セラミックスにより構成される。
【００３５】
具体的には、ハニカム構造体１０を構成する多孔質セラミックスは、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）およびジルコン（ＺｒＳｉＯ４）からなる主要成分と焼結助剤とを含む。なお、主要成分は、多孔質セラミックスにおいて８０重量％（ｗｔ％）以上である。また、焼結助剤を含まず、主要成分が多孔質セラミックスにおいて１００重量％を占めていてもよい。そして、主要成分中におけるジルコンが４０〜８０重量％であり、残り（つまり、６０〜２０重量％）がコージェライトである。焼結助剤としては、例えば、長石を用いればよい。
【００３６】
上記の組成により構成された多孔質セラミックスは、押出原料の硬さが炭化ケイ素よりも低く、かつ、大気中で焼成することにより得られる。また、熱容量は、コージェライトやチタン酸アルミニウムよりも高く、炭化ケイ素と略同程度または炭化ケイ素よりも高い。さらに、機械的強度は、コージェライトやチタン酸アルミニウムに比べて強い。
【００３７】
また、ハニカム構造体１０を構成する多孔質セラミックスの気孔率は４０〜６０％であることが好ましい。４０〜６０％の気孔率を有することで、ＤＰＦやＧＰＦとして安定して機能させることができる。気孔率を上記範囲とするのは、気孔率が４０％を下回ると、粒子状物質を捕集する性能が低下し、圧力損失が大きくなり、逆に気孔率が６０％を超えると、使用に耐えうる強度を得ることができないためである。
【００３８】
次に、ハニカム構造体１０を構成する多孔質セラミックスの製造方法について説明する。
【００３９】
まず、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２が焼結体におけるコージェライトの組成となるように、タルク、水酸化アルミニウム、カオリン、マグネサイト、非晶質シリカなどのコージェライト化する原料を調合してコージェライト用原料を得る。
【００４０】
次に、主要成分中におけるジルコンが４０〜８０重量％となるように、コージェライト用原料とジルコン粉末とを混合した原料無機粉末を生成する。このとき、原料無機粉末に焼結助剤（例えば長石など）を添加してもよい。さらに、原料無機粉末に、バインダー物質および造孔材を加えて混合した混合物を作製する。
【００４１】
バインダー物質としては、メチルセルロースと水との組み合わせが使用できる。メチルセルロースの添加量は、原料無機粉末と造孔材の合計重量に対して、１０〜２０重量％とすることが好ましい。添加量をこのような範囲とするのは、添加量が１０重量％を下回ると押し出し成形が困難であり、逆に２０重量％よりも大きくなると成形後の脱脂が難しくなるためである。
【００４２】
また、気孔率４０〜６０％の多孔質セラミックスを安定して得るために、造孔材の添加量は、原料無機粉末と造孔材の合計重量に対して、０〜３０重量％とすることが好ましい。添加量をこのような範囲とするのは、添加量が３０重量％よりも大きくなると脱脂後形状を保てなくなるためである。なお、造孔材としては、デンプン等が使用できる。
【００４３】
上記材料を混合（調整）した混合物を、押出用金型を用いて押出し、ハニカム構造体の形状に成型する。その後、成型物を乾燥させて、脱脂工程でメチルセルロースとデンプンを除去する。脱脂は、Ｎ２＋５％Ｏ２雰囲気中で熱処理する。脱脂工程の処理温度はとしては、使用したバインダー物質を残渣なく除去できる温度である。例えば、４００℃である。
【００４４】
次に、脱脂した形成物を、大気中で焼成する。焼成温度は、焼結助剤を添加しない場合には１３００〜１３５０℃、長石などの焼結助剤を添加する場合には１２００〜１２５０℃に設定すればよい。
【００４５】
なお、セラミックフィルタ１は、ハニカム構造体１０が１つの多孔質セラミック焼成体よりなる、いわゆる一体型を例示した。しかしながら、角柱状に形成された複数の多孔質セラミック焼成体であるハニカムセグメント体を、接合部を介して貼り合わせてハニカム構造体とした分割型であってもよい。
【実施例】
【００４６】
本発明を、実施例を挙げてより詳細に説明する。
【００４７】
粒子径が６μｍのタルク４３．３重量％、粒子径が３μｍの水酸化アルミニウム６８．４重量％、および粒子径３μｍのシリカ２４．１重量％を調合してコージェライト用原料を得た。
【００４８】
次に、コージェライト用原料と粒子径が３μｍのジルコンとを下記の表２に記載の組成比となるように調合し、原料無機粉末を得た。
【００４９】
その後、原料無機粉末と造孔材との合計重量に対して、造孔材となるデンプンを２０重量％、バインダー物質となるメチルセルロースを１０重量％、および水を加えて混合し、押出杯土（混合物）を調整した。押出杯土を押出用金型を用いて押出して、成型物である３５ｍｍ×３５ｍｍ×１００ｍｍのハニカム構造体を成形した。
【００５０】
このように形成したハニカム構造体を乾燥後、Ｎ２＋５％Ｏ２雰囲気中で４００℃まで加熱して脱脂を行い、メチルセルロースとデンプンを除去した。次に、焼結炉に脱脂した成型物（脱脂成型物）を入れ、大気中で１３００℃の温度で焼成した。
【００５１】
このように作成した実施例および比較例のハニカム構造体の気孔率（ＤＰＦ気孔率）、比重、圧縮強度、単位体積当たりの熱容量を測定した。
【００５２】
気孔率と比重はアルキメデス法の密度計を用いて測定した。圧縮強度は、ハニカム構造体のセルに平行は方向に圧縮したときの強度を、圧縮強度測定装置を用いて測定した。単位体積当たりの熱容量は、ホットディスク法の熱物性測定装置を用いて測定した。表２に測定した結果を示す。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
表２より分るように、主要成分におけるジルコンの含有量が４０重量％以上とすることで、単位体積当たりの熱容量が１．２５Ｊ／ｃｍ３／Ｋとなり、炭化ケイ素と略同等程度の熱容量を得ることが確認された。これにより、ハニカム構造体に捕集された粒子状物質を燃焼除去する際に部分的に温度が高くなりすぎることを防止でき、熱衝撃に対する耐性を向上させることができる。
【００５５】
また、主要成分におけるジルコンの含有量が４０重量％以上８０重量％以下とすることで、圧縮強度が３．９〜４．５ＭＰａとなり、チタン酸アルミニウムやコージェライト（ジルコンの添加なし）に比べて機械的強度が強くなることが確認された。
【００５６】
さらに、上述したように、ハニカム構造体は大気中での焼成により得られる。また、炭化ケイ素のビッカース硬さが２４ＧＰａであるのに対し、本実施例のハニカム構造体の原料となるタルクおよび水酸化アルミニウムのビッカース硬度は１０ＧＰａ以下、シリカのビッカース硬度は１１ＧＰａ、ジルコンのビッカース硬度は８ＧＰａ程度である。このように、押出坏土に含まれる原料無機粉末の硬さは炭化ケイ素より低いため、押出用金型の耐用期間は炭化ケイ素に比べて長くなる。３５ｍｍ×３５ｍｍ×１００ｍｍのハニカム構造体を成形したところ、セル壁１２の厚みの変化から計算した金型の磨耗量はＳｉＣを成形したときの１／３以下であった。その結果、製造コストを抑えることができる。
【００５７】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するための排気ガス浄化用フィルタとして好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１    セラミックフィルタ
１０  ハニカム構造体（多孔質体）
１１  セル
１２  セル壁
１５  外周被覆層
２１  封止部
【図１】
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【図２】
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