セラミックハニカムフィルタ
【課題】 従来のハニカムフィルタよりＰＭの燃焼熱による溶損の発生を低減することができるハニカムフィルタを得る腰を目的とする。
【解決手段】 セラミックハニカム構造体の所望の流路を入口側封止部と出口側封止部とで交互に目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一部の出口側封止部は、該出口側封止部の上流側から下流側まで連続する高熱伝導部を有し、前記高熱伝導部を有する出口側封止部で目封止された前記流路に隣接する流路及びその延長線上と、該高熱伝導部とが接しないことを特徴とする。
【解決手段】 セラミックハニカム構造体の所望の流路を入口側封止部と出口側封止部とで交互に目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一部の出口側封止部は、該出口側封止部の上流側から下流側まで連続する高熱伝導部を有し、前記高熱伝導部を有する出口側封止部で目封止された前記流路に隣接する流路及びその延長線上と、該高熱伝導部とが接しないことを特徴とする。
【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等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の排気ガス中には、炭素質からなる煤と高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とするＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）が含まれており、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虞がある。このため、ディーゼルエンジンの排気管の途中に、ＰＭを捕集するため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）を装着することが従来から行われている。図２は、排気ガス中のＰＭを捕集、浄化するハニカムフィルタの一例を示し、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は側断面模式図である。図２（ａ）、（ｂ）において、ハニカムフィルタ１０は、外周壁１と、この外周壁１の内側に各々直交する多孔性の隔壁２で仕切られた多数の流出側封止流路３と流入側封止流路４が、排気ガス流入側端面８と排気ガス流出側端面９にて交互に入口側封止部６ａと出口側封止部６ｃとで封止されている。また、ハニカムフィルタの外周壁１は、金属メッシュあるいはセラミックス製のマットなどで形成された把持部材（図示せず）で使用中に動かないように把持され、金属製収納容器（図示せず）内に配置されている。
【０００３】
図２に示すハニカムフィルタ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、排気ガス流入側端面８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、詳しくは隔壁２の表面及び内部に存在する互いに連通した細孔により形成される連通孔を通過する際に捕集され、浄化された排気ガスは、排気ガス流出側端面９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。
【０００４】
一方、隔壁２に捕集され堆積したＰＭが多くなると、隔壁が目詰まりし、排気ガスがハニカムフィルタを通過する際の圧力損失が増加するので、バーナーやヒーター等によりＰＭを加熱、燃焼除去してハニカムフィルタを再生する必要がある。しかしながら、捕集されたＰＭの量が多い場合には、ＰＭの燃焼熱によりハニカムフィルタが溶損するという問題がある。そしてこの溶損は、ＰＭの堆積しやすいハニカムフィルタの排気ガス出口側端面近傍にて発生しやすく、特にその軸方向垂直面の中央部にて発生しやすいことが知られている。
【０００５】
上記問題に対して、特許文献１では、排気ガスの出口側の端部に熱容量が大きい吸熱部を設けることで、具体的には、厚さを大きくしたり気孔率を小さくして熱容量を大きくした隔壁を吸熱部とする技術や、出口側封止部の長さを長くすることで熱容量を大きくし吸熱部とする技術が記載されており、これによりＰＭの燃焼熱が吸熱部に吸収されるとしている。
【０００６】
また特許文献２には、ＰＭの燃焼により高温になりやすい部分に接して熱伝達性の良い熱拡散部材を配置することで、ハニカムフィルタの軸方向垂直面の中央部のＰＭの燃焼熱を外周部に拡散させる技術が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５-２９７２号公報
【特許文献２】特開２００３-１５５９１０号公報
【特許文献３】特開２００５-１２５３１８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に記載のハニカムフィルタのように、隔壁の熱容量を大きくしても、ＰＭの燃焼熱を吸収するには熱容量が小さく、ハニカムフィルタの溶損を防止するには不十分であった。また、出口側封止部の長さを長くすることで熱容量を大きくしたハニカムフィルタの場合には、本発明者が実験したところ、ＰＭの燃焼熱によるハニカムフィルタの温度の上昇をある程度低減することが可能であるものの、溶損が発生する場合があり、これに対してさらに出口側封止部の長さを長くしても、その効果は向上しなかった。
【０００９】
一方、特許文献２に記載のハニカムフィルタでは、ハニカムフィルタの外周部へ熱は拡散しやすくなるものの、ＰＭの燃焼熱により温度が上昇した排気ガスに熱拡散部材が接しているので、熱拡散部材の温度が上昇し、ＰＭの燃焼熱が効果的に熱拡散部材に吸収されないため、ハニカムフィルタの溶損を防止するにはまだ不十分であり、更なる改善が必要であった。
【００１０】
従って本発明の目的は、従来のハニカムフィルタよりＰＭの燃焼熱による溶損の発生を低減することができるハニカムフィルタを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記問題に対して、まず特許文献１に記載の出口側封止部の長さを長くして熱容量を大きくしたハニカムフィルタにおいて、いくら出口側封止部の長さを長くしても、その効果が大きく向上しない原因を調査した。その結果、ＰＭの燃焼による発熱量は燃焼開始から直ちに大きくなること及び、封止部は熱伝導性の悪い多孔質セラミックスで形成されていることから、出口側封止部の上流側端面の熱が下流側に伝わり難いため、出口側封止部の上流側端面の温度が過度に上昇して溶損が発生することが判明した。そして、出口側封止部の熱伝導率を大きくすることで上記問題が解決できる可能性があることを知見し、本発明に到った。
【００１２】
すなわち本発明は、セラミックハニカム構造体の所望の流路を入口側封止部と出口側封止部とで交互に目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一部の出口側封止部は、該出口側封止部の上流側から下流側まで連続する高熱伝導部を有し、前記高熱伝導部を有する出口側封止部で目封止された前記流路に隣接する流路及びその延長線上と、該高熱伝導部とが接しないことを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記高熱伝導部を有する出口側封止部の流路方向長さが、該出口側封止部の幅の５倍以上３０倍以下であることが好ましい。
【００１４】
また本発明は、前記高熱伝導部が金属製の細線であることが好ましい。
【００１５】
また本発明は、前記高熱伝導部が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とすることもできる。
【００１６】
（本発明の作用効果）
本発明の作用と効果を、図を用いて説明する。図３は出口側封止部６ｃの長さを長くすることで出口側封止部の熱容量を大きくした、従来のハニカムフィルタの出口側封止部近傍の模式図である。また図３に示す等温線は、ＰＭが燃焼し始めた初期の温度分布を示す。図３に示すように、ＰＭが燃焼し始めた初期においては、等温線は出口側封止部６ｃの上流側（図の左側）で密となり下流側（図の右側）では疎になっている。このため出口側封止部６ｃの下流端の温度は低い状態であるにもかかわらず、上流側では高温になっており、ＰＭの燃焼熱が有効に出口側封止部６ｃに吸収されないために、ハニカムフィルタの溶損が発生する。
【００１７】
これに対して、本発明のハニカムフィルタでは、図１に示すように、出口側封止部６ｃが熱伝導率の大きい高熱伝導部６１を有しており、この高熱伝導部６１が出口側封止部上流側から下流側まで連続して存在しているので、図４に示すように出口側封止部の上流側の温度が上昇した場合には、この熱が高熱伝導部６１を通じて出口側封止部２１の下流側に速やかに伝導するため、ＰＭの燃焼熱が有効に出口側封止部６ｃに吸収され、ＰＭの燃焼熱によるハニカムフィルタの溶損の虞を低減する。
【００１８】
なお本発明のハニカムフィルタは、図５に示すように出口側封止部６ｃの全体を高熱伝導部６１とすることもできる。ただし、ＰＭが燃焼している状態では、ＰＭの燃焼熱により排気ガスの温度が高くなり、この温度の高い排気ガスが流入側封止流路４から流出する際に、図６に示すように隔壁２を介して熱の流れ（図の白抜き矢印）が生じ、出口側封止部６ｃの温度を上昇させる場合があるので、隔壁２の厚さは厚いほど、例えば０.１５ｍｍ以上として、より好ましくは０.２ｍｍ以上として流入側封止流路４から流出する排気ガスと出口側封止部６ｃとを熱的に隔離することが好ましい。ましてや、図７に示すように高熱伝導部６１が流入側封止流路４及びその延長線上に接してしまうと、高温の排気ガスからの熱の流れ（図の白抜き矢印）により高熱伝導部６１が直接加熱されてしまうので、本発明の効果が発揮されない。従って、本発明では、高熱伝導部６１を有する出口側封止部６ｃで目封止された流路３に隣接する流路、すなわち流入側封止流路４と、該高熱伝導部６１とが接しないことを要件とする。この点で本発明は特許文献２のハニカムフィルタと大きく異なる。
【００１９】
また、上記流入側封止流路４から流出する排気ガスと出口側封止部６ｃとを熱的に隔離する観点から、隔壁２の断熱性を向上するために、隔壁２の気孔率は大きいほど好ましく、５０％以上であることが好ましい。ただし、気孔率が７２％より大きい場合には、隔壁２の厚さによっては断熱性が減少することがある。この原因は明確ではないが、隔壁２内の気孔を高温の排気ガスが流れることで、断熱性が減少するものの推定される。
【００２０】
また、高熱伝導部６１の熱伝導率は、高熱伝導部６１を有する封止部以外の封止部（６ａ、６ｃ）の熱伝導率より大きい、例えば入口側側封止部６ａがコーディエライトを主材料である場合は、高熱伝導部６１の熱伝導率がコーディエライトの熱伝導率よりも大きければ、例えば１.５ｋｃａｌ／ｍｈ℃以上であれば本発明の効果があるものの、好ましくは１０ｋｃａｌ／ｍｈ℃以上、より好ましくは１００ｋｃａｌ／ｍｈ℃以上、最も好ましくは２００ｃａｌ／ｍｈ℃以上であり、例えば高熱伝導部の材質として、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅など、或いはこれらを粉末にしたもの１種または２種以上とコロイダルシリカやコロイダルアルミナなどのコロイド状物質との混合物が選択される。
【００２１】
また出口側封止部６ｃの長さは長いほど熱容量が大きくなるため、ＰＭが長時間燃焼してもＰＭの燃焼熱が効果的に出口側封止部６ｃに吸収されるようになる。従って高熱伝導部６１を有する出口側封止部６ｃの流路方向（図１の左右方向）長さが、この出口側封止部の幅（図１の上下方向）の５倍以上として熱容量を大きくすることが好ましい。一方、ハニカムフィルタが冷えている状態から、エンジンを起動した場合は、速やかにハニカムフィルタの温度が上昇し、ＰＭがハニカムフィルタに多量に堆積する前にＰＭの燃焼が開始されることが好ましいので、この点では、出口側封止部６ｃの熱容量は小さい方が好ましく、高熱伝導部６１を有する出口側封止部６ｃの流路方向長さが、この出口側封止部の幅の３０倍以下とすることが、過剰に熱容量が増大することがなく好ましい。なお、本発明において上記流出側封止部６ｃの流路方向長さとは、詳しくは、流出側封止部６ｃの上流側端面の内、最もハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８に近い部分から、流出側封止部６ｃの下流側端面の内、最もハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８から遠い部分までの、流路方向の距離をいう。
【００２２】
また、高熱伝導部６１が金属製の熱伝導性が大きいもので構成され、さらにこれを細線とすることで、図４に示すように高熱伝導部６１の周囲がセラミック（図の斜線部）で囲まれるので、流入側封止流路４から流出する排気ガスと高熱伝導部６１とを熱的に隔離する効果が大きくなり好ましい。なお、金属製の細線からなる高熱伝導部６１の径は、０.３ｍｍ以上であることが高熱伝導部６１の熱容量が大きいために好ましく、出口側封止部６ｃの幅の０.６倍以下であると、上記断熱効果が大きくなり好ましい。また、高熱伝導部６１と周囲のセラミック（図４の斜線部）との接触部における高熱伝導部６１の表面に凹凸を付し、例えば表面粗さＲａが１００μｍ以上であると、出口側封止部６ｃより高熱伝導部６１が脱落することが防止でき好ましい。
【００２３】
また高熱伝導部６１は、図８に示すように出口側封止部６ｃの上流端に突出して形成することもできる。これにより、ＰＭの燃焼熱をより効果的に出口側封止部６ｃに吸収することができる。また、また高熱伝導部６１は、図８に示すように出口側封止部６ｃの下流端に突出して形成することもできる。これにより、高熱伝導部６１の熱容量を大きくすることができる。ただし、高熱伝導部６１がハニカムフィルタの排気ガス流出側端面９より下流側に突出すると、高温の排気ガスの熱が高熱伝導部６１に吸収される虞があるため、図８に示すように高熱伝導部６１がハニカムフィルタの排気ガス流出側端面９より下流側に突出しないことがより好ましい。
【００２４】
また本発明のハニカムフィルタにおいて、高熱伝導部６１が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とすることもでき、特に出口側封止部６ｃ全体が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とする封止部材料を固形化したものの場合は、従来の製法と同様に出口側封止部を形成することができ、追加の工数を付加することなく、安価にハニカムフィルタを得ることができる。金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とする封止部材料を固形化して封止部を形成する方法としては、特許文献３に記載の方法を理由することができる。具体的には、例えばコロイダルシリカやコロイダルアルミナなどのコロイド状物質とステンレス鋼粉末との混合物を材料とし、これに水を加えて混練したものをハニカムフィルタ排気ガス流出側流路３に挿入し、次にハニカムフィルタを１０００℃以下、好ましくは５００℃以下にて加熱することで、出口側封止部６ｃを形成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、従来のハニカムフィルタよりＰＭの燃焼熱による溶損の発生を低減することができる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】
【００２６】
次に本発明を実施例により具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例１にあたり、まずセラミックハニカム構造体を製造する。このセラミックハニカム構造体は公知の方法により製造する。まず、カオリン、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ２：４８〜５２％、Ａｌ２Ｏ３：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％を含むコーディエライト生成原料粉末とする。本実施例１ではＳｉＯ２：５０％、Ａｌ２Ｏ３：３５％、ＭｇＯ：１５％に調整する。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、潤滑材、造孔剤として発泡樹脂を添加し、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坏土を作成する。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。次にこの成形体を、乾燥、焼成し、コーディエライト質セラミックハニカム構造体を得る。このセラミックハニカム構造体は、外径は５０ｍｍ、長さは１３０ｍｍ、隔壁の厚さは０．３ｍｍ、隔壁ピッチは１．５ｍｍである。次に公知の方法で流入側封止流路４の上流側端部にコーディエライト粉末とコロイダルシリカとを水で混練してスラリーとした封止部材料を挿入する。なお、前記スラリーを固化した場合の熱伝導率は０.８ｋｃａｌ／ｍｈ℃である。
【００２７】
次に流出側封止流路３の下流側端部に上記と同様にコーディエライト粉末とコロイダルシリカとを水で混練してスラリーを深さ１２ｍｍの位置まで挿入する。次に流出側封止流路３に挿入したスラリーに、ステンレス製の針金を挿入する。このステンレス製の針金は、長さ１２ｍｍ、径０.５ｍｍ、熱伝導率１４ｋｃａｌ／ｍｈ℃である。次に８５０℃の環境下で２時間保持して封止部を固化し、続いて周知の方法で触媒を隔壁に担持させ、本発明のハニカムフィルタを得る。
【００２８】
次に、上記のハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８側より微粒子発生器により空気流量２Ｎｍ３／ｍｉｎで、粒径０．０４２μｍのカーボン粉を３ｇ／ｈで１時間投入し、ハニカムフィルタの隔壁にカーボン粉を堆積させる。次にハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８側より６００℃の空気を０．１Ｎｍ３／ｍｉｎで５分間流し、カーボン粉を燃焼させる。上記カーボン粉の投入と燃焼をさらに４回同様に繰り返した後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。なお、表１において評価を溶損を確認できないものを◎、実使用に影響がない程度の溶損を確認したものを○、実使用に影響のある溶損を確認したものを×として示す。
【００２９】
（比較例１）
本実施例１は、実施例１に対して出口側封止部６ｃにステンレス製の針金を挿入していない以外同一である。実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【表１】
【００３０】
（実施例２〜６）
本実施例２〜６は、実施例１に対して出口側封止部６ｃの長さを変更する以外同一である。なお、高熱伝導部となるステンレス製の針金の長さは出口側封止部６ｃの長さと同一にしている。実施例２〜６の出口側封止部６ｃの長さを表１に示す。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【００３１】
（実施例７〜１１）
本実施例７〜１１は、実施例１に対して高熱伝導部となるステンレス製の針金の径を変更する以外同一である。実施例２〜６のステンレス製の針金の径を表１に示す。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【００３２】
（比較例２）
本比較例は、実施例１に対して出口側封止部を銅製の円盤より切り出したものとする以外同一である。ここで、銅製の円盤は厚さ４.８ｍｍであり、これをエッチングにより流入側封止流路の形状に合わせて孔を開口するものである。この孔を開けた円盤をハニカムフィルタの排気ガス流出側端面に接合することで、断面が図７に示す形状をした出口側封止部２ｃを有するハニカムフィルタを得ることができる。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【００３３】
表１より、本発明のハニカムフィルタは、溶損の発生の防止に効果があることが分かる。特に、封止部の長さが幅の５倍以上であり、高熱伝導部の径が０.３ｍｍ以上であり、かつ封止部の幅の０.６倍以上の場合に効果が大きいことが理解できる。
【００３４】
（実施例１２〜１５）
本実施例１２〜１５は、実施例１に対して出口側封止部を変更する以外同一である。本実施例１２〜１５は、流出側封止流路３の下流側端部にコーディエライト粉末とコロイダルシリカとステンレス鋼粉末とを水で混練してスラリーとした封止部材料を挿入して出口側封止部とする。このときステンレス鋼粉末の添加量を増減して実施例１２〜１５とする。また、実施例１２〜１５の出口側封止部を作るスラリーと同一のスラリーより製造したテストピースの熱伝導率を表２に示す。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表２に示す。表２より、高熱伝導部の熱伝導率が１０ｋｃａｌ／ｍｈ℃のときに、本発明の効果が特に有効に得ることができることが理解される。
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のハニカムフィルタの構造を示す出口側封止部近傍の模式図である。
【図２】ハニカムフィルタの構造を示す模式図である。
【図３】従来のハニカムフィルタの出口側封止部の温度分布を説明する図である。
【図４】本発明のハニカムフィルタの出口側封止部の温度分布を説明する図である。
【図５】本発明のハニカムフィルタの構造を示す出口側封止部近傍の模式図である。
【図６】本発明のハニカムフィルタの出口側封止部近傍の熱の流れを説明する図である。
【図７】従来のハニカムフィルタの出口側封止部近傍の熱の流れを説明する図である。
【図８】本発明のハニカムフィルタの別の構造を示す出口側封止部近傍の模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：外周壁
２：隔壁
３：流出側封止流路
４：流入側封止流路
６ａ：入口側封止部
６ｃ：出口側封止部
８：排気ガス流入側端面
９：排気ガス流出側端面
１０：ハニカムフィルタ
６１：高熱伝導部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等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の排気ガス中には、炭素質からなる煤と高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）とを主成分とするＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）が含まれており、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虞がある。このため、ディーゼルエンジンの排気管の途中に、ＰＭを捕集するため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）を装着することが従来から行われている。図２は、排気ガス中のＰＭを捕集、浄化するハニカムフィルタの一例を示し、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は側断面模式図である。図２（ａ）、（ｂ）において、ハニカムフィルタ１０は、外周壁１と、この外周壁１の内側に各々直交する多孔性の隔壁２で仕切られた多数の流出側封止流路３と流入側封止流路４が、排気ガス流入側端面８と排気ガス流出側端面９にて交互に入口側封止部６ａと出口側封止部６ｃとで封止されている。また、ハニカムフィルタの外周壁１は、金属メッシュあるいはセラミックス製のマットなどで形成された把持部材（図示せず）で使用中に動かないように把持され、金属製収納容器（図示せず）内に配置されている。
【０００３】
図２に示すハニカムフィルタ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、排気ガス流入側端面８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、詳しくは隔壁２の表面及び内部に存在する互いに連通した細孔により形成される連通孔を通過する際に捕集され、浄化された排気ガスは、排気ガス流出側端面９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。
【０００４】
一方、隔壁２に捕集され堆積したＰＭが多くなると、隔壁が目詰まりし、排気ガスがハニカムフィルタを通過する際の圧力損失が増加するので、バーナーやヒーター等によりＰＭを加熱、燃焼除去してハニカムフィルタを再生する必要がある。しかしながら、捕集されたＰＭの量が多い場合には、ＰＭの燃焼熱によりハニカムフィルタが溶損するという問題がある。そしてこの溶損は、ＰＭの堆積しやすいハニカムフィルタの排気ガス出口側端面近傍にて発生しやすく、特にその軸方向垂直面の中央部にて発生しやすいことが知られている。
【０００５】
上記問題に対して、特許文献１では、排気ガスの出口側の端部に熱容量が大きい吸熱部を設けることで、具体的には、厚さを大きくしたり気孔率を小さくして熱容量を大きくした隔壁を吸熱部とする技術や、出口側封止部の長さを長くすることで熱容量を大きくし吸熱部とする技術が記載されており、これによりＰＭの燃焼熱が吸熱部に吸収されるとしている。
【０００６】
また特許文献２には、ＰＭの燃焼により高温になりやすい部分に接して熱伝達性の良い熱拡散部材を配置することで、ハニカムフィルタの軸方向垂直面の中央部のＰＭの燃焼熱を外周部に拡散させる技術が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５-２９７２号公報
【特許文献２】特開２００３-１５５９１０号公報
【特許文献３】特開２００５-１２５３１８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に記載のハニカムフィルタのように、隔壁の熱容量を大きくしても、ＰＭの燃焼熱を吸収するには熱容量が小さく、ハニカムフィルタの溶損を防止するには不十分であった。また、出口側封止部の長さを長くすることで熱容量を大きくしたハニカムフィルタの場合には、本発明者が実験したところ、ＰＭの燃焼熱によるハニカムフィルタの温度の上昇をある程度低減することが可能であるものの、溶損が発生する場合があり、これに対してさらに出口側封止部の長さを長くしても、その効果は向上しなかった。
【０００９】
一方、特許文献２に記載のハニカムフィルタでは、ハニカムフィルタの外周部へ熱は拡散しやすくなるものの、ＰＭの燃焼熱により温度が上昇した排気ガスに熱拡散部材が接しているので、熱拡散部材の温度が上昇し、ＰＭの燃焼熱が効果的に熱拡散部材に吸収されないため、ハニカムフィルタの溶損を防止するにはまだ不十分であり、更なる改善が必要であった。
【００１０】
従って本発明の目的は、従来のハニカムフィルタよりＰＭの燃焼熱による溶損の発生を低減することができるハニカムフィルタを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記問題に対して、まず特許文献１に記載の出口側封止部の長さを長くして熱容量を大きくしたハニカムフィルタにおいて、いくら出口側封止部の長さを長くしても、その効果が大きく向上しない原因を調査した。その結果、ＰＭの燃焼による発熱量は燃焼開始から直ちに大きくなること及び、封止部は熱伝導性の悪い多孔質セラミックスで形成されていることから、出口側封止部の上流側端面の熱が下流側に伝わり難いため、出口側封止部の上流側端面の温度が過度に上昇して溶損が発生することが判明した。そして、出口側封止部の熱伝導率を大きくすることで上記問題が解決できる可能性があることを知見し、本発明に到った。
【００１２】
すなわち本発明は、セラミックハニカム構造体の所望の流路を入口側封止部と出口側封止部とで交互に目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一部の出口側封止部は、該出口側封止部の上流側から下流側まで連続する高熱伝導部を有し、前記高熱伝導部を有する出口側封止部で目封止された前記流路に隣接する流路及びその延長線上と、該高熱伝導部とが接しないことを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記高熱伝導部を有する出口側封止部の流路方向長さが、該出口側封止部の幅の５倍以上３０倍以下であることが好ましい。
【００１４】
また本発明は、前記高熱伝導部が金属製の細線であることが好ましい。
【００１５】
また本発明は、前記高熱伝導部が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とすることもできる。
【００１６】
（本発明の作用効果）
本発明の作用と効果を、図を用いて説明する。図３は出口側封止部６ｃの長さを長くすることで出口側封止部の熱容量を大きくした、従来のハニカムフィルタの出口側封止部近傍の模式図である。また図３に示す等温線は、ＰＭが燃焼し始めた初期の温度分布を示す。図３に示すように、ＰＭが燃焼し始めた初期においては、等温線は出口側封止部６ｃの上流側（図の左側）で密となり下流側（図の右側）では疎になっている。このため出口側封止部６ｃの下流端の温度は低い状態であるにもかかわらず、上流側では高温になっており、ＰＭの燃焼熱が有効に出口側封止部６ｃに吸収されないために、ハニカムフィルタの溶損が発生する。
【００１７】
これに対して、本発明のハニカムフィルタでは、図１に示すように、出口側封止部６ｃが熱伝導率の大きい高熱伝導部６１を有しており、この高熱伝導部６１が出口側封止部上流側から下流側まで連続して存在しているので、図４に示すように出口側封止部の上流側の温度が上昇した場合には、この熱が高熱伝導部６１を通じて出口側封止部２１の下流側に速やかに伝導するため、ＰＭの燃焼熱が有効に出口側封止部６ｃに吸収され、ＰＭの燃焼熱によるハニカムフィルタの溶損の虞を低減する。
【００１８】
なお本発明のハニカムフィルタは、図５に示すように出口側封止部６ｃの全体を高熱伝導部６１とすることもできる。ただし、ＰＭが燃焼している状態では、ＰＭの燃焼熱により排気ガスの温度が高くなり、この温度の高い排気ガスが流入側封止流路４から流出する際に、図６に示すように隔壁２を介して熱の流れ（図の白抜き矢印）が生じ、出口側封止部６ｃの温度を上昇させる場合があるので、隔壁２の厚さは厚いほど、例えば０.１５ｍｍ以上として、より好ましくは０.２ｍｍ以上として流入側封止流路４から流出する排気ガスと出口側封止部６ｃとを熱的に隔離することが好ましい。ましてや、図７に示すように高熱伝導部６１が流入側封止流路４及びその延長線上に接してしまうと、高温の排気ガスからの熱の流れ（図の白抜き矢印）により高熱伝導部６１が直接加熱されてしまうので、本発明の効果が発揮されない。従って、本発明では、高熱伝導部６１を有する出口側封止部６ｃで目封止された流路３に隣接する流路、すなわち流入側封止流路４と、該高熱伝導部６１とが接しないことを要件とする。この点で本発明は特許文献２のハニカムフィルタと大きく異なる。
【００１９】
また、上記流入側封止流路４から流出する排気ガスと出口側封止部６ｃとを熱的に隔離する観点から、隔壁２の断熱性を向上するために、隔壁２の気孔率は大きいほど好ましく、５０％以上であることが好ましい。ただし、気孔率が７２％より大きい場合には、隔壁２の厚さによっては断熱性が減少することがある。この原因は明確ではないが、隔壁２内の気孔を高温の排気ガスが流れることで、断熱性が減少するものの推定される。
【００２０】
また、高熱伝導部６１の熱伝導率は、高熱伝導部６１を有する封止部以外の封止部（６ａ、６ｃ）の熱伝導率より大きい、例えば入口側側封止部６ａがコーディエライトを主材料である場合は、高熱伝導部６１の熱伝導率がコーディエライトの熱伝導率よりも大きければ、例えば１.５ｋｃａｌ／ｍｈ℃以上であれば本発明の効果があるものの、好ましくは１０ｋｃａｌ／ｍｈ℃以上、より好ましくは１００ｋｃａｌ／ｍｈ℃以上、最も好ましくは２００ｃａｌ／ｍｈ℃以上であり、例えば高熱伝導部の材質として、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅など、或いはこれらを粉末にしたもの１種または２種以上とコロイダルシリカやコロイダルアルミナなどのコロイド状物質との混合物が選択される。
【００２１】
また出口側封止部６ｃの長さは長いほど熱容量が大きくなるため、ＰＭが長時間燃焼してもＰＭの燃焼熱が効果的に出口側封止部６ｃに吸収されるようになる。従って高熱伝導部６１を有する出口側封止部６ｃの流路方向（図１の左右方向）長さが、この出口側封止部の幅（図１の上下方向）の５倍以上として熱容量を大きくすることが好ましい。一方、ハニカムフィルタが冷えている状態から、エンジンを起動した場合は、速やかにハニカムフィルタの温度が上昇し、ＰＭがハニカムフィルタに多量に堆積する前にＰＭの燃焼が開始されることが好ましいので、この点では、出口側封止部６ｃの熱容量は小さい方が好ましく、高熱伝導部６１を有する出口側封止部６ｃの流路方向長さが、この出口側封止部の幅の３０倍以下とすることが、過剰に熱容量が増大することがなく好ましい。なお、本発明において上記流出側封止部６ｃの流路方向長さとは、詳しくは、流出側封止部６ｃの上流側端面の内、最もハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８に近い部分から、流出側封止部６ｃの下流側端面の内、最もハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８から遠い部分までの、流路方向の距離をいう。
【００２２】
また、高熱伝導部６１が金属製の熱伝導性が大きいもので構成され、さらにこれを細線とすることで、図４に示すように高熱伝導部６１の周囲がセラミック（図の斜線部）で囲まれるので、流入側封止流路４から流出する排気ガスと高熱伝導部６１とを熱的に隔離する効果が大きくなり好ましい。なお、金属製の細線からなる高熱伝導部６１の径は、０.３ｍｍ以上であることが高熱伝導部６１の熱容量が大きいために好ましく、出口側封止部６ｃの幅の０.６倍以下であると、上記断熱効果が大きくなり好ましい。また、高熱伝導部６１と周囲のセラミック（図４の斜線部）との接触部における高熱伝導部６１の表面に凹凸を付し、例えば表面粗さＲａが１００μｍ以上であると、出口側封止部６ｃより高熱伝導部６１が脱落することが防止でき好ましい。
【００２３】
また高熱伝導部６１は、図８に示すように出口側封止部６ｃの上流端に突出して形成することもできる。これにより、ＰＭの燃焼熱をより効果的に出口側封止部６ｃに吸収することができる。また、また高熱伝導部６１は、図８に示すように出口側封止部６ｃの下流端に突出して形成することもできる。これにより、高熱伝導部６１の熱容量を大きくすることができる。ただし、高熱伝導部６１がハニカムフィルタの排気ガス流出側端面９より下流側に突出すると、高温の排気ガスの熱が高熱伝導部６１に吸収される虞があるため、図８に示すように高熱伝導部６１がハニカムフィルタの排気ガス流出側端面９より下流側に突出しないことがより好ましい。
【００２４】
また本発明のハニカムフィルタにおいて、高熱伝導部６１が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とすることもでき、特に出口側封止部６ｃ全体が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とする封止部材料を固形化したものの場合は、従来の製法と同様に出口側封止部を形成することができ、追加の工数を付加することなく、安価にハニカムフィルタを得ることができる。金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とする封止部材料を固形化して封止部を形成する方法としては、特許文献３に記載の方法を理由することができる。具体的には、例えばコロイダルシリカやコロイダルアルミナなどのコロイド状物質とステンレス鋼粉末との混合物を材料とし、これに水を加えて混練したものをハニカムフィルタ排気ガス流出側流路３に挿入し、次にハニカムフィルタを１０００℃以下、好ましくは５００℃以下にて加熱することで、出口側封止部６ｃを形成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、従来のハニカムフィルタよりＰＭの燃焼熱による溶損の発生を低減することができる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】
【００２６】
次に本発明を実施例により具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例１にあたり、まずセラミックハニカム構造体を製造する。このセラミックハニカム構造体は公知の方法により製造する。まず、カオリン、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ２：４８〜５２％、Ａｌ２Ｏ３：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％を含むコーディエライト生成原料粉末とする。本実施例１ではＳｉＯ２：５０％、Ａｌ２Ｏ３：３５％、ＭｇＯ：１５％に調整する。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、潤滑材、造孔剤として発泡樹脂を添加し、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坏土を作成する。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。次にこの成形体を、乾燥、焼成し、コーディエライト質セラミックハニカム構造体を得る。このセラミックハニカム構造体は、外径は５０ｍｍ、長さは１３０ｍｍ、隔壁の厚さは０．３ｍｍ、隔壁ピッチは１．５ｍｍである。次に公知の方法で流入側封止流路４の上流側端部にコーディエライト粉末とコロイダルシリカとを水で混練してスラリーとした封止部材料を挿入する。なお、前記スラリーを固化した場合の熱伝導率は０.８ｋｃａｌ／ｍｈ℃である。
【００２７】
次に流出側封止流路３の下流側端部に上記と同様にコーディエライト粉末とコロイダルシリカとを水で混練してスラリーを深さ１２ｍｍの位置まで挿入する。次に流出側封止流路３に挿入したスラリーに、ステンレス製の針金を挿入する。このステンレス製の針金は、長さ１２ｍｍ、径０.５ｍｍ、熱伝導率１４ｋｃａｌ／ｍｈ℃である。次に８５０℃の環境下で２時間保持して封止部を固化し、続いて周知の方法で触媒を隔壁に担持させ、本発明のハニカムフィルタを得る。
【００２８】
次に、上記のハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８側より微粒子発生器により空気流量２Ｎｍ３／ｍｉｎで、粒径０．０４２μｍのカーボン粉を３ｇ／ｈで１時間投入し、ハニカムフィルタの隔壁にカーボン粉を堆積させる。次にハニカムフィルタの排気ガス流入側端面８側より６００℃の空気を０．１Ｎｍ３／ｍｉｎで５分間流し、カーボン粉を燃焼させる。上記カーボン粉の投入と燃焼をさらに４回同様に繰り返した後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。なお、表１において評価を溶損を確認できないものを◎、実使用に影響がない程度の溶損を確認したものを○、実使用に影響のある溶損を確認したものを×として示す。
【００２９】
（比較例１）
本実施例１は、実施例１に対して出口側封止部６ｃにステンレス製の針金を挿入していない以外同一である。実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【表１】
【００３０】
（実施例２〜６）
本実施例２〜６は、実施例１に対して出口側封止部６ｃの長さを変更する以外同一である。なお、高熱伝導部となるステンレス製の針金の長さは出口側封止部６ｃの長さと同一にしている。実施例２〜６の出口側封止部６ｃの長さを表１に示す。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【００３１】
（実施例７〜１１）
本実施例７〜１１は、実施例１に対して高熱伝導部となるステンレス製の針金の径を変更する以外同一である。実施例２〜６のステンレス製の針金の径を表１に示す。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【００３２】
（比較例２）
本比較例は、実施例１に対して出口側封止部を銅製の円盤より切り出したものとする以外同一である。ここで、銅製の円盤は厚さ４.８ｍｍであり、これをエッチングにより流入側封止流路の形状に合わせて孔を開口するものである。この孔を開けた円盤をハニカムフィルタの排気ガス流出側端面に接合することで、断面が図７に示す形状をした出口側封止部２ｃを有するハニカムフィルタを得ることができる。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表１に示す。
【００３３】
表１より、本発明のハニカムフィルタは、溶損の発生の防止に効果があることが分かる。特に、封止部の長さが幅の５倍以上であり、高熱伝導部の径が０.３ｍｍ以上であり、かつ封止部の幅の０.６倍以上の場合に効果が大きいことが理解できる。
【００３４】
（実施例１２〜１５）
本実施例１２〜１５は、実施例１に対して出口側封止部を変更する以外同一である。本実施例１２〜１５は、流出側封止流路３の下流側端部にコーディエライト粉末とコロイダルシリカとステンレス鋼粉末とを水で混練してスラリーとした封止部材料を挿入して出口側封止部とする。このときステンレス鋼粉末の添加量を増減して実施例１２〜１５とする。また、実施例１２〜１５の出口側封止部を作るスラリーと同一のスラリーより製造したテストピースの熱伝導率を表２に示す。次に実施例１と同じくカーボン粉の投入と燃焼を行った後、ハニカムフィルタを切断して溶損の有無を確認する。結果を表２に示す。表２より、高熱伝導部の熱伝導率が１０ｋｃａｌ／ｍｈ℃のときに、本発明の効果が特に有効に得ることができることが理解される。
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のハニカムフィルタの構造を示す出口側封止部近傍の模式図である。
【図２】ハニカムフィルタの構造を示す模式図である。
【図３】従来のハニカムフィルタの出口側封止部の温度分布を説明する図である。
【図４】本発明のハニカムフィルタの出口側封止部の温度分布を説明する図である。
【図５】本発明のハニカムフィルタの構造を示す出口側封止部近傍の模式図である。
【図６】本発明のハニカムフィルタの出口側封止部近傍の熱の流れを説明する図である。
【図７】従来のハニカムフィルタの出口側封止部近傍の熱の流れを説明する図である。
【図８】本発明のハニカムフィルタの別の構造を示す出口側封止部近傍の模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：外周壁
２：隔壁
３：流出側封止流路
４：流入側封止流路
６ａ：入口側封止部
６ｃ：出口側封止部
８：排気ガス流入側端面
９：排気ガス流出側端面
１０：ハニカムフィルタ
６１：高熱伝導部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックハニカム構造体の所望の流路を入口側封止部と出口側封止部とで交互に目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一部の出口側封止部は、該出口側封止部の上流側から下流側まで連続する高熱伝導部を有し、前記高熱伝導部を有する出口側封止部で目封止された前記流路に隣接する流路及びその延長線上と、該高熱伝導部とが接しない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】
前記高熱伝導部を有する出口側封止部の流路方向長さが、該出口側封止部の幅の５倍以上３０倍以下である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。
【請求項３】
前記高熱伝導部が金属製の細線であることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項４】
前記高熱伝導部が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とすることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項１】
セラミックハニカム構造体の所望の流路を入口側封止部と出口側封止部とで交互に目封止したセラミックハニカムフィルタであって、少なくとも一部の出口側封止部は、該出口側封止部の上流側から下流側まで連続する高熱伝導部を有し、前記高熱伝導部を有する出口側封止部で目封止された前記流路に隣接する流路及びその延長線上と、該高熱伝導部とが接しない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】
前記高熱伝導部を有する出口側封止部の流路方向長さが、該出口側封止部の幅の５倍以上３０倍以下である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。
【請求項３】
前記高熱伝導部が金属製の細線であることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【請求項４】
前記高熱伝導部が金属粉末とセラミックス粉末とを主成分とすることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載のセラミックハニカムフィルタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１３６９１８（Ｐ２００８−１３６９１８Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２４９００（Ｐ２００６−３２４９００）
【出願日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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