JP2012170935A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】外周壁部におけるクラックの発生を抑制することができ、例え外周壁部にクラックが発生しても外観変形や触媒漏れといった不具合を防止することができるハニカム構造体を提供すること。
【解決手段】ハニカム構造体１は、筒状の外周壁部３と、外周壁部３内においてハニカム状に設けられた隔壁２１と隔壁２１により区画された多数のセル２２とを有するハニカム部２とを備えている。外周壁部３は、ハニカム構造体１の径方向に積層された２層以上の筒状の外周壁層３１からなると共に、隣接する外周壁層３１同士間の境界部３２であって、複数の空隙部３３を設けた空隙境界部３２１を有する。空隙部３３は、外周壁部３における厚み方向の中間位置Ｐよりも内側に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の内燃機関における排ガス浄化用触媒の触媒担体として用いられるハニカム構造体に関する。

従来から、自動車等の内燃機関における排ガス浄化用触媒の触媒担体として、筒状の外周壁部と、その外周壁部内においてハニカム状に設けられた隔壁とその隔壁により区画された多数のセルとを有するハニカム部とを備えたハニカム構造体が知られている。
ハニカム構造体は、例えば、ハニカム状に設けられた隔壁の表面に触媒を担持して用いられるが、以下のような問題があった。

すなわち、ハニカム構造体を排ガスの浄化に用いる場合には、ハニカム構造体を排ガスの熱等を利用して昇温させ、担持した触媒を活性化する必要がある。このとき、ハニカム構造体は、中心部のほうが外周部よりも温度が高くなる傾向にあるため、内側のハニカム部と外側の外周壁部との間に温度差（熱膨張差）が生じる。そして、両者の温度差（熱膨張差）に起因して応力が発生し、外周壁部にクラックが発生することがある。

そこで、特許文献１には、外周壁部と隔壁との間に空隙を形成したハニカム構造体が開示されている。
このハニカム構造体によれば、外周壁部と隔壁との間に形成した空隙により、ハニカム部と外周壁部との間の温度差（熱膨張差）に起因する外周壁部のクラックの発生を抑制することができる。

特開２００５−８７８０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたハニカム構造体は、外周壁部にクラックが発生してしまった場合には、外周壁部から隔壁へのクラックの進行を抑制することができるにとどまる。そのため、発生したクラックが外周壁部の外側に進行して外周面にまで至ると、外周壁部が変形してしまうという問題が生じる。また、発生したクラックが外周壁部の内部を貫通すると、ハニカム部に担持した触媒が外部に漏れてしまうという問題が生じる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、外周壁部におけるクラックの発生を抑制することができ、例え外周壁部にクラックが発生しても外観変形や触媒漏れといった不具合を防止することができるハニカム構造体を提供しようとするものである。

本発明は、筒状の外周壁部と、該外周壁部内においてハニカム状に設けられた隔壁と該隔壁により区画された多数のセルとを有するハニカム部とを備えたハニカム構造体において、
上記外周壁部は、上記ハニカム構造体の径方向に積層された２層以上の外周壁層からなると共に、隣接する上記外周壁層同士間の境界部であって、複数の空隙部を設けた空隙境界部を有し、
上記空隙部は、上記外周壁部における厚み方向の中間位置よりも内側に設けられていることを特徴とするハニカム構造体にある（請求項１）。

上記ハニカム構造体において、上記外周壁部は、２層以上の外周壁層を積層して構成されている。また、上記外周壁部は、隣接する外周壁層同士間の境界部であって、複数の空隙部を設けた空隙境界部を有する。そのため、例えば、ハニカム構造体を昇温させ、ハニカム部の隔壁に担持した触媒を活性化させる場合に、内側のハニカム部と外側の外周壁部との間の温度差（熱膨張差）に起因して発生する応力を、外周壁部の空隙境界部に設けた空隙部によって緩和することができる。これにより、外周壁部におけるクラックの発生を抑制することができる。

また、上記空隙部は、外周壁部における厚み方向の中間位置よりも内側に設けられている。すなわち、空隙部から外周壁部の内周面までの距離を空隙部から外周壁部の外周面までの距離よりも短くしている。そのため、例え外周壁部にクラックが発生しても、そのクラックが強度の弱い空隙部を起点として内側（外周壁部の内周面側）に進行し易くすることができる。言い換えると、クラックが空隙部を起点として外側（外周壁部の外周面側）に進行することを抑制することができる。これにより、クラックが外周壁部の外周面にまで至り、外周壁部が変形するといったことや、クラックが外周壁部の内部を貫通し、ハニカム部の隔壁に担持した触媒が外部に漏れるといったことを防止することができる。

このように、本発明によれば、外周壁部におけるクラックの発生を抑制することができ、例え外周壁部にクラックが発生しても外観変形や触媒漏れといった不具合を防止することができるハニカム構造体を提供することができる。

実施例における、ハニカム構造体を示す説明図。 実施例における、ハニカム構造体の外周部分を拡大して示す説明図。 実施例における、外周壁部を示すＳＥＭ写真。 実施例における、空隙部を取り囲む結晶粒子を示すＳＥＭ写真。 実施例における、（ａ）ハニカム構造体成形用金型を示す平面図、（ｂ）供給穴とスリット溝との位置関係を示す説明図。 図５（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面の一部を示す説明図。 実施例における、ハニカム構造体を押出成形する様子を示す説明図。 実施例における、外周壁部にクラックが発生した状態を示す説明図。 実施例における、別例のハニカム構造体の外周部分を拡大して示す説明図。

上記ハニカム構造体において、上記外周壁部は、ハニカム構造体の径方向に積層された２層以上の外周壁層からなる。
ここで、ハニカム構造体の径方向とは、該ハニカム構造体の軸方向に直交する方向のことをいう。

また、上記外周壁部は、隣接する外周壁層同士間の境界部であって、複数の空隙部を設けた空隙境界部を有する。
例えば、外周壁部を構成する外周壁層が２層の場合には、その外周壁層同士間にある境界部が空隙境界部となる。また、外周壁層が３層以上の場合には、それらの外周壁層同士間にある複数の境界部のうち、いずれかの境界部が空隙境界部となる。

また、上記空隙境界部には、複数の空隙部が設けられている。
空隙部は、空隙境界部において、外周壁部の周方向に様々なパターンで設けることができる。例えば、断続的に設けることができる。また、空隙部は、空隙境界部において、ハニカム構造体の軸方向に様々なパターンで設けることができる。例えば、断続的に設けたり、連続的に設けたりすることができる。

また、上記外周壁部における各外周壁層は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等を用いて外周壁部の断面を観察することにより区別することができる。
また、隣接する外周壁層同士間の境界部や空隙部についても、同様の方法により確認することができる。

また、上記外周壁部は、上記ハニカム構造体の径方向に積層された３層以上の筒状の上記外周壁層からなると共に、上記空隙境界部よりも外側に２層以上の上記外周壁層を有することが好ましい（請求項２）。
この場合には、外周壁部にクラックが発生したときに、そのクラックが空隙部を起点として外側に進行することをより一層抑制することができる。

また、上記空隙境界部の上記空隙部は、上記ハニカム構造体の径方向の断面形状が楕円であると共に、その楕円の長軸が上記外周壁部の周方向を向くように形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、内側のハニカム部と外側の外周壁部との間の温度差（熱膨張差）に起因して発生する応力を空隙部によってより一層緩和することができる。

また、上記構成の場合、楕円形状の空隙部の短径は、空隙部の内側に隣接する外周壁層の厚みの１／２以下であることが好ましい。また、長径は、外周壁部に存在する粗大細孔の細孔径の２倍以上であることが好ましい。
この場合には、セルから外周壁部に伝達される熱を空隙部によって緩和することができる。
なお、粗大細孔とは、例えば、ハニカム構造体がコージェライトからなる場合には、コージェライトを構成する主成分である溶融シリカ、水酸化アルミニウム、タルク等が焼成され、コージェライト結晶化されたときに形成される孔のことである。

また、上記空隙部は、上記隔壁を上記ハニカム部よりも外側（外周壁部）に延長して設けたと仮定した場合に、その延長した上記隔壁同士が交差する位置に設けられていることが好ましい。現実的に、すべての空隙部をこのような位置に設けることは困難であるが、一部の空隙部でもこのような位置に設けることが好ましい。
この場合には、セルから外周壁部に伝達される熱を空隙部によって緩和することができる。

また、上記空隙部の周囲には、該空隙部を取り囲むように上記外周壁層を構成する結晶粒子が配置されていることが好ましい。
この場合には、セルから外周壁部に伝達される熱を空隙部によって緩和するという効果を十分に得ることができる。
なお、空隙部を取り囲む結晶粒子とは、例えば、ハニカム構造体がコージェライトからなる場合には、コージェライトを構成する主成分である溶融シリカ、水酸化アルミニウム、タルク等である。

また、上記外周壁部の上記外周壁層の厚みをａ、上記ハニカム部の上記隔壁の厚みをｂとした場合に、ａ／ｂ＝０．９〜１．１であることが好ましい（請求項４）。
この場合には、外周壁部を構成する外周壁層とハニカム部を構成する隔壁とを同じような厚みとすることにより、ハニカム構造体全体の製造を容易とすることができる。

また、上記ハニカム構造体の形状としては、様々な形状を採用することができるが、例えば、円筒形状等とすることができる。
また、上記セルの断面形状としては、様々な形状を採用することができるが、例えば、三角形、四角形、六角形等とすることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるハニカム構造体について、図を用いて説明する。
本例のハニカム構造体１は、図１、図２に示すごとく、筒状の外周壁部３と、外周壁部３内においてハニカム状に設けられた隔壁２１と隔壁２１により区画された多数のセル２２とを有するハニカム部２とを備えている。
外周壁部３は、ハニカム構造体１の径方向に積層された２層以上の筒状の外周壁層３１からなると共に、隣接する外周壁層３１同士間の境界部３２であって、複数の空隙部３３を設けた空隙境界部３２１を有する。空隙部３３は、外周壁部３における厚み方向の中間位置Ｐよりも内側に設けられている。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、ハニカム構造体１は、ハニカム部２と、そのハニカム部２の外周を覆うように設けられた筒状の外周壁部３とにより構成されている。また、ハニカム構造体１は、コージェライトセラミックスからなる。
ハニカム部２は、四角形格子状に設けられた隔壁２１と、その隔壁２１に囲まれて形成された四角形状のセル２２とにより構成されている。隔壁２１の厚みｂ（図２）は、９０μｍである。

図２に示すごとく、外周壁部３は、ハニカム構造体１の軸方向Ｘ（図１）に直交する径方向に、筒状の外周壁層３１を４層積層して構成されている。
各外周壁層３１の厚みａは、９０μｍであり、外周壁部３全体の厚みＡは３６０μｍである。また、外周壁層３１の厚みａと隔壁２１の厚みｂとは、ａ／ｂ＝０．９〜１．１の関係を満たしている。

また、外周壁部３は、各外周壁層３１同士間にある３つの境界部３２を有する。この３つの境界部３２のうち、最も内側の境界部３２には、複数の空隙３３が設けられている。すなわち、最も内側の境界部３２は、複数の空隙部３３を設けた空隙境界部３２１である。よって、外周壁部３は、空隙境界部３２１よりも内側に１層の外周壁層３１を有し、空隙境界部３２１よりも外側に３層の外周壁層３１を有する。

同図に示すごとく、空隙境界部３２１に設けられた空隙部３３は、外周壁部３の外周面３０２までの距離よりも内周面３０１までの距離のほうが短い。すなわち、空隙部３３は、外周壁部３の厚み方向（ハニカム構造体１の径方向）における中間位置Ｐよりも内側に設けられている。
また、空隙部３３は、ハニカム構造体１の径方向の断面形状が楕円である。また、空隙部３３は、その楕円の長軸が外周壁部３の周方向を向くように形成されている。

また、空隙部３３は、隔壁２１をハニカム部２よりも外側（外周壁部３）に延長して設けたと仮定した場合に、その延長した隔壁２１同士が交差する位置（交点部２１９）に設けられている。
なお、図２では、すべての空隙部３３がこのような位置に設けられているが、実際には、複数の空隙部３３のうちの一部がこのような位置に設けられている。

また、図３は、外周壁部３の断面を示すＳＥＭ写真である。同図からわかるように、外周壁部３が４層の外周壁層３１を積層して構成されている。また、各外周壁層３１同士間の３つの境界部３２のうち、最も内側の境界部３２（空隙境界部３２１）に、空隙部３３が形成されている。

また、図４は、焼成前のハニカム構造体１（後述するハニカム成形体の乾燥後焼成前の状態）における空隙部３３の周囲を示すＳＥＭ写真である。同図からわかるように、空隙部３３の周囲には、その空隙部３３を取り囲むように、外周壁部３（外周壁層３１）を構成する結晶粒子３９が配置されている。この状態は、焼成後のハニカム構造体１においても維持される。
なお、結晶粒子３９は、コージェライトを構成する主成分である溶融シリカ、水酸化アルミニウム、タルク等である。

次に、ハニカム構造体１の製造方法について説明する。
本例のハニカム構造体１を製造するに当たっては、まず、溶融シリカ、水酸化アルミニウム、タルク等を含有し、最終的にコージェライトを主成分とする化学組成となるように調整したコージェライト化原料粉末に、水、バインダ等を加えて混練し、スラリー状の成形用材料１０（図７）を得る。
次いで、図７に示すごとく、押出成形用金型５（図５、図６）を用いて、スラリー状の成形用材料１０を押出成形し、ハニカム成形体１００を得る。

ここで、押出成形に用いる押出成形用金型５について説明する。
図５（ａ）に示すごとく、押出成形用金型５は、金型本体５１とガイドリング５４とを備えている。
図６に示すごとく、金型本体５１は、成形用材料１０を供給する供給穴５２１を設けた供給穴部５２と、供給穴５２１に連通して成形用材料１０をハニカム状に成形する四角形格子状のスリット溝５３１を設けたスリット溝部５３とを有する。

図５（ａ）、（ｂ）に示すごとく、スリット溝部５３は、溝形成面５３０に四角形格子状のスリット溝５３１が形成されている。
図５（ａ）、図６に示すごとく、溝形成面５３０は、成形用材料１０の押出方向に突出した段付部５３２における中央溝形成面５３０ａと、段付部５３２の周囲の部分における外周溝形成面５３０ｂとを有する。

図５（ｂ）、図６に示すごとく、供給穴部５２は、穴形成面５２０に供給穴５２１が形成されている。供給穴５２１は、四角形格子状のスリット溝５３１の格子点のうち、縦横方向１つおきの格子点に対応する場所に設けられている。
また、外周溝形成面５３０ｂのスリット溝５３１に連通する供給穴５２１の一部には、成形用材料１０が供給されないように、その供給穴５２１を塞ぐ供給防止部材５２２が配設されている。

図６に示すごとく、ガイドリング５４は、金型本体５１の基準面５１０から成形用材料１０の押出方向へ延びるよう構成されたリング状の立設部５４１と、立設部５４１から内方へ向かって突出していると共にスリット溝部５３との間に間隙５０を設けたガイド部５４２とを有する。

次に、押出成形用金型５を用いた押出成形について説明する。
まず、図７に示すごとく、スクリュー式の押出成形装置（図示略）の先端に取り付けられた押出成形用金型５の供給穴部５２の供給穴５２１に、スラリー状の材料１０を供給する。

同図に示すごとく、供給穴５２１に供給された成形用材料１０のうち、中央溝形成面５３０ａのスリット溝５３１から押し出された成形用材料１０は、四角形格子状の隔壁２１となる。また、外周溝形成面５３０ｂのスリット溝５３１から押し出された成形用材料１０は、間隙５０を通過し、複数の外周壁層３１からなる外周壁部３となる。これにより、隔壁２１及び外周壁部３を同時かつ一体的に成形し、これらを有するハニカム成形体１００を成形する。

このとき、同図に示すごとく、外周溝形成面５３０ｂのスリット溝５３１に連通する供給穴５２１の一部（供給穴５２１ａ）には、供給防止部材５２２が配設されているため、成形用材料１０が供給されない。そのため、外周溝形成面５３０ｂの一部のスリット溝５３１（スリット溝５３１ａ）からは成形用材料１０が断続的に押し出される。なお、図７では、スリット溝５３１ａから成形用材料１０が押し出されていない状態を示している。
このように、成形用材料１０の供給を制御することにより、最も内側の外周壁層３１を構成する成形用材料１０とその外側の外周壁層３１を構成する成形用材料１０との間に、空隙部３３が形成される。

このような成形用材料１０の制御によって空隙部３３が形成される理由としては、供給穴５２１の一部（供給穴５２１ａ）を供給防止部材５２２によって塞ぐことにより、その供給穴５２１ａに成形用材料１０が完全に充填されないため、周囲からの成形用材料１０、押出圧力の不均一等により、その供給穴５２１ａに連通する周囲のスリット溝５３１（スリット溝５３１ａ等）から成形用材料１０が断続的に押し出されるということが考えられる。

次いで、押出成形用金型５を用いて押出成形されたハニカム成形体１００を所望の長さに切断し、マイクロ波、高周波、熱風等で乾燥させる。その後、ハニカム成形体１００を所定の温度で焼成する。
これにより、コージェライトセラミックスからなるハニカム構造体１（図１、図２）を得る。

次に、本例のハニカム構造体１の作用効果を説明する。
本例のハニカム構造体１において、外周壁部３は、２層以上の外周壁層３１を積層して構成されている。また、外周壁部３は、隣接する外周壁層３１同士間の境界部３２であって、複数の空隙部３３を設けた空隙境界部３２１を有する。そのため、例えば、ハニカム構造体１を昇温させ、ハニカム部２に担持した触媒を活性化させる場合に、内側のハニカム部２と外側の外周壁部３との間の温度差（熱膨張差）に起因して発生する応力を、外周壁部３に設けた空隙部３３によって緩和することができる。これにより、外周壁部３におけるクラックの発生を抑制することができる。

また、空隙部３３は、外周壁部３における厚み方向の中間位置Ｐよりも内側に設けられている。すなわち、空隙部３３から外周壁部３の内周面３０１までの距離を空隙部３３から外周壁部３の外周面３０２までの距離よりも短くしている。
そのため、図８に示すごとく、例え外周壁部３にクラック（Ｃ）が発生しても、そのクラック（Ｃ）が強度の弱い空隙部３３を起点として内側（外周壁部３の内周面３０１側）に進行し易くすることができる。言い換えると、クラック（Ｃ）が空隙部３３を起点として外側（外周壁部３の外周面３０２側）に進行することを抑制することができる。
これにより、クラックが外周壁部３の外周面３０２にまで至り、外周壁部３が変形するといったことや、クラックが外周壁部３の内部を貫通し、ハニカム部２の隔壁２１に担持した触媒が外部に漏れるといったことを防止することができる。

また、本例では、外周壁部３は、ハニカム構造体１の径方向に積層された３層以上の筒状の外周壁層３１からなると共に、空隙境界部３２１よりも外側に２層以上の外周壁層３１を有する。そのため、外周壁部３にクラックが発生したときに、そのクラックが空隙部３３を起点として外側に進行することをより一層抑制することができる。

また、空隙境界部３２１の空隙部３３は、ハニカム構造体１の径方向の断面形状が楕円であると共に、その楕円の長軸が外周壁部３の周方向を向くように形成されている。そのため、内側のハニカム部２と外側の外周壁部３との間の温度差（熱膨張差）に起因して発生する応力を空隙部３３によってより一層緩和することができる。

また、一部の空隙部３３は、隔壁２１をハニカム部２の外側（外周壁部３）にまで延長して設けたと仮定した場合に、その延長した隔壁２１同士が交差する位置（交点部２１９）に設けられている。そのため、セル２２から外周壁部３に伝達される熱を空隙部３３によって緩和することができる。

また、空隙部３３の周囲には、空隙部３３を取り囲むように外周壁部３（外周壁層３１）を構成する結晶粒子３９（本例の場合には、コージェライトを構成する主成分である溶融シリカ、水酸化アルミニウム、タルク等）が配置されている。そのため、セル２２から外周壁部３に伝達される熱を空隙部３３によって緩和するという効果を十分に得ることができる。

また、外周壁部３の外周壁層３１の厚みをａ、ハニカム部２の隔壁２１の厚みをｂとした場合に、ａ／ｂ＝０．９〜１．１である。すなわち、外周壁部３を構成する外周壁層３１とハニカム部２を構成する隔壁２１とを同じような厚みとすることにより、ハニカム構造体１全体の製造を容易とすることができる。

このように、本例によれば、外周壁部３におけるクラックの発生を抑制することができ、例え外周壁部３にクラックが発生しても外観変形や触媒漏れといった不具合を防止することができるハニカム構造体１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図９に示すごとく、外周壁部３の構成を変更した例である。
本例では、同図に示すごとく、外周壁部３は、ハニカム構造体１の径方向に、筒状の外周壁層３１を２層積層して構成されている。内側の外周壁層３１の厚みｃは、９０μｍであり、外側の外周壁層３１の厚みｄは、２７０μｍである。

同図に示すごとく、隣接する外周壁層３１同士間の境界部３２には、複数の空隙部３３が設けられている。本例では、この境界部３２が複数の空隙部３３を設けた空隙境界部３２１となる。
空隙境界部３２１に設けられた空隙部３３は、外周壁部３の外周面３０２までの距離よりも内周面３０２までの距離のほうが短い。すなわち、空隙部３３は、外周壁部３における厚み方向（ハニカム構造体１の径方向）の中間位置Ｐよりも内側に設けられている。
その他は、実施例１と同様の構成である。

本例の場合にも、実施例１と同様に、外周壁部３におけるクラックの発生を抑制することができ、例え外周壁部３にクラックが発生しても外観変形や触媒漏れといった不具合を防止することができる。

１ ハニカム構造体
２ ハニカム部
２１ 隔壁
２２ セル
３ 外周壁部
３１ 外周壁層
３２ 境界部
３２１ 空隙境界部
３３ 空隙部

Claims (4)

1. 筒状の外周壁部と、該外周壁部内においてハニカム状に設けられた隔壁と該隔壁により区画された多数のセルとを有するハニカム部とを備えたハニカム構造体において、
   上記外周壁部は、上記ハニカム構造体の径方向に積層された２層以上の外周壁層からなると共に、隣接する上記外周壁層同士間の境界部であって、複数の空隙部を設けた空隙境界部を有し、
   上記空隙部は、上記外周壁部における厚み方向の中間位置よりも内側に設けられていることを特徴とするハニカム構造体。
2. 請求項１に記載のハニカム構造体において、上記外周壁部は、上記ハニカム構造体の径方向に積層された３層以上の筒状の上記外周壁層からなると共に、上記空隙境界部よりも外側に２層以上の上記外周壁層を有することを特徴とするハニカム構造体。
3. 請求項１又は２に記載のハニカム構造体において、上記空隙境界部の上記空隙部は、上記ハニカム構造体の径方向の断面形状が楕円であると共に、その楕円の長軸が上記外周壁部の周方向を向くように形成されていることを特徴とするハニカム構造体。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のハニカム構造体において、上記外周壁部の上記外周壁層の厚みをａ、上記ハニカム部の上記隔壁の厚みをｂとした場合に、ａ／ｂ＝０．９〜１．１であることを特徴とするハニカム構造体。