JP2006519953A - セラミックハニカム体および製造方法 - Google Patents

Abstract

交差する内壁によって画成され、かつハニカム体の両端および両端間に水平および垂直に配置された複数の平行なセルと、複数のセルを取り囲み、かつ内壁と相互接続された外周壁とを備えたハニカムにおいて、複数のセルが、外周壁の近傍にある一部のセルを含む第１領域と、残りのセルを含む第２領域とに分類され、第１領域内のセルの壁の厚さが、外周壁に向かって延びる軸に沿って連続的に増大し、少なくとも第１領域のセルの内壁間の交差部には隅肉が形成されている。

Description

本発明は、セラミックハニカム体およびその製造方法に関し、特に、例えば自動車の触媒コンバータに用いるための、極めて薄い壁と大きい表面積とを有するセラミックハニカム体に関するものである。

セラミックハニカム体は、自動車の排気ガス浄化に用いられることに関して、自動車産業において周知である。このような構造体が、触媒に対する支持体として動作する触媒コンバータシステムを支えている。

今日、自動車製造業者は、新設計のエンジンおよびより厳しい規制に適合する、より優れた変換効率とより速い反応を益々要求するようになってきた。これらの要求は、極めて薄い壁（０．１０ｍｍ以下）と極めて大きい幾何学的表面積（１平方インチ当り６００〜９００セル）（１ｃｍ^２当り９３〜１２０セル）とを有するハニカム構造体に形を変えた。しかしながら、このような構造は、排ガス特性に関しては効果があるものの、代償が無い訳ではない。

特に、極薄肉・大表面積のハニカム構造は等圧強度が低い。その結果、触媒コンバータシステムに用いられる以前の缶入れ作業時に、最終的に破滅的欠陥になると思われるひび割れや欠けを生じ易い。

この問題に対処する試みがなされて来た。しかしながら、提案された方法は、耐熱衝撃
性の低下、圧力低下の増大のような、双方とも良好な製品特性に悪影響を与える新たな欠点を生じさせている。

そこで、等圧強度および耐熱衝撃性の増大、ならびに圧力低下の減少の理想的な組合せを提供する、自動車の排気ガス浄化に使用するためのセラミックハニカム体の必要性が生じている。

本発明は、取扱い時および缶入れ作業時において、欠け、ひび割れ損傷を受けることのない極めて高い等方強度を備えた優れた構造のハニカムに関するものである。同時に、本発明のハニカム体は、好ましい耐熱衝撃特性を保持し、かつ本発明の特徴構成を備えていない市販の薄肉・大表面積ハニカム構造と少なくとも同等の、圧力低下が増大するのを阻止する特性を約束するものである。本発明の目的上、「市販の極薄肉・大表面積のハニカム構造」を、本明細書では「標準的薄肉ハニカム」と呼ぶことにする。

特に本発明は、交差する内壁によって画成され、かつハニカム体の両端でおよび両端間に水平と垂直に配置された複数の平行なセルと、これら複数のセルを取り囲み、かつ上記内壁と相互接続された外周壁とを備えたハニカムを提供するもので、上記複数のセルが、外周壁の近傍にある一部のセルを含む第１領域と、残りのセルを含む第２領域とに分類され、上記第１領域内のセルの壁の厚さが、上記外周壁に向かって延びる軸に沿って連続的に増大し、少なくとも上記第１領域のセルの内壁間の交差部には隅肉が形成され、これら隅肉の半径は、外周壁に向かって延びる軸に沿って連続的に増大している。したがって、本発明においては、壁の厚さと隅肉の半径との双方が、ハニカムの外周に向かって徐々に増大して、高い耐熱衝撃性を保ちながら等方強度を増大させている。

本発明によるハニカム物品製造用押出しダイは、入口面と、この入口面とは反対側の排出面と、上記入口面からダイの本体内に延びる複数の供給孔と、上記排出面からダイの本体内に延びてこのダイの内部の供給孔とスロットとの交差部において供給孔に接続する排出スロットの交差アレイとを備えたダイ本体が提供され、上記ダイの外周近傍の複数の排出スロットが、ダイの外周に向かって延びる軸に沿って連続的に増大する幅を有し、ダイの外周近傍の複数のピンが、丸みを帯びた隅部を備えている。

上記押出しダイの作成方法においては、先ず、入口面と、この入口面とは反対側の排出面と、上記入口面からダイの本体内に延びる複数の供給孔と、上記排出面からダイの本体内に延びてダイの内部の供給孔とスロットとの交差部において供給孔に接続する排出スロットの交差アレイとを組み込み、これら排出スロットの交差アレイがピンのアレイの側面によって形成されたダイ本体を提供する。次に、交差ウェブの網状構造によって形成された複数の開口部を備えた放電電極を提供し、この場合、上記交差ウェブは、上記電極の外周に向かう軸方向に連続的に増大する幅を有し、かつ丸みを帯びた隅部を備えている。

次に、上記放電電極をダイ本体の排出面上の複数のピンと接触させて、ダイの外周近傍の領域における複数のピンを細くし、この場合のピンを細くすることは、ピンの全ての側面において対称的に行なわれ、同時にピンの隅部を丸める。その結果、複数のピンが丸められた隅部を有し、かつダイの外周に向かって延びる軸に沿って連続的に幅が増大する排出スロットを形成したピンのアレイを備えたダイが形成され、残りのピンは放電電極によっては加工されない。

本発明は、図面を参照することによってさらに理解されるであろう。

図１を参照すると、前面すなわち入口端１２と、入口端１２とは反対側の後面すなわち出口端１４とを備えたハニカム体１０の斜視図が示されている。複数のセル１６が入口端１２と出口端１４との間に延びている。これらセル１６は、ハニカム体１０の入口端１２と出口端１４との間で実質的に長手方向に延びかつ互いに平行な内壁１８によって形成されている。外周壁２０がセル１６および内壁１８を取り巻いている。外周壁２０はまた、業界では「スキン」として知られているものも形成している。図示の実施の形態においては、セル１６が第１領域２２と第２領域２４とに適切に分類されていることを仮想線２３が示している。特に、第１領域２２は外周壁２０近傍のセルを含み、第２領域２４は中心軸２１の近くの残りのセルを含む。第１領域２２は、外周壁２０近傍の少なくとも２０列の、好ましくは少なくとも１０列の、より好ましくは少なくとも７列の、最も好ましくは少なくとも４列のセルを含む。

図２は、図１の入口端１２の一部分の概略的拡大平面図であり、本発明のハニカム構造を良く示している。ハニカム体１０の中心軸２１におけるよりも外周壁２０近傍の内壁１８方が厚くなるように、第１領域内のセル１６は、矢印２５で示すように、外周壁２０に向かって延びる軸に沿って壁の厚さが連続的に増大している。厚さが変化する壁を備えたハニカム体に適用されるといっても、本発明には、壁の厚さが０．１５ｍｍ以下、好ましくは０．１０ｍｍ以下のものが最も適している。第１領域２２におけるセル１６の壁の厚さは、第２領域２４におけるセルの壁の厚さの１．０１から４倍まで軸２５に沿って変えられている。

第１領域２２内のセルにおいては、内壁１８間の少なくとも交差部に隅肉２６が形成されている。内壁と外周壁との交差部にも、このような隅肉が形成されることは不必要あるいは好ましくないことであるとしても、隅肉が形成される可能性がある。第１領域２２内のすべてのセル１６が隅肉２６を備えているが、外周壁に近い隅肉は、ハニカムの中心軸２１に近い隅肉よりも大きい半径を有する。したがって、隅肉２６は、外周壁２０に向かって延びる軸に沿って連続的に増大する半径を有する。具体的に言うと、隅肉２６の半径は０．０２５〜０.４００ｍｍの範囲内にある。隅肉は、凸型でも凹型でも、これらの組合せでもよい。図２においては、凹型の隅肉２６が示されている。

外周壁に近いセル列における厚くされたセル壁および隅肉の組合せは、耐熱衝撃性には悪影響を与えずに等方強度を高め、かつ圧力低下には最小の影響しか与えないことが判明している。表１は、種々の隅肉半径（ｍｍ）に対する等方強度に関するデータを示す。ＭＩＦ（機械的完全性係数）は下記の式によって計算された。

ＭＩＦ＝ｔ^２／｛Ｌ（Ｌ−ｔ−２Ｒ）｝
ここで、ｔは内壁の厚さ、Ｌはセルの直径、Ｒは隅肉の半径の絶対値である。計算では、ｔを０．０７ｍｍに固定し、Ｌは０．８４ｍｍに固定した。Ｒは０ｍｍ（隅肉なし）から０．１５ｍｍの間で変えた。僅かな隅肉であっても、強度を劇的に向上させることが明らかである。例えば、半径０．０５ｍｍの隅肉に対して、強度の向上度合（すなわちＭＩＦ％の向上度合）は１５％であり、半径０．１２７ｍｍの隅肉に対して、強度の向上度合は５０％である。

図３を参照すると、本発明によるセラミックハニカム体に関する等方強度データのグラフが示されている。本発明の特徴構造を備えていない標準的な薄肉ハニカムの平均等方強度は２０ｋｇ／ｃｍ^２である。これに対して、本発明のハニカム体においては、３８ｋｇ／ｃｍ^２という極めて高い平均等方強度が観察された。

図４を参照すると、本発明のハニカム体と標準的薄肉ハニカムとの間における等方強度の比較を表すグラフが示されている。本発明のハニカム体が、より高い平均等方強度を有することが明らかである。

高い等方強度に加えて、本発明の構造体は、標準的薄肉ハニカムと比較した場合に、ほぼ等しい圧力低下とともに、高い耐熱衝撃性を示している。図５を参照すると、比較例である二つの標準的薄肉ハニカム（比較例１、比較例２）と、本発明の実施例である二つのハニカムとに関する種々の流量における圧力低下を比較したものが示されている。比較例と本発明の実施例との差は平均で約２％である。したがって、本発明のハニカム体においては、圧力低下の増大が最小に保たれている。観察された平均２％の増大は、自動車の固定台テストでは実際には検出不能と思われる。

高い等方強度に加えて、本発明の構造体は高い耐熱衝撃特性をも示す。本発明によるコージェライト・ハニカム体のサンプルに対し、オーブン熱衝撃試験と循環熱衝撃試験との双方を実施した。当業者が周知の手順によるオーブン熱衝撃試験では、すべての部分が１０００℃をパスした。当業者が周知の手順による循環熱衝撃試験では、すべての部分が１０７５℃をパスした。

本発明のセラミック体は、円形、正方形、楕円形、長方形またはその他の、使用のために選択される特定の排気系によって決定されるいかなる断面形状にも形成し得る。さらにハニカム体は、コージェライト、炭化珪素、チタン酸アルミニウム等のような耐熱セラミック材料を含むものが検討されている。ハニカム体は、コージェライトを含むものが好ましい。当業者は周知のように、ハニカム体を製造するのに適した方法は、可塑化された混合物、例えばコージェライト作成用原材料の形成によるものであり、この材料は次にハニカム押出しダイを通って押し出されて、未焼成構造体となる。次にこの未焼成構造体は適宜乾燥され、次いで所望の温度で適当な時間焼成されて最終的なセラミック構造体となる。

本発明においては、上述のような独特の構造を有するハニカム体を提供するために、ハニカム押出しダイが特別に製作される。具体的に説明すると、適当なハニカム押出しダイは、丸みを帯びた隅部を備えたピンの部分と、ダイの外周に向かって延びる軸に沿う方向に徐々に幅が広くなる排出スロットとを備えたピンアレイを有する。

ハニカム製造のための旧来の押出しダイは、押出し可能な材料をダイに入力するための複数の供給孔を備えた供給部分すなわち入口部分と、押出し可能な材料を成形してダイの排出面から排出するために上記供給部分に接続された排出部分とを有する。排出されると、上記材料は、構造体の一方の端部から他方の端部に向かって押出し方向に延びる内壁を相互接続することによって拘束された、開口端を有する複数のセルを備えたハニカム形状に成形される。

これらのダイの排出面における排出開口部は、ハニカム壁構造を相互接続するために、いかなる形状にも形成され得る。現在、自動車の排気ガスを処理するための市販のセラミックハニカムの押出しのために使用される排出開口部は、等間隔の長い直線状の排出スロットからなる十字形アレイによって形成されている。これら長いスロットは、正方形または三角形のセルを備えたハニカムのための直線壁を形成するためのより短いスロットセグメントの網状構造を形成する。

これら市販のダイによって処理される押出し可能な材料は、複雑な流路を通らなければならない。上記材料は、先ず各供給孔から遷移ゾーンを通ってスロットアレイの根元に移動し、そこで横方向に流れて、隣接する供給孔からの材料と合流する。その後、編まれた材料が再び供給孔の流れの方向に、スロットによって形成された排出開口部に向かって前方を目指し、ハニカムのセル壁を形成する相互結合された内壁部分のアレイの形態で排出開口部から排出される。

交差するスロットセグメントによってこれらの押出しダイの排出面上に形成された島すなわち「ピン」の断面形状が押出しにおけるチャンネルの内部形状を支配する。旧来のダイでは、ハニカム体の外周近傍のセルの内壁を厚くしたり、半径を持たせたり（すなわち隅肉を形成したり）することは不可能であった。

したがって、本発明の別の態様によれば、ダイおよびダイ製造方法が提供され、これによると、等しく厚い排出スロット幅を備えた、不変の正方形または長方形のサイズと形状のピンからなる排出面ピンアレイを組み込んだハニカム押出しダイが放電加工（ＥＤＭ）によって修正される。採用されるプランジＥＤＭと呼ばれるＥＤＭ法は、成形された放電電極を用いて、ダイ外周近傍の領域におけるピンの側面およびピンのコーナーから材料を対称的に取り去ることを含む。

プランジＥＤＭ法を実施するのに適した放電電極は、当業者が周知のように、移動式ワイヤ放電加工（ワイヤＥＤＭ）を用いて銅タングステン合金素材から成形することができる。本発明は、ダイのピン部分のみを修正することに過ぎないから、電極は、ハニカムのこれらの部分が押出し中に成形されるダイの領域のみを取り囲んでいればよい。したがって、成形される領域は、ダイの外周近傍の領域におけるピンの修正である。詳しく言えば、列をなす複数のピンのダイの外周から内方に延びる部分が放電電極による加工を必要とするのである。

旧来の押出しダイが本発明の方法に用いられることに注目すべきである。詳しく言えば、押出しダイは、入口面と、入口面とは反対側の排出面と、入口面からダイの本体内に延びる複数の供給孔と、排出面からダイの本体内に延びてダイの内部の供給孔とスロットとの交差部において供給孔に接続する排出スロットの交差アレイとを組み込んだダイ本体を備え、上記排出スロットの交差アレイはピンアレイの側面によって形成される。

図６は、本発明によるダイ１００および電極１１０の部分的斜視図を示す。ダイ１００は、ピン１０２と、排出スロット１０４とを備えている。電極１１０は、交差するウェブ１１４の網状構造によって形成された開口部１１２を備えている。ウェブ１１４は、内側エッジ１０９に対向して立つ外側エッジ１１１に向かう軸方向に連続的に増大する幅（図示せず）と、丸みを帯びた隅部１１３とを有する。電極１１０の形状は、ダイ上のピンのアレイにマッチするハニカム構造の形状に極めて類似しているので、ピンの修正は、集団で行なうことができる。

プランジＥＤＭ工程中、ダイ１００は固定的に保持されるが、電極１１０はピン１０２のアレイ上に降下せしめられる。電極１１０の移動態様が矢印１２０で示されている。電極１１０がピン１０２のアレイ内に降下せしめられると、以前から存在するスロット１０４よりも厚いウェブ１１４が、ピン１０２のすべての側面からのみでなく、ピン１０２の隅部からも材料を取り去る。その結果、以前から存在するスロット１０４は、それを取り囲むピン１０２が細くなったことにより加工されて広くなる。ウェブ１１４の丸みを帯びた隅部がピン１０２の隅部を丸めて、押し出されたハニカムに隅肉を生成させる。修正が必要なピン列の数に応じて，開口部１１２の数およびウェブ１１４の厚さとともに電極１１０のサイズが変更される。

ピン１０２を修正するために、電極１１０が用いられて、ピンの側面から材料が対称的に取り去られる。図７は、本発明のプランジＥＤＭによって加工された複数のピン１０２ａを示す。ピンの原形状および原サイズが仮想線で示されている。修正されたピンは、より小さい直径１０３と丸められた隅部とを有し、その結果、より細いピンと、符号１０４ａで示すような、より広い排出スロットが生成される。排出スロット１０４ａは、ダイの外周に向かって延びる軸に沿って徐々に広くなっている。

このピン加工方法は、ダイの入口部分または供給孔を決して改造するものでははなく、またダイの入口部分に変更を必要とするものでもない。このような構成を有する機械加工されたダイから生まれる押し出されたハニカム体は、このハニカム体の外周近傍のセル領域において、連続的に厚くなる内壁および壁の連結部における隅肉を有する。

入口端、交差する内壁によって形成される複数のセルチャンネル、および外周壁を示している円柱状ハニカム体の斜視図である。 外周壁に向かう軸に沿って連続的に厚さを増す壁を備えた第１領域のセルを示す、図１のハニカム体の概略的拡大平面図である。 本発明によるセラミックハニカム体に関する等方強度データを示すグラフである。 本発明によるセラミックハニカム体と標準的な薄肉ハニカムとの間で等方強度を比較したグラフである。 本発明によるセラミックハニカム体と標準的な薄肉ハニカムとの間で圧力低 下を比較したグラフである。 本発明によるダイ加工工程を示す図である。 本発明によるダイの排出面におけるピンアレイを示す図である。

符号の説明

１０ ハニカム体
１２ 入口端
１４ 出口端
１６ セル
１８ 内壁
２０ 外周壁
２２ 第１領域
２４ 第２領域
１００ ダイ
１０２ ピン
１０４ スロット
１１０ 放電電極
１１２ 開口部
１１３ 隅部
１１４ ウェブ

Claims (9)

1. 交差する内壁によって画成され、かつハニカム体の両端でおよび両端間に水平と垂直に配置された複数の平行なセルと、該複数のセルを取り囲み、かつ前記内壁と相互接続された外周壁とを備えたハニカムにおいて、
   前記複数のセルが、前記外周壁の近傍にある一部のセルを含む第１領域と、残りのセルを含む第２領域とに分類され、
   前記第１領域内のセルの壁の厚さが、前記外周壁に向かって延びる軸に沿って連続的に増大し、
   少なくとも前記第１領域のセルの内壁間の交差部には隅肉が形成され、該隅肉は半径を有し、
   該隅肉の半径が、前記外周壁に向かって延びる軸に沿って連続的に増大する、
   ことを特徴とするハニカム。
2. 前記外周壁近傍の前記第１セル領域が、少なくとも４列から２０列のセルを含むことを特徴とする請求項１記載のハニカム。
3. 前記第２領域におけるセルの壁の厚さが０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のハニカム。
4. 前記第２領域におけるセルの壁の厚さが０．１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のハニカム。
5. 前記第１領域におけるセルの壁が、前記第２領域におけるセルの壁の１．０１〜４倍の厚さを有することを特徴とする請求項３記載のハニカム。
6. 前記隅肉が、０．０２５〜０．４００ｍｍの半径を有することを特徴とする請求項１記載のハニカム。
7. 前記第１領域におけるセルの隅肉が、凹形状、凸形状およびそれらの組合せからなる群から選択された形式のものであることを特徴とする請求項１記載のハニカム。
8. 請求項１記載のハニカムを製造するための押出しダイであって、
   入口面と、
   該入口面とは反対側の排出面と、
   前記入口面から前記ダイの本体内に延びる複数の供給孔と、
   前記排出面から前記ダイの本体内に延びて該ダイの内部の供給孔とスロットとの交差部において前記供給孔に接続する排出スロットの交差アレイとを備えた押出しダイにおいて、
   前記ダイの外周近傍の複数の排出スロットが、前記ダイの外周に向かって延びる軸に沿って連続的に増大する幅を有し、
   前記ダイの外周近傍の複数のピンが、丸みを帯びた隅部を備えていることを特徴とする押出しダイ。
9. 請求項８記載の押出しダイの作成方法であって、
   入口面と、該該入口面とは反対側の排出面と、前記入口面から前記ダイの本体内に延びる複数の供給孔と、前記排出面から前記ダイの本体内に延びて該ダイの内部の供給孔とスロットとの交差部において前記供給孔に接続する排出スロットの交差アレイとを組み込み、該排出スロットの交差アレイがピンのアレイの側面によって形成されたダイ本体を提供する工程、
   交差ウェブの網状構造によって形成された複数の開口部を備えた放電電極を提供する工程であって、前記交差ウェブが前記電極の外周に向かう軸方向に連続的に増大する幅を有し、前記交差ウェブがその交差部において丸みを帯びた隅部を備えるものである工程、
   前記放電電極を前記ダイ本体の排出面上のピンのアレイと接触させる工程、
   前記ダイの外周近傍の領域における複数のピンを細くする工程であって、この場合のピンを細くすることは、プランジ放電加工によって、ピンの全ての側面において対称的に行なわれ、同時にピンの隅部を丸めるものである工程、
   を有してなり、
   これによって、複数のピンが丸められた隅部を有し、かつ前記ダイの外周に向かって延びる軸に沿って連続的に幅が増大する排出スロットを形成するピンのアレイを備えたダイが形成されることを特徴とする押出しダイの作成方法。

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