JP5757880B2 - ハニカム構造体 - Google Patents
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Description
このようなハニカム構造体として、従来、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設されたハニカム焼成体が、複数個結束されたセラミックブロックからなるハニカム構造体が知られている。
特に、ハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合には、捕集したPMを燃焼除去するためにハニカム構造体の再生処理を行う必要がある。再生処理の際、PMの燃焼に伴って大きな熱応力が発生しやすいため、クラックが発生しやすいという問題がある。
このように、ハニカム構造体の再生処理等によって高温になった場合にクラックが発生しにくいハニカム構造体が求められている。
多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設され、外周に外周壁が形成されたハニカム焼成体が複数個接着材層を介して結束されたセラミックブロックからなるハニカム構造体であって、
上記複数個のハニカム焼成体の少なくとも1つは、上記ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、上記ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体であることを特徴とする。
そのため、ハニカム構造体が高温になった場合、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部では、温度が上昇しにくい。一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部では、温度が上昇しやすいが、上記高熱容量型ハニカム焼成体の周囲(接着材層、又は、外周コート層が形成されている場合には外周コート層)に熱を放出することができる。従って、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間で生じる温度差を抑制することができるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を原因とするクラックの発生を防止することができる。その結果、ハニカム構造体にクラックが発生しにくくなる。
また、本明細書において、ハニカム焼成体の中心部とは、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面が、ハニカム焼成体の断面上の中心を含み、ハニカム焼成体の断面上の外周に対する相似形で囲まれた部分であって、ハニカム焼成体の断面積の50%を占める部分をいう。ハニカム焼成体の外周部とは、ハニカム焼成体の中心部の外側に位置する部分であって、ハニカム焼成体の中心部及び外周壁以外の部分をいう。
さらに、本明細書において、単位体積当たりの熱容量とは、セルを含む体積を基準とする熱容量をいう。
中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さを、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さよりも厚くすることにより、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量を、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きくすることができる。従って、上述したように、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間で生じる温度差を抑制することができるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を原因とするクラックの発生を防止することができる。
ハニカム焼成体のセル壁の厚さが薄い部分では、比較的圧力損失が小さい。請求項2に記載のハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さが、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さよりも薄いため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部に排ガスが流れやすくなる。その結果、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部よりも中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部の方にPMが堆積しやすくなる。
従って、請求項2に記載のハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合、再生処理時にPMを燃焼させる際、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における発熱を比較的小さくすることができる。一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部においては、PMの堆積量が多いため、発熱量が比較的多くなり、また、熱容量も小さいため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部の温度が上昇しやすくなる。しかしながら、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部では、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体の周囲(接着材層、又は、外周コート層が形成されている場合には外周コート層)に熱を放出することができる。従って、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差をより小さくすることができるため、クラックの発生を防止することができる。
中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さが0.10mm未満であると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が小さくなりすぎるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部の温度上昇を防止しにくくなる。その結果、ハニカム構造体が高温になった場合に、ハニカム構造体にクラックが発生しやすくなる。また、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さが0.10mm未満であると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さが0.10mmより小さくなるため、ハニカム焼成体の強度を確保しにくくなる。
一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さが0.20mmを超えると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が大きくなるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部の温度上昇を防止する効果は増大する。しかしながら、セル壁が厚くなりすぎることにより、セル壁を通過する排ガスのろ過圧が増大するため、ハニカム構造体としての別の要求性能である圧力損失が増大してしまう。
また、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さが、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さの90%未満であると、ハニカム焼成体の強度を確保しにくくなる。
一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さが、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さの98%を超えると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部とにおけるセル壁の平均厚さの差が小さくなる。従って、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部とにおける単位体積当たりの熱容量の差が小さくなるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を小さくする効果が得られにくくなる。
請求項5に記載のハニカム構造体では、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体の上記中心部から上記外周部に向かって、上記セル壁の厚さが連続的に減少する。
請求項4又は請求項5に記載のハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、中心高熱容量型ハニカム焼成体の単位体積当たりの熱容量を段階的又は連続的に減少させることができる。そのため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、熱をスムーズに伝えることができる。そして、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部において、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体の周囲(接着材層、又は、外周コート層が形成されている場合には外周コート層)に熱を放出することができる。その結果、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差をより小さくすることができるため、クラックの発生を防止することができる。
なお、本明細書において、「セル壁の厚さが段階的に減少する」とは、セル壁の厚さと厚さ方向に垂直な長さとの関係をプロットした際、セル壁の厚さが2段階以上の階段状に不連続的に減少することを意味する。また、「セル壁の厚さが連続的に減少する」とは、セル壁の厚さと厚さ方向に垂直な長さとの関係をプロットした際、セル壁の厚さが曲線状又は直線状に減少することを意味する。
請求項6に記載のハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側の部分における単位体積当たりの熱容量を、それ以外の部分における単位体積当たりの熱容量よりも小さくすることができる。そのため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側の温度が上昇しやすくなる。このような構成を有する中心高熱容量型ハニカム焼成体を含むハニカム構造体であっても、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差をより小さくすることができるため、クラックの発生を防止することができる。
ハニカム焼成体の外周壁の厚さが0.20mm未満であると、ハニカム焼成体の強度を確保しにくくなる。
一方、ハニカム焼成体の外周壁の厚さが0.50mmを超えると、軽量化が望まれているハニカム構造体全体の重量が増加してしまう。
請求項9に記載のハニカム構造体では、上記大容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状が八角形であり、上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状が四角形である。
請求項10に記載のハニカム構造体では、上記大容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状が四角形であり、上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面の形状が四角形である。
請求項11に記載のハニカム構造体では、上記大容量セル及び上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面においては、上記大容量セル及び上記小容量セルを形成するセル壁の形状が曲線により構成されている。
また、請求項9〜11のいずれかに記載のハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合、大容量セルと小容量セルとの対称性を高めることにより、大容量セルへ排ガスを偏りなく流入させることもできる。
上記面積比が1.4未満であると、大容量セルの断面積と小容量セルの断面積との差が小さいため、大容量セル及び小容量セルを設けた効果が得られにくくなる。一方、上記面積比が2.8を超えると、大容量セル同士を隔てるセル壁の割合が高くなる。その結果、このようなハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合、大容量セル同士を隔てるセル壁に排ガスが通過しにくくなるため、ハニカム構造体としての別の要求性能である圧力損失が大きくなる。
請求項13に記載のハニカム構造体では、ハニカム構造体に排ガスが流入することによって、ハニカム構造体の中心部が高温になった場合、ハニカム構造体の中心部に位置するハニカム焼成体がすべて中心高熱容量型ハニカム焼成体であるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を小さくすることができる。そのため、ハニカム構造体にクラックが発生することを防止することができる。
請求項14に記載のハニカム構造体では、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体がすべて中心高熱容量型ハニカム焼成体であるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を小さくすることができる。そのため、ハニカム構造体全体の温度を均一にすることができる。従って、ハニカム構造体にクラックが発生することをより防止することができる。
請求項15に記載のハニカム構造体は、排ガス中のPMを捕集するためのフィルタとして好適に使用することができる。
特許文献1に記載された従来のハニカム構造体では、ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりもハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量の方が小さい。そのため、ハニカム構造体が高温になった場合、ハニカム焼成体の中心部の温度がすぐに上昇するのに対して、ハニカム焼成体の外周部の温度は上昇しにくい。従って、ハニカム焼成体の中心部と外周部との間で温度差が生じると考えられる。
特に、特許文献1に記載された従来のハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合、再生処理時にPMを燃焼させる際に、ハニカム焼成体の外周部に比べて、ハニカム焼成体の中心部にPMが多く堆積する傾向があることが判明した。従って、再生処理時のPM燃焼により発生する熱量としては、ハニカム焼成体の外周部よりもハニカム焼成体の中心部の方が大きくなると考えられる。以上より、特許文献1に記載された従来のハニカム構造体をPMを捕集するために用いる場合には、ハニカム焼成体の中心部の温度が外周部よりもより上昇するため、ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差がより大きくなると考えられる。
以下、本発明のハニカム構造体の一実施形態である第一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体は、
多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設され、外周に外周壁が形成されたハニカム焼成体が複数個接着材層を介して結束されたセラミックブロックからなるハニカム構造体であって、
上記複数個のハニカム焼成体の少なくとも1つは、上記ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、上記ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体であることを特徴とする。
本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体では、上記セラミックブロックの外周を構成しないハニカム焼成体は、すべて、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
また、本明細書において、単に、ハニカム構造体の断面、ハニカム焼成体の断面、又は、ハニカム成形体の断面と表記した場合、それぞれ、ハニカム構造体の長手方向に垂直な断面、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面、又は、ハニカム成形体の長手方向に垂直な断面を指す。さらに、単に、ハニカム焼成体の断面積と表記した場合、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面の面積を指す。
図1(a)及び図1(b)に示すハニカム構造体10では、ハニカム焼成体110、120及び130が複数個ずつ接着材層11を介して結束されてセラミックブロック13を構成し、さらに、このセラミックブロック13の外周に外周コート層12が形成されている。なお、外周コート層は、必要に応じて形成されていればよい。
ハニカム構造体10を構成するハニカム焼成体110、120及び130については後述するが、炭化ケイ素又はケイ素結合炭化ケイ素からなる多孔質体であることが好ましい。
また、図1(b)に示すように、外方ハニカム焼成体120の断面は、3つの線分と1つの円弧とで囲まれた形状をなしている。この3つの線分のうちの2つの線分よりなる2つの角は、どちらも90°である。
さらに、図1(b)に示すように、外方ハニカム焼成体130の断面は、2つの線分と1つの円弧とで囲まれた形状をなしている。この2つの線分よりなる角は、90°である。
まず、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体について説明する。
図2(a)は、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す斜視図である。図2(b)は、図2(a)に示す内方ハニカム焼成体のB−B線断面図である。
従って、一方の端面が開口したセル111に流入した排ガスG(図2(b)中、排ガスをGで示し、排ガスの流れを矢印で示す)は、必ずセル111を隔てるセル壁113を通過した後、他方の端面が開口した他のセル111から流出するようになっている。排ガスGがセル壁113を通過する際に、排ガス中のPM等が捕集されるため、セル壁113は、フィルタとして機能する。
図3は、本発明の実施形態に係るハニカム構造体を構成するハニカム焼成体の中心部及び外周部を模式的に示す断面図である。図3においては、便宜上、セル及びセル壁を省略している。また、図3には2本の破線を示しているが、内側の破線はハニカム焼成体の中心部と外周部との境界線を表し、外側の破線はハニカム焼成体の外周部と外周壁との境界線を表している。
上述したように、ハニカム焼成体の中心部とは、ハニカム焼成体の長手方向に垂直な断面が、ハニカム焼成体の断面上の中心を含み、ハニカム焼成体の断面上の外周に対する相似形で囲まれた部分であって、ハニカム焼成体の断面積の50%を占める部分をいう。一方、ハニカム焼成体の外周部とは、ハニカム焼成体の中心部の外側に位置する部分であって、ハニカム焼成体の中心部及び外周壁以外の部分をいう。
図3を参照すると、ハニカム焼成体100の中心部105とは、ハニカム焼成体100の長手方向に垂直な断面が、ハニカム焼成体100の断面上の中心(図3中、ハニカム焼成体の断面上の中心をOで示す)を含み、中心Oと外周とを結ぶ線分を1:(21/2−1)に内分する点、言い換えると、X1:X2=1:(21/2−1)となる点(図3中、上記内分点をPで示す)を結んだ線で囲まれた部分をいう。一方、図3において、ハニカム焼成体100の外周部106とは、ハニカム焼成体100の中心部105の外側に位置する部分であって、ハニカム焼成体100の中心部105及び外周壁104以外の部分をいう。
なお、図3では、ハニカム焼成体の断面形状が四角形(正方形)である場合を説明しているが、ハニカム焼成体の断面形状に関わらず、上記の関係によりハニカム焼成体の中心部及び外周部が決定される。
より具体的には、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが段階的に減少している。
図4に示すように、内方ハニカム焼成体110では、内方ハニカム焼成体110の中心部におけるセル壁の平均厚さが、内方ハニカム焼成体110の外周部におけるセル壁の平均厚さよりも厚い。
具体的には、図4に示す内方ハニカム焼成体110では、内方ハニカム焼成体110の中心部から外周部に向かって、セル壁113の厚さが段階的に減少している。
従って、図4に示す内方ハニカム焼成体110は、ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
なお、図4では、内方ハニカム焼成体110のセル壁113の厚さをZ1で示している。このように、本明細書において、ハニカム焼成体のセル壁の厚さとは、隣接する2つのセル間の長さのうち、最も短い長さをいう。
まず、光学顕微鏡(Nikon社製、measuring microscope MM−40)のステージに、デジタルのステージ位置を読み取る計測器を取り付けた後、測定対象のサンプル(ハニカム焼成体)をステージに固定する。
次に、測定したいセル壁の一方のセルの一辺(図4中、Z11の位置にある辺)に顕微鏡の焦点を合わせる。
続いて、ステージを移動させて、セル壁の他方のセルの一辺(図4中、Z12の位置にある辺)に顕微鏡の焦点を合わせる。
そして、ステージを移動させた距離を読み取り、その値をセル壁の厚さとする。
図4に示す内方ハニカム焼成体110では、ハニカム焼成体の断面上の中心に存在するセル(図4では、位置Aに存在するセル)の大きさが最も小さく、ハニカム焼成体の断面上の中心からの距離が遠くなるほどセルの大きさが増加している。
まず、光学顕微鏡を用いて、ハニカム焼成体の中心部に存在するセル壁の面積を算出する。次に、セルの部分を含めたハニカム焼成体の中心部全体の面積を算出する。続いて、ハニカム焼成体の中心部全体の面積に対する、セル壁の面積の割合(以下、セル壁占有率ともいう)を算出する。そして、以下の計算式(1)により、ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量を算出する。
ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量(J/(K・m3))={セル壁占有率(%)/100}×セル壁を構成する材料の密度(kg/m3)×セル壁を構成する材料の比熱(J/kg・K)・・・(1)
ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量についても、同様の方法により求めることができる。なお、上述した通り、ハニカム焼成体の外周部には、ハニカム焼成体の外周壁を含まないものとする。
中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さが0.10mm未満であると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が小さくなりすぎるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部の温度上昇を防止しにくくなる。その結果、ハニカム構造体が高温になった場合に、ハニカム構造体にクラックが発生しやすくなる。また、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さが0.10mm未満であると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さが0.10mmより小さくなるため、ハニカム焼成体の強度を確保しにくくなる。
一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さが0.20mmを超えると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が大きくなるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部の温度上昇を防止する効果は増大する。しかしながら、セル壁が厚くなりすぎることにより、セル壁を通過する排ガスのろ過圧が増大するため、ハニカム構造体としての別の要求性能である圧力損失が増大してしまう。
中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さが、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さの90%未満であると、ハニカム焼成体の強度を確保しにくくなる。
一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さが、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さの98%を超えると、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部とにおけるセル壁の平均厚さの差が小さくなる。従って、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部とにおける単位体積当たりの熱容量の差が小さくなるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を小さくする効果が得られにくくなる。
まず、上述の方法により、光学顕微鏡を用いて、ハニカム焼成体の断面上の中心に最も近いセルが属するセル列に存在するセル壁の厚さを、所定の間隔で測定する。これを、異なる2方向(例えば、縦方向及び横方向等)のセル列について行う。そして、測定したセル壁の厚さの平均値を、ハニカム焼成体の中心部及び外周部についてそれぞれ算出し、この値をハニカム焼成体の中心部及び外周部におけるセル壁の平均厚さとする。
図5(a)及び図5(b)は、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す側面図である。
これは、後述するように、図1(a)及び図1(b)に示すハニカム構造体10を製造する際に、図2(a)、図2(b)及び図4に示す形状のハニカム焼成体110を複数個結束して角柱状のセラミックブロックを作製した後、上記角柱状のセラミックブロックの外周を切削することにより、円柱状のセラミックブロックとするためである。
従って、図5(a)に示す外方ハニカム焼成体120及び図5(b)に示す外方ハニカム焼成体130は、断面形状が異なる他は、図2(a)、図2(b)及び図4に示す内方ハニカム焼成体110と同様の構成を有している。なお、図5(a)に示す外方ハニカム焼成体120及び図5(b)に示す外方ハニカム焼成体130では、切削された部分には外周壁が存在しない。
ハニカム焼成体の外周壁の厚さが0.20mm未満であると、ハニカム焼成体の強度を確保しにくくなる。一方、ハニカム焼成体の外周壁の厚さが0.50mmを超えると、軽量化が望まれているハニカム構造体全体の重量が増加してしまう。
なお、図4では、内方ハニカム焼成体110の外周壁114の厚さをY1で示している。このように、本明細書において、ハニカム焼成体の外周壁の厚さとは、ハニカム焼成体の最も外側に位置するセルとハニカム焼成体の外周との間の長さのうち、最も短い長さをいう。なお、ハニカム焼成体の外周壁の厚さも、ハニカム焼成体のセル壁の厚さと同様の方法により測定することができる。
(1)セラミック粉末とバインダとを含む湿潤混合物を押出成形することによってハニカム成形体を作製する成形工程を行う。
具体的には、まず、セラミック粉末として平均粒子径の異なる炭化ケイ素粉末と、有機バインダと、液状の可塑剤と、潤滑剤と、水とを混合することにより、ハニカム成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
続いて、上記湿潤混合物を押出成形機に投入し、押出成形することにより所定の形状のハニカム成形体を作製する。
この際、図4に示すセル構造(セルの形状及びセルの配置)を有する断面形状が作製されるような金型を用いてハニカム成形体を作製する。金型には、ハニカム成形体のセル壁を形成するための溝部が設けられているが、金型の溝部を放電加工、又は、研磨等で加工することにより、所定の断面形状を有するハニカム成形体を作製することができる。
ここで、封止材ペーストとしては、上記湿潤混合物を用いることができる。
なお、セルの端部に充填された封止材ペーストは、加熱により焼成され、封止材となる。
また、切断工程、乾燥工程、封止工程、脱脂工程及び焼成工程の条件は、従来からハニカム焼成体を作製する際に用いられている条件を適用することができる。
ここで、接着材ペーストとしては、例えば、無機バインダと有機バインダと無機粒子とからなるものを使用する。また、上記接着材ペーストは、さらに無機繊維及び/又はウィスカを含んでいてもよい。
具体的には、ダイヤモンドカッターを用いてセラミックブロックの外周を切削することにより、外周が円柱状に加工されたセラミックブロックを作製する。
ここで、外周コート材ペーストとしては、上記接着材ペーストを使用することができる。なお、外周コート材ペーストして、上記接着材ペーストと異なる組成のペーストを使用してもよい。
なお、外周コート層は必ずしも設ける必要はなく、必要に応じて設ければよい。
以上の工程によって、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体を製造することができる。
(1)本実施形態のハニカム構造体は、ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体を含んでいる。
そのため、ハニカム構造体が高温になった場合、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部では、温度が上昇しにくい。一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部では、温度が上昇しやすいが、上記高熱容量型ハニカム焼成体の周囲(接着材層、又は、外周コート層が形成されている場合には外周コート層)に熱を放出することができる。従って、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間で生じる温度差を抑制することができるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を原因とするクラックの発生を防止することができる。その結果、ハニカム構造体にクラックが発生しにくくなる。
中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の平均厚さを、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の平均厚さよりも厚くすることにより、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量を、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きくすることができる。
従って、本実施形態のハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合、再生処理時にPMを燃焼させる際、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部における発熱を比較的小さくすることができる。一方、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部においては、PMの堆積量が多いため、発熱量が比較的多くなり、また、熱容量も小さいため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部の温度が上昇しやすくなる。しかしながら、中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周部では、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体の周囲(接着材層、又は、外周コート層が形成されている場合には外周コート層)に熱を放出することができる。従って、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差をより小さくすることができるため、クラックの発生を防止することができる。
本実施形態のハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、中心高熱容量型ハニカム焼成体の単位体積当たりの熱容量を段階的に減少させることができる。そのため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、熱をスムーズに伝えることができる。
本実施形態のハニカム構造体では、ハニカム構造体に排ガスが流入することによって、ハニカム構造体の中心部が高温になった場合、ハニカム構造体の中心部に位置するハニカム焼成体がすべて中心高熱容量型ハニカム焼成体であるため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を小さくすることができる。そのため、ハニカム構造体にクラックが発生することを防止することができる。
以下、本発明の一実施形態である第二実施形態について説明する。
本発明の第二実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体は、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体と同様の外形形状を有する。また、セラミックブロック(ハニカム構造体)を構成する外方ハニカム焼成体及び内方ハニカム焼成体の組み合わせ方も、本発明の第一実施形態と同様である。
さらに、本発明の第二実施形態に係るハニカム構造体においても、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体と同様、セラミックブロックの外周を構成しないハニカム焼成体(すなわち、内方ハニカム焼成体)は、すべて、中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
本発明の第二実施形態では、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体(内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体)において、多数のセルは、大容量セルと、小容量セルとからなり、大容量セルの長手方向に垂直な断面の面積は、小容量セルの長手方向に垂直な断面の面積よりも大きい。
図6(a)は、本発明の第二実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一例を一方の端面側から模式的に示す側面図である。図6(b)は、図6(a)に示す内方ハニカム焼成体を他方の端面側から模式的に示す側面図である。
従って、セル211aに流入した排ガスは、必ず、セル211aとセル211bとを隔てるセル壁213を通過した後、セル211bから流出するようになっており、セル壁213は、フィルタとして機能する。
より具体的には、本発明の第二実施形態に係るハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが段階的に減少している。
具体的には、図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210では、内方ハニカム焼成体210の中心部から外周部に向かって、セル壁213の厚さ(図6(a)中、セル壁の厚さをZ2で示す)が段階的に減少している。
従って、図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210は、ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210のように、セル壁の厚さが一定であると仮定した場合において、一方のセルよりも断面積が相対的に大きいセルを大容量セル、相対的に小さいセルを小容量セルと呼ぶこととする。従って、図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210では、八角形の断面形状を有するセル211aが大容量セルであり、四角形(正方形)の断面形状を有するセル211bが小容量セルである。
上記面積比が1.4未満であると、大容量セルの断面積と小容量セルの断面積との差が小さいため、大容量セル及び小容量セルを設けた効果が得られにくくなる。一方、上記面積比が2.8を超えると、大容量セル同士を隔てるセル壁の割合が高くなる。その結果、このようなハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合、大容量セル同士を隔てるセル壁に排ガスが通過しにくくなるため、ハニカム構造体としての別の要求性能である圧力損失が大きくなる。
従って、図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210において、小容量セルの長手方向に垂直な断面の面積に対する大容量セルの長手方向に垂直な断面の面積の面積比とは、位置Eに存在する小容量セルの断面積に対する、位置Dに存在する大容量セルの断面積の面積比を意味する。
図7に示す内方ハニカム焼成体220では、図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210と同様に、大容量セル221aと小容量セル221bとが交互に配設されている。大容量セル221aの断面形状は八角形であり、小容量セル221bの断面形状は四角形(正方形)である。
図7に示す内方ハニカム焼成体220と図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210とでは、小容量セルの長手方向に垂直な断面の面積に対する大容量セルの長手方向に垂直な断面の面積の面積比が異なり、図7に示す内方ハニカム焼成体220における上記面積比の方が、図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210における上記面積比よりも大きい。
図8は、本発明の第二実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体のさらに別の一例を模式的に示す側面図である。
図8に示す内方ハニカム焼成体230では、大容量セル231aの断面形状が四角形(正方形)であり、小容量セル231bの断面形状が四角形(正方形)である。
本発明の第一実施形態で説明したように、本発明の第二実施形態に係るハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の断面形状は、本発明の第二実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一部を取り除いた形状を有していればよい。
なお、図6(a)では、内方ハニカム焼成体210の外周壁214の厚さをY2で示している。
(6)本実施形態のハニカム構造体では、多数のセルは、大容量セルと、小容量セルとからなり、上記大容量セルの上記長手方向に垂直な断面の面積は、上記小容量セルの上記長手方向に垂直な断面の面積よりも大きい。
本実施形態のハニカム構造体を排ガス中のPMを捕集するために用いる場合、大容量セルに大量のPMを捕集することができる。そのため、再生処理時にPMを燃焼させた際に、ハニカム焼成体の温度が上昇しやすくなる。しかしながら、本実施形態のハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差を小さくすることができるため、クラックの発生を防止することができる。
以下、本発明の一実施形態である第三実施形態について説明する。
本発明の第三実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体は、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体と同様の外形形状を有する。また、セラミックブロック(ハニカム構造体)を構成する外方ハニカム焼成体及び内方ハニカム焼成体の組み合わせ方も、本発明の第一実施形態と同様である。
さらに、本発明の第三実施形態に係るハニカム構造体においても、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体と同様、セラミックブロックの外周を構成しないハニカム焼成体(すなわち、内方ハニカム焼成体)は、すべて、中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
本発明の第一実施形態では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが段階的に減少するのに対して、本発明の第三実施形態では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが連続的に減少する。
図9は、本発明の第三実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す側面図である。
従って、一方の端面が開口したセル311に流入した排ガスは、必ずセル311を隔てるセル壁313を通過した後、他方の端面が開口した他のセル311から流出するようになっており、セル壁313は、フィルタとして機能する。
より具体的には、本発明の第三実施形態に係るハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが連続的に減少している。
具体的には、図9に示す内方ハニカム焼成体310では、内方ハニカム焼成体310の中心部から外周部に向かって、セル壁313の厚さが連続的に減少している。セル壁313は曲線により構成されており、セル壁の中央が膨らんだ形状を有している。
従って、図9に示す内方ハニカム焼成体310は、ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
図9に示す内方ハニカム焼成体310において、すべてのセルの断面積を、ハニカム焼成体の断面上の中心から最も離れた位置に存在するセルの断面積に一致させた場合、セル壁の厚さは一定となり、かつ、すべてのセルは規則正しく並ぶ。
図10(a)に示す内方ハニカム焼成体320及び図10(b)に示す内方ハニカム焼成体330では、図9に示す内方ハニカム焼成体310と同様、内方ハニカム焼成体320又は330の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが連続的に減少している。
図10(a)に示す内方ハニカム焼成体320では、セル壁323は曲線により構成されており、セル壁の中央が尖った形状を有している。
図10(b)に示す内方ハニカム焼成体330では、セル壁333は直線により構成されており、菱形形状を有している。
本発明の第一実施形態で説明したように、本発明の第三実施形態に係るハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の断面形状は、本発明の第三実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一部を取り除いた形状を有していればよい。
本発明の第三実施形態に係るハニカム構造体では、ハニカム成形体の作製の容易さの観点から、セルの断面形状はすべて四角形であることが好ましい。
(7)本実施形態のハニカム構造体では、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体の上記中心部から上記外周部に向かって、上記セル壁の厚さが連続的に減少する。
本実施形態のハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、中心高熱容量型ハニカム焼成体の単位体積当たりの熱容量を連続的に減少させることができる。そのため、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、熱をスムーズに伝えることができる。
以下、本発明の一実施形態である第四実施形態について説明する。
本発明の第四実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体は、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体及び外方ハニカム焼成体と同様の外形形状を有する。また、セラミックブロック(ハニカム構造体)を構成する外方ハニカム焼成体及び内方ハニカム焼成体の組み合わせ方も、本発明の第一実施形態と同様である。
さらに、本発明の第四実施形態に係るハニカム構造体においても、本発明の第一実施形態に係るハニカム構造体と同様、セラミックブロックの外周を構成しないハニカム焼成体(すなわち、内方ハニカム焼成体)は、すべて、中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
本発明の第一実施形態では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが段階的に減少するのに対して、本発明の第四実施形態では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁の厚さが、中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁以外のセル壁の厚さよりも薄い。
図11は、本発明の第四実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す側面図である。
従って、一方の端面が開口したセル411に流入した排ガスは、必ずセル411を隔てるセル壁413a又は413bを通過した後、他方の端面が開口した他のセル411から流出するようになっており、セル壁413a又は413bは、フィルタとして機能する。
より具体的には、本発明の第四実施形態に係るハニカム構造体では、中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁の厚さが、中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁以外のセル壁の厚さよりも薄くなっている。
具体的には、図11に示す内方ハニカム焼成体410では、内方ハニカム焼成体410の最も外側に位置するセル壁413aの厚さが、内方ハニカム焼成体410の最も外側に位置するセル壁413a以外のセル壁413bの厚さよりも薄い。内方ハニカム焼成体410の最も外側に位置するセル壁413a以外のセル壁413bの厚さは一定となっている。
従って、図11に示す内方ハニカム焼成体410は、ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
図11に示す内方ハニカム焼成体410では、ハニカム焼成体の最外周に存在するセルの大きさが、ハニカム焼成体の最外周以外に存在するセルの大きさよりも大きい。
本発明の第一実施形態で説明したように、本発明の第四実施形態に係るハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の断面形状は、本発明の第四実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一部を取り除いた形状を有していればよい。
図12に示す内方ハニカム焼成体420では、大容量セル421aと小容量セル421bとが交互に配設されている。大容量セル421aの断面形状は八角形であり、小容量セル421bの断面形状は四角形(正方形)である。そして、内方ハニカム焼成体420の最も外側に位置するセル壁423aの厚さが、内方ハニカム焼成体420の最も外側に位置するセル壁423a以外のセル壁423bの厚さよりも薄い。
(8)本実施形態のハニカム構造体では、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁の厚さが、上記中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁以外のセル壁の厚さよりも薄い。
このような構成を有する中心高熱容量型ハニカム焼成体を含むハニカム構造体であっても、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部と外周部との間の温度差をより小さくすることができるため、クラックの発生を防止することができる。
以下、本発明の第一実施形態〜第四実施形態をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
まず、セル壁の厚さの異なるハニカム焼成体1〜11を作製した。
まず、平均粒子径22μmを有する炭化ケイ素の粗粉末54.6重量%と、平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の微粉末23.4重量%とを混合し、得られた混合物に対して、有機バインダ(メチルセルロース)4.3重量%、潤滑剤(日油社製 ユニルーブ)2.6重量%、グリセリン1.2重量%、及び、水13.9重量%を加えて混練して湿潤混合物を得た後、押出成形する成形工程を行った。
本工程では、図6(a)及び図6(b)に示した内方ハニカム焼成体210と同様の形状であって、セルの目封じをしていない生のハニカム成形体を作製した。
これにより、ハニカム焼成体を作製した。上記工程で作製したハニカム焼成体をハニカム焼成体1とした。
図13は、実施例及び比較例に係るハニカム焼成体のセル壁の厚さの測定方法を説明するための模式図である。図13では、セル壁の厚さの測定方法を分かりやすく説明するために、すべてのセルの断面形状を四角形(正方形)とし、すべてのセル壁の厚さを一定としている。また、図13には、一部のセルのみを記載している。
まず、作製したハニカム焼成体について、ハニカム焼成体の一の角部を原点、ハニカム焼成体の外周壁をX軸及びY軸として、X軸及びY軸が互いに直交する二次元の直交座標系を考える。すると、ハニカム焼成体1に形成されたセルには、(X,Y)=(1,1)、(1,2)、・・・、(1,24)、(2,1)、(2,2)、・・・、(2,24)、(3,1)、・・・、(11,24)、(12,1)、(12,2)、・・・、(12,24)、(13,1)、・・・、(23,24)、(24,1)、(24,2)、・・・、(24,24)の座標が与えられる。
次に、光学顕微鏡(Nikon社製、measuring microscope MM−40)を用いて、X=12及びY=12に位置するセルの列について、セル壁の厚さを測定する。具体的には、X=12に位置するセルの列について、セル(12,1)とセル(12,2)との間のセル壁の厚さa1、セル(12,7)とセル(12,8)との間のセル壁の厚さb1、セル(12,12)とセル(12,13)との間のセル壁の厚さc1、セル(12,17)とセル(12,18)との間のセル壁の厚さd1(図示せず)、及び、セル(12,23)とセル(12,24)との間のセル壁の厚さe1(図示せず)を測定し、Y=12に位置するセルの列について、セル(1,12)とセル(2,12)との間のセル壁の厚さa2、セル(7,12)とセル(8,12)との間のセル壁の厚さb2、セル(12,12)とセル(13,12)との間のセル壁の厚さc2、セル(17,12)とセル(18,12)との間のセル壁の厚さd2(図示せず)、及び、セル(23,12)とセル(24,12)との間のセル壁の厚さe2(図示せず)を測定する。
そして、a1及びa2の平均値、b1及びb2の平均値、c1及びc2の平均値、d1及びd2の平均値、e1及びe2の平均値を求め、それぞれa、b、c、d、eとする。
その結果、ハニカム焼成体1のセル壁の厚さは、a=0.095mm、b=0.100mm、c=0.105mm、d=0.100mm、e=0.095mmである。
上記ハニカム焼成体1の作製工程において、成形工程で用いる金型の形状を変更して、セル壁の厚さの異なるハニカム焼成体であるハニカム焼成体2〜11を作製した。
ハニカム焼成体2〜6を作製する際には、図6(a)及び図6(b)に示した内方ハニカム焼成体210と同様の形状であって、セルの目封じをしていない生のハニカム成形体を作製した。
ハニカム焼成体7を作製する際には、図12に示した内方ハニカム焼成体420と同様の形状であって、セルの目封じをしていない生のハニカム成形体を作製した。
ハニカム焼成体8〜10を作製する際には、セル壁の厚さが一定であって、セルの目封じをしていない生のハニカム成形体を作製した。
ハニカム焼成体11を作製する際には、図6(a)及び図6(b)に示した内方ハニカム焼成体210とは逆の形状であって、セルの目封じをしていない生のハニカム成形体を作製した。すなわち、ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが段階的に増加する形状を有する生のハニカム成形体を作製した。
ハニカム焼成体3のセル壁の厚さは、a=0.166mm、b=0.175mm、c=0.184mm、d=0.175mm、e=0.166mmである。
ハニカム焼成体4のセル壁の厚さは、a=0.170mm、b=0.175mm、c=0.180mm、d=0.175mm、e=0.170mmである。
ハニカム焼成体5のセル壁の厚さは、a=0.173mm、b=0.175mm、c=0.177mm、d=0.175mm、e=0.173mmである。
ハニカム焼成体6のセル壁の厚さは、a=0.190mm、b=0.200mm、c=0.210mm、d=0.200mm、e=0.190mmである。
ハニカム焼成体7のセル壁の厚さは、a=0.166mm、b=0.179mm、c=0.179mm、d=0.179mm、e=0.166mmである。
ハニカム焼成体8のセル壁の厚さは、a=0.100mm、b=0.100mm、c=0.100mm、d=0.100mm、e=0.100mmである。
ハニカム焼成体9のセル壁の厚さは、a=0.175mm、b=0.175mm、c=0.175mm、d=0.175mm、e=0.175mmである。
ハニカム焼成体10のセル壁の厚さは、a=0.200mm、b=0.200mm、c=0.200mm、d=0.200mm、e=0.200mmである。
ハニカム焼成体11のセル壁の厚さは、a=0.185mm、b=0.175mm、c=0.165mm、d=0.175mm、e=0.185mmである。
ハニカム焼成体1〜11を用いて、ハニカム構造体を作製した。
ハニカム焼成体1の所定の側面に接着材ペーストを塗布し、この接着材ペーストを介して36個(縦6個×横6個)のハニカム焼成体1を接着させることにより、ハニカム焼成体の集合体を作製した。
さらに、ハニカム焼成体の集合体を180℃、20分で加熱し、接着材ペーストを乾燥固化させることにより、接着材層の厚さが1mmで角柱状のセラミックブロックを作製した。
ここで、接着材ペーストとしては、平均粒径0.6μmの炭化ケイ素粒子30.0重量%、シリカゾル(固形分:30重量%)21.4重量%、カルボキシメチルセルロース8.0重量%、及び、水40.6重量%からなる接着材ペーストを使用した。
以上の工程によって、直径200mm×長さ200mmの円柱状のハニカム構造体を作製した。
ハニカム焼成体2〜7をそれぞれ用いることにより、実施例1と同様にして実施例2〜7のハニカム構造体を作製した。
ハニカム焼成体8〜11をそれぞれ用いることにより、実施例1と同様にして比較例1〜4のハニカム構造体を作製した。
実施例1〜7及び比較例1〜4で作製したハニカム構造体について、以下の方法により耐久性試験を行った。
まず、実施例1〜7及び比較例1〜4で作製したハニカム構造体の外周に保持シール材を巻き付け、これを円筒状のケーシング(金属シェル)に圧入することにより排ガス浄化装置を作製した。なお、保持シール材は、アルミナ−シリカ系無機繊維からなるマット状であり、その厚さは8mmである。
この排ガス浄化装置の排ガス流入側の端部を、6.4Lのディーゼルエンジンに連結された導入管に接続した。また、排ガス浄化装置の排ガス流出側の端部を外部に連結された排出管に接続した。
次に、エンジンを回転数が3000min−1、トルクが50Nmとなるように運転し、エンジンからの排ガスをハニカム構造体に流通させた。
そして、ハニカム構造体の体積1リットルあたりに捕集されるPMの量が表1に記載された量(PMの捕集量:31〜50g/L)になるまで運転を行った後、ポストインジェクションによってPMを燃焼させた。
上記ポストインジェクションの条件は、開始後1分間にハニカム構造体の中心温度が600℃でほぼ一定になるように設定した。ポストインジェクションの後、ハニカム構造体にクラックが発生しているかを目視で観察した。
表1の「クラックの有無」の欄には、ポストインジェクション後にハニカム構造体にクラックが発生したものを「有」、ハニカム構造体にクラックが発生しなかったものを「無」と示した。
一方、比較例1〜3のように、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体におけるセル壁の厚さが一定である場合、及び、比較例4のように、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体の中心部におけるセル壁の厚さが、ハニカム焼成体の外周部におけるセル壁の厚さよりも薄い場合、ポストインジェクション後、ハニカム構造体にクラックが発生した。
本発明の第一実施形態〜第四実施形態に係るハニカム構造体では、セラミックブロックの外周を構成しないハニカム焼成体(すなわち、内方ハニカム焼成体)は、すべて中心高熱容量型ハニカム焼成体である。
しかしながら、本発明の実施形態に係るハニカム構造体においては、ハニカム構造体を構成する複数個のハニカム焼成体の少なくとも1つが、中心高熱容量型ハニカム焼成体であればよく、ハニカム構造体中の中心高熱容量型ハニカム焼成体の個数及び位置は特に限定されない。
従って、内方ハニカム焼成体が中心高熱容量型ハニカム焼成体でなく、外方ハニカム焼成体が中心高熱容量型ハニカム焼成体であるハニカム構造体であってもよい。
しかしながら、本発明の実施形態に係るハニカム構造体においては、ハニカム構造体を構成するすべてのハニカム焼成体が、中心高熱容量型ハニカム焼成体であってもよい。
図14(a)及び図14(b)は、本発明の他の実施形態に係るハニカム構造体を構成する外方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す側面図である。
図14(a)に示す外方ハニカム焼成体510及び図14(b)に示す外方ハニカム焼成体520は、図5(a)に示す外方ハニカム焼成体120及び図5(b)に示す外方ハニカム焼成体130の変形例である。
図14(a)に示す外方ハニカム焼成体510及び図14(b)に示す外方ハニカム焼成体520では、外方ハニカム焼成体510及び520の中心部から外周部に向かって、セル壁513又は523の厚さが段階的に減少している。具体的には、図14(a)に示す外方ハニカム焼成体510及び図14(b)に示す外方ハニカム焼成体520では、ハニカム焼成体の断面上の中心に存在するセルの大きさが最も小さく、ハニカム焼成体の断面上の中心からの距離が遠くなるほどセルの大きさが増加している。
上記の構成を有するハニカム構造体を製造するためには、図14(a)に示す外方ハニカム焼成体510及び図14(b)に示す外方ハニカム焼成体520に対応する金型を用いてハニカム成形体を作製すればよい。
しかしながら、本発明の第一実施形態及び第二実施形態に係るハニカム構造体においては、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かって、セル壁の厚さが段階的に減少していればよく、例えば、以下のようなセル構造(セルの形状及びセルの配置)であってもよい。
図15(a)に示す内方ハニカム焼成体140は、図4に示す内方ハニカム焼成体110の変形例であり、図15(b)に示す内方ハニカム焼成体240は、図6(a)及び図6(b)に示す内方ハニカム焼成体210の変形例である。
図15(a)に示す内方ハニカム焼成体140及び図15(b)に示す内方ハニカム焼成体240では、ハニカム焼成体の断面上の中心に存在するセルの大きさが最も小さく、その最も小さなセルを取り囲むセル群が、その最も小さなセルから離れていくごとにセルの大きさが増加している。
図16(a)及び図16(b)は、本発明の他の実施形態に係るハニカム構造体を構成する内方ハニカム焼成体の一例を模式的に示す側面図である。
図16(a)及び図16(b)は、いずれも内方ハニカム焼成体の一方の端面側、すなわち小容量セルが封止された端面側から見た側面図である。
図16(a)及び図16(b)を参照しながら、大容量セル及び小容量セルの断面形状のその他の実施形態を説明する。
なお、小容量セル611bの長手方向に垂直な断面の形状も、大容量セル611aと同様に、角部に相当する部分が円弧状になっている四角形であってもよい。
すなわち、図16(b)では、実線で示しているセル壁623の断面形状が曲線である。
大容量セル621aの断面形状は、セル壁623がセルの断面の中心から外側に向かって凸の形状であり、一方、小容量セル621bの断面形状は、セル壁623がセルの断面の外側から中心に向かって凸の形状である。
セル壁623は内方ハニカム焼成体の断面の水平方向及び垂直方向に対して起伏する「波形」の形状を有しており、小容量セルにおいて、隣り合うセル壁623の波形の山の部分(正弦曲線でいう振幅の極大値の部分)が互いに最近接することで、セルの断面形状が外側に膨らんだ大容量セル621aとセルの断面形状が内側に凹んだ小容量セル621bとが形成される。なお、波形の振幅は一定でもよくまた変化しても良いが、一定であることが好ましい。
従って、同一の中心高熱容量型ハニカム焼成体におけるセル壁の形状が、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かってセル壁の厚さが段階的に減少する形状と、中心高熱容量型ハニカム焼成体の中心部から外周部に向かってセル壁の厚さが連続的に減少する形状とが組み合わされた形状であってもよい。
また、同一の中心高熱容量型ハニカム焼成体におけるセル壁の形状が、これまでの実施形態において説明したセル壁の形状及びセル構造を組み合わせた形状であってもよい。
さらに、これまでの実施形態において説明したハニカム焼成体では、ハニカム焼成体の断面上の中心にセルが形成されていたが、ハニカム焼成体の断面上の中心にはセルが形成されていなくてもよい。
図17に示すハニカム構造体70は、16個の内方ハニカム焼成体710と8個の外方ハニカム焼成体720とからなる。
図17に示すハニカム構造体70では、外方ハニカム焼成体720の断面形状が異なる他は、図1(a)及び図1(b)に示すハニカム構造体10と同様の構成を有している。図17に示す外方ハニカム焼成体720の断面は、2つの線分(長線分及び短線分)と1つの円弧とで囲まれた形状をなしている。この2つの線分よりなる角は、90°である。外方ハニカム焼成体720の長線分の長さは特に限定されないが、内方ハニカム焼成体710の2個分の長さ(接着材層の厚さを含む)であることが好ましい。
図17に示す内方ハニカム焼成体710及び外方ハニカム焼成体720のセル構造としては、これまでの実施形態で説明した任意のセル構造を採用することができる。
例えば、図1(a)及び図1(b)に示すハニカム構造体10を製造するためには、以下のような断面形状が異なる3種類のハニカム焼成体を作製する。第1のハニカム焼成体は、断面形状が4本の直線で囲まれた形状(四角形)である。第2のハニカム焼成体は、断面形状が2本の直線と1本の円弧とで囲まれた形状である。第3のハニカム焼成体は、断面形状が3本の直線と1本の円弧とで囲まれた形状である。そして、第1のハニカム焼成体を16個、第2のハニカム焼成体を8個、第3のハニカム焼成体を8個ずつ組み合わせることにより、円柱状のセラミックブロックを作製することができる。
また、図17に示すハニカム構造体70を製造するためには、以下のような断面形状が異なる2種類のハニカム焼成体を作製する。第1のハニカム焼成体は、断面形状が4本の直線で囲まれた形状(四角形)である。第2のハニカム焼成体は、断面形状が2本の直線と1本の円弧とで囲まれた形状である。そして、第1のハニカム焼成体を16個、第2のハニカム焼成体を8個ずつ組み合わせることにより、円柱状のセラミックブロックを作製することができる。
なお、断面形状の異なるハニカム焼成体は、それぞれ、押出成形において用いる金型の形状を変更することにより作製することができる。
ハニカム焼成体の外周壁の厚さが、セル壁の厚さよりも厚い場合、外周壁の厚さは、最も厚いセル壁の厚さの1.3〜3.0倍であることが望ましい。
ハニカム焼成体の気孔率が35%未満であると、ハニカム焼成体が目詰まりを起こしやすくなる。一方、ハニカム焼成体の気孔率が60%を超えると、ハニカム焼成体の強度が低下するため、ハニカム焼成体が破壊されやすくなる。
ハニカム焼成体の平均気孔径が5μm未満であると、ハニカム焼成体が目詰まりを起こしやすくなる。一方、ハニカム焼成体の平均気孔径が30μmを超えると、パティキュレートがハニカム焼成体の気孔を通り抜けてしまい、ハニカム焼成体がパティキュレートを捕集することができず、ハニカム構造体がフィルタとして機能することができない。
最も厚いセル壁の厚さが0.1mm未満であると、セル壁の厚さが薄くなりすぎるため、ハニカム焼成体の強度を保つことができなくなる。一方、最も厚いセル壁の厚さが0.4mmを超えると、ハニカム構造体の圧力損失の上昇を引き起こしやすくなる。
これらの中では、非酸化物セラミックが好ましく、炭化ケイ素又はケイ素結合炭化ケイ素が特に好ましい。耐熱性、機械強度、熱伝導率等に優れるからである。
また、上記湿潤混合物に含まれる潤滑剤としては、特に限定されず、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン系化合物等が挙げられる。
潤滑剤の具体例としては、例えば、ポリオキシエチレンモノブチルエーテル、ポリオキシプロピレンモノブチルエーテル等が挙げられる。
なお、可塑剤、潤滑剤は、場合によっては、上記湿潤混合物に含まれていなくてもよい。
さらに、上記湿潤混合物中には、成形助剤が添加されていてもよい。
成形助剤としては特に限定されず、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等が挙げられる。
バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン(FAバルーン)、ムライトバルーン等が挙げられる。これらの中では、アルミナバルーンが望ましい。
係る必須の構成要素に、本発明の第一実施形態〜第四実施形態、及び、その他の実施形態で詳述した種々の構成(例えば、ハニカム構造体を構成するハニカム焼成体の形状、ハニカム焼成体のセル壁の形状、ハニカム焼成体のセル構造、ハニカム構造体の製造工程等)を適宜組み合わせることにより所望の効果を得ることができる。
11 接着材層
13 セラミックブロック
100、110、120、130、140、210、220、230、240、310、320、330、410、420、510、520、610、620、710、720 ハニカム焼成体
111、121、131、141、211a、211b、221a、221b、231a、231b、241a、241b、311、321、331、411、421a、421b、511、521、611a、611b、621a、621b セル
113、123、133、143、213、223、233、243、313、323、333、413a、413b、423a、423b、513、523、613、623 セル壁(ハニカム焼成体のセル壁)
104、114、124、134、144、214、224、234、244、314、324、334、414、424、514、524、614、624 外周壁(ハニカム焼成体の外周壁)
105 ハニカム焼成体の中心部
106 ハニカム焼成体の外周部
Claims (15)
- 多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設され、外周に外周壁が形成されたハニカム焼成体が複数個接着材層を介して結束されたセラミックブロックからなるハニカム構造体であって、
前記複数個のハニカム焼成体の少なくとも1つは、前記ハニカム焼成体の中心部における単位体積当たりの熱容量が、前記ハニカム焼成体の外周部における単位体積当たりの熱容量よりも大きい中心高熱容量型ハニカム焼成体であり、
前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の外周壁の厚さは、前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も厚いセル壁の厚さの1.3〜3.0倍であることを特徴とするハニカム構造体。 - 前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の前記中心部におけるセル壁の平均厚さは、前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の前記外周部におけるセル壁の平均厚さよりも厚い請求項1に記載のハニカム構造体。
- 前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の前記中心部における前記セル壁の平均厚さは、0.10〜0.20mmであり、
前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の前記外周部における前記セル壁の平均厚さは、前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の前記中心部における前記セル壁の平均厚さの90〜98%である請求項2に記載のハニカム構造体。 - 前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の前記中心部から前記外周部に向かって、前記セル壁の厚さが段階的に減少する請求項2又は3に記載のハニカム構造体。
- 前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の前記中心部から前記外周部に向かって、前記セル壁の厚さが連続的に減少する請求項2又は3に記載のハニカム構造体。
- 前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁の厚さが、前記中心高熱容量型ハニカム焼成体の最も外側に位置するセル壁以外のセル壁の厚さよりも薄い請求項2又は3に記載のハニカム構造体。
- 前記複数個のハニカム焼成体の各々において、前記外周壁の厚さは、0.20〜0.50mmである請求項1〜6のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記複数個のハニカム焼成体の各々において、前記多数のセルは、大容量セルと、小容量セルとからなり、
前記大容量セルの前記長手方向に垂直な断面の面積は、前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面の面積よりも大きい請求項1〜7のいずれかに記載のハニカム構造体。 - 前記大容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は八角形であり、
前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は四角形である請求項8に記載のハニカム構造体。 - 前記大容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は四角形であり、
前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面の形状は四角形である請求項8に記載のハニカム構造体。 - 前記大容量セル及び前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面においては、前記大容量セル及び前記小容量セルを形成するセル壁の形状が曲線により構成されている請求項8に記載のハニカム構造体。
- 前記小容量セルの前記長手方向に垂直な断面の面積に対する前記大容量セルの前記長手方向に垂直な断面の面積の面積比は、1.4〜2.8である請求項8〜11のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記セラミックブロックの外周を構成しないハニカム焼成体は、すべて前記中心高熱容量型ハニカム焼成体である請求項1〜12のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記複数個のハニカム焼成体は、すべて前記中心高熱容量型ハニカム焼成体である請求項1〜12のいずれかに記載のハニカム構造体。
- 前記複数個のハニカム焼成体の各々において、前記多数のセルのそれぞれ一方の端部は、交互に封止されている請求項1〜14のいずれかに記載のハニカム構造体。
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