DE102021213410A1 - Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, das rohrförmige Element verwendende Abgasbehandlungsvorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung - Google Patents

Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, das rohrförmige Element verwendende Abgasbehandlungsvorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung Download PDF

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Yusuke Oshita
Kisuke YAMAMOTO
Takahiro Tomita
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Abstract

Ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: einen rohrförmigen Hauptkörper aus einem Metall; und eine Isolierschicht, die mindestens auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet ist. Die Isolierschicht enthält Glas, das eine kristalline Substanz enthält, und die Isolierschicht hat eine Porosität von 1 % bis 12 %.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, eine das rohrförmige Element verwendende Abgasbehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • In den letzten Jahren wurde ein elektrisch beheizter Katalysator (EHC) vorgeschlagen, um eine Abnahme des Abgasreinigungsvermögens unmittelbar nach dem Anlassen einer Kraftmaschine zu vermindern. Der EHC hat eine Konfiguration, bei der Elektroden auf einer aus leitfähiger Keramik gebildeten Wabenstruktur angeordnet sind und durch Bestromung bewirkt wird, dass die Wabenstruktur selbst Wärme erzeugt, um dadurch die Temperatur eines von der Wabenstruktur getragenen Katalysators bevor Anlassen einer Kraftmaschine oder während des Anlassens der Kraftmaschine auf eine Aktivierungstemperatur zu erhöhen.
  • Der EHC ist typischerweise in einem rohrförmigen Element (manchmal als „Behälter“ bezeichnet) aus Metall untergebracht, um eine Abgasbehandlungsvorrichtung zu bilden. Der EHC verbessert die Abgasreinigungseffizienz zum Zeitpunkt des Anlassens eines Fahrzeugs durch Bestromung, wie es oben beschrieben ist, es kann jedoch ein elektrischer Leckstrom aus dem EHC zu einem Abgasrohr auftreten, so dass das Reinigungsvermögen verringert wird. Um ein solches Problem zu lösen, ist eine Technologie zum Verhindern von elektrischem Leckstrom durch Ausbilden einer Isolierschicht (die typischerweise eine Glaskomponente enthält) auf einer Innenumfangsfläche des Behälters bekannt ( japanisches Patent Nr. 5408341 und japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-154316).
  • Literatur zum Stand der Technik
  • Patentdokument
    • [Patentdokument 1] japanisches Patent Nr. 5408341
    • [Patentdokument 2] japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2021-154316
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösende Probleme
  • Gemäß den Technologien, die in dem japanischen Patent Nr. 5408341 und der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2012-154316 beschrieben sind, wird die Isolierschicht möglicherweise bei hoher Temperatur, die durch ein Abgas verursacht wird, erweicht und verformt, so dass sie eine Isolierfunktion verliert. Außerdem kann die Halterung des EHC aufgrund der Verformung der Isolierschicht unzureichend werden, mit dem Ergebnis, dass eine Abgasreinigungsfunktion möglicherweise nicht stabil ist. Ferner kann sich die Isolierschicht von der Innenumfangsfläche des Behälters abschälen.
  • Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung zu schaffen, das eine Isolierschicht umfasst, die eine hervorragende Haftung an einem rohrförmigen Hauptkörper aufweist, die eine Isolierfunktion selbst bei hoher Temperatur aufrechterhalten kann, ohne erweicht und verformt zu werden, und in der das Auftreten von Rissen selbst bei hoher Temperatur unterdrückt wird, und das eine Abgasbehandlungsfunktion selbst bei hoher Temperatur stabil aufrechterhalten kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die ein solches rohrförmiges Element verwendet, und ein Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung zu schaffen.
  • Ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: einen rohrförmigen Hauptkörper, der aus einem Metall hergestellt ist; und eine Isolierschicht, die mindestens auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet ist. Die Isolierschicht enthält Glas, das eine kristalline Substanz enthält, und die Isolierschicht hat eine Porosität von 1 % bis 12 %.
  • In mindestens einer Ausführungsform enthält die Isolierschicht eine Pore, die daran gehindert wird, mit einer Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem rohrförmigen Hauptkörper in Kontakt zu kommen, und die eine maximale Größe von 50 µm oder weniger hat.
  • In mindestens einer Ausführungsform weist die Isolierschicht eine Porosität von 1 % bis 6 % in einem Bereich von der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem rohrförmigen Hauptkörper bis zu 50 µm der Isolierschicht auf.
  • In mindestens einer Ausführungsform enthält die Isolierschicht eine Pore, die mit einer Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem rohrförmigen Hauptkörper in Kontakt gebracht wird und eine maximale Größe von 30 µm oder weniger aufweist.
  • In mindestens einer Ausführungsform enthält das Glas Silicium, Bor und Magnesium.
  • In mindestens einer Ausführungsform hat die Isolierschicht eine Dicke von 50 µm bis 800 µm.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Abgasbehandlungsvorrichtung geschaffen. Die Vorrichtung umfasst: einen elektrisch beheizten Katalysatorträger, der ein Abgas erwärmen kann; und das oben beschriebene rohrförmige Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, das dazu ausgelegt ist, elektrisch beheizten Katalysatorträger aufzunehmen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung geschaffen, das einen rohrförmigen Hauptkörper aus einem Metall und eine Isolierschicht, die mindestens auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet ist, umfasst. Das Verfahren umfasst: Herstellen eines rohrförmigen Hauptkörpers; und Ausbilden einer Isolierschicht auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers. Die Isolierschicht enthält Glas, das eine kristalline Substanz enthält, und die Isolierschicht hat eine Porosität von 1 % bis 12 %.
  • Wirkung der Erfindung
  • Das rohrförmige Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise für die Anwendung der Behandlung (Reinigung) von Abgas aus einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Schnittansicht eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungswegrichtung eines Abgases.
    • 2 ist eine konzeptionelle Darstellung zum Veranschaulichen einer maximalen Porengröße in einer Isolierschicht des rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Richtung parallel zu der Strömungswegrichtung des Abgases.
    • 4 ist eine schematische Schnittansicht (schematische Schnittansicht bei Betrachtung aus einer Richtung des Pfeils IV von 3) der Abgasbehandlungsvorrichtung von 3 in einer Richtung senkrecht zu der Strömungswegrichtung des Abgases.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
  • A. Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung
  • A-1. Gesamtkonfiguration des rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung
  • 1 ist eine schematische Schnittansicht eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (im Folgenden manchmal einfach als „rohrförmiges Element“ bezeichnet) in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungswegrichtung eines Abgases. Ein rohrförmiges Element 100 des gezeigten Beispiels umfasst einen rohrförmigen Hauptkörper 10 und eine Isolierschicht 20, die zumindest auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers 10 ausgebildet ist. Die Isolierschicht kann wie in dem gezeigten Beispiel nur auf der Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet sein oder kann sowohl auf der Innenumfangsfläche als auch auf einer Außenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet sein, obwohl dies nicht gezeigt ist. Wenn die Isolierschicht sowohl auf der Innenumfangsfläche als auch auf der Außenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet ist, kann die Gefahr eines elektrischen Leckstroms, der durch unverbrannte Ablagerungen verursacht wird, die sich möglicherweise in der Nähe eines Endabschnitts auf einer stromaufwärtigen Seite eines elektrischen beheizten Katalysatorträgers ansammeln, unterdrückt werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Isolierschicht 20 Glas, das eine kristalline Substanz enthält, und hat eine Porosität von 1 % bis 12 %. Mit einer solchen Konfiguration kann eine Isolierschicht mit hervorragender Haftfähigkeit an dem rohrförmigen Hauptkörper erzielt werden, die selbst bei hoher Temperatur eine Isolierfunktion aufrechterhalten kann, ohne erweicht und verformt zu werden, und bei der das Auftreten von Rissen selbst bei hoher Temperatur unterdrückt wird. Im Ergebnis kann ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung erzielt werden, das eine Abgasbehandlungsfunktion (typischerweise eine Reinigungsfunktion) selbst bei hoher Temperatur stabil aufrechterhalten kann.
  • Das rohrförmige Element 100 weist einen Hohlraum (hohlen Abschnitt) 30 auf, der in einem Querschnitt in einer Richtung senkrecht zu der Strömungswegrichtung des Abgases in einem mittleren Abschnitt definiert ist. Der elektrisch beheizte Katalysatorträger ist in dem Hohlraum 30 untergebracht, um eine Abgasbehandlungsvorrichtung zu bilden. Das rohrförmige Element 100 des gezeigten Beispiels hat eine zylindrische Form (die Querschnittsform in der Richtung senkrecht zu der Strömungswegrichtung des Abgases ist kreisförmig), aber die Form des rohrförmigen Elements kann je nach Zweck geeignet gestaltet werden. Zum Beispiel kann das rohrförmige Element 100 eine Rohrform aufweisen, bei der der Querschnitt eine polygonale Form (z. B. eine viereckige Form, eine sechseckige Form oder eine achteckige Form) oder eine elliptische Form hat. Der rohrförmige Hauptkörper und die Isolierschicht sind im Folgenden speziell beschrieben. Einzelheiten des elektrisch beheizten Katalysatorträgers und der Abgasbehandlungsvorrichtung sind später in Abschnitt B beschrieben.
  • A-2. Rohrförmiger Hauptkörper
  • Der rohrförmige Hauptkörper 10 besteht typischerweise aus Metall. Bei einer solchen Konfiguration ist die Produktionseffizienz ausgezeichnet und der elektrisch beheizte Katalysatorträger kann leicht aufgenommen oder angebracht werden. Als Material zum Ausbilden des rohrförmigen Hauptkörpers 10 werden beispielsweise Edelstahl, eine Titanlegierung, eine Kupferlegierung, eine Aluminiumlegierung und Messing angegeben. Unter diesen wird Edelstahl aufgrund der hohen Haltbarkeit und Zuverlässigkeit und der geringen Kosten bevorzugt.
  • In mindestens einer Ausführungsform enthält der rohrförmige Hauptkörper Chrom. Chrom kann typischerweise eingebracht werden, um dem rohrförmigen Hauptkörper (z. B. Edelstahl) Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Der Chromgehalt in dem rohrförmigen Hauptkörper kann beispielsweise
    10,5 Masse-% oder mehr betragen und kann beispielsweise 12 Masse-% bis 20 Masse-% betragen. Selbst wenn der rohrförmige Hauptkörper Chrom enthält, kann die Erzeugung einer umweltgefährdenden Substanz bei hoher Temperatur zufriedenstellend unterdrückt werden, indem die später beschriebene Glaszusammensetzung der Isolierschicht optimiert wird, insbesondere indem der Gehalt an einem Alkalimetallelement in dem Glas auf 1000 ppm oder weniger eingestellt wird.
  • Die Dicke des rohrförmigen Hauptkörpers kann beispielsweise 0,1 mm bis 10 mm betragen, beispielsweise 0,3 mm bis 5 mm betragen und beispielsweise 0,5 mm bis 3 mm betragen. Wenn die Dicke des rohrförmigen Hauptkörpers in solche Bereiche fällt, kann der rohrförmige Hauptkörper eine ausgezeichnete Haltbarkeit und Zuverlässigkeit aufweisen.
  • Die Länge des rohrförmigen Hauptkörpers kann je nach Zweck, der Länge des elektrisch beheizten Katalysatorträgers und dergleichen geeignet eingestellt werden. Die Länge des rohrförmigen Grundkörpers kann beispielsweise 30 mm bis 600 mm betragen, beispielsweise 40 mm bis 500 mm betragen und beispielsweise 50 mm bis 400 mm betragen. Die Länge des rohrförmigen Hauptkörpers ist bevorzugt größer als die Länge des elektrisch beheizten Katalysatorträgers. In diesem Fall kann der elektrisch beheizte Katalysatorträger so angeordnet sein, dass der elektrisch beheizte Katalysatorträger von dem rohrförmigen Hauptkörper nicht freigelegt ist.
  • Die Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers kann nach Bedarf einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Ein typisches Beispiel für die Oberflächenbehandlung ist eine Aufrauungsbehandlung wie beispielsweise Strahlen. Durch die Aufrauungsbehandlung kann die Haftfähigkeit zwischen der zu erhaltenden Isolierschicht und dem rohrförmigen Hauptkörper verbessert werden.
  • Der rohrförmige Hauptkörper kann eine Doppelstruktur aufweisen, die einen äußeren rohrförmigen Abschnitt und einen koaxial angeordneten inneren rohrförmigen Abschnitt umfasst (nicht gezeigt). In diesem Fall kann die Isolierschicht zwischen dem äußeren rohrförmigen Abschnitt und dem inneren rohrförmigen Abschnitt (auf einer Innenumfangsfläche des äußeren rohrförmigen Abschnitts oder auf einer Außenumfangsfläche des inneren rohrförmigen Abschnitts) ausgebildet sein, auf einer Innenumfangsfläche des inneren rohrförmigen Abschnitts ausgebildet sein oder beides.
  • A-3. Isolierschicht
  • Die Isolierschicht 20 verleiht dem rohrförmigen Element 100 und dem elektrisch beheizten Katalysatorträger (später beschrieben) eine elektrische Isoliereigenschaft. Im Hinblick auf das Unterdrücken eines elektrischen Leckstroms zu einem umgebenden Auspuffrohr erfüllt die elektrische Isoliereigenschaft hier typischerweise die JIS-Norm D5305-3 und ein Isolationswiderstandswert pro Spannungseinheit beträgt beispielsweise 100 Ω/V oder mehr. Die Isolierschicht 20 weist ferner vorzugsweise Feuchtigkeitsundurchlässigkeit und keine Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit auf. Das heißt, die Isolierschicht 20 kann so dicht ausgebildet sein, dass das Eindringen und die Absorption von Wasser verhindert werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Isolierschicht 20 Glas, das eine kristalline Substanz enthält, wie es oben beschrieben ist. Wenn das Glas eine kristalline Substanz enthält, kann eine Isolierschicht ausgebildet werden, die selbst bei hoher Temperatur (z. B. 750 °C oder mehr) schwer zu erweichen und zu verformen ist. Die Isolierschicht kann einen Druck von 0,1 MPa aufrechterhalten, der offenbar zum Halten eines elektrisch beheizten Katalysatorträger erforderlich ist, wenn der elektrisch beheizte Katalysatorträger beispielsweise in einer Umgebung von 750 °C oder mehr untergebracht ist. Dementsprechend kann bei der Abgasbehandlungsvorrichtung die Verschiebung des elektrisch beheizten Katalysatorträgers, seine Bewegung in eine unerwünschte Position und dergleichen unterdrückt werden. Im Ergebnis kann ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung erhalten werden, das selbst bei hoher Temperatur eine Abgasbehandlungsfunktion (typischerweise eine Reinigungsfunktion) stabil aufrechterhalten kann. Wenn das Glas eine kristalline Substanz enthält, kann ferner eine Isolierschicht mit ausgezeichneter Haftfähigkeit an dem rohrförmigen Hauptkörper ausgebildet werden. Dies liegt daran, dass ein Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber dem Metall (rohrförmigen Hauptkörper) verringert werden kann und während des Erwärmens erzeugte thermische Spannungen verringert werden können. Die Anwesenheit oder Abwesenheit einer kristallinen Substanz (von Kristall) kann durch ein Röntgenbeugungsverfahren erkannt werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Isolierschicht 20 eine Porosität von 1 % bis 12 %, wie es oben beschrieben ist. Wenn die Porosität der Isolierschicht in einen solchen Bereich gesteuert wird, kann eine Isolierschicht erzielt werden, die selbst bei hoher Temperatur eine Isolierfunktion aufrechterhalten kann, ohne erweicht und verformt zu werden, und bei der das Auftreten von Rissen selbst bei hoher Temperatur unterdrückt wird. Im Ergebnis kann ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung erzielt werden, das eine Abgasbehandlungsfunktion (typischerweise eine Reinigungsfunktion) selbst bei hoher Temperatur stabil aufrechterhalten kann. Die Porosität der Isolierschicht kann beispielsweise 1 % bis 10 %, beispielsweise 2 % bis 9 % und beispielsweise 3 % bis 8 % betragen. Die Porosität der Isolierschicht kann auch beispielsweise 1 % bis 7 %, auch beispielsweise 1 % bis 5 % betragen, auch beispielsweise 1 % bis 4 % und auch beispielsweise 2 % bis 4 % betragen. Wenn die Porosität der Isolierschicht in solche Bereiche fällt, kann das Auftreten von Rissen bei hoher Temperatur zufriedenstellender unterdrückt werden. Ferner kann die Isolierschicht extrem dicht gemacht werden und somit kann eine hervorragende Feuchtigkeitsundurchlässigkeit und keine Feuchtigkeitsabsorptionsfähigkeit erreicht werden. Wenn die Porosität zu klein ist, wird der Elastizitätsmodul zu groß, mit dem Ergebnis, dass durch thermische Spannungen Risse verursacht werden können. Wenn die Porosität zu groß ist, wird die Festigkeit unzureichend, mit dem Ergebnis, dass aufgrund einer solchen unzureichenden Festigkeit Risse verursacht werden können. Die Porosität kann beispielsweise bestimmt werden, indem ein Querschnitt der Isolierschicht mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) fotografiert wird und das erhaltene Bild verarbeitet und analysiert wird.
  • Die Porosität der Isolierschicht 20 in einem Bereich von der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 20 und dem rohrförmigen Hauptkörper 10 bis 50 µm der Isolierschicht 20 (im Folgenden manchmal als „Oberflächenporosität“ bezeichnet) beträgt bevorzugt 1 % bis 6 %, stärker bevorzugt 1 % bis 5 %, noch stärker bevorzugt 1 % bis 4 %. Wenn die Oberflächenporosität entweder zu groß oder zu klein ist, kann es bei hoher Temperatur zu Rissen in der Isolierschicht kommen. Wenn die Oberflächenporosität zu groß ist, kann die Isolierschicht ferner von dem rohrförmigen Hauptkörper abgeschält werden. Die Isolierschicht und der rohrförmige Hauptkörper haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und daher können an der Grenzfläche dazwischen leicht Spannungen auftreten. Dementsprechend kann dann, wenn die Oberflächenporosität (die Porosität in der Nähe der Grenzfläche) kleiner eingestellt ist als die Porosität jedes der anderen Abschnitte der Isolierschicht oder der gesamten Isolierschicht, das Auftreten von Rissen bei hoher Temperatur zufriedenstellender unterdrückt werden.
  • In der Isolierschicht 20 beträgt die maximale Größe einer Pore, die nicht mit der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 20 und dem rohrförmigen Hauptkörper 10 in Kontakt gebracht wird, bevorzugt 50 µm oder weniger, stärker bevorzugt 40 µm oder weniger, noch stärker bevorzugt 30 µm oder weniger, besonders bevorzugt 20 µm oder weniger. Vorzugsweis ist die maximale Größe der Pore, die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, kleiner. Der minimale Wert der maximalen Größe der Pore, die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, kann beispielsweise 1 µm betragen. Wenn die maximale Größe der Pore, die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, in solche Bereiche fällt, kann das Auftreten von Rissen bei hoher Temperatur zufriedenstellender unterdrückt werden. Wenn die maximale Größe der Poren, die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht werden, zu groß ist, wird die Festigkeit lokal unzureichend, mit dem Ergebnis, dass durch eine solche unzureichende Festigkeit Risse verursacht werden können. Die maximale Größe der Pore, die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, ist als die Größe einer Pore definiert, bei der die Größe (der Durchmesser der langen Achse), die durch „a“ von 2 dargestellt ist, unter Poren, die in einem Bild, das durch Fotografieren eines Querschnitts der Isolierschicht mit dem REM erhalten wurde, vorhanden sind und die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht werden, maximal ist.
  • In der Isolierschicht 20 beträgt die maximale Größe einer Pore, die mit der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht 20 und dem rohrförmigen Hauptkörper 10 in Kontakt gebracht wird, bevorzugt 30 µm oder weniger, stärker bevorzugt 25 µm oder weniger, noch stärker bevorzugt 20 µm oder weniger, besonders bevorzugt 15 µm oder weniger. Vorzugsweise ist die maximale Größe der Pore, die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, kleiner. Der minimale Wert der maximalen Größe der Pore, die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, kann beispielsweise 0,3 µm betragen. Wenn die maximale Größe der Pore, die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, in solche Bereiche fällt, kann das Auftreten von Rissen bei hoher Temperatur zufriedenstellender unterdrückt werden. Die Isolierschicht und der rohrförmige Hauptkörper haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und daher können an der Grenzfläche dazwischen leicht Spannungen auftreten. Dementsprechend kann dann, wenn die maximale Größe der Pore, die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, kleiner eingestellt wird als die maximale Größe der Pore, die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, das Auftreten von Rissen bei hoher Temperatur zufriedenstellender unterdrückt werden. Die maximale Größe der Pore, die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, ist als die Größe einer Pore definiert, bei der die Größe (der Durchmesser der langen Achse), die durch „b“ von 2 dargestellt ist, unter den Poren, die in einem Bild, das durch Fotografieren eines Querschnitts der Isolierschicht mit dem REM erhalten wird, vorhanden sind und die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht werden, maximal ist.
  • Die Dicke der Isolierschicht beträgt vorzugsweise 30 µm bis 800 µm, stärker bevorzugt 50 µm bis 800 µm, noch stärker bevorzugt 50 µm bis 600 µm, besonders bevorzugt 100 µm bis 550 µm. Wenn die Dicke der Isolierschicht in solche Bereiche fällt, können sowohl eine hervorragende elektrische Isoliereigenschaft als auch eine hervorragende Haftfähigkeit an dem rohrförmigen Hauptkörper erreicht werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform kann die Isolierschicht 20 eine relativ dichte erste Schicht, die auf einer Seite des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet ist, und eine relativ wenig dichte zweite Schicht, die auf einer gegenüberliegenden Seite des rohrförmigen Hauptkörpers (nicht gezeigt) ausgebildet ist, umfassen. Eine solche Konfiguration wird bevorzugt, wenn die Dicke der Isolierschicht mehr als 150 µm beträgt. Dies liegt daran, dass es schwierig sein kann, die Dicke der relativ dichten ersten Schicht auf mehr als 150 µm einzustellen. Wenn die Dicke der Isolierschicht 150 µm oder weniger beträgt, kann die Isolierschicht eine einzelne Schicht der ersten Schicht sein oder kann die erste Schicht und die zweite Schicht in dieser Reihenfolge von der Seite des rohrförmigen Hauptkörpers aus umfassen. Die Dicke der ersten Schicht beträgt bevorzugt 150 µm oder weniger, wie es oben beschrieben ist, stärker bevorzugt 30 µm bis 120 µm, noch stärker bevorzugt 40 µm bis 100 µm. Die Porosität der ersten Schicht beträgt bevorzugt 1 % bis 6 %, stärker bevorzugt 1 % bis 5 %. Die Dicke der zweiten Schicht wird durch Subtrahieren der Dicke der ersten Schicht von der Dicke der Isolierschicht erhalten. Somit kann die Dicke der zweiten Schicht gemäß einer gewünschten Dicke der Isolierschicht und einer gewünschten Dicke der ersten Schicht festgelegt werden. Die Dicke der zweiten Schicht kann beispielsweise 0 µm bis 650 µm betragen und beispielsweise
    100 µm bis 500 µm betragen. Die Porosität der zweiten Schicht beträgt vorzugsweise 6 % bis 12 %, stärker bevorzugt 6 % bis 9 %. Wenn die Isolierschicht so ausgebildet ist, dass sie eine zweischichtige Struktur aufweist, kann eine Isolierschicht erzielt werden, bei der das Auftreten von Rissen bei hoher Temperatur und das Abschälen von dem rohrförmigen Hauptkörper unterdrückt werden.
  • Das Glas enthält typischerweise Silicium, Bor und Magnesium. Bei einer solchen Konfiguration ist die Fließfähigkeit während der Bildung der Isolierschicht ausgezeichnet und ein vorbestimmter Kristall kann ausgebildet werden. Dementsprechend kann eine gleichförmige Isolierschicht ausgebildet werden und eine Isolierschicht, die selbst bei hoher Temperatur (z. B. 750 °C oder mehr) schwer zu erweichen und zu verformen ist, ausgebildet werden. Silicium kann beispielsweise in Form SiO2 in dem Glas enthalten sein. Bor kann beispielsweise in Form B2O3 in dem Glas enthalten sein. Magnesium kann beispielsweise in Form von MgO im Glas enthalten sein. Mit anderen Worten kann das Glas beispielsweise ein Glas auf SiO2-B2O3-MgO-Basis sein.
  • Silicium (im Wesentlichen SiO2) ist eine Komponente zur Bildung des Gerüsts des Glases. Insbesondere ist Silicium eine Komponente zum Ausfällen eines Kristalls durch Wärmebehandlung und ist auch eine Komponente zum Erweitern eines Verglasungsbereichs, um die Verglasung zu erleichtern und die Wasserbeständigkeit und Wärmebeständigkeit zu verbessern. Der Gehalt an Silicium in dem Glas beträgt bevorzugt 50 Mol-% oder weniger, stärker bevorzugt 30 Mol-% oder weniger, noch stärker bevorzugt 5 Mol-% bis 20 Mol-%, besonders bevorzugt 10 Mol-% bis 15 Mol-%. Bor (im Wesentlichen B203) ist eine Komponente zur Verbesserung der Entglasungsbeständigkeit sowie der Schmelz- und Fließfähigkeit. Der Gehalt an Bor beträgt bevorzugt 5 Mol-% bis 60 Mol-%, stärker bevorzugt 20 Mol-% bis 40 Mol-%, noch stärker bevorzugt 25 Mol-% bis 37 Mol-%, besonders bevorzugt 28 Mol-% bis 35 Mol-%. Magnesium (im Wesentlichen MgO) ist eine Teilkomponente eines Kristalls und ist zudem eine Komponente zum Senken der Hochtemperaturviskosität, um die Schmelz- und Fließfähigkeit zu verbessern. Wenn das Glas Magnesium enthält, kann eine Isolierschicht ausgebildet werden, die selbst bei hoher Temperatur schwer zu erweichen und zu verformen ist und die gleichmäßig ist. Der Gehalt an Magnesium in dem Glas beträgt bevorzugt 10 Mol-% oder mehr, stärker bevorzugt 15 Mol-% bis 55 Mol-%, noch stärker bevorzugt 25 Mol-% bis 52 Mol-%. Wenn die Gehalte an Silicium, Bor und Magnesium in solche Bereiche fallen, wird die oben erwähnte Wirkung (Bildung einer Isolierschicht, die gleichförmig ist und die selbst bei hoher Temperatur schwer zu erweichen und zu verformen ist) ausgeprägter. Bei Verwendung hierin ist der „Gehalt an einem Element in dem Glas“ ein Molanteil eines Atoms des Elements, wenn die Menge aller Atome in dem Glas mit Ausnahme eines Sauerstoffatoms auf 100 Mol-% gesetzt ist. Die Menge eines Atoms jedes Elements in dem Glas kann beispielsweise durch Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) gemessen werden.
  • Das Glas kann ferner Barium enthalten. In diesem Fall kann das Glas ferner Lanthan, Zink oder eine Kombination davon enthalten. Barium kann im Glas beispielsweise in Form von BaO enthalten sein. Lanthan kann beispielsweise in Form von La2O3 in dem Glas enthalten sein. Zink kann im Glas beispielsweise in Form von ZnO enthalten sein. Barium (im Wesentlichen BaO) und Zink (im Wesentlichen ZnO) sind jeweils Teilkomponenten eines Kristalls. Lanthan (im Wesentlichen La2O3) ist eine Komponente zur Verbesserung der Fließfähigkeit. Wenn das Glas Barium und ferner Lanthan, Zink oder eine Kombination davon nach Bedarf enthält, kann eine Isolierschicht mit extrem ausgezeichneter Haftfähigkeit an dem rohrförmigen Hauptkörper ausgebildet werden. Wenn Barium in dem Glas enthalten ist, beträgt dessen Gehalt bevorzugt 2 Mol-% bis 20 Mol-%. Der Gehalt an Barium kann beispielsweise 2 Mol-% bis 6 Mol-% betragen und beispielsweise 6 Mol-% bis 18 Mol-% betragen. Der Gehalt an Lanthan beträgt bevorzugt 2 Mol-% bis 20 Mol-%, stärker bevorzugt 2 Mol-% bis 17 Mol-%. Der Gehalt an Zink beträgt bevorzugt 2 Mol-% bis 10 Mol-%, stärker bevorzugt 3 Mol-% bis 8 Mol-%. Der Gesamtgehalt an Lanthan und Zink kann beispielsweise 4 Mol % bis 20 Mol-% betragen und beispielsweise 8 Mol-% bis 20 Mol-% betragen.
  • Das Glas kann ferner andere Metallelemente enthalten. Beispiele für solche Metallelemente umfassen Aluminium, Calcium und Strontium. Diese Metallelemente können allein oder in Kombination im Glas enthalten sein. Die anderen Metallelemente können auch in Form von Metalloxiden (z. B. Al2O3, CaO und SrO) im Glas enthalten sein, wie bei den oben erwähnten Elementen. Der Gehalt an diesen Metallelementen in dem Glas kann als Bilanz definiert werden, die durch Ausschließen der oben erwähnten Elemente und unvermeidlicher Verunreinigungen erhalten wird. Aluminium (im Wesentlichen Al2O3) ist eine Komponente zum Bilden des Gerüsts des Glases, zum Erhöhen seiner unteren Entspannungsgrenze, zum Einstellen seiner Viskosität und zum Unterdrücken seiner Phasentrennung. Calcium (im Wesentlichen CaO) ist eine Komponente zum Erweitern eines Verglasungsbereichs, um die Verglasung zu erleichtern, und ist auch eine Komponente zum Senken der Hochtemperaturviskosität, um die Schmelz- und Fließfähigkeit zu verbessern, ohne die untere Entspannungsgrenze zu verringern. Strontium (im Wesentlichen SrO) ist eine Komponente zum Erweitern des Verglasungsbereichs, um die Verglasung zu erleichtern, und ist auch eine Komponente zum Unterdrücken der Phasentrennung und Erhöhen der Entglasungsbeständigkeit. Der Gehalt an Aluminium kann beispielsweise
    5 Mol-% bis 15 Mol-% betragen und beispielsweise 5 Mol-% bis 10 Mol-% betragen. Zudem kann der Gehalt an Calcium beispielsweise 3 Mol-% bis 7 Mol.% betragen. Der Gehalt an Strontium kann beispielsweise 8 Mol-% bis 12 Mol-% betragen.
  • In mindestens einer Ausführungsform beträgt der Gehalt an Alkalimetallelement in dem Glas beispielsweise 1000 ppm oder weniger. Das heißt, das Glas kann sogenanntes alkalifreies Glas sein. Der Gehalt an dem Alkalimetallelement ist bevorzugt 800 ppm oder weniger, stärker bevorzugt 500 ppm oder weniger, noch stärker bevorzugt 200 ppm oder weniger, besonders bevorzugt 100 ppm oder weniger. Vorzugsweise ist der Gehalt an einem Alkalimetallelement kleiner und der Gehalt kann beispielsweise im Wesentlichen null (geringer als eine Nachweisgrenze) sein. Wenn der Gehalt an Alkalimetallelement in dem Glas extrem gering ist, kann ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung erhalten werden, das die Erzeugung einer umweltgefährdenden Substanz selbst bei hoher Temperatur unterdrücken kann. Bei Verwendung hierin bedeutet der „Gehalt an Alkalimetallelement in dem Glas“ die Gesamtmenge an Alkalimetallelementen, die in dem Glas enthalten sind. Beispiele des Alkalimetalls umfassen Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium. Das Alkalimetallelement in dem Glas kann beispielsweise sein: Natrium, Kalium oder eine Kombination davon; oder Natrium. Der Gehalt an Alkalimetallelement kann beispielsweise durch Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) gemessen werden.
  • Die Erweichungstemperatur der Isolierschicht beträgt bevorzugt 600 °C oder mehr, stärker bevorzugt 750 °C oder mehr, noch stärker bevorzugt 800 °C oder mehr, besonders bevorzugt 850 °C oder mehr. Die Obergrenze der Erweichungstemperatur kann beispielsweise 1200 °C betragen. Wenn die Erweichungstemperatur der Isolierschicht in solche Bereiche fällt, kann eine Isolierschicht ausgebildet werden, die selbst bei hoher Temperatur (z. B. 750 °C oder mehr) schwer zu erweichen ist. Die Erweichungstemperatur ist eine Temperatur, bei der die Isolierschicht um 10 % in Bezug auf die Dicke der Isolierschicht in der Dickenrichtung der Isolierschicht verformt wird, wenn die Isolierschicht mit einer Temperaturanstiegsrate von 10°C/min von Normaltemperatur (25°C) erwärmt wird, während sie durch Verwendung einer Aluminiumoxidnadel von 1 mm Durchmesser mit einem Druck von 0,1 MPa eingedrückt wird.
  • In mindestens einer Ausführungsform erfüllt die Isolierschicht den unten angegebenen Punkt (1) und/oder (2) nach einem vorbestimmten Schältest:
    • (1) ein aus der Isolierschicht abgeleitetes Element ist auf der Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers vorhanden; und/oder
    • (2) ein aus dem rohrförmigen Hauptkörper abgeleitetes Element ist in der Isolierschicht vorhanden.
  • Der Schältest beinhaltet das Wiederholen eines Vorgangs des Platzierens eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung abwechselnd in einer Umgebung von 900 °C und einer Umgebung von 150 °C gemäß JIS H 8451:2008, bis die Isolierschicht abgeschält ist. Mit einer solchen Konfiguration kann eine ausgezeichnete Haftfähigkeit zwischen dem rohrförmigen Hauptkörper und der Isolierschicht erreicht werden. Aus dem oben erwähnten Punkt (1) oder (2) wird gefolgert, dass eine Zwischenschicht an einer Grenzfläche zwischen dem rohrförmigen Hauptkörper 10 und der Isolierschicht 20 ausgebildet ist. Die Zwischenschicht kann typischerweise eine kompatible Schicht sein, in der die Teilkomponente des rohrförmigen Hauptkörpers und die Teilkomponente der Isolierschicht vermischt sind. Die Zwischenschicht kann beispielsweise ausgebildet werden, wenn die Teilkomponente des rohrförmigen Hauptkörpers zu der Isolierschicht wandert und die Teilkomponente der Isolierschicht zu dem rohrförmigen Hauptkörper wandert. In einigen Fällen kann die Zwischenschicht ein chemisches Reaktionsprodukt der Teilkomponente des rohrförmigen Hauptkörpers und der Teilkomponente der Isolierschicht enthalten. Die Zwischenschicht kann einen Konzentrationsgradienten aufweisen, bei dem die Teilkomponente des rohrförmigen Hauptkörpers von einer Seite des rohrförmigen Hauptkörpers in Richtung einer Seite der Isolierschicht abnimmt und/oder die Teilkomponente der Isolierschicht von der Seite der Isolierschicht in Richtung der Seite des rohrförmigen Hauptkörpers abnimmt. Wenn eine solche Zwischenschicht ausgebildet wird, wird die Grenzfläche zwischen dem rohrförmigen Hauptkörper und der Isolierschicht unklar und daraus folgert, dass die Haftfähigkeit verbessert wird. Eine solche Folgerung schränkt jedoch jegliche Ausführungsformen der Erfindung der vorliegenden Anmeldung und deren Mechanismus nicht ein. Eine solche Isolierschicht kann beispielsweise durch Einbringen von Barium und Lanthan, Zink oder einer Kombination davon nach Bedarf erreicht werden.
  • Die Isolierschicht kann als Teil (Bestandteil) des rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, wie es oben beschrieben ist, ausgebildet werden oder kann in einer Form bereitgestellt sein, die als Isolierschicht verteilt werden kann. Wenn die Isolierschicht als Teil des rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung ausgebildet wird, kann die Isolierschicht typischerweise durch Auftragen eines Materials zum Bilden der Isolierschicht auf den rohrförmigen Hauptkörper und Trocknen und Brennen des Materials ausgebildet werden. Ein Verfahren zum Bilden der Isolierschicht wird später in dem Abschnitt A-4 beschrieben. Beispiele für die Form, die als Isolierschicht verteilt werden kann, umfassen ein Laminat, bei dem eine Isolierschicht auf einem beliebigen geeigneten Basismaterial ausgebildet ist, eine Glasscheibe aus Isolierschicht und eine Glasrolle aus Isolierschicht. Diese können alle durch ein beliebiges geeignetes Verfahren an dem rohrförmigen Hauptkörper befestigt werden. Spezifische Beispiele für die Befestigung umfassen ein Verbinden mittels eines Haftmittels oder dergleichen und ein mechanisches Fixieren.
  • A-4. Verfahren zum Bilden der Isolierschicht
  • Die Isolierschicht kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgebildet werden. Die Isolierschicht wird typischerweise durch Auftragen und Trocknen einer Aufschlämmung (Dispersion), die eine Glasquelle enthält, um einen Beschichtungsfilm zu bilden, und Brennen des Beschichtungsfilms ausgebildet. Die Aufschlämmung kann als Glasquelle ein Rohmaterial oder eine Glasfritte enthalten. Als typisches Beispiel wird nun ein Verfahren zum Bilden einer Isolierschicht unter Verwendung einer Aufschlämmung, die eine Glasfritte als Glasquelle enthält, beschrieben.
  • Das Bildungsverfahren gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst typischerweise: Herstellen einer Glasfritte aus einer Glasquelle (Rohmaterial); Herstellen einer Aufschlämmung, die die Glasfritte enthält; Bilden eines Beschichtungsfilms aus der Aufschlämmung; und Brennen des Beschichtungsfilms, um eine Isolierschicht, die Glas enthält, zu bilden.
  • Spezifische Beispiele des Rohmaterials umfassen Quarzsand (Siliciumquelle), Dolomit (Magnesium- und Calciumquelle), Aluminiumoxid (Aluminiumquelle), Bariumoxid, Lanthanoxid, Zinkoxid (Zinkweiß) und Strontiumoxid. Das Rohmaterial ist nicht auf ein Oxid beschränkt und kann beispielsweise auch ein Carbonat oder ein Hydroxid sein. Die Glasfritte wird typischerweise durch Synthetisieren von Glas aus einem Rohmaterial für Glas und Pulverisieren des erhaltenen Glases (z. B. Pulverisieren des erhaltenen Glases in zwei Stufen einer groben Pulverisierung und einer feinen Pulverisierung) hergestellt. Wenn das Glas synthetisiert wird, wird ein Schmelzen bei hoher Temperatur (typischerweise 1200 °C oder mehr) über einen langen Zeitraum durchgeführt.
  • Die Aufschlämmung (Dispersion) wird durch Mischen der oben erwähnten Glasfritte und eines Lösungsmittels hergestellt. Das Lösungsmittel kann Wasser oder ein organisches Lösungsmittel sein. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise Wasser oder ein wasserlösliches organisches Lösungsmittel und ist stärker bevorzugt Wasser. Das Lösungsmittel kann bezogen auf 100 Masseteile der Glasfritte in einem Verhältnis von vorzugsweise 50 Masseteilen bis 300 Masseteilen, stärker bevorzugt 80 Masseteilen bis 200 Masseteilen zugemischt werden. Wenn die Aufschlämmung hergestellt wird, kann ein Aufschlämmungshilfsmittel (z. B. ein Harz, ein Weichmacher, ein Dispergiermittel, ein Verdickungsmittel oder verschiedene Zusatzstoffe) ferner hinzugemischt werden. Die Art, Anzahl, Kombination, Zumischmenge und dergleichen des Aufschlämmungshilfsmittels können je nach Zweck geeignet festgelegt werden. Bei Verwendung hierin bezieht sich das „Lösungsmittel“ auf ein flüssiges Medium, das in der Aufschlämmung enthalten ist, und hat ein Konzept, das ein Lösungsmittel und ein Dispersionsmedium umfasst.
  • Als Nächstes wird die Aufschlämmung aufgetragen und getrocknet, um einen Beschichtungsfilm zu bilden. Der Beschichtungsfilm kann auf der Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers oder auf einem beliebigen geeigneten Basismaterial ausgebildet werden. Als Auftragungsverfahren kann ein beliebiges geeignetes Verfahren verwendet werden. Spezifische Beispiele des Auftragungsverfahrens umfassen Sprühen, Eintauchen unter der Bedingung, dass andere Abschnitte mit Ausnahme des Abschnitts des rohrförmigen Hauptkörpers oder des Basismaterials, in dem die Isolierschicht ausgebildet werden soll, maskiert sind, und Rakelbeschichtung. Eine Auftragungsdicke kann je nach der gewünschten Dicke der Isolierschicht, die oben erwähnt ist, angepasst werden. Eine Trocknungstemperatur beträgt beispielsweise 40 °C bis 120 °C und beträgt beispielsweise 50 °C bis 110 °C. Eine Trocknungszeit beträgt beispielsweise 1 Minute bis 60 Minuten und beträgt beispielsweise 10 Minuten bis 30 Minuten.
  • Schließlich wird der Beschichtungsfilm gebrannt, um eine Isolierschicht zu bilden. Die Brenntemperatur beträgt vorzugsweise 1100 °C oder weniger, stärker bevorzugt 600 °C bis 1100 °C, noch stärker bevorzugt 700 °C bis 1050 °C. Eine Brenndauer beträgt beispielsweise 5 Minuten bis 30 Minuten und beträgt beispielsweise 8 Minuten bis 15 Minuten.
  • Die Isolierschicht kann wie oben beschrieben ausgebildet werden. Wenn die Isolierschicht sowohl auf der Innenumfangsfläche als auch auf der Außenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers gebildet werden soll, kann die Isolierschicht in der gleichen Weise wie oben beschrieben auch auf der Außenumfangsfläche ausgebildet werden.
  • In dieser Ausführungsform können die Porosität und die maximale Größe der Poren einer zu erhaltenden Isolierschicht durch Einstellen des mittleren Teilchendurchmessers (z. B. eines Median-Durchmessers) einer Glasfritte gesteuert werden. Wenn beispielsweise ein Beschichtungsfilm durch Verwendung einer Glasfritte mit einem Median-Durchmesser von 45 µm oder weniger gebildet wird, kann eine Isolierschicht, bei der die Porosität von 1 % bis 12 % beträgt und eine maximale Größe der Pore, die nicht in Kontakt mit der Grenzfläche gebracht wird, 50 µm oder weniger beträgt, ausgebildet werden. In diesem Fall beträgt der Median-Durchmesser bevorzugt 40 µm oder weniger, stärker bevorzugt 35 µm oder weniger, noch stärker bevorzugt 30 µm oder weniger. Der minimale Wert des Median-Durchmessers kann beispielsweise 3 µm betragen. Außerdem kann, wenn beispielsweise eine Feinteilchenschicht (ein Beschichtungsfilm) mit einer Dicke von 20 µm bis 300 µm unter Verwendung einer Glasfritte mit einem Median-Durchmesser von 1 µm bis 10 µm ausgebildet wird, eine Isolierschicht, in der die Porosität 1 % bis 6 % beträgt und die maximale Größe der Pore, die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, 30 µm oder weniger beträgt, ausgebildet werden. Zudem kann beispielsweise eine Grobteilchenschicht (ein Beschichtungsfilm) auf der Feinteilchenschicht entsprechend der Dicke der Feinteilchenschicht und der gewünschten Dicke in einer zu erhaltenden Isolierschicht ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Grobteilchenschicht unter Verwendung einer Glasfritte mit einem Median-Durchmesser von 11 µm bis 45 µm ausgebildet werden. Wenn die Isolierschicht eine einzelne Schicht ist, dient die Feinteilchenschicht typischerweise als Isolierschicht. Wenn die Isolierschicht eine zweischichtige Struktur aus der relativ dichten ersten Schicht und der relativ wenig dichten zweiten Schicht aufweist, dienen die Feinteilchenschicht und die Grobteilchenschicht typischerweise als die erste Schicht bzw. die zweite Schicht. Die Dicke sowohl der Feinteilchenschicht als auch der Grobteilchenschicht wird durch das Brennen möglicherweise etwa halbiert und daher ist es nur erforderlich, dass die Dicke sowohl der Feinteilchenschicht als auch der Grobteilchenschicht auf etwa die doppelte Dicke eingestellt wird, die in der Isolierschicht (ersten Schicht und zweiten Schicht, wenn die Isolierschicht eine zweischichtige Struktur hat) erwünscht ist.
  • B. Abgasbehandlungsvorrichtung
  • 3 ist eine schematische Schnittansicht einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Richtung parallel zu der Strömungswegrichtung des Abgases. 4 ist eine schematische Schnittansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung von 3 bei Betrachtung aus einer Richtung des Pfeils IV. Eine Abgasbehandlungsvorrichtung 300 des gezeigten Beispiels umfasst einen elektrisch beheizten Katalysatorträger (im Folgenden manchmal einfach als „Katalysatorträger“ bezeichnet) 200, der das Abgas erwärmen kann, und das rohrförmige Element 100 zum Aufnehmen des Katalysatorträgers 200. Das rohrförmige Element 100 ist das rohrförmige Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Abschnitt A und 1 beschrieben ist. Die Abgasbehandlungsvorrichtung ist in der Mitte eines Abgasströmungswegs installiert, damit das Abgas aus einer Kraftmaschine strömen kann. Wenn der auf die Aktivierungstemperatur des Katalysators erwärmte Katalysatorträger und das Abgas miteinander in Kontakt gebracht werden, können CO, NOx, ein Kohlenwasserstoff und dergleichen in dem durch den Katalysatorträger strömenden Abgas durch eine katalytische Reaktion zu harmlosen Substanzen gemacht werden.
  • Der Katalysatorträger 200 kann eine Form aufweisen, die der Form des rohrförmigen Elements 100 entspricht. Wenn das rohrförmige Element 100 beispielsweise eine zylindrische Form hat, kann der Katalysatorträger 200 eine säulenförmige Form aufweisen. Der Katalysatorträger 200 ist typischerweise koaxial in dem Hohlraum 30 des rohrförmigen Elements 100 untergebracht. Der Katalysatorträger kann direkt in dem rohrförmigen Element (d. h. ohne andere Elemente) oder beispielsweise durch Zwischenschaltung einer Haltematte (nicht gezeigt) aufgenommen sein. Wenn der Katalysatorträger direkt in dem rohrförmigen Element aufgenommen ist, kann der Katalysatorträger beispielsweise an dem rohrförmigen Element angebracht sein. Die Haltematte ist typischerweise ein isolierendes Material (z. B. Aluminiumoxidfasern), das in Mattenform ausgebildet ist. Die Haltematte bedeckt typischerweise die Außenumfangsfläche des Katalysatorträgers über den gesamten Umfang und das rohrförmige Element kann den Katalysatorträger durch Zwischenschaltung der Haltematte halten.
  • Der Katalysatorträger 200 umfasst einen Wabenstrukturabschnitt 220 und ein Paar Elektrodenabschnitte 240, die an einer Seite des Wabenstrukturabschnitts 220 angeordnet sind (typischerweise so, dass sie einander über eine Mittelachse des Wabenstrukturabschnitts 220 hinweg gegenüberliegen). Der Wabenstrukturabschnitt 220 umfasst eine Außenumfangswand 222 und Trennwände 224, die an einer Innenseite der Außenumfangswand 222 angeordnet sind und die mehrere Zellen 226 definieren, die sich von einer ersten Endfläche 228a zu einer zweiten Endfläche 228b erstrecken, um den Abgasströmungsweg bilden. Die Außenumfangswand 222 und die Trennwände 224 sind typischerweise aus leitfähiger Keramik ausgebildet. Das Paar Elektrodenabschnitte 240 und 240 ist mit Metallanschlüssen 260 bzw. 260 versehen. Ein Metallanschluss ist mit einer positiven Elektrode einer Leistungsversorgung (z. B. einer Batterie) verbunden und der andere Metallanschluss ist mit einer negativen Elektrode der Leistungsversorgung (z. B. einer Batterie) verbunden. An dem Umfang der Metallanschlüsse 260 und 260 sind Abdeckungen 270 und 270 angeordnet, die jeweils aus einem Isoliermaterial bestehen, um den rohrförmigen Hauptkörper 10 und die Isolierschicht 20 von den Metallanschlüssen zu isolieren.
  • Der Katalysator wird typischerweise von den Trennwänden 224 getragen. Wenn der Katalysator von den Trennwänden 224 getragen wird, können CO, NO*, Kohlenwasserstoff und dergleichen in dem durch die Zellen 226 strömenden Abgas durch die katalytische Reaktion zu harmlosen Substanzen gemacht werden. Der Katalysator kann vorzugsweise ein Edelmetall (z. B. Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber oder Gold), Aluminium, Nickel, Zirconium, Titan, Cer, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Wismut, Barium und eine Kombination davon enthalten. Die getragene Menge des Katalysators kann beispielsweise von 0,1 g/l bis 400 g/l betragen.
  • Wenn eine Spannung an den Wabenstrukturabschnitt 220 angelegt wird, kann der Wabenstrukturabschnitt 220 bestromt werden, um Wärme mit Joule-Wärme zu erzeugen. Somit kann der von dem Wabenstrukturabschnitt (im Wesentlichen den Trennwänden) getragene Katalysator vor dem Anlassen der Kraftmaschine oder während des Anlassen der Kraftmaschine auf die Aktivierungstemperatur erwärmt werden. im Ergebnis kann das Abgas auch beim Anlassen der Kraftmaschine ausreichend behandelt (typischerweise gereinigt) werden.
  • Bezüglich des Katalysatorträgers kann eine im Stand der Technik wohlbekannte Konfiguration verwendet werden und daher wird eine genaue Beschreibung davon weggelassen.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen spezifisch beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die Bewertungselemente in den Beispielen sind wie nachfolgend beschrieben.
  • (1) Porosität
  • Ein Querschnitt einer Isolierschicht, die in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele hergestellt wurde, wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) fotografiert und die Porosität (Gesamtheit) der Isolierschicht wurde aus dem erhaltenen Bild durch Verwendung einer Bildverarbeitungssoftware bestimmt. Außerdem wurde die Isolierschicht in einem Bereich von der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und einem rohrförmigen Hauptkörper bis 50 µm der Isolierschicht in ihrer Dickenrichtung mit dem REM fotografiert und eine Porosität (Grenzfläche) wurde aus dem erhaltenen Bild unter Verwendung von Bildverarbeitungssoftware bestimmt. Hinsichtlich eines Beispiels (später beschriebenen Beispiels 13), bei dem die Dicke der Isolierschicht 50 µm nicht erreichte, wurde die Gesamtdicke der Isolierschicht (der gleiche Bereich wie bei der Porosität der gesamten Isolierschicht) für die Messung anvisiert.
  • (2) Maximale Porengröße
  • Der Querschnitt (600 µm (Breite) × 500 µm (Höhe)) der Isolierschicht, die in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele hergestellt wurde, wurde mit dem REM in drei Abschnitten an beliebigen geeigneten Positionen fotografiert und die folgenden maximalen Porengrößen wurden aus den Bildern der drei Abschnitte gemessen. Hinsichtlich der maximalen Größe einer Pore, die nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, wird die Größe einer Pore, in der die durch „a“ von 2 repräsentierte Größe unter den Poren, die in dem erhaltenen Bild vorhanden sind und nicht mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht werden, maximal ist, als „maximale Grenzflächen-Porengröße ohne Kontakt“ übernommen. Bezüglich der maximalen Größe einer Pore, die mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht wird, wird die Größe einer Pore, in der die durch „b“ von 2 repräsentierte Größe, unter den Poren, die in dem erhaltenen Bild vorhanden sind und mit der Grenzfläche in Kontakt gebracht werden, maximal ist. als „maximale Grenzflächen-Porengröße mit Kontakt“ übernommen.
  • (3) Erweichungstemperatur
  • Als Erweichungstemperatur wurde eine Temperatur übernommen, bei der die in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele hergestellte Isolierschicht um 10 % in Bezug auf die Dicke der Isolierschicht in der Dickenrichtung der Isolierschicht verformt wurde, wenn die Isolierschicht mit einer Temperaturanstiegsrate von 10 °C/min von Normaltemperatur (25°C) erwärmt wurde, während sie unter Verwendung einer Aluminiumoxidnadel von 1 mm Durchmesser mit einem Druck von 0,1 MPa eingedrückt wurde.
  • (4) Schältest
  • Ein Schältest wurde gemäß den „Testverfahren für Wärmezyklus- und Wärmeschockbeständigkeit von Wärmebarrierenbeschichtungen“ von JIS H 8451:2008 durchgeführt. Insbesondere wurde für ein rohrförmiges Element, das in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele erhalten wurde, ein Vorgang des Platzierens des rohrförmigen Elements abwechselnd in einer Umgebung von 900 °C und einer Umgebung von 150 °C wiederholt. Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Abschälung der Isolierschicht wurde visuell erkannt und basierend auf den folgenden Kriterien bewertet.
    • ◯ (befriedigend): auch bei 9 oder mehr Wiederholungen tritt keine Abschälung auf (Bewertung wird nach 10 Wiederholungen beendet)
    • Δ (akzeptabel): Abschälung tritt bei 5 bis 8 Wiederholungen auf
    • × (ungenügend): Abschälung tritt bei 1 bis 4 Wiederholungen auf
  • (5) Risse
  • Für ein rohrförmiges Element, das in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele erhalten wurde, wurde ein Vorgang des Platzierens des rohrförmigen Elements abwechselnd in einer Umgebung von 900 °C und einer Umgebung von 150 °C wiederholt. Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Rissen in der Isolierschicht wurde visuell erkannt und basierend auf den folgenden Kriterien bewertet.
    • ◯ (befriedigend): selbst bei 9 oder mehr Wiederholungen tritt keine Rissbildung auf (Bewertung wird nach 10 Wiederholungen beendet)
    • Δ (akzeptabel): Rissbildung tritt bei 5 bis 8 Wiederholungen auf
    • × (ungenügend): Rissbildung tritt bei 1 bis 4 Wiederholungen auf
  • <Beispiel 1>
  • Die Innenumfangsfläche eines aus SUS430 hergestellten Metallrohrs wurde einer Sandstrahlbehandlung unter Verwendung von #24- bis #60-Aluminiumoxid-Schleifkörnern unterzogen. Eine Behandlungszeit wurde auf 1 Minute eingestellt. Die Oberflächenrauigkeit Ra des Metallrohrs nach der Sandstrahlbehandlung betrug 2,0 µm bis 6,5 µm. Das so erhaltene Metallrohr wurde als rohrförmiger Hauptkörper verwendet.
  • Indes wurde ein Rohmaterial, das durch Mischen vorbestimmter Mengen an Quarzsand (Si-Quelle), B2O3 und Mg(OH)2 erhalten wurde, geschmolzen und das Ergebnis wurde grob pulverisiert und fein pulverisiert, um eine Glasfritte herzustellen. In diesem Beispiel wurden eine Glasfritte mit einem Median-Durchmesser von 1 µm (Feinteilchen-Rohmaterial) und eine Glasfritte mit einem Median-Durchmesser von 30 µm (Grobteilchen-Rohmaterial) verwendet. Der Median-Durchmesser der Glasfritte wurde gemäß „Teilchengrößenanalyse - Laserbeugungsverfahren“ von JIS Z8825:2013 berechnet. 100 Masseteile Wasser wurden zu 100 Masseteilen des Feinteilchen-Rohmaterials gegeben und das Ergebnis wurde einem Nassmischen mit einem Kugelmühlenprozessor unterzogen, um dadurch eine Feinteilchen-Rohmaterial-Dispersion (Aufschlämmung) herzustellen. Ferner wurden 100 Massenteile Wasser zu 100 Massenteilen des Grobteilchen-Rohmaterials zugegeben und das Ergebnis wurde einem Nassmischen mit einem Kugelmühlenprozessor unterzogen, um dadurch eine Grobteilchen-Rohmaterial-Dispersion (Aufschlämmung) herzustellen.
  • Die Feinteilchen-Rohmaterial-Dispersion wurde durch Sprühen auf die Innenumfangsfläche des vorstehend erhaltenen rohrförmigen Hauptkörpers aufgetragen, um einen Beschichtungsfilm zu bilden, gefolgt von Trocknen bei 50 °C, um dadurch eine Feinteilchenschicht mit einer Dicke von 150 µm zu bilden. Die Grobteilchen-Rohmaterial-Dispersion wurde durch Sprühen auf die Oberfläche der erhaltenen Feinteilchenschicht aufgebracht, um einen Beschichtungsfilm zu bilden, gefolgt von Trocknen bei 50 °C, um dadurch eine Grobteilchenschicht mit einer Dicke von 450 µm zu bilden. Der rohrförmige Hauptkörper mit der darauf ausgebildeten Feinteilchenschicht und Grobteilchenschicht wurde bei 860 °C gebrannt, um eine Isolierschicht (Dicke: 300 µm) zu bilden, die aus Glas gebildet war, das eine kristalline Substanz enthielt. Die Glaszusammensetzung der erhaltenen Isolierschicht wurde durch Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) gemessen und zu 13 Mol-% Silicium, 33 Mol-% Bor, 50 Mol-% Magnesium und 4 Mol-% Barium bestimmt. Somit wurde ein rohrförmiges Element hergestellt. Das erhaltene rohrförmige Element wurde den oben erwähnten Bewertungen (1) bis (5) unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Zudem wurde durch ein Röntgenbeugungsverfahren (XRD) bestimmt, ob eine Isolierschicht kristallin oder amorph war. In der erhaltenen Isolierschicht wurde eine Beugungsspitze eines Kristalls in einer Beugungslinie beobachtet und somit wurde erkannt, dass die Isolierschicht kristallisiert (kristallin) war.
  • <Beispiele 2 bis 16 und Vergleichsbeispiele 1 und 2>
  • Jedes rohrförmige Element wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Feinteilchenschicht und die Grobteilchenschicht mit den in Tabelle 1 gezeigten Dicken unter Verwendung eines Feinteilchen-Rohmaterials und eines Grobteilchen-Rohmaterials, die in Tabelle 1 gezeigt sind, ausgebildet wurden. Das erhaltene rohrförmige Element wurde den gleichen Bewertungen unterzogen wie bei Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Außerdem wurde die Isolierschicht jedes der Beispiele 2 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 durch ein Röntgenbeugungsverfahren (XRD) gemessen. Im Ergebnis wurde eine Beugungsspitze eines Kristalls in einer Beugungslinie beobachtet und somit wurde erkannt, dass die Isolierschicht kristallisiert (kristallin) war. Tabelle 1
    Median-Durchmesser/µm) Dicke/µm Porosität/% Maximale Porengröße/µm Erweichungstemperatur/°C Schältest Rissbildung
    Feinteilchen-Rohmaterial Grobteilchen-Rohmat erial Vor Wärmebehandlung Nach Wärmebe handlung Gesamt heit Schnittstelle Schnittstelle ohne Kontakt Schnittstelle mit Kontakt
    Feinteilchenschicht Grobteilchen-Schicht Gesamt Gesamt
    Beispiel 1 1 30 150 450 600 300 5 1 40 2 >850 ◯ ◯
    Beispiel 2 5 30 150 450 600 300 7 2 40 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 3 10 30 150 450 600 300 9 6 40 30 >850 ◯ ◯
    Beispiel 4 10 45 150 450 600 300 12 6 50 30 >850 ◯ ◯
    Beispiel 5 15 30 150 450 600 300 11 10 40 35 >850 ◯ Δ
    Beispiel 6 1 - 150 0 150 75 1 1 2 2 >850 ◯ ◯
    Beispiel 7 5 - 150 0 150 75 2 2 10 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 8 5 11 150 450 600 300 5 2 30 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 9 5 45 150 450 600 300 9 2 50 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 10 5 30 10 590 600 300 11 4 40 40 >850 ◯ Δ
    Beispiel 11 5 30 20 580 600 300 9 3 40 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 12 5 30 300 300 600 300 5 2 40 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 13 5 - 60 0 60 30 2 2 10 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 14 5 30 60 540 600 300 8 3 40 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 15 5 30 60 1140 1200 600 9 3 40 10 >850 ◯ ◯
    Beispiel 16 5 30 60 1540 1600 800 11 3 40 10 >850 ◯ ◯
    Vergleichs beispiel 1 0,1 11 150 450 600 300 0,8 0.3 30 0,5 >850 ◯ ×
    Vergleichs beispiel 2 5 60 150 450 600 300 15 2 70 10 >850 ◯ ×
  • Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, wird bei dem rohrförmigen Element jedes der Beispiele der vorliegenden Erfindung eine Isolierschicht ausgebildet, die selbst bei hoher Temperatur eine Isolierfunktion aufrechterhalten kann, ohne erweicht zu werden, und bei der selbst nach einem Wärmezyklus-Haltbarkeitstest keine Rissbildung auftritt. Dementsprechend versteht es sich, dass das rohrförmige Element jedes der Beispiele ein rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung erzielen kann, das eine Abgasbehandlungsfunktion (typischerweise eine Reinigungsfunktion) selbst bei hoher Temperatur stabil aufrechterhalten kann, wenn es einen elektrisch beheizten Katalysatorträger aufnimmt.
  • Das rohrförmige Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in geeigneter Weise für die Anwendung der Behandlung (Reinigung) von Abgas aus einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Hauptkörper
    20
    Isolierschicht
    30
    Hohlraum
    100
    Element
    200
    Katalysatorträger
    220
    Wabenstrukturabschnitt
    240
    Elektrodenabschnitt
    260
    Metallanschlüsse
    300
    Abgasbehandlungsvorrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 5408341 [0003, 0004]
    • JP 2012154316 [0004]

Claims (8)

  1. Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, das umfasst: einen rohrförmigen Hauptkörper aus einem Metall; und eine Isolierschicht, die mindestens auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet ist, wobei die Isolierschicht Glas enthält, das eine kristalline Substanz enthält, und wobei die Isolierschicht eine Porosität von 1 % bis 12 % aufweist.
  2. Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Isolierschicht eine Pore enthält, die daran gehindert wird, mit einer Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem rohrförmigen Hauptkörper in Kontakt gebracht zu werden, und die eine maximale Größe von 50 µm oder weniger aufweist.
  3. Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Isolierschicht eine Porosität von 1 % bis 6 % in einem Bereich von der Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem rohrförmigen Hauptkörper bis 50 µm der Isolierschicht aufweist.
  4. Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Isolierschicht eine Pore enthält, die mit einer Grenzfläche zwischen der Isolierschicht und dem rohrförmigen Hauptkörper in Kontakt gebracht wird und die eine maximale Größe von 30 µm oder weniger aufweist.
  5. Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Glas Silicium, Bor und Magnesium enthält.
  6. Rohrförmiges Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Isolierschicht eine Dicke von 50 µm bis 800 µm aufweist.
  7. Abgasbehandlungsvorrichtung, die umfasst: einen elektrisch beheizten Katalysatorträger, der ein Abgas erwärmen kann; und das rohrförmige Element für eine Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das dazu ausgelegt ist, den elektrisch beheizten Katalysatorträger aufzunehmen.
  8. Verfahren zum Herstellen eines rohrförmigen Elements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, das einen rohrförmigen Hauptkörper aus einem Metall und eine Isolierschicht, die mindestens auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers ausgebildet ist, aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen eines rohrförmigen Hauptkörpers; und Bilden einer Isolierschicht auf einer Innenumfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers, wobei die Isolierschicht Glas enthält, das eine kristalline Substanz enthält, und wobei die Isolierschicht eine Porosität von 1 % bis 12 % aufweist.
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