六邊形網格蜂窩結構的製作方法
2023-06-08 20:52:41 1
專利名稱：六邊形網格蜂窩結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有高機械強度以及具有薄的網格壁厚度的六邊形網格蜂窩結構。
背景技術：
在汽車的廢氣淨化系統中，作為催化劑載體使用的陶瓷蜂窩結構的目的是及早激活所攜帶的催化劑。因此，需要陶瓷蜂窩結構具有140μm或者更小的薄壁厚度，以便通過整體重量的減少來降低熱容量。
一般而言，作為催化劑載體的陶瓷蜂窩結構在一定程度上接受外部壓力。因為薄的壁厚降低了抗破壞性，需要關注的是，陶瓷蜂窩結構抵抗外部壓力的強度將降低。特別地，六邊形網格蜂窩結構存在更嚴重的問題，即其抗破壞性的強度比三角形網格或者正方形網格減少得更多。
對提高蜂窩結構強度的描述在現有技術中是已知的。
例如，日本專利申請No.54-110189描述了一種結構，其網格厚度朝著中心逐漸減少。
又如另一個例子，日本專利申請No.10-264125描述了一種結構，該結構包括含有結構的中心的第一區域和位於第一區域外側的第二區域，以及形成在位於第二區域中的網格的每個角處的加強部分。
然而，在這些現有技術參考文獻中，因為內外側網格壁的厚度存在差異，在燒結過程中其收縮量是不同的。
因此，需要注意的是，所述結構的精確尺寸不能得到保證，而且所述結構的端部表面的均勻性在擠壓過程中不能得到保證。
日本已審查專利公開文獻No.3466862描述了一種結構，所述結構包括規則網格和不規則網格，規則網格具有良好形狀，不規則網格具有的橫截面積比規則網格的橫截面積少80％，而且只有不垂直於外壁的不規則網格的厚度大於剩餘網格的厚度9-100％。
日本專利申請No.11-277653描述了外部網格隔板的厚度「tr」，基礎(basic)隔板的厚度「tc」和外壁的厚度「ts」具有下述關係0.7≤tc/tr≤0.9，0.3≤tr/ts≤0.7。
如上述，現有技術描述了外側網格厚度大於內冊網格厚度。雖然這些技術能夠保證正方形網格結構的機械強度，但是它們不能保證六邊形網格結構的機械強度。
日本專利申請No.2002-46117描述了外壁的內截面半徑(Rr)大於每一個網格壁的內截面半徑(Rc)。
日本專利申請No.2003-269131描述了一種具有這樣的網格的結構，所述網格中彼此面對的各個角中，有一個對角比另一個面對的角曲率大。
雖然這些技術能夠保證正方形網格結構的機械強度，但是這些不能保證六邊形網格結構的強度。
如上述，因為這些技術涉及正方形網格結構，即使這些技術使用於六邊形網格結構中，六邊形網格結構的機械強度也不會得到充分地提高。
發明內容
鑑於上述問題，本發明的一個目的是提供一種改進的六邊形網格蜂窩結構，它具有高的機械強度以及具有140μm或者更小的薄壁厚度。
按照本發明的一方面，提供一種六邊形網格蜂窩結構，其具有高機械強度，而且包括多個截面為六邊形形狀並且形成多個六邊形網格通道的網格壁；圍繞所述多個網格壁的管狀表層；並且形成所述六邊形形狀的基礎(basic)網格壁的厚度是140μm或者更小，在所述基礎網格壁的相交處內接的內接圓直徑Da與網格間距P的關係為Da/P≥0.13。
所述目的也能通過提供一種包括下述內容的六邊形網格蜂窩結構來實現多個截面呈六邊形形狀並構成多個六邊形網格通道的網格壁；圍繞所述多個網格壁的管狀表層；並且由六個網格壁構呈六邊形形狀而且不包括所述管狀表層的基礎網格壁的厚度是140μm或者更小，一個圓的直徑Da的平均值Dax與網格間距P的關係為Dax/P≥0.13，該圓接觸三個相互靠近的六邊形網格通道在三個基礎網格壁的相交部分處的外輪廓。
所述目的也能通過提供一種包括下述內容的六邊形網格蜂窩結構來實現多個截面呈六邊形形狀並構成多個六邊形網格通道的網格壁；圍繞所述多個網格壁的管狀表層；具有的形狀類似於所述管狀表層的外圓周形狀的第一區域S1，而且該區域包括蜂窩結構的中心；限定在所述第一區域的外部的第二區域S2；其中六個網格壁構呈六邊形形狀而且不包括所述管狀表層的基礎網格壁的厚度是140μm或者更小；當所述第一區域S1和所述第二區域S2具有的關係為S2/S1＝0.2時，構成第二區域S2的所有相交部分中80％符合Dax/P≥0.13的關係，這時Dax被限定為一個圓的直徑，該圓接觸三個相互靠近的六邊形網格通道在三個基礎網格壁的相交部分處的外輪廓，P被限定為網格間距。
如在此使用的，「六邊形形狀」不限於具有幾何形狀的完美六邊形形狀。本發明的措辭意思是六邊形形狀的一般概念，即通過連接六個網格壁線而沒有連接表層構成的六邊形。
換句話說，除了含有表層的不規則網格壁以外的所有規則的網格壁基本上為六邊形形狀。
本發明的其它目的，特徵和優點從下述參照附圖的詳細說明書中將變得更加明顯，其中圖1是按照本發明第一實施例的六邊形網格蜂窩結構的透視圖；圖2是圖1的六邊形網格蜂窩結構的局部正視圖；圖3是限定按照本發明的Da的例子；圖4是限定按照本發明的Da的例子；圖5是限定按照本發明的Da的例子；圖6是限定按照本發明的Da的例子；圖7是按照本發明第二實施例的六邊形網格蜂窩結構的透視圖；圖8是按照本發明第三實施例的內燃機的廢氣淨化裝置的圖。
具體實施例方式實施例1
參照附圖，其中，各個圖中相同的參照標號指示相同的零件，特別是對於圖1，畫出了按照本發明第一實施例的六邊形網格蜂窩結構1。
如圖1所示，六邊形網格蜂窩結構1是用於汽車廢氣淨化系統的催化劑載體。
所述六邊形網格蜂窩結構1包括多個網格壁2，其截面基本上呈六邊形形狀並且構成多個六邊形網格通道3，和圍繞最外面的圓周圓周網格壁2的管狀表層4。
構成基本完好的六邊形形狀的基礎網格壁2a在截面上的厚度t是140μm或者更小。
此外，如圖2所示，在通過三個基礎網格壁構成的相交部分處，一個圓內接三個相互靠近的六邊形網格通道的開口c1-c3的輪廓，所述圓的直徑限定為Da(mm)，而且網格間距被限定為P(mm)。在所有相交部分處的圓直徑Da的平均值被限定為Dax。
在由與管狀表層4一起構成橫截面為不規則六邊形網格形狀的最外面的網格壁的內交部分處，或者在最外面的網格壁與基礎網格壁的相交部分處，內接三個網格通道的開口輪廓的圓被限定為Cb，圓Cb的直徑限定為Db(mm)。在所有相交部分處，圓的直徑Db的平均值被限定為Dbx。
後面的表1示出了Dax/P，Dbx/Dax的值，以及每個抽樣的長度。
在該例子中，提供了具有基本一樣的內接圓直徑Da以及所述圓的直徑Da的平均值Dax的六邊形網格蜂窩結構。
如圖3-6所示，內接圓直徑Da被限定為在基礎網格壁2a的相交部分處接觸每個網格開口部分c1-c3的輪廓的圓Ca的直徑。即，圓Ca接觸至少三個基礎網格壁表面。雖然在圓Ca和網格開口部分c1-c3的接觸部分的位置，隨著相交角或者網格壁厚度的細微結構差量不同而變化，但是通過畫出接觸網格開口部分c1-c3的輪廓的最大圓，可以計算出直徑Da。
現在將說明製造六邊形網格蜂窩結構的方法。
提供蜂窩結構的陶瓷材料。在該實施例中，陶瓷粉末的數量通過高嶺土粉末，熔化石英，氫氧化鋁粉末，鋁粉末，滑石粉和碳粉的數量進行調節，於是蜂窩結構的最終組成是稱為堇青石(cordierite)的主要成分組成，它包括佔質量百分比45-55％的SiO2，佔質量百分比33-42％的Al2O3，和佔質量百分比12-18％的MgO。
將所述陶瓷粉末與水和粘結劑混合，然後將這些材料進行攪拌而產生陶瓷材料。
所述陶瓷材料是通過使用具有對應網格壁2圖案的狹縫圖案的模子(沒有畫出)擠出而成的，於是所述蜂窩結構被模製而成。
之後，通過切割所述模製的蜂窩結構，在90-100℃乾燥所述蜂窩結構，以及在大約1400℃下燒制所述蜂窩結構的工藝，從而獲得了六邊形網格蜂窩結構1。
每個六邊形網格蜂窩結構的均衡(等壓)強度通過下述程序，按照日本汽車工程師協會的汽車標準(JASO)M505-78進行測量。
每個陶瓷蜂窩結構的樣本通過將鋁板安裝在其兩端表面及將橡膠板安裝在其外圓周表面進行製備。將每個樣本裝入壓力容器內，所述容器裝滿了水並且被加壓以使樣本斷裂。斷裂時的壓力被稱為均衡強度。
測量每個樣本的結果顯示在表1中。對所述均衡強度的評定限定為如下。
小於1.5 不合格(×)大於等於1.5並小於2 有點不合格(△)大於等於2並小於3合格 (○)3或者大於3 良好 (◎)如表1所示，作為本發明的實施例，所有的樣本E1-12都符合公式Dax/P≥0.13。因為樣本E1-12具有足夠的實際應用所需的均衡強度，這些樣本可以被判斷為合格。更具體地，當樣本E3，6，9和12符合公式Dax/P≥0.16時，樣本E3，6，9和12的均衡強度特別高。
另一方面，作為對比例，因為樣本C1-C12不符合公式Dax/P≥0.13，這些樣本的均衡強度不夠高。
表1
因此，即使六邊形網格蜂窩結構的基礎網格壁2a具有的厚度為140μm或者更小，通過應用本發明，所述結構也能具有足夠的強度，應用於廢氣淨化系統中的催化劑載體。
此外，雖然傳統蜂窩結構的主流是使用正方形網格，通過應用本發明，這些主流結構可以使用六邊形網格蜂窩結構進行替換。因此，所述六邊形網格蜂窩結構能夠有效地產生所述的優點。例如，六邊形網格蜂窩結構所攜帶的催化劑的表面積能夠大於正方形網格蜂窩結構的表面積。
在所述實施例中，優選地，Da/P的最大值是0.3。當所述最大值大於0.3時，減少開口的前端區域會增加壓力的損失。
優選地，應符合Db/Da≥1.05或者Dbx/Dax≥1.05的關係。因此，能夠更好地提高抗破壞性強度。更具體地，通過符合上述公式，最外面的圓周的強度能夠大於內側的強度。結果，因為提高了最外面的圓周強度進而改進了整體結構，能夠得到具有更高強度的結構。
優選地，在水銀孔率法的測量中，所述六邊形網格蜂窩結構的空隙率是40％或者更小。當空隙率大於40％時，存在的問題是材料強度的降低。
優選地，因為在催化過程中需要保證攜帶的催化劑的數量，最小空隙率是10％。
優選地，所述六邊形網格蜂窩結構由堇青石製成。所述堇青石材料比另一種熟知的催化劑載體SiC材料具有更低的強度。採用本發明能夠克服堇青石材料的這種低強度。
實施例2
在該實施例中，在限定第一區域和第二區域的情況下，研究直徑Da和間距P之間的關係。
如圖7所示，第一區域S1具有的形狀類似於圍繞網格壁2的管狀表層4(如圖1-2所示)的形狀，並且包括蜂窩結構1的中心O。第二區域S2被限定為第一區域S1的外面和表層4的裡面。
尋找所述關係的模擬方法如下。假設表層形狀是完好的圓形，在限定所述結構的每一個尺寸之後，製作圖形模型，並且該模型通過一種圖形模擬軟體PATRAN(商標)進行分析。之後，通過一種應力分析軟體MARC進行用於計算模型的SOLVER數據處理，而且通過PATRAN進行後處理。
當在第一區域S1中Dax/P小於0.13時，能夠承受外部壓應力的S2/S1值以及在第二區域形成的所有相交部分的80％或以上符合關係Da/P≥0.13。
根據模擬的結果，出現當S2/S1值為0.2或者更大時，蜂窩結構具有滿意的強度。因此，當第二區域S2與第一區域S1的比(S2/S1)是0.2時，在第二區域中的相交部分的80％或者以上滿足關係Dax/P≥0.13，其中Dax是接觸三個網格開口輪廓的圓的平均直徑，P是網格間距。具有上述條件的結構能夠具有廢氣淨化系統的催化劑載體所需的足夠的應用強度。
實施例3
如圖8所示，該實施例涉及廢氣淨化系統5，所述系統安裝有第一和第二廢氣淨化部分51，52，所述各個部分攜帶位於陶瓷蜂窩結構上的催化劑。
第一廢氣淨化部分51，布置在廢氣淨化系統5的上遊，包括依照實施例1的六邊形網格蜂窩結構1。
所述廢氣淨化系統5被安裝在內燃機50的排氣管內。更具體地，第一廢氣淨化部分51連接有從內燃機50伸出的排氣管59，第二廢氣淨化部分52連接有布置在第一廢氣淨化部分51下遊的排氣管58。用於檢測廢氣中的氧濃度的氧傳感器61，62被安裝在排氣管58，59內。
第一廢氣淨化部分51包括流過廢氣的殼體515和固定在所述殼體515內的載體510。
第二廢氣淨化部分52包括流過廢氣的殼體525和固定在所述殼體525內的載體520。所述載體520攜帶淨化廢氣的催化劑。
在該實施例中，布置在第一廢氣淨化部分51內的載體510具有六邊形網格蜂窩結構。更具體地，第三實施例中所述六邊形網格蜂窩結構的外徑為103mm，其軸向長度是105mm，網格間距為1.11mm，基礎網格的平均厚度是90μm，Dax/P＝0.17。
布置在第二廢氣淨化部分52內的載體520具有正方形網格蜂窩結構。更具體地，所述正方形網格蜂窩結構的外徑是103mm，軸向長度是105mm，網格厚度是4mil，網格密度是400cpsi。
布置在廢氣淨化系統5上遊的第一廢氣淨化部分51必須具有高的淨化性能。另一方面，因為布置在所述上遊側的所述結構1容易接受強烈的熱衝擊，結構1必須具有高的機械強度。因此，因為正方形網格蜂窩結構在機械強度方面通常比六邊形網格蜂窩結構更好，所以所述正方形網格蜂窩結構易於在現有技術中得到應用。
然而，在本實施例中，因為六邊形網格蜂窩結構1被採用到第一廢氣淨化部分51，和正方形網格蜂窩結構相比，所述結構1能夠有效地帶來更大的催化劑載體面積所導致的優點。
通過採用改進的六邊形網格蜂窩結構，可提供優良的廢氣淨化系統5。此外，所述蜂窩結構具有優良的耐熱衝擊性能，而且在使用中性能穩定。此外，因為所述六邊形網格蜂窩結構所攜帶的催化劑層厚度幾乎一致，所述催化劑能夠有效地被所述結構1攜帶。因此，能夠提供淨化廢氣的優良性能。因為在內燃機附近廢氣的溫度變高，壓力損失值也更高。因為六邊形網格的壓力損失比正方形網格的低，通過採用本發明的結構1，在內燃機附近能夠提供低的壓力損失結構。
與正方形網格相比，也能夠提供優良的加熱(warm up)性能。
儘管參照附圖，結合優選實施例，已經充分地描述了本發明，但是需要指出，對於本領域的技術人員，各種變化和改進將變得明顯。
權利要求
1.一種六邊形網格蜂窩結構，包括多個網格壁，其截面呈六邊形形狀並且形成多個六邊形網格通道；管狀表層，其圍繞所述多個網格壁；其中形成所述六邊形形狀的基礎網格壁在截面上的厚度是140μm或者更小，在基礎網格壁的相交部分處的內接圓的直徑Da與網格間距P具有的關係是Da/P≥0.13。
2.如權利要求1所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述關係是Da/P≥0.16。
3.如權利要求1或2所述的六邊形網格蜂窩結構，其中在與管狀表層一起構成橫截面為不規則六邊形網格形狀的最外面的網格壁的相交部分處，或者在最外面的網格壁與基礎網格壁的相交部分處，接觸三個壁的開口輪廓的圓Ca的直徑Db與所述直徑Da具有的關係是Db/Da≥1.05。
4.如權利要求1或2所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述基礎網格壁厚度是110μm或者更小。
5.如權利要求1或2所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述網格壁的空隙率是40％或者更小。
6.如權利要求1或2所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述網格壁由堇青石材料製成。
7.一種六邊形網格蜂窩結構，包括多個網格壁，其截面基本呈六邊形形狀並且形成多個六邊形網格通道；管狀表層，其圍繞所述多個網格壁；其中由六個網格壁形成所述六邊形形狀而不包括所述管狀表層的基礎網格壁的厚度是140μm或者更小，在所述三個基礎網格壁形成的相交部分處，接觸所述三個六邊形網格通道的開口輪廓的圓的直徑Da平均值Dax與網格間距P具有的關係是Dax/P≥0.13。
8.如權利要求7所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述公式關係是Dax/P≥0.16。
9.如權利要求7或8所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述基礎網格壁厚度是110μm或者更小。
10.如權利要求7或8所述的六邊形網格蜂窩結構，其中在與管狀表層一起構成橫截面為不規則六邊形網格形狀的最外面的網格壁的相交部分處，或者在最外面的網格壁與基礎網格壁的相交部分處，接觸三個網格壁的開口輪廓的圓Ca的平均直徑Dbx，與所述直徑Da具有的關係是Dbx/Dax≥1.05。
11.如權利要求7或8所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述網格壁由堇青石材料製成。
12.一種六邊形網格蜂窩結構，包括多個網格壁，其截面基本呈六邊形形狀並且形成多個六邊形網格通道；管狀表層，圍繞所述多個網格壁；第一區域，其具有的形狀類似於所述管狀表層的外圓周形狀並且包括蜂窩結構的中心；第二區域，其限定在所述表層和所述第一區域之間；由六個網格壁形成截面為所述六邊形形狀、而不包括所述管狀表層的基礎網格壁的厚度是140μm或者更小，所述第一區域S1和所述第二區域S2具有的關係為S2/S1＝0.2，在形成所述第二區域S2的所有相交部分中80％符合Dax/P≥0.13的關係，其中Dax被限定為一個圓的直徑，該圓在由三個基礎網格壁形成的相交部分處接觸三個網格通道的開口輪廓，P被限定為網格間距。
13.如權利要求12所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述基礎網格壁厚度是110μm或者更小。
14.如權利要求12或13所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述網格壁的空隙率是40％或者更小。
15.如權利要求12或13所述的六邊形網格蜂窩結構，其中所述網格壁由堇青石材料製成。
16.一種廢氣淨化系統，包括第一廢氣淨化部分；第二廢氣淨化部分，其布置在所述第一廢氣淨化部分下遊；六邊形網格蜂窩結構，其布置在所述第一廢氣淨化部分內；其中形成所述六邊形網格蜂窩結構的截面為六邊形形狀的基礎網格壁的厚度是140μm或者更小，在所述基礎網格壁的相交部分處的內接圓的直徑Da與網格間距P的關係是Da/P≥0.13。
17.一種廢氣淨化系統，包括第一廢氣淨化部分；第二廢氣淨化部分，其布置在所述第一廢氣淨化部分下遊；六邊形網格蜂窩結構，其包括截面基本呈六邊形形狀並且形成多個六邊形網格通道的多個網格壁，和圍繞所述多個網格壁的管狀表層；其中所述六邊形網格蜂窩結構布置在所述第一廢氣淨化部分內，由六個網格壁形成截面為所述六邊形形狀、而不包括所述管狀表層的基礎網格壁的厚度是140μm或者更小，在所述三個基礎網格壁形成的相交部分處，接觸所述三個六邊形網格通道的開口輪廓的圓的直徑Da平均值Dax與網格間距P具有的關係是Dax/P≥0.13。
18.一種廢氣淨化系統，包括第一廢氣淨化部分；第二廢氣淨化部分，其布置在所述第一廢氣淨化部分下遊；六邊形網格蜂窩結構，其包括截面基本呈六邊形形狀並且形成多個六邊形網格通道的多個網格壁，和圍繞所述多個網格壁的管狀表層；其中所述六邊形網格蜂窩結構布置在所述第一廢氣淨化部分內，由六個網格壁形成截面為所述六邊形形狀、而不包括所述管狀表層的基礎網格壁的厚度是140μm或者更小，所述第一區域S1和所述第二區域S2具有的關係為S2/S1＝0.2，在形成所述第二區域S2的所有相交部分中80％符合Dax/P≥0.13的關係，其中Dax被限定為一個圓的直徑，該圓在由三個基礎網格壁形成的相交部分處接觸三個網格通道的開口輪廓，P被限定為網格間距。
全文摘要
一種六邊形網格蜂窩結構，其具有截面呈六邊形形狀並且形成多個六邊形網格通道的多個網格壁，以及圍繞所述網格壁的管狀表層。所述基礎網格壁的厚度是140μm或者更小，在基礎網格壁2的相交部分處內接的內接圓直徑Da與網格間距P具有的關係是Da/P≥0.13。
文檔編號B01J35/00GK1990427SQ20061016591
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月11日 優先權日2005年12月27日
發明者瀨川佳秀, 近藤壽治 申請人:株式會社電裝