JP2010201363A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルパティキュレートフィルタに用いられるハニカム構造体であって、使用初期のＰＭの捕集漏れを低減することができると共に、微小なＰＭであっても高効率で捕集することができるハニカム構造体を提供する。
【解決手段】ハニカム構造体は、多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備え、レーザ顕微鏡を用いた非接触式の測定による隔壁表面の算術平均粗さＲａが５μｍ〜１０μｍとされている。
【選択図】なし

Description

本発明は、ハニカム構造体に関するものであり、特に、ディーゼルエンジンの排気から粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタに用いられるハニカム構造体に関するものである。

ディーゼエンジンから排出されるガスには、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ。以下、「ＰＭ」と称する）が含まれるため、ディーゼルエンジンからの排気経路にはＰＭを除去するためのディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と称することがある）が取り付けられる。ここで、ディーゼルエンジンからの排気中のＰＭ濃度については、法律によって規制値が定められているが、近年この規制値はより厳しいものとなってきている。例えば、２００８年から欧州で実施されているＥｕｒｏ５、２００９年から日本で実施されているポスト新長期規制では、ＰＭ濃度の規制値は０．００５ｇ／ｋｍという厳しいものであり、ＤＰＦには極めて高レベルのＰＭ捕集性能が求められるようになってきている。

一般的なＤＰＦは、セラミックス多孔体の隔壁により区画された複数のセルが列設されたハニカム構造体を備えており、セルは一端が封止されたものと他端が封止されたものとが交互に配設されている。かかる構成により、ディーゼルエンジンからの排気は一方向に開口したセルから流入し、多孔質セラミックスの隔壁を通過してから、他方向に開口したセルから流出する。そして、排気が隔壁を通過する際に、隔壁の表面及び気孔内に排気中のＰＭが捕集される。

その際、セラミックス多孔体の気孔径が大きすぎると、捕集されずに隔壁を通過してしまうＰＭが増加し、捕集効率が低下する。一方、セラミックス多孔体の気孔径が小さすぎる場合は、ガスの通過に対する抵抗により圧力損失が上昇し、エンジンに負荷がかかる。そのため、この相反する作用の調和を図るために、気孔径及びその分布が高度に制御されたハニカム構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、セルの表面を粗くすることにより、ＰＭを捕集可能な表面積を増加させたハニカム構造体も提案されている（例えば、特許文献２参照）これは、セルの隔壁表面の表面粗さを十点平均粗さ（Ｒｚ）で３０μｍ、好ましくは４０〜３００μｍとしたものである。

しかしながら、現時点で実施されているＤＰＦでは、使用開始後の初期において若干のＰＭ捕集漏れがあり、上記のように法規制がより厳しさを増す中で、更なる改善が強く望まれている。特に、初期の捕集漏れは、極めて軽く浮遊し易い微小なＰＭ（Ｓｕｓｐｅｎｄｉｄ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ。以下、「ＳＰＭ」と称する）について生じ易く、気管支や肺胞への付着によりぜんそく等の原因となることが懸念されている。

また、特許文献２のハニカム構造体では、セルの隔壁の表面積を大きくすることによりＰＭの捕集量を増大させることができ、ＤＰＦの使用期間全体としてＰＭの捕集効率を高めることができる利点はあるが、初期の捕集漏れを低減することはできなかった。特に、表面を粗くすることに伴ってセルの隔壁表面に開口する気孔径が大きくなっているため、ＳＰＭの捕集漏れが多いという問題があった。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、ディーゼルパティキュレートフィルタに用いられるハニカム構造体であって、使用初期のＰＭの捕集漏れを低減することができると共に、微小なＰＭであっても高効率で捕集することができるハニカム構造体の提供を、課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるハニカム構造体は、「多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えたハニカム構造体であって、レーザ顕微鏡を用いた非接触式の測定による前記隔壁表面の算術平均粗さＲａが５μｍ〜１０μｍである」ものである。

「セラミックス」は特に限定されず、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト等を使用することができる。

「レーザ顕微鏡を用いた非接触式」の表面粗さの測定は、次のようにして行われる。観察視野内でＸ−Ｙ軸方向にスキャンしながら試料にレーザ光を照射し、反射光を受光素子によって検出する。この動作を、正確な焦点位置を検出できるレンズをＺ軸方向に所定間隔で移動させながら繰り返し、Ｚ軸方向の所定間隔ごとの高さ情報を取得する。このようにして得られた高さ情報に、それぞれの焦点位置での画像を重ね合わせることにより、試料表面の立体的な形状を合成することができる。そして、この立体的な表面形状から粗さ曲線を求めることにより、算術平均粗さＲａを算出することができる。ここで、「算術平均粗さＲａ」は、ＪＩＳ Ｂ０６０１の定義による。

本発明者らは、従来のＤＰＦにおいて初期にＰＭの捕集漏れがあっても、時間の経過に伴ってＰＭの捕集率が増加することから、先に捕集されセラミックス多孔体の開気孔に付着したＰＭ自体が、後に流入するＰＭに対してフィルタリング作用を発揮していることに着目した。そして、ＤＰＦの使用初期におけるＰＭの捕集漏れを低減するためには、それ自身がフィルタとなるＰＭの層を、いかに早期に形成するかが重要であると考えた。

ＰＭ粒子がハニカム構造体の開気孔に流入した際、開気孔が曲がっていたり分岐していたりすると、ＰＭ粒子はハニカム構造体の基体であるセラミックスの粒子に衝突し易いため、開気孔の径がＰＭの粒子径より大きくても開気孔の内壁にトラップされ易い。これに対し、開気孔がストレートに近く伸びていると、ＰＭ粒子は捕集されることなく開気孔をすり抜けてしまい易い。そこで、本発明者らは、捕集されたＰＭの層（以下、「ＰＭ ｌａｙｅｒ」と称する）を早期に形成するためには、開気孔の開口径が大きすぎないこと、及び、開気孔が浅い位置で曲がっていたり分岐していたりすることにより、開気孔の開口部から流入したＰＭが最初に衝突するまでの距離が短いことが必要であると考えた。

従来、隔壁における気孔の状態を知るパラメータとしては、水銀圧入法により求めた気孔径や気孔率、或いは、顕微鏡による観察像の画像処理によって求められた気孔径が用いられるのが一般的であった。ここで、水銀圧入法は、圧力をかけて水銀を開気孔に浸入させ、圧力値とそのときに浸入した水銀の体積とを用いて、円柱状と仮定した気孔の径をＷａｓｈｂｕｒｎの式から算出する方法である。従って、ストレートな開気孔であろうと曲がりくねった開気孔であろうと、容積が同程度であれば、気孔径として同程度の値が算出されてしまう。そのため、水銀圧入法により求めた気孔径は、開気孔の開口部から流入したＰＭが最初に衝突するまでの距離が短いか否かを把握するには不向きである。また、気孔率も、開気孔の総体積の情報は得られるが、開気孔の構造に関する情報を得ることはできない。

また、顕微鏡による観察像の画像処理によって求めた気孔径も、試料表面についてのみ得られる情報であるため、開気孔が深さ方向でどのような構造となっているかを知ることはできない。

これに対し、本発明では、セルの隔壁の表面状態を表面粗さとして把握することにより、開気孔の開口部の径と、開気孔の開口部から流入したＰＭが最初に衝突するまでの距離とを同時に把握し、且つ、制御することが可能となる。そして、後述のように、レーザ顕微鏡を用いた非接触式測定による算術平均粗さＲａを５〜１０μｍとすることにより、隔壁の表層に早期にＰＭ ｌａｙｅｒを形成させることができる。これにより、従来のＤＰＦで問題となっていた初期のＰＭの捕集漏れを低減することが可能となる。

加えて、ＰＭ ｌａｙｅｒはハニカム構造体の基体であるセラミックス多孔体の気孔に比べて、より目の細かなフィルタとして作用するため、ＳＰＭなど微細なＰＭを有効に捕集することができる。

また、ＤＰＦによるフィルタリング作用は、表層ろ過（ｓｕｒｆａｃｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）と深層ろ過（ｄｅｐｔｈ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）に大別されるが、従来はＰＭの捕集効率を高めるためには深層ろ過の作用が重要であると考えられていた。そのため、深層ろ過の作用を十分発揮させるために、隔壁の厚さが必要であると考えられていた。しかしながら、隔壁が厚ければ、それだけＰＭが隔壁を通過する際の抵抗が増すため、圧力損失が増大してエンジンに負荷がかかってしまう。これに対し、本発明では、隔壁の表層に早期にＰＭ ｌａｙｅｒが形成し、表層ろ過の作用によりＰＭを高効率で捕集することができるため、深層ろ過に頼る必要がなく、ＰＭの捕集性能を損なうことなく隔壁を薄くし、圧力損失の小さいＤＰＦを実現することも可能となる。

本発明にかかるハニカム構造体は、「前記多孔質セラミックスは、炭化珪素である」ものとすることができる。

上記構成の本発明によれば、多孔質セラミックスとして、高強度で耐熱性に優れる炭化珪素を用いることにより、隔壁が列設された空隙の多い構造であり、高温の環境下で使用されるハニカム構造体として、より適したものとなる。また、優れた耐熱性を有することにより、ＰＭを燃焼させる再生時の加熱によっても、変形や溶損の生じ難いハニカム構造体とすることができる。加えて、炭化珪素は、シャープな気孔径分布曲線が得られるセラミックスであるため、表面粗さによって開気孔の開口径と開口部から流入したＰＭが最初に衝突するまでの距離とを同時に制御する、本発明のハニカム構造体の基体として適している。

以上のように、本発明の効果として、ディーゼルパティキュレートフィルタに用いられるハニカム構造体であって、使用初期のＰＭの捕集漏れを低減することができると共に、微小なＰＭであっても高効率で捕集することができるハニカム構造体を提供することができる。

本発明の一実施形態のハニカム構造体の構成を模式的に示す側断面図である。 ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃについて、ＰＭを捕集させる前のセルの隔壁表面を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。 ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ用いたＤＰＦからの排気中のＰＭの粒子個数の時間経過に伴う変化を示すグラフである。 ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ用いたＤＰＦについて、ＤＰＦを取り付けない場合の排気中のＰＭの粒子個数を基準とし、ＤＰＦの設置によって捕集除去することができたＰＭの個数割合の時間経過に伴う変化を示すグラフである。 ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃを用いたＤＰＦからの排気中のＰＭの粒度分布の時間経過に伴う変化を示すグラフである。 ＰＭの捕集を行った後に走査型電子顕微鏡で観察を行った範囲を、ハニカム構造体の長軸方向に交叉する方向から示した図である。 ＰＭの捕集を行った後にハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃの隔壁の破断面を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。 ＰＭの捕集を行った後にハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃの隔壁の表面を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。 ハニカム構造体Ｇ，Ｈを用いたＤＰＦからの排気中のＰＭの粒度分布の時間経過に伴う変化を示すグラフである。 ハニカム構造体Ｇ，Ｈをそれぞれ用いたＤＰＦからの排気中のＰＭの粒子個数の時間経過に伴う変化を、異なる粒子径範囲について示したグラフである。 隔壁の厚さが相違するハニカム構造体をそれぞれ用いたＤＰＦについて、排気中のＰＭの粒子個数の時間経過に伴う変化を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態であるハニカム構造体について、図１乃至図１１に基づいて説明する。

本実施形態のハニカム構造体１０は、図１に示すように、多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁２により区画された複数のセル３を備えたハニカム構造体であって、レーザ顕微鏡を用いた非接触式の測定による隔壁２の表面の算術平均粗さＲａが５μｍ〜１０μｍとされている。

より詳細に説明すると、本実施形態の多孔質セラミックスは炭化珪素であり、列設された複数のセル３は、一方向に開放したセル３ａと他方向に開放したセル３ｂとが交互となるように、それぞれのセル３の一端が封止部６によって封止されている。

かかる構成のハニカム構造体１０では、ＰＭを含むディーゼルエンジンからの排気をセル３ａの開端から導入すると、ガスは多孔質の隔壁２を通過してから、他方向に開口したセル３ｂの開端から流出する。そして、ガスが隔壁２を通過する際に、隔壁２の表面及び気孔内にＰＭが捕集される。なお、図２では、ガスの流れを一点鎖線で示している。

以下に、本実施形態のハニカム構造体を上記構成とした根拠、すなわち表面粗さＲａを上記範囲とした根拠について説明する。検討には、三種類のハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃ及びそれぞれハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃを用いたＤＰＦを使用し、ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ表１に示す平均粒子直径の炭化珪素、窒化珪素、及び、カーボンの粉末を表記の割合（重量％）で配合した混合粉末を原料として、次のように作製した。

まず、原料の混合粉末を有機バインダーとしてのメチルセルロース、水、及び界面活性剤と混合・混練し、所定の粘度の混練物とした。次いで、混練物を押出成形によりハニカム構造の角柱状に成形し、乾燥した後、上記と同組成の混練物で封止部を形成した。この成形体を２３００℃の非酸化性雰囲気下で焼成した。なお、セル密度は２００セル／平方インチ、隔壁の厚さは０．４ｍｍとした。

そして、焼成体から次のようにＤＰＦを作製した。得られた角柱状の焼成体の複数を接着剤を用いて接合し、乾燥後に研削機を用いて円筒状に加工した。更に、外周面に外周材を塗布し、約８５０℃で熱処理をした。なお、接着剤としては、アルミナ・シリカファイバーを１ｍｍ以下に粉砕したものに、平均粒子径約２０μｍのＳｉＣ粗粒粉末と平均粒子径１μｍのＳｉＣ微粒粉末を加え、バインダーとしての１．２６重量％カルボキシメチルセルロース溶液、カチオン系分散剤及び結合剤としてのコロイダルシリカを適量添加し混合したものを用いた。また、外周材としては、平均粒子径約２０μｍのＳｉＣ粉末に平均粒子径１μｍの球状シリカ粉末を加え、バインダーとしての１．２６重量％カルボキシメチルセルロース溶液、カチオン系分散剤及び結合剤としてのコロイダルシリカを適量添加し混合したものを用いた。

ハニカム構造体のサイズは、それぞれ直径５．６６インチ×長さ６．００インチとし、それぞれのハニカム構造体を、セラミックファイバーからなるマット材で外周面を被覆した状態でケーシング内に圧入した後、マット材の有機成分を除去するために約８５０℃で加熱処理した。

ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃについて、以下の測定を行った。
＜セルの隔壁表面の算術平均粗さＲａ＞ フィルタ面として機能するセルの隔壁表面について、レーザ顕微鏡（キーエンス製，ＶＫ−８５００）を用い、非接触式で表面の算術平均粗さＲａを測定した。詳細には、正確な焦点位置を検出できるレンズをＺ軸方向へ０．０２μｍずつ移動させ、０．０２μｍごとの高さ情報を取得した。得られた高さ情報に、それぞれの焦点位置における画像を重ね合わせて立体形状を合成し、この立体形状から粗さ曲線を求め、算術平均粗さＲａを算出した。
試験条件 雰囲気 ：大気中
温度 ：３５℃
湿度 ：２７％
測定視野：２９８μｍ×２２４μｍ

＜電子顕微鏡観察＞ 走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製，ＪＸＡ−８４０型）を使用し、後述するように、ＰＭ捕集前のセルの隔壁表面、ＰＭ捕集後のセルの隔壁表面及び破断面の観察を行った。

また、ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃを用いたＤＰＦについて、以下の測定を行った。
＜ＤＰＦからの排気中のＰＭの粒子個数及び粒度分布計測＞ ディーゼルエンジン（日産自動車製ＱＤ３２型，排気量３１５３Ｌ）を稼動させることにより、ＰＭを発生させた。ディーゼルエンジンの運転条件は渦電流式動力計で負荷をかけることにより調整し、定常運転条件はエンジン回転数１４００ｒｐｍ，トルク２００Ｎｍとした。ディーゼルエンジンからの排気経路にハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃを用いたＤＰＦをそれぞれ取り付け、ＤＰＦの下流に希釈装置を介して粒子計数装置（東京ダイレック製，ＥＥＰＳ３０９０型）を配設した。かかる構成により、ディーゼルエンジンからの排気は、希釈装置によって３５０℃に加熱された空気で１２０倍に希釈されてから、粒子計数装置に導入される。粒子計数装置では、ＰＭの粒子が帯電させられて電気移動度によって分級され、エレクトロメータによって粒子の個数が計測される。なお、比較のために、ＤＰＦを取り付けない場合についてもＰＭの粒子個数を計測した。この場合は、ＤＰＦを取り付けたときと同様の圧力負荷を与えて同様の排気濃度とするために、所定直径のオリフィスをＤＰＦに代替して排気経路に取り付けた。

以下、上記の測定に基づく検討結果を示す。まず、ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれについて、セルの隔壁表面の算術平均粗さＲａを表２に示す。隔壁表面の算術平均粗さＲａはハニカム構造体Ｃが最も小さく、Ｃ，Ｂ，Ａの順に大きい値となっている。

ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃについて、ＰＭを捕集させる前のセルの隔壁表面の走査型電子顕微鏡による観察像（以下、「ＳＥＭ像」と称する）をそれぞれ図２（ａ），図２（ｂ），図２（ｃ）に示す。これらの図から明らかなように、ＳＥＭ像は算術平均粗さＲａの測定結果とよく対応していた。すなわち、ＳＥＭ像においては、セルの隔壁表面に近い粒子ほど白っぽく、深い部分にある粒子ほど濃色に見えているが、最も算術平均粗さＲａが小さいハニカム構造体Ｃ（図２（ｃ））では、ほとんどの開気孔の奥に粒子が見え、浅い位置で開気孔が分岐或いは曲がっていることがうかがえる。また、ハニカム構造体Ｂ（図２（ｂ））では、ほとんど黒色に見える部分がハニカム構造体Ｃより多く、これは深さ方向に奥まで続いている開気孔であると考えられる。そして、ハニカム構造体Ａ（図２（ａ））では、ほとんど黒色に見える部分が更に多く、開気孔の多くが奥深い位置まで続いていると考えられた。

ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ用いたＤＰＦからの排気中のＰＭの粒子個数の時間経過に伴う測定結果を図３に示す。この図から、ハニカム構造体Ａはハニカム構造体Ｂ，Ｃに比べて、ＤＰＦによって捕集されなかったＰＭの個数が多く、特にＤＰＦの使用開始後６０秒間程度の初期において、捕集されずに漏れたＰＭの個数が非常に多いことが分かる。また、ハニカム構造体Ｂはハニカム構造体Ｃに比べてＰＭの捕集漏れ個数が多少多いが、ハニカム構造体Ｃとの差はさほど大きいものではないことが分かる。

図４に、ＤＰＦを取り付けずにオリフィスを介して排出された排気中のＰＭの粒子個数を基準とし、ＤＰＦの設置によって捕集除去することができたＰＭの個数割合を示す。この図から、ハニカム構造体Ａでは使用開始直後のＰＭ捕集率は６０％程度であり、初期の捕集漏れが多いことが分かる。また、ハニカム構造体Ａは、９５％以上の捕集率に達するまで６０秒以上を要している。これに対し、ハニカム構造体Ｂ，Ｃでは使用開始直後でも約７５％以上の高い捕集率を示し、２０〜３０秒程度で９５％以上の捕集率に達している。

ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃを用いたＤＰＦからの排気中のＰＭの粒度分布の時間経過に伴う測定結果を、それぞれ図５（ａ），図５（ｂ），図５（ｃ）に示す。何れのハニカム構造体においても、粒度分布曲線におけるピーク位置の粒子径は７０ｎｍ〜８０ｎｍであり、捕集されずに漏れるＰＭの大きさは数十ｎｍのものが多いことが分かる。また、何れのハニカム構造体についても、時間の経過に伴う粒度分布曲線の変化は、山の形状が大きく変化することなくそのまま低くなるように変化している。このことから、ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃは何れも、粒子径範囲が３０〜２００ｎｍのＰＭを満遍なく捕集するフィルタであることが分かる。これは、後述のように、セルの隔壁表面に薄いＰＭ ｌａｙｅｒが早期に形成されることによるものと考えられた。

なお、図５に示す粒度分布曲線は、ピーク高さがハニカム構造体Ｃ，Ｂ，Ａの順に低く、粒度分布曲線がほとんど平坦になるまでの所要時間もハニカム構造体Ｃ，Ｂ，Ａの順に短いことは、上記の図３及び図４の結果と対応している。

次に、ＤＰＦでＰＭの捕集を２分間行った後に、セル隔壁の断面及び表面について観察したＳＥＭ像を示す。観察に用いた試料は、ＤＰＦを排気経路から取り外し、捕集されたＰＭが脱落しないようなるべく振動を与えずに電動ノコギリでハニカム構造体を切断することにより、図６において一点鎖線で囲んだ範囲でセルの隔壁を長軸方向に沿って取り出し、長軸方向の中途で折り取ったものである。従って、観察面はノコギリによる切断面ではなく破断面である。

ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃのセル隔壁の破断面のＳＥＭ像をそれぞれ図７（ａ），図７（ｂ），図７（ｃ）に示す。なお、図６及び図７における「ａ−ｓｉｄｅ」及び「ｂ−ｓｉｄｅ」は、列設されるセルに交互に封止部が設けられていることにより、排気は「ａ−ｓｉｄｅ」から流入し、隔壁２を通過した後に「ｂ−ｓｉｄｅ」から流出することを示している。また、ハニカム構造体Ａ，Ｂ，Ｃの図７と同一の試料について、セル隔壁の表面側（ａ−ｓｉｄｅ）から観察したＳＥＭ像を、それぞれ図８（ａ），図８（ｂ），図８（ｃ）に示す。

図７から明らかなように、使用開始後２分間という短い時間でありながら、何れのハニカム構造体でも、隔壁表面にＰＭ ｌａｙｅｒが形成されている。そして、ハニカム構造体Ｂ，Ｃでは、ＰＭはほとんど隔壁の表層近くで捕集されており、深層にはＰＭはほとんど到達していないことが観察される。一方、ハニカム構造体Ａでは、ａ−ｓｉｄｅからｂ−ｓｉｄｅに向かって少し深く入った位置にＰＭが付着していることが観察される。このことから、隔壁表面の算術平均粗さＲａが１０μｍ以下であるハニカム構造体Ｂ，Ｃでは、隔壁表面にＰＭ ｌａｙｅｒが早期に形成されることにより、ＰＭのフィルタリング作用は表層ろ過が支配的であると考えられた。

また、図８を図２と対比すると明らかなように、何れのハニカム構造体においても隔壁の表面にＰＭが付着しているが、特に、算術平均粗さＲａが１０μｍ以下であるニカム構造体Ｂ，Ｃでは、２分間という短い捕集時間にも関わらず、既に捕集されたＰＭによって表面全体に薄いＰＭ ｌａｙｅｒが形成されつつあり、奥深くまで続く開気孔の開口部が狭くなっていることが観察される。このことから、図３〜図５を用いて上述したように、ハニカム構造体Ｂ，Ｃが初期において高いＰＭ捕集率を示したのは、隔壁表面にいち早く捕集されたＰＭが、より目の細かなフィルタとなって、次に流入するＰＭを捕集する作用を奏したためと考えられた。

これに対し、図８（ａ）に示すように、算術平均粗さＲａが１０μｍより大きいハニカム構造体Ａでは、図２で観察される奥深くまで続く開気孔のほとんどが開口したままであることが観察される。このことから、図３〜図５を用いて上述したように、ハニカム構造体Ａにおいて初期のＰＭ捕集漏れが多かったのは、奥深くまで続く開気孔をＰＭがすり抜けてしまい、ＰＭ ｌａｙｅｒが形成されにくいため、先に捕集されたＰＭによる捕集作用が発揮されないためと考えられた。

以上のように、セルの隔壁表面の算術平均粗さＲａが１０μ以下である本実施形態のハニカム構造体Ｂ，Ｃは、算術平均粗さＲａがそれ以上であるハニカム構造体Ａに比べ、使用初期のＰＭの捕集漏れが大きく低減されていると共に、粒子径が数十ｎｍという微小なＰＭであっても高効率で捕集することができた。そして、これは、算術平均粗さＲａが１０μ以下の隔壁表面では、開気孔が浅い位置で分岐或いは曲がっていることにより、ＰＭがセラミックス粒子に衝突する「さえぎり効果」によって表層近くで捕集されやすいこと、そして、その結果として隔壁表層で先に捕集されたＰＭによって形成された薄いＰＭ ｌａｙｅｒが、より目の細かなフィルタとなって後から流入するＰＭを捕集する作用を奏しているためと考えられた。

なお、隔壁表面の算術平均粗さＲａが１０μｍ以下であっても、ゼロに近いほど小さい場合は、表面が平滑となりＰＭが捕集されにくくなると考えられるが、少なくともハニカム構造体Ｃの算術平均粗さＲａである５μｍまでは、上記の作用効果を十分に奏する。

次に、表面粗さをパラメータとすることにより、平均気孔径や見掛け気孔率では評価できない気孔の構造を評価することができると共に、平均気孔径や見掛け気孔率では十分に制御できないＤＰＦの捕集性能を表面粗さによって有効に制御可能であることを示す。

上記のハニカム構造体Ｃと同組成の原料を使用し、押出成形の条件を調整することにより、表３に示すように、平均気孔直径及び見掛け気孔率はほぼ等しく、表面の算術平均粗さＲａが異なるハニカム構造体Ｇ，Ｈを作製した。ハニカム構造体Ｇ，Ｈの表面の算術平均粗さＲａは何れも５〜１０μｍの範囲内にあるが、ハニカム構造体Ｈの方がハニカム構造体Ｇより表面粗さが小さい。

ここで、平均気孔直径及び見掛け気孔率は、以下のように測定した。
＜平均気孔直径＞ 水銀ポロシメータ（ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社製，オートポアＩＶ９５００）を使用し、水銀圧入法により測定した気孔径分布から、体積基準メディアン径として求めた。
＜見掛け気孔率＞ 水銀圧入法による平均気孔径の測定に際し、試料に圧入された水銀体積と試料体積とから算出した。

このハニカム構造体Ｇ，Ｈから上述と同様にＤＰＦを作製し、ＤＰＦをディーゼルエンジンの排気経路に装着した場合のＤＰＦからの排気中のＰＭの粒子個数及び粒度分布について、上述と同様の方法で測定した。

ハニカム構造体Ｇ，Ｈを用いたＤＰＦからの排気中のＰＭの粒度分布の時間経過に伴う変化を、それぞれ図９（ａ），図９（ｂ）に示す。これらの図から明らかなように、ＤＰＦの使用開始直後（０秒）のＰＭ漏れは、ハニカム構造体Ｇ，Ｈで同程度である。そして、ハニカム構造体Ｇでは粒度分布の山の高さは徐々に低下し、換言すれば捕集されずに漏れたＰＭの個数は時間の経過に伴って徐々に減少しているが、１２０秒経過後にも分布曲線の山はまだ平坦にはなっていない。これに対し、表面粗さＲａがより小さいハニカム構造体Ｈでは、捕集されずに漏れたＰＭの個数は時間の経過に伴って速やかに減少し、分布曲線の山は６０秒でほぼ平坦になっている。このことから、表面粗さＲａがより小さいハニカム構造体Ｈでは、捕集されたＰＭによって極めて早期にＰＭ ｌａｙｅｒが形成され、これによって後から流入するＰＭが有効に捕集されていることと考えられる。

また、捕集されずに漏れたＰＭの粒子個数の時間経過に伴う変化を、ＰＭの粒子径に着目してグラフ化したものを図１０に示す。ここで、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれＰＭの粒子直径が５０〜１００ｎｍ，３０〜５０ｎｍ，２０〜３０ｎｍの場合である。これらの図から、表面粗さＲａがより小さいハニカム構造体Ｈでは、特に２０〜３０ｎｍという極めて微小なＰＭはほとんど漏れずに捕集されている点で、ハニカム構造体Ｇと相違していることが分かる。従って、表面粗さＲａを小さく制御することにより、浮遊しやすく健康被害が懸念されている微小なＳＰＭを、より効果的に捕集できると考えられた。

以上のように、表面の算術平均粗さＲａをパラメータとすることにより、平均気孔径や見掛け気孔率では十分に把握できないハニカム構造体の気孔構造を把握することが可能であり、平均気孔径や見掛け気孔率では十分に制御できないＤＰＦの捕集性能を、表面粗さＲａによって制御することが可能であると考えられた。

なお、本実施形態のハニカム構造体では、ほとんどのＰＭが隔壁の表層で捕集されるため、従来のハニカム構造体とは異なり深層ろ過作用が不要であり、セルの隔壁を厚くする必要がない。そのため、本実施形態のハニカム構造体では、次に示すように、隔壁を薄いものとして圧力損失を大きく低減することが可能である。

上記のハニカム構造体Ｃと同組成の原料を使用し、表面粗さＲａが約８μｍと同程度であり、隔壁の厚さ（図１におけるｄ）がそれぞれ０．４ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２５ｍｍと相違する三種類のハニカム構造体を作製した。これらのハニカム構造体を用いたＤＰＦのそれぞれについて、ＤＰＦからの排気中のＰＭの粒度分布の時間経過に伴う変化を、図１１に示す。この図から明らかなように、本実施形態のハニカム構造体では表層ろ過が支配的であるため、隔壁の厚さはＰＭの捕集性能にほとんど影響していない。従って、隔壁の厚さを０．２５〜０．３０ｍｍとすることにより、捕集性能を低下させることなく、且つ、実用的な強度を損なうことなく、圧力損失の小さいＤＰＦを製造することが可能であると考えられた。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、ハニカム構造体の基体であるセラミックス多孔体に、白金、パラジウム、及びロジウム等の貴金属の触媒、あるいは、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含む触媒を担持させることができる。これにより、ＰＭに含まれる有機化合物（ＳＯＦ）が除去され易くなると共に、ＰＭの燃焼によるＤＰＦの再生を行い易いものとなる。

２ 隔壁
３，３ａ，３ｂ セル
６ 封止部
１０ ハニカム構造体

特許第４１３０２１６号公報 特開平１０−５２６１８号公報

Claims (2)

1. 多孔質セラミックスで構成され単一の方向に延びて列設された複数の隔壁により区画された複数のセルを備えたハニカム構造体であって、
   レーザ顕微鏡を用いた非接触式の測定による前記隔壁表面の算術平均粗さＲａが５μｍ〜１０μｍであることを特徴とするハニカム構造体。
2. 前記多孔質セラミックスは、炭化珪素であることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。