JP2011224970A - ハニカム構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設され、周囲に外周壁が形成されたハニカム焼成体から構成されたセラミックブロックからなるハニカム構造体であって、上記ハニカム焼成体の外周壁のうち、上記セラミックブロックの外周を構成する外周壁は、上記ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部と凹部とからなる段差が設けられた段差外周壁となっており、上記凸部及び/又は上記凹部に面取りが施されていることにより、上記ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、上記凸部及び/又は上記凹部が、曲線及び/又は直線により構成されていることを特徴とするハニカム構造体。
【選択図】 図4
Description
図17(a)及び図17(b)に、最外周部に位置するセルの断面形状と最外周部以外に位置するセルの断面形状とを同一とした特許文献2に記載の従来のハニカム構造体を構成するハニカム焼成体の例をそれぞれ示す。ハニカム焼成体1150のセル1151、及び、ハニカム焼成体1160のセル1161の断面形状は全て正方形状であり、セル1151又は1161が等間隔に並ぶようにセルの位置が形成されている。そして、最外周部に位置するセルの断面形状と最外周部以外に位置するセルの断面形状とを同一にするために、ハニカム焼成体1150の外周壁1154、又は、ハニカム焼成体1160の外周壁1164には、最外周に位置するセル1151又はセル1161の位置に対応した段差が設けられている。
このような従来のハニカム構造体を構成するハニカム焼成体では、封止不良がなく、セルを充分に封止することができる。しかしながら、湿潤混合物を押出成形することによりハニカム成形体を作製する場合、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、ハニカム焼成体の外周壁に凸部及び凹部が存在するために、外周壁を形成することが難しいという問題がある。この理由は、以下のように考えられる。押出成形の際に用いる金型の凸部又は凹部の位置に湿潤混合物が流れにくく、金型の凸部又は凹部に充填される湿潤混合物の量が不足する傾向にある。その結果、所望する形状の外周壁を作製することができないため、外周壁の凸部の部分が欠けたり、外周壁の凹部の部分が部分的に薄くなるという成形不良が発生する。
さらに、押出成形後の乾燥工程等の際に、ハニカム成形体の外周壁が搬送治具等と接触等することにより、ハニカム成形体の外周壁に存在する凸部が欠けるという問題や、外周壁の凹部に充填される湿潤混合物の量が不足するため、乾燥時又は焼成時等の温度変化による膨張及び収縮によって、凹部を起点にクラックが入るという問題がある。これらにより、ハニカム焼成体の不良が増加し、ハニカム構造体の製造効率の低下を招く。
上記ハニカム焼成体の外周壁のうち、上記セラミックブロックの外周を構成する外周壁は、上記ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部と凹部とからなる段差が設けられた段差外周壁となっており、
上記凸部及び/又は上記凹部に面取りが施されていることにより、上記ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、上記凸部及び/又は上記凹部が、曲線及び/又は直線により構成されていることを特徴とする。
従来のハニカム構造体では、より内側のセルの断面形状と異なる断面形状を有する、セルの断面積が小さいセル(以下、不完全セルともいう)は、ハニカム構造体の製造工程で残存するため、セルの封止不良が発生し、セルの封止工程の効率を低下させていた。しかし、請求項1に記載のハニカム構造体では、ハニカム焼成体の外周壁に凸部及び凹部からなる段差を設けることにより、ハニカム構造体の最外周部に位置する不完全セルの数を減少させることができる。これにより、ハニカム構造体の最外周部に位置するセルの断面積を増大させることができるため、ろ過面積が増加してPMの捕集効率が向上し、圧力損失も向上する。また、封止材ペーストの充填を容易に行うこともできるため、封止不良が低減し、ハニカム構造体の製造効率を向上させることもできる。
つまり、請求項1に記載のハニカム構造体では、凸部及び/又は凹部において面取りが施された部分が、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、曲線及び/又は直線により構成されている。
そのため、ハニカム成形体を作製する際の押出成形時に、金型の凸部又は凹部に充填される湿潤混合物の量が不足することによって外周壁の凸部が欠けること、又は、外周壁の凹部が部分的に薄くなることを防止することができる。また、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体を作製するための押出成形後の乾燥工程、焼成工程、結束工程等の際に、ハニカム成形体の外周壁が搬送治具等と接触等することにより、ハニカム成形体の外周壁に存在する凸部が欠けること、又は、外周壁の凹部に充填される湿潤混合物の量が不足するため、乾燥時又は焼成時等の温度変化による膨張及び収縮によって、外周壁の凹部を起点にクラックが入ることを防止することができる。その結果、ハニカム成形体及びハニカム焼成体の不良が低減し、ハニカム構造体の製造効率を向上させることができる。
また、請求項3に記載のハニカム構造体では、上記セラミックブロックは、異なる形状を有するハニカム焼成体が組み合わされてなり、
上記ハニカム焼成体は、上記セラミックブロックの外周部に位置する外方ハニカム焼成体と、上記外方ハニカム焼成体より内側に位置する内方ハニカム焼成体とからなる。
つまり、請求項4に記載のハニカム構造体では、外周壁の凸部及び/又は凹部において面取りが施された部分が、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、曲線のみにより構成されている。このように、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、外周壁の凸部及び/又は凹部の形状が曲線形状のみであると、応力緩和性に優れている。そのため、搬送時における治具等との接触による外周壁の凸部における欠け、又は、高温に晒された際におけるハニカム焼成体の膨張及び収縮による外周壁の凸部及び/又は凹部を起点とするクラック等の発生をより防止することができる。
外周セルの角部のうち、段差外周壁により構成される角部、及び、段差外周壁とセル壁とにより構成される角部に面取りが施されていると、ハニカム焼成体の段差外周壁が有する凸部又は凹部に加わる応力を緩和することができる。そのため、外周壁の凸部における欠け、又は、外周壁の凸部及び/又は凹部を起点とするクラック等の発生をより防止することができる。
また、ハニカム焼成体の段差外周壁の厚さを、凸部における外周壁の厚さも含めて略同じとすることができるため、押出成形時におけるハニカム成形体の外周壁の変形を防ぐことができる。
R面取りは、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、外周セルの角部を曲線形状に面取りするため、応力緩和性に優れている。従って、外周壁の凸部及び/又は凹部を起点とするクラック等の発生をより防止することができる。
上記内側セルは、基本形成パターンに基づいて形成された完全セルであり、
上記外周セルのうち、上記段差外周壁に接する外周セルは、上記長手方向に垂直な断面の形状が上記完全セルと異なる不完全セルを含む。
また、このようなハニカム構造体を排ガス浄化フィルタとして使用した場合、PMを捕集することができるろ過面積を向上させることができ、圧力損失を低下させることができる。
上記大容量セルの上記長手方向に垂直な断面の面積は、上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面の面積よりも大きい。
このようなハニカム構造体では、排ガス浄化用フィルタとして用いた際に、大量のPMを捕集することができる。
また、請求項12に記載のハニカム構造体では、上記大容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状は略八角形であり、上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状は略四角形である。
また、請求項13に記載のハニカム構造体では、上記大容量セル及び上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面においては、セルの各辺が曲線により構成されている。
請求項11〜13に記載のハニカム構造体は、上記のような断面形状のセルを有しているため、排ガス浄化用フィルタとして用いた際に、排ガス中のPMを好適に捕集することができる。
段差外周壁の厚さをセル壁の厚さよりも大きくすることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、段差を構成する凸部及び凹部の形状を容易に曲線形状及び/又は直線形状としやすくなる。
また、外周壁の機械的強度の高いハニカム構造体とすることもできる。
段差外周壁の厚さが、ハニカム焼成体のセル壁の厚さの1.3倍以上であると、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、段差を構成する外周壁の凸部及び凹部の形状を曲線形状及び/又は直線形状にしやすくなる。また、ハニカム構造体の外周壁の機械的強度を充分に確保しやすくなる。
一方、段差外周壁の厚さが、ハニカム焼成体のセル壁の厚さの3.0倍以下であると、ハニカム構造体の開口率が低下しにくくなる。
以下、本発明のハニカム構造体の一実施形態である第一実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、本明細書において、単に、ハニカム構造体の断面、ハニカム焼成体の断面、又は、ハニカム成形体の断面と表記した場合、それぞれ、ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面、又は、ハニカム成形体の長手方向に垂直な断面を指す。
また、本明細書において、単に、ハニカム焼成体の断面積と表記した場合、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面の面積を指す。
図2は、図1に示したハニカム構造体のA−A線断面図である。
図1及び図2に示すハニカム構造体100では、ハニカム焼成体110及び120が複数個ずつ接着材層101(101A〜101D)を介して結束されてセラミックブロック103を構成し、さらに、このセラミックブロック103の外周にコート層102が形成されている。なお、コート層は、必要に応じて形成されていればよい。
ハニカム構造体100を構成するハニカム焼成体110及び120については後述するが、炭化ケイ素又はケイ素含有炭化ケイ素からなる多孔質体であることが好ましい。
本実施形態のハニカム構造体では、セラミックブロックは、異なる形状を有するハニカム焼成体が組み合わされるか、又は、セラミックブロックの外周部に位置する外方ハニカム焼成体と、外方ハニカム焼成体より内側に位置する内方ハニカム焼成体とからなるということができる。
また、図2に示すように、外方ハニカム焼成体120の断面は、3つの線分120a、120b、120cと1つの略円弧120dとで囲まれる形状をなしている。この3つの線分のうちの2つの線分よりなる2つの角(線分120bと線分120cとが成す角、及び、線分120aと線分120bとが成す角)は、それぞれ90°と135°である。なお、略円弧の形状については後述する。
図3(a)は、本発明の第一実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。図3(b)は、図3(a)に示した内方ハニカム焼成体のB−B線断面図である。
図4(a)は、本発明の第一実施形態のハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。図4(b)は、図4(a)に示した外方ハニカム焼成体の側面図である。
図3(a)及び図3(b)に示す内方ハニカム焼成体110には、多数のセル111がセル壁113を隔てて長手方向(図3(a)中、矢印aの方向)に並設されるとともに、その周囲に外周壁114a〜114dが形成されている。そして、セル111のいずれかの端部は、封止材112で封止されている。
図4(a)及び図4(b)に示す外方ハニカム焼成体120においても、内方ハニカム焼成体と同様、多数のセル121がセル壁123を隔てて長手方向(図4(a)中、矢印bの方向)に並設されるとともに、その周囲に外周壁124a〜124dが形成されている。そして、セル121のいずれかの端部は、封止材122で封止されている。
従って、一方の端面が開口したセル121に流入した排ガスは、必ずセル121を隔てるセル壁123を通過した後、他方の端面が開口した他のセル121から流出するようになっており、セル壁123は、フィルタとして機能する。すなわち、外方ハニカム焼成体120は、外観形状が内方ハニカム焼成体110と異なるものの、そのフィルタ機能は内方ハニカム焼成体110と同一である。
図4(a)及び図4(b)では、段差外周壁124aに存在する凸部125及び凹部126に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部125及び凹部126が、曲線により構成されている例を示している。
図5(a)〜図5(d)は、本発明の実施形態に係る凸部に施された面取りの形状の一例を模式的に示す部分拡大断面図である。図5(e)〜図5(h)は、本発明の実施形態に係る凹部に施された面取りの形状の一例を模式的に示す部分拡大断面図である。
本明細書においては、凸部の断面形状が、図5(a)〜図5(d)に示したように、角部が削られた形状になっていれば、「凸部に面取りが施されている」ということとする。一方、凹部の断面形状が、図5(e)〜図5(h)に示したような形状、すなわち、外方ハニカム焼成体が存在していない部分に仮想的な凸部が存在するものとみなし、この仮想的な凸部に面取りが施された形状(角部が擬似的に面取りを施された形状と同じ角部の形状)になっていれば、「凹部に面取りが施されている」ということとする。
また、凹部に施された面取りの形状については、凹部に充填部が設けられたような形状と考えることもできる。
図5(b)及び図5(f)は、凸部又は仮想的な凸部の形状を、1本の直線で切り落として鈍角のみが存在するような形状にする面取りを示している。このような面取りをC面取りということとする。
図5(c)、図5(d)、図5(g)及び図5(h)は、角部の形状を複数の直線で切り落としたような形状にする面取りを示している。
外周壁の凸部及び/又は凹部に施された面取りの中では、R面取り又はC面取りが望ましく、R面取りがより望ましい。
R面取りの曲率半径が0.3mm以上であると、外周壁の凸部又は凹部への、搬送時における治具等との接触又は高温に晒された際におけるハニカム焼成体の膨張及び収縮による応力集中を防止することができる。また、R面取りの曲率半径が2.5mm以下であると、外周壁の凸部又は凹部の丸みが大きすぎるために、面取りの作業が難しくなるということがない。
なお、R面取りの曲率半径とは、角部を円弧状にするR面取りにおける円弧の半径を意味する。
なお、C面取りの長さとは、角部を本来構成する2つの辺のうち、C面取りでより長く切り取られた側の辺についての切り取られた長さを意味する。
しかし、面取りが施されている箇所はなるべく多い方が望ましく、段差を構成する外周壁の凸部及び凹部のすべての箇所について面取りが施されていることがより望ましい。
(1)セラミック粉末とバインダとを含む湿潤混合物を押出成形することによってハニカム成形体を作製する成形工程を行う。
具体的には、まず、セラミック粉末として平均粒子径の異なる炭化ケイ素粉末と、有機バインダと、液状の可塑剤と、潤滑剤と、水とを混合することにより、ハニカム成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
続いて、上記湿潤混合物を押出成形機に投入する。押出成形することにより所定の形状のハニカム成形体を作製する。
以下の工程で、ハニカム成形体というときは、これら2種のハニカム成形体を区別せずに指すものとする。
ここで、封止材ペーストとしては、上記湿潤混合物と同様の組成のものを用いることができる。
また、切断工程、乾燥工程、封止工程、脱脂工程及び焼成工程の条件は、従来からハニカム焼成体を作製する際に用いられている条件を適用することができる。
ここで、接着材ペーストとしては、例えば、無機バインダと有機バインダと無機粒子とからなるものを使用する。また、上記接着材ペーストは、さらに無機繊維及び/又はウィスカを含んでいてもよい。
セラミックブロックの外周面にコート材ペーストを塗布する際には、外方ハニカム焼成体に設けられた凹部を充填するようにコート材ペーストを塗布する。
ここで、コート材ペーストとしては、上記接着材ペーストを使用することができる。なお、コート材ペーストして、上記接着材ペーストと異なる組成のペーストを使用してもよい。
なお、コート層は必ずしも設ける必要はなく、必要に応じて設ければよい。
以上の工程によって、本実施形態のハニカム構造体を製造することができる。
(1)本実施形態のハニカム構造体では、ハニカム焼成体の外周壁のうち、セラミックブロックの外周を構成する外周壁には、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部と凹部とからなる段差が設けられている。
そのため、ハニカム構造体の最外周部に位置する不完全セルの数を減少させることができる。これにより、ハニカム構造体の最外周部に位置するセルの断面積を増大させることができるため、ろ過面積が増加してPMの捕集効率が向上し、圧力損失も向上する。また、封止材ペーストの充填を容易に行うこともできるため、封止不良が低減し、ハニカム構造体の製造効率を向上させることもできる。
そのため、ハニカム成形体を作製する際の押出成形時に、金型の凸部又は凹部に充填される湿潤混合物の量が不足することによって外周壁の凸部が欠けること、又は、外周壁の凹部が部分的に薄くなることを防止することができる。また、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体を作製するための押出成形後の乾燥工程、焼成工程、結束工程等の際に、ハニカム成形体の外周壁が搬送治具等と接触等することにより、ハニカム成形体の外周壁に存在する凸部が欠けること、又は、外周壁の凹部に充填される湿潤混合物の量が不足するため、乾燥時又は焼成時等の温度変化による膨張及び収縮によって、外周壁の凹部を起点にクラックが入ることを防止することができる。その結果、ハニカム成形体及びハニカム焼成体の不良が低減し、ハニカム構造体の製造効率を向上させることができる。
さらに、本実施形態のハニカム構造体を製造する工程中、又は、ハニカム構造体をハニカムフィルタとしてハニカム構造体を使用する際においても、ハニカム構造体の外周部に発生する欠けやクラック等の不良を防止することができる。
以下、本発明の第一実施形態をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
本工程では、図3(a)及び図3(b)に示した内方ハニカム焼成体110と略同様の形状であって、セルの目封じをしていない生のハニカム成形体と、図4(a)及び図4(b)に示した外方ハニカム焼成体120と略同様の形状であって、セルの目封じをしていない生のハニカム成形体とを作製した。
これにより、内方ハニカム焼成体と外方ハニカム焼成体とを作製した。
内方ハニカム焼成体は、多孔質炭化ケイ素焼結体からなり、気孔率が45%、平均気孔径が15μm、大きさが34.5mm×34.5mm×150mm、セルの数(セル密度)が46.5個/cm2(300個/inch2)、セル壁の厚さが0.25mm(10mil)、セルの幅が1.42mmである。
外方ハニカム焼成体も、多孔質炭化ケイ素焼結体からなり、気孔率、平均気孔径、セルの数(セル密度)、セル壁の厚さ及びセルの幅は、内方ハニカム焼成体と同一である。また、外方ハニカム焼成体は、断面が3つの線分と1つの略円弧とで囲まれ、この3つの線分のうちの2つの線分よりなる2つの角が、それぞれ90°と135°である形状(図2で示した線分120a=20.8mm、線分120b=35.0mm、線分120c=35.7mm)を有している。外方ハニカム焼成体の略円弧120dは、凸部及び凹部とからなる段差が設けられた段差外周壁となっている。すべての凸部及び凹部には、R面取りが施されており、R面取りの曲率半径は、0.5mmである。
さらに、ハニカム焼成体の集合体を180℃、20分で加熱して接着材ペーストを乾燥固化させることにより、接着材層の厚さが1mmで円柱状のセラミックブロックを作製した。
ここで、接着材ペーストとしては、平均粒径0.6μmの炭化ケイ素粒子30.0重量%、シリカゾル(固形分30重量%)21.4重量%、カルボキシメチルセルロース8.0重量%、及び、水40.6重量%からなる接着材ペーストを使用した。
その後、このコート材ペースト層を120℃で乾燥固化して、外周にコート層が形成された直径143.8mm×長さ150mmの円柱状のハニカム構造体を製造した。
以下、本発明の一実施形態である第二実施形態について説明する。
本実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体は、本発明の第一実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体と同様の外形形状を有する。また、セラミックブロック(ハニカム構造体)を構成する外方ハニカム焼成体及び内方ハニカム焼成体の組み合わせ方も、本発明の第一実施形態と同様である。
本発明の第一実施形態では、外方ハニカム焼成体において、外周壁に接するセルと、外周壁に接していないセルとは、同一の断面形状を有しているのに対し、本実施形態では、外方ハニカム焼成体において、段差外周壁に接するセルが、段差外周壁に接していないセルと異なる断面形状を有する不完全セルを含んでいる。
また、本明細書において、基本形成パターンとは、上記完全セルの形状をいう。
図6(a)は、本発明の第二実施形態のハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。図6(b)は、図6(a)に示した外方ハニカム焼成体の側面図である。
外周壁224a〜224dのうち、ハニカム構造体(セラミックブロック)の外周を構成する外周壁224aは、凸部225と凹部226とからなる段差が設けられた段差外周壁となっている。
上述したように、基本形成パターンに基づいて形成されていないセル、すなわち、基本形成パターンである内側セルの略四角形(略正方形)よりも長手方向に垂直な断面の大きさが小さいセルを不完全セルということとする。
不完全セルである外周セル227eは、段差外周壁224aに接するように設けられている。また、不完全セルである外周セル227dは、外周壁224dに接するように設けられている。上述したように、段差外周壁224aは、セラミックブロックの外周を構成するものである。そのため、外周セル227eは、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体に設けられた外周壁のうち、セラミックブロックの外周を構成する外周壁に接する位置に形成されていることになる。
具体的には、不完全セルは、セルの長手方向に垂直な断面形状の内部に直径0.90mmの円が挿入可能なセルであることが望ましく、セルの長手方向に垂直な断面形状の内部に直径0.95mmの円が挿入可能なセルであることがより望ましい。
このような場合、封止材ペーストをセルに充填しやすく、封止材の漏れ又ははみ出しが発生しにくく、良好に不完全セルを封止することができ、封止不良が発生しにくくなる。
図6(a)及び図6(b)では、段差外周壁224aに存在する凸部225及び凹部226に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部225及び凹部226が、曲線により構成されている例を示している。
外周セルの角部に施されている面取りを、外周セルの角部に充填部が設けられていると考えることもできる。その場合、充填部の断面形状は、特に限定されるものではないが、略直角三角形状、又は、略直角三角形の斜辺がセルの内側又は外側に向かって湾曲若しくは屈曲した形状であることが望ましい。特に、直角三角形が直角二等辺三角形であると、充填部は、角部を基準として対称な形状となるため、角部付近の重量バランス及び熱伝導バランスがよく、熱及び力を効率的に分散させることができるので望ましい。
その場合、「斜辺が湾曲又は屈曲している形状」とは、図5(e)に示すように、直角三角形の3つの頂点のうち、鋭角となる2つの頂点を結んで滑らかに湾曲するもの、又は、図5(f)、図5(g)若しくは図5(h)に示すように、直角三角形の鋭角となる2つの頂点を1個又は複数個の線分で結んで形成されるものを意味する。
外周セルの角部に施された面取りの中では、R面取り又はC面取りが望ましく、R面取りがより望ましい。
R面取りの曲率半径が0.3mm未満であると、凸部又は凹部に応力が集中することを充分に抑制することができない場合がある。また、R面取りの曲率半径が2.5mmを超えると、外周セルの角部の丸みが大きすぎるために、逆にクラックが発生しやすくなってしまう場合がある。
「段差外周壁により構成される角部」とは、段差外周壁に接する外周セルの角部のうち、段差外周壁の凸部に最も近い角部をいう。また、「段差外周壁とセル壁とにより構成される角部」とは、段差外周壁に接する外周セルの角部のうち、段差外周壁とセル壁との分岐部に存在する角部をいう。図6(b)に示した外方ハニカム焼成体220では、外周セル227aの角部228a〜228dのうち、角部228aが「段差外周壁により構成される角部」に該当し、角部228dが「段差外周壁とセル壁とにより構成される角部」に該当する。
内方ハニカム焼成体は、本発明の第一実施形態で説明した内方ハニカム焼成体と同様である。
内方ハニカム焼成体に設けられたセルは、すべて完全セルとなっている。また、内方ハニカム焼成体における外周セル(内方ハニカム焼成体の外周壁に接するセルをいう)の角部には、面取りが施されていてもよいし、施されていなくてもよい。
(3)本実施形態のハニカム構造体では、段差外周壁に接する外周セルは、不完全セルを含んでいる。そのため、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、ハニカム焼成体の段差外周壁が有する凸部又は凹部の数を減少させることができる。その結果、押出成形時に、金型の凸部又は凹部に充填される湿潤混合物の量が不足することによって外周壁の凸部が欠けること、又は、外周壁の凹部が部分的に薄くなることを防止することができる。また、押出成形後の乾燥工程又は焼成工程等の際に、搬送時における治具等との接触によりハニカム成形体又はハニカム焼成体の外周壁に存在する凸部が欠けること、又は、高温に晒された際におけるハニカム焼成体の膨張及び収縮により外周壁の凸部及び/又は凹部を起点にクラックが入ることをより防止することができる。
また、このようなハニカム構造体を排ガス浄化フィルタとして使用した場合、PMを捕集することができるろ過面積を向上させることができ、圧力損失を低下させることができる。
外周セルの角部のうち、段差外周壁により構成される角部、及び、段差外周壁とセル壁とにより構成される角部に面取りが施されていると、ハニカム焼成体の段差外周壁が有する凸部又は凹部に加わる応力を緩和することができる。そのため、外周壁の凸部における欠け、又は、外周壁の凸部及び/又は凹部を起点とするクラック等の発生をより防止することができる。
また、ハニカム焼成体の段差外周壁の厚さを、凸部における外周壁の厚さも含めて略同じとすることができるため、押出成形時におけるハニカム成形体の外周壁の変形を防ぐことができる。
R面取りは、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、外周セルの角部を曲線形状に面取りするため、応力緩和性に優れている。従って、外周壁の凸部及び/又は凹部を起点とするクラック等の発生をより防止することができる。
以下、本発明の一実施形態である第三実施形態について説明する。
本実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体は、本発明の第二実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体と同様の外形形状を有する。また、セラミックブロック(ハニカム構造体)を構成する外方ハニカム焼成体及び内方ハニカム焼成体の組み合わせ方も、本発明の第二実施形態と同様である。
本実施形態では、内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体において、不完全セルを除いた外周セル、及び、内側セルは、大容量セルと、小容量セルとからなり、大容量セルの長手方向に垂直な断面の面積は、小容量セルの長手方向に垂直な断面の面積よりも大きい。
図7(a)に示す内方ハニカム焼成体310には、セル311a、311bがセル壁313を隔てて並設されるとともに、その周囲に外周壁314a〜314dが形成されている。セル311a、311bは、大容量セル311aと、小容量セル311bとからなり、大容量セル311aの断面積(長手方向に垂直な断面の面積)は、小容量セル311bの断面積よりも大きくなっている。そして、大容量セル311aと小容量セル311bとは、交互に配設されている。
図7(a)において、大容量セル311aは、その断面形状が略八角形であり、小容量セル311bは、その断面形状が略四角形である。このように、セル311a、311bは、基本形成パターンに基づいて形成されているため、完全セルであるということができる。
従って、大容量セル311aに流入した排ガスは、必ず、大容量セル311aと小容量セル311bとを隔てるセル壁313を通過した後、小容量セル311bから流出するようになっており、セル壁313は、フィルタとして機能する。
図7(b)に示す外方ハニカム焼成体320においても、内方ハニカム焼成体と同様、セル321a、321b、327a〜327eがセル壁323を隔てて並設されるとともに、その周囲に外周壁324a〜324dが形成されている。
外周壁324a〜324dのうち、ハニカム構造体(セラミックブロック)の外周を構成する外周壁324aは、凸部325と凹部326とからなる段差が設けられた段差外周壁となっている。
そして、大容量セル321aは、外方ハニカム焼成体320の一方の端面側の端部が開放され、他方の端面側の端部で封止材(図示せず)により封止されている。一方、小容量セル321bは、外方ハニカム焼成体320の一方の端面側の端部で封止材322により封止され、他方の端面側の端部が開放されている。
従って、大容量セル321aに流入した排ガスは、必ず、大容量セル321aと小容量セル321bとを隔てるセル壁323を通過した後、小容量セル321bから流出するようになっており、セル壁323は、フィルタとして機能する。
一方、外方ハニカム焼成体320の外周セル327a〜327eのうち、外周セル327d、及び、外周セル327eは、断面の形状が、外方ハニカム焼成体320の内側セルであって、かつ、完全セルである大容量セル321aとは異なる。すなわち、外方ハニカム焼成体320の外周セル327d、327eは、断面の形状が完全セルと異なる不完全セルである。
すなわち、図7(b)に示す外方ハニカム焼成体320においては、外周セルは、完全セルの他に、断面の形状が完全セルと異なる不完全セルを含んでいる。
不完全セルである外周セル327eは、段差外周壁324aに接するように設けられている。また、不完全セルである外周セル327dは、外周壁324dに接するように設けられている。
図7(b)に示す外方ハニカム焼成体320においては、不完全セルを除いた外周セルは、内側セルと同様、大容量セルと小容量セルとからなる。
図8(a)は、本発明の第三実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の別の一例を模式的に示す側面図である。図8(b)は、本発明の第三実施形態のハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の別の一例を模式的に示す側面図である。
図8(a)に示す内方ハニカム焼成体330、及び、図8(b)に示す外方ハニカム焼成体340では、大容量セルの断面形状が略四角形(略正方形)であり、小容量セルの断面形状が略四角形(略正方形)である。
図7(b)に示す外方ハニカム焼成体320では、段差外周壁324aに存在する凸部325及び凹部326に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部325及び凹部326が、曲線により構成されている例を示している。同様に、図8(b)に示す外方ハニカム焼成体340では、段差外周壁344aに存在する凸部345及び凹部346に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部345及び凹部346が、曲線により構成されている例を示している。
また、本実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体においても、外周セルの角部には、面取りが施されていてもよいし、面取りが施されていなくてもよい。
以下、本発明の一実施形態である第四実施形態について説明する。
本実施形態では、内方ハニカム焼成体の外形形状は、本発明の第一実施形態〜第三実施形態と同様であるが、外方ハニカム焼成体の外形形状が、本発明の第一実施形態〜第三実施形態と異なる。
具体的には、本実施形態では、ハニカム焼成体の組み合わせ構造が、本発明の第一実施形態〜第三実施形態と異なる。すなわち、内方ハニカム焼成体として、略四角形(略正方形)の断面形状を有するハニカム焼成体を用い、外方ハニカム焼成体として、断面形状の異なる複数種類の所定形状のハニカム焼成体を用いる。そして、内方ハニカム焼成体と複数種類の外方ハニカム焼成体とを接着材層を介して組み立てることにより、所定形状(例えば、断面略円形等)のセラミックブロックを形成することができる。
図10(a)及び図10(b)は、本発明の第四実施形態のハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す側面図である。
また、図9に示すように、外方ハニカム焼成体420の断面は、3つの線分420a、420b、420cと1つの略円弧420dとで囲まれた形状をなしている。この3つの線分のうちの2つの線分よりなる2つの角(線分420bと線分420cとが成す角、及び、線分420aと線分420bとが成す角)は、どちらも90°である。
さらに、外方ハニカム焼成体430の断面は、2つの線分430a、430bと1つの略円弧430cとで囲まれた形状をなしている。この2つの線分よりなる角(線分430aと線分430bとが成す角)は、90°である。
また、ハニカム焼成体410、420、430は、炭化ケイ素又はケイ素含有炭化ケイ素からなる多孔質体であることが望ましい。
図10(a)に示す外方ハニカム焼成体420では、周囲に形成された外周壁424a〜424dのうち、ハニカム構造体(セラミックブロック)の外周を構成する外周壁424aが、凸部425と凹部426とからなる段差が設けられた段差外周壁となっている。
また、図10(b)に示す外方ハニカム焼成体430では、周囲に形成された外周壁434a〜434cのうち、ハニカム構造体(セラミックブロック)の外周を構成する外周壁434aが、凸部435と凹部436とからなる段差が設けられた段差外周壁となっている。
図10(a)に示す外方ハニカム焼成体420では、段差外周壁424aに存在する凸部425及び凹部426に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部425及び凹部426が、曲線により構成されている例を示している。同様に、図10(b)に示す外方ハニカム焼成体430では、段差外周壁434aに存在する凸部435及び凹部436に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部435及び凹部436が、曲線により構成されている例を示している。
さらに、外方ハニカム焼成体の外周セルの角部には、本発明の第二実施形態のように、面取りが施されていてもよいし、面取りが施されていなくてもよい。
また、内方ハニカム焼成体において、外周セルの角部には、面取りが施されていてもよいし、面取りが施されていなくてもよい。
以下、本発明の一実施形態である第五実施形態について説明する。
本実施形態では、内方ハニカム焼成体の外形形状は、本発明の第一実施形態〜第四実施形態と同様であるが、外方ハニカム焼成体の外形形状が、本発明の第一実施形態〜第四実施形態と異なる。
本実施形態では、内方ハニカム焼成体として、略四角形(略正方形)の断面形状を有するハニカム焼成体を用い、外方ハニカム焼成体として、断面形状の異なる複数種類の所定形状のハニカム焼成体を用いる点は、本発明の第四実施形態と同様であるが、ハニカム焼成体の組み合わせ構造が、本発明の第一実施形態〜第四実施形態と異なる。
具体的には、ハニカム構造体を構成する内方ハニカム構造体の個数が、本発明の第一実施形態〜第四実施形態のハニカム構造体を構成する内方ハニカム構造体の個数よりも多い。
図12(a)及び図12(b)は、本発明の第五実施形態のハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す側面図である。
また、図11に示すように、外方ハニカム焼成体520の断面は、3つの線分520a、520b、520cと1つの略円弧520dとで囲まれた形状をなしている。この3つの線分のうちの2つの線分よりなる2つの角(線分520aと線分520bとが成す角、及び、線分520bと線分520cとが成す角)がともに90°である。
外方ハニカム焼成体530の断面は、3つの線分530a、530b、530cと1つの略円弧530dとで囲まれた略扇形ユニットである。この3つの線分のうちの2つの線分よりなる2つの角(線分530bと線分530cとが成す角、及び、線分530aと線分530bとが成す角)がそれぞれ90°と135°である。
また、ハニカム焼成体510、520、530は、炭化ケイ素又はケイ素含有炭化ケイ素からなる多孔質体であることが望ましい。
図12(a)に示す外方ハニカム焼成体520では、周囲に形成された外周壁524a〜524dのうち、ハニカム構造体(セラミックブロック)の外周を構成する外周壁524aが、凸部525と凹部526とからなる段差が設けられた段差外周壁となっている。
また、図12(b)に示す外方ハニカム焼成体530では、周囲に形成された外周壁534a〜534dのうち、ハニカム構造体(セラミックブロック)の外周を構成する外周壁534aが、凸部535と凹部536とからなる段差が設けられた段差外周壁となっている。
図12(a)に示す外方ハニカム焼成体520では、段差外周壁524aに存在する凸部525及び凹部526に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部525及び凹部526が、曲線により構成されている例を示している。同様に、図12(b)に示す外方ハニカム焼成体530では、段差外周壁534aに存在する凸部535及び凹部536に面取りが施されていることにより、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部535及び凹部536が、曲線により構成されている例を示している。
さらに、外方ハニカム焼成体の外周セルの角部には、本発明の第二実施形態のように、面取りが施されていてもよいし、面取りが施されていなくてもよい。
また、内方ハニカム焼成体において、外周セルの角部には、面取りが施されていてもよいし、面取りが施されていなくてもよい。
本発明の第一実施形態では、ハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体及び内方ハニカム焼成体において、外周セルの角部に面取りが施されていなかった。しかし、図4(a)及び図4(b)に示した外方ハニカム焼成体120においても、本発明の第二実施形態のように、外周セルの角部に面取りが施されていてもよい。また、図3(a)及び図3(b)に示した内方ハニカム焼成体110においても、外周セルの角部に面取りが施されていてもよい。
具体的には、ハニカム構造体の断面の形状が、図13に示したように、ハニカム構造体の中心部に位置する1個のハニカム焼成体と、ハニカム構造体の外周部に位置するハニカム焼成体とからなる形状であってもよい。
図13は、本発明の他の実施形態のハニカム構造体の一例を模式的に示す側面図である。
即ち、図13に示したハニカム構造体600では、図2に示したハニカム構造体100の接着材層101Aを介して結束された4個の内方ハニカム焼成体110に代えて、1個の内方ハニカム焼成体610を備えている。
図13に示した内方ハニカム焼成体610は、図2に示した内方ハニカム焼成体110と比べて、断面積が大きいものの、その機能は同一である。図13に示した外方ハニカム焼成体620は、図2に示したハニカム構造体100を構成するハニカム焼成体120と同様である。
内方ハニカム焼成体の断面積が上記範囲にあると、ハニカム構造体をハニカムフィルタとして使用した際に、ハニカム構造体に再生処理等の高温に晒された際のハニカム焼成体の膨張及び収縮により、ハニカム焼成体にクラックが発生しにくくなるからである。
例えば、ハニカム構造体の断面の形状が、図14に示したような形状であってもよい。
図14は、本発明の他の実施形態のハニカム構造体の別の一例を模式的に示す側面図である。
図14に示すハニカム構造体700では、1種類のハニカム焼成体710が、接着材層701A〜701Dを介して4個結束されてセラミックブロック703を構成し、さらに、このセラミックブロック703の外周にコート層702が形成されている。
図14に示したハニカム構造体700では、ハニカム焼成体710は、ケーキ状形状を有しており、セラミックブロック703を4分割しているが、本発明のハニカム構造体では、セラミックブロックを分割するハニカム焼成体の個数は特に限定されない。
なお、ケーキ状形状とは、円柱をその中心軸を通るように複数に切断することにより得られる1つの柱状体の形状のことをいう。複数のケーキ状形状のハニカム焼成体を組み合わせると円柱状になる。
さらに、本発明のハニカム構造体において、セラミックブロックは、1つのハニカム焼成体から構成されていてもよい。セラミックブロックが、1つのハニカム焼成体から構成される場合、ハニカム焼成体は、コージェライト又はチタン酸アルミニウムからなることが望ましい。セラミックブロックが、1つのハニカム焼成体から構成されている場合にも、セラミックブロックが、複数のハニカム焼成体から構成されている場合と同様の効果が得られると考えられる。
図15(a)及び図15(b)は、本発明の実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の端面の一例を模式的に示した側面図である。
これらの図面は、いずれも内方ハニカム焼成体の一方の端面側、すなわち小容量セルが封止された端面側から見た側面図である。
これらの図を参照しながら、大容量セル及び小容量セルの断面形状のその他の実施形態を説明する。
すなわち、図15(b)では、実線で示しているセル壁823の断面形状が曲線である。
大容量セル821aの断面形状は、セル壁823がセルの断面の中心から外側に向かって凸の形状であり、一方、小容量セル821bの断面形状は、セル壁823がセルの断面の外側から中心に向かって凸の形状である。
セル壁823は内方ハニカム焼成体の断面の水平方向及び垂直方向に対して起伏する「波形」の形状を有しており、隣り合うセル壁823の波形の山の部分(正弦曲線でいう振幅の極大値の部分)が互いに最近接することで、セルの断面形状が外側に膨らんだ大容量セル821aとセルの断面形状が内側に凹んだ小容量セル821bとが形成される。なお、波形の振幅は一定でもよくまた変化しても良いが、一定であることが好ましい。
段差外周壁の厚さが、セル壁の厚さよりも大きい場合、段差外周壁の厚さは、セル壁の厚さの1.3〜3.0倍であることが望ましい。
ハニカム焼成体の気孔率が35%未満であると、フィルタがすぐに目詰まりを起こすことがある。一方、ハニカム焼成体の気孔率が60%を超えると、ハニカム焼成体の強度が低下するため、フィルタが容易に破壊されることがあるからである。
ハニカム焼成体の平均気孔径が5μm未満であると、フィルタが容易に目詰まりを起こすことがある。一方、ハニカム焼成体の平均気孔径が30μmを超えると、パティキュレートが気孔を通り抜けてしまい、ハニカム焼成体がパティキュレートを捕集することができず、フィルタとして機能することができないことがあるからである。
また、上記ハニカム焼成体のセル壁の厚さは、特に限定されるものではないが、0.1〜0.4mmであることが望ましい。
これらの中で、ハニカム構造体が、複数個のハニカム焼成体から構成されている場合には、非酸化物セラミックが好ましく、炭化ケイ素又はケイ素含有炭化ケイ素が特に好ましい。耐熱性、機械強度、熱伝導率等に優れるからである。
また、湿潤混合物に含まれる潤滑剤としては、特に限定されず、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン系化合物等が挙げられる。
潤滑剤の具体例としては、例えば、ポリオキシエチレンモノブチルエーテル、ポリオキシプロピレンモノブチルエーテル等が挙げられる。
なお、可塑剤、潤滑剤は、場合によっては、湿潤混合物に含まれていなくてもよい。
さらに、湿潤混合物中には、成形助剤が添加されていてもよい。
成形助剤としては特に限定されず、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等が挙げられる。
バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン(FAバルーン)、ムライトバルーン等が挙げられる。これらの中では、アルミナバルーンが望ましい。
101、101A〜101D、401A〜401D、501、501A〜501D、601A〜601D、701A〜701D 接着材層
102、402、502、602、702 コート層
103、403、503、603、703 セラミックブロック
110、120、220、310、320、330、340、410、420、430、510、520、530、610、620、710、810、820、1110、1120、1150、1160 ハニカム焼成体
111、121、221、227a〜227e、311a、311b、321a、321b、327a〜327e、331a、331b、341a、341b、347a〜347e、421、431、521、531、811a、811b、821a、821b、1111、1121、1151、1161 セル
113、123、223、313、323、333、343、423、433、523、533、823 セル壁
114a〜114d、124a〜124d、224a〜224d、314a〜314d、324a〜324d、334a〜334d、344a〜344d、424a〜424d、434a〜434c、524a〜524d、534a〜534d、1154、1164 外周壁
125、225、325、345、425、435、525、535、1155、1165 凸部(外周壁の凸部)
126、226、326、346、426、436、526、536、1156、1166 凹部(外周壁の凹部)
Claims (18)
- 多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設され、周囲に外周壁が形成されたハニカム焼成体から構成されたセラミックブロックからなるハニカム構造体であって、
前記ハニカム焼成体の外周壁のうち、前記セラミックブロックの外周を構成する外周壁は、前記ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、凸部と凹部とからなる段差が設けられた段差外周壁となっており、
前記凸部及び/又は前記凹部に面取りが施されていることにより、前記ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、前記凸部及び/又は前記凹部が、曲線及び/又は直線により構成されていることを特徴とするハニカム構造体。 - 前記セラミックブロックは、前記ハニカム焼成体が、接着材層を介して複数個結束されている請求項1に記載のハニカム構造体。
- 前記セラミックブロックは、異なる形状を有するハニカム焼成体が組み合わされてなり、
前記ハニカム焼成体は、前記セラミックブロックの外周部に位置する外方ハニカム焼成体と、前記外方ハニカム焼成体より内側に位置する内方ハニカム焼成体とからなる請求項2に記載のハニカム構造体。 - 前記ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面において、前記凸部及び/又は前記凹部が、曲線のみにより構成されている請求項1〜3のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記セルは、前記ハニカム焼成体の外周壁に接する外周セルと、前記外周セルより内側に位置する内側セルとからなり、
前記外周セルの内壁には、角部が形成されており、
少なくとも1つの前記角部には、面取りが施されている請求項1〜4のいずれかに記載のハニカム構造体。 - 前記面取りが施されている角部は、前記段差外周壁により構成される角部、及び、前記段差外周壁と前記セル壁とにより構成される角部である請求項5に記載のハニカム構造体。
- 少なくとも1つの前記角部に施されている面取りは、R面取りであり、前記R面取りの曲率半径は、0.3〜2.5mmである請求項5又は6に記載のハニカム構造体。
- 前記セルは、前記ハニカム焼成体の外周壁に接する外周セルと、前記外周セルより内側に位置する内側セルとからなり、
前記内側セルは、基本形成パターンに基づいて形成された完全セルであり、
前記外周セルのうち、前記段差外周壁に接する外周セルは、前記長手方向に垂直な断面の形状が前記完全セルと異なる不完全セルを含む請求項1〜7のいずれかに記載のハニカム構造体。 - 前記不完全セルを除いた前記外周セルの前記長手方向に垂直な断面の形状、及び、前記内側セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は、略四角形である請求項8に記載のハニカム構造体。
- 前記不完全セルを除いた前記外周セル、及び、前記内側セルは、大容量セルと、小容量セルとからなり、
前記大容量セルの前記長手方向に垂直な断面の面積は、前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面の面積よりも大きい請求項8に記載のハニカム構造体。 - 前記大容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は略四角形であり、前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は略四角形である請求項10に記載のハニカム構造体。
- 前記大容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は略八角形であり、前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は略四角形である請求項10に記載のハニカム構造体。
- 前記大容量セル及び前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面においては、セルの各辺が曲線により構成されている請求項10に記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム焼成体の前記段差外周壁の厚さは、前記ハニカム焼成体の前記セル壁の厚さよりも大きい請求項1〜13のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム焼成体の前記段差外周壁の厚さは、前記ハニカム焼成体の前記セル壁の厚さの1.3〜3.0倍である請求項14に記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム焼成体の前記段差外周壁のうち、前記凸部及び前記凹部以外の外周壁の厚さは略同じである請求項1〜15のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記セルのそれぞれ一方の端部は、交互に封止されている請求項1〜16のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記セラミックブロックの外周面には、コート層が形成されている請求項1〜17のいずれかに記載のハニカム構造体。
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