WO2003076773A1 - Filtre purificateur de gaz d'echappement - Google Patents

Description

明 細 書

排ガス浄化用フィルター 技術分野

本発明は、 ディーゼルパティキユレ一トフィル夕一に代表される、 排ガス中の 固体微粒子 （パティキュレート） を除去するために使用される排ガス浄化用フィ ルターに関するものである。 背景技術

従来、 例えばディーゼルエンジンから排出される燃焼排ガスより炭素を主成分 とする固体微粒子を除去するために、 多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫 通孔を有するハニカム構造体の所定の貫通孔の一端部を目封じするとともに、 残 りの貫通孔の他端部を目封じすることにより、 貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とし た排ガス浄化用フィルター （以下、 単に 「フィルター」 という） が使用されてい る。

図 6は、 フィル夕一端面の目封じ状態を示す模式図であり、 フィルタ一の端面 が市松模様状を呈するように、 隣接する貫通孔 （セル） 3において、 互いに反対 側となる端部に目封じ材を充填してなる目封じ部 1 0を交互に形成し、 貫通孔 （ セル） 3を閉塞している状態を示している。 また、 図 5は、 従来の排ガス浄化用 フィルタ一の目封じ構造を示す模式図であり、 貫通孔 （セル） 3の一端部と残余 の貫通孔 （セル） 3の他端部に目封じ部 1 0が形成されることによって、 貫通孔 (セル） 3を仕切る隔壁 2が濾過層の役割を担っている。

近年のディーゼルエンジンの技術進歩、 特に燃料の高噴射化に起因し、 ディー ゼルエンジンから排出される固体粒子の微粒ィ匕が進んでおり、 このように細かな 固体微粒子を捕捉するために用いられる D P F (ディーゼルパティキュレートフ ィルター） の開発に期待が高まっている。

また、 環境問題への関心が高まるとともに、 排ガス規制も強化されつつあり、 前述の固体微粒子をより効果的に捕捉することが可能である、 高気孔率、 薄壁等 の特性を有するフィルターの開発が急ピッチで進められている。 しかしながら、 隔壁の高気孔率 ·薄壁化を実現する反面、 隔壁の強度も同時に 低下する傾向にあるため、 微弱な衝撃負荷によっても欠損、 ひび割れ等の不具合 が生じ易くなるといった弊害が起こり易い。 このため、 製品の梱包、 輸送をはじ めとして、 取り付け加工等の製品の取り扱い場面においても細心の注意を払う必 要性がある。

特に、 図 5における目封じ材が充填された目封じ部 1 0と、 目封じ材が充填さ れていない貫通孔 （セル） 3との境界にひび割れを生ずる場合があり、 それにと もなつて目封じ部の欠損、 脱落等の不具合を生ずる場合が多い。 これは、 目封じ 部 1 0と貫通孔 （セル） 3との強度差に起因した現象であると推測されるが、 隔 壁 2の高気孔率 ·薄壁化にともなってこのような問題が顕在化しており、 その具 体的な対応策が求められている。

本発明は、 このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、 その目的とするところは、 高気孔率、 薄壁といった特性を有しながらも、 梱包、 輸送、 取り扱いの際において目封じ部の欠損、 脱落等の不具合を生じ難い排ガス 浄化用フィルタ一を提供することにある。 発明の開示

即ち、 本発明によれば、 多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫通孔を有す るハニカム構造体の所定の貫通孔の一端部と、 残余の貫通孔の他端部に目封じ部 を形成することにより、 前記貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とした排ガス浄化用フ ィルターであって、 前記目封じ部毎の目封じ長さが不均一であることを特徴とす る排ガス浄化用フィルターが提供される。

一方、 本発明によれば、 多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫通孔を有す る八二カム構造体の所定の貫通孔の一端部と、 残余の貫通孔の他端部に目封じ部 を形成することにより、 前記貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とした排ガス浄化用フ ィル夕一であって、 前記目封じ部の中心部における目封じ長さが、 前記目封じ部 の外周部における目封じ長さに比して徐々に短く形成されてなることを特徴とす る排ガス浄ィヒ用フィルターが提供される。

本発明においては、 排ガス浄化用フィルタ一の中心部における貫通孔の目封じ 長さが、 排ガス浄化用フィルタ一の外周部における貫通孔の目封じ長さに比して 徐々に短く形成されてなることが好ましい。

上述してきた本発明のハニカム構造体は、 コージエライト、 リン酸ジルコニゥ ム、 チタン酸アルミニウム、 L A S (リチウムアルミニウムシリケ一ト） 及び炭 化珪素よりなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなることが好ましい。 また、 本発明においては、 触媒が担持されていることが好ましく、 更にこの触 媒が、 P t、 P d、 R h、 K、 B a、 L i、 及び N aからなる群より選択される 少なくとも一種を含む触媒であることが好ましい。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの一実施形態を示す模式図であ る。

図 2は、 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの他の実施形態を示す模式図で ある。

図 3は、 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の一実施形態 を示す模式図である。

図 4は、 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の他の実施形 態を示す模式図である。

図 5は、 従来の排ガス浄化用フィルターの目封じ構造を示す模式図である。 図 6は、 フィルタ一端面の目封じ状態を示す模式図である。

図 7は、 衝撃強度試験の実施方法を説明する模式図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態について説明するが、 本発明は以下の実施の形態に 限定されるものではなく、 本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、 当業者の通常の知 識に基づいて、 適宜、 設計の変更、 改良等が加えられることが理解されるべきで ある。

本発明の排ガス浄化用フィルタ一は、 多孔質セラミック材料よりなる多数の貫 通孔を有するハニカム構造体の所定の貫通孔の一端部を目封じするとともに、 残 りの貫通孔の他端部を目封じすることにより、 貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とし たものである。 目封じは従来公知のディーゼルパティキュレートフィル夕一と同 様、 図 6に示すように、 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） 3において、 互いに反対側となる端部に目封じ材を充填してなる目封じ 部 1 0を交互に形成し、 貫通孔 （セル） 3を閉塞させることが好ましい。

このようなフィルターの一端面より排ガスを通気させると、 固体微粒子を含む 排ガスは、 この一端面側の端部が封じられていない貫通孔よりフィルター内部に 流入し、 多孔質の隔壁を通過して、 フィルター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固体微粒子 が隔壁に捕捉され、 固体微粒子を除去された浄化後の排ガスがフィルタ一の他端 面より排出される。

図 1は、 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの一実施形態を示す模式図であ り、 貫通孔 （セル） 3の一端部と残余の貫通孔 （セル） 3の他端部に目封じ部 1 0が形成されている状態を示している。 このように、 本実施形態のフィル夕一は 目封じ部 1 0毎の目封じ長さが不均一となるように構成されていることを特徴と している。 即ち、 目封じ材が充填された目封じ部 1 0と、 目封じ材が充填されて いない貫通孔 （セル） 3との境界が貫通孔 （セル） 毎に不均一となっている。 従 つて、 この境界にひび割れが生じ難く、 それにともなって目封じ部の欠損、 脱落 等の不具合が生じ難いといった効果を奏する。

次に、 本発明に係るフィルタ一の他の実施形態を説明する。 本発明のフィルタ 一は、 目封じ部の中心部における目封じ長さが、 目封じ部の外周部における目封 じ長さに比して徐々に短く形成されていることを特徴としている。

図 3は、 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の一実施形態 を示す模式図であり、 貫通孔 （セル） 3の一端部に、 目封じ部の中心部 Xにおけ る目封じ長さが、 同じ目封じ部の外周部 Yにおける目封じ長さに比して徐々に短 く形成されている状態を示している。

なお、 ここでいう目封じ部の 「外周部」 とは、 貫通孔と平行方向にフィルター の端面を観察した場合、 貫通孔を構成する隔壁に当接する部分とその近傍を意味 し、 また、 目封じ部の 「中心部」 とは、 貫通孔の中央に近く、 前記 「外周部」 よ 5 りも内側の部分を意味する。

このように、 本実施形態のフィル夕一は、 目封じ材が充填された目封じ部 1 0 と、 目封じ材が充填されていない貫通孔 （セル） 3との境界においてフィルター の強度が徐々に変化するように構成されている。 従って、 この境界にひび割れが 生じ難く、 それにともなって目封じ部の欠損、 脱落等の不具合が生じ難いといつ た効果を奏する。

図 4は、 本発明に係る排ガス浄化用フィルターの目封じ部の構造の他の実施形 態を示す模式図であり、 貫通孔 (セル) 3の一端部に、 目封じ部の中心部 Xにお ける目封じ長さが、 同じ目封じ部の外周部 Yにおける目封じ長さに比して徐々に 短く形成されている状態であって、 目封じ材が充填されていない部分の形状を錐 形とした一例である。 このように、 目封じ部の形状を変化させた場合においても 、 上述してきた目封じ部の欠損、 脱落等の不具合が生じ難いといった同等の効果 を奏することはいうまでもない。

図 2は本発明に係る排ガス浄化用フィル夕一の他の実施形態を示す模式図であ り、 図 1の場合と同様に、 貫通孔 （セル） 3の一端部と残余の貫通孔 （セル） 3 の他端部に目封じ部 1 0が形成されている状態を示しているが、 本実施形態にお いては、 ハニカム構造体の中心部 Aにおける貫通孔 3の目封じ長さが、 ハニカム 構造体の外周部 Bにおける貫通孔 3の目封じ長さに比して徐々に短く形成されて なることが好ましい。 即ち、 このような実施形態とすることによつても目封じ材 が充填された目封じ部 1 0と、 目封じ材が充填されていない貫通孔 （セル） 3と の境界が貫通孔 (セル) 毎に不均一となるため、 この境界にひび割れが生じ難く 、 それにともなって目封じ部の欠損、 脱落等の不具合が生じ難いといった効果を 奏する。

なお、 本発明にいうハニカム構造体の 「外周部」 とは、 図 6において示す、 貫 通孔と平行方向にハニカム構造体 （排ガス浄化用フィルター 1 ) の端面を観察し た場合におけるハニカム構造体 （排ガス浄化用フィルター 1 ) の外周壁 2 0の近 傍のことであり、 また、 ハニカム構造体の 「中心部」 とは、 前記 「外周部」 より も内側の部分のことである。

このようなフィルターの一端面よりディ一ゼルエンジンの排ガスを通気させる と、 排ガスは、 この一端面側の端部が封じられていない孔よりフィルタ一内部に 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 他の孔に入る。 そして、 この隔壁を通過する際に排ガス中の固体微粒子が隔壁に 捕捉され、 固体微粒子を除去された浄化後の排ガスがフィルターの他端面より排 出される。

なお、 捕捉された固体微粒子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、 定期的にヒータ一等の加熱手段でフィ ルターを加熱して固体微粒子を燃焼除去し、 フィル夕一機能を再生させるように するが、 この再生時の固体微粒子の燃焼を促進するために、 フィルタ一に触媒を 担持させてもよい。 このような触媒としては、 P t；、 P d、 R h、 K、 B a、 L i、 及び N aからなる群より選択される少なくとも一種を含む触媒であることが 、 効率的なフィルター機能の再生を図るといった観点から好ましい。

また、 本発明のような市松模様状にセルを目封じしたハニカム構造のフィル夕 一の場合、 流入側に開口したセルと排出側に開口したセルの両方にセラミック粒 子層がコーティングされていても構わないが、 排ガス中の固体微粒子は前者に蓄 積されるため、 前者のみにコ一ティングすることも、 コーティングによる圧力損 失上昇を最小限に抑える観点からは好ましいことである。

本発明のフィルタ一の主体をなすハニカム構造体の構成材料としては、 コ一ジ エライト、 リン酸ジルコニウム、 チタン酸アルミニウム、 L A S及び炭化珪素よ りなる群から選ばれた少なくとも一種の材料であることが好ましい。 コージエラ イト、 リン酸ジルコニウム、 チタン酸アルミニウム及び L A Sは熱膨張率が低い ため、 これらよりなる群から選ばれた一種の材料、 又はこれらの材料を二種以上 混合した複合材料をハニカム構造体の構成材料として用いると、 耐熱衝撃性に優 れたフィルターが得られるからである。 また、 リン酸ジルコニウム、 チタン酸ァ ルミニゥム及び炭化珪素をハニカム構造体の構成材料として使用した場合は、 融 点が高いため、 耐熱性に優れたフィルターが得られる。 ハニカム構造体の貫通孔 (セル） の目封じに用いる目封じ材は、 ハニカム構造体の構成材料と一致させる と、 両者の熱膨張率が一致するため好ましい。

なお、 本発明に係るフィル夕一は、 従来の目封じ部の構造を有するフィルター P03 01503

7 に比して梱包 ·輸送 ·取り扱い中において、 目封じ部の欠損、 脱落等の不具合を 生じ難い。 従って、 フィルター製造後の保守にかかるコストも低減されるといつ た効果を奏する。

次に、 本発明のフィル夕一の詳細を、 その製造方法を例に挙げて説明する。 ハニカム構造を有するフィルタ一は、 押出成形方法によってその基本構造を形 成する。 ここでいう基本構造とは、 セル構造、 即ちリブ厚み、 セル密度、 径、 及 び、 長さのことであり、 これらを押出成形時に形成する。 一般的には成形時の寸 法と焼成後の寸法の比率を考慮して、 焼成後に所望の寸法を達成できるように成 形を行えばよい。

こうして得られたハニカム構造成形体を適当な条件下で加熱乾燥した後、 フィ ルター機能を付与するための目封じを行う。 なお、 目封じは成形乾燥後に行う場 合と焼成後に行う場合があるが、 いずれの場合であってもよい。

次に、 一般的な目封じ材の充填方法の一例を説明する。 ハニカム構造体の端面 に市松模様状に開口した薄膜フィルムを貼り付け、 端面からスラリ一状の目封じ 材に浸漬してフィルム開口部に相当するハニカムの貫通孔にスラリーを進入させ ることで目封じ材を充填する。 目封じ長さは、 ハニカム構造体をスラリーに浸漬 する深さで制御すればよい。

目封じ材を、 全ての貫通孔について一様な長さに充填するためには、 前述の通 り、 一度のフィルム貼り付けとスラリーの浸漬で可能であるが、 図 1、 2に代表 されるような構造の本発明に係るフィルターを得るためには 2回以上の浸漬作業 を行えばよい。 即ち、 2回以上の浸漬を行う場合は、 例えばハニカム構造体の端 面の中心部と外周部の二種以上の開口パターンを有する薄膜フィルムを用意し、 これを使用して、 浸漬深さを変えることで目封じ長さの分布を有するハニカム構 造のフィルタ一を得ることができる。

その他の方法としては、 フィルム開口部の面積を、 中央部は小さく、 周辺部は 大きくしてスラリーの貫通孔に流れ込む量を制御することによつても、 目封じ長 さの分布を有するハニカム構造のフィルターを得ることができる。

また、 図 3、 4に示す目封じ部構造とするためには、 ハニカム構造体の端面に 市松模様状に開口したゴム膜を貼り付け、 端面からスラリ一状の目封じ材を流し 込めばよく、 その際に、 ゴム膜の開口面積を変えることで各セルに流れ込むスラ リー量を調整することが可能であり、 これにより目封じ部構造を図 3、 4に示す 構造とすることができる。

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〜 1 0 )

従来公知の方法により坏土を作製し、 押出成形法により、 直径 1 4 5 mm、 長 さ 1 5 2 mm、 壁厚 0 . 3 1 mm、 及び、 セル密度 3 0 0セル/平方ィンチであ るハニカム構造に成形した。 次に、 得られた成形体を乾燥後、 開口パターンの異 なる複数枚の薄膜フィルムを用いて、 本体と同材質の目封じ材にて、 表 1に示す 目封じ長さ分布を有するように貫通孔の端部を封止し、 これを 1 4 0 0 °Cで焼成 することによって、 コージェライト製のハニカム構造を有するフィルターを作製 した。 なお、 表 1における 「目封じ長さ （mm) 」 とは、 貫通孔と平行方向にフ ィルタ一の端面を観察したとき、 中央部を （A) 、 中央部から 2 4 mmの位置を

(B ) 、 中央部から 4 8 mmの位置を （C ) 、 最外周部を （D) とした場合の、 各部における目封じ長さのことを意味する。 なお、 表 1において、 フィル夕一の 気孔率 （％) 、 及び平均細孔径 （ m) は水銀圧入法により測定した値である。

(実施例 1 1〜 1 3 )

前記実施例 1〜 1 0の場合と同様の手順により、 リン酸ジルコニウム、 チタン 酸アルミニウム、 L A S製のハニカム構造を有するフィルターを作製した。

(実施例 1 4、 1 5 )

前記実施例 1〜1 0の場合と同様の手順により、 ガラス結合 S i C製のハニカ ム構造を有するフィルターを作製した。

なお、 S i C材料は焼成によりその焼結体を得ることができるが、 一般的には その焼成温度は高く、 2 0 0 0 °C以上である。 一方、 純粋な S i C原料にガラス 形成材料を加えて焼成した場合、 ガラスの軟化温度が低く低温での焼成が可能と なり、 得られる焼結体の微構造は、 原料 S i Cがガラス相で部分的に結合された 二相構造の多孔体である。 本実施例においては、 原材料となる S i Cに、 コージ ェライト質の原料を 1 5質量％加えて用いることにより、 ガラス結合 S i C製の ハニカム構造を有するフィルタ一を作製した。

(実施例 1 6、 1 7 )

複数枚の前記薄膜フィルムに代えて、 この薄膜フィルムに比して開口面積が小 さい開口部を有する、 開口パターンの異なる複数枚のゴム膜を用いること以外は 、 前記実施例 1〜 1 0の場合と同様の手順により、 コ一ジエライト製のハニカム 構造を有するフィルタ一を作製した。

(比較例 1〜 5 )

全ての貫通孔について目封じ長さを同一とすること以外は、 実施例 1〜 1 0の 場合と同様の方法によって、 コ一ジェライ卜製のハニカム構造を有するフィルタ —を作製した。

(比較例 6〜 8 )

全ての貫通孔について目封じ長さを同一とすること以外は、 実施例 1 1〜 1 3 の場合と同様の方法によって、 リン酸ジルコニウム、 チタン酸アルミニウム、 及 び L A S製のハニカム構造を有するフィルタ一を作製した。

(比較例 9、 1 0 )

全ての貫通孔について目封じ長さを同一とすること以外は、 実施例 1 4、 1 5 の場合と同様の方法によって、 ガラス結合 S i C製のハニカム構造を有するフィ ルターを作製した。

(衝撃強度試験）

実施例 1〜 1 7、 及び比較例 1〜1 0の各フィルタ一について、 図 7に示すよ うに、 シャルピ一試験機のハンマー 1 5を利用してフィルタ一 1の端部 1 6に対 して、 側面方向に衝撃を加えた。 衝撃後のフィルターを目視観察して、 損傷程度 、 即ち、 ダメージを評価した。 結果を表 1に示す。 なお、 評価基準は、 損傷が生 じなかった場合を 「◎」 、 微少であった場合を 「〇」 、 中程度であった場合を 「 △」 、 著しかった場合を 「X」 として、 表 1中の、 「衝撃に対するダメージの評 価」 に記載した。 T JP03/01503

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(表 1 )

* 2 目封じ部は図 4に示す形状であり、 その中心部 Xにおける目封じ長さ （X ) と外周部 Yにおける 目封じ長さ （y) の比率 (x /y) は 0. 7である。 表 1に示す結果から明らかなように、 本発明に係る実施例のフィルタ一は、 比 較例のフィルターに比して、 端部、 即ち目封じ部への衝撃に対するダメージが少 なく、 本発明の優位性を確認することができた。

また、 コージエライト以外の材料として、 リン酸ジルコニウム、 チタン酸アル ミニゥム、 L A S、 及びガラス結合 S i Cを用いて作製した場合であっても、 優 れた耐衝撃性を有するフィルターであることを確認できた。 産業上の利用可能性 以上説明したように、 本発明の排ガス浄化用フィルターによれば、 その目封じ 部を所定の構造としているために、 高気孔率、 薄壁であるといった特性を有しな がらも、 従来の目封じ部の構造を有する排ガス浄化用フィル夕一に比して梱包 · 輸送 '取り扱い中において、 目封じ部の欠損、 脱落等の不具合を生じ難いといつ た効果を奏する。 また、 梱包 ·輸送'取り扱い等のフィルターの保守にかかるコ ストの低減も可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫通孔を有するハニカム構造体の 所定の貫通孔の一端部と、 残余の貫通孔の他端部に目封じ部を形成することによ り、 前記貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とした排ガス浄化用フィル夕一であって、 前記目封じ部毎の目封じ長さが不均一であることを特徴とする排ガス浄化用フ ィルター。

2 . 多孔質セラミックス材料よりなる多数の貫通孔を有するハニカム構造体の 所定の貫通孔の一端部と、 残余の貫通孔の他端部に目封じ部を形成することによ り、 前記貫通孔を仕切る隔壁を濾過層とした排ガス浄化用フィルタ一であって、 前記目封じ部の中心部における目封じ長さが、 前記目封じ部の外周部における 目封じ長さに比して徐々に短く形成されてなることを特徴とする排ガス浄化用フ ィルター。

3 . 前記排ガス浄化用フィルターの中心部における前記貫通孔の目封じ長さが 前記排ガス浄化用フィルターの外周部における前記貫通孔の目封じ長さに比し て徐々に短く形成されてなる請求項 1又は 2に記載の排ガス浄化用フィルター。

4. 前記ハニカム構造体が、 コージエライト、 リン酸ジルコニウム、 チタン酸 アルミニウム、 L A S及び炭化珪素よりなる群より選択される少なくとも一種の 材料からなる請求項 1〜 3のいずれか一項に記載の排ガス浄化用フィルター。

5 . 触媒が担持されている請求項 1〜4のいずれか一項に記載の排ガス浄化用 フィルタ一。

6 . 前記触媒が、 P t：、 P d、 R h、 K、 B a、 L i、 及ぴ N aからなる群よ り選択される少なくとも一種を含む触媒である請求項 5に記載の排ガス浄化用フ ィルター。