JP6673642B2 - 管状体 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック焼結体からなる管状体に関する。

セラミック焼結体は、樹脂や金属に比べて耐摩耗性、耐食性、耐薬品性が比較的高いため、粉体、スラリー、流体などの物を移送するための配管部材として用いられることがある。管状の配管部材は、配置される装置等に合わせて引き回されて設置されるため、管路の中心軸が曲線状部分を備えるような形状、すなわち曲管部を有する形状となっていることが多い。

セラミック焼結体は、例えば板金加工やモールド加工によって管路を形成することが難しく、樹脂や金属等に比べて管状の配管部材を作製することが難しい。管路を有するセラミック焼結体を形成するには、例えばバルク状のセラミック焼結体に、切削加工や研削加工などにて管路となる貫通孔を形成していく方法や、芯金による成形方法があるが、このような貫通孔を形成していく手法では、複数の曲部を有する貫通孔（管路）を形成することは難しく、形状の制約を受けるものであった。

このようなセラミック焼結体を用いて、複数の曲部を有する貫通孔（管路）を備えた貫通孔を有する管状体を作製する方法の一例が、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。特許文献１および２では、中心軸が直線状である（曲部を有さない）セラミック焼結体からなるリング状部材を複数作製し、これらリング状部材の管路を、管路の軸方向に沿って複数繋げるように配置することで、全体として曲部を有する貫通孔（管路）を備える管状体を形成している。

実開平５−１３７３５公報 特開２０１１−２１４５９９公報

特許文献１や特許文献２に記載されている管状体のように、複数のリング状部材の管路を管路の軸方向にそって複数繋げるように配置した管路部材では、管路の内周面において、リング状部材同士の継ぎ目部分で段差や隙間が生じる。この段差や隙間は、管路の軸方向を横切るように延在し、かつ軸方向に沿って断続的に複数の部分に配置された状態となる。管路の内周面に軸方向を横切るように延在する段差や隙間、すなわち、軸方向を横切るような凹部または凸部があると、この凹部や凸部が、管路内を軸方向に沿って運ばれる流体や粉体等の流れの障害となり、管路内で不要な乱流が生じることで流体や粉体の搬送効率が低下するとった問題があった。また、この凹部や凸部で流体や粉体の流れの方向が乱れ易いので、例えば移送される粉体が管路内周面に衝突する頻度が増えてしまい、移送される流体や粉体へのコンタミの混入量が増加したり、管状体の耐久性も低下したりし易いといった課題もあった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたのである。

上記課題を解決するために、肉厚が１０ｍｍ〜１００ｍｍである管路を備える、セラミック焼結体からなる管状体であって、２つの半管状体が接合部材を介してなり、前記半管状体および前記接合部材はいずれも酸化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体からなり、前記管路の中心軸は曲線状部分を備え、前記曲線状部分に対応する前記接合部材は、それぞれが前記中心軸に平行な方向に沿って一直線上に連続する、複数の凹凸条部を有し、前記凹凸条部は、前記内周面から凹んだ凹状部と前記内周面から突出した凸状部とを有することを特徴とする管状体を提供する。

本発明の管状体によれば、管路の軸方向に沿って流体や粉体が流れやすく、流体や粉体を速やかに移送することができる。また、流体や粉体等の管路内での衝突が抑制できるので、流体や粉体へのコンタミの混入は比較的少なく、耐久性も比較的高い。

本実施形態の管状体の一例を示す、（ａ）および（ｂ）は中心軸を含む面で分割した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＢＢ線での断面図であり、（ｃ）は中心軸に直交する方向に沿った断面図であって（ａ）に示すＣＣ線での断面図であり、（ｄ）は（ｃ）に示す領域Ｒの拡大図である。 本実施形態の管状体の他の例を示す、（ａ）は中心軸に平行な方向に沿って中心軸を含む面で分割した断面図であり、（ｂ）は、ＡＡ’線における断面図である。 本実施形態の管状体の他の例を示す、（ａ）は中心軸に平行な方向に沿って中心軸を含む面で切断した断面図であり、（ｂ）は、ＡＡ’線における断面図である。 本実施形態の管状体の他の例を示す、（ａ）は中心軸に平行な方向に沿って中心軸を含む面で切断した断面図であり、（ｂ）は、ＡＡ’線における断面図である。 本実施形態の管状体の他の例を示す、（ａ）は中心軸に平行な方向に沿って中心軸を含む面で切断した断面図であり、（ｂ）は、ＡＡ’線における断面図である。 本実施形態の管状体の他の例を示す、（ａ）は中心軸に平行な方向に沿って中心軸を含む面で切断した断面図であり、（ｂ）は、ＡＡ’線における断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。但し、本明細書の全図において、混同を生じない限り、同一部分には同一符号を付し、その説明を適時省略する。

図１は、本発明の管状体の一実施形態を示す図である。図１に示す管状体１０は、管路１を備えるセラミック焼結体からなる管状体であって、管路１の中心軸ＣＬは曲線状部分５（以下、曲線状部分５を曲線部５ともいう。）を備え、管路１の内周面２０に、それぞれが中心軸ＣＬに平行な方向に沿って連続する、複数の凹凸条部２を有する。

管状体１０は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体からなる。なお、本実施形態における主成分とは、セラミック焼結体を構成する成分１００質量％のうち、８０質量％以上を占める成分をいう。

セラミック焼結体に含まれる成分は、Ｘ線回折法を用いて組成を同定することができる。また、セラミック焼結体に含まれる各元素の量は、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析法によって求めることができる。これらの方法によって求められた元素の含有量を同定された組成に換算して主成分を特定することができる。

管状体１０は、中心軸ＣＬに平行な方向に沿って連続する複数の凹凸条部２を内周面２０に有するので、管路１内を流体や粉体の移送路として使用した場合、これら凹凸条部２の特に凸条部分が、中心軸ＣＬに沿った流れを整える整流板のように機能する。このため、流体や粉体が中心軸ＣＬに沿って流れ易く、流体や粉体を速やかに移送することができる。また、凹凸条部２が中心軸ＣＬに沿って延在し、流体や粉体の流れを中心軸ＣＬに沿った方向に整えているので、移送される流体や粉体の内周面２０への衝突が抑制されており、流体や粉体へのコンタミの混入量が少なく、管状体自体の耐久性も比較的高い。

管状体１０は、例えば肉厚が約１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度であり、管路１の内径が５ｍｍ〜１００ｍｍ程度であり、この場合、凹凸条部２の凸状部は、内周面２０からの突出高さが、例えば０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下程度となっている。また、凹凸条部の凹状部は、例えば最も凹んでいる部分で、例えば内周面２０から０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲で凹んでいる。なお、管状体１０の肉厚は１０ｃｍより大きくてもよく、管路の内径等も特に限定はされない。

また、管状体１０では、内周面２０の、隣り合った凹凸条部２（凹凸条部２αおよび凹凸条部２β）に挟まれた中間領域Ｓでは、中心軸ＣＬに沿った方向で段差を有さない。中間領域Ｓとは、隣り合った２つの凹凸条部２の間の領域であり、それぞれの凹凸条部２から内周面に沿って１ｃｍ以上離れた領域全体をいう。また段差を有さないとは、中心軸ＣＬに沿って５ｍｍの範囲にわたって５ｍｍ以上の段差の高さがないことをいう。

すなわち管状体１０では、内周面２０に、中心軸ＣＬに平行な方向に沿って連続する複数の凹凸条部２を有する一方で、中間領域Ｓでは内周面２０は中心軸ＣＬに沿って連続する滑らかな（段差のない）曲面を有しており、この中間領域Ｓでは、中心軸ＣＬに沿った方向を横切るような凹部や凸部がない。すなわち管状体１０では、中心軸ＣＬに沿って流れる流体や粉体における乱流の発生が抑制されてり、流体や粉体を速やかに移送することができる。

管状体１０では、中心軸ＣＬを対称軸として互いに対称となる位置に配置された、少なくとも２つの凹凸条部２を有する。本実施形態では、凹凸条部２αと凹凸条部２βの、２つの凹凸条部２を備えている。このように中心軸ＣＬを対象軸とした位置に、中心軸ＣＬに沿った流れを整える整流板として作用する２つの凹凸条部２（凹凸条部２αおよび凹凸条部２β）が配置されていることで、管路１内での流体や粉体の流れの偏りを抑制し、中心軸ＣＬに沿った安定した流れを形成することができる。

管状体１０は、２つの半管状体３ａ，３ｂが、接合部材６を介して接合されることで形成されている。管状体１０では、半管状体３ａおよび半管状体３ｂに存在する接合部材６が部分的に凸状にはみ出したり、凹状にへこんだりしているでいることで、凹凸条部２αおよび凹凸条部２βを構成している。２つの半管状体３ａと半管状体３ｂおよび接合部材６は、いずれも酸化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体からなる。

接合部材６の材質や形状等について特に限定されないが、本実施形態のように、半管状体３ａと半管状体３ｂと接合部材６とをいずれも同様の材質で構成することが好ましい。半管状体３ａと半管状体３ｂと接合部材６とをいずれも同様の材質で構成した場合、半管状体３ａ、半管状体３ｂおよび接合部材６の線膨張係数が同じとなり、管状体１０の温度が変動した場合も、半管状体３ａと半管状体３ｂとの間で作用する熱応力が抑制されるので、管状体１０の耐熱性が比較的高い。特に繰り返し温度変化が生じる用途で使用した場合、接合層の線膨張係数の違いによる剥がれが生じない為、繰り返しの温度変化に強い製品が得られる。

接合部材６の位置は例えば以下のようにして確認することができる。まず、管状体１０を中心軸ＣＬに直交する平面で切断し、この断面を研磨して鏡面にする。次に、例えばキーエンス社製デジタルマイクロスコープを用いて、この鏡面を観察する。この観察によって、半管状体３ａと半管状体３ｂとに対応する相対的に気孔が少ない領域と、これら半管状体３ａと半管状体３ｂに対応する領域に挟まれた、相対的に気孔が多い領域とを観察することができる。気孔が相対的に多い領域が接合部材６に対応する領域である。また、上述のデジタルマイクロスコープで気孔が有意に判別できない場合も、電子顕微鏡やその他
の分析手法によって結晶の状態や含有成分を分析することで、接合部材６の位置を確認することができる。すなわち、管状体１０の形状から半管状体３ａと半管状体３ｂとの境界部分は推測できるので、この境界部分の近傍を観察し、半管状体３ａと半管状体３ｂと気孔や粒界の状態、また含まれる成分の含有率等を測定し、半管状体３ａと半管状体３ｂと有意に相違する領域を確認することで、接合部材６の位置を確認することができる。

次に、本実施形態の管状体１０の製造方法の一例について説明する。

まず純度が９９．５％以上で、平均粒径が０．５μｍ以上１．３μｍ以下の酸化アルミニウムの粉末と、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの各粉末とを用意する。そして、酸化アルミニウムの含有量が９８．５質量％以上であり、酸化カルシウム，酸化珪素および酸化マグネシウムの各粉末の合計１００質量％に対して、酸化カルシウムおよび酸化珪素の含有量がそれぞれ２０質量％以上３７．５質量％以下であって残部が酸化マグネシウムとなるように秤量した混合粉末を水などの溶媒ともに回転ミルに投入して、純度が９９．５％以上９９．９９％以下の酸化アルミニウムからなるセラミックスボールで混合を行なう。混合した粉末を、以下、混合粉末という。

次に、ポリビニルアルコール，ポリエチレングリコールやアクリル樹脂などの成形用バインダを溶媒に添加した後、混合してスラリーを得る。ここで、成形用バインダの添加量は混合粉末１００質量％に対して合計２質量％以上１０質量％以下とする。成形用バインダの添加量が２質量％未満であれば、成形体に求められる強度や可とう性が得られず脆い成形体となる。また、成形用バインダの添加量が１０質量％を超えると焼成で成形用バインダが焼失しにくくなり、クラックなどの不具合が出るおそれが高くなる。成形用バインダの添加量を混合粉末１００質量％に対して合計２質量％以上１０質量％以下とすることにより、成形体に求められる強度や可とう性が得られ、クラックなどの不具合が発生しにくい成形体を得ることができる。

その後、スラリーを噴霧造粒して顆粒を得た後、粉末プレス成形法や静水圧プレス成形法（ラバープレス法）を用いて成形して、半管状体３ａの生成形体と半管状体３ｂの生成形体とを作製する。半管状体３ａの生成形体および半管状体３ｂの生成形体は、管状体１０を中心軸ＣＬを含む仮想平面で切断した状態に対応する形状であり、プレス等によって比較的容易に形成することができる。例えばプレス成形の際、金型を中心軸ＣＬに直交する方向に沿って移動させることで、中心軸ＣＬがどのような曲線形状をもっていても、押圧した後に生成形体から金型を容易に離脱させることができる。成形の後、必要に応じて半管状体３ａの生成形体の内側面（内周面２０に対応する面）を切削して、生成形体の内側面の表面状態を整えてもよい。

次に、上述の混合粉末（または混合粉末と同じ方法で得られた粉末）と、有機溶媒（例えば、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール，プロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリエチレングリコールまたはシクロヘキサンジメタノール）と、増粘剤とを所定量秤量し、攪拌装置内の収納容器に入れ、混合・攪拌して、ペーストを作製する。

なお、ペーストにおける混合粉末の充填率は、例えば、２５体積％以上３５体積％以下とし、ペーストの粘度が、４Ｐａ・ｓ以上７Ｐａ・ｓ以下となるように、有機溶媒および増粘剤の量で調整する。そして、攪拌条件としては、大気中において、回転数を８００ｒｐｍ以上１２００ｒｐｍとし、回転時間を８分以上１６分以下とする。

次に、半管状体３ａの生成形体の接合面にペーストを塗布した後、半管状体３ｂの生成
形体の接合面を半管状体３ａとなる生成形体の接合面に当接し、接合面に垂直な方向から、６．１ｋＰａ以上２４．５ｋＰａ以下の圧力を加える。この押圧の際、半管状体３ａの生成形体の接合面と、半管状体３ｂの生成形体の接合面との間隙から、ペーストが部分的にはみ出し、または部分的に凹んだ形となる。

次に、常温で、湿度を制御しながら、１２時間以上４８時間以下保持することにより、ペーストを乾燥させる。その後、大気雰囲気中で、１５００℃以上１７００℃以下の温度で、５時間以上８時間以下保持して焼成することにより、本実施形態の管状体を得ることができる。ペーストは焼成されて接合部材６となる。このような工程を経て、半管状体３ａと半管状体３ｂとの間隙から、接合部材６が部分的に凸状にはみ出したり、凹状にへこんで構成された凹凸条部２αおよび凹凸条部２βが形成される。管状体１０は例えばこのような工程を経て作製することができる。

図２〜６はいずれも、管状体の他の実施形態について示す図である。図２〜図６は管状体における管路の形状のバリエーションを表しており、各実施形態とも凹凸条部２０を備えている（各図（ａ）では図示せず）。

図５，６に示す管状体１５，１６の管路１はいずれもＬ字状であり、図５に示す管状体１５は、曲線部５に対応する領域で肉厚が部分的に厚い部分を有する。このような構成であると、流体や粉体によって損傷を受けやすい部分の寿命を延ばすことができるので、管状体１５の交換頻度を抑制することができる。特に、部分的に厚い部分の肉厚は、それ以外の部分の肉厚の１．１倍以上であることが好適である。図５に示す管状体１５では、曲線部５における管状体１５の肉厚を調節することによって、管路１を流れる流体や粉体の速度を調節することができる。図６に示す管状体１６は、中心軸ＣＬに平行な方向における半管状体３ａの外形が角管状であり、半管状体３ｂが半円管状である。

図２，３，４に示す管状体１２，１３，１４は、それぞれＳ字状，Ｊ字状、Ｗ字状である。流体や粉体を管路１に流すと、曲線部５によって、管路１を流れる流体の速度を遅くしたり、流体や粉体を滞留させたりすることができる。図２，４に示すように、管状体１２，１４は複数の曲線部５を備えることが可能であり、図示しないが、本実施形態の管状体は、曲率が異なる複数の曲線部を備えることもできる。

本実施形態の管状体は、上述したような構成であることから、様々な用途に展開することができる。なお、図１〜６に示す管状体１０〜１６は、いずれも１対の半管状体３ａ，３ｂが中心軸ＣＬに平行な方向に沿って連続する複数の凹凸条部２を介して接合されてなる管状体である。管状体の構成については特に限定されず、図１〜６の各実施形態のように２つの半管状体が組み合わされることに限定されず、例えば管状体が中心軸ＣＬに平行な方向に沿って３分割以上の複数部分に分割された形状の部分部材が、それぞれ接合されて１つの管状体を構成してもよい。

また、管状体の中心軸ＣＬに垂直な方向における流路の断面は円であることが好適であるが、外周面の一部に直線部を備える形状や長軸を有する楕円状であってもよく、４隅に曲部を有する四角形状であってもよく、特に限定されない。また、管状体の軸方向に垂直な断面の外形形状は、図１〜５に示すように四角形状であることが好ましい。半管状体３ａ，３ｂを加圧接合する場合には、荷重を安定して加えることができるからである。

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限定されるものでない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。

１ 管路
２ 凹凸条部
３ａ、３ｂ 半管状体
５ 曲線部
６ 接合部材
１０，１２，１３，１４，１５，１６ 管状体
２０ 内周面

Claims (3)

1. 肉厚が１０ｍｍ〜１００ｍｍである管路を備える、セラミック焼結体からなる管状体であって、
   ２つの半管状体が接合部材を介してなり、前記半管状体および前記接合部材はいずれも酸化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体からなり、
   前記管路の中心軸は曲線状部分を備え、
   前記曲線状部分に対応する前記接合部材は、それぞれが前記中心軸に平行な方向に沿って一直線上に連続する、複数の凹凸条部を有し、前記凹凸条部は、前記２つの半管状体のそれぞれの内周面から凹んだ凹状部と前記内周面から突出した凸状部とを有することを特徴とする管状体。
2. 前記内周面の、隣り合った前記凹凸条部に挟まれた中間領域では、
   前記中心軸に沿った方向で段差を有さないことを特徴とする請求項１記載の管状体。
3. 前記中心軸を対称軸として互いに対称となる位置に配置された、少なくとも２つの凹凸条部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の管状体。

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