JP6549908B2 - 拡散部材、排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置における拡散部材の使用 - Google Patents
拡散部材、排ガス浄化装置及び排ガス浄化装置における拡散部材の使用 Download PDFInfo
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Description
なお、排気管内において排ガスを充分に混合することは、尿素SCRに限らず、各種センサと併用する場合にも重要である。
また、特許文献2には、混合器やスワラーをどのような材料で製造するか、及び、混合器やスワラーによって排ガスの温度低下が発生することについてはなんら開示されていない。
尿素SCRシステムの還元剤として一般的に用いられる尿素は、約135℃で下記式(1)で示される熱分解反応を起こしてアンモニア(NH3)とイソシアン酸(HNCO)を発生する。
H2NCONH2→HNCO + NH3 (1)
その後、160℃以上の温度において上記イソシアン酸は、さらに下記式(2)で示される加水分解反応を起こしてアンモニアと二酸化炭素を発生する。
HNCO+H2O→CO2 + NH3 (2)
イソシアン酸は金属に対する腐食性を有しており、一般的に金属で形成されている拡散部材を腐食させる。
上述したように、イソシアン酸は135℃以上で発生し、160℃以上で分解されるため、イソシアン酸の存在する温度領域は135℃以上160℃未満となる。そして拡散部材の表面温度が上記範囲内である状態が長時間継続すると、イソシアン酸により拡散部材の腐食が進行する。しかしながら、本発明の拡散部材の表面にはセラミックコート層が形成されているため、断熱効果が高く、160℃以上の温度を長く維持できるため、拡散部材がイソシアン酸に暴露される時間を短くすることができ、腐食の進行を抑制することができる。
さらに、一般的に金属よりもセラミックのほうが耐腐食性に優れるため、セラミックコート層が形成されている本願発明の拡散部材は、例えイソシアン酸による暴露を受けたとしても、金属からなる拡散部材と比較して腐食が進行しにくい。
セラミックコート層の25℃における熱伝導率が、25℃における基材の熱伝導率よりも小さいと、セラミックコート層を形成することによって充分な断熱効果を発揮することができる。
拡散部材の表面に占めるセラミックコート層の面積の割合が50〜100%であると、排ガスの温度低下を充分に抑制することができる。
なお、本明細書において、拡散部材の表面とは、拡散部材の排ガスと接触し得る部分を指す。すなわち、拡散部材のうち、排気管内部と接触して排ガスと接触しない箇所については、拡散部材の表面に含めないこととする。
セラミックコート層の厚さが上記した厚さであると、断熱性能及び機械的特性をより良好に維持することができる。
セラミックコート層の厚さが5μm未満の場合には、セラミックコート層の厚さが薄すぎるために、充分な断熱性能を発揮できなくなることがある。一方、セラミックコート層の厚さが2000μmを超えると、セラミックコート層の厚さが厚すぎるために、熱衝撃を受けた際に、セラミックコート層が破壊されやすくなる。
基材の25℃における熱伝導率が上記範囲内であると、基材の熱特性として適当である。
基材の25℃における熱伝導率が上記範囲内であると、基材の熱特性として特に適当である。
以上のことから、基材の25℃における熱伝導率と200〜500℃における熱伝導率の差は、本発明の効果を奏するにあたって無視できる程度に小さいものであるといえる。
従って、基材材料である金属の25℃における熱伝導率が上記範囲を達成することができれば、200〜500℃の温度領域においても本発明の効果を充分に奏するものとし、測定の容易さから25℃における熱伝導率を採用している。
セラミックコート層の25℃における熱伝導率が0.05〜2W/mKであると、断熱性に優れているため、排ガスの温度の低下を防止することができる。
セラミックコート層の25℃における熱伝導率を0.05W/mK未満とすることは、技術的観点及び経済的観点のバランスを考慮すると容易ではない。一方、セラミックコート層の25℃における熱伝導率が2W/mKを超えると、セラミックコート層の断熱性が不充分となり、排ガスの温度の温度が低下し、下流における触媒活性を充分に発揮できないことがある。
基材の熱膨張係数が上記範囲であると、セラミックコート層の熱膨張係数に近くなるため、基材とセラミックコート層との接着性が向上する。
セラミックコート層の熱膨張係数が上記範囲であると、基材の熱膨張係数に近くなるため、セラミックコート層と基材との接着性が向上する。
基材とセラミックコート層の熱膨張係数の差が10.0×10−6K−1以下であると、基材とセラミックコート層の熱膨張係数の差に起因してセラミックコート層にクラックが発生することを抑制することができる。
基材とセラミックコート層の熱膨張係数の差が10.0×10−6K−1を超えた場合、基材とセラミックコート層の熱膨張係数の差に起因してセラミックコート層にクラックが発生することがある。
測定用サンプルとして、厚さ1.5mmの基材を3×15mmの大きさで切り出す。この測定用サンプルを、測定装置(NETZSCH社製 熱膨張計 TD5000SA)に設置して、熱膨張係数を測定する。
測定条件は、大気雰囲気、昇温速度は10℃/分、温度範囲は25〜430℃とする。
測定用サンプルとして、セラミックコート層と同じ成分組成の3×3×15mmのバルク体を作製する。この測定用サンプルを、測定装置(NETZSCH社製 熱膨張計 TD5000SA)に設置して、熱膨張係数を測定した。
測定条件は、大気雰囲気、昇温速度は10℃/分、温度範囲は25〜430℃とする。
セラミックコート層の最大厚さが最小厚さの20倍を超える場合、セラミックコート層の厚さが厚すぎる部分が存在することとなり、熱衝撃によりセラミックコート層が破壊されることがあるか、又は、セラミックコート層の厚さが薄すぎる部分が存在することとなり、セラミックコート層による断熱性の向上が充分に計れないことがある。
拡散部材の排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz1)が0.1〜10μmであり、排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz2)が0.01〜1μmであると、拡散部材の表面を通過した排ガスの流れを充分に乱すことができるため、排ガス中に含まれる成分の偏りを充分に低減することができる。
排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz1)が0.1μm未満である場合には、拡散部材の表面に排ガスの流れが乱されにくくなるため、排ガス中に含まれる成分の偏りを充分に低減できないことがある。一方、排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz1)が10μmを超える場合には、拡散部材の表面において必要以上に排ガスの流れが乱されて、見かけの熱伝導率が高まり、排ガスの温度を低下させてしまうことがある。
また、排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz2)が0.01μm未満である場合には、拡散部材の表面において排ガスの流れが乱されにくくなるため、排ガス中に含まれる成分の偏りを充分に低減できないことがある。一方、排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz2)が1μmを超える場合には、拡散部材表面において必要以上に排ガスの流れが乱されて、見かけの熱伝導率が高まり、排ガスの温度を低下させてしまうことがある。
また、拡散部材の表面のうち、表面から垂直に引いた法線が排ガス流通方向に垂直な部分については、拡散部材の重心を通り、かつ、排ガス流通方向に垂直な平面を仮定し、該平面上と該平面より排ガス流入側に存在する部分を排ガス流入側表面とし、該平面より排ガス流出側に存在する部分(該平面上を含まない)を排ガス流出側表面とする。
排気管を流れる排ガスは、主に拡散部材の排ガス流入側の表面と接触するため、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減する観点から、排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz1)が排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz2)以上(1.2倍以上)であることが好ましい。
一方、排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz1)が排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz2)の10倍を超える場合には、排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz1)が大きすぎることによって拡散部材の表面における見かけの熱伝導率が大きくなってしまい、排ガスの温度を低下させてしまうか、又は、排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz2)が小さくなりすぎることによって、拡散部材の表面において排ガスの流れが乱されにくくなるため、排ガス中に含まれる成分の偏りを充分に低減できないことがある。
セラミックコート層が非晶性無機材の層と、非晶性無機材の層の内部に分散した結晶性無機材の粒子からなると、セラミックコート層の耐熱性及び強度に優れる。
そのため、尿素噴射装置から噴射された尿素の分解物であるイソシアン酸が存在しうる135〜160℃の温度領域にまで拡散部材の温度が低下しにくく、イソシアン酸の析出及びイソシアン酸による拡散部材への腐食の進行を抑制することができる。セラミックコート層を構成するセラミックは金属よりもイソシアン酸に対する耐腐食性に優れているため、たとえイソシアン酸の暴露を受けたとしても拡散部材の腐食が進行しにくい。
さらに、セラミックコート層が形成されているため断熱性が高く、排ガスの温度が低下することを抑制することができる。排ガスの温度低下が抑制されると、触媒担体表面でのアンモニアによるNOx還元反応が充分に進行しやすくなるため、窒素酸化物を含む排ガスを効率よく浄化することができる。
そして、一般的に金属よりもセラミックのほうが耐腐食性に優れるため、セラミックコート層が形成されている本願発明の拡散部材は、例えイソシアン酸による暴露を受けたとしても、金属からなる拡散部材と比較して腐食が進行しにくいため、拡散部材の腐食を抑制することができる。
上述したように、本発明の拡散部材はセラミックコート層が形成されていることにより断熱性に優れるため、窒素酸化物を含む排ガスが流通する排気管と、排気管の上流側に設けられ、尿素を排気管内に噴射する尿素噴射装置と、排気管の下流側に設けられた触媒担体とからなり、尿素噴射装置よりも下流側、かつ、触媒担体よりも上流側で排ガスが接触する部位に排気管上流から流入する排ガスの流れを一部阻害する拡散部材が設けられた排ガス浄化装置において、尿素噴射装置から噴射される尿素と排ガスとを充分に混合して触媒担体に到達させることができ、かつ、尿素噴射装置から噴射された尿素の分解物であるイソシアン酸が存在しうる135〜160℃の温度領域にまで拡散部材の温度が低下しにくく、イソシアン酸の析出及びイソシアン酸による拡散部材への腐食の進行を抑制することができる。そのため、本発明の拡散部材は上記排ガス浄化装置に好適に使用することができる。
以下、本発明の拡散部材について詳述する。
なお、本発明の拡散部材は基本的に可動部を有しないが、排ガスの圧力が高まった際にこれを開放して、新たな排ガスの流路を形成するための弁等及び弁等を可動させるための可動部等を有していてもよい。
上記構造の拡散部材としては、例えば、図1(a)及び図1(b)に示す形状が挙げられる。
図1(a)は、本発明の拡散部材の一例を模式的に示す斜視図であり、図1(b)は図1(a)におけるA−A線断面図である。
図1(a)及び図1(b)に示す拡散部材10は、円筒形の外縁部11と、該外縁部11の略中央から放射状に延びる複数の翼12からなり、図1(b)に示すように、翼12は排ガスの通過方向(図1(b)中、両矢印aで示す方向)に対して所定の角度傾いている。
拡散部材10に流入する排ガスは、排ガス流入側端面10aから拡散部材10内部に流入し、翼12によってその流路の一部が阻害されて、旋回方向に力が加わり、排ガス流出側端面10bから流出する。そのため、拡散部材10の排ガス流出側では、排ガスに旋回方向の流れが発生することとなり、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減することができる。
拡散部材10を排気管内部に設置する際に、外縁部11の外面11bが排気管と接触するように配置される場合、外縁部11の外面11bは排気管と接触するため、拡散部材の表面とはみなさない。また、外縁部11の内面11aのうち、拡散部材10の重心を通り且つ排ガス流通方向に垂直な方向に平行な面を示す一点鎖線bよりも排ガス流入側(図1(b)中、両矢印b1で示す領域)に存在する部分については排ガス流入側表面であり、一点鎖線bよりも排ガス流出側(図1(b)中、両矢印b2で示す領域、ただし一点鎖線b上を含まない)に存在する部分については排ガス流出側表面である。
拡散部材10を構成する翼12の第一の面12aは、その表面から垂直に引いた法線が排ガス流入側(図1(b)中、一点鎖線bから排ガス流入側端面10aに向かう方向)に向かうため、排ガス流入側表面であり、翼12の第二の面12bは、その表面から垂直に引いた法線が排ガス流出側(図1(b)中、一点鎖線bから排ガス流出側端面10bに向かう方向)に向かうため、排ガス流出側表面である。
排気管を流れる排ガスは、主に拡散部材の排ガス流入側の表面と接触するため、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減する観点から、排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz1)が排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz2)以上(1.2倍以上)であることが好ましい。
図2は、本発明の拡散部材を構成する基材及びセラミックコート層を模式的に示す断面図である。図2に示すように、拡散部材10は基材2と、基材2の表面に形成されたセラミックコート層3から構成されている。
図3は、本発明の排ガス浄化装置の一例を模式的に示す模式図である。
排ガス浄化装置1は、排ガスが流通する排気管100と、排気管100の上流側に設けられ、尿素を排気管100内に噴射する尿素噴射装置500と、排気管100の下流側に設けられた触媒担体400からなり、尿素噴射装置500よりも下流側、かつ、触媒担体400よりも上流側で排ガスが接触する部分に拡散部材10が配置されている。
拡散部材10を排気管100内に設置した場合、排気管上流から流入する排ガスは、拡散部材10を通過する際に、その流れの一部が阻害されて、旋回方向に回転する(排ガスの流れを矢印Gで模式的に示す)。
従って、拡散部材10を通過した排ガスは、旋回しながらケーシング200内部に流入するため、保持シール材300によってケーシング200内部に配置された触媒担体400の排ガス流入側端面400aに排ガスが到達する際には、排ガス中の成分の偏り及び/又は温度分布の偏りが低減されることとなる。
そして、尿素噴射装置500から噴射された尿素水は、排ガス中に充分に分散した状態で触媒担体400へと到達するため、尿素SCRシステムを充分に作用させることができる。そして、拡散部材10にはセラミックコート層が形成されているため、断熱性能に優れており、排ガス温度低下を抑制することができる。
基材の25℃における熱伝導率が上記範囲内であると、基材の熱特性として特に適当である。
基材の熱膨張係数が上記範囲であると、セラミックコート層の熱膨張係数に近くなるため、基材とセラミックコート層との接着性が向上する。
本発明の拡散部材においては、拡散部材の表面に占めるセラミックコート層の割合が50〜100%であることが好ましい。
拡散部材の表面に占めるセラミックコート層の面積の割合が50〜100%であると、排ガスの温度低下を充分に抑制することができる。
セラミックコート層に気孔が形成されていると、気孔が個体内部の熱伝導を妨げるため、優れた断熱特性が得られる。
本発明の拡散部材を構成するセラミックコート層は、非晶性無機材を含んでなることが好ましく、非晶性無機材と結晶性無機材を含んでなることがより好ましく、非晶性無機材の層と、非晶性無機材の層の内部に分散した結晶性無機材の粒子からなることがさらに好ましい。
これらの低融点ガラスは、単独で用いてもよいし、2種類以上が混合されていてもよい。
また、非晶性無機材は、上述した低融点ガラスのうちの一種類のみからなるものであってもよいし、複数種類の低融点ガラスからなるものであってもよい。
これらの中では、耐熱性及び耐腐食性に優れ、25℃での熱伝導率が4W/mK以下であるジルコニア、Y2O3安定化ジルコニア、CaO安定化ジルコニア、MgO安定化ジルコニアが好ましい。
従って、セラミックコート層が結晶性無機材を含むことにより機械的強度を向上させ、ひいてはセラミックコート層の耐腐食性を向上させることができる。
本発明の拡散部材を構成するセラミックコート層の25℃における熱伝導率が0.05〜2W/mKであると、断熱性に優れ、高温においても、熱伝導率が上がりにくいので、排気ガス等の温度が低下するのを防止することができる。
熱拡散係数の測定は下記条件で行うことができる。
測定装置:NETZSCH製 LFA467
表面処理:グラファイトスプレー
測定温度:25℃
測定雰囲気:N2
サンプルサイズ:φ10mm、厚さ=2mm
セラミックコート層の熱拡散係数を測定する際は、基材と一体の状態で測定し、多層解析によりセラミックコート層のみの熱拡散係数を算出する。また、セラミックコート層の熱拡散係数を測定する時は、セラミックコート層に垂直にレーザーが照射されるようにサンプルを設置する。
k=ρ・Cp・α[W/mK]
<かさ密度(ρ)の測定>
セラミックコート層のかさ密度を求める場合、まずは基材の重量を測定し、その後に基材の上にセラミックコート層を形成してセラミックコート層付き基材の重量の測定から、引き算でセラミックコート層の重量(=A)を測定する。その後、セラミックコート層の膜厚から、セラミックコート層の体積(=B)を算出し、A/Bをかさ密度とする。
<比熱容量(Cp)の測定>
比熱容量の測定は下記条件で行うことができる。
測定装置:セイコー電子工業製 DSC210型
測定温度:25℃
測定方法:DSC法
測定雰囲気:Ar
セラミックコート層の比熱容量を測定する際は、セラミックコート層をφ4mm、厚さ1mmのバルク体に成形して測定を実施することができる。
本発明の拡散部材を構成するセラミックコート層の熱膨張係数が上記範囲であると、基材の熱膨張係数に近くなるため、セラミックコート層と基材との接着性が向上する。
測定用サンプルとして、厚さ1.5mmの基材を3×15mmの大きさで切り出す。この測定用サンプルを、測定装置(NETZSCH社製 熱膨張計 TD5000SA)に設置して、熱膨張係数を測定する。
測定条件は、大気雰囲気、昇温速度は10℃/分、温度範囲は25〜430℃とする。
測定用サンプルとして、セラミックコート層と同じ成分組成の3×3×15mmのバルク体を作製する。この測定用サンプルを、測定装置(NETZSCH社製 熱膨張計 TD5000SA)に設置して、熱膨張係数を測定した。
測定条件は、大気雰囲気、昇温速度は10℃/分、温度範囲は25〜430℃とする。
拡散部材20は、図1(a)及び図1(b)に示した拡散部材10と同様に、拡散部材内部を通過した排ガスに旋回方向の回転を加えるため、排ガスが混合され、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減することができる。
拡散部材30の外縁部31の中央部には翼32が配置されていないが、拡散部材30を通過する排ガスの全ての流路を妨げることは必須ではないため、拡散部材30のような形状であっても、充分に排ガスを混合することができ、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減することができる。
拡散部材40を通過する排ガスは、必然的に孔41を通過することとなるため、孔41の通過時に排ガスの流れが乱されて排ガスが混合されるため、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減することができる。
拡散部材50を通過する排ガスは、排ガス流入側端面50aから拡散部材50内部に流入して、排ガス流出側端面50bから流出する。この時、排ガスは突起52又は突起53に衝突することとなるが、突起52に衝突した排ガスが移動する方向と突起53に衝突した排ガスが移動する方向が異なるため排ガスが混合され、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減することができる。
拡散部材60は、翼62を有しているために、図1(a)及び図1(b)に示した拡散部材10と同様に、拡散部材内部を通過した排ガスに旋回方向の回転を加える。さらに、板部63に形成された孔64を排ガスが通過することによって、図6に示した拡散部材40と同様に排ガスの流れに乱れが生じて排ガスが混合され、排ガス中に含まれる成分の偏りを低減することができる。
また、本発明の拡散部材は基本的に可動部を有しないが、排ガスの圧力が高まった際にこれを開放し、新たな排ガスの流路を形成するための弁等を有していてもよい。
まず、本発明の拡散部材を構成する基材について説明する。
基材を構成する材料は、本発明の拡散部材の説明において説明したので省略する。
基材を所望の拡散部材の形状とするためには、公知の金属加工技術を用いることができ、塊状金属(インゴット)を切削加工により削り出して作製してもよいし、打ち抜きや圧延等の手段を用いて複数の金属パーツを分割して作製し、これらを溶接、ネジ等により接合して作製してもよい。
本発明の拡散部材の製造方法において用いる拡散部材用塗料の全量100重量部に対して、5〜80重量部の結晶性無機材の粒子を使用することにより、得られるセラミックコート層を構成する非晶性無機材の層中に結晶性無機材の粒子が適切な割合で分散し、セラミックコート層の耐熱性、断熱性を担保することができる。
造孔材は、基材表面に上記拡散部材用塗料を用いて塗膜を形成した後、加熱、焼成によりセラミックコート層を形成した際、セラミックコート層内に気孔を形成するために用いられている。
本発明の拡散部材の製造方法に用いる拡散部材用塗料における造孔材の粒子の平均粒子径が0.1〜25μmであると、形成される非晶性無機材の層中の気孔の径を、0.1〜50μmに調整しやすくなる。
上記分散媒としては、例えば、水や、メタノール、エタノール、アセトン等の有機溶媒等が挙げられる。
また、分散媒と有機結合材とを併用してもよい。
金属からなる基材(以下、金属基材又は金属材料ともいう)を出発材料とし、所望の拡散部材の形状となるように成形する。拡散部材の形状を形成するには、公知の金属加工技術を用いることができ、塊状金属(インゴット)を切削加工により削り出して作製してもよいし、打ち抜きや圧延等の手段を用いて複数の金属パーツを分割して作製し、これらを溶接、ネジ等により接合して作製してもよい。
続いて、必要に応じて、金属基材の表面の不純物を除去するために洗浄処理を行ってもよい。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。
この粗化処理後に、さらに洗浄処理を行ってもよい。
まず、結晶性無機材、非晶性無機材、造孔材等を混合し、拡散部材用塗料を調製する。
具体的には、例えば、結晶性無機材の粉末と、非晶性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拡散部材用塗料を調製する。
ここで、混合粉末と水との配合割合は、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重量部程度が好ましい。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、上記拡散部材用塗料には、上記したように、有機溶剤等の分散媒及び有機結合材等を配合してもよい。
基材表面に拡散部材用塗料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、又は、電着塗装等の方法を用いることができる。
また、拡散部材用塗料中に、上記金属基材を浸漬することにより、上記拡散部材用塗料をコートしてもよい。
具体的には、拡散部材用塗料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セラミックコート層を形成する。
上記焼成温度は、非晶性無機材の軟化点以上とすることが好ましく、配合した非晶性無機材の種類や造孔材の種類にもよるが700〜1100℃が好ましい。焼成温度を非晶性無機材の軟化点以上の温度とすることにより金属基材と非晶性無機材とを強固に密着させることができ、金属基材と強固に密着したセラミックコート層を形成することができるからである。
本発明の排ガス浄化装置は、窒素酸化物を含む排ガスが流通する排気管と、上記排気管の上流側に設けられ、尿素を排気管内に噴射する尿素噴射装置と、上記排気管の下流側に設けられた触媒担体とからなる排ガス浄化装置であって、上記尿素噴射装置よりも下流側、かつ、上記触媒担体よりも上流側で排ガスが接触する部位に本発明の拡散部材が設けられていることを特徴とする。
そして、一般的に金属よりもセラミックのほうが耐腐食性に優れるため、セラミックコート層が形成されている本願発明の拡散部材は、例えイソシアン酸による暴露を受けたとしても、金属からなる拡散部材と比較して腐食が進行しにくいため、拡散部材の腐食を抑制することができる。
(1)本発明の拡散部材では、金属からなる基材の表面上にセラミックコート層が形成されている。セラミックコート層は、優れた断熱特性を有しているため、排気管上流から流入する排ガスを混合させて下流へと流出させる際に、排ガスの温度低下を抑制することができる。そのため、内燃機関等の排気システム(尿素SCRシステム等)に好適に用いることができる。
以下、本発明の一実施形態をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
(1)基材の準備
金属からなる基材として、直径100mm×厚さ1.5mmの円板状のステンレス基材(SUS430製:熱伝導率は23W/mK)を図1のように変形・切削し、アルコール溶媒中で超音波洗浄を行い、続いて、サンドブラスト処理を行って基材の表面(両面)を粗化した。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。
表面粗さ測定機((株)東京精密製 ハンディサーフE−35B)を用いて、金属基材の表面粗さを測定したところ、金属基材の表面粗さは、RzJIS=8.8μmであった。
上記処理により、金属基材を作製した。
非晶性無機材の粉末として、バリウムシリケートガラス(軟化点770℃)を準備した。上記非晶性無機材の粉末は、平均粒子径が15μmで、シリカを35重量%含有していた。
上記非晶性無機材の粉末35重量部に加えて、結晶性無機材15重量部、造孔材としてのカーボン0.012重量部、有機結合材(メチルセルロース)0.5重量部、及び、合計重量が100重量部となるように水を加えて混合した。
また、結晶性無機材の粒子を形状を保ったまま取り出せない場合、次のような3次元計測X線CT装置を使用することで粒子径を計測することができ、そのデータから平均粒子径を算出すればよい。
この場合、セラミックコート層を3.1mmサイズに切り抜いたサンプルを、三次元計測X線CT装置(ヤマト科学製 TDM1000−IS/SP)で計測し、それを三次元ボリュームレンダリングソフト(NVS製 VG−Studio MAX)で画像処理を施すことにより粒子径を計測することができる。ここで粒子径とは、1つの粒子表面を2点取り、その2点間の直線距離が最も大きい値を粒子径とする。上記計測方法により、セラミックコート層から100箇のサンプルを採取して、粒子径を測定し、その粒子径の平均値を平均粒子径とすればよい。
基材の全面に、調製した拡散部材用塗料を用いてスプレーコート法により塗布を行い、乾燥機内において70℃で20分乾燥した。続いて、空気中、850℃で90分間、加熱焼成処理することにより、厚さ500μmのセラミックコート層を形成し、実施例1に係る拡散部材を得た。
拡散部材用塗料の組成を表1に示す組成に変更するほかは、実施例1と同様の手順によって実施例2〜実施例3に係る拡散部材を得た。なお、実施例2及び実施例3に係る拡散部材の作製にあたっては、表1に示した結晶性無機材、非晶性無機材、造孔材に加えて0.5重量部の有機結合材、及び、全量が100重量部となる量の水を添加して拡散部材用塗料を調製した。
基材の表面に拡散部材用塗料を塗布しないほかは、実施例1と同様の方法で、比較例1に係る拡散部材を得た。
まず、実施例1〜3に係る拡散部材について、セラミックコート層形成前後の重量を測定しておき、セラミックコート層のみの重量を求めた。続いて、膜厚計[(株)フィッシャーインストルメンツ デュアルスコープMP40]を用いてセラミックコート層の膜厚を測定することにより、セラミックコート層の体積を求めた。セラミックコート層の重量をセラミックコート層の体積で除することにより、セラミックコート層のかさ密度を求めた。
比較例1に係る拡散部材について、下記の方法で熱膨張係数を測定し、実施例1〜3及び比較例1に係る拡散部材を構成する基材の熱膨張係数を求めた。結果を表1に示す。
<基材の熱膨張係数の測定>
比較例1に係る拡散部材(実施例1〜3に係る拡散部材を構成する基材)について、測定用サンプルとして、厚さ1.5mmの基材を3×15mmの大きさで切り出した。この測定用サンプルを、測定装置(NETZSCH社製 熱膨張計 TD5000SA)に設置して、熱膨張係数を測定した。測定条件は、大気雰囲気、昇温速度は10℃/分、温度範囲は25〜430℃とした。
<セラミックコート層の熱膨張係数の測定>
測定用サンプルとして、実施例1〜3に係る拡散部材を構成するセラミックコート層と同じ成分組成の3×3×15mmのバルク体を作製した。そして、測定用サンプル(バルク体)を、測定装置(NETZSCH社製 熱膨張計 TD5000SA)に設置して、熱膨張係数を測定した。
測定条件は、大気雰囲気、昇温速度は10℃/分、温度範囲は25〜430℃とした。
レーザーフラッシュアナライザ(NETZSCH社製 LFA467)を用い、以下の条件で実施例1〜3に係る拡散部材について、セラミックコート層の熱拡散係数を測定した。
表面処理:グラファイトスプレー
測定温度:25℃
測定雰囲気:N2
サンプルサイズ:φ10mm、厚さ=2mm
測定温度:25℃
測定方法:DSC法
測定雰囲気:Ar
図3に示したように、実施例1〜3及び比較例1に係る拡散部材を排気管内に配置するとともに、触媒担体の排ガス流入側端面から排ガス流出側に10mm、かつ、排ガス流通方向に垂直な方向における断面において触媒担体の中央となる位置に温度センサを配置して、排気管に模擬排ガスを流し、模擬排ガスを流通させ始めてから30秒後に触媒担体の排ガス流入側端面の温度(30s後触媒温度)を測定した。入り口ガス温度は、エンジン始動時から10秒後までは25℃/秒、10秒を超えて20秒までは7.5℃/秒、20秒を超えて30秒までは3.5℃/秒で昇温させ、ガス流量が5g/秒となるように調整した。触媒担体としてはφ103mm、長さ105mmの円柱状のコージェライト触媒[セル密度400cpsi(62個/cm2)、壁厚0.1mm]を用いた。結果を表2に示す。
2 基材
3 セラミックコート層
10、20、30、40、50、60 拡散部材
11、21、31、51、61 外縁部
12、22、32、62 翼
63 板部
41、64 孔
52、53 突起
100 排気管
200 ケーシング
300 保持シール材
400 触媒担体
500 尿素噴射装置
Claims (14)
- 排気管内に設置されて、排気管上流から流入する排ガスの流れを一部阻害する拡散部材であって、
金属からなる基材と、前記基材の表面上に形成されたセラミックコート層からなり、
前記拡散部材の排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz 1 )は0.1〜10μmであり、
前記拡散部材の排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz 2 )は0.01〜1μmであり、
前記排ガス流入側表面の表面粗さ(Rz 1 )は、前記排ガス流出側表面の表面粗さ(Rz 2 )の1.2〜10倍であることを特徴とする拡散部材。 - 前記セラミックコート層の25℃における熱伝導率は、前記基材の25℃における熱伝導率よりも小さい請求項1に記載の拡散部材。
- 前記セラミックコート層が前記拡散部材の表面に占める面積の割合は50〜100%である請求項1又は2に記載の拡散部材。
- 前記セラミックコート層の厚さは5〜2000μmである請求項1〜3のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記基材の25℃における熱伝導率は10〜400W/mKである請求項1〜4のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記基材の25℃における熱伝導率は10〜150W/mKである請求項1〜5のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記セラミックコート層の25℃における熱伝導率は、0.05〜2W/mKである請求項1〜6のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記基材の熱膨張係数は、5.0×10−6〜25.0×10−6K−1である請求項1〜7のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記セラミックコート層の熱膨張係数は1.0×10−6〜17.0×10−6K−1である請求項1〜8のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記基材と前記セラミックコート層の熱膨張係数の差は10.0×10−6K−1以下である請求項1〜9のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記セラミックコート層の最大厚さは、前記セラミックコート層の最小厚さの1.2〜20倍である請求項1〜10のいずれかに記載の拡散部材。
- 前記セラミックコート層は非晶性無機材の層と、前記非晶性無機材の層の内部に分散した結晶性無機材の粒子からなる請求項1〜11のいずれかに記載の拡散部材。
- 窒素酸化物を含む排ガスが流通する排気管と、
前記排気管の上流側に設けられ、尿素を排気管内に噴射する尿素噴射装置と、
前記排気管の下流側に設けられた触媒担体とからなる排ガス浄化装置であって、
前記尿素噴射装置よりも下流側、かつ、前記触媒担体よりも上流側で排ガスが接触する部位に請求項1〜12のいずれかに記載の拡散部材が設けられていることを特徴とする排ガス浄化装置。 - 窒素酸化物を含む排ガスが流通する排気管と、
前記排気管の上流側に設けられ、尿素を排気管内に噴射する尿素噴射装置と、
前記排気管の下流側に設けられた触媒担体とからなり、
前記尿素噴射装置よりも下流側、かつ、前記触媒担体よりも上流側で排ガスが接触する部位に排気管上流から流入する排ガスの流れを一部阻害する拡散部材が設けられた排ガス浄化装置における、尿素噴射装置から噴射される尿素と排ガスとを充分に混合して触媒担体に到達させ、かつ、尿素噴射装置から噴射される尿素の熱分解物であるイソシアン酸によって拡散部材が腐食されることを防止するための請求項1〜12のいずれかに記載の拡散部材の使用。
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