JPWO2010098347A1 - ハニカム構造体およびガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 隔壁４の薄いハニカム構造体１を加熱により頻繁に再生させても、残留応力が大きくならず、亀裂が生じにくいハニカム構造体１およびガス処理装置10を提供する。【解決手段】 軸方向に沿った壁面４ａを有する通気性の隔壁４により仕切られた複数の流通孔２と、複数の流通孔２の流入側および流出側のそれぞれを交互に封止する封止材３とを備えてなるハニカム構造体１であって、隔壁４は複数の結晶粒子を含むセラミック体からなり、少なくとも一部の結晶粒子に、表面から内部にかけて粒界相７の主成分を含む固相８が存在しているハニカム構造体１である。【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車，フォークリフト，発電機，船舶，油圧ショベル，ブルドーザー，ホイールローダ，ラフテレンクレーン，トラクタ，コンバイン，耕転機，鉄道車両，工事用車両等の動力源である内燃機関，焼却炉およびボイラー等から発生する排気ガスに含まれる炭素を主成分とする微粒子等を捕集するフィルタ，有害なダイオキシンを分解して除去するフィルタまたは上水，下水等の液体の濾過用のフィルタ等として用いられるハニカム構造体およびガス処理装置に関する。

従来、内燃機関、焼却炉およびボイラー等から発生する排気ガス中に含まれる炭素を主成分とする微粒子（特に、ディーゼルエンジンの排気ガス中の炭素を主成分とする微粒子），硫黄が酸化してできる硫酸塩を主成分とする微粒子および高分子からなる未燃焼の炭化水素等の微粒子等は、環境汚染の原因となるため、フィルタに吸着させて、除去している。

このようなフィルタとして、例えばハニカム構造体が用いられており、このようなハニカム構造体は軸方向に沿った壁面を有する通気性の隔壁により仕切られた複数の流通孔と、複数の流通孔の流入側および流出側のそれぞれを交互に封止する封止材とを備えてなる。このハニカム構造体の流入側の端面から流入した排気ガスは、流通孔に導入された後、隔壁を通って隣接する流通孔に入り、流出側の端面から流出する。そして、排気ガスが隔壁を通る際に、上記微粒子は隔壁に捕集されるようになっている。

ハニカム構造体は、このような微粒子の捕集を続けると、隔壁の通気性が次第に損なわれるため、その捕集量に応じて定期的に再生されなければならない。ハニカム構造体を再生させる方法としては、例えば、ハニカム構造体の端面に配置された電気ヒータを加熱することにより、隔壁に捕集された微粒子に着火して、燃焼伝搬させる方法がある。このような方法を採る場合、空気等の再生用ガスがハニカム構造体に導かれるようにしている。

上述した方法でハニカム構造体の再生を繰り返すと、ハニカム構造体に発生する熱応力が蓄積して大きな残留応力となり、この残留応力によってハニカム構造体が破損することがあった。

このような残留応力による破損が抑制されるように、特許文献１に示すようなハニカム構造体が提案されている。

即ち、主成分がチタン酸アルミニウムのハニカム構造体であって、ハニカム構造体の所定のセルの一端面を目封止材で封止するとともに、残りの未封止セルの他端面も同様に目封止したディーゼルエンジン排ガスフィルターが提案されている。

特開平９−29022号公報

特許文献１で提案されているディーゼルエンジン排ガスフィルターは、フィルターの素材にチタン酸アルミニウムを用いているので熱膨張係数が小さく、耐熱性および耐熱衝撃性に優れてはいるものの、隔壁における圧力損失を低減するために隔壁を薄くした場合、繰り返し加熱して再生するときに、相対的に残留応力が大きくなり、亀裂が生じやすくなっていた。

本発明はこのような課題に鑑み、隔壁の薄いハニカム構造体を加熱により頻繁に再生させても、残留応力が大きくならず、亀裂が生じにくいハニカム構造体およびガス処理装置を提供するものである。

本発明のハニカム構造体は、軸方向に沿った壁面を有する通気性の隔壁により仕切られた複数の流通孔と、該複数の流通孔の流入側および流出側のそれぞれを交互に封止する封止材とを備えてなるハニカム構造体であって、前記隔壁は複数の結晶粒子を含むセラミック体からなり、少なくとも一部の前記結晶粒子に、表面から内部にかけて粒界相の主成分を含む固相が存在していることを特徴とするものである。

また、本発明のガス処理装置は、上記構成において、ハニカム構造体を備えていることを特徴とするものである。

本発明のハニカム構造体によれば、軸方向に沿った壁面を有する通気性の隔壁により仕切られた複数の流通孔と、複数の流通孔の流入側および流出側のそれぞれを交互に封止する封止材とを備えてなるハニカム構造体であって、隔壁は複数の結晶粒子を含むセラミック体からなり、少なくとも一部の結晶粒子に、表面から内部にかけて粒界相の主成分を含む固相が存在しているので、再生するときに加熱によって蓄積された残留応力の一部が固相やこの固相を介して粒界相に吸収されて緩和されるため、隔壁に亀裂が生じにくくなる。

また、本発明のガス処理装置によれば、本発明のハニカム構造体を備えているときには、亀裂が隔壁に生じにくいハニカム構造体が装着されているので、長期間に亘って効率よく再生することができる。

本発明のハニカム構造体の実施の形態の一例を模式的に示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。 （ａ）および（ｂ）は図１に示す例のハニカム構造体の流入側および流出側の各端面のそれぞれ一部を示す平面図である。 本発明のハニカム構造体の実施の形態の一例を示す、（ａ）は隔壁を形成するセラミック体の一部を、（ｂ）は封止材を形成するセラミック体の一部を、それぞれを走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。 本発明のハニカム構造体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は流入側端面の一部を、（ｂ）は流出側端面の一部を、それぞれ示す平面図である。 本発明のハニカム構造体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は流入側端面の一部を、（ｂ）は流出側端面の一部を、それぞれ示す平面図である。 本発明の実施の形態の一例を模式的に示すガス処理装置の概略断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明のハニカム構造体の実施の形態の一例を模式的に示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。

また、図２（ａ）および（ｂ）は、図１に示す例のハニカム構造体の流入側および流出側の各端面のそれぞれ一部を示す平面図である。

図１に示す本発明のハニカム構造体１は、軸方向Ａに沿った壁面４ａを有し、通気性の隔壁４により仕切られた複数の流通孔２と、複数の流通孔２の流入側および流出側のそれぞれを交互に封止する封止材３とを備えてなるハニカム構造体１である。

また、各流通孔２の平面形状は、円形状，各種角形状,角部が円弧状である４角形状または４角形状のものと８角形状のものとを組合せた形状等の種々の形状とすることができる。また、１つのハニカム構造体１に、異なる平面形状の流通孔２が混在してもよい。

このようなハニカム構造体１は、図２に示すように、流入側および流出側の各端面では、隣接する流通孔２のいずれか一方が封止材３（３ａおよび３ｂ）で封止されている。

そして、図１および２に示す例のハニカム構造体１は、例えば、外径が100〜200ｍｍ、軸方向Ａの長さが100〜250ｍｍの円柱形状であって、軸方向Ａに対して垂直な断面における流通孔２は個数が100ｍｍ^２当たり５〜124個（32〜800ＣＰＳＩ）である。また、隔壁４は、幅が0.05ｍｍ以上0.25ｍｍ以下であり、封止材３は、厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。なお、ＣＰＳＩとはCells Per Square Inchesのことである。

ディーゼルエンジン（図示しない）が作動すると、排気ガス（ＥＧ）が発生し、この排気ガス（ＥＧ）は、流入側で封止材３ａが形成されていない流通孔２から導入されるが、流出側に形成された封止材３ｂによってその流出が遮られる。流出が遮られた排気ガス（ＥＧ）は、通気性の隔壁４を通過して、隣接する流通孔２に導入される。排気ガス（ＥＧ）が隔壁４を通過するとき、隔壁４の気孔内で排気ガス（ＥＧ）中の炭素を主成分とする微粒子，硫黄が酸化してできる硫酸塩を主成分とする微粒子および高分子からなる未燃焼の炭化水素等の微粒子（以下、これらを総称して単に微粒子という。）が捕集される。微粒子が捕集されて浄化された排気ガス（ＥＧ）は、封止材３ｂが形成されていない流通孔２から外部に排出される。

図３は、本発明のハニカム構造体の実施の形態の一例を示す、（ａ）は隔壁を形成するセラミック体の一部を、（ｂ）は封止材を形成するセラミック体の一部を、それぞれ走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。

図１および２に示す例の本発明のハニカム構造体１では、隔壁４は、図３（ａ）に示すように、複数の結晶粒子５ｗを含むセラミック体からなり、少なくとも一部の結晶粒子５ｗに、表面から内部にかけて粒界相７ｗの主成分を含む固相８ｗが存在していることが重要である。

このような構成にすると、再生するときに加熱によって蓄積された残留応力の一部が固相８ｗやこの固相８ｗを介して粒界相７ｗに吸収されて緩和されるため、隔壁４に亀裂が生じにくくなる。

また、図１および２に示す例の本発明のハニカム構造体１では、封止材３ａ，３ｂは、図３（ｂ）に示すように、複数の結晶粒子５ｐを含むセラミック体からなり、少なくとも一部の結晶粒子５ｐに、表面から内部にかけて粒界相７ｐの主成分を含む固相８ｐが存在していることが好適である。

このような構成にすると、再生するときに加熱によって蓄積された残留応力の一部が固相８ｐやこの固相８ｐを介して粒界相７ｐに吸収されて緩和されるため、封止材３ａ，３ｂに亀裂が生じにくくなる。

なお、粒界相７ｗ，７ｐの主成分とは、それぞれ粒界相７ｗ，７ｐを構成する成分を酸化物に換算し、これら酸化物100質量％に対して50質量％以上を占める酸化物をいう。粒界相７ｗ，７ｐを構成する成分の含有量はＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分析法，蛍光Ｘ線分析法またはエネルギー分散型Ｘ線分光法によって求めることができる。

また、隔壁４および封止材３をそれぞれ構成するセラミック体の結晶粒子５ｗ，５ｐは、主成分が、線膨張係数が小さい成分、例えば、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２），β−ユークリプタイト（Ｌｉ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２），β−スポジュメン（Ｌｉ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・４ＳｉＯ_２），炭化珪素（ＳｉＣ），窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４），サイアロン（Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚ，但しｚは固溶量で０．１以上１以下である。），ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２），アルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ_４Ｏ_７），燐酸ジルコニウムカリウム（ＫＺｒ_２(ＰＯ_４)およびチタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）の少なくともいずれか１種である。

固相８ｗ，８ｐは、例えば、一部の結晶粒子５ｗ，５ｐの表面から内部にかけて存在するマイクロクラック６ａ，６ｃや繊維状空隙（図示しない）を充填するものであり、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を用いて、例えば倍率が1000倍以上の画像で観察されるものであり、倍率を2000倍としたときに、視野が60μｍ×56μｍの範囲で８個以上16個以下あることが好適である。また、マイクロクラック６ａ，６ｃの長さおよび幅は、それぞれ６μｍ以上18μｍ以下，2.5μｍ以下であって、内部における先端側の曲率半径は0.5μｍ以下であることが好適である。繊維状空隙の長さおよび幅についても前記範囲にあることが好適である。マイクロクラック６ａ，６ｃの長さおよび幅を上記範囲にすることにより、結晶粒子の部分的な損失に伴って発生する硬度の低下を低減させられる。また、先端側の曲率半径を上記範囲にすることにより、先端側の周りにマイクロクラックを誘発するおそれが低くなり、機械的強度の低下を抑制することができる。

また、図１および２に示す例の本発明のハニカム構造体１の隔壁４および封止材３を形成するセラミック体は、それぞれ図３（ａ）および（ｂ）に示すように、マイクロクラック６ｂ，６ｄがそれぞれ粒界相７ｗ，７ｐに存在しているものである。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、マイクロクラック６ｂ，６ｄは、粒界相７ｗ，７ｐに存在することが好適で、マイクロクラック６ｂ，６ｄがそれぞれ粒界相７ｗ，７ｐに存在していると、再生するときに加熱によって蓄積された残留応力の一部が、マイクロクラック６ｂ，６ｄで緩和されるため、隔壁４および封止材３に亀裂が生じにくくなる。

このようなマイクロクラック６ｂ，６ｄも、目視で確認することができない微視的なものである。マイクロクラック６ｂ，６ｄは光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を用いて、例えば倍率が1000倍以上の画像で観察されるものであり、倍率を2000倍としたときに、視野が60μｍ×56μｍの範囲でそれぞれ１本以上６本以下あることが好適である。マイクロクラック６ｂ，６ｄのそれぞれの本数がこの範囲であれば、隔壁４および封止材３に亀裂が生じにくくなるとともに、隔壁４および封止材３のそれぞれの靭性もほとんど低下することはない。

なお、観察の前処理としては、ハニカム構造体１の一部を切り出して樹脂に埋め込んだ後、クロスセクションポリッシャ法により隔壁４を研磨すればよい。

また、本発明のハニカム構造体１では、結晶粒子５ｗは、主成分がチタン酸アルミニウムであることが好適である。結晶粒子５ｗは、主成分がチタン酸アルミニウムであると、チタン酸アルミニウムは耐熱性および耐熱衝撃性の高い成分であるので、加熱、冷却を繰り返しても隔壁４には溶損が生じにくくなり、亀裂もさらに生じにくくなる。

また、本発明のハニカム構造体１では、隔壁４の結晶粒子５ｗおよび封止材３の結晶粒子５ｐの少なくとも一方は、主成分がチタン酸アルミニウムであることが好適である。主成分がチタン酸アルミニウムであるときには、上述した作用と同様の作用により、加熱、冷却を繰り返しても主成分がチタン酸アルミニウムである結晶粒子５ｗ，５ｐを含むセラミック体からなる、隔壁４および封止材３の少なくとも一方には、溶損が生じにくくなり、亀裂もさらに生じにくくなる。

ここで、結晶粒子５ｗ，５ｐの主成分とは、それぞれ結晶粒子５ｗ，５ｐを構成する全成分100質量％に対して50質量％以上を占める成分をいい、この成分の同定はＸ線回折法によって行ない、また成分の含有量はＩＣＰ発光分析法または蛍光Ｘ線分析法により求めることができる。

また、結晶粒子５ｗ，５ｐがチタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）を主成分とする場合、チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉ_２Ｏ_５）およびチタン酸鉄（Ｆｅ_２ＴｉＯ_５）をそれぞれ16質量％以上24質量％以下含んでいることが好適である。この比率は、耐熱性に優れたチタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）、耐食性に優れたチタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉ_２Ｏ_５）および耐熱劣化性に優れたチタン酸鉄（Ｆｅ_２ＴｉＯ_５）の最適比率であり、結晶粒子５ｗ、５ｐの耐熱性，耐食性および耐熱劣化性が良くなるからである。

また、本発明のハニカム構造体１では、粒界相７ｗ，７ｐは珪素酸化物を主成分とすることが好適である。粒界相７ｗ，７ｐは、珪素酸化物を主成分とするときには、隣接する結晶粒子５ｗ，５ｐ同士を強く結合するとともに、結晶粒子５ｗ，５ｐの異常な粒成長が制御されるため、機械的な強度を高くすることができる。

また、本発明のハニカム構造体１では、隔壁４の粒界相７ｗおよび封止材３の粒界相７ｐの少なくとも一方は、珪素酸化物を主成分とすることが好適である。粒界相７ｗおよび粒界相７ｐの少なくとも一方は、珪素酸化物を主成分とするときには、その粒界相７ｗ，７ｐと隣接する結晶粒子同士を強く結合するとともに、結晶粒子の異常な粒成長を抑制するため、機械的な強度を高くすることができる。

特に、この珪素酸化物は、粒界相７ｗ，７ｐを構成するそれぞれの酸化物の合計100質量％に対して90質量％以上であることが好適である。

なお、この珪素酸化物は、組成式がＳｉＯ_２で示される二酸化珪素は安定性が高いため好適であるが、組成式がＳｉＯ_２−ｘ（ただし、ｘは０＜ｘ＜２である。）示される不定比の酸化珪素であっても何等差し支えない。

また、粒界相７ｗ，７ｐは、アルカリ金属の酸化物を含んでいてもよいが、アルカリ金属の酸化物はエンジンオイルに含まれる硫酸ナトリウム，硫酸カルシウム等の硫酸塩に対する耐食性が低いので、その含有量は少ない方が好ましく、粒界相７ｗ，７ｐをそれぞれ構成する酸化物100質量％に対して、12質量％以下であることが好適である。アルカリ金属の酸化物は、この範囲であれば、硫酸塩に対して、隔壁４および封止材３をそれぞれ形成するセラミック体は、耐食性がほとんど損なわれないからである。

特に、酸化リチウムおよび酸化ナトリウムは、粒界相７ｗ，７ｐをそれぞれ構成する酸化物の合計100質量％に対して、それぞれ２質量％以下であることがより好適である。

また、酸化アルミニウムも硫酸塩に対する耐性が低いので、粒界相７ｗ，７ｐをそれぞれ構成する酸化物の合計100質量％に対して、15質量％以下であることが好適である。

ところで、図１および２に示す例の本発明のハニカム構造体１は、隔壁４を形成するセラミック体は、図３（ａ）に示すような気孔９ｗを有するセラミック体であって、その気孔率は35体積％以上60体積％以下であって、平均気孔径は５μｍ以上26μｍ以下であることが好適である。この様な隔壁４を形成するセラミック体の気孔率および平均気孔径がこの範囲であると、機械的特性を維持しながら、圧力損失の増加を抑制することができるからであり、平均気孔径および気孔率は水銀圧入法に準拠して求めればよい。

具体的には、まず、隔壁４から質量が0.6ｇ以上0.8ｇ以下となるように平均気孔径および気孔率を測定するための試料を切り出す。

次に、水銀圧入型ポロシメータを用いて、試料の気孔に水銀を圧入し、水銀に加えられた圧力と、気孔内に浸入した水銀の体積を測定する。

この水銀の体積は気孔の体積に等しく、水銀に加えられた圧力と気孔径には以下の式（１）（Washburnの関係式）が成り立つ。

ｄ＝−４σｃｏｓθ／Ｐ・・・（１）
但し、ｄ：気孔径（ｍ）
Ｐ：水銀に加えられた圧力（Ｐａ）
σ：水銀の表面張力（0.485Ｎ／ｍ）
θ：水銀と気孔の表面との接触角（130°）
式（１）から各圧力Ｐに対する各気孔径ｄが求められ、各気孔径ｄの分布および累積気孔体積を導くことができる。そして、累積気孔体積の百分率が50％に相当する気孔径（Ｄ50）を平均気孔径とし、試料の体積に対する累積気孔体積の百分率を気孔率とすればよい。

図４は、本発明のハニカム構造体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は流入側端面の一部を、（ｂ）は流出側端面の一部を、それぞれ示す平面図である。

図４に示す例の本発明のハニカム構造体１は、流入側端面における、開放されている流通孔２ａおよび封止されている流通孔２ｂは、形状がそれぞれ８角形および４角形であり、開放されている流通孔２ａは封止されている流通孔２ｂよりも面積が大きい構成となっている。流入側端面では、流通孔２ｂが封止材３ａによって封止され、流出側端面では、流通孔２ａが封止材３ｂによって封止されている。図４に示すように、流入側端面における、開放されている流通孔２ａおよび封止されている流通孔２ｂは、形状がそれぞれ８角形および４角形であり、開放されている流通孔２ａは封止されている流通孔２ｂよりも面積が大きいときには、開放されている流通孔の面積と封止されている流通孔の面積とが同等であるときよりも微粒子を吸着することのできる隔壁４および封止材３ｂのそれぞれの表面積が大きくなるので、微粒子を効率よく捕集することができる。

図５は、本発明のハニカム構造体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は流入側端面の一部を、（ｂ）は流出側端面の一部を、それぞれ示す平面図である。

図５に示す例の本発明のハニカム構造体１は、流入側端面における、開放されている流通孔２ａおよび封止されている流通孔２ｂは、形状がいずれも４角形であり、開放されている流通孔２ａは、封止されている流通孔２ｂよも面積が大きく、角部が円弧状である構成となっている。流入側端面では、流通孔２ｂが封止材３ａによって封止され、流出側端面では、流通孔２ａが封止材３ｂによって封止されている。図５に示すように、流入側端面における、開放されている流通孔および封止されている流通孔は、形状がいずれも４角形であり、開放されている流通孔は、封止されている流通孔よも面積が大きく、角部が円弧状であるときには、上述した作用および効果に加え、角部に応力が集中しにくくなるので、加熱、冷却を繰り返しても角部から亀裂が生じにくくなる。特に、図４および５に示す例の本発明のハニカム構造体１では、流入側端面における、開放されている流通孔２ａの水力直径は、封止されている流通孔２ｂの水力直径に対して、1.55倍以上1.95倍以下であることが好適である。このように、水力直径の比を1.55倍以上とすることで、微粒子を吸着することのできる隔壁４および封止材３ｂのそれぞれの表面積が大きくなるので、微粒子の捕集量を増大させることができるとともに、水力直径の比を1.99倍以下とすることで、隔壁４が極端に薄くならないので、機械的強度がほとんど損なわれない。ここで、流通孔２ａ，２ｂのそれぞれの水力直径とは、流入側端面における隔壁４に接する内接円の直径をいい、光学顕微鏡を用いて測定することができる。

なお、ここでいう封止されている流通孔２ｂの面積とは、流通孔２ｂが封止材３ａによって封止されている内側の面積のことをいう。

図６は、本発明の実施の形態の一例を模式的に示すガス処理装置の概略断面図である。

図６に示す例の本発明のガス処理装置10は、隔壁４の壁面４ａに触媒（図示しない）を担持した本発明のハニカム構造体１を備え、流通孔２の封止されていない一端を入口とし、この流通孔２と隔壁４を介した他の流通孔２の封止されていない他端を出口として排気ガス（ＥＧ）を通過させることによって、排気ガス（ＥＧ）中の微粒子を隔壁４で捕集するガス処理装置である。ハニカム構造体１は、その外周を断熱材層14に保持された状態でケース11に収容され、断熱材層14は、例えばセラミックファイバー，ガラスファイバー，カーボンファイバーおよびセラミックウィスカーの少なくとも１種から形成されている。

また、ケース11は、例えば、ＳＵＳ303，ＳＵＳ304およびＳＵＳ316等のステンレスからなり、その中央部が円筒状に、両端部が円錐台状にそれぞれ形成され、排気ガス（ＥＧ）が供給されるケース11の流入口12および排気ガス（ＥＧ）が排出される流出口13にはそれぞれ排気管15ａ，15ｂが接続されている。

このようなガス処理装置10の流入側には、ディーゼルエンジン（図示しない）が接続され、このディーゼルエンジンが作動して、排気ガス（ＥＧ）が排気管15ａからケース11に供給されると、ハニカム構造体１の流入側の封止材３ａが形成されていない流通孔２の中に、排気ガス（ＥＧ）が導入されるが、流出側に形成された封止材３ｂによってその流出が遮られる。流出が遮られた排気ガス（ＥＧ）は、通気性の隔壁４を通過して、隣接する流通孔２に導入される。排気ガス（ＥＧ）が隔壁４を通過するとき、隔壁４の壁面４ａや隔壁４の気孔の表面で排気ガス（ＥＧ）中の微粒子が捕集される。微粒子が捕集された排気ガス（ＥＧ）は、浄化された状態で、封止材３ｂが形成されていない流通孔２から外部に排出される。

図６に示す例のガス処理装置では、隔壁４の壁面４ａに担持された触媒は、例えば、ルテニウム，ロジウム，パラジウム，イリジウム，白金等の白金族金属およびその酸化物、金，銀，銅等の周期表第11族金属、酸化バナジウムのうちの少なくともいずれか１種からなり、軽油等の燃料が気化したガスが供給されると、隔壁４で捕集された排気ガス中の微粒子を酸化して燃焼させる。特に、金，銀，銅等の周期表第11族金属を選んだ場合、その粒子はナノメートルレベルの微粒であることが好適である。

さらに、壁面４ａに担持された触媒と排気ガスとの接触面積を大きくするために、γアルミナ等の比表面積が大きい成分を隔壁４の壁面４ａに担持しても好適である。

本発明のハニカム構造体１では、上述したように、隔壁４の壁面４ａに触媒を担持しているときには、隔壁４の壁面４ａに触媒を担持していないときよりも低い温度で微粒子を燃焼除去することができるので、隔壁４には溶損やクラックがさらに生じにくくなる。さらに、壁面４ａのみならず、隔壁４の気孔の表面に触媒を担持していても好適である。

さらに、排気ガス中の微粒子を酸化して燃焼させるための触媒とともに、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を吸蔵して還元するための触媒であるＺＳＭ−５，ＺＳＭ−11，ＺＳＭ−12，ＺＳＭ−18，ＺＳＭ−23，ＭＣＭゼオライト，モルデナイト，ファージャサイト，フェリエライトおよびゼオライトベータの少なくとも１種を隔壁４の壁面４ａおよび隔壁４ａの気孔の表面の少なくともいずれかに担持させてもよい。

このような本発明のガス処理装置は、本発明のハニカム構造体１を備えていることから、亀裂が隔壁４に生じにくくなっているので、長期間に亘って効率よく再生することができる。

なお、本実施形態では流体として気体である排気ガスを用いた例について説明したが、流体として液体を用いることも可能である。例えば、流体として上水または下水を用いることが可能であり、本発明のガス処理装置を液体の濾過用としても適用することができる。

次に、ハニカム構造体１の製造方法の一例について説明する。

まず、酸化アルミニウムの粉末を27〜33質量％，酸化第二鉄の粉末を13〜17質量％，酸化マグネシウムの粉末を７〜13質量％および残部を酸化チタンの粉末とし、これら粉末を調合した調合原料を水，アセトンまたは２−プロパノールとともに混合したスラリーを噴霧乾燥法等で乾燥し、例えば、平均粒径が50μｍ以上300μｍ以下の顆粒を得る。ここで、用いる前記各粉末は、いずれも純度が高い粉末を用いることが好ましく、その純度は99.0質量％以上、特に99.5質量以上であることがさらに好適である。なお、チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉ_２Ｏ_５）およびチタン酸鉄（Ｆｅ_２ＴｉＯ_５）がチタン酸アルミニウム（Ａｌ_２ＴｉＯ_５）に固溶することができるのであれば、これら金属酸化物の粉末以外に炭酸塩，水酸化物および硝酸塩などの粉末を用いてもよく、またこれらの化合物の粉末を用いてもよい。

次に、得られた顆粒を大気雰囲気中、温度を1400℃以上1500℃以下として、１時間以上５時間以下で仮焼することにより、元素Ｔｉ，Ａｌ，ＭｇおよびＦｅが互いに固溶した擬ブルッカイト型の結晶からなる仮焼粉末を得ることができる。

この仮焼粉末をＡＳＴＭ Ｅ 11−61に記載されている粒度番号が230のメッシュの篩いに通すことによって、例えば、粒径が25μｍ以上61μｍ以下に分級された仮焼粉末を得る。そして、この分級された仮焼粉末の一部に、例えば、平均粒径が１μｍ以上３μｍ以下であって、添加量が仮焼粉末100質量部に対して、0.4質量部以上1.2質量部以下である酸化珪素の粉末と、添加量が仮焼粉末100質量部に対して、１質量部以上13質量部以下であるグラファイト，澱粉またはポリエチレン樹脂等の造孔剤とを添加した後、さらに可塑剤，増粘剤，滑り剤および水等を加えて、万能攪拌機，回転ミルまたはＶ型攪拌機等を使って混練物を作製する。そして、この混練物を三本ロールミルや混練機等を用いて混練し、可塑化した杯土を得る。

次に、押出成形機を用いて成形する。この押出成形機には成形型が装着され、成形体の外径を決定する内径が、例えば100ｍｍ以上250ｍｍ以下であり、ハニカム構造体１の隔壁４を形成するためのスリットを有している。この成形型が装着された押出成形機に杯土を投入し、圧力を加えてハニカム状の成形体を得る。そして、得られた成形体を乾燥して所定長さに切断する。

次に、得られた成形体の複数の流通孔２の一端および他端のそれぞれを交互に封止する封止材３を作製する。具体的には、まず、出口側で封止される流通孔２が格子状になるように、開口する流通孔２をマスキングした後、スラリー化した前記混練物に出口端面（図６の符号ＯＦ）をディッピングする。なお、マスキングが施されていない出口端面（ＯＦ）を有する流通孔２には、入口端面（図６の符号ＩＦ）から撥水性の樹脂が被覆された先端部を備え、この先端部が平坦に形成されたピンを、入口端面（ＩＦ）から流通孔２に予め挿入しておき、出口側で流通孔２に浸入したスラリーを常温にて乾燥する。このようにすることによって、成形体の出口側の封止材３ｂが形成される。そして、前記ピンを抜き、上述の作業と同じ作業を入口端面（ＩＦ）側でも行ない、成形体の入口側の封止材３ａを形成する。

次に、得られた成形体を焼成する。具体的には、電気炉またはガス炉等の焼成炉を用いて、温度を1300℃〜1500℃として、この温度で１時間〜10時間成形体を保持することにより焼成される。この焼成工程において、粒界相７ｗの主成分がそれぞれマイクロクラック６ａ内に浸入し、この粒界相７ｗの主成分が焼結後に固相８ｗとなってマイクロクラック６ａ内に存在するようになる。

なお、封止材３の少なくとも一部の結晶粒子５ｐに、表面から内部にかけて粒界相７ｐの主成分を含む固相８ｐが存在するようにするには、成形体を保持した時間に対して、さらに１〜２時間延長して保持すればよい。

このように作製されたハニカム構造体１は、再生するときに加熱によって蓄積された残留応力の一部がマイクロクラック６ａ，６ｃ内の固相８ｗ，８ｐやこの固相８ｗ，８ｐを介して粒界相７ｗ，７ｐに吸収して緩和されるため、隔壁４および封止材３に亀裂が生じにくくなる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、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）
まず、隔壁４の結晶粒子５ｗおよび封止材３の結晶粒子５ｐの主成分がチタン酸アルミニウムであるハニカム構造体を得るために、酸化アルミニウムの粉末を30質量％，酸化第二鉄の粉末を14質量％，酸化マグネシウムの粉末を10質量％および残部を酸化チタンの粉末として、これら粉末を調合した調合原料を水とともに混合したスラリーを噴霧乾燥法によって乾燥し、平均粒径が175μｍである顆粒を得た。ここで、酸化アルミニウム，酸化第二鉄，酸化マグネシウムおよび酸化チタンの各粉末は、いずれも純度が99.5質量％の粉末を用いた。

次に、得られた顆粒を大気雰囲気中、温度を1450℃として、３時間で仮焼することにより、元素Ｔｉ，Ａｌ，ＭｇおよびＦｅが互いに固溶した擬ブルッカイト型の結晶からなる仮焼粉末を得た。

この仮焼粉末をＡＳＴＭ Ｅ 11−61に記載されている粒度番号が230のメッシュの篩いに通すことによって、粒径が25μｍ以上61μｍ以下に分級された仮焼粉末を得た。そして、この分級された仮焼粉末の一部に、平均粒径が２μｍであって、添加量が仮焼粉末100質量部に対して、0.8質量部である酸化珪素の粉末と、添加量が仮焼粉末100質量部に対して、７質量部であるポリエチレン樹脂とを添加した後、さらに可塑剤，増粘剤，滑り剤および水等を加え、万能攪拌機を使って混練物を作製した。そして、この混練物の一部を残し混練機を用いて混練し、可塑化した杯土を得た。

次に、成形体の外径を決定する内径が250ｍｍであり、ハニカム構造体１の隔壁４を形成するためのスリットを有する成形型を装着した押出成形機に杯土を投入し、圧力を加えてハニカム状の成形体を得た。そして、得られた成形体を乾燥して所定長さに切断した。

次に、出口側で封止される流通孔２が格子状になるように、開口する流通孔２にマスキングを施した後、出口端面（ＯＦ）を残しておいた混練物をスラリー化してディッピングした。撥水性の樹脂が被覆された先端部を備え、この先端部が平坦に形成されたピンを、入口端面（ＩＦ）から流通孔２に予め挿入しておき、出口側で流通孔２に浸入したスラリーを常温にて乾燥した。このようにすることによって、成形体の出口側の封止材３ｂを形成した。そして、ピンを抜き、上述の作業と同じ作業を入口端面（ＩＦ）側でも行ない、成形体の入口側の封止材３ａを形成した。

そして、電気炉を用いて成形体を表１に示す焼成温度および保持時間で焼成して、入口端面（ＩＦ）および出口端面（ＯＦ）がそれぞれ図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるハニカム構造体１である試料Ｎｏ．１〜３を得た。

次に、隔壁４の結晶粒子５ｗおよび封止材３の結晶粒子５ｐの主成分がコージェライトであるハニカム構造体を得るために、酸化マグネシウム，酸化アルミニウム，酸化珪素の各含有量がそれぞれ13.5質量％，35.5質量％，50質量％である合成されたコージェライトの粉末をＡＳＴＭ Ｅ 11−61に記載されている粒度番号が230のメッシュの篩いに通すことによって、粒径が25μｍ以上61μｍ以下に分級されたコージェライトの粉末を得た。そして、この分級されたコージェライトの粉末の一部に、平均粒径が２μｍであって、添加量が粉末100質量部に対して、0.8質量部である酸化チタンの粉末と、添加量が粉末100質量部に対して、７質量部であるポリエチレン樹脂とを添加した後、さらに可塑剤，増粘剤,滑り剤および水等を加え、万能攪拌機を使って混練物を作製した。そして、この混練物の一部を残し混練機を用いて混練し、可塑化した杯土を得た。

以下、封止材３ａ，３ｂを形成するまでは、上述の試料Ｎｏ．１〜３と同じ方法で行なった。

そして、電気炉を用いて成形体を表１に示す焼成温度および保持時間で焼成して、入口端面（ＩＦ）および出口端面（ＯＦ）がそれぞれ図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるハニカム構造体１である試料Ｎｏ．４〜６を得た。

次に、隔壁４の結晶粒子５ｗおよび封止材３の結晶粒子５ｐの主成分がアルミン酸カルシウムであるハニカム構造体を得るために、酸化アルミニウムの粉末を63.5質量％，炭酸カルシウムの粉末を33.5質量％および酸化ジルコニウムの粉末を３質量％とした調合原料に、調合原料100質量部に対して、７質量部であるポリエチレン樹脂を添加した後にさらに可塑剤，増粘剤，滑り剤および水等を加え、万能攪拌機を使って混練物を作製した。そして、この混練物の一部を残し混練機を用いて混練し、可塑化した杯土を得た。

以下、封止材３ａ，３ｂを形成するまでは、上述の試料Ｎｏ．１〜３と同じ方法で行なった。

そして、電気炉を用いて成形体を表１に示す焼成温度および保持時間で焼成して、入口端面（ＩＦ）および出口端面（ＯＦ）がそれぞれ図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるハニカム構造体１である試料Ｎｏ．７〜９を得た。

なお、試料Ｎｏ．１〜９は、いずれも外径および軸方向Ａの長さがそれぞれ144ｍｍ，156ｍｍであって，軸方向Ａに対して垂直な断面における流通孔２の単位面積当たりの個数が300ＣＰＳＩであるハニカム構造体１とした。

そして、試料Ｎｏ．１〜９の隔壁４および封止材３から、それぞれその一部を切り出して樹脂に埋め込んだ後、クロスセクションポリッシャ法により隔壁４および封止材３を研磨した。

具体的には、走査型電子顕微鏡用試料作製装置（クロスセクションポリッシャ、日本電子株式会社製ＳＭ―09010）を用い、照射するアルゴンイオンの加速電圧を６ｋＶとし、検出されるアルゴンイオンの電流の最大値の70〜80％となるようにアルゴンガスの流量を調整し、研磨時間を８時間として、隔壁４および封止材３をそれぞれ研磨した。

そして、走査型電子顕微鏡を用いて、倍率を2000倍として、視野が60μｍ×45μｍの範囲で各試料の研磨された隔壁４および封止材３をそれぞれ観察し、少なくとも一部の結晶粒子５ｗ，５ｐの表面から内部にかけて粒界相７ｗ，７ｐの主成分を含む固相８ｗ，８ｐが存在するかどうかを調べ、固相８ｗ，８ｐが観察された試料には○を、固相８ｗ，８ｐが観察されなかった試料には×を表２に示した。

なお、粒界相７ｗ，７ｐに固相８ｗ，８ｐが観察された場合には、粒界相７ｗ，７ｐおよび固相８ｗ，８ｐの各主成分を構成する元素は蛍光Ｘ線分析法を用いて求め、その化合物についてはＸ線回折法で同定した。その結果を表２に示す。

また、別途各試料の入口端面（ＩＦ）をそれぞれディーゼル微粒子発生装置（不図示）に接続した後、この装置から微粒子を含む、温度25℃の乾燥空気を単位時間当たりの流量を2.27Ｎｍ^３／分として各試料に向かって噴射して、ハニカム構造体１の体積0.001ｍ^３に対して、微粒子を12ｇ捕集した。

そして、ハニカム構造体１の入口端面（ＩＦ）側に配置された電気ヒータ（不図示）を用い、捕集された微粒子を燃焼除去することによってハニカム構造体１を再生した。

再生条件は、入口端面（ＩＦ）付近における燃焼温度および燃焼時間をそれぞれ1200℃，10分として、ハニカム構造体１に空気を供給し、この空気の単位時間当たりの流量を1.0ｍ^３／分とした。各試料を再生させた後、再度、上述した方法と同じ方法でハニカム構造体１の体積0.001ｍ^３に対して、微粒子を12ｇ捕集した。この捕集および再生を１サイクルとして、このサイクルを繰り返し、再生した後に、隔壁４および封止材３を目視で観察し、マクロなクラックと言える亀裂が始めて観察されたサイクル数を表２に示す。

表２に示すように、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１，４および７は、隔壁４および封止材３を形成するセラミック体に含まれる結晶粒子の表面から内部にかけて粒界相の主成分を含むそれぞれの固相８ｗ，８ｐが存在していないことからハニカム構造体１に亀裂が早い段階で観察された。

一方、本発明の試料Ｎｏ．２，３，５，６，８および９は、隔壁４を形成するセラミック体に含まれる少なくとも一部の結晶粒子５ｗの表面から内部にかけて粒界相７ｗの主成分を含む固相８ｗが存在していることから、再生するときに加熱によって蓄積された残留応力の一部が固相８ｗやこの固相８ｗを介して粒界相７ｗに吸収して緩和されるため、再生を重ねても隔壁４に亀裂は観察されず、隔壁４は破損しにくいといえる。中でも焼成の保持時間を１時間ずつ長くした本発明の試料Ｎｏ．３，６および９は、隔壁４に加え、封止材３を形成するセラミック体に含まれる少なくとも一部の結晶粒子５ｐの表面から内部にかけて粒界相７ｐの主成分を含む固相８ｐも存在していることから、再生するときに加熱によって蓄積された残留応力の一部が固相８ｐやこの固相８ｐを介して粒界相７ｐに吸収して緩和されているため、再生を重ねても封止材３に亀裂は観察されず、封止材３は破損しにくいといえる。

（実施例２）
粒界相は珪素酸化物を主成分とすることによっての、アイソスタティック破壊強度（機械的な強度）の違いを確認するためのテストを行なった。

まず、隔壁４の結晶粒子５ｗおよび封止材３の結晶粒子５ｐの主成分がチタン酸アルミニウムであるハニカム構造体を得るために、実施例１の試料Ｎｏ．１〜３と同一の調合原料で、実施例１と同様の製造方法で仮焼粉末までを作製した。そして、この分級された仮焼粉末の一部に、平均粒径が２μｍであって、添加量が仮焼粉末100質量部に対して、0.8質量部である表３に示す粒界相７ｗおよび７ｐの主成分となる４種類の粉末（ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＳｎＯ_２，Ｃｒ_２Ｏ_３）と、添加量が仮焼粉末100質量部に対して、５質量部であるポリエチレン樹脂とを添加した後、さらに可塑剤，増粘剤，滑り剤および水等を加え、万能攪拌機を使って４種類の混練物を作製した。そして、この混練物の一部を残し混練機を用いて混練し、可塑化した杯土を得た。

次に、成形体の外径を決定する内径が250ｍｍであり、ハニカム構造体１の隔壁４を形成するためのスリットを有する成形型が装着された押出成形機に杯土を投入し、圧力を加えてハニカム状に成形して、成形体を得た。そして、得られた成形体を乾燥して所定長さに切断した。

そして、出口側で封止される流通孔２が格子状になるように、開口する流通孔２にマスキングを施した後、封止材３の粒界相７ｐの主成分が表３に示す成分となるような混練物を上記の混練物から選択し、その混練物のスラリーに出口端面（ＯＦ）をディッピングした。撥水性の樹脂が被覆された先端部を備え、この先端部が平坦に形成されたピンを、入口端面（ＩＦ）から流通孔２に予め挿入しておき、出口側で流通孔２に浸入したスラリーを常温にて乾燥した。このようにすることによって、成形体の出口側の封止材３ｂを形成した。そして、ピンを抜き、上述の作業と同じ作業を入口端面（ＩＦ）側でも行ない、成形体の入口側の封止材３ａを形成した。

そして、電気炉を用いて焼成温度を1380℃として３時間保持することによって、入口端面（ＩＦ）および出口端面（ＯＦ）がそれぞれ図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるハニカム構造体１である試料Ｎｏ．10〜15を得た。

なお、試料Ｎｏ．10〜15は、いずれも外径および軸方向Ａの長さがそれぞれ144ｍｍ，117ｍｍであって，軸方向Ａに対して垂直な断面における流通孔２の単位面積当たりの個数が300ＣＰＳＩであるハニカム構造体１とした。

そして、各試料の機械的な強度を評価するために、各試料のアイソスタティック破壊強度をＪＡＳＯ Ｍ 505−87に準拠して測定し、その測定値を表３に示した。なお、このときの各試料は、内径および高さがそれぞれ175ｍｍ，640ｍｍであるゴム製の容器の内部に個別に配置し、容器の内部を充填する媒体は水とし、圧力上昇速度を0.3ＭＰａ／分として加圧した。

表３に示すように、試料Ｎｏ．10〜12は、隔壁４の粒界相７ｗおよび封止材３の粒界相７ｐの少なくとも一方は、珪素酸化物を主成分としているので、その粒界相と隣接する結晶粒子同士を強く結合するとともに、結晶粒子の異常な粒成長が抑制されているため、アイソスタティック破壊強度が高く、機械的な強度が高いといえる。

特に、試料Ｎｏ．10は、隔壁４の粒界相７ｗおよび封止材３の粒界相７ｐとも、珪素酸化物を主成分としているので、粒界相７ｗと隣接する結晶粒子５ｗ同士および粒界相７ｐと隣接する結晶粒子５ｐ同士を強く結合するとともに、結晶粒子５ｗ，５ｐの異常な粒成長が抑制されているため、アイソスタティック破壊強度が高く、機械的な強度が高いといえる。

１：ハニカム構造体
２，２ａ，２ｂ：流通孔
３，３ａ，３ｂ：封止材
４：隔壁
４ａ：壁面
５ｗ，５ｐ：結晶粒子
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ：クラック
７ｗ，７ｐ：粒界相
８ｗ，８ｐ：固相
９ｗ，９ｐ：気孔
10：ガス処理装置
11：ケース
12：流入口
13：流出口
14：断熱材層
15：排気管

Claims (10)

1. 軸方向に沿った壁面を有する通気性の隔壁により仕切られた複数の流通孔と、該複数の流通孔の流入側および流出側のそれぞれを交互に封止する封止材とを備えてなるハニカム構造体であって、前記隔壁は複数の結晶粒子を含むセラミック体からなり、少なくとも一部の前記結晶粒子に、表面から内部にかけて粒界相の主成分を含む固相が存在していることを特徴とするハニカム構造体。
2. 前記封止材は複数の結晶粒子を含むセラミック体からなり、前記封止材の少なくとも一部の前記結晶粒子に、表面から内部にかけて粒界相の主成分を含む固相が存在していることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
3. 前記結晶粒子はチタン酸アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
4. 前記隔壁の前記結晶粒子および前記封止材の前記結晶粒子の少なくとも一方は、主成分がチタン酸アルミニウムであることを特徴とする請求項２に記載のハニカム構造体。
5. 前記粒界相は、珪素酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
6. 前記隔壁の前記粒界相および前記封止材の前記粒界相の少なくとも一方は、珪素酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
7. 流入側端面における、開放されている流通孔および封止されている流通孔は、形状がそれぞれ８角形および４角形であり、開放されている流通孔は封止されている流通孔よりも面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
8. 流入側端面における、開放されている流通孔および封止されている流通孔は、形状がいずれも４角形であり、開放されている流通孔は、封止されている流通孔よりも面積が大きく、角部が円弧状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。
9. 前記隔壁の前記壁面に触媒を担持していることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
10. 請求項１に記載のハニカム構造体を備えていることを特徴とするガス処理装置。