JP5649964B2

JP5649964B2 - ハニカム構造体

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Publication number: JP5649964B2
Application number: JP2010518048A
Authority: JP
Inventors: 泰之古田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2029-06-25
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Description

本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルター等の集塵用フィルターとして好適に使用されるハニカム構造体に関する。

排ガス用の捕集フィルター、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スート等の粒子状物質（パティキュレートマター（ＰＭ））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ー（ＤＰＦ）として、ハニカム構造体が広く使用されている。

このようなハニカム構造体（フィルター）を長期間継続して使用するためには、定期的にフィルターに再生処理を施す必要がある。すなわち、フィルター内部に経時的に堆積したＰＭにより増大した圧力損失を低減させてフィルター性能を初期状態に戻すため、フィルター内部に堆積したＰＭを燃焼させて除去する必要がある。このフィルター再生時には、フィルター内部に堆積したＰＭが流体（排ガス）の入口側から順に燃焼するため、出口側に近い部位ほど、前方で発生した熱とその場でＰＭが燃焼した熱とによる温度上昇が激しくなる。そのため、フィルター各部の温度上昇が不均一になりやすく、熱応力によってクラック等の欠陥を発生させるという問題があった。

こうした問題に対し、ハニカム構造体を複数のハニカム形状のセグメント（ハニカムセグメント）から構成し、各セグメント間を弾性質素材からなる接合材で接合一体化した構造とすることにより、ハニカム構造体に作用する熱応力を分散、緩和する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、このように複数のハニカムセグメントを接合してハニカム構造体を構成する場合には、ハニカムセグメントと接合材との間の接合強度が重要である。また、ハニカムセグメント間の温度差を小さくし、当該温度差に起因する熱応力の発生を抑制する観点から、ハニカムセグメントと接合材との間の熱の授受がスムーズに行われること、すなわち熱伝達が良いことも望まれる。

ハニカムセグメントと接合材との間の接合強度は、ハニカムセグメントの外壁表面の凹凸に、接合材に含まれる無機粒子が食い込むことにより生ずる効果（アンカー効果）によって発現すると考えらており、前記特許文献１でもこのようなアンカー効果に着目してハニカムセグメントの外壁の表面粗さＲｚを規定している。

アンカー効果は、表面粗さが大きい（粗い）ほど高くなるため、前記従来技術における表面粗さＲｚのような凹凸の高さ方向のパラメータは、ハニカムセグメントの特性に悪影響を及ぼさない範囲でなるべく大きな値に設定するのが一般的である。

しかしながら、ハニカムセグメントの外壁の表面粗さを大きめに設定しても、接合材に含まれる無機粒子の粒子径がある程度以上大きかったり、ハニカムセグメントの外壁の局部山頂の間隔が小さすぎたりするような場合には、無機粒子がハニカムセグメント外壁表面の凹部に入り込みにくくなるため、ハニカムセグメントの外壁表面と無機粒子との界面に大きな空隙が発生して両者の接触面積が減少し、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達が悪化することがある。また、ハニカムセグメント外壁の表面粗さや局部山頂の間隔は、ハニカムセグメント自身の製造に用いる原料粒子の粒子径分布や原料成分の配合割合の他、ハニカムセグメント同士の接合に先立ってハニカムセグメントの外壁に塗布する下地材の粒子径分布や成分の配合割合等の調整により、独立的に任意で所望の値が実現可能ではあるものの、独立的調整因子の数が過多であるため、接合強度と熱伝達とのバランスが良いハニカム構造体を製造しようとする場合には、却って職人技的なノウハウが要求されていた。

特開２０００−２７９７２９号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハニカムセグメント外壁の表面粗さ（算術平均表面粗さ：Ｒａ）、局部山頂の間隔（局部山頂の平均間隔：Ｓ）、接合材に含まれる無機粒子の平均粒子径といった、接合強度と熱伝達に影響する因子の最適範囲を見出すことにより、ハニカムセグメントと接合材との間の良好な接合強度が得られるとともに、両者の間の熱伝達にも優れた、高い耐熱衝撃性を有するハニカム構造体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、以下のハニカム構造体が提供される。

［１］流体の入口側となる入口側端面と、流体の出口側となる出口側端面と、当該２つの端面の外周部を繋ぐ外壁と、当該外壁の内側において前記２つの端面間に多孔質体の隔壁によって区画形成された、流体の流路となる複数のセルとを有するハニカムセグメントの複数個が、無機粒子を含む接合材にて前記外壁同士が接合されることにより一体化されてなるハニカム構造体であって、前記ハニカムセグメントの外壁表面に、粒子を含む下地材が塗布されており、前記下地材の塗布後における、前記外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓが１０〜１４０μｍであり、前記外壁表面の算術平均表面粗さＲａが０．４〜２３．５μｍであり、前記無機粒子の平均粒子径が０．５〜３０μｍであるハニカム構造体。

［２］前記外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓと算術平均表面粗さＲａとの比（Ｓ／Ｒａ）が１．８〜３７．５である［１］に記載のハニカム構造体。

［３］下記の方法により求められたせん断強度をＰ（単位：ｋＰａ）とし、セグメント間の温度差をＴ（単位：℃）としたとき、ＰとＴとが下式（１）の関係を満たす［１］又は［２］に記載のハニカム構造体。
Ｔ＜０．４２３Ｐ−１６９．２（１）
［せん断強度］
ハニカム構造体より、隣接する２本のハニカムセグメントを接合された状態のまま切り出し、一方のハニカムセグメントを固定し、もう一方のハニカムセグメントに対してその長軸方向から荷重をかけることにより測定する。
［セグメント間の温度差］
内部にススを堆積させたハニカム構造体をエンジンベンチに設置し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、エンジントルク６０Ｎｍに保った状態でポストインジェクションを入れ、ハニカム構造体前後の圧力損失が低下しはじめたタイミングでポストインジェクションを切り、エンジン状態をアイドルに切り替えたときにおけるハニカム構造体内部の温度の履歴を測定する。温度計測点は、ハニカム構造体の外周部に位置する外周セグメントの端面方向中心部と、当該外周セグメントの内側に隣接する中央セグメントの端面方向中心部とのそれぞれにおける、ハニカム構造体の出口側端面から入口側端面に向かって１５ｍｍの位置であり、これら２つの温度計測点の内、前記中央セグメント内にある温度計測点の最高温度が１２００℃になるように、前記ススの堆積量を徐々に増加させて行き、前記中央セグメント内にある温度計測点の温度が１２００℃に達した時点までの各温度計測点における温度履歴中の最高温度の差を算出する。

［４］前記ハニカムセグメントの気孔率が３０〜８０％で、平均細孔径が５〜５０μｍである［１］〜［３］の何れかに記載のハニカム構造体。

［５］所定の前記セルの開口部を前記入口側端面で目封止するとともに、残余の前記セルの開口部を前記出口側端面で目封止する目封止部を備えた［１］〜［４］の何れかに記載のハニカム構造体。

［６］前記入口側端面の開口率が、前記出口側端面の開口率より大きい［５］に記載のハニカム構造体。

［７］前記隔壁に触媒成分が担持された［１］〜［６］の何れかに記載のハニカム構造体。

本発明のハニカム構造体は、ハニカムセグメントと接合材との間の良好な接合強度を有するとともに、両者の間の熱伝達にも優れ、各部の温度が不均一になりやすいＤＰＦ等の用途に使用した場合において、高い耐熱衝撃性を発揮する。

本発明に係るハニカム構造体の基本構造の一例を示す概略斜視図である。本発明に係るハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの一例を示す概略斜視図である。本発明に係るハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの他の一例を示す概略斜視図である。入口側端面と出口側端面とで開口率が異なるハニカム構造体の実施形態の一例を示す入口側端面の部分拡大図である。入口側端面と出口側端面とで開口率が異なるハニカム構造体の実施形態の一例を示す出口側端面の部分拡大図である。ハニカムセグメントの外壁表面の表面粗さや局部山頂の間隔が、ハニカムセグメントの外壁と接合材に含まれる無機粒子との接合状態に与える影響を模式的に示した説明図である。ハニカムセグメントの外壁表面の表面粗さや局部山頂の間隔が、ハニカムセグメントの外壁と接合材に含まれる無機粒子との接合状態に与える影響を模式的に示した説明図である。ハニカムセグメントの外壁表面の表面粗さや局部山頂の間隔が、ハニカムセグメントの外壁と接合材に含まれる無機粒子との接合状態に与える影響を模式的に示した説明図である。ハニカムセグメントの外壁表面の表面粗さや局部山頂の間隔が、ハニカムセグメントの外壁と接合材に含まれる無機粒子との接合状態に与える影響を模式的に示した説明図である。セグメント間の温度差を測定する際の温度計測点の位置を示す説明図である。セグメント間の温度差を測定する際の温度計測点の位置を示す説明図である。

以下、本発明を具体的な実施形態に基づき説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明のハニカム構造体は、ハニカムセグメントの複数個が、接合材にて接合されることにより一体化されてなるものである。図１は本発明に係るハニカム構造体の基本構造の一例を示す概略斜視図であり、図２は本発明に係るハニカム構造体を構成するハニカムセグメントの一例を示す概略斜視図である。

図２に示すように、ハニカムセグメント２は、流体の入口側となる入口側端面１０と流体の出口側となる出口側端面１１とを有している。この２つの端面の外周部は外壁８により繋がれ、外壁８の内側において、流体の流路となる複数のセル（貫通孔）５が多孔質の隔壁３によって区画形成されている。なお、ＤＰＦのようなフィルターとして使用する場合には、所定セルの開口部を入口側端面で目封止するとともに、残余のセルの開口部を出口側端面で目封止する目封止部を配設するのが一般的であり、通常は、図３のように、一方の端面が目封止部９により市松模様を呈するよう目封止し、他方の端面が目封止部により、これと相補的な市松模様を呈するよう目封止する。すなわち、隣接するセルの開口部が互いに反対側の端面にて目封止されるように目封止部を形成する。

このように目封止が施されたハニカムセグメントから構成されるハニカム構造体の一端面（入口側端面）よりスート等のＰＭを含む流体を通気させると、流体は、当該一端面側において開口部が目封止さていないセルよりハニカム構造体の内部に流入し、濾過能を有する多孔質の隔壁を通過して、他端面（出口側端面）側が目封止されていない他の流通孔に入る。そして、この隔壁を通過する際に流体中のＰＭが隔壁に補足され、ＰＭが除去された浄化後の流体が他端面より排出される。

図１のように、本発明のハニカム構造体１は、ハニカムセグメント２の複数個を、それらの外壁同士を接合することにより一体化して構成される。ハニカムセグメント２の接合には接合材が使用される。この接合材は、無機粒子を含むものであり、その他の成分として、無機繊維、コロイド状酸化物を含むことが好ましい。ハニカムセグメントの接合時には、これらの成分に加え、必要に応じて、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等の有機バインダー、分散剤、水等を加え、それをミキサー等の混練機を使用して混合、混練してペースト状にしたものが好適に使用できる。

接合材に含まれる無機粒子の構成材料としては、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、ジルコニア、燐酸ジルコニウム、アルミニウムチタネート、チタニア及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれるセラミックス、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系金属、ニッケル系金属、珪素−炭化珪素系複合材料等を好適に用いることができる。

無機繊維としては、アルミノシリケート、炭化珪素等のセラミックファイバー、銅、鉄等のメタルファイバー等を好適に用いることができる。コロイド状酸化物としては、シリカゾル、アルミナゾル等が好適なものとして挙げられる。コロイド状酸化物は、接合材に適度な接着力を付与するために好適であり、また、乾燥・脱水することによって無機繊維及び無機粒子と結合し、乾燥後の接合材を、耐熱性等に優れた強固なものとすることができる。

このような接合材をハニカムセグメントの被接合面となる外壁表面に所定の厚さで塗布して複数個のハニカムセグメントを組み合わせた後、接合材を乾燥硬化させることにより、複数個のハニカムセグメントが一体化されたハニカム構造体とする。その後、必要に応じ、外周部を研削加工するなどして、円柱状等の所望形状に加工してもよい。なお、この場合、加工により外壁が除去され、内部の隔壁とセルが露出した状態となるので、露出面をコーティング材で被覆するなどして外壁を再形成することが好ましい。

本発明は、以上のような基本構造を有するハニカム構造体であって、ハニカムセグメントの被接合面となる外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓを所定範囲に限定したことを、その主要な特徴とする。なお、本発明において、「局部山頂の平均間隔Ｓ」とは、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４に規定された値であって、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分において隣り合う局部山頂間に対応する平均線の長さ（局部山頂の間隔）を求め、この多数の局部山頂の間隔の算術平均値を示したものである。

図６〜図９は、ハニカムセグメントの外壁表面の表面粗さや局部山頂の間隔が、ハニカムセグメントの外壁と接合材に含まれる無機粒子との接合状態に与える影響を示したものであり、この内、図６と図８との比較より、ハニカムセグメントの外壁８表面の表面粗さや接合材に含まれる無機粒子１５の粒子径が同程度の場合には、局部山頂の間隔が広い方が無機粒子１５がハニカムセグメント外壁８表面の谷（凹部）に入り込みやすく、外壁８表面と無機粒子１５により囲まれた空隙が生じる現象（いわゆるブリッジ）が起こりにくくなって、ハニカムセグメントと接合材との接触面積が増大すると考えられる。また、その一方で、局部山頂の間隔が広くなるにつれて、外壁表面上の同一の長さにおける凹凸の数は減少するので、アンカー効果は低減する。

本発明は、このようにハニカムセグメント外壁表面の凹凸の横方向のパラメータである局部山頂の間隔が、ハニカムセグメントと接合材との接触面積やアンカー効果に及ぼす影響に着目し、良好な接合強度を得るために必要なアンカー効果を確保するとともに、ハニカムセグメントと接合材との間の熱の授受がスムーズに行えるだけの接触面積も確保するという観点からハニカムセグメントの外壁表面の平均間隔Ｓを最適化したものである。

本発明において、ハニカムセグメントの外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓは、１０〜１４０μｍであり、好ましくは１５〜１００μｍである。ハニカムセグメント外壁表面の平均間隔Ｓをこのような範囲とし、かつ、接合材に含まれる無機粒子の平均粒子径を所定範囲とすることで、十分なアンカー効果を確保でき、ハニカムセグメントと接合材との間の良好な接合強度が得られるとともに、ハニカムセグメント外壁表面と無機粒子との接触面積を大きく保つことができ、ハニカムセグメントと接合材との間の熱の授受がスムーズになる。

この局部山頂の平均間隔Ｓが１０μｍ未満ではハニカムセグメントと接合材との接触面積が減少してしまい、両者間の熱の授受がスムーズに行えなくなる。一方、平均間隔Ｓが、１４０μｍを超えると十分なアンカー効果が得られず必要な接合強度が確保されない。

本発明においては、ハニカムセグメントと接合材との間の接合強度と熱の授受とのバランスをより良好にする観点から、前記のような局部山頂の平均間隔Ｓの最適化に加え、ハニカムセグメントの外壁表面の算術平均表面粗さＲａを０．４〜２３．５μｍ、好ましくは１〜１７．５μｍとする。なお、本発明おいて、「平均表面粗さＲａ」とは、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４に規定された値であって、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値を示したものである。

図６と図７との比較より、外壁８表面の局部山頂の間隔や接合材に含まれる無機粒子１５の粒子径が同程度の場合には、外壁８表面の表面粗さが大きい（粗い）方が無機粒子１５がハニカムセグメント外壁８表面の谷（凹部）に入り込みにくく、いわゆるブリッジが起こりやすくなって、ハニカムセグメントと接合材との接触面積が減少すると考えられる。また、その一方で、外壁８表面の表面粗さが小さくなるにつれて、アンカー効果は低減する。

このようにハニカムセグメント外壁表面の凹凸の高さ方向のパラメータである表面粗さが、ハニカムセグメントと接合材との接触面積やアンカー効果に及ぼす影響に着目して検討を行った結果、ハニカムセグメントの外壁表面の算術平均表面粗さＲａを前記のような範囲とすることで、ハニカムセグメントと接合材との間の接合強度と熱の授受とのバランスがより良好になることがわかった。

この算術平均表面粗さＲａが０．４μｍ未満ではアンカー効果が低減して必要な接合強度の確保が難しくなる場合があり、２３．５μｍを超えるとハニカムセグメントと接合材との接触面積が減少して両者間の熱の授受がスムーズに行えなくなったり、無機粒子がハニカムセグメント外壁表面の谷（凹部）まで入りきらず、接合材の乾燥時に、ハニカムセグメントと接合材との界面にクラックが生じたりする場合がある。ハニカムセグメント外壁表面の算術平均表面粗さＲａを前記範囲内とすることは、特に必要な接合強度を確保しやすくするという点で効果的である。

また、本発明においては、同様にハニカムセグメントと接合材との間の接合強度と熱の授受とのバランスをより良好にする観点から、ハニカムセグメント外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓと算術平均表面粗さＲａとの比（Ｓ／Ｒａ）を１．８〜３７．５とすることが好ましく、４〜２７．５とすることがより好ましい。

Ｓ／Ｒａが１．８未満ではハニカムセグメントと接合材との間の熱の授受がスムーズに行えない場合があり、３７．５を超えると十分な接合強度が得られ難くなる場合がある。Ｓ／Ｒａを前記好適範囲内とすることは、特にハニカムセグメントと接合材との間の熱の授受のスムーズにするという点で効果的である。

また、図８と図９との比較からわかるように、ハニカムセグメントの外壁８表面の局部山頂の間隔が大きくても、表面粗さがある程度以上大きくなる場合には、いわゆるブリッジが起こりやすくなると考えられるため、前記のように、外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓを算術平均表面粗さＲａとの関係において規定することは、より良好な接合状態を得るために有効である。

ハニカムセグメント外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓや算術平均表面粗さＲａは、ハニカムセグメントの製造に用いる原料粒子の粒子径分布や焼成条件などを制御することによって、所定の範囲となるよう調節することが可能である。また、ハニカムセグメント外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓや算術平均表面粗さＲａは、一旦ハニカムセグメントを作製した後、その外壁にセラミック粒子等の粒子を含む下地材を塗布することにより変化させることができ、この下地材中の粒子の粒子径分布を調節することによって、局部山頂の平均間隔Ｓや算術平均表面粗さＲａを所定の範囲となるよう調節することも可能である。

更に、本発明においては、同様にハニカムセグメントと接合材との間の接合強度と熱の授受とのバランスをより良好にする観点から、接合材に含まれる無機粒子の平均粒子径を０．５〜３０μｍ、好ましくは１．０〜１５μｍとする。なお、本発明において、「平均粒子径」とは、ＪＩＳＲ１６２９に準拠し、計測装置として（株）堀場製作所製のＬＡ−９２０（商品名）を使用して測定した５０％粒子径の値を意味するものとする。

接合材に含まれる無機粒子の平均粒子径が０．５μｍ未満では無機粒子がハニカムセグメントの内部まで侵入してしまい、それにより接合材の材料比が変化して接合強度が減少する場合があり、３０μｍを超えるとハニカムセグメント外壁表面の凹部に無機粒子が入り込みにくくなって十分なアンカー効果が得られなくなったり、ハニカムセグメント外壁表面と無機粒子との接触面積が減少して、ハニカムセグメントと接合材との間の熱の授受に支障をきたしたりする場合がある。接合材に含まれる無機粒子の平均粒子径を前記範囲内とすることは、ハニカムセグメントと接合材との間の必要な接合強度の確保しやすくするという点、及びそれらの間の熱の授受をスムーズにするという点との双方において効果的である。なお、無機粒子の平均粒子径が前記範囲内である場合、接合材にてハニカムセグメントを接合する際のハニカムセグメント外壁表面に対する無機粒子の挙動はほぼ同一である。

また、本発明のハニカム構造体においては、下記の方法により求められたせん断強度をＰ（単位：ｋＰａ）とし、セグメント間の温度差をＴ（単位：℃）としたとき、ＰとＴとが下式（１）の関係を満たすことが好ましい。
Ｔ＜０．４２３Ｐ−１６９．２（１）
［せん断強度］
ハニカム構造体より、隣接する２本のハニカムセグメントを接合された状態のまま切り出し、一方のハニカムセグメントを固定し、もう一方のハニカムセグメントに対してその長軸方向から荷重をかけることにより測定する。
［セグメント間の温度差］
内部にススを堆積させたハニカム構造体をエンジンベンチに設置し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、エンジントルク６０Ｎｍに保った状態でポストインジェクションを入れ、ハニカム構造体前後の圧力損失が低下しはじめたタイミングでポストインジェクションを切り、エンジン状態をアイドルに切り替えたときにおけるハニカム構造体内部の温度の履歴を測定する。温度計測点は、ハニカム構造体の外周部に位置する外周セグメントの端面方向中心部と、当該外周セグメントの内側に隣接する中央セグメントの端面方向中心部とのそれぞれにおける、ハニカム構造体の出口側端面から入口側端面に向かって１５ｍｍの位置であり、これら２つの温度計測点の内、前記中央セグメント内にある温度計測点の最高温度が１２００℃になるように、前記ススの堆積量を徐々に増加させて行き、前記中央セグメント内にある温度計測点の温度が１２００℃に達した時点までの各温度計測点における温度履歴中の最高温度の差を算出する。

前記のようにして求められたせん断強度とセグメント間の温度差とには、マクロ的に見て以下のようなメカニズムが存在する。すなわち、ハニカム構造体をＤＰＦに用いた場合において、その内部に不均一に堆積したスス（カーボン）を燃焼させてフィルター機能を再生するときの各セグメント間の燃焼温度差から発生する隣接するセグメント間の熱膨張差に着目すると、セグメント間の温度差が小さければ発生する熱膨張差に起因する内部せん断応力も小さいものとなり、ある程度せん断強度が低くとも破壊に至らず形状を保持し得る。また、ハニカムセグメント間の温度差が大きいためセグメント間の熱膨張差が大きくなり、それによって内部せん断応力が大きくなろうとも、セグメント間のせん断強度が十分に大きければ、これも破壊に至らず形状を保持し得る。

このようなメカニズムに基づいて、本発明者が検討した結果、前記のようにして測定されたせん断強度Ｐとセグメント間の温度差Ｔとが上式（１）の関係を満たしていれば、フィルター再生時に接合部が破断に至りにくく、良好な耐熱衝撃性を発揮することがわかった。

本発明において、ハニカムセグメントの気孔率は、３０〜８０％であることが好ましく、４５〜８０％であることがより好ましい。ハニカムセグメントの気孔率が３０％未満では本発明のハニカム構造体をＤＰＦ等のフィルターに用いる場合に圧力損失が大きすぎ、８０％を超えるとフィルター再生時の最高温度が上昇しすぎて、実用上問題が生じる場合がある。また、ハニカムセグメントの平均細孔径は、５〜４０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがより好ましい。ハニカムセグメントの平均細孔径が５μｍ未満では、本発明のハニカム構造体をＤＰＦ等のフィルターに用いる場合に圧力損失が大きすぎ、４０μｍを超えるとＰＭを捕集するフィルター機能が低下しすぎて、実用上問題が生じる場合がある。

なお、本発明における「気孔率」は、ハニカムセグメントから隔壁厚みの平板を試験片として切り出し、アルキメデス法で測定したものであり、「平均細孔径」は、ハニカムセグメントから所定形状（□５×１５ｍｍ）の試験片を切り出し、水銀ポロシメーターで測定したものである。

ハニカムセグメントの構成材料としては、強度、耐熱性等の観点から、炭化珪素、炭化珪素を骨材とし珪素を結合材として形成された珪素−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、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系金属からなる群より選択される少なくとも一種の材料を好適なものとして挙げることができる。また、図３のように、セルの開口部に目封止部を形成する場合、目封止部の構成材料には、ハニカムセグメントとの熱膨張差を小さくするため、ハニカムセグメントと同じ材料を用いることが好ましい。

ハニカムセグメントの製造方法には、従来公知の方法を用いることができる。具体的な方法の一例としては、前記のような材料に、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、造孔材、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、この坏土を所定のハニカム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、焼成する。セルに目封止部を形成する場合、前記焼成は、セルに目封止部を形成する前に行っても良いし、セルに目封止部を形成した後で、目封止部の焼成と一緒に行うようにしても良い。

セルを目封止する方法にも、従来公知の方法を用いることができる。具体的な方法の一例としては、ハニカムセグメントの端面にシートを貼り付けた後、当該シートの目封止しようとするセルに対応した位置に穴を開け、このシートを貼り付けたままの状態で、目封止部の構成材料をスラリー化した目封止用スラリーに、ハニカムセグメントの端面を浸漬し、シートに開けた孔を通じて、目封止しようとするセルの開口端部内に目封止用スラリーを充填し、それを乾燥及び／又は焼成して硬化させる。

ハニカムセグメントの気孔率や平均細孔径は、材料の粒子径、造孔材の粒子径や添加量、焼成条件などによって調節することができる。

ＤＰＦに使用されるハニカム構造体は、全てのセルが同形状（通常は四角形）で同じ開口面積を持ち、それらセルの端部が入口側端面と出口側端面とで市松模様を呈するよう交互に目封止され、入口側端面と出口側端面の開口率が同等であるのが一般的であるが、最近は、ＰＭ捕集後の圧力損失の上昇抑制等を目的として、入口側端面の開口率を出口側端面の開口率よりも大きくしたハニカム構造体が提案されており、本発明のハニカム構造体にも、このような構造を適用することができる。

図４及び図５は、入口側端面と出口側端面とで開口率が異なる目封止ハニカム構造体の実施形態の一例を示しており、図４は入口側端面の部分拡大図、図５は出口側端面の部分拡大図である。これらの図に示すように、この実施形態においては、四角形セル５ａとそれよりも開口面積の大きい八角形セル５ｂとが、各端面上の直交する二方向において交互に配列されており、四角形セル５ａについては入口側端面にて目封止部９による目封止が施され、八角形セル５ｂについては出口側端面にて目封止部９による目封止が施された状態になっている。このように入口側端面では開口面積の大きい八角形セル５ｂを開口させ、出口側端面では開口面積の小さい四角形セル５ａを開口させることで、入口側端面の開口率を出口側端面の開口率よりも大きくすることができる。

本発明のハニカム構造体において、ハニカムセグメントの隔壁の厚さは、７〜２０ｍｉｌ（１７８〜５０８μｍ）であることが好ましく、８〜１６ｍｉｌ（２０３〜４０６μｍ）であることがより好ましく、１０〜１２ｍｉｌ（２５４〜３０５μｍ）であることが更に好ましい。隔壁の厚さが７ｍｉｌ未満では強度が不足して耐熱衝撃性が低下する場合があり、一方、隔壁の厚さが２０ｍｉｌを超えると圧力損失が大きくなり過ぎる場合がある。

セル密度は、１４０〜３５０セル／ｉｎ^２（ｃｐｓｉ）であることが好ましく、１６０〜３２０ｃｐｓｉであることがより好ましく、２００〜３００ｃｐｓｉであることが更に好ましい。セル密度が１４０ｃｐｓｉ未満では流体との接触効率が不十分となる場合があり、一方、セル密度が３５０ｃｐｓｉを超えると圧力損失が増大し過ぎる場合がある。なお、「ｃｐｓｉ」は「ｃｅｌｌｓｐｅｒｓｑｕａｒｅｉｎｃｈ」の略であり、１平方インチ当りのセル数を表す単位である。例えば１０ｃｐｓｉは、約１．５５セル／ｃｍ^２である。

セル形状（セル断面の形状）については、特に限定されることはなく、例えば、四角形、三角形、六角形、八角形等の多角形でも、丸形であっても良く、また、前記のように異なる形状のセルが組み合わされて配列されていても良い。

また、本発明のハニカム構造体においては、フィルター再生時のＰＭの燃焼を促進させたり、排ガス中の有害物質を浄化したりする目的で、隔壁に触媒成分を担持させるようにしても良い。隔壁に触媒成分を担持する方法としては、例えば、触媒成分を含む溶液を、アルミナ粉末のような高比表面積の耐熱性無機酸化物からなる粉末を含浸させた後、乾燥、焼成して、触媒成分を含有する粉末を得、この粉末にアルミナゾルや水などを加えて触媒スラリーを調製し、これにハニカムセグメント又はハニカム構造体を浸漬させて、スラリーをコートしてから、乾燥、焼成するといった方法を用いることができる。

触媒成分としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄからなる群より選択される一種以上の貴金属を用いることが好ましい。これら貴金属の担持量は、ハニカム構造体単位体積当たり、０．３〜３．５ｇ／Ｌとすることが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて更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。

（実施例１〜４及び比較例１〜８）
ＳｉＣ粉末及び金属Ｓｉ粉末を８０：２０の質量割合で混合し、これに造孔材、有機バインダー、界面活性剤及び水を添加して、可塑性の坏土を得た。この坏土を押出成形し、乾燥させてハニカム状成形体を得た。このハニカム状成形体に対し、その両端面が相補的な市松模様を呈するように、各セルの一端部に目封止部を形成した。すなわち、隣接するセルが、互いに反対側の端部で封じられるように目封止部の形成を行った。目封止部の材料には、ハニカム状成形体と同じ材料を用いた。こうして目封止部を形成し、乾燥させた後、ハニカム状成形体を、大気雰囲気中、約４００℃で脱脂し、更に、Ａｒ雰囲気において約１４５０℃で焼成して、成形体中のＳｉＣ粒子をＳｉで結合させることにより、ハニカム状焼成体を得た。

次いで、このハニカム状焼成体の外壁に下地材を塗布して、自然乾燥させ、隔壁の厚さが１２ｍｉｌ（３０５μｍ）、セル形状が正方形、セル密度が約４６．５セル／ｃｍ^２（３００セル／平方インチ）、断面形状が一辺３５ｍｍの正方形、軸方向の長さが１５２ｍｍである四角柱状のハニカムセグメントを得た。下地材は、ＳｉＣ粉末、シリカゾル水溶液及び水を混合したものであり、これを塗布し、自然乾燥させた後の外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓと算術平均表面粗さＲａとが、表１に示す値となるように、下地材中のＳｉＣ粉末の粒子径分布等を調節した。例えば、実施例１では、平均粒径１．５μｍのＳｉＣ粉末を３７質量％、ＳｉＯ_２の平均粒径が２０ｎｍのシリカゾル水溶液を３７質量％、水を２６質量％の割合で混合して下地材となし、３．１μｍのＲａと、４６μｍのＳを得た。また、実施例４では、平均粒径３．０μｍのＳｉＣ粉末を３７質量％、ＳｉＯ_２の平均粒径が５０ｎｍのシリカゾル水溶液を３７質量％、水を２６質量％の割合で混合して下地材となし、１８．５μｍのＲａと、９９μｍのＳを得た。

続いて、無機粒子として表１に示す平均粒子径のＳｉＣ粉末を用い、これにアルミノシリケート質繊維、シリカゾル水溶液及び粘土を混合したものに、更に水を加え、ミキサーを用いて３０分間混練を行い、ペースト状の接合材を得た。この接合材を、前記ハニカムセグメントの外壁表面に、厚さ約１ｍｍとなるように塗布して接合材層を形成し、その上に別のハニカムセグメントを載置する工程を繰り返し、４個×４個に組み合わされた合計１６個のハニカムセグメントからなるハニカムセグメント積層体を作製した。そして、適宜、外部より圧力を加えるなどして全体を接合させた後、１２０℃で２時間乾燥させてハニカムセグメント接合体を得た。このハニカムセグメント接合体の外形が円柱状になるように、その外周を研削加工した後、その加工面に接合材と同じ組成のコーティング材を塗布して外壁を再形成し、７００℃で２時間乾燥硬化させ、実施例１〜４及び比較例１〜８のハニカム構造体を得た。こうして作製された実施例１〜４及び比較例１〜８のハニカム構造体について、次の方法で接合部のせん断強度及びセグメント間の温度差を測定するとともに、接合部の観察を行った。その結果を表１に示す。なお、各実施例及び比較例において、接合部のせん断強度の測定に用いたハニカム構造体と、セグメント間の温度差の測定に用いたハニカム構造体とは、同一の方法で作製した別の個体である。すなわち、各実施例及び比較例毎に、２体のハニカム構造体を作製し、その内の一方を接合部のせん断強度の測定に用い、他方をセグメント間の温度差の測定に用いた。

［せん断強度］
ハニカム構造体より、隣接する２本のハニカムセグメントを接合された状態のまま切り出し、一方のハニカムセグメントを固定し、もう一方のハニカムセグメントに対して長軸方向から荷重Ｆをかけることにより測定した。

［セグメント間の温度差］
ススを堆積させたハニカム構造体をエンジンベンチに設置し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、エンジントルク６０Ｎｍに保った状態でポストインジェクションを入れ、ハニカム構造体前後の圧力損失が低下しはじめたタイミングでポストインジェクションを切り、エンジン状態をアイドルに切り替えたときにおけるハニカム構造体内部の温度の履歴を測定した。スス量は温度計測点の最高温度が１２００℃になるように徐々に増加させ、１２００℃の場合のデータを用いた。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、温度計測点２０、２１は、ハニカム構造体１の外周部に位置する外周セグメント２ａの中心部（外周から中心に向かって２０ｍｍの位置）と、その内側に隣接する中央セグメント２ｂの中心部とにおける、ハニカム構造体１の後端（出口側端面１１）から前端（入口側端面１０）に向かって１５ｍｍの位置であり、各温度計測点２０、２１における温度履歴中の最高温度の差を算出することにより求めた。

［接合部の観察］
前記方法により、セグメント間の温度差を求めた後のハニカム構造体の接合部を、まず、目視により観察して接合材の破断やセグメント外壁からの剥離の有無を調べ、目視では破断や剥離が確認されなかったものについては、更にＣＴスキャンによる接合部の観察を行って、表面から目視では確認できない内部の破断や剥離の有無を調べた。そして、目視及びＣＴスキャンの何れによる観察においても破断や剥離が確認されなかったものを「○」とし、何れかの観察において破断や剥離が確認されたものを「×」とした。

（考察）
前記のようにして求められたセグメント間の温度差をＴ、せん断強度をＰとしたとき、これらが上式（１）の関係を満たせば、フィルター再生時に破壊に至りにくく、良好な耐熱衝撃性を発揮することは先述のとおりである。本発明の範囲に含まれる実施例１〜４は、高いせん断強度を有するとともに、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達にも優れ、セグメント間の温度差も小さく、上式（１）を満たすものであり、接合部の観察においても接合材の破断や剥離は確認されなかった。これに対し、外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓが本発明の限定範囲の下限に満たない比較例１及び２は、高いせん断強度を有するものの、セグメント間の温度差が大きく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達に劣り、接合部の観察において接合部の破断又は剥離が確認され、上式（１）を満たしていないものであった。また、外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓが本発明の限定範囲の上限を超える比較例７及び８は、セグメント間の温度差が小さく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達には優れるものの、必要とされるせん断強度が得られず、接合部の観察において接合部の破断又は剥離が確認され、上式（１）を満たしていないものであった。更に、外壁表面の算術平均表面粗さＲａが０．４未満である比較例３及び５は、セグメント間の温度差が小さく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達には優れるものの、せん断強度が低く、接合部の観察において接合部の破断又は剥離が確認され、上式（１）を満たしていないものであった。また、外壁表面の算術平均表面粗さＲａが２３．５を超える比較例４及び６は、高いせん断強度を有するものの、セグメント間の温度差が大きく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達に劣り、接合部の観察において接合部の破断又は剥離が確認され、上式（１）を満たしていないものであった。

（参考例１〜５及び比較例９〜１４）
ＳｉＣ粉末及び金属Ｓｉ粉末を所定の質量割合で混合し、これに造孔材、有機バインダー、界面活性剤及び水を添加して、可塑性の坏土を得た。この坏土を押出成形し、乾燥させてハニカム状成形体を得た。このハニカム状成形体に対し、その両端面が相補的な市松模様を呈するように、各セルの一端部に目封止部を形成した。すなわち、隣接するセルが、互いに反対側の端部で封じられるように目封止部の形成を行った。目封止部の材料には、ハニカム状成形体と同じ材料を用いた。こうして目封止部を形成し、乾燥させた後、ハニカム状成形体を、大気雰囲気中、約４００℃で脱脂し、更に、Ａｒ雰囲気において約１４５０℃で焼成して、成形体中のＳｉＣ粒子をＳｉで結合させることにより、表２に示すような気孔率、平均細孔径、外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓ、算術平均表面粗さＲａ及びＳ／Ｒａを有し、隔壁の厚さが１２ｍｉｌ（３０５μｍ）、セル形状が正方形、セル密度が約４６．５セル／ｃｍ^２（３００セル／平方インチ）、断面形状が一辺３５ｍｍの正方形、軸方向の長さが１５２ｍｍである四角柱状のハニカムセグメントを得た。なお、気孔率、平均細孔径、外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓ、算術平均表面粗さＲａ、Ｓ／Ｒａの値の調節は、主に坏土の原料に用いたＳｉＣ粉末、金属Ｓｉ粉末及び造孔材の粒子径分布及び量を調節することにより行った。例えば、参考例３では、平均粒径２０μｍのＳｉＣ粉末を６５質量％、平均粒径６μｍの金属Ｓｉ粉末を１６質量％、平均粒径３０μｍの造孔材を１９質量％の割合で混合し、５．４μｍのＲａと、６０μｍのＳを得た。また、参考例５では、平均粒径６０μｍのＳｉＣ粉末を６５質量％、平均粒径６μｍの金属Ｓｉ粉末を１６％、平均粒径５０μｍの造孔材を１９質量％の割合で混合し、１２．５μｍのＲａと、７１μｍのＳを得た。

次いで、無機粒子として表２に示す平均粒子径のＳｉＣ粉末を用い、これにアルミノシリケート質繊維、シリカゾル水溶液及び粘土を混合したものに、更に水を加え、ミキサーを用いて３０分間混練を行い、ペースト状の接合材を得た。この接合材を、前記ハニカムセグメントの外壁表面に、厚さ約１ｍｍとなるように塗布して接合材層を形成し、その上に別のハニカムセグメントを載置する工程を繰り返し、４個×４個に組み合わされた合計１６個のハニカムセグメントからなるハニカムセグメント積層体を作製した。そして、適宜、外部より圧力を加えるなどして全体を接合させた後、１２０℃で２時間乾燥させてハニカムセグメント接合体を得た。このハニカムセグメント接合体の外形が円柱状になるように、その外周を研削加工した後、その加工面に接合材と同じ組成のコーティング材を塗布して外壁を再形成し、７００℃で２時間乾燥硬化させ、参考例１〜５及び比較例９〜１４のハニカム構造体を得た。こうして作製された参考例１〜５及び比較例９〜１４のハニカム構造体について、前述の方法で接合部のせん断強度及びセグメント間の温度差を測定するとともに、接合部の観察を行った。その結果を表２に示す。

（考察）
表２に示すとおり、参考例１〜５は、高いせん断強度を有するとともに、セグメント間の温度差も小さく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達にも優れ、上式（１）を満たすものであり、接合部の観察においても接合材の破断や剥離は確認されなかった。これに対し、接合材に含まれる無機粒子の平均粒子径が本発明の限定範囲の下限に満たない比較例９、１１及び１３、並びに接合材に含まれる無機粒子の平均粒子径が本発明の限定範囲の上限を超える比較例１０、１２及び１４の内、比較例９及び１０は、セグメント間の温度差が比較的小さく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達については許容範囲であるが、せん断強度が不十分であり、比較例１１、１２及び１３は、せん断強度は比較的高いが、セグメント間の温度差が大きく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達に劣るものであり、比較例１４は、せん断強度が不十分であるとともに、セグメント間の温度差も大きく、ハニカムセグメントと接合材との間の熱伝達に劣るものであり、これら比較例は何れも接合部の観察において接合部の破断又は剥離が確認され、上式（１）を満たしていないものであった。

本発明は、ＤＰＦ等の集塵用フィルター等として好適に使用することができる。

１：ハニカム構造体、２：ハニカムセグメント、２ａ：外周セグメント、２ｂ：中央セグメント、３：隔壁、５：セル、５ａ：四角形セル、５ｂ：八角形セル、８：外壁、９：目封止部、１０：入口側端面、１１：出口側端面、１５：無機粒子、２０：温度計測点、２１：温度計測点。

Claims

流体の入口側となる入口側端面と、流体の出口側となる出口側端面と、当該２つの端面の外周部を繋ぐ外壁と、当該外壁の内側において前記２つの端面間に多孔質体の隔壁によって区画形成された、流体の流路となる複数のセルとを有するハニカムセグメントの複数個が、無機粒子を含む接合材にて前記外壁同士が接合されることにより一体化されてなるハニカム構造体であって、
前記ハニカムセグメントの外壁表面に、粒子を含む下地材が塗布されており、
前記下地材の塗布後における、前記外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓが１０〜１４０μｍであり、前記外壁表面の算術平均表面粗さＲａが０．４〜２３．５μｍであり、前記無機粒子の平均粒子径が０．５〜３０μｍであるハニカム構造体。
前記外壁表面の局部山頂の平均間隔Ｓと算術平均表面粗さＲａとの比（Ｓ／Ｒａ）が１．８〜３７．５である請求項１に記載のハニカム構造体。
下記の方法により求められたせん断強度をＰ（単位：ｋＰａ）とし、セグメント間の温度差をＴ（単位：℃）としたとき、ＰとＴとが下式（１）の関係を満たす請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
Ｔ＜０．４２３Ｐ−１６９．２（１）
［せん断強度］
ハニカム構造体より、隣接する２本のハニカムセグメントを接合された状態のまま切り出し、一方のハニカムセグメントを固定し、もう一方のハニカムセグメントに対してその長軸方向から荷重をかけることにより測定する。
［セグメント間の温度差］
内部にススを堆積させたハニカム構造体をエンジンベンチに設置し、エンジン回転数２０００ｒｐｍ、エンジントルク６０Ｎｍに保った状態でポストインジェクションを入れ、ハニカム構造体前後の圧力損失が低下しはじめたタイミングでポストインジェクションを切り、エンジン状態をアイドルに切り替えたときにおけるハニカム構造体内部の温度の履歴を測定する。温度計測点は、ハニカム構造体の外周部に位置する外周セグメントの端面方向中心部と、当該外周セグメントの内側に隣接する中央セグメントの端面方向中心部とのそれぞれにおける、ハニカム構造体の出口側端面から入口側端面に向かって１５ｍｍの位置であり、これら２つの温度計測点の内、前記中央セグメント内にある温度計測点の最高温度が１２００℃になるように、前記ススの堆積量を徐々に増加させて行き、前記中央セグメント内にある温度計測点の温度が１２００℃に達した時点までの各温度計測点における温度履歴中の最高温度の差を算出する。
前記ハニカムセグメントの気孔率が３０〜８０％で、平均細孔径が５〜５０μｍである請求項１〜３の何れか一項に記載のハニカム構造体。
所定の前記セルの開口部を前記入口側端面で目封止するとともに、残余の前記セルの開口部を前記出口側端面で目封止する目封止部を備えた請求項１〜４の何れか一項に記載のハニカム構造体。
前記入口側端面の開口率が、前記出口側端面の開口率より大きい請求項５に記載のハニカム構造体。
前記隔壁に触媒成分が担持された請求項１〜６の何れか一項に記載のハニカム構造体。