(57)【要約】【課題】気体の透過が生じにくいハニカム構造体の製造方法を提供する。【解決手段】セラミック製の隔壁１ａで多角柱状に区画されたセル１０の複数が配列されたハニカム構造体１の隔壁１ａの表面に、セラミック粉末を含有する表面処理液を配した後に熱処理を施す。このような表面処理を少なくとも２回行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック製の隔壁で多角柱状に区画されたセルの複数が配列されたハニカム構造体の前記隔壁の表面に、セラミック粉末を含有する表面処理液を配した後に熱処理を施す表面処理を、少なくとも２回行うことを特徴とするハニカム構造体の製造方法。
【請求項２】
前記熱処理を１１００℃以上１３００℃以下で行うことを特徴とする請求項１に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項３】
前記セラミック粉末はシリカ及びアルミナの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のハニカム構造体の製造方法。
【請求項４】
前記隔壁を構成するセラミックが炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカム構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はハニカム構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、空気予熱装置における熱交換器の性能は、熱交換する気体に接する伝熱面の面積に大きく依存し、伝熱面の面積が大きいほど熱交換器の熱交換性能が優れ、高温の予熱空気が得られる。そのため、熱交換器の熱交換エレメントには、微細構造を有し且つ耐熱性に優れることが求められる。
特許文献１には、微細構造を有し且つ耐熱性に優れるセラミックハニカム構造体を熱交換器の熱交換エレメントとして用いた空気予熱装置が記載されている。また、特許文献２には、微細構造を有し且つ外周面が外周被覆剤で被覆されたセラミックハニカム構造体を基体として用いたフィルタが記載されている。さらに、特許文献３には、微細構造を有し且つ表面が触媒被覆層で被覆されたセラミックハニカム構造体を抵抗体として用いた発熱体が記載されている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１〜３に記載のセラミックハニカム構造体は、微細構造を有し且つ高温下での使用が可能であるものの、一般的にセラミックハニカム構造体は多孔質セラミックで構成されているため、セラミックハニカム構造体のセルを区画する隔壁を気体が透過するおそれがあった。したがって、特許文献１〜３に記載のセラミックハニカム構造体を、２種の気体の間で熱交換を行う熱交換器の熱交換エレメントとして用いると、２種の気体が隔壁を透過して混合してしまうので、熱交換器としての機能が低下するおそれがあった。
【０００４】
特許文献２，３には、多孔質セラミックで構成されたセラミックハニカム構造体の隔壁の表面を被覆する技術が開示されているが、特許文献２においては、高温下で使用された際に発生する熱応力を緩和する目的で外周被覆剤が被覆されており、また、特許文献３においては、高温下で使用された際の酸化を防ぐ目的で触媒被覆層が被覆されているので、気体の透過を防止する機能は不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１９３９４６号公報
【特許文献２】特開２０１１−８４４４８号公報
【特許文献３】特開平９−３０６６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、気体の透過が生じにくいハニカム構造体の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明の一態様に係るハニカム構造体の製造方法は、セラミック製の隔壁で多角柱状に区画されたセルの複数が配列されたハニカム構造体の前記隔壁の表面に、セラミック粉末を含有する表面処理液を配した後に熱処理を施す表面処理を、少なくとも２回行うことを特徴とする。
このハニカム構造体の製造方法においては、前記熱処理を１１００℃以上１３００℃以下で行ってもよい。また、前記セラミック粉末をシリカ及びアルミナの少なくとも一方としてもよい。さらに、前記隔壁を構成するセラミックを炭化ケイ素としてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るハニカム構造体の製造方法は、ハニカム構造体の隔壁の表面に、セラミック粉末を含有する表面処理液を配した後に熱処理を施す表面処理を、少なくとも２回行うため、気体の透過が生じにくいハニカム構造体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るハニカム構造体の一実施形態を示す図であり、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は部分拡大図（（ａ）の丸で囲んだ部分の拡大図）である。
【図２】表面処理の処理回数とハニカム構造体の気孔率との関係を示すグラフである。
【図３】表面処理の処理回数とハニカム構造体の気体透過率との関係を示すグラフである。
【図４】表面処理の熱処理温度とハニカム構造体の気孔率との関係を示すグラフである。
【図５】表面処理の熱処理温度とハニカム構造体の気体透過率との関係を示すグラフである。
【図６】熱交換エレメントとして用いられるハニカム構造体の細部を拡大して示す部分拡大図である。
【図７】気体透過率と回収熱量比率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１に示すハニカム構造体１は、多孔質セラミック製の隔壁１ａで四角柱状に区画されたセル１０（一辺の長さは例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下）の複数が、縦方向及び横方向に隙間なく並べられて、格子状をなす構造を有している。
なお、セル１０の形状は四角柱状に限定されるものではなく、隙間なく並べて空間充填が可能な形状であれば、どのような形状でも適用可能である。例えば、三角柱状や六角柱状でもよい。また、四角柱状の場合でも、セル１０の断面形状は、図１に示すような正方形に限定されるものではなく、長方形、平行四辺形等の形状も適用可能である。
【００１１】
また、隔壁１ａを構成するセラミック（すなわち、ハニカム構造体１を構成するセラミック）の種類は特に限定されるものではなく、炭化ケイ素、シリカ、チタン酸アルミニウム、アルミナ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、マグネシア、ジルコニア、チタニア、ハフニア、イットリア、ランタナ等のセラミックのうち１種を単独で使用することができるし、あるいは２種以上を併用することもできる。これらの中では、耐熱性に優れることから、炭化ケイ素が好ましい。
【００１２】
このハニカム構造体１は、下記に示す処理が施されることにより、その表面（隔壁１ａの表面）に図示しないセラミック被膜が被覆されている。すなわち、セラミック粉末を含有する表面処理液をハニカム構造体１の隔壁１ａの表面に例えば膜状に配した後に熱処理を施す表面処理を、少なくとも２回行うことにより、ハニカム構造体１の隔壁１ａの表面にセラミック被膜が形成されている。表面処理液をハニカム構造体１の表面に配する方法は特に限定されるものではなく、浸漬、スプレー、塗布等があげられる。
【００１３】
ハニカム構造体１を構成する多孔質セラミックに１回目の表面処理を施すと、表面処理液中のセラミック粉末がガラス化して流動化し、多孔質セラミックの気孔内に浸透して硬化するので、気孔が塞がれる。そして、２回目の表面処理を施すと、表面処理液中のセラミック粉末がガラス化して流動化し、ハニカム構造体１の隔壁１ａの表面を覆って硬化するので、ハニカム構造体１の表面がセラミック被膜によって被覆される。
【００１４】
このように、表面処理を２回以上行うことにより、気孔が塞がれるとともに表面がセラミック被膜によって被覆されるので、ハニカム構造体１を構成する多孔質セラミックの気孔率が低くなり（例えば２２％以下となり）、気体が隔壁１ａを透過することが抑制される。
熱処理の温度は、１１００℃以上１３００℃以下であることが好ましい。１１００℃以上であれば、ガラス化したセラミック粉末の流動性が高くなるので、気孔内に浸透しやすくなる。また、１３００℃以下であれば、ガラス化したセラミック粉末の発泡を抑制することができるので、発泡によるセル１０の目詰まりが抑制される。
【００１５】
なお、表面処理液の組成は、セラミック粉末と溶媒であり、必要に応じて増粘剤、界面活性剤（分散剤）、解膠剤、流動点降下剤等の添加剤を添加してもよい。溶媒の種類は特に限定されるものではないが、水や、イソプロピルアルコール、エタノール等の有機溶剤があげられる。
また、表面処理液中のセラミック粉末の濃度は特に限定されるものではないが、２０質量％以上６０質量％以下とすることが好ましい。
【００１６】
さらに、セラミック粉末の平均粒径は特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましい。
さらに、表面処理液に含まれるセラミック粉末の種類は特に限定されるものではなく、シリコン、アルミニウム、ホウ素、マグネシウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、イットリウム、ランタン、コバルト等の炭化物、窒化物、酸化物、水酸化物等のセラミックのうち１種を単独で使用することができるし、あるいは２種以上を併用することもできる。あるいはさらに、シリコン、アルミニウム、ホウ素、マグネシウム、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、イットリウム、ランタン、コバルトのうち１種又は２種以上の粉末を表面処理液中に含有させてもよい。上記のセラミックの中では、シリカ及びアルミナの少なくとも一方を使用することが好ましく、シリカを使用することがより好ましい。
【００１７】
ここで、表面処理の処理回数とハニカム構造体の気孔率及び気体透過率との関係を、図２，３のグラフに示す。なお、ハニカム構造体を構成するセラミックの種類は炭化ケイ素であり、表面処理液に含まれるセラミック粉末の種類はシリカである。また、表面処理液に含まれるセラミック粉末の濃度は５０質量％である。さらに、熱処理の温度は１０５０℃である。
【００１８】
さらに、気孔率とは、ハニカム構造体の見かけの体積に対する気孔の体積の比率である。この気孔率は、アルキメデス法、水銀圧入法によって測定することができる。さらに、気体透過率とは、ハニカム構造体のセルの隔壁を透過してセル内からセル外に出る気体の量の比率である。この気体透過率は、ハニカム構造体のセル内に気体を加圧しつつ導入し、セルの隔壁を透過してセル内からセル外に出た気体の量を測定することによって得ることができる。
図２，３のグラフから分かるように、１回目の表面処理を行うことにより気孔率が４２％から２７％に低下し、気体透過率が５０％超から２７％に低下した。そして、２回目の表面処理を行うことにより気孔率が２７％から２２％に５％低下し、気体透過率が２７％から１１％に１６％低下した。
【００１９】
次に、表面処理の熱処理温度とハニカム構造体の気孔率及び気体透過率との関係を、図４，５のグラフに示す。なお、ハニカム構造体を構成するセラミックの種類は炭化ケイ素であり、表面処理液に含まれるセラミック粉末の種類はシリカである。また、表面処理液に含まれるセラミック粉末の濃度は５０質量％である。さらに、表面処理の処理回数は１回である。
図４，５のグラフから分かるように、熱処理温度が１０５０℃である場合は、気孔率が２７％、気体透過率が２７％であったが、熱処理温度が１１００℃である場合は、気孔率が２４％、気体透過率が２１％であり、熱処理温度の上昇により、気孔率が３％低下し、気体透過率が６％低下した。また、熱処理温度が１２００℃である場合は、気孔率が２３％、気体透過率が１０％であり、気孔率及び気体透過率がさらに低下した。
【００２０】
このようなハニカム構造体１は、気体の透過が生じにくいので、２種の気体の間で熱交換を行う熱交換器の熱交換エレメントとして好適である。以下に、本実施形態のハニカム構造体１を熱交換器の熱交換エレメントとして用いた例について、図１，６を参照しながら説明する。
本実施形態の熱交換器は、熱処理炉等のバーナに適用する排熱回収型の空気予熱装置に備えられるものである。この熱交換器は、燃料を空気によって燃焼させるバーナ（図示せず）からの燃焼気を加熱に用いた後の高温の排気ガスと、バーナに供給される低温の前記空気との間で熱交換を行って、排気ガスの持つ熱を回収するものであり、熱交換エレメントとして用いられるハニカム構造体１のセル１０のうち一部に排気ガスが導入され、他部に空気が導入される。高温の排気ガスが導入される排気セル１０Ａと、低温の空気が導入される空気セル１０Ｂは隣接しているため、隔壁１ａを介して熱交換が行われ、空気が予熱される。以下に、さらに詳細に説明する。
【００２１】
図１，６に示すように、熱交換器の熱交換エレメントとして用いられるハニカム構造体１は、多孔質セラミック製の隔壁１ａで四角柱状に区画されたセル１０の複数が、縦方向及び横方向に隙間なく並べられて、格子状をなす構造を有している。排気ガスが導入される排気セル１０Ａが横方向に一列に並べられ、排気セル列をなしている（図１のＡ−Ａ断面図である図６の（ａ）を参照）。また、空気が導入される空気セル１０Ｂが横方向に一列に並べられ、空気セル列をなしている（図１のＢ−Ｂ断面図である図６の（ｂ）を参照）。そして、排気セル列と空気セル列とが縦方向に交互に並べられている。
【００２２】
さらに、排気セル列の両端は開口しており、バーナから排出された排気ガスは、エレメントの一端側の開口部１１（図６の例では下端側の開口部１１）から排気セル１０Ａに導入され、エレメントの他端側の開口部１２（図６の例では上端側の開口部１２であり、以下「排気ガス排出口」と記す）から排出されるようになっている。
なお、排気セル列の上端は、排気セル１０Ａの長手方向を横切るように斜め方向に切断されているため、排気セル列中の各排気セル１０Ａの排気ガス排出口１２は、排気セル１０Ａの並び順に従って順次異なる位置に配置されている（図６の（ａ）を参照）。また、エレメントの上端面は封止材１３により封止されている。これにより、各排気セル１０Ａの排気ガス排出口１２から排出された排気ガスは合流し、封止されているエレメントの上端面（封止材１３）と各排気ガス排出口１２との間に形成された排気合流路１４を通って、排気セル列の側面に設けられた共通排出口１５から排出されるようになっている。
【００２３】
一方、空気セル列の両端も開口しており、空気は、エレメントの他端側の開口部２１（図６の例では上端側の開口部２１）から空気セル１０Ｂに導入されて予熱され、エレメントの一端側の開口部２２（図６の例では下端側の開口部２２であり、以下「空気排出口」と記す）から排出されてバーナに供給されるようになっている。
なお、空気セル列の下端は、空気セル１０Ｂの長手方向を横切るように斜め方向に切断されているため、空気セル列中の各空気セル１０Ｂの空気排出口２２は、空気セル１０Ｂの並び順に従って順次異なる位置に配置されている（図６の（ｂ）を参照）。また、エレメントの下端面は封止材２３により封止されている。これにより、各空気セル１０Ｂの空気排出口２２から排出された空気は合流し、封止されているエレメントの下端面（封止材２３）と各空気排出口２２との間に形成された空気合流路２４を通って、空気セル列の側面に設けられた共通排出口２５から排出されるようになっている。
【００２４】
このような構成により、排気ガスと空気とが、分離した別の流路を流れることとなる。そして、この流路を構成する微小なセル１０Ａ，１０Ｂが隣接しており、しかも両セル１０Ａ，１０Ｂ間の隔壁において気体透過がほとんどないので、高い効率で向流形式の熱交換を行うことが可能であり、予熱された空気を得ることができる。また、空気が排気ガスに混入することにより空気量が不十分となることがないので、バーナにおける燃料の燃焼に支障が生じにくい。さらに、熱交換エレメントがセラミックで構成されているため、耐熱性が優れており、高温下でも使用することができる。
このような本実施形態の熱交換器を用いて熱交換を行い、排気ガスから回収され空気に伝えられた熱量を測定し、回収できた熱量の比率（回収熱量比率）を算出した。ハニカム構造体の気体透過率と回収熱量比率との関係を、図７のグラフに示す。図７のグラフから、ハニカム構造体の気体透過率が低いほど回収熱量比率が高いことが分かる。
【符号の説明】
【００２５】
１      ハニカム構造体
１ａ    隔壁
１０      セル
【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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