JP2008069383A

JP2008069383A - 金属基材と無機材料表面層とからなる構造体

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Abstract

【課題】低温領域で断熱性が高く、高温領域で放熱性が高い材料を提供すること。
【解決手段】金属からなる基材と、結晶性及び非晶質無機材からなる無機材料表面層とから構成される構造体であって、
上記無機材料表面層の熱伝導率が上記基材の熱伝導率より低く、上記無機材料表面層の赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高く、かつ、上記基材は環状体であることを特徴とする構造体。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属基材と無機材料表面層とからなる構造体に関する。

結晶成長等に用いられる、高温で使用される加熱炉においては、処理時間を短縮するために、所定の処理温度までの昇温時間が短いことが望まれる一方、熱処理温度を安定させるために、所定の処理温度まで昇温した後には、処理温度を超えて炉内が過昇温しないことが望まれている。

例えば、ＩｎＧａＳｂの結晶を成長させる際には、加熱炉の中に塊状のＧａＳｂ原料を置き、その上にＩｎＧａＳｂ原料を置いて、加熱炉を誘導加熱するが、加熱は加熱炉の温度がＧａＳｂの融点（７１２℃）とＩｎＧａＳｂの融点（５２５〜７１２℃）の間となるように行う。このように加熱すると、ＩｎＧａＳｂ原料のみが融解してＩｎＧａＳｂ結晶溶液が形成され、ＧａＳｂ塊の上に溜まることとなるため、この溶液にＧａＳｂ種結晶を接触させて、ＩｎＧａＳｂ溶液の温度を一定に保った上で、回転させながら引き上げることによりＩｎＧａＳｂ単結晶を成長させることができる。
上記工程においては、加熱炉の５２５℃以上への昇温時間は短いことが望ましく、また、加熱炉の温度は７１２℃を超えることがあってはならない。

このような状況下、昇温時間を短縮するためには、低温領域における炉内の断熱性を高めることが有効であり、炉体（内壁炉）を断熱性の高い材料、すなわち熱伝導率の低い材料で作製することが望ましいものと考えられる。
また、処理温度を超えて炉内が過昇温しないようにするためには、高温領域における放熱性を高めて、高温領域において炉体が昇温しにくくなるようにすることが有効であり、炉体を放熱性の高い材料、すなわち放射率の高い材料で作製することが望ましいものと考えられる。

このような特性を満たす材料としては、コージェライト、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物系セラミックスを挙げることができる。しかし、これらの材料は金属材料などと比べて耐熱衝撃性に劣り、また、高価であるために、炉体全体をこれらの材料で製造することは現実的ではない。そのため、低温断熱特性、及び、高温放熱特性を有する材料が望まれていた。

ここで、特許文献１には、放熱性の高い材料として、金属基材の表面に酸化物系セラミックスと低融点高膨張ガラスとからなる無機化合物被膜が形成されてなる遠赤外線放射体が開示されている。
また、特許文献２には、同じく放熱性の高い材料として、金属基材の表面に金属酸化物と低融点高膨張ガラスとからなる赤外線黒体塗料被膜が形成されてなる赤外線放射体が開示されている。

特公平２−４７５５５号公報特公平３−６２７９８号公報

しかしながら、これらの遠赤外線放射体及び赤外線放射体は、高温時における放熱性が不充分であるという問題があり、この温度域においてはさらに良好な放熱特性を有する材料が求められていた。
また、これらの遠赤外線放射体及び赤外線放射体では、低温での断熱特性は保証されていなかった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、低温領域で断熱性が高く、高温領域で放熱性が高い構造体を提供することを目的とする。

本発明の構造体は、金属からなる基材と、結晶性及び非晶質無機材からなる無機材料表面層とから構成される構造体であって、上記無機材料表面層の熱伝導率が上記基材の熱伝導率より低く、上記無機材料表面層の赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高く、かつ、上記基材は環状体であることを特徴とする。

また、本発明の構造体において、上記無機材料表面層の室温での熱伝導率は、０．１〜２Ｗ／ｍＫであることが望ましい。

また、本発明の構造体において、上記無機材料表面層の室温での波長１〜１５μｍにおける放射率は、０．７〜０．９８であることが望ましい。

また、本発明の構造体において、上記基材表面の凹凸量（Ｒｚ_ＪＩＳ）は、上記無機材料表面層の厚みの１／６０以上であることが望ましい。

本発明の構造体は、金属材料からなる基材が熱源（ヒータ、炉体あるいは流体など）を囲むような環状体であるため、外部空間への気体又は液体の漏出を防止して構造体内部の断熱性を確保することができ、さらに、環状体の表面（内面若しくは外面）に熱伝導率が基材の熱伝導率よりも低く、赤外線放射率が基材の赤外線放射率よりも高い無機材料表面層が形成されているため、放熱性が熱伝導に依存する低温領域においては、構造体内部からの放熱を阻害して構造体内部の断熱性をより向上させることができ、放熱性が輻射に依存する高温領域においては、構造体内部からの放熱を促進して構造体内部の温度を低下せしめることができる。
環状体とすることにより高温領域において放熱性が改善されるメカニズムについては明らかではないが、発明者らの推定では、図１に示すように、熱源１からの輻射熱２が環状体の内壁に入射すると、環状体の表面から輻射熱３が放射されるとともに、反射された輻射熱４は再び環状体の内壁に入射する。すると再び環状体の表面から輻射熱５が放射され、反射された輻射熱６は再び環状体の内壁に入射する。このように、環状体の場合は輻射熱が次々と反射して放熱が進行するために、放熱性が改善されるものと推定される。
このように、本発明は、構造体内部の高速昇温と構造体内部の過熱防止という本来矛盾した効果を同時に達成できるという顕著なる効果を有しているのである。
このような効果は先に挙げた従来技術には記載されていない。
従来技術は板状体を開示するにとどまり、そもそも構造体の内部を断熱できる効果や輻射熱を反射することのできるような環状構造は記載されていないのである。

まず、本発明の構造体について図面を用いて説明する。

本発明の構造体は、金属からなる基材と、結晶性及び非晶質無機材からなる無機材料表面層とから構成される構造体であって、上記無機材料表面層の熱伝導率が上記基材の熱伝導率より低く、上記無機材料表面層の赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高く、かつ、上記基材が環状体であることを特徴とする。

図２は、本発明の構造体の一例を模式的に示した斜視図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は円筒形状の構造体、（ｃ）及び（ｄ）は楕円筒形状の構造体であり、それぞれの基材の外面又は内面には無機材料表面層が形成されている。

これらは、いずれも同様の性能を有するため、ここでは、図２（ａ）に示す円筒形状の構造体を例にして本発明の構造体を説明する。
図２（ａ）に示す構造体１０は、金属からなる円筒形状の金属基材１１の外側表面が、結晶性及び非晶質無機材からなる無機材料表面層１２により被覆されており、半径の異なる２種類の材料が密着した２重構造となっている。
また、無機材料表面層１２は、その室温における熱伝導率が金属基材１１より低く、室温における赤外線放射率が金属基材１１より高いように構成されている。
なお、本明細書中において室温とは、２５℃をいうものとする。

なお、本明細書において、無機材料表面層の熱伝導率とは、室温における結晶性無機材と非晶質無機材の混合物としての熱伝導率のことであり、無機材料表面層を構成する各結晶性無機材及び非晶質無機材の熱伝導率並びにその割合等により決定される。
なお、本発明の構造体を構成する無機材料表面層１２は、低温領域全体においてもその熱伝導率が金属材料１１の熱伝導率より高いように構成されている。
なお、本明細書における低温領域及び高温領域とは、その用途と構造体を構成する金属材料及び無機材料表面層の材質によって異なり、特に限定されるものでないが、例えば、金属材料がＳＵＳ４３０材であって、無機材料表面層がＭｎＯ_２、ＣｕＯからなる結晶性無機材料とＳｉＯ_２−ＢａＯガラスからなる非晶質無機材料とからなる場合、低温領域は０〜５００℃、高温領域は５００〜１０００℃の範囲である。

本発明の構造体は、無機材料表面層の熱伝導率が金属基材より低いため、例えば、図２（ａ）のような形状の本発明の構造体１０においては、金属基材１１の内側に貼り付けたヒーター等で金属基材１１を加熱した際、又は、金属基材１１の内側の空間に熱源を配して金属基材１１を加熱した際には、金属基材１１及び金属基材１１の内側の空間への伝導伝熱速度は速い一方、金属基材１１から無機材料表面層１２を経て構造体１０の外部に熱が伝導伝熱される速度が遅くなる。そのため、本発明の構造体１０は、全体として断熱性の高い材料となり、低温領域において熱を外部に逃がしにくくなる。
従って、本発明の構造体１０を用いて内部を加熱した際、金属基材１１及び金属基材１１の内側の空間を迅速に昇温させることができる。

また、無機材料表面層１２は、その赤外線放射率が金属基材１１の赤外線放射率より高い。本明細書において、無機材料表面層の赤外線放射率とは、室温における結晶性無機材と非晶質無機材の混合物としての赤外線放射率のことであり、赤外線領域全体での放射率の平均値として現される物性である。
なお、本発明の構造体を構成する無機材料表面層１２は、高温領域においてもその赤外線放射率が金属材料１１の赤外線放射率より高いように構成されている。

ここで、物体からの単位面積あたりの放射伝熱速度は、ステファン・ボルツマンの法則に従い、物体の温度の４乗と物体の放射率との積に比例する。そのため、高温領域では物体の温度の４乗の項の影響が大きくなって、放射伝熱速度は低温領域時に比べて飛躍的に増大することとなる。

そのため、無機材料表面層１２の赤外線放射率を高くすることにより、無機材料表面層１２を経て構造体１０の外部へ放射伝熱する放射伝熱速度を増大させることができるため、本発明の構造体１０は放熱性の高い材料となり、外部に熱を逃がしやすくなる。
従って、本発明の構造体１０を用いると、高温領域における金属基材１１及び金属基材１１の内側の空間の温度上昇を抑制することができる。

さらに、本発明の構造体は、環状体であるため、構造体内部の気体や液体が外部空間へ漏出することを防止することができる。そのため、構造体内部の断熱性を確保することができる。
また、本発明の構造体を環状体とすることにより、放熱性が輻射に依存する高温領域において、放熱性を向上させて構造体内部の温度を低下せしめることができる。
ここで、本明細書中における環状体とは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸が互いに直交する三次元の直交座標系において、Ｘ−Ｙ、Ｙ−Ｚ、Ｚ−Ｘ平面のうち少なくとも一の平面上でその形状が閉じていることをいう。従って、本明細書における環状体には、その長さ方向に垂直な断面形状が円形のもののみでなく、楕円形、矩形のものも含まれる。
本発明の構造体を環状体とすることにより放熱性が向上する理由は定かではないが、図１に示すように、熱源１からの輻射熱２が環状体１０の内壁に入射すると、環状体の表面から輻射熱３が放射されるとともに、反射された輻射熱４は再び環状体の内壁に入射する。すると再び環状体の表面から輻射熱５が放射され、反射された輻射熱６は再び環状体の内壁に入射する。このように、環状体の場合は輻射熱が次々と反射して放熱が進行するために、放熱性が改善されるものと推定される。
なお、上記熱源は特に限定されるものでないが、例えば、炉体、ヒータ、反応ガス、加熱用油等を挙げることができる。
特に、本発明の構造体を環状体とすることにより、上記熱源としての反応ガスや加熱用油といった高温の気体又は液体を外部空間に漏出させることなく構造体内に流通させることができる。

上記基材としては、鋼、鉄、銅等の金属、インコネル、ハステロイ、インバー等のニッケル基合金、ステンレス等の他の合金等を使用することができる。これらの金属材料は熱伝導率が高いため、本発明の構造体の基材として使用した場合には基材及び基材の内側の空間への伝導伝熱速度を速くすることができ、所定温度までの昇温時間を短縮することができる。

また、これらの金属材料は耐熱性が高いため、５００〜１０００℃の温度領域で好適に使用することができる。また、これらの金属材料を基材とすることにより、本発明の構造体を耐熱衝撃性、加工性、機械的特性等に優れた比較的安価な構造体とすることができる。

なお、これらの金属基材の厚さの望ましい下限は０．２ｍｍ、より望ましい下限は０．４ｍｍであり、望ましい上限は１０ｍｍ、より望ましい上限は４ｍｍである。
厚みが０．２ｍｍ未満であると強度が不足することから加熱炉の構造体として使用することができず、また、厚みが１０ｍｍを超えると基材の昇温に要する時間が長くなるためである。

上記無機材料表面層は、結晶性及び非晶質無機材から構成されている。
結晶性無機材としては、特に限定されるものでないが、遷移金属の酸化物を用いることが望ましく、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムからなる群から選択された少なくとも１種が望ましい。
このような遷移金属の酸化物はその熱伝導率が金属基材に比べて低いため、無機材料表面層を経て構造体の外部に熱が伝導伝熱される速度を遅くすることができ、本発明の構造体を断熱性の高い構造体とすることができる。

また、このような遷移金属の酸化物は赤外線領域における放射率が高いため、放射率の高い無機材料表面層被膜を形成することができる。そのため、本発明の構造体を放熱性の高い構造体とすることができる。

無機材料表面層は、図２（ａ）及び（ｃ）に示すように環状体の外面に設けてもよいし、図２（ｂ）及び（ｄ）に示すように環状体の内面に設けてもよい。
また、環状体の内面、外面の両方に無機材料表面層を設けてもよい。この場合断熱性能及び放熱性能をさらに向上させることができる。

非晶質無機材としては、特に限定されるものでないが、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、アルミナ珪酸ガラス、ソーダ亜鉛ガラス及びソーダバリウムガラスからなる群から選択された少なくとも１種が望ましい。

このような非晶質無機材は低融点ガラスであり、軟化温度が４００〜１０００℃の範囲にあるため、融解させて金属基材の表面に塗布して加熱焼成処理することにより、金属基材の表面に無機材料被膜を容易にしかも強固に形成することができる。
また、このような非晶質無機材はその熱伝導率が金属基材に比べて低いため、無機材料表面層を経て外部に熱が伝導伝熱される速度を遅くすることができ、本発明の構造体を断熱性の高い構造体とすることができる。

ここで、無機材料表面層を構成する材料のうち、遷移金属の酸化物からなる結晶性無機材の熱膨張係数は８〜９×１０^−６／℃と低く、低融点ガラスからなる非晶質無機材の熱膨張係数は８〜２５×１０^−６／℃と高いため、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比を調整することにより無機材料表面層の熱膨張係数を制御することができる。金属基材、例えばステンレスの熱膨張率は１０〜１８×１０^−６／℃であるため、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比を調整することにより、無機材料表面層と金属基材との熱膨張係数を近づけることができ、無機材料表面層と金属基材との密着力を向上させることができる。
無機材料表面層の望ましい熱膨張率は基材の金属材料との組み合わせによって異なるが、金属基材との熱膨張率の差が１０×１０^−６／℃以下であることが望ましい。

無機材料表面層中の結晶性無機材の配合比率は、上述のとおり熱膨張係数の制御との関係で決定することができるが、その望ましい下限は１０重量％、より望ましい下限は３０重量％であり、望ましい上限は９０重量％、より望ましい上限は７０重量％である。結晶性無機材の配合比率が１０重量％未満であると放射率を充分に高めることができず、高温での放熱性が低下してしまい、また、配合比率が９０重量％を超えると金属基材との密着性が低下するためである。
また、無機材料表面層の厚さの望ましい下限は２μｍ、望ましい上限は５０μｍである。厚みが２μｍ未満であると低温時の断熱性能が低下してしまい、また、厚みが５０μｍを超えると基材への膜形成が難しくなるためである。

また、本発明の構造体は環状体であればその形状は特に限定されるものでないが、図２に示した円筒形状又は楕円筒形状であることが望ましい。
図２（ａ）に示した円筒形状の場合、その直径（外径）の望ましい下限は５ｍｍ、望ましい上限は２００ｍｍである。上記範囲とすることにより、放熱性能や断熱性能を有効に発揮させることができる。

無機材料表面層の室温での熱伝導率は、細線加熱法、熱線法、レーザーフラッシュ法等の既知の測定方法によって測定することができる。
しかし、本発明の構造体の形状のままで測定すると、金属基材を含んだ構造体全体の熱伝導率を測定することとなり、無機材料表面層の熱伝導率を測定することができないので、その測定試料は別途調製する必要がある。

具体的には、結晶性無機材と非晶質無機材を所定の割合で粉砕混合し、次に、非晶質無機材の融点以上の温度に加熱して非晶質無機材を融解させた状態で混錬し、冷却固化して固形物を作製する。
この固形物を、各測定方法に適した形状に加工することにより、既知の測定方法によって熱伝導率を測定することができる。

結晶性無機材として用いることができる遷移金属の酸化物の室温での熱伝導率は、０．５〜２Ｗ／ｍＫであり、非晶質無機材として用いることができる低融点ガラスの室温での熱伝導率は、０．１〜１．２Ｗ／ｍＫであるため、これらの結晶性無機材及び非晶質無機材によって無機材料表面層を調製した場合には、その室温での熱伝導率を０．１〜２Ｗ／ｍＫとすることができる。

本発明の構造体において、無機材料表面層の室温での熱伝導率が０．１〜２Ｗ／ｍＫであると、無機材料表面層を経て外部に熱が伝導伝熱される速度をかなり遅くすることができる。そのため、低温領域での断熱性がきわめて高い構造体とすることができる。
熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ未満の無機材料表面層とすることは本発明の無機材料表面層の組成では困難であり、また、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫを超えると低温での断熱性が不充分となる。

無機材料表面層の放射率は、本発明の構造体について無機材料表面層を形成した面について測定しても良く、また、熱伝導率の測定と同様に測定試料を別途調製して測定しても良い。測定方法としては、既知の分光光度法による測定を用いることができる。

結晶性無機材として用いることができる遷移金属の酸化物の室温での波長１〜１５μｍにおける放射率は、０．７５〜０．９８であり、非晶質無機材として用いることができる低融点ガラスの室温での波長１〜１５μｍにおける放射率は、０．６５〜０．９６であるため、これらの結晶性無機材及び非晶質無機材によって無機材料表面層を調製した場合には、その放射率を０．７〜０．９８の範囲内とすることができる。

波長１〜１５μｍの領域は、いわゆる近赤外線、遠赤外線領域であり、熱的作用の大きい領域である。この領域の放射率が０．７〜０．９８であると、特に高温領域において無機材料表面層から外部への放射伝熱速度をかなり大きくすることができる。従って、高温領域において放熱性がきわめて高い構造体とすることができる。
放射率が０．７未満であると、無機材料表面層からの放熱性が不充分となり、また、放射率が０．９８を超える無機材料表面層とするのは本発明の無機材料表面層の組成では困難である。

また、本発明の構造体において、上記基材表面の凹凸量（Ｒｚ_ＪＩＳ）は、上記無機材料表面層の厚みの１／６０以上であることが望ましい。なお、Ｒｚ_ＪＩＳはＪＩＳＢ０６０１：２００１で定義される十点平均粗さである。

基材表面に凹凸が形成されていると、基材表面が平滑である場合に比べて無機材料表面層を基材に強固に密着させることができ、繰り返しの昇温、降温を経ても剥がれることのない無機材料被膜を形成することができる。

また、基材表面の凹凸量が無機材料表面層の厚みの１／６０以上であると、基材表面の凹凸に沿って無機材料表面層被膜が形成されるため、基材表面が平滑な場合に比べて無機材料表面層被膜の表面積が大きくなり、放射伝熱に寄与する面積が増大するために、本発明の構造体の放熱性をさらに高くすることができる。

続いて、本発明の構造体の製造方法について説明する。
本発明の構造体の製造方法は、金属基材の表面処理工程と、結晶性無機材及び非晶質無機材を湿式混合してスラリーを調製する混合工程と、金属基材にスラリーを塗布する塗布工程と、スラリーを塗布した金属基材を焼成して無機材料被膜を金属基材上に定着させる焼成工程とからなる。

最初に、金属基材を表面処理する表面処理工程を行う。
金属基材の表面処理は、金属基材上の不純物を除去するとともに、必要に応じて金属基材表面に凹凸を形成するために行う工程である。
金属基材上の不純物処理方法は、特に限定されるものでなく、一般的な洗浄方法を使用することができる。例えば、アルコール溶媒中で超音波洗浄を行う等の処理方法を挙げることができる。
金属基材表面に凹凸を形成するための方法も、特に限定されるものでなく、例えば、サンドブラスト処理、エッチング処理、高温酸化処理等の方法を挙げることができる。これらの方法は単独で用いても良いし、複数の方法を併用しても良い。上記方法としては、従来から用いられている方法を採用することができる。
なお、金属基材表面に凹凸を形成する工程は、必須の工程ではなく、場合によっては省略しても良い。

続いて、結晶性無機材及び非晶質無機材を湿式混合する。
この工程では、結晶性無機材の粉末と、非晶質無機材の粉末をそれぞれ所定の粒度、形状等になるように調製し、各粉末を所定の配合比率で乾式混合して混合粉末を調製し、さらに水を加えて、ボールミルで湿式混合することによりスラリーを調製する。
混合粉末と水との配合比は、特に限定されるものでないが、混合粉末１００重量部に対して、水１００重量部程度が望ましい。金属基材への塗布を行うために適度な粘度とする必要があるためである。また、必要によっては、有機溶剤を使用してもよい。

続いて、金属基材にスラリーを塗布する。
この工程では表面処理工程で表面処理を行った金属基材上に湿式混合工程で調製したスラリーを塗布する。塗布方法はスラリーを金属基材上に均一に塗布することができる方法であれば特に限定されるものでないが、例えば、スプレーコート、転写、ハケ塗り等の方法を挙げることができる。

続いて、スラリーを塗布した金属基材を焼成する。
この工程では、塗布工程でスラリーを塗布した金属基材を乾燥後、加熱焼成して無機材料表面層被膜を形成する。焼成温度は、非晶質無機材の融点以上とすることが望ましく、配合した非晶質無機材の種類にもよるが７００℃〜１１００℃程度が望ましい。焼成温度を非晶質無機材の融点以上の温度とすることにより金属基材と非晶質無機材とを強固に密着させることができ、繰り返しの昇温、降温に対し剥がれの生じることのない無機材料表面層被膜を形成することができる。

以下に実施例を掲げ本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
（実施例１）
（金属基材の製造）
室温における熱伝導率（以下、λとする）が２５Ｗ／ｍＫ、室温から５００℃の範囲で測定した熱膨張係数（以下、αとする）が１０．４×１０^−６／℃であるＳＵＳ４３０材であって、厚み２ｍｍ、直径１００ｍｍの円筒を長さ１００ｍｍに切断して金属基材とした。
また、上記円筒と同材質、厚み２ｍｍ、直径１００ｍｍの蓋用円盤を２枚準備した。

続いて、円柱形状への組み立てを行った。
具体的には、２枚の蓋用円盤を底面、上面として金属基材の両開口面と合わせて溶接することによって開口面を塞ぎ、円柱形状を形成した。

次に、円柱形状とした上記金属基材をアルコール溶媒中で超音波洗浄して、その後にサンドブラスト処理することによって、その外表面を洗浄、粗化する表面処理工程を行った。
サンドブラスト処理は、♯６００のＳｉＣ砥粒を用いて１０分間行った。
ここで、表面処理工程後の基材表面のＲｚ_ＪＩＳを測定したところ、１．５μｍであった。

（無機材料表面層の形成）
次に、結晶性無機材料としてＭｎＯ_２粉末６５ｗｔ％、ＣｕＯ粉末５ｗｔ％と、非晶質無機材料としてＢａＯ−ＳｉＯ_２ガラス粉末３０ｗｔ％を乾式混合して混合粉末を調製し、混合粉末１００重量部に対して水を１００重量部加えて、ボールミルで湿式混合することによりスラリーを調製した。
なお、この組成の結晶性無機材と非晶質無機材を粉砕混合し、次に、非晶質無機材の融点以上の温度に加熱して非晶質無機材を融解させた状態で混錬し、冷却固化して固形物を作製して、λを迅速熱伝導率計（京都電子工業製：ＱＴＭ−５００）により測定した。また、αを室温から５００℃の範囲についてＴＭＡ（ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ）装置（リガク製：ＴＭＡ８３１０）により測定した。その結果を表１に示した。

このスラリーを、上記円柱形状の容器外面に向けてスプレーコートによって塗布する塗布工程を行った。
その後、スプレーコートにより塗布層が形成された上記円柱形状の容器を、１００℃で２時間乾燥した後、空気中７００℃で１時間加熱焼成する焼成工程を行って無機材料表面層１０２を形成し、これによって上記円柱形状の構造体１００を製造した。
形成した無機材料表面層１０２について、室温での波長１〜１５μｍにおける放射率を分光光度計（測定装置：ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製：ｓｙｓｔｅｍ２００型）によって測定した。また、形成した無機材料表面層１０２の厚みを測定した。これらの結果を表２に示した。

（貫通孔の形成）
上記工程により製造した円柱形状の構造体１００について、後述するセラミックヒーターを設置するために底面中央部に５２ｍｍ×５２ｍｍの貫通孔を形成した。

（評価装置の作製）
図３は、本発明の構造体の性能評価を行うための評価装置を模式的に示した一部切り欠き斜視図である。本図では、円柱形状の上面と手前側側面を省略して描いている。
この評価装置１６０には、円柱形状の構造体１００の中央部に５０ｍｍ×５０ｍｍ×２０ｍｍｔのセラミックヒーター１６１が配置されており、ヒーターの加熱により構造体内部の空間を昇温させることができる。
また、構造体１００の底面の内面から１０ｍｍ離れた位置に熱電対１６２が配置されており、構造体内部の空間の温度を測定することができる。
これらのセラミックヒーター１６１及び熱電対１６２の設置及び配線は、構造体１００の底面に設けられた貫通孔を通じて行い、また、セラミックヒーター１６１はその底部が支持用柱１６３に接合されて支持されるようにした。
また、構造体１００は金属基材１０１と同種の材質からなる載置用柱１６４に載置し、その底面の大部分が他の部分に直接接触しないようにした。

評価装置１６０を用いて、構造体の性能評価を行った。
（低温領域での断熱性能の評価）
セラミックヒーター１６１に電力を２ｋＷ投入し、設置した熱電対１６２の指示温度が５００℃に到達するまでの昇温時間を測定した。その結果を表２に示した。
（高温領域での放熱性能の評価）
セラミックヒーター１６１に電力を２ｋＷ投入した状態で、放熱量と投入電力量が平衡となって温度が一定となった時点での熱電対１６２の指示温度を最高温度として測定した。その結果を表２に示した。
（無機材料表面層の密着性の評価）
セラミックヒーター１６１に電力を投入して構造体内部の空間の温度を８００℃まで上昇させ、自然放冷により室温まで冷却する工程を１サイクルとして、１０サイクルの繰り返し試験を行い、繰り返し試験後に無機材料表面層１０２が金属基材１０１から剥がれているか否かを目視で観察した。その結果を表２に示した。

（実施例２〜４、７、参考例１、２）
非晶質無機材料の割合、結晶材料の種類、基材材質をそれぞれ表１に示す通りとし、これらを用いて実施例１と同様にして構造体の作製を行った。
ここで、結晶材料の割合は、表１に示す非晶質無機材料の割合を１００％から除いた割合とし、結晶材料が２種の材料よりなる場合、その組成はそれぞれＭｎＯ_２：ＣｕＯ＝６５ｗｔ％：５ｗｔ％、ＭｎＯ_２：Ｆｅ_３Ｏ_４＝６５ｗｔ％：５ｗｔ％とした。
各実施例等においては、実施例１と同様にして金属基材及び無機材料表面層のλ及びα並びに無機材料表面層の放射率を測定した。その結果を表１に示した。

また、各実施例等においては、金属基材に対するサンドブラスト処理の処理時間を変更して、表面処理後の基材表面のＲｚ_ＪＩＳが表２に示す値になるように、表面処理工程を行った。
また、各実施例等においては、スラリーをスプレーコートする条件を変更して、表２に示す無機材料表面層厚みを有するように、塗布工程を行った。

各実施例等においては、作製した各構造体について実施例１と同様の評価装置によって、低温領域での断熱性能、高温領域での放熱性能、及び、無機材料表面層の密着性の評価を行った。
評価結果をまとめて表２に示した。

（実施例５）
円柱形状への組み立てを行う前に、円筒形状の金属基材を実施例１と同様にアルコール溶媒中で超音波洗浄して、その後にサンドブラスト処理することによって、その内表面を洗浄、粗化する表面処理工程を行った。
また、２枚の蓋用円盤の片面についても同様に表面処理工程を行った。

実施例１と同様にしてスラリーを調製し、このスラリーを円筒形状の金属基材の内表面及び蓋用円盤の片面（サンドブラスト処理を行った面）に向けてスプレーコートによって塗布する塗布工程を行った。
その後、実施例１と同様にして焼成工程を行って無機材料表面層を形成した。

無機材料表面層を形成した面が金属基材の開口面側になるようにして、２枚の蓋用円盤を底面、上面に合わせて金属基材と溶接することにより開口面を塞ぎ、円柱形状を形成した。
その後、実施例１と同様の評価装置によって、低温領域での断熱性能、高温領域での放熱性能、及び、無機材料表面層の密着性の評価を行った。
これらの条件及び評価結果をまとめて表１及び表２に示した。

（実施例６）
はじめに、実施例５と同様にして内面に無機材料表面層が形成された円柱形状の構造体を製造した。
次に、その円柱形状の構造体に対し、実施例１と同様にして表面処理及び外面への無機材料表面層の形成を行い、外面と内面の両方に無機材料表面層を有する構造体を作製した。
その後、実施例１と同様の評価装置によって、低温領域での断熱性能、高温領域での放熱性能、及び、無機材料表面層の密着性の評価を行った。
これらの条件及び評価結果をまとめて表１及び表２に示した。

（参考例３）
結晶性無機材料として石英粉末６５ｗｔ％と、非晶質無機材料としてＢａＯ−ＳｉＯ_２ガラス粉末３０ｗｔ％及びフライアッシュ５ｗｔ％とを乾式混合して混合粉末を調製した他は実施例１と同様にして無機材料表面層を有する構造体を作製し、実施例１と同様の評価装置によって、低温領域での断熱性能、高温領域での放熱性能、及び、無機材料表面層の密着性の評価を行った。これらの条件及び評価結果をまとめて表１及び表２に示した。

（比較例１）
金属基材に無機材料表面層を形成しない他は実施例１と同様にして、円柱形状の金属基材を作製し、実施例１と同様の評価装置によって、低温領域での断熱性能、高温領域での放熱性能の評価を行った。
また、放射率の測定は金属基材表面について実施例１と同様の方法で行った。
これらの条件及び評価結果をまとめて表１及び表２に示した。

（比較例２）
実施例１において用いた円筒形状の金属基材をその長さ方向と平行に２箇所で切断し、側面の１／４が切り欠かれている円筒形状の金属基材を作製した。
その後、上記円筒形状の金属基材と蓋用円盤とを合わせて側面の一部が開口された円柱形状の金属基材を作製し、その他は実施例１と同様にしてその外面に無機材料表面層を有する構造体を作製した。
その後、実施例１と同様の評価装置によって、低温領域での断熱性能、高温領域での放熱性能、及び、無機材料表面層の密着性の評価を行った。
これらの条件及び評価結果をまとめて表１及び表２に示した。
なお、比較例２で製造した構造体はその側面が閉じていない形状であるため、その基材の形状が環状体ではない構造体である。

表１及び表２から明らかなように、実施例１〜７で作製した構造体では昇温時間が短く、最高温度も低くなっている。
比較例１で作製した構造体では、昇温時間が長く、最高温度が高くなっている。これは、無機材料表面層が存在しないために、熱伝導率が高く低温での断熱性能に劣り、また、放射率が低く高温での放熱性能が劣ることによるものと考えられる。
比較例２で作製した構造体では昇温時間が長く、最高温度が低くなっている。これは、基材の形状が環状体でないため、開口部から高温の気体が外部空間へ漏出してしまい、断熱性能が劣ることによるものと考えられる。

また、実施例１〜６で作製した構造体においてはいずれも昇温時間がきわめて短く、最高温度もきわめて低く、また、無機材料表面層の剥がれも無かった。

以上の結果より、金属からなる基材と、結晶性及び非晶質無機材からなる無機材料表面層とから構成される構造体であって、上記無機材料表面層の低温での熱伝導率が上記基材の熱伝導率より低く、上記無機材料表面層の赤外線放射率が上記基材の赤外線放射率より高く、かつ、上記基材が環状体であることを特徴とする構造体は、低温領域において断熱性が高く、高温領域で放熱性が高いことがわかる。
特に、上記無機材料表面層の室温での熱伝導率を０．１〜２Ｗ／ｍＫとすると、断熱性を極めて高くすることができ、上記無機材料表面層の室温での波長１〜１５μｍにおける放射率を０．７〜０．９８とすると、放熱性を極めて高くすることができ、また、基材表面の凹凸量（Ｒｚ_ＪＩＳ）を上記無機材料表面層の厚みの１／６０以上とすると、上記無機材料表面層を基材に強固に密着させることができることがわかる。

本発明の構造体は、金属材料からなる基材が熱源（ヒータ、炉体あるいは流体など）を囲むような環状体であり、環状体の表面（内面もしくは外面）に熱伝導率が基材の熱伝導率よりも低く、赤外線放射率が基材よりも高い無機材料表面層が形成されているため、放熱性か熱伝導に依存する低温領域においては、構造体内部からの放熱を阻害して断熱性を確保でき、放熱性が輻射に依存する高温領域においては、放熱を促進して構造体内部の温度を低下せしめることができる。

図１は、本発明の構造体の内部で輻射及び反射が生じる様子を模式的に示した上面図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ本発明の構造体の一例を模式的に示した斜視図である。図３は、本発明の構造体の性能評価を行うための評価装置を模式的に示した一部切り欠き斜視図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、１００構造体
１１、２１、３１、４１、１０１金属基材
１２、２２、３２、４２、１０２無機材料表面層

Claims

金属からなる基材と、結晶性及び非晶質無機材からなる無機材料表面層とから構成される構造体であって、
前記無機材料表面層の熱伝導率が前記基材の熱伝導率より低く、前記無機材料表面層の赤外線放射率が前記基材の赤外線放射率より高く、かつ、前記基材は環状体であることを特徴とする構造体。
前記無機材料表面層の室温での熱伝導率は、０．１〜２Ｗ／ｍＫである請求項１に記載の構造体。
前記無機材料表面層の室温での波長１〜１５μｍにおける放射率は、０．７〜０．９８である請求項１又は２に記載の構造体。
前記基材表面の凹凸量（Ｒｚ_ＪＩＳ）は、前記無機材料表面層の厚みの１／６０以上である請求項１〜３のいずれかに記載の構造体。