JP3328716B2

JP3328716B2 - 断熱保持材

Info

Publication number: JP3328716B2
Application number: JP09249993A
Authority: JP
Inventors: 浩司福島
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 2002-09-30
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH06279089A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来の技術】従来、自動車排気ガス浄化触媒に使用さ
れる断熱保持材として、例えばシリカアルミナ繊維から
なる熱膨張シート（例えばイビデン株式会社製：商品名
イビウール・フレックス）を触媒担体とその外筒となる
金属ケースとの間に圧縮装置されたものが使用されてい
る。

【０００２】近年、自動車燃費の改善の為排気ガス温度
は、従来に比較し上昇しつつあり、更には排気ガス規制
強化の動きの中から、より排気ガス浄化触媒の浄化効率
の高いものが求められつつあり、排気ガス浄化触媒の近
傍に於いては、その反応熱により排気ガス温度より更に
温度が高くなっている。ところが、前記熱膨張シートで
は、その使用温度が８００〜８５０℃迄しかない為、上
記排気ガスの高温化により、膨張性能や弾力性等の著し
い性能劣化が生じ、自動車走行中の振動で、触媒担体が
所定の位置からずれるのみならず、欠けや割れが発生
し、排気ガスの浄化性能が著しく劣化するという問題点
があった。

【０００３】これに対して、高温側に例えばシリカアル
ミナ繊維からなるセラミックファイバーブランケット
（例えばイビデン株式会社製：イビウール・ソリッドブ
ランケット）やセラミックファイバーペーパー（例えば
同社：イビウール・ペーパー）等の断熱材を打ち抜き加
工して装着することが考えられる。ところが、前記シリ
カアルミナ繊維からなるセラミックファイバーブランケ
ットやペーパーは耐熱温度が１２６０℃と優れているも
のの、自動車の排気系部品というごく限られたスペース
の中に於いては、前記断熱材を装着することによって、
前記熱膨張シートの厚みが減少し、所定の膨張圧力及び
膨張量が得られないという問題点があった。

【０００４】これに対し、本発明者らは、特願平４−２
２１１９号に於いて、セラミック系無機繊維を５〜５０
ｗｔ％、無機粉体を５０〜９５ｗｔ％必要に応じて無機
結合材を３〜５ｗｔ％及び有機弾性物質を３〜１０ｗｔ
％の割合で配合してなり、嵩密度０．３５〜０．４５ｇ
／ｃｍ³を有することを特徴とすることにより、従来の
断熱材よりも飛躍的に断熱性及び耐熱性を改善させた断
熱材を発明した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
断熱材は、自動車排気ガス浄化触媒に組みつける際の作
業性改善の為に有機弾性物質を３〜１０ｗｔ％の割合で
含む。この断熱材使用時に（自動車のエンジンを実際に
かけた時）有機弾性物質が除々に焼失し、燃焼ガスによ
る悪臭がたちこめるばかりでなく断熱材使用時、加熱と
同時に有機弾性物質が焼失し、焼失後有機弾性物質の存
在した部分は、空隙となってしまう為、特に３５０℃以
上の温度下では輻射熱の散乱、遮断効果が低下し、断熱
性が不十分であるという結論に達した。そこで、本発明
の目的は、従来品より断熱性を向上させ、前記熱膨張シ
ートの膨張性能や、弾力性を改善した断熱保持材を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】断熱保持材の構
成に於いて、その高温側に平均繊維径が１０μｍ以下で
あるセラミック系無機繊維を１〜５０ｗｔ％、平均屈折
率が１．４以上でありかつその平均粒子径が１０μｍ以
下である無機粉体１種または２種以上を４０〜９８ｗｔ
％、無機結合材を１〜２０ｗｔ％の割合で配合してな
り、嵩密度０．３０〜０．５０ｇ／ｃｍ³を有すること
を特徴とする断熱材を配し、かつ前記断熱保持材の構成
の低温側に主として無機繊維と未膨張バーミキュライト
からなる熱膨張シートを組み合わせた２層構造からなる
断熱保持材。

【０００７】

【作用】次に本発明の構成を詳細に説明する。まず、断
熱壁の構成に於いて、その高温側に配する断熱材につい
て説明する。セラミック系無機繊維としてはシリカ−ア
ルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ＳｉＣウィス
カー及びチタン酸カリウムウィスカー等各種ウィスカー
が使用できる。かかるセラミック系無機繊維の配合量は
１〜５０ｗｔ％の範囲であり、この割合が１ｗｔ％未満
では、繊維の補強効果が得られず著しく取り扱い性、機
械的強度が低下してしまう。

【０００８】一方、５０ｗｔ％を超えると無機粉体の添
加量が少なくなるため対流伝熱、分子伝熱、輻射伝導等
が増大するので断熱特性が著しく低下してしまう。ま
た、前記無機繊維の平均繊維径は１０μｍ以下であるこ
とが必要である。なぜなら、一般に無機繊維は硬直であ
る為、平均繊維径が１０μｍより大きいと、繊維間の空
隙が大きくなり、得られた断熱材中に粗大な空隙が生
じ、輻射熱を伝播しやすくなってしまうからである。

【０００９】本発明に於いては以下に示す条件に適合す
る無機粉体を一種または二種類以上選択して使用する。（１）平均屈折率が１．４以上である。（２）平均粒子径が１０μｍ以下である。（３）固体熱伝導率が室温時に０．０６ｃａｌ／ｃ
ｍ．ｓｅｃ．ｄｅｇ以下である平均屈折率が１．４以上の粉体としては、ＴｉＯ₂、Ｂ
ａＴｉＯ₃、ＰｂＳ等が挙げられるが、このグループの
無機粉体は、輻射熱の散乱材として極めて重要な役割を
有しており、輻射熱をより効果的に散乱させるために
は、できるかぎり屈折率が大きく、しかも波長１０μｍ
以上の光に対する反射率が７０％以上であるピークを有
している無機粉体を用いることが望ましい。従って、本
発明に於いては、ルチル型構造のＴｉＯ₂を用いること
にした。

【００１０】又、本発明に於いて用いる無機粉体は平均
粒径が１０μｍ以下の範囲内であり、しかも各粉体が有
する固体熱伝導率は、０．０６ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．
ｄｅｇ（ａｔ室温）以下であるような物に限定してい
る。平均粒径が、１０μｍ以上の粉体を用いると、断熱
材中に生じる空孔が極めて大きくなってしまうため、対
流及び分子伝熱が増大し、熱伝導率が悪化してしまう。
それから、固体熱伝導率についても０．０６ｃａｌ／ｃ
ｍ．ｓｅｃ．ｄｅｇ（ａｔ室温）以上の粉体を用いる
と、断熱材中に於いて固体伝熱が支配的になり、熱伝導
率が悪化してしまう。

【００１１】従って、本発明に於いては前述に記載した
３つの条件に適合した一種または二種類の無機粉体を使
用し、その配合割合は４０〜９８ｗｔ％の範囲とする。
無機粉体の配合割合が４０ｗｔ％以下では、屈折率大の
粉体量が少なくなるため、輻射熱の散乱が不十分とな
り、３００℃以上の高温下での熱伝導率が悪化してしま
う。また、９８ｗｔ％以上では、熱伝導率の面では有利
であるが、セラミック系無機繊維等の配合割合が２ｗｔ
％未満となってしまい、強度が著しく低下してしまう。

【００１２】次に本発明に於いては、高温での強度維持
を目的とした無機結合材を必要に応じて１〜２０ｗｔ％
の範囲で使用することができる。この無機結合材として
は、コロイダルシリカ、合成マイカ、モンモリロナイト
等が挙げられ、使用方法としては原料中に混合するか、
もしくは得られた断熱材へ含浸して使用する。前記無機
結合材は１％未満では、得られた断熱材の強度が不足す
るし、２０ｗｔ％より多いと、結合材同士の結合力によ
り断熱材の中で偏析してしまう結果、他の部分に粗大な
空隙が生じる為、断熱材の熱伝導率が悪化してしまう。

【００１３】さて、上述のような配合割合で配合した組
成物を乾式プレス法もしくは湿式抄造法にて任意の形状
に成形したものは、嵩密度が０．３０〜０．５０ｇ／ｃ
ｍ³の範囲内にある。この嵩密度が０．３０ｇ／ｃｍ³
未満では、対流及び分子伝熱が増大し、一方０．５０ｇ
／ｃｍ³を超えると固体伝熱が増大するため熱伝導率が
著しく低下してしまう。

【００１４】以上の断熱保持材の構成に於いて、その高
温側に配する断熱材の厚みは、自動車排気ガス浄化触媒
の外皮温度によって決めればよい。即ち、前記断熱材
は、排気ガス温度の高温化に対して、熱膨張シートの本
来の性能が発揮されるよう８５０℃以下、望ましくは８
００℃以下になるような厚みで使用される。次に本発明
の断熱材の製造方法について説明する。

【００１５】本発明に於いて前記断熱材は乾式プレス法
もしくは湿式抄造法にて製造される。まず最初に乾式プ
レス法では、前記セラミック系無機繊維、無機粉体及び
必要に応じて無機結合材をＶ型混合機等で混合した後、
所定の型内に混合物を投入し、プレスすることにより成
形体を得る。尚、得られた成形体に無機結合材を含浸す
ることも可能である。

【００１６】次に、湿式抄造法では、前記セラミック系
無機繊維、無機粉体及び必要に応じて無機結合材を水中
で分散させ、その後ごく少量の硫酸アルミニウム水溶液
や高分子凝集剤を添加し、繊維に無機粉体や無機結合材
を添着させる。次に上記凝集体を所定の型内へ投入し、
抄紙することにより成形体を得る。得られた成形体を脱
水プレスし、シート内の含水率を１００％以下に調整し
た後、乾燥することにより目的とする断熱材が得られ
る。ここで、脱水プレス後のシート含水率は１００％以
下にする必要があり、この含水率が１００％以上では、
乾燥時に収縮が起こり所定の寸法が得られにくくなる。

【００１７】上記のようにして得られた断熱材では、セ
ラミック系無機繊維により強度を補強し、さらに無機結
合材を使用した場合には高温時の強度が維持される。
又、前述の条件に適した二種類の無機粉体を使用するこ
とで、断熱材内部に存在する空隙での空気の対流と分子
伝熱が抑制され、さらに輻射熱が散乱されるため、その
断熱性については従来の物より優れた特性が得られる。
さらに、本発明の断熱材は、有機バインダー等を含まな
いので、加熱後前記有機物が焼失し、空隙が生じる事が
ない為、従来に比べ低温から高温迄極めて優れた断熱性
が得られる。次に、断熱壁の構成に於いてその低温側に
配される熱膨張シートについて説明する。

【００１８】無機繊維としては、シリカーアルミナ繊
維、アルミナ繊維、シリカ繊維等が使用可能である。無
機繊維の配合量は１０〜５０ｗｔ％とする。その理由
は、未膨張バーミキュライトが高温になると膨張するの
で、シート状の形態を維持するためには、上記量の無機
繊維を使用する必要がある。即ち１０重量％未満では、
未膨張バーミキュライトの膨張力を支えきれずシート状
物が破壊され、一方５０重量％を越えるとシート状物の
圧縮強度が高くなり、膨張力が押さえられて、高膨張性
ならびに再膨張性が失われるからである。

【００１９】未膨張バーミキュライトとしては、粉砕、
分級した物が使用されるが、望ましくはバーミキュライ
トの層間に含有されるカチオンを有機アミン等によって
イオン交換してなる層間化合物を形成した物を使用する
のがよい。その理由は、前記層間化合物により、膨張率
及び再膨張性が向上するからである。未膨張バーミキュ
ライトの配合量は４０〜８０ｗｔ％とする。その理由
は、４０ｗｔ％未満では、膨張力が少なく、８０ｗｔ％
を超えると膨張力が大きくなりすぎてシート状物の形状
が維持されなくなるからである。さらに、高温下での強
度を向上するため、無機結合剤０．１〜４ｗｔ％添加す
る。また、常温での取り扱い性を向上するため、天然有
機繊維０．１〜５ｗｔ％、有機結合剤０．１〜４ｗｔ％
添加することもできる。

【００２０】通常、自動車排気ガス浄化触媒ユニット
は、コーデェライト等のセラミック触媒担体または２０
Ｃｒ−５Ａｌからなるステンレス触媒担体を金属ケース
内に収めて使用される。前記異なる部品には、夫々寸法
公差がある為、本発明のような断熱材の入るスペース
（クリアランス）は必ずしも一定でない事、また自動車
排気系部品は、極寒地での駐車から酷暑地での高速走行
等極めて広い温度範囲の条件下で使用される。このよう
な温度範囲の条件下に於いては、触媒担体と金属ケース
が異なった膨張収縮を繰り返す。特に熱膨張係数の極め
て小さいコーディエライト触媒担体を金属ケース内に収
めた場合等、著しいクリアランスの変化が生じる。

【００２１】従って、自動車用排ガス触媒用断熱材に
は、耐熱及び断熱性のみならず、前記部品組付時の寸法
公差及び使用時のクリアランス変動に追従できるような
圧縮−復元性が必要である。即ち、高温下での膨張性能
や、弾力性が乏しい、断熱保持材を用いた場合、使用時
クリアランスが広がった場合、自動車走行中の振動で触
媒担体が所定の位置からずれるのみならず、欠けや割れ
が発生し、排気ガスの浄化性能が著しく劣化してしま
う。従って、本発明のように圧縮−復元性の高い熱膨張
シートとの２層構造が必要であり、前記断熱保持材を用
いれば、前記のような問題が生じない事を発明した。次
に本発明を具体化した実施例及び比較例を以下に説明す
る。

【００２２】

【実施例】

（実施例１）水５０リットルにシリカ−アルミナ系セラ
ミックファイバーとしていわゆるバルク（イビデン株式
会社製：商品名イビウール）を重量比で５部、次に平均
屈折率が２．７１であり、平均粒子径が３．５μｍのＴ
ｉＯ₂粉体を７０部と、平均屈折率が１．５５であり、
平均粒子径が７．０μｍのＳｉＯ₂粉体を２０部、更に
コロイダルシリカ（日産化学株式会社製：商品名スノー
テックス）を固形分重量比で５部添加し、よく攪拌混合
した後、ごく少量のカチオン系高分子凝集剤を添加し、
スラリーを調整した。次に、前記スラリーを所定の金型
にてシート状に成形した後乾燥し、厚さ０．５ｍｍ、嵩
密度０．４０ｇ／ｃｍ³の断熱材を得た。

【００２３】更にシリカ、アルミナ繊維の熱膨張シート
（イビデン株式会社製：商品名イビウール・フレック
ス）厚み５．７ｍｍ、嵩密度０．６７５ｇ／ｃｍ³を所
定の形状に打ち抜き、前記断熱材と貼り合わせたものを
作成した。この２層構造断熱保持材を円筒形のセラミッ
ク触媒担体につけたのち、組付後のクリアランスが３．
０ｍｍとなるよう半割の金属ケースで覆った。更にこの
ユニットを実際のガソリン車に搭載し、断熱材の最内層
温度が９５０℃となるよう排気温度を調整し、２層構造
の貼り合わせ面の温度を測定したら７５０℃であった。

【００２４】また、前記ユニットを車に搭載した状態
で、６００ｒｐｍ−５分間、５０００ｒｐｍ−５分間を
１サイクルとした簡易耐久テストを１０００サイクル実
施した後、分析してみたが、断熱材及び触媒担体に何ら
損傷はなかった。

【００２５】（比較例１）実施例１と同様の触媒ユニッ
トに断熱保持材としてシリカ−アルミナ繊維熱膨張シー
ト厚み６．２ｍｍ、嵩密度０．６７５ｇ／ｃｍ³を用い
て実施例１と同様の簡易耐久テストを実施したところ、
断熱保持材の破損及びモノリス触媒担体に亀裂が生じて
いた。

【００２６】

【発明の効果】従って、本発明によれば従来品のように
高温下での断熱保持性に劣ることなく、低温から高温の
間で極めて優れた断熱保持特性を発揮する。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】断熱保持材の構成に於いて、その高温側
に平均繊維径が１０μｍ以下であるセラミック系無機繊
維を１〜５０ｗｔ％、平均屈折率が１．４以上でありか
つその平均粒子径が１０μｍ以下である無機粉体１種ま
たは２種以上を４０〜９８ｗｔ％、無機結合材を１〜２
０ｗｔ％の割合で配合してなり、嵩密度０．３０〜０．
５０ｇ／ｃｍ³ を有することを特徴とする断熱材を配
し、かつ前記断熱保持材の構成の低温側に主として無機
繊維と未膨張バーミキュライトとからなる熱膨張シート
を組み合わせた２層構造からなる断熱保持材。
【請求項２】前記断熱保持材の構成に於いて、その高
温側に用いられるセラミック系無機繊維は、シリカーア
ルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、チタン酸カリ
ウムウィスカー等各種ウィスカーを含むことからなる請
求項１に記載の断熱保持材。
【請求項３】前記無機粉体は、固体熱伝導率が室温時
に０．０６ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．ｄｅｇ以下であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の断熱保持材。
【請求項４】断熱材の用途が自動車排気ガス浄化用の
セラミックまたはメタル触媒コンバーター及びディーゼ
ルパティキュレートフィルターの断熱及び保持を目的と
した請求項１から３のいずれか一項に記載の断熱保持
材。