JP4161292B2

JP4161292B2 - セラミックハニカム構造体

Info

Publication number: JP4161292B2
Application number: JP2002068189A
Authority: JP
Inventors: 博久諏訪部; 俊二岡崎
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: JP2003269131A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車エンジンの排気ガス浄化用触媒の担体として或いはディーゼルエンジンの排気ガス中の微粒子を除去するためのフィルタとして使用するに適したセラミックハニカム構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地域環境や地球環境の保全面から、自動車などのエンジンから排出される排気ガスに含まれる有害物質の削減が求められ、これに応えるためセラミックハニカム構造体を使用した触媒コンバータ用担体や微粒子捕集用フィルタが使用されている。
このセラミックハニカム構造体のセル構造は、圧力損失を低減させるに適していること、製造が容易なこと等の理由により図４（１）に示すように流路の形状を四角形、特に正方形とするのが一般的である。従って、隔壁交差部に隅角部を有するため、ハニカム構造体を乾燥工程、焼成工程で加熱冷却する際に、ハニカム構造体の中心部と周辺部とにおける熱伝導の差に起因する不均一な膨張収縮により隅角部に応力集中が起こり、クラックが発生して破損することがあった。また使用中にも、排気ガスによる熱衝撃や機械的振動が発生した際には、隅角部における応力集中が発生し、破損のおそれがあった。このような欠点を解消するため、図４（２）に示すように、特公昭５１−２０４３５号公報には、セル壁の交差部に円弧状或いは直線状などの膨大部を形成させる製造法が開示され、従来技術の欠点である、セル壁交差部の隅角部への応力集中によるクラック発生や、隅角部付近の排気ガス流動が悪いことに起因する触媒反応効率の低下の問題を解消できるとされ、広く使用されるようになってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のハニカム構造体においては、以下のような問題がある。すなわち、触媒コンバータや微粒子捕集用フィルタは、触媒が担持されたセラミックハニカム構造体、或いは流路の両端を市松模様に交互に目封止したセラミックハニカム構造体と、これらを収納する金属製容器が両者間に配置された支持部材により強固に把持されているが、実使用時に、高温排気ガスによる熱衝撃と共に、エンジン振動や路面振動等の機械的衝撃を同時に受ける。
このため、特公昭５１−２０４３５号公報に記載されているようなセル壁の交差部に円弧状或いは直線上などの膨大部が形成されていても、過大な熱応力や機械的応力が発生した際には、隔壁の交差部に応力集中による亀裂が発生し、更には亀裂が進展し、ついにはセラミックハニカム構造体が脱落し、浄化不能になるケースも出るという欠点を有している。換言すれば、隔壁交差部の強度が、同一ハニカム構造体内の各所で同レベルであることから、亀裂が発生、進展し易く、ハニカム構造体が脱落することが起こりうるのである。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、過大な熱衝撃や機械的衝撃が発生しても応力集中の発生する隔壁交差部に亀裂が発生、進展し、ハニカム構造体が破壊するという現象を防止することができるセラミックハニカム構造体を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るセラミックハニカム構造体は、外周壁と、この外周壁の内側で隔壁により仕切られた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体であって、少なくとも一部の前記流路の軸方向に直交する断面形状が、隅角部に略円弧状のＲ部を有し、且つ一方の対向する隅角部のＲ部曲率半径が他方の対向する隅角部のＲ部曲率半径より大きくしたことを特徴とする。前記流路の軸方向に直交する断面形状とは、ハニカム構造体における排気ガスが流れる方向に直交する方向に切断した流路の断面形状をいい、一方の対向する隅角部とは、前記流路断面形状において、ある流路に着目したときにその流路の断面形状の対角線上に向かい合う隅角部のことを言う。図１を用いて更に詳しく説明すると、一方の対向する隅角部とは、隅角部１６に相当し、他方の対向する隅角部とは、隅角部１７に相当する。
【０００６】
本発明のセラミックハニカム構造体は、上記の如き構成とすることにより、ハニカム構造体に過大な熱衝撃や機械的衝撃が発生しても、応力が集中する流路隅角部に形成されたＲ部の曲率半径が隣接する隅角部で異なることから、隔壁交差部の強度が隣接する交差部で異なり、同程度の強度を有する隔壁交差部が連続しないことから亀裂の発生に対する抵抗が大きくなり、ハニカム構造体トータルとしての強度が高くなり、亀裂が発生、進展し、ハニカム構造体が破壊するという現象を防止することができる。
ここで、隣接する隔壁交差部の強度が同程度にならないようにするためには、（一方の対向する隅角部のＲ部曲率半径）／（他方の対向する隅角部のＲ部曲率半径）は１．５以上とすると、亀裂発生に対する抵抗が更に大きくなり、その効果は大きい。（一方の対向する隅角部のＲ部曲率半径）／（他方の対向する隅角部のＲ部曲率半径）が１．５未満であると、隣接する隔壁交差部間での強度の違いが小さくなるので、亀裂発生に対する抵抗が小さくなる。
【０００７】
また、本発明のセラミックハニカム構造体は、隔壁の厚さが０．０５〜０．５ｍｍであると好適である。隔壁の厚さが０．０５ｍｍ未満では、如何に隔壁交差部の形状を調整したところで、隔壁自体の強度が低下し、破損を防止したハニカム構造体が得られないからであり、隔壁厚さが０．５ｍｍを越えると、ハニカム構造体の圧力損失が大きくなってしまい、触媒コンバータ或いは微粒子捕集用フィルタとして使用した際に、エンジンの出力低下を招くからである。
また、更には、本発明のセラミックハニカム構造体を構成するセラミック材料としては、本発明が主に、自動車エンジンの排気ガス浄化用触媒の担体として或いはディーゼルエンジンの排気ガス中の微粒子を除去するためのフィルタとして使用されるため、耐熱性に優れた材料を使用することが好ましく、コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素及びＬＡＳからなる群から選ばれた少なくとも１種を主結晶とするセラミック材料を用いることが好ましい。中でも、コージェライトを主結晶とするセラミックハニカム構造体は、安価で耐熱性、耐食性に優れ、また低熱膨張であることから最も好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１に基づき説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
図１は、実施の形態のハニカム構造体１０であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）でのＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）でのＢ部拡大図を示す。図１で、ハニカム構造体１０は、外周壁１１と、この外周壁１１の内側で隔壁１３により仕切られて、両端面１２を軸方向に貫通する多数の正方形の流路１５を有している。そして、各流路１５は、軸方向に直交する断面形状が、一方の対向する隅角部１６に略円弧状のＲ部（曲率半径Ｒａ、Ｒｂ）を有し、他方の対向する隅部１７にＲ部（曲率半径ｒｃ、ｒｄ）を有し、曲率半径Ｒａ、Ｒｂを曲率半径ｒｃ、ｒｄより大きくしている。そして、例えば流路１５−１は隣接する隔壁１３ａ及び１３ｂを基準としてそれぞれ流路１５ａ、１５ｂへと対称に配設され、さらに、流路１５ａと１５ｂはそれぞれに隣接する隔壁１３ｃ及び１３ｄ、１３ｅ及び１３ｆを基準としてそれぞれ流路１５ｃ及び１５ｄ、１５ｅ及び１５ｆへと対称に配設されている。ここで、各流路を仕切る隔壁の交叉部を１３ｘ、１３ｙとすると、従来は１３ｘと１３ｙの形状が同一となり、交差部の応力集中係数がほぼ同一となるため、亀裂が発生することがあった。更には、１３ｘ近傍で発生した亀裂が容易に１３ｙに伝播する危険があった。しかし、本発明によれば、意図的に１３ｘと１３ｙの形状を変化させているので亀裂の発生及び伝播を防止することができる。
【０００９】
次に、図１のハニカム構造体１０の製造方法について、図２及び図３に基づいて説明する。図２は、ハニカム構造体１０を押出成形する状態を示す要部断面図であり、図３は、押出成形に使用する口金の出口側から見た一部の例を示す図である。押出成形用口金５０は、多数の供給通路５１ａとこの供給通路５１ａから、坏土を集合すると共に格子状に形成する排出通路５１ｂを有する。そして、排出通路５１ｂを形成するための口金の排出ピン部５２の四つの角部には、曲面部が形成され、一方の対向する曲面部のＲを他方の対向する曲面部のＲよりも大きくしている。ここで、排出ピン部５２の角部の曲面は、公知の加工方法である回転工具による研磨加工法、放電加工法、電解加工法、電解エッチング加工法、等々の方法により、所定の曲面が得られるように加工条件を調節する。
一方の対抗する隅角部に曲面を形成する場合には、口金の排出ピン部５２の四つの角部の対向する二個所の角部に曲面を形成すれば良い。
押出成形を行う際には、セラミックス杯土を調節し、この杯土を供給通路５１ａから排出通路５１ｂに押し出すことで、排出通路５１ｂを通った坏土が圧着されて成形される。そして、外周壁１１と、この外周壁１１の内側で隔壁１３により仕切られて、両端面間を軸方向に貫通する多数の方形の流路１５を有し、この流路１５の軸方向に直交する断面形状が、一方の対向する隅角部に略円弧状のＲ部１６（曲率半径Ｒａ、Ｒｂ）を有し、他方の対向する隅角部１７にＲ部（曲率半径ｒｃ、ｒｄ）を有する流路が形成されるようになる。そして、曲率半径Ｒａ、Ｒｂは、曲率半径ｒｃ、ｒｄより大きく形成される。更には、隣接する隔壁１３を基準として互いに対称に連続して配設されたハニカム構造の成形体１０ａとなる。そして、成形されたハニカム構造体１０ａに、乾燥、焼成などの工程を加えることでハニカム構造体１０となる。
【００１０】
図１に示す実施の形態のハニカム構造体１０は、流路１５の軸方向に直交する断面形状が、一方の対向する隅角部に略円弧状のＲ部１６（曲率半径Ｒａ、Ｒｂ）を有し、他方の対向する隅角部１７にＲ部（曲率半径ｒｃ、ｒｄ）を有する。そして、曲率半径Ｒａ、Ｒｂは、曲率半径ｒｃ、ｒｄより大きく形成される。更には、流路１５が隣接する隔壁１３を基準として互いに対称に連続して配設されていることで、同程度の強度を有する隔壁交差部が隣接しないことから、ハニカム構造体１０の亀裂発生に対する抵抗が大きくなり、耐熱衝撃強度やアイソスタティック強度が向上する。このため、実使用時の高温排気ガスによる、熱衝撃や、エンジン振動、路面振動等の機械的衝撃を同時に受けたとしても、亀裂が発生、進展し、セラミックハニカム構造体が脱落し、浄化不能となることがない。
【００１１】
【実施例】
図１に示すハニカム構造体１０を以下のようにして製造した。
カオリン、仮焼カオリン、アルミナ、水酸化アルミニウム、シリカ、タルク等のコージェライト化原料粉末を、質量％でＳｉＯ_２が４２〜５６％、Ａｌ_２Ｏ_３が３０〜４５％、ＭｇＯが１２〜１６％となるよう調合する。これに、バインダー、潤滑剤等の成形助剤、造孔剤を所定量添加混合した後、水を添加して混練し、可塑化可能なバッチを作製し、押出成形によってハニカム成形体を得た。この際流路の４隅に形成される、一方の対向する曲面部のＲ及び他方の対向する曲面部のＲの大きさが表１に示す各種のものが得られるように、押出成形用口金の排出ピン部の角部の曲面の大きさを調整した口金を各種準備した。その後、得られた成形体に対して１４００℃の焼成を行い、図１に示すコージェライト質セラミックハニカム構造体１０を得た。ハニカム構造体の寸法は外径２５７ｍｍ、長さ３０４ｍｍ、セル壁平均厚さ０．３ｍｍ、セル数４６．５セル／ｃｍ^２であり、コージェライト質セラミックスの気孔率は６０％であった。ハニカム構造体の流路の隅角部に形成されたＲ部の曲率半径の測定は、アイソスタティック試験終了後のハニカム構造体から、流路に直角方向の断面形状が認識できるように試験片を切り出し、１００倍の光学顕微鏡で流路の隅角部に形成されたＲ部の曲率半径を測定した。１個のハニカム構造体に対して、５個の流路の測定を行い、平均値を表１に記載した。
【００１２】
得られたハニカム構造体１０に、熱衝撃や機械的衝撃が加わった際の耐破損性、即ち亀裂に対する抵抗を評価する目的でアイソスタティック強度の測定を行った。アイソスタティック強度は、社団法人自動車技術会発行の自動車規格（ＪＡＳＯ）Ｍ５０５−８７に基づき、ハニカムフィルタの上下面に厚さ１０ｍｍのアルミ板を当てて両端を密閉すると共に外周壁の側面を厚さ２ｍｍゴムで密着して試料とし、この試料を圧力容器内に入れ、圧力容器内に水を導入し、圧力容器内の圧力を増加して試料を破壊させ、破壊時の圧力（ＭＰａ）を測定した。測定は各条件に対して５個行い、これらの平均値を表１に示した。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表１から、本発明例の試験Ｎｏ．１〜３のセラミックハニカムフィルタは、一方の対向する曲面部のＲの大きさと他方の対向する曲面部のＲの大きさが異なることから、アイソスタティック強度は実用上問題ないレベルである２ＭＰａ以上が得られている。一方、本発明の比較例である試験Ｎｏ．５〜７のセラミックハニカムフィルタは、一方の対向する曲面部のＲの大きさと他方の対向する曲面部のＲの大きさが同程度であることから、アイソスタティック強度は、２ＭＰａ未満で、実用化するためには、信頼性が低い。
【００１５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明のとおり、本発明のハニカム構造体は、少なくとも一部の流路の軸方向に直交する断面形状が、一方の対向する隅角部に略円弧状のＲ部を有する、或いは、一方の対向する隅角部のＲ部曲率半径が他方の対向する隅角部のＲ部曲率半径より大きくしたので、隔壁交差部への応力集中が緩和されるため、アイソスタティック強度を向上することができ、触媒コンバーターや微粒子除去用のフィルタとして使用される際に発生する熱衝撃や機械的衝撃が発生しても、亀裂の発生や伝播に対する抵抗が大きく、破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態のハニカム構造体１０であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）でのＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）でのＢ部拡大図を示す。
【図２】ハニカム構造体１０を押出成形する状態を示す要部断面図である。
【図３】押出成形用口金を成形体の出口側から見た図である。
【図４】従来のハニカム構造体の隔壁交差部を示す図である。
【符号の説明】
１０：セラミックハニカム構造体
１０ａ：セラミックハニカム構造体（成形体）
１１：外周壁
１２：端面
１３：隔壁
１３ａ：隔壁厚
１３ｐ：ピッチ
１５：流路
１６：一方の対向する隅部
１７：他方の対向する隅部
５０：押出成形用金型
５１ａ：供給通路
５１ｂ：排出通路
５２：排出ピン部
Ｄ１０：外径
Ｌ１０：長さ
Ｒ、Ｒａ、Ｒｂ：大きな曲面
ｒ、ｒｃ、ｒｄ：小さな曲面

Claims

外周壁と、この外周壁の内側で隔壁により仕切られた多数の流路を有するセラミックハニカム構造体であって、少なくとも一部の前記流路の軸方向に直交する断面形状が、隅角部に略円弧状のＲ部を有し、且つ一方の対向する隅角部のＲ部曲率半径が他方の対向する隅角部のＲ部曲率半径より大きくしたことを特徴とするセラミックハニカム構造体。