JP4543144B2

JP4543144B2 - 消音器の製造方法

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Publication number: JP4543144B2
Application number: JP2004290131A
Authority: JP
Inventors: 晏弘奥田; 和男小寺; さとみ小野; 弘安柘植; 保夫西
Original assignee: CITY OF NAGOYA; NIHON GLASS FIBER INDUSTRIAL CO., LTD.
Current assignee: CITY OF NAGOYA; NIHON GLASS FIBER INDUSTRIAL CO., LTD.
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: JP2006104975A

Description

本発明は、自動車用等の内燃機関の排気系に設けられる消音器の製造方法に関するものである。

自動車の排気ガス温度は、コールドスタート対策や燃費向上等を目的としたエンジン燃焼改善により次第に高温化となる傾向がある。また、消音器内は、排気ガスの凝縮液による内部腐食と、冬期に高速道路等に散布される融雪塩による外部腐食とで、湿腐環境となりやすい。消音器内の温度がより高温環境下となると、高温側に曝される吸音材（ステンレス繊維等）、インナーパイプ又は溶接部位に、優れた耐高温酸化性と耐食性が要求される。

この要求に対して、次のような先行技術が提案されている。
（１）排気ガスの温度が高く、汎用のステンレス鋼繊維では酸化劣化を生ずる過酷な用途に、高Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼繊維に希土類元素等を添加して耐熱特性向上を図った技術が、特許文献１〜３などに開示されている。
（２）さらに、高温引張強さを改善したものが、特許文献４などに開示されている。
（３）また、ステンレスの耐熱性改質や触媒機能加味のためのセラミックス被覆の先行技術が、特許文献５〜１０に開示されている。特許文献５はコロイド状アルミナを含むアルミナゾルへの浸漬であり、特許文献６はアルミナ等のスラリーへの浸漬であり、特許文献７はセラミック混合混濁液の塗布であり、特許文献８はＣＶＤ法であり、特許文献９は粒子又は箔からの溶融被覆であり、特許文献１０はシリカスラリー・アルミナスラリーへの浸漬である。
（４）他に耐熱塗料を被覆する方法もある。
特開平４−３５４８５０号公報特開平６−１７２９３２号公報特開平６−１７２９３３号公報特開２０００−２７３５８８号公報特開昭５５−９４６４６号公報特開平７−１７８３４３号公報特開平８−２２５９５６号公報特開平９−６７６７２号公報特開平１０−２５１８６２号公報特開平１０−５６０３号公報

ところが、上記（１）〜（３）の各材料又は（５）〜（１０）の各被覆加工品は、高価であり、低コストを要求される自動車用消音器の部品として不向きである。また、上記（４）の耐熱塗料の被覆では、膜厚が１μｍを大きく超え、通常１０〜５０μｍとなるため、吸音材に被覆した場合に吸音性能を著しく低下させてしまう。また、耐熱塗料としては宇部興産株式会社製の商品名チラノコート等が市販されているが、高価である。

本発明の目的は、消音器のうち特に高温に曝される吸音材、インナーパイプ又は溶接部位に、サブミクロンの均一なセラミックス被膜を、安価に且つ簡単に被覆し、もって優れた耐高温酸化性と耐食性を得ることにある。さらに、吸音材がステンレス繊維である場合に、その吸音性能を損なうことなく耐高温酸化性と耐蝕性を改善することにある。

本発明は、内燃機関の排気系に設けられる消音器の製造方法において、消音器の吸音材繊維、インナーパイプ又は溶接部位のうち、少なくとも前記吸音材繊維としての平均繊維径３０〜１５０μｍのステンレス繊維に、化学溶液法によりセラミックス被膜を膜厚０．０５〜１μｍに被覆することを特徴とする。内燃機関の用途は、特に限定されず、自動車、鉄道車両、船舶等を例示できる。

［被覆部位：吸音材繊維、インナーパイプ又は溶接部］
吸音材繊維の材料としては、前記のとおり、ステンレス鋼、ステンレス合金等のステンレス材料（ステンレス繊維）が好ましく、フェライト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４３４）が特に好ましい。繊維の製作法としては、特に限定されないが、単線引抜き法、集束伸線法、ワイヤー切削法、ひびり振動切削法、コイル材切削法等を例示できる。また、ステンレス繊維の平均繊維径は、前記のとおり３０〜１５０μｍであり、８０〜１２０μｍが好ましい。平均繊維径が細いほど、吸音性能が良好となるが、比表面積が高くなり、耐高温酸化性能が低下する。ステンレス繊維の嵩密度は、５０〜５００ｋｇ／ｍ³ が好ましい。５０ｋｇ／ｍ³ 未満であると吸音性能がほとんどなく、５００ｋｇ／ｍ³ を越えると重くなる。

インナーパイプは、サブマフラーやメインマフラーの内管として使用されるものである。インナーパイプの材料としては、特に限定されないが、ステンレス鋼、ステンレス合金等のステンレス材料が好ましい。

溶接部位としては、インナーパイプ自体の継ぎ目、インナーパイプと外筒やセパレータとの接合部等における溶接部位を例示できる。溶接部位の溶接金属としては、特に限定されないが、ステンレス鋼、ステンレス合金等のステンレス材料が好ましい。溶接方法としては、特に限定されないが、ＭＩＧ（金属−不活性ガス）、ＴＩＧ（タングステン−不活性ガス）、ＭＡＧ溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、プラズマアーク溶接、抵抗溶接、溶加材で接合するろう接を例示できる。

［セラミックス被膜］
セラミックス被膜の膜厚（複数積層の場合は合計膜厚）は、前記のとおり、０．０５〜１μｍが好ましく、０．１〜０．３μｍが特に好ましい。１μｍを超えると、被膜にひび割れが生じやすくなり、また、特に吸音材繊維に被覆した場合には吸音性能の低下が始まる。一方、０．０５μｍ未満であると、十分な耐高温酸化性能が得られにくい。従って、吸音材繊維、インナーパイプ又は溶接部位のうち、少なくとも平均繊維径３０〜１５０μｍの吸音材繊維としてのステンレス繊維にセラミックス被膜を膜厚０．０５〜１μｍに被覆することが好ましい。

セラミックス被膜のセラミックスとしては、特に限定されないが、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア等を例示できる。また、セラミックスの単体若しくは混合物による単層又は複数積層、あるいはセラミックスの異材による複数積層が可能である。但し、金属との密着性とコストからはシリカが好ましく、従ってセラミックス被膜はシリカを主成分とするものが好ましい。具体的には、シリカの単体若しくはシリカを主とする混合物によるシリカ被膜の単層又は複数積層、あるいはシリカ被膜を含む異材の複数積層が好ましい。

化学溶液法を用いたセラミックスコーティングは、主として、出発原料である金属有機化合物を酸や水とともに溶液中に混合溶解してなる前駆体溶液を、被処理物に塗布して乾燥させた後、加熱処理して製膜する方法である。同法は、比較的安価で、複雑形状（吸音材繊維等）に対しても、サブミクロンの均一な被覆が得られやすい。

（ア）シリカ被膜の場合、テトラエトキシシランを出発原料とするものが好ましく、そのための前駆体溶液としては、テトラエトキシシラン、酢酸及び水を適度なモル比でエタノール中に混合溶解し、加熱濃縮して生成したものを例示できる。
（イ）アルミナ被膜の場合、酢酸エチルに溶解したアルミニウムブトキシドを出発原料とするものが好ましく、そのための前駆体溶液としては、アルミニウムブトキシド、酢酸及び水を適度なモル比でエタノール中に混合溶解し、加熱濃縮して生成したものを例示できる。
（ウ）ジルコニア被膜の場合、ジルコニウムテトラ−ｎ−プロポキシドを出発原料とするものが好ましく、そのための前駆体溶液としては、ジルコニウムテトラ−ｎ−プロポキシド、アセチルアセトン及び酢酸を適度なモル比でエタノール中に混合溶解し、加熱濃縮して生成したものを例示できる。
（エ）チタニア被膜の場合、チタニウムテトラ−ｎ−ブトキシドを出発原料とするものが好ましく、そのための前駆体溶液としては、チタニウムテトラ−ｎ−ブトキシド及び酢酸を適度なモル比でエタノール中に混合溶解し、加熱濃縮して生成したものを例示できる。

酸は、酢酸の他、硝酸、塩酸等でもよく、特に限定しない。アルコールは、エタノールの他、メタノール、トルエン、キシレン等でもよく、特に限定しない。アルコールの代わりに、シリコーンオイル等をオイル系を使用してもよく、また水のみでもよい。これら各種のアルコール、酸、オイル、水を、複数、適度に混合してもよい。また、これらのセラミックス溶液に市販の耐熱塗料を希釈し、混合使用してもよい。溶液は、金属有機化合物が溶液中で混合溶解していれば、特に限定されるものではない。

前駆体溶液には、次のような添加物を加えることもできる。
（カ）有機バインダーを添加することにより、溶液の長期安定化と適度な被膜厚さの確保を図ることができる。有機バインダーとしては、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）が、エタノールに直接可溶することから好ましく、添加量は０．５〜１質量％が作業性から最も好ましい。
（キ）ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）、ランタンド（Ｌｎ）等の稀土類元素を少量添加することにより、耐酸化性と密着性がより一層向上する。
（ク）白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）のうち少なくとも１種を含有させると、触媒担体が担時され、より高温側に適用することで、排気ガス浄化性能の向上に寄与することができる。
（ケ）部分安定化ジルコニア、アルミナ、チタニア、ランタン（Ｌａ）−ジルコニウム（Ｚｒ）系酸化物、ストロンチウム（Ｓｒ）−ニオブ（Ｎｂ）系酸化物等の微粒子又は繊維質体を添加することにより、遮熱効果が高まり、耐酸化性能を向上することもできる。

前駆体溶液の塗布方法としては、特に限定されないが、前駆体溶液に浸漬する方法、前駆体溶液をスプレーで吹き付ける方法等を例示できる。塗布後の乾燥温度は、２００〜５００℃が好ましく、２５０〜３５０℃が特に好ましい。２００℃未満であると、付着した前駆体溶液（シリカ溶液等）分子中の水酸基の重縮合反応を進めるのに不十分で、密着性が劣り、３５０℃を超えると、エネルギー効率と生産性が低下し、コストが顕著に高くなる。

より具体的には、内燃機関の排気系に設けられる消音器の製造方法において、インナーパイプに吸音材繊維としての平均繊維径３０〜１５０μｍのステンレス繊維を嵩密度５０〜５００ｋｇ／ｍ³ に巻設して一体化した後、この一体化したインナーパイプ及びステンレス繊維に、同時に化学溶液法によりセラミックス被膜を膜厚０．０５〜１μｍに被覆することが好ましい。ステンレス繊維のセラミックス被膜の飛散・脱落・ひび割れを抑制でき、インナーパイプ（及び（有る場合には）溶接部位）も同時に被覆することができるからである。また、インナーパイプに巻設するステンレス繊維の密着性を高めることもできる。なお、ステンレス繊維に化学溶液法によりセラミックス被膜を被覆した後、これをインナーパイプに巻設してもよいが、その場合には、巻設時にステンレス繊維のセラミックス被膜の飛散・脱落・ひび割れが起こるおそれがある。

本発明に係る消音器の製造方法によれば、吸音材繊維、インナーパイプ又は溶接部位のうち、少なくとも前記吸音材繊維としてのステンレス繊維に、化学溶液法によりサブミクロンの均一なセラミックス被膜を、安価に且つ簡単に被覆することができ、もって吸音性能を損なうことなく、優れた耐高温酸化性と耐食性が得られる。

また、テトラエトキシシランを出発原料とするシリカ被膜を採用することで、特に優れた耐高温酸化性能が得られる。

また、インナーパイプに所定嵩密度でステンレス繊維を巻設した後、同時に化学溶液法を行うことで、巻設時のセラミックス被膜の飛散・脱落・ひび割れを抑制でき、インナーパイプ及び溶接部位も同時に被覆でき、優れた耐高温酸化性と耐食性を有する消音器を安価に且つ簡単に製造することができる。

内燃機関の排気系に設けられる消音器の製造方法において、インナーパイプに吸音材繊維としての平均繊維径３０〜１５０μｍのステンレス繊維を嵩密度５０〜５００ｋｇ／ｍ³ に巻設して一体化した後、この一体化したインナーパイプ及びステンレス繊維に、同時に化学溶液法によりセラミックス被膜を膜厚０．０５〜１μｍに被覆する。

以下、本発明をサブマフラーに具体化した実施例について説明する。図２（ａ）に示すように、サブマフラー１は、多数の通気孔が貫設されたステンレス鋼製のインナーパイプ２と、その外周に巻設された吸音材繊維としてのフェライト系のステンレス繊維３と、ステンレス繊維３を覆いインナーパイプ２に溶接された外管４とからなる。インナーパイプ２は、ステンレス鋼板を曲げて接合部をＴＩＧ溶接してなる継ぎ目あり鋼管であり、自身に溶接部位５を有している。溶接部位５の溶接金属はＪＩＳＺ３３２１に規定されているＹ４３０である。なお、本発明は、図２（ｂ）に示すような、メインマフラー１１のインナーパイプ１２や吸音材繊維（図示略）に具体化することもできる。

［実施例１］図１（ａ）に示すように、平均繊維径８０μｍに切削加工したＳＵＳ４３４からなるステンレス繊維３をＳＵＳ４１０製のインナーパイプ２に嵩密度４００ｋｇ／ｍ³ で巻設して一体化した後、この一体化したインナーパイプ２及びステンレス繊維３を、図１（ｂ）に示すように、前駆体溶液Ａに浸漬後、軽く振って、図１（ｃ）に示すように、乾燥炉９に入れ２５０℃にて２０分乾燥した。前駆体溶液Ａは、テトラエトキシシラン、酢酸及び水を１：３：４のモル比で混合した溶液に、０．５質量％ＰＶＢのエタノール溶液を添加し、ホットスターラーを用いて８０℃の温度で０．５モル／リットルまで加熱濃縮し作成した。乾燥後、インナーパイプから適量のステンレス繊維を取出して実施例１の供試繊維とした。また、ステンレス繊維を抜取り、インナーパイプを指定サイズに加工して実施例１の供試パイプとした。

［実施例２］実施例１と同様に一体化したインナーパイプ及びステンレス繊維について、実施例１と同様の浸漬から乾燥までの工程を２回繰返し、２回目の乾燥後、インナーパイプから適量のステンレス繊維を取出して実施例２の供試繊維とした。また、ステンレス繊維を抜取り、インナーパイプを指定サイズに加工して実施例２の供試パイプとした。

［実施例３］実施例１と同様に一体化したインナーパイプ及びステンレス繊維について、前駆体溶液Ｂに浸漬後、軽く振って、２５０℃にて２０分乾燥した。前駆体溶液Ｂは、テトラエトキシシラン、酢酸及び水を１：３：２のモル比で混合した溶液に、１質量％ＰＶＢのエタノール溶液を添加し、ホットスターラーを用いて８０℃の温度で０．５モル／リットルまで加熱濃縮し作成した。乾燥後、インナーパイプから適量のステンレス繊維を取出して実施例３の供試繊維とした。また、ステンレス繊維を抜取り、インナーパイプを指定サイズに加工して実施例３の供試パイプとした。

［実施例４］実施例１と同様のインナーパイプ及びステンレス繊維について、実施例３と同様の浸漬から乾燥までの工程を２回繰返し、２回目の乾燥後、インナーパイプから適量のステンレス繊維を取出して実施例４の供試繊維とした。また、ステンレス繊維を抜取り、インナーパイプを指定サイズに加工して実施例４の供試パイプとした。

［比較例１］実施例１と同様に一体化したインナーパイプ及びステンレス繊維について、セラミックス被覆することなく、インナーパイプから適度のステンレス繊維を取出し、比較例１の供試繊維とした。また、セラミックス被覆していないインナーパイプを指定サイズに加工して比較例１の供試パイプとした。

［比較例２］平均繊維径１２０μｍに切削加工したＳＵＳ４３４からなるステンレス繊維をＳＵＳ４１０製のインナーパイプに嵩密度４００ｋｇ／ｍ³ で巻設して一体化した後、セラミックス被覆することなく、インナーパイプから適度のステンレス繊維を取出し、比較例２の供試繊維とした。

［試験１］耐高温酸化性試験
各実施例１〜４及び比較例１，２の供試繊維１０．００ｇを耐熱ルツボに入れ、電気炉にて耐高温酸化性能を測定し比較した。結果を表１に示す。加熱条件は、８００℃で２０時間加熱後、４時間冷却を１サイクルとし、１７サイクル繰返し実施した。表１より明らかなように、本発明に従った各実施例１〜４の供試繊維は、何れも酸化増量が低下しており、優れた耐高温酸化性能を発揮している。これに対し、セラミックスを被覆しない同径の比較例１の供試繊維は、約３倍の酸化量が発生している。また、各実施例１〜４の供試繊維は、平均繊維径が８０μｍであるにも拘わらず、セラミックスを被覆しない１２０μｍの比較例２と近似しており、比表面積当りの耐高温酸化性能に優れたものである。

［試験２］耐食性試験
各実施例１〜４及び比較例１の供試繊維について、ＪＡＳＯ（自動車技術会）Ｍ６１１−９２自動車用マフラー内部腐食試験方法により、耐食性を測定し比較した。結果を表２に示す。試験条件は、Ａ法（半浸漬試験）で全含浸とし、２４時間毎に液交換し、８０℃で試験時間を１６８ｈｒｓとした。表２より明らかなように、本発明に従った各実施例１〜４の供試繊維は、何れも腐食減量が低下しており、耐食性に優れたものである。これに対し、セラミックスを被覆しない比較例１，２の供試繊維は、２〜５倍の腐食が発生している。

［試験３］吸音性試験
各実施例１〜４及び比較例１，２の供試繊維からＪＩＳ−Ａ−１４０５に規定される円板形状の試験片（嵩密度４００ｇ／ｍ³ 、厚み１０ｍｍ）を作成し、管内法により、垂直入射吸音率測定法に従って各周波数における吸音率を測定し比較した。結果を表３に示す。表３より明らかなように、本発明に従った各実施例１〜４の供試繊維は、何れも垂直入射吸音率の低下を伴うことなく、吸音性能に優れたものである。なお、膜厚が十分に厚い場合は、ステンレス繊維の繊維径が著しく太くなり、吸音性能が低下する。

［試験４］パイプの耐食性試験
各実施例１〜４及び比較例１の溶接部位５のある供試パイプについて、ＪＡＳＯＭ６１１−９２自動車用マフラー内部腐食試験方法により、耐食性を測定し比較した。結果を表４に示す。試験条件は、冷却水循環機能付き半密閉型三角フラスコ中での半浸漬試験で８０℃、５００時間実施した。サイズは厚み１ｍｍで、外径寸法φ５０ｍｍを円弧２５ｍｍに、長さ３００ｍｍを１００ｍｍに後加工した。表４より明らかなように、本発明に従った各実施例１〜４の供試パイプは、何れも腐食減量が低下しており、優れた耐食性を発揮している。これに対し、セラミックスを被覆しない比較例１の供試パイプは、５〜１０倍の腐食減量と３倍以上の腐食孔深さが発生している。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。

本発明に係る実施例のサブマフラーの製造方法を示し、（ａ）は吸音材繊維の巻設時の斜視図、（ｂ）は前駆体溶液への浸漬時の概略図、（ｃ）は乾燥時の概略図である。（ａ）は同サブマフラーの断面図、（ｂ）は別例のメインマフラーの正面図である。

符号の説明

１サブマフラー
２インナーパイプ
３ステンレス繊維
４外管
５溶接部位
９乾燥炉
１１メインマフラー
１２インナーパイプ
Ａ前駆体溶液
Ｂ前駆体溶液

Claims

内燃機関の排気系に設けられる消音器の製造方法において、消音器の吸音材繊維、インナーパイプ又は溶接部位のうち、少なくとも前記吸音材繊維としての平均繊維径３０〜１５０μｍのステンレス繊維に、化学溶液法によりセラミックス被膜を膜厚０．０５〜１μｍに被覆することを特徴とする消音器の製造方法。
前記セラミックス被膜がシリカを主成分とするものであり、前記化学溶液法に用いる出発原料をテトラエトキシシランとする請求項１記載の消音器の製造方法。
内燃機関の排気系に設けられる消音器の製造方法において、インナーパイプに吸音材繊維としての平均繊維径３０〜１５０μｍのステンレス繊維を嵩密度５０〜５００ｋｇ／ｍ³ に巻設して一体化した後、この一体化したインナーパイプ及びステンレス繊維に、同時に化学溶液法によりセラミックス被膜を膜厚０．０５〜１μｍに被覆することを特徴とする消音器の製造方法。