(57)【要約】【課題】  焼結前の管状成形体の形状維持を精度よく行うことができる焼結管の製造方法及び支持治具の提供を目的とする。【解決手段】  金属又はセラミックス粉末とバインダを含む管状の成形体２０を作製するステップ（ａ）と、その外径が小さい縮径状態及びその外径が大きい拡径状態をなす棒状の支持部材１０を、縮径状態で成形体２０の中空部に挿入するステップ（ｂ）と、支持部材１０を成形体２０の中空部に挿入した後に、支持部材１０を拡径状態とするステップ（ｃ）と、を備え、縮径状態の支持部材１０の外径は、成形体２０の内径よりも小さく、拡径状態の支持部材１０の外径は、成形体２０の内径と実質的に一致することを特徴とする焼結管の製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又はセラミックス粉末とバインダを含む管状の成形体を作製するステップ（ａ）と、
その外径が小さい縮径状態及びその外径が大きい拡径状態をなす棒状の支持部材を、前記縮径状態で前記成形体の中空部に挿入するステップ（ｂ）と、
前記支持部材を前記成形体の中空部に挿入した後に、前記支持部材を前記拡径状態とするステップ（ｃ）と、を備え、
前記縮径状態の前記支持部材の外径は、前記成形体の内径よりも小さく、
前記拡径状態の前記支持部材の外径は、前記成形体の内径と実質的に一致することを特徴とする焼結管の製造方法。
【請求項２】
前記支持部材は、軸線回りに捻じることにより前記縮径状態及び前記拡径状態なすコイル部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の焼結管の製造方法。
【請求項３】
前記支持部材は、内部の気体量が少ない場合に前記縮径状態をなし、内部の気体量が相対的に多い場合に前記拡径状態をなすバルーン部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の焼結管の製造方法。
【請求項４】
前記支持部材を軸として前記成形体を回転させながら前記成形体の外周面を整形するステップ（ｄ）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焼結管の製造方法。
【請求項５】
前記支持部材を立てた状態で前記成形体を焼成するステップ（ｅ）を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焼結管の製造方法。
【請求項６】
金属又はセラミックス粉末とバインダを含む管状の成形体の当該中空部に挿入されて前記成形体を支持する支持治具であって、
その外径が小さい縮径状態及びその外径が大きい拡径状態をなし、
その長さが長い場合に前記縮径状態をなし、その長さが短い場合に前記拡径状態をなすコイル部材を備えることを特徴とする支持治具。
【請求項７】
前記コイル部材をその周囲に配設する心棒を備え、前記コイル部材は前記心棒を基準としてその径が拡縮することを特徴とする請求項６に記載の支持治具。             
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結金属又はセラミックスからなる管の製造方法に関し、特に焼結前のグリーン状態の成形体の形状を高精度に保持することのできる焼結管の製造方法及び支持治具に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結金属又はセラミックス製（以下、セラミックスと総称することがある）の管は種々の用途に用いられている。このセラミックス管の最も一般的な製造工程において、始めに、セラミックスの原料粉末と樹脂バインダを混練し、押出し成形して管状の成形体を作製する。得られた管状の成形体を所定の温度で焼結する。
【０００３】
従来、焼結の際の変形を防止する種々の提案がなされている。例えば、特許文献１（特開２００２−２５５６５９号公報）は、管状成形体を焼結するに際し、管状成形体を水平に保持した状態でその中心軸を中心として回転させながら焼結することを提案している。この提案によれば、管状成形体に等方的に自重が加わることにより、管状成形体の径の変形が抑制されるとしている。
また、特許文献２（特開２００４−１３７０９９号公報）は、筒状成形体に第１孔と第２孔を形成し、この第１孔及び第２孔の各々の周囲、又は、近傍を補強部材で補強し、第１孔と第２孔とに棒状又は管状の治具を挿入し、管状成形体の長手方向が鉛直方向に向くように、管状成形体を治具で保持しつつ焼結することを提案している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５５６５９号公報
【特許文献２】特開２００４−１３７０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、セラミックス管の製造における変形としては、これまで焼結時の変形が問題視されてきた。ところが、セラミックス管の肉厚が薄くなってくると、管状成形体の強度が不足して、押出し成形後〜焼結までの過程での変形が問題となってくる。例えば、焼結前の段階で管状成形体が変形してしまい、焼結に供することができない場合がある。または，焼結後の収率が悪くなる場合がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、焼結前の管状成形体の形状維持を精度よく行うことができる焼結管の製造方法及び支持治具の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
管状成形体の形状を維持するためには、管状成形体の中空部にその内径に外径が等しい心棒を挿入すればよい。ところが、押出し成形後のセラミックス成形体はひずみがあり、その内径に等しい外径を有する心棒を挿入することは困難である。したがって、管状成形体との間に所定のクリアランスを形成する外径を有する心棒を用いることになる。しかしこれでは、管状成形体と棒材との間のクリアランスの存在によって、形状維持の大きな効果を期待することができない。そこで本発明は、管状成形体の中空部に挿入時には縮径状態をなしているが、管状成形体の中空部に挿入後には拡径状態となってその外径が管状成形体の内径と実質的に等しくなる心棒を用いることを提案する。
すなわち本発明は、金属又はセラミックス粉末とバインダを含む管状の成形体を作製するステップ（ａ）と、その外径が小さい縮径状態及びその外径が大きい拡径状態をなす棒状の支持部材を、縮径状態で成形体の中空部に挿入するステップ（ｂ）と、支持部材を成形体の中空部に挿入した後に、支持部材を拡径状態とするステップ（ｃ）と、を備える。そして、縮径状態の支持部材の外径は、成形体の内径よりも小さく、拡径状態の支持部材の外径は、成形体の内径と実質的に一致することを特徴としている。
【０００７】
本発明において、支持部材は、捻じりばねを利用し、軸線回りに捩じることにより縮径状態及び拡径状態をなすコイル部材を備える構成とすることができる。コイルを捩じることによって、その径が拡大・縮小する機能を利用するものである。コイル部材を捩じるといった簡易な方法で縮径状態、拡径状態を実現することができる。また本発明において、支持部材は、内部の気体量が少ない場合に縮径状態をなし、内部の気体量が相対的に多い場合に拡径状態をなすバルーン部材を備えることができる。この形態も、気体の導入、排出という簡易な方法で、縮径状態、拡径状態を実現することができる。
【０００８】
本発明において、支持部材を軸として成形体を回転させながら成形体の外周面を整形するステップ（ｄ）を備えることができる。成形体を焼結する過程での成形体の変形を防止するために、支持部材を利用するものである。
また、本発明は支持部材を立てた状態で成形体を焼結するステップ（ｅ）を備えることができる。特許文献２では、吊り下げた状態で成形体を焼結するが、さらに例えば支持部材を基材に立設することにより成形体を安定して支持することができる。ただし、焼結の全工程を支持部材で支持することは困難であり、成形体に含まれるバインダが抜けることにより強度が劣化する２００〜３００℃程度の温度を過ぎたら、支持部材を除去することが必要である。
【０００９】
本発明は、以上の焼結管の製造方法に用いる支持治具として、金属又はセラミックス粉末とバインダを含む管状の成形体の当該中空部に挿入されて成形体を支持する支持治具であって、その外径が小さい縮径状態及びその外径が大きい拡径状態をなし、その長さが相対的に長い場合に縮径状態をなし、その長さが相対的に短い場合に拡径状態をなすコイル部材を備えるものを提供とする。
【００１０】
この支持軸として、コイル部材以外に心棒を備えることができ、コイル部材をその周囲に配設し、コイル部材を、心棒を基準としてその径が拡縮するようにすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、縮径状態で支持部材を成形体の中空部に挿入し、支持部材を成形体の中空部に挿入した後に、支持部材を拡径状態として成形体を支持することができる。したがって、成形体への挿入を円滑に行うことができるとともに、拡径状態では成形体とのクリアランスをなくすことができるため、成形体の形状維持を精度よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施の形態では、燃料電池用のセラミックス管を製造する例について説明する。燃料電池用のセラミックス管は、図１に示すように、混練物作製工程（ステップＳ１０１）、成形体作製工程（ステップＳ１０２）、支持部材挿入工程（ステップＳ１０３）、乾燥工程（ステップＳ１０４）、印刷工程（ステップＳ１０５）及び焼結工程（ステップＳ１０６）を備えている。以下、工程順に説明する。
【００１３】
（１）混練物作製工程（ステップＳ１０１）
所定の粒径を有するセラミックスの粉末原料（カルシウム安定化ジルコニア、イットリウム安定化ジルコニア、アルミナ等）に有機系のバインダ（溶剤、添加剤を含む）を混合し、均一な混練物を形成する。混練物の作製は常法に従えばよい。なお、ここではセラミックスを例にして本発明を説明するが、金属粉末を用いて焼結管を製造する場合に本発明を適用することができるのは言うまでもない。
（２）成形体作製工程（ステップＳ１０２）
次に、以上で得られた混練物を用いて管状の成形体を作製する。成形体の作製には、押出し成形法を用いることが有効である。つまり、図２に示すように、混練物を押出し成形機３０に投入し、押出し法により管状の成形体２０を作製する。
【００１４】
（３）支持部材挿入工程（ステップＳ１０３）
押出し成形機３０で成形された管状の成形体２０の中空部分に、図２に示すように支持部材１０を挿入する。本実施の形態では、押出し成形機３０から連続的に作製される管状の成形体２０の中空部に該当する位置に支持部材１０が待ち受けている。押出し成形機３０から連続的に押出され、コンベア３１上を図中左方向に進行する結果、成形体２０の中空部に支持部材１０が挿入される。所定長の押出しが行われると押出しを一旦停止し、成形体２０を切断する。
なお、この例では、成形体２０を押出ししながら支持部材１０を成形体２０の中空部に挿入する例を示したが、所定長の成形体２０を作製した後に、支持部材１０を成形体２０の中空部に挿入してもよいことは言うまでもない。
【００１５】
図３は本実施の形態における支持部材１０によって成形体２０を支持する手順を示す図であり、（ａ）は支持部材１０が縮径状態を示す図、（ｂ）は支持部材１０が拡径状態を示す図である。
図３に示すように、支持部材１０は、コイル部材１、心棒２及びコイル調整ナット３を備えている。時計方向に巻き回されたコイル部材１は心棒２の周囲に配設されている。コイル部材１を構成する線材の一端Ｅ１は心棒２に固定されている。また、コイル部材１を構成する線材の他端Ｅ２はコイル調整ナット３の外周に固定されている。心棒２の外周にはねじが切られており、コイル調整ナット３は心棒２に螺合されている。
支持部材１０は、コイル部材１の外周に保護管４が配設されている。保護管４は、コイル部材１が成形体２０に直接接触することによって成形体２０の内周面に接触痕が付くのを防止するために設けてある。保護管４は、コイル部材１が拡縮するのに応じて変形する必要があるため、樹脂、ゴム等の可撓性の材料で構成することが望ましい。
【００１６】
支持部材１０を成形体２０の中空部に挿入する図２の段階では、支持部材１０は図３（ａ）に示すように、縮径状態をなしている。このときの支持部材１０の外径（保護管４の外径）は、成形体２０の内径よりも小さいため、成形体２０の中空部に支持部材１０を容易に挿入することができる。
支持部材１０を必要な分だけ成形体２０に挿入した後に、図３（ｂ）に示すように、支持部材１０の径、具体的にはコイル部材１の径を拡大（拡径）する。コイル部材１を拡径するためには、コイル調整ナット３を、図中左方向に進行するように半時計方向に捩じる。コイル部材１は、前述したように時計方向に巻き回されているため、コイル調整ナット３を半時計方向に捩じることによって、コイル部材１は巻き回しと逆方向の捻じりが軸線回りに加えられるために、その径が拡大する。コイル調整ナット３は、コイル部材１の径が拡大して保護管４の外径が成形体２０の内径と実質的に一致するまで捩じられる。
【００１７】
（４）乾燥工程（ステップＳ１０４）
支持部材１０を拡径状態となした後、成形体２０を乾燥して成形体２０に含まれるバインダに含まれる溶剤を主に除去する。この乾燥は、乾燥炉で例えば５０〜２００℃の温度に保持することにより行われる。このとき、成形体２０を支持する支持部材１０の両端を吊り下げた状態で乾燥を行うことができるが、押出し直後の成形体２０はバインダを多く含むため、変形しやすい。したがって、図４に示すように、回転する一対のローラ５上に載せた状態で乾燥することが望ましい。成形体２０は、その外表面がローラ５と接触するため、変形が防止される。このとき、図４に示すように、支持部材１０とローラ５の回転軸との距離を規制するリンク６を、支持部材１０とローラ５に掛け渡すことが望ましい。成形体２０のローラ５からの離間を防止するためである。
【００１８】
（５）印刷工程（ステップＳ１０５）
成形体２０が所定程度乾燥した後に、成形体２０の外表面に、スクリーン印刷により、ペースト状の燃料極材料（例えば、Ｎｉ／ジルコニア）を塗布する。燃料極膜は、成形体２０の外周面上に、その長手方向に対して、一定の幅で縞状に印刷する。次に、その上にペースト状の電解質材料（例えば、ジルコニア）を重ねて塗布（スクリーン印刷）し、乾燥炉で５０〜２００℃で乾燥する。電解質膜は、燃料極膜と同様に、縞状に印刷する。ただし、一方向に少しだけずらす。続いて、その上に、ある縞の電解質膜と隣の縞の燃料極膜とをインタコネクタ膜で接続するように、ペースト状のインタコネクタ材料（例えば、ランタンクロマイトもしくは チタン酸化物）を重ねて塗布（スクリーン印刷）し、乾燥炉で５０〜２００℃で乾燥する。更に、電解質膜上にペースト状の空気極材料（例えば、ランタンマンガネート）を重ねて塗布（スクリーン印刷）し、乾燥炉で５０〜２００℃で乾燥する。
【００１９】
（６）焼結工程（ステップＳ１０６）
所定の印刷が終了した成形体２０は次いで焼結される。焼結は、成形体２０から支持部材１０を取り除いた後に行うことができる。成形体２０から支持部材１０を除去するのに先立って、支持部材１０のコイル調整ナット３を時計方向に捩じることにより、コイル部材１の径を小さくして、支持部材１０を縮径状態にする。
成形体２０から支持部材１０を取り除いた後に焼結する場合は、特許文献２に示されるような方法で成形体２０を焼結炉内に吊り下げた状態で焼結することができる。焼結は、例えば、適当な昇温速度（例えば１℃／分）で、保持温度（１２００〜１７００℃）まで昇温する。そして、保持温度になったら所定時間だけ、その温度を保持する。その後、焼結温度を降下させる。降温は、適当な降温速度（例えば２℃／分）で行われる。
【００２０】
また、支持部材１０を成形体２０に挿入した状態で焼結を開始することができる。ただし、この場合、焼結の完了まで支持部材１０を成形体２０に挿入しておくことを意味していない。所定温度に達したら、支持部材１０を成形体２０から除去する必要がある。例えば、成形体２０を焼結炉内で吊り下げる一方、支持部材１０を成形体２０の中空部に挿入しておく。このとき、支持部材１０は拡径状態である。また、成形体２０の中空部に挿入していない支持部材１０の他端を、焼結炉を貫通して焼結炉外に位置させておく。所定の温度に達すると、焼結炉外に位置させた支持部材１０を操作して縮径することにより、支持部材１０を成形体２０から抜き取る。なお、この焼結工程でバインダが除去される。
【００２１】
以上の工程を経ることにより、セラミックス管の表面上に燃料電池セル（インタコネクタ膜−燃料極膜− 電解質膜−空気極膜−インタコネクタ膜という１つの燃料電池セル）が複数集合した固体電解質型燃料電池のセル管が完成する。
【００２２】
以上の実施形態では、コイル部材１を用いて支持部材１０を縮径状態、拡径状態としているが、図５に示すように、中空のバルーンを支持部材４０とすることができる。この支持部材４０は、中空部への気体を導入、排出を制御することにより、支持部材４０を縮径状態及び拡径状態とすることができる。つまり、中空部への気体導入が少なければ縮径状態となり、図５（ａ）に示すように、この状態のときに成形体２０の中空部に支持部材４０を挿入する。成形体２０の中空部に支持部材を挿入後、支持部材４０の気体導入孔Ｈから気体を中空部へ導入することにより、支持部材４０は拡径状態となる。
【００２３】
次に、本発明を実施するための支持部材１０の仕様の例を示す。
コイル部材１としては、捻じりばねを利用する。捻じりばねとは、よく知られているように、線材を捩ることでばねの働きをさせようという形式のばねです。ばねの占める面積（コイル径）を小さくすることができるという特質を有しているため、本発明に使用することができる。本発明では、丸で比較的太めの線径を持つばねを使用することが好ましい。ばねを構成する線材の材質は、ばね用ステンレス鋼線（ＪＩＳ  ＳＵＳ３０４ＷＰＢ）など耐久性があり、ばねの反発力が弱い、やわらかい素材を用いることができる。
【００２４】
捻じりばねのコイル径の変化量ΔＤは、以下の式で表すことができる。
ΔＤ＝（Δｎ／ｎ）×Ｄ
Ｄ  ：無負荷のコイル中心径
ΔＤ：トルクが負荷された時のコイル中心径の減少量
ｎ  ：無負荷時の有効巻き数
Δｎ：トルクが負荷された時の巻き数の増加量
【００２５】
コイル中心径の変化を大きくする為に、比較的巻き数の少ない捻じりばねを用いると強度が低下する恐れがあるので、線材の径を大きくすることが好ましい。
具体的には、成形体２０の内径が２０〜３０ｍｍの範囲にあるものとすると、コイル径は、成形体２０の内径−（０．２〜１ｍｍ）の間で変動させる必要がある。例えば、成形体２０の内径が２５ｍｍの場合、Ｄ：２４．８ｍｍ（拡径状態の径）、ΔＤ：０．８ｍｍ、ｎ：３とすると、Δｎ：トルクが負荷された時の巻き数の増加量が、１０％となるような捻じりばねを用い、かつその捻じりばねにトルクをあたえれば、拡径状態から縮径状態とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施の形態におけるセラミックス管の製造工程を示すフローチャートである。
【図２】本実施の形態における押出し工程及び支持部材挿入工程を示す図である。
【図３】本実施の形態における支持部材によって成形体を支持する手順を示す断面図であり、（ａ）は支持部材が縮径状態を示す図、（ｂ）は支持部材が拡径状態を示す図である。
【図４】本実施の形態における乾燥工程を示す図である。
【図５】本実施の形態における他の支持部材を示す断面図であり、（ａ）は支持部材が縮径状態を示す図、（ｂ）は支持部材が拡径状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０，４０…支持部材、１…コイル部材、２…心棒、３…コイル調整ナット、４…保護管、５…ローラ、６…リンク、２０…成形体、３０…押出し成形機                 
【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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