JP2016196824A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】各ハニカムセグメントから、円筒体に対して垂直な方向に作用する熱応力を緩和し、各ハニカムセグメントを破損から効果的に保護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、ハニカムセグメント２が接合されて断面円形状に形成されている。各ハニカムセグメント２は、セル２２の形成方向Ｌに直交する断面方向において接合されている。各ハニカムセグメント２は、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを対称軸とする、一回転方向Ｃ１への回転対称になる外形を有している。また、ハニカムセグメント２同士を接合する接合層３は、セルの形成方向Ｌから見て、一回転方向Ｃ１に膨らむ円弧形状を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のハニカムセグメントが接合されたハニカム構造体に関する。

自動車、工場等から排気される排ガスを浄化するために、触媒を担持させる担体として、セラミック製の断面円形状のハニカム構造体が多用されている。また、ハニカム構造体は、アルミナマット等のクッション体を間に介して、配管等の円筒体の内部に配置される。比較的熱膨張の大きい材質によって構成されたハニカム構造体を、そのままの形態で使用すると、特に使用温度環境が厳しい一部の車両においては、排ガス等の熱により熱応力が発生して破損するおそれがある。この熱応力を吸収緩和するために、ハニカム構造体を複数のハニカムセグメントに分割し、ハニカムセグメント同士を接着剤等からなる接合層によって接合することがある。
例えば、特許文献１のハニカム構造体においては、接合層を構成する、ハニカムセグメントの側縁部を、折れ曲がった直線状又は曲線状に形成することが開示されている。このハニカム構造体においては、ハニカムセグメント内に捕集された粒子状物質がハニカムセグメントに不均一に付着されている。そして、粒子状物質を燃焼させる際に、ハニカムセグメント内に温度分布を発生させるとともに、隣接するハニカムセグメントとの間において高温部と低温部とが近接することによってハニカムセグメント全体の温度をより均一にし、ハニカム構造体の端面にクラックが発生することを防止している。

特許第５３５１６７８号

しかしながら、従来のハニカム構造体の各ハニカムセグメントに熱膨張が生じる際には、各ハニカムセグメントは、断面円形状の円筒体の径方向外方へ放射状に膨張することになる。そのため、各ハニカムセグメントには、円筒体に対して垂直な方向に熱応力が作用し、各ハニカムセグメントを破損から保護するためには十分ではない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、各ハニカムセグメントの径方向に作用する熱応力を緩和し、各ハニカムセグメントを破損から効果的に保護することができるハニカム構造体を提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、流体の流路となる複数のセルを形成する格子状の隔壁を有する複数のハニカムセグメントが、上記セルの形成方向に直交する断面方向に接合された、断面円形状のハニカム構造体であって、
上記複数のハニカムセグメントのうちの少なくとも最外周側に位置する複数の外周側ハニカムセグメントは、上記ハニカム構造体の断面中心を対称軸とする、一回転方向への回転対称になる外形を有しており、
上記外周側ハニカムセグメント同士を接合する接合層は、上記セルの形成方向から見て、一回転方向に膨らむ円弧形状を有していることを特徴とするハニカム構造体にある。

上記ハニカム構造体においては、ハニカムセグメントの接合層の形成の仕方に工夫をし、ハニカムセグメントに生じる熱応力を緩和する。
具体的には、複数のハニカムセグメントのうちの少なくとも最外周側に位置する複数の外周側ハニカムセグメントは、ハニカム構造体の断面中心を対称軸とする、一回転方向への回転対称になる外形を有している。そして、外周側ハニカムセグメント同士を接合する接合層は、セルの形成方向から見て、一回転方向に膨らむ円弧形状を有している。この接合層の形状により、ハニカム構造体を円筒体の内部に配置して使用する際に、各ハニカムセグメントに熱膨張が生じたときには、この熱膨張による力を、円筒体に対して垂直な径方向外方だけでなく周方向にも作用させることができる。

それ故、上記ハニカム構造体によれば、各ハニカムセグメントの径方向に作用する熱応力を緩和し、各ハニカムセグメントを破損から効果的に保護することができる。

実施例１にかかる、ハニカム構造体を示す斜視説明図。 実施例１にかかる、円筒体の内部に配置されたハニカム構造体を示す平面説明図。 実施例１にかかる、円筒体の内部に配置されたハニカム構造体を示す側方断面説明図。 実施例１にかかる、ハニカムセグメントを示す斜視説明図。 実施例１にかかる、ハニカムセグメントにおける、ハニカム構造体の断面中心付近に位置する角部を示す斜視説明図。 実施例２にかかる、ハニカム構造体を示す斜視説明図。 実施例３にかかる、ハニカム構造体を示す斜視説明図。 実施例４にかかる、ハニカム構造体を示す斜視説明図。

上述したハニカム構造体における好ましい実施の形態について説明する。
上記ハニカム構造体においては、上記格子状の隔壁は、四角格子、六角格子等に形成することができる。
上記ハニカムセグメントにおける、上記セルの形成方向に沿った外縁部には、上記格子状の隔壁の厚みよりも大きな厚みの外縁壁が形成されていてもよい。

また、上記ハニカム構造体は、３つ以上の上記ハニカムセグメントの接合によって形成されており、該３つ以上のハニカムセグメントのすべては、上記ハニカム構造体の断面中心を対称軸とする、一回転方向への回転対称になる同一外形を有していてもよい。
この場合には、ハニカムセグメントのすべてを同一外形にすることにより、ハニカムセグメントの成形及び管理を容易にすることができ、ハニカム構造体のコストダウンを図ることができる。

上記ハニカム構造体は、該ハニカム構造体の中心部に位置する中心側ハニカムセグメントと、該中心側ハニカムセグメントの外周側に位置する３つ以上の上記外周側ハニカムセグメントとから構成されており、該３つ以上の外周側ハニカムセグメントのすべては、上記ハニカム構造体の断面中心を対称軸とする、一回転方向への回転対称になる同一外形を有していてもよい。
この場合には、中心側ハニカムセグメントの存在により、外周側ハニカムセグメントに、ハニカム構造体の断面中心付近に位置する角部が形成されないようにすることができる。そして、ハニカム構造体を形成する際に、ハニカム構造体の断面中心付近において、外周側ハニカムセグメントの角部同士を合わせる必要がなくなり、ハニカム構造体の製造を容易にすることができる。
また、この場合には、外周側ハニカムセグメントの径方向長さが小さくなり、外周側ハニカムセグメントの径方向に生じる熱応力をより緩和できる場合もある。

以下に、ハニカム構造体にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例のハニカム構造体１は、図１に示すように、複数のセラミック製のハニカムセグメント２が接合されて断面円形状に形成されている。各ハニカムセグメント２は、断面円形状のハニカム構造体１の長さ方向（軸方向）Ｌに向けて、流体Ｇの流路となる複数のセル２２を形成する格子状の隔壁２１を有している。各ハニカムセグメント２は、セル２２の形成方向Ｌに直交する断面方向において接合されている。
複数のハニカムセグメント２は、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを対称軸とする、一回転方向Ｃ１への回転対称になる外形を有している。また、複数のハニカムセグメント２同士を接合する接合層３は、セルの形成方向Ｌから見て、一回転方向Ｃ１に膨らむ円弧形状を有している。

以下に、本例のハニカム構造体１について、図１〜図４を参照して詳説する。
図２、図３に示すように、ハニカム構造体１は、金属製の円筒体４としての内燃機関の排気管の内部に、アルミナマット等のセラミックからなるクッション体５を間に介して配置される。本例のハニカムセグメント２は、セリア・ジルコニア等の高熱膨張材料から構成されている。ハニカムセグメント２は、コージェライト等から構成することもできる。セリア・ジルコニアは、コージェライト等に比べて線膨張係数が大きく、熱膨張しやすい性質を有している。
ハニカム構造体１の各ハニカムセグメント２における隔壁２１には、排ガス浄化用の触媒が担持される。ハニカム構造体１は、例えば、円筒体４内に配置されて、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化を行う三元触媒として用いられる。

図４に示すように、ハニカムセグメント２における、セル２２の形成方向Ｌに沿った外縁部には、格子状の隔壁２１の厚みよりも大きな厚みの外縁壁２３，２４が形成されている。外縁壁２３，２４は、ハニカム構造体１の外周部に位置する外周外縁壁２３と、接合層３に位置する接合外縁壁２４とからなる。
接合層３は、アルミナ等の接合材（接着剤）から形成されており、ハニカムセグメント２間に生じる熱応力を低減するものである。

図１に示すように、本例のハニカム構造体１は、４個に分割されたハニカムセグメント２を接合して形成されている。４個のハニカムセグメント２は、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを対称軸とする、一回転方向Ｃ１への回転対称になる同一外形を有している。
ハニカムセグメント２における、接合層３に位置する接合外縁壁２４は、セル２２の形成方向Ｌから見て、円弧形状に形成されている。この円弧形状の接合外縁壁２４は、曲率が変化する円弧形状、一定の曲率の円弧形状等、種々の形状にすることができる。

図４に示すように、各ハニカムセグメント２の断面方向における側面は、１つの円弧状の外周外縁壁２３と２つの円弧状の接合外縁壁２４とによって形成されている。外周外縁壁２３は、セル２２の形成方向Ｌから見て一定の曲率で凸状に形成されている。一方の接合外縁壁２４Ａは、凸状の曲面に形成されており、他方の接合外縁壁２４Ｂは、凹状の曲面に形成されている。

また、図５に示すように、ハニカムセグメント２における、ハニカム構造体１の断面中心Ｏ付近に位置する角部２４１には、隔壁２１同士の間のセル２２の幅Ｗ以下の曲率半径Ｒの曲面を形成することができる。セル２２の幅Ｗは、互いに対向する面同士の間の幅とする。この場合には、ハニカムセグメント２における、ハニカム構造体１の断面中心Ｏ付近に位置する角部２４１に、応力集中が生じにくくすることができる。また、この角部２４１の曲面が、セル２２の幅Ｗ以下の曲率半径Ｒで形成されていることにより、この角部２４１に隣接する接合層３の部分が大きくなることを抑制し、ハニカム構造体１において流体Ｇが通過する断面積を広く維持することができる。

ハニカムセグメント２は、セラミック材料の成形及び焼成を行って形成される。そして、焼成後のハニカムセグメント２の接合外縁壁２４に接合材が塗布され、ハニカムセグメント２同士は、接合材によって接合外縁壁２４において接合される。その後、接合材を乾燥、焼結させて接合層３とし、接合層３によって複数のハニカムセグメント２が接合されたハニカム構造体１が形成される。また、ハニカムセグメント２の外周外縁壁２３によるハニカム構造体１の外周は、アルミナマット等からなるクッション体５によって包み込まれる。そして、ハニカム構造体１はクッション体５を介して金属製の円筒体４の内部に保持される。

本例のハニカム構造体１においては、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを対称軸とする、一回転方向Ｃ１への回転対称になる外形のハニカムセグメント２、及び一回転方向Ｃ１に膨らむ円弧形状の接合層３によって、次の作用効果を得ることができる。
すなわち、ハニカム構造体１を円筒体４の内部に配置して使用する際には、格子状の隔壁２１による複数のセル２２の形成方向Ｌに、流体Ｇとしての排ガスが通過する。このとき、排ガス中の有害ガスは、隔壁２１等に担持された触媒によって反応して浄化される。

このとき、ハニカム構造体１は、排ガスによる熱、触媒反応による熱等を受けて高温に加熱される。そして、各ハニカムセグメント２に熱膨張が生じたときには、この熱膨張による力Ｆを、各ハニカムセグメント２同士の間の接合層３に倣って作用させることができる。そして、図２に示すように、各ハニカムセグメント２が膨張する力Ｆは、接合層３に沿った方向として、円筒体４に対して垂直な径方向Ｒの外方Ｒ１だけでなく、周方向Ｃにおける一回転方向Ｃ１とは逆の回転方向Ｃ２にも向けられる。そのため、熱膨張に伴って各ハニカムセグメント２の径方向Ｒに生じる熱応力を緩和することができる。

それ故、本例のハニカム構造体１によれば、各ハニカムセグメント２の径方向Ｒに作用する熱応力を緩和し、各ハニカムセグメント２を破損から効果的に保護することができる。

また、クッション体５の厚みは、ハニカム構造体１の周方向においてばらつくことが多い。この場合、従来のハニカムセグメントにおいては、ハニカムセグメントが径方向Ｒの外方Ｒ１にのみ膨張して、円筒体４との間にクッション体５を垂直に押圧することになる。そして、特に、クッション体５の厚みが薄くなった部分においては、ハニカムセグメントに熱応力が顕著に作用することになる。

一方、本例のハニカムセグメント２においては、ハニカムセグメント２が径方向Ｒの外方Ｒ１だけでなく周方向Ｃの逆回転方向Ｃ２にも膨張して、ハニカムセグメント２が、円筒体４との間にクッション体５を、垂直な方向にだけでなく横滑りする方向にも押圧する。これにより、ハニカムセグメント２が、円筒体４との間にクッション体５を分散的に押圧することになる。そして、クッション体５の厚みが薄くなった部分においても、ハニカムセグメント２に作用する熱応力を緩和することができる。
従って本例のハニカム構造体１によれば、クッション体５の厚みにばらつきがある場合でも、各ハニカムセグメント２を熱応力による破損から効果的に保護することができる。

また、ハニカムセグメント２は、ハニカム構造体１を４個に分割する外形に形成する以外にも、ハニカム構造体１を３個又は５〜８個に分割する外形に形成することもできる。この場合にも、各ハニカムセグメント２は同一外形にすることが好ましい。
なお、すべてのハニカムセグメント２は、必ずしも同一外形にする必要はなく、例えば、２種類のものから構成することもできる。

（実施例２）
本例は、上記実施例１の場合とは異なる形状のハニカムセグメント２を有するハニカム構造体１についての例である。
本例の複数のハニカムセグメント２は、図６に示すように、ハニカム構造体１の中心部に位置する中心側ハニカムセグメント２Ａと、ハニカム構造体１の最外周側として、中心側ハニカムセグメント２Ａの外周側に位置する複数の外周側ハニカムセグメント２Ｂとから構成されている。
中心側ハニカムセグメント２Ａは、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを中心とする断面円形状に形成されている。外周側ハニカムセグメント２Ｂのすべては、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを対称軸とする、一回転方向Ｃ１への回転対称になる外形を有している。また、外周側ハニカムセグメント２Ｂ同士を接合する接合層３は、セルの形成方向Ｌから見て、一回転方向Ｃ１に膨らむ円弧形状を有している。

外周側ハニカムセグメント２Ｂの断面方向における側面は、１つの円弧状の外周外縁壁２３と、中心側ハニカムセグメント２Ａと対面する１つの円弧状の内周外縁壁２５と、２つの円弧状の接合外縁壁２４とによって形成される。
本例のハニカム構造体１において、各ハニカムセグメント２Ａ，２Ｂに熱膨張が生じたときには、この熱膨張による力を、各外周側ハニカムセグメント２Ｂ同士の間の接合層３に倣って作用させることができる。そして、各外周側ハニカムセグメント２Ｂが膨張する力は、円筒体４に対して垂直な径方向Ｒの外方Ｒ１だけでなく周方向Ｃの逆回転方向Ｃ２にも向けられる。そのため、熱膨張に伴って各ハニカムセグメント２Ａ，２Ｂの径方向Ｒに生じる熱応力を緩和することができる。

それ故、本例のハニカム構造体１によっても、各ハニカムセグメント２Ａ，２Ｂの径方向Ｒに作用する熱応力を緩和し、各ハニカムセグメント２Ａ，２Ｂを破損から効果的に保護することができる。また、本例においては、ハニカム構造体１を形成する際に、ハニカム構造体１の断面中心Ｏ付近において、外周側ハニカムセグメント２Ｂの角部同士を合わせる必要がなくなる。そして、接合層３を介してハニカムセグメント２Ａ，２Ｂを接合する際に隙間が生じにくくすることができ、ハニカム構造体１の製造を容易にすることができる。
本例においても、その他の構成及び図中の符号は実施例１と同様であり、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、上記実施例２の中心側ハニカムセグメント２Ａを、さらに複数のセグメント部２Ｃに分割したハニカム構造体１についての例である。
本例の中心側ハニカムセグメント２Ａは、図７に示すように、４つのセグメント部２Ｃに分割されている。この４つのセグメント部２Ｃは、上記実施例１に示される４つのハニカムセグメント２と同様の形状（相似形状）を有している。また、本例の外周側ハニカムセグメント２Ｂは、上記実施例２に示される外周側ハニカムセグメント２Ｂと同じ形状を有している。

４つのセグメント部２Ｃは、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを対称軸とする、外周側ハニカムセグメント２Ｂの回転対称を形成する一回転方向Ｃ１と同じ回転方向Ｃ１への回転対称になる同一外形を有している。セグメント部２Ｃの断面方向における側面は、外周側ハニカムセグメント２Ｂと対面する１つの円弧状の外周外縁壁２６と、２つの円弧状の接合外縁壁２７とによって形成される。

本例のハニカム構造体１においても、上記実施例２と同様の作用効果を得ることができる。また、本例においては、中心側ハニカムセグメント２Ａにおいても、複数のセグメント部２Ｃに熱膨張が生じたときには、この熱膨張による力を、各セグメント部２Ｃ同士の間の接合層３に倣って作用させることができる。そして、各セグメント部２Ｃが膨張する力は、各外周側ハニカムセグメント２Ｂ及び円筒体４に対して垂直な径方向Ｒの外方Ｒ１だけでなく周方向Ｃの逆回転方向Ｃ２にも向けられる。そのため、熱膨張に伴って各セグメント部２Ｃの径方向Ｒに生じる熱応力を緩和することができる。

それ故、本例のハニカム構造体１によれば、上記実施例２のハニカム構造体１に比べて、各ハニカムセグメント２Ａ，２Ｂの径方向Ｒに作用する熱応力をさらに緩和することができる。
また、セグメント部２Ｃは、中心側ハニカムセグメント２Ａを４個に分割する外形に形成する以外にも、中心側ハニカムセグメント２Ａを３個又は５〜８個に分割する外形に形成することもできる。この場合にも、各セグメント部２Ｃは同一外形にすることが好ましい。なお、すべてのセグメント部２Ｃは、必ずしも同一外形にする必要はなく、例えば、２種類のものから構成することもできる。
本例においても、その他の構成及び図中の符号は実施例２と同様であり、実施例２と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例４）
本例も、上記実施例２の中心側ハニカムセグメント２Ａを、さらに複数のセグメント部２Ｃに分割したハニカム構造体１についての例である。
本例のセグメント部２Ｃは、図８に示すように、ハニカム構造体１の断面中心Ｏを対称軸とする、外周側ハニカムセグメント２Ｂの回転対称を形成する一回転方向Ｃ１とは逆の回転方向Ｃ２への回転対称になる同一外形を有している。
本例のハニカム構造体１においては、複数の外周側ハニカムセグメント２Ｂと複数のセグメント部２Ｃとが膨張する力は、円筒体４に対して垂直な径方向Ｒの外方Ｒ１だけでなく周方向Ｃにも向けられる。

そして、複数の外周側ハニカムセグメント２Ｂが膨張する力は逆回転方向Ｃ２に向けられ、複数のセグメント部２Ｃが膨張する力は一回転方向Ｃ１に向けられる。これにより、複数の外周側ハニカムセグメント２Ｂが膨張する力と、複数のセグメント部２Ｃが膨張する力とを周方向Ｃにおいて相殺させることができる。そのため、熱膨張に伴って各外周側ハニカムセグメント２Ｂと各セグメント部２Ｃとの径方向Ｒに生じる熱応力をさらに緩和することができる。
本例においても、その他の構成及び図中の符号は実施例３と同様であり、実施例３と同様の作用効果を得ることができる。

１ ハニカム構造体
２，２Ａ，２Ｂ ハニカムセグメント
２Ｃ セグメント部
２１ 隔壁
２２ セル
３ 接合層
Ｌ 形成方向
Ｏ 断面中心
Ｒ 径方向
Ｃ 周方向
Ｃ１ 一回転方向
Ｃ２ 逆回転方向

Claims (6)

1. 流体（Ｇ）の流路となる複数のセル（２２）を形成する格子状の隔壁（２１）を有する複数のハニカムセグメント（２，２Ｂ）が、上記セル（２２）の形成方向（Ｌ）に直交する断面方向に接合された、断面円形状のハニカム構造体（１）であって、
   上記複数のハニカムセグメント（２，２Ｂ）のうちの少なくとも最外周側に位置する複数の外周側ハニカムセグメント（２，２Ｂ）は、上記ハニカム構造体（１）の断面中心（Ｏ）を対称軸とする、一回転方向（Ｃ１）への回転対称になる外形を有しており、
   上記外周側ハニカムセグメント（２，２Ｂ）同士を接合する接合層（３）は、上記セル（２２）の形成方向（Ｌ）から見て、一回転方向（Ｃ１）に膨らむ円弧形状を有していることを特徴とするハニカム構造体（１）。
2. 上記ハニカム構造体（１）は、３つ以上の上記ハニカムセグメント（２，２Ｂ）の接合によって形成されており、
   該３つ以上のハニカムセグメント（２，２Ｂ）のすべては、上記ハニカム構造体（１）の断面中心（Ｏ）を対称軸とする、一回転方向（Ｃ１）への回転対称になる同一外形を有していることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体（１）。
3. 上記ハニカムセグメント（２，２Ｂ）における、上記ハニカム構造体（１）の断面中心（Ｏ）付近に位置する角部（２４１）には、上記隔壁（２１）同士の間の上記セル（２２）の幅（Ｗ）以下の曲率半径（Ｒ）の曲面が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のハニカム構造体（１）。
4. 上記ハニカム構造体（１）は、該ハニカム構造体（１）の中心部に位置する中心側ハニカムセグメント（２Ａ）と、該中心側ハニカムセグメント（２）の外周側に位置する３つ以上の上記外周側ハニカムセグメント（２Ｂ）とから構成されており、
   該３つ以上の外周側ハニカムセグメント（２Ｂ）のすべては、上記ハニカム構造体（１）の断面中心（Ｏ）を対称軸とする、一回転方向（Ｃ１）への回転対称になる同一外形を有していることを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体（１）。
5. 上記中心側ハニカムセグメント（２Ａ）は、３つ以上のセグメント部（２Ｃ）に分割されており、
   該３つ以上のセグメント部（２Ｃ）は、上記ハニカム構造体（１）の断面中心（Ｏ）を対称軸とする、上記外周側ハニカムセグメント（２Ｂ）の回転対称を形成する一回転方向（Ｃ１）と同じ回転方向（Ｃ１）への回転対称になる同一外形を有していることを特徴とする請求項４に記載のハニカム構造体（１）。
6. 上記中心側ハニカムセグメント（２Ａ）は、３つ以上のセグメント部（２Ｃ）に分割されており、
   該３つ以上のセグメント部（２Ｃ）は、上記ハニカム構造体（１）の断面中心（Ｏ）を対称軸とする、上記外周側ハニカムセグメント（２Ｂ）の回転対称を形成する一回転方向（Ｃ１）とは逆の回転方向（Ｃ２）への回転対称になる同一外形を有していることを特徴とする請求項４に記載のハニカム構造体（１）。

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