JP2019130460A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接するセル間の過度な剛性差による応力集中を抑制することで構造体強度を向上可能なハニカム構造体を提供する。【解決手段】ハニカム構造体１は、ベース領域１１と外周強化領域１２とを有する。外周強化領域１２は、外周壁４に接する起点セル２１から少なくとも４セル目以上のセル２まで、セル壁３がベース領域１１のセル壁３よりも厚化されている、及び／又は、補強部３１の寸法がベース領域１１における補強部３１の寸法よりも拡大されている。ハニカム構造体１は、セル壁３の有効細長比をλとした時、起点セル２１から４セル目以降に存在する各セル２におけるセル壁３の有効細長比の比λｉ+１／λｉが０．８６以上１未満である。λｉは、起点セル２１からｉセル目のセル２のセル壁３の有効細長比、λｉ+１は、（ｉ＋１）セル目のセル２１のセル壁３の有効細長比、ｉは、４〜外周強化領域１２の強化最終のセル２のセル目数である。【選択図】図６

Description

本発明は、ハニカム構造体に関し、さらに詳しくは、断面六角形状のセルを有するハニカム構造体に関する。

従来、自動車等の車両分野では、内燃機関から排出される排ガスを浄化するため、排ガス浄化装置が使用されている。排ガス浄化装置は、排気管に収容されたセラミックス製のハニカム構造体と、ハニカム構造体に保持させた触媒成分とを有している。ハニカム構造体は、通常、互いに隣接する複数のセルと、複数のセルを形成する複数のセル壁と、複数のセル壁の外周に設けられてセル壁を保持する外周壁と、を有している。触媒成分は、セル壁表面に保持されている。

先行する特許文献１には、断面四角形状の複数のセルを有し、最外周セルを起点セルとしてそこから５〜２０番目の範囲内のいずれかの終点セルまでのセル隔壁厚さＴと、基本セル隔壁厚さＴｃとの比Ｔ／Ｔｃが、１．１以上３．０以下であるハニカム構造体が開示されている。同文献には、上記構成を採用することにより、成形不良によるアイソスタティック強度の低下を抑制できる点が記載されている。

特許第４４７３５０５号公報

近年、排気規制や燃費規制の厳格化により、排ガス浄化装置には、早期暖気および低圧力損失が求められている。それに伴い、ハニカム構造体では、セル壁の壁厚が年々薄化されてきている。しかし、壁厚の薄肉化は、ハニカム構造体の構造体強度を低下させる。そのため、触媒成分を保持させたハニカム構造体を排気管に収容するキャニング工程において、径方向から負荷される圧縮応力により、ハニカム構造体が破壊しやすい。特に、断面四角形状のセルを有するハニカム構造体に比べ、排ガスの浄化性能が高く、低圧力損失である断面六角形状のセルを有するハニカム構造体は、構造体強度が低いため、キャニング時の応力集中によって破壊しやすい。

キャニング時の破壊を抑制する手法としては、上述したように、ハニカム構造体の外周部からハニカム中心軸方向に数セル目までの領域にわたってセル壁の壁厚を厚化し、構造体強度を向上させる方法がある。特許文献１は、成形時のセル歪を抑制することで構造体強度の向上を図ろうとするものであり、１．１≦Ｔ／Ｔｃ≦３．０という所定の関係を満たすことを要件とする。しかしながら、上記要件を満たしている場合でも、構造体強度が低下する場合があることが分かってきた。これは、外周強化領域におけるセル壁の壁厚をむやみに厚化すると、隣接するセル間で剛性差が大きくなり、当該セル間の剛性差に起因する大きな歪が誘発され、かえって応力集中が発生しやすくなるためである。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、隣接するセル間の過度な剛性差による応力集中を抑制することによって構造体強度を向上可能な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、互いに隣接する断面六角形状の複数のセル（２）と、複数の上記セルを形成する複数のセル壁（３）と、複数の上記セル壁の外周に設けられて上記セル壁を保持する外周壁（４）と、を有するハニカム構造体（１）であって、
ハニカム中心軸（１０）がセル中心を通る中心セル（２０）を有するベース領域（１１）と、
上記ベース領域の外周に配置された領域であって、上記外周壁に接する起点セル（２１）から上記ハニカム中心軸方向に少なくとも４セル目以上の上記セルまで、上記セル壁が上記ベース領域の上記セル壁よりも厚化されている、および／または、上記セル壁同士が接続するセル頂点部（３０）に形成された補強部（３１）の寸法が上記ベース領域における補強部（３１）の寸法よりも拡大されている外周強化領域（１２）と、を有しており、
上記セル壁の有効細長比λが以下の式１で定義されるとき、
上記起点セルから上記ハニカム中心軸方向へ４セル目以降に存在する各上記セルにおける上記セル壁の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが０．８６以上１未満とされている、ハニカム構造体（１）にある。

式１中、ｐ：セルピッチ、ｗ：上記ハニカム中心軸方向に沿う上記セル壁の長さ、ｔ：上記セル壁の壁厚、ｒ_０：ハニカム外周側の上記補強部の寸法、ｒ_ｉ：ハニカム中心側の上記補強部の寸法
上記λ_ｉ：上記起点セルから上記ハニカム中心軸方向へｉセル目の上記セルにおける上記セル壁の有効細長比
上記λ_ｉ+１：上記起点セルから上記ハニカム中心軸方向へ（ｉ＋１）セル目の上記セルにおける上記セル壁の有効細長比
上記ｉ：４〜上記外周強化領域における最終の上記セルのセル目数

断面六角形状の複数のセルを有するハニカム構造体では、外周壁に接する起点セルからハニカム中心軸方向へ４セル目以降のセルにおけるセル壁を過度に強化すると、隣接するセル間で剛性差が大きくなり、応力集中が発生しやすくなる。キャニング時の極端な応力集中は、主に外周壁から３セル目までで起き、外周壁から４セル目以降では、わずかに応力集中が起きる程度である。そのため、外周壁から４セル目以降に存在する各セルを強化（セル壁の厚化やセル頂点部への補強部の形成など）し過ぎると、当該強化による応力低減効果以上に隣接するセル間の剛性差によって構造体強度が低下してしまう。

これに対し、上記ハニカム構造体は、上記構成を有しており、外周壁に接する起点セルからハニカム中心軸方向へ４セル目以降に存在する各セルにおけるセル壁の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが０．８６以上１未満とされている。つまり、上記ハニカム構造体は、隣接するセルの壁厚の比ではなく、隣接するセルの座屈強さを左右するセル壁の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが特定の範囲内とされている。そのため、上記ハニカム構造体では、隣接するセル間の過度な剛性差による応力集中が抑制され、その結果、構造体強度を向上させることができる。

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。

実施形態１のハニカム構造体のハニカム中心軸に垂直な断面構造を簡素化して示した説明図である。 ベース領域におけるセル構造の一例であり、（ａ）はセル頂点部に補強部が形成されている例、（ｂ）はセル頂点部に補強部が形成されていない例である。 外周強化領域におけるセル構造の一例であり、（ａ）はセル頂点部に補強部が形成されている例、（ｂ）は（ａ）中の破線で囲まれた部分の立体的な形状を模式的に示した例である。 外周強化領域におけるセル構造の他の一例である。 外周強化領域における強化セル数の数え方を説明するための説明図である。 セル壁の有効細長比の比を説明するための説明図である。 セル壁の厚化によって強化された外周強化領域を有しており、λ_ｉ+１／λ_ｉが０．８６以上１未満とされているハニカム構造体の一例である。 実施形態２のハニカム構造体における外周強化領域を模式的に示した説明図である。 実験例１における、λ_ｉ+１／λ_ｉとアイソスタティック強度比との関係を示したグラフである。 実験例１における、起点セルからのセル目数と発生応力との関係を示したグラフである。 実験例１における、λ_ｉ+１／λ_ｉと、起点セルから４セル目のセルと５セル目のセルとに発生する応力の差との関係を示したグラフである。 実験例２における、圧力損失の評価方法を説明するための説明図である。 実験例３における、外周強化領域の強化セル数とアイソスタティック強度との関係を示したグラフである。 実験例３における、外周強化領域の強化セル数と圧力損失との関係を示したグラフである。

（実施形態１）
実施形態１のハニカム構造体について、図１〜図７を用いて説明する。図１〜図７に例示されるように、本実施形態のハニカム構造体１は、セラミックス製（例えば、コージェライト等）であり、互いに隣接する断面六角形状の複数のセル２と、複数のセル２を形成する複数のセル壁３と、複数のセル壁３の外周に設けられてセル壁３を保持する外周壁４と、を有している。なお、図１において、セル壁３は、便宜上、線によって表されており、セル壁３の厚み等は省略されている。

本実施形態において、セル２は、ハニカム構造体１の中心を通る軸であるハニカム中心軸１０に沿って延びる貫通孔より構成されている。セル２は、浄化すべき排ガスが流される流路とされる部位である。なお、上記の断面六角形状にいう断面とは、ハニカム中心軸１０に垂直な断面を意味する。また、上記の断面六角形状にいう六角形状とは、必ずしも正六角形に限られず、正六角形以外にも、角部が丸みを帯びている六角形や製造上意図せず歪んだ六角形等も含む意味である。複数のセル壁３は、互いに隣接するセル壁３と接続されて一体化されている。セル壁３のセル２側の壁面には、ハニカム構造体１の使用時に触媒成分が担持される。外周壁４は、ハニカム中心軸１０に垂直な断面視で円形状の形状を呈している。外周壁４の内側面には、外周壁４の内側面寄りに配置された複数のセル壁３が接続されている。これにより、複数のセル壁３は、外周壁４にて一体に保持されている。

ハニカム構造体１は、図１に例示されるように、ハニカム中心軸１０に垂直な断面視で、ベース領域１１と、外周強化領域１２と、を有している。

ベース領域１１は、ハニカム中心軸１０がセル中心を通る中心セル２０を有する領域である。ベース領域１１は、基本的には、外周強化領域１２に比べ、壁厚が厚化されていないセル壁３を複数含んで構成されている。本実施形態では、ベース領域１１は、具体的には、当該ベース領域１１内に含まれるセル壁３が、同等の壁厚とされている。より具体的には、中心セル２０と、中心セル２０を取り囲む６つのセル２と、を構成する各セル壁３の壁厚の平均値をｔ_ａｖｅとしたとき、ベース領域１１に含まれるセル壁３の壁厚は、０．９７×ｔ_ａｖｅ〜１．０３×ｔ_ａｖｅの範囲内とすることができる。ベース領域１１に含まれるセル壁３の壁厚が上記範囲内にあるとき、ｔ_ａｖｅに対して誤差の範囲であるといえるので同等の壁厚であるということができる。なお、上記平均値ｔ_ａｖｅが、ベース領域１１のセル壁３の壁厚とされる。

ベース領域１１は、図２（ａ）に例示されるように、セル壁３同士が接続するセル頂点部３０に補強部３１が形成されていてもよいし、図２（ｂ）に例示されるように、セル頂点部３０に補強部３１が形成されていなくてもよい。また、ベース領域１１が補強部３１を有する場合、全てのセル頂点部３０に補強部３１が形成されていてもよいし、一部に補強部３１が形成されていない部分があってもよい。なお、補強部３１は、セル壁３同士が接続するセル頂点部３０が厚肉化された部分である。つまり、セル頂点部３０において、各セル壁３の平坦面部分を延長した延長線３００よりもセル２側へはみ出した部分が補強部３１とされる。補強部３１は、具体的には、応力集中の低減等の観点から、角Ｒ面部を有する構成とすることができる。なお、角Ｒ面部は、セル頂点部３０側に凸となる曲面部を表面に有する構成とすることができる。本実施形態は、ベース領域１１の各セル頂点部３０に、角Ｒ面部より構成される補強部３１が形成されている例である。ベース領域１１における補強部３１の寸法は、次のようにして算出することができる。中心セル２０と、中心セル２０を取り囲む６つのセル２と、を構成する各セル頂点部３０について、各セル頂点部３０に形成された各補強部３１（セル２外側、セル２内側のいずれも含む）の寸法を求める。なお、各補強部３１の寸法は、図２（ａ）で示されるように、角Ｒ面部に接する内接円を描いたときの内接円の半径ｒとされる。得られた各寸法値の平均値ｒ_ａｖｅが、ベース領域１１における補強部３１の寸法とされる。本実施形態では、ベース領域１１は、具体的には、当該ベース領域１１に含まれる補強部３１が、同等の寸法とされている。より具体的には、ベース領域１１に含まれる補強部３１の寸法は、０．９７×ｒ_ａｖｅ〜１．０３×ｒ_ａｖｅの範囲内とすることができる。ベース領域１１に含まれる補強部３１の寸法が上記範囲内にあるとき、ｒ_ａｖｅに対して誤差の範囲であるといえるので同等の寸法であるということができる。

外周強化領域１２は、ベース領域１１の外周に配置された領域である。外周強化領域１２は、具体的には、ベース領域１１と一体的に繋がっている。外周強化領域１２は、図３（ａ）および図４に例示されるように、セル壁３同士が接続するセル頂点部３０に補強部３１が形成されていてもよいし、図示はしないが、ベース領域１１の説明で用いた図２（ｂ）と同様に、セル頂点部３０に補強部３１が形成されていなくてもよい。外周強化領域１２における補強部３１の寸法は、図３（ａ）および図４で示されるように、角Ｒ面部に接する内接円を描いたときの内接円の半径ｒとされる。その他については、基本的には、上述のベース領域１１の補強部３１についての説明と同様である。

外周強化領域１２は、外周壁４に接する起点セル２１からハニカム中心軸１０方向に少なくとも４セル目以上のセル２まで、セル壁３がベース領域１１のセル壁３よりも厚化されている、および／または、セル壁３同士が接続するセル頂点部３０に形成された補強部３１の寸法がベース領域１１における補強部３１の寸法よりも拡大されている。つまり、外周強化領域１２は、セル壁３の厚化によって強化された領域より構成されていてもよいし、補強部３１の寸法拡大によって強化された領域より構成されていてもよいし、セル壁３の厚化および補強部３１の寸法拡大の両方によって強化された領域より構成されていてもよい。以下、これら外周強化領域１２のセル強化について説明する。

図１には、中心セル２０のセル中心と中心セル２０の各セル頂点部３０とを通る６本の破線Ｌ_０、Ｌ_６０、Ｌ_１２０、Ｌ_１８０、Ｌ_２４０、Ｌ_３００が示されている。また、中心セル２０のセル中心と中心セル２０の各セル壁３の中点とを通る６本の破線Ｌ_３０、Ｌ_９０、Ｌ_１５０、Ｌ_２１０、Ｌ_２７０、Ｌ_３３０が示されている。中心セル２０のセル中心と、あるセル頂点部３０とを通る１本の破線（図１では、１２時の位置にある破線Ｌ_０）の方向を０度方向としたとき、そこから時計回りに３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度、２１０度、２４０度、２７０度、３００度、３３０度の位置にある各破線Ｌ_３０、Ｌ_６０、Ｌ_９０、Ｌ_１２０、Ｌ_１５０、Ｌ_１８０、Ｌ_２１０、Ｌ_２４０、Ｌ_２７０、Ｌ_３００、Ｌ_３３０の方向を、それぞれ、３０度方向、６０度方向、９０度方向、１２０度方向、１５０度方向、１８０度方向、２１０度方向、２４０度方向、２７０度方向、３００度方向、３３０度方向とする。

ここで、ハニカム中心軸１０を通り、かつ、セル壁３に直交する直線を仮想直線Ｌとすする。仮想直線Ｌは、ハニカム中心軸１０を通るハニカム径方向の直線である。図１において、３０度×ｎ（但し、ｎ＝１、３、５、７、９、１１）の６方向にある各破線Ｌ_３０、Ｌ_９０、Ｌ_１５０、Ｌ_２１０、Ｌ_２７０、Ｌ_３３０は、ハニカム中心軸１０を通り、かつ、セル壁３に直交しているため、仮想直線Ｌとされる。

ハニカム構造体１において、外周強化領域１２が、外周壁４からハニカム中心軸１０方向に何セル目のセルまでの領域より構成されているか、つまり、外周強化領域１２における強化セル数は、以下のようにして、判断される。

図５に例示されるように、３０度×ｎ（但し、ｎ＝１、３、５、７、９、１１）の方向にある仮想直線Ｌ上に沿って並ぶ複数のセル２のうち、外周壁４に接するセル２を起点セル２１（１セル目のセル２）とする。なお、外周壁４に接するセル２は、通常、断面六角形状となっていないが、このような不完全なものもセル２として数えられる。３０度×ｎ（但し、ｎ＝１、３、５、７、９、１１）の各方向において、仮想直線Ｌに沿って並ぶ複数のセル２を、起点セル２１からハニカム中心軸１０方向に向かって順に数えていく。

セル壁３の厚化によって外周強化領域１２が強化される場合、図５に例示されるように、外周壁４に接する起点セル２１から（ｍ＋１）セル目で、ベース領域１１のセル壁３の壁厚と同等の壁厚のセル壁３を有するセル２が現れる。この（ｍ＋１）セル目のセル２と一つ前のｍセル目のセル２との境界をなすセル壁３を外内境界壁３０２とする。そして、この外内境界壁３０２を壁厚方向で二等分する二等分線Ｔに接する仮想円Ｃを描く。仮想円Ｃは、中心セル２０のセル中心（ハニカム中心軸１０）と中心が一致する同心円である。この仮想円Ｃから外周壁４までにあるセル壁３の壁厚が、ベース領域１１のセル壁３の壁厚よりも壁厚が厚く強化されているとき、外周強化領域１２は、外周壁４に接する起点セル２１からハニカム中心軸１０方向にｍセル目のセルまで、セル壁３がベース領域１１のセル壁３よりも厚化されているということになる。つまり、この場合、外周強化領域１２の強化セル数は、ｍセルということになる。また、仮想円Ｃは、ベース領域１１と外周強化領域１２との境界円となっている。なお、ｍは、４以上、外周強化領域１２の最終強化セルのセル目数以下の自然数である。ハニカム構造体１において、仮想円Ｃ上のセル壁３、ベース領域１１の外周縁に位置するセル壁３の一部は、ベース領域１１のセル壁３より厚化されていてもよい。また、外周強化領域１２におけるセル壁３の壁厚は、起点セル２１から強化終点のセル２となるｍセル目のセル２まで、外周強化領域１２のハニカム周方向も含めて、ベース領域１１のセル壁３より厚化されることができる。本実施形態では、例えば、外周強化領域１２におけるセル壁３の壁厚は、いずれも同等とすることができる。なお、外周強化領域１２において、各セル壁３の壁厚の平均値の０．９７倍から１．０３倍の範囲内にあるセル壁３は、上記平均値に対して誤差の範囲であるといえるので同等の壁厚であるということができる。

一方、補強部３１の寸法拡大によって外周強化領域１２が強化される場合、図示はしないが、上記とほぼ同様に、外周壁４に接する起点セル２１から（ｍ＋１）セル目で、ベース領域１１の補強部３１の寸法と同等の寸法の補強部３１を有するセル２が現れる。そして、上記と同様にして仮想円Ｃを描く。この仮想円Ｃから外周壁４までにあるセル頂点部３０に形成された補強部３１の寸法が、ベース領域１１における補強部３１の寸法よりも大きいとき、外周強化領域１２は、外周壁４に接する起点セル２１からハニカム中心軸１０方向にｍセル目のセルまで、補強部３１の寸法がベース領域１１における補強部３１の寸法より拡大されているということになる。つまり、この場合も、外周強化領域１２の強化セル数は、ｍセルということになる。なお、仮想円Ｃ上のセル頂点部３０に形成された補強部３１、ベース領域１１の外周縁に位置するセル頂点部３０に形成された補強部３１の一部の寸法は、ベース領域１１における補強部３１の寸法より拡大されていてもよい。また、外周強化領域１２における補強部３１の寸法は、起点セル２１から強化終点のセル２となるｍセル目のセル２まで、外周強化領域１２のハニカム周方向も含めて、ベース領域１１における補強部３１の寸法より拡大されることができる。本実施形態では、例えば、外周強化領域１２における補強部３１の寸法は、いずれも同等とすることができる。なお、外周強化領域１２において、各補強部３１の寸法の平均値の０．９７倍から１．０３倍の範囲内にある補強部３１は、上記平均値に対して誤差の範囲であるといえるので同等の寸法であるということができる。

ハニカム構造体１は、外周強化領域１２における補強部３１の寸法が、ベース領域１１における補強部３１の寸法よりも大きい構成とされることによって強化されていることが好ましい。この構成によれば、外周強化領域１２のセル壁３を厚化させることなく、セル２の座屈強度を高めることができる。また、この構成によれば、外周強化領域１２のセル２のセル壁３を厚化させないため、ハニカム構造体１の成形時に成形速度差が発生し難くなり、成形時の欠陥発生率の低減を図りやすくなる。そのため、この構成によれば、ハニカム構造体１の構造体強度を効果的に向上させやすくなる。また、ハニカム構造体１は、外周強化領域１２における補強部３１の寸法が、ベース領域１１における補強部３１の寸法よりも大きく、かつ、補強部３１が角Ｒ面部を有していることが好ましい。この構成によれば、上記効果以外にも、外周強化領域１２の補強部３１についても応力集中が発生し難くなることから、ハニカム構造体１の構造体強度を効果的に向上させやすくなる。

ハニカム構造体１において、外周強化領域１２の強化セル数が４セル以上とされるのは、キャニング時の極端な応力集中が、主に、外周壁４から３セル目までで起きるためである。図７は、外周壁４に接する起点セル２１から４セル目のセル２までについて、セル壁３の壁厚を、ベース領域１１のセル壁３の壁厚よりも厚化したハニカム構造体１の一例である。また、図７では、外周強化領域１２におけるセル壁３の壁厚が、起点セル２１から４セル目のセル２まででいずれも同等とされている例が示されている。なお、図示はしないが、もちろん、図７において、外周壁４に接する起点セル２１から４セル目のセル２までについて、補強部３１の寸法を、ベース領域１１における補強部３１の寸法よりも拡大することもできる。また、この場合、外周強化領域１２における補強部３１の寸法は、起点セル２１から４セル目のセル２まででいずれも同等とすることができる。

ハニカム構造体１において、外周強化領域１２は、外周壁４からハニカム中心軸１０方向に多くとも２０セル目以内にあるいずれかのセル２までの領域より構成されていることが好ましい。外周強化領域１２を、外周壁４からハニカム中心軸１０方向に２０セル目を超えるところにあるセル２までの領域より構成しても、ハニカム構造体１の大きな強度向上は望めない。また、ハニカム構造体１のセル数は、外周部ほど多くなる。そのため、外周部のセル壁３が厚化されると、ハニカム構造体１の圧力損失が増加する。特に、外周強化領域１２の強化セル数が２０セルを超えると、ハニカム構造体１の圧力損失が急激に大きくなりやすい。そのため、上記構成とすることにより、構造体強度の向上だけでなく、圧力損失の増加抑制にも有利なハニカム構造体１が得られる。

外周強化領域１２は、上記効果を確実なものとするなどの観点から、より好ましくは、外周壁４からハニカム中心軸１０方向に多くとも１８セル目以内にあるいずれかのセル２までの領域より構成することができる。

なお、ハニカム構造体１におけるセル密度は、例えば、４６．５セル／ｃｍ^２〜１５５セル／ｃｍ^２（３００ｃｐｓｉ〜１０００ｃｐｓｉ）などとすることができる。

ここで、断面六角形状のセルを有するハニカム構造体１において、セル壁３の有効細長比λは、次のようにして定義される。なお、セル壁３の有効細長比λは、セル２の座屈強さと関係があるパラメータである。図３（ｂ）に示されるように、あるセル２のセル壁３を考える。なお、図３（ｂ）において、セル壁３の点線で囲まれる部分は、柱状の形状を呈しており、補強部３１を含んでいない。また、図３（ｂ）に示した符合Ｓは、角Ｒ面部の始点を示したものである。セル壁３の有効細長比λは、以下の式２より算出される。
λ＝Ｌ／Ｒ・・・（式２）
式２中、Ｌは、セル壁３の有効座屈長さである。Ｒは、セル壁３の断面二次半径である。
次いで、式２における右辺は、次のように変形することができる。
Ｌ／Ｒ＝２×ｌ／√（Ｉ／Ａ）・・・（式３）
式３中、Ｉは、セル壁３の断面二次モーメントである。Ａは、セル壁３の柱断面積である。ｌは、図３（ｂ）に示されるセル壁３の柱長さである。
次いで、式３における右辺は、さらに、次のように変形することができる。

式４中、ｐは、図３（ａ）に示されるセルピッチである。ｗは、図３（ｂ）に示される、ハニカム中心軸１０方向に沿うセル壁３の長さである。ｔは、図３（ｂ）に示されるセル壁３の壁厚である。図３（ａ）（ｂ）に示されるように、ｒ_０は、セル壁３についてみたときに、ハニカム外周側の補強部３１の寸法であり、ｒ_ｉは、ハニカム中心側（ハニカム中心軸１０側）の補強部３１の寸法である。また、ハニカム外周側に補強部３１がない場合には、ｒ_０は０となる。同様に、ハニカム中心側に補強部３１がない場合には、ｒ_ｉは０となる。なお、図３（ａ）では、３０度方向におけるセル２を用いて説明したが、例えば、０度方向のセル２では、ｒ_ｉ、ｒ_０、は、図４に例示される位置について求めた値となる。他の方向については、上記と同様にして、ハニカム外周側の補強部３１、ハニカム中心側の補強部３１を特定すればよい。

上記式の変形によれば、セル壁３の有効細長比λは、以下の式１より定義されることになる。

ハニカム構造体１では、上述した起点セル２１からハニカム中心軸１０方向へ４セル目以降に存在する各セル２におけるセル壁３の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが０．８６以上１未満とされている。但し、λ_ｉは、起点セル２１からハニカム中心軸１０方向へ向かって数えてｉセル目のセル２におけるセル壁３の有効細長比である。また、λ_ｉ+１は、起点セル２１からハニカム中心軸１０方向へ向かって数えて（ｉ＋１）セル目のセル２におけるセル壁３の有効細長比である。なお、ｉは、４から外周強化領域１２における最終のセル２のセル目数までの値とされる。つまり、ｉの最小値は、４である。また、外周強化領域１２における最終のセル２のセル目数をｊとすると、ｉは、４、５、６、・・・ｊまでの自然数となる。ハニカム構造体１では、具体的には、起点セル２１からハニカム中心軸１０方向へ４セル目以降に存在する各セル２におけるセル壁３の有効細長比の比である、λ_５／λ_４、λ_６／λ_５、λ_７／λ_６、・・・λ_ｊ＋１／λ_ｊが、いずれも０．８６以上１未満とされている。４セル目以降において、λ_ｉ+１／λ_ｉは、０．８６以上１未満であれば、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

λ_ｉは、具体的には、図６に示されるように、ｉセル目のセル２を構成する６つのセル壁３のうち、（ｉ−１）セル目のセル２との共通壁３０１を除く、５つのセル壁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅについてそれぞれ有効細長比λを求め、得られた５つのセル壁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅの各有効細長比λの平均値とされる。λ_ｉ+１も同様にして算出される。本実施形態のハニカム構造体１では、より具体的には、３０度×ｎ（但し、ｎ＝１、３、５、７、９、１１）の各方向で見て、起点セル２１からハニカム中心軸１０方向へ４セル目以降に存在する各セル２のセル壁３の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉは、０．８６以上１未満とされている。なお、上述した図７のハニカム構造体１の例では、セル壁３の厚化により強化された外周強化領域１２は、３０度×ｎ（但し、ｎ＝１、３、５、７、９、１１）の各方向で見て、λ_５／λ_４が０．８６以上１未満とされている。

λ_ｉ+１／λ_ｉは、隣接するセル２間の剛性差と関係が深いパラメータである。λ_ｉ+１／λ_ｉが０．８６未満になると、隣接するセル２間の過度な剛性差による応力集中により、構造体強度が急激に低下する。λ_ｉ+１／λ_ｉは、好ましくは、０．８７以上０．９４以下、より好ましくは、０．８７超０．９４未満とすることができる。この構成によれば、隣接するセル２間の過度な剛性差による応力集中を抑制しやすく、ハニカム構造体１の構造体強度を向上させやすくなる。そのため、この構成によれば、構造体強度の向上を確実なものとしやすいハニカム構造体１が得られる。

ハニカム構造体１は、上記構成を有しており、外周壁４に接する起点セル２１からハニカム中心軸１０方向へ４セル目以降に存在する各セル２におけるセル壁３の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが０．８６以上１未満とされている。つまり、ハニカム構造体１は、隣接するセル２の壁厚の比ではなく、隣接するセル２の座屈強さを左右するセル壁３の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが特定の範囲内とされている。そのため、ハニカム構造体１では、隣接するセル２間の過度な剛性差による応力集中が抑制される。その結果、ハニカム構造体１の構造体強度を向上させることができる。

（実施形態２）
実施形態２のハニカム構造体について、図８を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、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。

本実施形態のハニカム構造体１の外周強化領域１２では、起点セル２１から４セル目以降に存在する各セル２において、λ_ｉ+１／λ_ｉが、ハニカム中心軸１０に向かって徐々に大きくなっている構成とされている点で、実施形態１と異なっている。つまり、この構成では、ハニカム構造体１が、λ_５／λ_４＜λ_６／λ_５＜λ_７／λ_６＜・・・＜λ_ｊ＋１／λ_ｊの関係を見たしている。この構成によれば、応力集中が生じる外周強化領域１２におけるセル２の壁厚を厚く、または、セル頂点部３０に形成された補強部３１の寸法を大きくとりやすくなるため、構造体強度を効果的に向上させやすいハニカム構造体１が得られる。

λ_ｉ+１／λ_ｉをハニカム中心軸に向かって徐々に大きくするには、具体的には、例えば、起点セル２１から４セル目以降に存在する各セル２におけるセル壁３の壁厚を、ハニカム中心軸１０に向かって徐々に小さくする方法や、起点セル２１から４セル目以降に存在する各セル２における補強部３１の寸法を、ハニカム中心軸１０に向かって徐々に小さくする方法などを例示することができる。なお、外周壁４から起点セル２１までの間の各セル２におけるセル壁３の壁厚は、ハニカム中心軸１０に向かって徐々に小さくされていてもよいし、同等であってもよい。また、外周壁４から起点セル２１までの間の各セル２における補強部３１の寸法は、ハニカム中心軸１０に向かって徐々に小さくされていてもよいし、同等であってもよい。

本実施形態では、具体的には、外周強化領域１２内に、セル壁３の壁厚が異なる領域、または、補強部３１の寸法が異なる領域が、中心セル２０のセル中心を中心とする同心円状に複数存在した構成とすることができる。以下、これについて図８を用いて説明する。

図８に示すように、外周強化領域１２内において、外周壁４に接する起点セル２１からＸセル目のセル２と（Ｘ＋１）セル目のセル２との境界をなすセル壁３を内部境界壁３０３とする。そして、この内部境界壁３０３を壁厚方向で二等分する二等分線Ｔ_ｋに接する仮想円Ｃ_ｋを描く。なお、図８では、セル壁３の壁厚は簡略化されている。仮想円Ｃ_ｋは、中心セル２０のセル中心（ハニカム中心軸１０）と中心が一致する同心円である。同様にして、仮想円Ｃ_ｋ−１、Ｃ_ｋ＋１を描くことができる。仮想円Ｃ_ｋ−１から仮想円Ｃ_ｋまでの領域は、Ｘセル目のセル２を含むので、Ｘセル目領域とされる。同様に、仮想円Ｃ_ｋから仮想円Ｃ_ｋ＋１までの領域は、（Ｘ＋１）セル目のセル２を含むので、（Ｘ＋１）セル目領域とされる。そして、Ｘセル目領域にある各セル頂点部３０から３方向に延びる各セル壁３の壁厚を、（Ｘ＋１）セル目領域にある各セル頂点部３０から３方向に延びる各セル壁３の壁厚よりも厚く構成する、または、Ｘセル目領域にある補強部３１の寸法を、（Ｘ＋１）セル目領域にある補強部３１の寸法よりも大きく構成する。これを隣接するセル目領域間で順次実施することにより、起点セル２１から４セル目以降に存在する各セル２において、λ_ｉ+１／λ_ｉが、ハニカム中心軸に向かって徐々に大きくなるように構成することができる。

上記をより具体的に説明すると、実施形態１で例示した図７のハニカム構造体１は、外周強化領域１２が、外周壁４から１セル目領域、２セル目領域、３セル目領域、４セル目領域より構成されている例であることがわかる。そして、図７中、Ｃ_ｋ１は、１セル目領域と２セル目領域との分ける仮想円である。同様に、Ｃ_ｋ２は、２セル目領域と３セル目領域とを分ける仮想円である。Ｃ_ｋ３は、３セル目領域と４セル目領域とを分ける仮想円である。そして、実施形態１で例示した図６のハニカム構造体１では、外周領域１２における各セル目領域内において、セル壁３の壁厚、または、補強部３１の寸法は、同等とされている。

これに対し、本実施形態では、具体的には、例えば、外周強化領域１２のセル強化数を６とする場合、外周強化領域１２は、図示はしないが、外周壁４から１セル目領域、２セル目領域、３セル目領域、４セル目領域、５セル目領域、６セル目領域より構成することができる。そして、この場合、１セル目領域から６セル目領域に向けて徐々にセル壁３の壁厚、または、補強部３１の寸法を小さくし、かつ、λ_５／λ_４＜λ_６／λ_５＜λ_７／λ_６の関係を見たすように外周強化領域１２を構成することができる。

その他の構成および作用効果は、実施形態１と同様である。

＜実験例１＞
表１〜４に示されるように、断面六角形状の複数のセルを有し、外周が強化されていないハニカム構造体より構成される各試験体と、断面六角形状の複数のセルを有し、外周が強化されたハニカム構造体より構成される各試験体を、金型による押出し成形により作製し、λ_ｉ+１／λ_ｉ（具体的には、λ_５／λ_４）、アイソスタティック強度比（ｎ＝２０の平均値、以下省略）を算出した。

なお、試験体２〜４は、外周強化されていない試験体１に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。同様に、試験体６〜８は、外周強化されていない試験体５に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体１０〜１３は、外周強化されていない試験体９に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体１５〜１８は、外周強化されていない試験体１４に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体２０は、外周強化されていない試験体１９に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体２２、２３は、外周強化されていない試験体２１に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体２５、２６は、外周強化されていない試験体２４に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体２７〜２９は、外周強化されていない試験体１４に対して、セル壁をベース領域よりも厚化するとともに、補強部の寸法をベース領域よりも拡大した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体３１は、外周強化されていない試験体３０に対して、セル壁をベース領域よりも厚化した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体３２は、外周強化されていない試験体３０に対して、セル壁をベース領域よりも厚化するとともに、補強部の寸法をベース領域よりも拡大した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。試験体３４、３５は、外周強化されていない試験体３３に対して、補強部の寸法をベース領域よりも拡大した外周強化領域を有するハニカム構造体の例である。

図９に、λ_ｉ+１／λ_ｉ、具体的には、λ_５／λ_４と、アイソスタティック強度比との関係を示す。これによれば、外周強化領域において、起点セルからハニカム中心軸方向へ４セル目以降で、λ_ｉ+１／λ_ｉを変化させた場合、λ_ｉ+１／λ_ｉ＝０．８５以下になると急激に構造体強度が低下することがわかる。この結果から、起点セルからハニカム中心軸方向へ４セル目以降に存在する各セルにおいて、０．８６≦λ_ｉ+１／λ_ｉ＜１の関係を満たすことにより、構造体強度を向上させることができることがわかる。これは、外周強化領域の４セル目以降において、隣接するセル間の過度な剛性差による応力集中が抑制されるためである。なお、本実験例では、外周強化領域の強化セル数を４とした例を用いて説明したが、例えば、外周強化領域の強化セル数を６とした場合において、λ_６／λ_５を変化させたときも、上記と同様の傾向が確認された。

また、図９に、λ_ｉ+１／λ_ｉ、具体的には、λ_４／λ_３と、アイソスタティック強度比との関係を示す。これによれば、起点セルからハニカム中心軸方向へ３セル目までに存在する各セルについては、λ_ｉ+１／λ_ｉ＜０．８５であっても、構造体強度の低下は見られないことが確認された。

上述した効果を生じるメカニズムについて、試験体１４（λ_ｉ+１／λ_ｉ＝λ_５／λ_４＝１）、試験体１６（λ_ｉ+１／λ_ｉ＝λ_５／λ_４＝０．９４）、試験体１８（λ_ｉ+１／λ_ｉ＝λ_５／λ_４＝０．８１）を用いて検証した結果を、図１０に示す。図１０によれば、λ_ｉ+１／λ_ｉ＝１の場合には、起点セルから３セル目までのセルに極度に高い応力が発生していることがわかる。これに対し、λ_ｉ+１／λ_ｉ＝０．９４の場合には、その発生応力が、起点セルから４セル目以降と同等レベルに抑えられていることがわかる。一方で、λ_ｉ+１／λ_ｉ＝０．８１になると、本実験例における外周強化領域とベース領域との境界よりもベース領域側にある、起点セルから５セル目に非常に高い応力が発生していることがわかる。そして、その発生応力は、外周強化されていない試験体１４よりも大きく、構造体強度の低下の要因につながっていることがわかる。

また、図１１に、λ_ｉ+１／λ_ｉ、具体的には、λ_５／λ_４と、起点セルから４セル目のセルと５セル目のセルとに発生する応力の差との関係を示す。これによれば、λ_ｉ+１／λ_ｉ＞０．９５の範囲では、より外周側に位置する４セル目のセルまでの応力が高いが、λ_ｉ+１／λ_ｉ≦０．９５の範囲では、より内周側に位置する５セル目のセルに高い応力がかかるようになる。起点セルから４セル目のセルと５セル目のセルとの間に生じる応力差は、λ_ｉ+１／λ_ｉが小さくなるほど大きくなる。なお、上述した図９のλ_ｉ+１／λ_ｉ＜０．８５で外周強化しない場合と比較して発生応力が低下した要因は、次に示す通りである。応力差が大きくなっていることから、λ_ｉ+１／λ_ｉ＜０．８５では、５セル目に最大の応力が発生し、この応力が外周強化しない場合に最外周部に発生する最大応力を上回ったためである。

また、試験体３４、試験体３５の結果によれば、外周強化領域におけるセル壁の壁厚を、ベース領域におけるセル壁の壁厚よりも厚化することなく、外周強化領域における補強部の寸法を、ベース領域における補強部の寸法より大きくすることだけによっても、λ_ｉ+１／λ_ｉを特定の範囲とすることにより、構造体強度の向上が図られていることがわかる。この結果から、外周強化領域のセル壁を厚化させることなく、セルの座屈強度を高めることができるといえる。また、この結果によれば、外周強化領域のセル壁を厚化させないため、ハニカ構造体の成形時に成形速度差が発生し難くなり、成形時の欠陥発生率の低減を図りやすくなり、ハニカム構造体の構造体強度を効果的に向上させやすくなるといえる。

＜実験例２＞
表５に示されるように、実験例１と同様にして、断面六角形状の複数のセルを有し、外周が強化されたハニカム構造体より構成される各試験体を、金型による押出し成形により作製し、λ_ｉ+１／λ_ｉ、アイソスタティック強度比を算出した。

但し、試験体３６では、起点セルから１セル目のセルを含む１セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、０．１１２ｍｍとした。同様に、２セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、０．１１２ｍｍとした。３セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、０．１１２ｍｍとした。４セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、０．０７９ｍｍとした。５セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、０．０７４ｍｍとした。６セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、０．０７０５ｍｍとした。これに対して、試験体３７では、１セル目領域〜３セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、試験体３４と同じとしたが、４セル目領域〜６セル目領域におけるセル頂点部から延びるセル壁の壁厚は、いずれも０．０７９ｍｍで一定とした。

また、各試験体の圧力損失も測定した。圧力損失の測定は、次のようにして実施した。図１２に模式的に示されるように、配管部９１と、ハニカム構造体１が内部に収容される収容部９２と、配管部９１と収容部９２との間を繋ぐ拡径部９３と、を有する評価コンバータ９を準備した。配管部９１の直径φ１は、５０．５ｍｍとした。収容部９２の直径φ２は、１２３ｍｍとした。拡径部９３の長さｌ１は、５５ｍｍとした。ハニカム構造体１の一端面と当該一端面側の拡径部９３との距離ｌ２は、５ｍｍとした。ハニカム構造体１の他端面と当該他端面側の拡径部９３との距離ｌ３は、１０ｍｍとした。ハニカム構造体１に流す排ガスのガス流量は、７ｍ^３／分、ガス温度は、６００度とした。排ガスを発生させるエンジンには、４．６Ｌ Ｖ８エンジンを用いた。

表５に示されるように、試験体３６は、起点セルからハニカム中心軸方向へ４セル目以降に存在する各セル（本例では、４〜６セル目の各セル）におけるセル壁の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが、ハニカム中心軸方向に向かって徐々に大きくなっている。これに対し、試験体３７は、起点セルからハニカム中心軸方向へ４セル目以降に存在する各セル（本例では、４〜６セル目の各セル）におけるセル壁の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが、ハニカム中心軸方向に向かって徐々に大きくなっていない。

これら各試験体によれば、λ_ｉ+１／λ_ｉが、ハニカム中心軸方向に向かって徐々に大きくなっている場合には、隣接するセル壁の剛性差を効果的に低減することが可能となり、構造体強度を効果的に向上させることが可能になるといえる。また、この場合には、応力集中が生じる外周強化領域におけるセルの壁厚を厚く、または、セル頂点部に形成された補強部の寸法を大きくとりやすくなる利点もある。さらに、この場合には、圧力損失低下の効果も確認された。

＜実験例３＞
表６に示されるように、断面六角形状の複数のセルを有し、外周が強化されたハニカム構造体より構成される各試験体を、金型による押出し成形により作製し、λ_ｉ+１／λ_ｉ、アイソスタティック強度および圧力損失を測定した。なお、本実験例では、他の実験例に比べ、外周強化領域の強化セル数を多くした例である。また、本実験例では、外周強化領域のセル壁は、全て同じ壁厚にしているので、「セル壁の有効細長比λ」は全て同じになる。そのため、外周強化領域における強化最終セルのλのみを表６中に記載し、他のセルのλは省略されている。同様に、「λ_ｉ+１／λ_ｉ」については、セル壁厚が変化する外周強化領域とベース領域との境界部分のみの値が表中に記載されている。

図１３に、外周強化領域の強化セル数とアイソスタティック強度との関係を示す。また、図１４に、外周強化領域の強化セル数と圧力損失との関係を示す。これらによれば、外周強化領域の強化セル数を多くするにつれ、構造体強度が向上していくが、２０セルを超えても、それほど大きな構造体強度は望めなくなることがわかる。一方、外周強化領域の強化セル数が２０セルを超えると、ハニカム構造体の圧力損失が急激に大きくなる傾向が見られた。これは、排ガスが集中しやすいハニカム中心部付近までセル壁を厚化し始めているためにその影響が大きく出たことなどが原因として考えられる。これらの結果によれば、外周強化領域の強化セル数は、２０セル以内とすることが好ましいことがわかる。そして、この構成によれば、隣接するセル間の過度な剛性差による応力集中を抑制することによって構造体強度の向上を図りつつ、圧力損失の増加も抑制することができるといえる。

本発明は、上記各実施形態、各実験例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変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。

１ ハニカム構造体
１０ ハニカム中心軸
１１ ベース領域
１２ 外周強化領域
２ セル
２０ 中心セル
２１ 起点セル
３ セル壁
３０ セル頂点部
３１ 補強部
４ 外周壁

Claims (5)

1. 互いに隣接する断面六角形状の複数のセル（２）と、複数の上記セルを形成する複数のセル壁（３）と、複数の上記セル壁の外周に設けられて上記セル壁を保持する外周壁（４）と、を有するハニカム構造体（１）であって、
   ハニカム中心軸（１０）がセル中心を通る中心セル（２０）を有するベース領域（１１）と、
   上記ベース領域の外周に配置された領域であって、上記外周壁に接する起点セル（２１）から上記ハニカム中心軸方向に少なくとも４セル目以上の上記セルまで、上記セル壁が上記ベース領域の上記セル壁よりも厚化されている、および／または、上記セル壁同士が接続するセル頂点部（３０）に形成された補強部（３１）の寸法が上記ベース領域における補強部（３１）の寸法よりも拡大されている外周強化領域（１２）と、を有しており、
   上記セル壁の有効細長比λが以下の式１で定義されるとき、
   上記起点セルから上記ハニカム中心軸方向へ４セル目以降に存在する各上記セルにおける上記セル壁の有効細長比の比λ_ｉ+１／λ_ｉが０．８６以上１未満とされている、ハニカム構造体（１）。
   式１中、ｐ：セルピッチ、ｗ：上記ハニカム中心軸方向に沿う上記セル壁の長さ、ｔ：上記セル壁の壁厚、ｒ_０：ハニカム外周側の上記補強部の寸法、ｒ_ｉ：ハニカム中心側の上記補強部の寸法
   上記λ_ｉ：上記起点セルから上記ハニカム中心軸方向へｉセル目の上記セルにおける上記セル壁の有効細長比
   上記λ_ｉ+１：上記起点セルから上記ハニカム中心軸方向へ（ｉ＋１）セル目の上記セルにおける上記セル壁の有効細長比
   上記ｉ：４〜上記外周強化領域における最終の上記セルのセル目数
2. 上記λ_ｉ+１／λ_ｉが、０．８７以上０．９４以下である、請求項１に記載のハニカム構造体。
3. 上記外周強化領域における上記補強部の寸法は、上記ベース領域における上記補強部の寸法より大きく、かつ、上記補強部は、角Ｒ面部（３１１）を有している、請求項１または２に記載のハニカム構造体。
4. 上記λ_ｉ+１／λ_ｉが、上記ハニカム中心軸方向に向かって徐々に大きくなっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
5. 上記外周強化領域は、上記外周壁から上記ハニカム中心軸方向に多くとも２０セル目以内にあるいずれかの上記セルまでの領域より構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のハニカム構造体。