JP2008200605A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】質量を増加させずにアイソスタティック強度を向上させることができるハニカム構造体を提供する。
【解決手段】排ガス浄化用ハニカム基材１の円柱形状の内周壁２０の内側に断面が六角形の第１のセル４０を設け、内周壁２０と外周壁１０との間に断面が円形の第２のセル５０を設ける。これにより、排ガス浄化用ハニカム基材１の内周壁２０の内側に配置される第１のセル４０を構成する第１の隔壁４１の薄さを維持し、排ガス浄化用ハニカム基材１の質量の増加を防ぐことができる。また、肉厚の第２の隔壁５１で構成される第２のセル５０を内周壁２０と外周壁１０との間に配置させることで、排ガス浄化用ハニカム基材１の外径側の機械的強度を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスを浄化するためのハニカム構造体に関する。

従来より、内燃機関から排出される排ガスの浄化を行うセラミック製ハニカム基材が知られている。このセラミック製ハニカム基材は円柱形状をなしており、当該円柱の軸方向に貫通孔が多数配置されることで構成されている。この貫通孔は断面が六角形状をなしており、各貫通孔は板状の隔壁によってそれぞれが分離されると共に各隔壁を介してそれぞれが隣接している。したがって、各貫通孔は隔壁によってハニカム状に配置されると共に、各貫通孔が円柱の軸方向に独立した通路をなしている。以下では、セラミック製ハニカム基材の両端面を貫通する貫通孔をセルと呼ぶ。

このようなハニカム基材でセルの断面形状が六角形のものは、同じセル密度で比較した場合にセルに内接する円（水力直径）をより大きく出来ることから、排ガスの排気抵抗を低減できる構造になっている。また、セルの断面が六角であり円に近いため、セルを構成する隔壁に均一に排ガスを浄化するための触媒コーティング層を形成することができる構造になっている。

しかしながら、上記従来の技術では、各セルがハニカム状に配置されているため、外部からの力に対して通しで支える壁が存在しない。その結果としてアイソスタティック強度が低下してしまうという問題がある。ここで、アイソスタティック強度とは、ＪＡＳＯ Ｍ ５０５−８７に定める方法によりハニカム基材を水中に閉じこめて水圧を印加し、破壊したときの圧力値を示すものである。このアイソスタティック強度が高いほど金属製ケースに収める（キャニング）際の信頼性が高いことを示している。

具体的には、セルの断面は六角形状であるので、セルを構成する隔壁は円柱の側面に沿った配置になる。セルを構成する隔壁は当該隔壁の面方向に対しては強いが、隔壁の面に垂直な方向に弱いため、円柱の内径方向に力が加えられると、加えられた力が隔壁の面方向に加わりやすくなり、隔壁が破壊されやすくなってしまう。このように、セルを構成する隔壁の配置によって、六角形状のセルで構成されるセラミック製ハニカム基材のアイソスタティック強度が小さくなってしまう。

なお、特開２００４−２４９２８３号公報では、セラミック製ハニカム基材に形成する触媒コーティング層を均一化するため、断面が円形のセルが提案されている。しかし、断面が円形のセルでは、各セルを分離する隔壁が肉厚になり、セラミック製ハニカム基材の質量が増大してしまう。これにより、排ガス浄化用触媒が暖まりにくくなり、浄化性能が低下してしまう。

本発明は、上記点に鑑み、質量を増加させずにアイソスタティック強度を向上させることができるハニカム構造体を提供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、円柱形状であって、当該円柱形状の軸方向に円柱形状の両端面（２、３）を貫通する複数のセル（３０）を有し、円柱形状の外形を構成する円筒状の外周壁（１０）と、外周壁（１０）よりも径が小さいものであって外周壁（１０）の内側に外周壁（１０）と中心軸が同じになるように配置される円筒状の内周壁（２０）とを備えており、複数のセル（３０）は、内周壁（２０）よりも内側に配置されると共に、断面が六角形になっており、厚さが１４０μｍ以下の第１の隔壁（４１）を介してそれぞれがハニカム状に配置される複数の第１のセル（４０）と、内周壁（２０）と外周壁（１０）との間に配置されると共に、六角形とは異なる断面になっており、それぞれが第２の隔壁（５１）を介して配置される複数の第２のセル（５０）とを備えていることを特徴とする。

このように、ハニカム構造体の内周壁（２０）の内側を断面が六角形の第１のセル（４０）で構成することで、第１の隔壁（４１）の薄さを確保し、ハニカム構造体の質量の増加を抑制することができる。また、内周壁（２０）と外周壁（１０）との間に断面が六角形とは異なる第２のセル（５０）を配置させることで、各第２のセル（５０）を構成する第２の隔壁（５１）の接合点を肉厚にすることができ、ひいては機械的強度を高めることができる。このようにして、ハニカム構造体の質量を増加させずにアイソスタティック強度を向上させることができる。

この場合、六角形とは異なる断面として円形、楕円形、四角形、三角形を採用することができる。これらの断面形状によって第２の隔壁（５１）を第１の隔壁（４１）よりも厚く、重くすることができ、ハニカム構造体の外径側の機械的強度を向上させることができる。

また、第１の隔壁（４１）の厚さとして１１５μｍ以下であることが好ましい。

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。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態では、ハニカム構造体として排ガス浄化用ハニカム基材について説明する。この排ガス浄化用ハニカム基材は、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、本発明の第１実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材１の外観斜視図である。この図に示されるように、排ガス浄化用ハニカム基材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。排ガス浄化用ハニカム基材１の径は例えば１０３ｍｍ、高さは例えば１０５ｍｍである。このような排ガス浄化用ハニカム基材１において、図１に示される破線部における断面を図２に示す。なお、図２では、各部分の断面をそれぞれ異なるハッチングで示してあるが、実際には各部分は一体的・連続的に形成されたものである。

図２に示されるように、排ガス浄化用ハニカム基材１は、それぞれが円筒状の外周壁１０と内周壁２０との二重スキン構造になっている。内周壁２０は外周壁１０よりも径が小さいものであり、外周壁１０の内側に外周壁１０と中心軸が同じになるように配置され、各壁１０、２０の厚さはそれぞれ例えば０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。

このような排ガス浄化用ハニカム基材１の内部には、円柱の軸方向に両端面２、３を貫通する多数の貫通孔、すなわち多数のセル３０が設けられている。具体的には、内周壁２０の内側には断面が六角形の第１のセル４０が多数設けられている。第１のセル４０は、当該各第１のセル４０をそれぞれ分離する第１の隔壁４１を介してそれぞれが隣接しており、各第１のセル４０が円柱の軸に垂直な方向にハニカム状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。

排ガス浄化用ハニカム基材１においてはセル３０の隔壁が薄いほど排気抵抗（圧損）が小さくなってエンジンの出力低下を小さくすることができる。このような点を考慮し、上記第１のセル４０の第１の隔壁４１の厚さを１４０μｍ以下とする。より具体的には、１１５μｍ以下であることが好ましい。なお、第１の隔壁４１の厚さの下限値は、少なくとも隔壁を構成できる厚さになっていることは言うまでもない。

また、内周壁２０と外周壁１０との間には、六角形とは異なる断面すなわち円形の第２のセル５０が多数設けられている。このような第２のセル５０は、隣接する円の中心が例えば正三角形を形成するようにそれぞれ配置されている。これによると、第２のセル５０を構成する第２の隔壁５１は、隣接する円の中心で形成される正三角形の中心部分がもっとも肉厚となる。すなわち、各第２のセル５０を構成する第２の隔壁５１の接合点が肉厚となるため、第２の隔壁５１は第１の隔壁４１よりも機械的強度が高い。

当該排ガス浄化用ハニカム基材１の表面には、排ガスを浄化するための図示しない触媒コーティング層が形成されている。これにより、排ガス浄化用ハニカム基材１は排ガス浄化用触媒として構成され、排ガスが入ってくると触媒コーティング層によって排ガスが浄化されて排ガス浄化用触媒から排出されるようになっている。

さらに、上記構造を有する排ガス浄化用ハニカム基材１の気孔率は４０％以下となっている。気孔率とは、各隔壁４１、５１内の気孔の量を表している。気孔率が高いと排ガス浄化用ハニカム基材１の質量が軽くなるが、機械的強度が低下する。このような点を考慮して、排ガス浄化用ハニカム基材１の気孔率は４０％以下であることが好ましい。

なお、気孔率を低くすると排ガス浄化用ハニカム基材１の機械的強度は向上するが、反面、触媒をコーティングする際に一度にコーティングできる量が減少してしまい、複数回コーティング工程を行わなければならない。このため、気孔率は２０％を超えることが好ましい。以上が、本実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材１の構成である。

上記構成を有する排ガス浄化用ハニカム基材１を用いた排ガス浄化用触媒においてエンジンから排出される排気ガスに含まれる汚染物質は以下のようにして取り除かれる。すなわち、エンジンから排出された排ガスは、まず、排ガス浄化用触媒の一方の端面２から開口した各セル３０内に導かれる。続いて、排ガスは、セル３０内の通路を端面３側に進むと共に、各隔壁４１、５１にコーティングされた触媒に触れることで排気ガスに含まれる汚染物質が除去される。こうして排ガスが浄化される。

次に、上記排ガス浄化用ハニカム基材１の製造方法について、図を参照して説明する。まず、内周壁２０内に断面が六角形の第１のセル４０、内周壁２０と外周壁１０との間に断面が円形の第２のセル５０を成形するための金型を用意する。続いて、原料粉末と水とバインダーとを混練したセラミック材料を金型から押し出すことにより、ハニカム構造体を成形する。これにより、円柱形状のハニカム成形体の内径側にハニカム構造が形成され、外径側に断面が円のハニカム構造が形成されたハニカム成形体を取得する。

この後、当該ハニカム成形体を一定の長さに切断し、生の状態のハニカム成形体を得る。そして、ハニカム成形体を乾燥させた後、例えば１４００℃で焼成する。最後に、焼成品に触媒をコーティングすることで、図１に示される排ガス浄化用ハニカム基材１が完成する。

発明者らは、ハニカム成形体を焼成したものについてアイソスタティック強度のシミュレーションを行った。その結果、図２に示される断面構造としたものは、排ガス浄化用ハニカム基材１がすべて第１のセル４０のみで構成されたものに対して２倍以上のアイソスタティック強度を得ることができた。これは、第１の隔壁４１よりも機械的強度が強い第２の隔壁５１で構成される第２のセル５０が円柱の外形側に配置されたことによって、内径側が保護されたためである。

以上説明したように、本実施形態では、排ガス浄化用ハニカム基材１の円柱形状の内径側すなわち内周壁２０の内側に断面が六角形の第１のセル４０を設け、外径側すなわち内周壁２０と外周壁１０との間に断面が円形の第２のセル５０を設けたことを特徴としている。

このように、排ガス浄化用ハニカム基材１の各セル３０すべてを断面が円形状のものにするのではなく、排ガス浄化用ハニカム基材１の内周壁２０の内側を断面が六角形の第１のセル４０で構成することで、第１の隔壁４１の薄さをある程度維持することができ、排ガス浄化用ハニカム基材１の質量が増加してしまうことを抑制できる。

また、内周壁２０と外周壁１０との間に断面が円形の第２のセル５０を設けることで、各第２のセル５０を構成する各第２の隔壁５１の接合点を肉厚にすることができる。これにより、排ガス浄化用ハニカム基材１の外径側の機械的強度を高めることができ、排ガス浄化用ハニカム基材１をすべて第１のセル４０で構成した場合よりもアイソスタティック強度を高くすることができる。このようにして、排ガス浄化用ハニカム基材１の質量を増加させずにアイソスタティック強度を向上させることができる。質量が重くならないため、排ガス浄化用触媒を早く暖めることができ、触媒を早く活性化させることもできる。

この場合、排ガス浄化用ハニカム基材１の内周壁２０の内側では、各第１のセル４０の開口面積を第２のセル５０よりも大きくすることができ、排ガス浄化用触媒の圧損を低くすることができる。したがって、排ガスが多く流れる内周壁２０の内側では断面が六角形の第１のセル４０の低圧損を生かすことができ、内周壁２０と外周壁１０との間では断面が円形の第２のセル５０の高強度を生かすことができ、高浄化性能、低圧損、そして高強度を同時に実現することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記第１実施形態では、内周壁２０と外周壁１０との間に設けられた第２のセル５０の断面が円形であったが、本実施形態では楕円形状であることが特徴となっている。

図３は、本実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材１の断面を示した図であり、図２に示される断面に相当する図である。この図に示されるように、内周壁２０と外周壁１０との間には、断面が楕円形状の第２のセル５０が設けられている。このように、本実施形態では、セル３０は断面が六角形のものと楕円形のものとによって構成されている。

このように、断面が楕円形状であっても、第２のセル５０を構成する第２の隔壁５１が第１のセル４０を構成する第１の隔壁４１よりも厚くなっているため、排ガス浄化用ハニカム基材１の内径側よりも外径側の機械的強度を高くすることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では第２のセル５０の断面が四角形状であることが特徴となっている。

図４は、本実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材１の断面を示した図であり、図２に示される断面に相当する図である。この図に示されるように、内周壁２０と外周壁１０との間には、断面が四角形状の第２のセル５０が設けられている。

第２のセル５０を構成する第２の隔壁５１の厚さは一定になるものの、第２の隔壁５１の面が一繋ぎになっているため、第１のセル４０を構成する第１の隔壁４１よりも強くなっている。また、第２の隔壁５１の厚さは一定であるので、排ガス浄化用ハニカム基材１の質量の増加を抑制できる。したがって、セル３０の断面を六角形のものと四角形のものとで構成することによっても、排ガス浄化用ハニカム基材１の質量を増加させずにアイソスタティック強度を向上させることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では第２のセル５０の断面が三角形状であることが特徴となっている。

図５は、本実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材１の断面を示した図であり、図２に示される断面に相当する図である。この図に示されるように、内周壁２０と外周壁１０との間には、断面が三角形状の第２のセル５０が設けられている。

この場合、断面が四角形状の第２のセル５０を構成する第２の隔壁５１よりも壁の数が増え、排ガス浄化用ハニカム基材１の側面に加わる力に対する強度が第３実施形態の場合よりも強くなる。また、本実施形態における第２のセル５０を構成する第２の隔壁５１の厚さは一定であるので、排ガス浄化用ハニカム基材１の質量を大きく増加させずに外径方向の強度を確保することができる。

以上のように、断面が三角形状の第２のセル５０を内周壁２０と外周壁１０との間に配置させることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、内周壁２０と外周壁１０との間の第２のセル５０の断面形状について示したが、上記三角形状や四角形状等に限らず、排ガス浄化用ハニカム基材１のアイソスタティック強度を確保できる断面形状であれば、他の多角形状であっても構わない。

上記各実施形態では、内周壁２０と外周壁１０との間の強度が内周壁２０の内側よりも強くなるため、内周壁２０の内側よりも内周壁２０と外周壁１０との間の第２のセル５０の密度を大きくする、すなわち第２のセル５０のメッシュを大きくすることも可能である。

上記各実施形態では、内周壁２０の内側も内周壁２０と外周壁１０との間も同じ気孔率の原料で排ガス浄化用ハニカム基材１が構成されているが、内周壁２０の内側よりも内周壁２０と外周壁１０との間をより高気孔率の材料で構成することで、排ガス浄化用ハニカム基材１の質量を低減することが可能である。逆に、内周壁２０の内側よりも内周壁２０と外周壁１０との間をより緻密材料にすることで、触媒の目詰りを防止することも可能である。

本発明の第１実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材の外観斜視図である。 図１に示される破線部における断面図である。 第２実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材の断面図である。 第３実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材の断面図である。 第４実施形態に係る排ガス浄化用ハニカム基材の断面図である。

符号の説明

１…排ガス浄化用ハニカム基材、２、３…両端面、１０…外周壁、２０…内周壁、３０…セル、４０…第１のセル、４１…第１の隔壁、５０…第２のセル、５１…第２の隔壁。

Claims (3)

1. 円柱形状であって、当該円柱形状の軸方向に前記円柱形状の両端面（２、３）を貫通する複数のセル（３０）を有すると共に、気孔率が４０％以下のハニカム構造体であって、
   前記円柱形状の外形を構成する円筒状の外周壁（１０）と、前記外周壁（１０）よりも径が小さいものであり、前記外周壁（１０）の内側に前記外周壁（１０）と中心軸が同じになるように配置される円筒状の内周壁（２０）とが備えられ、
   前記複数のセル（３０）は、
   前記内周壁（２０）よりも内側に配置されると共に、断面が六角形になっており、厚さが１４０μｍ以下の第１の隔壁（４１）を介してそれぞれがハニカム状に配置される複数の第１のセル（４０）と、
   前記内周壁（２０）と前記外周壁（１０）との間に配置されると共に、前記六角形とは異なる断面になっており、それぞれが第２の隔壁（５１）を介して配置される複数の第２のセル（５０）とを備えていることを特徴とするハニカム構造体。
2. 前記六角形とは異なる断面は、円形、楕円形、四角形、三角形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
3. 前記第１の隔壁（４１）の厚さは１１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のハニカム構造体。

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