KR20130135929A - 밀봉된 하니컴 구조체 - Google Patents

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KR20130135929A
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아키라 다카하시
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Abstract

압력 손실의 증가를 억제할 수 있음과 아울러, 그 내구성을 양호하게 향상시키는 것이 가능한 밀봉된 하니컴 구조체를 제공한다. 유입측 끝면으로부터 유출측 끝면(12)까지 연장되는 유입 셀(2a) 및 유출 셀(2b)을 구획 형성하는 다공질의 격벽(1)을 갖는 하니컴 구조체(4)와, 유출측 밀봉부(5b)와, 유입측 밀봉부를 구비하고, 적어도 하나의 유출 셀(2b)은 셀(2)이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽(1)이 교차하는 적어도 하나의 코너부(21a)에 유출 셀(2b)을 보강하는 보강부(6)가 형성된 보강 셀(22)이고, 유입 셀(2a)은 셀(2)이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽(1)이 교차하는 모든 코너부(21)에 보강부(6)가 형성되지 않은 비보강 셀(23)인 밀봉된 하니컴 구조체(100).

Description

밀봉된 하니컴 구조체{SEALED HONEYCOMB STRUCTURE}
본 발명은 밀봉된 하니컴 구조체에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 압력 손실의 증가를 억제할 수 있음과 아울러 그 내구성을 양호하게 향상시키는 것이 가능한 밀봉된 하니컴 구조체에 관한 것이다.
디젤 엔진 등의 내연 기관이나 각종 연소 장치 등으로부터 배출되는 가스에는 그을음(soot)을 주체로 하는 입자형 물질(파티큘레이트 매터(PM))이 다량으로 포함되어 있다. 이 PM이 그대로 대기 중에 방출되면 환경 오염을 일으키기 때문에 배출 가스의 배기계에는 PM을 포집하기 위한 디젤 파티큘레이트 필터(DPF)가 탑재되어 있다.
이러한 DPF로는, 예를 들면, 유체(배기 가스, 정화 가스)의 유로가 될 복수 개의 셀을 구획 형성하는 다공질의 격벽을 갖는 하니컴 구조체가 사용되고 있다. 이와 같이 하니컴 구조체는 유체(정화 가스)의 유출측의 끝면의 소정의 셀(유입 셀)의 개구부와 유체(배기 가스)의 유입측 끝면의 나머지 셀(유출 셀)의 개구부에 셀의 개구부를 밀봉하기 위한 밀봉부가 설치되어, 밀봉된 하니컴 구조체(하니컴 필터)로서 사용된다.
상기 밀봉된 하니컴 구조체에서는, 유입 셀로부터 배기 가스를 유입시키면 배기 가스가 격벽을 통과할 때 배기 가스 중의 파티큘레이트가 격벽에 포집되어 파티큘레이트가 제거된 정화 가스가 유출 셀로부터 유출된다.
종래 하니컴 구조체의 격벽의 교차점에 생기는 과대한 열 충격이나 기계적 충격으로 인한 파손을 방지하기 위해, 적어도 일부의 유로(셀)의 축 방향에 직교하는 단면 형상이, 일측의 대향하는 모퉁이부에 대략 원호형의 R부를 갖는 세라믹 하니컴 구조체가 제안된 바 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 또한, 다공질의 격벽에 의해 구획 형성된 셀의 코너부에 필릿(fillet)을 형성하고, 셀의 보강을 행한 하니컴 구조체도 제안된 바 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조). 이러한 하니컴 구조체에 의하면, 격벽의 교차 부분의 두께가 두꺼워져 기계적 강도(즉, 내구성)를 향상시킬 수 있다.
특허문헌1: 일본 특허 공개 2003-269131호 공보 특허문헌2: 일본 특허 공표 2009-532197호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1에 기재된 하니컴 구조체는, 모든 셀의 코너부에 원호형의 R부를 형성하기 때문에 유체가 통과하는 유로의 용적이 현저하게 감소하게 된다. 그 결과, 배기 가스에 포함되는 재(Ash)의 퇴적의 관점에서 밀봉된 하니컴 구조체의 내구성이 저하되어 버리게 된다.
또한, 특허 문헌 1 및 2에 기재된 하니컴 구조체에서는, 유체가 유입되는 유입 셀에도 보강이 행해지기 때문에 유로의 용적(특히, 유체가 유입되는 측의 용적)이 감소한다. 따라서, 필터로서 실질적으로 기능하는 여과면의 면적이 감소되어, 밀봉된 하니컴 구조체의 압력 손실이 증가해 버린다.
나아가, 보강부를 형성함으로써 밀봉된 하니컴 구조체의 질량도 당연히 증가하기 때문에 과잉으로 보강부를 형성하는 것은 밀봉된 하니컴 구조체의 성능면에 있어서 불이익을 발생시킬 수가 있다. 예를 들면, 밀봉된 하니컴 구조체의 질량이 증가하면, 배기 가스 등의 정화에 필요한 온도에 도달할 때까지의 시간이 증가하여 배기 가스의 정화 성능을 해치게 된다. 또한, 상기 정화 성능을 유지하기 위해 배기 가스의 온도를 상승시키는 것도 생각할 수 있는데, 이러한 경우에는 자동차 등의 내연 기관 연료 소비량(연비)이 악화되어 버린다.
즉, 종래의 하니컴 구조체에서는, 단순히 하니컴 구조체의 강도를 향상시키는 것을 목적으로 하여 전술한 바와 같은 보강부를 형성하는 것은 행해지고 있었으나, 보강부를 형성하여 내구성을 향상시킴으로써 압력 손실이나 정화 성능 등의 필터로서의 다른 특성이 희생이 되었다. 특히, 하니컴 구조체의 강도 향상과 압력 손실의 증가 억제는 종래 이율 배반의 관계에 있다고 여겨져 양자를 동시에 해결하기는 매우 어려운 것으로 여겨지고 있었다.
본 발명은 전술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 유체가 유입되는 셀(유입 셀)의 용적을 충분히 확보함으로써 압력 손실의 증가를 억제할 수 있음과 아울러 그 내구성을 양호하게 향상시키는 것이 가능한 밀봉된 하니컴 구조체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 이하에 개시하는 밀봉된 하니컴 구조체가 제공된다.
[1] 유입측 끝면으로부터 유출측 끝면까지 연장되는 유체의 유로가 될 복수 개의 셀을 구획 형성하는 다공질의 격벽을 갖는 하니컴 구조체와, 상기 유출측 끝면의 소정의 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유입측 끝면이 개구되고 상기 유출측 끝면이 밀봉된 유입 셀을 형성하는 유출측 밀봉부와, 상기 유입측 끝면의 나머지 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유출측 끝면이 개구되고 상기 유입측 끝면이 밀봉된 유출 셀을 형성하는 유입측 밀봉부를 구비하고, 상기 유출 셀 중 적어도 하나의 셀은, 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 상기 유출 셀을 보강하는 보강부가 형성된 보강 셀이고, 상기 유입 셀은, 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 상기 유입 셀을 보강하는 보강부가 형성되고, 상기 유입 셀이 보강된 코너부의 수가 상기 유출 셀이 보강된 코너부의 수보다 적은 밀봉된 하니컴 구조체.
[2] 유입측 끝면으로부터 유출측 끝면까지 연장되는 유체의 유로가 될 복수 개의 셀을 구획 형성하는 다공질의 격벽을 갖는 하니컴 구조체와, 상기 유출측 끝면의 소정의 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유입측 끝면이 개구되고 상기 유출측 끝면이 밀봉된 유입 셀을 형성하는 유출측 밀봉부와, 상기 유입측 끝면의 나머지 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유출측 끝면이 개구되고 상기 유입측 끝면이 밀봉된 유출 셀을 형성하는 유입측 밀봉부를 구비하고, 상기 유출 셀 중 적어도 하나의 셀은, 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 상기 유출 셀을 보강하는 보강부가 형성된 보강 셀이고, 상기 유입 셀은 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 모든 코너부에 상기 보강부가 형성되지 않은 비보강 셀인 밀봉된 하니컴 구조체.
[3] 상기 보강 셀은 상기 보강부가 형성된 보강 코너부와 상기 보강부가 형성되지 않은 비보강 코너부를 포함하는 것인 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 밀봉된 하니컴 구조체.
[4] 상기 보강 셀은 상기 보강 셀의 모든 코너부에 상기 보강부가 형성된 것인 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 밀봉된 하니컴 구조체.
[5] 상기 유입 셀과 상기 유출 셀이 상기 격벽을 사이에 두고 교대로 배치되어 있는 상기 [1] 내지 [4]에 기재된 밀봉된 하니컴 구조체.
[6] 상기 유입 셀의 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 개구 형상과, 상기 유출 셀의 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 보강부가 제외된 개구 형상이 동일 형상인 상기 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 밀봉된 하니컴 구조체.
[7] 상기 보강부를 제외한 상기 격벽의 평균 두께에 대한, 상기 보강 셀의 상기 보강부의 표면으로부터 상기 보강 셀을 구획 형성하는 상기 격벽의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리의 비의 값이 1.5 내지 9.3인 상기 [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 밀봉된 하니컴 구조체.
[8] 각 상기 보강부는 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 보강부가 제외된 개구 부분의 면적의 0.05 내지 20%에 해당하는 범위를 차지하는 크기의 것인 상기 [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 기재된 밀봉된 하니컴 구조체.
본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체는, "유출측 끝면이 개구되고 유입측 끝면이 밀봉된 유출 셀" 중 적어도 하나의 셀이 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 유출 셀을 보강하는 보강부가 형성된 보강 셀이고, "유입측 끝면이 개구되고 유출측 끝면이 밀봉된 유입 셀"이 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 유입 셀을 보강하는 보강부가 형성되고, 유입 셀이 보강된 코너부의 수가 유출 셀이 보강된 코너부의 수보다 적거나, 혹은 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 모든 코너부에 상기 보강부가 형성되지 않은 비보강 셀이다. 따라서, 보강부가 형성되지 않은 유입 셀(즉, 비보강 셀)의 용적 및 이 유입 셀의 개구부의 면적을 충분히 확보할 수 있고, 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다. 한편, 압력 손실에 대한 영향이 상기 유입 셀에 비해 적은 유출 셀에는 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 보강부를 형성함으로써 밀봉된 하니컴 구조체의 내구성을 양호하게 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 밀봉된 하니컴 구조체를 기계적 강도가 뛰어난 것으로 할 수 있다.
특히, 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체는, 유입 셀과 유출 셀 모두에 보강부를 형성한 종래의 하니컴 구조체에 비해, 보강부가 유로에서 차지하는 용적이 절반 이하이되, 하니컴 구조체의 내구성은 상기 보강부의 용적 비율 이상의 비율로 향상시킬 수 있다. 또한, 밀봉된 하니컴 구조체에 생기는 열 응력이 최대가 되는 유출 셀의 보강부를 유입 셀의 보강부 보다 많이 형성하거나, 유출 셀만을 보강함으로써 밀봉된 하니컴 구조체의 질량의 과잉 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 밀봉된 하니컴 구조체를 내연 기관의 배기 가스 유로에 설치하여 사용한 경우에, 밀봉된 하니컴 구조체가 가열되기 쉽고, 배기 가스에 대한 정화 성능의 열화를 양호하게 억제할 수 있다. 덧붙여, 배기 가스의 온도에 의해 밀봉된 하니컴 구조체의 온도를 조정하는 경우라도, 밀봉된 하니컴 구조체가 가열되기 쉽기 때문에 자동차 등의 내연 기관의 연비의 악화를 억제할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체에 의하면, 종래 이율 배반의 관계에 있다고 여겨진 하니컴 구조체의 내구성 향상과 압력 손실의 증가 억제를 모두 만족시킬 수 있다. 또한, 정화 성능의 열화나 내연 기관의 연비의 악화도 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체는, 재(Ash)의 퇴적 용량의 악화가 일절 없어, 재(Ash)가 퇴적한 후의 압력 손실 상승 및 재(Ash)의 세정이나 배기 가스 정화 필터(예를 들면, DPF)의 교체 간격에 대해 영향을 주지 않고 하니컴 구조체의 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의 유입측 끝면을 확대하여 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의 유출측 끝면을 확대하여 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의, 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면을 확대하여 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의, 셀이 연장되는 방향에 평행한 단면을 도시한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 다른 실시 형태를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의, 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면을 확대하여 도시한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 또 다른 실시 형태의 유출측 끝면을 도시한 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 당업자의 통상의 지식에 의거하여 이하의 실시 형태에 대해 적당히 변경, 개량 등이 가해진 것도 본 발명의 범위에 들어가는 것이 이해되어야 한다.
(1) 밀봉된 하니컴 구조체:
도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태(밀봉된 하니컴 구조체(100))는, "유입측 끝면(11)으로부터 유출측 끝면(12)까지 연장되는 유체의 유로가 될 복수 개의 셀(2)을 구획 형성하는 다공질의 격벽(1)을 갖는 하니컴 구조체(4)"와, "유출측 끝면(12)의 소정의 셀의 개구부에 설치되어, 유입측 끝면(11)이 개구되고 유출측 끝면(12)이 밀봉된 유입 셀(2a)을 형성하는 유출측 밀봉부(5b)"와, "유입측 끝면(11)의 나머지 셀의 개구부에 설치되어, 유출측 끝면(12)이 개구되고 유입측 끝면(11)이 밀봉된 유출 셀(2b)을 형성하는 유입측 밀봉부(5a)"를 구비한 밀봉된 하니컴 구조체(100)이다.
유출 셀(2b) 중 적어도 하나의 셀은, 셀(2)이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽(1)이 교차하는 적어도 하나의 코너부(21a)에 유출 셀(2b)을 보강하는 보강부(6)가 형성된 보강 셀(22)이다. 또한, 유입 셀(2a)은 셀(2)이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽(1)이 교차하는 모든 코너부(21)에 상기 보강부(6)가 형성되지 않은 비보강 셀(23)이다.
즉, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체(100)는, 유체가 유입되는 유입 셀(2a)에는 상기 보강부(6)가 형성되어 있지 않으며, 예를 들면, 비교적 균일한 격벽 두께의 격벽(1)에 의해 셀이 구획 형성되어 있다. 밀봉된 하니컴 구조체(100)에 형성되는 유입 셀(2a) 모두가 이러한 비보강 셀(23)이다.
한편, 유체가 유출되는 유출 셀(2b) 중 적어도 하나의 셀에는 격벽(1)이 교차하는 적어도 하나의 코너부(21a)에 보강부(6)가 형성되어 있으며, 유출 셀(2b) 중 적어도 일부의 셀이 코너부(21a)가 보강된 보강 셀(22)로 되어 있다. 덧붙여, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에서는, 유출 셀(2b) 모두가 상기 보강 셀(22)일 수도 있고, 유출 셀(2b) 중 일부의 셀이 상기 보강 셀(22)이고, 보강 셀(22) 이외의 유출 셀(2b)이 유입 셀(2a)과 동일하게 보강부(6)가 형성되지 않은 비보강 셀일 수도 있다.
여기서, 도 1은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태를 모식적으로 도시한 사시도이다. 도 2는 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의 유입측 끝면을 확대하여 도시한 모식도이다. 도 3은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의 유출측 끝면을 확대하여 도시한 모식도이다. 도 4는 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의, 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면을 확대하여 도시한 모식도이다. 도 5는 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의, 셀이 연장되는 방향에 평행한 단면을 도시한 모식도이다.
본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체(100)는, 보강부(6)가 형성되지 않은 유입 셀(2a)(즉, 비보강 셀(23))의 용적 및 이 유입 셀(2a)의 개구부의 면적(여과 면적)을 충분히 확보할 수 있다. 따라서, 밀봉된 하니컴 구조체의 압력 손실의 증가를 양호하게 억제할 수 있다. 한편, 압력 손실에 대한 영향이 유입 셀(2a)에 비해 적은 유출 셀(2b)에는 격벽(1)이 교차하는 적어도 하나의 코너부(21a)에 보강부(6)를 형성함으로써 밀봉된 하니컴 구조체(100)의 내구성을 양호하게 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 밀봉된 하니컴 구조체(100)를 기계적 강도가 뛰어난 것으로 할 수 있다.
특히, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체(100)는, 유입 셀과 유출 셀 모두에 보강부를 형성한 종래의 하니컴 구조체에 비해, 보강부(6)가 유로(셀(2))에서 차지하는 용적이 절반 이하이되, 하니컴 구조체의 내구성은 상기 보강부(6)의 용적 비율 이상의 비율로 향상시킬 수 있다.
또한, 밀봉된 하니컴 구조체(100)에 생기는 열 응력이 최대가 되는 유출 셀(2b)만을 보강함으로써, 밀봉된 하니컴 구조체(100)의 질량의 과잉 증가를 억제할 수 있다. 따라서, 밀봉된 하니컴 구조체(100)를 내연 기관의 배기 가스 유로에 설치하여 사용한 경우에, 밀봉된 하니컴 구조체(100)가 가열되기 쉬워져 배기 가스에 대한 정화 성능의 열화를 양호하게 억제할 수 있다. 덧붙여, 배기 가스의 온도에 의해 밀봉된 하니컴 구조체(100)의 온도를 조정하는 경우라도, 밀봉된 하니컴 구조체(100)가 가열되기 쉽기 때문에 자동차 등의 내연 기관의 연비의 악화를 억제할 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체(100)는, 재(Ash)의 퇴적 용량의 악화가 일절 없어 재(Ash)가 퇴적한 후의 압력 손실 상승 및 재(Ash)의 세정이나 배기 가스 정화 필터(예를 들면, DPF)의 교체 간격에 대해 영향을 주지 않고 하니컴 구조체(4)의 강도를 향상시킬 수 있다.
"보강부"란 셀을 구획 형성하는 격벽이 교차하는 코너부에 배치되어, 하니컴 구조체의 실체 부분인 격벽의 강도(내구성)를 보강하는 부위를 말한다. 예를 들면, "보강부"는 격벽이 교차하는 코너부에 대해 상기 코너부를 보강하기 위해 별도로 설치된 별도의 부재(예를 들면, 오목부나 빔 등의 보강 부재)로 이루어지는 것일 수도 있다. 또한, "보강부"는 격벽이 교차하는 코너부가 미리 다른 코너부(예를 들면, 비보강 셀의 코너부나 보강 셀이라도 보강부가 형성되지 않은 코너부)와 다르도록 R 형상이나 C 형상 등의 두께로 형성된 부위일 수도 있다.
보강부가 코너부를 보강하기 위해 별도로 설치된 별도의 부재로 이루어지는 것인 경우에는, 하니컴 구조체의 제작 시에 있어서 임의의 형상의 보강부를 소정의 코너부에 설치할 수 있다. 따라서, 하니컴 구조체 성형용 구금(口金)의 형상과 무관하게 다채로운 보강 셀의 배리에이션을 구현할 수 있다. 한편, 보강부가 코너부가 두껍게 형성된 부위로 이루어지는 것인 경우에는, 하니컴 구조체의 제조 시(보다 구체적으로는, 하니컴 성형체의 성형 시)에 있어서 소정의 유출 셀(보강 셀)에 보강부를 형성할 수 있어, 보강부의 형성을 매우 간편하게 행할 수 있다.
"보강 셀"은 셀의 외주 부분에 형성되는 코너부 중 적어도 하나의 코너부가 상기 "보강부"에 의해 보강된 셀이다. 즉, "보강 셀"은 보강부가 형성된 보강 코너부와, 보강부가 형성되지 않은 비보강 코너부를 포함하는 것일 수도 있다. 또한, "보강 셀"은 보강 셀의 모든 코너부에 보강부가 형성된 것(즉, 모든 코너부가 보강 코너부인 것)일 수도 있다.
예를 들면, 보강 코너부와 비보강 코너부를 포함하는 보강 셀은 유출 셀의 용적의 감소를 억제할 수 있고, 압력 손실의 상승을 더 억제할 수 있다. 한편, 모든 코너부가 보강 코너부인 보강 셀은 밀봉된 하니컴 구조체의 내구성을 양호하게 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 보강 셀이 보강 코너부와 비보강 코너부를 갖는 것인 경우에는, 하니컴 구조체의 무게 중심(셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 무게 중심)으로부터 외주 방향을 향하는 직경 방향으로 셀의 코너부의 정점을 통과하는 가상 선을 그었을 때, "상기 코너부를 구성하는 두 개의 변이 상기 가상 선을 사이에 두고 배치되는 코너부"를 보강 코너부로 하고, 그 이외의 코너부(바꾸어 말하면, 코너부를 구성하는 두 개의 변이 상기 가상 선을 걸치지 않고 배치되는 코너부)를 비보강 코너부로 하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체(100)에 있어서, 하니컴 구조체(4)의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 원통 형상, 끝면이 타원형인 통 형상, 끝면이 "정사각형, 직사각형, 삼각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등"의 다각형인 각기둥형 등이 바람직하다. 도 1 내지 도 5에 도시한 하니컴 구조체(4)는 원통 형상인 경우의 예를 도시하고 있다. 또한, 도 1 내지 도 5에 도시한 하니컴 구조체(4)는 외주벽(3)을 가지고 있는데, 외주벽(3)을 갖지 않을 수도 있다. 외주벽(3)은 하니컴 구조체를 제작하는 과정에 있어서 하니컴 성형체를 압출 성형할 때 격벽과 함께 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 외주벽(3)은 세라믹 재료를 하니컴 구조체의 외주에 도공하여 형성한 것일 수도 있다.
본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에 사용되는 하니컴 구조체는, 예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같이, 유입측 끝면(11)으로부터 유출측 끝면(12)까지 연장되는 유체의 유로가 될 복수 개의 셀(2)을 구획 형성하는 다공질의 격벽(1) 및 격벽(1)을 둘러싸도록 설치된 외주벽(7)을 갖는 하니컴 세그먼트(8)를 복수 개 구비하고, 복수 개의 하니컴 세그먼트(8)가 서로의 측면끼리가 대향하도록 인접하여 배치된 상태에서 접합된 하니컴 구조체(4a)일 수도 있다.
도 6에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(110)는, 각 하니컴 세그먼트(8)의 유출측 끝면(12)의 소정의 셀의 개구부에 설치되어, 유입측 끝면(11)이 개구되고 유출측 끝면(12)이 밀봉된 유입 셀(2a)을 형성하는 유출측 밀봉부(5b)와, 각 하니컴 세그먼트(8)의 유입측 끝면(11)의 나머지 셀의 개구부에 설치되어, 유출측 끝면(12)이 개구되고 유입측 끝면(11)이 밀봉된 유출 셀을 형성하는 유입측 밀봉부(5a)를 구비하고 있다. 여기서, 도 6은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 다른 실시 형태를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 6에 도시한 바와 같은 소위 세그먼트 구조의 하니컴 구조체(4a)를 이용한 밀봉된 하니컴 구조체(110)에서도, 도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같은 소위 일체 구조의 하니컴 구조체(4)를 이용한 밀봉된 하니컴 구조체(100)와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 도 6에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(110)에서도 유출 셀(2b) 중 적어도 하나의 셀을 격벽(1)이 교차하는 적어도 하나의 코너부(21a)에 이 유출 셀(2b)을 보강하는 보강부(6)가 형성된 보강 셀로 하고, 유입 셀(2a)을 격벽(1)이 교차하는 모든 코너부(21)에 상기 보강부가 형성되지 않은 비보강 셀로 함으로써(예를 들면, 도 4 참조), 도 1 내지 도 5에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(100)와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.
세그먼트 구조의 하니컴 구조체를 사용하는 경우에는, 적어도 한 개의 하니컴 세그먼트(8)의 유출 셀에 상기 보강 셀을 형성할 수도 있고, 모든 하니컴 세그먼트(8)의 유출 셀에 상기 보강 셀을 형성할 수도 있다. 도 6에서는 모든 하니컴 세그먼트(8)의 유출 셀에 보강 셀을 형성한 경우의 예를 도시했다.
또한, 도 6에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(110)의 보강부로는, 도 1 내지 도 5에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(100)의 보강부(6)와 동일하게 구성된 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 상기에서는, 유입 셀(2a)의 모두가 비보강　셀(23)인 경우에 대하여 설명하였으나, 유입　셀(2a)로서는, 셀(2)이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽(1)이 교차하는 적어도 하나의 코너부(21)에 상기 유입 셀(2a)을 보강하는 보강부가 형성되고, 상기 유입 셀(2a)이 보강된 코너부의 수가 상기 유출 셀(2b)이 보강된 코너부의 수보다 적어지도록 구성할 수도 있다. 이 경우에 있어서도, 유입 셀(2a)의 모두가 비보강 셀(23)인 경우와 거의 동일한 작용 효과를 나타낼 수 있다.
"유입 셀"은 유출측 끝면의 셀의 개구부에 유출측 밀봉부가 설치된 셀이다. 이 유입 셀의 유입측 끝면의 개구부로부터 배기 가스 등의 유체가 유입된다. 한편, "유출 셀"은 유입측 끝면의 셀의 개구부에 유입측 밀봉부가 설치된 셀이다. 이 유출 셀에는 배기 가스 등의 유체가 직접 유입될 수는 없으며, 유입 셀에 유입된 유체가 격벽을 통과하여 유출 셀 내에 유입되고, 유출 셀의 유출측 끝면의 개구부로부터 유출된다. 유입 셀로부터 유출 셀로 유체가 이동할 때, 다공질의 격벽에 의해 유체 중의 입자형 물질이 포집된다.
유입 셀과 유출 셀의 배치, 바꾸어 말하면, 유출측 밀봉부와 유입측 밀봉부의 배치에 대해서는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 유입 셀과 유출 셀이 격벽을 사이에 두고 교대로 배치되는 것을 수도 있다. 또한, 유입 셀의 일부 혹은 유출 셀의 일부가 하니컴 구조체의 끝면의 한 곳에 집합되도록 배치된 것일 수도 있다. 단, 유체 중의 입자형 물질을 격벽에 의해 양호하게 포집한다는 관점에서는, 유입 셀과 유출 셀이 격벽을 사이에 두고 교대로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
셀의 형상(셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 개구 형상)은 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 셀의 형상은 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 형상이 바람직하다. 덧붙여, 상기 셀의 형상은 보강부가 형성된 셀에 대해서는 보강부가 제외된 상태의 형상이다. 또한, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에서는, 유입 셀의 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 개구 형상(이하, 단순히, "유입 셀의 개구 형상"이라고 할 수 있음)과, 유출 셀의 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 보강부가 제외된 개구 형상(이하, 단순히 "유출 셀의 개구 형상"이라고 할 수 있음)이 동일 형상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 유입 셀의 개구 형상과 유출 셀의 개구 형상이 동일 형상인 경우에는, 이 개구 형상으로는 예를 들면, 사각형, 육각형, 팔각형 등의 형상을 들 수 있다.
덧붙여, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에서는, 하니컴 구조체를 구성하는 격벽의 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 두께(이하, 단순히 "격벽의 두께"라고 할 수 있음)는 기본적으로 균일한 것으로 한다. "기본적으로 균일"이란 성형　시의 변형 등으로 인해 약간 격벽의 두께에 차이가 생긴 경우를 제외하고 격벽의 두께가 균일한 것을 의미한다. 즉, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에서는 의도적으로 격벽의 두께에 차이를 발생시키지는 않으며, 상기 단면에서 격벽의 두께는 균일한 것으로 한다. 예를 들면, 하니컴 구조체를 압출 성형하는 구금(금형)의 슬릿을 슬라이서 가공에 의해 제조한 경우에 상기 균일한 두께의 격벽이 구현된다. 그리고, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에서는, 본래 균일한 두께이어야 할 격벽에 있어서 그 격벽의 일부(특히 코너부)가 다른 부분에 비해 두껍게 형성되어 있는 부위를 보강부가 형성된 부위로 간주할 수 있다.
격벽의 두께는 127 내지 508㎛인 것이 바람직하고, 152 내지 483㎛인 것이 더욱 바람직하며, 152 내지 445㎛인 것이 특히 바람직하다. 127㎛보다 얇으면 밀봉된 하니컴 구조체의 강도가 낮아질 수 있다. 508㎛보다 두꺼우면 밀봉된 하니컴 구조체의 초기의 압력 손실이 높아질 수 있다.
격벽의 기공률은 25 내지 75%인 것이 바람직하고, 30 내지 65%인 것이 더욱 바람직하며, 35 내지 65%인 것이 특히 바람직하다. 기공률이 25%보다 작으면 밀봉된 하니컴 구조체의 초기의 압력 손실이 높아질 수 있다. 기공률이 75%보다 크면 밀봉된 하니컴 구조체의 강도가 낮아질 수 있다. 기공률은 수은 포로시미터(porosimeter)에 의해 측정한 값이다.
격벽의 평균 세공 직경은 6 내지 35㎛인 것이 바람직하고, 7 내지 30㎛인 것이 더욱 바람직하며, 7 내지 25㎛인 것이 특히 바람직하다. 평균 세공 직경이 6㎛보다 작으면 밀봉된 하니컴 구조체의 초기의 압력 손실이 높아질 수 있다. 평균 세공 직경이 35㎛보다 크면 밀봉된 하니컴 구조체의 강도가 낮아질 수 있다. 평균 세공 직경은 수은 포로시미터에 의해 측정한 값이다.
하니컴 구조체의 셀 밀도는, 특별히 제한되지 않으나, 15 내지 80개/cm2인 것이 바람직하고, 15 내지 62개/cm2인 것이 더욱 바람직하다. 셀 밀도가 15개/cm2보다 작으면 밀봉된 하니컴 구조체의 강도가 낮아질 수 있다. 셀 밀도가 80개/cm2보다 크면 셀의 단면적(셀이 연장되는 방향에 직교하는 단면의 면적)이 작아지기 때문에 압력 손실이 높아진다.
격벽 재료로는 세라믹이 바람직하고, 강도 및 내열성이 뛰어난 것에서 근청석(cordierite), 탄화 규소, 규소-탄화 규소계 복합 재료, 멀라이트(mullite), 알루미나, 티타늄산 알루미늄, 질화 규소 및 탄화 규소-근청석계 복합 재료로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이 더욱 바람직하다. 이들 중에서도 근청석이 특히 바람직하다.
보강부의 재료에 대해서는 특별히 제한은 없으나, 세라믹이 바람직하고, 상기 격벽의 바람직한 재료로 든 재료를 바람직하게 사용할 수 있다. 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에서는, 격벽의 열팽창 계수와 보강부의 열팽창 계수가 동일한 값 또는 근접한 값이 되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 격벽 재료와 보강부의 재료가 동일한 재료인 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 밀봉된 하니컴 구조체에 열응력이 가해져도 보강부가 하니컴 구조체로부터 벗겨지거나 보강부와 격벽과의 접합 부분이 파손되는 것을 방지할 수 있다. 덧붙여, 격벽과 보강부가 일체로 형성된 것인 경우에는, 격벽 재료와 보강부의 재료가 동일한 재료가 된다.
보강부의 크기는 유출 셀을 구획 형성하는 격벽의 적어도 하나의 코너부에 설치되고, 실질적으로 유출 셀의 개구 부분을 완전히 막지 않을 정도의 크기이면 특별히 제한은 없다. 단, 유출 셀의 개구 부분이 보강부에 의해 크게 막혀 버리면 압력 손실이 증가해 버린다. 따라서, 도 7에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에서는 "보강부(6)를 를 제외한 격벽(1)의 평균 두께(T)(이하, "격벽(1)의 평균 두께(T)"라고 할 수 있음)"에 대한, "보강 셀(22)(유출 셀(2b))의 보강부(6)의 표면으로부터 보강 셀(22)을 구획 형성하는 격벽(1)의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀(도 7에서는 지면의 대각선 상에 설치된 보강 셀(22))의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 비의 값(L/T)이 1.5 내지 9.3인 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써 압력 손실의 증가 억제와 내구성 향상을 균형 있게 구현할 수 있다. 도 7은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 일 실시 형태의, 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면을 확대하여 도시한 모식도이다.
여기서, "보강부(6)를 제외한 격벽(1)의 평균 두께(T)(이하, "격벽(1)의 평균 두께(T)"라고 할 수 있음)"에 대한, "보강 셀(22)의 보강부(6)의 표면으로부터 보강 셀(22)을 구획 형성하는 격벽(1)의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리(L)(이하, "격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"라고 할 수 있음)"의 비의 값(L/T)에 대해 설명한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 먼저, 보강부(6)가 형성되지 않은 부분의 격벽(1)을 따라 평행선(AB 및 CD)을 긋고, 그 평균 거리를 "격벽(1)의 평균 두께(T)"라고 한다. 또한, 평행선(AB 및 CD)의 교점을 각각 E, F, G, H라고 한다. 여기서, 측정 대상의 보강부(6x)에 가장 가까운 교점(교점(E))과, 격벽(1)의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀(도 7에서는 다른 셀도 보강 셀(22)이다)에 가장 가까운 교점(교점(F))을 지나도록 두 셀간의 거리를 측정한 길이를 "격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"라고 정의한다. 상기 방법에 의해 측정되는 "격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 값을 "격벽(1)의 평균 두께(T)"의 값으로 나눈 값이 상기 "비의 값(L/T)"이다.
도 7에서는, 측정 대상의 보강부(6x)를 갖는 보강 셀(22)과, 격벽(1)의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀이 모두 보강 셀(22)인 경우를 도시하고 있는데, 예를 들면, 보강부(6x)의 배치에 따라서는 격벽(1)의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀이 비보강 셀(23)인 경우나, 보강 셀(22)이라도 격벽의 코너부에 보강부를 가지고 있지 않은 경우도 있다. 이러한 경우에도, 전술한 방법에 의해 "비의 값(L/T)"을 구할 수 있다.
"격벽(1)의 평균 두께(T)"에 대한 "격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 비의 값(L/T)이 1.5 미만이면 보강부에 의한 내구성 향상의 효과를 충분히 얻을 수 없을 수가 있다. 한편, "격벽(1)의 평균 두께(T)"에 대한 "격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 비의 값(L/T)이 9.3을 초과하면, 보강 셀(22)의 개구 면적이 과도하게 감소하여 압력 손실이 과잉으로 증가해 버릴 수가 있다. 또한, 9.3을 초과해도 내구성이 더 향상되기 어렵고, 압력 손실이 증가하는 비율이 증가해 버릴 수가 있다. 한편, 상기 비의 값(L/T)은 1.5 내지 8인 것이 더욱 바람직하며, 1.5 내지 7인 것이 특히 바람직하다.
덧붙여, 본 실시 형태의 하니컴 구조체의 비보강 셀은 격벽이 교차하는 코너부에 보강부가 형성되지 않은 것이다. 단, 의도적으로 보강부를 형성하지 않는 비보강 셀이라도, 하니컴 구조체를 압출 성형하는 구금의 마모 등으로 인해 보강부를 형성하지 않았을 터인 코너부에 매우 약간의 두께 부분이 생길 수가 있다. 따라서, 본 실시 형태의 하니컴 구조체에서는, 상기 비의 값(L/T)을 측정했을 때 그 값이 1.5 미만인 경우에 대해서는 보강부가 형성되지 않은 코너부로 한다. 덧붙여, 예를 들면, 개구 부분의 형상이 정사각형인 셀에서, 코너부에 전혀 보강부가 형성되지 않고, 의도하지 않는 두께 부분도 형성되지 않은 경우에는 상기 비의 값(L/T)은 1.41이 된다.
또한, 각 보강부(한 개의 보강부)는 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 보강부가 제외된 개구 부분의 면적의 0.05 내지 20%에 해당하는 범위를 차지하는 크기의 것임이 바람직하다. 보강부가 차지하는 면적이 개구 부분의 면적의 0.05% 미만이면, 보강부에 의한 보강 효과가 충분히 발현하지 않을 수가 있다. 또한, 보강부가 차지하는 면적이 개구 부분의 면적의 20%를 초과하면, 예를 들면, 사각형의 셀의 네 개의 코너부 모두에 보강부가 형성된 경우, 보강 셀의 개구 면적이 과도하게 작아져 밀봉된 하니컴 구조체의 압력 손실이 증가해 버릴 수가 있다. 한편, 각 보강부의 크기는 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 보강부가 제외된 개구 부분의 면적의 0.1 내지 12%에 해당하는 범위를 차지하는 크기의 것임이 더욱 바람직하고, 0.4 내지 5%에 해당하는 범위를 차지하는 크기의 것임이 특히 바람직하다.
또한, 각 보강부는 보강 셀의 유입측 끝면으로부터 유출측 끝면까지의 전 영역에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 밀봉된 하니컴 구조체의 길이 방향 전체의 내구성을 양호하게 향상시킬 수 있다.
지금까지 설명한 보강부는 유출 셀 중 적어도 하나의 셀에 형성되고, 게다가 이 하나의 셀 중 적어도 하나의 코너부에 형성되어 있으면 되는데, 예를 들면, 유출 셀의 전 개구 면적(총합 면적)에 대한 보강부의 총 점유 면적(총합 면적)의 비율이 0.1 내지 22%인 것이 바람직하고, 0.1 내지 15%가 더욱 바람직하며, 0.1 내지 11%가 특히 바람직하다. 덧붙여, "유출 셀의 전 개구 면적"이란, 보강 셀 및 비보강 셀에 관계없이, 모든 유출 셀의 개구 면적의 총합을 의미하고, "보강부의 총점유 면적"이란, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체에 형성된 모든 보강부의 점유 면적의 총합을 의미한다.
또한, 예를 들면, 도 8에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(120)와 같이 셀(2)의 단면 형상이 정사각형이고, 하니컴 구조체의 외주면에 직교하는 셀의 대각선(P)(구체적으로는, 대각선의 연장선)을 중심으로 하여 10 내지 60°의 좁은 각 내(예를 들면, 도 8 의 선(Q)과 선(R)에 낀 범위 내)의 유출 셀(2b)이 보강 셀(22)로 되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 밀봉된 하니컴 구조체(120)의 내구성을 양호하게 향상시킬 수 있다. 도 8은 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체의 또 다른 실시 형태의 유출측 끝면을 도시한 모식도이다. 덧붙여, 도 8에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(120)에서, 도 1 내지 도 5에 도시한 밀봉된 하니컴 구조체(100)와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
(2) 밀봉된 하니컴 구조체의 제조 방법:
본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체의 제조 방법에 대해 설명한다. 먼저, 하니컴 구조체를 제작하기 위한 부토를 조정하고, 이 부토를 성형하여 하니컴 성형체를 제작한다(성형 공정). 이 성형 시에 있어서, 얻어지는 밀봉된 하니컴 구조체에서 유출 셀이 될 셀의 적어도 일부에 보강부를 형성하고, 보강된 하니컴 성형체를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 성형 시에 있어서는, 셀에 보강부를 형성하지 않고 하니컴 성형체를 얻은 후에, 하니컴 성형체, 하니컴 성형체를 건조한 하니컴 건조체 또는 하니컴 건조체를 소성한 하니컴 구조체 중 어느 하나에 보강부를 형성할 수도 있다. 구체적인 방법에 대해서는 후술하는 각 공정에서 더 상세하게 설명한다.
또한, 하니컴 성형체를 제조하는 시점에서, 밀봉된 하니컴 구조체로서 사용할 때의 유입측 끝면과 유출측 끝면을 결정해 두는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체는 유입측 끝면과 유출측 끝면에서(바꾸어 말하면, 유입 셀과 유출 셀에서) 셀의 형상(즉, 보강부의 유무)이 서로 다르기 때문에, 미리 기둥 형태의 하니컴 성형체의 방향성을 결정해 두는 것이 바람직하다.
다음, 얻어진 하니컴 성형체(또는, 필요에 따라 행해진 건조 후의 하니컴 건조체)를 소성하여 하니컴 구조체를 제작한다(하니컴 구조체 제작 공정). 성형 시에 보강부를 형성하지 않은 경우에는, 소성 전후 중 어느 하나에서 유출 셀이 될 셀의 적어도 일부, 또는 유출 셀 및 유입 셀이 될 셀의 적어도 일부에 보강부를 형성한다.
다음, 하니컴 성형체의 유입측 끝면의 소정의 셀의 개구부 및 유출측 끝면의 나머지 셀의 개구부에 밀봉을 실시하여, 유입측 밀봉부 및 유출측 밀봉부를 형성한다(밀봉 공정). 이와 같이 하여 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체를 제조할 수 있다. 이하, 각 제조 공정에 대해 더 상세하게 설명한다.
(2-1) 성형 공정:
먼저, 성형 공정에서는, 세라믹 원료를 함유하는 세라믹 성형 원료를 성형하여 유체의 유로가 될 복수 개의 셀을 구획 형성하는 하니컴 성형체를 형성한다.
세라믹 성형 원료에 함유되는 세라믹 원료로는, 근청석화 원료, 근청석, 멀라이트, 알루미나, 티타니아, 탄화 규소 및 티타늄산 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하고, 근청석화 원료, 근청석, 멀라이트, 알루미나, 티타니아, 탄화 규소 및 티타늄산 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종인 것이 더욱 바람직하며, 근청석화 원료, 근청석, 멀라이트, 알루미나, 티타니아, 탄화 규소 및 티타늄산 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 1종인 것이 특히 바람직하다. 덧붙여, 근청석화 원료란, 실리카가 42 내지 56질량%, 알루미나가 30 내지 45질량%, 마그네시아가 12 내지 16질량%의 범위에 들어가는 화학 조성이 되도록 배합된 세라믹 원료로서, 소성되어 근청석이 되는 것이다.
또한, 이 세라믹 성형 원료는 상기 세라믹 원료에 분산매, 유기 바인더, 무기 바인더, 조공재, 계면 활성제 등을 혼합하여 조제하는 것이 바람직하다. 각 원료의 조성비는 특별히 한정되지 않으며, 제작하고자 하는 하니컴 구조체의 구조, 재질 등에 맞춘 조성비로 하는 것이 바람직하다.
세라믹 성형 원료를 성형할 때에는, 먼저 성형 원료를 혼련하여 배토로 하고, 얻어진 배토를 하니컴 형상으로 성형하는 것이 바람직하다. 성형 원료를 혼련하여 배토를 형성하는 방법으로는 특별히 제한은 없으며, 예를 들면, 니더, 진공토련기 등을 사용하는 방법을 들 수 있다. 배토를 성형하여 하니컴 성형체를 형성하는 방법으로는 특별히 제한은 없으며, 압출 성형, 사출 성형 등의 종래 공지된 성형 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 원하는 셀 형상, 격벽 두께, 셀 밀도를 갖는 구금을 이용하여 압출 성형하여 하니컴 성형체를 형성하는 방법 등을 바람직한 예로 들 수 있다. 구금의 재질로는 잘 마모되지 않는 초경 합금이 바람직하다.
이 성형 시에 있어서, 얻어지는 밀봉된 하니컴 구조체에서 유출 셀이 될 셀의 적어도 일부, 또는 유출 셀 및 유입 셀이 될 셀의 적어도 일부에 보강부를 형성하고, 보강된 하니컴 성형체를 형성하는 경우에는, 예를 들면, 하니컴 구조체 성형용 구금의 슬릿의 형상이 상기 보강부를 갖는 셀(보강 셀)과 보강부를 갖지 않는 셀(비보강 셀)을 선택적으로 형성할 수 있도록 구성된 구금을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 이러한 구금으로는, 두 개의 면을 가지며, 일측 면에 하니컴 형상의 슬릿이 격자형으로 형성됨과 아울러, 타측의 면에 슬릿과 연통되고, 성형 원료를 도입하기 위한 이면 구멍이 형성된 구금 베이스체로 이루어지는 구금을 들 수 있다. 이 구금은 슬릿이 교차하는 교점 중 얻어지는 하니컴 구조체에서 유체가 유출되는 유출 셀이 형성되는 교점, 또는, 해당 유출 셀이 형성되는 교점 및 유체가 유입되는 유입 셀이 형성되는 교점의 코너부 중 적어도 하나의 코너부의 정점이 곡선형 또는 평면 상에 모따기된 것임이 바람직하다. 이러한 구금을 사용함으로써, 하니컴 성형 시에 원하는 곳에 선택적으로 보강부를 형성할 수 있다. 또한, 구금의 슬릿의 교점에 유출 셀의 코너부, 또는 유출 셀 및 유입 셀의 코너부가 보강되도록 오목부나 빔을 설치할 수도 있다.
하니컴 성형체의 형상은, 특별히 한정되지 않으며, 원통 형상(원기둥형), 중심축에 직교하는 단면이 타원형, 레이스 트랙 형상, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형인 통 형상(기둥형) 등을 들 수 있다. 제작하고자 하는 하니컴 구조체가 복수 개의 하니컴 세그먼트가 접합되어 형성된 것인 경우에는, 하니컴 성형체의 형상은 중심축에 직교하는 단면이 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형인 통 형상(기둥형)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 성형 후에, 얻어진 하니컴 성형체를 건조할 수도 있다. 건조 방법은, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 열풍 건조, 마이크로파 건조, 유전 건조, 감압 건조, 진공 건조, 동결 건조 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 유전 건조, 마이크로파 건조 또는 열풍 건조를 단독으로 또는 조합하여 수행하는 것이 바람직하다.
(2-2) 하니컴 구조체 제작 공정:
다음, 얻어진 하니컴 성형체를 소성하여 하니컴 구조체를 얻는 것이 바람직하다. 덧붙여, 하니컴 성형체의 소성은 하니컴 성형체에 밀봉부를 설치한 후에 행할 수도 있다.
또한, 하니컴 성형체를 소성(본소성)하기 전에는, 그 하니컴 성형체를 하소하는 것이 바람직하다. 하소는 탈지를 위하여 수행하는 것이다. 하소 방법은 특별히 제한은 없으며, 성형체 중의 유기물(유기 바인더, 분산제, 조공재 등)을 제거할 수 있으면 된다. 일반적으로, 유기 바인더의 연소 온도는 100 내지 300℃ 정도, 조공재의 연소 온도는 200 내지 800℃ 정도이므로, 하소의 조건으로는 산화 분위기에서 200 내지 1000℃ 정도에서 3 내지 100시간 정도 가열하는 것이 바람직하다.
하니컴 성형체의 소성(본소성)은 하소한 성형체를 구성하는 성형 원료를 소결시켜 치밀화하고, 소정의 강도를 확보하기 위하여 수행된다. 소성 조건(온도, 시간, 분위기)은 성형 원료의 종류에 따라 다르기 때문에, 그 종류에 따라 적당한 조건을 선택하면 된다. 예를 들면, 근청석화 원료를 사용하고 있는 경우에는, 소성 온도는, 1410 내지 1440℃가 바람직하다. 또한, 소성 시간은 최고 온도에서의 유지(keeping) 시간으로서 4 내지 6시간이 바람직하다.
또한, 하니컴 성형체의 성형 시에 보강부를 형성하지 않은 경우에는, 소성 전후에 있어서 오목형이나 빔 형의 보강재를 유출 셀의 코너부, 또는 유출 셀 및 유입 셀의 코너부에 도포함으로써 보강부를 형성하는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 유출 셀의 코너부에 보강부를 형성하는 경우를 예로 들어 설명하면, 어떤 용기에 슬러리형으로 준비된 보강재에 소성 전 또는 소성 후의 밀봉된 하니컴 구조체를 그 유출측 끝면측부터 침지시키는 디핑 방식을 이용하여 보강부를 형성할 수 있다. 또한, 동일한 슬러리형의 보강재에 밀봉된 하니컴 구조체의 유출측 끝면을 접촉시키고, 이 상태에서 밀봉된 하니컴 구조체의 유입측 끝면으로부터 상기 보강재를 흡인하는 서킹(sucking) 방식을 이용하여 보강부를 형성할 수도 있다. 나아가, 동일한 슬러리의 보강 재를 밀봉된 하니컴 구조체의 유출측 끝면으로부터 주입하는 인젝션 방식을 이용하여 보강부를 형성할 수도 있다. 이 때, 보강재가 유입 셀 측에 함침되어 버리는 것을 피하기 위해, 보강재 성분의 입자 직경이 하니컴 구조체 격벽의 평균 세공 직경보다 크게 조정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 유출 셀 및 유입 셀의 코너부에 보강부를 형성하는 경우에 대해서도, 유출 셀의 코너부에 보강부를 형성하는 경우에 준하여 실시할 수 있다. 또한, 실사용 하에서의 보강재 또는 하니컴 구조체의 파손을 피하기 위해, 보강재의 열팽창 계수는 밀봉된 하니컴 구조체의 열팽창 계수와 동등하게 조정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여 유출 셀이 될 특정 셀의, 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 보강부가 형성된 하니컴 구조체, 또는 상기 유출 셀의 코너부에 보강부가 형성되고, 유입 셀에는 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 상기 유입 셀을 보강하는 보강부가 형성되고, 상기 유입 셀이 보강된 코너부의 수가 상기 유출 셀이 보강된 코너부의 수 보다 적어지도록 구성된 하니컴 구조체를 얻을 수 있다.
(2-3) 밀봉 공정:
다음, 하니컴 구조체의 유체의 유입측 끝면의 유출 셀의 개구부와 유체의 유출측의 끝면의 유입 셀의 개구부에 밀봉 재료를 충전하여 유입측 끝면의 유출 셀의 개구부와 유출측 끝면의 유입 셀의 개구부에 밀봉부를 형성한다.
하니컴 구조체에 밀봉 재료를 충전할 때에는, 먼저, 일측의 단부측에 밀봉 재료를 충전하고, 그 후 타측의 단부측에 밀봉 재료를 충전한다. 일측의 단부측에 밀봉 재료를 충전하는 방법으로는, 하니컴 구조체의 일측의 끝면(예를 들면, 유입측 끝면)에 시트를 붙이고, 시트의 "밀봉부를 형성하고자 하는 셀"과 중첩되는 위치에 구멍을 뚫는 마스킹 공정과, "하니컴 구조체의 시트가 붙여진 측의 단부"를 밀봉 재료가 저장된 용기 내에 압입하여 밀봉 재료를 하니컴 구조체의 셀 내에 압입하는 압입 공정을 갖는 방법을 들 수 있다. 밀봉 재료를 하니컴 구조체의 셀 내에 압입할 때에는, 밀봉 재료는 시트에 형성된 구멍을 통과하고, 시트에 형성된 구멍과 연통되는 셀에만 충전된다.
또한, 하니컴 구조체의 타측의 단부(예를 들면, 유출측 끝면) 측에 밀봉 재료를 충전하는 방법도, 상기 하니컴 구조체의 일측의 단부측에 밀봉 재료를 충전하는 방법과 동일한 방법으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 하니컴 구조체의 양단부에 밀봉 재료를 동시에 충전할 수도 있다.
다음, 하니컴 구조체에 충전된 밀봉 재료를 건조시켜 밀봉부를 형성하고, 밀봉된 하니컴 구조체를 얻는 것이 바람직하다. 덧붙여, 하니컴 구조체의 양단부에 밀봉 재료를 충전한 후에, 밀봉 재료를 건조시킬 수도 있고, 하니컴 구조체의 일측의 단부에 충전한 밀봉 재료를 건조시킨 후에 타측의 단부에 밀봉 재료를 충전하고, 그 후 타측의 단부에 충전한 밀봉 재료를 건조시킬 수도 있다. 나아가, 밀봉 재료를 보다 확실하게 고정화할 목적으로 소성할 수도 있다. 또한, 건조 전의 하니컴 성형체 또는 건조 후의 하니컴 성형체에 밀봉 재료를 충전하고, 건조 전의 하니컴 성형체 또는 건조 후의 하니컴 성형체와 함께 밀봉 재료를 소성할 수도 있다.
이와 같이 구성함으로써 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체를 제조할 수 있다. 단, 본 실시 형태의 밀봉된 하니컴 구조체의 제조 방법은 전술한 제조 방법에 한정되지 않는다. 즉, 유출 셀 중 적어도 하나의 셀이 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 유출 셀을 보강하는 보강부가 형성된 보강 셀이고, 유입 셀이 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 모든 코너부에 보강부가 형성되지 않은 비보강 셀인 밀봉된 하니컴 구조체, 또는 유출 셀 중 적어도 하나의 셀이, 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 유출 셀을 보강하는 보강부가 형성된 보강 셀이고, 유입 셀은 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 유입 셀을 보강하는 보강부가 형성되고, 유입 셀이 보강된 코너부의 수가 유출 셀이 보강된 코너부의 수보다 적은 밀봉된 하니컴 구조체를 제조 가능한 방법이라면, 전술한 제조 방법 이외의 방법으로 밀봉된 하니컴 구조체를 제조할 수도 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체를 실시예에 의해 더 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 의해 전혀 한정되지 않는다.
(실시예 1)
세라믹 원료로서 근청석화 원료(알루미나, 탈크, 카올린)을 사용했다. 알루미나, 탈크, 카올린의 질량비는 소성 후 근청석이 얻어지는 질량비로 했다. 세라믹 원료에 바인더(메틸셀룰로오스), 물을 혼합하여 세라믹 성형 원료를 얻었다. 얻어진 세라믹 성형 원료를 니더를 이용하여 혼련하여 배토를 얻었다.
다음, 얻어진 배토를 진공 압출 성형기를 이용하여 성형하여 하니컴 성형체를 얻었다. 얻어진 하니컴 성형체는 이 하니컴 성형체를 소성한 후의 하니컴 구조체에서, 격벽 두께가 0.305mm가 되고, 셀 밀도가 46.5개/cm2가 되며, 셀 피치가 1.47mm가 되는 형상의 것으로 했다. 또한, 하니컴 성형체의 전체 형상(소성 후의 전체 형상)은 원통형(끝면의 직경이 143.8mm, 셀이 연장되는 방향에서의 길이가 152.4mm)이었다. 하니컴 성형체는 그 전체 형상을 일체로 형성한 것(일체 구조)이며, 표 1의 "하니컴 구조체의 구조"의 난에서 "모노리스"로 표시했다.
또한, 이 하니컴 성형체에는 성형 시에 있어서 유출 셀의 격벽이 교차하는 코너부에 보강부를 형성했다. 보강부가 형성된 셀(유출 셀)과 보강부가 형성되지 않은 셀(유입 셀)은 격벽을 사이에 두고 교대로 나란하도록 했다. 보강부가 형성된 유출 셀은 "보강부를 제외한 격벽의 평균 두께(T)"에 대한, "유출 셀의 보강부의 표면으로부터 이 유출 셀을 구획 형성하는 격벽의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 비의 값(이하, "유출 셀의 교점비(L/T)"라고 함)이 2.0이었다.
한편, 보강부가 형성되지 않은 유입 셀은, "보강부를 제외한 격벽의 평균 두께(T)"에 대한, "유입 셀의 표면으로부터 이 유입 셀을 구획 형성하는 격벽의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 비의 값(이하, "유입 셀의 교점비(L/T)"라고 함)이 1.4였다. 교점비(L/T)의 측정은 도 7을 이용하여 설명한 전술한 측정 방법에 따라 측정했다.
다음, 하니컴 성형체의 끝면(유입측 및 유출측의 끝면)의 복수 개의 셀 개구부 중 일부에 마스크를 실시했다. 이 때, 마스크를 실시한 셀과 마스크를 실시하지 않은 셀이 교대로 나란하도록 했다. 그리고, 마스크를 실시한 측의 단부를 근청석화 원료를 함유하는 밀봉 슬러리에 침지하여 마스크가 실시되지 않은 셀의 개구부에 밀봉 슬러리를 충전했다. 이에 따라, 유입측 끝면의 유출 셀의 개구부 및 유출측 끝면의 유입 셀의 개구부에 밀봉부가 설치된 밀봉된 하니컴 성형체를 얻었다.
다음, 밀봉된 하니컴 성형체에 대해 450℃에서 5시간 가열함으로써 탈지를 수행하고, 1425℃에서 7시간 더 가열함으로써 소성을 수행하여 밀봉된 하니컴 구조체를 얻었다.
얻어진 밀봉된 하니컴 구조체에 대해 이하에 나타낸 방법으로 "최대 주 응력(MPa)", "수트 매스 리밋(SML)", "입구 개구율(%)", "압력 손실(kPa)", "필터 질량(g)", "650℃ 도달 시간(초)"의 측정을 행했다. 측정 결과를 표 2에 나타냈다.
[최대 주 응력(MPa)]
밀봉된 하니컴 구조체의 기하학 구조를 CAD 모델로부터 구축하고, 앤시스 재팬(ANSYS Japan)사 제조의 유한 요소법 해석 소프트(상품명: ANSYS Release 11.0)로 모델 구축한 구조체에 발생하는 최대 주 응력을 구한다. 그 때, 구조체의 기하학 구조 파라미터로는 "격벽의 두께", "셀 밀도", "셀 피치", "바닥면의 직경", "셀"이 연장되는 방향에서의 길이", "유입 셀 또는 유출 셀의 교점비", "밀봉 길이", "외벽의 두께"를 각각 부여하고, 그리고 유한 요소법 해석에서는 사전에 측정된 하니컴 구조체의 "영률", "푸아송비", "열팽창 계수"를 부여함과 동시에, 사전에 실시한 그을음의 연소 시험으로 얻어진 밀봉 하니컴 구조체 내에서 발생하는 온도 분포를 적당히 부여함으로써 목적으로 하는 최대 주 응력을 얻을 수 있다.
[수트 매스 리밋(SML)]
밀봉된 하니컴 구조체를 DPF로 사용하고, 차례로 그을음(soot)의 퇴적량을 증가시켜 재생(그을음의 연소)을 수행하고, 크랙이 발생하는 한계를 확인한다. 먼저, 얻어진 밀봉된 하니컴 구조체의 외주에 유지재로서 세라믹으로 된 비열팽창성 매트를 감고, 스테인리스강(SUS 409)으로 된 캐닝용 캔체에 밀어넣어 캐닝(canning) 구조체로 한다. 그 후, 디젤 연료(경유)의 연소에 의해 발생시킨 그을음을 포함하는 연소 가스를 하니컴 구조체의 일측 끝면(짧은 세그먼트의 편측 끝면을 포함하는 끝면)으로부터 유입시키고, 타측 끝면으로부터 유출시킴으로써 그을음을 하니컴 구조체 내에 퇴적시킨다. 그리고, 일단 실온(25℃)까지 냉각한 후, 하니컴 구조체의 상기 일측 끝면으로부터 680℃의 연소 가스를 유입시키고, 그을음이 연소함으로써 하니컴 구조체의 압력 손실이 저하했을 때 연소 가스의 유량을 감소시킴으로써 그을음을 급연소시키고, 그 후의 밀봉된 하니컴 구조체의 크랙의 발생 유무를 확인한다. 이 시험은 그을음의 퇴적량이 하니컴 구조체의 용적 1리터 당 4g(이하 4g/리터 등으로 표기)부터 시작하고, 크랙의 발생이 인지될 때까지 0.5(g/리터)씩 증가시켜 반복 수행한다. 크랙 발생 시의 그을음량(g/리터)을 SML의 값으로 했다. 각 실시예, 비교예의 하니컴 구조체를 5개씩 제작하고, 상기 5개의(N=5) 측정 결과 중 총 5개가 SML값으로서 6g/L를 달성한 경우를 "합격", 총 5개 중 한 개라도 SML값이 6g/L를 달성하지 못한 경우를 "불합격"으로 했다.
[입구 개구율(%)]
밀봉된 하니컴 구조체의 단면의 면적에 대해 유입측 단부의 유입 셀이 차지하는 면적 비율을 측정한다. 이 면적 비율(%)을 입구 개구율(%)로 한다.
[압력 손실(kPa)]
일본 특허 공개 2005-172652호 공보에 기재된 "필터의 압력 손실 측정 장치"를 이용하여 밀봉된 하니컴 구조체의 압력 손실을 측정했다. 측정 조건으로는 유체의 유량을 10Nm3/분으로 하고, 실험 시의 유체 온도를 25℃로 했다.
[필터 질량(g)]
각 실시예의 밀봉된 하니컴 구조체의 질량을 측정했다. 이 질량을 필터 질량(g)으로 했다.
[650℃ 도달 시간(초)]
밀봉된 하니컴 구조체를 DPF로서 사용하여, 680℃의 연소 가스를 유입 시키고, DPF의 유출측 단부가 650℃에 도달하는 시간을 계측한다. 구체적으로는, 먼저, 얻어진 밀봉된 하니컴 구조체의 외주에 유지재로서 세라믹으로 된 비열팽창성 매트를 감고, 스테인리스 강(SUS 409)으로 된 캐닝용 캔체에 밀어넣어 캐닝 구조체로 한다. 또한 캐닝 구조체의 유출측 단부에 K타입 시스 열전대를 설치한다. 그 후, 디젤 연료(경유)의 연소에 의해 680℃의 연소 가스를 유입시키고, 사전에 설치한 열전대의 온도를 모니터하여, 그것이 650℃에 도달하는 시간(650℃ 도달 시간(초))을 측정한다.
하니컴 구조체의 구조 보강부의 유무 유입셀의 교점비(L/T) 유출셀의 교점비(L/T) 격벽의 두께
(mm)		 셀 피치
(mm)
유입셀 유출셀
실시예1 모노리스 없음 있음 1.4 2.0 0.305 1.47
실시예2 모노리스 없음 있음 1.4 2.0 0.305 1.80
실시예3 모노리스 없음 있음 1.4 2.0 0.305 2.54
실시예4 모노리스 없음 있음 1.4 2.7 0.127 1.47
실시예5 모노리스 없음 있음 1.4 2.7 0.127 2.54
실시예6 모노리스 없음 있음 1.4 1.7 0.508 1.47
실시예7 모노리스 없음 있음 1.4 1.7 0.508 2.54
실시예8 세그먼트 없음 있음 1.4 2.0 0.305 1.47
실시예9 모노리스 없음 있음 1.4 1.5 0.508 2.54
실시예10 모노리스 없음 있음 1.4 9.3 0.127 2.54
실시예11 모노리스 없음 있음 1.4 9.4 0.127 2.54
실시예12 모노리스 없음 있음 1.4 1.6 0.305 1.47
실시예13 모노리스 일부 있음
유출셀의 5%		 있음 2.0 2.0 0.305 1.47
비교예1 모노리스 없음 없음 1.4 1.4 0.305 1.47
비교예2 모노리스 있음 없음 2.0 1.4 0.305 1.47
비교예3 모노리스 있음 있음 2.0 2.0 0.305 1.47
비교예4 세그먼트 없음 없음 1.4 1.4 0.305 1.47
비교예5 세그먼트 있음 없음 2.0 1.4 0.305 1.47
비교예6 세그먼트 있음 있음 2.0 2.0 0.305 1.47
최대 주 응력
(Mpa)		 수트 매스 리밋
(SML)		 입구 개구율
(%)		 압력 손실
(kPa)		 필터 질량
(g)		 650℃ 도달 시간(초)
실시예1 13.3 합격 31.4 2.58 1318 80
실시예2 12.0 34.5 1.85 1094 66
실시예3 10.1 38.7 1.47 791 48
실시예4 8.6 41.7 1.40 602 37
실시예5 6.5 45.1 1.02 347 21
실시예6 17.2 21.4 5.67 2011 122
실시예7 13.0 32.0 2.22 1256 76
실시예8 39.9 합격 31.4 2.65 1849 112
실시예9 13.7 합격 32.0 2.03 1247 76
실시예10 6.2 45.1 2.74 673 41
실시예11 6.2 45.1 2.89 679 41
실시예12 14.0 합격 31.4 2.36 1292 79
실시예13 13.1 합격 31.3 2.59 1319 80
비교예1 29.2 불합격 31.4 2.36 1290 78
비교예2 28.6 31.0 2.58 1318 80
비교예3 13.0 31.0 2.82 1345 82
비교예4 89.4 불합격 31.4 2.42 1810 110
비교예5 87.6 31.0 2.65 1849 112
비교예6 39.9 31.0 2.90 1888 115
(실시예 2 내지 7, 9 내지 13, 비교예 1 내지 3)
하니컴 구조체 격벽 두께, 셀 피치 및 보강부를 형성하는 셀(보강부의 유무)을 표 1에 나타낸 바와 같이 변경하고, 유입 셀의 교점비(L/T) 및 유출 셀의 교점비(L/T)를 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 밀봉된 하니컴 구조체를 제조했다. 또한, 실시예 13은, 유출 셀 및 유입 셀의 일부에 보강부가 형성된 예를 나타낸다. 얻어진 밀봉된 하니컴 구조체에 대해 실시예 1의 경우와 동일한 평가를 행했다. 결과를 표 2에 나타냈다. 덧붙여, "수트 매스 리밋(SML)"의 측정에 대해서는 실시예 1, 8, 9, 12, 13, 비교예 1, 4에 대해 행했다.
(실시예 8)
세라믹 원료로서 탄화 규소(SiC)를 사용하여 하니컴 세그먼트를 제작하고, 16개의 하니컴 세그먼트를 접합하여 세그먼트 구조의 하니컴 구조체를 제작했다. 구체적으로는, SiC 가루, 금속 Si 가루를 80:20의 질량 비율로 혼합하고, 여기에 바인더로서 메틸셀룰로오스 및 히드록시프로폭시메틸셀룰로오스, 조공재로서 전분과 물 흡수성 수지, 계면 활성제 및 물을 혼합하여 세라믹 성형 원료를 얻었다. 얻어진 세라믹 성형 원료를 니더를 이용하여 혼련하여 배토를 얻었다.
얻어진 배토를 진공 압출 성형기를 이용하여 성형하여 하니컴 성형체를 얻었다. 얻어진 하니컴 성형체는 세그먼트 구조의 하니컴 구조체에서 격벽 두께가 305㎛가 되고, 셀 밀도가 46.5개/cm2가 되고, 셀 피치가 1.47mm가 되는 형상의 것으로 했다. 또한, 하니컴 성형체의 전체 형상(소성 후의 전체 형상)은 셀이 연장되는 방향에 직교하는 단면의 형상이 한 변 36mm인 정사각형이고, 셀이 연장되는 방향의 길이가 152.4mm였다.
또한, 이 하니컴 성형체에는 성형 시에 있어서 유출 셀의 격벽이 교차하는 코너부에 보강부를 형성했다. 보강부가 형성된 셀(유출 셀)과 보강부가 형성되지 않은 셀(유입 셀)은 격벽을 사이에 두고 교대로 나란하도록 했다. 보강부가 형성된 유출 셀은 "보강부를 제외한 격벽의 평균 두께(T)"에 대한, "유출 셀의 보강부의 표면으로부터 이 유출 셀을 구획 형성하는 격벽의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 비의 값(이하, "유출 셀의 교점비(L/T)"라고 함)이 2.0이었다.
한편, 보강부가 형성되지 않은 유입 셀은 "보강부를 제외한 격벽의 평균 두께(T)"에 대한, "유입 셀의 표면으로부터 이 유입 셀을 구획 형성하는 격벽의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리(L)"의 비의 값(이하, "유입 셀의 교점비(L/T)"라고 함)이 1.4였다.
이하, 이 하니컴 성형체에 실시예 1과 동일한 방법으로 밀봉부를 형성하고, 그 후 밀봉된 하니컴 성형체에 대해 탈지를 수행하고, 1410 내지 1440℃에서 15시간 가열함으로써 소성을 더 수행하여 밀봉된 하니컴 소성체(하니컴 세그먼트)를 얻었다.
다음, 16개의 밀봉된 하니컴 소성체에 대해 서로의 측면끼리가 대향하도록 인접하여 배치된 상태에서 접합재에 의해 접합하여 접합체를 형성했다. 이 때, 각 밀봉된 하니컴 소성체의 유입측 끝면과 유입측 끝면을 한 방향으로 가지런하도록 하여 접합을 행했다. 접합체를 형성하기 위한 접합재로는 SiC 입자, 콜로이드 실리카를 혼합한 것을 사용했다.
다음, 얻어진 접합체를 외형이 원통형이 되도록 연삭 가공했다. 그리고, 다음, 연삭 가공된 접합체의 최외주에 외주 코팅재를 도포하고, 700℃, 2시간의 조건으로 건조, 경화시킴으로써 밀봉된 하니컴 구조체를 얻었다. 외주 코트용 슬러리는 접합재와 동일한 것을 사용했다. 얻어진 하니컴 구조체의 바닥면의 직경은 143.8mm이었고, 셀이 연장되는 방향에서의 길이는 152.4mm였다. 실시예 8의 세그먼트 구조의 밀봉된 하니컴 구조체에 대해서는 표 1의 "하니컴 구조체의 구조"의 난에서 "세그먼트"로 표시했다. 얻어진 밀봉된 하니컴 구조체에 대해 실시예 1의 경우와 동일한 평가를 행했다. 결과를 표 2에 나타냈다.
(비교예 4 내지 6)
하니컴 구조체의 격벽 두께, 셀 피치 및 보강부를 형성하는 셀을 표 1에 나타낸 바와 같이 변경하고, 유출 셀의 교점비(L/T) 및 유입 셀의 교점비(L/T)를 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외에는 실시예 8과 동일한 방법으로 밀봉된 하니컴 구조체를 제조했다. 얻어진 밀봉된 하니컴 구조체에 대해 실시예 1의 경우와 동일한 평가를 행했다. 결과를 표 2에 나타냈다. 또한, 표 1에서, 특단의 수치의 기재가 없이, 「있음」만 기재되어 있는 실시예 및 비교예에서는 모든 코너에 보강부가 있고, [없음]만 기재되어 있는 실시예 및 비교예에서는 모든 코너에 보강부가 없음을 나타낸다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 13의 밀봉된 하니컴 구조체는 최대 주 응력이 작고 내구성이 뛰어난 것이었다. 또한, 유입 셀과 유출 셀 모두에 보강부를 형성한 비교예 3과 비교한 경우, 내구성에 대해서는 다소 떨어지는 것이지만, 동일한 셀 피치의 실시예 1에서는 압력 손실이 대폭 저감되어 있다. 실시예 1의 밀봉된 하니컴 구조체는 실사용에 있어서 문제가 없을 정도까지 내구성이 개선되어 있었으며, 압력 손실의 증가 억제에 따른 효과가 보다 현저하다고 할 수 있다. 또한, 유입 셀에 보강부를 형성한 비교예 2에서는 압력 손실의 증가 억제는 실시예 1의 그것과 동일한 정도이지만, 유입 셀에 보강부를 형성한 것으로 입구 개구율의 저하가 문제가 된다.
또한, 유출 셀의 교점비(L/T)가 1.5 내지 9.3의 범위(예를 들면, 실시예 10의 유출 셀의 교점비(L/T)는 9.3)이면, 내구성 향상과 압력 손실의 증가 억제의 효과의 밸런스가 뛰어난 것이 된다. 상기 범위를 초과하면, 약간 압력 손실의 증가 억제의 효과가 감소하는 경향이 확인되었다. 특히, 유출 셀의 교점비(L/T)가 9.3 이하이면, 내구성 향상의 효과를 충분히 얻을 수 있고, 압력 손실의 증가도 양호하게 억제할 수 있다.
또한, 세그먼트 구조의 밀봉된 하니컴 구조체에 대해서도 일체 구조(모노리스)의 밀봉된 하니컴 구조체와 동일한 효과를 얻는 것이 확인되었다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 밀봉된 하니컴 구조체는 디젤 엔진 등의 내연 기관이나 각종 연소 장치 등으로부터 배출되는 가스를 정화하기 위한 필터로서 적합하게 이용할 수 있다.
1: 격벽 2: 셀
2a: 유입 셀 2b:유출 셀
3: 외주벽 4: 하니컴 구조체
5a: 유입측 밀봉부 5b: 유출측 밀봉부
6, 6x: 보강부 7: 외주벽
8: 하니컴 세그먼트 11: 유입측 끝면
12: 유출측 끝면 21, 21a: 코너부
22: 보강 셀 23: 비보강 셀
100, 110, 120: 밀봉된 하니컴 구조체
A, B, C, D: 선(평행선)
E, F, G, H: 교점
L: 격벽 교차 부분의 교차 거리
T: 격벽의 평균 두께
P: 대각선(대각선의 연장선)
Q, R: 선.

Claims (8)

  1. 유입측 끝면으로부터 유출측 끝면까지 연장되는 유체의 유로가 될 복수의 셀을 구획 형성하는 다공질의 격벽을 갖는 하니컴 구조체와,
    상기 유출측 끝면의 소정의 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유입측 끝면이 개구되고 상기 유출측 끝면이 밀봉된 유입 셀을 형성하는 유출측 밀봉부와,
    상기 유입측 끝면의 나머지 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유출측 끝면이 개구되고 상기 유입측 끝면이 밀봉된 유출 셀을 형성하는 유입측 밀봉부를 구비하고,
    상기 유출 셀 중 적어도 하나의 셀은, 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 상기 유출 셀을 보강하는 보강부가 형성된 보강 셀이고,
    상기 유입 셀은, 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 상기 유입 셀을 보강하는 보강부가 형성되고, 상기 유입 셀이 보강된 코너부의 수가 상기 유출 셀이 보강된 코너부의 수보다 적은 밀봉된 하니컴 구조체.
  2. 유입측 끝면으로부터 유출측 끝면까지 연장되는 유체의 유로가 될 복수 개의 셀을 구획 형성하는 다공질의 격벽을 갖는 하니컴 구조체와,
    상기 유출측 끝면의 소정의 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유입측 끝면이 개구되고 상기 유출측 끝면이 밀봉된 유입 셀을 형성하는 유출측 밀봉부와,
    상기 유입측 끝면의 나머지 셀의 개구부에 설치되어, 상기 유출측 끝면이 개구되고 상기 유입측 끝면이 밀봉된 유출 셀을 형성하는 유입측 밀봉부를 구비하고,
    상기 유출 셀 중 적어도 하나의 셀은, 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 적어도 하나의 코너부에 상기 유출 셀을 보강하는 보강부가 형성된 보강 셀이고,
    상기 유입 셀은, 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 격벽이 교차하는 모든 코너부에 상기 보강부가 형성되지 않은 비보강 셀인 밀봉된 하니컴 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보강 셀은 상기 보강부가 형성된 보강 코너부와 상기 보강부가 형성되지 않은 비보강 코너부를 포함하는 것인 밀봉된 하니컴 구조체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보강 셀은 상기 보강 셀의 모든 코너부에 상기 보강부가 형성된 것인 밀봉된 하니컴 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 셀과 상기 유출 셀이 상기 격벽을 사이에 두고 교대로 배치되어 있는 밀봉된 하니컴 구조체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유입 셀의 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 개구 형상과, 상기 유출 셀의 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 보강부가 제외된 개구 형상이 동일 형상인 밀봉된 하니컴 구조체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강부를 제외한 상기 격벽의 평균 두께에 대한, 상기 보강 셀의 상기 보강부의 표면으로부터 상기 보강 셀을 구획 형성하는 상기 격벽의 교차점을 사이에 두고 배치된 다른 셀의 표면까지의 격벽 교차 부분의 교차 거리의 비의 값이 1.5 내지 9.3인 밀봉된 하니컴 구조체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각 상기 보강부는 상기 셀이 연장되는 방향에 수직한 단면의 상기 보강부가 제외된 개구 부분의 면적의 0.05 내지 20%에 해당하는 범위를 차지하는 크기의 것인 밀봉된 하니컴 구조체.
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