CN1327410A - 波纹壁蜂窝构件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

波纹壁蜂窝构件(1),具有多个通道方向相互平行的孔通道(2),其中,在与孔通道(2)垂直的横截面上,在隔开孔通道(2)的壁(3)之间形成相交的部分(4),使其位置同步地保持预定的距离,而且除了相交部分(4)以外,壁(3)的壁面部分(5),在孔通道方向和与孔通道方向垂直的横截面方向上制成波纹形状,由此提高废气排放控制性能、催化剂性能、外壳密封的机械强度、和耐热冲击性能。

Description

波纹壁蜂窝构件及其制造方法

                        技术领域

本发明涉及一种波纹壁蜂窝构件，用作内燃机废气净化的催化剂载体或车辆废气除臭的催化剂载体等，用作各种类型过滤装置的滤层，用作热交换器部件，或用作化学反应器的载体如燃料电池改性的催化剂载体等。

                        技术背景

蜂窝构件被广泛地用作内燃机废气净化的催化剂载体或车辆废气除臭的催化剂载体等。对于这类蜂窝构件，按照惯例，例如在用作车辆废气净化催化剂载体的情况下，隔开孔(Cell)通道的壁，按惯例一般制成平的形状，以减少压力损失。

然而，在近年来，按照基于环境问题的更加严格的排放标准，认为车辆废气净化催化剂的净化能力比压力损失性能更为重要。随后，降低烃类(HC)、一氧化碳(CO)和氧化氮(NOx)等有害物质排放量的发动机的开发，以及三元催化剂(three way catalysts)的改进都已取得了进展，由于进行这两项研究的结果，有害物质的排放在下降。

虽然在发动机运行过程中总排放量在下降，但对发动机刚起动后有害物质的排放量进行了更周密的检测。对于FTP-75型机器脚踏车—一种在美国限制行驶的机器脚踏车，例如总排气量的60％-80％是在发动机起动后最初140秒冷的瞬变状态内排放的。

一个原因是，特别是紧接发动机刚起动后，废气的温度低，催化剂未被充分地活化，所以通过催化剂的有害物质未被净化。此外，另一个因素是，在刚起动后，发动机中燃料的燃烧状态不稳定，废气中的A/F(空气/燃料比例)，即废气中的氧比例发生了变化，这种变化是影响三元催化剂净化能力的一个重要因素。

因此，在加速吸收废气中热量的同时，对发动机刚起动后迅速提高催化剂的温度进行了各种尝试，例如使催化剂的位置尽可能地靠近发动机，使催化剂位于废气温度高的地方；将孔的分隔较薄，使催化剂载体本身的热容降低；和提高载体部件中孔的密度，提高催化剂与废气之间的接触面积等。

然而，对于常规的普通蜂窝构件，为了降低压力损失，几乎总是将壁制成平的形状，使蜂窝通道是直管。因此，采用使壁变薄和增加孔数目等措施，来提高壁与废气之间的接触面积，但净化能力的提高是有限的，这是因为接触面积的增加是有限的，迄今尚未观测到废气中的有害物质达到足够的净化效果。

此外，在以增加催化剂的载带量来提高净化能力的情况下，不仅所采用的催化剂成分—铂的量大，会引起成本的增加，而且催化剂层增厚，这意味着能实际与废气发生充分接触的催化剂比例下降，所以不能获得所希望的净化能力的提高。此外，当催化剂的初始容量高时，贵金属的浓度就越高，在使用期间催化剂就越倾向于互相结团，造成使用寿命缩短的问题。

因此，日本专利-A-58-43238公开了一种陶瓷的蜂窝构件和一种制造蜂窝构件的方法，构件中，从入口到出口，将孔通道制成弯弯曲曲的形状，以提高孔通道壁与流过其中的流体的相互作用，于是，通过提高孔通道内的表面积，提高了净化能力，方法中，通过使挤压模塑部件在孔通道横截面内进行旋转振动，在孔通道方向(系指孔通道的通道方向)上，将孔通道制成弯弯曲曲的形状。

然而，对于在日本专利-A-58-43238中公开的蜂窝构件，将孔通道互相隔开的壁的形状是弯曲的，但在壁的表面上没有形成任何凸凹状。因此，孔通道内表面积的增加，仅限于使孔通道弯弯曲曲而增长孔通道长度，所以不能指望催化剂的容量有明显地提高。

日本专利-A-3-151049也公开一种陶瓷的蜂窝构件，其中蜂窝构件周边部分的壁是平的，只中间部分的壁是凹凸不平的，从而增加了废气和壁之间的相互作用，提高了净化效率，而且周边部分的壁制得较厚，提高了耐外压的强度和保持稳定的强度。

然而，对于日本专利-A-3-151049公开的蜂窝构件，虽然孔通道本身在孔通道方向上是凹凸不平的，但在孔通道横截面方向上的壁不是凹凸不平的。因此，与日本专利-A-58-43238公开的蜂窝构件的情况相同，孔通道内表面积的增加，仅限于通过在孔通道方向上形成凸凹状以增加孔通道的长度，所以不能指望催化剂的容量有明显的增加。

日本专利-A-5-123580也公开一种蜂窝构件，其中在孔通道方向和在与通道方向垂直的横截面方向上，将中部的壁制成波纹形状，而且其中波纹壁的凹凸是同步的，它们在孔通道方向上面向相同的方向。

对于根据日本专利-A-5-123580的蜂窝构件，除了与日本专利-A-58-43238和3-151049相同以通过主要延长孔的通道长度来提高表面积以外，其壁在与孔通道方向垂直的方向上，也是有波纹状的，从而提高了表面积。

然而，在孔通道方向上，其凹凸状是同步的，所以沿孔通道任意位置的截面形状是相同的。因此，流体在孔通道中的流动很容易变成稳定流动，所以存在的问题是，进一步增加流过孔通道的流体与壁表面之间的接触是困难的。

此外为了调节热应力或调节由于在与孔(通道方向)纵向垂直的平面上机械应力引起的变形，日本专利-A-52-119611还公开了一些变形的壁，但由于与日本专利-A-5-123580相同的问题，而没有提高催化剂容量的作用。此外，日本专利-A-52-119611，对壁变形(正弦波)的变形幅度小于壁的厚度能降低集中在壁变形部分上的应力的说明，但与废气和壁之间相互作用的进一步增加不符，也与本发明的实质不符。

此外，对于金属蜂窝构件，其中耐热不锈钢孔的形式是波纹状的，被推荐的结构是，其中在孔通道方向和在与孔通道垂直的方向上，制成许多圆形的小凹穴，在凹穴之间具有一定的距离。然而，对于这种构件，可以预料，不会有大的湍动作用，而且，即使在载带催化剂的情况下，沟纹也是很小的，以致催化剂层填满了沟纹，从而降低了形成沟纹的作用。在金属的情况下，几乎没有任何孔，所以在用γ氧化铝催化剂层覆盖时，造成催化剂的覆盖经常集中在沟纹之类的角落部分。

现在，也需要小的、轻的、和使用催化剂量少同时又具有良好传导效率等性能的蜂窝构件。此外，除了上述废气净化以外的目的，例如对于气体改性等用作化学反应催化剂载体的蜂窝构件，其中的压力损失在使用过程中并不是个很大的障碍。

本发明是根据常规技术的上述问题进行的，其目的是：提供一种蜂窝构件及其制造方法，在蜂窝构件中，增加壁的表面积，使流体在孔通道复合体中流动时，提高流体与壁的相互作用，该蜂窝构件还具有足够的机械强度和良好的耐热和耐震动性能，足以容许靠近发动机放置，用于净化发动机等的废气。

                        发明内容

也就是说，根据本发明，提供一种波纹壁蜂窝构件，其中具有许多在通道方向上互相平行的孔通道，其中在隔开孔通道的壁之间形成相交的部分，以便在与孔通道垂直的横截面处保持预定的间距，并使其位置有规律，而且其中除了相交部分以外的壁面部分的形成使在孔通道方向和与孔通道方向垂直的横截面方向上成波纹形状。

对于这种波纹壁蜂窝构件，对每一个孔通道，将每一对相对壁的壁面部分形成波纹形状，使一个壁面部分上的凹凸的位置，与另一个壁面部分上的凹凸的位置呈凸与凸相对，凹与凹相对，或凸与凹相对。也可以将制成波纹形状的壁面部分与制成平的形状的壁面部分制成混合配置的形式。

对于根据本发明的波纹壁蜂窝构件，对每一个孔通道，优选将形成孔通道的多个壁中的至少一个壁制成波纹形状，也就是使每一个孔通道，都能与制成波纹形状的壁发生接触。此外，将壁制成波纹形状所采用的波纹变形程度优选外部大于中部，因而基本上不容许废气通过外部的孔通道。因此，和在日本专利-A-49-63821和A-56-129042中公开的一样，可以获得防止周边部分散热、提高周边部分机械强度、和防止周边部分载带过多贵金属成分的优点。

而且，壁的波纹变形幅度和间距越大越好，制成波纹形状的壁，波纹的变形程度，优选≥150％的壁厚度。然而，过度的变形会使压力损失增加，所以在比较发动机性能时，对于每一种孔结构，都需通过权衡净化能力的提高程度和压力损失的增加程度，来优选变形幅度的大小。孔的数目较少，能使波纹的变形较大，而且容许蜂窝构件的开孔率较大，从压力损失的观点看，这是优选的。而且，在产生碳的情况下，如柴油发动机的废气，从堵塞的观点看，孔数目相对较少是更优选的。作为减少压力损失的方法，可只将一部分壁，而不是把所有的壁都制成波纹形状。从防止孔堵塞的观点看，这种装置也是优选的。

对于根据本发明的蜂窝构件，可以设想出各种配置，例如孔通道由波纹壁与平壁混合制成、由改变方向的波纹壁波纹面制成、制成能采用各种方法调节波纹壁的波纹尺寸，即能调节波纹的幅度和距离的蜂窝构件等，还有一种结构，其中波纹壁波纹隆起的图案变化如下。例如，如果波纹是凹和凸重复，则波纹的凹和凸就形成一条连续的线，而且还优选，在孔通道方向上形成波纹形状的壁面部分，凸的最高部分和/或凹的最低部分的连线在与孔通道方向垂直的方向上，在壁面上重复着弯曲图案。这是一种波纹壁蜂窝构件，其中在将波纹的凹和凸比喻成山时，其中山的边缘线或连接各山谷的线在孔通道方向上是弯弯曲曲的。在这种情况下，每个孔通道可以重复倒转一次，或多个通道重复倒转一次，但从提高减震性能的观点看，这种形状优选每个孔通道重复弯曲一次。也就是说，甚至更优选山的边缘线弯曲得小。

此外，由波纹形状形成的壁的壁面部分形成的孔通道和由以平面形状形成的壁的壁面部分形成的孔通道，可以以间断方式同时出现和共存。在孔通道具有混合形状的情况下，壁的形状不同，通道是不均匀的，它能扰动流入蜂窝构件的流体，使流体与壁之间的接触效率有更高的改进。

而且，根据本发明的波纹壁蜂窝构件，优选包括在中间部分形成的、一般是圆形横截面的孔通道区域A，和在孔通道区域A的外侧形成的、一般是环形的孔通道区域B，其中孔通道区域A包括由有波纹形状的壁的壁面部分形成的一些孔通道，其中孔通道区域B包括由有平的形状的壁的壁面部分形成的一些孔通道。还有一种甚至更优选的配置，其中在孔通道区域B内孔通道壁的厚度大于在孔通道区域A内孔通道壁的厚度，而且，其中在孔通道区域B内，壁的厚度从内部周边部分向外部部分分段增加，或只在近区域B和区域A之间的边界分段增加。因此蜂窝构件的强度明显提高。

适合用作波纹壁蜂窝构件的材料是：陶瓷材料如堇青石、氧化铝、富铝红柱石、硅酸锂铝、钛酸铝、二氧化钛、二氧化锆、氮化硅、氮化铝、或碳化硅；耐热的金属材料如不锈钢；和各种吸附剂如活性炭或硅胶或沸石。可以采用一种类型的陶瓷材料，也可采用多种陶瓷材料的复合物。

根据成形管嘴的结构，还能采用其它材料制备波纹壁蜂窝构件，只要这些材料能挤压模塑就行，所以可以预料，采用这些材料，可以达到与上述相似的效果，其中在上述材料或树脂之类的聚合物中，或在挤出后覆盖在壁表面上的制品中，分散和复合有不同材料或纤维的颗粒。此外，在以波纹的形式将金属箔重叠，以形成波纹壁蜂窝构件的情况下，通过事先进行塑性加工，在金属箔上制成波纹可以制得波纹壁蜂窝构件。

对于这些材料，从抑制热容增加的观点看，所用材料的孔隙率，优选为45％-80％。此外，在这一类情况下，波纹壁蜂窝构件能适用于去除细颗粒的过滤器。将蜂窝构件一些特定孔通道的一端堵塞，然后再将其余孔通道的另一端堵塞，就把隔开孔通道的壁制成过滤层。在用作去除细颗粒过滤器的情况下，波纹壁蜂窝构件的壁厚优选约0.2-1.2mm，波纹壁蜂窝构件的孔密度优选约50-600cpsi(每平方英寸的孔数)。在波纹壁蜂窝构件波纹壁的表面上制成凸凹状，能进一步提高去除细颗粒的能力。

以谷底水平(Valley Level)为标准，波纹壁表面的粗糙度≥10％的情况下，即使波纹壁的结构相同，波纹壁捕获细颗粒物质的性能也会得到改善，但其范围＜10％，即使改变谷底水平，也未观测到在捕获细颗粒物质方面有特别的变化。这种改善是由于波纹壁表面微孔部分面积的比例增加所致。也就是说，通过波纹壁表面上的微孔形成许多微小的凹穴有助于微孔捕获细颗粒物质。被捕获的细颗粒物质逐渐积累，但由于微孔的固定作用，却不容易与波纹壁的表面分离。这是有利的，因为这不仅提高了捕获细颗粒物质的能力，而且还能使细颗粒物质被壁表面上载带的催化剂成分充分地处理。即使采用普通的蜂窝，提高谷底水平在一定程度上也是有效的，详细而言，除非谷底水平≥20％，否则没有任何效果。采用蜂窝壁构件提高的效率为≥10％。将谷底水平调节到≥20％，能进一步提高捕获能力，所以将波纹壁蜂窝构件应用于去除细颗粒过滤器，能提高捕获细颗粒的效率。在以壁厚为0.30mm，孔密度为200cpsi的堇青石蜂窝构件去除细颗粒过滤器的情况下，通过提高孔隙率将谷底水平从15％提高到30％，对于普通的平面蜂窝构件，捕获效率的提高＜5％，但对于波纹壁蜂窝构件，捕获效率的提高为约10％。

图25是说明谷底水平的解释图，该图示出蜂窝构件壁表面的粗糙度程度。本文的谷底水平系指在用平均面43切开隔离表面的情况下，微孔部分47在平均面43上表面面积的总合占壁总面积的百分数，其中平均面43是根据分析采用表面粗糙度仪在二维平面上测定的壁表面粗糙度数据求出的在其上凸凹的体积相同的表面。

根据本发明的波纹壁蜂窝构件，也适合用作催化剂载体，例如用作车辆废气净化的催化剂载体，在孔壁面的表面上和蜂窝构件壁内的微孔中载带催化剂。在这种情况下，壁厚优选约0.01-0.12mm，孔密度优选约200-3000cpsi(每平方英寸的孔数)。

制造车辆废气净化催化剂载体的方法，既可以是将催化剂成分载带在蜂窝构件的壁上以制成催化部件，也可以是蜂窝构件本身由催化剂成分形成，或二者结合。

在实际应用中，一般是采用混合催化剂和固体催化剂，混合催化剂中，是将具有大表面积的γ氧化铝涂敷在堇青石蜂窝构件的壁表面上，使氧化铝层载带作为车辆废气净化催化剂的贵金属成分，固体催化剂中，蜂窝构件是由作为稳定排放源的废气净化催化剂的二氧化钛制造的。

这些催化剂成分是由贵金属如铂、钯和铑等，与钒的氧化物、二氧化铈、氧化钇、二氧化锆、二氧化钛、碱金属、钙钛矿成分，以及电石成分组合起来制成的，这些催化剂是下列催化剂中的至少一种，或多种的复合物：氧化和降低烃类、一氧化碳和氮的氧化物的三元催化剂；氧化烃类、一氧化碳、NO、SOF和碳成分的氧化催化剂；降低NOx的NOx还原的催化剂；和分解并除去硫化物、挥发性有机气体VOC(气体有机化合物)、和二8-羟基喹啉的催化剂。不管使用什么催化剂成分，都必须加速废气和催化剂之间的接触反应，并必须在早期阶段活化催化剂，所以采用波纹壁蜂窝构件作为催化剂载体是有利的。

只采用载带这类催化剂的波纹壁蜂窝构件，能制造废气净化催化转化器。也能制造废气净化的催化转化器系统，其中包括许多个这种废气净化催化转化器，和许多个催化剂被载带在普通的平壁蜂窝构件上的催化转化器，其中催化转化器是串联和交替配置的。当然，这种配置可包括将载带催化剂的波纹壁蜂窝构件和平壁蜂窝构件排列在一个转化器中，而不是将转化器分组。

也能制造其它配置的废气净化催化转化器系统，其中将采用波纹壁蜂窝构件的催化转化器放置在排气的上游侧，将采用波纹壁蜂窝构件除细颗粒的过滤器，放置在排气的下游侧。对于尾部除细颗粒的过滤器，可以采用包括普通平壁蜂窝构件的过滤器。

根据本发明的波纹壁蜂窝构件，也可以应用于废气净化系统，以捕获废气中的细颗粒物质。波纹壁蜂窝构件通常是带正电荷的，以捕获通常是带负电荷的细颗粒物质。波纹壁蜂窝构件也可带负电荷，视被捕获的是什么物质而定。

可以以相同的方式，将采用波纹壁蜂窝构件的废气净化系统，应用于采用非热平衡等离子体(非热等离子体)或微波放电等离子体的捕获细颗粒物质的方法。应用于这类废气净化系统的波纹壁蜂窝构件宜有容易更换的滤芯类型。

应用根据本发明的波纹壁蜂窝构件的另一些实施例，包括用作燃料电池系统调节器的或燃料电池本身的催化剂载体，用于抑制燃料挥发性成分外泄的燃料箱蒸发系统部件，或甚至用作夹层板。

根据本发明，提供这类波纹壁蜂窝构件的一种制造方法，其中采用具有材料流动阻力不同的相邻通孔的后板作为挤压成形的管嘴材料。后板的厚度优选从外部向中部变化，后板优选具有不同孔径的通孔A和通孔B。

此外，根据本发明，还提供一种波纹壁蜂窝构件的制造方法，其中通过事先进行塑性加工，在金属箔上制成波纹，以波纹的形式将金属箔重叠，从而制成金属蜂窝构件。

                        附图简述

图1(a)和(b)是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件一个实施方案的横截面图。

图2是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件另一个实施方案的横截面图。

图3是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件另一个实施方案的横截面图。

图4是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件另一个实施方案的横截面图。

图5是说明在采用波纹壁蜂窝构件作为废气净化催化剂载体的情况下，一种位置配置实施例的说明图。

图6(a)-(c)是说明，适用于根据本发明的波纹壁蜂窝构件挤压成形的管嘴结构的横截面示意图。

图7是说明废气净化能力测试结果的图。

图8是说明等压强度测试结果的图。

图9是说明抽取抗压强度实验试样的方法和试样形状的说明图。

图10是说明抗压强度测试结果的图。

图11是说明耐热冲击性能结果的图。

图12是说明吸水性能测试结果的图。

图13(a)和(b)是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件另一个实施方案的横截面图。

图14是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件另一个实施方案的横截面图。

图15(a)-(e)是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件另一个实施方案的横截面图。

图16是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件另一个实施方案的横截面图。

图17(a)和(b)是说明在应用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为除细颗粒物质过滤器情况下的一个实施方案的横截面图。

图18(a)和(b)是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为废气净化催化转化器的一种位置配置实施例的说明图。

图19(a)和(b)是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为废气净化催化转化器的另一种位置配置实施例的说明图。

图20(a)和(b)是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为废气净化催化转化器的另一种位置配置实施例的说明图。

图21是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为采用放电库仑电力效应的废气净化转化器的一种位置配置实施例的说明图。

图22是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为采用等离子效应的废气净化转化器的一种位置配置实施例的说明图。

图23是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为燃料电池系统的部件的一种位置配置实施例的说明图。

图24是说明蜂窝构件中，孔密度和孔的水力学直径和GSA之间关系的一个实施例的说明图。

图25是说明蜂窝构件中，壁表面粗糙度谷底水平的说明图。

图26是说明在燃料箱蒸发系统中，采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件的一种位置配置实施例的说明图。

图27是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝结构，作为夹层板的一种位置配置实施例的说明图。

                        实施本发明的最佳方式

下面参考附图说明本发明的实施方案，不用说，本发明是不受下列实施方案限制的。

图1(a)和(b)说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件的一个实施方案，其中将横截面(以下称作“孔通道横截面”)与孔通道方向(指孔通道的通道方向)垂直的、具有四边形(正方形)孔形状的普通蜂窝构件的壁制成波纹形状。普通蜂窝构件以下称作“普通蜂窝构件”或“平壁蜂窝构件”。“波纹壁蜂窝构件”系指具有波纹壁的蜂窝构件，也包括其中所有壁都制成波纹壁的结构。

图1(a)示出波纹壁蜂窝构件1的孔通道横截面，采用孔通道2的通道方向作为Z-轴方向，在与其垂直的平面上的直角坐标轴，为X-轴和Y-轴。图1(a)还用虚线示出非波纹壁蜂窝构件，即普通蜂窝构件中这种壁的位置。图1(b)还示出沿图1(a)中A-A′线的横截面(X-Z平面)，该横截面与孔通道2平行；相反地，图1(a)是沿图1(b)中B-B′线的X-Y平面。

对于波纹壁蜂窝构件1，将多个孔通道2制成使各通道的通道方向互相平行。在隔开孔通道2的壁3之间，相交部分4的位置是有规律的，它们在孔通道的横截面上，具有预定的距离D。

现在，相交部分4的预定距离D，系指使相交部分4的位置保持预定的距离D，以使相交部分位于正方形孔的顶点，即在格子的交点上，与具有正方形孔通道横截面的普通蜂窝构件中的相交部分相同，只根据相交部分4的排布，就能很容易地理解这一点。此外，使相交部分4的位置有规律，系指在波纹壁蜂窝构件1的情况下，相交部分是在正方形孔的顶点上，即在格子的交点上形成的。因此，对于三角形孔的蜂窝构件和六角形孔的蜂窝构件，三角形和六角形孔顶点的位置，就是形成相交部分的有规律位置。

现在，除了相交部分4以外，将壁3的壁面部分5，在孔通道2的通道方向和在通道横截面方向上制成波纹形状。如上所述，图1(a)是沿图1(b)中B-B′线的X-Y平面，所以在图1(a)Y轴正方向上凸起来的壁面部分，在沿图1(b)中C-C′线的X-Y平面上，是在Y轴正方向上凹下去的，是Z轴方向上离开波形波长的1/2。同样，在Y轴正方向上凹下去的壁面部分，是在Y轴正方向上是凸起来的，在X轴方向上也是这种图案。

和波纹壁蜂窝构件1一样，在孔通道方向和在孔通道横截面方向上，将壁3的壁面部分5制成波纹形状，这不仅能增加壁3的表面积，使废气和壁3之间的相互作用增强，而且还能通过孔通道2横截面形状的变化，使废气通过孔通道2的流动变成不稳定流动，而其横截面面积却几乎保持不变，从而甚至能进一步提高废气和壁3之间的相互作用。因而能提高催化剂的性能。

图2说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件的另一个实施方案，图2示出与图1(a)中孔通道横截面相同的配置。对于图1(a)中的孔通道2，在限定孔通道2的二组相对的壁面部分5中，一组的壁面部分，相应的凸起互相对着，另一组的壁面部分，相应的凹状互相对着，但对于图2所示的波纹壁蜂窝构件11，限定孔通道12的二组相对的壁面部分15是这样配置的，使这二组壁面部分，既可以都是凸与凸相对，也可以都是凹与凹相对。

于是所制的壁面部分15，意味着孔通道12的横截面面积，在通道方向上是连续变化的，所以废气的流动是不稳定的，这能进一步提高废气和壁之间的相互作用的效果，由于能够提高净化性能，所以是有利的。

在壁面部分上形成的凹和凸的状态，不受上述波纹壁蜂窝构件1或11形状的限制。也就是说，在一组相对的壁上，带波纹的凹状和凸状可以这样配置，使一组壁面部分上的凸与凸相对，凹与凹相对，也可以这样配置，使凸与凹相对。

例如，如图1(a)和图2所示，对一个孔通道2，检查壁面部分5和15在波纹壁蜂窝构件1和11在竖直和水平方向上的凹和凸，形成凸与凸相对，凹与凹相对，它们的唯一区别是形状(圆形的)。因此，可以这样配置，其中竖直壁，凸与凸相对，凹与凹相对，而水平壁，凹与凸相对。

然而，在竖直壁和水平壁上，都采用凹与凸相对的结构的情况下，如上面日本专利-A-5-123580所述，气体在孔通道中的流动很容易变成稳定流动，产生的问题是，不容易获得良好的净化能力。

顺便说一下，对于波纹壁蜂窝构件1和11，压力损失增加是不可避免的。在采用波纹壁蜂窝构件1和11作为废气净化催化剂载体的情况下，为了克服这个问题，可以这样配置，其中将由载带催化剂的波纹壁蜂窝构件制成的催化剂部件，在靠近发动机92的废气流动方向上分成二路，如图5所示，其中废气的温度特别高，压力损失效应也大，使采用波纹壁蜂窝构件的催化剂部件95位置朝前(靠近发动机92)，而使采用普通蜂窝构件的催化剂部件96位于后部(靠近废气管99)，而且还使采用波纹壁蜂窝构件的催化剂部件95的长度，比靠近后部采用普通蜂窝构件的催化剂部件96短。因此，在抑制压力损失效应的同时，能获得波纹壁构件的高净化能力。此外，也可以采用使普通蜂窝构件的位置靠前并使低密度波纹壁蜂窝构件的位置靠后的配置。

也优选采用这样的配置，其中波纹壁的波纹变形程度在周边部分比中间部分大，以使废气基本上不能通过周边部分，即孔通道基本上是封闭的。因此，和在日本专利-A-49-63821和-A-56-129042中公开的一样，能避免从蜂窝构件的周边部分散热、增强周边部分的机械强度、和防止在周边部分载含过量贵金属成分的优点。

壁的波纹变形量，优选≥150％的壁厚。在波纹壁的变形量小于150％时，不能获得充分废气排放量的降低效果。认为这是由于波纹壁幅度的增加，增加了废气在孔通道内流动的扰动作用，但也增加了波纹壁上波纹的凸起，即增加变形幅度会引起压力损失的增加，所以，在具有容许压力损失极限时，需要适当地调节幅度。

现在，图3是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件的另一个实施方案的横截面图，图中示出与图1(a)中的孔通道横截面相同的配置。图3示出的波纹壁蜂窝构件31是这样配置的，其中壁面部分35A具有形成的带波纹的凹和凸，壁面部分35B具有平的表面，它们以混合的方式存在。孔通道32中有平的形状，其中形成二侧的邻接壁是平的，形成两侧的另外的邻接壁具有波纹形状。这种波纹壁蜂窝构件31，也可称作普通的蜂窝构件，孔的横截面是正方形的，每隔一个平壁，具有一个波纹壁。

与波纹壁蜂窝构件31相同，在波纹壁壁面部分35A和平壁壁面部分35B中以混合方式配置的情况下，正如下面所说的，其所具有的性能，例如催化剂的容量和机械强度，处在所有壁都是波纹壁的配置和所有壁都是平壁的配置之间。在所有壁都是波纹壁的情况下，压力损失增加，以使波纹壁蜂窝构件31能适用于在抑制压力损失增加的同时能提高催化剂性能之类的场合。

图4与图3相似，是说明波纹壁蜂窝构件41配置的横截面图，其中波纹壁45A和平壁45B以混合方式存在。比较波纹壁蜂窝构件31和41表明，壁35A和45A的凹和凸面向不同的方向。换句话说，波纹壁蜂窝构件31在通道方向上孔通道横截面的横截面面积几乎是不变的，但波纹壁蜂窝构件41，孔通道的横截面面积是连续变化的，以形成了宽的区域和窄的区域。因此，对于波纹壁蜂窝构件41，与波纹壁蜂窝构件31相比，废气的流动是不稳定的，以致废气与壁之间相互作用的效果增加，其有利处是能提高净化能力。

对于根据本发明的波纹壁蜂窝构件，优选不连续地出现由形成波纹形状的壁形成的孔通道。将在整个蜂窝构件中形成不均匀的、由波纹壁限定的孔区域和包括外壁在内的所有壁都是普通壁的平壁孔区域混合配置，导致流体流入和流出蜂窝构件的流动是湍动的，所以能在孔通道的进出入处，提高流体与孔壁的接触作用。

图15(a)-(e)是说明波纹壁蜂窝构件一些实施方案的横截面图，图中示出孔通道的竖向横截面。蜂窝构件的横截面可以是圆的，也可以是卵形或椭圆形的，或具有改进的横截面等，通过调节流体流入蜂窝构件流入速度的分布，使流入速度均匀地分布。对波纹壁孔通道21和平壁孔通道22的横截面形状，安排了各种图案。

图15(a)-(c)是波纹壁蜂窝构件的一些实施例，其中由平壁孔通道22构成的区域，和由波纹壁孔通道21构成的区域交替地出现，图15(d)是波纹壁蜂窝构件的一个实施例，其中将由平壁孔通道22构成的区域，以格子方式按一定宽度排列，配置在波纹壁孔通道21的区域内，图15(e)是波纹壁蜂窝构件的一个实施例，其中横截面是卵形的，由波纹壁孔通道21构成的接近正方形的区域，位于平壁孔通道22内。

本发明并不限于采用与这些实施例相同的某些图形配置的波纹壁孔通道21和平壁孔通道22，但为了减少波纹壁蜂窝构件的压力损失，同时使气体的不均衡流动更难发生，最好采取措施，以防止在压力损失大的波纹壁孔通道21竖直横截面上的不均衡分布。

图13(a)和(b)是说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件的另一个实施方案，与图1(a)和(b)相同，孔通道的通道方向是Z-轴方向，直角坐标轴的X-轴和Y-轴在与其垂直的平面上。图13(a)是一个与孔通道平行的横截面，即说明一部分连续壁(在Y-Z平面上)的横截面，图13(b)是图13(a)放大的横截面图。

对于图13(a)和(b)所示的波纹壁蜂窝构件61，在孔通道方向形成的波纹壁壁面部分上，凸的最高点的连线和凹的最低部分的连线，在壁面上与孔通道方向垂直的方向(在Y-Z平面的Y方向)上，形成波纹的形状。

作为对比，对于图1(a)和(b)所示的波纹壁蜂窝构件1，当在Y-Z平面的Y方向上观察波纹的隆起时，凸面和凹面交替地出现，如图1(b)所示，凸面顶点的连线是一条直线，但与此相反，对于图13(a)和(b)所示的波纹壁蜂窝构件61，凸面和凹面是各自连接的，使波纹，换句话说，使凸起顶部的线6和凹形低点的线7有规律地弯曲。在用山作比喻时，对于图1(a)和(b)所示的波纹壁蜂窝构件1，在观察Y-Z平面Y方向上的山时，山峰的连线是直线，但对于图13(a)和(b)所示的波纹壁蜂窝构件61，这些山形成一个山脉，其山尖线有规律地弯取。

和波纹壁蜂窝构件61一样，凸起顶部形成的线6和凹形低点形成的线7，在与孔通道方向垂直的方向上形成波纹，这能提高在蜂窝构件横截面方向上的减震性能，这不仅能提高强度和耐热冲击的性能，而且还使孔通道的横截面，在孔通道方向上连续发生大的变化，其变化程度甚至大于图2所示的波纹壁蜂窝构件11，所以废气的流动成为湍流，从而增加了废气与壁之间的相互作用，因而能提高净化能力。

对于波纹壁蜂窝构件61，以平壁作为参照标准，凸起的高度可以恒定，也可以变化，优选如图13(b)所示，凸起最高点线6上的P点凸起最大，Q点稍低。在比喻成山时，P点为峰，Q点是鞍部。在凹和凸上的这些附加变化，能增强废气流动的扰动，甚至能进一步提高废气和壁之间的相互作用。

而且，在与孔通道方向垂直的方向上，凸起顶部线6和凹形低点线7的有规律弯曲，既不限于图13(a)所示的图案，也不限于图14所示的图案，前者凸起顶部线6和凹形低点线7的方向，每个孔通道都不同，后者凸起顶部线6和凹形低点线7的方向，每隔二个孔通道而改变。

如上所述，对于这样的波纹壁蜂窝构件，在孔通道横截面方向上的减震性能进一步提高，也能使等压强度和耐热冲击性能提高，甚至能更进一步地增强孔内流体流和孔壁之间的接触作用。作为一个实施例，采用孔壁厚度为0.05mm，孔密度为900cpsi的孔结构，制造外径为100mm，长度为150mm，外壁厚度为0.15mm的波纹壁蜂窝构件(堇青石蜂窝构件)，其等压强度与由平壁制成的具有相同孔结构和相同尺寸的普通蜂窝构件相比，所得的结果是，强度平均提高约10％，耐热冲击性能平均提高约5％。

类似的效果已被采用开孔率较大的低孔密度的蜂窝构件所证实，其中孔的密度为200-600cpsi，孔的壁厚度为0.01-0.12mm。这意味着，波纹壁结构作为一种强化其中等压强度低的低孔密度的蜂窝构件的手段是有效的。当然，对于超过900cpsi，例如超过1200cpsi等的孔结构，上述的作用也不会有什么变化。

图16说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件的另一个实施方案，图中示出孔通道横截面的形状。由普通壁，即包括外壁在内的平面壁形成单个孔或多个孔，从波纹壁蜂窝构件16的周边部分向内呈环形，其内部是形成大致圆形的区域，其中包括由波纹壁形成的一些孔，是环形的平壁区域的厚的平壁部分24的壁厚度，适合分段制成大于波纹薄壁部分23的壁厚度，波纹薄壁部分23是一个包含内部的波纹壁的区域，与全部都由波纹壁结构制造的装置相比，这种方案能提高蜂窝构件的等压强度。

作为一个实例，图16示出的波纹壁蜂窝构件16(堇青石蜂窝构件)，波纹薄壁部分23的壁厚为0.035mm，其从周边到14个孔的内侧的厚的平壁部分24，其壁厚从周边到10个孔的内侧为0.115mm，从10个孔的内侧到4个孔的内侧为0.075mm，这种配置的孔结构，孔密度为900cpsi，蜂窝构件的外径为110mm，长度为150mm，外壁厚度为0.15mm，除了全部由波纹壁结构制造的构件以外，这种蜂窝构件与具有相同孔结构和相同尺寸的波纹壁蜂窝构件进行了比较，所得的结果是，等压强度平均提高约15％。

其次，将叙述制造上述波纹壁蜂窝构件的方法。挤压成形是制造常规蜂窝构件最常用的方法，可以采用这种方法制造根据本发明的波纹壁蜂窝构件。图6(a)-(c)是说明挤压成形所用管嘴50的结构和构造的横截面示意图。其中图6(a)示出沿图6(c)中A-A′线的横截面，图6(b)示出沿图6(c)中B-B′线的横截面。

整个管嘴50是由形成通孔52A和52B的后板(back plate)51、形成后孔(back hole)53的后孔通道部件54、和形成狭缝55的狭缝部件56构成的。现在改变在后板51上形成的通孔52A和52B的直径和深度(后板的厚度)，使对成形材料(以下称作“材料”)流体的移动产生阻力，因此能够调节被挤压材料的流动。

此外，后孔通道部件53还用于将材料引进狭缝55，其位置一般是使蜂窝构件壁的相交部分与后孔53的中心一致。狭缝部件56界定了蜂窝构件的形状和结构，从狭缝挤出的材料形成壁。

材料依次通过通孔52A和52B、后孔53、和狭缝55，但从一个后孔53出来的材料和从一个相邻的后孔53出来的材料二者流过狭缝55，并在这二个后孔53之间的狭缝55内合并，这些材料发生紧密地接触，以在连续挤出时制成蜂窝构件的壁。

现在，更仔细地关注二个相邻的后孔53，在从一个后孔53流出来的材料体积和从另一个后孔53流出来的材料体积相等的情况下，所制蜂窝构件的壁是直的，制得普通的蜂窝构件。然而，在二个相邻的后孔53之间，材料的体积流量不同的情况下，破坏了狭缝55内材料的流动平衡，在某些部分流出来的材料多一些，使壁发生弯曲。

在挤压成形时，把这种使壁弯曲的力用作振动力，以致壁在孔通道方向发生振动并形成波纹，在孔通道横截面方向上这种反作用力使相邻的壁按相反的方向弯曲，以致在孔通道横截面方向上按行列观察的壁也应显露出波纹。

根据本发明，通过在材料流动体积方面产生的差异，在蜂窝构件的壁上制造波纹。详细而言，既可以使后板上所制通孔的直径从周边部分向中部连续地变化，或可以将后板制成凹的形式，使其厚度从周边部分向中间部分减小，或与此相反。因此材料的流动阻力从周边部分向内部连续地变化，从而，能使相邻通孔的流动阻力产生差异，由此能够制备上面图1和图2所示的波纹壁蜂窝构件1和11，它们所有的壁都形成波纹形状。

此外，如图6(a)-(c)所示，还按格子方式配置通孔52A，配置通孔52B，使通孔52B位于四个通孔52A形成的正方形的中心，改变通孔52A和52B的直径，并采用这样配置的后板51，使在连接直径较大的通孔52A的位置上，制成的壁是带波纹的，使在连接直径较小的通孔52B的位置上，制成的壁是直的。因此，能够制备图3和图4所示的波纹壁蜂窝构件31和34，它们具有混合的波纹壁和平壁。

目前，能用于制造根据本发明的波纹壁蜂窝构件的材料的实例，包括陶瓷材料如堇青石、氧化铝、富铝红柱石、硅酸锂铝、钛酸铝、二氧化锆、氮化硅、氮化铝、和碳化硅；或耐热金属材料如不锈钢；铝合金；和吸附剂如活性碳、硅胶、和沸石。关于陶瓷材料，既可以采用一种陶瓷材料，也可以采用陶瓷材料的复合物。

也可以根据成形管嘴的结构，采用其它材料制造波纹壁蜂窝构件，只要这些材料能够挤压成形，所以可以预期，采用其它材料能够达到和上述相似的效果，其中在上述材料或树脂之类的聚合物中，或在挤出后覆盖壁表面的制品中，分散和复合不同材料的颗粒或纤维。此外，在以波纹的形式将金属箔包卷以制造蜂窝构件的情况下，可通过事先在金属箔上制造波纹的方法，制备波纹壁蜂窝构件。

所采用的陶瓷材料或吸附剂的孔隙率优选为45％-80％。对于波纹壁，与普通的平壁结构相比，每单位容量的壁容量增加，所以蜂窝构件的热容量增加。因此，考虑到催化剂的加热，从催化剂载体的观点看，这是不利的，但增加蜂窝构件材料的孔隙率，能抑制蜂窝构件热容的增加。对于汽车的废气净化催化剂载体，一般采用孔隙率为25％-35％的堇青石蜂窝构件，但对于根据本发明的波纹壁蜂窝构件，材料的孔隙率≥45％和≤80％是适宜的。

当材料的孔隙率≥45％时，不仅意味着壁的热容降低，而且由于壁表面上的微孔，会使壁表面的粗糙度变得更加明显，能进一步提高与废气的接触作用，而且，壁是多孔的，所以甚至能够利用壁内的微孔。能使空气通过的多孔性意味着还可以利用这种制品作为细颗粒材料的过滤器。在孔隙率超过80％的情况下，材料的强度急剧下降，而且壁内孔隙的比例如此之大，以致与废气的接触效率实际上下降。

图17(a)和(b)是说明将根据本发明的波纹壁蜂窝构件应用于除细颗粒物质过滤器的一个实施方案的示意图，对于图中所示的除细颗粒物质的过滤器，作为一个实施例，制成壁厚度为0.3mm，孔密度为300cpsi，外径为144mm，长度为152mm，孔隙率为65％的波纹壁蜂窝构件17(堇青石蜂窝构件)，在蜂窝构件的二端，将相同的堇青石材料密封件8交替地施加到孔通道2上，从而制成一种除细颗粒物质的过滤器，其中废气通过多孔的孔壁3，测定沿柴油发动机排气管道安装的作为通道一部分的过滤器捕获细颗粒物质的效果，实验结果表明，波纹壁蜂窝构件的捕获效率，比普通的平壁蜂窝构件平均提高约10％。此外，已经证实，采用碳化硅作材料的波纹壁蜂窝构件过滤器，具有相同的效果。而且，在采用碳化硅作材料的情况下，实验结果还表明，与普通的平壁蜂窝构件相比，耐热冲击性能平均提高约20％。

在采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件作为除细颗粒物质过滤器的情况下，壁厚度优选0.2-1.2mm，孔密度为50-600cpsi。该厚度足以使波纹壁能经得起作为过滤层使用。在壁厚＜0.2mm的情况下，在壁上捕获颗粒的性能大大下降。此外，在壁厚＞1.2mm的情况下，空气通道的阻力急剧增加，这是不希望的。在孔密度≤50cpsi的情况下，壁的表面积太小，压力损失程度太大。在孔密度超过600cpsi的情况下，孔的开孔面积太小，孔会迅速被细颗粒物质或金属氧化皮堵塞，这也是不希望的。

此外，在采用波纹壁蜂窝构件作为除细颗粒物质过滤器的情况下，将波纹壁蜂窝构件设计成容易更换的滤芯，有利于日常维护工作，这是所希望的。除了细颗粒物质以外，来自发动机一侧的氧化皮，外来的金属物体，在细颗粒物质被处理后留下的灰分，全都能堵塞波纹壁蜂窝构件过滤器，并使压力损失增加。这一类成分很难用催化剂处理，所以在蜂窝构件是滤芯的情况下，在压力损失达到容许极限时能更换滤芯的这种配置能使系统使用极长的时间。

根据本发明的波纹壁蜂窝构件也适合用作催化剂载体。波纹结构能加速载带在壁表面上的催化剂成分与废气之间的接触反应，被加速的催化反应产生催化反应热，这是有利的，因为废气温度较早升高，使催化剂活化，特别是在冷起动发动机后，加热马上就会改善，所以与普通的蜂窝构件相比，排放的HC、NOx和CO减少。此外，与普通的平壁比较，不仅是气体成分HC、NOx和CO，而且以碳为核的固体成分—从柴油发动机排出的粒状物质成分，和SOF细颗粒物质—燃料和油中不燃烧的成分，更容易被波纹壁构件所捕获，同时，由于在较高温度下活化的催化剂的作用，能将细颗粒物质更有效地净化。对于普通的平壁蜂窝构件，在壁表面上捕获细颗粒物质是很难的，在孔通道中的气流几乎是层流，所以直径特别小的细颗粒物质很容易在不发生任何相互作用的情况下通过孔通道。根据本发明的波纹壁构件，能使直径特别小的细颗粒物质被壁表面所捕获，而不会不经捕获地通过孔通道。

为了从废气中除去细颗粒物质，时常采用的配置是，蜂窝构件的孔壁是由有足够空气透气性能的多孔材料制成的，构件二端孔通道的入口和出口以错开的方式交替封闭，以形成过滤器构件，强制废气通过孔壁，以在壁上物理捕获细颗粒物质。对于采用这种过滤器构件的方法，细颗粒物质积累在壁的表面上和壁的微孔中，所以过滤器构件的压力损失急剧增加。在这种情况下，采用在过滤器上游安装的加热器加热废气，定期地烧掉和除去已积累的细颗粒物质，从而使过滤器再生，并使压力损失恢复到原来的水平。或将催化剂成分载带在过滤器壁上，通过催化剂的作用处理细颗粒物质，使过滤器再生，或将氧化催化剂设置在过滤器的上游，利用其处理积累在过滤器中的细颗粒物质，使过滤器再生。然而，采用这种方法，直到再生为止，很难避免压力损失的突然增加，在再生后，灰分又会继续积累在壁上，所以经过一段长时间，孔又被堵塞，造成压力损失的增加。

对于本发明，除了在上述图17(a)和(b)中所示的波纹壁蜂窝构件17(除细颗粒物质的过滤器)以外，还可采用波纹壁蜂窝构件载带催化剂，提高捕获细颗粒物质的性能和与催化剂接触反应的性能，从而提高施加密封件8的过滤器构件捕获细颗粒物质的能力。此外，即使在不采用封闭结构的配置中，与普通的平壁相比，载带的催化剂能提高捕获细颗粒物质的能力，而且由于与催化剂接触反应的活化作用能提高温度，所以能够处理细颗粒物质。通过增加孔的密度来增加壁的表面积，和通过降低壁的厚度来降低热容，能进一步加强这些作用。增加孔密度能增加催化剂和废气之间的接触面积，并能减小孔通道的力学直径，所以细颗粒物质始终不容易通过孔通道，因此采用这种方法能提高壁的捕获性能。

对于用作例如催化剂载体的波纹壁蜂窝构件，壁厚优选约0.01-0.12mm。因此能够抑制气体通过时由于壁上波纹所引起的压力损失的增加，也能够抑制载带催化剂时成为问题的高热容。使壁厚≤0.1mm，能进一步降低压力损失和热容，这甚至是更优选的。然而，在壁厚太薄的情况下，壁本身的强度不够，所以壁厚应≥0.01mm。而且，在壁由金属材料制造的情况下，使壁变薄，会使其在高温环境下，耐酸或耐腐蚀的性能明显下降，这是不希望的。

此外，孔密度优选约200-3000cpsi。这会以使壁厚变薄的相同方式，抑制载带催化剂时成为问题的高热容，而且还能确保蜂窝构件所必需的强度。此外，还能获得足够的GSA(几何表面积)，所以能提高气体与壁之间的接触效率。在孔密度＜200cpsi的情况下，壁的表面积太小，催化剂性能的提高是不够的。虽然即使对于普通平壁的蜂窝构件，催化净化效率也会随孔密度的增加而提高，但在约1000cpsi下，催化净化效率已经达到稳定。另一方面，在采用波纹壁蜂窝构件时，即使在约1000cpsi以上，催化净化效率也达不到稳定，然而，在超过约3000cpsi以后，催化净化效率还略有提高。

图24示出平壁蜂窝构件的孔密度与孔内水力学直径相关性的关系线34，和孔密度与几何表面积GSA之间相关性的关系线33的实例。从该图可以了解，水力学直径随孔密度的增加而减小，但减小的程度从约1000cpsi开始变小，从约3000cpsi开始进一步变小。水力学直径的减小降低了孔内废气分子与壁表面之间的空间距离，这意味着气体分子和壁表面之间发生接触的可能性增加，所以可以认为，通过从约1000cpsi增加到约3000cpsi来增加气体分子与壁表面之间发生接触的可能性能提高催化净化的效率。

另一方面，虽然孔壁的几何表面积GSA随孔密度的增加而增加，但从约1000cpsi开始增加的程度变小，从约3000cpsi开始增加的程度进一步变小。GSA的增加意味着气体分子与壁表面的接触面积增加，所以认为，通过水力学直径减小和GSA增加达到约1000cpsi的协同作用能提高催化净化的效率。然而，从约1000cpsi开始，水力学直径减小的程度和GSA增加的程度都下降，因此可以认为，这就是为什么在采用普通壁蜂窝构件时，净化效率不再提高的原因。而且，伴随着GSA的增加，催化剂成分的分散作用过大，可以认为催化剂成分变薄也是一个因素。采用波纹壁蜂窝构件，能使气体在孔通道内的流动不稳定，而且孔的水力学直径也发生改变，所以能大大改善气体分子和壁表面之间的接触作用，因此可以认为，在约1000cpsi时，甚至到高达约3000cpsi时，催化净化效率未稳定。虽然认为在约3000cpsi以后，增加GSA的相反作用，能使效率达到稳定，但可以预期，通过增加载带的催化剂量，也能使效率获得一些提高。

图18(a)和(b)是表示采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为废气净化催化转化器的一个位置配置实施例的说明图。正如对照图5所叙述的，根据本发明的波纹壁蜂窝构件，适合用作车辆废气的净化催化剂转化器。图18(a)示出一个废气净化催化转化器系统97，其中将波纹壁蜂窝构件18配置在前部排气的上游侧，将平壁蜂窝构件28配置在后部排气的下游侧，将二者串联连接，安装在一个转化器中。在这种情况下，波纹壁蜂窝构件18具有所谓的催化剂点火功能，其中的催化剂在发动机起动后较早被活化，提高了废气的温度，结果在发动机起动后马上活化后一构件中的催化剂，并净化废气中的有害成分。前者是为点火催化剂，因此，蜂窝构件18优选容量较小的，从而使蜂窝构件18的长度缩短，使压力损失减小。

可以采用图18(b)所示的配置，其中不把这些构件安装在一个转化器内，而是将它们分开安装在前、后二个转化器中。由于设计车辆排气系统的自由度增加，所以这种废气净化催化转化器系统98是优选的。波纹壁蜂窝构件18也有耐热冲击的优良性能，因此，适合在排气的上游侧，靠近发动机安装的场合。

如图19(a)所示，将许多波纹壁蜂窝构件19与平壁蜂窝构件29以串联方式交替地排列，能够制成一个废气净化催化转化器系统91，该系统甚至具有更高的催化净化能力。

此外，如图19(b)所示，可以在下游采用波纹壁蜂窝构件19制成废气净化催化转化器系统93。这种配置适合于紧接冷起动后，要求获得的催化净化能力的明显改善超过紧接冷起动后获得的催化剂活化作用的改善的场合，或适合于需要采用波纹壁蜂窝构件捕获和处理细颗粒物质的场合。

图20(a)和(b)是说明采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件，作为废气净化催化转化器的另一个位置配置实施例的说明图。

推荐图20(a)所示的废气净化催化转化器系统90，其中将波纹壁蜂窝构件20用作催化剂载体，配置在前部或上游侧，除细颗粒的过滤器30是一个波纹壁蜂窝构件，被配置在后部或下游侧。配置在后部或下游侧的过滤器，可以采用不是波纹壁构件的普通蜂窝构件。当然，也可以采用这样的设计，其中不是如图20(a)所示，将蜂窝构件安装在单独的金属箱89中，而是如图20(b)所示，将催化剂载体和过滤器安装在同一个金属箱89中。

此外，根据本发明的波纹壁蜂窝构件，除了适合用作各种内燃机废气净化的催化剂载体，特别是车辆废气净化的催化剂载体以外，也适合用作废气净化系统，其中蜂窝构件是带电荷的，用于静电吸附细的颗粒，也适合用于采用非热平衡等离子体(非热等离子体)或微波放电等离子体作为各种除臭催化剂载体，和甚至作为化学反应器载体，例如燃料电池的改性催化剂载体等净化废气的系统。

图21示出一个废气净化系统86，该系统采用高伏电晕放电静电收集灰尘的方法，用于净化来自固定来源的废气，例如除去漂浮的细颗粒或二8-羟基喹啉。对于这个系统，采用波纹壁蜂窝构件40能通过库仑力与波纹壁的协同作用，提高在壁上捕获细颗粒物质的性能。对于这个实施例，采用中空的环形波纹壁蜂窝构件40，在其中插入针状的放电负电极39。此外，可以这样配置，其中将细的放电电极插入波纹壁蜂窝构件40的孔中。制成金属的蜂窝构件可使蜂窝构件本身用作接地电极38。

此外，图22所示的废气净化系统87，也能使废气净化作用进一步提高，其中以高伏电源37的脉冲的形式，将高电压负载施加到波纹壁蜂窝构件40上，在废气通道内发生电离，并生成等离子体，这个系统采用非热平衡的等离子体，它能通过在废气或等离子体如在微波放电中生成的自由基，引起氧化反应。此外，使载带催化剂的波纹壁蜂窝构件40甚至更为有效，因为这有助于催化剂发生作用。采用电石成分加速自由基反应也是有效的。

波纹壁蜂窝构件也用作燃料电池系统的一些部件，燃料电池系统的一些实施例包括分散体发电系统，可将该系统与机动车辆应用的或较小的利用废热发电机系统、与用作便携式电源的聚合物电解质燃料电池(PEFC)系统等组合起来。

图23是一个聚合物燃料电池系统的一个实施例。对于燃料电池系统，在初期阶段，从输送到燃料电池调节器67的燃料58如甲醇、天然气、改性汽油等中提取氢72，将氢72送到燃料电池堆65中，使氢72与氧在燃料电池堆65中有效地进行反应，这些对调节器63的效率和提高整个燃料电池系统全部操作的效率是必要的。提高调节器63中的催化剂在初始点的温度是重要的，这与废气净化催化剂的操作相同，采用波纹壁蜂窝构件，对提高调节器63的效率是有效的，也能降低调节器63的尺寸。调节器63通常使用粒状的催化剂，但采用蜂窝构件能改进成形的催化剂，使其具有低压力损失，高表面积和低热容，应用波纹壁蜂窝构件能进一步提高催化剂的效率。此外，燃料电池堆65，一般也采用碳分离器与固体聚合物电解隔膜叠加的结构，也可将蜂窝构件应用于这种结构，采用波纹壁蜂窝构件能提高效率，从而减小尺寸。也可以设想用作分离氢的过滤器。对于这个实施例，调节器63的结构是这样的，使通过脱硫装置62的燃料58和水蒸气通过采用波纹壁蜂窝构件的催化剂。这对于中等规模的分散体发电和用于大规模发电的固体氧化物燃料电池(SOFC)也是理想的。

近来比较严格的废气限制，不仅需要降低车辆开动时排出的成分，而且需要降低从车辆燃料箱中或从燃料供给设施的燃料箱中泄漏的燃料挥发性成分的泄漏量。图26示出一个将波纹壁蜂窝构件应用于燃料箱蒸发系统的实施例。在金属箱中一般采用活性碳之类的吸附剂，以降低车辆燃料箱57中燃料59挥发性成分的泄露量，这些蒸发系统，可以采用波纹壁蜂窝构件25或包括波纹壁蜂窝构件25的过滤器，有效地降低燃料59中挥发性成分的泄露。

蜂窝构件作为具有减震性质的夹层板之类的轻质构件，已经投入实际应用，与厚纸板和建筑材料一起使用，由铝合金制造的这类购件已被用作飞机的机翼，而图27所示制成夹层板的波纹壁蜂窝构件26能提高减震性能。(实施方案)

其次，将与常规的蜂窝构件对比，说明根据本发明的波纹壁蜂窝构件的性能。

作为原料，将水和粘合剂加入主要成分是滑石、高岭土和氧化铝的堇青石中，将混合物捏合，采用厚度变化的具有凹状的后板和通孔直径不同的后板，将混合物制成波纹壁蜂窝构件1(第一个实施方案)和波纹壁蜂窝构件31(第二个实施方案)，前者所有的壁都制成图1(a)和(b)所示的波纹形状，后者如图3所示，波纹壁与平壁混合，将制品切成预定的长度，在干燥后烘焙，于是制成本发明的波纹壁蜂窝构件。

此外，为了比较起见，还采用与第一和第二个实施方案相同的材料，制成一个普通的蜂窝构件(第一个对比例)，其中在壁上没有波纹变形，孔通道横截面的形状是正方形的。如此制造的第一和第二个实施方案和对比例的蜂窝构件，壁厚度为0.09mm，孔密度为400cpsi(62/cm²)，蜂窝构件的外径为100mm，蜂窝构件的长度为150mm，外壁的厚度为0.25mm，波纹壁的变形幅度为0.2mm，(约为壁厚的2倍)，在孔通道方向上波纹的距离(一个波长)为约1.3mm。此外，材料的孔隙率为约35％，在40-800℃下，在孔通道方向上的平均热膨胀系数为0.4×10^-6/℃。

此外，作为第二个对比例，还制造一个在壁上没有变形的普通蜂窝构件，其孔数增加到2倍以上，即孔密度为900cpsi(140/cm²)，壁厚度相同。(净化能力实验)

将γ氧化铝成分的冲洗覆层施加到所制的蜂窝构件上，在覆层上载带贵金属成分铂、铑和钯，制成催化剂部件，采用陶瓷纤维垫，将这种催化剂部件安装在金属容器内，于是制成催化转化器。调节其中所装的催化剂(贵金属成分)量，使蜂窝构件的每单位容量相同，由于蜂窝构件的尺寸全都相同，所以载带的量也相同。

将所制造的催化转化器安装在1998型4缸2.3升汽油发动机车辆底盘的下面(在离发动机1100mm的位置)，根据废气限制车型FTP-75进行净化能力实验，FTP-75是美国这类车型中具有代表性的。注意，在对这种车型实验前，催化转化器采用另一台发动机在850℃下老化50小时。

实验结果示于图7。在图7中，采用对比例1的排放量作为参考标准，使其它样品规范化。业已发现，第一个实施方案排放的烃(HC)、一氧化碳(CO)和氧化氮(NOx)，与对比例1相比明显地减少，对比例1是具有同样400孔的普通制品。此外，与具有500cpsi的第二个对比例相比，也证明其具有优异的净化能力。

现在，如上所述，虽然与具有相同孔密度的普通制品(第个一对比例)，或具有高孔密度的制品(第二个对比例)相比，采用具有波纹壁的波纹壁蜂窝构件(第一个实施方案)获得了优异的净化能力，但压力损失高于具有高孔密度的制品，所以对发动机的功率输出和单位燃料的行车里程是不利的。因此，通过部分地制成与根据第二个实施方案的波纹壁蜂窝构件相同的波纹壁，而不是将所有的壁都制成波纹壁，能使压力损失与高孔密度的压力损失处于大致相同的水平。

测试采用根据第二个实施方案的波纹壁蜂窝构件的转化器的净化性能，获得的结果示于表7，与第一个实施方案相比，其中HC之类的排出物增加，净化能力比第一个对比例好一点，特别是对CO和NOx的净化能力也比第二个对比例好。(等压强度实验)

等压强度实验是将蜂窝构件放在橡胶圆筒容器中进行的实验，把铝板盖子密封，并在水下在其上施加各向同性的压力，借此通过转换器密封外壳外部的周边部分，保持再现蜂窝构件上的压力荷重。等压强度可用蜂窝构件破坏的一刹那所施加的压力值表示，在日本机动车工程师协会有限责任公司(the Society of Automotive Engineers ofJapan，Inc)颁发的关于机动车规定的M505-87条款(JASO条款)中，对等压强度作了规定。通常利用蜂窝构件外部周边部分的支持物的壳体密封的构件，可被用作机动车废气净化催化转化器，当然，从密封外壳的观点看，等压强度越高越好。

进行等压破坏强度实验的结果示于图8，其中将水压的压力，施加到采用第一和第二个实施方案以及第一个对比例制造的蜂窝构件的所有侧面上，采用对比例1的测定值作为参考标准，并将其它试样规范化。根据第一个实施方案的波纹壁蜂窝构件，比根据第一个对比例的蜂窝构件制品具有较高的等压破坏强度。认为，对于普通的蜂窝构件，例如第一个对比例的蜂窝构件，在由于蜂窝构件中的制造条件引起壁变形和孔格子变形的情况下，以变形部分作为描述点，在较低的强度下就发生破裂。另一方面认为，对于其中将壁制成波纹状的第一个实施方案，在整个蜂窝构件上，都通过波纹壁吸收压力，因此破坏强度增加。基于这些因素，第二个实施方案的性质处在第一个实施方案和第一个对比例之间。(抗压强度实验)

JASO M505-87条款规定，测定正方形孔在A-轴、B-轴和C-轴每一个方向上的抗压强度。取测定试样的方法示于图9。对于A-轴的破坏强度，从蜂窝构件81中取直径25.4mm、长度25.4mm的圆柱形试样(A-轴试样82)，使圆柱形的纵向位于孔通道的方向(A轴)，将在孔通道方向的A-轴试样上施加的破坏负载，除以承压平面的面积，获得强度值。同样，对于B-轴的破坏强度，在与A-轴垂直的B-轴方向上沿着壁采样(B-轴试样83)，然后测定，同样，对于C-轴破坏强度，在与A-轴垂直的C-轴方向上采样(C-轴试样84)，并在孔通道横截面上从B-轴方向旋转45°，然后测定。

抗压强度实验的结果示于图10，采用对比例1作为参考标准，将试样规范化。从第一和第二个实施方案的结果可以看出，在A-轴方向上波纹壁的抗压强度下降，但在B轴方向上则有增加的趋势。因此，可以认为，在B-轴方向上抗压强度的增加，会使等压强度提高。

顺便说一下，对于第一和第二个实施方案，即使在孔通道方向的A-轴方向上制成波纹，A-轴的抗压强度也不和B-轴的抗压强度一样增加，认为其原因是，在A-轴方向相交部分上的压力不能被吸收，因为在A-轴方向上，壁的相交部分未制成波纹形状。

现在，对弯曲强度也观测到类似的现象。然而，对于迄今常见的催化转化器蜂窝构件采用壳体密封的安装方法，采用陶瓷纤维垫或金属丝网垫，从侧面安装蜂窝构件是最常见的，所以在A-轴方向上强度的下降，在用外壳密封时不会是个大问题。(耐热冲击性能的测试)

JASO M505-87条款规定了耐热冲击性能的测试方法。首先，在室温下将蜂窝构件放入保持在室温和预定湿度下的电炉中，保持20分钟，然后取出，放在耐火砖上。注意观察其外部，并用金属棒轻敲蜂窝构件的周边部分，如果看不到发生破裂，而且敲击声是金属的声音，并不沉闷，则这件制品就合格了。其次，采用每次升高50℃的炉温重复同样的实验，直至制品不合格为止。因此，例如在室温+950℃制品破裂的情况下，这意味着耐热冲击性能有900℃的差别。注意，废气温度每年都有升高的趋势，而且催化剂部件被放置在更靠近发动机的位置，所以对蜂窝构件要求的耐热冲击性能，甚至更加严格。

耐热冲击性能实验的结果示于图11，采用对比例1的测定值作为参考标准，并将其它试样的结果规范化。业已发现，第一个实施方案与第一个对比例相比，提高了耐热冲击的性能。此外，第二个实施方案的耐热冲击性能，处于第一个实施方案和第一个对比例之间。因此，可以认为，将壁制成波纹形状，有利于通过整个壁吸收的热应力变形，从而提高耐热冲击的性能。(测定吸水率)

进行吸水率实验，首先测定被测定试样—蜂窝构件的干质量(M₁)，接着，将试样放入水中，并使孔方向竖直，放入水中一分钟后，从水中取出试样，并轻轻抖掉过量的水分。接着将试样重新放入水中，并使孔方向竖直，一分钟后从水中取出试样，将试样放在传送带上，并使孔方向竖直，使其在空气喷嘴下面通过，空气喷嘴在与传送带前进方向成直角的方向上来回移动，在用空气吹掉过量的水后，测定吸收水的质量(M₂)。通过W_ab＝(M₂－M₁)/M₁×100(％(重量))计算吸水率W_ab。

图12示出，采用这种实验方法测定试样吸水性能的结果，采用对比例1作为参考标准。从图12可以清楚地看出，对于相同的孔密度，吸水率随壁上制成波纹形状的部分增加而增加，即随壁表面积的增加而增加。

对于蜂窝构件上的γ-氧化铝冲洗覆层，吸水率越高越好，由于最近为了提高催化剂的净化能力，载带催化剂的量有增加的趋势，所以γ-氧化铝冲洗覆层的量也有增加的趋势。这时，由于每个覆层的覆盖量增加，所以吸水率较高是比较有利的。因此，根据本发明的波纹壁蜂窝构件，具有优异的冲洗覆层保持能力，因此，从载带催化剂的观点看，可以说比普通的蜂窝构件更有利。

上面已经说明了根据本发明的波纹壁蜂窝构件极其制造方法，主要参照的是孔横截面为正方形的配置，这种配置具有良好的机械性能且很容易制造，不用说，本发明也能适用于具有其它孔横截面的蜂窝构件，即可将具有三角形和六角形孔横截面的蜂窝构件的全部或一部分壁制成波纹形状。

工业应用性

如上所述，采用根据本发明的波纹壁蜂窝构件极其制造方法，可以获得各种优点如提高废气净化能力和催化剂容量，提高外壳密封的机械强度，进一步提高耐热冲击的性能，这意味着本发明具有能更靠近内燃机如更靠近废气压力较高和废气温度较高的发动机安装的突出优点。此外，冲洗覆层的性质改善了，这对催化剂部件的制造过程是有利的。根据本发明的波纹壁蜂窝构件，适合用作内燃机废气净化的催化剂载体，或车辆废气除臭的催化剂载体等，用作各种类型过滤装置的滤层，用作热交换器部件，或用作化学反应器的载体如用作燃料电池的改性催化剂载体等。

Claims (33)

1.一种波纹壁蜂窝构件，其具有多个孔通道，这些通道在通道方向上是互相平行的；

其中在隔开所述孔通道的壁之间形成相交的部分，以使在与所述孔通道垂直的横截面上，保持预定的距离及系统地定位，其中将所述壁除了所述相交部分的壁面部分，在孔通道方向和在与所述孔通道方向垂直的横截面方向上，制成波纹形状。

2.根据权利要求1的波纹壁蜂窝构件，其中对于每一个所述的孔通道，所述壁的一对相对的壁面部分，每一个都制成波纹形状，使一个壁面部分上的凹和凸起的位置，与另一个壁面部分上的凹和凸起的位置，凸起与凸起相对，凹与凹相对，或凸起与凹相对。

3.根据权利要求1或2的波纹壁蜂窝构件，其中将制成波纹形状的所述壁表面部分，和制成平的形状的壁表面部分，制成混合的形式。

4.根据权利要求1-3任一项的波纹壁蜂窝构件，其中对每一个所述孔的通道，至少将形成所述孔通道的多个壁中的一个制成波纹形状。

5.根据权利要求1-4任一项的波纹壁蜂窝构件，其中借其将所述壁制成波纹形状的波纹变形，在外部大于在中部。

6.根据权利要求1-5任一项的波纹壁蜂窝构件，其中将壁制成波纹形状的波纹变形幅度，≥150％所述壁的厚度。

7.根据权利要求1-6任一项的波纹壁蜂窝构件，其中在所述孔通道方向形成波纹形状的壁面部分，凸起最高部分和/或凹的最低部分的连线，在与所述孔通道方向垂直的方向上，在所述的壁面上重复弯曲图案。

8.根据权利要求1-7任一项的波纹壁蜂窝构件，其中由制成波纹形状的所述壁的壁面部分形成的孔通道，和由制成平的形状的所述壁的壁面部分形成的孔通道，以不连续的方式出现和共存。

9.根据权利要求1-8任一项的波纹壁蜂窝构件，其包括中间部分制成一般的圆形横截面的孔通道区域A，和在所述孔通道区域A的外侧，制成一般的环形形状的孔通道区域B：

其中所述的孔通道区域A，包含由制成波纹形状的所述壁的壁面部分形成的孔通道；

其中所述的孔通道区域B，包含由制成平的形状的所述壁的壁面部分形成的孔通道；

其中在所述孔通道区域B内孔通道壁的厚度，大于在所述孔通道区域A内孔通道壁的厚度，而且其中壁的厚度，从内部的圆形部分向外部部分分段增加，或只在靠近区域B和区域A之间的边界部分分段增加。

10.根据权利要求1-9任一项的波纹壁蜂窝构件，其中构件的材料，是下列陶瓷材料中的一种，或多种的组合物：堇青石、氧化铝、富铝红柱石、锂铝硅酸盐、钛酸铝、二氧化钛、二氧化锆、氮化硅、氮化铝和碳化硅；或不锈钢和铝合金中的一种；或活性碳，或硅胶，或沸石中的一种吸附剂。

11.根据权利要求10的波纹壁蜂窝构件，其中所用材料的孔隙率为45％-80％。

12.一种除细颗粒的过滤器，该过滤器采用根据权利要求11的波纹壁蜂窝构件，其包括由隔开孔通道的壁形成的过滤层，堵塞所述波纹壁蜂窝构件特定孔通道的一端，也堵塞其余孔通道的另一端。

13.根据权利要求12的除细颗粒的过滤器，其中所述波纹壁蜂窝构件波纹壁的表面粗糙度≥10％的谷底水平。

14.根据权利要求12的除细颗粒的过滤器，其中所述波纹壁蜂窝构件的壁厚度为约0.2-1.2mm。

15.根据权利要求12的除细颗粒的过滤器，其中所述波纹壁蜂窝构件的孔密度为约50-600cpsi(每平方英寸的孔数)。

16.根据权利要求1-13任一项的波纹壁蜂窝构件，采用该构件作为车辆废气净化的催化剂载体，将催化剂载带在孔壁面的表面上，和/或载带在所述蜂窝构件壁内的微孔中。

17.根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件，其中壁厚度为约0.01-0.12mm。

18.根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件，其中孔的密度为约200-3000cpsi(每平方英寸的孔数)。

19.一种废气净化催化转化器，其中采用根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件。

20.根据权利要求19的废气净化催化转化器，其中催化剂的成分是下列中的至少一种，或多种的复合物：三元催化剂、氧化催化剂、降低NOx的催化剂、硫化物催化剂、分解-除去挥发性有机气体VOC(气态有机化合物)和二8-羟基喹啉的催化剂。

21.一种废气净化催化转化器系统，其包括根据权利要求19的多种废气净化催化转化器和多种将催化剂载带在普通平壁蜂窝构件上的催化转化器，所述的这些催化转化器，是交替串联配置的。

22.一种废气净化催化转化器系统，其中根据权利要求19的废气净化催化转化器位于排气的上游侧，根据权利要求12的除细颗粒的过滤器或包括普通平壁蜂窝构件的除细颗粒的过滤器位于排气的下游侧。

23.根据权利要求22的废气净化催化转化器系统，其中每一种所述除细颗粒的过滤器都是容易更换的滤芯类型。

24.一种废气净化系统，其中采用根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件，用于捕获废气中的细颗粒物质，所述的废气净化系统包括：使所述的波纹壁蜂窝构件带电并用电来捕获所述的细颗粒物质的装置。

25.一种废气净化系统，其中采用根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件，用于捕获废气中的细颗粒物质，所述的废气净化系统，采用非热平衡的等离子体(非热等离子体)或微波放电等离子体。

26.一种燃料箱蒸发系统，其中采用根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件，用于抑制燃料中挥发性成分的外泄。

27.根据权利要求24或25的废气净化系统，其中所述的波纹壁蜂窝构件是容易更换的滤芯型结构。

28.一种燃料电池系统的部件，其中采用根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件。

29.一种夹层板，其中采用根据权利要求16的波纹壁蜂窝构件。

30.一种制造波纹壁蜂窝构件的方法，其中具有对材料流动阻力不同的相邻通孔的后板用作挤压成型的管嘴材料。

31.根据权利要求30的制造波纹壁蜂窝构件的方法，其中所述后板的厚度，从外部向中部变化。

32.根据权利要求30或31的制造波纹壁蜂窝构件的方法，其中所述的后板，具有不同孔径的通孔A和通孔B。

33.一种制造波纹壁蜂窝构件的方法，其中通过预先进行塑性加工，在金属箔上制造波纹，以波纹的形式将所述的金属箔包卷，从而制成金属的蜂窝构件。

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