(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚染防止装置の端部円錐体を断熱するのに適する端部円錐体断熱予備成形体であって、
汚染防止装置の端部円錐体を断熱するのに適する、円錐体形状に成形された発泡性もしくは非発泡性シート材料、及び
前記シート材料に密着し、自立性である円錐体形状に前記シート材料を保持する形状保持要素
を含む端部円錐体断熱予備成形体。
【請求項２】
可撓性、弾性、かつ圧縮可能である、請求項１記載の端部円錐体断熱予備成形体。
【請求項３】
水平面に置いたときに、重力のもとでもその三次元円錐体形状を保持する、請求項１又は２に記載の端部円錐体断熱予備成形体。
【請求項４】
前記形状保持要素が有機結合剤である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の端部円錐体断熱予備成形体。
【請求項５】
前記シート材料が第１の端部と第２の端部を有し、前記形状保持要素が前記第１の端部と第２の端部を互いに結合するテープである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の端部円錐体断熱予備成形体。
【請求項６】
弾性試験法を用いて評価した場合に約３５〜約９７パーセントの弾性値を示す、請求項１〜５のいずれか１項に記載の端部円錐体断熱予備成形体。
【請求項７】
(a)内側端部円錐体ハウジングと外側端部円錐体ハウジングを含むハウジング、
(b)前記ハウジング内に取り付けられた触媒要素、及び
(c)前記内側端部円錐体ハウジングと外側端部円錐体ハウジングの間に配置された、請求項１〜６のいずれかに記載の端部円錐体断熱予備成形体
を含む汚染防止装置。
【請求項８】
汚染防止装置の端部円錐体を断熱するための端部円錐体断熱予備成形体を製造する方法であって、
有機結合剤を含む発泡性もしくは非発泡性断熱シート材料を提供すること、
この断熱シート材料を水もしくは水蒸気によって処理すること、
この断熱シート材料を、汚染防止装置の端部円錐体を断熱するに適する寸法を有する円錐体形状に成形すること、及び
この円錐体形状を乾燥させ、自立性である端部円錐体断熱予備成形体を形成すること
を含む方法。
【請求項９】
前記断熱シート材料を円錐体形状に成形する工程が断熱シート材料を成形型に入れることを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
汚染防止装置の端部円錐体を断熱するための端部円錐体断熱予備成形体を製造する方法であって、
シートの形態の発泡性もしくは非発泡性断熱材料を提供すること、
このシートを、汚染防止装置の端部円錐体を断熱するに適する寸法を有する円錐体形状に成形すること、及び
接着テープである形状保持要素を貼付し、自立性である端部円錐体断熱予備成形体を形成すること
を含む方法。
【請求項１１】
汚染防止装置を製造する方法であって、
弾性でありかつ圧縮可能な非発泡性もしくは発泡性断熱材料を含み、三次元円錐形状を有する、可撓性かつ自立性断熱端部円錐体を提供すること、
汚染防止装置の内側端部円錐体ハウジングと外側端部円錐体ハウジングの間に断熱端部円錐体を配置すること、
を含み、ここでこの断熱端部円錐体がその配置前に水平面に置いたときに、重力のもとでもその三次元形状を保持する、汚染防止装置を製造する方法。
【請求項１２】
断熱端部円錐体が弾性かつ圧縮可能な非発泡性断熱材料を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
断熱端部円錐体が有機結合剤をさらに含み、
断熱材料を水もしくは水蒸気で処理すること、
この断熱材料を、汚染防止装置の断熱端部円錐体として用いるに適する寸法を有する円錐体形状に成形すること、及び
この円錐体形状を乾燥させ、自立性である断熱端部円錐体を形成すること
の工程をさらに含む、請求項１１又は１２記載の方法。
【請求項１４】
シート材料片から断熱端部円錐体を形成すること
の工程をさらに含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
成形型を用いて断熱端部円錐体を成形することを
の工程をさらに含む、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、汚染制御装置に使用する断熱材に関し、特に、汚染制御装置の断熱端部円錐として使用される発泡性または非発泡性シート材料から予備成形物を製造する方法、および結果として得られる予備成形断熱端部円錐に関する。
2種類の汚染制御装置は、現在広く使用されている。つまり、触媒コンバータおよびディーゼル微粒子フィルタまたはトラップである。触媒コンバータは触媒を含み、触媒は、コンバータに取り付けられるモノリシス構造上に一般に塗布される。モノリス構造は一般にセラミックだが、金属製モノリスが使用されてきた。触媒は、一酸化炭素および炭化水素を酸化させて、自動車の排気ガス中の窒素の酸化物を還元して、大気汚染を制御する。ディーゼル微粒子フィルタまたはとラップは、多孔性結晶質セラミック材料から一般に製造されるハネカム状モノリス構造を有する壁流フィルタである。ハネカム状構造の1つ置きのセルは、排気ガスが一方のセルに入り、一方のセルの多孔性壁を貫通して押し出されて、他方のセルを貫通して構造から出るように一般に塞がれる。
汚染制御装置は比較的高温になるので、装置を十分に断熱することが重要である。断熱は、一般に、適切な材料から成る断熱取付マットを使用して、ケーシング内にモノリス要素を固定して行われる。さらに、排気管から汚染制御装置への移行部分になる入口および出口端部円錐組立体も断熱することができる。入口および出口端部円錐組立体は、外側金属ハウジングおよび内側金属ハウジングから成る二重壁端部円錐組立体に対して、内側と外側円錐ハウジングとの間に画定される隙間を形成して断熱することができる。
発明の要約
本発明の一態様は、汚染制御装置の端部円錐を形成するのに適する予備成形断熱端部円錐であり、この予備成形物は、シート材料が円錐形であることを可能にする複数のスリットを有する円錐形の発泡性または非発泡性シート材料と、この発泡性シート材料と密着し、発泡性シート材料が円錐形を保つことを可能にする形状維持要素とを含む。
本発明のもう1つの態様は、汚染制御装置の端部円錐を形成するのに適する予備成形断熱端部円錐であり、この予備成形物は、第1端部および第2端部を有する円錐形発泡性シート材料と、この発泡性シート材料に密着し、発泡性シート材料が円錐形を保つのを可能にする形状維持要素とを含む。この実施例の形状維持要素は、前記端部を互いに結合するテープであることが好ましい。シート材料は、このテープがポリエステル、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどの熱可塑性ポリマーフィルムに付着する一方の側に塗布することが好ましい。
本発明は、汚染制御装置の端部円錐組立体の断熱材として使用する予備成形断熱端部円錐をシート材料から製造する方法をさらに提供する。本発明は、一態様では、予備成形断熱端部円錐を製造する方法であって、熱可塑性有機結合剤を含む発泡性または非発泡性シート材料を形成し、このシート材料を所望の形状および寸法に切断して、完成予備成形断熱端部円錐を形成するステップと、成形済みシート材料を水または蒸気で処理するステップと、処理済みのシート材料を乾燥させて、完成予備成形断熱端部円錐を形成するステップとを含む方法をさらに提供する。切断したシート材料は、成形型を使って成形することが好ましい。切断したシート材料は、複数のV形切れ目を有することが好ましい。シート材料は発泡性であり、ラテックスから誘導した熱可塑性有機結合剤を含むことが好ましい。
本発明は、一態様では、予備成形断熱端部円錐を製造する方法であって、可撓性かつ弾性の発泡性または非発泡性であり、汚染制御装置に使用するのに適するシート材料の少なくとも一方の表面を剛性化溶液で処理し、このシート材料を所望の寸法および形状に切断して完成予備成形断熱端部円錐を形成するステップと、シート材料を所望の端部円錐形に成形するステップと、このシート材料を乾燥させて、完成予備成形断熱端部円錐を形成するステップとを含む方法を提供する。好適な剛性化溶液は、水性コロイド状シリカおよび水性コロイド状アルミナである。好適な発泡性および非発泡性シート材料は、ポリマー乳濁液を含む有機結合剤を含む。
本発明は、一態様では、予備成形断熱端部円錐を製造する方法であって、汚染制御装置に使用するのに適する可撓性かつ弾性の発泡性または非発泡性シート材料を提供するステップと、このシート材料の少なくとも一方の側に金属箔を塗布するステップと、塗布済みシート材料を所望の形状に成形して、完成予備成形端部円錐断熱材を形成する方法を提供する。金属箔は、シート材料を所望の寸法に切断する前に、発泡性または非発泡性シート材料の少なくとも一方の表面に貼り付ける金属箔テープであることが好ましい。この金属箔は、シート材料の両面に貼り付けても良い。
本発明は、もう1つの態様では、予備成形断熱端部円錐を形成する方法であって、可撓性かつ弾性の発泡性または非発泡性シート材料を所望の寸法に切断し、先ず所望の形状に成形するステップと、この成形済み材料を熱収縮性フィルムで部分的に被覆するステップと、この熱収縮性フィルム被覆部分に完成予備成形物を成形するのに十分な熱を暴露するステップとを含む方法を提供する。
意外なことに、出願人は、無機材料の稀釈スラリを生成および取り扱わずに、シート形態の断熱材から予備成形断熱端部円錐を成形する単純かつ時間の節約になる方法を発見した。本発明の方法により結果として得られる予備成形物は、可撓性で自立するので、汚染制御装置を製造する際に使いやすい。
本発明による予備成形物の1つの利点は、本発明の予備成形物が比較的可撓性、弾性かつ圧縮性であり、予備成形物の製造に使用したシート材料の化学的特性および性能特性を保つことである。
「自立」とは、本明細書で使用する場合、成形後に重力下で3次元形状を維持する成形製品を意味する。
「予備成形」端部円錐断熱材とは、本明細書で使用する場合、発泡性または非発泡性シート材料から製造される自立式断熱端部円錐を意味する。
「発泡性」材料とは、本明細書で使用する場合、汚染制御装置に使用するのに適し、発泡性材料を含み、十分な熱エネルギーに暴露したときに膨張または発泡する材料を意味する。
「非発泡性」材料とは、本明細書で使用する場合、汚染制御装置に使用するのに適し、発泡性材料を含まない材料を意味する。
【図面の簡単な説明】
図1は、内側および外側金属製端部円錐ハウジングであって、予備成形断熱端部円錐が端部円錐ハウジング間に配置されたハウジングを有する触媒コンバータの断面図を示す。
図2は、処理前の打抜きシート材料を示す。
図3は、図2に示す打抜き材料から製造される本発明による予備成形断熱端部円錐の略図を示す。
図4は、処理前の打抜きシート材料を示す。
図5は、図4の打抜きシート材料から製造される本発明による予備成形断熱端部円錐の斜視図を示す。
図6は、本発明による予備成形端部円錐のもう1つの実施例を示す。
図7は、本発明による予備成形端部円錐のもう1つの実施例の正面図を示す。
発明の詳細な説明
図面を参照すると、図1は、汚染制御装置を示し、特に、ほぼ円錐の入口端部円錐組立体14および出口端部円錐組立体16を備えるハウジング12を含む触媒コンバータ10を示す。ハウジング12は、缶またはケーシングとも呼ばれ、先行技術で公知の適切な材料から製造でき、一般に金属から製造される。ハウジング12は、ステンレス鋼から製造することが好ましい。ハウジング12内には、セラミックまたは金属のハネカム状モノリス構造から形成されるモノリシックな触媒要素18が配置される。このモノリス18は、取付および断熱マット22で囲まれている。
次に、入口端部円錐組立体14および出口端部円錐組立体16を参照すると、入口端部円錐組立体14および出口端部円錐組立体16は各々、外側端部円錐ハウジング26および内側端部円錐ハウジング28を備える。予備成形断熱ライナーつまり端部円錐30は、図3にさらに詳しく示されており、外側端部円錐ハウジング28と内側端部円錐ハウジング26との間に配置される。内側端部円錐ハウジング28は、汚染制御装置に形成され、断熱端部円錐30を所定の位置に保ち、汚染制御装置を通過する高温の排気ガスにより断熱端部円錐30が破損するのを防ぐ。内側および外側端部円錐ハウジング26、28は一般に金属から製造されるが、ステンレス鋼またはINCONELTM 600などの合金から製造することが好ましい。
図2は、汚染制御装置に使用するのに適する発泡性シート材料から打ち抜いた断熱材40の実施例を示す。打抜き断熱材40は一体構成であり、内側および外側端部円錐ハウジング28、26の間に配置できる寸法および形状を有する。打抜き断熱材40は、主面42、44および厚さ46を有する一般にシートの形態である。この実施例では、打抜き断熱材40は、タブ50を形成するほぼ「V形」の切れ目48を有する。このV形の切れ目48は、シート材料の表面張力を緩和し、断熱材を過度に座屈させるかまたは折り曲げることなく、打抜き断熱材40をほぼ円錐形の断熱材に成形することを可能にする。打抜き材料のV形切れ目48の形状およびサイズは、打抜き断熱材40を最終的な所望の形状に成形するときに、断熱材40を不当に座屈させるかまたは折り曲げなくても断熱材の隙間が最小限である形状およびサイズである。当然、断熱シート材料は、最終用途に適する寸法で円錐形に成形できる任意の有用であるかまたは所望の一体形状に打ち抜くことができる。発泡性および非発泡性シート材料に有用な打抜機は、Ampak，Inc．，Anderson NCが市販するRotomaticTM II打抜機である。
本発明の予備成形断熱端部円錐の一実施例を図3に予備成形断熱端部円錐60として示す。予備成形断熱端部円錐60は、図2に示す打抜き材料40から製造される最終的な端部円錐である。予備成形断熱端部円錐60の特徴は、3次元の円錐形であり、表面62および裏面64を有し、自立するとともに弾性かつ圧縮性であることである。打抜きシート材料40を予備成形物60として成形すると、V形切れ目48はスリット49になる。この実施例では、シート材料はINTERAMTMタイプ200発泡性マット（3100g/m2）であり、主面44は、コロイド状シリカを含む剛性化溶液の形態の形状維持要素を使って処理および成形される。
図4は、図5に示す好適な予備成形断熱端部円錐80の製造に使用する打抜きシート材料70を示す。図4を参照すると、打抜きシート材料70は一体形およびほぼ半月形であり、テープ82の形態の形状維持要素で互いに取り付けられる第1端部72と第2端部74とを有する（図5参照）。予備成形断熱端部円錐80は、円錐形で自立し、弾性かつ圧縮性であることに特徴がある。この好適な実施例では、打抜きシート材料70は、INTERAMTMタイプ100発泡性マット（3662g/m2）から切断され、このマットは、一方の表面に熱可塑性ポリエステルフィルム76を貼り付けてから打ち抜いた。発泡性シート材料の表面に貼り付けるのに有用な熱可塑性フィルムとしては、約0.01mm〜約0.3mm厚のポリエステル、ポリエチレンおよびポリプロピレンがある。市販の好適なフィルムは、ミネソタ州、セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Companyが市販する3M Tape # 356である。シート材料に貼り付けるのに使用する実質的に無機発泡性または非発泡性シート材料および／または熱可塑性フィルムは、この実施例の形状維持要素として使用することができる。こうした有用なテープとしては、マスキングテープ、布テープ、外科用テープ、およびMinnesota Mining and Manufacturing Companyが3M Tape #356として市販しているポリエステルフィルムテープなどのプラスチックフィルムテープがある。予備成形断熱端部円錐は、端部72および74を合せて円錐を形成し、両端を接着テープで取り付けて製造する。
予備成形断熱端部円錐のもう1つの実施例を予備成形断熱端部円錐90として図6に示す。端部円錐90は、複数のスリット49、および内側つまり前面94に貼り付けられる金属箔テープ92の形態の形状維持要素を有する円錐形の発泡性シート材料91から成る。
本発明による予備成形断熱端部円錐のもう1つの実施例を予備成形断熱端部円錐100として図7に示す。端部円錐100は、複数のスリット49を有する円錐形の発泡性シート材料91と、この円錐形シート材料の表面104および裏面106の上部部分上に塗布される熱収縮性フィルム102の形態の形状維持要素とから成る。
円錐形の形成に使用する打抜きシート材料は、汚染制御装置に使用するのに適する任意の可撓性かつ弾性断熱シート材料から製造することができる。この材料は、発泡性であっても非発泡性であっても良いが、発泡性であることが好ましい。
打抜き断熱材40、60を製造するのに有用な発泡性シート材料は、約20〜65乾燥質量％の未膨張のひる石フレークを含む弾性かつ可撓性の発泡性シートから成り、こうしたフレークは未処理であるか、または以下とのイオン交換により処理される：リン酸二水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、塩化アンモニウムなどのアンモニウム化合物、または米国特許第4,305,992号（Langer等）に記載されているその他の適切なアンモニウム化合物；約10〜50乾燥質量％の無機繊維材料、たとえばアルミノシリケート繊維（ニューヨーク州、ナイアガラフォールズのUnifrax Co.がFIBERFRAXTMの商標で市販、およびジョージア州、オーガスタのThermal CeramicsがCERAFIBERTMの商標で市販）、ガラス繊維、ジルコニアシリカおよび結晶質アルミナホイスカー；約3〜25乾燥質量％の有機結合剤、たとえば天然ゴムラテックス、スチレン-ブタジエンラテックス、ブタジエンアクリロニトリルラテックス、アクリレートまたはメタクリレートポリマーおよびコポリマーなど、ラテックス形態の結合剤；並びに約40乾燥質量％の無機充填剤、たとえば膨張ひる石、中空ガラス微小球およびベントナイト。好適な発泡性シート材料は、約45〜約62乾燥質量％の未膨張ひる石フレーク、約27〜約45乾燥質量％の無機繊維質材料、および約3〜約10％のラテックス形態の有機結合剤を含む。
その他の有用なシート材料の例およびこうしたシート材料を製造する方法は、米国特許第5,523,059号（Langer）に記載されている。
さらに、発泡性シート材料の例およびこうしたシート材料を製造する方法としては、米国特許第3,916,057（Hatch等）、第4,305,992号（Langer等）、第4,385,135号（Langer等）、第5,254,410号（Langer等）、第4,865,818号（Merry等）、第5,151,253号（Merry等）、および第5,290,522号（Rogers等）に記載されているものがある。市販の好適な発泡性シートおよびマットとしては、ミネソタ州、セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Co.がINTERAMTMの商標で市販しているものがある。発泡性シート材料は、公知の製紙技術を用いて製造される。取付マットの厚さは、一般に0.5〜10mmの範囲である。
その他の有用な発泡性材料としては、米国特許第5,254,410号（Langer等）に記載されている膨張性黒鉛、膨張性珪酸ナトリウム粒体、および部分的に脱水した脱水ひる石がある。
形状維持要素の一例は、有機結合剤である。熱可塑性有機結合剤としては、天然ゴムラテックス、スチレン-ブタジエンラテックス、ブタジエンアクリロニトリルラテックス、並びにアクリレートおよびメタクリレートポリマーおよびコポリマーのラテックスなど、ラテックス形態の有機ポリマーおよびエラストマーの乳濁液がある。熱可塑性有機結合剤としては、さらに、天然ゴム、スチレン-ブタジエンゴム、およびその他のエラストマー系ポリマー樹脂など、ポリマーおよびポリマー樹脂がある。アクリル系ラテックスおよびポリビニルアセテートは、好適な熱可塑性有機結合剤である。有機結合剤として使用するのに役立つその他の熱可塑性材料としては、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニルおよびポリスチレンがある。
有機結合剤として使用するのに役立つ熱硬化性材料は、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂がある。有機結合剤としては、さらに、2つ以上の熱可塑性および／または熱硬化性材料の混合物がある。有用な混合物としては、熱可塑性樹脂または材料と結合したポリマー乳濁液、および熱硬化性樹脂または材料と結合したポリマー乳濁液がある。
市販の好適な有機結合剤の例としては、ペンシルバニア州、フィラデルフィアのRohm & Haasが市販するRHOPLEX▲Ｒ▼ HA-8（45.5重量％の固形水性アクリル系乳濁液）、ペンシルバニア州、アレンタウンのAir Productsが市販するAIRFLEX▲Ｒ▼ 600BP（55％の固形水性ポリビニルアセテート乳濁液）がある。
無機充填剤としては、膨張性ひる石、中空ガラス微小球およびベントナイトがある。
本発明の予備成形断熱端部円錐を形成するのに役立つ非発泡性断熱シート材料は、無機繊維および有機結合剤を一般に含む。一般に、有用な非発泡性シート材料は、約60〜約98乾燥質量％の無機繊維および約2〜約25乾燥質量％の有機結合剤を含む。好適な非発泡性シート材料は、約90％の無機繊維および約10％の有機結合剤を含む。非発泡性材料は、無機粒子または充填剤および1つまたは複数の無機結合剤をさらに含んでも良い。非発泡性断熱材は、約0.5〜約15mm厚のシートの形態であることが好ましい。
非発泡性断熱シート材料の製造に有用な本質的にショットを含まないセラミック繊維としては、アルミナ-ボリア-シリカ繊維、アルミナ-シリカ繊維、アルミナ五酸化リン繊維、ジルコニア-シリカ繊維、ジルコニア-アルミナ繊維およびアルミナ繊維がある。「本質的にショットを含まない」または「ショットを含まない」繊維とは、5重量％未満および好ましくは1重量％未満のショットまたは非繊維質微粒子材料を含む繊維、並びに少なくとも95％および好ましくは99％ショットを含まない繊維である。市販の有用な繊維としては、UnifraxがFIBERMAXTMの商標で市販している繊維、ICI Chemicals & PolymersがSAFFILTM LDの商標で市販している繊維、DenkaがALCENTMの商標で市販しているアルミナ繊維、およびMitsubishiが市販しているMAFTECH繊維がある。
これらの繊維は一般に、業界で公知の方法を使用して吹込みまたは紡糸により形成される。繊維は、ゾルゲル溶液を紡糸して形成することが好ましい。これらの繊維は、不織工業で実施されている収集スクリーン上に繊維質材料を吹き込むなど、公知の様々な方法でマットまたはシートとして形成される。好適な非発泡性無機繊維は、ICI Chemicals and PolymersがSAFFILTMの商標で市販している多結晶質アルミナ繊維がある。この繊維は耐薬品性であり、1600℃以下の選択的な用途に使用される。この繊維は、ラメラ形態のマットになる主に2次元の無作為な配列の繊維から成る低密度シートの形態で製造される。このシートは、均一な繊維構造で本質的にショットを含まない。
低密度マットのラメラの性質により、取扱いおよび組立時の剥離を防ぐための手段を汚染制御装置に設ける必要がある。つまり、アルミナ繊維の低密度シートは、取扱いおよび組立時に物理的に拘束または圧縮することが好ましい。これらの材料は、約0.05〜0.60g/cm3の取付密度まで圧縮した場合、高温で繰り返し厚さを圧縮しても、冷却すると実質的に元の厚さに弾性復原し、その構造上の完全性を維持するという特有の能力がある。
非発泡性予備成形断熱端部円錐60に好適な繊維材料は、0.05〜0.30g/cm3の密度範囲で一般に市販されているので、端部円錐ハウジング28、26内の断熱材として使用する場合、約1対10の率で圧縮しなければならない。非発泡性断熱材のシートは、断熱材の取扱いおよび切断を容易にするために一般に圧縮され、圧縮状態に保たれる。非発泡性断熱シート材料は、樹脂結合または針による打抜きを使用するなど、様々な方法で物理的に圧縮することができる。
樹脂結合は、非発泡性材料に有機結合剤を飽和させて圧縮され、この結合剤は、高温排気ガスから生成される熱の存在下で燃焼してなくなる。有機物質は、高温排気ガスから生成される熱に暴露されたときに燃焼してなくなる。
市販の好適な非発泡性シート材料は、英国、チェシアのICI Chemicals and Polymersが市販しているSAFFILTM LDアルミナ繊維シートおよびニューヨーク州、ナイアガラフォールズのUnifraxが市販しているFIBERFRAXTM 550K繊維シートがある。
非発泡性シート材料に有用な有機結合剤および有機繊維としては、発泡性シート材料に関して上記に記載したものがある。
本発明に有用な発泡性および非発泡性シート材料は、製紙に使用される方法など、十分に公知の湿式堆積法により製造される。
可撓性および弾性発泡性または非発泡性シート材料から本発明の完成予備成形物を製造する1つの方法は、発泡性または非発泡性シート材料の少なくとも一方の主面を処理するステップを含む。表面処理は、シート材料に十分な剛性を与えるためにシート材料の少なくとも一方の表面に施されるので、シート材料を端部円錐の形状に成形した後、予備成形端部円錐は自立するが、意図する用途で取り扱うときに亀裂が生じたり破損したりするほど剛性にはならない。
有用な表面処理としては、剛性化溶液の形態の形状維持要素をシート材料の少なくとも一方の表面に塗布する方法がある。剛性化溶液は、シート材料の表面に塗布してから乾燥させたときに、溶液が塗布された表面を補強するかまたは剛性にする溶液である。この溶液は、ブラシまたは噴霧器を使って発泡性または非発泡性シート材料の表面に塗布することができる。有用な剛性化溶液としては、コロイド状シリカ、コロイド状アルミナ、炭化珪素、リン酸マグネシウム、ひる石乳濁液、クレー乳濁液およびリン酸モノアルミニウムがある。
市販されている有用な剛性化溶液としては、リン酸マグネシウム懸濁液（100％固体、テネシー州、オークリッジのZYP Coatings,Inc.が市販）、Nalco 2327コロイド状シリカ（50％固体、イリノイ州、ネーパーヴィルのNalco Chemical Companyが市販）、およびリン酸モノアルミニウムの50％固体溶液（フランスのRhone-Poulenc Basic Chemical Co.が市販）がある。好適な剛性化溶液は、コロイド状アルミナおよびコロイド状シリカの溶液である。シート材料の一方の表面のみを剛性化溶液で処理することが好ましい。使用の際、本発明の予備成形物の処理済み表面は、内側端部円錐ハウジングの外面に隣接する。
一般に、発泡性または非発泡性シート材料の表面に塗布される剛性化溶液の量は、最終製品に所望の特性に応じて変わる。しかし、処理は、自立製品が形成されるように十分な量でなければならない。処理はさらに、意図した目的で取り扱うときに、完成部分が脆いかまたは容易に破壊しない量でなければならない。一般に、打抜きシート材料に加えられる剛性化溶液の固体の量（乾燥質量％）は、打抜き部分の乾燥質量の約10％に等しい。
シート材料は、剛性化溶液で処理した後、好ましくは処理済み材料を内側および外側金属製端部円錐ハウジングの間に配置してハウジングを一緒に固締し、この組立体を炉内に配置してシート材料を乾燥させ、予備成形断熱端部円錐を形成して、組立体を炉から取り出して室温まで冷却し、予備成形断熱端部円錐を金属製ハウジングから取り出すことにより所望の形状に成形する。当然、処理済みシート材料は、所望の形状を有する適切な成形型を使用して成形することもできる。
本発明の予備成形断熱端部円錐を製造するために使用するシート材料の少なくとも一方の表面を処理するもう1つの方法は、金属箔の薄い層の形態の形状維持要素をシート材料の表面に施すことである。この金属箔層は、3次元の製品に成形して汚染制御装置に使用できる任意の金属で良い。金属層は、接着剤を使ってシート材料の表面に施すことができる。金属層の厚さは、約0.0030in（0.076mm）〜約0.0100in（0.254mm）であることが好ましい。好適な金属はアルミニウムであり、アルミニウム層は、ミネソタ州、セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Companyが市販するT-49フォイルテープを使用してシート材料の表面に貼付することが好ましい。使用の際、金属層をシート材料の一方または両方の表面上に配置してから、材料を所望の形状および寸法に切断することが好ましい。
本発明の予備成形断熱端部円錐を製造するために使用するシート材料の少なくとも一方の表面を処理するもう1つの方法は、熱収縮性フィルム層の形態の形状維持要素をシート材料の表面に使用することである。熱収縮性フィルムは、シート材料の一方または両方の表面全体の上に使用するが、シート材料の表面の一部分の上に使用することが好ましい。有用な熱収縮性フィルムの例としては、ポリエステルを含むポリオレフィン、たとえばミネソタ州、セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Companyが市販するSCOTCHPAKTMタイプ115ポリエステルフィルムテープがある。
使用の際、熱収縮性フィルムは、接着剤もしくはテープまたはその他の取付手段を使用してシート材料の片面または両面に施し、シート材料は、所望の形状および寸法に打ち抜く。切断してフィルムで被覆されたシート材料は、内側の金属製端部円錐ハウジングの外面周囲に配置し、フィルムが収縮して自立端部円錐を形成するまで、フィルムに熱を加える。必要な熱エネルギーまたは熱は、ヒートガンまたは対流炉などを使用して加えることができるが、ヒートガンを使用して加えることが好ましい。あるいは、打抜きシート材料は、所望の形状および寸法に切断して、内側の金属製端部円錐ハウジング上に配置し、熱収縮性フィルムのストリップまたはバンドを最大円周を有するシート材料の縁部周囲、つまり端部円錐の上部つまりタブ付き部分の周囲に巻き、十分な熱を加えてフィルムを収縮させて、自立予備成形端部円錐を形成する。好適な熱収縮性フィルム材料はポリエステルであり、熱収縮性フィルムは、切断したシート材料の上部つまりタブ付き部分の上に施すことが好ましい。
本発明の予備成形断熱端部円錐を製造するもう1つの方法は、熱可塑性および／または熱硬化性ポリマー材料を含む有機結合剤の形態の形状維持要素を含む発泡性または非発泡性材料を提供するステップと、切断したシート材料を所望の最終的な3次元形状に成形するステップと、ポリマー有機結合剤を融解もしくは部分的に融解させるか、および／または硬化させるのに十分な温度および十分な時間だけ成形済み発泡性または非発泡性シートを加熱して融着させ、3次元の自立予備成形断熱端部円錐を形成するステップとを含む。熱可塑性ポリマー材料の場合、完成予備成形断熱端部円錐は、成形済みシート材料を冷却した後に形成される。切断シート材料は、シート材料を所望の形状および寸法を有する成形型に配置し、上記のように切断シート材料を含む成形型を加熱して成形することができる。
発泡性または非発泡性シート材料内に含まれる熱可塑性および／または熱硬化性ポリマー材料の量は、シート材料から自立製品を形成するのに十分な量でなければならない。シート材料内に含まれる熱可塑性および／または熱硬化性樹脂は、意図した目的で取り扱うときに、望ましくない亀裂または破壊が生じる可能性がある予備成形製品が形成される量で存在してはならない。
本発明の予備成形端部円錐を製造するもう1つの方法は、水性ポリマー乳濁液、たとえばラテックス形態のポリマーまたはエラストマーを含む有機結合剤の形態の形状維持要素を含む発泡性または非発泡性シート材料を提供し、このシート材料を所望の形状および寸法に切断するステップと、所望の完成品を製造するための寸法を有する成形型に打抜きシート材料を配置するステップと、この成形済みシート材料に水を飽和させるステップと、成形型内に収納されたシート材料を加熱して、水が蒸発して最終的な予備成形製品を形成するステップとを含む。あるいは、成形済みシート材料は、成形型内のシート材料に蒸気を当てて飽和させてから、成形型内のシート材料を室温で乾燥させて最終的な予備成形製品を形成することができる。成形ステップにおける処理済み発泡性または非発泡性シート材料の代表的な水分は、シート材料の約5〜約55重量％である。
本発明の製品を形成するのに使用される発泡性または非発泡性シート材料は、上記の有機結合剤のほかに、形状維持要素として1つまたは複数の有機繊維を含んでも良い。
使用の際、本発明の予備成形断熱端部円錐は、内側および外側端部円錐ハウジング内に配置し、ハウジングを互いに溶接して、汚染制御装置の円錐形入口または出口を形成する。次に、円錐形入口または出口を汚染制御装置の金属製ハウジングに溶接する。断熱端部円錐は、汚染制御装置内の雑音および振動を抑制し、さらに排気ガス熱から断熱するのに役立つ。
実施例
試験方法
硬度試験
最終的な予備成形端部円錐断熱ライナーの処理済み表面の硬度は、Shore DurometerTM硬度試験機タイプA計器を使って決定した。
弾性試験法
この試験は、質量を加えた後の予備成形製品の維持高さ関数として予備成形製品の弾性の量を測定するために使用する。
予備成形端部円錐は、大径開口部を下にして（逆円錐）平らな表面上に配置する。剛性板紙のシートを対向面上に配置する。20gの重りを板紙上に配置して端部円錐上でセンタリングし、板紙シートの高さを「初期高さ」として記録する。20gの重りを取り外し、200gおよび50gの重りを上記のとおりに板紙上に配置し、板紙シートの高さを「最終高さ」として記録する。弾性は、以下の式を用いて計算する：弾性＝（最終高さ／初期高さ）×100％。試験する各々のサンプルは、実質的に同じ寸法でなければならない。
一般に、本発明の予備成形断熱端部円錐の弾性値は、約35〜約97％、好ましくは約50〜約97％、さらに好ましくは約75〜約97％である。
厚さおよび密度の変動を決定するための試験方法
この方法は、成形済み製品の厚さおよび密度の変動を決定するために使用する。少なくとも12個の打抜き片を各サンプルから取り出す。打抜き片は、各サンプルの縁部および中間部分から取った。ダイは、直径11mmの円形ダイである。約13.6psi（93.6kPa）の圧力を各々の例の各打抜き片に加え、各サンプルの厚さを最寄りの0.003cmまで測定する。これらの測定は、ロードアイランド州、プロヴィデンスのFederalが市販しているダイヤルゲージを使って行うことができる。各々の打抜き片は、最寄りの0.01gまで計量し、重量をグラム単位で記録する。単位面積（g/m2）当たりの重量は、以下の式を用いて計算する：単位面積当たり重量＝（重量（g）／（（121mm2×pi）/4,000,000）。単位面積当たりの厚さおよび重量の値を平均して、3つの標準偏差を計算する。
一般に、本発明の予備成形断熱端部円錐の厚さの変動（3つの標準偏差）は、50％未満、好ましくは30％未満、さらに好ましくは20％未満である。
実施例1
発泡性シート材料のシート（INTERAMTMタイプ200マット、3100g/m2、ミネソタ州、セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Companyが市販）は、打抜機（サウスキャロライナ州、アンダアーソンのAmpak，Inc.が市販するRotomaticTM II）を使って打ち抜いて、外側金属製円錐ハウジングの幾何学的形状に適合するように、図2に示すものに類似する打抜き部品を形成した。この打抜き部品の寸法は、ほぼ144mm×155mm、重量は約48.4gだった。この部品は、一方の側の表面全体を、ペンキブラシを使ってコロイド状シリカ溶液（NalcoTM 2327、イリノイ州、ネーパーヴィルのNalco Chemical Companyが市販）で処理した。塗布部品は、塗布面を上に向けて、図1に示すものに類似する外側金属製円錐ハウジング（雌部分）内に配置した。この塗布部品は、内側円錐ハウジング（雄部分）でハウジングの外側円錐ハウジングの形状に圧迫した。内側円錐ハウジングを取り出して、外側円錐ハウジング内部の成形済み部品を強制空気試験炉（イリノイ州、ブルーアイランドのBlue M Electric Companyが市販するBlue M OV-560A-2）内に配置し、約1時間にわたり110℃の温度で乾燥させた。乾燥後、成形済み予備成形物を外側円錐ハウジングから取り出して冷却し、計量した。完成予備成形物の重量は、52.7gだった。
乾燥した予備成形断熱材は、取扱いの際に自立し、成形された形状を保った。この予備成形物の未塗布面は柔軟で圧縮可能であり、測定硬度値は、DurometerTM硬度試験機および上記の方法を使用して測定して約25だった。この予備成形物の塗布面の測定硬度値は、約40だった。この予備成形物は、外側および内側金属製円錐ハウジング内に配置したとき、可撓性かつ圧縮性を保ち、ハウジング内に容易に配置することができた。
実施例C1
実施例1に使用した手順を繰り返して完成予備成形物を形成したが、打抜き部品は、コロイド状シリカ溶液を含む溶液中に部品を浸漬してコロイド状シリカを飽和させた。乾燥後、塗布済み予備成形物の重量は77gだった。完成予備成形物は自立し、非常に剛性に感じられた。両面の測定硬度値は、70〜80だった。予備成形物を内側および外側ハウジング内に取り付けたとき、部品のタブ部分の1つに亀裂が生じた。
実施例2〜3
発泡性マット材料のシート（Minnesota Mining and Manufacturing Companyが市販するINTERAMTMタイプ100、3662g/m2）および非発泡性マット材料のシート（ニューヨーク州、ナイアガラフォールのUnifraxが市販するFIBERFRAXTM 550K繊維シート）を実施例1に記載したように打ち抜いて、打抜き実施例2および3を形成した。発泡性シート材料の組成は、乾燥質量で約42.5〜約62.5％の未膨張ひる石、27〜45％の無機繊維、3〜10％のラテックス有機結合剤だった。非発泡性シート材料の組成は、約90％の無機繊維および10％のラテックス有機結合剤だった。このサンプルは、水道水を流しながら浸して水道水で湿潤させ、飽和した各打抜き材料を上記の実施例1に記載したものと類似の外側および内側端部円錐ハウジング間に配置した。内側および外側端部円錐ハウジングは、一緒に固締してから約100℃の炉内に約60分間入れて、水分を蒸発させる。打抜き材料を含む固締した端部円錐ハウジングを炉から取り出して室温まで冷却し、成形された発泡性および非発泡性予備成形物を取り出す。発泡性および非発泡性予備成形断熱材はどちらも可撓性で自立し、かつ圧縮性であり、取扱いの際に亀裂を生じたり破壊したりすることはなかった。
実施例4および5
4mm厚のアルミニウム箔テープ（ミネソタ州、セントポールのMinnesota Mining and Manufacturing Companyが市販するT-49箔テープ）は、寸法約35cm×35cmの発泡性シート材料（Minnesota Mining and Manufacturing Companyが市販するINTERAMTMタイプ100、3662g/m2）のサンプルに貼り付けて、この発泡性シート材料の表面全体を被覆する。次に、箔で被覆されたシート材料を実施例2として打ち抜いた。箔で被覆した打抜き部品は、箔側を内側端部円錐ハウジングの外面に隣接させて、内側金属製円錐ハウジングの外面上で成形した。次に、外側端部円錐を断熱材の外側に配置して、最終的な端部円錐内に正しく配置した。外側端部円錐ハウジングを取り出して、成形済み予備成形物を取り出した。実施例4の成形済み箔被覆予備成形物は、可撓性で自立した。
実施例4の手順を繰り返したが、発泡性シート材料の両面を箔テープで被覆して、実施例5の予備成形物を形成した。実施例5の予備成形物は、可撓性で自立した。
実施例6
発泡性シート材料を実施例2に記載したように打ち抜いた。次に、打抜き材料を実施例2の内側端部円錐ハウジング上で成形し、熱収縮性ポリエステルフィルム、SCOTCHPAKTMタイプ115テープが打抜き材料のリップつまり縁部を約20mm超えるように打抜き発泡性材料の上部つまり開いている縁部周囲に巻いた。熱収縮性フィルムは、幅約33mm×長さ約300mmだった。1440Wのヒートガンを使って約30secの間フィルムに熱を加え、ラップを打抜き材料の周囲で収縮させた。成形済み予備成形物を内側端部円錐ハウジングから取り出した結果、可撓性で自立した。予備成形端部円錐断熱材を形成するこの方法の利点は、本発明の予備成形物を形成するのに要する収縮性ラップフィルムが比較的少量である点である。
実施例7
実施例2に記載した打抜き発泡性シートの片面に、以下に記載する剛性化溶液を塗布した。この剛性化溶液は、材料の表面全体が湿ったように見えるまで、小さいペンキブラシを使って打抜き材料に塗布した。この剛性化溶液は、脱イオン水中の5：1リン酸マグネシウムセメント（ニューヨーク州、オークリッジのZYP Coatings Inc.が市販するZYPTM RS-1000セメント）だった。塗布サンプルは、実施例2に記載したように内側および外側端部円錐ハウジングの間に配置した。塗布サンプルを含む固締端部円錐ハウジングは、100℃の炉内に約60minにわたって配置してコーティングを乾燥させ、予備成形端部円錐製品を形成した。結果として得られた端部円錐は可撓性で自立し、取扱いの際に望ましくない亀裂または破損は生じなかった。
実施例8
発泡性シート材料（Minnesota Mining and Manufacturing Companyが市販するINTERAMTMタイプ100、3662g/m2）は、ポリエステルフィルムテープ（3Mテープ#356）を使って一方の表面に貼り付けて、図4に示す形状に打ち抜いた。両端を合せて切断シート材料を円錐形にして、一片のポリエステルフィルムテープを使って両端を固定し、図5に示す最終的な予備成形断熱端部円錐を形成した。
実施例9〜12および比較例C2〜C4
以下の実施例8〜13について、上記の弾性試験法を用いて弾性を試験した。
実施例9は、実施例1の予備成形物だった。
実施例10は、実施例2の予備成形物だった。
実施例11は、実施例4の予備成形物だった。
実施例12は、実施例6の予備成形物だった。
実施例13は、実施例8の予備成形物だった。
比較例C2、C3およびC4についても、上記の方法を用いて試験した。
C2は、比較例の予備成形物C1だった。
C3は、実施例1に使用した成形型と同じ形状の成形型を使用して製造したスラッシ成形端部円錐断熱ライナーだった。C3の組成は、約7.35乾燥質量％のスターチ結合剤および約92.65乾燥質量％の耐火性セラミック結合剤だった。
C4は、上記のC3に記載したように製造したスラッシ成形断熱ライナーで、その組成は、約14乾燥質量％のスターチ結合剤および86重量％の細断発泡性シート材料（Minnesota Mining and Manufacturingが市販のINTERAMTM X-D取付材料）であり、細断発泡性シート材料の乾燥質量組成は、約45〜62.5％の未膨張ひる石、27.5〜45％のセラミック繊維および3〜10％の有機結合剤だった。スラッシ成形端部円錐ライナーは、稀釈水性スラリを製造し、透過性の成形型を各々のスラリ中に配置し、重力および／または真空を用いて水分を除去した後、成形済み端部円錐ライナーを成形型上で乾燥させて製造した。その結果を以下の表1に記載する。
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これらの結果により、本発明の予備成形断熱端部円錐は、剛性化溶液を飽和させてスラッシ成形した類似の組成を有する予備成形端部円錐より圧縮性であることが分かる。したがって、本発明の予備成形物は、製造工程で扱いやすく、飽和するかまたはスラッシ成形した端部円錐ライナーより破壊および分割する傾向が少ない。
実施例14並びに比較例C5およびC6
実施例10（以下の実施例14）、比較例C3（以下のC5）およびC4（以下のC6）について、上記の方法を用いて厚さおよび密度の変化を試験した。その結果を以下の表2に記載する。
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これらの結果は、本発明の発泡性予備成形断熱端部円錐が、同一寸法のスラッシ成形端部円錐ライナーより厚さが均一であり、スラッシ成形発泡性端部円錐ライナーより密度（単位面積当たりの重量）が均一であることを示す。さらに、本発明の予備成形断熱端部円錐は、発泡性シート材料の弾性および圧縮性を維持するが、スラッシ成形端部円錐ライナーは比較的硬質で脆い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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