JP5851745B2 - ハニカム構造体 - Google Patents

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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(Dieselparticulate 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近傍に、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第1シェル隔壁と、を有し、第1シェル隔壁は、側壁に対向しかつ側壁に対して凹となるように接続された一対のコア隔壁の第1角部と、側壁との間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第1シェル隔壁が配置されている。しかも、第1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凹となるように接続された一対のコア隔壁の第1角部と、側壁との間に掛け渡されている。第1角部には、内部セルのそれぞれを仕切るために、その第1角部に接続された一対のコア隔壁よりも内側から他のコア隔壁も接続される。このため、側壁に作用した外圧は、外圧の作用点近傍の第1シェル隔壁を介して、その第1シェル隔壁が接続された第1角部に接続された上記他のコア隔壁に伝わる。また、上記他のコア隔壁に伝わった外圧は、そのコア隔壁に内側から接続された更に他のコア隔壁に伝わる。このようにして、側壁に作用した外圧は、互いに連なるコア隔壁に順次伝わって分散される。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。
また、第1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、第1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、第1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、第1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、第1シェル隔壁が側壁と成す角度とは、第1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)に接する面と第1シェル隔壁の中心面(厚さの中心面)とが成す角度を意味する。
また、一つの第1角部と側壁との間には、一つの第1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、コア隔壁、側壁及び第1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。
また、第1シェル隔壁は、側壁に接続される平板状の第1接続部を含み、隣り合う第1接続部の間隔が、多角形における最長の対角線の長さより大きい箇所では、隣り合う第1接続部の間に第2シェル隔壁が配置され、第2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第2角部と、側壁との間に掛け渡されると共に、側壁に接続される平板上の第2接続部を含み、隣り合う第1接続部と第2接続部との間隔は、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、隣り合う第1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。
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程度(より好ましくは、0.8〜6.0mm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に対して凹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のそれぞれと鋭角の角度(90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)と鋭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6に接続される平板状の接続部7aを含んでいる。周方向において隣り合う接続部7a,7aの間隔D1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(すなわち、正六角形の中心を通る三本の対角線)の長さLよりも大きい箇所では、隣り合うシェル隔壁7,7の間にシェル隔壁9が配置されている。シェル隔壁9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5b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5bと側壁6との間に、一つのシェル隔壁9のみが掛け渡されている。そして、シェル隔壁9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9の中心面(厚さの中心面)は、そのシェル隔壁9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。シェル隔壁9は、シェル隔壁7と同様に、側壁6に接続される平板状の接続部9aを含んでおり、周方向において隣り合う接続部7aと接続部9aとの間隔D2が長さLよりも小さくなっている。
このようにして、隣り合う接続部7a,9aの間隔の全てが長さ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7,9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。
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、シェル隔壁7のそれぞれは、側壁6に対向しかつ側壁6に対して凹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。角部5aには、内部セル4のそれぞれを仕切るために、その角部5aに接続された一対のコア隔壁5,5よりも内側から他のコア隔壁5も接続されている。このため、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に接続された上記他のコア隔壁5に伝わる。また、上記他のコア隔壁5に伝わった外圧は、そのコア隔壁5に内側から接続された更に他のコア隔壁5に伝わる。このようにして、側壁6に作用した外圧は、互いに連なるコア隔壁5に順次伝わって分散される。よって、このハニカム構造体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のそれぞれと鋭角の角度(90度より小さい角度)を成している。これにより、シェル隔壁7と上記一対のコア隔壁5,5のそれぞれとがなす角度が互いに近くなっている。一方、各内部セル4が正六角形又は規則的六角形であることから、上記他のコア隔壁5と上記一対のコア隔壁5,5のそれぞれとがなす角度は互いに略同等となっている。このため、上記他のコア隔壁5に対するシェル隔壁7の傾きが小さくなっており、シェル隔壁7から上記他のコア隔壁5に外圧がより伝わり易くなっている。
また、ハニカム構造体1では、シェル隔壁7,9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7,9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,5bと側壁6との間に、一つのシェル隔壁7,9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、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。
また、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。
また、ハニカム構造体1では、隣り合うシェル隔壁7,9の接続部7a,9aの間隔の全てが、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7,9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。
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,5b…角部、6…側壁、7,9…シェル隔壁、7a,9a…接続部、8,8a,8b…外周セル。

Claims (9)

  1. 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第1シェル隔壁と、を有し、
    前記コア部の外周には、前記側壁に対向しかつ前記側壁に対して凹となるように接続された一対の前記コア隔壁の第1角部と、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第2角部とが形成され、
    前記第1シェル隔壁は、前記第1角部と前記側壁との間に掛け渡されており、前記第1角部と交互に並ぶ前記第2角部は前記側壁に接続されておらず、
    前記第1シェル隔壁は、前記側壁に接続される平板状の第1接続部を含み、
    前記多角形における最長の対角線の長さより大きい間隔をもって隣り合う前記第1接続部の間では、前記第2角部と前記側壁との間に第2シェル隔壁が掛け渡され、
    前記第2シェル隔壁は、前記側壁に接続される平板上の第2接続部を含み、
    隣り合う前記第1接続部と前記第2接続部との間隔は、前記多角形における最長の対角線の長さ以下となっており、
    前記多角形における最長の対角線の長さより小さい間隔をもって隣り合う前記第1接続部の間では、前記第2角部と前記側壁との間に第2シェル隔壁が掛け渡されていない、ハニカム構造体。
  2. 前記第1シェル隔壁は、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、請求項1記載のハニカム構造体。
  3. 前記第1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又は2記載のハニカム構造体。
  4. 一つの前記第1角部と前記側壁との間には、一つの前記第1シェル隔壁のみが掛け渡されている、請求項1〜3のいずれか一項記載のハニカム構造体。
  5. 前記コア隔壁、前記側壁及び前記第1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。
  6. 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。
  7. それぞれの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。
  8. 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。
  9. 前記内部セルは、六角形状の断面形状を有する、請求項1〜のいずれか一項記載のハニカム構造体。
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