KR20080024052A - 구조체 - Google Patents

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KR20080024052A
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야스따까 이또
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이비덴 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 저온 영역에서 단열성이 높고, 고온 영역에서 방열성이 높은 재료를 제공하는 것을 목적으로 하며, 본 발명의 구조체는 금속으로 이루어지는 기재와, 결정성 및 비정질 무기재로 이루어지는 무기 재료 표면층으로 구성되는 구조체이며, 상기 무기 재료 표면층의 열전도율이 상기 기재의 열전도율보다 낮고, 상기 무기 재료 표면층의 적외선 방사율이 상기 기재의 적외선 방사율보다 높으면서, 상기 기재는 환상체인 것을 특징으로 한다.
구조체, 기재, 무기 재료 표면층, 환상체

Description

구조체{STRUCTURE}
도 1은 본 발명의 구조체의 내부에서 복사 및 반사가 생기는 모습을 모식적으로 나타낸 상면도이다.
도 2(a), (b), (c), (d)는 각각 본 발명의 구조체의 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 구조체의 성능 평가를 행하기 위한 평가 장치를 모식적으로 나타낸 일부 절결 사시도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 20, 30, 40, 100: 구조체
11, 21, 31, 41, 101: 금속 기재
12, 22, 32, 42, 102: 무기 재료 표면층
[특허 문헌 1] 일본 특허 공고 (평)2-47555호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공고 (평)3-62798호 공보
본 발명은 구조체에 관한 것이다.
결정 성장 등에 이용되는, 고온에서 사용되는 가열로에서는 처리 시간을 단축하기 위해 소정 처리 온도까지의 승온 시간이 짧은 것이 요망되는 한편, 열 처리 온도를 안정시키기 위해 소정 처리 온도까지 승온시킨 후에는 처리 온도를 초과하여 노 내가 과승온되지 않는 것이 요망되고 있다.
예를 들면, InGaSb의 결정을 성장시킬 때에는 가열로 속에 괴상의 GaSb 원료를 두고, 그 위에 InGaSb 원료를 두어 가열로를 유도 가열하지만, 가열은 가열로의 온도가 GaSb의 융점(712 ℃)과 InGaSb의 융점(525 내지 712 ℃) 사이가 되도록 행한다. 이와 같이 가열하면, InGaSb 원료만이 융해되어 InGaSb 결정 용액이 형성되고, GaSb 덩어리 위에 축적되게 되기 때문에, 이 용액에 GaSb 시드 결정을 접촉시켜서 InGaSb 용액의 온도를 일정하게 유지한 후에, 회전시키면서 끌어올림으로써 InGaSb 단결정을 성장시킬 수 있다.
상기 공정에서는 가열로를 525 ℃ 이상으로 승온시키는 시간이 짧은 것이 바람직하고, 또한 가열로의 온도는 712 ℃를 초과해서는 안된다.
이러한 상황 하에서, 승온 시간을 단축하기 위해서는 저온 영역에서의 노 내의 단열성을 높이는 것이 유효하고, 노체(내벽로)를 단열성이 높은 재료, 즉 열전도율이 낮은 재료로 제조하는 것이 바람직한 것으로 생각된다.
또한, 처리 온도를 초과하여 노 내가 과승온되지 않도록 하기 위해서는 고온 영역에서의 방열성을 높여서 고온 영역에서 노체가 승온하기 어려워지도록 하는 것이 유효하며, 노체를 방열성이 높은 재료, 즉 방사율이 높은 재료로 제조하는 것이 바람직한 것으로 생각된다.
이러한 특성을 만족시키는 재료로서는, 근청석, 알루미나, 지르코니아 등의 산화물계 세라믹을 들 수 있다. 그러나, 이들 재료는 금속 재료 등에 비해 내열충격성이 떨어지고, 또한 고가이기 때문에, 노체 전체를 이들 재료로 제조하는 것은 현실적이지 않다. 그 때문에, 저온 단열 특성 및 고온 방열 특성을 갖는 재료가 요망되었다.
여기서, 일본 특허 공고 (평)2-47555호 공보에는 방열성이 높은 재료로서, 금속 기재의 표면에 산화물계 세라믹과 저융점 고팽창 유리를 포함하는 무기 화합물 피막이 형성되어 이루어지는 원적외선 방사체가 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공고 (평)3-62798호 공보에는 마찬가지로 방열성이 높은 재료로서, 금속 기재의 표면에 금속 산화물과 저융점 고팽창 유리를 포함하는 적외선 흑체 도료 피막이 형성되어 이루어지는 적외선 방사체가 개시되어 있다.
그러나, 이들 원적외선 방사체 및 적외선 방사체는 고온시에서의 방열성이 불충분하다는 문제가 있고, 이 온도 영역에서는 더욱 양호한 방열 특성을 갖는 재료가 요구되었다.
또한, 이들 원적외선 방사체 및 적외선 방사체에서는 저온에서의 단열 특성은 보증되지 않았다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 저온 영역에서 단열성이 높고 고온 영역에서 방열성이 높은 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 구조체는 금속으로 이루어지는 기재와, 결정성 및 비정질 무기재로 이루어지는 무기 재료 표면층으로 구성되는 구조체이며, 상기 무기 재료 표면층의 열전도율이 상기 기재의 열전도율보다 낮고, 상기 무기 재료 표면층의 적외선 방사율이 상기 기재의 적외선 방사율보다 높으면서, 상기 기재는 환상체인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 구조체에 있어서, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 열전도율은 0.1 내지 2 W/mK인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 구조체에 있어서, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 파장 1 내지 15 ㎛에서의 방사율은 0.7 내지 0.98인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 구조체에 있어서, 상기 기재 표면의 요철량(RzJIS)은 상기 무기 재료 표면층 두께의 1/60 이상인 것이 바람직하다.
우선, 본 발명의 구조체에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.
본 발명의 구조체는 금속으로 이루어지는 기재(이하, 금속 기재라고도 함)와 결정성 및 비정질 무기재로 이루어지는 무기 재료 표면층으로 구성되는 구조체이며, 상기 무기 재료 표면층의 열전도율이 상기 기재의 열전도율보다 낮고, 상기 무기 재료 표면층의 적외선 방사율이 상기 기재의 적외선 방사율보다 높으면서, 상기 기재가 환상체인 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 구조체의 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이고, 도 2(a) 및 (b)는 원통 형상의 구조체, (c) 및 (d)는 타원통 형상의 구조체이고, 각각의 기재의 외면 또는 내면에는 무기 재료 표면층이 형성되어 있다.
이들은 모두 동일한 성능을 갖기 때문에, 여기서는 도 2(a)에 나타낸 원통 형상의 구조체를 예로 하여 본 발명의 구조체를 설명한다.
도 2(a)에 나타내는 구조체(10)는 금속으로 이루어지는 원통 형상의 금속 기재(11)의 외측 표면이 결정성 및 비정질 무기재로 이루어지는 무기 재료 표면층(12)에 의해 피복되어 있고, 반경이 다른 2종의 재료가 밀착된 2중 구조로 되어 있다.
또한, 무기 재료 표면층(12)은 그의 실온에서의 열전도율이 금속 기재(11)보다 낮고, 실온에서의 적외선 방사율이 금속 기재(11)보다 높도록 구성되어 있다.
한편, 본 명세서 중에서 실온이란 25 ℃를 말하는 것으로 한다.
또한, 본 명세서에서 무기 재료 표면층의 열전도율이란 실온에서의 결정성 무기재와 비정질 무기재의 혼합물로서의 열전도율을 말하며, 무기 재료 표면층을 구성하는 각 결정성 무기재 및 비정질 무기재의 열전도율 및 그의 비율 등에 따라 결정된다.
한편, 본 발명의 구조체를 구성하는 무기 재료 표면층(12)은 저온 영역 전체에 있어서도 그의 열전도율이 금속 기재(11)의 열전도율보다 낮도록 구성되어 있다.
또한, 본 명세서에서의 저온 영역 및 고온 영역이란, 그의 용도와 구조체를 구성하는 금속 기재 및 무기 재료 표면층의 재질에 따라 다르고, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 금속 기재가 SUS430재이며, 무기 재료 표면층이 MnO2, CuO를 포함하는 결정성 무기 재료와 SiO2-BaO 유리를 포함하는 비정질 무기 재료로 이루어지는 경우, 저온 영역은 0 ℃ 이상 500 ℃ 이하이고, 고온 영역은 500 ℃ 초과 1000 ℃ 이하의 범위이다.
본 발명의 구조체는 무기 재료 표면층의 열전도율이 금속 기재보다 낮기 때문에, 예를 들면 도 2(a)와 같은 형상의 본 발명의 구조체(10)에서는 금속 기재(11)의 내측에 부착한 히터 등으로 금속 기재(11)를 가열했을 때, 또는 금속 기재(11)의 내측 공간에 열원을 배치하여 금속 기재(11)를 가열했을 때에는 금속 기재(11) 및 금속 기재(11)의 내측 공간으로의 전도 전열 속도는 빠른 한편, 금속 기재(11)로부터 무기 재료 표면층(12)을 거쳐 구조체(10)의 외부로 열이 전도 전열되는 속도가 늦어진다. 그 때문에, 본 발명의 구조체(10)는 전체적으로 단열성이 높은 재료가 되어, 저온 영역에서 열을 외부로 밀어내기 어려워진다.
따라서, 본 발명의 구조체(10)를 이용하여 내부를 가열했을 때, 금속 기재(11) 및 금속 기재(11)의 내측 공간을 신속히 승온시킬 수 있다.
또한, 무기 재료 표면층(12)은 그의 적외선 방사율이 금속 기재(11)의 적외선 방사율보다 높다. 본 명세서에 있어서, 무기 재료 표면층의 적외선 방사율이란, 실온에서의 결정성 무기재와 비정질 무기재의 혼합물로서의 적외선 방사율을 말하며, 적외선 영역 전체에서의 방사율의 평균치로서 표현되는 물성이다.
한편, 본 발명의 구조체를 구성하는 무기 재료 표면층(12)은 고온 영역에서 도 그의 적외선 방사율이 금속 기재(11)의 적외선 방사율보다 높도록 구성되어 있다.
여기서, 물체로부터의 단위 면적당 방사 전열 속도는 슈테판-볼츠만의 법칙에 따라, 물체 온도의 4승과 물체 방사율의 곱에 비례한다. 그 때문에, 고온 영역에서는 물체 온도의 4승의 항의 영향이 커져서 방사 전열 속도는 저온 영역시에 비해 비약적으로 증대하게 된다.
그 때문에, 무기 재료 표면층(12)의 적외선 방사율을 높게 함으로써, 무기 재료 표면층(12)을 거쳐서 구조체(10)의 외부로 방사 전열되는 방사 전열 속도를 증대시킬 수 있기 때문에, 본 발명의 구조체(10)는 방열성이 높은 재료가 되어, 외부로 열을 밀어내기 쉬워진다.
따라서, 본 발명의 구조체(10)를 이용하면, 고온 영역에서의 금속 기재(11) 및 금속 기재(11)의 내측 공간의 온도 상승을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 구조체는 환상체이기 때문에, 구조체 내부의 기체나 액체가 외부 공간으로 누출되는 것을 방지할 수 있다. 그 때문에, 구조체 내부의 단열성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 구조체를 환상체로 함으로써, 방열성이 복사에 의존하는 고온 영역에 있어서 방열성을 향상시켜서 구조체 내부의 온도를 저하시킬 수 있다.
여기서, 본 명세서 중에서의 환상체란, X, Y, Z축이 서로 직교하는 3차원의 직교 좌표계에 있어서, X-Y, Y-Z, Z-X 평면 중 적어도 하나의 평면 상에서 그의 형상이 닫혀 있는 것을 말한다. 따라서, 본 명세서에서의 환상체에는 그의 길이 방 향으로 수직인 단면 형상이 원형인 것뿐만 아니라, 타원형, 직사각형인 것도 포함된다.
본 발명의 구조체를 환상체로 함으로써 방열성이 향상되는 이유는 분명하지 않지만, 도 1에 나타낸 바와 같이, 열원(1)으로부터의 복사열(2)이 구조체(10)의 내벽에 입사되면, 구조체(10)의 표면으로부터 복사열(3)이 방사되는 동시에, 반사된 복사열(4)은 다시 구조체(10)의 내벽에 입사된다. 그렇게 하면, 다시 구조체(10)의 표면으로부터 복사열(5)이 방사되고, 반사된 복사열(6)은 다시 구조체(10)의 내벽에 입사된다. 이와 같이, 구조체가 환상체인 경우에는 복사열이 잇달아 반사되어 방열이 진행되기 때문에, 방열성이 개선되는 것으로 추정된다.
한편, 상기 열원은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 노체, 히터, 반응 가스, 가열용 오일 등을 들 수 있다.
특히, 본 발명의 구조체를 환상체로 함으로써, 상기 열원으로서의 반응 가스나 가열용 오일과 같은 고온의 기체 또는 액체를 외부 공간에 누출시키지 않고 구조체 내에 유통시킬 수 있다.
상기 기재의 재료로서는 강, 철, 구리 등의 금속, 인코넬, 하스텔로이, 인바 등의 니켈기 합금, 스테인레스 등의 다른 합금 등을 사용할 수 있다. 이들 금속 재료는 열전도율이 높기 때문에, 본 발명의 구조체의 기재의 재료로서 사용했을 경우에는 기재 및 기재 내측 공간으로의 전도 전열 속도를 빠르게 할 수 있어, 소정 온도까지의 승온 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 이들 금속 재료는 내열성이 높기 때문에, 500 내지 1000 ℃의 온도 영 역에서 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 이들 금속 재료를 기재로 함으로써, 본 발명의 구조체를 내열충격성, 가공성, 기계적 특성 등이 우수한 비교적 저렴한 구조체로 할 수 있다.
상기 기재의 두께의 바람직한 하한은 0.2 ㎜, 보다 바람직한 하한은 0.4 ㎜이고, 바람직한 상한은 10 ㎜, 보다 바람직한 상한은 4 ㎜이다.
두께가 0.2 ㎜ 미만이면 강도가 부족하기 때문에 가열로의 구조체로서 사용할 수 없고, 또한 두께가 10 ㎜를 초과하면 기재의 승온에 요하는 시간이 길어지기 때문이다.
상기 무기 재료 표면층은 결정성 및 비정질 무기재로 구성되어 있다.
결정성 무기재로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 전이 금속의 산화물을 이용하는 것이 바람직하고, 이산화망간, 산화망간, 산화철, 산화코발트, 산화구리 및 산화크롬으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상이 바람직하다.
이러한 전이 금속의 산화물은 그의 열전도율이 금속 기재에 비해 낮기 때문에, 무기 재료 표면층을 거쳐서 구조체의 외부로 열이 전도 전열되는 속도를 느리게 할 수 있어, 본 발명의 구조체를 단열성이 높은 구조체로 할 수 있다.
또한, 이러한 전이 금속의 산화물은 적외선 영역에서의 방사율이 높기 때문에, 방사율이 높은 무기 재료 표면층을 형성할 수 있다. 그 때문에, 본 발명의 구조체를 방열성이 높은 구조체로 할 수 있다.
무기 재료 표면층은 도 2(a) 및 (c)에 나타낸 바와 같이 환상체인 금속 기재(11, 31)의 외면에 설치할 수도 있고, 도 2(b) 및 (d)에 나타낸 바와 같이 환상체 인 금속 기재(21, 41)의 내면에 설치할 수도 있다.
또한, 환상체인 기재의 내면, 외면 둘 다에 무기 재료 표면층을 설치할 수 있다. 이 경우, 단열 성능 및 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
비정질 무기재로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바륨 유리, 붕소 유리, 스트론튬 유리, 알루미나 규산 유리, 소다 아연 유리 및 소다 바륨 유리로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상이 바람직하다.
이러한 비정질 무기재는 저융점 유리이고, 연화 온도가 400 내지 1000 ℃의 범위에 있기 때문에, 융해시켜 금속 기재의 표면에 도포하여 가열 소성 처리함으로써, 금속 기재의 표면에 무기 재료 표면층을 용이하면서도 강고하게 형성할 수 있다.
또한, 이러한 비정질 무기재는 그의 열전도율이 금속 기재에 비해 낮기 때문에, 무기 재료 표면층을 거쳐 외부로 열이 전도 전열되는 속도를 느리게 할 수 있어, 본 발명의 구조체를 단열성이 높은 구조체로 할 수 있다.
여기서, 무기 재료 표면층을 구성하는 재료 중, 전이 금속의 산화물로 이루어지는 결정성 무기재의 열팽창률은 8 ~ 9×10-6/℃로 낮고, 저융점 유리로 이루어지는 비정질 무기재의 열팽창률은 8 ~ 25×10-6/℃로 높기 때문에, 상기 결정성 무기재와 상기 비정질 무기재의 배합비를 조정함으로써 무기 재료 표면층의 열팽창률을 제어할 수 있다. 금속 기재, 예를 들면 스테인레스의 열팽창률은 10 ~ 18×10- 6/℃이기 때문에, 상기 결정성 무기재와 상기 비정질 무기재의 배합비를 조정함으로써, 무기 재료 표면층과 금속 기재의 열팽창률을 근접시킬 수 있어, 무기 재료 표면층과 금속 기재의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 무기 재료 표면층의 바람직한 열팽창률은 기재의 금속 재료와의 조합에 따라 다르지만, 금속 기재와의 열팽창률의 차이가 10×10-6/℃ 이하인 것이 바람직하다.
무기 재료 표면층 중의 결정성 무기재의 배합 비율은 상술한 바와 같이 열팽창률의 제어와의 관계로 결정할 수 있지만, 그의 바람직한 하한은 10 중량％, 보다 바람직한 하한은 30 중량％이고, 바람직한 상한은 90 중량％, 보다 바람직한 상한은 70 중량％이다. 결정성 무기재의 배합 비율이 10 중량％ 미만이면 방사율을 충분히 높일 수 없어 고온에서의 방열성이 저하되고, 또한 배합 비율이 90 중량％를 초과하면 금속 기재와의 밀착성이 저하되기 때문이다.
또한, 무기 재료 표면층의 두께의 바람직한 하한은 2 ㎛, 바람직한 상한은 50 ㎛이다. 두께가 2 ㎛ 미만이면 저온시의 단열 성능이 저하되고, 또한 두께가 50 ㎛를 초과하면 기재에 대한 막 형성이 어려워지기 때문이다.
또한, 본 발명의 구조체는 환상체이면 그의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 도 2에 나타낸 원통 형상 또는 타원통 형상인 것이 바람직하다.
도 2(a)에 나타낸 원통 형상의 경우, 그의 직경(외경)의 바람직한 하한은 5 ㎜, 바람직한 상한은 200 ㎜이다. 상기 범위로 함으로써, 방열 성능이나 단열 성능을 유효하게 발휘시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 구조체에 있어서, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 열전도율은 0.1 내지 2 W/mK인 것이 바람직하다.
무기 재료 표면층의 실온에서의 열전도율은 세선 가열법, 열선법, 레이저 플래시법 등의 기지의 측정 방법에 의해 측정할 수 있다.
그러나, 본 발명의 구조체의 형상 그대로 측정하면, 금속 기재를 포함한 구조체 전체의 열전도율을 측정하게 되어, 무기 재료 표면층의 열전도율을 측정할 수 없기 때문에, 그의 측정 시료는 별도로 제조할 필요가 있다.
구체적으로는, 결정성 무기재와 비정질 무기재를 소정 비율로 분쇄 혼합하고, 다음으로 비정질 무기재의 융점 이상의 온도로 가열하여 비정질 무기재를 융해시킨 상태에서 혼련하고, 냉각 고화하여 고형물을 제조한다.
이 고형물을 각 측정 방법에 적합한 형상으로 가공함으로써, 기지의 측정 방법에 의해 열전도율을 측정할 수 있다.
결정성 무기재로서 사용할 수 있는 전이 금속 산화물의 실온에서의 열전도율은 0.5 내지 2 W/mK이고, 비정질 무기재로서 사용할 수 있는 저융점 유리의 실온에서의 열전도율은 0.1 내지 1.2 W/mK이기 때문에, 이들 결정성 무기재 및 비정질 무기재에 의해 무기 재료 표면층을 제조한 경우에는 그의 실온에서의 열전도율을 0.1 내지 2 W/mK로 할 수 있다.
본 발명의 구조체에 있어서, 무기 재료 표면층의 실온에서의 열전도율이 0.1 내지 2 W/mK이면, 무기 재료 표면층을 거쳐서 외부로 열이 전도 전열되는 속도를 상당히 느리게 할 수 있다. 그 때문에, 저온 영역에서의 단열성이 매우 높은 구조 체로 할 수 있다.
열전도율이 0.1 W/mK 미만인 무기 재료 표면층으로 하는 것은 본 발명의 무기 재료 표면층의 조성으로는 곤란하고, 또한 열전도율이 2 W/mK를 초과하면 저온에서의 단열성이 불충분해진다.
또한, 본 발명의 구조체에 있어서, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 파장 1 내지 15 ㎛에서의 방사율은 0.7 내지 0.98인 것이 바람직하다.
무기 재료 표면층의 방사율은 본 발명의 구조체에 대하여 무기 재료 표면층을 형성한 면에 대하여 측정할 수 있고, 또한 열전도율의 측정과 마찬가지로 측정 시료를 별도로 제조하여 측정할 수도 있다. 측정 방법으로서는 기지의 분광 광도법에 의한 측정을 이용할 수 있다.
결정성 무기재로서 사용할 수 있는 전이 금속 산화물의 실온에서의 파장 1 내지 15 ㎛에서의 방사율은 0.75 내지 0.98이고, 비정질 무기재로서 사용할 수 있는 저융점 유리의 실온에서의 파장 1 내지 15 ㎛에서의 방사율은 0.65 내지 0.96이기 때문에, 이들 결정성 무기재 및 비정질 무기재에 의해 무기 재료 표면층을 제조한 경우에는 그의 방사율을 0.7 내지 0.98의 범위 내로 할 수 있다.
파장 1 내지 15 ㎛의 영역은 소위 근적외선, 원적외선 영역이고, 열적 작용이 큰 영역이다. 이 영역의 방사율이 0.7 내지 0.98이면, 특히 고온 영역에 있어서 무기 재료 표면층으로부터 외부로의 방사 전열 속도를 상당히 크게 할 수 있다. 따라서, 고온 영역에 있어서 방열성이 매우 높은 구조체로 할 수 있다.
방사율이 0.7 미만이면, 무기 재료 표면층으로부터의 방열성이 불충분해지 고, 또한 방사율이 0.98을 초과하는 무기 재료 표면층으로 하는 것은 본 발명의 무기 재료 표면층의 조성으로는 곤란하다.
또한, 본 발명의 구조체에 있어서, 상기 기재 표면의 요철량(RzJIS)은 상기 무기 재료 표면층 두께의 1/60 이상인 것이 바람직하다. 한편, RzJIS는 JIS B 0601:2001로 정의되는 10점 평균 조도이다.
기재 표면에 요철이 형성되어 있으면, 기재 표면이 평활한 경우에 비해 무기 재료 표면층을 기재에 강고하게 밀착시킬 수 있어, 반복적인 승온, 강온을 거치더라도 박리되지 않는 무기 재료 표면층을 형성할 수 있다.
또한, 기재 표면의 요철량이 무기 재료 표면층 두께의 1/60 이상이면, 기재 표면의 요철을 따라서 무기 재료 표면층이 형성되기 때문에, 기재 표면이 평활한 경우에 비해 무기 재료 표면층의 표면적이 커지고, 방사 전열에 기여하는 면적이 증대하기 때문에, 본 발명의 구조체의 방열성을 더욱 높게 할 수 있다.
계속해서, 본 발명의 구조체의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 구조체의 제조 방법은 금속 기재의 표면 처리 공정, 결정성 무기재 및 비정질 무기재를 습식 혼합하여 슬러리를 제조하는 혼합 공정, 금속 기재에 슬러리를 도포하는 도포 공정, 및 슬러리를 도포한 금속 기재를 소성하여 무기 재료 피막을 금속 기재 상에 정착시키는 소성 공정을 포함한다.
처음으로, 금속 기재를 표면 처리하는 표면 처리 공정을 행한다.
금속 기재의 표면 처리는 금속 기재 상의 불순물을 제거하는 동시에, 필요에 따라 금속 기재 표면에 요철을 형성하기 위해 행하는 공정이다.
금속 기재 상의 불순물 처리 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 일반적인 세정 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 알코올 용매 중에서 초음파 세정을 행하는 등의 처리 방법을 사용할 수 있다.
금속 기재 표면에 요철을 형성하기 위한 방법도 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 샌드 블라스트 처리, 에칭 처리, 고온 산화 처리 등의 방법을 들 수 있다. 이들 방법은 단독으로 이용할 수도 있고, 복수의 방법을 병용할 수도 있다. 상기 요철을 형성하기 위한 방법으로서는 종래부터 이용되고 있는 방법을 채용할 수 있다.
한편, 금속 기재 표면에 요철을 형성하는 공정은 필수적인 공정은 아니며, 경우에 따라서는 생략할 수도 있다.
계속해서, 결정성 무기재 및 비정질 무기재를 습식 혼합하는 혼합 공정을 행한다.
이 공정에서는 결정성 무기재의 분말과 비정질 무기재의 분말을 각각 소정의 입도, 형상 등이 되도록 제조하고, 각 분말을 소정의 배합 비율로 건식 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 추가로 물을 가하여 볼 밀로 습식 혼합함으로써 슬러리를 제조한다.
혼합 분말과 물의 배합비는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 혼합 분말 100 중량부에 대하여 물 100 중량부 정도가 바람직하다. 금속 기재에 대한 도포를 행하기 위해 적절한 점도로 할 필요가 있기 때문이다. 또한, 필요에 따라서는 유기 용제를 사용할 수도 있다.
계속해서, 금속 기재에 슬러리를 도포하는 도포 공정을 행한다.
이 공정에서는 표면 처리 공정에서 표면 처리를 행한 금속 기재 상에 혼합 공정에서 제조한 슬러리를 도포한다. 도포 방법은 슬러리를 금속 기재 상에 균일하게 도포할 수 있는 방법이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 분무 코팅, 전사, 브러시 코팅 등의 방법을 들 수 있다.
계속해서, 슬러리를 도포한 금속 기재를 소성하는 소성 공정을 행한다.
이 공정에서는 도포 공정에서 슬러리를 도포한 금속 기재를 건조한 후, 가열 소성하여 무기 재료 표면층을 형성한다. 소성 온도는 비정질 무기재의 융점 이상으로 하는 것이 바람직하고, 배합한 비정질 무기재의 종류에도 의존하지만, 700 ℃ 내지 1100 ℃ 정도가 바람직하다. 소성 온도를 비정질 무기재의 융점 이상의 온도로 함으로써 금속 기재와 비정질 무기재를 강고하게 밀착시킬 수 있어, 반복적인 승온, 강온에 대하여 박리가 발생하지 않는 무기 재료 표면층을 형성할 수 있다.
<실시예>
이하에 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
(금속 기재의 제조)
실온에서의 열전도율(이하, λ로 함)이 25 W/mK, 실온으로부터 500 ℃ 범위 에서 측정한 열팽창률(이하, α로 함)이 10.4×10-6/℃인 SUS430재로서, 두께 2 ㎜, 직경 100 ㎜의 원통을 길이 100 ㎜로 절단하여 금속 기재로 하였다. 또한, 상기 원통과 동일 재질, 두께 2 ㎜, 직경 100 ㎜의 뚜껑용 원반을 2장 준비하였다.
계속해서, 원주 형상으로 조립하였다.
구체적으로는, 2장의 뚜껑용 원반을 저면, 상면으로 하여 금속 기재의 양 개구면과 합쳐 용접함으로써 개구면을 밀봉하여 원주 형상체를 형성하였다.
다음으로, 원주 형상체를 알코올 용매 중에서 초음파 세정하고, 그 후에 샌드 블라스트 처리함으로써, 그의 외표면을 세정, 조화하는 표면 처리 공정을 행하였다.
샌드 블라스트 처리는 ＃600의 SiC 지립을 이용하여 10분간 행하였다.
여기서, 표면 처리 공정 후의 금속 기재 표면의 RzJIS를 측정한 결과, 1.5 ㎛였다.
(무기 재료 표면층의 형성)
다음으로, 결정성 무기 재료로서 MnO2 분말 65 중량％, CuO 분말 5 중량％와, 비정질 무기 재료로서 BaO-SiO2 유리 분말 30 중량％를 건식 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 혼합 분말 100 중량부에 대하여 물을 100 중량부 첨가하여 볼밀로 습식 혼합함으로써 슬러리를 제조하였다.
한편, 상기 조성의 결정성 무기재와 비정질 무기재를 분쇄 혼합하고, 다음으로, 비정질 무기재의 융점 이상의 온도로 가열하여 비정질 무기재를 융해시킨 상태 에서 혼련하고, 냉각 고화시켜 고형물을 제조하고, λ를 신속 열전도율계(교토 덴시 고교 제조: QTM-500)에 의해 측정하였다. 또한, α를 실온 내지 500 ℃ 범위에 대하여 TMA(열기계 분석; Thermomechanical Analysis) 장치(리가쿠 제조: TMA8310)에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
이 슬러리를 상기 원주 형상체의 외면을 향해 분무 코팅에 의해 도포하는 도포 공정을 행하였다.
그 후, 분무 코팅에 의해 도포층이 형성된 상기 원주 형상체를 100 ℃에서 2 시간 건조한 후, 공기 중 700 ℃에서 1 시간 가열 소성하는 소성 공정을 행하여 무기 재료 표면층(102)을 형성하고, 이에 따라 원주 형상의 구조체(100)를 제조하였다(도 3 참조).
형성한 무기 재료 표면층(102)에 대하여 실온에서의 파장 1 내지 15 ㎛ 에서의 방사율을 분광 광도계(측정 장치: 퍼킨 엘머(Perkin Elmer) 제조: system 200형)에 의해 측정하였다. 또한, 형성한 무기 재료 표면층(102)의 두께를 측정하였다. 이들 결과를 표 2에 나타내었다.
(관통 구멍의 형성)
상기 공정에 의해 제조한 원주 형상의 구조체(100)에 대하여 후술하는 세라믹 히터를 설치하기 위해 저면 중앙부에 세로 52 ㎜×가로 52 ㎜의 관통 구멍을 형성하였다.
(평가 장치의 제조)
도 3은 본 발명의 구조체의 성능 평가를 행하기 위한 평가 장치를 모식적으 로 나타낸 일부 절결 사시도이다. 본 도면에서는 구조체의 상면과 전방 측면을 생략하여 도시하고 있다.
이 평가 장치(160)에는 원주 형상의 구조체(100)의 중앙부에 세로 50 ㎜×가로 50 ㎜×높이 20 ㎜의 세라믹 히터(161)가 배치되어 있고, 히터의 가열에 의해 구조체 내부의 공간을 승온시킬 수 있다.
또한, 구조체(100) 저면의 내면으로부터 10 ㎜ 떨어진 위치에 열전대(162)가 배치되어 있고, 구조체 내부 공간의 온도를 측정할 수 있다.
이들 세라믹 히터(161) 및 열전대(162)의 설치 및 배선은 구조체(100)의 저면에 설치된 관통 구멍을 통해 행하고, 또한 세라믹 히터(161)는 그의 저부가 지지용 기둥(163)에 접합되어 지지되도록 하였다.
또한, 구조체(100)는 금속 기재(101)와 동종의 재질로 이루어지는 탑재용 기둥(164)에 탑재하고, 그 저면의 대부분이 다른 부분에 직접 접촉되지 않도록 하였다.
평가 장치(160)를 이용하여 구조체의 성능 평가를 행하였다.
(저온 영역에서의 단열 성능의 평가)
세라믹 히터(161)에 전력을 2 kW 투입하고, 설치한 열전대(162)의 지시 온도가 500 ℃에 도달할 때까지의 승온 시간을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
(고온 영역에서의 방열 성능의 평가)
세라믹 히터(161)에 전력을 2 kW 투입한 상태에서, 방열량과 투입 전력량이 평형이 되어 온도가 일정해진 시점에서의 열전대(162)의 지시 온도를 최고 온도로 하여 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
(무기 재료 표면층의 밀착성 평가)
세라믹 히터(161)에 전력을 투입하여 구조체 내부 공간의 온도를 800 ℃까지 상승시키고, 자연 방냉에 의해 실온까지 냉각하는 공정을 1 사이클로 하여 10 사이클의 반복 시험을 행하고, 반복 시험 후에 무기 재료 표면층(102)이 금속 기재(101)로부터 박리되었는지의 여부를 육안으로 관찰하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 2 내지 4, 7, 참고예 1, 2)
비정질 무기 재료의 비율, 결정 재료의 종류, 기재 재질을 각각 표 1에 나타낸 바와 같이 하고, 이들을 이용하여 실시예 1과 동일하게 하여 구조체를 제조하였다.
여기서, 결정 재료의 비율은 표 1에 나타내는 비정질 무기 재료의 비율을 100％에서 차감한 비율로 하였고, 결정 재료가 2종의 재료로 이루어지는 경우, 그 조성은 각각 MnO2:CuO＝65 중량％:5 중량％, MnO2:Fe3O4＝65 중량％:5 중량％로 하였다.
각 실시예 등에서는 실시예 1과 동일하게 하여 금속 기재 및 무기 재료 표면층의 λ 및 α 및 무기 재료 표면층의 방사율을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
또한, 각 실시예 및 참고예에서는 금속 기재에 대한 샌드 블라스트 처리의 처리 시간을 변경하여, 표면 처리 후의 기재 표면의 RzJIS가 표 2에 나타낸 값이 되도록 표면 처리 공정을 행하였다.
또한, 각 실시예 및 참고예에서는 슬러리를 분무 코팅하는 조건을 변경하여, 표 2에 나타낸 무기 재료 표면층 두께를 갖도록 도포 공정을 행하였다.
각 실시예 및 참고예에서는 제조한 각 구조체에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 평가 장치(160)를 이용하여 구조체의 성능 평가를 행하였다.
평가 결과를 통합하여 표 2에 나타내었다.
(실시예 5)
원주 형상으로 조립하기 전에, 원통 형상의 금속 기재를 실시예 1과 동일하게 알코올 용매 중에서 초음파 세정하고, 그 후에 샌드 블라스트 처리함으로써, 그의 내표면을 세정, 조화하는 표면 처리 공정을 행하였다.
또한, 2장의 뚜껑용 원반의 한쪽 면에 대해서도 동일하게 표면 처리 공정을 행하였다.
실시예 1과 동일하게 하여 슬러리를 제조하고, 이 슬러리를 원통 형상의 금속 기재의 내표면 및 뚜껑용 원반의 한쪽 면(샌드 블라스트 처리를 행한 면)을 향해 분무 코팅에 의해 도포하는 도포 공정을 행하였다.
그 후, 실시예 1과 동일하게 하여 소성 공정을 행하여 무기 재료 표면층을 형성하였다.
무기 재료 표면층을 형성한 면이 구조체의 내면이 되도록 하고, 2장의 뚜껑용 원반을 저면, 상면에 합쳐서 금속 기재와 용접함으로써 개구면을 밀봉하여 원주 형상의 구조체를 제조하였다.
그 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 평가 장치(160)를 이용하여 구조체의 성능 평가를 행하였다. 이들 조건 및 평가 결과를 통합하여 표 1 및 표 2에 나타내었다.
(실시예 6)
처음에, 실시예 5와 동일하게 하여 내면에 무기 재료 표면층이 형성된 원주 형상의 구조체를 제조하였다.
다음으로, 그 원주 형상의 구조체에 대하여 실시예 1과 동일하게 하여 표면 처리 및 외면에 대한 무기 재료 표면층의 형성을 행하여, 외면과 내면 둘 다에 무기 재료 표면층을 갖는 구조체를 제조하였다. 그 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 평가 장치(160)를 이용하여 구조체의 성능 평가를 행하였다.
이들 조건 및 평가 결과를 통합하여 표 1 및 표 2에 나타내었다.
(참고예 3)
결정성 무기 재료로서 석영 분말 65 중량％와, 비정질 무기 재료로서 BaO-SiO2 유리 분말 30 중량％ 및 플라이애쉬 5 중량％를 건식 혼합하여 혼합 분말을 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 무기 재료 표면층을 갖는 구조체를 제조하였다. 그 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 평가 장치(160)를 이용하여 구조체의 성능 평가를 행하였다.
이들 조건 및 평가 결과를 통합하여 표 1 및 표 2에 나타내었다.
(비교예 1)
금속 기재 및 뚜껑용 원반에 무기 재료 표면층을 형성하지 않은 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 구조체를 제조하였다. 그 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 평가 장치(160)를 이용하여 구조체의 성능 평가를 행하였다.
또한, 방사율의 측정은 금속 기재 표면에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 행하였다. 이들 조건 및 평가 결과를 통합하여 표 1 및 표 2에 나타내었다.
(비교예 2)
실시예 1에서 사용한 원통 형상의 금속 기재를 그의 길이 방향과 평행하게 2곳에서 절단하고, 측면의 1/4이 절결된 원통 형상의 금속 기재를 제조하였다.
그 후, 상기 원통 형상의 금속 기재와 뚜껑용 원반을 합쳐서 측면의 일부가 개구된 원주 형상체를 제조하고, 그 밖에는 실시예 1과 동일하게 하여 그의 외면에 무기 재료 표면층을 갖는 구조체를 제조하였다.
그 후, 실시예 1과 동일한 방법으로 평가 장치(160)를 이용하여 구조체의 성능 평가를 행하였다. 이들 조건 및 평가 결과를 통합하여 표 1 및 표 2에 나타내었다.
한편, 비교예 2에서 제조한 구조체는 그의 측면이 닫혀져 있지 않은 형상이기 때문에, 그 기재의 형상이 환상체가 아닌 구조체이다.
Figure 112007042708899-PAT00001
Figure 112007042708899-PAT00002
표 1 및 표 2로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1 내지 7에서 제조한 구조체에서는 승온 시간이 짧고, 최고 온도도 낮게 되어 있다.
비교예 1에서 제조한 구조체에서는 승온 시간이 길고, 최고 온도가 높게 되어 있다. 이는 무기 재료 표면층이 존재하지 않기 때문에, 열전도율이 높아 저온에서의 단열 성능이 떨어지고, 또한 방사율이 낮아 고온에서의 방열 성능이 떨어짐에 따른 것으로 생각된다.
비교예 2에서 제조한 구조체에서는 승온 시간이 길고, 최고 온도가 낮게 되어 있다. 이는 기재의 형상이 환상체가 아니기 때문에, 개구부로부터 고온의 기체가 외부 공간으로 누출되어 버려 단열 성능이 떨어짐에 따른 것으로 생각된다.
또한, 실시예 1 내지 6에서 제조한 구조체에서는 모두 승온 시간이 매우 짧고, 최고 온도도 매우 낮으며, 또한 무기 재료 표면층의 박리도 없었다.
이상의 결과로부터, 금속으로 이루어지는 기재와, 결정성 및 비정질 기재로 이루어지는 무기 재료 표면층으로 구성되는 구조체이며, 상기 무기 재료 표면층의 저온에서의 열전도율이 상기 기재의 열전도율보다 낮고, 상기 무기 재료 표면층의 적외선 방사율이 상기 기재의 적외선 방사율보다 높으면서, 상기 기재가 환상체인 것을 특징으로 하는 구조체는 저온 영역에 있어서 단열성이 높고, 고온 영역에서 방열성이 높음을 알 수 있다.
특히, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 열전도율을 0.1 내지 2 W/mK로 하면, 단열성을 매우 높게 할 수 있고, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 파장 1 내지 15 ㎛에서의 방사율을 0.7 내지 0.98로 하면, 방열성을 매우 높게 할 수 있고, 또한 기재 표면의 요철량(RzJIS)을 상기 무기 재료 표면층 두께의 1/60 이상으로 하면, 상기 무기 재료 표면층을 기재에 강고하게 밀착시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 구조체는 금속 재료로 이루어지는 기재가 열원(히터, 노체 또는 유체 등)을 둘러싸고 있는 환상체이며, 기재의 표면(내면 또는 외면)에 열전도율이 기재의 열전도율보다도 낮고, 적외선 방사율이 기재보다 높은 무기 재료 표면층이 형성되어 있기 때문에, 방열성이나 열전도에 의존하는 저온 영역에서는 구조체 내부로부터의 방열을 저해하여 단열성을 확보할 수 있고, 방열성이 복사에 의존하는 고온 영역에서는 방열을 촉진하여 구조체 내부의 온도를 저하시킬 수 있다.
본 발명의 구조체는 금속 재료로 이루어지는 기재가 열원(히터, 노체 또는 유체 등)을 둘러싸고 있는 환상체이기 때문에, 외부 공간으로의 기체 또는 액체의 누출을 방지하여 구조체 내부의 단열성을 확보할 수 있고, 또한 기재의 표면(내면 또는 외면)에 열전도율이 기재의 열전도율보다 낮고 적외선 방사율이 기재의 적외선 방사율보다 높은 무기 재료 표면층이 형성되어 있기 때문에, 방열성이 열전도에 의존하는 저온 영역에서는 구조체 내부로부터의 방열을 저해하여 구조체 내부의 단열성을 보다 향상시킬 수 있고, 방열성이 복사에 의존하는 고온 영역에서는 구조체 내부로부터의 방열을 촉진하여 구조체 내부의 온도를 저하시킬 수 있다.
한편, 상기 구조체는 기재가 환상체이기 때문에, 구조체 자체가 환상체이다.
구조체를 환상체로 함으로써 고온 영역에 있어서 방열성이 개선되는 메카니즘에 대해서는 분명하지 않지만, 발명자들의 추정으로는 도 1에 나타낸 바와 같이, 열원(1)으로부터의 복사열(2)이 구조체의 내벽에 입사되면, 구조체의 표면으로부터 복사열(3)이 방사되는 동시에, 반사된 복사열(4)은 다시 구조체의 내벽에 입사한다. 그렇게 하면, 다시 구조체의 표면으로부터 복사열(5)이 방사되고, 반사된 복사열(6)은 다시 구조체의 내벽에 입사된다. 이와 같이, 구조체가 환상체인 경우에는 복사열이 잇달아 반사되어 방열이 진행되기 때문에, 방열성이 개선되는 것으로 추정된다.
이와 같이, 본 발명은 구조체 내부의 고속 승온과 구조체 내부의 과열 방지라는 본래 모순된 효과를 동시에 달성할 수 있는 현저한 효과를 갖는다.
이러한 효과는 앞서 기술한 종래 기술에는 기재되어 있지 않다.
종래 기술은 판형체를 개시하는 데 그치며, 애당초 구조체의 내부를 단열할 수 있는 효과나 복사열을 반사할 수 있는 바와 같은 환상 구조는 기재되어 있지 않다.

Claims (4)

  1. 금속으로 이루어지는 기재와, 결정성 및 비정질 무기재로 이루어지는 무기 재료 표면층으로 구성되는 구조체이며,
    상기 무기 재료 표면층의 열전도율이 상기 기재의 열전도율보다 낮고, 상기 무기 재료 표면층의 적외선 방사율이 상기 기재의 적외선 방사율보다 높으면서, 상기 기재는 환상체인 것을 특징으로 하는 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 열전도율이 0.1 내지 2 W/mK인 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기 재료 표면층의 실온에서의 파장 1 내지 15 ㎛에서의 방사율이 0.7 내지 0.98인 구조체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재 표면의 요철량(RzJIS)이 상기 무기 재료 표면층 두께의 1/60 이상인 구조체.
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