JP6691811B2 - 目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法に関する。更に詳しくは、ディーゼルエンジン等から排出される排気ガス等の流体に含まれる粒子状物質を捕集し、除去するための排気ガス浄化装置や捕集フィルタ等に使用される、目封止部を備えた目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法に関する。

自動車用のディーゼルエンジン等から排出される排気ガス（流体）の中には、塵、スス、及びカーボン微粒子等の種々の粒子状物質が多く含まれている。これらの粒子状物質を、大気中に放出することは自然環境に対する影響が大きいことがある。そのため、種々の法規制等によって、排気ガス等を直接大気中に放出することは制限されている。そこで、排気ガス浄化装置や捕集フィルタ等を用いた浄化処理が放出前に行われている。

上記浄化処理に使用される排気ガス浄化装置等には、一方の端面から他方の端面まで延びる、流体の流路を形成する複数のセルが区画形成された隔壁を有するセラミックス製のハニカム基材と、当該ハニカム基材の各端面のセルを、所定の配設基準に従って目封止した目封止部とを備えた目封止ハニカム構造体が一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

粒子状物質を含む排気ガス等は、目封止ハニカム構造体の一方の端面からその内部に流入し、多孔質性のセラミックス材料で形成された隔壁を通過することで、隔壁表面及び隔壁内部に上記粒子状物質が捕集される。その結果、目封止ハニカム構造体の他方の端面から排出される清浄化した浄化ガスは、当初の排気ガスには含まれていた粒子状物質が除去された状態となる。

排気ガス等の流体は、ディーゼルエンジン等の排気系と直に接続された排気ガス浄化処理装置等まで速やかに導かれる。そのため、ディーゼルエンジン等から排出直後の流体は、高温のままの状態にあることが多い。そのため、目封止ハニカム構造体は、長時間に亘って高温の流体に晒された場合であっても、熱衝撃に耐え得るような、耐熱性及び耐熱衝撃性等の優れた熱的性質を有する必要があり、主にセラミックス材料が使用されている。

例えば、目封止ハニカム構造体（主に、隔壁）を構成する原材料として、粒子状の基材（または骨材とも呼ばれる）と、当該基材の間に細孔を形成した状態で、粒子状の基材間を結合する結合材とを含んだセラミックス材料が使用されている。更に具体的に例示すると、基材（骨材）として炭化珪素や窒化珪素等を用い、一方、結合材として結晶性かつ多孔性のコージェライトを用い、更に、当該結合材の一部構成に、希土類元素やジルコニウム元素を含んだものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−２５４０３４号公報 特開２０１５−６７４７３号公報

上記のような目封止ハニカム構造体を採用した排気ガス浄化処理装置等を使用し、流体に対する浄化処理を行うと、目封止ハニカム構造体のセル内部には、捕集されたスス等の粒子状物質が多く堆積した状態となる。ここで、既に説明したように、目封止ハニカム構造体は、一方の端面及び他方の端面のそれぞれのセルに対して予め規定された配設基準に従って複数の目封止部が設けられている。

そのため、目封止ハニカム構造体における流体の流入側（入口側）となる一方の端面（流入側端面）と比較し、流体の排出側（出口側）となる他方の端面（排出側端面）の目封止部によって、流体の流れが特に規制される。その結果、係る目封止部が設けられたセルの上流側のセル内部に、特に多くの粒子状物質が堆積する傾向が強かった。

そのため、粒子状物質の堆積した目封止ハニカム構造体の内部に高温のガス流体を強制的に導入し、セル内部に堆積した粒子状物質を除去する再生処理が一般に行われている。ここで、粒子状物質は、前述の通り、塵、スス、或いはカーボン微粒子等であることが多い。その結果、酸素を含んだ大気中で高温のガス流体と粒子状物質とを接触させることにより、大気中の酸素と粒子状物質とが結合し、二酸化炭素が生成される。すなわち、上記再生処理によって、固体状の粒子状物質を二酸化炭素にガス化し、他方の端面から排出することで、比較的容易に目封止ハニカム構造体のセル内部から粒子状物質を除去することができ、粒子状物質を捕集前の状態に容易に復活させることができる。

上記再生処理は、予め規定された頻度または周期で定期的に実施したり、或いは、セル内部に堆積した粒子状物質の堆積量に応じて適宜実施したりすることができる。これにより、再生処理時に、目封止ハニカム構造体に亀裂等が発生し、粒子状物質の捕集性能に悪影響を及ぼす不具合を防ぎ、目封止ハニカム構造体の長寿命化を図ることができる。

しかしながら、再生処理は、高温のガス流体を目封止ハニカム構造体の内部に強制的に流入するものであり、下記に掲げるような問題を生じることがあった。すなわち、粒子状物質をガス化するために流入される高温のガス流体を発生させるために、多くのエネルギーコストが必要となることがあった。この場合、ディーゼルエンジン等の回転数を制御したり、再生処理用に燃料を直接配管等に噴射することで、ディーゼルエンジンから高温のガス流体を発生させることができる。これにより、通常のディーゼルエンジンの稼働と比較して多くの燃料が消費されることとなった。

ここで、目封止ハニカム構造体に亀裂等を生じさせないために、上記再生処理の頻度を増やし、頻繁に行うことは、燃料消費量が多くなり、ディーゼルエンジン等の稼働全体の燃費性能が著しく低下する可能性があった。また、スス等の粒子状物質を二酸化炭素に変換し、大気中に排出する処理であっても、地球温暖化の一要因とされる二酸化炭素を排出するため、自然環境に対する影響からあまり好ましいものではなかった。

そこで、燃料消費量を抑えて高い燃費性能を維持しつつ、かつ二酸化炭素排出量の低減化を図るために、目封止ハニカム構造体に対して実施される再生処理の回数を可能な限り減らすことが望まれていた。

しかしながら、再生処理回数の減少は、目封止ハニカム構造体のセル内部に堆積する粒子状物質の堆積量が必然的に多くなる。この状態で、高温のガス流体を目封止ハニカム構造体に流入させると、粒子状物質が多く堆積した箇所、例えば、排出側端面に設けられた目封止部の上流位置付近の熱量が局所的に大きくなり、著しく高温になることがあった。その結果、目封止ハニカム構造体に加わる熱応力が大きくなり、当該熱応力に耐え得ることができずに、亀裂（クラック）等がセルの隔壁交点部に発生する可能性が高くなった。これにより、目封止ハニカム構造体の破損が生じる等の問題があった。

また、目封止ハニカム構造体に対する局所的な熱量の増大とともに、過剰量の粒子状物質が堆積することで、目封止ハニカム構造体の全体の温度が上昇することがあった。これにより、目封止ハニカム構造体の隔壁を構成する原材料が融点以上の温度に達し、目封止ハニカム構造体の一部の隔壁が溶損する等の問題を生じる可能性があった。

そこで、本発明は上記実情に鑑み、局所的に加わる熱応力の集中を抑制及び緩和するとともに、セル内部における亀裂の発生量を抑制可能な目封止ハニカム構造体、及び当該目封止ハニカム構造体の形成方法の提供を課題とするものである。

本発明によれば、上記課題を解決した目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法が提供される。

［１］ 一方の端面から他方の端面まで延びる、流体の流路となる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基材と、前記ハニカム基材の前記一方の端面における前記セルを所定の配設基準に従って目封止するとともに、前記他方の端面における残余の前記セルをそれぞれ目封止した目封止部とを備え、前記ハニカム基材の前記一方の端面である流入側端面から前記他方の端面である排出側端面に向かって流入する前記流体に含まれる粒子状物質を捕集する目封止ハニカム構造体であって、前記隔壁は、粒子状の基材、及び、前記基材同士を結合し、前記基材より低融点の結合材を原材料として含み、前記基材の粒子径は、５μｍ〜６０μｍの範囲であり、前記基材及び前記結合材を含む前記原材料の合計質量に対する前記結合材の占める質量比は、２２質量％〜４５質量％の範囲であり、前記セルは、前記隔壁の少なくとも一部が円弧状を呈する円弧隔壁によって、円形状、楕円形状、または半円形状に区画形成された円形セルを一部に有し、前記円形セルを区画形成する前記円弧隔壁の隔壁交点部における曲率半径は、２５０μｍ以上である目封止ハニカム構造体。

［２］ 前記目封止ハニカム構造体のハニカム軸方向に直交する直交面における前記セルの総セル数に対する前記円形セルの円形セル数の占める比率は、１０％以上である前記［１］に記載の目封止ハニカム構造体。

［３］ 前記円形セルは、前記排出側端面に設けられた前記目封止部に近接して位置する前記［１］または［２］に記載の目封止ハニカム構造体。

［４］ 前記隔壁によって区画形成された複数の多角形状の多角形セルを有する、前記粒子状物質を捕集する前の多角形目封止ハニカム構造体の流入側端面から前記流体を流入させ、前記粒子状物質を捕集後に、前記結合材が融点以上の温度に晒されることで前記多角形セルが変形して形成された前記円形セルを有する前記［１］〜［３］のいずれかに記載の目封止ハニカム構造体。

［５］ 前記結合材の融点は、１１００℃以上である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の目封止ハニカム構造体。

［６］ 前記基材及び前記結合材は、コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミニウムチタネートを含む群から選択された一または複数のセラミックス材料である前記［１］〜［５］のいずれかに記載の目封止ハニカム構造体。

［７］ 前記基材は、前記炭化珪素であり、前記結合材は、前記コージェライトである前記［６］に記載の目封止ハニカム構造体。

［８］ 前記［１］〜［７］のいずれかに記載の目封止ハニカム構造体の形成方法であって、一方の端面から他方の端面まで延びる、流体の流路となる複数の多角形セルを区画形成する多孔質の隔壁を有するハニカム基材、及び、前記ハニカム基材の前記一方の端面における前記多角形セルを所定の配設基準に従って目封止するとともに、前記他方の端面における残余の前記多角形セルをそれぞれ目封止した目封止部を備える多角形目封止ハニカム構造体に対し、前記一方の端面である流入側端面から前記他方の端面である排出側端面に向かって前記流体を流入させる流体流入工程と、前記流体に含まれる粒子状物質を、前記排出側端面に前記目封止部が形成された前記多角形セルのセル内部に堆積させて捕集する粒子状物質捕集工程と、前記粒子状物質捕集工程によって前記セル内部に前記粒子状物質が堆積した後、前記多角形目封止ハニカム構造体が前記結合材の融点以上の温度に晒されることにより、前記多角形セルの少なくとも一部は、前記隔壁が円弧状を呈する円弧隔壁に変形し、円形状、楕円形状、または半円形状に区画形成された円形セルに変形する円形セル変形工程とを有する目封止ハニカム構造体の形成方法。

本発明の目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法によれば、セルの一部に所定の比率で円形セルを含むことにより、目封止ハニカム構造体の内部に加わる、粒子状物質の捕集時の熱応力集中を分散し、隔壁交点部等に局所的に熱応力が加わることを抑制することができる。これにより、目封止ハニカム構造体の内部において、目封止ハニカム構造体の強度を維持しつつ、亀裂（クラック）等の発生数を抑制することができる。

特に、予めセルの一部を円形セルで構成したものと比べ、多角形セルで構成された従来の多角形目封止ハニカム構造体を準備し、その後その多角形目封止ハニカム構造体に粒子状物質を含む流体を流して円形セルを形成することで、セル密度の低下を防ぎ、かつ捕集当初における圧力損失の増大を防ぐことが可能となる。更に、基材に対して低融点の結合材を用い、基材の粒子径及び結合材の質量比を適宜調整することにより、粒子状物質の捕集後の再生処理時における円形セルの形成が容易となる。

本発明の一実施形態の目封止ハニカム構造体の概略構成を模式的に示す斜視図である。 隔壁中の基材及び当該基材同士を結合する結合材の状態を模式的に示す説明図である。 粒子状物質を捕集前の多角形目封止ハニカム構造体の概略構成を示す断面図である。 粒子状物質の捕集後の円形セルの形成された本実施形態の目封止ハニカム構造体の概略構成を示す断面図である。 目封止ハニカム構造体の他方の端面側に近接するセル内部の図４のＣＦ−ＣＦ線切断面を模式的に示す拡大断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法について詳述する。なお、本発明の目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の設計の変更、修正、及び改良等を加え得るものである。

１．目封止ハニカム構造体
本実施形態の目封止ハニカム構造体１は、図１〜図５に示されるように、略円柱状を呈し、一方の端面２ａ（目封止ハニカム構造体１の流入側端面３ａ）から他方の端面２ｂ（目封止ハニカム構造体１の排出側端面３ｂ）まで延びる、粒子状物質１０を含む排気ガス等の流体Ｆ（図１及び図３，４の矢印参照）の流路となる複数のセル４を区画形成する多孔質性のセラミックス材料で形成された隔壁５を有するハニカム基材６と、当該ハニカム基材６の一方の端面２ａにおけるセル４の開口部７ａを所定の配設基準に従って目封止するとともに、他方の端面２ｂにおける残余のセル４の開口部７ｂをそれぞれ目封止した目封止部８とを主に具備している。

本実施形態の目封止ハニカム構造体１は、少なくとも一部のセル４が、円弧状を呈する円弧隔壁５ａによって、円形状、楕円形状、または半円形状に区画形成された円形セル９である。ここで、円形セル９は、目封止ハニカム構造体１の流入側端面３ａ及び排出側端面３ｂから当該形状を直接視認することができず、目封止ハニカム構造体１のハニカム軸方向Ａ（図１の一点鎖線参照）に直交する直交面ＣＦ（図１の二点鎖線で囲まれた仮想切断面参照、または図４におけるＣＦ−ＣＦ線断面参照）で切断することによって視認可能となるものである。すなわち、本実施形態の目封止ハニカム構造体１において、円形セル９は内部に存在している。一方、流入側端面３ａ（一方の端面２ａ）及び排出側端面３ｂ（他方の端面２ｂ）のそれぞれのセル４は、多角形状（本実施形態では四角形状）を呈している。

更に、本実施形態の目封止ハニカム構造体１において、上記直交面ＣＦ（仮想切断面に相当）におけるセル４の総セル数に対する円形セル９の数（円形セル数）の占める比率が１０％以上となるように設定されている。円形セル９による熱応力集中の緩和等の効果（詳細は後述する）を享受するために、直交面ＣＦにおけるセル４の総セル数に対して一定数以上の円形セル９が存在している必要があるためである。

なお、目封止ハニカム構造体１における円形セル９の位置は、上記実施形態のように限定されるものではなく、ハニカム軸方向Ａに沿って任意の位置に形成することができる。そのため、目封止部８が設けられていないハニカム基材６の一方の端面２ａまたは他方の端面２ｂのそれぞれのセル４の開口部７ａ，７ｂに円形セル９が形成され、目封止ハニカム構造体１の外部から直接視認可能なものであっても構わない。

しかしながら、後述する円形セル９の形成方法、及び当該円形セル９に基づく効果の観点から、本実施形態の目封止ハニカム構造体１のように、目封止ハニカム構造体１の内部、特に排出側端面３ｂに近接する上流位置に分布して形成することが特に好適である。

本実施形態の目封止ハニカム構造体１において、セル４を目封止する目封止部８は、従来の目封止ハニカム構造体に使用される目封止部と同一の周知のものを使用することができる。ここで、本実施形態の目封止ハニカム構造体１では、一方の端面２ａにおけるセル４の開口部７ａを互いに一つおきに交互に目封止することで一段を形成し、更に当該一段の上段及び下段における目封止部８の位置を一つずつ左右にずらして交互に目封止した、複数の目封止部８が格子状に配された市松模様（チェッカーボードパターン）となるように設けられている（図１等参照）。

同様に、ハニカム基材６の他方の端面２ｂにおける残余のセル４に対しても、同様に一つおきに交互に位置をずらしながら格子状の目封止部８が配設される。ここで、残余のセル４とは、一方の端面２ａ側で目封止部８が設けられなかったセル４が相当する。その結果、一方の端面２ａ（流入側端面３ａ）及び他方の端面２ｂ（排出側端面３ｂ）がそれぞれ所定の配設基準に従って目封止されたものとなる。ここで、目封止部８の配設基準は、上記市松模様に限定されるものではなく、任意に設定することができる。

加えて、個々のセルの形状が同一である必要はなく、互いに隣接するセルの大きさが異なる二種類のサイズのセルを組み合わせて形成された目封止ハニカム構造体であっても構わない。また、セルの形状は、図１等に示す、正四角形状のものに限定される必要はなく、例えば、六角形状や八角形状等のその他多角形状のセルであっても構わない。

ここで、目封止部８を形成するための材料は、特に限定されるものではなく、周知のセラミックス材料、アルコール、及び有機バインダ等を組合わせた目封止材を使用することができる。更に、周知のセラミックス材料としては、例えば、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、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料、リチウムアルミニウムシリケート、及びアルミニウムチタネートからなる群から選択される少なくも一種を用いるものであっても構わない。これらは、目封止ハニカム構造体を構成する隔壁の原材料等に応じて選択してもよい。

目封止ハニカム構造体１のハニカム基材６に対し、上記のように目封止部８を設けることで、当該目封止ハニカム構造体１を排気ガス浄化装置や微粒子捕集フィルタ等の一構成として使用することができる。目封止ハニカム構造体１の内部に、流入側端面３ａから排出側端面３ｂに向かって排気ガス等の流体Ｆの流入を行うと、流入側端面３ａの開口部７ａが開口したセル４から内部に流入（進入）した流体Ｆは、そのままハニカム軸方向Ａに沿って排出側端面３ｂに向かって流れようとする。

しかしながら、流入側端面３ａに相対する排出側端面３ｂの開口部７ｂのセル４は目封止部８によって目封止されている。そのため、流体Ｆの流れの挙動が規制される。そのため、流入した流体Ｆは、多孔質性の隔壁５を通過し、排出側端面３ｂに開口したセル４の開口部７ｂから目封止ハニカム構造体１の外部に排出される（図３，４における二点鎖線の流体Ｆ’参照）。

すなわち、流入側端面３ａの開口したセル４から流体Ｆが流入しても、排出側端面３ｂに設けられた目封止部８によって当該流体Ｆは、そのまま目封止ハニカム構造体１の外部に排出されることがない。そのため、流体Ｆの流れの挙動が規制され、目封止部８が設けられた排出側端面３ｂの近傍に流体Ｆに含まれる粒子状物質１０が多く堆積する（図３参照）。なお、流体Ｆが多孔質性の隔壁５を通過する際にも、隔壁表面及び隔壁内部に粒子状物質１０は捕集される。これにより、流体Ｆに含まれる粒子状物質１０を除去する浄化処理が行われ、排出側端面３ｂから浄化流体Ｃを排出することができる。

本実施形態の目封止ハニカム構造体１を構成する隔壁５は、前述した目封止部８を形成するセラミックス材料と略同一のものを使用することができる。更に詳しくは、隔壁５は、粒子状の基材１１と、当該基材１１同士を結合し、かつ基材１１より低融点の結合材１２とを原材料１３として含んでいる（図２参照）。

隔壁５を構成する基材１１及び結合材１２に使用されるセラミックス材料の一例を示すと、コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、アルミニウムチタネートを含む群から選択された一または複数種類のものを使用することができる。なお、本実施形態の目封止ハニカム構造体１では、特に、断りのない限り、基材１１として炭化珪素（ＳｉＣ）の粒子を使用し、結合材１２としてコージェライトを使用したものについて説明を行うものとする。

ここで、隔壁５に使用される上記結合材１２は、基材１１より低融点のものが用いられる。これにより、目封止ハニカム構造体１が高温に晒された場合、基材１１よりも結合材１２が先に溶融する。これにより、多角形セル１４から円弧隔壁５ａで区画形成された円形セル９を容易に形成することが可能となる（詳細は後述する）。

ここで、一般的なセラミックス材料の融点を鑑み、上記結合材１２の融点は少なくとも１１００℃以上であることが好適である。これにより、粒子状の基材１１の融点も当然１１００℃以上であり、基材１１が溶融する可能性が低くなる。その結果、粒子状物質１０を含む流体Ｆによって、原材料１３に含まれる結合材１２の一部が溶融することで、本実施形態の目封止ハニカム構造体１における円形セル９の形成が容易となる（詳細は後述する。）。

更に、隔壁５に使用される基材１１の粒子径は、５μｍ〜６０μｍの範囲のものが使用される。ここで、基材１１の粒子径が５μｍ未満の場合、基材１１自体の強度が低い場合が多い。その結果、これらの基材１１を用いた目封止ハニカム構造体１自体の耐熱性や耐熱衝撃性が低くなり、使用時における亀裂（クラック）等が生じ易くなる可能性が高い。そのため、基材１１の粒子径は、少なくとも５μｍ以上である必要がある。

これに対し、基材１１の粒子径が６０μｍより大きい場合、仮に結合材１２が当該基材１１よりも低融点であり、結合材１２の融点以上の高温に目封止ハニカム構造体１が晒された場合であっても、互いの粒子状の基材１１同士が干渉し、隔壁５が円弧隔壁５ａに変形し難くなる。そのため、円形セル９が容易に形成されない可能性がある（詳細は後述する）。従って、基材１１の粒子径が上記範囲に規制される。

加えて、隔壁５を構成する基材１１及び結合材１２の原材料の合計質量に対する上記結合材１２の占める質量比は、２２質量％〜４５質量％の範囲に規定される。ここで、結合材１２の質量比が２２質量％未満の場合、当該結合材１２を含む隔壁５を有する目封止ハニカム構造体１が高温に晒され、結合材１２の融点以上（例えば、１１００℃以上）になった場合でも、結合材１２の占める比率が小さいため隔壁５が円弧隔壁５ａに変形し難くなる。そのため、円形セル９が容易に形成されない可能性がある（詳細は後述する）。従って、結合材１２の質量比が上記範囲に規制される。

更に、本実施形態の目封止ハニカム構造体１は、円形セル９を区画形成する円弧隔壁５ａの隔壁交点部１５における曲率半径Ｒが２５０μｍ以上となるように設定される。ここで、隔壁交点部１５の曲率半径Ｒが２５０μｍ未満の場合、複数の隔壁５，５ａが交差する隔壁交点部１５に加わる熱応力が集中し、円弧隔壁５ａによる分散効果が弱くなる。そのため、格子状の隔壁と同様に熱応力集中が発生し、亀裂が生じ易くなる。そのため、円弧隔壁５ａの隔壁交点部１５における曲率半径Ｒが２５０μｍ以上に規定される。

２．目封止ハニカム構造体の形成方法（円形セルの変形）
本実施形態の目封止ハニカム構造体１は、下記の形成方法によって形成される。なお、本発明の目封止ハニカム構造体１の形成方法はこれに限定されるものではなく、予め円形セル９を内部に有して形成されるものであっても構わない。

本実施形態の目封止ハニカム構造体１は、多角形目封止ハニカム構造体２０を出発原料として形成される。ここで、多角形目封止ハニカム構造体２０は、図３に示すように、複数の多角形セル１４を区画形成する隔壁５を有するハニカム基材６と、ハニカム基材６の一方の端面２ａ及び他方の端面２ｂをそれぞれ所定の配設基準に従って目封止した目封止部８とを備えるものである。すなわち、多角形目封止ハニカム構造体２０は、排気ガス浄化装置等に従来使用されている周知のものであり、その内部において円形セル９を有していない点で本実施形態の目封止ハニカム構造体１と相違する。

なお、多角形目封止ハニカム構造体２０の隔壁５の構成（基材１１及び結合材１２）、基材１１より結合材１２が低融点である点、基材１１の粒子径、原材料１３の合計質量に対する結合材１２の占める質量比、結合材の融点、基材１１及び結合材１２に使用されるセラミックス材料等は、既に述べた本実施形態の目封止ハニカム構造体１と同じものである。

多角形目封止ハニカム構造体２０において、本実施形態の目封止ハニカム構造体１と同一の構成については同一符号を付して説明を省略する。また、多角形目封止ハニカム構造体２０（従来の目封止ハニカム構造体）の製造方法については、周知であるためここでは説明を省略する。

係る多角形目封止ハニカム構造体２０を、排気ガス浄化装置等に組み込んだ状態で、ハニカム基材６の一方の端面２ａ（流入側端面３ａ）から他方の端面２ｂ（排出側端面３ｂ）に向かって流体Ｆを流入させる（流体流入工程：図２及び図３参照）。これにより、流体Ｆに含まれる粒子状物質１０が多角形目封止ハニカム構造体２０のセル内部１６に捕集される（粒子状物質捕集工程）。なお、粒子状物質１０の捕集は、目封止ハニカム構造体１による粒子状物質の捕集と同一であり、既に説明したため、ここでは説明を省略する。

粒子状物質捕集工程によって、セル内部１６に粒子状物質１０が堆積する。流体Ｆは、ディーゼルエンジンから排出された排気ガス等であり、高温のものである。隔壁５を構成する基材１１に対して結合材１２が低融点であり、基材１１の粒子径が５μｍ〜６０μｍの範囲であり、原材料１３の合計質量に対する結合材１２の占める質量比が２２質量％〜４５質量％の範囲である。

これらの条件を満たし、再生処理時の高温の流体Ｆによって結合材１２の融点以上の温度に多角形目封止ハニカム構造体２０が晒されることで、多角形セル１４を区画形成する少なくとも一部の隔壁５を構成する結合材１２の一部が溶融する。その結果、格子状の隔壁５の一部が曲線状に湾曲した円弧隔壁５ａに変形する。これにより、多角形セル１４が円弧隔壁５ａで少なくとも一部が区画形成された円形セル９に変形する（円形セル変形工程）。

すなわち、基材１１よりも融点の低い結合材１２を使用し、所定の条件で粒子状物質１０を含んだ高温の流体Ｆが流入することにより、多角形セル１４の一部を円形セル９に変形させることができる。その結果、特に隔壁交点部１５における熱応力集中を分散し、亀裂等の不具合の発生を抑制することができる。

更に、予め円形セルが形成された目封止ハニカム構造体に比べて、セル密度が低くなったり、粒子状物質１０の堆積後の圧力損失性能が低下したりすることがないため、上記形成方法は特に好適である。なお、使用用途等によっては円形セルが予め形成された目封止ハニカム構造体であっても十分な効果を奏することができる。

以下、本発明の目封止ハニカム構造体、及び目封止ハニカム構造体の形成方法の実施例について説明するが、本発明の目封止ハニカム構造体等はこれに限定されるものではない。

１．目封止ハニカム構造体（多角形セル目封止ハニカム構造体）
上記した目封止ハニカム構造体の形成方法に基づいて、予め作成した周知の多角形セル目封止ハニカム構造体から実施例１〜５及び比較例１〜５の目封止ハニカム構造体を作成した。ここで、円形セルを形成する前の多角形セル目封止ハニカム構造体のセル形状は、いずれも四角形状であり、ハニカム径が１４３．８ｍｍ、ハニカム長さが１５２．４ｍｍのものを使用した。実施例１〜５及び比較例１〜５の目封止ハニカム構造体を形成する前の多角形セル目封止ハニカム構造体のセル形状、隔壁を構成する基材の粒子径、及び、隔壁に含まれる結合材の原材料の合計質量に対する質量比をまとめたものを下記表１に示す。なお、実施例１〜５及び比較例１〜５の目封止ハニカム構造体（多角形目封止ハニカム構造体）において、基材として炭化珪素（ＳｉＣ）の粒子が用いられ、一方、結合材としてコージェライトを用いている。ここで、基材として用いられる炭化珪素（ＳｉＣ）の融点は、２７３０℃であり、一方、結合材として用いられるコージェライトの融点は、１４００℃である。また、比較例１は、基材としてコージェライトを使用し、結合材を含まないものである。なお、基材及び結合材のそれぞれの融点に関しては、Ｘ線解析装置（詳細は後述する。）を用いてＸ線回折測定を行うことにより、各構成の結晶相の特定が可能であるため、当該結晶相を特定後、周知の融点測定装置による測定を行う、或いは、特定された結晶相に基づいて、周知の文献値を参考にして特定するものであっても構わない。

２．基材の粒子径の測定
隔壁を構成する基材の粒子径は、下記の通り、電子顕微鏡観察により行った。具体的に説明すると、実施例１〜５及び比較例１〜５の目封止ハニカム構造体から、５ｍｍ角の立方体形状の電子顕微鏡観察用を切り出す。このとき、切り出した立方体形状の表面に、隔壁の断面が表れるように、上記切り出しを行う。次に、得られた試料を樹脂に埋めて固めた後、その表面を研磨する。その後、研磨後の試料表面の中で、隔壁の断面が現れている箇所につき、４００倍の倍率でＳＥＭ写真（走査型電子顕微鏡写真）を撮像する。撮像されたＳＥＭ写真のＳＥＭ画像を画像処理し、当該ＳＥＭ画像中の、基材及び結合材を識別する。なお、識別の具体的手法は、例えば、画像解析下に置かれたＳＥＭ画像の中で、基材が存在する箇所と、結合材が存在する箇所との色分けを行う。ここで、ＳＥＭ写真を撮像する走査型電子顕微鏡として、ＳＵ９０００（日立ハイテク社製）を使用した。また、撮像されたＳＥＭ画像は、画像処理システムＸＧ（キーエンス社製）を用いて画像解析を行った。

上記画像解析によって、基材及び結合材が識別された後、基材の粒子径が算出される。なお、基材の粒子径とは、基材を球状粒子に換算して求めた粒子径（球相当径）をここでは意味する。始めに、撮像されたＳＥＭ画像上の基材の粒子面積（断面積）を画像処理により計測する。次に、計測した粒子面積と同一面積との粒状粒子に換算した粒子径を算出し、これを基材の粒子径とした。

３．質量比の算出
隔壁に含まれる結合材の原材料の合計質量に対する質量比の算出は、下記の方法によって行った。始めに、Ｘ線回折装置（商品名：ＲＩＮＴ、理学電機製）を用いて、隔壁を構成する材料のＸ線回折パターンを得た。このとき、Ｘ線回折測定の条件は、ＣｕＫα線源、５０ｋＶ、３００ｍＡ、２θ＝１０〜６０°とした。そして、簡易定量分析を行うことで、各構成の結晶相の質量比をそれぞれ算出した。なお、簡易定量分析には、ＲＩＲ（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｒａｔｉｏ）法を用い、得られたＸ線回折データを解析処理し、それぞれの各成分を定量した。Ｘ線回折データの解析には、Ｘ線データ解析ソフト（商品名：ＪＡＤＥ７，ＭＤＩ社製）を用いた。

４．円形セルの形成（ススの堆積）
表１に示した基材の粒子径及び結合材の質量比に調製された実施例１〜５及び比較例１〜５の多角形目封止ハニカム構造体を装着した排気ガス浄化装置を、排気量２．０リットルのエンジンを搭載した乗用車の排気系に取付け、流入側端面から排出側端面に向かって排気ガス（流体）を流入させ（流体流入工程）、多角形目封止ハニカム構造体のセル内部にスス（粒子状物質）を堆積させた（粒子状物質捕集工程）。このとき、ススの堆積量は、多角形目封止ハニカム構造体の単位体積当たりの重量が１２ｇ／Ｌとなるようにした。係る過程において、セル内部にススが堆積し、隔壁の温度が結合材の融点以上の温度に達することで、多角形セルの少なくとも一部が、隔壁の一部が円弧状を呈する円弧隔壁に変形し、円形状等の円形セルに変形する（円形セル変形工程）。これにより、実施例１〜５等の円形セルを有する目封止ハニカム構造体が形成される。

５．再生処理
目封止ハニカム構造体の単位体積当たり１２ｇのススが堆積した実施例１〜５及び比較例１〜５に対し、堆積したススを除去する再生処理を行う。具体的には、ススの堆積（円形セルの形成）と同様に、排気量２．０リットルのエンジンを搭載した乗用車の排気系に排気ガス浄化装置を取付けた状態で、２０００ｒｐｍ／８０Ｎｍの条件でエンジンを回転させる。更に、目封止ハニカム構造体の流入側端面の２０ｍｍ手前の位置における排気ガスの温度を、シース熱電対（Ｋ型、Φ０．５）を使用して計測し、燃料噴射量を調整して６５０℃となるまで昇温させる。その後、エンジンの稼働をアイドル状態（８００ｒｐｍ／１２Ｎｍ）になるように切り替えることで、セル内部に堆積したススを再生させた。このとき、目封止ハニカム構造体の排出側端面から１０ｍｍ上流位置における温度を、シース熱電対（上記と同様）を使用して測定した。シース熱電対で測定した温度の中で、最も高い温度を示した値を再生処理時の最高温度とした（表１参照）。

６．捕集前及び再生処理後の曲率半径の変化
実施例１〜５及び比較例１〜５のススを捕集する前の多角形目封止ハニカム構造体及び再生処理後の目封止ハニカム構造体のそれぞれに対し、排出側端面から目封止部を取り除くようにして、ハニカム軸方向に直交する切断面（図１等の直交面ＣＦ参照）として切断する。当該切断面における任意のセルの隔壁交点部の四つの測定箇所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４（図５参照）について曲率半径Ｒを測定し、一つのセルにおける隔壁交点部の平均の曲率半径Ｒを算出した。上記と同様の算出処理を、任意の５つのセルに対して行い、５つのセルにおける曲率半径Ｒの平均値を隔壁交点部の曲率半径Ｒとした（表１参照）。ここで、曲率半径Ｒの測定は、上記切断面を光学顕微鏡観察下、或いは、電子顕微鏡観察下で倍率２０倍の条件で撮像した切断面の拡大画像を利用することで行った。また、当該画像を必要に応じて画像解析することも可能である。

なお、円形セルの場合は、変形した箇所に対する任意の四つの測定箇所Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’，Ｐ４’（図５参照）について曲率半径Ｒを測定し、同様に一つのセルにおける隔壁交点部の変形の曲率半径Ｒを算出した後、任意の最大５つのセルに対して測定を行い、その平均値を算出した（表１参照）。ここで、図示を簡略化するため、ススの捕集前のセルの隔壁交点部の測定箇所Ｐ１等と、再生処理後の円形セルの隔壁交点部の測定箇所Ｐ１’等を図５にそれぞれ例示したが、ススの捕集前及び再生処理後の切断面に対してそれぞれ測定箇所Ｐ１，Ｐ１’等が設定される。

７．円形セル数の比率
再生処理を行った目封止ハニカム構造体の切断面（上記６参照）における任意の範囲におけるセルの総セル数を目視にて計測し、更に当該総セル数に占める円形セルの数（円形セル数）を目視にて計測し、その比率を算出した（表１参照）。総セル数及び円形セル数の計測は、上記６の切断面の画像を用いた。

８．亀裂発生隔壁数の計測、及び亀裂発生の判定
再生処理を行った目封止ハニカム構造体の切断面（上記６，７参照）において、隔壁の亀裂発生隔壁数を目視にて計測した（表１参照）。亀裂発生隔壁数の計測は、上記６の切断面の画像を用いた。ここで、亀裂発生の判定は、結合材を使用しない比較例１の目封止ハニカム構造体を基準とし、当該比較例１における亀裂発生隔壁数である２４箇所と対比し、比較例１から半数以上の減少が認められる場合を“Ａ”、３箇所以上の減少が認められる場合を“Ｂ”、比較例１と同程度の亀裂発生隔壁数（±２箇所）の場合を“Ｃ”、比較例１よりも３箇所以上の増加が認められる場合を“Ｄ”としてそれぞれ評価し、判定を行った。

９．実施例のまとめ
９．１ 基材の粒子径
表１に示されるように、基材の粒子径が５μｍ〜６０μｍの範囲にある実施例１〜５の目封止ハニカム構造体は、いずれもその内部に円形セルの形成が認められた。一方、基材の粒子径が５μｍ未満の比較例２の目封止ハニカム構造体（基材の粒子径＝４μｍ）は、円形セルの形成は認められるものの、亀裂発生隔壁数が３５箇所と多くなる。すなわち、目封止ハニカム構造体の強度が低くなることが確認された。

一方、基材の粒子径が６０μｍ以上の比較例３の目封止ハニカム構造体（基材の粒子径＝６２μｍ）は、円形セルの形成が認められなかった。基材の粒子同士が干渉することで、円形セルへの変形が抑制される。この傾向は、実施例２及び実施例４においても確認され、基材粒子径が６０μｍの場合、他の実施例１，３，５と比べて総セル数に占める円形セル数の比率が低くなる（実施例２＝３％、実施例４＝１１％）。したがって、基材の粒子径は、本発明における５μｍ〜６０μｍの範囲が好適であることが示された。

９．２ 結合材の質量比
結合材の質量比が２２質量％〜４５質量％の範囲にある実施例１〜５の目封止ハニカム構造体は、いずれもその内部に円形セルの形成が認められた。一方、結合材の質量比が２２質量％未満の比較例４の目封止ハニカム構造体（＝２１質量％）は、円形セルの形成が認められなかった。また、結合材を含まない（＝０質量％）比較例１も同様に円形セルの形成が認められなかった。すなわち、本発明の円形セルを有する目封止ハニカム構造体を形成するためには、原材料として基材に加え、結合材が不可欠であることが確認された。

一方、結合材の質量比が４５質量％以上の比較例５の目封止ハニカム構造体（質量比＝４６．５質量％）は、円形セルの形成は認められるものの、亀裂発生隔壁箇所が３１箇所と多くなる。すなわち、目封止ハニカム構造体の強度が低くなることが確認された。したがって、結合材の質量比は、本発明における２２質量％〜４５質量％の範囲が好適であることが示された。

９．３ 曲率半径の変化
捕集前の隔壁交点部の曲率半径は、実施例１〜５及び比較例１〜５において、５９〜６１μｍの範囲であったのに対し、円形セルが形成された再生処理後の目封止ハニカム構造体はいずれも曲率半径がいずれも２５０μｍ以上となることが確認された。

９．４ 円形セル数の比率
表１に示されるように、円形セル数の比率が１０％を超える実施例３〜５の目封止ハニカム構造体は、亀裂発生隔壁数が比較例１の判定基準数よりも半分以下に減少することが認められた。すなわち、総セル数に占める円形セル数の比率が１０％以上の場合に、隔壁交点部における熱応力集中を緩和する効果が特に大きくなることが示された。

以上、示したように、本発明の目封止ハニカム構造体によれば、内部に円形セルを有することにより、熱応力集中を緩和し、隔壁の亀裂発生を抑制することができる。特に、隔壁を構成する基材の粒子径、及び結合材の比率、更には基材よりも低い融点の結合材を使用することで、粒子状物質を捕集する流体の浄化処理の際に円形セルを比較的容易に形成することができる。その結果、従来の格子状の隔壁で区画形成された多角形セルと比較して目封止ハニカム構造体の強度を向上させることができる。

特に、予めセルの一部を円形セルで構成するものではないため、捕集前の当初からのセル密度の低下や圧力損失が増大する等の不具合を防ぐことができる。

本発明の目封止ハニカム構造体は、ディーゼルエンジン等から排出される排気ガス等の流体に含まれる微粒子等の粒子状物質の浄化処理を行う排気ガス浄化処理装置等の用途に特に有益に用いることができ、目封止ハニカム構造体の形成方法は、当該排気ガス浄化処理装置等に使用される目封止ハニカム構造体を好適に形成することができる。

１：目封止ハニカム構造体、２ａ：一方の端面、２ｂ：他方の端面、３ａ：流入側端面、３ｂ：排出側端面、４：セル、５：隔壁、５ａ：円弧隔壁、６：ハニカム基材、７ａ，７ｂ：開口部、８：目封止部、９：円形セル、１０：粒子状物質、１１：基材、１２：結合材、１３：原材料、１４：多角形セル、１５：隔壁交点部、１６：セル内部、２０：多角形目封止ハニカム構造体、Ａ：ハニカム軸方向、Ｃ：浄化流体、ＣＦ：直交面、Ｆ，Ｆ’：流体、Ｐ１，Ｐ１’，Ｐ２，Ｐ２’，Ｐ３，Ｐ３’，Ｐ４，Ｐ４’：測定箇所、Ｒ：曲率半径。

Claims (8)

1. 一方の端面から他方の端面まで延びる、流体の流路となる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基材と、
   前記ハニカム基材の前記一方の端面における前記セルを所定の配設基準に従って目封止するとともに、前記他方の端面における残余の前記セルをそれぞれ目封止した目封止部とを備え、
   前記ハニカム基材の前記一方の端面である流入側端面から前記他方の端面である排出側端面に向かって流入する前記流体に含まれる粒子状物質を捕集する目封止ハニカム構造体であって、
   前記隔壁は、
   粒子状の基材、及び、前記基材同士を結合し、前記基材より低融点の結合材を原材料として含み、
   前記基材の粒子径は、
   ５μｍ〜６０μｍの範囲であり、
   前記基材及び前記結合材を含む前記原材料の合計質量に対する前記結合材の占める質量比は、
   ２２質量％〜４５質量％の範囲であり、
   前記セルは、
   前記隔壁の少なくとも一部が円弧状を呈する円弧隔壁によって、円形状、楕円形状、または半円形状に区画形成された円形セルを一部に有し、
   前記円形セルを区画形成する前記円弧隔壁の隔壁交点部における曲率半径は、
   ２５０μｍ以上である目封止ハニカム構造体。
2. 前記目封止ハニカム構造体のハニカム軸方向に直交する直交面における前記セルの総セル数に対する前記円形セルの円形セル数の占める比率は、
   １０％以上である請求項１に記載の目封止ハニカム構造体。
3. 前記円形セルは、
   前記排出側端面に設けられた前記目封止部に近接して位置する請求項１または２に記載の目封止ハニカム構造体。
4. 前記隔壁によって区画形成された複数の多角形状の多角形セルを有する、前記粒子状物質を捕集する前の多角形目封止ハニカム構造体の流入側端面から前記流体を流入させ、前記粒子状物質を捕集後に前記結合材が融点以上の温度に晒されることで前記多角形セルが変形して形成された前記円形セルを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の目封止ハニカム構造体。
5. 前記結合材の融点は、
   １１００℃以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載の目封止ハニカム構造体。
6. 前記基材及び前記結合材は、
   コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミニウムチタネートを含む群から選択された一または複数のセラミックス材料である請求項１〜５のいずれか一項に記載の目封止ハニカム構造体。
7. 前記基材は、
   前記炭化珪素であり、
   前記結合材は、
   前記コージェライトである請求項６に記載の目封止ハニカム構造体。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の目封止ハニカム構造体の形成方法であって、
   一方の端面から他方の端面まで延びる、流体の流路となる複数の多角形セルを区画形成する多孔質の隔壁を有するハニカム基材、及び、前記ハニカム基材の前記一方の端面における前記多角形セルを所定の配設基準に従って目封止するとともに、前記他方の端面における残余の前記多角形セルをそれぞれ目封止した目封止部を備える多角形目封止ハニカム構造体に対し、前記一方の端面である流入側端面から前記他方の端面である排出側端面に向かって前記流体を流入させる流体流入工程と、
   前記流体に含まれる粒子状物質を、前記排出側端面に前記目封止部が形成された前記多角形セルのセル内部に堆積させて捕集する粒子状物質捕集工程と、
   前記粒子状物質捕集工程によって前記セル内部に前記粒子状物質が堆積した後、前記多角形目封止ハニカム構造体が前記結合材の融点以上の温度に晒されることにより、前記多角形セルの少なくとも一部は、前記隔壁が円弧状を呈する円弧隔壁に変形し、円形状、楕円形状、または半円形状に区画形成された円形セルに変形する円形セル変形工程とを有する目封止ハニカム構造体の形成方法。

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