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WO2003067043A1 - Honeycomb structure - Google Patents

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WO2003067043A1
WO2003067043A1 PCT/JP2003/001161 JP0301161W WO03067043A1 WO 2003067043 A1 WO2003067043 A1 WO 2003067043A1 JP 0301161 W JP0301161 W JP 0301161W WO 03067043 A1 WO03067043 A1 WO 03067043A1
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WO
WIPO (PCT)
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honeycomb
honeycomb structure
segment
degrees
cross
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2003/001161
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hirofumi Sakamoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to EP03705049A priority Critical patent/EP1473445B1/en
Priority to PL03364165A priority patent/PL364165A1/xx
Priority to US10/473,612 priority patent/US7169203B2/en
Priority to AU2003211918A priority patent/AU2003211918A1/en
Priority to KR1020037013491A priority patent/KR100593275B1/ko
Publication of WO2003067043A1 publication Critical patent/WO2003067043A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y10T428/24149—Honeycomb-like

Definitions

  • the present invention relates to a honeycomb structure used for a filter for collecting particulates in exhaust gas from an internal combustion engine, a boiler, or the like, and more particularly to an 82-cam structure excellent in resistance to cracks due to thermal stress.
  • Honeycomb structures are used as filters for collecting particulates in exhaust gas from internal combustion engines, poilers, etc., especially diesel particulates.
  • a honeycomb structure used for such a purpose generally has a large number of flow holes 3 penetrating in the X-axis direction, which are partitioned by partition walls 2 as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). Adjacent flow holes 3 are plugged at one end opposite to each other so that the end face has a checkered pattern.
  • the fluid to be treated is plugged at the end of the flow hole 3 where the inlet side end face 4 2 is not plugged, that is, the end face 4 4 of the outlet hole side.
  • DPF filter
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a honeycomb structure including a honeycomb segment having excellent resistance to cracks due to thermal stress.
  • the present inventor has conducted intensive studies on the above problems, and as a result, it has been found that cracks generated in the 82 cam structure are caused by stress concentrated at the corners of the flow holes, that is, at the intersections of the partition walls.
  • the present invention is based on the above findings, and has a plurality of: an outer peripheral wall, a partition wall disposed inside the outer peripheral wall, and a plurality of axially penetrating flow holes partitioned by the partition wall.
  • honeycomb structure in which the honeycomb segments are integrated with each other, wherein an angle of a partition wall with respect to a straight line along an outermost point of the outer peripheral wall adjacent to another honeycomb segment in a cross section perpendicular to an axial direction of the honeycomb structure.
  • the present invention provides a honeycomb structure characterized by including a honeycomb segment having a range of 25 to 65 degrees.
  • the shape of the flow hole in the cross section of the honeycomb segment is preferably a quadrangle, and at least one of the honeycomb segments arranged at the center of the honeycomb structure has the angle of 25 to 65.
  • it is a honeycomb segment having a range of degrees.
  • the honeycomb segment contains silicon carbide or a silicon-silicon carbide composite material as a main component, and 70% by volume or more of the 82-cam structure has a cross-sectional area of 900 mm 2 to it is preferably made of a honeycomb segment is l 0 0 0 mm 2.
  • an opening of a predetermined flow hole in the honeycomb segment is sealed at one end face, and an opening of a part of the remaining flow hole is sealed at another end face. It is also preferable that the openings of the predetermined flow holes in the segment are sealed at one end face, and the openings of all the remaining flow holes are sealed at the other end face.
  • FIG. 1 (a) to 1 (d) are schematic views showing an embodiment of the honeycomb structure of the present invention.
  • FIG. 1 (a) is a schematic perspective view of a honeycomb segment
  • FIG. 1 (b) is a honeycomb.
  • FIG. 1 (c) is a schematic perspective view of a honeycomb structure
  • FIG. 1 (d) is a schematic cross-sectional view of a honeycomb structure.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion II in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the honeycomb segment according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing still another embodiment of the honeycomb segment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing a honeycomb structure including the honeycomb segments in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing still another embodiment of the honeycomb segment in the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing still another embodiment of the honeycomb structure of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the inclination angle of the honeycomb structure obtained in the example and the comparative example and the maximum stress during reproduction.
  • FIGS. 9A and 9B are schematic diagrams showing a conventional honeycomb structure.
  • FIG. 9A is a schematic perspective view
  • FIG. 9B is a schematic plan view.
  • FIG. 10 (a) to 10 (c) are schematic views showing a conventional honeycomb segment structure
  • FIG. 10 (a) is a schematic perspective view of a honeycomb segment
  • FIG. 10 (b) is a schematic view of the honeycomb segment
  • FIG. 10 (c) is a schematic perspective view of a honeycomb structure.
  • FIG. 11A is a schematic sectional view showing a conventional honeycomb structure.
  • FIG. 11 (b) is a cross-sectional view of the honeycomb segment forming FIG. 11 (a), and FIG. 11 (c) is an enlarged view of a portion XIc in FIG. 11 (b).
  • a section means a section perpendicular to the X-axis direction (the longitudinal direction of the flow hole) unless otherwise specified.
  • the honeycomb structure of the present invention has an outer peripheral wall 8, a partition wall 2 disposed inside the outer peripheral wall 8,
  • the honeycomb structure is formed by integrating a plurality of honeycomb segments 12 having a large number of flow holes 3 penetrating in the axial direction, which are partitioned by the honeycomb structure.
  • the honeycomb structure includes a honeycomb segment in which a and / or b is in the range of 25 to 65 degrees.
  • the conventional honeycomb segment has an inclination angle a of 90 degrees or 180 degrees (parallel), and usually has a rectangular cross section as a basic shape.
  • Such 82 cam segments are arranged and integrated as shown in FIG. 10 (c) to form a honeycomb structure.
  • a honeycomb structure is used for, for example, a DPF
  • PM particulate matter
  • the exhaust gas is located at the center of the DPF due to fluid characteristics. Regeneration also occurs actively in the center of the DPF because of the large flow to the center.
  • the center of the DPF tends to have a high temperature and the outer periphery thereof tends to have a low temperature, and a temperature difference in the radial direction from the center of the DPF tends to occur. Therefore, since the central portion of the DPF tends to expand from the outer peripheral portion, for example, a stress is applied to the honeycomb segment 12a in FIG. As a result, stress concentrates on the intersection 25 of the partition walls 2, and as shown in FIG. 11 (c), for example, cracks easily occur at the intersection 25a of the partition walls. In addition, the crack once formed had the drawback that cracks easily propagated because stress was concentrated at the intersection 25b of the partition wall in the oblique direction.
  • the honeycomb structure of the present invention has a honeycomb segment in which the inclination angle a is in the range of 25 to 65 degrees, for example, a honeycomb segment in which the inclination angles a and b are 45 degrees as shown in FIG. Therefore, when the stress S is applied in the same manner as described above, the stress is hardly concentrated at the intersection 25 of the partition walls structurally as shown in FIG. Also, even if a crack occurs in the intersection 25a, the stress does not concentrate on the adjacent intersection 25b, so that the crack does not easily propagate.
  • the outer peripheral line 9 is a polygon in which the outer peripheral shape in the cross section of the honeycomb segment has a straight line and an inner angle that is a convex angle (an angle of less than 180 degrees), for example, a square as shown in FIG.
  • the case means a straight line extending along the outer peripheral wall 8.
  • lines on the outer peripheral wall 8b that are not adjacent to other honeycomb segments as shown in FIG. 1D are not included.
  • the cross-sectional outer peripheral shape of the 82 cam segment is not a general polygon as described above, for example, as shown in FIG. 3, a polygon having an internal angle that is a concave angle (an angle larger than 180 degrees) is used.
  • the outer line 9 is It means a straight line connecting the vertices outside the cam segment.
  • the inclination angle (the angle of the partition 2 with respect to the outer line 9) is It means an acute angle formed at the intersection with a straight line extending along the partition 2.
  • FIG. 4 shows a honeycomb segment according to another embodiment of the present invention, in which the inclination angles a and b are 30 degrees and 60 degrees, respectively.
  • FIG. 5 shows the honeycomb segment shown in FIG. The joining form is shown. The effect of the present invention can be obtained even in such a mode.
  • a polygonal 82 cam segment whose outer peripheral shape has a concave angle as shown in FIGS. 3 and 4, it can be easily aligned at the time of joining as shown in FIG. There are advantages too.
  • FIG. 6 shows another type of honeycomb segment in which the inclination angles a and b are 30 degrees and 60 degrees, respectively. Although the intersection of the partition walls is not a right angle in the honeycomb segment shown in FIG. 6, the effect of the present invention can be obtained in such a form.
  • the opening of the predetermined flow hole is sealed at one end face, and the opening of the remaining predetermined flow hole is sealed at the other end face. . By performing such sealing, a large filtration area can be secured.
  • the remaining predetermined through-hole may be a part of the remaining through-hole, that is, there may be an unsealed through-hole at any end face, That the predetermined flow holes are all remaining flow holes, that is, that the openings of all the flow holes are sealed at one of the end faces, to secure the largest filtration area. It is preferable in that it can be used.
  • a honeycomb segment having an inclination angle in the range of 25 to 65 degrees is a partition having an inclination angle in the range of 25 to 65 degrees with respect to any one of the outer peripheral lines. It means a honeycomb segment having 50% by volume or more, preferably 70% by volume or more, more preferably 90% by volume or more, and most preferably 95% by volume or more, based on the body. Further, the partition walls having an inclination angle of 25 to 65 degrees with respect to all the outer peripheral lines are 50% by volume or more, preferably 70% by volume or more, more preferably Suitably, it is at least 90% by volume, most preferably at least 95% by volume.
  • partition walls are preferably in the form of a plate having a thickness in the range of 30 to 200 m, more preferably 40 to 100 m, and most preferably 50 to 500 m.
  • the cross-sectional shape preferably has linearity such that a straight line can be drawn along the cross-section in a section where at least one flow hole is formed.
  • the cross-sectional shape of the flow hole formed by partitioning by the partition wall is preferably a polygonal shape, and particularly preferably a quadrangular shape.
  • the partition wall can be formed in a linear shape extending from one outer peripheral wall to another outer peripheral wall, and the inclination angle can be constant.
  • a certain improvement effect can be expected by including at least one honeycomb segment having an inclination angle in the range of 25 to 65 degrees in the honeycomb structure. Further, it is preferable that the honeycomb segments having an inclination angle in the range of 25 to 65 degrees are arranged at the center of the cross section of the honeycomb structure. As described above, since the honeycomb structure tends to become hot at the center, the center is most susceptible to stress due to thermal expansion. Therefore, by disposing a honeycomb segment having an inclination angle in the range of 25 to 65 degrees at the center, the resistance of the entire honeycomb structure to thermal stress can be effectively improved.
  • the honeycomb segment arranged at the center (hereinafter referred to as the center) in the cross section of the 82-cam structure refers to the cross-sectional center 10 of the 82-cam structure 1 as shown in FIG.
  • the honeycomb segment 1 2 i includes or is adjacent to the cross-sectional center 10. Therefore, in the honeycomb structure shown in FIG. 7, four honeycomb segments 12 i adjacent to the center 10 of the cross section are the honeycomb segments arranged at the center.
  • honeycomb segments arranged at the center are honeycomb segments having an inclination angle in the range of 25 to 65 degrees. Furthermore, it is arranged on the outer peripheral side of the honeycomb structure.
  • the honeycomb segments 12 o in FIG. 7 be honeycomb segments having an inclination angle of 25 to 65 degrees, and all the honeycomb segments have an inclination angle of 25 to 65 degrees. Most preferably, it is a honeycomb segment having a range of 65 degrees.
  • the main components of the honeycomb structure are cordierite, mullite, alumina, spinel, silicon carbide, silicon carbide-cordrite composite material, silicon monosilicon composite material, from the viewpoints of strength, heat resistance, and the like.
  • the “main component” means that 50% by mass or more, preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more of the honeycomb structure.
  • the honeycomb structure 1 is made of metal silicon (S i) and silicon carbide (S i C), it is defined by S / (S i + S i C) of the honeycomb structure 1. If the Si content is too small, the effect of Si addition cannot be obtained, and if it exceeds 50% by mass, the effects of heat resistance and high thermal conductivity characteristic of SiC cannot be obtained.
  • the Si content is preferably from 5 to 50% by mass, and more preferably from 10 to 40% by mass.
  • a material for sealing the opening of the flow hole one or two or more materials selected from ceramics or metals that can be suitably used for the above-described honeycomb structure are preferable. It is more preferable to use the same material as the main component.
  • the thermal conductivity of the honeycomb structure there is no particular limitation on the thermal conductivity of the honeycomb structure.
  • the thermal conductivity is too high, the heat radiation is too large, and the temperature does not rise sufficiently during reproduction and the reproduction efficiency is lowered, which is not preferable.
  • the thermal conductivity is too low, there is a problem that a local temperature rise occurs at the time of soot regeneration, and cracks are more likely to occur due to a large thermal stress.
  • the thermal conductivity of the honeycomb structure at 40 ° C. is preferably 10 to 60 WZmK, more preferably 20 to 55 W / mK, and most preferably 25 to 50 WZmK.
  • the size of the honeycomb segments in the honeycomb structure of the present invention is not limited.
  • the shape of the honeycomb segment is not particularly limited, it is preferable that the cross-sectional shape be a square as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). In addition, as shown in FIGS.
  • the shape of the honeycomb segment on the outer peripheral side can be appropriately selected according to the shape of the honeycomb structure when integrated, but at least two sides are required. It is preferable that the cross-sectional shapes be straight lines perpendicular to each other.
  • the cell density of the honeycomb segment (the number of flow holes per unit cross-sectional area) is not particularly limited. However, if the cell density is too low, the strength and effective GSA (geometric surface area) as a honeycomb structure are obtained. If the power is insufficient and the cell density is too high, the pressure loss when the fluid to be treated flows will increase.
  • the preferred range of the cell density is 6-200 cells per square inch (0.9-311 cells / cm 2 ), more preferably 50-1000 cells per square inch (7.8-15.5 cells per square inch). cm 2 ), most preferably 100-400 cells square inch (15.5-62.0 cells Z cm 2 ).
  • the honeycomb structure of the present invention is obtained by integrating a plurality of honeycomb segments, it can be integrated using a bonding material.
  • a preferable bonding material can be selected from materials suitably used as a main component of the above-mentioned honeycomb structure.
  • Difference in thermal expansion coefficient from 20 ° C between the bonding material and the hard second cam segment to 8 0 0 ° C is preferably not more than 1 X 1 0- 6 / ° C .
  • the 82-cam structure of the present invention is used as a catalyst carrier for purifying exhaust gas of a heat engine such as an internal combustion engine or a combustion device such as a boiler, or reforming a liquid fuel or a gaseous fuel
  • Catalyst for the honeycomb structure of the invention for example, a metal having catalytic ability Is preferably carried.
  • Typical examples of the metal having catalytic activity include Pt, Pd, and Rh, and it is preferable that at least one of these metals is supported on the honeycomb structure.
  • the raw material powder of the honeycomb structure As the raw material powder of the honeycomb structure, the above-mentioned suitable material, for example, silicon carbide powder is used, and a binder, for example, methylcellulose and hydroxypropoxylmethylcellulose is added thereto, and further, a surfactant and water are added thereto to obtain a plastic material. Make the soil.
  • the die When extruding the clay, the die is extruded into a shape capable of forming a honeycomb segment according to the present invention, that is, a honeycomb segment having an inclination angle of 25 to 65 degrees. A honeycomb segment with a predetermined shape is obtained.
  • the honeycomb segment according to the present invention can be obtained.
  • it can also be obtained by cutting the outer periphery of a conventional honeycomb segment as shown in FIG. 10 (a). The segments obtained in this way are joined using, for example, ceramic cement, and then dried and hardened at, for example, 200 ° C. to obtain the honeycomb structure of the present invention.
  • the method for supporting the catalyst on the honeycomb structure manufactured in this manner may be a method commonly performed by those skilled in the art.
  • the catalyst can be supported by wash-coating a catalyst slurry, drying and calcining.
  • a mixed powder of 75% by mass of SiC powder and 25% by mass of metallic Si powder is used, and methylcellulose and hydroxypropoxylmethylcellulose, a surfactant and water are added to the mixture to form a plastic material.
  • the soil was made. Extrusion molding of this clay After drying with microwaves and hot air, the cross-sectional shape of the flow hole is square, the inclination angle is 0 ° and 90 °, the porosity is 43%, the average pore diameter is about 10 ⁇ m, and the partition wall thickness is about 300.
  • a honeycomb segment having a urn (12 mi 1) and a cell density of about 47 cells Z cm 2 (300 cells / square inch) as shown in FIG. 10 (a) was obtained.
  • honeycomb structures B to E with inclination angles a of 5, 10, 15, and 20 degrees were prepared as Comparative Examples 2 to 5, and the inclination angles were 25, 30, 35, 40, and 45 degrees, respectively.
  • thermocouples to each of the obtained honeycomb structures A to J so that the internal temperature distribution can be measured accurately, and this is a direct injection type with a 2-L evening-intercooler Connected to the exhaust pipe of a diesel engine, the engine was operated using light oil containing 30 ppm Rhodia Ce fuel additive, and 6 gZL of soot was collected in the filter.
  • the temperature distribution in the honeycomb structure when soot was burned by raising the temperature to 600 ° C was measured.
  • the maximum stress in each honeycomb segment was calculated by the finite element method based on the measured temperature distribution, and the relationship between the inclination angle and the maximum stress was shown in FIG.
  • the honeycomb structure of the present invention includes the honeycomb segments having the inclination angle in the range of 25 to 65 degrees, the honeycomb structure has good resistance to thermal stress. Therefore, the honeycomb structure of the present invention is useful as a honeycomb structure used for an exhaust gas collecting filter such as an internal combustion engine and a boiler.

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Description

明 細 書
八二カム構造体 技術分野
本発明は、 内燃機関、 ボイラー等の排ガス中の微粒子捕集フィルタ一等に用い られるハニカム構造体に関し、 特に熱応力によるクラックに対する耐性に優れた 八二カム構造体に関する。 背景技術
内燃機関、 ポイラ一等の排ガス中の微粒子、 特にディーゼル微粒子の捕集フィ ルター等にハニカム構造体が用いられている。
この様な目的で使用されるハニカム構造体は、 一般に、 図 9 ( a ) 及び （b ) に示すように、 隔壁 2により仕切られた、 X軸方向に貫通する多数の流通孔 3を 有し、 端面が市松模様状を呈するように、 隣接する流通孔 3が互いに反対側とな る一方の端部で目封止された構造を有する。 この様な構造を有する八二カム構造 体において、 被処理流体は流入口側端面 4 2が目封止されていない流通孔 3、 す なわち流出孔側端面 4 4で端部が目封止されている流通孔 3に流入し、 多孔質の 隔壁 2を通って隣の流通孔 3、 すなわち流入孔側端面 4 2で端部が目封止され、 流出孔側端面 4 4が目封止されていない流通孔 3から排出される。 この際隔壁 2 がフィル夕一となり、 例えばディーゼルエンジンから排出されるスート （スス） などが隔壁に捕捉され隔壁上に堆積する。 この様に使用されるハニカム構造体は 、 排気ガスの急激な温度変化や局所的な発熱によってハニカム構造内の温度分布 が不均一となり、 ハニカム構造体内に熱応力が発生し、 クラックを生ずる等の問 題があった。 特にディーゼルエンジンの排気中の粒子状物質を捕集するフィル夕 一 （以下 D P Fという） として用いられる場合には、 溜まったカーボン微粒子を 燃焼させて除去し再生することが必要であり、 この際に局所的な高温化がおこり 、 再生温度の不均一化により大きな熱応力が発生し、 クラックが発生しやすいと いう問題があった。
このため、 ハニカム構造体を複数に分割したセグメントを接合材により接合す る方法が提案された。 例えば、 米国特許第 4 3 3 5 7 8 3号公報には、 多数のハ 二カム体を不連続な接合材で接合するハニカム構造体の製造方法が開示されてい る。 また、 特公昭 6 1— 5 1 2 4 0号公報には、 セラミック材料よりなるハニカ ム構造のマトリックスセグメントを押出し成形し、 焼成後その外周部を加工して 平滑にした後、 その接合部に焼成後の鉱物組成がマ卜リックスセグメントと実質 的に同じで、 かつ熱膨張率の差が 8 0 0 °Cにおいて 0 . 1 %以下となるセラミツ ク接合材を塗布し、 焼成する耐熱衝撃性回転蓄熱式が提案されている。 また、 1 9 8 6年の S A E論文 8 6 0 0 0 8には、 コージェライトのハ二カムセグメント を同じくコ一ジェライトセメントで接合したセラミックハニカム構造体が開示さ れている。 更に特開平 8 _ 2 8 2 4 6号公報には、 ハニカムセラミック部材を少 なくとも三次元的に交錯する無機繊維、 無機バインダ一、 有機バインダー及び無 機粒子からなる弹性質シール材で接着したセラミックハニカム構造体が開示され ている。 また、 熱伝導率の高く、 耐熱性の高い炭化珪素系の材料等を用いてハニ カム構造体を作ることにより局所的な高温化を防止し、 熱応力によるハニカム構 造体の破損を防止することも試みられている。
この様にセグメント化することにより、 及び 又は炭化珪素系の材料のように 耐熱性の高い材料を用いることにより熱応力によるクラックはある程度抑制でき るが、 セグメント自体の熱応力に対する耐性を更に高めることができれば、 セグ メント数の減少によるコストの低減や再生効率の向上も図ることができる。 発明の開示
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、 その目的とするところ は、 熱応力によるクラックに対する耐性に優れたハニカムセグメントを含むハニ カム構造体を提供することにある。
本発明者は、 上記のような問題点について鋭意検討を行った結果、 八二カム構 造体に生じるクラックは、 流通孔のコーナー部、 すなわち隔壁の交点に応力が集 中することによって生じること及び流通孔の角度、 すなわち隔壁の角度を変える ことにより応力の集中を抑制することができ応力の低減及び応力に対する耐性の 向上を図ることができることを見出した。 本発明は、 上記の知見に基づくものであって、 外周壁と、 前記外周壁の内側に 配置された隔壁と、 前記隔壁により仕切られた、 軸方向に貫通する多数の流通孔 とを有する複数のハニカムセグメントが一体化されてなるハニカム構造体であつ て、 前記ハニカム構造体の軸方向に対する垂直断面において、 他のハニカムセグ メントに隣接する前記外周壁の最外点に沿った直線に対する隔壁の角度が 2 5〜 6 5度の範囲であるハニカムセグメントを含むことを特徴とするハニカム構造体 を提供するものである。
本発明において、 ハニカムセグメントの前記断面における前記流通孔の形状が 四角形であることが好ましく、 ハニカム構造体の中央部に配置されているハニカ ムセグメントの少なくとも 1つが、 前記角度が 2 5〜 6 5度の範囲であるハニカ ムセグメントであることが好ましい。 また、 ハニカムセグメントが、 炭化珪素又 は珪素一炭化珪素複合材料を主成分とすることが好ましく、 八二カム構造体の 7 0体積％以上が、 前記断面における断面積が 9 0 0 mm2〜 l 0 0 0 0 mm2である ハニカムセグメントから構成されていることが好ましい。 また、 ハニカムセグメ ントにおける所定の流通孔の開口部が一の端面において封止され、 残余の一部の 流通孔の開口部が他の端面において封止されていることが好ましく、 また、 ハニ カムセグメントにおける所定の流通孔の開口部が一の端面において封止され、 残 余の総ての流通孔の開口部が他の端面において封止されていることも好ましい。 図面の簡単な説明
図 1 ( a ) 〜 （d ) は、 本発明のハニカム構造体の一実施形態を示す模式図で あり、 図 1 ( a ) はハニカムセグメントの模式的な斜視図、 図 1 ( b) はハニカ ムセグメントの模式的な断面図、 図 1 ( c ) はハニカム構造体の模式的な斜視図 、 図 1 ( d ) はハニカム構造体の模式的な断面図である。
図 2は、 図 1における I Iの部分の拡大図である。
図 3は、 本発明におけるハニカムセグメントの別の実施形態を示す模式的な断 面図である。
図 4は、 本発明におけるハニカムセグメントの更に別の実施形態を示す模式的 な平面図である。 図 5は、 図 4のハニカムセグメントからなるハニカム構造体を示す模式的な平 面図である。
図 6は、 本発明におけるハニカムセグメントの更に別の実施形態を示す模式的 な平面図である。
図 7は、 本発明におけるハニカム構造体の更に別の実施形態を示す模式的な平 面図である。
図 8は、 実施例及び比較例で得られたハニカム構造体の傾斜角と再生時の最大 応力との関係を示すグラフである。
図 9 (a) 、 （b) は、 従来のハニカム構造体を示す模式的な図であり、 図 9
(a) は模式的な斜視図、 図 9 (b) は模式的な平面図である。
図 10 (a) 〜 （c) は、 従来のハニカムセグメント構造体を示す模式的な図 であり、 図 10 (a) はハニカムセグメントの模式的な斜視図、 図 10 (b) は ハニカムセグメントの模式的な断面図、 図 10 (c) はハニカム構造体の模式的 な斜視図である。
図 1 1 (a) は、 従来のハニカム構造体を示す模式的な断面図であり、 図 1 1
(b) は図 11 (a) を構成するハニカムセグメントの断面図、 図 11 (c) は 図 1 1 (b) における X I cの部分の拡大図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面にしたがって、 本発明のハニカム構造体及び八二カム構造体の製造 方法を詳細に説明するが、 本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 なお、 以下において断面とは、 特に断りのない限り X軸方向 （流通孔の長手方向 ) に対する垂直の断面を意味する。
本発明のハニカム構造体は、 図 1 (a) 、 （b) 、 （c) 及び （d) に示すよ うに、 外周壁 8と、 外周壁 8の内側に配置された隔壁 2と、 隔壁 2により仕切ら れた、 軸方向に貫通する多数の流通孔 3とを有する複数のハニカムセグメント 1 2が一体化されてなるハニカム構造体である。 本発明の重要な特徴は、 図 1 (b ) 及び （d) に示すように、 ハニカム構造体 1の断面において、 他の八二カムセ ：隣接する外周壁 8 aの最外点に沿った直線 （以後、 外周線という） 9 に対する隔壁 2の角度 （以後傾斜角という） a及び/又は bが 25〜65度の範 囲であるハニカムセグメントをハニカム構造体が含むことである。
従来のハニカムセグメントは、 図 10 (a) 及び （b) に示すように、 傾斜角 aが 90度又は 180度 （平行） であり、 通常、 断面四角形を基本形状とする。 この様な八二カムセグメントを図 10 (c) に示すように配置して一体化してハ 二カム構造体とする。 この様なハニカム構造体を、 例えば DP Fに用いると、 D PFに捕集された粒子状物質 （PM) が高温のエンジン排ガスで再生される際、 流体の特性上、 排ガスは DP Fの中央部に多く流れるため、 再生も DP Fの中央 部で活発に起こる。 このため、 DP Fの中央部は高温、 外周部は低温になりやす く、 DPFの中央部から径方向に温度差ができやすくなる。 したがって DP Fの 中央部が外周部より膨張しょうとするため、 例えば図 11 (a) におけるハニカ ムセグメント 12 aには矢印 S方向に応力が加わる。 その結果、 隔壁 2の交点 2 5に応力が集中し、 図 1 1 (c) に示すように、 例えば隔壁の交点 25 aにクラ ックが発生しやすくなる。 更に、 一旦発生したクラックは、 その斜め方向の隔壁 の交点 25 bに応力を集中させるため、 クラックが進展しやすいという欠点も持 つていた。
これに対して、 本発明のハニカム構造体は、 傾斜角 aが 25〜65度の範囲で あるハニカムセグメント、 例えば図 1 (b) に示すような傾斜角 a及び bが 45 度であるハニカムセグメントを含むため、 上述と同様に応力 Sが加わった場合に 、 図 2に示すように構造的に隔壁の交点 25に応力が集中しにくくなる。 また、 万が一交点 25 aにクラックが入ったとしても、 隣接する交点 25 bへの応力集 中が避けられるため、 クラックが進展しにくくなる。
本発明において外周線 9とは、 ハニカムセグメントの断面における外周形状が 、 直線と凸角 （180度未満の角度） である内角とを有する多角形、 例えば図 1 (b) に示すような四角形の場合は、 外周壁 8に沿って延びる直線を意味する。 なお、 図 1 (d) に示すような他のハニカムセグメントに隣接しない外周壁 8 b 上の線は含まない。 また、 八二カムセグメントの断面外周形状が上記のような一 般的な多角形ではない場合、 例えば図 3に示すように、 凹角 （180度より大き い角度） である内角を有する多角形の場合、 外周線 9は図 3に示すように、 ハニ カムセグメントの外側で頂点を結んで延びる直線を意味することとなる。
また、 外周線 9と隔壁 2に沿った直線の交点において、 互いに補角となる 2つ の角度が形成されるが、 傾斜角 （外周線 9に対する隔壁 2の角度） とは、 外周線 9と隔壁 2に沿って延びる直線との交点において形成される鋭角の角度を意味す る。
本発明において、 図 1 ( b ) 又は図 3に示すハニカムセグメントのように、 傾 斜角 a及び bが 4 5度の場合に最も効果的であるが、 傾斜角が 2 5〜6 5度の範 囲であれば良好な改良効果が得られ、 3 0〜6 0度の範囲であると更に良好な改 良効果が得られ、 3 5〜 5 5度の範囲であれば、 4 5度の場合とほぼ同等の改良 効果が得られる。
図 4に、 本発明に係るハニカムセグメントの別の形態として、 傾斜角 a及び b が各々 3 0度及び 6 0度であるハニカムセグメントを示し、 図 5には、 図 4に示 すハニカムセグメントの接合形態を示した。 この様な形態においても本発明の効 果を得ることができる。 また、 図 3や図 4に示すような、 外周形状が凹角を有す る多角形の八二カムセグメントの場合には、 図 5に示すように接合の際の位置合 わせが簡単にできるという利点もある。
図 6には、 傾斜角 a及び bが各々 3 0度及び 6 0度である別の形態のハニカム セグメントを示した。 図 6に示すハニカムセグメントは、 隔壁の交点が直角では ないが、 この様な形態でも本発明の効果が得られる。 また、 図 4〜6に示したハ 二カム構造体は所定の流通孔の開口部が一の端面において封止され、 残余の所定 の流通孔の開口部が他の端面において封止されている。 この様な封止を行うこと により大きな濾過面積を確保することができる。 この場合において、 当該残余の 所定の流通孔が、 残余の一部の流通孔であること、 すなわち、 何れの端面におい ても封止されていない流通孔が存在しても良いが、 当該残余の所定の流通孔が、 残余の総ての流通孔であること、 すなわち、 総ての流通孔の開口部が何れか一方 の端面において封止されていることが、 最も大きな濾過面積を確保することがで きる点で好ましい。
本発明において、 傾斜角が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカムセグメントとは 、 何れかの外周線に対しての傾斜角が 2 5〜6 5度の範囲である隔壁が、 隔壁全 体に対して、 5 0体積％以上、 好ましくは 7 0体積％以上、 更に好ましくは 9 0 体積％以上、 最も好ましくは 9 5体積％以上であるハニカムセグメントを意味す る。 更に、 総ての外周線に対しての傾斜角が 2 5〜6 5度の範囲である隔壁が、 隔壁全体に対して、 5 0体積％以上、 好ましくは 7 0体積％以上、 更に好ましく は 9 0体積％以上、 最も好ましくは 9 5体積％以上であることが好適である。 ま た、 隔壁は、 好ましくは 3 0〜2 0 0 0〃m、 更に好ましくは 4 0〜 1 0 0 0 m、 最も好ましくは 5 0〜5 0 0 mの範囲の厚さを有する板状であって、 断面 形状は、 少なくとも 1つの流通孔を形成する区間において、 当該断面に沿って直 線が描ける程度の直線性を有することが好ましい。
また、 隔壁により仕切られることによって形成される流通孔の断面形状は、 多 角形状であることが好ましく、 特に四角形であることが好ましい。 流通孔の断面 形状を四角形とした場合には、 隔壁を一の外周壁から他の一の外周壁まで続く直 線状とすることができ、 また傾斜角を一定とすることができる。
本発明においてハニカム構造体が、 傾斜角が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカ ムセグメントを少なくとも 1つ含むことにより、 ある程度の改良効果が期待でき る。 また、 傾斜角が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカムセグメントは、 ハニカム 構造体の断面における中央部に配置されていることが好ましい。 上述のようにハ 二カム構造体は中央部が高温になりやすいため、 中央部において熱膨張による応 力を最も受けやすい。 したがって、 中央部に傾斜角が 2 5〜 6 5度の範囲である ハニカムセグメン卜を配置することにより、 ハニカム構造体全体の熱応力に対す る耐性を効果的に改良することができる。 ここで、 八二カム構造体の断面におけ る中央部 （以下中央部という） に配置されているハニカムセグメントとは、 図 7 に示すように、 八二カム構造体 1の断面中心 1 0を含むか若しくは断面中心 1 0 に隣接するハニカムセグメント 1 2 iを意味する。 したがって、 図 7に示すハニ カム構造体においては、 断面中心 1 0に隣接する 4つのハニカムセグメント 1 2 iが中央部に配置されているハニカムセグメントである。
中央部に配置されているハニカムセグメントの少なくとも 1つ、 更に好ましく は 2つ以上、 最も好ましくは全部が、 傾斜角が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカ ムセグメントであることが好ましい。 更に、 ハニカム構造体の外周側に配置され ているハニカムセグメント、 例えば図 7におけるハニカムセグメント 1 2 oを傾 1·角が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカムセグメントとすることが好ましく、 総 てのハニカムセグメントを傾斜角が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカムセグメン トとすることが最も好ましい。
本発明において、 ハニカム構造体の主成分は、 強度、 耐熱性等の観点から、 コ —ジエライト、 ムライト、 アルミナ、 スピネル、 炭化珪素、 炭化珪素ーコージェ ライト系複合材料、 珪素一炭化珪素系複合材料、 窒化珪素、 リチウムアルミニゥ ムシリケ一卜、 チタン酸アルミニウム、 F e— C r一 A 1系金属及びこれらの組 み合わせよりなる群から選ばれる少なくとも 1種の材料からなることが好ましい 力 下記熱伝導率の範囲に入り、 耐熱性が高いという点で、 炭化珪素又は珪素一 炭化珪素系複合材料を主成分とすることが本発明の八二カム構造体に特に適して いる。 ここで、 「主成分」 とは、 ハニカム構造体の 5 0質量％以上、 好ましくは 7 0質量％以上、 更に好ましくは 8 0質量％以上を構成することを意味する。 ま た、 本発明において、 ハニカム構造体 1が金属珪素 （S i ) と炭化珪素 （S i C ) とからなる場合、 ハニカム構造体 1の S / ( S i + S i C) で規定される S i含有量が少なすぎると S i添加の効果が得られず、 5 0質量％を超えると S i Cの特徴である耐熱性、 高熱伝導性の効果が得られない。 S i含有量は、 5〜5 0質量％であることが好ましく、 1 0〜4 0質量％であることが更に好ましい。 また、 流通孔の開口部を封止する材料としては、 上述のハニカム構造体に好適 に用いることができるセラミックス又は金属の中から選ばれた 1種又は 2種以上 の材料が好ましく、 ハニカム構造体の主成分と同じ材料とすることが更に好まし い。
本発明において、 ハニカム構造体の熱伝導率に特に制限はないが、 熱伝導率が 高すぎると放熱が大きすぎて、 再生時に十分に温度が上昇せず再生効率が低下す るため好ましくない。 また、 熱伝導率が低すぎると、 ススの再生時に局所的な高 温化がおこり、 大きな熱応力によるクラックが更に発生しやすいという問題があ る。 ハニカム構造体の熱伝導率は、 4 0 °Cにおいて、 好ましくは 1 0〜6 0 WZ mK、 更に好ましくは 2 0〜 5 5 W/mK、 最も好ましくは 2 5〜 5 0 WZmK である。 本発明のハニカム構造体におけるハニカムセグメントの大きさに制限はないが 、 各セグメントが大きすぎると、 熱応力による破損の問題が生じやすくなり、 小 さすぎると各セグメントの製造や接合による一体化が煩雑となり好ましくない。 好ましいハニカムセグメントの大きさは、 断面積が 9 0 0mm2〜 l 00 0 0mm2 、 更に好ましくは 9 5 Omm2〜 50 00mm2、 最も好ましくは 1 00 0mm2〜 3 5 0 0mm2であり、 ハニカム構造体の 7 0体積％以上が、 この大きさのハニカ ムセグメントから構成されていることが好ましい。 ハニカムセグメントの形状に 特に制限はないが、 図 1 (a) 、 (b) に示すように断面形状が四角形状である ことが好ましい。 また、 図 1 (c) 、 (d) に示すように一体化した場合のハニ カム構造体の形状に合わせて外周側のハニカムセグメントの形状を適宜選択する ことができるが、 少なくとも 2つの辺が互いに直角となる直線である断面形状と することが好ましい。
本発明において、 ハニカムセグメントのセル密度 （単位断面積当たりの流通孔 の数） に特に制限はないが、 セル密度が小さすぎると、 ハニカム構造体としての 強度及び有効 GS A (幾何学的表面積） 力不足し、 セル密度が大きすぎると、 被 処理流体が流れる場合の圧力損失が大きくなる。 セル密度の好ましい範囲は、 6 -20 0 0セルノ平方ィンチ （ 0. 9-3 1 1セル/ c m2) 、 更に好ましくは 5 0-1 000セル Z平方ィンチ （ 7. 8〜 1 5 5セルノ c m2) 、 最も好ましくは 1 00〜400セル 平方インチ （1 5. 5〜6 2. 0セル Z cm2) である。 本発明のハニカム構造体は、 複数のハニカムセグメントが一体化されてなるも のであるが、 その際に接合材を用いて一体化することができる。 好ましい接合材 は、 前述のハニカム構造体の主成分として好適に用いられる材料から選ぶことが できる。 また、 接合材とハ二カムセグメントとの熱膨張係数の差が大きすぎると 加熱 ·冷却時において接合部に熱応力が集中するため好ましくない。 接合材とハ 二カムセグメントとの 20°Cから 8 0 0°Cまでの熱膨張係数の差は、 好ましくは 1 X 1 0—6/°C以下である。
本発明の八二カム構造体を、 触媒担体として内燃機関等の熱機関若しくはボイ ラー等の燃焼装置の排気ガスの浄化、 又は液体燃料若しくは気体燃料の改質に用 いようとする場合、 本発明のハニカム構造体に触媒、 例えば触媒能を有する金属 を担持させることが好ましい。 触媒能を有する金属の代表的なものとしては、 P t、 P d、 R hが挙げられ、 これらのうちの少なくとも 1種をハニカム構造体に 担持させることが好ましい。
次に本発明のハニカム構造体の製造方法を説明する。
ハニカム構造体の原料粉末として、 前述の好適な材料、 例えば炭化珪素粉末を 使用し、 これにバインダー、 例えばメチルセルロース及びヒドロキシプロポキシ ルメチルセルロースを添加し、 更に界面活性剤及び水を添加し、 可塑性の坏土を 作製する。 この杯土を押出成形する際に、 口金の形状を本発明に係るハニカムセ グメン卜、 すなわち傾斜角が 2 5〜6 5度であるハニカムセグメントを形成する ことができる形状として押出成形することにより、 所定の形状のハニカムセグメ ントを得る。
これを、 例えばマイクロ波及び熱風で乾燥後、 端面が市松模様状を呈するよう に、 隣接する流通孔 3が互いに反対側となる一方の端部でハニカム構造体の製造 に用いた材料と同様の材料で目封止し、 更に乾燥した後、 例えば N2雰囲気中で加 熱脱脂し、 その後 A r等の不活性雰囲気中で焼成することにより本発明に係るハ 二カムセグメントを得ることができる。 また、 図 1 0 ( a ) に示すような従来の ハニカムセグメントの外周を切削加工することによつても得ることができる。 こ の様にして得られたセグメントを、 例えばセラミックスセメントを用いて接合し た後、 例えば 2 0 0 °Cで乾燥硬化し、 本発明のハニカム構造体を得ることができ る。
この様にして製造されたハニカム構造体に触媒を担持させる方法は、 当業者が 通常行う方法でよく、 例えば触媒スラリーをゥォッシュコートして乾燥、 焼成す ることにより触媒を担持させることができる。
以下、 本発明を実施例により具体的に説明するが、 本発明はこれら実施例に何 ら限定されるものではない。
(比較例 1 )
原料として、 S i C粉 7 5質量％及び及び金属 S i粉 2 5質量％の混合粉末を 使用し、 これにメチルセルロース及びヒドロキシプロボキシルメチルセルロース 、 界面活性剤及び水を添加して、 可塑性の坏土を作製した。 この坏土を押出成形 し、 マイクロ波及び熱風で乾燥して流通孔の断面形状が正方形であり傾斜角が 0 度及び 90度であって、 気孔率 43%、 平均気孔径約 10 ^m、 隔壁厚さ約 30 0 urn (12m i 1) 、 セル密度約 47セル Z c m2 ( 300セル/平方インチ） の図 10 (a) に示すようなハニカムセグメントを得た。 これを、 端面が市松模 様状を呈するように、 隣接する前記流通孔が互いに反対側となる一方の端部でハ 二カム構造体の製造に用いた材料と同様の材料で目封止して、 乾燥させた後、 N2 雰囲気中約 400°Cで脱脂し、 その後 A r不活性雰囲気中で約 1550°Cで焼成 して、 S i結合 S i Cのハニカムセグメントを得た。 これをアルミノシリゲート 質、 炭化珪素粉及びシリカゲルに有機及び無機のバインダーの混合物を用いて接 合して 200°Cで乾燥硬化した後、 切削により直径 144mmx長さ 1 52 mm の D P F用の円柱状ハニカム構造体 Aを得た。
(比較例 2〜 5及び実施例 1〜 5 )
同様にして、 傾斜角 aを各々 5、 10、 15、 20度としたハニカム構造体 B 〜Eを比較例 2〜5として作成し、 傾斜角を各々 25、 30、 35、 40、 45 度としたハニカム構造体 F〜 Jを実施例 1〜5として作成した。 なお、 傾斜角 a が 45度以外の場合には、 2つの傾斜角 a及び bができるが、 （傾斜角） b= ( 90- (傾斜角 a) ) という関係となり、 傾斜角 aが 45〜90度のものは、 傾 斜角が 45〜0度のものと各々幾何学的に同一となる。
(最大応力の測定）
得られたハニカム構造体 A〜 Jの各々に熱電対を 31点装着して内部の温度分 布を正確に測定できる状態とし、 これを、 2 Lの夕一ポ ·インタ一クーラ一付き 直噴式ディーゼルエンジンの排気管に接続し、 30 ppmのローディア社製 Ce 燃料添加剤を含有する軽油を用いてエンジンを運転し、 6 gZLのススをフィル ターに溜めた後、 DPF入口のエンジン排気ガス温度を 600°Cに昇温させてス スを燃焼させたときのハニカム構造体内の温度分布を測定した。 測定された温度 分布を基に有限要素法によつて各ハニカムセグメント内の最大応力を計算し、 傾 斜角と最大応力との関係を図 8に示した。
図 8より、 最大応力は傾斜角 aが 25度を境に急激に減少しており、 また、 傾 斜角 aが 25〜45度の領域で本発明の効果が顕著にでていることがわかる。 し たがって、 幾何学的に傾斜角 2 5〜4 5度と同一である傾斜角 4 5〜6 5度の領 域も含めて傾斜角 2 5〜6 5度の領域において本発明の効果が顕著にでているこ とがわかる。
(限界スート量の測定）
上記と同様のススの燃焼試験を行い、 フィルターに溜めるススの量を 4 g ZL から始めススの再生処理後に顕微鏡観察を行い、 ハニカム構造体の端面にクラッ クが認められない場合を〇K、 クラックが認められた場合を N Gとした。 ススの 堆積量を 2 gZLずつ増やしていき、 この試験を繰り返しその結果を表 1に示し た。 表 1に示すように、 本発明のハニカム構造体 F〜 Jが非常に良好なクラック に対する耐性を示した。
比較例 1 比較例 2 比較例 3 比較例 4 比較例 5 実施例 1 実施例 2 実施例 3 実施例 4 実施例 5 ハニカム構造体 A B C D E F G H I J 傾斜角 a 0° 5° 10° 15。 20° 25。 30° 35° 40。 45°
4g/L OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK ス
ス 6g/L NG NG NG NG OK OK OK OK OK OK 堆 8g/L NG NG NG NG NG OK OK OK OK OK 積
10g/し NG NG NG NG NG NG OK OK OK OK
12g/L NG NG NG NG NG NG NG OK OK OK
産業上の利用可能性
以上述べてきたように本発明のハニカム構造体は、 傾斜角が 2 5〜6 5度の範 囲であるハニカムセグメントを含むため、 熱応力に対する良好な耐性を示した。 従って本発明のハニカム構造体は、 内燃機関、 ボイラー等の排ガス捕集用フィル 夕一等に用いられるハニカム構造体として有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 外周壁と、 前記外周壁の内側に配置された隔壁と、 前記隔壁により仕切ら れた、 軸方向に貫通する多数の流通孔とを有する複数のハニカムセグメントがー 体化されてなるハニカム構造体であって、 前記ハニカム構造体の軸方向に対する 垂直断面において、 他のハニカムセグメントに隣接する前記外周壁の最外点に沿 つた直線に対する隔壁の角度が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカムセグメントを 含むことを特徴とするハニカム構造体。
2 . 八二カムセグメントの前記断面における前記流通孔の形状が四角形である ことを特徴とする請求項 1に記載のハニカム構造体。
3 . ハニカム構造体の中央部に配置されているハニカムセグメントの少なくと も 1つが、 前記角度が 2 5〜6 5度の範囲であるハニカムセグメントであること を特徴とする請求項 1又は 2に記載の八二カム構造体。
4. ハニカムセグメントが、 炭化珪素又は珪素一炭化珪素複合材料を主成分と することを特徴とする請求項 1乃至 3の何れか 1項に記載のハニカム構造体。
5 . ハニカム構造体の 7 0体積％以上が、 前記断面における断面積が 9 0 0 m m2〜 1 0 0 0 O mm2であるハニカムセグメントから構成されていることを特徴と する請求項 1乃至 4の何れか 1項に記載のハニカム構造体。
6 . ハニカムセグメントにおける所定の流通孔の開口部が一の端面において封 止され、 残余の一部の流通孔の開口部が他の端面において封止されていることを 特徴とする請求項 1乃至 5の何れか 1項に記載のハニカム構造体。
7 . ハニカムセグメントにおける所定の流通孔の開口部が一の端面において封 止され、 残余の総ての流通孔の開口部が他の端面において封止されていることを 特徴とする請求項 1乃至 5の何れか 1項に記載のハニカム構造体。
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