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JPWO2008117559A1 - ハニカムフィルタ - Google Patents

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Abstract

ハニカムセグメント２は、長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が異なる２種類のセル５ａ，５ｂが形成されている。第１のセル（大セル）５ａは、セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が第２のセル（小セル）５ｂの断面積よりも大きく、角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成されており、第２のセル（小セル）５ｂは、四角形状に形成されている。第１のセル５ａと、その第１のセル５ａに隣接する第１のセル５ａとの１−１セル間壁の壁厚は、第１のセル５ａと、その第１のセル５ａに隣接する第２のセル５ｂとの１−２セル間壁の壁厚よりも大きく形成されている。本発明のハニカムフィルタは、隔壁における流体の流通を向上させることにより捕集性能を向上させるとともに、強度も増加させることができる。

Description

本発明は、ハニカムフィルタに関し、さらに詳しくは、流体の流入側の端面が微粒子等で閉塞されることを抑制し、かつ、高強度を維持することが可能なハニカムフィルタに関する。
内燃機関、ボイラー等の排ガス中の微粒子や有害物質は、環境への影響を考慮して排ガス中から除去する必要性が高まっている。特にディーゼルエンジンから排出される微粒子（以下「ＰＭ」ということがある。）の除去に関する規制は世界的に強化される傾向にあり、ＰＭを除去するための捕集フィルタ（以下「ＤＰＦ」ということがある。）としてハニカムフィルタの使用が注目され、種々のシステムが提案されている。上記ＤＰＦは、通常、多孔質の隔壁によって流体の流路となる複数の断面形状が四角形のセルが区画形成されたものであり、セルを交互に目封じすることで、セルを構成する多孔質の隔壁がフィルタの役目を果たす構造である。ここで、断面形状とは、セルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの、その断面の形状をいう。
ＤＰＦは、一方の端部側から微粒子を含有する排ガス等を流入させ、隔壁で微粒子を濾過した後に、浄化されたガスを他方の端部側から排出するものであるが、排ガスの流入に伴い、排ガス中に含有される微粒子が上記一方の端部（排ガスが流入する側の端部）に堆積し、セルを閉塞させるという問題があった。これは、排ガス中に多量の微粒子が含有される場合や、寒冷地において発生し易い現象である。このようにセルが閉塞すると、ＤＰＦにおける圧力損失が急激に大きくなるという問題があった。このようなセルの閉塞を抑制するために、上記排ガスが流入する側の端部において開口しているセル（流入側セル）の断面積と、上記他方の端部（排ガスが流出する側の端部）において開口しているセル（流出側セル）の断面積とを異ならせるものが提案されている。ここで、断面積とは、セルをその長手方向に垂直な平面で切断したときの、その断面の面積をいう。
しかし、セルの断面形状が四角形のハニカムフィルタの、流入側セルの断面積と流出側セルの断面積とを互いに異ならせるようにすると、セルを形成する隔壁の厚さが、隔壁同士が交差する部分（以下、「交点部」ということがある。）の一部で薄くなることになり、強度的に弱くなるという問題があった。そのため、ＤＰＦにＰＭが堆積したときにポストインジェクションを実施し、ＰＭを燃焼除去するが、この際に、薄くなった交点部の一部に応力が集中し、破壊し易くなるという問題があった。ここで、隔壁同士が交差する部分とは、ハニカムフィルタをその長手方向に垂直な平面で切断したときの断面において、交差する隔壁の双方に属する部分をいう。例えば、上記断面において、直線状に延びる同じ厚さの隔壁同士が交差する場合には、交差する部分の正方形の範囲をいう。
また、断面積の大きな流入側セルと断面積の小さな流出側セルとを有するハニカムフィルタであって、断面積の大きなセルの断面形状が、四角形の角部を直線的に切り落とした八角形であるハニカムフィルタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
セルの断面形状を八角形とすることにより、上記交点部の一部が薄くなる状態は若干解消されるが、強度的な弱さの問題は依然として残っている。そこで、セルを閉塞させるという問題と強度的な弱さの問題とを解決したハニカムフィルタが望まれている。
仏国特許出願公開第２７８９３２７号明細書
本発明の課題は、隔壁における流体の流通を向上させることにより捕集性能を向上させるとともに、強度も増加させたハニカムフィルタを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明によれば、以下のハニカムフィルタが提供される。
［１］ 流体の流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封じされた第１のセルと、前記一方の端部が目封じされ且つ前記他方の端部が開口された第２のセルとが交互に配設されて、前記第１のセルが開口する前記一方の端部から流入した前記流体を、前記隔壁を透過させて前記第２のセル内に透過流体として流出させ、前記透過流体を前記第２のセルが開口する前記他方の端部から流出させることができるように構成されており、
前記第１のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が前記第２のセルの断面積よりも大きく、
前記第１のセルと前記第２のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面において、第１の方向と、その第１の方向に垂直な第２の方向に、交互に並んで配設されており、
前記第１のセルと、その第１のセルに隣接する第１のセルとの間に形成された１−１セル間壁の壁厚は、前記第１のセルと、その第１のセルに隣接する第２のセルとの間に形成された１−２セル間壁の壁厚よりも大きく形成されたハニカムフィルタ。
［２］ 前記第１のセルは、前記角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成され、
前記第２のセルは、四角形状に形成された前記［１］に記載のハニカムフィルタ。
［３］ 前記セルのセル間壁の壁厚とセル幅は、下記式（１）を満たす前記［１］または［２］に記載のハニカムフィルタ。
Figure 2008117559
 ただし、Ｒｉｂ１−１：第１のセルとそれに隣接する第１のセルとの１−１セル間壁の壁厚
Ｒｉｂ１−２：第１のセルとそれに隣接する第２のセルとの１−２セル間壁の壁厚
Ｗ１：第１のセルのセル幅
Ｗ２：第２のセルのセル幅
ｌ：第２のセルとそれに隣接する第２のセルとのセル間壁の壁厚
［４］ 前記セルのセル間壁の壁厚は、下記式（２）を満たす前記［３］に記載のハニカムフィルタ。
１＜Ｒｉｂ１−１／Ｒｉｂ１−２＜１．１７５・・・（２）
［５］ 複数の前記第１のセルと前記第２のセルが長手方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメントを、接合材層を介して複数接合して形成された前記［１］〜［４］のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
第１のセル−第１のセル間の壁厚を第１のセル−第２のセル間の壁厚より厚くすることにより、第１のセルから第２のセルへ流体を流れやすくすることができる。そして、スス付圧損を減少させつつ流体の流量を増大させ、つまり捕集性能を向上させつつ、ハニカムフィルタの強度を増大させることができる。
本発明のハニカムフィルタの一の実施の形態（中心軸に対して垂直な平面で切断した全体の断面形状が円形）を模式的に示す斜視図である。 本発明のハニカムフィルタの他の実施の形態に用いられるハニカムセグメントを模式的に示す斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ断面図である。 セル間の位置関係を説明する説明図である。 本発明のハニカムフィルタの流体の流れを説明する説明図である。 従来のハニカムフィルタの流体の流れを説明する説明図である。 大−小セル間の壁厚に対する大−大セル間の壁厚比による初期圧損比を示す図である。 大−小セル間の壁厚に対する大−大セル間の壁厚比によるスス付き圧損比を示す図である。 大−小セル間の壁厚に対する大−大セル間の壁厚比による流量比を示す図である。 大−小セル間の壁厚に対する大−大セル間の壁厚比による強度比を示す図である。
符号の説明
１：ハニカムフィルタ、２：ハニカムセグメント、４：外周コート層、５：セル、５ａ：第１のセル（大セル）、５ｂ：第２のセル（小セル）、６：隔壁、７：充填材、９：接合材層。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
図１は本発明のハニカムフィルタを模式的に示す斜視図である。図２は、図１のハニカムフィルタを構成するハニカムセグメントを示す斜視図である。さらに、図３は、図２のハニカムセグメントのＡ−Ａ断面図である。
ここで、本発明のハニカムセグメント２は、図１及び図２に示すように、ハニカムフィルタ１（ハニカムセグメント接合体）の全体構造の一部を構成する形状を有し、ハニカムフィルタ１の中心軸（長手方向）に対して垂直な方向に組み付けられることによってハニカムフィルタ１を構成する。セル５はハニカムフィルタ１の中心軸方向に互いに並行するように配設されており、隣接しているセル５におけるそれぞれの端部が交互に充填材７によって目封止されている。
さらに具体的に説明すると、ハニカムセグメント２は、断面が四角形状の柱状に形成されており、流体の流路となる複数のセル５を区画形成する多孔質の隔壁６を備え、セル５の長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が異なる２種類のセル５ａ，５ｂが形成されている。第１のセル（大セル）５ａは、セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が第２のセル（小セル）５ｂの断面積よりも大きく、角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成されており、第２のセル（小セル）５ｂは、四角形状に形成されている。また、角部とは、断面形状が、相当する多角形（直線部分を延長して形成される多角形）であるとした場合の頂点及びその周辺に相当する部分である。
これら第１のセル５ａと第２のセル５ｂは、セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面において、第１の方向と、その第１の方向に垂直な第２の方向に、交互に並んで配設されており、第１のセル５ａと、その第１のセル５ａに隣接する第１のセル５ａとの１−１セル間壁の壁厚は、第１のセル５aと、その第１のセル５aに隣接する第２のセル５ｂとの１−２セル間壁の壁厚よりも大きく形成されている。そして、図３に模式的に示す断面図のように、一方の端部Ａが開口され且つ他方の端部Ｂが目封じされた第１のセル５ａと、一方の端部Ａが目封じされ且つ他方の端部Ｂが開口された第２のセル５ｂとが交互に配設されて、第１のセル５ａが開口する一方の端部Ａから流入した流体を、隔壁６を透過させて第２のセル５ｂ内に透過流体として流出させ、透過流体を第２のセル５ｂが開口する他方の端部Ｂから流出させることができるように構成されている。
このように、本実施の形態のハニカムフィルタ１によれば、第１のセル５ａの断面積と第２のセル５ｂの断面積とを異ならせ（第１のセル５ａの断面積が第２のセル５ｂの断面積より大きい）、第１のセル５ａが開口する側の端部（一方の端部）Ａから流体を流入させることにより（断面積の大きい第１のセル５ａが流入側セルとなる）、ハニカムフィルタ１に微粒子を含有する排ガスを流したときに、一方の端部（流入側の端部）Ａに開口する第１のセル５ａが閉塞されることを抑制することができる。また、断面積の大きい第１のセル５ａの断面形状を、四つの角部に相当する部分が切り落とされた八角形形状または円弧状の四角形とし、１−１セル間壁の壁厚は、１−２セル間壁の壁厚よりも大きく形成されていることにより、隔壁同士が交差する部分（交点部）の一部で薄くなることを防止でき、高強度を維持することができる。
図４を用いて、第１のセル（大セル）５ａと第２のセル（小セル）５ｂとの位置関係について説明する。ハニカムセグメント２は、流体の流路となる複数の第１のセル５ａと第２のセル５ｂが長手方向（軸方向）に互いに並行するように配設されており、セル５のセル間壁の壁厚とセル幅は、下記式（１）を満たすように形成されている。
Figure 2008117559
 ただし、Ｒｉｂ１−１：第１のセルとそれに隣接する第１のセルとの１−１セル間壁の壁厚
Ｒｉｂ１−２：第１のセルとそれに隣接する第２のセルとの１−２セル間壁の壁厚
Ｗ１：第１のセルのセル幅
Ｗ２：第２のセルのセル幅
ｌ：第２のセルとそれに隣接する第２のセルとのセル間壁の壁厚
さらに、セル５のセル間壁の壁厚は、下記式（２）を満たすように形成されている。
１＜Ｒｉｂ１−１／Ｒｉｂ１−２＜１．１７５・・・（２）
Ｒｉｂ１−１／Ｒｉｂ１−２は、望ましくは、１．０５〜１．１５、さらに望ましくは、１．０７〜１．１３である。
以上のように構成することにより、図５（ａ）に示すように、第１のセル−第１のセル（大-大セル）間壁を第１のセル−第２のセル（大-小セル）間壁より厚くすることにより、大セルから小セルへ気流を流れやすくすることができる。大-大セル間壁が薄いと気流の流路の確保ができないため、壁面のフィルタ効果を活用しきれないが、壁厚を厚くし、流路を確保することにより入口セル全壁面をフィルタとして等しく活用できる。そのため、有効なフィルタ面積が増大し、捕集性能が向上する。また、強度が弱く歪みやすい大セル角部の壁を厚くすることにより強度を増加させることができる。つまり、フィルタ有効面積を増大させ、スス付き圧損減少させることができる。一方、図５（ｂ）に示すように、従来のように大-大セル間壁の壁厚と大-小セル間壁の壁厚が等しいと流体の流路の確保が困難であった。式（２）を満たすように構成することにより、スス付圧損を減少させつつ流体の流量を増大させ、つまり捕集性能を向上させつつ、ハニカムフィルタの強度を増大させることができる。
ハニカムセグメント２の材料としては強度、耐熱性の観点から、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、窒化珪素、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材、珪素−炭化珪素複合材、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属からなる群から選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。中でも、炭化珪素又は珪素−炭化珪素系複合材料が好ましい。
ハニカムセグメント２の作製は、例えば、上述の材料から適宜選択したものに、メチルセルロース、ヒドロキシプロポキシルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール等のバインダー、界面活性剤、溶媒としての水等を添加して、可塑性の坏土とし、この坏土を上述の形状となるように押出成形し、次いで、マイクロ波、熱風等によって乾燥した後、焼結することにより行うことができる。
セル５の目封止に用いる充填材７としては、ハニカムセグメント２と同様な材料を用いることができる。充填材７による目封止は、目封止をしないセル５をマスキングした状態で、ハニカムセグメント２の端面をスラリー状の充填材７に浸漬することにより開口しているセル５に充填することにより行うことができる。充填材７の充填は、ハニカムセグメント２の成形後における焼成前に行っても、焼成後に行ってもよいが、焼成前に行うことの方が、焼成工程が１回で終了するため好ましい。
以上のようなハニカムセグメント２の作製の後、ハニカムセグメント２の外周面にスラリー状の接合材層９を塗布し、所定の立体形状（ハニカムフィルタ１の全体構造）となるように複数のハニカムセグメント２を組み付け、この組み付けた状態で圧着した後、加熱乾燥する。このようにして、複数のハニカムセグメント２が一体的に接合された接合体を作製する。
本発明で得られるハニカムフィルタ１は、例えば、図１に示すように、複数のハニカムセグメント２が接合材層を介して互いの接合面で一体的に接合されたハニカムセグメント接合体と、ハニカムセグメント接合体の外周面を被覆する外周コート層４とを備え、流体の流路となる複数のセル５が中心軸方向に互いに並行するように配設された構造を有する。
尚、本発明に用いられる接合材層９は、ハニカムセグメント２の外周面に塗布されて、ハニカムセグメント２を接合するように機能する。接合材層９の形成は、例えば、ハニカムセグメント２の作製の後、ハニカムセグメント２の外周面にスラリー状の接合材層９を塗布し、所定の立体形状（ハニカム構造１の全体構造）となるように複数のハニカムセグメント２を組み付け、この組み付けた状態で圧着した後、加熱乾燥するようにして行うことを挙げることができる。この場合、塗布は隣接しているそれぞれのハニカムセグメント２の外周面に行ってもよいが、隣接したハニカムセグメント２の相互間においては、対応した外周面の一方に対してだけ行ってもよい。
本発明に用いられる接合材層９としては、無機繊維、無機バインダー、有機バインダー及び無機粒子から構成されてなるものを好適例として挙げることができる。具体的には、無機繊維としては、例えば、アルミノシリケート及びアルミナ等の酸化物繊維、その他の繊維（例えば、ＳｉＣ繊維）等を挙げることができる。無機バインダーとしては、例えば、シリカゾル、アルミナゾル、粘土等を挙げることができる。有機バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、カルボキシメチルセルローズ（ＣＭＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）等を挙げることができる。無機粒子としては、例えば、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト等のセラミックスを挙げることができる。
外周コート層４は、ハニカムセグメント２の接合体の外周面に塗布されて、ハニカムセグメント２の接合体の外周面を保護するように機能する。外周コート層４の厚さは、例えば、０．１〜１．５ｍｍの範囲で適宜選択される。
以上のように形成されたハニカムフィルタ１は、第１のセル（流入セル）５ａにおいては、図３に示すように、左端部側が開口している一方、右端部側が充填材７によって目封止されており、これと隣接する他のセル（流出セル）５ｂにおいては、左端部側が充填材７によって目封止されているが、右端部側が開口している。このような目封止により、図２に示すように、ハニカムセグメント２の端面が市松模様状を呈するようになる。このような複数のハニカムセグメント２が接合されたハニカムフィルタ１を排ガスの排気系内に配置した場合、排ガスが図３における左側から各ハニカムセグメント２のセル５内に流入して右側に移動する。そして、隔壁６を通過する際に排ガス中のスートを含む粒子状物質（パティキュレート）が隔壁６に捕捉される。このようにして、排ガスの浄化を行うことができる。このような捕捉によって、ハニカムセグメント２の内部にはスートを含む粒子状物質（パティキュレート）が経時的に堆積して圧力損失が大きくなるため、スート等を燃焼させる再生が行われる。
なお、上記実施の形態では、第１のセル５ａは、角部に相当する部分が切り落とされた八角形状として説明したが、角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成されたものであってもよい。また、第１のセル５ａ及び第２のセル５ｂがハニカムセグメント２に形成され、そのハニカムセグメント２を接合してハニカムフィルタ１を形成する場合について説明したが、一体として成形されたハニカムフィルタに第１のセル５ａ及び第２のセル５ｂが形成されていてもよい。
以下、本発明を実施例に基づいてさら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。
第１のセル−第１のセル間、つまり大-大セル間の壁厚の異なるサンプルを準備し、初期圧損、スス付き圧損、捕集効率評価を実施した。以下、詳細に説明する。
初期圧損は、大型風洞内にて、気流温度：室温、計測流量：１０Ｎｍ３／ｍｉｎ．、スス量：０ｇ／Ｌの測定条件にて測定した（図６）。スス付き圧損は、Ｓｏｏｔ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒにて、気流温度：２００℃、計測流量：２．２７Ｎｍ３／ｍｉｎ．、スス量：４ｇ／Ｌとして測定した（図７）。大−大セル間の壁厚比による流量比は、流体解析汎用コードＳｔａｒ−ＬＴを用いて大−大セル間壁近傍における壁面へ向かう流速分布を評価し、大−小セル間壁近傍の流れと比較した（図８）。計算条件は、気流温度：２０℃、計算流速：１０ｍ／ｓｅｃ．、スス量：４ｇ／Ｌとした。大−大セル間の壁厚比による圧縮強度比は、j１”×１”Ｌ（直径１インチ×長さ１インチ）にサンプルを切り出し、ＪＩＳ Ｒ １６０８に準拠する方法にて計測した（図９）。以上の結果を、表１及び表２にまとめて示す。
Figure 2008117559
Figure 2008117559
図６は、大−小セル間の壁厚に対する大−大セル間の壁厚による初期圧損比を示す。図６に示すように、大−大セル間の壁厚を大きくすると、初期圧損比も増大するため、一見すると不利のように思われるが、図７に示すように、スス付き圧損比は、大−大セル間の壁厚比が１．１程度まで減少する。つまり、セラミックフィルタを使用することによるススの付着が生じた場合の圧損は、大−大セル間の壁厚比が１．１８程度以下であれば、大−大セル間の壁厚比が大きいほうが、セラミックフィルタの使用期間中有利であることが示されている。図８に示すように、大−大セル間の流量比や、図９に示すように、強度比は、大−大セル間の壁厚比が大きいほど増大するために有利であることが示されている。以上のように、大−大セル間の壁厚比が１より大きく１．１８程度以下であれば、流体の流量やセラミックフィルタの強度を増大しつつ、スス付圧損を減少させて、捕集効率を向上させることができる。
本発明のハニカムフィルタは、排ガス用の捕集フィルタとして、例えば、ディーゼルエンジン等からの排ガスに含まれている粒子状物質（パティキュレート）を捕捉して除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）として有用である。

Claims (5)

  1. 流体の流路となる複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を備え、一方の端部が開口され且つ他方の端部が目封じされた第１のセルと、前記一方の端部が目封じされ且つ前記他方の端部が開口された第２のセルとが交互に配設されて、前記第１のセルが開口する前記一方の端部から流入した前記流体を、前記隔壁を透過させて前記第２のセル内に透過流体として流出させ、前記透過流体を前記第２のセルが開口する前記他方の端部から流出させることができるように構成されており、
    前記第１のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面における断面積が前記第２のセルの断面積よりも大きく、
    前記第１のセルと前記第２のセルは、前記セルの長手方向に垂直な平面で切断した断面において、第１の方向と、その第１の方向に垂直な第２の方向に、交互に並んで配設されており、
    前記第１のセルと、その第１のセルに隣接する第１のセルとの間に形成された１−１セル間壁の壁厚は、前記第１のセルと、その第１のセルに隣接する第２のセルとの間に形成された１−２セル間壁の壁厚よりも大きく形成されたハニカムフィルタ。
  2. 前記第１のセルは、前記角部に相当する部分が切り落とされた八角形状または角部に相当する部分が円弧状の四角形状に形成され、
    前記第２のセルは、四角形状に形成された請求項１に記載のハニカムフィルタ。
  3. 前記セルのセル間壁の壁厚とセル幅は、下記式（１）を満たす請求項１または２に記載のハニカムフィルタ。
    Figure 2008117559
     ただし、Ｒｉｂ１−１：第１のセルとそれに隣接する第１のセルとの１−１セル間壁の壁厚
    Ｒｉｂ１−２：第１のセルとそれに隣接する第２のセルとの１−２セル間壁の壁厚
    Ｗ１：第１のセルのセル幅
    Ｗ２：第２のセルのセル幅
    ｌ：第２のセルとそれに隣接する第２のセルとのセル間壁の壁厚
  4. 前記セルのセル間壁の壁厚は、下記式（２）を満たす請求項３に記載のハニカムフィルタ。
    １＜Ｒｉｂ１−１／Ｒｉｂ１−２＜１．１７５・・・（２）
  5. 複数の前記第１のセルと前記第２のセルが長手方向に互いに並行するように配設されたハニカムセグメントを、接合材層を介して複数接合して形成された請求項１〜４のいずれか１項に記載のハニカムフィルタ。
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