JP6059447B2 - 気体処理装置用保持材、気体処理装置及びこれらに関する方法 - Google Patents

気体処理装置用保持材、気体処理装置及びこれらに関する方法 Download PDF

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Description

本発明は、気体処理装置用保持材、気体処理装置及びこれらに関する方法に関し、特に、保持材とケーシングとの摩擦抵抗の制御に関する。
自動車等の車両には、ガソリンエンジンの排気ガスに含まれる一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等の有害物質を除去するための触媒コンバータや、ディールエンジンの排気ガスに含まれる粒子を除去するためのDPF(Diesel particulate filter)といった気体処理装置が備えられる。例えば、触媒コンバータとしては、筒状の触媒担体と、当該触媒担体を収容する筒状の金属製ケーシングと、当該触媒担体と当該ケーシングとの間に配置されるマット状の無機繊維製保持材と、を備えたものがある。この保持材に求められる機能の一つは、ケーシングからの触媒担体の脱離を防止することである。
そこで、従来、例えば、特許文献1において、保持材を構成するセラミック繊維の外表面に無機粒子を付着固定することにより、凹凸構造を形成して、当該セラミック繊維の摩擦抵抗を増大させることが提案されている。
特開2011−231774号公報
しかしながら、上記従来技術においては、例えば、セラミックス繊維の外表面に無機粒子を付着固定するために加熱焼成という操作が必要であること、当該無機粒子は保持材をケーシングに挿入する際(キャニング時)の摩擦抵抗も増大させてしまうこと、触媒コンバータの使用中に振動等により当該無機粒子が脱離する可能性があること、脱離した無機粒子によって保持材とケーシングとの摩擦抵抗が却って低減され得ること、及び当該無機粒子が保持材の内部に埋没して効果が得られなくなる場合があること等の問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであって、保持材とケーシングとの摩擦抵抗の適切な制御を実現する気体処理装置用保持材、気体処理装置及びこれらに関する方法を提供することをその目的の一つとする。
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る気体処理方法は、処理構造体と、前記処理構造体を収容する金属製のケーシングと、前記処理構造体と前記ケーシングとの間に配置される無機繊維製の保持材と、を備えた気体処理装置を使用して気体を処理する方法であって、前記保持材と前記ケーシングとの間に、有機高分子を、前記気体の処理中に前記保持材の外表面及び前記ケーシングの内表面と接するように配置し、前記ケーシングの温度が、前記有機高分子の軟化温度以上、前記有機高分子の分解温度未満である条件で、前記気体を処理することを特徴とする。本発明によれば、保持材とケーシングとの摩擦抵抗の適切な制御を実現する気体処理方法を提供することができる。
また、前記気体処理方法においては、前記気体の処理中における前記ケーシングの温度は、60℃以上、500℃以下であることとしてもよい。また、前記気体処理方法においては、前記ケーシングを冷却することにより、前記ケーシングの温度が、前記有機高分子の軟化温度以上、前記有機高分子の分解温度未満に調節された前記条件で、前記気体を処理することとしてもよい。
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る気体処理装置用保持材は、処理構造体と、前記処理構造体を収容する金属製のケーシングとを備えた気体処理装置において、前記処理構造体と前記ケーシングとの間に配置される無機繊維製の保持材であって、その外表面に、前記気体処理装置を使用した気体の処理中の前記ケーシングの温度以下の軟化温度と、前記気体の処理中の前記ケーシングの温度より高い分解温度とを有する有機高分子が、前記気体の処理中に前記ケーシングの内表面と接するように配置されていることを特徴とする。本発明によれば、気体処理装置においてケーシングとの摩擦抵抗の適切な制御を実現する気体処理装置用保持材を提供することができる。
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る気体処理装置は、処理構造体と、前記処理構造体を収容する金属製のケーシングと、前記処理構造体と前記ケーシングとの間に配置される無機繊維製の保持材とを備えた気体処理装置であって、前記保持材と前記ケーシングとの間に、前記気体処理装置を使用した気体の処理中の前記ケーシングの温度以下の軟化温度と、前記気体の処理中の前記ケーシングの温度より高い分解温度とを有する有機高分子が、前記気体の処理中に前記保持材の外表面及び前記ケーシングの内表面と接するように配置されていることを特徴とする。本発明によれば、保持材とケーシングとの摩擦抵抗の適切な制御を実現する気体処理装置を提供することができる。
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る気体処理装置用保持材の製造方法は、処理構造体と、前記処理構造体を収容する金属製のケーシングとを備えた気体処理装置において、前記処理構造体と前記ケーシングとの間に配置される無機繊維製の保持材を製造する方法であって、前記保持材の外表面に、前記気体処理装置を使用した気体の処理中の前記ケーシングの温度以下の軟化温度と、前記気体の処理中の前記ケーシングの温度より高い分解温度とを有する有機高分子を、前記気体の処理中に前記ケーシングの内表面と接するように配置することを特徴とする。本発明によれば、気体処理装置においてケーシングとの摩擦抵抗の適切な制御を実現する気体処理装置用保持材を製造する方法を提供することができる。
また、前記保持材の製造方法は、前記気体の処理中の前記ケーシングの温度を決定すること、決定された前記ケーシングの温度以下の軟化温度と、決定された前記ケーシングの温度より高い分解温度とを有する前記有機高分子を選択すること、及び選択された前記有機高分子を、前記気体の処理中に前記ケーシングの内表面と接するように、前記保持材の外表面に配置することを含むこととしてもよい。
上記課題を解決するための本発明の一実施形態に係る気体処理装置の製造方法は、処理構造体と、前記処理構造体を収容する金属製のケーシングと、前記処理構造体と前記ケーシングとの間に配置される無機繊維製の保持材とを備えた気体処理装置の製造方法であって、前記保持材と前記ケーシングとの間に、前記気体処理装置を使用した気体の処理中の前記ケーシングの温度以下の軟化温度と、前記気体の処理中の前記ケーシングの温度より高い分解温度とを有する有機高分子を、前記気体の処理中に前記保持材の外表面及び前記ケーシングの内表面と接するように配置することを特徴とする。本発明によれば、保持材とケーシングとの摩擦抵抗の適切な制御を実現する気体処理装置を製造する方法を提供することができる。
また、前記気体処理装置の製造方法は、前記気体の処理中の前記ケーシングの温度を決定すること、決定された前記ケーシングの温度以下の軟化温度と、決定された前記ケーシングの温度より高い分解温度とを有する前記有機高分子を選択すること、及び選択された前記有機高分子を、前記気体の処理中に前記保持材の外表面及び前記ケーシングの内表面と接するように、前記保持材と前記ケーシングとの間に配置することを含むこととしてもよい。
本発明によれば、保持材とケーシングとの摩擦抵抗の適切な制御を実現する気体処理装置用保持材、気体処理装置及びこれらに関する方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る気体処理装置の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る気体処理装置を長手方向に切断した断面の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る気体処理装置を長手方向に直交する方向に切断した断面の一例を示す説明図である。 図3に示す一点鎖線IVで囲まれた気体処理装置の一部を拡大して示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る保持材の一例を平面視で示す説明図である。 図5に示すVI−VI線で切断した保持材の断面の一例を示す説明図である。 図5に示すVI−VI線で切断した保持材の断面の他の例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る実施例において使用した試験装置の概要を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る実施例において処理構造体のケーシングからの押出荷重を測定した結果の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る実施例において処理構造体のケーシングからの押出荷重を測定した結果の他の例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る実施例において処理構造体のケーシングからの押出荷重を測定した結果のさらに他の例を示す説明図である。
以下に、本発明の一実施形態について説明する。なお、本発明は、本実施形態に限られるものではない。
まず、本実施形態の概要について説明する。図1は、本実施形態に係る気体処理装置1の一例を示す説明図である。図1に示すように、気体処理装置1は、処理構造体20と、当該処理構造体20を収容する金属製のケーシング30と、当該処理構造体20と当該ケーシング30との間に配置される無機繊維製の保持材10とを備えている。なお、図1においては、説明の便宜のため、ケーシング30の一部を省略して、当該ケーシング30に収容されている処理構造体20及び保持材10を露出させて示している。
図2は、気体処理装置1を長手方向(図1及び図2に示す矢印Xの指す方向)に切断した断面の一例を示す説明図である。なお、図1及び図2において矢印Xは、気体処理装置1内を、処理の対象とする気体が流通する方向を示す。図3は、気体処理装置1を長手方向に直交する方向に切断した断面の一例を示す説明図である。図4は、図3に示す一点鎖線IVで囲まれた気体処理装置1の一部を拡大して示す説明図である。図5は、本実施形態に係る気体処理装置用保持材10の一例を平面視で示す説明図である。図6は、図5に示すVI−VI線で切断した保持材10の断面の一例を示す説明図である。図7は、図5に示すVI−VI線で切断した保持材10の断面の他の例を示す説明図である。
気体処理装置1は、気体の浄化等、気体を処理するために使用される。すなわち、気体処理装置1は、例えば、気体に含まれる有害物質及び/又は粒子を除去するために使用される。具体的に、気体処理装置1は、例えば、排気ガスを浄化する排気ガス処理装置である。この場合、気体処理装置1は、例えば、内燃機関(ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等)から排出される排気ガスに含まれる有害物質及び/又は粒子を除去するために、自動車等の車両に設けられる。
すなわち、気体処理装置1は、例えば、自動車等の車両において排気ガスに含まれる有害物質を除去するために使用される触媒コンバータである。また、気体処理装置1は、例えば、ディールエンジンの排気ガスに含まれる粒子を除去するために使用されるDPFである。
処理構造体20は、気体を処理する機能を有する構造体である。すなわち、気体処理装置1が触媒コンバータである場合、処理構造体20は、気体を浄化するための触媒と、当該触媒を担持する担体とを有する触媒担持体である。触媒は、例えば、排気ガス等の気体に含まれる有害物質(一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等)を除去するための触媒である。より具体的に、触媒は、例えば、貴金属触媒(例えば、白金触媒)等の金属触媒である。触媒を担持する担体は、例えば、無機材料(例えば、コージェライト等のセラミックス)製の筒状成形体(例えば、円筒状のハニカム状成形体)である。
また、気体処理装置1が、DPF等の気体に含まれる粒子を除去するための装置である場合には、処理構造体20は、当該気体中の当該粒子を捕捉する多孔質体(例えば、フィルター)を有する構造体である。この場合、処理構造体20は、触媒をさらに含むこととしてもよいし、触媒を含まないこととしてもよい。
ケーシング30は、内部に処理構造体20を収容可能な空間が形成された金属製の筒状体である。ケーシング30を構成する金属は、特に限られないが、例えば、ステンレス、鉄及びアルミニウムからなる群より選択されることとしてもよい。
ケーシング30は、例えば、気体処理装置1の長手方向(図1及び図2に示す矢印Xの指す方向)に沿って2つに分割可能な筒状体であることとしてもよく、分割されない一体型の筒状体であることとしてもよい。本実施形態で示す例において、ケーシング30は、一体型の筒状体である。
保持材10は、処理構造体20をケーシング30内に保持するために使用される。すなわち、保持材10は、ケーシング30と処理構造体20との間隙に圧入されることにより、当該処理構造体20を当該ケーシング30内に安定して保持する。
保持材10には、例えば、気体処理装置1において振動等により処理構造体20がケーシング30に衝突して破損することを回避するよう当該処理構造体20を安全に保持する機能と、未だ浄化されていない気体が当該処理構造体20とケーシング30との間隙から下流側に漏出しないよう当該間隙を封止する機能と、を兼ね備えることが要求される。また、気体処理装置1内に排気ガス等の高温(例えば、200〜900℃)の気体が流通する場合、保持材10には、耐熱性及び断熱性を備えることが要求される。
このため、保持材10は、無機繊維製の成形体である。すなわち、保持材10は、無機繊維を主成分として含む。具体的に、保持材10は、例えば、無機繊維を90質量%以上含む。
保持材10を構成する無機繊維は、気体処理装置1の使用において劣化しない又は劣化しにくい無機繊維であれば特に限られないが、例えば、アルミナ繊維、ムライト繊維、アルミノシリケート繊維、シリカ繊維、溶解性無機繊維、ガラス繊維及びロックウールからなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。
無機繊維の平均繊維径は、例えば、2〜13μmであることが好ましい。保持材10は、無機繊維に加えて、バインダー(有機バインダー及び/又は無機バインダー)を含むこととしてもよく、バインダー及び/又は充填材を含むこととしてもよい。
保持材10の形状は、処理構造体20をケーシング30内に保持できれば特に限られない。すなわち、保持材10は、例えば、板状体(フィルム、シート、ブランケット、マット等)であることとしてもよく、筒状体であることとしてもよい。
なお、板状の保持材10の一方端と他方端とは嵌合可能な対応する形状に形成されることとしてもよい。すなわち、図5に示す例において、保持材10の一方端及び他方端は、対応する凸状及び凹状にそれぞれ形成されている。そして、図1に示すように、処理構造体20の外周に配置された保持材10の一方端と他方端とは嵌合される。
保持材10の嵩密度は、当該保持材10が処理構造体20とケーシング30との間に圧入された状態で所望の範囲となるように適宜設定されればよく、特に限られない。すなわち、保持材10の嵩密度は、例えば、処理構造体20とケーシング30との隙間(ギャップ)の大きさに応じて適宜設定される。具体的に、保持材10の嵩密度は、例えば、0.15〜0.7g/cmであることとしてもよい。
保持材10を構成する無機繊維製の成形体を製造する方法は、特に限られず、湿式法及び乾式法のいずれを使用することもできる。すなわち、この成形体は、例えば、脱水成形により製造される。この場合、まず、所定の形状を有する脱水成形用型内に、保持材10を構成するための無機繊維と、有機バインダー(例えば、ゴム、水溶性有機高分子化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等)とを含む水性スラリーを流し込む。そして、脱水成形を行うことにより、型の形状に対応する形状の無機繊維製の成形体(湿式成形体)が得られる。さらに、この湿式成形体を、その嵩密度及び/又は坪量等の特性が所望の範囲となるように圧縮し、乾燥することにより、最終的に無機繊維製の成形体が得られる。
そして、この無機繊維製の成形体をそのまま保持材10として使用することとしてもよい。また、図7に示すように、上述のようにして製造された無機繊維製の成形体を基部材10aとして使用し、当該基部材10aに繊維シート10bを積層することにより保持材10を製造することとしてもよい。
繊維シート10bは、有機繊維及び/又は無機繊維から構成される織布又は不織布であり、好ましくは有機繊維から構成される織布又は不織布である。繊維シート10bを構成する有機繊維が、後述する有機高分子の繊維である場合には、保持材10及び/又は気体処理装置1において、当該有機高分子を当該繊維シート10bとして配置することとしてもよい。
繊維シート10bの厚さは特に限られないが、例えば、ケーシング30に挿入される前の保持材10において、10μm〜1mmであることとしてもよく、及び/又はケーシング30に挿入された後において1〜100μmであることとしてもよい。保持材10が繊維シート10bを有することにより、当該保持材10及び処理構造体20のケーシング30への挿入(キャニング)を滑らかに行うこともできる
また、保持材10を構成する無機繊維製の成形体は、例えば、集綿された無機繊維をニードル加工する乾式法により製造されることとしてもよい。すなわち、この場合、無機繊維製の成形体は、例えば、いわゆるブランケット、ニードルマット又は縫製マットとして製造される。そして、この無機繊維製の成形体をそのまま保持材10として使用することとしてもよい。
なお、乾式法においては、有機バインダー等の有機成分の使用は必須ではない。このため、乾式法により製造された無機繊維製の成形体における有機成分の含有量は、湿式法により製造されたものに比べて少なく、例えば、0〜1.5重量%であることとしてもよく、0〜1.0重量%であることとしてもよい。一方、湿式法により製造された無機繊維製の成形体における有機成分の含有量は、例えば、1.5〜20重量%であることとしてもよく、1.5〜9重量%であることとしてもよく、1.5〜6重量%であることとしてもよい。
気体処理装置1は、処理構造体20及び保持材10をケーシング30内に配置することにより組み立てられる。すなわち、例えば、まず、処理構造体20の外周に保持材10を配置して、当該処理構造体20及び保持材10を含む組立体を作製する。具体的に、保持材10が板状である場合には、当該保持材10を処理構造体20の外周に巻き付けることにより、組立体を作製する。また、保持材10が筒状である場合には、当該保持材10の内空に処理構造体20を挿入することにより、組立体を作製する。
次いで、この組立体をケーシング30内に配置する。すなわち、ケーシング30が、分割可能でない一体型である場合には、当該ケーシング30の長手方向の一方端の開口部分から、当該ケーシング30内に組立体を圧入する(いわゆるスタッフィング方式)。一方、ケーシング30が分割可能である場合、分割された当該ケーシング30の一部と他の一部とで組立体を挟み込み、次いで、当該ケーシング30を一体化する(いわゆるクラムシェル方式)。この一体化は、例えば、ボルト及びナット等の締付け部材の使用及び/又は溶接により行われる。
そして、本実施形態に係る気体処理方法においては、上述したような気体処理装置1を使用して、気体を処理する。すなわち、処理の対象となる気体を、気体処理装置1の処理構造体20の内部に流通させることにより、当該気体を処理する。
より具体的に、図1及び図2に示す気体処理装置1においては、矢印Xで示す方向に、排気ガス等の気体がケーシング30の一方端から流入し、当該気体は処理構造体20の内部を流通する間に浄化され、浄化された気体は当該ケーシング30の他方端から当該気体処理装置1外に流出する。
なお、自動車等の車両に配置された気体処理装置1の一方端及び他方端には、排気ガス等の気体を上流側から当該気体処理装置1に導く配管、及び浄化された気体を当該気体処理装置1から下流側に導く配管がそれぞれ接続される。
次に、本実施形態の詳細について説明する。本実施形態に係る気体処理方法は、処理構造体20とケーシング30と保持材10とを備えた気体処理装置1を使用して気体を処理する方法であって、当該保持材10と当該ケーシング30との間に、有機高分子40を、当該気体の処理中に当該保持材10の外表面11及び当該ケーシング30の内表面31と接するように配置し、当該ケーシング30の温度が、当該有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満である条件で、当該気体を処理する方法である。
すなわち、本発明の発明者らは、気体処理装置1において保持材10とケーシング30との摩擦抵抗を適切に制御するための技術的手段について鋭意検討を重ねた結果、当該保持材10と当該ケーシング30との間に有機高分子40を配置し、且つ当該ケーシング30の温度を、当該有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満に調節することにより、当該有機高分子40を分解することなく軟化させ、当該保持材10の外表面11及び当該ケーシング30の内表面31に接着させることにより、当該保持材10と当該ケーシング30との摩擦抵抗を効果的に増大でき、その結果、当該気体処理装置1における保持力を効果的に増大できることを独自に見出し、本発明を完成するに至った。
有機高分子40は、その軟化温度以上、分解温度未満の温度に加熱されることで軟化して、保持材10の外表面11及びケーシング30の内表面に接着するものであれば特に限られない。すなわち、例えば、気体処理装置1を使用した気体の処理中におけるケーシング30の温度がわかっている場合には、当該ケーシング30の温度以下の軟化温度と、当該ケーシング30の温度より高い分解温度とを有する有機高分子40を適宜選択して使用することができる。
有機高分子40の軟化温度は、気体の処理中におけるケーシング30の温度以下であれば特に限られず、例えば、100℃以下であることとしてもよい。有機高分子40の軟化温度の下限値は特に限られないが、当該軟化温度は、例えば、60℃以上であることとしてもよい。なお、有機高分子40の軟化温度は、例えば、JIS K7206に準拠した方法により測定されるビカット軟化温度である。
有機高分子40の分解温度は、気体の処理中におけるケーシング30の温度未満であれば特に限られず、例えば、200℃以上であることとしてもよく、250℃以上であることとしてもよく、300℃以上であることとしてもよく、350℃以上であることとしてもよく、400℃以上であることとしてもよく、450℃以上であることとしてもよい。有機高分子40の分解温度の上限値は特に限られないが、当該分解温度は、例えば、600℃以下であることとしてもよく、500℃以下であることとしてもよく、450℃以下であることとしてもよい。
上述した有機高分子の分解温度の上限値と下限値とは任意に組み合わせることができる。すなわち、有機高分子40の分解温度は、例えば、200℃以上、600℃以下であることとしてもよく、200℃以上、500℃以下であることとしてもよく、200℃以上、450℃以下であることとしてもよく、200℃以上、400℃以下であることとしてもよい。また、有機高分子40の分解温度は、例えば、400℃以上、600℃以下であることとしてもよく、450℃以上、600℃以下であることとしてもよい。
有機高分子40の分解温度は、例えば、気体の処理中におけるケーシング30の温度より20℃以上高いこととしてもよく、30℃以上高いこととしてもよく、40℃以上高いこととしてもよい。また、有機高分子40の分解温度は、その軟化温度より50℃以上高いこととしてもよく、100℃以上高いこととしてもよく、150℃以上高いこととしてもよい。なお、有機高分子40の分解温度は、例えば、所定量の有機高分子40を加熱する温度を上昇させた場合に、熱分解によって当該有機高分子40の重量の減少が始まる温度として決定される。
有機高分子40としては、例えば、熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を使用することとしてもよい。熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂は、その軟化温度以上、分解温度未満の温度で加熱されることにより、保持材10及びケーシング30に接着して当該保持材10と当該ケーシング30との摩擦抵抗を増大させ、その結果、気体処理装置1における保持力を効果的に増大させると考えられる。
熱可塑性樹脂は、例えば、ポリオレフィン系樹脂(例えば、ポリエチレン及び/又はポリプロピレン)、ポリビニル系樹脂(例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール及びアクリル樹脂からなる群より選択される1種以上)、ポリエステル系樹脂(例えば、ポリエチレンテレフタレート及び/又はポリカーボネート)、ポリエーテル系樹脂(例えば、ポリアセタール)、ポリアミド系樹脂(例えば、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン12及びナイロン612からなる群より選択される1種以上)及びフッ素系樹脂(例えば、PTFE、ETFE、FEP、PFA及びPVDFからなる群より選択される1種以上)からなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。熱硬化性樹脂は、例えば、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂及び尿素樹脂からなる群より選択される1種以上であることとしてもよい。
気体処理中のケーシング30の温度は、有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満であれば特に限られない。すなわち、ケーシング30の温度は、例えば、有機高分子40の分解温度より20℃以上低いこととしてもよく、30℃以上低いこととしてもよく、40℃以上低いこととしてもよい。
また、ケーシング30の温度は、例えば、気体の処理中における処理構造体20の外表面21の温度より200℃以上低いこととしてもよく、250℃以上低いこととしてもよく、300℃以上低いこととしてもよく、350℃以上低いこととしてもよく、400℃以上低いこととしてもよい。
また、ケーシング30の温度は、例えば、60℃以上、500℃以下であることとしてもよい。また、ケーシング30の温度は、比較的低い温度であることとしてもよい。すなわち、ケーシング30の温度は、例えば、60℃以上、480℃以下であることとしてもよく、60℃以上、450℃以下であることとしてもよく、60℃以上、400℃以下であることとしてもよく、60℃以上、350℃以下であることとしてもよく、60℃以上、300℃以下であることとしてもよい。
また、ケーシング30を冷却することにより、当該ケーシング30の温度が、有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満に調節された条件で、気体を処理することとしてもよい。すなわち、この場合、例えば、ケーシング30を冷却することにより、当該ケーシング30の温度が、有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満である、上述した温度範囲のいずれかに調節された条件で、気体を処理する。
気体の処理中にケーシング30を冷却することにより、当該冷却を行わない場合に比べて、当該ケーシング30の温度を効果的に低下させることができる。すなわち、ケーシング30を冷却することにより、例えば、当該ケーシング30の温度を、処理構造体20の外表面21の温度より400℃以上低く調節することができる。
ケーシング30の冷却は、例えば、当該ケーシング30の外表面32の周囲に強制対流を形成することにより行うこととしてもよい。すなわち、例えば、ケーシング30の温度より低い温度の気体又は液体を、当該ケーシング30と当該気体又は液体との間で熱交換が行われるように、当該ケーシング30の外表面32の周囲に流通させることにより、当該ケーシング30を冷却する。
気体又は液体を流通させる方法は、ケーシング30が冷却されれば特に限られないが、例えば、ファンやポンプ等の冷却装置の使用や、気体処理装置1を設置した車両の走行に伴い発生する風の利用が挙げられる。具体的に、冷却装置によりケーシング30を冷却する場合としては、例えば、空冷式及び/又は水冷式の内燃機関に気体処理装置1を設置して使用する場合が考えられる。
また、気体処理中のケーシング30の温度を有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満に調節する方法は、上述の例に限られず、例えば、保持材10の外表面11からケーシング30の内表面31までの距離(ギャップ)を増加させる方法や、ケーシング30を当該ケーシング30からの放熱が促進される形状に形成する方法が挙げられる。
なお、気体処理中のケーシング30の温度は、当該ケーシング30の内表面31の温度であることとしてもよく、当該ケーシング30の外表面32の温度であることとしてもよい。ケーシング30は金属製であるため、内表面31の温度は外表面32の温度に近くなるが、当該ケーシング30の温度は、有機高分子40と接触する当該内表面31の温度で規定することが好ましい。また、気体処理中は、保持材10の外表面11もまた、上述したケーシング30と同様、有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満であることが好ましい。
気体の処理中において、処理構造体20の外表面21の温度は、ケーシング30の温度より高い。これは、処理構造体20の内部を流通する排気ガス等の気体の温度が、ケーシング30の温度より高いためである。
気体の処理中における処理構造体20の外表面21の温度は、特に限られないが、例えば、有機高分子40の分解温度以上であることとしてもよい。この場合、処理構造体20の内部を流通する気体の温度(例えば、処理構造体20への流入時の気体の温度)もまた、有機高分子40の分解温度以上である。
処理構造体20の外表面21の温度は、例えば、有機高分子40の分解温度より100℃以上高いこととしてもよく、150℃以上高いこととしてもよく、200℃以上高いこととしてもよい。これらの場合、処理構造体20の内部を流通する気体の温度もまた、有機高分子40の分解温度より100℃以上、150℃以上又は200℃以上高い。
また、処理構造体20の外表面21の温度は、例えば、300℃以上であることとしてもよく、400℃以上であることとしてもよく、500℃以上であることとしてもよく、550℃以上であることとしてもよく、600℃以上であることとしてもよく、650℃以上であることとしてもよく、700℃以上であることとしてもよい。これらの場合、処理構造体20の内部を流通する気体の温度もまた、300℃以上、400℃以上、500℃以上、550℃以上、600℃以上、650℃以上又は700℃以上である。
ここで、上述のようにケーシング30を冷却する場合には、例えば、処理構造体20の外表面21の温度が比較的高い場合(600℃以上、650℃以上又は700℃以上)であっても、当該ケーシング30の温度を、当該処理構造体20の外表面21の温度より400℃以上低く調節することもできる。なお、気体の処理中における処理構造体20の外表面21の温度の上限値は、特に限られないが、当該温度は、例えば、1000℃以下であることとしてもよく、900℃以下であることとしてもよい。
本実施形態に係る気体処理方法においては、気体の処理中において、ケーシング30の温度と、有機高分子40の軟化温度と、当該有機高分子40の分解温度とを上述したような関係に維持することにより、保持材10と当該ケーシング30との摩擦抵抗を効果的に増大させ、当該ケーシング30からの処理構造体20の脱落を効果的に防止することができる。
すなわち、この気体処理方法においては、有機高分子40と接するケーシング30の温度が、当該有機高分子40の軟化温度以上、当該有機高分子40の分解温度未満であるため、軟化した当該有機高分子40が、分解することなく、保持材10の外表面11及び当該ケーシング30の内表面31に効果的に接着することにより、当該保持材10と当該ケーシング30との摩擦抵抗を効果的に増大させることができる。
ここで、気体処理装置1においては、保持材10による径方向の押圧力と、当該保持材10と当該ケーシング30との摩擦抵抗とを合わせた力が大きいほど、処理構造体20のケーシング30からの脱落を効果的に防止できる。
この点、本発明においては、上述のとおり、保持材10とケーシング30との摩擦抵抗を効果的に増大させることができるため、当該保持材10による径方向の押圧力を低減しても、処理構造体20の当該ケーシング30からの脱落を十分に防止できることとなる。
保持材10による径方向の押圧力は、当該保持材10の嵩密度が増大するほど大きくなるため、本発明においては、例えば、従来に比べて、当該保持材10の嵩密度を低減することができる。したがって、保持材10を軽量化することができ、当該保持材10を構成する材料(例えば、無機繊維及び/又はバインダー)の量を低減することもできる。
本実施形態に係る気体処理装置1は、このような気体処理方法において使用される。すなわち、気体処理装置1は、処理構造体20と、ケーシング30と、保持材10とを備え、当該保持材10と当該ケーシング30との間に、当該気体処理装置1を使用した気体の処理中の当該ケーシング30の温度以下の軟化温度と、当該気体の処理中の当該ケーシング30の温度より高い分解温度とを有する有機高分子40が、当該気体の処理中に当該保持材10の外表面11及び当該ケーシング30の内表面31と接するように配置されている。
気体処理装置1における有機高分子40の配置は、当該気体処理装置1を使用した気体の処理中に、当該有機高分子40が保持材10の外表面11及びケーシング30の内表面31と接すれば、特に限られない。
すなわち、例えば、保持材10及び処理構造体20をケーシング30に挿入する前に、当該保持材10の外表面11及び/又はケーシング30の内表面31に有機高分子40を配置しておき、次いで、当該ケーシング30に、当該保持材10及び処理構造体20を挿入することとしてもよい。
また、本実施形態に係る保持材10は、このような気体処理装置1に使用される。すなわち、保持材10は、処理構造体20とケーシング30とを備えた気体処理装置1において、当該処理構造体20と当該ケーシング30との間に配置される無機繊維製の保持材10であって、その外表面11に、当該気体処理装置1を使用した気体の処理中の当該ケーシング30の温度以下の軟化温度と、当該気体の処理中の当該ケーシング30の温度より高い分解温度とを有する有機高分子40が、当該気体の処理中に当該ケーシング30の内表面と接するように配置されている。
保持材10における有機高分子40の配置は、気体処理装置1を使用した気体の処理中に、当該有機高分子40が当該保持材10の外表面11及びケーシング30の内表面31と接すれば、特に限られない。すなわち、例えば、有機高分子40は、保持材10の外表面11の全体に配置することとしてもよく、当該外表面11の一部に配置することとしてもよい。
具体的に、例えば、有機高分子40は、保持材10の外表面11において当該有機高分子40が配置される範囲の面積が、当該外表面11の全面積の2.5%以上(2.5%以上、100%以下)となるように配置することとしてもよく、5%以上となるように配置することとしてもよい。
また、有機高分子40を保持材10の外表面11の一部に配置する場合には、当該有機高分子40は、当該保持材10の当該外表面11において当該有機高分子40が配置される範囲の面積が、当該外表面11の全面積の2.5%以上、50%以下となるように配置することとしてもよく、2.5%以上、20%以下となるように配置することとしてもよい。
また、保持材10の外表面11の一部に有機高分子40を配置する場合、例えば、当該有機高分子40を島状に配置することとしてもよい。すなわち、保持材10の外表面11において、有機高分子40が配置された複数の島状の部分と、当該複数の島状の部分の各々を囲む当該有機高分子40が配置されていない外周部分とが形成されるように、当該有機高分子40を配置する。なお、島状の部分の形状は特に限られない。
この場合も、有機高分子40を、保持材10の外表面11において当該有機高分子40が配置される範囲の面積が、当該外表面11の全面積の2.5%以上、50%以下となるように島状に配置することとしてもよく、2.5%以上、20%以下となるように島状に配置することとしてもよい。
また、保持材10の外表面11において、有機高分子40は層状に配置されることとしてもよい。すなわち、この場合、保持材10の外表面11には、当該外表面11の全部又は一部を被覆する有機高分子40の層が形成される。有機高分子40が保持材10の外表面11の一部を被覆する場合、当該有機高分子40の層が上述した島状に形成されることとしてもよい。
また、気体処理装置1において、有機高分子40は、保持材10の外表面11とケーシング30の内表面31との境界部分に局在している。すなわち、保持材10の外表面11とケーシング30の内表面31との境界部分における有機高分子40の存在量(例えば、単位体積あたりの重量)は、当該保持材10の内部(例えば、気体処理装置1の径方向(保持材10の厚さ方向)における当該保持材10の中央部分)における当該有機高分子40の存在量に比べて大きい。このため、気体処理装置1において、気体の処理中に保持材10の外表面11及びケーシング30の内表面31と接するように配置される有機高分子40は、例えば、当該保持材10の内部に存在する有機バインダーと容易に区別される。
より具体的に、例えば、保持材10の外表面11とケーシング30の内表面31との境界部分における単位体積あたりの有機高分子40の重量は、気体処理装置1の径方向における当該保持材10の中央部分における単位体積あたりの当該有機高分子40の重量の1.5倍以上である。
同様に、有機高分子40が外表面11に配置される保持材10において、有機高分子40は、当該外表面11に局在している。すなわち、保持材10の外表面11における有機高分子40の存在量(例えば、単位体積あたりの重量)は、当該保持材10の内部(例えば、当該保持材10の厚さ方向における中央部分)における当該有機高分子40の存在量に比べて大きい。このため、保持材10の外表面11に配置される有機高分子40は、例えば、当該保持材10の内部に存在する有機バインダーと容易に区別される。
より具体的に、例えば、保持材10の外表面11における単位体積あたりの有機高分子40の重量は、当該保持材10の厚さ方向の中央部分における単位体積あたりの当該有機高分子40の重量の1.5倍以上である。また、例えば、保持材10は、この有機高分子40を、その厚さ方向の中央部分に含まないこととしてもよい。
保持材10の外表面11及び/又はケーシング30の内表面31に有機高分子40を配置する方法は特に限られず、例えば、当該有機高分子40を溶剤に溶解して得られた塗布液を、当該外表面11及び/又は内表面31に塗布し、次いで、当該溶剤を蒸発させることにより、当該有機高分子40を外表面11及び/又は内表面31に塗布することとしてもよい。また、例えば、溶融した有機高分子40を外表面11及び/又はケーシング30の内表面31に塗布し、次いで冷却し固化させることとしてもよい。また、例えば、有機高分子40の粒子(例えば、粉末及び/又はペレット)、繊維及びシートからなる群より選択される1つ以上を、熱溶着等の適切な手段により、保持材10の外表面11及び/又はケーシング30の内表面31に接着させることとしてもよい。
また、例えば、有機高分子40の繊維体(例えば、織布又は不織布)を、保持材10の外表面11及び/又はケーシング30の内表面31に積層することとしてもよい。この場合、有機高分子40の繊維体を、熱溶着により及び/又は接着剤を使用して、保持材10の外表面11及び/又はケーシング30の内表面31に接着させることとしてもよい。接着剤として、繊維体を構成する有機高分子40と同種又は異種の有機高分子40を使用することとしてもよい。
具体的に、保持材10が、図7に示すように、無機繊維製の基部材10aと、当該基部材10aのケーシング30側に積層された繊維シート10bとを有する場合には、例えば、当該繊維シート10bを、気体処理装置1を使用した気体の処理中のケーシング30の温度以下の軟化温度と、当該気体の処理中の当該ケーシング30の温度より高い分解温度とを有する有機高分子40の繊維で構成することとしてもよい。すなわち、この場合、有機高分子40は、繊維シート10bとして配置される。
また、例えば、有機高分子40を、繊維シート10bと基部材10aとの境界部分、当該繊維シート10bの内部、及び当該繊維シート10bのケーシング30側の表面の少なくとも1箇所に配置することとしてもよい。
これらの場合、有機高分子40を、繊維シート10bと基部材10aとを接着するための接着剤として利用することとしてもよい。また、これらの場合、繊維シート10bを構成する繊維は特に限られない。
上述した気体処理装置1は、例えば、保持材10とケーシング30との間に、当該気体処理装置1を使用した気体の処理中の当該ケーシング30の温度以下の軟化温度と、当該気体の処理中の当該ケーシング30の温度より高い分解温度とを有する有機高分子40を、当該気体の処理中に当該保持材10の外表面11及び当該ケーシング30の内表面31と接するように配置することを含む方法により製造することができる。
また、上述した保持材10は、例えば、その外表面11に、気体処理装置1を使用した気体の処理中のケーシング30の温度以下の軟化温度と、当該気体の処理中の当該ケーシング30の温度より高い分解温度とを有する有機高分子40を、当該気体の処理中に当該ケーシング30の内表面と接するように配置することを含む方法により製造することができる。
これら気体処理装置1及び/又は保持材10の製造においては、気体の処理中のケーシング30の温度と、有機高分子40の軟化温度と、当該有機高分子40の分解温度との関係が、上述したような適切な関係となるように決定される。
すなわち、気体処理装置1の製造方法は、例えば、気体の処理中のケーシング30の温度を決定すること、決定された当該ケーシング30の温度以下の軟化温度と、決定された当該ケーシング30の温度より高い分解温度とを有する有機高分子40を選択すること、及び選択された当該有機高分子40を、当該気体の処理中に保持材10の外表面11及び当該ケーシング30の内表面31と接するように、当該保持材10と当該ケーシング30との間に配置することを含むこととしてもよい。
また、保持材10の製造方法は、例えば、気体の処理中のケーシング30の温度を決定すること、決定された当該ケーシング30の温度以下の軟化温度と、決定された当該ケーシングの温度より高い分解温度とを有する有機高分子40を選択すること、及び選択された当該有機高分子40を、当該気体の処理中に当該ケーシング30の内表面31と接するように、当該保持材10の外表面11に配置することを含むこととしてもよい。
気体の処理中のケーシング30の温度は、当該気体の温度、処理構造体20の断熱性(熱伝導率、厚さ、外表面21の温度)、保持材10の断熱性(熱伝導率、厚さ、外表面11の温度)といった条件に基づき、理論的に及び/又は実験的に決定される。
なお、決定されるケーシング30の温度は、所定の幅をもった範囲であってもよい。この場合、例えば、ケーシング30の温度範囲の下限値以下の軟化温度と、当該ケーシングの温度範囲の上限値より高い分解温度とを有する有機高分子40を選択することとしてもよい。
次に、本実施形態に係る具体的な実施例について説明する。
[保持材の製造]
湿式法で製造された保持材を準備した。すなわち、アルミナ繊維(アルミナ96質量%、シリカ4質量%)を主成分として含有し、有機バインダー(アクリル樹脂)及び無機バインダー(アルミナゾル、シリカゾル等)が添加された水性スラリーを調製し、当該水性スラリーを脱水成形することにより、無機繊維体である保持材を製造した。この保持材は、坪量が1400g/m、嵩密度が0.15g/cmであるマット状(375mm×90mm、厚さ9.3mm)であった。
そして、この保持材の一方側の表面の端部(気体処理装置において気体が流通する方法における一方側の端部)から70mmの範囲に、有機高分子としてポリエチレン(PE)(軟化温度90℃、分解温度400℃)を配置した。すなわち、ポリエチレンのシートを成形し、当該シートを熱溶着により保持材の表面の一部に貼り付けることにより、当該保持材の表面の一部に有機高分子を配置した。なお、比較の対照として、有機高分子を配置していない保持材も準備した。
[気体処理装置の製造]
外径110mmの円筒状であるセラミックス製の処理構造体と、上述のようにして準備した保持材と、内径118mmの円筒状であるステンレス製のケーシングと、を備えた気体処理装置を製造した。
すなわち、まず、処理構造体の外周面に、有機高分子が配置された表面が当該処理構造体の径方向外側に配置されるように保持材を巻き付けて組立体を作製した。次いで、この組立体を、保持材の有機高分子が配置された表面がケーシングの内表面と接するように、当該ケーシングに圧入(キャニング)することにより、気体処理装置を製造した。
[キャニング後の押出力の評価]
図8に示すような試験装置50を使用して、キャニング後の押出力を評価した。この試験装置50は、処理構造体20の長手方向(気体が流通する方向)の一方側の端面に載置されたステンレス製の円板である押出用治具51と、当該押出用治具51を介して当該処理構造体20を当該長手方向の他方側(図8における下方)に押す棒状の押し棒52と、を備えていた。この試験装置50において、有機高分子40は、図8に示すように、ケーシング30の内表面31と接する保持材10の外表面11の一部に配置されていた。また、処理構造体20の外表面21及びケーシング30の外表面32に温度センサー(不図示)を取り付けた。
そして、この試験装置50を使用して、気体処理装置1において、処理構造体20及び保持材10をケーシング30から押し出すために要する最大の荷重を押出荷重(N)として測定した。測定は、図9に示す8種類の条件で行った。
[結果]
図9には、測定結果を示す。図9において、「ギャップ」欄の数値は、保持材とケーシングとの間隔(保持材の外表面とケーシングの内表面との距離)(mm)を示し、「ケーシング温度」欄の数値は、処理構造体の温度が「処理構造体温度」欄の温度(℃)である場合におけるケーシングの温度(℃)を示す。また、「冷却操作」欄における「あり」との記載は、送風装置を使用して、ケーシングの外表面の周囲に空気を流通させる強制対流による冷却操作を行ったことを示し、「なし」との記載は、当該冷却操作を行わなかったことを示す。なお、冷却操作を行わない条件は、エンジンにおいて排気ガス処理用に設けられた触媒コンバータの従来一般の使用条件に対応するものとして用いた。
図9に示すように、処理構造体の温度が800℃である場合、有機高分子(PE)が配置された保持材を使用し、且つケーシングを冷却することにより当該ケーシングの温度を当該有機高分子の軟化温度より高く分解温度より低い範囲に調節した実施例1−1の押出荷重は、当該有機高分子が配置されていない保持材を使用した比較例1−1のそれに比べて顕著に高かった。
これに対し、処理構造体の温度が同様に800℃である場合、有機高分子(PE)が配置された保持材を使用し、且つケーシングを冷却することなく、当該ケーシングの温度が当該有機高分子の分解温度より高かった比較例1−2の押出荷重は、当該有機高分子が配置されていない保持材を使用した比較例1−3のそれと同等であって、上述した実施例1−1のそれより顕著に小さかった。
すなわち、有機高分子を使用しても、ケーシングの温度が当該有機高分子の分解温度以上である場合には、当該有機高分子の使用による効果が得られないことが確認された。処理構造体の温度が900℃である場合(実施例1−2、比較例1−4〜1−6)も、図9に示すように、上述した処理構造体の温度が800℃である場合と同様の結果が得られた。
[保持材及び気体処理装置の製造]
有機高分子として、ポリエチレンに代えて、ポリ塩化ビニル(PVC)(軟化温度70℃、分解温度250℃)、ポリエチレンテレフタレート(PET)(軟化温度250℃、分解温度300℃)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)(軟化温度60℃、分解温度300℃)、ポリプロピレン(PP)(軟化温度170℃、分解温度400℃)又はポリイミド(PI)(軟化温度210℃、分解温度500℃)を使用した以外は、上述の実施例1と同様にして、当該有機高分子が外表面に配置された保持材及び当該保持材を備えた気体処理装置を製造した。
[キャニング後の押出力の評価結果]
そして、図10に示すように、上述の実施例1と同様に、12種類の条件で押出荷重(N)を測定した。図10に示すように、5種類の有機高分子のいずれを使用した場合(実施例2−1〜2−6)においても、ケーシングの温度が当該有機高分子の軟化温度以上、分解温度未満であることによって、当該有機高分子を使用しない場合(比較例2−1〜2−6)に比べて押出荷重は大きかった。
特に、ケーシングの温度に比べて十分に高い分解温度を有する有機高分子を使用した実施例2−1、実施例2−3、実施例2−4、実施例2−5及び実施例2−6における押出荷重は、当該有機高分子を使用しない比較例のそれに比べて顕著に大きかった。
[保持材の製造]
図11に示すように、5種類の保持材を準備した。すなわち、実施例3−1では、上述の実施例1と同様に湿式法にて製造され有機高分子(PE)が外表面に配置された保持材を基部材として使用して、当該外表面に、さらにPET(軟化温度250℃、分解温度300℃)繊維製の不織布を積層することにより、図7に示すような、当該基部材及び繊維シートからなる保持材を製造した。なお、この保持材の外表面においては、有機高分子と不織布とを熱溶着により接着した。
実施例3−2では、湿式法にて製造された基部材に代えて、集綿されたアルミナ繊維(アルミナ96質量%、シリカ4質量%)をニードル加工する乾式法により製造された無機繊維体(ブランケット)を使用したこと以外は上述の実施例3−1と同様にして、その外表面に有機高分子及び繊維シートが配置された保持材を製造した。
実施例3−3では、乾式法にて製造された基部材の外表面に、有機高分子を配置することなく繊維シートを積層することにより保持材を製造した。基部材の外表面における繊維シートの固定は、当該繊維シートを当該基部材の外表面に積層した状態でニードリングを行って、当該繊維シートを構成する繊維と当該基部材を構成する繊維とを絡ませることにより行った。
実施例3−4では、湿式法にて製造された保持材に代えて、乾式法にて製造された保持材を使用した以外は上述の実施例1と同様にして、外表面に有機高分子が配置され、繊維シートは積層されていない保持材を製造した。
比較例3では、有機高分子及び繊維シートのいずれも使用せず、乾式法にて製造されたブランケットをそのまま保持材として使用した。
[気体処理装置の製造]
上述のようにして準備した5種類の保持材を使用して、上述の実施例1と同様に気体処理装置を製造した。
[キャニング後の押出力の評価結果]
そして、図11に示すように、上述の実施例1と同様に、5種類の条件で押出荷重(N)を測定した。図11に示すように、有機高分子及び/又は有機繊維製の繊維シートを使用した実施例3−1〜3−4の押出荷重は、当該有機高分子及び繊維シートを使用しなかった比較例3のそれに比べて高かった。特に、外表面に有機高分子(PE)が配置された保持材を使用した実施例3−1、実施例3−2及び実施例3−4の押出荷重は、比較例3のそれに比べて顕著に高かった。なお、実施例3−1及び実施例3−2においては、基部材の外表面に配置された有機高分子(PE)が加熱により軟化して、当該外表面から、繊維シートを構成する繊維の間を抜けてケーシング側に露出し、当該ケーシングの内面に接着していた。
1 気体処理装置10 保持材、10a 基部材、10b 繊維シート、11 保持材の外表面、20 処理構造体、21 処理構造体の外表面、30 ケーシング、31 ケーシングの内表面、40 有機高分子、50 試験装置、51 押出用治具、52 押し棒。

Claims (2)

  1. 処理構造体と、前記処理構造体を収容する金属製のケーシングと、前記処理構造体と前記ケーシングとの間に配置される無機繊維製の保持材と、を備えた気体処理装置を使用して、600℃〜900℃の気体に含まれる有害物質及び/又は粒子を除去することにより前記気体を処理する方法であって、
    前記保持材と前記ケーシングとの間に、有機高分子を、前記気体の処理中に前記保持材の外表面及び前記ケーシングの内表面と接するように配置し、
    前記ケーシングを冷却することによって、前記気体の処理中における前記ケーシングの温度が、前記有機高分子のJIS K7206に準拠した方法により測定されるビカット軟化温度以上、前記有機高分子の分解温度未満であって、600℃以上、900℃以下の前記処理構造体の外表面の温度より400℃以上低く調節されることにより、前記有機高分子を分解することなく軟化させ前記保持材の前記外表面及び前記ケーシングの前記内表面に接着させて、前記気体を処理する
    ことを特徴とする気体処理方法。
  2. 前記気体の処理中における前記ケーシングの温度は、60℃以上、500℃以下である
    ことを特徴とする請求項1に記載の気体処理方法。
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