JP2013189666A - シート状多孔体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高いろ過性能が要求される部位と、高い通気性・通液性が要求される部位の存在する装置に使用される多孔体シートであって、１枚のシートによって異なる性能要求に対応することができる金属多孔体シートを提供する。
【解決手段】金属多孔体であって、この多孔体には１ｃｍ^３当たりの空隙率の異なる部位が、少なくとも２以上、含まれていることを特徴とするシート状多孔体。また、その製造方法は、金型内に仕切り部材を設置し、仕切り部材によって仕切られる複数の領域にそれぞれ異なる重量の金属繊維を充填し、仕切り部材を除去してそれぞれ異なる重量で充填された複数の領域の金属繊維どうしを接触させ、複数の領域の金属繊維を同一の高さまで一度でプレスする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気清浄機用フィルター、排水処理用フィルターやクッション材として適した金属多孔体に係り、特に、ろ過特性および通気性、通液性の異なる部位を有し、多孔体の場所による特性の違いの要求に対応できるシート状多孔体に関する。

金属多孔体は、溶融物中の固体不純物を分離するためのろ過用フィルター（例えば、特許文献１参照）として使用されている。その製造には、金属粉末の部分焼結法（例えば、特許文献１参照）や、金属繊維の焼結法（例えば、特許文献２および３参照）が用いられている。

空気清浄機や排水処理装置の設計に当っては、フィルターのろ過性能及び通気性、通液性が重要な因子である。ろ過性能と通気性、通液性とは相反する特性であり、材質と寸法が決まれば空隙率によって決まってくる。すなわち、空隙率が低いフィルターはろ過性能は優れるが、通気性、通液性能は低くなる。空隙率が高いフィルターはこの逆である。

また、空気清浄機や排水処理装置によっては、流体の通過する場所によりフィルターに要求される特性が異なる場合も多く、空隙率の異なる何種類ものフィルターを使い分ける必要があった。

しかしながら、現状では、空隙率の異なる何種類ものフィルターを製造してそれぞれ必要な箇所に設置するなどして対応しており、設備の製造コスト上昇要因であった。

また、種類の異なるガスを混合したい場合には、成分ガスごとに空隙率の異なる複数種類のフィルターを組み合わせた装置を通過させることにより、安定した組成の混合ガスを製造する技術が知られている（例えば、特許文献４参照）。

しかしながら、組成変動の少ない混合ガスを製造したい場合には、特許文献４に記載の技術をもってしても対応できない場合があり、改善が求められている。

特開２００２−３１７２０７号公報 特開２００４−０１８９５１号公報 ＥＰ０１７８６５０Ｂ１号公報 特開２００８−２８５４２７号公報

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、高いろ過性能が要求される部位と、高い通気性・通液性が要求される部位の存在する装置に使用される多孔体シートであって、１枚のシートによって異なる性能要求に対応することができる多孔体シートを提供することを目的としている。

上記課題を解決すべく、鋭意検討を進めてきたところ、金属繊維でシート状の多孔体を構成し、かつ、多孔体の部位によって空隙率に違いを持たせることにより、上記課題を効果的に解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係るシート状多孔体は、金属多孔体であって、前記多孔体には１ｃｍ^３当たりの空隙率の異なる部位が、少なくとも２以上、含まれていることを特徴とするものである。

本発明に係るシート状多孔体においては、シート状多孔体の空隙率が、前記シートの任意の端面から同端面に対向する端面に対して単調かつ離散的に増加または減少するように構成されていることを好ましい態様とするものである。

本発明に係るシート状多孔体においては、同多孔体の任意の２箇所の部位の１ｃｍ^３当たりの空隙率の差異が、１０〜２０％の範囲にあることを好ましい態様とするものである。

本発明に係るシート状多孔体が、金属繊維を用いて構成されていることを好ましい態様とするものである。

また、本発明のシート状多孔体の製造方法は、金型内に仕切り部材を設置し、仕切り部材によって仕切られる複数の領域にそれぞれ異なる重量の金属繊維を充填し、仕切り部材を除去してそれぞれ異なる重量で充填された複数の領域の金属繊維どうしを接触させ、複数の領域の金属繊維を同一の高さまで一度でプレスすることを特徴とするものである。

本発明に係るシート状多孔体においては、同多孔体が金属繊維を用いて構成されていることを好ましい態様とするものである。

前記した本発明を実施することにより、多孔体の部位によって異なる特性を要求されるフィルターに好適なシート状多孔体を提供することができる。

異なる空隙率の部位を有する本発明に係る多孔体シートの模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を表す。 本発明に係る多孔体シートを用いた適用例を示す模式図である。 本発明に係る多孔体シートを用いた適用例を示す模式図である。 本発明に係る多孔体シート面の直下を製品が空隙率の高いシート面から空隙率の低いシート面に流れていくことを示す模式図である。 本発明に係る多孔体シートを用いた比較例を示す模式図である。 本発明に係る多孔体シートを用いた比較例を示す模式図である。 本発明の多孔体シートの製造方法を示す模式図である。

本発明に係る好ましい実施の態様につき、適宜図面を用いながら以下に説明する。
本発明に係るシート状多孔体は、空隙率の異なる複数の部位から構成されていることを特徴とするものである。

図１は、本発明でいうところの空隙率の異なる二つの部位を有するシート状多孔体の好ましい形態の一例を表している。多孔体シート１は、相対的にろ過性能の高い低空隙率領域Ａ（符号１ａ）と、相対的にろ過性能の低い高空隙率領域Ｂ（符号１ｂ）とから構成されている。

多孔体シートをフィルターとして使用する場合、ろ過する気体、または液体の通過する方向によって効果が異なり、３通りの効果を奏するものである。以下、それぞれの場合についての好ましい態様について以下に説明する。

まずは、多孔体シート面に垂直方向に気体または液体が流入する場合の好ましい態様について、図２を用いて説明する。

図２は、本願発明に係る好ましい態様の一例を表している。高空隙率領域１ｂと低空隙率領域１ａで構成された多孔体１およびその上流に切り替えバルブ３が内装されたパイプ４に流体Ｆを通過させて、流体Ｆ中に含まれている異物を除去する様子を表している。

多孔体１を構成する低空隙率領域１ａと高空隙率領域１ｂは、相互にガスの流通のない隔壁２で隔離されているため、切り替えバルブ３により、流体Ｆの通過する領域を低空隙率領域１ａまたは高空隙率領域１ｂのいずれかに確定することができるという効果を奏するものである。

まずは、切り替えバルブ３が、図２のようなＰ方向にある場合には、流体Ｆは、多孔体１の高空隙率領域１ｂに導かれる。この場合に、低空隙率領域１ａに比べて高空隙率領域１ｂは、空隙が多いために、流体Ｆ中に含まれる固形物のろ過率は相対的に少ないが、ガスの流通抵抗は小さいために、多流量の流体Ｆを排出することができるという効果を奏する。

このような場合には、例えば、大気を内部に取り込んで、内燃機関全体を冷却する空冷媒体として効率よく冷却することができるという効果を奏するものである。

これに対して、切り替えバルブ３が図２のＱ方向にある場合には、流体Ｆは、多孔体１の低空隙率領域１ａを通過させることとなり、その結果、切り替えバルブ３がＰ方向にある場合に比べて、多孔体１から排出される流量はあまり見込めないが、流体Ｆに含まれる固形物のろ過性能は、格段に改善される。よって、多孔体の低空隙率領域１ａを通過した流体Ｆの清澄度は高く、例えば、ガソリン燃焼用の空気として利用することができる。

このように、低空隙率領域１ａと高空隙率領域１ｂを併せ持った本願発明に係る多孔体は、単独で、目的の異なる用途に好適に用いることができるという効果を奏するものである。

図３は、本願発明に係る別の好ましい態様を表している。
図３に示すパイプ３の内部には、低空隙率領域１ａおよび高空隙率領域１ｂを有する多孔体１が内装されている。前記多孔体１の上流には、ガスＡとガスのＢの２種類のガスが隔壁２を隔てて別個独立に多孔体１に導入されるように構成されている。

前記した状態で多孔体１に供給されたガスＡは、主として、高空隙率領域１ｂを流れて多孔体１の下流に移動する。ガスＢは、高空隙率領域１ｂに入るが、出口がないため、高空隙率領域１ｂを通過している間に、低空隙率領域１ａに拡散する。その結果、低空隙率領域１ａを流れるガスＡと混じり合い、多孔体１から排出された混合ガスは、ガスＡとガスＢが均一に混じり合った混合ガスＡ＋Ｂとして排出される。

本願発明に係る多孔体１用いた混合ガスの均一性は、多孔体Ａを構成する低空隙率領域１ａと高空隙率領域１ｂとの空隙率の差が大きいほど、改善される傾向にある。

本願発明においては、特に、前記空隙率の差異が、１０％以上の場合において、優れたガス混合能を示す。

例えば、有機ガスＡと有機ガスＢが混合して生成されたガスが、爆鳴気を構成するような場合にも、図３に示すような設備を用いることで、組成のバラツキの少ない安定した混合ガスを連続的に製造することでき、その結果、安全を確実に維持しつつ、混合ガスＡ＋Ｂを製造することができるという効果を奏するものである。

図４は、本願発明に係る更に別の好ましい態様を表している。本実施態様においては、空隙率の異なる境界面に沿ってガスを多孔体１の低空隙率領域１ａおよび高空隙率領域１ｂに別個に供給する場合を表している。図４の例では、本発明に係る多孔体フィルターを用いて、製品５を洗浄、梱包することができる。

多孔体１の高空隙率領域１ｂに供給されたガスは、その下方を通過する製品５の表面をガスブローすることができ、製品５の表面に付着している異物を除去することができる。

異物が除去された製品５は、続いて清澄なガスが噴出している低空隙率領域１ａの下方に達した際に、製品５を梱包することで、清澄な雰囲気で密閉された空間に製品５を保持することができ、その結果、大気中の水分による腐食等を効果的に抑制することができるという効果を奏するものである。このような複合的な作業環境を１基の多孔体シートを用いて提供することが可能となる。

以上、発明の形態をフィルター用途の場合について述べたが、クッション材としての用途でも場所によるクッション性の違いが設備設計に有効である。また、２次電池の電極用途においても場所による通液性の違いを電池設計に生かすことが可能である。

本発明に係るシート状多孔体は、同多孔体に形成されている空隙率が、前記シートの任意の端面から同端面に対向する端面に対して、単調で離散的に増加または減少するように構成されていることを好ましい態様とするものである。

また、本発明に係るシート状多孔体の異なる空隙率を有する任意の２箇所の部位の空隙率の差異が、１０〜２０％の範囲にあることを好ましい態様とするものである。

前記空隙率の差異が１０％未満の場合には、場所による空隙率の違いによる効果がほとんどなく、多孔体シート内部に空隙率の異なる複数の領域を設ける効果が少ない。

一方、空隙率の差異が２０％を超える場合には、極端に空隙率の低い領域や極端に空隙率の高い領域ができる恐れがある。極端に空隙率の低い領域（例えば空隙率５％すなわち充填率９５％）は通気性、通液性が非常に低く、気体や液体の通過に障害が出る恐れがある。極端に空隙率の高い領域（例えば空隙率９８％、充填率２％）は、ろ過特性を殆ど示さず、フィルターとしての基本的な特性を発揮しなくなる恐れがある。

よって、本発明に係るシート状多孔体の任意の２箇所の部位の空隙率の差異が、１０〜２０％の範囲とすることを好ましい態様とするものである。

本発明に係るシート状多孔体は、金属繊維で構成することが好ましい。前記したような構成とすることで、高い耐食性と高い空隙率とを有するシート状多孔体を構成することができる。

本願発明に用いる金属繊維の材質は、チタン、ステンレス、炭素鋼、銅あるいはアルミニウム等の金属を好適に使用することができる。これらの金属の材質は、シート状多孔体の使用環境により適宜選択することができる。

本発明に係るシート多孔体の厚みは、２ｍｍ以上の範囲とすることを好ましい態様とするものである。シート状多孔体の厚みが、２ｍｍ以下では、フィルターとしての強度が不足するのみならず、気体または液体の通過する領域が小さくなるために、フィルターとしての容量が小さくなってしまい、好ましくない。一方でシート状多孔体の厚みは制限がない。フィルターとして組み込まれる装置の容量に応じて、必要とされる流量を確保できるよう厚さを決めることが出来る。

よって、本発明に係るシート状多孔体の厚みは、２ｍｍ以上の範囲に制御しておくことが好ましい。

前記したような構成とすることにより、当該シート状多孔体を空気清浄機用のフィルター、排水処理設備のフィルターとして使用した場合に、通過したフィルターの後背部における気体または液体の環境をコントロールすることができるという効果を奏するものである。

次に、本発明に係るシート状多孔体の好ましい製造方法について以下に説明する。
１枚の多孔体シートの中で、場所によって異なる空隙率を有する材料は以下のようにして製造することができる。

まず、金属繊維体を金型に充填してプレスするが、その際、充填重量を金型内での場所によって変える。最終的な焼結後の厚みと得たい空隙率から、充填する金属繊維体の重量を領域によって変え、その充填された金属繊維を共にプレスすることによって、１枚のシートであっても、領域によって異なる空隙率をもつ多孔体を実現することができる。

たとえば、６０ｍｍ×６０ｍｍの金型を使用して、焼結後の厚み５ｍｍの多孔体を作ろうとする場合、半分の部分（高空隙率領域１ｂとする、６０ｍｍ×３０ｍｍ）には、原料のチタン繊維体を６ｇ充填する。もう一方の部分（低空隙率領域１ａとする、６０ｍｍ×３０ｍｍ）には原料の金属繊維体を１２ｇ充填する。充填直後の厚みは低空隙率領域１ａと高空隙率領域１ｂとで異なるが、プレスすることにより両者の高さは同じにすることができる。

この充填された金属繊維をプレスおよび焼結後に厚み５ｍｍの金属多孔体を得たが、高空隙率領域１ｂは空隙率８５％（密度１５％）、低空隙率領域１ａは空隙率７０％（密度３０％）、空隙率７７．５％、空隙率の差異は１５％であった。

このように繊維体を異なる重量で充填する方法の一例として、図７に示す方法を挙げる。まず、図７（ａ）に示すように、金型１１内に薄板状の仕切り部材１２を設置する。続いて、（ｂ）に示すように、その両側の領域に、異なる重量で金属繊維体１３を充填する。その後、（ｃ）に示すように、金属繊維体１３を乱さないように仕切り部材１２を静かに除去して両側の領域の金属繊維体１３が直接接触するようにする。最後に、（ｄ）に示すように、プレス手段１４によってこれをプレスする。

このように、シート状多孔体を製造する際の型に充填する金属繊維の重量を部位ごとに調整することにより、部位ごとに空隙率の異なるシート状多孔体を効率よく製造することができる。

以下、実施例により本発明をより詳細かつ具体的に説明する。
［実施例１］（気体を多孔体シート面に垂直方向から流入）
６０ｍｍ×６０ｍｍの金型の、左半分の部分（６０ｍｍ×３０ｍｍの部分：Ａ領域）にチタン繊維を１０．１ｇ充填、右半分の部分（６０ｍｍ×３０ｍｍの部分：Ｂ領域）にチタン繊維を６．１ｇ充填した。プレスして両者の高さが一定になるように調整した後で、１０００℃で１時間、１×１０^−４ｍｂａｒの真空中で焼成し、厚さ５ｍｍの焼結体を得た。

焼結体のうち、Ａ領域の空隙率７５％であり、Ｂ領域の空隙率は８５％、平均空隙率は８０％であった。このチタン多孔体をフィルターとして用い、図２に示したのと同じ方向に浮遊粉塵を含有する気体を通過させ、それぞれの領域を通過した気体中の浮遊粉塵濃度とそれぞれの領域の通気抵抗を測定した。通気抵抗測定はカトーテック社製通気性評価装置、ＫＥＳ−Ｆ８−ＡＰ１を用いて実施した。

Ａ領域を通過した気体の浮遊粉塵濃度は流入気体の１／１０に減少しており、Ａ領域の通気抵抗は １０Ｐａ・ｓ／ｍであった。一方、Ｂ領域を通過した気体の浮遊粉塵濃度は流入気体の１／５にしか減少していなかったが、Ｂ領域の通気抵抗は ４Ｐａ・ｓ／ｍと低い値（高い通気特性）が得られ、Ｂ領域の後背部の気体流速はＡ領域の１．５倍であった。

［実施例２］
実施例１で製造した多孔体を図２に示した多孔体４として使用して、流体Ｆとして用いた空気を低空隙率領域を通過させた場合には、多量の空気を排出させることができ、エンジの空冷媒体として使用できた。一方、高空隙率領域を通過させた場合には、清澄な空気を排出させることができ、同空気をガソリンエンジンに供給してエンジンを３時間稼動させたが、特に異常は認められなかった。

［比較例１］
図２に替えて、図５に示すような低空隙率領域６ａと高空隙率領域６ｂを別個に構成した装置を用いた以外は同様の条件で、バルブ７ａを適宜切替えて、清澄な空気と流量の多い空気を排出させた。それぞれの空気を実施例１と同じように適用して、同様の効果が確認された。しかしながら、実施例１に比べて装置が大型となり、空冷とガソリンの助燃剤として機能を同時に満たす小型の設備を構成することができなかった。

［実施例３］
図３に示すような装置を用いて、低空隙率領域１ａと高空隙率領域１ｂから構成された多孔体１を用いて、ガスＡとしてアルゴンガスとガスＢとして水素ガスを別個独立に多孔体１のそれぞれの領域に供給し、多孔体１から排出される混合ガス中の組成変動を調査した。多孔体１から排出された混合ガス中のガスＢの組成は１０％であった。

その結果、表に示すように、混合ガス中のガスＢの組成変動幅は、低空隙率領域１ａと高空隙率領域１ｂの空隙率の差異が１０％以上の場合、上記混合ガス中のＢ組成の平均値に対して±１％以下に維持されることが確認された。

［比較例２］
実施例３において用いた図３の装置に替えて、公知文献４に開示されているような、低空隙率フィルター６ａと高空隙率フィルター６ｂが直接に配置された図６に示した装置を用いて、ガスＡとガスＢの混合ガスを生成させて、生成された混合ガス中の成分Ｂの組成変動を調査した。その結果、組成変動幅は１０％を超え、実用性がないと判断した。

空気清浄機用フィルター、排水処理用フィルターとして有効に使われる。

１…多孔体シート、
１ａ…低空隙率領域、
１ｂ…高空隙率領域、
２…隔壁、
３…切り替えバルブ、
４…パイプ、
５…製品、
６ａ…低空隙率フィルター、
６ｂ…高空隙率フィルター、
７ａ、７ｂ…バルブ、
８…ノズル、
１１…金型、
１２…仕切り部材、
１３…金属繊維体、
１４…プレス手段。

Claims (5)

1. 金属多孔体であって、前記多孔体には１ｃｍ^３当たりの空隙率の異なる部位が、少なくとも２以上、含まれていることを特徴とするシート状多孔体。
2. 前記シート状多孔体の空隙率が、前記シート状多孔体の任意の端面から同端面と対向する端面に対して、単調かつ離散的に増加または減少するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシート状多孔体。
3. 前記シート状多孔体の任意の２箇所の部位の１ｃｍ^３当たりの空隙率の差異が、１０〜２０％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のシート状多孔体。
4. 前記多孔体が金属繊維を用いて構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシート状多孔体。
5. 金型内に仕切り部材を設置し、
   前記仕切り部材によって仕切られる複数の領域にそれぞれ異なる重量の金属繊維を充填した後、前記仕切り部材を除去してそれぞれ異なる重量で充填された複数の領域の金属繊維どうしを接触させ、前記複数の領域の金属繊維を同一の高さまで一度でプレスすることを特徴とするシート状多孔体の製造方法。
   
   

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