JP4860801B2 - 触媒コンバータキャリア本体を構成するハニカム本体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の特徴部分に記載のハニカム本体に関する。このようなハニカム本体は、たとえば、内燃機関の排気ガスを触媒浄化するのに使用される。
【０００２】
【従来の技術】
ＷＯ ９４／１５７１２号は、パーティションによって互いに隔てられた、ほぼ平行に延びる複数の通路を有する、セラミックおよび／または金属材料の、押出し成形されたハニカム本体を開示している。このような壁構造の特定の構成は、先行技術において公知のハニカム本体と比較して、弾性が増す。
【０００３】
ＪＰ ５４−１５０４０６Ａ号は、通路が互いにほぼ垂直に交差する壁部分によって互いに隔てられている、押出し成形されたハニカム本体を開示している。
【０００４】
このハニカム本体は断面で見ると、ハニカム本体の外側からその反対側に配置された外側へと、互いに交差して延びる２つの区域内にあるパーティションが、パーティションの基本的な厚さよりもより厚くされている。厚いパーティションを有する壁部分は、それらの区域が延びる方向に対して斜めに、それら区域を通じて延び、それにより、該壁部分が部分的に厚く、他の部分では薄くなるようにされる。機械的強度の試験において、そのハニカム本体が、上述の区域におけるパーティションの厚さがパーティションの基本的な厚さと等しくされた２つのハニカム本体と比較された。その試験の結果は、ＪＰ ５４−１５０４０６Ａ号に表で示されているが、その表から、上記区域により厚いパーティションを有するハニカム本体が、他の２つのハニカム本体と比較して機械的強度について何ら利点がなく、むしろ、該壁部分の方向に対して斜めの方向における機械的強度のレベルが低くなることが、明らかである。
【０００５】
近年、新規なハニカム本体の開発は、熱容量を減じる方向に沿って行なわれている。熱容量が低減されると、特に、ハニカム本体を排気ガス触媒コンバータ内で使用する際に、より優れたコールドスタート性能を達成することが可能となる。触媒作用が開始される発火温度がより早期に達成されるのである。熱容量以外にも、ハニカム本体を通じるガス流において発生する、圧力低下もまた、開発の一端をなす。圧力低下は、できる限り低くなければならない。これらの開発目的、すなわち、低い熱容量および低い圧力低下はいずれも、薄い通路壁部によって達成することが可能である。しかし、そのように薄い通路壁部は、ただ薄ければどのような寸法であってもよいというわけではない。というのも、任意の厚さでは、壁部構造が不安定となり、熱および／または機械的負荷の下、損傷を受けてしまうおそれがあるためである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、安定性に優れた壁構造を有する、薄い通路壁部を有する押出し成形されたハニカム本体を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に従えば、この目的は、請求項１に記載の特徴を有するハニカム本体によって達成され、有利な展開例が、従属項の主題である。加えて、本発明に従えば、その目的は、請求項９に記載の特徴を有するハニカム本体によって達成される。
【０００８】
本発明に従ったハニカム本体は、第１の厚さの通路壁部と、第２の厚さの通路壁部とを有し、第１の厚さは第２の厚さよりも薄い。第２の厚さの通路壁部は、ハニカム本体を安定にする格子状壁構造を形成する。該格子状壁構造は、複数のほぼまっすぐな壁部分を有し、それらは、ハニカム本体の縁部の局所構造に対して直交するように、ハニカム本体の外側から内部へと延びるか、または、ハニカム本体を通じて延びる。「壁部分」という用語は、複数の通路の、互いの中へと延びる、通路壁部を意味するのに用いられる。
【０００９】
本発明に従ったハニカム本体の１実施例において、複数の壁部分は、ハニカム本体の内部を通じて、その外側から反対側に配された外側へと延びる。これにより、ハニカム本体の縁部における、該壁部分がそこからハニカム本体の内部を通じて延びる領域において特に、ハニカム本体に対してその外部から作用する力を、ハニカム本体を傷付けることなく取除くことが可能となる。ハニカム本体の内部を通じて延びているわけではない、第２の厚さを有する壁部分の場合においても、ハニカム本体の縁部にかかる力を取除くことができる。内部へと延びる壁部分は、それに接続される第１の厚さを有する多数の壁部へと力を伝達することができ、したがって、外部から働く力を、ハニカム本体の内部で分散させることができるのである。
【００１０】
ハニカム本体のさらなる実施例において、第２の厚さの複数の壁部分は、それらが互いにそこで接続される、ハニカム本体の内部に配置される共通のノードへと、少なくとも延びる。「ノード」という用語は、少なくとも２つのほぼまっすぐな壁部分がそこで互いに固定するように接続される、領域を意味する。ノードは、壁部分を接続する細長い領域であって、該接続領域は線に沿って延びる。ハニカム本体の実施例によっては、ノードにおいて互いに接続される壁部分が、外側からほぼ反対側に配された外側へと延びるものもあり、（ほぼまっすぐな）壁部分がそのノードで終端する実施例もあり、また、ノードに接続された壁部分のうちすべてまたはいくつかが、ノードを超えて延びるが反対側に配された外側には達しない実施例もある。
【００１１】
本発明の利点は、薄い壁部を有するハニカム本体を、安定した構造で製造することができることである。この利点のおかげで、たとえば、高いセル密度、すなわち、ハニカム本体の断面における単位面積あたり多数の通路を、排気ガス流における高い圧力降下という欠点を容認する必要なく、達成することが可能となる。高いセル密度は、ハニカム本体の単位容積あたり、触媒が作用する大きな表面積を達成することができるので、排気ガスの触媒浄化に好影響を及ぼす。
【００１２】
排気ガス触媒コンバータを有する内燃機関のコールドスタート段階または再スタート段階において、触媒コンバータができる限り迅速に発火温度に到達することが重要である。薄い壁部は、その低い熱容量によって、これを可能にする。重要なことは、この薄い壁部において少なくとも局所的に、発火温度が早期に達成されることである。しかし、触媒コンバータの全域にわたってほぼ同時に発火温度に達する必要はない。というのも、発火温度に達した後に起きる化学反応は、発熱性であって、発火温度に達したかまたはそれを超えた区域は、急速に広まるためである。
【００１３】
本発明に従ったハニカム本体を使用すれば、排気ガス触媒コンバータにおける触媒作用を早期に開始させることができる。上記第１および第２の厚さの通路壁部が熱い排気ガスのほぼ均一な流れにさらされて、触媒作用は、第１の厚さの（薄い）壁部において開始され、第２の厚さの壁部へと急速に広がる。１つの厚さの壁部のみを有する、同じ熱容量を有するハニカム本体の場合と比較して、触媒作用はより速く開始される。また、本発明に従ったハニカム本体の熱容量の方が大きい場合であっても、薄い壁部を含む限り、触媒作用はより迅速に開始される。
【００１４】
本発明に従ったハニカム本体の利点は、第２の厚さの壁部分の方向とは異なる方向においてハニカム本体に作用する力もまた、該安定化のための壁構造によって取除くことができることである。特に、本発明に従ったハニカム本体において、その安定化のための壁構造がノードを横切る少なくとも４つの壁部分を有する場合、それらが上述のような負荷に耐える。この実施例の展開において、該少なくとも４つの壁部分は、ハニカム本体の断面で見て、それらの間にノードにおいてほぼ等しい角度を有する。ほぼ回転対称の外部表面を有しかつ、通路が回転軸にほぼ平行に延びるハニカム本体の場合、ノードは好ましくは、ほぼ回転軸上に配置される。さらに、回転軸上に配置されたそのノードで交差する壁部分と、他の壁部分との、さらに別のノードを備えることも可能である。
【００１５】
本発明に従ったハニカム本体のさらなる利点は、好ましい振動特性を有することである。格子状壁構造は、その安定した構造により、振動に対して耐性があるが、さらに、薄い通路壁部のみを有する壁構造領域の、ハニカム本体の軸方向の長さに対して垂直な、振動の長さをも、減じることができる。この振動の長さは、ハニカム本体の使用目的に合せることができる。ただし、ハニカム構造に共鳴振動が誘導されないように注意しなくてはならない。
【００１６】
本発明に従ったハニカム本体の展開例において、ハニカム本体の内部における通路壁部表面の大半部分は、第２の厚さの通路壁部よりむしろ第１の厚さの通路壁部から形成されており、ここで、第１の厚さは、好ましくは、第２の厚さよりも少なくとも２０％薄い。
【００１７】
通路壁部の「ａ」という厚さは、通路壁部の平均厚さを意味するのに使用され、局所の厚さは、この平均厚さに対して数パーセント変動する場合がある。
ハニカム本体の１実施例において、第１の厚さは、２０μｍから６０μｍの間、好ましくは、約３０μｍである。
【００１８】
ハニカム本体の有利な展開例において、ハニカム本体は外部周縁部を有し、その内部に通路が配されている。それらのまわりに閉じた構成で延びて第２の厚さのまっすぐな壁部分を横切る、複数の壁部分が、ハニカム本体の外部周縁部に対して、種々のそれぞれがほぼ一定の間隔で配されており、これにより、断面において扇形をした領域が、形成される。１展開例において、該配列のまわりに閉じた構成で延びる壁部分の少なくともいくつかは、第１の厚さを有する。また別の展開例においては、さらなる通路壁部が、該扇形領域を細分しており、その細分する通路壁部は、該配列のまわりに閉じた構成で延びる壁部分に対して直交するように延びる。またさらなる展開例においては、すべての通路の断面積が、少なくとも該扇形領域において、ほぼ等しくされる。
【００１９】
本発明の目的は、流体がそれを通じて流れることの可能な複数の通路を有するハニカム本体によってさらに達成される。ここで、該通路の少なくとも１部分は第１の厚さの通路壁部で互いに境界を定められおよび／または隔てられ、また、少なくとも１部分は第２の厚さの通路壁部で互いに境界を定められおよび／または隔てられている。さらに、第１の厚さは第２の厚さよりも薄く、かつ、該ハニカム本体は、それを安定させるための、第２の厚さの通路壁部で形成された壁構造を有する。
【００２０】
このハニカム本体において、該安定化のための壁構造は、第２の厚さの複数のほぼまっすぐな壁領域を有し、これらは、ハニカム本体の縁部におけるそれぞれの場所から、ハニカム本体の内部を通じて、縁部における別の場所へと延びる。
【００２１】
好ましくは、第２の厚さの壁部分のうち少なくとも２つが、ハニカム本体の縁部における上記のような場所において、開始および終端する。
【００２２】
本発明に従ったハニカム本体の実施例を含む構造を、図面に関連して以下に説明する。これらの実施例は例示のためのものであって、該発明はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、円形の断面を有するハニカム本体１１を示す。ハニカム本体１１は、それを安定させるための、ノード５で交差する第２の厚さの４つの壁部分１３を有する、車輻状の壁構造１４を含む。壁部分１３は、ハニカム本体１１の内部を通じて、その外側から反対側に配された外側へと延びる。ノード５は、ハニカム本体１１の回転軸のほぼ上に配置される。２つの隣接する壁部分１３は各々その間に、ノード５において角度αを有し、角度αはどれも、ほぼ４５°である。車輻状の壁構造１４は、その外側においてその配列のまわりに延びて、壁構造１４に付加的な安定性を与える、ケーシング６によって補われる。この場合、ケーシング６は、第２の厚さの壁部分とほぼ同じ厚さであるが、ケーシング６がさらに厚く構築される場合もある。
【００２４】
図１は、例示の目的で、各領域において通路壁部の全体構造を設計することのできる、３つの異なる領域を示している。同図の右側部分に示されるのが、第１の厚さの通路壁部２によって形成されるパターンである。ここでは、通路７はほぼ四角形の断面積を有する。このパターンは、第２の厚さのまっすぐな壁部分３と交差しており、それにより、そのパターンを構成する通路７のうちの一部の壁は、第２の厚さの通路壁部３によって規定されている。通路７の各々は、第２の厚さの通路壁部３によって規定されており、より特定的には、第２の厚さのまっすぐな壁部分１３がそのパターンと交差している。図１の左下方部分は、第１の厚さの壁部分１２を示している。この壁部分１２は、曲線構造で延び、また、第２の厚さの壁部分１３と交差して、ハニカム本体１１の外部周縁部に対して、種々の、比較的ほぼ一定の間隔で配される。これにより、第１の厚さの各２つの壁部分１２と、第２の厚さの２つのまっすぐな壁部分１３との間に、断面で扇形の構成をした領域が形成される。これら扇形の領域は、第１の厚さのさらなる通路壁部２によって細分される。この配列において、細分する通路壁部２は、第１の厚さの各２つの壁部分１２の間に、曲線構造で延びる。通路壁部２が径方向に延びないことで、ハニカム本体１１はより大きい弾性を享受することができる。このように設計された通路壁部２を有するハニカム本体のさらなる詳細については、ＷＯ ９４／１５７１２号を参照されたい。
【００２５】
第１の厚さの通路壁部２に関する、本願発明には包含されない参考例としての別の構造を、図１の左上方部分に見ることができる。これは、扇形領域を細分するまっすぐな通路壁部２が前述のものと異なる。このように形成された通路７は、断面がすべてほぼ等しい。本発明に従ったハニカム本体の（図示しない）さらなる実施例では、第２の厚さのさらなる壁部分が、曲線構造で延びる第１の厚さの壁部分１２に取付けられ、該さらなる壁部分が、壁部分１２をハニカム本体の縁部と接続する。第２の厚さのそれら壁部分は、縁部とノード５との間には延びない。
【００２６】
図２は、本願発明には包含されない参考例としての安定用壁構造２４によって安定にされる、楕円のケーシング１６を有するハニカム本体２１を示す。このハニカム本体２１の内部における第２の厚さの全部で４つの壁部分１３のうち、２つの壁部分１３がノード５で交差する。２つのさらなる壁部分１３は、ハニカム本体２１の、平らな縁部表面を有する２つの対向して配置された外側部を相互接続することで、ハニカム本体２１をさらに支持する。ケーシング接続場所８において、第２の厚さの壁部分１３が２つずつ、楕円のケーシング１６において互いに合せられる。
【００２７】
図３は、星形の安定用壁構造３４を有する、ハニカム本体３１を示す。全部で６つのまっすぐな壁部分２３は各々、２つのノード５を通過する。安定用壁構造３４は、このようなノード５を全部で６つ有する。
【００２８】
図４は、さらなる実施例を示す。第２の厚さの３つの壁部分１３が、ハニカム本体４１の縁部における３つの場所を、ノード５と接続する。壁部分１３を有する安定用壁構造４４は、ハニカム本体４１を３つの等しい大きさの区分に細分する。
【００２９】
図５は、さらなる実施例を含む構造を示す。安定用壁構造５４は、ハニカム本体５１を特にその外側領域において強化する、８つのまっすぐな壁部分３３を有する。壁部分３３は、互いに対してノードを何ら有さない。それらは各々、ハニカム本体５１の縁部に、それぞれのケーシング接続場所８で、それぞれの接平面に対して垂直に取付けられており、それにより、ハニカム本体５１に対して接平面にほぼ垂直にかかる力を、ハニカム本体の内部へと逃がすことができる。この力は、第１の厚さの通路壁部２の構造に伝達されて、ハニカム本体５１の内部に分散される。なお、図５の左下に部分的に示すハニカム本外５１の断面構造は、本願発明に関連する参考例として例示したものであって、本願発明には包含されない。
【００３０】
以上に例示したように、本発明に従ったハニカム本体の実施例は、先行技術において公知のハニカム本体と同様の構造を有するため、先に知られているハニカム本体と同じプロセスを使用して製造することが可能である。したがって、安定用壁構造を有するハニカム本体を、ほぼ同じコストで製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車輻状の安定用壁構造を有する、ハニカム本体を示す。
【図２】楕円の断面を有する、ハニカム本体を示す。
【図３】星形の安定用壁構造を有する、ハニカム本体を示す。
【図４】ノードにおいて接続される、第２の厚さの３つの壁部分を有する、ハニカム本体を示す。
【図５】断面において、互いに対してノードを何ら有さない、第２の厚さの８つのまっすぐな壁部分を有する、ハニカム本体を示す。
【符号の説明】
１１、２１、３１、４１、５１ ハニカム本体、２ 第１の厚さの通路壁部、３ 第２の厚さの通路壁部、１４、２４、３４、４４、５４ 安定用壁構造、５ ノード、６ ケーシング、７ 通路、８ ケーシング接続場所、１２ 閉じた構成で円周方向に広がる壁部分、１３ 第２の厚さのまっすぐな壁部分、１６ 楕円のケーシング、２２ 第１の厚さの壁部分、２３ ２つのノードを通過する、壁部分、３３ ノードを通過しない、壁部分、α 角度。

Claims (9)

1. 流体がそれを通じて流れることができ、その少なくとも１部分が第１の厚さの通路壁部で互いに境界が定められ、かつその少なくとも１部分が第２の厚さの通路壁部で互いに境界を定められる、複数の通路を有する、押出し成形された、触媒コンバータキャリヤ本体を構成するハニカム本体であって、該第１の厚さは該第２の厚さよりも薄く、該ハニカム本体はそれを安定にしかつ該第２の厚さの通路壁部で形成されている壁構造を有し、
   前記第２の厚さの通路壁部で形成されている前記壁構造は、該ハニカム本体の縁部と交差して、該ハニカム本体の外側領域から内部へと延びる、該第２の厚さの複数のまっすぐな壁部分を有し、それによって、前記複数の通路のいずれも、該第２の厚さの壁部分を示す通路壁部によってのみ取囲まれることはなく、さらに、該第２の厚さの壁部分は第１の厚さの該通路壁部で形成された前記複数の通路の少なくとも一部のパターンと交差することにより、該複数の通路の少なくともあるものは区切られ、かつ異なる断面形状を有し、
   前記ハニカム本体の内部には、前記第１の厚さの通路壁部が前記第２の厚さの通路壁部よりも多く形成され、かつ、前記複数の通路は、前記第１の厚さの通路壁部のみによって囲まれた通路を含む、ハニカム本体。
2. 複数の壁部分がハニカム本体の内部を、外側から反対側に配された外側へと通過することを特徴とする、請求項１に記載のハニカム本体。
3. 複数の壁部分が、ハニカム本体の内部で、それらが互いに接続される共通のノードにまで少なくとも延びることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のハニカム本体。
4. 前記壁構造は、該ノードを交差する少なくとも４つの壁部分を有することを特徴とする、請求項３に記載のハニカム本体。
5. ハニカム本体の断面において、該少なくとも４つの壁部分が、それらの間にノードにおいて等しい角度（α）を含むことを特徴とする、請求項４に記載のハニカム本体。
6. 回転対称の外側表面を有し、かつ、その通路が回転の軸に平行な関係でそれを通過するハニカム本体であって、
   該ノードが回転軸の上に配置されることを特徴とする、請求項５に記載のハニカム本体。
7. 前記第１の厚さが前記第２の厚さよりも少なくとも２０％薄いことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載のハニカム本体。
8. 前記第１の厚さが、２０μｍと６０μｍとの間の値であることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のハニカム本体。
9. 流体がそれを通じて流れることができ、その少なくとも１部分が第１の厚さの通路壁部で互いに境界を定められ、かつその少なくとも１部分が第２の厚さの通路壁部で互いに境界を定められている、複数の通路を有する、押出し成形された、触媒コンバータキャリヤ本体を構成するハニカム本体であって、該第１の厚さは該第２の厚さよりも薄く、かつ、該ハニカム本体は、それを安定させかつ該第２の厚さの通路壁部で形成されている壁構造を有し、
   前記第２の厚さの通路壁部で形成されている前記壁構造が、該ハニカム本体の縁部におけるそれぞれの場所から該ハニカム本体の内部を通じて、該縁部における別の場所へと延びる、該第２の厚さの複数のまっすぐな壁部分を有し、それによって、該通路のいずれも、該第２の厚さの壁部分を示す通路壁部によってのみ囲まれることはなく、さらに、該第２の厚さの壁部分は第１の厚さの該通路壁部で形成された前記複数の通路のパターンの少なくともいずれかと交差し、該複数の通路のうちの少なくともあるものは区切られ、かつ異なる断面形状を有し、
   前記ハニカム本体の内部には、前記第１の厚さの通路壁部が前記第２の厚さの通路壁部よりも多く形成され、かつ、前記複数の通路は、前記第１の厚さの通路壁部のみによって囲まれた通路を含む、ハニカム本体。

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