(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカム構造を有する柱状の、多孔質セラミック焼結体からなるフィルタユニットの複数個を、シール材層を介して組み合わせ一体に結束してなる集合体からなり、かつこの集合体は、強度の小さいフィルタユニットをガス流速が速い中央部に、強度の大きなフィルタユニットをガス流速が遅い周辺部に配置したことを特徴とするセラミックフィルタ。
【請求項２】
前記フィルタユニットは、角柱状の多孔質炭化珪素焼結体からなることを特徴とする請求の範囲１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項３】
前記シール材層は、セラミック質であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックフィルタ。
【請求項４】
前記シール材層は、接着性シール材層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項５】
前記シール材層の厚みは、0.3〜3mmであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項６】
前記シール材層の厚みは、0.5〜2mmであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項７】
前記フィルタユニットの開口部の何れか一方の端面は封止されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項８】
前記フィルタユニットには、触媒が担持されていることを特徴とする請求の範囲１〜７のいずれか１に記載のセラミックフィルタ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１に記載の前記セラミックフィルタを、ディーゼル自動車の排気管中に配設したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、場所によって各種の特性が異なるセラミックフィルタとこのフィルタを用いた排ガス浄化装置に関し、とくに特性の異なる複数のフィルタユニットを組み合わせて一体化してなるセラミックフィルタと、このフィルタを用いた排ガス浄化装置を提案する。
【０００２】
【背景技術】
近年、自動車の数は、飛躍的に増加しており、それに比例して自動車の内燃機関から出される排気ガスの量も急激な増加の一途を辿っている。特に、ディーゼルエンジンから出される排気ガス中に含まれる種々の物質は、大気汚染を引き起こす原因となるため、自然環境に深刻な影響を与えつつある。また、最近では排気ガス中の微粒子（ディーゼルパティキュレート）が、アレルギー障害や精子数の減少を引き起こす原因となるとの研究結果も報告されており、この排ガス中の微粒子を除去する対策を講じることが、人類にとって急務の課題であると考えられている。
【０００３】
このような背景のもと、従来より、多種多様の排ガス浄化装置が提案されている。たとえば、一般的な排ガス浄化装置としては、エンジンの排気マニホールドに連結された排気管の途上にケーシングを設け、その中に微細な孔を有するフィルタを配置した構造のものがある。そのフィルタを構成する材料としては、金属や合金のほか、セラミックスがある。セラミックスからなるフィルタの代表例としては、コーディエライト製フィルタがよく知られている。最近では、耐熱性，機械的強度，捕集効率が高く、化学的に安定で、圧力損失が小さい等の利点がある多孔質炭化珪素質焼結体を、フィルタ形成材料として用いる例がある。
【０００４】
一般的なセラミックフィルタおよびこれを用いた排気ガス浄化装置は、フィルタの軸線方向に沿って形成されている多数のセルの中を排ガスが通り抜ける際に、該排ガス中の微粒子がセル壁にトラップされ、その結果として、排ガス中から微粒子を除去するようになっている。ところで、多孔質炭化珪素焼結体製のセラミックフィルタは、一般に、熱膨張が大きいため熱衝撃に対して弱く、そのために、大型化のものほどクラックが生じやすいという問題点があった。この点について、特開平８−２８２４６号公報では、クラックによる破損を避ける手段として、小さな複数のフィルタユニットを組み合わせて１つの集合体としたセラミックフィルタを開示している。この技術は、押出成形機の金型を介してセラミック原料を連続的に押し出すことにより、四角柱状のハニカム成形体（ハニカムユニット）を形成し、そのハニカム成形体を等しい長さに切断し、その後、その切断片を焼成してフィルタユニットとし、そのフィルタユニット複数個を束ねて外周面どうしをセラミック質接着剤を介して接着し、一体化することにより、これらの集合体よりなるセラミックフィルタを得る方法である。
【０００５】
なお、上記セラミックフィルタは、その外周面に、セラミックファイバ等からなるマット状の断熱材を巻き付けたものが好ましく、この状態で、自動車等の排気管の途上に設けられたケーシング内に収容される。
【０００６】
このようなフィルタは、ススを捕集し、燃焼（再生）を繰り返すと、セラミックフィルタの位置によってススの捕集量にばらつきが生じることがあった。
【０００７】
これに対して、従来、特開平１−１４５３７７号公報には、平均気孔径が、中央部の隔壁から、外周部隔壁に向かうにつれて、段階的に又は連続的に大きくなるハニカム構造のフィルタを提案している。
上記従来技術（特開平１−１４５３７７７号公報）の場合、中央部と外周部のみに着目している。このような構造のセラミックフィルタでは、これを配気管のケーシング内に配設すると、均一な捕集、再生が行われないことがある。すなわち、フィルタユニットの一部に、局部的に多めのススが捕集されて不均一になり、再生時等においてフィルタとしての強度が低下してしまうことがあった。また、燃料添加剤、エンジンオイル等に含まれる灰分（アッシュ）が一部のフィルタユニットに蓄積されやすくなり、フィルタとしての寿命が短くなることもあった。
【０００８】
また、上述した従来のセラミックフィルタ全体の再生を行うことを一定期間繰り返して使用すると、初めのうちは、図８に示す再生率（再生前後の重量変化率）のグラフから明らかなように、ススが確実に燃焼することがわかったが、何度か繰り返すと触媒としての反応性が出次第に低下していくこともまたわかってきた。
【０００９】
本発明は、従来技術が抱えている上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い排ガス除去効率（フィルタ効率）を長い間維持することができ、さらには耐久性に優れたセラミックフィルタを提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、フィルタ効率が良く、強度や寿命に優れた前記セラミックフィルタを用いた排ガス浄化装置を提供することにある。
【００１１】
【発明の開示】
上記目的の実現に向けた研究の中で、発明者らは、セラミックフィルタが場所によって、フィルタ効率や再生効率に差が出ることをつきとめた。即ち、その原因としては、該フィルタのうち配気管に近い側と遠い側とでは、流量や流速に大きな差があるためとわかった。一般に、内燃機関としてのディーゼルエンジンの排気マニホールドの下流側にあるケーシング８は、その中央部断面が第１排気管、第２排気管よりも大径となるように形成されており、このケーシング内に前記セラミックフィルタが収容されている。このようなセラミックフィルタの場合、第１排気管の下流側の端部に近い位置にあるフィルタの方が、遠い位置にあるフィルタよりもガス流量が多く（流速が速く）、とくに、反対側（下端側）に第２排気管があると、そのガス流量，流速はより一層増大することになる。
【００１２】
また、このような構造では、ケーシングを挟むその上流側・下流側に、第１排気管、第２排気管が位置するように連結されているために、該セラミックフィルタの中央部の流量は多く（流速が速く）、周辺部の流量は少なく（流速が遅く）なる。そのため、フィルタの中央部は、周辺部よりも流入してくるガスの影響を大きく受けることになる。そこで、本発明では、セラミックフィルタの軸方向（ガス流方向）に直交する半径方向の各部位毎に異なる特性を付与すること、例えば、流速の速い中央部と流速の遅い周辺部と分けて、異なる種類のフィルタユニットを適宜に組み合わせてなるセラミックフィルタとすることにより、フィルタ全体に亘って均等な捕集，再生を可能とするセラミックフィルタを得るようにしたのである。
【００１３】
本発明は、このような着想の下に開発したものであって、ハニカム構造を有する柱状の、多孔質セラミック焼結体からなるフィルタユニットの複数個を、シール材層を介して組み合わせ一体に結束してなる集合体からなり、かつこの集合体は、強度の小さいフィルタユニットをガス流速が速い中央部に、強度の大きなフィルタユニットをガス流速が遅い周辺部に配置したことを特徴とするセラミックフィルタである。
【００１４】
また、本発明においては、
（１）前記フィルタユニットは、角柱状の多孔質炭化珪素焼結体からなること、
（２）前記シール材層は、セラミック質であること、
（３）前記シール材層は、接着性シール材層であること、
（４）前記シール材層の厚みは、0.3〜3mmであること、
（５）前記シール材層の厚みは、0.5〜2mmであること、
（６）前記フィルタユニットの開口部の何れか一方の端面は封止されていること、
（７）前記フィルタユニットには、触媒が担持されていること、
がより好ましい解決手段である。
【００１５】
また、本発明は、前記セラミックフィルタを、ディーゼル自動車の排気管中に配設したことを特徴とする排気ガス浄化装置を提供する。
【００１６】
なお、本発明において、種類の異なるフィルタユニットとしては、上記の強度が異なるフィルタユニットを用いることを前提とした上で、さらにそのフィルタユニットのうちで圧力損失特性が異なるフィルタユニットにすることを排除するものではない。その圧力損失特性が異なるフィルタユニットとしては、セル壁の厚さが異なるユニット，気孔率が異なるユニット，気孔径が異なるユニットおよびセル構造が異なるユニットのいずれか１種以上のものを組み合わせて用いることが好ましい。具体的には、ガス流速が速い部分に圧力損失の大きいフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分に圧力損失の小さいフィルタユニットを配置して、これらを一体に組み合わせた下記のような形態が好ましい。
【００１７】
（１）ガス流速が速い部分にセル壁の厚いフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分にセル壁の薄いフィルタユニットを配置する。
（２）ガス流速が速い部分に気孔率の低いフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分に気孔率の高いフィルタユニットを配置する。
（３）ガス流速が速い部分に気孔径の小さいフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分に気孔径の大きいフィルタユニットを配置する。
（４）ガス流速が速い部分にセル密度の大きいフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分にセル密度の小さいフィルタユニットを配置する。
【００１８】
また、本発明によると、上記特性を備えたセラミックフィルタを第１・２排気管の間に介挿配設することで、高強度で、長時間使用可能な排ガス浄化装置とすることができる。
【００１９】
【発明の効果】
上記のように構成される本発明によると、全体に均一なモノリスタイプのセラミックフィルタや、同じ種類のフィルタユニットを組み合わせてなるセラミックフィルタよりも、少なくとも２種類以上の柱状フィルタユニット複数個を、軸方向に直角な方向に束ねた状態で組み合わせた方が、該セラミックフィルタへの排気ガスの流入状況などに応じてその組み合わせを適宜に変えることができ、ひいては、セラミックフィルタの位置による偏りのない均一な捕集、再生を可能にすることができる。とくに、フィルタの軸方向や半径方向に、特性や材質等が異なるフィルタユニットを組み合わせることで、フィルタを場所によって、熱伝導率等の物理的性質を変化させることができるようになり、ひいてはセラミックフィルタ全体の均一捕集、再生を確保することができる。
【００２０】
また、本発明によると、強度の異なるフィルタユニットを用いること、すなわち、セラミックフィルタの熱衝撃のかかりやすい部分に、強度の大きいフィルタユニットを用いることにより、セラミックフィルタの集合体としての強度を向上させることができる。
【００２１】
例えば、本発明によると、前記セラミックフィルタに流体を流したときに、比較的流速の速い部分に強度の小さいフィルタユニットを配置し、そして、比較的流速の遅い部分に強度の大きいフィルタユニットを配置するという組み合わせにして一体化させることにより、流速の遅い部分でのススの燃え残りに由来する異常燃焼が生じたときの温度変化（熱衝撃）に対応できるようにしたセラミックフィルタ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】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態であるディーゼルエンジン用排ガス浄化装置１と、これに用いるセラミックフィルタについて説明する。
図１に示す排ガス浄化装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２から排出される排ガスを浄化するための装置である。ディーゼルエンジン２は、図示しない複数の気筒を備え、各気筒には、金属材料からなる排気マニホールド３の分岐部４がそれぞれ連結されている。各分岐部４は１本のマニホールド本体５にそれぞれ接続されている。従って、各気筒から排出された排気ガスはマニホールド本体に集中する。
【００２３】
上記排気マニホールド３の下流側には、金属材料からなる第１排気管６及び第２排気管７が配設されている。第１排気管６の上流側の端部は、マニホールド本体５に連結され、その第１排気管６と第２排気管７との間には、同じく金属材料からなる筒状のケーシング８が配設されている。すなわち、該ケーシング８の上流側の端部は、第１排気管６の下流側の端部に連結され、該ケーシング８の下流側の端部は、第２排気管７の上流側の端部に連結されている。つまり、排気管６，７の途中にケーシング８が介挿された状態になっている。そしてその結果、第１排気管６、ケーシング８及び第２排気管７の内部領域が互いに連通し、その中を排気ガスが流れるようになっている。上記ケーシング８は、その中央部断面が排気管６，７よりも大径にしてあり、それゆえに、ケーシング８の内部領域は、排気管６，７の内部領域に比べて広くなっている。このケーシング８内には、セラミックフィルタ９が収容される。
【００２４】
上記セラミックフィルタ９の外周面とケーシング８の内周面との間には、断熱材１０が介在させてある。その断熱材１０は、セラミックファイバを含むマット状であり、その厚さは２ｍｍ〜６０ｍｍである、断熱材１０は、弾性構造を有し熱応力を解放する機能があることが望ましい。断熱材は、フィルタ９の最外周部から熱が逃げることを防止することにより、再生時のエネルギーロスを最小限に抑えることができるし、弾性構造を有するので、排気ガスの圧力や走行による振動等のもたらすセラミックフィルタ９の位置ずれを防止することができる。
【００２５】
この実施形態において、セラミックフィルタ９の主たる用途は、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中のディーゼルパティキュレートを除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）である。図２に示すフィルタの元となるブロック９は、ハニカム構造を有する複数個のセラミック製のフィルタユニットＦ１を、軸方向に直角な方向の面どうしを隣り合わせに組み合わせて束ね、一体化してなる集合体（ブロック）によって形成されている。この集合体の中心部分に位置するフィルタユニットＦ１は四角柱状であって、その外形寸法は３３ｍｍ×３３ｍｍ×１５０ｍｍである。図示例は四角柱状のフィルタユニットＦ１を縦４本横４本合計１６本を束ねて方形に形造り、全体としてみると、四角柱状のハニカムフィルタユニットの集合体（セラミックフィルタ）としたものである。
【００２６】
これらのフィルタユニットＦ１は、多孔質炭化珪素質焼結体にて形成することが好ましい。炭化珪素質焼結体は、他のセラミックに比較して、とりわけ耐熱性及び熱伝導性に優れるからである。もちろん炭化珪素以外の焼結体として、窒化珪素やサイアロン、アルミナ、コーディエライト、ムライト等の焼結体を使用することができる。さらには、前記ユニットＦ１としては、上述したセラミックに金属珪素を配合した珪素含有セラミック、珪素や珪素塩化合物で結合されたセラミックを用いることができる。
【００２７】
また、これらのフィルタユニットＦ１は、各々がハニカム構造を備えているので、微粒子の捕集量が増加したときでも、圧力損失が小さいという利点がある。そして、これらのフィルタユニットＦ１は、断面略正方形状をなす複数の貫通孔１２がその軸線方向に沿って規則的に形成されており、各貫通孔１２は、薄いセル壁１３によって互いに仕切られ、そのセル壁１３には、白金族元素（例えばＰｔ等）やその他の金属元素及びその酸化物等からなる酸化触媒が担持されている。もちろん、ＣＯ、ＨＣ、Ｎｏｘ等を浄化する触媒を担持してもよく、希土類元素、アルカリ土類金属、アルカリ金属、遷移金属が担持されていてもよい。
【００２８】
前記各貫通孔１２の開口部は、図３に示すように、いずれか一方の端面９ａ，９ｂの側が封止体１４（ここでは多孔質炭化珪素焼結体）により封止され、端面９ａ，９ｂ全体としてみると、封止部と開口部とが市松模様状を呈するように構成してある。
【００２９】
その結果、かかるフィルタユニットＦ１は、断面四角形状をした多数のセルにて構成された状態になっており、そうしたセル構造は、セルの密度が１００〜４００個／インチ２程度であり、セル壁１３の厚さが０．０５〜０．５ｍｍ程度である。
【００３０】
なお、一般に、セル構造はセル壁１３の厚みの単位をミル（１ミルは０．０２５４ｍｍ）として、セル密度で割ったもので表わし、上記の例では、１４／２００と表記される。従って、多数あるセルのうち、約半数のものは上流側端面９ａにおいて開口し、残りのものは下流側端面９ｂにおいて開口している。
上記フィルタユニットＦ１の平均気孔径は、１μｍ〜５０μｍ、好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とする。その理由は、平均気孔径が１μｍ未満だと、微粒子の堆積によるフィルタユニットＦ１の目詰まりが著しくなる。一方、平均気孔径が５０μｍを越えると、細かい微粒子を捕集することができなくなるため、濾過能力が低下してしまう。
【００３１】
このフィルタユニットＦ１の気孔率は、３０％〜８０％、好ましくは３５％〜７０％である。この理由は、気孔率が３０％未満だと、緻密になりすぎてしまい、内部に排気ガスを流通させることができなくなるおそれがある。一方、気孔率が８０％を越えると、フィルタユニットＦ１中に空隙が多くなりすぎてしまうため、強度的に弱くなると共に微粒子の捕集効率が低下してしまうおそれがある。
【００３２】
図３に例示した、ケーシング内に装置したセラミックフィルタ９は、合計１６個のフィルタユニットＦ１の外周面どうしがセラミック質シール材（好ましくは、接着性シール材（接着剤）を用いる）１５を介して互いに接着されている。そのシール材層１５は厚さが０．３ｍｍ〜３ｍｍ程度であることが好ましく、さらには０．５ｍｍ〜２ｍｍであることがより好ましい。この理由は、厚さが３ｍｍを超えるようになると、たとえ熱伝導率が高いとしてもシール材層１５が依然として大きな熱抵抗となり、フィルタユニットＦ１間の熱伝導が阻害されてしまう。しかも、セラミックフィルタ９において、フィルタユニットＦ１部分の占める割合が相対的に減少するため、濾過能力の低下につながる。逆に、シール材層１５の厚さが０．３ｍｍ未満になると、大きな熱抵抗にはならない反面、フィルタユニットＦ１どうしの密着性が不足し、セラミックフィルタ９が壊われやすくなる。
【００３３】
上記シール材層１５は、たとえば無機繊維、無機バインダ、有機バインダ及び無機粒子からなり、かつ三次元的に交錯する無機繊維と無機粒子とを、無機バインダ及び有機バインダを介して互いに結合してなる弾性質素材からなるものが望ましい。かかる無機繊維としては、シリカ−アルミナファイバ、ムライトファイバ、アルミナファイバ及びシリカファイバから選ばれる１種以上のセラミックファイバを用いることができる。なかでも、シリカ−アルミナセラミックファイバを用いることが望ましい。それは、このシリカ−アルミナセラミックファイバの場合、弾性に優れるとともに熱応力を吸収する作用を示すからである。
【００３４】
この場合、シール材層１５に占めるシリカ−アルミナセラミックファイバの含有量は、
固形分で１０重量％〜７０重量％、好ましくは１０重量％〜４０重量％、より好ましくは２０重量％〜３０重量％とする。その含有量が１０重量％未満だと、弾性体としての作用効果が低下するからである。一方、その含有量が７０重量％を超えると、熱伝導率の低下を招くばかりでなく、弾力性の低下を招くからである。
【００３５】
上記シリカ−アルミナセラミックファイバは、１重量％〜１０重量％、好ましくは１重量％〜５重量％、より好ましくは１重量％〜３重量％のショットを含有するものが好ましい。ショット含有量を１重量％未満にすることは製造上困難であり、一方、５０重量％を超えるとフィルタユニットＦ１の外周面が傷付いてしまう。
【００３６】
シリカ−アルミナセラミックファイバは、繊維長が１ｍｍ〜１００ｍｍのもの、好ましくは１ｍｍ〜５０ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ〜２０ｍｍのものが用いられる。それは、この繊維長が１ｍｍ未満だと、弾性構造体を形成することができないからであり、一方、この繊維長が１００ｍｍを超えると、繊維が毛玉化して無機微粒子の分散性が悪化するからであり、さらには、シール材層１５を３ｍｍ以下に薄くすることが困難になり、フィルタユニットＦ１間の熱伝導性の改善を図れなくなるからである。
【００３７】
前記シール材層１５に含まれる無機バインダとしては、シリカゾル及びアルミナゾルから選ばれる少なくとも１種以上のコロイダルゾルが望ましい。なかでも、シリカゾルを選択することが望ましい。その理由は、シリカゾルは入手しやすく、焼成により容易にＳｉＯ２となるため、高温領域での接着剤として好適だからである。しかも、シリカゾルは絶縁性にも優れているからである。
【００３８】
また、シール材層１５中におけるシリカゾルの含有量は、固形分で１重量％〜３０重量％、好ましくは１重量％〜１５重量％、より好ましくは５重量％〜９重量％である。この含有量が１重量％未満だと、接着強度の低下を招くからであり、逆に、その含有量が３０重量％を超えると、熱伝導率の大幅な低下を招くからである。
【００３９】
かかるシール材層１５に含まれる有機バインダとしては、親水性有機高分子が好ましく、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース及びカルボキシメチルセルロースから選ばれる少なくとも１種以上の多糖類がより好ましい。これらのなかでは、特にカルボキシメチルセルロースを選択することが望ましい。その理由は、カルボキシメチルセルロースは、シール材層に好適な流動性を付与するため、常温領域において優れた接着性を示すからである。この場合、接着剤層におけるカルボキシメチルセルロースの含有量は、固形分で０．１重量％〜５．０重量％、好ましくは０．２重量％〜１．０重量％、より好ましくは０．４重量％〜０．６重量％である。この含有量が０．１重量％未満だと、マイグレーションを十分に抑制することができない。
【００４０】
なお、「マイグレーション」とは、被シール体間に充填されたシール材層が硬化する際に、そのバインダが、溶媒の乾燥除去に伴って移動する現象のことをいう。一方、含有量が５．０重量％を超えると、高温によって有機バインダが焼失し、シール材層１５の強度が低下するからである。
【００４１】
かかるシール材層１５に含まれる無機粒子としては、炭化珪素、窒化珪素および窒化硼素から選ばれる１種以上の無機粉末またはウィスカーを用いた弾性質素材であることが好ましい。このような炭化物や窒化物は、熱伝導率が非常に大きく、セラミックファイバ表面やコロイダルゾルの表面及び内部に介在して熱伝導性の向上に寄与するからである。上記炭化物及び窒化物の無機粒子のなかでも、特に炭化珪素粉末を選択することが望ましい。その理由は、炭化珪素は熱伝導率が極めて高いことに加え、セラミックファイバと馴染みやすいという性質があるからである。しかも、この実施形態では、被シール体であるフィルタユニットＦ１が同種のもの、即ち多孔質炭化珪素製だからである。
この場合、炭化珪素粉末の含有量は、固形分で３重量％〜８０重量％、好ましくは１０重量％〜６０重量％、より好ましくは２０重量％〜４０重量％である。この理由は、含有量が３重量％未満だと、シール材層１５の熱伝導率の低下を招き、シール材層１５が依然として大きな熱抵抗となるからである。一方、含有量が８０重量％を超えると、高温時における接着強度の低下を招くからである。
【００４２】
かかる炭化珪素粉末の粒径は、０．０１μｍ〜１００μｍ、好ましくは０．１μｍ〜１５μｍ、より好ましくは０．１μｍ〜１０μｍである。粒径が１００μｍを超えると、接着力及び熱伝導性の低下を招くからである。一方、粒径が０．０１μｍ未満であると、シール材層１５のコスト高につながるからである。
【００４３】
次に、上記のセラミックフィルタの製造方法について説明する。
（１）まず、押出成形工程で使用するセラミック原料スラリー、端面封止工程で使用する封止用ペースト、フィルタ接着工程で使用するシール材用ペーストをあらかじめ準備する。そのセラミック原料スラリーとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ及び水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。封止用ペーストとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ、潤滑剤、可塑剤及び水を配合し、かつ混練したものを用いる。シール材層形成用ペーストとしては、無機繊維、無機バインダ、有機バインダ、無機粒子及び水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。
【００４４】
（２）次に、前記セラミック原料スラリーを押出成形機に投入し、金型に連続的に押し出す。その後、押出成形されたハニカム成形体を等しい長さに切断し、四角柱状のハニカム成形体切断片を得る。その後、切断片の各セルの片側開口部に所定量ずつ封止用ペーストを充填し、各切断片の両端面を封止する。
【００４５】
（３）次に、温度・時間等を所定の条件に設定して本焼成を行い、ハニカム成形体切断片及び封止体１４を完全に焼結する。なお、平均気孔径を６μｍ〜１５μｍとしかつ気孔率を３５％〜７０％とするためには、焼成温度を２１００℃〜２３００℃、焼成時間を０．１時間〜５時間に設定し、焼成時の炉内雰囲気を不活性雰囲気、雰囲気圧力は常圧とした。
【００４６】
（４）次に、必要に応じ、ハニカム状のフィルタユニットＦ１の外周面にセラミック質からなる下地層を形成した後、さらにその上にシール材層形成用ペーストを塗布する。そして、このようにして得られたフィルタユニットＦ１を合計で１６個用い、これらの外周面どうしを互いに接着して柱状の集合体とし、目的とするセラミックフィルタとする。もちろん、目的とする形状に加工を加えて、円柱、楕円柱状として、周りをシール材で塗布して、セラミックフィルタとしてもかまわない。
【００４７】
次に、ケーシング８内に収容されたセラミックフィルタ９による微粒子捕集作用について説明する。このセラミックフィルタ９には、上流側端面９ａの側から排気ガスが供給される。すなわち、第１排気管６から流れてくる排気ガスは、まず、該セラミックフィルタの上流側端面９ａに開口しているセル内に流入する。そして、この排気ガスは、セル壁１３を通り抜けて、隣接している他のセル（即ち、下流側端面９ｂが開口している側の隣接するセル）の方に流入し、そのセルを流れて開口している下流側端面９ｂから排出される。このようなガスの流れの中で、該排気ガス中に含まれる微粒子（ディーゼルパティキュレート）は、セル壁１３を通り抜けることができないから、そのままセル壁１３の表面にトラップされる。その結果、浄化された排気ガスが各フィルタユニットＦ１の下流側端面９ｂから排出されるのである。そして、浄化された排気ガスは、第２排気管７を通過した後、最終的には大気中へと放出される。
【００４８】
なお、セル壁１３にトラップされた微粒子は、セラミックフィルタ９の内部温度が所定の温度に達すると、前記触媒の作用により燃焼するようになっている。
【００４９】
なお、本発明に係る上記セラミックフィルタについては、強度の異なるセラミックフィルタを半径方向での位置を変えて配置することを前提として、さらに、このフィルタについては、異なる特性のもの、例えば、圧力損失特性の異なるフィルタユニットＦ１としてもよい。
【００５０】
一般に、セル壁１３を排気ガスが通過するときの圧力損失特性は、次のように考えられる。前記フィルタユニットＦ１をディーゼル排気ガスが通過するときの圧力損失は、図４のように示すことができる。この場合、抵抗ΔＰ１、ΔＰ２、ΔＰ３はそれぞれのフィルタユニットＦ１のセル構造に依存する値であって、ディーゼルパティキュレートの堆積量や時間の経過に依存しない一定の値Δｐｉ＝（ΔＰ１＋ΔＰ２＋ΔＰ３）であり、これを初期圧力損失という。一方、ΔＰ４はディーゼルパティキュレートが堆積したあとのフィルタユニットＦ１のセル壁１３を通過するときの抵抗であり、これは初期圧力損失の２〜３倍以上の値となる。
【００５１】
（１）セル壁１３を厚くしたとき、この場合の圧力損失は、セル壁１３内を通過する抵抗ΔＰ３が増加する。しかも、開口が小さくなりΔＰ１も大きくなる。そのため、セル壁１３の薄いフィルタに比較して圧力損失か著しく大きくなり、その傾向は、フィルタにパティキュレートが堆積した場合に、より一層顕著になる。
【００５２】
（２）気孔率を上げたとき、この場合の圧力損失は、セル壁１３内を通過する抵抗ΔＰ３が低下する。そのため、気孔率の低いフィルタと比較して圧力損失か小さくなり、その傾向は、フィルタにパティキュレートが堆積した場合に、より一層顕著になる。
【００５３】
（３）気孔径を上げたとき、この場合の圧力損失は、セル壁１３内を通過する抵抗ΔＰ３が低下する。そのため、気孔径の低いフィルタと比較して圧力損失か小さくなり、その傾向は、フィルタにパティキュレートが堆積した場合に、より一層顕著になる。
【００５４】
（４）セル密度を大きくしたとき、この場合の圧力損失は、各セル通路の開口が狭くなることによる抵抗ΔＰ１、細管を通るときの抵抗ΔＰ２が増加する。しかし、堆積したススを通り抜けるときの抵抗ΔＰ４が著しく低下するため、セル密度が小さいフィルタと比較して圧力損失が小さくなる。
【００５５】
そこで、セラミックフィルタ９を構成している各フィルタユニットＦ１のそれぞれの損失特性に応じ、異なる種類（セル壁厚さ、気孔率、気孔径、セル構造）フィルタユニットＦ１の組み合わせについて検討した。たとえば、ガス流速が速い部分には、圧力損失の大きいフィルタユニットＦ１を配置し、ガス流速が遅い部分には圧力損失の小さいフィルタユニットＦ１を配置して、これらを一体に組み合わせたことにした。その具体例を下記に列挙する。
【００５６】
（１）ガス流速が速い部分にセル壁の厚いフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分にセル壁の薄いフィルタユニットを配置する。
（２）ガス流速が速い部分に気孔率の低いフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分に気孔率の高いフィルタユニットを配置する。
（３）ガス流速が速い部分に気孔径の小さいフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分に気孔径の大きいフィルタユニットを配置する。
（４）ガス流速が速い部分にセル密度の大きいフィルタユニットを配置し、ガス流速が遅い部分にセル密度の小さいフィルタユニットを配置する。
【００５７】
また、本発明においては、種類の異なるフィルタユニットＦ１の例として、強度の異なるハニカムフィルタを使い分けることを前提として、そのフィルタユニットＦ１として、図７に示すように、フィルタユニットＦ１の各セルを仕切るセル壁１３を構成しているＳｉＣ焼結体の各ＳｉＣ粒子１６を対象として、それぞれのＳｉＣ粒子１６の表面には、個別に被覆した希土類酸化物含有アルミナ膜１７からなる触媒を被覆してもよい。
【００５８】
一般に、アルミナは高い比表面積を有し、触媒担持膜として好適である。特に、より高温で安定して作動する耐熱性の高いフィルタユニットＦ１の開発が望まれている現在、それに伴って、アルミナ膜１７についても、より高い耐熱性が要求されている。
【００５９】
この点について、本発明では、アルミナの耐熱性を向上させるべく、（ａ）各アルミナ粒子の形状を小繊維状にすると共に、（ｂ）セリア（酸化セリウム）等の希土類酸化物を含有させることにした。とくに、前者（ａ）の構成を採用することにより、各アルミナ粒子間の接点を減らすことができ、焼結速度の低下を通じて粒成長を抑制し、もって比表面積を大きくすることができ、ひいては耐熱性が向上する。即ち、フィルタユニットＦ１の各ＳｉＣ粒子１６の表面を覆うアルミナ膜１７は、図７（ｃ）に示すように、各アルミナ粒子のミクロ断面形状が小繊維状か林立した植毛構造を呈している。それ故に、こうしたフィルタユニットＦ１は、隣接するアルミナ小繊維の互いの接触点が減少するため、著しく耐熱性が向上するのである。後者の（ｂ）について、セリア等の添加によっても耐熱性は改善される。その理由は、アルミナ膜１７を構成する結晶粒子の表面に新しく化合物を形成し、アルミナ粒子同士の成長を妨げる効果によるものである。
【００６０】
【実施例】
（参考例）
（１）α型炭化珪素粉末５１．５重量％とβ型炭化珪素粉末２２重量％とを湿式混合し、得られた混合物に有機バインダ（メチルセルロース）と水とをそれぞれ６．５重量％、２０重量％ずつ加えて混練した。次に、前記混練物に可塑剤と潤滑剤とを少量加えたのちさらに混練し、押出し成形することにより、ハニカム状の生成形体を得た。
【００６１】
（２）次に、上記生成形体をマイクロ波乾燥機を用いて乾燥した。その後、成形体の貫通孔１２の一部を多孔質炭化珪素焼結体製の封止用ペーストによって封止した。次いで、再び乾燥機を用いて封止用ペーストを乾燥させた。端面封止工程に続いて、この乾燥生成形体を４００℃で脱脂し、その後、常圧のアルゴン雰囲気下において２２００℃で約３時間焼成した。その結果、多孔質炭化珪素焼結体製のフィルタユニットＦ１を得た。
【００６２】
（３）セラミックファイバ（アルミナシリケートセラミックファイバ、ショット含有率３％、繊維長さ０．１ｍｍ〜１００ｍｍ）２３．３重量％、平均粒径０．３μｍの炭化珪素粉末３０．２重量％、無機バインダとしてのシリカゾル（ゾルのＳｉＯ２の換算量は３０％）７重量％、有機バインダとしてのカルボキシメチルセルロース０．５重量％及び水３９重量％を混合し混練し、その混練物の粘度を調整して、シール材層１５の形成に使用されるペーストを作製した。
【００６３】
（４）次に、フィルタユニットＦ１の外周面に前記接着剤層形成用ペーストを均一に塗布するとともに、フィルタユニットＦ１の外周面どうしを互いに密着させた状態で、５０℃〜１００℃×１時間の条件にて乾燥・硬化させ、フィルタユニットＦ１どうしをシール材層１５を介して接着した。ここでは、シール材層１５の厚さは１．０ｍｍに設定した。
【００６４】
（５）上記フィルタユニットを、４本×４本の１６本で組み合わせて、断面正方形状のセラミックフィルタ９を完成させた。
【００６５】
上記のようにして得られたセラミックフィルタ９に断熱材１０を巻き付け、この状態で該セラミックフィルタ９をケーシング８内に収容し、第１排気管６、ケーシング８、第２排気管７の順に設置した。そして、図５に示すような４種類の配管構成としたケーシング８ａ〜８ｄを用い、ディーゼルエンジンの排気ガスを一定時間供給した。それぞれの水準で、捕集を１０時間行った後にセラミックフィルタ９を取り出して切断し、肉眼観察を行った。
【００６６】
その結果、各種のケーシング８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ内セラミックフィルタ９には、図５（ａ）〜（ｄ）に示すような煤（スス）１８が蓄積された。ケーシング８ａの場合、第１排気管６と第２排気管７とが、ケーシング８の断面中央部に配設されているので、スス１６がセラミックフィルタ９の中央部に多く蓄積された。ケーシング８ｂの場合、第１排気管６と第２排気管７とが、ケーシング８のいずれか一方の周辺部に片寄って配設されているため、セラミックフィルタ９の断面周辺部よりの排気管の延長線上にスス１８が多く蓄積された。ケーシング８ｃの場合、第１排気管６は、ケーシング８の断面中央部に、一方、第２排気管７はケーシング８の断面周辺部に配設されているので、セラミックフィルタ９の中央部や第２排気管が配設されている周辺部にスス１８が多く蓄積された。そして、ケーシング８ｄの場合、第１排気管６は、ケーシング８の上側周辺部に、一方、第２排気管７はケーシング８の下側周辺部に位置していて、第１排気管６と対向しない位置にあると、第１排気管６や第２排気管７の配設してある位置のセラミックフィルタ９にスス１８が多く蓄積された。
【００６７】
以上のことをまとめると、セラミックフィルタ９において、第１排気管６の下流側端や、第２排気管７の上流側端に近い所にあるフィルタユニットＦ１の所に多く蓄積される傾向が見られた。このことは、スス１８の蓄積量がガスの流入量に比例していると考えることができる。たとえば第１排気管の下流側端に近い位置にあるフィルタユニットＦ１の方が、遠い位置にあるフィルタユニットＦ１よりも入射ガス速度が速く（量が多く）、加えて、同じフィルタの逆側に第２排気管の上流側端があれば、より一層その位置のフィルタ内のガス速度が（量が多く）増すことになる。
【００６８】
従って、以降の実施例において、図５（ａ）のように、第１排気管と第２排気管をケーシングの中央部に連結することとする。すると、セラミックフィルタ９において、中央部４本と周辺部１２本との間には流速の差が生じる別の領域と捉えることができる。
【００６９】
（実施例１）
この実施例は、再生時に、ガス流速の遅いエンジンを利用して、捕集・再生を繰り返した例について述べる。
実施例１−１は、基本的には参考例と同様にしてセラミックフィルタ９を製造した例である。ただし、実施例１−１では、表１に示すように、ＳｉＣ製フィルタの強度を変えた２種類のフィルタを用いて、セラミックフィルタ９を製作した。
【００７０】
なお、強度を変化させるために、高い方の焼成温度は２３００℃−３ｈｒ、低い方の焼成温度は２１００℃−２ｈｒと設定した。その強度は、ＪＩＳ Ｒ１６２５に記載された３点曲げ試験に基づいて測定した。このとき下部スパンは１３５ｍｍとし、ヘッドスピードは０．５ｍｍ／ｓｅｃに設定した。この試験を２０本行い、その製造ロットの同じものから選んでセラミックフィルタ９を製作した。ここで、平均曲げ荷重を３５０ｋｇ／ｃｍ２としたＳｉＣ製フィルタ１２本で周辺部を形成し、平均曲げ荷重を２５０ｋｇ／ｃｍ２としたＳｉＣ製フィルタ４本で中央部を形成したセラミックフィルタ９を製作した。
【００７１】
そして、上記のようにして得られたセラミックフィルタ９に断熱材１０を巻き付けた後、ケーシング８内に収容し、参考例に示したように、エンジンの排気ガスを一定時間供給した。そして、１０時間捕集した後にセラミックフィルタ９を取り出して切断して肉眼観察を行った。その結果、図６に示すように、フィルタの周辺部の蓄積量が中央部よりも少なくなっていた。
【００７２】
次に、新しいセラミックフィルタ９に代えて排気ガスを供給し、捕集・再生を１００回繰り返した後に取り出して肉眼観察を行った。このとき、再生時のガス流速を遅い条件にして再生をした。その結果、この場合でもフィルタユニットＦ１のクラックは全く認められなかった。また、平均再生率は８５％と低く、これを切断して目視にて確認した結果、ススが存在していた。
【００７３】
（比較例１−１、１−２）
比較例１−１、１−２においても、基本的には参考例と同様のセラミックフィルタ９を製造した。ただし、比較例１−１では、表１に表すように、標準的な平均曲げ荷重を２５０ｋｇ／ｃｍ２としたＳｉＣ製フィルタ１６本でセラミックフィルタ９を製作した。また、比較例１−２では、平均曲げ荷重を２５０ｋｇ／ｃｍ２としたＳｉＣ製フィルタ４本で中央部を形成し、標準的な平均曲げ荷重を３５０ｋｇ／ｃｍ２としたＳｉＣ製フィルタ１２本で周辺部を形成したセラミックフィルタ９を製作した。
【００７４】
そして、上記のようにして得られたセラミックフィルタ９に断熱材１０を巻き付けた後、ケーシング８内に収容し、参考例に示したように、エンジンの排気ガスを一定時間供給した。そして、１０時間捕集した後にセラミックフィルタ９を取り出して切断して肉眼観察を行った。その結果、比較例１−１、比較例１−２でも図６のように、周辺部での蓄積量が中央部よりも少なくなっていた。
【００７５】
次に、新しいセラミックフィルタ９を用意して排気ガスを供給し、実施例１−１のように捕集・再生を１００回繰り返した後にこれを取り出して肉眼観察を行った。その結果、比較例１−１、比較例１−２においては、外周部のフィルタユニットＦ１にクラックが認められた。
【００７６】
【表１】
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【００７７】
このように、本発明に適合するフィルタでは、強度の異なるフィルタを分けて配置した集合型フィルタとすることで熱衝撃のかかりやすい部分に強いフィルタを用いることができ、捕集量に適したフィルタを設定できるため、全体的なフィルタとしての強度が向上する。
【００７８】
なお、本発明は、強度の異なるフィルタを位置によって使い分けることを前提として、次のような構成を併せて採用してもよい。
ａ．壁厚を厚く、気孔率を低くしたフィルタを、フィルタの中央部となるようにして、壁厚を薄く気孔率を高くしたフィルタをフィルタ集合体の周辺部となるように設置したフィルタ。
ｂ．長さの異なるフィルタを用いて集合体を形成するときに、集合体の両端面とも揃えないように設置したフィルタ。
ｃ．フィルタ集合体の断面形状を円形状、略楕円状、略三角形状に変更すること
また、本発明において、フィルタは、多孔質金属フィルタや、セラミックファイバを利用したフィルタを用いることができる。
【００７９】
その他、フィルタの断面形状を変えたときに、カットした複数個の四角柱状でない異型のフィルタユニットのみを、他の四角柱のハニカムフィルタより強度の強いものに変更することができる。このようにすることで、異型のフィルタの強度不足を解消してフィルタとしての強度を向上させることができる。
【００８０】
【産業上の利用可能性】
本発明に係るセラミックフィルタは、強度に優れ、ススの均一捕集，均一再生作用に優れるため自動車用排ガス浄化装置に使用することができる。とくに、本発明は、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置等に装置して用いることができる。
【００８１】
【図面の簡単な説明】
【図１】排ガス浄化装置の一例を示す略線図である。
【図２】フィルタユニットを組み合わせたブロックの斜視図である。
【図３】排気ガス浄化装置の要部拡大断面図である。
【図４】圧力損失特性の説明図である。
【図５】ケーシングと排気管の設置場所の違いによるススの捕集量の違いを示した参考実施例の結果を示したグラフである。
【図６】フィルタ強度を変えたことによるススの蓄積量の違いを示したグラフである。
【図７】セラミックフィルタにアルミナの担持した例を示した図である。
【図８】数回使用後の再生率を示したグラフである。
【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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【図８】
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