JP2018051500A - ハニカム構造体とその製造方法及び排ガス浄化フィルタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】筒状外皮11の内側を多孔質セル壁2で区画し、その軸方向Xに延びる多数のセル3を、上流側の端面において互い違いに閉塞したハニカム構造体1であり、多数の上記セルは、栓部4を有する栓詰セル31と、上記栓部を有しない貫通セル32からなる。上記栓詰セルと上記貫通セルは、それぞれ完全セル3aと不完全セル3bを有し、上記不完全セルのうち、少なくとも、セル断面積A1が、貫通完全セル32aのセル断面積Bよりも小さい栓詰不完全セル31bを、上記軸方向に延びるセル内の全体が閉塞された閉塞セル3cとする。
【選択図】図1
Description
両端開口の筒状外皮(11)の内側を区画する多孔質のセル壁(2)と、
上記セル壁に囲まれ、上記筒状外皮の軸方向(X)に延びるガス流路(12)を形成する多数のセル(3)と、
上記ガス流路の上流側の端面において、多数の上記セルを互い違いに閉塞する栓部(4)と、を有する、ハニカム構造体(1)であって、
多数の上記セルは、上記栓部を有する栓詰セル(31)と、上記栓部を有しない貫通セル(32)とからなり、
上記栓詰セルと上記貫通セルとは、それぞれ、全周囲が上記セル壁に囲まれる完全セル(3a、31a、32a)と、上記筒状外皮と上記セル壁とに囲まれ、不完全なセル断面形状を有する不完全セル(3b、31b、32b)とを有しており、
上記不完全セルは、少なくとも、上記栓詰セルである栓詰不完全セル(31b)のうち、そのセル断面積A1が、完全セル形状の上記貫通セルである貫通完全セル(32a)のセル断面積Bよりも小さい上記栓詰不完全セルを、上記軸方向に延びるセル内の全体が閉塞された閉塞セル(3c)とした、ハニカム構造体にある。
上記セル壁及び上記筒状外皮に対応する形状の押出溝部を有する押出金型を用い、上記押出溝部に上記ハニカム構造体の成形材料を供給して、ハニカム構造に押出成形する成形工程と、
得られたハニカム成形体の一方の端面側において、上記栓詰セルとなる上記セル内に上記栓部の形成材料を充填する栓詰め工程と、
上記不完全セルのうち上記閉塞セルとなる上記セル内に、上記栓詰め工程と同時に、又は上記栓詰め工程後において、上記軸方向の全体に上記栓部の形成材料を充填する閉塞工程と、を有する、ハニカム構造体の製造方法にある。
あるいは、上記成形工程及び上記栓詰め工程を有して、上記閉塞工程を有さず、
上記成形工程に用いられる上記押出金型は、上記押出溝部のうち、上記閉塞セルに対応する部位が閉塞している、ハニカム構造体の製造方法にある。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
ハニカム構造体に係る実施形態1について、図1〜図5を参照して説明する。図1〜図3に示すように、ハニカム構造体1は、全体が円柱形状をなしており、両端が開口する筒状外皮11と、筒状外皮11内を区画する多孔質のセル壁2と、セル壁2に囲まれる多数のセル3とを備えている。多数のセル3は、筒状外皮11の軸方向Xに延びるガス流路12を形成している。ハニカム構造体1は、片栓構造で、ガス流路12の上流側(例えば、図3の左端側)の端面において、多数のセル3を互い違いに閉塞する栓部4を有する。これにより、多数のセル3は、栓部4を有する栓詰セル31と、栓部4を有しない貫通セル32とに分けられる。
式1:ΔP=[(fLρ(v2)2/2d2]−[(fLρ(v1)2/2d1]
ただし、式1中、f:管摩擦係数、L:ガス流路12の流路長、ρ:排ガス密度、v1:栓詰ガス流路121内流速、v2:貫通ガス流路122内流速、d1:栓詰ガス流路121の水力直径、d2:貫通ガス流路122の水力直径、とする。
式1より、差圧ΔPは、セル内の流速差の二乗に比例し、貫通ガス流路122内の流速が速いほど、差圧ΔPが大きくなることがわかる。すなわち、閉塞セル3cを設けることにより、貫通ガス流路122の流速が大きく低下するのを抑制して、ガス透過流量を大きくすることができる。
式2:捕集率=100×[捕集した粒子状物質の質量]/[流入した粒子状物質の質量]
図6に実施形態2として示すように、ハニカム構造体1の最外周部において、複数の栓詰不完全セル31bの全てを、軸方向Xの全長に亘って栓詰めして、閉塞セル3cとすることもできる。すなわち、セル断面積A1が、貫通完全セル32aのセル断面積Bよりも小さい栓詰不完全セル31bに加えて、セル断面積A1が、貫通完全セル32aのセル断面積Bと同じか、それより大きい栓詰不完全セル31bも、セル全体が閉塞された閉塞セル3cとなる。貫通不完全セル32bは、両端が開放したままとなっている。それ以外の構成は、実施形態1と同様であり、説明を省略する。
なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
なお、図8に示した排ガス浄化装置についても、例えば、排ガス浄化フィルタFとS/C触媒6との距離を100cmより短くすることで、捕集した粒子状物質の自然燃焼を可能として、実施形態2の構成を採用することもできる。
上記実施形態1、2では、ハニカム構造体1を、セル形状及びセル断面積の異なる2種類のセル3にて構成したが、図10、図11に実施形態3として示すように、セル形状及びセル断面積を同じくする1種類のセル3にて構成することもできる。ハニカム構造体1を構成する多数のセル3は、多角形状とするのがよく、ここでは、四角形のセル形状を有している。多数のセル3は、上流側の端面において、互い違いとなるように栓部4を配置して、栓詰セル31を形成し、残りを貫通セル32としている。栓詰完全セル31aのセル断面積Aと貫通完全セル32aのセル断面積Bは同一であり(すなわち、A=B)、互いを取り囲むように配置される。栓詰ガス流路121の水力直径aは、貫通ガス流路122の水力直径bと等しい。
図12に実施形態4として示すように、実施形態3のハニカム構造体1において、さらに、貫通不完全セル32bの少なくとも一部を閉塞セル3cとしてもよい。ここでは、外周部の全ての栓詰不完全セル31bに加えて、全ての貫通不完全セル32bを閉塞セル3cとしている。このような対称セル構造のハニカム構造体1においても、熱容量を考慮する必要がない場合には、貫通不完全セル32bを閉塞セル3cとすることができ、閉塞セル3cの増加と共に、機械的強度が向上する。それ以外の構成は、実施形態3と同様であり、説明を省略する。
セル壁2及び筒状外皮11に対応する形状の押出溝部を有する押出金型を用い、押出溝部にハニカム構造体1の成形材料を供給して、ハニカム構造に押出成形する成形工程と、
得られたハニカム成形体の一方の端面側において、栓詰セル31となるセル3内に栓部4の形成材料を充填する栓詰め工程と、
不完全セル3bのうち閉塞セル3cとなるセル内に、栓詰め工程と同時に、又は栓詰め工程後において、軸方向Xの全体に栓部4の形成材料を充填する閉塞工程と、を有する。
セル壁2及び筒状外皮11に対応する形状の押出溝部を有する押出金型を用い、押出溝部にハニカム構造体1の成形材料を供給して、ハニカム構造に押出成形する成形工程と、
得られたハニカム成形体の一方の端面側において、栓詰セル31となるセル3内に栓部4の形成材料を充填する栓詰め工程と、を有し、
成形工程に用いられる成形型は、押出溝部のうち、閉塞セル3cに対応する部位に、金型の両端面間を貫通する不完全セル形状の開口部を有する。
ハニカム構造体1の軸方向長である流路長Lと、捕集性能との関係を、次のようにして調べた。図13、図14に示す基材モデルについて、基材内のガス流路12に流入するガス流速が、軸方向Xの上流側から下流側へどのように変化するかを、シミュレーションにより解析し、結果を図15に示した。図13の基材モデルは、上記実施形態3の対称セル構造において閉塞セル3cを有するハニカム構造体1であり、閉塞セル3cを有しない従来構造の図14の基材モデルと比較した。解析ソフトは、Star CCM+ Vol.10.02を用い、計算基本原理は、ナビエストークス式に基づいている。境界条件は、以下の通りとした。
・メッシュサイズ:0.5mm
・フリズムレイヤー厚さ:0.1mm
・フリズムレイヤー層:2
・メッシュ数:35万
・温度[℃]:450
・貫通セル流入流量[m3/min]:0.00109
・貫通セル流入流速[m/s]:11.4
・壁厚W[mm]:0.203
・慣性抵抗係数α[kg/m4]:1.6e+6
・粘性抵抗係数β[kg/(m3・s)]:5.0e+6
・密度@450℃[kg/m3]:0.48799
・粘性@450℃[kg/(m3・s)]:3.4835e-5
・気孔径[μm]:18
・気孔率[%]:60
・栓詰長さPf[mm]:5
・流路長L[mm]:100
・セルピッチ[mm]:1.263
・貫通セル流出側圧力[Pa]:0
上記した方法により、上記実施形態2の非対称セル構造を有するコージェライト製のハニカム構造体1を製造し、評価試験を行った。ハニカム構造体1は、外径φ:130mm×流路長L:100mmの円柱体形状であり、一端面側を栓部4で閉塞した片栓構造とした。ハニカム構造体1は、断面形状が四角形の貫通セル32と八角形の栓詰セル31が交互に形成された多数のセル3を有し、セル密度:46.5セル/cm2(=300個/inch2)、セル壁2の壁厚W:0.2mm、平均気孔径:18μm、気孔率:62%となるようにした。
また、同様にして、実施形態3、4の対称セル構造を有するコージェライト製のハニカム構造体1を製造した。セル形状は、栓詰セル31、貫通セル32共に四角形とし、セル断面積の比率A/Bは、1.0とした。それ以外は、実施例1の方法で、ハニカム成形体を成形し、その一端面に栓部4を形成した。次いで、表2に示すように、栓部形成材料を、栓詰不完全セル31bの全部に充填して閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例2)、栓詰不完全セル31bに加えて貫通不完全セル32bに栓部形成材料を充填し、全ての不完全セル3bを閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例3)を得た。さらに、比較のため、栓詰不完全セル31bに閉塞セル3cを形成しないハニカム構造体を製造し、比較例1とした。
A:比率1.03未満
B:比率1.03以上1.05未満
C:比率1.05以上
また、実施例1のハニカム構造体1について、表2に示すように、セル断面積の比率A/Bを変更し、不完全セル3bのうち一部又は全部を閉塞セル3cとしたハニカム構造体1を、同様にして製造した(実施例4〜10)。実施例4〜6は、セル断面積の比率A/Bを1.1とし、栓詰不完全セル31bのうち、小断面積セルのみを閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例4)、小断面積と大断面積のセルの両方を閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例5)、全ての不完全セル3bを閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例6)を得た。実施例7〜9は、セル断面積の比率A/Bを5.0とし、栓詰不完全セル31bのうち、小断面積セルのみを閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例7)、小断面積と大断面積のセルの両方を閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例8)、全ての不完全セル3bを閉塞セル3cとしたハニカム構造体1(実施例9)を得た。
A:比率2.0未満
B:比率2.0以上3.08未満
C:比率3.08以上
11 筒状外皮
12 ガス流路
2 セル壁
3b 不完全セル
3c 閉塞セル
31 栓詰セル
32 貫通セル
31b栓詰不完全セル
4 栓部
Claims (9)
- 両端開口の筒状外皮(11)の内側を区画する多孔質のセル壁(2)と、
上記セル壁に囲まれ、上記筒状外皮の軸方向(X)に延びるガス流路(12)を形成する多数のセル(3)と、
上記ガス流路の上流側の端面において、多数の上記セルを互い違いに閉塞する栓部(4)と、を有する、ハニカム構造体(1)であって、
多数の上記セルは、上記栓部を有する栓詰セル(31)と、上記栓部を有しない貫通セル(32)とからなり、
上記栓詰セルと上記貫通セルとは、それぞれ、全周囲が上記セル壁に囲まれる完全セル(3a、31a、32a)と、上記筒状外皮と上記セル壁とに囲まれ、不完全なセル断面形状を有する不完全セル(3b、31b、32b)とを有しており、
上記不完全セルは、少なくとも、上記栓詰セルである栓詰不完全セル(31b)のうち、そのセル断面積A1が、完全セル形状の上記貫通セルである貫通完全セル(32a)のセル断面積Bよりも小さい上記栓詰不完全セルを、上記軸方向に延びるセル内の全体が閉塞された閉塞セル(3c)とした、ハニカム構造体。 - 上記不完全セルのうち、全ての上記栓詰不完全セルを、上記閉塞セルとした、請求項1に記載のハニカム構造体。
- 上記不完全セルのうち、上記貫通セルである貫通不完全セル(32b)の少なくとも一部を、上記閉塞セルとした、請求項1又は2に記載のハニカム構造体。
- 多数の上記セルは、上記貫通セルの断面形状が四角形状であり、上記栓詰セルの断面形状が四角形以上の多角形状であり、完全セル形状の上記栓詰セルである栓詰完全セル(31a)のセル断面積Aと上記セル断面積Bとが、A≧Bの関係にある、請求項1〜3のいずれか1項に記載のハニカム構造体。
- 上記セル断面積Aと上記セル断面積Bの比率A/Bは、1.1〜5の範囲にある、請求項4に記載のハニカム構造体。
- 上記ガス流路の流路長Lは、40mm以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のハニカム構造体。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のハニカム構造体の製造方法であって、
上記セル壁及び上記筒状外皮に対応する形状の押出溝部を有する押出金型を用い、上記押出溝部に上記ハニカム構造体の成形材料を供給して、ハニカム構造に押出成形する成形工程と、
得られたハニカム成形体の一方の端面側において、上記栓詰セルとなる上記セル内に上記栓部の形成材料を充填する栓詰め工程と、
上記不完全セルのうち上記閉塞セルとなる上記セル内に、上記栓詰め工程と同時に、又は上記栓詰め工程後において、上記軸方向の全体に上記栓部の形成材料を充填する閉塞工程と、を有する、ハニカム構造体の製造方法。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のハニカム構造体の製造方法であって、
上記セル壁及び上記筒状外皮に対応する形状の押出溝部を有する押出金型を用い、上記押出溝部に上記ハニカム構造体の成形材料を供給して、ハニカム構造に押出成形する成形工程と、
得られたハニカム成形体の一方の端面側において、上記栓詰セルとなる上記セル内に上記栓部の形成材料を充填する栓詰め工程と、を有し、
上記押出金型は、上記押出溝部のうち、上記閉塞セルに対応する部位が閉塞している、ハニカム構造体の製造方法。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のハニカム構造体を、内燃機関(E)の排ガス管路(E1)に備え、上記ハニカム構造体は、上記排ガス管路内に、上記ガス流路と上記軸方向を一致させて配置される、排ガス浄化フィルタ。
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