JP2008137168A

JP2008137168A - ハニカム構造体の製造方法

Info

Publication number: JP2008137168A
Application number: JP2006322910A
Authority: JP
Inventors: Akio Harada; 暁生原田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-19

Abstract

【課題】ハニカム構造体を製造するに際し、水を使わずに複数の粉末材料を混ぜる場合、各粉末材料の混合状態を均一にする。
【解決手段】複数の粉末材料１１０〜１３０を用意し、この複数の粉末材料１１０〜１３０のうち比重がもっとも小さいものから順に混合タンク１０内に積層していき、比重がもっとも大きいものが最上層となるように各粉末材料１１０〜１３０を積層する。この後、積層した各粉末材料１１０〜１３０を撹拌部２０で混ぜ合わせる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ハニカム構造体の製造方法に関し、特にハニカム構造体をかたどったワークを成形するための原料粉末を用意する混合工程に関する。

従来より、セラミックハニカム成形体を製造する方法が、例えば特許文献１で提案されている。この特許文献１では、原料粉末と水とを混練したセラミック材料から柱状のハニカム成形体を成形する押出工程を実施することにより、セラミックハニカム成形体を製造する方法が提案されている。

上記押出工程では、前工程として、まず原料粉末を用意する。具体的には、粉末材料の混ざりを良くするためにタンクに水を入れた後、タンクに複数の粉末材料を入れ、さらにタンクに水を入れて粉末材料を混ぜ合わせる。そして、混合した粉末材料を乾燥させて原料粉末を用意する。

この後、上記押出工程にて、ハニカム成形体の形成に必要な原料粉末を計量し、計量した原料粉末と水とを混ぜ合わせて混練する。こうして混練した粘土を成形型から押し出すことにより、粘土質のハニカム成形体を製造している。
特開２００１−２６０１１６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、原料粉末を用意するに際し、複数の粉末材料の混ざりを良くするため、タンクに水を入れて粉末材料を水で混ぜ合わせ、さらに混合した粉末材料を乾燥させる工程が必要になっている。このように、原料粉末を用意するために水を用いた工程が必要になっているため、混合工程が煩雑になってしまう。

そこで、水を用いずに複数の粉末材料を混ぜることが考えられる。しかし、粉末材料の材質によってそれぞれ比重が異なるため、粉末材料を混ぜていくと比重が大きい粉末材料はタンクの下部に移動してしまい、比重が小さい粉末材料はタンクの上部に移動してしまう。したがって、粉末材料の混合状態が不十分となってしまうという問題が生じる。

本発明は、上記点に鑑み、ハニカム構造体を製造するに際し、当該ハニカム構造体の原料となる原料粉末を用意する上で水を使わずに複数の粉末材料を混ぜて原料粉末を得る場合、各粉末材料の混合状態を均一にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、ハニカム構造体を製造する上で、その原料となる粉末材料を混ぜ合わせる混合工程において、複数の粉末材料（１１０〜１３０）を用意し、この複数の粉末材料（１１０〜１３０）のうち比重がもっとも小さいものから順に積層していき、比重がもっとも大きいものが最上層となるように各粉末材料（１１０〜１３０）を積層する。この後、積層した各粉末材料（１１０〜１３０）を混ぜ合わせることが特徴となっている。

このように、各粉末材料（１１０〜１３０）を比重がもっとも小さいものから順に積層して混ぜ合わせることにより、比重がもっとも大きい粉末材料（１３０）を自重で下層部に移動させつつ各粉末材料（１１０〜１３０）を混ぜ合わせることができる。すなわち、比重が小さい粉末材料（１１０）が上層部に滞留することを防止すると共に、比重が大きい粉末材料（１３０）が下層部に滞留することを防止することができる。このような積層方法により、各粉末材料（１１０〜１３０）を効率良く混ぜ合わせることができ、ひいては各粉末材料（１１０〜１３０）の混合状態を均一にすることができる。

また、混合工程では、混合容器（１０）内に各粉末材料（１１０〜１３０）を積層し、各粉末材料（１１０〜１３０）のうち最下層の粉末材料（１１０）を撹拌手段（２３）を用いて最上層の粉末材料（１３０）側に持ち上げて混ぜ合わせることができる。

このように、撹拌手段（２３）にて下層部の粉末材料を持ち上げて混ぜ合わせることにより、比重が大きい（重い）上層部の粉末材料（１３０）を自重で下層部に移動させつつ、比重が小さい（軽い）下層部の粉末材料（１１０）を持ち上げて混合することができる。これにより、各粉末材料（１１０〜１３０）の混合状態をより均一にすることができる。

さらに、混合工程では、螺旋状の撹拌手段（２３）を螺旋の中心軸を中心に回転させることで、複数の粉末材料（１１０〜１３０）のうち最下層の粉末材料（１１０）を最上層の粉末材料（１３０）側へ持ち上げて混ぜ合わせることもできる。

混合工程が終了した後、押出工程を行うことができる。すなわち、混合工程にて複数の粉末材料（１１０〜１３０）を混ぜ合わせた原料粉末（１５０）を用意し、押出工程にて原料粉末（１５０）を水と混練することで原料粉末（１５０）を粘土にし、当該粘土を成形型から押し出すことでハニカム成形体を成形することができる。

混合工程では、複数の粉末材料（１１０〜１３０）として、タルク、シリカ、アルミナの各粉末材料（１１０〜１３０）を、タルクの粉末材料（１１０）、シリカの粉末材料（１２０）、アルミナの粉末材料（１３０）の順に積層することが特徴となっている。

これらの材料を選択した場合、タルクの比重がもっとも小さく、次いでシリカ、アルミナの順に比重が大きくなる（図３参照）。したがって、タルク、シリカ、アルミナの各粉末材料（１１０〜１３０）の順に積層することにより、もっとも重いアルミナを最上層から自重で効率良く混ぜることができる。

また、混合工程では、積層した複数の粉末材料（１１０〜１３０）に造孔材および有機バインダを加えた状態でそれぞれを混ぜ合わせることが好ましい
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本実施形態では、ハニカム構造体として排ガス浄化フィルタについて説明する。この排ガス浄化フィルタ（いわゆるＤＰＦ）は、例えば車両のエンジンから排出される排気ガスに含まれる汚染物質を浄化して大気に排出させるものとして用いられる。

図１は、本発明の一実施形態に係る排ガス浄化フィルタの斜視図である。この図に示されるように、排ガス浄化フィルタ１は、円柱形状を有しており、例えばセラミックスの焼結品をなしている。

また、排ガス浄化フィルタ１の内部は蜂の巣構造（以下、ハニカム構造という）になっており、円柱の軸方向に両端面２、３を貫通する多数の孔４を有している。各孔４は、当該各孔４を分離する壁５を介してそれぞれが隣接しており、各孔４が円柱の軸に垂直な方向に配列されることでそれぞれが独立した通路をなしている。言い換えると、壁５が格子状をなすことで、多数の孔４が構成される。このようにして、ハニカム構造体が構成されている。

そして、排ガス浄化フィルタ１の一方の端面２において、各孔４の一部には当該各孔４の開口部を栓詰めするための栓材６が設けられている。本実施形態では、栓材６は各孔４に千鳥状に設けられている。すなわち、栓材６が設けられた孔４の隣の孔４は栓材６が設けられていない状態になっており、開口した状態になっている。

さらに、排ガス浄化フィルタ１の他方の端面３の各孔４の一部にも上記一方の端面２と同様に栓材６が千鳥状に設けられている。この場合、端面３の各孔４に千鳥状に栓詰めされた各栓材６は、端面２側で栓詰めされていない各孔４の開口部に千鳥状に設けられている。以上が、本実施形態に係る排ガス浄化フィルタ１の構成である。

このような排ガス浄化フィルタ１を通過する排気ガスは、まず、排ガス浄化フィルタ１の一方の端面２から各孔４のうち開口した孔４内に導かれる。そして、排気ガスは、孔４内の通路を端面３側に進むと共に、当該孔４と隣の孔４とを分離する壁５を通過する。これにより、排気ガスに含まれる汚染物質が壁５の内部で取り除かれる。そして、排気ガスは、排ガス浄化フィルタ１内に進入した孔４の隣の孔４内の通路を通って排ガス浄化フィルタ１の他方の端面３から排出される。このようにして、排ガス浄化フィルタ１にて排気ガスに含まれる汚染物質が除去されるようになっている。

次に、上記排ガス浄化フィルタ１の製造方法について説明する。まず、ハニカム構造体をかたどったハニカム成形体を成形するための原料粉末を用意する混合工程を行う。本実施形態では、原料粉末としてコージェライト化材料を用意する。また、本混合工程では、シリカ、タルク、アルミナの各粉末材料を規定量ずつ混ぜ合わせてコージェライト化材料を用意する。

具体的に、本実施形態では撹拌装置を用いて各粉末材料を混ぜ合わせる。図２は、本実施形態の混合工程で用いられる撹拌装置の概略図である。この図に示されるように、撹拌装置１００は、混合タンク１０（本発明の混合容器に相当）と、撹拌部２０と、駆動部３０と、を備えて構成されている。

混合タンク１０は、複数の粉末材料を混ぜ合わせるための容器であり、鉛直方向の断面がＵ字形状になったものである。この混合タンク１０内に上記シリカ、タルク、アルミナの各粉末材料が入れられ、撹拌されることで各粉末材料が混合される。

撹拌部２０は、混合タンク１０内の各粉末材料を撹拌するものである。このような撹拌部２０は、軸部材２１と、支持部材２２と、撹拌翼２３（本発明の撹拌手段に相当）と、蓋部材２４と、を備えている。

軸部材２１は支持部材２２および蓋部材２４を固定するものであり、軸部材２１の長軸を中心軸として回転するものである。このような軸部材２１の一端は後述する駆動部３０の回転機構３２に接続され、鉛直方向に配置されている。

支持部材２２は、Ｕ字形状の棒部材をなしており、Ｕ字部分が軸部材２１の他端に固定されている。また、撹拌翼２３は、混合タンク１０内の粉末材料を撹拌するものである。このような撹拌翼２３は螺旋状をなしており、支持部材２２に接する部分が当該支持部材２２に固定されている。蓋部材２４は、撹拌翼２３で混合タンク１０内の各粉末材料を混合している際、混合タンク１０から各粉末材料が飛び出さないようにするためのものである。

駆動部３０は、撹拌部２０を鉛直方向に移動させる移動機構３１と、撹拌部２０の軸部材２１を当該軸部材２１の長軸を中心に回転させる回転機構３２と、を備えたものである。移動機構３１は、撹拌部２０を鉛直方向に移動させるために鉛直方向に伸縮する図示しない機械構造を有している。また、移動機構３１の上部に回転機構３２の一端が固定されており、さらに回転機構３２の他端に撹拌部２０が取り付けられ、撹拌部２０が回転機構３２から吊り下げられた状態になっている。

このような構成を有する駆動部３０では、回転機構３２が撹拌部２０の軸部材２１を駆動することで撹拌部２０が軸部材２１の回転軸を中心に回転する。また、移動機構３１によって撹拌部２０が地面側に移動することで撹拌部２０が混合タンク１０に挿入されるようになっている。

上記駆動部３０は、図示しない電気回路により制御される。例えば作業者がボタン等を操作することにより、撹拌部２０を回転させたり、上下移動させることができるようになっている。以上が、撹拌装置１００の全体構成である。

そして、上記撹拌装置１００を用いてシリカ、タルク、アルミナの各粉末材料１１０〜１３０を混合タンク１０に入れて混合する。本実施形態では、図２に示されるように、混合タンク１０にタルクの粉末材料１１０、シリカの粉末材料１２０、アルミナの粉末材料１３０の順に各粉末材料１１０〜１３０をそれぞれ規定量ずつ積層する。すなわち、比重が重いアルミナの粉末材料１３０が最上層になっている。各粉末材料１１０〜１３０の比重の関係を図３に示す。

図３は、タルク、シリカ、アルミナの比重比を示した図である。この図に示されるように、アルミナの比重がもっとも大きく、シリカ、タルクの順に比重が小さくなる。すなわち、アルミナがもっとも重く、シリカ、タルクの順に軽いことを示している。本実施形態では、各粉末材料１１０〜１３０のうち比重がもっとも小さいものから順に積層し、比重がもっとも大きいものが最上層となるように各粉末材料１１０〜１３０を積層する。

具体的には、比重が小さい（軽い）タルクの粉末材料１１０が最下層になるように、また比重が大きい（重い）アルミナの粉末材料１３０が最上層になるように混合タンク１０内に、タルク、シリカ、アルミナの順に各粉末材料１１０〜１３０を積層する。

そして、混合タンク１０内にタルク、シリカ、アルミナの順で各粉末材料１１０〜１３０を積層した後、図示しない造孔材および有機バインダを加える。造孔材は、排ガス浄化フィルタ１の内部に気孔を形成するためのものであり、例えばカーボンや樹脂等が採用される。このような造孔材はこの後の焼成工程によって焼き飛ばされるため、排ガス浄化フィルタ１内には残らないようになっている。また、有機バインダは化学結合により原料粒子同士を強固に結びつけるものであり、例えばメチルセルロース等が採用される。

この後、図２に示されるように、混合タンク１０を撹拌部２０の真下に設置し、動かないように固定する。そして、駆動部３０の回転機構３２を駆動させて撹拌部２０を回転させつつ、移動機構３１を駆動して撹拌部２０を混合タンク１０側に移動させる。これにより、撹拌部２０の撹拌翼２３が積層された粉末材料を撹拌しながら、撹拌部２０が混合タンク１０内に挿入され収納される。この様子を図４に示す。

図４（ａ）は、混合タンク１０内で撹拌部２０によって各粉末材料１１０〜１３０が混合される様子を示した図であり、図４（ｂ）は撹拌後の混合タンク１０を示した図である。なお、図４（ａ）では駆動部３０を省略し、図４（ｂ）では混合タンク１０のみを示してある。

図４に示されるように、撹拌部２０の軸部材２１が回転すると、撹拌翼２３も回転する。上述のように、撹拌翼２３は螺旋状をなしているので、撹拌翼２３が軸部材２１、支持部材２２を介して回転することにより、撹拌翼２３が図４に示される矢印１４０のように混合タンク１０内の各粉末材料１１０〜１３０を混合する。具体的には、撹拌翼２３が螺旋の中心軸を中心に回転することで、各粉末材料１１０〜１３０のうち最下層の粉末材料１１０を最上層の粉末材料１３０側へ持ち上げて混ぜ合わせる。

また、撹拌翼２３によって各粉末材料１１０〜１３０が撹拌される際、混合タンク１０内の最上層のアルミナの粉末材料１３０は、材料自身の自重により混合タンク１０の底に移動していく。このように、最初、軽いものが下層、重いものが上層にあったものが、軽いものは撹拌翼２３で上層に持ち上げられ、重いものは自重で下層に沈んでいくこととなる。中間層のものは軽いものと共に持ち上げられ、さらに自重で下層に移動していく。

このように、混合タンク１０に各粉末材料１１０〜１３０を積層させる際、比重が大きいアルミナの粉末材料１３０を下層に配置させないことで、アルミナの粉末材料１３０が撹拌翼２３によって持ち上げられずに自重で混合タンク１０の底に滞留してしまうことを防止することができる。すなわち、比重が大きいアルミナの粉末材料１３０を当該アルミナの粉末材料１３０の自重で混合タンク１０の下部に移動させ、さらに比重が小さいタルクの粉末材料１１０を撹拌翼２３で混合タンク１０の上部に持ち上げることで、各粉末材料１１０〜１３０を均一に混ぜ合わせることができる。

本実施形態では、例えば撹拌部２０を１０分程度駆動させて各粉末材料１１０〜１３０を撹拌することにより、各粉末材料１１０〜１３０を混合する。この後、駆動部３０の移動機構３１を駆動して混合タンク１０から撹拌部２０を取り出す。こうして、図４（ｂ）に示されるように、原料粉末１５０が完成する。この原料粉末１５０が、コージェライト化材料である。

この後、上記混合工程にて用意した原料粉末１５０を水と混練することで原料粉末１５０を粘土にし、当該粘土を成形型から押し出すことでハニカム成形体を成形する押出工程を行う。続いて、当該ハニカム成形体を一定の長さに切断する切断工程を行い、排ガス浄化フィルタ１をかたどったハニカム成形体を得る。以下では、切断工程により個々に分割されたハニカム成形体をワークという。なお、ワークのサイズは、例えば径が１６０ｍｍ、高さが１８０ｍｍとなっている。

そして、上記のようにして得られたワークを乾燥させる乾燥工程を行い、ワークの水分を除去する。当該乾燥工程を行うに際し、本実施形態では、ワークをトチで挟み、乾燥装置にてワークを乾燥させる。

この後、ワークの両端面に図示しないマスクテープを貼り付けるマスキング工程を行う。本工程では、マスクテープとして例えばポリエステル系の粘着性を有するシートが採用される。

続いて、マスクテープに穴を開ける穴開け工程を行う。すなわち、排ガス浄化フィルタ１の両端面２、３それぞれを上述のように栓詰めするため、ワークの両端面それぞれに貼り付けたマスクテープにレーザ光を照射して、マスクテープを千鳥状に穴開けする。

なお、本工程では、例えばワークの両端面をそれぞれカメラで撮影し、マスクテープにおいて穴開けすべき場所を演算した後、レーザにて穴開けする方法が採用される。ただし、ワークの両端面の各マスクテープに対する穴開けは、両端面において孔４一つ分だけ千鳥模様がシフトするように行う。

次に、マスクテープに穴開けされた各孔４の開口部に栓材６を設ける栓詰め工程を行う。これは、セラミック液にワークの両端面をそれぞれ浸し、マスクテープが穴開けされた部分の各孔４にこのセラミック液を進入させて栓詰めする。そして、栓詰めがなされたワークの両端面を加熱することで栓材６を形成する。

この後、ワークを台車に載せ、台車を焼成炉に搬入し、ワークを焼成する焼成工程を行う。具体的には、上記ワークが搭載された台車を焼成炉内に搬入し、焼成炉内で各ワークを例えば１５００℃で加熱する。この後、焼成炉内から台車を搬出する。これにより、図１に示される排ガス浄化フィルタ１が完成する。

発明者らは、上記のようにして得られた排ガス浄化フィルタ１の組成を調べた。すなわち、各粉末材料１１０〜１３０を混合タンク１０に積層する上で、比重が一番小さいものから順に各粉末材料１１０〜１３０を積層した場合とそうでない場合との各完成品の組成を調べた。その結果、本実施形態で説明したように、比重が一番小さいものから順に各粉末材料１１０〜１３０を積層して各粉末材料１１０〜１３０を混合させた場合のものの組成がもっとも良いという結果が得られた。このことからも、各粉末材料１１０〜１３０が均一に混ざった原料粉末１５０が得られていると言える。

以上説明したように、本実施形態では、混合工程において、コージェライト化材料の原料となるタルク、シリカ、アルミナの各粉末材料１１０〜１３０を混合タンク１０の中に比重が小さいものから順に積層し、最下層のタルクの粉末材料１１０を持ち上げるようにして他の粉末材料１２０、１３０と混ぜ合わせることが特徴となっている。

このように、用いる粉末材料１１０〜１３０のうち比重がもっとも大きいアルミナの粉末材料１３０を最上層に積層することで、当該アルミナの粉末材料１３０の自重によりアルミナの粉末材料１３０を混合タンク１０内の下部に沈ませることができる。すなわち、比重が大きい（重い）アルミナの粉末材料１３０を混合タンク１０の底で滞留させないようにすることができ、同じく比重が小さい（軽い）タルクの粉末材料１１０を積層粉末の上部に滞留させないようにすることができる。したがって、混合タンク１０に比重が小さい粉末材料から順に積層して混ぜ合わせることで、各粉末材料１１０〜１３０を効率良く混ぜ合わせることができ、ひいては各粉末材料１１０〜１３０の混合状態を均一にすることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、円柱形状の排ガス浄化フィルタ１について説明したが、排ガス浄化フィルタ１は円柱形状に限定されるものではなく、角柱等の他の柱形状のものであっても構わない。また、ハニカム構造体に栓材６が設けられていないモノリスを製造する場合であっても、上記方法を採用することができる。

上記実施形態では、原料粉末１５０を用意するためにコージェライト化材料成分となるタルク、シリカ、アルミナを例に説明したが、他の材質のものを用いて上記のように混ぜ合わせることもできる。その場合、上述したように、比重がもっとも小さいものから順に混合タンク１０内に各粉末材料を積層していけば良い。この場合、用いる粉末の種類が４種類を超えたとしても、比重がもっとも小さいものから順に積層すれば良い。

上記実施形態では、混合タンク１０内の最下層のタルクの粉末材料１３０を持ち上げて撹拌するため、螺旋状の撹拌翼２３を用いているが、最下層の粉末材料を持ち上げて撹拌することができる構造であれば撹拌翼２３は螺旋状でなくても構わない。もちろん、混合タンク１０の鉛直方向の断面形状がＵ字型に限定されるものではなく、他の形状の容器であっても構わない。

本発明の一実施形態に係る排ガス浄化フィルタの斜視図である。本実施形態の混合工程で用いられる撹拌装置の概略図である。タルク、シリカ、アルミナの比重比を示した図である。（ａ）は混合タンク内で撹拌部によって各粉末材料が混合される様子を示した図、（ｂ）は撹拌後の混合タンクを示した図である。

符号の説明

１…排ガス浄化フィルタ、２、３…排ガス浄化フィルタの両端面、４…孔、１００…撹拌装置、１０…混合タンク、２０…撹拌部、２１…軸部材、２２…支持部材、２３…撹拌翼、２４…蓋部材、３０…駆動部、１１０〜１３０…粉末材料、１５０…原料粉末。

Claims

柱形状であって、当該柱形状の軸方向に前記柱形状の両端面（２、３）を貫通する複数の孔（４）を有して構成されるハニカム構造体の製造方法であって、
複数の粉末材料（１１０〜１３０）を用意し、前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）のうち比重がもっとも小さいものから順に積層し、比重がもっとも大きいものが最上層となるように前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）を積層した後、当該積層した前記各粉末材料（１１０〜１３０）を混ぜ合わせる混合工程を含んでいることを特徴とするハニカム構造体の製造方法。
前記混合工程では、前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）を混合容器（１０）内に積層すると共に、前記混合容器（１０）内に積層した前記各粉末材料（１１０〜１３０）のうち最下層の粉末材料（１１０）を撹拌手段（２３）を用いて最上層の粉末材料（１３０）側に持ち上げて混ぜ合わせることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体の製造方法。
前記混合工程では、前記撹拌手段（２３）として螺旋状をなしているものを用意し、前記螺旋状の撹拌手段（２３）を螺旋の中心軸を中心に回転させることで、前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）のうち前記最下層の粉末材料（１１０）を前記最上層の粉末材料（１３０）側へ持ち上げて混ぜ合わせることを特徴とする請求項２に記載のハニカム構造体の製造方法。
前記混合工程にて前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）を混ぜ合わせた原料粉末（１５０）を用意した後、当該原料粉末（１５０）を水と混練することで前記原料粉末（１５０）を粘土にし、当該粘土を成形型から押し出すことでハニカム成形体を成形する押出工程を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のハニカム構造体の製造方法。
前記混合工程では、前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）として、タルク、シリカ、アルミナの各粉末材料（１１０〜１３０）を用意し、前記タルクの粉末材料（１１０）、前記シリカの粉末材料（１２０）、前記アルミナの粉末材料（１３０）の順に積層することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のハニカム構造体の製造方法。
前記混合工程では、前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）を積層した後、造孔材および有機バインダを加えた状態で前記複数の粉末材料（１１０〜１３０）、造孔材、有機バインダを混ぜ合わせることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のハニカム構造体の製造方法。