(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを、α型炭化珪素焼結体の多孔質体からなるセル壁によって区画し、このセル壁によってパティキュレートを含む流体を浄化するハニカムフィルタにおいて、
α型炭化珪素粒子によって構成されている前記セル壁の比表面積が０．３〜１．０ｍ2／ｇであることを特徴とするハニカムフィルタ。
【請求項２】
複数のセルを、α型炭化珪素焼結体の多孔質体からなるセル壁によって区画し、このセル壁によってパティキュレートを含む流体を浄化するハニカムフィルタを構成部材として用い、これらの構成部材の外周面同士をセラミック質シール材層を介して接着することにより、前記各ハニカムフィルタを一体化してなる集合体であって、
α型炭化珪素粒子によって構成されている前記セル壁の比表面積が０．３〜１．０ｍ2／ｇであることを特徴とするハニカムフィルタ集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハニカムフィルタ及びハニカムフィルタ集合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の台数は今世紀に入って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の出す排気ガス中に含まれる種々の物質は、汚染を引き起こす原因となるため、現在では世界環境にとって深刻な影響を与えつつある。又、最近では排気ガス中のスス（ディーゼルパティキュレート）が、ときとして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いる。つまり、排気ガス中のディーゼルパティキュレート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】
このような事情のもと、多様多種の排気ガス浄化装置が提案されている。一般的な排気ガス浄化装置は、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ハニカムフィルタを配置した構造を有している。ハニカムフィルタの形成材料としては、耐熱性・機械的強度・捕集効率が高い、化学的に安定している、圧力損失が小さい等の利点があることから、炭化珪素の多孔質焼結体をフィルタ形成材料として用いることが多い。
【０００４】
ここで「圧力損失」とは、フィルタ上流側の圧力値から下流側の圧力値を引いたものをいう。排気ガスがフィルタを通過する際に抵抗を受けることが、圧力損失をもたらす最大の要因である。
【０００５】
ハニカムフィルタは自身の軸線方向に沿って延びる多数のセルを有している。排気ガスがハニカムフィルタを通り抜ける際、そのセル壁によってディーゼルパティキュレートがトラップされる。従って、ハニカムフィルタ内に捕集されたディーゼルパティキュレートは、ハニカムフィルタ内の温度が所定値（着火温度）に達すると、着火して燃焼する。昨今、粒子径の小さなパティキュレートは肺への定着率が高く健康に対するリスクが高いことが判明している。よって、小さな粒子径のパティキュレートを補足することに対する要求は高くなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、セル壁を構成する粒子の比表面積が小さいと、ハニカムフィルタが緻密になりすぎてしまい、排気ガスがハニカムフィルタをスムーズに通過しにくくなり、圧力損失が大きくなる。従って、車両の燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を招くという問題がある。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力損失が小さいハニカムフィルタ及びハニカムフィルタ集合体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、複数のセルを、α型炭化珪素焼結体の多孔質体からなるセル壁によって区画し、このセル壁によってパティキュレートを含む流体を浄化するハニカムフィルタにおいて、α型炭化珪素粒子によって構成されている前記セル壁の比表面積が０．３〜１．０ｍ2／ｇであることを特徴とするハニカムフィルタである。
【００１０】
また、本発明では、複数のセルを、α型炭化珪素焼結体の多孔質体からなるセル壁によって区画し、このセル壁によってパティキュレートを含む流体を浄化するハニカムフィルタを構成部材として用い、これらの構成部材の外周面同士をセラミック質シール材層を介して接着することにより、前記各ハニカムフィルタを一体化してなる集合体であって、α型炭化珪素粒子によって構成されている前記セル壁の比表面積が０．３〜１．０ｍ2／ｇであることを特徴とするハニカムフィルタ集合体を提案する。
【００１１】
以下、本発明の「作用」について説明する。本発明によると、セル壁を構成する粒子の比表面積が０．３ｍ2／ｇ以上であるため、圧力損失を小さくすることができる。つまり、比表面積が０．３ｍ2／ｇよりも小さいと、ハニカムフィルタが緻密になりすぎてしまい、パティキュレートを含む流体がハニカムフィルタをスムーズに通過しにくくなるからである。
【００１２】
また、本発明によると、炭化珪素焼結体製のセル壁は耐熱性に優れているため、上記のごとく温度の高くなりやすい箇所に配設されたとしても、セル壁が変質したり焼失したりするようなことはない。従って、長期間にわたって効率のよい流体の浄化を行うことができる。
【００１３】
また、本発明によると、多孔質体からなるセル壁は、よりいっそう圧力損失を小さくすることに貢献できるばかりか、パティキュレートの捕集効率を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態のディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置１を、図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１に示されるように、この排気ガス浄化装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２から排出される排気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ている。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一箇所に集中する。
【００１６】
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の上流側端は、マニホールド本体５に連結されている。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。ケーシング８の上流側端は第１排気管６の下流側端に連結され、ケーシング８の下流側端は第２排気管７の上流側端に連結されている。排気管６，７の途上にケーシング８が配設されていると把握することもできる。そして、この結果、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。
【００１７】
図１に示されるように、ケーシング８はその中央部が排気管６，７よりも大径となるように形成されている。従って、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、ハニカムフィルタ９が収容されている。
【００１８】
ハニカムフィルタ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が配設されている。断熱材１０はセラミックファイバを含んで形成されたマット状物であり、その厚みは数ｍｍ〜数十ｍｍである。断熱材１０は熱膨張性を有していることがよい。ここでいう熱膨張性とは、弾性構造を有するため熱応力を解放する機能があることを指す。その理由は、ハニカムフィルタ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ためである。又、再生時の熱によってセラミックファイバを膨張させることにより、排気ガスの圧力や走行による振動等のもたらすハニカムフィルタ９の位置ずれを防止するためである。
【００１９】
本実施形態において用いられるハニカムフィルタ９は、上記のごとくディーゼルパティキュレートを除去するものであるため、一般にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と呼ばれる。図２等に示されるように、本実施形態のハニカムフィルタ９は円柱状である。
【００２０】
図２，図３，図４に示されるように、本実施形態のハニカムフィルタ９は、いわゆるハニカム構造を備えている。ハニカム構造を採用した理由は、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からである。ハニカムフィルタ９には、断面略正方形状をなす複数の通気孔１２がその軸線方向に沿って規則的に形成されている。各通気孔１２は薄いセル壁１３によって互いに仕切られている。セル壁１３の外表面には、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。各通気孔１２の開口部は、いずれか一方の端面９ａ，９ｂの側において封止体１４により封止されている。従って、端面９ａ，９ｂ全体としてみると市松模様状を呈している。その結果、ハニカムフィルタ９には、断面四角形状をした多数のセルが形成されている。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。
【００２１】
セルの密度は１２０個／ｉｎｃｈ2（１８個／ｃｍ2）以上、より具体的には１２０〜１８０個／ｉｎｃｈ2の範囲であることが好ましい。セルの密度が１２０個未満であると、排気ガスとの接触面積が小さくなるため、ハニカムフィルタ９の浄化性能が低下するからである。
【００２２】
セル壁１３の厚みは０．４６ｍｍ以下、より具体的には０．２０〜０．４６ｍｍの範囲であることが好ましい。セル壁１３の厚みが０．４６ｍｍを超えると、セルの開口面積が小さくなり、排気ガスとの接触面積が小さくなるため、ハニカムフィルタ９の浄化性能が低下するからである。又、セルの開口面積を確保しつつ、セル壁１３の厚みを０．４６ｍｍよりも大きくすれば、ハニカムフィルタ９全体の大型化につながるからである。
【００２３】
ハニカムフィルタ９の気孔率は３０％〜５０％、さらには３５％〜４９％であることが好ましい。気孔率が３０％未満であると、ハニカムフィルタ９が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からである。一方、気孔率が５０％を越えると、ハニカムフィルタ９中に空隙が多くなりすぎてしまうため、強度的に弱くなりかつ微粒子の捕集効率が低下してしまうおそれがあるからである。
【００２４】
多孔質炭化珪素焼結体を選択した場合においてハニカムフィルタ９の熱伝導率は、２０Ｗ／ｍＫ〜７５Ｗ／ｍＫであることがよく、さらには３０Ｗ／ｍＫ〜７０Ｗ／ｍＫであることが特によい。熱伝導率が小さすぎると、ハニカムフィルタ９内に温度差が生じやすくなり、クラックをもたらす原因となる大きな熱応力の発生につながってしまう。逆に、熱伝導率を高くしようとすると、製造が困難となり、安定的な材料供給が難しくなる。
【００２５】
ハニカムフィルタ９は、セラミック焼結体の一種である多孔質炭化珪素焼結体製である。炭化珪素焼結体を採用した理由は、他のセラミックに比較して、とりわけ強度、耐熱性及び熱伝導性に優れるという利点があるからである。
【００２６】
多孔質炭化珪素焼結体に含まれる不純物は、５重量％以下に抑えられていることが望ましい。不純物の量は１重量％以下であることがよく、０．１重量％以下であることが特によい。不純物が５重量％を超えると、炭化珪素結晶粒子の粒界に不純物が偏り、粒界での強度（結晶粒子間の結合強度）が著しく低下し、粒界破断しやすくなるからである。なお、不純物としては、Ａｌ、Ｆｅ、Ｏ、遊離Ｃ等がある。
【００２７】
又、前記封止体１４の形成材料も、ハニカムフィルタ９と同じ多孔質炭化珪素焼結体製となっている。ここでも多孔質炭化珪素焼結体に含まれる不純物は、５重量％以下に抑えられていることが望ましい。不純物が５重量％を超えると、炭化珪素結晶粒子の粒界に不純物が偏り、粒界での強度（結晶粒子間の結合強度）が著しく低下し、粒界破断しやすくなるからである。具体的にいうと、封止体１４にクラックが生じるおそれがあるからである。
【００２８】
更に、このようなハニカムフィルタ９では、α型炭化珪素焼結体粒子によって構成されているセル壁１３の比表面積が０．３〜１．０ｍ2／ｇであると、パティキュレートの堆積によるハニカムフィルタ９の目詰まりが著しくなる。そのため、圧力損失が大きくなるので、車両の燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を招く。一方、比表面積が１．０ｍ2／ｇを超えると、細かい微粒子を捕集することができなくなるため、捕集効率が低下し、ハニカムフィルタ９の濾過機能が損なわれる。
【００２９】
次に、上記のハニカムフィルタ９を製造する手順を説明する。
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をあらかじめ作製しておく。
【００３０】
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。
【００３１】
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、かつ金型を介してそれを連続的に押し出す。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、円柱状のハニカム成形体切断片を得る。さらに、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。
【００３２】
続いて、温度・時間等を所定の条件に設定して本焼成を行って、ハニカム成形体切断片及び封止体１４を完全に焼結させることにより、所望のハニカムフィルタ９が完成する。本実施形態では焼成温度を２１００℃〜２３００℃に設定し、かつ焼成時間を０．１時間〜５時間に設定している。又、焼成時の炉内雰囲気を不活性雰囲気とし、そのときの雰囲気の圧力を常圧としている。なお、焼成温度は前記範囲内において極力高めに設定することが望ましい。
【００３３】
次に、上記のハニカムフィルタ９による微粒子トラップ作用について簡単に説明する。
ケーシング８内に収容されたハニカムフィルタ９には、上流側端面９ａの側から排気ガスが供給される。第１排気管６を経て供給されてくる排気ガスは、まず、上流側端面９ａにおいて開口するセル内に流入する。次いで、この排気ガスはセル壁１３を通過し、それに隣接しているセル、即ち下流側端面９ｂにおいて開口するセルの内部に到る。そして、排気ガスは、同セルの開口を介してハニカムフィルタ９の下流側端面９ｂから流出する。しかし、排気ガス中に含まれる微粒子はセル壁１３を通過することができず、そこにトラップされてしまう。その結果、浄化された排気ガスがハニカムフィルタ９の下流側端面９ｂから排出される。浄化された排気ガスは、さらに第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。又、トラップされた微粒子は、ハニカムフィルタ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着火して燃焼するようになっている。
【００３４】
【実施例及び比較例】
（実施例１、２及び比較例）
平均粒径１０μｍのα型炭化珪素粉末５１．５重量％と、平均粒径０．５μｍのα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。
【００３５】
次に、前記混練物に可塑剤と潤滑剤とを少量加えてさらに混練したものを押出成形することにより、ハニカム状の生成形体を得た。具体的には、α型炭化珪素粉末として、平均粒径が１０μｍのものは屋久島電工株式会社製の商品名：Ｃ−１０００Ｆを用い、平均粒径が０．５μｍのものは屋久島電工株式会社製の商品名：ＧＣ−１５を用いた。
【００３６】
次に、この生成形体をマイクロ波乾燥機を用いて乾燥した後、成形形体の通気孔１２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、この乾燥体を４００℃で脱脂した後、さらにそれを常圧のアルゴン雰囲気下において２２５０℃で焼成した。
【００３７】
その結果、実施例１では、セル壁１３を構成する粒子の比表面積が０．３ｍ2／ｇのハニカムフィルタ９を製造した。又、実施例２、比較例においても、基本的に実施例１と同じ方法でハニカムフィルタ９を成形した。そして、比表面積が０．８ｍ2／ｇ、０．０５ｍ2／ｇのハニカムフィルタ９を製造し、これを実施例２、比較例とした。なお、実施例１、２及び比較例のハニカムフィルタ９は、それぞれセルの密度が１５０個／ｉｎｃｈ2、セル壁１３の厚みが０．４ｍｍであった。
【００３８】
次に、上記のようにして得られたハニカムフィルタ９に断熱材１０を巻き付け、この状態でハニカムフィルタ９をケーシング８内に収容した。そして、排気量が約３０００ｃｃのディーゼルエンジン２を用いて、９ｍ／ｓの流速にて排気ガス浄化装置１に排気ガスを供給した。そして、このときのハニカムフィルタ９の上流側における排気ガスの圧力値と、下流側における排気ガスの圧力値とを測定した。そして、これらの値の差である圧力損失ΔＰ（ｍｍＡｑ）を求めた。この結果を以下の表１に示す。
【００３９】
【表１】
0004146048.tif 000002
上記の表１から明らかなように、実施例及び比較例１，２のハニカムフィルタ９において、圧力損失ΔＰは、それぞれ１８０ｍｍＡｑ、１２０ｍｍＡｑであり、比較例では２５０ｍｍＡｑであった。従って、実施例１、２では比較例のような大きな圧力損失は見られなかった。
【００４０】
従って、本実施形態の実施例によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）ディーゼルエンジン２の排気側にはケーシング８が設けられ、このケーシング８内には、多孔質炭化珪素焼結体製のハニカムフィルタ９が設けられている。ハニカムフィルタ９には、セル壁１３により区画される複数のセルが形成されている。そして、セル壁１３を構成する粒子の比表面積が０．１ｍ2／ｇ以上に設定されている。そのため、ハニカムフィルタ９が緻密になりすぎないので、内部に排気ガスをスムーズに通過させることができ、圧力損失を小さくすることができる。従って、燃費が向上し、運転フィーリングの悪化するのを防止することができる。しかも、セル壁１３を構成する粒子の比表面積の上限が１．０ｍ2／ｇに設定されている。そのため、ハニカムフィルタ９の空隙量が多くなりすぎず、細かいパティキュレートを確実に捕集することができ、捕集効率の向上につなげることができる。
【００４１】
（２）  炭化珪素焼結体製のセル壁１３は耐熱性に優れているため、ハニカムフィルタ９が温度の高くなりやすい箇所に配設されたとしても、セル壁１３が変質したり焼失したりするようなことはない。従って、長期間にわたって効率のよい流体の浄化を行うことができる。
【００４２】
（３）  多孔質体からなるセル壁１３は、排気ガスをよりいっそうスムーズに通過させることができ、さらなる圧力損失の低減に貢献することができる。それとともに、パティキュレートの捕集効率をいっそう高めることができる。
【００４３】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・  ハニカムフィルタ９の形状は、実施形態のような円柱状に限定されることはなく、三角柱状、四角柱状、六角柱状等に変更しても構わない。
【００４４】
・  図５に示される別例のように、複数個（ここでは１６個）のハニカムフィルタ２３を組み合わせて１つのセラミックフィルタ集合体２１を製造してもよい。集合体２１を構成する角柱状ハニカムフィルタ２３の外周面は、互いにセラミック質シール材層２２を介して接着されている。各ハニカムフィルタ２３は、そのセル壁１３の比表面積は前記実施形態と同じに設定されている。すなわち、比表面積は、０．１ｍ2／ｇ〜１．０ｍ2／ｇに設定されている。その結果、各ハニカムフィルタ２３が束ねられた状態で一体化されている。このような構成にすれば、圧力損失を小さくすることは勿論のことながら、加熱による温度勾配に起因する応力によってクラックが発生するのを防止でき、熱衝撃にも強くなる。従って、比較的容易にフィルタの大型化を達成することができる。
【００４５】
・  ハニカムフィルタ２３の組み合わせ数は、前記別例のように１６個でなくてもよく、任意の数にすることが可能である。この場合、サイズ・形状等の異なるハニカムフィルタ２３を適宜組み合わせて使用することも勿論可能である。
【００４６】
・  実施形態においては、本発明のハニカムフィルタ（又はセラミックフィルタ集合体）を、ディーゼルエンジン２に取り付けられる排気ガス浄化装置用フィルタとして具体化していた。勿論、本発明のハニカムフィルタ（又はセラミックフィルタ集合体）は、排気ガス浄化装置用フィルタ以外のものとして具体化されることができる。その例としては、熱交換器用部材、高温流体や高温蒸気のための濾過フィルタ等が挙げられる。さらに、本発明の多孔質炭化珪素焼結体は、フィルタ以外の用途にも適用可能である。
【００４７】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
（１）  請求項１において、前記セル壁を構成する粒子の比表面積が０．１〜１．０ｍ2／ｇの範囲に設定されていること。
【００４８】
（２）  内燃機関の排気側に設けられたケーシングと、前記ケーシング内に収容され、排気ガス中に含まれるパティキュレートを除去する請求項１〜４のいずれかに記載のハニカムフィルタとを備えた排気ガス浄化装置。この構成にすれば、圧力損失を小さくすることができるので、車両の運転条件を妨げ、燃費の悪化、運転フィーリングの悪化を防止することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に記載の発明によれば、圧力損失を小さくすることができるハニカムフィルタを提供することができる。
【００５０】
請求項２に記載の発明によれば、長期間にわたって効率のよい流体の浄化を行うことができる。
請求項３に記載の発明によれば、よりいっそう圧力損失を小さくすることに貢献できるばかりか、パティキュレートの捕集効率を高めることができる。
【００５１】
請求項４に記載の発明によれば、圧力損失を小さくすることができるハニカムフィルタ集合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した一実施形態の排気ガス浄化装置の全体概略図。
【図２】実施形態のハニカムフィルタの斜視図。
【図３】実施形態のハニカムフィルタのＡ−Ａ線における断面図。
【図４】前記排気ガス浄化装置の要部拡大断面図。
【図５】複数個のハニカムフィルタを用いて構成される別例のセラミックフィルタ集合体の斜視図。
【符号の説明】
２…ディーゼルエンジン（内燃機関）、８…ケーシング、９…ハニカムフィルタ、１３…セル壁。
【図１】
0004146048.tif 000003
【図２】
0004146048.tif 000004
【図３】
0004146048.tif 000005
【図４】
0004146048.tif 000006
【図５】
0004146048.tif 000007