JP2019098302A - ハニカム構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】境界隔壁を有しながらも、耐熱衝撃性に優れたハニカム構造体を提供する。【解決手段】筒状の外皮と、外皮内を格子状に区画するセル壁３、３１、３２と、セル壁３、３１、３２に囲まれる複数のセル４と、セル４を複数の内側セル４１、及び内側セルよりも小さなセル密度で形成された複数の外側セル４２に区画する筒状の境界隔壁５とを有するハニカム構造体１である。セル壁同士の交差部３３、３３１、３３２及び境界隔壁５とセル壁３、３１、３２との交差部５１には、交差部３３、３３１、３３２、５１が厚肉化した強化部３１５、３１５ａ、３１５ｂ、５１５が形成されている。境界隔壁５とセル壁３、３１、３２との交差部５１における全ての強化部５１５の断面積の平均値Ｓbと、セル壁３、３１、３２同士の交差部３３、３３１、３３２における全ての強化部３１５、３１５ａ、３１５ｂの断面積の平均値Ｓcとが、Ｓb＞Ｓcの関係を満足する。【選択図】図３
Description
本発明は、異なるセル密度領域と、各セル密度領域を区画する境界隔壁とを有するハニカム構造体に関する。
自動車等の排ガスを浄化するための触媒の担体として、多角形格子状に形成されたセル壁と、該セル壁に囲まれ上記排ガスの流路をなす複数のセルとを有するハニカム構造体が知られている。このハニカム構造体は、排気管に取り付けられる。上記セルに高温の排ガスを流すと、セル壁の温度が上昇し、セル壁に担持させた触媒が活性化する。これにより、排ガス中の有害物質を浄化している。
近年、ハニカム構造体の中心部と中心部を覆う外周部とで異なるセル密度を有し、異なるセル密度領域が隔壁部によって区画されたハニカム構造体が開発されている。例えば特許文献１には、圧力損失の上昇を抑制し、重量の増加を回避しながら、ハニカム構造体にかかる外力に対する強度を高めるために、隔壁部の近傍に存在する所定の交差部のみに強化部を形成したハニカム構造体が提案されている。隔壁部は境界隔壁とも言われる。
しかしながら、上記従来の構成では、境界隔壁とセル壁との交差部には強化部が形成されていない部分が存在する。また、強化部が形成されていてもその肉厚が不十分な部分が存在しうる。その結果、境界隔壁に隣接していないセル壁同士の交差部に比べて、境界隔壁とセル壁との交差部の剛性が低くなる。
したがって、例えば急激な温度変化によりハニカム構造体内に熱応力が生じると、構造上は剛性の低い境界隔壁付近に熱応力が集中する可能性がある。従来のように、ガス流速分布において中央部が速い標準的な排気管構造においては、触媒耐熱性の限界で触媒温度が一定以上にならないようにエミッション制御がおこなわれているが、将来触媒耐熱温度が高くなるなど技術開発が進むと、より高温で触媒を使用する事もありうる。そのような場合は同時に温度の急激な変動が発生し、高い熱応力が生じる事もあり得る。そのような場合はハニカム構造体の耐熱衝撃性の更なる向上が望まれる。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、境界隔壁を有しながらも、耐熱衝撃性に優れたハニカム構造体を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、筒状の外皮（２）と、
該外皮内を格子状に区画するセル壁（３、３１、３２）と、
上記セル壁に囲まれ、上記外皮の軸方向（Ｘ）に伸びる複数のセル（４）と、
上記セルを上記外皮の中心軸（Ｏ）を含む領域に形成された複数の内側セル（４１）、及び該内側セルの形成領域よりも外側に形成されると共に上記内側セルよりも小さなセル密度で形成された複数の外側セル（４２）に区画する筒状の境界隔壁（５）と、
上記セル壁同士の交差部（３３、３３１、３３２）及び上記境界隔壁と上記セル壁との交差部（５１）には、該交差部が厚肉化された強化部（３１５、３１５ａ、３１５ｂ、５１５）と、を有し、
上記軸方向と直交する断面において、上記境界隔壁と上記セル壁との上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓbと、上記セル壁同士の上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓcとが、Ｓb＞Ｓcの関係を満足する、ハニカム構造体（１）にある。
該外皮内を格子状に区画するセル壁（３、３１、３２）と、
上記セル壁に囲まれ、上記外皮の軸方向（Ｘ）に伸びる複数のセル（４）と、
上記セルを上記外皮の中心軸（Ｏ）を含む領域に形成された複数の内側セル（４１）、及び該内側セルの形成領域よりも外側に形成されると共に上記内側セルよりも小さなセル密度で形成された複数の外側セル（４２）に区画する筒状の境界隔壁（５）と、
上記セル壁同士の交差部（３３、３３１、３３２）及び上記境界隔壁と上記セル壁との交差部（５１）には、該交差部が厚肉化された強化部（３１５、３１５ａ、３１５ｂ、５１５）と、を有し、
上記軸方向と直交する断面において、上記境界隔壁と上記セル壁との上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓbと、上記セル壁同士の上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓcとが、Ｓb＞Ｓcの関係を満足する、ハニカム構造体（１）にある。
上記ハニカム構造体は、強化部がＳb＞Ｓcの関係を満足する。つまり、セル壁同士の交差部における強化部の断面積の平均値Ｓcよりも、境界隔壁とセル壁との交差部における強化部の断面積の平均値Ｓbが大きい。これにより、ハニカム構造体全体として境界隔壁の剛性が境界隔壁に隣接していないセル壁よりも高くなる。したがって、ハニカム構造体は、境界隔壁を有しながらも境界隔壁への熱応力の集中が抑制され、熱応力が分散される。つまり、熱応力が境界隔壁に隣接していないセル壁等に分散される。
したがって、ハニカム構造体に急激な温度変化が生じても、境界隔壁の近傍に破損が生じることが抑制される。つまり、ハニカム構造体は、耐熱衝撃性に優れる。
以上のごとく、上記態様によれば、境界隔壁を有しながらも耐熱衝撃性に優れたハニカム構造体を提供することができる。
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。
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。
（実施形態１）
ハニカム構造体１に係る実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。ハニカム構造体１は、外皮２、セル壁３、セル４、境界隔壁５、及び強化部３１５、５１５を有する。ハニカム構造体１は、多孔質セラミックスからなり、外皮２、セル壁３、セル４、境界隔壁５、及び強化部３１５、５１５は一体的に形成されている。
ハニカム構造体１に係る実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。ハニカム構造体１は、外皮２、セル壁３、セル４、境界隔壁５、及び強化部３１５、５１５を有する。ハニカム構造体１は、多孔質セラミックスからなり、外皮２、セル壁３、セル４、境界隔壁５、及び強化部３１５、５１５は一体的に形成されている。
ハニカム構造体１は、例えば、コージェライト、ＳｉＣ、チタン酸アルミ、セリア−ジルコニア固溶体、アルミナ、ムライト等のセラミックスからなる。熱膨張係数が小さく、耐熱衝撃性に優れるという観点から、コージェライトが好ましい。ハニカム構造体１は、例えば排ガス浄化用の触媒の担体として用いられ、セル壁３等に触媒が担持される。
図１、図２に例示されるように、外皮２は、筒状であり、その形状は特に限定されるものではない。具体的には、円筒状の他、四角筒、五角筒、六角筒、八角筒等の多角筒状が例示される。好ましくは、外皮２は円筒状であることがよい。この場合には、外力に対する分散性が向上する。したがって、ハニカム構造体１を車載用の触媒コンバータなどに用いる際に、キャニング時の破損をより防止できる。
セル壁３は、外皮２内の空間を格子状に区画し、多数のセル４を形成する。格子形状は、特に限定されるものではない。図１〜図５では、セル４を四角形格子状に区画するセル壁３を例示する。格子形状としては、その他にも、三角形格子状、六角形格子状、八角形格子状等の多角形格子状のセル壁３が例示される。排ガスの通過抵抗を小さくし、さらにハニカム構造体の強度を確保するという観点から、好ましくは、四角形格子状又は六角形格子状がよく、より好ましくは、四角形格子状がよい。
セル４は、セル壁３に囲まれており、外皮２の軸方向Ｘに伸びる。つまり、軸方向Ｘはセル４の伸長方向と平行になる。筒状の外皮２の軸方向Ｘは、通常、柱状のハニカム構造体１の軸方向Ｘと一致する。軸方向Ｘと直交方向における各セル４の形状は、特に限定されるものではないが、図１〜図５に例示される四角形の他に、五角形、六角形、八角形等の多角形が例示される。
ハニカム構造体１は、異なる２種類のセル密度で形成されたセル４を有する。ハニカム構造体１は、外皮２の中心軸Ｏを含む領域に、相対的に高いセル密度でセル４が形成された高セル密度領域４１０を有する。高セル密度領域４１０内のセルを内側セル４１という。
一方、内側セル４１の形成領域、つまり高セル密度領域４１０の外側には低セル密度領域４２０が形成されている。低セル密度領域４２０は、高セル密度領域４１０よりも低いセル密度でセル４が形成された領域である。低セル密度領域４２０内のセル４を外側セル４２という。
図１〜図３に例示されるように、高セル密度領域４１０及び低セル密度領域４２０のセル密度は、それぞれ一定にすることができる。また、高セル密度領域４１０及び低セル密度領域４２０内でそれぞれセル密度を変化させることも可能である。セル密度を変化させる場合には、ハニカム構造体１の軸方向Ｘと直交方向の断面において、中心Ｏ1から外皮２に向かって高セル密度領域４１０及び低セル密度領域４２０内のセル密度を徐々に小さくすることができる。この場合のセル密度は各セル密度領域４１０、４２０内の平均値で表される。ハニカム構造体の強度を確保するという観点からは、図１〜図３に例示されるように、高セル密度領域４１０及び低セル密度領域４２０のセル密度をそれぞれ一定にすることが好ましい。なお、図２はハニカム構造体の１／４断面を示し、中心軸Ｏは、図２における中心Ｏ1から図２の紙面と直交方向に伸びる。
図１〜図３に例示されるように、内側セル４１を形成するセル壁３１と、外側セルを形成するセル壁３２とは、例えば４５°の角度で傾斜させることができる。傾斜角度は、４５°に限定されず、適宜調整可能である。
境界隔壁５は、高セル密度領域４１０と低セル密度領域４２０とを区画する。境界隔壁５は、筒状である。境界隔壁５の形状は特に限定されるものではないが、円筒状の他、四角筒、五角筒、六角筒、八角筒等の多角筒状が例示される。好ましくは、境界隔壁５は円筒状であることがよい。この場合にも、キャニング時の破損をより防止できる。
セル壁３同士の交差部３３には強化部３１５が形成されている。セル壁３同士の交差部３３に形成された強化部３１５のことを、以下適宜「セル強化部３１５」という。全ての交差部３３にセル強化部３１５が形成されている必要はなく、強化部３１５が形成されていない交差部３３が存在していてもよい。好ましくは、セル壁３同士の全ての交差部３３にセル強化部３１５が形成されていることがよい。この場合には、ハニカム構造体１の耐熱衝撃性や強度がより向上する。
また、セル壁３と境界隔壁５との交差部５１にも強化部５１５が形成されている。セル壁３と境界隔壁５との交差部５１に形成された強化部５１５のことを、以下適宜「境界強化部５１５」という。セル壁３同士の交差部３３と同様に、セル壁３と境界隔壁５との全ての交差部５１に境界強化部５１５が形成されている必要はなく、強化部５１５が形成されていない交差部５１が存在していてもよい。好ましくは、セル壁３と境界隔壁５との全ての交差部５１に境界強化部５１５が形成されていることがよい。この場合には、ハニカム構造体１の耐熱衝撃性や強度がより向上する。また、境界強化部５１５は、セル壁３と境界隔壁５との交差部５１に形成されるが、交差部５１の厚肉化により、近接するセル壁３１、３２同士の交差部３３１、３３２にまで境界強化部５１５が延設されていてもよい。
図４に例示されるように、セル強化部３１５は、セル壁３同士の交差部３３が厚肉化された部分である。境界強化部５１５は、セル壁３と境界隔壁５との交差部５１が厚肉化された部分である。各強化部３１５、５１５は、その形成領域分だけ厚肉化されているため、強化部が形成されていない場合に比べて耐熱衝撃性や強度が向上する。
図４では、厚肉化されたセル強化部３１５をドットによる塗りつぶし領域で示してある。セル強化部３１５は、格子状に設けられたセル壁３の交差部３３に向けた各延長線Ｌ１よりもセル４の内部にはみ出した部分のことである。セル強化部３１５は、セル壁３の直線部分の輪郭線外にある部分のことということもできる。
図５に例示されるように、セル壁３と境界隔壁５との交差部５１に形成された境界強化部５１５についても同様であり、境界強化部５１５をドットによる塗りつぶし領域で示してある。境界強化部５１５は、セル壁３と境界隔壁５との交差部５１に向けたセル壁３及び境界隔壁５の各延長線Ｌ１、Ｌ２よりもセル４の内部にはみ出した部分のことである。境界強化部５１５は、セル壁３及び境界隔壁５の輪郭線外にある部分のことということもできる。なお、セル壁３の延長線Ｌ１は、セル壁３の輪郭線に沿って延設される仮想線である。境界隔壁５の延長線Ｌ２についても同様であり、境界隔壁５の輪郭線に沿って延設される仮想線である。
図３〜図５に例示されるように、ハニカム構造体１の軸方向Ｘと直交する断面において、全ての境界強化部５１５の断面積の平均値Ｓbと、全てのセル強化部３１５の断面積の平均値Ｓcとが、Ｓb＞Ｓcの関係を満足する。Ｓb≦Ｓcの場合には、ハニカム構造体１全体として、境界隔壁５に隣接していないセル壁３同士の交差部３３に比べて境界隔壁５とセル壁３との交差部の剛性が低くなる。その結果、例えば急激な温度変化によりハニカム構造体１内に熱応力が生じると、剛性の低い境界隔壁５付近に熱応力が集中して、ハニカム構造体１の破損を引き起こすおそれがある。
境界強化部５１５とセル強化部３１５との断面積を測定、比較するにあたっては、断面は、ハニカム構造体１の軸方向Ｘにおける端面であってもよい。ハニカム構造体１における軸方向Ｘと直交方向における断面形状は、通常端面形状と一致するからである。強化部３１５、５１５の断面積の測定は、例えば画像測定機により行われる。具体的には、ハニカム構造体１の端面又は断面を撮影し、撮影画像における強化部３１５、５１５の面積を測定すればよい。
図３に例示されるように、セル強化部３１５には、内側セル４１を構成するセル壁３１同士の交差部３３１に形成された強化部３１５ａと、外側セル４２を構成するセル壁３２同士の交差部３３２に形成された強化部３１５ｂとが存在する。内側セル４１を構成するセル壁３１同士の交差部３３１に形成された強化部３１５ａのことを、以下適宜「内側セル強化部３１５ａ」という。一方、外側セル４２を構成するセル壁３２同士の交差部３３２に形成された強化部３１５ｂのことを、以下適宜「外側セル強化部３１５ｂ」という。
全ての境界強化部５１５の断面積の平均値Ｓbと、全ての内側セル強化部３１５ａの断面積の平均値Ｓiと、全ての外側セル強化部３１５ｂの断面積の平均値ＳoとがＳb＞Ｓc≧Ｓiの関係を満足することが好ましい。この場合には、ハニカム構造体１全体として、境界隔壁５とセル壁３との交差部５１における剛性＞外側セル４２のセル壁３２の交差部３３２における剛性≧内側セル４１のセル壁３１の交差部３３１における剛性という関係を満足する。その結果、熱応力は、これらの中で剛性が最も低い内側セル４１のセル壁３１に集中し易くなるが、内側セル４１は、高セル密度で形成されているため、熱応力の集中に対する耐久性が高い。つまり、ハニカム構造体１は、耐熱衝撃性に優れた内側セル４１のセル壁３１に熱応力が集中する構成となるため、ハニカム構造体１の熱応力による破損をより一層防止できる。この効果をさらに高めるという観点から、Ｓb＞Ｓo＞Ｓiの関係を満足することがより好ましい。
一方、例えば剛性を高めるためにセル強化部３１５の厚みを大きくし過ぎると、ハニカム構造体１の熱容量が増大する。その結果、ハニカム構造体１が昇温し難くなり、排ガスの浄化性能が低下するおそれがある。つまり、エミッションが悪化するおそれがある。エミッションをより良好にするという観点から、外側セル強化部３１５ｂについては、Ｓo≦０．０１５ｍｍ2であることが好ましく、Ｓo≦０．０１ｍｍ2であることがより好ましく、Ｓo≦０．００８ｍｍ2であることがさらに好ましい。内側セル強化部３１５ａについては、Ｓi≦０．０１ｍｍ2であることが好ましく、Ｓi≦０．００８ｍｍ2であることがより好ましく、Ｓi≦０．００４ｍｍ2であることがさらに好ましい。また、境界強化部５１５の断面積が大きくなると、ハニカム構造体１に貴金属などの触媒を担持する際に、境界隔壁５とこの境界隔壁５に隣接するセル壁３とに囲まれたセル４内に触媒スラリーが詰まり易くなり、排ガスの浄化に寄与しない触媒の消費量が無駄に増大してしまう。これを避けるという観点から、境界強化部５１５については、Ｓb≦０．０２ｍｍ2であることが好ましく、Ｓb≦０．０１５ｍｍ2であることがより好ましく、Ｓb≦０．０１ｍｍ2であることがさらに好ましく、Ｓb≦０．００８ｍｍ2であることがさらにより好ましい。
強化部３１５、５１５の形状は、特に限定されるわけではないが、図３〜図５に例示されるように、ハニカム構造体１の軸方向Ｘと直交方向における断面において斜面形状にすることができる。斜面形状は、Ｃ面形状、Ｃ面取り形状等といわれることもある。斜面形状の強化部３１５、５１５では、軸方向Ｘと直交方向における斜面の長さや角度を調整することにより、強化部３１５、５１５の断面積を調整することができる。なお、実施形態２に例示するように強化部３１５、５１５は、凹曲面形状することもできるし、実施形態３に例示するように斜面形状と凹曲面形状との組合せにすることもできる。
図４では、１つの交差部３３に形成された複数のセル強化部３１５が相互に異なる形状を有する例を示している。例えば、各セル密度領域４１０、４２０内におけるセル強化部３１５の形状をそれぞれ均一にすることも可能である。この場合には、ハニカム構造体１の製造に用いられる金型の製造が容易になる。また、ハニカム構造体１の製造時における押出成形において、原料坏土の流速のバラツキが抑制され、セル変形を抑制することができる。一方、高セル密度領域４１０内のセル強化部３１５ａと、低セル密度領域４２０内のセル強化部３１５ｂとは、それぞれの形状を変えることができる。なお、各セル密度領域４１０、４７２０内におけるセル強化部３１５の形状を変えることも可能である。
強化部３１５、５１５の形状は、斜面形状及び凹曲面形状の少なくとも一方であることが好ましい。この場合には、交差部３３、５１に集中する熱応力がより緩和される。したがって、ハニカム構造体１の耐熱衝撃性がより向上する。
内側セル４１を形成するセル壁３１の厚さＴi、外側セル４２を形成するセル壁３２の厚さＴoと、境界隔壁５の厚さＴbとがＴb≧Ｔo≧Ｔiの関係を満足することが好ましい。この場合には、ハニカム構造体の浄化性能がより向上する。この効果をより高めるという観点から、Ｔb＞Ｔo＞Ｔiの関係を満足することがより好ましい。セル壁３１、３２の厚みは例えば４０〜１６０μｍの範囲で調整することができる。境界隔壁５の厚みは、３０μｍ〜１０００μｍの範囲で調整することができる。セル壁３１、３２、境界隔壁５の厚みが小さくなると強度が低下し、大きくなると熱容量が増大してエミッションが悪化するおそれがある。
内側セル４１のセル密度Ｄiと外側セル４２のセル密度Ｄoとの比Ｄi／Ｄoが０．８５〜０．４３の範囲内であることが好ましい。この場合には、ハニカム構造内のガスの流れが最適化される。高い浄化性能と低い圧力損失との両立を図ることができる。外側セル４２のセル密度Ｄoは、例えば３０ｃｅｌｌｓ／ｃｍ2〜１５０ｃｅｌｌｓ／ｃｍ2の範囲で調整することができる。
セル密度は、単位面積あたりのセル４の個数で表される。具体的には、セル４を囲むセル壁３の中間線（セル壁３の厚み方向の中間位置を結んだ線）を結んで形成される部分の面積を単位セルの面積とすると、単位面積当たりのセル４の個数が求められる。このセル４の個数がセル密度である。
ハニカム構造体１は、全体が一体成形されて構成されていてもよい。また、ハニカム構造体１は、複数のセグメントが接合されて構成されていてもよい。好ましくは、ハニカム構造体１は一体成形されていることがよい。この場合には、複数のセグメントを接合したときに形成される接合部分を回避できる。そのため、ハニカム構造体１の圧力損失の低減が可能になる。
ハニカム構造体１は、例えば、触媒によって排ガスを浄化する触媒コンバータ等に用いられる。この場合には、ハニカム構造体１は、例えばセル壁３の表面等に排ガス浄化用の触媒を担持した状態で使用される。また、ハニカム構造体１の気孔率は、例えば１０〜７０％とすることができる。また、ハニカム構造体１の平均細孔径は、例えば２μｍ以上とすることができる。
触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属を用いることができる。触媒は、セル壁３の表面や、多孔質のセル壁３の内部に担持される。触媒は、例えば、セリア等の助触媒、アルミナ共にセル壁３に担持される。
触媒の担持方法は、特に限定されるものではないが、例えば触媒を含むスラリーにハニカム構造体１を浸漬し、加熱する方法が挙げられる。これにより、ハニカム構造体１のセル壁３などに触媒を担持させることができる。
ハニカム構造体１は、例えば次の様にして製造される。なお、以下の例はコージェライトからなるハニカム構造体１の例である、他の材質からなるハニカム構造体１は、例えば原料等を変更することにより製造される。
まず、例えばカオリン、溶融シリカ、水酸化アルミニウム、アルミナ、タルク、カーボン粒子等の原料粉末が混合される。これらの原料粉末は、最終的な化学組成が重量比にてＳｉＯ2：４５〜５５％、Ａｌ2Ｏ3：３３〜４２％、ＭｇＯ：１２〜１８％となるコージェライトの組成となるように混合される。この原料粉末に、水、バインダ等を所定量添加し、混錬することにより、セラミックス原料が得られる。
次いで、押出成形用金型を用いてセラミックス原料がハニカム状に押出成形されることにより、ハニカム成形体が得られる。このとき、セル壁３の形状に対応する形状のスリットを有する押出成形用金型を用いて押出成形が行われる。そして、マイクロ波によりハニカム成形体が乾燥され、所望の長さに切断される。その後、ハニカム成形体が所定の最高温度（例えば、１３９０〜１４３０℃）で焼成される。これにより、図１〜図３に示すごとく、ハニカム構造体１が得られる。
なお、押出成形を行う際の金型としては、セル壁３の配設形状に対応する形状のスリットを設けた押出成形用金型（図示略）を用いることができる。スリットは、放電加工、レーザー加工、スライシング加工等の方法により形成することができる。このとき、斜面形状、凹曲面形状等の強化部の配設形状に対応するスリットについても、放電加工、レーザー加工等の方法によって形成することができる。また、通常のセル壁３の配設形状に対応するスリットに対して、さらにレーザー加工、放電加工、流体研磨等の方法で、強化部の配設形状に対応する形状を追加工することも可能である。
本形態のハニカム構造体１は、強化部がＳb＞Ｓcの関係を満足する。つまり、セル壁３同士の交差部３３における強化部３１５の断面積の平均値よりも、境界隔壁５とセル壁３との交差部５１における強化部５１５の断面積の平均値が大きい。これにより、ハニカム構造体１全体として境界隔壁５の剛性が境界隔壁５に隣接していないセル壁３よりも高くなる。つまり、剛性の高さが境界強化部５１５＞セル強化部３１５という序列になる。これにより、境界隔壁５への応力集中が分散され、比較的高強度であるセル壁３で熱応力を受けることができる。その結果、ハニカム構造体１は、境界隔壁５を有しながらも耐熱衝撃性に優れる。
以上のごとく、上記態様によれば、境界隔壁５を有しながらも耐熱衝撃性に優れたハニカム構造体１を提供することができる。
（実施形態２）
本形態では、図６〜図８に例示されるように、軸方向Ｘと直交方向における断面形状が凹曲面形状となる強化部３１５、５１５を有するハニカム構造体１について説明する。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。
本形態では、図６〜図８に例示されるように、軸方向Ｘと直交方向における断面形状が凹曲面形状となる強化部３１５、５１５を有するハニカム構造体１について説明する。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。
本形態のハニカム構造体１は、実施形態１と同様にセル強化部３１５及び境界強化部５１５を有する。各強化部３１５、５１５は、軸方向Ｘと直交方向における断面形状が凹曲面形状となる。凹曲面形状は、曲率半径を有する。凹曲面形状はアール形状といわれることもある。
本形態のように、強化部３１５、５１５が凹曲面形状の場合には、斜面形状の場合よりも強化部３１５とセル壁３とが交わる部分にかかる応力が緩和される。応力が曲面にて緩和されるためである。これにより、ハニカム構造体１の耐熱衝撃性がさらに向上する。したがって、ハニカム構造体１の軸方向Ｘと直交方向における断面における強化部の形状は、凹曲面形状であることがより好ましい。
図７では、セル強化部３１５をドットによる塗りつぶし領域で示してある。セル強化部３１５は、実施形態１と同様に、セル壁３の輪郭線から交差部３３に向けた各延長線Ｌ１よりもセル４の内部にはみ出した部分のことである。図８に例示されるように、境界強化部５１５についても同様であり、境界強化部５１５は、セル壁３の輪郭線、境界隔壁５の輪郭線から、交差部５１に向けた各延長線Ｌ１、Ｌ２よりもセル４の内部にはみ出した部分のことである。その他の構成は、実施形態１と同様である。
凹曲面形状の強化部であっても、実施形態１と同様に、Ｓb＞Ｓcの関係を満足することにより、剛性の高さが境界強化部５１５＞セル強化部３１５という序列になる。これにより、境界隔壁５への応力集中が分散され、比較的高強度であるセル壁３で熱応力を受けることができる。その結果、ハニカム構造体１は、境界隔壁５を有しながらも耐熱衝撃性に優れる。曲面形状の強化部３１５、５１５では、軸方向Ｘと直交方向における曲面の長さ、曲率半径等を調整することにより、強化部３１５、５１５の断面積を調整することができる。本形態のハニカム構造体１は、その他、実施形態１と同様の効果を奏することができる。
（実施形態３）
本形態は、斜面形状の強化部３１５、５１５と、凹曲面形状の強化部３１５、５１５とを組み合わせたハニカム構造体１の例である。図９に例示されるように、ハニカム構造体１においては、交差部３３に凹曲面形状及び斜面形状の強化部３１５が形成されている。図９は、セル壁３同士の交差部３３に形成された強化部３１５を示すが、境界隔壁５とセル壁３との交差部５１に形成された強化部５１５についても同様である。その他の構成は、実施形態１と同様である。
本形態は、斜面形状の強化部３１５、５１５と、凹曲面形状の強化部３１５、５１５とを組み合わせたハニカム構造体１の例である。図９に例示されるように、ハニカム構造体１においては、交差部３３に凹曲面形状及び斜面形状の強化部３１５が形成されている。図９は、セル壁３同士の交差部３３に形成された強化部３１５を示すが、境界隔壁５とセル壁３との交差部５１に形成された強化部５１５についても同様である。その他の構成は、実施形態１と同様である。
本例のように、斜面形状の強化部３１５、５１５と凹曲面形状の強化部３１５、５１５とを組合せた場合であっても、実施形態１と同様に、Ｓb＞Ｓcの関係を満足することにより、剛性の高さが境界強化部５１５＞セル強化部３１５という序列になる。これにより、境界隔壁５への応力集中が分散され、比較的高強度であるセル壁３で熱応力を受けることができる。その結果、ハニカム構造体１は、境界隔壁５を有しながらも耐熱衝撃性に優れる。本形態のハニカム構造体１は、その他、実施形態１と同様の効果を奏することができる。
（変形例１）
本例は、正六角形のセルを有するハニカム構造体１の例である。図１０に例示されるように、本例のハニカム構造体１においては、セル壁３は、セル４を正六角形格子状に区画する。したがって、軸方向Ｘと直交方向におけるセル４の形状は、正六角形となる。
本例は、正六角形のセルを有するハニカム構造体１の例である。図１０に例示されるように、本例のハニカム構造体１においては、セル壁３は、セル４を正六角形格子状に区画する。したがって、軸方向Ｘと直交方向におけるセル４の形状は、正六角形となる。
図１０〜図１２に例示されるように、セル壁３同士の交差部３３には、セル強化部３１５が形成されている。一方、セル壁３と境界隔壁５との交差部５１には、境界強化部５１５が形成されている。セル強化部３１５及び境界強化部５１５は、実施形態３と同様に、斜面形状及び凹曲面形状との組合せからなっている。実施形態１のように、斜面形状にしたり、実施形態２のように、凹曲面形状にすることも可能である。その他の構成は、実施形態１と同様である。
本例のように、四角格子状以外の格子形状であっても、ハニカム構造体１がセル強化部３１５及び境界強化部５１５を有し、さらに強化部がＳb＞Ｓcの関係を満足する場合には、実施形態１〜３と同様に、優れた耐熱衝撃性示すことができる。
（実験例１）
本例では、境界強化部の断面積と、セル強化部の断面積とが異なる関係を有する複数のハニカム構造体１（具体的には、試料Ｃ１〜試料Ｃ３、試料Ｅ１〜試料Ｅ３）について、その性能を比較評価する。
本例では、境界強化部の断面積と、セル強化部の断面積とが異なる関係を有する複数のハニカム構造体１（具体的には、試料Ｃ１〜試料Ｃ３、試料Ｅ１〜試料Ｅ３）について、その性能を比較評価する。
試料Ｃ２、試料Ｃ３、試料Ｅ１〜試料Ｅ３は、軸方向Ｘと直交する断面における強化部３１５、５１５の形状が斜面形状であり、セル壁３同士の全ての交差部３３、及びセル壁３と境界隔壁５との全ての交差部５１に強化部３１５、５１５が形成されたハニカム構造体１である。試料Ｃ１は、いずれの交差部にも強化部が形成されていないハニカム構造体である。各試料のハニカム構造体には、排ガス浄化用の触媒が担持されている。
各試料のハニカム構造体１は、いずれも、Ｔb＞Ｔo＞Ｔiの関係を満足する。また、各試料においては、各セル密度領域４１０、４２０内のセル密度は一定であり、高セル密度領域４１０のセル密度が９３ｃｅｌｌｓ／ｃｍ2、低セル密度領域４２０のセル密度が６２ｃｅｌｌｓ／ｃｍ2である。
各試料について、境界強化部５１５の断面積の平均値Ｓb、セル強化部３１５の断面積の平均値Ｓc、内側セル強化部３１５ａの断面積の平均値Ｓi、外側セル強化部３１５ｂの断面積の平均値Ｓoを、それぞれ表１に示す。また、各試料のエミッション、耐熱衝撃性、セル変形を下記のようにして評価した。その結果を表１に示す。
「エミッション評価」
エミッション評価は、排ガスの浄化性能の評価である。具体的には、図１３に例示されるように、各試料のハニカム構造体１の外皮２の周囲をアルミナマット６１で巻いた状態で排気管６２内に設置することにより触媒コンバータ６を作製した。なお、エミッション評価において使用するハニカム構造体１は、一度エンジンに搭載されて走行が行われている。したがって、ハニカム構造体１に担持された触媒が劣化している。次いで、ハニカム構造体１を自動車の排気管６２内の所定の位置に設置した。そして、所定のモード（ＬＡ♯４評価モード）で走行を行い、排出されるエミッション（つまり、ＨＣとＮＯｘの合計排出量）を測定した。ＨＣとＮＯｘの合計排出量が基準となる試料Ｃ２に対し２％以上増加したもの「Ｄ」と評価した。また、合計排出量の増加が試料Ｃ２に対して２％未満、あるいは合計排出量の減少が試料Ｃ２に対して１％未満のものを「Ｃ」と評価した。合計排出量が試料Ｃ２に対して１％以上、２％未満減少したものを「Ｂ」と評価した。合計排出量が試料Ｃ２に対して２％以上減少したものを「Ａ」と評価した。
エミッション評価は、排ガスの浄化性能の評価である。具体的には、図１３に例示されるように、各試料のハニカム構造体１の外皮２の周囲をアルミナマット６１で巻いた状態で排気管６２内に設置することにより触媒コンバータ６を作製した。なお、エミッション評価において使用するハニカム構造体１は、一度エンジンに搭載されて走行が行われている。したがって、ハニカム構造体１に担持された触媒が劣化している。次いで、ハニカム構造体１を自動車の排気管６２内の所定の位置に設置した。そして、所定のモード（ＬＡ♯４評価モード）で走行を行い、排出されるエミッション（つまり、ＨＣとＮＯｘの合計排出量）を測定した。ＨＣとＮＯｘの合計排出量が基準となる試料Ｃ２に対し２％以上増加したもの「Ｄ」と評価した。また、合計排出量の増加が試料Ｃ２に対して２％未満、あるいは合計排出量の減少が試料Ｃ２に対して１％未満のものを「Ｃ」と評価した。合計排出量が試料Ｃ２に対して１％以上、２％未満減少したものを「Ｂ」と評価した。合計排出量が試料Ｃ２に対して２％以上減少したものを「Ａ」と評価した。
「耐熱衝撃性の評価」
まず、各試料のハニカム構造体１を９００〜１１００℃に加熱し、次いで、ハニカム構造体１の中心付近のセル４に向けて室温空気を吹き付ける。これにより、ハニカム構造体１内に１〜５０℃／ｍｍの温度差を発生させる。この温度差によって発生する熱応力による割れの発生有無を目視で確認する。基準となる試料Ｃ２に対し、割れ発生確率が１０％以上増えたものを「Ｄ」と評価した。また、試料Ｃ２に対する割れの発生確率の増加率が１０％未満であるか、割れの発生確率の減少率が５％未満のものを「Ｃ」と評価した。試料Ｃ２に対する割れの発生確率の減少率が５％以上、１０％未満のものを「Ｂ」と評価した。試料Ｃ２に対する割れの発生確率の減少率が１０％以上のものを「Ａ」と評価した。
まず、各試料のハニカム構造体１を９００〜１１００℃に加熱し、次いで、ハニカム構造体１の中心付近のセル４に向けて室温空気を吹き付ける。これにより、ハニカム構造体１内に１〜５０℃／ｍｍの温度差を発生させる。この温度差によって発生する熱応力による割れの発生有無を目視で確認する。基準となる試料Ｃ２に対し、割れ発生確率が１０％以上増えたものを「Ｄ」と評価した。また、試料Ｃ２に対する割れの発生確率の増加率が１０％未満であるか、割れの発生確率の減少率が５％未満のものを「Ｃ」と評価した。試料Ｃ２に対する割れの発生確率の減少率が５％以上、１０％未満のものを「Ｂ」と評価した。試料Ｃ２に対する割れの発生確率の減少率が１０％以上のものを「Ａ」と評価した。
「セル変形の評価」
セル変形の評価は、ハニカム構造体１の断面形状を画像計測機により撮影し、セル寸法を測定することにより行った。セル頂点角度のうち大きいほうの角度が、セル４の設計寸法角度よりも１０°以上大きなセル４が存在する場合にセル変形があると判定した。例えば四角形セルの場合には、セル４の設計寸法は９０°であり、正六角形セルの場合には、セル４の設計寸法角度は１２０°である。基準となる試料Ｃ２に対し、セル変形の数が１０％以上増大したものを「Ｄ」と評価した。試料Ｃ２に対するセル変形の数の増加率が１０％未満であるか、セル変形の数の減少率が５％未満のものを「Ｃ」と評価した。試料Ｃ２に対するセル変形の数の減少率が５％以上、１０％未満のものを「Ｂ」と評価した。試料Ｃ２に対するセル変形の数の減少率が１０％以上のものを「Ａ」と評価した。
セル変形の評価は、ハニカム構造体１の断面形状を画像計測機により撮影し、セル寸法を測定することにより行った。セル頂点角度のうち大きいほうの角度が、セル４の設計寸法角度よりも１０°以上大きなセル４が存在する場合にセル変形があると判定した。例えば四角形セルの場合には、セル４の設計寸法は９０°であり、正六角形セルの場合には、セル４の設計寸法角度は１２０°である。基準となる試料Ｃ２に対し、セル変形の数が１０％以上増大したものを「Ｄ」と評価した。試料Ｃ２に対するセル変形の数の増加率が１０％未満であるか、セル変形の数の減少率が５％未満のものを「Ｃ」と評価した。試料Ｃ２に対するセル変形の数の減少率が５％以上、１０％未満のものを「Ｂ」と評価した。試料Ｃ２に対するセル変形の数の減少率が１０％以上のものを「Ａ」と評価した。
表１より知られるように、Ｓb＞Ｓcの関係を満足する試料Ｅ１〜試料Ｅ３は、基準となる試料Ｃ２に対して耐熱衝撃性が向上している。これは、剛性の高さが境界強化部５１５＞セル強化部３１５という序列になることにより、境界隔壁５への応力集中が分散され、比較的高強度であるセル壁３で熱応力を受けることができるためであると考えられる。
また、表１より知られるように、Ｓb＞Ｓc≧Ｓiの関係を満足することが好ましい。この場合には、耐熱衝撃性がより向上すると共に、排ガス浄化性能が向上し、エミッションがより改善する。さらに耐熱衝撃性が向上するという観点から、Ｓb＞Ｓc＞Ｓiの関係を満足することが好ましい。これは、熱応力を高セル密度領域のセル壁で受けることができるためであると考えられる。
このように、本例によれば、強化部の断面積の関係を上記のように調整することにより、ハニカム構造体１の耐熱衝撃性が向上することがわかる。
（実験例２）
本例では、凹曲面形状の強化部３１５、５１５を有するハニカム構造体１（具体的には、試料Ｃ４、試料Ｅ４、試料Ｅ３）について、実験例１と同様の評価を行う。
本例では、凹曲面形状の強化部３１５、５１５を有するハニカム構造体１（具体的には、試料Ｃ４、試料Ｅ４、試料Ｅ３）について、実験例１と同様の評価を行う。
試料Ｃ４、試料Ｅ４、試料Ｅ３は、軸方向Ｘと直交する断面における強化部３１５、５１５の形状が斜面形状であり、セル壁３同士の全ての交差部３３、及びセル壁３と境界隔壁５との全ての交差部５１に強化部３１５、５１５が形成されたハニカム構造体１である。各試料のハニカム構造体１には、触媒が担持されている。
各試料について、境界強化部５１５の断面積の平均値Ｓb、セル強化部３１５の断面積の平均値Ｓc、内側セル強化部３１５ａの断面積の平均値Ｓi、外側セル強化部３１５ｂの断面積の平均値Ｓoを、それぞれ表１に示す。また、各試料のエミッション、耐熱衝撃性、セル変形を実験例１と同様にして評価した。その結果を表２に示す。
表２より知られるように、強化部３１５、５１５を凹曲面形状にすることにより、成形性が向上してセル変形の抑制が可能になる。また、Ｓb＞Ｓcの関係、Ｓb＞Ｓc＞Ｓiの関係を満足する試料Ｅ４及び試料Ｅ５は、実験例１と同様に、基準となる試料Ｃ２に対して耐熱衝撃性が向上している。
また、表２より知られるように、Ｓb＞Ｓc≧Ｓiの関係を満足することが好ましい。この場合には、耐熱衝撃性がより向上すると共に、排ガス浄化性能が向上し、エミッションがより改善する。さらに耐熱衝撃性が向上するという観点から、Ｓb＞Ｓc＞Ｓiの関係を満足することが好ましい。
また、表２の試料Ｅ５のように強化部３１５、５１５の断面積の平均値が大きくなると、熱容量が増大してエミッションが悪化する傾向がある。例えばＳb≦０．０８、Ｓo≦０．４にすることにより、エミッションを良好にすることができる。
このように、本例によれば、強化部３１５、５１５の断面積の関係を上記のように調整することにより、ハニカム構造体１の耐熱衝撃性が向上することがわかる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、強化部の形状は、斜面形状や曲面形状に限定されるものではなく、その他の形状であってもよい。
１ ハニカム構造体
２ 外皮
３ セル壁
４ セル
４１ 内側セル
４２ 外側セル
５ 境界隔壁
３１５ 強化部（セル強化部）
５１５ 強化部（境界強化部）
２ 外皮
３ セル壁
４ セル
４１ 内側セル
４２ 外側セル
５ 境界隔壁
３１５ 強化部（セル強化部）
５１５ 強化部（境界強化部）
Claims (8)
- 筒状の外皮（２）と、
該外皮内を格子状に区画するセル壁（３、３１、３２）と、
上記セル壁に囲まれ、上記外皮の軸方向（Ｘ）に伸びる複数のセル（４）と、
上記セルを上記外皮の中心軸（Ｏ）を含む領域に形成された複数の内側セル（４１）、及び該内側セルの形成領域よりも外側に形成されると共に上記内側セルよりも小さなセル密度で形成された複数の外側セル（４２）に区画する筒状の境界隔壁（５）と、
上記セル壁同士の交差部（３３、３３１、３３２）及び上記境界隔壁と上記セル壁との交差部（５１）には、該交差部が厚肉化された強化部（３１５、３１５ａ、３１５ｂ、５１５）と、を有し、
上記軸方向と直交する断面において、上記境界隔壁と上記セル壁との上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓbと、上記セル壁同士の上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓcとが、Ｓb＞Ｓcの関係を満足する、ハニカム構造体（１）。 - 上記境界隔壁と上記セル壁との上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓbと、上記内側セルを構成する上記セル壁同士の上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓiと、上記外側セルを構成する上記セル壁同士の上記交差部における全ての上記強化部の断面積の平均値Ｓoとが、Ｓb＞Ｓo≧Ｓiの関係を満足する、請求項１に記載のハニカム構造体。
- さらに、Ｓb＞Ｓo＞Ｓiの関係を満足する、請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
- 上記境界隔壁と上記セル壁との全ての上記交差部及び上記セル壁同士の全ての上記交差部に上記強化部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
- 上記軸方向と直交方向の上記ハニカム構造体の断面における上記強化部の形状が凹曲面形状及び斜面形状の少なくとも一方である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
- 上記軸方向と直交方向の上記ハニカム構造体の断面における上記強化部の形状が全て凹曲面形状である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
- 上記内側セルを形成する上記セル壁の厚さＴi、上記外側セルを形成する上記セル壁の厚さＴoと、上記境界隔壁の厚さＴbとが、Ｔb≧Ｔo≧Ｔiの関係を満足する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
- 上記内側セルのセル密度Ｄiと上記外側セルのセル密度Ｄoとの比Ｄi／Ｄoが０．８５〜０．４３の範囲内である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
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