JP4753784B2 - ハニカム構造体、及び、排気ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
なお、上記熱エージングとは、触媒担体として使用する際の熱に起因する熱エージング及び熱による加速試験等を行った際の熱エージングの両方を意味する。
さらに、上述したように自動車用に用いる場合、設置するためのスペースは非常に限られたものである。そのため、単位体積当たりの担体の比表面積を上げるためにセル壁を薄くする等の手段を用いるが、そうすることにより、基材の強度はいっそう弱いものとなった。また、アルミナ等は、熱膨張率が大きいこともあり、焼成(仮焼)時、および使用時に熱応力によって容易にクラックが生じてしまう。これらを考えると、自動車用として利用した場合、使用時に急激な温度変化による熱応力や大きな振動等の外力が加わるため、容易に破損し、ハニカム構造体としての形状を留めることができず、触媒担体としての機能を果たすことができないといった問題があった。
これに対して、セルの斜めの部分の接合層を厚く設定することにより、アイソスタティック強度を上昇させたハニカム構造体が開示されている(例えば、特許文献6参照)。
しかしながら、特許文献6に記載のハニカム構造体は、シール材層(コート層)を形成した後のハニカム構造体の外表面に凹凸がない。ところが凹凸がない場合には、位置に関係なく、シール材層の厚さによっては、クラックが生じることがわかった。
上記ハニカム構造体及び上記ハニカムブロックの外周面には凹凸が形成されており、
上記ハニカムユニットは、無機粒子と、無機繊維及び/又はウィスカとを含んでなり、
上記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面の輪郭を構成する点に基づき、最小二乗法により最小二乗曲線を求め、その重心をc1、
重心c1を有する、上記最小二乗曲線の同心最小外接曲線と重心c1との距離をD1、
重心c1を有する、上記最小二乗曲線の同心最大内接曲線と重心c1との距離をD2、
M1=D1−D2と定義した際に、
0.3mm≦M1であり、かつ、
上記ハニカムブロックの長手方向に垂直な断面の輪郭を構成する点に基づき、最小二乗法により最小二乗曲線を求め、その重心をc2、
重心c2を有する、上記最小二乗曲線の同心最小外接曲線と重心c2との距離をD3、
重心c2を有する、上記最小二乗曲線の同心最大内接曲線と重心c2との距離をD4、
M2=D3−D4と定義した際に、
0.5mm≦M2≦7.0mm
であることを特徴とする。
また、上記ハニカム構造体では、重心c1と重心c2とが一致しないことが望ましく、重心c1と重心c2との距離は、0.1〜10.0mmであることが望ましい。
この場合、上記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積は、5〜50cm2であることが望ましい。また、上記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積の総和は、上記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面における断面積の85%以上を占めることが望ましい。
上記無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト及びアタパルジャイトからなる群から選択された少なくとも一種であることが望ましい。
上記排気ガス浄化装置において、上記マット状保持シール材は、無膨張セラミック繊維質マットであることが望ましい。
また、ハニカムユニットが、無機粒子と、無機繊維及び/又はウィスカとを含んでなるため、無機粒子によって比表面積が向上し、無機繊維及び/又はウィスカによってハニカムユニットの強度が向上し、本発明のハニカム構造体を触媒コンバータとして特に好適に用いることができる。
初めに、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、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットを含んでなる柱状のハニカムブロックの外周部にシール材層(コート層)が設けられたハニカム構造体であって、
上記ハニカム構造体及び上記ハニカムブロックの外周面には凹凸が形成されており、
上記ハニカムユニットは、無機粒子と、無機繊維及び/又はウィスカとを含んでなり、
上記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面の輪郭を構成する点に基づき、最小二乗法により最小二乗曲線を求め、その重心をc1、
重心c1を有する、上記最小二乗曲線の同心最小外接曲線と重心c1との距離をD1、
重心c1を有する、上記最小二乗曲線の同心最大内接曲線と重心c1との距離をD2、
M1=D1−D2と定義した際に、
0.3mm≦M1であり、かつ、
上記ハニカムブロックの長手方向に垂直な断面の輪郭を構成する点に基づき、最小二乗法により最小二乗曲線を求め、その重心をc2、
重心c2を有する、上記最小二乗曲線の同心最小外接曲線と重心c2との距離をD3、
重心c2を有する、上記最小二乗曲線の同心最大内接曲線と重心c2との距離をD4、
M2=D3−D4と定義した際に、
0.5mm≦M2≦7.0mm
であることを特徴とする。
即ち、ハニカム構造体10において、上記ハニカムブロックの外周面に形成された溝状の凹凸は、ハニカムユニット200及びハニカムユニット210を構成するセルの一部が削除され、残った部分が外周面に露出したものである。
このハニカムブロックは、多数のセル31がセル壁32を隔てて長手方向に並設された一のハニカムユニットからなる略円柱状のハニカムブロックを構成しており、該ハニカムブロックの外周面には凹凸33が形成されている。
本発明者らの研究によると、従来は、このようなハニカム構造体には、シール材層を設けることで、全体外周を均一にさせて、円柱の側面には溝上の凹凸をなくして平坦にさせてきたが、ハニカム構造体の熱衝撃試験等を行うと、ハニカム構造体の外周面に凹凸(望ましくは、長手方向全ての断面において効果を及ぼすことができるように溝状の凹凸)を残した場合において、ハニカムブロックの凹凸状態のバランスが悪くなると、熱衝撃性が悪化することが判明した。この理由は明確ではないが、以下の通りであると考えられる。
また、このとき、ハニカムユニットとシール材層(コート層)は、材料が異なったり、密度等が異なることによって、全く同じ物性値を示さないために、その部分にも熱の応力が生じると考えられる。
上述した2つの箇所の凹凸の状況を変更させることによって、それぞれの熱応力による内部の歪みを緩和させることができるのではないかと考えられる。
なお、ハニカム構造体においては、ハニカムブロックにシール材層(コート層)を形成した後に同様の測定をすればよいので、以下にハニカムブロックの測定に限定して説明をする。勿論、ハニカムブロックの測定は、ハニカム構造体の製造工程中に測定を行えばよいが、製造後であれば、シール材層(コート層)を加工、研磨等によって除去した後ハニカムブロック部分において同様の測定を行えばよい。
図4(a)に示したように、上記輪郭上の点について測定した位置データを2次元座標軸上にプロットすると、上記ハニカムブロックの断面と略同形状の屈曲部を有する曲線40が描かれる。
なお、図4(a)に示した曲線40は、図1に示したハニカム構造体10のハニカムブロックの断面の輪郭上の点についての位置データを2次元座標軸上にプロットした図であり、2次元座標軸は省略している。
測定する位置データの数は、10箇所以上であれば特に限定されないが、100箇所以上であることが望ましい。上記2次元座標軸上に描かれる曲線の形状が実際のハニカムブロックの断面形状に近くなるからである。
また、測定する上記輪郭上の点は、上記輪郭上で等間隔であることが望ましい。より正確なハニカムブロックの外周面の凹凸のばらつきを測定することができるからである。
上記三次元測定機としては特に限定されず、例えば、ミツトヨ社製の「LEGEXシリーズ」、「FALCIO−APEXシリーズ」、「Bright−Apexシリーズ」、「MACHシリーズ」、「CHNシリーズ」、「BH−Vシリーズ」等が挙げられる。
次に、重心c2を有する、上記最小二乗曲線の同心最小外接曲線と、重心c2を有する、上記最小二乗曲線の同心最大内接曲線とを求める。
同心最小外接曲線、同心最大内接曲線は、円に限られず、楕円でもよく、そのほかの曲線であってもよい。また、同心最小外接曲線と同心最大内接曲線とは、重心c2を共有する相似形となる。
なお、円であれば、JIS B 0621の真円度を求める方法に準拠すればよい。
ここで、同心最小外接曲線42と同心最大内接曲線43とは、上述のように、重心c2からみて同心曲線であり、具体的には、同心最小外接曲線42は、その線上に最小二乗曲線41の凸部分の少なくとも一部が存在し、最小二乗曲線41の他の部分が同心最小外接曲線の内部に存在する重心c2からみて距離が最小の曲線であり、同心最大内接曲線43は、その線上に最小二乗曲線41の凹部の少なくとも一部が存在し、最小二乗曲線41のその他の部分が同心最大内接曲線の外側に存在する重心c2からみて距離が最大の曲線である。
本発明のハニカム構造体のハニカムブロックでは、M2によって、上述ハニカムブロックの外表面に形成された凹凸の大きさを代表することができる。
M1が0.3mm未満であると、上記ハニカム構造体の外周面には殆ど凹凸が形成されていないこととなり、係るハニカム構造体は、上述したような、熱応力の問題が生じない。
M1は、3.0mm以下であることが望ましい。M1が3.0mmを超えると、上記ハニカム構造体の外周面に形成された凹凸が大きく、このようなハニカム構造体は、上述したように、上記ハニカムブロックの外周面の凸部に熱応力によるクラックや欠けが発生しやすくなってしまう。
M2が0.5mm未満であると、上記ハニカムブロックの外周面には殆ど凹凸が形成されていないこととなり、係るハニカムブロックとシール材層(コート層)との間に、熱応力が生じて、クラックが生じると考えられる。
一方、M2が7.0mmを超えると、上記ハニカムブロックの外周面に形成された凹凸が大きく、このようなハニカム構造体は、係るハニカムブロックとシール材層(コート層)との間に、熱応力が生じて、クラックが生じると考えられる。
なお、図5(a)は、集合体型ハニカムブロック50の別の一例を模式的に示した正面図であり、(b)は、一体型ハニカムブロック500の別の一例を模式的に示した正面図である。
このようなハニカムブロック50及び500は、ハニカムブロックの外周面に形成された凹凸の形状が異なるほかは、図1に示したハニカム構造体10、及び、図3に示したハニカム構造体30と略同様の構造となっている。
上記無機粒子としては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ムライト、ゼオライト等からなる粒子が望ましい。これらは単独で用いても良いし、2種以上併用してもよい。これらのなかでは、アルミナからなる粒子が特に望ましい。
一方、望ましい上限は97重量%であり、より望ましい上限は90重量%であり、さらに望ましい上限は80重量%であり、特に望ましい上限は75重量%である。
無機粒子の含有量が30重量%未満では、比表面積の向上に寄与する無機粒子の量が相対的に少なくなるため、ハニカム構造体としての比表面積が小さく、触媒成分を担持する際に触媒成分を高分散させることができなくなる場合がある。一方、97重量%を超えると強度向上に寄与する無機繊維及び/又はウィスカの量が相対的に少なくなるため、ハニカム構造体の強度が低下することとなる。
無機繊維及び/又はウィスカの合計量が3重量%未満ではハニカム構造体の強度が低下することとなり、50重量%を超えると比表面積向上に寄与する無機粒子の量が相対的に少なくなるため、ハニカム構造体としての比表面積が小さく触媒成分を担持する際に触媒成分を高分散させることができなくなる場合がある。
このように無機バインダを含む混合物を用いることにより、生成形体を焼成する温度を低くしても十分な強度のハニカムユニットを得ることができる。
これらのなかでは、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト及びアタパルジャイトからなる群から選択された少なくとも一種が望ましい。
上記無機バインダの含有量が50重量%を超えると成型性が悪くなる。
なお、上述した通り、本発明のハニカム構造体のハニカムブロックの外周面のシール材層(コート層)を構成する材料は、上記シール材層(接着剤層)と同じ材料からなるものであってもよく、異なる材料からなるものであってもよい。さらに、上記シール材層(接着剤層)とシール材層(コート層)とが同じ材料からなるものである場合、その材料の配合比は同じものであってもよく、異なるものであってもよい。
5cm2未満では、複数個のハニカムユニットを接合するシール材層の断面積が大きくなるため触媒を担持する比表面積が相対的に小さくなるとともに、圧力損失が相対的に大きくなってしまうことがあり、断面積が50cm2を超えると、ユニットの大きさが大きすぎ、それぞれのハニカムユニットに発生する熱応力を十分に抑えることができないことがある。
一方、ハニカムユニットの断面積が5〜50cm2であれば、ハニカム構造体に対するシール材層の占める割合を調整させることが可能になる。このことによって、ハニカム構造体の単位体積あたりの比表面積を大きく保つことができ、触媒成分を高分散させることが可能となるとともに、熱衝撃や振動などの外力が加わってもハニカム構造体としての形状を保持することができる。また、圧力損失が小さくなることからも断面積は5cm2以上であることが望ましい。
この理由としては、急激な温度変化等によってハニカム構造体に温度分布がついた場合にもそれぞれのハニカムユニットあたりにつく温度差を小さく抑えることができるためであると推察される。あるいは、熱衝撃や振動をシール材層によって緩和可能となるためであると推察される。また、このシール材層は、熱応力等によってハニカムユニットにクラックが生じた場合においても、クラックがハニカム構造体全体に伸展することを防ぎ、さらにハニカム構造体のフレームとしての役割をも担い、ハニカム構造体としての形状を保ち、触媒担体としての機能を失わないことになると考えられる。
85%未満では、シール材層の断面積が占める割合が大きくなり、ハニカムユニットの総断面積が減るので、触媒を担持する比表面積が相対的に小さくなるとともに、圧力損失が相対的に大きくなってしまうからである。
また、90%以上では、より圧力損失を小さくすることができる。
このような触媒が担持されていることで、本発明のハニカム構造体は、排気ガスに含有される上記CO、HC及びNOx等を浄化するための触媒コンバータとして機能する。
これらは単独で用いても良いし、2種以上併用してもよい。
上記貴金属からなる触媒は、所謂、三元触媒であり、このような三元触媒が担持された本発明のハニカム構造体は、従来公知の触媒コンバータと同様に機能するものである。従って、ここでは、本発明のハニカム構造体が触媒コンバータとしても機能する場合の詳しい説明を省略する。
但し、本発明のハニカム構造体に担持させることができる触媒は、上記貴金属に限定されることはなく、排気ガス中のCO、HC及びNOx等を浄化することができる触媒であれば、任意のものを担持させることができる。
また、ハニカム構造体を構成するハニカムユニットが、無機粒子と、無機繊維及び/又はウィスカとを含んでなるため、無機粒子によって比表面積が向上し、無機繊維及び/又はウィスカによってハニカムユニットの強度が向上することとなる。
このような本発明のハニカム構造体は、触媒コンバータ等に好適に用いることができる。
この重心不一致型ハニカム構造体では、微小彎曲型ハニカム構造体、すなわち、ハニカムブロックの最小二乗曲線の重心c2を、上記ハニカムブロックの長手方向に少なくとも3点求めた際、これらの重心c2が、上記ハニカムブロックの長手方向に平行な直線上に存在していないか、又は、ハニカム構造体の最小二乗曲線の重心c1を、上記ハニカム構造体の長手方向に少なくとも3点求めた際、重心c1が、上記ハニカム構造体の長手方向に平行な直線上に存在していないハニカム構造体を製造しやすくなる。
上記ハニカムブロックの外周面に形成された凹凸は、本発明のハニカム構造体において、図2(a)〜(c)や図5(a)、(b)を用いて説明したように、上記ハニカムブロックを構成するセルの一部が削除され、残った部分が外周面に露出したものであってもよく、階段状に形成されていてもよい。
また、上記ハニカムブロックの外周面に形成された凹凸の大きさは、本発明のハニカム構造体と同様となるように制御されていることが望ましい。ハニカム構造体のアイソスタティック強度が優れたものとなるからである。
ここで、「ハニカム構造体の押し抜き強度」とは、所定の部材でハニカムブロックの外周面全体が握持されることにより保持固定された状態のハニカム構造体が、その一方の端面側から加えられる圧力等の外力に対して、ズレを発生させることなく抗することのできる限界の強度のことをいう。
この理由は、明確ではないが、以下の通りであると考えられる。
このとき、上記ハニカムブロックにおける一の断面曲線の重心と他の断面曲線の重心とが上記ハニカムブロックの長手方向に平行な直線上に存在していると、上記ハニカムブロックに生じた応力が、上記ハニカムブロックの一方の端面から他方の端面に向けて真っ直ぐに伝わるため、ハニカム構造体と該ハニカム構造体を握持する部材との間に働く力が大きくなり、その結果、ハニカム構造体の押し抜き強度が低くなると考えられる。
以下、上記断面曲線の重心のばらつきについて、図6(a)及び(b)に示したハニカム構造体60等を用いて詳述する。
また、求める断面曲線の重心c2の位置データの数としては、3箇所以上であれば特に限定されない。測定する断面曲線の重心c2のデータが3箇所未満であると、上記ハニカムブロックの長手方向に垂直な断面曲線の相似の中心を示す最小二乗直線を描くことができないからである。
なお、測定する断面曲線の相似の中心の位置データは、3箇所以上であれば特に限定されないが、5箇所以上であることが望ましく、上記ハニカムブロックの長手方向に等間隔に求めることが望ましい。より正確なハニカムブロックの長手方向に垂直な断面曲線の重心のばらつきを求めることができるからである。
なお、重心不一致型ハニカム構造体や微小彎曲型ハニカム構造体も上述した本発明のハニカム構造体と同様に、排気ガス浄化用ハニカムフィルタや触媒コンバータとして機能するようにしてもよい。
従って、例えば、微小彎曲型ハニカム構造体を排気ガス浄化装置として、マット状保持シール材等を介してケーシング内に設置し、ハニカム構造体の一方の端面側から排気ガス等による圧力が加えられた場合であっても、上記ハニカム構造体が上記ケーシング内でズレてしまうことは殆どない。
このような微小彎曲型ハニカム構造体も触媒コンバータ等として好適に用いることができる。
本発明のハニカム構造体は、例えば、下記の製造方法(第一の製造方法)により製造することができる。
第一の製造方法は、上記ハニカムユニットを構成するセラミック材料を含むセラミック成形体を乾燥させることにより得られたセラミック乾燥体の外周加工を行い、その形状が異なる複数種類のセラミック乾燥体を作製する工程を含むことを特徴とするものである。
第一の製造方法では、まず、上記ハニカムユニットを構成するセラミック材料を含む混合組成物を調製し、該混合組成物を用いて押出成形を行うことにより角柱形状のセラミック成形体を作製するセラミック成形体作製工程を行う。
上記有機バインダの配合量は、上記無機粒子、上記無機繊維、上記ウィスカ及び上記無機バインダの合計、100重量部に対して、1〜10重量部が望ましい。
上記成形助剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等が挙げられる。
また、上記混合組成物は、製造後のハニカム構造体の気孔率が20〜80%程度となるものが望ましい。
次に、上記セラミック乾燥体の外周加工を行い、その形状が異なる複数種類のセラミック乾燥体を作製する外周加工工程を行う。具体的には、図2(b)及び(c)に示したハニカムユニット200及び210と略同形状のセルとなる部分の一部が削除され、残った部分が外周面に露出することにより凹凸が形成されたセラミック乾燥体を作製する。
後述する焼成工程を経てその形状の異なる複数種類のハニカムユニットを製造し、続くブロック作製工程において、これら形状の異なる複数種類のハニカムユニットを組み合わせて接着し、その外周面に凹凸を有する略円柱形状のハニカムブロックを作製するためである。
なお、後述するコート層形成工程を行う場合、ハニカムブロック作製工程にて作製されるハニカムブロックの外周面に形成される凹凸の大きさが、本発明のハニカム構造体におけるハニカムブロックの外周面に形成された凹凸よりも大きくなるような凹凸を上記セラミック乾燥体の外周面に形成しておき、続く上記コート層形成工程で上記ハニカムブロックの外周面に形成されるコート層により、上記外周面に形成された凹凸の大きさを調整してもよい。
上記セラミック乾燥体の脱脂工程は、通常、セラミック乾燥体を脱脂用治具に載置した後、脱脂炉に搬入し、おおよそ400℃で2時間程度に加熱することにより行う。これにより、上記バインダ等の大部分が揮散するとともに、分解、消失する。
焼成温度が600℃未満では、セラミック粒子など焼結が進行せず、ハニカム構造体としての強度が低くなる場合があり、1200℃を超えると、セラミック粒子などの焼結が進行しすぎて単位体積あたりの比表面積が小さくなり、触媒を担持させた際に、触媒成分を充分に高分散させることができなくなる場合があるからである。
なお、より望ましい焼成温度は、600〜1000℃である。
そして、このシール材(接着剤)ペースト層を形成してから、他のハニカムユニットを接着する工程を繰り返して行い、所定の大きさで図1に示したハニカム構造体10ような円柱状のセラミック積層体を作製する。
なお、上記セラミック積層体の外周付近には、図2(b)及び(c)に示した形状のハニカムユニットを用い、上記セラミック積層体の外周付近以外の部分には、図2(a)に示した形状のハニカムユニットを用いることが望ましい。円柱形状のハニカムブロックを作製するためである。このようなセラミック積層体は、その外周面にセルの一部が切除され、残った部分が露出することにより凹凸が形成されている。
また、上記シール材(接着剤)ペーストにより形成されたシール材層(接着剤層)中には、さらに少量の水分や溶剤等を含んでいてもよいが、このような水分や溶剤等は、通常、シール材(接着剤)ペーストを塗布した後の加熱等により殆ど飛散する。
また、シール材層(コート層)を形成した後、外周部分の加工を行うことにより、ハニカム構造体の外周面に形成された凹凸の大きさを制御する。
また、第一の製造方法によれば、外周加工工程においてセラミック乾燥体の外周面の一部に形成する凹凸の大きさを調整したり、シール材層(コート層)形成工程においてハニカムブロックの外周面形成するシール材層(コート層)の厚さを調整したりすることにより、ハニカムブロックの外周面に形成された凹凸の大きさが所定の範囲に制御された本発明のハニカム構造体を製造することができる。
第二の製造方法は、複数種類の断面形状を有するセラミック成形体を押出成形法により作製する工程を含むことを特徴とするものである。
即ち、第二の製造方法では、上記混合組成物を押出成形することにより、角柱形状のセラミック成形体、及び、その外周面の一部に凹凸が形成されたセラミック成形体を作製する。
また、第二の製造方法によれば、セラミック成形体作製工程においてセラミック成形体の外周面の一部に形成する凹凸の大きさを調整したり、シール材層(コート層)形成工程においてハニカムブロックの外周面形成するシール材層(コート層)の厚さを調整したりすることにより、ハニカムブロックの外周面に形成された凹凸の大きさが所定の範囲に制御された本発明のハニカム構造体を製造することができる。
本発明の排気ガス浄化装置は、上述した本発明のハニカム構造体がマット状保持シール材層を介して内燃機関の排気通路に接続するケーシング内に設置されたことを特徴とするものである。
なお、本発明の排気ガス浄化装置70において、ハニカム構造体80は、図1、図3及び図5に示したような本発明のハニカム構造体であってもよく、図6に示したような第二の本発明のハニカム構造体であってもよい。
上記触媒としては、例えば、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、酸化物等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
即ち、この場合、排気ガス浄化装置70では、エンジン等の内燃機関から排出された排気ガスは、導入管74を通ってケーシング71内に導入され、ハニカム構造体80(触媒コンバータ)のセルを通る際、上記排気ガス中のCO、HC及びNOx等が触媒と接触し、浄化された後、排出管75を通って外部へ排出されることとなる。
ハニカム構造体80がマット状保持シール材72により上記のように保持されることで、ハニカム構造体80とマット状保持シール材72との間には、所謂アンカー効果が得られ、使用中にハニカム構造体とマット状保持シール材との間に位置ズレが発生しにくくなり、本発明の排気ガス浄化装置の耐久性を向上させることができるとともに、排気ガスがハニカム構造体80の外周部分から排気ガスが漏出することを防止することもできる。
特に、本発明の排気ガス浄化装置におけるハニカム構造体が重心不一致型ハニカム構造体や微小彎曲型ハニカム構造体である場合、上述したように、重心不一致型ハニカム構造体や微小彎曲型ハニカム構造体は、その押し抜き強度が非常に優れたものであるため、導入管からケーシング内に流入した排気ガスによりハニカム構造体の一方の端面に大きな圧力が加わった場合であっても、該ハニカム構造体は、排気ガスの流通方向にズレることはなく、本発明の排気ガス浄化装置は、非常に耐久性に優れたものとなる。
このようなマット状保持シール材72を構成する材料としては特に限定されず、例えば、結晶質アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、ムライト、シリカ繊維等の無機繊維や、これらの無機繊維を一種以上含む繊維等が挙げられる。
また、バーミキュライトを実質上含まない無膨張性マット、バーミキュライトを少量含む低膨張性マットが挙げられ、両者のうちでは、実質上バーミキュライトを含まない無膨張性マットが望ましい。
上記マット状保持シール材としては、無膨張セラミック繊維質マットが特に望ましい。
従って、本発明の排気ガス浄化装置は、使用中にケーシング内に流入してくる排気ガスの圧力やハニカム構造体の温度上昇等によりマット状保持シール材によるハニカム構造体の握持力が低下したり、ハニカム構造体の位置ズレが生じたりすることがなく、耐久性に優れたものとなる。
(1)γアルミナ粒子(平均粒径2μm)40重量%、シリカ−アルミナ繊維(平均繊維径10μm、平均繊維長100μm、アスペクト比10)10重量%、シリカゾル(固体濃度30重量%)50重量%を混合し、得られた混合物100重量部に対して有機バインダとしてメチルセルロース6重量部、可塑剤及び潤滑剤を少量加えて更に混合・混練して混合組成物を得た。次に、この混合組成物を押出成形機により押出成形を行い、生の成形体を得た。この生の成形体は、角柱状(34.3mm×34.3mm×300mm)、セル密度が31個/cm2、セル壁の厚さが0.35mmである。
このとき、製造するハニカムユニットに反りが発生することのないように、セラミック乾燥体の外周部分をセラミック乾燥体の外形と略同形状の保持部を有する固定治具で保持固定し、ゆっくりと昇温した。
なお、ハニカムユニットのセル壁の電子顕微鏡(SEM)写真を図9に示す。
このハニカムユニットは、原料ペーストの押出方向に沿ってシリカ−アルミナ繊維が配向していることがわかる。
このようにして製造したハニカムブロックについて、三次元測定機(ミツトヨ社製、BH−V507)を用いて、上記実施の形態において本発明のハニカム構造体で説明した方法により、M2を求めたところ、0.0mmであった。
そこで、ハニカムブロックの外周面に研作加工を加えてM2=0.5mmとした。
このようにして製造したハニカム構造体について、同様に三次元測定機を用いて、上記ハニカムブロックと同様の方法で、M1を求めたところ、凹凸がなく、0.0mmであった。
そのあとで、ハニカム構造体に凹凸を設けるようにシール材層(コート層)に加工を加え、M1=0.3mmとした。
実施例1と同様に、得られたハニカムブロックやハニカム構造体の加工を行い、表面の凹凸を調整することで、それぞれ、表1に記載のM1、M2の値を持つハニカム構造体(ハニカムブロック)を作製した。
なお、実施例10〜11では、シール材(接着剤)ペーストとして、繊維長20μmのアルミナファイバー30重量%、平均粒径0.6μmの炭化珪素粒子21重量%、シリカゾル15重量%、カルボキシメチルセルロース5.6重量%、及び、水28.4重量%を含む耐熱性のシール材(接着剤)ペーストを用いたほかは、実施例1と同様にしてハニカムブロックを作製して加工を行い、ハニカム構造体を製造して加工を行った。
また、比較例1では、得られたハニカムブロック、ハニカム構造体の加工を行わなかったほかは、実施例1と同様にしてハニカム構造体を製造した。
実施例1〜11、参考例1〜4及び比較例1〜12に係るハニカム構造体を電気炉にいれて、20℃/分で目標温度に昇温させて、600℃又は800℃で1時間保持させた後に、常温に空冷した。その時のクラックの有無を目視で確かめた。その結果を表1に示す。
実施例1〜11、参考例1〜4及び比較例1〜12に係るハニカム構造体の周囲に、厚さ7mmの無膨張性アルミナファイバマット(三菱化学製 マフテック)を巻き、金属製の円筒ケースにはめ込んだ後に、インストロンで押しぬき荷重をかけ、抜けが発生する強度を測定した。その結果を表1に示す。
一方、比較例1〜12のハニカム構造体では、押し抜き荷重が低いものもあり、押し抜き荷重が高いものであっても、熱衝撃が弱いものであった。
次に、ハニカムブロックの重心c2とハニカム構造体の重心c1との位置をずらせたハニカム構造体を製造した。
具体的には、実施例1と同様にして、M2=0.5mmであるハニカム構造体を製造し、その後、シール材層(コート層)の厚みバランスを変更させることによってM2=0.5mmのハニカム構造体を作製した。
実施例12の場合と同様にシール材層(コート層)の厚みを変更させることによって、表2に記載のM1、M2、c1−c2を有するハニカムブロック、ハニカム構造体を製造した。なお、実施例18〜19では、実施例10〜11と同様のシール材(接着剤)ペーストを用い、表2に記載のM1、M2、c1−c2を有するハニカムブロック、ハニカム構造体を製造した。
また、得られたハニカム構造体を電気炉で600℃、30時間、熱処理した上で、同様に押しぬき荷重を測定した。なお、表2に示す熱処理後強度減少率とは、熱処理前の押し抜き荷重に対する熱処理後の押し抜き荷重の割合を百分率で示したものである。
なお、実施例1〜19、参考例1〜6及び比較例1〜12に係るハニカム構造体を製造する際、ハニカムブロックの外周面に欠けやクラック等が発生することはなかった。
(1)γアルミナ粒子(平均粒径2μm)40重量%、シリカ−アルミナ繊維(平均繊維径10μm、平均繊維長100μm、アスペクト比10)10重量%、シリカゾル(固体濃度30重量%)50重量%を混合し、得られた混合物100重量部に対して有機バインダとしてメチルセルロース6重量部、可塑剤及び潤滑剤を少量加えて更に混合・混練して混合組成物を得た。次に、この混合組成物を押出成形機により押出成形を行い、生の成形体を得た。
この成形体の1つは、図2(a)に示したハニカムユニット20とほぼ同様の角柱であり、その大きさは35mm×35mm×300mmで、セル密度が31/cm2で、セル壁の厚さが0.35mmであった。
また、上記混合組成物を用いて図2(b)及び図2(c)に示したような角柱の一部が切除され、その部分に貫通孔が露出したハニカムユニット200、210と略同形状のセラミック成形体も作製した。
上記セラミック乾燥体からハニカムユニットを製造する工程では、セラミック成形体は、特に反り状態が残った固定治具で保持固定して行い、得られたハニカムユニットには、反りを生じさせた。
実施例20の場合と同様にハニカムユニットに反りを生じさせることによって、最小二乗直線からのズレが表3に記載のハニカム構造体を製造した。なお、実施例26〜27では、シール材(接着剤)ペーストとして、繊維長20μmのアルミナファイバー30重量%、平均粒径0.6μmの炭化珪素粒子21重量%、シリカゾル15重量%、カルボキシメチルセルロース5.6重量%、及び、水28.4重量%を含む耐熱性のシール材(接着剤)ペーストを用いたほかは、実施例20と同様にして最小二乗直線からのズレが表3に記載のハニカム構造体を製造した。
そして、それを電気炉で600℃、30時間、熱処理した上で、同様に押しぬき荷重を測定した。
11、61 シール材層(接着剤層)
20、200、210、65 ハニカムユニット
21、31、201、211 貫通孔
22、32、202、212 セル壁
Claims (14)
- 多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設されたハニカムユニットを含んでなる柱状のハニカムブロックの外周部にシール材が設けられたハニカム構造体であって、
前記多数のセルは、端部が封止されていない貫通孔であり、
前記ハニカム構造体及び前記ハニカムブロックの外周面には凹凸が形成されており、
前記ハニカムユニットは、無機粒子と、無機繊維及び/又はウィスカとを含んでなり、
前記ハニカムユニットは、前記無機粒子と、前記無機繊維及び/又はウィスカとを含む材料を600〜1200℃で焼成されてなり、
前記無機粒子は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、セリア、ムライト及びゼオライトからなる群から選ばれた少なくとも1種であり、
前記ハニカムブロックは、複数個のハニカムユニットを結束することによって構成されてなり、
前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積は、5〜50cm 2 であり、
前記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面の輪郭を構成する点に基づき、最小二乗法により最小二乗曲線を求め、その重心をc1、
重心c1を有する、前記最小二乗曲線の同心最小外接曲線と重心c1との距離をD1、
重心c1を有する、前記最小二乗曲線の同心最大内接曲線と重心c1との距離をD2、
M1=D1−D2と定義した際に、
0.3mm≦M1であり、かつ、
前記ハニカムブロックの長手方向に垂直な断面の輪郭を構成する点に基づき、最小二乗法により最小二乗曲線を求め、その重心をc2、
重心c2を有する、前記最小二乗曲線の同心最小外接曲線と重心c2との距離をD3、
重心c2を有する、前記最小二乗曲線の同心最大内接曲線と重心c2との距離をD4、
M2=D3−D4と定義した際に、
0.5mm≦M2≦7.0mm
であることを特徴とするハニカム構造体。 - 前記M1は、3.0mm以下である請求項1に記載のハニカム構造体。
- 重心c1と重心c2とが一致しない請求項1又は2に記載のハニカム構造体。
- 重心c1と重心c2との距離は、0.1〜10.0mmである請求項3に記載のハニカム構造体。
- 最小二乗曲線の重心c2を、前記ハニカムブロックの長手方向に少なくとも3点求めた際、これらの重心c2が、前記ハニカムブロックの長手方向に平行な直線上に存在していない請求項1〜4のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 最小二乗曲線の重心c1を、前記ハニカム構造体の長手方向に少なくとも3点求めた際、重心c1が、前記ハニカム構造体の長手方向に平行な直線上に存在していない請求項1〜5のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記ハニカムユニットの長手方向に垂直な断面における断面積の総和は、前記ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面における断面積の85%以上を占める請求項1〜6のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記無機粒子は、γ−アルミナ粒子である請求項1〜7のいずれか記載のハニカム構造体。
- 前記無機繊維及び/又はウィスカは、アルミナ、シリカ、炭化珪素、シリカアルミナ、ガラス、チタン酸カリウム及びホウ酸アルミニウムからなる群から選ばれた少なくとも1種である請求項1〜8のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 上記ハニカムユニットは、前記無機粒子と前記無機繊維及び/又はウィスカと無機バインダとを含む混合物を用いて製造されており、
前記無機バインダは、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、水ガラス、セピオライト及びアタパルジャイトからなる群から選択された少なくとも一種である請求項1〜9のいずれかに記載のハニカム構造体。 - 触媒が担持されている請求項1〜10のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記触媒は、貴金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び、酸化物からなる群から選択された少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項11に記載のハニカム構造体。
- 請求項1〜12のいずれかに記載のハニカム構造体がマット状保持シール材を介して内燃機関の排気通路に接続するケーシング内に設置されたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
- 前記マット状保持シール材は、無膨張セラミック繊維質マットである請求項13に記載の排気ガス浄化装置。
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