(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コージェライトを主結晶相とするセラミックハニカム構造体の所定の貫通孔の端部を目封止したセラミックハニカムフィルタにおいて、前記貫通孔の端部に形成された目封止部の目封止厚さが、セラミックハニカム構造体の中心部の目封止厚さの最も薄い目封止部の先端と、外周部の目封止厚さの最も厚い目封止部の先端を結んだ直線と端面に平行な直線とでなす角度が０.５〜３０°の角度で漸次厚くなるよう形成され、且つ中心部の目封止厚さが、隔壁のピッチの１〜１２倍であることを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
【請求項２】
前記セラミックハニカム構造体は、気孔率が５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックハニカムフィルタ。
【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から排出される排気ガスより微粒子を取り除くセラミックハニカムフィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境の保全面から、自動車などのエンジンから排出される排気ガスに含まれる有害物質の削減が求められ、特に最近は、ディーゼルエンジンからの排気ガス中に含まれる微粒子を除去するために、ハニカム構造体の所定の貫通孔の端部を排気ガスの流入側または流出側で交互に封止したハニカム構造体からなるセラミックハニカムフィルタが使用されるようになってきた。
【０００３】
図４は、排気ガス中の微粒子、特に黒鉛微粒子を捕捉するセラミックハニカムフィルタの使用例の一例を示す要部の模式断面概略図である。図４に示すように、セラミックハニカムフィルタ１１は、収納容器１２内に収納され、シール材１４、把持部材１３を介して把持されている。通常セラミックハニカムフィルタ１１の端面外周の形状は、ほぼ円筒状で、その外周壁１１ａとこの外周壁１１ａの内周側に各々直交する隔壁１１ｂにより形成された複数の貫通孔１１ｃを有し、この貫通孔１１ｃの両端部が交互に流入側封止材１ａ、流出側封止材１ｂで封止されている。
このような構造のセラミックハニカムフィルタでの排気ガス浄化作用は以下の通り行われる。先ず、流入側排気ガス２ａは収納容器１２に収納されたセラミックハニカムフィルタ１１の流入側端面の開口している貫通孔１１ｃから流入し、矢印で示すように、隔壁１１ｂを通過し流出側排気ガス２ｂとして排気される。流入側排気ガス２ａが隔壁１１ｂを通過する際に、流入側排気ガス２ａに含まれる微粒子は、隔壁１１ｂに捕捉され、浄化された排気ガスが流出側排気ガス２ｂとして、大気中に放出される。隔壁１１ｂに捕捉された微粒子は一定量以上になるとフィルタの目詰まりが発生するため、バーナーや電気ヒーターにより燃焼させ、フィルタの再生が行われる。
【０００４】
上述のような構造をとるハニカムフィルタでは、確実に微粒子を捕捉するためには、封止部から排気ガス中の微粒子が漏れないことが重要で、流入側及び流出側目封止材１ａ、１ｂが、確実に隔壁１１ｂに固着し、フィルタ再生時の熱応力が加わっても、目封止材と隔壁の界面にクラックの発生しないことが重要である。
しかしながら、隔壁および目封止部を構成する材料の特性は異なり、熱膨張係数も均一とならないことから、フィルタに熱衝撃が加わると応力は目封止部と隔壁との界面に集中し、クラックが発生し易い。特にフィルタ材料として一般的に使用されるコージェライトセラミックスの場合、熱膨張係数に異方性があるため、原料粉末のカオリンを隔壁内に整列させることにより、コージェライト結晶を流路方向に配向させる技術を使用し、低熱膨張化を図っている。一方、目封止部はコージェライト結晶を配向させることができないため、隔壁部と目封止部の熱膨張が異なることになり、フィルタに熱衝撃が加わると応力は目封止部と隔壁との界面に集中し、更にクラックが発生し易くなる。
更には、熱衝撃が加わってもハニカムフィルタの隔壁や外周壁にクラックの発生しないことが重要である。隔壁にクラックが発生すると、隔壁のフィルタ機能が低下するからであり、外周壁にクラックが発生すると、シール部材を介して収納容器から付加される応力により、フィルタ本体が破損に至ることもあるからである。
【０００５】
セラミックハニカムフィルタに発生する熱衝撃によるクラックを防止するため、特に目封止厚さを調節して、対策する技術が開示されている。
実公昭６３―３２８９０号公報には、出口側の閉塞部（目封止部）の厚さが、セラミックハニカム体の中心部の方が周辺部よりも厚くなるように形成された排気ガス浄化フィルターが開示され、中心部の目封止厚さが厚くなっていることから、中心部の剛性が向上したことにより、サーマルクラックの発生が阻止でき、破損が防止されるという記載がある。
また、実公平６−３１１３３号公報には、ガス通路の入り口側における目封止材の厚さを、セラミック製フィルタ体の周縁部から中心部にかけて順次厚くなるように形成した排気ガス浄化用フィルタが開示され、中心部の目封止厚さが厚くなっていることから、中心部の熱容量が大きくなるため、パーテイキュレイト捕集能力をほとんど減少させることなく、セラミック製フィルタ体の中心部における著しい温度上昇を抑え、これにより殊に出口側のフィルタの溶損またはサーマルクラックの発生を防止することができるという記載がある。
また、特許第３０１２１６７号公報には、目封止部の目封止厚さを実質的に不均一にした排ガス浄化フィルタが開示され、目封止部と隔壁との境界が直線状または一定のパターンで連続しないことから、熱衝撃が集中する部分が連続しないこととなり応力および燃焼熱が分散され、熱衝撃によるクラックの発生（上流側および下流側）および溶損（主に下流側）を防止できるという排ガス浄化フィルタの開示がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記実公平６−３１１３３号公報や実公昭６３−３２８９０号公報に記載されているセラミック製フィルタ体の周縁部から中心部にかけて目封止材の厚さが、順次厚くなるように形成されたハニカムフィルタでは、中心部の目封止材厚さが厚くなることから、目封止材の熱容量が大きくなるため、熱衝撃によりフィルタ中心部が急加熱された際に、目封止材の温度が上昇しにくいのに対し、隔壁は目封止材に対しては薄肉のため熱容量が小さいことから、目封止材と隔壁間の温度差が大きくなり両者間にクラックが発生し易いという問題があった。
また、フィルタ中心部が急加熱された際には、外周壁側に引張応力が作用することから、外周側の目封止厚さが薄いと、外周側の剛性が低くなり、外周壁にクラックが発生し易いという問題があった。
また、前記特許第３０１２１６７号公報に記載されている目封止部と隔壁との境界が直線状または一定のパターンで連続しないハニカムフィルタであっても、フィルタの中心部に厚さの厚い目封止部があることから、前述と同様に目封止材の熱容量が大きくなるため、フィルタ中心部が急加熱された際に、目封止材の温度が上昇しにくいのに対し、隔壁は目封止材に対しては薄肉のため熱容量が小さいことから、目封止材と隔壁間の温度差が大きくなり両者間にクラックが発生し易いという問題があった。
特に、気孔率が５０％以上を有する多孔質セラミックハニカムフィルタの場合は、熱衝撃が発生した場合、目封止部と隔壁の界面にクラックが入ったり、セル壁や外周壁にクラックが入り易いという問題があった。
本発明は、上述した課題を解消し、効率よく微粒子を捕集し、しかも目封止部と隔壁の界面及びセル壁や外周壁に熱衝撃によるクラックが発生しないセラミックハニカムフィルタを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討の結果、端面における封止材の目封止厚さに着目し、捕集効率がよく、しかも、耐熱衝撃性が良好で、クラックの入りにくいセラミックハニカムフィルタを得られることに想到した。
【０００８】
具体的に本発明は、コージェライトを主結晶相とするセラミックハニカム構造体の所定の貫通孔の端部を目封止したセラミックハニカムフィルタにおいて、前記貫通孔の端部に形成された目封止部の目封止厚さが、セラミックハニカム構造体の中心部の目封止厚さの最も薄い目封止部の先端と、外周部の目封止厚さの最も厚い目封止部の先端を結んだ直線と端面に平行な直線とでなす角度が０.５〜３０°の角度で漸次厚くなるよう形成され、且つ中心部の目封止厚さが、隔壁のピッチの１〜１２倍であることを特徴とするものである。この時、セラミックハニカム構造体の気孔率が５０％以上であることが好ましい。
【０００９】
【作用】
上述した構成において、セラミックハニカム構造体の貫通孔の端部に形成された目封止部の目封止厚さが、セラミックハニカムフィルタの中心部から外周部にかけて０.５〜３０°の角度で漸次厚くなるよう形成されていることから、熱衝撃が作用し、フィルタ中心部が急加熱された際に、中心部における目封止部の熱容量が小さいため、目封止部と隔壁の間の温度差が大きくならず、そのため両者の界面に働く応力も小さくなり目封止部と隔壁の間にクラックが発生しにくくなる。また、中心部が急加熱された際に、外周側に作用する引張応力に対しても、外周側の目封止部厚さが中心部より厚く形成されていることから、外周側の剛性が高くなり、外周壁にもクラックが発生しにくくなる。ここで、目封止厚さがセラミックハニカム構造体の中心部より外周部に向かって厚くなる角度が０.５°未満であると、外周部の剛性が不足するため、熱衝撃が作用した際に、外周壁にクラックが発生するからであり、３０°を越えるとフィルタ中心部における目封止部内端側に凹部が形成され、これが応力集中源となり熱応力が発生した際に、目封止部と隔壁の間にクラックが発生するからである。ここで、中心部とは、セラミックハニカムフィルタの断面形状が円形の場合、フィルタ断面に於いて、フィルタ断面の半径の約１／３以内の円形部分のことを言い、外周部とはフィルタ断面に於いて、外半径がフィルタ断面の半径、内半径がフィルタ断面の半径の約２／３以上であるドーナツ状部分のことを言う。
また、中心部の目封止厚さが、隔壁のピッチの１〜１２倍としたのは、目封止厚さが隔壁ピッチの１倍未満であると、目封止部と隔壁間の接着面積が少ないため、強度が不足し、フィルタ使用中に排ガスの圧力により目封止部が隔壁から脱落することがあるからである。一方、中心部の目封止厚さが隔壁ピッチの１２倍を越えると、目封止部の熱容量が大きくなるため、熱衝撃によりフィルタ中心部が急加熱された際に、目封止部と隔壁の間の温度差が大きくなり、目封止部と隔壁の間にクラックが発生することもあるからである。
さらに、セラミックハニカム構造体の気孔率５０％以上が好ましいとするのは、気孔率５０％以上で、熱衝撃が作用した際に、特に上記の目封止部の目封止厚さが、セラミックハニカムフィルタの中心部から外周部にかけて漸次厚くなるよう形成した効果が大きく現れるからである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態により説明する。
図１に実施の形態１のセラミックハニカムフィルタ１１を切断した内部形状の模式断面図を示す。
端面中心部から外周部に向かい漸次目封止部１ａおよび目封止部１ｂの目封止厚さが厚くなっている。角度θは、セラミックハニカム構造体の中心部から外周部にかけて漸次厚くなる角度で、中心部の目封止厚さの最も薄い目封止部１ａ（又は１ｂ）の先端と外周部の目封止厚さの最も厚い目封止部の先端を結んだ直線と端面に平行な直線とでなす角度をいう。
ここで、本発明の実施の形態は図１の形状に限定されるものでなく、図２に示す他の発明例の形状でも、セラミックハニカム構造体の貫通孔の端部に形成された目封止部の目封止厚さが、セラミックハニカムフィルタの中心部から外周部にかけて漸次厚くなるよう形成されているため、熱衝撃が作用した際の目封止部と隔壁の界面及びセル壁や外周壁のクラックが発生するのを防止することができる。
また、本発明のセラミックハニカムフィルタを構成する材料としては、本発明が主としてディーゼルエンジンから排出される排ガスを対象とするため、耐熱性の良い材料を使用することが好ましい。このためコージェライトを主結晶相とするセラミックハニカムフィルタは、安価で耐熱性に優れ、化学的にも安定なため最も好ましい。
【００１１】
図３に、本発明の漸次外周部に向かい目封止材の目封止厚さが厚くなる目封止方法の１形態の図面を示す。目封止材スラリー１５を所定の容器１４に収納する。ここで目封止材は、セラミックハニカム構造体と同じ材質のものを用いることが出来るが、公知の技術であるアルミナセメント、ハニカム構造体に対する熱膨張係数差が３.５×１０−７／℃以下のもの、α−アルミナや仮焼タルク等含有したコージェライト質材料で焼成収縮の小さいもの等を用いることが出来る。一方、ハニカム構造体の各貫通孔１１ｃにおける一端側の所定の開口端部を樹脂製マスク１６により閉塞すると共に、他端側の所定の開口端部を樹脂製マスクにより閉塞し、当該ハニカム構造体の中心線を鉛直線に対して角度α傾斜させ目封止材スラリーの上方から浸積させ、ハニカム構造体の中心線に対してハニカム構造体を回転させる。次いでハニカム構造体の他端側を同様に目封止材スラリーの上方から浸積させる。このようにして貫通孔の端部に形成された目封止部の目封止厚さがセラミックハニカム構造体の中心部から外周部に向かい漸次厚くなるよう形成されたハニカムフィルタが得られる。
【００１２】
（実施例）
コージェライト化原料を混合、混練し、公知の押出成形法により、ハニカム構造の成形体を得た。得られた成形体に対して１４２５℃の温度で焼成を行いコージェライト質セラミックハニカム構造体を得た。このハニカム構造体は、円柱形状で直径が１４３.８ｍｍ、長さ１５２.４ｍｍ、隔壁厚さ０.３ｍｍ、隔壁のピッチ１.８ｍｍ、気孔率６０％であった。
まず粘度を約０.１〜１０Ｐａ・ｓに調整したコージェライト化原料からなる目封止材スラリー１５を所定の容器１４に収納する。一方、ハニカム構造体の各貫通孔１１ｃにおける一端側の所定の開口端部を樹脂製マスク１６により閉塞すると共に、他端側の所定の開口端部を樹脂製マスクにより閉塞し、当該ハニカム構造体の中心線を鉛直線に対してα傾斜させ目封止材スラリーの上方から浸積させ、ハニカム構造体の中心線に対してハニカム構造体を回転させる。所定時間経過後、ハニカム構造体をスラリーから取り出し、別の場所で乾燥させた。次いでハニカム構造体の他端側を同様に目封止材スラリーの上方から浸漬させ、同様に所定時間経過後、ハニカム構造体をスラリーから取り出し、別の場所で乾燥させた。そして、α及び浸積深さを変更することにより図１、図２に示す目封止部の目封止厚さがセラミックハニカム構造体の中心部から外周部にかけて漸次厚くなるような角度θで形成されたものを製作した。
【００１３】
乾燥が終了後、１４００℃の温度で焼成を行い、セラミックハニカム構造体の貫通孔１１ｃの端部を交互に封止材で閉塞させた表１に示す試験Ｎｏ.１〜１２のコージェライト質セラミックハニカムフィルタ１１を得た。
【００１４】
得られたセラミックハニカムフィルタ１１について、耐熱衝撃性の試験を行った。ここで耐熱衝撃性の評価方法として、一定温度に加熱された電気炉中にフィルタを３０分間保持し、その後室温に急冷し、目視及び実体顕微鏡による観察によりクラックが発見された温度を耐熱衝撃温度とした。また、クラックが発見されない場合は２５℃温度を上昇させ同様の試験を行い、クラックが発生するまで繰り返した。なお試験数は各３個とし、それらの平均で示した。結果を表１に示す。なお熱衝撃によるクラックは、発生モードを表１に記した。
【００１５】
また得られたハニカムフィルタに対して圧力損失の試験を行った。圧力損失は、圧力損失テストスタンドにて空気流量７.５Ｎｍ３／ｍｉｎの時のハニカムフィルター流入前と流出後の圧力損失で評価を行ない、２時間連続測定を行った。試験終了後セラミックハニカムフィルタを取り出し、目封止部を外観で確認した。
その結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】
0004735917.tif 000002
【００１７】
試験Ｎｏ.１〜７のセラミックハニカムフィルタは、中心部の目封止厚さを５ｍｍとしてθを０〜３５°まで変化させたもので、試験Ｎｏ.２〜６は本発明例であり、試験Ｎｏ.１及び７はθが本発明からはずれることから比較例である。試験Ｎｏ.２〜６のセラミックハニカムフィルタは、貫通孔の端部に形成された目封止部の目封止厚さが、セラミックハニカム構造体の中心部から外周部にかけて０.５〜３０°の角度で漸次厚くなるよう形成されているため、耐熱衝撃温度は実用上問題ない７００℃以上を有しており、圧力損失試験結果も良好であった。一方、試験Ｎｏ.１は、θが０即ち、目封止部の厚さが均一で目封止部の内端が直線上に並んでいるため、低熱衝撃温度が６８３℃であり、外周壁側にクラックが発生した。また試験Ｎｏ.７はθが３５°となっているため、耐熱衝撃温度は６７５℃となり、中心部の目封止部と隔壁の界面にクラックが発生した。
試験Ｎｏ.８〜１２のセラミックハニカムフィルタはθを５°とし、中心部の目封止厚さを１〜２５ｍｍまで変化させたもので、試験Ｎｏ.９〜１１は本発明例であり、試験Ｎｏ.８及び１２は比較例である。試験Ｎｏ.９〜１１のセラミックハニカムフィルタは中心部の目封止厚さが隔壁のピッチの１〜１２倍であるため、耐熱衝撃温度は実用上問題ない７００℃以上を有しており、圧力損失試験結果も良好であった。一方、試験Ｎｏ.８は耐熱衝撃温度は実用上問題ない７２５℃であったが、中心部の目封止厚さが隔壁のピッチの１倍より小さかったため、圧力損失試験において、目封止部が脱落した。また、試験Ｎｏ.１２は中心部の目封止厚さが隔壁のピッチの１２倍を越えたため、耐熱衝撃温度は６５０℃となり、中心部の目封止部と隔壁の界面にクラックが発生した。
試験Ｎｏ.１３〜１５は比較例で、試験Ｎｏ.１３は、θが−５°即ち貫通孔の端部に形成された目封止部の目封止厚さが、セラミックハニカム構造体の外周部から中心部にかけて漸次厚くなるよう形成されているため、耐熱衝撃温度は６３３℃となり、中心部の目封止部と隔壁の界面にクラックが発生した。
また、試験Ｎｏ.１４及び１５は、目封止部と隔壁の境界が一定のパターンで連続しないものであるが、中心部の目封止厚さの厚い部分で目封止部と隔壁の界面にクラックが発生し、耐熱衝撃温度は６３３〜６５８℃であった。
【００１８】
以上、本発明につき、実施の形態をもとに説明したが、本発明は上記発明例に限定されず、技術思想の範囲で応用可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳細に説明のとおり、本発明のセラミックハニカム構造体は、貫通孔を目封止している目封止部の厚さが中央部から外周部に向かって０.５°〜３０°も角度で漸次厚くなっているので、熱衝撃が加わった場合、目封止部と隔壁の界面及びセル壁や外周壁にクラックが発生しにくく優れた耐熱衝撃性を有する。
が発生しにくく、優れた耐熱衝撃性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のセラミックハニカムフィルタを切断した封止材の一例の模式断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す模式断面図である。
【図３】本発明のセラミックハニカムフィルタの目封止を実施する一例の模式断面図であり、（ａ）は外周部の厚い目封止を行い、（ｂ）は中心部の薄い目封止を行っている模式断面図を示す。
【図４】セラミックハニカムフィルタの使用状態の一例を示す要部の模式断面図である。
【符号の説明】
１ａ    流入側封止材
１ｂ    流出側封止材
２ａ    流入側排気ガス
２ｂ    流出側排気ガス
１１    セラミックハニカムフィルタ
１１ａ  外周壁
１１ｂ  セル壁
１１ｃ  セル目
１２    収納容器
１３ａ、１３ｂ  把持部材
１４    封止材容器
１５    生封止材
１６    マスクフィルム
θ      封止部厚さの外周に向け漸次厚くなる角度
α      目封止時の傾斜角度
【図１】
0004735917.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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