JP2011194318A

JP2011194318A - ハニカム構造体

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Publication number: JP2011194318A
Application number: JP2010063692A
Authority: JP
Inventors: Shogo Hirose; 正悟廣瀬; Eriko Kodama; 絵梨子小玉
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP5599207B2

Abstract

【課題】高温の流体を導入した場合、流体の入り口側において、流体からの熱伝達によって温度が高まる領域が大きく、かつ、機械的強度の高いハニカム構造体を提供する。
【解決手段】入口側端面７に開口して入口側端面７から入口側端面７と出口側端面８との間の位置まで延びるとともにハニカム構造体１の軸方向Ｘに対して垂直な方向に開口するスリット１１が設けられ、スリット１１が０．２〜２．０ｍｍの幅を有し、スリット１１の軸方向Ｘでの出口側端面８側の端部１３が、入口側端面７から、５ｍｍ以上かつ３０ｍｍまたはハニカム構造体１の軸方向Ｘでの長さＬの３分の１のいずれか小さい方の長さ以下の位置にあり、入口側端面７おけるスリット１１の断面積が入口側端面７の面積の０．１〜０．５倍であるハニカムカム構造体１。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハニカム構造体に関する。さらに、詳しくは、内燃機関から排出される排ガスの浄化に用いるハニカム構造体に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンからの排ガスの浄化には、排ガスに含まれる成分を酸化する触媒がコートされたハニカム構造体が広く用いられている。

排ガスに含まれる成分の酸化では、触媒が活性化温度に達している必要がある。そこで、ハニカム構造体のセル隔壁を薄くする、あるいは気孔率を上げるなどによってハニカム構造体の熱容量を下げ、ハニカム構造体の昇温特性を向上させることにより、ハニカム構造体を触媒の活性化する温度に早く到達させている（例えば、特許文献１）。

特開平７−３９７６０号公報

しかしながら、セル隔壁を薄くすることによりハニカム構造体の機械的強度が低下するため、ハニカム構造体の昇温特性と機械的強度を共に高めることは依然として困難である。

上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、高温の流体を導入した場合、流体の入り口側において流体からの熱伝達によって温度が高まる領域が大きく、かつ機械的強度の高いハニカム構造体を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明者は、ハニカム構造体に所定の形態のスリットを形成する手法を見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明によれば、以下に示すハニカム構造体が提供される。

［１］多孔質の隔壁によって区画されて流体の入り口となる入口側端面から前記流体の出口となる出口側端面までを結ぶ軸方向に延びた前記流体の流路となる複数のセルを有するハニカム構造体であって、前記入口側端面に開口して前記入口側端面から前記入口側端面と前記出口側端面との間の位置まで延びるとともに前記ハニカム構造体の前記軸方向に対して垂直な方向に開口するスリットが設けられ、前記スリットが、０．２〜２．０ｍｍの幅を有し、前記スリットの前記軸方向での前記出口側端面側の端部が、前記入口側端面から、５ｍｍ以上、かつ３０ｍｍまたは前記ハニカム構造体の前記軸方向での長さの３分の１のいずれか小さい方の長さ以下の位置にあり、前記入口側端面おける前記スリットの断面積が、前記入口側端面の面積の０．１〜０．５倍であるハニカムカム構造体。

［２］前記スリットが、前記軸方向に沿って延びている前記［１］に記載のハニカム構造体。

［３］前記隔壁の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、セル密度が５〜１９０個／ｃｍ^２である前記［１］または［２］に記載のハニカム構造体。

［４］前記隔壁に触媒が担持されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載のハニカム構造体。

本発明のハニカム構造体は、高温の流体を導入した場合、流体の入り口側において流体からの熱伝達によって温度が高まる領域が大きく、かつ機械的強度の高い。

本発明のハニカム構造体の一実施形態の斜視図である。図１に示すハニカム構造体の入口側端面の平面図である。図１に示すハニカム構造体に設けられたスリットの１つを表す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

１．ハニカム構造体：
図１は、本発明のハニカム構造体の一実施形態の斜視図である。図２は、図１に示すハニカム構造体１の入口側端面７の平面図である。本発明のハニカム構造体１は、多孔質の隔壁３によって区画されて流体の入り口となる入口側端面７から流体の出口となる出口側端面８までを結ぶ軸方向Ｘに延びた流体の流路となる複数のセル５を有し、入口側端面７に開口して入口側端面７から入口側端面７と出口側端面８との間の位置まで延びるとともにハニカム構造体１の軸方向Ｘに対して垂直な方向（図１中のＹ−Ｚ平面に平行な方向）に開口するスリット１１が設けられている。

スリット１１は、入口側端面７において連通していないものは互いに別のスリット１１として数える。図１，２に示す実施形態では、スリット１１ａ、１１ｂ、１１ｃの３つのスリット１１が設けられている（図２を参照）。

スリット１１がハニカム構造体１の軸方向Ｘに垂直な方向（図１中のＹ−Ｚ平面に平行な方向）に開口することにより、流体がスリットに集中することを防ぎ、流体が軸方向Ｘに沿ってセル５内を流れやすくなる。そのため、流体は、入口側端面７からスリット１１内に流入すると、隔壁３に接触することなくスリット１１の端部１３まで到達しやくなる。なお、セル５内の流体の流れが一層確実に軸方向Ｘに沿うようにするためには、スリット１１は、軸方向Ｘに垂直な方向でハニカム構造体１を横切るように形成されていると好ましい。なお、スリット１１が軸方向Ｘに垂直な方向でハニカム構造体１を横切ることに関しては、図２中のスリット１１ａ上に示す２点鎖線の矢印α，βを参照されたい。

本発明のハニカム構造体１では、スリット１１の幅Ｗが、０．２〜２．０ｍｍである（図２を参照）。ハニカム構造体１では、スリット１１は、隔壁３が切り欠かれて分断された部分として形に現れる。図２中の枠Ａの部分を参照し述べると、ここでいうスリットの幅Ｗとは、軸方向Ｘに垂直な断面において、スリット１１によって分断された隔壁３の一方の側の縁１５ａと他方の側の縁１５ｂとの最短距離のことをいう。

スリット１１の幅Ｗが０．２ｍｍ以上であることにより、入口側端面７での流体の流入抵抗を小さくできるため、全ての流体が、入口側端面７およびそのごく近傍で隔壁３に接触することがなくなり、一部の流体が、入口側端面７およびそのごく近傍の隔壁３に接触することなくハニカム構造体１の内部に流入しやすくなる。したがって、高温の流体を入口側端面７から流入させた場合には、流体の熱は、入口側端面７およびそのごく近傍の隔壁３に全てを伝達されるのでははく、スリット１１の端部１３の近傍の隔壁３でも流体と隔壁３との接触によって伝達される。

スリット１１の幅Ｗが２．０ｍｍ以下であることにより、隔壁３の格子状の繋がりが密に保たれ、ハニカム構造体１の機械的強度を保持できる。また、スリット１１の幅Ｗが２．０ｍｍ以下であることにより、流体の流れがスリット１１に集中することがなくなる。

図３は、図１に示すハニカム構造体１に設けられた、スリット１１ｂの斜視図である。図３では、ハニカム構造体１の輪郭を破線にて示す。図３を参照し述べると、本発明のハニカム構造体１は、スリット１１（１１ｂ）の軸方向Ｘでの出口側端面８側の端部１３が、入口側端面７から、５ｍｍ以上かつ３０ｍｍまたはハニカム構造体１の軸方向Ｘでの長さＬの３分の１のいずれか小さい方の長さ以下の位置にある。図３に示すスリット１１ｂを例に言い換えると、スリット１１（１１ｂ）は、軸方向Ｘで最も浅い部分の端部１３の深さ（Ｄ_ｍｉｎ）が５ｍｍ以上、同方向で最も深い部分の端部１３の深さ（Ｄ_ｍａｘ）が３０ｍｍまたはハニカム構造体１の軸方向Ｘでの長さＬの３分の１のいずれか小さい方の長さ以下である。

スリット１１の軸方向Ｘで最も浅い部分の端部１３の深さ（Ｄ_ｍｉｎ）が５ｍｍ以上であることにより、入口側端面７付近の熱伝達率が高くなり、昇温性が良くなる。スリット１１の軸方向Ｘで最も浅い部分の端部１３の深さ（Ｄ_ｍａｘ）が３０ｍｍまたはハニカム構造体１の軸方向Ｘでの長さＬの３分の１のいずれか小さい方の長さ以下であることにより、ハニカム構造体１の機械的強度が保たれる。

本発明のハニカム構造体１は、入口側端面７におけるスリット１１の断面積が、入口側端面７の面積の０．１〜０．５倍である。スリット断面積は、図２を参照し述べると、入口側端面７においてスリット１１によって分断された隔壁３の一方の側の縁１５ａと他方の側の縁１５ｂとを繋ぎ合わせたときの入口側端面７における開口率ＯＦＡ_１と、入口側端面７の開口率ＯＦＡ_２（スリットによって開口している部分を含む、スリットが形成された現状の開口率）との差分（ΔＯＦＡ、ΔＯＦＡ＝ＯＦＡ_２−ＯＦＡ_１）に入口側端面７の面積を掛けた値とする。

入口側端面７におけるスリット１１の断面積が入口側端面７の面積の０．１倍以上であることにより、一定量以上の流体が、入口側端面７およびそのごく近傍において隔壁３に接触して熱を奪われることなく、スリット１１の端部１３まで流入する。したがって、高温の流体を入口側端面７から流入させた場合には、流体の熱が、スリット１１の端部１３近傍でも流体と隔壁３との接触によって伝達される。よって、ハニカム構造体１は、高温の流体を入口側端面７から流入させた場合、入口側端面７の側の広範囲の領域で流体からの熱伝達によって温度が高まる。

入口側端面７におけるスリット１１の断面積が、入口側端面７の面積の０．５倍以下であることにより、ハニカム構造体１は、入口側端面７およびその近傍における機械的強度を高く維持できる。

本発明のハニカム構造体は、以上の特徴を備えつつ、以下に述べる実施形態も適用することができる。

本発明のハニカム構造体１は、スリット１１が軸方向Ｘに沿って延びていることが好ましい。スリット１１が軸方向Ｘに沿って延びているとは、スリット１１によって、隔壁３が軸方向Ｘに対して垂直な方向に延びる形に切り欠かれないことをいう。このような実施形態では、入口側端面７でスリット１１を介して連通していないセル５同士が全く連通しなくなるため、セルは、流体の流路としての独立性が確保されている。

本発明のハニカム構造体１は、隔壁３の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、セル密度が５〜１９０個／ｃｍ^２であることが好ましい。

本発明のハニカム構造体は、コージェライト、アルミナ、ムライト、リチウムアルミノシリケート（ＬＡＳ）、チタン酸アルミニウム、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、活性炭、ゼオライトからなる群うちの少なくとも１種以上を主成分とする材質から形成することができる。

本発明のハニカム構造体は、隔壁３に触媒を担持されている実施形態を適用できる。触媒としては、例えば、酸化触媒、ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒、ＳＣＲ触媒、三元触媒等を挙げることができる。本発明のハニカムカム構造体１は、これら触媒を隔壁３に担持させることで、ディーゼルエンジン等の排ガスの浄化に対して好適な実施形態にできる。

ここまでに述べた、本発明のハニカム構造体は、セラミックを主成分とする材質から形成される場合、以下に説明する、セラミックスハニカム構造体の製造方法によって得られる。

２．セラミックスハニカム構造体の製造方法：
セラミックスハニカム構造体の製造方法においては、最初に、セラミックス原料粉末をハニカム形状に成形した成形体（以下、「セラミックスハニカム成形体」）を成形するため、成形原料を調製する。例えば、コージェライトを主成分とする材質からなるセラミックスハニカム構造体を製造する場合には、成形原料の主原料として、コージェライト化原料を調製する。具体的には、平均粒径５〜３０μｍのカオリン（Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２・２Ｈ_２Ｏ）０〜２０質量％、平均粒径１５〜３０μｍのタルク（３ＭｇＯ・４ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ）３７〜４０質量％、平均粒径１〜３０μｍの水酸化アルミニウム１５〜４５質量％、平均粒径１〜３０μｍの酸化アルミニウム０〜１５質量％、平均粒径３〜１００μｍの溶融シリカまたは石英１０〜２０質量％の組成物を主原料とする。

セラミックスハニカム構造体の製造方法においては、上述した成形原料の主原料となるセラミックス材料に、必要に応じて所望の添加剤を添加してもよい。添加剤としては、バインダー、媒液への分散を促進するための分散剤、気孔を形成するための造孔材等を挙げることが出来る。

バインダーとしては、例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート等が、挙げられる。分散剤としては、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等が、挙げられる。造孔材としては、例えば、グラファイト、コークス、小麦粉、澱粉、中空または中実樹脂、フライアッシュバルーン、シリカゲル、有機質繊維、無機質繊維、中空繊維等が、挙げられる。これら添加剤は、目的に応じて、１種単独または２種以上組み合わせて用いることが出来る。

セラミックスハニカム成形体を成形するための成形原料は、通常、上述した主原料および必要に応じて添加される添加物の混合原料粉末１００質量部に対して、１０〜４０質量部程度の水を投入後、混練し、可塑性混合物とする。

そして、この可塑性混合物を成形してセラミックスハニカム成形体を得る。成形方法としては、押出成形を挙げることが出来る。この押出成形は、真空土練機、ラム式押出し成形機、２軸スクリュー式連続押出成形機等を用いて行うことが可能である。

次いで、得られたセラミックスハニカム成形体を乾燥する。セラミックスハニカム成形体を乾燥する方法としては、各種方法で行うことが可能であるが、例えば、熱風乾燥、マイクロ波乾燥、誘電乾燥、減圧乾燥、真空乾燥、凍結乾燥、遠赤外線乾燥等を挙げることが出来る。特に、マイクロ波乾燥と熱風乾燥、または、誘電乾燥と熱風乾燥を組み合わせた方法で乾燥することが好ましい。乾燥条件としては、３０〜１５０℃で１分〜２時間乾燥することが好ましい。その後、このように乾燥したセラミックスハニカム成形体の両端面を所定の長さに切断加工する。このセラミックスハニカム成形体を焼成して、本実施形態のセラミックスハニカム構造体を製造する。セラミックスハニカム成形体を焼成する方法としては、例えば、大気雰囲気中、１３５０〜１４５０℃まで昇温して焼成する方法が挙げられる。

上記のセラミックスハニカム構造体の製造方法は、隔壁およびこれを取り囲む外壁部が一体で成形されたセラミックスハニカム構造体を製造する方法であるが、隔壁を成形した後、その外周面を加工し、その加工された外周面に、新たにセラミック材料を骨材としたセメント質の外壁を被覆する製造方法によって、外周コート型のセラミックスハニカム構造体を得ることも可能である。

次いで、スリットの形成方法について説明する。スリットは、セラミックスの成形体もしくは焼成体に流体（例えば、圧縮空気、水）を吹き付けることで形成することができる。また、スリットの形成方法には、レーザーを照射してスリットを形成する方法や、超音波を照射してスリットを形成する方法がある。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜１４、比較例１〜８）
（１）ハニカム構造体の作製
焼成後にコージェライトとなるように、タルク、カオリン、アルミナ、シリカ等を所定の配合割合で調合し、バインダー、界面活性剤、水を加え、所定の配合割合で混合して坏土を得た。得られた坏土を、焼成後に表１に示すセル構造となるように、乾燥および焼成段階での収縮率を考慮してスリット幅を調整した口金を付けた、押し出し成形機を用いて押し出し成形を行い、乾燥、焼成後に直径が１４３．８ｍｍで長さが１５２．４ｍｍの円筒形状を有し、セルの形状が略正方形となるハニカム構造体１０を作製した（この段階ではスリット未形成）。なお、実施例１〜１４、比較例１〜８のスリット未形成のハニカム構造体の全長、外径、セル密度、隔壁の厚さ（壁厚）は表１に示すとおりである。これらスリット未形成のハニカム構造体に対し、圧縮空気または高圧の水を局所的に当てる方法を用いて、表１に示す、スリット幅、スリット深さ、入口側端面に対する入口側端面でのスリット面積の比（表１では「スリット面積の比」と表示）、となるようにスリットを形成した。以降、ハニカム構造体とは、言及のない場合、スリットが形成されたハニカム構造体を指すものとする。実施例１〜１４、比較例１〜８のハニカム構造体の質量を表１に示す。

（２）浄化率の測定
実施例１〜１４、比較例１〜８のハニカム構造体について、４気筒、排気量２．０Ｌのガソリンエンジンの排気管にキャニングした。エンジンを日本における排ガス規制モード（ＪＣ−０８）で走行させ、排気管と接続したパイプから、排ガスをバッグと呼ばれる袋に貯めた。走行終了後に、バックに溜まった排ガスを分析計に通すことで、ＨＣエミッションを測定した（ＪＣ−０８の規定による）。浄化性能は、そのＨＣエミッションの逆数の比として求めた。結果を、比較例１の値に対する比として表１に示す。実施例１〜１４のハニカム構造体は、比較例１のハニカム構造体の浄化性能に対する比が１．０より大きいことが判明した。対して、比較例２〜６、８は、比較例１の浄化性能に対する比が１．０以下であることが判明した。

（３）機械的強度の測定
実施例１〜１４、比較例１〜８のハニカム構造体について、社団法人自動車技術会発行の自動車規格（ＪＡＳＯ規格）Ｍ５０５−８７で規定されるアイソスタティック破壊強度試験に基づき、アイソスタティック破壊強度を測定した。結果を表１に示す。実施例１〜１４のハニカム構造体は、アイソスタティック破壊強度が３．２ＭＰａ以上であった。対して、比較例２、６、８のハニカム構造体は、アイソスタティック破壊強度が０．８ＭＰａ以下と低いことが判明した。

以上の結果から、実施例１〜１４のハニカム構造体は、浄化性能が比較例１のハニカム構造体に比べて高く、かつ、アイソスタティック破壊強度が３．２ＭＰａ以上と高いことが判明した。対して、比較例１〜８のハニカム構造体は、浄化性能およびアイソスタティック破壊強度が共に高いものはないことが判明した。

本発明は、本発明は、内燃機関から排出される排ガスの浄化に用いるハニカム構造体として利用することができる。

１：ハニカム構造体、３：隔壁、５：セル、７：入口側端面、９：出口側端面、１１：スリット、１３：端部、１５ａ，１５ｂ：縁。

Claims

多孔質の隔壁によって区画されて流体の入り口となる入口側端面から前記流体の出口となる出口側端面までを結ぶ軸方向に延びた前記流体の流路となる複数のセルを有するハニカム構造体であって、
前記入口側端面に開口して前記入口側端面から前記入口側端面と前記出口側端面との間の位置まで延びるとともに前記ハニカム構造体の前記軸方向に対して垂直な方向に開口するスリットが設けられ、
前記スリットが、０．２〜２．０ｍｍの幅を有し、
前記スリットの前記軸方向での前記出口側端面側の端部が、前記入口側端面から、５ｍｍ以上、かつ３０ｍｍまたは前記ハニカム構造体の前記軸方向での長さの３分の１のいずれか小さい方の長さ以下の位置にあり、
前記入口側端面おける前記スリットの断面積が、前記入口側端面の面積の０．１〜０．５倍であるハニカムカム構造体。
前記スリットが、前記軸方向に沿って延びている請求項１に記載のハニカム構造体。
前記隔壁の厚さが０．１〜０．５ｍｍ、セル密度が５〜１９０個／ｃｍ^２である請求項１または２に記載のハニカム構造体。
前記隔壁に触媒が担持されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカム構造体。