ハニカム構造体
【課題】より適切に耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めることができるハニカム構造体を提供すること。
【解決手段】本発明によるハニカム構造体１は、複数条の単位空間２ａを相互に隔てる隔壁２と、複数条の単位空間２ａの延在する延在方向Ｓの周方向θに延びて隔壁２を外包する外周壁３と、を一体的に含むハニカム構造体であって、外周壁３の径方向の外周壁厚ｄを、隣接する単位空間２ａ相互間に位置する隔壁２の隔壁厚ｔで除した比率ｄ／ｔを１．３以上の値とすることを特徴とする。
【解決手段】本発明によるハニカム構造体１は、複数条の単位空間２ａを相互に隔てる隔壁２と、複数条の単位空間２ａの延在する延在方向Ｓの周方向θに延びて隔壁２を外包する外周壁３と、を一体的に含むハニカム構造体であって、外周壁３の径方向の外周壁厚ｄを、隣接する単位空間２ａ相互間に位置する隔壁２の隔壁厚ｔで除した比率ｄ／ｔを１．３以上の値とすることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス規制強化に対応させて自動車又は産業用機械に搭載される機会が増大している、排気ガス浄化装置（排ガス後処理装置）に用いられるフィルターを構成するハニカム構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス浄化装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質(PM Particulate Matter)や窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)等の規制対象物質を極力低減して排気ガスを浄化することを目的としたものであり、ハニカム構造体と種々の触媒を適宜組み合わせたフィルターを含むものが用いられる。
【０００３】
このフィルターにおいては、触媒による規制対象物質の捕集及び低減にともなう浄化性能、すなわち触媒性能を高めるため、フィルターの温度を適宜上昇させる必要があるとともに、一定期間捕集及び低減を行った後、蓄積された規制対象物質を焼却して除去する又は酸化除去して再生を行うために、やはりフィルターそのものの温度を上昇させる必要が生じる。
【０００４】
このような温度を上昇させる制御は自動車においては、エンジンの排気ガスの含む熱やポスト燃焼を利用したもの、ヒータ等の熱を利用したものがあり、これらを適宜選択して行うこととなる。これとともに、耐熱評価試験においても温度上昇を行う必要があることから、フィルターは温度上昇と温度低下のヒートサイクルの繰り返しに耐えうる耐熱衝撃性を具備することが求められる。
【０００５】
また、フィルターは自動車においてはエギゾーストマニホールド等の排気配管の途中に組み込まれることから、配管にマットを介してフィルターを組み込むキャニングを行うことが必須となり、キャニングに伴ってフィルターに発生する応力にフィルター自身が耐えうるアイソスタティック強度も求められる。
【０００６】
上述した浄化性能を高めるためには、温度を上昇させるにあたっての昇温速度を上昇させることも求められるとともに、排気ガスとフィルターとの接触面積の増大が求められる。このため、ハニカム構造体のセルを構成する隔壁の厚みを極力薄くすることをも求められる。このように隔壁を薄くすることと、耐熱衝撃性及びアイソスタティック強度を両立することを目指したハニカム構造体としては、特許文献１に記載されているようなものが提案されている。
【０００７】
特許文献１に記載のハニカム構造体においては、隔壁を囲むように配設される外周壁の厚さの平均値を、隔壁の厚さ以上とし、隔壁の厚さの十倍以内とすることと、直角毎に区分される周方向の中間領域で外周壁の厚さを中間領域以外の部分に比べて薄くすることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２３９６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示されたハニカム構造体においては、外周壁に発生する応力集中の発生現象そのものの防止に関して詳細な検討がなされているとは言えず、中間領域のクラックの発生そのものは許容して、発生の伸展を防止することが提案されているのみである。このため、特許文献１に開示された従来技術においては、外周壁に発生する応力集中に伴うクラックそのものを防止することが十分になされていないという問題が生じる。
【００１０】
すなわち特許文献１においては、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めるにあたって必ずしも適切なハニカム構造体を提供できていないという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑み、より適切に耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めることができるハニカム構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の問題を解決するため、本発明によるハニカム構造体は、
複数条の単位空間を相互に隔てる隔壁と、
前記複数条の単位空間の延在する延在方向の周方向に延びて前記隔壁を外包する外周壁と、
を一体的に含むハニカム構造体であって、
前記外周壁の径方向の外周壁厚を、隣接する前記単位空間相互間に位置する前記隔壁の隔壁厚で除した比率を１．３以上の値とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、より適切に耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めることができるハニカム構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のハニカム構造体１におけるセル２ａの壁面位置の調節態様の一実施形態を示す模式図である。
【図２】実施例１のハニカム構造体１の適用対象となる従来のハニカム構造体の応力分布を示す模式図である。
【図３】実施例１〜４のハニカム構造体１の比率の設定の根拠となるＣＡＥ(Computer Aided Engineering)解析結果を示す模式図である。
【図４】実施例２のハニカム構造体１におけるセル２ａの壁面形態及び位置の修正態様の一実施形態と応力低減態様を示す模式図である。
【図５】実施例３のハニカム構造体１における基準面Ｂを用いた仮想セル２ｂの設定態様の一実施形態を示す模式図である。
【図６】実施例４のハニカム構造体１における仮想セル２ｂ及び拡大仮想セル２ｃの設定態様の一実施形態を示す模式図である。
【図７】実施例４のハニカム構造体１における仮想セル２ｂと切削面ＣＬとの位置関係を示す模式図である。
【図８】実施例４のハニカム構造体１における最大応力σｍａｘと低減効果Δσmaxを示す模式図である。
【図９】実施例４のハニカム構造体１における最大応力を低減する効果を示す模式図である。
【図１０】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の一実施形態を示す模式図である。
【図１１】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の一実施形態を示す模式図である。
【図１２】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１３】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１４】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１５】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１６】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１に示すように本実施例１のハニカム構造体１は、上下左右にマトリクス状に整列された複数条のセル２ａ（単位空間）を相互に隔てる格子状であり全体形状としてはほぼ円柱状である隔壁２と、複数条のセル２ａの延在する延在方向Ｓの周方向θに延びて円柱状の隔壁２を外包する円筒状の外周壁３と、を一体的に含む円柱状のハニカム構造体である。
【００１７】
ハニカム構造体１は、規制対象物質の捕集及び低減、再生に適した触媒を担持可能な、例えば、コージェライト材料や炭化ケイ素等のセラミックス材料により構成される。ハニカム構造体１は、所定の成形原料をニーダー、真空土練機等の適宜の装置を用いて混練することにより胚土を調整した後、調整された胚土を、上述したセル２ａ、隔壁２、外周壁３の形状と配列態様に対応させた口金を用いて押出成形する公知の手法により適宜形成される。
【００１８】
加えて、本実施例１のハニカム構造体１は、円筒状の外周壁３の径方向の外周壁厚ｄを、隣接するセル２ａ相互間に位置する隔壁２の隔壁厚ｔで除した比率ｄ／ｔを１．３以上の値とする。
【００１９】
本実施例１のハニカム構造体１においては、セル２ａは隅部がＲ加工されたほぼ四角柱状空間であって、外周壁３の外周面Ｏに隣接して位置するセル２ａの最も外周面Ｏに近接した隅部を構成する壁面の位置を、壁面に垂直な方向でかつ内側に向かう方向に、図１中のオフセット量ｈだけオフセットさせて調節する。この調節は、押出成形に用いる口金のセル２ａの壁面を構成する部分をオフセット量ｈに対応させてオフセット成形することにより行う。このことにより、本実施例１においては、比率ｄ／ｔを１．３以上の値に設定する。
【００２０】
加えて、本実施例１においては、外周面Ｏに開口して位置する仮想セル２ｂ（仮想単位空間）については複数条のセル２ａに含めないこととし、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行う。換言すれば仮想セル２ｂについては押出成形の段階で埋めることとする。つまり仮想セル２ｂとは設計段階で外周面Ｏに対して開口するか否かを考慮して、穴埋めするか否かを判断するための、設計段階において仮定された空間を意味する。
【００２１】
さらに、ハニカム構造体１の外周面Ｏはスキン層４により被覆されている。スキン層４を構成する材質はハニカム構造体１の外周面Ｏに対して密着性の高い性質を有するものであれば、特に限定されるものはない。
【００２２】
本実施例１の比率ｄ／ｔに適用される１．３と言う数値は、ハニカム構造体１を用いたフィルターについて、耐熱評価試験を行ったときの試験結果に対して、ＣＡＥ解析を行った場合の解析結果に基づくものである。
【００２３】
図２に示すように、上述した格子状かつ円柱状の隔壁２を基本構造とし、本実施例１の比率ｄ／ｔが適用されないハニカム構造体においては、水平ＣＨと鉛直ＣＶの間つまり水平から４５度の位置近傍に位置する、外周面Ｏに近接するセル２ａの隅部に、応力集中が発生する。外周面Ｏに最も近接するセル２ａの隅部において、最大応力σｍａｘが発生し、図２中右上に示すように、この隅部が最大応力位置Ｐσｍａｘを構成することとなる。
【００２４】
ここで、比率ｄ／ｔを０．５から２．０まで変化させた場合に、外周面Ｏに隣接するセル２ａの隅部近傍において発生する最大応力σｍａｘは、図３に示すように、０．５〜１．３までは比率ｄ／ｔに増加に対し反比例して減少するとともに、１．３以上で２．０以下までの領域においては、減少の傾きが極めて小さくなり、比率ｄ／ｔの増加にかかわらずほぼ一定の値となる。
【００２５】
本実施例１においては、図３に示されるような、比率ｄ／ｔと最大応力σｍａｘの相関関係を利用して、比率ｄ／ｔを１．３以上に設定している。なお、本実施例１においては下限値のみを設定し、特に上限値は設けないが、適宜上限値を設定してもよい。上限値はセル２ａを構成する壁面の辺長に応じて、例えば２．０としても１．５としてもあるいは１．３そのものとしてもよい。
【００２６】
以上述べた本実施例１のハニカム構造体１によれば、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、本実施例１においては、加熱に伴って外周壁３に発生する応力集中の発生現象そのものの発生態様を耐熱評価試験結果に基づいたＣＡＥ解析結果により明らかにした上で、応力集中現象自体の緩和と防止を図り、特には、応力集中箇所のクラックの発生そのものを防止することができる。
【００２７】
このため、本実施例１のハニカム構造体１においては、比較的簡単な調節に基づいて、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高めて、耐熱衝撃性を高めることができる。加えて、キャニング時に発生する応力に伴っての応力集中も防止して、アイソスタティック強度をも高めることができる。つまり、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させることができる。
【００２８】
加えて、耐熱衝撃性の向上を図れることに伴い、ハニカム構造体１を用いたフィルターにおいて再生のため、加熱すなわち燃焼を行うにあたって、加熱温度を上げて規制対象物質のうち特には粒子状物質(PM)を大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の捕集をできるかぎり継続的に行い、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることができる。このことにより、再生を行う頻度を減少させ、ランニングコストを下げることができる。特に自動車においては燃費性能を高めることができる。
【００２９】
また、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方について、加熱制御の自由度を高めることができるので、本実施例１のハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、浄化性能をも高めることができる。
【００３０】
特に、加熱時間の短縮を行うことが可能となるので、担持された触媒が活性化するまでの時間を短縮して、触媒が有効に機能する時間をなるべく長くして、これによっても、浄化性能を高めることができる。
【００３１】
さらに、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性の双方を両立させるため、隔壁厚ｔを薄く設定することが要請される場合においても、本実施例１のハニカム構造体１はこの要請に容易に対応することができる。すなわち、本実施例１に示したように、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定するのみで、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を確保することができる。
【００３２】
上述した実施例１においては、外周壁３の外周面Ｏに隣接して位置するセル２ａの最も外周面Ｏに近接した隅部を構成する壁面の位置を、壁面に垂直な方向でかつ内側に向かう方向に、オフセット量ｈだけオフセットさせて調節することで、比率ｄ／ｔを設定したが、この手法については他の方法を用いることもできる。以下、他の手法に基づいた実施例２について述べる。
【実施例２】
【００３３】
本実施例２のハニカム構造体１は、実施例１と同様に、セル２ａは四角柱状空間である場合に該当する。本実施例２のハニカム構造体１の、修正される壁面を具備するセル２ａ以外の構成は、実施例１に示したハニカム構造体１と同様であるので、重複する説明は割愛する。
【００３４】
図４に示すように、外周壁３の外周面Ｏに隣接して位置するセル２ａの壁面を、破線で示した逆Ｌ字状の輪郭形状から、外周面Ｏに平行かつ内側であって逆Ｌ字状の輪郭形状の左上部と右上部を結ぶ曲面に修正する。このことにより比率ｄ／ｔを１．３以上に設定する。より具体的には、外周面Ｏに平行で内周側に長さ１．３ｔだけオフセットして位置する基準面Ｂを設定して、セル２ａの壁面を基準面Ｂに一致させる。この修正は、押出成形に用いる口金のセル２ａの基準面Ｂに一致させる壁面を構成する部分を、基準面Ｂに対応させて成形することにより行う。
【００３５】
加えて、外周面Ｏに開口して位置する仮想セル２ｂについては、実施例１と同様に、複数条のセル２ａに含めないものとする。本実施例２においても、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行い、仮想セル２ｂについては押出成形の段階で埋めることとする。
【００３６】
以上述べた本実施例２のハニカム構造体１によれば、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、本実施例２においても、外周壁３に発生する応力集中現象自体を、セル２ａの壁面の上述した比較的簡単な修正に基づいて防止することができ、応力集中箇所のクラックの発生そのものの防止を図ることができる。
【００３７】
特に、図２に示した従来技術における外周面Ｏに隣接したセル２ａの隅部に発生する応力に比べて、本実施例２において発生する応力は、図４に示すようにほぼ２／３程度までの低い値に抑制することができる。なお、図４中に示す圧力は耐熱評価試験結果に基づく値である。
【００３８】
つまり、本実施例２のハニカム構造体１においても、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高めて、耐熱衝撃性を高めることができる。これとともに、ハニカム構造体１を排気ダクトに設置するためのキャニング時に発生する応力に伴っての応力集中を防止して、アイソスタティック強度も高めることができる。すなわち本実施例２においても、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させることができる。
【００３９】
また、本実施例２においても、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方について、加熱制御の自由度を高めることができるので、ハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、規制対象物質に対する捕集、捕集後のフィルターの再生をより容易なものとして、フィルターの浄化性能を高めることができる。
【００４０】
さらに、本実施例２においても、耐熱衝撃性の向上に伴わせて、ハニカム構造体１を用いたフィルターの捕集後の再生段階において、蓄積された粒子状物質 (PM)を大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の捕集をできるかぎり継続的に行い、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることができる。
【００４１】
加えて、近年のフィルターにおいては、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定することが主流となっているが、本実施例２のハニカム構造体１はこの傾向に容易に対応することができる。すなわち、本実施例２に示したように、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を確保するにあたっては、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することで対応可能である。
【００４２】
上述した実施例１及び実施例２においては、外周面Ｏに隣接したセル２ａの外周側を部分的に埋める形態を示したが、製造工程上の便宜を考慮して、全て埋める形態を選択しても良い。以下にそれについての実施例３について述べる。
【実施例３】
【００４３】
本実施例３のハニカム構造体１も、セル２ａ（単位空間）が四角柱状空間である場合に該当する。本実施例３のハニカム構造体１は、図５に示すように、外周壁３の外周面Ｏから隔壁厚ｔに１．３を乗じた厚さ１．３ｔだけ内周側に位置する基準面Ｂに開口して位置する仮想セル２ｂ（仮想単位空間）については複数条のセル２ａ（単位空間）に含めないこととする。
【００４４】
図５中において、水平方向の中心線ＣＨと鉛直方向の中心線ＣＶを設定して、ハニカム構造体１の中心を通る横方向を中心線ＣＨに一致させ、縦方向を中心線ＣＶに一致させるものとすると、中心線ＣＨと中心線ＣＶとの周方向中央が４５度線となる。
【００４５】
図５中においては、４５度線近傍には仮想セル２ｂは位置せず、４５度線に関して線対称に仮想セル２ｂが分布されている。仮想セル２ｂの分布態様は、仮想セル２ｂ及びセル２ａそのものの寸法と、外周面Ｏの外形寸法、隔壁厚ｔの寸法との相互関係により決定される。
【００４６】
本実施例３における仮想セル２ｂとは設計段階で基準面Ｂに対して開口するか否かを考慮して、穴埋めするか否かを判断するための、仮定された空間を意味する。本実施例３においても、仮想セル２ｂの穴埋めは、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行い、仮想セル２ｂについては押出成形の段階で埋めることとする。
【００４７】
本実施例３のハニカム構造体１によっても、実施例１及び実施例２と同様に、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、本実施例３においても、外周壁３に発生する応力集中現象自体を、予め応力集中が発生する箇所の仮想セル２ｂを埋めるように、押出成形を行うことによって防止することができ、やはり、応力集中箇所のクラックの発生そのものの防止を図ることができる。
【００４８】
つまり、本実施例３のハニカム構造体１においても、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高めて、耐熱衝撃性を高めることができるとともに、キャニング時に発生する応力に伴っての応力集中を防止して、アイソスタティック強度も高めることができる。
【００４９】
さらに、本実施例３においても、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方についてのヒートサイクル制御の自由度を高めることができる。このため、ハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、規制対象物質の捕集と、捕集後のフィルターの再生をともにより迅速かつ効率的に行うことを可能なものとして、フィルターの浄化性能をより高めることができる。
【００５０】
加えて、本実施例３においても、耐熱衝撃性の向上によって、ハニカム構造体１を用いたフィルターの粒子状物質を捕集した後の再生時に、蓄積された粒子状物質 (PM)を大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の捕集をなるべく持続的に行い、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることを可能とすることができる。さらに、本実施例３においては、応力集中防止の対象となるセル２ａの体積を他のセル２ａよりも小さくすることが必須でないため、粒子状物質の蓄積量の増大をより効率的に図ることができる。
【００５１】
また、本実施例３においては、実施例１及び実施例２に比べて、押出成形に用いる口金のセル２ａに対応する部分の形態をより単純化することができるので、押出成形を含むハニカム構造体１の製造工程をより簡略化するとともに、ハニカム構造体１の歩留まりを高めることもできる。
【００５２】
さらに、本実施例３のハニカム構造体１は、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定したフィルターに対応させることが容易である。つまり、本実施例３に示したように、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を確保するにあたって、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することが可能である。
【００５３】
外周面Ｏに隣接したセル２ａの外周側を部分的に全て埋める形態については、実施例３に示したもの以外にも以下の形態を選択することもできる。以下にそれについての実施例４について述べる。
【実施例４】
【００５４】
本実施例４のハニカム構造体１についてもセル２ａが四角柱状空間である場合に該当する。図６に示すように、仮想セル２ｂ（仮想単位空間）のそれぞれの壁面から垂直外側に向けて隔壁厚ｔだけ拡大された拡大仮想セル２ｃ（拡大仮想単位空間）を仮定する。
【００５５】
図７中において、水平方向の中心線ＣＨと鉛直方向の中心線ＣＶを設定して、ハニカム構造体１の横方向を中心線ＣＨに一致させ、縦方向を中心線ＣＶに一致させるものとすると、中心線ＣＨと中心線ＣＶとの周方向中央が４５度線となる。
【００５６】
図７中においては、４５度線近傍に拡大仮想セル２ｃが位置しており、４５度線に関して線対称に拡大仮想セル２ｃが分布されている。拡大仮想セル２ｃの分布態様はここでも、拡大仮想セル２ｃそのものの寸法と、外周面Ｏの外形寸法、隔壁厚ｔの寸法との相互関係により決定される。
【００５７】
図６に示すように、仮想セル２ｂは隅部に半径ｒのＲ加工部を有しているため、拡大仮想セル２ｃも仮想セル２ｂのＲ加工部を外包する形態の半径Ｒ（＝ｔ）の拡大Ｒ加工部を有している。
【００５８】
このように、外周壁３の外周面Ｏを機械的に構成する切削面ＣＬに隣接して又は開口して位置する仮想セル２ｂのそれぞれの壁面から垂直外側に向けて隔壁厚ｔだけ拡大された拡大仮想セル２ｃを仮定して、図７に示すように、切削面ＣＬに開口して位置する拡大仮想セル２ｃに属する仮想セル２ｂについては複数条のセル２ａに含めないこととする。
【００５９】
この場合においては、埋める対象となる仮想セル２ｂは、仮想セル２ｂ自体が切削面ＣＬに開口する場合の仮想セル２ｂａを含むとともに、拡大仮想セル２ｃのうち拡大された部分のみが切削面ＣＬに開口する場合の仮想セル２ｂｂをも含むこととなる。仮想セル２ｂａ、２ｂｂの双方を含む仮想セル２ｂを埋めるにあたっては、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂａ、２ｂｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行って、押出成形の段階で埋めることとする。
【００６０】
本実施例４のハニカム構造体１によっても、実施例３と同様に、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、外周壁３に発生する応力集中現象自体を、予め応力集中が発生する箇所の仮想セル２ｂを埋めるように、押出成形を行うことによって防止することができるので、応力集中箇所のクラックの発生そのものの防止を図ることができる。
【００６１】
特に、本実施例４においては図８に示されるように、仮想セル２ｂａのみを埋めることに比べて、発生する応力を、７．８％程度の減少代で減少させることができる。つまり、本実施例４のハニカム構造体１においても、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高め、かつ、耐熱衝撃性を高めることができる。加えて、キャニング時に発生する応力に伴っての応力集中をも防止して、アイソスタティック強度をも高めることができる。
【００６２】
さらに、本実施例４においても、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方についての温度制御の頻度と自由度を高めることができる。従って、ハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、規制対象物質に対する捕集性能をより高めて、捕集後のフィルターの再生をより効率的に行うことを可能なものとして、フィルターの浄化性能をより高めることができる。
【００６３】
また、本実施例４においても、耐熱衝撃性を高めることが可能となることに伴い、ハニカム構造体１を用いたフィルターの再生時に、蓄積された粒子状物質 (PM)をより高い加熱温度にて大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の一サイクルあたりの捕集量を大きくして、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることができる。さらに、本実施例４においては、応力集中防止の対象となるセル２ａの体積を他のセル２ａよりも小さくする必要がなく、複数条のセル２ａ相互間で体積が同一であることから、粒子状物質の蓄積量をより効率的に増大させることができる。
【００６４】
さらに、本実施例４のハニカム構造体１は、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定したフィルターに対応させて、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することが可能であり、設計自由度を高めるとともに、容易に、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を高めることができる。
【００６５】
加えて、本実施例４においても、実施例１及び実施例２に比べて、押出成形に用いる口金のセル２ａに対応する部分の形態をより単純化することができるので、押出成形を含むハニカム構造体１の製造工程をより簡略化するとともに、ハニカム構造体１の歩留まりを高めることもできる。
【００６６】
さらに、本実施例４においては、拡大仮想セル２ｃが開口するか否かの判断対象となる面を、元来ハニカム構造体１を機械加工により構成するために設定される切削面ＣＬとしているので、実施例３に比べて、設計面での変更を少なくすることができる。
【００６７】
加えて、本実施例４においては、図９にβで示す、切削面ＣＬに開口するか否かにより埋める仮想セル２ｂを決定しない従来の埋め方における最大応力の発生位置に対して、最大応力の発生位置αを周方向にずらすことができる。このため、最も応力が発生しやすい４５度線から発生位置αを意図的にずらせて、最大応力の値そのものの低減と、クラックの発生を防止することができる。なお、図９中に示す圧力は耐熱評価試験に基づく値である。
【００６８】
なお上述した実施例１〜４においては、セル２ａの配列形態は、図１０に示すように、格子状配列のものとしたが、本発明の比率ｄ／ｔを１．３以上とすることに換えて、図１１に示すように、セルを扇形状としセルの配列を半径方向と周方向に設定した上で、半径方向の隔壁厚ｔ１を一定とし、周方向に複数条に延びる隔壁の隔壁厚ｔ２を内周側から外周側に向けて徐々に厚くすることもできる。これにより、半径方向外側に向かうほど大きくなる応力に対応させて隔壁厚ｔ２を設定して、最大応力を抑制し、クラックの発生を防止することができる。
【００６９】
あるいは、図１２に示すように、図１０に示されたものに比べて、上下方向のセル２ａの相互間の左右方向における相対位置関係をずらすことにより、周上の４５度の位置の応力集中を防止することができ、特には、クラックが発生した後の進行方向を４５度方向からずらしてクラックの進行を抑制して、信頼性を高めることができる。
【００７０】
また、図１３に示すように図１０に示した相対位置関係のずらし量を更に大きく設定することもできる。加えて、図１４に示すように、セルを六角形とする、又は、図１５に示すように、セルを八角形とする、又は、図１６に示すようにセルを円形とすることにより、セルの隅部そのもの形状に起因して発生する応力集中を低減して、クラックの発生を防止することもできる。
【００７１】
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
【００７２】
上述した実施例１〜４のハニカム構造体１は、規制対象物質のうち粒子状物質の捕集量を増大させるにあたって有利であることから、自動車の内特にディーゼル車用のフィルターである、ＤＰＦ(Diesel Particulate filter)に用いられて好適なものであるが、もちろん、ガソリン車用のフィルターに用いることも可能である。
【００７３】
特に実施例１〜４のハニカム構造体１は、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定したフィルターに対応させて、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することが可能であり、設計自由度を高めるとともに、容易に、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、より適切に耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めることができるハニカム構造体を提供することができる。このハニカム構造体は主に規制対象物質の捕集、再生を行うフィルターに用いられ、このフィルターは、乗用車、トラック、バス等の様々な車両に用いられる排気ガス浄化装置に適用されて有益であることはもちろん、排気ガスを排出する産業用機械、発電設備、船舶、鉄道車両等にも適用可能なものである。
【符号の説明】
【００７５】
１ ハニカム構造体
２ 隔壁
２ａ セル（単位空間）
２ｂ 仮想セル（仮想単位空間）
２ｂａ 仮想セル（仮想単位空間自体が開口）
２ｂｂ 仮想セル（拡大仮想単位空間が開口）
２ｃ 拡大仮想セル（拡大仮想単位空間）
３ 外周壁
４ スキン層
ｄ 外周壁厚
ｔ 隔壁厚
ｄ／ｔ 比率
Ｐσｍａｘ 最大応力位置
Ｏ 外周壁３の外周面（ハニカム構造体１とスキン層４との境界線）
Ｂ 基準面（外周面Ｏから１．３ｔだけ内側の内周面）
ＣＨ 中心線（水平）
ＣＶ 中心線（鉛直）
ＣＬ 切削面
Ｒ 拡大仮想セル２ｃの四隅の半径
ｒ セル２ａ又は仮想セル２ｂの四隅の半径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス規制強化に対応させて自動車又は産業用機械に搭載される機会が増大している、排気ガス浄化装置（排ガス後処理装置）に用いられるフィルターを構成するハニカム構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス浄化装置は、排気ガスに含まれる粒子状物質(PM Particulate Matter)や窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、炭化水素(HC)等の規制対象物質を極力低減して排気ガスを浄化することを目的としたものであり、ハニカム構造体と種々の触媒を適宜組み合わせたフィルターを含むものが用いられる。
【０００３】
このフィルターにおいては、触媒による規制対象物質の捕集及び低減にともなう浄化性能、すなわち触媒性能を高めるため、フィルターの温度を適宜上昇させる必要があるとともに、一定期間捕集及び低減を行った後、蓄積された規制対象物質を焼却して除去する又は酸化除去して再生を行うために、やはりフィルターそのものの温度を上昇させる必要が生じる。
【０００４】
このような温度を上昇させる制御は自動車においては、エンジンの排気ガスの含む熱やポスト燃焼を利用したもの、ヒータ等の熱を利用したものがあり、これらを適宜選択して行うこととなる。これとともに、耐熱評価試験においても温度上昇を行う必要があることから、フィルターは温度上昇と温度低下のヒートサイクルの繰り返しに耐えうる耐熱衝撃性を具備することが求められる。
【０００５】
また、フィルターは自動車においてはエギゾーストマニホールド等の排気配管の途中に組み込まれることから、配管にマットを介してフィルターを組み込むキャニングを行うことが必須となり、キャニングに伴ってフィルターに発生する応力にフィルター自身が耐えうるアイソスタティック強度も求められる。
【０００６】
上述した浄化性能を高めるためには、温度を上昇させるにあたっての昇温速度を上昇させることも求められるとともに、排気ガスとフィルターとの接触面積の増大が求められる。このため、ハニカム構造体のセルを構成する隔壁の厚みを極力薄くすることをも求められる。このように隔壁を薄くすることと、耐熱衝撃性及びアイソスタティック強度を両立することを目指したハニカム構造体としては、特許文献１に記載されているようなものが提案されている。
【０００７】
特許文献１に記載のハニカム構造体においては、隔壁を囲むように配設される外周壁の厚さの平均値を、隔壁の厚さ以上とし、隔壁の厚さの十倍以内とすることと、直角毎に区分される周方向の中間領域で外周壁の厚さを中間領域以外の部分に比べて薄くすることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２３９６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示されたハニカム構造体においては、外周壁に発生する応力集中の発生現象そのものの防止に関して詳細な検討がなされているとは言えず、中間領域のクラックの発生そのものは許容して、発生の伸展を防止することが提案されているのみである。このため、特許文献１に開示された従来技術においては、外周壁に発生する応力集中に伴うクラックそのものを防止することが十分になされていないという問題が生じる。
【００１０】
すなわち特許文献１においては、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めるにあたって必ずしも適切なハニカム構造体を提供できていないという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑み、より適切に耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めることができるハニカム構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の問題を解決するため、本発明によるハニカム構造体は、
複数条の単位空間を相互に隔てる隔壁と、
前記複数条の単位空間の延在する延在方向の周方向に延びて前記隔壁を外包する外周壁と、
を一体的に含むハニカム構造体であって、
前記外周壁の径方向の外周壁厚を、隣接する前記単位空間相互間に位置する前記隔壁の隔壁厚で除した比率を１．３以上の値とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、より適切に耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めることができるハニカム構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のハニカム構造体１におけるセル２ａの壁面位置の調節態様の一実施形態を示す模式図である。
【図２】実施例１のハニカム構造体１の適用対象となる従来のハニカム構造体の応力分布を示す模式図である。
【図３】実施例１〜４のハニカム構造体１の比率の設定の根拠となるＣＡＥ(Computer Aided Engineering)解析結果を示す模式図である。
【図４】実施例２のハニカム構造体１におけるセル２ａの壁面形態及び位置の修正態様の一実施形態と応力低減態様を示す模式図である。
【図５】実施例３のハニカム構造体１における基準面Ｂを用いた仮想セル２ｂの設定態様の一実施形態を示す模式図である。
【図６】実施例４のハニカム構造体１における仮想セル２ｂ及び拡大仮想セル２ｃの設定態様の一実施形態を示す模式図である。
【図７】実施例４のハニカム構造体１における仮想セル２ｂと切削面ＣＬとの位置関係を示す模式図である。
【図８】実施例４のハニカム構造体１における最大応力σｍａｘと低減効果Δσmaxを示す模式図である。
【図９】実施例４のハニカム構造体１における最大応力を低減する効果を示す模式図である。
【図１０】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の一実施形態を示す模式図である。
【図１１】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の一実施形態を示す模式図である。
【図１２】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１３】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１４】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１５】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【図１６】実施例１〜４のハニカム構造体１のセル２ａの配列態様の他の実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１に示すように本実施例１のハニカム構造体１は、上下左右にマトリクス状に整列された複数条のセル２ａ（単位空間）を相互に隔てる格子状であり全体形状としてはほぼ円柱状である隔壁２と、複数条のセル２ａの延在する延在方向Ｓの周方向θに延びて円柱状の隔壁２を外包する円筒状の外周壁３と、を一体的に含む円柱状のハニカム構造体である。
【００１７】
ハニカム構造体１は、規制対象物質の捕集及び低減、再生に適した触媒を担持可能な、例えば、コージェライト材料や炭化ケイ素等のセラミックス材料により構成される。ハニカム構造体１は、所定の成形原料をニーダー、真空土練機等の適宜の装置を用いて混練することにより胚土を調整した後、調整された胚土を、上述したセル２ａ、隔壁２、外周壁３の形状と配列態様に対応させた口金を用いて押出成形する公知の手法により適宜形成される。
【００１８】
加えて、本実施例１のハニカム構造体１は、円筒状の外周壁３の径方向の外周壁厚ｄを、隣接するセル２ａ相互間に位置する隔壁２の隔壁厚ｔで除した比率ｄ／ｔを１．３以上の値とする。
【００１９】
本実施例１のハニカム構造体１においては、セル２ａは隅部がＲ加工されたほぼ四角柱状空間であって、外周壁３の外周面Ｏに隣接して位置するセル２ａの最も外周面Ｏに近接した隅部を構成する壁面の位置を、壁面に垂直な方向でかつ内側に向かう方向に、図１中のオフセット量ｈだけオフセットさせて調節する。この調節は、押出成形に用いる口金のセル２ａの壁面を構成する部分をオフセット量ｈに対応させてオフセット成形することにより行う。このことにより、本実施例１においては、比率ｄ／ｔを１．３以上の値に設定する。
【００２０】
加えて、本実施例１においては、外周面Ｏに開口して位置する仮想セル２ｂ（仮想単位空間）については複数条のセル２ａに含めないこととし、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行う。換言すれば仮想セル２ｂについては押出成形の段階で埋めることとする。つまり仮想セル２ｂとは設計段階で外周面Ｏに対して開口するか否かを考慮して、穴埋めするか否かを判断するための、設計段階において仮定された空間を意味する。
【００２１】
さらに、ハニカム構造体１の外周面Ｏはスキン層４により被覆されている。スキン層４を構成する材質はハニカム構造体１の外周面Ｏに対して密着性の高い性質を有するものであれば、特に限定されるものはない。
【００２２】
本実施例１の比率ｄ／ｔに適用される１．３と言う数値は、ハニカム構造体１を用いたフィルターについて、耐熱評価試験を行ったときの試験結果に対して、ＣＡＥ解析を行った場合の解析結果に基づくものである。
【００２３】
図２に示すように、上述した格子状かつ円柱状の隔壁２を基本構造とし、本実施例１の比率ｄ／ｔが適用されないハニカム構造体においては、水平ＣＨと鉛直ＣＶの間つまり水平から４５度の位置近傍に位置する、外周面Ｏに近接するセル２ａの隅部に、応力集中が発生する。外周面Ｏに最も近接するセル２ａの隅部において、最大応力σｍａｘが発生し、図２中右上に示すように、この隅部が最大応力位置Ｐσｍａｘを構成することとなる。
【００２４】
ここで、比率ｄ／ｔを０．５から２．０まで変化させた場合に、外周面Ｏに隣接するセル２ａの隅部近傍において発生する最大応力σｍａｘは、図３に示すように、０．５〜１．３までは比率ｄ／ｔに増加に対し反比例して減少するとともに、１．３以上で２．０以下までの領域においては、減少の傾きが極めて小さくなり、比率ｄ／ｔの増加にかかわらずほぼ一定の値となる。
【００２５】
本実施例１においては、図３に示されるような、比率ｄ／ｔと最大応力σｍａｘの相関関係を利用して、比率ｄ／ｔを１．３以上に設定している。なお、本実施例１においては下限値のみを設定し、特に上限値は設けないが、適宜上限値を設定してもよい。上限値はセル２ａを構成する壁面の辺長に応じて、例えば２．０としても１．５としてもあるいは１．３そのものとしてもよい。
【００２６】
以上述べた本実施例１のハニカム構造体１によれば、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、本実施例１においては、加熱に伴って外周壁３に発生する応力集中の発生現象そのものの発生態様を耐熱評価試験結果に基づいたＣＡＥ解析結果により明らかにした上で、応力集中現象自体の緩和と防止を図り、特には、応力集中箇所のクラックの発生そのものを防止することができる。
【００２７】
このため、本実施例１のハニカム構造体１においては、比較的簡単な調節に基づいて、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高めて、耐熱衝撃性を高めることができる。加えて、キャニング時に発生する応力に伴っての応力集中も防止して、アイソスタティック強度をも高めることができる。つまり、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させることができる。
【００２８】
加えて、耐熱衝撃性の向上を図れることに伴い、ハニカム構造体１を用いたフィルターにおいて再生のため、加熱すなわち燃焼を行うにあたって、加熱温度を上げて規制対象物質のうち特には粒子状物質(PM)を大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の捕集をできるかぎり継続的に行い、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることができる。このことにより、再生を行う頻度を減少させ、ランニングコストを下げることができる。特に自動車においては燃費性能を高めることができる。
【００２９】
また、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方について、加熱制御の自由度を高めることができるので、本実施例１のハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、浄化性能をも高めることができる。
【００３０】
特に、加熱時間の短縮を行うことが可能となるので、担持された触媒が活性化するまでの時間を短縮して、触媒が有効に機能する時間をなるべく長くして、これによっても、浄化性能を高めることができる。
【００３１】
さらに、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性の双方を両立させるため、隔壁厚ｔを薄く設定することが要請される場合においても、本実施例１のハニカム構造体１はこの要請に容易に対応することができる。すなわち、本実施例１に示したように、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定するのみで、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を確保することができる。
【００３２】
上述した実施例１においては、外周壁３の外周面Ｏに隣接して位置するセル２ａの最も外周面Ｏに近接した隅部を構成する壁面の位置を、壁面に垂直な方向でかつ内側に向かう方向に、オフセット量ｈだけオフセットさせて調節することで、比率ｄ／ｔを設定したが、この手法については他の方法を用いることもできる。以下、他の手法に基づいた実施例２について述べる。
【実施例２】
【００３３】
本実施例２のハニカム構造体１は、実施例１と同様に、セル２ａは四角柱状空間である場合に該当する。本実施例２のハニカム構造体１の、修正される壁面を具備するセル２ａ以外の構成は、実施例１に示したハニカム構造体１と同様であるので、重複する説明は割愛する。
【００３４】
図４に示すように、外周壁３の外周面Ｏに隣接して位置するセル２ａの壁面を、破線で示した逆Ｌ字状の輪郭形状から、外周面Ｏに平行かつ内側であって逆Ｌ字状の輪郭形状の左上部と右上部を結ぶ曲面に修正する。このことにより比率ｄ／ｔを１．３以上に設定する。より具体的には、外周面Ｏに平行で内周側に長さ１．３ｔだけオフセットして位置する基準面Ｂを設定して、セル２ａの壁面を基準面Ｂに一致させる。この修正は、押出成形に用いる口金のセル２ａの基準面Ｂに一致させる壁面を構成する部分を、基準面Ｂに対応させて成形することにより行う。
【００３５】
加えて、外周面Ｏに開口して位置する仮想セル２ｂについては、実施例１と同様に、複数条のセル２ａに含めないものとする。本実施例２においても、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行い、仮想セル２ｂについては押出成形の段階で埋めることとする。
【００３６】
以上述べた本実施例２のハニカム構造体１によれば、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、本実施例２においても、外周壁３に発生する応力集中現象自体を、セル２ａの壁面の上述した比較的簡単な修正に基づいて防止することができ、応力集中箇所のクラックの発生そのものの防止を図ることができる。
【００３７】
特に、図２に示した従来技術における外周面Ｏに隣接したセル２ａの隅部に発生する応力に比べて、本実施例２において発生する応力は、図４に示すようにほぼ２／３程度までの低い値に抑制することができる。なお、図４中に示す圧力は耐熱評価試験結果に基づく値である。
【００３８】
つまり、本実施例２のハニカム構造体１においても、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高めて、耐熱衝撃性を高めることができる。これとともに、ハニカム構造体１を排気ダクトに設置するためのキャニング時に発生する応力に伴っての応力集中を防止して、アイソスタティック強度も高めることができる。すなわち本実施例２においても、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させることができる。
【００３９】
また、本実施例２においても、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方について、加熱制御の自由度を高めることができるので、ハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、規制対象物質に対する捕集、捕集後のフィルターの再生をより容易なものとして、フィルターの浄化性能を高めることができる。
【００４０】
さらに、本実施例２においても、耐熱衝撃性の向上に伴わせて、ハニカム構造体１を用いたフィルターの捕集後の再生段階において、蓄積された粒子状物質 (PM)を大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の捕集をできるかぎり継続的に行い、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることができる。
【００４１】
加えて、近年のフィルターにおいては、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定することが主流となっているが、本実施例２のハニカム構造体１はこの傾向に容易に対応することができる。すなわち、本実施例２に示したように、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を確保するにあたっては、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することで対応可能である。
【００４２】
上述した実施例１及び実施例２においては、外周面Ｏに隣接したセル２ａの外周側を部分的に埋める形態を示したが、製造工程上の便宜を考慮して、全て埋める形態を選択しても良い。以下にそれについての実施例３について述べる。
【実施例３】
【００４３】
本実施例３のハニカム構造体１も、セル２ａ（単位空間）が四角柱状空間である場合に該当する。本実施例３のハニカム構造体１は、図５に示すように、外周壁３の外周面Ｏから隔壁厚ｔに１．３を乗じた厚さ１．３ｔだけ内周側に位置する基準面Ｂに開口して位置する仮想セル２ｂ（仮想単位空間）については複数条のセル２ａ（単位空間）に含めないこととする。
【００４４】
図５中において、水平方向の中心線ＣＨと鉛直方向の中心線ＣＶを設定して、ハニカム構造体１の中心を通る横方向を中心線ＣＨに一致させ、縦方向を中心線ＣＶに一致させるものとすると、中心線ＣＨと中心線ＣＶとの周方向中央が４５度線となる。
【００４５】
図５中においては、４５度線近傍には仮想セル２ｂは位置せず、４５度線に関して線対称に仮想セル２ｂが分布されている。仮想セル２ｂの分布態様は、仮想セル２ｂ及びセル２ａそのものの寸法と、外周面Ｏの外形寸法、隔壁厚ｔの寸法との相互関係により決定される。
【００４６】
本実施例３における仮想セル２ｂとは設計段階で基準面Ｂに対して開口するか否かを考慮して、穴埋めするか否かを判断するための、仮定された空間を意味する。本実施例３においても、仮想セル２ｂの穴埋めは、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行い、仮想セル２ｂについては押出成形の段階で埋めることとする。
【００４７】
本実施例３のハニカム構造体１によっても、実施例１及び実施例２と同様に、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、本実施例３においても、外周壁３に発生する応力集中現象自体を、予め応力集中が発生する箇所の仮想セル２ｂを埋めるように、押出成形を行うことによって防止することができ、やはり、応力集中箇所のクラックの発生そのものの防止を図ることができる。
【００４８】
つまり、本実施例３のハニカム構造体１においても、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高めて、耐熱衝撃性を高めることができるとともに、キャニング時に発生する応力に伴っての応力集中を防止して、アイソスタティック強度も高めることができる。
【００４９】
さらに、本実施例３においても、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方についてのヒートサイクル制御の自由度を高めることができる。このため、ハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、規制対象物質の捕集と、捕集後のフィルターの再生をともにより迅速かつ効率的に行うことを可能なものとして、フィルターの浄化性能をより高めることができる。
【００５０】
加えて、本実施例３においても、耐熱衝撃性の向上によって、ハニカム構造体１を用いたフィルターの粒子状物質を捕集した後の再生時に、蓄積された粒子状物質 (PM)を大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の捕集をなるべく持続的に行い、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることを可能とすることができる。さらに、本実施例３においては、応力集中防止の対象となるセル２ａの体積を他のセル２ａよりも小さくすることが必須でないため、粒子状物質の蓄積量の増大をより効率的に図ることができる。
【００５１】
また、本実施例３においては、実施例１及び実施例２に比べて、押出成形に用いる口金のセル２ａに対応する部分の形態をより単純化することができるので、押出成形を含むハニカム構造体１の製造工程をより簡略化するとともに、ハニカム構造体１の歩留まりを高めることもできる。
【００５２】
さらに、本実施例３のハニカム構造体１は、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定したフィルターに対応させることが容易である。つまり、本実施例３に示したように、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を確保するにあたって、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することが可能である。
【００５３】
外周面Ｏに隣接したセル２ａの外周側を部分的に全て埋める形態については、実施例３に示したもの以外にも以下の形態を選択することもできる。以下にそれについての実施例４について述べる。
【実施例４】
【００５４】
本実施例４のハニカム構造体１についてもセル２ａが四角柱状空間である場合に該当する。図６に示すように、仮想セル２ｂ（仮想単位空間）のそれぞれの壁面から垂直外側に向けて隔壁厚ｔだけ拡大された拡大仮想セル２ｃ（拡大仮想単位空間）を仮定する。
【００５５】
図７中において、水平方向の中心線ＣＨと鉛直方向の中心線ＣＶを設定して、ハニカム構造体１の横方向を中心線ＣＨに一致させ、縦方向を中心線ＣＶに一致させるものとすると、中心線ＣＨと中心線ＣＶとの周方向中央が４５度線となる。
【００５６】
図７中においては、４５度線近傍に拡大仮想セル２ｃが位置しており、４５度線に関して線対称に拡大仮想セル２ｃが分布されている。拡大仮想セル２ｃの分布態様はここでも、拡大仮想セル２ｃそのものの寸法と、外周面Ｏの外形寸法、隔壁厚ｔの寸法との相互関係により決定される。
【００５７】
図６に示すように、仮想セル２ｂは隅部に半径ｒのＲ加工部を有しているため、拡大仮想セル２ｃも仮想セル２ｂのＲ加工部を外包する形態の半径Ｒ（＝ｔ）の拡大Ｒ加工部を有している。
【００５８】
このように、外周壁３の外周面Ｏを機械的に構成する切削面ＣＬに隣接して又は開口して位置する仮想セル２ｂのそれぞれの壁面から垂直外側に向けて隔壁厚ｔだけ拡大された拡大仮想セル２ｃを仮定して、図７に示すように、切削面ＣＬに開口して位置する拡大仮想セル２ｃに属する仮想セル２ｂについては複数条のセル２ａに含めないこととする。
【００５９】
この場合においては、埋める対象となる仮想セル２ｂは、仮想セル２ｂ自体が切削面ＣＬに開口する場合の仮想セル２ｂａを含むとともに、拡大仮想セル２ｃのうち拡大された部分のみが切削面ＣＬに開口する場合の仮想セル２ｂｂをも含むこととなる。仮想セル２ｂａ、２ｂｂの双方を含む仮想セル２ｂを埋めるにあたっては、押出成形に用いる口金の仮想セル２ｂａ、２ｂｂに対応する部分を開口した上で押出成形を行って、押出成形の段階で埋めることとする。
【００６０】
本実施例４のハニカム構造体１によっても、実施例３と同様に、以下のような作用効果を得ることができる。すなわち、外周壁３に発生する応力集中現象自体を、予め応力集中が発生する箇所の仮想セル２ｂを埋めるように、押出成形を行うことによって防止することができるので、応力集中箇所のクラックの発生そのものの防止を図ることができる。
【００６１】
特に、本実施例４においては図８に示されるように、仮想セル２ｂａのみを埋めることに比べて、発生する応力を、７．８％程度の減少代で減少させることができる。つまり、本実施例４のハニカム構造体１においても、繰り返し発生する熱応力に伴っての応力集中を防いで熱応力に対する耐性を高め、かつ、耐熱衝撃性を高めることができる。加えて、キャニング時に発生する応力に伴っての応力集中をも防止して、アイソスタティック強度をも高めることができる。
【００６２】
さらに、本実施例４においても、耐熱衝撃性を高めることができることから、触媒の活性化のための加熱と、規制対象物質を除去するための再生のための加熱の双方についての温度制御の頻度と自由度を高めることができる。従って、ハニカム構造体１をフィルターに用いた場合の、規制対象物質に対する捕集性能をより高めて、捕集後のフィルターの再生をより効率的に行うことを可能なものとして、フィルターの浄化性能をより高めることができる。
【００６３】
また、本実施例４においても、耐熱衝撃性を高めることが可能となることに伴い、ハニカム構造体１を用いたフィルターの再生時に、蓄積された粒子状物質 (PM)をより高い加熱温度にて大量に燃焼させることができる。このため、粒子状物質の一サイクルあたりの捕集量を大きくして、粒子状物質を蓄積する蓄積量をできるだけ多くすることができる。さらに、本実施例４においては、応力集中防止の対象となるセル２ａの体積を他のセル２ａよりも小さくする必要がなく、複数条のセル２ａ相互間で体積が同一であることから、粒子状物質の蓄積量をより効率的に増大させることができる。
【００６４】
さらに、本実施例４のハニカム構造体１は、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定したフィルターに対応させて、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することが可能であり、設計自由度を高めるとともに、容易に、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を高めることができる。
【００６５】
加えて、本実施例４においても、実施例１及び実施例２に比べて、押出成形に用いる口金のセル２ａに対応する部分の形態をより単純化することができるので、押出成形を含むハニカム構造体１の製造工程をより簡略化するとともに、ハニカム構造体１の歩留まりを高めることもできる。
【００６６】
さらに、本実施例４においては、拡大仮想セル２ｃが開口するか否かの判断対象となる面を、元来ハニカム構造体１を機械加工により構成するために設定される切削面ＣＬとしているので、実施例３に比べて、設計面での変更を少なくすることができる。
【００６７】
加えて、本実施例４においては、図９にβで示す、切削面ＣＬに開口するか否かにより埋める仮想セル２ｂを決定しない従来の埋め方における最大応力の発生位置に対して、最大応力の発生位置αを周方向にずらすことができる。このため、最も応力が発生しやすい４５度線から発生位置αを意図的にずらせて、最大応力の値そのものの低減と、クラックの発生を防止することができる。なお、図９中に示す圧力は耐熱評価試験に基づく値である。
【００６８】
なお上述した実施例１〜４においては、セル２ａの配列形態は、図１０に示すように、格子状配列のものとしたが、本発明の比率ｄ／ｔを１．３以上とすることに換えて、図１１に示すように、セルを扇形状としセルの配列を半径方向と周方向に設定した上で、半径方向の隔壁厚ｔ１を一定とし、周方向に複数条に延びる隔壁の隔壁厚ｔ２を内周側から外周側に向けて徐々に厚くすることもできる。これにより、半径方向外側に向かうほど大きくなる応力に対応させて隔壁厚ｔ２を設定して、最大応力を抑制し、クラックの発生を防止することができる。
【００６９】
あるいは、図１２に示すように、図１０に示されたものに比べて、上下方向のセル２ａの相互間の左右方向における相対位置関係をずらすことにより、周上の４５度の位置の応力集中を防止することができ、特には、クラックが発生した後の進行方向を４５度方向からずらしてクラックの進行を抑制して、信頼性を高めることができる。
【００７０】
また、図１３に示すように図１０に示した相対位置関係のずらし量を更に大きく設定することもできる。加えて、図１４に示すように、セルを六角形とする、又は、図１５に示すように、セルを八角形とする、又は、図１６に示すようにセルを円形とすることにより、セルの隅部そのもの形状に起因して発生する応力集中を低減して、クラックの発生を防止することもできる。
【００７１】
以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。
【００７２】
上述した実施例１〜４のハニカム構造体１は、規制対象物質のうち粒子状物質の捕集量を増大させるにあたって有利であることから、自動車の内特にディーゼル車用のフィルターである、ＤＰＦ(Diesel Particulate filter)に用いられて好適なものであるが、もちろん、ガソリン車用のフィルターに用いることも可能である。
【００７３】
特に実施例１〜４のハニカム構造体１は、排気ガスとの幾何学的接触面積の増大と、温度上昇制御の敏速性を図るために、隔壁厚ｔを薄く設定したフィルターに対応させて、隔壁厚ｔに応じて外周壁厚ｄを比率ｄ／ｔに基づいて設定することが可能であり、設計自由度を高めるとともに、容易に、耐熱衝撃性とアイソスタティック強度の双方を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、より適切に耐熱衝撃性とアイソスタティック強度を両立させかつ浄化性能を高めることができるハニカム構造体を提供することができる。このハニカム構造体は主に規制対象物質の捕集、再生を行うフィルターに用いられ、このフィルターは、乗用車、トラック、バス等の様々な車両に用いられる排気ガス浄化装置に適用されて有益であることはもちろん、排気ガスを排出する産業用機械、発電設備、船舶、鉄道車両等にも適用可能なものである。
【符号の説明】
【００７５】
１ ハニカム構造体
２ 隔壁
２ａ セル（単位空間）
２ｂ 仮想セル（仮想単位空間）
２ｂａ 仮想セル（仮想単位空間自体が開口）
２ｂｂ 仮想セル（拡大仮想単位空間が開口）
２ｃ 拡大仮想セル（拡大仮想単位空間）
３ 外周壁
４ スキン層
ｄ 外周壁厚
ｔ 隔壁厚
ｄ／ｔ 比率
Ｐσｍａｘ 最大応力位置
Ｏ 外周壁３の外周面（ハニカム構造体１とスキン層４との境界線）
Ｂ 基準面（外周面Ｏから１．３ｔだけ内側の内周面）
ＣＨ 中心線（水平）
ＣＶ 中心線（鉛直）
ＣＬ 切削面
Ｒ 拡大仮想セル２ｃの四隅の半径
ｒ セル２ａ又は仮想セル２ｂの四隅の半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数条の単位空間を相互に隔てる隔壁と、前記複数条の単位空間の延在する延在方向の周方向に延びて前記隔壁を外包する外周壁と、を一体的に含むハニカム構造体であって、前記外周壁の径方向の外周壁厚を、隣接する前記単位空間相互間に位置する前記隔壁の隔壁厚で除した比率を１．３以上の値とすることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項２】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面に隣接して位置する前記単位空間の壁面の位置を当該壁面に垂直な方向に調節することにより前記値を設定することを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項３】
前記外周面に開口して位置する仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項２に記載のハニカム構造体。
【請求項４】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面に隣接して位置する前記単位空間の壁面を前記外周面に平行かつ内側に修正することにより前記値を設定することを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項５】
前記外周面に開口して位置する仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項４に記載のハニカム構造体。
【請求項６】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面から前記隔壁厚に前記１．３を乗じた厚さだけ内周側に位置する基準面に開口して位置する仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項７】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面に隣接して又は開口して位置する仮想単位空間のそれぞれの壁面から垂直外側に向けて前記隔壁厚だけ拡大された拡大仮想単位空間を仮定して、前記外周面に開口して位置する前記拡大仮想単位空間に属する前記仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項１】
複数条の単位空間を相互に隔てる隔壁と、前記複数条の単位空間の延在する延在方向の周方向に延びて前記隔壁を外包する外周壁と、を一体的に含むハニカム構造体であって、前記外周壁の径方向の外周壁厚を、隣接する前記単位空間相互間に位置する前記隔壁の隔壁厚で除した比率を１．３以上の値とすることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項２】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面に隣接して位置する前記単位空間の壁面の位置を当該壁面に垂直な方向に調節することにより前記値を設定することを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項３】
前記外周面に開口して位置する仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項２に記載のハニカム構造体。
【請求項４】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面に隣接して位置する前記単位空間の壁面を前記外周面に平行かつ内側に修正することにより前記値を設定することを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項５】
前記外周面に開口して位置する仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項４に記載のハニカム構造体。
【請求項６】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面から前記隔壁厚に前記１．３を乗じた厚さだけ内周側に位置する基準面に開口して位置する仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項７】
前記単位空間が四角柱状空間である場合に、前記外周壁の外周面に隣接して又は開口して位置する仮想単位空間のそれぞれの壁面から垂直外側に向けて前記隔壁厚だけ拡大された拡大仮想単位空間を仮定して、前記外周面に開口して位置する前記拡大仮想単位空間に属する前記仮想単位空間については前記複数条の単位空間に含めないことを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２５６２８（Ｐ２０１２−２５６２８Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６６０７３（Ｐ２０１０−１６６０７３）
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２３日（２０１０．７．２３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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