JP2016191359A - ハニカム構造体、及びその製造方法 - Google Patents
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図1A〜図1Cに本発明のハニカム構造体の第一実施形態を示す。本実施形態のハニカム構造体100は、複数のハニカムセグメント5と、接合部3とを備える。複数のハニカムセグメント5は、流体(例えば、排ガスG)の流路となる排ガス流入端面11から排ガス流出端面12まで延びる複数のセル2を区画形成する隔壁1ならびに外周壁(図示せず)を有し、且つ、接合部3を介して互いの接合面で一体的に接合されている。ハニカムセグメント5の排ガス流入端面11において、ハニカムセグメント5の少なくとも一つの外側面6に流入端面凸部4aが形成されている。ハニカムセグメント5の排ガス流出端面12において、ハニカムセグメント5の少なくとも一つの外側面6であって、排ガス流入端面11において流入端面凸部4aが存在していないハニカムセグメント5の外側面6に流出端面凸部4bが形成されている。流入端面凸部4a、及び流出端面凸部4bの外側面6からの高さは、夫々0.5mm以上である。流入端面凸部4a、及び流出端面凸部4bのセル2の流路方向の長さ(L2a、L2b)は、夫々ハニカムセグメント5の流路方向の長さL1の1/6以上、5/6以下である。流入端面凸部4a、及び流出端面凸部4bから外側面6へ移行する部分に少なくとも一つのテーパ部7を有し、このテーパ部7のテーパ角度7’は5°以上である。また、隣り合うハニカムセグメント5、5’の対向する流入端面凸部4aと流出端面凸部4bとが、互いに相補的に配置されている箇所が少なくとも一箇所存在する。ただし、本発明を理解し易くするために、全ての図面において上記ハニカム構造体100の外周壁の記載は省略されている。
本発明のハニカム構造体の製造方法の一の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の製造方法は、複数のハニカムセグメント前駆体を用意する工程(工程A)と、当該ハニカムセグメント前駆体のそれぞれに凸部を形成してハニカムセグメントを得る工程(工程B)と、隣り合うハニカムセグメント同士を相補的な位置に配置する工程(工程C)と、を含む。工程Aは、成形原料を成形して、第一端面から第二端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有する柱状のハニカムセグメント前駆体8(図3参照)を形成する工程である。工程Bは、得られたハニカムセグメント前駆体8において、ハニカムセグメント前駆体8の少なくとも一つの外側面6に、第一の凸部4aを形成し、且つ、第二端面において、ハニカムセグメント前駆体8の少なくとも一つの外側面6であって、上記第一端面において凸部4aが存在していない外側面6に、第二の凸部4bを形成してハニカムセグメント5を得る工程である。工程Cは、図示は省略するが、隣り合うハニカムセグメント5(図3参照)同士を相補的な関係となるように配置する工程である。図3は、本発明のハニカム構造体の製造方法の工程Bの一の実施形態を模式的に示した説明図である。
工程Aは、成形原料を成形して、図3に示すように、流体の流路となる流入端面から流出端面まで延びる複数のセル2を区画形成する隔壁1ならびに外周壁を有するハニカムセグメント前駆体8を形成する工程である。なお、上記流入端面又は流出端面のうち一つを第一端面とした場合には、他の端面が第二端面ということになる。ハニカムセグメント前駆体8を作製する方法については特に制限はなく、従来公知の方法を用いることができる。成形原料は、セラミック原料に分散媒及び添加剤を加えたものであることが好ましい。また、上記成形原料を混練することにより、坏土とすることが好ましい。
工程Bは、得られたハニカムセグメント前駆体8に、図1B及び図2Bに示すような、凸部4、34を形成する工程である。この凸部4、34を形成する方法については、特に制限はないが、例として以下に二つの実施形態を説明する。
工程Cは、隣り合うハニカムセグメント5、35同士を相補的な関係となるように配置する工程である。この具体的な相補的配置については、図1C、及び図2Eに示されている。例えば、図1Cに示すように、隣り合うハニカムセグメント5、5’同士において、隣り合うハニカムセグメント一のハニカムセグメント5の流出端面凸部4bと、これに対向する他のセグメント5’の流入端面凸部4a’とが、互いに相補的な関係となるように配置される。ハニカムセグメントが配置される際、このような相補的配置箇所が少なくとも一箇所設けられていることが好ましい。
まず、セラミック原料としてSiC粉末80%及び金属Si粉末20%の混合粉末、造孔材として平均粒子径10μmのでんぷんとアクリル酸系高分子樹脂の混合物を13質量部、分散媒として水を35質量部、有機バインダとしてヒドロキシプロピルメチルセルロース6質量部を添加して成形原料を作製した。得られた成形原料を、ニーダーを用いて混練して、坏土を得た。
ハニカムセグメント前駆体の外側面を研削加工する代わりに、緩衝材を取り付けることによって凸部を形成したことを除き、実施例1〜11と同様の方法でハニカム構造体を作製した。緩衝材は、ハニカムセグメント前駆体と同一のセラミック材料粉末に水を混練して作成したペースト状の材料を用いた。このようにして、直径144mm×長さ152mm、隔壁厚み0.305mm、セル密度46.5セル/cm2のハニカム構造体を得た。実施例12〜25の凸部のテーパ角度(°)、凸部の高さ(mm)、及び凸部のハニカムセグメント(ハニカム構造体)の流路方向の全長に対する長さの比を表1に示す。なお、表1において、凸部がハニカムセグメントに緩衝材を取り付けたことを明確にするために、形成手法として「緩衝材取付」と記載した。
凸部を形成しなかったことを除き、実施例1と同様にハニカム構造体を作製した。このようにして、直径144mm×長さ152mm、隔壁厚み0.305mm、セル密度46.5セル/cm2のハニカム構造体を得た。
テーパ角が5°未満(2°)、又は凸部高さが0.5mm未満(0.4mm)、又は凸部長さのハニカムセグメント長さに対する割合が1/6未満(1/8)であることを除き、実施例1と同様にハニカム構造体を作製した。比較例2〜4の凸部のテーパ角度(°)、凸部の高さ(mm)、及び凸部のハニカムセグメント(ハニカム構造体)の流路方向の全長に対する長さの比を表1に示す。
テーパ角が5°未満(2°)、又は凸部高さが0.5mm未満(0.4mm)、又は凸部長さのハニカムセグメント長さに対する割合が1/6未満(1/8)であることを除き、実施例12と同様にハニカム構造体を作製した。比較例5〜7の凸部のテーパ角度(°)、凸部の高さ(mm)、及び凸部のハニカムセグメント(ハニカム構造体)の流路方向の全長に対する長さの比を表1に示す。
(ハニカムセグメントの脱落評価)
EURO4仕様の2.0Lディーゼルエンジンを用いて、ハニカム構造体の隔壁に、上記ディーゼルエンジンから排出された煤を、7.0〜10.0g/Lまで捕集した後、そのハニカム構造体をエンジンの後段の排ガス処理システムの配管内に搭載した。その後、エンジン回転数を2000rpm、エンジントルクを60Nmとし、ハニカム構造体の流入端面側から20mm手前で、燃料噴射後90秒後に排気ガス温度が620℃±10℃になるよう燃料噴射した。620℃±10℃に到達した時点でアイドリング状態へ制御し、ハニカム構造体内に捕集した煤を燃焼し、ハニカム構造体の再生を行った。ハニカム構造体再生時の最高温度が、夫々950℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃まで上昇するように、煤の捕集量を変化させた。
先ず、日本工業規格JIS R1601に示される4点曲げ強度試験法に準拠することにより各実施例ならびに各比較例のハニカムセグメント及び凸部の「曲げ強度」を測定する。次に、この測定結果から「応力−歪曲線」を作成する。このようにして得られた「応力−歪曲線」の傾きを算出し、この「応力−歪曲線」の傾きをヤング率とする。このようにして得られた各実施例ならびに各比較例のハニカムセグメント及び凸部のヤング率の測定結果の比(ハニカムセグメントのヤング率:凸部のヤング率)を、表1に示す。
表1に示すように、実施例1〜25のハニカム構造体は、再生時の最高温度が1200℃までは、ハニカムセグメントの脱落評価において良好な結果を得ることができた。比較例2〜7のハニカム構造体は、ハニカムセグメントの脱落が確認されたため、不可という評価であった。すなわち、凸部を有するハニカムセグメントであっても、当該凸部のテーパ角度が5°未満、凸部高さが0.5mm未満、及び凸部長さのハニカムセグメント長さに対する割合が1/6未満のいずれかの条件を満たさないものについては、ハニカムセグメントの脱落が確認された。したがって、上記条件を満たさない凸部を有するハニカムセグメントについては、従来の凸部を有さないハニカムセグメント(比較例1)と同様に、熱応力発生時に接合部にクラックが発生した場合にはハニカムセグメントの脱落を防止できなかった。
Claims (12)
- 複数のハニカムセグメントと、接合部とを備え、
前記複数のハニカムセグメントは、流体の流路となる流入端面から流出端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁ならびに外周壁を有し、且つ、前記接合部を介して互いの接合面で一体的に接合され、
前記ハニカムセグメントの流入端面において、前記ハニカムセグメントの少なくとも一つの外側面に流入端面凸部が形成され、
前記ハニカムセグメントの流出端面において、前記ハニカムセグメントの少なくとも一つの外側面であって、前記流入端面において前記流入端面凸部が存在していないハニカムセグメントの外側面に流出端面凸部が形成され、
前記流入端面凸部、及び前記流出端面凸部の前記外側面からの高さが、夫々0.5mm以上であり、
前記流入端面凸部、及び前記流出端面凸部の前記セルの流路方向の長さが、夫々前記ハニカムセグメントの長さの1/6以上、5/6以下であり、
前記流入端面凸部、及び前記流出端面凸部から前記外側面へ移行する部分に少なくとも一つのテーパ部を有し、前記テーパ部のテーパ角度が5°以上であり、及び、
隣り合うハニカムセグメントの対向する前記流入端面凸部と前記流出端面凸部とが、互いに相補的に配置されている箇所が少なくとも一箇所存在する、ハニカム構造体。 - 前記ハニカムセグメントの材料が、炭化珪素、窒化珪素、ムライト、炭化珪素−炭化珪素系複合材料、炭化珪素−コージェライト系複合材料、又はコージェライトである、請求項1に記載のハニカム構造体。
- 前記流入端面凸部と前記流出端面凸部が、前記ハニカムセグメントの一部である、請求項1又は2に記載のハニカム構造体。
- 前記流入端面凸部と前記流出端面側凸部が、前記ハニカムセグメントに接合された凸部材で形成される、請求項1又は2に記載のハニカム構造体。
- 前記凸部材のヤング率が、ハニカムセグメントのヤング率の90%以下であり、及び、接合材のヤング率の110%以上である、請求項4に記載のハニカム構造体。
- 前記テーパ部のテーパ角度が5°以上、90°以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
- 前記流入端面凸部、及び前記流出端面凸部の前記外側面からの高さが、0.5mm以上、2.0mm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のハニカム構造体。
- 複数のハニカムセグメント前駆体を用意する工程と、
前記ハニカムセグメント前駆体のそれぞれに凸部を形成して、複数のハニカムセグメントを得る工程と、
隣り合う前記ハニカムセグメント同士を相補的な位置に配置する工程と、を含み、
前記ハニカムセグメント前駆体を用意する工程では、成形原料を成形して、第一端面から第二端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁ならびに外周壁を有する柱状のハニカムセグメント前駆体を形成し、
前記複数のハニカムセグメントを得る工程では、前記ハニカムセグメント前駆体の前記第一端面において、前記ハニカムセグメント前駆体の少なくとも一つの外側面に、第一の凸部を形成し、且つ、前記ハニカムセグメント前駆体の第二端面において、前記ハニカムセグメント前駆体の少なくとも一つの外側面であって、前記第一端面において前記第一の凸部が存在していない前記ハニカムセグメント前駆体の外側面に第二の凸部を形成してハニカムセグメントを得、
前記隣り合う前記ハニカムセグメント同士を相補的な位置に配置する工程では、隣り合う前記ハニカムセグメント同士が相補的な関係となるように配置され、
前記ハニカムセグメントは、前記第一の凸部、及び前記第二の凸部の前記セルの流路方向の長さが、夫々前記ハニカムセグメントの長さの1/6以上、5/6以下であり、且つ、前記第一の凸部、及び前記第二の凸部から前記外側面へ移行する部分に少なくとも一つのテーパ部を有し、前記テーパ部のテーパ角度が5°以上である、ハニカム構造体の製造方法。 - 前記ハニカムセグメント前駆体に凸部を形成してハニカムセグメントを得る工程が、前記ハニカムセグメント前駆体の一部を研削加工することによって凸部を形成する工程を更に含む、請求項8に記載の製造方法。
- 前記ハニカムセグメント前駆体に凸部を形成してハニカムセグメントを得る工程が、前記ハニカムセグメント前駆体の一部を研削加工した後、露出したセルをセラミック材料で埋めることによって凸部を形成する工程を更に含む、請求項8又は9に記載の製造方法。
- 前記ハニカムセグメント前駆体に凸部を形成してハニカムセグメントを得る工程が、前記ハニカムセグメント前駆体の外側面に、緩衝材を用いて凸部を形成する工程を更に含む、請求項8に記載の製造方法。
- 前記ハニカムセグメント前駆体を用意する工程において、成形原料を押し出し成形することにより、前記ハニカムセグメント前駆体を形成する、請求項8〜11のいずれか一項に記載の製造方法。
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