JP3802541B2

JP3802541B2 - セラミックスフィルター

Info

Publication number: JP3802541B2
Application number: JP2004153062A
Authority: JP
Inventors: 真司川崎; 重則伊藤; 清志奥村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2017-05-08
Also published as: JP2004298874A

Description

本発明は、相異なる材料からなる複数のセラミックス層を備えている積層焼結体からなるセラミックスフィルターに関するものである。

従来、水処理等の様々な分野でセラミックスフィルターが使用されている。こうしたフィルターにおいては、例えば円筒状の多孔質セラミックスからなる本体の表面に、目の細かいセラミックス層を形成したものなどが知られている。

セラミックスフィルターの主要部分は、セラミックスを積層し、焼結した部材からなる。しかし、これらには、次のような共通した問題点があった。即ち，セラミックスフィルターにおいては、濾過効率を一層向上させるためには、フィルターの全体を大型化する必要があるが、この場合にはコストの上昇や設置スペースの増大を招いた。更に、フィルターはバルク状のセラミックスであるために、重量が大きいという問題がある。フィルターの濾過抵抗を小さくするためには、フィルターの肉厚を薄くする必要があるが、この場合にはフィルターの構造体としての強度が著しく低下するという問題があった。

本発明の課題は、セラミックスフィルターのような、機能性セラミックスの積層焼結体において、各セラミックスの保持する機能を向上させると共に、積層焼結体を軽量化し、かつ積層焼結体の構造強度も向上させうるようにすることである。

本発明のセラミックスフィルターは、複数の異なるセラミックス材料を同時押出成形し、さらに焼結することによって得られた、積層された複数のセラミックス層を備えており、各セラミックス層がそれぞれ互いに相異なる材質からなる積層焼結体であって、前記各セラミックス層中に、前記積層焼結体を貫通し、互いに独立して延びる複数の貫通孔が全て同じ方向に延びている積層焼結体からなることを特徴とするものである。

なお、本発明のセラミックスフィルターの好適例としては、セラミックスフィルターが内側層と外側層とを備えており、液体を前記内側層へ供給し、濾過された液体が外側層から排出されるように構成されており、外側層の気孔径が１〜１０μｍであり、外側層の気孔率が１０〜７０％であり、内側層の気孔径が５〜２００μｍであり、内側層の気孔率が２０〜８０％であり、外側層の気孔径よりも内側層の気孔径が大きいこと、がある。

また、本発明のセラミックスフィルターの好適例としては、セラミックスフィルターが内側層と外側層とを備えており、液体を前記外側層へ供給し、濾過された前記液体が前記内側層から排出されるように構成されており、内側層の気孔径が１〜１０μｍであり、内側層の気孔率が１０〜７０％であり、外側層の気孔径が５〜２００μｍであり、外側層の気孔率が２０〜８０％であり、内側層の気孔径よりも外側層の気孔径が大きいこと、がある。

本発明者は、積層焼結体を構成する各セラミックス層の内部に、それぞれ独立して貫通孔を形成した新しい構造に想到した。この結果、各セラミックスの保持する機能を向上させると共に、積層焼結体を軽量化し、かつ積層焼結体の構造強度も向上させうるようにできた。具体的には、積層焼結体が濾過器のセラミックスフィルターである場合には、濾過抵抗が小さくなり、濾過効率が向上し、短時間に大量の液体を処理できるようになった。また、貫通孔を設けることによってフィルターの軽量化が可能であり、かつ各セラミックス層内に独立した貫通孔を形成した構造なので、構造強度を高く保持することができる。

以下、更に具体的な実施形態について述べる。
本発明のセラミックフィルターに用いる積層焼結体は、長尺のものとすることが好ましい。具体的には、積層焼結体の貫通孔の方向の長さを、貫通孔に垂直な方向の長さの２倍以上とすることが好ましく、５倍以上とすることが一層好ましい。

本発明のセラミックフィルターに用いる積層焼結体を製造する方法は、特に限定されない。しかし、各セラミックス層にそれぞれ対応する各坏土を、口金に対して同時に供給することによって、前記積層焼結体の成形体を製造し、この成形体を一体焼成することができる。

こうした製造方法によれば、口金の形状を変更することによって、種々の横断面形状を有する積層体を製造することができる。また、特に押出成形方法を利用することによって、長い製品（例えば長さ１０００ｍｍ以上）を製造できるようになった。更に、この方法によれば、製造工程数が極めて少なくなる。

口金の入口の形状を円形とすることによって、口金を製造するための加工が容易になる。また、口金の入口の形状は、坏土が進入し易いように適宜に変更する。口金中で各坏土を押し出すための押出機構としては、プランジャー、真空土練機などを使用できる。

坏土として水系バインダーを使用すると、有機溶剤を使用した場合のように排気処理を行う必要がないので、その分設備を簡単にできるし、口金から押し出された成形体が曲がりにくくなる。この場合には、水分量を１０〜２０重量％とすることが一層好ましい。また、水系バインダーとしては、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース等を例示できる。

また、成形体を押し出す際には、成形体が曲がりやすいという問題があることが判明してきた。即ち、相対的に硬い方の坏土は、押出の際の流動速度が遅く、相対的に軟らかい坏土の方は、押出の際の流動速度が早くなる傾向がある。この流動速度の相違のために、口金から成形体の先端の方へと向かって成形体が曲がり変形し、あるいは反ってくるという現象が生じた。また、こうした各坏土の流動速度の相違によって、各グリーン成形体の界面の位置がずれるという現象も生じた。

成形体の曲がりを防止し、成形体が真っ直ぐに押し出されるようにし、各グリーン成形体の界面の位置がずれないようにするためには、各坏土の硬度の差を２以下とすることが好ましい。ここで言う硬度とは、ＮＧＫ粘土硬度計の規格によって測定したものである。

ただし、こうした硬度の微調整を行うことは、実際の製造装置および坏土においては困難な場合も多い。そこで、各坏土を、一つの口金中へと連続的に供給するのに際して、第一の押出機構から、一方のグリーン成形体を構成する坏土を口金へと向かって押出し、第二の押出機構から、他方のグリーン成形体を構成する坏土を口金へと向かって押出すことができる。これによって第一の押出機構と第二の押出機構との各押出速度や各押出圧力を機械的に調整し、積層体の曲がり等を防止することが可能になった。

本発明のセラミックフィルターにおいて、液体を内側層へ供給し、濾過された液体が外側層から排出される場合には、フィルターの外側層を構成する材質としては、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア、スピネル、炭化珪素、コージェライトを例示でき、その気孔径は１〜１０μｍが好ましく、気孔率は、１０〜７０％とすることが好ましい。フィルターの内側層を構成する材質としては、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア、スピネル、炭化珪素、コージェライトを例示でき、内側層の材質と外側層の材質とは同じであって良く、異なっていても良い。内側層の気孔径は５〜２００μｍとすることが好ましく、この場合には外側層よりも内側層の方が気孔径が大きい。内側層の気孔率は、２０〜８０％とすることが好ましい。また、上記において、内側層と外側層との構成を逆にし、液体を外側層へ供給し、濾過された液体を内側層から排出することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態を更に詳細に説明する。
図１は、セラミックスフィルター１を示す断面図であり、図２は、図１のフィルターを濾過装置の中に設置した状態を概略的に示す概略部分断面図である。次の工程によって、図１に示すフィルターを製造し、性能の評価を行った。

（原料の調製）
まず、アルミナ粉末とセルロース、メチルセルロースを使用して、坏土を製造した。平均粒径１０μｍのアルミナ原料粉末１００重量部に、セルロース５重量部、メチルセルロース３重量部、水２０重量部を混合し、この混合物を混練機内に入れ、混練物を調製した。この混練物を真空土練機に収容し、直径５０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円筒状坏土甲を製造した。一方、平均粒径５μｍのナルミナ原料粉末１００重量部に、メチルセルロース３重量部、水２３重量部を混合し、この混合物を混練機に入れ、混練物を調製した。この混練物を真空土練機に収容し、直径５０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円筒状坏土乙を製造した。

（成形工程）
次に、坏土甲および坏土乙を使用して、同時押出成形によってフィルターの成形体を製造した。この際には、図３に示す形態の押出成形機を使用した。即ち、各成形胴１３Ａ、１３Ｂの各通路１４Ａ、１４Ｂの中に、坏土甲１５Ａ、坏土乙１５Ｂを投入した。プランジャー１２Ａの軸１１Ａを移動させ、坏土甲１５Ａを口金１８の方向へと押し出した。これと同時に、プランジャー１２Ｂの軸１１Ｂを移動させ、坏土乙１５Ｂを口金１８へと押し出した。口金１８は、入口部分１８ａと出口部分１８ｂとからなる。入口部分１８ａにおいては、２つの入口通路１７Ａ、１７Ｂが形成されており、両者の間に隔壁１６が設けられている。各入口通路の横断面は、それぞれ円形である。出口部分１８ｂ中の出口通路１９の横断面は長方形である。口金１８の先端部分にダイス２０が設置されている。

第一のプランジャー１２Ａと第二のプランジャー１２Ｂとの各押出速度や圧力を、成形体の曲がりが発生しないように調整する。こうして得られた成形体には、図１の形状に対応する断面形状を有している。

（焼成工程）
次に、この成形体を恒温恒湿槽に入れ、乾燥した。次いで、成形体を電気炉に設置し、昇温速度２００℃／時間で１５００℃まで昇温し、１５００℃で３時間保持し、次いで放冷して室温まで冷却し、図１に示す筒状の積層焼結体１を得た。積層焼結体１の外側層２には所定個数の貫通孔４が形成されており、内側層３にも所定個数の貫通孔５が形成されている。内側層３の中央部分には、他の貫通孔４、５よりも寸法の大きい貫通孔６が形成されている。内側層３は、坏土甲１５Ａによって形成されており、外側層２は、坏土乙１５Ｂによって形成されている。

図１に示す外側断面の寸法は３０ｍｍ×３０ｍｍであり、貫通孔６の寸法は３ｍｍ×３ｍｍであり、貫通孔４、５の寸法は１ｍｍ×１ｍｍであり、積層焼結体の長さは３００ｍｍである。外側層２および内側層３からそれぞれ１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの試料を切り出し、各試料の気孔率を測定した。内側層３から切り出した試料の気孔率は４５％であり、外側層２から切り出した試料の気孔率は３５％であった。外側層２の気孔径は、内側層３の気孔径よりも小さく、一層細かい粒子を除去できるようになっている。この積層焼結体から、長さ５０ｍｍの試料を切り出し、フィルターを得た。

図２に示すように、フィルター１の両端にフランジ７を取り付け、両者の間をシール部材５１によって水密に封止し、これをケース８の中の所定位置に取り付けた。この濾過装置を使用して、濾過性能の試験を行った。具体的には、平均粒径１μｍのアルミナ粉末を水に溶かしてスラリーを得、スラリーを矢印Ａに示すように入口通路９Ａから貫通孔６、５内に流入させた。フィルター１の外側から吸引した。液体の一部は出口９Ｂから矢印Ｂのように流出し、一部は矢印Ｃ、Ｄのようにフィルターを透過して濾過室１０内へと流入する。表１に示す各時間に濾過された水量を測定し、測定結果を表１に示した。

ただし、実際にフィルターを使用する場合には、ある程度濾過するとフィルターが目詰まりを起こすので、ときどき目詰まりを除去することができるが、本実施例では、こうした目詰まりの除去を行わないで、データを得た。なお、目詰まりを除去するためには、逆洗浄を行うか、または、フィルター１の外側を吸引しないで、洗浄水のみを入口通路９Ａから貫通孔６、５内へ流入させ、目詰まりの原因となる粒子を、出口９Ｂから排出することができる。

また、比較例として、図４に示すフィルター２３を製造し、上記のようにして濾過水量を測定した。ただし、図４において、フィルター２３は、外側層２４と内側層２５とからなり、内側層２５の中に貫通孔５３を設けた。ただし、内側層、外側層を構成する各坏土は、前記した実施例と同じであり、各坏土甲、乙を、図４に示すような形態となるように成形して成形体を得、この成形体を電気炉内に設置し、昇温速度２００℃／時間で１５００℃まで昇温し、１５００℃で３時間保持し、次いで放冷して室温まで冷却し、積層焼結体を得た。

この積層焼結体の内側層の寸法は１５ｍｍ×１５ｍｍ×３００ｍｍであり、外側層２４の断面寸法は３０ｍｍ×３０ｍｍであり、貫通孔５３の寸法は３ｍｍ×３ｍｍである。この積層焼結体の気孔率は３５％であった。この積層焼結体から、長さ５０ｍｍのフィルターを切り出した。

表１からわかるように、本発明によって、フィルターとしての機能を損なうことなく、濾過水量を著しく向上させることができた。

本発明のセラミックスフィルターは、機能性セラミックスの積層焼結体において、各セラミックスの保持する機能を向上させると共に、積層焼結体を軽量化し、かつ積層焼結体の構造強度も向上させることができる用途に好適に使用することができる。

本発明に係るセラミックスフィルター１を示す断面図である。図１のフィルターを濾過装置の中に設置した状態を概略的に示す概略部分断面図である。一つの押出成形用口金１８中へと坏土１５Ａと坏土１５Ｂとを同時に供給することによって、積層成形体を押出成形している状態を示す模式図である。比較例のフィルターを概略的に示す正面図である。

符号の説明

１フィルター用の積層焼結体２外側層３内側層４、５フィルターの貫通孔８ケース１１Ａ，１１Ｂプランジャー１３Ａ、１３Ｂ成形胴１４Ａ，１４Ｂ成形胴の通路１５Ａ、１５Ｂ坏土１８口金２０ダイス２７、３４、３７、５９、６２陽極層（空気極層）２８、３５、３８、６３、７０セパレータ２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ、２９Ｄ、２９Ｅ陽極層（空気極層）の貫通孔３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅセパレータの貫通孔３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、５８、６２電気化学セル（単電池）３２、３６、６０、７１、７２電気化学セル用の積層焼結体、３３陰極膜（燃料電極膜）５１シール部材５６固体電解質膜

Claims

複数の異なるセラミックス材料を同時押出成形し、さらに焼結することによって得られた、積層された複数のセラミックス層を備えており、各セラミックス層がそれぞれ互いに相異なる材質からなる積層焼結体であって、前記各セラミックス層中に、前記積層焼結体を貫通し、互いに独立して延びる複数の貫通孔が全て同じ方向に延びている積層焼結体からなることを特徴とする、濾過器のセラミックスフィルター。
前記セラミックスフィルターが内側層と外側層とを備えており、液体を前記内側層へ供給し、濾過された前記液体が前記外側層から排出されるように構成されており、前記外側層の気孔径が１〜１０μｍであり、前記外側層の気孔率が１０〜７０％であり、前記内側層の気孔径が５〜２００μｍであり、前記内側層の気孔率が２０〜８０％であり、前記外側層の気孔径よりも前記内側層の気孔径が大きいことを特徴とする、請求項１記載のセラミックスフィルター。
前記セラミックスフィルターが内側層と外側層とを備えており、液体を前記外側層へ供給し、濾過された前記液体が前記内側層から排出されるように構成されており、前記内側層の気孔径が１〜１０μｍであり、前記内側層の気孔率が１０〜７０％であり、前記外側層の気孔径が５〜２００μｍであり、前記外側層の気孔率が２０〜８０％であり、前記内側層の気孔径よりも前記外側層の気孔径が大きいことを特徴とする、請求項１記載のセラミックスフィルター。