WO2014184961A1 - 太陽熱発電用集熱体 - Google Patents

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WO2014184961A1
WO2014184961A1 PCT/JP2013/063846 JP2013063846W WO2014184961A1 WO 2014184961 A1 WO2014184961 A1 WO 2014184961A1 JP 2013063846 W JP2013063846 W JP 2013063846W WO 2014184961 A1 WO2014184961 A1 WO 2014184961A1
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metal component
substrate
silicon carbide
collector
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健友 影山
康太 小池
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東京窯業株式会社
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    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the present invention relates to a solar power collector.
  • Solar power generation uses a mirror or lens to concentrate sunlight on a heat collector, heat the heat medium in the heat collector, and rotate the turbine with steam generated by heat exchange with the heated heat medium.
  • This is a technology for generating electricity.
  • silicon carbide ceramics as a heat collector for solar thermal power generation is proposed (for example, refer to patent documents 1).
  • Ceramic heat collectors have the advantage of superior heat resistance compared to metal heat collectors.
  • silicon carbide ceramics have a high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion, they are excellent in thermal shock resistance and are suitable as a heat collector that becomes extremely hot when sunlight is collected.
  • silicon carbide has a problem that it is oxidized when heated to a high temperature in the presence of oxygen. It is said that if the surface of silicon carbide is coated with a silicon dioxide film produced by the oxidation of silicon carbide, further oxidation will be suppressed to some extent, but that is not enough to suppress oxidation. Is the actual situation.
  • an object of the present invention is to provide a heat collector for solar power generation in which oxidation is suppressed while using a silicon carbide ceramic sintered body as a base.
  • a solar power generation heat collector (hereinafter sometimes simply referred to as “heat collector”) according to the present invention is “a silicon carbide having a flow path through which a heat medium flows.
  • a second glass layer of silicate glass having a smaller sum of the content of alkali metal component and alkaline earth metal component covering the layer than the first glass layer.
  • “Substrate on which a plurality of channels for circulating a heat medium are formed” includes a honeycomb structure described later, a block-shaped structure having a through-hole, a tubular structure, and a plurality of tubes Can be exemplified by a structure in which the major axis directions are aligned.
  • the “first glass layer of silicate glass” is a coating agent containing alkali metal components such as sodium oxide, potassium oxide and potassium carbonate, and alkaline earth metal components such as calcium oxide and calcium carbonate in addition to silicon dioxide , Referred to as “first coating agent”), and the surface of the substrate is coated and then heated to vitrify.
  • the first glass layer may contain only one of the alkali metal component and the alkaline earth metal component or may contain both.
  • the “first glass layer” can contain silicon (a simple substance), boron oxide, aluminum oxide and the like in addition to silicon dioxide, an alkali metal component and / or an alkaline earth metal component.
  • the coefficient of thermal expansion of the silicate glass can be adjusted by the content of boron oxide.
  • the strength of the silicate glass can be adjusted by the content of aluminum oxide.
  • the “second glass layer” and the original coating agent can contain the same components as the first glass layer and the first coating agent. However, the sum of the content rates of the alkali metal component and the alkaline earth metal component in the second glass layer is smaller than that of the first glass layer.
  • the “surface of the substrate” covered with the first glass layer includes the inner peripheral surface of the flow path through which the heat medium flows.
  • the heat collector When the sunlight is concentrated on the heat collector, the heat collector becomes hot.
  • the base of the heat collector is a silicon carbide ceramic sintered body, and the silicon carbide is oxidized by being heated to a high temperature in the presence of oxygen.
  • the surface of the substrate is covered with the first glass layer and the second glass layer of silicate glass. Therefore, the contact between silicon carbide and oxygen is prevented by the silicate glass layer, and the oxidation of silicon carbide is effectively suppressed.
  • alkali metal components and alkaline earth metal components melt or soften silicon dioxide under heating. Therefore, when the surface of the substrate is coated with the original first coating agent to form the first glass layer and heated, the first coating agent melts and softens. Thereby, since the first coating agent adheres well to the surface of the substrate, the first glass layer after vitrification firmly adheres to the substrate which is a different material. When the substrate is porous, the first coating agent melted and softened sufficiently enters the open pores, and the substrate is densified by solidification. Thereby, the heat capacity of the substrate is increased, and the efficiency of heat exchange with the heat medium is increased.
  • the first glass layer containing an alkali metal component and / or an alkaline earth metal component is melted and softened even in a high temperature environment when the heat collector is used for solar thermal power generation. Therefore, if the outermost layer in the heat collector is the first glass layer, the heat collector adheres to the casing that houses the heat collector or a plurality of pieces are accommodated in the casing by melting and softening the first glass layer. There is a possibility that the collected heat collectors adhere to each other.
  • the 2nd glass layer is coat
  • This second glass layer is less likely to soften and melt even at high temperatures because the sum of the content ratios of the alkali metal component and alkaline earth metal component is smaller than that of the first glass layer. Thereby, the adhesion between the heat collector and the casing and the adhesion between the heat collectors housed in the casing are suppressed. Therefore, when the heat collecting body deteriorates or breaks with use, the work of removing the heat collecting body from the casing or the work of exchanging only some of the heat collecting bodies among the plurality of heat collecting bodies is easy.
  • the second coating agent that is the source of the second glass layer does not soften or melt as much as the first coating agent when heat-treated after coating.
  • the second glass layer is a layer of silicate glass similar to the first glass layer. Therefore, unlike the case of coating a heterogeneous material, the second glass layer is firmly fixed to the first glass layer even if it is not softened or melted by heating.
  • a silicate glass containing an alkali metal component and / or an alkaline earth metal component softens and extends at a high temperature and plastically deforms. Therefore, even if a crack is generated in a ceramic substrate, which is a brittle material, the first glass layer covering the surface of the substrate softens and fills the crack, so the crack extends and breaks. To be suppressed. Therefore, the heat collector of the present invention is excellent in thermal shock resistance by being provided with the first glass layer in addition to being composed of silicon carbide ceramics having high thermal shock resistance. High mechanical strength.
  • the solar power collector according to the present invention has the above-described configuration, wherein “the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth metal component in the second glass layer is 3.6% by mass or less in terms of oxide. Can be. "
  • the solar power collector according to the present invention includes “a plurality of the substrates are bonded via a bonding layer to form a substrate unit, and the first glass layer covers the surface of the substrate unit. It can be “coated”.
  • the entire heat collector can be enlarged regardless of the size of each substrate. Thereby, the quantity of the heat medium heat-exchanged with a heat collecting body can be increased, and solar thermal power generation can be performed efficiently.
  • the first glass layer covering the surface of the base unit is covered with the second glass layer. Therefore, when the heat collector is used in a high temperature environment, the adhesion between the base unit and the casing and the adhesion between the base units are suppressed by the presence of the second glass layer. Thereby, when the heat collecting body deteriorates or breaks with use, the base unit can be replaced as a unit.
  • the solar power collector according to the present invention has a honeycomb structure including a plurality of cells partitioned by partition walls extending in a single direction, in addition to the above-described structure, The cell may constitute the flow path ”.
  • Honeycomb structure has a large specific surface area. Therefore, the heat collector of this configuration has an advantage that the efficiency of heat exchange with the heat medium is high.
  • a ceramic honeycomb structure is generally formed by extrusion molding, and it is difficult to produce a large molded body by extrusion molding.
  • the heat collection body is configured by the base unit in which a plurality of base bodies are joined, even if the base body is a honeycomb structure, the entire heat collection body can be enlarged.
  • FIG. 1st embodiment of this invention It is a cross-sectional view of the heat collection body of 1st embodiment of this invention. It is sectional drawing of the partition in the heat collecting body of FIG. It is a perspective view of the heat collecting body of FIG. It is the example which accommodated the some of the heat collecting body of FIG. 1 in the casing. It is the other example which accommodated the some of the heat collecting body of FIG. 1 in the casing. It is a cross-sectional view of the heat collection body of 2nd embodiment of this invention. 7 is an example in which a plurality of the heat collectors of FIG. 6 are accommodated in a casing. It is a graph which shows the mass increase accompanying the increase in a heating time about an Example and a comparative example by the ratio of the change with respect to initial mass.
  • the heat collecting body 1 which is 1st embodiment of this invention is demonstrated using FIG. 1 thru
  • the heat collector 1 of the first embodiment includes a base 10 of a silicon carbide based ceramic sintered body in which a flow path for circulating a heat medium is formed, and an alkali metal covering at least a part of the surface of the base 10
  • the first glass layer 21 of the silicate glass containing the component and / or the alkaline earth metal component, and the sum of the contents of the alkali metal component and the alkaline earth metal component covering the first glass layer 21 is the first.
  • the second glass layer 22 of silicate glass smaller than the one glass layer 21 is provided.
  • the base 10 of the heat collector 1 has a honeycomb structure including a plurality of cells 15 that are partitioned by partition walls 11 extending in a single direction. Constitutes the road.
  • Such a heat collector 1 can be manufactured by the following manufacturing method. That is, the manufacturing method of the heat collecting body 1 of 1st embodiment is the raw material which becomes a silicon carbide ceramic sintered body by baking, and is divided into the plurality of partition walls 11 that extend in a single axial direction and are arranged in a row.
  • the surface of the substrate 10 is coated with a first coating agent containing silicon dioxide, an alkali metal component and / or an alkaline earth metal component, and the substrate 10 coated with the first coating agent is heated to convert the first coating agent to silicic acid.
  • a first glass layer forming step for fixing to the surface of the substrate 10 as the first glass layer 21 of the system glass, and silicon dioxide containing content of alkali metal component and alkaline earth metal component is a predetermined value
  • the surface of the first glass layer 21 is coated with the lower second coating agent, the substrate 10 coated with the second coating agent is heated, and the second coating agent is used to adjust the content of the alkali metal component and the alkaline earth metal component.
  • the raw material that becomes a silicon carbide ceramic sintered body by firing is mixed with water together with additives such as a binder and a surfactant to form a kneaded product, and this is extruded.
  • additives such as a binder and a surfactant to form a kneaded product
  • a formed article having a honeycomb structure is obtained.
  • a raw material containing silicon carbide powder can be used as the ceramic raw material that becomes a silicon carbide ceramic sintered body by firing.
  • a raw material containing a silicon source and a carbon source that generate silicon carbide by heating can be used, and silicon carbide can be sintered while reacting (reaction sintering).
  • a mixed raw material of silicon carbide powder as an aggregate and a silicon source and a carbon source that generate silicon carbide can be used as a raw material.
  • the silicon carbide powder as the aggregate is preferably 65% by mass to 95% by mass with respect to the mixed raw material.
  • the ratio of the silicon carbide powder as the aggregate is smaller than 65% by mass, the strength of the obtained sintered body tends to be low.
  • it is more than 95% by mass it may be difficult to sinter. Note that it is more desirable that the ratio of the silicon carbide powder as the aggregate to the mixed raw material is 75% by mass to 85% by mass because the above-described contradictory actions can be balanced.
  • Si / C silicon carbide is generated in a stoichiometric amount, but Si / C is reduced to 0. .5 to 1.5 is desirable.
  • Si / C is smaller than 0.5, the remaining carbon content is too much, which may cause rough atmospheric pores, and may inhibit the growth of the generated silicon carbide particles.
  • Si / C is larger than 1.5, the amount of silicon carbide produced is small, and reactive sintering tends to be insufficient. If Si / C is 0.8 to 1.2, the excess or deficiency of silicon and carbon is small and more desirable.
  • silicon nitride and silicon can be used as the silicon source
  • examples of the carbon source include graphite, coal, coke, and charcoal. You may perform the drying process which dries the obtained molded object after a formation process and before a baking process.
  • the heating furnace is kept in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 1800 ° C. to 2300 ° C. for a certain time. If the firing temperature is lower than 1800 ° C, reactive sintering may be insufficient, and if it exceeds 2350 ° C, silicon carbide may sublime.
  • a firing temperature of 2000 ° C. to 2200 ° C. is more desirable because a sintered body with sufficient strength can be obtained in a relatively short time.
  • the sintering time depends on the size of the molded body, but can be, for example, 30 minutes to 3 hours.
  • the non-oxidizing atmosphere can be an inert gas atmosphere such as argon or helium, a nitrogen gas atmosphere, a mixed gas atmosphere thereof, or a vacuum atmosphere.
  • a decarburization step is performed for the purpose of burning and removing carbon sources that may remain without being used in the silicon carbide formation reaction in the firing step.
  • This decarburization step can be performed by holding at a temperature of 600 ° C. to 1200 ° C. for 1 hour to 15 hours in an oxidizing atmosphere (air atmosphere). With such a heating temperature and holding time, silicon carbide is hardly oxidized in the decarburization step.
  • the “first glass layer forming step” includes a first coating step in which the surface of the substrate 10 is coated with the first coating agent, and the substrate 10 is heated after the coating of the first coating agent, and the first coating agent is made of silicate glass.
  • the first glass layer 21 comprises a first vitrification step for fixing to the surface of the substrate 10.
  • the first coating step can be a step of applying and spraying the first coating agent on the surface of the substrate 10 and a step of immersing the substrate 10 in the first coating agent.
  • substrate 10 when the base
  • the substrate 10 When the substrate 10 is impregnated with the first coating agent, first, the substrate 10 is accommodated in a sealable container, and the air in the container is sucked with a vacuum pump or the like. Next, the first coating agent is introduced into the sealed container through a pipe or hose with an on-off valve. As a result, the outer surface of the substrate 10 and the surface of the partition wall 11 are covered with the first coating agent, and the first coating agent penetrates into the open pores of the partition wall 11.
  • the first coating agent becomes the first glass layer 21 of silicate glass by heating, and includes alkali metal components such as sodium oxide, potassium oxide and potassium carbonate, and alkaline earth such as calcium oxide and calcium carbonate.
  • alkali metal components such as sodium oxide, potassium oxide and potassium carbonate
  • alkaline earth such as calcium oxide and calcium carbonate.
  • a suspension in which a metal group component is added and water is added to obtain an appropriate viscosity is used.
  • the first coating agent can contain silicon (single silicon), boron oxide, aluminum oxide, aluminum hydroxide and the like as other components.
  • the degree of melting and softening during heating can be adjusted by the content of the alkali metal component or alkaline earth metal component, and the adhesion of the first coating agent to the surface of the substrate 10 or the intrusion into the open pores The ease of operation can be adjusted.
  • the thermal expansion coefficient of silicate glass can be adjusted with the content rate of a boron oxide.
  • the strength of the silicate glass can be adjusted by the content of aluminum oxide
  • silicon carbide powder can be mixed in the first coating agent.
  • Silicon carbide contained in the first coating agent is more easily oxidized than silicon carbide constituting the sintered body, and is easily oxidized to silicon dioxide by heating.
  • generated has a higher reactivity than the silicon dioxide contained in the first coating agent from the beginning, and is easy to vitrify. Therefore, by including silicon carbide in the first coating agent, the first glass layer 21 of the silicate glass can be efficiently formed in the first vitrification step.
  • heating for vitrifying the first coating agent is performed.
  • This heating can be performed, for example, by heating the substrate 10 coated with the first coating agent at a temperature of 800 ° C. to 1200 ° C. for 1 hour to 30 hours in an air atmosphere.
  • the first coating agent becomes silicate glass, melts and softens, adheres to the surface of the substrate 10 (the partition wall 11 and the surface of the side surface), and then solidifies by cooling, and the dense first glass layer 21 and become.
  • the “second glass layer forming step” includes a second coating step in which the surface of the first glass layer 21 is coated with a second coating agent, and the substrate 10 is heated after coating with the second coating agent, and the second coating agent is converted to silicic acid. It consists of the 2nd vitrification process made to adhere on the 1st glass layer 21 as the 2nd glass layer 22 of a system glass.
  • the second coating agent becomes the second glass layer 22 of silicate glass by heating, and can contain the same components as the first coating agent.
  • the second glass layer 22 is prepared so that the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth metal component is smaller than that of the first glass layer 21.
  • the second coating step can be a step of applying and spraying the second coating agent on the surface of the first glass layer 21 and a step of immersing the substrate 10 coated with the first glass layer 21 in the second coating agent.
  • the second vitrification step can be performed in the same manner as the first vitrification step.
  • the heat collector 1 in which the surface of the substrate 10 is covered with the first glass layer 21 and the surface of the first glass layer 21 is covered with the second glass layer 22 is obtained.
  • the partition wall 11 having a honeycomb structure in the heat collector 1 has a laminated structure in which the first glass layer 21 and the second glass layer 22 are respectively coated on both side surfaces of the partition wall 11.
  • the heat collector 1 manufactured through the above steps can be used by accommodating a plurality of the heat collectors 1 in one casing 99 as illustrated in FIGS.
  • FIG. 4 shows an example in which four heat collectors 1 are arranged in 2 ⁇ 2 rows
  • FIG. 5 is an example in which three heat collectors 1 are arranged in one row.
  • Each of the heat collectors 1 is heated to a high temperature in the presence of oxygen because the silicon carbide ceramic sintered body 10 is covered with the first glass layer 21 and the second glass layer 22 of silicate glass. Even if this is done, the oxidation of silicon carbide is effectively suppressed.
  • the outermost layer of any of the heat collectors 1 is the second glass layer 22, and the second glass layer 22 has a silicic acid system in which the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth metal component is smaller than that of the first glass layer 21. Because it is glass, it is difficult to melt and soften at high temperatures. Therefore, even if it uses at the high temperature in the state with which the several heat collector 1 was made to adjoin, the possibility that the adjacent heat collector 1 may adhere
  • the heat collector 2 of the second embodiment has a honeycomb structure including a plurality of cells 15 partitioned by partition walls 11 extending in a single direction, and the cells 15 flow channels through which the heat medium flows.
  • a plurality of bases 10 of silicon carbide ceramic sintered body constituting the base unit 50 are joined through the joining layer 33 to form the base unit 50, and the first glass layer 21 covers the surface of the base unit 50.
  • the surface of the first glass layer 21 is covered with the second glass layer 22. That is, in the second embodiment, the second glass layer 22 is the outermost layer of the base unit 50.
  • symbol is attached
  • the method of manufacturing the heat collector 2 of the second embodiment is different from the method of manufacturing the heat collector 2 of the first embodiment in that a plurality of substrates 10 are bonded with a bonding agent after the baking step, and the substrate unit 50.
  • the joining process which forms is performed, and the 1st glass layer formation process and the 2nd glass layer formation process are performed after that. That is, the forming step, the firing step, the joining step, the first glass layer forming step, and the second glass layer forming step are performed in this order.
  • a bonding agent is applied to the side surface of the substrate 10 of the silicon carbide ceramic sintered body having the honeycomb structure, and the plurality of substrates 10 are bonded to form the substrate unit 50.
  • the bonding agent for example, coarse particles of silicon carbide (average particle size is 5 ⁇ m to 100 ⁇ m), fine particles of silicon carbide (average particle size is 5 ⁇ m or less), inorganic fibers such as mullite fibers, and binders
  • a bonding agent in which (an inorganic binder such as colloidal silica and / or an organic binder such as carboxymethyl cellulose) is mixed can be used.
  • the base unit 50 is heat-treated at a temperature of 80 ° C. to 100 ° C., whereby the bonding agent is dried and solidified to form the bonding layer 33.
  • the surface of the base unit 50 (the partition walls 11 and the side surfaces of the base unit 50) is coated with the first coating agent (first coating step) and heated to vitrify the first coating agent to form the first glass layer 21.
  • first coating step the surface of the first glass layer 21 covering the surface of the base unit 50 is coated with the second coating agent (second coating step), and the second coating agent is vitrified by heating to form the second glass layer 22 and (Second vitrification step).
  • the heat collector 2 is formed in which the surface of the base unit 50 is covered with the first glass layer 21 and the surface is further covered with the second glass layer 22.
  • FIG. 6 illustrates a case where the base unit 50 including nine bases 10 is covered with the first glass layer 21 and the second glass layer 22.
  • FIG. 7 shows an example in which nine heat collectors 2 shown in FIG. 6 are accommodated in one casing 99 in 3 ⁇ 3 rows.
  • the base unit 50 which is an aggregate of the base bodies 10 of the silicon carbide ceramic sintered body, is covered with the first glass layer 21 and the second glass layer 22 of silicate glass, Even when heated to a high temperature in the presence of oxygen, the oxidation of silicon carbide is effectively suppressed.
  • the outermost layer of any of the heat collectors 2 is the second glass layer 22, and the second glass layer 22 has a silicic acid system in which the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth metal component is smaller than that of the first glass layer 21. Because it is glass, it is difficult to melt and soften at high temperatures. Therefore, even when a plurality of heat collectors 2 are adjacent to each other and used at a high temperature, the possibility that the adjacent heat collectors 2 are bonded to each other is reduced by the presence of the second glass layer 22. Thereby, the action which removes the heat collecting body 2 which deteriorated and damaged with use from the casing 99 is easy, and it can replace
  • the mixed raw material having the following composition was mixed and kneaded with water, an organic binder, and a surfactant to obtain a kneaded product, and a formed body having a honeycomb structure was obtained by extrusion molding (molding step).
  • the obtained molded body was fired at a temperature of 2300 ° C. for 10 minutes in a non-oxidizing atmosphere to obtain a silicon carbide ceramic sintered body (firing step).
  • the substrate having a honeycomb structure had a rectangular column shape with a partition wall thickness of 0.4 mm and a size of 10 cm ⁇ 10 cm ⁇ 50 cm, and a cell density of 200 cells / square inch.
  • the substrate obtained through the firing step was a porous body having an average pore diameter of 12 ⁇ m and an apparent porosity of 42%.
  • the average pore diameter is the median diameter (the diameter when the cumulative pore volume is 50% of the total pore volume) from the pore diameter distribution measured by the mercury intrusion method using a mercury porosimeter (manufactured by Micromeritics, Autopore IV9500). ).
  • the apparent porosity was calculated from the mercury volume and the sample volume that were pressed into the sample when measuring the average pore diameter.
  • the substrate was impregnated with the first coating agent, and the substrate surface was coated with the first coating agent. Then, it heated at 1000 degreeC in the air atmosphere for 3 hours, and formed the 1st glass layer of the silicate type glass (1st glass layer formation process).
  • a second coating agent was applied to the surface of the first glass layer and heated at 1000 ° C. for 3 hours in an air atmosphere to form a second glass layer of silicate glass. (Second glass layer forming step).
  • the sample which passed through the 1st glass layer formation process and the 2nd glass layer formation process was made into the Example.
  • the first coating agent a suspension obtained by mixing silicon dioxide, boron oxide, silicon (simple substance), silicon carbide, aluminum oxide, alkali metal / alkaline earth metal component, and other subcomponents with water.
  • the second coating agent a suspension in which silicon dioxide, aluminum oxide, and other accessory components were mixed with water was used.
  • the sum of the content of alkali metal component and alkaline earth metal component in the silicate glass formed after heating is 6.2% by mass in the first glass layer and 1.2% by mass in the second glass layer in terms of oxide. %Met.
  • Example and Comparative Example A The sample of Example and Comparative Example A was subjected to a heating test in which the degree of oxidation of silicon carbide accompanying heating in an air atmosphere was evaluated by increasing the mass.
  • the temperature was raised to 1200 ° C. or 1300 ° C., held at that temperature for 72 hours, and then cooled to room temperature for 8 times (total heating time of 576 hours). This was done by measuring the mass of the sample before and after. For each sample, a graph showing the change in mass with increasing heating time as a percentage of the initial mass (mass before starting the heating test) is shown in FIG.
  • both the Example and Comparative Example A have a mass increase of about 4%. Thereafter, as the heating time increases, the mass is continuously increased in Comparative Example A having no silicate glass layer, whereas the mass is hardly changed in the example having the silicate glass layer. . And the ratio of the mass increase after completion
  • the molecular weight of silicon carbide is 40 and the molecular weight of silicon dioxide is 60, when 1 mol of silicon carbide is oxidized to 1 mol of silicon dioxide, the mass increases by 20 g. Therefore, from the above results shown in FIG. 8, it was confirmed that the oxidation of silicon carbide was suppressed by forming a silicate glass layer (first glass layer and second glass layer) on the surface of the substrate.
  • silicon carbide is also contained in the impregnated first coating agent. Therefore, in the first glass layer forming step, when all the silicon carbide in the first coating agent is not oxidized, the increase in mass in the heating test is due to the oxidation of silicon carbide derived from the first coating agent. The increase in mass will be included.
  • the result of testing the difference in the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth metal component in the second glass layer, and the difference in adhesiveness between the heat collectors due to the presence or absence of the second glass layer Indicates.
  • the difference in the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth metal component Tests were performed on Samples 1 to 8 that were subjected to the second glass layer forming step using the second coating agent and Comparative Example B that was not subjected to the second glass layer forming step.
  • Table 1 the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth metal component in Samples 1 to 8 was varied in the range of 6% by mass to 0.6% by mass in terms of oxide.
  • the adhesion test was performed as follows. Two identical samples were stacked one above the other with their side surfaces in contact, and in that state, heated in an air atmosphere at a temperature of 1300 ° C. for 576 hours. “ ⁇ ” indicates that the two stacked samples could be easily separated after cooling to room temperature, and “ ⁇ ” indicates that the two samples were adhered and could not be separated. It was evaluated with. The test was performed five times for each sample. The test results are also shown in Table 1.
  • Samples 4 to 8 were evaluated as “ ⁇ ” in all tests, so that the sum of the content ratios of the alkali metal component and the alkaline earth component in the second glass layer was at least 0. In the range of 6% by mass to 3.0% by mass, it was confirmed that adhesion between adjacent heat collectors can be more reliably suppressed.
  • the shape of the base body 10 is a quadrangular prism shape is illustrated by way of illustration.
  • a base unit can be obtained.
  • base units having different shapes for example, a triangular prism shape and a quadrangular prism shape

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Abstract

　炭化珪素質セラミックス焼結体を基体としながら、酸化が抑制されている太陽熱発電用集熱体を提供する。　集熱体１を、熱媒体を流通させる流路（セル１５）が形成された炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０と、基体の表面の少なくとも一部を被覆している、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分を含有する珪酸系ガラスの第一ガラス層２１と、第一ガラス層を被覆している、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が第一ガラス層より小さい珪酸系ガラスの第二ガラス層２２とを具備する構成とする。

Description

太陽熱発電用集熱体
　本発明は、太陽熱発電用集熱体に関するものである。
　太陽熱発電は、ミラーやレンズを使用して集熱体に太陽光を集光し、集熱体内で熱媒体を加熱し、加熱された熱媒体との熱交換により発生させた蒸気でタービンを回転させて発電を行う技術である。従来、太陽熱発電用集熱体として、炭化珪素セラミックスを使用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。セラミックス製の集熱体は、金属製の集熱体に比べて耐熱性に優れるという利点がある。特に、炭化珪素セラミックスは、熱伝導率が高いことに加えて熱膨張率が小さいため、耐熱衝撃性に優れており、太陽光の集光により極めて高温となる集熱体として適している。
　しかしながら、炭化珪素は酸素の存在下で高温に加熱されると、酸化してしまうという問題がある。炭化珪素の酸化により生成した二酸化珪素の皮膜で炭化珪素の表面が被覆されると、それ以上の酸化がある程度は抑制されると言われているが、それでは酸化の抑制としては不十分であるのが実情である。
　そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、炭化珪素質セラミックス焼結体を基体としながら、酸化が抑制されている太陽熱発電用集熱体の提供を、課題とするものである。
　上記の課題を解決するため、本発明にかかる太陽熱発電用集熱体（以下、単に「集熱体」と称することがある）は、「熱媒体を流通させる流路が形成された炭化珪素質セラミックス焼結体の基体と、該基体の表面の少なくとも一部を被覆している、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分を含有する珪酸系ガラスの第一ガラス層と、該第一ガラス層を被覆している、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が前記第一ガラス層より小さい珪酸系ガラスの第二ガラス層とを具備する」ものである。
　「熱媒体を流通させる流路が複数形成された基体」としては、後述のハニカム構造体の他、貫通する孔部が穿設されたブロック状の構造体、筒状の構造体、複数の筒が長軸方向をそろえて接合された構造体を例示することができる。
　「珪酸系ガラスの第一ガラス層」は、二酸化珪素の他、酸化ナトリウム、酸化カリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属成分、酸化カルシウム、炭酸カルシウム等のアルカリ土類金属成分を含有するコーティング剤（以下、「第一コーティング剤」と称する）で基体の表面を被覆した後、加熱しガラス化させることにより形成することができる。なお、第一ガラス層は、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分のうち、一方のみを含有するものであっても、双方を含有するものであってもよい。
　「第一ガラス層」には、二酸化珪素、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分に加えて、珪素（単体）、酸化ホウ素、酸化アルミニウムなどを含有させることができる。酸化ホウ素の含有率により、珪酸系ガラスの熱膨張率を調整することができる。酸化アルミニウムの含有率により、珪酸系ガラスの強度を調整することができる。
　「第二ガラス層」及び元となるコーティング剤（以下、「第二コーティング剤」と称する）は、第一ガラス層及び第一コーティング剤と同様の成分を含有させることができる。ただし、第二ガラス層におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和は、第一ガラス層より小さいものとする。
　第一ガラス層で被覆される「基体の表面」は、熱媒体が流通する流路の内周面を含むものである。
　集熱体に太陽光を集光すると集熱体は高温となる。本発明では、集熱体の基体が炭化珪素質セラミックス焼結体であり、炭化珪素は酸素の存在下で高温に加熱されることにより、酸化される。これに対し、本発明の集熱体は、基体の表面が珪酸系ガラスの第一ガラス層及び第二ガラス層で被覆されている。そのため、珪酸系ガラスの層によって、炭化珪素と酸素との接触が妨げられ、炭化珪素の酸化が有効に抑制される。
　また、アルカリ金属成分やアルカリ土類金属成分は、加熱下で二酸化珪素を溶融または軟化させる。そのため、第一ガラス層を形成するために元となる第一コーティング剤で基体の表面を被覆し、加熱すると、第一コーティング剤が溶融・軟化する。これにより、第一コーティング剤が基体の表面に良好に付着するため、ガラス化した後の第一ガラス層は、異なる材料である基体にしっかりと固着する。また、基体が多孔質の場合は、その開気孔に溶融・軟化した第一コーティング剤が十分に浸入し、その固化により基体を緻密化する。これにより、基体の熱容量が増加し、熱媒体との熱交換の効率が高いものとなる。
　一方、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分を含有している第一ガラス層は、集熱体が太陽熱発電に使用されている際の高温環境下でも溶融・軟化する。そのため、仮に、集熱体における最外層が第一ガラス層である場合は、第一ガラス層の溶融・軟化によって、集熱体を収容するケーシングに集熱体が接着したり、ケーシングに複数収容された集熱体同士が接着したりするおそれがある。これに対し、本発明では、第一ガラス層の表面に、第二ガラス層が被覆されている。この第二ガラス層は、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が、第一ガラス層より小さいため、高温下でも軟化・溶融しにくい。これにより、集熱体とケーシングとの接着や、ケーシングに複数収容された集熱体同士の接着が抑制される。従って、使用に伴い集熱体が劣化、破損した際に、ケーシングから集熱体を取り外す作業や、複数の集熱体のうち一部の集熱体のみを交換する作業が容易である。
　なお、第二ガラス層の元となる第二コーティング剤は、コーティング後に加熱処理する際に、第一コーティング剤ほどは軟化・溶融しない。しかしながら、第二ガラス層は第一ガラス層と同様に珪酸系ガラスの層である。そのため、異質の材料を被覆する場合とは異なり、加熱下でさほど軟化・溶融しなくても、第二ガラス層は第一ガラス層としっかりと固着する。
　加えて、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分を含有する珪酸系ガラスは、高温下で軟化して延び、塑性変形する。そのため、脆性材料であるセラミックス製の基体に、仮に亀裂が発生した場合であっても、基体の表面を被覆している第一ガラス層が軟化して亀裂を埋めるため、亀裂が伸展して破壊に至ることが抑制される。従って、本発明の集熱体は、耐熱衝撃性の高い炭化珪素質セラミックスで構成されていることに加え、更に第一ガラス層を備えていることによって、耐熱衝撃性により優れており、高温下での機械的強度が高い。
　本発明にかかる太陽熱発電用集熱体は、上記構成において、「前記第二ガラス層におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和は、酸化物換算で３．６質量％以下である」ものとすることができる。
　第二ガラス層におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和を上記範囲とすることにより、詳細は後述するように、集熱体とケーシングとの接着や、ケーシングに複数収容された集熱体同士の接着を有効に抑制することができる。なお、第二ガラス層におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類成分の含有率の和は、小さければ小さいほど珪酸系ガラスを高温下で溶融・軟化しにくいものとできると考えられる。
　本発明にかかる太陽熱発電用集熱体は、上記構成に加え、「前記基体が接合層を介して複数接合されて基体ユニットを形成しており、前記第一ガラス層は前記基体ユニットの表面を被覆している」ものとすることができる。
　本構成の集熱体では複数の基体が接合されているため、個々の基体の大きさに関わらず、集熱体の全体を大型化することができる。これにより、集熱体と熱交換させる熱媒体の量を増加させ、効率良く太陽熱発電を行うことができる。
　また、基体ユニットの表面を被覆する第一ガラス層は、その表面に第二ガラス層が被覆されている。そのため、高温環境下で集熱体が使用された際、基体ユニットとケーシングとの接着や、基体ユニット同士の接着が、第二ガラス層の存在によって抑制される。これにより、使用に伴い集熱体が劣化、破損した際に、基体ユニットを単位として交換することができる。
　本発明にかかる太陽熱発電用集熱体は、上記構成に加え、「前記基体は、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有し、前記セルが前記流路を構成している」ものとすることができる。
　ハニカム構造体は比表面積が大きい。そのため、本構成の集熱体は、熱媒体との熱交換の効率が高いという利点を有する。なお、セラミックスのハニカム構造体は、一般的に押出成形で成形され、押出成形では大型の成形体を作成することは困難である。しかしながら、上記のように、複数の基体が接合された基体ユニットで集熱体を構成させる場合は、基体がハニカム構造体であっても、集熱体全体として大型化させることができる。
　以上のように、本発明の効果として、炭化珪素質セラミックス焼結体を基体としながら、酸化が抑制されている太陽熱発電用集熱体を、提供することができる。
本発明の第一実施形態の集熱体の横断面図である。 図１の集熱体における隔壁の断面図である。 図１の集熱体の斜視図である。 図１の集熱体の複数をケーシングに収容した例である。 図１の集熱体の複数をケーシングに収容した他の例である。 本発明の第二実施形態の集熱体の横断面図である。 図６の集熱体の複数をケーシングに収容した例である。 実施例及び比較例について、加熱時間の増加に伴う質量増加を、初期質量に対する変化の割合で示すグラフである。
　以下、本発明の第一実施形態である集熱体１について、図１乃至図５を用いて説明する。第一実施形態の集熱体１は、熱媒体を流通させる流路が形成された炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０と、基体１０の表面の少なくとも一部を被覆している、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分を含有する珪酸系ガラスの第一ガラス層２１と、第一ガラス層２１を被覆している、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が第一ガラス層２１より小さい珪酸系ガラスの第二ガラス層２２とを具備しているものである。
　また、上記構成において、集熱体１の基体１０は、単一の方向に延びて列設された隔壁１１により区画された複数のセル１５を備えるハニカム構造を有しており、セル１５が流路を構成している。
　このような集熱体１は、次のような製造方法によって製造することができる。すなわち、第一実施形態の集熱体１の製造方法は、焼成により炭化珪素質セラミックス焼結体となる原料で、単一の軸方向に延びて列設された隔壁１１により区画された複数のセル１５を備えるハニカム構造の成形体を成形する成形工程と、成形体を非酸化性雰囲気下で焼成し、炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０を得る焼成工程と、隔壁１１の表面を含む基体１０の表面を、二酸化珪素、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分を含有する第一コーティング剤で被覆し、第一コーティング剤で被覆された基体１０を加熱し第一コーティング剤を珪酸系ガラスの第一ガラス層２１として基体１０の表面に固着させる第一ガラス層形成工程と、二酸化珪素を含み、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率が所定値以下の第二コーティング剤で第一ガラス層２１の表面を被覆し、第二コーティング剤で被覆された基体１０を加熱し、第二コーティング剤をアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が第一ガラス層２１より小さい第二ガラス層２２として、第一ガラス層２１の表面に固着させる第二ガラス層形成工程と、を具備している。
　より詳細に説明すると、成形工程では、焼成により炭化珪素質セラミックス焼結体となる原料を、バインダ、界面活性化剤等の添加剤と共に水と混合して混練物とし、これを押出成形することにより、ハニカム構造の成形体を得る。ここで、焼成により炭化珪素質セラミックス焼結体となるセラミック原料としては、炭化珪素粉末を含有する原料を使用することができる。また、加熱により炭化珪素を生成する珪素源及び炭素源を含む原料を使用し、炭化珪素を反応生成させつつ焼結させる（反応焼結）こともできる。
　炭化珪素を反応焼結させる場合、原料として、骨材となる炭化珪素粉末と、炭化珪素を生成する珪素源と炭素源との混合原料を使用することができる。骨材としての炭化珪素粉末は、混合原料に対して６５質量％～９５質量％とすると望ましい。骨材としての炭化珪素粉末の割合が６５質量％より小さい場合は、得られる焼結体の強度が低いものとなり易い。一方、９５質量％より多い場合は、焼結しにくくなるおそれがある。なお、骨材としての炭化珪素粉末の混合原料に対する割合は、７５質量％～８５質量％であれば、上記の相反する作用の調和が取れ、より望ましい。
　炭化珪素を生成する珪素源と炭素源については、珪素と炭素とのモル比（Ｓｉ／Ｃ）が１のときに化学量論的に過不足なく炭化珪素が生成するが、Ｓｉ／Ｃを０．５～１．５とすることが望ましい。Ｓｉ／Ｃが０．５より小さい場合は残存する炭素分が多過ぎ、粗大気孔の原因となると共に、生成した炭化珪素の粒子成長が阻害されるおそれがある。一方、Ｓｉ／Ｃが１．５より大きい場合は、生成する炭化珪素の量が少なく、反応焼結が不十分となり易い。なお、Ｓｉ／Ｃは、０．８～１．２であれば珪素及び炭素の過剰分または不足分が少なく、より望ましい。なお、珪素源としては、窒化珪素、珪素（単体）を使用可能であり、炭素源としては、黒鉛、石炭、コークス、木炭などを例示することができる。成形工程の後で焼成工程の前に、得られた成形体を乾燥させる乾燥工程を行ってもよい。
　焼成工程では、加熱炉を非酸化性雰囲気として、１８００℃～２３００℃の温度で一定時間保持する。焼成温度が１８００℃より低い場合は反応焼結が不十分となるおそれがあり、２３５０℃を超えると炭化珪素が昇華するおそれがある。焼成温度は２０００℃～２２００℃とすれば、比較的短時間で十分な強度の焼結体を得ることができるため、より望ましい。焼結時間は成形体のサイズにもよるが、例えば、３０分から３時間とすることができる。なお、非酸化性雰囲気は、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、これらの混合ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気とすることができる。上記の工程を経て、ハニカム構造を有する炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０が得られる。
　なお、焼成工程の後、第一ガラス層形成工程の前に、焼成工程において炭化珪素の生成反応に使用されずに残留しているおそれのある炭素源を燃焼除去する目的で、脱炭工程を設けることができる。この脱炭工程は、酸化雰囲気下（空気雰囲気下）で、６００℃～１２００℃の温度で１時間～１５時間保持することにより行うことができる。この程度の加熱温度及び保持時間であれば、脱炭工程では炭化珪素の酸化はほとんど生じない。
　「第一ガラス層形成工程」は、第一コーティング剤で基体１０の表面を被覆する第一被覆工程と、第一コーティング剤の被覆後に基体１０を加熱し、第一コーティング剤を珪酸系ガラスの第一ガラス層２１として基体１０の表面に固着させる第一ガラス化工程とからなる。
　第一被覆工程は、第一コーティング剤を基体１０の表面に塗布・スプレーする工程、第一コーティング剤に基体１０を浸漬する工程とすることができる。また、基体１０が多孔質の場合は、第一コーティング剤を基体１０に含浸させる工程とすることができる。
　第一コーティング剤を基体１０に含浸させる場合は、まず、密閉できる容器内に基体１０を収容し、容器内の空気を真空ポンプ等で吸引する。次に、開閉弁付きのパイプやホースを介して、密閉容器内に第一コーティング剤を導入する。これにより、基体１０の外表面及び隔壁１１の表面が第一コーティング剤によって被覆され、隔壁１１の開気孔の内部まで第一コーティング剤が浸入する。
　第一コーティング剤は、加熱によって珪酸系ガラスの第一ガラス層２１となるものであり、二酸化珪素に、酸化ナトリウム、酸化カリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属成分、酸化カルシウム、炭酸カルシウム等のアルカリ土類金属成分を添加し、水を加えて適度な粘度とした懸濁液を使用する。第一コーティング剤には、その他の成分として、珪素（単体の珪素）、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムなどを含有させることができる。ここで、アルカリ金属成分やアルカリ土類金属成分の含有率により、加熱時の溶融・軟化の程度を調整することができ、第一コーティング剤の基体１０表面への付着性や開気孔への浸入しやすさを調整することができる。また、酸化ホウ素の含有率により、珪酸系ガラスの熱膨張率を調整することができる。その他、酸化アルミニウムや水酸化アルミニウム（加熱により酸化アルミニウムとなる）の含有率により、珪酸系ガラスの強度を調整することができる。
　更に、第一コーティング剤には、上記の成分に加えて、炭化珪素の粉末を混合することができる。第一コーティング剤に含有される炭化珪素は、焼結体を構成する炭化珪素より酸化され易く、加熱下で酸化されて二酸化珪素となり易い。そして、生成したばかりの二酸化珪素は、第一コーティング剤に最初から含まれている二酸化珪素より反応性が高く、ガラス化し易い。従って、第一コーティング剤に炭化珪素を含有させておくことにより、第一ガラス化工程において珪酸系ガラスの第一ガラス層２１を、効率良く形成させることができる。
　第一ガラス化工程では、被覆した第一コーティング剤中の水分を除去する乾燥処理を行った後、第一コーティング剤をガラス化させるための加熱を行う。この加熱は、例えば、第一コーティング剤で被覆した基体１０を、空気雰囲気下で温度８００℃～１２００℃で１時間～３０時間加熱することにより行うことができる。この加熱によって第一コーティング剤は珪酸系ガラスとなり、溶融・軟化して基体１０の表面（隔壁１１及び側面の表面）に密着し、その後の冷却により固化して、緻密な第一ガラス層２１となる。
　「第二ガラス層形成工程」は、第二コーティング剤で第一ガラス層２１の表面を被覆する第二被覆工程と、第二コーティング剤による被覆後に基体１０を加熱し、第二コーティング剤を珪酸系ガラスの第二ガラス層２２として第一ガラス層２１の上に固着させる第二ガラス化工程とからなる。
　第二コーティング剤は、加熱によって珪酸系ガラスの第二ガラス層２２となるものであり、第一コーティング剤と同様の成分を含有させることができる。ただし、第二ガラス層２２におけるアルカリ金属成分とアルカリ土類金属成分の含有率の和が、第一ガラス層２１より小さくなるように調製される。
　第二被覆工程は、第二コーティング剤を第一ガラス層２１の表面に塗布・スプレーする工程、第一ガラス層２１で被覆された基体１０を第二コーティング剤に浸漬する工程とすることができる。
　第二ガラス化工程は、第一ガラス化工程と同様に行うことができる。この工程を経て、基体１０の表面が第一ガラス層２１で被覆され、更に、第一ガラス層２１の表面が第二ガラス層２２で被覆された集熱体１が得られる。なお、集熱体１においてハニカム構造の隔壁１１は、図２に示すように、隔壁１１の両側面それぞれに第一ガラス層２１及び第二ガラス層２２が被覆された積層構造となる。
　上記の工程を経て製造された集熱体１は、図４及び図５に例示するように、複数個を一つのケーシング９９に収容して使用することができる。図４は４個の集熱体１を２個×２列に、図５は３個の集熱体１を１列に並べた例である。何れの集熱体１も、炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０が、珪酸系ガラスの第一ガラス層２１及び第二ガラス層２２で被覆されているため、酸素の存在下で高温に加熱されても、炭化珪素の酸化が有効に抑制されている。
　また、何れの集熱体１も最外層は第二ガラス層２２であり、第二ガラス層２２はアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が第一ガラス層２１より小さい珪酸系ガラスであるため、高温下で溶融・軟化しにくい。従って、複数の集熱体１を隣接させた状態で高温下で使用しても、隣接する集熱体１同士が接着してしまうおそれが、第二ガラス層２２の存在により低減される。これにより、使用に伴って劣化・破損した集熱体１をケーシング９９から取り外す作業が容易であり、１個の基体１０から構成される集熱体１を単位として交換することができる。
　次に、第二実施形態の集熱体２について、図６及び図７を用いて説明する。第二実施形態の集熱体２は、単一の方向に延びて列設された隔壁１１により区画された複数のセル１５を備えるハニカム構造を有し、セル１５が熱媒体を流通させる流路を構成している炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０が、接合層３３を介して複数接合されて基体ユニット５０を形成しており、第一ガラス層２１は基体ユニット５０の表面を被覆し、第一ガラス層２１の表面を第二ガラス層２２が被覆しているものである。つまり、第二実施形態では、第二ガラス層２２は基体ユニット５０の最外層である。ここでは、第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
　第二実施形態の集熱体２の製造方法が、第一実施形態の集熱体２の製造方法と相違する点は、焼成工程の後に、複数の基体１０を接合剤で接合し基体ユニット５０を形成する接合工程が行われ、その後に第一ガラス層形成工程及び第二ガラス層形成工程が行われる点である。つまり、成形工程、焼成工程、接合工程、第一ガラス層形成工程、第二ガラス層形成工程の順に行われる。
　「接合工程」では、ハニカム構造を有する炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０の側面に接合剤を塗布し、複数の基体１０を接合して基体ユニット５０とする。ここで、接合剤としては、例えば、炭化珪素の粗粒粉末（平均粒子径が５μｍ～１００μｍ）、炭化珪素の微粒粉末（平均子径が５μｍ以下）、ムライト繊維等の無機繊維、及び、バインダ（コロイダルシリカ等の無機バインダ、及び／又は、カルボキシメチルセルロース等の有機バインダ）を混合した接合剤を使用することができる。接合後、基体ユニット５０を温度８０℃～１００℃で熱処理することにより、接合剤を乾燥・固化させ接合層３３とする。
　接合工程の後、基体ユニット５０の表面（隔壁１１及び基体ユニット５０の側面）を第一コーティング剤で被覆し（第一被覆工程）、加熱して第一コーティング剤をガラス化し第一ガラス層２１とする（第一ガラス化工程）。次に、基体ユニット５０の表面を被覆する第一ガラス層２１の表面を第二コーティング剤で被覆し（第二被覆工程）、加熱して第二コーティング剤をガラス化して第二ガラス層２２とする（第二ガラス化工程）。これにより、図６に示すように、基体ユニット５０の表面が第一ガラス層２１で被覆され、その表面が更に第二ガラス層２２で被覆された集熱体２が形成される。図６では、９個の基体１０からなる基体ユニット５０が、第一ガラス層２１及び第二ガラス層２２で被覆された場合を例示している。
　このような集熱体２は、図７に示すように、複数個を一つのケーシング９９に収容して使用することができる。図７は、図６に示す集熱体２の９個が、一つのケーシング９９内に３個×３列で収容された例である。何れの集熱体２も、炭化珪素質セラミックス焼結体の基体１０の集合体である基体ユニット５０が、珪酸系ガラスの第一ガラス層２１及び第二ガラス層２２で被覆されているため、酸素の存在下で高温に加熱されても、炭化珪素の酸化が有効に抑制されている。
　また、何れの集熱体２も最外層は第二ガラス層２２であり、第二ガラス層２２はアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が第一ガラス層２１より小さい珪酸系ガラスであるため、高温下で溶融・軟化しにくい。従って、複数の集熱体２を隣接させて高温下で使用しても、隣接する集熱体２同士が接着してしまうおそれが、第二ガラス層２２の存在により低減される。これにより、使用に伴って劣化・破損した集熱体２を、ケーシング９９から取り外す作用が容易であり、基体ユニット５０を単位として交換することができる。
　以下の組成の混合原料を、水、有機バインダ、界面活性剤と混合・混練して混練物とし、押出成形によりハニカム構造の成形体を得た（成形工程）。得られた成形体を非酸化性雰囲気において温度２３００℃で１０分間焼成し、炭化珪素質セラミックス焼結体の基体を得た（焼成工程）。なお、ハニカム構造の基体は、隔壁厚さ０．４ｍｍ、サイズ１０ｃｍ×１０ｃｍ×５０ｃｍの四角柱状とし、セル密度２００セル／平方インチとした。
　＜混合原料の組成＞
　骨材としての炭化珪素（平均粒子径１２μｍ）：７５質量％
　珪素源としての窒化珪素（平均粒子径１０μｍ）：２０質量％
　炭素源としての黒鉛（平均粒子径１５μｍ）：５質量％
　焼成工程を経て得られた基体は、平均気孔直径１２μｍ、見掛け気孔率４２％の多孔質体であった。ここで、平均気孔直径は、水銀ポロシメータ（ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社製，オートポアＩＶ９５００）を使用して水銀圧入法により測定した気孔径分布から、メディアン径（累積気孔体積が全気孔体積の５０％のときの直径）として求めた。また、見掛け気孔率は、平均気孔径の測定に際し、試料に圧入された水銀体積と試料体積とから算出した。
　基体に第一コーティング剤を含浸させ、基体表面を第一コーティング剤で被覆した。その後、空気雰囲気下で温度１０００℃で３時間加熱し、珪酸系ガラスの第一ガラス層を形成した（第一ガラス層形成工程）。第一ガラス層で被覆された基体において、第一ガラス層の表面に第二コーティング剤を塗布し、空気雰囲気下で温度１０００℃で３時間加熱し、珪酸系ガラスの第二ガラス層を形成した（第二ガラス層形成工程）。このように、第一ガラス層形成工程及び第二ガラス層形成工程を経た試料を、実施例とした。
　ここで、第一コーティング剤としては、二酸化珪素、酸化ホウ素、珪素（単体）、炭化珪素、酸化アルミニウム、アルカリ金属・アルカリ土類金属成分、その他の副成分を、水と混合した懸濁液を使用し、第二コーティング剤としては、二酸化珪素、酸化アルミニウム、その他の副成分を、水と混合した懸濁液を使用した。加熱後に形成された珪酸系ガラスにおけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和は、酸化物換算で、第一ガラス層では６．２質量％、第二ガラス層では１．２質量％であった。
　一方、焼成工程を経て得られた基体について、第一ガラス層形成工程及び第二ガラス層形成工程の何れも行わなかった試料を、比較例Ａとした。
　実施例と比較例Ａの試料について、空気雰囲気下での加熱に伴う炭化珪素の酸化の度合いを、質量の増加によって評価する加熱試験を行った。加熱試験は、温度１２００℃または１３００℃まで昇温し、その温度にて７２時間保持した後、室温まで降温する操作を１回として８回繰り返し（総加熱時間５７６時間）、各回の加熱試験の前後で試料の質量を測定することによって行った。各試料について、加熱時間の増加に伴う質量変化を、初期質量（加熱試験を開始する前の質量）に対する割合として示したグラフを図８に示す。
　まず、加熱温度が１３００℃の場合を見てみると、１回の加熱試験後（７２時間）では、実施例及び比較例Ａの何れも質量増加は約４％と同程度である。その後、加熱時間が増加するに伴い、珪酸系ガラス層を有しない比較例Ａでは質量が連続的に増加しているのに対し、珪酸系ガラス層を備える実施例では質量がほとんど変化していない。そして、８回の加熱試験終了後の質量増加の割合は、比較例Ａでは１２．０％であったのに対し、実施例では５．４％であった。
　また、加熱温度が１２００℃の場合も、１回の加熱試験後では、実施例及び比較例Ａの何れも質量増加は約２％と同程度であるが、その後、加熱時間が増加するに伴い、比較例Ａでは質量が連続的に増加しているのに対し、実施例では質量はほとんど変化していない。そして、８回の加熱試験終了後の質量増加の割合は、比較例Ａでは７．０％であったのに対し、実施例では４．３％であった。
　ここで、炭化珪素の分子量は４０であり、二酸化珪素の分子量は６０であるため、１モルの炭化珪素が酸化して１モルの二酸化珪素となると、質量は２０ｇ増加する。従って、図８に示す上記の結果から、基体の表面に珪酸系ガラス層（第一ガラス層及び第二ガラス層）を形成することにより、炭化珪素の酸化が抑制されることが確認された。なお、実施例では、含浸させた第一コーティング剤の中にも炭化珪素が含まれる。従って、第一ガラス層形成工程において、第一コーティング剤中の全ての炭化珪素が酸化していない場合は、上記の加熱試験における質量増加には、第一コーティング剤に由来する炭化珪素の酸化による質量増加分が含まれることになる。しかしながら、それを含んだとしても、実施例における質量増加の初期質量に対する割合は、比較例Ａにおける質量増加の初期質量に対する割合より小さいことから、実施例では基体の炭化珪素の酸化が有効に抑制されていることは明らかである。
　次に、第二ガラス層におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和の相違、及び、第二ガラス層の存在の有無による集熱体同士の接着性の違いを、試験した結果を示す。上記と同様にして得られた基体に対し、上記と同じ第一コーティング剤を使用して第一ガラス層形成工程を行った後、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和の相違する第二コーティング剤を使用して第二ガラス層形成工程を行った試料１～８、及び、第二ガラス層形成工程を行わなかった比較例Ｂについて、試験を行った。試料１～８におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和は、表１に示すように、酸化物換算で６質量％～０．６質量％の範囲で相違させた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　接着性の試験は、次のように行った。同一の試料２個を、それぞれの側面を当接させて上下に積み重ね、その状態で、空気雰囲気下で温度１３００℃で５７６時間加熱した。室温まで降温してから、積み重ねた２個の試料を容易に分離させることができた場合を「○」で、２個の試料が接着しており分離させることができなかった場合を「×」で評価した。試験は、それぞれの試料について５回ずつ行った。試験結果を表１にあわせて示す。
　表１に示すように、第二ガラス層を有しない比較例Ｂでは、２個の試料が強固に接着しており、分離させることができなかった。これは、第一ガラス層が高温下で溶融・軟化し、冷却時に固化する際に２個の試料を固着させたものと考えられた。一方、第二ガラス層を有する試料では接着性が改善されていた。集熱体の実際の使用温度が試験温度より低い１０００℃～１１００℃であることを考慮すると、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が酸化物換算で３．６質量％以下であれば、隣接する集熱体同士の接着を抑制することができると考えられた。
　また、試料４～８は全ての試験の評価が「○」であったことから、第二ガラス層におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類成分の含有率の和が、酸化物換算で、少なくとも０．６質量％～３．０質量％の範囲であれば、隣接する集熱体同士の接着をより確実に抑制できることが確認された。
　以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
　例えば、上記の実施形態では、基体１０の形状が四角柱状の場合を図示により例示したが、これに限定されず、三角柱状や六角柱状とすることができ、そのような形状の基体を複数接合して基体ユニットとすることができる。また、異なる形状の基体（例えば、三角柱状と四角柱状）を接合して、基体ユニットとすることもできる。
特開２０１２－９２６８８号公報

Claims (8)

  1. 　熱媒体を流通させる流路が形成された炭化珪素質セラミックス焼結体の基体と、
    　該基体の表面の少なくとも一部を被覆している、アルカリ金属成分及び／又はアルカリ土類金属成分を含有する珪酸系ガラスの第一ガラス層と、
    　該第一ガラス層を被覆している、アルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和が前記第一ガラス層より小さい珪酸系ガラスの第二ガラス層と
    を具備することを特徴とする太陽熱発電用集熱体。
  2. 　前記第二ガラス層におけるアルカリ金属成分及びアルカリ土類金属成分の含有率の和は、酸化物換算で３．６質量％以下である
    ことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱発電用集熱体。
  3. 　前記基体が接合層を介して複数接合されて基体ユニットを形成しており、
    　前記第一ガラス層は前記基体ユニットの表面を被覆している
    ことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱発電用集熱体。
  4. 　前記基体は、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有し、前記セルが前記流路を構成している
    ことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱発電用集熱体。
  5. 　前記基体が接合層を介して複数接合されて基体ユニットを形成しており、
    　前記第一ガラス層は前記基体ユニットの表面を被覆している
    ことを特徴とする請求項２に記載の太陽熱発電用集熱体。
  6. 　前記基体は、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有し、前記セルが前記流路を構成している
    ことを特徴とする請求項２に記載の太陽熱発電用集熱体。
  7. 　前記基体は、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有し、前記セルが前記流路を構成している
    ことを特徴とする請求項３に記載の太陽熱発電用集熱体。
  8. 　前記基体は、単一の方向に延びて列設された隔壁により区画された複数のセルを備えるハニカム構造を有し、前記セルが前記流路を構成している
    ことを特徴とする請求項５に記載の太陽熱発電用集熱体。
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