(57)【要約】【課題】シリコン合金を燃焼合成法により生成し、耐震性、耐熱性及び耐久性に優れ、軽量で経済的なシリコン合金製の水道管を提供する。【解決手段】シリコン合金製の水道管は、ケイ素を含む粒子粉体及び二酸化ケイ素を含む粒子粉体と、窒素ガスと、を燃料とした燃焼合成により生産されたシリコン合金粉体を原材料とする。また、シリコン合金製の水道管は、燃料に更にアルミニウムを含む粒子粉体を加えて、燃焼合成により生産されたシリコン合金粉体を原材料としてもよい。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素を含む粒子粉体及び二酸化ケイ素を含む粒子粉体と、窒素ガスと、を燃料とした燃焼合成により生産されたシリコン合金粉体を原材料とすることを特徴とするシリコン合金製の水道管。
【請求項２】
請求項１に記載のシリコン合金製の水道管において、前記燃料に、更にアルミニウムを含む粒子粉体を加えて、燃焼合成により生産されたシリコン合金粉体を原材料とすることを特徴とするシリコン合金製の水道管。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、燃焼合成によって生産されるシリコン合金を材料に用いた水道管、特にサイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）セラミックスを材料に用いた水道管に関する。
【背景技術】
【０００２】
水道管には、導水管、送水管、配水管、給水管の４種類がある。導水管は、貯水池やダムなどから水を取る取水施設（取水塔など）で取水した上水（原水）を、浄水施設（浄水池、消毒施設など）まで運ぶ導水用の管である。導水管には、ダクタイル鋳鉄管や鋼管などの金属管や、コンクリート管が使用されている。送水管は、浄水場からの浄水を、配水施設（配水池）に浄水を送るための管であり、導水管と同様に送水管にもダクタイル鋳鉄管や鋼管などの金属管やコンクリート構造物が用いられている。
【０００３】
配水管は、配水施設に貯められた上水を給水区域まで送るための管であり、給水管は、配水管から分岐して、各家庭などに上水を供給するための管である。配水管や給水管には、ダクタイル鋳鉄管や鋼管などの金属管の他に、ポリ塩化ビニル管やポリエチレン管が使用されている。水道管の材料には、内圧や外圧に対する耐圧性が高いこと、耐震性や耐食性に優れていること、施工がしやすいことなど様々な条件が求められている。現在、配水管には、強度が高く耐震性に優れたダクタイル鋳鉄管が主に使用され、給水管には、経済性と耐震性に優れたポリエチレン管の使用が広まっている。
【０００４】
また、近年、燃焼合成法を用いてシリコン合金を生成する技術が開発されている（例えば特許文献１）。燃焼合成法により生産されるシリコン合金は、鉄よりも軽量で、かつ、強度や耐久性に優れ、鉄鋼並みに量産が可能である。また、燃焼合成法の加熱は、燃料の発熱反応を誘発するための初期の数十秒の着火だけでよく、その後は外部から加熱のためにエネルギーを投入する必要がないため、鉄の精錬と比較すると廉価に行われる。さらに、鉄の精錬では、二酸化炭素を排出するが、シリコン合金の生成には、二酸化炭素を排出しないため環境にもよい。そのため、シリコン合金は、鉄に代わる、鉄より機能性の高い工業用構造材料として注目されており、ベアリングボールやアルミ溶接部品など各種機械部品に使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４４４４３６２号明細書
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように、配水管には、強度が高く耐震性に優れたダクタイル鋳鉄管が使用されているが、ダクタイル鋳鉄管は、重量が比較的重いという短所がある。また、ポリエチレン管は、経済性と耐震性に優れ、ダクタイル鋳鉄管と比べて軽量であるが、熱や紫外線に弱いという短所がある。そこで、これらの管の短所を補うために、強度が高く、耐震性や耐熱性に優れ、軽量で経済的な新素材が水道管に使用されることが望まれている。
【０００７】
特許文献１の文献には、強度や耐久性に優れた性質のシリコン合金が、廉価かつ安定的に生産され、鉄に代わる機能性の高い工業用構造材料であることが記載されているが、水道管の材料として活用できる点について開示や示唆がない。
【０００８】
本考案の目的は、上記課題に鑑み、シリコン合金を燃焼合成により生成し、耐震性、耐熱性及び耐久性に優れ、軽量で経済的なシリコン合金製の水道管を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本考案の１は、ケイ素を含む粒子粉体及び二酸化ケイ素を含む粒子粉体と、窒素ガスと、を燃料とした燃焼合成により生産されたシリコン合金粉体を原材料とすることを特徴とするシリコン合金製の水道管である。
【００１０】
本考案の２は、本考案の１に記載のシリコン合金製の水道管において、前記燃料に、更にアルミニウムを含む粒子粉体を加えて、燃焼合成により生産されたシリコン合金粉体を原材料とすることを特徴とするシリコン合金製の水道管である。
【考案の効果】
【００１１】
本考案によると、燃焼合成により、経済的かつ安定的に生成されたシリコン合金を水道管に使用することで、耐震性、耐熱性及び耐久性に優れ、軽量なシリコン合金製の水道管を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本考案の一実施例である燃焼合成によるシリコン合金粉体の生産装置の構成を示す概略図である。
【考案を実施するための形態】
【００１３】
以下、本考案の実施の形態（以下実施例と記す）を、図面に基づいて説明する。図１は、本考案の一実施例である燃焼合成によるシリコン合金粉体の生産装置の構成を示す概略図である。燃焼合成とは、例えば、原料にケイ素を含む粒子粉体（金属ケイ素）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を含む粒子粉体、アルミニウム（Ａｌ）を含む粉体、及び、窒素ガスを使用し、それらを混合して反応容器内で燃焼させて合成し、シリコン合金粉体を生成する方法である。この燃焼合成によるシリコン合金粉体を生産するための生産装置１００は、主に燃料供給部１１０、燃焼反応部（燃焼反応窯）１２０、制御部２００、及び、シリコン合金回収部３００から構成される。
【００１４】
原料に使用するケイ素は、地球上で単体の元素としては存在せず、二酸化ケイ素（珪砂、珪石、石英）として、地球表層部に豊富に存在する。その資源量は非常に多く、砂漠等にも含まれ、地球上には鉄の５倍の量があると言われている。そのため、二酸化ケイ素を有効に活用し、二酸化炭素の排出を伴わないシリコン合金を生産することは、地球環境にもよい。
【００１５】
以下、各構成部について説明する。まず、燃料供給部１１０、燃焼反応部１２０と制御部２００を説明する。燃料供給部１１０には、外部からケイ素を含む粒子粉体、二酸化ケイ素を含む粒子粉体、及び、アルミニウム含む粒子粉体が装入される装入口１１２と、窒素ガスが装入される装入口１１１が設けられており、それぞれ、制御弁（図示せず）が備えられている。後述する制御部２００によって、粒子粉体の量と窒素ガスの装入量が所定量に制御される。燃料供給部１１０は、装入されたケイ素を含む粒子粉体等と窒素ガスを均一に混合し、燃料として燃焼反応部１２０に供給する。
【００１６】
本実施例では、原料にケイ素を含む粒子粉体、二酸化ケイ素を含む粒子粉体、アルミニウムを含む粉体、窒素ガスを使用する。それにより、シリコン合金（例えばサイアロン）が生成されるが、本考案のシリコン合金はこれに限定せず、原料にアルミニウムを含む粒子粉体を混合せずに、アルミナを混合、又はアルミニウムとアルミナを含まない原料を使用してもよい。サイアロンはα、βの２つの結晶構造を有している。そのうちβ−サイアロン（Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚ，０＜ｚ≦４．２）は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の一部をＡｌとＯで置換した構造をとっているため、基本的には窒化ケイ素の性質を有する。シリコン合金には他にも様々な種類があるが、本実施例では、シリコン合金の一種であるβ−サイアロンを例に挙げて説明する。
【００１７】
燃焼反応部１２０は、燃料供給部１１０と接続されており、混合された燃料は供給口１２１の噴射ノズルを介して燃焼反応部１２０に供給される。供給口１２１には、燃料の供給量を調整する制御弁（図示せず）が設けられている。燃焼反応部１２０の容器内には、燃料を着火するための着火部１２２と、容器内を冷却する冷却部１２３と、温度を検出する温度センサ１２５と、圧力を検出する圧力センサ１２６が備えられている。また、容器には空気を排出する真空排気口１２４と、圧力を調整する圧力制御弁（図示せず）が設けられている。
【００１８】
着火部１２２による着火は初期の数十秒でよく、一度燃焼反応が起きると、外部からのエネルギーの投入を必要とせず、燃料の燃焼反応が継続的に進行する。冷却部１２３は、水冷管の流量制御弁（図示せず）により、水量が調整されて、燃焼反応部１２０の容器内の温度を制御する。制御部２００の温度制御部２１０が、容器内の温度センサ１２５からの出力により、冷却部１２３の流量制御弁の開口度合を自動制御して、冷却水量を制御することにより容器内を所定の温度に保つ。また、制御部２００の圧力制御部２２０が、容器内の圧力センサ１２６からの出力により、燃焼反応部１２０内の燃料の供給量と反応ガスの排出量を、供給口１２１の制御弁と圧力制御弁により制御し、容器内を所定の圧力に保つ。温度と圧力の制御は、制御部２００によって行われる。
【００１９】
制御部２００は、各構成部の制御、特に本実施例では、容器内の圧力と温度が所定の値になるように、温度制御部２１０、圧力制御部２２０により制御する。また、容器内の温度と圧力を所定の値に保ちながら、燃焼反応部１２０内に供給される窒素ガスの量やケイ素を含む粒子粉体等の量を適正に制御して、連続的に燃料合成が行われるようにする。また、このような制御により、反応条件を最適化することで高純度かつ微細なシリコン合金粉体を生産することができる。本実施例では、反応条件として、容器内の圧力を１ＭＰａ以下、温度を１５００℃以上３５００℃以下に制御しながら燃焼合成を行い、高純度かつ微細なシリコン合金粉体を生産する。
【００２０】
本実施例で使用する原料のケイ素を含む粒子粉体、二酸化ケイ素を含む粒子粉体、アルミニウムを含む粒子粉体、及び、窒素ガスの燃焼合成で生成されるβ−サイアロンの化学反応式は、以下のように表される。
【００２１】
【化１】
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【００２２】
ここで、ｚの値は０＜ｚ≦４．２の範囲であり、値が大きくなるにつれて機械強度が低下する傾向があることが知られている。本実施例では、燃焼反応部１２０の反応条件を、制御部２００で制御して最適化することで、所望の機械強度を有するβ−サイアロン粉体を生産することが可能となる。また、β−サイアロンは、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の一部をアルミニウム（Ａｌ）と酸素（Ｏ）で置換した構造をとっているため、基本的には窒化ケイ素の性質を有するが、窒化ケイ素よりも耐熱性や高温環境下での機械的強度、耐摩耗性、耐熱衝撃性などが優れている。
【００２３】
次に、シリコン合金回収部３００について説明する。シリコン合金回収部３００は、燃焼反応部１２０で高温となった燃料ガスを減圧させる減圧器３２０と、生成されるシリコン合金粉体を回収する回収部３１０を備える。減圧器３２０は、高温の燃料を取り入れて、高圧の気体状態から減圧させることで、燃料ガスは断熱膨張により急冷却される。減圧器３２０には、圧力を制御する圧力調整弁（図示せず）が備えられており、制御部２００で所定の圧力に制御される。燃料ガスが急激に冷却されることにより、結晶化して凝固し、平均粒径が５μｍ以下のβ−サイアロン粉体が生成される。
【００２４】
生成されたβ−サイアロン粉体は、減圧器３２０から排出されて、減圧器３２０に接続された回収部３１０により回収される。β−サイアロン粉体の総体量は、燃料と同程度の量である。シリコン合金粉体の粒径の大きさは、減圧器３２０の内圧と燃焼反応部１２０の内圧との差に依存するため、平均粒径が５μｍ以下のβ−サイアロン粉体が生成されるように、減圧器３２０の内圧を制御する。減圧器３２０の内圧の制御は、燃焼反応部１２０の内圧の制御と同様に、制御部２００によって行われる。
【００２５】
本実施例のβ−サイアロン粉体に水、場合によっては蒸留水又は精製水を添加し、水道管の型に成形する。そして、徐々に温度を上げ、１５００℃前後で、３０分〜３時間の加熱時間で焼結させて、強靭なβ−サイアロンセラミックス製水道管となる。
【００２６】
生産されたβ−サイアロンセラミックスの比重は約３．２であり、鉄の比重７．８と比較すると軽量であり、β−サイアロンセラミックスの重さは鉄の重さの約４０％である。また、考案者の研究では、β−サイアロンセラミックスは、摩耗に強く、圧力にも強く（鉄の約２倍程度）、錆びにくいという性質を持つ。また、前述のように、β−サイアロンセラミックスの生成には二酸化炭素の排出がない点も利点である。
【００２７】
配水管に使用されるダクタイル鋳鉄の比重は約７．１５であるため、β−サイアロンセラミックスの重さはダクタイル鋳鉄の約４５％である。１０００ｋｇのダクタイル鋳鉄に対応するβ−サイアロンセラミックスの重さは約４５０ｋｇである。従って、β−サイアロンセラミックス製の水道管は、ダクタイル鋳鉄製の水道管の欠点である比較的重いという点を補うことができる。また、β−サイアロンセラミックスの曲げ強さは６００（ＭＰａ）以上、圧縮強度も３０００（ＭＰａ）以上あり、機械的強度に優れている。さらに、β−サイアロンセラミックスの熱伝導率は約２０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、ダクタイル鋳鉄の熱伝導率は、約３０〜４０（Ｗ／ｍ・Ｋ）であるため、β−サイアロンセラミックス製の水道管の方が水の温度が上昇（下降）しにくい。
【００２８】
また、給水管に使用されるポリエチレン管の比重は０．１未満であり、β−サイアロンセラミックスの比重約３．２と比較すると、非常に軽量であるが、ポリエチレン管の曲げ強さは１５〜３０（ＭＰａ）程度であり、機械的強度はβ−サイアロンセラミックスの方が勝る。また、ポリエチレン管は、熱に弱いという性質があるが、β−サイアロンセラミックス製の水道管は、熱に強く１２００℃程度まで使用可能である。
【００２９】
従って、本実施例のβ−サイアロンセラミックス製の水道管は、ダクタイル鋳鉄管と比べると、軽量であるという長所があり、また、ポリエチレン管と比較すると、熱に強いという長所がある。また、β−サイアロンセラミックス製の水道管は、耐震性、耐熱性及び耐久性に優れている。
【００３０】
以上、説明してきた様に、本実施例では水道管に使用するシリコン合金として、β−サイアロンセラミックスを例に挙げて説明してきたが、使用するシリコン合金はこれに限定されず、耐震性、耐熱性、耐久性に優れていれば、他のものでもよい。例えば窒化ケイ素セラミックスの場合には、β−サイアロンセラミックスと同様に、比重が約３．２と軽量で、曲げ強さは７００（ＭＰａ）以上、圧縮強度も２４００（ＭＰａ）以上あり、機械的強度に優れているため、水道管を構成する材料として適している。
【符号の説明】
【００３１】
１００…シリコン合金粉体の生産装置、１１０…燃料供給部、１１１…窒素ガスの装入口、１１２…ケイ素、二酸化ケイ素を含む粒子粉体の装入口、１２０…燃焼反応部、１２１…供給口、１２２…着火部、１２３…冷却部、１２４…真空排気口、１２５…温度センサ、１２６…圧力センサ、２００…制御部、２１０…温度制御部、２２０…圧力制御部、３００…シリコン合金回収部、３１０…シリコン合金回収容器、３２０…減圧器。
【図１】
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