JP-7855791-B2 - ハニカムフィルタ

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Inventors

春日錬
白木偲織
伊藤徹哉

Assignees

ＮＧＫ株式会社

Dates

Publication Date: 20260508
Application Date: 20240321
Priority Date: 20230330

Claims (3)

流入端面から流出端面まで延びる流体の流路となる複数のセルを取り囲むように配設された多孔質の隔壁を有するハニカム構造体と、前記セルの前記流入端面側又は前記流出端面側のいずれか一方の端部を封止するように配置された目封止部と、を備え、前記流出端面側の端部に前記目封止部が配設され、前記流入端面側が開口した前記セルを、流入セルとし、前記流入端面側の端部に前記目封止部が配設され、前記流出端面側が開口した前記セルを、流出セルとし、前記ハニカム構造体は、前記流入セルを取り囲む前記隔壁の内表面側に、排ガス中の粒子状物質を捕集するための捕集層を更に有し、前記捕集層は、複数の非酸化物粒子が酸化物を介して接合された多孔質層であり、隣接する前記非酸化物粒子同士を接合する前記酸化物の厚さが０．０７７μｍ以上であり、且つ前記捕集層を構成する前記非酸化物粒子の平均粒径をＲ（μｍ）とし、前記酸化物の厚さをＴ（μｍ）とした場合に、Ｒ≦１．０６０９ｅ＾（４．７０５７×Ｔ）の関係を満たす、ハニカムフィルタ。
前記捕集層を構成する前記酸化物が、前記非酸化物粒子の表面を覆うように配設されている、請求項１に記載のハニカムフィルタ。
前記非酸化物粒子が、炭化珪素粒子である、請求項１又は２に記載のハニカムフィルタ。

Description

本発明は、ハニカムフィルタに関する。更に詳しくは、多孔質の隔壁の表面に粒子状物質を捕集するための捕集層が配設されたハニカムフィルタに関する。近年、ガソリンエンジンから排出される排ガス中に含まれる粒子状物質の除去に関する規制は世界的に厳しくなっており、粒子状物質を除去するためのフィルタとして、ハニカム構造を有するハニカムフィルタが用いられている。以下、粒子状物質を、「ＰＭ」ということがある。ＰＭは、「ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ」の略である。例えば、ハニカムフィルタとしては、複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁を有するハニカム構造体と、セルのいずれか一方の端部を目封止する目封止部と、を備えたものを挙げることができる。このようなハニカムフィルタは、多孔質の隔壁がＰＭを除去するフィルタの役目を果たす構造となっている。具体的には、ＰＭを含有する排ガスを、ハニカムフィルタの流入端面から流入させ、多孔質の隔壁でＰＭを捕集することによって濾過した後に、浄化された排ガスを、ハニカムフィルタの流出端面から排出する。このようにして排ガス中のＰＭを除去することができる。従来、ハニカムフィルタの捕集性能を向上させるための技術として、ハニカム構造体の隔壁を厚くしたり、隔壁に形成された細孔の大きさを小さくしたりするという技術が提案されている。しかしながら、上述したような技術により捕集性能を向上させた場合には、隔壁に形成された細孔内にＰＭ（例えば、煤）が詰まり易くなってしまい、ハニカムフィルタの圧力損失が上昇してしまうという問題があった。即ち、上述したような技術は、捕集性能の向上効果と圧力損失の上昇抑制効果とが二律背反の関係にあるため、有効な解決手段とは言い難かった。このようなことから、ハニカム構造体の隔壁の表面に、ＰＭを捕集するための捕集層を配設した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）。例えば、捕集層は、隔壁の平均細孔径よりも平均細孔径の小さい多孔質膜によって構成されている。このようなハニカムフィルタによれば、捕集層の表面上にＰＭを堆積させることができるため、隔壁の細孔内のＰＭの詰まりによる圧力損失の急上昇を抑制しつつ、ＰＭを捕集する際の捕集効率を向上させることができる。特開２０１２－２０６０６１号公報本発明のハニカムフィルタの一の実施形態を模式的に示す斜視図である。図１に示すハニカムフィルタの流入端面側の平面図である。図１に示すハニカムフィルタの流出端面側の平面図である。図２のＡ－Ａ’断面を模式的に示す断面図である。隔壁の断面を模式的に示す断面図である。図５の符号Ｐで示す範囲の捕集層を拡大した拡大断面図である。捕集層の剥離試験を行うための振動試験機の構成を説明するための模式的な平面図である。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い。したがって、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、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。（１）ハニカムフィルタ：本発明のハニカムフィルタの実施形態は、図１～図４に示すようなハニカムフィルタ１００である。ここで、図１は、本発明のハニカムフィルタの一の実施形態を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示すハニカムフィルタの流入端面側の平面図である。図３は、図１に示すハニカムフィルタの流出端面側の平面図である。図４は、図２のＡ－Ａ’断面を模式的に示す断面図である。図１～図４に示すように、本実施形態のハニカムフィルタ１００は、ハニカム構造体４と、目封止部５と、を備えたものである。ハニカム構造体４は、流入端面１１から流出端面１２まで延びる流体の流路となる複数のセル２を取り囲むように配設された多孔質の隔壁１を有するものである。図１～図４に示すハニカム構造体４は、流入端面１１及び流出端面１２を両端面とする円柱形状に構成され、その外周側面に、外周壁３を更に有している。即ち、外周壁３は、格子状に配設された隔壁１を囲繞するように配設されている。目封止部５は、セル２の流入端面１１側又は流出端面１２側のいずれか一方の端部を封止するように配置されたものである。以下、複数のセル２のうち、流出端面１２側の端部に目封止部５が配設され、流入端面１１側が開口したセル２を、「流入セル２ａ」とする。また、複数のセル２のうち、流入端面１１側の端部に目封止部５が配設され、流出端面１２側が開口したセル２を、「流出セル２ｂ」とする。本実施形態のハニカムフィルタ１００において、流入セル２ａと流出セル２ｂは、隔壁１を挟んで交互に配置されていることが好ましい。ハニカムフィルタ１００は、ハニカム構造体４が、以下のように構成されている点に特徴を有する。即ち、ハニカム構造体４は、図５及び図６に示すように、流入セル２ａを取り囲む隔壁１の内表面側に、排ガス中の粒子状物質（以下、「ＰＭ」ともいう）を捕集するための捕集層１４を更に有する。そして、捕集層１４は、複数の非酸化物粒子１５が酸化物１６を介して接合された多孔質層である。そして、この捕集層１４は、隣接する非酸化物粒子１５同士を接合する酸化物１６の厚さＴが０．０７７μｍ以上である。更に、この捕集層１４は、捕集層１４を構成する非酸化物粒子の平均粒径をＲ（μｍ）とし、酸化物１６の厚さをＴ（μｍ）とした場合に、Ｒ≦１．０６０９ｅ＾（４．７０５７×Ｔ）の関係を満たす。以下、「Ｒ≦１．０６０９ｅ＾（４．７０５７×Ｔ）」で示される関係式を、「関係式（１）」ということがある。関係式（１）の左辺は、非酸化物粒子の平均粒径Ｒ（μｍ）を示している。一方、関係式（１）の右辺において、ｅは、自然対数の底であるネイピア数を示す。関係式（１）の右辺は、「酸化物１６の厚さＴ（μｍ）に４．７０５７を乗じた値」を冪指数とするネイピア数（ｅ）に、１．０６０９を乗じた値である。ここで、図５は、隔壁の断面を模式的に示す断面図である。図５において、符号７は、隔壁１に形成された細孔を示す。図６は、図５の符号Ｐで示す範囲の捕集層を拡大した拡大断面図である。捕集層１４が、上述したような非酸化物粒子１５及び酸化物１６によって構成された多孔質層であることにより、振動や熱衝撃等の応力がかかっても捕集層１４が破壊し難く、隔壁１からの捕集層１４の剥離を有効に抑制することができる。特に、酸化物１６の厚さＴが０．０７７μｍ未満であると、非酸化物粒子１５を結合する結合部が細くなり、非酸化物粒子１５同士の結合が解除され易くなってしまう。なお、酸化物１６の厚さＴが０．０７７μｍ以上であっても、上記関係式（１）を満たさない場合も同様に、非酸化物粒子１５を結合する結合部が細くなり、非酸化物粒子１５同士の結合が解除され易くなってしまう。例えば、非酸化物粒子の平均粒径Ｒ（μｍ）が小さいと、許容される酸化物１６の厚さＴμｍの下限値も小さくなる。そして、非酸化物粒子の平均粒径Ｒ（μｍ）が大きくなるにしたがって、許容される酸化物１６の厚さＴμｍの下限値も大きくなる。隣接する非酸化物粒子１５同士を接合する酸化物１６の厚さＴは、０．０７７μｍ以上であり、且つ上述した関係式（１）を満たすように構成されていればよい。特に限定されることはないが、例えば、非酸化物粒子の平均粒径Ｒが、２．２～３．０μｍ程度の場合、例えば、酸化物１６の厚さは、０．１５５～０．２３０μｍであることが好ましく、０．１５５～０．１６７μｍであることが更に好ましい。例えば、酸化物１６の厚さが極端に厚くなると、非酸化物粒子１５同士を接合する酸化物１６からなる層（以下、「酸化物層」ともいう）にクラックなどが入り、非酸化物粒子１５同士の接合（結合）が壊れやすくなることがある。このため、特に限定されることはないが、酸化物１６の厚さの上限値として、例えば、０．２３０μｍを挙げることができる。捕集層１４を構成する非酸化物粒子１５の平均粒径Ｒ（μｍ）については、特に制限はない。例えば、非酸化物粒子１５の平均粒径Ｒ（μｍ）は、０．４～２．４μｍであることが好ましく、０．９～２．４μｍであることが更に好ましい。非酸化物粒子１５の平均粒径Ｒ（μｍ）は、以下の方法にて求めることができる。まず、図１～図３に示すようなハニカムフィルタ１００を構成するハニカム構造体４から、隔壁１及び捕集層１４の一部を、試験片として切り出す。試験片を切り出す位置は、ハニカムフィルタ１００のセル２の延びる方向（即ち、流路方向）の中央断面から流出端面１２までの間（但し、流出端面１２側の目封止部５が配設された箇所を除く）とする。次に、切り出した試験片を、セル２の延びる方向に直交する方向に切断し、切断面を研磨する。切断面の研磨は、機械研磨を行う。次に、研磨した切断面を、走査電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」ともいう。）を用いて撮像し、ＳＥＭ画像を得る。「ＳＥＭ」とは、「ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」の略である。撮像条件は、倍率：２００倍，ファイル形式：ＴＩＦ，幅：１２８０ｐｉｘｅｌ，高さ：９６０ｐｉｘｅｌとする。ＳＥＭ画像の撮像は４視野について行う。この４視野の撮像は、例えば、１つの試験片の異なる４点にて行ってもよいし、試験片を４つ作製し、それぞれの試験片に対して行ってもよい。４視野のＳＥＭ画像を、以下「４つの水準」ともいう。次に、ＳＥＭ画像に映し出された捕集層１４を構成する非酸化物粒子１５のうち、基材である隔壁１上に存在する非酸化物粒子１５のみを対象として二値化する。即ち、隔壁１の細孔内部に存在する非酸化物粒子１５や、隔壁１が存在する部分に跨って存在する非酸化物粒子１５は、二値化の解析対象としない。例えば、ＳＥＭ画像に映し出された隔壁１が、当該画像の下側に位置するようにした場合、隔壁１の表面に相当する境界に線分を仮想的に引き、その線分よりも上側に存在する非酸化物粒子１５のみを二値化の解析対象とする。これにより、より正確な非酸化物粒子１５の平均粒径Ｒ（μｍ）を算出することができる。二値化処理は、三谷商事社製の画像解析ソフト「Ｗｉｎｒｏｏｆ２０１８（Ｍｉｔａｎｉｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（商品名）」を用いて行う。二値化の解析項目は「円相当径」を選択して、非酸化物粒子１５の平均粒径Ｒ（μｍ）を算出する。また、捕集層１４を構成する酸化物１６の厚さＴ（μｍ）は、以下のようにして測定することができる。まず、図１～図３に示すようなハニカムフィルタ１００を構成するハニカム構造体４から、隔壁１及び捕集層１４の一部を、試験片として切り出す。試験片を切り出す位置は、ハニカムフィルタ１００のセル２の延びる方向（即ち、流路方向）の中央断面から流出端面１２までの間（但し、流出端面１２側の目封止部５が配設された箇所を除く）とする。次に、切り出した試験片を、セル２の延びる方向に直交する方向に切断し、切断面を研磨する。切断面の研磨は、機械研磨を行った後、イオン研磨を行う。次に、研磨した切断面を、電界放出形走査電子顕微鏡（以下、「ＦＥ－ＳＥＭ」ともいう。）を用いて撮像し、倍率６０００倍のＳＥＭ画像を得る。「ＦＥ－ＳＥＭ」とは、「ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」の略である。撮像条件としては、加速電圧を１．５ｋＶとする。ＳＥＭ画像の撮像は４視野について行う。この４視野の撮像は、例えば、１つの試験片の異なる４点にて行ってもよいし、試験片を４つ作製し、それぞれの試験片に対して行ってもよい。４視野のＳＥＭ画像を、以下「４つの水準」ともいう。次に、ＳＥＭ画像に映し出された捕集層１４の構成成分について、ＥＤＳ分析によって定性分析を行い、その構成成分が、酸化物であるか、非酸化物であるかについての確認を行う。次に、得られたＳＥＭ画