WO2019176897A1 - ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents

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WO2019176897A1
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metal silicon
honeycomb
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創之介 石黒
祥啓 古賀
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イビデン株式会社
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    • F28F2255/14—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a honeycomb structure.
  • Patent Document 1 discloses a silicon carbide honeycomb structure impregnated with metallic silicon as a honeycomb structure used as a heat exchanger.
  • a honeycomb structure of Patent Document 1 a molded body formed by molding a mixture containing ceramic particles, an organic binder, and a dispersion medium is heated to obtain a degreased body from which the organic binder has been removed. It is manufactured by impregnating metallic silicon inside.
  • the first temperature is preferably 400 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. According to the said structure, at the time of the heat processing by 1st temperature equivalent to a degreasing process, burning out of an organic content can be advanced suitably, suppressing that a metal silicon fuse
  • the formed body disposed inside the container may be an assembly in which a plurality of the formed bodies after the degreasing step are combined. Even an assembly composed of a plurality of molded bodies can be impregnated with metallic silicon by the above-described mechanism because the whole has a porous structure after degreasing.
  • the method for manufacturing a honeycomb structure of the present invention may include a firing step of heating at a temperature of 1800 ° C. or higher between the degreasing step and the impregnation step. Even if the honeycomb porous body subjected to the impregnation step is fired by the firing step, the silicon silicon can be impregnated by the mechanism described above.
  • the stability of the shape accuracy can be improved.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG.
  • Explanatory drawing of a process Explanatory drawing of the state by which the processing jig
  • Explanatory drawing of a processing process Explanatory drawing after inserting the processing jig
  • Explanatory drawing of a process Explanatory drawing of a 2nd process).
  • the heat exchanger 10 includes a plurality of first cell rows 14a in which only the first cells 13a are arranged in parallel to the vertical side wall 11a of the peripheral wall 11, and only the second cells 13b in parallel to the vertical side wall 11a. Are arranged in a second cell row 14b. In the present embodiment, four second cell rows 14b are arranged between adjacent first cell rows 14a, and an arrangement pattern in which this arrangement is repeated is formed.
  • processing step first processing for forming the first communication portion and the second communication portion on the molded body and second processing for sealing both end portions of some cells in the molded body are performed.
  • the first communication portion 15a and the second communication portion 15b are formed by pulling out the blade.
  • the organic component contained in the molded body 20 burns and burns out at the contact portion.
  • the insertion resistance of the blade with respect to the molded body 20 is very small, and deformation or breakage hardly occurs in the peripheral portion of the inserted portion when the blade is inserted.
  • the amount of processing waste generated is reduced by burning off organic components.
  • the clay-like used in the molding step is applied to both ends of the cells 13 constituting the first cells 13 a.
  • the mixture is filled to form a sealing portion 22 that seals both ends of the cell 13.
  • the drying process which dries the sealing part 22 with respect to the molded object 20 is performed.
  • the processed compact 20a is obtained through the processing steps including the first processing and the second processing.
  • the order of the first processing and the second processing is not particularly limited, and the first processing may be performed after the second processing is performed.
  • the processed compact 20a and the metal silicon 42 are disposed in the container 40, and the container is used in an inert atmosphere such as argon or nitrogen or in vacuum using a known heating means such as a baking furnace. 40 is heated. At this time, the container 40 is heated in multiple stages at different temperature ranges.
  • Secondary heating is a heat treatment corresponding to the impregnation step.
  • the second temperature of the secondary heating is set to be equal to or higher than the melting point of metal silicon.
  • the metal silicon 42 accommodated in the container 40 is melted.
  • the molten metal silicon enters into the gaps between the silicon carbide particles constituting the walls of the degreased body 30 (honeycomb porous body) through the support member 41 made of a porous material by capillary action, and the metal silicon 42 is inserted into the gaps. Impregnated.
  • the temperature in the container 40 is lowered, the heat exchanger 10 is taken out from the container 40, and the support 41 integrated with the lower surface of the heat exchanger 10 is separated. Thereby, the heat exchanger 10 is obtained.
  • a method for manufacturing a honeycomb structure such as a heat exchanger includes a forming step of forming a mixture containing silicon carbide particles, an organic component, and a dispersion medium to obtain a formed product, and an organic component contained in the formed product.
  • a degreasing step for removing the honeycomb porous body by removing and an impregnation step for impregnating metallic silicon into the partition walls of the honeycomb porous body are provided.
  • the impregnation step is performed by heating the inside of the container to a temperature equal to or higher than the melting point of the metal silicon in a state where the honeycomb porous body is disposed inside the container containing the solid metal silicon via a support. Is impregnated into the honeycomb porous body through the porous support.
  • the degreasing step and the impregnation step can be performed continuously in one heat treatment by controlling the temperature in the container, and as a result, the manufacturing process of the honeycomb structure is simplified.
  • the second temperature is a temperature of 1420 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower.
  • the honeycomb porous body can be preferably impregnated with metal silicon, and deterioration due to excessive heating can be suppressed.
  • an unsintered honeycomb structure is easily obtained.
  • the unsintered honeycomb structure has a high Young's modulus and has a property of being difficult to deform, and is useful as a heat exchanger or the like.
  • the metal silicon accommodated in the container has a purity of less than 98%. According to the said structure, 2nd temperature which is a heating temperature required for an impregnation process can be restrained low. Therefore, manufacturing cost can be suppressed.
  • the present embodiment can be implemented with the following modifications. Moreover, it is also possible to implement combining the structure of the said embodiment and the structure shown in the following modified examples suitably.
  • the shape of the honeycomb structure (for example, the outer shape or the cross-sectional shape of the honeycomb structure) is not limited to the above embodiment, and can be changed as appropriate. For example, you may form the specific side wall which comprises a surrounding wall thicker than the other side wall which comprises a surrounding wall. Moreover, the honeycomb structure which does not have a surrounding wall may be sufficient.
  • the direction of the molded body placed on the support is not particularly limited, but the molded body is supported by placing the side wall having the thickest wall thickness on the lower side of the peripheral wall of the molded body. It is preferable to mount it. In this case, it is possible to suppress deformation of the molded body by the support tool.
  • the molded body made up of one component is arranged inside the container, but an assembly formed by combining a plurality of molded bodies (components) may be arranged inside the container.
  • the first heating corresponding to the degreasing step results in an overall porous structure of the degreased body (honeycomb porous body).
  • Metal silicon can be impregnated by the same mechanism as in the case of arrangement.
  • each component is integrated by impregnating metal silicon. Therefore, in this case, the process of integrating the components can be performed simultaneously with the impregnation step, and the manufacturing process of the honeycomb structure is simplified.
  • -Other processes other than the molding process, processing process, degreasing process, and impregnation process may be further performed.
  • the other steps include the firing step, an assembly step for obtaining an assembly by combining a plurality of molded bodies and fired bodies, and a post-processing step for performing surface processing such as polishing after the impregnation step.
  • SYMBOLS 10 Heat exchanger (honeycomb structure), 11 ... Perimeter wall, 12 ... Partition wall, 12a ... Skeletal part, 12b ... Filling part, 13a ... 1st cell, 13b ... 2nd cell, 20 ... Molded object, 20a ... Processing Molded body, 30 ... degreased body (honeycomb porous body), 40 ... container, 41 ... support, 42 ... metallic silicon.

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Abstract

熱交換器等のハニカム構造体の製造方法は、炭化ケイ素粒子、有機分、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分を除去してハニカム多孔体を得る脱脂工程と、ハニカム多孔体の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する。含浸工程は、固体状の金属ケイ素を収容する容器の内部に支持具を介してハニカム多孔体を配置した状態で、容器内を金属ケイ素の融点以上の温度に加熱することにより、溶融した金属ケイ素を、多孔質の支持具を通じてハニカム多孔体に含浸させる。

Description

ハニカム構造体の製造方法
　本発明は、ハニカム構造体の製造方法に関する。
　特許文献１には、熱交換器として用いられるハニカム構造体として、金属ケイ素が含浸された炭化ケイ素質のハニカム構造体が開示されている。特許文献１のハニカム構造体は、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た成形体を加熱して、有機バインダーが除去された脱脂体とした後、脱脂体の壁部の内部に金属ケイ素を含浸させることにより製造される。
特開２０１７－２１８３４２号公報
　特許文献１では、脱脂体に金属ケイ素を含浸させる方法として、脱脂体の上に金属ケイ素の塊を載せた状態で加熱する方法を採用している。この場合、溶融した金属ケイ素の自重に基づいて脱脂体内に含浸されることから、脱脂体の気孔容積を超えた量の金属ケイ素が含浸されて、余剰の金属ケイ素がハニカム構造体の外周から垂れ下がったり、ハニカム構造体内のセル内に膨出したりすることがある。そのため、特許文献１の製造方法は、安定した形状の精度を確保することが難しい。
　この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、形状の精度の安定性を向上させることができるハニカム構造体の製造方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するためのハニカム構造体の製造方法は、複数のセルに区画する区画壁を備えるハニカム構造体の製造方法であって、炭化ケイ素粒子、有機分、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、上記成形体に含まれる上記有機分を除去してハニカム多孔体を得る脱脂工程と、上記ハニカム多孔体の上記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、上記含浸工程は、固体状の金属ケイ素を収容する容器の内部に支持具を介して上記ハニカム多孔体を配置した状態で、上記容器内を金属ケイ素の融点以上の温度に加熱することにより、溶融した金属ケイ素を、多孔質の上記支持具を通じて上記ハニカム多孔体に含浸させる。
　上記構成によれば、ハニカム多孔体の毛細管現象による吸い上げ力に基づいて金属ケイ素が含浸される。そのため、ハニカム多孔体の気孔容積を超えた量の金属ケイ素が含浸され難く、余剰の金属ケイ素が外周から垂れ下がったり、ハニカム構造体内のセル内に膨出してセルが設計値よりも狭くなったりすることが抑制される。その結果、ハニカム構造体の形状安定性が向上する。
　本発明のハニカム構造体の製造方法において、上記金属ケイ素は、上記容器の底面に配置されていることが好ましい。
　上記構成によれば、溶融した金属ケイ素が容器の下部から上部に向かって、ハニカム多孔体の毛細管現象によって吸い上げられるため、余剰の金属ケイ素が外周から垂れ下がったり、ハニカム構造体内のセル内に膨出してセルが設計値よりも狭くなったりすることが更に抑制される。
　本発明のハニカム構造体の製造方法において、上記容器の内部に支持具を介して上記成形体を配置し、上記容器内の温度を、上記有機分が焼失する温度かつ金属ケイ素の融点未満の第１温度として上記脱脂工程を行った後、上記金属ケイ素の融点以上の第２温度に昇温することにより、ハニカム多孔体に含浸させる上記含浸工程を行うことが好ましい。
　上記構成によれば、容器内の温度を第１温度とすることにより、成形体に含まれる有機分が焼失してハニカム多孔体が得られる。このときの第１温度は、金属ケイ素の融点未満の温度であるため、容器内に収容された金属ケイ素は、固体の状態が維持される。その後、容器内の温度を金属ケイ素の融点以上の第２温度に昇温することにより、金属ケイ素が溶融する。溶融した金属ケイ素が、支持具を通じてハニカム多孔体の内部へ含浸することによりハニカム構造体が得られる。このように、容器内の温度管理によって、一度の加熱処理の中で脱脂工程と含浸工程を連続的に行うことができ、その結果、ハニカム構造体の製造工程が簡略化される。
　本発明のハニカム構造体の製造方法において、上記第１温度は、４００℃以上１４００℃以下の温度であることが好ましい。
　上記構成によれば、脱脂工程に相当する第１温度による加熱処理時において、金属ケイ素が溶融して成形体に含浸することを抑制しつつ、有機分の焼失を好適に進行させることができる。
　本発明のハニカム構造体の製造方法において、上記第２温度は、１４２０℃以上２０００℃以下の温度であることが好ましい。
　上記構成によれば、含浸工程に相当する第２温度による加熱処理時において、ハニカム多孔体への金属ケイ素の含浸を好適に進行させることができるとともに、過剰に加熱されることによる劣化を抑制できる。また、上記構成の第２温度とすることにより、得られるハニカム構造体は、その構成成分である炭化ケイ素粒子の殆どが焼結されずに、それぞれ独立して存在する未焼結のハニカム構造体となる。この未焼結のハニカム構造体は、ヤング率が高く、変形し難い性質を有しており、熱交換器等として有用である。
　本発明のハニカム構造体の製造方法において、上記容器の内部に配置される上記成形体は、脱脂工程後の複数の上記成形体を組み合わせた組立体であってもよい。
　複数の成形体からなる組立体であっても、全体が脱脂後の多孔質構造であるため、上述したメカニズムによって、金属ケイ素を含浸させることができる。
　本発明のハニカム構造体の製造方法は、上記脱脂工程と上記含浸工程との間に、１８００℃以上の温度で加熱する焼成工程を有してもよい。
　含浸工程に供されるハニカム多孔体が、焼成工程により焼成された状態であっても、上述したメカニズムによって、金属ケイ素を含浸させることができる。
　本発明によれば、形状の精度の安定性を向上させることができる。
熱交換器の斜視図。 図１の２－２線断面図。 図２の３－３線断面図。 図２の４－４線断面図。 成形工程の説明図。 加工工程の説明図（第１加工の加工治具が成形体に挿入された状態の説明図）。 加工工程の説明図（第１加工の加工治具を成形体に挿入して引き抜いた後の説明図）。 加工工程の説明図（第２加工の説明図）。 脱脂工程の説明図。 含浸工程の説明図。 容器内に加工成形体を配置した状態を示す説明図。 容器内の温度変化を示すグラフ。 変更例の場合の容器内の温度変化を示すグラフ。
　まず、製造されるハニカム構造体の一例として、ハニカム構造体により構成される熱交換器について説明する。
　図１、２に示すように、本実施形態の熱交換器１０は、矩形筒状の周壁１１と、周壁１１の内部を周壁１１の軸方向に延びる複数の第１セル１３ａ及び複数の第２セル１３ｂに区画する区画壁１２とを備えている。矩形筒状の周壁１１は、互いに対向する一対の縦側壁１１ａと、互いに対向する一対の横側壁１１ｂとを有し、周壁１１の軸方向に直交する断面形状が横長の長方形をなすように構成されている。
　図２に示すように、区画壁１２は、周壁１１の軸方向に直交する断面において、縦側壁１１ａに平行な区画壁１２と、横側壁１１ｂに平行な区画壁１２とを含み、格子状のセル構造を構成している。区画壁１２が構成するセル構造は特に限定されるものではないが、例えば、区画壁１２の壁厚が０．１～０．５ｍｍであり、セル密度が、周壁１１の軸方向に直交する断面１ｃｍ２あたり１５～９３セルであるセル構造とすることができる。
　図３に示すように、第１セル１３ａは、第１流体を流通させるセルであり、その両端部が共に封止部２２によって封止されている。図４に示すように、第２セル１３ｂは、第２流体を流通させるセルであり、その両端部が共に開放されている。
　第１流体としては特に限定されず、例えば、公知の熱媒体を用いることができる。公知の熱媒体としては、例えば、冷却水（Long Life Coolant：ＬＬＣ）や、エチレングリコール等の有機溶剤が挙げられる。第２流体としては特に限定されず、例えば、内燃機関の排気ガスが挙げられる。
　図２に示すように、周壁１１の軸方向に直交する断面において、第１セル１３ａの断面形状と第２セル１３ｂの断面形状は、全て同じである。
　図２に示すように、熱交換器１０は、周壁１１の縦側壁１１ａに平行に第１セル１３ａのみが配列した複数の第１セル列１４ａと、縦側壁１１ａに平行に第２セル１３ｂのみが配列した第２セル列１４ｂとを備える。本実施形態においては、隣り合う第１セル列１４ａ同士の間に、４列の第２セル列１４ｂが配置され、この配置が繰り返された配置パターンが形成されている。
　図１、３に示すように、熱交換器１０において、第１セル列１４ａには、縦側壁１１ａに沿った方向である縦方向に延びるように形成された連通部１５が設けられており、連通部１５は、縦方向に隣接する第１セル１３ａ同士を区画する区画壁１２を貫通して、第１セル列１４ａを構成するセル同士を相互に連通させる。連通部１５における縦方向の一方側（図３の上側）の端部は、周壁１１（横側壁１１ｂ）に開口するとともに、同他方側（図３の下側）の端部は、縦方向において最も他方側に位置する第１セル１３ａにまで達している。すなわち、連通部１５はいずれも周壁１１の同一面に開口し、各連通部１５は当該連通部１５の開口から最も離れて位置する第１セル１３ａにまで延びている。熱交換器１０は、連通部１５として、熱交換器１０の軸方向の一方の端部である第１端部１０ａ側に設けられた第１連通部１５ａと、熱交換器１０の軸方向の他方の端部である第２端部１０ｂ側に設けられた第２連通部１５ｂとを有している。
　図３に示すように、熱交換器１０の内部には、第１セル１３ａ、第１連通部１５ａ及び第２連通部１５ｂにより構成される第１流路１６が形成されており、熱交換器１０の周壁１１に形成された第１連通部１５ａの開口及び第２連通部１５ｂの開口がそれぞれ第１流路１６の流入口又は流出口として機能する。また、図４に示すように、熱交換器１０の内部には、第２セル１３ｂにより構成される第２流路１７が形成されており、周壁１１の第１端部１０ａ及び第２端部１０ｂがそれぞれ第２流路１７の流入口又は流出口として機能する。上記構成の熱交換器１０は、第１流路１６を流れる第１流体と、第２流路１７を流れる第２流体との間で、区画壁１２を介して熱交換を行うことができる。
　次に、熱交換器１０の周壁１１及び区画壁１２を構成する材料について説明する。なお、周壁１１及び区画壁１２は、構成する材料が同じであることから、以下では、区画壁１２について具体的に説明し、周壁１１についての説明を省略する。
　図１に示すように、区画壁１２は、多孔質構造の骨格部分１２ａと、骨格部分１２ａの隙間に充填されるとともに骨格部分１２ａの表面を覆う金属ケイ素からなる充填部分１２ｂとを備えている。骨格部分１２ａは、炭化ケイ素を含有する。骨格部分１２ａは、炭化ケイ素以外の成分を含有する物であってもよい。炭化ケイ素以外の成分としては、例えば、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の窒化物等のセラミック材料が挙げられる。炭化ケイ素以外の成分を含有する場合、当該成分を１種のみ含有していてもよいし、２種以上含有していてもよい。
　区画壁１２における骨格部分１２ａと充填部分１２ｂとの体積比（骨格部分：充填部分）は、例えば、６０：４０～４０：６０であることが好ましい。充填部分１２ｂを構成する金属ケイ素の体積は、上記気孔容積と同程度であることが好ましい。
　以下、図５～１０に基づいて、熱交換器１０の一製造方法について説明する。
　熱交換器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。
　（成形工程）
　熱交換器の成形に用いる原料として、炭化ケイ素の粒子と、有機分と、分散媒とを含有する粘土状の混合物を調製する。この際、必要に応じて、セラミック粒子等の炭化ケイ素以外の粒子を混合してもよい。
　炭化ケイ素の粒子、及び炭化ケイ素以外の粒子の平均粒子径（５０％粒子径）は、例えば、０．５～５０μｍであることが好ましい。
　有機分としては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等の有機バインダーが挙げられる。これらの有機バインダーの中でも、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロースが特に好ましい。また、上記の有機分のうちの一種のみを用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。
　分散媒としては、例えば、水、有機溶剤が挙げられる。有機溶剤としては、例えば、エタノールが挙げられる。また、上記の分散媒のうちの一種のみを用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。
　また、混合物中にその他の成分を更に含有させてもよい。その他の成分としては、例えば、可塑剤、潤滑剤が挙げられる。可塑剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン系化合物が挙げられる。潤滑剤としては、例えば、グリセリンが挙げられる。
　この粘土状の混合物を用いて、図５に示す成形体２０を成形する。成形体２０は、矩形筒状の周壁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１３に区画する区画壁１２とを備える。この成形体２０に含まれる全てのセル１３は、その両端が開放された状態となっている。成形体２０は、例えば、押し出し成形により成形することができる。
　必要に応じて、得られた成形体２０に対して、成形体２０を乾燥させる乾燥処理を行う。乾燥処理の具体的方法としては、例えば、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、誘電乾燥機、減圧乾燥機、真空乾燥機、凍結乾燥機等を用いた乾燥処理が挙げられる。なお、図５の拡大部分における「有機分」として示される部分には、図示を省略しているが、分散媒も含有される。そして、上記乾燥処理を行うことにより、成形体２０に含まれる分散媒が減少又は消失する。
　（加工工程）
　加工工程では、成形体に第１連通部及び第２連通部を形成する第１加工、及び成形体における一部のセルの両端部を封止する第２加工を行う。
　図６に示すように、第１加工では、例えば、加熱された加工具２１を成形体２０に接触させる方法を用いて、成形体２０における周壁１１及び区画壁１２の一部を除去して、第１連通部１５ａ及び第２連通部１５ｂを形成する。
　具体的には、図６に示すように、加工具２１として、第１連通部１５ａ及び第２連通部１５ｂに対応する外形状を有するブレードを用意する。このブレードは、耐熱性の金属（例えば、ステンレス鋼）により形成され、その厚さは、第１セル１３ａの幅を超えない厚さに設定されている。次に、成形体２０に含まれる有機分が焼失する温度となるようにブレードを加熱する。例えば、有機分がメチルセルロースである場合には、ブレードを４００℃以上に加熱する。
　図７に示すように、加熱されたブレードを周方向外方から成形体２０に差し込んだ後、これを引き抜くことによって、第１連通部１５ａ及び第２連通部１５ｂを形成する。このとき、加熱されたブレードと成形体２０とが接触すると、その接触部分において成形体２０に含まれる有機分が燃焼して焼失する。そのため、成形体２０に対するブレードの挿入抵抗は非常に小さく、ブレードの挿入時に、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、有機分が焼失することによって、発生する加工屑の量が減少する。
　図８に示すように、第２加工では、成形体２０に形成される複数のセル１３のうち、第１セル１３ａを構成するセル１３の両端部に対して、成形工程において用いた粘土状の混合物を充填して、当該セル１３の両端部を封止する封止部２２を形成する。その後、成形体２０に対して、封止部２２を乾燥させる乾燥処理を行う。
　上記の第１加工及び第２加工を含む加工工程を経ることにより、加工成形体２０ａが得られる。第１加工と第２加工の順序は特に限定されず、第２加工を行った後、第１加工を行ってもよい。
　（脱脂工程及び含浸工程）
　脱脂工程では、加工成形体２０ａを加熱することによって、加工成形体２０ａに含まれる有機分を焼失させる。これにより、加工成形体２０ａから有機分が除去された脱脂体が得られる。図９に示すように、脱脂工程を経ることにより、加工成形体２０ａから有機分が除去された脱脂体３０は、炭化ケイ素の粒子間に隙間を有する多孔質構造を備える。ここで、脱脂体３０における隙間の容積（気孔容積）は、４０～６０体積％であることが好ましい。脱脂体３０の気孔容積は、成形工程において用いた混合物における炭化ケイ素の粒子の含有率を変更することにより調整できる。本実施形態においては、多孔質構造の脱脂体３０がハニカム多孔体となる。
　含浸工程では、脱脂体の各壁の内部に金属ケイ素を含浸させる。図１０に示すように、含浸工程を経ることにより、脱脂体３０の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素が充填されて、熱交換器１０が得られる。
　ここで、本実施形態の製造方法では、脱脂工程及び含浸工程を、異なる温度域による多段階の加熱処理によって連続的に行う。
　図１１に示すように、グラファイト等からなる有底箱状の耐熱性の容器４０内に、加工成形体２０ａを配置する。図１１では、加工成形体２０ａについて、その断面形状を省略して図示している。加工成形体２０ａは、容器４０の底面に配置された支持具４１の上に載置されることにより、支持具４１を介して容器４０内に配置される。
　支持具４１は、加工成形体２０ａの下面の一部のみに接触する大きさ及び形状に形成されており、加工成形体２０ａの下面の一点又は数点において加工成形体２０ａを支持する。支持具４１の数は単数であってもよいし、複数であってもよい。
　支持具４１の形状としては、例えば、角柱状、円柱状、角錐台状、円錐台状が挙げられる。これらの中でも、加工成形体２０ａの下面との接点を少なくできる点から、角錐台状、円錐台状が特に好ましい。
　支持具４１は、毛細管現象を生じさせる程度の大きさの連続した気孔を有する多孔質材により構成される。支持具４１を構成する多孔質材としては、例えば、炭化ケイ素からなる多孔質材、黒鉛等の炭素からなる多孔質材が挙げられる。支持具４１を構成する多孔質材の気孔率は、例えば、２０～６０％である。
　また、容器４０の底面に粉末状、粒状、塊状等の固体状の金属ケイ素４２を配置する。具体的には、容器４０の底面と支持具４１に載置された加工成形体２０ａとの間の隙間Ｓに金属ケイ素４２を配置する。金属ケイ素４２としては、その純度が９８％未満の金属ケイ素を用いることが好ましい。固体状の金属ケイ素は、その純度が低くなるにしたがって融点が低くなる傾向がある。そのため、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。その結果、製造コストを抑制することができる。なお、金属ケイ素の純度は、例えば、９５％以上である。
　容器４０内に収容される金属ケイ素４２の量は、例えば、加工成形体２０ａから得られる脱脂体３０の気孔容積と支持具４１の気孔容積の和に相当する量（例えば、上記和の１．００～１．０５倍の体積に相当する量）とする。この場合には、熱交換器１０の気孔率を０％に近づけることができる。また、金属ケイ素４２の使用量が抑えられて、製造コストを抑制することができる。
　上記のように、容器４０内に加工成形体２０ａ及び金属ケイ素４２を配置した状態として、焼成炉等の公知の加熱手段を用いて、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気下又は真空下にて容器４０を加熱する。このとき、容器４０に対して異なる温度域による多段階の加熱を行う。
　具体的には、図１２に示すように、容器４０内の温度を、第１温度まで昇温させ、第１温度にて一定時間、保持することにより一次加熱を行う。その後、容器４０内の温度を、第１温度よりも高い第２温度まで昇温させ、一定時間、保持することにより二次加熱を行う。その後、容器４０内の温度を降下させる。
　一次加熱は、脱脂工程に相当する加熱処理である。一次加熱の第１温度は、有機分が焼失する温度かつ金属ケイ素の融点未満の温度であり、加工成形体２０ａに含まれる有機分の種類に応じて設定される。一次加熱により、加工成形体２０ａに含まれる有機分が焼失して、加工成形体２０ａは多孔質構造の脱脂体３０（ハニカム多孔体）となる。このとき、容器４０内の温度（第１温度）は、金属ケイ素の融点未満の温度であるため、容器４０内に収容された金属ケイ素４２は、固体の状態が維持される。
　第１温度は、例えば、４００℃以上１４００℃以下の温度であることが好ましく、４５０℃以上１０００℃以下の温度であることがより好ましい。上記温度範囲に設定することにより、金属ケイ素４２の溶融を抑制しつつ、有機分をより確実に焼失させることができる。
　一次加熱は、加工成形体２０ａに含まれる有機分が完全に除去されるまで行うことが好ましい。例えば、事前の予備試験により、加工成形体２０ａに含まれる有機分が除去された状態の脱脂体３０となる加熱時間を測定しておき、その加熱時間の経過をもって、容器４０内の温度を第１温度から第２温度に昇温する。
　二次加熱は、含浸工程に相当する加熱処理である。二次加熱の第２温度は、金属ケイ素の融点以上に設定される。二次加熱により、容器４０内に収容された金属ケイ素４２が溶融する。そして、溶融した金属ケイ素は、毛細管現象によって、多孔質材からなる支持具４１を通じて脱脂体３０（ハニカム多孔体）の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に入り込み、その隙間に金属ケイ素４２が含浸される。
　第２温度は、例えば、１４２０℃以上の温度であることが好ましい。上記温度範囲に設定することにより、金属ケイ素をより確実に含浸させることができる。
　また、第２温度は、例えば、２０００℃以下の温度であることが好ましく、１９００℃以下の温度であることがより好ましい。上記温度範囲に設定することにより、設備やエネルギー等の観点において、製造コストを抑制することができる。
　また、第２温度は、成形工程に用いた混合物に含まれる炭化ケイ素の焼結温度未満（例えば、２０００℃以下）の温度であることが好ましい。上記温度範囲に設定することにより、得られる熱交換器１０は、その構成成分である炭化ケイ素粒子の殆どが焼結されずに、それぞれ独立して存在する未焼結のハニカム構造体となる。この未焼結のハニカム構造体は、ヤング率が高く、変形し難い性質を有しており、熱交換器として有用である。
　二次加熱は、脱脂体３０の各壁を構成する炭化ケイ素粒子の隙間に金属ケイ素が十分に含浸されるまで行うことが好ましい。例えば、容器４０内に収容される金属ケイ素４２の量が、脱脂体３０（ハニカム多孔体）の気孔容積と支持具４１の気孔容積の和に相当する量である場合には、全ての金属ケイ素４２が含浸されたことをもって、金属ケイ素が十分に含浸されたと判断することができる。
　そして、二次加熱の後は、容器４０内の温度を降下させ、容器４０から熱交換器１０を取り出し、熱交換器１０の下面に一体化している支持具４１を分離する。これにより、熱交換器１０が得られる。
　次に、本実施形態の作用及び効果について記載する。
　（１）熱交換器等のハニカム構造体の製造方法は、炭化ケイ素粒子、有機分、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分を除去してハニカム多孔体を得る脱脂工程と、ハニカム多孔体の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する。含浸工程は、固体状の金属ケイ素を収容する容器の内部に支持具を介してハニカム多孔体を配置した状態で、容器内を金属ケイ素の融点以上の温度に加熱することにより、溶融した金属ケイ素を、多孔質の支持具を通じてハニカム多孔体に含浸させる。
　上記構成によれば、ハニカム多孔体の毛細管現象による吸い上げ力に基づいて金属ケイ素が含浸される。そのため、ハニカム多孔体の気孔容積を超えた量の金属ケイ素が含浸され難く、余剰の金属ケイ素がハニカム構造体の外周から垂れ下がったり、ハニカム構造体内のセル内に膨出してセルが設計値よりも狭くなったりすることが抑制される。その結果、ハニカム構造体の形状安定性が向上する。
　また、上記構成によれば、多様な形状の成形体に対して実施することができる。すなわち、固体状の金属ケイ素を成形体の上に配置した状態として含浸工程を行う場合には、成形体の上面が、固体状の金属ケイ素を配置可能な形状である必要がある。これに対して、上記構成の場合には、固体状の金属ケイ素を配置することが難しい形状（例えば、湾曲形状や尖った形状等）の上面を有する成形体であっても、含浸工程を行うことができる。
　（２）金属ケイ素は、容器の底面に配置されている。
　上記構成によれば、溶融した金属ケイ素が容器の下部から上部に向かって、ハニカム多孔体の毛細管現象によって吸い上げられるため、余剰の金属ケイ素が外周から垂れ下がったり、ハニカム構造体内のセル内に膨出してセルが設計値よりも狭くなったりすることが更に抑制される。
　（３）固体状の金属ケイ素を収容する容器の内部に支持具を介して成形体を配置し、容器内の温度を、有機分が焼失する温度かつ金属ケイ素の融点未満の第１温度として脱脂工程を行った後、金属ケイ素の融点以上の第２温度に昇温することにより、ハニカム多孔体に含浸させる含浸工程を行う。
　上記構成によれば、容器内の温度を第１温度とすることにより、成形体に含まれる有機分が焼失してハニカム多孔体が得られる。このときの第１温度は、金属ケイ素の融点未満の温度であるため、容器内に収容された金属ケイ素は、固体の状態が維持される。その後、容器内の温度を金属ケイ素の融点以上の第２温度に昇温することにより、金属ケイ素が溶融する。溶融した金属ケイ素が、支持具を通じてハニカム多孔体の内部へ含浸することによりハニカム構造体が得られる。このように、容器内の温度管理によって、一度の加熱処理の中で脱脂工程と含浸工程を連続的に行うことができ、その結果、ハニカム構造体の製造工程が簡略化される。
　（４）第１温度は、４００℃以上１４００℃以下の温度である。
　上記構成によれば、脱脂工程に相当する第１温度による加熱処理時において、金属ケイ素が溶融して成形体に含浸することを抑制しつつ、有機分の焼失を好適に進行させることができる。
　（５）第２温度は、１４２０℃以上２０００℃以下の温度である。
　上記構成によれば、含浸工程に相当する第２温度による加熱処理時において、ハニカム多孔体への金属ケイ素の含浸を好適に進行させることができるとともに、過剰に加熱されることによる劣化を抑制できる。また、未焼結のハニカム構造体が得られやすくなる。未焼結のハニカム構造体は、ヤング率が高く、変形し難い性質を有しており、熱交換器等として有用である。
　（６）容器に収容される金属ケイ素の量は、ハニカム多孔体の気孔容積と支持具の気孔容積の和の１．００～１．０５倍の体積に相当する量である。
　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。
　（７）容器に収容される金属ケイ素は、純度９８％未満である。
　上記構成によれば、含浸工程に要する加熱温度である第２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。
　本実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。また、上記実施形態の構成や以下の変更例に示す構成を適宜組み合わせて実施することも可能である。
　・ハニカム構造体の形状（例えば、ハニカム構造体の外形や断面形状）は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜、変更することができる。例えば、周壁を構成する特定の側壁を、周壁を構成する他の側壁よりも厚く形成してもよい。また、周壁を備えないハニカム構造体であってもよい。
　・支持具の上に載置される成形体の向きは特に限定されるものではないが、成形体の周壁における壁厚が最も厚い側壁が下側に位置するようにして、成形体を支持具に載置することが好ましい。この場合には、支持具による成形体の変形を抑制できる。
　・脱脂工程に対応する一次加熱は、第１温度の範囲において、その温度を変化させてもよい。例えば、図１３に示すように、容器内の温度を第２温度まで連続的に上昇させ、その途中における第１温度の範囲（第１温度域）に滞在する期間を一次加熱としてもよい。この場合、第１温度域に滞在する期間が十分に確保されるように、容器内の温度の上昇曲線を調整することが好ましい。同様に、含浸工程に対応する二次加熱についても、第２温度の範囲において、その温度を変化させてもよい。
　・上記実施形態では、一つの構成部品からなる成形体を容器の内部に配置していたが、複数の成形体（構成部品）を組み合わせてなる組立体を容器の内部に配置してもよい。複数の成形体からなる組立体であっても、脱脂工程に相当する第１加熱により、全体的に多孔質構造の脱脂体（ハニカム多孔体）になるため、一つの構成部品からなる成形体を配置した場合と同様のメカニズムによって、金属ケイ素を含浸させることができる。そして、金属ケイ素が含浸されることにより各構成部品が一体化する。したがって、この場合には、含浸工程と同時に各構成部品を一体化する処理も行うことができ、ハニカム構造体の製造工程が簡略化される。
　・上記実施形態では、多孔質材により構成される支持具を用いていたが、支持具は、二次加熱（含浸工程）を行う際に、毛細管現象を生じさせる多孔質形状であればよい。例えば、成形体の形成に用いる混合物から構成される支持具や、成形体を得る際に生じた切断片からなる支持具としてもよい。この場合、一次加熱（脱脂工程）を経ることにより、支持具についても成形体と同様に脱脂されて多孔質構造の支持具となる。また、成形工程において、成形体に対して支持具となる部分を一体に形成する、又は支持具となる部分を組み合わせた組立体として、その成形体又は組立体を容器に直接、載置してもよい。
　・上記実施形態では、脱脂工程と含浸工程とを異なる温度域による多段階の加熱処理によって連続的に行っていたが、脱脂工程の加熱処理と、含浸工程の加熱処理とを別々に行ってもよい。この場合、例えば、脱脂工程により得られた脱脂体（ハニカム多孔体）を、金属ケイ素を収容する容器の内部に支持具を介して配置する。そして、容器内を金属ケイ素の融点以上の温度に加熱して含浸工程を行う。
　・含浸工程に供されるハニカム多孔体は、脱脂体を焼成して炭化ケイ素粒子同士を焼結させた焼成体の状態であってもよい。例えば、脱脂工程と含浸工程とを別々に行うとともに、脱脂工程と含浸工程との間に、脱脂体を１８００℃以上の温度で加熱して焼成体を得る焼成工程を行う。そして、焼成工程により得られた焼成体を、金属ケイ素を収容する容器の内部に支持具を介して配置し、容器内を金属ケイ素の融点以上の温度に加熱して含浸工程を行う。含浸工程に供されるハニカム多孔体が焼成体の状態であっても、脱脂体の状態である場合と同様のメカニズムによって、金属ケイ素を含浸させることができる。また、容器の内部に焼成体を配置する際に、複数の焼成体を組み合わせてなる組立体を配置してもよい。
　・成形工程、加工工程、脱脂工程、含浸工程以外のその他の工程を更に行ってもよい。その他の工程としては、例えば、上記焼成工程、複数の成形体や焼成体を組み合わせて組立体を得る組立工程、含浸工程後に研磨等の表面加工を行う後加工工程が挙げられる。また、加工工程を省略してもよい。
　次に、上記実施形態及び変更例から把握できる別の技術的思想について以下に追記する。
　・　前記成形体の前記周壁における壁厚が最も厚い側壁を下側として、前記成形体を前記支持具に載置する前記ハニカム構造体の製造方法。
　１０…熱交換器（ハニカム構造体）、１１…周壁、１２…区画壁、１２ａ…骨格部分、１２ｂ…充填部分、１３ａ…第１セル、１３ｂ…第２セル、２０…成形体、２０ａ…加工成形体、３０…脱脂体（ハニカム多孔体）、４０…容器、４１…支持具、４２…金属ケイ素。

Claims (7)

  1. 　複数のセルに区画する区画壁を備えるハニカム構造体の製造方法であって、
    　炭化ケイ素粒子、有機分、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分を除去してハニカム多孔体を得る脱脂工程と、
    　前記ハニカム多孔体の前記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、
    　前記含浸工程は、固体状の金属ケイ素を収容する容器の内部に支持具を介して前記ハニカム多孔体を配置した状態で、前記容器内を金属ケイ素の融点以上の温度に加熱することにより、溶融した金属ケイ素を、多孔質の前記支持具を通じて前記ハニカム多孔体に含浸させることを特徴とするハニカム構造体の製造方法。
  2. 　前記金属ケイ素は、前記容器の底面に配置されてい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。
  3. 　前記容器の内部に前記支持具を介して前記成形体を配置し、
    　前記容器内の温度を、前記有機分が焼失する温度かつ金属ケイ素の融点未満の第１温度として前記脱脂工程を行った後、前記金属ケイ素の融点以上の第２温度に昇温することにより、前記含浸工程を行う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。
  4. 　前記第１温度は、４００℃以上１４００℃以下の温度であることを特徴とする請求項３に記載のハニカム構造体の製造方法。
  5. 　前記第２温度は、１４２０℃以上２０００℃以下の温度であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のハニカム構造体の製造方法。
  6. 　前記容器の内部に配置される前記成形体は、脱脂工程後の複数の前記成形体を組み合わせた組立体である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。
  7. 　前記脱脂工程と前記含浸工程との間に、１８００℃以上の温度で加熱する焼成工程を有す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。
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