JP6719446B2 - 欠陥耐性ハニカム構造体 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条の下で、２０１４年７月２５日出願の米国仮特許出願第６２／０２９０４０号の優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は信頼できるものであり、その全体が参照により本出願に援用される。
本明細書は一般に、濾過及び／又は触媒用途に使用するためのハニカム構造体に関し、より具体的には、欠陥に対する耐性を有する濾過及び／又は触媒用途に使用するためのハニカム構造体に関する。
セラミック材料から形成されたハニカム構造体等のハニカム構造体は、消費者用の及び市販の設備における汚染防止デバイスとして広範に使用される。例えばハニカム構造体は、車両の排気系において、触媒コンバータ基材及び粒子フィルタの両方として使用できる。上記ハニカム構造体は一般に、複数の平行なガス伝導チャネルを画定する薄型多孔性セラミック壁（「ウェブ（ｗｅｂ）」とも呼ばれる）から形成される。
ハニカム構造体の薄型多孔性壁により、上記構造体は、機械的衝撃による、及び／又は使用中に発生する極度の温度変動の結果としての、損傷及び／又は破壊に対する感受性が高くなる。特に上記ハニカム構造体のアイソスタティック強度は、主に、薄型多孔性壁のマトリクス中の幾何学的不完全性によって制限される。例えば上記ハニカム構造体の製造中、上記構造体を形成するウェブのマトリクスが、屈曲又は欠落したウェブといった１つ又は複数の幾何学的異常を内包し得るのが一般的である。ハニカム構造体内の数千個ものウェブからの単一の幾何学的異常により、このハニカム構造体のアイソスタティック強度は大幅に低下する場合があり、これは潜在的に、使用及び／又は取扱い中の構造体の機械的破損につながる。
製造中にハニカム構造体内に生成される幾何学的欠陥を識別するために、検査システムが通常採用される。確立された閾値を超える幾何学的欠陥を有するハニカム構造体を、破棄できる。しかしながら、このような欠陥が定期的に発生することにより、有意な生産ロス、及びその結果として生産コストの上昇がもたらされる場合がある。
従って、欠陥に対するハニカム構造体の感受性を低下させることによって、このような欠陥を有するハニカム構造体のアイソスタティック強度を改善する、代替的な方法に対して、需要が存在している。
一実施形態によると、セラミック材料から形成されたハニカム構造体、即ちセラミックハニカム構造体は、上記ハニカム構造体の周囲を画定する少なくとも１つの外壁を備える。複数の一次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の軸方向に、上記ハニカム構造体の幅を横切って延在してよい。上記一次区域パーティションは、互いに略平行であってよく、各一次区域パーティションの対向する端部は、幅方向の上記少なくとも１つの外壁と交差する。複数の二次区域パーティションは、軸方向に、上記一次区域パーティションと交差して延在してよい。上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の径方向断面を複数の区域に分割する。上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、最大厚さＴＺｍａｘである単一壁厚さを有してよい。隣接する区域は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられてよい。各区域は、複数のチャネル壁を備えてよく、上記複数のチャネル壁は交差して、当該区域を、上記ハニカム構造体の上記軸方向に延在する複数の貫通チャネルに細分し、各区域内の上記複数のチャネル壁は、少なくともｔＣの厚さを有し、ＴＺｍａｘ＞２ｔＣである。
別の実施形態では、セラミック材料から形成されたハニカム構造体、即ちセラミックハニカム構造体は、上記ハニカム構造体の周囲を画定する少なくとも１つの外壁を備えてよい。複数の一次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の軸方向に、上記ハニカム構造体の幅を横切って延在してよい。上記一次区域パーティションは、互いに略平行であってよく、各一次区域パーティションの対向する端部は、幅方向の上記少なくとも１つの外壁と交差してよい。複数の二次区域パーティションは、軸方向に延在してよく、上記一次区域パーティションと交差してよい。上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の径方向断面を複数の区域に分割する。上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、最大厚さＴＺｍａｘである単一壁厚さを有してよい。隣接する区域は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられてよい。各区域は、複数のチャネル壁を備えてよく、上記複数のチャネル壁は交差して、当該区域を、上記ハニカム構造体の上記軸方向に延在する複数の貫通チャネルに細分する。各区域内の上記複数のチャネル壁は、ＴＺｍａｘ未満かつｔＣ以上の厚さを有してよい。各区域内の上記複数のチャネル壁は、上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションに隣接している場合、各区域の中央部においてよりも厚くてよく、またＴＺｍａｘ＞２ｔＣである。
本明細書に記載のハニカム構造体の更なる特徴及び利点について、以下の「発明を実施するための形態」において記載するが、上記更なる特徴及び利点の一部は、以下の記載から当業者には容易に明らかとなり、又は以下の「発明を実施するための形態」、特許請求の範囲、及び添付の図面を含む本明細書に記載の実施形態を実施することによって、当業者には容易に認識されるだろう。
上述の「発明の概要」及び以下の「発明を実施するための形態」は共に様々な実施形態について記載しており、請求対象である主題の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。添付の図面は、上記様々な実施形態の更なる理解を提供するために含まれており、また本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。図面は本明細書に記載の上記様々な実施形態を図示しており、本記載と併せて、請求対象の主題の原理及び動作を説明する役割を果たす。
本明細書において図示及び説明される１つ又は複数の実施形態によるハニカム構造体の概略図 本明細書において図示及び説明される１つ又は複数の実施形態によるハニカム構造体の、部分断面概略図 ハニカム構造体のある区域の概略断面図であり、上記区域内のチャネル壁の厚さは、上記区域の中央部に向かって減少する 本明細書において図示及び説明される１つ又は複数の実施形態による、六角形貫通チャネルを有するハニカム構造体の、部分断面概略図 ハニカム構造体内で発生し得る幾何学的異常の概略図 ハニカム構造体内で発生し得る幾何学的異常の概略図 ハニカム構造体内で発生し得る幾何学的異常の概略図 一次区域パーティション及び二次区域パーティションの厚さの関数として、（印加されるピーク引張応力に対して平準化された）２つのハニカム構造体のアイソスタティック強度を示すグラフ 間に切断されたウェブが存在する隣接するチャネル壁の数の関数として、（印加されるピーク引張応力に対して平準化された）強化ハニカム構造体及び非強化ハニカム構造体のアイソスタティック強度を示すグラフ （１）非強化ハニカム構造体；（２）強化ハニカム構造体；及び（３）上記強化ハニカム構造体と同等のバルク密度を有する非強化ハニカム構造体に関する、平準化された比強度（相対アイソスタティック強度／バルク密度）を示すグラフ
これより、添付の図面に例が図示されている欠陥耐性ハニカム構造体の実施形態について、詳細に言及する。可能な限り、図面全体を通して、同一又は同様の部品に言及するために同一の参照番号を用いる。欠陥耐性ハニカム構造体の一実施形態が図１に示されており、これは、全体を通して一般に参照番号１００で示される。上記ハニカム構造体は一般に、上記ハニカム構造体の周囲を画定する少なくとも１つの外壁を備える。複数の一次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の軸方向に、及び上記ハニカム構造体の幅を横切って延在してよい。上記一次区域パーティションは、互いに略平行であってよく、各一次区域パーティションの対向する端部は、幅方向の上記少なくとも１つの外壁と交差してよい。複数の一次区域パーティションは、軸方向に延在してよく、上記一次区域パーティションと交差してよい。上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の径方向断面を複数の区域に分割してよい。上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、最大厚さＴＺｍａｘである単一壁厚さを有してよい。隣接する区域は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられてよい。各区域は、複数のチャネル壁を備えてよく、上記複数のチャネル壁は交差して、当該区域を、上記ハニカム構造体の上記軸方向に延在する複数の貫通チャネルに細分する。各区域内の上記複数のチャネル壁は、少なくともｔＣの厚さを有してよい。ＴＺｍａｘは、２ｔＣより大きくてよい。本明細書では、欠陥耐性ハニカム構造体の様々な実施形態について、添付の図面を具体的に参照して説明する。
本明細書において使用される場合、「アイソスタティック強度（ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）」は、ハニカム構造体が破損することなく耐えることができる最大等方圧（ＭＰａ）を指す。アイソスタティック強度は、上記ハニカム構造体を径方向に「絞る（ｓｑｕｅｅｚｅ）」ように均一な圧力を印加することによって決定される。破損が発生するまで上記等方圧を増大させることによって、ハニカムのアイソスタティック強度を決定する。
ここで図１及び２を参照すると、図１にはハニカム構造体１００が概略的に示されており、図２にはハニカム構造体１００の径方向断面の一部分が概略的に示されている。ハニカム構造体１００は、ガス流（排気ガス流等）から粒子状物質を濾過するためのフィルタとして、及び／又はガス流に取り込まれている場合がある特定の種類の汚染物質を触媒するための触媒基材として、使用してよい。ここで説明する実施形態では、ハニカム構造体１００は、例えばコーディエライト、シリコンカーバイド、酸化アルミニウム、チタン酸アルミニウム、又は昇温下での使用に好適な他のいずれのセラミック材料といったセラミック材料から作製してよい。あるいはハニカム構造体１００は、例えばゼオライトといった触媒活性材料から作製してよい。
ハニカム構造体１００は一般に、流入端部１０２と流出端部１０４との間に軸方向に（即ち図１に示す座標軸の±Ｚ方向に）延在する複数の貫通チャネル１０１又はセルを有する、ハニカム体を備える。ハニカム構造体１００はまた、上記複数のチャネル１０１を取り囲む外壁１０５（「外皮（ｓｋｉｎ）」とも呼ばれる）も備える。この外壁１０５は、ハニカム構造体の初期形成中に押出成形してよく、又は後続の加工ステップにおいて、例えばチャネルの外周部分に対して外皮形成セメントを塗布することにより、後塗布外皮層として形成してよい。
ハニカム構造体１００の貫通チャネル１０１は、別個の複数の区域１１１内にグループ分けされる。区域１１１、及び各区域１１１内に位置する貫通チャネル１０１のうちのいくつかの少なくとも一部分は、複数の一次区域パーティション１０６と複数の二次区域パーティション１０８との交差によって画定される。複数の一次区域パーティション１０６は一般に、ハニカム構造体１００の軸方向に延在し、またハニカム構造体の幅内に（即ち図１に示す座標軸の±Ｙ方向に）延在し、ハニカム構造体１００の周囲において外壁１０５と交差する。複数の実施形態では、複数の一次区域パーティション１０６は、互いに略平行である。複数の二次区域パーティション１０８は、ハニカム構造体の軸方向に延在して、一次区域パーティション１０６と交差し、これにより、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、径方向断面（即ち図１に示す座標軸のＸ‐Ｙ平面に対して平行な平面における、ハニカム構造体１００の断面）を、複数の区域１１１に分割する。
いくつかの実施形態では、複数の一次区域パーティション１０６及び複数の二次区域パーティション１０８は、図１及び２に示すように均一な厚さＴＺを有し、上記厚さＴＺは、ハニカム構造体１００の径方向断面にわたって一定である（即ちＴＺ＝ＴＺｍａｘ（ここでＴＺｍａｘは、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の最大厚さである）である）。いくつかの他の実施形態では、一次区域パーティション１０６及び／又は二次区域パーティション１０８の厚さは、一次区域パーティション１０６と二次区域パーティション１０８との複数の交差点の間で、及び／又は一次区域パーティション１０６若しくは二次区域パーティション１０８と外壁１０５との交差部と、一次区域パーティション１０６と二次区域パーティション１０８との交差部との間で、変化してよい。いくつかの実施形態では、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の最大厚さＴＺｍａｘは、これらの交差部の間の位置において発生し得る。あるいは、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の最大厚さＴＺｍａｘは、上記複数の交差点において発生し得る。実施形態にかかわらず、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は最大厚さＴＺｍａｘを有することを理解されたい。
ここで説明する実施形態では、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は単一の壁厚さを有し、これは即ち、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８が、一次区域パーティション１０６又は二次区域パーティション１０８の厚さ内にいずれの貫通チャネルも含まないことを意味する。更に、隣接する区域１１１は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられる。
依然として図１及び２を参照すると、ハニカム構造体１００の貫通チャネル１０１は、区域１１１内に位置決めされている。具体的には、各区域１１１は、ハニカム構造体１００の軸方向に延在する複数のチャネル壁１１０を備える。上記複数のチャネル壁１１０は互いに、及び一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８と交差して、貫通チャネル１０１を形成する。ここで説明する実施形態では、完全貫通チャネル１０１（即ち、ハニカム構造体の外壁１０５と直接隣接しない貫通チャネルであり、これは、外壁１０５と直接隣接して外壁１０５によって少なくとも部分的にその境界を画定される部分貫通チャネルから区別される）は、少なくとも１つのチャネル壁１１０によってその境界を画定される。換言すると、各完全貫通チャネル１０１は、各チャネル壁１１０、又はチャネル壁１０１と一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のうちの少なくとも一方との組み合わせによって、その境界を画定される。
ここで説明する実施形態では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、ハニカム構造体１００のアイソスタティック強度及び損傷耐性を改善できるようにサイズ設定される。具体的には、ここで説明する実施形態では、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、チャネル壁１１０よりも大きな厚さを有する。区域１１１内のチャネル壁１１０よりも壁厚さが大きい一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８を用いて、各区域１１１を取り囲むことによって、区域１１１内のチャネル壁１１０内のいずれの幾何学的異常の、強度低減効果を、対応する区域１１１に対して局所的に隔離でき、これにより、ハニカム構造体のアイソスタティック強度及び損傷耐性が上昇する。
特に、（図５Ｂ及び５Ｃに示す）屈曲したウェブ又は（図５Ｃに示す）「編み込まれていない（ｎｏｎ‐ｋｎｉｔｔｉｎｇ）」ウェブといった欠陥を含む従来のハニカム構造体（即ち厚くした一次区域パーティション及び二次区域パーティションを有しないハニカム構造体）では、ハニカム構造体の外壁に作用する等方圧は、外壁から、チャネル壁又は「ウェブ」を通して、ハニカム構造体の中央部へと伝達される。しかしながら、チャネル壁が屈曲している、切断されている、又は欠落している場合、ハニカム構造体は局所的に弱くなる。この弱くなった領域が十分な等方圧を受けると、周囲のチャネル壁は当該欠陥に向かって歪み、印加された負荷の下で破砕される場合があり、これにより、上記局所的に弱くなった領域から始まる連鎖的な破損が発生し、最終的にハニカム構造体の破損につながる。
しかしながら、チャネル壁より大きな厚さを有し、かつハニカム構造体１００を複数の区域１１１に分割する、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８を有するハニカム構造体１００では、区域１１１内に位置するいずれの欠陥は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８によって、印加される等方圧から効果的に隔離される。具体的には、ハニカム構造体１００の外壁に印加されたいずれの等方圧は、区域１１１の比較的頑強でないチャネル壁を通してではなく、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８を通して、複数の区域１１１の間にまとめて分配され、これにより、欠陥の存在によって局所的に弱くなっている可能性がある、区域１１１内のいずれの領域からの破損が防止される。
ここで説明するハニカム構造体１００では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが２ｔＣより大きくなるように形成される。特に、ハニカム構造体１００のアイソスタティック強度及び欠陥耐性は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の最大厚さＴＺｍａｘが２ｔＣ以下である場合、有意に改善されないことが決定されている。いくつかの実施形態では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが３ｔＣ以上、又は４ｔＣ以上にさえなるように形成される。
また、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが増大すると、ハニカム構造体１００の他の特性が損なわれる、例えば正面開口面積が低下する、ハニカム構造体にわたる圧力降下が増大する、及びハニカム構造体のサーマルマスが増大することがあり得ることも分かっている。従って、ここで説明する実施形態では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが１０ｔＣ以下となるように形成される。いくつかの実施形態では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが８ｔＣ以下、又は７ｔＣ以下にさえなるように形成してよい。例えば、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが６ｔＣ以上、又は５ｔＣ以上にさえなるように形成してよい。
従って、いくつかの実施形態では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが２ｔＣ超かつ１０ｔＣ以下、又は２ｔＣ超かつ８ｔＣ以下の範囲にさえなるように形成してよいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが２ｔＣ超かつ７ｔＣ以下、又は２ｔＣ超かつ６ｔＣ以下の範囲にさえなるように形成してよい。更に他の実施形態では、チャネル壁１１０、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８のＴＺｍａｘが２ｔＣ超かつ５ｔＣ以下の範囲となるように形成してよい。
ここで説明する実施形態では、ハニカム構造体１００のチャネル壁１１０は一般に、約２５マイクロメートル以上かつ約５２０マイクロメートル以下の範囲の壁厚さを有する。いくつかの実施形態では、ハニカム構造体１００のチャネル壁１１０は一般に、約２５マイクロメートル以上かつ約２０５マイクロメートル以下の範囲の壁厚さを有してよい。いくつかの他の実施形態では、ハニカム構造体１００のチャネル壁１１０は一般に、約１００マイクロメートル超かつ約５００マイクロメートル以下の範囲の壁厚さを有してよい。
図１及び２に示すハニカム構造体１００の実施形態では、各区域１１１内のチャネル壁１１０の厚さｔＣは、各チャネル壁１１０の長さに沿って、また複数のチャネル壁１１０の間で略均一である（即ち全てのチャネル壁は略同一の厚さを有する）。しかしながら他の実施形態では、各区域内のチャネル壁１１０の厚さは変化してよいことを理解されたい。
例としてハニカム構造体のある単一の区域１１１を示す図３を参照すると、一実施形態では、各区域内の複数のチャネル壁は、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８に隣接している場合、各区域１１１の中央部においてよりも厚い。これにより、ハニカム構造体１００に更なる強度が付加され、各区域１１１内の欠陥の隔離が更に支援される。例えば図３に示す区域１１１では、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８に隣接するチャネル壁１１０ａは、区域１１１の中央部に位置するチャネル壁１１０ｄよりも厚い。複数の実施形態では、各区域内の複数のチャネル壁の厚さは、各区域の周囲から（即ち一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８から）各区域１１１の中央部に向かって減少してよい。例えば図３に示す区域１１１では、チャネル１１０ａは区域１１１内で最も厚くてよく、チャネル壁の厚さはチャネル壁１１０ａから、チャネル壁１１０ｂ〜１１０ｃを経て、区域の中央部のチャネル壁１１０ｄに向かって徐々に減少してよい。一実施形態では、各区域内の複数のチャネル壁の厚さは、約ＴＺｍａｘ未満からｔＣへと減少する。チャネル壁の厚さが変化する上述の実施形態では、区域１１１内のチャネル壁１１０の最小厚さがｔＣであること、並びに一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の厚さがチャネル壁１１０の最小厚さに基づくものであることを理解されたい。
図１及び２を再び参照すると、上述のように、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の厚さは、複数の交差点の間で変化してよい。いくつかの実施形態では、一次区域パーティション１０６の厚さが、複数の交差点の間において、ｔＣからＴＺｍａｘへと変化する。いくつかの他の実施形態では、二次区域パーティション１０８の厚さが、複数の交差点の間において、ｔＣからＴＺｍａｘへと変化する。更に他の実施形態では、一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８両方の厚さが、複数の交差点の間において、ｔＣからＴＺｍａｘへと変化する。一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の厚さが、複数の交差点の間において、ｔＣからＴＺｍａｘへと変化することにより、材料の量が最小のハニカム構造体１００に対して、最大強度の利益が付与される。
図１に示すように、ハニカム構造体の各完全区域１１１は、少なくとも４つの貫通チャネル１０１を備える。従って、ここで説明する実施形態では、隣接する一次区域パーティション１０６が少なくとも２つの貫通チャネル１０１によって隔てられることを理解されたい。同様に、隣接する二次区域パーティション１０８は少なくとも２つの貫通チャネル１０１によって隔てられる。ここで説明する実施形態では、ハニカム構造体１００は、最高約９００チャネル／平方インチ（ｃｐｓｉ）（約５８０６．４４チャネル／平方センチメートル）のチャネル密度で形成してよい。例えばいくつかの実施形態では、ハニカム構造体１００は、約１００ｃｐｓｉ（６４５．１６チャネル／平方センチメートル）〜約９００ｃｐｓｉ（約５８０６．４４チャネル／平方センチメートル）の範囲のチャネル密度を有してよい。いくつかの他の実施形態では、ハニカム構造体１００は、約３００ｃｐｓｉ（１９３５．４８チャネル／平方センチメートル）〜約９００ｃｐｓｉ（約５８０６．４４チャネル／平方センチメートル）の範囲のチャネル密度を有してよい。いくつかの他の実施形態では、ハニカム構造体は、約１００ｃｐｓｉ（６４５．１６チャネル／平方センチメートル）〜約４００ｃｐｓｉ（約２５８０．６４チャネル／平方センチメートル）、又は約２００ｃｐｓｉ（１２９０．３２チャネル／平方センチメートル）〜約３００ｃｐｓｉ（約１９３５．４８チャネル／平方センチメートル）でさえある範囲のチャネル密度を有してよい。
図１及び２に示すハニカム構造体１００の実施形態では、複数の貫通チャネル１０１は一般に、正方形の断面を有する。しかしながら、他の実施形態も考えられることを理解されたい。例えば一実施形態では、ハニカム構造体１００は、図４に示すように、断面が六角形の貫通チャネル１０１を備える。この実施形態では、ハニカム構造体１００は、上述のように、複数の一次区域パーティション１０６及び複数の二次区域パーティション１０８によって、複数の区域１１１に分割される。各区域１１１は更に、区域１１１を複数の貫通チャネル１０１に細分する複数のチャネル壁１１０を備える。チャネル壁１１０に対する一次区域パーティション１０６及び二次区域パーティション１０８の厚さは、図１及び２に関連して上述した通りである。長方形、円形、楕円形、三角形、八角形、六角形又はこれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない、貫通チャネル１０１に関する更に他の断面形状も考えられることを理解されたい。
本明細書に記載されているように、チャネル壁の厚さに対して２倍超の厚さの一次区域パーティション及び二次区域パーティションを用いて、貫通チャネルの複数の別個の区域を生成することにより、区域内の欠陥を隔離することによるハニカム構造体のアイソスタティック強度及び欠陥耐性の上昇が支援されて、幾何学的欠陥に対するハニカム構造体の感受性が効果的に低減される。従って、ここで説明するハニカム構造体は、より高い密度の幾何学的欠陥に、対応するアイソスタティック強度の損失なしに、より良好に耐えることができる。
ここで説明する実施形態では、２ｔＣ超の厚さを有する一次区域パーティション及び二次区域パーティションを有する強化ハニカム構造体は、同一のジオメトリ（即ち同一の貫通チャネル密度及びチャネル壁厚さ）を有する非強化ハニカム構造体よりも高いアイソスタティック強度を有する。
更に、２ｔＣ超の厚さを有する一次区域パーティション及び二次区域パーティションを有する強化ハニカム構造体は、同一のバルク密度及び正面開口面積を有する非強化ハニカム構造体よりも高いアイソスタティック強度を有する。
ここで説明する実施形態では、正方形の断面を有する貫通チャネルを有するハニカム構造体に関するバルク密度は、以下の式：
Figure 0006719446
 に従って算出され、ここで：
ρｔｏｔａｌ＝強化ハニカム構造体の合計バルク密度
ρｍａｔｅｒｉａｌ＝ハニカム構造体を形成する材料のバルク密度
Ｌｓｔｄ＝貫通チャネルのピッチ（貫通チャネル間隔）
ｔｓｔｄ＝標準的な（非強化）ハニカム構造体におけるチャネル壁厚さ
Ｘ＝区域パーティション倍率（標準的なチャネル壁よりも「Ｘ」倍厚い）
ｎ＝区域パーティション間隔（貫通チャネル「ｎ」個毎に１つのチャネル壁が配置される）
である。
ここで説明するハニカム構造体１００は一般に押出成形によって形成され、これにより、少なくとも一次区域パーティション、二次区域パーティション及びチャネル壁がモノリシックとなり、例えばセラミック前駆材料の同一のバッチから単体として連続押出成形される。いくつかの実施形態では、一次区域パーティション、二次区域パーティション、チャネル壁及び外壁がモノリシックとなり、例えばセラミック前駆材料の同一のバッチから単体として連続押出成形される。例えば、セラミック前駆材料のあるバッチを、適切な加工助剤と初めに混合してよい。次に、セラミック前駆材料のこのバッチを押出成形及び乾燥して、本明細書に記載の構造を有するグリーンハニカム体を形成する。グリーンハニカム体のこの特定の構造は、実質的に所望のハニカム構造体の径方向断面の「メス型（ｎｅｇａｔｉｖｅ）」であるダイを通して、上記セラミック前駆材料のバッチを押出成形することによって達成される。その後、上記グリーンハニカム体を、焼成済みハニカム体を生産するために好適な焼成スケジュールに従って焼成する。
本明細書に記載の実施形態を、以下の実施例によって更に明らかにする。
実施例１
２つの異なるジオメトリを有するハニカム構造体のコンピュータシミュレーションを構築し、モデリングパラメータに基づいてアイソスタティック強度を算出した。第１のハニカム構造体は、正方形の貫通チャネル及び６００／２．９ジオメトリ（６００セル／平方インチ（３８７０．９６セル／平方センチメートル）、壁厚さ２．９ミル（７３．６６マイクロメートル））を有するものとしてモデリングした。アイソスタティック強度は、以下の３つの条件下でモデリングした：全てのチャネル壁が厚さ１Ｘの非強化タイプ；セル４つ毎に厚さ２Ｘを有する一次及び二次区域パーティションを有する、強化タイプ；並びにセル４つ毎に厚さ３Ｘを有する一次及び二次区域パーティションを有する、強化タイプ。第２のハニカム構造体は、４００／４．５ジオメトリ（４００セル／平方インチ（２５８０．６４セル／平方センチメートル）、壁厚さ４．５ミル（１１４．３マイクロメートル））の正方形貫通チャネルを有しており、アイソスタティック強度は、以下の３つの条件下でモデリングした：全てのチャネル壁が厚さ１Ｘの非強化タイプ；セル４つ毎に厚さ２Ｘを有する一次及び二次区域パーティションを有する、強化タイプ；並びにセル４つ毎に厚さ３Ｘを有する一次及び二次区域パーティションを有する、強化タイプ。各ハニカム構造体のアイソスタティック強度を、印加した等方圧１ＭＰａの下における各ハニカム構造体に関する、モデリングされたピーク引張応力強度係数（平準化されている）の逆数によって近似した。
図６は、一次区域パーティション及び二次区域パーティションの厚さの関数として、（印加されるピーク引張応力の強度係数に対して平準化された）実施例１の２つのハニカム構造体の、算出されたアイソスタティック強度を、グラフとして示す。図６に示すように、厚くした一次及び二次区域パーティションを、ベース構造体に対して、セル４つ毎に追加することにより、ジオメトリにかかわらず、各ハニカムの有効アイソスタティック強度が有意に上昇する。
実施例２
欠陥の数を変化させて、非強化ハニカム構造体及び強化ハニカム構造体のコンピュータシミュレーションを構築し、各ハニカム構造体のアイソスタティック強度を、欠陥の密度の関数として評価した。非強化ハニカム構造体は、４００／４．５ジオメトリ（４００セル／平方インチ（２５８０．６４セル／平方センチメートル）、壁厚さ４．５ミル（１１４．３マイクロメートル））の正方形貫通チャネルを有していた。強化ハニカム構造体は、第１のハニカム構造体と同様に、４００／４．５ジオメトリ（４００セル／平方インチ（２５８０．６４セル／平方センチメートル）、壁厚さ４．５ミル（１１４．３マイクロメートル））の正方形貫通チャネルを有していたが、セル４つ毎に、厚さ３Ｘを有する一次及び二次区域パーティションも含んでいた。強化及び非強化構造体のアイソスタティック強度を、１つ、２つ及び３つの隣接するチャネル壁におけるウェブ切片を用いてモデリングした。各ハニカム構造体のアイソスタティック強度を、印加した等方圧１ＭＰａの下における各ハニカム構造体に関する、モデリングされたピーク引張応力強度係数（平準化されている）の逆数によって近似した。
図７は、間に切断されたウェブが存在する隣接するチャネル壁の数の関数として、（印加されるピーク引張応力の強度係数に対して平準化された）強化ハニカム構造体及び非強化ハニカム構造体の、算出されたアイソスタティック強度を、グラフとして示す。図７に示すように、構造体内に存在する欠陥の数にかかわらず、強化ハニカム構造体は非強化ハニカム構造体よりも有意に高い（３倍超の）アイソスタティック強度を有していた。
実施例３
３つの異なるハニカム構造体を数学的にモデリングした。第１のハニカム構造体は、４００／４．５ジオメトリ（４００セル／平方インチ（２５８０．６４セル／平方センチメートル）、壁厚さ４．５ミル（１１４．３マイクロメートル））の正方形貫通チャネルを有するものとしてモデリングした。第２のハニカム構造体は、４００／４．５ジオメトリ（４００セル／平方インチ（２５８０．６４セル／平方センチメートル）、壁厚さ４．５ミル（１１４．３マイクロメートル））の正方形貫通チャネルを有するものとしてモデリングされ、貫通チャネル４つ毎に、強化一次区域パーティション及び二次区域パーティションを含んでいた。強化一次区域パーティション及び二次区域パーティションは、チャネル壁の３倍超の厚さを有するものとしてモデリングした。従って、第１のハニカム構造体及び第２のハニカム構造体は、貫通チャネルの公称ウェブ厚さが同一である、同等の基本構造を有していた。第３のハニカム構造体は、正方形貫通チャネル及び４００／６．８５ジオメトリ（４００セル／平方インチ（２５８０．６４セル／平方センチメートル）、壁厚さ６．８５ミル（１７４マイクロメートル）を有するものとしてモデリングした。第２のハニカム構造体及び第３のハニカム構造体は、同等のバルク密度を有し（即ちセラミック材料の体積がそれぞれにおいて同一であり）、また同等の正面開口面積を有していた。
各ハニカム構造体に関する比強度（即ちアイソスタティック強度）を、印加した等方圧１ＭＰａの下での、印加されるピーク引張応力の強度係数（平準化されている）の逆数を、材料のバルク密度で除算した商として近似した。各ハニカム構造体の比強度は、図８にプロットされている。図８に示すように、第２の強化ハニカム構造体の比強度は、第１の非強化ハニカム構造体よりも、これら２つのハニカム構造体が同等の基本構造及び公称ウェブ厚さを有するにもかかわらず、有意に高かった。第２の強化ハニカム構造体はまた、同等のバルク密度、及び第２の強化ハニカム構造体のチャネル壁よりおよそ１．５倍厚いチャネル壁を有する、第３のハニカム構造体よりも、有意に高い比強度を有していた。このモデリングによるデータは、第２の強化構造体が、同一の基本構造を有するハニカム構造体に対して、及び同一のバルク密度を有するがチャネル壁がより厚いハニカム構造体に対して、強度の点で大幅に有利であることを実証している。
請求対象の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に対して様々な修正及び変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、本明細書は、本明細書に記載の様々な実施形態の修正例及び変形例を、これら修正例及び変形例が添付の請求項及びその均等物の範囲内にある限りにおいて、包含することを意図したものである。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
セラミックハニカム構造体であって：
上記ハニカム構造体の周囲を画定する少なくとも１つの外壁；
上記ハニカム構造体の軸方向に、上記ハニカム構造体の幅を横切って延在する、複数の一次区域パーティションであって、上記一次区域パーティションは、互いに略平行であり、各上記一次区域パーティションの対向する端部は、幅方向の上記少なくとも１つの外壁と交差する、複数の一次区域パーティション；並びに
軸方向に、上記一次区域パーティションと交差して延在する、複数の二次区域パーティションであって、上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の径方向断面を複数の区域に分割する、複数の二次区域パーティション
を備え、
上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、最大厚さＴＺｍａｘである単一壁厚さを有し；
隣接する上記区域は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられており；
各上記区域は、複数のチャネル壁を備え、上記複数のチャネル壁は交差して、当該区域を、上記ハニカム構造体の上記軸方向に延在する複数の貫通チャネルに細分し、各区域内の上記複数のチャネル壁は、少なくともｔＣの厚さを有し；
ＴＺｍａｘ＞２ｔＣである、セラミックハニカム構造体。
実施形態２
部分貫通チャネル及び完全貫通チャネルを更に備え、
上記ハニカム構造体の各上記完全貫通チャネルは、厚さｔＣを有する少なくとも１つのチャネル壁によってその境界を画定される、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態３
ＴＺｍａｘ≦１０ｔＣである、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態４
上記複数の一次区域パーティションの厚さは、ｔＣからＴＺｍａｘへと変化する、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態５
上記複数の二次区域パーティションの厚さは、ｔＣからＴＺｍａｘへと変化する、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態６
隣接する上記一次区域パーティションは、少なくとも２つの貫通チャネルによって隔てられる、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態７
上記一次区域パーティション、上記二次区域パーティション、上記外壁及び上記複数のチャネル壁は、同一の材料で構成される、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態８
上記一次区域パーティション、上記二次区域パーティション及び上記チャネル壁はモノリシックである、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態９
上記ハニカム構造体は、約１００ｃｐｓｉ以上及び約９００ｃｐｓｉ以下のセル密度を有する、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態１０
ｔＣは、約２５マイクロメートル以上約５２０マイクロメートル以下である、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態１１
上記貫通チャネルは、断面が正方形である、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態１２
上記貫通チャネルは、断面が六角形である、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態１３
上記ハニカム構造体のアイソスタティック強度は、同一のジオメトリを有する非強化ハニカム構造体よりも高い、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態１４
上記ハニカム構造体のアイソスタティック強度は、同一の正面開口面積及び同等のバルク密度を有する非強化ハニカム構造体よりも高い、実施形態１に記載のハニカム構造体。
実施形態１５
セラミックハニカム構造体であって：
上記ハニカム構造体の周囲を画定する少なくとも１つの外壁；
上記ハニカム構造体の軸方向に、上記ハニカム構造体の幅を横切って延在する、複数の一次区域パーティションであって、上記一次区域パーティションは、互いに略平行であり、各上記一次区域パーティションの対向する端部は、幅方向の上記少なくとも１つの外壁と交差する、複数の一次区域パーティション；並びに
軸方向に延在し、上記一次区域パーティションと交差する、複数の二次区域パーティションであって、上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、上記ハニカム構造体の径方向断面を複数の区域に分割する、複数の二次区域パーティション
を備え、
上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションは、最大厚さＴＺｍａｘである単一壁厚さを有し；
隣接する区域は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられており；
各区域は、複数のチャネル壁を備え、上記複数のチャネル壁は交差して、当該区域を、上記ハニカム構造体の上記軸方向に延在する複数の貫通チャネルに細分し、各区域内の上記複数のチャネル壁は、ＴＺｍａｘ未満かつｔＣ以上の厚さを有し、各区域内の上記複数のチャネル壁は、上記一次区域パーティション及び上記二次区域パーティションに隣接している場合、各区域の中央部においてよりも厚く；
ＴＺｍａｘ＞２ｔＣである、セラミックハニカム構造体。
実施形態１６
各上記区域内の上記複数のチャネル壁は、各上記区域の周囲から各上記区域の中央部へと厚さが減少する、実施形態１５に記載のハニカム構造体。
実施形態１７
各上記区域内の上記複数のチャネル壁は、約ＴＺｍａｘ未満からｔＣへと厚さが減少する、実施形態１５に記載のハニカム構造体。
１００ 欠陥耐性ハニカム構造体
１０１ 貫通チャネル、セル
１０２ 流入端部
１０４ 流出端部
１０５ 外壁
１０６ 一次区域パーティション
１０８ 二次区域パーティション
１１０、１１０ａ〜ｄ チャネル壁
１１１ 区域
ＴＺｍａｘ 最大壁厚さ
ｔＣ チャネル壁厚さ

Claims (5)

  1. セラミックハニカム構造体であって：
    前記ハニカム構造体の周囲を画定する少なくとも１つの外壁；
    前記ハニカム構造体の軸方向に、前記ハニカム構造体の幅を横切って延在する、複数の一次区域パーティションであって、前記一次区域パーティションは、互いに略平行であり、軸方向において対向する第1側表面と第２側表面とを有し、各前記一次区域パーティションの対向する端部は、幅方向の前記少なくとも１つの外壁と交差する、複数の一次区域パーティション；並びに
    軸方向に、前記ハニカム構造体の幅を横切って延在するとともに、前記一次区域パーティションと交差して延在する、複数の二次区域パーティションであって、前記一次区域パーティション及び前記二次区域パーティションは、前記ハニカム構造体の径方向断面を複数の区域に分割する、複数の二次区域パーティション
    を備え、
    前記一次区域パーティション及び前記二次区域パーティションは、最大厚さＴＺｍａｘである単一壁厚さを有し；
    隣接する前記区域は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられており；
    各前記区域は、複数のチャネル壁を備え、前記複数のチャネル壁は交差して、前記区域を、前記ハニカム構造体の前記軸方向に延在する複数の貫通チャネルに細分し、各前記貫通チャネルは内部壁表面により画定され、各前記区域内の前記チャネル壁は、最少厚さｔＣを有し；
    前記一次区域パーティション及び前記二次区域パーティションに隣接するチャネル壁は、前記区域の中心に位置するチャネル壁よりも厚く、前記チャネル壁は最少厚さｔ Ｃ を有し、各チャネル壁は前記区域内で均一の厚さを有し；
    各前記区域内の前記複数のチャネル壁の厚さは少なくともｔ Ｃ であるととともに、２ｔ Ｃ <Ｔ Ｚｍａｘ である、セラミックハニカム構造体。
  2. 部分貫通チャネル及び完全貫通チャネルを更に備え、
    前記ハニカム構造体の各前記完全貫通チャネルは、厚さｔＣを有する少なくとも１つのチャネル壁によってその境界を画定される、請求項１に記載のハニカム構造体。
  3. ＴＺｍａｘ≦８ｔＣである、請求項１に記載のハニカム構造体。
  4. 隣接する前記一次区域パーティションは、少なくとも２つの貫通チャネルによって隔てられる、請求項１に記載のハニカム構造体。
  5. セラミックハニカム構造体であって：
    前記ハニカム構造体の周囲を画定する少なくとも１つの外壁；
    前記ハニカム構造体の軸方向に、前記ハニカム構造体の幅を横切って延在する、複数の一次区域パーティションであって、前記一次区域パーティションは、互いに略平行であり、軸方向において対向する第1側表面と第２側表面とを有し、各前記一次区域パーティションの対向する端部は、幅方向の前記少なくとも１つの外壁と交差する、複数の一次区域パーティション；並びに
    軸方向に延在し、前記ハニカム構造体の幅を横切って延在するとともに、前記一次区域パーティションと交差する、複数の二次区域パーティションであって、前記一次区域パーティション及び前記二次区域パーティションは、前記ハニカム構造体の径方向断面を複数の区域に分割する、複数の二次区域パーティション
    を備え、
    前記一次区域パーティション及び前記二次区域パーティションは、最大厚さＴＺｍａｘである単一壁厚さを有し；
    隣接する前記区域は、単一の一次区域パーティション又は単一の二次区域パーティションによって隔てられており；
    各前記区域は、複数のチャネル壁を備え、前記複数のチャネル壁は交差して、前記区域を、前記ハニカム構造体の前記軸方向に延在する複数の貫通チャネルに細分し、各前記貫通チャネルは内部壁表面により画定され、各前記区域内の前記チャネル壁は、ＴＺｍａｘ未満かつｔＣ以上の厚さを有し、前記一次区域パーティション及び前記二次区域パーティションに隣接している前記複数のチャネル壁は、各前記区域の中央部における厚さよりも厚い厚さを有し、各チャネル壁は前記区域内で均一の厚さを有し；
    各前記区域内の前記複数のチャネル壁の厚さは少なくともｔ Ｃ であるととともに、２ｔ Ｃ <Ｔ Ｚｍａｘ である、セラミックハニカム構造体。
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