(57)【要約】【課題】単純な工程で、短期間で製造できるフレーム構造物及び炉内部材を提供する。【解決手段】フレーム構造物１は、炭素繊維強化炭素複合材の複数のパイプ１０と、炭素系材料（例えば黒鉛）の複数のジョイント２０とを備える。パイプ１０の先端には挿入部１１が形成され、挿入部１１の外周には壁面１２が設けられている。また、ジョイント２０には複数の接続孔２１が形成され、接続孔２１の内面は壁面２２が設けられ、接続孔２１は所定の深さを有して底２３が設けられている。ジョイント２０の接続孔２１は、パイプ１０の挿入部１１を挿入可能とする所定の内径を有している。接続孔２１と挿入部１１は、それぞれの壁面１２、２２同士が周接し炭素系接着剤３０で接合されている。パイプ１０と、ジョイント２０を結合するのみで全体形状を形成しているので、個別の形状にあった炭素繊維強化炭素複合材を形成する必要がなく、製造の期間を短縮することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維強化炭素複合材の複数のパイプと、前記複数のパイプを結合する炭素系材料の複数のジョイントと、を備えるフレーム構造物。
【請求項２】
前記パイプには挿入部を有し、前記ジョイントには前記挿入部を挿入する接続孔を有する請求項１に記載のフレーム構造物。
【請求項３】
前記ジョイントは、黒鉛からなる請求項２に記載のフレーム構造物。
【請求項４】
前記ジョイントは、互いに直交する３つの軸方向に沿うように配置された２〜６個の接続孔を有する請求項２または３に記載のフレーム構造物。
【請求項５】
前記ジョイントは、前記３つの軸のうち任意の２つの軸に挟まれる軸に沿うように配置された接続孔をさらに有する請求項４に記載のフレーム構造物。
【請求項６】
前記接続孔は、底を有する請求項２から５のいずれか１項に記載のフレーム構造物。
【請求項７】
前記接続孔の壁面と、前記パイプの挿入部の壁面は、互いに同一の傾斜角を有するテーパー面により構成される請求項２から６のいずれか１項に記載のフレーム構造物。
【請求項８】
前記パイプと前記ジョイントは、炭素系接着層で接合されている請求項１から７のいずれか１項に記載のフレーム構造物。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のフレーム構造物を用いた、炉内部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレーム構造物及び炉内部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼成炉、加熱炉、熱処理炉などにワークを設置したり、マッフル炉などの構造物を配置したりするために炉内部材が用いられている。
【０００３】
特許文献１には、炭素繊維系複合材を用いて形成したことを特徴とする熱処理架台が記載されている。さらに熱処理架台の構成部品の材料としては、炭素繊維系複合材が用いられている。この炭素繊維系複合材はカーボン繊維を焼結させたり、あるいはホットプレス成形したりして作られることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４０３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された発明は、炭素繊維系複合材を製造するために、カーボン繊維を焼結させたり、ホットプレス成形させたりするなど、目的の形状を得るために様々なプロセスが用いられている。様々なプロセスを採用すると工程が複雑となり、製造に長期間を要し、コストアップの要因となる課題があった。
【０００６】
本発明では、前記課題を鑑み、単純な工程で、短期間で製造できるフレーム構造物及び炉内部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明のフレーム構造物は、以下のものである。
【０００８】
（１）炭素繊維強化炭素複合材の複数のパイプと、前記複数のパイプを結合する炭素系材料の複数のジョイントと、を備える。
【０００９】
パイプと、ジョイントを結合するのみで全体形状を形成しているので、個別の形状にあった炭素繊維強化炭素複合材を形成する必要がなく、製造の期間を短縮することができる。
【００１０】
また、パイプとジョイントとからなるので、個々の部品に分解することにより、小さく梱包することができる。このため、使用する場所までコンパクトに配送し、現地で組み立てることが可能になり、輸送コストを少なくすることができる。
【００１１】
さらに、複数の規格長さのパイプをあらかじめ製作し、目的の形状に合わせて組み合わせることで、様々な形状、大きさに対応することができ、効率的に様々な種類のフレーム構造物を得ることができる。また、目的の形状に合わせて、パイプとジョイントを組み換え、フレーム構造物を再利用することができる。
【００１２】
そして、高温の炉に入れて、例えば架台の様に用いても、強固で安定したフレーム構造物を提供できる。
【００１３】
さらに、本発明の構造物は、以下の態様であることが好ましい。
【００１４】
（２）前記パイプには挿入部を有し、前記ジョイントには前記挿入部を挿入する接続孔を有する。
【００１５】
本パイプには挿入部を有し、前記ジョイントには前記挿入部を挿入する接続孔を有するので、接続部でジョイントはパイプを覆う構造となる。このため、ジョイントには大きな力が加わりにくく、材料選択の自由度が増える。このため、炭素繊維強化炭素複合材だけでなく比較的強度の小さい黒鉛材でも選択することができる。
【００１６】
（３）前記ジョイントは、黒鉛からなる。
【００１７】
本発明のジョイントの材質は特に限定されないが、黒鉛、炭素繊維強化炭素複合材、ＳｉＣなどが利用できる。中でも黒鉛は、立方体あるいは直方体など内部まで詰まった均一なブロックを得られやすいうえに、加工しやすく、容易に本発明のジョイントを得ることができる。
【００１８】
（４）前記ジョイントは、互いに直交する３軸方向に沿うように配置された２〜６個の接続孔を有する。
【００１９】
ジョイントは互いに直行する３軸方向に沿うように配置された２〜６個の接続孔を有するので、接続孔の数の異なるジョイントを自在に組み合わせて様々な形状のフレーム構造物を得ることができる。
【００２０】
（５）前記ジョイントは、前記３つの軸のうち任意の２つの軸に挟まれる軸に沿うように配置された接続孔をさらに有する。
【００２１】
ジョイントは、前記３つの軸のうち任意の２つの軸に挟まれる軸に沿うように配置された接続孔をさらに有しているので、複数のパイプで枠を構成し、３つの軸のうち任意の２つの軸に挟まれる軸に沿うように配置された接続孔から筋交となるパイプを配置することができるので、筋交いを持った枠構造を形成し、強度のある複雑な構造のフレーム構造物に対応できる。
【００２２】
（６）前記接続孔は、底を有する。
【００２３】
接続孔は底を有しているので、パイプがジョイントを貫通する恐れがなく、ストッパーとして作用することができる。但し、ジョイントが互いに対向する接続孔どうし底の中央部分で貫通していてもよい。
【００２４】
（７）前記接続孔の壁面と、前記パイプの挿入部の壁面は、互いに同一の傾斜角を有するテーパー面により構成される。
【００２５】
接続孔の壁面と挿入部の壁面が、互いに同一の傾斜角を有するテーパー面であると、深く差し込むことにより密着し、強固に接続することができる。
【００２６】
（８）前記パイプと前記ジョイントは、炭素系接着層で接合されている。
【００２７】
炭素系接着層で接合されていると、より強固に接合することができる。また、互いに同一の傾斜角のテーパーである接続孔の壁面の挿入部の壁面の間に炭素系接着層を備えることにより、炭素化の過程で炭素系接着層が収縮するとともに間隔が小さくなっていくので、気孔ができにくく強固に接合することができる。
【００２８】
（９）前記課題を解決するための本発明の炉内部材は、フレーム構造物を用いている。
【００２９】
またフレーム構造物は、炭素系の材料のみからなるので、高温でも十分な強度を維持することができ、炉内部材として好適に利用できる。
【発明の効果】
【００３０】
パイプと、ジョイントを結合するのみで全体形状を形成しているので、個別の形状にあった炭素繊維強化炭素複合材を形成する必要がなく、製造の期間を短縮することができる。また、パイプとジョイントとからなるので、個々の部品に分解することにより、小さく梱包することができる。このため、使用する場所までコンパクトに配送し、現地で組み立てることが可能になり、輸送コストを少なくすることができる。さらに、複数の規格長さのパイプをあらかじめ製作し、目的の形状に合わせて組み合わせることで、様々な形状、大きさに対応することができ、効率的に様々な種類のフレーム構造物を得ることができる。また、目的の形状に合わせて、パイプとジョイントを組み換え、フレーム構造物を再利用することができる。そして、高温の炉に入れて、例えば架台の様に用いても、強固で安定したフレーム構造物及び炉内部材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るフレーム構造物の第１の実施形態の一例を示す斜視図。
【図２】本発明に係るフレーム構造物のパイプとジョイントの一例を示し、（ａ）分解斜視図、（ｂ）接合断面図。
【図３】本発明に係るフレーム構造物の第２の実施形態の一例を示し、（ａ）全体の斜視図、（ｂ）ジョイント部分の拡大図。
【図４】本発明に係るフレーム構造物の第３の実施形態の一例を示し、（ａ）平面図、（ｂ）側面図。
【図５】本発明に係るパイプとジョイントの接合構造の実施例１の一例を示す断面図。
【図６】本発明に係るパイプとジョイントの接合構造の実施例２の一例を示す断面図。
【図７】本発明に係るパイプとジョイントの接合構造の実施例３の一例を示し、（ａ）断面図、（ｂ）ジョイントの平面図。
【図８】本発明に係るパイプとジョイントの接合構造の実施例４の一例を示す断面図。
【００３２】
（発明の詳細な説明）
前記課題を解決するための本発明のフレーム構造物は、炭素繊維強化炭素複合材の複数のパイプと、前記複数のパイプを結合する炭素系材料の複数のジョイントと、を備える。
【００３３】
パイプと、ジョイントを結合するのみで全体形状を形成しているので、個別の形状にあった炭素繊維強化炭素複合材を形成する必要がなく、製造の期間を短縮することができる。
【００３４】
また、パイプとジョイントとからなるので、個々の部品に分解することにより、小さく梱包することができる。このため、使用する場所までコンパクトに配送し、現地で組み立てることが可能になり、輸送コストを少なくすることができる。
【００３５】
さらに、複数の規格長さのパイプをあらかじめ製作し、目的の形状に合わせて組み合わせることで、様々な形状、大きさに対応することができ、効率的に様々な種類のフレーム構造物を得ることができる。また、目的の形状に合わせて、パイプとジョイントを組み換え、フレーム構造物を再利用することができる。
【００３６】
そして、例えば１０００℃以上の高温の炉に入れて、例えば架台の様に用いても、強固で安定したフレーム構造物を提供できる。
【００３７】
本発明のパイプは特に限定されず、炭素繊維の束をワインディングするフィラメントワインディング法、炭素繊維の束を編んで形成したブレーディング法の骨材を用いることができる。また骨材の隙間に形成されるマトリックスは炭化水素ガスを熱分解して得られる熱分解炭素、フェノール樹脂、コプナ樹脂などの炭素前駆体を熱分解して得られるガラス状炭素などが利用できる。
【００３８】
さらに、本発明の構造物は、前記パイプには挿入部を有し、前記ジョイントには前記挿入部を挿入する接続孔を有する。
【００３９】
本パイプには挿入部を有し、前記ジョイントには前記挿入部を挿入する接続孔を有するので、接続部でジョイントはパイプを覆う構造となる。このため、ジョイントには大きな力が加わりにくく、材料選択の自由度が増える。このため、炭素繊維強化炭素複合材だけでなく比較的強度の小さい黒鉛材でも選択することができる。
【００４０】
前記ジョイントは、黒鉛からなる。
【００４１】
本発明のジョイントの材質は特に限定されないが、黒鉛、炭素繊維強化炭素複合材、などが利用できる。中でも黒鉛は、立方体あるいは直方体など内部まで詰まった均一なブロックを得られやすいうえに、加工しやすく、容易に本発明のジョイントを得ることができる。
【００４２】
前記ジョイントは、互いに直交する３軸方向に沿うように配置された２〜６個の接続孔を有する。
【００４３】
ジョイントは互いに直行する３軸方向に沿うように配置された２〜６個の接続孔を有するので、接続孔の数の異なるジョイントを自在に組み合わせて様々な形状のフレーム構造物を得ることができる。
【００４４】
前記ジョイントは、前記３つの軸のうち任意の２つの軸に挟まれるとともに同一面内にある軸に垂直に交差する少なくとも一つの面を有する。
【００４５】
ジョイントは、前記３つの軸のうち任意の２つの軸に挟まれる軸に沿うように配置された接続孔をさらに有しているので、複数のパイプで枠を構成し、３つの軸のうち任意の２つの軸に挟まれる軸に沿うように配置された接続孔から筋交となるパイプを配置することができるので、筋交いを持った枠構造を形成し、強度のある複雑な構造のフレーム構造物に対応できる。
【００４６】
前記接続孔は、底を有する。
【００４７】
接続孔は底を有しているので、パイプがジョイントを貫通する恐れがなく、ストッパーとして作用することができる。但し、ジョイントが互いに対向する接続孔どうし底の中央部分で貫通していてもよい。
【００４８】
前記接続孔の壁面と、前記パイプの挿入部の壁面は、互いに同一の傾斜角を有するテーパー面により構成される。
【００４９】
接続孔の壁面と挿入部の壁面が、互いに同一の傾斜角を有するテーパー面であると、深く差し込むことにより密着し、強固に接続することができる。
【００５０】
前記パイプと前記ジョイントは、炭素系接着層で接合されている。
【００５１】
炭素系接着層で接合されていると、より強固に接合することができる。また、互いに同一の傾斜角のテーパーである接続孔の壁面の挿入部の壁面の間に炭素系接着層を備えることにより、炭素化の過程で炭素系接着層が収縮するとともに間隔が小さくなっていくので、気孔ができにくく強固に接合することができる。
【００５２】
本発明の炉内部材は、フレーム構造物を用いている。
【００５３】
またフレーム構造物は、炭素系の材料のみからなるので、高温でも十分な強度を維持することができ、炉内部材として好適に利用できる。
【００５４】
（発明を実施するための実施形態）
図１は、本発明に係るフレーム構造物の第１の実施形態を示す斜視図である。図２は、本発明に係るフレーム構造物のパイプとジョイントを示し、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は接合断面図である。図１及び図２に基づいてフレーム構造物を説明する。
【００５５】
フレーム構造物１は、炭素繊維強化炭素複合材の複数のパイプ１０と、炭素系材料（例えば黒鉛）の複数のジョイント２０とを備える。フレーム構造物１は、直交座標系におけるＸ軸とＹ軸とＺ軸の３つの軸を有し、第１の実施形態におけるフレーム構造物１は、各パイプ１０が各軸に対して平行に配列された立体である。
【００５６】
図２に示されるように、パイプ１０の先端には挿入部１１が形成され、挿入部１１の外周には壁面１２が設けられている。また、ジョイント２０には複数の接続孔２１が形成され、接続孔２１の内面は壁面２２が設けられ、接続孔２１は所定の深さを有して底２３が設けられている。ジョイント２０は、複数の面（平面）２４を有する、例えば４面体、６面体、８面体などの正多面体のほか、６面体の１２の辺を大きく面取りした１８面体などが利用できる。
【００５７】
ジョイント２０の接続孔２１は、パイプ１０の挿入部１１を挿入可能とする所定の内径を有している。接続孔２１と挿入部１１は、それぞれの壁面１２、２２同士が周接し炭素系接着剤３０で接合されている。
【００５８】
図３は、フレーム構造物１の第２の実施形態を示す斜視図であり、（ａ）全体の斜視図、（ｂ）ジョイント部分の拡大図である。図３に基づいて、フレーム構造物１の第２の実施形態を説明する。
【００５９】
第２の実施形態におけるフレーム構造物１は、各軸に沿って平行な平行パイプ１０ａと、軸に対して対角線上に配置された対角パイプ１０ｂとの組み合わせで構成され、強固な構造となっている。
【００６０】
図４は、フレーム構造物１の第３の実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図４に基づいて、フレーム構造物１の第３の実施形態を説明する。
【００６１】
第３の実施形態におけるフレーム構造物１は、各軸に沿って平行な平行パイプ１０ａと、多角形の外形を形成するように配置された対角パイプ１０ｂと、筋交いを形成する筋交いパイプ１０ｃとの組み合わせで構成された外形が８角柱のフレーム構造物１である。フレーム構造物１は、種々の多面体の構造を選択することが可能である。
【００６２】
図５から図８に基づいて、パイプ１０とジョイント２０との種々の接合構造を説明する。
【００６３】
図５は、接合構造の実施例１である。実施例１は、６面体（立方体）のジョイント２０の直交する２つの面にそれぞれパイプ１０が接合している。尚、図６の実施例２ように、パイプ１０にパイプ接続孔１５を形成させ、ジョイント２０にジョイント挿入部２５を形成させても良い。
【００６４】
図７は、接合構造の実施例３であり、（ａ）断面図、（ｂ）ジョイントの平面図である。実施例３は、ジョイント２０が６面体(立方体)の１２本の辺が大きく面取りされた１８面体であり、それぞれのジョイント２０の面２４に対してパイプ１０が接合している。即ち、３つの軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のうち２つの軸に挟まれる軸に沿うように配置された接続孔２１をさらに有している。図７に示す様に、その平面２４に設けられた接続孔２１にパイプ１０を追加して挿入することが可能である。よって、筋交いをもった枠構造を形成し、強度のある複雑な構造のフレーム構造物に対応することも可能である。
【００６５】
図８は、接合構造の実施例４である。実施例４は、ジョイント２０の接続孔２１の壁面２２とパイプ１０の挿入部１１の壁面１２が、互いに同一の傾斜角を有するテーパー面である。このような構造は、炭素系接着剤を用いて炭素系接着層を形成してもよいが、炭素系接着層を形成しなくても、密着し強固な接合が得られる。
【００６６】
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のフレーム構造物及び炉内部材は、個別の形状に合うことができ高温炉においても強固な形状を保持可能な要望する分野に適合可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１  フレーム構造物
１０  パイプ
１０ａ  平行パイプ
１０ｂ  対角パイプ
１０ｃ  筋交いパイプ
１１  挿入部
１２  壁面
１５  パイプ接続孔
２０  ジョイント
２１  接続孔
２２  壁面
２３  底
２４  面（平面）
２５  ジョイント挿入部
３０  炭素系接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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