JP4852025B2 - 排気管 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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、JIS B 0601に準拠して算出する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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Al2O3砥粒を用いて10分間行った。
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。
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。
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(Thermomechanical Analysis)装置(リガク製:TMA8310)により測定した。
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。
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。
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。
JIS B 0601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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (4)
- 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、結晶性無機材及び融点が400〜1000℃の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。
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