JPH10180120A

JPH10180120A - ハニカム構造体

Info

Publication number: JPH10180120A
Application number: JP9048747A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takei; 正幸竹井; Akio Iwamoto; 皓夫岩本; Hideji Kobayashi; 秀次小林; Takanobu Watanabe; 高延渡辺; Daisuke Fujita; 大祐藤田; Masayoshi Ichiki; 正義市来; Masaki Akiyama; 正樹秋山; Kazuhiro Kondo; 一博近藤
Original assignee: Hitachi Zosen Corp; Hitachi Shipbuilding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 1998-07-07

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒として用いた場合に、触媒物質本来の性
能を十分発揮させることができるハニカム構造体を提供
する。【解決手段】ハニカム構造体は、２種類の波板2,3 が
交互に積層されることによって形成されている。ハニカ
ム構造体の長手方向C に対して、一方の波板2 の波付け
軸2aの方向が時計方向に、他方の波板3 の波付け軸3aの
方向が反時計方向にそれぞれずらされている。各波板2,
3 の波付け軸2a,3a の方向とハニカム構造体の長手方向
C とのなす角度θ₁およびθ₂が、共に４５°未満、好
ましくは５〜１５°とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トンネルに設置
されるＮＯｘ除去装置の吸着剤として利用されたり、排
ガス脱硝装置に充填される脱硝触媒として利用された
り、高温のガスあるいは液を通じることにより顕熱とし
て熱を蓄積するとともに、蓄積された熱により低温のガ
スあるいは液の温度を高める蓄熱材として利用されたり
するハニカム構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に触媒は、粒状物と一体構造物とに
大別される。粒状の触媒では、粒径が大きいと粒子内部
が有効に機能しないという問題があり、粒径を小さくす
ると、圧力損失の増大やダストの目詰りという問題が生
じる。そこで、近年ハニカム型などの一体構造の触媒が
開発され、排煙脱硝触媒で実用化され、その他各種反応
系で適用性が検討されている。

【０００３】従来、ハニカム構造体としては、例えば、
押出成形により製作される格子型のものが知られてい
る。しかし、格子型のハニカム構造体は、このように押
出成形品であるため、壁厚さ０．４〜０．５ｍｍ以下の
ものは製作が困難である上に、壁厚さが厚いことによる
次のような問題点が生じる。

【０００４】（ア）単位体積当たりの幾何表面積が大き
くとれないこと、（イ）空間率が小さくなり、通過流体
の圧力損失が大きくなること、（ウ）吸着剤や触媒とし
て有効に機能する部分は、一般に固体表面であり、固体
内部はほとんど機能しないため、内部に担持された活性
金属が無駄となること。

【０００５】そこで、格子型よりも上記問題点が改良さ
れたハニカム構造体として、図６（ａ）に示すように、
断面が正弦波状である波板(11)と平板(13)とが交互に積
層された波板−平板積層型のハニカム構造体、図６
（ｂ）に示すように、１つの波の断面形状が台形である
波板(12)と平板(13)とが交互に積層された波板−平板積
層型のハニカム構造体、図７（ａ）に示すように、断面
が正弦波状である波板(11)のみを積層した波板−波板積
層型のハニカム構造体、図７（ｂ）に示すように、１つ
の波の断面形状が台形である波板(12)のみを積層した波
板−波板積層型のハニカム構造体などが考えられてい
る。

【０００６】ハニカム構造体では、１つのチャンネルで
考えると、チャンネルの断面積が同じであれば、三角、
四角、六角、円の順に相当直径（面積が同じになる円の
直径）が大きくなり、通過流体の圧力損失が小さくなる
から、図６の（ａ）に対する図７の（ａ）および図６の
（ｂ）に対する図７の（ｂ）のように、波板−波板積層
型のものは、波板−平板積層型に比べて通過流体の圧力
損失が小さいという利点を有している。

【０００７】なお、圧力損失（ΔＰ）は、流体の粘性係
数（μ）、流体の通過長さ（Ｌ）および流体がハニカム
のチャンネルを通過する速度（Ｖ）に比例し、通過断面
の相当直径（Ｄe ）の２乗に反比例する。すなわち、 ΔＰ＝C1・μ・Ｖ・Ｌ／Ｄe ² （C1は定数）また、相当直径（Ｄe ）と空間率（ε）および単位体積
当たりの幾何表面積（ａ）との間には、Ｄe ＝４ε／ａの関係があり、ハニカムのチャンネルを通過する速度
（Ｖ）と空塔速度（LV）との間には、 LV＝Ｖ・ε の関係がある。したがって、 ΔＰ＝C2・μ・ａ²・LV・Ｌ／ε³ （C2は定数）となり、圧力損失（ΔＰ）は、流体の粘性係数（μ）、
流体の通過長さ（Ｌ）、空塔速度（LV）および単位体積
当たりの幾何表面積（ａ）の２乗に比例し、空間率
（ε）の３乗に反比例することになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の波板−波板
積層型のハニカム構造体では、下段の波板の山に上段の
波板の谷を重ね合わせて波板を積層していくことになる
が、単位体積当たりの幾何表面積を大きくするために、
ピッチ（波の山と山との間隔あるいは波の谷と谷との間
隔）および高さを小さくすると、下段の波板の谷に上段
の波板の谷が落ち込むという現象が起きやすくなり、こ
のため、このようなハニカム構造体をガス流路に配設す
ると、ハニカムの目が詰まって空間率が小さくなり、通
過流体の圧力損失が大きくなるという問題があった。

【０００９】また、上記従来の波板−波板積層型のハニ
カム構造体を例えば脱硝触媒として使用した場合、次の
ような問題がある。ハニカム構造体の流路中のガス流は
層流と考えられ、触媒表面には層流境膜が形成されてい
る。被処理ガス（バルクガス）に含まれるＮＯｘは、拡
散により層流境膜中を触媒表面に向かって移動する。こ
の境膜中の反応物質の拡散移動速度が反応速度と比べ著
しく高くない限り、触媒性能はこの移動速度の影響を受
けて低下する。したがって、従来のハニカム構造体から
なる触媒では、触媒物質本来の性能と比べかなり低い状
態で使用せざるを得ないという問題があった。また、触
媒性能を向上するためには、境膜中の反応物質の拡散移
動速度を高めることが必要であり、そのためには、流路
中のガス線速度を高めればよいが、拡散移動速度を２倍
とするには、ガス線速度を８倍程度にする必要があり、
一方触媒の圧力損失はガス線速度の約３乗に比例するの
で、圧力損失が５００倍程度となって実用的でなくなる
という問題が生じる。

【００１０】この発明の目的は、複数の波板の積層構成
を変更することにより、従来のハニカム構造体と比べ
て、単位体積当たりの幾何表面積をさらに大きくでき、
しかも流体の混合を良くすることが可能で、かつ製造も
容易にできるハニカム構造体を提供することにある。

【００１１】この発明の他の目的は、触媒として用いた
場合に、触媒物質本来の性能を十分発揮させることがで
きるハニカム構造体を提供することにある。

【００１２】また、この発明の他の目的は、上記ハニカ
ム構造体を得るのに好ましいハニカム構造体の製造方法
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によるハ
ニカム構造体は、複数の波板が積層されることによって
形成されているハニカム構造体において、隣り合う波板
同士でその波付け軸同士が交差するようになされるとと
もに、各波板の波付け軸の方向とハニカム構造体の長手
方向とのなす角度が４５°未満とされていることを特徴
とするものである。

【００１４】この明細書において、波付け軸とは、波板
の山（または谷）の長手方向を示す軸をいうものとす
る。

【００１５】請求項２の発明によるハニカム構造体は、
２種類の波板が交互に積層されることによって形成され
ているハニカム構造体において、ハニカム構造体の長手
方向に対して、一方の波板の波付け軸の方向が時計方向
に、他方の波板の波付け軸の方向が反時計方向にそれぞ
れずらされており、各波板の波付け軸の方向とハニカム
構造体の長手方向とのなす角度が４５°未満とされてい
ることを特徴とするものである。

【００１６】上記角度は、５〜１５°とされていること
が好ましい。

【００１７】波板は、ペーパー、マット、クロスなどの
セラミックス繊維プレフォーム体の繊維間マトリックス
に触媒粒子を担持させたものであることが好ましい。

【００１８】触媒粒子は、バナジウム酸化物を担持させ
たアナターゼチタニアであることが好ましい。

【００１９】請求項６の発明によるハニカム構造体の製
造方法は、所望の形状を得るべく成形された型板に、チ
タニアコロイド水溶液を含浸させた湿潤状態のセラミッ
クスペーパーを押し付け、セラミックスペーパーをこの
状態で乾燥して固化させた後型板から外すことにより波
板を製作し、これらの波板を積層してハニカム構造体を
得ることを特徴とするものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を、以下図
面を参照して説明する。

【００２１】この発明のハニカム構造体の第１実施形態
は、図１に示す波板(1)(2)複数枚が交互に重ね合わせら
れて形成される波板−波板積層型のハニカム構造体であ
って、一方（図１の下段）の波板(1) の波付け軸(1a)の
方向は、ハニカム構造体の長手方向(C) と同一であり、
他方（図１の上段）の波板(2) の波付け軸(2a)の方向
は、ハニカム構造体の長手方向(C) に対して、θ₁＝約
２０°時計方向にずらされている。各波板(1)(2)の１つ
の波の断面形状は、台形とされている。波板(2)の波付
け軸(2a)の方向がハニカム構造体の長手方向(C) に対し
て時計方向にずらされる角度θ₁は、圧力損失と幾何表
面積とのバランスの点から４５度未満が好ましい。な
お、各波板の断面は正弦波状であってもよい。

【００２２】この発明のハニカム構造体の第２実施形態
は、図２に示す波板(2)(3)複数枚が交互に重ね合わせら
れて形成される波板−波板積層型のハニカム構造体であ
って、一方（図２の下段）の波板(3) の波付け軸(3a)の
方向は、ハニカム構造体の長手方向(C) に対して、θ₂
＝約２０°反時計方向にずらされており、他方（図２の
上段）の波板(2) の波付け軸(2a)の方向は、ハニカム構
造体の長手方向(C) に対して、θ₁＝約２０°時計方向
にずらされている。各波板(2)(3)の１つの波の断面形状
は、台形とされている。各波板(2)(3)の波付け軸(2a)(3
a)の方向がハニカム構造体の長手方向(C) に対して時計
方向または反時計方向にずらされる角度は、圧力損失と
幾何表面積とのバランスの点から４５度未満が好まし
い。この場合、両波板(2)(3)の波付け軸(2a)(3a)同士が
なす交差角度（θ₁＋θ₂）は、０度超９０度未満の範
囲となる。なお、各波板の断面は正弦波状であってもよ
い。

【００２３】従来の波板−波板積層型のハニカム構造体
は、図１の下段に配置されている波板(1) と同一の波板
(12)が積層されたものである（図７（ｂ）参照）。この
従来の波板−波板積層型のハニカム構造体では、図７
（ｂ）に示すように、下段の波板(12)の山(12a) と上段
の波板(12)の谷(12b) とが重なり、ハニカム構造体の長
さが１ｍあると、山(12a) および谷(12b) の幅が１ｍｍ
であっても、０．００１ｍ²の面積が有効表面積から減
じられる。これに対して、図１および図２に示したこの
発明によるハニカム構造体では、波板同士（図１では
(1) と(2) で示す波板、図２では(2) と(3) で示す波
板）の波付け軸同士（図１では(1a)と(2a)で示す波付け
軸、図２では(2a)と(3a)で示す波付け軸）がなす角度
（図１ではθ₁で示す角度、図２ではθ₁＋θ₂で示す
角度）が大きくなるほど、波板(1)(2)(3)同士の重なり
面積が小さくなる。したがって、単位体積当たりの有効
幾何表面積が大きくなる。また、従来の波板−波板積層
型のハニカム構造体では、あるチャンネルに入ったガス
は、隣のチャンネルに移ることなく、そのチャンネル内
だけを通過することになり、ガスが十分混合されない
が、上記ハニカム構造体では、あるチャンネルに入った
ガスは、隣のチャンネルに自由に移ることが可能とな
り、その結果、ガスの混合が十分に行われるという利点
も有している。

【００２４】なお、図１および図２に示した波付け軸(1
a)がハニカム構造体の長手方向(C)と同一の波板(1)
（以下波板１とする）、波付け軸(2a)が時計方向にずら
された波板(2) （以下波板２とする）および波付け軸(3
a)が反時計方向にずらされた波板(3) （以下波板３とす
る）は種々組み合わせて使用することが可能である。そ
の例を図３および図４に示す。

【００２５】図３に示すハニカム構造体は、図１と同じ
組み合わせのものであり、波板１と波板２とが上から順
に交互に重ねられた組み合わせ（すなわち波板１−２−
１−２）である。図３のハニカム構造体を基にして、波
板２をすべて波板３に置き換えることにより、波板１と
波板３とを交互に重ね合わせる組み合わせ（すなわち波
板１−３−１−３）が可能であり、また、波板２を１つ
置きに波板３に置き換えて、波板１、波板２、波板１お
よび波板３をこの順で繰り返す組み合わせ（すなわち波
板１−２−１−３）も可能である。

【００２６】図４に示すハニカム構造体は、波板２、波
板３および波板１が上から順に重ね合わせられた組み合
わせ（すなわち波板２−３−１−２−３−１）である。
図４のハニカム構造体を基にして、波板２と波板３とが
逆になった組み合わせ（すなわち波板３−２−１−３−
２−１）ももちろん可能である。

【００２７】上記ハニカム構造体を触媒として用いる
と、次のようになる。すなわち、図２において、波板２
の溝に沿って流れるガス流は、波板３の溝に沿って流れ
るガス流から絶えず旋回力が与えられ、波板２の溝の中
で旋回しながら流れることになる。同様に、波板３の溝
に沿って流れるガス流も旋回しながら流れる。したがっ
て、両方の溝が交差する部分では、複雑な渦が生じ層流
境膜は極めて薄いものとなる。ハニカム構造体の側壁に
おいては、波板２の溝から波板３の溝へまたは波板３の
溝から波板２の溝へガスが流れ、流路の一部が機能しな
くなることはない。こうして、図２に示した波板２およ
び波板３を順次積層してなるハニカム構造体によると、
比較的低速のガス流速で高い境膜移動速度が得られ、同
時に、波板同士の接合部の面積、すなわち触媒として有
効に機能しない部分の面積が角度がついていない従来の
もの（図６および図７参照）に比べて小さくなり、これ
ら両方の効果により、触媒の有効性能が向上する。

【００２８】図５は、上記の波板２および波板３を成形
するための型板(4) を示している。型板(4) は、アルミ
ニウム製で、同図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、全
体として長方形でありかつその長手方向に対して所定角
度（θ）をなす波形の凹凸が設けられている。波板３
は、セラミックペーパーをチタニアコロイド水溶液に浸
漬し、湿潤状態で上記型板(4) にゴムローラーを用いて
貼り付け、この状態で乾燥・固化させ、固化後、型板
(4) から外すことにより得られる。この波板３を裏返し
たものが波板２となる。波板２および波板３を積層する
ことにより、ハニカム構造体が得られる。

【００２９】次いで、波板の波付け軸(2a)(3a)の方向と
ハニカム構造体の長手方向(C) とのなす角度θ₁および
θ₂の適値についてのテスト結果について説明する。

【００３０】まず、上記の方法により、流路断面１００
mm×９８mmで長さが３００mmのハニカム構造体を得た。
セラミックペーパーは、日本無機製のＨＭＳ−２５を用
い、チタニアコロイド水溶液は、石原産業製で固形分３
１wt% のものを用いた。これを４５０℃で３時間焼成
し、冷却後定法によりバナジウム、タングステン酸化物
を担持・焼成してハニカム構造体とした。角度θ₁およ
びθ₂は、共に０°（従来のもの）、５°、１５°、３
０°、４５°および６０°とした。得られたハニカム構
造体の諸元を表１に示す。

【００３１】

【表１】表１から、角度が５〜６０°のものは、角度が０°のも
のに比べて比幾何表面積（単位体積当たりの幾何表面
積）が増大していることがわかる。

【００３２】次いで、表１に示した各種形状のハニカム
構造体を反応器に充填し、それぞれについて、３００
℃、５０〜２００Nm³/hの空気にＮＯ、ＮＨ₃を各々１
００ppm となるように注入したガスを流通させ、脱硝性
能と圧力損失とを計測した。この結果を用いて、ガス線
速度が３Nm/sでの境膜物質移動係数を求めた。これを番
号Ｓ（角度が０°のもの）と比較した結果を表２に示
す。

【００３３】ここで、境膜物質移動係数とは、以下の関
係を満たす係数として定義されているものである。触媒
の各位置において、触媒単位面積および単位時間当たり
を考えて、反応ＮＯｘ量＝ＮＯｘ移動量＝ｋ_f×（Ｃ_B−Ｃ_S）ただし、ｋ_f：境膜物質移動係数、Ｃ_B：バルクガス流
中のＮＯｘ濃度、Ｃ_S：触媒表面上のＮＯｘ濃度。

【００３４】したがって、触媒性能向上すなわち反応Ｎ
Ｏｘ量を大きくするには、上記式におけるｋ_f：境膜物
質移動係数が大きいことがポイントとなる。

【００３５】

【表２】表２には、圧力損失（ΔＰ）に関しての同様な比較も示
している。表２において、境膜物質移動係数（ｋ_f）の
増加率が圧力損失（ΔＰ）の増加率を上回る角度が実用
上好ましい。すなわち、角度が大きくなるにしたがっ
て、境膜物質移動係数および圧力損失共に増加するが、
両者のバランスの点から、角度θ₁およびθ₂が共に０
°より大きくて４５°未満が好ましく、角度θ₁および
θ₂が共に５〜１５°であることがより好ましい。

【００３６】したがって、層流境膜における反応物質の
物質移動速度が触媒性能に及ぼす影響が顕著な高速反応
系において、上記ハニカム構造体を脱硝触媒として用い
ると、触媒性能が向上することがわかる。上記ハニカム
構造体は、脱硝反応のほか、各種酸化反応（燃焼反応も
含む）の触媒として用いることもできる。

【００３７】なお、セラミックペーパーに代えて、マッ
ト、クロスなどのセラミックス繊維プレフォーム体を用
いてもよく、これらのセラミックス繊維プレフォーム体
の繊維間マトリックスに、バナジウム酸化物を担持させ
たアナターゼチタニアを担持させることにより、同様の
性能を有するハニカム構造体が得られる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の発明のハニカム構造体による
と、隣り合う波板同士でその波付け軸同士が交差するよ
うになされるとともに、各波板の波付け軸の方向とハニ
カム構造体の長手方向とのなす角度が４５°未満とされ
ているので、すべての波板の波付け軸の方向とハニカム
構造体の長手方向とが同一である従来のハニカム構造体
に比べて、単位体積当たりの幾何表面積が大きくなり、
しかも、流体の混合が十分に行われる。また、下段の波
板の谷が上段の波板の谷に落ち込むことがないため、容
易に製造できる。これにより、固気反応あるいは固液反
応を効率的に行えるハニカム構造体の吸着剤あるいは触
媒を安価に提供できる。また、圧力損失が小さく効率的
に熱交換が行えるハニカム構造体の蓄熱材を安価に供給
できる。

【００３９】請求項２の発明のハニカム構造体による
と、波付け軸の方向が時計方向の波板を裏返すことによ
り、波付け軸の方向が反時計方向の波板が得られ、２種
類の波板を実質的に１種類の波板で得ることができるの
で、ハニカム構造体が製造しやすいものとなる。

【００４０】各波板の波付け軸の方向とハニカム構造体
の長手方向とのなす角度を５〜１５°にすることによ
り、角度が０°であるものを基準として、境膜物質移動
係数の増加率が圧力損失の増加率を上回るので、触媒性
能を向上させることができる。

【００４１】請求項６の発明のハニカム構造体の製造方
法によると、裁断によって各波板の波付け軸の方向とハ
ニカム構造体の長手方向とのなす角度を所定角度とする
のではなく、型板から取り外した波板をそのまま積層す
るだけでハニカム構造体が得られるので、ハニカム構造
体の製造がしやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるハニカム構造体の第１の実施形
態の要部を示す斜視図である。

【図２】この発明によるハニカム構造体の第２の実施形
態の要部を示す斜視図である。

【図３】この発明によるハニカム構造体の波板の組み合
わせの１例を示す分解斜視図である。

【図４】この発明によるハニカム構造体の波板の組み合
わせの他の例を示す分解斜視図である。

【図５】この発明によるハニカム構造体の製造方法に用
いられる型板を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）
は断面図、（ｃ）は拡大断面図である。

【図６】従来のハニカム構造体の１例の要部を示す横断
面図である。

【図７】従来のハニカム構造体の他の例の要部を示す横
断面図である。

【符号の説明】

(1) 波付け軸の方向がハニカム構造体の長手方向と
同一の波板 (1a) 波付け軸 (2) 時計方向にずらされた波板 (2a) 波付け軸 (3) 反時計方向にずらされた波板 (3a) 波付け軸 (4) 型板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林秀次大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者渡辺高延大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者藤田大祐大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者市来正義大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者秋山正樹大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内 (72)発明者近藤一博大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の波板(1)(2)(3) が積層されること
によって形成されているハニカム構造体において、隣り
合う波板(1)(2)(3) 同士でその波付け軸(1a)(2a)(3a)同
士が交差するようになされるとともに、各波板(1)(2)
(3) の波付け軸(1a)(2a)(3a)の方向とハニカム構造体の
長手方向(C) とのなす角度が４５°未満とされているこ
とを特徴とするハニカム構造体。
【請求項２】２種類の波板(2)(3)が交互に積層される
ことによって形成されているハニカム構造体において、
ハニカム構造体の長手方向(C) に対して、一方の波板
(2) の波付け軸(2a)の方向が時計方向に、他方の波板
(3) の波付け軸(3a)の方向が反時計方向にそれぞれずら
されており、各波板(2)(3)の波付け軸(2a)(3a)の方向と
ハニカム構造体の長手方向(C) とのなす角度が４５°未
満とされていることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項３】上記角度が、５〜１５°とされている請
求項１または２記載のハニカム構造体。
【請求項４】波板(2)(3)が、ペーパー、マット、クロ
スなどのセラミックス繊維プレフォーム体の繊維間マト
リックスに触媒粒子を担持させたものである請求項１、
２または３記載のハニカム構造体。
【請求項５】触媒粒子が、バナジウム酸化物を担持さ
せたアナターゼチタニアである請求項４記載のハニカム
構造体。
【請求項６】所望の形状を得るべく成形された型板
に、チタニアコロイド水溶液を含浸させた湿潤状態のセ
ラミックスペーパーを押し付け、セラミックスペーパー
をこの状態で乾燥して固化させた後型板から外すことに
より波板を製作し、これらの波板を積層してハニカム構
造体を得ることを特徴とするハニカム構造体の製造方
法。