JP2015182011A - セル構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】セル構造体の外周部における応力を緩和しつつ、内部セルの応力を緩和することを課題とする。【解決手段】セル構造体は、筒状に形成されるとともに、外部スリットを有する外周壁部と、前記外周壁部内に形成され、流体が通過する管状通路となる複数の内部セルと、前記外周壁部の筒状の中心部と前記外部スリットとを結ぶ線上に位置する内部セルに設けられた筋交い状の補強部と、を備える。高い引張応力が作用する位置に配置された内部セルに補強部を設けることで、内部セルに発生する応力を低減し、割れ発生を抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、セル構造体に関する。

従来、熱交換器や触媒担体等に適用される多孔質のセラミックを用いたハニカム構造体が知られている。例えば、特許文献１には、耐熱衝撃性に優れたセラミック製のハニカム構造体を提供すべく、外周部に配置される部材にスリットを設けることが開示されている。

特開２０１０−１８５４１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたハニカム構造体のように外周部にスリットを設けると、そのスリットの近傍に配置された隔壁によって形成される内部セルに高い応力が生じる可能性がある。これにより、ハニカム構造体の内部において割れが発生する可能性がある。

そこで、本明細書開示のセル構造体は、セル構造体の外周部における応力を緩和しつつ、内部セルの応力を緩和することを課題とする。なお、前記課題に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の課題の1つとして位置付けることができる。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示されたセル構造体は、筒状に形成されるとともに、外部スリットを有する外周壁部と、前記外周壁部内に形成され、流体が通過する管状通路となる複数の内部セルと、前記外周壁部の筒状の中心部と前記外部スリットとを結ぶ線上に位置する内部セルに設けられた筋交い状の補強部と、を備える。これにより、セル構造体の外周部における応力を緩和しつつ、内部セルの応力を緩和することができる。

本明細書開示のセル構造体によれば、セル構造体の外周部における応力を緩和しつつ、内部セルの応力を緩和することができる。

図１は実施形態のセル構造体を軸方向に直交する断面とした説明図である。 図２（Ａ）は補強部を備えた内部セルを模式的に示す説明図であり、図２（Ｂ）は補強部及び内部スリットを備えた内部セルを模式的に示す説明図である。 図３（Ａ）は及び図３（Ｂ）は複数の内部セルに補強部を設けた例を模式的に示す説明図である。 図４は比較例のセル構造体における温度変化及びセル構造体に作用する応力を模式的に示す説明図である。 図５は比較例のセル構造体に作用する応力分布を模式的に示す説明図である。 図６は内部セルの変形の様子を模式的に示す説明図である。 図７は実施形態のセル構造体に作用する応力分布を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。例えば、各図に描かれた内部セルの寸法自体、また、内部セルの寸法と隔壁の厚みとの比率は、実際のものとは異なっている場合がある。なお、以下の説明では、上下左右方向を図１に示す方向とし、上下方向を縦方向、左右方向を横方向と称する。

（実施形態）
まず、図１を参照しつつ、実施形態のセル構造体１について説明する。図１は実施形態のセル構造体１を軸方向に直交する断面とした説図である。セル構造体１は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック製である。セル構造体１は、押し出し成型によって造られている。本実施形態のセル構造体１は、車両の触媒担体として使用することを想定しているが、セル構造体１と同様の構造を、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラや、ＤＰＦ（Diesel particulate filter）等に用いることもできる。セラミック材料は、効率的な熱伝導を有するとともに、高い耐蝕性を発揮することができる。このため、高熱伝導率を有するセラミック材料は、セル構造体１の材料として好適である。

セル構造体１は、筒状に形成されるとともに、外部スリット２ａを有する外周壁部２を有する。外周壁部２は、断面が円形の筒状となっているが、断面の形状は、円形に限定されるものではなく、他の形状、例えば、楕円形等であってもよい。外部スリット２ａは、４５°間隔で設けられている。外部スリット２ａは、熱による変形によって生じる応力を解放し、外部壁部２の割れ発生を抑制する。

セル構造体１は、外周壁部２内に形成され、流体が通過する管状通路となる複数の内部セル３を備える。管状通路は、紙面と直交する方向が流体の流通方向となる。本実施形態においては、冷却対象流体は排気ガスとなる。内部セル３は、外周壁部２の筒状の断面において左右方向に広がる横隔壁４と上下方向に広がる縦隔壁５とが格子状に配置されて矩形に形成されている。すなわち、内部セル３は、上下方向、左右方向に配列されている。横隔壁４及び縦隔壁５は、それぞれ外周壁部２の軸方向に沿って延びており、これにより、管状通路を形成している。横隔壁４のうち、外周壁部２の断面の円形の直径をなす隔壁を横基準隔壁４ａと称する。また、縦隔壁５のうち、外周壁部２の断面の円形の直径をなす隔壁を縦基準隔壁５ａと称する。横基準隔壁４ａが延びる方向は、４５°間隔で設けられている外部スリット２ａの基準方向となる。すなわち、横基準隔壁４ａが延びる方向がθ＝０°及びθ＝１８０°と一致している。また、縦基準隔壁５ａが延びる方向がθ＝９０°及びθ＝２７０°と一致している。

セル構造体１は、外周壁部２の筒状の中心部２ｂと外部スリット２ａとを結ぶ線Ｌ上に位置する内部セル３ａに設けられた筋交い状の補強部６を備える。ここで、線Ｌ上に位置する内部セル３を第１の内部セル３ａと称することとする。外部スリット２ａは、４５°間隔で８箇所に設けられており、そのうちのθ＝０°、θ＝９０°、θ＝１８０°及びθ＝２７０°については、線Ｌが横基準隔壁４ａ又は縦基準隔壁５ａと一致している。このため、これらの角度に対応する内部セル３には、補強部６は設けられていない。これら以外の角度、すなわち、θ＝４５°、θ＝１３５°、θ＝２２５°及びθ＝３１５°に対応する線Ｌ上に位置する内部セル３を第１の内部セル３ａとし、この第１の内部セル３ａ内に補強部６が設けられている。すなわち、第１の内部セル３ａの内部空間には、線Ｌが通過している。また、第１の内部セル３ａは、横隔壁４及び縦隔壁５によって矩形が表現されている内部セル３の中で最も外周側に位置しているセルが選択されている。

ここで、図２（Ａ）、図２（Ｂ）を参照して、補強部６について、説明する。補強部６は、第１の内部セル３ａの対角線上に配置された筋交い状の部分である。補強部６は、外周壁部２の筒状の中心部２ｂと外部スリット２ａとを結ぶ線Ｌに沿って設けられている。図２（Ａ）では、代表させてθ＝４５°に対応する第１の内部セル３ａに設けられた補強部６を示しているが、θ＝１３５°、θ＝２２５°及びθ＝３１５°に対応する第１の内部セル３ａについても同様の補強部６が設けられている。補強部６は、押し出し成型によって、外周壁部２や内部セル３ａとともに造られる。補強部６を備えることにより、第１の内部セル３に発生する応力を緩和することができる。なお、図２（Ｂ）に示すように第１の内部セル３ａを形成する横隔壁４に内部スリット７を設けてもよい。これにより、さらなる応力の緩和を図ることができる。内部スリット７は、縦隔壁５に設けてもよい。

図３（Ａ）を参照すると、補強部６は、第１の内部セル３ａの周囲に位置する他の内部セル、具体的に、第１の内部セル３ａに隣接する第２の内部セル３ｂに設けることもできる。図３（Ｂ）に示す例では、第１の内部セル３ａの右隣の第２の内部セル３ｂに他の補強部６を設けているが、第１の内部セル３ａの左隣の第２の内部セル３ｂに他の補強部６を設けてもよい。さらに、線Ｌに沿って外周壁部２の中心部２ｂ側に配置された第三の内部セル３ｃに他の補強部６を設けてもよい。このように、補強部６は、一つの外部スリット２ａに対して複数設けてもよい。また、図２（Ｂ）に示す態様と同様に、第２の内部セル３ｂや第３の内部セル３ｃに内部スリット７を設けてもよい。

ここで、第１の内部セル３ａに補強部６を設置する理由について図４及び図５を参照しつつ説明する。図４は比較例のセル構造体５０における温度変化及びセル構造体５０に作用する応力を模式的に示す説明図である。図５は比較例のセル構造体５０に作用する応力分布を模式的に示す説明図である。図５では、ハッチングを付した範囲に応力が生じていることを示している。図４、図５では、θ＝０°〜θ＝４５°までの範囲を示しているが、θが異なる位置においても同様の現象が生じている。比較例のセル構造体５０は、本実施形態のセル構造体１と同様に外部スリット５２ａを備えているが、本実施形態のセル構造体１と異なり、補強部６を備えていない。図４を参照すると、経時変化する温度に起因する熱負荷によって、周方向の引張応力が生じている。すなわち、セル構造体５０の中心部５２ｂ近傍が高温になり、外周部に向かうに従って低温となる同心円状の温度分布となっている。このような温度分布となると、外周部に近いほど、周方向の大きな引張り熱応力が発生じる。このような外周部に生じる熱応力による割れ発生を抑制するために、外部スリット５２ａが設けられている。具体的には、外周壁部５２に生じる応力が緩和されている。

ところが、図５を参照すると、θ＝４５°の位置に設けられた外部スリット５２ａの近傍に位置する内部セル５３の角部Ａにおいて最大応力が生じており、これに起因して、内部セル５３に割れ発生の可能性がある。このように、θ＝４５°の位置に最大応力が生じる理由につき図６を参照しつつ説明する。すなわち、初期状態において矩形の各内部セル５３に、それぞれ引張応力が作用することになるが、θ＝４５°の線Ｌ上に位置する内部セル５３において内部セル５３の対角線と、引張応力の方向が一致する。この結果、θ＝４５°の線Ｌ上に位置する内部セル５３において大きな変形力が生じ、割れ発生の可能性が高まる。このような現象は、θ＝１３５°、θ＝２２５°及びθ＝３１５°の位置においても同様に生じる。

これに対し、本実施形態のセル構造体１では、第１の内部セル３ａに補強部６を備えているため、第１に内部セル３ａに発生する応力が緩和され、内部セル３の割れ発生が抑制される。図７に補強部６及び内部スリット７を備えたセル構造体１の応力分布について説明する。図７では、ハッチングを付した範囲に応力が生じていることを示している。図７に示す例では、第１の内部セル３ａと第２の内部セル３ｂに補強部６が設けられ、第２の内部セル３ｂに内部スリット７が設けられている。図７は実施形態のセル構造体１に作用する応力分布を模式的に示す説明図である。図７では、θ＝０°〜θ＝４５°までの範囲を示しているが、θが異なる位置においても同様の現象が生じている。

図７を参照すると、応力分布が図５に示す比較例の応力分布と異なっている。具体的に、本実施形態における応力は、外周壁部２にも広く分散して生じている。そして、最大応力は、第２の内部セル２ｂに設けた補強部６に生じている。その最大応力の値は、図５において角部Ａに生じていた応力の値よりも低くなっている。これにより、内部セル３における割れ発生が抑制される。

以上説明したように、補強部６を設けることにより内部セル３に生じる応力を低減し、内部セル３の割れ発生を抑制することができる。内部スリット７を設けることにより、さらに割れ発生抑制の効果を高めることができる。

上述のように、横隔壁４と縦隔壁５とが格子状に交差することによって形成される矩形の内部セル３を備える場合、θ＝４５°、θ＝１３５°、θ＝２２５°及びθ＝３１５°において応力が大きくなる。そこで、外部スリット２ａが設けられる位置もこれらの角度に合わせ、さらに、補強部６を設置する内部セルを選定すれば、外周壁部２の割れ抑制と、内部セル３の割れ抑制をバランスよく達成することができる。仮に、外部スリット２ａの位置が、４５°間隔以外の間隔で設定されている場合には、θ＝４５°、θ＝１３５°、θ＝２２５°及びθ＝３１５°に近い内部セル３から補強部６の設定や内部スリット７の設定といった内部セル３の割れ対策を施す。また、補強部６を設ける内部セル３は、できるだけ、外周壁部２に近い内部セル３から補強部６の設定や内部スリット７の設定といった内部セル３の割れ対策を施す。すなわち、高い引張応力が作用する位置に配置された内部セルに補強部を設けることで、内部セルに発生する応力を低減し、割れ発生を抑制する。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１ 熱交換体
２ 外周壁部
２ａ 外部スリット
３ 内部セル
４ 横隔壁
４ａ 基準横隔壁
５ 縦隔壁
５ａ 基準縦隔壁
６ 補強部
７ 内部スリット

Claims (1)

1. 筒状に形成されるとともに、外部スリットを有する外周壁部と、
   前記外周壁部内に形成され、流体が通過する管状通路となる複数の内部セルと、
   前記外周壁部の筒状の中心部と前記外部スリットとを結ぶ線上に位置する内部セルに設けられた筋交い状の補強部と、
   を備えるセル構造体。

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