JP5803091B2

JP5803091B2 - 誘電体フィルタ及びその製造方法

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Publication number: JP5803091B2
Application number: JP2010262892A
Authority: JP
Inventors: 和田　正弘; 正弘和田; 神田　栄子; 栄子神田; 磯部　毅; 毅磯部
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: JP2012110851A

Description

本発明は、様々な気体中に含まれる有害物質を、静電力によって吸着したりイオン化ガスによって分解したりする除外装置に用いられる誘電体フィルタに関する。

ゴミ焼却炉、化学プラント、自動車などの排気中に含まれる有害物質、建屋内での悪臭や粉塵などを除去するために、各種方法の除外装置が開発されている。

例えば、特許文献１には、被処理ガスの風路に１対の電極を設け、電極間に誘電体のペレットや誘電体に穴あけ加工（たとえば直径１ｍｍ）した誘電体フィルタを配置し、電極間に電位を加えることによりプラズマを生成し、有毒ガスを分解する装置が示されている。

また特許文献２には、被処理ガスの風路に配置した電極に電位を加えることによりガス中の粉塵等を帯電させ、その粉塵等を風路中の電極の風下側に配置した誘電体フィルタに吸着させる装置が示されている。

特開平９−２９４９１１号公報特開昭６２−２８９２４８号公報

しかしながら、特許文献１に示されるような誘電体のペレットや誘電体に穴あけ加工した誘電体フィルタでは、被処理ガスが通過する時の圧力損失が大きい。このため、処理量を多くするには風路の断面積を大きくする必要があり、装置が大型化する欠点がある。また、誘電体フィルタの材質は、同文献には記載されていないが、性能を求める場合はセラミックスとなる。そのため振動やハンドリングなどで破損し易い欠点もある。

また、特許文献２に示される誘電体フィルタの場合は、特許文献１の場合と同様に圧力損失が大きいという欠点があるとともに、Ｕ字型に加工する必要があることから、成形加工が難しく、使用時には破損し易いと言う課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ガス中に含まれる有害物を除去する装置に用いられ、圧力損失が小さく、これにより装置自体を小型化することを可能とし、振動などにより破損しない誘電体フィルタを提供することを目的とする。

本発明は、連続した骨格により形成される空孔が連通した三次元網目状構造を有する金属多孔質体と、この金属多孔質体の表面に形成された酸化物層と、この酸化物層の表面に形成された誘電体層とを有し、気孔率が６０％以上９５％以下であり、前記誘電体層により表面が形成されており、前記酸化物層は、前記金属多孔質体の表面が酸化された層である誘電体フィルタである。

この誘電体フィルタによれば、気孔率が６０％以上に設定されているので、圧力損失が小さく、風路の断面積を過剰に大きくしなくても処理量を多くでき、装置の大型化を抑えることができる。また、気孔率が９５％以下に設定されているので、誘電体フィルタに十分な強度を確保できる。
また、この誘電体フィルタにおいて、前記金属多孔質体の表面に酸化物層を有し、この酸化物層の表面に前記誘電体層が形成されており、金属多孔質体と酸化物層との密着性、および酸化物層と誘電体層との密着性が高いので、誘電体層と金属多孔質体との密着性を高めることができる。これにより、誘電体層の剥離が生じにくく、絶縁を保持することができる。
この場合、酸化物層は、金属多孔質体の表面を酸化処理することにより形成している。酸化物層の組成は、金属多孔質体の材質により異なるが、たとえば金属多孔質体がステンレス鋼の場合にはクロムを主体とした酸化物、金属多孔質体がチタンの場合にはチタン酸化物となる。絶縁性の確保のためには、安定した絶縁性酸化物を形成するチタンを用いて金属多孔質体を形成することが好ましい。

この誘電体フィルタにおいて、前記誘電体層の厚さは０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。誘電体層の厚さを０．１μｍ以上に設定することにより、誘電体層の分極による集塵効果を十分に得ることができる。また、誘電体層の厚さを５μｍ以下に設定することにより、誘電体層の剥離を防止できる。

また、この誘電体フィルタにおいて、前記金属多孔質体の平均気孔径は２０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。平均気孔径が２０μｍ以上であることにより、圧力損失が小さく、装置の大型化を防ぐことができる。一方、気孔径が大きすぎると、吸着面から離れた位置を流れる吸着物質の割合が増え、静電力による吸着効果が小さくなるので、平均気孔径が１０００μｍを超えないように設定される。

また、この誘電体フィルタにおいて、前記酸化物層の厚さは０．１μｍ以下であることが好ましい。酸化物層の厚さを０．１μｍ以下とするのは、酸化物層が厚すぎると脆く、強度が低下するからである。

本発明の誘電体フィルタの製造方法は、前記金属多孔質体の表面を酸化処理することにより前記酸化物層を形成した後、金属アルコキシドの溶液に前記金属多孔質体を浸漬し、焼き付けるゾルゲル法により、前記誘電体層を形成する。ゾルゲル法によれば、金属多孔質体の内部の骨格表面に均質に成膜でき、多孔質体の孔を塞ぐことがない。これに対し、スラリー状とした微粒子を金属多孔質体の表面に塗布して焼成する方法、スパッタリングにより薄膜を形成する方法なども採用できる。しかしながら、前者の方法は、多孔質体の気孔を塞ぎやすいため、圧力損失が大きくなりやすい。後者の方法は、多孔質体内部の骨格表面を被覆できない。

本発明の誘電体フィルタによれば、圧力損失が小さく、振動などによる破損が生じにくい誘電体フィルタを提供できる。

本発明の誘電体フィルタを示す斜視図である。本発明の誘電体フィルタを示す断面図である。金属多孔質材の製造装置を示す側面図である。本発明の誘電体フィルタの圧力損失を測定する装置を示す概念図である。

以下、本発明に係る誘電体フィルタの実施形態を説明する。本発明の誘電体フィルタ１０は、図１および図２に示すように、連続した骨格１０ａにより形成される空孔１０ｂが連通した三次元網目状構造を有する金属多孔質体１１と、この金属多孔質体１１の表面に形成された誘電体層１２とを有し、気孔率が６０％以上９５％以下である。

誘電体フィルタ１０の金属多孔質体１１と誘電体層１２との間には、金属多孔質体１１を酸化処理してなる酸化物層１３が設けられている。これら各層の厚さは、誘電体層１２が０．１μｍ以上５μｍ以下、酸化物層１２が０．１μｍ以下である。また、誘電体フィルタ１０の平均気孔径は、２０μｍ以上１０００μｍ以下である。

金属多孔質体１１は、たとえば、金属粉末、バインダ、可塑剤、界面活性剤、発泡剤を、バインダの溶媒の水とともに混練して発泡性スラリーを作製し、その発泡性スラリーを成形装置３０を用いたドクターブレード法等により板状に成形し、発泡させ、脱脂、焼結することにより、作製される。

金属粉末としては、特に限定されないが、耐食性等の点から、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ａｌ，Ａｇ，ステンレス鋼等が好ましい。また、この金属粉末は平均粒径０．５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。このような粉末は、水アトマイズ法，プラズマアトマイズ法などのアトマイズ法、酸化物還元法，湿式還元法，カルボニル反応法などの化学プロセス法によって製造することができる。

バインダ（水溶性樹脂結合剤）としては、メチルセルロース，ヒドロキシプロピルメチルセルロース，ヒドロキシエチルメチルセルロース，カルボキシメチルセルロースアンモニウム，エチルセルロース，ポリビニルアルコールなどを使用することができる。

可塑剤は、スラリーを成形して得られる成形体に可塑性を付与するために添加され、例えばエチレングリコール，ポリエチレングリコール，グリセリンなどの多価アルコール、鰯油，菜種油，オリーブ油などの油脂、石油エーテルなどのエーテル類、フタル酸ジエチル，フタル酸ジＮブチル，フタル酸ジエチルヘキシル，フタル酸ジオクチル，ソルビタンモノオレート，ソルビタントリオレート，ソルビタンパルミテート，ソルビタンステアレートなどのエステル等を使用することができる。

界面活性剤としては、アルキルベンゼンスルホン酸塩，α‐オレフィンスルホン酸塩，アルキル流酸エステル塩，アルキルエーテル硫酸エステル塩，アルカンスルホン酸塩等のアニオン界面活性剤，ポリエチレングリコール誘導体，多価アルコール誘導体などの非イオン性界面活性剤および両性界面活性剤などを使用することができる。

発泡剤は、ガスを発生してスラリーに気泡を形成できるものであればよく、揮発性有機溶剤、例えば、ペンタン，ネオペンタン，ヘキサン，イソヘキサン，イソペプタン，ベンゼン，オクタン，トルエンなどの炭素数５〜８の非水溶性炭化水素系有機溶剤を使用することができる。この発泡剤の含有量としては、発泡性スラリーに対して０．１〜５重量％とすることが好ましい。

さらに、スラリーの特性や成形性を向上させるために任意の添加成分を加えてもよい。例えば、防腐剤を添加してスラリーの保存性を向上させたり、結合助材としてポリマー系化合物を加えて成形体の強度を向上させたりすることができる。

図３に示す成形装置３０は、ドクターブレード法を用いてシート状の成形体を形成する装置であり、発泡性スラリーが貯留されるホッパ３１、ホッパ３１から供給された発泡性スラリーＳを移送するキャリヤシート３２、キャリヤシート３２を支持するローラ３３、キャリヤシート３２上の発泡性スラリーＳを所定厚さに成形するブレード（ドクターブレード）３４、発泡性スラリーＳを発泡させる恒温・高湿度槽３５、および発泡したスラリーを乾燥させる乾燥槽３６を備えている。なお、キャリヤシート３２の下面は、支持プレート３７によって支えられている。

この成形装置３０においては、まず、発泡性スラリーＳをホッパ３１に投入しておき、このホッパ３１から発泡性スラリーＳをキャリヤシート３２上に供給する。キャリヤシート３２は図３の右方向へ回転するローラ３３および支持プレート３７によって支持されており、その上面が図の右方向へと移動している。キャリヤシート３２上に供給された発泡性スラリーＳは、キャリヤシート３２とともに移動しながらブレード３４によって薄板状に成形される。

〈発泡乾燥工程〉
次いで、薄板状の発泡性スラリーＳは、所定条件（例えば温度３０℃〜４０℃、湿度７５％〜９５％）の恒温・高湿度槽３５内を、例えば１０分〜２０分かけて移動しながら発泡する。続いて、この恒温・高湿度槽３５内で発泡したスラリーは、所定条件（例えば温度５０℃〜７０℃）の乾燥槽３６内を例えば１０分〜２０分かけて移動し、乾燥される。これにより、スポンジ状のグリーンシート（図示略）が得られる。

このようにして得られたグリーンシートを脱脂・焼結することにより、薄板状の金属多孔質材が形成される。具体的には、例えば真空中、温度５５０℃〜６５０℃、２５分〜３５分の条件下でグリーンシート中のバインダ（水溶性樹脂結合剤）を除去（脱脂）した後、さらに真空中、温度７００℃〜１３００℃、６０分〜１２０分の条件下で焼結する。

誘電体層１２は、たとえばチタン酸バリウムなど、誘電率が高く分極しやすい材質から形成される。

酸化物層１３は、たとえば、作製した金属多孔質体１１を所定時間大気中で加熱処理するなどにより、任意の厚さに形成される。

以下、本発明に係る誘電体フィルタ１０の実施例および比較例を説明する。

（実施例１）
合金粉末を含むスラリーを作製して板状に成形し、脱脂・焼結するスラリー発泡法により、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製の板状金属多孔質材を製造した。合金粉末は、平均粒径２０μｍ、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼の組成を持つように、水アトマイズ法により作製した。スラリーは、この合金粉末と、結着剤としてポリビニルアルコールと、可塑剤としてグリセリンと、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩と、発泡剤としてヘプタンとを、バインダの溶媒の水とともに混練することにより、作製した。この板状金属多孔質材の表面を顕微鏡で観察したところ、平均気孔径は５０μｍであった。

この板状金属多孔質材を、圧延機を用いて厚さ２ｍｍに圧延し、レーザー切断機を用いて直径５０ｍｍの円形にカットし、金属多孔質体Ａを得た。重量測定した結果、この金属多孔質体Ａの気孔率は６０％であった。

次に、市販の強誘電体チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺＲ，Ｔｉ）Ｏ₃）薄膜形成用のゾル・ゲル液を準備した。金属多孔質体Ａをこのゾル・ゲル液中に浸漬した後に取り出し、オーブンで大気中、１５０℃、３０分間の条件で乾燥させた。そして、真空中６００℃、３０分間の条件で、熱処理し、金属多孔質体Ａを構成する骨格の表面に、ＰＺＴ薄膜（誘電体層）を形成した。

高分解能ＳＥＭにより金属多孔質体Ａの骨格の断面を観察すると、誘電体層の厚さは、０．１μｍであった。上記と同一条件で、平坦なシリコンウエハに試料（ゾル・ゲル液）を成膜し、電極接触法を用いてこの膜の比誘電率を測定した結果、５００であった。

（実施例２）
実施例１と同様に、スラリー発泡法により板状金属多孔質材を得た。すなわち、平均粒径２０μｍの純チタン粉末と、結着剤としてポリビニルアルコールと、可塑剤としてグリセリンと、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩と、発泡剤としてヘプタンとを、溶媒の水とともに混練することにより、発泡性スラリーを作製した。この発泡性スラリーを板状に成形し、脱脂・焼結にすることにより、チタン製の板状金属多孔質材を得た。この板状多孔質金属材の表面を顕微鏡で観察したところ、平均気孔径は１０００μｍであった。

この板状金属多孔質材を、圧延機を用いて厚さを２ｍｍに圧延し、レーザー切断機を用いて直径５０ｍｍの円形にカットし、金属多孔質体Ｂを得た。重量測定した結果、この金属多孔質体Ｂの気孔率は９５％であった。

このチタン製の金属多孔質材Ｂを大気中５００℃、５分間の条件で熱処理し、骨格の表面に酸化物層を形成した。オージェ分析により酸化物層の膜厚を測定したところ、厚さ０．１μｍであった。

次に、市販の強誘電体チタン酸バリウムＢＴＯ（ＢａＴｉＯ₃）薄膜形成用のゾル・ゲル液を準備し、金属多孔質体Ｂをこのゾル・ゲル液中に浸漬した。金属多孔質体Ｂをゾル・ゲル液中から取出し、オーブンで大気中、１５０℃、３０分間の条件で乾燥させた。以上の浸漬−乾燥を５回繰り返した。そして、金属多孔質体Ｂを真空中８００℃、３０分間の条件で熱処理し、骨格の表面に、ＢＴＯ薄膜（誘電体層）を形成した。

高分解能ＳＥＭにより金属多孔質体Ｂの骨格の断面を観察すると、誘電体層の厚さは、５μｍであった。上記と同一条件で、平坦なシリコンウエハに試料（ゾル・ゲル液）を成膜し、電極接触法を用いてこの膜の比誘電率を測定した結果、３００であった。

（比較例）
実施例１，２と同じ外形（直径５０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）のジルコニア製板に、直径１ｍｍの穴を３ｍｍピッチの間隔で切削加工し、比較例のフィルタＣとした。

（評価）
各実施例および比較例のフィルタについて、ＪＩＳＢ９９０８「エアフィルタユニットの性能試験方法」に準拠して、圧力損失を比較する評価を行った。具体的には、図４に示すように、内径５０ｍｍの管状の流路２０中に、流通方向にほぼ直行するようにフィルタＡ，Ｂ，Ｃを配置し、流路２０に風速１ｍ／秒で気体を流通させ、差圧計２１を用いてフィルタＡ，Ｂ，Ｃの上流側と下流側との差圧を測定した。

結果、実施例１の誘導体フィルタＡの場合の差圧は５００Ｐａ、実施例２の誘導体フィルタＢの場合の差圧は１０Ｐａ、比較例のフィルタＣの場合の差圧は１２００Ｐａであった。つまり、本発明に係る誘導体フィルタＡ，Ｂは、複数の穴が形成されたフィルタＣよりも圧力損失が低いことが確認できた。

以上説明したように、本発明によれば、圧力損失が小さく、振動などにより破損しにくい誘導体フィルタを提供することができる。
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、前記実施形態では、スラリー発泡法を用いて金属多孔質体を作製したが、金属多孔質体は、たとえば樹脂製スポンジの表面に金属めっきを施した後、樹脂製スポンジを焼失させることにより作製したり、樹脂製ビーズと金属粉末とを含むスラリーを板状に成形し、金属粉末を焼結するとともにビーズを焼失させることにより作製したりしてもよい。

１０誘導体フィルタ
１０ａ骨格
１０ｂ空孔
１１金属多孔質体
１２誘電体層
１３酸化物層

Claims

連続した骨格により形成される空孔が連通した三次元網目状構造を有する金属多孔質体と、この金属多孔質体の表面に形成された酸化物層と、この酸化物層の表面に形成された誘電体層とを有し、気孔率が６０％以上９５％以下であり、前記誘電体層により表面が形成されており、前記酸化物層は、前記金属多孔質体の表面が酸化された層であることを特徴とする誘電体フィルタ。
前記誘電体層の厚さは０．１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルタ。
前記金属多孔質体の平均気孔径は２０μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体フィルタ。
前記酸化物層の厚さは０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の誘電体フィルタ。
請求項１から４のいずれか一項記載の誘電体フィルタを製造する方法であって、前記金属多孔質体の表面を酸化処理することにより前記酸化物層を形成した後、金属アルコキシドの溶液に前記金属多孔質体を浸漬し、焼き付けるゾルゲル法により、前記誘電体層を形成することを特徴とする誘電体フィルタの製造方法。