JP2003519037A - 半径方向の優先方向を持つセラミック管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、合成グラファイトまたはセラミック粒体から部品および半製品、特にグラファイト管（５２）の製造方法であって、押出しプレス（２２）または押出機（５６；７４）によって好ましくは石油コークスまたはグラファイト粒体を含む混合材料（２０）を成形する部品および半製品の製造方法において、ａ）混合材料（２０）を静的または準静的な方法で予備加圧し、その際、混合材料の中であらかじめ不規則に配列している粒子をまず加圧方向と垂直な方向に配列させるように、混合材料（２０）の流動運動を阻止あるいは妨害するステップと、ｂ）予備加圧された混合材料（２０）を押出しプレス（２２）または押出機（５６；７４）の出口開口（２８；６１；８２）から押出し、その際、混合材料（２０）の流動特性を調製することにより、予備圧縮された混合材料（２０）の内部の粒子を直角方向の配列から出発して、加圧方向に最大で７５度の角度（β）に再配列させるステップと、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （従来技術） 本発明は合成グラファイトまたはセラミック粒体から部品または半製品、特に
グラファイト管の製造方法および装置、または、請求項１、請求項１０および請
求項１５の前文に記載した合成グラファイトまたはセラミック粒体から作った部
品または半製品に関する。

【０００２】 グラファイトは非常に良好な電気および熱の伝導性を有し、化学的および熱的
な安定性も極めて高い。この理由から、グラファイト材料はたとえば管の形状で
、化学装置用の半製品として使用されている。そこで例を挙げれば、グラファイ
トの管を束ねて作る管状熱交換器などが知られている。

【０００３】 グラファイトはセラミックス材料であり、この種の材料が劣っている性能の一
つとして、特に衝撃力や動荷重に比較的弱いことがあるが、グラファイト管の動
的な強度を改善するために、ドイツ特許第３１１６３０９号明細書によれば、管
を炭素繊維で覆い、管と繊維束との間の力結合は積層材の場合と同じように硬化
性樹脂で行なわれる。しかしながら、この方法はかなり手間がかかり、そのため
に高価なものとなる。

【０００４】 グラファイトから部品および半製品を製造する公知の方法では、たとえば原材
料として石油コークスまたはグラファイト粒体を使用し、第一のステップとして
微粉砕して篩別する。次いで、微粉砕した出発材料に結合剤を加え、粘稠な混合
材料を形成させる。このような方法で得られ、プレスにかけられるようにした混
合材料を成形して、たとえば管の形状にするためには、押出しプレスの供給チャ
ンバに仕込み、出口開口の方向にプレスハウジング内を長手方向に移動できるよ
うにしたプランジャーピストンを使って圧縮し、ほぼ連続のストランド、たとえ
ば管の形状で押出す。プランジャーピストンに代えて、プレスハウジングと共軸
のスクリュ形押出機で材料を押出すこともできる。

【０００５】 プランジャーピストンが前進移動をし、また混合材料の流動性が比較的高いた
めに、細長い形状が圧倒的に多いコークスやグラファイト粒子は、押出しプレス
または押出機の場合には、最初から配列してしまって、出口開口に向かう流れ場
で、圧力のかかる方向に平行となり、以降の製造工程ではこの位置で凍結されて
（ｆｒｏｚｅｎ）しまう。熱が伝わるの方向は主として、材料粒子の配列した方
向に沿って流れるので、このような方法で押出した部材の材料物性には強い異方
性があらわれる。すなわち、押出し成形した熱交換器用グラファイト管の熱伝導
性は、粒子の配列が圧倒的に加圧した方向と平行になっているために、軸方向に
は高い値を示すのに対して、熱交換器用管としてはその熱移動が重要である半径
方向では熱伝導性が低くなってしまので、好ましいことではない。他方では、粒
子が軸に平行な方向に並んでいると、グラファイト部品の曲げ強度や引張強度に
おいては好ましい効果を与える。このことは熱交換器用管としては特に有利であ
る。

【０００６】 従来からの押出しプレスのプランジャーピストンは、プレスハウジング内部で
軸方向に移動できるようになっていて、プランジャーピストンが供給チャンバを
形成し、プレスハウジングの成形用口金のある出口開口に向かって押出していく
が、ハウジングは押出し方向に漏斗状に狭くなっており、この漏斗状部分に加圧
された材料が充満し、その加圧移動によって微粉砕することができる。加圧用の
材料を出口開口から押出してしまうと、プランジャーピストンを完全にプレスハ
ウジングから引き戻さねばならず、そのことによって加圧用の材料を供給チャン
バに再充填することが可能となる。言うまでもないことであるが、この再充填の
工程は手間がかかるので、そのような押出しプレスでは可能な限りピストンのス
トロークを長く、供給チャンバを大きく設計して、再充填の頻度を下げ、経済性
を上げようとしなければならなかった。このために、供給チャンバの加圧部分は
かなり長くなり、絞り込んだ出口開口から圧力をかけて加圧材料を押出すために
必要な前進移動の力は大きなものとなる。加圧のための力を抑制するためには、
したがって、出発材料がフリーに流動するようにする。加圧することによって供
給チャンバの内側では流れ場が形成され、その流れ場でグラファイトは加圧方向
と平行に並びやすく、そのために管の内部では、先に述べたようにグラファイト
材料が異方性を持つという好ましくない状態が起きる。

【０００７】 以上のようなことから、本発明の課題は、合成グラファイトまたはセラミック
粒体からの部品および半製品の製造方法および装置を提案し、それにより材料の
強度を低下させることなくグラファイト材料での異方性を抑制することである。

【０００８】 本発明によれば、この課題は請求項１および請求項１０の特徴部分に記載され
た構成によって達成される。請求項１５は請求項１に記載の方法により製造され
た部品または半製品に関する。

【０００９】 （発明の効果） 請求項１に記載された発明による方法は、予備加圧方法を存在させることによ
って、スタンピングプレスの場合と同様に、グラファイト粒子はまず予備圧縮し
た材料ブロックの中で、加圧方向に対して垂直向きに配列する。加圧にあたって
は、押出しプレスまたは押出機の細い出口開口の領域における混合材料の流動性
が低いために、グラファイト粒子は元の横向きの配列から押出し方向へはほんの
少しの角度しか回転しない。それにより、グラファイト粒子は最終的には完成し
た部品の中心軸に対してほぼ斜め方向あるいはらせん状に配列される。

【００１０】 粒子の配列によって定まってくる熱伝導性や強度物性の主方向が、この場合に
は、押出し部材の中心軸に対して、完全に垂直でも完全に平行でもなく、斜め方
向となっているため、この新しいグラファイト材料は従来のものに比較して実質
的に異方性が小さいという結果が得られる。その理由の一つとしては、斜めに配
向された粒子が加圧方向とは垂直な成分も有しているからで、これはたとえば、
本発明による方法で製造される熱交換器用グラファイト管での半径方向の熱伝導
性にとっては有利となる。他方、粒子においてそれを補償する成分は加圧方向を
指しており、それによってグラファイト管の曲げ強度の低下がかなり抑制されて
いる。

【００１１】 従属請求項である請求項２〜９に記載した方法によって、請求項１に記載の方
法をさらに有利に展開したり改良を施したりすることが可能である。

【００１２】 特に好ましい本発明の実施態様は、混合材料のための供給開口をもつ供給チャ
ンバを備えた押出しプレスを提供するものであり、その供給開口はプランジャー
ピストンの出発位置と終端位置との間に位置し、そのために供給チャンバのサイ
ズを小さくすることが可能となる。混合材料の成形は以下のステップの繰り返し
からなる。 ａ）プランジャーピストンが出発位置にある状態で混合材料が完全に供給チャン
バに満たされるまで、配量装置を用いて供給チャンバ内に混合材料を配量するス
テップ、 ｂ）プランジャーピストンをゆっくりと前進移動させることによって、供給チャ
ンバ内の混合材料を準静的に予備加圧し、粒子を加圧方向に対して垂直に配列さ
せるステップ、 ｃ）予備圧縮した混合材料の容積を出口開口から押出し、この容積は供給チャン
バでの本来の容積より小さく、それにより供給チャンバでプランジャーピストン
が終端位置に到達した際に、予備圧縮された残部容積を残すステップ、 ｄ）プランジャーピストンを出発位置へ戻し、新規の混合材料を予備圧縮された
残部容積とプランジャーピストンとの間の中間チャンバに配量して、供給チャン
バを完全に再び満たすステップと、 ｅ）ステップｂ）を続けるステップ。

【００１３】 供給開口を作ることで短時間に、かつ準連続的に再充填することが可能となっ
たために、少量の加圧用材料を一回の加圧ストロークで加圧することができ、経
済的である。したがって、高い押出し圧力はもはや必要なく、同時に混合材料の
流動性も低下させることが可能となる。加圧用材料の内部での流れが妨害されて
いるので、グラファイトや粒状粒子が流れの方向に平行に配列するような、流れ
場が明確に形成されることはない。むしろ、先にも述べたように、加圧用の材料
はほとんど静的に予備加圧され、それによりグラファイト粒子は加圧方向に対し
て垂直に配列され、その後にこの加圧用の材料が供給チャンバから出口開口へと
進んでいく。予備加圧された出発材料では内部的な流動が妨げられているので、
絞り込んだ出口開口を流れる際に斜めの方向に配列されることになり、これは好
ましいことである。

【００１４】 さらなる実施態様にしたがえば、粒子を加圧方向と垂直な向きに配列させると
いう最初に必要な操作を、好ましくはスタンピングプレスを用いて、混合材料を
予備圧縮してブロック状の予備加圧物を形成することにより達成してもよい。次
いでこの予備加圧物をピストン形押出機の供給チャンバに入れ、それを出口開口
から押出して成形するのである。

【００１５】 別の方法で特に好ましいのは、混合材料を得るのに、石油コークスおよび／ま
たはグラファイト粒体の少なくとも１種の粒子サイズフラクションを含む出発材
料を結合剤と混合し、さらに混合材料に炭素繊維を加えるものである。炭素繊維
を加えることで、グラファイト部品の強度を好ましい方向に上げることが可能で
ある。

【００１６】 市販されているプレス用の補助薬剤を加えれば、出発材料の内部流動を好まし
いレベルに抑えることにより、特に出発材料とシリンダーの内壁との間の壁面摩
擦を抑えその結果加圧方向へ粒子が配列するのを妨げるストッパー流が形成され
るようにすることができる。

【００１７】 グラファイト部品を製造するために用いる結合剤の目的は、高いぬれによって
固体粒子を互いに結合させること、および、可塑的な変形を可能にすると同時に
部品に必要な強度を維持させることである。結合剤は通常のように、たとえば液
状の形で、石油コークスまたはグラファイト粒体からなる固形物に添加する。結
合剤の量は現在の技術水準では、押出しプレスの供給チャンバの内部でかなり低
い衝撃圧しか発生しないように、高い割合で計りこんでいる。しかしながら、従
来のように高い割合の結合剤を含む混合材料には問題がある。それは、出発材料
の流動性が高くなるために粒子が加圧方向に特に配列し易くなり、その結果異方
性が強い加圧物ができやすくなるからである。その上、これに続く熱分解におい
て、材料が大きく収縮する。収縮が極端だとさらに、添加した炭素繊維による補
強効果にも悪影響をもたらす。

【００１８】 したがって、本発明を展開させると、添加する結合剤の材料としての割合は低
く、混合材料の全量の５〜３２重量％とする。この量にすれば、一方では混合材
料が後の熱分解において収縮がより少なく、他方、流動性が少ないために、液状
結合剤の割合を少なくすることで混合材料の流動性が望むままに抑制でき、また
、グラファイト粒子が流れの方向に平行に配列してしまうことも抑えられる。後
の熱分解工程で、混合材料から得られた部品の中の炭素繊維が収縮のために能力
が発揮できないといった事態も効果的に防ぐことができる。

【００１９】 本発明による方法をさらに展開させると、混合材料を形成するための出発材料
および結合剤およびさらに新規な原材料を、剪断効果の低いミキサー、たとえば
ドラム・ミキサーまたはレーン・ホイール・ミキサーで混合する方法が提供され
る。その結果、特に穏やかな混合工程となり、部品の強度を上げるために添加し
た炭素繊維の剪断や破損を避けることができた。さらに、ドラム・ミキサーを用
いると個々の成分を特に完全に混合することができ、炭素のステープルファイバ
ーが集まってしまうような不都合もなかった。

【００２０】 最後に、請求項１の方法を展開させると、混合前に出発材料を微粉砕および篩
別して、粒子サイズが０ｍｍより大きく６０μｍより小さい第１の粒子サイズフ
ラクションを出発材料の２０〜１００重量％の割合とし、粒子サイズが６０μｍ
から７５０μｍの第２の粒子サイズフラクションを出発材料の０〜３４重量％の
割合とし、そして、粒子サイズが７５０μｍより大きく２，０００μｍまでの第
３の粒子サイズフラクションを出発材料の０〜４６重量％とする方法が提供され
る。より粗い粒子を含む出発材料を製造することで、それからの混合材料の粘度
が低下し、その結果その後の加圧方法で内部摩擦が高くなり、押出しプレスの出
口開口から混合材料が急速に排出されることを防ぐことができる。その結果、混
合材料の予備圧縮が所望通り効果的に実施できる。

【００２１】 請求項１０に記載された装置には利点があって、供給開口の手段を用いて押出
しプレスに短時間で準連続的に再充填することが可能となったために、１回のピ
ストンストロークで加圧すべき材料を少量でも加圧することができ経済的であり
、その結果現行技術水準に比較すれば、より小さな力で加圧することが可能とな
った。加圧用の力を減らすために混合材料の流動性を上げるようなことはもはや
不要となった。むしろ反対に、グラファイト粒子が流れの方向と平行に配列する
好ましくない挙動をとるような強い流れ場が形成されるのを防ぐためにも、混合
材料の流動性を下げることも可能となった。さらに、供給チャンバの直径Ｄと出
口開口の直径ｄの比Ｄ／ｄが２．５以下、好ましくは０．４から１．０までの範
囲であると、最も好ましい粒子の配列が得られる。

【００２２】 請求項１０に記述されている装置の有利な開発及びその改良は、従属請求項１
１〜１４に記述されている措置の結果として可能である。

【００２３】 従来の押出しプレスは、プランジャーピストンを取り外した後、混合材料を上
部から供給チャンバを均一に充填することができるように縦方向に伸びる。しか
し、連続した部品、例えば、管を押出しプレスすることができるように、かかる
縦型押出しプレスの高さは、相応に高い。

【００２４】 これと対照的に、請求項１０の装置の望ましい開発は、押出しプレスの長手方
向の範囲が水平部分と実質的に平行に配置されるものと定められており、供給チ
ャンバの供給開口が実質的にそれに横断的に配置されている。押出しプレスが水
平配置されているため、その高さは、有利に僅かであり、略どんな長さの連続部
品でも押出しプレスすることができる。他方、縦方向での供給チャンバの充填に
よって、混合材料がそこで確実に均一に分布することになる。

【００２５】 本願発明の実施態様は、更に詳細に、以下の明細書に記述され、図面に図示さ
れている。 実施形態の説明 図１によるフローチャートは、グラファイト又はセラミック粒体から部品及び
半製品を製造するための本発明による方法の最初の製造ステップを示しており、
熱交換器において使用するグラファイト管が望ましい実施形態によって製造され
た。種々の材料を用い、種々の製造ステップを備えた多数の製造の試みをこの目
的のためにこれまでに実施したが、ここでは、例示のためにその内の若干の例に
ついてのみ記述する。

【００２６】 例えば、出発材料として石油コークスが使用し、これを先ずか焼、即ち、例え
ば、回転管状窯又は回転炉２で１，２００〜１，４００℃でか焼し、次いで、サ
イロ４に一時的に保管した。その後のステップで、この出発材料を、例えば、ロ
ータリー・クラッシャー６又はインパクト・グラインディング・ミルによって粉
砕し、粒子サイズの異なるフラクションが生じるような仕方で篩８で篩に掛け、
これをバンカ１０に互いに分離された状態で一時的に保管した。

【００２７】 粉砕し篩に掛けた石炭コークスとグラファイト粒体の粒度分布を各場合におい
て３件の試験サンプルを得て下記の表１に掲げており、これらの粒子サイズは、
４つの範囲、即ち、各場合において、０−６０μm、６０−２００μm、２００−
４００μm及び４００−７５μmの４範囲に分類してある。石油コークスが専ら出
発材料となっている第一の実施形態によると、最大粒子は、直径が４００μm〜
７５０μmであり、この出発材料の材料割合の４５重量％が６０μmを下回り、同
５５重量％が６０μm以上であった。石油コークスは、第二の実施形態でも材料
として使用したが、この実施形態では、最大粒子が４００μmを若干下回り、６
０μmを下回る粒子の材料割合が４４重量％、そして６０μm以上の粒子が５６重
量％であった。最後に、グラファイト粒体を出発材料として使用した実施形態で
は、最大粒子が７５０μmのサイズに達し、６０μm以上の粒子の材料割合が４５
重量％で、６０μmを下回る粒子がその５６重量％であった。

【００２８】

【表１】

【００２９】 下記の表２には、これらの試験の間に定量した最小可能粒子サイズを「Ａ」で
、最大可能粒子サイズを「Ｂ」で示してあり、これらは、なお充分な部品強度を
達成でき、グラファイト材料の成型がなお可能である粒子サイズであった。従っ
て、最も粒子サイズが小さいＡにおいて０〜６０μmの粒子サイズフラクション
が併せてこの出発材料の材料割合の１００重量％を占めており、他方、粒子サイ
ズが６０μmを上回る材料は発生していなかった。これと対照的に、最大可能粒
子サイズBでは、０〜２，０００μmの大幅に幅広のフラクションが結果として生
じ、０〜６０μmの最小サイズフラクションが出発材料の材料割合の２０重量％
を占め、６０〜７５０μmの中程度の粒子サイズフラクションが材料割合の３４
重量％を占め、そして７５０μm〜２，０００μmの最大サイズのフラクションが
材料割合の４６重量％を占めた。

【００３０】

【表２】

【００３１】 表３及び図１から見て取れる通り、石油コークス又はグラファイト粒体１を、
サイズを減少せしめ篩を掛けた後、結合剤１２、例えば、フェノール樹脂、Ｎｏ
ｖａｌａｋ（登録商標）タイプＳＰ２２２、流路２０−１００mmで混合した。こ
の結合剤は、ドイツのＢａｋｅｌｉｔｅ株式会社製の８％ヘキサメチレン・テト
ラミン（Ｈｅｘａ）又はドイツのＲｕｅｔｇｅｒｓ製のＢＸ９５タイプ、ＳＰ＞
３０℃のピッチを添加して細かく粉砕したものを使用した。加えて、分粒化した
（ｓｉｚｅｄ）炭素繊維１４、望ましくはドイツのＳＧＬ Ｔｅｃｈｎｉｋ社製
のタイプＣ−２５−Ｓ００６のＳＩＧＲＡＦＩＬ（登録商標）繊維を一部の試験
では、出発材料に添加した。この炭素繊維は、繊維径が８μm及び繊維長が６mm
である。最後に、加圧補助剤１６、例えば、２０℃で粘度が６０mPa・sのパラフ
ィン油の形状のもの又は試験室生成「ステアリン酸」Ｓｔｅａｒｉｎ（登録商標
）の形状のものを一部の試験では、追加的に添加し、壁摩擦を減少させた。混合
は、室温で多孔板クロスの形状の混合バッフルを備えた低速レーン・ホイール・
ミキサー１８を使用して又は８０℃の温度で双腕形ミキサーを使用して行ない、
これによって、押出しプレス準備完了の混合材料２０がその結果得られた。

【００３２】 更に、表３は、混合材料２０の素料の試験に使用した材料割合を示している。
従って、種々の粒子サイズのフラクションから成る出発材料の材料割合は、混合
材料２０の全質量の６５〜９５重量％であり、結合剤の材料割合は混合材料２０
の総重量の５〜３２重量％であった。炭素繊維１４を添加した限りにおいて、そ
の材料割合は、加圧補助剤１６が０〜５重量％の場合で、０〜１５重量％であっ
た。

【００３３】 混合材料２０を図２にその断面図を掲げてある押出しプレス２２を用いて成型
した。このプレスは、プレスハウジング２４の内部で長手方向に動かせるプラン
ジャーピストン２６を備えており、このプランジャーピストンは、それに対して
細いプレスハウジング２４の出口開口２８に排出する供給チャンバ３０を画成し
、供給チャンバは、押出しプレスすべき材料を充填でき、同材料はこの押出作用
によって粉砕できる。押出しプレス２２の長手方向の範囲は水平部分にほぼ平行
している。

【００３４】 プレスハウジング２４は、プランジャーピストン２６をガイドする直径Dの円
筒形部分３２及び例えば出口開口２８を形成する直径dの管状管口部材３６をそ
の末端に備えた漏斗状部分３４から成る。

【００３５】

【表３】

【００３６】 供給チャンバ３０は、ほぼ円筒形部分及び漏斗状部分３２、３４によって囲ま
れ且つ出口開口２８に向いているプランジャーピストン２６の押出面３８によっ
て画成されている空間によって形成されており、プランジャーピストン２６が図
２に図示されている出口開口２８から最大に離れている出発位置にある時に最大
となる。

【００３７】 対向心棒４０は、管状管口部材３６の内部でその内周面に対して半径方向距離
において同軸的に受け取られて、管を形成している。この対向心棒は、その末端
がプランジャーピストン２６に面しているプレスハウジング２４の円筒形部分３
２に少なくとも一部分突起し、そこでテーパーになっている。漏斗状部分３４、
管口部材３６及び対向心棒４０は共に押出しプレス２２の成型管口部材４２を形
成している。成型管口部材４２は、熱伝導式に加熱装置４３に連結して、成型管
口部材４２を貫通して押出しプレスされた混合材料を加熱しており、管状管口部
材３６の加熱装置４３は、漏斗状部分３４の加熱装置から断熱されている。

【００３８】 プレスハウジング２４の円筒形部分３２の直径Dと管状管口部材３６の直径dと
の比率Ｄ／ｄは、２．５以下であり、望ましくは、０．４〜１．０の範囲である
。管状管口部材３６の直径dと長さlとの比率は望ましくは１以下であり、漏斗状
部分３２は３５°の円錐角αを有している。

【００３９】 供給チャンバ３０は、配量装置４４に連結した別個の供給開口４６を備えてお
り、この供給開口を介して、押出しプレスされるべき材料が供給チャンバに配量
されて供給される。供給開口４６は、プレスハウジング２４の円筒状部分３２の
壁４８に押出しプレス２２の水平長手方向部分に横方向の貫通孔として形成され
ており、配量装置を形成しているセル式ホイール・スルース４４が受け入れられ
ている漏斗状装填管５０によって半径方向に外向きに伸びている。

【００４０】 図２〜図５に概略的に示されている押出手順を構成する個々のステップについ
て以下に記述する。先ず、プランジャーピストン２６が図２に見る通り出発位置
にあり、この位置は、出口開口２８から最大に離れたところにあり、もって、供
給チャンバ３０がその最大のサイズとなる。第一のステップでは、不規則な粒子
サイズから成る混合材料がセル式ホイール・スルース４４を介して供給チャンバ
３０に供給チャンバが完全に一杯になるまで配量されて供給される。次いで、配
量された混合材料は、例えば、図３に見る通り最大４ｍ／ｍｉｎの連続前進移動
速度ｓでプランジャーピストン２６の前進移動によって圧縮される。粉砕したグ
ラファイト粒体又は石油コークスはサイズの大きなフラクション、即ち、押出し
プレスすべき材料における内部摩擦レベルが比較的高いフラクションの割合が高
いので、混合材料の圧縮された出口開口を介しての放出が先ず防止される。その
結果、準静的圧縮が生じ、これによって、混合材料中の先に不規則に整列されて
いた粒子、例えば、炭素繊維及びグラファイト粒子がスタンピングプレスでプレ
スした時と同様に、前進移動又は押出しプレスの方向に横断的にのみ整列できる
。

【００４１】 プランジャーピストン２６が一定時間後に例えば出口開口２８に向かって連続
前進移動速度をもって移動するに従って、図４に掲げる状況が生じ、この状況下
において、プランジャーピストン２６は、その終端位置に到達し、予備圧縮した
混合材料が対向心棒４０を通過して出口開口２８を通じて放出され、よって、連
続管５２に成型される。内部フロー障害のために、押出しプレスの方向に直角方
向に先に整列された粒子が混合材料の内部で粒子が若干変化した傾斜位置を取る
ような仕方で再び整列され、ここで、その長手部分に基づいて押出しプレスの方
向における方向成分を示す。傾斜位置とは、ここでは、整列角度βが０°より大
きく、管の長手軸線に垂直な面に対して７５°以下であることを意味すると理解
されるべきものである。

【００４２】 半径方向におけるグラファイト管５２の充分な熱伝導度を達成するには、長手
軸線の方向において粒子を余りにも厳格に整列するのは不利である。例えば、加
圧補助剤１６を添加して混合材料に作用する外部摩擦をできるだけ低くし、他方
、内部摩擦をできるだけ高くするように注意するのが便宜である。その狙いは、
供給チャンバ３０の内部にストッパー流を形成することである。

【００４３】 供給開口４６は、望ましくは、プランジャーピストン２６の出発位置とその終
端位置との間に配置し、もって、図４に見る通り、その終端位置において、プラ
ンジャーピストンが少なくとも部分的に供給開口４６を通過し、プレスハウジン
グ２４の円筒形部分３２の端部領域に存在し、よって、供給チャンバ３０が供給
開口４６から外される。このプランジャーピストンのピストン・ストロークは、
望ましくは、混合すべき押出しプレスされた材料の容積が元々供給チャンバ３０
に配量供給された容積より小さい出口開口２８から押出しプレスされ、もって、
プレスハウジング２４の漏斗状部分に押出しプレスされた混合材料の残留量が供
給チャンバ３０に残るように寸法を決める。

【００４４】 最後に、プランジャーピストン２６は、その出発位置に迅速に戻り、よって、
供給開口４６が図５に見る通り完全に露出する。漏斗状部分３４に残る混合材料
の残留量とプランジャーピストン２６の出口開口２８に向かっている押出面３８
との間にここで形成された中間スペース５４がここで供給チャンバ３０が再度完
全に充填されるまで配量装置４４によって新規の混合材料を充填される。先行す
る押出しプレス手順の混合材料の残留容積が既に漏斗状部分３４において予備圧
縮されたところで、混合材料の新規に充填された容積について放出バリアが形成
され、プランジャーピストン２６がここで他方の側から押し出される。従って、
新規に充填され、なお若干圧縮された混合材料の容積がピストンの前進運動によ
って圧縮され、もって、漏斗状部分３４に残っておりストッパーを構成している
先行の押出しプレス手順の残留量が押し出される前に、粒子が直角方向に整列で
きる。プランジャーピストン２６がその終端位置に達した後、以上のサイクルが
初めから繰り返される。

【００４５】 上記の押出しプレス２２に加えて、同様に混合材料に使用できるのは、図６に
掲げるピストン形押出機５６であり、これは、押出機ハウジング５８の中で長手
方向に移動できるプランジャーピストン６０を備えており、このピストンは、そ
れに対して細い出口開口６１内に開口する供給チャンバ６２を画成しており、こ
の供給チャンバは、押出しプレスされるべき材料を充填でき、その加圧運動によ
って小さくすることができる。押出機ハウジング５８は、プランジャーピストン
６０をガイドする円筒形部分６４及び出口開口６１を形成する管状スタンプ６８
をその末端に備えた望ましくは３０°の円錐角γを備えた漏斗状部分６６から成
り、供給チャンバ６２は、円筒形部分及び漏斗状部分６４、６６によって囲まれ
、出口開口６１に向いているプランジャーピストン６０の押出面７０によって画
成されている。先に記述した押出しプレス２２に対して、この供給チャンバ６２
は、大幅に比較的長く、もって、押出しプレスには比較的大きな力が必要であり
、前進運動速度も同様に比較的高い。

【００４６】 ピストン形押出機５６を使用した試験では、良く知られているスタンピングプ
レス（図示していない）において混合材料を先ず静的に予備圧縮し、押出しプレ
スの方向に対して直角方向のグラファイト粒子及び炭素繊維の整列を達成する。
その後、予備圧縮され、ピストン形押出機５６の供給チャンバ６２の寸法に適応
させた予備圧縮部分を、ピストン軸と同軸の後端開口７２を介してプランジャー
ピストン６０を押出しプレスの方向の反対方向に引っ込め、次いで、同じ開口を
通して当該予備圧縮部分を通過させることによって、供給チャンバに導入し、供
給チャンバ６２に置いた。粒子は、先に記述した押出しプレス２２のおけると同
様に、ピストンのその後の前進運動及びその結果としての混合材料の出口開口６
１を介しての押出しプレスによって傾斜位置に再度整列された。

【００４７】 図７は、一部の試験において混合材料を成型するための使用したスクリュ形単
軸押出機７４を示している。プランジャーピストンの代わりのこのスクリュ形単
軸押出機７４は、押出機ハウジング７６の内部に同軸回転圧力スクリュ７８を備
えている。

【００４８】 表４及び５は、グラファイト管を製造する１７件の試験において使用し、達成
したパラメータを概観したものである。例えば、通し番号８で示した試験では、
混合材料(その全量が０．７５mmの最大粒子サイズのグラファイト８７重量％及
びノボラックの形状の結合剤１０重量％、パラフィン油１重量％及び繊維長６mm
の炭素繊維２重量％から成る)を押出しプレスして、図２〜図５に掲げる製造方
法によってグラファイト管を形成した。配量した個々の成分を室温で混合し、レ
ーン・ホイール・ミキサー１８を用いて混合材料を形成した（図１）。混合材料
の相対的流動性は、０．３８であった。押出しプレス２２を用いて成型した後、
グラファイト管を電熱炉で最高８００℃での保護ガス洗浄処理(窒素)の下に焼成
（コークス化）した。

【００４９】 試験番号８の結果は、押出しプレス方向もしくは管の長さ方向において８４Ｗ
／（ｍ×ｋ）の及び押出しプレス方向若しくは管の長さ方向の直角方向おいて８
１Ｗ／（ｍ×ｋ）の熱伝導度を有するグラファイト管であり、押出しプレス方向
の熱伝導度とその直角方向の熱伝導度との比１．０４が生成された。炭素繊維と
押出しプレス方向もしくは管の長さ方向との間の角度は約８５°、即ち、最初に
直角方向に整列された粒子（９０°に対応する）は、押出しプレスの方向におい
て約５°だけ再整列された。グラファイト管の破裂圧力は６８バールに達した。

【００５０】

【表４】

【００５１】

【表５】

【００５２】 比較のため、基準試験を番号１３で示してあり、この試験では、３０°の円錐
成型管口部材を備えた最新の技術をもってスクリュ形押出機によって成型を行な
っている。この混合材料には、炭素繊維は添加しなかった。表４及び５を見ての
通り、管の長さ方向における熱伝導度が管の長さ方向の直角方向の熱伝導度の２
．４倍−（従って、長さ方向と長さの直角方向との比率が１．０４である試験番
号８に比べてはっきりした材料の異方性がかなり高い）−のグラファイト管が製
造された。

【００５３】 これに対して、試験番号１４においては、円錐成型管口部材ではなくステップ
式管口部材を備えた図７によるスクリュ形押出機７４を使用して、混合材料を押
出しプレスした。その結果、１．２２というほぼ比較的有利な押出しプレスの方
向と押出しプレスの方向の直角方向との比率が達成できた。

【００５４】 有利にバランスが取れた熱伝導度比率１．０２が試験番号１２でも達成された
。この試験では、混合材料の相対的流動性が０．４５であり、成型を図６に掲げ
る通りピストン形押出機５６で行ない、この混合材料はスタンピングプレスで予
備圧縮を行なった。混合材料の内の結合剤割合（ノボラック）は１５重量％と少
なく、加えて、炭素繊維も２重量％、加圧補助剤も１重量％であった。グラファ
イト材料に埋め込まれた炭素繊維と管の長さの方向との間には約８０度の角度が
生成された。即ち、スタンピングプレスにおけるブロック圧縮による横方向に最
初に整列された（９０°に相当する）粒子が押出しプレス方向に１０°だけ再整
列されたことになる。加えて、６５バールでは、破裂圧力は最新の技術(試験番
号１３)におけるよりも大幅に高かった。

【００５５】 以上の他の試験のパラメタはこの表４及び５から推測できる。よって、要約す
ると、最新技術によるグラファイト材料の典型的に明瞭な異方性は、本発明の方
法を使用することによって大幅に減少させることができる。その結果、押出しプ
レス方向の直角方向の熱伝導度が大幅に比較的に高いグラファイト成分が生成で
き、その上、混合材料に炭素繊維を添加した結果として、破裂圧力の高いグラフ
ァイト管が生成できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 グラファイト部品の製造方法の一部の流れ図

【図２】 供給チャンバが完全に充填された状態の望ましい実施形態において混合材料を
押出しプレスするための本発明による押出しプレスの概略断面図。

【図３】 予備圧縮中の図２の押出しプレスを示す概略図

【図４】 押出成型中の図２の押出しプレスを示す概略図

【図５】 再充填中の図２の押出しプレスを示す概略図

【図６】 混合材料を成型するためのピストン形押出機を示す概略図

【図７】 混合材料を成型するためのスクリュ形単軸押出機を示す概略図。

【符号の説明】

２０ 混合材料 ２２ 押出しプレス ２６ プランジャーピストン ２８ 出口開口 ３０ 供給チャンバ ４４ 配量装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュミット、マンフレート ドイツ連邦共和国 デー‐86156 アウグ スブルク ヤスミンヴェーク 11 Ｆターム(参考） 4G054 AA05 AA14 AB07 BD00 BD02 BD08 BD11 4G132 AA02 AA07 AA09 AA18 AA72 AA74 AB01 AB30 AB35 BA04 CA06 CA15 GA02 GA04 GA07 GA16 GA24 GA25 GA31

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合成グラファイトまたはセラミック粒体から部品および半製
   品、特にグラファイト管（５２）の製造方法であって、押出しプレス（２２）ま
   たは押出機（５６；７４）によって好ましくは石油コークスまたはグラファイト
   粒体を含む混合材料（２０）を成形する部品および半製品の製造方法において、
   ａ）混合材料（２０）を静的または準静的な方法で予備加圧し、その際、混合材
   料の中であらかじめ不規則に配列している粒子をまず加圧方向と垂直な方向に配
   列させるように、混合材料（２０）の流動運動を阻止あるいは妨害するステップ
   と、 ｂ）予備加圧された混合材料（２０）を押出しプレス（２２）または押出機（５
   ６；７４）の出口開口（２８；６１；８２）から押出し、その際、混合材料（２
   ０）の流動特性を調製することにより、予備圧縮された混合材料（２０）の内部
   の粒子を直角方向の配列から出発して、加圧方向に最大で７５度の角度（β）に
   再配列させるステップと、 を有することを特徴とする部品および半製品の製造方法。
2. 【請求項２】 混合材料（２０）を好ましくはスタンピングプレスによって
   静的に予備加圧してブロック状の予備加圧物を形成し、次いでその予備加圧物を
   ピストン形押出機（５６）の供給チャンバ（６２）に入れ、それを出口開口（６
   １）から押出すことにより成形することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 押出しプレス（２２）が、混合材料（２０）を供給するため
   の供給開口（４６）を有する供給チャンバ（３０）を備え、この供給開口は、供
   給チャンバ（３０）の大きさを減少させるために使用できるプランジャーピスト
   ン（２６）の出発位置と終端位置との間に位置し、混合材料（２０）の成形には
   以下の繰り返しのあるステップ、 ｆ）プランジャーピストン（２６）が出発位置にある状態で混合材料が完全に供
   給チャンバに満たされるまで、配量装置（４４）を用いて供給チャンバ（３０）
   内に混合材料を配量するステップと、 ｇ）プランジャーピストン（２６）をゆっくりと前進移動させることによって、
   供給チャンバ（３０）内の混合材料を準静的に予備加圧し、粒子を加圧方向に対
   して垂直に配列させるステップと、 ｈ）予備圧縮した混合材料の容積を出口開口（２８）から押出し、この容積は供
   給チャンバ（３０）での本来の容積より小さく、それにより供給チャンバ（３０
   ）でプランジャーピストン（２６）が終端位置に到達した際に、予備圧縮された
   残部容積を残すステップと、 ｉ）プランジャーピストン（２６）を出発位置へ戻し、新規の混合材料を予備圧
   縮された残部容積とプランジャーピストン（２６）との間の中間チャンバ（５４
   ）に配量して、供給チャンバ（３０）を完全に再び満たすステップと、 ｊ）ステップｂ）を続けるステップと、 を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 出口開口（８２）を混合材料（２０）の流動を妨害するに少
   なくとも１つの段（８４）によって加圧方向から見て先細にされているスクリュ
   形単軸押出機（７６）で混合材料（２０）を成形することを特徴とする請求項１
   に記載の方法。
5. 【請求項５】 混合材料（２０）が、石油コークスおよび／またはグラファ
   イト粒体（１）の少なくとも１つの粒子サイズフラクションを含む出発材料と少
   なくとも１種の結合剤とを混合することにより得られ、混合材料（２０）の全量
   に対して出発材料が６５〜９５重量％の割合、結合剤（１２）が５〜３２重量％
   の割合であることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 【請求項６】 予備加圧の前に、炭素繊維（１４）を付加的に混合材料（２
   ０）に添加し、その炭素繊維が混合材料の全量に対して０〜１５重量％の割合で
   あることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 予備加圧の前に、加圧補助薬剤（１６）を付加的に混合材料
   （２０）に添加し、その加圧補助薬剤が混合材料の全量に対して０〜５重量％の
   割合であることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 【請求項８】 出発材料および結合剤（１６）および別の原材料を、速度の
   遅いミキサー、特にドラム・ミキサーまたはレーン・ホイール・ミキサーを用い
   て混合することを特徴とする請求項５乃至７の１つに記載の方法。
9. 【請求項９】 混合前に出発材料を微粉砕および篩別して、粒子サイズが０
   ｍｍより大きく６０μｍより小さい第１の粒子サイズフラクションを出発材料の
   ２０〜１００重量％の割合とし、粒子サイズが６０μｍ〜７５０μｍの第２の粒
   子サイズフラクションを出発材料の０〜３４重量％の割合とし、粒子サイズが７
   ５０μｍより大きく２０００μｍまでの第３の粒子サイズフラクションを出発材
   料の０〜４６重量％とすることを特徴とする請求項５乃至８の１つに記載の方法
   。
10. 【請求項１０】 合成グラファイトまたはセラミック粒体から部品および半
    製品、特にグラファイト管（５２）の製造装置であって、プレスハウジング（２
    ４）の内側に長手方向に移動可能にガイドされたプランジャーピストン（２６）
    を有する押出しプレス（２４）を含み、プランジャーピストンは直径（Ｄ）の供
    給チャンバ（３０）を形成し、それが直径（ｄ）の細い出口開口（２８）内に開
    口し、供給チャンバに加圧用材料を充填し供給チャンバを加圧運動によって小さ
    くすることができる部品および半製品の製造装置において、供給チャンバ（３０
    ）はプランジャーピストン（２６）の出発位置と終端位置との間に独立した供給
    開口（４６）を有し、供給チャンバ（３０）の直径（Ｄ）と出口開口（２８）の
    直径（ｄ）の比（Ｄ／ｄ）が２．５以下、好ましくは０．４〜１．０の範囲であ
    ることを特徴とする部品および半製品の製造装置。
11. 【請求項１１】 押出しプレス（２２）の長手方向が水平面にほぼ平行に配
    置され、供給チャンバ（３０）の供給開口（４６）がそれに対してほぼ垂直に配
    置されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 【請求項１２】 プレスハウジング（２４）はプランジャーピストン（２６
    ）をガイドする円筒状部分（３２）と、出口開口（２８）を形成する管口部材（
    ３６）を末端に持つ漏斗状部分（３４）とを有し、供給チャンバ（３０）は、ほ
    ぼ円筒状および漏斗状部分（３２，３４）で囲まれ、プランジャーピストン（２
    ６）が出口開口（２８）から最大に離れている出発位置にある場合には出口開口
    （２８）に向いたプランジャーポンプ（２６）の加圧面（３８）により画成され
    た空間によって形成されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装
    置。
13. 【請求項１３】 供給開口（４６）が円筒状の部分（３２）の壁（４８）の
    横孔として形成され、漏斗状の装填管を通して半径方向に外側に伸び、その管内
    に配量装置を形成するセル形ホイール・スルース（４４）が設けてあることを特
    徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 【請求項１４】 管口部材（３６）の直径（ｄ）とその長さ（ｌ）との比が
    １以下であり、漏斗状部分（３４）のテーパー角度（α）が３０〜３５度である
    ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 【請求項１５】 好ましくは石油コークスまたはグラファイト粒体を含む混
    合材料（２０）を、押出しプレス（２２）または押出機（５６；７４）を使用し
    て成形することによって得られ、合成グラファイトまたはセラミック粒体から製
    造される部品または半製品、特にグラファイト管（５２）において、 ａ）混合材料（２０）を静的または準静的な方法で予備加圧し、その際、混合材
    料の中であらかじめ不規則に配列している粒子をまず加圧方向と垂直な方向に配
    列させるように、混合材料（２０）の移動運動を阻止あるいは妨害するステップ
    と、 ｂ）予備加圧された混合材料（２０）を押出しプレス（２２）または押出機（５
    ６；７４）の出口開口（２８；６１；８２）から押出し、その際、混合材料（２
    ０）の流動特性を調製することにより、予備圧縮された混合材料（２０）の内部
    の粒子を直角方向の配列から出発して、加圧方向に最大で７５度の角度（β）に
    再配列させるステップと、 によって製造されることを特徴とする部品または半製品。