JP2013144985A - 断熱二重壁を有する排気系部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的に断熱効果を持たせるため、及び製造を容易にするため、内側管と外側管との間に配設されるガラスバブルを有する二重壁を有する排気系部品の提供、及びその製造方法の提供する。
【解決手段】このガラスバブルは、嵩容積に基づいて、ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１５０マイクロメートル未満の粒度を有する、粒度分布を有する。
【選択図】図２

Description

自動車に使用される触媒コンバータは、典型的には高温において最も効率的に動作する。機関の始動の際、触媒コンバータ温度は、それが一般に「着火」と呼ばれているプロセスを適切に実行するのに十分に上昇する必要がある。「着火」は、通常、触媒コンバータが５０パーセント効率に達する温度として定義される。汚染物質の種類に応じて、これは典型的には約２００〜３００℃の範囲で生ずる。着火時間を低減させる一方法は、触媒コンバータに到達する排気ガスの温度を上昇させることである。この課題に取り組むために、及び／又は精度の高い車両部品（例えば、エレクトロニクス、プラスチック部品など）を車両排気によって発せられる熱から保護するために、各種の二重壁を有する排気系部品類（例えば、触媒コンバータ、排気管、又は管に装着するための排気マニホールド、エンドコーン）が開発されてきた。このような部品は、一般に外側管内に内側管を有する。内側管と外側管との間に形成されるこの環状間隙は、開放のままにされるか又は例えば、セラミックファイバーマットのような断熱材料で充填されてよい。

最近、典型的にはガソリン機関（例えば、２００〜３００℃）より冷たい排気ガスを発生する、ディーゼル機関に触媒コンバータを使用する傾向がある。それ故に、触媒コンバータの上流で排気ガス温度を維持することがディーゼル機関の場合には望ましい。

二重壁を有する排気系部品を効果的に断熱することは、例えば、その部品がその中に曲がり部を有する場合、及び／又は内側管と外側管との間に形成される環状間隙が一様でない場合、特に困難となり得る。これは典型的に、２つの管の間にシート形状のどんなものでもはめ合わせることが難しくなる。

一態様では、本発明は、内側管と、この内側管を囲む外側管と、内側管及び外側管を連結し且つこの内側管及び外側管と合わせて包囲された空隙を画定する第１及び第２の環状シール部と、包囲された空隙を少なくとも部分的に充填したガラスバブルであって、嵩容積に基づいて、ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１５０マイクロメートル未満の粒度を有する粒度分布を有するガラスバブルとを含む、断熱二重壁を有する排気系部品を提供する。

幾つかの実施形態では触媒コンバータの上流に配設されてよい、この二重壁を有する排気系部品が、機関からの排気ガスが内側管を通って導かれるように、ガソリン又はディーゼル機関に連結されている。幾つかの実施形態では、断熱二重壁を有する排気系部品は、断熱二重壁を有する排気管と、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁を有するエンドコーンと、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁を有するスペーサリングと、断熱二重壁を有するマフラーと、断熱二重壁を有するテール管とからなる群から選択される。

別の態様では、本発明は、断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法であって、この方法が、内側管を用意する工程と、外側管内にこの内側管少なくとも部分的に閉じ込める工程と、内側及び外側管を連結して少なくとも１つの開口部を有する空隙を形成する工程と、充填可能な空隙をガラスバブルで少なくとも部分的に充填する工程であって、嵩容積に基づいて、ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１５０マイクロメートル未満の粒度を有する粒度分布を有している、工程と、少なくとも１つの開口部をシールする工程及びガラスバブルを包囲する工程とを含む、方法を提供する。

幾つかの実施形態では、内側管及び外側管は、少なくとも１つのシール部によって連結され、ここで、内側管、外側管、該少なくとも１つのシール部、及び開口部が充填可能な空隙を形成する。

幾つかの実施形態では、嵩容積に基づいて、ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１４０、１３０、１２０、又は１１０マイクロメートル未満の粒度を有する。幾つかの実施形態では、嵩容積に基づいて、５０パーセントを超えるガラスバブルが、５０マイクロメートルを超える粒度を有する。幾つかの実施形態では、ガラスバブルは０．１〜０．１５グラム／ミリリットルの範囲の真密度を有する。幾つかの実施形態では、内側管及び外側管の少なくとも一方がステンレス鋼、鋼、又は鋼合金を含む。幾つかの実施形態では、包囲された空隙がガラスバブルで実質的に充填されている。幾つかの実施形態では、このガラスバブルが密に詰め込まれている。

本発明は、二重壁を有する排気系部品に防熱及び防音特性を提供し、内側管と外側管との間の空隙（即ち、環状間隙）内に容易に詰め込むことができる。更に、多くの実施形態では、これらの利点は市販の及び経済的な材料を用いて実現することができる。

本明細書で使用される場合には、用語：
「管」とは、円筒形、先細りにした、平坦にした、及び／又は曲げたものであってよく、その長さに沿ってさまざまな断面形状及び／又はサイズを有してよいチューブをいう；例えば、この用語「管」は触媒コンバータ用の典型的なエンドコーンを含む；
「排気管」とは、排気マニホールドと触媒コンバータ又はマフラーとの間の管をいう；
「排気系部品」とは、バーナー又は機関からの排気ガスを導くように設計される部品をいう；及び
「テール管」とは、マフラーの下流にあり且つ直接大気に逃がす管をいう。

例示の自動車排気系の概略図。 ガラスバブルを含有する例示の二重壁を有する断熱排気管の縦断面図。 ガラバブスルを含有する例示の触媒二重壁を有する断熱コンバータ組立体の縦切欠図。

例示の自動車の排気系が、図１に示されている。通常運転では、機関１２は排気ガス１１を排気マニホ−ルド１４内に導入する。排気ガス１１は、排気系１０を通過してテール管１９から放出される。排気マニホ−ルド１４は、第１の排気管１５に連結される。触媒コンバータ組立体１７は、第１及び第２の排気管１５、１６の間に配設されている。第２の排気管１６は、マフラー１８に連結され、マフラー１８はテール管１９に連結されている。

本発明に係わる一つの例示の断熱二重壁を有する排気系部品が、図２に示されている。図２を参照すると、断熱二重壁を有する排気管２０が、内側管２２と、内側管２２を囲んでいる外側管２４と、内側及び外側管２２、２４を連結し且つ内側及び外側管２２、２４と合わせて包囲された空隙２９を画定する第１及び第２の環状シール部２３、２５とから構成される。ガラスバブル２６は、包囲された空隙２９内に配設される。ガラスバブル２６は、ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１５０マイクロメートル未満の粒度を有する、粒度分布を有する。内側管２２が内部空間２１を囲んでおり、自動車の排気系において排気管が使用される場合はそこを通って排気ガスが流れる。

図３は、本発明に係わる断熱二重壁を有するエンドコーンと、断熱二重壁を有するスペーサリングとを備える例示の触媒コンバータ組立体３０を示す。入口エンドコーン３４は、入口３５を有し且つ第１の触媒要素３８を保持する第１の取付マット４２において終端する。出口エンドコーン３６は、出口３７を有し且つ第２の触媒要素３９を保持する第２の取付マット４３において終端する。断熱二重壁を有するスペーサリング４０は、第１及び第２の取付マット４２、４３の間に配設される。一般に缶又はケーシングとも称される、筐体３２は、当該技術分野においてこの目的のために既知である任意の好適な材料で作製されることができ、典型的には金属；例えば、ステンレス鋼で作製される。第１及び第２の触媒要素３８、３９は、ハニカムモノリシック構造体、典型的にはセラミック又は金属のいずれかで形成される。触媒要素３８、３９を囲んでいるのは、一般に膨張性材料で作製される第１及び第２の取付マット４２、４３である。第１及び第２の取付マット４２、４３は、高温排気ガスが汚染防止装置を通って流れるときに筐体３２、３３と触媒要素３８、３９との間の間隙が幅広になるときに、それぞれ触媒要素３８、３９の十分な保持力を維持すべきである。

入口エンドコーン３４は、第１の外側管４６と、第１の内側管４８とを有する。出口エンドコーン３６は、第２の外側管５６と、第２の内側管５８とを有する。入口エンドコーン３４は、包囲された第１の空隙５５を画定する第１及び第２のエンドシール部５１、５２を有する。出口エンドコーン３６は、包囲された第１の空隙６５を画定する第３及び第４のエンドシール部６１、６２を有する。スペーサリング４０は、それぞれ第３の内側及び外側管５３、５４と、第３の包囲された空隙５９を画定する第５及び第６エンドシール部５７、６７とを有する。包囲された空隙５５、６５、５９は、ガラスバブル６０で充填される。

内側及び外側管は、内燃機関からの排気ガス放出に伴う高温に耐えることができる任意の材料で作製されてよい。典型的には、内側管及び外側管は、例えば、鋼、ステンレス鋼、又は鋼合金（例えば、ウエストヴァージニア州ハンチントン（Huntington）のスペシャル・メタル・コーポレーション社（Special Metals Corp.）から「インコネル（INCONEL）」の商品名で入手可能な）のような金属からなる。

第１及び第２のシール部は、内側管と外側管との間の包囲された空隙を形成する役割を果たす任意の形態を有する。シール部の例としては、フランジ、カラー、溶接部及びクリンプが挙げられ、場合により溶接部又はシーラント、ガラス及びセラミックの１つ以上を組み合わせたものが挙げられる。第１及び第２のシール部は、内燃機関からの排気ガス放出に伴う高温に耐えることができる任意の材料で作製されてよい。このシール部は、包囲された空隙からガラスバブルを逃がしてしまうような穴が本質的に無いものとすべきである。シール部に好適な材料の例として、セラミック及びセラミックマット（例えば、触媒コンバータモノリスを保持するセラミックマット）、ガラス、及び金属が挙げられる。幾つかの実施形態では、シール部は、例えば、内側管又は外側管から延在する金属フランジを含んでよい。

本発明に係わる断熱二重壁を有する排気系部品は、各種排気系部品に加工されてよい。例としては、断熱二重壁を有する排気管、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁を有する単一又は複数のエンドコーン及びスペーサリングと、断熱二重壁を有する全体触媒コンバータ組立体と、断熱排気マニホールドと、断熱二重壁を有するテール管とが挙げられる。本発明の実施に際して使用されるガラスバブルが、典型的には比較的低い密度及び熱伝導率の利点を享受する一方、ガラスバブルが典型的に軟化及び合着し始める約６５０℃を超える温度になるであろう排気部品においてはそれらの有用性において制限を受ける場合がある。ガソリン機関の場合において、断熱二重壁を有する排気系部品は、断熱二重壁を有する排気管又はテール管として有用であり得るが、触媒コンバータ組立体における排気マニホ−ルドには、又はエンドコーン若しくはスペーサリングとしては好適でない場合がある。しかしながら、ディーゼル機関に典型的であるより低い排気温度に起因して、断熱二重壁を有する排気系部品は、例えば、前述のもののような任意の排気系部品内に典型的には組み立てられ、且つ排気系部品として利用されてよい。

本発明に係わる断熱二重壁を有する排気系部品は、例えば、汎用機関と共に、又は、例えば、乗用車、トラック、若しくはオートバイのような、自動車に搭載される機関と共に用いられてよい。

断熱二重壁を有する排気系部品の１つ以上が、例えば、自動車の排気系に使用され且つ結合されることができる。

多種多様なガラスバブルが、市販されているか、ないしは当該技術分野において既知の別の方法によって利用可能である。有用なガラスバブルは、嵩容積に基づいて、ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１５０、１２０、１１０、１００、９０マイクロメートル未満、又はこれより小さい粒度さえも有する、粒度分布を有する。幾つかの実施形態では、５０パーセントを超えるガラスバブルが、３０、４０、５０、６０、８０、９０マイクロメートルを超える、又は１００マイクロメートルさえも超える粒度を有する場合がある。粒度の等級分けは、例えば、ふるい分け又は風力分級のような、当該技術分野において周知の方法によって達成されることができる。典型的には、ガラスバブルの真密度（即ち、充填効率の影響を受けない密度であり、且つ、例えば、空気比重びん法によって又はアルキメデス法によって決定されてよい）は、０．０５〜０．４グラム／ミリリットル、より典型的には０．１〜０．１５グラム／ミリリットルの範囲にあるが、これらの範囲から外れた真密度も使用されてよい。市販されているガラスバブルの例としては、ミネソタ州セントポールのスリーエム・カンパニー社（3M Company）から「スコッチライト（SCOTCHLITE）」ガラスバブルの商品名で入手可能なものが挙げられる。例としては、「Ｓシリーズ（S Series）」（例えば、「Ｓ１５」、「Ｓ２２」、「Ｓ３２」、「Ｓ３５」、又は「Ｓ３８」）及び「Ｋシリーズ（K Series）」（例えば、「Ｋ１」、「Ｋ１５」、「Ｋ２０」、「Ｋ２５」、「Ｋ３７」、又は「Ｋ４６」）と呼称されているガラスバブルが挙げられる。ガラスバブルの混合物はまた、例えば、高い充填密度を有する粒度の二峰性分布を生成するために使用されてよい。複数断熱二重壁を有する排気系部品が、排気系において使用される場合、各々が異なる粒度及び／又は物理的性質を有するガラスバブルを利用してよい。

理論に束縛されることを望まないが、より大きな断熱粒子と比較して、本発明のガラスバブルの非常に小さな粒度は、二重壁を有する空隙内に捕捉された空気の対流を低減させ、これによって内側管と外側管との間の熱移動速度を低減させると考えられている。

本発明に係わる断熱二重壁を有する排気系部品は、従来の断熱材料の代わりに本発明に係わるガラスバブルを使用することを除いて、例えば、断熱二重壁を有する排気系部品を製造するための当該技術分野において既知の技術によって製造されることができる。例えば、第１の工程において、内側管は外側管の中に少なくとも部分的に配設されてよい。第２の工程において、充填可能な空隙が、第１のシール部（例えば、上記のような）を形成することによって内側管と外側管との間に形成される。これらの第１の又は第２の工程のいずれかに引き続いて、内側管及び外側管のいずれか又は両方が曲げられるか、ないしは別の方法で所望の形状に変形されてよい。ガラスバブルは（例えば、流し込み又は吹き込みによって）、場合により所望の（例えば、典型的には高い）充填密度の達成を支援するために充填中に振動により充填可能な空隙へ導入される。充填可能な空隙が、一旦所望の程度まで充填されると、第２のシール部が内側管と外側管との間に生成され、それが内側及び外側管並びに第１及び第２のシール部によって画定される包囲された空隙の中にガラスバブルを閉じ込める役割を果たす。

別の方法では、両方のシール部は、ガラスバブルが導入される前に所定位置にあるようにできる。これは典型的には外側管に、好適な穴を開けることによって達成さることができ、これは次いで内側管及び外側管とシール部との間の空隙を充填した後に密封される。

本発明の目的及び利点を以下の非限定的な実施例によりさらに例示するが、これらの実施例の中で挙げた特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に限定するように解釈されるべきではない。

９１−ｃｍ（３０−インチ）長さのステンレス鋼二重壁管が組み立てられた。内側管は、６３．５ｍｍ（２ １／２インチ）の外径（ＯＤ）及び６０．３ｍｍ（２ ３／８インチ）の内径（ＩＤ）を有した。外側管は、７６．２ｍｍ（３．０インチ）のＯＤ及び７３．０ｍｍ（２ ７／８インチ）のＩＤを有した。これの結果、４．７５ｍｍの環状間隙が生じた。管は、所定位置に溶接されたステンレス鋼で製造された環状シール部で一方の端部で連結された。管の他方の端部は、取り外し可能且つ４個のマシンスクリューで管へ締結できる環状ステンレス鋼製シール部を有した。この環状間隙は、内側管の周りで一様であった。

管には熱電対が装備された。各熱電対は、管の入口端部（入口端部は溶接されたシール部を有する端部であった）から４５．７ｃｍ（１８インチ）であった。３．１８−ｍｍ（１／８−インチ）シース熱電対が、ガス温度を測定するために管中心線上に位置づけられた。第２の熱電対が、内側管のＯＤに溶接された。第３の熱電対が、外側管のＯＤに溶接された。すべての熱電対が、管の入口端部から４６ｃｍ（１８インチ）に位置づけられた。

管は、まず最初に取り外し可能な環状シール部は所定位置にあるが、二重壁を有する管が空気のみを含有する状態で試験された。それは７．５−リットル、フォード（Ford）Ｖ−８機関に連結され、その軸を垂直方向にした方位に向けられた。

この機関は、ガス温度が安定化され外側管のＯＤが平衡に達するまで表１（以下）に報告されているように各種状態で運転された。

室温まで冷却した後に、取り外し可能なシール部は取り外され、（スリーエム・カンパニー社（3M Company）から「スコッチライトＫ１（SCOTCHLITE K1）」として入手可能な）ガラスバブルが、二重壁を有する管の環状空間内へ注ぎ込まれた。管が充填されるにつれて、管がガラスバブルで完全に満杯になるまでガラスバブルをぎっしり詰めるために管をテーブルの上で数回軽くたたいた。そして、この取り外し可能な環状シール部は、所定位置にねじ込まれ、バブル充填された管は空の管が試験されたのと同じ方法で試験された。スリーエム・カンパニー社（3M Company）からの「スコッチライトＫ３７（SCOTCHLITE K37）」及び「スコッチライトＳ６０（SCOTCHLITE S60）」ガラスバブルとして入手可能なガラスバブルを使用することを除いて、この手順がまた繰り返された。

試験の結果が、表１及び２（以下）に報告されており、ここで、用語「ＮＡ」とは「該当無し」を意味する。表１では、排気ガス流量が、標準立方フィート／分（ＳＣＦＭ）の単位で報告されている。１標準立方フィートとは、１０１．３３ｋＰａ（１４．６９６ポンド／平方インチ）（ｐｓｉ）の圧力における２８リットル（１立方フィート）のガスの中に含有されている１５．５℃（６０°Ｆ）のときのガスの量である。

本発明の種々の修正及び変更が本発明の範囲及び精神を逸脱せずに当業者によって行われてもよく、及び本発明は本明細書に記載された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことを理解すべきである。

理想化されているこれらの図面は、単に例示的且つ非限定的であることを意図している。

Claims (23)

1. 内側管と、該内側管を囲む外側管と、該内側及び外側管を連結し且つ該内側及び外側管と共に包囲された空隙を画定する第１及び第２の環状シール部と、該包囲された空隙を少なくとも部分的に充填したガラスバブルであって、嵩容積に基づいて、該ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１５０マイクロメートル未満の粒度を有する粒度分布を有するガラスバブルとを含む、断熱二重壁を有する排気系部品。
2. 前記内側管が、ステンレス鋼、鋼、又は鋼合金を含む、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
3. 前記第１及び第２のシール部が金属フランジを含む、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
4. 前記包囲された空隙が前記ガラスバブルで実質的に充填される、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
5. 前記ガラスバブルが密に詰め込まれている、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
6. 嵩容積に基づいて、５０パーセントを超える前記ガラスバブルが５０マイクロメートルを超える粒度を有する、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
7. 前記ガラスバブルが０．１〜０．１５グラム／ミリリットルの範囲の真密度を有する、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
8. 前記断熱二重壁を有する排気系部品が、排気管と、触媒コンバータ組立体の少なくとも一部分と、テール管とから成る群から選択される、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
9. 前記断熱二重壁を有する排気系部品が、断熱二重壁を有する排気管と、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁を有するエンドコーンと、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁を有するスペーサリングと、断熱二重壁を有するマフラーと、断熱二重壁を有するテール管とから成る群から選択される、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
10. ディーゼル機関に連結されて、該ディーゼル機関からの排気ガスが、前記内側管を通って導かれるようになっている、請求項１に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
11. 前記排気系部品が触媒コンバータの上流に配設される、請求項１０に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
12. 前記部品が断熱二重壁を有する排気管を含む、請求項１０に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
13. 前記部品が触媒コンバータ組立体のエンドコーン又はスペーサリングを含む、請求項１０に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
14. 前記部品が断熱二重壁を有するテール管を含む、請求項１０に記載の断熱二重壁を有する排気系部品。
15. 断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法であって、
    内側管を用意する工程と、
    外側管内に該内側管を少なくとも部分的に閉じ込める工程と、
    該内側及び外側管を連結して少なくとも１つの開口部を有する充填可能な空隙を形成する工程と、
    該充填可能な空隙をガラスバブルで少なくとも部分的に充填する工程であって、嵩容積に基づいて、該ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが、１５０マイクロメートル未満の粒度を有する粒度分布を有している、工程と、
    該少なくとも１つの開口部を密封する工程及び該ガラスバブルを包囲する工程とを含む、方法。
16. 前記内側管及び外側管が、少なくとも１つのシール部によって連結され、これにおいて該内側管と、外側管と、該少なくとも１つのシール部と、前記開口部とが、前記充填可能な空隙を形成する、請求項１５に記載の断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法。
17. 前記少なくとも１つのシール部が、金属フランジを含む、請求項１６に記載の断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法。
18. 前記内側管が、ステンレス鋼、鋼、又は鋼合金を含む、請求項１５に記載の断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法。
19. 前記第１及び第２のシール部が金属フランジを含む、請求項１５に記載の断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法。
20. 嵩容積に基づいて、５０パーセントを超える前記ガラスバブルが５０マイクロメートルを超える粒度を有する、請求項１５に記載の断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法。
21. 前記ガラスバブルが０．１〜０．１５グラム／ミリリットルの範囲の真密度を有する、請求項１５に記載の断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法。
22. 前記断熱二重壁を有する排気系部品が、断熱二重壁を有する排気管と、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁を有するエンドコーンと、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁を有するスペーサリングと、断熱二重壁を有するマフラーと、断熱二重壁を有するテール管とから成る群から選択される、請求項１５に記載の断熱二重壁を有する排気系部品の製造方法。
23. 嵩容積に基づいて、ガラスバブルの少なくとも９０パーセントが１５０マイクロメートル未満の粒度を有する、粒度分布を有するガラスバブルの、二重壁を有する排気系部品における断熱材としての使用。

Images