JP2010513774A - 消音器におけるプリフォーム用バインダー - Google Patents

Abstract

繊維に分解できる材料のファイバーから消音器プリフォームを製造する方法において、ファイバーを型に供給し、次いで低温硬化バインダーをファイバーに適用する。バインダーは低温で硬化してファイバーを共に結合させ、一般に型の形を有するプリフォームを形成する。プリフォームは型から外される。プリフォームは、消音器に挿入するために構造化される。消音器プリフォームは、繊維に分解できる材料及びファイバーを共に結合する低温硬化バインダーを含む。

Description

発明の詳細な説明

（本発明の技術分野及び産業上の利用可能性）
本発明は、一般的に、ファイバープリフォーム、具体的には消音器、例えばマフラー又は他の自動車の排気部品中に使用するためのプリフォームに関する。

（本発明の背景）
エンジンから大気に向けてエンジン排気ガスが排気システムを通過するにつれて、エンジン排気ガスに含まれる音響エネルギーを低下し（dampen）又は弱める（attenuate）ため、自動車の排気部品は消音材料を含むことが普通である。高い頻度で、ガラスファイバープリフォームが消音材料として使用される。

自動車の排気部品用のプリフォームは、しばしば、ガラスファイバーの連続したストランド（strand）を織る工程（texturizing）（ストランドを個々のフィラメントに分離する工程）、ファイバーを型に供給する工程、及びファイバーを織る時に又はファイバーを型に入れた後にファイバーに対してバインダーを適用する（apply）工程により製造される。バインダーは高温で硬化して、ファイバーを共に結合させ、これにより型の形状を有する多少堅い（rigid）プリフォームを形成する。バインダー及びプリフォームの温度を、典型的には、ファイバーに熱い空気を吹き付けることにより、又はオーブン中に硬化していないバインダーを含んだプリフォームを置くことにより、硬化温度まで上昇させる。加熱方法は時に、大幅な設備投資だけでなく大量のエネルギーも要求し、及び時に加熱方法はプリフォームを製造するために必要とされるサイクル時間を増加させる。

ドイツ特許出願第06.1092.4wzは、フェノール樹脂バインダーによって共に結合したガラスファイバーを含む、自動車の排気部品に使用するためのファイバープリフォームを開示する。二酸化炭素を、硬化プロセスの間にバインダーに対して適用して、最少量の加熱で硬化させることができる。
日本特許公報第06-143272号は、ファイバープリフォームの製造方法を開示する。裁断したガラスファイバー、ポリエステル樹脂及び硬化剤を一緒に型にスプレーする。次いで、樹脂は室温で硬化する。
米国特許第3,927,139号明細書は、樹脂結合した繊維強化物品のスプレーアップ（spray-up）技術による製造方法を開示する。この物品は、触媒−液体樹脂の混合物を、裁断したガラスファイバーにスプレーすることにより形成される。この樹脂は、室温で急速に硬化する。

米国特許第6,426,121号明細書は、不織布ウェブ（web）材料からの製品の製造において使用するために適した、二重に架橋できる（dual cross-linkable）ポリマーバインダーを開示する。このバインダーは、室温で硬化できる。
米国特許第5,766,541号明細書は、穴のあいた型にガラスファイバーストランドとバインダーを供給する工程、及び型を通して加熱した空気を吹き付けてバインダーを硬化させる工程により、自動車マフラーにおいて使用するためのファイバープリフォームを製造する方法を開示する。

（本発明の概要）
本発明は、繊維に分解できる材料のファイバーから、消音器のプリフォームを製造する方法に関する。ファイバーは型に供給される。低温硬化バインダーがファイバーに適用される。このバインダーは、低温で硬化してファイバーを共に結合し、それにより一般に型の形を有するプリフォームを形成する。プリフォームを、型から取り外す。プリフォームは、消音器に挿入するために構造化される。
本発明は、消音器のプリフォームにも関する。プリフォームは、繊維に分解できる材料のファイバー、及び該ファイバーを共に結合する低温硬化バインダーを含む。プリフォームは、消音器に挿入するために構造化される。
本発明の種々のさらなる側面が、図面及び詳細な説明及び本発明の好ましい態様から明らかとなるであろう。

（本発明の詳細な説明及び好ましい態様）
消音器において使用するための公知のプリフォームと対照的に、本発明のプリフォームは、比較的短時間で低温で硬化できるバインダーを用いて製造される。これは、プリフォームを製造するために必要とされる資金的な及びエネルギーのコスト並びにサイクル時間を顕著に削減できる。

プリフォームを使用して、全ての種類の消音器が製造できる。周知のように、消音器は音響エネルギー（音）を低下し又は弱めるために機能する部品又は装置である。これらは、しばしば、外側のシェル又はハウジング及びこのシェル／ハウジングの内部に適合するプリフォームを含む。消音器は、しばしば、大きなシステム又は装置の一部として使用される。消音器を含むであろういくつかのシステム又は装置は、自動車の排気システム、ディーゼル及びガスエンジン、コンプレッサー、高圧ガス放出システム、送風機、吸引ポンプ、通気口／噴き出し（vent/blowoff）及びガスタービンである。
本明細書で使用する“低温硬化バインダー”とは、室温で又は室温近くで実質的に完全に硬化する（固まって安定な材料を形成する）ことができるバインダーを意味する。例えば、硬化温度は、約50℃以下であってよく、典型的には約17℃〜約35℃の範囲内にあってよい。

バインダーは、比較的短時間、例えば約30分以下の時間で硬化できる。例えば、硬化時間は、約20分以下、約15分以下、又は約1〜約10分の範囲内であってもよい。
バインダーは、バインダーに対して最終バインダーの一部にならない非バインダー材料を適用することなく、低温で硬化できるものであって良い。例えば、以下で検討するように、樹脂及び効果促進剤の混合物を含んだバインダーは、本発明の一態様である。しかしながら、バインダーは、バインダーに対してガス性の硬化促進剤、例えば二酸化炭素を適用することなく、低温で硬化できるものであって良い。
硬化は、バインダーに対して熱、例えば加熱空気又は電磁波放射を適用することなく行っても良い。しかしながら、いくつかの例において、熱又は一種の電磁波放射を適用して、硬化プロセスを更に促進しても良い。

適切な低温硬化バインダー、又は異なるバインダーの混合物が、本発明で使用できる。バインダーは、単一の材料又は複数の材料を含んでも良い。例えば、バインダーは低温硬化樹脂を含んで良い。一態様において、バインダーは、樹脂の硬化を促進する材料、例えば活性剤、触媒、又は硬化剤（setting agent）／硬化剤（hardening agent）と組み合わせた樹脂を含む。硬化促進剤は、樹脂と混合する場合には、液体、エマルション、又は微粒子の固形物であってよく、これらはプリフォームのファイバー上で最終硬化バインダーの一部となる。液状の硬化促進剤が、一態様において使用される。樹脂及び硬化促進剤を別々にファイバーに対して適用して、プリフォームを形成する為にファイバーを共に結合させる前に樹脂が硬化することを避けても良いが、樹脂及び硬化剤を一緒に適用しても良い。
適切な樹脂、又は異なる樹脂の混合物を、バインダー中に使用できる。適切であろう樹脂のいくつかの制限されない例は、エステル硬化剤と合わせても良いアルカリ変性したフェノール樹脂、アミン硬化剤と合わせても良いエポキシ、酸硬化剤と合わせても良いメラミン、ポルウレタン、フラン及びウレアホルムアルデヒドを含む。

アルカリ変性したフェノール樹脂のいくつかの具体例は、ヘキシオン・スペシャリティ・ケミカルズ、コロンブス、オハイオ（Hexion Specialty Chemicals, Columbus, Ohio）（以前はボーデンケミカル（Borden Chemical））が製造する樹脂のアルファセット（登録商標）（ALPHASET）シリーズである。例えば、アルファセット9010、9020、9030及び9040樹脂が、バインダー中における使用に対して適切であろう。このシリーズの異なる樹脂は、これらの粘度、固形物含有量及び他の特性において多少異なる。アルファセット（登録商標）樹脂は、主としてそれらのアルカリ度を、添加された水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムから引き出す。アルファセット（登録商標）樹脂は、米国特許第4,424,467号及びRe.32,812号明細書に開示されている。ヘキシオンは、ベータセット（登録商標）（BETASET）（アルカリ変性フェノール樹脂）及びシグマセット（登録商標）（SIGMASET）（フェノールウレタン）シリーズの樹脂も製造しており、これらはバインダー中で使用するために適切である。

アルファセット（登録商標）樹脂は、バインダー中でエステル硬化剤／硬化剤と合わせて、樹脂の硬化を促進することができる。例えば、ヘキシオンは、アルファキュア（登録商標）（ALPHACURE）シリーズの液状エステル硬化剤／硬化剤、例えばアルファキュア103、104及び105を製造する。
バインダー中における樹脂と硬化促進剤の比率は、具体的な組成及び作業条件により決まるであろう。例えば、樹脂と硬化促進剤の異なる組み合わせは、適用及び成形技術の異なる方法に対して適切な異なる硬化割合を作り出せる。いくつかの態様において、樹脂がアルカリフェノール樹脂であり、活性剤がエステルである場合、樹脂及びエステルは、約2:1〜約10:1、又は約3:1〜5:1の範囲の割合で使用して良い。
ファイバーに適用されるバインダーの量は、同様に、具体的な組成及び作業条件により決まるであろう。バインダーは、最終プリフォーム中でファイバーを共に結合するために十分な量で、かつプリフォームに対して十分な機械的な一体性を供給するために適用される。プリフォームは、その次の使用の間、例えばマフラー組み立て作業中にマフラーシェル中にプリフォームを挿入する間、その形状を維持する。バインダーはファイバー全体に比較的均一に適用しても良く又は主にプリフォームの表面に適用しても良い。いくつかの態様において、バインダーは、最終プリフォームの質量により約1質量%〜約30質量％、約1質量%〜約20質量%、約2質量%〜約10質量%、又は約2質量％〜約5質量%の範囲の量で適用される。

消音器のプリフォームは、しばしば、該プリフォームが比較的高熱にさらされる用途において製造され及び／又は使用される。作業者及び使用者の安全のため、例えば車両に設置されたマフラー中でプリフォームが250℃の温度まで加熱された場合に、バインダーがOSHA許容曝露限界以下の毒性ガスを放出する程度に、バインダーは実質的に非毒性であって良い。
繊維に分解できる（fiberizable）いかなる材料、又は繊維に分解できる異なった材料の混合物を使用して、プリフォームのファイバーを製造できる。例えば、無機ファイバー、例えばガラスファイバー又はバサルトファイバー（basalt fiber）、ポリマーファイバー、カーボンファイバー、アスファルトファイバー、及びこれらファイバーの混合物を製造するための方法及び組成が本技術で知られている。ファイバーは、プリフォームが挿入される音響減衰機器中に存在する熱、機械的及び化学的な条件に耐えることができる。

ファイバーは、いかなる適切な形状、例えば連続したファイバー、数センチ以上の長さにカットされたファイバー、又は主として4センチより短い長さに切断されたファイバー及び／又は数センチの長さのファイバー、例えば無機ウール（mineral wool）又はAFガラスウール法で製造される形状を有することができる。ファイバーは、ファイバー形成装置、例えばスピナー、ブッシング又はオリフィスプレート中で、ファイバー形成材料を細長化させることにより製造して良いが、いかなる他の適切な方法により製造しても良い。フィラメントを、ファイバー製造法の最中に、機能性剤、例えば潤滑剤、カップリング剤及びフィルム形成ポリマーを含んだサイジング組成物（sizing composition）で被覆しても良い。切り刻んだ（chopped）又は切断した（cut）ファイバーは、ストランドを本技術でよく知られているチョッパー又は同様の装置を用いて別々の長さのファイバーに切ることにより製造できる。ウール法で製造されたファイバーは、いくつかの種類のサイジング材料で被覆し、次いでプリフォームで使用するための低温硬化バインダーで被覆することもできる。プリフォームで使用するファイバーは、いかなる適切な方法により織られて、それらの音響を弱める／弱める特性を強化しても良いが、織られていないファイバーを使用しても良い。

バインダーは、いかなる適切な方法によりファイバーに対して適用できる。バインダーは、ファイバーが型に供給される前か又は供給された後に適用できる。例えば、バインダーは、ファイバーを織っている最中又は切るプロセスの最中に適用できる。バインダーは、適切な方法、例えば、スプレー、ブラッシング、ディップコーティング又はカーテンコーティングで適用できる。例えば、1つの方法は、ファイバーが織られている間又はそのすぐ後に、別々であるが同時に液状樹脂及び液状硬化剤を小さい液滴の形態でファイバー上にスプレーすることである。
比較的高い粘度を有するバインダー又はバインダーの一部が、ファイバーに対してバインダーを適用する間の困難性を示すかもしれない。例えば、比較的高い粘度を有する樹脂はスプレーすることが難しく、ファイバー全体に比較的均一に適用できる分散された霧の代わりに、バインダーの狭い流れを作り出すスプレイヤー（sprayer）をもたらすかも知れない。従って、本発明のいくつかの態様において、バインダーの少なくとも一部を、加圧した適用装置、例えば加圧したスプレーシステムを用いて、ファイバーに適用する。

これとは別に、又は加圧された装置に加えて、粘度調整剤をバインダーの少なくとも一部に添加して、ファイバーに対するバインダーの適用を促進することができる。例えば、粘性薄め液、例えば水酸化カリウム又は他の知られた材料を、比較的粘りけのある樹脂に対して添加して、その粘度を下げることができる。
バインダーは、しばしば硬化すると共に材料に対して付着する傾向がある。バインダーが型表面に対して付着する場合、これは、プリフォームを型から取り外すことを困難にし及び／又は型に堆積する（build-up）一因となる。従って、本発明のいくつかの態様において、離型剤を型に適用して、これらの問題を防ぎ又は軽減する。いかなる適切な離型剤が使用でき、例えばシリコーン又はテフロン（登録商標）を含む材料が使用できる。
適切な型及び関連する装置が本発明で使用できる。いくつかの態様において、とりわけ圧縮空気を使用して、ファイバーを型に供給する前にファイバーを織り及び／又はファイバーに対してバインダーを適用する場合に、型に穴を空ける。本明細書中に参照により取り込まれる米国特許第5,766,541号明細書は、ファイバープリフォームを製造する為の穴のあいた型及び関係する装置を記載する。他の穴のあいた型が、以下で説明され及び図２に示される。しかしながら、穴の空いていない型も、本発明のいくつかの態様において適切である。

プリフォームが型から取り外された場合、プリフォームを消音器の一部としての含有物に向けて構造化させる。いくつかの態様において、プリフォームを、結合するいかなる部品機器、例えばマフラーに結合する排気パイプ、バッフル又は穴のあいたチューブに対する場所を残しつつ、消音器のシェル又はハウジング、例えばマフラーのシェルの内部空洞を十分に満たすような大きさ及び形にする。その代わりに、複数のプリフォームを使用して、消音器の内部空洞を満たすことができる。プリフォームを、消音器のいかなる部分に適合するような大きさ及び形にすることができる。
以下に図を参照すると、図１は、本発明により製造できるプリフォーム10を示す。プリフォームは、バインダー10bにより共に保持されたファイバー10aを含む。プリフォームを、マフラーシェルの内部空洞を十分に充填するような大きさ及び形にする。プリフォームは、マフラーに結合するパイプがプリフォームを通ることができるように、プリフォームを通って延長された3つの穴12、14及び16を有する。

図２は、プリフォーム10を製造すために使用できる型18を示す。型は、長楕円形の頑丈なボトムエンド20を含む。3つの円筒状のチューブ22、24及び26が、型のボトムエンドに取り付けられ、そこから垂直に延びている。示された態様において、チューブは中空であり、穴のあいた円筒状の表面及び頑丈なトップエンドを有する。型のチューブは、プリフォームの穴に対応する。
型は同様に、アウターシェル28を含む。示された態様において、アウターシェルは、穴のあいた第一及び第二のシェルの半分（halves）28a及び28bから成る。シェルの半分は、アウターシェルを開け閉めするために、シェルの一端でヒンジ30の周囲で回転できる。アウターシェルは、閉じられたシェルの半分を止めるため、シェルの他の一端でクランプ32、33及び34を含む。閉じられたアウターシェルの内部は、マフラーシェルの内部空洞のおおよその大きさ及び形を有する空洞を規定する。

型はさらに、長楕円形の頑丈なトップ36を含む。型のトップ36は、3つの穴38、40及び42を有し、トップが型に設置された場合にチューブ22、24及び26のトップエンドがこれを通ることができるようにする。トップは、アウターシェルの一端と接して型の上のトップの設置を容易にする、フランジバー44及び46をその末端で含む。トップ36は、型シェル28の内側に適合するように設計して良く、それにより型中の消音材料を、型シェルの内側でタブ（図示せず）により決定される規定の高さまで圧縮できる。
型は、種々の材料で製造でき、それはバインダーを硬化させるための室温近くの温度以上に型を加熱する必要がないためである。型にバインダーが粘着することを防止するであろう材料（例えばテフロン（登録商標））により型を製造することは、型からプリフォームを外すことをより効率的にした。更に、型の一部（例えばタブ）又は型全体を、型のサイズ及び形をプリフォームの容易な取り外しのために変更できるようにする、エラストマー材料で製造できよう。

オーエンズ・コーニング（Owens Corning）は、織ったファイバーガラス材料でマフラー又はプリフォーム型又はバッグを充填するために典型的に使用されるサイレンテックス（登録商標）（Silentex）機械を売っている。この種の機械は、入力材料として、数千の個々のファイバーを含んだファイバーガラスストランドを使用する。ストランドは、圧縮された空気が導入されるノズルを通る。圧縮された空気は、個々のフィラメントを分離するために機能し、それによりこれらが音響エネルギーをより効果的に弱めるであろう。さらに、圧縮された空気は、織られたストランドがノズルを離れ、充填されるべき全ての種類の容器中に移動することを助ける。本発明において、バインダーはノズルに供給され、それにより液体の二つの流れが、材料が織られた後にノズル中に導入でき、又はノズルを出たすぐ後に織られた材料に適用でき及びストランドが型に入る前又は入る最中に織られたストランドに対して適用できるようにする。バインダーで被覆された織られたストランドは、ストランド組織の品質に負の影響を与えることなく、型の均一な充填を確実にする方法で、型に導かれるであろう。織られた材料が型に導入された後に型の1以上の寸法が減らされ、それによりプリフォームが消音器に容易に設置できる適切なサイズのものにするであろう。
図３は、自動車のマフラー50のシェル48に挿入されたプリフォーム10を示す。プリフォームは、そのようにする必要は無いが、マフラーシェルの内部空洞を実質的に充填していることが示されている。

当業者は、本発明が本明細書に記載された具体的な方法及び組成に限定されないこと、及び添付された特許請求の範囲で定義された発明の範囲を逸脱することなく変更できることを正しく認識するであろう。

図１は、本発明で製造できるプリフォームの斜視図である。 図２は、プリフォームを製造するために使用できる、穴のあいた型の斜視図である。 図３は、自動車のマフラーのシェルに挿入されたプリフォームの斜視図である。

Claims (21)

1. 繊維に分解できる材料のファイバーから消音器のプリフォームを製造する方法であって、以下の工程、
   ファイバーを型に供給する工程、
   ファイバーが型に供給される前又はその後に低温硬化バインダーをファイバーに適用する工程、
   低温で該バインダーを硬化させて、それによりファイバーを共に結合させて、一般に型の形を有するプリフォームを形成する工程、及び
   該プリフォームを型から外す工程であって、該プリフォームが消音器中に挿入するために構造化されている工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 硬化が、バインダーを加熱することなく行われる、請求項１に記載の方法。
3. 硬化が、約20分以下の時間内で完了する、請求項１に記載の方法。
4. バインダーが、約35℃以下の温度で硬化する、請求項1に記載の方法。
5. バインダーが、最終プリフォームの質量の約1％〜約20%の範囲の量で適用される、請求項１に記載の方法。
6. プリフォームが250℃の温度に加熱されると、バインダーがOSHA許容曝露限界以下の毒性ガスを放出する程度に、バインダーが実質的に非毒性である、請求項１に記載の方法。
7. バインダーが、樹脂及び硬化促進剤を含む、請求項１に記載の方法。
8. 硬化促進剤が、液体である、請求項７に記載の方法。
9. 樹脂が、アルカリ変性フェノール樹脂を含む、請求項７に記載の方法。
10. 樹脂及び硬化促進剤が、ファイバーに対して別々に適用される、請求項７に記載の方法。
11. バインダーの少なくとも一部が、加圧された適用装置を用いてファイバーに適用される、請求項１に記載の方法。
12. バインダーの少なくとも一部をファイバーに適用する前に、該バインダーの少なくとも一部に粘性調整剤を添加するさらなる工程を含む、請求項１に記載の方法。
13. 型に穴が空けられている、請求項１に記載の方法。
14. 型が、部分的又は全体的にエラストマー材料で製造されている、請求項１に記載の方法。
15. ファイバーを型に供給する前に、型に離型剤を適用するさらなる工程を含む、請求項１に記載の方法。
16. 繊維に分解できる材料が、ガラスからなる、請求項１に記載の方法。
17. ファイバーが、織られている、請求項１に記載の方法。
18. 消音器が、自動車の排気システムの部品である、請求項１に記載の方法。
19. 繊維に分解できる材料のファイバーから自動車の排気プリフォームを製造する方法であって、
    型にファイバーを供給する工程、
    ファイバーを型に供給する前又はその後にファイバーに低温硬化バインダーを適用する工程、
    バインダーに熱をかけることなく、約50℃以下の温度で、約20分以下の時間でバインダーを硬化させて、それによりファイバーを共に結合させて、一般に型の形を有するプリフォームを形成する工程、及び
    型からプリフォームを外す工程であって、該プリフォームが自動車の排気部品中に挿入するために構造化されている工程、
    を含むことを特徴とする方法。
20. 消音器プリフォームであって、
    繊維に分解できる材料のファイバー、及び
    ファイバーを共に結合してプリフォームを形成する低温硬化バインダー、
    を含み、前記プリフォームが消音器中に挿入するために構造化されているプリフォーム。
21. 自動車の排気部品が、マフラーである、請求項２０に記載のプリフォーム。

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