JPH10249968A - セラミック螺旋ハニカム構造体及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 触媒担体用としての他、特に高温での集塵や
脱煙用として利用できる独特な形状をしたセラミック螺
旋ハニカム構造体を提供する。 【構成】 未焼成セラミックシートに、多数の正多角形
または円形の孔が正方または六方対称に規則的に配列し
た図形の開孔部を設け、この多数枚を、各孔の中心がそ
れぞれ一定の曲率円周に沿って移動するように開孔部図
形を回転することなく順次僅かずつずらし積み重ねて積
層成形体とし、これを焼成して一体化することにより、
多数の隣接するハニカム状貫通孔が総てそれぞれ互いに
一定間隔を保ちながら螺旋状に湾曲した、新しい特異な
機能を持つセラミック螺旋ハニカム構造体が製造でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業状の利用分野】本発明は、高性能の触媒担体用セ
ラミックハニカムとしての他、特に高温排ガス中の微粒
子物質に対して集塵や脱煙の機能を持つ独特な形状のセ
ラミック螺旋ハニカム構造体に関わる。

【０００２】

【従来技術】従来、自動車用触媒担体などに使用されて
いるセラミックハニカム体は、アルミナ、コーディエラ
イト等のセラミック坏土を押し出し成形し焼成すること
によって製造され、ハニカム体の貫通孔は専ら直線的の
もののみであった。従って、触媒とガスとの接触を充分
に保つためには貫通孔は比較的小さくて長くする必要が
あり、燃焼炉などの排ガスに対する使用では排ガス中に
含まれる粉塵等により担持させた触媒が短期間に劣化す
る欠点があった。

【０００３】また最近では、燃焼炉の煙突などから排出
される黒煙や粉塵の飛散が環境汚染として問題となって
いるが、従来これらの微粒子の除去にはサイクロン、バ
ッグフィルター、電気集塵機などが使用されていた。し
かし、一般に超微細な微粒子物質の除去は極めて困難で
あり、サイクロンでは捕集できず、バッグフィルターな
どは短時間に目詰まりしてその効力を失い、また電気集
塵機は大規模となりコストがかかりすぎるなど、それぞ
れ致命的な欠点があった。またやディーゼルエンジンか
らの黒煙の除去の問題も切実な要望にもかかわらず適切
な解決の方法がない状態であり、ハニカム体の貫通孔を
入り口及び出口のところで交互に孔を閉じて、多孔質の
貫通孔内壁を濾過膜として利用する方法が試みられてい
た。当然この構造もバッグフィルターと同様内壁全体が
短時間で目詰まりし、付着堆積した煤を常時酸化燃焼し
て除去する必要があった。

【０００４】

【解決課題】本発明は、これらの問題を根本的に解決す
るもので、触媒担体としては微粒子を含む排ガスに対し
て長期間に亘り触媒活性を保つことができ、しかも排ガ
ス中の煙などの微粒子物質を極めて効率的にかつ比較的
長時間効果的に除去する機能を持つセラミックハニカム
構造体を提供するものである。

【０００５】

【解決手段】このため本発明は、多数の隣接するハニカ
ム貫通孔が総てそれぞれ互いに一定間隔を保ちながら螺
旋状に湾曲していることを特徴とする特殊な形状のセラ
ミック螺旋ハニカム構造体を創案し、これを工業的規模
で大量に生産する方法を案出したものである。即ち、セ
ラミック粉末のシート状または薄板成形物に、多数の正
多角形または円形の孔が正方または六方対称に規則的に
配列した図形の開孔部を設け、このセラミック成形物多
数枚を、各孔の中心がそれぞれ一定の曲率円周に沿って
移動するように開孔部図形を回転することなく順次僅か
ずつずらし、開孔部の積層により形成される貫通孔が総
て螺旋状に湾曲したハニカム積層体とし、これを焼成し
てセラミック部分を焼結一体化することを特徴とするも
のである。

【０００６】

【具体的構成】本発明のセラミック螺旋ハニカム構造体
の製造に於て、セラミック粉末の薄板またはシート状の
成形物としては、セラミック配線回路基板の製造に用い
られるドクターブレード法により精密なサイズのセラミ
ックグリーンシートが得られる他、セラミック粉末のス
ラリーに各種セルローズなどを混入して抄紙法や圧延法
などによりセラミック成分の多い紙またはシートを製造
し、これを裁断して利用することができる。セラミック
スの材質としては、コーディエライト、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓ
ｉＣ、その他目的に応じ各種の耐熱セラミック粉末が使
用可能である。これらのセラミックシート状成形物に設
けられる正方または六方対称に規則的に配列した多数の
正多角形または円形の孔は、連続的な打ち抜き加工法に
より極めて簡単に達成される。

【０００７】図１に、楕円形の外形枠１の中に正六角形
の孔２が六方対称に配列した開孔部図形を形成したそれ
ぞれ異る４枚のシートの例を示した。これらは３２枚の
積層を一組とする内の４枚で、３は下から数えてその１
枚目、４はその９枚目、５はその１７枚目、及び６はそ
の２５枚目である。シート毎にこの開孔部図形はそれぞ
れ外形枠１に対する相対位置が異なり、これらのシート
を外形枠を一致させて３２枚積層した場合、開孔部図形
は回転することなく下から順次僅かずつずれて正六角形
孔２の中心７がそれぞれ一定曲率の旋回円周８に沿って
時計回りに旋回するような配列となり、各孔の連結によ
って螺旋状のハニカム貫通孔が形成される。このような
開孔部図形の相対的なずれは、グリンシートと打ち抜き
プレス型の相対位置をコンピュータ制御によって僅かず
つずらすことによって容易に達成することができる。

【０００８】図２は上記の３２枚のシートを積層した場
合に形成されるハニカム貫通孔の任意の一個を上面から
見た透視図である。開孔部図形上の総ての正六角形孔は
それぞれ同じ透視図を描き、総ての正六角形孔は互いに
接触することがないので、正六角形孔の積層連結から生
ずる個々の貫通孔は総てそれぞれ隔壁を介して隣接する
ことになる。図３は実際にこれを積層した場合、多数の
正六角形孔がそれぞれ形成する螺旋ハニカム貫通孔の形
状を、また図４は開孔部図形の任意の正六角形孔の中心
７が積層によって描く軌跡の形状で、いずれも斜めから
透視的に示した。なお図３及び図４ではシート１６枚で
正六角形孔の中心が一旋回する場合を示している。

【０００９】このような開孔部図形を持つセラミックグ
リンシートは、図形中の各孔の中心が整数回の旋回を起
こすように多数枚積層され、脱脂、焼結など、一般的方
法によってセラミック部分を一体化し、単位のセラミッ
ク螺旋ハニカム構造体が製造される。実際にエンジンや
煙突などに使用する場合には、目的や規模に応じて、こ
れらは単独で、あるいは更に直列または並列に接合して
必要箇所に装着または設置される。

【００１０】本発明セラミック螺旋ハニカム構造体は、
多数の貫通孔がそれぞれ螺旋状に湾曲するので、これを
燃焼排ガスの通路に設置すると、排ガスは螺旋状貫通孔
を通過する際、セラミックス壁に沿って旋回を強いられ
ることになる。従って、ガスはその流速の２乗と螺旋の
旋回曲率半径の逆数に比例するサイクロン的な遠心力を
受けて貫通孔内壁に衝突し、排ガス中に含まれる油煙、
粉塵などの微粒子はガスとの比重差により分離して内壁
に付着する。

【００１１】図５はこの説明図で、ある任意の一個の正
六角形孔２は、それと隣接する正六角形孔１２と共に、
それぞれその中心７および１７が旋回円周８および１８
に沿って螺旋を描いて積層するので、そこを通過する気
流は太矢印方向にサイクロン的な遠心力を受ける。サイ
クロンに比べてこの旋回曲率半径は非常に小さいので遠
心力はかなり大きくなり、微細な粉塵や煙の微粒子も螺
旋状貫通孔の太矢印方向（図では左方向）の壁に衝突し
て付着するようになる。各正六角形孔の中心７および１
７が旋回円周８および１８に沿って９０度進んだ（上方
に移動）段階では、太矢印方向も図に示すように９０度
方向を変える。即ちサイクロンと同様遠心力の方向は常
に螺旋の旋回の外周側に向かい、従って微細な粉塵や煙
が衝突付着する壁面は螺旋状貫通孔において常に螺旋外
周側の壁面であり、反対側の壁面には殆ど付着しない。
隣接する他の正六角形孔２２および３２でも同様とな
り、ハニカムの総ての貫通孔で同様な付着が起こる。

【００１２】また本発明セラミック螺旋ハニカム構造体
のセラミック部分が緻密化していない多孔質セラミック
スである場合には、上記に説明したサイクロン的な作用
の他に、さらに特異な作用がこれに追加される。即ち貫
通孔を通過する気流自体もそれぞれ太矢印方向に遠心力
を受け、貫通孔内でいくらか圧縮を受ける側の壁面（即
ち旋回の外周側）と反対側の幾らか負圧となる壁面（旋
回の内周側）が発生する。しかも総ての貫通孔は隔壁を
介して隣接し、ほぼ同様の条件となるので、同時に総て
の貫通孔隔壁の両側に正負の圧力差が発生する。図５の
場合では、隣接する正六角形孔２と１２の間で、螺旋旋
回の１８０度毎に隔壁の両側の圧力正負が反転し、透過
するガスの流れは１２←２から１２→２と方向を変え
る。この結果、隣接する螺旋状貫通孔の間で気体の一部
が場所を変えて隔壁を通過することになり、隔壁が濾過
体としても作用し、比較的軽い油煙など微粒子の隔壁へ
の付着が増大し、気流中の微粒子の分離が一層効果的と
なるのである。このような微粒子分離のフィルター的な
作用とサイクロン的な作用との割合はセラミック隔壁の
気孔率と気孔サイズによって左右される。

【００１３】螺旋状貫通孔の旋回の曲率半径は小さいほ
ど遠心力が大きく作用するので、なるべく旋回円を小さ
くし、一般に貫通孔の口径の約半分よりいくらか大きい
程度が望ましい。さらに、入り口の旋回半径が大きく、
次第に出口の旋回半径が小さくなる渦巻き螺旋状とすれ
ば、遠心力の作用は出口に向かって次第に強くなり、分
離し難い微粒子が出口付近で付着するようになり、貫通
孔内壁の入り口から出口にかけて比較的均一に付着させ
る効果が期待できる。また前述したように、単位のセラ
ミック螺旋ハニカム構造体を数個直列に接合して使用す
る場合には、一層複雑な制御が可能で、入り口に近い単
位の螺旋ハニカム構造体は材質を緻密な焼結セラミック
とし、出口に近い単位の螺旋ハニカム構造体は螺旋の旋
回半径を小さく、また材質を多孔質の通気性のある焼結
セラミックとすることによって、入り口付近では比較的
粗粒子が、また出口付近では極めて微細な粒子も付着し
て除去することが可能となる。

【００１４】本発明のセラミックハニカム構造体は、他
の集塵装置に比べて極めて小型となり、また通常のセラ
ミックス技術によって比較的安価に製造可能であり、場
合によっては使い捨てが可能である。また縦断面は全て
通常のハニカム構造のものと同じようになるので、セラ
ミックスの占める空間断面積を非常に小さくすることが
でき、ガス通過に対する抵抗、即ち圧力損をバッグフィ
ルターなどの濾過材に比較して著しく小さく保つことが
できる。

【００１５】また本発明のセラミック螺旋ハニカム構造
体を触媒担体として使用する場合、排ガスは旋回衝突に
よって触媒に接触する機会が多くなり、比較的大きく短
い貫通孔のハニカム構造体によっても高い触媒効率を発
揮することができる。また排ガス中に微粒子粉塵や油煙
を含む場合には、それらが遠心力の影響を受けて、貫通
孔壁面の旋回の外周側に優先的に付着堆積するので、そ
の反対側の内周側の壁面の触媒は排ガス中の粉塵で汚染
され難く、長期に触媒活性の劣化を防ぐ特長も発揮でき
る。

【００１６】大量の固体粉塵が排出される大型の燃焼装
置の場合には、サイクロン除去装置を経た後に本発明セ
ラミックハニカム構造体を設置することが望ましい。サ
イクロンで除去できない極めて微粒子も本発明セラミッ
クハニカム構造体では除去が可能であるが、必要に応じ
て蓄積物は適宜除去清掃する必要がある。しかしディー
ゼルエンジンなど、脱煙のみに利用する場合には、その
まま全体を適宜加熱して油煙などの可燃物を酸化燃焼焼
失させて、連続使用することが可能である。塵埃焼却炉
等では、煙の発生は一時的であり、本セラミックハニカ
ム構造体は煙発生時にそれを付着堆積し、煙が発生しな
い時には付着した油煙は燃焼焼失するので、清掃除去作
業は必ずしも必要としない。

【００１７】以下、実験室的な実施例に従って、本発明
の製造方法を説明するが、本発明はこれに限定されるも
のではない。

【００１８】

【実施例】セラミック原料として市販のコーディエライ
ト組成配合粉末を使用した。これは１３００℃で焼成し
て見掛けの気孔率が約１５％、熱膨張係数が２．２×１
０^−６程度の焼結体となるものである。この粉末に約２
０ｗｔ％の綿繊維を加え、水と共に２４時間湿式ボール
ミル粉砕混合を行い、篩上に抄紙して、熱さ約０．７ｍ
ｍの未焼成セラミックシートを成形した。このシートは
半乾燥状態では可撓性があり、ポンチなどにより容易に
孔開けができる。これを３２枚、図１とほぼ同様の楕円
形の外形枠及び開孔部図形に裁断し、シート面にシート
と同様の綿繊維を含むスラリーを塗布して積層し一体化
して、高さ約４ｃｍの、図３に示すものとほぼ同様の形
状を持つ螺旋状ハニカム構造体を成形した。この成形物
を電気炉中で約１３００℃で焼成し、多孔質コーディエ
ライトの螺旋ハニカム構造体が得られた。

【００１９】

【発明の効果】以上、本セラミック螺旋ハニカム構造体
は、その特殊な構造により、触媒担体として効率及び寿
命の増大のほか、耐熱性の集塵器または脱煙装置として
も独特の効用を持つので、一般的用途の他、特に塵埃焼
却炉燃焼室出口付近、ディーゼルエンジン車の排気口付
近、などに設置すれば、不完全燃焼ガス、火の粉、煙、
臭気などの排出量を著しく低下させることができ、燃焼
排ガスによる環境汚染の防止に極めて役立つものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】シートの開孔部図形の形状変化の例を示す平面
図である。

【図２】３２枚のシートを積層した場合に形成される螺
旋状ハニカム貫通孔の任意の一個を上面から見た透視図
である。

【図３】グリンシートの積層により形成される螺旋状ハ
ニカム貫通孔を斜めから見た透視図である。

【図４】任意の正六角形孔の中心が積層によって描く軌
跡の斜めから見た透視図である。

【図５】は貫通孔を通過する気流に働く遠心力の作用の
説明図である。

【符号の説明】

１ グリンシートの楕円形外形枠 ２ 正六角形
孔の任意の一個 ３ ３２枚の積層の１枚目 ４ ３２枚の
積層の９枚目 ５ ３２枚の積層の１７枚目 ６ ３２枚の
積層の２５枚目 ７ 正六角形孔の中心 ８ 中心７の
旋回円周 １２ ２に隣接する正六角形孔 １７ １２の中
心 １８ 中心１７の旋回円周

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ２８Ｂ 11/00 Ｂ３２Ｂ 18/00 Ａ Ｂ３２Ｂ 18/00 Ｂ２８Ｂ 11/00 Ｚ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の隣接するハニカム状貫通孔が総て
   それぞれ互いに一定間隔を保ちながら螺旋状に湾曲して
   いることを特徴とするセラミック螺旋ハニカム構造体。
2. 【請求項２】 セラミック粉末のシート状または薄板成
   形物に、多数の正多角形または円形の孔が正方または六
   方対称に規則的に配列した図形の開孔部を設け、このセ
   ラミック成形物多数枚を、各孔の中心がそれぞれ一定の
   曲率円周に沿って移動するように開孔部図形を回転する
   ことなく順次僅かずつずらし、開孔部の積層により形成
   される貫通孔が総て螺旋状に湾曲したハニカム積層体と
   し、これを焼成してセラミック部分を焼結一体化するこ
   とを特徴とするセラミック螺旋ハニカム構造体の製造方
   法。