JP5327752B2 - 筒状構造体、成形型、および筒状構造体を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造体および構造体を成形する成形型に関する。

一般に用いられる筒状セラミック製品の製造方法の１つとして、以下の工程を経てセラミック製品を製造する方法がある。
（Ａ）石膏型のような成形型に、セラミック製品の原料となる粉末を含むスラリー（「泥しょう」とも言う）が注入される。通常の場合、成形型は、多数のポアを有する多孔質体で構成されており、いわゆる「吸水性」を有する。従って、スラリー中の液体成分は、成形型に吸い込まれ、スラリーは、成形型の壁面で固着するようになる。これにより、成形型内で筒状の成形体を成形することができる（例えば、特許文献１）。
（Ｂ）次に、得られた成形体が成形型から脱型される。さらにこの成形体は、次工程のため、セッターと呼ばれる耐熱部材の上に置載され、または収容される。
（Ｃ）次に、成形体は、セッターとともに加熱装置内に配置され、所定の温度で焼成される。これにより、所望の形状のセラミック製品が製造される。

あるいは、（Ｂ）の工程、すなわち成形型から成形体を取り出すという脱型工程を排除することも提案されている（特許文献２）。この場合、耐熱性を有する成形型を使用し、この成形型に成形体を収容した状態のまま、両者が一体焼成される。

特開平６−１７０８２１号公報 特開２００４−２６９３３６号公報

一般に、前述のようないわゆる「成形＋焼成法」で得られる筒状構造体は、円筒管、四角形管など、単純な形状のものに限られ、従来の「成形＋焼成法」では、複雑形状の筒状構造体を製造することは難しい。

一方、例えば、高温プラントのようなプロセス設備には、廃熱を利用する際などに、熱交換部材等が使用される。また、プロセスの高効率化のため、このような熱交換部材の熱交換性能をより一層高めることが望まれている。このため、近年は、特に、外表面に大きな表面積を有する熱交換部材用の構造体が必要となってきている。

しかしながら、従来の「成形＋焼成法」では、このような筒状構造体の表面積向上に対するニーズを満たすことは難しいという問題がある。

本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、外表面に、通常の「成形＋焼成法」では得られないような、大きな表面積を有する筒状構造体を提供することを目的とする。また、本発明では、そのような筒状構造体の製造に使用される成形型、およびそのような筒状構造体を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明では、延伸軸を有する筒状構造体を成形するための成形型であって、
当該成形型は、少なくとも３つ以上のセグメント板を前記延伸軸の方向に積層した第１の部分を有し、
各セグメント板は、貫通孔を有し、該貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、少なくとも３つの角部を有する多角形状を有し、
各セグメント板を前記延伸軸の方向に積層することにより、前記貫通孔が連通され、前記第１の部分に第１の収容部が形成され、
各セグメント板は、該セグメント板の貫通孔の少なくとも一つの角部が、前記延伸軸の方向において、隣接するセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置されることを特徴とする成形型が提供される。

ここで、本発明による成形型において、各セグメント板は、該セグメント板の貫通孔の全ての角部が、前記延伸軸の方向において、隣接するセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置されても良い。

また、本発明による成形型において、各セグメント板の貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状を有しても良い。

また、本発明による成形型では、前記第１の部分において、各セグメント板の貫通孔は、隣接するセグメント板の貫通孔に対して、前記延伸軸の周りにある角度（α）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されても良い。

この角度（α）は、１゜〜２５゜の範囲であっても良い。

また、本発明による成形型では、前記第１の部分において、各セグメント板は、隣接するセグメント板に対して、前記延伸軸の周りに回転した状態で配置されても良い。

また、本発明による成形型において、各セグメント板の前記延伸軸に対して垂直な面の形状および寸法は、実質的に等しくても良い。

また、本発明による成形型において、各セグメント板の前記貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、四角形、五角形、六角形、八角形、または十二角形の形状を有しても良い。

また、本発明による成形型において、前記第１の収容部は、前記延伸軸の方向から見たとき、５ｍｍ〜５００ｍｍの円と内接または外接する寸法を有しても良い。

また、本発明による成形型では、前記第１の部分において、最上部のセグメント板を第１番目のセグメントとし、該第１番目のセグメントの直下のセグメント板を第２番目のセグメントとし、以下同様に、第３番目のセグメント、第４番目のセグメント．．．第ｉ番目のセグメント．．．を規定し、最下部のセグメント板を第ｎ番目のセグメントとしたとき、
第１番目のセグメントの貫通孔の一つの角部を第１選択角部として選定し、第２番目のセグメントの貫通孔の角部のうち、前記第１選択角部に最も近接する角部を第２選択角部として選定し、以下同様にして、第１番目のセグメントの貫通孔から第ｎ番目のセグメントの貫通孔まで、ｎ個の選択角部を選択し、各選択角部を順次結んだとき、前記延伸軸を中心とした螺旋状の軌跡が得られても良い。

また、本発明による成形型は、さらに、少なくとも３つ以上の第２のセグメント板を前記延伸軸方向に積層した第２の部分を有し、
前記第２のセグメント板の各々は、第２の貫通孔を有し、該第２の貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、少なくとも３つの角部を有する多角形状を有し、
前記第２のセグメント板の各々を前記延伸軸方向に積層することにより、前記第２の貫通孔が連通されて、前記第２の部分に、前記第１の収容部と連通する第２の収容部が形成され、
前記第２の部分において、前記第２のセグメント板の各々は、該第２のセグメント板の貫通孔の少なくとも一つの角部が、前記延伸軸の方向において、隣接する第２のセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置され、
前記第１の収容部と前記第２の収容部は、形状および／または寸法が異なっていても良い。

ここで、前記第２のセグメント板は、該第２のセグメント板の貫通孔の全ての角部が、前記延伸軸の方向において、隣接する第２のセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置されても良い。

また、各第２のセグメント板の貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状を有しても良い。

この場合、特に、前記第２の部分において、各第２のセグメント板の貫通孔は、隣接する第２のセグメント板の貫通孔に対して、前記延伸軸の周りにある角度（β）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されても良い。

また、本発明による成形型は、さらに、略円柱状の第３の収容部を有する第３の部分を有し、前記第３の収容部は、前記第１の収容部と連通されていても良い。

また、本発明では、延伸軸を有するセラミックまたは金属製の筒状構造体であって、
当該筒状構造体は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向の断面が多角形状の外表面を有するセグメント段が少なくとも３段以上積層された第１の部分を有し、
該第１の部分において、各セグメント段は、隣接するセグメント段に対して少なくとも一つの角部の位置がずれるように配置されていることを特徴とする筒状構造体が提供される。

ここで、本発明による筒状構造体において、各セグメント段は、隣接するセグメント段に対して、全ての角部の位置がずれるように配置されても良い。

また、本発明による筒状構造体において、各セグメント段は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状の外表面を有しても良い。

また、本発明による筒状構造体において、前記第１の部分において、各セグメント段は、隣接するセグメント段に対して、前記延伸軸の周りにある角度（α）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されても良い。

この角度（α）は、１゜〜２５゜の範囲であっても良い。

また、本発明による筒状構造体は、少なくとも１００段以上のセグメント段を前記延伸軸の方向に積層した構成を有しても良い。

また、本発明による筒状構造体において、各セグメント段は、貫通孔を有し、該貫通孔の形状および寸法は、実質的に等しくても良い。

また、本発明による筒状構造体において、各セグメント段の外表面の前記延伸軸の方向に垂直な断面は、四角形、五角形、六角形、八角形、または十二角形の形状を有しても良い。

また、本発明による筒状構造体において、各セグメント段の外表面は、前記延伸軸の方向から見たとき、直径が５ｍｍ〜５００ｍｍの円と内接または外接しても良い。

また、本発明による筒状構造体において、各セグメント段は、実質的に同一の厚さを有しても良い。

また、本発明による筒状構造体では、前記第１の部分において、最上部のセグメント段を第１番目のセグメントとし、該第１番目のセグメントの直下のセグメント段を第２番目のセグメントとし、以下同様に、第３番目のセグメント、第４番目のセグメント．．．第ｉ番目のセグメント．．．を規定し、最下部のセグメント段を第ｎ番目のセグメントとしたとき、
第１番目のセグメントの一つの角部を第１選択角部として選定し、第２番目のセグメントの角部のうち、前記第１選択角部に最も近接する角部を第２選択角部として選定し、以下同様にして、第１番目のセグメントから第ｎ番目のセグメントまで、ｎ個の選択角部を選択し、各選択角部を順次結んだとき、前記延伸軸を中心とした螺旋状の軌跡が得られても良い。

また、本発明による筒状構造体は、前記第１の部分の内表面に、前記第１の部分の外表面の形状に対応する凹凸面を有しても良い。

また、本発明による筒状構造体は、さらに、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向の断面が多角形状の外表面を有する第２のセグメント段が、前記延伸軸の方向に少なくとも３段以上積層された第２の部分を有し、
該第２の部分において、第２のセグメント段の各々は、隣接する第２のセグメント段に対して少なくとも一つの角部の位置がずれるように配置され、
前記第１の部分と第２の部分は、形状または寸法が異なっていても良い。

この場合、各第２のセグメント段は、隣接する第２のセグメント段に対して、全ての角部の位置がずれるように配置されても良い。

また、各第２のセグメント段は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状の外表面を有しても良い。

また、前記第２の部分において、各第２のセグメント段は、隣接する第２のセグメント段に対して、前記延伸軸の周りにある角度（β）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されても良い。

また、本発明による筒状構造体は、さらに、前記第１の部分と一体化された第３の部分を有し、
該第３の部分は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向の断面が円または楕円形状の外表面を有しても良い。

さらに、本発明では、セラミックまたは金属製の筒状構造体を製造する方法であって、
（ａ）収容部を有する成形型を組み立てるステップと、
（ｂ）前記成形型の収容部で、成形体を形成するステップと、
を有し、
前記成形型は、前述のような特徴を有する成形型であることを特徴とする方法が提供される。

本発明では、外表面に、通常の「成形＋焼成法」では得られないような、大きな表面積を有する筒状構造体を提供することが可能となる。また、本発明では、そのような筒状構造体の製造に使用される成形型、およびそのような筒状構造体を製造する方法を提供することが可能となる。

本発明による筒状構造体の一例を模式的に示した斜視図である。 本発明による筒状構造体の上部を模式的に示した拡大図である。 本発明による筒状構造体の簡略化された上面図である。 本発明による成形型の一例を模式的に示した構成図である。 本発明による成形型を構成するセグメント板の一例を模式的に示した図である。 セグメント板を組み合わせて本発明による成形型を構成する様子を模式的に示した図である。 図６に示した成形型を模式的に示した上面図である。 本発明による筒状構造体を製造するためのフローの一例を概略的に示した図である。

以下、図面により本発明の形態を説明する。

（本発明による筒状構造体）
図１には、本発明による筒状構造体の一例を模式的に示す。また、図２には、本発明による筒状構造体の上部の拡大図を示す。さらに、図３には、筒状構造体の簡略化された上面図を示す。

本発明による筒状構造体１００は、セラミックまたは金属で構成される。

図１に示すように、本発明による筒状構造体１００は、内部に貫通流路１０５を有する筒状構造を有し、貫通流路１０５は、延伸軸１０１に沿って、筒状構造体１００の長手方向に延伸する。筒状構造体１００は、貫通流路１０５を構成する内表面１１０と、外表面１４０とを有する。図１の例では、延伸軸１０１に対して垂直な方向（Ｘ方向）における内表面１１０の断面は、略円状の形状を有し、延伸軸１０１に対して垂直な方向における外表面１４０の断面は、略正六角形状の形状を有する。筒状構造体１００は、外表面１４０に、この正六角形の頂点に相当する多数の突起状の角部１２５を有する。

図２に詳細を示すように、筒状構造体１００は、複数のセグメント段１３０（１３０−１〜１３０−ｎ）が延伸軸１０１の方向（Ｚ方向）に沿って、筒状構造体１００の上面１０３から下面１０９まで積層されたような構造となっている。図１の例では、筒状構造体１００は、セグメント段１３０が約１００段積層されて構成される。

図３に一部を示すように、各セグメント段１３０は、ＸＹ平面で切断した場合、略正六角形の断面を有し、図１〜３の例では、この正六角形の寸法は、各セグメント段１３０においておおよそ等しくなっている。

ここで、図３に詳しく示すように、筒状構造体１００を構成する一つのセグメント段１３０−ｉは、直上のセグメント段１３０−ｉ−１に対して、延伸軸１０１の時計方向に角度αだけ回転し、ずらした状態で配置されている。例えば、図１〜３の例では、セグメント段１３０−ｉは、セグメント段１３０−ｉ−１に対して、時計方向に角度α＝４．５゜だけ回転して積層されている。なお、この角度αは、１゜〜５９゜の範囲であっても良く、１゜〜２５゜、特に１゜〜１０゜の範囲であることが好ましい。

従って、筒状構造体１００を延伸軸１０１の方向から見た場合、正六角形状のセグメント段１３０−ｉの各頂点１２５は、隣接するセグメント段１３０−ｉ−１および１３０−ｉ＋１の各頂点１２５と重なり合うことはない。

例えば、図１の構成の場合、筒状構造体１００の外表面１４０において、上面１０３のセグメント段１３０−１の一つの角部１２５を第１選択角部１２５−１として選定し、次のセグメント段１３０−２の角部１２５のうち、セグメント段１３０−１の第１選択角部１２５−１に最も近接する角部を、第２選択角部１２５−２として選定し、以下同様にして、下面１０９のセグメント段１３０−ｎまで、合計ｎ個の選択角部（１２５−１〜１２５−ｎ）を選択し、各選択角部を順次結ぶと、延伸軸１０１を中心とした螺旋状の軌跡１５０が得られるようになる。ここで、螺旋状の軌跡１５０は、六角形の各頂点に対して描かれるため、螺旋状の軌跡は、１５０−１〜１５０−６の合計６本描かれることになる。

なお、図１〜３の例では、角度α＝４．５゜であるため、筒状構造体１００を延伸軸１０１の方向から見た場合、セグメント段１３０が合計４０段積層されると、前述の螺旋状の軌跡の一つ（例えば軌跡１５０−１）は、上面１０３から下面１０９まで、延伸軸１０１の周囲１８０゜の範囲にわたって回転することになる。また、セグメント段１３０が８０段積層されると、螺旋状の軌跡の一つ（例えば軌跡１５０−１）は、上面１０３から下面１０９まで、延伸軸１０１の周囲を丁度３６０゜にわたって回転する。すなわち、８０段積層毎に、上面１０３と下面１０９の六角形の各頂点のＺ方向の位置が一致する。

一般に、従来のようないわゆる「成形＋焼成法」で得られる筒状構造体は、円筒管、四角形管など、単純な形状のものに限られ、従来の「成形＋焼成法」では、複雑形状の筒状構造体を製造することは難しいという問題がある。

一方、例えば、高温プラントのようなプロセス設備には、廃熱を利用する際などに、熱交換部材等が使用される。また、プロセスの高効率化のため、このような熱交換部材の熱交換性能をより一層高めることが望まれている。このため、近年は、大きな表面積を有する熱交換部材用の構造体が必要となってきている。しかしながら、従来の「成形＋焼成法」では、このような筒状構造体の表面積向上に対するニーズを満たすことは難しい。

これに対して、本発明による筒状構造体１００は、多角形状の複数のセグメント板が積層されたような構造を有し、延伸軸１０１の方向から見たとき、隣接するセグメントにおいて、多角形の角部１２５同士は、重なり合っていない。

従って、本発明の筒状構造体１００では、有意に大きな表面積を有する外表面１４０が得られる。従って、本発明による筒状構造体１００を熱交換器に適用した場合、良好な熱交換特性を得ることが可能となる。すなわち、本発明による筒状構造体１００では、多角形の角部１２５で構成される多数の突起部分がいわゆるフィンのような役割を果たし、外表面１４０に接触する流体と、内表面１１０に流通する流体との間で、極めて効率的な熱交換が行われるようになる。

なお、筒状構造体１００の内表面１１０の表面状態は、特に限られず、内表面１１０は、略平坦な表面を有しても、外表面１４０の形状（特にセグメント段１３０同士の界面）に対応した凹凸または波状の模様を有しても良い。外表面１４０がこのような模様を有する場合、本発明による筒状構造体１００を熱交換器に適用した際、内表面１１０の大きな表面積のため、筒状構造体１００の外表面と接触する流体と、貫通流路１０５に流通する流体との間で、さらに良好な熱交換性が得られる。

ここで、本発明において、筒状構造体１００の全長は、特に限られない。筒状構造体１００の全長は、セグメント段１３０の段数と、各セグメント段１３０の厚さによって定められる。

セグメント段１３０の段数は、特に限られない。セグメント段１３０の段数の下限は、例えば、３（例えば１０）であっても良い。また、セグメント段１３０の段数の上限は、例えば、１００００（例えば、５０００）である。従って、セグメント段１３０の段数は、例えば、３〜１００００（例えば５０〜１０００段）の範囲であっても良い。例えば、図１の例では、セグメント段１３０が、１００段積層されて、筒状構造体１００が構成されている。

また、各セグメント段１３０の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、特に限られない。例えば、各セグメント段１３０は、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であっても良い。なお、各セグメント段１３０の厚さは、一定であっても、異なっていても良い。

なお、図１の例では、筒状構造体１００の外表面１４０は、延伸軸１０１に対して垂直な方向から見た場合、略正六角形状の断面を有する。しかしながら、本発明は、このような態様に限られるものではない。筒状構造体１００の外表面１４０は、例えば、三角形、四角形、五角形、八角形、十角形、または十二角形等の多角形状の断面を有しても良い。また、これらの多角形は、正多角形ではなくても良い。

さらに言えば、各セグメント段１３０の多角形は、Ｘ−Ｙ平面（図３参照）において、必ずしも同一の形状、および寸法を有する必要はない。例えば、図１の例では、各セグメント段１３０−１〜１３０−ｎは、全て同一寸法の略正六角形の外形状を有するが、各セグメント段１３０において、略正六角形の寸法は、変えても良い。

また、例えば、セグメント段１３０−１は、正六角形状とし、セグメント段１３０−２は、正方形状にするなど、セグメント段１３０毎に、多角形の形状を変えても良い。

また、例えば、上面１０３から第１の領域までは、第１の断面形状を有するセグメント段１３０を配置を徐々にずらして積層させ、第１の領域から第２の領域までは、第２の断面形状を有するセグメント段１３０を配置を徐々にずらして積層させ、第２の領域から第３の領域までは、第３の断面形状を有するセグメント段１３０を配置を徐々にずらして積層させるなど、領域毎に多角形の形状を変えても良い。この場合、第１〜第３の領域における第１〜第３の断面形状のうちの最大２つは、円または楕円であっても良い。

すなわち、本発明において重要なことは、筒状構造体が、断面が多角形状のセグメント段を少なくとも３段以上（例えば１０段）積層した部分を少なくとも一つ有し、該部分において、延伸軸の方向から見たとき、各セグメント段の角部が、隣接するセグメント段の最近接の角部と重なり合っていない箇所が少なくとも一つ存在することであり、これが満たされる限り、筒状構造体は、いかなる構造であっても良い。

なお、延伸軸１０１に対して垂直な面の貫通流路１０５の寸法および形状は、特に限られないが、これは、例えば、実質的に直径が５ｍｍ〜５００ｍｍの円であっても良い。

また、筒状構造体１００の材質は、特に限られないが、筒状構造体１００は、耐熱性を有する材質、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、および窒化ホウ素（ＢＮ）のうちの少なくとも一つで構成されても良い。

（本発明による成形型）
次に、前述のような筒状構造体を製作する際に使用される成形型について説明する。

図４には、本発明による成形型の一例を模式的に示す。また、図５には、本発明による成形型を構成する際に使用されるセグメント板の一例を示す。さらに、図６および図７には、セグメント板を組み合わせて、本発明による成形型を組み立てる際の途中の段階を示す。図７は、図６に示した成形型の簡略化された上面図である。

図４に示すように、本発明による成形型２００は、略正方形状のセグメント板２３０（２３０−１〜２３０−ｎ）を積層方向（Ｚ方向）に多数積層することにより構成される。成形型２００は、上面２０３および下面２０９を有する。また、成形型２００は、成形体用のスラリー等を注入するための収容部２６０を有し、この収容部２６０は、上面２０３から下面２０９まで延在している。

図５に示すように、一つのセグメント板２３０は、２つの部材２３０Ａ、２３０Ｂを組み合わせることにより構成される。ただし、図５とは異なり、セグメント板２３０は、単一の部材で構成されても良い。

図５において、セグメント板２３０は、貫通孔２２０を有し、該貫通孔２２０は、頂点２２５を有する多角形の形状を有する。図５の例では、貫通孔２２０は、６つの頂点２２５を有する略正六角形の形状を有する。

図６に示すように、成形型２００を構成する際、セグメント板２３０（２３０−１〜２３０−ｉ）は、Ｚ方向に沿って積層される。なお、図６では、明確化のため、成形型２００を構成するセグメント板２３０の一部が切除されている。

ここで、図７に詳しく示すように、成形型２００を構成する一つのセグメント板２３０−ｉは、直上のセグメント段２３０−ｉ−１に対して、積層軸（Ｚ軸）の時計方向に角度αだけ回転し、ずらした状態で配置されている。例えば、図６、７の例では、セグメント板２３０−ｉは、セグメント板２３０−ｉ−１に対して、角度α＝４．５゜だけ回転して積層されている。なお、この角度αは、１゜〜５９゜の範囲であっても良く、１゜〜２５゜、特に１゜〜１０゜の範囲であることが好ましい。

従って、成形型２００を積層軸の方向から見た場合、正六角形状のセグメント板２３０−ｉの各頂点２２５は、隣接するセグメント板２３０−ｉ−１および２３０−ｉ＋１の各頂点２２５と重なり合ってはいない。

例えば、図４の構成の場合、成形型２００の収容部２６０を構成する内壁部２７０において、上面２０３のセグメント板２３０−１の貫通孔２２０の一つの頂点２２５を第１選択角部２２５−１として選定し、次のセグメント板２３０−２の貫通孔２２０の頂点２２５のうち、セグメント板２３０−１の第１選択頂点２２５−１に最も近接する頂点を、第２選択頂点２２５−２として選定し、以下同様にして、下面２０９のセグメント板２３０−ｎまで、合計ｎ個の選択頂点（２２５−１〜２２５−ｎ）を選択し、各選択頂点を順次結ぶと、積層軸を中心とした螺旋状の軌跡２５０が得られるようになる。ここで、螺旋状の軌跡２５０は、貫通孔２２０の六角形の各頂点２２５に対して描かれるため、螺旋状の軌跡２５０は、２５０−１〜２５０−６の合計６本描かれることになる。（図６には、このうちの２本のみが示されている）。

なお、図４〜７の例では、前述の角度α＝４．５゜であるため、成形型２００をＺ軸の方向から見た場合、セグメント板２３０が合計４０段積層されると、前述の螺旋状の軌跡の一つ（例えば軌跡２５０−１）は、上面２０３から下面２０９まで、Ｚ軸の周囲１８０゜の範囲にわたって回転することになる。また、セグメント板２３０が８０段積層されると、螺旋状の軌跡の一つ（例えば軌跡２５０−１）は、上面２０３から下面２０９まで、Ｚ軸の周囲を丁度３６０゜にわたって回転する。すなわち、８０段積層毎に、上面２０３と下面２０９の六角形の各頂点のＺ方向の位置が一致する。

このような成形型２００を使用して、被成形体の成形を行うことにより、前述の図１に示したような、大きな表面積を有する筒状構造体を得ることができる。なお、筒状構造体がセラミックの場合、得られた筒状構造体は、さらに焼成処理しても良い。

なお、図４〜図７の例では、各セグメント板２３０の貫通孔２２０同士の位置ずれ（積層方向から見たときの配置のずれ）は、各セグメント板２３０−ｉを、直上のセグメント板２３０−ｉ−１に対して、角度α＝４．５゜だけ時計方向に回転して積層することにより、なされている。

しかしながら、本発明による成形型２００において、各セグメント板２３０の貫通孔２２０同士の位置ずれは、予め各セグメント板２３０に、異なる（少しずつずれた）配置の貫通孔を構成しておくことにより、生じさせても良い。この場合、各セグメント板２３０は、位置をずらす（回転させる）必要はなく、各セグメント板２３０を同じ配置で積層しただけで、直上の貫通孔に対して位置がずれた状態を容易に発生させることができる。

また、成形型２００を構成するセグメント板２３０の外表面２４０の形状は、特に限られず、外表面２４０は、図５に示すような正方形状であっても、その他の形状であっても良い。

また、成形型２００の全長は、特に限られない。成形型２００の全長は、セグメント板２３０の段数と、各セグメント板２３０の厚さによって定められる。

セグメント板２３０の段数は、特に限られない。セグメント板２３０の段数の下限は、例えば、３（例えば１０）であっても良い。また、セグメント板２３０の段数の上限は、例えば、１００００（例えば５０００）である。従って、セグメント板２３０の段数は、例えば、３〜１００００（例えば５０〜１０００段）の範囲であっても良い。例えば、図４の例では、セグメント板２３０が、１００段積層されて、成形型２００が構成されている。

また、各セグメント板２３０の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、特に限られない。例えば、各セグメント板２３０は、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であっても良い。なお、各セグメント板２３０の厚さは、一定であっても、異なっていても良い。

なお、図５の例では、セグメント板２３０の貫通孔２２０は、Ｚ軸の方向から見た場合、略正六角形状の形状を有する。しかしながら、本発明は、このような態様に限られるものではない。セグメント板２３０の貫通孔２２０は、例えば、三角形、四角形、五角形、八角形、十角形、または十二角形等の多角形状の断面を有しても良い。また、これらの多角形は、正多角形ではなくても良い。

さらに言えば、各セグメント板２３０の貫通孔２２０の多角形は、必ずしも同一の形状、および寸法を有する必要はない。例えば、図４、図６の例では、各セグメント板２３０−１〜２３０−ｎは、全て同一寸法の略正六角形の貫通孔２２０を有するが、各貫通孔２２０において、略正六角形の寸法は、変えても良い。

また、例えば、セグメント板２３０−１の貫通孔２２０は、正六角形状とし、セグメント板２３０−２の貫通孔２２０は、正方形状にするなど、セグメント板２３０毎に、多角形の形状を変えても良い。

また、例えば、上面２０３から第１の領域までは、第１の形状の貫通孔を有するセグメント板２３０を配置を徐々にずらして積層させ、第１の領域から第２の領域までは、第２の形状の貫通孔を有するセグメント板２３０を配置を徐々にずらして積層させ、第２の領域から第３の領域までは、第３の形状の貫通孔を有するセグメント板２３０を配置を徐々にずらして積層させるなど、領域毎に多角形の形状を変えても良い。この場合、第１〜第３の領域における第１〜第３の形状の貫通孔のうちの最大２つは、円または楕円であっても良い。

すなわち、本発明において重要なことは、成形型が、多角形状の貫通孔を有するセグメント板を少なくとも３段以上積層した部分を少なくとも一つ有し、該部分において、積層方向から見たとき、各セグメント板の貫通孔の頂点が、隣接するセグメント板の貫通孔の最近接の頂点と重なり合っていない箇所が少なくとも一つ存在することであり、これが満たされる限り、成形型は、いかなる構造であっても良い。

なお、セグメント板２３０の貫通孔２２０の多角形の寸法は、特に限られないが、多角形は、例えば、実質的に直径が５ｍｍ〜５００ｍｍの円と内接または外接する寸法であっても良い。

また、セグメント板２３０の材質は、特に限られないが、セグメント板２３０は、耐熱性を有する材質、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化珪素（ＳｉＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、および窒化ホウ素（ＢＮ）のうちの少なくとも一つで構成されても良い。また、セグメント板２３０は、多孔質であることが好ましい。

（本発明による筒状構造体の製造方法）
次に、本発明による筒状構造体の製造方法の一例について説明する。なお、以降の説明では、前述のような特徴を有する多孔質セラミック製の成形型を使用して、セラミック製の筒状構造体を製造する方法について述べる。ただし、本発明がそのような態様に限られないことは、当業者には明らかである。

図８に示すように、本発明による筒状構造体の製造方法は、収容部を有する成形型を組み立てるステップ（Ｓ１１０）と、前記成形型の収容部で、成形体を形成するステップ（Ｓ１２０）と、を有する。また、本発明による製造方法は、さらに任意で、前記成形体を焼成するステップ（Ｓ１３０）を有しても良い。

以下、各ステップについて詳しく説明する。

（ステップＳ１１０）
まず最初に、前述のような特徴を有する多孔質セラミック製の成形型が製作される。

成形型は、多角形状の貫通孔を有する複数のセグメント板を積層方向に沿って積層することにより構成される。セグメント板は、成形される成形体の寸法と形状に基づいて、形状、寸法、枚数等が定められる。各セグメント板は、前述のように複数の部材を組み合わせて構成されても良く、あるいは一体物であっても良い。

なお、前述のような収容部、すなわち隣接するセグメント板において、多角形状の貫通孔の頂点が重なり合っていない状態を構成する方法として、以下の２つの方法を採用することができる：
（ｉ）各セグメント板を同一配置で積層した際に、隣接するセグメント間で、貫通孔の配置が所定の角度だけ回転されるように、予め各セグメント板の貫通孔の位置を規定しておく。このような設計は、ＣＡＤまたは他のコンピュータソフトウェア等を使用することにより、容易に行うことができる。
（ｉｉ）各セグメント板に設置されている貫通孔の寸法および形状を実質的に同一にしておき、セグメント板を隣接するセグメント板に対して、所定の角度だけ回転させ、貫通孔の配置をずらしながら、セグメント板を順次積層する（図４の構成）。これにより、隣接するセグメント同士の間で、貫通孔の多角形の頂点が重なり合っていない状態が得られる。

このうち、取扱の容易性の観点からは、（ｉ）の方法を採用することが好ましい。この場合、各セグメント板を同一配置で積層するだけで、容易に複雑な収容部を構成することができるからである。また、コストの観点からは、（ｉｉ）の方法を採用することが好ましい。この場合、各セグメント板の寸法および形状を、実質的に同一にすることができるからである。

なお、各セグメント板を積層する際、または積層が完了した後に、各セグメント板が相互にずれないように、固定手段を用いて、この積層体（すなわち成形型）を固定しても良い。

また、後に成形体を焼成する必要がある場合、成形型は、耐熱性を有することが好ましい。このため、各セグメント板は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）、および窒化ホウ素（ＢＮ）、および炭化珪素（ＳｉＣ）の少なくとも一つを含む材料で構成されても良い。

成形型は、多孔質体であることが好ましい。成形型が多孔質体である場合、以降のステップにおいて、成形型の収容部にスラリーを注入した際、スラリー中の水分が収容部を構成する内壁部から排出されるようになるため、スラリーを比較的容易に乾燥、固化させることができる。また、薄肉の構造体を、比較的容易に製造することが可能になる。

（ステップＳ１２０）
次に、成形型の収容部に、構造体用のスラリーが注入される。このスラリーは、収容部を構成する内壁部に接触した状態で、乾燥、固化されるため、成形型の収容部に対応した外表面を有する筒状成形体が得られる。換言すれば、成形型の収容部、すなわち、セグメント板の貫通孔を適正に設計することにより、薄肉、大型、および／または複雑形状の筒状成形体を、容易に形成することが可能になる。

スラリーは、基本的に、水のような分散媒体と、最終的に得られる構造体に含まれるセラミック粒子とを含む。さらに、スラリーは、有機バインダ等を含んでも良い。

（ステップＳ１３０）
次に、必要に応じて、得られた筒状成形体が焼成処理される。

焼成処理は、筒状成形体を成形型に収容したまま実施しても良く、あるいは筒状成形体を成形型から取り出してから実施しても良い。

以上の工程により、例えば、図１に示すような外表面を有するセラミック製の筒状構造体が得られる。

以下、本発明の実施例について、詳しく説明する。ただし、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
以下の方法により、図４に示す構造の成形型を製作した。

まず、多数の正方形状セグメント板を準備した。各セグメント板は、図５に示すような２つの部材（石膏）を組み合わせることにより、中央部に正六角形状の貫通孔が形成される構造を有する。セグメント板の寸法形状は、全て同じとした。すなわち、各セグメント板は、一辺の長さが１５０ｍｍで、厚さが３ｍｍであり、貫通孔の正六角形の一辺の長さは、５０ｍｍとした。

次に、各セグメント板を、直前のセグメントに対して積層軸の周りに時計回りに４．５゜ずつ回転させて、１００枚のセグメント板を積層した。これにより、各セグメント板の貫通孔が連通され、収容部が形成された。積層方向に対して垂直な面において、収容部を構成する内壁部に外接する円の直径は、約８７ｍｍであった。

成形型の高さは、約３００ｍｍであった。

（実施例２）
次に、実施例１で組み立てた成形型を用いて、セラミック製の筒状構造体を製作した。

まず、筒状構造体用のスラリーを、以下の手順で調製した。

平均粒径が１μｍの窒化珪素粒子、平均粒径が１μｍのアルミナ粒子、および平均粒径が１μｍのイットリア粒子を、９０：３：５（重量比）となるように混合した。次に、この混合物に対して、８０ｗｔ％の水を添加し、ボールミルにより半日以上混合した。

混合後、得られたスラリーを減圧処理し、脱泡した。

次に、このスラリーを、前述の成形型の収容部に注入した。注入後、約５分間静置した。これにより、スラリーは、収容部の内壁部に接触した状態で、約５ｍｍの厚さで固化した。この状態で２４時間乾燥した。

次に、成形体を成形型から取り出し、焼成処理を行った。焼成処理は、９気圧の窒素雰囲気下、１８００℃で８時間実施した。

これにより、図１に示すような外表面を有する筒状構造体が得られた。得られた筒状構造体の外径（最大寸法）は、約９０ｍｍであり、内径は、約６８ｍｍであり、肉厚は、約４ｍｍであった。得られた筒状構造体において、各六角形状セグメント段の一辺の長さは、４２ｍｍであった。また、筒状構造体の内表面には、外表面の形状に対応した、波状の模様が認められた。

（実施例３）
実施例１で組み立てた成形型を用いて、セラミック製の筒状構造体を製作した。

まず、筒状構造体用のスラリーを、以下の手順で調製した。

ケイ素粒子（＃６００）、平均粒径が１μｍのスピネル粒子、および平均粒径が１μｍのジルコニア粒子を、８４：８：８（重量比）となるように混合した。次に、この混合物に対して、８０ｗｔ％の水を添加し、ボールミルにより半日以上混合した。

混合後、得られたスラリーを減圧処理し、脱泡した。

次に、このスラリーを、前述の成形型の収容部に注入した。注入後、約５分間静置した。これにより、スラリーは、収容部の内壁部に接触した状態で、約５ｍｍの厚さで固化した。この状態で２４時間乾燥した。

次に、成形体を成形型から取り出し、焼成処理を行った。焼成処理は、２段階で実施した。第１段階の焼成処理は、９気圧の窒素雰囲気下、１５００℃で２時間実施した。これにより、成形対中のケイ素は、窒化ケイ素に変化した。第２段階の焼成処理は、９気圧の窒素雰囲気下、１７５０℃で８時間実施した。これにより、窒化ケイ素が緻密化された。

（実施例４）
外表面が略正六角形状の断面を有する第１の部分と、外表面が略円形の断面を有する第２の部分と、外表面が略正六角形状の断面を有する第３の部分と、外表面が略円形の断面を有する第４の部分とが順次接続された、セラミック製の筒状構造体を製作した。

成形型は、実施例１と同様の方法により組み立てた。ただし、この実施例４では、実施例１で使用した第１の成形型の上部に、貫通孔が直径約８０ｍｍφの円形状を有する第２のセグメント板（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ７５ｍｍ）を順次置載して、第２の部分を構成した。さらに、その上には、第１の成形型と同様の第３の成形型を設置した。また、その上には、第２のセグメント板と同様の構造を有する第４のセグメント板を多数設置し、第４の部分を構成した。各部材は、貫通孔の中心軸を積層方向に合わせて積層し、これにより、各部分の収容部は、中心軸に沿って揃うように構成された。

第１の成形型および第３の成形型の長さは、いずれも約７５ｍｍとした。成形型全体の全長は、約３００ｍｍであった。

次に、この成形型を使用して、実施例２と同様の方法により成形体を形成し、その後、焼成処理を行った。

これにより、外表面が略正六角形状の断面を有する第１の部分と、外表面が略円形の断面を有する第２の部分と、外表面が略正六角形状の断面を有する第３の部分と、外表面が略円形の断面を有する第４の部分と、を順次有するセラミック製の筒状構造体が得られた。

本発明は、例えば、薄肉かつ複雑形状の筒状セラミック製品または筒状金属製品等の製造に利用することができる。

１００ 本発明による筒状構造体
１０１ 延伸軸
１０３ 上面
１０５ 貫通流路
１０９ 下面
１１０ 内表面
１２５ 角部
１３０（１３０−１〜１３０−ｎ） セグメント段
１４０ 外表面
１５０（１５０−１〜１５０−６） 螺旋状の軌跡
２００ 本発明による成形型
２０３ 上面
２０９ 下面
２２０ 貫通孔
２２５ 頂点
２３０（２３０−１〜２３０−ｎ） セグメント板
２３０Ａ、２３０Ｂ 部材
２４０ 外表面
２５０（２５０−１〜２５０−６） 螺旋状の軌跡
２６０ 収容部
２７０ 内壁部。

Claims (33)

1. 延伸軸を有する筒状構造体を成形するための成形型であって、
   当該成形型は、少なくとも３つ以上のセグメント板を前記延伸軸の方向に積層した第１の部分を有し、
   各セグメント板は、貫通孔を有し、該貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、少なくとも３つの角部を有する多角形状を有し、
   各セグメント板を前記延伸軸の方向に積層することにより、前記貫通孔が連通され、前記第１の部分に第１の収容部が形成され、
   各セグメント板は、該セグメント板の貫通孔の少なくとも一つの角部が、前記延伸軸の方向において、隣接するセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置されることを特徴とする成形型。
2. 各セグメント板は、該セグメント板の貫通孔の全ての角部が、前記延伸軸の方向において、隣接するセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置されることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
3. 各セグメント板の貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の成形型。
4. 前記第１の部分において、各セグメント板の貫通孔は、隣接するセグメント板の貫通孔に対して、前記延伸軸の周りにある角度（α）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されることを特徴とする請求項３に記載の成形型。
5. 前記角度（α）は、１゜〜２５゜の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の成形型。
6. 前記第１の部分において、各セグメント板は、隣接するセグメント板に対して、前記延伸軸の周りに回転した状態で配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の成形型。
7. 各セグメント板の前記延伸軸に対して垂直な面の形状および寸法は、実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の成形型。
8. 各セグメント板の前記貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、四角形、五角形、六角形、八角形、または十二角形の形状を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の成形型。
9. 前記第１の収容部は、前記延伸軸の方向から見たとき、５ｍｍ〜５００ｍｍの円と内接または外接する寸法を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の成形型。
10. 前記第１の部分において、最上部のセグメント板を第１番目のセグメントとし、該第１番目のセグメントの直下のセグメント板を第２番目のセグメントとし、以下同様に、第３番目のセグメント、第４番目のセグメント．．．第ｉ番目のセグメント．．．を規定し、最下部のセグメント板を第ｎ番目のセグメントとしたとき、
    第１番目のセグメントの貫通孔の一つの角部を第１選択角部として選定し、第２番目のセグメントの貫通孔の角部のうち、前記第１選択角部に最も近接する角部を第２選択角部として選定し、以下同様にして、第１番目のセグメントの貫通孔から第ｎ番目のセグメントの貫通孔まで、ｎ個の選択角部を選択し、各選択角部を順次結んだとき、前記延伸軸を中心とした螺旋状の軌跡が得られることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の成形型。
11. 当該成形型は、さらに、少なくとも３つ以上の第２のセグメント板を前記延伸軸方向に積層した第２の部分を有し、
    前記第２のセグメント板の各々は、第２の貫通孔を有し、該第２の貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、少なくとも３つの角部を有する多角形状を有し、
    前記第２のセグメント板の各々を前記延伸軸方向に積層することにより、前記第２の貫通孔が連通されて、前記第２の部分に、前記第１の収容部と連通する第２の収容部が形成され、
    前記第２の部分において、前記第２のセグメント板の各々は、該第２のセグメント板の貫通孔の少なくとも一つの角部が、前記延伸軸の方向において、隣接する第２のセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置され、
    前記第１の収容部と前記第２の収容部は、形状および／または寸法が異なることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の成形型。
12. 前記第２のセグメント板は、該第２のセグメント板の貫通孔の全ての角部が、前記延伸軸の方向において、隣接する第２のセグメント板の貫通孔の角部と重ならないようにして配置されることを特徴とする請求項１１に記載の成形型。
13. 各第２のセグメント板の貫通孔は、前記延伸軸の方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の成形型。
14. 前記第２の部分において、各第２のセグメント板の貫通孔は、隣接する第２のセグメント板の貫通孔に対して、前記延伸軸の周りにある角度（β）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されることを特徴とする請求項１３に記載の成形型。
15. さらに、略円柱状の第３の収容部を有する第３の部分を有し、前記第３の収容部は、前記第１の収容部と連通されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一つに記載の成形型。
16. 延伸軸を有するセラミックまたは金属製の筒状構造体であって、
    当該筒状構造体は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向の断面が多角形状の外表面を有するセグメント段が少なくとも３段以上積層された第１の部分を有し、
    該第１の部分において、各セグメント段は、隣接するセグメント段に対して少なくとも一つの角部の位置がずれるように配置されていることを特徴とする筒状構造体。
17. 各セグメント段は、隣接するセグメント段に対して、全ての角部の位置がずれるように配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の筒状構造体。
18. 各セグメント段は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状の外表面を有することを特徴とする請求項１６または１７に記載の筒状構造体。
19. 前記第１の部分において、各セグメント段は、隣接するセグメント段に対して、前記延伸軸の周りにある角度（α）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されることを特徴とする請求項１８に記載の筒状構造体。
20. 前記角度（α）は、１゜〜２５゜の範囲であることを特徴とする請求項１９に記載の筒状構造体。
21. 当該筒状構造体は、少なくとも１００段以上のセグメント段を前記延伸軸の方向に積層した構成を有することを特徴とする請求項１６乃至２０のいずれか一つに記載の筒状構造体。
22. 各セグメント段は、貫通孔を有し、該貫通孔の形状および寸法は、実質的に等しいことを特徴とする請求項１６乃至２１のいずれか一つに記載の筒状構造体。
23. 各セグメント段の外表面の前記延伸軸の方向に垂直な断面は、四角形、五角形、六角形、八角形、または十二角形の形状を有することを特徴とする請求項１６乃至２２のいずれか一つに記載の筒状構造体。
24. 各セグメント段の外表面は、前記延伸軸の方向から見たとき、直径が５ｍｍ〜５００ｍｍの円と内接または外接することを特徴とする請求項１６乃至２３のいずれか一つに記載の筒状構造体。
25. 各セグメント段は、実質的に同一の厚さを有することを特徴とする請求項１６乃至２４のいずれか一つに記載の筒状構造体。
26. 前記第１の部分において、最上部のセグメント段を第１番目のセグメントとし、該第１番目のセグメントの直下のセグメント段を第２番目のセグメントとし、以下同様に、第３番目のセグメント、第４番目のセグメント．．．第ｉ番目のセグメント．．．を規定し、最下部のセグメント段を第ｎ番目のセグメントとしたとき、
    第１番目のセグメントの一つの角部を第１選択角部として選定し、第２番目のセグメントの角部のうち、前記第１選択角部に最も近接する角部を第２選択角部として選定し、以下同様にして、第１番目のセグメントから第ｎ番目のセグメントまで、ｎ個の選択角部を選択し、各選択角部を順次結んだとき、前記延伸軸を中心とした螺旋状の軌跡が得られることを特徴とする請求項１６乃至２５のいずれか一つに記載の筒状構造体。
27. 当該筒状構造体は、前記第１の部分の内表面に、前記第１の部分の外表面の形状に対応する凹凸面を有することを特徴とする請求項１６乃至２６のいずれか一つに記載の筒状構造体。
28. 当該筒状構造体は、さらに、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向の断面が多角形状の外表面を有する第２のセグメント段が、前記延伸軸の方向に少なくとも３段以上積層された第２の部分を有し、
    該第２の部分において、第２のセグメント段の各々は、隣接する第２のセグメント段に対して少なくとも一つの角部の位置がずれるように配置され、
    前記第１の部分と第２の部分は、形状または寸法が異なることを特徴とする請求項１６乃至２７のいずれか一つに記載の筒状構造体。
29. 各第２のセグメント段は、隣接する第２のセグメント段に対して、全ての角部の位置がずれるように配置されていることを特徴とする請求項２８に記載の筒状構造体。
30. 各第２のセグメント段は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向から見たとき、寸法および形状が実質的に同一の多角形状の外表面を有することを特徴とする請求項２８または２９に記載の筒状構造体。
31. 前記第２の部分において、各第２のセグメント段は、隣接する第２のセグメント段に対して、前記延伸軸の周りにある角度（β）だけ回転することにより、位置がずれるように配置されることを特徴とする請求項３０に記載の筒状構造体。
32. さらに、前記第１の部分と一体化された第３の部分を有し、
    該第３の部分は、前記延伸軸の方向に対して垂直な方向の断面が円または楕円形状の外表面を有することを特徴とする請求項１６乃至３１のいずれか一つに記載の筒状構造体。
33. セラミックまたは金属製の筒状構造体を製造する方法であって、
    （ａ）収容部を有する成形型を組み立てるステップと、
    （ｂ）前記成形型の収容部で、成形体を形成するステップと、
    を有し、
    前記成形型は、請求項１乃至１５のいずれか一つに記載の成形型であることを特徴とする方法。