(57)【要約】【課題】  熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上を満足する充填材およびその製造方法を提供する。【解決手段】  質量％で金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方をを３０〜９９％、残部樹脂からなる高熱伝導充填材で、金属骨材は金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、または鉄の１種であり、半導体骨材は炭素、シリコン、炭化シリコン、炭化チタンの１種以上であることを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方を３０〜９９質量％含有し、残部が樹脂からなることを特徴とする高熱伝導充填材。
【請求項２】
常温での熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上を満足することを特徴とする請求項１に記載の高熱伝導充填材。
【請求項３】
前記金属骨材が金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、または、鉄の１種以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の高熱伝導充填材。
【請求項４】
前記半導体骨材が炭素、シリコン、炭化シリコン、または、炭化チタンの１種以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高熱伝導充填材。
【請求項５】
前記樹脂がシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高熱伝導充填材。
【請求項６】
前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方の形状が球状、楕円状、または、粉状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高熱伝導充填材。
【請求項７】
前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【請求項８】
施工空間を充填する量の前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【請求項９】
前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方を施工空間に充填した後、樹脂を流入することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【請求項１０】
前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練し、得られた混練物を施工空間に充填した後、樹脂を流入することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱伝導性充填材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窯炉設備の保全のため充填材として使用される不定形耐火物（キャスタブル耐火物）は、主要原料として、耐火材料、例えば、金属酸化物や炭化金属を骨材として使用してきた。充填材に求められる機能として、高い熱伝導性があるが、比較的熱伝導率の高いＳｉＣを主要原料として使用しても、熱伝導率が２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下と低く、十分な効果を発揮できなかった。
【０００３】
（特許文献１）には、前記のＳｉＣを含有するキャスタブル耐火物に、ＳｉＣの酸化防止剤として、金属Ｓｉまたはフェロシリコン粉末を１〜７％添加したものが開示されている。しかし、高熱伝導性を得るために、例えば、金属を１０％以上添加したキャスタブル耐火物の発明は見当たらない。
【０００４】
一方、金属を多量に含有するコンクリートに関する発明はいくつか開示されている。例えば、（特許文献２）には、圧縮強度と耐久性を向上させるためにスチールショット等の金属製骨材を多量に含有し、セメント、減水剤、シリカ粉末、天然砂からなる高強度コンクリートが開示されており、実施例中の金属製骨材の含有量を計算すると、４５％（＝金属製骨材１５０重量部／全体３３３重量部、実施例１）、５８％（＝金属製骨材２５０重量部／全体４３３重量部、実施例７）となる。
【０００５】
また、（特許文献３）には、放射線、Ｘ線防護に用いるコンクリートとして、金属鉛、酸化鉛、金属ビスマス、酸化ビスマスの１種類以上からなる混合物にセメント、不分離材を配合したものが開示されており、実施例から計算すると、これら金属成分の含有量は、７３．７％（＝１０００／１３５６．５）となる。
【０００６】
また、（特許文献４）には、圧縮強さ、曲げ強さおよび延性を改善するために、長さ１〜４５ｍｍ、厚み１５〜３０ミクロンの金属ストリップで強化されたコンクリート組成物が開示されており、金属ストリップの含有量は４〜４０％と記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−２２７０号公報
【特許文献２】特開平７−２３７９５６号公報
【特許文献３】特開平６−６４９５３号公報
【特許文献４】特開平１１−７１１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
（特許文献１）に開示された発明は、ＳｉＣの酸化防止剤として、金属Ｓｉまたはフェロシリコン粉末を１〜７％添加したものであり、金属Ｓｉまたはフェロシリコン粉末の含有量が低いため、常温での熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］を満足することはできない。
【０００９】
一方、（特許文献２）〜（特許文献４）には、圧縮強さを高めたり、放射線の防護のために４０〜７０％程度の金属を含有するコンクリートが開示されているが、これらの文献にも、熱伝導性を高めるために金属を多量に含有する耐火物を示唆する記載はない。
【００１０】
本発明は、熱伝導性の高い耐火物、例えば、冷却が必要な高炉炉底側壁や高炉炉底底盤下に使われる充填材、特に、常温での熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上を満足する充填材、あるいは、さらに施工空間への圧入性が良好な充填材、および、その製造方法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】
【００１１】
係る課題を解決するため、本発明の要旨は下記のとおりである。
【００１２】
（１）金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方を３０〜９９質量％含有し、残部が樹脂からなることを特徴とする高熱伝導充填材。
【００１３】
（２）常温での熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上を満足することを特徴とする前記（１）に記載の高熱伝導充填材。
【００１４】
（３）前記金属骨材が金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、または、鉄の１種以上であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の高熱伝導充填材。
【００１５】
（４）前記半導体骨材が炭素、シリコン、炭化シリコン、または、炭化チタンの１種以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高熱伝導充填材。
【００１６】
（５）前記樹脂がシリコーン樹脂であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の高熱伝導充填材。
【００１７】
（６）前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方の形状が球状、楕円状、または、粉状であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の高熱伝導充填材。
【００１８】
（７）前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【００１９】
（８）施工空間を充填する量の前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【００２０】
（９）前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方を施工空間に充填した後、樹脂を流入することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【００２１】
（１０）前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練し、得られた混練物を施工空間に充填した後、樹脂を流入することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の高熱伝導充填材の製造方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、熱伝導性の高い充填材を得ることができる。例えば、冷却性能が要求される高炉羽口周囲や高炉炉底側壁への空隙補修用充填材として、２０〜３００［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度の高い熱伝導率を有し、あるいは、さらに施工空間への圧入性が良好な充填材を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
前記（１）に係る発明では、金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方を３０〜９９質量％含有し、残部が樹脂からなることを特徴とする。
【００２４】
本発明の充填材は、金属骨材や半導体骨材を多量に含有することを特徴とするものであるが、高熱伝導性の充填材とするためには、施工空間の全容積を充填できる量の金属骨材や半導体骨材とすることが重要である。
【００２５】
したがって、金属骨材や半導体骨材が樹脂中で沈殿分離しない量とすることが必要であり、そのためには、金属骨材や半導体骨材の含有量が３０質量％以上必要である。
【００２６】
また、金属骨材や半導体骨材の含有量が大きいほど熱伝導性が高くなるため、金属骨材や半導体骨材の含有量は、好ましくは６０質量％以上とし、さらに、９０質量％以上とすることが好適である。
【００２７】
一方、金属骨材や半導体骨材の含有量は大きいほど好ましいため、上限は９９質量％以下とする。これは、金属骨材や半導体骨材の形状や粒径分布を適宜制御して、実施すればよい。但し、コスト面等を考慮すると、現実的には、９７質量％以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、金属骨材や半導体骨材の形状としては、充填物としての流動性があれば、球状、楕円状、粉状のいずれでも構わないが、流動性に優れた球状が望ましい。
【００２９】
ここで、充填材の材料としては、金属骨材や半導体骨材を、それぞれ単独で使用してもよく、また、金属骨材と半導体骨材を混合して用いてもよく、目的に応じて適宜選択できる。
【００３０】
また、金属骨材や半導体骨材の残部として、樹脂が必要である。ここで、本発明で用いる樹脂としては、常温で流動性があり、かつ、経時的に固化する性質のものであればよく、成分等は特に規定するものではないが、例えば、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂等が挙げられる。
【００３１】
以上の通り、本発明の充填材は、金属骨材や半導体骨材と残部が樹脂のために、充填材は金属骨材や半導体骨材と樹脂を混練した際には、流動性が良好なために、施工空間への流入（通常は、ポンプ等による圧入）が容易であり、さらに、施工後の所定の経時時間後には固化するため、施工空間内での安定性が確保できる。
【００３２】
ここで、所定の経時時間は、金属骨材、半導体骨材および樹脂の種類や、混合比率等により適宜設定されるものであり、特に規定するものではないが、数時間〜数日程度が目安となる。
【００３３】
さらに、樹脂により固化した充填材は、強力な固化体を形成せずに、ゼリー状の充填材となり変容性を有するため、施工空間の形状への追従性が良好となり、より確実な充填を達成することができる。
【００３４】
前記（２）に係る発明は、常温での熱伝導率２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上を満足することを特徴とする。
【００３５】
すなわち、本発明に係る充填材は、金属骨材や半導体骨材を施工空間の全容積に含有させることで、金属や半導体骨材の有する高熱伝導性のため、充填材全体としても、熱伝導度が２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上を満足させることができる。
【００３６】
熱伝導度は高い程、冷却性能が良好になるため、５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上が好ましく、１００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上がより好ましい。また、上限は高い程好ましいので、特に規定しないが、現実的には、金属骨材である銅の熱伝導率が最も高く、３００〜４００［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度である。
【００３７】
金属骨材は、熱伝導性を高めるために添加するものであり、特に種類を限定するものではないが、前記（３）に係る発明では、金属骨材を、金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、または鉄とする。これらは、いずれも熱伝導性が４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上と高く、さらに、銅、アルミニウム、鉄は、比較的安価であるので好適である。これらの金属は、それぞれ単独で用いてもよく、任意に混合して用いてもよい。
【００３８】
半導体骨材は、熱伝導性を高めるために添加するものであり、特に種類を限定するものではないが、前記（４）に係る発明では、半導体骨材を、炭素、シリコン、炭化シリコン、または、炭化チタンとする。これらは、いずれも熱伝導性が２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上と高く、さらに、炭素は、比較的安価であるので好適である。これらの半導体骨材も、それぞれ単独で用いてもよく、任意に混合して用いてもよい。
【００３９】
樹脂は、金属骨材や半導体骨材と混練した際に流動性があるもので、施工空間への流入（あるいは圧入）を容易とし、さらに、経時的に、金属骨材や半導体骨材を固化させるために添加する性質のものであれば、成分等は特に規定するものではないことは上述の通りであるが、前記（５）に係る発明では、樹脂がシリコーン樹脂とすることが好ましい。
【００４０】
シリコーン樹脂は、金属骨材や半導体骨材と混練した際に、流動性が特に良好なため、施工空間への流入（あるいは圧入）を極めて容易にでき、さらに、熱分解温度が４００℃程度と高いため、施工箇所が高温であっても、金属骨材や半導体骨材の固化を、より安定して維持することができるため好適である。
【００４１】
また、シリコーン樹脂のような熱分解温度の高い樹脂を用いても、高温箇所への施工に用いることで、熱分解により固化した充填材中のシリコーン樹脂が一部消失した場合に、この充填材に、新たにシリコーン樹脂を追加して流入（あるいは圧入）することで、安定して維持することができる。
【００４２】
前記（６）に係る発明では、金属骨材や半導体骨材の形状が、球状、楕円状、または、粉状であることを特徴とする。
【００４３】
金属骨材や半導体骨材の形状としては、金属骨材や半導体骨材自体が密に充填され、かつ、金属骨材や半導体骨材の間隙を有し、また、流動性が良好な形状であることが好ましく、これを実現するには、球状であることが最も好ましい。
【００４４】
ここで、球状とは、必ずしも完全な球体である必要はなく、基本的な形状が球体のものをすべて含む。また、球状の大きさは、球相当直径で０．０１ｍｍ〜１０ｍｍが、球の熱伝導率を有効に活かす点で好ましい。
【００４５】
また、金属骨材や半導体骨材の形状が楕円状でもよく、その長軸の長さは、球状の場合と同様の理由により、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍが好ましい。
【００４６】
上記の球状や楕円状の金属骨材は、主に、アトマイズ法等により、得ることができる。また、球状や楕円状の半導体骨材は、主に、破砕後、バレル法等により、得ることができる。
【００４７】
さらに、金属骨材や半導体骨材の形状は粉状でもよい。ここで、粉状とは、フレーク状、ファイバー（金属片）状等の、球状や楕円状以外の形状のものを意味しており、例えば、切り粉等を用いることができる。
【００４８】
また、金属骨材や半導体骨材の大きさは、例えば、最大長が０．０５ｍｍ〜１ｍｍのフレーク状、または、断面積０．０５ｍｍ2〜１ｍｍ2で長さ１．０ｍｍ〜３０ｍｍのファイバー状とすることが、施工上好ましい。
【００４９】
フレーク状の場合、最大長が１ｍｍを超えると、均一に密充填することが困難になるので、最大長は１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５０】
また、ファイバー状の場合には、断面積または長さが、上記の範囲を超えると、金属骨材の均一な密充填が困難になり、高熱伝導性が得られにくくなるので、上記の範囲とすることが好ましい。
【００５１】
また、フレーク状およびファイバー状の場合、粉砕コスト等を考慮して、それぞれの下限値以上とすることが好ましい。
【００５２】
上記の粉状の金属骨材は、主に電解析出法等により、得ることができる。また、粉状の半導体骨材は、主に破砕法等により、得ることができる。
【００５３】
次に、本発明の充填材の製造方法について説明する。
【００５４】
前記（７）に係る発明は、金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練することを特徴とする。
【００５５】
特に、金属骨材や半導体骨材と樹脂を混練して得られた混練物は流動性を有するため、施工空間に流入（あるいは圧入）ことによって、空隙のない金属骨材や半導体骨材が施工空間に均一に密充填された充填物を容易に施工することができ、また、所定の経時時間後には、施工空間内で、金属骨材や半導体骨材と樹脂からなるゼリー状に固化した充填材を形成するため、変容性を有しながら安定した固化を維持できる充填材が得られ、より確実な充填が実施できるため、好ましい。
【００５６】
ここで、金属骨材や半導体骨材と樹脂との混練は、回転混練機等を用いることができ、混練時間は特に規定するものではないが、通常は３〜１０分程度である。
【００５７】
また、施工上での別形態として、金属骨材や半導体骨材と樹脂を、型枠を用いて混練し、経時的に固化させ、ゼリー状に固化した充填材を形成させ、その後、施工空間に必要な量を適宜切り出し、施工空間を充填することも可能である。
【００５８】
前記（８）に係る発明では、施工空間を充填する量の前記金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練することを特徴とする。施工空間を金属骨材や半導体骨材で極力均一に充填することにより、良好な熱伝導度を有する耐火物を得ることができることは、上述の通りである。
【００５９】
施工空間を充填する金属骨材や半導体骨材の量は、予め試験を行い、適切な添加量を決定することができる。したがって、事前に施工空間を充填するのに必要な金属骨材や半導体骨材の量を求めておくことで、施工空間を均一に充填することができ、より確実に良好な熱伝導度を有する耐火物を得ることができる。
【００６０】
前記（９）に係る発明は、金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方を予め施工空間に投入して充填した後、樹脂を流入することを特徴とする。
【００６１】
この方法では、樹脂を添加していない金属骨材や半導体骨材を予め施工空間に投入し、その後、施工空間に投入された金属骨材や半導体骨材に樹脂を流入（あるいは圧入）するものである。
【００６２】
したがって、金属骨材や半導体骨材を施工空間に流入（あるいは圧入）することはできないものの、金属骨材や半導体骨材の施工空間への投入・充填状態を目視で確認できるため、施工空間への充填を、より確実に実施することができる。
【００６３】
したがって、その後に樹脂を流入（あるいは圧入）することで、所定の経時時間後には施工空間内で、金属骨材や半導体骨材と樹脂からなるゼリー状の充填材を形成するため、変容性を有しながら安定した固化を維持できる充填材が得られ、より確実な充填が実施できるため、好ましい。
【００６４】
前記（１０）に係る発明は、金属骨材および半導体骨材のいずれか一方または双方と、樹脂を混練し、得られた混練物を施工空間に充填した後、樹脂を流入することを特徴とする。
【００６５】
この方法では、必要な樹脂の量の一部を金属骨材や半導体骨材と混練して混練物を作製し、この混練物を施工空間に充填した後、残りの樹脂を流入（あるいは圧入）するものである。
【００６６】
すなわち、必要な樹脂の量の一部を金属骨材や半導体骨材と混練するため、流動性をあまり有さない混練物が得られる。したがって、この混練物は、施工空間に流入（あるいは圧入）することはできないが、ある程度の粘着性を有するため、施工空間に容易に付着させることができる。
【００６７】
その後、施工空間に付着している混練物に、残りの樹脂を流入（あるいは圧入）することで、経時時間後には混練物が、ゼリー状の充填材を形成され、変容性を有しながら安定した固化を維持できる充填材が得られる。
【００６８】
ここで、混練物を形成するための樹脂の量と、施工空間に付着させた混練物に流入（あるいは圧入）する残りの樹脂量との比率は、必要に応じて適宜設定すればよい。
【００６９】
このような方法は、金属骨材や半導体骨材と樹脂の混練物を、流入（あるいは圧入）して施工することが困難な施工空間に適用することが好適であり、例えば、垂直面での窪み部分を施工空間とする場合等が挙げられる。
【００７０】
本発明の充填材は高熱伝導性が求められ、かつ、不定形材料でしか施工できないような箇所へ適用可能である。例えば、高炉炉底側壁への圧入や、羽口周辺への隙間充填圧入への適用が推奨される。
【実施例】
【００７１】
（実施例１）
本発明例１として、アトマイズ法により作製した最大直径３００μｍの球状銅粉９５質量％と、シリコーン樹脂５質量％からなる充填材を事前に回転混練機により５分間混練し、高炉羽口部にスクイーズポンプを用いて圧入したところ、ポンプの圧力が１．５ＭＰａで充填できた。この填材の室温における熱伝導率を測定したところ、１８５［Ｗ／ｍ・Ｋ］であった。
【００７２】
一方、比較材として、金属骨材を使用せずに、アルミナ３０質量％、シリカ３０質量％と、残部がフラン樹脂からなる材料を用い、上記と同様の方法を行ったところ、ポンプの圧力が３．０ＭＰａと高くなり、また熱伝導率は１．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］と低かった。
【００７３】
また、本発明例１の充填材は、１２時間後にゼリー状になっていることが充填口に残存する材料を手で軽く押すことにより確認でき、高炉羽口部の施工空間を、良好に充填することができた。
【００７４】
したがって、本発明例１によれば、冷却が必要な部分への良好な充填ができ、高熱伝導率の充填材とすることができた。
【００７５】
（実施例２）
本発明例２として、アトマイズ法により作製した最大直径１５０μｍの球状銅粉９５質量％と、シリコーン樹脂５質量％からなる充填材を回転混練機により５分間混練し、高炉羽口部にスクイーズポンプを用いて圧入したところ、１．５ＭＰａで充填できた。この充填材の室温における熱伝導率を測定したところ、１９５［Ｗ／ｍ・Ｋ］であった。
【００７６】
一方、比較材として、金属骨材を使用せずに、アルミナ３０質量％、シリカ３０質量％と、残部がフラン樹脂からなる材料を用い、上記と同様の方法を行ったところ、ポンプの圧力が３．０ＭＰａと高くなり、また熱伝導率は１．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］と低かった。
【００７７】
また、本発明例２の充填材は、１２時間後にゼリー状になっていることが充填口に残存する充填材を手で軽く押すことに確認でき、高炉羽口部の施工空間を、良好に充填することができた。
【００７８】
したがって、本発明例２によれば、空隙への補修・充填材として良好な材料とすることができ、高熱伝導率の充填材とすることができた。
【００７９】
（実施例３）
本発明例３として、破砕後、バレル法により作製した最大直径１５０μｍの球状人造黒鉛粉９５質量％と、シリコーン樹脂５質量％からなる充填材をあらかじめ回転混練機によって５分間混練し、高炉炉底側壁部にダブルピストンポンプを用いて圧入したところ、ポンプの圧力が１．５ＭＰａで充填できた。この充填材の室温における熱伝導率を測定したところ、２０［Ｗ／ｍ・Ｋ］であった。
【００８０】
一方、比較材として、球状人造黒鉛粉を使用せずに、アルミナ３０質量％、シリカ３０質量％と、残部がフラン樹脂からなる材料を用い、上記と同様の方法を行ったところ、ポンプの圧力が３．５ＭＰａと高くなり、また熱伝導率は１．０［Ｗ／ｍ・Ｋ］と低かった。
【００８１】
また、本発明例３の充填材は、１２時間後にゼリー状になっていることが充填口に残存する充填材を手で軽く押すことにより確認でき、高炉羽口部の施工空間を、良好に充填することができた。
【００８２】
したがって、本発明例３によれば、空隙への補修・充填材として良好な材料とすることができ、高熱伝導率の充填材とすることができた。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
前述したように、本発明により、熱伝導性の高い充填材を得ることができる。例えば、冷却性能が要求される高炉羽口周囲や高炉炉底側壁への空隙補修用充填材として、２０〜３００［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度の高い熱伝導率を有し、あるいは、さらに施工空間への圧入性が良好な充填材を得ることが可能である。
したがって、本発明は、産業上の利用可能性の高いものである。