KR20240001130A - 내열 구조체 및 열처리로용 부재 - Google Patents

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히로미치 오카시타
다카유키 다다
히로시 마치노
도시하루 히라오카
야스노리 무라키
마사루 가지
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오와다 카본 인더스트리얼 가부시키가이샤
토요 탄소 가부시키가이샤
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Abstract

간편하게 제조할 수 있고, 나아가 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성이 우수하여 열변형이 생기기 어려운, 내열 구조체를 제공한다. 복수 개의 C/C 컴포지트 부재(4)에 의해 구성되어 있는, 심재(2)와, 심재(2)의 표면(2a)의 적어도 일부를 덮고 있고, 금속에 의해 구성되어 있는 쉘재(3)를 구비하는, 내열 구조체(1).

Description

내열 구조체 및 열처리로용 부재
본 발명은 내열 구조체 및 그 내열 구조체를 이용한 열처리로용 부재에 관한 것이다.
종래, 열처리로용 부재에는, 금속제의 재료가 널리 이용되고 있다. 그렇지만, 금속제바는 중량이 무겁고, 고온에서 사용하면 열변형이 생기기 쉽다고 하는 문제가 있다. 그 때문에, 사용 후에 변형된 바를 수정하는 작업이 필요하다. 이에, 이러한 금속제바의 대체로서, 금속 파이프의 내부에, 탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료(C/C 컴포지트(composite))를 배치한 바의 검토가 이루어지고 있다.
예를 들면, 하기의 특허 문헌 1에는, 내열 금속 재료와 카본/카본 재료로 이루어지는 내열 구조 부재가 개시되어 있다. 특허 문헌 1에서는, 내열 금속 재료가 외각(外殼)의 쉘 구조를 이루고, 카본/카본 재료가 외각의 쉘 구조의 내부에 봉입된 심부재를 구성하는 취지가 기재되어 있다. 특허 문헌 1에서는, 외각의 쉘 구조 내에, 헬륨 가스를 봉입한 것을 특징으로 하는 취지가 기재되어 있다. 또, 하기의 특허 문헌 2에는, 특허 문헌 1과 마찬가지의 구조에 있어서, 외각의 쉘 구조 내에, 적어도 물 및/또는 탄소 산화물을 환원하는 환원제를 봉입한 것을 특징으로 하는 취지가 기재되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2018－39708호 특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2017－77998호
그렇지만, 금속 파이프의 내부에, C/C 컴포지트을 배치한 부재에 있어서는, 두께가 큰 C/C 컴포지트이 필요한 경우가 많다. 그렇지만, C/C 컴포지트은 두께가 커질수록, 제조하는 것이 어려워, 생산성이 낮다고 하는 문제가 있다. 또, 두께가 큰 C/C 컴포지트에서는, 제조 코스트가 증대한다고 하는 문제도 있다. 또, 두께가 큰 C/C 컴포지트을 가공한 후의 두께가 작은 단재(端材)에 대해서는 폐기하게 되어 환경면에서의 문제도 있다.
본 발명의 목적은 간편하게 제조할 수 있고, 더 나아가 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성이 우수하여, 열변형이 생기기 어려운, 내열 구조체 및 그 내열 구조체를 이용한 열처리로용 부재를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 내열 구조체는, 복수 개의 C/C 컴포지트 부재에 의해 구성되어 있는, 심재와, 상기 심재의 표면의 적어도 일부를 덮고 있고, 금속에 의해 구성되어 있는, 쉘재를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 있어서는, 상기 심재가 상기 복수 개의 C/C 컴포지트 부재의 적층체인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 C/C 컴포지트 부재의 형상이, 대략 직사각형 판 모양인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 C/C 컴포지트 부재가 2방향 C/C 컴포지트 부재인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 내열 구조체에 하중을 가할 때에, 상기 C/C 컴포지트 부재의 폭 방향을 따르는 단면에 있어서의 가장 긴 변이 연장되는 방향이, 상기 하중을 가하는 방향과 대략 동일 방향이 되도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 내열 구조체에 하중을 가할 때에, 상기 복수 개의 C/C 컴포지트 부재가, 상기 하중을 가하는 방향과 대략 직교하는 방향으로 적층되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 쉘재가, 금속에 의해 구성되어 있는, 파이프이며, 상기 파이프 내에, 상기 복수 개의 C/C 컴포지트 부재가 충전되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 파이프의 단면 형상이, 대략 다각형상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 파이프의 단면 형상이 대략 원 모양이어도 된다.
본 발명에 있어서는, 상기 파이프의 두께가 0.1mm 이상, 3mm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 파이프 내에 있어서의 상기 C/C 컴포지트 부재의 충전율이, 70% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 쉘재가 상기 심재의 표면을 부분적으로 덮고 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 상기 내열 구조체가 비산화 분위기하에서 이용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열처리로용 부재는, 본 발명에 따라서 구성되는 내열 구조체를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의하면, 간편하게 제조할 수 있고, 더 나아가 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성이 우수하여, 열변형이 생기기 어려운, 내열 구조체 및 그 내열 구조체를 이용한 열처리로용 부재를 제공할 수 있다. 또, 두께가 작은 단재의 이용에 의해 지구 환경면에서의 배려도 가능해진다.
도 1의 (a)는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 내열 구조체의 길이 방향을 따르는 모식적 단면도이고, 도 1의 (b)는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 제1 변형예에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 제2 변형예에 따른 내열 구조체의 길이 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 내열 구조체에 있어서의 길이 L1 및 L2를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 내열 구조체를 나타내는 모식적 사시도이다.
도 9는 실시예 1에서 제작한 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 10은 실시예 4에서 제작한 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 11은 실시예 8에서 제작한 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 12는 실시예 9에서 제작한 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 13은 실시예 10에서 제작한 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 14는 실시예 11에서 제작한 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 15는 참고예 1에서 제작한 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
이하, 본 발명의 상세를 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1의 (a)는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 내열 구조체의 길이 방향을 따르는 모식적 단면도이다. 또, 도 1의 (b)는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다. 또한, 내열 구조체(1)의 길이 방향이란, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타내는 Z방향이다. 내열 구조체(1)의 폭 방향이란, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타내는 Y방향이다.
도 1의 (a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 내열 구조체(1)는 심재(2)와, 쉘재(3)를 구비한다. 쉘재(3)는 심재(2)의 표면(2a)을 덮고 있다.
본 실시 형태에서는, 쉘재(3)가 금속 파이프이다. 이 쉘재(3)의 내부에, 4개의 C/C 컴포지트 부재(4)로 이루어지는 심재(2)가 충전되어 있다. 그것에 의해서, 본 실시 형태에서는, 열처리로용 바인 내열 구조체(1)가 구성되어 있다. 또한, 「C/C 컴포지트」이란, 탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료인 것을 말한다. 본 실시 형태에서는, C/C 컴포지트 부재(4)로서, 2차원 구조를 갖는 2방향 C/C 컴포지트(2 DC/C 컴포지트) 부재를 이용하고 있다.
본 실시 형태에서는, 내열 구조체(1)에 하중을 가할 때에, 도 1의 (b)에 나타내는 화살표 ○의 방향에서 하중을 가하는 것으로 한다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 하중을 가하는 방향이, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타내는 X방향이 된다.
도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 심재(2)를 구성하는 C/C 컴포지트 부재(4)는, 각각, 대략 직사각형 판 모양의 형상을 가지고 있다. 또, 폭 방향 Y를 따르는 단면에 있어서, C/C 컴포지트 부재(4)에 있어서의 가장 긴 변(4a)이 연장되는 방향이, 하중을 가하는 X방향과 대략 동일 방향이 되도록, 각 C/C 컴포지트 부재(4)가 배치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, C/C 컴포지트 부재(4)의 섬유 방향도 하중을 가하는 X방향과 대략 동일 방향이 되도록 배치되어 있다.
또, 본 실시 형태에서는, 각 C/C 컴포지트 부재(4)가, 하중을 가하는 X방향과 대략 직교하는 Y방향을 따르도록 적층되어 있다. 그것에 의해서, 본 실시 형태에서는 심재(2)가 구성되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 대략 동일 방향이란, 완전하게 동일 방향뿐만이 아니라, 동일 방향에 대해서 ±5°기울어진 범위까지를 포함하는 것으로 한다. 또, 대략 직교하는 방향이란, 완전하게 직교하는 방향뿐만이 아니라, 직교하는 방향에 대해서 ±5°기울어진 범위까지를 포함하는 것으로 한다.
본 실시 형태의 내열 구조체(1)에서는, 상기와 같이, 금속 파이프인 쉘재(3)의 내부에, C/C 컴포지트 부재(4)에 의해 구성되어 있는, 심재(2)가 마련되어 있으므로, 내열 구조체(1)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 높일 수 있고, 열변형을 일으키기 어렵게 할 수 있다. 또, 쉘재(3)의 내부에는, 복수 개의 C/C 컴포지트 부재(4)를 배치할 수 있으므로, 각 C/C 컴포지트 부재(4)의 두께를 얇게 할 수 있다. 내열 구조체(1)는 이러한 복수 개의 C/C 컴포지트 부재(4)를 쉘재(3)의 내부에 배치하는 것만으로 제조할 수 있으므로, 제조가 용이하고, 생산성을 높일 수 있다. 또, 두께가 얇은 C/C 컴포지트 부재(4)를 이용할 수 있으므로 제조 코스트도 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태에 있어서, 쉘재(3)를 구성하는 금속 파이프의 단면 형상은, 대략 정사각형이다. 당연히, 쉘재(3)의 단면 형상은 특별히 한정되지 않고, 대략 다각형상이어도 되고, 대략 원 모양이어도 된다. 그 중에서도, 금속 파이프의 단면 형상은 직사각 형상을 포함하는 대략 직사각 형상인 것이 바람직하다. 이 경우, C/C 컴포지트 부재(4)의 충전율을 보다 한층 높일 수 있다.
쉘재(3)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 0.1mm 이상, 바람직하게는 3mm 이하이다. 쉘재(3)의 두께가 상기 범위 내에 있는 경우, 다른 금속 등의 부재에 대한 내마모성을 보다 한층 높일 수 있다.
또, 쉘재(3)의 재료로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, SUS를 이용할 수 있다. 혹은, SUS나 카본과 반응하기 어려워, 열처리 용도로서 사용되는 금속 재료를 이용해도 된다. 이러한 금속 재료로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, STKMR(기계 구조용 각형(角型) 강관), STPG(압력 배관용 탄소강 강관) 등을 이용할 수 있다.
본 실시 형태의 내열 구조체(1)에서는, 쉘재(3)의 내부에, 4개의 C/C 컴포지트 부재(4)가 배치되어 있다. 당연히, 쉘재(3)의 내부에 배치되는 C/C 컴포지트 부재(4)의 개수는, 특별히 한정되지 않고, C/C 컴포지트 부재(4)의 두께에 따라 적절히 결정할 수 있다.
　쉘재(3)의 내부에 배치되는 C/C 컴포지트 부재(4)의 개수는, 바람직하게는 2개 이상, 보다 바람직하게는 3개 이상이며, 바람직하게는 6개 이하, 보다 바람직하게는 5개 이하로 할 수 있다.
　쉘재(3)의 내부에 배치되는 C/C 컴포지트 부재(4)의 충전율은, 바람직하게는 70% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상이다. 이 경우, 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 보다 한층 높일 수 있어, 열변형을 보다 한층 생기기 어렵게 할 수 있다. 또한, 쉘재(3)의 내부에 배치되는 C/C 컴포지트 부재(4)의 충전율은, 100%여도 된다.
본 실시 형태의 내열 구조체(1)에서는, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 각 C/C 컴포지트 부재(4)의 두께 b가, 각각, 동일한 두께이다. C/C 컴포지트 부재(4)의 두께 b는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 0.5mm 이상, 12mm 이하로 할 수 있다.
당연히, 도 2에 나타내는 제1 변형예의 내열 구조체(1A)와 같이, 각 C/C 컴포지트 부재(4A, 4B)의 두께는, 달라도 된다. 도 2에 나타내는 제1 변형예에서는, 중앙측의 2개의 C/C 컴포지트 부재(4A)의 두께가, 단부측의 4개의 C/C 컴포지트 부재(4B)의 두께보다도 두껍게 되어 있다.
본 실시 형태의 내열 구조체(1)에서는, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 심재(2)의 길이 방향 Z를 따르는 표면(2a) 전체가 쉘재(3)에 의해 덮여 있다. 한편, 단면(2b, 2c)은 쉘재(3)에 의해 덮여 있지 않다. 따라서, 발생한 공기가 밖으로 빠지기 때문에, 파열 등의 우려를 보다 한층 저감시킬 수 있다.
또, 도 3에 나타내는 제2 변형예의 내열 구조체(1B)와 같이, 쉘재(3)는 그 일부가 도려내져 있어도 되고, 마모 개소에만 쉘재(3)가 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 내열 구조체(1B)를 보다 한층 경량화될 수 있다.
본 실시 형태의 내열 구조체(1)에서는, 하중을 가하는 주면(1a)에 표시를 해도 된다. 그 외에도 하중을 가하는 주면(1a)을 분별하는 방법으로서, 핀 구멍 가공, 용접부의 방향의 조정, 금속 파이프 및 C/C 컴포지트 부재(4)로의 가공, 표시를 마련하는 등을 행해도 된다. 이 경우, 사용 방향을 보다 한층 명확하게 할 수 있어, 작업성을 보다 한층 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태의 내열 구조체(1)에서는, 심재(2)를 구성하는 C/C 컴포지트 부재(4)로서, 시판의 C/C 컴포지트 부재(4)를 이용할 수 있다. 또, C/C 컴포지트 부재(4)는, 이하의 방법으로 제조하여 이용해도 된다.
구체적으로는, 먼저, 탄소 섬유에 열경화성 수지 조성물을 함침(含浸)시켜, 성형하는 것에 의해 성형체를 얻는다.
탄소 섬유로서는, 예를 들면, 폴리아크릴로니트릴계 탄소 섬유(PAN계 탄소 섬유)나, 피치계 탄소 섬유를 이용할 수 있다. 탄소 섬유로서는, 2방향으로 정렬된 탄소 섬유를 이용하여, 2 DC/C 컴포지트으로 하는 것이 바람직하다. 열경화성 수지 조성물은 열경화성 수지만에 의해 구성되어 있어도 되고, 열경화성 수지와 첨가물을 포함하고 있어도 된다. 열경화성 수지 조성물은 피치를 포함하고 있어도 된다. 또, 성형체는 인발 성형에 의해 성형하는 것이 바람직하다. 이 경우, 탄소 섬유를 보다 일 방향으로 가지런히 하기 쉬워, 보다 높은 탄소 섬유 체적 함유율의 성형체를 얻을 수 있다. 성형체의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 평판 모양이나, 각진 막대 모양, 또는 둥근 막대 모양으로 할 수 있다.
또한, 2 DC/C 컴포지트은 페놀 수지 등의 열경화성 수지를 탄소 섬유 토우에 함침시킨 프리프레그를 늘어놓아 금형 성형에 의해서 얻어도 된다.
다음으로, 성형체를 소성(燒成)하는 것에 의해, 열경화성 수지 조성물을 탄화시켜, 2 DC/C 컴포지트을 얻는다.
소성 공정은 통상 제조 중의 2 DC/C 컴포지트의 산화를 막기 위해서 질소 가스 분위기하 등의 비산화 분위기하에서 행하는 것이 바람직하다.
소성 온도는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 700°이상, 1300°이하로 할 수 있다. 소성 시간은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 최고 온도 유지 시간을 30분 이상, 600분 이하로 할 수 있다.
또, 보다 고밀도인 2 DC/C 컴포지트을 얻기 위해서 피치 함침/소성 공정을 반복하여 행해도 된다. 피치 함침/소성 공정은, 예를 들면, 1회 이상, 10회 이하의 횟수를 반복하여 행할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 2 DC/C 컴포지트에 있어서의 개기공(開氣孔)의 적어도 일부를 치밀화하는, 치밀화 공정을 더 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 기름의 침투나, 산화 소모를 보다 한층 억제할 수 있다.
치밀화 공정으로서는, 예를 들면, 2 DC/C 컴포지트의 개기공에 피치 또는 열경화성 수지를 함침시켜, 탄소화하는 공정을 이용할 수 있다.
치밀화 공정은 CVI 처리를 실시하는 공정이어도 된다.
치밀화 공정은 2 DC/C 컴포지트의 개기공에 용융 실리콘을 함침시켜, 탄화 규소화하는 공정이어도 된다.
또, 치밀화 공정은 2 DC/C 컴포지트의 개기공에 인산 알루미늄을 함침시켜, 열처리하는 공정이어도 된다.
이들 치밀화 공정은 단독으로 이용해도 되고, 복수의 공정을 조합하여 이용해도 된다.
(제2~ 제4 실시 형태)
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 내열 구조체(21)에 있어서도, 쉘재(3) 내에, 4개의 C/C 컴포지트 부재(24A~24D)가 배치되어 있다. 각 C/C 컴포지트 부재(24A~24D)는 동일한 크기이며, 단면 형상이 대략 정사각 형상이다. 또, 섬유 방향이 하중을 가하는 X방향과 대략 동일 방향의 2 DC/C 컴포지트 부재(24A, 24C)와, 섬유 방향이 하중을 가하는 X방향과 대략 직교하는 Y방향의 2 DC/C 컴포지트 부재(24B, 24D)가 서로 이웃하도록 배치되어 있다. 그 외의 점은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 내열 구조체(31)에서는, 쉘재(3) 내에, 5개의 C/C 컴포지트 부재(34A~34E)가 배치되어 있다. 내열 구조체(31)에서는, 단면에 있어서, 1개의 대략 정사각 형상의 C/C 컴포지트 부재(34A)를 둘러싸도록, 4개의 대략 직사각 형상의 C/C 컴포지트 부재(34B~34E)가 배치되어 있다. 또, 가장 긴 변이 연장되는 방향 및 섬유 방향이 하중을 가하는 X방향과 대략 동일 방향의 C/C 컴포지트 부재(34B, 34D)와, 가장 긴 변이 연장되는 방향 및 섬유 방향이 하중을 가하는 X방향과 대략 직교하는 Y방향의 C/C 컴포지트 부재(34C, 34E)가 서로 이웃하도록 배치되어 있다. 그 외의 점은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
도 6은, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 내열 구조체의 폭 방향을 따르는 모식적 단면도이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 내열 구조체(41)에서는, 쉘재(3) 내에, 2개의 C/C 컴포지트 부재(44)가 배치되어 있다. 내열 구조체(41)에서는, 각 C/C 컴포지트 부재(44)가 가장 긴 변이 연장되는 방향 및 섬유 방향이 하중을 가하는 X방향과 대략 직교하는 Y방향이 되도록 배치되어 있다. 그 외의 점은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
제2~ 제4 실시 형태에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 있어서, 쉘재 내에 있어서의 각 C/C 컴포지트 부재의 위치는, 특별히 한정되지 않는다. 어느 경우에 있어서도, 금속 파이프인 쉘재의 내부에 C/C 컴포지트 부재에 의해 구성되어 있는, 심재가 마련되어 있으므로, 내열 구조체의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 높일 수 있어, 열변형을 일으키기 어렵게 할 수 있다. 또, 쉘재의 내부에는 복수 개의 C/C 컴포지트 부재를 배치할 수 있으므로, 각 C/C 컴포지트 부재의 두께를 얇게 할 수 있다. 내열 구조체는 이러한 복수 개의 C/C 컴포지트 부재를 쉘재의 내부에 배치하는 것만으로 제조할 수 있으므로, 제조가 용이하여, 생산성을 높일 수 있다. 또, 두께가 얇은 C/C 컴포지트 부재를 이용할 수 있으므로 제조 코스트도 저감시킬 수 있다.
당연히, 본 발명에 있어서는, 예를 들면, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 가장 긴 변(a)이 연장되는 방향이 하중을 가하는 X방향과 대략 동일 방향이 되도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 내열 구조체(1)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 보다 한층 높일 수 있어, 열변형을 보다 한층 생기기 어렵게 할 수 있다.
또, 내열 구조체의 단면 형상이 대략 직사각 형상인 경우, 도 7에 나타내는 바와 같이, C/C 컴포지트 부재(34A~34E)에 있어서의 하중을 가하는 X방향을 따르는 길이 L1과, 쉘재(3)의 내주면에 있어서의 하중을 가하는 X방향을 따르는 길이 L2의 비(L1/L2)가, 바람직하게는 0.5 이상, 보다 바람직하게는 0.75 이상, 더 바람직하게는 1이다. 이 경우, 내열 구조체(31)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 보다 한층 높일 수 있어, 열변형을 보다 한층 생기기 어렵게 할 수 있다. 또한, 길이 L1은 내열 구조체(31)를 구성하는 5개의 C/C 컴포지트 부재(34A~34E) 중, 하중을 가하는 X방향을 따르는 길이가 가장 긴 C/C 컴포지트 부재(34B, 34D)의 길이로 하는 것으로 한다. 비(L1/L2)는, 예를 들면, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타내는 제1 실시 형태에서는 1이고, 도 4에 나타내는 제2 실시 형태에서는 0.5이다.
또, 평면시에 있어서, 길이 L1을 갖는 C/C 컴포지트 부재(34B, 34D)가 배치되는 면적 S1과, 하중을 가하는 주면(1a)의 전체의 면적 S2과의 비(S1/S2)는, 바람직하게는 0.5 이상, 보다 바람직하게는 0.75 이상, 더 바람직하게는 1이다. 이 경우, 내열 구조체(31)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 보다 한층 높일 수 있어, 열변형을 보다 한층 생기기 어렵게 할 수 있다.
또, 도 7에 나타내는 바와 같이, 하중을 가하는 X방향을 따르는 길이가 2번째로 긴 C/C 컴포지트 부재(34A)를 갖는 경우, 그 길이를 L3이라고 했을 때에, 비(L3/L2)가 바람직하게는 0.25 이상, 보다 바람직하게는 0.5 이상, 바람직하게는 0.75 이하이다. 이 경우, 내열 구조체(31)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 보다 한층 높일 수 있어, 열변형을 보다 한층 생기기 어렵게 할 수 있다.
또, 평면시에 있어서, 길이 L3을 갖는 C/C 컴포지트 부재(34A)가 배치되는 면적 S3과, 하중을 가하는 주면(1a)의 전체의 면적 S2와의 비(S3/S2)는, 바람직하게는 0.5 이상, 바람직하게는 1 이하이다. 이 경우, 내열 구조체(31)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 보다 한층 높일 수 있어, 열변형을 보다 한층 생기기 어렵게 할 수 있다.
또한, 도 4에 나타내는 제2 실시 형태와 같이, 비(L1/L2)가 상대적으로 작은 경우는, C/C 컴포지트 부재(24A~24D)끼리를 접착제나, 핀 고정, 나사 고정에 의해 고정해도 된다. 또, 쉘재(3)의 양단을 완전 밀봉하지 않도록 용접하고, C/C 컴포지트 부재(24A~24D)의 양단부를 고정해도 된다. 이 경우, 내열 구조체(21)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 보다 한층 높일 수 있어, 열변형을 보다 한층 생기기 어렵게 할 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 8은 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 내열 구조체를 나타내는 모식적 사시도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 내열 구조체(51)는 열처리로용 바스켓이다. 내열 구조체(51)는 제1 실시 형태의 내열 구조체(1)와 동일하게, 쉘재(3)의 내부에, 4개의 C/C 컴포지트 부재(4)로 이루어지는 심재(2)가 충전되는 것에 의해 구성되어 있다.
내열 구조체(51)에 있어서도, 금속 파이프인 쉘재의 내부에 C/C 컴포지트 부재에 의해 구성되어 있는, 심재가 마련되어 있으므로, 내열 구조체(51)의 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성을 높일 수 있어, 열변형을 일으키기 어렵게 할 수 있다. 또, 쉘재의 내부에는, 복수 개의 C/C 컴포지트 부재를 배치할 수 있으므로, 각 C/C 컴포지트 부재의 두께를 얇게 할 수 있다. 내열 구조체(51)는, 이러한 복수 개의 C/C 컴포지트 부재를 쉘재의 내부에 배치하는 것만으로 제조할 수 있으므로, 제조가 용이하여, 생산성을 높일 수 있다. 또, 두께가 얇은 C/C 컴포지트 부재를 이용할 수 있으므로 제조 코스트도 저감시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 내열 구조체는, 열처리로용 바, 열처리로용 트레이, 열처리로용 바스켓 등의 열처리용 부재로서 적합하게 이용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 구체적인 실시예 및 비교예를 드는 것에 의해 본 발명을 분명히 한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
실시예 1에서는, 도 9에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(61)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 쉘재(3)로서 두께 1mm인 SUS제 각파이프(19mm×19mm×700mm)를 이용하고, 이 SUS제 각(角)파이프의 내부에, 2개의 2DC/C 컴포지트 부재(64)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×8.5mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(61)를 얻었다. 또한, 하중 방향은 도면의 화살표 ○으로 나타내는 방향으로 한다.
(실시예 2)
실시예 2에서는, 도 1에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(1)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 4개의 2 DC/C 컴포지트 부재(4)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×4.25mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(1)를 얻었다.
(실시예 3)
실시예 3에서는, 도 2에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(1A)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 2개의 2 DC/C 컴포지트 부재(4A)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×4.25mm×700mm))와, 4개의 2 DC/C 컴포지트 부재(4B)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×2.125mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(1A)를 얻었다.
(실시예 4)
실시예 4에서는, 도 10에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(71)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 8개의 2 DC/C 컴포지트 부재(74)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×2.125mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(71)를 얻었다.
(실시예 5)
실시예 5에서는, 도 5에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(31)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 1개의 2 DC/C 컴포지트 부재(34A)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(8.5mm×8.5mm×700mm))와, 4개의 2 DC/C 컴포지트 부재(34B~34E)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(12.75mm×4.25mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(31)를 얻었다.
(실시예 6)
실시예 6에서는, 도 6에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(41)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 2개의 2 DC/C 컴포지트 부재(44)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×8.5mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(41)를 얻었다.
(실시예 7)
실시예 7에서는, 도 4에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(21)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 4개의 2 DC/C 컴포지트 부재(24A~24D)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(8.5mm×8.5mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(21)를 얻었다.
(실시예 8)
실시예 8에서는, 도 11에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(81)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 8개의 2 DC/C 컴포지트 부재(84)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(8.5mm×4.25mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(81)를 얻었다.
(실시예 9)
실시예 9에서는, 도 12에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(91)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 2개의 2 DC/C 컴포지트 부재(94A)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×4.25mm×700mm))와, 4개의 2 DC/C 컴포지트 부재(94B)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(8.5mm×4.25mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(91)를 얻었다.
(실시예 10)
실시예 10에서는, 도 13에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(101)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 2개의 2 DC/C 컴포지트 부재(104A)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×4.25mm×700mm))와, 4개의 2 DC/C 컴포지트 부재(104B)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(8.5mm×4.25mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(101)를 얻었다.
(실시예 11)
실시예 11에서는, 도 14에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(111)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 2개의 2 DC/C 컴포지트 부재(114A)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×4.25mm×700mm))와, 4개의 2 DC/C 컴포지트 부재(114B)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(8.5mm×2.125mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(111)를 얻었다.
(참고예 1)
참고예 1에서는, 도 15에 나타내는 단면 구조를 갖는 내열 구조체(121)(열처리로용 바)를 제작했다. 구체적으로는, 실시예 1과 동일한 SUS제 각파이프의 내부에, 1개의 2 DC/C 컴포지트 부재(124)(토요탄소사제, 품번 「CX－761」, 각진 막대(17mm×17mm×700mm))를 삽입하여, 내열 구조체(121)를 얻었다.
(비교예 1)
비교예 1에서는, 2 DC/C 컴포지트 부재가 삽입되어 있지 않은, SUS제 각진 막대(19mm×19mm×700mm)를 이용했다.
［평가］
실시예 1~11, 참고예 1, 및 비교예 1의 구조체에 대해서, 전기로 중에서 하중 방향에 있어서 스팬 600mm에서 양단을 지지하고, 중앙에 30kg의 추를 매단 상태에서, 900℃에서 5시간 가열했다. 냉각 후, 추를 제거하고, 휨량을 측정했다.
결과를 하기의 표 1에 나타낸다. 또한, 실시예 1~11에서는, C/C 컴포지트 부재에 있어서의 하중을 가하는 X방향을 따르는 가장 긴 변의 길이 L1과, 쉘재의 내주면에 있어서의 하중을 가하는 X방향을 따르는 길이 L2와의 비(L1/L2)를 함께 나타내고 있다. 또, 실시예 5, 9~11에서는, C/C 컴포지트 부재에 있어서의 하중을 가하는 X방향을 따르는 2번째로 긴 변의 길이 L3과, 쉘재의 내주면에 있어서의 하중을 가하는 X방향을 따르는 길이 L2와의 비(L3/L2)를 함께 나타내고 있다.
[표 1]
Figure pct00001
표 1로부터 분명한 것처럼, 실시예 1~11에서 얻어진 내열 구조체에서는, 비교예 1의 SUS제 각진 막대와 비교하여, 고온 환경하에 있어서의 기계적 특성이 우수하여, 열변형이 생기기 어려운 것을 확인할 수 있었다. 그 중에서도, 비(L1/L2)가 1인 실시예 1~4에서는, 두꺼운 1개의 2 DC/C 컴포지트 부재(124)를 이용한 참고예 1과 비교하여, 거의 동등한 기계적 특성이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
1, 1A, 1B, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91, 101, 111, 121…내열 구조체
1a…주면
2…심재
2a…표면
2b, 2c…단면
3…쉘재
4, 4A, 4B, 24A~24D, 34A~34E, 44, 64, 74, 84, 94A, 94B, 104A, 104B, 114A, 114B, 124…C/C 컴포지트 부재
4a…변

Claims (14)

  1. 　복수 개의 C/C 컴포지트 부재에 의해 구성되어 있는, 심재와,
    　상기 심재의 표면의 적어도 일부를 덮고 있고, 금속에 의해 구성되어 있는, 쉘재를 구비하는, 내열 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 심재가 상기 복수 개의 C/C 컴포지트 부재의 적층체인, 내열 구조체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 C/C 컴포지트 부재의 형상이, 대략 직사각형 판 모양인, 내열 구조체.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 C/C 컴포지트 부재가 2방향 C/C 컴포지트 부재인, 내열 구조체.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내열 구조체에 하중을 가할 때에,
    상기 C/C 컴포지트 부재의 폭 방향을 따르는 단면에 있어서의 가장 긴 변이 연장되는 방향이, 상기 하중을 가하는 방향과 대략 동일 방향이 되도록 배치되어 있는, 내열 구조체.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내열 구조체에 하중을 가할 때에,
    상기 복수 개의 C/C 컴포지트 부재가, 상기 하중을 가하는 방향과 대략 직교하는 방향으로 적층되어 있는, 내열 구조체.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘재가, 금속에 의해 구성되어 있는, 파이프이며,
    상기 파이프 내에, 상기 복수 개의 C/C 컴포지트 부재가 충전되어 있는, 내열 구조체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 파이프의 단면 형상이 대략 다각형상인, 내열 구조체.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 파이프의 단면 형상이 대략 원 모양인, 내열 구조체.
  10. 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파이프의 두께가 0.1mm 이상, 3mm 이하인, 내열 구조체.
  11. 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파이프 내에 있어서의 상기 C/C 컴포지트 부재의 충전율이, 70% 이상인, 내열 구조체.
  12. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘재가 상기 심재의 표면을 부분적으로 덮고 있는, 내열 구조체.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    비산화 분위기하에서 이용되는, 내열 구조체.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 내열 구조체를 구비하는, 열처리로용 부재.
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