JP6543457B2

JP6543457B2 - 流体用整流部材

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Inventors: 高木　俊; 俊高木
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Description

本発明は、繊維強化セラミック複合材料を用いた流体用整流部材に関する。

繊維強化セラミックス複合材料は、耐熱性、強度、靱性を備えているので、様々な分野で利用されている。
繊維強化セラミック複合材料の用途として、高い耐熱性、強度を利用して、高温、高速の流体の流体用整流部材として用いられている。
繊維強化セラミックス複合材料は、セラミックスよりなる母材（マトリックス）に、骨材としてセラミックス繊維を加えた材料である。母材であるセラミックスは、耐熱性、強度を備えているものの、弾性率が高いセラミックス材料の特徴により脆い素材である。繊維強化セラミックス複合材料は、さらにセラミックス繊維を複合させることによってセラミックスの母材の弱点である脆性を改良した素材である。

特許文献１は、繊維強化セラミック複合材料の１つである炭素繊維強化炭素複合材料よりなる炭素部品が記載されている。この炭素部品は、炭素繊維を層状に堆積させた堆積層からなる基材と、その基材の表面を覆う高純度かつ硬質の物質からなる被覆層とからなることを特徴とする炭素部品であり、具体的には、半導体製造装置用のガス整流部材について記載されている。
このガス整流部材は、半導体製造装置用において、導入部を介して導入される不活性ガスを整流して石英るつぼ内にそれを確実に導くための部材である。

この炭素部品は、炭素繊維が液体中に懸濁するスラリーを吸引成形し、乾燥、焼成、純化した後に、表面に熱分解炭素からなる被覆層を形成する被覆層形成工程を経て、製造されている。
このため、耐熱性、強度、化学的安定性を有している上に、半導体に対して不純物となる元素が含まれていないので、半導体製造装置用のガス整流部材として好適に用いられている。

特開２００２−６８８５１号公報

しかしながら、前述した炭素部品（繊維強化セラミック複合材料）は、吸引成形で使用する型によって形状が賦与され、吸引成形の後に離型される。このため、乾燥、焼成、純化の過程で変形しやすく、表面に凹凸ができやすい。
また、そもそも基材自体はポーラス（多孔質）な材料であるので、炭素繊維に由来する細かな凹凸を表面に有している。
流体用整流部材などの流体と接触する部材は、表面にこのような凹凸を有しているとガスの流れを乱して、抵抗となる。

本発明では、前記課題を鑑み、気流の乱れを生じさせにくい構造の流体用整流部材を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の流体用整流部材は、中心軸を包囲する筒状部を有する流体用整流部材であって、前記筒状部は、内層のセラミック繊維層と最表層のセラミック繊維層とからなる支持材と、前記支持材を覆うセラミックマトリックスと、からなり、前記内層のセラミック繊維層の外側および／または内側を覆う最表層のセラミック繊維層は、前記中心軸に沿って配向しているセラミック繊維によって構成される。

流体用整流部材の最表層のセラミック繊維層は、中心軸に沿って配向しているセラミック繊維によって構成される。このため、流体の流れを阻害する起伏が出来にくく、流体に乱れが生じにくいので抵抗を小さくできる。
なお、流体の流れとは、流体用整流部材に対して相対的に流体が移動する場合をいい、流体用整流部材に対して流体が流れる場合および流体中を流体用整流部材が移動する場合を含む。

本発明の流体用整流部材によれば、表面を加工することなく気流の抵抗となる凹凸を低減できるので、セラミック繊維を切断することがなく支持材の強度を充分に発揮することができ、高強度の繊維強化セラミック複合材料が得られる。

さらに、本発明の流体用整流部材は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記最表層のセラミック繊維層を構成する前記セラミック繊維と、前記中心軸を含む平面と、のなす角度が０度〜２０度である。
このため、本発明の流体用整流部材は、中心軸を含む平面とセラミック繊維とのなす角度が０度〜２０度であると、セラミック繊維に沿って気流がスムーズに流れることができる。
また、セラミック繊維の太さに起因する凹凸は、１／ｓｉｎ２０°倍（２．９２倍）以上に中心軸方向に引き伸ばされるので、流体の乱れを小さくでき、抵抗を小さくできる。

（２）前記筒状部は、前記中心軸に沿った両端部が開口している。
本発明の流体用整流部材は、筒状部の中心軸に沿った両端部が開口しているので、筒状部の外周面および内周面に沿って流体をスムーズに流すことができる。このため、本発明の流体用整流部材は、内部に流体を流す配管や、流体内を移動する飛翔体、推進体などとして使用することができる。

（３）前記内層のセラミック繊維層の外側を覆う前記最表層のセラミック繊維層が、前記中心軸に沿って配向し、前記筒状部の、前記中心軸に沿った両端部の少なくとも一方に蓋部を有し閉口している。
本発明の流体用整流部材は、内層のセラミック繊維層の外側を覆う最表層のセラミック繊維層が、中心軸に沿って配向し、筒状部の、中心軸に沿った両端部の少なくとも一方に蓋部を有し閉口しているので、筒状部の外周面に沿って流体をスムーズに流すことができる。このため、本発明の流体用整流部材は、流体内を移動する飛翔体などとして使用することができる。

（４）前記筒状部の、一方の端面輪郭形状よりも他方の端面輪郭形状が大きい。
筒状部は、一方の端面輪郭形状よりも他方の端面輪郭形状が大きい形状を呈しているので、本発明の流体用整流部材は、例えば円錐や円錐台、回転楕円体等に類似した形状となっている。このような形状は滑らかに断面積が変化するので、渦流の発生を抑え、流体の流れをスムーズすることができる。このように一方の端面輪郭形状よりも他方の端面輪郭形状が大きい形状に沿って流体が流れる場合には、筒状部の一方と他方の間で流体の流速が異なり、弾性流体においてはさらに密度も異なるようになる。このため、流体と接する筒状部の内側面または外側面は、流体との相互作用が強く、特に流体の乱れを生成させやすい。本発明の流体用整流部材における筒状部は、一方の端面輪郭形状よりも他方の端面輪郭形状が大きく、支持材の内層のセラミック繊維層の外側および／または内側を覆う最表層のセラミック繊維層は、前記中心軸に沿って配向しているので、流体の流れに乱れを生成させにくくすることができる。このため、本発明の流体用整流部材は、配管や流体内を移動する飛翔体、推進体などとして好適に利用することができる。

（５）前記セラミック繊維層は、前記セラミック繊維を束ねたストランドが複数並べられて構成される。
本発明の流体用整流部材は、複数のセラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができるので、より気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。

（６）前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣである。
ＳｉＣは、耐蝕性、耐酸化性が優れ、高強度であるので、セラミックマトリックスにＳｉＣを用いることにより、流体用整流部材を高温、腐食性雰囲気でも好適に利用できる。

（７）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、耐蝕性、耐酸化性が優れ、高強度であるので、支持材にＳｉＣを用いることにより、高温、腐食性雰囲気でセラミックスマトリックスが損傷した場合でも、セラミック繊維がクラックの進展を止め、安全に使用することができる。

（８）前記中心軸は、流体の流れ方向に配置される。
中心軸を流体の流れ方向に配置することにより、中心軸を包囲する筒状部も流体の流れ方向に配置されるので、流体の流れを乱さない。

本発明によれば、流体用整流部材の最表層のセラミック繊維層は、前記中心軸に沿って配向しているセラミック繊維によって構成される。
このため、本発明によれば、流体の流れを阻害する起伏ができにくく、流体に乱れが生じにくいので、気流の乱れを生じさせにくい構造の流体用整流部材を得ることができる。

（Ａ）は本発明に係る流体用整流部材の製造方法におけるセラミック繊維のフープ巻きによる巻回工程を示す工程図であり、（Ｂ）および（Ｃ）は本発明に係る流体用整流部材の製造方法におけるセラミック繊維のヘリカル巻きによる巻回工程を示す工程図であり、（Ｄ）はセラミック繊維の軸方向配置工程を示す工程図である。（Ａ）は芯材の周囲に筒状部となる支持材が形成された状態を示す断面図であり、（Ｂ）は芯材を取り出して筒状部が形成される状態を示す断面図である。（Ａ）は第１実施形態の流体用整流部材の斜視図であり、（Ｂ）は１本のセラミック繊維を（Ａ）中Ｃ方向から見た側面図である。第２実施形態の流体用整流部材の斜視図である。（Ａ）は第３実施形態において芯材の周囲に筒状部および蓋部となる支持材が形成された状態を示す断面図であり、（Ｂ）は芯材を取り出して筒状部および蓋部が形成される状態を示す断面図である。本発明の実施形態の流体用整流部材の製造工程を示し、（Ａ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程の順に製造する製造工程、（Ｂ）は支持材形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程、（Ｃ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程を示す。本発明の実施形態の流体用整流部材の支持材形成工程の詳細な製造工程を示し、（Ａ）は軸方向配置工程が最初と最後にある製造工程、（Ｂ）は軸方向配置工程が最初にある製造工程、（Ｃ）は軸方向配置工程が最後にある製造工程を示す。本発明の実施形態の流体整流部材の適用例であり、具体的にはシリコン単結晶引上げ装置のガス整流部材への適用例である。

本発明の流体用整流部材および流体用整流部材の製造方法について説明する。

さらに、本発明の流体用整流部材は、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記最表層のセラミック繊維層を構成する前記セラミック繊維と、前記中心軸を含む平面と、のなす角度が０度〜２０度である。
このため、本発明の流体用整流部材は、中心軸を含む平面とセラミック繊維とのなす角度が０度〜２０度であると、セラミック繊維に沿って気流がスムーズに流れることができる。
また、セラミック繊維の太さに起因する凹凸は、１／ｓｉｎ２０°倍（２．９２倍）以上に中心軸方向に引き伸ばされるので、流体の乱れを小さくでき、抵抗を小さくできる。
最表層のセラミック繊維層を構成する前記セラミック繊維と、前記中心軸を含む平面と、のなす角度とは、中心軸とセラミック繊維との最短距離で結ぶ直線を含む平面を用いて定義する。

（２）前記筒状部は、前記中心軸に沿った両端部が開口している。
筒状部は中心軸に沿った両端部が開口しているので、筒状部の外周面および内周面に沿って流体をスムーズに流すことができる。このため、本発明の流体用整流部材は、内部に流体を流す配管や、流体内を移動する飛翔体、推進体などとして使用することができる。

本発明の第１実施形態について以下説明する。
本発明の流体用整流部材の製造方法は、支持材形成工程と、マトリックス形成工程と、芯抜工程とからなる。最初に支持材を形成した後に、芯抜工程およびマトリックス形成工程とを行う。芯抜工程とマトリックス形成工程の順序は特に限定されず、芯抜工程の前後にマトリックス形成工程を行ってもよい。
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は本発明の第１実施形態の流体用整流部材の製造工程を示す。図６（Ａ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程の順に製造する製造工程、図６（Ｂ）は支持材形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程、図６（Ｃ）は支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する製造工程を示す。

次に、支持材形成工程について説明する。支持材形成工程は、芯材の周囲にセラミック繊維を巻回し、支持材を形成する。支持材形成工程はセラミック繊維の配置、巻き方などで細かく分類される。支持材形成工程は、巻回工程と、軸方向配置工程とからなる。巻回工程は、さらにヘリカル巻き工程と、フープ巻き工程とが含まれる。
図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、本発明の第１実施形態の流体用整流部材の支持材形成工程の詳細な製造工程を示す。

図７（Ａ）は、軸方向配置工程が最初と最後にある製造工程であり、この製造方法により、内層のセラミック繊維層の外側および内側を覆う最表層のセラミック繊維層が中心軸に沿って配向しているセラミック繊維によって流体用整流部材を構成することができる。
図７（Ｂ）は、軸方向配置工程が最初にあり、最後にはない製造工程であり、この製造方法により、内層のセラミック繊維層の内側面を覆う最表層のセラミック繊維層が中心軸に沿って配向しているセラミック繊維によって流体用整流部材を構成することができる。
図７（Ｃ）は、軸方向配置工程が最後にあり最初にはない製造工程であり、この製造方法により、内層のセラミック繊維層の外側を覆う最表層のセラミック繊維層が中心軸に沿って配向しているセラミック繊維によって流体用整流部材を構成することができる。最初または最後の軸方向配置工程の間は、セラミック繊維の配置、巻回方法、回数、順序は限定されず、自由に組み合わせることができる。

次にマトリックス形成工程について説明する。マトリックス形成工程は、骨材であるセラミック繊維の周囲にセラミックマトリックスを充填する。
セラミックマトリックスはどのようなものでもよく特に限定されない。例えば、ＳｉＣ、アルミナ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ_４Ｃなどを利用できる。セラミックマトリックスはどのような方法で形成してもよい。例えば、有機物である前駆体(プレカーサ)を熱分解させセラミックスのマトリックスを得るプレカーサ法、原料ガスを熱分解させセラミックマトリックスを得るＣＶＤ法などが利用できる。またこれらを併用してもよい。

以下プレカーサ法、ＣＶＤ法について説明する。
プレカーサ法では、熱分解によりセラミックが得られる前駆体を適宜選定する。プレカーサ法では、液体の前駆体を支持体に塗布または含浸したのち、加熱処理し、最終的に焼成することによりセラミックマトリックスを得る。加熱処理では、前駆体の形態によってさまざまな処理が行われる。前駆体が溶液である場合には溶媒の乾燥、前駆体がモノマー、ダイマーまたはオリゴマーなどの場合には重合反応、前駆体がポリマーである場合には熱分解反応の処理が行われる。

前駆体は、液体の形態で使用する。液体であるとは、前駆体を溶媒に溶かした溶液、液状の前駆体、固体の前駆体を加熱して溶融した液状の前駆体などが利用できる。なお、プレカーサ法では、最終的に前駆体を焼成し、セラミックマトリックスを生成させる。
前駆体は、例えば次のようなものが利用できる。前駆体が炭素の場合は、フェノール樹脂、フラン樹脂などが利用できる。前駆体がＳｉＣの場合はポリカルボシラン（PCS：Polycarbosilane）などが利用できる。これらの樹脂をセラミック繊維間に浸透させて、熱分解することによりセラミックマトリックスを得ることができる。
また、プリカーサ法は支持材形成工程のなかで軸方向配置工程が最後にあり、軸方向に並んだセラミック繊維が最表層にある場合に、セラミック繊維の脱落や毛羽立ちを防止するためのバインダーとすることもできる。この場合には、前駆体が、乾燥、重合または熱分解する過程で、セラミック繊維同士を結合させた状態を維持することができるので、好適に利用することができる。

ＣＶＤ法では、ＣＶＤ炉に支持材をいれ、加熱した状態で原料ガスを導入する。原料ガスは、ＣＶＤ炉内で拡散するとともに、加熱された支持材に接触すると熱分解が起こり、原料ガスに対応するセラミックマトリックスが支持材を構成するセラミック繊維の表面に形成される。
ＣＶＤ法で使用する原料ガスは、セラミックマトリックスの種類によって適宜選択する。

目的とするセラミックマトリックスが炭素の場合は、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素ガスが利用できる。
目的とするセラミックマトリックスがＳｉＣの場合には、炭化水素ガスと、シラン系ガスの混合ガス、炭素と珪素を有する有機シラン系ガスなどが利用できる。これらの原料ガスは、水素がハロゲンで置換されたガスも利用することができる。シラン系ガスとしては、クロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、テトラクロロシラン、有機シラン系ガスの場合には、メチルトリクロロシラン（Methyltrichlorosilane）、メチルジクロロシラン（Methyldichlorosilane）、メチルクロロシラン（Methylchlorosilane）、ジメチルジクロロシラン（Dimethyldichlorosilane)、トリメチルジクロロシラン（Trimethyldichlorosilane）などが利用できる。またこれらの原料ガスを適宜混合して用いてもよく、さらに水素、アルゴンなどのキャリアガスとしても用いることもできる。キャリアガスとして水素を用いた場合には、平衡の調整に関与することができる。

また、他のセラミック材料の場合には、目的のセラミックマトリックスにあわせて適宜原料ガスを選定することができる。
ＣＶＤの温度は、原料ガスの分解温度、分解速度に応じて適宜選定することができ、例えば８００〜２０００℃である。ＣＶＤの圧力は、セラミックマトリックスの沈着の状態に応じて適宜選択することができる。使用できる範囲は、例えば０．１〜１００ｋＰａの減圧ＣＶＤ法、また圧力を制御しない常圧ＣＶＤ法でもよい。

次に、芯抜工程について説明する。
芯抜工程の位置によって３つのパターンが存在する。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の後の場合、支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程の順に製造する（図６（Ａ））。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の前の場合、支持材形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する（図６（Ｂ））。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合、支持材形成工程、マトリックス形成工程、芯抜工程、マトリックス形成工程の順に製造する（図６（Ｃ））。

図６（Ａ）に示すように、芯抜工程が、マトリックス形成工程の後の場合、芯抜工程で分離される段階では、すでにセラミック繊維強化セラミック複合材料が形成され、本発明の流体用整流部材そのものである。この場合には、形状が固定された段階で芯抜きされるので、寸法精度の高い流体用整流部材を得ることができる。

図６（Ｂ）に示すように、芯抜工程が、マトリックス形成工程の前の場合、芯抜工程で分離されるものは、セラミック繊維層からなる支持材そのものである。この場合には、支持材の内側面および外側面に同時にセラミックマトリックスを形成することができ、効率よく流体用整流部材を得ることができる。

図６（Ｃ）に示すように、芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合、芯抜工程で分離される段階では、セラミック繊維強化セラミック複合材料の途中段階の製品である。この場合には、支持材の内側面および外側面に同時にセラミックマトリックスを形成することができ、寸法精度の高い流体用整流部材を効率よく得ることができる。

いずれの方法をとってもよいが、芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合の製造方法を用いることが好ましい。
芯抜工程が、マトリックス形成工程の中にある場合には、支持体のセラミック繊維間にセラミックマトリックスが形成されセラミック繊維強化セラミック複合材料になった後に芯材が抜かれるので、芯材が抜かれた後に変形しにくくすることができる。

また、この場合、芯材が抜かれた後、支持体の外側面と内側面の両側からセラミックマトリックスを形成することができるので、セラミック繊維を確実にセラミックマトリックスで覆うことができ、ほつれにくくより強固なセラミック繊維強化セラミック複合材料を得ることができる。

また、マトリックス形成工程の中に芯抜き工程がある場合には、芯抜工程の前後のマトリックス形成工程は同一の方法を用いてもよいし、異なる方法を用いてもよい。なかでも、芯抜工程の前はプリカーサ法を用い、芯抜工程の後はＣＶＤ法を用いることが好ましい。プリカーサ法は、簡単な方法で支持体を固めることができ、変形を防止できるようになる。ＣＶＤ法では、緻密で強固な膜が得られるので流体用整流部材の最表面を構成する膜として好適に利用することができる。

（第１実施形態）
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）および図２（Ａ）〜図２（Ｂ）に基づいて、流体用整流部材の製造方法について説明する。
流体用整流部材１０Ａの製造方法は、柱状に形成された芯材１１の中心軸ＣＬに対する周方向に沿ってセラミック繊維２１を巻回する巻回工程と、芯材１１の中心軸ＣＬに対して平行にセラミック繊維２１を配置する軸方向配置工程を有する。

巻回工程においては、図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すように、中心軸ＣＬ回りに回転する芯材１１の外周面にセラミック繊維２１を巻回してセラミック繊維層２２を形成する。
図１（Ａ）はフープ巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程を示し、図１（Ｂ）はヘリカル巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程の往路を示し、図１（Ｃ）はヘリカル巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程の往路を示す。

このとき、セラミック繊維２１を収容するロール２１１を、芯材１１の一端側（図１（Ａ）および図１（Ｂ）において右端側）から他端側（図１（Ａ）および図１（Ｂ）において左端側）へ移動（矢印Ａ参照）させることにより、セラミック繊維２１を芯材１１の外側面に巻回することができる。
なお、図１（Ｃ）に示すヘリカル巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程の往路では、セラミック繊維を収容するロール２１１を、芯材１１の他端側（図１（Ｃ）において左端側）から一端側（図１（Ｃ）において右端側）へ移動させる（矢印Ｂ参照）。

このとき、セラミック繊維２１は、フープ巻きによるセラミック繊維２１の巻回工程においても厳密には螺旋状に巻回される。ロール２１１の送り速度によって巻回されるセラミック繊維２１の形態が変化する。セラミック繊維２１で覆われた分だけロール２１１を送り、セラミック繊維２１を輪のよう巻く巻回方法をフープ巻きといい、セラミック繊維２１に間隔が空くようにロール２１１を送り、セラミック繊維２１を螺旋のよう巻く巻回方法をヘリカル巻きという。

フープ巻きでは、ロール２１１の送り速度がセラミック繊維２１の太さと同等程度であり、一方向の送りで芯材１１のほぼ全外周面をセラミック繊維２１で覆ってセラミック繊維層２２を形成することができる。
これに対して、ヘリカル巻きでは１回の送りでは芯材１１の全外周面を覆うことができないので、ロール２１１を何往復も繰り返し送りながら芯材１１の外周面にセラミック繊維層２２を形成する。セラミック繊維２１の一方向の送りを１単位とすると、フープ巻きを繰り返した場合、任意の単位のセラミック繊維２１は前後それぞれ１単位のセラミック繊維２１と接点を有する。

これに対しヘリカル巻きでは、１単位のセラミック繊維２１では、芯材１１の全外周面を覆い尽くすことができないので、任意の単位のセラミック繊維２１は前後それぞれ複数の単位のセラミック繊維２１と接触する。

また、セラミック繊維層２２がフープ巻きとヘリカル巻きとの組み合わせである場合には、その界面は、互いに交差しあうセラミック繊維２１の接点が多数存在し、高強度のセラミック繊維強化セラミック複合材料を得ることができる。
なお、図面においては、わかりやすくするために、隣接するセラミック繊維２１同士の間隔を大きく表示している。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａは、筒状部２０Ａの内層のセラミック繊維層の外側を覆う最表層のセラミック繊維層２２が、中心軸ＣＬに沿って配向しているセラミック繊維２１によって構成される。このような筒状部２０Ａを得るために、筒状部２０Ａの最上層を軸方向配置工程によってセラミック繊維層２２を形成する。

軸方向配置工程においては、例えば図１（Ｄ）に示すように、芯材１１の一端側および他端側に係止部２１２、２１３を設けておき、係止部２１２と係止部２１３とに交互にセラミック繊維２１を引っ掛けることにより、セラミック繊維２１を芯材１１の中心軸ＣＬに沿って配置してセラミック繊維層２２を形成する。これを芯材１１の外側面に沿って全周に実施する。このとき、セラミック繊維２１は、係止部２１２、２１３の太さ、配置によっては、中心軸ＣＬを含む平面に対し、斜めに配置されることもあるが、隣接するセラミック繊維２１同士は非常に近接しているので、中心軸ＣＬに対して平行に配置されると言える。なお、図１（Ｄ）においては、わかりやすくするために、隣接するセラミック繊維２１同士の間隔を大きく表示している。

最上層を形成する前は、巻回工程と軸方向配置工程とを繰り返し実施して、セラミック繊維層２２を積層する。巻回工程と軸方向配置工程との順番および実施回数は任意である。
例えば、巻回工程と軸方向配置工程とを１回ずつ交互に実施することができるが、巻回工程および軸方向配置工程を各々複数回ずつ実施して交互に実施することもできる。また、巻回工程には、ヘリカル巻き、フープ巻きがある。このため、ヘリカル巻きによる巻回工程(ヘリカル巻き工程)、フープ巻きによる巻回工程（フープ巻き工程）、軸方向配置工程の３つの工程を適宜選択しながらセラミック繊維層２２を積層し、筒状部２０Ａを構成することができる。（図７参照）
これにより、複数のセラミック繊維層２２を堆積させて支持材が芯材の表面に形成された筒状の基材２３を形成する（図２（Ａ）参照）。この際、基材２３において芯材１１の側面１１１から最も離れた最外側セラミック繊維層２２２において、中心軸ＣＬを含む平面ＰＬ（図３参照）にセラミック繊維２１が沿うように基材２３を製造する。

次いで、支持体のセラミック繊維２１間にセラミックマトリックスを形成させて、中心軸ＣＬを包囲する筒状部２０Ａを形成する。第１実施形態では、セラミックマトリックスをＣＶＤ法により形成する。セラミック繊維層２２を有する支持材をＣＶＤ炉に入れ、ＣＶＤ炉にメチルトリクロロシランガスを導入し、ＳｉＣのセラミックマトリックスを形成する。

そして、図２（Ｂ）に示すように、分離する工程では、芯材１１から筒状部２０Ａを脱型させて、筒状部２０Ａを焼成し、流体用整流部材１０Ａを製造する。
これに限定されず、筒状部２０Ａを芯材１１から分離する工程は、セラミックマトリックスを形成する前、形成した後、セラミックマトリックスを形成する途中段階のいずれであってもよい（図６参照）。

なお、ここでは、筒状部２０Ａの中心軸ＣＬに沿った両端面が開口している場合を示しているが、一方の端面が閉じている場合も同様に製造することができる。
一方の端面が閉じている場合には、例えば、筒状部２０Ａと、蓋部とを有する基材２３を用い、セラミックマトリックスを沈着する方法、後から蓋部を組み合わせる方法などが利用できる。

次に、流体用整流部材１０Ａについて説明する。
図３（Ａ）に示すように、流体用整流部材１０Ａは、中心軸ＣＬを包囲する筒状部２０Ａを有する。流体用整流部材１０Ａは、例えば、中心軸ＣＬを流体の流れ方向（図２（Ｂ）中矢印Ｆ参照）に配置することにより使用することができる。
筒状部２０Ａは、一方の端面２０３の輪郭形状よりも他方の端面２０４の輪郭形状の方を大きく形成することもできる。また、筒状部２０Ａは、一方の端面２０３および他方の端面２０４が開口している。なお、筒状部２０Ａを、両端が開口した円柱形状とすることもできる（図示省略）。

筒状部２０Ａは、ＳｉＣ繊維であるセラミック繊維２１からなる支持材により形成されたセラミック繊維層（セラミック繊維）２２を積層した基材２３（図２参照）を有しており、このセラミック繊維２１にＣＶＤ法によってセラミックマトリックスを沈積させ繊維強化セラミック複合材料を得ることができる。セラミック繊維２１は、セラミック繊維を束ねたストランドを用いることもできる。

筒状部２０Ａの最外側セラミック繊維層（最表層）２２２は、セラミック繊維が中心軸ＣＬを含む仮想の平面ＰＬに沿うように形成されたセラミック繊維層２２である。

ここで、中心軸ＣＬを含む仮想の平面ＰＬと、セラミック繊維２１（支持材）とのなす角度θは、０度〜２０度である。
すなわち、図３（Ａ）に示すように、中心軸ＣＬを含む仮想の平面ＰＬによって切断される筒状部２０Ａの断面を、平面ＰＬに沿って観ると（図３（Ａ）中矢印Ｃ参照）、図３（Ｂ）に示すように平面ＰＬに対してセラミック繊維２１は、角度θで交差する。

次に、第１実施形態の流体用整流部材１０Ａの作用、効果について説明する。
第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、流体用整流部材１０Ａの筒状部２０Ａを構成する最外側セラミック繊維層２２２は、筒状部２０Ａが包囲する中心軸ＣＬを含む平面ＰＬに沿った方向にセラミック繊維２１が配向されている。
このため、流体の流れを阻害する起伏が出来にくく、流体に乱れが生じにくいので抵抗を小さくできる。

また、流体用整流部材１０Ａの表面のセラミック繊維２１を切断することなく気流の抵抗となる凹凸を低減できるので、セラミック繊維２１の強度を充分に発揮することができ、高強度の繊維強化セラミック複合材料が得られる。
さらに、流体用整流部材１０Ａは、削り出しで形成されるのではないので、繊維の切断による強度低下が生じない。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、中心軸ＣＬを含む平面ＰＬとセラミック繊維とのなす角θが０度〜２０度であると、セラミック繊維２１に沿って気流がスムーズに流れることができる。
また、セラミック繊維２１の太さに起因する凹凸は、１／ｓｉｎ２０°倍（２．９２倍）以上に中心軸ＣＬ方向に引き伸ばされるので、流体の乱れを小さくでき、抵抗を小さくできる。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、筒状部２０Ａは中心軸ＣＬに沿った両端部が開口している場合には、筒状部２０Ａの外周面および内周面に沿って流体を流すことができ、流体を整流することができる。このため、配管や流体内を移動する飛翔体として使用することができる。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、筒状部２０Ａは、一方の端面輪郭形状よりも他方の端面輪郭形状が大きい形状を呈しているので、例えば円錐や円錐台等に似ている形状となっている。
そして、端面輪郭形状が小さい一方の端面２０３が開口していない場合には、一方の端面２０３から相対的に流れてくる流体を、筒状部２０Ａの最外側セラミック繊維層２２２による抵抗を小さくすることができる。また、一方の端面２０３も開口している場合には、筒状部２０Ａの最外側セラミック繊維層２２２および最内側セラミック繊維層２２１に沿って流体を流すことができるので、外周面および内周面に沿って流れてくる流体の抵抗を小さくすることができる。このため、流体用整流部材１０Ａは、配管や流体内を移動する飛翔体として利用することができる。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、セラミック繊維２１が複数のセラミック繊維が束ねられたストランドの状態で使用されると、複数の繊維がまとまっているため、個々の繊維が突出する毛羽立ちを少なくすることができる。これにより、一層気流の乱れを抑えることができ、抵抗を少なくすることができる。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、セラミックマトリックスは、ＳｉＣである。
ＳｉＣは、耐蝕性、耐酸化性が優れ、高強度であるので、セラミックマトリックスにＳｉＣを用いることにより、流体用整流部材を高温、腐食性雰囲気でも好適に利用できる。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、耐蝕性、耐酸化性が優れ、高強度であるので、支持材にＳｉＣを用いることにより、高温、腐食性雰囲気でセラミックスマトリックスが損傷した場合でも安全に使用することができる。

第１実施形態の流体用整流部材１０Ａによれば、中心軸ＣＬは、流体の流れ方向に配置される。
中心軸ＣＬを流体の流れ方向に配置することにより、中心軸ＣＬを包囲する筒状部２０Ａも流体の流れ方向に配置されるので、流体の抵抗を小さくすることができる。

また、第１実施形態の流体用整流部材の製造方法によれば、巻回工程において柱状に形成された芯材１１の中心軸ＣＬに対する周方向に沿ってセラミック繊維２１を巻回するとともに、軸方向配置工程において芯材１１の中心軸ＣＬに対して平行にセラミック繊維２１を配置する。こうして、複数のセラミック繊維層２２によって筒状部２０Ａの基材２３を形成する。

次いで、基材２３のセラミック繊維２１間に浸透するようにセラミックマトリックスを形成する。
セラミックマトリックスはどのようなものでもよく特に限定されない。例えば、ＳｉＣ、アルミナ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｂ_４Ｃなど利用できる。セラミックマトリックスはどのような方法で形成してもよい。例えば、有機物である前駆体(プレカーサ)を熱分解させセラミックスのマトリックスを得るプレカーサ法、原料ガスを熱分解させセラミックマトリックスを得るＣＶＤ法などが利用できる。

以下、プレカーサ法、ＣＶＤ法について説明する。
プレカーサ法では、熱分解によりセラミックが得られる前駆体を適宜選定する。プレカーサ法では、液体の前駆体を支持体に塗布または含浸したのち、加熱処理しセラミックマトリックスを得る。加熱処理では、前駆体の形態によってさまざまな処理が行われる。
前駆体が溶液である場合には溶媒の乾燥、前駆体がモノマー、ダイマーまたはオリゴマーなどの場合には重合反応の後に熱分解反応、前駆体がポリマーである場合には熱分解反応の処理が行われる。
前駆体は、液体の形態で使用する。液体であるとは、前駆体を溶媒に溶かした溶液、液状の前駆体、固体の前駆体を加熱して溶融した液状の前駆体などが利用できる。なお、プレカーサ法では、最終的に前駆体を焼成し、セラミックマトリックスを生成させる。

ＣＶＤ法では、ＣＶＤ炉に支持材をいれ、加熱した状態で原料ガスを導入する。原料ガスは、ＣＶＤ炉内で拡散するとともに、加熱された支持材に接触すると熱分解が起こり、原料ガスに対応するセラミックマトリックスが支持材を構成するセラミック繊維の表面に形成される。
次に、芯材１１から筒状部２０Ａを脱型させる。これにより、流体用整流部材を製造することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。
なお、前述した第１実施形態の流体用整流部材１０Ａと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図４に示すように、第２実施形態の流体用整流部材１０Ｂでは、筒状部２０Ｂの最内側セラミック繊維層２２１および最外側セラミック繊維層２２２は、セラミック繊維が中心軸ＣＬを含む仮想の平面ＰＬ（図３（Ａ）参照）に沿うように形成されたセラミック繊維層２２となっている。

これにより、流体の流れを阻害する起伏が出来にくく、流体に乱れが生じにくいので抵抗を小さくできる。ここで、流体の流れとは、流体用整流部材１０Ｂに対して相対的に流体が移動する場合をいい、流体用整流部材１０Ｂに対して流体が流れる場合および流体中を流体用整流部材１０Ｂが移動する場合を含む。
なお、流体用整流部材１０Ｂの製造方法は、第１実施形態において説明した製造方法を用いることができる。これは、軸方向配置工程が支持材形成工程の最初と最後にあることにより得ることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。
なお、前述した第１実施形態の流体用整流部材１０Ａおよび第２実施形態の流体用整流部材１０Ｂと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、第３実施形態の流体用整流部材１０Ｃでは、筒状部２０Ｃの一方の端面２０３に蓋部を有しており、中心軸ＣＬ方向に貫通していない。このため、筒状部２０Ｃでは、最外側セラミック繊維層２２２のセラミック繊維のみが中心軸ＣＬを含む仮想の平面ＰＬ（図３（Ａ）参照）に沿うように形成されたセラミック繊維層２２となっていれば良い。なお、最内側セラミック繊維層（最表層）２２１のセラミック繊維をも中心軸ＣＬを含む仮想の平面ＰＬ（図３（Ａ）参照）に沿うように形成することも可能である。

これにより、流体の流れを阻害する起伏が出来にくく、流体に乱れが生じにくいので抵抗を小さくできる。
なお、流体用整流部材１０Ｃの製造方法は、第１実施形態において説明した製造方法を用いることができる。

本発明の流体用整流部材は、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。
図８は、本発明の各実施形態において説明した流体用整流部材の適用例であり、具体的にはシリコン単結晶引上げ装置３００のガス整流部材３１２への適用例である。
図８に示すシリコン単結晶引上げ装置３００は、シリコン材料を加熱していったん溶融させた後、シリコンを単結晶として引き上げることにより、高純度のシリコンインゴットを得るためのものである。

このシリコン単結晶引上げ装置３００を構成する密閉本体３０２の上部には、その内部に不活性ガスを導入するための導入部３０３が設けられている。密閉本体３０２の内部には、石英るつぼ３０４、るつぼ３０５、回転軸３０６、ヒータ３０７、保温筒３０８、上部リング３０９、下部リング３１０、底部遮熱板３１１およびガス整流部材３１２（流体用整流部材）等が収容されている。

シリコン材料が投入される石英るつぼ３０４は、その外側に配置されたるつぼ３０５に保持されている。るつぼ３０５の底面中央部は回転軸３０６によって下方から支持されている。図示しない駆動手段によって回転軸３０６が回転すると、それに伴ってるつぼ３０５が回転する。るつぼ３０５の側部の周囲に配置されたヒータ３０７によってるつぼ３０５が加熱され、シリコン材料が溶融するようになっている。ヒータ３０７の側部の周囲に設けられた保温筒３０８は、上部リング３０９と下部リング３１０との間に支持されている。密閉本体３０２の内底面には、底面から熱が逃げるのを防止するための底部遮熱板３１１が配設されている。

ガス整流部材３１２は先細り形状のテーパ状部材であり、小径側の端部を下方に向けた状態で、大径側の端部が密閉本体３０２の上面内側に固定されている。
本発明の流体用整流部材は、このようなシリコン単結晶引上げ装置３００のガス整流部材３１２への適用も可能である。

本発明の流体用整流部材は、流体用配管、飛翔体の外装、バーナーのノズル等およびその製造に用いることができる。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ流体用整流部材
１１芯材
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ筒状部
２０３一方の端面（両端部）
２０４他方の端面（両端部）
２１セラミック繊維
２２セラミック繊維層
２２１最内側セラミック繊維層（最表層）
２２２最外側セラミック繊維層（最表層）
２３基材
ＣＬ中心軸
ＰＬ平面

Claims

中心軸を包囲する筒状部を有する流体用整流部材であって、
前記筒状部は、内層のセラミック繊維層と最表層のセラミック繊維層とからなる支持材と、前記支持材を覆うセラミックマトリックスと、からなり、
前記内層のセラミック繊維層の外側を覆う最表層のセラミック繊維層は、前記中心軸に沿って配向しているセラミック繊維によって構成され、
前記筒状部の、前記中心軸に沿った両端部の少なくとも一方に蓋部を有し閉口している流体用整流部材。
請求項１に記載の流体用整流部材であって、
前記最表層のセラミック繊維層を構成する前記セラミック繊維と、前記中心軸を含む平面と、のなす角度が０度〜２０度である流体用整流部材。
請求項１または請求項２に記載の流体用整流部材であって、
前記筒状部の、一方の端面輪郭形状よりも他方の端面輪郭形状が大きい流体用整流部材。
請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１項に記載の流体用整流部材であって、
前記セラミック繊維層は、前記セラミック繊維を束ねたストランドが複数並べられて構成される流体用整流部材。
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１項に記載の流体用整流部材であって、
前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣである流体用整流部材。
請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１項に記載の流体用整流部材であって、
前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である流体用整流部材。
請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１項に記載の流体用整流部材であって、
前記中心軸は、流体の流れ方向に配置されることを特徴とする流体用整流部材。