CN104066511A - 蜂窝状结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明蜂窝状结构体(1)具有多个单元密度区域(2)，所述单元密度区域被构造以使得单元密度以逐步的方式在蜂窝状结构体(1)的径向变化。边界隔壁(14)被提供在相邻的单元密度区域(2)之间。单元密度区域(2)包括以下区域：高单元密度区域(2a)，除了最外侧单元密度区域(2)以外的区域，所述高单元密度区域具有最高单元密度；和低单元密度区域(2b)，除了最内侧单元密度区域(2)以外的区域，所述低单元密度区域具有最低单元密度。如果整个蜂窝状结构体(1)由高单元密度区域(2a)形成，蜂窝状结构体的体积(V)、高单元密度区域(2a)的体积(Va)、低单元密度区域(2b)的体积(Vb)和将低单元密度区域(2b)从其内侧紧接的单元密度区域(2)分离的边界隔壁(14)的体积(Vs)满足V-Va≥Vb+Vs的关系。

Description

蜂窝状结构体
技术领域
本发明涉及一种用于支撑元件的蜂窝状结构体，所述支撑元件支撑能够净化从机动车辆等的内燃机排放的废气的催化剂。
背景技术
已知一种蜂窝状结构体能够净化从机动车辆等的内燃机排放的废气，催化剂被支撑在所述蜂窝状结构体内。例如，蜂窝状结构体由布置成格子状的隔壁和由所述隔壁形成的多个单元组成。蜂窝状结构体被安装到废气经过的废气通道。当具有高温的废气流经安装到废气通道的蜂窝状结构体时，支撑在蜂窝状结构体内的催化剂由具有高温的废气激活，并且净化废气。
目前，因为用于减少机动车辆排放的车辆排放控制逐年变得更加严格，有对于进一步减少当内燃机启动时立即产生的有害物质(冷排放)的强烈需求。为了解决这个问题，需要将蜂窝状结构体布置成尽可能靠近发动机并且快速升高蜂窝状结构体的温度以激活催化剂。因此，要求蜂窝状结构体具有高废气净化性能和高耐热冲击性。
例如，专利文献1已经公开了一种蜂窝状结构体并且限定了在中心区域和外周区域之间催化剂量、表面积、单元密度等的关系。而且，专利文献2已经公开了一种蜂窝状结构体并且限定了在中心区域和外周区域之间开口比、吸收比率等的关系。此外，专利文献3已经公开了一种具有在第一单元区域(也就是，中心区域)与第二单元区域(也就是，外周区域)之间形成的内部表层区域的蜂窝状结构体，并且限定了第一单元区域与第二单元区域之间的单元密度等的关系。
而且，专利文献4已经公开了一种这样的蜂窝状结构体，在该蜂窝状结构体中，沿着从中心侧到外周侧的径向形成的网状框架(也就是，隔壁)的数量是变化的。更进一步，专利文献5已经公开了一种这样的蜂窝状结构体，在该蜂窝状结构体中，隔壁具有从中心点朝向外侧凸出的形状，并且中心区域的单元密度小于外周区域的单元密度。更进一步，专利文献6已经公开了一种由多个组装到一起的蜂窝状段组成以形成单体的蜂窝状结构体。专利文献6已经示出形成最外周表面的最外蜂窝状段与不形成最外周表面的其他蜂窝状段之间的隔壁的厚度、单元密度等的关系。
【引用列表】
【专利文献】
【专利文献1】特开2002-177794号公报；
【专利文献2】特开2008-18370号公报；
【专利文献3】特许第3219292号公报；
【专利文献4】特表2009-532605号公报(PCT申请的公开日语翻译)；
【专利文献5】特许第4511396号公报；和
【专利文献6】特许第4094823号公报。
发明内容
技术问题
然而，专利文献1公开的蜂窝状结构体不能够示出在中心区域与外周区域之间单元密度的最佳关系，并且因此蜂窝状结构体难以具有充分的废气净化性能。专利文献2公开的蜂窝状结构体被要求增加在外周区域内形成的孔隙直径并且增加孔隙的数量以便外周区域增加其吸收比率，尽管外周区域在吸收比率和开口比方面大于中心区域。因此，当产生蜂窝状结构体的一体成形体时，外周区域有必要使用具有与用于生产其他区域的原材料的颗粒尺寸不同的颗粒尺寸的原材料。因此，有必要挤压成形不同的原材料以产生外周区域。由于在干燥和烧制过程中，原材料之间产生不同收缩，这导致可能在蜂窝状结构体内产生裂纹。为了减少排放量，优选增加大部分废气流经的中心区域的孔隙率并且减轻中心区域的重量。然而，因为在专利文献2中公开的结构要求增加外部区域的孔隙率，因此该结构不能够充分减少排放量。而且，专利文献2没有提供在中心区域与外周区域之间的开口比(也就是，单元密度)的最佳关系，并且因此难以维持充分的废气净化性能。
而且，专利文献3没有描述在蜂窝状结构体中的第一单元区域(也就是，中心区域)与第二单元区域(也就是，外周区域)之间单元密度的关系。而且，专利文献3没有示出废气净化性能。而且，在专利文献4公开的蜂窝状结构体的结构中，因为在径向形成的网格(也就是，隔壁)的数量朝向中心侧减小，大部分废气被集中并且流到所述中心区域。这个结构允许未充分净化的废气经过蜂窝状结构体。因此，难以获得充分的废气净化性能。
此外，专利文献5公开的蜂窝状结构体具有这样的结构，在该结构中，废气被集中到中心区域并且容易地经过中心区域，并且不均匀的单元密度部分更多地在外侧形成。因此，在考虑废气流动时，这个结构不会有助于废气净化性能的提高。而且，专利文献5没有公开关于废气净化性能的任何数据。更进一步，因为蜂窝状结构体在垂直于轴向的方向的横截面具有椭圆形，在内侧区域和外侧区域之间的温差沿着大径的方向增加。结果，这种结构降低了耐热冲击性。而且，因为专利文献6公开的蜂窝状结构体具有其中多个段被装配到一起的一体成形体，在接合部分的每个隔壁具有增加的厚度，并且因此这导致具有大热容量的局部区域。这个结构导致在内侧与外侧之间的大温差，并且因此可能由于这样的大温差而导致耐热冲击性的降低。
本发明已经为了解决上述问题完成并且具有提供在维持废气净化性能的同时示出提高的耐热冲击性的蜂窝状结构体的目标。
技术方案
根据本发明的一个方面，一个实施例将蜂窝状结构体提供为由堇青石制成的一体成形体，所述蜂窝状结构体包括布置成格子状的隔壁和由隔壁包围的多个单元。蜂窝状结构体具有多个单元密度区域，所述多个单元密度区域具有在横截面内从中心侧到外周侧沿着径向逐步变化的单元密度。这个横截面垂直于轴向。边界壁被形成在彼此相邻的单元密度区域之间以便将这些单元密度区域隔开。单元密度区域包括除了在最外侧形成的最外侧单元密度区域以外具有最大单元密度的高单元密度区域和除了在最内侧形成的最内侧单元密度区域以外具有最小单元密度的低单元密度区域。蜂窝状结构体满足V-Va≥Vb+Vs的关系。参考字符V表示如果整个蜂窝状结构体仅仅由高单元密度区域组成，蜂窝状结构体的体积。参考字符Va表示高单元密度区域的体积。参考字符Vb表示低单元密度区域的体积。参考字符Vs表示边界壁的体积，所述边界壁将低单元密度区域与在低单元密度区域的紧接内侧形成的单元密度区域分离。
本发明的有利效果
如前所述的蜂窝状结构体具有多个单元密度区域，所述多个单元密度区域的单元密度在横截面内(下文中也将被称为径向横截面)从中心侧到外周侧逐步变化。该横截面垂直于轴向。而且，隔壁在彼此相邻的单元密度区域之间形成以便将相邻的单元密度区域隔开。蜂窝状结构体满足V-Va≥Vb+Vs的关系，其中参考字符V表示如果整个蜂窝状结构体仅仅由高单元密度区域组成，蜂窝状结构体的体积。如前所述，参考字符Va表示高单元密度区域的体积。参考字符Vb表示低单元密度区域的体积。参考字符Vs表示边界壁的体积，所述边界壁将低单元密度区域与在低单元密度区域的紧接内侧形成的单元密度区域分离。这个结构使得能够在充分维持废气净化性能的同时提高蜂窝状结构体的耐热冲击性。
也就是，在内燃机在高载荷下旋转之后，内燃机的转速被降低以使得内燃机进入其怠速状态，内燃机发生快速冷却，并且大部分废气经过的区域被快速冷却。例如，蜂窝状结构体满足这些体积的关系(V-Va≥Vb+Vs)以使得高单元密度区域在大部分废气流经的区域(例如，在中心区域)形成，并且具有低热容量的单元密度区域在高单元密度区域的外侧形成。当与蜂窝状结构体的整个区域具有不变的单元密度的蜂窝状结构体相比时，这个结构使得能够抑制蜂窝状结构体的内侧与外侧之间出现温差(在下文中，将经常被称为内-外温差)。这个结构使得能够提高耐热冲击性。
此外，边界壁在单元密度区域之间形成以将单元密度区域隔开。这个结构使得能够提高其强度并且提高耐热冲击性。而且，尽管废气被集中到内侧并且容易地在内侧(例如，在内侧区域)流动，蜂窝状结构体的结构能够通过调节在蜂窝状结构体的内侧和外侧的单元密度使得废气的流动速度均匀分布。这使得能够高效净化整个蜂窝状结构体内的废气并且减少排放。
本发明能够提供在维持废气净化性能的同时提高耐热冲击性的蜂窝状结构体。
附图说明
图1是说明根据本发明的蜂窝状结构体的立体图，(a)示出具有两个单元密度区域的示例性实施例，和(b)示出具有多个单元密度区域的示例性实施例。
图2是说明根据实施例E1至E11、E13、E15和E16的蜂窝状结构体的径向横截面的视图。
图3是说明根据实施例E14的蜂窝状结构体的径向横截面的视图。
图4是说明根据实施例E12的蜂窝状结构体的径向横截面的视图。
图5是说明根据这些实施例的蜂窝状结构体中单元的单元节距的立体图。
图6是说明根据对比示例C1的蜂窝状结构体的径向横截面的视图。
图7是说明根据对比示例C2的蜂窝状结构体的径向横截面的视图。
图8是示出配备有根据示例性实施例的蜂窝状结构体的催化转化器的视图。
图9是示出根据这些实施例的(V-Va)/(Vb+Vs)的值和温差ΔT比之间的关系的曲线图。
图10是示出根据这些示例性实施例的蜂窝状结构体的单元密度比Ma/Mb和排放比之间的关系的曲线图。
图11是示出根据这些示例性实施例的蜂窝状结构体中从蜂窝状结构体的中心点测量的距离与流动速度之间的关系的曲线图。
图12是示出根据示例性实施例的蜂窝状结构体的边界壁的位置r/R与排放比之间的关系的曲线图。
具体实施方式
如前所述，根据本发明的蜂窝状结构体具有多个单元密度区域，所述多个单元密度区域的单元密度在垂直于轴向的横截面内从中心侧到外周侧逐步变化。也就是，蜂窝状结构体被沿着从中心侧到外周侧的径向划分成多个区域(也就是，单元密度区域)。单元密度区域中的每个具有不变的单元密度。彼此相邻的单元密度区域具有不同的单元密度以使得单元密度区域的单元密度沿径向逐步变化。
如前所述，除了在最外侧形成的单元密度区域之外，高单元密度区域具有整个单元密度区域内的最大单元密度。此外，如前所述，除了在最内侧形成的单元密度区域以外，低单元密度区域具有所有单元密度区域中的最小单元密度。因此，例如，当蜂窝状结构体仅仅具有两个单元密度区域，也就是，内侧(在中心区域)和外侧(在外周区域)时，一个是高单元密度区域而另一个是低单元密度区域。体积V是当蜂窝状结构体仅仅由高单元密度区域组成时的体积。也就是，当蜂窝状结构体具有仅仅由高单元密度区域组成的均匀结构时，体积V被定义。
当在体积V、Va、Vb和Vs之间满足V-Va<Vb+Vs的关系时，即使高单元密度区域被布置在大部分废气经过的区域(例如，中心区域)，并且低单元密度区域被布置在高单元密度区域的外侧，外侧的热容量变高并且锁湿性能变高。在蜂窝状结构体快速冷却时，这个结构难以充分抑制内侧和外侧之间的温差。因此，这个结构降低蜂窝状结构体的耐热冲击性。
能够在体积V、Va、Vb和Vs之间满足1≤(V-Va)/(Vb+Vs)≤1.72的关系(权利要求2)。还能够在体积V、Va、Vb和Vs之间满足1.2≤(V-Va)/(Vb+Vs)≤1.58的关系(权利要求3)。在这些情况下，能够抑制在蜂窝状结构体快速冷却时内侧与外侧之间的温差并且提高耐热冲击性。
当在体积V、Va、Vb和Vs之间满足(V-Va)/(Vb+Vs)>1.72的关系时，当高单元密度区域被布置在大部分废气通常流经的区域(例如，在中心侧)，并且低单元密度区域被布置在高单元密度区域的外侧时，外侧的单元密度可能降低并且废气可能容易在外侧流动。在这个结构中，当快速冷却蜂窝状结构体时，蜂窝状结构体的外侧温度是低的，但是蜂窝状结构体的内侧温度被保持为高的。这在蜂窝状结构体快速冷却期间容易导致内侧与外侧之间的温差。
蜂窝状结构体能够满足Ta≤Tb的关系，其中，参考字符Ta表示在高单元密度区域内的隔壁的厚度，并且参考字符Tb表示在低单元密度区域内的隔壁的厚度。这个结构使得能够在调整每个单元密度区域的单元密度的同时获得整个蜂窝状结构体的充分的强度。这使得能够进一步提高耐热冲击性。
例如，高单元密度区域的隔壁能够具有在30μm到120μm范围内的厚度Ta。此外，例如，低单元密度区域的隔壁能够具有在50μm到200μm范围内的厚度Tb。
能够具有满足1<Ma/Mb<2的关系的结构，其中参考字符Ma表示高单元密度区域的单元密度，并且参考字符Mb表示低单元密度区域的单元密度(权利要求5)。这个结构使得能够具有减少排放和维持废气净化性能减少排放的效果。而且，Ma/Mb的值优选在1.25到1.5的范围内以便具有更高的废气净化性能。
如果单元密度Ma与单元密度Mb之间的关系是Ma/Mb≤1，有可能难以充分示出前述效果，也就是维持废气净化性能的效果。另一方面，如果单元密度Ma与单元密度Mb之间的关系是Ma/Mb≥2，当高单元密度区域被布置在大部分废气通常流经的区域(例如，在中心侧)并且低单元密度区域被布置在高单元密度区域的外侧时，有可能在外侧的单元密度变低并且废气容易在外侧流动。这个结构允许未充分净化的气体经过蜂窝状结构体，并且因此，这个结构可能降低废气净化性能。
例如，高单元密度区域能够具有62到182个单元/cm2范围内的单元密度Ma。低单元密度区域还能够具有46.5到139.5个单元/cm2范围内的单元密度Mb。
能够具有满足0.2≤r/R<1的关系的结构，其中参考字符R表示蜂窝状结构体的半径，并且参考字符r表示将高单元密度区域从在高单元密度区域的紧接外侧形成的单元密度区域分离的边界壁的半径(权利要求6)。这个结构使得能够在维持废气净化性能的同时提供充分减少排放的效果。对于r/R的值还优选在0.5到0.8的范围内以便获得更高的废气净化性能。
蜂窝状结构体的半径R和隔壁的半径r是垂直于蜂窝状结构体轴向(也就是，气体流动方向)的蜂窝状结构体横截面半径和隔壁横截面半径。当蜂窝状结构体或边界壁具有圆形形状时，半径R、r是其半径，并且当蜂窝状结构体具有多边形形状时，半径R、r是其内切圆的半径。
能够将高单元密度区域布置在多个单元密度区域的最内侧(权利要求7)。因为具有大表面积的高单元密度区域被布置在大部分废气流经的区域(例如，在中心区域)，这个结构使得能够减少排放并且维持废气净化性能。此外，因为在这个结构中，低单元密度区域被布置在高单元密度区域外侧，能够具有当蜂窝状结构体被快速冷却时抑制内侧与外侧之间的温差的效果并且提高耐热冲击性。在前述结构中，高单元密度区域的中心轴线不必与蜂窝状结构体的中心轴线对齐。例如，能够基于废气管道的形状、废气的流动等确定高单元密度区域的位置。
前述的蜂窝状结构体具有两个单元密度区域，其中高单元密度区域被布置在内侧(也就是，中心侧)并且低单元密度区域被布置在外侧(也就是，外周侧)。这个结构使得能够充分示出以下效果：减少排放；维持废气净化性能；在快速冷却时抑制内侧与外侧之间的温差增加；并且提高耐热冲击性。
蜂窝状结构体能够具有这样的结构，在该结构中，不少于三个单元密度区域被形成，并且单元密度区域的单元密度逐步变化。这个结构还增强在快速冷却时抑制内侧与外侧之间出现温差和提高耐热冲击性的效果。然而，因为最外侧单元密度区域的单元密度更多的降低，这个结构可能降低蜂窝状结构体的强度(也就是，等静压强度等)。为了避免这种情况，最外侧单元密度区域的单元密度被增加以维持蜂窝状结构体的强度。
前述的蜂窝状结构体被用在例如催化转化器等中。催化转化器通过使用催化剂净化废气。也就是，催化剂被支撑在蜂窝状结构体的隔壁的表面上。蜂窝状结构体能够具有例如10％到70％范围内的孔隙率。
单元能够在径向横截面内具有圆形形状、多边形形状(例如，正方形形状和六边形形状)。而且，单元密度区域的外部形状能够在径向横截面内具有圆形形状、多边形形状等。更进一步，边界壁能够具有20到250μm范围内的厚度。边界壁的形状能够在径向横截面内具有圆形形状和多边形形状等。
示例
示例性实施例已经产生多个蜂窝状结构体(作为实施例E1至E16)和多个蜂窝状结构体(作为对比示例C1至C4)并且评价其压力损失、废气净化性能、耐热冲击性等。
将参照附图给出蜂窝状结构体(对应于实施例E1至E16)的描述。如图1至图4所示，蜂窝状结构体1由布置成格子状的隔壁11和由隔壁11包围形成的多个单元12组成以形成一体成形体。此外，蜂窝状结构体1由具有不同单元密度的多个单元密度区域2组成，所述单元密度从中心侧到外周侧在垂直于轴向X的横截面内变化。边界区域14在彼此相邻的单元密度区域2之间形成。图1(a)、图2和图3示出具有两个具有不同单元密度的单元密度区域2(21、22)的蜂窝状结构体1。图4示出具有三个具有不同单元密度的单元密度区域2(21、22、23)的蜂窝状结构体。然而，蜂窝状结构体具有如图1(b)所示的多个单元密度区域2(不少于四个，也就是21、22…和2n)是可接受的。
如这些附图所示，多个单元密度区域2具有高单元密度区域2a和低单元密度区域2b。除了最外侧单元密度区域2以外，高单元密度区域2a具有最大单元密度。除了最内侧单元密度区域2以外，低单元密度区域2b具有最小单元密度。而且，蜂窝状结构体1满足V-Va≥Vb+Vs的关系，其中参考字符V表示如果整个蜂窝状结构体仅仅由高单元密度区域2a组成，蜂窝状结构体1的体积，参考字符Va表示高单元密度区域2a的体积，参考字符Vb表示低单元密度区域2b的体积，并且参考字符Vs表示将低单元密度区域2b从在低单元密度区域2b的紧接内侧形成的单元密度区域2分离的边界壁14(14b)的体积。下文中，现在将说明这些特征。
如图1所示，蜂窝状结构体1(对应于实施例E1至E16)被用作催化剂支撑元件以便净化废气。蜂窝状结构体1由隔壁11、多个单元12和外周壁13组成，隔壁11被布置成正方形格子状。单元12由隔壁11包围。蜂窝状结构体1的外周表面由外周壁13覆盖。蜂窝状结构体1由堇青石组成并且形成为一体。蜂窝状结构体1具有103mm的直径和105mm的长度。
如图2和图3所述，在根据实施例E1至E11和实施例E13至E16的蜂窝状结构体1中，蜂窝状结构体1的垂直于轴向X(参见图1)的横截面被从中心侧到外周侧划分成两个单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)。单元密度区域2中的每个分别具有不变的单元密度。蜂窝状结构体1具有这样的结构，在该结构中，彼此相邻的单元密度区域2具有不同的单元密度以使得单元密度朝向径向逐步变化。
如这些附图所示，第一单元密度区域21对应于前述的高单元密度区域2a并且被布置在最内侧作为蜂窝状结构体1的中心区域。
第二单元密度区域22对应于前述的低单元密度区域2b并且被布置在最外侧作为蜂窝状结构体1的外周区域。在图2(a)所示的蜂窝状结构体1中，单元12被形成为在第一单元密度区域21和第二单元密度区域22内沿着相同的方向倾斜。然而，如同图2(b)所示的蜂窝状结构体1，单元12能够沿着不同方向倾斜(在第二单元密度区域22内的单元12相对于在第一单元密度区域21内的单元12倾斜45°)。
如图4所示，根据实施例E12的蜂窝状结构体1具有在垂直于轴向X(参见图1)的横截面内从中心侧到外周侧沿着径向布置的三个单元密度区域(也就是第一单元密度区域21、第二单元密度区域22和第三单元密度区域23)。单元密度区域2中的每个具有不变的单元密度。而且，相邻的单元密度区域2具有在径向逐步变化的不同单元密度。
第一单元密度区域21对应于前述的高单元密度区域2a并且布置在蜂窝状结构体1的中心侧，也就是最内侧。第二单元密度区域22对应于前述的低单元密度区域2b并且紧接第一单元密度区域21的外侧布置。第三单元密度区域23具有低于第一单元密度区域21并且高于第二单元密度区域22的单元密度。第三单元密度区域23被紧接第二单元密度区域22的外侧布置，也就是，布置在蜂窝状结构体1的最外侧。因此，避免将具有最小单元密度的单元密度区域2(也就是，低单元密度区域2b)布置在最外侧的这个结构使得能够维持蜂窝状结构体1的强度(也就是，等静压强度等)。
而且，如图2到图4所示，蜂窝状结构体1(也就是，实施例E1至E16)满足Ta≤Tb的关系，其中，参考字符Ta表示在高单元密度区域2a(也就是，第一单元密度区域21)内的隔壁11的厚度并且参考字符Tb表示在低单元密度区域2b(也就是第二单元密度区域22)内的隔壁11的厚度。更进一步，蜂窝状结构体1(也就是，实施例E1至E4、E6和E8至E15)满足1<Ma/Mb<2的关系，其中参考字符Ma表示高单元密度区域2a(也就是，第一单元密度区域21)的单元密度，并且参考字符Mb表示低单元密度区域2b(也就是，第二单元密度区域22)的单元密度。表1和表2示出蜂窝状结构体1(实施例E1至E16中的每个)的隔壁的厚度(mm)、单元密度(个单元/cm2)、孔隙率(％)和单元密度比Ma/Mb。
现在将给出得到单元密度区域2中的每个的单元密度的方法的描述。图5(a)和图5(b)所示的单元节距P通过使用工具显微镜、另一显微镜等测量以获得在蜂窝状结构体1的径向横截面内的单元密度。单元密度(cpsi)能够通过使用下面的等式和测量的单元节距P计算。示例性实施例使用显微镜(由KEYENCE公司制造的VHX-900)并且测量单元密度区域2中的每个的五个点并且计算测量的单元节距P的平均值。单元密度的参考字符“cpsi”表示每平方英寸的单元数量。表1使用从单位“cpsi”转化的单位(个单元/cm2)。
例如，如图5(a)所示，如实施例E1至E16的结构，当单元12具有正方形的形状并且平均单元节距是p1时，单元密度(cpsi)通过以下等式计算：单元密度(cpsi)＝(25.4/p1)2。此外，如图5(b)所示，当单元12具有六边形形状并且平均单元节距是p2时，单元密度(cpsi)通过使用以下等式计算：单元密度(cpsi)＝(2/√3)×(25.4/p2)2。
如图2至图4所示，在蜂窝状结构体1(也就是，实施例E1至E16)中，具有筒状的隔壁14在彼此相邻的单元密度区域2之间形成。也就是，隔壁14将相邻地布置的单元密度区域2分隔开。对应于实施例E14的蜂窝状结构体1(参见图3)中的边界壁14具有八边形形状。对应于其他实施例(参见图2和图4)的蜂窝状结构体1中的边界壁14具有圆形形状。此外，蜂窝状结构体1满足0.2≤r/R<1的关系，其中参考字符R表示蜂窝状结构体1的半径，并且参考字符r表示边界壁14的半径，所述边界壁14将高单元密度区域2a(也就是，第一单元密度区域21)与紧接高单元密度区域2a外侧形成的单元密度区域2(也就是，第二单元密度区域22)分离。因为对应于实施例E14的蜂窝状结构体1中的边界壁14具有八边形形状，参考字符r表示八边形的内切圆的半径。表1和表2示出蜂窝状结构体1(对应于实施例E1至E16)的边界壁的厚度(mm)和边界壁的位置r/R。
如这些附图所示，蜂窝状结构体1(也就是，实施例E1至E16)满足V-Va≥Vb+Vs的关系，也就是，满足(V-Va)/(Vb+Vs)≥1的关系，其中参考字符V表示如果整个蜂窝状结构体1仅仅由高单元密度区域2a组成，蜂窝状结构体1的体积，参考字符Va表示高单元密度区域2a的体积，参考字符Vb表示低单元密度区域2b的体积，并且参考字符Vs表示将低单元密度区域2b(也就是，第二单元密度区域22)与紧接低单元密度区域2b内侧形成的单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21)分离的边界壁14(14b)的体积。也就是，表1和表2示出蜂窝状结构体1(也就是，实施例E1至E16)的值(V-Va)/(Vb+Vs)。
如前所述，当蜂窝状结构体1的半径由参考字符R指定，边界壁14的半径由参考字符r指定，蜂窝状结构体1的轴向长度由参考字符L指定，并且边界壁14的厚度由参考字符Ls指定时，能够通过下面的等式计算具有筒状形状的蜂窝状结构体1的体积V、Va、Vb和Vs：
V＝π×R2×L×(1-OFA/100)×(1-孔隙率/100)，
Va＝π×(r-ts/2)2×L×(1-高单元密度区域的OFA/100)×(1-高单元密度区域的孔隙率/100)，
Vb＝{R2-(r+ts/2)2}×π×L×(1-低单元密度区域的OFA/100)×(1-低单元密度区域的孔隙率/100)，和
Vs＝{π×(r+ts/2)2×L}-{π×(r-ts/2)2×L}×(1-边界壁的孔隙率/100)，
其中OFA是用于表示单元12的开口率的开口正面面积的缩写。
下面，现在将参照附图给出蜂窝状结构体9(也就是，对比示例C1至C3)的描述。如图6和图7所示，根据对比示例C1和C2的蜂窝状结构体9仅仅由一个单元密度区域(也就是，在表1和表2中表示的第一单元密度区域)组成，所述蜂窝状结构体不同于如前所述的根据实施例E1至E16的蜂窝状结构体的结构。也就是，蜂窝状结构体9的整个区域具有不变的单元密度。根据对比示例C1的蜂窝状结构体9(参见图6(a))具有小于根据对比示例C2的蜂窝状结构体9(参见图7)的单元密度。蜂窝状结构体9的其他部件具有与前述的根据实施例E1至E16的蜂窝状结构体1的部件相同的结构。
对比示例C3中的体积V、Va、Vb和Vs具有(V-Va)/(Vb+Vs)<1的关系。对比示例C3的其他部件具有与前述根据实施例E1至E16的蜂窝状结构体的部件相同的结构。表1和表2示出对比示例C1、C2和C3的隔壁的厚度(mm)、单元密度(个单元/cm2)、孔隙率(％)等。
下面，现在将给出蜂窝状结构体(根据实施例E1至E16和对比示例C1至C3)的生产方法。首先，准备陶瓷原料。陶瓷原料基本上由高岭土、熔融二氧化硅、氢氧化铝、氧化铝、滑石、碳粒子等组成以满足堇青石的化学成分为SiO2：45％至55％、Al2O3：33％至42％和MgO：12％至18％。预定量的水、粘合剂以及其他物质被添加到陶瓷原料中并且然后被混合到一起以便形成陶瓷原料。
下面，得到的陶瓷原料被使用挤出成形模具挤出成形以通过使用具有多个狭缝槽的挤出成形模具产生蜂窝状结构成形体。狭缝槽的型式对应于隔壁的布置或形状。蜂窝状结构成形体通过使用微波进行干燥。干燥的蜂窝状结构成形体被切割以具有预定的长度，并且然后被在预定的最高温度(例如，1390℃至1430℃)下烧制以产生蜂窝状结构体。
下面，现在将给出蜂窝状结构体(也就是，实施例E1至E16和对比示例C1至C3)的耐热冲击性和废气净化性能的评价。在下文中，将说明耐热冲击性和废气净化性能的评价方法。
在耐热冲击性的评价方法中，如图8所示，蜂窝状结构体1(9)被卷有氧化铝垫81并且被布置在废气管道82的内侧。这形成催化转化器8。催化剂被提前支撑在蜂窝状结构体1(9)内。能够使用由γ氧化铝和/或铈以及作为贵金属的铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)中的至少一种组成的要被支撑在蜂窝状结构体内的催化剂，也就是，三元催化剂。两个热电偶H1和H2被安装到蜂窝状结构体1(9)的轴向X的中间点。一个热电偶H1被布置在在垂直于轴向X的横截面内的中心位置(在中心轴线的位置)。另一热电偶H2被布置在对应于从蜂窝状结构体1(9)的外周向内侧测量的半径的10％长度的位置。
催化转化器8被安装到发动机(V型八缸发动机)，并且发动机在WOT(节气门全开)的条件下被驱动。蜂窝状结构体1(9)被维持预定的时间长度(五分钟)以使得其中心区域(在热电偶H1处)具有预定的温度(1050℃)。在此之后，发动机的旋转速度下降以进入发动机的怠速状态并且以执行蜂窝状结构体1(9)的快速冷却。中心点(在热电偶H1处)与外周区域(在热电偶H2处)的温差ΔT(℃)被检测。示例性实施例基于作为参考值的对比示例C2的温差ΔT(℃)得到温差ΔT比。
在废气净化性能的评价中，准备蜂窝状结构体，所述蜂窝状结构体在劣化方面等同于在具有蜂窝状结构体的车辆已经运行十万公里之后的情况。然后，蜂窝状结构体1(9)被安装到内燃机的S/C位置(启用催化剂位置)。已经被通过使用电炉加热而充分劣化的带有催化剂的蜂窝状结构体被安装到车辆的内燃机的UF/C位置(底板下催化剂)。在车辆已经在预定模式(LA#4评价模式)运行之后，从内燃机排放的每种排放物(HC、CO和NOx)的量被检测。基于对比示例C2的排放量作为参考值得到实施例和对比示例中的每个的排放比。S/C位置表示紧接在安装到废气通道的内燃机的废气端口之后的位置(在废气流的上游侧)，其中从内燃机排放的废气流经所述废气通道。而且，UF/C位置表示在S/C位置下游侧的车辆底板正下方的位置(在废气流的下游侧)。
表1
表2
表1和表2示出耐热冲击性和废气净化性能的结果。如能够从表1和表2理解的，根据实施例E1至E16的蜂窝状结构体满足(V-Va)/(Vb+Vs)≥1的关系并且具有小于1的温差ΔT比和小于1的排放比。具体地，当与对比示例C2的整个区域具有不变的单元密度的对比示例C2和具有(V-Va)/(Vb+Vs)<1的关系的对比示例C3相比较时，根据实施例E1至E7和E11至E16的蜂窝状结构体的结构使得能够具有减小的温差ΔT比并且抑制在快速冷却时内侧与外侧之间的温差。此外，当与其整个区域具有不变的单元密度的对比示例C1和C2相比较时，根据实施例E1、E4和E8至E11的蜂窝状结构体使得能够具有减小的排放量。因此，能够理解，根据实施例E1至E16的蜂窝状结构体具有优越的耐热冲击性和优越的废气净化性能。
图9示出从表1和表2示出的评价结果得到的(V-Va)/(Vb+Vs)的值与温差ΔT比之间的关系。在同一附图中，实施例E1至E7和E11至E16的温差ΔT比被绘制。如能够从同一附图中理解的，当满足1≤(V-Va)/(Vb+Vs)≤1.72的关系时，能够可靠地降低温差ΔT(温差ΔT比小于1)并且提高耐热冲击性。特别地，当如实施例E4、E5、E15和E16满足1.2≤(V-Va)/(Vb+Vs)≤1.63的关系时，并且进一步如实施例E4、E5和E15满足1.2≤(V-Va)/(Vb+Vs)≤1.58的关系时，能够进一步改善这些效果。
此外，图10基于表1和表2示出的评价结果示出单元密度比Ma/Mb和排放比之间的关系。实施例E1、E4、E8和E9以及对比示例C2中的每个的排放比被在图10中绘制。对比示例C2具有Ma/Mb＝1的单元密度比(对比示例C2的单元密度比Ma/Mb在表1和表2中用参考字符“-”标出)。能够从图10理解，当蜂窝状结构体具有1<Ma/Mb≤2的关系时，能够可靠地降低排放比(小于1)并且提高废气净化性能。更进一步，当蜂窝状结构体具有1.25≤Ma/Mb≤1.5的关系时，能够进一步降低排放比并且进一步提高废气净化性能。
图11示出从蜂窝状结构体的中心点测量的距离与废气流速之间的关系。实施例E1、E8和E9以及对比示例C2中的每个的流速比被绘制。现在将给出检测废气流速的方法。如图8所示，支撑能够净化废气的催化剂的蜂窝状结构体1(9)被安装到废气管道82内侧以形成催化转化器8。流速计(未示出)被布置在蜂窝状结构体的下游侧。然后，预定量的空气被供应到蜂窝状结构体1(9)，并且空气一经过蜂窝状结构体1(9)之后的流速被检测。如能够从这个附图理解的，实施例E1、E8和E9因为具有当与对比示例C2相比较时调节的单元密度比Ma/Mb而能够降低在蜂窝状结构体的内侧和外侧之间的空气流速的波动。也就是，这些实施例能够具有均匀的流动速度。这使得能够减少其排放量并且提高废气净化性能。
而且，图12示出基于表1和表2示出的评价结果的边界壁的位置r/R与排放比之间的关系。实施例E1、E10和E11以及对比示例C1和C2中的每个的排放比被在这个附图中绘制。因为对比示例C1不同于实施例E1、E10和E11的单元密度，对比示例C1的边界壁位置r/R是零(r/R＝0)。(具体地，在对比示例C1中的边界区域的位置r/R被在表1和表2中用参考字符“-”标出)。此外，因为对比示例C2和实施例E1、E10以及E11具有相同的单元密度，它们的位置r/R变为1，也就是r/R＝1。(具体地，在表1和表2中，在对比示例C2中的边界区域的位置r/R被用参考字符“-”标出)。能够从这些附图中理解，因为具有0.2≤r/R<1的关系，能够降低排放比(能够具有小于1的排放比)。当具有0.5≤r/R≤0.8的关系时，能够进一步降低排放比并且更加提高废气净化性能。
【附图标记列表】
1 蜂窝状结构体，
11 隔壁，
12 单元，
14 边界壁，
2 单元密度区域，
2a 高单元密度区域，和
2b 低单元密度区域。

Claims (9)

1.一种由堇青石制成的作为一体成形体的蜂窝状结构体(1)，所述蜂窝状结构体(1)包括布置成格子状的隔壁(11)和由所述隔壁(11)围绕的多个单元(12)，
其中所述蜂窝状结构体(1)包括多个单元密度区域(2)，所述多个单元密度区域(2)在垂直于轴向(X)的横截面内从中心侧到外周侧沿着径向具有逐步变化的单元密度，
边界壁(14)形成在彼此相邻的单元密度区域(2)之间以将这些单元密度区域(2)隔开，
单元密度区域(2)包括除了形成在最外侧的最外侧单元密度区域(2)以外具有最大单元密度的高单元密度区域(2a)和除了形成在最内侧的最内侧单元密度区域(2)以外具有最小单元密度的低单元密度区域(2b)，并且
蜂窝状结构体(1)满足V-Va≥Vb+Vs的关系，其中参考字符V表示如果整个蜂窝状结构体(1)仅仅由高单元密度区域(2a)组成时蜂窝状结构体(1)的体积，参考字符Va表示所述高单元密度区域(2a)的体积，参考字符Vb表示所述低单元密度区域(2b)的体积，并且参考字符Vs表示将所述低单元密度区域(2b)与紧接所述低单元密度区域(2b)的内侧形成的单元密度区域(2)分离的边界壁(14)的体积。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述蜂窝状结构体(1)中的所述体积V、Va、Vb和Vs满足1≤(V-Va)/(Vb+Vs)≤1.72的关系。
3.根据权利要求1或2所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述蜂窝状结构体(1)中的所述体积V、Va、Vb和Vs满足1.2≤(V-Va)/(Vb+Vs)≤1.58的关系。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述蜂窝状结构体(1)满足Ta≤Tb的关系，其中参考字符Ta表示在所述高单元密度区域(2a)内的所述隔壁(11)的厚度，并且参考字符Tb表示在所述低单元密度区域(2b)内的所述隔壁(11)的厚度。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述蜂窝状结构体(1)满足1<Ma/Mb<2的关系，其中参考字符Ma表示所述高单元密度区域(2a)的单元密度，并且参考字符Mb表示所述低单元密度区域(2b)的单元密度。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述蜂窝状结构体(1)满足0.2≤r/R<1的关系，其中参考字符R表示所述蜂窝状结构体(1)的半径，并且参考字符r表示将所述高单元密度区域(2a)与紧接所述高单元密度区域(2a)的外侧形成的单元密度区域分离的边界壁(14)的半径。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述高单元密度区域(2a)布置在单元密度区域(2)的最内侧。
8.根据权利要求5所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述蜂窝状结构体(1)满足1.25<Ma/Mb<1.5的关系，其中参考字符Ma表示所述高单元密度区域(2a)的单元密度，并且参考字符Mb表示所述低单元密度区域(2b)的单元密度。
9.根据权利要求6所述的蜂窝状结构体(1)，其中所述蜂窝状结构体(1)满足0.5<r/R<0.8的关系，其中参考字符R表示所述蜂窝状结构体(1)的半径，并且参考字符r表示将所述高单元密度区域(2a)与紧接所述高单元密度区域(2a)的外侧形成的单元密度区域分离的边界壁(14)的半径。
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