JP2009133213A

JP2009133213A - 排気管

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Publication number: JP2009133213A
Application number: JP2007307945A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Ito; 康隆伊藤; Hitoshi Wakamatsu; 仁若松
Original assignee: Ibiden Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Ibiden Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: EP2226481B1; JP4852025B2; US20100269939A1; EP2226481A4; WO2009069332A1; US8844576B2; EP2226481A1

Abstract

【課題】長期間使用した際にも、構成部材の剥離等が発生せず、信頼性に優れる排気管を提供すること。
【解決手段】本発明の排気管は、結晶性無機材及び非晶質無機材からなり、赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高い放熱層とを備え、
上記放熱層が形成される上記基材の表面に凹凸が形成されており、
内部を排ガスが流れることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気管に関する。

自動車エンジンに接続される排気管は、燃焼ガス（排ガス）が流れることから運転時には著しく高温となる。エンジンの高負荷、高回転領域では、排気ガスの温度の上昇を抑えるために、燃量を増量することが行われているが、この場合は、燃費が悪化するとともに、排気ガスの濃度が高くなり有害物質の排出量が増加するという問題がある。
また、高温の排気ガスが流れることにより、排気管の温度が上昇すると、排気管の熱劣化を促す原因となる。

また、排気管内には、自動車エンジンから排出される排ガスを処理するために触媒が設けられている。例えば、三元触媒では、排ガス中に含まれる炭化窒素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質を浄化処理することができる。
これらの有害物質を三元触媒により効率的に処理するためには、三元触媒を所定の活性化温度に維持する必要がある。

しかしながら、自動車エンジンの高速運転時には、排ガスが高温となり、三元触媒の温度が排ガスの浄化処理領域を外れて有害物質を適正に浄化処理できなくなったり、三元触媒が高温の排ガスにより熱劣化してしまうことがある。

そのため、自動車エンジンに接続される排気管は、自動車エンジンの高速運転時において、排気管内を通る排ガスの熱を外部に放熱することができることが要求されている。

そこで、例えば、特許文献１には、二重管構造を備え、二重管の内管と外管との間に可動式の伝熱部材を設けられた排気管が開示されている。この排気管では、自動車エンジンの高速運転時において排ガスが高温になることを防止し、上記の排気管に対する要求を満足している。

特開２００５−１９４９６２号公報

特許文献１に開示された排気管では、内燃機関の高速運転時において排ガスが高温になることを防止するために、内管と外管との間に伝熱部材を設けており、部品点数が多く、構造が複雑になる点で不利であった。

そこで、本発明者らは鋭意検討を行い、上記の排気管に対する要求を満足する排気管として、特許文献１に開示された排気管とは、全く異なる技術的思想に基づいて排気管を作製した。
すなわち、排気管の放熱性を確保するために、金属からなる基材の表面に、結晶性無機材及び非晶質無機材からなり、赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高い放熱層を形成することにより、排気管の放熱性を向上させることができることを見出した。
しかしながら、この排気管では、放熱性は向上したものの、使用中に放熱層が剥離する不都合が発生する場合があった。

そこで、本発明者らは、さらに検討を重ね、本発明の排気管を完成した。
即ち、請求項１に記載の排気管は、結晶性無機材及び非晶質無機材からなり、赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高い放熱層とを備え、
上記放熱層が形成される上記基材の表面に凹凸が形成されており、
内部を排ガスが流れることを特徴とする。

請求項１に記載の排気管によると、金属からなる筒状の基材の表面（内周面及び／又は外周面）に、赤外線放射率が基材の赤外線放射率よりも高い放熱層が形成されており、放熱性が輻射に依存する高温領域（排ガスが高温の際）においては、排気管内部からの放熱が促進されるため排気管は放熱性に優れることとなる。
従って、この排気管では、排ガスが高温の場合には、排ガスの温度を低下させることができる。
加えて、請求項１に記載の排気管では、上記放熱層が形成される上記基材の表面に凹凸が形成されているため、基材と放熱層との密着性に優れ、長時間使用した際にも、上記基材と上記放熱層との間で剥離が発生せず、信頼性に優れることとなる。

なお、高温領域において、上記排気管の放熱性が優れるメカニズムについては明らかではないが、発明者らは以下のように推定している。
図１は、本発明の排気管の内部で輻射及び反射が生じる様子を模式的に示した断面図である。
すなわち、図１に示すように、排ガスからの輻射熱２が、金属からなる基材１４と放熱層１５とからなる排気管１の内周面に入射すると、排気管１の外周面から輻射熱３が放射されるとともに、反射された輻射熱４は再び排気管１の内周面に入射する。すると再び排気管１の外周面から輻射熱５が放射され、反射された輻射熱６は再び排気管１の内周面に入射する。このように、排気管１では、輻射熱が次々と反射して放熱が進行するために、放熱性が改善されるものと推定している。
なお、図１中には図示していないが、排ガスは、排気管１内を流れている。

請求項２に記載の排気管では、さらに、上記凹凸が形成された上記基材の表面の最大高さＲｚが０．２〜１．５μｍである。
請求項２に記載の発明によると、上記基材の所定の表面の最大高さＲｚが、０．２〜１．５μｍであるため、上記基材と上記放熱層と密着性に優れるとともに、上記放熱層を上記基材の表面に確実に形成することができる。
これに対し、上記最大高さＲｚが、０．２μｍ未満であると、上記基材と上記放熱層との密着性が不充分になる場合がある。これは、上記基材の上記放熱層を形成する面の表面積が小さくなるからである。
一方、上記最大高さＲｚが、１．５μｍを超えると、上記基材の表面に、上記放熱層が確実に形成されない場合がある。これは、最大高さＲｚが大きすぎると、上記基材の表面に形成された凹凸の谷の部分に確実に放熱層用原料組成物が入り込まず、この部分に空隙が形成され、放熱層の形成が終了した時点で放熱層に剥離や割れが発生している場合があるからである。
なお、本明細書において、最大高さＲｚは、ＪＩＳＢ０６０１に準拠して算出する。

請求項３に記載の排気管では、上記放熱層の厚さが、０．５〜５μｍである。
放熱層の厚さが０．５〜５μｍであると、上述した優れた放熱性を備えつつ、耐熱衝撃性にもより優れることとなる。
上記放熱層の厚さが０．５μｍ未満である場合には、放熱層の厚さが薄いため、基材の放熱層を形成した領域が酸化される場合があり、基材が酸化されると放熱層の剥離を発生しやすくなる。一方、上記厚さが１０μｍを超えると、使用中に熱衝撃により放熱層にクラックが発生したり、さらには剥がれたりする場合がある。
また、放熱層の厚さが薄いと、低温領域における断熱性が低下することとなると考えられ、低温領域における断熱性が低いと、エンジンの始動直後において、触媒コンバータ等に流入する排ガスの温度が触媒活性温度となるまでに時間が掛かることとなる。

請求項４に記載の排気管では、上記基材の熱膨張率と、上記放熱層の熱膨張率との差が１０×１０^−６／℃以下である。
両者の熱膨張率の差が上記範囲にあると、内部を高温の排ガスが通過しても、両者の間での剥離や、放熱層及び基材の変形や破損が発生しにくく、より信頼性に優れた排気管となる。

以下、本発明の排気管について詳細に説明する。
本発明の排気管は、結晶性無機材及び非晶質無機材からなり、赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高い放熱層とを備え、
上記放熱層が形成される上記基材の表面に凹凸が形成されており、
内部を排ガスが流れることを特徴とする。

本発明の排気管は、自動車エンジン等の内燃機関に接続される排気系を構成する部材として、好適に使用することができる。具体的には、例えば、エキゾーストマニホールド等に好適に使用することができる。勿論、本発明の排気管の用途は、これに限定されるわけではない。
以下、自動車エンジン等の内燃機関に接続されるエキゾーストマニホールドを例に本発明の排気管について説明する。

図２（ａ）は、自動車エンジンと、これに接続された排気系とを模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。なお、（ｂ）では、（ａ）のＡ−Ａ線断面図を拡大して示している。

図２（ａ）に示すように、エンジン１０には、エキゾーストマニホールド１１が接続され、さらに、このエキゾーストマニホールド１１には、触媒担体１３を備えた触媒コンバータ１２が接続されている。
そして、エンジン１０から排出された排ガスＧは、エキゾーストマニホールド１１内を通って、触媒コンバータ１２内に流入し、触媒担体１３に担持された触媒により浄化され、出口から排出されることとなる。
なお、図２（ａ）において、矢印は排ガスＧの流れを示す。

エキゾーストマニホールド１１は、図２（ｂ）に示すように、ステンレス製の筒状の基材１４と、基材１４の外周面上に形成された放熱層１５とを備えている。
基材１４の外周面には、凹凸（図示せず）が形成されている。
この凹凸が形成された基材の外周面の最大高さＲｚは、０．２〜１．５μｍであることが望ましい。この理由は上述したとおりである。

また、放熱層１５は、結晶性無機材及び非晶質無機材からなり、赤外線放射率が基材１４の赤外線放射率より高い。
エキゾーストマニホールド１１は、赤外線放射率が基材１４の赤外線放射率より高い放熱層１５を備えているため、放熱性が輻射に依存する高温領域（本明細書においては、概ね５００〜１０００℃程度）においては、エキゾーストマニホールド１１内部からの放熱が促進されるため、エキゾーストマニホールド１１は放熱性に優れることとなり、排ガスの温度を低下させることができる。
放熱層１５の赤外線放射率は、具体的には、０．７８以上であることが望ましい。上記赤外線放射率が上記範囲にあれば、高温領域において、排ガスの熱が確実に放熱されることとなるからである。特に、波長１〜１５μｍにおける放射率が上記範囲にあることが望ましい。
また、放熱層１５の厚さは、０．５〜５μｍであることが望ましい。この理由は上述したとおりである。

エキゾーストマニホールド１１を構成する基材１４の材質は、ステンレスに限定されず、ステンレス以外に、例えば、鋼、鉄、銅等の金属、インコネル、ハステロイ、インバー等のニッケル基合金等が挙げられる。これらの金属材料は熱伝導率が高いため、エキゾーストマニホールド１１の放熱性の向上に寄与することができる。

また、これらの金属材料は耐熱性が高いため、高温領域で好適に使用することができる。また、これらの金属材料を基材に使用することにより、上記エキゾーストマニホールドは、耐熱衝撃性、加工性、機械的特性等に優れ、比較的安価なエキゾーストマニホールドとすることができる。

基材１４の形状は、筒状であれば特に限定されず、その断面の外縁の形状は図２（ｂ）に示したように円形であってもよいし、その他、楕円形、多角形等任意の形状であればよい。
上記基材の断面の外縁の形状は、真円以外の形状であることが望ましい。この理由は、排ガスとの接触面積が大きくなり、熱の放射性が向上することとなるからである。
なお、本発明において、排気管の断面の外縁の形状は、上記基材の断面の外縁の形状と略相似形となる。

エキゾーストマニホールド１１を構成する放熱層１５は、結晶性無機材及び非晶質無機材からなるものである。
上記結晶性無機材としては、特に限定されるものでないが、遷移金属の酸化物を用いることが望ましく、具体例としては、例えば、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅、酸化クロム、酸化ニッケルが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。
これらの遷移金属の酸化物は、高い赤外線放射率を有する放熱層の形成に適している。

上記非晶質無機材としては、例えば、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、アルミナ珪酸ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。

このような非晶質無機材は低融点ガラスであり、軟化温度が４００〜１０００℃の範囲にあるため、融解させて基材の外周面にコートした後、加熱焼成処理を施すことにより、基材の外周面に放熱層を容易にしかも強固に形成することができる。

上記非晶質無機材が低融点ガラスである場合、その融点は、４００〜１０００℃であることが望ましい。
上記低融点ガラスの融点が４００℃未満では、使用時に容易に軟化し、異物の付着や移行が発生する原因となることがあり、一方、上記融点が１０００℃を超えると、放熱層を形成する際の熱処理により、基材が劣化するおそれがあるからである。

また、結晶性無機材及び非晶質無機材からなる放熱層では、上記遷移金属の酸化物からなる結晶性無機材の熱膨張率は８〜９×１０^−６／℃と低く、上記低融点ガラスからなる非晶質無機材の熱膨張率は８〜２５×１０^−６／℃と高いため、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比を調整することにより放熱層の熱膨張率を制御することができる。一方、金属からなる基材、例えば、ステンレスからなる基材は、熱膨張率が１０〜１８×１０^−６／℃である。
ここで、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比を調整することにより、放熱層の熱膨張率を基材の熱膨張率に近づけることができ、両者の熱膨張率の差が小さいと、放熱層と基材とが高い密着力を有することとなる。
上記放熱層の熱膨張率と、上記基材の熱膨張率との差は、１０×１０^−６／℃以下であることが望ましい。両者の熱膨張率の差が上記範囲にあると、内部を高温の排ガスが通過しても、両者の間での剥離や、放熱層及び基材の変形や破損が特に発生しにくいからである。

上記結晶性無機材と上記非晶質無機材とからなる上記放熱層おいて、上記結晶性無機材の配合量は、望ましい下限が１０重量％、望ましい上限が９０重量％である。
上記結晶性無機材の配合量が１０重量％未満では、上記赤外線放射率が不十分となり、高温での放熱性が低下することがあり、一方、上記配合比率が９０重量％を超えると、基材との密着性が低下する場合があるからである。
上記結晶性無機材の配合量は、より望ましい下限が３０重量％であり、より望ましい上限が７０重量％である。

上記エキゾーストマニホールド１１において、上記放熱層の熱伝導率は、上記基材の熱伝導率よりも低いことが望ましい。
この理由は、以下のように考えられる。即ち、エキゾーストマニホールド１１内に排ガスが流入し、基材が加熱された場合、基材の伝導伝熱速度は速いのに対し、基材から放熱層を介して外部に熱が伝導伝熱される速度は遅くなる。そのため、特に、熱伝導が熱の移動に大きく寄与する低温領域（本明細書においては、概ね５００℃未満）においては、断熱性に優れることとなり、このように低温領域における断熱性に優れると、自動車エンジン等の始動直後から短時間で排ガスの温度を所定の温度（例えば、排ガス浄化触媒の活性温度）まで昇温させることができると考えられるからである。
なお、エキゾーストマニホールド１１は、上述したように、放熱層１５の赤外線放射率が基材の赤外線放射率よりも高いため、上記放熱層の熱伝導率が上記記載の熱伝導率よりも低くても、輻射が熱の移動に大きく寄与する高温領域においては、放熱性に優れることとなる。

なお、上記放熱層の室温での熱伝導率の値は、０．１〜４Ｗ／ｍＫであることが望ましい。
また、上記放熱層の室温での熱伝導率は、細線加熱法、熱線法、レーザーフラッシュ法等の既知の測定方法によって測定することができる。

上記放熱層の外周面は、ＪＩＳＺ８７２１に規定される明度がＮ４以下であることが望ましい。
上記明度がＮ４以下であると、可視光領域における放射率も良好となるからである。

ここで、明度のＮは、理想的な黒の明度を０とし、理想的な白の明度を１０とし、これらの黒の明度と白の明度との間で、その色の明るさの知覚が等歩度となるように各色を１０分割し、Ｎ０〜Ｎ１０の記号で表示したものである。そして、実際の測定は、Ｎ０〜Ｎ１０に対応する色票と比較して行う。この場合の小数点１位は０または５とする。

上記放熱層は、必ずしも上記基材の外周面上全体に形成されている必要はなく、上記基材の外周面上の一部にのみ形成されていてもよい。
ただし、上記基材の外周面上の一部にのみ放熱層が形成されている場合、上記放熱層が形成された部分の面積は、上記基材の外周面全体の面積の３０％以上であることが望ましい。
上記放熱層が形成された部分の面積が、３０％未満では、エキゾーストマニホールド１１の放熱性が不充分となる場合があり、エキゾーストマニホールド１１の温度上昇を充分に抑制することができない場合があるからである。

また、上記基材の外周面上の一部に放熱層が形成されている場合、その形成領域は特に限定されず、基板の外周面全体から選択された一箇所又は複数箇所の領域にベタ塗りの放熱層が形成されていてもよいし、上記基材の外周面上の全体に、網目状の規則的な模様又は不規則な模様を描くように形成されていてもよい。
さらには、上記基材の外周面上の全体に形成された放熱層に、等間隔に又はランダムに該放熱層を貫通する貫通孔（ピンホール）が形成されていてもよい。

また、上記放熱層は、必ずしも上記基材の外周面上に形成されている必要はなく、上記基材の内周面上に形成されていてもよいし、外周面上と内周面上との両者に形成されていてもよい。
これらの場合、基材の放熱層が形成される面に凹凸が形成されている。

また、エキゾーストマニホールド１１は、その内面（基材１４の内周面）の最大高さＲｚが、０．１μｍ以上であることが望ましい。
上記内面の最大高さＲｚがこの範囲にあれば、排ガスの熱が基材に伝導されやすいからである。なお、上記内面の最大高さＲｚの望ましい上限は、１５μｍである。

ここまで、本発明の排気管について、エキゾーストマニホールドを例に説明してきたが、本発明の排気管は、図２（ａ）に示した触媒コンバータ１２を構成する管や、タービンハウジング等としても好適に使用することができる。

以下、本発明の説明では、ここまで説明した排気管の基材と放熱層とからなる部分を排気管本体という。
本発明の排気管は、基材と放熱層とからなる排気管本体とは別に、上記排気管本体の外周面に対向する部分に配設される、排ガスが排気管本体内部を通過している際に、上記排気管本体よりも温度の低い受熱部材を備えていてもよい。
このように、排気管本体よりも温度の低い受熱部材を備えることにより、特に、高温の排ガスが排気管内に流れ込んだ際に、その上昇を抑制することができる。
具体的には、上記排気管本体がエキゾーストマニホールドである場合には、その放熱層に対向する部分に、所謂、ヒートインシュレータが配設されていることが望ましい。

上記ヒートインシュレータについて、図面を参照しながら説明する。
図３は、自動車エンジンと、これに接続された本発明の排気管とを模式的に示す分解斜視図である。
図３において、１０はエンジンを示しており、エンジン１０のシリンダブロック１６の頂部には、シリンダヘッド１７が取り付けられている。そして、シリンダヘッド１７の一方の側面には、排気管本体であるエキゾーストマニホールド１１が取り付けられている。

エキゾーストマニホールド１１は、各気筒からの排ガスを集合させ、さらに、図示しない触媒コンバータ等に排ガスを送る機能を有する。そして、エキゾーストマニホールド１１は、その外周面の一部がヒートインシュレータ１８により覆われている。ヒートインシュレータ１８は、エキゾーストマニホールド１１の外周面と所定の間隔をもって配置されている。

上記排気管本体の外周面に対向する部分に、上記受熱部材が配設されている場合、上記受熱部材の上記排気管本体の外周面に対向する部分の面積は、上記排気管本体の外周面の面積の０．３〜１０倍であることが望ましい。
上記受熱部材の上記面積が０．３倍未満であると、排気管からの放射熱を充分に受けることができず、排気管の冷却が不充分となる場合があり、上記受熱部材の上記面積が１０倍を超えると、受熱部材の大型化や受熱部材の形状の複雑化（断面が波型になる等）を招く場合があるからである。

また、ヒートインシュレータ等の上記受熱部材は、その排気管本体と対向する面に、上記排気管本体を構成する放熱層と同様の放熱層が形成されていることが望ましい。
上記基材の外周面状のみならず、上記受熱部材の上記排気管本体と対向する面にも放熱層を形成することにより、排気管本体の放熱性がより向上することとなるからである。
この理由は以下のように考えられる。
即ち、排気管から放射される熱を受け取るとともに、受熱部材から熱を放射し、全体として熱の移動を確保することができるからである。

また、上記受熱部材が、平板、湾曲板、屈曲板等の板状体である場合、上記受熱部材の上記排気管本体と対向する面のみならず、その反対側の面にも放熱層が形成されていてもよい。また、場合によっては、上記受熱部材の上記排気管本体と対向する面と反対側の面にのみ形成されていてもよい。
上記受熱部材に放熱層を形成する場合、上記排気管本体を構成する放熱層の組成と上記受熱部材に形成する放熱層の組成とは完全に同一であってもよいし、異なっていてもよい。

なお、上記受熱部材において、上記放熱層は、上記排気管本体を構成する基材と同様の金属や、ＦＲＰ等の樹脂等からなるベース部材の表面に形成されていればよい。

また、上記受熱部材に放熱層が形成される場合、上記排気管本体を構成する放熱層の厚さに対する、上記受熱部材に形成された放熱層の厚さの比は、０．７〜１０であることが望ましい。
上記の厚さの比が０．７未満では、排気管から放射される熱を充分に受けることができない場合があり、一方、上記の厚さの比が１０を超えると、上記受熱部材が変形してしまう場合があるからである。

ここまで、排気管本体がエキゾーストマニホールドであり、受熱部材がヒートインシュレータである場合を例に、受熱部材を備えた排気管の構成について説明したが、上記受熱部材は、ヒートインシュレータに限定されるわけではなく、他の自動車の構成要素が上記受熱部材として機能してもよい。
また、本発明の排気管が触媒コンバータを構成する管や、タービンハウジング等である場合も上記受熱部材を備えていてもよい。

本発明の排気管を構成する排気管本体は、図２（ａ）、（ｂ）に示したような１重管に限定されず、２重管であってもよい。
図４は、本発明の排気管の別の一例を模式的に示す断面図である。

図４に示す排気管２１は、内管２１ａと外管２１ｂとから構成される２重管構造を有している。内管２１ａと外管２１ｂとは、内管２１ａの外側と外管２１ｂの内側を複数箇所スポット溶接等（図示せず）で接続することにより、一定の間隔を維持した状態で一体化されている。
内管２１ａは、金属からなる筒状の基材２４ａと基材２４ａの外周面上に形成された放熱層２５ａとから構成されており、外管２１ｂは、金属からなる筒状の基材２４ｂと基材２４ｂの外周面上に形成された放熱層２５ｂとから構成されている。
そして、基材２４ａ及び基材２４ａのそれぞれの外周面（放熱層が形成される面）には、凹凸が形成されている。

本発明の排気管は、このような２重管構造を有していてもよく、このような２重管構造を有することにより、下記の効果をより確実に享受することができる。
即ち、自動車エンジンの始動直後等、排気管の温度が低温領域にある場合には、断熱性により優れるため、短時間で排ガス温度を触媒活性温度に維持することができ、一方、排ガスが高温になった際には、放射による放熱効果が高いため、伝導伝熱に依存することなく、排ガスの過昇温を防止することができる。

また、排気管２１を構成する内管２１ａ及び外管２１ｂは、ともに基材２４ａ、２４ｂの外周面上に放熱層２５ｂが形成されているが、２重管構造の排気管を構成する内管及び外管では、必ずしも基材の外周面上に放熱層を備えている必要はなく、外管２１ａ、２１ｂは、それぞれ基材の内周面上にのみ放熱層が形成されていてもよいし、基材の内周面上及び外周面上に放熱層が形成されていてもよい。
これらの場合、基材の放熱層が形成される面に凹凸が形成されている。

本発明の排気管は、４００〜１０００℃の排ガスに対して使用することが望ましい。
このような温度の排ガスを使用することが、既に説明した効果を発揮するのに適しているからである。

次に、本発明の排気管を製造する方法について工程順に説明する。
ここでは、金属からなる基材（金属基材）の外周面上に放熱層が形成された排気管を製造する場合を例に、排気管の製造方法について説明する。

（１）所定の形状に加工された筒状の金属基材を出発材料とし、まず、金属基材の表面の不純物を除去すべく洗浄処理を行う。
上記洗浄処理としては特に限定されず、従来公知の洗浄処理を用いることができ、具体的には、例えば、アルコール溶媒中で超音波洗浄を行う方法等を用いることができる。

さちに、上記洗浄処理後には、金属基材の外周面に凹凸を形成する。
ここで、上記凹凸は、最大高さＲｚが０．２〜１．５μｍになるように形成することが望ましい。
上記凹凸は、具体的には、例えば、サンドブラスト処理、エッチング処理、高温酸化処理等の粗化処理を施すことにより形成すればよい。なお、これらの粗化処理は単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。
また、基材の内周面にも凹凸を形成する場合も、上記の方法で形成すればよい。

（２）別途、結晶性無機材及び非晶質無機材を湿式混合し、放熱層用原料組成物を調製する。
具体的には、結晶性無機材の粉末と、非晶質無機材の粉末とをそれぞれ所定の粒度、形状等になるように調製し、各粉末を所定の配合比率で乾式混合して混合粉末を調製し、さらに水を加えて、ボールミルで湿式混合することにより放熱層用原料組成物を調製する。
ここで、混合粉末と水との配合比は、特に限定されるものでないが、混合粉末１００重量部に対して、水１００重量部程度が望ましい。金属基材に塗布するのに適した粘度となるからである。また、必要に応じて、上記放熱層用原料組成物には、有機溶剤を配合してもよい。

（３）金属基材の外周面に、上記放熱層用原料組成物をコートする。
上記放熱層用原料組成物をコートする方法としては、例えば、スプレーコート、静電塗装、インクジェット、スタンプやローラ等を用いた転写、ハケ塗り等の方法を用いることができる。
また、上記放熱層用原料組成物中に、上記金属基材を浸漬することにより、上記放熱層用原料組成物をコートしてもよい。

さらには、上記放熱層用原料組成物を調製する際に、上記放熱層用原料組成物を電着用組成物として調製し、この電着用組成物中に上記金属基材を浸漬し、電着により上記放熱層用原料組成物を上記金属基材の外周面にコートしてもよい。
なお、この場合、電着用組成物を調製する際に、放熱層用原料組成物中にゼータ電位の制御や溶液の抵抗値を調製するため添加剤、結晶性無機材や非晶質無機材の分散性を確保するための安定化剤を配合する必要がある。

上記電着用組成物は、具体的には、例えば、放熱層用原料組成物にアセトンとヨウ素との混合物を加えて調整すればよい。
そして、電着によりコート層を形成するには、上記放熱層用原料組成物にアセトンとヨウ素とを添加した溶液中に、金属基材と、陽極として機能するスチール線等を配置させ、上記金属基材を陰極とし機能させ、電圧を印加すればよい。
また、上記電着用組成物としては、上記放熱層用原料組成物を水に分散させ、さらに有機分散剤を添加して調製した溶液を用いてもよい。

また、上記放熱層用原料組成物を金属基材の外周面にコートする方法としては、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いることもできる。
なお、この場合は、放熱層用原料組成物を調整する際に、放熱層用原料組成物を粒子径１μｍ以下の粒子に調整することが望ましい。これにより、放熱層用原料組成物の活性度が向上するからである。
なお、上記ＡＤ法を用いる場合、真空中において、金属基材に放熱層用原料組成物の粒子が衝突し、コート層が形成されることとなる。

また、放熱層用原料組成物を金属基材の外周面にコートする処理に先立ち、上記金属基材の外周面に、ニッケルメッキ、クロムメッキ等のメッキ処理、及び／又は、金属基材の外周面の酸化処理等を施してもよい。
金属基材と放熱層との密着性が向上することがあるからである。

（４）放熱層用原料組成物をコートした金属基材に焼成処理を施す。
具体的には、放熱層用原料組成物をコートした金属基材を乾燥後、加熱焼成することにより放熱層を形成する。
ここでは、上記焼成温度は、上記非晶質無機材の融点以上とすることが望ましく、配合した非晶質無機材の種類にもよるが７００℃〜１１００℃程度が望ましい。焼成温度を非晶質無機材の融点以上の温度とすることにより金属基材と非晶質無機材とを強固に密着させることができ、基材と強固に密着した放熱層を形成することができるからである。

以下に実施例を掲げ本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。

（実施例１）
（１）直径４０ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ３００ｍｍの管形状の金属基材（ＳＵＳ３０４製、６００℃での波長１〜１５μｍにおける放射率：０．２５、室温から５００℃の範囲で測定した熱膨張率：１７．２×１０^−６／℃）を出発材料とし、まず、この金属基材をアルコール溶媒中で超音波洗浄し、その後、サンドブラスト処理を施し、上記金属基材の外周面を最大高さＲｚ１．０μｍの凹凸を形成した。
ここで、サンドブラスト処理は、♯１００のＡｌ_２Ｏ_３砥粒を用いて１０分間行った。

（２）別途、結晶性無機材料としてＭｎＯ_２粉末３０ｗｔ％、ＦｅＯ粉末５ｗｔ％、ＣｕＯ粉末５ｗｔ％と、非晶質無機材料としてＢａＯ−ＳｉＯ_２ガラス粉末６０ｗｔ％を乾式混合して混合粉末を調製し、混合粉末１００重量部に対して水を１００重量部加えて、ボールミルで湿式混合することによりスラリーを調製した。

（３）スプレーコートにより、上記（２）で調製したスラリーを金属基材の上記凹凸を形成した外周面に塗布した。
その後、スプレーコートによりスラリー塗布層が形成された上記金属基材を、１００℃で２時間乾燥させ、その後、空気中７００℃で１時間加熱焼成処理を行うことにより放熱層（室温から５００℃の範囲で測定した熱膨張率：９．６×１０^−６／℃、６００℃での波長１〜１５μｍにおける放射率：０．８２）を金属基材の外周面に形成し、排気管を製造した。
ここでは、上記加熱焼成処理後の放熱層の厚さが４．９μｍとなるように、スラリー塗布層を形成した。

基材及び放熱層の波長１〜１５μｍにおける放射率は、分光光度計（測定装置：ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製：ｓｙｓｔｅｍ２００型）を用いて測定した。
なお、表１には、放熱層の波長１〜１５μｍにおける放射率について、６００℃での測定結果のみを示しているが、２５℃、１０００℃のそれぞれで測定した場合も、６００℃で測定した場合と測定値に大きな変動はみられず、その差は１０％未満であった。

また、放熱層の熱膨張率は、下記の方法で測定した。
即ち、上記放熱層と同一の組成の結晶性無機材と非晶質無機材を粉砕混合し、次に、非晶質無機材の融点以上の温度に加熱して非晶質無機材を融解させた状態で混錬し、冷却固化して固形物を作製した後、ＴＭＡ（ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ）装置（リガク製：ＴＭＡ８３１０）により測定した。

（実施例２〜９、参考例１〜５）
金属基材や放熱層の材質、金属基材の外周面の凹凸、放熱層の厚さを表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして排気管を製造した。
なお、ＳＵＳ３０４製の金属基材（実施例９）の６００℃での波長１〜１５μｍにおける放射率は、０．３０である。

（比較例１）
放熱層を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして排気管を製造した。
即ち、直径４０ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ３００ｍｍの管形状の金属基材（ＳＵＳ３０４製）の外周面に実施例１と同様の凹凸を形成したものを排気管とした。

（排気管の評価）
実施例１〜９、及び、参考例１〜５で作製した排気管について、下記の方法で評価した。
なお、各実施例及び参考例においては、それぞれ１４個ずつ排気管を作製した。
１．外観目視観察
排気管のそれぞれについて、その外観形状、特に放熱層の剥がれが発生しているか否かを目視観察した。結果を表１に示した。
なお、この外観目視観察は、下記熱サイクル試験の前後に行った。

２．金属基材の外周面の最大高さＲｚの測定
ＪＩＳＢ０６０１に準拠して測定した。
なお、放熱層の外周面の最大高さＲｚについても、同様の方法を用いて測定した。

３．熱サイクル試験
排気管を大気雰囲気の炉内に投入し、８００℃で１０分間保持した後、水中に投下して急冷させるサイクルを１サイクルとする熱サイクル試験を３００サイクル行った。

また、実施例１及び比較例１のそれぞれの排気管について、放熱性の評価を下記の方法により行った。
即ち、実施例及び比較例で製造した排気管について、排気管の一方の端部を入口側、他方の端部を出口側とし、天然ガス１０Ｌ／ｍｉｎを酸素４０Ｌ／ｍｉｎを供給しながら燃焼させ、燃焼により発生した燃焼ガスを排気管の入口側から排気管内に導入し、排気管の出口側から出てきた燃焼ガスの温度を熱電対により測定した。ここで、排気管の入口側からは９５０℃の燃焼ガスを排気管内に導入した。
結果は、実施例１の排気管を用いた場合の入口側と出口側の排ガスの温度差は、２２１℃であり、比較例１の排気管を用いた場合の入口側と出口側の排ガスの温度差は、２０５℃であった。

表１に示した結果、及び、放熱性の評価結果より下記のことが明らかとなった。
即ち、（１）基材の表面に、結晶性無機材及び非晶質無機材からなる放熱層を形成することにより、放熱性が向上することが明らかとなった。

（２）基材の所定の表面に凹凸を形成することにより、特に、基材の表面の最大高さＲｚを０．２〜１．５μｍ（実施例１〜９）とすることにより、放熱層の剥離が発生しないことが明らかとなった。
一方、基材の表面の凹凸の形状が上記範囲を外れる場合（参考例１、２）は、放熱層の剥離が発生する場合があり、基材の表面の最大高さＲｚを０．２〜１．５μｍとする場合に比べて、信頼性に劣るものであった。なお、上記最大高さＲｚが１．５μｍを超える場合（参考例２）には、放熱層を形成した時点（熱サイクル試験前）で、基材の外周面において、放熱層が形成されていない部分があった。

（３）本発明の排気管において、放熱層の厚さは、０．５〜５μｍ（実施例１〜９）であると、放熱層の剥離が発生せず、信頼性に優れるため望ましいことが明らかとなった。
放熱層の厚さが上記範囲を外れる（参考例３、４）と、熱サイクル試験後において、放熱層の剥離が発生することがある。

（４）本発明の排気管において、基材の熱膨張率と放熱層の熱膨張率との差は、１０×１０^−６／℃以下（実施例１〜９）であると、放熱層の剥離が発生せず、信頼性に優れるため望ましいことが明らかとなった。
熱膨張率の差が上記範囲を外れる（参考例５）と、熱サイクル試験後において、放熱層の剥離が発生することがある。

図１は、本発明の排気管の内部で輻射及び反射が生じる様子を模式的に示した断面図である。（ａ）は、自動車エンジンと、これに接続された排気系とを模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。自動車エンジンと、これに接続された本発明の排気管とを模式的に示す分解斜視図である。本発明の排気管の別の一例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１、２１排気管
１０エンジン
１１エキゾーストマニホールド
１４、２４ａ、２４ｂ基材
１５、２５ａ、２５ｂ放熱層
１８ヒートインシュレータ

Claims

金属からなる筒状の基材と、
前記基材の内周面上及び／又は外周面上に形成され、結晶性無機材及び非晶質無機材からなり、赤外線放射率が前記基材の赤外線放射率より高い放熱層とを備え、
前記放熱層が形成される前記基材の表面に凹凸が形成されており、
内部を排ガスが流れることを特徴とする排気管。
前記凹凸が形成された前記基材の表面の最大高さＲｚは、０．２〜１．５μｍである請求項１に記載の排気管。
前記放熱層の厚さは、０．５〜５μｍである請求項１又は２に記載の排気管。
前記基材の熱膨張率と、前記放熱層の熱膨張率との差が１０×１０^−６／℃以下である請求項１〜３のいずれかに記載の排気管。