JP2011241139A - 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たハニカム焼成体が接着材層を介して複数個結束されてなるセラミックブロックと、上記セラミックブロックの外周面に形成されたシール材層とからなるハニカム構造体であって、上記セラミックブロックは、長手方向に垂直な断面の形状が四角形である断面四角形ユニットが接着材層を介して複数個結束されてなる断面四角形ユニット集合体と、長手方向に垂直な断面の形状が三角形であり、外周部に外壁が形成された断面三角形ユニットとを含んでなり、上記断面四角形ユニット集合体の外周面には、凹部及び凸部が階段状に形成されており、上記凹部には、上記断面三角形ユニットが接着材層を介して存在しており、上記シール材層の厚さが部分的に異なっていることを特徴とするハニカム構造体。
【選択図】 図6
Description
そのため、ハニカム構造体の排ガス流入側の端部が開口したセルに流入した排ガスは、隣り合うセル同士を隔てるセル壁を通過し、排ガス流出側の端部が開口したセルから流出する。これにより、排ガスに含まれるPMがセル壁に補集される。
なお、PMが所定量堆積し、圧力損失が一定の値に達したところで、ハニカム構造体を加熱する再生処理を施す。これにより、堆積したPMが燃焼してハニカム構造体のPM補集能が再生される。
これにより、円柱状のハニカム構造体を製造する。
そのため、ハニカム構造体の生産性が低く、製造コストが高く付いてしまうという問題がある。
特に、製造するハニカム構造体の大きさが大きくなればなるほど、研削加工を施すべき部分が多くなり、この傾向は顕著である。
外周面に凹部及び凸部が階段状に形成された断面四角形ユニット集合体の凹部に、断面三角形ユニットが接着材層を介して存在するセラミックブロックでは、凹部及び凸部により形成された段差が断面三角形ユニットにより解消されるので、断面四角形ユニット集合体に比べて、その形状が円柱状、長円柱状、楕円柱状又は三角形の頂点部が曲線になっている形状の柱状体等に近い多角柱状となる。
このような構成を有するハニカム構造体であっても、本発明の作用効果を好適に享受することができる。
このような構成を有するハニカム構造体では、セラミックブロックの形状を円柱状、長円柱状、楕円柱状又は三角形の頂点部が曲線になっている形状の柱状体等により近い多角柱状とすることができるので、本発明の作用効果をより好適に享受することができる。
なお、断面正方形とは、断面四角形ユニットの長手方向に垂直な断面の形状(断面形状)が正方形であることをいい、断面直角三角形とは、断面三角形ユニットの長手方向に垂直な断面の形状(断面形状)が直角三角形であることをいう。
また、この場合、上記断面異形ユニットの第二の辺を含む側面が、上記断面三角形ユニットと接着材層を介して接していることがさらに望ましい。
このような構成を有するハニカム構造体では、セラミックブロックの形状を円柱状、長円柱状、楕円柱状又は三角形の頂点部が曲線になっている形状の柱状体等により近い多角柱状とすることができるので、本発明の作用効果を特に好適に享受することができる。
上記シール材層の最も厚い部分の厚みと、上記シール材層の最も薄い部分の厚みとの比が、20:1〜5:3であると、PMの補集効率を高めることができるとともに、再生処理時の熱応力を充分に緩和することができる。
上記シール材層の最も厚い部分の厚みが、5.0〜10.0mmであり、上記シール材層の最も薄い部分の厚みが、0.5〜3.0mmであると、PMの補集効率を高めることができるとともに、再生処理時の熱応力を充分に緩和することができる。
係るハニカム構造体は、大型のディーゼルエンジンへの使用に適した大型のハニカム構造体であるが、このような構成を有していると本発明の作用効果を特に好適に享受することができる。
このような構成を有するハニカム構造体では、セラミックブロックの形状が円柱状、長円柱状、楕円柱状又は三角形の頂点部が曲線になっている形状の柱状体等により近く、本発明の作用効果を好適に享受することができる。
なお、本明細書において、大容量セルとは、ハニカム構造体(ハニカム焼成体)に形成された複数のセルのうち、セルの長手方向に垂直な断面の面積の最も大きいセルのことをいい、小容量セルとは、ハニカム構造体(ハニカム焼成体)に形成された複数のセルのうち、セルの長手方向に垂直な断面の面積の最も小さいセルのことをいう。
但し、大容量セルと小容量セルは、特定の断面形状(基本パターン)を有している基本セルのうちで決められる。
上記基本セルとは、ハニカム焼成体を構成するセルを長手方向に垂直な断面で観察した際、同一の形状、又は、上下左右に繰り返し形成されている複数個の異なる形状を有する最小単位のセルをいう。
但し、基本セルは、セルの断面積の異なる2種類のセルを組み合わせて最小単位としたときの繰り返しであってよく、この場合、セルの断面積の異なる2種類のセルの両方を合わせて基本セルという。
この基本セルの概念を用い、大容量セルと小容量セルについて以下に説明する。
例えば、下記する図17(a)に示すハニカム焼成体610では、ハニカム焼成体610の長手方向に垂直な断面において正方形の図形(セル)が繰り返されており、これらの断面正方形のセルが基本セルである。このハニカム焼成体では、全ての基本セルの断面積が同じであるから、大容量セルと小容量セルが形成されたハニカム焼成体には該当しない。
下記する図18(a)、図19(a)及び図20(a)に示すハニカム焼成体820、910及び1010では、セルを長手方向に垂直な断面で観察した場合、角部に相当する部分が円弧状になっている四角形のセル821a、911a及び1011aと、角部を有しており、上記四角形のセルと断面形状及び断面積が異なる四角形のセル821b、911b及び1011bとが繰り返されている。断面形状及び断面積が異なる2種類のセルが、基本セルである。
これらの基本セルのうち、セルの長手方向に垂直な断面の面積の最も大きいセル821a、911a及び1011aが大容量セルであり、セルの長手方向に垂直な断面の面積の最も小さいセル821b、911b及び1011bが小容量セルである。
同様にして大容量セルと小容量セルとを決定すると、図18(b)〜図18(d)、図19(b)〜図19(d)、図20(b)〜図20(d)に示すハニカム焼成体では、セル831a、871a、881a、921a、961a、971a、1021a、1061a及び1071aが大容量セルであり、セル831b、871b、881b、921b、961b、971b、1021b、1061b及び1071bが小容量セルである。
係るハニカム構造体を排ガスの浄化に使用する際、排ガスが流入する流入側セルを大容量セルとし、排ガスが流出する流出側セルを小容量セルとした場合には、PMの堆積層の厚さを薄くすることができるので、圧力損失の上昇を抑制したり、PMの捕集限界量を多くしたりすることができる。また、堆積したPMを燃焼させやすくなる。
また、上記大容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状が八角形であり、上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状が四角形であることが望ましい。
これらの形状のセルはPMの補集に特に適しているので、PMの捕集効率を高めることができる。
このような形状のセルを有しているハニカム焼成体では、クラックが発生しにくくなる。角部を有するセルと比べて、再生処理時の熱応力が角部近傍に集中しにくくなり、緩和されやすくなるためであると考えられる。
係る形状のセルはPMの補集に特に適しているので、PMの捕集効率を高めることができる。
その結果、ハニカム焼成体として長手方向に垂直な断面の形状が四角形である断面四角形ユニットと、長手方向に垂直な断面の形状が三角形である断面三角形ユニットとを使用し、断面四角形ユニットを組み合わせてなる断面四角形ユニット集合体の外周面に形成された凹部に断面三角形ユニットが存在する構成を有するセラミックブロックを採用するとともに、該セラミックブロックの外周面に部分的に厚さが異なるシール材層を形成することにより、上記問題を解決することができることを見出した。
また、セラミックブロックの断面の形状が長円、楕円、又は、三角形の頂点部が曲線になっている形状等に近い形状であるということは、それぞれの形状の外周から部分的に凸部又は凹部があるが、それぞれの形状に近似している形状のことをいう。
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、図2(b)では、凹部に嵌め込まれる断面直角二等辺三角形ユニット、及び、凹部と断面直角二等辺三角形ユニットとの間に形成される接着材層を省略して示している。
また、ハニカム構造体10の形状は円柱状である。ハニカム構造体10の長手方向に垂直な断面の形状は円形であり、その直径(図2(a)中、符号Rで示す)は190mm以上である。
なお、ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面の形状が長円、楕円、三角形の頂点部が曲線になっている形状の場合は、各形状の中心を通る、外周の2点の間の線分のうち最も長い線分の長さが190mm以上であることが望ましい。
また、セラミックブロック20の長手方向に垂直な断面の形状は、12角形である。
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断面三角形ユニットの一例を模式的に示す斜視図であり、図4(b)は、図4(a)に示す断面三角形ユニットのC−C線断面図である。
図5(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断面異形ユニットの一例を模式的に示す斜視図であり、図5(b)は、図5(a)に示す断面異形ユニットのD−D線断面図である。
また、断面正方形ユニット21aの長手方向の長さは、101.6〜381.6mm(4〜15inch)が望ましい。
大容量セル42aは、その長手方向に垂直な断面の形状が八角形であり、小容量セル42bは、その長手方向に垂直な断面の形状が四角形である。
一方、小容量セル42bは、第二の端面41b側の端部が開口しており、第一の端面41a側の端部が封止材43bにより封止されている。
そのため、大容量セル42a及び小容量セル42bを隔てるセル壁44がフィルタとして機能するようになっている。即ち、大容量セル42aに流入した排ガスGは、必ずこれらのセル壁44を通過した後、小容量セル42bから流出するようになっている。
図4(a)、図4(b)に示すハニカム焼成体21bは、第一の端面41a及び第二の端面41bを有しており、その断面形状が三角形である断面三角形ユニットである。
具体的にいうと、断面三角形ユニット21bは、その断面形状が直角二等辺三角形である断面直角二等辺三角形ユニットであり、図3(a)、図3(b)に示す断面正方形ユニット21aの第一の端面41aの対角線と第二の端面41bの対角線とを通る平面で断面正方形ユニット21aを二等分した形状と一致している。
以下の説明では、断面直角二等辺三角形ユニット21bにおける上記直角二等辺三角形の斜辺を含む側面を第三の側面B3とし、第三の側面B3以外の二つの側面をそれぞれ第一の側面B1、第二の側面B2ということにする。
また、断面直角二等辺三角形ユニット21bの長手方向の長さ(図4(a)中、両矢印bで示す長さ)は、断面正方形ユニット21aの長手方向の長さと略同じであり、101.6〜381.6mmが望ましい。
そのため、断面正方形ユニット21aと同様に、大容量セル42aと小容量セル42bとを隔てるセル壁44がフィルタとして機能するようになっている。
図5(a)、図5(b)に示すハニカム焼成体21cは、第一の端面41a及び第二の端面41bを有しており、その断面形状が、少なくとも第一の辺と、上記第一の辺と直角を形成する第二の辺と、上記直角と対向する傾斜辺とを含んで構成された断面異形ユニットである。
具体的な断面異形ユニット21cの断面形状は、第一の辺51と、第二の辺52と、傾斜辺53と、第三の辺54を有し、第一の辺51と第二の辺52の形成する角度は直角であり、傾斜辺53はその直角に対向して設けられている。傾斜辺53は直線からなる。また、第三の辺54は傾斜辺53と第二の辺52を接続している辺であり、第一の辺51は第三の辺54と平行になっている。
即ち、断面異形ユニット21cは、その断面形状が台形である断面台形ユニットである。
以下の説明では、断面台形ユニット21cの第一の辺51を含む側面を第一の側面C1とし、第二の辺52を含む側面を第二の側面C2とし、第三の辺54を含む側面を第三の側面C3とし、傾斜辺53を含む側面を第四の側面C4ということにする。
また、断面台形ユニット21cの長手方向の長さ(図5(a)中、両矢印cで示す長さ)は、断面正方形ユニット21aの長手方向の長さと略同じであり、101.6〜381.6mmが望ましい。
そのため、断面正方形ユニット21aと同様、大容量セル42aと小容量セル42bとを隔てるセル壁44がフィルタとして機能するようになっている。
なお、接着材層22には、アルミナファイバ等の無機繊維と、炭化ケイ素等の無機粒子と、シリカゾル等の無機バインダと、カルボキシメチルセルロース等の有機バインダ等とが含まれている。
また、接着材層22の厚みは、0.5〜2.0mmが望ましい。
断面正方形ユニット集合体24の外周面25には、凹部26a及び凸部26bが階段状に形成されており、凹部26aは8つ存在している。
即ち、第一の断面正方形ユニット21aの第一の側面A1と、断面直角二等辺三角形ユニット21bの第一の側面B1とが接着材層22を介して互いに接しており、第二の断面正方形ユニット21a’の第二の側面A2と、断面直角二等辺三角形ユニット21bの第二の側面B2とが接着材層22を介して互いに接している。
断面直角二等辺三角形ユニット21bの第三の側面B3は、断面正方形ユニットの側面とは接していない。
また、他の凹部と断面直角二等辺三角形ユニットとの関係も同様であり、8つの凹部26aには、それぞれ断面直角二等辺三角形ユニット21bが接着材層22を介して嵌め込まれた状態で存在している。
断面直角二等辺三角形ユニットが上述のように配置されているので、断面正方形ユニット集合体24の外周面25に形成された凹凸が解消されている。
このため、セラミックブロック20の長手方向に垂直な断面の形状は、12角形である。
シール材層30は、セラミックブロック20の外周面23に形成されており、部分的に厚さが異なっている。そのため、ハニカム構造体10の形状は、円柱状を呈している。
具体的には、シール材層30の最も厚い部分の厚みは、5.0〜10.0mmが望ましく、8.0〜9.0mmがより望ましく、8.2〜8.7mmがさらに望ましい。
また、シール材層30の最も薄い部分の厚みは、0.5〜3.0mmが望ましく、1.0〜2.5mmがより望ましく、1.6〜2.3mmがさらに望ましい。
シール材層30の最も厚い部分の厚みとシール材層30の最も薄い部分の厚みとの比が上記範囲であると、PMの捕集効率を高めることができるとともに、再生処理時の熱応力を充分に緩和することができる。
これに対して、シール材層の最も厚い部分の厚みが、10.0mmを超えると、シール材層の厚さが厚すぎる部分が多くなり、ハニカム構造体の端面においてセルが開口している領域が少なくなって、ハニカム構造体の大きさの割にPMの捕集効率が低くなる。なお、上記シール材層の最も厚い部分の厚みの下限値は、特に限定されないが、5.0mmであることが好ましい。
また、上記シール材層の最も薄い部分の厚みが、0.5mm未満であると、シール材層の厚さが薄すぎて、再生処理時の熱応力を緩和しにくくなる。
シール材層30がセラミックブロック20の外周面23に形成されていることにより衝撃等の外力が吸収されるので、ハニカム構造体10は破損しにくい。
本実施形態のハニカム構造体の製造方法は、
セラミック原料を成形することにより、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム成形体を作成する成形工程と、
上記ハニカム成形体を焼成してハニカム焼成体を作製する焼成工程と、
複数の上記ハニカム焼成体を接着材層を介して接着させてセラミックブロックを作製する結束工程と、
上記セラミックブロックの外周面にシール材層を形成するシール材層形成工程を含むハニカム構造体の製造方法であって、
上記成形工程及び上記焼成工程では、少なくとも断面四角形ユニット及び断面三角形ユニットを作製し、
上記断面四角形ユニットの長手方向に垂直な断面の形状は、四角形であり、
上記断面三角形ユニットの長手方向に垂直な断面の形状は、三角形であり、外周部に外壁が形成されており、
上記結束工程では、複数の上記断面四角形ユニットを接着材層を介して接着させることにより、外周面に凹部及び凸部が階段状に形成された断面四角形ユニット集合体を作製し、
上記断面三角形ユニットを接着材層を介して上記凹部に嵌め込み、
上記シール材層形成工程では、上記シール材層の厚さが部分的に異なるように上記シール材層を形成することを特徴とする。
上記第一の側面と上記断面三角形ユニットの第一の側面とを接着材層を介して互いに接着し、
上記第二の側面と上記断面三角形ユニットの第二の側面とを接着材層を介して互いに接着し、
上記断面三角形ユニットの第三の側面を上記断面四角形ユニットのいずれの側面とも互いに接着させないことが望ましい。
その形状が断面直角三角形であり、かつ、上記断面四角形ユニットの第一の端面の対角線と第二の端面の対角線とを通る平面で上記断面四角形ユニットを二等分した形状と一致している断面三角形ユニットを作製し、
上記結束工程では、上記直角三角形の斜辺を含む側面を上記断面四角形ユニットのいずれの側面とも互いに接着させないことが望ましい。
上記結束工程では、上記傾斜辺を含む側面が上記セラミックブロックの外周面を構成するように上記断面異形ユニットを配置することが望ましい。
まず、セラミック原料としての平均粒子径の異なる炭化ケイ素粉末等のセラミック粉末と、有機バインダと液状の可塑剤、潤滑剤、水等を混合して、成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
具体的には、図3(a)及び図3(b)に示すような、断面視八角形の大容量セルと断面視四角形の小容量セルとを有し、断面形状が正方形であるハニカム成形体を作製する。また、金型の形状を変更して、図4(a)及び図4(b)に示すような、断面形状が直角二等辺三角形であるハニカム成形体を作製し、図5(a)及び図5(b)に示すような、断面形状が台形であるハニカム成形体を作製する。
なお、断面形状が正方形であるハニカム成形体は、後述する焼成工程を経て断面正方形ユニットとなる。断面形状が直角二等辺三角形であるハニカム成形体は、後述する焼成工程を経て断面直角二等辺三角形形ユニットとなる。断面形状が台形であるハニカム成形体は、後述する焼成工程を経て断面台形ユニットとなる。
以下の工程で、ハニカム成形体というときはこれら3種のハニカム成形体を区別せずに指すものとする。
次いで、セルのいずれか一方の端部に、封止材となる封止材ペーストを所定量充填し、セルを目封じする。このような工程を経て、セル封止ハニカム成形体を作製する。
なお、封止材ペーストとしては、上記湿潤混合物を用いることができる。
接着材ペーストとしては、無機繊維及び/又はウィスカ、無機バインダ、並びに、有機バインダを含む接着材ペーストが好適に用いられる。
そして、第一の断面正方形ユニットの第一の側面と、断面直角二等辺三角形ユニットの第一の側面とが接着材ペースト層を介して互いに接し、第二の断面正方形ユニットの第二の側面と、断面直角二等辺三角形ユニットの第二の側面とが接着材ペースト層を介して互いに接するように、8つの凹部にそれぞれ断面直角二等辺三角形ユニットを1個ずつ嵌め込む。
そして、断面直角二等辺三角形ユニットの第三の側面と、一の断面台形ユニットの第二の側面とが接着材ペースト層を介して互いに接するように、断面直角二等辺三角形ユニットと、断面台形ユニットとを接着する。
同様にして、他の断面台形ユニットについても断面直角二等辺三角形ユニットと接着材ペースト層で接着する。この際、一の断面台形ユニットの第一の側面と、他の断面台形ユニットの第一の側面との間にも接着材ペースト層を形成する。
ここで、セラミックブロックの外周面に塗布するシール材ペーストの厚さを、例えば、断面台形ユニットの側面では薄くなり、断面正方形ユニット(断面正方形ユニット集合体)の側面では厚くなるように調整することにより、本工程を経て製造されたハニカム構造体の形状が円柱状となるようにシール材ペーストを塗布する。例えば、製造されたハニカム構造体において、シール材層の最も厚い部分の厚みと、シール材層の最も薄い部分の厚みとの比が、20:1〜5:3となるようにシール材ペーストを塗布する。具体的には、製造されたハニカム構造体において、シール材層の最も厚い部分の厚みが、5.0〜10.0mmとなり、シール材層の最も薄い部分の厚みが、0.5〜3.0mmとなるように、シール材ペーストを塗布する。
なお、上記シール材ペーストとしては、上記接着材ペーストと同様のペーストを使用することができる。
以上の工程によって、ハニカム構造体を製造する。
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。
断面正方形ユニット集合体の外周面には、凹部及び凸部が階段状に形成されており、凹凸が存在している。そのため、断面正方形ユニット集合体の外周面に略均一の厚さのシール材層を形成した場合には、断面正方形ユニット集合体の形状に由来して、得られるハニカム構造体の形状が角柱状となり、円柱状、長円柱状、楕円柱状又は三角形の頂点部が曲線になっている形状の柱状体等にはならない。
特に、大型のハニカム構造体を製造しようとすると、セラミックブロックの外周面を多量に研削する必要があり、製造コストがかなり高くなり、加工時間(研削時間)も長くなることが懸念される。
従って、このセラミックブロックに対して研削加工を施すことなく、部分的に厚さの異なるシール材層を外周面に形成するだけで、円柱状、長円柱状、楕円柱状又は三角形の頂点部が曲線になっている形状の柱状体等のハニカム構造体を容易に製造することができる。それゆえ、製造コストを低く抑えることができる。
また、セラミックブロックの外周面に形成されたシール材層の厚さが部分的に異なっているので、円柱状、長円柱状、楕円柱状又は三角形の頂点部が曲線になっている形状の柱状体等の所望形状のハニカム構造体とすることができる。
特に、シール材層の最も厚い部分の厚みが、5.0〜10.0mmであり、シール材層の最も薄い部分の厚みが、0.5〜3.0mmである場合には、PMの補集効率をより高めることができるとともに、再生処理時の熱応力をより充分に緩和することができる。
本実施形態のハニカム構造体を排ガスの浄化に使用する場合には、排ガスが流入する流入側セルを大容量セルとし、排ガスが流出する流出側セルを小容量セルとすることにより、流入側セルの表面積の総量を大きくすることができる。
従って、排ガス浄化時には、流入側セルの表面積の総量と流出側セルの表面積の総量とが等しいハニカム構造体と比較して、PMの堆積層の厚さを薄くすることができる。そのため、圧力損失の上昇を抑制したり、PMの捕集限界量を多くしたりすることができる。
また、一定量のPMを補集する場合で比較すると、PMの堆積層の厚さが薄くなって、PMを燃焼させやすくなる。
さらに、セルの形状がPMの補集に特に適した形状であるので、PMの捕集効率を高めることができる。
以下、本発明のハニカム構造体の一実施形態である第二実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態のハニカム構造体では、ハニカム焼成体として断面正方形ユニットと断面直角二等辺三角形ユニットとを使用し、使用するハニカム焼成体の個数が異なり、セラミックブロックの断面形状が八角形であること以外は、本発明の第一実施形態で述べたハニカム構造体と同様の構成を有している。
従って、本発明の第一実施形態のハニカム構造体についての説明と重複する事項については、説明を省略する。
断面正方形ユニット集合体124は、12個の断面正方形ユニット121aが接着材層122を介して接着されることにより構成されている。
断面正方形ユニット121a及び断面直角二等辺三角形ユニット121bの構成については、本発明の第一実施形態で説明した断面正方形ユニット21a及び断面直角二等辺三角形ユニット21bと同様である。
そして、4個の凹部126aには、それぞれ断面直角二等辺三角形ユニット121bが接着材層122を介して嵌め込まれた状態で存在している。
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。
本実施形態では、ハニカム焼成体として断面正方形ユニットと、断面直角二等辺三角形ユニットを使用するが、使用するハニカム焼成体の個数が多いこと(32個)以外は、本発明の第二実施形態で述べたハニカム構造体と同様の構成を有している。
従って、本発明の第二実施形態のハニカム構造体についての説明と重複する事項については、説明を省略する。
断面正方形ユニット集合体224は、24個の断面正方形ユニット221aが接着材層222を介して結束されることにより構成されている。
断面正方形ユニット221a及び断面直角二等辺三角形ユニット221bの構成については、本発明の第一実施形態で説明した断面正方形ユニット21a及び断面直角二等辺三角形ユニット21bと同様である。
そして、8個の凹部226aには、それぞれ断面直角二等辺三角形ユニット221bが接着材層222を介して嵌め込まれた状態で存在している。
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、ハニカム焼成体として断面正方形ユニットと、断面直角二等辺三角形ユニットを使用するが、使用するハニカム焼成体の個数が多いこと(45個)以外は、本発明の第二実施形態で述べたハニカム構造体と同様の構成を有している。
従って、本発明の第二実施形態のハニカム構造体についての説明と重複する事項については、説明を省略する。
断面正方形ユニット集合体324は、37個の断面正方形ユニット321aが接着材層322を介して結束されることにより構成されている。
断面正方形ユニット321a及び断面直角二等辺三角形ユニット321bの構成については、本発明の第一実施形態で説明した断面正方形ユニット21a及び断面直角二等辺三角形ユニット21bと同様である。
そして、8個の凹部326aには、それぞれ断面直角二等辺三角形ユニット321bが接着材層322を介して嵌め込まれた状態で存在している。
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、ハニカム焼成体として断面正方形ユニットと、断面直角二等辺三角形ユニットと、断面形状が長方形の断面四角形ユニット(以下、単に、断面長方形ユニットともいう)とを使用すること以外は、本発明の第二実施形態で述べたハニカム構造体と同様の構成を有している。
従って、本発明の第二実施形態のハニカム構造体の説明と重複する事項については、説明を省略する。
断面正方形ユニット421aは、本発明の第一実施形態で説明した断面正方形ユニット21aと同様の構成を有しているので、説明を省略する。
また、断面長方形ユニット421cの長手方向に垂直な断面における長辺L’の長さは、断面正方形ユニット421aの長手方向に垂直な断面における一辺の長さLと略一致している。
断面長方形ユニット421cの長手方向に垂直な断面における短辺l’の長さは、断面正方形ユニット421aの長手方向に垂直な断面における一辺の長さLの略半分の長さである。
そのため、断面正方形ユニット21aと同様、大容量セル442aと小容量セル442bとを隔てるセル壁444がフィルタとして機能するようになっている。
断面直角二等辺三角形ユニット421bは、長手方向に垂直な断面における第一の側面B1を構成する辺の長さ及び第二の側面B2を構成する辺の長さが、断面長方形ユニット421cの長手方向に垂直な断面における短辺l’の長さと略一致していること以外は、本発明の第一実施形態における断面直角二等辺三角形ユニット21bと同様の構成を有している。
このような構成を有する断面四角形ユニット集合体424の断面形状は、12角形である。
また、断面四角形ユニット集合体424の外周面425には、凹部426a及び凸部426bが階段状に形成されており、凹部426aは4つ存在している。
また、他の凹部と断面三角形ユニットとの関係も同様であり、4つの凹部426bには、それぞれ断面直角二等辺三角形ユニット421bが接着材層422を介して嵌め込まれた状態で存在している。
なお、焼成後に断面長方形ユニットとなり、長手方向に垂直な断面の形状が長方形であるハニカム成形体を作製するためには、作製するハニカム成形体の形状に応じた押出成形用金型を使用すればよい。
以下、本発明の一実施形態である第六実施形態について説明する。
本実施形態では、ハニカム焼成体として断面正方形ユニットと、断面三角形ユニットと、断面長方形ユニットを使用するが、上記断面三角形ユニットが本発明の第一実施形態で説明した断面直角二等辺三角形ユニットと同様の形状を有しており、セラミックブロックを構成するハニカム焼成体の数が116個であり、セラミックブロックの断面形状が32角形であって、下記するようにハニカム焼成体の組み合わせ方が異なること以外は、本発明の第五実施形態で述べたハニカム構造体と同様の構成を有している。
従って、本発明の第五実施形態のハニカム構造体についての説明と重複する事項については、説明を省略する。
断面四角形ユニット集合体524は、88個の断面正方形ユニット521aが接着材層522を介して結束されることにより構成された1個の断面正方形ユニット集合体527と、断面正方形ユニット集合体527の外周面528に接着材層522を介して接している4個の断面長方形ユニット集合体529とから構成されている。断面長方形ユニット集合体529のうち、2個の断面長方形ユニット集合体529aは、6個の断面長方形ユニット521cから構成されており、2個の断面長方形ユニット集合体529bは、4個の断面長方形ユニット521cから構成されている。すなわち、断面略長方形ユニット集合体529は、計20個の断面略長方形ユニット521cから構成されている。
断面正方形ユニット521a、断面直角二等辺三角形ユニット521bの構成については、本発明の第一実施形態で説明した断面正方形ユニット21a、断面直角二等辺三角形ユニット21bと同様である。また、断面長方形ユニット521cの構成については、本発明の第五実施形態で説明した断面長方形ユニット421cと同様である。
そして、20個の凹部526aのうち、8個の凹部526aには、それぞれ断面直角二等辺三角形ユニット521bが接着材層522を介して嵌め込まれた状態で存在している。
本発明のハニカム構造体において、断面四角形ユニットとしては、上述した断面正方形ユニット又は断面長方形ユニットに限られず、例えば、ひし形や平行四辺形等の断面形状を有する断面四角形ユニット、及び、これらの断面形状と実質的に同視しうる断面形状を有する断面四角形ユニット等であってもよい。
図17(a)、図17(b)及び図17(c)は、断面扇形ユニットを示しており図17(d)及び図17(e)は、断面台形ユニットを示している。
第一の辺611と第二の辺612の形成する角度は直角であり、傾斜辺613はその直角に対向して設けられている。傾斜辺613は円弧からなる。
傾斜辺613は第一の辺611及び第二の辺612に接続している。
図17(b)に示す断面扇形ユニット620の長手方向に垂直な断面における形状は、第一の辺621と、第二の辺622と、傾斜辺623と、第三の辺624を有する。
第一の辺621と第二の辺622の形成する角度は直角であり、傾斜辺623はその直角に対向して設けられている。傾斜辺623は円弧からなる。
第三の辺624は傾斜辺623と第一の辺621を接続している辺であり、第三の辺624は第二の辺622と平行になっている。
第一の辺631と第二の辺632の形成する角度は直角であり、傾斜辺633はその直角に対向して設けられている。傾斜辺633は円弧からなる。
第三の辺634は傾斜辺633と第一の辺631を接続している辺であり、第三の辺634は第二の辺632と平行になっている。
第四の辺635は傾斜辺633と第二の辺632を接続している辺であり、第四の辺635は第一の辺631と平行になっている。
断面台形ユニットの形状は、その直線部が少なくとも1つの傾斜辺と2つの辺(第一の辺及び第二の辺)を備えていればよく、傾斜辺の数が2つ以上であってもよく、直線部の数が6つ以上であってもよい。なお、「断面台形ユニット」の断面形状は台形に限定されるものではなく、五角形、六角形等の多角形であってもよい。
第一の辺711と第二の辺712の形成する角度は直角であり、傾斜辺713はその直角に対向して設けられている。傾斜辺713は直線からなる。
第三の辺714は傾斜辺713と第一の辺711を接続している辺であり、第三の辺714は第二の辺712と平行になっている。
第一の辺721と第二の辺722の形成する角度は直角であり、傾斜辺723はその直角に対向して設けられている。傾斜辺723は直線からなる。
第三の辺724は傾斜辺723と第一の辺721を接続している辺であり、第三の辺724は第二の辺722と平行になっている。
第四の辺725は傾斜辺723と第二の辺722を接続している辺であり、第四の辺725は第一の辺721と平行になっている。
上記ハニカム焼成体の角部に対応する部分に面取りが施された形状とは、例えば、ハニカム焼成体の外周の角部に対応する部分が、円弧状の曲線から構成されたR面取り形状、又は、上記ハニカム焼成体の角部を直線で切り落とし鈍角のみが存在するように構成されたC面取り形状が挙げられる。
上記ハニカム焼成体の角部のR面取り形状のR寸法及び上記C面取り形状のC寸法としては、望ましい下限が0.3mmであり、より望ましい下限が0.5mmであり、一方、望ましい上限は2.5mmである。
上記ハニカム焼成体の角部のR寸法又はC寸法が0.3mm未満であると、上記ハニカム焼成体の角部に熱応力が集中することを充分に抑制することができなかったり、上記ハニカム焼成体の角部に位置するセルにおける気体の流動性を充分に向上させることができなかったりする。また、上記ハニカム焼成体の角部のR寸法又はC寸法が2.5mmを超えると、ハニカム焼成体の角部の丸みが大きすぎるために、ハニカム焼成体の角部に位置するセルにおいて、鋭角となる角部が生じるので、逆にハニカム焼成体のクラックが発生しやすくなる。
なお、R寸法とは、R面取り形状における円弧の半径を意味する。また、C寸法とは、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。
上述した大容量セルと小容量セルとを設けた場合、PMの捕集効率が向上するからである。
図18(a)、図18(b)、図18(c)及び図18(d)は、本発明のハニカム構造体に係る断面正方形ユニットの端面の一例を模式的に示す側面図である。
これらの図に示すセルの形態は、いずれも大容量セルと小容量セルとが交互に配設された形態である。
即ち、図18(b)ではセル壁833の断面形状が曲線である。
大容量セル831aの断面形状は、セル壁833がセルの断面の中心から外側に向かって凸の形状である。
一方、小容量セル831bの断面形状は、セル壁833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833は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833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831aとセルの断面形状が内側に凹んだ小容量セル831b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。
図18(d)に示すハニカム焼成体880では、大容量セル881a及び小容量セル881bの長手方向に垂直な断面の形状が、角部に相当する部分が円弧状になっている四角形である。
「隣り合う大容量セルの長手方向に垂直な断面の重心間距離」とは、一の大容量セルの長手方向に垂直な断面における重心と、隣り合う大容量セルの長手方向に垂直な断面における重心との最小の距離をいい、一方、「隣り合う小容量セルの長手方向に垂直な断面の重心間距離」とは、一の小容量セルの長手方向に垂直な断面における重心と、隣り合う小容量セルの重心との最小の距離のことをいう。
これらの図面に示す断面異形ユニット910、920、960及び970は、それぞれ大容量セル911a、921a、961a、971a及び小容量セル911b、921b、961b、971bが交互に配設されてなる。
大容量セル及び小容量セルの形状は、上述した断面正方形ユニットの場合と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
これらの図面に示す断面三角形ユニット1010、1020、1060及び1070は、それぞれ大容量セル1011a、1021a、1061a、1071a及び小容量セル1011b、1021b、1061b、1071bが交互に配設されてなる。
大容量セル及び小容量セルの形状は、上述した断面正方形ユニットの場合と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
ハニカム焼成体のセル壁の厚さが0.2mm未満であると、ハニカム構造を支持するセル壁の厚さが薄くなり、ハニカム焼成体の強度を保つことができなくなる。一方、ハニカム焼成体のセル壁の厚さが0.4mmを超えると、ハニカム構造体の圧力損失の上昇を引き起こすからである。
ハニカム焼成体からなるハニカム構造体をフィルタとして使用する場合、ハニカム焼成体の気孔率が35%未満であると、ハニカム焼成体がすぐに目詰まりを起こす。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して容易に破壊されやすくなるからである。
ハニカム焼成体からなるハニカム構造体をフィルタとして使用する場合、ハニカム焼成体の平均気孔径が5μm未満であると、ハニカム焼成体が容易に目詰まりを起こす。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ハニカム焼成体の気孔を通り抜けてしまい、該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からである。
これらのなかでは、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。
ハニカム構造体にCO、HC及びNOx等の排ガス中の有害なガス成分を浄化することが可能となる触媒を担持させることにより、触媒反応により排ガス中の有害なガス成分を充分に浄化することが可能となる。また、PMの燃焼を助ける触媒を担持させることにより、PMをより容易に燃焼除去することが可能となる。
このとき、各ハニカム焼成体の間にはスペーサの厚さ分の空隙が形成される。
20、120、220、320、420、520 セラミックブロック
21a、121a、221a、321a、421a、521a 断面四角形ユニット(ハニカム焼成体)
21b、121b、221b、321b、421b、521b 断面三角形ユニット(ハニカム焼成体)
22、122、222、322、422、522 接着材層
23、123、223、323、423、523 セラミックブロックの外周面
24、124、224、324、424、524 断面四角形ユニット集合体
25、125、225、325、425、525 断面四角形ユニット集合体の外周面
26a、126a、226a、326a、426a、526a 凹部
26b、126b、226b、326b、426b、526b 凸部
30、130、230、330、430、530 シール材層
42a、442a 大容量セル
42b、442b 小容量セル
44、444 セル壁
51、611、621、631、711、712、721 第一の辺
52、612、622、632、712、722 第二の辺
53、613、623、633、713、723 傾斜辺
Claims (19)
- 多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム焼成体が接着材層を介して複数個結束されてなるセラミックブロックと、
前記セラミックブロックの外周面に形成されたシール材層とからなるハニカム構造体であって、
前記セラミックブロックは、長手方向に垂直な断面の形状が四角形である断面四角形ユニットが接着材層を介して複数個結束されてなる断面四角形ユニット集合体と、長手方向に垂直な断面の形状が三角形であり、外周部に外壁が形成された断面三角形ユニットとを含んでなり、
前記断面四角形ユニット集合体の外周面には、凹部及び凸部が階段状に形成されており、
前記凹部には、前記断面三角形ユニットが接着材層を介して存在しており、
前記シール材層の厚さが部分的に異なっていることを特徴とするハニカム構造体。 - 前記凹部は、第一の断面四角形ユニットの第一の側面と、第二の断面四角形ユニットの第二の側面とを含んでなり、
前記第一の側面と、前記断面三角形ユニットの第一の側面とが接着材層を介して互いに接しており、
前記第二の側面と、前記断面三角形ユニットの第二の側面とが接着材層を介して互いに接しており、
前記断面三角形ユニットの第三の側面は、前記断面四角形ユニットのいずれの側面とも互いに接していない請求項1に記載のハニカム構造体。 - 前記断面四角形ユニットの形状は、断面正方形であり、
前記断面三角形ユニットの形状は、断面直角三角形であり、かつ、前記断面四角形ユニットの第一の端面の対角線と、第二の端面の対角線とを通る平面で前記断面四角形ユニットを二等分した形状と一致しており、
前記断面三角形ユニットの第三の側面は、前記直角三角形の斜辺を含む側面である請求項2に記載のハニカム構造体。 - 前記ハニカム焼成体には、断面異形ユニットがさらに含まれており、
前記断面異形ユニットの長手方向に垂直な断面の形状は、少なくとも第一の辺と、前記第一の辺と直角を形成する第二の辺と、前記直角と対向する傾斜辺とを含んで構成されており、
前記断面異形ユニットの外周部には外壁が形成されており、
前記傾斜辺を含む側面は、前記セラミックブロックの外周面を構成している請求項1〜3のいずれかに記載のハニカム構造体。 - 前記断面異形ユニットの第二の辺を含む側面が、前記断面三角形ユニットと接着材層を介して接している請求項4に記載のハニカム構造体。
- 前記シール材層の最も厚い部分の厚みと、前記シール材層の最も薄い部分の厚みとの比が、20:1〜5:3である請求項1〜5のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記シール材層の最も厚い部分の厚みが、5.0〜10.0mmであり、前記シール材層の最も薄い部分の厚みが、0.5〜3.0mmである請求項1〜6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数は25個以上である請求項1〜7のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面の形状が円形であり、直径が190mm以上である請求項1〜8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長手方向に垂直な断面の形状は、八角形である請求項1〜9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長手方向に垂直な断面の形状は、32角形である請求項1〜9のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記多数のセルの前記長手方向に垂直な断面の形状が四角形である請求項1〜11のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記多数のセルは、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大きい請求項1〜12のいずれか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四角形である請求項13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四角形である請求項13に記載のハニカム構造体。
- 長手方向に垂直な断面の形状が四角形であるセルでは、少なくとも一つの角部に相当する部分が円弧状となっている請求項14又は15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けるセルの各辺の形状は、曲線である請求項13〜16のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記多数のセルのいずれか一方の端部が封止されている請求項1〜17のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカム構造体の前記長手方向に垂直な断面の形状は、円、長円、楕円、又は、三角形の頂点部が曲線になっている形状である請求項1〜18のいずれかに記載のハニカム構造体。
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