JP2020157236A - 金属フィルタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造工数が少なく濾過性能の高い金属フィルタ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】フィルタ機能を有するメッシュ状のフィルタ部10と,フィルタ部10を支持する複数の梁部材21,22から成るサポート部20とを,継ぎ目無く連続して設ける。【選択図】 図1
Description
本発明は流体中の固形物を濾過し得る金属フィルタ及びその製造方法に関する。
流体中の固形物を濾過し得るフィルタとして,樹脂,セラミック,ガラスなどに比べて耐熱、耐圧、耐衝撃性に優れた金属フィルタ(メタルフィルタ)が利用されることがある。金属フィルタの1つとして,金属の粉体を溶融点前後の温度で焼き固めることにより微細孔を形成した焼結フィルタがある。焼結フィルタは金属粒子が3次元に絡み合って焼結されるため高い濾過能力を発揮し得る。焼結フィルタの濾過能力向上を図る場合,例えば,金属粉体の粒径を微小化してさらに孔径の小さい焼結体を製造することや、焼結体の厚さを増すことが考えられるが、これらの方法では圧力損失が大きく濾過効率が低下するおそれがある。
この種の課題に鑑み,特許文献1は濾過面積を増大することにより圧力損失の低減を図った金属フィルタを開示している。具体的には,外周面上に凹凸を有する円筒状の支持体と,単体では濾過圧に対して形状を維持できない厚さを有し支持体の外周面(被覆面)を覆う微細濾過層とを一体に焼結した金属フィルタが開示されている。この金属フィルタでは、微細濾過層の空孔径は支持体の空孔径よりも小さく、かつ支持体の被覆面(外周面)が山部を有する凹凸に形成されることにより微細濾過層の濾過面を起伏濾過面とするとともに、山部間の谷部における微細濾過層の平均厚さを山部での平均厚さよりも厚くし、かつ微細濾過層の濾過面を滑らかな曲面状に形成している。
一般的に焼結フィルタの製造には,特許文献1の金属フィルタを含め,金属粉末を充填して加圧、焼結するための金型(特許文献1の内型及び外型)を準備する必要がある。また,焼結フィルタは焼結の性質上,フィルタ孔径の制御が難しい。さらに,焼結体の形状は金型の構造による制約を受けるため自由度が低い。
そして特許文献1のフィルタでは微細濾過層の内周面側の全面に略円筒状の支持体が位置するため依然として圧力損失に改善の余地がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的は製造工数が少なく濾過性能の高い金属フィルタ及びその製造方法を提供することにある。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、メッシュ状のフィルタ部と,前記フィルタ部を支持する複数の梁部材から成るサポート部とを備えた金属フィルタであって,前記フィルタ部と前記サポート部とは継ぎ目無く連続していることとする。
本発明によれば濾過性能の高い金属フィルタを容易に製造できる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図1は本発明の実施形態に係る金属フィルタ(メタルフィルタ)の斜視図である。この図に示す金属フィルタ1は,略円筒状に形成されており,流体中の固形物を濾過するフィルタとして機能するメッシュ状のフィルタ部10と,フィルタ部10を支持して金属フィルタ1の構造強度を高める複数の梁部材21,22から成るサポート部20とを備えている。フィルタ部10とサポート部20とは両者の境界部において継ぎ目無く連続している。すなわち,フィルタ部10とサポート部20とは一体成形されており,個別に製造された後に結合されたものではない。フィルタ部10とサポート部20とは同一の金属で形成することができる。
金属フィルタ1の軸方向におけるサポート部20の両端(すなわち筒形状の上端及び下端)には扁平なリング形状の鍔部30が設けられている。鍔部30も同様にフィルタ部10及びサポート部20と一体成形されており,これらとの境界部では継ぎ目無く連続している。鍔部30はサポート部20の両端のいずれか一方に設けても良いし,省略しても良い。
図2は図1の金属フィルタ1からフィルタ部10を取り除いた図であり,サポート部20のみを抽出して表している。図3は図2におけるA部の拡大図である。
複数の梁部材21,22は,金属フィルタ1の軸方向における上端と下端に位置し,金属フィルタ1の軸方向に間隔を介して配置された2つの鍔部30の間に架け渡されている。複数の梁部材21,22は格子状に組まれており,それにより複数の格子を形成している。すなわち,サポート部20では,第1の配列方向に沿って所定の間隔を介して配置された複数の第1梁部材21と,第1の配列方向と交差する第2の配列方向に沿って同様に所定の間隔を介して配置された複数の第2梁部材22とにより複数の四角型の格子状区画23が形成されている。本実施形態のフィルタ部10は各格子状区画23を金属フィルタ1の外側面側から閉塞するように配置されている。
本実施形態の複数の梁部材21,22は金属フィルタ1における径方向に幅を有しており,その幅は金属フィルタ1の径方向における鍔部30の幅(径方向の厚み)と同じ,またはそれより小さい。ただし,金属フィルタ1の径方向におけるフィルタ部10の幅(厚み)よりも小さくなることはない。すなわち金属フィルタ1の径方向で比較すると,複数の梁部材21,22の幅はフィルタ部10の厚みよりも大きく,鍔部30の幅以下となる。
図4は図1の金属フィルタ1からサポート部20を取り除いた図であり,フィルタ部10のみを抽出して表している。図5は図4におけるB部の拡大図である。
図4に示すように本実施形態のフィルタ部10は中空の円筒状に形成されており,その円筒の厚みはフィルタの厚みとなっている。
図5に示すようにフィルタ部10は上下方向(フィルタ軸方区)と左右方向(フィルタ周方向)にそれぞれ延びる複数の直線が直角に交差することで碁盤目状の格子を形成しており,各フィルタ孔11の形状は略均一に形成されている。図5におけるフィルタ孔11は略正方形に形成されていが,フィルタ孔11の形状及びサイズは所望の形状に変更可能である。
<変形例>
上記では,(a)金属フィルタ1の外側面側にフィルタ部10が位置する場合(すなわち,サポート部20がフィルタ部10の内側面側に位置する場合)について説明したが,(b)金属フィルタ1の内側面側にフィルタ部10を位置させても良いし(すなわち,サポート部20をフィルタ部10の外側面側に位置させても良いし),(c)サポート部10の格子内(格子状区画23内)にフィルタ部10を位置させても良い(すなわち,サポート部20をフィルタ部10の内側面側と外側面側の双方に位置させても良い)。図6は上記(a),(b),(c)のそれぞれの場合のフィルタ部10とサポート部20の位置関係を模式的に示した図である。
上記では,(a)金属フィルタ1の外側面側にフィルタ部10が位置する場合(すなわち,サポート部20がフィルタ部10の内側面側に位置する場合)について説明したが,(b)金属フィルタ1の内側面側にフィルタ部10を位置させても良いし(すなわち,サポート部20をフィルタ部10の外側面側に位置させても良いし),(c)サポート部10の格子内(格子状区画23内)にフィルタ部10を位置させても良い(すなわち,サポート部20をフィルタ部10の内側面側と外側面側の双方に位置させても良い)。図6は上記(a),(b),(c)のそれぞれの場合のフィルタ部10とサポート部20の位置関係を模式的に示した図である。
例えば,サポート部20の位置は,流体がフィルタ部10を通過する方向(濾過方向)に応じて(a)−(c)の中から適宜選択できる。また,(c)の場合のようにフィルタ部10の内側面側と外側面側の双方にサポート部20を設けると,フィルタ部10を内側面側と外側面側の両側で支持できるので,金属フィルタ1の構造強度を向上できる。
<製造方法>
金属フィルタ1は積層造形(Additive Manufacturing)を利用してフィルタ部10とサポート部20とを一体成形して製造する。積層造形の具体的な手法としては、金属粉末を敷き詰め、熱源となるレーザや電子ビームで造形する部分を溶融・凝固させるパウダーベッド方式と、溶融した金属材料を所定の場所に積層・凝固させて造形するメタルデポジッション方式がある。前者には、レーザビームを熱源とするレーザビーム方式と,電子ビームを熱源とする電子ビーム方式がある。後者には,金属粉末を噴射すると同時にレーザで溶融するレーザビーム方式と,金属ワイヤーをアーク放電により溶融するアーク放電方式がある。
金属フィルタ1は積層造形(Additive Manufacturing)を利用してフィルタ部10とサポート部20とを一体成形して製造する。積層造形の具体的な手法としては、金属粉末を敷き詰め、熱源となるレーザや電子ビームで造形する部分を溶融・凝固させるパウダーベッド方式と、溶融した金属材料を所定の場所に積層・凝固させて造形するメタルデポジッション方式がある。前者には、レーザビームを熱源とするレーザビーム方式と,電子ビームを熱源とする電子ビーム方式がある。後者には,金属粉末を噴射すると同時にレーザで溶融するレーザビーム方式と,金属ワイヤーをアーク放電により溶融するアーク放電方式がある。
積層造形で金属フィルタ1を製造する装置としては金属3Dプリンタが挙げられ,本実施形態ではパウダーベッド方式の金属3Dプリンタで金属フィルタ1を製造する。図7はパウダーベッド方式の3Dプリンタの概略構成図である。この図に示すように、パウダーベッド方式の3Dプリンタ100は、制御装置101と、レーザ照射装置102と、粉末注入部103と、コータ104と、ベースプレート105と、製造用容器106とを備えている。
制御装置101は、レーザ照射装置102のレーザ照射出力及び位置、ベースプレート105の位置、コータ104の制御、粉末注入部103による粉末107の注入などの3Dプリンタ100の制御を行う。制御装置101はコンピュータ200で作成された金属フィルタ1(3次元造形物)の構造データ(3次元形状データ)に基づき、3Dプリンタ100の各部を制御する。この結果、3Dプリンタ100は積層造形により金属フィルタ1を成形する。
3Dプリンタ100で金属フィルタ1を成形する際には、まずベースプレート105の上、つまり粉末注入部103から,製造用容器106内に向かって、レーザ照射により溶融・固化される金属粉末107が注入される。
次にコータ104を制御し、金属粉末107の表面を平らにする。続いて、金属フィルタ1の構造に合わせて、レーザ照射装置102からレーザが照射され、金属粉末107を選択的に溶融・固化する。この結果、第1層成形部108が成形される。
次に、第2層成形部109を成形するため、ベースプレート105が下げられる。再度、金属粉末107が注入される。コータ104を制御し、金属粉末107の表面を平らにする。レーザ照射装置102からレーザが照射され、第2層成形部109が成形される。
これを繰り返すことで、3Dプリンタ100は、金属フィルタ1を成形する。つまり、3Dプリンタ100は、製造用容器106に注入した粉末107を溶融・固化することで、3次元造形物を成形する。図8は3Dプリンタ100による金属フィルタ1の製造過程を6つに分解して示した図であり,図の(1),(2),(3),(4),(5),(6)の順で時間が経過しており,フィルタ部10とサポート部20を分離することなく一体で成形している。
ところで,通常,レーザ照射装置102のレーザ照射は,レーザ照射範囲に存在する金属粒子の全てが溶融・固化するように制御装置101によって所定の出力及び所定の走査速度で行われる。しかし,レーザ照射範囲に存在する金属粒子の一部のみが溶融・固化するように部分的にレーザ照射条件を通常と変更しても良い(例えば,走査速度を通常と同じにしながら出力を通常よりも低減したり,逆に走査速度を速くする一方で出力を維持したりする等)。
そのようにすると,金属粒子の一部が溶融または拡散接合した状態となり,コンピュータ200により作成した3次元形状データが規定する金属フィルタ1の形状と異なった不規則な形状が出現し,レーザ照射出力を一定とした場合と比較して造形物の表面積が増加し得る。そのため例えばフィルタ部10に触媒機能を付加する場合にレーザ照射条件を通常と変更してフィルタ部10の表面積を増加すれば,フィルタ部10通過時の流体と触媒の接触面積を増加できるので反応を促進できる可能性がある。図9はレーザ照射条件を変更した場合の造形例である。ただし,図9は金属フィルタ1の一部を示すものではない。
なお,ここでは3Dプリンタの熱源がレーザビームの場合について説明したが,電子ビームを利用しても良いことは言うまでもない。同様にメタルデポジッション方式も利用可能である。
<効果>
以上のように構成される金属フィルタ1では,フィルタ部10とサポート部20とを継ぎ目無く連続させ,サポート部20の複数の梁部材21,22の側面でフィルタ部10を支持した構造となっているため,使用中にフィルタ部10に濾過圧が作用しても,その圧力を梁部材21,22が支持することでフィルタ部10の曲がり等の変形を防止でき,フィルタ部10の厚みを薄くすることも容易である。その際,上記の実施形態で示したように金属フィルタ1の軸方向の両端に鍔部30を設けて複数の梁部材21,22を架け渡せば,金属フィルタ1の構造強度をさらに向上できる。このように本実施形態によれば濾過性能と耐圧性に優れた金属フィルタを提供できる。
以上のように構成される金属フィルタ1では,フィルタ部10とサポート部20とを継ぎ目無く連続させ,サポート部20の複数の梁部材21,22の側面でフィルタ部10を支持した構造となっているため,使用中にフィルタ部10に濾過圧が作用しても,その圧力を梁部材21,22が支持することでフィルタ部10の曲がり等の変形を防止でき,フィルタ部10の厚みを薄くすることも容易である。その際,上記の実施形態で示したように金属フィルタ1の軸方向の両端に鍔部30を設けて複数の梁部材21,22を架け渡せば,金属フィルタ1の構造強度をさらに向上できる。このように本実施形態によれば濾過性能と耐圧性に優れた金属フィルタを提供できる。
従前の焼結フィルタと比較すると,フィルタ孔11を小径化しても大きな圧力損失が発生することがないため濾過性能を容易に向上させることができる。また,フィルタ孔径の制御が難しかった焼結フィルタに比してフィルタ孔径の制御性が高いため,所望の濾過性能の確保が容易である。さらにフィルタ製造に際して金型を作成する必要も無いので焼結フィルタに比して製造工数も少ない。したがって従前の焼結フィルタに比して容易に金属フィルタの濾過性能を向上できる。
本実施形態の金属フィルタ1の製造には3Dプリンタ100を利用するため,フィルタ部10とサポート部20とを一体成形でき,フィルタ部10とサポート部20を個別に製造した後に結合する場合と比較して製造工数を大幅に削減できる。また,金属フィルタ1はその軸方向における下端から上端に至るまで複数の梁部材21,22でフィルタ部10を支持した構造となっているため,3Dプリンタ100による金属フィルタ1の全製造行程においてフィルタ部10とサポート部20とを同時に積層造形していくことができ,厚みの薄いフィルタ部10が積層中に変形することもなく安定して金属フィルタを製造できる。3Dプリンタ100によれば,3次元形状データで定義した形状が忠実に再現されるため,フィルタ孔11の厚みや孔径を容易かつ正確に制御できる。金型を使用する焼結フィルタと比較してフィルタ部10とサポート部20の位置関係の制約も無いため,要件に応じた金属フィルタを容易に製造することが可能である。また,金属粉末の一部が未溶融の状態で残るようにレーザ照射条件を変更すれば,3次元形状データで定義した形状だけでなく不規則な形状も造形できる。この方法により例えばフィルタ部10の表面積を増加すれば,フィルタ部10とそれを通過する流体との接触面積が増加するので,フィルタ部10に触媒機能を持たせた場合等には容易に反応を進めることができる。
<その他>
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
上記では,サポート部20において複数の梁部材21,22で四角形(菱形)状の格子を形成したが,格子は所望の形状として良い。梁部材21,22の形状についても上記した形状に限らず,フィルタ部10と接触する側面を有するものであれば種々の形状が採用可能である。その際,複数の梁部材で格子を形成する必要も無い。
上記では,フィルタ部10の形状が円筒状の場合について説明したが,例えばサポート部20が形成する格子状区画23ごとにサポート部20に対するフィルタ部10の位置が変化していても良い。すなわち或る格子状区画23ではフィルタ部10がサポート部20の内側面側に位置しているが、他の格子状区画23ではフィルタ部10がサポート部20の外側面側に位置していても良い。
上記では中空の円筒状の金属フィルタ1を例に挙げたがフィルタの形状は適宜変更が可能であり,例えば円柱状の金属フィルタにも本発明は適用可能である。
なお,上記の金属フィルタ1の具体的な適用先としては,石炭ガス化複合発電等で発生するチャー(ガス化炉内において石炭から揮発分や水分を除いて得られる未反応固形物。主に灰分と固定炭素から成る。)を回収するシステム(チャー回収システム)に用いられるチャーフィルタが考えられる。チャーフィルタではフィルタ孔径の制御性や強度及び耐硫化性が求められるので,本実施形態に係る金属フィルタ1が好適である。
1…金属フィルタ,10…フィルタ部,11…フィルタ孔,20…サポート部,21…梁部,22…梁部,23…格子状区画,30…鍔部,100…3Dプリンタ,101…制御装置,102…レーザ照射装置,103…粉末注入部,104…コータ,105…ベースプレート,106…製造用容器,107…金属粉末,108…第1層成形部,109…第2層成形部,110…第3層成形部,200…コンピュータ
Claims (9)
- メッシュ状のフィルタ部と,前記フィルタ部を支持する複数の梁部材から成るサポート部とを備え,
前記フィルタ部と前記サポート部とは継ぎ目無く連続していることを特徴とする金属フィルタ。 - 請求項1の金属フィルタにおいて,
前記フィルタ部と前記サポート部とは同一の金属で形成されていることを特徴とする金属フィルタ。 - 請求項1の金属フィルタにおいて,
前記フィルタ部は筒状に形成されており,
前記サポート部は前記フィルタ部の内側面側及び外側面側の少なくとも一方に位置していることを特徴とする金属フィルタ。 - 請求項3の金属フィルタにおいて,
前記金属フィルタの上端及び下端の少なくとも一方に設けられた鍔部をさらに備え,
前記鍔部と,前記フィルタ部及び前記サポート部とは継ぎ目無く連続していることを特徴とする金属フィルタ。 - 請求項3の金属フィルタにおいて,
前記フィルタ部の径方向における前記複数の梁部材の幅は,前記フィルタ部の径方向における前記フィルタ部の厚みよりも大きいことを特徴とする金属フィルタ。 - 請求項1の金属フィルタにおいて,
前記複数の梁部材は格子状に組まれることで複数の格子を形成していることを特徴とする金属フィルタ。 - 請求項6の金属フィルタにおいて,
前記フィルタ部は前記複数の格子の内部に位置するように形成されていることを特徴とする金属フィルタ。 - メッシュ状のフィルタ部と,前記フィルタ部を支持する複数の梁部材から成るサポート部とを備える金属フィルタの3次元形状データを作成する第1ステップと、
前記3次元形状データに基づいて,金属3次元プリンタを用いて金属粉末を溶融・固化させて前記フィルタ部と前記サポート部とを一体成形する第2ステップとを備えた金属フィルタの製造方法。 - 請求項8の金属フィルタの製造方法において,
前記第2ステップにおける前記フィルタ部の造形時には,前記金属3次元プリンタにおけるレーザビームまたは電子ビームの照射条件を部分的に変更して金属粒子の一部を溶融させることを特徴とする金属フィルタの製造方法。
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