JP5816053B2 - ハニカム構造体 - Google Patents

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。

ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）等、内燃機関の排出ガスを浄化するフィルタとしてハニカム構造体が広く用いられている（例えば特許文献１を参照）。ハニカム構造体には、排出ガスから取り除かれた煤が堆積するため、一定期間ごとに煤を燃焼してフィルタ再生(regeneration)を行う必要がある。煤を燃焼させるには、高温かつ大量の燃焼排ガスを供給して煤に着火し、煤を燃え尽きさせればよい。

フィルタ再生時には煤の燃焼熱によりハニカム構造体が破損する場合があることから、ハニカム構造体は高い耐熱衝撃性が求められている。特許文献１には、複数のセグメント部を連結部で結合した構造を持つハニカム構造体において、連結部の強度を調整することで耐熱衝撃性を高めたものが記載されている。

特開２００９−２０２１４３号公報

ところで、本発明者らがハニカム構造体について実験を重ねたところ、耐熱衝撃性テストにおいてハニカム構造体のガス下流側端面に放射状クラックが複数発生し、さらに過酷な条件において、これらのクラックが拡大して互いに繋がり最終的に環状のクラックを形成する状況が見出された。このため、放射状クラックの発生によるフィルタ性能の低下を避けるための対策を行う必要がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、放射状クラックの発生によるフィルタ性能の低下を抑制すると共に、放射状クラックの拡大を抑制するができるハニカム構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、中心軸に沿って延在する柱状のハニカム構造体であって、中心軸に沿って延在する柱状のハニカム構造体であって、中心軸の延在方向で互いに対向する第１の端面及び第２の端面と、中心軸に沿って延在する複数の第１流路及び複数の第２流路を形成する隔壁と、を有し、第１流路は、第１の端面側が開口され、第２の端面側が封口されており、第２流路は、第１の端面側が封口され、第２の端面側が開口されており、第１の端面の開口割合は、第２の端面の開口割合より大きく、中心軸の延在方向から見て、隔壁を隔てて隣り合う第２流路を中心軸に直交する方向に沿って並べて形成され、隔壁を隔てて隣り合って並列する三列以上の流路列を複数有し、三列以上の流路列は中心軸を中心として放射状に位置する。

上記ハニカム構造体によれば、ガス下流側となる第２の端面側が開口された第２流路によって流路列が形成されているので、フィルタ再生時にハニカム構造体の許容量を超える熱衝撃が加わったとしても、第２の端面側において、流路列以外の箇所の封口や隔壁ではなく流路列の第２流路間の隔壁が破壊されて放射状クラックが発生するように誘導することができる。そして、上記ハニカム構造体では、流路列の第１の端面側は全て封口されているので、流路列の第２の端面側にクラックが生じて第２流路同士が連通しても煤漏れが発生することはない。従って、上記ハニカム構造体によれば、放射状のクラック発生によるフィルタ性能の低下を抑制することができる。また、流路列におけるクラック発生を許容することにより、その後の熱衝撃により加わる応力が分散されるので、放射状クラックの拡大を抑制することができる。更に、このハニカム構造体によれば、従来のハニカム構造体のように低強度部材を別に設けることなく、流路の封口パターンの工夫により放射状クラックの発生を誘導することができるので、ハニカム構造体の構成の簡素化及び低コスト化を図ることができる。また、このハニカム構造体によれば、中心軸を中心として放射状に位置する複数の流路列を有しているので、熱衝撃により放射状クラックを発生させようとする応力を複数の流路列により効果的に受けることができ、より確実に放射状クラックの発生を誘導することができる。更に、このハニカム構造体によれば、三列以上の流路列が並列して形成されることで、流路列の第２の端面側の強度を他の箇所より更に低くすることができ、より確実に放射状クラックの発生を誘導することができる。

上記流路列を形成する第２流路の中心軸に垂直な断面面積の平均は、流路列を形成しない第２流路の中心軸に垂直な断面面積の平均より大きくても良い。
この構成によれば、流路列を形成する第２流路の断面面積の平均が流路列を形成しない第２流路の断面面積の平均より大きいので、流路列の第２の端面側の強度を他の箇所より一層低くすることができ、より確実に放射状クラックの発生を誘導することができる。

本発明によれば、放射状クラックの発生によるフィルタ性能の低下を抑制すると共に、放射状クラックの拡大を抑制することができる。

第１の実施形態に係るハニカム構造体を示す斜視図である。 ハニカム構造体の中心軸に垂直な断面の一部を示す拡大図である。 （ａ）は、ハニカム構造体の第１の端面の一部を示す拡大図である。（ｂ）は、ハニカム構造体の第２の端面の一部を示す拡大図である。 ハニカム構造体の中心軸に沿った断面の一部を示す拡大図である。 ハニカム構造体の第２の端面を示す全体図である。 図５の部分拡大図である。 第２の実施形態に係るハニカム構造体の第２の端面を示す全体図である。 図７の部分拡大図である

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。

［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係るハニカム構造体１０は、ＤＰＦ［Diesel Particulate Filter］等に取り付けられ、内燃機関の排出ガスを浄化するためのフィルタとして用いられる円柱状の構造体である。円柱状のハニカム構造体１０は、中心軸ＣＬに沿って延在している。以後、中心軸ＣＬの延在方向を中心軸方向と称する。

ハニカム構造体１０は、中心軸方向で互いに対向する第１の端面１０ａ及び第２の端面１０ｂと、中心軸ＣＬに沿って延在する複数の第１流路Ｒａ及び複数の第２流路Ｒｂと、を有している。

ハニカム構造体１０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から構成されている。ハニカム構造体１０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。

このようなハニカム構造体１０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）を焼成し、各流路Ｒａ,Ｒｂに対して所定の封口処理を行う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の中心軸ＣＬに沿った断面の一部を示す拡大図である。図２に示されるように、ハニカム構造体１０の流路Ｒａ,Ｒｂは、第１の端面１０ａ側及び第２の端面１０ｂ側の何れか一方が封口されている。

具体的に、第１流路Ｒａは、第１の端面１０ａ側が開口され、第２の端面１０ｂ側が封口材１１によって封口された流路である。また、第２流路Ｒｂは、第２の端面１０ｂ側が開口され、第１の端面１０ａ側が封口材１２によって封口された流路である。

封口材１１,１２の材料は、上述したグリーン成形体と同じ材料を用いても良く、異なる材料を用いても良い。また、封口材１１,１２の材料には、内燃機関の排気ガスを通過させないものを用いても良い。

ハニカム構造体１０は、複数の第１流路Ｒａ及び複数の第２流路Ｒｂを形成する隔壁１０ｃを有している。換言すると、隔壁１０ｃによって個々の流路Ｒａ,Ｒｂは隔てられている。隔壁１０ｃは、第１の端面１０ａから第２の端面１０ｂまで中心軸ＣＬに沿って延在している。

図２に示すハニカム構造体１０は、第１の端面１０ａをガス上流側（内燃機関側）、第２の端面１０ｂをガス下流側として、内燃機関の排出ガス流路上に配置される。ハニカム構造体１０を通過する排出ガスの主な流れを矢印Ｇとして示す。

矢印Ｇに示されるように、内燃機関の排出ガスは、まず第１の端面１０ａ側の開口から流路Ｒａに流入する。流路Ｒａに流入したガスは、流路Ｒａの第２の端面１０ｂ側が封口されているため、隔壁１０ｃを通過して流路Ｒｂ内に流入する。ガスが隔壁１０ｃを通過する際にガス中の煤等が捕捉される。流路Ｒｂ内に流入したガスは、第２の端面１０ｂ側の開口を介してハニカム構造体１０の外へ流れ出る。これにより、浄化されたガスがハニカム構造体１０の第２の端面１０ｂ側から排出されることになる。

次に、第１流路Ｒａ及び第２流路Ｒｂの断面形状について説明する。図３は、ハニカム構造体１０の中心軸ＣＬに垂直な断面の一部を示す拡大図である。図４（ａ）はハニカム構造体１０の第１の端面１０ａの一部を示す拡大図であり、図４（ｂ）は第２の端面１０ｂの一部を示す拡大図である。

図３及び図４に示されるように、ハニカム構造体１０は、隔壁１０ｃにより六角形状に流路Ｒａ,Ｒｂを形成する格子構造を成している。このようなハニカム構造体１０の形状は、封口材１１,１２を除いて押出一体成形により作られており、流路Ｒａ,Ｒｂは途中で変形することなく、一定の断面形状のまま中心軸方向に延在する。

第１流路Ｒａ及び第２流路Ｒｂの断面形状としては、正六角形状のものと規則的六角形状（例えば、隣接する正六角形状の流路断面の一辺と長さが同じ長辺、及び当該長辺より長さが短い短辺からなる六角形状）のものがある。すなわち、ハニカム構造体１０は、異なる断面形状の流路を有する非対称セル構造（非対称格子構造）を備えている。

具体的には、第１流路Ｒａは、規則的六角形状の断面形状を有している。一方、第２流路Ｒｂは、断面形状により二つの流路Ｒｂ１,Ｒｂ２に分けられる。第２流路Ｒｂ１は正六角形状の断面形状を有しており、第２流路Ｒｂ２は第１流路Ｒａと同じ規則的六角形状の断面形状を有している。但し、第２流路Ｒｂ２については、図３及び図４に図示していない。

ハニカム構造体１０の中心軸ＣＬに垂直な断面では、断面形状が正六角形状の流路Ｒｂ２を囲むように断面形状が規則的六角形状の流路Ｒａ（及び流路Ｒｂ１）が配置されている。このような配置により、ハニカム構造体１０では、第１流路Ｒａの方が第２流路Ｒｂより数が多く形成されている。このため、第１の端面１０ａにおける開口割合（第１の端面１０ａの全体面積における第１流路Ｒａの開口面積の割合）は、第２の端面１０ｂにおける開口割合（第２の端面１０ｂの全体面積における第２流路Ｒｂの開口面積の割合）よりも大きくされている。このように、ガス上流側の第１の端面１０ａにおける開口割合を大きくすることで、ハニカム構造体１０における排気ガスの圧力損失の発生を抑制することができる。

次に、ハニカム構造体１０が有する流路列Ｗについて説明する。図５は、第２の端面１０ｂを示す全体図であり、図６は、図５の部分拡大図である。図５及び図６に示されるように、ハニカム構造体１０は、中心軸ＣＬを中心として放射状に位置する複数の流路列Ｗを有している。流路列Ｗは、中心軸ＣＬに直交する方向に沿って延在している。複数の流路列Ｗは、中心軸ＣＬ周りに６０°間隔で六列形成されており、中心軸ＣＬに対して回転対称となるように位置している。なお、流路列Ｗの数や位置、形状は、図５に示されるものに限られず、中心軸ＣＬに直交する方向に延びていれば良い。

この流路列Ｗは、断面形状が正六角形状の第２流路Ｒｂ１と断面形状が規則的六角形状の第２流路Ｒｂ２とから構成されている。流路列Ｗは、隔壁１０ｃを隔てて隣り合う第２流路Ｒｂ１,Ｒｂ２を中心軸ＣＬに直交する方向に並べて形成されている。このような構成により、流路列Ｗでは、第２の端面１０ｂのうち流路列Ｗ以外の箇所（図４（ｂ）で示されるような箇所）と比べて開口割合が高く、強度が低い部分を意図的に設けることができる。

図６に示されるように、第１の実施形態に係る流路列Ｗは、は、各一列（列の幅が流路一つ分）の流路列Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃに分けることができる。換言すれば、流路列Ｗは、隔壁１０ｃを隔てて隣り合って並列する流路列Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃから構成されている。このように、流路列Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃを複数集めて構成することで、更なる強度の低下が図られる。

以上説明した第１の実施形態に係るハニカム構造体１０によれば、ガス下流側となる第２の端面１０ｂ側が開口された第２流路Ｒｂにより流路列Ｗが形成されているので、フィルタ再生時にハニカム構造体１０の許容量を超える熱衝撃が加わったとしても、第２の端面側において、流路列Ｗ以外の箇所の封口や隔壁ではなく流路列Ｗの第２流路Ｒｂ間の隔壁が最初に破壊されて放射状クラックが発生するように誘導することができる。そして、ハニカム構造体１０では、流路列Ｗの第１の端面１０ａ側は全て封口されているので、流路列Ｗの第２の端面１０ｂ側に放射状クラックが生じて第２流路Ｒｂ１,Ｒｂ２間が連通しても煤漏れが発生することはない。従って、ハニカム構造体１０によれば、放射状クラックの発生によるフィルタ性能の低下を抑制することができる。

また、ハニカム構造体１０では、流路列Ｗにおける放射状クラックの発生を許容することにより、その後の熱衝撃により加わる応力の分散を図ることができるので、結果として耐熱衝撃性の向上が図ることができる。更に、ハニカム構造体１０によれば、従来のハニカム構造体のように低強度部材を別に設けることなく、流路の封口パターンの工夫により放射状クラックの発生を誘導することができるので、ハニカム構造体の構成の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

また、ハニカム構造体１０は、隔壁１０ｃを隔てて隣り合って並列する複数の流路列Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃを有することで、第２の端面１０ｂ側に強度の低い領域を意図的に作成することができ、より確実に放射状クラックの発生を誘導することができる。

更に、ハニカム構造体１０では、中心軸ＣＬを中心として放射状に位置する複数の流路列Ｗを有しているので、熱衝撃により放射状クラックを発生させようとする応力を複数の流路列により効果的に受けることができ、より確実に放射状クラックの発生を誘導することができる。

また、ハニカム構造体１０では、図３に示す非対称セル構造を採用することで、対称セル構造に比べて、フィルタ単位体積当たりのフィルタ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、ハニカム構造体１０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。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るハニカム構造体２０は、第１の環状列Ｗ１、第２の環状列Ｗ２、及び放射状の流路列Ｗ３が形成されている点、及び第２流路Ｒｂ３を有している点が第１の実施形態に係るハニカム構造体１０と比べて異なる。なお、第１の実施形態と対応する部分には対応する符号を付し、重複する説明を省略する。

図７は、第２の実施形態に係るハニカム構造体２０の第２の端面２０ｂを示す全体図である。図７に示されるように、第２の実施形態に係るハニカム構造体２０は、二つの環状列Ｗ１,Ｗ２を有している。環状列Ｗ１,Ｗ２は、中心軸ＣＬを中心として正六角形状に囲むように形成されている。第１の環状列Ｗ１は、第２の環状列Ｗ２よりも内側に形成されている。

図８は、図７の部分拡大図である。図８に示されるように、第１の環状列Ｗ１及び第２の環状列Ｗ２は、隔壁２０ｃを隔てて隣り合う第２流路Ｒｂ３を環状（正六角形状）に並べて形成されている。第１の環状列Ｗ１及び第２の環状列Ｗ２は、第２の端面２０ｂが開口された第２流路Ｒｂのうちの第２流路Ｒｂ３から構成されている。

第２流路Ｒｂ３の断面形状は、例えば第１の実施形態で述べた規則的六角形状の４つとそれらの中心の正六角形状との間の隔壁を除くことで形成される形状を成している。この第２流路Ｒｂ３の断面面積（中心軸ＣＬに垂直な断面の面積）は、第２流路Ｒｂ１の断面面積（中心軸ＣＬに垂直な断面の面積）と比べて大きい。

更に、第２の実施形態に係るハニカム構造体２０は、中心軸ＣＬに垂直を中心として放射状に位置する複数の流路列Ｗ３を有している。流路列Ｗ３は、隔壁２０ｃを隔てて隣り合う第２流路Ｒｂ３を中心軸ＣＬに直交する方向に並べて形成されている。流路列Ｗ３は、第２の環状列Ｗ２が描く正六角形状の各頂点からハニカム構造体２０の外周に向かって延在するように形成されている。これらの流路列Ｗ３も第１の環状列Ｗ１及び第２の環状列Ｗ２と同様に、断面面積の大きい第２流路Ｒｂ３から構成されている。

以上説明した第２の実施形態に係るハニカム構造体２０によれば、第１の実施形態に係るハニカム構造体１０と同様に、放射状クラックの発生を流路列Ｗ３に誘導することができるので、放射状クラックの発生によるフィルタ性能の低下を抑制することができる。また、流路列Ｗ３における放射状クラックの発生を許容することにより、その後の熱衝撃により加わる応力の分散を図ることができるので、放射状クラックの拡大を抑制することができる。

しかも、流路列Ｗ３が、断面面積の大きい第２流路Ｒｂ３から構成されているので、流路列Ｗ３を形成する第２流路Ｒｂの断面面積の平均が流路列Ｗ３を形成しない第２流路Ｒｂの断面面積の平均より大きくなる。その結果、流路列Ｗ３の開口割合が大きくなり強度を一層低下させることができるので、より確実に放射状クラックの発生を誘導することができる。

更に、ハニカム構造体２０は、環状列Ｗ１,Ｗ２を有しているので、フィルタ再生時にハニカム構造体２０の許容量を超える熱衝撃が加わり、ハニカム構造体２０を中心軸ＣＬ側と外周側とに分かつような環状クラックを発生させる応力が加わったとしても、環状列Ｗ１,Ｗ２の第２の端面２０ｂ側に環状クラックが発生するように誘導することができる。そして、ハニカム構造体２０では、環状列Ｗ１,Ｗ２の第１の端面２０ａ側は全て封口されているので、環状列Ｗ１,Ｗ２の第２の端面２０ｂ側に環状クラックが生じても煤漏れが発生せず、環状クラックの発生によるフィルタ性能の低下を抑制することができる。また、環状列Ｗ１,Ｗ２における環状クラックの発生を許容することにより、その後の熱衝撃により加わる応力の分散を図ることができるので、環状クラックの拡大を抑制することができる。

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、流路列Ｗ、Ｗ３や環状列Ｗ１,Ｗ２の位置や大きさ、形状等は、上述したものに限られない。必ずしも流路列Ｗ、Ｗ３の延長上に中心軸ＣＬが位置する必要はなく、流路列Ｗ、Ｗ３が中心軸ＣＬに直交する方向に沿って延びていればよい。また、流路列Ｗ、Ｗ３は直線形状である必要はなく、折れ線形状や波線形状を含んでいても良い。流路列Ｗ、Ｗ３や環状列Ｗ１,Ｗ２の位置や大きさ、形状等は、例えば各種のハニカム構造体においてクラックが発生しやすい領域に合わせて設定することができる。

また、第１流路Ｒａ及び第２流路Ｒｂの断面形状は、上述したものに限られない。また、ハニカム構造体１０,２０の断面構造は、非対称セル構造に限定されず、同一断面形状の流路からなる対称セル構造であっても良い。また、ハニカム構造体１０,２０は、必ずしも押出しの一体成形で作られる必要はなく、セグメント構造で作られても良い。

１０、２０…ハニカム構造体 １０ａ、２０ａ…第１の端面 １０ｂ、２０ｂ…第２の端面 １０ｃ、２０ｃ…隔壁 １１…封口材 １２…封口材 ＣＬ…中心軸 Ｒａ…第１流路 Ｒｂ…第２流路 Ｒｂ１…第２流路（正六角形状） Ｒｂ２…第２流路（規則的六角形状） Ｒｂ３…第２流路（断面拡大） Ｗ,Ｗａ〜Ｗｃ…流路列 Ｗ１…第１の環状列 Ｗ２…第２の環状列 Ｗ３…流路列

Claims (2)

1. 中心軸に沿って延在する柱状のハニカム構造体であって、
   前記中心軸の延在方向で互いに対向する第１の端面及び第２の端面と、
   前記中心軸に沿って延在する複数の第１流路及び複数の第２流路を形成する隔壁と、を有し、
   前記第１流路は、前記第１の端面側が開口され、前記第２の端面側が封口されており、
   前記第２流路は、前記第１の端面側が封口され、前記第２の端面側が開口されており、
   前記第１の端面の開口割合は、前記第２の端面の開口割合より大きく、
   前記隔壁を隔てて隣り合う前記第２流路を前記中心軸に直交する方向に沿って並べて形成され、前記隔壁を隔てて隣り合って並列する三列以上の流路列を複数有し、
   前記三列以上の流路列は前記中心軸を中心として放射状に位置する、ハニカム構造体。
2. 前記流路列を形成する前記第２流路の前記中心軸に垂直な断面面積の平均は、前記流路列を形成しない前記第２流路の前記中心軸に垂直な断面面積の平均より大きい請求項１に記載のハニカム構造体。

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