JP5892910B2 - ハニカム構造体 - Google Patents
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Description
ハニカム構造体は、排ガスの通路となる排気管内に設置して用いられる。そして、高温の排ガスをハニカム構造体に流通させることにより、ハニカム構造体に担持した触媒を活性化させ、排ガスの浄化を行う。
このようなことから、ハニカム構造体には、より高い排ガス浄化性能、より低い圧力損失(以下、適宜、圧損という)等が要求される。
また、特許文献2には、円筒状の内周壁を備え、内周壁よりも内側に配置された第1のセルの形状を六角形とし、内周壁よりも外側に配置された第2のセルの形状を六角形とは異なる形状(円形、楕円形、四角形、三角形)とするハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献3には、四角形状のセルのみを有し、中心部と外周部との開口率、吸水率等の関係を規定したハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献5には、中心部から外周部に向かって半径方向に形成された半径方向ウェブ(隔壁)の本数が径方向に変化するハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献6には、隔壁が中心から外側に向かって凸状に湾曲した形状であり、中心部のセル密度が外周部のセル密度よりも小さいハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献7には、セル開口率が中心部から外周部に向かって連続的又は段階的に増大してなるハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献9には、複数のハニカムセグメントを接合して一体化されてなり、最外周面を構成しないハニカムセグメントと最外周面を構成するハニカムセグメントとの隔壁厚さ、セル密度等の関係を規定したハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献10には、中心から外周に向かうにつれてセル密度が漸減している領域を含むハニカム構造体が開示されている。
また、特許文献7〜10のハニカム構造体では、複数のセグメントを接合して一体化されているため、接合部分の隔壁の厚みが大きくなり、それに伴って圧力損失が大きくなるおそれがある。
該ハニカム構造体は、セル密度が一定の領域であるセル密度領域を複数有し、軸方向に直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度の異なる複数の上記セル密度領域を有し、
互いにセル密度が異なる隣り合う該セル密度領域同士の間には、両者を隔てる境界領域が設けられており、
該境界領域は、両側にある上記セル密度領域の上記隔壁同士の間をつなぐ境界隔壁と、少なくとも一部が該境界隔壁によって囲まれ、両側にある上記セル密度領域の上記セルとは異なる形状の多角形状の複数の境界セルとを有し、
上記境界領域における上記境界セルの平均水力直径をΦ1、上記境界領域のすぐ内側にある上記セル密度領域における上記セルの平均水力直径をΦ2とした場合に、Φ1/Φ2≧1.25であることを特徴とするハニカム構造体にある(請求項1)。
また、例えば、上記ハニカム構造体の外側にセル密度が低いセル密度領域を配置することにより、外側にも排ガスが流れやすくなる。これにより、排ガスをより均一に流通させることができ、排ガス浄化性能をさらに向上させることができる。また、ハニカム構造体全体の開口率(軸方向端面の面積に対して開口している面積の割合)が高くなることから、圧力損失を低減することもできる。
したがって、上記平均水力直径Φ1及びΦ2は、Φ1/Φ2≧1.25の関係を満たすようにしている。
この場合には、セル密度領域よりも容易に、境界領域の境界セル内(具体的には境界隔壁の表面)に触媒を担持させ、境界領域の境界セルにおける触媒の目詰まりを抑制するという上述の効果を十分に得ることができる。
また、等価水力直径Φは、ハニカム構造体の径方向断面におけるセル(境界セル)の内部面積をa、周長をbとした場合に、Φ=4a/bの式で表される。
この場合には、エミッションの低減を図り、排ガス浄化性能を向上させるという効果を十分に発揮することができる。
また、より高い排ガス浄化性能を得るために、Ma/Mbの値を1.25〜1.87とすることが望ましい。
一方、上記セル密度Ma及びMbの関係がMa/Mb>2.2である場合には、例えば、排ガスが最も流通する部分(例えば中心部)に高セル密度領域を、その高セル密度領域の外側に低セル密度領域を配置したときに、外側のセル密度が低くなりすぎるため、外側に排ガスが流れやすくなってしまう。そのため、排ガスが十分に浄化されずに通過する、いわゆる吹き抜けが生じ、排ガス浄化性能が低下してしまうおそれがある。
また、上記高セル密度領域における上記隔壁の厚みは、例えば、30〜120μmとすることができる。また、上記低セル密度領域における上記隔壁の厚みは、例えば、50〜200μmとすることができる。
この場合には、エミッションの低減を図り、排ガス浄化性能を向上させるという効果を十分に発揮することができる。
また、より高い排ガス浄化性能を得るために、r/Rの値を0.5〜0.8とすることが望ましい。
なお、上記半径R、rとは、ハニカム構造体や境界領域の形状が円形状である場合にはその半径、多角形状である場合にはその内接円の半径とする。
この場合には、排ガスが最も流通する部分(例えば中心部)に表面積の大きい高セル密度領域を配置することになるため、エミッションの低減を図り、排ガス浄化性能を向上させるという効果を十分に発揮することができる。
なお、上記構成の場合、高セル密度領域の中心軸は、ハニカム構造体の中心軸と必ずしも一致した位置とする必要はない。高セル密度領域の位置は、例えば、ハニカム構造体を配置する排気管の形状や排ガスの流れ等によって様々な位置に設定することができる。
この場合には、ハニカム構造体の強度(アイソスタティック強度等)を向上させることができる。
また、境界領域の境界隔壁をその境界領域の両側にあるセル密度領域の格子状の隔壁の格子点(合流点)同士をつなぐように形成することにより、ハニカム構造体の強度(アイソスタティック強度等)をさらに向上させることができる(後述する図3、図4参照)。
この場合には、エミッションの低減を図り、排ガス浄化性能を向上させるという効果と、排ガスをより均一に流通させ、排ガス浄化性能を向上させるという効果とを十分に発揮することができる。
この場合には、排ガスをより均一に流通させ、排ガス浄化性能を向上させるという効果をより一層高めることができる。
ただし、このような構成とした場合、最も外側のセル密度領域のセル密度が低くなりすぎてハニカム構造体の強度(アイソスタティック強度等)が低下するおそれがある。そこで、最も外側のセル密度領域のセル密度を高くして、ハニカム構造体の強度を確保することが望ましい。
また、上記ハニカム構造体の気孔率は、例えば、10〜70%とすることができる。また、上記各セル密度領域の気孔率は、すべて同じであることが望ましい。
また、上記セル密度領域の外形形状は、径方向断面において、例えば、円形、多角形等とすることができる。
また、上記境界セルの形状は、径方向断面において、例えば、四角形、五角形等の多角形とすることができる。
また、上記境界隔壁は、例えば、境界領域の両側にあるセル密度領域の格子状の隔壁の格子点(合流点)同士をつなぐように形成することにより、ハニカム構造体の強度(アイソスタティック強度等)を向上させることができる。
図1〜図4に示すごとく、ハニカム構造体1は、格子状に設けられた隔壁11と隔壁11に囲まれて形成された複数のセル12とを有し、一体成形されたコージェライト製のハニカム構造体である。また、ハニカム構造体1は、軸方向Xに直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度の異なる複数のセル密度領域2を有する。隣り合うセル密度領域2同士の間には、両者を隔てる境界領域14が設けられている。
以下、これを詳説する。
なお、図2〜図4では、ハニカム構造体1の径方向断面の1/4に当たる部分を示している。
また、第2セル密度領域22は、ハニカム構造体1の外周部であって最も外側に配置されている。また、第2セル密度領域22は、最もセル密度が低いセル密度領域2(低セル密度領域2b)である。また、第2セル密度領域22の隔壁11の厚みは、0.09mm(90μm)である。
なお、各ハニカム構造体1(実施例E1〜E7)における各セル密度領域2(第1セル密度領域21、第2セル密度領域22)のセル密度(個/cm2)、セル密度比Ma/Mbは、表1に示すとおりである。
また、図5(b)に示すごとく、セル12の形状が六角形の場合には、平均セルピッチをp2とすると、セル密度(cpsi)=(2/√3)×(25.4/p2)2の関係式からセル密度を算出する。
境界領域14は、境界隔壁141と境界セル142とを有する。境界隔壁141は、境界領域14の両側にあるセル密度領域2(第1セル密度領域21、第2セル密度領域22)の隔壁11同士の間をつないでいる。境界セル142は、境界隔壁141と境界領域14の両側にあるセル密度領域2(第1セル密度領域21、第2セル密度領域22)の隔壁11とにより囲まれて形成されている。また、境界セル142は、境界領域14の両側にあるセル密度領域2(第1セル密度領域21、第2セル密度領域22)のセル12とは異なる形状である。
図3、図4に示すごとく、実施例E6、E7のハニカム構造体1は、境界セル142の形状が五角形である。また、内側にあるセル密度領域2(第1セル密度領域21)のセル密度と外側にあるセル密度領域2(第2セル密度領域22)のセル密度との比が2:1である。また、境界隔壁141は、境界領域14の両側にあるセル密度領域2(第1セル密度領域21、第2セル密度領域22)の格子状の隔壁11の格子点(合流点)111同士をつなぐように形成されている。これにより、ハニカム構造体1の強度(アイソスタティック強度等)を向上させている。
なお、各ハニカム構造体1(実施例E1〜E7)における各セル密度領域2(第1セル密度領域21、第2セル密度領域22)のセルの平均水力直径(mm)、水力直径比Φ1/Φ2は、表1に示すとおりである。
なお、各ハニカム構造体1(実施例E1〜E8)の境界領域位置r/Rの値は、表1に示すとおりである。
図6(a)、(b)に示すごとく、比較例C1、C2のハニカム構造体9は、上述した実施例E1〜E8のハニカム構造体1と異なり、1つのセル密度領域(表1では、第1セル密度領域として表示)のみで構成されている。すなわち、全体のセル密度が一定である。また、比較例C1のハニカム構造体9(図6(a))は、比較例C2のハニカム構造体9(図6(b))よりもセル密度が低い。その他の基本的な構成は、上述した実施例E1〜E7のハニカム構造体1と同様である。
なお、各ハニカム構造体9(比較例C1、C2)のセルの水力直径(mm)、セル密度(個/cm2)等は、表1に示すとおりである。
ここで、表1に示すごとく、比較例C3のハニカム構造体9において、「境界領域のセルの水力直径」は、境界壁19とその内側にあるセル密度領域2(第1セル密度領域21)の隔壁11とにより囲まれて形成された不完全なセル12の水力直径とする。また、「境界領域位置r/R」は、境界壁19の位置とする。
ここで、表1に示すごとく、比較例C4のハニカム構造体9において、「境界領域」とは、第1セル密度領域21と第2セル密度領域22との境界部分、すなわち図中の破線部分をいう。
ハニカム構造体を製造するに当たっては、まず、セラミックス原料を準備する。セラミックス原料の原料粉末としては、カオリン、溶融シリカ、水酸化アルミニウム、アルミナ、タルク、カーボン粒子等を含有し、化学組成が重量比にて最終的にSiO2:45〜55%、Al2O3:33〜42%、MgO:12〜18%となるコージェライトを主成分とする組成となるように調整したものを用いた。この原料粉末に水、バインダ等を所定量添加し、混錬することでセラミックス原料を得る。
これにより、ハニカム構造体を得る。
また、触媒としては、例えば、三元触媒として貴金属である白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)の少なくとも1種を含有し、γアルミナを含有したもの、さらにセリア等の酸素吸蔵剤を含有したもの等を用いることができる。
ここで、セルの形状が四角形のハニカム構造体の単位体積当たりのGSA(幾何学的表面積)は、隔壁の厚さt及びセルピッチp(図5(a)参照)をもとに一義的に計算することができる。隔壁の平均厚さt及びセルピッチpから各セルにおける対向する隔壁の辺部と辺部との間の距離x(=p−t)(図5(a)参照)を算出する。この距離xが各辺部の長さyとなる。セルの形状が四角形のハニカム構造体は、長さ方向において単純平板形状であるため、ハニカム構造体の長さをLとすると、各セルの表面積S(=4yL)を算出することができる。そして、セル数からハニカム構造体全体のGSAを導き出すことができ、さらにハニカム構造体全体の体積から単位体積当たりのGSAを導き出すことができる。
表1からわかるように、実施例E1〜E5のハニカム構造体は、境界領域を設け、Φ1/Φ2≧1.25としたことにより、圧力損失比やエミッション比が1未満であった。すなわち、基準とした比較例C2に比べて、圧力損失を低減し、排ガス浄化性能を高めることができる。
以上の結果から、実施例E1〜E7のハニカム構造体は、圧力損失の低減を図ることができ、排ガス浄化性能に優れていることがわかった。
ここで、図10は、実施例E1のハニカム構造体の境界領域付近のマイクロスコープ写真である。図10(a)は触媒を担持する前、図10(b)は触媒を担持した後である。同図からわかるように、触媒を担持しても境界領域付近に触媒の目詰まりは見られない。
また、図11は、比較例C3のハニカム構造体の境界壁付近のマイクロスコープ写真である。図11(a)は触媒を担持する前、図11(b)は触媒を担持した後である。同図からわかるように、触媒を担持することにより、境界壁付近の不完全なセルに触媒の目詰まり(図11(b)のP)が発生している。
同図からわかるように、1<Ma/Mb≦2.2(特に、Ma/Mbの値を1.25〜1.87)とすることにより、エミッション比をより小さく(エミッション量をより低減)することができ、排ガス浄化性能を高めることができる。
同図からわかるように、0.16<r/R<1(特に、r/Rの値を0.5〜0.8)とすることにより、エミッション比をより小さく(エミッション量をより低減)することができ、排ガス浄化性能を高めることができる。
同図からわかるように、Φ1/Φ2≦2.02とすることにより、コート長さ比を2以下にすることができる。すなわち、ハニカム構造体の一方の開口端面から軸方向長さの半分まで触媒をコートした後、ハニカム構造体を反転させて他方の開口端面から軸方向長さの半分まで触媒をコートし、全体に触媒をコートする場合に、コートした触媒が反対側の開口端面から流れ出して触媒をロスすることを防ぐことができる。
一方、比較例C4のハニカム構造体は、境界領域の境界セルの形状とセル密度領域のセルの形状とが同じであるため、実施例E8のハニカム構造体と同様の効果は得られず、耐熱衝撃性の評価がΔT=60℃の条件で「B」、ΔT=70℃の条件で「C」であった。
11 隔壁
12 セル
14 境界領域
141 境界隔壁
142 境界セル
2 セル密度領域
X 軸方向
Claims (7)
- 格子状に設けられた隔壁(11)と該隔壁(11)に囲まれて形成された複数のセル(12)とを有すると共に、一体成形されたコージェライト製のハニカム構造体(1)であって、
該ハニカム構造体(1)は、セル密度が一定の領域であるセル密度領域(2)を複数有し、軸方向(X)に直交する断面において、中心部から外周部に向かって径方向にセル密度の異なる複数の上記セル密度領域(2)を有し、
互いにセル密度が異なる隣り合う該セル密度領域(2)同士の間には、両者を隔てる境界領域(14)が設けられており、
該境界領域(14)は、両側にある上記セル密度領域(2)の上記隔壁(11)同士の間をつなぐ境界隔壁(141)と、少なくとも一部が該境界隔壁(141)によって囲まれ、両側にある上記セル密度領域(2)の上記セル(12)とは異なる形状の多角形状の複数の境界セル(142)とを有し、
上記境界領域(14)における上記境界セル(142)の平均水力直径をΦ1、上記境界領域(14)のすぐ内側にある上記セル密度領域(2)における上記セル(12)の平均水力直径をΦ2とした場合に、Φ1/Φ2≧1.25であることを特徴とするハニカム構造体(1)。 - 請求項1に記載のハニカム構造体(1)において、上記複数のセル密度領域(2)は、それぞれ四角形の複数の上記セル(12)を有し、径方向に隣り合う上記セル密度領域(2)同士は、軸方向(X)に直交する断面において、上記隔壁(11)が互いに傾斜しており、上記境界領域(14)は、軸方向(X)に直交する断面の形状が五角形となる上記境界セル(142)を有することを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1又は2に記載のハニカム構造体(1)において、上記平均水力直径Φ1及びΦ2は、1.25≦Φ1/Φ2≦2.02の関係を満たすことを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のハニカム構造体(1)において、上記複数のセル密度領域(2)のうち、最も外側のセル密度領域(2)を除いた中で最もセル密度が高いセル密度領域(2)のセル密度をMa、最もセル密度が低いセル密度領域(2)のセル密度をMbとした場合に、1<Ma/Mb≦2.2の関係を満たすことを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のハニカム構造体(1)において、該ハニカム構造体(1)の半径をR、上記複数のセル密度領域(2)のうち、最も外側のセル密度領域(2)を除いた中で最もセル密度が高いセル密度領域(2)とそのすぐ外側にあるセル密度領域(2)との間を隔てる上記境界領域(14)の半径をrとした場合に、0.16<r/R<1の関係を満たすことを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のハニカム構造体(1)において、上記複数のセル密度領域(2)のうち、最も外側のセル密度領域(2)を除いた中で最もセル密度が高いセル密度領域(2)が最も内側に配置されていることを特徴とするハニカム構造体(1)。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のハニカム構造体(1)において、該ハニカム構造体(1)は、2つの上記セル密度領域(2)を有し、該各セル密度領域(2)は、四角形格子状に設けられた上記隔壁(11)と該隔壁(11)に囲まれて形成された複数の四角形状のセル(12)とを有し、内側にある上記セル密度領域(2)のセル密度と外側にある上記セル密度領域(2)のセル密度との比が2:1であり、外側にある上記セル密度領域(2)の上記セル(12)が内側にある上記セル密度領域(2)の上記セル(12)に対して45°の傾きを持って配置されていることを特徴とするハニカム構造体(1)。
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