JP2023146509A - 排気管 - Google Patents

Abstract

【課題】金属管の内面に断熱層が設けられている新規な排気管を提供する。【解決手段】排気管は、金属管と、金属管の内面に断熱層が設けられている。この排気管は、断熱層の全厚みに対して金属との界面から５％の位置の断熱層の気孔率が、厚み方向中心の気孔率より低い。【選択図】図１

Description

本明細書は、排気管に関する技術を開示する。

特許文献１に、金属管の内面に断熱材として断熱層が設けられた複合部材が開示されている。特許文献１の複合部材は、断熱層がセラミックス繊維を含んでいる。そのため、断熱層が金属の変形（熱膨張，熱収縮）に追従して変形し、金属から断熱層が剥離することを抑制している。特許文献１の複合材料は、高い断熱性を有することから内燃機関の排気管としての利用が期待されている。

国際公開ＷＯ２０２０／１４５３６６号

特許文献１の複合部材は、断熱層が金属の変形に追従して変形するので、金属と断熱層の熱膨張率差に起因して剥離が生じることは抑制される。しかしながら、内燃機関の排気管の場合、排気ガスが断熱層に直接接触し、断熱層に力を加える。また、排気管には、内燃機関の振動も伝わる。その結果、長期間の使用により、金属管と断熱層の密着性が低下し、断熱層が金属管から剥離することが懸念される。そのため、金属管の内面に断熱層が設けられている排気管は、さらなる改善が必要とされる。本明細書では、金属管の内面に断熱層が設けられている新規な排気管を提供することを目的とする。

本明細書で開示する排気管は、金属管と、金属管の内面に断熱層が設けられていてよい。この排気管は、断熱層の全厚みに対して金属との界面から５％の位置の断熱層の気孔率が、厚み方向中心の気孔率より低くてよい。

排気管の斜視図を示す。 排気管の部分拡大図を示す。 断熱層の拡大断面図を示す。 実験例の結果を示す。

本明細書で開示する排気管は、金属管と、金属管の内面に設けられている断熱層を備えている。断熱層は、排気管の内部を通過する排気ガスと接触する。断熱層は、無機多孔質体で形成されており、セラミック繊維を含んでいてよい。セラミック繊維は、金属管と断熱層の熱膨張率差の影響を吸収することができる。具体的には、断熱層が金属管の変形（熱膨張，熱収縮）に追従して変形することができるので、金属管から断熱層が剥離することを抑制することができる。断熱層は、排気ガスが金属管に接することを抑制し、金属管が劣化することを抑制できる。

断熱層の厚みは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であってよい。断熱層の厚みが０．５ｍｍ以上であれば、十分な強度が得られるとともに断熱性を十分に発揮することができる。また、断熱層の厚みが５ｍｍ以下であれば、排気ガスの流路が十分に確保されるとともに排気管の上流端（排気ガス流路の上流側で断熱層の側面が露出している部分）において排気ガスから加わる力を小さく抑制することができる。これにより、断熱層が金属管から剥離することを抑制することができる。断熱層の厚みは、１ｍｍ以上であってもよく、１．５ｍｍ以上であってもよく、２ｍｍ以上であってもよい。また、断熱層の厚みは、４ｍｍ以下であってもよく、３ｍｍ以下であってもよく、２ｍｍ以下であってもよい。

厚み方向において、断熱層の気孔率は一定ではない。本明細書で開示する排気管では、断熱層の全厚みに対して、金属管と断熱層の界面から５％の位置（以下、界面５％位置と称する）の断熱層の気孔率が、厚み方向中心の気孔率より低い。断熱層の界面５％位置の気孔率を厚み方向中心の気孔率より低くすることにより、断熱層の断熱性を維持しながら、金属管と断熱層の界面近傍において金属管と断熱層の接触面積が増加し、金属管に対する断熱層の密着力を増大させることができる。

断熱層の具体的な形態として、断熱層の界面５％位置の気孔率は５％以上４５％以下であってよい。断熱層の界面５％位置の気孔率が５％以上であれば、ヤング率が過大になることが抑制され、耐熱衝撃性の低下を抑制することができる。その結果、断熱層に割れが発生したり、クラックが発生することを抑制することができる。また、断熱層の界面５％位置の気孔率が４５％以下であれば、金属管に対する断熱層の密着力が十分に確保され、また、断熱層自体が十分な強度を確保することができる。断熱層の界面５％位置の気孔率は、１０％以上であってもよく、１５％以上であってもよく、２５％以上であってもよく、３０％以上であってもよい。また、断熱層の界面５％位置の気孔率は、３０％以下であってもよく、２５％以下であってもよく、２０％以下であってもよく、１５％以下であってもよい。

また、金属管と断熱層の界面側において、断熱層の気孔率が５％以上４５％以下である範囲（以下、界面側低気孔率範囲と称する）が、断熱層の全厚みに対して金属管と断熱層の界面から２％以上２０％以下であってよい。界面側低気孔率範囲が金属管と断熱層の界面から２％以上であれば、金属管に対して十分な密着力が得られ、断熱層が金属管から剥離することが抑制される。また、界面側低気孔率範囲が金属管と断熱層の界面から２％以上であれば、断熱層は十分な強度が得られ、割れ等の不具合が生じることを抑制することができる。また、界面側低気孔率範囲が金属管と断熱層の界面から２０％以下であれば、ヤング率が過大になることが抑制され、耐熱衝撃性の低下を抑制することができる。界面側低気孔率範囲は、金属管と断熱層の界面から５％以上であってもよく、１０％以上であってもよく、１５％以上であってもよい。また、界面側低気孔率範囲は、金属管と断熱層の界面から１５％以下であってもよく、１０％以下であってもよく、５％以下であってもよい。なお、界面側低気孔率範囲は、金属管表面の全面に設けられていてもよいし、金属管表面の一部に設けられていてもよい。すなわち、金属管の表面の一部に界面側低気孔率範囲が設けられ、他の部分に後述する高気孔率範囲が設けられていてもよい。

断熱層の厚み方向中心の気孔率は、金属管と断熱層の界面側（界面５％位置，界面側低気孔率範囲）の断熱層の気孔率より高くてよい。断熱層の厚み方向中心の気孔率は、４５％以上９０％以下であってよい。断熱層の厚み方向中心の気孔率が４５％以上であれば、断熱性が確保され、排気ガスの熱が金属管に伝達することを十分に抑制することができる。また、断熱層の厚み方向中心の気孔率が９０％以下であれば、断熱層の強度が確保され、断熱層が金属管から剥離することが抑制される。断熱層の厚み方向中心の気孔率は、５０％以上であってもよく、６０％以上であってもよく、７０％以上であってもよい。また、断熱層の厚み方向中心の気孔率は、８０％以下であってもよく、７０％以下であってもよく、６０％以下であってもよい。

また、本明細書で開示する排気管は、断熱層の全厚みに対して断熱層表面から５％の位置（以下、表面５％位置と称する）の断熱層の気孔率が、厚み方向中心の気孔率より低くてよい。断熱層の表面５％位置の気孔率を厚み方向中心の気孔率より低くすることにより、断熱層表面の強度が増大し、排気ガス流から受ける力、内燃機関が作動している際の振動に対する耐久性が増大する。その結果、断熱層に割れが生じたり、断熱層が金属管から剥離することを抑制することができる。

断熱層の表面５％位置の気孔率は５％以上４５％以下であってよい。断熱層の表面５％位置の気孔率が５％以上であれば、ヤング率が過大になることが抑制され、耐熱衝撃性の低下を抑制することができる。その結果、断熱層に割れが発生したり、クラックが発生することを抑制することができる。また、断熱層の表面５％位置の気孔率が４５％以下であれば、十分な強度を確保することができる。断熱層の表面５％位置の気孔率は、１０％以上であってもよく、１５％以上であってもよく、２５％以上であってもよく、３０％以上であってもよい。また、断熱層の表面５％位置の気孔率は、３０％以下であってもよく、２５％以下であってもよく、２０％以下であってもよく、１５％以下であってもよい。

また、断熱層の表面側において、断熱層の気孔率が５％以上４５％以下である範囲（以下、表面側低気孔率範囲と称する）が、断熱層の全厚みに対して断熱層の表面から２％以上２０％以下であってよい。表面側低気孔率範囲が断熱層の表面から２％以上であれば、断熱層は十分な強度が得られ、割れ等の不具合が生じることを抑制することができる。また、表面側低気孔率範囲が断熱層の表面から２０％以下であれば、ヤング率が過大になることが抑制され、耐熱衝撃性の低下を抑制することができる。表面側低気孔率範囲は、金属管と断熱層の界面から５％以上であってもよく、１０％以上であってもよく、１５％以上であってもよい。また、表面側低気孔率範囲は、金属管と断熱層の界面から１５％以下であってもよく、１０％以下であってもよく、５％以下であってもよい。

断熱層は、１５質量％以上のアルミナ成分と４５質量％以上のチタニア成分によって構成されていてよい。このような組成の断熱層は、融点が高く、排気ガスの熱によって形状が変化することを抑制できる。

なお、断熱層を構成するチタニア成分には、ルチル型結晶相が含まれていてよい。なお、チタニア成分には、ルチル型結晶相の他、アナターゼ型結晶相、ブルッカイト型結晶相、非晶質相が含まれていてもよい。ルチル型のチタニアは、他の結晶相及び非晶質相と比較して、高温環境下において安定である。具体的には、ルチル型のチタニアは、高温に曝されても相転移が起こらない。そのため、ルチル型のチタニアを含む断熱層は、相転移に伴う体積変化が起こりにくく、内部応力が生じにくい。その結果、高温の排気ガスが断熱層に直接接触しても、断熱層の劣化が抑制される。すなわち、断熱層を構成するチタニア成分にルチル型結晶相が含まれることにより、断熱層の耐熱衝撃性が向上する。なお、アナターゼ型結晶相及びブルッカイト型結晶相は、高温環境下においてルチル型結晶相に相転移する。

なお、チタニア成分は、ルチル型結晶相を主体としていてよい。すなわち、ルチル型結晶相が、チタニア成分の５０質量％以上を占めていてよい。上記したように、ルチル型結晶相は、高温環境下において安定である。そのため、ルチル型結晶相が、チタニア成分の５０質量％以上を占めていれば、断熱層の耐熱衝撃性が顕著に向上する。なお、チタニア成分に占めるルチル型結晶相の割合は、６０質量％以上であってよく、７０質量％以上であってよく、８０質量％以上であってよく、９０質量％以上であってよく、チタニア成分の全てがルチル型結晶相であってもよい。

断熱層に扁平板状の板状セラミック粒子が含まれていてよい。板状セラミック粒子を用いることにより、セラミック繊維の一部を板状セラミック粒子に置換することができる。典型的に、板状セラミック粒子の長さ（長手方向サイズ）は、セラミック繊維の長さより短い。そのため、板状セラミック粒子を用いることにより、断熱層内の伝熱経路が分断され、断熱層内の熱伝達が起こりにくくなる。その結果、断熱層の断熱性能がさらに向上する。

断熱層に、０．１μｍ以上１０μｍ以下の粒状粒子が含まれていてよい。断熱層を成形（焼成）する際、セラミック繊維同士が粒状粒子を介して結合され、高強度の断熱層が得られる。また、断熱層の厚みは、１ｍｍ以上であってよい。これにより、排気管の断熱性を十分に発揮することができる。なお、上記排気管は、断熱層がセラミック繊維を含んでいるので、０．５ｍｍ以上の断熱層を実現することができる。すなわち、断熱層を成形する過程（例えば、焼成工程）において収縮が起こり難いセラミック繊維を含むので、断熱層を０．５ｍｍ以上に成形することができる。例えば、断熱層がセラミック繊維を含んでいない場合、成形する過程で断熱層が収縮し、クラック等が発生する、そのため、断熱層がセラミック繊維を含んでいない場合、断熱層を０．５ｍｍ以上という厚膜に形成することが困難である。

金属管と断熱層は、熱伝導率の差が大きいことが好ましい。具体的には、金属管の熱伝導率は、断熱層の熱伝導率の１００倍以上であってよい。なお、金属管の熱伝導率は、断熱層の熱伝導率の１５０倍以上であってよく、断熱層の熱伝導率の２００倍以上であってよく、断熱層の熱伝導率の２５０倍以上であってよく、断熱層の熱伝導率の３００倍以上であってもよい。

金属管の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上４００Ｗ／ｍＫ以下であってよい。なお、金属管の熱伝導率は、２５Ｗ／ｍＫ以上であってよく、５０Ｗ／ｍＫ以上であってよく、１００Ｗ／ｍＫ以上であってよく、１５０Ｗ／ｍＫ以上であってよく、２００Ｗ／ｍＫ以上であってよく、２５０Ｗ／ｍＫ以上であってよく、３００Ｗ／ｍＫ以上であってよく、３８０Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。また、金属管の熱伝導率は、３５０Ｗ／ｍＫ以下であってよく、３００Ｗ／ｍＫ以下であってよく、２５０Ｗ／ｍＫ以下であってよく、２００Ｗ／ｍＫ以下であってよく、１５０Ｗ／ｍＫ以下であってもよい。

断熱層の熱伝導率は、０．０５Ｗ／ｍＫ以上３Ｗ／ｍＫ以下であってよい。なお、断熱層の熱伝導率は、０．１Ｗ／ｍＫ以上であってよく、０．２Ｗ／ｍＫ以上であってよく、０．３Ｗ／ｍＫ以上であってよく、０．５Ｗ／ｍＫ以上であってよく、０．７Ｗ／ｍＫ以上であってよく、１Ｗ／ｍＫ以上であってよく、１．５Ｗ／ｍＫ以上であってよく、２Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。また、断熱層の熱伝導率は、２．５Ｗ／ｍＫ以下であってよく、２．０Ｗ／ｍＫ以下であってよく、１．５Ｗ／ｍＫ以下であってよく、１Ｗ／ｍＫ以下であってよく、０．５Ｗ／ｍＫ以下であってよく、０．３Ｗ／ｍＫ以下であってよく、０．２５Ｗ／ｍＫ以下であってもよい。

金属管は、単管であってもよいし、多重管（例えば二重管）であってもよい。金属管は、直線状であってもよく、全体（または一部）が曲線状であってもよく、中間部分がテーパー状であってもよく、また、分岐管であってもよい。断熱層は、単管の場合は金属管の内面、多重管の場合は最も内側に配置されている金属管の内面に設けられていてよい。なお、断熱層は、金属管内面の全面を被覆していてもよいし、金属管内面の一部を被覆していてもよい。例えば、断熱層は、金属管の端部（一端または両端）を除く部分を被覆していてよい。

また、断熱層は、厚み方向において、均一の材料で構成されていてよい。すなわち、断熱層は単層であってよい。また、断熱層は、厚み方向において、組成の異なる複数の層で構成されていてもよい。すなわち、断熱層は、複数の層が積層した多層構造であってよい。あるいは、断熱層は、厚み方向において、組成が除々に変化する傾斜構造であってもよい。断熱層が単層の場合、排気管の製造（金属管の内面に断熱層を成形する工程）を容易に行うことができる。断熱層が多層又は傾斜構造の場合、厚み方向において、断熱層の特性を変化させることができる。例えば、断熱層の表層において、チタニア成分に占めるルチル型結晶相の割合を、他の部分より大きくすることができる。断熱層の構造（単層、多層、傾斜構造）については、排気管の使用目的に応じて適宜選択することができる。

断熱層は、セラミック粒子（粒状粒子）、板状セラミック粒子、セラミック繊維のうちの１以上の材料により構成されている。なお、セラミック粒子、板状セラミック粒子及びセラミック繊維は、構成成分として、アルミナ、及び／又は、チタニアを含んでいてよい。換言すると、アルミナ、及び／又は、チタニアによって、セラミック粒子、板状セラミック粒子、セラミック繊維が形成されていてよい。

セラミック粒子は、板状セラミック粒子，セラミック繊維等の断熱層の骨格をなす骨材同士を接合する接合材として用いられてよい。セラミック粒子は、平均粒子径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の粒状粒子であってよい。なお、セラミック粒子は、製造過程（例えば焼成工程）において、焼結等により粒径が大きくなってもよい。すなわち、断熱層を製造する原料として、セラミック粒子は、０．１μｍ以上１０μｍ以下（焼成前の平均粒径）の粒状粒子であってよい。なお、セラミック粒子は、０．２μｍ以上であってよく、０．５μｍ以上であってもよく、５μｍ以下であってもよい。セラミック粒子の材料として、例えば金属酸化物を利用してよい。金属酸化物の一例として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、チタニア（ＴｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト（Ａｌ_６Ｏ_１３Ｓｉ_２）、コージェライト（ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ_３）、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ_３）等が挙げられる。これらの金属酸化物は、高い耐蝕性を有し、排気管の保護層として好適に適用することができる。なお、セラミック粒子がチタニア粒子を含む場合、チタニア粒子がルチル型結晶相を含むことにより、骨材同士を接合する接合材の耐熱衝撃性が向上し、断熱層の劣化が抑制される。

板状セラミックは、断熱層内において、骨材、補強材として機能し得る。すなわち、板状セラミックは、セラミック繊維と同様に、断熱層の強度を向上させ、さらに、製造工程において断熱層が収縮することを抑制する。なお、板状セラミック粒子を用いることにより、断熱層内の伝熱経路を分断することができる。そのため、骨材としてセラミック繊維のみを用いる形態と比較して、断熱性を向上させることができる。

扁平板状の板状セラミック粒子は、表面形状（厚み方向から観察した形状）は特に限定されず、例えば、矩形等の多角形、略円形、曲線及び／又は直線で囲まれた不定形よく、断面を観察したときの長手方向サイズが５μｍ以上１００μｍ以下であってよい。長手方向サイズが５μｍ以上であれば、セラミック粒子の過剰な焼結を抑制することができる。長手方向サイズが１００μｍ以下であれば、上述したように断熱層内の伝熱経路を分断する効果が得られ、高温環境で用いる排気管に好適に適用し得る。また、断熱層に含まれる板状セラミック粒子は、断面をＳＥＭで観察したときのアスペクト比が１０以上６０以下であってよい。なお、断面のアスペクト比が１０以上６０以下の板状セラミック粒子は、例えば、原料として断面のアスペクト比が６０以上１００以下の板状セラミック粒子を用いることにより、断熱層の製造過程においてアスペクト比が小さくなり、結果として無機多孔質内に残存する。断面のアスペクト比が１０以上であればセラミック粒子の焼結を良好に抑制することができる。また、断面のアスペクト比が１０以上であれば、製造後（焼成後）に断熱層が硬くなりすぎる（ヤング率が高くなりすぎる）ことを抑制することができる。その結果、内燃機関の始動直後の熱衝撃（低温状態の無機多孔質に高温の排気ガスが接触すること）によって断熱層が破損する（クラック等が生じる）ことを抑制することができる。また、断面のアスペクト比が６０以下であれば板状セラミック粒子自体の強度低下が抑制され、排気管の振動、あるいは、排気ガスのガス流によって断熱層が破損することを抑制することができる。なお、板状セラミック粒子の材料として、上記したセラミック粒子の材料として用いられる金属酸化物に加え、タルク（Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２）、マイカ、カオリン等の鉱物・粘土、ガラス等を用いることもできる。

セラミック繊維は、断熱層内において、骨材、補強材として機能し得る。すなわち、セラミック繊維は、断熱層の強度を向上させ、さらに、製造工程において断熱層が収縮することを抑制する。セラミック繊維の長さ（平均繊維長）は、５０μｍ以上２００μｍ以下であってよい。また、セラミック繊維の直径（平均径）は、１～２０μｍであってよい。断熱層を形成する際の原料に占めるセラミック繊維の体積率（断熱層を構成する材料に占めるセラミック繊維の体積率）は、５体積％以上２５体積％以下であってよい。断熱層の原料が５体積％以上のセラミック繊維を含むことにより、断熱層の製造過程（焼成工程）において断熱層内のセラミック粒子の収縮を十分に抑制することができる。また、原料中のセラミック繊維の体積率を２５体積％以下（すなわち、断熱層内のセラミック繊維の体積率が２５体積％以下）とすることにより、断熱層内の伝熱経路を分断することができ、金属管への伝熱を好適に抑制し得る。セラミック繊維も、断熱層の断面をＳＥＭ観察することにより確認することができる。セラミック繊維は、ＳＥＭ画像において略円形である。すなわち、ＳＥＭ画像には、セラミック繊維の径方向断面が現れる。また、セラミック繊維の材料が断熱層を構成する他の材料と異なる場合、ＥＤＳ分析を行うことによってセラミック繊維を判別（確認）することもできる。なお、セラミック繊維の材料が断熱層を構成する他の材料と異なる場合、ＥＤＳ分析の結果を画像処理することにより、断熱層内のセラミック繊維の割合（体積率）を測定することもできる。

なお、セラミック繊維の材料として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、チタニア（ＴｉＯ_２）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、ムライト（Ａｌ_６Ｏ_１３Ｓｉ_２）、コージェライト（ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ_３）、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ_３）等、上述した板状セラミック粒子の材料と同様の材料を用いることができる。また、断熱層内に、上記材料で形成された一種または複数種のセラミック繊維が含まれていてよい。

また、断熱層を形成する際の原料に占める骨材、補強材（セラミック繊維，板状セラミック粒子等。以下、単に骨材と称する）の含有率は、１５質量％以上５５質量％以下であってよい。原料中の骨材の含有率が１５質量％以上であれば、焼成工程における断熱層の収縮を十分に抑制することができる。また、原料中の骨材の含有率が５５質量％以下であれば、セラミック粒子によって骨材同士が良好に接合される。原料中の骨材の含有率は、２０質量％以上であってよく、３０質量％以上であってよく、５０質量％以上であってよく、５３質量％以上であってもよい。また、原料中の骨材の含有率は、５３質量％以下であってよく、５０質量％以下であってよく、３０質量％以下であってよく、２０質量％以下であってもよい。

上記したように、セラミック繊維及び板状セラミック粒子は、ともに断熱層内において骨材、補強材として機能し得る。しかしながら、排気管の作製後（焼成後）に断熱層が収縮することを確実に抑制するため、骨材としてセラミック繊維と板状セラミック粒子の双方を用いる場合であっても、断熱層を形成する際の原料に占めるセラミック繊維の含有量は、少なくとも５質量％以上であってよい。なお、原料中のセラミック繊維の含有量は、１０質量％以上であってよく、２０質量％以上であってよく、３０質量％以上であってよく、４０質量％以上であってよい。また、原料中のセラミック繊維の含有量は、５０質量％以下であってよく、４０質量％以下であってよく、３０質量％以下であってよく、２０質量％以下であってよく、１０質量％以下であってもよい。

骨材としてセラミック繊維と板状セラミック粒子の双方を用いる場合、骨材全体に占める板状セラミック粒子の割合は、７０質量％以下であってよい。すなわち、質量比で、骨材の少なくとも３０質量％以上がセラミック繊維であってよい。骨材全体に占める板状セラミック粒子の割合は、６７質量％以下であってよく、６４質量％以下であってよく、６３質量％以下であってよく、６０質量％以下であってよく、５０質量％以下であってもよい。なお、板状セラミック粒子は必ずしも骨材として必須ではない。また、骨材全体に占める板状セラミック粒子の割合は、４０質量％以上であってよく、５０質量％以上であってよく、６０質量％以上であってよく、６２質量％以上であってよく、６３質量％以上であってよく、６５質量％以上であってもよい。

なお、断熱層を形成する際の原料に占める板状セラミック粒子の含有量は、５質量％以上３５質量％以下であってよい。断熱層の原料が５質量％以上の板状セラミック粒子を含むことにより、断熱層の製造過程（焼成工程）において断熱層内のセラミック粒子の収縮を十分に抑制することができる。また、原料中の板状セラミック粒子の含有量を３５質量％以下（すなわち、断熱層内の板状セラミック粒子の割合を３５質量％以下）とすることにより、断熱層内の伝熱経路を分断することができ、金属管への伝熱を好適に抑制し得る。原料中の板状セラミック粒子の含有量は、５質量％以上であってよく、１０質量％以上であってよく、２０質量％以上であってよく、３０質量％以上であってよく、３３質量％以上であってよい。また、原料中の板状セラミック粒子の含有量は、３５質量％以下であってよく、３３質量％以下であってよく、３０質量％以下であってよく、２０質量％以下であってよく、１０質量％以下であってもよい。

なお、断熱層に含まれるＳｉＯ_２は、２５質量％以下であってよい。断熱層内に非晶質層が形成されることが抑制され、断熱層の耐熱性（耐久性）が向上する。

断熱層を形成する際、セラミック粒子、板状セラミック粒子、セラミック繊維の他に、バインダ、造孔材、溶媒を混合した原料を用いてよい。バインダとして、無機バインダを使用してよい。無機バインダの一例として、アルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾル、ジルコニアゾル等が挙げられる。これらの無機バインダは、焼成後の断熱層の強度を向上させることができる。造孔材として、高分子系造孔材、カーボン系粉等を使用してよい。具体的には、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリエチレン粒子、ポリスチレン粒子、カーボンブラック粉末、黒鉛粉末等が挙げられる。造孔材は、目的に応じて種々の形状であってよく、例えば、球状、板状、繊維状等であってよい。造孔材の添加量、サイズ、形状等を選択することにより、断熱層の気孔率、気孔サイズを調整することができる。溶媒は、他の原料に影響を及ぼすことなく原料の粘度を調整可能なものであればよく、例えば、水、エタノール、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等を使用することができる。

なお、上記した無機バインダも断熱層の構成材料である。そのため、断熱層を形成する際にアルミナゾル、チタニアゾル等を用いる場合、断熱層は、無機バインダを含む構成材料全体で、１５質量％以上のアルミナ成分と４５質量％以上のチタニア成分を含んでいればよい。

断熱層の組成及び原料は、金属管の種類に応じて調整する。本明細書で開示する排気管では、特に限定されないが、金属管として、ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４２９，ＳＵＳ４４４等のステンレス鋼、鉄、鋳鉄、銅、ハステロイ、インコネル、コバール、ニッケル合金等を用いることができる。断熱層の組成及び原料は、用いる金属管の熱膨張係数に応じて調整してよい。具体的には、断熱層の熱膨張係数をα１とし、金属管の熱膨張係数をα２としたときに、下記式１を満足するように調整してよい。例えば、金属管がＳＵＳ４３０の場合、熱膨張係数α１が６×１０^－６／Ｋ＜α１＜１４×１０^－６／Ｋとなるように、より好ましくは、熱膨張係数α１が６×１０^－６／Ｋ＜α１＜１１×１０^－６／Ｋとなるように、断熱層の組成及び原料を調整してよい。また、金属管が銅の場合、熱膨張係数α１が８．５×１０^－６／Ｋ＜α１＜２０×１０^－６／Ｋとなるように、より好ましくは、熱膨張係数α１が８．５×１０^－６／Ｋ＜α１＜１８×１０^－６／Ｋとなるように、断熱層の組成及び原料を調整してよい。なお、「α１/α２」の値は、０．５５以上であってよく、０．６以上であってよく、０．６５以上であってよく、０．７５以上であってよく、０．８以上であってもよい。また、「α１/α２」の値は、１．１５以下であってよく、１．１以下であってよく、１．０５以下であってよく１．０以下であってもよい。
式１：０．５＜α１/α２＜１．２

本明細書で開示する排気管では、金属管の内面に上記原料を塗布し、乾燥、焼成を経て金属管の内面に断熱層を形成してよい。原料の塗布方法として、ディップコート、スピンコート、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法、刷毛塗り、コテ塗り、モールドキャスト成形等を用いることができる。なお、界面側低気孔率範囲、表面側低気孔率範囲、断熱層の厚み方向中央部分（界面側低気孔率範囲と表面側低気孔率範囲の間の高気孔率範囲）については、造孔材の添加量を調整し、気孔率を調整することができる。

図１から図３を参照し、排気管１０について説明する。排気管１０は、ＳＵＳ４３０製の金属管２の内面に断熱層４を備えている。断熱層４は、金属管２の内面に接合している（図１及び図２を参照）。図３は、断熱層４の拡大図を示している。なお、図３では、図面の明瞭化のため、金属管２の内面を平面で示している。断熱層４は、断熱層４の表層４ｓ側から順に、表面側低気孔率範囲４ａ、高気孔率範囲４ｂ、界面側低気孔率範囲４ｃが設けられている。界面側低気孔率範囲４ｃの裏面４ｒが金属管２に接合している。断熱層４の厚み４Ｔは２ｍｍであり、表面側低気孔率範囲４ａ及び界面側低気孔率範囲４ｃの厚み４Ｔａ及び４Ｔｂは共に１００μｍである。また、表面側低気孔率範囲４ａ及び界面側低気孔率範囲４ｃの気孔率は共に１５％であり、高気孔率範囲４ｂの気孔率は６０％である。

排気管１０は、金属管２の外面をマスキングした状態で、金属管２を原料スラリーに浸漬し、乾燥、焼成を行って製造した。具体的には、金属管２の内面に界面側低気孔率範囲４ｃ用の原料を塗布して乾燥させた後、高気孔率範囲４ｂ用の原料を塗布と乾燥を繰り返し、最後に、表面側低気孔率範囲４ａ用の原料（界面側低気孔率範囲４ｃと同じ原料）を塗布した後に焼成を行った。原料スラリーは、アルミナ繊維（平均繊維長１４０μｍ）と、板状アルミナ粒子（平均粒子径６μｍ、長手方向サイズ２５μｍ、アスペクト比８５）と、ルチル型チタニア粒子（平均粒子径０．２５μｍ）と、アルミナゾル（アルミナ量１．１質量％）と、アクリル樹脂（平均粒子径８μｍ）と、エタノールを混合し、作成した。なお、原料スラリーは、界面側低気孔率範囲４ｃ用及び表面側低気孔率範囲４ａ用は粘度が５０ｍＰａ・ｓとなるように調整し、高気孔率範囲４ｂ用は粘度が２００ｍＰａ・ｓとなるように調整した。なお、乾燥工程は、大気雰囲気において２００℃で１時間行った。焼成工程は、大気雰囲気において８００℃で３時間行った。なお、板状アルミナ粒子は、断熱層の断面をＳＥＭで観察したときのアスペクト比が４０であった。

（実験例）
上記したように、断熱層は、アルミナ繊維、板状アルミナ粒子、ルチル型チタニア粒子、アルミナゾル、アクリル樹脂及びエタノールを混合した原料スラリーを作成し、金属を原料スラリーに浸漬させた後、乾燥及び焼成を行い作成した。本実験例では、造孔材の添加量（アクリル樹脂の添加量）及び原料の塗布回数を変化させ、加熱振動試験後の断熱層の状態（クラック発生数、剥離の有無）を確認した。具体的には、表面側低気孔率範囲４ａ（表面側）、界面側低気孔率範囲４ｃ（界面側）、高気孔率範囲４ｂ（中央部）の気孔率、及び断熱層４の厚みを図４に示すように変化させ、得られた試料１～１８について評価した。

まず、試料１～１８について、気孔率の測定を行った。気孔率の測定は、上記した原料スラリーを用いてバルク体を形成し、バルク体について評価した。気孔率は、界面５％位置（界面側）、表面５％位置（表面側）及び中央部について測定した。界面５％位置の測定は、裏面４ｒから断熱層４の厚み４Ｔの５％の位置（界面側低気孔率範囲４ｃ内）について行った。表面５％位置の測定は、表層４ｓから断熱層４の厚み４Ｔの５％の位置（界面側低気孔率範囲４ｃ内）について行った。中央部の測定は、断熱層４の厚み方向中心４ｄの位置について行った。水銀ポロシメーターを用いてＪＩＳ Ｒ１６５５（ファインセラミックスの水銀圧入法による成形体気孔径分布試験方法）に準拠して測定し、全細孔容積（単位：ｃｍ³／ｇ）と、ガス置換式密度測定計（マイクロメリティックス社製、アキュピック１３３０）により測定した見掛け密度（単位：ｇ／ｃｍ³）を用いて、下記式（２）より算出した。結果を図４に示す。
式２：気孔率［％］＝全細孔容積／｛（１／見掛け密度）＋全細孔容積｝×１００

試料１～１８について、加熱振動試験を行った。加熱振動試験は、金属管の内面に断熱層を形成した試料にて行った。具体的には、内径φ５５ｍｍ、外径φ６２ｍｍ（厚み３．５ｍｍ）、長さ８０ｍｍのパイプ（ＳＵＳ４３０製、銅製）の外面をマスキングした状態で原料スラリーに浸漬し、断熱層をパイプの内壁に塗布した。その後、２００℃で乾燥、８００℃で焼成して各試料を作製した。加熱振動試験は、試料を加熱振動試験装置に取り付け、加熱振動試験装置からプロパンの燃焼ガスをパイプ内に５分間流通させた後、常温エアガスを５分間流通させた。燃焼ガスは、パイプの流入側端面におけるガス温度が最大で９００℃で、ガス流量が２．０Ｎｍ^３／分となるように調整した。次に、上記燃焼ガスをパイプ内に連続して供給した状態で、長手方向（長さ方向）の振動をパイプに加えた。振動条件は１００Ｈｚ、３０Ｇとし、振動を５０時間加えた。これらの条件で試験を行い、試験後の断熱層の外観（クラックの有無）及び剥離の割合（％）を測定した。

クラック数が２０本未満、剥離割合が２０％未満の双方を満足する試料は「Ａ」評価とした。クラック数が２０本未満、剥離割合が２０％未満の一方を満足し、クラック数が３０本未満、剥離割合が３０％未満の双方を満足する試料は「Ｂ」評価とした。クラック数が３０本以上、剥離割合が３０％以上の一方に該当する試料は「Ｃ」評価とした。クラック数が３０本以上、剥離割合が３０％以上の双方に該当する試料は「Ｄ」評価とした。図４に結果を示す。「Ａ」又は「Ｂ」が排気管として合格レベルであり、「Ｃ」又は「Ｄ」は排気管として不合格レベルである。

図４に示すように、界面５％位置の気孔率が中央部の気孔率より小さい試料（試料１～１６）は、いずれも排気管として合格レベル（Ａ又はＢ評価）であることが確認された。試料１～５に着目すると、断熱層の厚みを変化させても（０．３ｍｍ～４ｍｍ）、合格レベルとなることが確認された。特に、断熱層の厚みが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の試料（試料２～４）は、極めて良好な結果（Ａ評価）であることが確認された。特に、試料２～４は、試料１及び５と比較して、剥離性が改善していることが確認された。この結果より、金属管と断熱層の界面のヤング率が過大になることを抑制しつつ、排気ガスから加わる力を低減するためには、断熱層の厚みを０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下に調整ことが好ましいと推察される。特に、断熱層の厚みを３ｍｍ以下に調整することにより、排気ガスから断熱層に加わる力が低減され、剥離性が改善されることが示されている。

試料６～９に着目すると、表面５％位置の気孔率が５％以上４５％以下の試料（試料７，８）が特に良好な結果（Ａ評価）であることが確認された。この結果は、表面５％位置の気孔率を５％以上４５％以下に調整することにより、断熱層表面のヤング率が過大になることが抑制されるとともに十分な強度が得られることを示している。

試料１０～１２に着目すると、界面５％位置の気孔率が５％以上４５％以下の試料（試料１１，１２）が特に良好な結果（Ａ評価）であることが確認された。この結果は、界面５％位置の気孔率を５％以上４５％以下に調整することにより、断熱層界面のヤング率が過大になることが抑制され、金属管に対する断熱層の密着力が十分に確保されるとともに十分な強度が得られることを示している。

試料３，１３～１６に着目すると、中央部の気孔率が４５％以上９０％以下の試料（試料１４，１５）が特に良好な結果（Ａ評価）であることが確認された。特に、試料１４，１５は、試料１３及び１６と比較して、剥離性が改善していることが確認された。この結果は、中央部の気孔率を４５％以上９０％以下に調整することにより、十分な強度の断熱層が得られることが確認された。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：金属管
４：断熱層
１０：排気管

Claims (8)

1. 金属管と、金属管の内面に断熱層が設けられている排気管であって、
   断熱層の全厚みに対して金属管と断熱層の界面から５％の位置の断熱層の気孔率が、厚み方向中心の気孔率より低い排気管。
2. 断熱層の全厚みに対して断熱層表面から５％の位置の断熱層の気孔率が、厚み方向中心の気孔率より低い請求項１に記載の排気管。
3. 断熱層の全厚みに対して金属管と断熱層の界面から５％の位置の断熱層の気孔率が、５％以上４５％以下である請求項１または２に記載の排気管。
4. 断熱層の気孔率が５％以上４５％以下である範囲が、断熱層の全厚みに対して金属管と断熱層の界面から２％以上２０％以下である請求項３に記載の排気管。
5. 断熱層の全厚みに対して断熱層の表面から５％の位置の断熱層の気孔率が、５％以上４５％以下である請求項１から４のいずれか一項に記載の排気管。
6. 断熱層の気孔率が５％以上４５％以下である範囲が、断熱層の全厚みに対して断熱層の表面から２％以上２０％以下である請求項５に記載の排気管。
7. 断熱層の厚み方向中心の気孔率が４５％以上９０％以下である請求項１から６のいずれか一項に記載の排気管。
8. 断熱層の厚みが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である請求項１から７のいずれか一項に記載の排気管。

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