(57)【要約】【課題】ハニカムセグメントの接合の際に間隔保持材として用いるスペーサがハニカムセグメントにダメージを与えることがなく、良好な状態でハニカムセグメントを接合する。【解決手段】ハニカム構造体は、多孔質の隔壁に仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有したハニカムセグメントが接合層を介して複数接合されて形成される。ハニカムセグメントの間にスペーサが配置されており、このスペーサの面積が接合層の面積に対し０．２〜３０％の割合となっていると共に、スペーサのヤング率が０．１〜１．５ＧＰａとなっている。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の隔壁に仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有したハニカムセグメントが接合層を介して複数接合されたハニカム構造体であって、
前記ハニカムセグメントの間にスペーサが配置されており、当該スペーサの面積が前記接合層の面積に対し０．２〜３０％の割合となっていると共に、スペーサのヤング率が０．１〜１．５  ＧＰａであることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項２】
前記スペーサは、３５〜９０％の気孔率となっていることを特徴とする請求項１記載のハニカム構造体。
【請求項３】
前記スペーサは造孔材が添加されることにより、３５〜９０％の気孔率となっていることを特徴とする請求項１または２記載のハニカム構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等からの排ガスに含まれているパティキュレートを捕捉して除去するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）、その他の捕集フィルタに用いられるハニカム構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のハニカム構造体１は、炭化珪素等からなる多孔質のハニカムセグメントが接合層によって複数接合され、円形断面等の所定の形状に成形された後、周囲がコート材層により被覆された構造となっている。このハニカム構造体はディーゼルエンジンの排気系内に配置されることにより、排ガスを浄化するために使用される。
【０００３】
それぞれのハニカムセグメントは多孔質の隔壁によって仕切られ、且つ軸方向に貫通する多数の流通孔を有している。また、隣接している流通孔においては、一端部が交互に目封じされるものであり、一の流通孔においては、一側の端部が開口している一方、他側の端部が目封じされており、これと隣接する他の流通孔においては、他側の端部が目封じされるが、一側の端部が開口されている。
【０００４】
このような構造とすることにより、開口している端部から排ガスが流通孔に流入すると、排ガスは多孔質の隔壁を通過して他の流通孔から流出し、隔壁を通過する際に排ガス中のパティキュレートが隔壁に捕捉されるため、排ガスの浄化を行うことができる。
【０００５】
このようなハニカム構造体では、複数のハニカムセグメントが接合された構造となっているが、接合層の厚さが均一であることが好ましい。接合層の厚さが不均一の場合は、部分的な熱伝導率の不均一を起こすため、高温使用時の応力集中を生じやすく、ハニカム構造体の耐久性を低下させるためである。また、接合層が厚すぎると、ハニカム構造体の圧力損失が大きくなってパティキュレートの捕捉効率が低下し、逆に薄すぎると接合層による応力緩和の効果が損なわれるためである。
【０００６】
接合層の厚さを均一にするため、従来では、紙、無機物質、セラミック、有機繊維、樹脂等からなる所定の厚さのスペーサ（間隔保持材）をハニカムセグメントの間に配置した状態でハニカムセグメントを接合することにより、接合層の厚さをスペーサの厚さとほぼ同等とすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１０２６２７号公報（４〜５頁、図３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
間隔保持を行うスペーサとしては、その機能を発揮し且つ接合層に十分な接着力を発現するために、接合層の面積に対して一定の範囲にする必要がある。また、ハニカムセグメントの相互の接合は、ハニカムセグメントにスペーサを固定し、スペーサの固定状態でハニカムセグメントに接合材を塗布した後、押圧することにより行われる。このようなハニカムセグメントの接合において、十分な接合力を得るためには、一定以上の圧力を作用させる必要があるが、圧力を作用させる際に、スペーサのヤング率が必要以上に高い場合には、スペーサのハニカムセグメントへの食い込み等が発生するため、ハニカムセグメントにダメージを与えている。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、ハニカムセグメントの接合の際に間隔保持材としてのスペーサを用いる場合において、スペーサがハニカムセグメントにダメージを与えることがなく、これにより良好な状態でハニカムセグメントが接合されたハニカム構造体を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明のハニカム構造体は、多孔質の隔壁に仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有したハニカムセグメントが接合層を介して複数接合されたハニカム構造体であって、前記ハニカムセグメントの間にスペーサが配置されており、当該スペーサの面積が前記接合層の面積に対し０．２〜３０％の割合となっていると共に、スペーサのヤング率が０．１〜１．５ＧＰａであることを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明では、ハニカムセグメントの間に設けられるスペーサを接合層の面積に対し０．２〜３０％の割合の面積とし、且つ０．１〜１．５ＧＰａのヤング率とすることにより、ハニカムセグメントへの影響がない状態でハニカムセグメントの間隔保持を行うことが可能となる。これにより、ハニカムセグメントの接合時に圧力を作用させても、スペーサがハニカムセグメントに食い込むことがなく、ハニカムセグメントへのダメージを抑制することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載のハニカム構造体であって、前記スペーサは、３５〜９０％の気孔率となっていることを特徴とする。
【００１３】
このような気孔率とすることにより、スペーサのヤング率を上述の範囲内に調整することが可能となり、接合時におけるハニカムセグメントのダメージを抑制することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または２記載のハニカム構造体であって、前記スペーサは造孔材が添加されることにより、３５〜９０％の気孔率となっていることを特徴とする。
【００１５】
ある種の造孔材は、バルーン状となっており、それ自体で内部にガスを封じ込めているため、スペーサの基材に添加されることにより、スペーサに気孔を付与するように作用する。このため、スペーサの気孔率を３５〜９０％の範囲に簡単に調整することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態におけるハニカム構造体は、図１に示すように、複数のハニカムセグメント２が接合層９によって接合されるものであり、ハニカムセグメント２の接合の後、円形断面、楕円断面、三角断面その他の断面となるように研削加工され、周囲がコート剤層４によって被覆されることにより構成されている。
【００１７】
それぞれのハニカムセグメント２は、図２及び図３に示すように、多孔質の隔壁６によって仕切られた多数の流通孔５を有している。流通孔５はハニカムセグメント２を軸方向に貫通しており、隣接している流通孔５における一端部が充填材７によって交互に目封じされている。すなわち、一の流通孔５においては、左端部が開口している一方、右端部が充填材７によって目封じされており、これと隣接する他の流通孔５においては、左端部が充填材７によって目封じされるが、右端部が開口されている。
【００１８】
このような構造とすることにより、ハニカム構造体１を例えばＤＰＦとして用いた場合には、図３の矢印に示すように、排ガスは左端部が開口している流通孔に流入した後、多孔質の隔壁を通過して他の流通孔から流出する。そして、隔壁６を通過する際に排ガス中のパティキュレートが隔壁６に捕捉されるため、排ガスの浄化を行うことができる。
【００１９】
なお、ハニカムセグメント２としては、正方形断面となっているが、三角形断面、六角形断面等の適宜の断面形状とすることができるものである。また、流通孔５の断面形状においても、三角形、六角形、円形、楕円形、その他の形状とすることができる。
【００２０】
ハニカムセグメント２の材料としては強度、耐熱性の観点から、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素、炭化珪素−コージェライト系複合材、珪素−炭化珪素複合材、窒化珪素、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属からなる群から選択される１種もしくは複数種を組み合わせた材料を使用することが好ましい。
【００２１】
また、ハニカムセグメント２の熱伝導率としては、１０〜６０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲が好ましく、１５〜５５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲であることがより好ましく、２０〜５０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲であることが最も好ましい。従って、このような観点からは、ハニカムセグメント２の材料としては、炭化珪素または珪素−炭化珪素複合材料が特に適している。
【００２２】
ハニカムセグメント２の製造は、上述した中から選択された材料にメチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等のバインダ、界面活性剤や水等を添加して、可塑性の坏土とし、この坏土を押出成形することにより、隔壁６によって仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔５を有するハニカム形状とする。そして、これをマイクロ波、熱風等によって乾燥した後、焼結することによりハニカムセグメント２を作製することができる。
【００２３】
図４〜図６は、ハニカムセグメント２の接合手順を示す。この実施形態では、接合に先立って、図４に示すように、ハニカムセグメント２の接合面２ａにスペーサ１０を配置するものである。そして、スペーサ１０の配置の後、図５に示すように、接合面２ａに接合材１１を塗布し、その後、図６に示すように、他のハニカムセグメント２を接触させ、加圧することによりハニカムセグメント２を接合する。加圧においては、０．３〜３ｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧力で押圧することが好ましく、さらに好ましくは、０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧力で押圧することが好ましい。
【００２４】
スペーサ１０は、接合材１１からなる接合層９（図１及び図６参照）の厚さを均一にするためにハニカムセグメント２の間に配置するものである。スペーサ１０の設置位置は、図４に示す４隅部分に限定されるものではなく、他のハニカムセグメント２を平行に支持できる箇所であれば適宜変更することができる。この場合、スペーサ１０の形状及び大きさは、全てのスペーサ１０を合わせた面積が接合層９の面積と後述する比率となるように設定される。
【００２５】
接合材１１の材料としては、ハニカムセグメント２の材料に合ったものが使用される。このため、接合材１１としては、セラミックスを主成分としたものが好適であり、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト等の無機粒子または繊維とコロイダルシリカ、コロイダルアルミナ等のコロイダルゾルの混合物に必要に応じて金属繊維等の金属、造孔材、各種セラミックスの粒子などを添加した材料を選択することができる。
【００２６】
接合材１１の熱伝導率としては０．１〜５Ｗ／ｍ・Ｋであることが必要であり、０．２〜３Ｗ／ｍ・Ｋであることがより好ましい。接合材１１の熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の場合には、ハニカムセグメント２の間の熱伝達を阻害しハニカム構造体内の温度を不均一にするため好ましくない。一方、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋを超える場合には、接合強度が低下すると共に、製造上困難となる。
【００２７】
接合材１１の熱膨張率としては、熱衝撃などでクラックが生ずるのを防ぐ必要上、比較的低いことが好ましい。このため、熱膨張率は、１×１０−６〜８×１０−６／℃の範囲であることが好ましく、１．５×１０−６〜７×１０−６／℃の範囲であることがさらに好ましく、２×１０−６〜６×１０−６／℃の範囲であることが最も好ましい。
【００２８】
スペーサ１０の材料としては、ハニカムセグメント２や接合材１１と同質のものや金属、樹脂やゴムなどの有機材料を使用することができる。
【００２９】
ハニカム構造体をＤＰＦとして用いる場合においては、接合層９に局所的な空隙があると周囲との熱伝導率差が生じ、応力集中が起こるため、ＤＰＦの耐久性を低下させることがある。この点を考慮する場合、スペーサ１０としては、ＤＰＦが使用される１２００℃程度の耐熱性を有することが好ましく、材料としてはセラミック、無機物質、金属等を用いることができる。特に、接合材１１に近い材料組成や高温物性、例えば熱膨張率、熱伝導率等を有する材料が好ましい。
【００３０】
この実施形態では、接合層９の厚さを均一にするため、ハニカムセグメント２の間に配置されるスペーサ１０の接合層９との面積比率及びスペーサ１０のヤング率を以下のように設定するものである。
【００３１】
すなわち、スペーサ１０の面積を接合層９の面積に対し、０．２〜３０％の割合とするものである。この面積の比率は、０．４〜２５％であることがさらに好ましく、０．６〜２０％であることが最も好ましい。接合層９の面積に対するスペーサ１０の面積割合が０．２％未満では、スペーサとしての効果が発揮できず、また３０％を超えるとハニカムセグメント２相互の接着強度が低下してハニカム構造体としての耐久性に支障となるためである。
【００３２】
このような面積割合の範囲において、ハニカムセグメント２の押圧接合時にスペーサ１０がハニカムセグメント２へダメージを与え、スペーサ１０の食い込みによるハニカムセグメント２の破損あるいはハニカム構造体１のアイソスタティック強度の低下が見られる。このため、この実施形態では、上述した面積割合に加えて、スペーサ１０のヤング率を０．１〜１．５ＧＰａの範囲とするものである。このヤング率の範囲では、任意の接合層９の厚さが得られ、かつハニカムセグメント２へのダメージを抑制することが可能となる。
【００３３】
スペーサ１０のヤング率は上述の０．１〜１．５ＧＰａであるが、好ましくは０．１５〜１．２ＧＰａの範囲、さらに好ましくは０．２〜０．７ＧＰａの範囲であり、このように設定することにより、接合幅のばらつきが減少し、アイソスタティック強度試験での低値破壊を防ぐことが可能となる。なお、ヤング率が０．１ＧＰａ未満の場合には、スペーサとしての効果が減少し、接合幅のばらつきが増大する。一方、１．５ＧＰａを超えると、ハニカムセグメント２の押圧接着時にハニカムセグメント２へダメージを与え、スペーサ１０の食い込みによるセグメントの破損あるいはハニカム構造体のアイソスタティック強度の低下が起こり好ましくない。
【００３４】
スペーサ１０として、セラミックを用いることにより、１２００℃程度の耐熱性を有したものとすることができる。セラミックを用いる場合には、ヤング率が高くなるため、この実施形態では、スペーサ１０の気孔率を３５〜９０％の範囲とするものである。気孔率をこのような範囲とすることにより、スペーサ１０のヤング率を０．１〜１．５ＧＰａの範囲にすることも可能となる。
【００３５】
スペーサ１０の気孔率を３５〜９０％の範囲にするためには、上述したスペーサ１０の材料に造孔材を添加することが良好である。好適な造孔材としてはバルーン状に発泡した発泡樹脂等の各種有機物、シラスバルーン、フライアッシュバルーン等の各種無機物などを使用することができる。また、小麦粉、澱粉、フェノール樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート等を用いることも可能である。造孔材としては、１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００３６】
ハニカム構造体１をＤＰＦとして用いる場合には、流通孔５の開口部を充填材７によって目封じすることが好ましく、さらに端面を交互に市松模様状になるように目封じすることが好ましい。充填材７による目封じは、ハニカムセグメント２の端面を樹脂フィルムによって覆い、目封じしない流通孔５をそのままとした状態で目封じする流通孔５の端面に対してレーザ光を照射して開口し、開口された流通孔５にスラリー状の充填材を圧入することにより行うことができる。この圧入の後、乾燥し、焼成することにより充填材７による目封じを行う。充填材７としては、ハニカムセグメント２と同様な材料を用いることができる。
【００３７】
【実施例】
原料として、ＳｉＣ粉末及び金属Ｓｉ粉末を８０：２０の質量割合で混合し、これに造孔材として澱粉、発泡樹脂を加え、さらにメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロース、界面活性剤及び水を添加して、可塑性の坏土を作製した。この坏土を押出成形し、マイクロ波及び熱風によって乾燥して隔壁の厚さが３１０μｍ、セル密度が約４６．５セル／ｃｍ２（３００セル／平方インチ）、断面が一辺３５ｍｍの正方形、長さが１５２ｍｍのハニカムセグメントを作製した。
【００３８】
次に、ハニカムセグメントの端面が市松模様状を呈するように、隣接する流通孔が互いに反対側となる一方の端部でハニカムセグメントに用いた材料と同様の材料で目封じして、乾燥させた後、大気雰囲気中で約４００℃で脱脂し、その後Ａｒ不活性雰囲気中で約１４５０℃で焼成して、Ｓｉ結合ＳｉＣのハニカムセグメントを得た。
【００３９】
また、炭化珪素４５質量％、アルミノシリケート繊維２８質量％、シリカゾル２０質量％、粘土１質量％、水６質量％からなる接合材としてのスラリーに対し、発泡樹脂を添加し、これを乾燥固化することにより、表１に示す１ｍｍ厚のスペーサ１〜４を得た。スペーサ１０はハニカムセグメントと同様の材料を１ｍｍ厚にして得た。
【００４０】
【表１】
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スペーサのサイズを変えて、ハニカムセグメント上に固定して接合材を塗布した後、２本ずつ２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけて接着し、２００℃、５時間乾燥してハニカムセグメントの接合体を作製した。接合幅は各々１０組の接合体の接合幅を測定し、その最小値−最大値をばらつきとした。接合強度は図７に示すように、２本のハニカムセグメント２を接合したサンプルにおける一方のハニカムセグメント２を固定し、もう一方のハニカムセグメント２に対し長軸方向から荷重Ｆをかけることにより測定した。表２に、スペーサの接合層に対する割合と、その接合幅のばらつき及び接合強度を示してある。
【００４１】
【表２】
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表２に示すように、スペーサの面積が接合層の面積の０．２％よりも小さいと接合層の幅のばらつきが大きく、使用時の熱応力集中の原因となる。一方、３０％より大きいと接合強度が著しく低下している。
【００４２】
次に、表１に示すスペーサを用いて、その面積が接合層の面積の１０％となるようにして、上述したのと同様の方法で２本のハニカムセグメントを接合した。その後、接合体を剥離し、ハニカムセグメントの表面観察を行なった。また、同様に１６本のハニカムセグメントの接合体を作製した後、外周を研削、コーティングすることにより直径１４４ｍｍ×１５２ｍｍのハニカム構造体を作製し、アイソスタティック強度の測定を行なった。結果を表３に示す。
【００４３】
【表３】
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表３の結果から分かるように、スペーサのヤング率が１．５ＧＰａより大きい場合には、アイソスタティック強度試験の際にスペーサ近傍で低値で破壊する。また、ヤング率がさらに大きいと押圧接着の際に、スペーサがハニカムセグメントに食い込んでハニカムセグメントを破損する。一方、ヤング率が０．１ＧＰａよりも小さいと、接合層の幅のばらつきが大きくなり、使用時の熱応力集中の原因となる。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、ハニカムセグメントの間に設けられるスペーサを接合層の面積に対し０．２〜３０％の割合の面積とし、且つ０．１〜１．５ＧＰａのヤング率とするため、ハニカムセグメントの接合時に圧力を作用させても、スペーサがハニカムセグメントに食い込むことがなく、ハニカムセグメントへのダメージを抑制することができる。
【００４５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、スペーサとしてセラミックを用いてもヤング率の調整することが容易となる。
【００４６】
請求項３の発明によれば、請求項１及び２の発明の効果に加えて、造孔材がスペーサに気孔を付与するように作用するため、スペーサの気孔率の調整が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハニカム構造体の斜視図である。
【図２】ハニカムセグメントの斜視図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】ハニカムセグメントにスペーサを配置した状態の斜視図である。
【図５】ハニカムセグメントに接合材を塗布した状態を示す斜視図である。
【図６】ハニカムセグメントの接合状態を示す斜視図である。
【図７】実施例における接合強度を測定する斜視図である。
【符号の説明】
１  ハニカム構造体
２  ハニカムセグメント
５  流通孔
６  隔壁
７  充填材
９  接合層
１０  スペーサ
１１  接合材
【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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