JP2023150220A - ハニカムフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＭ捕集効率が高いハニカムフィルタを提供する。【解決手段】一方の端面が封じられた排ガス導入セルと、排ガス排出セルとを備えたハニカムフィルタであって、ハニカムフィルタは、セル隔壁を介して第１セル３１と第２セル３２とを含み、セル隔壁の第１部分１３ａを、第１セル側の表面から第１方向Ｙに向かって０．５μｍ毎に階層化し、各階層において、第２方向Ｘに連続する気孔部を１つの気孔４０とし、１つの気孔の合計数を各階層の気孔数とし、第２方向のセル隔壁の第１部分の距離とセル隔壁の第１部分の気孔率との積を、セル隔壁の第１部分の平均気孔径で除した値を平均気孔数とし、第１セル側の表面から順に、各階層の気孔数と平均気孔数とを比較し各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層を決定した際に、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離が１０μｍ以下であることを特徴とするハニカムフィルタ。【選択図】図４

Description

本発明は、ハニカムフィルタに関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中には、スス等のパティキュレート（以下、ＰＭともいう）が含まれており、近年、このＰＭが環境又は人体に害を及ぼすことが問題となっている。また、排ガス中には、ＣＯ、ＨＣ又はＮＯｘ等の有害なガス成分も含まれていることから、この有害なガス成分が環境又は人体に及ぼす影響についても懸念されている。

そこで、内燃機関と連結されることにより排ガス中のＰＭを捕集したり、排ガスに含まれるＣＯ、ＨＣ又はＮＯｘ等の排ガス中の有害なガス成分を浄化したりする排ガス浄化装置として、コージェライトや炭化ケイ素等の多孔質セラミックからなるハニカム構造のフィルタ（ハニカムフィルタ）が種々提案されている。

このようなハニカムフィルタとして特許文献１には、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置された多孔質の隔壁を有する柱状のハニカム構造部と、それぞれの前記セルの前記流入端面側又は前記流出端面側の開口部に配設された目封止部と、を備え、水銀圧入法によって測定された前記隔壁の累積細孔容積において、前記累積細孔容積が１０％となる細孔径を、細孔径Ｄ１０とし、前記累積細孔容積が３０％となる細孔径を、細孔径Ｄ３０とし、前記累積細孔容積が５０％となる細孔径を、細孔径Ｄ５０とし、前記累積細孔容積が７０％となる細孔径を、細孔径Ｄ７０とし、前記累積細孔容積が９０％となる細孔径を、細孔径Ｄ９０とし、前記細孔径Ｄ１０が、６μｍ以上であり、前記細孔径Ｄ９０が、５８μｍ以下であり、且つ、下記式（１）の関係を満たす、目封止ハニカム構造体が開示されている。
式（１）：０．３５≦（Ｄ７０－Ｄ３０）／Ｄ５０≦１．５
（但し、式（１）において、Ｄ３０は、細孔径Ｄ３０の値を示し、Ｄ５０は、細孔径Ｄ５０の値を示し、Ｄ７０は、細孔径Ｄ７０の値を示す。）

特許文献１に記載のハニカムフィルタでは、累積細孔容積の分布を制御することにより、捕集性能を向上させ、排気ガス浄化用の触媒の担持後における、圧力損失のばらつきの発生を抑制している。

ここで、特許文献１に記載のされたようなハニカムフィルタを用いることによりＰＭを捕集することができる原理を説明する。
図１２は、従来のハニカムフィルタを用いて、排ガス中のＰＭを捕集する場合の一例を模式的に示す説明図である。
図１２に示す、従来のハニカム焼成体５１０は、排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質のセル隔壁５１３を備え、排ガス入口側の端面５１０ａが開口され、かつ、排ガス出口側の端面５１０ｂが目封止された排ガス導入セル５１１と、排ガス出口側の端面５１０ｂが開口され、かつ、排ガス入口側の端面５１０ａが目封止された排ガス排出セル５１２とを備えてなる。
セル隔壁５１３は、多孔質体なので、排ガスのガス成分は通過できるものの、固形成分であるＰＭは通過できない。
そのため、ハニカム焼成体５１０に排ガスが流入する場合、排ガスＧ（図１２中、排ガスをＧで示し、排ガスの流れを矢印で示す）は、排ガス導入セル５１１に流入し、排ガス排出セル５１２と排ガス導入セル５１１とを隔てるセル隔壁５１３を通過した後、排ガス排出セル５１２から流出する。排ガスＧがセル隔壁５１３を通過する際に、排ガス中のＰＭ等が捕集されるため、セル隔壁５１３は、フィルタとして機能する。

特開２０１８－１４９５１０号公報

近年、環境負荷を減らすために、ＰＭの排出規制がさらに厳しくなっている。重量のわりに数が多い粒子径の小さいＰＭは、捕集しにくく環境中に放出されやすい。
このようなＰＭは、特許文献１に開示されたように累積細孔容積の分布を制御するだけでは充分に捕集できないという問題があった。

本発明は上記問題を解決するためになされた発明であり、本発明は、ＰＭの捕集効率が高いハニカムフィルタを提供することを目的とする。

本発明者は、ハニカムフィルタのＰＭを捕集するセルの表面に早期にＰＭを堆積させケーク層を形成することにより、ＰＭの捕集効率が向上することを見出し、本発明を完成させた。

本発明のハニカムフィルタは、排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質のセル隔壁と、排ガス入口側の端面が開口され且つ排ガス出口側の端面が封じられている排ガス導入セルと、排ガス出口側の端面が開口され且つ排ガス入口側の端面が封じられている排ガス排出セルとを備えたハニカムフィルタであって、上記ハニカムフィルタは炭化ケイ素からなり、上記ハニカムフィルタの長手方向に垂直な断面において、上記複数のセルは、第１セルと、上記セル隔壁を介して上記第１セルと対面する第２セルとを含み、上記セル隔壁は、上記第１セルの輪郭を構成する辺と、上記第２セルの輪郭を構成する辺とが平行になるように形成されたセル隔壁の第１部分を有し、上記セル隔壁の第１部分は、上記第１セルから上記第２セルに向かう第１方向と、上記第１方向に垂直な第２方向とを有し、上記ハニカムフィルタの長手方向に垂直な方向の上記セル隔壁の第１部分の断面写真において、上記セル隔壁の第１部分を、上記第１セル側の表面から上記第１方向に向かって０．５μｍ毎に階層化し、上記各階層において、上記第２方向に連続する気孔部を１つの気孔とし、上記１つの気孔の合計数を各階層の気孔数とし、上記第２方向の上記セル隔壁の第１部分の距離と上記セル隔壁の第１部分の気孔率との積を、上記セル隔壁の第１部分の平均気孔径で除した値を平均気孔数とし、上記第１セル側の表面から順に、上記各階層の気孔数と上記平均気孔数とを比較し上記各階層の気孔数が初めて上記平均気孔数を超える階層を決定した際に、上記第１セル側の前記セル隔壁の第１部分の表面から、上記各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離が１０μｍ以下であることを特徴とする。

ハニカムフィルタを用いて排ガスを浄化する場合、排ガスに含まれるＰＭの大部分は、セル隔壁の気孔を通過できず排ガス導入セルの表面に捕集される。しかし、一部の粒子径が小さいＰＭは、セル隔壁の気孔を通過してしまい排ガス排出セルに移動してしまう場合がある。つまり、粒子径の小さいＰＭは漏れてしまう場合がある。
排ガス導入セルの表面に捕集されたＰＭは、堆積しケーク層を形成する。このケーク層は、粒子径が小さいＰＭがセル隔壁を通過する場合の抵抗になる。つまり、ケーク層が形成されていると粒子径が小さいＰＭが漏れてしまうことを防ぐことができる。
そのため、ケーク層は早期に形成されることが好ましい。

また、炭化ケイ素からなるハニカムフィルタを製造する場合、炭化ケイ素を成分とするハニカム成形体を焼成する。この際、炭化ケイ素粒子の形状や焼成状態によって、セル隔壁の表面の状態と内部の状態とには差が生じることがある。
例えば、セル隔壁の表面近傍に位置する気孔の気孔径が大きい場合、セル隔壁に到達した排ガスに含まれるＰＭは、セル隔壁の表面近傍に位置する気孔からセル隔壁の内部にまで侵入することがある。
そうすると、上記のようなケーク層が形成されるまでに多くの時間が必要になり、排ガス浄化の初期において、粒子径が小さいＰＭを捕集しにくくなる。

本発明のハニカムフィルタでは、各階層の気孔数と平均気孔数とが上記関係である。これは、セル隔壁において、気孔径が小さい気孔が、セル隔壁の表面近傍に形成されていることを意味する。そのため、本発明のハニカムフィルタを用いて排ガスを浄化する際、ＰＭは、セル隔壁に侵入しにくく、ケーク層を早期に形成することができる。
従って、本発明のハニカムフィルタでは、粒子径が小さいＰＭの捕集効率が高い。

本発明のハニカムフィルタでは、上記平均気孔数が、上記セル隔壁の第１部分の上記第２方向の長さ１ｍｍあたりに１０～３０個であることが好ましい。
このような平均気孔数であると、排ガス中のＰＭを捕集しやすく、また、圧力損失も小さくなる。

本発明のハニカムフィルタは、上記気孔率が３５～５５％であることが好ましい。
気孔率をこのように設定することにより、セル隔壁は、排ガス中のＰＭを良好に捕集することができ、かつ、セル隔壁に起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
セル隔壁の気孔率が３５％未満である場合、セル隔壁の気孔の割合が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過しにくくなり、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
セル隔壁の気孔率が５５％を超える場合、ＰＭの捕集効率が低下することがある。

本発明のハニカムフィルタでは、平均気孔径が１０～３５μｍであることが好ましい。
平均気孔径が上記範囲であると、圧力損失の増加を抑制しながら、高い捕集効率でＰＭを捕集することができる。
平均気孔径が１０μｍ未満であると、気孔が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
平均気孔径が３５μｍを超えると、気孔が大きくなりすぎるので、ＰＭの捕集効率が低下してしまう。

本発明のハニカムフィルタでは、上記第１方向における上記セル隔壁の厚さが、０．１～０．４６ｍｍであることが好ましい。
このような厚さのセル隔壁は、充分な機械的強度を有するとともに、圧力損失の増加を効果的に抑制することができる。

本発明のハニカムフィルタは、外周に外周壁を有する複数のハニカム焼成体が接着材層を介して接着されることにより形成されていることが好ましい。
このような構成である場合、１つのハニカム焼成体に応力が生じた場合でも、その応力が接着材層により緩和され、他のハニカム焼成体に伝わりにくくなる。つまり、ハニカムフィルタに生じた応力を緩和させることができる。その結果、ハニカムフィルタが損傷することを防ぐことができる。

本発明のハニカムフィルタでは、外周には、外周コート層が形成されていることが好ましい。
外周コート層は、内部のセルを機械的に保護する役割を果たす。そのため、圧縮強度等の機械的特性に優れたハニカムフィルタとなる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの一例を模式的に示す斜視図である。 図２Ａは、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタを構成するハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すハニカム焼成体の排ガス入口側の端面図である。 図３は、本発明のハニカムフィルタの長手方向に垂直な断面の一例を模式的に示す拡大図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタのセル隔壁の第１部分の階層化の一例を模式的に示す断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの第１階層及び第２階層の一例を模式的に示す断面図である。 図６Ａは、従来のハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の開始時の一例を模式的に示す断面図である。 図６Ｂは、従来のハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の初期の一例を模式的に示す断面図である。 図７Ａは、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の開始時の一例を模式的に示す断面図である。 図７Ｂは、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の初期の一例を模式的に示す断面図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。 図９は、本発明の第３実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。 図１０Ａは、実施例１に係るハニカムフィルタのセル隔壁の第１部分のＳＥＭ画像である。 図１０Ｂは、比較例１に係るハニカムフィルタのセル隔壁の第１部分のＳＥＭ画像である。 図１１は、ＰＭ堆積試験の結果を示すグラフである。 図１２は、従来のハニカムフィルタを用いて、排ガス中のＰＭを捕集する場合の一例を模式的に示す説明図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの一例について、図面を用いて詳述する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの一例を模式的に示す斜視図である。
図２Ａは、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタを構成するハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。
図２Ｂは、図２Ａに示すハニカム焼成体の排ガス入口側の端面図である。

図１に示すハニカムフィルタ２０では、複数個のハニカム焼成体１０が接着材層１５を介して結束されてセラミックブロック１８を構成し、このセラミックブロック１８の外周には、排ガスの漏れを防止するための外周コート層１６が形成されている。なお、外周コート層１６は、必要に応じて形成されていればよい。

ハニカムフィルタ２０では、複数個のハニカム焼成体１０が接着材層１５を介して結束されている。そのため、１つのハニカム焼成体１０に応力が生じた場合でも、その応力が接着材層１５により緩和され、他のハニカム焼成体１０に伝わりにくくなる。つまり、ハニカムフィルタ２０に生じた応力を緩和させることができる。その結果、ハニカムフィルタ２０が損傷することを防ぐことができる。
接着材層１５は、無機バインダと無機粒子とを含む接着材ペーストを塗布、乾燥させたものである。接着材層１５は、さらに無機繊維及び／又はウィスカを含んでいてもよい。
接着材層１５の厚さは、０．５～２．０ｍｍが好ましい。

外周コート層１６は、内部のセルを機械的に保護する役割を果たす。そのため、ハニカムフィルタ２０は、圧縮強度等の機械的特性に優れる。
なお、外周コート層１６の材料は、接着材層１５の材料と同じであることが好ましい。外周コート層１６の厚さは、０．１～３．０ｍｍが好ましい。

なお、ハニカム焼成体１０は、四角柱形状であるが、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、端面における角部が曲線形状となるように面取りが施されており、これにより角部に熱応力が集中し、クラック等の損傷が発生するのを防止している。上記角部は、直線形状となるように面取りされていてもよい。

図２Ａに示すハニカム焼成体１０は、排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質のセル隔壁１３を備え、排ガス入口側の端面１０ａが開口され、かつ、排ガス出口側の端面１０ｂが目封止された排ガス導入セル１１と、排ガス出口側の端面１０ｂが開口され、かつ、排ガス入口側の端面１０ａが目封止された排ガス排出セル１２とを備えてなる。

ハニカム焼成体１０は、炭化ケイ素からなる。炭化ケイ素からなるハニカム焼成体は耐熱性が高い。

なお、本発明のハニカムフィルタでは、排ガス導入セル及び排ガス排出セルを目封じする目封止材は、ハニカム焼成体と同じ材料であることが好ましい。

ハニカムフィルタ２０では、排ガス導入セル１１及び排ガス排出セル１２の長手方向に垂直方向の断面形状は、目封止部分を除き排ガス入口側の端面１０ａから排ガス出口側の端面１０ｂにかけて、それぞれのセルにおいて同じである。

図２Ｂに示すように、ハニカム焼成体１０では、排ガス導入セル１１の断面形状、及び、排ガス排出セル１２の断面形状は同じ形状の正方形であり、これらは、交互に市松模様上に配置されている。

ここで、ハニカムフィルタ２０におけるセル隔壁１３についてより詳しく説明する。
図３は、本発明のハニカムフィルタの長手方向に垂直な断面の一例を模式的に示す拡大図である。

図３に示すように、ハニカムフィルタ２０は、第１セル３１と、セル隔壁１３を介して第１セル３１と対面する第２セル３２とを含む。
なお、本発明のハニカムフィルタでは、セル隔壁を介して対面するセルのうち、どちらを第１セルと考えてもよい。つまり、セル隔壁を介して対面するセルのうち、一方を第１セルと考えた場合、他方が第２セルである。
なお、以下の説明では、説明の便宜上、排ガス導入セル１１を第１セル３１とし、排ガス排出セル１２を第２セル３２として説明する。

図３に示すように、セル隔壁１３は、第１セル３１の輪郭を構成する辺３１ａと、第２セル３２の輪郭を構成する辺３２ａとが平行になるように形成されたセル隔壁の第１部分１３ａを有する。
セル隔壁の第１部分１３ａは、第１セル３１から第２セル３２に向かう第１方向（図３中、矢印Ｙで示す方向）と、第１方向Ｙに垂直な第２方向（図３中、矢印Ｘで示す方向）とを有する。
なお、図３において、セル隔壁の第１部分１３ａは、第１セル３１と第２セル３２との間にあるセル隔壁１３全体であるが、本発明のハニカムフィルタにおいて、セル隔壁の第１部分は、第１セルの輪郭を構成する辺と、第２セルの輪郭を構成する辺とが平行になる領域であって、第２方向の幅が４００μｍ以上の任意の部分を意味する。

ハニカムフィルタ２０では、ハニカムフィルタ２０の長手方向に垂直な方向のセル隔壁の第１部分１３ａの断面写真において、セル隔壁の第１部分１３ａを、第１セル３１側の表面から第１方向Ｙに向かって０．５μｍ毎に階層化し、各階層において、第２方向Ｘに連続する気孔部を１つの気孔とし、１つの気孔の合計数を各階層の気孔数とし、第２方向Ｘのセル隔壁の第１部分１３ａの距離とセル隔壁の第１部分１３ａの気孔率との積を、セル隔壁の第１部分１３ａの平均気孔径で除した値を平均気孔数とし、第１セル３１側の表面から順に、各階層の気孔数と平均気孔数とを比較し各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層を決定した際に、第１セル３１側の前記セル隔壁の第１部分１３ａの表面から、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離が１０μｍ以下である。

ハニカムフィルタ２０において、「気孔率」、「平均気孔径」及び「各階層の気孔数」は、ハニカムフィルタ２０の長手方向に垂直な方向のセル隔壁の第１部分１３ａの断面写真に基づいて算出する。
当該断面写真は、電子顕微鏡写真を用いて行うことが好ましい。電子顕微鏡写真の撮影は、例えば、電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ：日立ハイテクノロジーズ社製 高分解能電界放出形走査電子顕微鏡 Ｓ－４８００）にて行うことができる。
また、電子顕微鏡写真の拡大倍率は、セルを構成するセル隔壁の表面（内壁）の粒子や気孔の凹凸が、セルの断面形状の特定や、辺の長さ、隔壁厚さ及びセルの断面積の計測に支障にならない程度の倍率であり、かつセルの断面形状の特定や、辺の長さ、セル隔壁の厚さ及びセルの断面積の計測が可能となる倍率を採用することが必要であり、拡大倍率２００倍の電子顕微鏡写真を用いて計測することが最適である。
電子顕微鏡により当該断面写真を撮影する際には、セルの長手方向に垂直にフィルタを切断し、その切断面が入るように、１ｃｍ×１ｃｍ×１ｃｍのサンプルを準備し、サンプルを超音波洗浄するか、もしくは樹脂で包埋して、電子顕微鏡写真を撮影する。樹脂による包埋を行っても計測には影響を与えない。

セル隔壁の第１部分１３ａの「気孔率」、及び、「平均気孔径」は画像解析処理ソフト「ｉｍａｇｅ Ｊ」を用いて算出することができる。なお、本明細書において「セル隔壁の第１部分の気孔率」とは、セル隔壁の第１部分の断面写真において、セル隔壁の第１部分に存在している気孔の割合を意味する。また、本明細書において、「セル隔壁の第１部分の平均気孔径」とは、セル隔壁の第１部分の断面写真において、セル隔壁の第１部分の各階層に存在している気孔の気孔径の平均値を意味する。
また、本明細書において、「平均気孔数」とは、断面写真における第２方向のセル隔壁の第１部分の距離とセル隔壁の第１部分１３ａの気孔率との積を、セル隔壁の第１部分１３ａの平均気孔径で除した値を意味する。

次に、「各階層の気孔数の算出方法」について、図面を用いて詳述する。
図４は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタのセル隔壁の第１部分の階層化の一例を模式的に示す断面図である。

図４に示すように、セル隔壁の第１部分１３ａには多数の気孔４０が存在している。
各階層の気孔数を算出する場合、まず、図４に示すように、セル隔壁の第１部分１３ａの断面写真において、セル隔壁の第１部分１３ａを、第１セル３１側の表面から第１方向Ｙに向かって０．５μｍ毎に階層化する。
図４に示すように、第１セル３１に最も近い階層が第１階層Ｌ_１であり、その次の階層が第２階層Ｌ_２であり、以下、順に階層が第ｎ層Ｌ_ｎまで続いていく。なお、各階層の第１方向Ｙの厚さＴは、０．５μｍである。

ここで、「各階層の気孔数の算出方法」について、第１階層Ｌ_１及び第２階層Ｌ_２を例に挙げて説明する。
図５は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの第１階層及び第２階層の一例を模式的に示す断面図である。

第１階層Ｌ_１の気孔数を算出する場合、まず、第１階層Ｌ_１における気孔部４１と材料部５１とを区分けする。区分けの方法としてはソフトウェアを用いた二値化等を採用することができる。
ソフトウェアとしては、画像解析処理ソフト「ｉｍａｇｅ Ｊ」を用いることができる。
次に、連続している気孔部４１を一つの気孔（図５中、Ｐ_１－１、Ｐ_１－２、Ｐ_１－３、Ｐ_１－４・・・Ｐ_１－ｋで示す部分）とする。この「１つの気孔」の合計数が第１階層Ｌ_１の気孔数である。
第２階層Ｌ_２の気孔数を算出する場合、まず、第２階層Ｌ_２における気孔部４１と材料部５１とを区分けする。次に、連続している気孔部４１を一つの気孔（図５中、Ｐ_２－１、Ｐ_２－２、Ｐ_２－３、・・・Ｐ_２－ｌで示す部分）とする。この「１つの気孔」の合計数が第２階層Ｌ_２の気孔数である。
なお、図５に示すように、Ｐ_１－２はＰ_２－２と繋がっており、かつ、Ｐ_１－３はＰ_２－２とは繋がっている。つまり、セル隔壁１３全体では、Ｐ_１－２、Ｐ_１－３及びＰ_２－２は、一つながりの気孔であるが第１階層Ｌ_１から第２階層Ｌ_２にかけて分岐している形状である。
このような場合であっても、第１階層Ｌ_１の気孔数を算出する際、Ｐ_１－２及びＰ_１－３は、別々の「一つの気孔」と考えて数を数える。

次に、第１セル３１側の表面から順に、各階層の気孔数と平均気孔数の比較をする。つまり、第１階層Ｌ_１から順に各階層の気孔数と平均気孔数の比較をする。
そして、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層と、第１セル３１側のセル隔壁の第１部分１３ａの表面との間の距離を測定する。

この操作を、１０箇所のセル隔壁の第１部分１３ａで行い、その平均距離が、そのハニカムフィルタにおける「第１セル側のセル隔壁の第１部分の表面から、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離」である。

ハニカムフィルタ２０では、第１セル３１側のセル隔壁の第１部分１３ａの表面から、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離が１０μｍ以下である。
なお、ハニカムフィルタ２０では、第１セル３１側のセル隔壁の第１部分１３ａの表面から、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離が３～９μｍであることが好ましい。

ハニカムフィルタ２０がこのような特徴を有するということは、セル隔壁１３において、気孔径が小さい気孔が、セル隔壁１３の表面近傍に形成されていることを意味する。

ここで、ハニカムフィルタ２０を使用して排ガスを浄化する場合の効果を、従来のハニカムフィルタを使用して排ガスを浄化する場合と比較して説明する。
図６Ａは、従来のハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の開始時の一例を模式的に示す断面図である。
図６Ｂは、従来のハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の初期の一例を模式的に示す断面図である。
図７Ａは、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の開始時の一例を模式的に示す断面図である。
図７Ｂは、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタを使用した排ガス浄化の初期の一例を模式的に示す断面図である。

図６Ａに示すように、従来のハニカムフィルタ５２０では、セル隔壁５１３の表面近傍には、気孔径が大きい気孔５４０が形成されている。そのため、排ガス浄化の開始時においてセル隔壁５１３に到達した排ガスＧに含まれるＰＭは、セル隔壁５１３の表面近傍に位置する気孔５４０に侵入する。
そうすると、図６Ｂに示すように、ケーク層５６０が形成されるまでの時間が長くなり、粒子径が小さいＰＭを捕集しにくくなる。

一方、図７Ａに示すように、ハニカムフィルタ２０では、セル隔壁１３の表面近傍には、気孔径が小さい気孔が形成されている。
そのため、図７Ｂに示すように、ケーク層６０が、セル隔壁１３の表面に速やかに形成される。従って、ハニカムフィルタ２０では、粒子径が小さいＰＭの捕集効率が高い。

ハニカムフィルタ２０では、平均気孔数が、セル隔壁の第１部分１３ａの第２方向Ｘの長さ１ｍｍあたりに１０～３０個であることが好ましく、１２～２８個であることがより好ましい。
このような平均気孔数であると、排ガス中のＰＭを捕集しやすく、また、圧力損失も小さくなる。

ハニカムフィルタ２０では、セル隔壁の第１部分１３ａにおいて気孔率が３５～５５％であることが好ましく、３８～５０％であることがより好ましい。
気孔率をこのように設定することにより、セル隔壁１３は、排ガス中のＰＭを良好に捕集することができ、かつ、セル隔壁１３に起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
セル隔壁の気孔率が３５％未満である場合、セル隔壁の気孔の割合が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過しにくくなり、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
セル隔壁の気孔率が５５％を超える場合、ＰＭの捕集効率が低下することがある。

ハニカムフィルタ２０では、セル隔壁の第１部分１３ａにおいて、気孔の平均気孔径が１０～３５μｍであることが好ましく、１２～３０μｍであることがより好ましい。
平均気孔径が上記範囲であると、圧力損失の増加を抑制しながら、高い捕集効率でＰＭを捕集することができる。
平均気孔径が１０μｍ未満であると、気孔が小さすぎるため、排ガスがセル隔壁を通過する際の圧力損失が大きくなる。
平均気孔径が３５μｍを超えると、気孔が大きくなりすぎるので、ＰＭの捕集効率が低下してしまう。

ハニカムフィルタ２０では、第１方向Ｙにおけるセル隔壁１３の厚さが、０．１～０．４６ｍｍであることが好ましい。
このような厚さのセル隔壁は、充分な機械的強度を有するとともに、圧力損失の増加を効果的に抑制することができる。

ハニカムフィルタ２０では、ハニカム焼成体１０の断面におけるセルの単位面積あたりの数は、３１～９３個／ｃｍ^２（２００～６００個／ｉｎｃｈ^２）であることが好ましい。

次に、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタの製造方法について説明する。

（１）炭化ケイ素粉末とバインダとを含む湿潤混合物を押出成形することによってハニカム成形体を作製する成形工程を行う。
具体的には、まず、平均粒子径が１８～３５μｍの炭化ケイ素粗粉末及び平均粒子径が０．１～２．０μｍの炭化ケイ素微粉末と、有機バインダと、液状の可塑剤と、潤滑剤と、水とを混合することにより、ハニカム成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
この際、炭化ケイ素粗粉末として、平均粒子径が、１８～３５μｍのものを用いることが好ましく、２０～３０μｍのものを用いることがより好ましい。
このような大きさの炭化ケイ素粗粉末を用いることにより、後の工程を経て作製されるハニカム焼成体において、セル隔壁の第１部分を第１セル側の表面から第１方向に向かって０．５μｍ毎に階層化した際に、第１セル側のセル隔壁の第１部分の表面から、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離を１０μｍ以下にすることができる。

上記湿潤混合物には、必要に応じて酸化物系セラミックを成分とする微小中空球体であるバルーンや、球状アクリル粒子、グラファイト等の造孔剤を添加してもよい。
バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン（ＦＡバルーン）、ムライトバルーン等が挙げられる。これらの中では、アルミナバルーンが好ましい。

続いて、上記湿潤混合物を押出成形機に投入し、押出成形することにより所定の形状のハニカム成形体を作製する。
この際、図２Ｂに示すセル構造（セルの形状及びセルの配置）を有する断面形状が作製されるような金型を用いてハニカム成形体を作製する。

（２）ハニカム成形体を所定の長さに切断し、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機、凍結乾燥機等を用いて乾燥させた後、所定のセルに封止材となる封止材ペーストを充填して上記セルを目封止する目封止工程を行う。
ここで、封止材ペーストとしては、上記湿潤混合物を用いることができる。

（３）ハニカム成形体を脱脂炉中、３００～６５０℃に加熱し、ハニカム成形体中の有機物を除去する脱脂工程を行った後、脱脂されたハニカム成形体を焼成炉に搬送し、１９００～２２００℃に加熱する焼成工程を行う。このような焼成温度で焼成することにより、後の工程を経て作製されるハニカム焼成体において、セル隔壁の第１部分を第１セル側の表面から第１方向に向かって０．５μｍ毎に階層化した際に、第１セル側のセル隔壁の第１部分の表面から、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離を１０μｍ以下にすることができる。
このように焼成を行うことで、図２Ａ及び図２Ｂに示したようなハニカム焼成体を作製する。
なお、セルの端部に充填された封止材ペーストは、加熱により焼成され、目封止材となる。
また、切断工程、乾燥工程、目封止工程、脱脂工程及び焼成工程の条件は、従来からハニカム焼成体を作製する際に用いられている条件を適用することができる。

（４）支持台上で複数個のハニカム焼成体を接着材ペーストを介して順次積み上げて結束する結束工程を行い、ハニカム焼成体が複数個積み上げられてなるハニカム集合体を作製する。
接着材ペーストとしては、例えば、無機バインダと有機バインダと無機粒子とからなるものを使用する。また、上記接着材ペーストは、さらに無機繊維及び／又はウィスカを含んでいてもよい。

上記接着材ペーストに含まれる無機粒子としては、例えば、炭化物粒子、窒化物粒子等が挙げられる。具体的には、炭化ケイ素粒子、窒化ケイ素粒子、窒化ホウ素粒子等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。無機粒子の中では、熱伝導性に優れる炭化ケイ素粒子が好ましい。

上記接着材ペーストに含まれる無機繊維及び／又はウィスカとしては、例えば、シリカ－アルミナ、ムライト、アルミナ、シリカ等からなる無機繊維及び／又はウィスカ等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。無機繊維の中では、アルミナファイバが好ましい。また、無機繊維は、生体溶解性ファイバであってもよい。

さらに、上記接着材ペーストには、必要に応じて酸化物系セラミックを成分とする微小中空球体であるバルーンや、球状アクリル粒子、グラファイト等を添加してもよい。バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン（ＦＡバルーン）、ムライトバルーン等が挙げられる。

（５）次に、ハニカム集合体を加熱することにより接着材ペーストを加熱固化して接着材層とし、四角柱状のセラミックブロックを作製する。
接着材ペーストの加熱固化の条件は、従来からハニカムフィルタを作製する際に用いられている条件を適用することができる。

（６）セラミックブロックに切削加工を施す切削加工工程を行う。
具体的には、ダイヤモンドカッターを用いてセラミックブロックの外周を切削することにより、外周が略円柱状に加工されたセラミックブロックを作製する。

（７）略円柱状のセラミックブロックの外周面に、外周コート材ペーストを塗布し、乾燥固化して外周コート層を形成する外周コート層形成工程を行う。
ここで、外周コート材ペーストとしては、上記接着材ペーストを使用することができる。なお、外周コート材ペーストとして、上記接着材ペーストと異なる組成のペーストを使用してもよい。
なお、外周コート層は必ずしも設ける必要はなく、必要に応じて設ければよい。
外周コート層を設けることによって、セラミックブロックの外周の形状を整えて、円柱状のハニカムフィルタとすることができる。
以上の工程によって、ハニカム焼成体を含む本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタを作製することができる。

上記工程では、切削工程を行うことにより所定形状のハニカムフィルタを作製していたが、ハニカム焼成体を作製する工程において、外周全体に外周壁を有する複数形状のハニカム焼成体を作製し、それら複数形状のハニカム焼成体を接着材層を介して組み合わせることにより円柱等の所定形状となるようにしてもよい。この場合には、切削工程を省略することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。
本発明の第２実施形態に係るハニカムフィルタは、セルの配置位置が異なる以外は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタと同じ態様である。
図８は、本発明の第２実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。

図８に示すハニカムフィルタ１２０では、排ガス導入セル１１１の断面形状及び排ガス排出セル１１２の断面形状は同じ形状の正方形である。また、排ガス排出セル１１２の周囲を、セル隔壁１１３を介して排ガス導入セル１１１が囲むように、排ガス導入セル１１１及び排ガス排出セル１１２が格子状に配列されている。
つまり、ハニカムフィルタ１２０では、排ガス導入セル１１１同士（便宜上、符号１１１ａ及び１１１ｂで示す）が隣接している部分がある。

ハニカムフィルタ１２０では、排ガス導入セル１１１ａを第１セルとし、排ガス導入セル１１１ｂを第２セルとしてもよい。
また、ハニカムフィルタ１２０では、排ガス導入セル１１１ａを第１セルとし、排ガス導入セル１１１ａに隣接する排ガス排出セル１１２を第２セルとしてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るハニカムフィルタについて説明する。
本発明の第３実施形態に係るハニカムフィルタは、セルの形状及び配置位置が異なる以外は、本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタと同じ態様である。
図９は、本発明の第３実施形態に係るハニカムフィルタの排ガス入口側の端面の一例を模式的に示す端面の拡大図である。

図９に示すハニカムフィルタ２２０では、断面が八角形状の排ガス排出セル２１２の周囲全体に、セル隔壁２１３を隔てて断面が正方形の第１排ガス導入セル２１１ａと断面が八角形状の第２排ガス導入セル２１１ｂとが隣接している。第１排ガス導入セル２１１ａと第２排ガス導入セル２１１ｂとは、排ガス排出セル２１２の周囲に交互に配置されており、第２排ガス導入セル２１１ｂの断面積が第１排ガス導入セル２１１ａの断面積より大きく、排ガス排出セル２１２の断面積は、第２排ガス導入セル２１１ｂの断面積と同じである。
第２排ガス導入セル２１１ｂと排ガス排出セル２１２の断面形状は、いずれも八角形であり、互いに合同である。

ハニカムフィルタ２２０では、第１排ガス導入セル２１１ａ、第２排ガス導入セル２１１ｂ及び排ガス排出セル２１２のいずれを第１セルとしてもよい。この場合、第１セルと隣接するいずれかのセルが第２セルとなる。

（その他の実施形態）
本発明の第１実施形態に係るハニカムフィルタでは、複数のハニカム焼成体が集合して形成された、いわゆる集合型のハニカムフィルタであったが、本発明のハニカムフィルタは、１つのハニカム焼成体からなる、いわゆる一体型ハニカムフィルタであってもよい。

（実施例１）
平均粒子径２４μｍを有する炭化ケイ素の粗粉末５４．６重量部及び平均粒子径０．５μｍの炭化ケイ素の微粉末２３．４重量部とを混合し、得られた混合物に対して、有機バインダ（メチルセルロース）４．４重量部、潤滑剤（日油社製 ユニルーブ）２．６重量部、グリセリン１．２重量部、及び、水１３．８重量部を加えて混練して湿潤混合物を得た後、押出成形する成形工程を行った。
本工程では、図２Ａ及び図２Ｂに示したハニカム焼成体１０と同様の形状であって、セルの目封止をしていない生のハニカム成形体を作製した。

次いで、マイクロ波乾燥機を用いて上記生のハニカム成形体を乾燥させることにより、ハニカム成形体の乾燥体を作製した。その後、ハニカム成形体の乾燥体の所定のセルに封止材ペーストを充填してセルの目封止を行った。
具体的には、排ガス入口側の端面及び排ガス出口側の端面が図２Ｂに示す位置で目封止されるようにセルの目封止を行った。
なお、上記湿潤混合物を封止材ペーストとして使用した。セルの目封止を行った後、封止材ペーストを充填したハニカム成形体の乾燥体を再び乾燥機を用いて乾燥させた。

続いて、セルの目封止を行ったハニカム成形体の乾燥体を４００℃で脱脂する脱脂処理を行い、さらに、常圧のアルゴン雰囲気下２１５０℃、３時間の条件で焼成処理を行った。
これにより、実施例１に係るハニカム焼成体を作製した。

実施例１において、ハニカム焼成体のセル隔壁の厚さは、０．４０ｍｍであり、セル密度は３１セル／ｃｍ^２（２００ｃｐｓｉ）であった。また、ハニカム焼成体のサイズは３４．３×３４．３×２５４ｍｍであった。

出来上がったハニカム焼成体を、ＳｉＣ粒子、シリカゾル、アルミナファイバの混合物からなる接着材ペーストを用いて複数個結束させ、外周を加工し、外周に接着材ペーストと同じ材料からなるコート層を設けて、φ１１８．４ｍｍ×２５４ｍｍの円柱状のハニカムフィルタを作製した。

（実施例２）
製造するハニカムフィルタの大きさをφ１４３．８ｍｍ×２０３．２ｍｍの円柱状とした以外は、実施例１と同様に実施例２に係るハニカムフィルタを作製した。

（比較例１）
ハニカム焼成体の材料として、炭化ケイ素の粗粉末として平均粒子径が１５μｍであるものを用い、焼成温度を２２５０℃とし、製造するハニカムフィルタの大きさをφ１４３．８ｍｍ×１７７．８ｍｍの円柱状とした以外は、実施例１と同様に比較例１に係るハニカムフィルタを作製した。

（各階層の気孔数の測定）
各実施例及び比較例に係るハニカム焼成体を長手方向に垂直な方向に切断し、断面をＳＥＭにより撮影した。
次に、当該ＳＥＭ画像において、第１セルの輪郭を構成する辺と、第２セルの輪郭を構成する辺とが平行になる部分のセル隔壁の第１部分を選択した。なお、当該ＳＥＭ画像において、第１セルから第２セルに向かう方向が第１方向である。ＳＥＭ画像におけるセル隔壁の第１部分の第２方向の幅は、６４０μｍであった。
次に、セル隔壁の第１部分を画像解析処理ソフト「ｉｍａｇｅ Ｊ」を用いて二値化し、気孔部と材料部とを区分けした。
次に、セル隔壁の第１部分を、第１セル側の表面から第１方向に向かって０．５μｍ毎に階層化した。そして、気孔率、平均気孔径及び各階層の気孔数を測定し、平均気孔数を算出した。
その後、「各階層の気孔数」と「平均気孔数」とを比較し、各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層を決定し、第１セル側のセル隔壁の第１部分の表面から各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層を算出した。
この操作を、１０箇所のセル隔壁の第１部分で行い、その平均距離を算出した。
結果を表１に示す。
また、上記測定に用いた、実施例１及び比較例１に係るハニカムフィルタのセル隔壁の第１部分のＳＥＭ画像の内一枚ずつを、代表例として、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。
図１０Ａは、実施例１に係るハニカムフィルタのセル隔壁の第１部分のＳＥＭ画像である。
図１０Ｂは、比較例１に係るハニカムフィルタのセル隔壁の第１部分のＳＥＭ画像である。
なお、図１０Ａ及び図１０Ｂでは、ＳＥＭ画像の左に「各階層の気孔数」のグラフも示している。

（ＰＭ堆積試験）
各実施例及び比較例に係るハニカムフィルタをハニカムフィルタの前段に酸化触媒を配置して排気量２．５Ｌのディーゼルエンジンに接続し、ディーゼルエンジンをＷＨＴＣモード（ｃｏｌｄ）で運転し、ハニカムフィルタに堆積したＰＭの量（ハニカムフィルタの容積当たりのＰＭの蓄積量：ｇ／Ｌ）、及び、ハニカムフィルタを通過したＰＭの数（ディーゼルエンジンの仕事量当たりのＰＭ排出数：個／ｋＷｈ）を測定した。
ハニカムフィルタに堆積したＰＭの量と、ハニカムフィルタを通過したＰＭの数との関係を図１１に示す。
図１１は、ＰＭ堆積試験の結果を示すグラフである。

図１１に示すように、実施例１及び実施例２に係るハニカムフィルタでは、ハニカムフィルタに堆積したＰＭの量が小さいにも関わらず、ハニカムフィルタを通過したＰＭの数が少なかった。これは、ハニカムフィルタのセル隔壁の表面に速やかにケーク層が形成され、ＰＭがハニカムフィルタを通過する数が少なくなったためと考えられる。

１０、５１０ ハニカム焼成体
１０ａ、５１０ａ 排ガス入口側の端面
１０ｂ、５１０ｂ 排ガス出口側の端面
１１、１１１（１１１ａ、１１１ｂ）、５１１ 排ガス導入セル
１２、１１２、２１２、５１２ 排ガス排出セル
１３、１１３、２１３、５１３ セル隔壁
１３ａ セル隔壁の第１部分
１５ 接着剤層
１６ 外周コート層
１８ セラミックブロック
２０、１２０、２２０、５２０ ハニカムフィルタ
３１ 第１セル
３１ａ 第１セルの輪郭を構成する辺
３２ 第２セル
３２ａ 第２セルの輪郭を構成する辺
４０、５４０ 気孔
４１ 気孔部
５１ 材料部
６０、５６０ ケーク層
２１１ａ 第１排ガス導入セル
２１１ｂ 第２排ガス導入セル

Claims (7)

1. 排ガスの流路となる複数のセルを区画形成する多孔質のセル隔壁と、排ガス入口側の端面が開口され且つ排ガス出口側の端面が封じられている排ガス導入セルと、排ガス出口側の端面が開口され且つ排ガス入口側の端面が封じられている排ガス排出セルとを備えたハニカムフィルタであって、
   前記ハニカムフィルタは炭化ケイ素からなり、
   前記ハニカムフィルタの長手方向に垂直な断面において、
   前記複数のセルは、第１セルと、前記セル隔壁を介して前記第１セルと対面する第２セルとを含み、
   前記セル隔壁は、前記第１セルの輪郭を構成する辺と、前記第２セルの輪郭を構成する辺とが平行になるように形成されたセル隔壁の第１部分を有し、
   前記セル隔壁の第１部分は、前記第１セルから前記第２セルに向かう第１方向と、前記第１方向に垂直な第２方向とを有し、
   前記ハニカムフィルタの長手方向に垂直な方向の前記セル隔壁の第１部分の断面写真において、前記セル隔壁の第１部分を、前記第１セル側の表面から前記第１方向に向かって０．５μｍ毎に階層化し、前記各階層において、前記第２方向に連続する気孔部を１つの気孔とし、前記１つの気孔の合計数を各階層の気孔数とし、
   前記第２方向の前記セル隔壁の第１部分の距離と前記セル隔壁の第１部分の気孔率との積を、前記セル隔壁の第１部分の平均気孔径で除した値を平均気孔数とし、
   前記第１セル側の表面から順に、前記各階層の気孔数と前記平均気孔数とを比較し前記各階層の気孔数が初めて前記平均気孔数を超える階層を決定した際に、
   前記第１セル側の前記セル隔壁の第１部分の表面から、前記各階層の気孔数が初めて平均気孔数を超える階層までの距離が１０μｍ以下であることを特徴とするハニカムフィルタ。
2. 前記平均気孔数が、前記セル隔壁の第１部分の前記第２方向の長さ１ｍｍあたりに１０～３０個である請求項１に記載のハニカムフィルタ。
3. 前記気孔率が３５～５５％である請求項１又は２に記載のハニカムフィルタ。
4. 前記平均気孔径が１０～３５μｍである請求項１～３のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
5. 前記第１方向における前記セル隔壁の厚さが、０．１～０．４６ｍｍである請求項１～４のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
6. 前記ハニカムフィルタは、
   外周に外周壁を有する複数のハニカム焼成体が接着材層を介して接着されることにより形成されている請求項１～５のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
7. 外周には、外周コート層が形成されている請求項１～６のいずれかに記載のハニカムフィルタ。
   
   

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