JP2016536158A - ハニカムセラミック基体、ハニカム押出ダイ、およびハニカムセラミック基体を製造する方法 - Google Patents

ハニカムセラミック基体、ハニカム押出ダイ、およびハニカムセラミック基体を製造する方法 Download PDF

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Abstract

ハニカムセラミック基体（１０２）と、その製造方法と、セラミックまたはセラミック形成材料のバッチからハニカムセラミック基体（１０２）を押出成形するよう構成されたハニカム押出ダイ（４０８）とが提供される。基体（１０２）は、ハニカム基体（１０２）の流入端（１０４）と流出端（１０６）との間に延びる複数の流路（１０８）のハニカム網構造を画成する交差する壁（１１０）の格子を含み得る。各流路（１０８）は、交差する壁である複数の流路壁（１１０）によって画成され得るものであり、複数の流路壁（１１０）のうち少なくとも２つは、凹面状の内面（１１６）の中心部分から対応する流路（１０８）の中心（１２５）を向いた凹面状の角部まで、対応する流路の中心（１２５）を向いた凹面状の内面（１１６）を有する。

Description

優先権の主張
本願は、合衆国法典第３５巻第１２０条に基づき、２０１３年９月２３に出願された米国特許出願第１４／０３３，８８３号による優先権を主張するものであり、その内容に依拠すると共に、その全体を参照して本明細書に組み込む。
以下の説明は、一般的に、基体、基体を製造するための押出ダイ、および基体を製造する方法に関し、より具体的には、ハニカムセラミック基体、ハニカム押出ダイ、およびハニカムセラミック基体を製造する方法に関する。
自動車業界においては、内燃機関からの有害な排出物を低減するための触媒の支持体として、ハニカムセラミック基体がしばしば用いられる。そのようなセラミック基体は、長方形（例えば、正方形）または他の断面形状を有する流路を画成する壁の格子を含むのが典型的である。
本明細書に記載される例では、ハニカムセラミック基体は、得られる基体の流路構造を、例えば、前面開口面積、幾何学的な表面積、および強度等の様々な属性に関して最適化するよう設計された形状に配置されたダイピンを有するダイを用いた、セラミックまたはセラミック形成材料のバッチの押出成形によって作られ得る。最適化された流路構造は、凹面状の内面および凹面状の角部を有する流路壁を有することによって、例えば事実上楕円形の流路構造を設け得る。この最適化された流路構造は、角部のコーティングの盛り上がりを最小化することによるコーティング効率を含む、ほぼ全ての測定分野において、改善された製品性能を生じ得る。
第１の例示的な態様において、ハニカムセラミック基体は、ハニカム基体の流入端と流出端との間に延びる複数の流路のハニカム網構造を画成する交差する壁の格子を含む。各流路は、交差する壁である複数の流路壁によって画成され、該複数の流路壁のうち少なくとも２つは凹面状の内面を有し、該凹面状の内面は、凹面状の内面の中心部分から対応する流路の中心に向いた凹面状の角部まで、対応する流路の中心に向いている。凹面状の角部は、複数の流路壁の各々が該複数の流路壁のうちの別の１つと交差する位置にある。
第１の態様の一例において、複数の流路のうち少なくとも１つの周囲断面形状は、
｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１
の式によって実質的に定義され、式中、ａおよびｂはそれぞれ、各流路を画成する流路壁のそれぞれｙ軸およびｘ軸のいずれかの側にある内面の、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さであり、ｘおよびｙはそれぞれ、各流路を画成する流路壁の内面のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表し、−ａ≦ｘ≦ａであり、−ｂ≦ｙ≦ｂであり、ｎおよびｍは流路壁の湾曲度を定義する指数である。一例では、ｎおよびｍのうち少なくとも一方は約２．５〜約１０の範囲内である。別の例では、ａおよびｂはそれぞれ独立して約３３０μｍ〜約１．８２９ｍｍの範囲内である。更に別の例では、ｎおよびｍは複数の流路にわたって様々である。
第１の態様の別の例では、流路壁は、対応する流路の中心周りに連続的に湾曲している。
第１の態様は、単独で、または上述の第１の態様の例の任意の１以上と組み合わせて提供され得る。
第２の例示的な態様では、ハニカムセラミック基体を製造する方法が提供される。この方法は、未焼成ハニカム基体の流入端と流出端との間に延びる複数の流路のハニカム網構造を画成する交差する壁の格子を含む未焼成ハニカム基体を形成するために、ハニカム押出ダイを通してセラミックまたはセラミック形成バッチ材料を押出す工程を含む。各流路は、交差する壁である複数の流路壁によって画成され、該複数の流路壁のうち少なくとも２つは凹面状の内面を有し、該凹面状の内面は、凹面状の内面の中心部分から対応する流路の中心に向いた凹面状の角部まで、対応する流路の中心に向いている。凹面状の角部は、複数の流路壁の各々が該複数の流路壁のうちの別の１つと交差する位置にある。この方法は、更に、未焼成ハニカム基体を乾燥させる工程と、未焼成ハニカム基体を焼成してハニカムセラミック基体にする工程とを含む。
第２の態様の一例において、複数の流路のうち少なくとも１つの周囲断面形状は、
｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１
の式によって実質的に定義され、式中、ａおよびｂはそれぞれ、各流路を画成する流路壁のそれぞれｙ軸およびｘ軸のいずれかの側にある内面の、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さであり、ｘおよびｙはそれぞれ、各流路を画成する流路壁の内面のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表し、−ａ≦ｘ≦ａであり、−ｂ≦ｙ≦ｂであり、ｎおよびｍは流路壁の湾曲度を定義する指数である。一例において、ｎおよびｍのうち少なくとも一方は約２．５〜約１０の範囲内である。別の例では、ａおよびｂはそれぞれ独立して約３３０μｍ〜約１．８２９ｍｍの範囲内である。別の例では、ｎおよびｍは複数の流路にわたって様々である。
第２の態様の別の例では、流路壁は、対応する流路の中心周りに連続的に湾曲している。
第２の態様は、単独で、または上述の第２の態様の例の任意の１以上と組み合わせて提供され得る。
第３の例示的な態様では、セラミックまたはセラミック形成材料のバッチからハニカムセラミック基体を押出成形するよう構成されたハニカム押出ダイが提供される。ハニカム押出ダイは、マトリックス状に配置されて互いから離間された複数のダイピンであって、該ダイピンの外面において該ダイピンの間に画成される交差するスロットの格子を画成する複数のダイピンを含む。複数のダイピンのうち少なくとも１つの外面における外周は、少なくとも２つの凸面状の側面を含む、対応する角部によって接合された複数の側面を含み、少なくとも２つの凸面状の側面は、凸面状の側面の中心部分から凸面状の側面の対応する角部まで、対応するダイピンの中心から離れる方向に向いている。少なくとも１つの角部は、対応するダイピンの中心から離れる方向に向いた凸面状である。
第３の態様の一例において、複数のダイピンのうち隣接する２つのダイピンの向かい合った側面の間に少なくとも１つの壁スロットが画成される。各向かい合った側面は、該向かい合った側面の中心部分から該向かい合った側面の対応する角部まで、互いに向かい合った凸面状である。壁スロットは、隣接する２つのダイピンの中心部分に向かって凹面状である。
第３の態様の別の例では、ダイピンのうち少なくとも１つの外面の外周の形状は、
｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１
の式によって実質的に定義され、式中、ａおよびｂはそれぞれ、ダイピンのそれぞれｙ軸およびｘ軸のいずれかの側にある側面の、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さであり、ｘおよびｙはそれぞれ、ダイピンの側面のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表し、−ａ≦ｘ≦ａであり、−ｂ≦ｙ≦ｂであり、ｎおよびｍはダイピンの側面の湾曲度を定義する指数である。一例において、ｎおよびｍのうち少なくとも一方は約２．５〜約１０の範囲内である。別の例では、ａおよびｂはそれぞれ独立して約３３０μｍ〜約１．８２９ｍｍの範囲内である。別の例では、ｎおよびｍは複数のダイピンにわたって様々である。
第３の態様の更に別の例では、各ダイピンの側面は互いに対称である。
第３の態様の更に別の例では、各ダイピンの側面は、対応するダイピンの中心周りに連続的に湾曲している。
第３の態様は、単独で、または上述の第３の態様例の任意の１以上と組み合わせて提供され得る。
本開示の上記および他の特徴、態様、および長所は、以下の本開示の詳細な説明を、添付の図面を参照して読めば、よりよく理解される。
本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体の一例を示す斜視図 本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体の一例を示す、図１の線２−２に沿った模式的な断面図 本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体の一例を示す、図２の３で示される部分の拡大図 図３の拡大図 図４の拡大図 ハニカムセラミック基体の構成の様々な代替例を示す、図３と類似の拡大図 ハニカムセラミック基体の構成の様々な代替例を示す、図３と類似の拡大図 ハニカムセラミック基体の構成の様々な代替例を示す、図３と類似の拡大図 ハニカムセラミック基体の構成の様々な代替例を示す、図３と類似の拡大図 ハニカムセラミック基体の構成の様々な代替例を示す、図３と類似の拡大図 ハニカムセラミック基体の構成の様々な代替例を示す、図３と類似の拡大図 ハニカムセラミック基体の構成の様々な代替例を示す、図３と類似の拡大図 本開示の例示的な態様による、流路の慣性の変化に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフ 本開示の例示的な態様による、実効の追加のウェブ連結部長さからも明らかな、流路の耐欠損性に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフ 実効の追加の流路壁厚さに関する、例示的な態様によるハニカムセラミック基体の一例を示す拡大図 本開示の例示的な態様による、流路の前面開口面積の減少率に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフ 本開示の例示的な態様による、流路のウォッシュコート効率についての、実効角部半径に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフ 本開示の例示的な態様による、ハニカムセラミック基体を製造する方法の一例を示すフロー図 本開示の例示的な態様による押出成形装置の一例を示す模式図 本開示の例示的な態様によるダイ部材の一例を示す、図１９の２０で示される部分の模式的な拡大部分断面図 図２０の線２１−２１に沿ったダイ部材の部分断面図 図２１の一部の拡大図 本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体の例を示す拡大図 本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体の例を示す拡大図 本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体の例を示す拡大図
以下、例示的な実施形態が示されている添付の図面を参照して、本開示をより完全に説明する。可能である場合には常に、同一参照番号はこれらの図面を通して同じまたは類似の部分を参照するために用いられる。しかし、本開示は、多くの異なる形態で具現化され得るものであり、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。これらの例示的な実施形態は、本開示を完全なものとするために提供されるものである。
図１は、ハニカムセラミック基体１０２の一例を示す斜視図である。図示されるハニカムセラミック基体１０２は必ずしも縮尺通りではなく、単にハニカムセラミック基体１０２の一例の模式的な表現として示される。ハニカムセラミック基体１０２は、流入端１０４と、流入端１０４の反対側に位置する流出端１０６とを含む。流路１０８のハニカム網構造を画成する交差する壁の格子が、流入端１０４と流出端１０６との間に延びている。一例では、略全ての流路１０８は塞がれておらず、従って、ハニカムセラミック基体１０２の流入端１０４から流出端１０６まで妨げられない流路を提供する。
図２は、本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体１０２の一例を示す、図１の線２-２に沿った模式的な断面図である。図２に示されるように、流路１０８は、ハニカムセラミック基体１０２の流入端１０４と流出端１０６との間に長手方向に延びる交差する壁である複数の流路壁１１０によって構成され得る。流路１０８および流路壁１１０は、それぞれ、略平行な向きで、流入端１０４と流出端１０６との間に長手方向に延びてもよい。更に図示されているように、ハニカムセラミック基体１０２は、流入端１０４と流出端１０６との間に長手方向に延び得る外面１１２を画成する外皮を含み得る。図示されるように、外面１１２は、円形の断面形状を有する円筒形状を有し得る。更に別の例では、外面１１２は、楕円形、多角形、または他の形状を有し得る。例えば、図示しないが、外面１１２は、三角形、長方形（例えば正方形）、または他の多角形形状等の多角形の形状を有してもよい。更に、図示されるように、ハニカムセラミック基体１０２は、単一のモノリシックな基体で構成され得るが、基体は、多くの基体が互いに平行に取り付けられて所望の全体的な断面構成を提供する分割された基体で構成されてもよい。単一のモノリシックな基体であるか分割された基体であるかに関わらず、本開示の複数の態様による様々な幾何形状が導入されてよい。例えば、基体は、長方形（例えば正方形）または３つ以上の辺を有する他の多角形形状の断面の外周を有してもよい。更に別の例では、基体は、円形、楕円形、または他の湾曲した形状の断面の外周を有してもよい。
ハニカムセラミック基体１０２は、様々なセル密度を有してよく、単位面積当たり、より大きいまたはより小さい数の流路１０８が設けられ得る。例えば、流路密度は、ハニカムセラミック基体１０２の断面において約７．７５本／ｃｍ２（５０本／インチ２）〜約２３２．５本／ｃｍ２（１５００本／インチ２）の範囲内であり得る。従って、図１および図２に示されている例は、限定的なものであることは意図せず、本開示の複数の態様による様々な範囲のセル密度が設けられてよい。
更に別の例では、流路１０８を構成する流路壁の構造は、それぞれ異なる構成を有し得る。図３は、本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体１０２の一例を示す、図２の３で示されている部分の拡大図である。説明の目的で、図３は、９本の流路１０８のグループを示している。図４は、本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体１０２の流路１０８の一例を示す、図３の拡大図である。図５は、例示的な流路１０８の更なる特徴を示す、図４の拡大図である。図６〜図１２はそれぞれ、本開示の複数の態様による様々な代替の流路１０８ａ〜１０８ｇの構成を示す、図３〜図５のハニカムセラミック基体１０２と類似の代替のハニカムセラミック基体１０２ａ〜１０２ｇの拡大図である。例えば図１〜図１２に示されているように、各例示的なハニカムセラミック基体では、流路構造は、凹面状の内面および凹面状の角部を有する流路壁を有し得る。実際、凹面状の内面および凹面状の角部を有する流路壁は、図１〜図６および図１０に顕著に示されており、図７〜図９、図１１、および図１２に示されている流路構造の流路壁および角部の拡大図にもより顕著に示されている。この最適化された流路構造は、角部のコーティングの盛り上がりを最小化することによるコーティング効率を含む、ほぼ全ての測定分野において、改善された製品性能を生じ得る。
図３〜図１２に示されている例では、各流路１０８、１０８ａ〜１０８ｇは、複数の交差する流路壁１１０によって画成され、複数の流路壁１１０のうち少なくとも２つは、凹面状の内面１１６の中心部分１２０から対応する流路１０８の中心１２５を向いた凹面状の角部１１８まで、対応する流路１０８の中心１２５を向いた凹面状の内面１１６を有する。凹面状の角部１１８は、複数の流路壁１１０の各々が、複数の流路壁１１０のうちの別の１つと交差する位置にある。図３〜図６および図１０に示されている流路１０８の構成は、対応する流路１０８の中心１２５周りに連続的に湾曲した凹面状の流路壁１１０および凹面状の角部１１８を有する概ね楕円形である。例えば図７〜図９、図１１、および図１２に示されている更に別の例は、対応する流路１０８の中心１２５周りに連続的に湾曲した凹面状の流路壁１１０および凹面状の角部１１８を有する正方形状または長方形状の構成を有する流路１０８を有し得る。
上述したように、ハニカムセラミック基体１０２の流路１０８は、流路１０８の前面開口面積（ＯＦＡ）および幾何学的な表面積（ＧＳＡ）のために最適化された流路形状を得るために、凹面状の流路壁および凹面状の角部を有する、ラメ曲線としても知られている超楕円形、概ね楕円形、または正方形状もしくは長方形状であってよい。流路壁１１０の長さと、流路壁１１０および角部１１８の湾曲度とを制御することにより、様々な所望の流路形状を得てもよい。例えば、流路１０８のうち少なくとも１つの周囲断面形状は、式（Ｉ）によって実質的に定義される。
｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１ …（Ｉ）
図４および図５に示されているように、ａおよびｂはそれぞれ、各流路１０８を画成する流路壁１１０のそれぞれy軸およびx軸のいずれかの側にある内面１１６の、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さである。換言すれば、ａおよびｂは、正方形または長方形の流路１０８を提供するために流路壁１１０が真に直線であると仮定した場合の、それぞれｘおよびｙ方向に沿った半分の長さを表す。寸法ａおよびｂは、ハニカムセラミック基体１０２における流路１０８の密度と、流路１０８間の流路壁１１０の厚さとを定義するものである。参照符号ｘおよびｙは、各流路１０８を画成する流路壁１１０の内面１１６のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表す。更に、−ａ≦ｘ≦ａであり、−ｂ≦ｙ≦ｂである。更に、ｎおよびｍは流路壁１１０の湾曲度を定義する指数である。
一例では、ｎおよびｍのうち少なくとも一方は約２．５〜約１０の範囲内であり得る。別の例では、ａおよびｂはそれぞれ独立して約３３０μｍ（０．０１３インチ）〜約１．８２９ｍｍ（０．０７２インチ）の範囲内であり得る。更に別の例では、隣接する流路１０８間の複数の流路壁１１０の厚さは約２５．４μｍ（０．００１インチ）〜約４８２．６μｍ（０．０１９インチ）の範囲内であり得る。
更に別の例では、各流路１０８内の流路壁１１０は略同一の長さを有してもよい。更に別の例では、各流路１０８における流路壁１１０のうち少なくとも２つは同じ長さを有してもよい。更に、各流路１０８の流路壁１１０は互いに対称であってもよい。
式（Ｉ）は、緩やかに湾曲した内面１１６と、より顕著に湾曲した角部１１８とを有する流路１０８を生じる。たとえ緩やかに湾曲した内面１１６よりも顕著な湾曲を有する角部１１８を有しても、流路１０８の各流路壁１１０は、対応する凹面状の角部間の流路壁の長さにわたって、対応する流路１０８の中心１２５に向かって連続的に湾曲している。更に別の例では、流路の内面全体は、流路の全周に関して連続的に凹面状であり、内面は、流路の内面の内周に関して互いにシームレスに移行する緩やかな凹面状の流路壁１１０とより顕著な凹面状の角部１１８とによって画成される。
式（Ｉ）の指数ｎおよびｍは、角部１１８におけるコーティングの盛り上がりを最小化すると共に前面開口面積を最大化するために、上記で参照した属性を満たすように、流路の密度および隣接する流路間の流路壁１１０の厚さに応じて調整される。図６〜図１２に示されている例は、指数ｎおよびｍの調節が、流路１０８の湾曲度および内面１１６の凹面度に対して実装し得る能力を示すものである。より具体的には、図６〜図１２は、式（Ｉ）により、流路１０８ａ〜１０８ｇの湾曲度を減少しつつ、同時に内面１１６の凹面度が維持され得ることを示している。
例えば、図６〜図９は、流路密度が６９．７５本／ｃｍ２（４５０本／インチ２）であり、隣接する流路１０８間の複数の流路壁１１０の厚さが６３５μｍ（０．０２５インチ）であるハニカムセラミック基体１０２ａ〜１０２ｇを示している。しかし、図６〜図９はそれぞれ、指数ｎおよびｍが調整されたハニカムセラミック基体１０２を示す。図６は、ｎおよびｍが３．６に等しいハニカムセラミック基体１０２ａを示す。図７は、ｎおよびｍが４．０に等しいハニカムセラミック基体１０２ｂを示す。図８は、ｎおよびｍが１０に等しいハニカムセラミック基体１０２ｃを示す。図９は、ｎおよびｍが５０に等しいハニカムセラミック基体１０２ｄを示す。図６〜図９の比較からわかるように、指数ｎおよびｍを変えることにより、流路１０８の湾曲度および内面１１６の凹面度を変更することができる。
図１０および図１１は、流路密度が９３本／ｃｍ２（６００本／インチ２）であり、隣接する流路１０８間の複数の流路壁１１０の厚さが５７１．５μｍ（０．０２２５インチ）であるハニカムセラミック基体１０２ｅ〜１０２ｆを示している。しかし、図１０は、ｎおよびｍが３．６に等しいハニカムセラミック基体１０２ｅを示しており、一方図１１は、ｎおよびｍが４２に等しいハニカムセラミック基体１０２ｆを示している。
図１２は、流路密度が６２．７８本／ｃｍ２（４０５本／インチ２）であり、隣接する流路１０８間の複数の流路壁１１０の厚さが１．０６６８ｍｍ（０．０４２インチ）であるハニカムセラミック基体１０２を示している。しかし、図１２は、ｎが４に等しくｍが８に等しいハニカムセラミック基体１０２を示しており、これによって正方形状の形状ではなく長方形状の形状を有する流路１０８が生じている。
内面１１６の凹面度は、湾曲した流路形状に起因して失われる流路１０８の開口面積の一部を補償し得る。更に、流路密度および隣接する流路１０８間の流路壁１１０の厚さは、所望のＧＳＡのために流路形状を最適化するよう選択され得る。更に、内面１１６の凹面度は、各流路壁１１０の慣性モーメントを増加させるまたは細長比を減少させることにより、強度並びに座屈および回転破壊に対する耐性が高められた流路１０８を提供し得る。この高められた強度により、隣接する流路１０８間の流路壁１１０の厚さの減少が可能になり得、それにより、ハニカムセラミック基体１０２の前面開口面積と、重量の低減とが更に最適化され得る。
一例において、表１は、流路密度が９３本／ｃｍ２（６００本／インチ２）であるハニカムセラミック基体内の正方形の流路と、ｎおよびｍが３．５に等しく流路密度が９３本／ｃｍ２（６００本／インチ２）であるハニカムセラミック基体内の楕円形の流路とを比較したものである。
Figure 2016536158
流路壁の等価フィレット半径は、楕円形の流路の方が正方形の流路より大きく、楕円形の流路の機械的完全性係数（ＭＩＦ）は、正方形の流路のＭＩＦより大きい。以下の式（ＩＩ）によって表されるＭＩＦは、流路壁に対して平行な、および流路の対角線に沿った負荷支持能力に直接比例する無次元の構造的な特性であり、“ｔ”は流路間の流路壁厚さであり、“ｌ”は流路壁中心間距離であり、“Ｒ”は図４および図５に示されているように実効角部半径である。ＭＩＦは、流路壁の中点または流路壁の交差部における最大曲げ応力を流路壁強度と一致させることによって導出される。
ＭＩＦ＊１００＝ｔ／ｌ＊（ｔ／（ｌ−ｔ−２＊Ｒ））＊１００ …（ＩＩ）
更に、流路壁の等価フィレット半径は、以下の表２に示す一群の式によって定義され、式中、“ａ”、“ｂ”、および“ｃ”は三角形の三辺を表し、“Ａ”は三角形の面積であり、“ｒ”は流路壁の等価フィレット半径である。
Figure 2016536158
表３は、他の製品変数に基づいて、正方形の流路に対する楕円形の流路の他の強度的長所を比較したものである。例えば、流路壁の強度を比較するために、細長比を用いる。細長比が小さいほど、同等の負荷における破壊耐性が高い。なお、楕円形の流路間の流路壁厚さは、正方形の流路間の流路壁厚さよりも小さいことも留意されたい。同等の流路密度を有する正方形の流路と楕円形の流路とを比較すると、より薄い流路壁を有する楕円形の流路の方が、より厚い流路壁を有する同等の正方形の流路よりも低い細長比を有する。換言すれば、楕円形の流路設計はより低い細長比を有し、これは、より高い座屈負荷耐性を示す。薄い流路壁を有する基体の押出成形においては、隣接する流路壁の速度が均一でない場合に、座屈破壊が見られることが多い。座屈破壊は、押出成形された製品の不合格品の主な理由の１つである。
Figure 2016536158
細長比は、流路壁中心間距離と、ｘ軸周りの旋回半径と、２との商である。細長比は、以下の式（ＩＩＩ）に示されているように、流路壁中心間の臨界座屈応力σを決定するために適用される。
σ＝π２Ｅ／（細長比）２ …（ＩＩＩ）
式中、Ｅは流路壁材料のヤング率である。
図１３は、本開示の例示的な態様による、流路の慣性の変化に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフである。図１３に示されるように、縦軸は慣性の変化率であり、横軸は（互いに同じ）指数ｍおよびｎを示す。慣性の変化は、流路壁の座屈に対する流路の耐性を決定するために用いられる尺度である。例えば、流路の慣性の変化率が高いほど、流路の強度が高くなり、座屈しにくい流路壁を有する傾向が高くなる。なお、より低いｍおよびｎの値を有する楕円形の流路は、より大きい慣性の変化率を有する。
図１４は、本開示の例示的な態様による、実効の追加の流路壁厚連結部長さからも明らかな、流路の耐欠損性に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフである。図１４に示されるように、縦軸は実効の追加の流路壁厚連結部長さ（単位はインチ）であり、横軸は（互いに同じ）指数ｍおよびｎを示す。例示的な連結部長さが、図１５に模式的に示されている。例えば、流路壁厚さが、１２７μｍ（０．００５インチ）以上の実効の追加の連結部長さＬ２を有する場合には、より小さい連結部長さＬ１と比較して明らかな欠損耐性が示される。なお、より低いｍおよびｎの値を有する楕円形の流路は、より大きい実効の追加の連結部長さを有する。
図１６は、本開示の例示的な態様による、流路のＯＦＡの減少率に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフである。図１６に示されるように、縦軸は開口面積の差の割合であり、横軸は（互いに同じ）指数ｍおよびｎを示す。より低いｎおよびｍ値は、より高いｎおよびｍ値より高い流路強度を促進するが、図１６は、より高いｎおよびｍ値が、より高い流路ＯＦＡを提供することを示しており、これは流路の触媒性能に関係する。
図１７は、本開示の例示的な態様による、流路のウォッシュコート効率についての、実効角部半径に対する、ハニカムセラミック基体の流路の湾曲度を定義する指数の影響の一例を示すグラフである。図１７に示されるように、縦軸は実効角部半径（インチ）であり、横軸は（互いに同じ）指数ｍおよびｎを示す。例えば、コーティングされた基体の測定は、コーティング後のウォッシュコート半径の最小値として２５４μｍ（０．０１０インチ）を示している。なお、より低いｍおよびｎの値を有する楕円形の流路では、ウォッシュコートコーティングの均一性がより高い。
更に、表４は、流路密度が６９．７５本／ｃｍ２（４５０本／インチ２）、流路間の流路壁厚さが６３．５μｍ（０．００２５インチ）、並びにｍおよびｎ値が３．６に等しい楕円形の流路の幾つかの性能属性を、代替の六角形および正方形の流路と比較して明らかにするものである。なお、この楕円形の流路は、六角形の流路の排気性能特性とほぼ一致するが、六角形の流路よりも４０％近く高い強度を提供する。
Figure 2016536158
ＯＦＡ、ＧＳＡ、およびＲＴＦは、それぞれ以下の式（ＩＶ）、（Ｖ）、および（ＶＩ）に示されるように計算される。ＯＦＡは、基体を背圧について比較するために用いられる。ＧＳＡは、基体を変換効率について比較するために用いられる。例えば、より高いＧＳＡは、基体についてのより高い変換効率または能力に変換される。ＲＴＦは、流路を通る流れに対する抵抗の尺度である。
ＯＦＡ＝（１−ｔ／Ｌ）２−（４−π）（Ｒ／Ｌ） …（ＩＶ）
式中、“ｔ”は流路間の流路壁厚さであり、“Ｌ”は流路壁中心間距離であり、“Ｒ”は図４および図５に示されているように実効角部半径である。
ＧＳＡ＝（４（Ｌ−ｔ）／Ｌ）２−（（（８−２π）Ｒ）／Ｌ２） …（Ｖ）
式中、“ｔ”は流路間の流路壁厚さであり、“Ｌ”は流路壁中心間距離であり、“Ｒ”は図４および図５に示されているように実効角部半径である。
ＲＴＦ＝２ｆ／（（ＯＦＡ＊Ｄｈ２）ｗ） …（ＶＩ）
式中、“ｆ”はファニング摩擦係数であり、“Ｄｈ”は流路の水力直径であり、“ｗ”は幅である。
表５は、楕円形の流路の概念の更なる変数を明らかにするものである。表５が示すように、楕円形の流路は、９００本／インチ２の基体における同等の製品強度を維持し且つＯＦＡおよびＧＳＡを改善しつつ、より薄い流路壁厚さを可能にするために設計される。
Figure 2016536158
また、式（Ｉ）は、式（ＶＩＩ）および式（ＶＩＩＩ）をそれぞれ生じるために、ｘ座標およびｙ座標に変換され得る。
Figure 2016536158
図１８は、本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体を製造する方法３００の一例を示すフロー図である。図１９は、本開示の例示的な態様による押出成形装置４００の一例を示す模式図である。図２０は、本開示の例示的な態様によるハニカム押出ダイ４０８の一例を示す、図１９の２０で示されている部分の模式的な拡大部分断面図である。
図１８〜図２０を参照すると、方法３００は、潜在的に無制限の長さの未焼成ハニカム基体を形成するために、ハニカム押出ダイ４０８を通してセラミックまたはセラミック形成バッチ材料４０２を押出す工程３０２を含む。押出す工程３０２は、セラミックまたはセラミック形成バッチ材料４０２を、押出装置４０６の導入部４０４に導入することによって行われ得る。所望の長さが達成されたら、所望の長さの基体を設けるために、カッター（図示せず）を用いて、押出されたセラミックまたはセラミック形成基体を切断することができる。
図示されるように、一例において、押出装置４０６は、経路４１４に沿ってハニカム押出ダイ４０８に向かって移動するセラミックまたはセラミック形成バッチ材料のバッチ４０２を混合および圧縮するためにモータ４１２ａ、４１２ｂによってそれぞれ回転されるよう構成された１対のスクリュー４１０ａ、４１０ｂを有するツインスクリュー押出機を含み得る。押出装置４０６は押出軸を含み、セラミック形成基体を、押出軸に対して略平行な押出方向に沿ってハニカム押出ダイ４０８から押出すことができる。
図２０に示されるように、ダイ部材４０８は、バッチ材料４０２を方向４１８に、経路４１４に沿って、複数のダイピン４２０に向かって供給するよう構成された供給孔４１６を含む。ダイピン４２０は、ダイピン４２０の外面においてダイピン４２０の間に画成される交差するスロット４２２の格子を画成するよう、マトリックス状に配置されて互いから離間される。図２１〜図２２に示されるように、ダイピン４２０のうち少なくとも１つの外面５０３における外周５０１は、凸面状の側面の中心部分から凸面状の側面の対応する端部まで、対応するダイピン４２０中心５０９から外方に向いた少なくとも２つの凸面状の側面を含む、対応する角部５０７ａ〜５０７ｄによって接合された複数の側面５０５ａ〜５０５ｄを含む。少なくとも１つの角部５０７ａ〜５０７ｄは、対応するダイピン４２０の中心５０９から外方に向いた凸面状である。スロット４２２は、セラミック形成バッチ材料４０２が延伸されてハニカムセラミック基体１０２となる際に、ハニカムセラミック基体１０２の流路壁１１０を形成するよう設計される。
複数のダイピン４２０のうち隣接する２つのダイピンの向かい合った側面の間（例えば、５０５ａ／５０５ｃ、５０５ｂ／５０５ｄ、５０５ｃ／５０５ａ、５０５ｄ／５０５ｂ）に、少なくとも１つの壁スロット４２２が画成され得る。図示されるように、各向かい合った側面は、該向かい合った側面の中心部分から該向かい合った側面の対応する角部まで互いに向かい合った凸面状であり得る。その結果、それらの間に画成される壁スロット４２２は、隣接する２つのダイピンの中心部分に向かって凹面状となり得る。
例えば、図２２に示されているダイピンを参照すると、ダイピン４２０の外面５０３の外周５０１の形状は、式（Ｉ）によって実質的に定義することができる。
｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１ …（Ｉ）
図４および図５には幾分逆に示されているように、ａおよびｂはそれぞれ、ダイピン４２０のｙ軸およびｘ軸のいずれかの側にある側面５０５ａ〜５０５ｄの、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さである。ｘおよびｙはそれぞれ、ダイピン４２０の側面のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表す。更に、−ａ≦ｘ≦ａであり、−ｂ≦ｙ≦ｂである。更に、ｎおよびｍはダイピン４２０の側面の湾曲度を定義する指数である。
一例において、ｎおよびｍのうち少なくとも一方は約２．５〜約１０の範囲内であり得る。別の例では、ａおよびｂはそれぞれ独立して約３３０μｍ（０．０１３インチ）〜約１．８２９ｍｍ（０．０７２インチ）の範囲内であり得る。更に別の例では、ダイピン４２０は、約７．７５本／ｃｍ２（５０本／インチ２）〜約２３２．５本／ｃｍ２（１５００本／インチ２）の範囲内のダイピン密度を有するようマトリックス状に配置されて互いから離間され得る。更に別の例では、隣接するダイピン４２０間の交差するスロット４２２の厚さは、約２５．４μｍ（０．００１インチ）〜約４８２．６μｍ（０．０１９インチ）の範囲内であり得る。
更に別の例では、各ダイピン４２０の側面は同じ長さを有し得る。更に、各ダイピン４２０の側面のうち少なくとも２つは同じ長さを有し得る。更に別の例では、各ダイピン４２０の側面は互いに対称であり得る。更に、各ダイピン４２０の側面および角部は、対応するダイピン４２０の中心周りに連続的に湾曲していてもよい。
更に、ダイピン４２０の形状は、ダイピン４２０の全長に沿って同じであってもまたは変化してもよい。例えば、外面５０３におけるダイピン４２０の形状は、外面５０３からダイピン４２０の長さに沿って１２７μｍ（０．００５インチ）延びていてもよく、ダイピン４２０の残りの部分の長さは異なる形状に形成されてもよい。別の例では、外面５０３におけるダイピン４２０の形状は、外面５０３からダイピン４２０の長さに沿ってダイピン４２０の長さの３０％〜５０％の深さまで延びていてもよく、ダイピン４２０の残りの部分の長さは異なる形状に形成される。例えば、一例において、ダイピンは、ダイピンの全長をワイヤ放電加工（ＥＤＭ）することによって形成され得る。初期のダイピン形状を形成した後、次の加工工程が、ダイピンの外面においてダイピンの所望の形状を有する電極をプランジＥＤＭ加工することによって行われ得る。そのような例では、プランジＥＤＭは、１２７μｍ（０．００５インチ）の深さまで、および／またはダイピンの長さの約３０％〜約５０％まで延びていてもよい。従って、外面におけるダイピンの形状は電極の形状を有してもよく、一方、残りの部分の形状は、最初のワイヤＥＤＭ加工手順によって画成される。
図１８に戻ると、方法３００は、未焼成ハニカム基体を乾燥させる工程３０４を更に含み得る。更に、方法３００は、ハニカムセラミック基体１０２を設けるために未焼成ハニカム基体を焼成する工程３０６を含み得る。
図２３〜図２５は、本開示の例示的な態様によるハニカムセラミック基体１０２の例を示す拡大図である。図２３〜図２５を参照すると、様々な形状およびサイズの流路１０８および流路壁１１０を有するハニカムセラミック基体１０２が示されている。例えば、様々な厚さの流路壁１１０および様々な面積の流路１０８を有するハニカムセラミック基体１０２を作るために、式（Ｉ）の指数ｍおよびｎを、ハニカム押出ダイ４０８の複数のダイピン４２０にわたって変更することができる。
図２３を参照すると、一例として、ｍおよびｎの値は、ハニカムセラミック基体１０２の内側部分からハニカムセラミック基体１０２の周囲まで徐々に減少されてもよい。そのような設計は、ハニカムセラミック基体１０２にわたって流路壁１１０の厚さを維持しつつ、ハニカムセラミック基体１０２の周囲部分の強度を高めるものである。また、図２４に示されている例は、ｍおよびｎの値が、ハニカムセラミック基体１０２の内側部分からハニカムセラミック基体１０２の周囲まで徐々に増加されてもよいことを示している。これは、流路１０８のＯＦＡを操作することにより、触媒チャンバ内におけるより均一な気体の流れを提供し得る。更に、図２５に示されているように、指数ｍおよびｎを、ハニカムセラミック基体１０２の特定の部分において急激に増減することもできる。これは、そのような急激な変化が適用されたハニカムセラミック基体１０２の特定の部分の強度を高めるものとなり得る。
本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、本開示に対して様々な変形および変更が行われ得ることは、当業者には自明である。従って、本開示は、そのような変形および変更が添付の特許請求の範囲およびその等価物に含まれる限り、本開示の変形および変更を網羅することが意図される。
細長比は、流路壁中心間距離を、ｘ軸周りの旋回半径の２倍で割った商である。細長比は、以下の式（ＩＩＩ）に示されているように、流路壁中心間の臨界座屈応力σを決定するために適用される。
σ＝π２Ｅ／（細長比）２ …（ＩＩＩ）
式中、Ｅは流路壁材料のヤング率である。

Claims (10)

  1. ハニカム基体の流入端と流出端との間に延びる複数の流路のハニカム網構造を画成する交差する壁の格子を含むハニカムセラミック基体であって、各前記流路は、前記交差する壁である複数の流路壁によって画成され、該複数の流路壁のうち少なくとも２つは凹面状の内面を有し、該凹面状の内面は、該凹面状の内面の中心部分から対応する流路の中心に向いた凹面状の角部まで、対応する前記流路の中心に向いており、前記凹面状の角部は、前記複数の流路壁の各々が該複数の流路壁のうちの別の１つと交差する位置にあることを特徴とするハニカムセラミック基体。
  2. 前記複数の流路のうち少なくとも１つの周囲断面形状が、
    ｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１
    の式によって実質的に定義され、
    式中、ａおよびｂはそれぞれ、各前記流路を画成する前記流路壁のそれぞれｙ軸およびｘ軸のいずれかの側にある前記内面の、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さであり、
    ｘおよびｙはそれぞれ、各前記流路を画成する前記流路壁の前記内面のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表し、
    −ａ≦ｘ≦ａであり、
    −ｂ≦ｙ≦ｂであり、
    ｎおよびｍは前記流路壁の湾曲度を定義する指数である、
    請求項１記載のハニカムセラミック基体。
  3. 前記ｎおよびｍのうち少なくとも一方は約２．５〜約１０の範囲内である、請求項２記載のハニカムセラミック基体。
  4. 前記ａおよびｂはそれぞれ独立して約３３０μｍ〜約１．８２９ｍｍの範囲内である、請求項２〜３のいずれか１項記載のハニカムセラミック基体。
  5. ハニカムセラミック基体を製造する方法であって、
    未焼成ハニカム基体の流入端と流出端との間に延びる複数の流路のハニカム網構造を画成する交差する壁の格子を含む未焼成ハニカム基体であって、各前記流路は、前記交差する壁である複数の流路壁によって画成され、該複数の流路壁のうち少なくとも２つは凹面状の内面を有し、該凹面状の内面は、該凹面状の内面の中心部分から対応する流路の中心に向いた凹面状の角部まで、対応する前記流路の中心に向いており、前記凹面状の角部は、前記複数の流路壁の各々が該複数の流路壁のうちの別の１つと交差する位置にある、未焼成ハニカム基体を形成するために、ハニカム押出ダイを通してセラミックまたはセラミック形成バッチ材料を押出す工程と、
    前記未焼成ハニカム基体を乾燥させる工程と、
    ハニカムセラミック基体を設けるために前記未焼成ハニカム基体を焼成する工程と、
    を含む方法。
  6. 前記複数の流路のうち少なくとも１つの周囲断面形状が、
    ｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１
    の式によって実質的に定義され、
    式中、ａおよびｂはそれぞれ、各前記流路を画成する前記流路壁のそれぞれｙ軸およびｘ軸のいずれかの側にある前記内面の、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さであり、
    ｘおよびｙはそれぞれ、各前記流路を画成する前記流路壁の前記内面のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表し、
    −ａ≦ｘ≦ａであり、
    −ｂ≦ｙ≦ｂであり、
    ｎおよびｍは前記流路壁の湾曲度を定義する指数である、
    請求項５記載の方法。
  7. セラミックまたはセラミック形成材料のバッチからハニカムセラミック基体を押出成形するよう構成されたハニカム押出ダイであって、
    マトリックス状に配置されて互いから離間された複数のダイピンであって、該ダイピンの外面において該ダイピンの間に画成される交差するスロットの格子を画成する複数のダイピンを含み、前記複数のダイピンのうち少なくとも１つの前記外面における外周は、少なくとも２つの凸面状の側面を含む、対応する角部によって接合された複数の側面を含み、前記少なくとも２つの凸面状の側面は、凸面状の側面の中心部分から凸面状の側面の対応する角部まで、対応する前記ダイピンの中心から離れる方向に向いており、少なくとも１つの前記角部は、対応する前記ダイピンの中心から離れる方向に向いた凸面状である、
    ハニカム押出ダイ。
  8. 前記複数のダイピンのうち隣接する２つのダイピンの向かい合った側面の間に少なくとも１つの壁スロットが画成され、各前記向かい合った側面は、該向かい合った側面の中心部分から該向かい合った側面の対応する角部まで、互いに向かい合った凸面状であり、前記壁スロットは、前記隣接する２つのダイピンの中心部分に向かって凹面状である、
    請求項７記載のハニカム押出ダイ。
  9. 前記ダイピンのうち少なくとも１つの前記外面の前記外周の形状が、
    ｜ｘ／ａ｜ｎ＋｜ｙ／ｂ｜ｍ＝１
    の式によって実質的に定義され、
    式中、ａおよびｂはそれぞれ、前記ダイピンのそれぞれｙ軸およびｘ軸のいずれかの側にある前記側面の、矩形で近似したｘ方向およびｙ方向に沿った半分の長さであり、
    ｘおよびｙはそれぞれ、前記ダイピンの前記側面のｘ方向およびｙ方向における座標（ｘ，ｙ）を表し、
    −ａ≦ｘ≦ａであり、
    −ｂ≦ｙ≦ｂであり、
    ｎおよびｍは前記ダイピンの前記側面の湾曲度を定義する指数である、
    請求項７〜８のいずれか１項記載のハニカム押出ダイ。
  10. 前記ｎおよびｍのうち少なくとも一方は約２．５〜約１０の範囲内であり、
    前記ａおよびｂはそれぞれ独立して約３３０μｍ〜約１．８２９ｍｍの範囲内である、
    請求項９記載のハニカム押出ダイ。
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