JP4706784B2 - 六角セルハニカム構造体 - Google Patents
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Description
また、排ガス浄化性能の向上等を目的として、触媒を均一な厚みで担持させることができる、排ガスを良好に流通させて圧力損失を低減することができるといった形状的な特性から、セル形状を六角形としたハニカム構造体(以下、六角セルハニカム構造体という)が採用されている。
また、この破壊強度の低下は、セル形状が三角形又は四角形の場合よりも六角形である六角セルハニカム構造体のほうが特に深刻な問題となっていた。
例えば、特許文献1には、セル壁同士の交点部分に内接する内接円直径DaとセルピッチPとの関係をDa/P≧0.13とすることが示されている。これにより、セル壁の厚みが140μm以下の薄肉の六角セルハニカム構造体であっても、破壊強度を十分に確保することができる。
上記セル壁のうち、上記スキン層と組み合わせられることなく6つのセル壁によって実質的に完全な六角形状のセルを形成する要素となるセル壁である基本セル壁の平均厚みが140μm以下であり、
3つの上記基本セル壁同士の交点部分における3つのセル開口部の輪郭に接する円の直径Daの平均値Daxと、セルピッチPとの関係が、Dax/P≧0.13であり、
上記六角セルハニカム構造体の横断面において、上記基本セル壁の両側の表面がいずれも内方に曲線状に凹んで形成されていると共に、隣接する2つの上記基本セル壁がなす内角部がその2つの上記基本セル壁の表面同士を滑らかにつなぐように直線状又は曲線状に形成されていることを特徴とする六角セルハニカム構造体にある(請求項1)。
また、上記基本セル壁同士の交点部分が上記条件を満たすことによって大きくなり、上記六角セルハニカム構造体全体の質量が増大するおそれがある場合でも、これを相殺することができる。これにより、機械的な強度を維持しながら、触媒の早期活性化を実現することができる。
また、上記基本セル壁の表面を曲線状にしたことにより、略直線状とした場合に比べて上記各セルのセル開口部の面積を大きくすることができる。これにより、上記六角セルハニカム構造体全体として、排ガスを良好に流通させて圧力損失を低減することができる。
また、上記平均値Daxは、上記基本セル壁同士の全交点における上記直径Daの平均値のことである。
また、上記基本セル壁の表面は、後述する円弧等の曲線によって構成してもよいし、例えば複数の直線を曲線状につないで構成してもよい。
また、上記内角部は、後述する円弧等の曲線によって構成してもよいし、例えば複数の直線を曲線状につないで構成してもよい。また、1本の直線によって構成してもよい。
すなわち、コーディエライトは、触媒担体として用いられる他のセラミックスであるSiC等と比べて強度的に若干劣る傾向にある。そのため、本発明の構造的な強度向上策を採用することが非常に有効となる。
この場合には、高強度を実現しつつ、軽量化を図って触媒の早期活性化を実現し、触媒による排ガス浄化性能の向上、圧力損失の低減を図るという本発明の効果を十分に得ることができる。
上記気孔率は、ポロシメータを用いた水銀圧入法により測定することができるが、その気孔率が40%を超える場合には、上記六角セルハニカム構造体全体の強度を十分に確保することができないおそれがある。
なお、上記気孔率の下限値は、十分な量の触媒を担持させることができないという理由により10%とすることが好ましい。
上記基本セル壁の上記最薄部の厚みが40μm未満の場合には、上記基本セル壁の強度を十分に確保することができないおそれがあり、さらには上記六角セルハニカム構造体全体の破壊強度が低下するおそれがある。また、上記六角セルハニカム構造体を押出成形により成形する際には、金型のスリット幅が狭くなり、材料の供給が十分に行われず、精度良く成形することができないおそれがある。また、これによって成形品の強度が低下するおそれがある。
上記最薄部の厚みが上記最厚部の厚みの90%を超える場合には、上記六角セルハニカム構造体の軽量化を十分に行うことができず、触媒の早期活性化、触媒による排ガス浄化性能の向上、圧力損失の低減を図るという本発明の効果を十分に得ることができないおそれがある。
この場合には、上記六角セルハニカム構造体全体の破壊強度を向上させるという効果をさらに高めることができる。
上記直径Daの平均値Daxと上記セルピッチPとの関係がDax/P<0.16の場合には、破壊強度を向上させるという効果を十分に得ることができないおそれがある。
また、上記Dax/Pの上限値は、開口面積の低下により圧力損失が上昇してしまうという理由で0.30であることが好ましい。
この場合には、上記六角セルハニカム構造体全体の破壊強度を向上させるという効果をさらに高めることができる。これは、Dbx/Dax≧1.05の関係を満たすことによって、最外周側近傍の強度をその内側よりも高めることができるが、その最外周側近傍の強度の向上が上記六角セルハニカム構造体全体の強度向上に大きく寄与し、さらに破壊強度を向上させることができる。
ここで、上記直径Db及び上記平均値Dbxは、前述した直径Da及び平均値Daxと同様の求め方で求めることができる。
この場合には、上記最外周セル壁においても、触媒の早期活性化、触媒による排ガス浄化性能の向上、圧力損失の低減を図ることができるという本発明の効果を十分に得ることができる。
本発明の実施例にかかる六角セルハニカム構造体について、図を用いて説明する。
本例の六角セルハニカム構造体1は、図1に示すごとく、排ガス浄化触媒の触媒担体として用いられるセラミックス製の六角セルハニカム構造体である。
六角セルハニカム構造体1は、六角形格子状のセル壁2と、セル壁2に囲まれた六角形状の多数のセル3と、外周側面を覆う筒状のスキン層4とを有している。
本例では、セルピッチPは、後述する基本セル壁2aの最薄部21aにおける距離としている。
本例では、基本セル壁2aの表面20aは、曲率半径が1.0〜32mmの範囲内の円弧状のR面によって形成されている。また、基本セル壁2aにおける最も厚みの小さい最薄部21aの厚みT1は、40μm以上である。また、最薄部21aの厚みT1は、基本セル壁2aにおける最も厚みの大きい最厚部22aの厚みT2の90%以下である。
本例では、内角部29aは、曲率半径が0.1〜0.4mmの範囲内の円弧状のR面によって形成されている。
六角セルハニカム構造体1を製造するに当たっては、少なくとも、セラミックス原料を押出成形してハニカム成形体を成形する押出成形工程と、上記ハニカム成形体を所望長さに切断する切断工程と、上記ハニカム成形体を乾燥させる乾燥工程と、上記ハニカム成形体を焼成してハニカム構造体(六角セルハニカム構造体1)を得る焼成工程とを含む。
そして、上記押出成形工程では、セル壁2の形状に対応する形状のスリット溝を有する押出成形用金型(図示略)を用いて押出成形する。
その後、成形したハニカム成形体を所望の長さに切断する切断工程と、90〜100℃で乾燥させる乾燥工程と、最高温度1400℃で焼成する焼成工程とを行うことにより、上記六角セルハニカム構造体1を得る。
本例は、基本セル壁2aの平均厚みTが140μm以下であるという薄肉の六角セルハニカム構造体1である場合を前提として、3つの基本セル壁2a同士の交点部分における3つのセル開口部の輪郭に接する円Caの直径Daの平均値Daxと、セルピッチPとの関係が、Dax/P≧0.13であることにより、破壊強度(例えば、アイソスタティック強度)を向上させることができる。すなわち、この関係を具備することによって、交点部分における強度を向上させ、全体の破壊強度を高めることができる。これにより、六角セルハニカム構造体1は、薄肉であっても排ガス浄化装置の触媒担体として実用に耐え得る強度を有するものとなる。
また、基本セル壁2aの交点部分が上記条件を満たすことによって大きくなり、六角セルハニカム構造体1全体の質量が増大するおそれがある場合でも、これを相殺することができる。これにより、機械的な強度を維持しながら、触媒の早期活性化を実現することができる。
また、基本セル壁2aの表面20aを曲線状にしたことにより、略直線状とした場合に比べて各セル3のセル開口部の面積を大きくすることができる。これにより、六角セルハニカム構造体1全体として、排ガスを良好に流通させて圧力損失を低減することができる。
本例では、本発明の六角セルハニカム構造体の特性を評価すべく、各部の寸法を変更した複数の六角セルハニカム構造体(本発明品としての試料E11〜E13、比較品としての試料C11〜C13)を作製し、開口面積を測定した。
比較品としての試料C11〜C13は、平均値DaxとセルピッチPとの関係がDax/P≧0.13を満たし、セル壁の表面を直線状(図3の仮想線A)にした六角セルハニカム構造体である。すなわち、セル壁の交点部分の強度を向上させ、全体の強度を向上させたタイプのものである。
また、六角セルハニカム構造体としては、直径103mm、長さ105mmの円柱状のものを用いた。また、開口面積は、CAD図又はマイクロスコープを用いて測定した。
表1からわかるように、試料E11〜E13は、試料C11〜C13に比べて各セルの開口面積が大きくなっている。
この結果から、本発明の六角セルハニカム構造体は、基本セル壁の表面が内方に曲線状(円弧状)に凹んで形成されていることにより、各セルの開口面積を大きくして排ガスを良好に流通させることができ、圧力損失を低減することができることがわかる。
本例では、本発明の六角セルハニカム構造体の特性を評価すべく、各部の寸法等を変更した複数の六角セルハニカム構造体(本発明品としての試料E21、E22、比較品としての試料C21、C22)を作製し、質量、アイソスタティック強度を測定した。
比較品としての試料C21は、セル壁の表面を直線状とした一般的な従来の六角セルハニカム構造体である。また、試料C22は、平均値DaxとセルピッチPとの関係がDax/P≧0.13を満たし、セル壁の表面を直線状にした六角セルハニカム構造体である。
六角セルハニカム構造体としては、実施例2と同様の寸法、形状(直径103mm、長さ105mmの円柱状)のものを作製した。また、隣接する2つの基本セル壁がなす内角部の曲率半径(後述する曲率半径R2)は、すべて0.25mmとした。
アイソスタティック強度は、「JASO規格:M505−87」に定められた測定法に基づき、六角セルハニカム構造体に対して静水圧を印加することにより測定した。その判定は、アイソスタティック強度が3.5MPa以上:◎、1.5MPa以上3.5MPa未満:○、1.0MPa以上1.5MPa未満:△、1.0MPa未満:×とした。
表2からわかるように、試料E21は、Dax/P≧0.13の条件を満たし(基本セル壁同士の交点部分が大きく)、基本セル壁の表面が内方に曲線状に凹んで形成されている(曲率半径R1が設定されている)ことにより、十分なアイソスタティック強度が得られた(判定:○)。また、質量も従来(試料C21)とほぼ同等であるため、触媒の早期活性化を実現することができる。
また、試料E22は、試料E21に比べてさらにDbx/Dax≧1.05の条件を満たし、最外周側近傍の強度を向上させていることにより、より優れたアイソスタティック強度が得られた(判定:◎)。また、質量は、最外周側近傍の強度向上のために従来(試料C21)よりも少し重くなったが問題のない範囲であり、触媒の早期活性化を実現することができる。
また、試料C22は、Dax/P≧0.13の条件を満たしていることで十分なアイソスタティック強度が得られたものの(判定:○)、基本セル壁の表面が直線状に形成されている(曲率半径R1が設定されていない)ことで質量が重くなっており、触媒の早期活性化という点では不利である。
本例では、本発明の六角セルハニカム構造体の特性を評価すべく、各部の寸法等を変更した複数の六角セルハニカム構造体(本発明品としての試料E31、E32、E41、E42、E51、E52、比較品としての試料C31、C32、C41、C42、C51、C52)を作製し、アイソスタティック強度を測定した。
また、試料E31、E32、E41、E42、E51、E52、C32、C42、C52については、細孔径40μm以上の細孔が増大しないように(細孔径40μm以上の細孔の合計容積が0.02cm3/g以下となるように)、分級機を用いて原料中に含まれる45μm以上の粗大粒子を除去しておく。そして、この原料を用いて六角セルハニカム構造体を作製する。
また、アイソスタティック強度は、上述した実施例3と同様の方法で測定し、同様に判定を行った。
表3からわかるように、試料E31、E32、E41、E42、E51、E52は、基本セル壁の表面の曲率半径R1が1〜32mmの範囲であり、内角部の曲率半径R2が0.1〜0.4mmの範囲であり、細孔径40μm以上の細孔の合計容積(細孔容積)が0.02cm3/g以下であるため、十分なアイソスタティック強度が得られた(判定:◎)。
一方、試料C31、C41、C51は、曲率半径R1、R2が上記範囲であるものの、細孔容積が0.02cm3/gを超えているため、試料E31、E32、E41、E42、E51、E52に比べるとアイソスタティック強度が低くなった(判定:△)。
また、試料C32、C42、C52は、曲率半径R1が設定されておらず、すなわち基本セル壁の表面が直線状であり、また曲率半径R2も上記範囲でないため、十分なアイソスタティック強度を得ることができなかった(判定:×)。
本例では、本発明の六角セルハニカム構造体の特性を評価すべく、基本セル壁の最薄部の厚みT1を変更した六角セルハニカム構造体を作製し、圧縮破壊強度を測定した。
図6からわかるように、基本セル壁の最薄部の厚みT1が40μm未満になると、c軸における圧縮破壊強度が著しく低下する傾向が見られた。これは、六角セルハニカム構造体を押出成形により成形する際に、金型のスリット幅が狭くなるため、材料の供給が十分に行われず、精度良く成形することができないからである。また、これによって成形品の強度が低下するからである。
2 セル壁
2a 基本セル壁
20a 表面(基本セル壁の表面)
3 セル
4 スキン層
Claims (6)
- 排ガス浄化触媒の触媒担体として用いられ、六角形格子状のセル壁と、該セル壁に囲まれた六角形状の多数のセルと、外周側面を覆う筒状のスキン層とを有するセラミックス製の六角セルハニカム構造体において、
上記セル壁のうち、上記スキン層と組み合わせられることなく6つのセル壁によって実質的に完全な六角形状のセルを形成する要素となるセル壁である基本セル壁の平均厚みが140μm以下であり、
3つの上記基本セル壁同士の交点部分における3つのセル開口部の輪郭に接する円の直径Daの平均値Daxと、セルピッチPとの関係が、Dax/P≧0.13であり、
上記六角セルハニカム構造体の横断面において、上記基本セル壁の両側の表面がいずれも内方に曲線状に凹んで形成されていると共に、隣接する2つの上記基本セル壁がなす内角部がその2つの上記基本セル壁の表面同士を滑らかにつなぐように直線状又は曲線状に形成されていることを特徴とする六角セルハニカム構造体。 - 請求項1において、上記六角セルハニカム構造体を構成する材料は、コーディエライトであることを特徴とする六角セルハニカム構造体。
- 請求項1又は2において、上記基本セル壁の表面が曲率半径1〜32mmの円弧状のR面によって形成されていると共に、上記内角部が曲率半径0.1〜0.4mmの円弧状のR面によって形成されており、かつ、上記六角セルハニカム構造体における細孔径40μm以上の細孔の合計容積が0.02cm3/g以下であることを特徴とする六角セルハニカム構造体。
- 請求項1〜3のいずれか1項において、上記基本セル壁における最も厚みの小さい最薄部の厚みは、40μm以上であることを特徴とする六角セルハニカム構造体。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記直径Daの平均値Daxと上記セルピッチPとの関係が、Dax/P≧0.16であることを特徴とする六角セルハニカム構造体。
- 請求項1〜5のいずれか1項において、上記セル壁のうち、上記スキン層近傍において該スキン層と組み合わせられて実質的に不完全な六角形状のセルを形成する要素となる最外周セル壁同士の交点部分、又は該最外周セル壁と上記基本セル壁との交点部分における3つのセル開口部の輪郭に接する円の直径Dbの平均値Dbxと、上記直径Daの平均値Daxとの関係が、Dbx/Dax≧1.05であることを特徴とする六角セルハニカム構造体。
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