(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有し、該流通孔の隔壁が濾過能を有し、所定の流通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔については他方の端部を封じてなる２個以上のハニカムセグメントと、該２個以上のハニカムセグメント間を接合する接合層とからなるハニカム構造体において、
該接合層材質のヤング率が該ハニカムセグメント材質のヤング率の２０％以下であること、又は、該接合層の材料強度が該ハニカムセグメントの材料強度より小さいことのうち、少なくともいずれか一方を満足するとともに、該ハニカム構造体の流通孔に直交する断面における該ハニカムセグメント断面形状の角部が曲率半径０．３ｍｍ以上で丸められているか、または０．５ｍｍ以上の面取りがされていることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項２】
接合層に接するハニカムセグメント表面の内少なくとも３０％以上の面積を占める部分の平均的な表面粗さがＲａ０．４ミクロンを超え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】
ハニカム構造体を構成する全てのハニカムセグメントの総熱容量に対する、ハニカム構造体内の全ての接合層の総熱容量の比率が３０％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のハニカム構造体。
【請求項４】
ハニカム構造体の流通孔に直交する断面におけるハニカム構造体断面積に占める接合層総断面積の比率が１７％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
【請求項５】
ハニカム構造体の流通孔に直交するハニカム構造体断面における隔壁断面積の総和に対する接合層断面積の総和の比率が５０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
【請求項６】
前記ハニカムセグメントが、コージェライト、ＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ、ムライト及びリチウムアルミニウムシリケート（ＬＡＳ）からなる群より選ばれた１種を主結晶相とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
【請求項７】
前記ハニカムセグメントに触媒能を有する金属を担持し、熱機関若しくは燃焼装置の排気ガスの浄化、又は液体燃料若しくは気体燃料の改質に用いられるようにした請求項１〜６のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
【請求項８】
前記触媒能を有する金属が、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈのうちの少なくとも１種である請求項７記載のハニカム構造体。
【請求項９】
前記ハニカムセグメントの前記流通孔の断面形状が、三角形、四角形及び六角形のうちのいずれかである請求項１〜８のいずれか１項に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、内燃機関等の熱機関又はボイラー等の燃焼装置において排出される粒子状物質を捕集除去するフィルタとして用いられるハニカム構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ディーゼルエンジン等から排出される排気ガスのような含塵流体中に含まれる粒子状物質を捕集除去する方法として、流通孔の隔壁が濾過能を有し、所定の流通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔については他方の端部を封じてなるハニカム構造体を用いることが知られている。
【０００３】
このようなハニカム構造体が排気中の粒子状物質を捕集するフィルターとして用いられる場合には、溜まったカーボン微粒子を燃焼させて除去するという再生処理を行うことが必要であり、この際に局所的な高温化が避けられないため、大きな熱応力が発生し易く、クラックが発生し易いという問題があった。
【０００４】
このような構造部品に発生する熱応力を低減する方策として、その構造部品をより小さなセグメントに分割する方法が知られており、これを排気ガス中の微粒子捕集用のハニカム構造体に適用する提案は、既に、例えば特開平6-241017号公報、特開平8-28246号公報、特開平7-54643号公報、特開平8-28248号公報等においてなされている。
【０００５】
しかしながら、上記の提案で示された例によっても、セグメント表面の応力低減効果が不十分であり、クラック発生の問題は完全には解決できなかった。また、使用中、セグメント間に軸方向のずれが生じる問題があり、軸方向のずれを防止する保持部材を用いる方法が特開平6-241017号公報で提案されているが、排気ガスの高温に晒された際の保持部材の変形と劣化の問題があった。
【０００６】
熱応力を低減する他の方策として、ハニカム構造体内の温度分布を均一化すべく、セグメント間に電気ヒータを設置して、相対的に低温になり易い部位を電気加熱する方法も提案されているが、電気ヒータ近傍ではむしろ、局所的な温度勾配が大きくなることによる新たな熱応力発生の問題があった。
また、セグメント間の接合層が断面に占める割合が大きすぎ、流体の圧力損失が過大になり、エンジン性能を悪化させる問題や、熱容量が大きくなりすぎ、カーボン微粒子を燃焼除去させる再生処理において昇温に時間がかかり、再生処理に必要な時間が長くなってしまう問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来の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、使用時における熱応力の発生が小さく、クラックが発生しない耐久性を有し、中央部と外周部の温度差が生じにくく、かつ、流体の圧力損失が小さく、再生処理時の昇温に必要な時間、エネルギーの小さいハニカム構造体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明によれば、隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有し、該流通孔の隔壁が濾過能を有し、所定の流通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔については他方の端部を封じてなる２個以上のハニカムセグメントと、該２個以上のハニカムセグメント間を接合する接合層とからなるハニカム構造体において、該接合層材質のヤング率が該ハニカムセグメント材質のヤング率の２０％以下であること、又は、該接合層の材料強度が該ハニカムセグメントの材料強度より小さいことのうち、少なくともいずれか一方を満足するとともに、該ハニカム構造体の流通孔に直交する断面における該ハニカムセグメント断面形状の角部が曲率半径０．３ｍｍ以上で丸められているか、または０．５ｍｍ以上の面取りがされていることを特徴とするハニカム構造体が提供される。
【０００９】
本発明においては、接合層に接するハニカムセグメント表面の内少なくとも３０％以上の面積を占める部分の平均的な表面粗さがＲａ０．４ミクロンを超えることが好ましく、また、ハニカム構造体を構成する全てのハニカムセグメントの総熱容量に対する、ハニカム構造体内の全ての接合層の総熱容量の比率が３０％以下であることが好ましい。
【００１０】
また、ハニカム構造体の流通孔に直交する断面におけるハニカム構造体断面積に占める接合層総断面積の比率が１７％以下であることが好ましく、さらには、ハニカム構造体の流通孔に直交するハニカム構造体断面における隔壁断面積の総和に対する接合層断面積の総和の比率が５０％以下であることが好ましい。さらにまた、ハニカム構造体の流通孔に直交するハニカム構造体断面内において、隔壁断面積に対する接合層断面積の比率が中央で大きく、外周側で小さくなっていることが好ましい。
【００１１】
上記ハニカムセグメントの材質としては、強度、耐熱性等の観点から、コージェライト、ＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ、ムライト及びリチウムアルミニウムシリケート（ＬＡＳ）からなる群より選ばれた１種を主結晶相とすることが好ましい。
また、前記ハニカムセグメントには、触媒能を有する金属を担持し、熱機関若しくは燃焼装置の排気ガスの浄化、又は液体燃料若しくは気体燃料の改質に用いられるようにすることが好ましい。触媒能を有する金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ及びＲｈのうちの少なくとも１種であることが好ましい。
さらに、ハニカムセグメントの流通孔の断面形状は、製作上の観点から、三角形、四角形及び六角形のうちのいずれかであることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
図１(a)(b)(c)(d)は本発明に係るハニカム構造体のハニカムセグメントの各種分割パターンを示す説明図である。
図１(a)(b)(c)(d)において、１０はハニカム構造体であり、ハニカム構造体１０は、２個以上のハニカムセグメント１１と、これらのハニカムセグメント１１間を接合する接合層１２とからなっている。なお、詳しくは図示しないが、ハニカムセグメント１１は、図２のように、隔壁１４により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔１５を有し、流通孔１５の隔壁１４が濾過能を有し、所定の流通孔１５については一方の端部を封じ、残余の流通孔１５については他方の端部を封じた構成を有しているものである。
【００１３】
本発明のハニカム構造体においては、接合層１２を構成する材質のヤング率を、ハニカムセグメント１１を構成する材質のヤング率の２０％以下、より好ましくは１％以下とするか、あるいは、接合層１２の材料強度を、ハニカムセグメント１１の材料強度より小さくしている。このように、接合層１２とハニカムセグメント１１の材質のヤング率を規定することにより、使用時における熱応力の発生が小さくて、クラックが発生しないような耐久性を有するハニカム構造体とすることができる。また、接合層１２のヤング率がハニカムセグメント１１のヤング率の２０％を超える場合でも、接合層１２の材料強度がハニカムセグメント１１の材料強度より小さければ、接合層１２のみにクラックが生じ、ハニカムセグメント１１にはダメージがないため、ハニカム構造体としては十分に機能を維持することができる。
ここで、接合層１２のヤング率、ハニカムセグメント１１のヤング率はそれぞれ材料自体のヤング率を指し、材料固有の物性を指すものである。
また、「接合層の材料強度がハニカムセグメントの材料強度より小さい」ということの定義について、図５及び図６を用いて説明する。
すなわち、図５に示すような、本発明のハニカム構造体より切り出したテストピース２０を準備する。なお、テストピース２０は流通孔に直角方向の長さが４０ｍｍ以上で、その中央部に接合層１２が位置するように切断する。本発明では、このテストピース２０を、図６のような４点曲げ試験（ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準ずる）において、接合層１２内部、あるいは接合層１２とハニカムセグメント１１の界面で破壊する確率が５０％以上であることを、上記の「接合層の材料強度がハニカムセグメントの材料強度より小さい」と定義する。
【００１４】
また、このハニカム構造体では、接合層１２に接するハニカムセグメント１１の表面の内で少なくとも３０％以上の面積を占める部分の平均的な表面粗さがＲａ０．４ミクロンを超えることが好ましい。これにより、２個以上のハニカムセグメント１１間の接合がより強固になり、使用時に剥がれるおそれを殆どなくすることをできる。上記の表面粗さＲａは、０．８ミクロン以上が更に好ましい。
また、ハニカム構造体を構成する全てのハニカムセグメントの総熱容量に対する、ハニカム構造体内の全ての接合層の総熱容量の比率を３０％以下、より望ましくは１５％以下とすることにより、再生時に捕集したカーボン微粒子を燃焼処理する際（フィルタ再生）、昇温にかかる時間を許容範囲内に小さく抑えることができ、好ましい。
【００１５】
さらに、本発明のハニカム構造体においては、ハニカム構造体の流通孔に直交する断面におけるハニカムセグメント断面形状の角部が曲率半径０．３ｍｍ以上で丸められているか、または０．５ｍｍ以上の面取りがされていることにより、使用時における熱応力の発生を小さくし、ハニカム構造体にクラックが発生しないような大きな耐久性を付与することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明では、ハニカム構造体の流通孔に直交する断面におけるハニカム構造体断面積に占める接合層総断面積の比率が１７％以下であることが好ましく、８％以下であることがより好ましい。これを図３を用いて説明すると、直径Ｄの断面が円形のハニカム構造体１０において、ハニカム構造体１０の総断面積ＳHは、
ＳH＝（π／４）×Ｄ2
となり、一方、接合層１２の総断面積ＳSは、図３の斜線部分Ａ（接合層１２の断面部）の総面積となる。
ここで、ＳS／ＳHが１７％以下であることが、流体の圧力損失低減の観点から好ましい。
【００１７】
また、本発明においては、ハニカム構造体の流通孔に直交するハニカム構造体断面における隔壁断面積の総和に対する接合層断面積の総和の比率が５０％以下であることが好ましく、２４％以下であることがさらに好ましい。これを図４を用いて説明すると、ハニカム構造体１０の断面における接合層１２の断面積（斜線部分Ｂ）の総和をＳSとし、隔壁１４の断面積（網目部分Ｃ）の総和をＳCとすると、ＳS／ＳCが５０％以下であることが、流体の圧力損失低減の観点から好ましい。
【００１８】
さらに、本発明では、ハニカム構造体の流通孔に直交するハニカム構造体断面内において、隔壁断面積に対する接合層断面積の比率が中央部で大きく、外周側で小さくなっていることが好ましい。このような構成とすると、中央付近での単位体積当たりのカーボン微粒子捕集量が外周近傍よりも少なくなり、カーボン微粒子を燃焼させる再生処理時（再生燃焼時）において、高温となりやすい中央近傍での発熱量を低く抑えられ、しかも中央近傍で接合層が密になっているため、その部分での熱容量を大きくできることからも、中央近傍での温度上昇を低く抑えられる。その結果、中央部と外周側の温度差を低減することができ、ハニカム構造体における熱応力を低減することができ、好ましい。
【００１９】
本発明において、ハニカム構造体の流通孔に直交する断面の断面形状は、円、楕円、レーストラックなど、各種の形状を取り得る。
また、本発明のハニカム構造体を構成するハニカムセグメントは、強度、耐熱性等の観点から、コージェライト、ＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ、ムライト及びリチウムアルミニウムシリケート（ＬＡＳ）からなる群より選ばれた１種を主結晶相とするものであることが好ましく、熱伝導率の高いＳｉＣは、被熱を放熱しやすいという点で特に好ましい。
【００２０】
ハニカムセグメントのセル密度は、６〜１５００セル／平方インチ（０．９〜２３３セル／ｃｍ2）が好ましく、５０〜４００セル／平方インチ（７．８〜６２セル／ｃｍ2）が更に好ましい。セル密度が６セル／平方インチ未満になると、ハニカムセグメントとしての強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）が不足し、１５００セル／平方インチを超えると、ガスが流れる場合の圧力損失が大きくなる。
また、ハニカム構造体における流通孔の断面形状（セル形状）は、製作上の観点から、三角形、四角形及び六角形のうちのいずれかであることが好ましい。
【００２１】
また、各ハニカムセグメント間を接合する接合層の材質としては、耐熱性を有するセラミックスファイバー、セラミックス粉、セメント等を単独で、あるいは混合して用いることが好ましく、更に必要に応じて有機バインダー、無機バインダー等を混合して用いてもよいが、これらに限られるものではない。
【００２２】
本発明のハニカム構造体は、前記したように、隔壁により仕切られた軸方向に貫通する多数の流通孔を有し、該流通孔の隔壁が濾過能を有し、所定の流通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔については他方の端部を封じてなる構造を有するものであるので、ディーゼルエンジン用パティキュレートフィルターのような、含塵流体中に含まれる粒子状物質を捕集除去するためのフィルターに好適に用いることができる。
【００２３】
すなわち、このような構造を有するハニカム構造体の一端面より含塵流体を通気させると、含塵流体は、当該一端面側の端部が封じられていない流通孔よりハニカム構造体内部に流入し、濾過能を有する多孔質の隔壁を通過して、ハニカム構造体の他端面側が封じられていない他の流通孔に入る。そして、この隔壁を通過する際に含塵流体中の粒子状物質が隔壁に捕捉され、粒子状物質を除去された浄化後の流体がハニカム構造体の他端面より排出される。
【００２４】
なお、捕捉された粒子状物質が隔壁上に堆積してくると、目詰まりを起こしてフィルターとしての機能が低下するので、定期的にヒーター等の加熱手段でハニカム構造体を加熱することにより、粒子状物質を燃焼除去し、フィルター機能を再生させるようにする。この再生時の粒子状物質を燃焼を促進するために、ハニカムセグメントに後述のごとき触媒能を有する金属を担持させてもよい。
【００２５】
一方、本発明のハニカム構造体を、触媒担体として内燃機関等の熱機関の排気ガスの浄化、又は液体燃料若しくは気体燃料の改質に用いようとする場合、ハニカムセグメントに触媒能を有する金属を担持するようにする。触媒能を有する金属の代表的なものとしては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈが挙げられ、これらのうちの少なくとも１種をハニカムセグメントに担持することが好ましい。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて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。
（実施例１〜１０、比較例１）
隔壁の厚さが０．３８ｍｍ、セル密度が２００セル／平方インチ（３１セル／ｃｍ2）、外周部厚さが０．５ｍｍのＳｉＣ製ハニカムセグメントを用い、接合層としてセラミックスファイバー、セラミックス粉、有機及び無機バインダーの混合物を用いて、種々の分割構造を有する、寸法がφ１４４ｍｍ×１５３ｍｍのハニカム構造体を作製した。得られたハニカム構造体の分割構造、材質のヤング率などの特性を表１に示す。また、表１中の表面粗さは、接合層に接するハニカムセグメントの表面全体の平均的な表面粗さを示す。
【００２７】
このハニカム構造体は、所定の流通孔については一方の端部を封じ、残余の流通孔については他方の端部を封じてなる構造のディーゼルエンジン排気浄化パーティキュレートフィルタであり、このハニカム構造体について、流体の圧力損失試験、及び再生試験を行った。その結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
0003889194.tif 000002
【００２９】
（評価）
表１の結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する場合には、流体の圧力損失もそれほど大きくならず、許容範囲（１０ｋＰａ）内であり、再生時間も許容範囲（１５ｍｉｎ）内であった。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のハニカム構造体によれば、使用時において熱応力の発生が小さく、クラックが発生しない耐久性を有するとともに、中央部と外周部の温度差が生じにくく、しかも流体の圧力損失が小さいという顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るハニカム構造体のハニカムセグメントの各種分割パターン(a)(b)(c)(d)を示す説明図である。
【図２】  ハニカム構造体のセル構造を示す一部拡大図である。
【図３】  ハニカム構造体の一例を示す断面説明図である。
【図４】  ハニカム構造体のセル構造と接合層を示す一部拡大図である。
【図５】  ハニカム構造体から切り出されたテストピースの一例を示す斜視図である。
【図６】  ４点曲げ試験の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…ハニカム構造体、１１…ハニカムセグメント、１２…接合層、１４…隔壁、１５…流通孔、２０…テストピース。
【図１】
0003889194.tif 000003
【図２】
0003889194.tif 000004
【図３】
0003889194.tif 000005
【図４】
0003889194.tif 000006
【図５】
0003889194.tif 000007
【図６】
0003889194.tif 000008