JPS62211138A - 断熱部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は断熱性、耐火性、並びに耐スポール性に優れた
断熱部材に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関の排気系機器、例えば鋳鉄製排気マニホールド
は内面がシリンダーより排出される高温高圧の燃焼ガス
に接し、その影響を強くうけるため、排気温度を制限せ
ざるを得ないとともに、長時間使用することができない
という難点があった。

また排気系機器は断熱性が小さいという欠点も有する。

特開昭５８−５１２１４号は内面に耐火断熱コーティン
グを施した排気マニホールドなどの内燃機関用排気ガス
系機器を開示している。

この内燃機関用排気ガス系機器は、耐火物原料粒子と無
機質結合剤の混合物よりなる不定形耐火物の被覆層を高
熱の排ガスに接する金属製機器本体の内面に形成したも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このマニホールドは、耐火物原料粒子と無機質結合剤の
混合物よりなる泥漿状の不定形耐火物を内面にコーティ
ングしたものであるため被覆層中の水分量が比較的多く
ならざるをえず、乾燥時に亀裂が生じ、また熱処理時の
収縮が大きく、剥離や亀裂破損が起こりがちである。ま
た中空状粒子、例えば発泡シリカ等は嵩密度が０．１以
下と軽いため、泥漿にしても結合剤溶液と分離して浮ん
でしまう。このため中空状粒子の泥漿をコーティングす
ることは実質的に不可能である。

さらに高温の排気ガスにより急激に加熱される際にも熱
衝撃及び被コーテイング材との熱膨張差により亀裂が生
じるおそれが大きい。

その上、マニホールドの内面には耐火物の被覆層がある
ため耐熱性は良好であるが、断熱性については不十分で
あリマニホールドの外面まで温度が伝わりマニホールド
の寿命を縮減するなど決して好ましい構造とはいえない
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、これらの欠点に鑑み、コーティングの断
熱性の向上及び急熱、急冷によるコーティング層の剥離
防止について、種々研究をかさねた結果、肉厚の薄い中
空状のセラミック粒子を、粒子間に十分空隙があるよう
に無機質結合材で接着及び結合させることにより、断熱
性、耐火性及び耐剥離性に優れた断熱部材が得られるこ
とを発見した。

すなわち、本発明の断熱部材は肉厚の薄い中空状セラミ
ック粒子を無機質結合材により接着結合してなる被覆層
を有し、中空状セラミック粒子間には十分空隙があるこ
とを特徴とする。中空状セラミック粒子は実質的に点接
触の状態で結合しているのが望ましい。

〔作　用〕

耐火材粒子は一般的に剛体であり、弾性変形せず非常に
脆いため、耐火材粒子によるセラミック・コーティング
は断熱性が小さく、被コーテイング材の昇温により熱膨
張差による熱応力が大きくなりコーティング層の剥離あ
るいは亀裂が生じる。

これにたいして肉厚の薄い中空状セラミック粒子は断熱
性に非常に勝れると同時にガラス繊維が自由に曲げても
破断しないように、剛体に較べて、かなり変形能をもっ
ており、被コーテイング材の温度上昇が少なく膨張差が
生じても大部分を変形により吸収するためコーティング
層の亀裂や剥離を防止することができる。また、肉厚の
薄い中空状のセラミック粒子を高温に於て適当に軟化変
形するような材質を選択することにより、急激に加熱さ
れても膨張差による応力を完全に吸収することができる
。

〔実施例〕

肉厚の薄い中空状のセラミック粒子としては一般的に市
販されているものではガラス質のもので、シラスバルー
ンやシリカバルーンを用いることができる。中空状セラ
ミック粒子は強度や後述する点接触の観点から実質的に
球状であるのが好ましく、その粒度は１５０〜４０μｍ
の範囲が適当である。４０μｍより小さいと被覆層の亀
裂や剥離が発生し、また肉厚の薄い中空状のセラミック
粒子のかさ密度が増加し断熱性が低下するので好ましく
ない。１５０．ｃｚｍを越えると、応力の分散が少なく
なり耐スポール性が低下するので好ましくない。

また、肉厚の薄い中空状のセラミック粒子は高温で適当
に軟化することが望ましく、使用温度によってその軟化
点は６００〜１２００℃の範囲が適当である。軟化点が
６００℃より低いと耐火断熱材としては不適当であり、
１２００℃を超えて軟化するものでは急激な高温加熱に
たいして亀裂や剥離が発生する。

無機質結合剤としては一般に使用されている珪酸ソーダ
、シリカゾル、リン酸塩等を用いることができる。本発
明の断熱セラミック被覆部材を模式図によって説明する
。

第１図は鋳物表面に施した本発明の被覆層の断面を模式
的に示す図である。理解をしやすいように、肉厚の薄い
中空状セラミック粒子は完全な球状に示されているが、
本発明に使用するセラミ・ツク粒子は必ずしも算法に限
るものではない。また被覆層は３層の粒子からなってい
るが、これは理解を容易にするためであって、実際の被
覆層ははるかに多くの粒子層からなっている。

被覆される肉厚の薄い中空状のセラミック粒子ｌは無機
質結合剤２によって鋳物表面に接着する。

またセラミック粒子間の接着も無機質結合剤２によって
行われている。肉厚の薄い中空状のセラミック粒子は自
然に最密充填となる傾向を有する。

結合剤は空隙部を全部埋めるよりは、出来るだけ中空状
セラミック粒子の接点にのみ存在するようにする。換言
すればセラミック粒子は実質的に点接触で結合している
。これにより、外力によって応力が発生した時に中空状
セラミック粒子が自由に変形することができ、応力の吸
収が可能となる。

第２図は被覆層側から加熱された場合の断面模式図であ
る。第３図はそのときの温度分布例である。第４図は温
度分布に対する自由膨張率の一例を示す。

第２図において、被覆層は全体としては鋳物の熱膨張に
よって強く拘束されているので、第１層は鋳物の膨張に
より引張り応力が働き、タテ長に変形する。膨張率が鋳
物と同じ部分では、第２層のように平衡状態で変形はな
い。第３層は温度が高いため鋳物より膨張率が大きいが
、鋳物によって膨張が拘束される為にタテ方向に圧縮応
力をうけヨコ長に変形する。このようにして熱膨張差に
よる応力はセラミック粒子の変形により有効に吸収され
、被覆層の亀裂や剥離が防止される。これに対し中実の
耐火材料を用いると、変形が小さいために膨張差による
応力が有効に吸収されず、亀裂や剥離が発生する。この
ように肉厚の薄い中空状のセラミック粒子を用い、粒子
間を実質的に点接触とすることによって、亀裂や剥離を
防止することができる。

本発明の断熱部材は、被断熱部材に無機質結合剤溶液を
塗布し、直ちに無機質結合剤溶液の層に中空状セラミッ
ク粒子を付着させ、熱処理により乾燥・固化することに
より形成することができる。

被覆層を所望の厚さとするために、上記工程を数回繰り
返すこともできる。

結合剤は水溶液の形で使用するが、その濃度は２０〜６
０ｗｔ％が好ましい。２０％より低いと接着力が小さく
剥離しやすい。また６０％より高いと塗布作業が困難と
なる。より好ましくは２５〜５５ｗｔ％である。

結合剤溶液に、硬化剤を適量添加することもできる。硬
化剤は、結合剤の種類によって異なるがそれぞれ公知の
ものが使用できる。例えば、珪酸塩結合剤に対しては珪
弗化ソーダ、焼成リン酸アルミニウム、ダイカルシウム
シリケート、炭酸ガスなどがある。またリン酸アルミニ
ウムに対してはマグネシア、ライムなどの塩基性酸化物
、カルシウムアルミネート、弗化アンモニウム等がある
。

例えば排気管の内面に被覆層を形成する場合、まず排気
管の内面に無機質結合剤溶液を塗布する。

これにより排気管の内面は一様に結合剤溶液で濡れる。

これに中空状セラミック粒子を付着させる。

付着方法としては、結合剤塗布表面に粉末を散布したり
、吹き込んだり、又は排気管内に粉末を充填し、一定時
間放置する方法等がある。後者の方法の場合、排気管の
内部にセラミック粒子を充填し、一定時間放置すると、
結合剤溶液はセラミック粒子間に浸透し、充分な量の粒
子が濡れることになる。このプロセスを促進するために
粉末全体に幾分圧力をかけてもよい。次に排気管の中か
ら粉末を取りだし、付着の不充分な粉末は空気流によっ
て吹き飛ばし、除去する。このようにして、充分に結合
剤溶液が含浸した中空状セラミック粒子の層が形成され
る°。この層の厚さは結合剤溶液の濃度および厚さによ
り異なるが、一般に１００〜Ｌ　５００μｍである。

以上の方法により形成した結合剤溶液含浸中空状セラミ
ック粒子層は、泥漿状にして塗布した層と比較して、水
分が非常に少なく、粒子は実質的に点接触の状態で結合
剤により結合されている。

上記層の熱処理は約３００℃まで徐々に加熱することに
より行なう。急激な加熱は層の亀裂や剥離を引き起こす
おそれがあるので、避けるべきである。好ましくは、層
を室温で自然乾燥し、しかる後徐々に温度を上げる。例
えば自然乾燥後、５０℃に１時間保持し、次に１００℃
に１時間保持する。さらに安定性向上のためには、３０
０℃まで加熱することが望ましい。

次に、必要とあらば、上記の被覆層の上にさらに同様の
方法により結合剤溶液を塗布し、中空状セラミック粒子
を付着させ、熱処理により乾燥・固化させる。比較的厚
い被覆層を得るめたには、このサイクルを数回繰り返す
。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。

スＪｕ随り 肉厚の薄い中空状のセラミック粒子として粒径１０５〜
４４μｍのシラスバルーン球状粒子を用い、無機質結合
剤として珪酸ソーダを用いて、厚さ２鶴の鋳物板上に厚
さ３龍のコーティングを施した。コーティングは最初に
無機質結合剤溶液を塗布し、この層にシラスバルーンを
吹き込んで付着させることにより形成した。コーテイン
グ面を１０００℃のＬＰＧ燃焼ガスで加熱したとき鋳物
の表面は４５０℃となりコーティングを施さなかった場
合と比較して１５０℃低く、大気への放散熱量は１／２
となり良好な断熱性を示した。また、この表面を１００
０℃のＬＰＧ燃焼ガスで急熱１５分および空冷１５分を
１００回繰り返したが、亀裂及び剥離は発生しなかった
。

１崖斑ム 内径５０鶴、厚さ３Ｒの鋳鉄製パイプの内面に薄肉の中
空状セラミック粒子として粒径１０５〜４４μｍのシラ
スバルーン及び無機質結合剤として珪酸ソーダを用い、
実施例１と同様の方法により厚さ２鶴のコーティングを
施し、さらに上記シラスバルーン及び無機質結合剤とし
てシリカゾル（スノーテックス４０）を用いて厚さ５龍
のコーティングを施した。コーティングを施した鋳鉄製
パイプの内面を１０００℃のＬＰＧ燃焼ガスで加熱した
とき鋳鉄製パイプの外面温度は３８２°Ｃとなりコーテ
ィングを施さなかった場合と比較して２２０℃低く大気
への放散熱量は約１／３となり良好な断熱性を示した。

また、この表面を１０００℃のＬＰＧ燃焼ガスで急熱１
５分および空冷１５分を１００回繰り返したが亀裂及び
剥離は発生しなかった。

去血斑主 酸化皮膜を有する鋳鉄性マニホールドの内面をあらかじ
めｐＨ１ｏのアルカリ溶液で脱脂処理を施し、珪曹比２
．９、濃度４５−１％の珪酸ソーダ水溶液に硬化剤とし
て焼成リン酸アルミニウム（ヘキスト社製ＨＢハードナ
ー）を１０−ｔ％添加したものを塗布し、ただちにかさ
比重０．２）粒径４４〜１０５μｍのアルミナ・シリカ
質中空粒子（シラスバルーン）を付着させ、室温で１時
間保持し、次に５０℃に昇温しで１時間保持し、さらに
１００℃に昇温して１時間保持し、最後に３００℃に昇
温して１時間保持した。この熱処理により、第１層を完
全に固化した。このプロセスをさらに２回繰り返し、第
２層、第３層を形成し厚さ３Ｂのコーティング層を形成
した 得られたマニホールドのコーティング層には余く亀裂は
みられなかった。

実施例３によって得られたマニホールドについて下記の
試験を実施し良好な結果をえた。

（１）　　耐熱試験 マニホールドの内部に１０００℃の熱風を連続して１０
０時間送風した後、常温に冷却したがコーティング層の
破損や剥離は全くなかった。

（２）熱衝撃試験 マニホールドの内部に１０００℃の熱風を３０分間送風
した後、１００℃まで放冷するサイクルを１５０回繰り
返したがコーティング層の破損や剥離はまったくみられ
なかった。

（３）断熱試験 マニホールドの内部に１０００　’ｃの熱風を３０分間
送風した後、外面の温度を測定したところ、内面コーテ
ィングをしていないマニホールドの外面温度は８００〜
８５０″Ｃであるが、本発明のマニホールドの外面温度
は５５０〜６００℃となり優れた断熱性を有することが
確認された。

（４）振動試験 ２０ＧＸ２８０ヘルツの加振条件で２００時間連続して
加振したが、コーティング層の破損や剥離はまったくみ
られなかった。

（５）定歪み試験 マニホールドの一端を固定して、多端に上下方向の荷重
を加え、±２龍の歪を与える試験を１００回繰り返した
が、コーティング層の破損や剥離はまったくみられなか
った。

（６）また上記４種類の単独試験完了品について、他の
試験を実施したマニホールドについてもコーティング層
の破損や剥離はまったくみられなかった。

本実験例はマニホールドについて述べたが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、ポートライナー、タービ
ンハウジングなどの排気系機器のコーティング層の形成
にも適用できるものである。

〔発明の効果〕

本発明の断熱部材は内面に肉厚の薄い中空状セラミンク
粒子を無機質結合剤により接着結合した被覆層を有する
ため、優れた断熱性、耐火性、並びに耐スポール性を有
するもので、耐熱試験、熱衝撃試験、断熱試験、振動試
験などに対してもきわめて良好な試験結果を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はコーティング断面の模式図、第２図はコーティ
ング内面から加熱された場合の断面の模式図、第３図は
断熱層の温度分布、第４図は温度分布に対応する自由膨
張率である。 鋳−′ジ第第 ＋１＝ 物層層層 第１（ｉｌ 引平圧 張衡縮 応状応 万態　力 第２図 −二三 物理　層　層 第３図 一一＝ 物理　層　層 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）被断熱部材の内面に肉厚の薄い中空状セラミック
   粒子を無機質結合剤により接着結合してなる被覆層を有
   し、前記中空状セラミック粒子間には十分空隙があるこ
   とを特徴とする断熱部材。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載の断熱部材において
   、前記中空状セラミック粒子は実質的に球状であること
   を特徴とする断熱部材。
3. （３）特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の断熱部
   材において、前記中空状セラミック粒子は、前記被覆層
   中において、前記無機質結合剤により実質的に点接触状
   態で結合していることを特徴とする断熱部材。
4. （４）特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記
   載の断熱部材において、前記中空状セラミック粒子の粒
   度分布が１５０〜４０μｍの範囲であることを特徴とす
   る断熱部材。
5. （５）特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記
   載の断熱部材において、前記中空状セラミック粒子の軟
   化点が６００〜１２００℃の範囲であることを特徴とす
   る断熱部材。
6. （６）特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記
   載の断熱部材において、前記被断熱部材が内燃機関用排
   気マニホールドであることを特徴とする断熱部材。