JP2009072760A - ハニカムフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】封止体と隔壁との界面における熱応力を抑制したハニカムフィルタを提供する。
【解決手段】セル壁（２７）によってハニカム形状に区画された複数のセル（２８）を有する柱状のハニカム構造体（２３）と、セル（２８）のいずれか一方の開口端部を封止する封止体（３０）とを備えてなるハニカムフィルタ（２１）を構成した。このハニカムフィルタにおいて、封止体（３０）が、セル壁（２７）近傍の周辺領域を占有するクラッド（３０ａ）とセル（２８）の中心軸線（Ｘ）近傍の中心領域を占有するコア（３０ｂ）とから構成され、クラッド（３０ａ）とコア（３０ｂ）のヤング率が相違する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ハニカムフィルタに関する。

近年においては、環境への影響を考慮し、内燃機関、ボイラー等の排気ガス中の粒子状物質等を排気ガス中から除去する必要性が高まっている。特にディーゼルエンジンから排出される黒鉛微粒子（以下ＰＭという）の除去に関する規制は欧米、日本国内ともに強化される方向にある。そして、こうしたＰＭを除去するための捕集フィルタとして、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）と呼ばれる、ハニカム構造をなすハニカムフィルタが使用されている。ハニカムフィルタは、排気管の途上に設けられたケーシング内に収容されている。そのハニカムフィルタは、その長手方向に貫通するとともにセル壁により仕切られてなる多数のセルを有している。そして、隣接する一対のセルが、互いに反対側となる一方の端部で封止体により目封止され、そのハニカム構造体の端面（流入口側端面及び流出口側端面）全体に封止体が市松模様状に形成されている。こうした構造を有するハニカム構造体において、流入口側端面が目封止されていないセル、つまり流出口側端面で端部が目封止されているセルに排気ガスが流入し、その排気ガスは、多孔質のセル壁を通って隣のセル、つまり流入口側端面で端部が目封止されて流出口側端面が目封止されていないセルから排出される。このとき、セル壁が濾過フィルタとなり、例えばディーゼルエンジンから排出されるＰＭがセル壁に捕集される。このように、セル壁に捕集されたＰＭは、バーナやヒータ等の加熱手段、又は排気ガスの熱により、燃焼及び除去され、フィルタは再生される。

従来より、例えば特許文献１に開示されるハニカムフィルタが知られている。特許文献１に開示されるハニカムフィルタは、セラミック粉末を主体とする封止用ペーストをセル端部に充填して、乾燥又は焼成することにより封止体を形成する方法について開示している。通常、封止用ペーストをセル端部に充填した後、振動を与え、封止用ペーストの均一化とセル壁との密着性の改善を図っている。しかしながら、走行時又はフィルタ再生時のＰＭ燃焼除去処理時に熱応力が上昇した場合、特許文献１の封止体とそれに隣接するセル壁とにクラックが発生しやすいという問題があった。その一方、封止体の気孔率を上げて封止体の弾性率を上げて、応力を緩和する方法を採用する場合には、封止体自体の耐熱性又は耐衝撃性等の強度の低下を招くおそれがあった。

特許文献２は、封止部材を予めハニカム構造体のセルの略断面形状に成形して、該封止部材をセル内に配置した後、封止部材とセルの隙間に接合材を充填してハニカムフィルタを形成する方法について開示している。接合材の主成分としては、接合性を向上させるためにハニカム構造体と封止部材の少なくとも一方の主成分と同一のものが用いられている。
特開２００２−２１０７２３号公報 特開２００４−１６８０３０号公報

ところが、特許文献２に開示されるハニカムフィルタでは、封止体とセル壁との界面付近におけるクラック発生防止の観点からは未だ不十分であった。
そこで、本発明は、封止体においてセルの中心領域に対応するコアとそのセルの周辺領域に対応するクラッドとの間で特定の材料物性を相違させることにより、ハニカム構造体と封止体との界面における応力を抑制することができるという新たな知見に基づいて完成された。本発明の目的は、ハニカムフィルタにおいて封止体とセル壁との界面における熱応力を抑制することにある。

本発明の一実施形態は、セル壁によってハニカム形状に区画された複数のセルを有する柱状のハニカム構造体と、各セルの選択された一方の開口端部を封止する封止体とを備えるハニカムフィルタにおいて、前記封止体は、対応するセルの開口端部において、当該セルの周辺領域を占有するクラッドと、前記対応するセルの中心軸を含む中心領域を占有するコアとから構成され、該コアのヤング率と該クラッドのヤング率とが相違していることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、前記コアのヤング率は、前記クラッドのヤング率よりも高いことを特徴とする。
本発明の一実施形態は、前記コアは、前記セルの中心軸に対する垂直断面において２０〜８０％の面積比率であることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、前記コアは、前記セルの中心軸に対する垂直断面において略円形であることを特徴とする。
本発明の一実施形態は、前記ハニカム構造体は、第１の開口断面積を有する第１の複数のセルと、前記第１の開口断面積とは異なる第２の開口断面積を有する第２の複数のセルとを有し、前記第１の複数のセルと前記第２の複数のセルの一方が、前記コアと前記クラッドを有する前記封止体によって塞がれており、前記第１の複数のセルと前記第２の複数のセルの他方が、前記コアと前記クラッドを有する前記封止体とは異なる封止体によって塞がれていることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、前記第１の開口断面積は前記第２の開口断面積よりも大きく、前記封止体は、前記第１の複数のセルの開口端部に設けられることを特徴とする。
本発明の一実施形態は、前記ハニカム構造体は、排ガスが流入する上流端部と、排ガスが流出する下流端部とを有し、前記封止体は、前記ハニカム構造体の前記下流端部において、前記複数のセルのうちから選択された複数のセルの開口端部に設けられることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、前記封止体は、前記コアと前記クラッドの各々がセラミックからなる、２重構造のセラミック封止体であることを特徴とする。

本発明によれば、封止体とセル壁との界面における熱応力を抑制したハニカムフィルタを得ることができる。

以下、本発明のハニカムフィルタを、車両の排気ガス浄化装置に適用した実施形態について説明する。
まず排気ガス浄化装置の概略について説明する。なお、本実施形態の排気ガス浄化装置は自然着火方式を採用しており、排気ガスの熱により、捕集されたＰＭが再生処理されるものとしているが、自然着火方式に限定されず、どのような方法であってもよい。

図１に示すように、排気ガス浄化装置１０は、例えば、ディーゼルエンジン１１から排出される排気ガスを浄化するための装置である。ディーゼルエンジン１１は、図示しない複数の気筒を備えている。各気筒には、金属材料からなる排気マニホールド１２の分岐部１３がそれぞれ連結されている。各分岐部１３は１本のマニホールド本体１４にそれぞれ接続されている。従って、各気筒から排出された排気ガスは一箇所に集中する。

排気マニホールド１２の下流側には、金属材料からなる第１排気管１５及び第２排気管１６が配設されている。第１排気管１５の上流側端は、マニホールド本体１４に連結されている。第１排気管１５と第２排気管１６との間には、同じく金属材料からなる筒状のケーシング１８が配設されている。ケーシング１８の上流側端は第１排気管１５の下流側端に連結され、ケーシング１８の下流側端は第２排気管１６の上流側端に連結されている。その結果、第１排気管１５、ケーシング１８及び第２排気管１６の内部領域が互いに連通し、その中を排気ガスが流れるようになっている。

ケーシング１８はその中央部が排気管１５，１６よりも内径が大きくなるように形成されている。従って、ケーシング１８の内部領域は、排気管１５，１６の内部領域に比べて広くなっている。このケーシング１８の内部に、ハニカムフィルタ２１が収容されている。ハニカムフィルタ２１の外周面とケーシング１８の内周面との間には、ハニカムフィルタ２１とは別体の断熱材（いわゆる保持シール材）１９が配設されている。なお、ケーシング１８の内部においてハニカムフィルタ２１より上流側には、触媒担体７１が収容されている。この触媒担体７１の内部には従来公知の酸化触媒が担持されており、触媒担体７１の内部において排気ガスが酸化処理される。そして、このときの酸化熱がハニカムフィルタ２１の内部に伝導され、ハニカムフィルタ２１の内部においてＰＭの再生処理の際に寄与する。

図２に示すように、このハニカムフィルタ２１は、四角柱状をなす複数個（本実施形態では１６個）のハニカム部材２２よりなる円柱状のハニカム構造体２３を有しており、その端部の所定箇所には封止体３０が設けられている。本実施形態のハニカムフィルタ２１は、押出成形により押出されるハニカム部材２２と同形状をなすハニカム成形体を所定条件で乾燥し、乾燥したハニカム成形体の端部の所定箇所を後述の封止体で封止し、所定条件で乾燥及び焼成する。得られた複数個のハニカム焼成体を接合材２４により結束させて集合体とし、所定条件で乾燥する。得られた集合体の断面を円形にすべく、集合体の外周部を切削加工する。その外周面に塗布層ペーストを塗布し、乾燥することにより塗布層４１を形成する。このようにして、ハニカムフィルタ２１が得られる。なお、本明細書で使用した用語「断面」は、ハニカムフィルタ２１の軸線Ｑに垂直な断面を意味する（図１、図４参照）。接合材２４は、無機バインダ、有機バインダ、無機繊維等を含有してなるものであり、従来公知の組成を利用することができる。

図３に示すように、ハニカム部材２２は、外周壁２６と、外周壁２６の内側に配置されたセル壁２７とを有し、断面形状が正方形状に形成されている。ハニカム部材２２の外周壁２６及びセル壁２７を形成する材料、すなわちハニカム構造体２３を形成する主な材料（主成分）としては、セラミックが挙げられる。なお、ここでいう「主成分」とは、ハニカム構造体２３を形成する全成分中に５０質量％以上含まれる成分をいう。「主成分」は８０％以上含まれていることが好ましい。

この種のセラミックとしては、例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化チタン等の窒化物セラミック、炭化珪素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物セラミック、アルミナ、ジルコニア、コージュライト、ムライト、シリカ、チタニア、チタン酸アルミニウム等の酸化物セラミック等のセラミック材料が挙げられる。これらは単独で使用されてもよく、二種以上を組み合わせて使用されてもよい。これらの中でも、耐熱性に優れるとともに耐熱衝撃性に優れるという観点から、炭化珪素、コージェライト、チタン酸アルミニウムを採用するのが好ましい。

ハニカム構造体２３を形成する材料中には、例えばＡｌ元素、Ｆｅ元素、Ｂ元素、Ｓｉ元素及び遊離炭素よりなる他の成分が不純物として含有されてもよい。また、本実施形態のセル壁２７には、白金族元素（例えばＰｔ等）や、アルカリ金属、アルカリ土類金属等の金属元素及びその酸化物等からなる酸化触媒が担持されていてもよい。このような酸化触媒をセル壁２７に担持した場合には、セル壁２７の表面及び内部に捕集されたＰＭの燃焼温度を、酸化触媒の作用により低下させることができる。また、触媒によりＮＯ_Ｘ等の有害物質を浄化することができる。

ハニカム部材２２は、セル壁２７により区画されることにより長手方向に貫通され、該セル壁２７によってハニカム形状に区画された断面略正方形状の複数のセル２８（貫通孔）を有している（図２，３参照）。図４に示すように、各セル２８は、一方の端面（上流側端面２９Ａ）から他方の端面（下流側端面２９Ｂ）にかけて軸方向Ｑに貫通されており、流体としての排気ガスの流路となる。そして、各セル２８の開口端部は、いずれか一方の端面（上流側端面２９Ａ，下流側端面２９Ｂ）の側において、封止体３０により封止されている。従って、端面（上流側端面２９Ａ，下流側端面２９Ｂ）全体としてみると市松模様状を呈している。すなわち、多数あるセル２８のうち、約半数のものは上流側端面２９Ａにおいて開口し、残りのものは下流側端面２９Ｂにおいて開口している。

図５に示すように各封止体３０は、各セル２８において、セル壁２７に隣接する、すなわちセル２８の周辺領域を占有するクラッド（第１の封止部材）３０ａと、セル壁２７に接触しない、すなわちセル２８の中心軸線Ｘを含む中心領域を占有するコア（第２の封止部材）３０ｂとから構成される二重構造を有する。クラッド３０ａのヤング率とコア３０ｂのヤング率（Ｅ）は相違する。このヤング率（Ｅ）の相違により、封止体３０とセル壁２７との界面における熱応力を抑制することができる。クラッド３０ａ及びコア３０ｂを構成する材料又は組成を選択することにより、ヤング率（Ｅ）の異なるクラッド３０ａ及びコア３０ｂを得ることができる。一般にセラミックス材料が相違するとそのヤング率も相違する。また、同一の材料であっても封止部材の気孔率を変化させることによりヤング率（Ｅ）も変化させることができる。尚、一般にセラミックス材料の気孔率を上昇させるとヤング率（Ｅ）は低下することが知られている。

クラッド３０ａ及びコア３０ｂを形成する主な材料（主成分）としては、上記ハニカム構造体２３と同一の特性を確保するといった観点から、ハニカム構造体２３と同一のセラミックが好ましい。例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化チタン等の窒化物セラミック、炭化珪素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物セラミック、アルミナ、ジルコニア、コージュライト、ムライト、シリカ、チタニア、チタン酸アルミニウム等の酸化物セラミックが好ましい。なお、ここでいう「主成分」とは、封止体３０を形成する材料中に５０質量％以上含まれる成分をいう。

このクラッド３０ａ及びコア３０ｂを形成する材料中には、上記ハニカム構造体２３と同様、例えばＡｌ元素、Ｆｅ元素、Ｂ元素、Ｓｉ元素及び遊離炭素よりなるその他の成分としての不純物が含有されてもよい。クラッド３０ａ及びコア３０ｂは、上記主な材料（主成分）及びその他の成分（不純物）等の配合量を適宜選択・調整することにより、クラッド３０ａ及びコア３０ｂのヤング率（Ｅ）を異ならせることができる。

ヤング率（Ｅ）は、縦弾性係数とも呼ばれ、弾性範囲で応力に対するひずみの値を決める定数である。一方向の引っ張り又は圧縮応力の方向に対するひずみ量の関係から、ヤング率（Ｅ）＝応力（σ）／ひずみ（ε）で求められる。ヤング率（Ｅ）は各セラミックス材料に対する公知の値（例えば、炭化珪素４３０ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ１６０２））を適用したり、各セラミックス材料のヤング率（Ｅ）を公知の測定機器を使用して測定した値を適用してもよい。尚、ＪＩＳ Ｒ１６０２においてセラミックスの室温の測定法が規定され、ＪＩＳ Ｒ１６０５においてセラミックスの高温の測定法が規定される。

ヤング率は、セラミックス材料の温度によって変化するため、本実施形態においては、好ましくは使用温度（６００℃〜８００℃）においてクラッド３０ａ及びコア３０ｂのヤング率が相違することが好ましい。ヤング率の測定方法は、公知の測定法を用いることができ、例えばひずみゲージ法、静的試験法、横振動法、超音波法（パルスエコーオーバーラップ法）等を使用することができる。

クラッド３０ａ及びコア３０ｂの気孔率を変化させることにより、ヤング率を変化させる場合、上記材料に発泡材や原料となる封止体ペースト中の水分の含有量を調整することにより、達成することができる。上記発泡材としては使用時の加熱により分解されるものであれば特に限定されず、例えば、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、酢酸アミル、酢酸ブチル及びジアゾアミノベンゼン等発泡材として公知のものを挙げることができる。さらに熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂や、無機物や有機物等のバルーン等を使用してもよい。

上記熱可塑性樹脂としては特に限定されず、例えば、アクリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン等を挙げることができ、上記熱硬化性樹脂としては特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂等を挙げることができる。これらの樹脂の形状としては特に限定されず、例えば、球形、楕円球形、立方体状、不定形塊状、柱状及び板状等任意の形状を挙げることができる。また、上記樹脂が球形である場合、その平均粒径は３０〜３００μｍであることが望ましい。

上記バルーンとは、所謂、バブルや中空球を含む概念であり、上記有機物バルーンとしては特に限定されず、例えば、アクリルバルーン、ポリエステルバルーン等を挙げることができ、上記無機物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）及びムライトバルーン等を挙げることができる。これらバルーンの形状、及び、平均粒径等は、上述した樹脂と同様であることが望ましい。

ここで、上記発泡材や、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の樹脂や、有機物又は無機物バルーンが封止体３０に含まれていることで、封止体３０のヤング率（Ｅ）を調整することができるのは、以下の通りであると考えられる。即ち、上述した材料は、本実施形態のハニカムフィルタを製造した段階では、各封止部材中に略均一な状態で分散しているが、上記ハニカムフィルタを実際に使用して、高温に加熱されると、上記発泡材等の有機分は分解されて焼失し、封止部材中に気孔が形成される。このとき、封止部材に形成される気孔の気孔率や気孔径等を調整することで、ヤング率（Ｅ）の値を調整することができる。

セルの中心領域を占有するコア３０ｂのヤング率が、セルの周辺領域を占有するクラッド３０ａのヤング率よりも高いことが好ましい。かかる構成により、封止体３０とセル壁２７との界面における熱応力をより抑制することができる。また、封止体３０の中心軸線Ｘに対する垂直断面において、一つのコア３０ｂの面積（コアの面積比率という）は、対応するセル２８の開口面積の２０〜８０％のであることが好ましい。コア３０ｂの面積比率は３０〜７０％がより好ましく、４０〜６０％が特に好ましい。コア３０ｂの面積比率が、２０％未満では、コア３０ｂが小さく、製造が困難となる。また、低ヤング率のクラッド３０ａが封止体３０の大部分を占めるため、封止体３０の機械強度が低下するおそれがある。また、セル壁２７とクラッド３０ａとのヤング率差が大きい場合、収縮率差も大きくなり、製造時における乾燥工程でクラックが発生しやすくなる。一方、コア３０ｂの面積比率が、８０％を超えると、封止体３０とセル壁２７との界面における熱応力が上昇し、クラックが発生するおそれがある。図９参照。

クラッド３０ａ及びコア３０ｂのヤング率は、互いに相違すれば特に限定されるものではないが、クラッド３０ａとコア３０ｂのうち、高ヤング率のものは４０〜６０ＧＰａであることが好ましく、５０〜６０ＧＰａであることがより好ましい。クラッド３０ａとコア３０ｂのうち、低ヤング率のものは１０〜４０ＧＰａであることが好ましく、２０〜３５ＧＰａであることがより好ましい。封止部材のヤング率が１０ＧＰａ未満であると機械的強度が低下するおそれがある。一方、封止部材のヤング率が６０ＧＰａを超えると急な温度変化への耐性（耐熱衝撃性）が悪化するおそれがある。

セル２８の中心軸線Ｘに対する垂直断面において、コア３０ｂの形状は、特に限定されないが、略三角形、略四角形、略六角形、略八角形等の多角形、略円形等を採用することができる。それらの中で、封止体３０とセル壁２７との界面における熱応力をより抑制することができる略円形を採用することがより好ましい。

図２に示すように、ハニカム構造体２３の外周には、その全面に亘って塗布層４１が設けられている。この塗布層４１は、ケーシング１８内におけるハニカムフィルタ２１の位置ずれを抑制するために設けられる。塗布層４１は、無機粒子、無機バインダ、有機バインダ等を含有し、無機繊維を含有してもよい。

次に、本実施形態のハニカムフィルタ２１の製造方法について説明する。ここでは、まず、ハニカム部材２２と同一の形状をなすハニカム成形体の製造方法について説明する。ハニカム成形体は、主原料であるセラミック粉末（例えば、上述した炭化珪素粉末）を含有する原料ペーストを押出成形することにより得られる。原料ペーストには、その他、アルミニウム、ホウ素、鉄、炭素等の焼成助剤、有機バインダ（例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコール等）及び水等が含有されていてもよい。なお、前記「原料ペースト」とは、本明細書における「ハニカム構造体２３を形成する材料」を意味する。

次に、所定のセル２８の開口端部を封止体３０で塞ぐ。より詳細には、対応するセル２８のセル壁２７に隣接する周辺領域を占有するようにクラッド３０ａを配置し、セル２８の中心領域を占有するようにコア３０ｂを配置する。例えば、図６に示されるように、最終的にクラッド３０ａを構成する封止体ペーストＰ１をセル２８内に充填し（図６（ａ）参照）、その後、コア３０ｂを構成する柱状部材３０ｃを封止体ペーストＰ１中に押し込んで封止体３０を作製する（図６（ｂ）参照）。封止体ペーストＰ１をセル２８内に充填する方法は、封止パターン状に開口されたマスク部材を使用した押出し充填法等の公知の方法を適宜採用することができる。

または、図７に示されるように、最終的にクラッド３０ａを構成する封止体ペーストＰ１及び最終的にコア３０ｂを構成する封止体ペーストＰ２を二色押出し機（または二種押出し機）３１を用いた二色押出し法を適用することによりセル２８の開口端部に充填することができる。封止体ペーストＰ１及びＰ２としては、例えば、主原料であるセラミック粉末（例えば、上述した炭化珪素粉末）の他、アルミニウム、ホウ素、鉄、炭素等の焼成助剤、潤滑剤（例えば、ポリオキシエチレンモノブチルエーテル）、溶剤（例えば、ジエチレングリコールモノ−２−エチルヘキシルエーテル）、分散剤（例えば、燐酸エステル系化合物）、バインダ（例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコール等）等から構成されていてもよい。また、発泡材、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の樹脂や、無機物や有機物等のバルーン等を配合して封止体３０の気孔率を調整することができる。但し、クラッド３０ａとコア３０ｂのヤング率を相違させるために、封止体ペーストＰ１及びＰ２の組成又は気孔率は選択される。尚、柱状部材３０ｃとしては、封止体ペーストＰ２を所定形状に成型し、乾燥したものを使用することができる。

この封止体ペーストが所定箇所に充填されたフィルタ成形体を所定条件で乾燥し、脱脂し、焼成し、焼成体を得る。複数の焼成体を接合材２４で結束させて、接合した後、所定条件で乾燥し、断面円形状に切削加工し、その外周部に塗布層４１を形成することで、所望のハニカムフィルタ２１が得られる。

本実施形態のハニカムフィルタ２１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態のハニカムフィルタ２１は、封止体３０がセル壁２７近傍の周辺領域を占有するクラッド３０ａとセル２８の中心軸線Ｘ近傍の中心領域を占有するコア３０ｂとから構成され、クラッド３０ａとコア３０ｂとのヤング率は相違する。したがって、封止体３０とセル壁２７との界面における熱応力を抑制することができる。さらには、封止体３０とセル壁２７との界面付近におけるクラックの発生を抑制することができる。

特に、軽量化を図るためにセル壁２７が薄いハニカムフィルタ及びＰＭによる目詰まりを防止するためにセル壁２７の気孔率が高いハニカムフィルタにおいて、応力緩和作用により使用時（特にＰＭ再生時）のセル壁２７のクラックの発生を抑制することができる。

（２）本実施形態において、セルの中心領域を占有するコア３０ｂのヤング率は、セルの周辺領域を占有するクラッド３０ａのヤング率よりも高い。したがって、一層熱応力を抑制し、クラックの発生を抑制することができる。

（３）本実施形態において、封止体３０の中心軸線Ｘに対する垂直断面において、コア３０ｂの形状は、略円形を採用することがより好ましい。それにより、封止体３０とセル壁２７との界面における熱応力をより抑制することができる。

（４）本実施形態において、セル壁２７には酸化触媒が担持されていることが好ましい。この場合、セル壁２７の表面及び内部に捕集されたＰＭを酸化触媒の作用により容易に燃焼及び除去することができる。

（５）本実施形態において、ハニカム構造体２３は、ハニカム部材２２を接合材２４により複数個結束させて形成されている。このため、本実施形態のハニカム構造体２３においては、一つのハニカム部材２２から形成された別のハニカム構造体と比べ、例えば、ＰＭの燃焼により発生する熱衝撃が各部材間で低減されるようになる。従って、ハニカム構造体２３におけるクラックの発生を効果的に抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、各セル２８の開口端部は、いずれか一方の端面（上流側端面２９Ａ，下流側端面２９Ｂ）の側において、ヤング率が相違するクラッド３０ａとコア３０ｂからなる封止体３０により封止されている。しかしながら、ハニカムフィルタ２１の両端（上流側端面２９Ａ，下流側端面２９Ｂ）について、クラッド３０ａとコア３０ｂからなる封止体３０により構成されていなくてもよい。ハニカムフィルタ２１の両端のうち少なくとも一端側について、クラッド３０ａとコア３０ｂからなる封止体３０により構成すればよい。

・上記実施形態において、発明の効果を損なわない範囲において、一部の封止体について、従来の封止部材を適用してもよい。つまり、全ての封止体がヤング率が相違するクラッド３０ａとコア３０ｂから構成されていなくてもよい。

・上記実施形態において、ヤング率が相違するクラッド３０ａとコア３０ｂからなる封止体３０は、少なくとも、セル２８の下流側に設けられることが好ましい。通常、セル壁に捕集されて堆積したＰＭが、バーナやヒータ等の加熱手段、又は排気ガスの熱により、燃焼及び除去される際、熱は下流側に多く負荷される。かかる構成においては、熱の負荷が多く掛かる下流側のクラックの発生を抑制することができる。

・例えば、図８に示すようにセル２８の排ガスが流入する通気上流側の開口端部（上流側端面２９Ａ）が大きく、排ガスを排出する下流側の開口端部（下流側端面２９Ｂ）が小さいハニカムフィルタのように、セル２８の排ガス通気上流側の開口端部と下流側の開口端部の断面積が相違しているハニカムフィルタに適用してもよい。その場合、一般に面積が大きくなると熱膨張による伸縮が大きくなるため、少なくとも断面積の大きい側の開口端部（下流側端面２９Ｂ）に、ヤング率が相違するクラッド３０ａとコア３０ｂからなる封止体３０が適用されることが好ましい。この場合、断面積の小さい側の開口端部（上流側端面２９Ａ）には、コア−クラッド構造を持たない封止体を適用することができる。

・上記実施形態では、複数のハニカム部材２２を結束させて、外周部を切削加工して円柱状のハニカムフィルタを形成した。この手順に代えて、ハニカムフィルタの形状に応じた所定形状の複数のハニカム部材を予め形成し、それら複数のハニカム部材を組み立てることにより、円柱状のハニカムフィルタを形成してもよい。この場合、外周部の切削加工を省略することができる。

・上記実施形態では、複数のハニカム部材２２を結束させてハニカムフィルタ２１（分割型）を構成した。しかしながら、一つのハニカム部材からなるハニカムフィルタ（一体型）を構成してもよい。

・上記実施形態において、柱状部材３０ｃを一定の垂直断面形状を有する柱状とした。しかしながら、セル２８内への挿入を容易にするために先端はテーパ状や凸型であってもよい。

・コア３０ｂの中心軸線は、セル２８の中心軸線Ｘと一致する必要はなく、ずれていてもよい。
次に、実施例を説明する。ただし本発明は実施例に限定されない。

＜ハニカムフィルタの製造＞
平均粒径１０μｍのα型炭化珪素粉末７０００重量部と、平均粒径０．５μｍのα型炭化珪素粉末３０００重量部とを湿式混合し、得られた混合物１００００重量部に対して、有機バインダ（メチルセルロース）を５７０重量部、水を１７７０重量部加えて混練して混合組成物を得た。次に、上記混合組成物に可塑剤（日本油脂社製ユニルーブ）を３３０重量部、潤滑剤（グリセリン）を１５０重量部加えてさらに混練した後、押出成形を行い、図３に示した角柱形状の生成形体を作製した。尚、一つのセル２８は一辺が１．１６５ｍｍの略正方形であり、セル壁２７の厚みは、０．１２５ｍｍとした。

次に、マイクロ波乾燥機等を用いて上記生成形体を乾燥させ、セラミック乾燥体とした後、セル２８の周辺領域をクラッド３０ａで占有し、中心領域をコア３０ｂで占有して、セル２８の開口端部を塞いだ。クラッド３０ａ及びコア３０ｂの各々を形成するために、上記生成形体と同様の材料からなる封止体ペーストを作製した。気孔率を変えることができる材料をクラッド３０ａ用の封止体ペーストと、コア３０ｂ用の封止体ペーストとに添加して、クラッド３０ａとコア３０ｂの気孔率を調整することにより、表１に記載されるような所定のヤング率を有するようなクラッド３０ａとコア３０ｂを得た。セル２８内への封止体３０の充填方法としては、まず、予め封止体ペーストから、コア３０ｂとして機能する柱状部材３０ｃを作製した。図示した柱状部材３０ｃは正四角柱であるが、他の形状であってもよい。尚、各実施例の柱状部材３０ｃは、セル２８の垂直断面積（１．１６５ｍｍ×１．１６５ｍｍ＝１．３５７ｍｍ^２）を基準として、表１に示されるようにセルの２５〜７５％の面積比率となるように、柱状部材３０ｃの断面の一辺の長さを調整した。例えば、コア３０ｂの面積比率７５％の場合、柱状部材の一辺を１．００９ｍｍとした。コア３０ｂの面積比率５０％の場合、柱状部材の一辺を０．８２４ｍｍとして成形した。次に、クラッド３０ａ用の封止体ペーストＰ１をセル２８内に充填し、クラッド３０ａが乾燥する前に、柱状部材３０ｃをセル２８の中心領域を占有するように配設した。

次いで、再び乾燥機を用いて乾燥させた後、４００℃で脱脂し、常圧のアルゴン雰囲気下２２００℃、３時間で焼成を行うことにより、封止体３０が表１に示されるような気孔率及びヤング率を有する炭化珪素焼成体からなるハニカム部材２２を製造した。尚、焼成後のハニカム部材２２のセル壁の気孔率は４２％、ヤング率は５８．１ＧＰａであった。

接合材ペーストは、平均繊維長２０μｍのアルミナファイバ３０重量％、平均粒子径０．６μｍの炭化ケイ素粒子２１重量％、シリカゾル１５重量％、カルボキシメチルセルロース５．６重量％、水２８．４重量％を混合し、混練して調製した。接合材ペーストをハニカム焼成体の側面に塗布して、１６個（縦４個、横４個）のハニカム焼成体を結束して集合体を形成した。この集合体を１２０℃で乾燥して接合材ペーストを固化させてセラミックブロックを作成した。固化後の接合材ペースト（接合層）の厚みすなわち隣接するハニカム焼成体の間隔は１．０ｍｍであった。セラミックブロックの外周をダイアモンドカッターで研削してセラミックブロックを円柱形に整えた。接合材ペーストと同じ材料からなる塗布層ペーストを用いて、セラミックブロックの外周部に厚さ０．２ｍｍの塗布層を形成した。１２０℃で乾燥して、外周が塗布層で覆われた直径１４３．８ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円柱状のハニカムフィルタ２１を製造した。

＜再生試験＞
各例のハニカムフィルタ２１を排気ガス浄化装置１０に設置し、エンジンを回転速度３０００ｍｉｎ^−１、トルク５０Ｎｍで所定時間運転させて排気ガスの浄化試験を行い、ＰＭを捕集した。次に、エンジンを回転速度４０００ｍｉｎ^−１でフルロード状態とし、ハニカムフィルタ２１の温度が７００℃付近で一定になったところで、エンジンを回転速度１０５０ｍｉｎ^−１、トルク３０Ｎｍに変更してＰＭを強制的に燃焼させた。そのときの各例のハニカムフィルタ２１について、封止体３０とセル壁２７の界面付近においてクラックの発生と拡大を観察した。

＜最大応力の推定＞
上記のように作製した各例のハニカムフィルタ２１について、封止体３０とセル壁２７の界面における最大応力をシミュレーション（応力シミュレーション用ソフトウェア、ＡＮＳＹＳ（アンシス）：ＡＮＳＹＳ社製）によって推定した。その結果を表１及び図９に示す。

表１及び図９に示されるように、ヤング率が５８．１ＧＰａの柱状部材のみからなる封止体３０を使用した比較例１では、封止体３０とセル壁２７の界面における最大応力が７９．５ＭＰａとなり再生試験後においてクラックの発生と拡大が生じた。クラッド３０ａ用の封止体ペーストＰ１のみから製造した封止体３０を使用した比較例２では、気孔率が高いため封止体３０の強度が低下し、再生試験後においてクラックの発生と拡大が認められた。

セルの周辺領域と中心領域にそれぞれ対応付けられた、ヤング率（気孔率）の異なるクラッド３０ａとコア３０ｂとからなる二重構造の封止体３０で塞いだ実施例１〜４では、比較例１に比べ封止体３０とセル壁２７の界面における最大応力を低下させることができ、再生試験においてクラックの発生と拡大は認められなかった。

実施例２，４の比較から、コア３０ｂの面積比率が同じである場合、コア３０ｂのヤング率を高くすることにより応力を低減できることが確認される。実施例１〜３の比較から、ヤング率の低いクラッド３０ａの面積比率の上昇に伴い、最大応力が低減されることが確認される。

＜コアの形状の検討＞
上記柱状部材３０ｃの長手方向に対する垂直断面の形状を正四角形、正八角形、円形と変化させた場合における、最大応力をシミュレーション（応力シミュレーション用ソフトウェア、ＡＮＳＹＳ（アンシス）：ＡＮＳＹＳ社製）により推定した。尚、セル２８の垂直断面におけるクラッド３０ａとコア３０ｂの面積比率はいずれも５０％とした。その結果を表２に示す。

表２に示されるように、多角形の場合、角数が多い場合は最大応力が低下する傾向にあることが確認された。また、多角形よりも円形の方が最大応力が低い傾向にあることが確認された。以上、本実施例においては、気孔率の調整によってヤング率を変化させた例を示した。なお、データは示さないが、セラミックス材料を変化させることによってヤング率を同様に変化させた場合もほぼ同様の数値結果が得られると考えられる。

排気ガス浄化装置を示す概略図。 本発明の一実施形態のハニカムフィルタを示す断面図。 ハニカム部材を示す斜視図。 ケーシング内における、ハニカムフィルタを示す拡大断面図。 封止体の拡大断面図。（ａ）Ｂ−Ｂ断面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図。 柱状部材挿入方法を用いた封止体の作製方法を示す拡大断面図。（ａ）クラッドを形成するための封止ペーストＰ１を充填する工程、（ｂ）柱状部材を挿入する工程。 二色押出し法を用いた封止体の作製方法を示す拡大断面図。 別例のハニカムフィルタを示す拡大断面図。 実施例及び比較例におけるコアの面積比率と最大応力との関係を示すグラフ。

符号の説明

２１…ハニカムフィルタ、２２…ハニカム部材、２３…ハニカム構造体、２７…セル壁、２８…セル、２９Ａ…上流側端面、２９Ｂ…下流側端面、３０…封止体、３０ａ…第１の封止部材、３０ｂ…第２の封止部材、３０ｃ…柱状部材、Ｘ…中心軸線、Ｐ１，Ｐ２…封止体ペースト。

Claims (8)

1. セル壁によってハニカム形状に区画された複数のセルを有する柱状のハニカム構造体と、各セルの選択された一方の開口端部を封止する封止体とを備えるハニカムフィルタにおいて、
   前記封止体は、対応するセルの開口端部において、当該セルの周辺領域を占有するクラッドと、前記対応するセルの中心軸を含む中心領域を占有するコアとから構成され、該コアのヤング率と該クラッドのヤング率とが相違していることを特徴とするハニカムフィルタ。
2. 前記コアのヤング率は、前記クラッドのヤング率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載のハニカムフィルタ。
3. 前記コアは、前記セルの中心軸に対する垂直断面において２０〜８０％の面積比率であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のハニカムフィルタ。
4. 前記コアは、前記セルの中心軸に対する垂直断面において略円形であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のハニカムフィルタ。
5. 前記ハニカム構造体は、第１の開口断面積を有する第１の複数のセルと、前記第１の開口断面積とは異なる第２の開口断面積を有する第２の複数のセルとを有し、
   前記第１の複数のセルと前記第２の複数のセルの一方が、前記コアと前記クラッドを有する前記封止体によって塞がれており、前記第１の複数のセルと前記第２の複数のセルの他方が、前記コアと前記クラッドを有する前記封止体とは異なる封止体によって塞がれていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のハニカムフィルタ。
6. 前記第１の開口断面積は前記第２の開口断面積よりも大きく、前記封止体は、前記第１の複数のセルの開口端部に設けられることを特徴とする請求項５に記載のハニカムフィルタ。
7. 前記ハニカム構造体は、排ガスが流入する上流端部と、排ガスが流出する下流端部とを有し、
   前記封止体は、前記ハニカム構造体の前記下流端部において、前記複数のセルのうちから選択された複数のセルの開口端部に設けられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のハニカムフィルタ。
8. 前記封止体は、前記コアと前記クラッドの各々がセラミックからなる、２重構造のセラミック封止体である請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のハニカムフィルタ。

Images