JP2006298748A - セラミック焼結体および伝熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のセラミックタイル、屋根材の諸特性を保持しながら熱伝導率を向上させたセラミック焼結体を提供する。
【解決手段】少なくともコランダム結晶とジルコン結晶を含み、熱伝導率が２．００Ｗ／ｍＫ以上のセラミック焼結体であり、その焼成後の酸化物組成として、酸化珪素４０〜５８重量％、アルミナ２２〜４０重量％、ジルコニア７．０〜１５重量％、アルカリ金属酸化物３．０〜６．０重量％、アルカリ土類金属酸化物１．５〜３．５重量％の必須成分からなり、かつコランダム結晶とジルコン結晶を合計量で２６．０重量％含むのが好ましい。また、焼成温度１１５０℃〜１２８０℃において、吸水率が１．０％以下に燒結されたセラミック焼結体である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、熱伝導率の高いセラミック焼結体およびそれを用いた融雪用などに用いられる伝熱構造に関する。

従来、積雪地方の街路などの舗装には、冬季の雪害を防除する融雪機能を設けている事例が多い。例えば、特許文献１には図１に示すような融雪舗装用の伝熱構造が提案されている。この伝熱構造は、下地１１上に、温水配管１３を備えた断熱パネル１２を敷設し、その上に金属放熱プレート１４を介してセラミックタイル１を敷き並べて構成される。

このような伝熱構造では、温水配管１３の放熱が金属放熱プレート１４からセラミックタイル１に伝えられ、セラミックタイル１５表面の積雪を溶かすことによって雪害を防除するものである。ここで、表面に用いられるセラミックタイル１５としては、従来から舗装用に用いられている陶磁器タイルがコスト、強度、耐久性、外観などから最も適している材料と考えられている。

ところが、このような従来から知られているセラミック床タイルの熱伝導率は、１．５Ｗ／ｍＫ前後の値であって、断熱材ではないものの熱伝導材とも言えない材料であるところから、本件発明者らは、融雪用舗装材料としての観点から、このセラミック焼結体からなる床タイルにはさらなる改良の余地があると考えて熱伝導率の向上を目標に研究した。

特開２０００−２９７４０７号公報：特許請求の範囲の欄、実施例、図３〜図６。

また、本件発明者らは、住宅など建造物の屋根材にも注目し、一般に用いられる粘土瓦の熱伝導率は、１．５Ｗ／ｍＫ前後の値であるところから、道路舗装の場合と同様に、セラミック焼結体からなる屋根材の熱伝導率の向上を意図した。さらには、熱伝導率の向上によって、床暖房用のセラミック焼結体の実用化も意図したのである。

本発明は、セラミック焼結体の熱伝導性を研究していた過程で得られたものであり、従来のセラミック床タイルあるいはセラミック屋根材の諸特性を保持しながら熱伝導率を向上させたセラミック焼結体を提供するとともに、それを用いた屋根や道路路盤の雪害防除や床暖房に有効な伝熱構造を提供する。

（セラミック焼結体）
上記の問題は、少なくともコランダム結晶とジルコン結晶を含み、熱伝導率が２．００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする本発明のセラミック焼結体によって、解決することができる。そして、本発明は、焼成後の酸化物組成として、酸化珪素４０〜５８％（重量％を示す。以下同様）、アルミナ２２〜４０％、ジルコニア７．０〜１５％、アルカリ金属酸化物３．０〜６．０％、アルカリ土類金属酸化物１．５〜３．５％の必須成分からなり、かつコランダム結晶を１０．０％〜２７．０％、ジルコン結晶を１１．０％〜２２．０％、かつその合計量で少なくとも２６．０重量％含むセラミック焼結体として好ましく具体化される。
また、本発明は、焼成温度１１５０℃〜１２８０℃であって、吸水率が１．０％以下に燒結されたセラミック焼結体に具体化される。

（伝熱構造）
さらに、上記の問題は、以下の伝熱構造によって解決される。
すなわち、道路路盤融雪用の伝熱構造であって、前記したセラミック焼結体を貼設するとともに、その下側に温水配管または電熱ヒータを配設したことを特徴とする伝熱構造であり、屋根表面融雪用の伝熱構造であって、屋根の表面に前記したセラミック焼結体を葺設するとともに、その下側に温水配管または電熱ヒータを配設したことを特徴とする伝熱構造であり、さらに、床暖房用の伝熱構造であって、屋内床面に前記したセラミック焼結体を貼設するとともに、その下側に温水配管または電熱ヒータを配設したことを特徴とする伝熱構造である。

先ず、本発明のセラミック焼結体は、鉱物成分として、少なくともコランダム結晶とジルコン結晶を含み、熱伝導率が２．００Ｗ／ｍＫ以上の値を有するので、従来のセラミック床タイルより熱伝導率が大幅に向上し、融雪用材料または床暖房用として特に好ましいものとなる。そして、前記した化学成分組成とコランダム結晶とジルコン結晶とを所定量含むことによって、後述の実施例に示すような好ましい高熱伝導率が得られることが分かった。

また、このような高熱伝導性は、前記組成のものを１１５０℃〜１２８０℃の焼成温度で、吸水率が１．０％以下に燒結することで、効果的に発現するのである。
かくして、このようなセラミック焼結体を表面に貼設あるいは葺設することよって、路盤面、床下、屋根材の下側などに配設した温水配管の融雪用温水または電熱ヒータなどの熱エネルギを有効に利用可能となりエネルギ効率の高い融雪用または床暖房用の伝熱構造を実現できるという優れた効果がある。よって本発明は、従来の問題点を解消したセラミック焼結体および伝熱構造として、工業的価値はきわめて大なるものがある。

次に、本発明のセラミック焼結体を舗装用床タイルとして用いる実施形態によって詳細に説明する。
本発明のセラミック焼結体は、次に具体的に示す、特定の成分組成と特定の結晶を含有することにより熱伝導率が２．００Ｗ／ｍＫ以上の値を有するセラミック床タイルである点にその特徴がある。

すなわち、焼成後の酸化物組成として、酸化珪素４０〜５８％、アルミナ２２〜４０％、ジルコニア７．０〜１５％、アルカリ金属酸化物３．０〜６．０％、アルカリ土類金属酸化物１．５〜３．５％の必須成分からなるセラミック焼結体である。

そして、結晶構成として、コランダム結晶を１０．０％〜２７．０％、ジルコン結晶を１１．０％〜２２．０％の範囲で含み、かつ、その合計量で少なくとも２６．０％含む点が重要な要件であり、かくして、そのセラミック焼結体の熱伝導率を２．００Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導性に保持できるのである。

ここで、各成分について若干、補足すると、酸化珪素を４０〜５８％とする理由は、限度未満の場合には床タイルとして強度が得られない、限度超えの場合では焼結が不十分となって所定の熱伝導率が得られないからであり、アルカリ金属酸化物を３．０〜６．０％、アルカリ土類金属酸化物を１．５〜３．５％とするのは、それら焼結促進成分を規定することで、セラミック素地が適度な焼結構造に焼成され、所定の熱伝導率が得られるようにするためである。

また、アルミナを２２〜４０％、ジルコニアを７．０〜１５％の範囲とするのは、過小の場合には所定の熱伝導率が得られず、また過大であれば焼結性が低下し、焼結後に気孔が多量に残存してかえって熱伝導率が得低下するからである。なお、これらの酸化物成分は相互に有機的に作用することによって、焼結性、熱伝導性などに影響する点を理解すべきである。

そして、本発明において、最も重要な点は前記したように、結晶構成として、コランダム結晶とジルコン結晶とを所定量含み、かつその合計量も所定の値以上含むという点にある。本件発明者の知見によれば、コランダム結晶とジルコン結晶とはともに熱伝導率を向上させるに有効な結晶成分であるが、同時にセラミック素地内において反応しにくい物質として機能して焼結性を大きく阻害する点から、単独で用いては不利であるが、コランダム結晶とジルコン結晶とを共存させることによって、高い熱伝導性が得られる素地組成を比較的広く設定できるようになった。

本発明では、コランダム結晶を１０．０％〜２７．０％、ジルコン結晶を１１．０％〜２２．０％、かつその合計量で少なくとも２６．０重量％含むという条件によって、焼結性と熱伝導性をバランスさせた点にその特徴があると言える。

ここで、本発明のセラミック焼結体の製造方法について若干補足する。
以上述べたセラミックの原料としては、従来から知られている窯業原料が利用できる。すなわち、珪石、各種長石、長珪石、蛙目粘土、木節粘土、ドロマイト、石灰石が適宜に用いられる。

コランダム結晶とジルコン結晶は、それぞれ結晶鉱物の微粉末を用いるのがよい。コランダムとしては、人工合成鉱物であるアランダムが比較的安価に利用可能である。また、ジルコン結晶としては、天然鉱物である珪酸ジルコニウムが比較的安価に入手可能であるので、その粉末が好ましく利用できる。なお、これら結晶は、配合された他の原料と殆ど反応しないので、所定量を焼結体中に結晶状態で存在させることができるから好都合である。

かくして得られた調合生地は、プレス成形機などによってタイル形状、屋根材形状など所定の形状に成形され、必要に応じて釉薬を施したうえ、焼成される。この焼成温度は、１１５０℃〜１２８０℃とするのがよい。この温度範囲は、従来の陶磁器タイルの大量生産用焼成炉に常用される温度範囲であるから、本発明のために特別な焼成炉を準備する必要がない。

また、焼成後のセラミック素地の吸水率は、１．０％以下とするのが特に好ましい。先に説明したように、吸水率（素地内の気孔の占める割合に比例）は、熱伝導率とは逆比例の関係にあり、本件発明者の知見によれば、吸水率が１．０％超えの場合は熱伝導率を２．００Ｗ／ｍＫ以上にすることは困難であることが分かった。

かくして得られたセラミック焼結体を道路路盤の融雪用伝熱構造（図１参照）、屋根の融雪用伝熱構造（図２参照）、床暖房用伝熱構造（図３参照）に容易に応用することができる。例えば、図１に示すような、温水配管１３を埋設した路盤面の表面一面に貼設したセラミックタイル１に代えて、本発明のセラミック焼結体からなる床タイルを貼設することにより、高性能の融雪用伝熱構造を実現することができる。温水配管１３に代えて電熱ヒータなどの熱源が利用できることはいうまでもない。

次に、本発明のセラミック焼結体に係る実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。表１は本発明の実施例の成分組成（重量％）、結晶組成（重量％）、その吸水率（％）、焼成温度（℃）、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示す。また、表２は同様に、本発明の範囲外の比較例を示す。この比較表に示される通り、比較例では、熱伝導率が２.００（Ｗ／ｍＫ）未満であるのに対して、実施例では２.００（Ｗ／ｍＫ）以上の値を持ち、約２倍に達する事例もあることが実証された。

本発明のセラミック焼結体からなる床タイル（熱伝導率：２．８Ｗ／ｍＫ）と従来の普通タイル（熱伝導率：１．３Ｗ／ｍＫ）を準備し、温度１８℃の室内において、重量１２ｇの角氷をその各試験タイル上に静置して、溶解して形が無くなるまでの時間を測定した。この結果、本発明の２２分に対して、普通タイルでは４４分を要し、その差は顕著なものがあった。この結果から、図１に例示するような融雪伝熱構造において、融雪時間の短縮、あるいは温水などのエネルギ節約などの効果が期待できることが分かった。

（屋根用伝熱構造）
本発明のセラミック焼結体は、屋根の融雪用伝熱構造（図２参照）に容易に応用することができる。例えば、図２に示すように、屋根下地板２１上に、温水配管２３を配設した断熱材２２を敷き詰め、その上に本発明のセラミック焼結体からなる屋根瓦２を葺設することにより、本発明のセラミック焼結体の熱伝導性を活用した高性能の融雪用伝熱構造を実現することができる。
なお、この場合、屋根瓦２は、固定用くぎ２４で固定するなどの防災処理が可能になるよう形状を設定するものとする。また、温水配管２３に代えて電熱ヒータなどの熱源が利用できることはいうまでもない。

（床暖房用伝熱構造）
また、本発明のセラミック焼結体は、床暖房用伝熱構造（図３参照）に容易に応用することができる。例えば、図３に示すような、床下地板３１上に、温水配管３３を配設した断熱材３２を敷き詰め、その上に本発明のセラミック焼結体からなるセラミックタイル３を接着剤３４で固定、配設することにより、本発明のセラミック焼結体の熱伝導性を活用した屋内外のいずれにも適用できる高性能の床暖房用伝熱構造を実現することができる。この場合も、温水配管１３に代えて電熱ヒータなどの熱源が利用できる。

本発明に関する路面融雪用の伝熱構造を示す断面図。 本発明に関する屋根融雪用の伝熱構造を示す断面図。 本発明に関する床暖房用の伝熱構造を示す断面図。

符号の説明

１：セラミックタイル、１１：下地、１２：断熱パネル、１３：温水配管、１４：金属放熱プレート

Claims (6)

1. 少なくともコランダム結晶とジルコン結晶を含み、熱伝導率が２．００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とするセラミック焼結体。
2. 焼成後の酸化物組成として、酸化珪素４０〜５８％（重量％を示す。以下同様）、アルミナ２２〜４０％、ジルコニア７．０〜１５％、アルカリ金属酸化物３．０〜６．０％、アルカリ土類金属酸化物１．５〜３．５％の必須成分からなり、かつコランダム結晶を１０．０％〜２７．０％、ジルコン結晶を１１．０％〜２２．０％、かつその合計量で少なくとも２６．０％含む請求項１に記載のセラミック焼結体。
3. 焼成温度１１５０℃〜１２８０℃であって、吸水率が１．０％以下に燒結されたものである請求項２に記載のセラミック焼結体。
4. 路盤面に請求項１または２または３に記載のセラミック焼結体を貼設するとともに、その下側に温水配管または電熱ヒータを配設したことを特徴とする道路路盤融雪用の伝熱構造。
5. 屋根の表面に請求項１または２または３に記載のセラミック焼結体を葺設するとともに、その下側に温水配管または電熱ヒータを配設したことを特徴とする屋根表面融雪用の伝熱構造。
6. 屋内床面に請求項１または２または３に記載のセラミック焼結体を貼設するとともに、その下側に温水配管または電熱ヒータを配設したことを特徴とする床暖房用の伝熱構造。

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