JP5816010B2

JP5816010B2 - ハニカム構造体

Info

Publication number: JP5816010B2
Application number: JP2011154055A
Authority: JP
Inventors: 照夫小森; 朝吉野
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: WO2013008785A1; JP2013017965A

Description

本発明は、ガスを浄化するフィルタとして用いられるハニカム構造体に関する。

ＤＰＦ（Diesel particulate filter）用等、内燃機関から排出されるガスを浄化するフィルタ用として、ハニカム構造体が広く知られている。ハニカム構造体は、一端部が封口材で封じられたセルに対し、他端部が封口材で封じられたセルが少なくとも一つ隣接するように、各セルが配列された構造を有している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２７０７５５号公報

上述したようなハニカム構造体では、例えば、構造体の外形が円柱状であり、セルの断面形状が矩形状であると、構造体の側面近傍におけるセルの断面形状が、ランダムに切欠かれた形状となる。そのため、ハニカム構造体の側面に、外圧に対する強度が低下する部分が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、外圧に対する強度の向上が図られたハニカム構造体を提供することを目的とする。

本発明のハニカム構造体は、ガスを浄化するフィルタとして用いられるハニカム構造体であって、多角形状の断面形状を有する複数の内部セルが形成されたコア部と、コア部を包囲する筒状のシェル部と、を備え、コア部は、内部セルのそれぞれを仕切るコア隔壁を有し、シェル部は、間隙を介してコア部を包囲する筒状の側壁と、コア部と側壁との間に、コア部を包囲するように配置された複数のシェル隔壁と、を有し、シェル隔壁は、側壁に対向しかつ側壁に対して凸となるように接続された一対のコア隔壁の角部と、側壁との間に、一対のコア隔壁のそれぞれと鈍角の角度を成すように掛け渡されている。

このハニカム構造体では、コア部と側壁との間に、コア部を包囲するように複数のシェル隔壁が配置されている。しかも、シェル隔壁のそれぞれは、側壁に対向しかつ側壁に対して凸となるように接続された一対のコア隔壁の角部と、側壁との間に、一対のコア隔壁のそれぞれと鈍角の角度を成すように掛け渡されている。これにより、側壁に作用した外圧は、外圧の作用点近傍のシェル隔壁を介して、そのシェル隔壁が接続された角部に集合する一対のコア隔壁のそれぞれに分散される。よって、このハニカム構造体は、外圧に対する強度の向上が図られたものとなる。なお、シェル隔壁が一対のコア隔壁のそれぞれと成す角度とは、シェル隔壁の中心面（厚さの中心面）が一対のコア隔壁のそれぞれの中心面（厚さの中心面）と成す角度を意味する。

また、シェル隔壁は、側壁と８０〜１００度の角度を成すように、側壁に接続されていてもよい。この構成によれば、シェル隔壁による側壁の支持強度を向上させることができる。更に、シェル隔壁は、側壁と略９０度の角度を成すように、側壁に接続されていてもよい。この構成によれば、シェル隔壁による側壁の支持強度をより一層向上させることができる。なお、シェル隔壁が側壁と成す角度とは、シェル隔壁と側壁との接続箇所において側壁の中心面（厚さの中心面）に接する面とシェル隔壁の接続部の中心面（厚さの中心面）とが成す角度を意味する。

また、一つの角部と側壁との間には、一つのシェル隔壁のみが掛け渡されていてもよい。この構成によれば、外圧に対する強度の低下を抑制しつつ、シェル部の構造を単純化することができる。

また、シェル隔壁は、側壁に接続される平板状の接続部を含み、隣り合う接続部の間隔は、多角形における最長の対角線の長さ以下となっていてもよい。この構成によれば、隣り合うシェル隔壁の間隔が大きくなることに起因してその部分において外圧に対する強度が低下するのを防止することができる。なお、最長の対角線とは、多角形の対角線（隣り合わない二つの頂点を結ぶ線分）のうち最長の長さを有する対角線を意味する。

また、コア隔壁、側壁及びシェル隔壁によって仕切られる複数の外周セルの一端部及び他端部の少なくとも一方は、封口されていてもよい。この構成によれば、封口された外周セルの端部によっても側壁が支持されるため、その部分において外圧に対する強度の向上を図ることができる。ここで、外周セルの一端部が封口されていれば、その一端部が上流側となるようにハニカム構造体をガスの流路上に配置することで、外周セル内へのガスの流入を抑制し、セル部を保温層として機能させることができる。

このとき、外周セルの断面積は、全ての外周セルの平均断面積の４０％以上となっていてもよい。この構成によれば、外周セルの端部を封口材で封じる場合に、外周セルの断面積が小さいことに起因して外周セルの端部が確実に封口されない封口不良が発生するのを防止することができる。

また、コア部の構造は、非対称セル構造となっていてもよい。この構成によれば、例えば対称セル構造に比べて、フィルタ単位体積当たりのろ過面積を大きくとることができるため、フィルタに起因する圧力損失の低減を図ることができ、延いては、ハニカム構造体が適用される内燃機関の燃費の向上を図ることができる。

本発明によれば、外圧に対する強度の向上が図られたハニカム構造体を提供することができる。

本発明の一実施形態のハニカム構造体の斜視図である。図１のII−II線に沿っての断面の一部拡大図である。図１のハニカム構造体の一端面の一部拡大図である。図１のハニカム構造体の他端面の一部拡大図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態のハニカム構造体の斜視図である。図１に示されるように、ハニカム構造体１は、円柱状のコア部２（図１において二点鎖線の内側の部分）と、コア部２を包囲する円筒状のシェル部３（図１において二点鎖線の外側の部分）と、を備えている。コア部２及びシェル部３は、同一の線を中心線ＣＬとして一体的に形成されている。コア部２及びシェル部３の材料は、多孔質（例えば、平均細孔直径２０μｍ以下）のセラミクス材料等、内燃機関から排出されるガス中の微細粒子（すす等）を捕捉しつつガスを通過させるものである。コア部２には、ハニカム構造体１の一端面１ａと他端面１ｂとの間に渡って延在する細長い孔である内部セル４が複数形成されている。ここでは、各内部セル４は、中心線ＣＬに略平行となるように延在している。

ここで、ハニカム構造体１の高さ（すなわち、一端面１ａと他端面１ｂとの距離）は、例えば４０〜３５０ｍｍとすることができる。ハニカム構造体１の外径は、例えば１００〜３２０ｍｍとすることできる。各内部セル４の開口面積（断面積）は、例えば０．６〜７．０ｍｍ^２程度（より好ましくは、０．８〜６．０ｍｍ^２程度）とすることができる。隣り合う内部セル４，４の中心線間の距離（いわゆるセルピッチ）は、例えば１．１〜２．８ｍｍとすることができる。

また、コア部２及びシェル部３に用いられるセラミクス材料としては、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、コーディエライト、ガラス、チタン酸アルミニウム等の酸化物、シリコンカーバイド、窒化珪素、金属等が挙げられる。チタン酸アルミニウムは、更に、マグネシウム及び／又はケイ素を含むことができる。

なお、コア部２及びシェル部３は、上述したセラミクス材料となるグリーン成形体（未焼成成形体）を焼成することにより得ることができる。グリーン成形体は、セラミクス原料である無機化合物源粉末、メチルセルロース等の有機バインダ、及び必要に応じて添加される添加剤を含む。

例えば、チタン酸アルミニウムのグリーン成形体の場合、無機化合物源粉末は、αアルミナ粉等のアルミニウム源粉末、及びアナターゼ型やルチル型のチタニア粉末等のチタニウム源粉末を含み、必要に応じて、更に、マグネシア粉末やマグネシアスピネル粉末等のマグネシウム源粉末、及び／又は、酸化ケイ素粉末やガラスフリット等のケイ素源粉末を含むことができる。

有機バインダとしては、メチルセルロース、カルボキシルメチルセルロース、ヒドロキシアルキルメチルセルロース、ナトリウムカルボキシルメチルセルロース等のセルロース類；ポリビニルアルコール等のアルコール類；リグニンスルホン酸塩が挙げられる。

添加物としては、例えば、造孔剤、潤滑剤、可塑剤、分散剤及び溶媒が挙げられる。

造孔剤としては、グラファイト等の炭素材；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル等の樹脂類；でんぷん、ナッツ殻、クルミ殻、コーン等の植物材料；氷；及びドライアイス等が挙げられる。

潤滑剤及び可塑剤としては、グリセリン等のアルコール類；カプリル酸、ラウリン酸、パルミチン酸、アラキジン酸、オレイン酸、ステアリン酸等の高級脂肪酸；ステアリン酸Ａｌ等のステアリン酸金属塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル（ＰＯＡＡＥ）等が挙げられる。

分散剤としては、例えば、硝酸、塩酸、硫酸等の無機酸；シュウ酸、クエン酸、酢酸、リンゴ酸、乳酸等の有機酸；メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類；ポリカルボン酸アンモニウム等の界面活性剤等が挙げられる。

溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール等のアルコール類；プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、エチレングリコール等のグリコール類；及び水等を用いることができる。

図２は、図１のII−II線に沿っての断面の一部拡大図である。図２に示されるように、コア部２は、複数の内部セル４のそれぞれを仕切るコア隔壁５を有している。各内部セル４は、六角形状の断面形状（内部セル４が延在する方向に垂直な断面形状）を有している。内部セル４は、隣り合う内部セル４，４がコア隔壁５によって仕切られた状態で、六角形の最密配置となるように配列されている。

ここでは、内部セル４は、正六角形状の断面形状を有する内部セル４ａと、規則的六角形（例えば、内部セル４ａの一辺と長さが同じ長辺、及び内部セル４ａの一辺よりも長さが短い短辺からなる六角形）状の断面形状を有する内部セル４ｂと、を含んでいる。つまり、コア部２の構造は、互いに異なる断面形状を有する複数種類の内部セル４を含む非対称セル構造となっている。なお、コア部２では、１つの内部セル４ａに対し、その断面形状の各辺に内部セル４ｂの断面形状の長辺が対向するように、６つの内部セル４ｂが隣接しているが、これに限定されない。内部セル４ａ，４ｂは、内部セル４ａ又は内部セル４ｂの一方に対し、他方が少なくとも１つ隣接するように配列されていればよい。

図３は、ハニカム構造体１の一端面１ａの一部拡大図であり、図４は、ハニカム構造体１の他端面１ｂの一部拡大図である。図３に示されるように、ハニカム構造体１の一端面１ａにおいては、内部セル４ａの一端部が封口材で封じられており、内部セル４ｂが開口している。一方、図４に示されるように、ハニカム構造体１の他端面１ｂにおいては、内部セル４ｂの他端部が封口材で封じられており、内部セル４ａが開口している。

なお、封口材の材料は、内燃機関から排出されるガス中の微細粒子（すす等）を捕捉しつつガスを通過させる材料であってもよいし、或いはガスを通過させない材料であってもよい。また、封口材の材料は、コア部２及びシェル部３と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。

図２〜図４に示されるように、シェル部３（図２〜図４において二点鎖線の外側の部分）は、ハニカム構造体１の一端面１ａにおいて内部セル４ｂの開口を露出させると共に、ハニカム構造体１の他端面１ｂにおいて内部セル４ａの開口を露出させるように、コア部２（図２〜図４において二点鎖線の内側の部分）を包囲している。シェル部３は、間隙を介してコア部２を包囲する円筒状の側壁６と、コア部２と側壁６との間に、コア部２を包囲するように配置された複数のシェル隔壁７と、を有している。

図２に示されるように、各シェル隔壁７は、側壁６に対向しかつ側壁６に対して凸となるように接続された一対のコア隔壁５，５の角部５ａと、側壁６との間に、掛け渡されている。ここでは、一つの角部５ａと側壁６との間に、一つのシェル隔壁７のみが掛け渡されている。そして、シェル隔壁７は、そのシェル隔壁７が接続された角部５ａに集合する一対のコア隔壁５，５のそれぞれと鈍角の角度（９０度より大きく１８０度より小さい角度）を成している。つまり、シェル隔壁７の中心面（厚さの中心面）は、そのシェル隔壁７が接続された角部５ａに集合する一対のコア隔壁５，５のそれぞれの中心面（厚さの中心面）と鈍角の角度を成している。また、シェル隔壁７は、側壁６と略９０度の角度を成すように（すなわち、側壁６に略直交するように）、側壁６に接続されている。つまり、シェル隔壁７の中心面（厚さの中心面）は、そのシェル隔壁７と側壁６との接続箇所において側壁６の中心面（厚さの中心面）に接する面に対して略９０度の角度を成している。

更に、シェル隔壁７は、側壁に接続される平板状の接続部７ａを含んでおり、周方向において隣り合う接続部７ａ，７ａの間隔Ｄは、内部セル４ａの断面形状である正六角形における最長の対角線（すなわち、正六角形の中心を通る三本の対角線）の長さＬ以下となっている。そして、コア隔壁５、側壁６及びシェル隔壁７によって仕切られることでシェル部３に形成された複数の外周セル８の断面積は、全ての外周セル８の平均断面積の４０％以上となっている。ここでは、中心線ＣＬに平行な方向から見た場合に、一部のシェル隔壁７（例えば、図２において破線で囲んだシェル隔壁７）が折り曲げられることで、全ての外周セル８において、隣り合う接続部７ａ，７ａの間隔Ｄが最長の対角線の長さＬ以下とされ、かつ外周セル８の断面積が平均断面積の４０％以上とされている。

図３に示されるように、ハニカム構造体１の一端面１ａにおいては、内部セル４ａに隣接しない外周セル８ａの一端部が封口材で封じられており、外周セル８のうち外周セル８ａ以外の外周セル８ｂが開口している。一方、図４に示されるように、ハニカム構造体１の他端面１ｂにおいては、外周セル８ｂの他端部が封口材で封じられており、外周セル８ａが開口している。

以上のように構成されたハニカム構造体１は、ガスを浄化するフィルタとして用いられる。すなわち、ハニカム構造体１は、断熱材等に包まれ、更に金属製のケースに収容された状態で、一端面１ａが上流側となりかつ他端面１ｂが下流側となるように、内燃機関から排出されるガスの流路上に配置される。そして、内燃機関から排出されたガスは、一端面１ａ側からハニカム構造体１に供給され、内部セル４ｂ及び外周セル８ｂの開口を介して各セル４ｂ，８ｂ内に流入する。各セル４ｂ，８ｂ内に流入したガスは、内部セル４ｂ及び外周セル８ｂの他端部が封口されているため、コア隔壁５及びシェル隔壁７を介して各セル４ａ，８ａ内に流入する。ガスがコア隔壁５及びシェル隔壁７を通過する際にガス中の微細粒子（すす等）が捕捉され、各セル４ａ，８ａ内に流入したガスは、内部セル４ａ及び外周セル８ａの開口を介してハニカム構造体１外に流出する。これにより、浄化されたガスがハニカム構造体１の他端面１ｂ側から排出されることになる。

以上説明したように、ハニカム構造体１では、コア部２と側壁６との間に、コア部２を包囲するように複数のシェル隔壁７が配置されている。しかも、各シェル隔壁７は、側壁６に対向しかつ側壁６に対して凸となるように接続された一対のコア隔壁５，５の角部５ａと、側壁６との間に、一対のコア隔壁５，５のそれぞれと鈍角の角度を成すように掛け渡されている。これにより、ハニカム構造体１の側面１ｃを介して側壁６に作用した外圧は、外圧の作用点近傍のシェル隔壁７を介して、そのシェル隔壁７が接続された角部５ａに集合する一対のコア隔壁５，５のそれぞれに分散される。よって、ハニカム構造体１は、外圧に対する強度の向上が図られたものとなっている。

更に、ハニカム構造体１では、シェル隔壁７が、側壁６と略９０度の角度を成すように、側壁６に接続されている。これにより、シェル隔壁７による側壁６の支持強度が向上させられている。

また、ハニカム構造体１では、一つの角部５ａと側壁６との間に、一つのシェル隔壁７のみが掛け渡されている。これにより、シェル部３の構造が単純化されている。

また、ハニカム構造体１では、隣り合うシェル隔壁７，７の接続部７ａ，７ａの間隔Ｄが、内部セル４ａの断面形状である正六角形における最長の対角線の長さＬ以下となっている。これにより、隣り合うシェル隔壁７，７の間隔が大きくなることに起因してその部分において外圧に対する強度が低下することが防止されている。

また、ハニカム構造体１では、外周セル８ａの一端部及び外周セル８ｂの他端部が封口されている。これにより、外周セル８ａの一端部及び外周セル８ｂの他端部によっても側壁６が支持されるため、その部分において外圧に対する強度の向上がより一層図られたものとなっている。

また、ハニカム構造体１では、外周セル８の断面積が、全ての外周セル８の平均断面積の４０％以上となっている。これにより、外周セル８ａの一端部及び外周セル８ｂの他端部を封口材で封じる際に、外周セル８の断面積が小さいことに起因して外周セル８ａの一端部及び外周セル８ｂの他端部が確実に封口されない封口不良が発生することが防止されている。

更に、ハニカム構造体１では、コア部２の構造が非対称セル構造となっている。これにより、例えば対称セル構造に比べて、フィルタ単位体積当たりのろ過面積を大きくとることができるため、フィルタに起因する圧力損失の低減を図ることができ、延いては、ハニカム構造体１が適用される内燃機関の燃費の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、コア部及びシェル部の形状及び材料は、上述したものに限定されず、様々な形状及び材料を適用することができる。また、内部セルの断面形状は、多角形状であれば、六角形状に限定されない。また、内部セルの角部やコア隔壁の角部は、若干の丸みを帯びていてもよい。更に、コア部２の構造は、互いに異なる断面形状を有する複数種類の内部セルを含む非対称セル構造に限定されず、略同じ断面形状を有する一種類の内部セルを含む対称セル構造であってもよい。

また、シェル隔壁は、側壁と９０度の角度を成すように、側壁に接続されている場合に限定されず、側壁と８０〜１００度の角度を成すように、側壁に接続されていてもよい。この場合にも、シェル隔壁による側壁の支持強度を向上させることができる。

また、各外周セルの一端部及び他端部の少なくとも一方が封口されていれば、封口された外周セルの端部によっても側壁が支持されるため、その部分において外圧に対する強度の向上を図ることができる。また、全ての外周セルの一端部が封口されていれば、外周セルの一端部が上流側となるようにハニカム構造体をガスの流路上に配置することで、外周セル内へのガスの流入を抑制し、セル部を保温層として機能させることができる。これにより、捕捉された微細粒子（すす等）を燃焼させるコア部の再生処理において、シェル部に包囲されたコア部を効率良くかつ均一に加熱して、微細粒子の燃え残りを低減することができる。従って、コア部の再生処理の頻度を減少させ（すなわち、コア部の再生効率を高め）、燃料消費を抑制することが可能となる。更に、各外周セルの一端部及び他端部の両方が封口されていれば、両方の部分において外圧に対する強度をより一層の向上させることができ、加えて、シェル部の保温層としての機能を向上させて、コア部の再生効率をより高め、燃料消費をより一層抑制することが可能となる。

１…ハニカム構造体、２…コア部、３…シェル部、４，４ａ，４ｂ…内部セル、５…コア隔壁、５ａ…角部、６…側壁、７…シェル隔壁、７ａ…接続部、８，８ａ，８ｂ…外周セル。

Claims

ガスを浄化するフィルタとして用いられるハニカム構造体であって、
多角形状の断面形状を有する複数の内部セルが形成されたコア部と、
前記コア部を包囲する筒状のシェル部と、を備え、
前記コア部は、前記内部セルのそれぞれを仕切るコア隔壁を有し、
前記シェル部は、
間隙を介して前記コア部を包囲する筒状の側壁と、
前記コア部と前記側壁との間に、前記コア部を包囲するように配置された複数のシェル隔壁と、を有し、
全ての前記シェル隔壁のそれぞれは、前記側壁に対向しかつ前記側壁に対して凸となるように接続された一対の前記コア隔壁の角部と、前記側壁との間に、一対の前記コア隔壁のそれぞれと鈍角の角度を成すように掛け渡されており、前記側壁と８０〜１００度の角度を成すように、前記側壁に接続されている、ハニカム構造体。
前記シェル隔壁は、前記側壁と略９０度の角度を成すように、前記側壁に接続されている、請求項１記載のハニカム構造体。
一つの前記角部と前記側壁との間には、一つの前記シェル隔壁のみが掛け渡されている、請求項１又は２記載のハニカム構造体。
前記シェル隔壁は、前記側壁に接続される平板状の接続部を含み、
隣り合う前記接続部の間隔は、前記多角形における最長の対角線の長さ以下となっている、請求項１〜３のいずれか一項記載のハニカム構造体。
前記コア隔壁、前記側壁及び前記シェル隔壁によって仕切られる複数の外周セルの一端部及び他端部の少なくとも一方は、封口されている、請求項１〜４のいずれか一項記載のハニカム構造体。
前記外周セルの一端部は、封口されている、請求項５記載のハニカム構造体。
前記外周セルの断面積は、全ての前記外周セルの平均断面積の４０％以上となっている、請求項５又は６記載のハニカム構造体。
前記コア部の構造は、非対称セル構造となっている、請求項１〜７のいずれか一項記載のハニカム構造体。