(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカム状に形成された多孔質炭化珪素焼結体の孔部内面に強度増加用のシリカ膜が形成され、そのシリカ膜を含む多孔質炭化珪素焼結体の酸素濃度は１wt％〜１０wt％であるハニカムフィルタ。
【請求項２】
前記シリカ膜を含む多孔質炭化珪素焼結体中の酸素は炭化珪素粒子の表層部に存在する請求項１に記載のハニカムフィルタ。
【請求項３】
予めハニカム状に形成した多孔質炭化珪素焼結体を酸化雰囲気にて８００℃〜１６００℃で５〜１００時間加熱することにより、この焼結体の孔部内面において前記焼結体の炭化珪素の一部を酸化して強度増加用のシリカ膜を形成するようにしたハニカムフィルタの製造方法。
【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等の内燃機関における排気ガスを浄化処理するために使用されるハニカムフィルタに係り、詳しくはその強度向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するために、耐熱性及び熱伝導性に優れた多孔質炭化珪素焼結体をハニカム状に形成したハニカムフィルタが用いられている。このハニカムフィルタをディーゼルエンジンの排気側に接続し、このフィルタによって排気ガス中のスス（カーボン）,ＮＯｘ及びＨＣ等を酸化分解するようになっている。
【０００３】
このようなハニカムフィルタの破壊強度を向上するためには、炭化珪素の焼成温度及び焼成時間を最適化することにより炭化珪素粒子同士のネック（結合部分）を成長させたり、炭化珪素粒子の粒度分布を最適化することによりネックの数を増加させたりする方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いずれの方法を用いて多孔質炭化珪素焼結体を製造しても、多孔質炭化珪素焼結体の強度の上限があり、さらなる強度の向上を望むことはできない。また、多孔質炭化珪素焼結体よりなるハニカムフィルタには、排気ガス中のパティキュレートの濾過に適した気孔径及び気孔率が存在する。このような気孔径、気孔率を備えた多孔質炭化珪素焼結体を得るためには、炭化珪素粒子の粒度分布や炭化珪素の焼成温度及び焼成時間にも制限が加えられる。
【０００５】
従って、このように製造されたハニカムフィルタの中には十分な強度がないため、捕集されたパティキュレート中のススの燃焼再生時に発生する熱応力に耐え切れず、破壊してしまうものがある。
【０００６】
本発明は上記の事情を考慮してなされたものであって、その目的は多孔質炭化珪素焼結体よりなるハニカムフィルタの強度を向上することができ、極めて簡単な方法によって多孔質炭化珪素焼結体の孔部内面に所望の厚さのシリカ膜を確実に形成することが可能なハニカムフィルタ及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ハニカム状に形成された多孔質炭化珪素焼結体の孔部内面に強度増加用のシリカ膜が形成され、そのシリカ膜を含む多孔質炭化珪素焼結体の酸素濃度は１wt％〜１０wt％としたことを要旨とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のハニカムフィルタにおいて、前記シリカ膜を含む多孔質炭化珪素焼結体中の酸素は炭化珪素粒子の表層部に存在することを要旨とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、予めハニカム状に形成した多孔質炭化珪素焼結体を酸化雰囲気にて８００℃〜１６００℃で５〜１００時間加熱することにより、この焼結体の孔部内面において前記焼結体の炭化珪素の一部を酸化して強度増加用のシリカ膜を形成するようにしたハニカムフィルタの製造方法を要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の製造方法によってハニカムフィルタを製造すると、多孔質炭化珪素焼結体の孔部内面において、炭化珪素の一部が酸化されて、炭化珪素粒子の表層部にシリカ膜が形成される。シリカ膜を含む多孔質炭化珪素焼結体の酸素濃度は１wt％〜１０wt％の範囲であることが必要である。このシリカ膜によって炭化珪素粒子間のネックが成長するとともに、ネックの結合角度が大きくなってネックの結合端部が滑らかになり、結合強度が向上するとともに、応力集中が緩和され、ハニカムフィルタの破壊強度が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、ハニカムフィルタ１の基材２は高い融点（〜３０００℃）を有する多孔質炭化珪素焼結体によってハニカム状に形成されると共に、全体として四角柱状をなしている。なお、基材２は２０００〜２１００℃の温度で焼結されている。そして、この基材２には軸線方向に平行に延びる多数のガス通過孔３が形成され、各ガス通過孔３の供給側及び排出側のいずれか一端が炭化珪素質の小片４によって交互に封止されている。この基材２において、各ガス通過孔３の内壁面には所定の酸素濃度（１〜１０wt％）を有するシリカ膜が形成されている。
【００１２】
そこで、基材２の製造方法について説明すると、先ず、炭化珪素粉末を主成分とする原料により、公知の方法に従ってハニカム状基材２を焼成する。このとき、図３，４に示すように、基材２における炭化珪素粒子６同士は互いにネック７にて結合しており、炭化珪素粒子６間のネック７の結合角度は小さくネック７の結合端部は先鋭状になっている。従って、この状態で基材２に曲げ荷重が作用すると、ネック７の結合端部に応力が集中する。
【００１３】
そして、この基材２を炭化珪素製の炉に入れ、炉内を空気雰囲気、すなわち酸化雰囲気とするとともに、炉内の温度を５〜１００時間にわたって８００〜１６００℃の範囲の温度に保持する。
【００１４】
この加熱温度が８００℃未満であると、酸化反応が起こり難く、１６００℃を越えると、酸化反応が進みすぎて、シリカ膜が焼結体内部まで形成されて、強度低下を招く。
【００１５】
上記の加熱処理により、図５，６に示すように、各ガス通過孔３の内壁面及び基材２の表面において、炭化珪素粒子６の表層部が酸化され、所定の酸素濃度（１〜１０wt％）のシリカ膜８が形成される。このシリカ膜８によって炭化珪素粒子６間のネック７が成長するとともに、ネック７の結合角度が大きくなってネック７の結合端部が滑らかになる。従って、ネック７の結合強度が向上するとともに、ネック７の結合端部での応力集中が緩和され、基材２の破壊強度が向上する。このシリカ膜の生成量は前記空気量，加熱時間，加熱温度等に依存して変化するため、これらを制御することにより、所望の酸素濃度の均一なシリカ膜８を形成できる。
【００１６】
その後、前記シリカ膜８に、白金に代表される白金族元素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を担持させ、ガス通過孔３の供給側及び排出側のいずれか一端を炭化珪素質の小片４によって交互に封止すれば、内燃機関等の排気ガスを浄化するためのハニカムフィルタ１が形成される。
【００１７】
そして、排気ガスが排気通路５内において、図１に矢印Ａで示すように、その供給側からハニカムフィルタ１内に導入されると、ガス通過孔３間の壁部により、排気ガス中のススやＨＣ等が濾過されると共に、シリカ膜８上の触媒により、燃焼再生される。そして、浄化された排気ガスが矢印Ｂで示すように、ハニカムフィルタ１から排出される。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
炭化珪素粉末を主成分とする原料の押出成形加工により、図２において辺Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ３３mmの正方形状をなし、図１において長さＬ３が１５０mmの四角柱状をなすハニカム状基材２を形成した。このハニカム基材２において、辺Ｌ１，Ｌ２に沿って正方形状の開口部を有する１８個のガス通過孔３を形成し、ガス通過孔３の開口部の一辺Ｗを１．８mm、壁厚Ｄを０．３６mmに設定した。この基材２を炭化珪素製の炉内に入れ、炉内を空気雰囲気とするとともに、１４００℃で３０時間にわたって加熱した。
【００１９】
その結果、表１に示すように、基材２の重量は１２６．１３５ｇから５．３３１ｇ増加して１３１．４６６ｇとなり、ガス通過孔３の内面全体に、酸素濃度として４．２３wt％のシリカ膜８が形成された。
【００２０】
次に、上記のようにして得られた基材２の破壊荷重をオートグラフを用いて３点曲げ法で測定した。なお、下部スパンは１３５mmとし、ヘッドスピードは０．５mm／分に設定した。シリカ膜８を含む基材２の破壊強度は、図７に示すように約５５０kg／cm2 であった。ちなみに、前記基材２と同様の形状寸法及びほぼ重量を備えシリカ膜を形成していない基材の破壊強度は、図７に示すように３５０kg／cm2 であった。
【００２１】
上記の基材２の圧力損失は、図８に示すように１０．５ＫＰａであった。図９に示すように、このときの気孔径は約８．５μmであり、気孔率は約４４．５％であった。ちなみに、シリカ膜を形成していない基材の圧力損失は９．８ＫＰａであり、このときの気孔径は約９μm、気孔率は約４６％であった。
【００２２】
（実施例２）
実施例１の基材２と同様の形状寸法を備えた多孔質炭化珪素焼結体よりなる基材２を、空気雰囲気の炉内で１４５０℃で９０時間にわたって加熱した。
【００２３】
その結果、表１に示すように、基材２の重量は１２５．１２１ｇから１０．５５２ｇ増加して１３５．６７３ｇとなり、ガス通過孔３の内面全体に、酸素濃度として８．４３wt％のシリカ膜が形成された。
【００２４】
次に、上記のようにして得られた基材２の破壊荷重を実施例１と同様にして測定した。この実施例のシリカ膜８を含む基材２の破壊強度は、図７に示すように約４５０kg／cm2 であった。
【００２５】
上記の基材２の圧力損失は、図８に示すように１２．６ＫＰａであった。図９に示すように、このときの気孔径は約８．１μmであり、気孔率は約４４％であった。
【００２６】
（比較例１）
実施例１の基材２と同様の形状寸法を備えた多孔質炭化珪素焼結体よりなる基材２を、空気雰囲気の炉内で１３００℃で３００時間にわたって加熱した。
【００２７】
その結果、表１に示すように、基材２の重量は１２５．５６２ｇから１６．２５７ｇ増加して１４１．８１９ｇとなり、ガス通過孔３の内面全体に、酸素濃度として１２．９４wt％のシリカ膜が形成された。
【００２８】
次に、上記のようにして得られた基材２の破壊荷重を実施例１と同様にして測定した。この実施例のシリカ膜８を含む基材２の破壊強度は、図７に示すように約４６０kg／cm2 であった。
【００２９】
上記の基材２の圧力損失は、図８に示すように９．９ＫＰａであった。図９に示すように、このときの気孔径は約８．９μmであり、気孔率は約４５．５％であった。
【００３０】
（比較例２）
実施例１の基材２と同様の形状寸法を備えた多孔質炭化珪素焼結体よりなる基材２を、空気雰囲気の炉内で１３００℃で４時間にわたって加熱した。
【００３１】
その結果、表１に示すように、基材２の重量は１２５．４７９ｇから１．００２ｇ増加して１２６．４８１ｇとなり、ガス通過孔３の内面全体に、酸素濃度として０．７９９wt％のシリカ膜が形成された。
【００３２】
次に、上記のようにして得られた基材２の破壊荷重を実施例１と同様にして測定した。この実施例のシリカ膜８を含む基材２の破壊強度は、シリカ膜を形成していない基材の破壊強度３５０kg／cm2 以下であった。
【００３３】
上記の基材２の圧力損失は、図８に示すように１５ＫＰａよりはるかに上回っていた。図９に示すように、このときの気孔径も８μmを下回っており、気孔率は４４％を下回っていた。
【００３４】
【表１】
0004071381.tif 000002
上記の実施例１，２及び比較例１，２の破壊強度の測定結果に基づいて、図７に示すように基材２の破壊強度と酸素濃度との関係を得ることができる。基材２の酸素濃度が１〜１０wt％の範囲であると、破壊強度は３９０kg／cm2 〜５５０kg／cm2 の範囲となり、シリカ膜が形成されていない基材の破壊強度の１．１１〜１．５７倍の破壊強度を得ることができる。また、基材２の酸素濃度が２〜８wt％の範囲であると、破壊強度は４８０kg／cm2 〜５５０kg／cm2 の範囲となり、シリカ膜が形成されていない基材の破壊強度の１．３７〜１．５７倍の破壊強度を得ることができる。さらに、基材２の酸素濃度が４〜６wt％の範囲であると、破壊強度は５４０kg／cm2 〜５５０kg／cm2 の範囲となり、シリカ膜が形成されていない基材の破壊強度の１．５４〜１．５７倍の破壊強度を得ることができる。
【００３５】
また、実施例１，２及び比較例１，２の圧力損失の測定結果に基づいて図８に示すように基材２の圧力損失と酸素濃度との関係を得ることができる。さらに、実施例１，２及び比較例１，２の気孔径及び気孔率の測定結果に基づいて図９に示すように基材２の気孔径及び気孔率と酸素濃度との関係を得ることができる。図８及び図９に基づいて、基材２の気孔径及び気孔率が低下すればするほど、圧力損失が大きくなることが分かる。
【００３６】
以上のことから、破壊強度を向上しつつ、圧力損失が１５ＫＰａ未満の基材２を得るためには、酸素濃度として１〜１０wt％のシリカ膜８を基材２の炭化珪素粒子の表層部に形成すればよい。また、１〜１０wt％のシリカ膜８は、基材２を酸化雰囲気にて８００℃〜１６００℃で５〜１００時間加熱することにより得ることができる。
【００３７】
また、酸素濃度として２〜８wt％のシリカ膜８を形成した基材２は、シリカ膜が形成されていない基材の破壊強度の１．３７〜１．５７倍の破壊強度を得ることができるとともに、圧力損失を１２．５ＫＰａ未満とすることができ、良好な特性のハニカムフィルタを得ることができる。
【００３８】
さらに、酸素濃度として４〜６wt％のシリカ膜８を形成した基材２は、シリカ膜が形成されていない基材の破壊強度の約１．５倍以上の破壊強度を得ることができるとともに、圧力損失を１２．５ＫＰａ未満とすることができ、より良好な特性のハニカムフィルタを得ることができる。
【００３９】
なお、上記実施形態は次のように変更してもよく、その場合でも同様の作用および効果を得ることができる。
・  上記実施形態では、基材２は全体として四角柱状に形成したが、円柱状に形成した基材に実施してもよい。
【００４０】
・  上記実施形態では、基材２を空気雰囲気で加熱することにより炭化珪素粒子を酸化させたが、炭化珪素粒子の酸化はこれに限定されるものではない。
次に、上記実施形態から把握できる他の技術的思想を以下に記載する。
【００４１】
・  請求項１及び２のいずれか１項に記載のハニカムフィルタにおいて、
前記シリカ膜を含む多孔質炭化珪素焼結体の酸素濃度は２wt％〜８wt％であるハニカムフィルタ。
【００４２】
・  請求項１及び２のいずれか１項に記載のハニカムフィルタにおいて、
前記シリカ膜を含む多孔質炭化珪素焼結体の酸素濃度は４wt％〜６wt％であるハニカムフィルタ。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１及び２のいずれかに記載の発明は、ハニカムフィルタの破壊強度を向上することができるという優れた効果を発揮する。
【００４４】
請求項３に記載の発明は、炭化珪素焼結体の強度低下を招くことなく、極めて簡単な方法によって孔部内面に所望のシリカ膜を確実に形成することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法によって製造されるハニカムフィルタの断面図。
【図２】同じくハニカムフィルタの側面図。
【図３】焼成時の多孔質炭化珪素焼結体を示す模式図。
【図４】同じく焼成時の多孔質炭化珪素焼結体を拡大して示す模式図。
【図５】シリカ膜を形成した多孔質炭化珪素焼結体を示す模式図。
【図６】同じくシリカ膜を形成した多孔質炭化珪素焼結体を拡大して示す模式図。
【図７】多孔質炭化珪素焼結体の破壊強度と酸素濃度との関係を示す線図。
【図８】多孔質炭化珪素焼結体の圧力損失と酸素濃度との関係を示す線図。
【図９】多孔質炭化珪素焼結体の気孔径及び気孔率と酸素濃度との関係を示す線図。
【符号の説明】
２…基材、３…ガス通過孔、６…炭化珪素粒子、７…ネック、８…シリカ膜。
【図１】
0004071381.tif 000003
【図２】
0004071381.tif 000004
【図３】
0004071381.tif 000005
【図４】
0004071381.tif 000006
【図５】
0004071381.tif 000007
【図６】
0004071381.tif 000008
【図７】
0004071381.tif 000009
【図８】
0004071381.tif 000010
【図９】
0004071381.tif 000011