(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上である複数のセラミックス焼結体セグメントを組み合わせ、一体化してなるセラミックス構造体であって、
各セグメント間に熱衝撃を解放することのできる熱衝撃リリーフゾーンを設けるとともに、前記セラミックス構造体の断面方向における前記熱衝撃リリーフゾーンの幅に変化を持たせ、前記セラミックス構造体のある断面における前記熱衝撃リリーフゾーンの最も広い部分の幅が、最も狭い部分の幅の２倍以上であることを特徴とするセラミックス構造体。
【請求項２】
前記セラミックス焼結体セグメントの熱膨張係数が４．０×１０-6／℃以上である請求項１記載のセラミックス構造体。
【請求項３】
前記セラミックス焼結体セグメントが、ムライト、アルミナ、シリコンナイトライド及びシリコンカーバイド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記載のセラミックス構造体。
【請求項４】
前記熱衝撃リリーフゾーンが、前記セラミックス焼結体セグメント同士を接合する作用のあるシール材を、前記セラミックス焼結体セグメント間に充填して形成したものである請求項１記載のセラミックス構造体。
【請求項５】
前記熱衝撃リリーフゾーンの幅が、０．１〜１５．０ｍｍの範囲にある請求項１記載のセラミックス構造体。
【請求項６】
前記セラミックス焼結体セグメントが、ハニカム構造を成す多孔質のセラミックス焼結体である請求項１記載のセラミックス構造体。
【請求項７】
排ガス浄化用の部品として使用される請求項６記載のセラミックス構造体。
【請求項８】
排ガス浄化用触媒の触媒担体として使用される請求項６記載のセラミックス構造体。
【請求項９】
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれるパティキュレートを捕集するためのフィルターとして使用される請求項６記載のセラミックス構造体。
【請求項１０】
触媒成分が担持された請求項９記載のセラミックス構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセラミックス焼結体セグメントを組み合わせ、一体化してなるセラミックス構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱膨張の大きいセラミックス構造体を排ガス流路等の熱衝撃のかかる所に配置して使用する場合、その熱衝撃による割れの発生が懸念される。この問題を解決するため、例えば特開平８−２８２４６号公報には、図３のように、セラミックス構造体を複数のセグメント３で構成し、それらのセグメント３間に弾性質素材のシール材などを介在させて熱衝撃を解放する技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記セグメント３間にシール材などを介在させて形成される熱衝撃解放のための領域（熱衝撃リリーフゾーン）５は、熱衝撃緩和の観点からはセラミックス構造体の断面方向において幅広に設計する程好ましいが、一方、熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗが広くなると、相対的に、実際に活用しようとしているセラミックス構造体の有効断面積が低下して、構造体全体としての性能や効率が低下し、更に、構造体全体としての強度も低下するという問題がある。逆に、熱衝撃リリーフゾーン５の幅Ｗを狭く設計すると、熱衝撃を解放しきれず、熱衝撃リリーフゾーン５自体やセグメント３が損傷するという問題がある。
【０００４】
熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗは、以上のような互いに背反する因子の兼ね合いで適切な値を選ぶことが好ましいが、実際には、両者の兼ね合い所を見出すことは難しく、また、熱衝撃の大きさは、セグメント３の材質や熱衝撃リリーフゾーンに介在されるシール材等の材質、更にセラミックス構造体の用途によって異なるため、仮に、熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗの最適化を行ったとしても、その汎用性は極めて低いという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セラミックス構造体の有効断面積や構造体全体の強度を著しく低下させることなく、熱衝撃を十分に解放することが可能であり、かつセラミックス構造体の用途や材質に対する汎用性が高いセラミックス構造体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上である複数のセラミックス焼結体セグメントを組み合わせ、一体化してなるセラミックス構造体であって、各セグメント間に熱衝撃を解放することのできる熱衝撃リリーフゾーンを設けるとともに、前記セラミックス構造体の断面方向における前記熱衝撃リリーフゾーンの幅に変化を持たせ、前記セラミックス構造体のある断面における前記熱衝撃リリーフゾーンの最も広い部分の幅が、最も狭い部分の幅の２倍以上であることを特徴とするセラミックス構造体、が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックス構造体は、図３のように熱衝撃リリーフゾーン５の幅Ｗを一様（均一）とせず、断面方向において変化させる（幅の広い部分と狭い部分とを設ける）ようにしたものであり、これにより、セラミックス焼結体セグメントの有効断面積やセラミックス構造体全体としての強度を著しく損なうことなく、熱衝撃を十分に解放することができる。
【０００８】
図１は、本発明の実施形態の一例を示す断面図で、断面寸法の大きいセラミックス焼結体セグメント３ａと、断面寸法の小さいセラミックス焼結体セグメント３ｂをランダムに配置して組み合わせ、一体化している。このような構成とした結果、セラミックス焼結体セグメント３ａ同士の間には、幅の狭い熱衝撃リリーフゾーン５ａが形成され、セラミックス焼結体セグメント３ａと３ｂとの間には、幅の広い熱衝撃リリーフゾーン５ｂが形成される。
【０００９】
また、図２は、本発明の実施形態の他の一例を示す断面図で、断面寸法の小さいセラミックス焼結体セグメント３ｂを、断面中央部に集中的に配置し、その周囲に断面寸法の大きいセラミックス焼結体セグメント３ａを配置している。そして、この結果、外周付近のセラミックス焼結体セグメント３ａ同士の間には、最も幅の狭い熱衝撃リリーフゾーン５ａが形成され、その内側のセラミックス焼結体セグメント３ａと３ｂとの間には、より幅の広い熱衝撃リリーフゾーン５ｂが形成され、中央部のセラミックス焼結体セグメント３ｂ同士の間には、最も幅の広い熱衝撃リリーフゾーン５ｃが形成される。
【００１０】
ひとつの断面において、熱衝撃リリーフゾーンの幅が広い部分と狭い部分が偏在すると、それに対応して上記強度等の諸特性も偏るので、図１の例のように両者はある程度混在していることが好ましいが、用途によっては、特に熱衝撃が集中する局所で熱衝撃リリーフゾーンの幅を広くする手法もとり得る。例えば、配管の途中にレイアウトされ、構造体の断面方向中央部に熱衝撃が集中するような場合には、図２の例のように、中央部に幅広の熱衝撃リリーフゾーンを多く設け、外周部に幅の狭い熱衝撃リリーフゾーンを多く設けるというのも好ましい実施形態である。
【００１１】
このような本発明の手法は、複数水準の幅の熱衝撃リリーフゾーンが存在するが故に、種々のセラミックス焼結体セグメントの材質や熱衝撃リリーフゾーンに介在されるシール材等の材質、更にセラミックス構造体の用途に対して、逐一最適な熱衝撃リリーフゾーンの幅を見極め、その幅で一様に設定する従来の手法に比較して、汎用性が高く、また、断面方向の熱衝撃の分布にも好適かつ柔軟に対応できるというメリットを有する。なお、本発明においては、セラミックス構造体の断面方向における熱衝撃リリーフゾーンの幅の変化について規定しているが、後述の排ガス浄化用部品等としてガス流路に配置して用いる場合には、熱衝撃の分布は当然ガス流れ方向にも存在するので、基本的に断面方向と同じ理由にて、ガス流れ方向の変化も特徴としてよい。
【００１２】
本発明のセラミックス構造体を構成するセラミックス焼結体セグメントは、熱膨張係数が３．０×１０-6／℃以上のものである。熱膨張係数が３．０×１０-6／℃未満の比較的熱膨張が小さいセラミックス焼結体セグメントを用いて構成したセラミックス構造体では、割れ等の損傷を招くような大きな熱衝撃は生じにくいからである。本発明は、熱膨張係数が４．０×１０-6／℃以上のセラミックス焼結体セグメントを用いて構成したセラミックス構造体に適用すると、より一層効果的である。
【００１３】
また、セラミックス焼結体セグメントは、ムライト、アルミナ、シリコンナイトライド及びシリコンカーバイド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、熱伝導率の高いシリコンカーバイドは、被熱を放熱しやすいという点で特に好ましい。
【００１４】
熱衝撃リリーフゾーンは、セグメント間をシール材やマット等で充填して形成してもよく、また、セグメント間に空間として存在させるようにしてもよいが、後述する触媒担体等の排ガス浄化用部品として本発明の構造体を用いる場合には、排ガスの吹き抜け防止の観点からシール材やマット等を充填してある方が好ましく、更にセラミックス構造体全体の強度の観点から、セラミックス焼結体セグメント同士を接合する作用のあるシール材を充填していることが好ましい。
【００１５】
シール材としては、具体的には、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配合して用いることも、接合作用が発現、向上して好ましい。
【００１６】
本発明では、セラミックス構造体のある断面における熱衝撃リリーフゾーンの最も広い部分の幅が、最も狭い部分の幅の２倍以上である。２倍未満では、十分な効果（セラミックス構造体の有効断面積や構造体全体の強度を著しく損なうことなく、熱衝撃を十分に解放する）が得られない。なお、３倍以上であれば、効果が大きく、一層好ましい。
【００１７】
熱衝撃リリーフゾーンの幅は、最も狭い部分でも０．１ｍｍ若しくは１セグメントの断面における最も長い辺（セグメントの断面が長方形であれば長い方の辺）の長さの０．５％以上であることが好ましい。それより幅が狭いと、（たとえその周囲に幅広の熱衝撃リリーフゾーンが存在したとしても）熱衝撃に対して弱すぎる局所を有することになる。
【００１８】
逆に、熱衝撃リリーフゾーンの幅は、最も広い部分でも１５．０ｍｍ若しくは１セグメントの断面における最も短い辺（セグメントの断面が長方形であれば短い方の辺）の長さの５０％以下であることが好ましい。それより幅が広いと、（たとえその周囲に狭い幅のリリーフゾーンが存在したとしても）セラミックス構造体の有効断面積が著しく損なわれ、また、構造体全体としての強度が大幅に低減する。
【００１９】
本発明のセラミックス構造体の代表的な用途としては、排ガス浄化用触媒の触媒担体やディーゼルエンジンの排ガスに含まれるパティキュレートを捕集するためのフィルター（ディーゼルパティキュレートフィルター；以下、「ＤＰＦ」という。）等の排ガス浄化用の部品が挙げられる。このような用途に用いる場合、セラミックス焼結体セグメントには、ハニカム構造を成す多孔質のセラミックス焼結体を使用し、これを複数組み合わせて一体化することにより所望のハニカム構造体とする。ここで、「ハニカム構造」とは、隔壁により仕切られた多数の貫通孔（セル）を有する構造を意味する。
【００２０】
なお、セラミックス構造体が排ガス浄化用触媒の触媒担体やＤＰＦとして使用されるハニカム構造体である場合において、その断面方向に熱衝撃分布が発生する原因としては以下のようなものが挙げられる。
▲１▼排ガス流速が、通常、断面方向に分布を有するので、排ガス熱のみでもハニカム構造体の断面方向に温度分布を与える。
▲２▼更に、触媒担体として用いる場合には、分布を持って流入する排ガス中の成分が、燃焼をはじめとする化学変化を起こすため、温度分布が増幅する。
▲３▼ＤＰＦとして使用され、内部の隔壁上に堆積したパティキュレートをあるタイミングにて燃焼処理（再生）するシステムの場合には、排ガス流の分布に応じて堆積するパーティキュレートの量にも分布が生じ、パティキュレートの量が多い部分は、当然、燃焼処理時の発熱も大きくなる。
【００２１】
本発明の構造体を排ガス浄化用触媒の触媒担体として使用する場合には、ハニカム構造を成す多孔質のセラミックス焼結体セグメントに触媒成分を担持した後に各セグメントを組み合わせるようにしてもよく（この場合、触媒成分は多孔質のセラミックス焼結体セグメントのみに担持される。）、また、多孔質のセラミックス焼結体セグメントを組み合わせた後に触媒成分を担持してもよい（この場合、触媒成分は多孔質のセラミックス焼結体セグメントの他、セグメント間に充填材を介在させて熱衝撃リリーフゾーンを形成しているときは、その充填材にも担持される。）。
【００２２】
また、本発明の構造体を、ＤＰＦに用いようとする場合には、ハニカム構造を成す個々のセラミックス焼結体セグメントは、その端面が市松模様状を呈するように、隣接する貫通孔（セル）を互いに反対側となる一方の端部で目封じしておく。
【００２３】
このようなセグメントから構成される構造体の一端面よりディーゼルエンジンの排ガスを通気させると、排ガスは、当該一端面側の端部が封じられていない貫通孔より構造体内部に流入し、多孔質の隔壁を通過して、構造体の他端面側の端部が封じられていない他の貫通孔に入る。そして、この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補足され、パティキュレートを除去された浄化後の排ガスが構造体の他端面より排出される。
【００２４】
なお、補足されたパティキュレート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構造体を加熱してパティキュレートを燃焼除去し、フィルター機能を再生させるようにするが、この再生時のパティキュレートの燃焼を促進するために、構造体に触媒成分を担持させてもよい。
【００２５】
セラミックス焼結体セグメントがハニカム構造を成す場合、そのセル密度は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（０．９セル／ｃｍ2）未満になると、ハニカム構造体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（２３３セル／ｃｍ2）を超えると、ガスが流れる場合の圧力損失が大きくなる。
【００２６】
また、セラミックス焼結体セグメントがハニカム構造を成す場合、その隔壁の厚さは、５０〜２０００μｍが好ましく、２００〜８００μｍが更に好ましい。隔壁の厚さが５０μｍ未満になると、ハニカム構造体としての強度が不足し、２０００μｍを超えると、有効ＧＳＡが低下するとともに、ガスが流れる場合の圧力損失が大きくなる。
【００２７】
【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。
【００２８】
（実施例１）
寸法の異なる２種類のアルミナ製ハニカムセグメント（Ａタイプ：５０ｍｍ□×５０ｍｍL、Ｂタイプ：４８ｍｍ□×５０ｍｍL）を用い、これらを図４(ａ)〜(ｃ)に示すように３×３個配置して組み合わせ、接合材により一体化して構造体イ〜ハを得た。図中のＡ、Ｂはハニカムセグメントのタイプを表している。
【００２９】
図に示すように、構造体イは全てＡタイプのハニカムセグメントで構成したものであり、構造体ロはＡタイプのハニカムセグメント６個とＢタイプのハニカムセグメント３個とをランダムに配置して構成したものであり、構造体ハは全てＢタイプのハニカムセグメントで構成したものである。また、各構造体において、Ａタイプのハニカムセグメント同士の間に形成される熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗ1は０．２ｍｍ、ＡタイプのハニカムセグメントとＢタイプのハニカムセグメントとの間に形成される熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗ2は１．２ｍｍ、Ｂタイプのハニカムセグメント同士の間に形成される熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗ3は２．２ｍｍとし、更に各構造体の側面外周にも接合材を０．２ｍｍ厚（Ｂタイプの外側は１．２ｍｍ厚）となるように塗布し、各構造体の何れも外寸が１５０．８ｍｍ□に揃うようにした。なお、接合したものとは別途に、ハニカムセグメントから試料を切り出し、ガス流れ方向の熱膨張係数を測定したところ、８．０×１０-6／℃であった。
【００３０】
これらの構造体イ〜ハに対し耐熱衝撃性試験を行った。試験は、それぞれ７００℃、９００℃に加熱された電気炉中に各構造体を挿入して３０分間保持し、その後室温にて急冷するという操作を１サイクルとして、これを３０サイクル繰り返した後、目視にてクラックの有無を観察するという方法で行った。その結果を、構造体のハニカム部有効断面積総和とともに表１に示す。
【００３１】
【表１】
0004049501.tif 000002
【００３２】
表１に示すとおり、本発明の実施例に係る構造体ロは、ハニカム部有効断面積の損失が少なく、かつ良好な耐熱衝撃性を示した。
【００３３】
（実施例２）
寸法の異なる２種類のシリコンカーバイド製ハニカム（Ａ’タイプ：３０ｍｍ□×２００ｍｍL、Ｂ’タイプ：２６ｍｍ□×２００ｍｍL。シリコンカーバイド粉を主成分とする目封じ材を用い、各々端面が市松模様状となるように、隣接する貫通孔を互いに反対側となる一方の端部で目封じしてある。）を用い、これらを図５(ａ)〜(ｄ)に示すように５×５個配置して組み合わせ、接合材により一体化して構造体ニ〜トを得た。図中のＡ’、Ｂ’はハニカムセグメントのタイプを表している。
【００３４】
図に示すように、構造体ニは全てＡ’タイプのハニカムセグメントで構成したものであり、構造体ホはＡ’タイプのハニカムセグメント２０個とＢ’タイプのハニカムセグメント５個とをランダムに配置して構成したものであり、構造体ヘはＢ’タイプのハニカムセグメント５個を中央部に集中的に配置し、その周囲にＡ’タイプのハニカムセグメント２０個を配置して構成したものであり、構造体トは全てＢ’タイプのハニカムセグメントで構成したものである。また、各構造体において、Ａ’タイプのハニカムセグメント同士の間に形成される熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗ4は０．３ｍｍ、Ａ’タイプのハニカムセグメントとＢ’タイプのハニカムセグメントとの間に形成される熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗ5は２．３ｍｍ、Ｂ’タイプのハニカムセグメント同士の間に形成される熱衝撃リリーフゾーンの幅Ｗ6は４．３ｍｍとし、更に各構造体の側面外周にも接合材を０．３ｍｍ厚（Ｂ’タイプの外側は２．３ｍｍ厚）となるように塗布し、各構造体の何れも外寸が１５１．８ｍｍ□に揃うようにした。なお、接合したものとは別途に、ハニカムセグメントから試料を切り出し、ガス流れ方向の熱膨張係数を測定したところ、４．５×１０-6／℃であった。
【００３５】
これらの構造体を缶体にケーシングした。缶体は、構造体の側面外周を覆うとともに、その前後は、構造体側面外周の形状から直径６０ｍｍの管形状に連続的に変化しており、以降に記す耐熱衝撃性試験で使用するスートジェネレーターに取り付けることが可能な形態とした。なお、構造体トについてはケーシングの時点で接合部から破損したため、耐熱衝撃性試験には供しなかった。
【００３６】
こうしてケーシングした構造体ニ〜ヘに対し耐熱衝撃性試験を行った。試験は、まず、構造体ニ〜ヘを各々スートジェネレーターに取り付けて、内部にスート（パティキュレート）を３５ｇ堆積させた。次に、６００℃に予熱したエアーを導入することによって、堆積スートを燃焼させた。この時、構造体の前端面より１７０ｍｍ（後端面より３０ｍｍ）の位置で、各ハニカムセグメントの中心近傍の後端面側が目封じされたセル（スートが堆積しているセル）に、熱電対を取り付けて測温したところ、構造体ニ〜ヘの何れも中央のハニカムセグメントが最も温度が上昇し、１４００℃に到達した。試験後、構造体ニ〜ヘの外観を観察したところ、構造体ニについては接合部とハニカムセグメントの双方にクラックの発生が認められた。この試験結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】
0004049501.tif 000003
【００３８】
表２に示すとおり、本発明の実施例に係る構造体ホ、ヘは、ハニカム部有効断面積の損失が少なく、ケーシングに耐える強度を維持し、かつ良好な耐熱衝撃性を示した。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のセラミックス構造体は、構造体の有効断面積や構造体全体の強度を著しく低下させることなく、熱衝撃を十分に解放することが可能であり、また、様々な用途や材質に対応可能な高い汎用性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るセラミックス構造体の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】  本発明に係るセラミックス構造体の実施形態の他の一例を示す断面図である。
【図３】  複数のセグメントから構成される従来のセラミックス構造体を示す断面図である。
【図４】  実施例１において使用したセラミックス構造体を示す断面図である。
【図５】  実施例２において使用したセラミックス構造体を示す断面図である。
【符号の説明】
３ａ…セラミックス焼結体セグメント、３ｂ…セラミックス焼結体セグメント、５ａ…熱衝撃リリーフゾーン、５ｂ…熱衝撃リリーフゾーン、５ｃ…熱衝撃リリーフゾーン。
【図１】
0004049501.tif 000004
【図２】
0004049501.tif 000005
【図３】
0004049501.tif 000006
【図４】
0004049501.tif 000007
【図５】
0004049501.tif 000008