JP2003192435A

JP2003192435A - セラミック製ノズル

Info

Publication number: JP2003192435A
Application number: JP2001392769A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kobayashi; 善宏小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】水分の存在する高温雰囲気中での耐久性に優れ
たセラミック製ノズルを得る。【解決手段】流体の通過する流路と、該流路に連通する
細孔を有するセラミック製ノズルにおいて、少なくとも
上記細孔の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０５μｍ
以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、流体を噴出させる
ための各種セラミック製ノズルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧力のある液体、気体等の流
体を噴出させる流路を備えたノズルは、各種タービンの
噴出口のような機械的ノズルと、流量測定に用いられる
ようなフローノズルに大別される。

【０００３】機械的ノズルとは、高圧の流体が管の中か
ら放出するとき、放出断面積を小さくすると、ベルヌー
イの定理により圧力水頭が速度水頭に変わり、流体が噴
出するものである。このエネルギーを利用するものとし
て水力機械、内燃機関、蒸気タービン、高速気流の研究
等各方面に広く用いられている。その形状は目的によっ
て図３に示すように流路１１と、該流路１１に連続する
細孔１２を有するものがあり、ガス噴出には図３（ａ）
の平行ノズルや、同図（ｂ）の先細ノズルが用いられ、
ガスの速度が音速以上になるものには同図（ｃ）に示す
ような噴出口に向けて径が大きくなるテーパを有するラ
バルノズルが用いられている。

【０００４】また、フローノズルとは、ベンチュリ管、
オリフィスと同様にパイプに取り付けて、その前後に生
じる圧力差を利用する流量計で、ベンチュリ管とオリフ
ィスの中間的な性質を有する。即ち、オリフィスに比較
して圧力損失、管内面のあらさによる影響が少なく流量
係数はベンチュリ管に近いものである。

【０００５】上記、各種ノズルの材質としては金属、ガ
ラス、プラスチックス、セラミックス等様々な材料が使
われているが、耐熱、耐薬品性等の耐環境性を考慮する
と、高強度で耐久性の高いセラミックスによって形成す
ることが提案されている（特開昭６４−８０１２号、特
開平１１−４８２８７号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記セラミ
ックスからなるノズルは、炭化珪素や窒化珪素等の非酸
化物セラミックスであれば、焼成雰囲気を炭素雰囲気も
しくは窒素雰囲気等にしなければならなく、焼成炉が高
価になるとともに焼成工程時の管理が大変なこと、また
原料自体が高価であることから、ノズル自体のコストが
高くなってしまうという欠点を有していた。

【０００７】また、大気雰囲気で焼成できる酸化物セラ
ミックスのうちアルミナセラミックスは、内部に存在す
る気孔欠陥（ボイド）や、研磨加工において脱粒が発生
しやすいことに起因して、細孔１２の表面に研磨加工を
施した場合においても、その表面粗さは算術平均粗さＲ
ａで０．０５μｍより小さなものにすることが困難であ
り、正確な流量を流さなければならないノズルにおいて
は、その粗い表面により円滑に流体が流れなくなるとい
う欠点を有していた。

【０００８】さらに、流速が早い場合には、表面が粗い
ことにより微小領域に乱流が発生しやすく、やはり正確
な流量が流れないという欠点を有していた。

【０００９】そこで、セラミックスの中でも、特に、優
れた表面粗さを有する面に加工でき、他のセラミックス
に比し高強度、高靭性に優れるとともに、熱膨張率が鉄
に近く、これら金属部材と組み合わせて使用することが
できるジルコニアセラミックスによって形成することが
提案されている。

【００１０】上記ジルコニアセラミックスからなるノズ
ルは、主成分であるＺｒＯ₂に安定化剤としてＹ₂Ｏ₃を
３ｍｏｌ％程度含有するものであり、この原料を成形、
焼成して正方晶の結晶相を主体として形成されている。

【００１１】しかしながら、これらジルコニアセラミッ
クスは、Ｙ₂Ｏ₃を含有する部分安定化ジルコニアセラミ
ックスであるため、水分の存在する高温雰囲気中に曝さ
れると、正方晶の結晶が単斜晶に相転移して強度、靱性
等の特性が劣化しやすく、長期間の使用にともない、流
路の表面状態が劣化してノズルを通過する流体の速度や
流量にばらつきが生じやすいという欠点を有していた。

【００１２】特に、高温高湿の環境で使用する場合に
は、上記相転移により表面変形や表面荒れが生じやす
く、円滑な流体の流れが阻害され、射出成形用ノズルに
使用している場合等には、この成形用ノズルを用いた成
形体にウエルドライン等の流れ不良欠陥を生じるという
欠点を有していた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
流体の通過する流路と、該流路に連通する細孔を有する
セラミック製ノズルにおいて、少なくとも上記細孔の内
壁の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０５μｍ以下で
あることを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明のセラミック製ノズルは、温
度８５℃、湿度８５％の環境中に２０００時間保持した
後の流量が初期条件下の流量に対し、その変化率が１％
以下であることを特徴とするものである。

【００１５】さらに、本発明のセラミック製ノズルは、
ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃を２〜４ｍｏｌ％、Ａｌ₂
Ｏ₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、
ＣａＯ、Ｎａ₂ＯおよびＦｅ₂Ｏ₃の各々の含有量を０．
１重量％以下としたセラミックスからなることを特徴と
するものである。

【００１６】またさらに、本発明のセラミック製ノズル
は、上記セラミックスが正方晶の結晶相を主体とし、該
正方晶相中のＹ₂Ｏ₃固溶量が２．６〜４ｍｏｌ％、平均
結晶粒径が０．５μｍ以下、且つリートベルト法によっ
て求めた立方晶相の割合が１４〜２５体積％であること
を特徴とするものである。

【００１７】本発明のセラミック製ノズルによれば、細
孔の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０５μｍ以下で
あることから、常に安定した、正確な流量を流すことの
できる高精度なセラミック製ノズルを提供することがで
きる。

【００１８】また、本発明のセラミック製ノズルによれ
ば、温度８５℃、湿度８５％の環境中に２０００時間保
持した後の流量が初期条件下の流量に対し、変化率が１
％以下であることから、外部環境及びノズル内に流れる
流体の影響を受けることなく、常に安定した正確な流量
を流すことのできるセラミック製ノズルを提供すること
ができる。

【００１９】さらに、本発明のセラミック製ノズルによ
れば、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ ₃を２〜４ｍｏｌ
％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、
ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎａ₂ＯおよびＦｅ₂Ｏ₃の各々の含有
量を０．１重量％以下としたセラミックスからなること
から、正方晶の結晶を主体として強度や靱性を高くする
とともに、高温での耐久性を向上させることができる。

【００２０】またさらに、本発明のセラミック製ノズル
によれば、上記セラミックスが正方晶の結晶相を主体と
し、該正方晶相中のＹ₂Ｏ₃固溶量が２．６〜４ｍｏｌ
％、平均結晶粒径が０．５μｍ以下、且つリートベルト
法によって求めた立方晶相の割合が１４〜２５体積％で
あることから、高温水中での相転移を低減させ、高温水
中での耐久性を向上させることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図によっ
て説明する。

【００２２】図１は本発明のセラミック製ノズルの一実
施形態を示し、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）
は同図（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図である。

【００２３】本発明のセラミック製ノズルは、流体の通
過する流路１と、該流路１に連通する細孔２を有するも
のであり、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ムライト、Ｓｉ₃Ｎ₄、
ＳｉＣ、ＡｌＮや、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系、ＳｉＯ₂−Ｂ
₂Ｏ₃系の結晶化ガラス等のガラスセラミックス、及びＡ
ｌ₂Ｏ₃を主成分としＺｒＯ₂を混合したジルコニア分散
アルミナセラミックス、Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒界に粒径がナ
ノレベルの非常に微細なＺｒＯ₂粒子を分散させ、粒界
強度を飛躍的に向上させたジルコニア分散アルミナセラ
ミックス、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分としてＡｌ₂Ｂ₂Ｏ₉を混合
したセラミックス等の各種複合セラミックス等から成
り、これらの中でも耐候性、曲げ強度、表面粗さ等がよ
り優れた部分安定化ジルコニアセラミックスを用いるこ
とがより好ましい。

【００２４】上記細孔２は、その内壁表面の表面粗さが
算術平均粗さＲａで０．０５μｍ以下であることが重要
であり、細孔２の表面を非常に滑らかな面とすることに
よって常に安定した、正確な流量を流すことができる。

【００２５】特に、細孔２の直径が５ｍｍ以下となった
場合においては、細孔２を通過する流体は、細孔２の表
面状態の影響を受けやすいため、表面粗さを非常に優れ
たものとすることによって、微小領域での流れの不安定
さや、流速が早い時の層流をなくすことができ、常に安
定した正確な流量を流すことができる。さらには、細孔
２の直径を０．０５〜１ｍｍとすることが好ましい。

【００２６】また、上記セラミック製ノズルは、温度８
５℃、湿度８５％の環境中に２０００時間保持した後の
流量が初期条件下の流量に対し、その変化率が１％以下
であることが好ましい。

【００２７】この測定方法は、流れている流体中におけ
る音波の伝播速度が流れの方向に伝わる場合には見かけ
上流速のみが速くなり、逆の方向にはそれだけ遅くなる
ことを応用し、指向性がよく水の中で極めてよく通る超
音波を利用してセラミック製ノズルの細孔２を通過する
流体の単位時間あたりの流量（ｃｍ³／ｓ）を測定でき
る超音波流量計を用いて測定するものであり、先ずセラ
ミック製ノズルに例えば常温（２５℃）の蒸留水等の所
定の流体を流し、超音波流量計によって流量を測定し、
その後、このセラミック製ノズルを温度８５℃、湿度８
５％の環境中に２０００時間保持した後、再び同様の流
体を流し、その流量を超音波流量計にて測定する。次い
で、（環境試験後の流量（ｃｍ³／ｓ）／初期条件下の
流量（ｃｍ³／ｓ））×１００−１００（％）によって
算出した値の絶対値を流量の変化率（％）とするもので
ある。

【００２８】上記流量の変化率を１％以下とすることに
より、外部環境及びノズル内に流れる流体の影響を受け
ることなく、長期間に渡って常に安定した正確な流量を
流すことができる。

【００２９】なお、変化率を１％以下とするには、非酸
化物セラミックスや酸化物セラミックス等様々なセラミ
ックスが適用できるが、細孔２の表面粗さが算術平均粗
さＲａで０．０５μｍを越えてしまうと、正確な流量が
得られ難いため、細孔２の表面粗さを優れたものに加工
できるジルコニアセラミックスを用いることが好まし
い。

【００３０】また、本発明のセラミック製ノズルは、Ｚ
ｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃を２〜４ｍｏｌ％とＡｌ₂Ｏ
₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｃ
ａＯ、Ｎａ₂ＯおよびＦｅ₂Ｏ₃の各々の含有量を０．１
重量％以下とすることが好ましい。

【００３１】即ち、Ｙ₂Ｏ₃を含む部分安定化ジルコニア
セラミックスにおいて、Ｙ₂Ｏ₃の含有量を２〜４ｍｏｌ
％として、正方晶の結晶を主体として強度や靱性を高く
するためであり、また、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量を０．０５〜
１重量％としたのは、Ａｌ₂Ｏ₃は焼結助剤として作用す
るため、０．０５重量％未満では低温での焼成が困難と
なるためであり、１重量％を超えると過焼成となるため
である。なお、Ａｌ ₂Ｏ₃は上記ＺｒＯ₂等の出発原料中
に含まれているが、必要に応じて添加することにより、
最終的に上記範囲内となるようにすればよい。

【００３２】さらに、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の含有量をそれ
ぞれ０．１重量％以下とすることによって、高温での耐
久性を向上させることを見出した。この理由は、ＳｉＯ
₂とＴｉＯ₂の含有量が多いと結晶粒界に液相が発生し、
この液相中にＹ₂Ｏ₃が固溶して偏析しやすくなり、その
結果として高温での耐久性が低くなるものと考えられ
る。いずれか一方の含有量が０．１重量％を超えると、
高温での耐久性を向上する効果に乏しいためである。な
お、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂は、ＺｒＯ₂やＹ₂Ｏ₃等の出発原
料粉末中に不純物として通常０．１重量％以上存在する
ものであるが、後述する製造方法により予めこれらの不
純物を除いておけば良い。また、ＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ、及
びＦｅ₂Ｏ₃の各々の含有量を０．１重量％以下とするこ
とによって、上述したＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂と同様に、液相
の形成を防止するためである。

【００３３】なお、上述のような原料粉末を得るため
に、ＺｒＯ₂やＹ₂Ｏ₃等の出発原料に不純物としてＳｉ
Ｏ₂やＴｉＯ₂、あるいはＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ、Ｆｅ₂Ｏ₃等
が含まれているが、この原料を精製することによって、
ＳｉＯ₂やＴｉＯ₂等の含有量を各々０．１重量％以下と
することができる。具体的な精製方法としては、酸やア
ルカリ等の薬品で処理したり、あるいは比重差を利用し
た重力選鉱等の手法を用いる。このように、予め出発原
料を酸処理等で精製することによって、ＳｉＯ₂やＴｉ
Ｏ₂等の含有量を容易に減らすことができるのである。

【００３４】このように、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂ _、ＣａＯ、
Ｎａ₂Ｏ、Ｆｅ₂Ｏ₃の含有量をそれぞれ０．１重量％以
下としてあることにより、粒界に液相がほとんど形成さ
れず、そのためＹ₂Ｏ₃の偏析を防止することができ、黒
斑点の発生を防止できるとともに、水分の存在する高温
中での相転移を防止し、表面荒れや表面変形を防止でき
る。

【００３５】また、上記ジルコニアセラミックスは、正
方晶の結晶相を主体とし、該正方晶相中のＹ₂Ｏ₃固溶量
が２．６〜４ｍｏｌ％、平均結晶粒径が０．２５〜０．
５μｍ、且つリートベルト法によって求めた立方晶相の
割合が１４〜２５体積％であることが好ましい。

【００３６】即ち、公知のＸ線回折法により分析した時
に、正方晶の含有量を８０％以上としておくことによっ
て、応力を受けた際、この正方晶が単斜晶に相転移して
体積膨張し、クラックの進展を防止するという応力誘起
変態のメカニズムが作用してジルコニアセラミックスの
強度、靱性を向上できるためである。

【００３７】また、主体をなす正方晶の他に相転移に対
して安定な立方晶を若干量含むことで、上記応力誘起変
態のメカニズムをほとんど損なわずに高温水中での相転
移特性を大きく向上させることができる。

【００３８】さらに、正方晶中の単斜晶への相転移を抑
制するＹ₂Ｏ₃を増量し、相転移を起こさない立方晶相の
割合を増やすことによって水の影響が低減され、高温水
中での相転移を低減させたものと考えられる。

【００３９】上記正方晶中のＹ₂Ｏ₃の固溶量が２．６〜
４ｍｏｌ％としておくことによって、ジルコニアセラミ
ックスの高強度・高靱性を発現する正方晶の割合を増加
させることができる。上記Ｙ₂Ｏ₃の固溶量が２．６ｍｏ
ｌ％未満であると、高温水中下で相転移を生じてセラミ
ック製ノズルの細孔２に表面荒れが生じやすく、一方、
４ｍｏｌ％を越えると立方晶が増加しすぎてしまい、上
記応力誘起変態によってジルコニアの高強度、高靭性を
発現する正方晶の割合が少なくなり、抗折強度等の機械
特性が劣化するためである。

【００４０】なお、正方晶中のＹ₂Ｏ₃固溶量は、詳細を
後述するリートベルト法で正方晶の格子定数ａ、ｃを決
定し、下記数１により算出したものである。

【００４１】

【数１】

【００４２】また、上記平均結晶粒径を０．２５〜０．
５μｍの範囲とすることによって、強度、靱性を向上さ
せることができる。上記平均結晶粒径が０．５μｍより
大きくなると、相転移が生じやすくなり、０．２５μｍ
未満であれば、焼結不良となってしまい必要な特性が得
られないためである。

【００４３】さらに、上記リートベルト法で求めた立方
晶の割合を１４〜２５体積％としたのは、１４体積％未
満であると高温水中下において正方晶から単斜晶への相
転移を生じやすくなり強度低下を招き、２５体積％を越
えると、抗折強度等の機械特性が劣化するためである。

【００４４】なお、ジルコニアセラミックス中の立方晶
と正方晶の存在割合は、Ｘ線回折測定結果から、正方晶
のピーク高さや面積比より求められていたが、立方晶及
び正方晶の主ピークが重なるためにピーク分離が非常に
難しく、正確な結晶比率を求めることができなかった。
そのため、従来法により決定された結晶比率により、特
性の制御を行う場合、特性のばらつきが生じ、従来法で
見かけ上、同一の結晶比率であっても全く特性が異なる
という問題があった。

【００４５】これに対し、本発明において立方晶の比率
は、焼結体のＸ線回折測定をＣｕＫα線を用いて、２θ
が２０〜８０゜の範囲の測定を行った後、この回折図形
からリートベルト法（泉富士夫、日本結晶学会誌、第２
７巻、第２３項（１９８５））により正方晶と立方晶の
混合物比や格子定数等をパラメータとして計算により求
められたＸ線回折図形と試料の実測のＸ線回折図形との
相違を最小二乗法で近似させていくことにより解析し求
めた。

【００４６】このリートベルト法を用いて算出した立方
晶の比率と高温水中での相転移特性との関係が非常に相
関性に優れていること、しかもこの方法により求めた立
方晶の比率で高温水中での相転移特性を制御した場合に
非常に再現性に優れることから、このリートベルト法に
より真の結晶相比率を求めることができるという結論に
至り、この方法で求めた結晶相比率での特定範囲に制御
することで、高温水中での相転移特性に優れた、ばらつ
きの少ない良好な結晶体を安定して製造することができ
る。

【００４７】このように、セラミック製ノズルを形成す
るジルコニアセラミックスは、正方晶の結晶相を主体と
し、該正方晶相中のＹ₂Ｏ₃固溶量が２．６〜４ｍｏｌ
％、平均結晶粒径が０．２５〜０．５μｍ、且つリート
ベルト法によって求めた立方晶相の割合が１４〜２５体
積％とするには、上述のようにＺｒＯ₂にＹ₂Ｏ₃を２〜
４ｍｏｌ％添加混合し、Ａｌ₂Ｏ₃を０．０５〜１重量
％、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎａ₂ＯおよびＦｅ₂Ｏ
₃の各々を０．１重量％以下となるように原料粉末を調
整し、平均結晶粒径を小さくするために原料の１次粒子
径を小さくして比表面積を大きくするとともに、成形体
を１２００〜１５５０℃という低温で焼成することによ
って達成できる。また、焼成温度が高いほど、焼成保持
時間が長いほど、立方晶中の割合が増加し、正方晶中の
Ｙ₂Ｏ₃固溶量は減少し、さらには粒径が大きくなる傾向
にある。

【００４８】次に、上記セラミック製ノズルをジルコニ
アセラミックスにて作製する方法について説明する。

【００４９】先ず、ＺｒＯ₂にＹ₂Ｏ₃を２〜４ｍｏｌ％
添加混合し、中和共沈または加水分解等の方法により反
応・固溶させる。

【００５０】そして、上記ＺｒＯ₂やＹ₂Ｏ₃等の出発原
料に不純物としてＳｉＯ₂やＴｉＯ₂、あるいはＣａＯ、
Ｎａ₂Ｏ、Ｆｅ₂Ｏ₃等が含まれているが、この原料を酸
やアルカリ等の薬品で処理したり、あるいは比重差を利
用した重力選鉱等の方法によって精製し、ＳｉＯ₂やＴ
ｉＯ₂等の含有量を各々０．１重量％以下となるように
原料粉末を調整する。

【００５１】次いで、得られた原料を押出成形やプレス
成形や射出成形等により流路１となる孔及び細孔２の下
穴を有する成形体を得、必要によって切削等を行った
後、大気雰囲気中で１２００℃〜１５５０℃の温度で焼
成する。

【００５２】最後に、細孔２の表面を切削加工、研磨加
工にて仕上げ加工することによって本発明のセラミック
製ノズルを得ることができる。

【００５３】なお、上記焼成温度と平均結晶粒径は比例
の関係にあり、焼成温度が高くなるに従い平均結晶粒径
も大きくなる。本発明においては、焼成温度を１２００
℃で平均粒径０．２５μｍ、１３７０℃で０．３４μ
ｍ、１５５０゜で０．５μｍとすることができる。

【００５４】以上のようにして得られたセラミック製ノ
ズルは、細孔２の表面が算術平均粗さＲａで０．０５μ
ｍ以下となり、滑らかな面とするとともに、セラミック
製ノズル自体の気孔欠陥を減少させることができるた
め、流体の流れを阻害することはなく円滑に通過させる
ことができる。

【００５５】なお、上述の実施形態では、図１に示すよ
うに流路１と、該流路１の連続する１つの細孔２を有
し、多項目血液分析装置に用いられるフローノズルを示
したが、その他、図２に示すような種々の形状のセラミ
ック製ノズルに好適に用いることができる。

【００５６】例えば、図２（ａ）は、溶接又は切断用の
トーチノズルであり、全体又は少なくとも細孔２を耐熱
衝撃性△Ｔが７００℃以上の窒化ケイ素系セラミックス
で形成され、細孔２の表面粗さを算術平均粗さＲａで
０．２μｍ以下としてレーザを円運動させて細孔２を形
成している。

【００５７】さらに、同図（ｂ）は、燃料噴射ノズルで
あり、窒化ケイ素系セラミックスからなり、ＹＡＧレー
ザを用いて保持治具を高精度に制御することにより細孔
２を下部に２箇所有するものである。

【００５８】またさらに、同図（ｃ）は、洗浄用ノズル
であり、金属製の本体にアルミナセラミックスからな
り、４つの細孔を有するノズルが固定されている。これ
は予めセラミックスにＹＡＧレーザを用いて細孔２を加
工しておき、その後、圧入等によって本体に固定するも
のである。

【００５９】さらにまた、同図（ｄ）は、サンドブラス
ト用ノズルであり、ノズル自体をアルミナセラミックス
として、レーザ光を円運動させて細孔２を形成してい
る。

【００６０】以上図２（ａ）〜（ｄ）に様々な実施形態
を示したが、その他種々の形状のセラミック製ノズルと
して使用でき、シャワーノズル、インクジェットプリン
タ用ノズル、ウォータージェット用ノズル、バーナ用ノ
ズル、薬液噴霧用ノズル、スプレーノズル、レーザ溶射
用ノズル等様々なセラミック製ノズルとして好適に使用
することができる。

【００６１】

【実施例】（実施例１）以下本発明の実施例を説明す
る。

【００６２】図１に示すようなセラミック製ノズルを得
るため、種々のセラミック原料を用いて、押出成形によ
って流路となる孔及び細孔の下穴を有する成形体を得、
必要によって切削等を行った後、大気雰囲気中で焼成す
る。

【００６３】各セラミック製ノズル試料の形状は、全体
の長さが１０．５ｍｍ、外径がφ５ｍｍ、流路の内径が
φ２ｍｍ、細孔の内径φ０．２ｍｍ、長さが１．５ｍｍ
とした。

【００６４】各試料の流路に流量３００ｃｍ³／ｓ、２
５℃の蒸留水を流し、細孔から流出した流体の流量を超
音波流量計にて測定した。

【００６５】その結果を表１に示す。

【００６６】

【表１】

【００６７】表１より明らかなように、細孔の表面が算
術平均粗さＲａで０．０５μｍ以下の試料（Ｎｏ．１、
４〜７、９、１２）は、流路より流した蒸留水の流量３
００ｃｍ³／ｓに対し、２９７〜３００ｃｍ³／ｓと低下
率が非常に小さくでき、安定した流量を確保することが
できた。

【００６８】これに対し、細孔の表面が算術平均粗さＲ
ａで０．０５μｍを超える試料（Ｎｏ．２、３、８、１
０、１１、１３、１４）は、流量が２５８．７〜２８９
ｃｍ ³／ｓと低下しており、安定した流量を確保できな
いことがわかった。これは微小部分に乱流が発生し、流
体の滑らかな動きが阻害されるためと考えられる。

【００６９】（実施例２）次いで、図１に示すようなセ
ラミック製ノズル試料を表２に示す如く組成のジルコニ
アセラミックスにて作製した。

【００７０】先ず、出発原料としてＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、
Ａｌ₂Ｏ₃を用い、酸処理の条件を変えることによって、
表１に示すように最終焼結体中でのＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂等
の含有量が異なる種々の組成からなるジルコニアセラミ
ックスを用意した。

【００７１】各ジルコニアセラミックスを用いて押出成
形によって流路となる孔及び細孔の下穴を有する成形体
を得、この成形体を大気雰囲気中で１４３０℃で焼成し
セラミック製ノズル試料を作製した。

【００７２】各試料の細孔の表面を算術平均粗さＲａで
０．０５μｍ以下に研磨加工を施し、全体の長さが１
０．５ｍｍ、外径がφ５ｍｍ、流路の内径がφ２ｍｍ、
細孔の内径φ０．２ｍｍ、長さが１．５ｍｍとした。

【００７３】各試料を２０個づつ作製し、８５℃の熱水
中に１４日間放置した。その後、各試料の細孔の表面を
１０００倍の金属顕微鏡で観察し、表面荒れ又は表面変
形の有無を調べるとともに、Ｘ線回折法によりノズル１
の単斜晶相の含有量を分析した。その結果、表面荒れや
表面変形が発生するか、または単斜晶相の含有量が５０
％を超えたものを劣化発生とした。

【００７４】また、各試料の流路に流量３００ｃｍ³／
ｓ、２５℃の蒸留水を流し、細孔から流出した流体の流
量を超音波流量計にて測定し、初期条件下の流量とし
た。

【００７５】そして、各試料を温度８５℃、湿度８５％
の環境に設定した高温高湿試験機に２０００時間投入し
たあと、上記蒸留水を流して流量を測定し、環境試験後
の流量とした。

【００７６】初期条件下の流量、環境試験後の流量よ
り、（環境試験後の流量（ｃｍ³／ｓ）／初期条件下の
流量（ｃｍ³／ｓ））×１００−１００（％）によって
流量の変化率を算出した。

【００７７】表２に各試料の劣化発生の個数及び変化率
を示す。

【００７８】

【表２】

【００７９】表２より明らかなように、Ｙ₂Ｏ₃を２〜４
ｍｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．０５〜１重量％、ＳｉＯ₂、
ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎａ₂ＯおよびＦｅ₂Ｏ₃の各々を０．
１重量％以下とした試料（Ｎｏ．３〜５、７〜１０、１
３〜１７、１９、２０、２２〜２４）は、全ての試料に
おいて劣化個数が０であり、流量の変化率も０．４７〜
０．８７％と非常に小さいことが判った。

【００８０】これに対し、Ｙ₂Ｏ₃の含有量が２ｍｏｌ％
未満及び４ｍｏｌ％を超える試料（Ｎｏ．１、２１）
は、劣化個数が４〜６個と多く、強度や靱性が低下して
いる。

【００８１】また、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％
未満及び１重量％を超える試料（Ｎｏ．２、６、１２、
１８、２５〜２７）は、劣化個数が２〜８個と多く、流
量の変化率も１．６７〜３．０１％と１％を大きく超え
てしまっている。

【００８２】さらに、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の含有量がそれ
ぞれ０．１重量％を超える試料（Ｎｏ．１１、２５〜２
８）は、劣化個数が２〜１０個と多く、流量の変化率も
１．３５〜５．０３％と大きくなっていることが判っ
た。

【００８３】特に、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が０．０５重量％
未満及び１重量％を超え、ＳｉＯ₂又はＴｉＯ₂の含有量
が０．１重量％を超える試料（Ｎｏ．２５、２６）、Ｓ
ｉＯ₂及びＴｉＯ₂の含有量とも０．１重量％を超える試
料（Ｎｏ．２７、２８）は、劣化個数が５〜１０個と非
常に多く、流量の変化率も２.０１〜５．０３％と非常
に低下していることが判った。

【００８４】（実施例３）次いで、ＺｒＯ₂を主成分と
し、Ｙ₂Ｏ₃を２〜４ｍｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．０５〜１
重量％、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎａ₂ＯおよびＦ
ｅ₂Ｏ₃の各々を０．１重量％以下とし、正方晶ジルコニ
ア中のＹ₂Ｏ₃の固溶量及び立方晶相の割合を表３に示す
ように種々変更し、上述の実施例と同様に図１に示すよ
うなセラミック製ノズル試料を得た。

【００８５】なお、平均結晶粒径は走査型電子顕微鏡で
撮影した像を用いてコード法により測定した。また、正
方晶中のＹ₂Ｏ₃固溶量は、詳細を後述するリートベルト
法で正方晶の格子定数ａ、ｃを決定し、上述の数１によ
り算出した。

【００８６】各試料を２０個づつ作製し、８５℃の熱水
中に１４日間放置した。その後、各試料の細孔の表面を
１０００倍の金属顕微鏡で観察し、表面荒れ又は表面変
形の有無を調べるとともに、Ｘ線回折法によりノズル１
の単斜晶相の含有量を分析した。その結果、表面荒れや
表面変形が発生するか、または単斜晶相の含有量が５０
％を超えたものを劣化発生とした。

【００８７】また、各試料の流路に流量３００ｃｍ³／
ｓ、２５℃の蒸留水を流し、細孔から流出した流体の流
量を超音波流量計にて測定し、初期条件下の流量とし
た。

【００８８】そして、各試料を温度８５℃、湿度８５％
の環境に設定した高温高湿試験機に２０００時間投入し
たあと、上記蒸留水を流して流量を測定し、環境試験後
の流量とした。初期条件下の流量、環境試験後の流量よ
り、（環境試験後の流量（ｃｍ³／ｓ）／初期条件下の
流量（ｃｍ³／ｓ））×１００−１００（％）によって
流量の変化率を算出した。

【００８９】その結果を表３に示す。

【００９０】

【表３】

【００９１】表３から明らかなように、正方晶中のＹ₂
Ｏ₃の固溶量が２．６〜４ｍｏｌ％、平均結晶粒径が
０．２５〜０．５μｍ、且つリートベルト法によって求
めた立方晶相の割合が１４〜２５体積％の試料（Ｎｏ．
４、５、７〜１０、１２、１４、１５、１７、１９〜２
２）は、全ての試料で劣化の発生個数が０であり、流量
変化率も０．３〜０．４７％と非常に小さくできること
が判った。

【００９２】これに対し、正方晶中のＹ₂Ｏ₃の固溶量が
２．６ｍｏｌ％未満または４ｍｏｌ％を越えたもの、平
均結晶粒径が０．２５μｍ未満のもの、かつリートベル
ト法によって求めた立方晶相の割合が１４体積％未満ま
たは２５体積％を越えた試料（Ｎｏ.１、〜３、６、１
１、１３、１６、１８、２３〜２５）は、劣化個数は全
て０のものの、流量の変化率が０．５〜０．６７％であ
ることが判った。

【００９３】

【発明の効果】本発明のセラミック製ノズルによれば、
細孔の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０５μｍ以下
であることから、常に安定した、正確な流量を流すこと
のできる高精度なセラミック製ノズルを提供することが
できる。

【００９４】また、本発明のセラミック製ノズルによれ
ば、温度８５℃、湿度８５％の環境中に２０００時間保
持した後の流量が初期条件下の流量に対し、変化率が１
％以下であることから、外部環境及びノズル内に流れる
流体の影響を受けることなく、常に安定した正確な流量
を流すことのできるセラミック製ノズルを提供すること
ができる。

【００９５】さらに、本発明のセラミック製ノズルによ
れば、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ ₃を２〜４ｍｏｌ
％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．０５〜１重量％含有し、ＳｉＯ₂、
ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎａ₂ＯおよびＦｅ₂Ｏ₃の各々の含有
量を０．１重量％以下としたセラミックスからなること
から、正方晶の結晶を主体として強度や靱性を高くする
とともに、高温での耐久性を向上させることができる。

【００９６】またさらに、本発明のセラミック製ノズル
によれば、上記セラミックスが正方晶の結晶相を主体と
し、該正方晶相中のＹ₂Ｏ₃固溶量が２．６〜４ｍｏｌ
％、平均結晶粒径が０．５μｍ以下、且つリートベルト
法によって求めた立方晶相の割合が１４〜２５体積％で
あることから、高温水中での相転移を低減させ、高温水
中での耐久性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のセラミック製ノズルの一実施
形態を示す斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ
線における断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明のセラミック製ノズル
の他の実施形態を示す断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は一般的なノズルを示す断面図
である。

【符号の説明】

１：流路２：細孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の通過する流路と、該流路に連通する
細孔を有するセラミック製ノズルにおいて、少なくとも
上記細孔の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．０５μｍ
以下であることを特徴とするセラミック製ノズル。
【請求項２】温度８５℃、湿度８５％の環境中に２００
０時間保持した後の流量が初期条件下の流量に対し、変
化率が１％以下であることを特徴とする請求項１に記載
のセラミック製ノズル。
【請求項３】ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃を２〜４ｍ
ｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．０５〜１重量％、ＳｉＯ₂、Ｔ
ｉＯ₂、ＣａＯ、Ｎａ₂Ｏ及びＦｅ₂Ｏ₃の各々を０．１重
量％以下としたセラミックスからなることを特徴とする
請求項１または２に記載のセラミック製ノズル。
【請求項４】上記セラミックスは、正方晶の結晶相を主
体とし、該正方晶相中のＹ₂Ｏ₃固溶量が２．６〜４ｍｏ
ｌ％、平均結晶粒径が０．２５〜０．５μｍ、且つリー
トベルト法によって求めた立方晶相の割合が１４〜２５
体積％であることを特徴とする請求項３に記載のセラミ
ック製ノズル。