JP4421921B2

JP4421921B2 - セラミックフィルタの保持方法及びフィルタパック

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Publication number: JP4421921B2
Application number: JP2004075171A
Authority: JP
Inventors: 和正八代; 文康永井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: JP2005262020A

Description

本発明は、セラミックフィルタの保持方法及びフィルタパックに関する。

集塵用セラミックフィルタは、高温ガスからの製品の回収、環境対策を狙いとした排ガスからのダストの除去等を目的として、化学、電力、鉄鋼、自動車関連産業等多岐に渡る分野において用いられている。

かかるセラミックフィルタは、通常、両端面においてガスの導入・排出を行う筒状形状を有し、又、濾過面積を大きくして集塵効率等を向上させる観点より、複数のセルを備えた構成を有する場合も多い。セラミックフィルタを用いた集塵において、高温ガス中のダストは、上流側から入り、多孔質の隔壁を通って下流側の穴より抜けていく際に、濾過面表面に捕捉される。

また、セラミックフィルタの濾過性能、集塵性能等をさらに向上させるべく、多数のセルを、細孔を備えた隔壁にて仕切ったハニカムフィルタは、例えば図１２に示すように、ハニカムの多数のセル２１の端部を上流側Ｂと下流側Ｃとを逆に１マスごとに封じた構造を有し、上流側Ｂから入った高温ガスは、多孔質の隔壁２０を通って下流側Ｃの穴より抜けていくが、その際に、高温ガス中のダストは隔壁２０の表面に捕捉される。

セラミックフィルタを実際に使用する際には、単一の又は２以上のセラミックフィルタを、一旦、金属製外枠に収納してフィルタパックとした上で、このフィルタパックを、さらに金属製外枠を介して収納ケース内に固定・収納し、フィルタ装置とする。この場合、金属製外枠にてセラミックフィルタを確実に保持することが必要であるとともに、未処理ガスと処理済ガスとが混じり合うのを防止するため、セラミックフィルタと金属製外枠との間のシール性を保つ必要がある。

このような状況の下、金属製外枠にてセラミックフィルタを保持する方法として、例えば図１３に示すように、側面全体をシール材２にて被覆した複数のセラミックフィルタ４を、側面同士がシール材２を介して接触した状態で配置したセラミックフィルタの集合体を、その側面全体より、金属製外枠５にて保持する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、セラミックの熱膨張率は小さく、金属の熱膨張率は大きいため、セラミックフィルタを高温で使用した場合、外枠のみが膨張する結果、各セラミックフィルタ間やセラミックフィルタと金属製外枠との間のシール性が損なわれ、処理済ガスが未処理ガスにより汚染されるという問題があった。

また、金属製外枠が膨張すると、セラミックフィルタを確実に保持することが困難になるため、稼働中の急激な負荷変動や逆洗により、セラミックフィルタの両端間に差圧が生じた場合、セラミックフィルタはその長手方向に移動して、フィルタの端面と支持部材等が当接と離間を繰り返すことになり、振動及び衝撃により、フィルタの端面に磨耗、破損が生じるという問題があった。

更に、近年の環境問題の関心に伴い、例えば、汚染土壌処理、二酸化炭素固定化、バイオマス発電等の用途で、高温域（例えば、４００〜６００℃程度）でのセラミックフィルタのキャニング構造体（フィルタパック）へのニーズが高まっているが、従来のセラミックフィルタの保持方法では、最高使用温度が４５０℃であるため、十分にニーズに応えることができなかった。
特開２０００−２１０５１７号公報

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より高温域（例えば、５００〜６００℃程度）での使用の際にも、セラミックフィルタを確実に保持でき、振動及び衝撃によるフィルタの破損を防止できるとともに、セラミックフィルタと金属製外枠との間のシール性を保つことができるセラミックフィルタの保持方法及びフィルタパックを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下のセラミックフィルタの保持方法及びフィルタパックを提供するものである。

［１］両端面においてガスの導入・排出を行う筒状のセラミックフィルタを金属製外枠にて側面より保持するセラミックフィルタの保持方法であって、側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、その側面全体より、前記金属製外枠にて前記シール材を圧縮し、均一な面圧を保持する保持方法であり、前記シール材に、アルミナ及びシリカ組成の結晶質繊維であるアルミナ繊維を用いるとともに、前記金属製外枠は、前記セラミックフィルタの端面の輪郭になるような２つの外枠部材と２つのコーナー部材から形成され、側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、前記外枠部材同士で包囲するように前記セラミックフィルタの対角線上の２方向から均等に荷重を掛けて、前記シール材全体に均一な面圧を与えつつ、前記外枠部材の端面同士をコーナー材で固定するセラミックフィルタの保持方法。

［２］両端面においてガスの導入・排出を行う筒状のセラミックフィルタを金属製外枠にて側面より保持するセラミックフィルタの保持方法であって、側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、その側面全体より、前記金属製外枠にて前記シール材を圧縮し、均一な面圧を保持する保持方法であり、前記シール材に、アルミナ及びシリカ組成の結晶質繊維であるアルミナ繊維を用いるとともに、前記金属製外枠は、前記セラミックフィルタの端面の輪郭となるように分割して得られた４つの外枠部材から形成され、側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、前記外枠部材同士で包囲するように四方から均等に荷重を掛けて、前記シール材全体に均一な面圧を与えつつ、前記外枠部材の端面同士を固定するセラミックフィルタの保持方法。

［３］アルミナ繊維の化学組成が、アルミナ７２〜９７質量％、シリカ２８〜３質量％である［１］又は［２］に記載のセラミックフィルタの保持方法。

［４］シール材の圧縮率が、０．４〜０．７である［１］〜［３］のいずれかに記載のセラミックフィルタの保持方法。

［５］セラミックフィルタが、その外周壁周囲に凸状部を有する［１］〜［４］のいずれかに記載のセラミックフィルタの保持方法。

［６］凸状部が、セラミックフィルタの外周壁に帯状に巻かれたものである［５］に記載のセラミックフィルタの保持方法。

［７］セラミックフィルタが、その外周壁周囲に、セラミックフィルタを細かく砕いたものを付着させたものである［１］〜［６］のいずれかに記載のセラミックフィルタの保持方法。

［８］金属製外枠が、セラミックフィルタの把持面側に凸状部が配設されている［１］〜［７］のいずれかに記載のセラミックフィルタの保持方法。

［９］凸状部が、円弧状のリブ、エキスパンドメタル又は金網で形成されている［８］に記載のセラミックフィルタの保持方法。

［１０］金属製外枠が、その一方の開口端部にフランジを形成する［１］〜［９］のいずれかに記載のセラミックフィルタの保持方法。

［１１］［１］〜［１０］のいずれかに記載の方法でセラミックフィルタを保持したフィルタパック。

本発明のセラミックフィルタの保持方法及びフィルタパックは、より高温域（例えば、５００〜６００℃程度）での使用の際にも、セラミックフィルタを確実に保持でき、振動及び衝撃によるフィルタの破損を防止できるとともに、セラミックフィルタと金属製外枠との間のシール性を保つことができる。

以下、本発明のセラミックフィルタの保持方法及びフィルタパックの実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明のセラミックフィルタの保持方法の主な特徴は、側面全体にシール材２を被覆したセラミックフィルタ４を、その側面全体より、金属製外枠５にてシール材２を圧縮し、均一な面圧を保持し、シール材２にアルミナ及びシリカ組成の結晶質繊維であるアルミナ繊維を用いたことにある（図１（ａ）（ｂ）参照）。

これにより、本発明では、図１（ａ）（ｂ）に示すフィルタパックを得ることができるので、より高温域（例えば、５００〜６００℃程度）での使用の際にも、セラミックフィルタを確実に保持でき、振動及び衝撃によるフィルタの破損を防止できるとともに、セラミックフィルタと金属製外枠との間のシール性を保つことができる。

ここで、本発明で用いるアルミナ繊維は、長期高温クッション性、高保持力、繊維三次元構造による優れた耐久性を有するものであり、結晶質であるため、結晶析出や構造変化による劣化や収縮が起こりにくく、１３００℃であっても弾力性（復元特性）を有するとともに、最高１６００℃の耐熱性（熱で変形したり、強度劣化しない特性）を有するものである。

尚、従来からシール材として主に用いられているセラミック繊維は、ガラス質であるため、結晶析出や構造変化による劣化や収縮が起こり易く、８００℃程度で弾性力（復元力）が無くなり、１０００℃程度で加熱収縮率が大きくなり、強度が低下するとともに、１１００℃になると、強度が大幅に低下し、１２５０℃程度で耐熱性が無くなることが知られている。

また、本発明で用いるアルミナ繊維の化学組成は、アルミナ７２〜９７質量％、シリカ２８〜３質量％であることが好ましい。このとき、本発明で用いるアルミナ繊維の鉱物組成は、例えば、化学組成がアルミナ７２質量％、シリカ２８質量％の場合、ムライトであり、また、化学組成がアルミナ９５質量％、シリカ５質量％の場合、主にδ−アルミナであり、更に、化学組成がアルミナ７２質量％、シリカ２８質量％の場合、ムライトである。

尚、従来からシール材として主に用いられているセラミック繊維は、一般的に、化学組成がアルミナ４０〜６０質量％、シリカ６０〜４０質量％であり、その構造がガラス質（非晶質）のものである。

また、本発明のセラミックフィルタの保持方法は、図２に示すように、シール材２に、アルミナ及びシリカ組成の結晶質繊維であるアルミナ繊維を用いるとともに、金属製外枠５が、セラミックフィルタ４の端面の輪郭になるような２つの外枠部材５１と２つのコーナー部材５２から形成され、側面全体にシール材２を被覆したセラミックフィルタ４を、外枠部材５１，５１同士で包囲するようにセラミックフィルタ４の対角線上の２方向から均等に荷重Ｆを掛けて、シール材２全体に均一な面圧を与えつつ、外枠部材５１の端面同士をコーナー材５２で固定することが好ましい（図１（ｂ）参照）。

更に、本発明のセラミックフィルタの保持方法は、図３に示すように、シール材２に、アルミナ及びシリカ組成の結晶質繊維であるアルミナ繊維を用いるとともに、金属製外枠５が、セラミックフィルタ４の端面の輪郭となるように分割して得られた４つの外枠部材５３から形成され、側面全体にシール材２を被覆したセラミックフィルタ４を、外枠部材５３同士で包囲するように四方から均等に荷重Ｆを掛けて、シール材２全体に均一な面圧を与えつつ、外枠部材５３の端面同士を固定することが好ましい（図１（ｂ）参照）。

図２及び図３に示す方法は、従来の方法のように、セラミックフィルタ４の外径の寸法精度が厳しく要求されることなく、ある交差内で作られたセラミックフィルタ４であれば、多少ばらついていても、シール材２全体に均一な面圧を与えつつ、金属製外枠５に把持することができるので、歩留りを大幅に向上することができる。特に、図３に示す方法の場合、セラミックフィルタ４の四方から均等に荷重Ｆを掛けることができるので、シール材２の面圧をより均一にすることができるとともに、セラミックフィルタ４の外径に応じて金属製外枠５の寸法を容易に変更できるため、汎用性に富んでいる。尚、外枠部材５１，５３の端面同士やコーナー材５２の固定手段は、特に限定されないが、溶接で接合することが、作業効率の点から好ましい。

このとき、本発明のセラミックフィルタの保持方法では、シール材の圧縮率が、０．４〜０．７であることが好ましい。これは、圧縮率が大きくなると、セラミックフィルタの破損の問題が生じるからである。尚、シール材の厚さｔ₂は、通常、６〜８ｍｍであることが好ましい。

本発明で用いるセラミックフィルタは、その外周壁周囲に凸状部を有するもの、又はその外周壁周囲にセラミックフィルタを細かく砕いたものを付着させたものであることが、シール材とセラミックフィルタとの密着性を向上させ、シール材からのセラミックフィルタのずり落ちを抑制することができるため好ましい。例えば、図４、図５（ａ）（ｂ）に示すように、上記凸状部３０が、セラミックフィルタ４の外周壁に帯状に巻かれたものであってもよい。尚、凸状部３０の厚さは、通常、０．５〜２ｍｍであることが好ましい。

また、本発明で用いる金属製外枠は、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すように、セラミックフィルタ４の把持面側に凸状部４０が配設されていることが、シール材２と金属製外枠５との密着性を向上させ、シール材２からの金属製外枠５のずり落ちを抑制することができるため好ましい。このとき、上記凸状部４０は、特に限定されないが、円弧状のリブ（図５（ｂ）参照）、エキスパンドメタル又は金網で形成されていることが好ましい。

尚、本発明で用いる金属製外枠の厚さｔ₁は、５ｍｍ以下であることが好ましく、４ｍｍ以下であることがより好ましく、３ｍｍ以下であることが更に好ましい。５ｍｍ以下の厚さであれば、曲げ加工により、鋼板から金属製外枠を製造するのが容易かつ安価であり、又、高温時において熱変形しやすいため、セラミックフィルタへの応力負荷が小さく、セラミックフィルタが損傷を受けるおそれが少ないからである（図１（ｂ）参照）。

本発明においては、図６（ａ）に示すように、金属製外枠５の両開口端部の内、逆洗しない側の開口端面部に、開口部側への突出部より成る脱落防止部７を形成してもよい。このような脱落防止部７を設けることにより、逆洗によるセラミックフィルタ４の金属製外枠５からの脱落を防止することができる。尚、集塵するガスの流れを左から右へと考えた場合、開口端部の右側から逆洗（ダストの払い落とし）をするため、通常、開口端部の左側のみ取り付ける。また、図６（ｂ）に示すように、金属製外枠５の開口端部の一方にフランジ８を形成してもよい。このようなフランジ８を設ければ、金属製外枠５にて保持した２以上のセラミックフィルタパック６を単一の収納ケース９に収納してフィルタ装置１とする場合、図６（ｃ）に示すように、収納ケース９に設けた孔部１０の縁に、フランジ８を、ガスケット等を用いて液密的に取り付けつつ収納することができ、便利である。

尚、本発明において、セラミックフィルタの端面の形状に特に制限はなく、例えば三角形、四角形、五角形等の多角形、円形（図７参照）あるいは楕円形であってもよい。

また、本発明において、セラミックフィルタは、セル構造を有さない単なる筒状のものであってもよいが、複数のセルを有するものであってもよく、ハニカムフィルタであってもよい。ここで、ハニカムフィルタとは、例えば、図１２に示すように、隔壁２により仕切られた多数のセル１を有するフィルタをいう。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１及び実施例２、比較例）
□１５０×５００Ｌのフィルタエレメント（セラミックフィルタ）の側面全体にアルミナ繊維（商標名：マフテック）製のシール材で被覆した後、その側面全体より、金属製外枠（厚さ：３．０ｍｍ）にてシール材を圧縮し、均一な面圧（例えば、シール材の厚さｔ₂が５．５ｍｍの時、約６ｋｇ／ｃｍ²、シール材の厚さｔ₂が９ｍｍの時、約１ｋｇ／ｃｍ²）を保持したフィルタパックを図２に示す方法で作製した。このとき、シール材の厚さｔ₂（ギャップ）が５．５ｍｍ（実施例１）と９ｍｍ（実施例２）のフィルタパックをそれぞれ作製した（図１（ａ）（ｂ）参照）。

セラミックファイバ製（商標名：イソウール）のシール材を使用し、従来の方法でフィルタパックを作製した（比較例）。このとき、シール材の厚さｔ₂（ギャップ）は９ｍｍであった。

次に、得られたそれぞれのフィルタパック（実施例１及び実施例２、比較例）に図８に示す加熱荷重試験機を用いて以下に示すような手順で評価（加熱荷重試験）を行った。

（１）フィルタパック６の縦方向に帯状のヒータ６０を所定の間隔で巻き付けた後、保温のため、外周を保温材６２で被覆した（図８参照）。

（２）次に、フィルタパック６をヒータ６０で加温し、セラミックフィルタ４の（温度測定位置６４で測定した）表面温度が所定温度（２００℃、４００℃、５５０℃）になった時に、セラミックフィルタ４の上部より荷重Ｆを掛けた。このとき、セラミックフィルタ４又はシール材２が下がった時の荷重（Ｎ）を計測し、５５０℃までのデータが取り終えたら、常温まで温度を下げた。

（３）（２）を１０回繰り返してデータとしてまとめ、グラフ化した。以上の結果を図９〜１１に示す。

（考察）
図１０に示すように、実施例２では、シール材としてアルミナ繊維（商標名：マフテック）を用いることにより、図１１に示す比較例と比較して、耐熱性及び反復使用時における弾力性（復元特性）に優れていた。

また、図９に示すように、実施例１では、シール材の厚さｔ₂（ギャップ）を９ｍｍから５．５ｍｍに最適化することにより、図１０に示す実施例２と比較して、より耐熱性及反復使用時における弾力性（復元特性）に優れていた。

本発明のセラミックフィルタの保持方法及びフィルタパックは、高温域（例えば、４００〜６００℃程度）でのガス中のダストの集塵が要求される汚染土壌処理、二酸化炭素固定化、バイオマス発電等の用途で好適に用いることができる。

本発明のセラミックフィルタの保持方法で得られたフィルタパックの一例を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。本発明のセラミックフィルタの保持方法の一例を示す説明図である。本発明のセラミックフィルタの保持方法の他の例を示す説明図である。本発明で用いるセラミックフィルタの一例を示す斜視図である。本発明のセラミックフィルタの保持方法で得られたフィルタパックの他の例を示すものであり、（ａ）は概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本発明のフィルタパックの適用例を示すものであり、（ａ）は脱落防止部を設けたもの、（ｂ）はフランジを設けたもの、（ｃ）は、（ａ）（ｂ）の配置方法を示す縦断面図である。本発明のフィルタパックの更に他の例を示す横断面図である。加熱荷重試験の一例を示す説明図である。実施例１における加熱荷重試験の結果を示すグラフである。実施例２における加熱荷重試験の結果を示すグラフである。比較例における加熱荷重試験の結果を示すグラフである。ハニカムフィルタの一例を示す模式図である。従来のセラミックフィルタの保持方法の一例を示す模式図である。

符号の説明

２…シール材、３…ハニカムフィルタ、４…セラミックフィルタ、５…金属製外枠、６…フィルタパック、７…脱落防止部、８…フランジ、９…収納ケース、１０…孔部、２０…隔壁、２１…セル、３０,４０…凸状部、５０…外枠部材、５２…コーナ材、５３…外枠部材。

Claims

両端面においてガスの導入・排出を行う筒状のセラミックフィルタを金属製外枠にて側面より保持するセラミックフィルタの保持方法であって、
側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、その側面全体より、前記金属製外枠にて前記シール材を圧縮し、均一な面圧を保持する保持方法であり、
前記シール材に、アルミナ及びシリカ組成の結晶質繊維であるアルミナ繊維を用いるとともに、
前記金属製外枠は、前記セラミックフィルタの端面の輪郭になるような２つの外枠部材と２つのコーナー部材から形成され、側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、前記外枠部材同士で包囲するように前記セラミックフィルタの対角線上の２方向から均等に荷重を掛けて、前記シール材全体に均一な面圧を与えつつ、前記外枠部材の端面同士をコーナー材で固定するセラミックフィルタの保持方法。
両端面においてガスの導入・排出を行う筒状のセラミックフィルタを金属製外枠にて側面より保持するセラミックフィルタの保持方法であって、
側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、その側面全体より、前記金属製外枠にて前記シール材を圧縮し、均一な面圧を保持する保持方法であり、
前記シール材に、アルミナ及びシリカ組成の結晶質繊維であるアルミナ繊維を用いるとともに、
前記金属製外枠は、前記セラミックフィルタの端面の輪郭となるように分割して得られた４つの外枠部材から形成され、側面全体にシール材を被覆したセラミックフィルタを、前記外枠部材同士で包囲するように四方から均等に荷重を掛けて、前記シール材全体に均一な面圧を与えつつ、前記外枠部材の端面同士を固定するセラミックフィルタの保持方法。
前記アルミナ繊維の化学組成が、アルミナ７２〜９７質量％、シリカ２８〜３質量％である請求項１又は２に記載のセラミックフィルタの保持方法。
前記シール材の圧縮率が、０．４〜０．７である請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックフィルタの保持方法。
前記セラミックフィルタが、その外周壁周囲に凸状部を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のセラミックフィルタの保持方法。
前記凸状部が、前記セラミックフィルタの外周壁に帯状に巻かれたものである請求項５に記載のセラミックフィルタの保持方法。
前記セラミックフィルタが、その外周壁周囲に、前記セラミックフィルタを細かく砕いたものを付着させたものである請求項１〜６のいずれか１項に記載のセラミックフィルタの保持方法。
前記金属製外枠が、前記セラミックフィルタの把持面側に凸状部が配設されている請求項１〜７のいずれか１項に記載のセラミックフィルタの保持方法。
前記凸状部が、円弧状のリブ、エキスパンドメタル又は金網で形成されている請求項８に記載のセラミックフィルタの保持方法。
前記金属製外枠が、その一方の開口端部にフランジを形成する請求項１〜９のいずれか１項に記載のセラミックフィルタの保持方法。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法でセラミックフィルタを保持したフィルタパック。