説明

セラミックハニカムフィルタ

【課題】 共鳴管を構成する両側封止流路を適切に配置することで両側封止流路の数を低減し流出側封止流路の数を増やし、消音機能をできるだけ低下せずにPM捕集容量を増大したハニカムフィルタを得る。
【解決手段】 セラミックハニカム構造体の隔壁で囲まれた断面が四角形状である流路の排気ガス流入側を封止部で目封止した流入側封止流路と、流出側を封止部で目封止した流出側封止流路と、流入側と流出側を共に封止部で目封した両側封止流路とを有するセラミックハニカムフィルタにおいて、前記両側封止流路を囲む8つの流路が全て流入側封止流路または流出側封止流路であるとともに、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に並んで存在する2つの前記両側封止流路の間には少なくとも2つの流入側封止流路または流出側封止流路を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質を含む排気ガスを浄化するのに使用されるセラミックハニカムフィルタに関する。
【背景技術】
【0002】
ディーゼルエンジンなどの排気ガス中には炭素を主体とするPM(Particulate Matter:粒子状物質)が多量に含まれており、これが大気中に放出されると人体や環境に悪影響を与える。このためディーゼルエンジンなどの排気ガス系には、PMを捕集、浄化するためのフィルタが搭載されている。
【0003】
図1は、排気ガス中のPMを捕集、浄化する、従来のセラミックハニカムフィルタ(以下セラミックハニカムフィルタを略して「ハニカムフィルタ」という)10の一例を示し、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線A−Aに沿った断面模式図である。図1で、ハニカムフィルタ10は、ハニカムフィルタの流路方向に垂直な断面が略円状または略楕円状の外周壁1と、この外周壁1の内周側で隔壁2により囲まれた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体(以下セラミックハニカム構造体を略して「ハニカム構造体」という)(1)が、排気ガスの流入側端面7と流出側端面8において各々封止部5、6で交互に目封止されることで、流出側封止流路3と流入側封止流路4とを形成している。なお、外周壁を1、ハニカム構造体を(1)として示している。
【0004】
図1のハニカムフィルタ10において、排気ガスの浄化は以下の通り行われる。排気ガス(点線矢印で示す)は、流入側端面7に開口している流出側封止流路3から流入する。そして、排気ガス中に含まれるPMは、隔壁2を通過する際に隔壁2の内部と表面に捕集され、浄化された排気ガスは、流出側端面8に開口している流入側封止流路4から流出、大気中に放出される。
【0005】
ここで、隔壁2の内部と表面に捕集されたPMが多くなると、流出側封止流路3内にPMが堆積するとともに隔壁が目詰まりして圧力損失が増加してしまうので、圧力損失が増加する前に、PMを燃焼除去してハニカムフィルタ10を再生する必要がある。
【0006】
ところで、図1に示す基本的なハニカムフィルタに対して、特許文献1には、消音機能を付加したハニカムフィルタが記載されている。図2は特許文献1に記載されたハニカムフィルタの1例を示し、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線C−Cに沿った断面模式図である。図2において、3は流出側封止流路、4は流入側封止流路、4Cは流路の流入側と流出側を共に封止した両側封止流路である。また図2(a)で、流入側封止流路4のハッチングは流路の流入側の封止部5を示しており、両側封止流路4CのハッチングとX印は、この流路が流入側の封止部5と流出側の封止部6とで目封止されていることを示す。ここで両側封止流路を共鳴室として機能させることで、消音機能を有するハニカムフィルタを得ることができるとしている。
【0007】
【特許文献1】特開2003−254035号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら特許文献1に記載の図2に示す消音機能を有するハニカムフィルタ20の場合には、図1に示すハニカムフィルタに比べて、両側封止流路4Cの数だけ流入側封止流路4と流出側封止流路3の数は減少する。PMは流出側封止流路3を構成する隔壁の表面と内部に捕集されるため、流出側封止流路3の数が少ないと、短時間で流出側封止流路3内にPMが堆積するとともに隔壁2が目詰まりし圧力損失が増加してしまい、ハニカムフィルタの再生の間隔を短くする必要が生じる。ハニカムフィルタの再生の方法としては、電気ヒータ、バーナー、マイクロ波などでPMを燃焼する方法がとられるが、いずれの方法にせよ再生の間隔が短くなるとエネルギーの消費量が増大することとなる。
【0009】
当然ながら両側封止流路4Cの数を減らして流出側封止流路3の数を増やせば、ハニカムフィルタの再生が必要になるまでのPM捕集量(以下ハニカムフィルタの再生が必要になるまでのPM捕集量を略して、「PM捕集容量」という)も増えるので、再生の間隔を延長することが可能となるが、消音機能は低減する。特許文献1には流入側封止流路と流出側封止流路及び両側封止流路の配置と割合は自由に変更できると記載されているが、消音機能をできるだけ低下させずに両側封止流路4Cの数を減らして流出側封止流路3の数を増やす具体的な配置と割合は提示されていない。
【0010】
したがって本発明の課題は、両側封止流路を適切に配置することで両側封止流路の数を低減して流出側封止流路の数を増やし、消音機能をできるだけ低下せずにPM捕集容量を増大したハニカムフィルタを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、セラミックハニカム構造体の隔壁で囲まれた断面が四角形状である流路の排気ガス流入側を封止部で目封止した流入側封止流路と、流出側を封止部で目封止した流出側封止流路と、流入側と流出側を共に封止部で目封した両側封止流路とを有するセラミックハニカムフィルタにおいて、前記両側封止流路を囲む8つの流路が全て流入側封止流路または流出側封止流路であるとともに、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に並んで存在する2つの前記両側封止流路の間には少なくとも2つの流入側封止流路または流出側封止流路を有することを特徴とする。
【0012】
ここで両側封止流路を囲む8つの流路とは、図3に示すハニカムフィルタの流路垂直方向断面模式図において、両側封止流路4Cの周りを囲む8つの流路をいう。また流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向とは、図3に示す2つの矢印方向をいう。また、流路の断面の四角形状とは、正方形、長方形、台形、平行四辺形等に限らず、流路垂直方向断面において隔壁が交差することで形成されるコーナー部を4つ有する形状であればよい。
【0013】
また本発明は、前記流入側封止流路の流入側の封止部と前記両側封止流路の流入側の封止部は、前記セラミックハニカム構造体の排気ガス流入側端面より離れて配置され、前記流入側封止流路と前記両側封止流路とが流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に隣接しないことが好ましい。
【0014】
(作用)
本発明の作用を、図を用いて説明する。先ず図2に特許文献1に記載されたハニカムフィルタを示す。ここで(a)は流入側端面から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線C−Cに沿った断面模式図である。また、2は隔壁、5、6は封止部、3は流出側封止流路、4は流入側封止流路、4Cは両側封止流路を示す。図2に示すハニカムフィルタの場合には、全流路の1/4の数の流路が流出側封止流路であり、すなわち全流路の数に対して25%の数の流路が流出側封止流路3であるのでPM捕集容量は小さい。PM捕集容量を増大するためには両側封止流路の数を減少させ、流出側封止流路の数を増加すればよいが、単に両側封止流路4Cの数を減少させて、例えば両側封止流路4Cを半減して図4の模式図のようにしただけではPM捕集容量は増加するものの消音機能が大きく減少する。この理由は、流出側封止流路3のうち、例えば流出側封止流路3Hに流入した排気ガスのうち流入側封止流路4Iと4Jへ隔壁2を通過して流入した排気ガスは共鳴管を構成する両側封止流路4Cを囲む隔壁に触れることなくハニカムフィルタより排出されるためである。また、両側封止流路どうしが1つの流路を囲む4つの隔壁のうち2つを共有するように隣接しているため両側封止流路の消音機能が効果的に発揮されない。
【0015】
上記の理由を回避して、図5に示すように両側封止流路4Cを隔壁の延伸方向から45°方向にずらして配置した場合には、排気ガスはハニカムフィルタの内部で必ず両側封止流路を囲む隔壁に触れることになるため、消音機能は効果的に発揮できるものの、全流路の数に対する流出側封止流路3の数は25%となり、PM捕集容量は小さい。
【0016】
次に本発明のハニカムフィルタの一例を図6に示す。ここで(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線F−Fに沿った断面模式図である。図6に示すハニカムフィルタ60は、両側封止流路4C囲む8つの流路が全て流入側封止流路4または流出側封止流路3となっている。さらに流路垂直方向断面上で隔壁2の延伸方向に並んで存在する2つの両側封止流路4C(例えば4CAと4CB)の間には少なくとも2つの流入側封止流路4または流出側封止流路3を有している。このように両側封止流路4Cを配置することで、全流路の数に対して流出側封止流路3の数は約42%となる。図2と図5に示すハニカムフィルタでは全流路の数に対する流出側封止流路3の数は25%であり、図4に示すハニカムフィルタでは全流路の数に対する流出側封止流路3の数は37%であるため、本発明のハニカムフィルタ60のPM捕集容量は大きく増加する。さらに、排気ガスはハニカムフィルタの内部で必ず両側封止流路を囲む隔壁に触れることになるため、上記図5に示すハニカムフィルタと同様に消音機能は効果的に発揮される。
【0017】
本発明のハニカムフィルタの別の一例を図7に示す。ここで(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線G−Gに沿った断面模式図である。図7に示すフィルタ70は、両側封止流路4C囲む8つの流路が全て流入側封止流路4または流出側封止流路3となっている。さらに流路垂直方向断面上で隔壁2の延伸方向に並んで存在する2つの両側封止流路4Cの間には3つの流入側封止流路4または流出側封止流路3を有している。このように両側封止流路4Cを配置することで、全流路の数に対して流出側封止流路3の数は50%とさらに増加し、ハニカムフィルタのPM捕集容量は上記の図6に示すハニカムフィルタ60に比べてさらに増加する。また、排気ガスはハニカムフィルタ70の内部で必ず両側封止流路4Cを囲む隔壁に触れることになるため、上記の図5に示すハニカムフィルタと同様に消音機能は効果的に発揮される。
【0018】
本発明において、流路垂直方向断面上で隔壁2の延伸方向に並んで存在する2つの両側封止流路4Cの間に存在する流入側封止流路4または流出側封止流路3の数を増やすことも可能である。また、両側封止流路4Cを流入側封止流路4または流出側封止流路3に変更することも可能である。これにより共鳴管を構成する両側封止流路4Cの数が減少するため消音機能は減少するものの、両側封止流路4Cは隔壁2を挟んで全て流入側封止流路4または流出側封止流路3に接しているため、消音効果を効果的に発揮しながらPM捕集容量することができる。
【0019】
また、本発明において、両側封止流路4Cの内部にさらに封止部を設けることもできる。これにより、共鳴周波数の異なる共鳴管を構成することができる。
【0020】
本発明のハニカムフィルタの別の一例を図8に示す。ここで(a)は流出側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線H−Hに沿った断面模式図である。図8に示すハニカムフィルタでは、流入側封止流路4の流入側の封止部5と両側封止流路4Cの流入側の封止部5が、流入側端面7より離れて配置されている。これにより流入側の封止部の流入側にもPMを捕集でき、PM捕集容量がさらに増加する。さらに、流入側封止流路4と両側封止流路4Cとは流路垂直方向断面上で隔壁の延伸方向に隔壁2を挟んで隣接していない。これにより流入側封止流路4と両側封止流路4Cはそれぞれ高温になった排気ガスが流れる流出側封止流路3とのみ隔壁2を挟んで隣接するので、流入側封止流路4と両側封止流路4Cそれぞれの流入側の封止部5の流入側端面に堆積するPMが燃焼除去しやすい。
【発明の効果】
【0021】
本発明のハニカムフィルタによれば、共鳴管を構成する両側封止流路を適切に配置することで両側封止流路の数を低減し流出側封止流路の数を増やし、消音機能をできるだけ低下せずにPM捕集容量を増大したハニカムフィルタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、本発明の実施の形態の数例を、図面に基づき詳細に説明する。
(実施の形態1)
図6は実施の形態1に係るハニカムフィルタ60であり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線F−Fに沿った断面模式図である。ハニカムフィルタの60の基本的な構造と両側封止流路40Cの配置パターンは上記課題を解決するための手段で記したとおりである。すなわち図6に示すハニカムフィルタ60は、両側封止流路4C囲む8つの流路が全て流入側封止流路4または流出側封止流路3となっており、さらに流路垂直方向断面上で隔壁2の延伸方向に並んで存在する2つの両側封止流路4Cの間には少なくとも2つの流入側封止流路4または流出側封止流路3を有している。実施の形態1に係るハニカムフィルタ60は、以下のようにして得ることができる。先ず、カオリン、タルク、シリカ、水酸化アルミ、アルミナなどの粉末を調整して、質量比で、SiO2:47〜53%、Al23:33〜38%、MgO:12〜16%、およびCaO、Na2O、K2O、TiO2、Fe23、PbO、P25などの不可避的に混入する成分を全体で2.5%以下を含むようなコージェライト生成原料粉末とし、これにメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のバインダー、潤滑剤、造孔材としてグラファイトを添加し、乾式で十分混合した後、規定量の水を添加、十分な混練を行って可塑化したセラミック杯土を作製する。次に、押出し成形用金型を用いて坏土を押出し成形し、切断して、ハニカム構造を有する成形体とする。次に、成形体を、乾燥、焼成させ、外周壁1となる外径が267mm、全長Lが300mm、隔壁2が、厚さ0.3mm、ピッチ1.57mm、気孔率65%、平均細孔径20μmのコージェライト質ハニカム構造体とする。このハニカム構造体(1)の流路の全数は、約25,000個となっている。
【0023】
次に公知の方法でハニカム構造体の両端に封止部を形成する。まずハニカム構造体(1)の流入側端面7に樹脂製の封止用フィルムを貼着する。次に流入側封止部5を形成する位置の封止用フィルムを穿孔する。このとき流入側の封止部5が図6(a)に示すパターンになるようにする。次にハニカム構造体(1)の流入側端面7をスラリー状の封止材に浸漬し、穿孔を介して封止材を流路に充填する。その後、封止材が隔壁2に着肉し保形性が得られた後、封止用フィルムを除去し、封止材の乾燥を行う。続いて上記と同様にハニカム構造体(1)の流出側端面8より封止部6が図6(a)に示すパターンになるように封止材を充填し、封止用フィルムを除去し、封止材の乾燥を行う。その後バッチ式焼成炉を用いて温度制御しつつ封止材と共にハニカム構造体(1)の焼成を行うことで、図6に示すハニカムフィルタ60となる。このハニカムフィルタ60の両側封止流路4Cの数は全流路の数に対して42%となる。
【0024】
なお、PMが燃焼するときの熱が外周壁1を通して外部に伝達しにくくするために、ハニカム構造体の外周部の流路の両端部に封止部を有する断熱層を設けることもあるが、この両端部を封止した流路は断熱の機能を持たせるために連続して隣接しているものであり、本件発明の共鳴管を構成した流路とは異なる。
【0025】
(比較例)
次に比較例として図6のハニカム構造体(1)と同じ物を用いて、ただし流入側の封止部5と流出側の封止部6を形成する流路を変更して、流入側封止流路4と流出側封止流路3と両側封止流路4Cの配置が図5に示すパターンになるようにしてハニカムフィルタ50を製作した。このハニカムフィルタ50の両側封止流路4Cの数は全流路の数に対して25%となる。上記実施の形態1に示すハニカムフィルタ60と比較例に示すハニカムフィルタ50とのPM捕集容量を比較すると、実施の形態1に示すハニカムフィルタ60のPM捕集容量は比較例に示すハニカムフィルタ50に対して160%に増加することができた。また、上記実施の形態1に示すハニカムフィルタ60と比較例に示すハニカムフィルタ50の消音機能はほぼ同等であった。
【0026】
ここでPM捕集容量は以下のようにして測定する。まず比較例のハニカムフィルタ50を圧力損失測定装置に装着し、空気を10Nm/minの量でハニカムフィルタ50に通過させ初期の圧力損失を測定する。次に上記と同じ空気量とともに粒径0.042μmのカーボン粉を少量ずつ3g/minの割合でハニカムフィルタに投入しながら圧力損失を測定する。圧力損失の値が初期の圧力損質の125%となった時点までにハニカムフィルタ50に投入したカーボン粉の重量をハニカムフィルタ50のPM捕集容量とし、またこのときの圧力損失の値をKとする。次に実施の形態1に示すハニカムフィルタ60を圧力損失測定装置に装着し、上記と同様に空気とともにカーボン粉を少量ずつハニカムフィルタに投入しながら圧力損失を測定し、圧力損失の値が上記Kとなった時点までにハニカムフィルタ60に投入したカーボン粉の重量をハニカムフィルタ60のPM捕集容量とする。
【0027】
(実施の形態2)
図7は実施の形態2に係わるハニカムフィルタ70であり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線G−Gに沿った断面模式図である。ハニカムフィルタ70の製造方法は実施の形態1に係わるハニカムフィルタ60と同じであるが、流出側封止流路3と流入側封止流路4と両側封止流路4Cの配置が図7に示すパターンになるように封止用フィルムの穿孔パターンのみを変更して製造した。上記のように製造したハニカムフィルタ70は、全流路の数に対する流出側封止流路の数が50%となり、実施の形態1に示すハニカムフィルタ60に対してPM捕集容量を110%とさらに増加することができた。また、上記実施の形態2に示すハニカムフィルタ70と実施の形態1に示すハニカムフィルタ60の消音機能はほぼ同等であった。
【0028】
(実施の形態3)
図8は実施の形態3に係わるハニカムフィルタ80であり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線H−Hに沿った断面模式図である。ハニカムフィルタ80の形態は実施の形態2に示すハニカムフィルタ70と比較して、流入側封止流路4の封止部5と両側封止流路4Cの流入側の封止部5がハニカムフィルタの流入側端面7より離れて配置されていることを除き同じである。また、実施の形態3のハニカムフィルタ80の製造方法は、流入側封止流路4の封止部5と両側封止流路4Cの流入側の封止部5の製造方法を除いて同じである。
【0029】
ハニカムフィルタ80の流入側封止流路4の封止部5と両側封止流路4Cの流入側の封止部5は、注射器状の管を流路の内部に挿入し、封止部の材料となるペースト状の封止材料を流入側端面7より離れた所望の位置に導入することで製造できる。
【0030】
上記のように製造したハニカムフィルタ80は、全流路の数に対する流出側封止流路の数が50%となり、実施の形態2に示すハニカムフィルタ70に対してPM捕集容量を140%とさらに増加することができた。また、上記実施の形態3に示すハニカムフィルタ80と実施の形態2に示すハニカムフィルタ70の消音機能はほぼ同等であった。なお、流入側端面7より離れて配置された流入側封止流路4の封止部5と両側封止流路4Cの流入側の封止部5の製造方法として、ハニカム構造体(1)を封止部5が配置される位置で流路垂直方向に一旦切断分離し、ハニカム構造体の端面に封止部を設ける公知の方法を用いて封止部を配置した後、接合材を用いて分離したハニカム構造体を再び接合一体化することで得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】従来のハニカムフィルタを示し、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線A−Aに沿った断面模式図である。
【図2】特許文献1に提案しているハニカムフィルタを示し、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線C−Cに沿った断面模式図である。
【図3】両側封止流路を囲む8つの流路と、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向の意味を説明する図である。
【図4】図4に示すハニカムフィルタ対して、両側封止流路の数を減少した例を示すハニカムフィルタであり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線D−Dに沿った断面模式図である。
【図5】比較例に係るハニカムフィルタであり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線E−Eに沿った断面模式図である。
【図6】実施の形態1に係るハニカムフィルタであり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線F−Fに沿った断面模式図である。
【図7】実施の形態2に係るハニカムフィルタであり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線G−Gに沿った断面模式図である。
【図8】実施の形態3に係るハニカムフィルタであり、(a)は流入側から見たハニカムフィルタの模式図、(b)は線F−Fに沿った断面模式図である。
【符号の説明】
【0032】
10、20、40、50、60、70、80:ハニカムフィルタ(セラミックハニカムフィルタ)
1:外周壁
(1):ハニカム構造体(セラミックハニカム構造体)
2:隔壁
3:流出側封止流路
4:流入側封止流路
4C:両側封止流路
5:流入側の封止部
6:流出側の封止部
7:流入側端面
8:流出側端面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミックハニカム構造体の隔壁で囲まれた断面が四角形状である流路の排気ガス流入側を封止部で目封止した流入側封止流路と、流出側を封止部で目封止した流出側封止流路と、流入側と流出側を共に封止部で目封した両側封止流路とを有するセラミックハニカムフィルタにおいて、前記両側封止流路を囲む8つの流路が全て流入側封止流路または流出側封止流路であるとともに、流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に並んで存在する2つの前記両側封止流路の間には少なくとも2つの流入側封止流路または流出側封止流路を有することを特徴とするセラミックハニカムフィルタ。
【請求項2】
前記流入側封止流路の流入側の封止部と前記両側封止流路の流入側の封止部は、前記セラミックハニカム構造体の排気ガス流入側端面より離れて配置され、前記流入側封止流路と前記両側封止流路とが流路垂直方向断面上で前記隔壁の延伸方向に隣接しないことを特徴とする請求項1に記載のセラミックハニカムフィルタ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2007−7559(P2007−7559A)
【公開日】平成19年1月18日(2007.1.18)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−191858(P2005−191858)
【出願日】平成17年6月30日(2005.6.30)
【出願人】(000005083)日立金属株式会社 (2,051)
【Fターム(参考)】