JP6763699B2 - ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
炭化ケイ素は、熱伝導率が高いため、熱交換器として有用である。さらに、炭化ケイ素は、金属ケイ素との熱膨張係数が近いため、熱応力に起因する破損が生じ難いハニカム構造体を製造することができる。
上記構成によれば、ハニカム構造体の各壁の気孔率を0%に近づけることができる。また、1.05倍以下にすることで、含浸される金属ケイ素によりハニカム構造体のセルが塞がれてしまうことを抑制できるとともに、製造コストを抑制することができる。
低純度の金属ケイ素は、その融点が低いことから、低純度の金属ケイ素を用いることにより、含浸工程に要する加熱温度を低く抑えることができる。よって、製造コストを抑制することができる。
上記構成によれば、特許文献1のような金属ケイ素雰囲気の環境を用意する必要がないため、製造コストを抑制することができる。
まず、熱交換器に用いられるハニカム構造体の一例について説明する。
図1に示すように、ハニカム構造体10は、筒状の周壁11と、周壁11の内部を周壁11の軸方向に延びる複数のセルに区画する断面ハニカム形状の区画壁12と備えている。周壁11の両端部には、径方向外方に突出する環状のリブ13がそれぞれ設けられている。
ハニカム構造体10は、以下に記載する成形工程、加工工程、脱脂工程、含浸工程を順に経ることにより製造される。
ハニカム構造体10の成形に用いる原料として、セラミック粒子と、有機バインダーと、分散媒とを含有する粘土状の混合物を調製する。
加工工程は、成形体10Aの外形状をハニカム構造体10の外形状と略同一形状に加工した加工成形体10Bを得る工程である。加工工程においては、成形体10Aにリブ13を形成する第1加工、成形体10Aに第1連通部14a及び第2連通部14bを形成する第2加工、及び成形体10Aにおける一部のセルSの両端部を封止する第3加工を行う。
(脱脂工程)
脱脂工程は、加工成形体10Bを加熱することによって、加工成形体10Bに含まれる有機バインダーを燃焼させ、焼失させることにより、加工成形体10Bから有機バインダーが除去された脱脂体10Cを得る工程である。脱脂工程における加熱温度は、混合物に用いた有機バインダーに応じて、有機バインダーが焼失可能な温度に適宜、設定する。例えば、有機バインダーとしてメチルセルロースを用いた場合には、加熱温度を400℃以上とすることが好ましい。
(含浸工程)
含浸工程は、脱脂体10Cの周壁11及び区画壁12の内部に金属ケイ素を含浸させる工程である。含浸工程においては、脱脂体10Cに対して金属ケイ素の塊を接触させた状態として、アルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気下、又は真空下にて、1400〜1900℃に加熱する。これにより、図9に示すように、溶融した金属ケイ素が毛細管現象によって、脱脂体10Cの各壁を構成するセラミック粒子間の隙間へ入り込み、同隙間に金属ケイ素が含浸される。
ここで、本実施形態においては、脱脂工程以降の工程において特別な温度管理を行っている。すなわち、脱脂工程以降の工程においては、成形工程に用いた混合物に含まれるセラミック粒子の焼結が生じ難い温度下にて実施し、加工成形体10B、脱脂体10Cを、セラミック粒子の大部分が焼結される温度下に曝さないようにしている。具体的には、加工成形体10B、脱脂体10Cを1900℃以下の温度で保持している。なお、炭化ケイ素等かならなるセラミック粒子を焼結するために必要な温度は、2000℃程度である。
また、未焼結のハニカム構造体は、焼結ハニカム構造体と比較して、ヤング率が高く、変形し難い性質を有している。焼結ハニカム構造体の場合、セラミック粒子のいずれかに亀裂が生じた際に、その亀裂がネックを通じて別の粒子にまで進行することがある。一方、未焼結のハニカム構造体の場合、粒子同士が結合されていないため、いずれかの粒子に亀裂が生じたとしても、その亀裂が別の粒子にまで進行し難い。こうした作用によって、未焼結のハニカム構造体には、変形し難い性質が付与されていると考えられる。
(1)ハニカム構造体の製造方法は、セラミック粒子、有機バインダー、及び分散媒を含有する混合物を成形して成形体を得る成形工程と、成形体に含まれる有機バインダーを除去して脱脂体を得る脱脂工程と、脱脂体の周壁及び区画壁の内部に金属ケイ素を含浸させる含浸工程とを有している。含浸工程を、不活性ガス雰囲気下又は真空下で、1400〜1900℃の温度にて行っている。
炭化ケイ素は、熱伝導率が高いため、熱交換器として有用である。さらに、炭化ケイ素は、金属ケイ素との熱膨張係数が近いため、熱応力に起因する破損が生じ難いハニカム構造体を製造することができる。
上記構成によれば、ブレードに接触した部分の有機バインダーが焼失するため、ブレード挿入時の抵抗が小さく、挿入された部分の周辺部分に変形や破壊が生じ難い。また、発生する加工屑の量が減少する。
上記構成によれば、ハニカム構造体の各壁の気孔率を0%に近づけることができる。また、含浸される金属ケイ素によりハニカム構造体のセルが塞がれてしまうことを抑制できるとともに、製造コストを抑制することができる。
低純度の金属ケイ素は、その融点が低いことから、低純度の金属ケイ素を用いることにより、含浸工程に要する加熱温度を低く抑えることができる。よって、製造コストを抑制することができる。
(7)含浸工程において、脱脂体の上に金属ケイ素の塊を載せた状態として加熱を行っている。
(8)含浸工程において、押し出し成型時における押し出し方向が上下方向となるように脱脂体を設置している。
なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・第1セルS1と第2セルS2は、第2の方向において隣り合ってなくてよく、例えば、第2セルS2、第1セルS1、第1セルS1(以下繰り返し)の順番で配置することもできる。
(実施例)
まず、下記組成の混合物を調製した。
平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の粒子(小粒子):23.6質量部
メチルセルロース(有機バインダー):5.4質量部
グリセリン(潤滑剤):1.1質量部
ポリオキシアルキレン系化合物(可塑剤):3.2質量部
水(分散媒):11.5質量部
この混合物を用いて、直径35mm、長さ100mm、周壁の厚さ0.3mm、区画壁の厚さ0.1mm、セル幅0.94mmのハニカム構造を有する円柱状の成形体を成形した。次に、成形体を450℃で5時間加熱することにより、有機バインダーが除去された脱脂体を得た。その後、脱脂体の上に純度97.5%の金属ケイ素の板材20g(脱脂体の気孔容積の1倍の体積に相当する量)を載置した状態として、真空下、1550℃で7時間、加熱することにより、金属ケイ素を含浸させて、実施例のハニカム構造体を得た。なお、図12に示す顕微鏡写真は、実施例のハニカム構造体を撮影したものである。
実施例と同様にして成形体及び脱脂体を得た。脱脂体をアルゴン雰囲気下、2200℃で3時間、加熱することにより焼成体を得た。そして、焼成体の上に金属ケイ素の板材20gを載置した状態として、真空下、1550℃で7時間、加熱することにより、金属ケイ素を含浸させて、比較例のハニカム構造体を得た。なお、図13に示す顕微鏡写真は、比較例のハニカム構造体を撮影したものである。
実施例及び比較例のハニカム構造体の曲げ強度及びヤング率を測定した。それらの結果を表1に示す。
Claims (7)
- 筒状の周壁と、前記周壁の内部を前記周壁の軸方向に延びる複数のセルに区画する断面ハニカム形状の区画壁とを備えるハニカム構造体の製造方法であって、
セラミック粒子、有機バインダー、及び分散媒を含有する混合物を成形して成形体を得る成形工程と、
前記成形体に含まれる前記有機バインダーを除去して脱脂体を得る脱脂工程と、
前記脱脂体の前記周壁及び前記区画壁の内部に純度98%未満の金属ケイ素を含浸させる含浸工程とを有し、
前記含浸工程は、不活性ガス雰囲気下又は真空下で、1400〜1900℃にて行うことを特徴とするハニカム構造体の製造方法。 - 前記セラミック粒子は、炭化ケイ素からなる粒子であることを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記含浸工程において、前記脱脂体の気孔容積の1.00〜1.05倍の体積に相当する量の金属ケイ素を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記含浸工程において、前記脱脂体に対して金属ケイ素の塊を接触させた状態で加熱することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記成形工程は、押し出し成形により前記成形体を得る工程であり、
前記含浸工程において、押し出し成型時における押し出し方向が上下方向となるように前記脱脂体を設置するとともに、前記脱脂体の上に金属ケイ素の塊を載せた状態として加熱することを特徴とする請求項4に記載のハニカム構造体の製造方法。 - 前記有機バインダーが焼失する温度に加熱された加工具を前記成形体に接触させることによって、前記成形体の一部を除去する加工工程を有し、
前記加工工程の後に前記脱脂工程を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のハニカム構造体の製造方法。 - 前記ハニカム構造体は、一部の前記セル同士を連通するとともに一端が前記周壁に開口する連通部を備えるものであり、
前記加工工程は、前記連通部を形成する工程であることを特徴とする請求項6に記載のハニカム構造体の製造方法。
Priority Applications (5)
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