JP2016037553A - 蓄熱体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】多孔体の内部へと蓄熱材が十分に充填された蓄熱体の提供。
【解決手段】セラミック材料から成る多孔体を作製する第１工程と；セラミック材料より高い比熱容量を有する蓄熱材を多孔体の細孔に充填することによって、多孔体に蓄熱材を充填した蓄熱体を作製する第２工程とを備え、第１工程は、多孔体に形成される細孔の直径ごとの合計容積の分布が、最も大きいピーク及び二番目に大きいピークとして、細孔の直径がより大きい第１のピークと、細孔の直径がより小さい第２のピークとを有するように、多孔体を作製する工程であり、第２工程は、第１のピークを示す直径より小さく、かつ、第２のピークを示す直径より大きい平均粒径を有する粉粒体を、蓄熱材の原料として用意する工程と；粉粒体を分散させたスラリを作製する工程と；スラリを多孔体に浸透させる工程とを含む蓄熱体の製造方法。
【選択図】図２
【解決手段】セラミック材料から成る多孔体を作製する第１工程と；セラミック材料より高い比熱容量を有する蓄熱材を多孔体の細孔に充填することによって、多孔体に蓄熱材を充填した蓄熱体を作製する第２工程とを備え、第１工程は、多孔体に形成される細孔の直径ごとの合計容積の分布が、最も大きいピーク及び二番目に大きいピークとして、細孔の直径がより大きい第１のピークと、細孔の直径がより小さい第２のピークとを有するように、多孔体を作製する工程であり、第２工程は、第１のピークを示す直径より小さく、かつ、第２のピークを示す直径より大きい平均粒径を有する粉粒体を、蓄熱材の原料として用意する工程と；粉粒体を分散させたスラリを作製する工程と；スラリを多孔体に浸透させる工程とを含む蓄熱体の製造方法。
【選択図】図２
Description
本発明は、蓄熱体およびその製造方法に関する。
蓄熱体としては、セラミック材料から成る多孔体に蓄熱材を付着させたものが知られている。特許文献１には、加熱により液体にした蓄熱材を多孔体の内部に充填することによって、蓄熱体を作製することが記載されている。特許文献２には、蓄熱材を含有するスラリ（泥漿）を多孔体の内部に浸透させることによって、蓄熱体を作製することが記載されている。
特許文献１では、加熱により液体にした蓄熱材の温度によっては、多孔体のセラミック材料が蓄熱材と反応する場合や、多孔体のセラミック材料が溶融する場合があるという課題があった。また、特許文献２では、スラリに含まれる蓄熱材が多孔体の細孔に目詰まりすることによって、蓄熱材を含有するスラリを多孔体の内部へと十分に浸透させることが困難であるという課題があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、セラミック材料から成る多孔体を作製する第１工程と；前記セラミック材料より高い比熱容量を有する蓄熱材を前記多孔体の細孔に充填することによって、前記多孔体に前記蓄熱材を充填した蓄熱体を作製する第２工程とを備える、蓄熱体の製造方法が提供される。この製造方法において、前記第１工程は、前記多孔体に形成される細孔の直径ごとの合計容積の分布が、最も大きいピークおよび二番目に大きいピークとして、細孔の直径がより大きい第１のピークと、細孔の直径がより小さい第２のピークとを有するように、前記多孔体を作製する工程であり、前記第２工程は、前記第１のピークを示す直径より小さく、かつ、前記第２のピークを示す直径より大きい平均粒径を有する粉粒体を、前記蓄熱材の原料として用意する工程と；前記粉粒体を分散させたスラリを作製する工程と；前記スラリを前記多孔体に浸透させる工程とを含む。この形態によれば、スラリに含まれる蓄熱材の原料である粉粒体を、第１のピークを示す細孔へと充填しながら、スラリに含まれる液体成分を、第２のピークを示す細孔を介して多孔体の内部へと流通させることができる。そのため、多孔体の内部へのスラリの浸透を促進させることができる。その結果、多孔体の内部へと蓄熱材が十分に充填された蓄熱体を作製できる。
（２）上記形態における蓄熱体の製造方法において、前記第２のピークを示す直径を有する細孔の数は、前記第１のピークを示す直径を有する細孔の数より多くてもよい。この形態によれば、多孔体の内部へのスラリの浸透を更に促進させることができる。
（３）上記形態における蓄熱体の製造方法において、前記第１工程は、前記第１のピークを示す細孔の直径に相当する平均粒径を有し、かつ、前記多孔体の作製途中に焼失する化合物を、前記セラミック材料に混合する工程を含んでもよい。この形態によれば、第１のピークを示す細孔を容易に形成できる。
（４）上記形態における蓄熱体の製造方法において、前記第１工程は、前記第２のピークを示す細孔の直径に相当する平均粒径を有し、かつ、前記多孔体の作製途中に焼失する化合物を、前記セラミック材料に混合する工程を含んでもよい。この形態によれば、第２のピークを示す細孔を容易に形成できる。
（５）上記形態における蓄熱体の製造方法において、前記セラミック材料は、アルミナ、コージェライト、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ素、チタン酸アルミネートのいずれかを主成分としてもよい。この形態によれば、上記のセラミック材料を用いた多孔体の内部へと蓄熱材を十分に充填できる。
（６）上記形態における蓄熱体の製造方法において、前記セラミック材料は、セラミック粉粒体とセラミック繊維との混合物であってもよい。この形態によれば、セラミック粉粒体のみから成る多孔体と比較して、セラミック繊維によって多孔体の強度を向上させることができる。
本発明は、蓄熱体の製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記の製造方法によって製造された蓄熱体、蓄熱体の製造装置、蓄熱体を備える装置（例えば、排気ガス浄化装置、ガスセンサ、触媒、セラミックフィルタ）などの形態で実現することができる。
Ａ．実施形態
Ａ１．蓄熱体の構成
図１は、蓄熱体１００の部分断面を模式的に示す説明図である。蓄熱体１００は、排気ガス浄化装置、ガスセンサ、触媒、セラミックフィルタなどに用いられる。蓄熱体１００は、多孔体１２０と、蓄熱材１４０とを備える。
Ａ１．蓄熱体の構成
図１は、蓄熱体１００の部分断面を模式的に示す説明図である。蓄熱体１００は、排気ガス浄化装置、ガスセンサ、触媒、セラミックフィルタなどに用いられる。蓄熱体１００は、多孔体１２０と、蓄熱材１４０とを備える。
蓄熱体１００の多孔体１２０は、セラミック材料から成る。本実施形態では、多孔体１２０のセラミック材料は、アルミナである。他の実施形態では、多孔体１２０のセラミック材料は、アルミナ、コージェライト、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ素、チタン酸アルミネートのいずれかを主成分としてもよい。本実施形態では、多孔体１２０のセラミック材料は、セラミック粉粒体とセラミック繊維との混合物である。
多孔体１２０は、複数の細孔１３０を有する。細孔１３０は、複数の細孔１３１，１３２が連なった連続細孔である。細孔１３１の平均直径は、蓄熱材１４０の平均粒径より大きい。細孔１３２の平均直径は、蓄熱材１４０の平均粒径より小さい。多孔体１２０に形成された細孔の直径ごとの合計容積の分布は、最も大きいピークおよび二番目に大きいピークとして、細孔１３０の直径がより大きい第１のピークと、細孔１３０の直径がより小さい第２のピークとを有する。第１のピークを示す細孔の直径は、細孔１３１の平均直径に相当し、第２のピークを示す細孔の直径は、細孔１３２の平均直径に相当する。本実施形態では、第１のピークを示す細孔の直径は、約５０μｍ（マイクロメートル）であり、第２のピークを示す細孔の直径は、約３μｍである。
蓄熱体１００の蓄熱材１４０は、多孔体１２０のセラミック材料より高い比熱容量を有する。本実施形態では、蓄熱材１４０は、アルミナ被覆アルミ合金から主に成る。蓄熱材１４０は、多孔体１２０の細孔１３０に充填されている。蓄熱材１４０の平均粒径は、細孔１３１の平均直径より小さく、かつ、細孔１３２の平均直径より大きい。本実施形態では、蓄熱材１４０の平均粒径は、約４０μｍである。
Ａ２．蓄熱体の製造方法
図２は、蓄熱体１００の製造方法を示す工程図である。まず、製造者は、多孔体１２０を作製する（第１工程Ｐ１１０）。第１工程Ｐ１１０では、製造者は、多孔体１２０に形成される細孔の直径ごとの合計容積の分布が、最も大きいピークおよび二番目に大きいピークとして、細孔の直径がより大きい第１のピークと、細孔の直径がより小さい第２のピークとを有するように、多孔体１２０を作製する。
図２は、蓄熱体１００の製造方法を示す工程図である。まず、製造者は、多孔体１２０を作製する（第１工程Ｐ１１０）。第１工程Ｐ１１０では、製造者は、多孔体１２０に形成される細孔の直径ごとの合計容積の分布が、最も大きいピークおよび二番目に大きいピークとして、細孔の直径がより大きい第１のピークと、細孔の直径がより小さい第２のピークとを有するように、多孔体１２０を作製する。
本実施形態では、製造者は、次の材料を秤量した後、これらの材料にエタノールを添加して攪拌することによって、多孔体１２０用のスラリを作製する。
・アルミナ粉粒体（平均粒径０．１μｍ）・・・２０体積％
・アルミナ繊維（平均繊維長１００μｍ）・・・２０体積％
・樹脂ビーズ（平均粒径１３０μｍ）・・・５０体積％
・樹脂ビーズ（平均粒径５μｍ）・・・１０体積％
・アルミナゾル・・・１０質量％（外配合）
・アルミナ粉粒体（平均粒径０．１μｍ）・・・２０体積％
・アルミナ繊維（平均繊維長１００μｍ）・・・２０体積％
・樹脂ビーズ（平均粒径１３０μｍ）・・・５０体積％
・樹脂ビーズ（平均粒径５μｍ）・・・１０体積％
・アルミナゾル・・・１０質量％（外配合）
アルミナ粉粒体およびアルミナ繊維は、多孔体１２０を構成するためのセラミック材料である。樹脂ビーズ（平均粒径１３０μｍ）は、多孔体１２０に細孔１３１を形成するために多孔体１２０の作製途中に焼失する化合物である。樹脂ビーズ（平均粒径５μｍ）は、多孔体１２０に細孔１３２を形成するために多孔体１２０の作製途中に焼失する化合物である。アルミナ粉粒体および樹脂ビーズの平均粒径は、レーザ回折・散乱法（日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−８８２５：２０１３）に基づく測定値である。
製造者は、多孔体１２０用のスラリを作製した後、スラリの粘度を調整した上で、浸漬法（ディップ法）によってアルミナ基板にスラリを塗布する。その後、製造者は、２００℃の処理温度および数時間の処理時間で、アルミナ基板に塗布されたスラリを乾燥させる。その後、製造者は、大気中、１４００℃の処理温度および３時間の処理時間で、乾燥させたスラリを焼成する。その際に、スラリに混合された樹脂ビーズが焼失し、細孔１３０が形成される。これらの工程を経て、多孔体１２０が完成する。
図３は、多孔体１２０に形成された細孔の直径ごとの合計容積の分布ＬＤの一例を示すグラフである。図３の横軸は、多孔体１２０に形成された細孔の直径である細孔直径Ｄｐを示す。図３の縦軸は、細孔直径Ｄｐごとの合計容積である細孔容積Ｖｐを示す。図３の分布ＬＤは、水銀圧入法（日本工業規格ＪＩＳ−Ｒ−１６５５：２００３）によって得られた測定結果である。
分布ＬＤは、最も大きいピークおよび二番目に大きいピークとして、細孔の直径がより大きい第１のピークＰｋ１と、細孔の直径がより小さい第２のピークＰｋ２とを有する。本実施形態では、第１のピークＰｋ１を示す細孔直径Ｄｐ１は、５０μｍであり、第２のピークＰｋ２を示す細孔直径Ｄｐ２は、３μｍである。本実施形態では、第１のピークＰｋ１を示す細孔容積Ｖｐ１は、第２のピークＰｋ２を示す細孔容積Ｖｐ２とほぼ同じである。本実施形態では、第２のピークＰｋ２を示す細孔直径Ｄｐ２を有する細孔１３２の数は、第１のピークＰｋ１を示す細孔直径Ｄｐ１を有する細孔１３１の数より多い。
図２の説明に戻り、第１工程Ｐ１１０を終えた後、製造者は、蓄熱材１４０を多孔体１２０の細孔１３０に充填する（第２工程Ｐ１２０）。
第２工程Ｐ１２０において、製造者は、第１のピークＰｋ１を示す細孔直径Ｄｐ１より小さく、かつ、第２のピークＰｋ２を示す細孔直径Ｄｐ２より大きい平均粒径を有する粉粒体を、蓄熱材１４０の原料として用意する（工程Ｐ１２２）。本実施形態では、蓄熱材１４０の原料はアルミナ被覆アルミ合金であり、その平均粒径は約４０μｍである。蓄熱材１４０の原料の平均粒径は、レーザ回折・散乱法（日本工業規格ＪＩＳ−Ｚ−８８２５：２０１３）に基づく測定値である。
蓄熱材１４０の原料を用意した後（工程Ｐ１２２）、第２工程Ｐ１２０において、製造者は、蓄熱材１４０の原料を分散させたスラリを作製する（工程Ｐ１２４）。本実施形態では、製造者は、蓄熱材１４０の原料である粉粒体に、アルミナゾルおよびエタノールを添加して攪拌することによって、蓄熱材１４０用のスラリを作製する。
蓄熱材１４０用のスラリを作製した後（工程Ｐ１２４）、第２工程Ｐ１２０において、製造者は、蓄熱材１４０用のスラリを、第１工程Ｐ１１０で作製した多孔体１２０に浸透させる（工程Ｐ１２６）。本実施形態では、製造者は、浸漬法（ディップ法）によって蓄熱材１４０用のスラリを多孔体１２０に浸透させる。これによって、蓄熱材１４０の原料である粉粒体が、多孔体１２０の細孔１３１に充填される。
蓄熱材１４０用のスラリを多孔体１２０に浸透させた後（工程Ｐ１２６）、第２工程Ｐ１２０において、製造者は、蓄熱材１４０用のスラリを浸透させた多孔体１２０を乾燥させる（工程Ｐ１２８）。その後、製造者は、乾燥させた多孔体１２０を焼成する（工程Ｐ１２９）。本実施形態では、製造者は、大気中、９００℃の処理温度および１時間の処理時間で、乾燥させた多孔体１２０を焼成する。これによって、多孔体１２０の細孔１３１に蓄熱材１４０が保持される。これらの工程を経て、蓄熱体１００が完成する。
Ａ３．評価試験
試験者は、図２の製造方法における第１工程Ｐ１１０によって２０個の多孔体１２０を作製し、そのうち１０個の多孔体１２０から第２工程Ｐ１１０によって１０個の蓄熱体１００を作製した。その後、試験者は、１０個の多孔体１２０および１０個の蓄熱体１００の各々について、水銀圧入法（日本工業規格ＪＩＳ−Ｒ−１６５５：２００３）によって細孔の分布ＬＤを測定した。その後、試験者は、測定結果に基づいて、多孔体１２０から蓄熱体１００になるに伴って細孔容積Ｖｐ１が減少する割合である細孔減少割合Ｒａを算出した。
試験者は、図２の製造方法における第１工程Ｐ１１０によって２０個の多孔体１２０を作製し、そのうち１０個の多孔体１２０から第２工程Ｐ１１０によって１０個の蓄熱体１００を作製した。その後、試験者は、１０個の多孔体１２０および１０個の蓄熱体１００の各々について、水銀圧入法（日本工業規格ＪＩＳ−Ｒ−１６５５：２００３）によって細孔の分布ＬＤを測定した。その後、試験者は、測定結果に基づいて、多孔体１２０から蓄熱体１００になるに伴って細孔容積Ｖｐ１が減少する割合である細孔減少割合Ｒａを算出した。
試験者は、多孔体１２０および蓄熱体１００と同様に、次の異なる配合による多孔体用のスラリを用いて１０個の多孔体および１０個の蓄熱体を作製した。
・アルミナ粉粒体（平均粒径０．１μｍ）・・・２０体積％
・アルミナ繊維（平均繊維長１００μｍ）・・・２０体積％
・樹脂ビーズ（平均粒径１３０μｍ）・・・６０体積％
・アルミナゾル・・・１０質量％（外配合）
その後、試験者は、多孔体１２０および蓄熱体１００と同様に、異なる配合によるスラリから作製した多孔体および蓄熱体について、細孔容積Ｖｐ１が減少する割合である細孔減少割合Ｒｂを算出した。
・アルミナ粉粒体（平均粒径０．１μｍ）・・・２０体積％
・アルミナ繊維（平均繊維長１００μｍ）・・・２０体積％
・樹脂ビーズ（平均粒径１３０μｍ）・・・６０体積％
・アルミナゾル・・・１０質量％（外配合）
その後、試験者は、多孔体１２０および蓄熱体１００と同様に、異なる配合によるスラリから作製した多孔体および蓄熱体について、細孔容積Ｖｐ１が減少する割合である細孔減少割合Ｒｂを算出した。
評価試験の結果、細孔減少割合Ｒａは細孔減少割合Ｒｂより大きいことが分かった。このことは、細孔１３２が形成されている多孔体１２０の方が、細孔１３２が形成されていない多孔体よりも、多孔体１２０の内部へと蓄熱材１４０が十分に充填されていることを示す。
Ａ４．効果
以上説明した実施形態によれば、蓄熱材１４０用のスラリを多孔体１２０に浸透させる際（工程Ｐ１２６）、スラリに含まれる蓄熱材１４０の原料である粉粒体を、第１のピークＰｋ１を示す細孔１３１へと充填しながら、スラリに含まれる液体成分を、第２のピークＰｋ２を示す細孔１３２を介して多孔体１２０の内部へと流通させることができる。そのため、多孔体１２０の内部へのスラリの浸透を促進させることができる。その結果、多孔体１２０の内部へと蓄熱材１４０が十分に充填された蓄熱体１００を作製できる。
以上説明した実施形態によれば、蓄熱材１４０用のスラリを多孔体１２０に浸透させる際（工程Ｐ１２６）、スラリに含まれる蓄熱材１４０の原料である粉粒体を、第１のピークＰｋ１を示す細孔１３１へと充填しながら、スラリに含まれる液体成分を、第２のピークＰｋ２を示す細孔１３２を介して多孔体１２０の内部へと流通させることができる。そのため、多孔体１２０の内部へのスラリの浸透を促進させることができる。その結果、多孔体１２０の内部へと蓄熱材１４０が十分に充填された蓄熱体１００を作製できる。
また、第２のピークＰｋ２を示す細孔直径Ｄｐ２を有する細孔１３２の数は、第１のピークＰｋ１を示す細孔直径Ｄｐ１を有する細孔１３１の数より多いため、多孔体１２０の内部へのスラリの浸透を更に促進させることができる。
また、第１のピークＰｋ１を示す細孔直径Ｄｐ１に相当する樹脂ビーズを、多孔体１２０のセラミック材料に混合するため（第１工程Ｐ１１０）、第１のピークＰｋ１を示す細孔１３１を容易に形成できる。また、第２のピークＰｋ２を示す細孔直径Ｄｐ２に相当する樹脂ビーズを、多孔体１２０のセラミック材料に混合するため（第１工程Ｐ１１０）、第２のピークＰｋ２を示す細孔１３２を容易に形成できる。
また、多孔体１２０のセラミック材料は、セラミック粉粒体とセラミック繊維との混合物であるため、セラミック粉粒体のみから成る多孔体と比較して、セラミック繊維によって多孔体１２０の強度を向上させることができる。
Ｂ．他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
多孔体１２０のセラミック材料は、セラミック繊維を含まなくてもよい。多孔体１２０における細孔１３１の細孔直径Ｄｐ１は、上述の値に限られず、他の値であってもよい。多孔体１２０における細孔１３２の細孔直径Ｄｐ２は、上述の値に限られず、他の値であってもよい。多孔体１２０における細孔１３１の細孔容積Ｖｐ１は、多孔体１２０における細孔１３２の細孔容積Ｖｐ２より大きくてもよいし、小さくてもよい。
蓄熱材１４０の材質は、多孔体１２０のセラミック材料より高い比熱容量を有する材質であればよい。蓄熱材１４０の原料としての粉流体の平均粒径は、上述の値に限られず、他の値であってもよい。
１００…蓄熱体
１２０…多孔体
１３０…細孔
１３１…細孔
１３２…細孔
１４０…蓄熱材
１２０…多孔体
１３０…細孔
１３１…細孔
１３２…細孔
１４０…蓄熱材
Claims (7)
- セラミック材料から成る多孔体を作製する第１工程と、
前記セラミック材料より高い比熱容量を有する蓄熱材を前記多孔体の細孔に充填することによって、前記多孔体に前記蓄熱材を充填した蓄熱体を作製する第２工程とを備える、蓄熱体の製造方法であって、
前記第１工程は、前記多孔体に形成される細孔の直径ごとの合計容積の分布が、最も大きいピークおよび二番目に大きいピークとして、細孔の直径がより大きい第１のピークと、細孔の直径がより小さい第２のピークとを有するように、前記多孔体を作製する工程であり、
前記第２工程は、
前記第１のピークを示す直径より小さく、かつ、前記第２のピークを示す直径より大きい平均粒径を有する粉粒体を、前記蓄熱材の原料として用意する工程と、
前記粉粒体を分散させたスラリを作製する工程と、
前記スラリを前記多孔体に浸透させる工程と
を含む、ことを特徴とする蓄熱体の製造方法。 - 前記第２のピークを示す直径を有する細孔の数は、前記第１のピークを示す直径を有する細孔の数より多い、請求項１に記載の蓄熱体の製造方法。
- 前記第１工程は、前記第１のピークを示す細孔の直径に相当する平均粒径を有し、かつ、前記多孔体の作製途中に焼失する化合物を、前記セラミック材料に混合する工程を含む、請求項１または請求項２に記載の蓄熱体の製造方法。
- 前記第１工程は、前記第２のピークを示す細孔の直径に相当する平均粒径を有し、かつ、前記多孔体の作製途中に焼失する化合物を、前記セラミック材料に混合する工程を含む、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の蓄熱体の製造方法。
- 前記セラミック材料は、アルミナ、コージェライト、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ素、チタン酸アルミネートのいずれかを主成分とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の蓄熱体の製造方法。
- 前記セラミック材料は、セラミック粉粒体とセラミック繊維との混合物である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の蓄熱体の製造方法。
- 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の蓄熱体の製造方法によって製造された蓄熱体。
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| JP2012255105A (ja) * | 2011-06-09 | 2012-12-27 | Ngk Insulators Ltd | 蓄熱体 |
-
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