JP2013154278A - ハニカム構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】排ガスの流速分布をより均一化し、排ガス浄化性能を向上させることができると共に、圧力損失の低減を図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、隔壁１１と複数のセル１２とを有し、コージェライト製であり、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するよう構成されている。ハニカム構造体１の半径をＲとした場合に、中心１０からの距離が１／３Ｒ以下の領域を第１領域２１、中心１０からの距離が１／３Ｒを超え２／３Ｒ以下の領域を第２領域２２、中心１０からの距離が２／３Ｒを超える領域を第３領域２３とし、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３の平均セル密度をそれぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３とした場合に、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たす。第１領域２１、第２領域２２の平均セル密度変化率をそれぞれＫ１、Ｋ２とした場合に、Ｋ１＜Ｋ２の関係を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の内燃機関の排ガスを浄化するための触媒の担体として用いられるハニカム構造体に関する。
自動車等の内燃機関の排ガスを浄化するための触媒の担体として、例えば、格子状に設けられた隔壁とその隔壁に囲まれて形成された複数のセルとを有するハニカム構造体が知られている。
ハニカム構造体は、排ガスの通路となる排気管内に設置して用いられる。そして、高温の排ガスをハニカム構造体に流通させることにより、ハニカム構造体に担持した触媒を活性化させ、排ガスの浄化を行う。
近年、自動車等の排ガス規制が厳しくなっていることから、内燃機関の始動直後に発生する有害物質（コールドエミッション）の低減や高負荷時の有害物質（ホットエミッション）をより一層低減することが求められている。そのため、ハニカム構造体の隔壁の厚みを小さくして軽量化を図り、触媒が活性する温度まで早く昇温させるといった手段や、ハニカム構造体に流入する排ガスの流速分布を均一化するといった手段により、排ガス浄化性能を高めることがなされている。
また、厳しくなる燃費規制に対して、ハニカム構造体の排ガス浄化性能を維持したまま圧力損失を低減することが要求される。
例えば、特許文献１には、中心部と外周部との開口率、吸水率等の関係を規定したハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献２には、セル開口率等が中心部から外周部に向かって連続的又は段階的に増大してなるハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献３には、中心部から外周部に向かって半径方向に形成された半径方向ウェブ（隔壁）の本数が径方向に変化するハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献４には、軸方向において曲がっており、セルを形成する隔壁間のピッチが曲り方向の径内側よりも径外側を相対的に小さくした曲がりハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献５には、薄肉金属板製の平板状帯材と波板状帯材とを巻回積層して形成され、波板状帯材の波のピッチ幅が巻回始端から終端にかけて大きくなるハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献６には、隔壁が中心から外側に向かって凸状に湾曲した形状であり、中心部のセル密度が外周部のセル密度よりも小さいハニカム構造体及びその逆の構成を有するハニカム構造体が開示されている。
特開２００８−１８３７０号公報 特開２００６−２８１１３４号公報 特表２００９−５３２６０５号公報 特許第２６６４１１８号公報 特許第２８６２２９８号公報 特許第４５１１３９６号公報
しかしながら、特許文献１のハニカム構造体では、中心部と外周部との開口率、吸水率等の関係を規定しているが、セルの構造をどのように変化させるか等の具体的な手段についての言及はない。
また、特許文献２のハニカム構造体では、セル開口率等を中心部から外周部に向かって連続的又は段階的に変化させているが、排ガスの流速分布をより均一化するといった効果を十分に得ることができない。
また、特許文献３のハニカム構造体では、半径方向ウェブ（隔壁）の本数が中心部に向かって減少しているため、排ガスが中心部に集中して流れ、圧力損失を低減することができず、排ガス浄化性能を十分に確保することもできない。
また、特許文献４のハニカム構造体では、軸方向において曲がっており、このような構造を通常の軸方向にまっすぐなハニカム構造体に適用することが困難であるばかりか、搭載環境が限定される。また、セルの構造をどのように変化させるか等の具体的な手段についての言及はない。
また、特許文献５のハニカム構造体では、波板状帯材の波のピッチ幅を変化させるが、セルの構造をどのように変化させるか等の具体的な手段についての言及はない。
また、特許文献６のハニカム構造体では、中心部に排ガスが集中して流れやすい構造や外側へ行くほどセル密度が不均一に低くなる部分が生じる構造となるため、排ガスの流れを考慮した浄化性能の向上につながるものではなく、そのデータも開示されていない。さらに、外形寸法が真円でないため、長手方向の外周部に排ガスが流れにくい構造となり、圧力損失を低減することができず、排ガス浄化性能を十分に確保することもできない。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、排ガス浄化性能を向上させることができると共に、圧力損失の低減を図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。
本発明の一の態様は、格子状に設けられた隔壁と該隔壁に囲まれて形成された複数のセルとを有するコージェライト製のハニカム構造体であって、
該ハニカム構造体は、軸方向に直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するよう構成され、
上記ハニカム構造体の半径をＲとした場合に、中心からの距離が１／３Ｒ以下の領域を第１領域、中心からの距離が１／３Ｒを超え２／３Ｒ以下の領域を第２領域、中心からの距離が２／３Ｒを超える領域を第３領域とし、
上記第１領域、上記第２領域、上記第３領域の平均セル密度をそれぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３とした場合に、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たし、
上記第１領域、上記第２領域の平均セル密度変化率をそれぞれＫ１、Ｋ２とした場合に、Ｋ１＜Ｋ２の関係を満たすことを特徴とするハニカム構造体。
上記ハニカム構造体は、軸方向に直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するよう構成されている。また、ハニカム構造体を３つの領域に分割した場合に、第１領域、第２領域、第３領域のそれぞれの平均セル密度Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たす。また、第１領域、第２領域のそれぞれの平均セル密度変化率Ｋ１、Ｋ２は、Ｋ１＜Ｋ２の関係を満たす。
すなわち、通常、全体のセル密度が一様であるハニカム構造体内に排ガスを通過させた場合、排ガスの流速は、内側（中心部）ほど速くなり、外側（外周部）ほど遅くなる。その排ガスの流速分布は変曲点を有しており、中心からの距離が１／３Ｒ以下の領域（第１領域）では流速の変化は小さい。また、中心からの距離が１／３Ｒを超え２／３Ｒ以下の領域（第２領域）となると流速の変化が大きくなり、中心からの距離が２／３Ｒを超える領域（第３領域）になると流速の変化が再び小さくなる。
このようなことから、各領域の平均セル密度及び平均セル密度変化率を上記の関係を満たすようにすることで、ハニカム構造体の外側に排ガスが流れやすくなると共に、内側と外側とにおいて流速のばらつきを小さくすることができる。つまり、流速分布をより均一化することができる。その結果、排ガス浄化性能を向上させ、エミッションの低減を図ることができる。
また、各領域の平均セル密度及び平均セル密度変化率を上記の関係を満たすようにすることで、ハニカム構造体の内側（中心部）の開口率が低くなり、外側（外周部）の開口率が高くなる。そのため、ハニカム構造体の外側に排ガスが流れやすくなり、内側に排ガスが集中して流れることを抑制することができる。これにより、圧力損失の低減を図ることができる。また、ハニカム構造体全体の開口率を高くすることができるため、これによっても圧力損失の低減を図ることができる。
このように、排ガスの流速分布をより均一化し、排ガス浄化性能を向上させることができると共に、圧力損失の低減を図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斜視説明図。 実施例における、実施例Ｅ１のハニカム構造体（セルが四角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ１のハニカム構造体（セルが六角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ２、Ｅ５、Ｅ７のハニカム構造体（セルが四角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ２、Ｅ５、Ｅ７のハニカム構造体（セルが六角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ３、Ｅ６、Ｅ９、Ｅ１０のハニカム構造体（セルが四角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ３、Ｅ６、Ｅ９、Ｅ１０のハニカム構造体（セルが六角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ４のハニカム構造体（セルが四角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ４のハニカム構造体（セルが六角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ８のハニカム構造体（セルが四角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ８のハニカム構造体（セルが六角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、実施例Ｅ１のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ２、Ｅ８のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ３のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ４のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ５のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ６のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ７のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ９のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、実施例Ｅ１０のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、比較例Ｃ１のハニカム構造体の径方向断面を示す説明図。 実施例における、比較例Ｃ１のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、比較例Ｃ２のハニカム構造体（セルが四角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、比較例Ｃ２のハニカム構造体（セルが六角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、比較例Ｃ２のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、比較例Ｃ３のハニカム構造体（セルが四角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、比較例Ｃ３のハニカム構造体（セルが六角形状）の径方向断面を示す説明図。 実施例における、比較例Ｃ３のハニカム構造体における中心からの距離とセル密度及びセル密度変化率との関係を示すグラフ。 実施例における、ハニカム構造体を備えた触媒コンバータを示す説明図。 実施例における、ハニカム構造体の中心からの距離と流速比との関係を示すグラフ。 実施例における、変化率比（Ｋ１／Ｋ２）と流速比との関係を示すグラフ。 実施例における、平均セル密度比（Ｄ１／Ｄ２）とエミッション比（ＵＦ／Ｃ）との関係を示すグラフ。 実施例における、平均セル密度比（Ｄ１／Ｄ２）とエミッション比（Ｓ／Ｃ）との関係を示すグラフ。 実施例における、強化幅とアイソスタティック強度比との関係を示すグラフ。
上記ハニカム構造体は、軸方向に直交する断面（以下、適宜、径方向断面という）において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するよう構成されている。
ここで、「セル密度」とは、単位面積当たりのセルの個数のことである。具体的には、セルを囲む隔壁の中間線（隔壁の厚み方向の中間位置を結んだ線）を結んで形成される部分を単位セルの面積とし、単位面積当たりのセルの個数を求める。
また、「セル密度が連続的に変化する」とは、例えば、中心部から外周部に向かって径方向に隣り合うセルのセル密度が異なる構成等である。また、「セル密度が段階的に変化する」とは、例えば、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が変化するまでの間にセル密度が同じセルが複数並んでいる構成等である。
また、セル密度を連続的又は段階的に変化させる手段としては、例えば、隣り合うセル同士の間隔（セルピッチ）を変化させる方法、セルの形状を変化させる方法等がある。
また、「セル密度変化率」とは、径方向における単位長さ当たりのセル密度の変化率（傾き）のことである。
具体的には、任意のセル（任意セル）を選択し、その１つ外側のセルを外側セルとした場合、任意セルのセル密度をＡ１、外側セルのセル密度をＡ２、任意セルと外側セルとの中心間距離をＢ、全領域の平均セル密度をＣとしたときに、セル密度変化率＝（（Ａ１−Ａ２）／Ｂ）／Ｃの式で表される。
ここで、「任意セルと外側セルとの中心間距離Ｂ」とは、任意セルの中心と外側セルの中心との間の距離であり、ハニカム構造体の中心から外周までの距離を１として求める。
また、「平均セル密度Ｃ」とは、第１領域、第２領域及び第３領域を含む全領域のセル密度の平均のことである。平均セル密度は、（Σ（セル密度×そのセル密度を有する面積））／全面積の式で表される。
また、上記ハニカム構造体は、後述するように、全体を一体成形して構成することもできるし、複数のセグメント（部分）を接合して構成することもできる。
また、上記第３領域の平均セル密度変化率をＫ３とした場合に、Ｋ２＞Ｋ３の関係を満たす構成とすることができる（請求項２）。
すなわち、上述したように、全体のセル密度が一様であるハニカム構造体の流速分布を見た場合、第３領域は、第２領域に比べて流速の変化が小さい。よって、第２領域及び第３領域の平均セル密度変化率Ｋ２、Ｋ３を上記の関係を満たすようにすることで、ハニカム構造体の内側と外側とにおいて流速分布をより均一化し、排ガス浄化性能を向上させるという上述の効果をさらに高めることができる。
また、上記ハニカム構造体の中心からの距離が１／５Ｒ以下の領域を中心領域、中心からの距離が４／５Ｒを超える領域を外周領域とし、上記中心領域、上記外周領域の平均セル密度をそれぞれＤ１、Ｄ２とした場合に、１．１≦Ｄ１／Ｄ２≦２の関係を満たす構成とすることができる（請求項３）。
この場合には、ハニカム構造体の内側と外側とにおいて流速分布をより均一化し、排ガス浄化性能を向上させるという上述の効果をさらに高めることができる。特に、上流側触媒（Ｓ／Ｃ：Ｓｔａｒｔ Ｃａｔａｌｙｓｔ）と下流側触媒（ＵＦ／Ｃ：Ｕｎｄｅｒｆｒｏｏｒ Ｃａｔａｌｙｓｔ）とを備えた構成において、下流側触媒（ＵＦ／Ｃ）におけるエミッションをより一層低減することができる。
また、上記平均セル密度Ｄ１及びＤ２は、１．１５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．５の関係を満たす構成とすることができる（請求項４）。
この場合には、ハニカム構造体の内側と外側とにおいて流速分布をより均一化し、排ガス浄化性能を向上させるという上述の効果をさらに高めることができる。特に、上流側触媒（Ｓ／Ｃ）と下流側触媒（ＵＦ／Ｃ）とを備えた構成において、上流側触媒（Ｓ／Ｃ）におけるエミッションをより一層低減することができる。
また、上記ハニカム構造体は、軸方向に直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に低くなるよう構成することができる（請求項５）。
この場合には、ハニカム構造体の内側と外側とにおいて流速分布をより均一化し、排ガス浄化性能を向上させるという上述の効果をさらに高めることができる。
ただし、上記の構成とした場合、ハニカム構造体の最外周部分のセル密度が低くなり、ハニカム構造体の強度（アイソスタティック強度等）を十分に確保することができないおそれがある。そこで、後述するように、最外周部分（例えば、外周から中心に向かってハニカム構造体の外径の５％の距離までの領域）のセル密度を高くする等して、ハニカム構造体の強度を十分に確保することが望ましい。
また、上記ハニカム構造体は、全体を一体成形してなる構成とすることができる（請求項６）。
この場合には、ハニカム構造体を一体成形とすることにより、複数のセグメントを接合したときに比べて、接合部分がない分だけ圧力損失を低減することができる。これにより、排ガス浄化性能をさらに向上させることができる。
また、上記ハニカム構造体の外周から中心に向かって該ハニカム構造体の外径の５％の距離までの領域を最外周領域とした場合、該最外周領域の平均セル密度は、上記第３領域から上記最外周領域を除いた領域の平均セル密度よりも高い構成とすることができる（請求項７）。
この場合には、ハニカム構造体の強度、特にアイソスタティック強度を向上させることができる。
また、上記ハニカム構造体は、例えば、触媒によって排ガスを浄化する触媒コンバータ等に用いられる。この場合、上記ハニカム構造体の上記隔壁の表面に排ガス浄化用の触媒を担持して用いられる。
また、上記ハニカム構造体の気孔率は、例えば、１０〜７０％とすることができる。また、平均細孔径は、例えば、２μｍ以上とすることができる。
また、上記隔壁の厚みは、例えば、４０〜１６０μｍとすることができる。
また、上記セルの形状は、径方向断面において、例えば、円形、多角形（例えば、四角形、六角形）等とすることができる。
本例では、実施例としての複数のハニカム構造体（実施例Ｅ１〜Ｅ１０）及び比較例としての複数のハニカム構造体（比較例Ｃ１〜Ｃ３）を作製し、これらについて流速分布、排ガス浄化性能等の評価を行った。
まず、実施例としてのハニカム構造体（実施例Ｅ１〜Ｅ１０）について、図を用いて説明する。
図１〜図２０に示すごとく、ハニカム構造体１は、格子状に設けられた隔壁１１と隔壁１１に囲まれて形成された複数のセル１２とを有するコージェライト製のハニカム構造体である。また、ハニカム構造体１は、軸方向Ｘに直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するよう構成されている。
同図に示すごとく、ハニカム構造体１の半径をＲとした場合に、中心１０からの距離が１／３Ｒ以下の領域を第１領域２１、中心１０からの距離が１／３Ｒを超え２／３Ｒ以下の領域を第２領域２２、中心１０からの距離が２／３Ｒを超える領域を第３領域２３とし、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３の平均セル密度をそれぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３とした場合に、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たす。また、第１領域２１、第２領域２２の平均セル密度変化率をそれぞれＫ１、Ｋ２とした場合に、Ｋ１＜Ｋ２の関係を満たす。
以下、これを詳説する。
図１（ａ）に示すごとく、ハニカム構造体１（実施例Ｅ１〜Ｅ１０）は、排ガス浄化用の触媒の担体として用いられるものであり、四角形格子状に設けられた隔壁１１と、その隔壁１１に囲まれて形成された四角形状の複数のセル１２と、外周側面を覆う円筒状の外周壁１３とを有する。また、ハニカム構造体１は、コージェライト製である。また、ハニカム構造体１の寸法は、外径が１０３ｍｍ、長さが１０５ｍｍである。
また、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体１は、全体を一体的に成形した構造のものである（後述する比較例Ｃ１〜Ｃ３のハニカム構造体９も同様である）。
なお、図１（ｂ）に示すごとく、ハニカム構造体１において、セル１２を六角形状とすることもできる。この場合、隔壁１１も六角形格子状となる。
また、図１（ａ）、（ｂ）では、セル１２の形状を簡略化して図示している。実際には、後述のごとく、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するように、セル１２の形状を変化させている
図２に示すごとく、実施例Ｅ１のハニカム構造体１は、軸方向Ｘ（図１）に直交する断面（径方向断面）において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するよう構成されている。なお、図３は、セル１２が六角形状の場合の例である。
また、ハニカム構造体１の中心１０からの距離（ハニカム構造体１の半径Ｒ＝１）に対するセル密度及びセル密度変化率については、図１０に示すとおりである。同図からわかるように、中心１０から第１領域２１の途中までセル密度の変化はない。また、第１領域２１の途中から第３領域２３の途中までセル密度が連続的に変化しており、徐々に低くなっている。また、第３領域２３の途中から外周までセル密度の変化はない。なお、図中のセル密度の単位「ｃｐｓｉ」は、１平方インチ当たりのセルの個数を表す。
図４に示すごとく、実施例Ｅ２、Ｅ５、Ｅ７のハニカム構造体１は、基本的な構成に関して上述した実施例Ｅ１と同様である。なお、図５は、セル１２が六角形状の場合の例である。
また、ハニカム構造体１の中心１０からの距離に対するセル密度及びセル密度変化率については、図１３（実施例Ｅ２）、図１６（実施例Ｅ５）、図１８（実施例Ｅ７）に示すとおりである。同図からわかるように、第１領域２１においてセル密度の変化はない。また、第２領域２２においてセル密度が連続的に変化しており、徐々に低くなっている。また、第３領域２３においてセル密度の変化はない。
図６に示すごとく、実施例Ｅ３、Ｅ６、Ｅ９、Ｅ１０のハニカム構造体１は、基本的な構成に関して上述した実施例Ｅ１と同様である。なお、図７は、セル１２が六角形状の場合の例である。
また、ハニカム構造体１の中心１０からの距離に対するセル密度及びセル密度変化率については、図１４（実施例Ｅ３）、図１７（実施例Ｅ６）、図１９（実施例Ｅ９）、図２０（実施例Ｅ１０）に示すとおりである。同図からわかるように、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３においてセル密度が連続的に変化しており、徐々に低くなっている。その中でも第２領域２２におけるセル密度の変化の度合い（セル密度変化率）が大きい。
図８に示すごとく、実施例Ｅ４のハニカム構造体１は、基本的な構成に関して上述した実施例Ｅ１と同様である。なお、図９は、セル１２が六角形状の場合の例である。
また、ハニカム構造体１の中心１０からの距離に対するセル密度及びセル密度変化率については、図１５に示すとおりである。同図からわかるように、第１領域２１の途中までセル密度の変化はない。また、第１領域２１の途中から第３領域２３の途中までセル密度が連続的に変化しており、３段階に分けて低くなっている。また、第３領域２３の途中から外周までセル密度の変化はない。
図１０に示すごとく、実施例Ｅ８のハニカム構造体１は、基本的な構成に関して上述した実施例Ｅ１と同様である。なお、図１１は、セル１２が六角形状の場合の例である。
また、ハニカム構造体１の中心１０からの距離に対するセル密度及びセル密度変化率については、図１８に示すとおりである。同図からわかるように、第１領域２１においてセル密度の変化はない。また、第２領域２２においてセル密度が連続的に変化しており、徐々に低くなっている。また、第３領域２３においてセル密度の変化はない。
また、図１０に示すごとく、実施例Ｅ８のハニカム構造体１については、外周から中心１０に向かってハニカム構造体１の外径の５％の距離までの領域を最外周領域２４とした場合、最外周領域２４の平均セル密度は、第３領域２３から最外周領域２４を除いた領域（残余領域２５）の平均セル密度よりも高くなっている。なお、最外周領域２４及び残余領域２５は、図１０においてのみ図示してある。
本例において、最外周領域２４の平均セル密度は、３００ｃｐｓｉ（４６．５個／ｃｍ2）であり、残余領域２５の平均セル密度は、４００ｃｐｓｉ（６２個／ｃｍ2）である。
また、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体１の第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３の平均セル密度Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、平均セル密度変化率Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、ハニカム構造体１全体の平均セル密度は、表１に示すとおりである。
同表からわかるように、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体１は、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たしている。また、Ｋ１＜Ｋ２の関係を満たし、かつ、Ｋ２＞Ｋ３の関係を満たしている。なお、表１には、変化率比Ｋ１／Ｋ２を示してある。
また、実施例Ｅ１〜Ｅ６、Ｅ８〜Ｅ１０のハニカム構造体１については、ハニカム構造体１の中心１０からの距離が１／５Ｒ以下の領域を中心領域２６、中心１０からの距離が４／５Ｒを超える領域を外周領域２７とし、中心領域２６、外周領域２７の平均セル密度をそれぞれＤ１、Ｄ２とした場合に、１．１≦Ｄ１／Ｄ２≦２の関係を満たしている。
また、実施例Ｅ５、Ｅ６、Ｅ９、Ｅ１０のハニカム構造体１については、平均セル密度Ｄ１及びＤ２は、１．１５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．５の関係を満たしている。
なお、中心領域２６及び外周領域２７は、図２においてのみ図示してある。また、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体１の中心領域２６、外周領域２７の平均セル密度Ｄ１、Ｄ２、平均セル密度比Ｄ１／Ｄ２は、表１に示すとおりである。
次に、比較例としてのハニカム構造体９（比較例Ｃ１〜Ｃ３）について、図を用いて説明する。
図２１に示すごとく、比較例Ｃ１のハニカム構造体９は、中心１０から外周までセル密度が一定である。その他の基本的な構成は、上述した実施例Ｅ１〜Ｅ９と同様である。
また、ハニカム構造体９の中心１０からの距離に対するセル密度及びセル密度変化率については、図２２に示すとおりである。同図からわかるように、中心１０から外周までセル密度の変化はない。
図２３に示すごとく、比較例Ｃ２のハニカム構造体９は、基本的な構成に関して上述した実施例Ｅ１と同様である。なお、図２４は、セル１２が六角形状の場合の例である。
また、ハニカム構造体９の中心１０からの距離に対するセル密度及びセル密度変化率については、図２５に示すとおりである。同図からわかるように、中心１０から外周までセル密度が連続的に変化しており、徐々に低くなっている。ただし、そのセル密度の変化の度合い（セル密度変化率）は一定である。
図２６に示すごとく、比較例Ｃ３のハニカム構造体９は、基本的な構成に関して上述した実施例Ｅ１と同様である。なお、図２７は、セル１２が六角形状の場合の例である。
また、ハニカム構造体９の中心１０からの距離に対するセル密度及びセル密度変化率については、図２８に示すとおりである。同図からわかるように、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３においてセル密度が連続的に変化しており、徐々に低くなっている。また、第２領域２２におけるセル密度の変化の度合い（セル密度変化率）が第１領域２１、第３領域２３に比べて小さい。
また、比較例Ｃ１〜Ｃ３のハニカム構造体９の第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３の平均セル密度Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、平均セル密度変化率Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、ハニカム構造体９全体の平均セル密度、中心領域２６、外周領域２７の平均セル密度Ｄ１、Ｄ２、平均セル密度比Ｄ１／Ｄ２、変化率比Ｋ１／Ｋ２は、表２に示すとおりである。
同表からわかるように、比較例Ｃ１のハニカム構造体９は、Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ３であり、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たしていない。また、Ｋ１＝Ｋ２＝Ｋ３であり、Ｋ１＜Ｋ２、Ｋ２＞Ｋ３の関係を満たしていない。
また、同表からわかるように、比較例Ｃ２のハニカム構造体９は、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たしている。また、Ｋ１＝Ｋ２＝Ｋ３であり、Ｋ１＜Ｋ２、Ｋ２＞Ｋ３の関係を満たしていない。
また、同表からわかるように、比較例Ｃ３のハニカム構造体９は、Ｍ１＞Ｍ２＜Ｍ３であり、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たしていない。また、Ｋ１＞Ｋ２＜Ｋ３であり、Ｋ１＜Ｋ２、Ｋ２＞Ｋ３の関係を満たしていない。
次に、ハニカム構造体（実施例Ｅ１〜Ｅ１０、比較例Ｃ１〜Ｃ３）の製造方法について説明する。
ハニカム構造体を製造するに当たっては、まず、セラミックス原料を準備する。セラミックス原料の原料粉末としては、カオリン、溶融シリカ、水酸化アルミニウム、アルミナ、タルク、カーボン粒子等を含有し、化学組成が重量比にて最終的にＳｉＯ2：４５〜５５％、Ａｌ2Ｏ3：３３〜４２％、ＭｇＯ：１２〜１８％となるコージェライトを主成分とする組成となるように調整したものを用いた。この原料粉末に水、バインダ等を所定量添加し、混錬することでセラミックス原料を得る。
次いで、押出成形用金型を用いてセラミックス原料を押出成形し、ハニカム成形体を成形する。このとき、隔壁の形状に対応する形状のスリット溝を有する押出成形用金型を用いて押出成形を行う。そして、成形したハニカム成形体をマイクロ波により乾燥させ、所望の長さに切断する。その後、ハニカム成形体を所定の最高温度（例えば、１３９０〜１４３０℃）で焼成する。
これにより、ハニカム構造体を得る。
Figure 2013154278
Figure 2013154278
次に、各ハニカム構造体（実施例Ｅ１〜Ｅ１０、比較例Ｃ１〜Ｃ３）の流速分布、排ガス浄化性能等について評価を行う。以下、流速分布、排ガス浄化性能等の評価方法について説明する。
流速分布の評価は、図２９に示すごとく、排ガス浄化用の触媒を担持したハニカム構造体１（９）をアルミナマット８１で巻いた状態で排気管８２内に設置し、触媒コンバータ８を構成する。また、ハニカム構造体１（９）の下流側には、図示を省略した流速計（ＫＡＮＯＭＡＸ製、ＭＯＤＥＬ６１１５）を設置しておく。次いで、ハニカム構造体１（９）に所定量の空気Ａ１（４ｍ3／分）を流通させ、ハニカム構造体１（９）を通過した直後の空気Ａ２の流速を流速計にて測定する。このとき、ハニカム構造体１（９）の中心から外周までを１０等分し、各地点（計１１地点）の流速を測定する。そして、測定した流速から標準偏差を算出する。
また、流速分布の評価の判定は、比較例Ｃ１、Ｃ２よりも標準偏差が小さい場合には○、比較例Ｃ１、Ｃ２のいずれか一方よりも大きい場合には×とする。
また、排ガス浄化性能の評価は、図２９に示すごとく、排ガス浄化用の触媒を担持したハニカム構造体１（９）をアルミナマット８１で巻いた状態で排気管８２内に設置し、触媒コンバータ８を構成する。この場合に使用するハニカム構造体１（９）は、一度エンジンに搭載して走行し、触媒を劣化させたものである。Ｓ／Ｃ位置での排ガス浄化性能の評価では、Ｓ／Ｃ位置に搭載して触媒を劣化させたものであり、ＵＦ／Ｃ位置での排ガス浄化性能の評価では、ＵＦ／Ｃ位置に搭載して触媒を劣化させたものである。
次いで、ハニカム構造体１（９）は、Ｓ／Ｃ位置とＵＦ／Ｃ位置とに設置する。そして、所定のモード（ＬＡ♯４評価モード）で走行し、排出されるエミッション（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）量をＳ／Ｃ位置とＵＦ／Ｃ位置とで測定する。これにより、比較例Ｃ１のエミッション量を基準とし、実施例Ｅ１〜Ｅ１０、比較例Ｃ２のエミッション比を求める。
また、排ガス浄化性能の評価の判定は、比較例Ｃ１、Ｃ２よりもエミッション比が小さい場合には○、大きい場合には×とする。
なお、上述した流速分布、排ガス浄化性能の評価において、ハニカム構造体に担持する触媒としては、例えば、三元触媒として貴金属である白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１種を含有し、γアルミナを含有したもの、さらにセリア等の酸素吸蔵剤を含有したもの等を用いることができる。
また、アイソスタティック強度の評価は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格ＪＡＳＯ規格５０５−８７において規定されている「アイソスタティック破壊強度試験」に準拠して行う。具体的には、ゴム製の筒状容器内にハニカム構造体をセットし、アルミ製の板で蓋をする。そして、水中において等方加圧圧縮を行い、ハニカム構造体が破壊したときの荷重を測定し、これを基にアイソスタィック破壊強度を求める。本例では、実施例Ｅ２のアイソスタティック破壊強度を基準とし、実施例Ｅ８のアイソスタィック破壊強度比を求める。
Figure 2013154278
次に、流速分布、排ガス浄化性能等の評価結果を表３に示す。
表３からわかるように、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体は、各領域の平均セル密度及び平均セル密度変化率の関係がＭ１＞Ｍ２＞Ｍ３であり、かつ、Ｋ１＜Ｋ２であるため、比較例Ｃ１〜Ｃ３のハニカム構造体に比べて流速分布の標準偏差が小さい。すなわち、ハニカム構造体の内側と外側とにおいて流速分布をより均一化することができる。また、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体は、各領域の平均セル密度変化率の関係がＫ２＞Ｋ３であるため、上述した効果を十分に発揮することができる。
また、図３０は、実施例Ｅ１〜Ｅ４、比較例Ｃ１、Ｃ２のハニカム構造体における中心からの距離と流速比との関係を示したものである。同図は、上述した効果を明確に表している。
また、図３１は、実施例Ｅ１〜Ｅ１０、比較例Ｃ１〜Ｃ３のハニカム構造体における変化率比Ｋ１／Ｋ２と流速比との関係を示したものである。同図は、上述した効果を明確に表している。
以上の結果から、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体は、排ガスの流速分布をより均一化し、排ガス浄化性能を向上させることができることがわかった。
また、実施例Ｅ１〜Ｅ１０のハニカム構造体は、各領域の平均セル密度及び平均セル密度変化率を上記の関係を満たすようにすることで、ハニカム構造体の内側（中心部）の開口率が低くなり、外側（外周部）の開口率が高くなる。そのため、ハニカム構造体の外側に排ガスが流れやすくなり、内側に排ガスが集中して流れることを抑制することができる。これにより、圧力損失の低減を図ることができる。
また、図３２は、表１〜表３に示した値をもとに、平均セル密度比Ｄ１／Ｄ２とエミッション比（ＵＦ／Ｃ）との関係を示したものである。同図には、実施例Ｅ１〜Ｅ１０、比較例Ｃ１、Ｃ２のエミッション比（ＵＦ／Ｃ）がプロットされている。
同図からわかるように、実施例Ｅ１〜Ｅ６、Ｅ８〜Ｅ１０のハニカム構造体は、１．１≦Ｄ１／Ｄ２≦２であることにより、比較例Ｃ１、Ｃ２のハニカム構造体に比べてＵＦ／Ｃ位置におけるエミッション比が小さい。すなわち、ＵＦ／Ｃ位置におけるエミッションを低減することができる。
また、図３３は、表１〜表３に示した値をもとに、平均セル密度比Ｄ１／Ｄ２とエミッション比（Ｓ／Ｃ）との関係を示したものである。同図には、実施例Ｅ１〜Ｅ７、Ｅ９、Ｅ１０、比較例Ｃ１、Ｃ２のエミッション比（Ｓ／Ｃ）がプロットされている。
同図からわかるように、実施例Ｅ５、Ｅ６、Ｅ９、Ｅ１０のハニカム構造体は、１．１５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．５であることにより、比較例Ｃ１、Ｃ２のハニカム構造体に比べてＳ／Ｃ位置におけるエミッション比が小さい。すなわち、Ｓ／Ｃ位置におけるエミッションを低減することができる。
また、表３からわかるように、実施例Ｅ８のハニカム構造体は、最外周領域の平均セル密度を高くしているため、そのような構成としてない実施例Ｅ２のハニカム構造体に比べてアイソスタティック強度比が大きい。すなわち、最外周領域の平均セル密度を高くすることにより、ハニカム構造体の強度を高めることができる。
また、図３４は、強化幅とアイソスタティック強度比との関係を示したものである。ここで、強化幅とは、ハニカム構造体の外径に対して平均セル密度を高くした領域の幅のことである。また、アイソスタティック強度比は、強化幅０％のアイソスタティック強度を１としている。また、ハニカム構造体の基本的な構成は実施例Ｅ８と同様である。また、アイソスタティック強度の測定方法は上記と同様である。
同図からわかるように、強化幅を大きくすればアイソスタティック強度比も大きくなる。また、強化幅が５％を超えるとアイソスタティック強度比の向上はほとんど見られない。また、強化幅を大きくしすぎると排ガスの流速分布を均一化するという効果を十分に得られないおそれがある。よって、強化幅は、ハニカム構造体の外径の５％とすることが好ましい。
１ ハニカム構造体
１０ 中心
１１ 隔壁
１２ セル
２１ 第１領域
２２ 第２領域
２３ 第３領域

Claims (7)

  1. 格子状に設けられた隔壁と該隔壁に囲まれて形成された複数のセルとを有するコージェライト製のハニカム構造体であって、
    該ハニカム構造体は、軸方向に直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に変化するよう構成され、
    上記ハニカム構造体の半径をＲとした場合に、中心からの距離が１／３Ｒ以下の領域を第１領域、中心からの距離が１／３Ｒを超え２／３Ｒ以下の領域を第２領域、中心からの距離が２／３Ｒを超える領域を第３領域とし、
    上記第１領域、上記第２領域、上記第３領域の平均セル密度をそれぞれＭ１、Ｍ２、Ｍ３とした場合に、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３の関係を満たし、
    上記第１領域、上記第２領域の平均セル密度変化率をそれぞれＫ１、Ｋ２とした場合に、Ｋ１＜Ｋ２の関係を満たす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、上記第３領域の平均セル密度変化率をＫ３とした場合に、Ｋ２＞Ｋ３の関係を満たす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、該ハニカム構造体の中心からの距離が１／５Ｒ以下の領域を中心領域、中心からの距離が４／５Ｒを超える領域を外周領域とし、上記中心領域、上記外周領域の平均セル密度をそれぞれＤ１、Ｄ２とした場合に、１．１≦Ｄ１／Ｄ２≦２の関係を満たす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、上記平均セル密度Ｄ１及びＤ２は、１．１５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．５の関係を満たすことを特徴とするハニカム構造体。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のハニカム構造体において、該ハニカム構造体は、軸方向に直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度が連続的又は段階的に低くなるよう構成されていることを特徴とするハニカム構造体。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のハニカム構造体において、該ハニカム構造体は、全体を一体成形してなることを特徴とするハニカム構造体。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のハニカム構造体において、該ハニカム構造体の外周から中心に向かって該ハニカム構造体の外径の５％の距離までの領域を最外周領域とした場合、該最外周領域の平均セル密度は、上記第３領域から上記最外周領域を除いた領域の平均セル密度よりも高いことを特徴とするハニカム構造体。
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