JP6992790B2 - 排ガス浄化フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、排ガス浄化フィルタに関する。

ガソリンエンジン、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、パティキュレートと呼ばれる粒子状物質（以下、適宜「ＰＭ」という。）が含まれる。この排ガス中のＰＭを捕集して排ガスの浄化を行うため、内燃機関の排気通路には排ガス浄化フィルタが配置される。

この種の排ガス浄化フィルタとしては、例えば、特許文献１には、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭを捕集する排ガス浄化フィルタ（以下、適宜「ＤＰＦ」という。）が開示されている。具体的には、同文献には、軸方向に対する垂直断面の中心部における隔壁の気孔率および気孔径を各々ＰｉおよびＤｉ、軸方向に対する垂直断面の外周部における隔壁の気孔率および気孔径を各々ＰｏおよびＤｏとした場合に、Ｐｉ＜Ｐｏの関係、または、Ｐｉ＞ＰｏかつＤｉ＜Ｄｏの関係を満たすＤＰＦが記載されている。同文献によれば、かかる技術により、ＰＭ再生時のクラックを抑制することができるとされている。

特開２００４－２７０５６９号公報

ガソリンエンジンから排出されるＰＭを捕集する排ガス浄化フィルタ（以下、適宜「ＧＰＦ」という。）は、ＤＰＦに比べ、高温環境に曝されるため、排ガスの流速が大きく、圧損が上昇しやすい。また、ＧＰＦでは、排ガスが流れやすいフィルタ中心部の温度が高温になりやすいため、排管等の排気通路にて冷やされるフィルタ外周部とフィルタ中心部との温度差によって熱応力が生じ、フィルタ外周部に割れが発生しやすい。フィルタ強度を向上させる手法の一つとして、隔壁を厚肉化し、フィルタ熱容量を増加させることが考えられる。フィルタ熱容量が増加すれば、フィルタ内の温度差が小さくなる。しかし、むやみに隔壁を厚肉化すると、排ガスの流れが悪くなり、圧力損失（以下、適宜「圧損」という。）が上昇する。反対に、圧損の上昇を抑制するために隔壁の気孔率をある一定の下限を保ちつつ高気孔率側に振ると、フィルタ重量の低減によってフィルタ熱容量が低下する。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、低圧損を維持しつつ、耐熱衝撃性を向上させることが可能な排ガス浄化フィルタを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、ガソリンエンジン（Ｅ）の排気通路（Ａ）に配置されて使用される排ガス浄化フィルタ（１）であって、
フィルタ軸方向（Ｙ）に延びており、上記フィルタ軸方向と直交する平面での断面形状が四角形状である複数のセル（２１、２１ａ、２１ｂ）と、上記複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁（２２）とを備えるセル構造部（２）と、
上記セル構造部における上記セルの両端（２１１、２２２）を互い違いに閉塞する封止部（１１）と、
上記セル構造部の外周に形成された筒状のスキン部（１２）と、を有しており、
上記隔壁の気孔率Ｐ１および上記スキン部の気孔率Ｐ２が、いずれも５０％以上７０％以下であり、
上記Ｐ１＜上記Ｐ２の関係を満たし、
上記Ｐ２－上記Ｐ１で定義される気孔率差ΔＰが２０％以下であり、
上記セルの外縁（２１３）が上記隔壁の交差位置（２２５）にて丸みを帯びており、上記交差位置での曲率半径Ｒ、上記セルの水力直径の半径ｒが、０．２＜Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］＜１の関係を満たす、
排ガス浄化フィルタ（１）にある。

上記排ガス浄化フィルタは、上記構成を有している。そのため、上記排ガス浄化フィルタは、低圧損を維持しつつ、耐熱衝撃性を向上させることができる。

なお、特許請求の範囲および課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、実施形態１における、排ガス浄化フィルタの模式図である。 図２は、実施形態１における、排ガス浄化フィタのフィルタ軸方向における拡大断面図である。 図３は、実施形態１における、排ガス浄化フィタのフィルタ軸方向と直交方向における隔壁の交差位置の拡大断面図である。 図４は、実施形態１における、排ガス浄化フィタのフィルタ軸方向と直交方向におけるセルの拡大断面図である。 図５は、実施形態１における、曲率半径Ｒおよびセルの水力直径の測定箇所を示す説明図である。 図６は、実施形態１における、排気通路に配置された排ガス浄化フィルタの模式図である。 図７は、実施形態２における、排ガス浄化フィタのフィルタ軸方向と直交方向におけるスキン部周辺の拡大断面図である。 図８は、実施形態３における、（ａ）スキン部の材料強度の測定に用いる測定サンプルの断面模式図、（ｂ）セル構造部の材料強度の測定に用いる測定サンプルの断面模式図である。 図９は、実施形態３における、４点曲げ試験を示す模式図である。 図１０は、実施形態３における、材料強度の測定サンプルと断面係数の変数との関係を示す説明図である。 図１１は、実験例１における、気孔率差ΔＰと熱応力σとの関係を示す図である。 図１２は、実験例２における、ガス透過係数と圧力損失との関係を示す図である。 図１３は、実験例２における、隔壁の気孔率とガス透過係数との関係を示す図である。 図１４は、実験例２における、隔壁の気孔率とセル構造部の材料強度との関係を示す図である。 図１５は、実験例３における、Ｒ／ｒの値と圧力損失との関係を示す図である。 図１６は、実験例３における、Ｒ／ｒの値とセル構造部の実肉断面積との関係を示す図である。 図１７は、実験例３における、Ｒ／ｒの値と１／Ｒ^２の値との関係を示す図である。 図１８は、実験例４における、閉塞する不完全セルの総面積／完全セル１個の面積と有効セル開口面積との関係を示す図である。

（実施形態１）
実施形態１に係る排ガス浄化フィルタについて、図１～図６を参照して説明する。図１、図２に示すように、本実施形態の排ガス浄化フィルタ１は、セル構造部２と、封止部１１と、スキン部１２とを有する。セル構造部２、スキン部１２は、コーディエライトなどのセラミックスから構成される。

セル構造部２は、複数のセル２１と多孔質の隔壁２２とを備える。セル２１は、フィルタ軸方向Ｙに延びる。フィルタ軸方向Ｙとセル２１の延び方向とは、通常一致する。隔壁２２は、多数のセル２１を格子状に区画形成する。隔壁２２は、一般に、セル壁とも呼ばれる。

図１、図３、図４に示されるように、セル２１は、フィルタ軸方向Ｙと直交する平面での断面形状が四角形状である。なお、四角形のセル形状の４つの角部（４つの頂点部）が丸みを帯びている場合、外観上は四角形に似た形状であるから、そのようなセル形状を四角形状とする。

スキン部１２は、例えば、円筒状のような筒状である。スキン部１２は、セル構造部２の外周に一体形成されている。スキン部１２の軸方向は、通常、フィルタ軸方向Ｙに一致する。隔壁２２は、スキン部１２の内側を格子状に区画し、多数のセル２１を形成する。排ガス浄化フィルタ１は多孔質体であり、隔壁２２およびスキン部１２には多数の気孔が形成されている。排ガス浄化フィルタ１は、隔壁２２の表面や気孔内に、排ガス中に含まれるＰＭを堆積させて捕集することができる。ＰＭは、粒子状物質、パティキュレートマター、パティキュレートなどと呼ばれる微小粒子である。

排ガス浄化フィルタ１は、例えば、円柱状等の柱状体であり、その寸法は適宜変更可能である。排ガス浄化フィルタ１が円柱状の場合には、例えば、フィルタ軸方向Ｙの長さＬを５０～２００ｍｍ、直径Φを１００～１６５ｍｍの範囲に調整することができる。排ガス浄化フィルタ１は、フィルタ軸方向Ｙの両端に流入端面１８、流出端面１９を有する。流入端面１８は、排ガスが流入する側の端面であり、流出端面１９は、排ガスが流出する側の端面である。排気管内などの排ガスの流れに配置されていない状態では、流入端面１８および流出端面１９は、相互に相対的な面を意味する。つまり、いずれか一方の端面が流入端面１８である場合に、他方が流出端面１９となる。例えば、流入端面１８をフィルタ軸方向Ｙの第１端面、流出端面１９をフィルタ軸方向Ｙの第２端面ということもできる。

セル２１としては、第１セル２１ａと第２セル２１ｂとを有することができる。図２に示されるように、第１セル２１ａは、例えば、流入端面１８に開口し、流出端面１９においては封止部１１により閉塞されている。第２セル２１ｂは、例えば、流出端面１９に開口し、流入端面１８においては封止部１１により閉塞されている。

封止部１１は、フィルタ軸方向Ｙにおけるセル２１の両端２１１、２１２を互い違いに閉塞する。換言すれば、封止部１１は、セル２１を、流入端面１８または流出端面１９において互い違いに閉塞する。封止部１１は、例えば、コーディエライト等のセラミックスにより形成できるが、その他の材質であってもよい。図２では、プラグ状の封止部１１が形成されているが、封止部１１の形状は、セル２１の端部を封止できれば特に限定されない。なお、構成の図示を省略するが、例えば、流入端面１８または流出端面１９において隔壁２２の一部を変形させることにより、封止部１１を形成することも可能である。この場合には、隔壁２２の一部によって封止部１１が形成されるため、隔壁２２と封止部１１とが一体的、連続的に形成される。

第１セル２１ａと第２セル２１ｂとは、フィルタ軸方向Ｙに直交する横方向Ｘにおいても、フィルタ軸方向Ｙおよび横方向Ｘの双方に直交する縦方向Ｚにおいても、例えば、互いに隣り合うよう、交互に並んで形成される。つまり、フィルタ軸方向Ｙから排ガス浄化フィルタ１の流入端面１８または流出端面１９を見たとき、第１セル２１ａと第２セル２１ｂとが、例えば、チェック模様状に配される。隔壁２２は、第１セル２１ａと第２セル２１ｂとを隔てている。

ここで、排ガス浄化フィルタ１において、隔壁２２の気孔率Ｐ１およびスキン部１２の気孔率Ｐ２は、いずれも５０％以上７０％以下である。また、隔壁２２の気孔率Ｐ１およびスキン部１２の気孔率Ｐ２は、Ｐ１＜Ｐ２の関係を満たす。また、Ｐ２－Ｐ１で定義される気孔率差ΔＰは、２０％以下である。隔壁２２の気孔率Ｐ１およびスキン部１２の気孔率Ｐ２は、水銀圧入法の原理に基づいて測定される。なお、隔壁２２の気孔率Ｐ１は、セル構造部２の気孔率と同じ意味である。

具体的には、隔壁２２の気孔率Ｐ１およびスキン部１２の気孔率Ｐ２は、水銀圧入法の原理を用いた水銀ポロシメータにより測定することができる。水銀ポロシメータとしては、例えば、島津製作所社製のオートポアＩＶ９５００を用いることができる。測定条件は、以下の通りである。

先ず、排ガス浄化フィルタ１のセル構造部２、スキン部１２から測定サンプルを採取する。但し、封止部１１が存在する部分は除く。セル構造部２の測定サンプルは、フィルタ軸方向Ｙの長さが１ｃｍ、隔壁２２の厚み方向の長さが１ｃｍ、フィルタ軸方向Ｙと上記の隔壁２２の厚み方向に直交する方向の長さが１ｃｍの略立方体である。スキン部１２の測定サンプルは、フィルタ軸方向Ｙの長さが１ｃｍ、スキン部１２外表面からフィルタ中心部に向かうフィルタ径方向の長さがスキン部１２の厚み分、スキン部１２周方向の長さが１ｃｍの略直方体である。測定サンプルを水銀ポロシメータの測定セル内に収納し、測定セル内を減圧する。その後、測定セル内に水銀を導入して加圧し、加圧時の圧力と測定サンプルの気孔内に導入された水銀の体積より、気孔径を測定する。測定は、圧力０．５～２００００ｐｓｉａの範囲で行う。なお、０．５ｐｓｉａは、０．３５×１０^－３ｋｇ／ｍｍ^２に相当し、２００００ｐｓｉａは１４ｋｇ／ｍｍ^２に相当する。この圧力範囲に相当する気孔径の範囲は０．０１～４２０μｍである。圧力から気孔径を算出する際の常数として、接触角１４０°および表面張力４８０ｄｙｎ／ｃｍを使用する。隔壁２２の気孔率Ｐ１およびスキン部１２の気孔率Ｐ２は、それぞれ次の関係式より算出する。
隔壁２２の気孔率Ｐ１（％）＝総気孔容積／（総気孔容積＋１／隔壁材料の真比重）×１００
スキン部１２の気孔率Ｐ２（％）＝総気孔容積／（総気孔容積＋１／スキン部材料の真比重）×１００
なお、隔壁材料、スキン部材料がコーディエライトの場合、コーディエライトの真比重としては２．５２を用いることができる。

排ガス浄化フィルタ１において、セル２１の外縁２１３は、隔壁２２の交差位置２２５にて丸みを帯びている。つまり、図３および図４に示すように、フィルタ軸方向Ｙと直交する平面での断面において、セル２１の外縁２１３が、隔壁２２の交差位置２２５において、例えば、円弧状のような弧状になっている。上記断面において、隔壁２２の交差位置２２５は、セル２１の角部ということができる。つまり、セル２１の外縁２１３が隔壁２２の交差位置２２５にて丸みを帯びていることは、セル２１の角部が弧状であることと実質的に同じである。なお、交差位置２２５は、格子状に形成された隔壁２２が交差する位置である。また、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向は、排ガス浄化フィルタ１が円柱状の場合には、フィルタ径方向である。

図３に示すように、隔壁２２の交差位置２２５におけるセル２１の外縁２１３の丸みを帯びた部分に隣接する最大円の半径を、曲率半径Ｒとする。また、図４に示すように、一般に、排ガスが流れるセル２１の開口断面が四角形状であっても、排ガスは、水力直径ｄと呼ばれる直径を有する円の内側を流れる。このセル２１の水力直径ｄの半径をｒ（＝ｄ／２）とする。隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径Ｒ、セル２１の水力直径ｄの半径ｒは、次のように測定される。

隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径Ｒの測定箇所は、図５に示すように、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向での中心部Ｏ、この中心部Ｏからそれぞれ４５度方向の位置にあり、かつ、中心部Ｏとスキン部１２との距離の半分の位置にある４箇所の位置である。つまり、曲率半径Ｒの測定位置は、図５において丸印で囲んだ計５箇所である。各測定位置において、１つの交差位置２２５に形成される４つの曲率半径を測定する。つまり、合計２０箇所の曲率半径を測定し、これらの平均値を、隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径Ｒとする。

水力直径は、一般に、流体の流れる管内の内径を指す。排ガス浄化フィルタ１における断面四角形状のセル２１のように流路断面が円形でないときには、水力直径ｄは、セル２１の断面積Ａとセル２１の断面長Ｌとを用いて、ｄ＝４Ａ／Ｌの式から算出される。これより、水力直径ｄの半径ｒは、ｒ＝ｄ／２の式より算出される。なお、セル２１の断面形状が四角形状の場合、断面長Ｌは、四角形の各辺の総和であり、セル２１の断面形状で丸みを帯びた頂点を、丸みを帯びていない直角な頂点とみなして、各辺の長さを測定する。測定位置は、上述した曲率半径Ｒにおける測定位置に準ずる。これら測定位置５箇所の水力直径を測定し、これらの平均値を、セル２１の水力直径ｄとする。

排ガス浄化フィルタ１において、隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径Ｒとセル２１の水力直径ｄの半径ｒとの比であるＲ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］は、０．２よりも大きく、１よりも小さい。つまり、排ガス浄化フィルタ１は、０．２＜Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］＜１の関係を満たす。

排ガス浄化フィルタ１は、上記のようにして規定される隔壁２２の気孔率Ｐ１、スキン部１２の気孔率Ｐ２、気孔率差ΔＰ、および、Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］が、上述した特定の範囲とされている。これにより、排ガス浄化フィルタ１は、低圧損を維持しつつ、耐熱衝撃性を向上させることができる。以下、このような効果が得られる理由について説明する。

ガソリンエンジンから排出されるＰＭを捕集する排ガス浄化フィルタ１（ＧＰＦ）は、ＤＰＦに比べ、高温環境に曝されるため、排ガスの流速が大きく、圧損が上昇しやすい。そのため、隔壁２２の気孔率Ｐ１を大きくする必要がある。排ガス浄化フィルタ１は、隔壁２２の気孔率Ｐ１が５０％以上と高気孔率であるため、隔壁２２のガス透過係数の低下が抑制され、低圧損を維持することができる。一方、隔壁２２の気孔率Ｐ１およびスキン部１２の気孔率Ｐ２が７０％以下とされているので、キャニング時に必要なフィルタ強度を担保することもできる。ここで、排ガス浄化フィルタ１では、Ｐ１＜Ｐ２の関係を満たし、Ｐ２－Ｐ１で定義される気孔率差ΔＰが２０％以下である。このような気孔特性の関係にあるとき、セル構造部２のヤング率Ｅ１およびスキン部１２のヤング率Ｅ２は、Ｅ１＞Ｅ２の関係を満たす。熱応力σは、σ＝Ｅ（ヤング率）×α（熱膨張係数）×ΔＴ（温度差）の式にて表される。ヤング率は原子間の凝集力で性質が決まるため、気孔率が高いほどヤング率は小さくなる。よって、ヤング率Ｅ＝σ（応力）／ε（歪）の関係から、ヤング率が小さいほど歪みやすくなり、応力に対して柔軟な材質となる。そのため、排ガス浄化フィルタ１では、使用時に高温となるフィルタ中心部からスキン部１２にかけて熱膨張する際のストレスを、スキン部１２がクッションのように吸収する。つまり、スキン部１２のヤング率が小さいことにより、最外周のスキン部１２にて熱衝撃を受け止める効果が生じる。その結果、排ガス浄化フィルタ１では、熱応力が緩和され、耐熱衝撃性が向上する。さらに、排ガス浄化フィルタ１では、交差位置２２５が弧状であることにより、交差位置２２５が、例えば、直角形状である場合に比べて、交差位置２２５での隔壁２２の断面積を大きくすることができる。そのため、隔壁２２が交差位置２２５において補強され、フィルタ強度が向上する。特に、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向からの応力に対する強度が向上する。この際、排ガス浄化フィルタ１では、Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］が１より小さいため、交差位置２２５における隔壁２２は、水力直径ｄの円の外側において厚肉化された状態にある。そのため、隔壁２２の交差位置２２５にてセル２１の外縁２１３を丸みを帯びた形状としても（セル２１の角部を弧状にしても）、排ガスの流れが損なわれず、圧損の上昇を抑制することができる。さらには、交差位置２２５における隔壁２２の厚肉化によって熱容量（≒重量）を上げることもできる。つまり、排ガス浄化フィルタ１は、Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］を１より小さくしたことにより、圧損への影響を最小限に留めつつ、熱容量の増加によってその分、耐熱衝撃性を向上させることもできる。この際、Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］を０．２より大きくしているため、熱応力の著しい増加も抑制することができる。以上により、排ガス浄化フィルタ１は、高気孔率で低圧損を維持しながら、耐熱衝撃性を向上させることができる。

排ガス浄化フィルタ１において、隔壁２２の気孔率Ｐ１が５０％未満の場合には、隔壁２２のガス透過係数が低下して圧損が上昇し、低圧損を維持することが困難になる。低圧損を維持しやすくするなどの観点から、隔壁２２の気孔率Ｐ１は、好ましくは、５５％以上、より好ましくは、５７％以上、さらに好ましくは、６０％以上とすることができる。一方、隔壁２２の気孔率Ｐ１が７０％を超える場合には、フィルタ強度が低下し、キャニング時に必要なフィルタ強度を保てなくなる。フィルタ強度の向上などの観点から、隔壁２２の気孔率Ｐ１は、好ましくは、６８％以下、より好ましくは、６７％以下、さらに好ましくは、６６％以下、さらにより好ましくは、６５％以下とすることができる。また、スキン部１２の気孔率Ｐ２が５０％未満の場合には、内側の隔壁２２の熱膨張をスキン部１２にて吸収することが困難になり、応力緩和による耐熱衝撃性の向上を図り難くなる。耐熱衝撃性の向上を図りやすくする、隔壁２２の気孔率Ｐ１との差を確保しやすくするなどの観点から、スキン部１２の気孔率Ｐ２は、好ましくは、５５％以上、より好ましくは、５７％以上、さらに好ましくは、６０％以上とすることができる。一方、スキン部１２の気孔率Ｐ２が７０％を超える場合には、フィルタ強度が低下し、キャニング時に必要なフィルタ強度を保てなくなる。フィルタ強度の向上などの観点から、スキン部１２の気孔率Ｐ２は、好ましくは、６８％以下、より好ましくは、６７％以下、さらに好ましくは、６６％以下、さらにより好ましくは、６５％以下とすることができる。

排ガス浄化フィルタ１において、気孔率差ΔＰが２０％を超える場合には、隔壁２２の気孔率Ｐ１およびスキン部１２の気孔率Ｐ２を上述した特定の範囲内に収め難くなり、両気孔率の選択幅が狭くなる。また、気孔率差ΔＰが２０％を超える場合には、セル構造部２とスキン部１２との一体成形による製造が難しくなり、別途工程を追加する必要性が高くなり、フィルタ製造性が悪くなる。気孔率差ΔＰが０の場合、隔壁２２およびスキン部１２ともに均一な材料特性となる。そのため、排ガス流れにより高温になりやすいフィルタ中心部が熱膨張し、隔壁２２と気孔率が均一（ヤング率が均一）なスキン部１２まで応力が到達したときに、歪みに耐えきれなくなり、スキン部１２にクラックが生じてしまう。気孔率差ΔＰの確保を確実なものとする、成形時におけるスキン部１２とセル構造部２との成形圧力差などの観点から、気孔率差ΔＰは、好ましくは、１％以上、より好ましくは、３％以上、さらに好ましくは、５％以上とすることができる。また、製造容易性、原料の粒度分布などの観点から、気孔率差ΔＰは、好ましくは、１５％以下、より好ましくは、１２％以下、さらに好ましくは、１０％以下とすることができる。

排ガス浄化フィルタ１において、隔壁２２の交差位置２２５での曲率半径Ｒとセル２１の水力直径ｄの半径ｒとの比であるＲ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］が１を超える場合には、交差位置２２５における隔壁２２が、水力直径ｄの円の内側に至るまで厚肉化されて補強されることになるため、圧損が上昇し、低圧損を維持することができなくなる。Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］が０．２未満の場合には、フィルタ軸方向Ｙと直交する平面での実肉断面積が小さくなるために排ガス浄化フィルタ１の熱容量が小さくなり、その結果、熱応力が著しく増加しやすくなり、耐熱衝撃性を向上させることができなくなる。低圧損を維持しやすくなるなどの観点から、Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］は、好ましくは、０．９以下、より好ましくは、０．８以下、さらに好ましくは、０．７以下とすることができる。また、耐熱衝撃性の向上を確実なものにするなどの観点から、Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］は、好ましくは、０．２５以上、より好ましくは、０．３以上、さらに好ましくは、０．３５以上とすることができる。

排ガス浄化フィルタ１において、スキン部１２の厚みは、通常、隔壁２２の厚みより厚くすることができる。スキン部１２の厚みは、例えば、隔壁２２の厚みの２倍以上４倍以下とすることができる。隔壁２２の厚みは、具体的には、１５０μｍ以上２４０μｍ以下とすることができる。隔壁２２の厚みは、次のようにして測定される。工具顕微鏡を用い、フィルタ端面における５箇所の隔壁２２の厚みを測定し、その平均値を隔壁２２の厚みとする。なお、上記５箇所の測定位置は、上述した曲率半径Ｒの測定位置と同様である。

スキン部１２の厚みは、具体的には、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることができる。スキン部１２の厚みは、次のようにして測定される。工具顕微鏡を用い、フィルタ端面における８箇所のスキン部１２の厚みを測定し、その平均値をスキン部１２の厚みとする。なお、上記８箇所の測定位置は、フィルタ軸方向Ｙと直交方向での中心部Ｏから格子方向に沿ってスキン部１２に向けて引いた線のスキン部１２との４つの交点、および、中心部Ｏから格子方向と４５°傾いた方向に沿ってスキン部１２に向けて引いた線のスキン部１２との４つの交点である。

排ガス浄化フィルタ１は、図６に示すように、ガソリンエンジンＥの排気通路Ａに配置されて使用される。具体的には、例えば、排ガス浄化フィルタ１を内部に収容するフィルタケースＣに排気通路Ａが連結される。排ガス浄化フィルタ１は、スキン部１２の外周にセラミックマットＭが巻回された状態でフィルタケースＣ内に収容されて使用される。使用中の位置ずれを防ぐため、フィルタケースＣ内の排ガス浄化フィルタ１には、フィルタ軸方向Ｙと直交する方向から内方に向けて外圧が付与される。

排ガス浄化フィルタ１は、例えば、次のようにして製造することができる。先ず、コーディエライト形成原料を含む坏土を作製する。坏土は、シリカ、タルク、水酸化アルミニウムなどをコーディエライト組成となるように調整し、さらにメチルセルロースなどのバインダ、グラファイトなどの造孔材、潤滑油、水等を適宜加えて混合することにより作製される。コーディエライト組成となるように、アルミナ、カオリンを配合してもよい。シリカとしては、多孔質シリカを用いることができる。コーディエライト形成原料において、シリカ、タルクは、気孔形成原料となりうる。気孔形成原料は、気孔を形成する材料である。気孔形成原料は、焼成時に液相成分を生成し、これにより気孔が形成される。一方、コーディエライト形成原料において、水酸化アルミニウム、アルミナ、カオリンは、骨材原料となりうる。骨材原料は、気孔以外のセラミックス部分を形成する材料である。

次いで、金型を用いて坏土を押出成形し、得られたハニカム成形体を、乾燥、焼成する。これにより、一体形成されたスキン部１２とセル構造部２とを有するハニカム構造体が形成される。ハニカム構造体は、スキン部１２と隔壁２２とセル２１とを備える。封止部１１は、ハニカム構造体の焼成後に形成されるか、または、焼成前に形成される。具体的には、例えば、封止部形成用のスラリーを用いて、焼成後のハニカム構造体あるいは焼成前のハニカム成形体のセル２１の端面を交互に封止し、焼成することにより封止部１１が形成される。

隔壁２２の気孔率Ｐ１、スキン部１２の気孔率Ｐ２は、例えば、造孔材の有無、気孔形成原料の配合、粒径などにより調整することができる。気孔率差ΔＰは、例えば、坏土の練り時間、金型設計などにより調整することができる。具体的には、坏土の練り時間を短くし、原料粒子間の隙間をつくることにより、気孔率差を生み出すことができる。坏土の練り時間を短くすると、粒子表面の濡れが悪くなるため（つまり、意図的に凝集体をつくることに等しい）、坏土中の粒子と粒子との間に隙間（＝空気部分）ができる。このような坏土を押出成形すると、坏土を通過させる部分である金型のスリットの幅が相対的に狭く調整された隔壁形成部位では、坏土にかかる圧力によって坏土中の隙間が破壊される。一方、金型のスリット幅が相対的に広く調整されたスキン部形成部位では、坏土中にそのまま隙間が残る。このような押出成形体を焼成することにより、隔壁２２の気孔率Ｐ１よりもスキン部１２の気孔率Ｐ２が大きくなり、気孔率差ΔＰをつけることができる。Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］は、金型設計などにより調整することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る排ガス浄化フィルタについて、図７を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図７に示されるように、本実施形態の排ガス浄化フィルタ１において、セル構造部２は、セル構造部２の最外周に位置する複数の不完全セル２１２を備えている。フィルタ軸方向Ｙと直交する平面での断面形状が四角形状であるセル２１を完全セル２１１とする。この完全セル２１１との対比において、不完全セル２１２は、スキン部１２に接しており、かつ、フィルタ軸方向Ｙと直交する平面での断面形状が四角形状でないセルである。つまり、不完全セル２１２は、隔壁２２のみならずスキン部１２によっても区画されることにより、断面形状が完全な四角形状をなしていない。

本実施形態の排ガス浄化フィルタ１では、セル構造部２の最外周にある複数の不完全セル２１２のうち、セル開口面積が完全セル２１１のセル開口面積の３０％以下である不完全セル２１２については、閉塞部２１０により閉塞されている。基準となる完全セル２１１のセル開口面積は、フィルタ端面における５箇所の完全セル２１２のセル開口面積を測定し、その平均値とする。なお、上記５箇所の測定位置は、上述した曲率半径Ｒの測定位置と同様である。

セル開口面積が完全セル２１１のセル開口面積の３０％以下である不完全セル２１２は、排ガスの流れが少なく、圧損の上昇に寄与しないような小さなセルである。したがって、セル構造部２の最外周にある複数の不完全セル２１２のうち、このような不完全セル２１２を選択的に閉塞することにより、圧損を上昇させずに、排ガス浄化フィルタ１の実肉体積増加（重量増加）によって部分的に熱容量を大きくすることが可能となり、耐熱衝撃性をより向上させることが可能になる。なお、セル開口面積が完全セル２１１のセル開口面積の３０％を超える不完全セル２１２を閉塞すると、耐熱衝撃性の向上に有利ではあるが、圧損が上昇してしまう。そのため、不完全セル２１２を閉塞する場合には、セル開口面積が完全セル２１１のセル開口面積の３０％以下の不完全セル２１２に留められる。

本例では、フィルタ軸方向Ｙに延びる閉塞されるべき不完全セル２１２内全体が閉塞部２１０にて閉塞されている。つまり、フィルタ軸方向Ｙに延びる閉塞されるべき不完全セル２１２内全体に閉塞部２１０が充填されている。この構成によれば、排ガス浄化フィルタ１の実肉体積増加による熱容量の増加を効率よく実施することができるので、耐熱衝撃性の向上をより一層図りやすくなる。

なお、フィルタ軸方向Ｙに延びる閉塞されるべき不完全セル２１２内の一部が閉塞部２１０によって閉塞された構成とされていてもよい。なお、閉塞部２１１は、押出成形時の金型設計にて容易に形成することができる。他にも、上述した封止部１１と同様にして閉塞部２１０を形成することもできる。その他の構成および作用効果は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
実施形態３に係る排ガス浄化フィルタについて、図８から図１０を用いて説明する。本実施形態の排ガス浄化フィルタ１は、セル構造部２の材料強度Ｓ_Ａおよびスキン部１２の材料強度Ｓ_Ｂとが、Ｓ_Ｂ＜Ｓ_Ａの関係を満たす。この構成によれば、フィルタ強度が向上する。さらに、この構成によれば、高温に曝された際に、セル構造部２はフィルタ基材内でより高温になり、熱膨張が大きくなるが、材料強度が大きい分その熱膨張に耐えることができるので、熱応力がスキン部１２まで行き届き難くなり、スキン部１２におけるクラックを抑制しやすくなる。

セル構造部２の材料強度Ｓ_Ａ、スキン部１２の材料強度Ｓ_Ｂは、次のように測定される。先ず、排ガス浄化フィルタ１から、図８（ａ）、（ｂ）に示すように測定サンプルＳ１、Ｓ２を採取する。具体的には、排ガス浄化フィルタ１におけるフィルタ軸方向Ｙと直交方向（具体的には、フィルタ径方向）の中心部から半径方向に３０ｍｍの範囲から５本の測定サンプルＳ２を採取し、フィルタ軸方向Ｙと直交方向の最外周から半径方向に３０ｍｍの範囲から５本の測定サンプルＳ１を採取する。図８（ａ）に示すように、最外周から半径方向に３０ｍｍの範囲からは、スキン部１２を含む測定サンプルＳ１を採取する。測定サンプルＳ１、Ｓ２は、幅方向に４セル分、厚み方向に２セル分のセル２１を含む。測定サンプルＳ１、Ｓ２のフィルタ軸方向Ｙの長さは５０ｍｍであり、測定サンプルはブロック体である。なお、図８では、便宜上、隔壁２２の交差位置２２５におけるセルの外縁２１の丸みが省略されている。

図９に示すように、測定サンプルＳ１、Ｓ２について、ＪＩＳ Ｒ１６０１：２００８「ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法」に準拠して、４点曲げ試験を行い、測定サンプルにクラックが発生したときの曲げモーメント（単位：Ｎ・ｍ）を、フィルタ断面を考慮した断面係数で除した値を材料強度とする。セル構造部２の材料強度Ｓ_Ａは、５本の測定サンプルＳ２の材料強度の平均値である。スキン部１２の材料強度Ｓ_Ｂは、５本の測定サンプルＳ１の材料強度の平均値である。なお、測定サンプルＳ１の４点曲げ試験では、スキン部１２に曲げによる引張応力がかかるようにスキン部１２側を下側とする。

各材料強度は、以下の式で表される。
材料強度（ＭＰａ）＝曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）／断面係数（ｍｍ^３）

曲げモーメントは、以下の式で表される。
曲げモーメント（Ｎ・ｍｍ）＝荷重（Ｎ）×４点曲げ試験の支点間距離（ｍｍ）／４

断面係数は、下記式Ｖで表される。図１０に示されるように、式Ｖにおいて、ａ：フィルタ軸方向Ｙに直交する面での測定サンプルの断面積（ｍｍ^２）、ｙ：各基準軸から部材表面までの距離（ｍｍ）、ｂ：測定サンプルの幅（ｍｍ）、ｈ：測定サンプルの高さ（ｍｍ）、ｉ：各セル部の断面二次モーメント（ｍｍ^４）とする。図１０では、測定サンプルＳ２を示すが、測定サンプルＳ１についても同様である。

その他の構成および作用効果は、実施形態１と同様である。また、実施形態３は、実施形態２にも適用可能である。

以下、上述した排ガス浄化フィルタを実験例を用いてより具体的に説明する。なお、各物性値は、上述した測定方法に従って測定した。

（実験例１）
本実験例では、隔壁の気孔率Ｐ１を５０％、５５％、６０％、６５％とし、スキン部の気孔率Ｐ２を変化させることにより、各Ｐ１の水準について気孔率差ΔＰが５～２０％の範囲で異なる複数の排ガス浄化フィルタを作製した。各排ガス浄化フィルタにおけるＲ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］（以下、単にＲ／ｒと表記する）は、０．２よりも大きく１よりも小さい範囲内の一定値とした。各排ガス浄化フィルタは、フィルタ軸方向Ｙの長さＬが１００ｍｍ、直径Φが１１８ｍｍ、隔壁の厚みが０．２ｍｍ、スキン部の厚みが０．６ｍｍ、セルピッチが、１．４７ｍｍである。各排ガス浄化フィルタにおいて、熱応力σは、Ｅ（ヤング率）×α（熱膨張係数）×ΔＴ（温度差）の式より算出することができる。なお、ΔＴ（温度差）は、ΔＱ（熱量）／｛Ｍ（重量）×Ｃｐ（比熱）｝の式より算出することができる。本例では、具体的には、隔壁とスキン部との気孔率差ΔＰと熱応力との関係をＣＡＥ解析することにより、熱応力σを求めた。この際、解析ソフトには、Ａｎｓｙｓ ｃｌａｓｓｉｃＶ．１７．２を用いた。気孔率差ΔＰ（横軸）と熱応力σ（縦軸）との関係を図１１に示す。

本発明者の研究によれば、気孔率差ΔＰが０の場合、隔壁およびスキン部ともに均一な材料特性となるため、排ガス流れにより高温になりやすいフィルタ中心部が熱膨張し、隔壁と気孔率が均一（ヤング率が均一）なスキン部まで応力が到達したときに、歪みに耐えきれなくなり、スキン部にクラックが生じてしまうことが分かっている。これに対し、図１１に示すように、隔壁の気孔率Ｐ１が５０％以上７０％以下の範囲であれば、隔壁がどのような気孔率をとったとしても気孔率差ΔＰが大きいほど、熱応力は減少方向になる。つまり、熱応力の緩和により耐熱衝撃性を向上させることができる。

（実験例２）
本実験例では、隔壁の気孔率Ｐ１が異なる複数の排ガス浄化フィルタを作製した。各排ガス浄化フィルタにおいて、気孔率差ΔＰは５％、Ｒ／ｒは、０．２よりも大きく１よりも小さい範囲内の一定値とした。各排ガス浄化フィルタは、フィルタ軸方向Ｙの長さＬが１００ｍｍ、直径Φが１１８ｍｍ、隔壁の厚みが０．２ｍｍ、スキン部の厚みが０．６ｍｍ、セルピッチが、１．４７ｍｍである。各排ガス浄化フィルタについて、ガス透過係数、圧力損失を測定した。なお、ガス透過係数および圧損は、具体的には、特開２０１９－２２９８号公報に開示される公知の測定方法に基づいて測定した。なお、特開２０１９－２２９８号公報に開示される公知の測定方法は、参照により本明細書に組み込むことができる。ガス透過係数（横軸）と圧力損失（縦軸）との関係を図１２に示す。隔壁の気孔率（横軸）とガス透過係数（縦軸）との関係を図１３に示す。また、各排ガス浄化フィルタについて、セル構造部の材料強度を測定した。隔壁の気孔率（横軸）とセル構造部の材料強度（縦軸）との関係を図１４に示す。

図１２に示されるように、圧力損失はガス透過係数に依存し、低圧損を維持することができるのは、ガス透過係数が０．５以上になる範囲である。図１３に示されるように、ガス透過係数は、隔壁の気孔率と比例関係にある。ガス透過係数が０．５となる隔壁の気孔率は５０％であることから、低圧損を維持するためには、隔壁の気孔率の下限値を５０％とすべきことが理解される。また、図１４に示されるように、隔壁の気孔率が高くなるほど、セル構造部の材料強度が低下する。排ガス浄化フィルタをフィルタケースに収容する際のキャニング時の圧力は、最大で１ＭＰａである。隔壁の気孔率が７０％を上回ると、キャニング時に必要なフィルタ強度を確保することが困難になる。そのため、隔壁の気孔率は、７０％以下とされる。なお、上記の理由は、スキン部についても同様に当てはまる。

（実験例３）
本実験例では、Ｒ／ｒの値が異なる複数の排ガス浄化フィルタを作製した。各排ガス浄化フィルタにおいて、隔壁の気孔率およびスキン部の気孔率はいずれも５０％以上７０％以下の範囲内の一定値であり、気孔率差ΔＰは０％超２０％以下の範囲内の一定値とした。各排ガス浄化フィルタは、フィルタ軸方向Ｙの長さＬが１００ｍｍ、直径Φが１１８ｍｍ、隔壁の厚みが０．２ｍｍ、スキン部の厚みが０．６ｍｍ、セルピッチが、１．４７ｍｍである。各排ガス浄化フィルタについて、圧力損失を測定した。圧力損失は、次のように測定した。排ガス浄化フィルタを２．０Ｌのガソリン直噴エンジンの排気管内に取り付け、吸入空気量（Ｇａ）が１００ｇ／ｓとなる状態（定常）にした。そして、排ガス浄化フィルタ１内にＰＭを含む排ガスを流した。このとき、排ガス浄化フィルタ１の前後の圧力を測定し、その差分を圧損として計測した。Ｒ／ｒの値（横軸）と圧力損失（縦軸）との関係を図１５に示す。Ｒ／ｒの値（横軸）とセル構造部の実肉断面積（縦軸）との関係を図１６に示す。Ｒ／ｒの値（横軸）と１／Ｒ^２の値（縦軸）との関係を図１７に示す。

図１５に示されるように、Ｒ／ｒの値が１以上になると急激に圧力損失が上昇するのに対し、Ｒ／ｒの値が１よりも小さいと低圧損を維持することができる。これは、排ガスが流れるセル開口断面が四角形状であっても、排ガスは水力直径と呼ばれる円を境界として当該円内を流れるため、水力直径の外側の領域であれば、隔壁の交差位置における肉厚を厚くしてセルの外縁に丸みを帯びさせても、排ガスの流れが損なわれないことによる。この結果から、低圧損を維持するため、Ｒ／ｒの値は１未満とされる。

一方、図１６に示されるように、Ｒ／ｒの値が１よりも小さくなるにつれ、セル構造部の実肉断面積が小さくなり、熱容量が小さくなる。図１６に示されるように、セル構造部の実肉断面積は、（Ｒ／ｒ）^２に比例することから、熱容量は、（Ｒ／ｒ）^２に比例することになる。ここで、σ（熱応力）＝Ｅ（ヤング率）×α（熱膨張係数）×ΔＴ（温度差）、ΔＴ（温度差）＝ΔＱ（熱量）／｛Ｍ（重量）×Ｃｐ（比熱）｝の式から、排ガス浄化フィルタの外部要因であるΔＱを固定して考えた場合、熱応力は、熱容量に反比例することになる。したがって、熱応力とＲ／ｒの値とは、図１７に示されるような関係になる。つまり、Ｒ／ｒの値が１よりも小さくなるにつれ、熱応力が著しく増大する境界が発生する。図１７によれば、Ｒ／ｒの値０．２より小さい値となるときに熱応力が増大することがわかる。この結果から、熱応力の著しい増大を抑制して耐熱衝撃性を向上させるため、Ｒ／ｒの値は０．２よりも大きい範囲とされる。よって、０．２＜Ｒ／ｒ＜１の関係を満たすように排ガス浄化フィルタを構成することにより、低圧損を維持しながら、耐熱衝撃性を向上させることができるといえる。

（実験例４）
本実験例では、隔壁の気孔率Ｐ１およびスキン部の気孔率Ｐ２が、いずれも５０％以上７０％以下であり、Ｐ１＜Ｐ２の関係を満たし、気孔率差ΔＰが２０％以下であり、０．２＜Ｒ／ｒ＜１の関係を満たす排ガス浄化フィルタを作製した。各排ガス浄化フィルタは、フィルタ軸方向Ｙの長さＬが１０１．６ｍｍ、直径Φが１１８．４ｍｍ、隔壁の厚みが０．２１６ｍｍ、スキン部の厚みが０．６ｍｍ、セルピッチが、１．４７ｍｍ、セル角部の曲率半径Ｒ：０．２ｍｍである。

セル構造部の最外周に位置する、完全な四角形状をなしていない不完全セルを閉塞することにより、排ガス浄化フィルタ部分の熱容量が増加する。ΔＴ＝ΔＱ（熱量）／｛Ｍ（重量）×Ｃｐ（比熱）｝の式から、熱量量が増加すれば、温度差ΔＴが付きにくい方向へシフトし、σ（熱応力）＝Ｅ（ヤング率）×α（熱膨張係数）×ΔＴ（温度差）の式から、排ガス浄化フィルタの耐熱衝撃性が向上するといえる。

本例では、セル構造部の最外周に位置する複数の不完全セルをどのくらい閉塞しても圧損に影響が生じないかについて、有効セル開口面積の観点から検討する。なお、有効セル開口面積は、排ガスが隔壁を流れるように両フィルタ端面を交互に目封止したとき、排ガスの流入端面において排ガスが流れることができるセル(＝有効セル)の開口面積である。

作製した排ガス浄化フィルタにおける完全セルのセル開口面積をａ、セル構造部の最外周に位置する全ての不完全セルのセル開口面積（面積の小さい順からａ１、ａ２、ａ３・・・）を測定した。次いで、セル開口面積の小さい順から不完全セルを順に閉塞するとともに、排ガス浄化フィルタにおける有効セル開口面積を求めた。具体的には、１つの完全セルのセル開口面積ａを基準として、この面積ａのＸセル分と同じ面積の不完全セルを、面積の小さいものから順に閉塞させたときの有効セル開口面積を計算した。なお、ａ×Ｘ＝ａ１＋ａ２＋ａ３＋・・・を満たす。図１８に、閉塞する不完全セルの総セル開口面積／完全セル１個のセル開口面積と、有効セル開口面積との関係を示す。なお、図１８における横軸は、セル開口面積の小さい順から閉塞する不完全セルの総セル開口面積が、完全セル何個分のセル開口面積に相当するかを表している。

図１８に示されるように、閉塞する不完全セルの総セル開口面積が完全セル１５個分のセル開口面積より大きくなると、有効セル開口面積が大きく減少する傾向にあることがわかる。つまり、不完全セルの閉塞によって圧損が上昇するといえる。完全セル１５セル分と同じ面積分の不完全セルを、セル開口面積の小さい順から閉塞するときに最大となる不完全セルのセル開口面積は、本例では、０．４５４９ｍｍ^２である。また、完全セルのセル開口面積は、本例では、１．５３８２ｍｍ^２である。そうすると、不完全セルを小さい順から１５セル分閉塞するときにおける、不完全セルの最大セル開口面積は、完全セルのセル開口面積に対して、２９．６％（＝１００×０．４５４９／１．５３８２）となる。よって、この結果から、複数の不完全セルのうち、セル開口面積が完全セルのセル開口面積の３０％以下である不完全セルを、閉塞部により閉塞することにより、圧損を上昇させずに、実肉体積増加（重量増加）によって部分的に熱容量を大きくすることが可能となり、耐熱衝撃性をより向上させることが可能になるといえる。

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。

１ 排ガス浄化フィルタ
１１ 封止部
１２ スキン部
２ セル構造部
２１ セル
２２ 隔壁
２２５ 交差位置

Claims (2)

1. ガソリンエンジン（Ｅ）の排気通路（Ａ）に配置されて使用される排ガス浄化フィルタ（１）であって、
   フィルタ軸方向（Ｙ）に延びており、上記フィルタ軸方向と直交する平面での断面形状が四角形状である複数のセル（２１、２１ａ、２１ｂ）と、上記複数のセルを区画形成する多孔質の隔壁（２２）とを備えるセル構造部（２）と、
   上記セル構造部における上記セルの両端（２１１、２２２）を互い違いに閉塞する封止部（１１）と、
   上記セル構造部の外周に形成された筒状のスキン部（１２）と、を有しており、
   上記隔壁の気孔率Ｐ１および上記スキン部の気孔率Ｐ２が、いずれも５０％以上７０％以下であり、
   上記Ｐ１＜上記Ｐ２の関係を満たし、
   上記Ｐ２－上記Ｐ１で定義される気孔率差ΔＰが２０％以下であり、
   上記セルの外縁（２１３）が上記隔壁の交差位置（２２５）にて丸みを帯びており、上記交差位置での曲率半径Ｒ、上記セルの水力直径の半径ｒが、０．２＜Ｒ［ｍｍ］／ｒ［ｍｍ］＜１の関係を満たす、
   排ガス浄化フィルタ（１）。
2. 上記セル構造部は、上記セル構造部の最外周に位置して上記スキン部に接しており、かつ、上記フィルタ軸方向と直交する平面での断面形状が四角形状でない複数の不完全セルを備えており、
   断面形状が四角形状である上記セルを完全セルとしたとき、
   複数の上記不完全セルのうち、セル開口面積が上記完全セルのセル開口面積の３０％以下である上記不完全セルは、閉塞部により閉塞されている、
   請求項１に記載の排ガス浄化フィルタ。

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