JPH084749B2 - セラミツクハニカム構造体 - Google Patents

セラミツクハニカム構造体

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JPH084749B2
JPH084749B2 JP60007362A JP736285A JPH084749B2 JP H084749 B2 JPH084749 B2 JP H084749B2 JP 60007362 A JP60007362 A JP 60007362A JP 736285 A JP736285 A JP 736285A JP H084749 B2 JPH084749 B2 JP H084749B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、セラミックハニカム構造体に関するもの
で、より詳しくは内燃機関の排気ガスの浄化に用いられ
る触媒担体や微粒子浄化フィルタ、各種ガス、石油を燃
料源とする燃焼ガスの浄化、脱臭に用いられるハニカム
構造体に関する。
（従来の技術） セラミックハニカム構造体はその耐熱性、耐蝕性、圧
力損失が小さいこと、燃焼ガスとの接触面積が大きくで
きることから 内燃機関の排気ガスの浄化用触媒担体 （特開昭50−75611号：米国特許第3885977号） 内燃機関の排気ガスの微粒子浄化フィルタ （特開昭56−124417号：米国特許第4364761号） 各種燃焼機器及び調理器具用の触媒担体 （特開昭57−27139号：米国特許第4350613号） に使用されている。
これらのセラミックハニカム構造体は、燃焼ガスとの
接触面を形成する貫通孔（フィルタにおいてはその一端
の開口面が封止されているが、）の形状について、燃焼
ガスの圧力損失、耐熱衝撃性を考慮して三角形、四角
形、円形等が選択されている。
ハニカム構造体の体積当りの表面積（以下、幾何学的
表面積という）を高めるために、貫通孔の表面にセラミ
ック粒子を付着させたセラミックハニカム構造体が提案
されている（特開昭58−14921号：米国特許第4404007
号）。
燃焼ガスは一般に燃焼源からパイプをもってセラミッ
クハニカム構造体に導かれており、セラミックハニカム
構造体におけるガスとの所要接触面積を確保するために
該セラミックハニカム構造体の貫通孔の開口端面の面積
が該パイプの断面積より大きく形成されている。そのた
め、燃焼ガスはセラミックハニカム構造体の中央部に集
中し、その中央部の劣化を早めたり、十分な浄化処理が
できなくなる欠点があった。
これを防止するためにセラミックハニカム構造体のガ
スの流入面の前面に散気部品を設けることが行われた
り、燃焼ガスの流量が多いセラミックハニカム構造体の
中央部の貫通孔のセル密度（セラミックハニカム構造体
の単位断面積当たりの貫通孔数で定義される）を大きく
するセラミックハニカム構造体が提案されている（米国
特許第3853485号）。
さらには、内燃機関の排気ガスの浄化においてセラミ
ックハニカム構造体の中心部と周辺部に担持される触媒
の種類を変えることが試みられている（実開昭59−3963
9号）。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前記の特開昭58−14921号に記載され
ているセラミックハニカム構造体はセラミック粒子を隔
壁の表面に付着させたものであるので熱衝撃あるいは使
用される環境から発生する機械的振動等により剥離脱落
が起きやすく、しかも製造工程が複雑である欠点を有し
ている。
また、前記の米国特許第3853485号に記載されている
セラミックハニカム構造体はその中央部のセル密度を大
きくしてあるため耐熱衝撃性が低い欠点を有している。
また、前記の実開昭59−39639号ではセラミックハニ
カム構造体の場所によって触媒の種類を変えなければな
らないので、その担持工程が複雑になる欠点を有してい
る。
そこで、本発明の主要な目的は耐熱衝撃性を損なうこ
となく幾何学的表面積が大きいセラミックハニカム構造
体を提供することにある。
さらに他の目的は、製造が簡単な工程で得られるセラ
ミックハニカム構造体を提供することにある。
本発明の更に他の目的とする所は、セラミックハニカ
ム構造体の中央部と周辺部との燃焼ガス流量を均等に流
すようコントロールするにある。
（問題点を解決しようとする手段） 本発明は、隔壁の各辺の中間部表面にフィンが一体的
に形成されている各辺が同一長さの隔壁で囲まれた同一
断面形状の貫通孔を有するセラミックハニカム構造体に
おいて、セラミックハニカム構造体の中央部のみに、フ
ィンが形成されており、かつフィンと隔壁とで形成され
る貫通孔の断面積がセラミックハニカム構造体の周辺部
に比して、その中央部において小さいことを特徴とする
セラミックハニカム構造体にある。
本発明の他の目的とする所は、隔壁の各辺の中間部表
面にフィンが一体的に形成されている各辺が同一長さの
隔壁で囲まれた同一断面形状の貫通孔を有するセラミッ
クハニカム構造体において、セラミックハニカム構造体
の中央から外周に向って貫通孔のフィンの高さを連続的
に小さくしたこと及びフィンと隔壁とで形成される貫通
孔の断面積がセラミックハニカム構造体の周辺部に比し
て、その中央部において小さいことを特徴とするセラミ
ックハニカム構造体にある。
本発明の更に他の目的とする所は、隔壁の各辺の中間
部表面にファンが一体的に形成されている各辺が同一長
さの隔壁で囲まれた同一断面形状の貫通孔を有するセラ
ミックハニカム構造体において、セラミックハニカム構
造体の中央部のみに、フィンが形成されており、かつセ
ラミックハニカム構造体の中央から外周に向って貫通孔
のフィンの高を連続的に小さくしたこと及びフィンと隔
壁とで形成される貫通孔の断面積がセラミックハニカム
構造体の周辺部に比して、その中央部において小さいこ
とを特徴とするセラミックハニカム構造体にある。
なおここでいう「ハニカム構造体の中央部」とは、厳
密な幾何学的な意味での例えば外径の何パーセントとい
うように定義されるものではなく、設計上必要とする流
量のとき、流速分布をどの程度均一化するかで決定され
るもので、燃焼源からのパイプの内径とセラミックハニ
カム構造体への接続部分のテーパー形状、燃焼ガス温度
にも左右される。
また、「同一長さの隔壁」とは、隔壁の各辺の長さが
同一で、かつ貫通孔の断面形状が同一ということであ
る。
以下図面を参照して、本発明の一具体例について詳細
説明する。第１図および第２図において、セラミックハ
ニカム構造体１は隔壁２とフィン３を備えており、該隔
壁とフィンとで貫通孔４が形成されている。
第１図はセラミックハニカム構造体１の四角形断面を
なす隔壁２の中央部にのみフィン３を隔壁と一体的に成
形して貫通孔４を構成した場合を示すもので、これは燃
焼ガスが主としてセラミックハニカム構造体に集中し、
中央部の劣化を早めたり、充分な浄化処理ができなくな
る欠点を改善する目的でハニカム構造体の中央部の貫通
孔のみにフィンを設けた場合を示したものである。
第１図において、フィン３の貫通孔４への突出高さは
隔壁２の一辺の長さの約20％ないし30％とするのがよ
く、フィン３の厚みは隔壁２の厚みと同じにしている
が、フィン３の厚みは隔壁２の厚みと同一又はこれより
小さい方がよい。なお、セラミックハニカム構造体１の
外側には、隔壁２の厚さより大きい壁厚を有する外周壁
を備えてもよい。
第２図は第１図の部分的拡大図面であり、隔壁および
フィンは肉厚で示されるように、ハニカム構造体の中央
部の貫通孔にのみ主としてフィンが隔壁と一体に設けら
れていると、ハニカム構造体の中央部においてフィンの
部分だけ貫通孔の断面図積が小さくなることを例示して
いる。従って、フィンの厚みと、隔壁の厚みはハニカム
構造体の使用目的に応じて適当に選択する必要がある。
このようなフィンは押出し成形により隔壁と一体的に
形成され、焼結されるのであり、その材質はコージェラ
イトよりなるのが好ましいが、後述のように、ハニカム
構造体の材質はこれのみに限られるものではない。
第３図に示すように、貫通孔４の形状は、第１図に示
す四角形状のものに限定されるものではなく、隔壁２の
形状は三角形、六角形等の多角形および円形の何れでも
よく、フィン３の配置は隔壁上あるいは隔壁の交叉部で
よく、フィン３の数により定め得る。
セラミックハニカム構造体に要求される表面積は貫通
孔の個数およびその長さとその開口面の周辺長さにより
定まり、周辺長さは貫通孔の形状を定める隔壁とフィン
のそれぞれの形状により定まる。ここで、貫通孔の長さ
はセラミックハニカム構造体の用途およびその製造法に
よって限定されるので、隔壁とフィンとの関係が重要と
なる。
本発明は、フィンを隔壁に設けることによって表面積
を増大することを主目的とするが、表面積を増大するた
めにフィンの高さ（隔壁から貫通孔への突出高さ）を大
きくし過ぎると浄化ガスの圧力損失が大きくなるので、
貫通孔の内接円直径の30％以下が好ましい。
一方、フィンの厚みは耐熱衝撃性と製造上の条件から
隔壁の厚さと同等もしくはそれ以下が好ましい。
また、耐熱衝撃性からフィンの隔壁上での配置は対称
的に設けられることが好ましい。この場合、圧力損失お
よび触媒の有効利用の点から、フィンは各隔壁の交叉部
位外のところに配置されることがより好ましい。
隔壁の形状については、同一のセル構造において、多
角形では第３図（Ａ）に示す三角形のものが幾何学的表
面積が最も大きい反面圧力損失および耐熱衝撃性におい
て悪く、第３図（Ｂ）に示す六角形のものは圧力損失に
すぐれるが、多角形になればなるほど機械的強度が低下
しかつ押出し成形の場合、その成形用ダイスの製作が困
難となる。また、隔壁の形状は第３図（Ｃ）に示す四角
形のもが好ましい。
第４図に示すように、貫通孔４の形状分布は、第１図
のように中央部のみにフィン３を備えた形状にするもの
に限られることなく、要求される触媒性能に基づく幾何
学的表面積を得るため、中央から外周に向って連続的に
貫通孔のフィンの高さを小さくしたものでもよい。
燃焼ガスの通路が直線状でその通路の途中にセラミッ
クハニカム構造体が設けられる場合が燃焼ガス浄化装置
として構造が簡単なため多用されているが、この場合に
はセラミックハニカム構造体の中央部が最も燃焼ガスと
接触するので、中央部にフィンが設けられた貫通孔が配
置される。
燃焼ガスの通路が直線状でない場合には、フィンが設
けられた貫通孔は最も燃焼ガスが通過する箇所を中心と
して配置されてもよく、本発明においては、中央部とは
厳密な意味で解釈されるものではない。
材 質； セラミックハニカム構造体の材質として、耐熱衝撃性
からコージェライト系およびアルミナチタネート系セラ
ミックが用いられるが、セラミックハニカム構造体の用
途およびその使用環境に応じて、アルミナ、ムライト、
シリコンカーバイド、シリコンナイトライド、ジルコニ
ア系セラミックおよび触媒機能を備えたアルミン酸石灰
セメントで二酸化マンガン、酸化チタン等の金属酸化物
を固化したもの等が用いられる。これらの材質におい
て、特にコージェライト系セラミックは、後記する押出
し成形によって得る場合、耐熱衝撃性に優れたものが得
られるのでより好ましい。
製 造 法；− ｉ） 本発明のセラミックハニカム構造体は上記の材料
を混練し、ハニカム状に押出し成形し、ついで焼結す
る。
押出し成形はセラミックハニカム構造体の断面に比べ
て貫通孔の長さが大きい内燃機関の排気ガス浄化用セラ
ミックハニカム構造体の製造に有利である。
押出し成形用のダイスは、ハニカム形成溝と押出し原
料供給孔とのあいだに原料がハニカム形状に形成される
ために傾斜部を設けた特公昭55−41908b号（米国特許第
3790654号）、特公昭57−61592号（米国特許第3905743
号）の技術が用いられる。
また、材質としては板状に配向する粘土を含むコージ
ェライト原料を押出し成形することを開示している特開
昭50−75611号（米国特許第3885977号）を応用すること
により低熱膨脹、即ち耐熱衝撃性にすぐれたものが得ら
れる。
従って、本発明においてコージェライト系のセラミッ
ク原料を押出し成形して隔壁とフィンを一体的に成形し
て焼結したものが好ましい。
ii） 本発明は前記押出し成形に限られるものではな
く、射出成形法によって成形してもよく、セラミックハ
ニカム構造体の貫通孔の断面に比べて貫通孔の長さが小
さいセラミックハニカム構造体の場合には、プレス成形
後焼結したり、セラミック原料を円板状に成形した後、
多数の針を備えた治具で貫通孔を形成して焼結あるいは
養生固化してもよい。
（１）フィンをハニカム構造体の中央に設ける理由は次
の通りである。
燃焼ガス浄化のコンバーターは、上述の通り燃焼ガス
は一般に燃焼源からパイプをもってセラミックハニカム
構造体に導かれており、セラミックハニカム構造体にお
けるガスとの所要接触面積を確保するために該セラミッ
クハニカム構造体の貫通孔の開口端面の面積が該パイプ
の断面積より大きく形成されている。そのため、燃焼ガ
スはセラミックハニカム構造体の中央部に集中するた
め、その中央部の劣化を早めたり、充分な浄化処理がで
きなくなる欠点がある。本発明はこの欠点を改良するた
め成されたものである。
本発明者はハニカム構造体の貫通孔にフィンを設けた
場合、フィンを設けない一般の貫通孔に比べ圧力損失が
大きくなる。また、フィンの高さ、幅あるいはフィンの
数を変えても圧力損失は変わることを見いだし、貫通孔
１つ１つの圧力損失をコントロールすることが可能とな
ることを見いだした。
一般のフィンを設けないハニカム構造体の場合、前述
の通り燃焼ガスが中央に集中するので、本発明の中央部
にのみフィンを設けるか、周辺部のフィンより中央部の
フィンの高さを高くしたり、周辺部のフィンより中央部
のフィンの高さ、幅あるいはフィンの数を大きくし、即
ちフィンと隔壁とで形成される貫通孔の断面積を小さく
することで、中央部の貫通孔の圧力損失を増し中央部の
燃焼ガス流量を減少させ、周辺部の圧力損失の小さい貫
通孔の燃焼ガス流量を増加させ、その結果中央部と周辺
部の燃焼ガス流量を均等に流すようコントロールするこ
とができる。
燃焼ガスがハニカム構造体の各部に均等に流れるよう
になると、中央部の触媒の早期劣化を防止でき、また中
央部に多量の燃焼ガスが流れることにより一部が浄化さ
れないまま排出され更に周辺部には燃焼ガスが少量しか
流れないので触媒の能力まで利用されない結果充分な浄
化が行われなかったことが改良される。
このように本発明は、隔壁にフィンを設けることによ
り貫通孔１つ１つの圧力損失をコントロールでき、更に
中央部の貫通孔の圧力損失を大きくすることにより、セ
ラミックハニカム構造体に燃焼ガスを均等に流すことが
可能となり、セラミックハニカムコンバーターの性能を
高めることができるものである。（２）フィンを貫通孔
（隔壁）と一体的に設ける理由 現在セラミックハニカム構造体は一般に押し出し製法
で成形される。従って、貫通孔を成形すると同時にフィ
ンを成形すれば最も簡単にフィンが形成でき、製造コス
トが安価となり、一体のため使用時に受ける高温度・振
動にもフィンが折れたり剥がれたりすることがない。
（３）材質としてコージェライトを用いる理由 セラミックハニカム構造体は、使用時に非常に高温の
燃焼ガスに急激に曝される。従って、これに耐えるには
高い熱衝撃強度が要求される。
現在セラミック材料のなかで最も熱衝撃強度が高い材
料がコージェライトであることが、材質としてコージェ
ライトを用いる理由である。
（４）貫通孔のフィンの高さを中央から外周に向って連
続的に小さくする理由 フィンの高さを中央より外周に向って連続的に変える
ことは排ガス流の分布を均一にコントロールすることが
できるためである。
（実施例） コージェライト結晶を晶出する原料としてカオリン25
％、仮焼カオリン22％、タルク38％、アルミナ15％と、
押出し成形有機助剤3.5％と水30％とを混練して坏土を
調整し、前記特公昭57−61592号によるダイスをもって
押出し成形して、ついで1400℃で焼成し、外径100mm、
高さ127mm、セルピッチ1.47mm、リブ厚即ち隔壁の厚さ
が0.2mm、セル密度が300個/in2で隔壁形状が四角形であ
って、フィンが設けられていないセラミックハニカム構
造体（第１表では試片Ｂのもの）と、セラミックハニカ
ム構造体の中央部の50mm、内径がセルピッチ0.74mm、セ
ル密度が1200個/in2でフィンが設けられていないセラミ
ックハニカム構造体（第１表で試片Ｃのもの）およびセ
ラミックハニカム構造体の中央部の50mm、内径の隔壁に
高さ0.3mm、幅0.2mmのフィンが設けられた貫通孔が配置
されたセラミックハニカム構造体（第１表で試片Ａのも
の）とを得た。
これらのセラミックハニカム構造体の特性値を測定し
た結果を第１表に示す。
第１表から明らかなように、本発明のセラミックハニ
カム構造体は、耐熱衝撃性および圧力損失を損なうこと
なく幾何学的表面積を大きくすることができたものであ
る。
（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明のセラミック
ハニカム構造体は隔壁にフィンが一体的に設けられてい
るために、燃焼ガス等の浄化面積が大きく浄化効率に優
れていることは当然として、 （１）フィンガ一体的に設けられていることとそのフィ
ンが設けられている貫通孔の形状が大きく形成されてい
るため耐熱衝撃性にすぐれている。
（２）燃焼ガス流体が集中する箇所に本発明のフィンを
設けることにより、ガス流通路が均一化し触媒の部分的
な劣化が生起しない。
従って、従来のセラミックハニカム構造体の燃焼ガス
の流入面に偏向部品を設ける必要もなければ、担持触媒
の種類を変える必要もない。
（３）押出し成形によって簡単に得られ、そのダイスの
製造が容易であり、材質がコージェライトの場合耐熱衝
撃性にすぐれたものである。
等の顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示すセラミックハニカム構
造体の正面図、 第２図は第１図の要部拡大図、 第３図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の他の実施例を示す要部
正面図、 第４図は本発明の他の実実施例を示す正面図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】隔壁の各辺の中間部表面にフィンが一体的
    に形成されている各辺が同一長さの隔壁で囲まれた同一
    断面形状の貫通孔を有するセラミックハニカム構造体に
    おいて、セラミックハニカム構造体の中央部のみに、フ
    ィンが形成されており、かつフィンと隔壁とで形成され
    る貫通孔の断面積がセラミックハニカム構造体の周辺部
    に比して、その中央部において小さいことを特徴とする
    セラミックハニカム構造体。
  2. 【請求項２】隔壁の各辺の中間部表面にフィンが一体的
    に形成されている各辺が同一長さの隔壁で囲まれた同一
    断面形状の貫通孔を有するセラミックハニカム構造体に
    おいて、セラミックハニカム構造体の中央から外周に向
    って貫通孔のフィンの高さを連続的に小さくしたこと及
    びフィンと隔壁とで形成される貫通孔の断面積がセラミ
    ックハニカム構造体の周辺部に比して、その中央部にお
    いて小さいことを特徴とするセラミックハニカム構造
    体。
  3. 【請求項３】隔壁の各辺の中間部表面にフィンが一体的
    に形成されている各辺が同一長さの隔壁で囲まれた同一
    断面形状の貫通孔を有するセラミックハニカム構造体に
    おいて、セラミックハニカム構造体の中央部のみに、フ
    ィンが形成されており、かつセラミックハニカム構造体
    の中央から外周に向って貫通孔のフィンの高を連続的に
    小さくしたこと及びフィンと隔壁とで形成される貫通孔
    の断面積がセラミックハニカム構造体の周辺部に比し
    て、その中央部において小さいことを特徴とするセラミ
    ックハニカム構造体。
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