(57)【要約】【課題】粒子を捕集しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタを提供する。【解決手段】ハニカム構造体２０１における入口流路２１０と出口流路２２０との間にある隔壁部２１０Ｗｉｏは、入口流路２１０の内面に凹凸を有する。ハニカム構造体２０１は、出口流路２２０の表面から深さＤ（ただし、Ｄは隔壁部２０１Ｗｉｏの最小厚みの半分）までの出口流路側部分Ｒ２と、出口流路側部分Ｒ２と複数の入口流路２１０との間の入口流路側部分Ｒ１とを有し、入口流路側部分Ｒ１の空隙率をε１とし、出口流路側部分Ｒ２の空隙率をε２としたときに、ε１＞ε２を満たす。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１流路及び複数の第２流路を有し、柱状形状を有するハニカム構造体を備え、
前記第１流路は、前記ハニカム構造体の一端面で開口されて他端面で閉じられ、
前記第２流路は、前記ハニカム構造体の一端面で閉じられて前記他端面で開口され、
前記第２流路は少なくとも１つの前記第１流路と隣り合い、
前記ハニカム構造体における前記第１流路と前記第２流路との間にある隔壁部は、前記第１流路の内面に凹凸を有し、
前記ハニカム構造体は、前記第２流路の表面から深さＤ（ただし、Ｄは前記隔壁部の最小厚みの半分）までの第２流路側部分と、前記第２流路側部分と前記複数の第１流路との間の第１流路側部分とを有し、前記第１流路側部分の空隙率（単位：％）をε１とし、前記第２流路側部分の空隙率（単位：％）をε２としたときに、ε１＞ε２を満たす、ハニカムフィルタ。
【請求項２】
１０≦ε１≦７０、かつ、１≦ε１−ε２≦６９を満たす、請求項１記載のハニカムフィルタ。
【請求項３】
前記ハニカム構造体は、細孔を有する多孔質基材と、前記細孔内に保持された、触媒、又は、触媒を担持した担体を含む、請求項１又は２に記載のハニカムフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハニカムフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、粒子を含む流体から粒子を除去するセラミック製のハニカムフィルタが知られている。このようなハニカムフィルタの一例は、互いに平行な多数の入口流路及び出口流路を有するセラミック製の多孔質基材と、この多孔質基材の細孔内に保持された触媒又は触媒を担持した担体を有する（例えば、下記特許文献１参照）ハニカム構造体を備える。多孔質基材が触媒又は触媒を担持した担体を保持することで、ハニカムフィルタは粒子の捕集に加えて触媒による様々な機能を追加して有することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４８１４８８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ハニカムフィルタが流体内の粒子の捕集を続けると、ハニカムフィルタの内部に捕集した粒子が堆積する。粒子の堆積量が増えると流体がハニカムフィルタを通過するために必要な圧力損失が上昇する。特に、触媒又は触媒を担持した担体を保持したハニカムフィルタでは粒子の捕集に伴って圧力損失が増加しやすい。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、粒子を捕集しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るハニカムフィルタは、複数の第１流路及び複数の第２流路を有し、柱状形状を有するハニカム構造体を備える。
前記第１流路は、前記ハニカム構造体の一端面で開口されて他端面で閉じられ、前記第２流路は、前記ハニカム構造体の一端面で閉じられて前記他端面で開口され、前記第２流路は少なくとも１つの前記第１流路と隣り合い、前記ハニカム構造体における前記第１流路と前記第２流路との間にある隔壁部は、前記第１流路の内面に凹凸を有する。
前記ハニカム構造体は、前記第２流路の表面から深さＤ（ただし、Ｄは前記隔壁部の最小厚みの半分）までの第２流路側部分と、前記第２流路側部分と前記複数の第１流路との間の第１流路側部分とを有し、前記第１流路側部分の空隙率（単位：％）をε１とし、前記第２流路側部分の空隙率（単位：％）をε２としたときに、ε１＞ε２を満たす。
【０００７】
本発明によれば、隔壁部の第１流路側に凸凹が存在し、かつ、ε１＞ε２を満たしている。したがって、第１流路側部分に比べて第２流路側部分の圧力損失が大きくなり、第１流路から第２流路に向かって流れるガスは、表面の凹凸にかかわらず第１流路側部分では比較的均一にガスが流れる。このため、凹凸表面に比較的均一に粒子を堆積させることができる。そして、第１流路の内面に凹凸を設けることにより生じたろ過面積の増加分を粒子の捕集中も維持しやすく粒子の堆積による圧力損失の増加を抑制できる。
【０００８】
ここで、１０≦ε１≦７０であり、かつ、１≦ε１−ε２≦６９であることができる。
【０００９】
また、前記ハニカム構造体は、細孔を有する多孔質基材と、前記細孔内に保持された、触媒、又は、触媒を担持した担体を有することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るハニカムフィルタによれば、粒子を捕集しても圧力損失が上昇しにくいハニカムフィルタが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの軸に沿う断面図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ端面図である。
【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ端面図である。
【図４】図４は、図１のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図５は、図４の隔壁部２１０Ｗｉｏの拡大図である。
【図６】図６は、実施例１の隔壁部２１０Ｗｉｏの軸方向に垂直な断面のＳＥＭ写真である。
【図７】図７は、実施例１及び比較例１のフィルタの煤の捕集量に対する圧力損失を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、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、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るハニカムフィルタ２００の軸に沿う断面図であり、図２〜図４は、それぞれ図１のハニカムフィルタ２００の入口側端面２０１ｉｎ、出口側端面２０１ｏｕｔ、及び、軸方向中央部の断面の拡大図である。
【００１４】
ハニカムフィルタ２００は、図１に示すように、入口側端面（一端面）２０１ｉｎ及び出口側端面（他端面）２０１ｏｕｔを有する柱状で多孔質のハニカム構造体２０１を備える。ハニカム構造体２０１は、その軸方向すなわち入口側端面２０１ｉｎ及び出口側端面２０１ｏｕｔ間に延びて互いに略平行に設けられた多数の貫通孔ｔｈを形成する多孔質の隔壁２０１Ｗ、及び、各貫通孔ｔｈのいずれか一端を閉じる封口部２０１ｐを有している。図１〜図３に示すように、一部の貫通孔ｔｈの出口側端面２０１ｏｕｔを封口部２０１ｐで閉じることにより、入口側端面２０１ｉｎに開口して出口側端面２０１ｏｕｔで封口された複数の入口流路（第１流路）２１０が形成されている。また、残りの貫通孔ｔｈの入口側端面２０１ｉｎを封口部２０１ｐで閉じることにより、出口側端面２０１ｏｕｔに開口して入口側端面２０１ｉｎで開口する複数の出口流路（第２流路）２２０が形成されている。
【００１５】
ハニカム構造体２０１の軸方向長さは、例えば５０〜３００ｍｍである。ハニカム構造体２０１の外径は、例えば５０〜２５０ｍｍである。
【００１６】
本実施形態では、図４に示すように、各入口流路２１０の隣には、３つの他の入口流路２１０と３つの出口流路２２０とが配置されている。一方、各出口流路２２０の隣には、６つの入口流路２１０が配置されている。出口流路２２０の隣に、他の出口流路２２０が配置されることはない。
【００１７】
図４に示すように、出口流路２２０の軸方向（長手方向）に略垂直な断面は、六角形状である。出口流路２２０の断面形状は、粒子を含む流体を６つの入口流路２１０から１つの出口流路２２０へ均等に流れ易くして、粒子の堆積時の圧力損失を低減し易くする観点から、６つの辺１４０の長さが互いに略等しい正六角形状が好ましいが、辺の長さが互いに異なる六角形状、及び／又は、角度が６０°ではない六角形であってもよい。
【００１８】
本実施形態では、入口流路２１０の内面は、図１及び図４に示すように、入口流路２１０の軸方向に延びる多数の凸部２１０ａと、凸部２１０ａ間にそれぞれ設けられた凹部２１０ｂを有している。図４に示すように、本実施形態においては、入口流路２１０及び出口流路２２０を隔てる隔壁部２０１Ｗｉｏの入口流路２１０側に１つの凸部２１０ａ及び２つの凹部２１０ｂが設けられると共に、入口流路２１０及び他の入口流路２１０を隔てる隔壁部２０１Ｗｉｉの各入口流路２１０側にも１つの凸部２１０ａ及び２つの凹部２１０ｂが設けられている。また、隔壁部２０１Ｗｉｉと隔壁部２０１Ｗｉｏとの間において、２つの凹部２１０ｂの間に１つの凸部２１０ａが設けられている。
【００１９】
各凸部２１０ａの高さは特に限定されないが、０．０５〜０．６ｍｍとすることが出来る。０．０５ｍｍ未満では生産性が低く効果が低くなる場合がある。また、０．６ｍｍ超では生産性が低下する場合がある。
【００２０】
ここで、凸部２１０ａの高さＨは、図４に示すように、凸部２１０ａの両側の２つの凹部２１０ｂの最底部Ｑ同士を結ぶ直線Ｌ４を描き、凸部２１０ａの内最も直線Ｌ４から離れた点Ｐを取得し、直線Ｌ４と点Ｐとの距離として求めることができる。
【００２１】
直線Ｌ４に沿って測定した凸部２１０ａの頂となる点Ｐと凹部２１０ｂの最底部Ｑとの距離Ｆが０．０８〜０．４ｍｍであることが好ましい。
【００２２】
隔壁部２０１Ｗｉｏ、２０１Ｗｉｉの厚み（セル壁厚）は、例えば、圧力損失低減の観点から、最低厚み部が、０．６ｍｍ以下が好ましく、０．４ｍｍ以下がより好ましい。また、この厚みは、粒子の捕集効率及びハニカムフィルタ２００の強度を高く維持する観点から、最低厚み部でも０．１ｍｍ以上が好ましく、０．２ｍｍ以上がより好ましい。
【００２３】
図４に示すように、入口流路２１０と出口流路２２０との距離Ｌｉｏ、すなわち、入口流路２１０の外接円ＣＣの中心Ｏ２１０と出口流路２２０の中心Ｏ２２０（外接円の中心）との距離Ｌｉｏは、特に限定されないが、１．０〜２．５ｍｍとすることができる。また、出口流路２２０における一対の対向する辺１４０間の距離Ｌｏｏは、特に限定されないが、０．５〜２．５ｍｍとすることができる。
【００２４】
隔壁２０１Ｗは、セラミクス製の多孔質基材と、多孔質基材の細孔内に保持された、触媒、又は、触媒を担持した担体から形成されている。多孔質基材の細孔には触媒又は触媒を担持した担体が保持されているが、隔壁２０１Ｗは全体として多孔質であり、隔壁２０１Ｗを介して一方流路から他方流路にガスが流通可能である。
【００２５】
セラミクスの例は、チタン酸アルミニウム、炭化ケイ素、コージェライトである。チタン酸アルミニウムは、マグネシウムやケイ素などを含むことができる。
【００２６】
触媒の例は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、銀、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅からなる群より選択される少なくとも１つの金属元素を含む触媒、又は、ゼオライト粒子からなる触媒である。触媒の粒径は、例えば、１ｎｍ〜１０μｍとすることができる。
【００２７】
担体の例は、アルミナ、シリカ、マグネシア、チタニア、ジルコニア、セリア、Ｌａ２Ｏ３、ＢａＯ、ゼオライト等の酸化物、あるいは、これらの内の１種以上を含む複合酸化物の粒子である。担体の粒径は、例えば、０．１〜１００μｍとすることができる。
【００２８】
本実施形態では、ハニカム構造体２０１において空隙率に分布を生じている。具体的には、図５に示すように、ハニカム構造体２０１の流路に垂直な断面において、ハニカム構造体２０１の隔壁２０１Ｗは、出口流路２２０の表面から深さＤ（ただし、Ｄは出口流路２２０と複数の入口流路２１０との間の隔壁部２０１Ｗｉｏの最小厚みＤｍｉｎの半分）までの出口流路側部分（第２流路側部分）Ｒ２と、出口流路側部分Ｒ２と複数の入口流路２１０との間の入口流路側部分（第１流路側部分）Ｒ１とを有する。これらの境界を図４及び図５に点線Ｌ３で示す。そして、入口流路側部分Ｒ１の空隙率（単位：％）をε１とし、出口流路側部分Ｒ２の空隙率（単位：％）をε２としたときに、ε１＞ε２を満たす。
【００２９】
ここで、１０≦ε１≦７０、かつ、１≦ε１−ε２≦６９であることができる。好ましくは５≦ε１−ε２≦５０であり、さらに好ましくは１０≦ε１−ε２≦４０である。ここで、空隙率εは、断面ＳＥＭ写真に基づいて容易に取得することができる。
【００３０】
このようなハニカム構造体２０１の空隙率の分布は、例えば、空隙率が均一の多孔質基材を用意し、出口流路側部分Ｒ２の細孔内に選択的に触媒又は担体を保持させることにより容易に実現できる。この場合、ハニカム構造体２０１における触媒又は触媒を担持した担体の体積あたりの濃度は、入口流路側部分Ｒ１よりも出口流路側部分Ｒ２のほうが高くなる。
【００３１】
このようなハニカムフィルタの製造方法の一例を以下に示す。公知の方法に従って、セラミック原料及び造孔剤を含む材料で貫通孔ｔｈを有する成形体を押し出し成形法で製造する。続いて、貫通孔の一端又は他端を封口し、その後、焼成して、上述のハニカム構造体２０１と同様の流路形状を有する封口された多孔質基材を得る。続いて、触媒又は触媒を担持した担体を含むスラリーを用意し、多孔質基材の全体をスラリー中に浸漬する。その後、多孔質基材をスラリーから引き上げ、入口側端面を吸引して、空気などのガスを出口流路２２０、隔壁、及び、入口流路２１０内の順に流し、余分なスラリーを多孔質基材から吸引して除去する。これにより、多孔質基材の隔壁内に残るスラリーの大部分は、吸引側の逆側である出口流路２２０の近傍に偏在することになり、出口流路２２０の近傍に選択的に触媒又は触媒を担持した担体を保持させることができる。
【００３２】
なお、触媒又は触媒を担持した担体は、細孔内だけでなく隔壁部の表面上にも保持されうる。
【００３３】
また、上記例では、入口流路側部分Ｒ１と出口流路側部分Ｒ２との間で触媒又は担体の体積あたりの濃度が異なっていることによって空隙率の分布が形成されているが、このような空隙率の分布は、入口流路側部分Ｒ１と出口流路側部分Ｒ２との間で触媒又は担体の体積あたりの濃度が異なっていない場合、あるいは、触媒又は触媒を担持した担体を含まないフィルタでも実施可能である。例えば、触媒又は担体を保持する前の多孔質基材の空隙率に入口流路側部分Ｒ１と出口流路側部分Ｒ２との間で上述の差異があれば、触媒又は担体の濃度が空間的に均一であっても、あるいは、触媒又は担体を有さなくても上述の空隙率の分布を実現できる。このようなハニカム構造体は、入口流路側部分Ｒ１と出口流路側部分Ｒ２との空隙率が同一の焼結済の多孔質基材を得た後、セラミクス原料を含むスラリーを上記と同様に浸漬し、吸引し、焼成等すれば得られる。
【００３４】
このようなハニカムフィルタ２００では、図１に示すように、入口側端面２０１ｉｎから入口流路２１０に供給されたガスＧが隔壁部２１０ｗｉｏを通過して隣の出口流路２２０に到達し、出口側端面２０１ｏｕｔから排出される。このとき、ガスＧ中の粒子が入口流路２１０の表面や隔壁部２１０ｗｉｏの細孔内に捕集されてガスＧから除去されることにより、ハニカムフィルタ２００はフィルタとして機能する。上記ハニカムフィルタは、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれるすす等の粒子を捕集するハニカムフィルタとなることができる。
【００３５】
本実施形態に係るハニカムフィルタ２００によれば、隔壁部Ｗ２０１Ｗｉｏの入口流路２１０側に凸部２１０ａ及び凹部２１０ｂが存在し、かつ、ε１＞ε２を満たしている。したがって、入口流路側部分Ｒ１に比べて出口流路側部分Ｒ２の圧力損失が大きくなり、入口流路側部分Ｒ１では表面の凹凸にかかわらず比較的均一に入口流路から出口流路に向かってガスが流れ、凹凸表面に比較的均一に粒子を堆積させることができる。このため、入口流路２１０の内面に凹凸を設けることにより生じたろ過面積の増加分を粒子の捕集中も維持しやすく粒子の堆積による圧力損失の増加を抑制できる。
【００３６】
なお、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００３７】
例えば、ハニカムフィルタ２００において入口流路２１０及び出口流路２２０の断面形状は、上記に限られるものではない。上記実施形態では、入口流路の断面形状は、隔壁部２０１Ｗｉｏの入口流路２１０側に１つの凸部及び凸部の両側に２つの凹部を有しているが、凹部および凸部の数や形状も特に限定はない。
【００３８】
また、出口流路の断面形状は、６角形以外にも、例えば、４角形、８角形などの多角形や、円形（楕円形含む）にすることもできる。
【００３９】
また、出口流路２２０の隣に少なくとも１つの入口流路２１０が配置されていればよく、出口流路２２０に隣接して配置される入口流路２１０及び出口流路２２０の数や、入口流路２１０に隣接して配置される入口流路２１０及び出口流路２２０の数も任意に変更できる。例えば、出口流路２２０に６つの入口流路２１０が隣接し他の出口流路２２０が隣接せず、入口流路２１０に２つの出口流路２２０及び４つの入口流路２１０が隣接する形態を取ることが出来る。特に、各出口流路２２０には複数の入口流路２１０が隣接していることが好ましく、複数の入口流路２１０のみが隣接して他の出口流路２２０が隣接しない配置が好適である。
【００４０】
また、封口方法も、貫通孔の一端に封口部により栓をする形態に限定されず、封口すべき貫通孔の周りの封口されない貫通孔の径を拡張して、封口すべき貫通孔の隔壁をつぶして貫通孔の一端を閉鎖する形態でもよい。
【００４１】
また、フィルタの外形形状も柱状形状であれば特に、円柱状に限定されず、例えば、角柱等でもよい。
【００４２】
以下、本発明を実施例により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。
【００４３】
（実施例１）
チタン酸アルミニウム製の図１〜図４に示す流路形状を有する多孔質基材を用意した。外径は２５．４ｍｍ、長さは５０ｍｍ、セル密度は３００ｃｐｓｉ、最薄部の壁厚みは１０ｍｉｌ（０．２５ｍｍ）、隔壁部２１０ｗｉｏの凸部の高さＨは１５０μｍ、隔壁部２１０ｗｉｏ凸部と凹部との距離Ｆは１８０μｍ、入口端の開口率４０％、出口端の開口率２８％、隔壁の空隙率はε１及びε２の両方とも５８％であった。
【００４４】
触媒として平均粒径２．０μｍゼオライト粒子を含む水スラリーを容器内に用意した。当該容器の水スラリー中に多孔質基材を沈めた。その後、多孔質基材を水スラリーから引き上げ、入口側端面を吸引することにより、空気などのガスを出口流路２２０、隔壁、及び、入口流路２１０内の順に供給し、余分なスラリーを多孔質基材から吸引して除去した。その後、多孔質基材を乾燥させ、ハニカム構造体を得た。触媒の担持量は、ハニカム構造体の単位体積あたり０．１１５ｇ／ｍ３とした。
【００４５】
乾燥後のハニカム構造体の隔壁部２１０ｗｉｏの垂直断面のＳＥＭ写真を図６に示す。黒い部分が空隙、白い部分が多孔質基材、グレーの部分が触媒である。入口流路側部分Ｒ１及び出口流路側部分Ｒ２の空隙率ε１、ε２はそれぞれ、３９．８％、及び、２６．２％であった。空隙率の計算においては、画像の横幅が概ね７００μｍぐらいになる倍率で撮影された画像を用い、隔壁部の全体の体積と、隔壁部において多孔質基材及び触媒に該当しない空間部の体積を求めることにより、空隙率を求めた。
【００４６】
（比較例１）
入口流路内に凸部及び凹部を設けず六角形状とする以外は実施例１と同様にし、平坦な隔壁部２１０ｗｉｏにおける出口流路に主として触媒が保持されるようにした。触媒付与前のε１及びε２は両方とも５８％であった。触媒付与後のε１は４２．８％、ε２は３０．１％であった。
【００４７】
（堆積した煤による圧力損失の測定）
煤発生速度１０ｇ／ｈ、ガス流量６ｍ３／ｈ、ガス温度室温にて各フィルタに対して煤を徐々に堆積させ圧力損失の変化を測定した。また、実施例１及び比較例１の触媒塗布前の多孔質基材についても、それぞれ同様に煤を堆積させ圧力損失の変化の測定を行った。結果を図７に示す。表１には、触媒付与前及び触媒付与後の実施例１及び比較例１のフィルタに煤を４．５ｇ／Ｌ堆積したときの圧力損失、及び、触媒付与前後の圧力損失の上昇率を示す。実施例１及び比較例１の圧力損失の差は、触媒塗布前よりも触媒塗布後に拡大した。
【表１】
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【符号の説明】
【００４８】
２００…ハニカムフィルタ、２０１ｉｎ…入口側端面（一端面）、２０１ｏｕｔ…出口側端面（他端面）、２０１Ｗｉｏ…入口流路２１０及び出口流路２２０を隔てる隔壁部、２０１…ハニカム構造体、２０１ｐ…封口部、２１０…入口流路（第１流路）、２１０ａ…凸部、２１０ｂ…凹部、２２０…出口流路（第２流路）、Ｒ１…入口流路側部分（第１流路側部分）、Ｒ２…出口流路側部分（第２流路側部分）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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