JP5097237B2 - ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
まず、セラミック原料にバインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して成形原料とする。セラミック原料としては、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、コージェライト化原料、コージェライト、ムライト、アルミナ、チタニア、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材料、リチウムアルミニウムシリケート、チタン酸アルミニウム、鉄−クロム−アルミニウム系合金からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。これらの中でも、炭化珪素又は珪素−炭化珪素系複合材料が好ましい。尚、コージェライト化原料とは、シリカが42〜56質量%、アルミナが30〜45質量%、マグネシアが12〜16質量%の範囲に入る化学組成となるように配合されたセラミックス原料であって、焼成されてコージェライトになるものである。珪素−炭化珪素系複合材料とする場合、炭化珪素粉末及び金属珪素粉末を混合したものをセラミック原料とする。セラミック原料の含有量は、成形原料全体に対して40〜90質量%であることが好ましい。
次に、各ハニカム成形体を焼成して、図2に示すハニカム焼成体2を得る。焼成の前に、バインダ等を除去するため、脱脂(仮焼成)を行うことが好ましい。仮焼成は大気雰囲気において、400〜500℃を最高温度として、0.5〜20時間、最高温度を保持して行うことが好ましい。仮焼成及び焼成の方法は特に限定されず、電気炉、ガス炉等を用いて焼成することができる。焼成条件は、炭化珪素又は珪素−炭化珪素系複合材料の場合には、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気において、1300〜1500℃の最高温度で、1〜10時間、加熱保持することが好ましい。
次に、得られた複数のハニカム焼成体の中の少なくとも1個のハニカム焼成体を、中心軸に直交する断面における一の対角線に沿って中心軸に平行に切断して、図3に示すような、「切断された四角柱状のハニカム焼成体」の個数に対して2倍の個数の、中心軸に直交する断面の面積が同じ三角柱状の三角セグメント3を作製する。ここで、「ハニカム焼成体を、中心軸に直交する断面における一の対角線に沿って中心軸に平行に切断する」というときは、図3に示すように、ハニカム焼成体を切断するときの切断面が中心軸に平行であり(中心軸を含み)、ハニカム焼成体の中心軸に直交する断面において、四角形の断面の2つの対角線の中の一方の対角線に沿って切断することを意味する。また、「切断された四角柱状のハニカム焼成体の個数に対して2倍の個数の、三角柱状の三角セグメントを作製する」というときは、四角柱状のハニカム焼成体を切断することにより、1つの四角柱状のハニカム焼成体から2つの三角柱状の三角セグメントを形成することを意味する。本実施形態のハニカム構造体の製造方法においては、2つの四角柱状のハニカム焼成体を切断して、4つの三角柱状の三角セグメントを作製している。また、「四角柱状のハニカム焼成体を、中心軸に直交する断面における一の対角線に沿って中心軸に平行に切断する」ため、1つの四角柱状のハニカム焼成体から得られた2つの三角セグメントの中心軸に直交する断面の面積は、同じということになる。すなわち、1つの四角柱状のハニカム焼成体を切断して得られる2つの三角セグメントは、同じ形状である。
(4−1)擬似四角セグメントの作製;
次に、図4、図5に示すように、三角セグメント3に、中心軸に直交する断面の外周形状が三角セグメント3の中心軸に直交する断面の外周形状と同形状の筒状であるアルミニウム又はアルミニウム合金製の補助部材4を、それぞれの中心軸に直交する断面の斜辺が対向するようにして貼り付けて、図5に示すような、四角柱状の擬似四角セグメント5を作製する。三角セグメント3と補助部材4とを貼り付ける際の、それぞれの貼り付け面(対向する面)は、三角セグメント3の中心軸に直交する断面における斜辺3a(図7参照)に対応する側面3bと、補助部材4の中心軸に直交する断面における斜辺4a(図7参照)に対応する側面である。また、三角セグメント3及び補助部材4の「中心軸に直交する断面における斜辺」とは、直角三角形における斜辺を意味する。すなわち、直角三角形である、三角セグメント3及び補助部材4のそれぞれの「中心軸に直交する断面」における、3つの辺の中の、直角を形成する2つの辺以外の辺である。
次に、図6、図7に示すように、中心軸に直交する断面において、擬似四角セグメント5を構成する三角セグメント3の直交する2つの辺3c,3dが四角柱状のハニカム焼成体2に接するとともに、擬似四角セグメント5を構成する補助部材4の直交する2つの辺4b,4cが最外周12を構成するようにして、四角柱状のハニカム焼成体2及び四角柱状の擬似四角セグメント5を、それぞれの側面同士を接合材13で接合しながら組み合わせ、図8に示すように、最外周12から内側に向かって締め付けるように加圧して、補助部材付きハニカムブロック体11を作製する。補助部材付きハニカムブロック体をこのように形成することにより、補助部材を取り外してハニカムブロック体を形成したときに、「中心軸に直交する断面において、全ての三角セグメントの斜辺が最外周を構成するとともに、全ての三角セグメントの斜辺以外の辺が四角柱状のハニカム焼成体に接する状態になるように三角セグメントが配置された状態で、四角柱状のハニカム焼成体と三角セグメントとが組み合わされて接合された」、ハニカムブロック体となる。そして、補助部材付きハニカムブロック体の中心軸に直交する断面の形状は、長方形であることが好ましい。また、補助部材付きハニカムブロック体の中心軸に直交する断面の形状は、作製するハニカム構造体が円筒形状である場合には、正方形であることが好ましく、作製するハニカム構造体が、底面が楕円形の筒形状又は底面がレーストラック形状の筒形状である場合には、縦の長さと横の長さとが異なる長方形であることが好ましい。
次に、補助部材付きハニカムブロック体11の接合材13を乾燥させる。補助部材付きハニカムブロック体11を、80〜170℃で0.5〜2時間乾燥させて、接合材を硬化させることが好ましい。補助部材付きハニカムブロック体は、補助部材を有しているが、アルミニウム又はアルミニウム合金を材料としているため、乾燥時の熱による変形等は生じない。
次に、補助部材付きハニカムブロック体11から補助部材4を取り外して、図9A、図9Bに示すような、ハニカムブロック体21を形成する。三角セグメントと補助部材とを樹脂製粘着材によって接合している場合には、容易に剥がすことができる。また、三角セグメントと補助部材とを紐で接合している場合には、当該紐を切断して、抜き取ってから、補助部材付きハニカムブロック体11から補助部材4を取り外すことが好ましい。図9A、図9Bに示すように、本実施形態のハニカム構造体の製造方法においては、ハニカムブロック体21の中心軸に直交する断面において、全ての三角セグメント3が最外周を構成している。
次に、図9A、図9Bに示されるようなハニカムブロック体21の外周部分を研削して、図10に示すようなハニカム構造体100を得る。ハニカムブロック体21の外周部分を研削する場合、全ての三角セグメント3の一部を研削するようにする。全ての三角セグメントの一部を研削するとは、ハニカムブロック体を構成する三角セグメントは、全てその一部が研削されていることを意味し、ハニカムブロック体を構成する三角セグメントの中で、全く研削されない三角セグメントはなく、且つ、研削されてなくなってしまう三角セグメントもないということを意味する。また、ハニカムブロック体21の外周部分とは、ハニカムブロック体21の最外周を構成するセグメントのことである。また、ハニカム構造体100は、複数のハニカムセグメント15が接合された構造である。
セラミックス原料として、SiC粉、金属Si粉を80:20の質量割合で混合し、これに、成形助材としてメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシメチルセルロース、造孔材として澱粉と吸水性樹脂をそれぞれ混合し、界面活性剤及び水を添加して混練し、真空土練機により円柱状の坏土を作製した。
ブロック体構造及び成形体本数を表1に示すように変えた以外は、実施例1と同様にして、ハニカム構造体を作製した。
図13に示すように、ハニカムブロック体として、ブロック体構造が「3×6構造」で、研削パターンが「研削パターンC」の、ハニカムブロック体42を作製し、ハニカム構造体を、底面が楕円形の筒状とした以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を得た。研削パターンCは、ハニカムブロック体の中心軸に直交する断面において、ハニカムブロック体に内接する楕円形であって、長径がハニカムブロック体の長軸方向(四角柱状のハニカム焼成体が6個並ぶ方向)長さと同じ長さであり、短径がハニカムブロック体の短軸方向(四角柱状のハニカム焼成体が3個並ぶ方向)長さと同じ長さの楕円形である。ハニカムブロック体の構造(ブロック体構造)、研削パターン、及び作製したハニカム成形体の本数(成形体本数)を表1に示した。図13は、実施例4のハニカム構造体の製造方法においてハニカム構造体の製造過程で作製されたハニカムブロック体42を示す、中心軸に直交する断面を示す模式図である。
ブロック体構造及び成形体本数を表1に示すように変えた以外は、実施例4と同様にして、ハニカム構造体を作製した。
図14に示すように、ハニカムブロック体として、ブロック体構造が「4×4構造(2)」で、研削パターンが「研削パターンD」の、ハニカムブロック体43を作製し、ハニカム構造体を、底面が楕円形の筒状とした以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を得た。ブロック体構造における「4×4構造(2)」とは、図14に示すように、4個×4個の四角柱状のハニカム焼成体43aの接合体において、中心軸に直交する断面における、一の対角線上に位置する2つの角部(頂点部分)を構成するハニカム焼成体43aが三角セグメント43bに置き換わった構造である。また、「研削パターンD」は、ハニカムブロック体の中心軸に直交する断面において、ハニカムブロック体に内接する楕円形であって、長径がハニカムブロック体の他の対角線(四角柱状のハニカム焼成体が配置されている角部(頂点)間を結ぶ対角線)と平行な楕円形であり、且つ、2つの三角セグメントを横切る楕円形である。従って、得られたハニカム構造体には、2つの三角セグメントに由来する部分が存在する。ハニカムブロック体の構造(ブロック体構造)、研削パターン、及び作製したハニカム成形体の本数(成形体本数)を表1に示した。図14は、実施例8のハニカム構造体の製造方法においてハニカム構造体の製造過程で作製されたハニカムブロック体43を示す、中心軸に直交する断面を示す模式図である。
ブロック体構造及び成形体本数を表1に示すように変えた以外は、実施例8と同様にして、ハニカム構造体を作製した。
図15に示すように、ハニカムブロック体として、ブロック体構造が「6×6構造(8)」で、研削パターンが「研削パターンE」の、ハニカムブロック体44を作製し、ハニカム構造体を、底面が円形の筒状とした以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を得た。「研削パターンE」は、ハニカムブロック体の中心軸に直交する断面において、ハニカムブロック体の中心点(重心)を中心とし、所定の直径の円形である、実施例11において、研削パターンEにおける円形の直径(所定の直径)は190mmである。得られたハニカム構造体には、8つの三角セグメントに由来する部分が存在する。ハニカムブロック体の構造(ブロック体構造)、研削パターン、及び作製したハニカム成形体の本数(成形体本数)を表1に示した。図15は、実施例11のハニカム構造体の製造方法においてハニカム構造体の製造過程で作製されたハニカムブロック体44を示す、中心軸に直交する断面を示す模式図である。
ブロック体構造及び成形体本数を表1に示すように変えた以外は、実施例11と同様にして、ハニカム構造体を作製した。尚、実施例12において、研削パターンEにおける円形の直径は、150mmとした。また、実施例13において、研削パターンEにおける円形の直径は、240mmとした。また、実施例14において、研削パターンEにおける円形の直径は、280mmとした。
三角セグメントを作製せず、図16に示すハニカムブロック体45のように、実施例1において三角セグメントが配置されていた位置に四角柱状のハニカム焼成体45aを配置してハニカムブロック体を形成した以外は実施例1の場合と同様にして、ハニカム構造体を作製した。図16は、比較例1のハニカム構造体の製造方法においてハニカム構造体の製造過程で作製されたハニカムブロック体45を示す、中心軸に直交する断面を示す模式図である。
比較例2〜14においては、三角セグメントを作製せず、三角セグメントが配置されていた位置に四角柱状のハニカム焼成体を配置してハニカムブロック体を形成した以外は、それぞれ、実施例2〜14の場合と同様にして、ハニカム構造体を作製した。例えば、比較例4では、図17に示すように、四角柱状のハニカム焼成体46aから構成されたハニカムブロック体46を形成する。また、比較例8では、図18に示すように、四角柱状のハニカム焼成体47aから構成されたハニカムブロック体47を形成する。また、比較例11では、図19に示すように、四角柱状のハニカム焼成体48aから構成されたハニカムブロック体48を形成する。図17は、比較例4のハニカム構造体の製造方法においてハニカム構造体の製造過程で作製されたハニカムブロック体46を示す、中心軸に直交する断面を示す模式図である。図18は、比較例8のハニカム構造体の製造方法においてハニカム構造体の製造過程で作製されたハニカムブロック体47を示す、中心軸に直交する断面を示す模式図である。図19は、比較例11のハニカム構造体の製造方法においてハニカム構造体の製造過程で作製されたハニカムブロック体48を示す、中心軸に直交する断面を示す模式図である。
補助部材として、樹脂製の中実の三角柱状の部材(外形が三角セグメントと同じ形状)を使用した以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。補助部材の嵩密度は、1.6g/cm3であった。補助部材の材質は、具体的には、ニトリルゴムとした。ハニカム構造体の製造過程における、「加圧時の補助部材のずれ」、「補助部材取り外し時の接合ずれ」、「補助部材の熱変形」、「乾燥時の補助部材ずれ」及び「乾燥温度上昇速度」を観察した。結果を表3に示す。
補助部材として、樹脂製の中空の三角柱状の部材(外形が三角セグメントと同じ形状)を使用した以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。補助部材の嵩密度は、0.7g/cm3であった。ハニカム構造体の製造過程における、「加圧時の補助部材のずれ」、「補助部材取り外し時の接合ずれ」、「補助部材の熱変形」、「乾燥時の補助部材ずれ」及び「乾燥温度上昇速度」を観察した。結果を表3に示す。
補助部材として、アルミニウム製の中実の三角柱状の部材(外形が三角セグメントと同じ形状)を使用した以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。補助部材の嵩密度は、2.6g/cm3であった。ハニカム構造体の製造過程における、「加圧時の補助部材のずれ」、「補助部材取り外し時の接合ずれ」、「補助部材の熱変形」、「乾燥時の補助部材ずれ」及び「乾燥温度上昇速度」を観察した。結果を表3に示す。
補助部材付きハニカムブロック体の接合材の乾燥前に、補助部材付きハニカムブロック体から補助部材を取り外し、補助部材付きハニカムブロック体ではなくハニカムブロック体の接合材を乾燥させた以外は、実施例1と同様にしてハニカム構造体を作製した。ハニカム構造体の製造過程における、「加圧時の補助部材のずれ」、「補助部材取り外し時の接合ずれ」、「補助部材の熱変形」、「乾燥時の補助部材ずれ」及び「乾燥温度上昇速度」を観察した。結果を表3に示す。
Claims (4)
- 成形原料を成形して、流体の流路となる一方の端面から他方の端面まで延びる複数のセルを区画形成する隔壁を有する、中心軸に直交する断面が長方形の四角柱状のハニカム成形体を複数個形成し、
複数の前記ハニカム成形体を焼成して、複数の四角柱状のハニカム焼成体を形成し、
複数の前記ハニカム焼成体の中の少なくとも1個のハニカム焼成体を、中心軸に直交する断面における一の対角線に沿って中心軸に平行に切断して、切断された四角柱状のハニカム焼成体の個数に対して2倍の個数の三角柱状の三角セグメントを作製し、
前記三角セグメントに、中心軸に直交する断面の外周形状が前記三角セグメントの中心軸に直交する断面の外周形状と同形状の筒状であるアルミニウム又はアルミニウム合金製の補助部材を、それぞれの中心軸に直交する断面の斜辺が対向するようにして貼り付けて、四角柱状の擬似四角セグメントを作製し、
中心軸に直交する断面において、前記擬似四角セグメントを構成する前記三角セグメントの直交する2つの辺が前記四角柱状のハニカム焼成体に接するとともに、前記擬似四角セグメントを構成する補助部材の直交する2つの辺が最外周を構成するようにして、前記四角柱状のハニカム焼成体及び前記四角柱状の擬似四角セグメントを、それぞれの側面同士を接合材で接合しながら組み合わせ、最外周から内側に向かって締め付けるように加圧して、補助部材付きハニカムブロック体を作製し、
前記補助部材付きハニカムブロック体の前記接合材を加熱乾燥させ、その後、前記補助部材付きハニカムブロック体から前記補助部材を取り外してハニカムブロック体を形成し、
前記ハニカムブロック体の外周部分を、全ての前記三角セグメントの一部を研削するようにして、研削してハニカム構造体を得るハニカム構造体の製造方法。 - 前記三角セグメントに、前記補助部材を樹脂製粘着材によって貼り付ける請求項1に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記三角セグメントを4個作製し、
前記ハニカムブロック体の全体形状が、中心軸に直交する断面において、長方形の四つの頂点部分に三角セグメントが配置された形状になるようにして、ハニカムブロック体を作製する請求項1又は2に記載のハニカム構造体の製造方法。 - 前記三角セグメントを8個作製し、
前記ハニカムブロック体の全体形状が、中心軸に直交する断面において、長方形の4つの角部に前記ハニカム焼成体及び前記三角セグメントのいずれもが配置されておらず、且つ、前記4つの角部に隣接する8箇所の位置に前記8個の三角セグメントがそれぞれ配置されるように、ハニカム焼成体と三角セグメントとを組み合わせた形状になるようにして、ハニカムブロック体を作製する請求項1又は2に記載のハニカム構造体の製造方法。
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