JP2023074264A - ハニカム構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のハニカムセグメントが組み合わされてなるハニカム構造体であって、浄化効率に優れたハニカム構造体を提供すること。【解決手段】 多数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカムセグメントを複数組み合わせてなるハニカム構造体であって、上記ハニカムセグメントには触媒が担持されており、隣接する上記ハニカムセグメントの間に、電熱線が配置されており、上記電熱線には電極端子が接続されており、上記電極端子が上記ハニカム構造体の端面から突出しており、上記ハニカム構造体の端面において、上記電極端子は上記ハニカム構造体の外周部にのみ設置されていることを特徴とするハニカム構造体。【選択図】 図４

Description

本発明は、ハニカム構造体に関する。

エンジンから排出された排ガス中に含まれる有害物質を浄化するため、排気管の経路には、排ガス浄化が可能な触媒を担持したハニカム基材を備える排ガス浄化装置が設けられている。
排ガス浄化装置による有害物質の浄化効率を高めるためには、排ガス浄化装置の内部の温度を触媒活性化に適した温度（以下、触媒活性化温度ともいう）に維持する必要がある。

特許文献１には、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれるススを捕集して排ガスを浄化するフィルタが開示されている。このフィルタでは、フィルタ内部に堆積したススを燃焼させるために、隣接するフィルタ間に発熱体としての電熱線を配設している。

特開平７－５４６４３号公報

特許文献１に開示された構成では、隣接するフィルタ間に電熱線が配置されているが、電熱線は各フィルタの外周面の全体に配置されている（特許文献１の図１参照）。そして、電熱線が配置されたフィルタを接着材により組み合わせて複数のフィルタからなる排ガス浄化装置を構成している。電熱線がそのままフィルタの端面から突出している。
このようなフィルタを複数組み合わせた場合、複数のフィルタからなる排ガス浄化装置の端面において、フィルタごとに電熱線が排ガス浄化装置の端面から突出した構成となる。
そして、排ガス浄化装置の端面から突出した電熱線の近傍において、ガスの流通（セルへのガスの流入又はセルからのガスの流出）が阻害される。
排ガス浄化装置の端面においてガスの流通が阻害されると、浄化効率の低下につながるという問題が生じる。

本発明は、上記問題を解決するためになされた発明であり、複数のハニカムセグメントが組み合わされてなるハニカム構造体であって、浄化効率に優れたハニカム構造体を提供することを目的とする。

本発明のハニカム構造体は、多数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカムセグメントを複数組み合わせてなるハニカム構造体であって、上記ハニカムセグメントには触媒が担持されており、隣接する上記ハニカムセグメントの間に、電熱線が配置されており、上記電熱線には電極端子が接続されており、上記電極端子が上記ハニカム構造体の端面から突出しており、上記ハニカム構造体の端面において、上記電極端子は上記ハニカム構造体の外周部にのみ設置されていることを特徴とする。

特許文献１に記載の構成では、電極端子をフィルタごとに設けるので、排ガス浄化装置の端面の全体において、電熱線及び電極端子が排ガス浄化装置の端面から突出することになる。
これに対し、本発明のハニカム構造体では、ハニカム構造体の端面視において、電極端子がハニカム構造体の端面の外周部にのみ設置されている。すなわち、ハニカム構造体の端面の中央部では電熱線及び電極端子が突出していない。
ハニカム構造体の端面において、もともと中央部にはガスが流通しやすく、外周部にはガスが流通しにくい。そのため、電極端子がハニカム構造体の端面から突出してガスの流通を阻害する場合には、中央部において電極端子によるガスの流通の阻害の影響が大きくなる。従って、ハニカム構造体の端面の中央部におけるガスの流通の阻害を避けるようにすることが重要である。
そこで、本発明のハニカム構造体では、ハニカム構造体の端面の中央部に電極端子を設けない（電極端子はハニカム構造体の端面の外周部にのみ設ける）ことによって、ハニカム構造体の端面から突出した電極端子によるガスの流通の阻害の影響を最小限とするようにしている。
そのため、本発明の構成であると、浄化効率に優れたハニカム構造体とすることができる。

本発明のハニカム構造体においては、上記ハニカムセグメントが接着材層を介して組み合わされてなり、上記電熱線は上記接着材層の内部に配置されていることが好ましい。

本発明のハニカム構造体においては、上記電極端子は、ハニカム構造体の中心から外周までの距離の外周側２０％の範囲にのみ設置されていることが好ましい。

電極端子が上記範囲にのみ設置されていると、ハニカム構造体の端面から突出した電極端子によるガスの流通の阻害の影響がより抑制され、浄化効率により優れたハニカム構造体とすることができる。電極端子の設置位置が、ハニカム構造体の中心から外周までの距離の外周側２０％の範囲を超えると、ガスの流速によっては、ガスの流通の阻害の影響が大きくなり、浄化効率が低下することがある。

本発明のハニカム構造体においては、上記ハニカム構造体の端面視において、ハニカムセグメントは縦横に格子状に組み合わされており、全ての上記電熱線は、上記格子状の縦横のうちいずれか一方の方向である第１の方向に沿って、同じ方向で配置されていることが好ましい。
このような構成であると、局所的な発熱を抑えることができる。また、第１の方向と直交する方向には電熱線が配置されていないため、接着材層によるハニカムセグメント間の接着力を高くすることができる。

本発明のハニカム構造体においては、上記電極端子は板状であり、上記電熱線と上記電極端子が溶接されていることが好ましい。
このような構成であると、電極端子と電熱線の間で断線することを抑制できる。

図１は、本発明のハニカム構造体の一例を模式的に示す斜視図である。 図２は、ハニカムセグメントの長手方向に垂直な方向の断面図である。 図３は、図１に示すハニカム構造体の部分断面図である。 図４は、図１に示すハニカム構造体の端面視図である。 図５は、図１に示すハニカム構造体の端面視図である。

（発明の詳細な説明）
［ハニカム構造体］
以下、本発明のハニカム構造体について説明する。
本発明のハニカム構造体は、多数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカムセグメントを複数組み合わせてなるハニカム構造体であって、上記ハニカムセグメントには触媒が担持されており、隣接する上記ハニカムセグメントの間に、電熱線が配置されており、上記電熱線には電極端子が接続されており、上記電極端子が上記ハニカム構造体の端面から突出しており、上記ハニカム構造体の端面において、上記電極端子は上記ハニカム構造体の外周部にのみ設置されていることを特徴とする。

図１は、本発明のハニカム構造体の一例を模式的に示す斜視図である。
図１に示すハニカム構造体１は、多数のセル２１を区画形成する隔壁２２を有するハニカムセグメント２０を複数組み合わせてなり、ガスが流入する第１の端面１１とガスが流出する第２の端面１２を有する。
ハニカムセグメント２０のセル２１が伸びる方向を長手方向（図１に両矢印Ｌで示す方向）とする。
複数のハニカムセグメントは接着材層３０を介して組み合わされている。
また、電極端子４０が第１の端面１１から突出している。

ハニカムセグメント（隔壁）を構成する材料としては、ＳｉＣ、Ｓｉ含浸ＳｉＣ等の熱伝導率が高いものであることが望ましい。

隔壁の厚さは、均一であることが好ましい。具体的には、隔壁の厚さは、０．３０ｍｍ未満であることが好ましい。また、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。

セルの形状としては、四角柱状に限定されず、三角柱状、六角柱状等が挙げられる。
セルの形状はそれぞれ異なっていてもよいが、全て同じであることが好ましい。すなわち、ハニカムセグメントの長手方向に垂直な断面において、隔壁に囲まれたセルのサイズが同じであることが好ましい。

隔壁の気孔率は、５０％以下であることが望ましい。
隔壁の気孔率が５０％以下であると、高い機械的強度と排ガス浄化性能を両立させることができる。

隔壁の気孔率が５０％を超えると、気孔率が高くなりすぎるため、ハニカムセグメントの機械的特性が低下し、ハニカム構造体を使用中、クラックや破壊等が発生し易くなる。

ハニカム構造体の形状は特に限定されるものではなく、円柱形状に限られず、角柱状、楕円柱状、長円柱状、丸面取りされている角柱状（例えば、丸面取りされている三角柱状）等が挙げられる。

ハニカム構造体の形状が円柱形状である場合、ハニカム構造体の端面の直径に対するハニカム構造体の長手方向の長さの割合（長さ／直径）が０．８以下であることが好ましい。

ハニカム構造体の長手方向の長さは１５０ｍｍ以下であることが好ましく、また、５０ｍｍ以上であることが好ましい。

図２は、ハニカムセグメントの長手方向に垂直な方向の断面図である。
内燃機関から排出された排ガス（図２中、排ガスの流れを矢印Ｇで示す）が、ハニカムセグメント２０に到達すると、排ガスは、ハニカムセグメント２０の第１の端面１１からセル２１に流入する。さらに、排ガスは、隔壁２２に担持された触媒２３に接触しながらセル２１の中を通過する。この際、排ガス中のＣＯやＨＣ、ＮＯ_Ｘ等の有害なガス成分が隔壁２２に担持された触媒２３により浄化される。そして、排ガスは、ハニカムセグメント２０の第２の端面１２においてセル２１から流出する。

触媒２３としては、排ガスを処理できれば特に限定されないが、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属からなる触媒、ゼオライト等が挙げられる。ゼオライトとしてはＣＨＡゼオライトであってもよく、ゼオライトはＣｕ等でイオン交換されていてもよい。
これらの触媒は、単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。
これらの触媒が担持されていると、ＣＯやＨＣ、ＮＯ_Ｘ等の有毒な排ガスを好適に浄化することができる。
とくに、ゼオライトを触媒としてＮＯｘを還元するＳＣＲ触媒としてハニカム構造体を使用することが好ましい。

図３は、図１に示すハニカム構造体の部分断面図である。図３は、ハニカム構造体に電熱線が配置される領域を模式的に示している。
隣接するハニカムセグメント２０の間には電熱線５０が配置されている。そして、電熱線５０の両端には電極端子４０が設けられていて、電極端子４０が第１の端面１１から突出している。

電熱線は、隣接するハニカムセグメントの間の全体に設けられていてもよく、一部にのみ設けられていてもよい。

図３に示すハニカム構造体１では、電熱線５０は、ハニカムセグメント２０の長手方向において、ハニカム構造体１の第１の端面１１から所定の範囲に配置されている。電熱線が配置されている領域を電熱線配置領域とする。図３では両矢印Ｂで示す領域である。
また、電熱線５０は、ハニカムセグメント２０の長手方向において、ハニカム構造体１の第２の端面１２から所定の範囲には配置されていない。電熱線が配置されていない領域を電熱線非配置領域とする。図３では両矢印Ｃで示す領域である。
電熱線非配置領域は、ハニカム構造体の第２の端面から、ハニカム構造体の長手方向の長さの少なくとも２０％の範囲となっている。

すなわち、ガスが流入する第１の端面から所定の範囲に電熱線配置領域が設けられており、ガスが流出する第２の端面から所定の範囲に電熱線非配置領域が設けられている。
第１の端面に近い電熱線配置領域で発生した熱は、ガスの流れに沿ってハニカム構造体の第２の端面に向けて移動する。そのため、第２の端面に近い領域に電熱線が配置されていなくても、ハニカム構造体全体を加熱することができる。

電熱線の材料としては、ニッケルクロム合金、ニッケルクロム鉄合金、クロム鉄アルミニウム合金等を使用することができる。また、電熱線は線状でも板状でも使用することができる。
電熱線が線状の場合、その直径は特に限定されるものではないが、０．１～１ｍｍであることが好ましく、板状の場合、その厚さは限定されるものではないが、０．１～０．５ｍｍであり、その幅は１～１０ｍｍであることが好ましい。

電熱線５０は接着材層３０の内部に配置されている。
接着材層は、無機バインダと無機粒子とを含む接着材ペーストを塗布、乾燥させたものである。上記接着材層は、さらに無機繊維及び／又はウィスカを含んでいてもよい。
また、接着材層の厚さは０．５～３ｍｍであることが好ましい。

電熱線５０の両端には電極端子４０が接続されていて、電極端子４０がハニカム構造体の端面から突出しており、電極端子４０から電熱線５０に給電して電熱線を発熱させることができる。
電極端子４０は板状であり、電熱線５０と溶接されている。
電極端子が板状であり電熱線と溶接されていると、電極端子と電熱線の間で断線することを抑制できる。
電極端子４０同士は、電極端子間を接続する配線６０により接続されている。

電極端子が板状である場合、その寸法は５ｍｍ×５０ｍｍ～２０ｍｍ×１５０ｍｍであることが好ましい。また、厚さは０．１～１ｍｍであることが好ましい。
また、電極端子のハニカム構造体の端面から突出する長さは、５～３０ｍｍであることが好ましい。
電極端子の材質はステンレス、ヒーターと同様の合金等であることが好ましい。

図３に示す電熱線５０は、複数の電熱線（５１、５２、５３）が並列つなぎで接続された組電熱線である。各電熱線の両端に電極端子４０が接続されている。
電熱線が組電熱線であると、複数の電熱線のうちの１本が断線したとしても組電熱線全体としては断線しないため、加熱性能の低下を最小限に抑えることができる。

本発明のハニカム構造体では、ハニカム構造体の端面において、電極端子はハニカム構造体の外周部にのみ設置されている。
このことについて図面を参照して説明する。

図４は、図１に示すハニカム構造体の端面視図である。
電極端子４０は、ハニカム構造体１の端面の外周部にのみ設置されている。すなわち、ハニカム構造体の端面の中央部では電熱線及び電極端子が突出していない。

ハニカム構造体の端面において、もともと中央部にはガスが流通しやすく、外周部にはガスが流通しにくい。そのため、電極端子がハニカム構造体の端面から突出してガスの流通を阻害する場合には、中央部において電極端子によるガスの流通の阻害の影響が大きくなる。従って、ハニカム構造体の端面の中央部におけるガスの流通の阻害を避けるようにすることが重要である。
そこで、本発明のハニカム構造体では、ハニカム構造体の端面の中央部に電極端子を設けない（電極端子はハニカム構造体の端面の外周部にのみ設ける）ことによって、ハニカム構造体の端面から突出した電極端子によるガスの流通の阻害の影響を最小限とするようにしている。
そのため、本発明の構成であると、浄化効率に優れたハニカム構造体とすることができる。

図４では、電極端子４０はハニカム構造体１の第１の端面１１に露出しており、第１の端面１１の外周部にのみ電極端子４０が設置されている。ハニカム構造体の第１の端面の中央部において電極端子がハニカム構造体へのガスの流入を阻害しないので、電極端子によるガスの流通の阻害の影響を小さくすることができる。

ハニカム構造体の端面の外周部にのみ電極端子を設ける形態として、電極端子は、ハニカム構造体の中心から外周までの距離の外周側２０％の範囲にのみ設置されていることが好ましい。

図４には、ハニカム構造体の中心を点Ｑで示し、ハニカム構造体の外周の任意の点を点Ｐで示している。点Ｑと点Ｐを結ぶ線の長さのうち、点Ｐに近い側の２０％の範囲（領域Ｒ）をハニカム構造体の外周部として、この範囲に電極端子を設けることが好ましい。

電極端子が上記範囲にのみ設置されていると、ハニカム構造体の端面から突出した電極端子によるガスの流通の阻害の影響がより抑制され、浄化効率により優れたハニカム構造体とすることができる。電極端子の設置位置が、ハニカム構造体の中心から外周までの距離の外周側２０％の範囲を超えると、ガスの流速によっては、ガスの流通の阻害の影響が大きくなり、浄化効率が低下することがある。

また、ハニカム構造体の端面の外周部にのみ電極端子を設ける形態として、ハニカム構造体の最外周に位置するハニカムセグメント（以下、外周ハニカムセグメントともいう）を含む隣接するハニカムセグメントの間に電極端子を設けるようにしてもよい。
この場合、隣接する２つの外周ハニカムセグメントの間に電極端子を設けてもよく、外周ハニカムセグメントと外周ハニカムセグメントではないハニカムセグメントの間に電極端子を設けてもよい。
電極端子が設置される隣接する２つのハニカムセグメントのうちの少なくとも１つが外周ハニカムセグメントであれば、電極端子はハニカム構造体の端面の外周部に設置されることになる。

また、ハニカム構造体の端面の外周部にのみ電極端子を設ける形態として、電極端子は、ハニカム構造体の外周からの距離が２５ｍｍ以下の範囲にのみ設置されてもよい。

ここまで説明したハニカム構造体の形態では、電極端子はハニカム構造体の第１の端面に露出していたが、電極端子はハニカム構造体の第２の端面に露出していてもよい。その場合は、ハニカム構造体の第２の端面の外周部にのみ電極端子が設置されている。この場合も、ハニカム構造体の第２の端面の中央部において電極端子がハニカム構造体からのガスの流出を阻害しないので、電極端子によるガスの流通の阻害の影響を小さくすることができる。

図５は、図１に示すハニカム構造体の端面視図である。
図５に示すハニカム構造体１の端面視において、ハニカムセグメント２０は縦横に格子状に組み合わされている。この格子状の一方の方向を第１の方向とし、第１の方向と直交する方向を第２の方向とする。
図５では横方向を第１の方向、縦方向を第２の方向とする。

全ての電熱線５０は、第１の方向に沿って同じ方向で配置されている。
図５では、電熱線が配置されている、第１の方向に沿った接着材層３０ａを濃いハッチングで示しており、電熱線が配置されていない、第２の方向に沿った接着材層３０ｂを薄いハッチングで示している。
このような構成であると、局所的な発熱を抑えることができる。また、第１の方向と直交する第２の方向には電熱線が配置されていないため、接着材層によるハニカムセグメント間の接着力を高くすることができる。

図５に示す、第１の方向に沿った接着材層３０ａに配置された電熱線はそれぞれ組電熱線となっている。そして、組電熱線同士が並列つなぎで接続されている。
このことを詳細に説明する。
ハニカムセグメントの間にある、第１の方向に沿った接着材層３０ａ１に配置された組電熱線を第１の組電熱線５０ａ１とする。
第１の組電熱線５０ａ１が配置された位置とは異なる位置において隣接するハニカムセグメントの間には、第１の方向に沿った別の接着材層３０ａ２がある。接着材層３０ａ２に配置された組電熱線を第２の組電熱線５０ａ２とする。
そして、第１の組電熱線５０ａ１、第２の組電熱線５０ａ２が、電極端子間を接続する配線６０により並列つなぎで接続されている。
図５には第１の方向に沿った接着材層３０ａが６本あり、各接着材層３０ａに組電熱線が配置されている。６本の組電熱線が配線６０により並列つなぎで接続されている。

組電熱線が並列つなぎで接続されていると、一部の組電熱線が断線したとしてもハニカム構造体に設けられた電熱線により構成される回路の全体が断線することがないので、加熱性能の低下を最小限に抑えることができる。

本発明のハニカム構造体の製造方法の一例について説明する。
上記ハニカム構造体は、例えば、公知の製造方法でセラミックからなるハニカムセグメントを作製した後、ハニカムセグメントを接着材層を介して接着することにより製造することができる。
接着材層をハニカムセグメントの側面に形成する際に、ハニカムセグメントの間に電熱線を配置して、電熱線の端部に電極端子を接続して、電極端子がハニカム構造体の端面から突出するようにする。この際、電熱線の端部の位置及び電極端子の位置を調整して、電極端子がハニカム構造体の外周部から突出するようにする。

ハニカムセグメントを接着する際に、ハニカム構造体において第１の方向となる方向に平行な面が露出するようにハニカムセグメントを複数個並べ、接着材層となる接着材ペーストを塗布し、電熱線を接着材ペーストの上に載置する。
また、複数本の電熱線を並列つなぎで接続して組電熱線としておき、電極端子をハニカム構造体の端面から露出させる。

接着材ペーストをさらに電熱線の上に塗布してから、接着材ペーストの上にハニカムセグメントを並べる。
この工程を繰り返してハニカムセグメントを組み合わせて、ハニカム集合体とする。
ハニカム集合体を加熱することにより接着材ペーストを加熱固化して接着材層とし、ハニカム構造体を作製する。
ハニカム集合体は、狙いの形状にするために、外周を加工してもよく、加工後に接着剤ペーストと同様のペーストを用いて外周を塗布してもよい。
ハニカム構造体の端面の外周部にのみ電極端子が露出する。
組電熱線が並列つなぎで接続されるように、電極端子同士を接続する。
以上の工程により、ハニカム構造体を製造することができる。

また、製造したハニカム構造体を、触媒を含むスラリーに浸漬し、乾燥することによりハニカム構造体の隔壁に触媒を担持させることが好ましい。

１ ハニカム構造体
１１ 第１の端面
１２ 第２の端面
２０ ハニカムセグメント
２１ セル
２２ 隔壁
２３ 触媒
３０ 接着材層
３０ａ、３０ａ１、３０ａ２ 第１の方向に沿った接着材層
３０ｂ 第２の方向に沿った接着材層
４０ 電極端子
５０ 電熱線（組電熱線）
５０ａ１ 第１の組電熱線
５０ａ２ 第２の組電熱線
５１、５２、５３ 電熱線
６０ 電極端子間を接続する配線

Claims (5)

1. 多数のセルを区画形成する隔壁を有するハニカムセグメントを複数組み合わせてなるハニカム構造体であって、
   前記ハニカムセグメントには触媒が担持されており、
   隣接する前記ハニカムセグメントの間に、電熱線が配置されており、
   前記電熱線には電極端子が接続されており、前記電極端子が前記ハニカム構造体の端面から突出しており、
   前記ハニカム構造体の端面において、前記電極端子は前記ハニカム構造体の外周部にのみ設置されていることを特徴とするハニカム構造体。
2. 前記ハニカムセグメントが接着材層を介して組み合わされてなり、
   前記電熱線は前記接着材層の内部に配置されている請求項１に記載のハニカム構造体。
3. 前記電極端子は、ハニカム構造体の中心から外周までの距離の外周側２０％の範囲にのみ設置されている請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
4. 前記ハニカム構造体の端面視において、ハニカムセグメントは縦横に格子状に組み合わされており、全ての前記電熱線は、前記格子状の縦横のうちいずれか一方の方向である第１の方向に沿って、同じ方向で配置されている請求項１～３のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
5. 前記電極端子は板状であり、前記電熱線と前記電極端子が溶接されている請求項１～４のいずれか１項に記載のハニカム構造体。

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