JP5185616B2 - ハニカム構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、ハニカム構造体に関する。さらに詳しくは、自動車排ガスをはじめとした各種内燃機関排気ガスの浄化触媒用担体や脱臭用触媒担体、各種濾過機器用フィルタ、熱交換器ユニット、或いは燃料電池の改質触媒用担体等の化学反応機器用担体として好適に用いられるハニカム構造体に関する。
ガソリンエンジンから排出される排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を処理する触媒コンバータには、ハニカム構造体が触媒担体として搭載されている。ディーゼルエンジン或いはガソリンリーンバーンエンジンやガソリン直噴エンジンから排出される排気ガス中にはスート（カーボン黒煙）を主体とするパティキュレートマター（微粒子状物質）が多量に含まれており、このパティキュレートマターが大気中に放出されると環境汚染を引き起こすため、ディーゼルエンジンの排気ガス系には、パティキュレートマターを捕集するためのハニカムフィルタが搭載されている。このようなハニカムフィルタにもハニカム構造体が用いられている。
このような目的で使用されるハニカム構造体は、多孔質の隔壁により区画された軸方向に貫通する多数の流通孔（セル）を有する構造であり、排気ガスはセルを通過して、セルを区画する隔壁に担持された触媒成分によって処理される。一般には、大量かつ安価に提供される押出成形されたコージェライト質セラミックハニカム構造体或いは炭化珪素質セラミックハニカム構造体が使われている。或いは、薄い平板と波型板を交互にコルゲート状に巻いた構造の金属製ハニカム構造体が使われている（例えば、特許文献１又は２参照）。
フィルタにおいては、ハニカム構造体の一方の端面において所定のセルの端部を封止し、他方の端面において残余のセルの端部を封止した構造、又は、一方の端部のみを封止した構造が挙げられる。排気ガス等の流体は、このフィルタの入口側端面において封止されておらず、出口側端面において封止されたセルに流入し、多孔質の隔壁を通過して、入口側端面において封止され、出口側端面において封止されていないセルに移動して排出される。そして、この際に隔壁が濾過層となり、排気ガス中のスート等のパティキュレートマターが隔壁に捕捉されて隔壁上に堆積する。
従来、セルは長手方向（流体の流れ方向）に垂直に切断した断面においては、どの部分で切断した断面でも略同一の大きさであり、従って、隣り合うセルを区画する隔壁は略並行となっていた。また、ハニカム構造体の外径寸法も全長方向（流体の流れ方向）全体にわたって略同一とする構造が一般的に採用されていた。また、このような形状のハニカム構造体とは異なり、セルの断面の寸法をハニカム構造体の全長にわたって入口側端面から出口側端面へかけて順次変化させる構造も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平９-１５５１８９号公報 実開昭６１-１０９１７号公報 特開昭６１−４８１３号公報
しかしながら、上述したような、セルの流体の流れ方向に垂直な断面（以下、「セル断面」ということがある）の面積が、流れ方向の全域にわたって略同一であるハニカム構造体においては、ハニカム構造体の入口側の端面における流体の流入抵抗と出口側の端面における流出抵抗により圧力損失が高いという問題がある。最近の排気ガス規制強化に対応すべく、ハニカム構造体はその表面積を増大させるために高セル密度化の方向にあり、入口側及び出口側の端面における圧力損失は増加する方向にある。これは、セルの入口側の端面においては、排気ガス等の流体がセルに流入したときによどみ域が発生し、実質的に流体が通過可能なセル断面の面積が急激に縮小し、この部分において速度変化が起きて流体損失が生じるためである。セルの出口側の端面においても排気ガス等の流体が通過可能なセル断面の面積が急激に拡大し、速度変化が起きて流体損失が生じる。ディーゼルエンジン等から排出される排気ガスの浄化に用いられるディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）においても、ハニカム構造体の入口側の端面における排気ガスの流入抵抗と出口側の端面における流出抵抗とにより圧力損失が高いという問題がある。
また、ディーゼルパティキュレートフィルタでは、その使用に伴って、捕集されたパティキュレートマターが次第にフィルタ内に堆積し、入口側の端面側におけるセルの開口部を封止した部分にパティキュレートマターが付着し、そこを起点としてさらに別のパティキュレートマターが次第に堆積して、入口側の端面において開口しているセルの開口を閉塞させてしまうために、その圧力損失が急増してしまうという問題がある。図２９（ａ）及び図２９（ｂ）に示すように、セル６３の入口側の端面６４では排気ガスの流れによどみがあるため、パティキュレートマターがセルの入口側の端面６４付近に堆積し易いということも原因と考えられる。なお、符号６６は、セル６３の開口部を封止する目封止部材を示している。
また、図３０（ａ）及び図３０（ｂ）に示すように、セラミックを用いたハニカム構造体６１の外周面を、圧縮弾性を有する耐熱性の把持部材６８で覆い、この把持部材６８を介して圧縮面圧を付与しながら金属等の容器６７内に収納してコンバータ６０として用いる場合には、排気ガスの圧力やエンジンの振動によりハニカム構造体の位置ずれが生じないように、ハニカム構造体６１の端面の外周部に耐熱性クッション部材を介してリテナーリング６９を配設して、容器６７内に保持していた。通常、ハニカム構造体６１の端面の外周部における幅約５ｍｍ程度がリテナーリング６９によって保持されている。このため、外周部のセル６３ａの開口部はリテナーリング６９によって閉塞されて排気ガスが通過し難くなっており、ハニカム構造体６１全体としての実質的なセル断面の面積が減少して、圧力損失が上昇することとなっていた。また、フィルタにおいては、開口部が閉塞されたセル６３の濾過面積が減少することも加わり、さらに圧力損失が上昇することとなっていた。また、リテナーリング６９をハニカム構造体６１の出口側の端面のみに配設したとしても、出口側の端面においてセル６３ａの開口部が閉塞された場合には、排気ガス等の流体が通過し難くなり、圧力損失が上昇する。
さらに、このようなコンバータ６０として用いられた状態での実負荷時において、ハニカム構造体６１の外周部に円周状の亀裂が発生し易いという問題があった。円周状の亀裂の発生位置はハニカム構造体６１の軸方向の中間部分であったり、把持部材６８の端部付近であったりするが、ハニカム構造体６１の軸方向の長さが長いほど、軸方向の中間部分で円周状亀裂が多く発生し、また、セル６３の開口部が目封止されているハニカム構造体６１（ハニカムフィルタ）においては、把持部材６８の端部付近で円周状亀裂が多く発生する。
上述したようにリテナーリング６９でハニカム構造体６１の端面の外周部が閉塞されると、図３１に示すように、外周部のセル６３ａに排気ガスが流れ難くなり、ハニカム構造体６１の外周側の領域Ｙは比較的低温となり、リテナーリング６９によって閉塞されていないセル６３ｂから構成される内側の領域Ｘでは比較的高温となって温度差が発生する。このため、上述した内側の領域Ｘが加熱され軸方向に熱膨張しても外周部が低温なため内部に追従できずに、ハニカム構造体６１の外周面に軸方向の引張応力が発生し円周状亀裂が発生するものと考えられる。把持部材６８によって外周面に面圧が作用し自由な熱膨張が拘束されているので、把持部材６８による面圧が高いほど外周面の引張応力が増大する。ハニカム構造体６１の開口部を封止してフィルタとして用いた場合においても同様である。
また、図３２に示すように、ハニカム構造体６１のセル６３の開口部に目封止部材６６を配設してフィルタとして用いた場合には、この目封止部材６６のセル６３内方側における端面において、目封止部材６６と、目封止部材６６が配設されていない中空のセル６３との境界部分Ｚにおいて剛性が不連続となっている。このため、把持部材６８（図３１参照）等により外周面から面圧を受けた場合に、目封止部材６６のセル６３内方側における端面付近の外周面で応力集中が発生し、円周状亀裂が発生するものと考えられる。把持部材６８（図３１参照）の端部ではエッジストレス作用により、把持部材内側よりも高い面圧が作用することがあるので、目封止部材６６のセル６３内方側における端面付近の外周面で応力集中が増大する。
さらに、このハニカム構造体を排気ガスのフィルタとして用いた場合には、排気ガスの急激な温度変化による熱衝撃のために、排気ガスが流入する側の端面付近において亀裂が発生するという問題があった。特に、ハニカム構造体が、排気ガスが比較的高温状態であり、排気ガスの温度変化や流速変化が非常に厳しいエンジン近傍（ｃｌｏｓｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ）に搭載されている場合に亀裂が多く発生している。
また、図示は省略するが、従来のハニカム構造体においては、排気ガスの流れにのって排気管からの酸化鉄等の固形異物が飛来した場合に、ハニカム構造体の入口側の端面がエロージョンを起こし易いという問題がある。特に、ハニカム構造体がエンジン近傍（ｃｌｏｓｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ）に搭載されている場合にエロージョンを起こし易く、また、ハニカム構造体が薄壁構造、或いは、その材質が高気孔率や大細孔径の場合にもエロージョンを起こし易いということが確認されている。
また、特許文献２に示すような、セルの断面寸法をハニカム構造体の全長にわたって入口側端面から出口側端面へかけて順次変化させる構造のハニカム構造体においては、成形体を焼成して製造する際に割れ易いということ、また、図３０（ａ）及び図３０（ｂ）に示すような、把持部材６８を用いた従来のキャニング技術を利用することができないという問題がある。
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、従来のハニカム構造体と比較して圧力損失を低減することが可能であり、また、フィルタとして用いた場合に、入口側の端面において、パティキュレートマター（微粒子状物質）によるセルの開口部の閉塞によって起こる圧力損失の急増現象を回避すること、また、円周状亀裂を回避すること、さらに、ハニカム構造体の端面における熱衝撃やエロージョンを回避することが可能なハニカム構造体を提供する。
本発明は、以下のハニカム構造体を提供するものである。
［１］ 一方の端面から他方の端面まで貫通する流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を備えた筒状のハニカム構造体であって、それぞれの前記セルの前記流体の流れ方向に垂直な断面（セル断面）の面積が、前記セルの前記流れ方向における中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、前記セルの前記流れ方向における両方の端面側の端部における外径が、前記ハニカム構造体の中心部近傍の外径に比して−０．５％を超えて漸減し、それぞれの前記セルの前記セル断面の面積が、前記セルの流れ方向における両方の端面側で前記ハニカム構造体の軸方向の長さの２５％以内の長さの端部において漸減するように構成されたハニカム構造体（以下、「第一の発明」ということがある）。
［２］ 所定の前記セルの一方の前記端面側の開口部と、残余の前記セルの他方の前記端面側の開口部とを封止する封止部材をさらに備えた前記［１］に記載のハニカム構造体。
［３］ 複数の前記セルを区画形成する前記隔壁の外周部分を覆う外壁をさらに備えた前記［１］又は［２］に記載のハニカム構造体。
［４］ 全ての前記セルの前記セル断面の面積が、少なくとも一方の前記端面側において漸減するように構成された前記［１］〜［３］のいずれかに記載のハニカム構造体。
本発明のハニカム構造体は、圧力損失を低減することが可能であり、また、ハニカムフィルタとして用いた場合には、被処理流体が流入する側の端面においてパティキュレートマター（微粒子状物質）によるセルの開口部の閉塞によって起こる圧力損失の急増現象を回避することができる。また、円周状亀裂を回避すること、さらには、ハニカム構造体の端面における熱衝撃やエロージョンを回避することができる。
本発明（第一の発明）のハニカム構造体の一の実施の形態の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の一の実施の形態をキャニングした状態を示す一部断面図である。である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の一の実施の形態をキャニングした状態を示す一部断面図である。である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の一の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の一の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の一の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態をキャニングした状態を示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の一例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の一例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の一例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態をキャニングした状態を示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の一例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の他の例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の外壁を形成する工程を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の外壁を形成する工程を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態の一例の構成を模式的に示す一部断面図である。 本発明（第一の発明）のハニカム構造体の他の実施の形態をキャニングした状態を示す一部断面図である。 本発明（第二の発明）のハニカム構造体の製造方法の一の実施の形態を説明する一部断面図である。 本発明（第二の発明）のハニカム構造体の製造方法の一の実施の形態を説明する一部断面図である。 本発明（第二の発明）のハニカム構造体の製造方法の他の実施の形態を説明する一部断面図である。 本発明（第二の発明）のハニカム構造体の製造方法の他の実施の形態を説明する一部断面図である。 本発明（第二の発明）のハニカム構造体の製造方法の一の実施の形態を説明する一部断面図である。 本発明（第二の発明）のハニカム構造体の製造方法の一の実施の形態を説明する一部断面図である。 従来のハニカム構造体における流体の流れを説明する断面図である。 従来のハニカム構造体における流体の流れを説明する断面図である。 従来のハニカム構造体をキャニングした状態を示す一部断面図である。 従来のハニカム構造体をキャニングした状態を示す一部断面図である。 従来のハニカム構造体をキャニングした状態を示す一部断面図である。 従来のハニカム構造体の一部断面図である。
符号の説明
１：ハニカム構造体、２：隔壁、３：セル、４：端面（一方の端面）、５：端面（他方の端面）、６：目封止部材１７：容器、８：把持部材、９：外壁、１１：ハニカム構造体、１２：隔壁、１３：セル、１４：端面（一方の端面）、１５：端面（他方の端面）、１６：目封止部材、１８：把持部材、２１：ハニカム構造体、３１：ハニカム構造体、３２：ハニカム構造前駆体、３３：砥石、３４：コート材、４１：ハニカム構造体、４２：隔壁、４３：セル、４４：端面（一方の端面）、４５：端面（他方の端面）、４７：焼成用トチ、５１：ハニカム構造体、５２：隔壁、５３：セル、５４：端面（一方の端面）、５５：端面（他方の端面）、５６：目封止部材、５７：焼成用トチ、６０：コンバータ、６１：ハニカム構造体、６３：セル、６４：端面、６７：容器、６８：把持部材、６９：リテナーリング。
以下、図面を参照して、本発明（第一〜第三の発明）のハニカム構造体、及びその製造方法の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
図１は、第一の発明のハニカム構造体の一の実施の形態の構成を模式的に示す一部断面図である。図１に示すように、本実施の形態のハニカム構造体１は、一方の端面４から他方の端面５まで貫通する流体の流路となる複数のセル３を区画形成する隔壁２を備えた筒状のハニカム構造体１であって、それぞれのセル３の流体の流れ方向Ａに垂直な断面（セル断面）の面積が、セル３の流れ方向Ａにおける中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、セル３の流れ方向Ａにおける少なくとも一方の端面４側の端部において漸増するように構成されたハニカム構造体１である。なお、図１に示す本実施の形態のハニカム構造体１は、セル３の流れ方向Ａにおける両方の端面４，５側の端部において、セル断面の面積が漸増するように構成されており、これに伴ってハニカム構造体１の外周部分の形状もセル３の流れ方向Ａにおける両方の端面４，５側の端部において漸増するように構成されている。このため、本実施の形態のハニカム構造体１は、その中心部近傍と両方の端面４，５側の端部とにおいてはセル密度が異なっている。
このように本実施の形態のハニカム構造体１は、セル３の流れ方向Ａにおける両方の端面４，５側の端部においてセル断面の面積が漸増していることから、排気ガス等の流体の流入損失及び流出損失を軽減し、ハニカム構造体１の圧力損失を低減することができる。なお、図１に示すハニカム構造体１においては、上部半分が断面を示し、下部半分が外観を示している。
また、本実施の形態のハニカム構造体１は、図２に示すように、従来からのキャニング技術により、金属等の容器７内にキャニングを行うことが可能である。従来のハニカム構造体においては、セル断面の面積が一方の端面から他方の端面まで概ね同一であり、隣接するセルを区画形成する隔壁は略並行となっているため、ハニカム構造体の外周面を把持部材で把持して容器内に収納していた。本実施の形態のハニカム構造体１は、セルの流れ方向Ａにおける中心部近傍の所定範囲においてはセル３を区画形成する隔壁２は略並行であるが、端面４，５側の端部においては所定の角度をもって広がるように構成されている。
従来のハニカム構造体においては、例えば、特開２００４−３２１８４８号公報、特開２００３-１６６４１０号公報、ＵＳ２００３／００４１５７５Ａ１等において、ハニカム構造体の一方の端面部において、セル断面の面積が拡大したセルと縮小したセルとが混在した構成のものが開示されているが、本実施の形態のハニカム構造体１は、少なくとも一方の端面４側の端部において、すべてのセル断面の面積が漸増するように構成されたハニカム構造体１である。
図２に示すように、ハニカム構造体１をキャニングする際には、ハニカム構造体１の中心部近傍の外径が略平行な部分を、把持部材８で把持する。このように構成することによって、中心部近傍よりも外径が大きくなった端面４，５側がストッパーの役割を果たし、ハニカム構造体１に流入する流体（例えば、排気ガス）の差圧による位置ずれを抑制することができる。また、中心部近傍においてはハニカム構造体１の外径が略平行であるため、把持部材８で均一にキャニング面圧を付与することが可能となり、従来のキャニング技術によりハニカム構造体１のキャニングを良好に行うことができる。
特に、本実施の形態のハニカム構造体１においては、従来のリテナーリング６９（図３０参照）を用いることなく、把持部材８のみでハニカム構造体１の位置ずれを防止することができることから、ハニカム構造体１全体のセル３にわたって排気ガス等の流体を通過させることができる。このため、ハニカム構造体１の外周の領域と内側の領域とにおける温度差を小さくし、円周状亀裂等の破損を有効に防止することができる。
また、ハニカム構造体１をキャニングする場合には、図３に示すように、ハニカム構造体１の端面付近での外周面を把持する別の把持部材９を配設することにより、ハニカム構造体１の軸方向における把持力を補助することができる。
本実施の形態のハニカム構造体１においては、図４に示すように、所定のセル３ａの一方の端面４側の端部と、残余のセル３ｂの他方の端面５側の端部とに目封止部材６を配設したものであってもよい。このようなハニカム構造体１は、把持部材８（図２参照）等で把持してキャニングする際に、セル３に配設した目封止部材６の奥側端面付近の外周面に面圧が付与され難く、外周面における応力集中を有効に緩和して、円周状亀裂等の破損を有効に防止することができる。
なお、図１に示す本実施の形態のハニカム構造体１においては、セル３の流れ方向Ａにおける両方の端面４，５側の端部においてセル断面の面積が漸増しているが、図５及び図６に示すように、セル３の流れ方向Ａにおける一方の端面４，５側の端部においてセル断面の面積が漸増した構成としてもよい。図５は、流体の入口側の端面４側の端部においてセル断面の面積が漸増したハニカム構造体１を示し、図６は、流体の出口側の端面５側の端部においてセル断面の面積が漸増したハニカム構造体１を示している。また、図５及び図６に示すハニカム構造体１においては、図４に示すように、所定のセル３ａの一方の端面４側の端部と、残余のセル３ｂの他方の端面５側の端部とに目封止部材６を配設したものであってもよい。
また、セル断面の面積が漸増し始める部位については特に制限はなく、また、セル断面の面積の変化のパターンについても特に制限はない。例えば、図示は省略するが、端面付近で直線的に漸増してもよいし、任意の曲率をもって漸増してもよい。また、セル断面の面積が略同一となる中心部近傍の周辺においては、若干のセル断面の面積の変化を伴い、中心部近傍においては非常に緩やかな曲率を伴う場合があるが、ハニカム構造体の許容寸法内での小さい寸法変化であり、実質的に略同一とみなすことができる。例えば、特に限定されることはないが、キャニング上、ハニカム構造体の許容寸法としては、ハニカム構造体の平均外径ではおよそ±０．５％とすることができる。本実施の形態のハニカム構造体１においては、少なくとも一方の端面４，５のセル断面の面積が漸増することにより、ハニカム構造体１の少なくとも一方の端面４、５の外径が許容寸法以上に拡大している。また、ハニカム構造体１の中心部近傍においては、許容寸法内の小さい寸法変化に留まっている。つまり、ハニカム構造体１の外径が９０ｍｍで、許容寸法公差を±０．５％とした場合には、ハニカム構造体１の中心部近傍の外径は８９．５５〜９０．４５ｍｍの間で変化するものとし、少なくとも一方の端面４，５における外径はこの範囲を超えて漸増している。
なお、図１に示すような本実施の形態のハニカム構造体１において、両方の端面４，５側の端部のセル断面の面積が極端に漸増するように構成し、日本古楽器のつつみに似た形状にすることも可能だが、あまりにも極端に漸増するようにした場合には、焼成時に割れ易いことや、セル断面の面積が略同一となる中心部近傍が確保できなくなることがあるため、破損等が生じない程度にセル断面の面積が漸増する構成にすることが好ましい。
次に、第一の発明のハニカム構造体の他の実施の形態について説明する。図７は、本発明のハニカム構造体の他の実施の形態の構成を模式的に示す一部断面図である。図７に示すように、本実施の形態のハニカム構造体１１は、一方の端面１４から他方の端面１５まで貫通する流体の流路となる複数のセル１３を区画形成する隔壁１２を備えた筒状のハニカム構造体１１であって、それぞれのセル１３の流体の流れ方向Ａに垂直な断面（セル断面）の面積が、セル１３の流れ方向Ａにおける中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、セル１３の流れ方向Ａにおける少なくとも一方の端面１４側の端部において漸減するように構成されたハニカム構造体１１である。なお、図７に示す本実施の形態のハニカム構造体１１は、セル１３の流れ方向Ａにおける両方の端面１４，１５側の端部において、セル断面の面積が漸減するように構成されており、これに伴ってハニカム構造体１１の外周部分の形状もセル１３の流れ方向Ａにおける両方の端面１４，１５側の端部において漸増するように構成されている。このため、本実施の形態のハニカム構造体１は、その中心部近傍と両方の端面１４，１５側の端部とにおいてはセル密度が異なっている。なお、図７に示すハニカム構造体１１においては、上部半分が断面を示し、下部半分が外観を示している。
本実施の形態のハニカム構造体１１においては、図８に示すように、ハニカム構造体１１を金属等の容器７内にキャニングを行う際には、従来から使用されていたリテナーリング６９（図３０参照）を用いることなく、ハニカム構造体１１の端面１４，１５側の端部の外周面がテーパ状に小さくなっている部位に、このテーパ状の外周面に対応した形状の把持部材１８を配設することによって、容器７内にハニカム構造体１１を固定することができる。このように構成することによって、従来のリテナーリング６９（図３０参照）を用いずに把持部材１８のみでハニカム構造体１１の位置ずれを防止することができ、ハニカム構造体１１全体のセル１３にわたって排気ガス等の流体を通過させることができる。このため、ハニカム構造体１１の外周の領域と内側の領域とにおける温度差を小さくし、円周状亀裂等の破損を有効に防止することができる。また、このようにキャニングを行う場合には、端面１４，１５の一部に把持部材１８が掛かるようにしてハニカム構造体１１の軸方向の把持力を補助してもよい。
従来のハニカム構造体においては、例えば、特開２００４−３２１８４８号公報、特開２００３-１６６４１０号公報、ＵＳ２００３／００４１５７５Ａ１等において、ハニカム構造体の一方の端面部において、セル断面の面積が拡大したセルと縮小したセルとが混在した構成のものが開示されているが、本実施の形態のハニカム構造体１１は、少なくとも一方の端面１４側の端部において、すべてのセル断面の面積が漸減するように構成されたハニカム構造体１１である。
また、ハニカム構造体１１の中心部近傍においては、ハニカム構造体１１の外径が略同一の大きさであるため、この部分に他の把持部材１９を配設することで均一にキャニング面圧を付与することが可能となり、従来のキャニング技術によりハニカム構造体のキャニングを良好に行うことができる。
また、本実施の形態のハニカム構造体１１においては、図９に示すように、所定のセル１３ａの一方の端面１４側の端部と、残余のセル１３ｂの他方の端面１５側の端部とに目封止部材１６を配設したものであってもよい。このようなハニカム構造体１１は、把持部材１８（図８参照）等で把持してキャニングする際に、目封止部材１６の、セル１３の流れ方向Ａにおける中心部側の端面付近の外周面に面圧が付与され難く、外周面における応力集中を有効に緩和して、円周状亀裂等の破損を有効に防止することができる。
なお、図７に示す本実施の形態のハニカム構造体１１においては、セル１３の流れ方向Ａにおける両方の端面１４，１５側の端部においてセル断面の面積が漸減しているが、図１０及び図１１に示すように、セル１３の流れ方向Ａにおける一方の端面１４，１５側の端部においてセル断面の面積が漸減した構成としてもよい。図１０は、流体の入口側の端面１４側の端部においてセル断面の面積が漸減したハニカム構造体１１を示し、図１１は、流体の出口側の端面１５側の端部においてセル断面の面積が漸減したハニカム構造体１１を示している。また、図１０及び図１１に示すハニカム構造体１１においては、図９に示すように、所定のセル１３ａの一方の端面１４側の端部と、残余のセル１３ｂの他方の端面１５側の端部とに目封止部材１６を配設したものであってもよい。
例えば、ハニカム構造体１１をフィルタとして用いた場合、隔壁１２に堆積したパティキュレートマターを再生する際には、出口側の端面１５側の端部により大きな応力が発生するので、図１０に示すハニカム構造体１１のように、出口側の端面１５側の端部におけるセル断面の面積を漸減し、この部分の機械的強度を高めてもよい。
また、図１１に示すようなハニカム構造体１１においては、入口側の端面１４側の端部でのエッジストレスを低減することができる。通常、入口側の端面１４側の端部は排気ガス等の流体の温度変化を直接に受けるので、熱衝撃が厳しくなり、把持部材１８の端部でのエッジストレスに熱応力が重複して円周状亀裂等の破損が発生し易くなるが、入口側の端面１４側の端部におけるセル断面の面積を漸減することにより、円周状亀裂等の破損の回避に効果があり、特にエンジン近傍（ｃｌｏｓｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ）において有効である。
また、セル断面の面積が漸減し始める部位については特に制限はなく、また、セル断面の面積の変化のパターンについても特に制限はない。例えば、図示は省略するが、端面付近で直線的に漸減してもよいし、任意の曲率をもって漸減してもよい。また、セル断面の面積が略同一となる中心部近傍の周辺においては、若干のセル断面の面積の変化を伴い、中心部近傍においては非常に緩やかな曲率を伴う場合があるが、ハニカム構造体の許容寸法内での小さい寸法変化であり、実質的に略同一とみなすことができる。例えば、特に限定されることはないが、キャニング上、ハニカム構造体の許容寸法としては、ハニカム構造体の平均外径ではおよそ±０．５％とすることができる。本実施の形態のハニカム構造体１１においては、少なくとも一方の端面１４，１５のセル断面の面積が漸増することにより、ハニカム構造体１の少なくとも一方の端面１４、１５の外径が許容寸法以上に縮小している。また、ハニカム構造体１１の中心部近傍においては、許容寸法内の小さい寸法変化に留まっている。つまり、ハニカム構造体１の外径が９０ｍｍで、許容寸法公差を±０．５％とした場合には、ハニカム構造体１の中心部近傍の外径は８９．５５〜９０．４５ｍｍの間で変化するものとし、少なくとも一方の端面１４，１５における外径はこの範囲を超えて漸増している。また、セル断面の面積が略同一となる中心部近傍の長さについても特に制限はなく、実質的に従来のキャニング技術で十分な面圧を付与できるのに必要な長さを有していればよい。
なお、図７に示すような本実施の形態のハニカム構造体１１において、両方の端面１４，１５側の端部のセル断面の面積が極端に漸減するように構成し、日本古楽器の太鼓に似た形状にすることも可能だが、あまりにも極端に漸減するようにした場合には、焼成時に割れ易いことや、セル断面の面積が略同一となる中心部近傍が確保できなくなることがあるため、破損等が生じない程度にセル断面の面積が漸増する構成にすることが好ましい。
次に、第一の発明のハニカム構造体のさらに他の実施の形態について説明する。図１２及び図１３は、それぞれ本発明のハニカム構造体のさらに他の実施の形態の構成を模式的に示す一部断面図である。本実施の形態のハニカム構造体２１は、図１２及び図１３に示すように、一方の端面２４から他方の端面２５まで貫通する流体の流路となる複数のセル２３を区画形成する隔壁２２を備えた筒状のハニカム構造体２１であって、それぞれのセル２３の流体の流れ方向Ａに垂直な断面（セル断面）の面積が、セル２３の流れ方向Ａにおける中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、セル２３の流れ方向Ａにおける一方の端面側の端部（図１２においては、入口側の端面２４の端部、図１３においては、出口側の端面２５の端部）において漸増し、他方の端面側の端部（図１２においては、出口側の端面２５の端部、図１３においては、入口側の端面２４の端部）において漸減するように構成されたハニカム構造体２１である。図１２及び図１３に示す本実施の形態のハニカム構造体２１は、セル２３のセル断面の面積の変化に伴って、ハニカム構造体２１の外周部分の形状も変化している。なお、図１２及び図１３に示すハニカム構造体２１においては、上部半分が断面を示し、下部半分が外観を示している。
このように構成することによって、図１や図７に示すハニカム構造体と同様の効果を得ることができる。なお、セル２３のセル断面の変化の形状等については、これまでに説明した図１〜図１１に示すハニカム構造体と同様に構成されていることが好ましい。
次に、第一の発明のハニカム構造体のさらに他の実施の形態について説明する。本実施の形態のハニカム構造体は、これまでに説明した実施の形態のハニカム構造体において、ハニカム構造体の外壁を含めた外周部分を加工除去して、その部位に別材料を塗布して乾燥或いは焼成することにより外壁を形成した外周コートタイプのハニカム構造体である。
例えば、図１、図５及び図６に示すハニカム構造体１の外周部分を円筒形状に加工してから外壁材を塗布して形成された、図１４〜図１６に示すような、複数のセル３を区画形成する隔壁２の外周部分を覆う外壁９をさらに備えたハニカム構造体３１を挙げることができる。このようなハニカム構造体３１のセル３の形状については、図１、図５及び図６に示すハニカム構造体１のセル３と同様であるため、外周コートタイプの特性を生かしつつ、セル断面の面積の漸増による上述した効果を得ることができる。なお、図１４〜図１６に示すハニカム構造体３１においては、図１、図５及び図６に示すハニカム構造体１と同様の各要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
また、図７、図１０及び図１１に示すハニカム構造体１１の外周部分を円筒形状に加工してから外壁材を塗布して形成された、図１７〜図１９に示すような、複数のセル１３を区画形成する隔壁１２の外周部分を覆う外壁９をさらに備えたハニカム構造体３１であってもよい。このようなハニカム構造体３１は、図２０に示すように、従来から使用されている形状のリテナーリング６９を使用して金属等の容器７内にキャニングを行ったとしても、流体の流路となるセル１３を有効に活用することが可能となり、流れ方向Ａにおける中心部近傍においてデッドスペースを減少させることができる。このため、ハニカム構造体３１の外周の領域とその内側とにおける温度差を軽減することができ、円周状亀裂等の破損を有効に防止することができる。なお、図１７〜図１９に示すハニカム構造体３１においては、図７、図１０及び図１１に示すハニカム構造体１１と同様の各要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
また、図１２及び図１３に示すハニカム構造体２１の外周部分を円筒形状に加工してから外壁材を塗布して形成された、図２１及び図２２に示すような、複数のセル２３を区画形成する隔壁２２の外周部分を覆う外壁９をさらに備えたハニカム構造体３１であってもよい。セル２３の形状については、図１２及び図１３に示すハニカム構造体２１のセル２３と同様であるため、外周コートタイプの特性を生かしつつ、セル断面の面積の漸増又は漸減による上述した効果を得ることができる。なお、図２１及び図２２に示すハニカム構造体３１においては、図１２及び図１３に示すハニカム構造体２１と同様の各要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図１４〜図２２に示すようなハニカム構造体３１は、例えば、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）に示すように、ハニカム構造前駆体３２（具体的には、例えば、図１〜図２３において説明したハニカム構造体や、このようなハニカム構造体を焼成する前の成形体）の外壁を含めた外周部分を加工除去して、その部位に、外壁用のコート材３４等の別材料を塗布して乾燥或いは焼成して外壁９を形成することによって得ることができる。なお、図２３（ａ）の外周部分の加工は砥石３３等を用いて行うことができる。
また、図２４に示すように、本実施の形態のハニカム構造体３１においては、外周部分をセル１３の形状に沿って加工して、その加工面に一様に外壁材を塗布することによって形成された外壁９をさらに備えたハニカム構造体３１であってもよい。このようなハニカム構造体３１は、外周部分の形状に関しては、図１〜図１３に示したハニカム構造体と同様であるため、外周コートタイプの特性を生かしつつ、図２５に示すように、金属等の容器７内にキャニングを行う際に、均一にキャニング面圧を付与することが可能となるとともに、ハニカム構造体３１の外周の領域と内側の領域とにおける温度差を小さくし、円周状亀裂等の破損を有効に防止することができる。なお、図２４に示すハニカム構造体３１においては、図７に示すハニカム構造体１１のセル１３の形状に沿って加工して、その加工面に一様に外壁材を塗布したものであるが、元になるハニカム構造体については、これまでに説明した実施の形態のハニカム構造体であればよい。また、図２４に示すハニカム構造体３１においては、図７に示すハニカム構造体１１と同様の各要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
なお、図示は省略するが、ハニカム構造体のセル断面の形状については、四角に限定されることはなく、例えば、三角、六角、八角等の多角形や、丸形であってもよく、また、これらの形状の組み合わせであってもよい。また、隔壁の厚さはすべての隔壁について略同一とする構造が一般的であるが、厚さの異なる隔壁が混在していてもよい。例えば、外周部の強度を高めるために、外周部における隔壁の厚さを厚くしてもよい。また、本実施の形態のハニカム構造体においては、既に公知となっている様々な補強手段を用いることができる。また、ハニカム構造体の外周部のセルを全て目封止して、角部の欠け防止を行ってもよい。この場合には、両方の端面ともに目封止を行ってもよいし、どちらかの片方の端面のみに目封止を行ってもよい。
なお、セルの開口部の面積は、全てのセルで同一とする必要はなく、開口部の面積の異なるセルが混在するようにしてもよい。例えば、相対的に開口部の面積の大きいセルと、相対的に開口部の面積の小さいセルとが区画形成されたハニカム構造体であってもよい。また、少なくとも目封止部材が配設されていないセルの内部に充填物を設けたり、隔壁の表面に突起状物質を形成したり、隔壁の表面粗さを粗くしたり、隔壁自体を曲げたりすることでも、セルの通気抵抗を調整することが可能である。さらに、この手段により、微粒子状物質の捕捉性能を向上させることもできる。
セルの入口側の端面においては、排気ガス等の流体中に含まれる酸化鉄や溶接スパッタ片等の固形異物或いは排気ガス自体によるエロージョン現象が発生することがあるので、セルの入口側の端面を強化することが好ましい。強化手段としては、公知である各種の従来技術が適用できる。セルの入口側の端面に相当する領域を区画する隔壁と目封止部材とをともに強化することが好ましい。
また、ハニカム構造体の断面形状についても特に制限はなく、円形の他、楕円形、長円形、オーバル形、略三角形、略四角形等の多角形などあらゆる形状をとることができる。これら形状を単独で用いても組み合わせで用いてもよい。また、目封止部材を配設する場合には、通常、複数のセルの開口部に千鳥状に配設しているが、特に限定されることはなく、例えば、列状でもよいし、或いは、同心円状や放射状でもよく、セルの区画形成された状態によって様々なパターンを選択することができる。
また、フィルタとして用いる際には、セル構造を薄壁高セル密度とすることでパティキュレートマターの圧損性能と捕捉性能を向上させることができる。従来は、例えば、隔壁の厚さ２５ｍｉｌ（０．６４ｍｍ）、セル密度１００セル／平方インチ（正方形セルの場合セルピッチ２．５４ｍｍ）のセル構造や、隔壁の厚さ１７ｍｉｌ（０．４３ｍｍ）、セル密度１００セル／平方インチ（正方形セルの場合セルピッチ２．５４ｍｍ）のセル構造、隔壁の厚さ１２ｍｉｌ（０．３０ｍｍ）、セル密度３００セル／平方インチ（正方形セルの場合セルピッチ１．４７ｍｍ）のセル構造のように、隔壁の厚さ１０〜３０ｍｉｌ、セル密度５０〜３５０セル／平方インチのセル構造が利用されていた。セル構造を薄壁高セル密度とすること、即ち、隔壁の厚さ１０ｍｉｌ以下、好ましくは８ｍｉｌ以下、セル密度３５０セル／平方インチ（以上、好ましくは４００セル／平方インチ以上とすることで排気ガスが接触する隔壁表面積が増加するので、排気ガスの濾過流速も低下し、パティキュレートマターの捕捉性能を向上させることができる。さらに、両方の端面を目封止している場合には６００セル／平方インチ以下とすることで過度な圧力損失の上昇を抑制できる。また、従来は、ハニカム構造体の気孔率が４５〜７０％で、平均細孔径は１５〜４０μｍであった。従来の気孔率範囲４５〜７０％で平均細孔径１５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下と小細孔径化とすることで隔壁表面での凹凸が全体的に増加するのでパティキュレートマターの捕捉性能を向上させることができる。更に、高気孔率化し同時に小細孔径化すること、即ち、気孔率７０％以上、好ましくは７５％以上、平均細孔径１５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下とする高気孔率かつ小細孔径化とすることでより一層、隔壁表面での凹凸が全体的に増加するのでパティキュレートマターの捕捉性能を向上させることができる。また、高気孔率化し小細孔径化することは、排気ガスが通過できる有効な細孔が増加するので、排気ガスの濾過流速の低下することと微粒子状物質が細孔内壁面と接触する機会が増加することでパティキュレートマターの捕捉性能を向上させることができる。また、細孔分布はできる限りシャープにすることが好ましい。小細孔径化と分布のシャープ化によって、微粒子状物質、特にナノパーティクルの捕捉性能が向上する。これは隔壁内部での捕捉だけでなく隔壁表面での捕捉にも効果があるので目封止されていないセルにおいても捕捉性能が向上する。隔壁表面に細孔による細かい均一な凹凸が形成されるからである。また、小細孔径化と分布のシャープ化によって強度も向上するので好ましい。分布のシャープ程度については様々な表現で定量化できるので、特に限定されるものではない。例えば、細孔径と細孔容積の微分曲線における分布の標準偏差、あるいは積分曲線における５０％平均細孔径と１０％、９０％平均細孔径との比率により定量化できる。
また、セルの一方の端面側の端部を目封止部材によって閉塞したハニカム構造体において、目封止部材が配設されたセルと、目封止部材が配設されていないセルが混在しており、この目封止部材がハニカム構造体の一方の端面側のみ配置されているセラミックハニカム構造のフィルタにも適用することができる。通常は、目封止部材は千鳥状に配設されているが、目封じのパターンはこれに限らない。例えば、目封止部材を配設するセルを複数集合させて、一方で目封じされていないセルも複数集合させる構成でもよいし、列状に集合させて目封止部材を配設した構成としてもよい。或いは、同心円状や放射状でもよく、セルの区画形成された形状によって様々なパターンが可能である。
なお、このようなハニカム構造体においては、セルの開口部の面積は、全てのセルで同一とする必要はなく、開口部の面積の異なるセルが混在するようにしてもよい。例えば、相対的に開口部の面積の大きいセルと、相対的に開口部の面積の小さいセルとが区画形成されたハニカム構造体であってもよい。全てのセルの開口部の面積が同一の場合では、相対的に通気抵抗が小さい目封止部材が配設されていないセルの方へ、排気ガス等の流体が流れ込み易くなってしまうために、目封止部材を配設したセルに流入する排気ガスの量が減少するので、フィルタの捕集効率が大幅に低下してしまうことがある。このために、相対的に開口部の面積の大きいセルの出口側の端面に目封止部材を配設し、相対的に開口部の面積の小さいセルには目封止部材を配設しないようにすることで、フィルタの捕集効率の低下を抑制することができる。
ハニカム構造体の成形方法としては、例えば、押出し成形法、射出成形法、プレス成形法、セラミック原料を円柱状に成形後貫通孔を形成する方法等を挙げることができるが、連続成形が容易であるとともに、コージェライト結晶を配向させて低熱膨張性にできる点で押出し成形法が好ましい。また、押出成形は横（水平）方向、縦（垂直）方向、斜め方向のいずれの方向でもよい。押出成形は、例えば、ラム式押出し成形機、２軸スクリュー式連続押出成形装置等を用いて行うことができる。押出成形するときには、所望のセル形状、隔壁厚さ、セル密度を有する口金を使用して、所望のハニカム構造を有するハニカム成形体を作製することができる。
ハニカム構造体の材質については、強度、耐熱性等の観点から、コージェライト、アルミナ、ムライト、スピネル、リチウム・アルミニウム・シリケート、チタン酸アルミニウム、チタニア、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、ＬＡＳ（リチウムアルミニウムシリケート）のセラミック材料のうちの１種若しくはそれらの複合物、又は、ステンレス鋼、アルミニウム合金、或いは、活性炭、シリカゲル、ゼオライトの吸着材料のうちの１種を材料とすることが好ましい。また、セルの端部を封止する封止部材の材質は、前述のハニカム構造体の材質と同様に選択することができ、必ずしもハニカム構造体と同一にする必要はないが、ハニカム構造体の材質と同一にすると、両者の熱膨張率が一致するため好ましい。目封止部材の原料は、セラミック原料、造孔材、界面活性剤及び水等を混合してスラリー状にし、その後ミキサー等を使用して混練することにより得ることができる。
また、これまでの実施の形態においては、セルを区画形成する隔壁と外壁とが一体で成形された一体成形のハニカム構造体や、隔壁の外周部分に別途外壁形成されたハニカム構造体についての説明を行ってきたが、例えば、セグメント構造を有するハニカム構造体においても適用することができる。
次に、第二の発明のハニカム構造体の製造方法の一の実施の形態について説明する。本実施の形態のハニカム構造体の製造方法は、成形材料を含む坏土をハニカム状に成形して、図２６（ａ）及び図２６（ｂ）に示すように、一方の端面４４から他方の端面４５まで貫通する流体の流路となる複数のセル４３が区画形成された筒状のハニカム成形体４２を得、得られたハニカム成形体４２を焼成してハニカム構成体４１を得るハニカム構造体の製造方法であって、図２６（ａ）に示すように、得られたハニカム成形体４２の少なくとも一方の端面４４に、ハニカム成形体４２と焼成時における収縮率（焼成収縮率）が異なる材料から構成された焼成用トチ４７を配設し、焼成用トチ４７を配設した状態でハニカム成形体４２を焼成することにより、図２６（ｂ）に示すように、それぞれのセル４３の焼成用トチ４７を配設した側の端面４４側の端部のおける流体の流れ方向に垂直な断面（セル断面）の面積を漸減又は漸増するように変形させて、それぞれのセル４３のセル断面の面積が、セル４３の流れ方向における中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、セル４３の流れ方向における少なくとも一方の端面４４側の端部において漸減又は漸増するように構成されたハニカム構造体４１を得るハニカム構造体の製造方法である。
このように、本実施の形態のハニカム構造体の製造方法においては、ハニカム成形体４２と焼成用トチ４７との焼成収縮率の差による接触摩擦を利用して、ハニカム成形体４２のセル４３のセル断面の面積を所望の形状に変形（漸減又は漸増）させてハニカム構造体４１を得る製造方法である。
従来のハニカム構造体の製造方法において、焼成用トチを用いて焼成を行う場合には、焼成時にハニカム成形体と焼成用トチとが反応して両者が密着してしまうのを防止するため、例えば、アルミナ質、ムライト質、又は炭化珪素質で既に焼成されているセラミック板、或いは、製品と同材質で既に焼成されている不良となったハニカム構造体を薄く円盤状に切断したものが用いられていた。また、ハニカム成形体と同一ロットの成形品から薄い円盤状に切り出されたハニカム状のものを焼成用トチとして用いることもあり、このような場合には、両者の密着を防止するためにセラミック粒子或いはセラミック繊維シートを介在させて焼成を行っていた。従来のハニカム構造体の製造方法においては、ハニカム成形体の変形を防止するために焼成用トチが用いられており、また、ハニカム成形体と焼成用トチとは、極力、焼成収縮の影響を受けないようにされており、焼成用トチを用いて、ハニカム成形体のセルのセル断面の面積を所望の形状に変形させるという概念は存在していなかった。
図２６（ａ）に示すように、本実施の形態のハニカム構造体の製造方法においては、ハニカム成形体４２と焼成用トチ４７との大きな焼成収縮率の差の影響で過度な外径変形或いは割れを伴うことのない範囲において、ハニカム成形体４２と焼成用トチ４７との焼成収縮率の差を所定の値に調整し、さらに、ハニカム成形体４２と焼成用トチ４７とが密着しないようにして、焼成用トチ４７を配設した側の端面４４側の端部を漸減又は漸増するように変形させて、ハニカム構造体４１を得る。
ハニカム成形体４２と焼成用トチ４７との焼成収縮率の差を所定の値に調整する方法としては、例えば、ハニカム成形体４２と焼成用トチ４７とのそれぞれの材料密度に差をつけること、原料調合割合や粒度を変えること、仮焼して収縮を途中まで完了させておいた焼成用トチ４７を用いること、焼成されたハニカム構造の焼成用トチ４７のセルをハニカム成形体４２の隔壁よりも薄くして焼成用トチ４７の表面を粗くすること等を挙げることができる。このようにして、ハニカム成形体４２（ハニカム構造体４１）の軸方向の長さのおよそ２５％以内の長さの端部において変形させる。なお、例えば、端面４４付近で直線的に漸減又は漸増するように変形させてもよいし、任意の曲率をもって漸減又は漸増するように変形させてもよい。また、セル断面の面積が略同一となる中心部近傍の周辺においては、若干のセル断面の面積の変化を伴い、中心部近傍においては非常に緩やかな曲率を伴う場合があるが、ハニカム構造体４１の許容寸法内での小さい寸法変化であり、実質的に略同一とみなすことができる。なお、ハニカム構造体４１の許容寸法としては、特に限定されることはないが、例えば、基準外径寸法のおよそ±２％以下とすることができる。また、セル断面の面積が略同一となる中心部近傍の長さについても特に制限はなく、実質的に従来のキャニング技術で十分な面圧を付与できるのに必要な長さを有するようなものとすればよい。
本実施の形態のハニカム構造体の製造方法においては、ハニカム成形体４２と焼成用トチ４７との大きな焼成収縮率の差の影響で過度な外径変形或いは割れを伴うことがないように焼成収縮率の差を所定の範囲に調整する必要もあり、焼成用トチ４７としては、焼成されたものよりも、未焼成のものを用いることが好ましい。
また、本実施の形態のハニカム構造体の製造方法において、セル４３の流れ方向における両方の端面４４，４５側の端部において漸減又は漸増するように構成されたハニカム構造体４１を得る際には、図２７（ａ）及び図２７（ｂ）に示すように、ハニカム成形体４２の両方の端面４４，４５に焼成用トチ４７を配設する。
このような本実施の形態のハニカム構造体の製造方法によれば、セル４３のセル断面の面積が、セル４３の流れ方向における中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、セル４３の流れ方向における少なくとも一方の端面４４側の端部において漸減又は漸増するように構成されたハニカム構造体４１を簡便に得ることができる。例えば、上述した製造方法により、コージェライト質で、正方形セルの隔壁の厚さ０．１１ｍｍ、セル密度６００個／平方インチ、外径φ９０mm、長さ１１０ｍｍであり、その両端面部近傍およそ１０ｍｍを拡大させたハニカム構造体を簡便に製造することができる。このハニカム構造体は、外径φ９０ｍｍを基準寸法として、両側の端面の端部での平均外径をおよそ５％拡大させたものである。
次に、第三の発明のハニカム構造体の製造方法の一の実施の形態について説明する。本実施の形態のハニカム構造体の製造方法は、成形材料を含む坏土をハニカム状に成形して、図２８（ａ）及び図２８（ｂ）に示すように、一方の端面５４から他方の端面５５まで貫通する流体の流路となる複数のセル５３が区画形成された筒状のハニカム成形体５２を得、得られたハニカム成形体５２を焼成してハニカム構成体５１を得るハニカム構造体の製造方法であって、所定のセル５３の一方の端面５４側の開口部分に、ハニカム成形体５２と焼成時における収縮率（焼成収縮率）が異なる目封止部材５６を配設し、目封止部材５６を配設した状態でハニカム成形体５２を焼成することにより、それぞれのセル５３の目封止部材５６を配設した側の端面５４，５５側の端部における流体の流れ方向に垂直な断面（セル断面）の面積を漸減又は漸増するように変形させて、それぞれのセル５３のセル断面の面積が、セル５３の流れ方向における中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、セル５３の流れ方向における少なくとも一方の端面５４，５５側の端部において漸減又は漸増するように構成されたハニカム構造体５１を得るハニカム構造体の製造方法である。なお、図２８（ａ）及び図２８（ｂ）においては、ハニカム成形体５２の両方の端面５４，５５に目封止部材５６を配設し、両方の端面５４，５５側の端部を漸減又は漸増するように変形させた場合を示しているが、例えば、一方の端面５４のみに目封止部材５６を配設して、一方の端面５４側の端部を漸減又は漸増するように変形させてもよい。
従来のハニカム構造体の製造方法において目封止部材を配設する場合には、ハニカム成形体と目封止部材との焼成収縮率が略同一となるように工夫がされていた。上述したように、本実施の形態のハニカム構造体の製造方法においては、ハニカム成形体５２と焼成収縮率が異なる目封止部材５６を配設することで、目封止部材５６を配設した部位を意図的に縮小又は拡大させて、セル５３の端部を漸減又は漸増するように変形させる。例えば、ハニカム成形体５２の焼成収縮率が、目封止部材５６の焼成収縮率よりも大きな場合には、相対的に目封止部材５６が拡大することとなり、セル５３の端部が漸増する。逆に、ハニカム成形体５２の焼成収縮率が、目封止部材５６の焼成収縮率よりも小さな場合には、目封止部材５６の収縮にハニカム成形体５２がひきずられて、セル５３の端部が漸減する。
ハニカム成形体５２と目封止部材５６との焼成収縮率の差を所定の値に調整する方法としては、例えば、原料調合割合や粒度を変えることを挙げることができる。また、製品サイズやセル構造、目封止部材５６の深さによっても収縮差は変化するので、その都度、適宜決められるべきものである。
なお、本実施の形態のハニカム構造体の製造方法においては、図２８（ａ）及び図２８（ｂ）に示すように、目封止部材５６を配設した端面に焼成用トチ５７を配設した状態で焼成を行ってもよい。
なお、ハニカム成形体５２と目封止部材５６との焼成収縮率の差が大きくなりすぎると、ついには焼成亀裂を生じることがあるため、ハニカム成形体５２と目封止部材５６との焼成収縮率の差を所定の値に調整する場合に、両者の焼成収縮率の差が３０％以内となるように調整することが好ましい。例えば、ハニカム成形体５２の焼成収縮率が１の場合には、目封止部材５６の焼成収縮率は、０．７〜１．３であることが好ましい。なお、この範囲については、製品サイズやセル構造、目封止部材５６の深さ等によっても異なるため、その都度、適宜決められるべきものである。
このような本実施の形態のハニカム構造体の製造方法によれば、セル５３のセル断面の面積が、セル５３の流れ方向における中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、セル５３の流れ方向における少なくとも一方の端面５４側の端部において漸減又は漸増するように構成されたハニカム構造体５１を簡便に得ることができる。なお、ハニカム構造体５１が炭化珪素質セラミックの場合には、原料配向性は関係ないが、コージェライト質セラミックハニカム構造体においては、目封止部材５６が配向していないので、製造の際には注意が必要である。例えば、上述した製造方法により、コージェライト質で、正方形セルの隔壁の厚さ０．３０ｍｍ、セル密度３００個／平方インチ、外径φ１４３ｍｍ、長さ１５２ｍｍ、目封止深さ（セルの流体の流れ方向における目封じの長さ）５ｍｍであり、その両端面部近傍およそ１５ｍｍを拡大させたハニカム構造体を簡便に製造することができる。このハニカム構造体は、外径φ１４３ｍｍを基準寸法として、両側の端面の端部での平均外径をおよそ１０％拡大させたものである。
なお、本実施の形態のハニカム構造体の製造方法においては、ハニカム成形体５２を一旦焼成してから、目封止部材５６を配設して再度、焼成することにより、焼成収縮率の差を生じさせることができる。これはハニカム成形体５２が既に焼成されており、目封止部材５６を配設した後の焼成において寸法変化は非常に小さく、実質的に常に焼成収縮率を１とみなせるからである。ハニカム成形体５２が既に焼成されているので、ハニカム成形体５２と目封止部材５６とが一体化し難くなり、目封止部材５６の焼成収縮率が１を超える場合には、ハニカム成形体５２との間に隙間が生じる方向であり、また、目封止部材５６の焼成収縮率が１未満の場合には、ハニカム成形体５２のセル５３を押し広げるように力が作用する方向である。このため、本実施の形態のように端面の端部を拡大させる構造においてはよいが、端部を縮小させる他の実施の形態の構造においては隙間が生じるだけとなり好ましくないこともある。
（参考例１〜３５）
ハニカム状成形体を成形するための成形原料の主原料としては、耐熱性及び低熱膨張性に優れるコージェライト質セラミックの原料として、平均粒径５〜１０μｍのカオリン（Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２・２Ｈ２Ｏ）０〜２０質量％、平均粒径１５〜３０μｍのタルク（３ＭｇＯ・４ＳｉＯ２・Ｈ２Ｏ）３７〜４０質量％、平均粒径１〜１０μｍの水酸化アルミニウム１５〜４５質量％、平均粒径４〜８μｍの酸化アルミニウム０〜１５質量％、平均粒径３〜１００μｍの溶融シリカ又は石英１０〜２０質量％の組成物を主原料とするのが好ましい。このセラミック材料に、必要に応じての所望の添加剤を添加してもよい。添加剤としては、バインダ、媒液への分散を促進するための界面活性剤、気孔を形成するための造孔材等を挙げることができる。バインダとしては、例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、ワックス、寒天等を挙げることができ、界面活性剤としては、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を挙げることができ、界面活性剤の添加量は、セラミック原料１００質量部に対して、０．１〜５質量部が好ましい。造孔剤としては、例えば、グラファイト、コークス、小麦粉、澱粉、発泡系樹脂、吸水性樹脂、フェノール樹脂、ポリエチレンテレフタレート、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、アルミナゲル、シリカゲル、有機質繊維、無機質繊維、中空繊維等を挙げることができる。これら添加剤は、目的に応じて１種単独又は２種以上組み合わせて用いることができる。目封止部材に含まれるバインダ、界面活性剤及び造孔材についても前述のハニカム構造体の材質と同様に選択することができる。
セラミック材料は、通常、上述した主原料及び必要に応じて添加される添加物の混合原料粉末１００質量部に対して、１０〜４０質量部程度の水を投入後、混練し、可塑性混合物とする。押出し成形は、真空土練機、ラム式押出し成形機等を用いて行うことができる。ハニカム成形体の外形としては、例えば、端面の形状が真円又は楕円の円柱、端面の形状が三角、四角等の多角形である角柱、これらの円柱、角柱の側面がくの字に湾曲した形状等を挙げることができ、ハニカム成形体のセルの形状としては、例えば、断面形状が四角、八角等の多角形、真円、楕円等を挙げることができる。こうして得られたハニカム成形体を乾燥する手段としては、特に限定されるものではないが、例えば、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥等を挙げることができ、各種方法で行うことが可能であるが、マイクロ波乾燥と熱風乾燥又は、誘電乾燥と熱風乾燥を組み合わせた方法で乾燥することが好ましい。また、乾燥条件としては、８０〜１５０℃で１０分〜１時間乾燥するのが好ましい。他に凍結乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、遠赤外線乾燥等などの特殊な方法も適用できる。次に乾燥されたハニカム成形体の両側の端面を所定の長さに切断加工する。
次に、必要に応じてハニカム成形体のセルの開口部に目封止部材を配設する。まず、マスキング副工程においてフィルムをハニカム成形体の端面に配置する。フィルム材質はポリエステルフィルムを使用する。フィルムの片面には粘着剤が塗布されており、フィルムをハニカム構造体の端面に貼り付ける。次に、ＮＣ走査可能なレーザー装置にて、ポリエステルフィルムを貼り付けたハニカム構造体端面のセル開口部を千鳥状に穿孔する。穿孔した際に、フィルムが溶ける影響で、孔の周囲が盛り上がる。
目封止部材の主原料としては、耐熱性及び低熱膨張性に優れるコージェライト質セラミックの原料として、ハニカム状成形体との焼成後の熱膨張係数の差が小さな点で、平均粒径１〜２０μｍのカオリン０〜２０質量％、平均粒径５〜６０μｍのタルク３７〜４０質量％、平均粒径０．５〜２０μｍの水酸化アルミニウム１５〜４５質量％、平均粒径１〜２０μｍの酸化アルミニウム０〜１５質量％、平均粒径１〜２００μｍの溶融シリカ又は石英１０〜２０質量を主原料とするのが好ましい。ハニカム成形体との焼成収縮率のマッチング調整のために、コージェライト組成を維持しつつ、原料調合割合や原料粒子径を所定の範囲内において変更する。実際に製作したハニカム成形体を予め先行焼成して、その焼成収縮率を測定しておき、得られたハニカム成形体の焼成収縮率とマッチングするように、目封止部材の原料の調合割合や原料粒子径を調整することで行われる。主にはシリカ原料によって調整が行われる。また、目封止部材に前述した造孔材を適量添加することで、目封止部材の気孔率を調整するとともに、焼成収縮率も調整することができる。最初はトライアンドエラーで焼成収縮率を調整することになるが、実績を増すことで、予測することが可能となる。本実施例においては、ハニカム構造体の基準外径のおよそ３０％以内の範囲内で、ハニカム構造体の端部が拡大或いは縮小するように制御した。なお、この値は目安であり、本発明のハニカム構造体がこれに限定されることはない。
次に、充填副工程に移る。コージェライト原料に水、バインダ、分散剤等を入れて、２００ｄＰａ・ｓ程度のスラリーを作り、目封止部材の原料を調整したスラリーを目封止用容器に入れておき、千鳥状に穿孔されたフィルムが貼られたハニカム成形体を容器内に圧入し、容器内のスラリーを穿孔された孔からセル内へ注入する。圧入完了後、容器から取り出す。スラリーの充填深さ（セルの流体の流れ方向の長さ）は５ｍｍとした。ここで、セルの入口側の端面における耐エロージョン性を向上させるために、従来公知のセルの入口側の端面側を強化する手段を用いてもよい。
次に、セルの開口部に充填したスラリーを乾燥するために、ハニカム成形体の端面に１２０℃の熱風を当ててフィルムを剥さずに約５分乾燥する。熱風送風機、ホットプレート、遠赤外線乾燥機で乾燥は可能である。この後に焼成することで目封止部材を備えたコージェライト質のハニカム構造体が得られる。焼成は１４１０〜１４４０℃の温度で約５時間行った。通常、単窯又はトンネル等の連続炉を用い焼成を行うことができる。また、昇温速度と冷却速度については、焼成する製品サイズにより、製品内部での温度分布を均一化して製品内部での均一な焼成収縮と冷却収縮を実現するために、昇温速度と冷却速度の適正化が必要であり製造上は非常に重要なファクターである。
こうして、目封止部材を備えたコージェライト質のハニカム構造体（ハニカムフィルタ）（ハニカム構造体の気孔率６０％、平均細孔径２５μｍ、直径１９１ｍｍ、長さ２０３ｍｍ、隔壁の厚さ３００μｍ、セル密度３００セル／平方インチ）を得た。得られたハニカムフィルタについて、４０〜８００℃の平均熱膨張係数を測定したところ、ハニカム構造体の隔壁部分は、０．６×１０−６／℃であり、目封止部材は０．８×１０−６／℃であった。本参考例によって得られたハニカム構造体（参考例１〜３５）の各種仕様について表１及び表２に示す。
Figure 0005185616
Figure 0005185616
本発明のハニカム構造体は、自動車排ガスをはじめとした各種内燃機関排気ガスの浄化触媒用担体や脱臭用触媒担体、各種濾過機器用フィルタ、熱交換器ユニット、或いは燃料電池の改質触媒用担体等の化学反応機器用担体として好適に用いられる。

Claims (4)

  1. 一方の端面から他方の端面まで貫通する流体の流路となる複数のセルを区画形成する隔壁を備えた筒状のハニカム構造体であって、
    それぞれの前記セルの前記流体の流れ方向に垂直な断面（セル断面）の面積が、前記セルの前記流れ方向における中心部近傍の所定範囲において略同一であるとともに、前記セルの前記流れ方向における両方の端面側の端部における外径が、前記ハニカム構造体の中心部近傍の外径に比して−０．５％を超えて漸減し、
    それぞれの前記セルの前記セル断面の面積が、前記セルの流れ方向における両方の端面側で前記ハニカム構造体の軸方向の長さの２５％以内の長さの端部において漸減するように構成されたハニカム構造体。
  2. 所定の前記セルの一方の前記端面側の開口部と、残余の前記セルの他方の前記端面側の開口部とを封止する封止部材をさらに備えた請求項１に記載のハニカム構造体。
  3. 複数の前記セルを区画形成する前記隔壁の外周部分を覆う外壁をさらに備えた請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
  4. 全ての前記セルの前記セル断面の面積が、少なくとも一方の前記端面側において漸減するように構成された請求項１〜３のいずれかに記載のハニカム構造体。
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