JP6965576B2 - 流速制御板 - Google Patents

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Description

本発明は、モノリス成形用金型の坏土流入面に当接して用いられる流速制御板に関する。
モノリス基材は、コージェライト等のセラミックスを材質とし、例えば、筒状の外皮と、外皮の内側を区画する格子状のセル壁と、セル壁に囲まれる多数のセルを有する。モノリス基材は、Pt、Rh、Pdなどの貴金属触媒を担持させることにより、排ガス中のNOx、HC、COを酸化還元させて浄化させる機能を発揮する。モノリス基材としては、外皮の内側のセル密度が均一なものもあれば、浄化性能の向上のために、モノリス基材の軸方向と直交方向でセル密度が異なるものもある。
モノリス基材は、金型を用いた押出成形により製造される。金型は、坏土流入面から押出方向に伸びる多数の坏土流入穴と、各坏土流入穴に連接し、押出面に開口する格子状のスリットと有する。
例えば、低セル密度領域と高セル密度領域というセル密度の異なる領域を有するモノリス基材を作製する場合には、金型も高セル密度領域及び低セル密度領域に対応したスリットを有する。このような金型においては、高セル密度領域形成用のスリットと低セル密度領域形成用のスリットにおいて、坏土の流速が不均一になり易い。
具体的には、高セル密度形成用のスリットでは相対的に坏土の流速が遅くなり、低セル密度領域用のスリットでは相対的に坏土の流速が速くなる。その結果、金型内で坏土の流速が不均一なり、セルが潰れたり、セル壁が欠損したり、モノリス基材が曲がったりする等の成形不良を生じするおそれがある。
そこで、金型の坏土流入面に配設するためのバックプレートとよばれる流速制御板が用いられる(特許文献1参照)。流速制御板は、金型の坏土流入穴に対応して同軸的に設けられた多数の坏土流動穴を備える。このような流速制御板を金型の坏土流入面に配設して成形を行うことにより、金型において流速が速くなる低セル密度領域に流入する坏土の流速が抑制され、金型内の坏土流速を均一にすることが可能になる。
特開2010−188611号公報
しかしながら、流速制御板を用いても流速が不均一になることがあった。その原因について検討したところ、流速制御板の坏土流動穴と金型における坏土流入穴との干渉にあることが明かとなった。つまり、流速制御板の坏土流動穴と金型の坏土流入穴との位置ずれが起こり、穴同士が干渉し合うと、干渉が起こった部分において坏土が流れ難くなる。その結果、流速が不均一な部分が生じてしまう。
穴同士の干渉は、たとえ流速制御板と金型との穴の位置を一致させるための位置決め機構が存在したとしても、例えば坏土の流入によって流速制御板や金型が変形することにより起こると考えられる。また、干渉は、金型や流速制御板の穴加工精度の悪さによっても起こりうる。このような干渉は、成形の比較的初期段階でも起こりうる。干渉によって、流速が不均一になると、モノリス基材に成形不良が発生するおそれがある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、モノリス基材における成形不良の発生を抑制できる流速制御板を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、坏土流入面(D1)に開口する複数の坏土流入穴(D3)と、上記坏土流入穴に連接すると共に押出面(D2)に開口する格子状溝部(D4)とを有するモノリス成形用金型(D)の上記坏土流入面に重ね合わせて用いられる流速制御板(1)であって、
上記坏土が供給される坏土供給面(12)及び上記坏土が流出する坏土流出面(13)を有する基板(11)と、
上記基板を厚み方向に貫通する複数の坏土流動穴(14)と、
上記流速制御板の上記坏土流動穴の中心と上記モノリス成形用金型の上記坏土流入穴の中心とを同軸的に配置させるための位置決め機構(19)とを、備え、
上記基板の上記坏土流出面における上記坏土流動穴は、上記モノリス成形用金型の上記坏土流入面における上記坏土流入穴よりも小径であり、
上記モノリス成形用金型の上記坏土流入穴の径Φ2に対する上記流速制御板の上記坏土流動穴の径Φ1の比率である径比率ΦRが、0.38以上、0.88以下である、流速制御板にある。
上記流速制御板は、モノリス成形用金型の坏土流入面に重ね合わせて用いられる。以下、「流速制御板」のことを適宜「制御板」といい、「モノリス成形用金型」のことを、適宜「金型」という。制御板の坏土流出面における坏土流動穴は、金型の坏土流入面における坏土流入穴よりも小径である。
そのため、坏土の流入によって制御板や金型が変形し、制御板の坏土流動穴と金型の坏土流入穴との間で位置ずれが生じたとしても、穴同士が干渉し合うことを防止できる。その結果、干渉により、坏土流動穴と坏土流入穴との接続部において穴が小さくなることを防止できる。これにより、金型における坏土流速が不均一になることを防止し、モノリス基材の成形不良の発生を抑制できる。
また、制御板の坏土流動穴が金型の坏土流入穴よりも小径であるため、坏土流動穴の径が坏土流入穴と同じ場合や坏土流入穴より大きい場合等に比べて、坏土に同一抵抗を付与するための制御板の板厚を小さくできる。そのため、制御板が金型に追従し易くなる。その結果、制御板と金型との間に隙間が発生し、隙間から坏土が漏れ出ることを防止できる。
また、制御板の坏土流動穴径が金型の坏土流入穴径に比べて大きい場合には、坏土が坏土流動穴と坏土流入穴との接続部を流れる際に、坏土流入面において坏土流入穴の周囲が磨耗するおそれがある。これに対し、本態様のように、制御板の坏土流動穴が金型の坏土流入穴よりも小径であるため、接続部を流れる際の金型の磨耗を防止できる。
以上のごとく、上記態様によれば、モノリス基材における成形不良の発生を抑制できる流速制御板を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態1におけるモノリス基材の斜視図。 実施形態1におけるモノリス基材の要部拡大断面図。 実施形態1における金型の押出面を示す正面図。 実施形態1における金型の坏土流入面を示す背面図。 実施形態1における金型の押出面の要部拡大図。 実施形態1における金型の坏土流入面の要部拡大図。 実施形態1における流速制御板の正面図。 実施形態1における金型と流速制御板との一体品の展開図。 実施形態1における金型と流速制御板との一体品の断面図。 実施形態1における、(a)穴同士の干渉がない金型と流速制御板との一体品の要部拡大断面図、(b)穴同士の干渉がある金型と流速制御板との一体品の要部拡大断面図。 実施形態1における、金型と流速制御板との一体品の坏土供給面からの透視図。 実験例における坏土流動穴径と平均成形速度差が0となる板厚との関係を示す図。 実験例における坏土流動穴径と面内での最大成形速度差との関係を示す図。 実験例における(a)成形不良のないセル壁を示す写真代用図、(b)セル壁に欠損不良を示す写真代用図、(c)モノリス基材の反り欠陥を示す写真代用図、(d)セルの潰れ欠陥を示す写真代用図。 実施形態2における、流速制御板の拡径部の拡大断面図。 実施形態3における、流速制御領域と流速非制御領域との境界を金型の筒状溝部に沿って形成した流速制御板と金型との一体品の坏土供給面からの透視図。 実施形態3における、流速制御領域と流速非制御領域との境界を金型の筒状溝部に沿って形成した流速制御板と金型との一体品の坏土供給面からの透視図。 実施形態3における、流速制御領域と流速非制御領域との境界を金型の筒状溝部に沿って形成した流速制御板と金型との一体品の坏土供給面からの透視図。 実施形態4におけるモノリス基材の斜視図。 実施形態4における金型の押出面を示す正面図。 実施形態4における金型の坏土流入面を示す背面図。 実施形態4における流速制御板の正面図。 実施形態4における金型と流速制御板との一体品の展開図。
(実施形態1)
モノリス成形用金型に当接して用いられる流速制御板に係る実施形態について、図1〜図11を参照して説明する。本形態の制御板は、図1及び図2に例示されるように、セル密度が径方向において異なる複数のセル密度領域MH、MLを備えるモノリス基材Mの製造に用いられる。まず、モノリス基材Mについて説明する。以下の説明においては、モノリス基材M内を排ガスが流れる方向、つまりセルM3の伸長方向が軸方向Xであり、軸方向Xと直交方向が径方向Yである。
モノリス基材Mは、外皮M1と、セル壁M2と、セルM3とを有する。外皮M1は、例えば円筒状のような筒状である。外皮M1の形状は、特に限定されるものではなく、例えば四角筒状のような角筒状であってもよい。
外皮M1の厚みは、適宜調整することでき、例えば0.1〜1.0mmの範囲にすることができる。好ましくは、0.15〜0.4mmである。モノリス基材Mの強度を高めて例えばキャニング時の破損を防止するという観点から、外皮M1の厚みは、セル壁M2よりも大きいことが好ましい。具体的には、外皮M1は、各セル密度領域MH、MLのいずれのセル壁M2よりも、厚みが大きいことが好ましい。
セル壁M2は、外皮M1の内側を区画し、格子状に設けられる。セル壁M2の格子形状は特に限定されるものではないが、図1及び図2に例示されるように径方向Yの断面形状が例えば四角形になるようにセル壁M2を形成することができる。また、三角形、六角形、八角形などの他の多角形にすることも可能である。
セルM3は、格子状のセル壁M2に囲まれており、軸方向Xに伸びる。モノリス基材Mは、多数のセルM3を有し、ハニカム形状である。
モノリス基材Mは、セル密度が異なる複数のセル密度領域MH、MLを有することができる。図1及び図2には、相互にセル密度が異なる2つのセル密度領域MH、MLを有するモノリス基材Mが例示されている。構成の図示を省略するが、3つ以上のセル密度領域MH、MLを形成することも可能である。
セル密度は、単位面積あたりのセルM3の個数で表される。セル密度は、セル壁M2の形成ピッチを変えること等により、変更可能である。外皮M1や後述の境界壁M4に面するセルM3は、形状が他のセルM3とは異なり、不完全な形状になる傾向がある。これら不完全な形状のセルは、セル密度の算出に用いない。
図1及び図2に例示されるモノリス基材Mは、各セル密度領域MH、ML内のセル密度は一定であり、相対的にセル密度の高い高セル密度領域MH及び相対的にセル密の低い低セル密度領域MLを有する。モノリス基材Mは、径方向Yの中心Oを含む領域に高セル密度領域MHを有し、その径方向Yの外方に低セル密度領域MLを有する。つまり、高セル密度領域MLをモノリス基材Mの径方向Yの中心O側に配置し、低セル密度領域MLをモノリス基材Mの径方向Yの外皮側に配置することができる。なお、構成の図示を省略するが、各セル密度領域MH、ML内のセル密度を変化させることもできる。この場合には、例えば径方向Yの中心Oから外皮M1に向けてセル密度を小さくすることができる。
高セル密度領域MHと低セル密度領域MLにおけるセル壁M2の厚みは、それぞれ同じであっても異なっていてもよい。好ましくは、低セル密度領域MLにおけるセル壁M2の厚みを高セル密度領域MHよりも厚くすることが好ましい。この場合には、モノリス基材Mのキャニング時等における破損を防止することができる。
セル壁M2の厚みは、例えば0.05〜0.2mmの範囲で調整することができる。好ましくは0.05〜0.12mmである。
隣り合うセル密度領域MH、ML同士の間には、両者を隔てる境界壁M4を形成することができる。図1及び図2の例示にされるモノリス基材Mは、高セル密度領域MHと低セル密度領域MLとの間に円筒状の境界壁M4を有している。境界壁M4の形状は、四角筒、六角筒、八角筒などの角筒状であってもよい。
境界壁M4の厚みは、例えば0.1〜0.5mmの範囲で調整することができる。好ましくは、0.1〜0.3mmである。モノリス基材Mの強度を高めるという観点から、境界壁M4の厚みは、セル壁M2よりも大きいことが好ましい。具体的には、高セル密度領域MH及び低セル密度領域MLのいずれのセル壁M2よりも、境界壁M4の厚みが大きいことが好ましい。
モノリス基材Mは、セラミックス製であり、全体が一体的に形成されている。モノリス基材Mは、例えば、コージェライト、SiC、チタン酸アルミニウム、アルミナ、セリア−ジルコニア、ゼオライト、ムライト等からなる。これらの混合材料からなっていてもよい。熱膨張係数が小さく、高温環境下における耐熱性に優れるという観点からは、コージェライトが好ましい。
コージェライトからなるモノリス基材Mの製造には、一般に、コージェライト化原料を含む坏土が用いられる。このような坏土を押出成形することでハニカム構造の成形体が製造されている。欠陥を発生させずに成形体を得るためには、押出成形の際に、押出方向と直交する面内で押出流速を均一化させることが理想条件となる。しかし、例えばハニカム構造の成形体を構成するセル壁の厚みが異なる場合のように、内部のセル仕様が異なる成形体を成形する際には、流速の均一化が困難になる傾向がある。そこで、押出速度を面内で均一化させる制御板を用いることにより、流速の均一化が可能になり、成形不良を抑制できる。
モノリス基材Mは、図3〜図10(a)に例示されるように、モノリス成形用金型D及び流速制御板1を用いて坏土を成形し、成形体を焼成することにより製造される。以下に金型Dについて説明する。
金型Dは、図3に例示される押出面D2と、図4に例示される坏土流入面D1とを有する。押出面D2は、坏土がハニカム形状に押し出される面である。坏土流入面D1は、坏土が流入する面である。坏土流入面D1と押出面D2とは、例えば板状の金型の相互に反対の面である。
図3、図5に例示されるように、押出面D2には、格子状溝部D4が形成されている。一方、坏土流入面D3には、図4及び図6に例示されるように、坏土が流入する坏土流入穴D3が多数形成されている。坏土流入穴D3は、例えば格子状溝部D4の交点に形成することができる。坏土流入穴D3と格子状溝部D4は、金型D内において相互に連通している。なお、金型Dの押出面D2を示す図5においては、格子状溝部D4に連接する坏土流入穴D3は本来図示されないが、説明の便宜のため坏土流入穴を破線にて示す。
格子状溝部D4は、モノリス基材Mの格子状のセル壁M2に対応するように形成されている。つまり、格子状溝部D4から押し出された坏土により、セル壁M2が形成される。
金型Dは、内部の坏土流速が相対的に低速な低流速領域DLと高速な高流速領域DHとを有する。低流速領域DLには、モノリス基材Mにおける上述の高セル密度領域MHのセル壁M2を形成するための格子状溝部D4が形成されている。低流速領域DLにおける格子状溝部D4のことを第1格子状溝部D41という。一方、高流速領域DHには、モノリス基材Mにおける上述の低セル密度領域MLのセル壁M2を形成するための格子状溝部D4が形成されている。高流速領域DHにおける格子状溝部D4のことを第2格子状溝部D42という。
つまり、第1格子状溝部D41は、モノリス基材Mの高セル密度領域MHにおけるセルピッチの狭いセル壁M2を形成するための溝部であり、第2格子状溝部D42は、低セル密度領域MLにおけるセルピッチの広いセル壁M2を形成するための溝部である。図5に例示されるように、第1格子状溝部D41のピッチ幅p1は、例えば第2格子状溝部D42のピッチ幅p2よりも小さくすることができる。ピッチ幅p1、p2は、格子間隔p1、p2ということもできる。また、第1格子状溝部D41の溝幅d1は、例えば第2格子状溝部D42の溝幅d2よりも小さくすることができる。
押出面D2の低流速領域DLと高流速領域DHとの間には、押出面D2に開口する筒状溝部D5が形成されている。筒状溝部D5は、低流速領域DLと高流速領域DHとを隔てる。筒状溝部D5は、図1及び図2の例示にされるモノリス基材Mにおける円筒状の境界壁M4を形成するための溝である。
図4及び図6に例示されるように、金型Dの坏土流入面D1には、多数の坏土流入穴D3が形成されている。金型Dの坏土流入穴のことを以下適宜「流入穴」という。流入穴D3は、坏土流入面D1から金型Dの厚み方向における所定の深さまで形成されており、金型内部で格子状溝部D4に連接している。流入穴D3は、坏土流入面D1に開口している。なお、金型Dの坏土流入面D1を示す図6においては、坏土流入穴D3に連接する格子状溝部D4、筒状溝部D5は本来図示されないが、説明の便宜のため格子状溝部D4、筒状溝部D5を破線にて示す。
流入穴D3の径は、適宜調整することができるが、例えば0.5〜2.0mmである。なお、本明細書において、径は特に断らない限り直径である。穴は、通常円形穴であるが、多角形穴、不定形穴でもよい。多角形穴、不定形穴の径は、同面積の円の直径のことである。円形穴の縁形状は、真円だけでなく、外観上円形であれば楕円形などを含む概念である。
金型Dの低流速領域DLには、第1格子状溝部D41に連接する複数の流入穴D3が形成されている。低流速領域DLにおける流入穴D3のことを第1流入穴D31という。また、高流速領域DHには、第2格子状溝部D42に連接する複数の流入穴D3が形成されている。高流速領域DHにおける流入穴D3のことを第2流入穴D32という。
第1流入穴D31と第2流入穴D32とは、径が同じであっても異なっていてもよい。両者の径が異なる場合には、高流速領域DHの第2流入穴D32の径を低流速領域DLの第1流入穴D31の径よりも大きくすることが好ましい。この場合には、金型D内における坏土の流量のばらつきをより小さくすることができる。また、この場合には、金型Dの坏土流入面D1に当接して用いる後述の流速制御板1の坏土流動穴14の径が小さくなりすぎることを防止できる。後述のように制御板1の坏土流動穴14は、例えば金型Dの高流速領域DHにおける第2流入穴D32よりも小径にするからである。
次に、流速制御板1について説明する。図7〜図11に例示されるように、制御板1は、金型Dの坏土流入面D1に重ね合わせて用いられる。つまり、制御板1は、金型Dとの当接面を有する。
制御板1は、基板11と坏土流動穴14と位置決め機構19とを備える。基板11は、坏土供給面12及び坏土が流出する坏土流出面13を有する。坏土供給面12は、基板11に坏土が流入する側の面であり、坏土流出面13は、基板11から坏土が流出する面である。坏土供給面12と坏土流出面13とは基板11の相互に反対の面である。坏土流出面13が上述の金型Dとの当接面である。
坏土流動穴14は、基板11を厚み方向に貫通する。坏土流動穴14は多数形成される。制御板の坏土流動穴のことを、以下適宜「流動穴」という。流動穴14は、金型Dの流入穴D3と対応する位置に形成される。つまり、制御板1と金型Dとを重ね合わせたときに、制御板1の流動穴14と金型Dの流入穴D3とが連通するように流動穴14を形成することできる。例えば流動穴14の中心と流入穴D3の中心とが同軸的に配置されるように、流動穴14を形成することができる。
流動穴14は、すべての流入穴D3と連通させる必要はなく、例えば金型Dにおいて坏土の流速を制御したい領域と対応する領域に流動穴14を形成することができる。図7〜図10(a)、図11に例示されるように、流動穴14は、金型Dの高流速領域DHにおける流入穴D32に対応する位置に形成することができる。制御板1において、坏土の流速を制御し、複数の流動穴14が形成された領域を流速制御領域A1という。
具体的には、制御板1は、金型Dの高流速領域DHに対応する領域に、多数の流動穴14が形成された流速制御領域A1を有することができる。つまり、金型Dと制御板1とを重ね合わせたときに、金型Dの高流速領域DHと制御板1の流速制御領域A1とが重なり合い、高流速領域DHの流入穴D32と流速制御領域A1の流動穴14とが連通するように、流速制御領域A1を形成することができる。
これに対し、金型Dの低流速領域DLに対応する領域には流動穴を介することなく金型Dに坏土を供給できる流速非制御領域A2を形成することができる。流速非制御領域A2は、図7〜図9、図11に例示されるように、例えば制御板1を貫通する大径穴15によって形成することができる。
図11においては、流速制御板1における流速制御領域A1をハッチングにより示し、ハッチングのない領域が流速非制御領域A2である。また、金型Dと制御板1との一体品を坏土供給面12から見た図11では、坏土供給面12からは本来見えない第2流入穴D32、格子状溝部D4、筒状溝部D5を破線にて示してある。図11に例示されるように、流速制御領域A1は、流動穴14とその周囲にある流動穴の非形成領域とからなる。流速制御領域A1は、例えば大径穴15からなる流速非制御領域A2を除いた領域ということができる。
大径穴15は、流速制御領域A1に形成された流動穴14に比べて径が十分大きい。つまり、大径穴15は、この穴内を通過する坏土の流速にほとんど影響を与えないほど十分大きな径を有する。大径穴15の径は、金型の低流速領域DL、筒状溝部D5などに応じて決定されるが、例えば40〜300mmである。
大径穴15は、円形穴であってもよいが、例えば後述の実施形態3に例示するように、円形でなくてもよい。大径穴15は、例えばモノリス基材Mの境界壁M4を形成するための金型Dの筒状溝部D5に沿うように形成することができる。
図11に例示されるように、例えば大径穴15を筒状溝部D5より小さな径で形成することにより、筒状溝部D5を流速制御板1の流速制御領域A1により完全に覆うことができる。また、大径穴15を筒状溝部D5よりも大きな径で形成することにより、筒状溝部D5を流速非制御領域A2内に配置させることも可能である。また、筒状溝部D5の一部が流速制御領域A1で覆われるとともに、残部が流速非制御領域A2内に配置されるように、大径穴15を形成することもできる。
流速非制御領域A2においては、制御板1の坏土供給面12から供給された坏土が大径穴15を通って坏土流出面13から金型Dに供給される。したがって、流速非制御領域A2において、坏土は、制御板1を通過する際に物理的抵抗をほとんど受けず、流速がほとんど低下することなく金型Dに供給される。
図10(a)及び図11に例示されるように、流速制御領域A1に形成される流動穴14は、坏土流出面13において、金型Dの坏土流入面D1における流入穴D3よりも小径である。つまり、図10(a)に例示されるように、制御板1の坏土流出面13の開口部における流動穴14の径Φ1と、金型Dの坏土流入面D1の開口部における流入穴D3の径Φ2とが、Φ1<Φ2の関係を満足する。
そのため、坏土の流入によって制御板1や金型Dが変形し、制御板1の流動穴14と金型Dの流入穴D3との間で位置ずれが生じたとしても、穴同士が干渉し合うことを防止できる。また、たとえ金型Dの穴加工精度が悪くても、穴同士が干渉し合うことを防止できる。
その結果、流動穴14と流入穴D3との連通部において干渉によって穴が小さくなることを防止できる。これにより、金型Dにおいて坏土の流速が不均一になることを防止し、モノリス基材Mの成形不良の発生を抑制できる。
これに対し、図10(b)に例示されるように、制御板9の坏土流動穴94と同じ場合には、穴加工精度が悪い場合や、坏土の流動抵抗によって金型Dや制御板9に変形が生じた場合などにより、穴同士が干渉し合うことがある。つまり、制御板9の坏土流動穴94の中心軸と金型Dの流入穴D3の中心軸とがずれて、連通部において穴同士が干渉する場合がある。その結果、流速に不均一な部分が生じ、成形不良が発生するおそれがある。
また、図10(a)に例示されるように、制御板1の流動穴14を金型Dの流入穴D3よりも小径にすることにより、流動穴径が流入穴径と同じ場合や流動穴径が流入穴径に比べて大きい場合等に比べて、同一抵抗を負荷するための制御板1の板厚を小さくできる。そのため、坏土が供給されたときに制御板1が金型Dに追従し易くなる。その結果、制御板1と金型Dとの間に隙間が発生し、隙間から坏土が漏れ出ることを防止できる。
また、構成の図示を省略するが、制御板の流動穴が金型の流入穴の径に比べて大きい場合には、坏土が流動穴と流入穴との接続部を流れる際に、金型の坏土流入面において流入穴の周囲が磨耗するおそれがある。つまり、高価な金型が摩耗してしまう。これに対し、図10(a)に例示されるように、制御板1の流動穴14を金型Dの流入穴D3よりも小径にすることにより、連通部を坏土が流れる際の金型Dの磨耗を防止できる。
流動穴14の径は、金型Dの流入穴D3の径、金型Dにおける流入穴D3の中心座標の加工精度、及び制御板1における流動穴14自体の中心座標の加工精度、位置決め機構19の丸穴の径や中心座標、位置決め機構に挿入するピン径精度などに応じて決定される。流動穴14の径は例えば0.2〜1.9mmの範囲にすることができる。流動穴14の径は厚み方向に同じであっても異なっていてもよい。流動穴14の形成しやすさの観点から、同じであることが好ましい。
図7〜図9に例示されるように、制御板1は、流動穴14の中心と金型Dの流入穴D3の中心とを同軸的に配置することができる位置決め機構19を備える。この位置決め機構19としては、例えば位置決め穴191を用いることができる。
位置決め穴191は、制御板1と金型Dとを互いに組み合わせた時に、例えば金型Dにおける位置決め穴D9などの位置決め機構と対応するような位置に形成することができる。つまり、制御板1の位置決め穴191と金型Dの位置決め穴D9との中心軸をそろえて制御板1と金型Dとを重ね合わせたときに、制御板1の流動穴14の中心と金型Dの流入穴D3の中心とが同軸的に配置される。図9に例示されるように、制御板1の位置決め穴191と金型Dの位置決め穴D9とを連通させた状態で、ピン、ボルトなどの位置決め手段192を挿入して固定することができる。
図10(b)に例示されるように、制御板9の坏土流動穴94と同じ場合には、上述の位置決め機構19を有していたとしても、穴同士の干渉が起こりうる。図10(a)に例示されるように、流動穴14の径を流入穴D3よりも小さくすることにより、上述のように穴同士の干渉を防止できる。その結果、坏土の流速が不均一になることを防止し、成形不良の発生を防止できる。
次に、制御板1を用いたモノリス基材Mの製造方法について説明する。まず、モノリス基材Mを構成するための坏土を準備する。坏土は、焼成後に例えばコージェライトのような所望のセラミックスを生成する原料を含む。
図8及び図9に例示されるように、金型Dの坏土流入面D1に制御板1の坏土流出面13を当接させて金型Dと制御板1を重ね合わせて一体品とする。この状態で、図9に例示されるように、制御板1の位置決め穴191と金型の位置決め穴D9にボルトなどの位置決め手段192を挿入して、制御板1と金型Dとを固定する。また、押出面D2の高流速領域DHの外周には、モノリス基材Mの外皮M1を形成するための図示しない別冶具が設けられる。
押出機の先端に制御板1と金型Dとの一体品を配置し、坏土を押出成形する。流速制御板1の坏土供給面12から供給される坏土は、流速制御領域A1においては各流動穴14内を通過し、流速非制御領域A2においては大径穴15内を通過する。そして、流動穴14、大径穴15を通過した坏土は、金型Dの坏土流入面D1に至る。
流動穴14を通過する坏土は流動抵抗により流速が低下する。一方、大径穴15を通過する坏土は流速がほとんど低下しない。したがって、坏土の流速が高い金型Dの高流速領域DHには、制御板1の流動穴14により流速が低下した坏土が供給され、坏土の流速が低い金型Dの低流速領域DLには、流速がほとんど低下していない坏土が供給される。
その結果、高流速領域DHと低流速領域DLとで坏土の流速が均一化され、押出面D2から均一に坏土を押出すことができる。押出面D2の格子状溝部D4から押出されることにより、坏土がハニカム形状に成形される。なお、坏土を押出成形する際には、上述の別冶具により外皮も形成される。このようにしてモノリス成形体が得られる。
次いで、成形体をマイクロ波により乾燥させ、所望の長さに切断する。その後、成形体を所定温度で焼成する。これにより、図1及び図2に例示されるモノリス基材Mを得ることができる。
(実験例)
本例においては、流動穴14の径が異なる複数の制御板1をそれぞれ用いて坏土を押出成形して成形体を製造し、成形不良の発生を検討する。ここで、成形不良とは「成形体の曲がり」、「部分的に発生するセルヨレ」、「部分的に発生するセル壁の欠損」のことであると定義する。流動穴径が異なれば、セル密度の異なる部分の押出流速を全体で均一にするために求められる制御板1の厚みも異なる。そのため、本実験では、セル仕様の異なる部分において面内の押出平均流速差を均一化できる板厚を選定している。この「面内の押出平均流速差」は、後述の「平均成形速度差」と同義である。なお、本実験例以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
具体的には、まず、坏土流出面13における開口部分の流動穴14の径が異なる複数の制御板1を準備した。これらは、流動穴14の径と板厚を除いて互いに同様の構成である。
各制御板1を用いて実施形態1と同様に坏土の押出成形を行い、成形体を得た。この成形体のことを本例においては適宜「ワーク」という。このとき、金型Dの高流速領域DHと低流速領域DLから押出される坏土について、押出方向と直交方向の面内の最大速度差を測定した。この速度差のことを以下、「面内の最大成形速度差」という。セル仕様の異なる部分の平均成形速度差を一定にするための、各流動穴に対する必要板厚の算出方法及び、面内の最大成形速度差(単位:%)は、次のようにして測定した。
平均成形速度差や最大成形速度差を算出するための手法について説明する。成形速度差を計測するためのワークは、金型Dを出た直後にマイクロ波乾燥させたものを使用する。金型Dを出た直後のワークは、圧力負荷後60秒間程度原料を流動させたのち、金型Dから出た直後に一度手でちぎった状態となっている。これは、ワイヤー切断などを行うと、速度差に起因して発生する、出始めの段差が見えなくなるためである。本ワークを使用して、画像計測によって出始めに発生している段差を計測する。
平均成形速度差を算出する場合は、高セル密度領域を構成している面内の平均流速と、低セル密度領域を構成している面内の平均流速とを比較して算出した。本実験では、流動穴毎にこの平均成形速度差が0になる板厚を明確にしている。また、境界壁となるつなぎ目部分、具体的にはつなぎ目の内側にセル欠損が発生した場合は、坏土流速が部分的に0になっていると判断し、最大成形速度差を100%とした。
最大成形速度差を算出する場合は、面内の最大流速と最小流速とを比較して算出した。なお、いずれの場合も画像計測によって得られた段差の値を用い、流速へ換算は、ワークを採取した際に要した押出時間を用いて行った。その結果を図12及び図13に示す。
図12において縦軸は、平均成形速度差を0にするための板厚を示し、横軸は制御板1の坏土流出面13における流動穴14の径を示す。図13において縦軸は面内の成形速度差を示し、横軸は制御板1の坏土流出面13における流動穴14の径を示す。また、図12及び図13における横軸の括弧内の数字は、径比率ΦRを表す。径比率ΦRは、金型Dの流入穴の径Φ2に対する制御板1の流動穴14の径Φ1の比率である。つまり、ΦR=Φ1/Φ2である。
図13より知られるように、径比率ΦRが0.38以上、0.88以下の場合には、最大成形速度差が非常に小さく、坏土の流速を均一にすることができる。そのため、成形不良の発生が防止されていた。図14(a)に例示されるように、坏土の流速が不均一になりやすい高セル密度領域MHと、低セル密度領域MLとの境界、つまり境界壁M4の周囲においても成形不良の発生を防止できる。
これに対し、径比率ΦRが0.38未満の場合には、金型Dへの坏土流入量が不足し、押出方向に連続的に形成されるべきセル壁M2が不連続に途切れた状態となるササクレという欠陥がおこるおそれがある。その結果、図14(b)に例示されるように、部分的にセル壁M2が欠損するという成形不良を起こすおそれがある。図14(b)においては、欠損部分を符号M2Lにて示す。
一方、径比率ΦRが0.88を超える場合にも、制御板1の流動穴14と金型Dとの流入穴D3とが干渉し合う部分において坏土量が不足し、上述のササクレ欠陥が起こるおそれがある。また、この場合には、穴同士が干渉し合う部分と他の部分との間で、金型Dの押出面D2から押出される坏土に流速差が生じるおそれがある。この流速差が大きくなると、坏土が押出方向から部分的に傾斜して押出される。
その結果、図14(c)に例示されるように、モノリス基材Mの軸方向Xが水平方向から少なくとも部分的に傾斜し、モノリス基材Mに反りという成形不良が発生するおそれがある。モノリス基材の反りは、曲がりと呼ばれることもある。
また、径比率が0.88を超えてさらに大きくなる場合には、上述のササクレ欠陥、反りなどの成形不良の他に、図14(d)に例示されるように、セル壁M2が変形し、セルが潰れるという成形不良が生じるおそれがある。セル壁M2の変形は、制御板1から金型Dへの坏土流入量が過多になり、金型Dにおいて流速を低く制御すべき高流速領域DHの流速が低流速領域DLより高くなることにより起こりうる。
以上のように、本例によれば、成形不良の発生をより一層防止という観点から、金型Dの流入穴D3と制御板1の流動穴14との径比率ΦRは0.38〜0.88であることが好ましいことがわかる。
(実施形態2)
本形態では、流動穴の坏土供給面側の開口部にテーパを設けた流速制御板について図15を参照して説明する。図15に例示されるように、流動穴14には拡径部141を形成することができる。
拡径部141は、流動穴14の径が坏土供給面12に向けて大きくなる部分である。流動穴14は、坏土流出面13から坏土供給面12に向けて所定の領域まで例えば所定の径にて形成される。坏土供給面12付近では坏土供給面12に向けて流動穴14の径が拡大する傾斜によって拡径部141を形成することができる。その他の構成は、実施形態1と同様にすることができる。
坏土供給面12側に拡径部141を有する場合には、制御板1の摩耗による坏土流速の変動の抑制に寄与する。つまり、拡径部141を有する制御板1は、より長期間にわたって金型Dにおける坏土流量のばらつきを緩和できる。この理由は次の通りである。
制御板1は、流動穴14の入側圧損が高いため、坏土供給面12がセラミックス原料を含む坏土によって摩耗しやすい。上記のように、坏土供給面12に拡径部141を形成すると、摩耗する部分があらかじめ意図的に削り取られることとなる。これにより、摩耗による意図しない流速変動を防ぐことができる。
つまり、拡径部141により、制御板1の摩耗量が減り、長期的な摩耗による流速変動を防止できる。テーパ状の拡径部141は、流動穴14の内部から坏土供給面12に向けて径が大きくなる部分として説明できるが、坏土供給面12から穴内部に向けて径が小さくなるという観点からは縮径部と表現することもできる。
制御板1の板厚方向に対する拡径部141の形成幅は、特に限定されるわけではないが、拡径部141を含む流動穴14の全長に対して、例えば20%以下にすることができる。制御板1が坏土に十分な抵抗を負荷できるという観点、面取り加工により拡径部141を形成する際に加工時間を低減できるという観点からは5%以下が好ましい。また、拡径部141の形成効果を十分に得るという観点から、上述の流動穴14の全長に対する拡径部141の形成幅は、1%以上が好ましく、10%以上がより好ましい。その他の構成、効果は実施形態1と同様である。
以上のように、制御板1の坏土供給面12に拡径部141を形成することにより、制御板1の摩耗による流速変動が抑制され、より長期にわたる坏土流速の均一化が可能になる。したがって、より長期にわたって成形不良を抑制できる。
(実施形態3)
本形態では、金型と重ね合わせたときに、金型の流入穴を分断することなく流速非制御領域内に露出させた流速制御板について図16〜図18を参照して説明する。
図16に例示されるように、制御板1を金型Dに重ね合わせた状態において、制御板1の流速制御領域A1と流速非制御領域A2との境界151が金型Dの流入穴D3を分断せず、流入穴D3が流速非制御領域A2内に露出するように、境界151の形状を調整することが好ましい。例えば、大径穴15の穴形状を調整すればよい。境界151が例えば金型Dの流入穴D3同志の中間を通るように、大径穴15を形成することができる。
この場合には、境界151において金型Dの流入穴D3が流速制御板1によってふさがれることを防止できる。つまり、制御板1を金型Dに重ね合わせた状態において金型Dの流入穴D3が、完全にその穴形状を保持したまま、制御板1の例えば大径穴15からなる流速非制御領域A2内に配置される。
したがって、境界151において大径穴15の縁が流入穴D3と重なり、流速制御領域A1における流動穴14が形成されていない領域によって流入穴D3を塞ぐことを防止できる。これにより、制御板1の流速非制御領域A2と金型の流入穴D3との干渉を防止できる。その結果、これらの干渉によって起こりうる流入穴D3内への坏土流量の低下を防止し、流速が不均一になることをさらに一層防止できる。
上述のように金型Dの流入穴3の穴形状を完全に保持したまま流入穴3を流速非制御領域A2内に配置させる具体的手段としては、図16に例示されるように流速制御領域A1と流速非制御領域A2との境界151を例えば階段状にすることができる。図16の例示においては、境界151は相互に直交する辺の連続構造によって形成されているが、必ずしも直交する必要はなく、階段状は、外観上階段状であればその他の類似形状を含む概念である。
流速制御領域Aと流速非制御領域A2との境界151の位置は、金型Dの筒状溝部D5に対して適宜変更できる。図16の例示においては、制御板1を金型Dに重ね合わせたときに、境界151が筒状溝部D5と重なる位置に配置されるように形成されている。つまり、階段状の境界151が筒状溝部D5に沿って形成されている。そして、境界151は筒状溝部M5を分断し、筒状溝部M5の一部が流速非制御領域A2内に配置され、残部が流速制御領域A1内に配置される。
図16の例示においては、金型Dと制御板1とを重ね合わせた状態において、金型Dの低流速領域DL内のすべての流入穴D31は、制御板1の流速非制御領域A2内に配置される。一方、高流速領域DH内のすべての流入穴D32は、制御板1の流速制御領域A内に配置される。
また、図17に例示されるように、制御板1を金型Dに重ね合わせたときに、境界151が、金型Dの筒状溝部D5よりも高流速領域DH側に配置されるように境界151を形成してもよい。具体的には、金型Dの高流速領域DHにおける多数の流入穴D32のうち、筒状溝部D5に近接する流入穴D32aが制御板1の流速非制御領域A2内に配置されるように境界151を形成することができる。境界151を高流速領域DH側で例えば階段状に形成すればよい。筒状溝部D5に近接する流入穴D32aよりも外側の流入穴D32は流速制御領域A1内に配置される。筒状溝部D5は流速非制御領域A2内に配置される。
この場合にも、境界151において金型Dの流入穴D3が流速制御板1によってふさがれることを防止できる。これにより、制御板1の流速非制御領域A2と金型の流入穴D3との干渉を防止できる。その結果、これらの干渉によって起こりうる流入穴D3内への坏土流量の低下を防止し、流速が不均一になることをさらに一層防止できる。
好ましくは、図18に例示されるように、制御板1を金型Dに重ね合わせたときに、境界151が、金型Dの筒状溝部D5よりも低流速領域DL側に配置されるように境界151を形成することがよい。具体的には、金型Dの低流速領域DLにおける多数の流入穴D31のうち、筒状溝部D5に近接する流入穴D31aが制御板1の流速制御領域A1内に配置されるように境界151を形成することができる。境界151を高流速領域DH側で例えば階段状に形成すればよい。筒状溝部D5は流速制御領域A1内に配置される。
この場合にも、境界151において金型Dの流入穴D3が流速制御板1によってふさがれることを防止できる。これにより、制御板1の流速非制御領域A2と金型の流入穴D3との干渉を防止できる。その結果、これらの干渉によって起こりうる流入穴D3内への坏土流量の低下を防止し、流速が不均一になることをさらに一層防止できる。
また、この場合には、図18に例示されるように、金型Dの低流速領域DLにおいて筒状溝部D5に近接する流入穴D31aが制御板1の流速制御領域A1内に配置される。流入穴31aよりも内側の流入穴D31は、流速非制御領域A2内に配置される。
したがって、図18に例示されるように、流入穴D31a内への坏土の流入量が制御板1の流速制御領域A1によって抑制されて流入穴D31aの流速が過小になるように見える。しかし、流入穴D31aは、筒状溝部5に近接するため、そもそも流速が大きな筒状溝部D5の影響を受けて流速がやや大きくなる傾向にある。そのため、流入穴D31a内の坏土の流速は過小にならず、他の流入穴D3と同程度に均一化される。したがって、より一層流速の均一化が可能になる。
以上のように、流速制御領域A1と流速非制御領域A2との境界151の形状及び位置を調整することにより、坏土の流速をより一層均一にすることができる。つまり、金型Dと制御板1とを重ね合わせた際に、流速制御領域A1と流速非制御領域A2との境界151が金型Dの流入穴D3を分断することなく、流入穴D3がその穴形状を保持できるように境界151を例えば階段状に形成することが好ましい。また、境界151が、金型Dの筒状溝部D5よりも低流速領域DL側に配置されるように境界151を形成することがより好ましい。金型Dの低流速領域DLにおいて筒状溝部D5に近接する流入穴D31aが制御板1の流速制御領域A1内に配置され、筒状溝部D5に近接する流入穴D31aよりも内側の流入穴D31が流速非制御領域A2内に配置されるように境界151を形成することがさらに好ましい。
(実施形態4)
本形態は、外皮内のセル密度が均一なモノリス基材を製造する金型に用いる制御板について、図19〜図23を参照して説明する。本形態の制御板は、図19に例示されるように、セル密度が均一なモノリス基材Mの製造に用いられる。モノリス基材Mは、境界壁がなく、セル密度が均一である点を除いて、実施形態1と同様の構成にすることができる。モノリス基材Mは、図20〜図23に例示されるように、金型D及び流速制御板1を用いて坏土を成形し、成形体を焼成することにより製造される。
金型Dは、図20に例示される押出面D2と、図21に例示される坏土流入面D1とを有する。押出面D2は、所定の格子間隔をあけて形成された格子状溝部D4有し、低流速領域、高流速領域、及び筒状溝部が形成されていない点を除いては、実施形態1と同様の構成することができる。坏土流入面D1は、実施形態1と同様に、格子状溝部に連接する多数の流入穴D3を有している。その他の構成は、実施形態1と同様にすることができる。
図22及び図23に例示されるように、制御板1は、複数の坏土流動穴14が形成された流速制御領域A1と大径穴15からなる流速非制御領域A2とを有する。大径穴15は、実施形態1よりもさらに大きな径を有する。流速制御領域A1における坏土流動穴14は、図示しない別冶具によって形成される外皮を形成するための溝に坏土を供給するための流入穴D3に連通するように形成されている。その他の構成は実施形態1と同様にすることができる。
本形態においても、実施形態1と同様に、制御板1の流出面13における流動穴14の径を金型Dの流入面D1における流入穴D3よりも小径にすることができる。これにより、流動穴14と流入穴D3との干渉が抑制され、坏土の流速を均一にすることができる。
つまり、制御板1は、実施形態1〜3のように、セル密度が異なる複数の領域を有するモノリス基材を製造するための金型だけでなく、セル密度が一定のモノリス基材を製造するための金型に対しても適用することができる。
本発明は上記各実施形態、実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば実施形態4と実施形態2とを組み合わせたり、実施形態4と実施形態3とを組み合わせたりすることも可能である。
1 流速制御板
11 基板
12 坏土供給面
13 坏土流出面
14 坏土流動穴
19 位置決め機構

Claims (10)

  1. 坏土流入面(D1)に開口する複数の坏土流入穴(D3)と、上記坏土流入穴に連接すると共に押出面(D2)に開口する格子状溝部(D4)とを有するモノリス成形用金型(D)の上記坏土流入面に重ね合わせて用いられる流速制御板(1)であって、
    上記坏土が供給される坏土供給面(12)及び上記坏土が流出する坏土流出面(13)を有する基板(11)と、
    上記基板を厚み方向に貫通する複数の坏土流動穴(14)と、
    上記流速制御板の上記坏土流動穴の中心と上記モノリス成形用金型の上記坏土流入穴の中心とを同軸的に配置させるための位置決め機構(19)とを、備え、
    上記基板の上記坏土流出面における上記坏土流動穴は、上記モノリス成形用金型の上記坏土流入面における上記坏土流入穴よりも小径であり、
    上記モノリス成形用金型の上記坏土流入穴の径Φ2に対する上記流速制御板の上記坏土流動穴の径Φ1の比率である径比率ΦRが、0.38以上、0.88以下である、流速制御板。
  2. 上記坏土流動穴は、上記坏土供給面に向けて径が大きくなる拡径部(141)を有する、請求項1に記載の流速制御板。
  3. 上記モノリス成形用金型は、内部の坏土流速が相対的に低速な低流速領域(DL)と高速な高流速領域(DH)とを有し、上記流速制御板は、上記金型に重ね合わせたときに上記高流速領域に対応する領域に複数の上記坏土流動穴が形成された流速制御領域(A1)を有し、上記低流速領域に対応する領域には上記坏土流動穴を介することなく上記金型に坏土を供給する流速非制御領域(A2)を有している、請求項1又は2に記載の流速制御板。
  4. 上記流速非制御領域(A2)が、上記モノリス成形用金型の上記低流速領域に対応する領域に形成された上記流速制御板を貫通する大径穴によって形成された、請求項3に記載の流速制御板。
  5. 上記モノリス成形用金型の上記低流速領域は、上記坏土流入穴として複数の第1流入穴(D31)を有し、上記格子状溝部として上記第1流入穴に連接する第1格子状溝部(D41)を有し、上記高流速領域は、上記坏土流入穴として上記第1流入穴よりも径の大きな複数の第2流入穴(D32)を有し、上記格子状溝部として上記第1格子状溝部よりも格子間隔が大きな第2格子状溝部(D42)を有し、上記第1格子状溝部と上記第2格子状溝部との境界には、上記押出面に開口する筒状溝部(D5)が形成されている、請求項3又は4に記載の流速制御板。
  6. 上記流速制御板を上記モノリス成形用金型に重ね合わせたときに、上記流速制御板における上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界(151)が上記モノリス成形用金型の上記坏土流入穴を分断することなく該坏土流入穴が上記流速非制御領域内に露出するように、上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界が形成されている、請求項5に記載の流速制御板。
  7. 上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界(151)が階段状である、請求項6に記載の流速制御板。
  8. 上記流速制御板を上記モノリス成形用金型に重ね合わせたときに、上記流速制御板の上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界が上記モノリス成形用金型の上記筒状溝部よりも上記低流速領域側に配置されるように、上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界が形成されている、請求項6又は7に記載の流速制御板。
  9. 上記流速制御板を上記モノリス成形用金型に重ね合わせたときに、上記流速制御板の上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界が上記モノリス成形用金型の上記筒状溝部よりも上記高流速領域側に配置されるように形成されている、請求項6又は7に記載の流速制御板。
  10. 上記流速制御板を上記モノリス成形用金型に重ね合わせたときに、上記流速制御板の上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界が上記モノリス成形用金型の上記筒状溝部と重なる位置に配置されるように、上記流速制御領域と上記流速非制御領域との境界が形成されている、請求項6又は7に記載の流速制御板。
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