CN104080533A - 蜂窝状结构体 - Google Patents

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Abstract

该蜂窝状结构体(1)具有隔壁(11)和多个单元(12)。在蜂窝状结构体(1)的垂直于轴向的横截面中，蜂窝状结构体(1)具有沿径向从蜂窝状结构(1)的中心到其外侧具有不同单元密度的多个单元密度区域(2)。边界区域(14)被设置在相邻的单元密度区域(2)之间，分离所述区域(2)。所述边界区域(14)具有以下部分：在两侧连接单元密度区域(2)的隔壁(11)的边界隔壁(141)；和多个多边形边界单元(142)，多边形边界单元中的每个至少部分地由边界隔壁(141)包围并且被形成为具有不同于在两侧的单元密度区域(2)内的单元(12)的形状。在边界区域(14)内的边界单元(142)的平均液压直径(Φ1)和在边界区域(14)的紧接内侧的单元密度区域(2)内的单元(12)的平均液压直径(Φ2)满足Φ1/Φ2>＝1.25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。被激活的催化剂净化废气。
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，需要使用用于减小每个隔壁的厚度以减小蜂窝状结构体的总重和将蜂窝状结构体的温度快速升高至目标温度以便激活催化剂的技术。进一步需要使用用于将具有均匀流速和均匀分布的废气提供至蜂窝状结构体的技术以便有效地利用由蜂窝状结构体支撑的整个催化剂。为此，要求蜂窝状结构体具有较好的净化废气性能和低的压力损失(还暗示被称为压力损失)等。
例如，专利文献1已经公开了一种在垂直于蜂窝状结构体的轴向的横截面内具有中心区域和外周区域的蜂窝状结构体。专利文献1已经确定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已经公开了一种由具有筒状的内周边壁、第一单元和第二单元组成的蜂窝状结构体。在这个结构中，第一单元具有布置在内周边壁内侧的六边形形状。第二单元具有不同于六边形形状的形状(圆形、椭圆形、正方形和三角形)并且被布置在内周边壁的外侧。此外，专利文献3已经公开了一种由具有正方形形状的单元组成的蜂窝状结构体和在蜂窝状结构体的中心区域和外周区域之间开口比和吸收比等的关系。
专利文献4已经公开了一种具有这样的结构的蜂窝状结构体，在该结构中，内侧表层区域被形成在第一单元区域(作为中心区域)和第二单元区域(作为外周区域)之间。专利文献4已经确定在第一单元区域和第二单元区域之间单元密度等的关系。而且，专利文献5已经公开了一种具有这样的结构的蜂窝状结构体，在该结构中，网状框架(也就是，隔壁)从中心区域朝向外周区域形成，并且网状框架的数量沿着蜂窝状结构体的径向改变。更进一步，专利文献6已经公开了一种蜂窝状结构体的结构，在该结构中，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7已经公开了一种蜂窝状结构体的结构，在该结构中，单元的开口比从中心区域到外周区域连续地或逐步地增加。
进一步，专利文献8已经公开一种具有这样的结构的蜂窝状结构体，在该结构中，第一蜂窝区域(作为中心区域)和第二蜂窝区域(作为外周区域)被直接组装到一起以形成一体成形体，并且第一蜂窝区域和第二蜂窝区域具有不同的单元密度、不同的隔壁厚度、不同的单元横截面形状等。更进一步，专利文献9已经公开了一种由组装到一起以形成一体的多个蜂窝段组成的蜂窝状结构体。专利文献9已经确定在形成最外侧周边表面的最外侧蜂窝段和不形成最外侧周边表面的其他蜂窝段之间隔壁厚度、单元密度等的关系。而且，专利文献10已经公开一种具有这样的区域的蜂窝状结构体，在该区域中，单元密度从中心朝向外周逐渐减小。
【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2008-200605号公报；
【专利文献3】特开2008-18370号公报；
【专利文献4】特许第3219292号公报；
【专利文献5】特表2009-532605号公报(PCT申请的公开日语翻译)；
【专利文献6】特许第4511396号公报；
【专利文献7】特开2006-281134号公报；
【专利文献8】特许第4640903号公报；
【专利文献9】特许第4094823号公报；和
【专利文献10】特许第4332847号公报。
发明内容
技术问题
然而，在专利文献1至5中公开的蜂窝状结构体具有在中心侧和外周区域之间形成的内周壁。内周壁的存在产生具有围绕内周壁的具有缺陷形状的缺陷单元。(缺陷单元不仅仅由隔壁包围，而是由隔壁和内周壁的组合包围)。因此，当催化剂由蜂窝状结构体支撑时，这个结构将导致单元被催化剂阻塞和由单元阻塞导致增加蜂窝状结构体的压力损失。而且，尽管专利文献3已经公开了蜂窝状结构体的另一不具有任何内周壁的结构，因为在中心区域和外周区域内形成的单元都具有相同的形状，这提供可能降低的耐热冲击性。
而且，专利文献6已经公开具有这样结构的蜂窝状结构体，在该结构中，因为废气能够容易地在中心区域内流动，废气被集中在中心区域内，并且这产生这样的部分，在所述部分内的单元密度朝向外周区域内的外侧不均匀地减小。因此，这个蜂窝状结构体的结构在鉴于废气的流动方面对于净化废气没有可能的贡献。而且，专利文献6没有公开关于废气净化的任何数据。更进一步，因为单元中的每个不具有准确的圆形，废气难以沿着蜂窝状结构体的纵向流经在外周区域内形成的单元，可能难以提供充分的废气净化性能。更进一步，专利文献7至10具有这样的结构的蜂窝状结构体，在该结构中，多个所述多个蜂窝状段被组装以形成一体成形体。这个结构增加在蜂窝状段的接合区域处形成的隔壁的厚度，并且因此增加蜂窝状结构体的压力损失。
本发明已经为了解决上述问题而完成并且具有的目标是提供一种显示减小的压力损失并提供改善的废气净化性能的蜂窝状结构体。
技术方案
根据本发明的一个方面，示例性实施例将蜂窝状结构体提供为包括布置成格子状的隔壁和由隔壁包围的多个单元的一体成形体。蜂窝状结构体具有边界区域和沿径向从中心侧到外周侧形成的具有不同单元密度的多个单元密度区域。边界区域形成在紧邻的单元密度区域之间。边界区域具有边界隔壁和具有多边形形状的多个边界单元。边界隔壁连接与边界区域相邻而形成的单元密度区域内的隔壁。具有多边形形状的边界单元在形状上不同于单元密度区域内的单元。边界单元中的至少一部分由边界隔壁包围。蜂窝状结构体满足Φ1/Φ2≥1.25的关系，其中Φ1表示在边界区域内的边界单元的平均液压直径，并且Φ2表示在边界区域的直接内侧形成的单元密度区域内的单元的平均液压直径(权利要求1)。
本发明的有利效果
前述的蜂窝状结构体具有多个单元密度区域，多个单元密度区域的单元密度在垂直于轴向的径向上在横截面(下文中也被称为径向横截面)内逐步改变。此外，边界区域形成在单元密度区域之间并且使单元密度区域分离以便将相邻的单元密度区域分隔开。边界区域具有边界隔壁和具有多边形形状的多个边界单元。边界隔壁连接与边界区域相邻地形成的单元密度区域内的隔壁。具有多边形形状的边界单元在形状上不同于在边界区域的两侧形成的单元密度区域内的单元，并且边界单元中的每个的至少一部分由边界隔壁包围。
也就是，在前述的蜂窝状结构体中，边界区域形成在具有改变的单元密度的单元密度区域之间的边界上并且具有与单元密度区域的隔壁和单元在结构上相似的隔壁(也就是边界隔壁)和单元(也就是边界单元)。这个结构使得能够防止在单元密度区域之间的边界区域内形成缺陷单元。在这种情况下，这种缺陷单元被在边界区域内形成并且具有小于在边界区域的紧接内侧形成的单元密度区域内的单元的液压直径的液压直径。这个结构使得能够抑制在单元密度区域之间形成的边界区域内产生催化剂导致的单元堵塞。
更进一步，前述的蜂窝状结构体满足Φ1/Φ2≥1.25的关系，其中Φ1表示在边界区域内的边界单元的平均液压直径，并且Φ2表示在边界区域的直接内侧形成的单元密度区域内的单元的平均液压直径。这使得当与单元密度区域相对比时，催化剂能够容易地支撑在边界单元内(更具体地，在边界隔壁的表面上)。从而能够抑制在边界区域的边界单元内产生单元阻塞。作为结果，能够充分地具有降低蜂窝状结构体的压力损失和增强废气净化性能的效果。
更进一步，在前述的蜂窝状结构体中，因为具有高单元密度的单元密度区域被布置在大部分量的废气流经的区域(例如，在光谱区域内)，能够在内燃机启动后立刻将温度快速升高至蜂窝状结构体内的催化剂被激活的激活温度。这使得能够减少排放并且进一步提高废气净化性能。更进一步，例如，因为具有低单元密度的单元密度区域被布置在蜂窝状结构体的外侧区域，能够使废气容易地流经在蜂窝状结构体的外侧区域内形成的单元密度区域。这使得能够将废气均匀地供应到蜂窝状结构体的每个单元密度区域并且进一步增强废气净化性能。而且，因为这个结构增加整个蜂窝状结构体的开口比(开口面积与在轴向的横截面的截面面积比)，能够降低蜂窝状结构体的压力损失。
如前所述，能够提供一种能够降低压力损失并且增强废气净化性能的蜂窝状结构体。
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并且(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E5和E8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E6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E7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内的单元的单元节距的立体图，(a)示出单元具有正方形形状的情况，和(b)示出单元具有六边形形状的情况。
图6是说明根据对比示例的蜂窝状结构体的径向横截面的视图，(a)示出对比示例C1，和(b)示出对比示例C2。
图7是说明根据对比示例的蜂窝状结构体的径向横截面的视图，(a)示出对比示例C3，和(b)示出对比示例C4。
图8是示出评价根据这些实施例的蜂窝状结构体的压力损失的方法的视图。
图9是示出配备有根据这些实施例的蜂窝状结构体的催化转化器的视图。
图10是示出根据实施例E的蜂窝状结构体的轴向端面的显微镜照片视图，(a)示出在催化剂被支撑之前，蜂窝状结构体的端面，和(b)示出在催化剂已被支撑之后，蜂窝状结构体的端面。
图11是示出根据对比示例C3的蜂窝状结构体的轴向端面的显微镜照片视图，(a)示出在催化剂被支撑之前，蜂窝状结构体的端面，和(b)示出在催化剂已被支撑之后，蜂窝状结构体的端面。
图12是示出根据示例性实施例和对比示例的蜂窝状结构体的单元密度比Ma/Mb与排放比之间的关系的曲线图。
图13是示出根据示例性实施例和对比示例的蜂窝状结构体的边界区域的位置r/R与单元密度比Ma/Mb之间的关系的曲线图。
图14是示出根据实施例的蜂窝状结构体的平均液压直径的比Φ1/Φ2与涂覆区域的长度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，所述单元密度区域具有在径向横截面内从中心侧到外周侧逐步改变的不同的单元密度。也就是，蜂窝状结构体在径向从中心侧到外周侧被分隔成多个区域(也就是，单元密度区域)。每个单元密度区域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在径向逐步改变。
而且，在边界区域内的边界单元具有多边形形状，其不同于在边界区域两侧形成的单元密度区域的单元形状。例如，当在边界区域内形成的边界单元具有不同于在单元密度区域形成的单元的形状的具有低刚度的形状(例如，五边形形状)时，边界区域能够具有柔软性。也就是，这使得能够赋予蜂窝状结构体的一部分柔软性并且从而增加耐热冲击性。
更进一步，当平均液压直径Φ1与Φ2之间的关系是Φ1/Φ2<1时，有可能催化剂不能够容易地支撑在在边界区域内形成的边界单元内(具体地，在边界隔壁的表面上)。这导致难以充分获得抑制在边界区域的边界单元内产生单元堵塞的效果。因此，本发明关于平均液压直径Φ1和Φ2满足Φ1/Φ2≥1.25。
更进一步，平均液压直径Φ1和Φ2能够满足1.25≤Φ1/Φ2≤2.02(权利要求2)。这个关系使得当与在单元密度区域内的单元相比时，边界区域内的边界单元能够容易地支撑催化剂并且获得充分抑制在边界区域的边界单元内催化剂引起的单元堵塞的效果。
当平均液压直径Φ1与Φ2的关系是Φ1/Φ2>2.02时，因为边界区域与单元密度区域之间的流动通道阻力差值变大，这将导致这些区域具有容易支撑催化剂的不同倾向。这引入在蜂窝状结构体内均匀地支撑催化剂的困难。而且，当含有贵金属的浆料作为催化剂被涂到蜂窝状结构体内时，催化剂的不必要的量被耗费。这就制造成本而言是不优选的。
前述的平均液压直径Φ1是在边界区域内的边界单元的等同液压直径的平均值。而且，前述的平均液压直径Φ2是在边界区域的直接内侧形成的单元密度区域内的单元的等同液压直径的平均值。等同液压直径Φ是由等式Φ＝4a/b表示的，其中参考字符a表示在蜂窝状结构体的径向横截面内的单元(边界单元)的内侧面积，并且参考字符b表示蜂窝状结构体的周长。
而且，蜂窝状结构体能够具有满足1<Ma/Mb≤2.2的关系的结构，其中参考字符Ma表示除了在多个单元密度区域的最外侧形成的单元密度区域之外，单元密度区域的最大单元密度(在下文中将也被称为高单元密度区域)，并且参考字符Mb表示在多个单元密度区域内的单元密度区域的最小单元密度(在下文中将也被称为低单元密度区域)(权利要求3)。这个结构使得能够充分提供减少排放和改善废气净化性能的效果。此外，对于Ma/Mb的值优选在1.25到1.87的范围内以具有更高的废气净化性能。
当单元密度Ma与Mb之间的关系是Ma/Mb≤1时，大部分废气被集中到蜂窝状结构体的中心部分并且在其内流动。这导致难以有效利用整个蜂窝状结构体并且难以提供减少排放和改善废气净化性能的效果。另一方面，当单元密度Ma和Mb之间的关系是Ma/Mb>2.2时，因为当高单元密度区域被布置在大部分废气流经的区域(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时外侧区域具有极低的单元密度，废气容易流经蜂窝状结构体的外侧区域。这个结构导致废气不会通过经过蜂窝状结构体而被充分净化，并且因此降低废气净化性能。
例如，高单元密度区域能够具有在62到186个单元/cm2范围内的单元密度，并且进一步低单元密度区域能够具有在46.5到139.5个单元/cm2范围内的单元密度。而且，在高单元密度区域内的隔壁能够具有在30到120μm范围内的厚度，并且在低单元密度区域内的隔壁能够具有在50到200μm范围内的厚度。
更进一步，蜂窝状结构体能够具有满足0.16<r/R<1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表示边界区域的半径，所述边界区域将除了在多个单元密度区域内的最外侧单元密度区域之外具有最大单元密度的单元密度区域和与具有最大单元密度的单元密度区域相邻向外形成的单元密度区域分隔开(权利要求4)。这个结构使得能够提供充分减少排放并且增强排气净化性能的效果。还优选的是使r/R值在0.5到0.8的范围内以具有更高的废气净化性能。当蜂窝状结构体或者边界区域具有圆形的形状时，半径R、r是其半径。另一方面，当蜂窝状结构体或者边界区域具有多边形的形状时，半径R、r是其内切圆的半径。
此外，蜂窝状结构体能够具有这样的结构，在该结构中，除了布置在多个单元密度区域的最外侧的单元密度区域之外，具有最大单元密度的单元密度区域被布置在最内侧。因为这个结构允许具有大的表面积的高单元密度区域布置在大部分废气经过的区域处(例如，中心侧处)，能够具有充分减少排放并且改善废气净化性能的效果。在这个结构中，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一致。例如，能够基于蜂窝状结构体安装到其上的废气管道的形状和废气的流动等，将高单元密度区域定位在最佳侧。
此外，蜂窝状结构体能够具有这样的结构，在该结构中，所述多个区域由两个单元密度区域组成，也就是，内侧单元密度区域和外侧单元密度区域。内侧单元密度区域和外侧单元密度区域中的每个由布置成正方形格子形状的隔壁和由隔壁包围的正方形单元组成。在内侧形成的内侧单元密度区域的单元密度与在外侧形成的外侧单元密度区域的单元密度的比是2：1。在外侧区域形成的外侧单元密度区域的单元具有相对于在内侧区域形成的内侧单元密度区域的单元成45度的倾斜(参见在后面描述的图3和图4)。这个结构使得能够提高蜂窝状结构体的强度(诸如等静压强度等)。此外，当在边界区域内的边界隔壁连接在边界区域的两侧形成的单元密度区域内隔壁的格子点(接合点)时，能够进一步改善蜂窝状结构体的强度(也就是，等静压强度等)(参见将在后面描述的图3和图4)。
蜂窝状结构体能够具有由两个单元密度区域(也就是，高单元密度区域和低单元密度区域)组成的结构，在该结构中，高单元密度区域被布置在内侧(也就是，在中心侧)，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地具有减少排放和提高废气净化性能的效果和形成更加均匀的废气流动并改善废气净化性能的效果。
蜂窝状结构体能够具有由不少于三个单元密度区域组成的结构，在该结构中，单元密度区域被布置以沿径向从中心侧到外侧(也就是，到外周侧)逐步减小单元密度。这个结构使得能够更加改善均匀地供应废气和提高废气净化性能的效果。然而，这个结构可能将最外侧单元密度区域的单元密度降低到过低，并且作为结果，有可能降低蜂窝状结构体的强度(也就是，等静压强度)。为了避免这种情况，优选增加最外侧单元密度区域的单元密度以便确保蜂窝状结构体的总体强度。
前述的蜂窝状结构体被用于能够通过使用催化剂净化废气的催化转化器等。在这种情况下，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。每个单元密度区域优选具有相同的孔隙率。
所述单元能够在径向横截面内具有圆形和多边形等(例如，正方形和六边形)形状。此外，单元密度区域能够在径向横截面内具有圆形、多边形等外部形状。
边界区域能够在径向横截面内具有圆形和多边形(例如正方形、六边形等)的外部形状。此外，边界单元能够在径向横截面内具有多边形(诸如，正方形，五边形等)形状。
边界隔壁能够具有在30到160μm范围内的厚度。而且，当隔壁的格子点(接合点)被连接到一起时，能够提高蜂窝状结构体的强度(也就是，等静压强度等)，其中所述隔壁被在边界区域的两侧形成的单元密度区域内布置成格子状。
在示例性实施例中，多个蜂窝状结构体(实施例E1至E8)和多个蜂窝状结构体(对比示例C1至C4)被产生，并且所述蜂窝状结构体的压力损失、废气净化性能、耐热冲击性等被评价。
将参考附图给出根据示例性实施例的蜂窝状结构体(实施例E1至E8)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由多个单元密度区域2(21、22)组成，所述多个单元密度区域在垂直于轴向X的横截面内从中心侧到外周侧具有不同的单元密度。边界区域14被形成在彼此相邻的单元密度区域2之间。图1(a)和图2至图4示出具有两个单元密度区域2(21、22)的蜂窝状结构体1，两个单元密度区域2(21、22)具有不同的单元密度。然而，具有如图1(b)所示的多个单元密度区域2(不少于三个，21、22、…和2n)的蜂窝状结构体是可接受的。
如这些附图所示，边界区域14由边界隔壁141和多个边界单元142组成。布置在边界区域14的两侧处的单元密度区域2(21、22)内的隔壁11通过边界隔壁141彼此连接。边界单元142具有多边形形状，其不同于形成在布置于边界区域14两侧的单元密度区域2内单元12的形状。边界单元142的一部分由边界隔壁141包围。而且，蜂窝状结构体1满足Φ1/Φ2≥1.25的关系，其中，Φ1表示在边界区域14内形成的边界单元142的平均液压直径，并且Φ2表示在布置在边界区域14紧接内侧的单元密度区域2内形成的单元12的平均液压直径。下面的描述将详细说明所述关系。
如图1所示，蜂窝状结构体1(对应于实施例E1至E8)被用作能够净化废气的催化剂支撑元件。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形状。单元12由隔壁11包围。蜂窝状结构体1的外周表面被外周壁13覆盖。蜂窝状结构体1由堇青石形成并且形成为一体成形体。蜂窝状结构体1具有103mm的直径和105mm的长度。
如图2(示出实施例E1至E5和实施例E8)、图3(示出实施例E6)和图4(示出实施例E7)所示，在蜂窝状结构体1的结构中，蜂窝状结构体1的垂直于轴向X(参见图1)的横截面(也就是，径向横截面)被从中心侧到外周侧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。彼此相邻的单元密度区域2具有朝向径向逐步改变的不同的单元密度。图2、图3和图4示出蜂窝状结构体1的径向横截面的四分之一。
如这些附图所示，第一单元密度区域21被布置在最内侧，也就是，布置在蜂窝状结构体1的中心侧。除了在最外侧形成的单元密度区域2以外，第一单元密度区域21是具有最大单元密度的单元密度区域2(也就是，高单元密度区域2a)。此外，在第一单元密度区域21内的隔壁11具有0.09mm(90μm)的厚度。第二单元密度区域22被布置在蜂窝状结构体1的外周的最外侧处。第二单元密度区域22是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)。在第二单元密度区域22内的隔壁11具有0.09mm(90μm)的厚度。
图2至图4所示的蜂窝状结构体1具有这样的结构，在该结构中，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22沿不同的方向倾斜(在第二单元密度区域22内的单元22相对于在第一单元密度区域21内的单元12倾斜45度)。例如，能够具有这样的结构，在该结构中，在第二单元密度区域22内的单元和在第一单元密度区域21内的单元12沿相同的方向倾斜。
更进一步，如图2至图4所示，蜂窝状结构体1满足1<Ma/Mb≤2.2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)的最小单元密度。表1示出每个蜂窝状结构体1(实施例E1至E8)的单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21、第二单元密度区域22)的单元密度(个单元/cm2)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)示出的单元节距P通过使用工具显微镜、另一显微镜等测量以便得到蜂窝状结构体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使用由单位“cpsi”转换的单位(个单元/cm2)。
例如，如图5(a)所示，当单元12具有如实施例E1至E8的结构的正方形形状并且平均单元节距为p1时，单元密度(cpsi)通过使用以下等式来计算：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为p2时，单元密度(cpsi)由相关等式计算：单元密度(cpsi)＝(2/√3)×(25.4/p2)2。
此外，如图2至图4所示，边界区域14被形成在彼此相邻的单元密度区域2(21、22)之间以便将两个单元密度区域2分隔开。边界区域41具有八边形的形状(参见图1)。边界区域14由边界隔壁141和边界单元142组成。边界隔壁141连接布置在边界区域14两侧的单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)内的隔壁11。边界单元142由边界隔壁141和布置在边界区域14两侧的单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)内的隔壁11包围。此外，边界单元142具有不同于在边界区域14的两侧形成的单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)内的单元12的形状。
如图2所示，根据实施例E1至E5和E8的蜂窝状结构体1具有的边界单元142具有正方形和五边形形状(在形状上不同于单元密度区域2内的单元12的正方形形状)。如图3和图4所示，根据实施例E6和E7的蜂窝状结构体1具有的边界单元142具有五边形形状。而且，在根据实施例E6和E7的蜂窝状结构体1中，布置在内侧的单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21)和布置在外侧的单元密度区域2(也就是，第二单元密度区域22)之间的单元密度比为2:1。更进一步，边界隔壁141被形成以使得边界隔壁141连接在布置在边界区域14的两侧的单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)内布置成格子状的隔壁11的格子点(接合点)。这个结构提高蜂窝状结构体1的强度(也就是等静压强度等)。
如图2至图4所示，根据实施例E1至E8的蜂窝状结构体1满足Φ1/Φ2≥1.25的关系，其中Φ1表示在边界区域14内的边界单元142的平均液压直径，并且Φ2表示在边界区域14的直接内侧形成的单元密度区域2内的单元12的平均液压直径。表1示出在蜂窝状结构体1(对应于实施例E1至E8)中形成的单元密度区域2(作为第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)中的每个内的单元的平均液压直径(mm)以及平均液压直径的比Φ1/Φ2。
更进一步，如附图所示，蜂窝状结构体1满足0.16<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表示将高单元密度区域2a(也就是，第一单元密度区域21)从与单元密度区域2a相邻向外形成的单元密度区域2(也就是，第二单元密度区域22)分隔的边界区域14的半径。因为在根据实施例E1至E7的蜂窝状结构体1中，边界区域14具有八边形的形状(参见图1)，边界区域14的内切圆具有半径r。在实施例中，边界区域被形成以使得内切圆在蜂窝状结构体1的0°、90°、180°和270°位置接触形成边界单元142的隔壁11的内侧。表1示出根据实施例E1至E8的蜂窝状结构体1中的每个的边界区域的位置r/R。
下面将参考附图给出蜂窝状结构体9(根据对比示例C1至C4)的描述。
如图6(a)和图6(b)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示出的第一单元密度区域)组成，这不同于前述的根据实施例E1至E8的蜂窝状结构体1的结构。也就是，整个蜂窝状结构体9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6(b))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E8的蜂窝状结构体1的部件相同的结构。表1示出在蜂窝状结构体9(作为对比示例C1和C2)内的单元密度区域2的平均液压直径(mm)、单元密度(个单元/cm2)等。
如图7(a)所示，类似于如前所述的根据实施例E1至E8的蜂窝状结构体1的结构，作为对比示例C3的蜂窝状结构体9由两个单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)组成。具有筒状形状的隔壁(或内周边壁)19形成在蜂窝状结构体9的单元密度区域2之间。蜂窝状结构体9的其他部件具有与如前所述的实施例E1至E8的蜂窝状结构体1的部件相同的结构。
表1示出在蜂窝状结构体9(作为对比示例C3)内的每个单元密度区域2(作为第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)的平均液压直径(mm)、单元密度(个单元/cm2)等。如表1所示，对比示例C3的蜂窝状结构体9内的边界区域的平均液压直径表示由边界隔壁19和布置在边界隔壁19内侧的单元密度区域2(作为第一单元密度部分21)内的隔壁11包围形成的缺陷单元12的平均液压直径。边界区域的位置r/R表示边界隔壁19的位置。
如图7(b)所示，类似于根据前述的实施例E1至E8的蜂窝状结构体1的结构，作为对比示例C4的蜂窝状结构体9由两个单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)组成。然而，作为对比示例C4的蜂窝状结构体9在两个单元密度区域之间不具有隔壁(即，不具有任何内周壁)。蜂窝状结构体9的其他部件具有与如前所述的实施例E1至E8的蜂窝状结构体1的部件相同的结构。
表1示出蜂窝状结构体9(作为对比示例C4)中的每个单元密度区域2(也就是，第一单元密度区域21和第二单元密度区域22)的平均液压直径(mm)、单元密度(个单元/cm2)等。如图7(b)所示，作为对比示例C4的蜂窝状结构体9内的边界区域被通过虚线标出，所述虚线表示第一单元密度区域21与第二单元密度区域22之间的边界区域。
下面，将给出作为实施例E1至E8和对比示例C1至C4的蜂窝状结构体9的生产方法的描述。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％到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。
然后，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E8和对比示例C1至C4中的每个)的压力损失、废气净化性能、耐热冲击性等的评价。在下文中，将说明压力损失、废气净化性能、耐热冲击性能等的评价方法。
在压力损失的评价中，如图8所示，已经支撑催化剂的蜂窝状结构体1(9)被安装到压力损失评价装置7。然后，鼓风机将压力损失评价装置7内的空气A1吸出到外侧。在压力损失评价装置7已经具有低压之后，预定量的空气A2被供应到蜂窝状结构体9以使得供应的空气A2的量变为6m3/分钟。压力损失评价装置7内的压力传感器71检测压力损失评价装置7的内侧压力。检测的压力与大气压力之间的压差被计算以得到蜂窝状结构体的压力损失。在示例性实施例中，相对于对比示例C2的压力损失计算压力损失比。
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，如图9所示，蜂窝状结构体1(9)被安装到另一内燃机。此时，卷有氧化铝垫81的蜂窝状结构体1(9)被安装到废气管道82的内侧以形成催化转化器8。如从附图省略的，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。在示例性实施例中，基于作为参考值的对比示例C2的排放量，得到每个实施例和对比示例的排放比。
在示例性实施例中，S/C位置表示在紧接内燃机的被安装到废气通道的排放端口之后的位置，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。能够使用由γ氧化铝和/或铈以及作为贵金属的铂(Pd)、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。
而且，当催化剂被支撑在实施例E1至E5的蜂窝状结构体内时，通过检测在边界区域的边界单元内是否产生单元堵塞而执行对由催化剂产生的单元堵塞的评价。而且，当催化剂被支撑在对比示例C3的蜂窝状结构体内时，通过检测在由边界隔壁和在边界区域内侧形成的单元密度区域(作为第一单元密度区域)的隔壁形成的缺陷单元的开口区域的端面内是否产生单元堵塞而执行对由催化剂产生的单元堵塞的评价。当没有检测到单元堵塞时，评价结果表示为参考字符“A”，并且当检测到单元堵塞时，评价结果表示为参考字符“B”。
等静压强度的评价是基于由日本汽车工程师协会颁布的日本汽车标准JASO标准505-87确定的“等静压破坏强度试验”执行。在具体示例中，蜂窝状结构体被布置在由橡胶形成的筒状容器内。筒状容器用由铝形成的板密封。在水中对筒状容器执行等静压压缩，蜂窝状结构体被储存在所述筒状容器内。当蜂窝状结构体破坏时的载荷被检测，并且蜂窝状结构体的等静压强度基于检测的载荷而计算。示例性实施例基于对比示例C3的等静压破坏强度计算实施例E1和E6的等静压破坏强度比。
而且，当蜂窝状结构体被布置以使得轴向变为与竖直方向相同并且蜂窝状结构体的一个开口端面被涂覆有催化剂时，催化剂涂层的评价被执行。此时，在单元密度区域(也就是，第一单元密度区域)内形成的单元的沿轴向的一半长度被涂覆有催化剂，所述单元密度区域在蜂窝状结构体的边界区域的直接内侧形成。基于前述限定的单元的一半长度，计算在每个实施例中的边界区域内形成的边界单元的涂覆有催化剂的长度与蜂窝状结构体的一半长度的比。基于评价结果，参考字符“A”表示涂覆有催化剂的长度与蜂窝状结构体的一半长度的比不大于2。参考字符“B”表示涂覆有催化剂的长度与蜂窝状结构体的一半长度的比大于2。涂覆有催化剂的长度的评价仅对实施例E6和E7的蜂窝状结构体执行。
通过使用以下等式计算涂覆有催化剂的长度：
((由催化剂涂层使用的重量)×(催化剂涂层的密度))/((蜂窝状结构体的每单位体积的GSA))。
当蜂窝状结构体由具有正方形形状的单元组成时，其GSA能够基于隔壁的厚度t和单元节距p(参见图5(a))计算。距离x(＝p-t)(参见图5(a))是在每个单元中面对的隔壁的边之间的距离，所述距离基于隔壁的平均厚度t和单元节距p计算。距离x是单元的每条边的长度。因为当蜂窝状结构体的单元具有正方形形状时单元在纵向具有平面形状，当蜂窝状结构体的长度是L时，能够计算每个单元的表面积S(＝4yL)。蜂窝状结构体的GSA能够基于单元的数量而计算。还能够基于蜂窝状结构体的总体积计算每单位体积的GSA。
例如，类似于前述情况，能够基于隔壁的厚度t和单元节距p(参见图5(b))计算具有六边形形状单元的蜂窝状结构体的每单位体积的GSA(也就是几何表面积)。在每个单元内彼此面对的边之间的距离x(＝p-t)(参见图5(b))基于隔壁的厚度t和单元节距p计算。每边的长度y(＝x/√3)通过使用所计算的距离x来计算。因为在蜂窝状结构体内的每个单元具有沿着其纵向的单纯板状，当字符L表示蜂窝状结构体的长度时，能够计算每个单元的表面积S(＝6yL)。能够基于单元的数量计算蜂窝状结构体的总GSA。而且，还能够基于整个蜂窝状结构体的体积计算每单位体积的GSA。
耐热冲击性的评价通过使用电炉在预定温度(1050℃)加热蜂窝状结构体执行。然后，加热的蜂窝状结构体被从电炉取出，并且常温的空气流入蜂窝状结构体的中心区域，此时，能够通过调节空气压力将蜂窝状结构体的内侧和外侧之间的温差(ΔT)调节到期望的温差ΔT(ΔT＝50℃、60℃以及70℃)。内侧和外侧之间的温差是安装到蜂窝状结构体的径向横截面的中心区域的热电偶与安装到从中心区域径向向外10mm的热电偶之间的温度差。
当裂纹的产生比率Z是0％(也就是Z＝0％)时，使用十个蜂窝状结构体的关于耐热冲击性的判断结果表示为参考字符“A”。当裂纹的产生比率是0％<Z≤50％时，判断结果表示为参考字符“B”。当产生比率是50％<Z≤100％时，判断结果表示为参考字符“C”。示例性实施例已经评价实施例E8和对比示例C4的耐热冲击性。
表1
而且，表1示出压力损失、废气净化性能、耐热冲击性等的评价结果。如能够从表1理解的，因为具有边界区域并且满足Φ1/Φ2≥1.25，根据实施例E1至E5的蜂窝状结构体具有小于1的压力损失比和小于1的排放比。也就是，当与对比示例C2相比较时，根据实施例E1至E5的蜂窝状结构体具有减小的压力损失和增强的废气净化性能。作为结果，根据实施例E1至E5的蜂窝状结构体能够减小压力损失并且具有较好的废气净化性能。
而且，如能够从表1理解的，根据实施例E1至E5的蜂窝状结构体关于催化剂导致的单元堵塞具有评价结果“A”。另一方面，根据对比示例C3的蜂窝状结构体由于具有缺陷单元而关于催化剂导致的单元堵塞具有评价结果“B”。图10示出根据实施例E1的蜂窝状结构体的围绕边界区域的区域的显微镜照片。图10(a)示出在催化剂被支撑在根据实施例E1的蜂窝状结构体内之前的状态。图10(b)示出在催化剂被支撑在根据实施例E1的蜂窝状结构体之后的状态。如能够从这些附图理解的，根据实施例E1的蜂窝状结构体在催化剂被支撑在蜂窝状结构体内之后在围绕边界区域的区域内没有催化剂导致的单元堵塞。图11示出根据对比示例C3的蜂窝状结构体的围绕边界区域的区域的显微镜照片。图11(a)示出在催化剂被支撑在根据对比示例C3的蜂窝状结构体内之前的状态。图11(b)示出在催化剂被支撑在根据对比示例C3的蜂窝状结构体内之后的状态。如能够从这些附图理解的，根据对比示例C3的蜂窝状结构体在催化剂被支撑在蜂窝状结构体内之后在围绕边界区域形成的缺陷单元内导致单元堵塞(由图11(b)的参考字符P标出)。
而且，如能够从表1理解的，根据实施例E6的蜂窝状结构体具有高于对比示例C3和实施例E1中的每个的等静压强度。实施例E6的这个特征是通过这样的结构获得的，在该结构中，单元密度比为2:1，该比值是在边界区域内侧形成的内侧单元密度区域(也就是，第一单元密度区域)的单元密度与在边界区域外侧形成的外侧单元密度区域(也就是，第二单元密度区域)的单元密度之间的比，并且布置在外侧单元密度区域内的单元相对于布置在内侧单元密度区域内的单元倾斜45°以便将在边界区域的两侧形成的内侧单元密度区域和外侧单元密度区域内布置的隔壁的格子点(接合点)连接。
此外，图12基于表1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至E3和对比示例C2和C3中的每个的排放比被在图12中绘制。特别地，对比示例C2具有Ma/Mb＝1的单元密度比。如能够从图12理解的，当蜂窝状结构体具有1<Ma/Mb≤2.2的关系(特别地，具有在1.25到1.87范围内的Ma/Mb的值)时，能够进一步降低排放比(也就是，进一步减少排放量)并且增强废气净化性能。
而且，图13基于表1示出的评价结果示出边界区域的位置r/R和排放比之间的关系。实施例E1、E4和E5以及对比示例C1和C2中的每个的排放比被在图13中绘制。因为在对比示例C1中的第一单元密度区域在单元密度方面不同于实施例E1、E4和E5中的每个的第一单元密度区域，所以在对比示例C1中的边界区域的位置r/R是零(r/R＝0)，如图13所示。(特别地，在对比示例C1中的边界区域的位置r/R被在表1中用参考字符“-”标出)。此外，因为在对比示例C2中的第一单元密度区域具有与实施例E1、E4和E5中的每个的第一单元密度区域相同的单元密度，所以在对比示例C2中的边界区域的位置r/R被在图13中标出为1，也就是r/R＝1。(在对比示例C2中的边界区域的位置r/R被在表1中用参考字符“-”标出)。如能够从图13中理解的，因为具有0.16<r/R<1的关系(特别地，具有0.5到0.9范围内的r/R值)，作为实施例E1、E4和E5的蜂窝状结构体将排放比降低为尽可能小(进一步降低排放量)并且提高废气净化性能。
图14基于表1中的评价结果示出液压直径比Φ1/Φ2和涂覆长度之间的关系。实施例E6和E7中的每个的催化剂涂覆长度被在图14中绘制。如能够从图14理解的，当满足Φ1/Φ2≤2.02的关系时，催化剂涂覆长度减小为不大于2。也就是，为了执行整个蜂窝状结构体的催化剂涂覆，当蜂窝状结构体的在轴向的一半被催化剂从蜂窝状结构体的一个开口端面涂覆时，蜂窝状结构体被布置为顶部-底部倒置，并且然后蜂窝状结构体的剩余一半被用催化剂涂覆。在这种情况下，当整个蜂窝状结构体由催化剂涂覆时，能够防止催化剂从蜂窝状结构体内的相反开口区域流出和消耗不必要量的催化剂。
更进一步，如能够从表1理解的，根据实施例E8的蜂窝状结构体使在边界区域内的边界单元具有低刚度形状(具有五边形形状)，所述边界单元在形状方面不同于在单元密度区域内的单元(具有正方形形状)。因此，在ΔT＝50℃、ΔT＝60℃、ΔT＝70℃的条件下，根据实施例E8的蜂窝状结构体关于耐热冲击性具有评价结果“A”。也就是，能够通过增加边界区域的柔软性(也就是，柔软性被赋予蜂窝状结构体的局部区域)来提高蜂窝状结构体的耐热冲击性。另一方面，因为在根据对比示例C4的蜂窝状结构体中，在边界区域内形成的边界单元和在单元密度区域内形成的单元具有相同的结构，不能够具有与根据实施例E8的蜂窝状结构体相同的效果。根据对比示例C4的蜂窝状结构体关于耐热冲击性在ΔT＝60℃的条件下具有评价结果“B”并且在ΔT＝70℃的条件下具有评价结果“C”。
【附图标记列表】
1 蜂窝状结构体，
11 隔壁
12 单元
14 边界区域
141 边界隔壁
142 边界单元
2 单元密度区域
X 轴向

Claims (8)

1.一种形成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)包围的多个单元(12)，其中
所述蜂窝状结构体(1)包括在径向从中心侧到外周侧形成的具有不同单元密度的多个单元密度区域(2)，
边界区域(14)形成在紧邻的单元密度区域(2)之间，
所述边界区域(14)包括边界隔壁(141)和具有多边形形状的多个边界单元(142)，
所述边界隔壁(141)连接与所述边界区域(14)相邻形成的单元密度区域(2)内的隔壁(11)，
具有多边形形状的边界单元(142)在形状上不同于单元(12)，
所述边界单元(142)的至少一部分由所述边界隔壁(141)包围，和
所述蜂窝状结构体(1)满足Φ1/Φ2≥1.25的关系，
其中Φ1表示在所述边界区域(14)内形成的所述边界单元(142)的平均液压直径，并且Φ2表示在所述边界区域(14)的直接内侧形成的单元密度区域(2)内形成的单元(12)的平均液压直径。
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)满足1.25≤Φ1/Φ2≤2.02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)满足1<Ma/Mb≤2.2的关系，
其中参考字符Ma表示除了在所述多个单元密度区域(2)的最外侧形成的单元密度区域(2)以外单元密度区域(2)的最大单元密度，并且参考字符Mb表示在所述多个单元密度区域(2)中的单元密度区域(2)的最小单元密度。
4.根据权利要求1至3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0.16<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表示将除了所述多个单元密度区域(2)中的最外侧单元密度区域(2)以外具有最大单元密度的单元密度区域(2)从与具有最大单元密度的单元密度区域(2)相邻向外形成的单元密度区域(2)分隔的边界区域(14)的半径。
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)，其中除了所述多个单元密度区域(2)中的最外侧单元密度区域(2)以外具有最大单元密度的单元密度区域(2)被布置在最内侧。
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)，其中所述多个单元密度区域(2)由内侧单元密度区域(2)和外侧单元密度区域(2)组成，其中所述内侧单元密度区域(2)和所述外侧单元密度区域(2)中的每个包括布置成正方形格子状的隔壁(11)和由所述隔壁(11)包围的正方形单元(12)，
在内侧形成的所述内侧单元密度区域(2)的单元密度与在外侧形成的所述外侧单元密度区域(2)的单元密度的比为2:1，和
在外侧形成的所述外侧单元密度区域(2)的单元具有相对于在内侧区域形成的所述内侧单元密度区域(2)的单元成45度的倾斜。
7.根据权利要求3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≤1.87的关系，
其中参考字符Ma表示除了所述多个单元密度区域(2)中在最外侧区域形成的单元密度区域(2)以外单元密度区域(2)的最大单元密度，并且参考字符Mb表示所述多个单元密度区域(2)中的单元密度区域(2)的最小单元密度。
8.根据权利要求4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表示蜂窝状结构体(1)的半径，并且参考字符r表示将除了所述多个单元密度区域(2)中的最外侧单元密度区域(2)以外具有最大单元密度的单元密度区域(2)从与具有最大单元密度的单元密度区域(2)相邻向外形成的单元密度区域(2)分隔的边界区域(14)的半径。
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