JP5010138B2

JP5010138B2 - サブマフラー

Info

Publication number: JP5010138B2
Application number: JP2005339230A
Authority: JP
Inventors: 純生神谷; 一稔若月; 宏格笹木; 敬章中川
Original assignee: Nakagawa Sangyo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nakagawa Sangyo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2025-11-24
Also published as: CN101313130A; JP2007146691A; EP1957765B1; US7896129B2; WO2007061133A1; CN101313130B; US20090242324A1; DE602006016852D1; KR101010953B1; EP1957765A1; KR20080080996A

Description

本発明は、吸音特性と耐熱性に優れたバサルト繊維を吸音材料として用いたサブマフラーに関する。

自動車用マフラーは、排気音を吸収するための部品であり、その吸音材として、現在ガラス繊維が使用されている。しかしながら、最近の自動車エンジンの省エネルギー化および排ガス規制に伴い、エンジン温度が上昇し、その結果排気ガス温度もマフラー部において、８００℃以上になる。そのため、マフラーに使用される吸音材の高耐熱性化（７５０〜９００℃に対応）が急務になってきている。

例えば、（１）ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ等の合成原料を主成分とする市販のガラス繊維を搭載したサブマフラーは各種エンジン排気系の高温（〜８００℃）ガスに暴露されると耐久性や吸音特性が低下する。これは、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の合成原料を主成分とする市販のガラス繊維は〜８００℃の排気ガスに暴露されると繊維どうしが固着し見かけの繊維径が増大し、吸音材料としての可とう性が低下しその結果吸音特性が低下する。

また、（２）ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ等の合成原料を主成分とする市販のガラス繊維を搭載したサブマフラーは各種エンジン排気系の高温（〜８３０℃）ガスに暴露されると耐久性や吸音特性が低下する。これは、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の合成原料を主成分とする市販のガラス繊維は〜８３０℃の排気ガスによって結晶化がおこり、その結果、繊維の可とう性が失われることに因る。

更に、（３）上記（１）や（２）以外の合成原料、ＳｉＯ２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ系を用いたガラス繊維を搭載したサブマフラーは、各種エンジン排気系の温度が６５０℃以上になると、耐久性や吸音特性が低下する。これらのガラス繊維はＣａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ等のアルカリ金属酸化物を多く含むため６５０℃以上の排気ガスに暴露されると結晶化、固着、排気ガス中の各種酸成分による腐食が促進されることに因る。

加えて、上記（２）のサブマフラーは高コストである。ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等のガラス繊維は、先ず各酸化物を各種原料から精製・分離した合成原料を使用し、これらの成分を更に粉砕・混粉した後に高温で溶融させて繊維化するため数千円／Ｋｇレベルの高コストである。

（１）や（３）のサブマフラーでは、ガラス繊維の温度を下げるためにインナーパイプ外周にＳＵＳウールを巻きつけ次にその外周にガラス繊維の吸音材料を巻きつけるといった２工程が必要であるため、製造工程が複雑で重量も増加する。

上記（１）や（３）のサブマフラーはリサイクル処理が高コストとなる。（１）や（３）に使用されるガラス繊維では焼却炉で燃焼させた場合低融点の酸化物が生成し、これが焼却炉の炉材の腐食となり焼却炉の耐久性を下げるため焼却炉の設備投資が増加する。

上記（１）、（２）や（３）のサブマフラーはＬＣＡ（ＬｉｆｅＣｙｃｌｅＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔ）の観点から環境負荷の低減が困難である。（１）、（２）や（３）のガラス繊維は構成酸化物をまず合成し、それらを所定割合で混粉後、溶解するため製造時のＣＯ_２発生が多い。

一方、天然の玄武岩（バサルト）原石を原料としたバサルト長繊維は、従来のガラス長繊維と比較し、きわめて安価である。しかし、約７５０℃から約９００℃の高温で使用するとガラス成分から結晶相が生成し、可撓性の消失、結晶層とガラス層界面での剥離等の問題が発生するという問題があった。

以上より、高耐熱性・低コスト・高耐久性を満足する吸音用ガラス繊維や自動車用断熱部品材料が入手できない。

なお、下記特許文献１には、吸音材としての繊維を排気管に巻設する消音器において、そのガラス繊維層を安価に形成するとともに、排気中の油性分による目詰まりを防止することを目的として、通気孔が巻設された排気管の外周に、通気孔部に位置して、長繊維を、織成することなく積層状態で巻設する発明が開示されている。ここで、長繊維として、ガラス繊維、玄武岩からなる繊維、高純度のシリカをセラミック化した繊維が例示されているが、具体的にどのようなバサルト繊維を用いるかについては全く示唆されていない。

特開平１０−７７８２３号公報

本発明者らによると、上記の問題点・課題が発生する理由は、下記（１）〜（４）にあることが判明した。
（１）従来のガラス繊維は、高温の排気ガスに晒されると、完全なガラス相から一部結晶化が進行し、またＣａ−Ｓｉ−Ｏ系の低融点結晶相の生成によって繊維同士が固着するため見かけの繊維径が単繊維径の数倍になって固化するため可撓性が失われる。
（２）従来のガラス繊維は、高温の排気ガスに晒されると、固着は生じないが完全なガラス相からすべて結晶相のみとなり、可撓性が失われる。
（３）市販ガラス繊維はガラスの網目形成体（ＮｅｔｗｏｒｋＦｏｒｍｅｒ）と網目修飾体（ＮｅｔｗｏｒｋＭｏdｆｉｅｒ）となる酸化物原料を所定の組成になるように混合してから高温で溶融させるため、原料費大、混粉工程を要する、原料の溶融温度が高い等の理由から製造コストが高い。
（４）従来のバサルト繊維は、天然原料を使用するため製造コストは市販ガラス繊維と比べて低い。又、原石（低温度用（Ｂ））はＳｉＯ_２が少ないため、高温溶融物の粘性が低く、２０ｍμ以下の繊維径を有する長繊維の製造が可能であるが、７５０℃以上でガラス相が結晶化するため耐熱性に劣る。

そこで、玄武岩（バサルト）原石（Ｂ）に対し、網目状形成体、ガラス修飾体を形成・維持し、バサルト繊維の結晶化及び固着を抑制すること、及びバサルト繊維の耐熱性を従来の７５０℃から７５０〜９００℃まで大幅に向上させ、かつ従来品と比べて大幅な低コスト化を達成することが必要である。

本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ＦＦＶ（ＦｌｅｘＦｕｅｌＶｅｈｉｃｌｅ；一例ガソリン／エタノール車）、ＨＶ用エンジンのサブマフラー用のガラス繊維吸音材料に関し６５０〜９００℃の高温排気ガスやＨＣ、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ギ酸、酢酸、亜硝酸、亜硫等の腐食性ガス成分に曝されても、耐久性や吸音性能を維持すること、同時に吸音材料およびサブマフラーの普遍の課題である低コスト化も実現することを目的とする。

本発明者らは、玄武岩（バサルト）原石に対し、その溶融条件を選定することで耐熱性に優れたバサルト長繊維を製造できることを見出した。同時に、玄武岩（バサルト）原石に対し、網目状形成体、ガラス修飾体となる酸化物の選定とその添加量の最適化により、結晶化及び固着を抑制できるとともに、耐熱性を大幅に向上させることができることを見出し、本発明に到達した。

なお、本発明でいう高温度用バサルト繊維とは、７５０〜９００℃の温度で２００ｈｒ以上の高温排気ガスに曝されても結晶化が少なく、固着現象も問題無いレベルのバサルト繊維を示す。

本発明は、サブマフラーの発明であり、内側に穴明き排気管が配置され、該穴明きパイプの外側にキャップ及びアウトパイプが配置され、該穴明き排気管とキャップ及びアウトパイプとの間に吸音材が充填されたサブマフラーであって、該吸音材の内、少なくとも該穴明きパイプ側の該吸音材が高温度用のバサルト繊維であることを特徴とする。

本発明のサブマフラーには下記（１）〜（４）の典型的な構造が含まれる。
（１）前記高温度用のバサルト繊維が、前記穴明き排気管とキャップ及びアウトパイプとの間の全空間に充填されているサブマフラー。
（２）前記穴明き排気管とキャップ及びアウトパイプとの間に充填された吸音材が２層構造であり、該穴明き排気管側の該吸音材が高温度用のバサルト繊維層であり、該キャップ及びアウトパイプ側の該吸音材が低温度用のバサルト繊維層であるサブマフラー。
（３）前記穴明き排気管とキャップ及びアウトパイプとの間に充填された吸音材が２層構造であり、該穴明き排気管側の該吸音材が高温度用のバサルト繊維層であり、該キャップ及びアウトパイプ側の該吸音材が低温度用のガラス繊維層であるサブマフラー。
（４）前記穴明き排気管とキャップ及びアウトパイプとの間に充填された吸音材が３層構造であり、該穴明き排気管側の該吸音材が高温度用のバサルト繊維層であり、該キャップ及びアウトパイプ側の該吸音材が低温度用のガラス繊維層であり、該高温度用のバサルト繊維層と該低温度用のガラス繊維層の間に低温度用のバサルト繊維層を有する記載のサブマフラー。

本発明で用いられる高温度用のバサルト繊維としては、バサルト長繊維が好ましいが、バサルト短繊維であっても良い。この場合、高温度用のバサルト繊維径は一定であるがことが望ましいが、繊維径の異なるバサルト短繊維であっても良い。

また、高温度用のバサルト繊維は、織成されて巻設されていても良く、高温度用のバサルト繊維が、織成されずに巻設されていても良い。

以下、本発明のサブマフラーに用いられる高温度用バサルト繊維について説明する。
第１に、本発明のサブマフラーに用いられる高温度用バサルト繊維とは、ＳｉＯ_２含有量が５５．９〜６１．１ｗｔ％前後の高温用玄武岩石（Ａ）１００ｗｔ％から得られるバサルト繊維を意味する。

第２に、本発明のサブマフラーに用いられる高温度用バサルト繊維とは、含有する酸化物の組成が異なる２種の玄武岩原石からなる。ここで、２種の玄武岩原石とはＳｉＯ_２含有量が５５．９〜６１．１ｗｔ％前後の高温用玄武岩原石（Ａ）およびＳｉＯ_２含有量が５４．１〜５８．１ｗｔ％前後の低温用玄武岩石（Ｂ）の混合原右から得られるバサルト繊維を意味する。ここで、高温用原石（Ａ）と（Ｂ）の混合割合は重量％で、（Ａ）５０ｗｔ％＋（Ｂ）５０ｗｔ％〜（Ａ）９５ｗｔ％＋（Ｂ）５ｗｔ％の範囲であり、（Ａ）８０ｗｔ％＋（Ｂ）２０ｗｔ％〜（Ａ）９０ｗｔ％＋（Ｂ）１０ｗｔ％の混合割合であることが望ましい。

第３に、本発明のサブマフラーに用いられる高温度用バサルト繊維とは、低温度用玄武岩原石（Ｂ）にＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯから選択される酸化物の１種以上を添加したものである。ここで、前記酸化物の最適添加量は下記（１）〜（３）が望ましい。
（１）前記酸化物の添加が１成分であり、その添加量が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０から４０ｗｔ％、望ましくは１０〜３０ｗｔ％である。
（２）前記酸化物の添加が２成分であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０から７０ｗｔ％、望ましくは１０〜６０ｗｔ％である。
（３）前記酸化物の添加が３成分であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０から６０ｗｔ％、望ましくは１０〜５０ｗｔ％である。

第４に、本発明のサブマフラーに用いられる高温度用バサルト繊維とは、含有する酸化物の組成が異なる２種の玄武岩を原料とし、該玄武岩にＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯから選択される酸化物の１種以上を添加したことを特徴とする。ここで、第３のバサルト繊維と同様に、前記酸化物の最適添加量は下記（１）〜（３）の通りである。
（１）前記酸化物の添加が１成分であり、その添加量が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０から４０ｗｔ％、望ましくは１０〜３０ｗｔ％である。
（２）前記酸化物の添加が２成分であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０から７０ｗｔ％、望ましくは１０〜６０ｗｔ％である。
（３）前記酸化物の添加が３成分であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０から６０ｗｔ％、望ましくは１０〜５０ｗｔ％である。

第５に、本発明のサブマフラーに用いられる高温度用バサルト繊維は、玄武岩を原料とし、該玄武岩を解砕する工程と、該解砕物を洗浄する工程と、第２の高温度用バサルト繊維においては２種の玄武岩を混合する工程、第３、第４の高温度用バサルト繊維においては原石と添加酸化物とを混合する工程と、該玄武岩あるいは該混合原石あるいは該玄武岩と酸化物の混合原料を溶融する工程と、該溶融物を繊維化する工程と、該繊維を引き揃え、巻き取る工程とからなる。また、溶融物の粘度をηとするとｌｏｇηが１４４０℃において、２．５５〜２．８５（ｄＰａ・ｓ）、１５４０℃において２．１０〜２．４５（ｄＰａ・ｓ）、１６４０℃において１．８０〜２．１０（ｄＰａ・ｓ）まで温度の上昇とともにほぼ直線的に減少する傾向を示し、かつｌｏｇηが２．１５〜２．３５（ｄＰａ・ｓ）、望ましくは２．２０〜２．３０（ｄＰａ・ｓ）で製造されたものである。この溶融条件にて繊維径の制御と引き揃え工程と巻き取り工程で切断しない高温度用バサルト長繊維の製造が可能となった。上記のように、溶融物の温度は溶融物の高温粘度ｌｏｇηが２．１５〜２．３５（ｄＰａ・ｓ）、望ましくは２．２０〜２．３０（ｄＰａ・ｓ）となるよう高温粘度によって最適温度を選定すれば良い。

前記玄武岩原料としては、（１）ＳｉＯ_２量の多い高温度用玄武岩石（Ａ）１００ｗｔ％、（２）該高温度用玄武岩原石（Ａ）よりＳｉＯ_２量の少ない低温度用玄武岩原石（Ｂ）の混合物から選択される。

また、前記玄武岩原料にＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯから選択される酸化物の１種以上を添加しても良い。この場合、前記酸化物の最適添加量は下記（１）〜（３）の通りが好ましい。
（１）前記酸化物の添加が１成分であり、その添加量が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜４０ｗｔ％、望ましくは１０〜３０ｗｔ％である。
（２）前記酸化物が２成分であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜７０ｗｔ％、望ましくは１０〜６０ｗｔ％である。
（３）前記酸化物が３成分以上であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜６０ｗｔ％、望ましくは１０〜５０ｗｔ％である。

上記溶融物を繊維化する工程において、所定の温度で完全溶融させた溶融物を白金ブッシュ底部の設けた孔から落下する溶融物を繊維化して巻き取る速度で繊維径を調整することが可能である。

本発明のサブマフラーに用いられる高耐熱性・高耐酸性バサルト繊維は、例えば、玄武岩を原料とし、玄武岩を粉砕し該粉砕物を洗浄した原料を投入するホッパーと、加熱手段により該洗浄物を溶融する炉と、該溶融物を繊維化する低部に多数の孔を設けた白金ブッシュと、該繊維を引き揃え、巻き取る巻き取り機とからなるバサルト長繊維の製造装置によって好ましく製造される。

又、本発明は、上記のいずれかに記載のサブマフラーを備えた自動車である。

本発明のサブマフラーは、吸音材として、７５０〜９００℃以上の耐熱性を有する高耐熱性のバサルト繊維を用いることにより、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ＦＦＶ（ＦｌｅｘＦｕｅｌＶｅｈｉｃｌｅ）、及びＨＶ用エンジンのサブマフラーとして用いても、６５０〜９００℃の高温排気ガスやＨＣ、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ギ酸、酢酸、亜硝酸、亜硫等の腐食性ガス成分に曝されても、耐久性や吸音性能を維持することが可能である。同時に吸音材料およびサブマフラーの普遍の課題である低コスト化も実現した。

加えて本発明のサブマフラーに用いられる高耐熱性バサルト繊維は（１）ＳｉＯ_２量の多い高温度用玄武岩石（Ａ）１００ｗｔ％、（２）該高温度用玄武岩原石（Ａ）とＳｉＯ_２量の少ない低温度用玄武岩原石（Ｂ）の混合物、（３）低温度用玄武岩原石（Ｂ）に対して、網目形成体、ガラス修飾体となる酸化物の選定とその添加量を最適化したもの、（４）上記（２）の混合物に対して網目形成体、ガラス修飾体となる酸化物の選定とその添加量を最適化したものを原料とすることにより、バサルト繊維の結晶化および固着を抑制できるとともに、耐熱性を大幅に向上させることができた。また本発明のサブマフラーに用いられる高耐熱性バサルト繊維の製造工程の溶融条件により、繊維径の制御が可能で、巻き取り工程で切断しないバサルト長繊維を製造することが可能となった。

本発明のバサルト繊維の原料である玄武岩（バサルト原石）は、火成岩の１種であり、主な構成鉱物としては、（１）斜長石：Ｎａ（ＡｌＳｉ_３Ｏ_８）−Ｃａ（Ａｌ_２ＳｉＯ_８）、（２）輝石：（Ｃａ，Ｍｇ，Ｆｅ^２＋，Ｆｅ^３＋，Ａｌ，Ｔｉ）_２［（Ｓｉ，Ａｌ）_２Ｏ_６］、（３）カンラン石：（Ｆｅ，Ｍｇ）_２ＳｉＯ_４である。ウクライナ産のものが安価で良質である。

（１）高温度用玄武岩原石（Ａ）、（２）低温度用玄武岩原石（Ｂ）及び（３）原石（Ａ）８５％／原石（Ｂ）１５％からなる原石の、ＩＣＰ（高周波プラズマ発光分析装置；島津製作所ＩＣＰＶ−８１００）分析による元素組成比（ｗｔ％）、及び酸化物換算の組成比（ｗｔ％）の例は下記表１及び表２のようである。なお、以下で述べる各種バサルト原石とそれらを用いて得られたバサルト繊維の組成は測定誤差内でほぼ同一であると考えても良い。

なお、ＩＰＣによる分析では、酸素元素の量は測定が困難であるため、トータル元素量は１００％にならない。そこで、表２は、ＩＣＰで検出困難な酸素元素を考慮して換算したものである。

図１に、本発明のバサルト長繊維製造の各工程の概略を示す。図１に示すように、先ず、原料となる玄武岩は所定の粒度に粉砕される。次に、該粉砕物は洗浄され、溶融炉の原料投入ホッパーに投入される。該溶融炉は、ガス及び／又は電気炉であり、周囲を断熱炉材で囲まれるとともに、原料を表面からバーナー加熱して、溶融させる。該溶融物は、底部に多数の孔を有する白金ブッシュを通過して繊維化される。該繊維化バサルトは、繊維巻き取り機により、引き揃えられ、巻き取られられる。

図１中に、本発明で用いられるバサルト長繊維製造装置の概略図を示した。本装置の溶融炉の特徴は、（１）単独の炉であること、（２）１炉に対し１ブッシングであること、（３）バッチ炉的な考え方で有り、玄武岩投入口→炉→ブッシング→巻き取りを単独で行うこと、にある。本装置により、
（１）炉の改修をする場合にある１部の生産を止めるという対応が可能である。例えば、複数炉存在すれば、定期的に炉を改修し、尚且つ生産を続けることが可能である。
（２）少ロットの生産にも対応が可能であり、尚且つ原料材質の違うものを生産することが可能である。
という長所がある。

玄武岩原料を電気炉あるいはガス炉で所定温度にて完全な溶融物とし、この溶融物を白金ブッシュ底部から所定の速度で引っ張り、数μｍ〜数十μｍレベルの繊維径の長繊維とする。特に、吸音材料として用いる際には、１０〜２０μｍが望ましい。バサルト長繊維の繊維径を制御するには、溶融物の組成、溶融物の温度、所定温度での溶融物の高温粘性、白金ブッシュの底部に設けた孔のサイズ、孔の形状、孔の配置などの様々な因子があり、さらに、重要な因子は繊維化時の引っ張り力の制御である。通常は、図１の概念図に示した繊維の巻き取り装置の巻き取り速度で、即ち回転速度で制御する。又、長繊維とするには、巻き取り時に繊維が切断しないことが不可欠であり、繊維の切断を防ぐ因子も上記の繊維径を決定する因子の最適化が重要である。このように、本発明では、数μｍ〜数十μｍ径の繊維を切断することなく長繊維とすることがポイントである。

玄武岩系原料を用いた玄武岩長繊維の製造方法は溶融物の温度、粘性がキーテクである。高温での溶融物の粘性を正確に測定し、原料組成に応じて最適な粘性が得られるよう制御することが不可欠である。

以下、本発明の実施例を示す。
溶融物の高温粘性の評価法としては、ガラスの粘性測定（試料引き下げ法）を用いる。試料引き下げ法の原理はガラス溶融体中でＰｔ球体が等速運動すると粘性はＳｔｏｋｅｓの法則から
η=ＧＷ／ｖ
となる。ここで、Ｇ=装置定数、Ｗ＝負荷荷重、ｖ＝Ｐｔ坩堝の引き下げ速度である。

［実施例１］
図２に、本発明の方法にて得られた各種原石の１４３０℃〜１６４０℃における高温粘度を示した。尚、１５５０℃以上の粘度は評価装置の限界で測定できないため、外挿線とした。いずれの原石においても、ｌｏｇηは温度の上昇とともにほぼ直線的に減少する傾向にある。いずれの原石においても高温粘性データから高耐熱性バサルト長繊維の製造に最適な溶融温度を選定することによって、切断することなく所望の繊維径を有するバサルト繊維が得られた。

次に（１）高温度用玄武岩石（Ａ）、（２）高温度用玄武岩石（Ａ）および低温度用玄武岩石（Ｂ）の混合原石から得られたバサルト繊維を８００℃、８５０℃、９００℃大気中にて５０〜２００時間加熱処理した後、Ｘ線粉末回折法により結晶相とガラス相の有無を検証した。結果を表３に示す。表中、
Ａ：ガラス相のみ
Ｂ：ガラス相多く、結晶相少ない
Ｃ：ガラス相少なく、結晶相多い
Ｄ：結晶相のみ
を表す。Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄの順で耐熱性に優れ、Ｂレベルであれば耐熱性に問題はない。

表３の結果より以下のことが分かった。
（１）高温度用玄武岩（Ａ）のみからなる原石を用いたバサルト繊維は８００〜９００℃×２００時間の熱処理後もガラス相が多く存在し、高耐熱性のバサルト繊維であることが分かった。
（２）高温度用玄武岩（Ａ）と低温度用玄武岩（Ｂ）の混合原石から得られたバサルト繊維は玄武岩（Ａ）８０ｗｔ％＋玄武岩（Ｂ）２０ｗｔ％、および玄武岩（Ａ）８５ｗｔ％＋玄武岩（Ｂ）１５ｗｔ％では８００〜９００℃×２００時間の熱処理後もガラス相が多く存在し、高耐熱性のバサルト繊維であることが分かった。

［実施例２］
乳鉢中で粉砕した低温度用玄武岩石（Ｂ）と各種酸化物をボールミルにより１２時間混合後、白金箔を内張りしたアルミナ坩堝中で１４３０℃で４時間加熱し、徐冷することによりガラス化した試料を作製した。それらを８００、８５０、９００℃で５０〜２００時間加熱処理した後、Ｘ線粉末回折法により結晶相とガラス相の有無を検証した。

結果を表４〜表９に示す。表３と同様に、表中、
Ａ：ガラス相のみ、
Ｂ：ガラス相多く、結晶相少ない、
Ｃ：ガラス相少なく、結晶相多い、
Ｄ：結晶相のみ、
を表す。Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄの順で耐熱性に優れ、Ｂレベルであれば耐熱性に問題はない。

表４〜表９の結果より、以下のことが分かった。
（１）ＴｉＯ_２の添加ではガラス化せず、また熱処理後の結晶化の抑制はできない。
（２）Ｎａ_２Ｏ（実験ではＮａ_２ＣＯ_３を添加）を添加しても熱処理後の結晶化の抑制はできない。
（３）ＳｉＯ_２の添加では結晶相は確認されるが、添加量が増加すると結晶相の生成を抑制できる。
（４）Ａｌ_２Ｏ_３の添加では添加量の増加に伴い結晶化の抑制効果は大きくなるが、過剰になるとガラス化が困難である。
（５）ＣａＯの添加では８００℃の熱処理では結晶化の抑制はできるが、８５０℃以上では、結晶化の進行が早い。
（６）ＭｇＯを添加しても結晶化の抑制はできず、更に添加量が過剰であるとガラス化も困難となる。

［実施例３］
クラッシャーにより解砕した低温度用玄武岩原石（Ｂ）と各種酸化物をメノウ乳鉢により混合後、白金箔を内張りしたアルミナ坩堝中で１４３０℃で４時間加熱し、徐冷することによりガラス化した試料を作製した。

次に、それら試料を８００℃、８５０℃、９００℃で５０〜２００時間熱処理した後、Ｘ線粉末回析法により結晶相とガラス相の有無を検証した。

結果を、表１０〜表１２に示す。表中、Ａ〜Ｄの結果は上記と同じであり、Ａ及びＢが耐熱性に優れ実用性を有することを示す。

表１０〜表１２の結果より、以下のことが分かった。
（１）ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３系を添加すると８００℃×２００時間の熱処理では完全に結晶化を抑制でき、さらに８５０℃×２００時間、９００℃×２００時間の熱処理でもガラス相が多量に残存し、結晶相の生成を抑制できる。
（２）ＳｉＯ_２／ＣａＯ系を添加すると８００℃×２００時間の熱処理では完全に結晶化を抑制できたが、８５０℃×２００時間、９００℃×２００時間の熱処理では結晶化の抑制はできない。
（３）ＳｉＯ_２／ＭｇＯ系を添加すると８００℃×２００時間の熱処理では結晶化を抑制できる傾向にあるが、８５０℃×２００時間、９００℃×２００時間の熱処理では結晶化の抑制はできない。
（４）Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＯ系を添加してもガラス化せず、結晶化の抑制はできない。
（５）Ａｌ_２Ｏ_３／ＣａＯ系を添加してもガラス化せず、結晶化の抑制はできない。

これより、バサルト原石の熱処理後の結晶化抑制、すなわち耐熱性向上の効果を示す２成分酸化物系は、
ＳｉＯ_２：２０ｗｔ％／Ａ１_２Ｏ_３：２０ｗｔ％＞ＳｉＯ_２／ＣａＯ系＞ＳｉＯ_２／ＭｇＯ系＞Ａｌ_２Ｏ_３：２０ｗｔ％／ＭｇＯ系＞Ａｌ_２Ｏ_３：２０ｗｔ％／ＣａＯ系の順であり、特にＳｉＯ_２：２０ｗｔ％／Ａ１_２Ｏ_３：２０ｗｔ％を添加するとバサルト繊維の耐熱性は現状の約７５０℃から８５０〜９００℃レベルまで大く向上することが明らかとなった。

［実施例４］
クラッシャーにより解砕した低温度用玄武岩（Ｂ）とＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯの３種の酸化物をメノウ乳鉢により混合後、白金箔を内張りしたアルミナ坩堝中で１４３０℃で４時間加熱し、徐冷することによりガラス化した試料を作製した。

結果を、表１３に示す。表中、Ａ〜Ｄの結果は上記と同じであり、Ａ及びＢが耐熱性に優れ実用性を有することを示す。

表１３の結果より、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＯの３種の酸化物を添加した全ての組成において、８００℃の熱処理では結晶化の抑制効果が認められたが、８５０℃以上の熱処理では結晶化の抑制効果が認められなかった。

［実施例５］
乳鉢中で粉砕した低温度用玄武岩（Ｂ）と高温度用玄武岩（Ａ）をボールミルにより１２時間混合後、白金箔を内張りしたアルミナ坩堝中で１４３０℃で４時間加熱し、徐冷することによりガラス化した試料を作製した。

結果を、表１４に示す。表中、Ａ〜Ｄの結果は上記と同じであり、Ａ及びＢが耐熱性に優れ実用性を有することを示す。

表１４の結果より、含有する元素量の異なる２種の玄武岩であるＳｉＯ_２含量が５７〜６１ｗｔ％前後の高温度用玄武岩原石（Ａ）、とＳｉＯ_２含量が５４〜５８ｗｔ％前後の低温度用玄武岩原石（Ｂ）を原料とすることにより、８００℃×２００時間、８５０℃×２００時間、９００℃×２００時間の熱処理でもガラス相が多量に残存し、結晶相の生成を抑制できることが分かった。

［実施例６］
クラッシャーにより解砕した高温度用玄武岩原石（Ａ）と酸化物としてＡｌ_２Ｏ_３をメノウ乳鉢により混合後、白金箔を内張りしたアルミナ坩堝中で１４３０℃で４時間加熱し、徐冷することによりガラス化した試料を作製した。

結果を、表１５に示す。表中、Ａ〜Ｄの結果は上記と同じであり、Ａ及びＢが耐熱性に優れ実用性を有することを示す。

表１５の結果より、高温度用玄武岩原石（Ａ）においても酸化物の添加により、８００℃×２００時間、８５０℃×２００時間、９００℃×２００時間の熱処理でもガラス相が多量に残存し、結晶相の生成を抑制できる添加量が存在することが分かった。

［実施例７］
図１に示す長繊維の製造装置を用い、玄武岩系の種々の原料を用いて長繊維を製造した。用いた玄武岩は、（１）高温度用玄武岩原石（Ａ）、（２）低温度用玄武岩原石（Ｂ）、（３）低温度用玄武岩原石（Ｂ）に１成分、２成分、３成分系酸化物を添加した玄武岩原料、（４）玄武岩（高温度用（Ａ））および玄武岩（中温度用（Ｂ））の混合玄武岩を原料、（５）高温度用玄武岩原石（Ａ）および低温度用玄武岩原石（Ｂ）の混合玄武岩に他の酸化物を添加した原料である。

これら原料をホッパーから投入し、ガス炉で所定温度に保持した炉内で溶融させる。玄武岩のサイズは数ｍｍ〜数十ｍｍあるいはμｍ〜数ｍｍのもので良い。原料の投入速度と白金ブッシュから繊維として取り出す量を一定にし、溶融物の液面を常に一定にする必要がある。断熱炉材は種々の組成のもので良い。ただし溶融物との反応や溶融物による腐食の少ない材料を用いることが必要である。混合原料を用いる場合はあらかじめ混合したもの、あるいは複数のホッパーを用いて所定組成になるよう分割投入しても構わない。

得られた繊維の外観、形態を観察したところ、合成ガラス繊維の白色に対して明らかに異なる茶色がかった長繊維であった。

［実施例：高耐熱性・高耐酸性バサルト繊維を消音材に用いたサブマフラー］
以下のサブマフラーの実施例において、高耐熱性および中耐熱性とはそれぞれ８００〜９００℃およびで７５０〜８００℃の温度で２００ｈｒ以上の高温に曝されても結晶化が少なく、固着現象も問題無いレベルのバサルト繊維を示す。高耐酸性とは７００〜９００℃の高温ガス中で前記した各種排気ガス中の有機酸、無機酸にさらされても腐食が問無いレベルのバサルト繊維を示す。

下記実施例８〜１２の構造を有するサブマフラーの製造方法を以下に示す。インレットパイプにアウトレットパイプを圧入し、その外周に各種構成からなる吸音材料を均一に巻きつける。一般に長繊維を幾重にも巻き付けるためインレット・アウトレットパイプの系方向に厚みばらつきの無いようにかつ巻き付時には所定のテンションを負荷することが望ましい。繊維状吸音材料が所定の厚さなった後、有機系のバインダを外周に塗布して吸音材料を固定する。次にセパレータとイン、アウト側のキャップをインレットパイプとアウトレットパイプに締結しその外周にアウトパイプをカシメ、溶接その他の方法にて締結しサブマフラーとする。

［実施例８：高耐熱性・高耐酸性の玄武岩長繊維を吸音材料としたサブマフラー］
図３に示すように、サブマフラーはインレットパイプ、アウトレットパイプ、セパレータ、キャップおよびアウトパイプから構成され、インレット／アウトレットパイプとアウトパイプの空間に各種組成の玄武岩繊維より高耐熱性かつ高耐酸性の玄武岩長繊維を吸音材料として巻きつけた構造を有する。本発明のサブマフラはガソリンエンジン、デーゼルエンジン、ＦＦＶ（ＦｌｅｘＦｕｅｌＶｅｈｉｃＩｃ：一例；ガソリン／エタノール車）用エンジン、ＨＶ用エンジン等に適用できる。さらに、本構造のサブマフラーは、図８に示されるような、ＳＵＳウールを備えた従来構造のサブマフラーからＳＵＳウールを廃止でき、その結果、製造工程の簡略化及び２０〜４０％の軽量化を達成できる。

［実施例９：２層構造の吸音材料を用いたサブマフラー］
サブマフラーの構造及び適用エンジンは、実施例８と同様であるが、図４に示すように、吸音材料として、内側に高耐熱性の玄武岩長繊維、その外側に低耐熱性の玄武岩長繊維の２層からなる玄武岩長繊維を用いたサブマフラーである。本構造では、内側は高コスト、外側には低コストの玄武岩長繊維を用いるため、実施例８と同様の軽量化、及びサブマフラーの低コスト化が可能となる。

［実施例１０：玄武岩長繊維と合成原料から得たガラス長繊維の２層構造の吸音材料を用いたサブマフラー］
サブマフラーの構造および適用エンジンは実施例８と同様であるが、図５に示すように、吸音材料として内側に高耐熱性・高耐酸性、その外側にＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ系、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ系を用いた合成原料から得たガラス長繊維を用いたサブマフラーである。本構造では内側は外側に低コストのガラス繊維を用いるため、実施例８の構造のサブマフラーと比較し、さらなる低コスト化が可能となる。

［実施例１１：異なる繊維径を有し、かつ玄武岩短繊維からなる吸音材料を用いたサブマフラー］
サブマフラーの構造および適用エンジンは実施例８と同様であるが、図６に示すように、吸音材料として繊維径が１〜５μｍ、５〜１０μｍ、１０〜２０μｍ、２０〜５０μｍの各範囲、あるいはこれらの複数の各範囲の繊維系を有する玄武岩長繊維あるいは前記繊維径を有し、かつ５〜１０００ｍｍ長のチョップド玄武岩長繊維を撒きつけた構造を有するサブマフラーである。玄武岩長繊維の製造工程では通常は長繊維であるが、製造時に、切断や又は繊維径の異なる玄武岩繊維が得られる。これらの繊維を吸音材として用いることによって製造時の歩留まりを１００％とすることができ、低コストが可能となる。

［実施例１２：３層構造の吸音材料を用いたサブマフラー］
サブマフラーの構造および適用エンジンは実施例８と同様であるが、図７に示すように、吸音材料として内側に高耐熱性、中間層に低耐熱性の玄武岩長繊維、そして外側にＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ系、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ系、ＳｉＯ_２−Ｋ_２Ｏ系を用いた合成原料から得たガラス長繊維の３層構造からなるサブマフラーである。本構造では３層構造となるため実施例９の構造のサブマフラーと比較し、さらなる低コスト化が可能となる。

本発明のサブマフラーは、吸音材として、高温度用のバサルト繊維を用いることにより、ＳＵＳ等の耐熱材が不要であり、各種腐食性ガス成分に曝されても、耐久性や吸音性能を維持することが可能である。同時に吸音材料およびサブマフラーの普遍の課題である低コスト化も実現した。

本発明のバサルト長繊維製造の各工程の概略を示す。本発明の方法にて得られた各種玄武岩原石の１４３０℃〜１６４０℃における高温粘度を示す。本発明の高温度用の玄武岩長繊維を吸音材料としたサブマフラーの断面図を示す。本発明の２層構造の吸音材料を用いたサブマフラーの断面図を示す。本発明の玄武岩長繊維と合成原料から得たガラス長繊維の２層構造の吸音材料を用いたサブマフラーの断面図を示す。本発明の異なる繊維径を有し、かつ玄武岩短繊維からなる吸音材料を用いたサブマフラーの断面図を示す。本発明の３層構造の吸音材料を用いたサブマフラーの断面図を示す。従来のＳＵＳを用いたサブマフラーの断面図を示す。

Claims

内側に穴明き排気管が配置され、該穴明き排気管の外側にキャップ及びアウトパイプが配置され、該穴明き排気管とキャップ及びアウトパイプとの間に吸音材が充填されたサブマフラーであって、
前記吸音材の内、少なくとも該穴明き排気管側の該吸音材が高温度用のバサルト繊維であり、
前記穴明き排気管とキャップ及びアウトパイプとの間に充填された吸音材が２層構造であり、
前記穴明き排気管側の該吸音材が高温度用のバサルト繊維層であり、
前記キャップ及びアウトパイプ側の該吸音材が低温度用のバサルト繊維層であり、
前記高温度用のバサルト繊維は、ＳｉＯ_２：５５．９〜６１．１、ＦｅＯ＋Ｆｅ_２Ｏ_３：８．１０〜９．３９、Ａ１_２Ｏ_３：１６．２〜１８．６、ＣａＯ：５．６４〜６．５４、Ｎａ_２Ｏ：２．９４〜３．１７、Ｋ_２Ｏ：１．９２〜２．０５、ＭｇＯ：０．３１〜２．５７、ＴｉＯ_２：０．８１〜０．９２、ＭｎＯ：０．１５〜０．２２、Ｐ_２Ｏ_５：０．２０〜０．２３、ＺｒＯ_２：０．０３〜０．０３、ＢａＯ：０．０５〜０．０５、ＳｒＯ：０．０３〜０．０４、Ｂ_２Ｏ_３：０．１１〜０．２２、Ｃｒ_２Ｏ_３：０．０１〜０．０３及びＳＯ：０．０１〜０．０２ｗｔ％から成り、且つ
前記低温度用のバサルト繊維は、ＳｉＯ_２：５４．１〜５８．１、ＦｅＯ＋Ｆｅ_２Ｏ_３：８．２３〜９．５３、Ａ１_２Ｏ_３：１５．０〜１８．０、ＣａＯ：７．６８〜８．６８、Ｎａ_２Ｏ：２．３５〜２．７５、Ｋ_２Ｏ：１．５４〜１．６９、ＭｇＯ：１．５５〜４．７５、ＴｉＯ_２：０．８９〜１．０４、ＭｎＯ：０．１５〜０．２２、Ｐ_２Ｏ_５：０．１４〜０．２２、ＺｒＯ_２：０．０３〜０．０３、ＢａＯ：０．０３〜０．０５、ＳｒＯ：０．０３〜０．０５、Ｂ_２Ｏ_３：０．０５〜０．１５、Ｃｒ_２Ｏ_３：０．０１〜０．０３及びＳＯ：０．０１〜０．０２ｗｔ％から成る、
前記サブマフラー。
前記高温度用のバサルト繊維がバサルト長繊維であることを特徴とする、請求項１に記載のサブマフラー。
前記高温度用のバサルト繊維が、繊維径の異なるバサルト短繊維であることを特徴とする、請求項１に記載のサブマフラー。
前記高温度用のバサルト繊維が、織成されて巻設されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のサブマフラー。
前記高温度用のバサルト繊維が、織成されずに巻設されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のサブマフラー。
前記高温度用のバサルト繊維が、ＳｉＯ_２含有量が５４．１〜５８．１ｗｔ％の玄武岩原石にＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣａＯ及びＭｇＯから選択される酸化物の１種以上を添加したものであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のサブマフラー。
前記高温度用のバサルト繊維が、
（１）ＳｉＯ_２含有量が５５．９〜６１．１ｗｔ％の玄武岩原石の原料を用いたもので、該玄武岩原料の粘度をηとするとｌｏｇηが１４４０℃において、２．７５〜２．８５、且つ１５４０℃において、２．３０〜２．４０までほぼ直線的に変化する原料を用いて繊維化されたもの、又は
（２）ＳｉＯ_２含有量が５５．９〜６１．１ｗｔ％の玄武岩原石とＳｉＯ_２含有量が５４．１〜５８．１ｗｔ％の玄武岩原石の混合物から選択される玄武岩原料を用いたもので、該玄武岩原料の粘度をηとするとｌｏｇηが１４４０℃において、２．５５〜２．７５、且つ１５４０℃において、２．１０〜２．３５までほぼ直線的に変化する原料を用いて繊維化されたもの、
であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のサブマフラー。
前記玄武岩原石の溶融物の粘度をηとするとｌｏｇηが１４４０℃において、２．４〜２．７５、且つ１５４０℃において、２．０〜２．５までほぼ直線的に変化することを特徴とする、請求項６に記載のサブマフラー。
前記酸化物の添加が１成分であり、その添加量が、前記玄武岩原石１００ｗｔ％に対して外添加で１〜４０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項６又は８に記載のサブマフラー。
前記酸化物が２成分であり、その添加量の合計が、前記玄武岩原石１００ｗｔ％に対して外添加で１〜７０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項６又は８に記載のサブマフラー。
前記酸化物が３成分以上であり、その添加量の合計が、前記玄武岩原石１００ｗｔ％に対して外添加で１〜６０ｗｔ％であることを特徴とする、請求項６又は８に記載のサブマフラー。
前記穴明き排気管が、インレットパイプとアウトレットパイプを相互に圧入して構成されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のサブマフラー。
インレットパイプとアウトレットパイプを相互に圧入して構成される前記穴明き排気管と、前記キャップとアウトパイプとから成る空間が、セパレータでインレットパイプ部とアウトレットパイプ部に分離されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のサブマフラー。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のサブマフラーを備えた自動車。