JP2005029806A - 複合金属多孔体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔体の有効面積を犠牲にせず、金属多孔体の取り扱い性を向上させる。
【解決手段】三次元網目構造を有する多孔体からなるシート状の金属部１１と、この金属部１１の面方向に延びる樹脂部１２とを一体に形成して複合金属多孔体１０とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルタ、ガス拡散部材、放熱部材、吸水部材等に用いられる金属多孔体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属多孔体は、フィルタ、ガス拡散部材、放熱部材、吸水部材といった様々な用途に適用可能であり、種々の装置に備えられている。しかしながら、金属多孔体は強度が低く、変形しやすいという性質を有しているため、取り扱いにくいという問題があった。
【０００３】
そこで、多孔体からなるフィルタ要素をフィルタ装置に組み込む際などの取り扱い時に生じる多孔体の損傷を防止するために、フィルタ要素の端区域に異なる物質を充填して補強する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、金属発泡体を装置に取り付ける固定用穴等を設けるために、多孔体の細孔中に金属やプラスチック等の固体を充填することにより、強度を向上させる部分を設ける技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭４８−１３９５６号公報
【特許文献２】
特開平０８−５３７２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多孔体の表面に樹脂等を重ねることにより強度を向上させようとすると、補強部分に固定用穴を設けようとする場合に樹脂と金属とを同時に切削することになり、加工しにくく、形状付与が困難となってしまう。
また、金属多孔体は一般に製造が困難で、高価なものであるから、この多孔体を無駄なく利用してその性質を存分に発揮させることが望まれる。これに対し、表面に樹脂や金属等を塗り重ねるような補強では、多孔体の有効面積を小さくしてしまうため、結果的にコスト増大を招くことになる。
【０００７】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、多孔体の有効面積を犠牲にせず、金属多孔体の取り扱い性を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る複合金属多孔体は、三次元網目構造を有する多孔体からなるシート状の金属部と、この金属部の面方向に延びる樹脂部とが一体に形成されたことを特徴としている。なお、樹脂部をなす樹脂は、いわゆる合成樹脂に限らずエラストマーなどのゴム材なども含むものとする。
【０００９】
この発明によれば、強度の低い金属部の周縁に樹脂部が設けられるので、取り扱い性のよい金属多孔体を実現することができる。また、樹脂部が張り出すように延びているから、樹脂部のみを加工することが可能となるので、装置固定用の穴等の形状を容易に付与することができる。
なお、樹脂部を設ける箇所は、金属部の全周に限らず、また外縁部にも限らず、必要に応じて部分的に設けることができる。また、複数の金属部を樹脂部で連結するような構成であってもよい。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の複合金属多孔体を製造する方法であって、金属部をインサート部品として、この金属部の縁部に連なるように樹脂部を射出成形するインサート成形を行うことを特徴としている。
【００１１】
この発明によれば、金属部と樹脂部とが接続される部分において、金属部の側部に開口する気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果により金属部と樹脂部とが強固に接続され、強度が高い複合金属多孔体が実現される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
本発明の複合金属多孔体１０は、図１に示すように、シート状の金属部１１と、この金属部１１の面方向に延びる樹脂部１２とが一体に形成された矩形薄板状のものである。
【００１３】
金属部１１は、三次元網目構造を有する多孔体からなる矩形の薄板であり、側部に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性、吸水性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有している。
樹脂部１２は、金属部１１の外周縁部に連なる薄板状で、金属部１１と略同じ厚さで段差なく形成されている。
これら金属部１１および樹脂部１２とが一体に形成された複合金属多孔体１０は、全体として１枚の薄板部材をなしており、樹脂部１２を固定あるいは挟持されるなどして装置に取り付けられて、フィルタ、吸水部材、放熱体等に用いられる。
【００１４】
金属多孔質体である金属部１１は、各種方法により製造できるが、たとえば、金属粉末を含むスラリーＳを、薄く成形して乾燥させたグリーンシートＧを焼成することにより製造することができる。図２は、ドクターブレード法によりスラリーＳを薄く成形するグリーンシート製造装置３０である。
【００１５】
スラリーＳは、たとえばＳＵＳ３１６Ｌ等の金属粉末、有機バインダ（メチルセルロース）、溶媒（水）を混合したものであり、さらに必要に応じて、加熱処理により昇華あるいは気化する発泡剤（ヘキサン）や消泡剤（エタノール）等が添加される。
【００１６】
グリーンシート製造装置３０において、まず、スラリーＳが貯蔵されたホッパ３１から、ローラ３２によって搬送されるキャリアシート３３上にスラリーＳが供給される。キャリアシート３３上のスラリーＳは、移動するキャリアシート３３とドクターブレード３４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【００１７】
成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート３３によって搬送され、加熱炉３５を通過する。そして、加熱炉３５中で乾燥されることにより、ＳＵＳ３１６Ｌ粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートＧが形成される。
なお、スラリーＳに発泡剤が含まれる場合、キャリアシート３３上に延ばされた状態のスラリーＳを、乾燥前に、高湿度雰囲気下にて加熱処理し、発泡剤を発泡させて発泡スラリーとしてから、乾燥処理を行ってグリーンシートＧを形成する。
【００１８】
このグリーンシートＧは、キャリアシート３３から取り外された後、図示しない真空炉にて脱脂・焼成されることにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結した金属多孔体（金属部１１）となる。
【００１９】
このようにして形成された金属部１１は、たとえば、金属部１１をインサート部品としたインサート成形により、樹脂部１２を一体に備えた複合金属多孔体１０として製造される。なお、金属部１１は上記のような方法で製造されるものに限らず、金属不織布でもよい。
すなわち、図３に示す一対の型板２０，２１間に形成されたキャビティ２２の中に、インサート部品として金属部１１を配置し、ランナ２３からゲート２４を通じて射出した溶融樹脂２５をキャビティ２２内に充填することにより、金属部１１と樹脂部１２とが一体となった複合金属多孔体１０が形成される。金属部１１と樹脂部１２とは、金属部１１の側部に開口する気孔中、５μｍ〜１０００μｍ程度の深さまで溶融樹脂が含浸して硬化することにより強固に接合される。
【００２０】
たとえば樹脂部１２の材料にポリプロピレンを用いた場合、成形温度１８０℃、８０ｋＮで型締めし、成形圧２５０ｋｇ／ｃｍ^２で射出成形すると、複合金属多孔体１０が得られる。
【００２１】
なお、インサート成形により複合金属多孔体１０を形成する場合、型閉時のキャビティ２２の厚さ（型開閉方向の大きさ）は、金属部１１よりも若干小さくし、型閉時に型板２０，２１間で金属部１１が３〜９０％圧縮されるようにすると、射出樹脂圧により金属部１１をキャビティ２３に対して固定できるとともに、金属部１１の平坦度を向上させることができる。
【００２２】
また、金属部１１は、気孔径や気孔率が小さすぎると溶融樹脂が気孔中に入り込めないのでアンカー効果が不十分となり、樹脂部１２との接合強度が十分に得られず、接合部で剥離する虞がある。一方、気孔径や気孔率が大きすぎると、強度が不足し、樹脂成形圧および樹脂硬化時の圧縮に耐えられず、変形してしまう。したがって、気孔径１０μｍ〜２ｍｍ程度、気孔率４０〜９８％程度であるとより好ましい。
一方、樹脂部１２の材質は、熱可塑性樹脂、エラストマーなど、射出成形可能な材質であればよいので、耐熱温度や硬度等を考慮し、用途に応じて適宜選択すればよい。
【００２３】
さらに、樹脂部１２は、図１に示すように平坦であってもよいが、ねじ挿通孔用の穴や、装置に対する嵌合用の溝形状、強度向上のためのリブ形状、ボスなどを樹脂成形時に設けておいてもよい。また、金属部１１に予め穴を設けておき、ここに溶融樹脂を充填するように射出することにより、金属部１１の端部だけでなく中程にも樹脂部１２を有する複合金属多孔体１０を製造することができる。
【００２４】
このようにして製造された複合金属多孔体１０は、次のような用途に用いられる。
図４に、複合金属多孔体１０をフィルタ４０として備える空気清浄機等の多層フィルタ装置において、フィルタ４０を収容するフィルタユニット４１を示す。フィルタユニット４１は、樹脂や金属からなるフィルタボックス４２に、複数枚のフィルタ４０を挿入し、フィルタボックス４２に蓋部材４３を取り付けた構成である。
【００２５】
このフィルタユニット４１では、フィルタ４０の樹脂部１１をエラストマー等の弾性部材で形成することにより、フィルタボックス４２および蓋部材４３に対して気密性を持たせ、ろ過対象となる流体をもれなく金属部１１部分に通過させることができる。なお、酸化チタンなどの光触媒を担持させて金属部１１を製造すれば、フィルタに捕捉されたガス状汚染物質を光の照射により分解することができ、より空気清浄効果を高めることができる。
【００２６】
図５に、複合金属多孔体１０を充填物支持板５０として備える充填塔５１を示す。充填塔５１は、垂直な円筒形シェル５２内に充填物５３を充填したもので、充填物５３の上部に配置された液分散板５４を通じて上方から均一に分散された液が充填物５３の表面を流下するとともに、下方から送り込まれたガスが充填物５３の間隙を流れて液と接触しながら上昇する構造により、ガス中の成分を液中に吸収させる装置であり、脱臭、排ガスの洗浄等を行うことができる。
【００２７】
この充填塔５１において、充填物支持板５０としての複合金属多孔体１０は、固定用穴が設けられた樹脂部１２がシェル５２にねじ止め等により固定されて、金属部１１で液体およびガスを通過させながら充填物を支持している。
【００２８】
図６に、複合金属多孔体１０を吸水部材６０として備える加湿器６１を示す。この加湿器６１は、水を保持するタンク６２の底部６３に吸水部材６０を立設した構成を有し、微細な連通気孔の浸透圧により吸水部材６０の気孔中にタンク６２から水を吸い上げさせ、表面積の大きい金属部１１から蒸発させることにより、空気中の湿度を高めることができる。この加湿器６１において、吸水部材６０としての複合金属多孔体１０は、タンク６２の底部６３に形成された溝部６４に樹脂部１２を挿入させることにより固定され、多孔質の金属部１１の一部が水没している。
【００２９】
なお、この吸水部材６０において、樹脂部１２は装置に複合金属多孔体１０を固定するための部分であるので、金属部１１の強度はあまり要求されない場合には樹脂部１１が金属部１１の全周に設けられている必要はなく、たとえば矩形の金属部１１の１辺のみに設けるだけでもよい。
【００３０】
図７に、電極７０およびフィルタ７１として複合金属多孔体１０を備え、塵埃を帯電させて集塵する集塵装置７２を示す。この集塵装置７２では、複合金属多孔体１０である電極７０と電極７３との間に電圧を印加して放電させ、これら電極間で帯電した塵埃をフィルタ７１で集塵させることができる。複合金属多孔体１０である電極７０およびフィルタ７１は、樹脂部１２に穴等の固定用形状が設けられ、装置にねじ止め等により固定されている。
【００３１】
この電極７０およびフィルタ７１は、樹脂部１２の部分で装置に固定することができるので、樹脂部１２を電気絶縁性材料で形成することにより容易に絶縁でき、装置構成を単純化することができる。また、電極７０において金属部１１と電源とを接続するために、樹脂部１２を導電性樹脂で形成したり、樹脂部１２の表面に金属配線をプリントしたりしてもよい。
【００３２】
図８に、放熱体８０として複合金属多孔体１０を備えるクーラーユニット８１を示す。このクーラーユニット８１は、基板部８２に樹脂部１２を固定されて並列する複合金属多孔体１０の金属部１１がヒートシンクを構成しており、ファン８３の送風で金属部１１が冷却されることにより、基板部８２側に配置されたコンピュータのＣＰＵ等を冷却するための装置である。この場合、樹脂部１２には熱伝導性樹脂が使用される。複合金属多孔体１０は金属部１１の表面積が大きく軽量であるので、このようなＣＰＵクーラの他、種々の装置における放熱体に好適である。
【００３３】
図９に、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極９０，９１に適用された複合金属多孔体１０を示す。このガス拡散電極９０，９１は、複数枚の金属部１１が面方向に間隔をおいて配置された状態で、各金属部１１間を埋めるとともに全体の外周を囲むように樹脂部１２が設けられている。そして、各金属部１１の一端には、樹脂部１２の外周まで延びる金属薄板タブ９２が接続されている。金属薄板タブ９２は、インサート成形前の各金属部１１に溶着されていて、インサート成形により樹脂部１２と一体とされている。
【００３４】
この燃料電池は、図１０に示すように、陽極のガス拡散電極（空気極）９０と陰極のガス拡散電極（燃料極）９１との間に電解質膜９３を挟んだ層状構造となっていて、各ガス拡散電極９０，９１の金属部１１の表面には、電解質膜９３に接する触媒９４が塗布形成されている。電解質膜９３を挟んで対向する空気極９０および燃料極９１は、各金属部１１が交互に直列に接続されるように、各金属薄板タブ９２が配線９７により接続されており、直列の両端に位置する金属部１１（金属薄板タブ９２）が電池の陽極９５、陰極９６として機能する。
【００３５】
ここで、燃料極９１に燃料を供給する燃料供給部９８は、毛管作用により燃料を供給保持する多孔質部９９と、シールのために外周に設けられた樹脂部１００とからなる構造となっている。燃料供給部９８と燃料極９１とは、燃料供給部９８の樹脂部１００と燃料極９１の樹脂部１２とをたとえば超音波接合することにより固定される。
【００３６】
また、本発明の複合金属多孔体１０は、図１１および図１２に示すような構成の燃料電池においても、ガス拡散電極１１０として用いることもできる。
このガス拡散電極１１０（１０）は、複数枚の金属部１１が面方向に間隔をおいて配置された状態で、各金属部１１間を埋めるとともに全体の外周を囲むように樹脂部１２が設けられていて、各金属部１１の一方の面に触媒層（図示せず）が形成されている。そして燃料電池は、２枚のガス拡散電極１１０間に電解質層１１１を挟み込み、各ガス拡散電極１１０の触媒層を電解質層１１１に臨ませて、各金属部１１を順次直接に配線する構成となっている。
【００３７】
図１１に示す構成は、金属部１１に食い込む突起１１２ａを有する導電性コ字状の接続部材１１２によって、互いに対向して配置された金属部１１をたすきがけ状に順次接続するものである。
また、図１２に示す構成は、対向する２対の金属部１１近傍の樹脂部１２部分を挟み込む挟持部１１３ａと、この挟持部１１３ａから金属部１１へ向かって延びる接続部１１３ｂとを有する導電性クリップ状の接続部材１１３によって、互いに対向して配置された金属部１１をたすきがけ状に順次接続するものである。
このような接続部材１１２，１１３を用いて金属部１１を接続する構成とすれば、図９に示すような別部材の金属薄板タブ９２を設ける必要がない。
【００３８】
さらに、本発明の複合金属多孔体１０は、電極１２０、電解質層１２１およびセパレータ板１２２を多層に積層する構成のスタック型の固体高分子型燃料電池（図１３）におけるガス拡散電極１２０として用いることもできる。なお、セパレータ板１２２は、空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず、導電性を有するたとえばカーボン板や耐食性のある金属板などで形成されている。
【００３９】
図１４および図１５に、本実施形態の複合金属多孔体１０（ガス拡散電極１２０）を示す。このガス拡散電極１２０は、金属部１１の周囲を囲み面方向に延びる樹脂部１２とからなる板状の部材で、金属部１１に隣接して樹脂部１２を貫通し、金属部１１の気孔に連通する２つの連通孔１２０ａ，１２０ｂと、金属部１１から離れた位置に設けられて樹脂部１２を貫通する２つの貫通孔１２０ｃ，１２０ｄと、樹脂部１２の四隅に設けられて固定用のボルト等を挿通させるボルト挿通孔１２０ｅとを有している。これら連通孔１２０ａ，１２０ｂ、貫通孔１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅは、複合金属多孔体１０の製造時に金型によって成形することができる。
【００４０】
電解質層１２１には、ガス拡散電極１２０の各孔に連通する貫通孔が設けられている。すなわち、電解質層１２１には、ガス拡散電極の連通孔１２０ａ，１２０ｂおよび貫通孔１２０ｃ，１２０ｄに連通する貫通孔１２１ａと、ボルト挿通孔１２０ｅに連通するボルト挿通孔（図示せず）が形成されている。
また、セパレータ板１２２にも、ガス拡散電極１２０の各孔に連通する貫通孔が設けられている。すなわち、セパレータ板１２２には、ガス拡散電極の連通孔１２０ａ，１２０ｂおよび貫通孔１２０ｃ，１２０ｄに連通する貫通孔１２２ａと、ボルト挿通孔１２０ｅに連通するボルト挿通孔（図示せず）が形成されている。
【００４１】
積層されたガス拡散電極１２０、電解質層１２１およびセパレータ板１２２は、各ボルト挿通孔にボルトを挿通させてナットで固定することにより、一体に固定することができる。
【００４２】
電解質層１２１を挟んで積層された２枚のガス拡散電極１２０は、表裏を異ならせて配置され、一方が燃料極１２０Ａ、他方が空気極Ｂとなっている。
すなわち、燃料極１２０Ａの連通孔１２０ａと空気極１２０Ｂの貫通孔１２０ｄ、燃料極１２０Ａの連通孔１２０ｂと空気極１２０Ｂの貫通孔１２０ｃとが連通して、燃料電池の厚さ方向（図１３の左右方向）に延びる燃料供給路Ｆ１および燃料排出路Ｆ２が形成される。燃料供給路Ｆ１に供給された燃料は、各燃料極１２０Ａの金属部１１の連通気孔中を通過しながら電解質層１２１と触媒層の界面に水素を供給し、残ガスは燃料排出路Ｆ２を通じて排出される。図１３は、図１４に示すＡ−Ａ線に沿う断面図であり、燃料の供給経路のみを示している。
【００４３】
同様に、燃料極１２０Ａの連通孔１２０ｃと空気極１２０Ｂの貫通孔１２０ｂとが連通して、燃料電池の厚さ方向に延びる空気供給路（図示せず）が形成されるとともに、燃料極１２０Ａの連通孔１２０ｄと空気極１２０Ｂの貫通孔１２０ａとが連通して、燃料電池の厚さ方向（図１３の左右方向）に延びる空気排出路（図示せず）が形成される。空気供給路に供給された空気は、各空気極１２０Ｂの金属部１１の連通気孔中を通過しながら電解質層１２１と触媒層の界面に酸素を供給し、反応により生成した水とともに空気排出路を通じて排出される。
【００４４】
すなわち、本実施形態の燃料電池は、２枚のガス拡散電極１２０間に電解質層１２１を挟み、これらの両面をセパレータ板１２２に覆うことにより、単独のセルが構成されている。そして、セパレータ板１２２を挟んで燃料極１２０Ａと空気極１２０Ｂとを配置することにより、これら燃料極１２０Ａと空気極１２０Ｂとを気密に隔てるとともにセパレータ板１２２を通じて電子のやりとりが行われる構成とすることができ、複数のセルを直列に接続した燃料電池を構成することができる。
【００４５】
なお、以上の実施形態において示した各構成部材、その諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求に基づき種々変更可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１の発明に係る複合金属多孔体によれば、強度の低い金属部の面方向に延びる樹脂部が設けられるので、取り扱い性のよい金属多孔体を実現することができる。また、樹脂部が張り出すように延びていることにより樹脂部のみを加工することが可能となるので、装置固定用の穴等の形状を容易に付与することができる。
これにより、フィルタ、ガス拡散部材、放熱部材、吸水部材、多孔質電極等、多様な用途に用いられる金属多孔体を取り扱いやすく、損傷させにくくすることができる。
【００４７】
請求項２の発明に係る複合金属多孔体の製造方法によれば、金属部と樹脂部とが接続される部分において、金属部の側部に開口する気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果により金属部と樹脂部とが強固に接続され、強度が高い複合金属多孔体を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合金属多孔体を示す平面図である。
【図２】複合金属多孔体の金属部を製造する方法の一例を示す模式図である。
【図３】図１に示す複合金属多孔体を製造するインサート射出成形用金型の要部を示す断面図である。
【図４】空気清浄機のフィルタとして用いた本発明の複合金属多孔体の例を示す斜視分解図である。
【図５】充填塔の充填物支持板として用いた本発明の複合金属多孔体の例を示す模式図である。
【図６】加湿器の吸水部材として用いた本発明の複合金属多孔体の例を示す模式図である。
【図７】電気集塵装置の電極および集塵フィルタとして用いた本発明の複合金属多孔体の例を示す模式図である。
【図８】ＣＰＵクーラのヒートシンクに用いた本発明の複合金属多孔体の例を示す模式図である。
【図９】燃料電池のガス拡散電極として用いた本発明の複合金属多孔体の例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示すガス拡散電極を備えた燃料電池において、燃料供給部を一体化した例を示す模式図である。
【図１１】本発明の複合金属多孔体をガス拡散電極として用いた燃料電池の一例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の複合金属多孔体をガス拡散電極として用いた燃料電池の他の例を示す斜視図である。
【図１３】本発明の複合金属多孔体をガス拡散電極として用いたスタック型の燃料電池の例を示す断面図である。
【図１４】図１３に示す燃料電池を構成する複合金属多孔体（燃料極）を示す平面図である。
【図１５】図１３に示す燃料電池を構成する複合金属多孔体（空気極）を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 複合金属多孔体
１１ 金属部
１２ 樹脂部
４０ フィルタ（複合金属多孔体）
５０ 充填物支持板（複合金属多孔体）
６０ 吸水部材（複合金属多孔体）
７０ 電極（複合金属多孔体）
７１ フィルタ（複合金属多孔体）
８０ 放熱体（複合金属多孔体）
９０，９１，１１０，１２０ ガス拡散電極（複合金属多孔体）

Claims (2)

1. 三次元網目構造を有する多孔体からなるシート状の金属部と、該金属部の面方向に延びる樹脂部とが一体に形成されたことを特徴とする複合金属多孔体。
2. 前記金属部をインサート部品として、該金属部の縁部に連なるように前記樹脂部を射出するインサート成形を行うことにより、請求項１に記載の複合金属多孔体を製造することを特徴とする複合金属多孔体の製造方法。

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