JP5930876B2 - セラミックス成形体、膜エレメント、セラミックス成形体の製造方法、セラミックス構造体の製造方法、及び膜エレメントの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス成形体、セラミックス成形体の製造方法、セラミックス構造体の製造方法、及び膜エレメントに関する。

耐熱性、耐食性、耐摩耗性等が要求される装置や機器の構成部材としてセラミックスの応用が種々試みられている。その部材には複雑形状を有するものも多いが、部材に要求される形状・寸法精度等の点から、これを一体品として製造することは多くの場合困難である。

そこで、セラミックス材料を用いてユニット化された複数の小さなセラミックス成形体を接合することにより、大きなセラミックス構造体を得ることが提案されている。

特許文献１には、セラミックス成形体同士の接合面を、バインダの水溶液等と接触させて湿潤化し、湿潤状態の接合面に、接合材として上記セラミックス成形体の構成粉末と同じ組成の粉末を含有するスラリーを塗布して接合面同士を密着させて、乾燥した後、冷間静水加圧プレス処理をし、ついで焼結処理することで、セラミックス成形体同士を接合する方法が開示されている。

特許文献２には、所定の開孔セルを備え、所定厚みのハニカム状セラミックスモジュールを複数、開孔セルの軸方向が連通するように、開孔セルの軸方向に積層して所定厚みの前記ハニカム状セラミックスモジュールを複数配設し、各モジュールのセル枠のセル開孔部の面に、焼結助剤のペーストを塗布して、各モジュールが接合されて成るハニカム状セラミックス構造体が提案されている。

また、特許文献３には、上述したスラリー状の接合材やペースト状の焼結助剤を用いる代わりに、セラミックス部材同士を、多孔質セラミックスとセラミックスグリーンシートとの積層体で構成された接合体を介して当接し、加熱、加圧することにより接合する方法が開示されている。

特許文献４には、第１の加圧成形体の接合面と第２の加圧成形体の接合面の間に、接合中間層として加圧成形体と同種又は異種のセラミックス原料粉末を含む成形体を挟む工程、及び接合中間層の成形体を介して第１の加圧成形体と第２の加圧成形体とを加圧して接合する工程を含み、接合中間層とする成形体は、第１の加圧成形体及び第２の加圧成形体の弾性率よりも小さい弾性率を有することを特徴とするセラミックス原料粉末の加圧成形体の接合方法が提案されている。

特開平０５‐２５４９４７号公報 特開平８‐１２４６０号公報 特許第２８０９０００号公報 特開２０１０‐７０３９７号公報

特許文献１に開示された接合方法では、セラミックス成形体同士の接合面に、接合材としてのスラリーを塗布する際に、塗布量が過剰であると接合面からスラリーがはみ出して液垂れする虞があり、逆に塗布量が不足すると未接合箇所が発生して接合強度が低下する虞もある。また、接合面でのスラリーの塗布量が不均一であると、焼結時に割れや裂けが生じて接合不良を招く虞もあり、スラリーの塗布量の管理が難しいという問題があった。

特許文献２に開示された接合方法のように、一対の対向する端面間に複数の流体通流孔が貫通形成されたセラミックス成形体同士を、各流体通流孔が連通するように多段に接合することによって、セラミックス構造体の一例としてのフィルタ用の膜エレメントを製造する場合に、接合面に塗布したペーストが流体通流孔側にはみ出すと、流体通流孔内で流体の通流抵抗となり、所期の機能が発揮されなくなるという問題もあった。

このように、焼成前のセラミックス成形体に接合材を塗布する工程では、接合部に接合材を均一に過不足なく塗布する必要があり、そのために厳格な工程管理が要求されて作業効率が低下するという問題もあった。

一方、特許文献３に開示されたセラミックス部材の接合方法では、このような問題が解消されるが、セラミックスグリーンシートは強度が低いため、セラミックス成形体同士の接合作業時にセラミックスグリーンシートが変形したり破損したりしないように慎重に作業する必要があり、作業効率の改善という観点、機械による自動化という観点でも更なる改良の必要性に迫られている。

また、セラミックス成形体同士の接合端面の形状が複雑な場合、確実にセラミックス成形体同士を接合するためには、被接合面とセラミックスグリーンシートの双方に成形精度が要求される。

特許文献４に開示された接合中間層も薄膜の場合には、特許文献３と同様の課題があった。また、第１及び第２の加圧成形体のみならず接合中間層の成形体を成形するための設備が必要なため設備費が嵩む。

本発明の目的は、製造時の作業性がよく、製造工程を削減することができるセラミックス成形体、膜エレメント、セラミックス成形体の製造方法、セラミックス構造体の製造方法、及び膜エレメントの製造方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるセラミックス成形体の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材成形体層がセラミックス成形体層に一体に成形され、前記セラミックス成形体層は、一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成され、焼成により多孔質セラミックスとなる点にある。

接合材成形体層を介して他のセラミックス成形体と位置決めして接触させた状態で両者を焼成すれば、当該接合材成形体層が一体に成形されたセラミックス成形体と他のセラミックス成形体とが接合される。このような接合材成形体層が予めセラミックス成形体層に一体に成形されているため、破損しやすいグリーンセラミックスシートや接合中間層をセラミックス成形体同士の接合端面に慎重に位置決めするような注意を要する作業から解放される。さらには、スラリーやペーストを塗布する作業も不要となり、スラリーやペーストの過剰塗布、過少塗布、不均一塗布の問題も解消される。従って、製品の歩留まりを大きく向上させることができ、製造工程も削減できるようになる。

このような多孔質セラミックスは微細な空隙を有し、例えば流体フィルタや触媒の担体等様々な用途に用いることができる。一対の対向する端面間に形成された複数の流体通流孔に被処理流体を供給することで、被処理流体を多孔質セラミックスの空隙を通過できるものと通過できないものに効率よく分離することができる。このようなセラミックス成形体層に接合材成形体層が一体に成形されていれば、当該接合材成形体層を介して、複数のセラミックス成形体を接合することによって、任意の規模の多孔質セラミックスを容易に構成することができる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記接合材成形体層は、前記セラミックス成形体層の他のセラミックス成形体に対向する端面に、当該端面形状に対応した形状で一体に成形されている点にある。

セラミックス成形体層の接合端面が複雑な平面形状であっても、立体形状であっても、それに対応して予め接合材成形体層が一体に成形されているので、接合のための位置決めも容易になる。尚、接合材成形体層の厚み等も成形時に容易に調整できるので、焼成時に溶けた接合材が接合端面の周囲にはみ出すような事態も解消される。端面形状に対応した形状とは、セラミックス成形体層の接合端面の形状と同一の形状に限らず、セラミックス成形体同士を適切に接合するために必要な形状であればよい。接合材成形体層は、セラミックス成形体層の一方の端面に成形する場合に限らず、他方の端面に形成したり、さらには両方の端面に成形してもよい。

本発明による膜エレメントの特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成を備えたセラミックス成形体が、各流体通流孔が連通するように前記接合材成形体層を介して接合された、焼成体で構成される点にある。

本発明によるセラミックス成形体の製造方法の第一の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、セラミックス原料を所定形状の型に充填した後にプレスするセラミックス成形体層成形工程と、焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材原料を前記型に充填した後にプレスする接合材成形体層成形工程とを含み、少なくとも一方の成形工程によりプレス成形された成形体層が前記型に存在する状態で他方の成形工程が実行されることにより、接合材成形体層がセラミックス成形体層に一体に成形される点にある。

例えば、先にセラミックス成形体層をプレス成形して、その後接合材成形体層をプレス成形する場合は、セラミックス成形体層の端面に合うように接合材成形体層が形成され、セラミックス成形体層と接合材成形体層の二層が一体となったセラミックス成形体が容易に得られる。先に接合材成形体層をプレス成形して、その後セラミックス成形体層をプレス成形する場合は、接合材成形体層の端面の形状に合うようにセラミックス成形体層が形成され、セラミックス成形体層と接合材成形体層の二層が一体となったセラミックス成形体が容易に得られる。

同第二の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記接合材成形体層成形工程で用いられる接合材原料は、少なくとも前記セラミックス成形体層の主となるセラミックス材料よりも融点が低いセラミックス材料が含まれている点にある。

焼成時に融点の低いセラミックス材料がセラミックス成形体層のセラミックス材料より溶け易いので、セラミックス成形体同士の良好な接合が促される。

同第三の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、所定のセラミックス微粒子に有機バインダを添加したスラリーを、スプレードライ法を用いて所定の粒径に造粒したセラミックス粒状体を前記セラミックス原料として生成するセラミックス原料生成工程をさらに含む点にある。

スプレードライ法によって、所定の粒径に造粒したセラミックス粒状体を用いれば、セラミックス原料の型への充填を容易に行なうことができる。

同第四の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記セラミックス成形体層成形工程は、複数のピンが立設された型に原料を充填した後にプレスすることにより、一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成されたセラミックス成形体層を得る工程である点にある。

プレスによってセラミックス成形体層を成形するのと同時に複数の流体通流孔を形成することができる。流体通流孔を形成するための後加工が不要となる。

本発明によるセラミックス構造体の製造方法の第一の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成されたセラミックス成形体層の少なくとも一方の端面に、焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材成形体層が当該端面形状に対応した形状で一体に成形されている複数のセラミックス成形体を、各流体通流孔が連通し、且つ、少なくとも隣接するセラミックス成形体間に前記接合材成形体層が位置するように配列する配列工程と、前記配列工程で配列された複数のセラミックス成形体を所定温度で焼成して、セラミックス成形体を接合するとともに多孔質化する焼成工程と、を含む点にある。

接合材成形体層が一体に成形されているセラミックス成形体層は接合工程で接合材成形体層を介して配列され、その状態で焼成される。このようなセラミックス構造体の製造方法によれば、一度の焼成工程で簡単に複数のセラミックス成形体を接合できるようになる。従って、製造工程の削減と、製品の歩留まりを大きく向上させることができる。

そして、接合工程で、一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔を備えたセラミックス成形体層を、各流体通流孔同士が連通するよう配置して焼成する。接合材成形体層は、セラミックス成形体層の端面形状に対応した形状に成形されているので、接合材が流体通流孔を閉塞するようなことがない。

同第二の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記焼成工程は、複数のセラミックス成形体が所定圧力で加圧された状態で行なわれる点にある。

複数のセラミックス成形体を所定の圧力で加圧した状態で焼成すると、溶けた接合材が隣接するセラミックス成形体の端部に効率よく密着するので、隣接するセラミックス成形体同士を確実に接合することができる。

本発明による膜エレメントの製造方法の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成されたセラミックス成形体層の少なくとも一方の端面に、焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材成形体層が当該端面形状に対応した形状で一体に成形されている複数のセラミックス成形体を、各流体通流孔が連通し、且つ、少なくとも隣接するセラミックス成形体間に前記接合材成形体層が位置するように配列する配列工程と、前記配列工程で配列された複数のセラミックス成形体を所定温度で焼成して、セラミックス成形体を接合するとともに多孔質化する焼成工程と、
を含むセラミックス構造体で構成される点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、製造時の作業性がよく、製造工程を削減することができるセラミックス成形体、膜エレメント、セラミックス成形体の製造方法、セラミックス構造体の製造方法、及び膜エレメントの製造方法を提供することができるようになった。

（ａ）は本発明によるセラミックス成形体の説明図、（ｂ）はセラミックス構造体の説明図 本発明による膜エレメントの説明図 本発明によるセラミックス成形体の説明図で、（ａ）は正面、平面及び右側面を表す図、（ｂ）は背面、底面及び左側面を表す図 セラミックス成形体の製造方法の説明図であって、（ａ）はセラミックス原料を投入した状態の概略図、（ｂ）は投入されたセラミックス原料をプレスした状態の概略図、（ｃ）は接合材原料を投入した状態の概略図、（ｄ）は投入された接合材原料をプレスした状態の説明図、（ｅ）はパンチと金型をあげた状態の概略図 セラミックス成形体の配列工程と接合工程を説明する概略図 （ａ）は濾過工程で動作する膜モジュールの説明図、（ｂ）は逆洗浄工程で動作する膜モジュールの説明図 本発明による膜エレメントを用いた膜モジュールの説明図 本発明によるセラミックス成形体の説明図で、（ａ）は正面、平面及び右側面を表す図、（ｂ）は背面、底面及び左側面を表す図

以下に、本発明によるセラミックス成形体、膜エレメント、セラミックス成形体の製造方法、セラミックス構造体の製造方法、及び膜エレメントの製造方法について説明する。

図１（ａ）には本発明によるセラミックス成形体２０の一例が示されている。当該セラミックス成形体２０は、セラミックス成形体層６と接合材成形体層１１とを備えて構成され、これらセラミックス成形体層６と接合材成形体層１１が一体に成形されている。

接合材成形体層１１は、当該セラミックス成形体層６と他のセラミックス成形体とを接合するための接合剤として機能する層であり、図１（ａ）では直方体形状に成形されたセラミックス成形体層６の上下の端面６ａ，６ｂのうち、上方の端面６ａに、当該端面６ａと同じ平坦な形状で均一な厚みに形成されている。

図１（ｂ）に示すように、このようなセラミックス成形体２０の接合材成形体層１１を、他のセラミックス成形体２０のセラミックス成形体層６と接するように位置決めして配列した状態で焼成すると、接合材成形体層１１が溶融して隣接するセラミックス成形体層６同士が接合され、一体化される。

図１（ｂ）では、二つのセラミックス成形体２０を接合する例が示されているが、三個以上の複数のセラミックス成形体２０を接合する場合も同様で、一対のセラミックス成形体層６の間に接合材成形体層１１が位置するように複数のセラミックス成形体２０を位置決めして配列した状態で焼成すればよい。

接合材成形体層１１は、セラミックス成形体層６の端面６ａの全面にわたり、均一な厚さに形成され、セラミックス成形体層６及び接合材成形体層１１の組成、接合のための焼成の温度、接合強度等により予め好ましい厚さに設定されている。

図１（ａ）に示す二つのセラミックス成形体２０を、接合材成形体層１１同士が対向するように配置して接合することも可能である。

このようなセラミックス成形体２０であれば、セラミックス成形体層６同士を接合する際に、スラリーやペースト状の接合材を接合面に注意深く均一に塗布するといった煩雑な作業が不要となり、接合材の過剰塗布、過少塗布または不均一塗布により接合不良が発生することもない。また、破損しやすいグリーンセラミックスシート等でなる接合材を注意深く接合面に位置決め配置する煩雑な作業も不要となる。従って、製品の歩留まりを大きく向上させることができ、製造工程も削減できるようになる。

セラミックス成形体層６の端面全域を接合する必要がない場合には、端面の一部分にのみ接合材成形体層１１を形成してもよい。一対のセラミックス成形体層６の端面の双方に部分的に接合材成形体層１１を形成し、一対の接合材成形体層１１によってセラミックス成形体層６の端面の全域が覆われるような態様で接合材成形体層１１を形成してもよい。

一対のセラミックス成形体層６の接合端面に単一または複数の孔部等の開口が形成されている場合には、当該開口を除く端面に接合材成形体層１１を一体に形成すれば、焼成による接合時に溶融した接合材により孔部が閉塞される虞がない。

セラミックス成形体層６の接合端面に形成された開口と接合材成形体層１１の開口とは物理的に必ずしも同一寸法である必要は無く、接合時に溶融した接合材により孔部が閉塞されるような不都合な事態が発生しなければ、多少の相違があってもよい。

つまり、接合材成形体層１１は、他のセラミックス成形体に対向する端面に、当該端面形状に対応した形状で一体に成形されていればよい。セラミックス成形体層６の接合端面に凹凸が形成されている場合には、当該凹凸形状に対応する形状の接合材成形体層１１を一体に形成すればよい。

尚、セラミックス成形体層６の厚みが薄い場合には、孔部を覆う状態で接合材成形体層１１が一体に形成されていても、孔部が閉塞されることはない。

次に、本発明によるセラミックス成形体２０の製造方法の一例を説明する。セラミックス成形体２０は、セラミックス成形体層６の原料であるセラミックス原料を所定形状の金型に充填した後にプレスしてセラミックス成形体層６を成形するセラミックス成形体層成形工程と、セラミックス成形体層６が金型に存在する状態でセラミックス成形体層６の上に接合材原料を充填した後にプレスする接合材成形体層成形工程とを経て製造される。尚、先に接合材成形体層成形工程を実行して、その後セラミックス成形体層成形工程を実行してもよい。成形されるセラミックス成形体層６や接合材成形体層１１の厚みは、原料の金型への充填量を調整することで容易に調整できる。

セラミックス原料は、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）系セラミックスや、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やコージュライト等のセラミックス微粒子によって構成されている。

接合材原料は、セラミックス成形体層６の主となるセラミックス材料よりも融点が低いセラミックス材料を含むものが望ましい。このような接合材原料を用いて成形された接合材成形体層１１は、焼成時に融点の低いセラミックス材料がセラミックス成形体層６のセラミックス材料より溶け易いので、セラミックス成形体２０同士の接合が促される。

セラミックス成形体２０のセラミックス成形体層６を、焼成により多孔質セラミックスとなるような材料で構成すると、焼成後のセラミックス成形体２０は、多孔質セラミックスの微細な空隙を利用して、例えば被処理流体に含まれる微小な濁度成分等の固形異物を分離するフィルタや、触媒の担体等様々な用途に用いることができる。

以下に、被処理流体に含まれる微小な濁度成分等の固形異物を分離するフィルタの一例である膜エレメント２について説明する。図２に示すように膜エレメント２は、セラミックス成形体２０で構成される膜エレメントブロックが複数個連なったセラミックス構造体で構成されている。膜エレメント２を構成する膜エレメントブロックの個数は任意である。

膜エレメントブロックは、接合材成形体層１１がセラミックス成形体層６に一体に成形されたセラミックス成形体２０を焼成することで得られるので、以下の説明では、焼成前をセラミックス成形体２０として、焼成後を膜エレメントブロック２０として表記する。セラミックス成形体層６は、焼成により多孔質体セラミックスとなる材料で構成されているが、説明の便宜上、セラミックス成形体層６は、焼成後であってもセラミックス成形体層６との表記を用いる場合がある。

各セラミックス成形体２０には、一対の対向面を貫通する複数の流体通流孔３と、一対の対向面とは異なる側面に開放されたスリット５が形成されており、各セラミックス成形体２０は、各流体通流孔３同士が連通するように接合されている。このような膜エレメント２の最上段の膜エレメントブロック２０の流体通流孔３に被処理流体である被処理水を通流すると、被処理水に含まれる固形異物は各膜エレメントブロック２０で濾過され、各膜エレメントブロック２０の周囲から濾過水が排出される。

図３（ａ），（ｂ）に基づいて、膜エレメントブロック２０を構成するセラミックス成形体２０について説明する。セラミックス成形体２０は、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、高さ４０ｍｍの直方体形状をし、その高さ方向のうち約３９ｍｍ分がセラミックス成形体層６で構成され、残りの約１ｍｍ分が焼成により他のセラミックス成形体２０のセラミックス成形体層６と接合される接合材成形体層１１で構成されている。

セラミックス成形体２０には、一対の対向する端面２０ａ，２０ｂ間を貫通するように高さ方向に沿って８１本の流体通流孔３が形成されている。各流体通流孔３は直径が３．６ｍｍの開口で構成されている。

さらに、セラミックス成形体２０には、端面２０ｂと側面２０ｃに開放された複数のスリット５が形成されている。平面視で中心部に位置する１本の流体通流孔３を除いて、中心から横方向に延びるように形成された２本のスリット５と、当該２本のスリット５と直交するように縦方向に延びるように形成された３本のスリット５によって、流体通流孔３が１０本ずつの８ブロックに区画されている。

セラミックス成形体層６は所定のセラミックス材料をプレス成形することで得られ、接合材成形体層１１はプレス成形後のセラミックス成形体層６とともに、所定の接合材料をプレス成形することでセラミックス成形体層６と一体に成形される。

接合材成形体層１１は、セラミックス成形体層６の一対の対向する端面６ａ，６ｂのうち端面６ａに、端面６ａに対応するように各流体通流孔３に対応する箇所に開口が形成された形状で一体に成形されている。端面形状に対応した形状とは、セラミックス成形体層６の端面６ａの形状と同一の形状に限らず、端面６ａと隣接するセラミックス成形体２０のセラミックス成形体層６の端面６ｂとを適切に接合するために必要な形状であればよい。セラミックス成形体層６の端面６ａが平坦な面であれば、均一な厚みの接合材成形体層１１を形成しておけばよい。

セラミックス成形体層６の端面形状、つまり、他のセラミックス成形体２０のセラミックス成形体層６の端面６ｂ及び、当該端面６ｂに対向する端面６ａが複雑な平面形状であっても、立体形状があっても、それに対応して予め接合材成形体層１１を形成しておくことで、セラミックス成形体層６同士を接合するための位置決めも容易になる。尚、接合材成形体層１１の厚み等も成形時に容易に調整できるので、焼成時に溶けた接合材が接合端面の周囲にはみ出すような事態も解消される。

尚、図３（ａ），（ｂ）に示すセラミックス成形体２０では、端面２０ａは接合材成形体層１１であり、端面２０ｂはセラミックス成形体層６の端面６ｂとなっている。接合材成形体層１１は、セラミックス成形体層６の一方の端面６ａに成形される場合に限らず、図８（ａ），（ｂ）に示すように、セラミックス成形体層６の端面６ｂに成形されてもよい。この場合、セラミックス成形体２０の端面２０ａはセラミックス成形体層６の端面６ａであり、端面２０ｂは接合材成形体層１１となる。さらには、セラミックス成形体層６の対向する一対の端面６ａ，６ｂの両方に成形されてもよい。

図２に示した膜エレメント２の最下段の膜エレメントブロック２０は、端面２０ｂが接合材成形体層１１であるセラミックス成形体２０で構成され、他の膜エレメントブロック２０の配列姿勢と上下反対姿勢で配置されている。最下段のセラミックス成形体２０は、端面２０ｂが隣接するセラミックス成形体２０に接合される。尚、接合材成形体層１１がセラミックス成形体層６の一方の端面６ａに成形された膜エレメントブロック２０、または、接合材成形体層１１がセラミックス成形体層６の一方の端面６ｂに成形された膜エレメントブロック２０の何れかを複数個用いて、全ての膜エレメントブロック２０を同じ方向に配列してもよい。

最上段の膜エレメントブロック２０の流体通流孔３に被処理水が供給されるので、端面２０ａには、端面２０ａから被処理水が浸入しないように、焼成工程前に釉薬を塗布したり、焼成工程後に樹脂を塗布したりする等の処理をして閉塞することが好ましい。釉薬や樹脂に替えて端面２０ａに接合材成形体層１１を形成し、焼成により溶けた接合材成形体層１１で端面２０ａが閉塞されるように構成してもよい。また、釉薬や樹脂による端面２０ａの目封じに替えて、端面２０ａに濾過膜層を形成してもよい。

このように本発明によるセラミックス成形体２０を膜エレメントブロック２０に適用すると、個々のセラミックス成形体２０に形成される流体通流孔３が短くても、セラミックス成形体２０を多段に配列して焼成することによって、長い流体通流孔３を備えた膜エレメント２を容易に得ることができる。

次に、セラミックス成形体２０の製造方法について説明する。
セラミックス成形体２０の製造方法は、セラミックス原料生成工程と、接合材原料生成工程と、セラミックス成形体層成形工程と、接合材成形体層成形工程と、を含んでいる。

セラミックス原料生成工程では、所定のセラミックス微粒子として数μｍから数十μｍのムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）系セラミックスに水と有機バインダ等を添加してスラリーを生成し、このスラリーをスプレードライすることにより１００μｍ前後の粒径のセラミックス粒状体が得られる。このセラミックス粒状体がセラミックス原料となる。

セラミックス原料は、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）系セラミックスを採用した例を示したが、これに限るものではなく、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やコージュライト等、セラミックス成形体層６が形成可能なセラミックス微粒子であれば適宜用いることができる。

接合材原料生成工程では、セラミックス原料を構成する主となるセラミックス材料よりも融点が低いセラミックス材料を含むセラミックス微粒子に水と有機バインダ等を添加してスラリーを生成し、このスラリーをスプレードライすることにより１００μｍ前後の粒径の接合材粒状体が得られる。この接合材粒状体が接合材原料となる。

接合材原料は、インド長石、ソーダライムガラス、ムライトの混合比（重量％）を所定の混合比で配合し、それに結合材を加えて得られる。

但し、接合材原料は、上述の例示に限るものではなく、ケイ酸塩鉱物（シリカ）を含むものであればよい。また、アルミナを含むものであってもよい。尚、浄水処理用の膜エレメントとして使用する場合、有害な重金属成分が溶出しないように、鉛等の重金属を含まないものが望ましい。無アルカリ、アルカリ、アルカリ土類金属及びアルミナ等を含む材料で、単独或いは混合物であってもよい。天然材料であれば、カオリン、ベントナイト、ケイ砂等の粘土鉱物や、ソーダ長石、カリ長石、リチア長石等の長石類が例示できる。人工材料（フリット）であれば、焼成ムライト、アルミナ等の粉砕物や、ソーダ灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、スポジュメン、溶融シリカ等の粉砕物が例示できる。その混合比も接合対象のセラミックス成形体に応じて適宜設定すればよく、特に制限されるものではない。セラミックス成形体層６を構成する材料の収縮率に近い収縮率の材料であればより好ましい。

結合剤として、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）やＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のポリビニル系のバインダ樹脂やアクリル系のバインダ樹脂等を用いることができる。比較的低温で容易にガス化するバインダ樹脂を用いることが好ましい。

図４（ａ）から（ｅ）に基づいて、セラミックス成形体層成形工程と、接合材成形体層成形工程について説明する。セラミックス成形体層成形工程と、接合材成形体層成形工程は、プレス成形装置を用いて実行される。プレス成形装置は、図４（ａ）から（ｅ）に示すように、原料が充填される金型３０と、金型３０に充填された原料を上下からプレスする上パンチ３１、下パンチ３２を備えている。

セラミックス成形体層成形工程では、図４（ａ）に示すように、金型３０に、セラミックス原料Ｓを充填した後、図４（ｂ）に示すように上パンチ３１と下パンチ３２を押圧することで、セラミックス成形体層６がプレス成形される。

次に、セラミックス成形体層成形工程によりプレス成形されたセラミックス成形体層６が金型３０に存在する状態で、接合材成形体層成形工程が実行される。接合材成形体層成形工程は、図４（ｃ）に示すように、セラミックス成形体層６の上に接合材原料Ｇを投入し、図４（ｄ）に示すようにパンチ３１，３２を押圧することで、接合材成形体層１１がセラミックス成形体層６に一体に成形される。その後、図４（ｅ）に示すように、その後上パンチ３１と下パンチ３２を上げると、接合材成形体層１１がセラミックス成形体層６に一体に成形されたセラミックス成形体２０が得られる。

尚、金型３０の内部空間に、各流体通流孔３に対応する形状の複数のピンを立設したり、各スリット５に対応する形状の複数のプレートを立設すれば、セラミックス成形体層６や接合材成形体層１１の成形と同時に、セラミックス成形体２０に複数の流体通流孔３と複数のスリット５を形成することができる。

先にセラミックス成形体層６をプレスして、その後接合材成形体層１１をプレスする場合は、セラミックス成形体層６の端面に合うように接合材成形体層１１が形成され、セラミックス成形体層６と接合材成形体層１１の二層が一体となったセラミックス成形体２０が得られる。先に接合材成形体層１１をプレスして、その後セラミックス成形体層６をプレスする場合は、接合材成形体層１１の端面の形状に合うようにセラミックス成形体層６が形成され、接合材成形体層１１とセラミックス成形体層６の二層が一体となったセラミックス成形体２０が得られる。

また、先に接合材成形体層１１をプレスして、その後セラミックス成形体層６をプレスし、その後さらに接合材成形体層１１をプレスすると、セラミックス成形体層６の一対の対向する端面６ａ，６ｂの両面に接合材成形体層１１が一体成形されたセラミックス成形体２０を得ることができる。

尚、予め別々にプレス成形したセラミックス成形体層６と接合材成形体層１１を接着剤により接合することで、接合材成形体層１１とセラミックス成形体層６の二層が一体となったセラミックス成形体２０を得るようにしてもよい。

セラミックス成形体２０をプレス成形法で成形すると、流体通流孔３やスリット５をセラミックス成形体２０の成形と同時に形成できるため、製造工程を削減して簡素化することができ、成形精度がよいために高い歩留まりで製造することができるようになる。プレス成形法で成形されたセラミックス成形体２０は、比較的含水率を低く抑えることができるため、押出成形法で成形された含水率が数％と高いセラミックス成形体のように保形性のための仮焼成が不要であり、直ちに接合工程を実行することができるため、製造工程を簡素化できるようになる。

以上のように、膜エレメントブロック２０を構成するセラミックス成形体２０が製造される。

次に、上述のセラミックス成形体２０の製造方法で製造されたセラミックス成形体２０を用いて膜エレメント２を構成するセラミックス構造体の製造方法を説明する。

セラミックス構造体の製造方法は、配列工程と、焼成工程を、含んで構成されている。図５に示すように、本実施形態では、最上段と、最下段を除いて図３（ａ），（ｂ）に示すセラミックス成形体２０が複数個配列される。最上段には、接合材成形体層が形成されていないセラミックス成形体層６のみのセラミックス成形体２０が用いられ、最下段には、図８（ａ），（ｂ）に示すセラミックス成形体２０が用いられ、接合材成形体層１１が上になるように配置される。

配列工程では、複数のセラミックス成形体２０は、隣接するセラミックス成形体２０の対向面の一方に接合材成形体層１１が位置するように配列される。このとき、最下段を除いたセラミックス成形体２０はスリット５が下方に向けて開口するように配列され、最下段のセラミックス成形体２０はスリット５が上方に向けて開口するように配列される。また、図示していないが各セラミックス成形体２０は、各流体通流孔が連通するように配列される。各セラミックス成形体２０の一方の端面に形成された接合材成形体層１１を隣接するセラミックス成形体２０と接合することで、複数のセラミックス成形体２０を接合することができる。

尚、多数のセラミックス成形体２０を配列する作業は、手作業で行なってもよいし、機械を用いて自動配列してもよい。

隣接するセラミックス成形体２０を接合するときの位置決めと同時に接合材成形体層１１が適切に隣接するセラミックス成形体層６の被接合部間に配置されるので作業工程の簡素化が図れ、自動化によるコスト低減が可能となる。また、各セラミックス成形体層６の接合端面間に接合材成形体層１１が配列されるので、セラミックス成形体層６の一対の対向する端面６ａ，６ｂの両面に接合材成形体層１１を一体に成形しなくてもよい。

焼成工程では、配列工程で配列された複数のセラミックス成形体を、所定温度、約１０００〜１４００℃程度の温度で約１時間から数時間焼成する。当該焼成工程により、隣接するセラミックス成形体層６が接合材成形体層１１を介して接合され、複数の膜エレメントブロック２０が接合された膜エレメント２が得られる。各膜エレメントブロック２０のセラミックス成形体層６は、焼成により多孔質セラミックスとなる。

接合材成形体層１１を介して他のセラミックス成形体層６と位置決めして接触させた状態で両者を焼成すれば、当該接合材成形体層１１が一体に成形されたセラミックス成形体層６と他のセラミックス成形体２０のセラミックス成形体層６とが接合される。接合材成形体層１１が予めセラミックス成形体層６に一体に成形されているため、従来のように破損しやすいグリーンセラミックスシートや接合中間層をセラミックス成形体同士の接合端面に慎重に位置決めするような注意を要する作業から解放される。さらには、スラリーやペーストを塗布する作業も不要となり、スラリーやペーストの過剰塗布、過少塗布、不均一塗布の問題も解消される。従って、製造工程の削減と、製品の歩留まりを大きく向上させることができる。

焼成工程で、複数のセラミックス成形体２０を所定の圧力で加圧した状態で焼成すれば、溶けた接合材が隣接するセラミックス成形体２０に効率よく密着するので、隣接するセラミックス成形体２０同士を確実に接合することができる。尚、所定の圧力で加圧とは、焼成時に溶けた接合材成形体層１１が隣接するセラミックス成形体２０に密着するのに適した圧力をいい、この加圧は、セラミックス成形体２０の自重によるものに限らず、最上段のセラミックス成形体２０に錘を置くなどして、下方に所定の圧力で加圧するように構成してもよい。

また、配列工程で配列された複数のセラミックス成形体２０の複数組を二次元的に配列し、その状態で同時に焼成することにより、一回の焼成工程で同時に複数組の膜エレメント２を得ることができる。量産性を飛躍的に向上させることができる。

さらに、流体通流孔３の内周面に、被処理水に含まれる分離対象物の分離精度の高い濾過膜層を形成することもできる。膜成形工程では、粒径０．１μｍ〜１μｍのアルミナに水とバインダを添加したスラリーを、膜エレメント２の流体通流孔３に一端側から圧入する等して流体通流孔３の内周面に厚みが約２０μｍ程度となるように塗布し、その後、約１時間、約１０００〜１３００℃程度の温度で焼成処理して、濾過膜層４を形成する。この場合、膜エレメント２（セラミックス構造体）は、濾過膜層４の支持体として機能する。

上述の製造方法で製造された膜エレメント２は、図６（ａ）に示すような膜モジュール１に組み込んで使用することができる。膜モジュール１は、水処理装置に用いられる装置であり、複数本の膜エレメント２を収容するケース７を備えている。ケース７には、各膜エレメント２に被処理水を供給する流体供給部（以下、「給水部」と記す。）８と、流体排出部（以下、「排水部」と記す。）９と、各膜エレメント２で濾過された濾過水を排出する濾過流体排出部（以下、「濾過水排出部」と記す。）１０が設けられている。給水部８及び排水部９にはそれぞれ流路を開閉するバルブ８ｂ，９ｂが設置されている。ケース７内部には、縦横に３本ずつ合計９本の膜エレメント２が並設されている。本実施形態では、９個の膜エレメントブロック２０が膜エレメント２を構成し、各膜エレメント２の一端部にヘッダ８ａを介して給水部８が接続され、他端部にヘッダ９ａを介して排水部９が接続されている。

尚、ケース７内部に収容する膜エレメント２の本数の９本とは例示であり、例えば、図７に示すように、ケース７内部に１本の膜エレメント２を収容する構成であってもよい。その他２本以上の複数本の膜エレメント２を収容する構成であってもよい。ケース７の形状は収容される膜エレメント２の本数や配置に応じた適当な大きさに設定され、ケース７内部に収容される膜エレメント２が複数本である場合の各膜エレメント２のケース７内での配列方法は任意である。

膜モジュール１による被処理水の濾過について説明する。図６（ａ）に示すように、給水部８のバルブ８ｂを開放し、バルブ９ｂを閉塞した状態で、給水部８から被処理水を加圧供給すると、被処理水が各膜エレメント２の流体通流孔３に案内され、その内周面の濾過膜層４で濾過される。

各流体通流孔３の濾過膜層４を透過した濾過水は、膜エレメントブロック２０のセラミックス成形体層６の細孔を通過して、膜エレメントブロック２０の外表面から外部空間のケース７内に排出される。ケース７内に排出された濾過水は、その後濾過水排出部１０から膜モジュール１外へと排出される。

複数本のスリット５は、膜エレメントブロック２０の内部のセラミックス成形体層６の微細な空隙を流れる濾過水に、大きな流動抵抗がかかって濾過速度が低下することを回避するために設けられている。複数本のスリット５によって、複数本の流体通流孔３が均等に分散するように区画形成されているため、膜エレメントブロック２０の内部を流れる濾過水にかかる流動抵抗が全域で偏ることなく低減させることができ、これにより濾過速度が確保される。

ある程度の期間濾過処理を行なうと、流体通流孔３の内周面に形成された濾過膜層４にファウリング物質が付着し、このファウリング物質が濾過膜層４を閉塞して濾過性能が低下する。このようなファウリング物質を取り除き濾過性能を回復させるため、濾過流体の通流方向と逆方向に洗浄水を強制的に通流して濾過膜層４に付着したファウリング物質を除去する逆洗浄工程が実行される。

図６（ｂ）に示すように、逆洗浄工程では、給水部８のバルブ８ｂが閉塞され、排水部９のバルブ９ｂは開放された状態で濾過水排出部１０から洗浄水が圧入され、濾過工程とは逆の経路に沿って濾過膜層４に到達した洗浄水が、濾過膜層４の表面に付着した固形分を剥離しながら流体通流孔３から排水部９を介して排水される。尚、洗浄水に代えて空気等の気体を洗浄用流体に用いてもよい。

上述した実施形態では、本発明による膜エレメント２で処理される対象となる被処理流体が上水用の被処理水であり、被処理流体から分離する分離対象物が固形異物である場合を例に説明したが、本発明による膜エレメント２は、上水以外の下水や産業廃水等の水を対象としてもよく、被処理流体として水以外の水溶液や油等の液体を対象としてもよい。また、排ガス等の任意の気体を対象としてもよい。さらに、分離対象物も固形異物に限らず、複数種類の混合液体に含まれる特定の液体や、複数種類の混合気体に含まれる特定種類の気体であってもよい。つまり、本発明による膜エレメント２は、上水、下水、汚水当の液体や排ガス等の気体を浄化する処理や、食品等の製造過程で必要となる各種の固液分離処理、有用物の回収処理等の様々な分野で使用することができる。

流体通流孔３の内周面に形成した濾過膜層４の細孔径や層厚は、被処理流体に含まれる分離対象物の大きさや性状に応じて適宜設定されるものである。濾過膜層４とセラミックス成形体層６との間に、濾過膜層４の細孔径より大きくセラミックス成形体層６を焼成した多孔質セラミックスの細孔径よりも小さな細孔径となる多孔質セラミックスの中間層を設けてもよい。また、流体通流孔３の内周面に濾過膜層４を形成しなくてもよい。

膜エレメントブロック２０の一対の対向する端面２０ａ，２０ｂ間に貫通形成された各流体通流孔３の端部に面取りを施してもよい。流体通流孔同士が連通するように複数のセラミックス成形体２０を配列する際に、流体通流孔に多少の位置ズレがあっても、面取り部によってズレが吸収されるので、高精度な位置決め工程が不要となり製造工程がより簡略化できる。膜エレメントブロック２０の形状は、上述した実施形態で説明した形状、寸法、組成等に限定されるものではなく、プレス成形する機械の性能に応じて適宜設計可能である。

本発明によるセラミックス成形体、セラミックス成形体の製造方法、セラミックス構造体の製造方法、及び膜エレメントの具体的構成は、上述した実施形態で説明した態様に限定されるものではなく、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計可能であることはいうまでもない。

１：膜モジュール
２：セラミックス構造体（膜エレメント）
３：流体通流孔
４：濾過膜層（流体通流孔の内周面）
５：スリット
６：セラミックス成形体層（多孔質セラミックス）
６ａ，６ｂ：一対の対向する端面
７：ケース
８：流体供給部（給水部）
９：流体排出部（排水部）
１０：濾過流体排出部（濾過水排出部）
１１：接合材成形体層
２０：セラミックス成形体（膜エレメントブロック）
２０ａ，２０ｂ：一対の対向する端面
３０：型（金型）
３１：上パンチ
３２：下パンチ

Claims (10)

1. 焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材成形体層がセラミックス成形体層に一体に成形され、前記セラミックス成形体層は、一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成され、焼成により多孔質セラミックスとなるセラミックス成形体。
2. 前記接合材成形体層は、前記セラミックス成形体層の他のセラミックス成形体に対向する端面に、当該端面形状に対応した形状で一体に成形されている請求項１記載のセラミックス成形体。
3. 請求項１または２記載のセラミックス成形体が、各流体通流孔が連通するように前記接合材成形体層を介して接合された、焼成体で構成される膜エレメント。
4. セラミックス原料を所定形状の型に充填した後にプレスするセラミックス成形体層成形工程と、焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材原料を前記型に充填した後にプレスする接合材成形体層成形工程とを含み、
   少なくとも一方の成形工程によりプレス成形された成形体層が前記型に存在する状態で他方の成形工程が実行されることにより、接合材成形体層がセラミックス成形体層に一体に成形されるセラミックス成形体の製造方法。
5. 前記接合材成形体層成形工程で用いられる接合材原料は、少なくとも前記セラミックス成形体層の主となるセラミックス材料よりも融点が低いセラミックス材料が含まれている請求項４記載のセラミックス成形体の製造方法。
6. 所定のセラミックス微粒子に有機バインダを添加したスラリーを、スプレードライ法を用いて所定の粒径に造粒したセラミックス粒状体を前記セラミックス原料として生成するセラミックス原料生成工程をさらに含む請求項４または５記載のセラミックス成形体の製造方法。
7. 前記セラミックス成形体層成形工程は、複数のピンが立設された型に原料を充填した後にプレスすることにより、一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成されたセラミックス成形体層を得る工程である請求項４から６の何れかに記載のセラミックス成形体の製造方法。
8. 一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成されたセラミックス成形体層の少なくとも一方の端面に、焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材成形体層が当該端面形状に対応した形状で一体に成形されている複数のセラミックス成形体を、各流体通流孔が連通し、且つ、少なくとも隣接するセラミックス成形体間に前記接合材成形体層が位置するように配列する配列工程と、
   前記配列工程で配列された複数のセラミックス成形体を所定温度で焼成して、セラミックス成形体を接合するとともに多孔質化する焼成工程と、
   を含むセラミックス構造体の製造方法。
9. 前記焼成工程は、複数のセラミックス成形体が所定圧力で加圧された状態で行なわれる請求項８記載のセラミックス構造体の製造方法。
10. 一対の対向する端面間を貫通する複数本の流体通流孔が形成されたセラミックス成形体層の少なくとも一方の端面に、焼成により他のセラミックス成形体と接合される接合材成形体層が当該端面形状に対応した形状で一体に成形されている複数のセラミックス成形体を、各流体通流孔が連通し、且つ、少なくとも隣接するセラミックス成形体間に前記接合材成形体層が位置するように配列する配列工程と、
    前記配列工程で配列された複数のセラミックス成形体を所定温度で焼成して、セラミックス成形体を接合するとともに多孔質化する焼成工程と、
    を含むセラミックス構造体で構成される膜エレメントの製造方法。
    

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