JP2014210254A - 金属溶湯濾過カートリッジおよび金属溶湯濾過装置 - Google Patents

Abstract

【課題】側板の強度を維持しつつ、濾過効率を高めることができる金属溶湯濾過カートリッジおよび金属溶湯濾過装置を提供する。【解決手段】実施形態の一態様に係る金属溶湯濾過カートリッジは、複数のチューブと一対の側板とを備える。複数のチューブはそれぞれ、一方の端部が開放されて他方の端部が閉塞された有底円筒状のチューブである。一対の側板には、複数のチューブに対応する複数の凹部が、複数のチューブのそれぞれの両端がそれぞれ挿入されて保持されるように互いに向かい合う面にそれぞれ形成されている。そして、一対の側板のうち一方に形成された、隣り合う凹部同士の間隔に対する凹部の深さの比は０．３３以上０．６７以下である。【選択図】図３

Description

開示の実施形態は、金属溶湯濾過カートリッジおよび金属溶湯濾過装置に関する。

従来、向かい合う一対の側板の間に複数のチューブが配置された金属溶湯濾過カートリッジを備え、金属溶湯に含まれる介在物を除去する金属溶湯濾過装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００７−１６９７０９号公報

ここで、濾過効率を高めるために予め定められたスペースに多くのチューブを配置しようとすると、チューブの両端部分を保持する側板の強度低下に繋がる。このため、従来の金属溶湯濾過カートリッジには、かかるチューブの適正な配置の点で改善の余地がある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、側板の強度を維持しつつ、濾過効率を高めることができる金属溶湯濾過カートリッジおよび金属溶湯濾過装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る金属溶湯濾過カートリッジは、複数のチューブと一対の側板とを備える。複数のチューブはそれぞれ、一方の端部が開放されて他方の端部が閉塞された有底円筒状のチューブである。一対の側板には、前記複数のチューブに対応する複数の凹部が、前記複数のチューブのそれぞれの両端がそれぞれ挿入されて保持されるように互いに向かい合う面にそれぞれ形成されている。ここで、前記一対の側板のうち一方に形成された、前記凹部の深さに対する隣り合う前記凹部同士の間隔の比は０．３３以上０．６７以下である。

実施形態の一態様によれば、側板の強度を維持しつつ、濾過効率を高めることができる。

図１は、実施形態に係る金属溶湯濾過装置の構成の概要を示す側断面図である。 図２Ａは、図１のＡ−Ａ’線断面図である。 図２Ｂは、図１のＢ−Ｂ’線断面図である。 図３は、図１のＣ−Ｃ’線断面拡大図である。 図４は、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジにおいて適用される、側板に形成された凹部同士の間隔と側板の破壊強度との相関を模式的に例示したグラフである。 図５は、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジにおいて適用される、側板に形成された凹部同士の間隔と凹部の占有率との相関を模式的に例示したグラフである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する金属溶湯濾過カートリッジおよび金属溶湯濾過装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、特に断りがない限り後述する各部材の寸法および各部材間の寸法比は金属溶湯の濾過に使用されていない状況下での値である。

まず、実施形態に係る金属溶湯濾過装置の構成の概要について図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係る金属溶湯濾過装置１の構成の概要を示す側断面図である。なお、説明を分かりやすくするために、図１には、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後述の説明に用いる他の図面でも示す場合がある。

図１に示すように、実施形態に係る金属溶湯濾過装置１は、入湯口２と、濾過室３と、金属溶湯濾過カートリッジ４と、出湯室５と、出湯口６とを備える。

ここで、入湯口２にはアルミニウムやアルミニウム合金などの金属を溶解させた金属溶湯が供給される。また、入湯口２から供給された金属溶湯は、濾過室３に配置された金属溶湯濾過カートリッジ４を通過させることで濾過されて金属溶湯に含まれる酸化物などの介在物等が除去される。そして、金属溶湯濾過カートリッジ４で濾過された金属溶湯は、出湯室５を経由して出湯口６から排出された後、金属溶湯を貯留する貯湯装置や金属溶湯を用いて加工する金属加工装置等に送られる。

また、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４は、複数のチューブ９と、チューブ９を挟んで互いに向かい合うように配置された一対の側板７，８とを備える。入湯口２から出湯口６に向けて流動するように形成された金属溶湯の流路において、側板７はチューブ９から見て上流側、つまり入湯口２側に配置されている。ここで、金属溶湯は、チューブ９の側面からチューブ９の内部へ流入し、側板８に設けられた穴を経由して出湯室５へ流出する。また、側板８はチューブ９から見て下流側、つまり出湯口６側に配置されている。このため、以下、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４の説明において、側板７側を「入湯口側」、側板８側を「出湯口側」と称して互いに区別する場合がある。

また、チューブ９の入湯口側の端部は、側板７のうちチューブ９を保持する側の面（以下、「チューブ保持面」という）１０に挿入されて保持されている。同様に、チューブ９の出湯口側の端部は、側板８のチューブ保持面１５に挿入されて保持されている。

このような金属溶湯濾過カートリッジ４の構成について、図２Ａ，Ｂを用いてさらに説明する。図２Ａは、図１に示す金属溶湯濾過カートリッジ４のＡ−Ａ’線断面図、図２Ｂは、図１に示す金属溶湯濾過カートリッジ４のＢ−Ｂ’線断面図である。

図２Ａに示すように、側板７には、外周が円形状のチューブ９の入湯口側の端部を保持するための凹部１１が複数形成されている。複数の凹部１１はそれぞれ、凹部１１の開口直径ｄ_１がチューブ９の断面直径Ｄよりも例えば２ｍｍ程度大きくなるように形成されている。そして、凹部１１の中央部分に挿入されたチューブ９の外周部分と凹部１１の周壁１２との間に生じる環状の隙間には接合材１３が配置されている。なお、接合材１３については図３を用いて後述する。

また、側板７に形成された複数の凹部１１は、隣り合う凹部１１同士の間隔が所定値ａとなるように等間隔に形成されている。ここで「隣り合う凹部１１同士の間隔」とは、隣り合う凹部１１の周壁１２同士において、チューブ９の径方向、すなわちチューブ９の長手方向に垂直な断面、に沿った長さのうち最短のものをいう。また、図２Ａには、複数の凹部１１の配置領域Ｓを示している。なお、この配置領域Ｓについては図５を用いた説明において後述する。

一方、図２Ｂに示すように、側板８には、チューブ９の出湯口側の端部を保持するための凹部１６が複数形成されている。また、複数の凹部１６はそれぞれ、凹部１６の開口直径ｄ_２がチューブ９の断面直径Ｄよりも大きくなるように形成されている。なお、本実施形態では、凹部１６の開口直径ｄ_２は凹部１１の開口直径ｄ_１に等しい。

そして、凹部１６の中央部分に挿入されたチューブ９の外周部分と凹部１６の周壁１７との間に生じる環状の隙間には接合材１８が配置されている。なお、接合材１８については図３を用いて後述する。

また、側板８に形成された複数の凹部１６は、隣り合う凹部１６同士の間隔が所定値ｂとなるように等間隔に配置されている。ここで、「隣り合う凹部１６同士の間隔」とは、隣り合う凹部１６の周壁１７同士において、チューブ９の径方向、すなわちチューブ９の長手方向に垂直な断面、に沿った長さのうち最短のものをいう。なお、本実施形態では、間隔ｂは間隔ａに等しい。

また、上述したように隣り合う凹部１１同士、凹部１６同士がそれぞれ等間隔に形成されたことにより、隣り合うチューブ９同士もまた等間隔に配置され、ここでは計１８本のチューブ９がいわゆる千鳥配列を構成している。

実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４では、間隔ａおよびｂがそれぞれ小さくなるように側板７，８をそれぞれ作製すればするほど、隣り合うチューブ９同士の間隔が狭くなる。このため、単位容積あたりのチューブ９の配置数を増やすことができ、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４における単位容積あたりの濾過効率を向上させることができる。しかし、上述した間隔ａ，ｂには適正な範囲が存在する。そこで、この点について図３を用いてさらに説明する。

図３は、図１のＣ−Ｃ’線断面拡大図である。なお、図３は上述した間隔ａおよびｂがそれぞれ明確となるよう、隣り合う２つのチューブ９の断面の径方向の幅がそれぞれ断面直径と等しくなる位置において水平方向に切断したものである。

図３に示すように、側板７のチューブ保持面１０側に設けられ、開口直径ｄ_１、深さｗ_１の円筒状の空間を有する複数の凹部１１は、隣り合う凹部１１同士が間隔ａとなるように等間隔にそれぞれ形成されている。また、側板８のチューブ保持面１５側に設けられ、開口直径ｄ_２、深さｗ_２の円筒状の空間を有する複数の凹部１６は、隣り合う凹部１６同士が間隔ｂとなるように等間隔にそれぞれ形成されている。なお、本実施形態では、凹部１１の深さｗ_１と凹部１６の深さｗ_２とは等しい。

側板８にはまた、一端が凹部１６の底面１６ａの中央部分に形成され、チューブ９の長手方向に側板８を貫通する貫通孔２０が形成されている。側板７，８には、側板８にのみ貫通孔２０が形成されていることを除き、凹部１１および１６がほぼ同形状となるようにそれぞれ形成されており、チューブ保持面１０，１５は、チューブ９を挟んで面対称となるように互いに向かい合って配置されている。

ここで、凹部１１，１６の形状を規定するに当たり、凹部１１の深さｗ_１に対する隣り合う凹部１１同士の間隔ａの比（ａ／ｗ_１）および凹部１６の深さｗ_２に対する隣り合う凹部１６同士の間隔ｂの比（ｂ／ｗ_２）には実用上適正な範囲が存在することがシミュレーションおよび実験の結果から明らかとなった。

すなわち、ａ／ｗ_１およびｂ／ｗ_２が適正範囲未満、つまり深さｗ_１およびｗ_２のある値に対して間隔ａおよびｂの値が小さくなり過ぎると、側板７の隣り合う凹部１１間および側板８の隣り合う凹部１６間の強度が低下してチューブ９が脱落する懸念がある。一方、ａ／ｗ_１およびｂ／ｗ_２が適正範囲を超える、つまり深さｗ_１およびｗ_２のある値に対して間隔ａおよびｂの値が大きくなり過ぎると、金属溶湯の濾過終了後、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４の内部に残留する金属溶湯の量（以下、「残湯量」という）が増大する。このため、溶湯のロスや金属溶湯濾過カートリッジ４の交換の手間など実用上の不具合が生じるという懸念が生じる。

ここで、シミュレーションおよび実験の結果得られたａ／ｗ_１およびｂ／ｗ_２の適正範囲は０．３３以上０．６７以下である。ａ／ｗ_１およびｂ／ｗ_２がそれぞれ０．３３以上０．６７以下となるように凹部１１，１６をそれぞれ形成させた側板７，８を金属溶湯濾過カートリッジ４に適用することにより、側板７，８の強度を維持しつつ、残湯量の増大を抑制することで濾過効率を高めることができる。

なお、側板７に形成された凹部１１の深さｗ_１および側板８に形成された凹部１６の深さｗ_２には実用的に適正な値が存在する。深さｗ_１およびｗ_２が適正値未満となると、側板７，８やチューブ９が膨張および収縮を繰り返すことによりチューブ９が凹部１１，１６から脱落する懸念がある。また、深さｗ_１およびｗ_２が適正値を超えると、凹部１１，１６の存在により側板７，８の厚みが部分的に薄くなり、側板７，８の強度が低下する懸念がある。実験の結果、深さｗ_１，ｗ_２は、例えば、３０ｍｍ程度に設計される。

また、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４では、側板７に形成された隣り合う凹部１１同士の間隔ａ、および、側板８に形成された隣り合う凹部１６同士の間隔ｂは、いずれも１０ｍｍ以上であることが好ましい。これらの点について、図４を用いて説明する。図４は、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４において適用される、側板の表面に形成された凹部同士の間隔に対する側板の破壊強度との相関を模式的に例示したグラフである。

なお、破壊強度測定用に加工される材料として、幅６４０ｍｍ、高さ６３０ｍｍ、厚さ５０ｍｍの炭化ケイ素質耐火物プレートを使用した。かかる耐火物プレートの一方面に、開口直径ｄ_２が１０２ｍｍ、深さｗ_２が３０ｍｍの凹部１６を、凹部１６同士の間隔ｂがそれぞれ４ｍｍ、１４ｍｍ、２４ｍｍとなるように等間隔に合計１８ヶ所（図２Ｂ参照）にそれぞれ形成させた。そして、凹部１６の底面１６ａの中央部分を一端、耐火物プレートの他方面を他端とし、耐火物プレートを厚さ方向に貫通する開口直径が６０ｍｍの貫通孔２０を形成した。つまり、破壊試験に適用された耐火物プレートは、図３に示す側板８に相当する。

図４中、横軸は側板に形成される凹部同士の間隔を示す。また、縦軸は、上述のように作製した耐火物プレートの両端を支持して３点曲げ試験を行い、試験片が二つ以上に破壊するときの荷重（単位：ｋｇｆ＝約９．８Ｎ）を、耐火物プレートの破壊強度として示したものである。なお、図４では、凹部同士の間隔を同じように作製した５つの被験試料（側板）における破壊強度の平均値を算出し、それぞれ表示している。

事前のシミュレーションおよび実験の結果、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４では、側板８にかかる３点曲げ強度が１．０トン以上だと破損するという結果が得られた。このため、側板８の性能としては１．５倍の安全率を考慮して３点曲げ強度が１．５トン以上、つまり破壊強度が１．５×１０^３ｋｇｆ（約１．４７×１０^４Ｎ）以上であることが好ましい。

ここで、図４を参照すると、図示した範囲では、凹部同士の間隔が広くなるほど側板の破壊強度が高くなるようにほぼ比例的に変化する。そして、上述した破壊強度１．５×１０^３ｋｇｆは、凹部同士の間隔を１０ｍｍとして形成した場合の側板の強度に相当する。つまり、図３に示す側板８に形成される凹部１６同士の間隔ｂを１０ｍｍ以上とすることにより、側板８の適切な破壊強度が確保される。

同様に、図３に示す側板７に形成される凹部１１同士の間隔ａを１０ｍｍ以上とすることにより、側板７の適切な破壊強度が確保される。このため、かかる側板７，８を適用した金属溶湯濾過カートリッジ４では、チューブ９を適切に保持することができる。

また、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４では、側板７に形成された隣り合う凹部１１同士の間隔ａは２０ｍｍ以下であり、側板８に形成された隣り合う凹部１６同士の間隔ｂは２０ｍｍ以下であることが好ましい。これらの点について、図５を用いて説明する。

図５は、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４において適用される、側板に形成された凹部同士の間隔と凹部の占有率との相関を模式的に例示したグラフである。ここで「凹部の占有率」とは、側板７を例にとると、側板７の一方面に形成された複数の凹部１１の断面積の総和を、例えば複数の凹部１１の周壁１２に外接する長方形として仮想的に囲んだ複数の凹部１１の配置領域Ｓ（図２Ａ参照）の面積で除した百分率をいう。

図５に示すように、凹部同士の間隔が広くなるほど凹部の占有率が低くなり、金属溶湯濾過カートリッジ４に配置された複数のチューブ９の間に形成されるスペースが増大する。そして、凹部の占有率が低くなり過ぎると、金属溶湯濾過カートリッジ４内部に残留する金属溶湯の残湯量が増大し、実用上好ましくない。

実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジ４では、実験の結果および実用上の観点から凹部１１，１６の占有率の好ましい下限値は５７％程度であることが明らかとなった。すなわち、凹部１１，１６の占有率が５７％未満だと、金属溶湯濾過カートリッジ４内部に残留する残湯量が増大し、残湯量が少ない場合と比較して金属溶湯の廃棄量の増大につながる懸念がある。さらに、金属溶湯濾過カートリッジ４内部の残湯により荷重が増加することで金属溶湯濾過カートリッジ４の交換の際に過度な手間がかかる懸念がある。これに対し、凹部１１，１６の占有率が５７％以上だと、残湯量の増大を抑制することができるため、結果として濾過効率を高めることができ、金属溶湯濾過カートリッジ４の交換も円滑に実施することができる。

図５を参照すると、上述した凹部の占有率が５７％とは凹部同士の間隔を２０ｍｍとした場合に相当する。つまり、側板７，８に形成される凹部１１または１６同士の間隔ａ，ｂを２０ｍｍ以下とすることにより、残湯量の増大を抑制することで濾過効率を高めることができる。

図４，５を用いて説明したように、間隔ａ，ｂがそれぞれ１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下となるように凹部１１，１６をそれぞれ形成させた側板７，８を金属溶湯濾過カートリッジ４に適用することにより、側板７，８の強度と複数のチューブ９による濾過効率とのバランスを適切に維持することができる。

図３に戻り、チューブ９は、凹部１６に挿入された出湯口側端部９ｂが開放され、凹部１１に挿入された入湯口側端部９ａが閉塞された外周直径がＤの有底円筒状を有している。また、隣り合うチューブ９同士は、間隔ｅとなるように互いに等間隔で配置されている。ここで「隣り合うチューブ９同士の間隔」とは、隣り合うチューブ９同士において、チューブ９の径方向、すなわちチューブ９の長手方向に垂直な断面、に沿った長さのうち最短のものをいう。

本実施形態では、間隔ｅは側板７側における接合材１３の幅ｃ_１と凹部１１同士の間隔ａと接合材１３の幅ｃ_１との和、すなわちａ＋２ｃ_１に等しい。間隔ｅはまた、側板８側における接合材１８の幅ｃ_２と凹部１６同士の間隔ｂと接合材１８の幅ｃ_２との和、すなわちｂ＋２ｃ_２にも等しい。

また、側板７の凹部１１には、凹部１１の底面１１ａを覆うようにパッキン１４が配置されている。パッキン１４の厚みｔ_１は、凹部１１の深さｗ_１よりも幅ｔ_２だけ小さく形成されており、チューブ９の入湯口側端部９ａは凹部１１内に配置されたパッキン１４に接するように挿入されている。

一方、側板８の凹部１６には、凹部１６の底面１６ａを覆うようにパッキン１９が配置されている。パッキン１９の厚みｔ_３は、凹部１６の深さｗ_２よりも幅ｔ_４だけ小さく形成されており、チューブ９の出湯口側端部９ｂは凹部１６内に配置されたパッキン１９に接するように挿入されている。

また、凹部１６に挿入されたパッキン１９はチューブ９の長手方向に開口された環状構造を有しており、貫通孔２０と出湯口側端部９ｂとを連通させるように構成されている。そして、チューブ９の外周面９ｃから流入し、介在物等が除去されながら内周面９ｄを通過した金属溶湯は、出湯口側端部９ｂからパッキン１９および貫通孔２０を順に経由して出湯室５側に排出される。

また、凹部１１に挿入されたパッキン１４およびチューブ９の入湯口側端部９ａと凹部１１の周壁１２との間に形成された幅ｃ_１、深さｔ_２の矩形断面を有する環状の隙間を埋めるように接合材１３が配置され、側板７とチューブ９とが接合されている。そして、凹部１６に挿入されたパッキン１９およびチューブ９の出湯口側端部９ｂと凹部１６の周壁１７との間に形成された幅ｃ_２、深さｔ_４の矩形断面を有する環状の隙間を埋めるように接合材１８が配置され、側板８とチューブ９とが接合されている。

ここで、側板７，８はいずれも、珪酸塩結合系または窒化珪素結合系の炭化珪素質耐火物プレートである。側板７，８は、いずれも同一の組成で構成されても良く、それぞれ異なる組成であっても良い。また、側板７，８の厚みは、いずれも同じであっても良く、それぞれ異なっていても良い。側板７，８が同一の組成の場合、例えば、側板８の厚みを側板７の厚みよりも厚くなるように形成すると、貫通孔２０の存在による側板８の強度低下を抑制することができるため、より好ましい。

このような側板７，８の熱膨張係数（８００℃での平均線膨張係数（×１０^−６／Ｋ））はいずれも、４．５以上４．７以下程度である。なお、特に断りのない限り、各部材の熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｒ１６１８：２００２に規定するファインセラミックスの熱膨張の測定方法により測定された値である。

また、チューブ９は、アルミナ質、炭化珪素質などのセラミックチューブである。耐アルミ反応性等の観点から、アルミナ骨材をガラスボンドで結合させて焼成したアルミナ質ポーラスチューブ製のセラミックチューブが好ましい。また、硼酸アルミニウム（９Ａｌ_２Ｏ_３・２Ｂ_２Ｏ_３）の針状結晶で表面が覆われたセラミックチューブは、アルミニウム溶湯に対し優れた耐食性を示すためさらに好ましい。このようなチューブ９の熱膨張係数（８００℃での平均線膨張係数（×１０^−６／Ｋ））は７．２以上７．８以下程度である。

また、パッキン１４，１９はいずれも、金属溶湯の設定温度などの環境条件による膨張や収縮などのチューブ９の長手方向の寸法変化を主として吸収し、チューブ９と側板７，８との密着性を保持する部材である。パッキン１４，１９の具体例としては、アルミナファイバーなどのセラミックファイバー製のものが挙げられる。パッキン１４，１９はいずれも同一の組成で構成されても良く、それぞれ異なる組成であっても良い。

ここで、パッキン１４の厚みｔ_１とパッキン１９の厚みｔ_３は同一であっても良く、異なっていても良い。また、例えば、チューブ９の形状等の影響により入湯口側端部９ａ側と出湯口側端部９ｂ側とでチューブ９の長手方向の膨張・収縮の程度が異なる場合には、かかる点を考慮した上で厚みｔ_１，ｔ_３をそれぞれ決定することができる。

また、接合材１３，１８はそれぞれ、チューブ９と側板７，８とを接合させることにより金属溶湯濾過カートリッジ４の形状を適切に保持する。接合材１３，１８はいずれも、環境条件によるチューブ９の主として径方向の膨張や収縮などの寸法変化を吸収し、チューブ９と側板７，８との密着性を保持する弾性部材である。特に出湯口６側に配置された接合材１８には、チューブ９で適切に濾過されていない金属溶湯を出湯室５に流入させないというショートパス防止機能がさらに要求される。

ところで、金属溶湯濾過カートリッジ４による金属溶湯の濾過は、例えば、アルミニウム溶湯の場合、７００℃前後で実施される。このため、金属溶湯濾過カートリッジ４を備える金属溶湯濾過装置１は、予めヒータ等により金属溶湯の流動性に影響を及ぼさない程度に温度上昇をさせた後で金属溶湯が供給される。

複数の部材で構成された金属溶湯濾過カートリッジ４では、特に熱膨張係数の異なる部材の接合部分およびその近傍において、各部材が受ける熱応力に伴う剥離や破断などの影響が懸念される。そして、上述したように、金属溶湯濾過カートリッジ４を構成する側板７，８の熱膨張率とチューブ９の熱膨張係数とは相違しているため、側板７，８とチューブ９との間に配置される接合材１３，１８の選定にあたり、熱膨張係数の調整も重要な要素となる。

このような接合材１３，１８として、接合材１３，１８と接触する側板７，８の熱膨張係数よりも高くチューブ９の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する耐熱性素材が適用される。より具体的には、接合材１３，１８の熱膨張係数（８００℃での平均線膨張係数（×１０^−６／Ｋ））は、いずれも５．０以上７．１以下程度である。

ここで、接合材１３，１８の熱膨張係数がチューブ９の熱膨張係数以上だと、例えばチューブ９および接合材１３，１８のチューブ９の径方向の膨張に伴う寸法変化が、側板７，８の膨張に伴う寸法変化を超えてしまう懸念がある。その結果、凹部１１の周壁１２の近傍や凹部１６の周壁１７の近傍で側板７，８、チューブ９もしくは接合材１３，１８のいずれかに不具合が生じる可能性があり、または接合材１３，１８と側板７，８もしくはチューブ９との接合部分が剥離すると、金属溶湯濾過カートリッジ４として適切に機能することができないおそれがある。

一方、接合材１３，１８の熱膨張係数が接合材１３，１８と接触する側板７，８の熱膨張係数以下だと、例えばチューブ９の収縮に伴う寸法変化に接合材１３，１８の収縮に伴う寸法変化が追従できない懸念がある。その結果、例えば接合材１３，１８が剥離または破断して側板７，８と接合材１３，１８との間またはチューブ９と接合材１３，１８との間に隙間が生じてしまうと、金属溶湯濾過カートリッジ４として適切に機能することができないおそれがある。

これに対し、接合材１３，１８と接触する側板７，８の熱膨張係数よりも高くチューブ９の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する接合材１３，１８を適用することにより、温度変化の顕著な条件下においても金属溶湯濾過カートリッジ４として適切に機能することができる。

このような接合材１３の具体例としては、ファイバー系素材が挙げられる。接合材１３として用いうるファイバー系素材の具体的な組成としては、例えば、アルミナ−シリカ系のセラミックファイバーと無機バインダーを含有したものが挙げられる。より具体的には、例えば、セラミックファイバーを１０質量％〜２０質量％含有し、トータルのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の含有率が８０質量％以上であり、シリカ（ＳｉＯ_２）が１０質量％以上のものが挙げられるが、これに限定されない。

また、接合材１８の具体例としては、モルタル系素材が挙げられる。接合材１８として用いうるモルタル系素材の具体的な組成としては、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とし、焼結助剤としてシリカ系化合物（例えば、ＳｉＯ_２）、ホウ酸系化合物（例えば、Ｂ_２Ｏ_３）、リン酸系化合物（例えば、Ｈ_３ＰＯ_４）を添加したものが挙げられる。また、８００〜８５０℃程度の温度範囲で所望の焼結強度を有するモルタル系素材が好ましい。なお、モルタル系素材の熱膨張率は、例えば、アルミナの配合量を４０質量％以上９６質量％以下の範囲で増減させることにより変更させることが可能であるが、これに限定されず、いかなる手法により熱膨張率を上述した適切な範囲に調製しても良い。

また、接合材１３の寸法を規定するチューブ９の外周面９ｃと凹部１１の周壁１２との間の幅ｃ_１、および接合材１８の寸法を規定するチューブ９の外周面９ｃと凹部１６の周壁１７との間の幅ｃ_２、はいずれも同一であっても良く、それぞれ異なっていても良い。また、例えば、チューブ９の形状によって入湯口側端部９ａ側と出湯口側端部９ｂ側とでチューブ９の径方向の膨張・収縮の程度が異なる場合には、かかる点も考慮した上で幅ｃ_１，ｃ_２をそれぞれ決定することができる。

なお、接合材１３，１８を使用してチューブ９と側板７，８とを接合させる手法は、接合材１３，１８の材料特性に応じて適宜選定することができる。例えば、接合材１３が適用時には流動性を有する場合、チューブ９と凹部１１の周壁１２との間に形成された環状の隙間に接合材１３を充填し、乾燥または加熱などにより接合材１３を硬化させてチューブ９と側板７とを接合させることができる。また、予めチューブ９の入湯口側端部９ａに接合材１３を塗布したチューブ９を凹部１１に挿入させた後、乾燥または加熱などにより接合材１３を硬化させてチューブ９と側板７とを接合させても良い。

一方、例えば、接合材１８が適用時においても流動性を有しない場合、チューブ９と凹部１６の周壁１７との間に形成された環状の隙間に適合するように予め加工された接合材１８を挿入し、加熱や圧縮などによりチューブ９と側板８とを接合させることができる。

上述してきたように、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジは、複数のチューブと一対の側板とを備える。複数のチューブはそれぞれ、一方の端部が開放されて他方の端部が閉塞された有底円筒状のチューブである。一対の側板には、複数のチューブに対応する複数の凹部が、複数のチューブのそれぞれの両端がそれぞれ挿入されて保持されるように互いに向かい合う面にそれぞれ形成されている。そして、一対の側板のうち一方に形成された、凹部の深さに対する隣り合う凹部同士の間隔の比は０．３３以上０．６７以下である。

したがって、実施形態に係る金属溶湯濾過カートリッジおよび金属溶湯濾過装置によれば、側板の強度を維持しつつ、濾過効率を高めることができる。

なお、上述した実施形態では、ａ／ｗ_１およびｂ／ｗ_２はいずれも同じ値として規定したが、異なる値であっても良い。ａ／ｗ_１およびｂ／ｗ_２が互いに異なる場合、ａ／ｗ_１またはｂ／ｗ_２が０．３３以上０．６７以下であれば良いが、ａ／ｗ_１およびｂ／ｗ_２の両方が０．３３以上０．６７以下であることがより好ましい。

また、上述した実施形態では、深さｗ_１，ｗ_２をいずれも同じ値として規定したが、異なる値であっても良い。例えば、２５ｍｍ以上３５ｍｍ以下の範囲で深さｗ_１，ｗ_２を互いに異ならせることができる。

また、上述した実施形態では、間隔ａ，ｂをいずれも同じ値として規定したが、異なる値であっても良い。間隔ａ，ｂが互いに異なる場合、少なくとも間隔ｂが１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましく、間隔ａおよびｂの両方が１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、上述した実施形態では、接合材１３，１８は、それぞれ異なる耐熱性素材として説明したが、同一または同種の組成で構成されても良い。例えば接合材１３，１８の双方をモルタル系素材としても良く、また、接合材１３，１８の双方をファイバー系素材としても良い。また、接合材１３と１８とを入れ替えても良い。

また、上述した実施形態では、接合材１３，１８として適用される耐熱性素材は、この接合材１３または１８と接触する側板７または８の熱膨張係数よりも高くチューブ９の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有するとして説明したが、耐熱性素材の種類によってはこれに限定されない。例えば、凹部１１，１６内において、チューブ９や側板７，８との間に形成された隙間に適合するように変形することができるファイバー系素材などの多孔質の耐熱性素材では、上述した熱膨張係数に限定されることなく適用することができる。

なお、間隔ａ，ｂや厚みｔ_１，ｔ_３が互いに異なるなど、接合材１３，１８の幅ｃ_１，ｃ_２や厚みｔ_２，ｔ_４が互いに異なる場合には、かかる点も合わせて接合材１３，１８の選定を考慮することが好ましい。

また、上述した実施形態では、チューブ９の有底側の端面９ａを平面として図示したが、曲面であっても良い。また、上述した実施形態では、１つの金属溶湯濾過カートリッジ４に配置されるチューブ９は１８本として説明したが、例えば７，８，１１，１４，２２，２８本など、いかなる本数を配置しても良い。また、上述した実施形態では、１つの金属溶湯濾過装置１に配置される金属溶湯濾過カートリッジ４は１つとして説明したが、複数であっても良い。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 金属溶湯濾過装置
２ 入湯口
３ 濾過室
４ 金属溶湯濾過カートリッジ
５ 出湯室
６ 出湯口
７，８ 側板
９ チューブ
９ａ 入湯口側端部
９ｂ 出湯口側端部
９ｃ 外周面
９ｄ 内周面
１０，１５ チューブ保持面
１１，１６ 凹部
１１ａ，１６ａ 底面
１２，１７ 周壁
１３，１８ 接合材
１４，１９ パッキン
２０ 貫通孔

Claims (10)

1. 一方の端部が開放されて他方の端部が閉塞された有底円筒状の複数のチューブと、
   前記複数のチューブに対応する複数の凹部が、前記複数のチューブのそれぞれの両端がそれぞれ挿入されて保持されるように互いに向かい合う面にそれぞれ形成された一対の側板と
   を備え、
   前記一対の側板のうち一方に形成された、前記凹部の深さに対する隣り合う前記凹部同士の間隔の比は０．３３以上０．６７以下であること
   を特徴とする金属溶湯濾過カートリッジ。
2. 前記一対の側板のうち一方に形成された、隣り合う前記凹部同士の間隔は１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
3. 前記一対の側板のうち一方に形成された、隣り合う前記凹部同士の間隔は２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
4. 前記チューブの一端は、前記一対の側板のうち一方と前記凹部に配置された接合材を介して接合されており、
   前記接合材の熱膨張係数は、前記接合材と接触する前記側板の熱膨張係数よりも高く前記チューブの熱膨張係数よりも低いこと
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
5. 前記接合材の熱膨張係数（×１０^−６／Ｋ）は５．０以上７．１以下であることを特徴とする請求項４に記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
6. 前記接合材により前記側板と接合される前記チューブの一端は、端部が開放された開口側の端部であり、
   前記接合材はモルタル系素材であること
   を特徴とする請求項４または５に記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
7. 前記接合材により前記側板と接合される前記チューブの一端は、端部が閉塞された有底状側の端部であり、
   前記接合材はファイバー系素材であること
   を特徴とする請求項４または５に記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
8. 前記接合材により前記チューブと接合される前記側板は炭化ケイ素質耐火物プレートであることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１つに記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
9. 前記複数のチューブはセラミックチューブであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の金属溶湯濾過カートリッジ。
10. 金属溶湯が供給される入湯口と、
    前記入湯口から供給された前記金属溶湯を濾過する金属溶湯濾過カートリッジと、
    前記金属溶湯濾過カートリッジを通過した前記金属溶湯を排出する出湯口と
    を備え、
    前記金属溶湯濾過カートリッジが、請求項１から９のいずれか１つに記載の金属溶湯濾過カートリッジであること
    を特徴とする金属溶湯濾過装置。

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