| 【発明の名称】 |
排気ガス浄化装置及びその製造方法、セラミックハニカム構造体の収容構造 |
| 【発明者】 |
【氏名】山田 啓二
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| 【要約】 |
【課題】被収容物の位置ずれや風蝕に起因するガス漏れが起こりにくく、しかも製造が簡単な排気ガス浄化装置を提供すること。
【解決手段】この排気ガス浄化装置１は、ケーシング８、マット状断熱材１０及びセラミックハニカムフィルタ９を備える。管状のケーシング８は、内燃機関２の排気管６，７の途上に設けられ、排気ガスが流通可能になっている。ハニカムフィルタ９は、外周面９ｃにマット状断熱材１０を巻き付けた状態でケーシング８内に収容される。ケーシング８は狭窄部２１，２２及び非狭窄部２３を備える。狭窄部２１，２２はマット状断熱材１０のガス流入側端部１０ａ及びガス流出側端部１０ｂに対応する箇所に配置されている。非狭窄部２３は両狭窄部２１，２２間に配置されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】内燃機関の排気管の途上に設けられるとともに排気ガスが流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカムフィルタの外周面にマット状断熱材を巻き付けたものを収容した排気ガス浄化装置において、前記ケーシングは狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状断熱材のガス流入側端部またはガス流出側端部に対応する箇所に配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】内燃機関の排気管の途上に設けられるとともに排気ガスが流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカムフィルタの外周面にマット状断熱材を巻き付けたものを収容した排気ガス浄化装置において、前記ケーシングは狭窄部及び非狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状断熱材のガス流入側端部及びガス流出側端部に対応する箇所に配置され、前記非狭窄部は前記両狭窄部間に配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項３】前記狭窄部は、前記マット状断熱材の端部をその厚さ方向に圧縮していることを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】前記狭窄部における前記マット状断熱材の最小厚さは、前記ケーシングの非狭窄部における前記マット状断熱材の厚さの１／４〜３／４であることを特徴とする請求項３に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】前記狭窄部は、前記マット状断熱材の端縁に対して同マット状断熱材の層方向から接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項６】前記セラミックハニカムフィルタの外周面に凹凸を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項７】前記セラミックハニカムフィルタは、多孔質炭化珪素焼結体からなる複数の角柱状ハニカムフィルタ個片の外周面同士をセラミック質からなるシール材ペースト層を介して接着して一体化したものを、全体として断面略円形状または断面略楕円形状に外形カットしてなるものであることを特徴とする請求項６に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置を製造する方法であって、セラミックハニカムフィルタの外周面にマット状断熱材を巻き付けたものを、金属からなる筒状の素材内に収容し、この状態で前記素材に対する塑性加工を行うことにより前記素材に前記狭窄部を形成することを特徴とする排気ガス浄化装置の製造方法。
【請求項９】流体が流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカム構造体の外周面にマット状物を巻き付けたものを収容した構造において、前記ケーシングは狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状物の流体流入側端部または流体流出側端部に対応する箇所に配置されていることを特徴とするセラミックハニカム構造体の収容構造。
【請求項１０】流体が流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカム構造体の外周面にマット状物を巻き付けたものを収容した構造において、前記ケーシングは狭窄部及び非狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状物の流体流入側端部及び流体流出側端部に対応する箇所に配置され、前記非狭窄部は前記両狭窄部間に配置されていることを特徴とするセラミックハニカム構造体の収容構造。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガス浄化装置及びその製造方法、セラミックハニカム構造体の収容構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、多様多種の排気ガス浄化装置が提案されている。図９にその一例を示す。この排気ガス浄化装置３１を構成するケーシング３２は、エンジンの排気管３３の途上に設けられる。同図におけるケーシング３２は、等断面形状の金属製円筒状部材３２ａの両端開口に、一対の金属製円錐状部材３２ｂを嵌合した構成となっている。このようなケーシング３２内には、外周面にマット状断熱材３４を巻き付けられた状態のセラミックハニカムフィルタ３５が収容されている。ハニカムフィルタ３５は、自身の軸線方向に沿って延びる多数のセル３６を有している。従って、ケーシング３２内を流れる排気ガスがハニカムフィルタ３５を通り抜ける際、そのセル３６のセル壁に粒子状物質（ＰＭ）がトラップされる。その結果、排気ガス中からＰＭが除去され、排気ガスが浄化されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ハニカムフィルタ３５をケーシング３２にセットして排気ガスを流通させた場合、ＰＭの捕集量が多くなるほど、ハニカムフィルタ３５のガス流入側端面３５ａにかかるガス圧（背圧）が上昇する。そして、背圧の値が大きくなると、被収容物（ハニカムフィルタ３５及びマット状断熱材３４）が本来の保持位置からガス流出側方向に位置ずれしてしまう。この場合、ケーシング３２の内周面とマット状断熱材３４との間に隙間が発生し、結果としてガスリークが生じやすくなってしまう。
【０００４】これを防止する対策としては、例えばマット状断熱材３４を通常よりも厚めに巻いておくことにより、ハニカムフィルタ３５をケーシング３２内に圧入する際の面圧を高く設定するということが考えられる。しかし、このような製造方法を採った場合、ハニカムフィルタ３５の圧入作業が困難になり、結果的に製造しにくいものとなってしまう。
【０００５】また、近年において排気ガスの温度は高くなる傾向にある。このため、マット状断熱材３４のガス流入側端部が高温に晒されることにより、当該部位が短期間のうちに風蝕されてしまう。そして、このこともガスリークを発生させる原因となっている。
【０００６】本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、被収容物の位置ずれや風蝕に起因するガス漏れが起こりにくく、しかも製造が簡単な排気ガス浄化装置を提供することにある。
【０００７】本発明の第２の目的は、上記の優れた排気ガス浄化装置の製造に好適な方法を提供することにある。本発明の第３の目的は、被収容物の位置ずれに起因する流体漏れが起こりにくく、しかも製造が簡単なセラミックハニカム構造体の収容構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、内燃機関の排気管の途上に設けられるとともに排気ガスが流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカムフィルタの外周面にマット状断熱材を巻き付けたものを収容した排気ガス浄化装置において、前記ケーシングは狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状断熱材のガス流入側端部またはガス流出側端部に対応する箇所に配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置をその要旨とする。
【０００９】請求項２に記載の発明では、内燃機関の排気管の途上に設けられるとともに排気ガスが流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカムフィルタの外周面にマット状断熱材を巻き付けたものを収容した排気ガス浄化装置において、前記ケーシングは狭窄部及び非狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状断熱材のガス流入側端部及びガス流出側端部に対応する箇所に配置され、前記非狭窄部は前記両狭窄部間に配置されていることを特徴とする排気ガス浄化装置をその要旨とする。
【００１０】請求項３の発明は、請求項１または２において、前記狭窄部は、前記マット状断熱材の端部をその厚さ方向に圧縮しているとした。請求項４の発明は、請求項３において、前記狭窄部における前記マット状断熱材の最小厚さは、前記ケーシングの非狭窄部における前記マット状断熱材の厚さの１／４〜３／４であるとした。
【００１１】請求項５に記載の発明は、請求項１または２において、前記狭窄部は、前記マット状断熱材の端縁に対して同マット状断熱材の層方向から接触しているとした。
【００１２】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記セラミックハニカムフィルタの外周面に凹凸を設けた。請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記セラミックハニカムフィルタは、多孔質炭化珪素焼結体からなる複数の角柱状ハニカムフィルタ個片の外周面同士をセラミック質からなるシール材ペースト層を介して接着して一体化したものを、全体として断面略円形状または断面略楕円形状に外形カットしてなるものであるとした。
【００１３】請求項８に記載の発明では、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の排気ガス浄化装置を製造する方法であって、セラミックハニカムフィルタの外周面にマット状断熱材を巻き付けたものを、金属からなる筒状の存在内に収容し、この状態で前記素材に対する塑性加工を行うことにより前記素材に前記狭窄部を形成することを特徴とする排気ガス浄化装置の製造方法をその要旨とする。
【００１４】請求項９に記載の発明では、流体が流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカム構造体の外周面にマット状物を巻き付けたものを収容した構造において、前記ケーシングは狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状物の流体流入側端部または流体流出側端部に対応する箇所に配置されていることを特徴とするセラミックハニカム構造体の収容構造をその要旨とする。
【００１５】請求項１０に記載の発明では、流体が流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカム構造体の外周面にマット状物を巻き付けたものを収容した構造において、前記ケーシングは狭窄部及び非狭窄部を備えるとともに、前記狭窄部は前記マット状物の流体流入側端部及び流体流出側端部に対応する箇所に配置され、前記非狭窄部は前記両狭窄部間に配置されていることを特徴とするセラミックハニカム構造体の収容構造をその要旨とする。
【００１６】以下、本発明の「作用」について説明する。請求項１に記載の発明によると、ケーシングに設けられた狭窄部により、マット状断熱材のガス流入側端部またはガス流出側端部が確実に保持される結果、被収容物全体がガス流出側方向に位置ずれしにくくなる。また、マット状断熱材のガス流入側端部が狭窄部により保持される結果、排気ガスの影響を受けにくくなり、当該部位に風蝕が起こりにくくなる。さらに、本発明によれば、高い面圧の確保のために、例えばハニカムフィルタに対してマット状断熱材を通常より厚めに巻いておく等の対策も不要になる。よって、被収容物の圧入作業を比較的簡単に行うことが可能である。
【００１７】請求項２に記載の発明によると、被収容物の保持力がよりいっそうアップすることにより、被収容物全体のガス流出側方向への位置ずれをより確実に防止することができる。
【００１８】請求項３の発明によると、狭窄部によってマット状断熱材の端部がその厚さ方向に圧縮されることにより、当該部位の嵩密度が高くなる。その結果、当該部位において高い面圧が得られ、被収容物を保持する力が確実にアップする。また、狭窄部によってマット状断熱材のガス流入側端部がその厚さ方向に圧縮されている場合、嵩密度の上昇によって排気ガスが当該部位に侵入しにくくなる。このため、ガス流入側端部における風蝕が確実に防止される。
【００１９】請求項４の発明によると、ハニカムフィルタの破壊を回避しつつ高い保持力を得ることができる。上記最小厚さが上記厚さの１／４未満であると、マット状断熱材の端部の嵩密度を大きくすることができる反面、ハニカムフィルタの特定部位に応力が集中してハニカムフィルタが破壊しやすくなるおそれがある。逆に、上記最小厚さが上記厚さの３／４以上であると、マット状断熱材の端部の嵩密度を十分に大きくすることができず、当該部位において高い面圧を得にくくなるおそれがある。
【００２０】請求項５に記載の発明によると、マット状断熱材のガス流出側端縁に対して同マット状断熱材の層方向から狭窄部が接触した構造であると、被収容物のガス流出側方向への移動が規制され、その方向への位置ずれが確実に防止される。また、マット状断熱材のガス流入側端縁に対して同マット状断熱材の層方向から狭窄部が接触した構造であると、当該端縁が狭窄部によってある程度隠された状態となる。ゆえに、当該端縁が排気ガスに晒されにくくなり、マット状断熱材のガス流入側端部の風蝕が確実に防止される。
【００２１】請求項６に記載の発明によると、ハニカムフィルタの外周面に設けられた凹凸に対してマット状断熱材が変形して追従する。この結果、好適なアンカー効果が得られ、マット状断熱材がハニカムフィルタを保持する力がアップする。ゆえに、ハニカムフィルタとマット状断熱材との間に位置ずれが生じにくくなる。
【００２２】請求項８に記載の発明によると、塑性加工を行うことにより、金属からなる筒状の素材が塑性変形を起こす。このため、素材の所定部位に狭窄部を比較的簡単にかつ確実に形成することができる。また、被収容物の収容後に塑性加工を行う方法であるため、ケーシング内に被収容物を無理矢理圧入することが特に要求されず、被収容物の圧入作業を比較的簡単に行うことが可能である。
【００２３】請求項９に記載の発明によると、ケーシングに設けられた狭窄部により、マット状物の流体流入側端部または流体流出側端部が確実に保持される結果、被収容物全体が流体流出側方向に位置ずれしにくくなる。さらに、本発明によれば、高い面圧の確保のために、例えばハニカム構造体に対してマット状物を通常より厚めに巻いておく等の対策も不要になる。よって、被収容物の圧入作業を比較的簡単に行うことが可能である。
【００２４】請求項１０に記載の発明によると、被収容物の保持力がよりいっそうアップすることにより、被収容物全体の流体流出側方向への位置ずれをより確実に防止することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施形態のディーゼルエンジン用の排気ガス浄化装置１を、図１〜図５に基づき詳細に説明する。
【００２６】図１に示されるように、この排気ガス浄化装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２から排出される排気ガスを浄化するための装置である。ディーゼルエンジン２は、図示しない複数の気筒を備えている。各気筒には、金属材料からなる排気マニホールド３の分岐部４がそれぞれ連結されている。各分岐部４は１本のマニホールド本体５にそれぞれ接続されている。従って、各気筒から排出された排気ガスは一箇所に集中する。
【００２７】排気マニホールド３の下流側には、金属材料からなる第1排気管６及び第２排気管７が配設されている。第1排気管６の上流側端は、マニホールド本体５に連結されている。第１排気管６と第２排気管７との間には、同じく金属材料（具体的にはステンレス）からなる管状のケーシング８が配設されている。なお、ここで使用される金属材料としてはステンレスに限定されることはなく、塑性を有するものであればそれ以外の金属材料を選択しても勿論よい。ただし、排気管６，７の途上に設けられるという性質上、耐熱性や機械的強度に優れる金属材料が選択されることが望ましい。
【００２８】本実施形態のケーシング８は、筒状の素材である単純形状をした金属製パイプ８Ａ（図４参照）を出発材料とし、それに対する塑性加工を行うことにより製造されたものである。従って、このケーシング８は、１つの部材により構成された、いわゆる１ピース構造となっている。
【００２９】図１，図２に示されるように、前記ケーシング８は、狭窄部２１，２２、非狭窄部２３、フランジ部２４，２５、及び円錐部２６，２７を備えている。非狭窄部２３は金属製パイプ８Ａ本来の径に相当する箇所であって、ケーシング８の中央部に位置している。そして、ケーシング８における中央部内側には、被収容物（即ちセラミックハニカムフィルタ９の外周面９ｃにマット状断熱材１０を巻き付けたもの）が収容されている。第１狭窄部２１は、非狭窄部２３のすぐガス流入側（図１，図２の左側）の位置に隣接している。第２狭窄部２２は、非狭窄部２３のすぐガス流出側（図１，図２の右側）の位置に隣接している。第１フランジ部２４はケーシング８のガス流入側開口に設けられ、第２フランジ部２５はケーシング８のガス流出側開口に設けられている。第１円錐部２６は第１狭窄部２１と第１フランジ部２４との間に設けられ、第２円錐部２７は第２狭窄部２２と第２フランジ部２５との間に設けられている。
【００３０】第１フランジ部２４は第1排気管６の下流側端に連結され、第２フランジ部２５は第２排気管７の上流側端に連結されている。排気管６，７の途上にケーシング８が配設されていると把握することもできる。そして、この結果、第１排気管６、ケーシング８及び第２排気管７の内部領域が互いに連通し、その中を流体としての排気ガスが流通可能となっている。
【００３１】図１，図２に示されるように、ハニカムフィルタ９の外周面９ｃとケーシング８の内周面との間にできるギャップには、マット状物としてのマット状断熱材１０が配設されている。
【００３２】本実施形態のマット状断熱材１０は、耐熱性の無機繊維を主材料として形成されたものであることがよい。好適な耐熱性無機繊維としては、例えばアルミナ−シリカ系セラミックファイバ等がある。この他、例えば結晶質アルミナファイバ、シリカファイバ、ロックウール、ガラスファイバ、カーボンファイバ等を用いてもよい。なお、このマット状断熱材１０中には有機バインダが含浸されていてもよい。
【００３３】マット状断熱材１０は弾性及び熱膨張性を有していることがよい。ここでいう熱膨張性とは、弾性構造を有するため熱応力を解放する機能があることを指す。その理由は、ハニカムフィルタ９の最外周部から熱が逃げることを防止することにより、再生時のエネルギーロスを最小限に抑えるためである。また、再生時の熱によって膨張させることにより、排気ガスの圧力や走行による振動等のもたらすガタツキを解消するためである。
【００３４】図１，図２に示されるように、第１狭窄部２１はマット状断熱材１０のガス流入側端部１０ａに対応する箇所に配置されるとともに、ガス流入側端部１０ａをその厚さ方向（言い換えるとハニカムフィルタ９の径方向）に圧縮している。第２狭窄部２２はマット状断熱材１０のガス流出側端部１０ｂに対応する箇所に配置されるとともに、ガス流出側端部１０ｂをその厚さ方向に圧縮している。
【００３５】両狭窄部２１，２２間に位置する非狭窄部２３も、当該部位におけるマット状断熱材１０をある程度は圧縮しているものの、その圧縮度合いは両狭窄部２１，２２におけるそれに比べて相対的に小さくなっている。
【００３６】両狭窄部２１，２２におけるマット状断熱材１０の最小厚さｔ１は、ケーシング８の非狭窄部２３におけるマット状断熱材１０の厚さｔ２の１／４〜３／４、さらには１／３〜２／３程度であることがよい。
【００３７】上記最小厚さｔ１が上記厚さｔ２の１／４未満であると、マット状断熱材１０の端部１０ａ，１０ｂの嵩密度を圧縮によって十分大きくすることができる。その反面、ハニカムフィルタ９の特定部位に応力が集中してハニカムフィルタ９が破壊しやすくなるおそれがある。逆に、上記最小厚さｔ１が上記厚さｔ２の３／４以上であると、マット状断熱材１０の端部１０ａ，１０ｂの嵩密度を十分に大きくすることができず、当該部位において高い面圧を得にくくなるおそれがある。
【００３８】また、組み付け状態において、狭窄部２１，２２におけるマット状断熱材１０の嵩密度は、非狭窄部２３におけるマット状断熱材１０の嵩密度の１．１倍〜３倍、さらには１．５倍〜２倍程度に設定されることがよい。特に、狭窄部２１，２２におけるマット状断熱材１０の嵩密度（具体的には最も圧縮されている箇所の嵩密度）は０．３０ｇ／ｃｍ3〜０．５０ｇ／ｃｍ3程度になることがよい。上記嵩密度が０．３０ｇ／ｃｍ3未満の場合には、マット状断熱材１０の端部１０ａ，１０ｂにおいて高い面圧を得にくくなるおそれがある。逆に、上記嵩密度が０．５０ｇ／ｃｍ3を超えるようにしようとすると、ハニカムフィルタ９の特定部位に応力が集中してハニカムフィルタ９が破壊しやすくなるおそれがある。
【００３９】ここで、マット状断熱材１０の幅、即ちハニカムフィルタ９の軸縁方向に沿った長さを、Ｌ１とする。マット状断熱材１０において嵩密度が相対的に高くなっている部位、即ち狭窄部２１，２２によって圧縮されている部位の長さ（１つ分の長さ）を、Ｌ２とする。この場合、Ｌ１に占めるＬ２の割合は１／２０〜１／４であることがよく、さらには１／１０〜１／５程度であることがよい。
【００４０】また、本実施形態において用いられるセラミックハニカムフィルタ９は、上記のごとくディーゼルパティキュレートを除去するものであるため、一般にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と呼ばれる。図２等に示されるように、本実施形態のハニカムフィルタ９は、複数個のフィルタ個片Ｆ1を束ねて一体化することによって形成されている。ハニカムフィルタ９の中心部分に位置するフィルタ個片Ｆ1は四角柱状であって、その外形寸法は３３mm×３３mm×１６７mmである。四角柱状のフィルタ個片Ｆ1の周囲には、四角柱状でない異型のフィルタ個片Ｆ１が複数個配置されている。その結果、全体としてみると円柱状のハニカムフィルタ９（直径１３５ｍｍ前後）が構成されている。
【００４１】本実施形態においてこれらのフィルタ個片Ｆ1は、セラミック焼結体の一種である多孔質炭化珪素焼結体製である。炭化珪素焼結体（ＳｉＣ焼結体）を採用した理由は、他のセラミックに比較して、とりわけ耐熱性及び熱伝導性に優れるという利点があるからである。炭化珪素以外の焼結体として、例えば窒化珪素、サイアロン、アルミナ、コーディエライト、ムライト等の焼結体を選択することもできる。
【００４２】図２に示されるように、これらのフィルタ個片Ｆ１は、いわゆるハニカム構造を有している。このようなハニカム構造を採用した理由は、ＰＭの捕集量が増加したときでも圧力損失が小さいという利点があるからである。各フィルタ個片Ｆ１には、断面略正方形状をなす複数の貫通孔１２がその軸線方向に沿って規則的に形成されている。各貫通孔１２は薄いセル壁１３によって互いに仕切られている。セル壁１３の外表面には、白金族元素（例えばＰｔ等）やその他の金属元素及びその酸化物等からなる酸化触媒が担持されている。各貫通孔１２の開口部は、いずれか一方の端面９ａ，９ｂの側において封止体１４（ここでは多孔質炭化珪素焼結体）により封止されている。従って、端面９ａ，９ｂ全体としてみると市松模様状を呈している。その結果、フィルタ個片Ｆ１には、断面四角形状をした多数のセルが形成されている。セルの密度は２００個／インチ前後に設定され、セル壁１３の厚さは０．３mm前後に設定され、セルピッチは１．８mm前後に設定されている。多数あるセルのうち、約半数のものはガス流入側端面９ａにおいて開口し、残りのものはガス流出側端面９ｂにおいて開口している。
【００４３】図２等に示されるように、合計１６個のフィルタ個片Ｆ1は、外周面同士がセラミック質からなるシール材ペースト層１５を介して互いに接着されている。また、これらフィルタ個片Ｆ1を接着してなるフィルタ９の外周面９ｃにも、同様にセラミック質からなるシール材ペースト層１６が設けられている。
【００４４】前記シール材ペースト層１５，１６は、少なくとも無機繊維、無機バインダ、有機バインダ及び無機粒子からなり、かつ三次元的に交錯する前記無機繊維と無機粒子とを、前記無機バインダ及び有機バインダを介して互いに結合してなる弾性質素材のシール材ペーストを用いて形成されることが望ましい。
【００４５】前記無機繊維としては、シリカ−アルミナファイバ、ムライトファイバ、アルミナファイバ及びシリカファイバから選ばれる少なくとも１種以上のセラミックファイバが挙げられる。これらのなかでも、特にシリカ−アルミナセラミックファイバを選択することが望ましい。シリカ−アルミナセラミックファイバは、弾性に優れるとともに熱応力を吸収する作用を示すからである。
【００４６】前記無機バインダとしては、シリカゾル及びアルミナゾルから選ばれる少なくとも１種以上のコロイダルゾルが望ましい。そのなかでも、特にシリカゾルを選択することが望ましい。その理由は、シリカゾルは入手しやすく、焼成により容易にＳｉＯ2 となるため、高温領域での接着剤として好適だからである。しかも、シリカゾルは絶縁性に優れているからである。
【００４７】前記有機バインダとしては親水性有機高分子が好ましく、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース及びカルボメトキシセルロースから選ばれる少なくとも１種以上の多糖類がより好ましい。これらのなかでも、特にカルボキシメチルセルロースを選択することが望ましい。その理由は、カルボキシメチルセルロースは、シール材ペーストに好適な流動性を付与するため、常温領域において優れた接着性を示すからである。
【００４８】前記無機粒子としては、炭化珪素、窒化珪素及び窒化硼素から選ばれる少なくとも１種以上の無機粉末またはウィスカーを用いた弾性質素材であることが好ましい。このような炭化物や窒化物は、熱伝導率が非常に大きく、セラミックファイバ表面やコロイダルゾルの表面及び内部に介在して熱伝導性の向上に寄与するからである。特に、上記炭化物及び窒化物の無機粒子のなかでも、特に炭化珪素粉末を選択することが望ましい。その理由は、炭化珪素は熱伝導率が極めて高いことに加え、セラミックファイバと馴染みやすいという性質があるからである。しかも、本実施形態では、被シール体であるフィルタ個片Ｆ１が同種のもの、即ち多孔質炭化珪素製だからである。
【００４９】なお、前記２箇所におけるシール材ペースト層１５，１６は、同種の材料を用いて形成されることが望ましく、特には全く同じ材料を用いて形成されることが極めて望ましい。
【００５０】図２（ｂ）に示されるように、シール材ペースト層１６の外表面には凹凸１８が設けられているため、滑面ではなく粗面になっている。なお、この凹凸１８は微細なものであって、かつシール材ペースト層１６の外表面において均一に分布している。凹凸１８がある面の表面粗さＲａは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることがよく、好ましくは０．２ｍｍ〜０．４ｍｍであることがよい。
【００５１】Ｒａが０．１ｍｍ未満であると、好適なアンカー効果が得られなくなり、マット状断熱材１０がハニカムフィルタ９を保持する力が十分に確保されなくなるおそれがある。逆に、Ｒａが０．５ｍｍを超えると、凹凸１８に対するマット状断熱材１０の追従が不十分になる結果、場所によって面圧にばらつきが生じるおそれがある。ゆえに、フィルタ９とマット状断熱材１０との間に隙間ができ、排気ガスのリークが生じやすくなるおそれがある。
【００５２】シール材ペースト層１６の厚さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍであることがよい。シール材ペースト層１６が薄すぎると、自身の外表面に前記の好適な粗面を形成することが困難になるおそれがある。また、外形カットにより生じるハニカムフィルタ９の外周面９ｃの溝１７を完全に埋めて凹凸を解消することができず、依然としてそこに隙間が残りやすくなる。逆に、シール材ペースト層１６を厚くしようとすると、層形成が困難になったり、ハニカムフィルタ９全体が大径化したりするおそれがある。
【００５３】次に、上記の排気ガス浄化装置１を製造する手順を図３〜図５に基づいて説明する。まず、押出成形工程で使用するセラミック原料スラリー、端面封止工程で使用する封止用ペースト、フィルタ接着工程及び外周部溝埋め工程で使用するシール材ペーストをあらかじめ作製しておく。
【００５４】セラミック原料スラリーとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ及び水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。封止用ペーストとしては、炭化珪素粉末に有機バインダ、潤滑剤、可塑剤及び水を配合し、かつ混練したものを用いる。シール材ペーストとしては、無機繊維、無機バインダ、有機バインダ、無機粒子及び水を所定分量ずつ配合し、かつ混練したものを用いる。
【００５５】次に、前記セラミック原料スラリーを押出成形機に投入し、かつ金型を介してそれを連続的に押し出す。その後、押出成形されたハニカム成形体を等しい長さに切断し、四角柱状のハニカム成形体切断片を得る。さらに、切断片の各セルの片側開口部に所定量ずつ封止用ペーストを充填し、各切断片の両端面を封止する。
【００５６】続いて、温度・時間等を所定の条件に設定して本焼成を行い、ハニカム成形体切断片及び封止体１４を完全に焼結させる。このようにして得られる多孔質炭化珪素焼結体製のフィルタ個片Ｆ１は、この時点ではまだ全てのものが四角柱状である。
【００５７】次に、必要に応じてフィルタ個片Ｆ１の外周面にセラミック質からなる下地層を形成した後、さらにその上にシール材ペーストを塗布する。そして、このようなフィルタ個片Ｆ１を１６個用い、その外周面同士を互いに接着して一体化する。この時点では、図３（ａ）に示されるように、ハニカムフィルタ９Ａは全体として断面正方形状を呈している。
【００５８】続く外形カット工程では、前記フィルタ接着工程を経て得られた断面正方形状のハニカムフィルタ９Ａを研削し、外周部における不要部分を除去してその外形を整える。その結果、図３（ｂ）に示されるように、断面円形状のハニカムフィルタ９が得られる。なお、外形カットによって新たに露出した面においては、セル壁１３が部分的に剥き出しになり、結果として外周面９ｃに軸線方向に沿って連続的に延びる溝１７ができる。本実施形態においてできる溝１７は、深さ０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度のものである。
【００５９】続く外周部溝埋め工程では、前記シール材ペーストを用い、それをハニカムフィルタ９の外周面９ｃの上に均一に塗布する。その結果、図３（ｃ）に示されるハニカムフィルタ９が完成する。
【００６０】続くキャニング工程では、まず、シール材ペースト層１６が形成されたハニカムフィルタ９の外周面９ｃにマット状断熱材１０を巻き付け、両端部をテープで固定する（図４参照）。この状態のハニカムフィルタ９を金属製パイプ８Ａ内の中央部に収容する。なお、前記ハニカムフィルタ９をある程度圧入するようにしておくことがよい。
【００６１】そして、この状態で金属製パイプ８Ａに対する塑性加工を行うことにより、所定部位に狭窄部２１，２２を形成する。その結果、マット状断熱材１０を介してケーシング８内にハニカムフィルタ９が確実に保持された状態となり、所望の排気ガス浄化装置１が完成する。
【００６２】前記塑性加工としては、材料の塑性を利用して目的の形状に成形する加工法を指し、例えばスピニング加工等がある。ここでスピニング加工とは、旋盤の主軸に成形型をセットし、それに素材を取り付けて回転し、へらまたはロールで押し付けながら成形型と同じ形状を作る加工法をいう。本実施形態において具体的には、まず、目的とするケーシング８の外部形状に対応する内部形状を有する成形型を旋盤の主軸にセットする。そして、この成形型に素材である金属製パイプ８Ａを取り付けて、金属製パイプ８Ａを軸線方向を中心として回転させつつロール等で押し付ける。従って、この加工法によれば、周方向に沿って連続した狭窄部２１，２２が得られるとともに、回転対称形状のケーシング８が製造される。
【００６３】次に、上記の排気ガス浄化装置１によるＰＭトラップ作用について簡単に説明する。ケーシング８内に収容されたハニカムフィルタ９には、ガス流入側端面９ａの側から排気ガスが供給される。第1排気管６を経て供給されてくる排気ガスは、まず、ガス流入側端面９ａにおいて開口するセル内に流入する。次いで、この排気ガスはセル壁１３を通過し、それに隣接しているセル、即ちガス流出側端面９ｂにおいて開口するセルの内部に到る。そして、排気ガスは、同セルの開口を介してフィルタ個片Ｆ１のガス流出側端面９ｂから流出する。しかし、排気ガス中に含まれるＰＭはセル壁１３を通過することができず、そこにトラップされてしまう。その結果、浄化された排気ガスがフィルタ個片Ｆ１のガス流出側端面９ｂから排出される。浄化された排気ガスは、さらに第２排気管７を通過した後、最終的には大気中へと放出される。
【００６４】
【実施例及び比較例】（１）α型炭化珪素粉末５１．５重量％とβ型炭化珪素粉末２２重量％とを湿式混合し、得られた混合物に有機バインダ（メチルセルロース）と水とをそれぞれ６．５重量％、２０重量％ずつ加えて混練した。次に、前記混練物に可塑剤と潤滑剤とを少量加えてさらに混練したものを押出成形することにより、ハニカム状の生成形体を得た。
【００６５】（２）次に、この生成形体をマイクロ波乾燥機を用いて乾燥した後、成形体の貫通孔１２を多孔質炭化珪素焼結体製の封止用ペーストによって封止した。次いで、再び乾燥機を用いて封止用ペーストを乾燥させた。端面封止工程に続いて、この乾燥体を４００℃で脱脂した後、さらにそれを常圧のアルゴン雰囲気下において２２００℃で約３時間焼成した。その結果、多孔質でハニカム状の炭化珪素製のフィルタ個片Ｆ１を得た。
【００６６】（３）セラミックファイバ（アルミナシリケートセラミックファイバ、ショット含有率３％、繊維長さ０．１ｍｍ〜１００ｍｍ）２３．３重量％、平均粒径０．３μｍの炭化珪素粉末３０．２重量％、無機バインダとしてのシリカゾル（ゾルのSiO2の換算量は３０％）７重量％、有機バインダとしてのカルボキシメチルセルロース０．５重量％及び水３９重量％を混合・混練した。この混練物を適当な粘度に調整することにより、シール材ペースト層１５，１６の形成に使用されるペーストを作製した。
【００６７】（４）次に、フィルタ個片Ｆ１の外周面に前記ペーストを均一に塗布するとともに、フィルタ個片Ｆ１の外周面同士を互いに密着させた状態で、５０℃〜１００℃×１時間の条件にて乾燥・硬化させる。その結果、フィルタ個片Ｆ１同士をシール材ペースト層１５を介して接着する。ここではシール材ペースト層１５の厚さを１．０ｍｍに設定した。
【００６８】（５）次に、ダイヤモンドカッターによる外形カットを実施して外形を整えることにより、断面円形状のハニカムフィルタ９を作製した。この後、露出した外周面９ｃに対し、専用の板治具を用いて前記ペーストを均一に塗布した。そして、５０℃〜１００℃×１時間の条件で乾燥・硬化して、厚さ０．６ｍｍのシール材ペースト層１６を形成し、ハニカムフィルタ９を完成させた。
【００６９】得られたハニカムフィルタ９の各所を肉眼で観察したところ、外周面９ｃの溝１７はシール材ペースト層１６によって完全に埋められており、シール材ペースト層１６の外表面には微細な凹凸が均一に形成されていた。なお、微細な凹凸の表面粗さＲａは約０．２５ｍｍであった。
【００７０】（６）次に、ハニカムフィルタ９にマット状断熱材１０を巻き付けて両端部をテープで固定した。この状態のハニカムフィルタ９を金属製パイプ８Ａ内の中央部に圧入した。そして、この状態で上記のごとく金属製パイプ８Ａに対するスピニング加工を行い、狭窄部２１，２２を形成した。その結果、マット状断熱材１０を介してケーシング８内にハニカムフィルタ９が確実に保持された状態となり、所望の排気ガス浄化装置１を得た。
【００７１】なお、実施例１では、ｔ１／ｔ２の値を２／３程度に設定し、Ｌ２／Ｌ１の値を１／８程度に設定した。組み付け状態における非狭窄部２３におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．１５ｇ／ｃｍ3に設定し、狭窄部２１，２２におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．２０ｇ／ｃｍ3に設定した。
【００７２】実施例２では、ｔ１／ｔ２の値を１／２程度に設定し、Ｌ２／Ｌ１の値を１／８程度に設定した。組み付け状態における非狭窄部２３におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．１５ｇ／ｃｍ3に設定し、狭窄部２１，２２におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．２５ｇ／ｃｍ3に設定した。
【００７３】実施例３では、ｔ１／ｔ２の値を１／３程度に設定し、Ｌ２／Ｌ１の値を１／８程度に設定した。組み付け状態における非狭窄部２３におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．１５ｇ／ｃｍ3に設定し、狭窄部２１，２２におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．３０ｇ／ｃｍ3に設定した。
【００７４】実施例４では、ｔ１／ｔ２の値を１／２程度に設定し、Ｌ２／Ｌ１の値を１／１５程度に設定した。組み付け状態における非狭窄部２３におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．１５ｇ／ｃｍ3に設定し、狭窄部２１，２２におけるマット状断熱材１０の嵩密度を０．２５ｇ／ｃｍ3に設定した。
【００７５】一方、比較的では、スピニング加工を実施せずに製造を行うことにより、狭窄部２１，２２を持たない排気ガス浄化装置１を得た。前記５種のものについて実際に排気ガスを一定時間供給した後、ハニカムフィルタ９とマット状断熱材１０との位置ずれ、及びマット状断熱材１０とケーシング８との位置ずれの発生状況を調査した。その結果、実施例１〜４では位置ずれが何ら認められなかった。これに対し比較例では、マット状断熱材１０とケーシング８との間に位置ずれが発生し、被収容物が全体的に下流側に移動していた。
【００７６】また、ガス流入側端部１０ａにおける風蝕の発生状況についても調査したところ、実施例１〜４では風蝕の発生は何ら認められなかった。これに対し比較例では、当該部位に風蝕が発生しているものがあった。
【００７７】さらに、ハニカムフィルタ９とマット状断熱材１０との間や、マット状断熱材１０とケーシング８との間における隙間の有無を、排気ガスの供給開始前及び供給終了後においてそれぞれ調査した。その結果、実施例１〜４については、供給開始前及び供給終了後のいずれの時点においても隙間が認められなかった。一方、比較例については、供給開始前において隙間が認められなかったのに対し、供給終了後の時点では位置ずれや風蝕によって隙間が生じているのが確認された。ゆえに、その隙間を介してガスリークが生じやすい状態となっていた。
【００７８】従って、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の排気ガス浄化装置１では、ケーシング８に第１狭窄部２１及び第２狭窄部２２を設けている。そして、第１狭窄部２１をマット状断熱材１０のガス流入側端部１０ａに対応する箇所に配置し、第２狭窄部２２をマット状断熱材１０のガス流出側端部１０ｂに対応する箇所に配置している。
【００７９】従って、狭窄部２１，２２によって両端部１０ａ，１０ｂが確実に保持される結果、被収容物全体がガス流出側方向に位置ずれしにくくなる。しかも、ガス流入側端部１０ａが第１狭窄部２１により保持される結果、排気ガスの影響を受けにくくなり、当該部位に風蝕が起こりにくくなる。以上のことから、位置ずれや風蝕に起因する排気ガスのリークを確実に防止することができる。
【００８０】さらに、本実施形態の排気ガス浄化装置１によれば、高い面圧の確保のために、例えばハニカムフィルタ９に対してマット状断熱材１０を通常より厚めに巻いておく等の対策も不要になる。よって、被収容物の圧入作業を比較的簡単に行うことが可能になり、製造が簡単な排気ガス浄化装置１とすることができる。
【００８１】（２）この排気ガス浄化装置１では、狭窄部２１，２２がマット状断熱材１０の両端部１０ａ，１０ｂをその厚さ方向に圧縮した構造となっている。このため、マット状断熱材１０の両端部１０ａ，１０ｂの嵩密度が、マット状断熱材１０のそれ以外の部位の嵩密度に比べて相対的に高くなる。その結果、両端部１０ａ，１０ｂにおいて高い面圧が得られ、被収容物を保持する力が確実にアップするようになっている。また、ガス流入側端部１０ａの圧縮によって嵩密度が高くなることから、排気ガスが当該部位に侵入しにくくなる。このため、ガス流入側端部１０ａにおける風蝕を確実に防止することができる。
【００８２】（３）この排気ガス浄化装置１では、ｔ１／ｔ２の値を上記好適範囲内にて設定している。ゆえに、ハニカムフィルタ９の破壊を回避しつつ高い保持力を得ることができる。
【００８３】（４）この排気ガス浄化装置１では、ハニカムフィルタ９の外周面９ｃに微細な凹凸１８を設けているため、この凹凸１８に対してマット状断熱材１０が変形して追従するようになっている。この結果、好適なアンカー効果が得られ、マット状断熱材１０がハニカムフィルタ９を保持する力がアップする。ゆえに、マット状断熱材１０とケーシング８との間の位置ずれのみならず、ハニカムフィルタ９とマット状断熱材１０との間の位置ずれも生じにくくなる。
【００８４】（５）本実施形態のケーシング８は１ピース構造となっている。ゆえに、従来のケーシングとは異なり部材間に継ぎ目が存在しないため、継ぎ目部分からの外部へのガスリークといった心配がない。また、そもそも部品点数が少ないことに加え、連結具等が不要であるため、構造が簡単になるというメリットがある。しかも、振動による構成部品間のガタツキといった問題も解消されるため、極めて信頼性に優れたものとなる。
【００８５】（６）本実施形態の製造方法によれば、スピニング加工を行うことにより金属製パイプ８Ａを塑性変形させることを特徴としている。このため、金属製パイプ８Ａの所定部位に狭窄部２１，２２を比較的簡単にかつ確実に形成することができる。また、被収容物の収容後にスピニング加工を行う方法であるため、ケーシング８内に被収容物を無理矢理圧入することが特に要求されない。ゆえに、被収容物の圧入作業を比較的簡単に行うことが可能となる。即ち、本実施形態の製造方法は、上記の優れた排気ガス浄化装置１の製造に好適であるということができる。
【００８６】（７）また、スピニング加工に代表される塑性加工によれば、ケーシング８の製造時に切削くず等が出ることもなく、本質的に省資源であるという利点がある。しかも、この種の加工によれば、同一寸法の製品を大量に生産することが可能であるという利点がある。
【００８７】なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 図６に示される別例では、前記実施形態のものと形状等が異なる狭窄部２８，２９が形成されている。第１狭窄部２８の内側面は、マット状断熱材１０のガス流入側端部１０ａの端縁に対して、同マット状断熱材１０の層方向（即ち図６にて示す矢印Ａ１方向）から接触している。第２狭窄部２９の内側面は、マット状断熱材１０のガス流出側端部１０ｂの端縁に対して、同マット状断熱材１０の層方向（即ち図６にて示す矢印Ａ２方向）から接触している。このような構造であると、第２狭窄部２９の存在によって被収容物のガス流出側方向への移動が規制され、その方向への位置ずれを確実に防止することができる。また、マット状断熱材１０のガス流入側端縁が、第１狭窄部２８によって半分程度隠された状態となる。ゆえに、当該端縁が排気ガスに晒されにくくなり、マット状断熱材１０のガス流入側端部１０ａの風蝕を確実に防止することができる。
【００８８】・ 狭窄部２１，２２は必ずしもケーシング８の２箇所に設けられていなくてもよく、１箇所のみに設けられていてもよい。例えば、図７に示す別例では第２狭窄部２２のみが設けられ、図８に示す別例では第１狭窄部２１のみが設けられている。また、前記図６の別例において第１狭窄部２８を省略した構成や、第２狭窄部２９を省略した構成とすることも可能である。
【００８９】・ 狭窄部２１，２２，２８，２９は、必ずしもケーシング８の周方向に沿って連続して形成されていなくてもよく、不連続状に形成されていてもよい。なお、実施形態にて示したスピニング加工によるケーシング８の製造が可能である観点からすると、不連続形状よりも連続形状のほうが有利であるといえる。
【００９０】・ 狭窄部２１，２２，２８，２９の形状は実施形態や前記別例のものに限定されることはなく、任意に変更することが可能である。
・ 狭窄部２１，２２，２８，２９を得るための塑性加工は、スピニング加工のみに限定されることはなく、他の塑性加工（例えばプレス加工、ロール成形加工等）であってもよい。
【００９１】・ ケーシング８の材料となる金属製筒状素材は、実施形態の金属製パイプ８Ａのような完全な筒体のみに限定されることはなく、例えば外周面の一部が切れて開口した金属製筒状素材、即ち不完全な筒体であっても構わない。
【００９２】・ 外形カット工程前におけるフィルタ個片Ｆ１の形状は、実施形態のような四角柱状に限定されることはなく、三角柱状や六角柱状等であっても構わない。また、外形カット工程によってハニカムフィルタ９Ａの全体形状を断面円形状に加工するのみならず、例えば断面楕円形状等に加工してもよい。
【００９３】・ 実施形態においては、本発明のセラミックハニカム構造体を、ディーゼルエンジン２に取り付けられる排気ガス浄化装置用のハニカムフィルタ９として具体化していた。勿論、本発明の構造体は、排気ガス浄化装置用のハニカムフィルタ以外のものとして具体化されることができ、例えば熱交換器用部材、高温流体や高温蒸気のための濾過フィルタ、さらには触媒コンバータ等として具体化されることができる。また、マット状物は必ずしも断熱機能を有していなくてもよい。
【００９４】次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
（１） 請求項１乃至７のいずれか１つにおいて、前記狭窄部における前記マット状断熱材の嵩密度は、前記ケーシングの非狭窄部における前記マット状断熱材の嵩密度の１．１倍〜３倍であること。従って、この技術的思想１に記載の発明によれば、ハニカムフィルタの破壊を回避しつつ高い保持力を得ることができる。
【００９５】（２） 請求項１乃至７、技術的思想１のいずれか１つにおいて、前記狭窄部における前記マット状断熱材の嵩密度は０．３０ｇ／ｃｍ3〜０．５０ｇ／ｃｍ3であること。従って、この技術的思想２に記載の発明によれば、ハニカムフィルタの破壊を回避しつつ高い保持力を得ることができる。
【００９６】（３） 内燃機関の排気管の途上に設けられるとともに排気ガスが流通可能な管状のケーシング内に、セラミックハニカムフィルタの外周面にマット状断熱材を巻き付けたものを収容した排気ガス浄化装置において、前記ケーシングは前記マット状断熱材をその厚さ方向に圧縮する第１及び第２断熱材圧縮部を備えるとともに、前記第１断熱材圧縮部は前記マット状断熱材のガス流入側端部及び／またはガス流出側端部に対応する箇所に配置され、前記第２断熱材圧縮部は前記第１断熱材圧縮部よりも小さい圧縮力で前記マット状断熱材を圧縮していることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【００９７】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜７に記載の発明によれば、被収容物の位置ずれや風蝕に起因するガス漏れが起こりにくく、しかも製造が簡単な排気ガス浄化装置を提供することができる。
【００９８】請求項８に記載の発明によれば、上記の優れた排気ガス浄化装置の製造に好適な方法を提供することができる。請求項９，１０に記載の発明によれば、被収容物の位置ずれに起因する流体漏れが起こりにくく、しかも製造が簡単なセラミックハニカム構造体の収容構造を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００１５８
【氏名又は名称】イビデン株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月２９日（２０００．１１．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６８７５５
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６１７２６（Ｐ２００２−１６１７２６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月７日（２００２．６．７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６３０４１（Ｐ２０００−３６３０４１） |
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