CN101313130A - 次消声器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无需耐热材料如SUS并且在暴露于排气中的各种腐蚀性成分时仍可保持其耐久性和吸声性能的次消声器。同时，实现了低成本制造，这是次消声器和吸声材料共同面对的挑战。在所公开的次消声器中配置有穿孔排气管，并且在所述穿孔管外侧配置有盖和外管。吸声材料填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内。所述次消声器的特征在于，在所述吸声材料中，至少所述吸声材料的位于所述穿孔管侧的那部分是用于高温的玄武岩纤维。

Description

次消声器
技术领域
本发明涉及一种利用玄武岩纤维的次消声器(副消声器，sub-muffler)，玄武岩纤维作为吸声材料具有优异的吸声性能和优异的耐热性。
背景技术
汽车消声器被用作吸收排气噪声的部件。目前使用玻璃纤维作为消声器的吸声材料。近来，节能的需要和对排气排放的更严格控制已带来汽车发动机温度的升高，其伴随着消声器部分处的排气温度升高到800℃以上。为此，迫切需要开发一种用于消声器的具有更高耐热性(能够承受从750℃至900℃的温度)的吸声材料。
例如，暴露于从各种类型发动机的排气系统中排出的高温(高达800℃)气体中导致配备有市售的主要由SiO2-Al2O3-CaO等合成原料构成的玻璃纤维的次消声器(以下称为次消声器(1))的耐久性和吸声性能降低。这种降低的原因如下。所述市售的主要由SiO2、Al2O3等合成原料构成的玻璃纤维中的纤维在暴露于温度高达800℃的排气中时粘着在一起。这导致玻璃纤维的表观丝径增大，而丝径的增大又导致玻璃纤维作为吸声材料的柔性(挠性，flexibility)降低。最终，这种玻璃纤维的吸声性能降低。
此外，暴露于从各种类型发动机的排气系统中排出的高温(高达830℃)气体中导致配备有市售的主要由SiO2-Al2O3-MgO等合成原料构成的玻璃纤维的次消声器(以下称为次消声器(2))的耐久性和吸声性能降低。这种降低的原因如下。所述市售的主要由SiO2、Al2O3、MgO等合成原料构成的玻璃纤维因温度高达830℃的排气而结晶，从而导致纤维柔性的丧失。
另外，各种类型发动机的排气系统的650℃以上的温度使得配备有由除在次消声器(1)和(2)中所用的那些之外的其它合成原料构成的玻璃纤维——具体是指由SiO2-Al2O3-CaO-Na2O系、SiO2-CaO-Na2O系、SiO2-Na2O系和SiO2-K2O系的合成原料构成的玻璃纤维——的次消声器(以下称为次消声器(3))的耐久性和吸声性能降低。这种降低的原因如下。由于这些类型的玻璃纤维含有非常大量的碱金属氧化物如CaO、Na2O和K2O，所以暴露于650℃以上的排气中会促进结晶化、粘着和被排气中的各种酸性成分腐蚀。
此外，次消声器(2)的制造成本高，特别地，为每千克数千日元的水平。其原因如下。在用SiO2、Al2O3、MgO等氧化物制造由这些氧化物构成的玻璃纤维时，首先需要从各种相应的原料中提纯和分离各种氧化物以获得所述合成原料。其次，要将这些成分磨碎，然后将得到的粉末混合。随后，要在高温下熔化所述混合物，从而将熔融材料形成为纤维。
次消声器(1)和(3)均具有复杂的制造过程并具有大的重量以将玻璃纤维保持在较低的温度下。这是因为为此目的需要两个步骤，例如将SUS棉(毛)卷绕在内管外周上的第一步骤和将玻璃纤维吸声材料卷绕在其周围的第二步骤。
此外，次消声器(1)和(3)的再循环处理的成本高。用在次消声器(1)和(3)中的玻璃纤维在焚烧炉中的燃烧产生均具有低熔点的氧化物。焚烧炉的耐火衬里被所述氧化物的腐蚀会降低焚烧炉的耐久性。这需要增加在设备和机器上的投资。
此外，从生命周期评价(LCA)的观点看，次消声器(1)、(2)和(3)的使用具有难以减轻环境负担的困难。分别用在次消声器(1)、(2)和(3)中的玻璃纤维的制造会比其它方式产生更多的CO2，这是因为它们的制造需要首先合成它们自己的组成氧化物，其次以一定的预定比例混合所述氧化物的粉末，然后熔化相应的混合物。
相反，由天然的玄武岩原石(荒石，石荒料)的原料制成的玄武岩连续纤维比传统的连续玻璃纤维便宜得多。但是，当用在约750℃至约900℃的高温范围内时，玄武岩连续纤维具有以下问题。从玻璃成分中会产生结晶相，并且这导致诸如柔性丧失以及在结晶层和玻璃层之间的界面处产生剥离之类的问题。
迄今为止所述的事实导致无法获得具有令人满意的高耐热性和令人满意的高耐久性且同时能以较低成本制造的吸声用玻璃纤维和用于车辆用隔热部件的材料。
日本专利公开(Kokai)No.10-77823A公开了一种消声器的发明，其中作为吸声材料的纤维在排气管上卷绕设置。在所公开的发明中，连续纤维通过卷绕在开有通气孔的排气管的外周上设置而成。连续纤维是通过卷绕在设有通气孔的位置处设置而成的。连续纤维通过不卷绕成纺织(woven)的状态而是卷绕成分层的状态设置而成，以便形成廉价的玻璃纤维层并防止所述层被排气中的油性物质堵塞。在该公开文献中，这类纤维如玻璃纤维、由玄武岩石制成的纤维和由高纯硅制成的陶瓷纤维被引述为连续纤维的例子。但是，在上述公开中，完全没有指明使用何种类型的玄武岩纤维。
发明内容
本发明的发明人已发现所述问题源于以下原因(1)至(4)。
(1)传统的玻璃纤维在暴露于高温排气中时丧失其柔性。这是因为这种暴露使得玻璃纤维的一部分从完全的玻璃相开始结晶化，并且还引发Ca-Si-O系的低熔点结晶相的产生。结晶相的产生导致纤维相互粘着和硬化，使表观丝径增大为单丝直径的数倍。结晶和结晶相的产生会损害玻璃纤维的柔性。
(2)传统的玻璃纤维在暴露于高温排气中时由于另一原因而丧失其柔性。即使在玻璃纤维中不产生粘着，完全由玻璃相构成的玻璃纤维也会转变为仅由结晶相构成的玻璃纤维。这会损害玻璃纤维的柔性。
(3)由于以下原因，市售的玻璃纤维的制造成本高。在所述玻璃纤维的制造过程中，要成为玻璃网络形成体(network former)和玻璃网络改性体(network modifier)的氧化物原料以一定的预定比例混合，然后所述混合物在高温下熔化。结果，原料成本变高，需要混合粉末的步骤，并且需要高温来熔化原料。所有这些都导致制造成本增加。
(4)传统的玄武岩纤维能以比市售的玻璃纤维更低的制造成本加以制造，这是因为玄武岩纤维由天然原料制成。此外，原石(B)(用于低温的玄武岩原石(B))具有低的SiO2含量，且由此其熔融材料在高温下具有低的粘度。结果，能制造出丝径为20μm以下的连续纤维。但是，所述连续纤维不具有充分的耐热性，这是因为玻璃相在750℃以上结晶。
上文所述给出了以下启示。必要的是，应当在玄武岩原石(B)中形成并维持网络形成体和玻璃改性体，并且应当抑制玄武岩纤维的结晶和粘着。还必要的是，玄武岩纤维的耐热性应当从传统的750℃的水平显著地提高至750℃至900℃之间的范围。同时，必要的是，相对于传统的玄武岩纤维，制造成本应当显著降低。
本发明涉及一种用于汽油机、柴油机、柔性燃料车辆(flex fuel vehicle，FFV，例如汽油/乙醇车辆)用发动机和混合动力车辆(HV)用发动机的次消声器的玄武岩纤维吸声材料。本发明的目的在于，即使所述材料暴露于650℃至900℃的高温排气中，或暴露于腐蚀性气体成分如HC、NOx、SOx、甲醛、乙醛、甲酸、乙酸、亚硝酸和亚硫酸中，仍保持次消声器的耐久性和吸声性能。除此之外还追求的另一个目的是降低制造成本，这是吸声材料和次消声器通常面对的挑战。
本发明的发明人已发现，具有优异耐热性的玄武岩连续纤维能通过选择玄武岩原石的熔融条件来制造。同时，发明人已发现，能通过选择要成为网络形成体和玻璃改性体的氧化物并优化所添加氧化物的量来抑制结晶和粘着并显著提高耐热性。本发明已通过这种方式得以实现。
应注意，本发明中的用于高温的玄武岩纤维是指即使在该玄武岩纤维暴露于750℃至900℃的高温排气中达200小时以上也很少产生结晶且仅出现容许程度的粘着现象的玄武岩纤维。
本发明是一种次消声器的发明。在该次消声器中，在该次消声器内侧配置有穿孔排气管，在所述穿孔管外侧配置有盖和外管。在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内填充有吸声材料。所述次消声器的特征在于，在所述吸声材料中，至少所述吸声材料的靠近所述穿孔管的那部分是用于高温的玄武岩纤维。
本发明的次消声器包括下列典型结构(1)至(4)。
(1)所述用于高温的玄武岩纤维填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的整个空间内。
(2)填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内的所述吸声材料具有双层结构。靠近所述穿孔排气管的吸声材料层是用于高温的玄武岩纤维层，并且靠近所述盖和所述外管的吸声材料层是用于低温的玄武岩纤维层。
(3)填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内的所述吸声材料具有双层结构。靠近所述穿孔排气管的吸声材料层是用于高温的玄武岩纤维层，并且靠近所述盖和所述外管的吸声材料层是用于低温的玻璃纤维层。
(4)填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内的所述吸声材料具有三层结构。靠近所述穿孔排气管的吸声材料层是用于高温的玄武岩纤维层，并且靠近所述盖和所述外管的吸声材料层是用于低温的玻璃纤维层。此外，在所述用于高温的玄武岩纤维层和所述用于低温的玻璃纤维层之间存在用于低温的玄武岩纤维层。
作为用在本发明中的用于高温的玄武岩纤维，优选采用玄武岩连续纤维，但是也可使用玄武岩短纤维。在这种情况下，所述用于高温的玄武岩纤维的丝径优选是均一的，但所述玄武岩短纤维的丝径可变化。
此外，所述用于高温的玄武岩纤维可卷绕设置为纺织的状态，或卷绕设置为非纺织的状态。
下面对用在本发明的次消声器中的用于高温的玄武岩纤维进行说明。
首先，用在本发明的次消声器中的用于高温的玄武岩纤维是由SiO2含量约为55.9wt％至61.1wt％的100wt％的用于高温的玄武岩石(A)所获得的玄武岩纤维。
其次，用在本发明的次消声器中的用于高温的玄武岩纤维包括彼此具有不同氧化物成分的两种不同类型的玄武岩原石。此处，所述两种不同类型的玄武岩原石是SiO2含量约为55.9wt％至61.1wt％的用于高温的玄武岩石(A)，和SiO2含量约为54.1wt％至58.1wt％的用于低温的玄武岩石(B)。此处，用于高温的原石(A)和用于低温的原石(B)的混合比率(以重量百分比计)在(A)50wt％+(B)50wt％至(A)95wt％+(B)5wt％的范围内。优选的混合比率在(A)80wt％+(B)20wt％至(A)90wt％+(B)10wt％的范围内。
第三，用在本发明的次消声器中的用于高温的玄武岩纤维是通过向所述用于低温的玄武岩原石(B)中添加至少一种氧化物而制成的，所述至少一种氧化物选自由Al2O3、SiO2、CaO和MgO构成的组。此处，添加到所述原石中的氧化物的最佳量为下述(1)至(3)之一。
(1)在添加单一种类氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的量在从1.0wt％至40wt％或优选地从10wt％至30wt％的范围内。
(2)在添加两种氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的总量在从1.0wt％至70wt％或优选地从10wt％至60wt％的范围内。
(3)在添加三种氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的总量在从1.0wt％至60wt％或优选地从10wt％至50wt％的范围内。
第四，用在本发明的次消声器中的用于高温的玄武岩纤维的特征在于，所述玄武岩纤维由彼此具有不同氧化物成分的两种不同类型的玄武岩石的原料制成。此外，其特征在于，选自由Al2O3、SiO2、CaO和MgO构成的组中的至少一种氧化物被添加到所述玄武岩石中。此处，与所述第三种玄武岩纤维的情况一样，添加到所述原石中的氧化物的最佳量为下述(1)至(3)之一。
(1)在添加单一种类氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的量在从1.0wt％至40wt％或优选地从10wt％至30wt％的范围内。
(2)在添加两种氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的总量在从1.0wt％至70wt％或优选地从10wt％至60wt％的范围内。
(3)在添加三种氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的总量在从1.0wt％至60wt％或优选地从10wt％至50wt％的范围内。
第五，用在本发明的次消声器中的用于高温的玄武岩纤维由玄武岩石的原料制成并通过以下制造过程加以制造。所述制造过程大体上具有破碎玄武岩石的步骤和清洗破碎的玄武岩石的步骤。此外，对于第二种用于高温的玄武岩纤维，所述制造过程具有混合所述两种玄武岩石的步骤，并且对于第三和第四种用于高温的玄武岩纤维，所述制造过程具有将原石与所添加的氧化物混合的步骤。此外，所述制造过程通常具有使玄武岩石、混合后的原石或玄武岩石和氧化物的混合原料熔化的步骤。最后，所述制造过程通常具有将熔融材料形成为纤维的步骤，以及合丝(doubling)和卷绕所述纤维的步骤。此外，当熔融材料的粘度为η时，logη随着温度的上升大致以线性的方式降低，降至1440℃时的2.55(dPa·s)至2.85(dPa·s)的范围，降至1540℃时的2.10(dPa·s)至2.45(dPa·s)的范围，并且降至1640℃时的1.80(dPa·s)至2.10(dPa·s)。所述玄武岩纤维以2.15(dPa·s)至2.35(dPa·s)的logη或优选地2.20(dPa·s)至2.30(dPa·s)的logη被制造。通过这些熔融条件，能控制丝径，并且能制造出在合丝和卷绕步骤时不会被切断的用于高温的玄武岩连续纤维。如上所述，熔融材料的最佳温度应当选择为使得熔融材料的logη(η为高温下的粘度)处在从2.15(dPa·s)至2.35(dPa·s)的范围内，或优选地处在2.20(dPa·s)至2.30(dPa·s)的范围内。
所述玄武岩石的原料选自以下两种：
(1)具有较高SiO2含量的100wt％的用于高温的玄武岩石(A)，和
(2)所述用于高温的玄武岩石(A)和SiO2含量比所述用于高温的玄武岩石(A)低的用于低温的玄武岩石(B)的混合物。
此外，可向所述玄武岩石的原料中添加从由Al2O3、SiO2、CaO和MgO构成的组中选出的至少一种氧化物。在这种情况下，所添加的氧化物的最佳量为下述(1)至(3)。
(1)在添加单一种类氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的量在从1.0wt％至40wt％或优选地从10wt％至30wt％的范围内。
(2)在添加两种氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的总量在从1.0wt％至70wt％或优选地从10wt％至60wt％的范围内。
(3)在添加三种氧化物的情况下，从外部添加到100wt％的玄武岩石中的氧化物的总量在从1.0wt％至60wt％或优选地从10wt％至50wt％的范围内。
在由熔融材料形成纤维的上述步骤中，能通过调节形成为纤维的熔融材料的卷绕速度来控制丝径。应注意，将形成为纤维的熔融材料是通过在一定的预定温度下完全熔化所述原料而获得的，随后完全熔化的材料从设在铂套管底部的孔下落。
用在本发明的次消声器中的高耐热和高耐酸的玄武岩纤维由原料如玄武岩石制成。玄武岩纤维优选地由玄武岩连续纤维制造设备来制造。所述制造设备包括供原料加入的储料器。通过磨碎玄武岩石并随后清洗磨碎后的产品来制备原料。所述制造设备还包括通过加热装置熔化清洗后的产品的熔炉。所述制造设备还包括在底部设有多个孔以将熔融材料形成为纤维的铂套管，和用于合丝及随后卷绕所述纤维的卷绕机械。
此外，本发明是一种配备有上述次消声器之一的汽车。
在本发明的次消声器中，使用能承受750℃至900℃或更高温度的高耐热玄武岩纤维作为吸声材料。即使在次消声器用于汽油机、柴油机、柔性燃料车辆(FFV)的发动机和混合动力车辆(HV)的发动机时，所述次消声器也能保持耐久性和吸声性能。此外，即使所述吸声材料暴露于650℃至900℃的高温排气中，或暴露于腐蚀性气体成分如HC、NOx、SOx、甲醛、乙醛、甲酸、乙酸、亚硝酸和亚硫酸中，所述次消声器也能够保持耐久性和吸声性能。此外，本发明的次消声器降低了制造成本，这是吸声材料和次消声器通常面对的挑战。
此外，用在本发明的次消声器中的高耐热玄武岩纤维由以下原料制成，例如：
(1)具有高SiO2含量的100wt％的用于高温的玄武岩石(A)；
(2)所述用于高温的玄武岩石(A)和SiO2含量低的用于低温的玄武岩石(B)的混合物；
(3)具有要成为网络形成体和玻璃改性体的氧化物的用于低温的玄武岩石(B)，其中待添加的氧化物的种类被最优化地选取并且所添加的氧化物的量也是最优化的；和
(4)具有要成为网络形成体和玻璃改性体的氧化物的所述混合物(2)，其中待添加的氧化物的种类被最优化地选取并且所添加的氧化物的量也是最优化的。
这些原料的使用抑制了玄武岩纤维的结晶和粘着，并显著地提高了玄武岩纤维的耐热性。能通过在高耐热玄武岩纤维的制造过程中控制熔融条件而控制用在本发明的次消声器中的高耐热玄武岩纤维的丝径。结果，能制造出在卷绕步骤时不会被切断的玄武岩连续纤维。
附图说明
图1示意性地示出本发明的玄武岩连续纤维的制造过程的各个步骤。
图2示出由本发明的方法获得的各种玄武岩原石在1430℃至1640℃的高温下的粘度。
图3示出带有用作吸声材料的本发明的用于高温的玄武岩连续纤维的次消声器的剖视图。
图4示出本发明的使用具有双层结构的吸声材料的次消声器的剖视图。
图5示出使用具有双层结构的吸声材料的次消声器的剖视图，所述双层结构由本发明的玄武岩连续纤维层和从合成原料获得的连续玻璃纤维层构成。
图6示出使用本发明的吸声材料的次消声器的剖视图，所述吸声材料由具有互不相同的丝径的玄武岩短纤维形成。
图7示出使用本发明的具有三层结构的吸声材料的次消声器的剖视图。
图8示出使用传统SUS的次消声器的剖视图。
具体实施方式
作为本发明的玄武岩纤维的原料的玄武岩石(玄武岩原石)是一种火成岩。其主要矿物成分为(1)斜长岩：Na(AlSi3O8)-Ca(Al2SiO8)，和(2)辉石：(Ca，Mg，Fe2+，Fe3+，Al，Ti)2[(Si，Al)2O6]，(3)橄榄石：(Fe，Mg)2SiO4。乌克兰生产廉价和高质量的玄武岩石。
下面的表1和2示出基于(1)用于高温的玄武岩石(A)、(2)用于低温的玄武岩石(B)和(3)85％的原石(A)和15％的原石(B)的混合物的氧化物(wt％)的元素比率(wt％)和成分比率。这些比率是通过(使用高频等离子发射光谱仪尤其是Shimadzu公司的ICPV-8100)进行ICP分析而获得的。应注意，在下述说明中，在测量误差的范围内，各种玄武岩原石的成分和使用所述原石获得的玄武岩纤维的成分被认为大致相同。
应注意，ICP分析难以测量氧的量，所以元素总量不是100％。表2示出了考虑到难以通过ICP分析测定的氧之后的经转换的比率。
表1
  用于高温的玄武岩原石(A)(wt％)   用于低温的玄武岩原石(B)(wt％)   用于高温的玄武岩原石(A)85wt％用于低温的玄武岩原石(B)15wt％(wt％)
  Si   23.6-28.7   23.5-28.5   25.1-28.7
  Fe   6.07-6.54   6.24-6.84   5.88-6.60
  Al   8.75-9.24   8.50-9.00   8.95-9.38
  Ca   4.10-4.44   5.71-6.03   4.33-4.64
  Na   2.15-2.24   1.85-1.95   2.06-2.23
  K   1.54-1.73   1.27-1.47   1.53-1.77
  Mg   1.34-1.49   2.68-2.82   1.55-1.65
  Ti   0.49-0.52   0.57-0.61   0.50-0.55
  Mn   0.12-0.15   0.11-0.15   0.13-0.14
  P   0.09-0.09   0.07-0.07   0.08-0.09
  Zr   0.02-0.03   0.02-0.03   0.02-0.19
  Ba   0.04-0.04   0.04-0.04   0.04-0.09
  Sr   0.03-0.03   0.03-0.03   0.03-0.03
  B   0.03-0.07   0.01-0.05   0.02-0.06
  Cr   0.01-0.02   0.01-0.02   0.01-0.02
  S   0.01-0.01   0.01-0.01   0.01-0.01
表2
  用于高温的玄武岩原石(A)(wt％)   用于低温的玄武岩原石(B)(wt％)   用于高温的玄武岩原石(A)85wt％用于低温的玄武岩原石(B)15wt％(wt％)
  SiO2   55.9-61.1   54.1-58.1   56.4-60.4
  FeO+Fe2O3   8.10-9.39   8.23-9.53   7.89-9.28
  Al2O3   16.2-18.6   15.0-18.0   16.6-18.4
  CaO   5.64-6.54   7.68-8.68   5.93-6.72
  Na2O   2.94-3.17   2.35-2.75   2.71-3.01
  K2O   1.92-2.05   1.54-1.69   1.91-2.09
  MgO   0.31-2.57   1.55-4.75   2.49-2.78
  TiO2   0.81-0.92   0.89-1.04   0.83-0.95
  MnO   0.15-0.22   0.15-0.22   0.16-0.19
  P2O5   0.20-0.23   0.14-0.22   0.18-0.21
  ZrO2   0.03-0.03   0.03-0.03   0.03-0.25
  BaO   0.05-0.05   0.03-0.05   0.05-0.09
  SrO   0.03-0.04   0.03-0.05   0.04-0.04
  B2O3   0.11-0.22   0.05-0.15   0.06-0.19
  Cr2O3   0.01-0.03   0.01-0.03   0.01-0.03
  SO   0.01-0.02   0.01-0.02   0.01-0.02
图1示意性地示出本发明的玄武岩连续纤维的制造过程的各个步骤。首先，如图1所示，作为原料的玄武岩石被磨碎成一定的预定颗粒尺寸。其次，磨碎后的产品被清洗且随后被投入熔炉的原料输入储料器中。所述熔炉是燃气炉和/或电炉，并且被耐火衬里所环绕。熔炉中的原料由燃烧器对其表面进行加热并被熔化。熔融材料经在底部具有多个孔的铂套管挤出而形成为纤维。如此形成为纤维的玄武岩由纤维卷绕机进行合丝和卷绕。
图1还示出用于制造用在本发明中的玄武岩连续纤维的设备的示意图。该制造设备的熔炉的一些特征如下。
(1)其各个熔炉相互独立。
(2)每个熔炉都设有套管。
(3)其被构造为单独执行从玄武岩石输入口经熔炉和套管再到卷绕机的整个过程的成批熔炉(batch furnace)。
使用该设备具有如下优点。
(1)对熔炉的整修能通过停止生产的特定部分来实现。这带来另一个优点。例如，多个熔炉的使用使得能定期地对各个熔炉进行整修，同时用其它熔炉继续进行生产。
(2)该设备能响应小批量生产。此外，能使用不同的原料进行生产。
玄武岩石原料在电炉或燃气炉中在一定的预定温度下成为完全的熔融材料。该熔融材料从铂套管的底部以一定的预定速度被拉出而形成为丝径为数微米至数十微米级别的连续纤维。特别地，当所述连续纤维被用作吸声材料时，丝径优选为10μm至20μm。控制玄武岩连续纤维丝径的因素包括熔融材料的成分、熔融材料的温度、熔融材料在一定的预定高温下的粘度、设在铂套管底部的各个孔的尺寸和各个孔的形式以及所述孔的布置。此外，还有另一个重要因素，即形成纤维时的张力。通常，所述张力由图1的示意图所示的纤维卷绕机的卷绕速度即旋转速度来控制。此外，为了制造连续纤维，首要的是纤维在卷绕过程中不被切断。为了防止纤维被切断，重要的是对丝径的上述决定因素进行优化。如上所述，本发明的发明点在于生产一种丝径为数微米至数十微米的不会被切断的连续纤维。
使用玄武岩石系原料生产玄武岩连续纤维的方法的关键技术在于控制熔融材料的温度和粘度。首要的是对熔融材料在高温下的粘度进行测量。同样重要的是进行控制以便能响应于原料的各种成分获得最佳的粘度。
本发明的示例将在下面给出。
熔融材料的高温粘度是通过玻璃的粘度测量方式加以测量的(用试样下拉(draw-down)法)。根据试样下拉法的原理，当Pt球以恒定速度在熔融玻璃中移动时，粘度可通过斯托克斯定律用以下方程获得：
η＝GW/v
其中G表示仪器常数，W表示载荷，v表示Pt坩埚的运动速度。
例1
图2示出与本发明相关的各种原石在1430℃至1640℃温度范围内的高温粘度。应注意，由于测量设备的性能限制，1550℃或更高温度下的粘度无法测量。为此，所述图是由外推线示出的。在每种原石中，logη的值趋向于随着温度上升而大致线性地降低。使用由此获得的高温粘度数据能为用各种原石制造高耐热性玄武岩连续纤维选择最佳的熔化温度。所述最佳温度的使用能由各种原石获得具有期望丝径的玄武岩纤维，而不会导致任何切断。
随后，以如下方式用X射线粉末衍射法测定在玄武岩纤维中结晶相和玻璃相的存在或缺失。所测试的玄武岩纤维从(1)用于高温的玄武岩原石(A)和(2)用于高温的玄武岩原石(A)和用于低温的玄武岩原石(B)的混合原石获得。由此获得的玄武岩纤维在800℃、850℃或900℃下在大气中经受50小时至200小时的热处理。表3示出测定结果。在该表中：
A表示只有玻璃相存在的状态；
B表示有很多玻璃相和很少结晶相存在的状态；
C表示有很少玻璃相和很多结晶相存在的状态；和
D表示只有结晶相存在的状态。
应注意，A意味着耐热性最高，B、C和D的每一个意味着耐热性依次降低。B等级的耐热性是充分的。
表3
  用于高温的玄武岩原石(A)100wt％   用于高温的玄武岩原石(A)80wt％用于低温的玄武岩原石(B)20wt％   用于高温的玄武岩原石(A)85wt％用于低温的玄武岩原石(B)15wt％
  纤维化   A   A   A
  800℃×200hr   B   B   B
  850℃×200hr   B   B   B
  900℃×200hr   B   B   B
表3所示的结果表明以下内容。
(1)在800℃至900℃下热处理200小时之后，在只由用于高温的玄武岩原石(A)制成的玄武岩纤维中具有大量玻璃相。换句话说，该玄武岩纤维是高耐热的玄武岩纤维。
(2)在800℃至900℃下热处理200小时之后，在由用于高温的玄武岩原石(A)和用于低温的玄武岩纤维(B)的混合原石制成的玄武岩纤维之中——一种由80wt％的玄武岩原石(A)和20wt％的玄武岩原石(B)的混合物制成，一种由85wt％的玄武岩原石(A)和15wt％的玄武岩原石(B)的混合物制成——具有大量玻璃相。换句话说，这些玄武岩纤维是高耐热的玄武岩纤维。
例2
以如下方式用X射线粉末衍射法测定在玄武岩纤维中结晶相和玻璃相的存在或缺失。通过下面的方式制备玻璃化试样，即，将在研钵中磨碎的用于低温的玄武岩原石(B)与各种氧化物在球磨机中混合12小时，然后在内衬有铂的氧化铝坩埚中在1430℃下加热所得到的混合物4个小时，再进行退火处理。这些玻璃化试样在800℃、850℃或900℃下经受热处理50小时或200小时，然后进行测定。
表4至9示出测定结果。与在表3中一样，在这些表格中：
A表示只有玻璃相存在的状态；
B表示有很多玻璃相和很少结晶相存在的状态；
C表示有很少玻璃相和很多结晶相存在的状态；和
D表示只有结晶相存在的状态。
应注意，A意味着耐热性最高，B、C和D的每一个意味着耐热性依次降低。B等级的耐热性是充分的。
表4
Figure A20068004389700191
表5
Figure A20068004389700192
表6
Figure A20068004389700193
表7
Figure A20068004389700201
表8
Figure A20068004389700202
表9
Figure A20068004389700203
表4至9所示的结果表明以下内容。
(1)添加TiO2不会引起玻璃化。该添加不会抑制在热处理后发生的结晶化。
(2)添加Na2O(在试验中添加的是Na2CO3)不会抑制在热处理后发生的结晶化。
(3)随着添加量的增加，添加SiO2可抑制结晶相的生成，尽管仍可观察到结晶相。
(4)随着添加量的增加，添加Al2O3可更有效地抑制结晶化。但是，过量的添加将使玻璃化变得困难。
(5)在800℃进行热处理的情况下，添加CaO可抑制结晶化。但是，在850℃或更高温度下进行热处理的情况下，结晶化发展得很快。
(6)添加MgO不会抑制结晶化。此外，过量的添加使结晶化变得困难。
例3
以如下方式制备玻璃化试样：将由破碎机破碎的用于低温的玄武岩原石(B)与各种氧化物在玛瑙研钵中混合，然后在内衬有铂的氧化铝坩埚中在1430℃下加热所得到的混合物4个小时，再进行退火处理。
随后，这些试样在800℃、850℃或900℃下经受50小时至200小时的热处理。之后，用X射线粉末衍射法测定结晶相和玻璃相的存在或缺失。
表10至12示出测定结果。在这些表格中，符号A至D与在上面的表格中表示相同的含义。符号A和B表示优异的耐热性和实用性。
表10
Figure A20068004389700211
表11
Figure A20068004389700221
表12
  只有用于低温的玄武岩原石(B)   用于低温的玄武岩原石(B)+SiO210wt％+Al2O320wt％   用于低温的玄武岩原石(B)+SiO220wt％+Al2O320wt％   用于低温的玄武岩原石(B)+SiO215wt％+Al2O325wt％   用于低温的玄武岩原石(B)+SiO213wt％+Al2O327wt％
  玻璃化   A   A   A   B   B
  800℃×200Hr   C   B   A   B   B
  850℃×200Hr   C   B   B   C   C
  900℃×200Hr   C   C   B   C   D
表10至12所示的结果表明以下内容。
(1)在800℃下进行200小时热处理的情况下，SiO2/Al2O3系的添加可极好地抑制结晶化。此外，在850℃下进行200小时热处理和在900℃下进行200小时热处理的情况下，仍残留有很多玻璃相，这意味着所述结晶相的生产被抑制。
(2)在800℃下进行200小时热处理的情况下，SiO2/CaO系的添加可极好地抑制结晶化。但是，在850℃下进行200小时热处理的情况下结晶化并未得到抑制。在900℃下进行200小时热处理的情况下结晶化也未得到抑制。
(3)在800℃下进行200小时热处理的情况下，SiO2/MgO系的添加趋向于抑制结晶化。但是，在850℃下进行200小时热处理的情况下结晶化并未得到抑制。在900℃下进行200小时热处理的情况下结晶化也未得到抑制。
(4)Al2O3/MgO系的添加未引起玻璃化。该添加未抑制结晶化。
(5)Al2O3/CaO系的添加未引起玻璃化。该添加未抑制结晶化。
这些结果表明，具有在热处理后抑制玄武岩原石结晶化的效果即提高耐热性的效果的双组分氧化物系的有效性排序如下：SiO2：20wt％/Al2O3：20wt％＞SiO2/CaO系＞SiO2/MgO系＞Al2O3：20wt％/MgO系＞Al2O3：20wt％/CaO系。特别地，添加SiO2：20wt％/Al2O3：20wt％将玄武岩纤维的耐热性从当前的大约750℃显著地提高到850℃至900℃的水平。
例4
以如下方式制备玻璃化试样：将由破碎机破碎的用于低温的玄武岩原石(B)与三种氧化物SiO2、Al2O3和MgO在玛瑙研钵中混合，然后在内衬有铂的氧化铝坩埚中在1430℃下加热所得到的混合物4个小时，再进行退火处理。
随后，这些试样在800℃、850℃或900℃下经受50小时至200小时的热处理。之后，用X射线粉末衍射法测定结晶相和玻璃相的存在或缺失。
表13示出测定结果。在该表中，符号A至D与在上面的表格中表示相同的含义。符号A和B表示优异的耐热性和实用性。
表13
Figure A20068004389700231
表13所示的结果表明以下内容。在800℃下进行热处理的情况下三种氧化物SiO2/Al2O3/MgO以每一种成分的添加都具有抑制结晶化的效果。但是，在850℃或更高温度下进行热处理的情况下示出为没有抑制结晶化的效果。
例5
以如下方式制备玻璃化试样：将已在研钵中磨碎的用于高温的玄武岩原石(A)与用于低温的玄武岩原石(B)在球磨机中混合12小时，然后在内衬有铂的氧化铝坩埚中在1430℃下加热所得到的混合物4个小时，再进行退火处理。
随后，这些试样在800℃、850℃或900℃下经受50小时至200小时的热处理。之后，用X射线粉末衍射法测定结晶相和玻璃相的存在或缺失。
表14示出测定结果。在该表中，符号A至D与在上面的表格中表示相同的含义。符号A和B表示优异的耐热性和实用性。
表14
  用于低温的玄武岩原石30wt％+用于高温的玄武岩原石70wt％   用于低温的玄武岩原石20wt％+用于高温的玄武岩原石80wt％   用于低温的玄武岩原石10wt％+用于高温的玄武岩原石90wt％
  800℃×200Hr   B   B   B
  850℃×200Hr   B   B   B
  900℃×200Hr   B   B   B
表14所示的结果表明，使用包括具有彼此不同元素含量的两种玄武岩原石的原料可使玻璃相残留很多。还表明，这种使用在800℃下进行200小时热处理、在850℃下进行200小时热处理和在900℃下进行200小时热处理的情况下均可抑制结晶相的生成。应注意，所述两种玄武岩原石特别地是SiO2含量约为57wt％至61wt％的用于高温的玄武岩原石(A)和SiO2含量约为54wt％至58wt％的用于低温的玄武岩原石(B)。
例6
以如下方式制备玻璃化试样：将由破碎机破碎的用于高温的玄武岩原石(A)与作为氧化物的Al2O3在玛瑙研钵中混合，然后在内衬有铂的氧化铝坩埚中在1430℃下加热所得到的混合物4个小时，再进行退火处理。
随后，这些试样在800℃、850℃或900℃下经受50小时至200小时的热处理。之后，用X射线粉末衍射法测定结晶相和玻璃相的存在或缺失。
表15示出测定结果。在该表中，符号A至D与在上面的表格中表示相同的含义。符号A和B表示优异的耐热性和实用性。
表15
Figure A20068004389700251
表15所示的结果表明，对于用于高温的玄武岩原石(A)，添加氧化物也能使玻璃相残留很多。还表明，添加特定量的氧化物在800℃下进行200小时热处理、在850℃下进行200小时热处理和在900℃下进行200小时热处理的情况下可抑制结晶相的生成。
例7
使用图1所示的连续纤维制造设备，从各种玄武岩石系的原料制造连续纤维。用作原料的玄武岩石为：
(1)用于高温的玄武岩原石(A)；
(2)用于低温的玄武岩原石(B)；
(3)在用于低温的玄武岩原石(B)中分别添加了单组分系、双组分系和三组分系的氧化物的玄武岩石原料；
(4)由用于高温的玄武岩原石(A)和用于低温的玄武岩原石(B)混合而成的混合玄武岩石原料；和
(5)在用于高温的玄武岩原石(A)和用于低温的玄武岩原石(B)的混合玄武岩石中添加了另一种氧化物的原料。
将这些原料投入储料器中，然后在燃气炉中熔化，燃气炉中的温度被恒定地保持在一定的预定温度。玄武岩石的尺寸可以是数毫米至数十毫米，或者可以是从μm至数毫米。必要的是，原料的输入速度和从铂套管中拉出的纤维的输出速度保持恒定，从而熔融材料的液面始终保持恒定。炉中的耐火衬里的成分可变化，但是必须使用与熔融材料较少发生反应且较少被熔融材料腐蚀的材料。在使用混合原料的情况下，混合原料可通过预混合过程加以制备。或者，混合原料的各种组分可由多个储料器单独输入，从而混合原料可具有一定的预定成分。
根据对所获得的纤维的外观和形式的观察，连续纤维为褐色，其与合成玻璃纤维的白色有明显区别。
示例：使用高耐热和高耐酸的玄武岩纤维作为吸声材料的次消声器
在以下次消声器的示例中，若暴露于750℃至800℃的高温下达200小时或更长时间导致在玄武岩纤维中产生很少的结晶和可容许程度的粘着现象，则所述玄武岩纤维被定义为“中等耐热”。若暴露在800℃至900℃的更高温度下具有相同的结果，则所述玄武岩纤维被定义为“高耐热”。若在700℃至900℃的高温下暴露于排气中的上述各种有机和无机酸时在玄武岩纤维中产生可容许程度的腐蚀，则所述玄武岩纤维被定义为“高耐酸”。
下面是具有后面将要说明的例8至12的构型的次消声器的制造方法。将排出管压入进入管中，然后将各种构型的吸声材料均匀地卷绕在所述管上。通常，在所述管上卷绕数层连续纤维。为了在进入管和排出管上将吸声材料卷绕成在径向上具有均匀的厚度，优选地在卷绕吸声材料时对连续纤维施加一定的预定张力。一旦纤维吸声材料的厚度达到一定的预定厚度，便在外周上涂覆有机粘合剂，以紧固吸声材料。之后，在进入管和排出管上固定分隔件以及进入管侧盖和排出管侧盖。此外，例如通过铆接、焊接或其它方法在所述分隔件和所述盖的外周上固定一外管。
例8：以高耐热和高耐酸的玄武岩连续纤维作为吸声材料的次消声器
如图3所示，所述次消声器由进入管、排出管、分隔件、盖和外管构成。所述次消声器具有这样的结构，其中由各种成分的玄武岩石原料制成的高耐热和高耐酸的玄武岩连续纤维卷绕在进入/排出管上，并且被填充在进入/排出管与外管之间的空间内。本发明的次消声器能用于汽油机、柴油机、柔性燃料车辆(FFV，例如，汽油/乙醇车辆)用发动机和混合动力车辆(HV)用发动机。此外，如图8所示，具有传统结构的次消声器包括不锈钢(steel used stainless)(SUS)棉。但是，具有本发明结构的次消声器消除了传统次消声器中的SUS棉。结果，能简化制造过程并可使次消声器比传统的次消声器在重量上轻20％至40％。
例9：使用具有双层结构的吸声材料的次消声器
该例9的次消声器具有与例8相同的结构并且与例8用于相同的发动机。但是，如图4所示，在该例9的次消声器中，用作吸声材料的玄武岩连续纤维形成为两层，即高耐热的玄武岩连续纤维内层和中等耐热的玄武岩连续纤维外层。在该结构中，用于内层的玄武岩连续纤维较昂贵，但对于外层来说，则使用较为廉价的玄武岩纤维。结果，该例9的次消声器能制造得与例8的一样轻。此外，该例9的次消声器的制造成本比其它方式更低。
例10：以双层结构的玄武岩连续纤维和由合成原料获得的连续玻璃纤维作为吸声材料的次消声器
该例10的次消声器具有与例8相同的结构并且与例8用于相同的发动机。但是，如图5所示，在该例10的次消声器中，吸声材料由内层和外层构成。内层是高耐热和高耐酸的玄武岩连续纤维层，外层是由合成原料如SiO2-Al2O3-CaO系、SiO2-Al2O3-CaO-Na2O系、SiO2-CaO-N2O系、SiO2-Na2O系和SiO2-K2O系获得的连续玻璃纤维层。在该结构中，用于外层的玻璃纤维较廉价，因而该例10的次消声器的制造成本比具有例8的结构的消声器更低。
例11：以具有不同丝径的玄武岩短纤维作为吸声材料的次消声器
该例11的次消声器具有与例8相同的结构并且与例8用于相同的发动机。但是，如图6所示，该例11的次消声器具有这样的结构，其中卷绕在所述管上的吸声材料是丝径为下述范围中的一个或多个的玄武岩连续纤维：在1μm至5μm之间，在5μm至10μm之间，在10μm至20μm之间，和在20μm至50μm之间。在该例11的次消声器的结构中，也可使用具有上述丝径且具有5mm至1000mm长度的切碎的玄武岩纤维。在玄武岩连续纤维的制造过程中，通常获得的是连续纤维，但有时纤维会被切断，或在制造时获得具有不同丝径的玄武岩纤维。将这些纤维用作吸声材料可使产品收得率达到100％。这样可降低制造成本。
例12：使用具有三层结构的吸声材料的次消声器
该例12的次消声器具有与例8相同的结构并且与例8用于相同的发动机。但是，如图7所示，该吸声材料具有三层结构。在该结构中，内层是高耐热的玄武岩连续纤维，中间层是中等耐热的玄武岩连续纤维，外层是由合成原料如SiO2-Al2O3-CaO系、SiO2-Al2O3-CaO-Na2O系、SiO2-CaO-Na2O系、SiO2-Na2O系和SiO2-K2O系获得的连续玻璃纤维。由于该三层结构，具有该结构的次消声器的制造成本甚至可比具有例9的结构的次消声器更低。
本发明的次消声器使用用于高温的玄武岩纤维作为吸声材料。结果，次消声器无需耐热材料如SUS，并且即使是暴露于排气中的各种腐蚀性成分时次消声器也能保持其耐久性和吸声性能。此外，本发明的次消声器降低了制造成本，而这是吸声材料和次消声器通常所面对的挑战。

Claims (19)

1.一种次消声器，包括：
配置在所述次消声器内侧的穿孔排气管；
配置在所述穿孔排气管外侧的盖；
配置在所述穿孔排气管外侧的外管；和
填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内的吸声材料，
其中，在所述吸声材料中，至少靠近所述穿孔管的那部分是用于高温的玄武岩纤维。
2.根据权利要求1所述的次消声器，其中，所述用于高温的玄武岩纤维填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的整个空间内。
3.根据权利要求1所述的次消声器，其中
填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内的所述吸声材料具有双层结构；
靠近所述穿孔排气管的吸声材料层是用于高温的玄武岩纤维层；并且
靠近所述盖和所述外管的吸声材料层是用于低温的玄武岩纤维层。
4.根据权利要求1所述的次消声器，其中
填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内的所述吸声材料具有双层结构；
靠近所述穿孔排气管的吸声材料层是用于高温的玄武岩纤维层；并且
靠近所述盖和所述外管的吸声材料层是用于低温的玻璃纤维层。
5.根据权利要求1所述的次消声器，其中
填充在所述穿孔排气管与所述盖和所述外管之间的空间内的所述吸声材料具有三层结构；
靠近所述穿孔排气管的吸声材料层是用于高温的玄武岩纤维层；
靠近所述盖和所述外管的吸声材料层是用于低温的玻璃纤维层；并且
位于所述用于高温的玄武岩纤维层和所述用于低温的玻璃纤维层之间的吸声材料层是用于低温的玄武岩纤维层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的次消声器，其中，所述用于高温的玄武岩纤维是玄武岩连续纤维。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的次消声器，其中，所述用于高温的玄武岩纤维是具有互不相同的丝径的玄武岩短纤维。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的次消声器，其中，所述用于高温的玄武岩纤维经纺织后卷绕设置。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的次消声器，其中，所述用于高温的玄武岩纤维不经纺织而卷绕设置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的次消声器，其中，所述用于高温的玄武岩纤维由添加有一种或多种氧化物的用于低温的玄武岩原石制成，所述氧化物选自由Al2O3、SiO2、CaO和MgO构成的组。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的次消声器，其中
(1)所述用于高温的玄武岩纤维是通过将具有较高SiO2含量的用于高温的玄武岩原石(A)的原料制成纤维而形成的，并且在所述玄武岩石原料中，log η(η为所述玄武岩石原料在高温下的粘度)在1440℃时的2.75至2.85到1540℃时的2.30至2.40这一范围内大致线性地变化；并且
(2)所述用于高温的玄武岩纤维是通过将从所述用于高温的玄武岩原石(A)和具有较低SiO2含量的用于低温的玄武岩原石(B)的混合物中选择的玄武岩石原料制成纤维而形成的，并且在所述玄武岩石原料中，logη(η为所述玄武岩石原料在高温下的粘度)在1440℃时的2.55至2.75到1540℃时的2.10至2.35这一范围内大致线性地变化。
12.根据权利要求11所述的次消声器，其中
从由Al2O3、SiO2、CaO和MgO构成的组中选择的一种或多种氧化物被添加到所述用于低温的玄武岩原石(B)中。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的次消声器，其中
当η为所述玄武岩石原料的熔融材料在高温下的粘度时，logη在1440℃时的2.4至2.75到1540℃时的2.0至2.5这一范围内大致线性地变化。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的次消声器，其中
所添加的氧化物具有一种成分，并且
所述氧化物以1wt％至40wt％的添加量从外部添加到100wt％的所述玄武岩原石(B)中。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的次消声器，其中
所述氧化物具有两种成分，并且
所述氧化物以1wt％至70wt％的总添加量从外部添加到100wt％的所述玄武岩原石(B)中。
16.根据权利要求11至13中任一项所述的次消声器，其中
所述氧化物具有三种或更多种成分，并且
所述氧化物以1wt％至60wt％的总添加量从外部添加到100wt％的所述玄武岩原石(B)中。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的次消声器，其中
所述穿孔排气管由进入管和排出管构成，所述进入管和所述排出管被设置成其中的一个被压入另一个中。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的次消声器，其中
由所述盖和所述外管与所述穿孔排气管形成的空间被分隔件分隔为进入管侧和排出管侧，所述穿孔排气管由进入管和排出管构成，所述进入管和所述排出管被设置成其中的一个被压入另一个中。
19.一种包括根据权利要求1至18中任一项所述的次消声器的汽车。
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