JP7139091B2 - 金属製多孔体、及び金属製フィルタ - Google Patents
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特許文献1には、自動車のエアバッグに用いられるインフレータ・フィルタが記載されている。このフィルタにおいては、一本の金属線材を心棒の回りに巻付けて円筒状に成形した後に焼結処理をすることによって、隣接する金属線材同士を接合している。このため、このフィルタは剛性が高く、ガス発生剤の爆発的な燃焼により発生する高温ガスの衝撃によっても全体形状と目開きの維持が可能であるという特徴を有する。
特許文献2には、人の手で変形させてもキンクしない金属製多孔体が記載されている。なお「キンク」とは、金属製多孔体に外力を加えたときに、金属製多孔体が潰れてしまい、外力を除去しても原形に復元しない現象をいう。この金属製多孔体も、一本の金属線材を心棒の回りに巻付けて円筒状に成形した後に焼結処理を行うことにより得られる。
また、特許文献2に記載の金属製多孔体においては、人の手で自在に湾曲変形させることは可能であるが、金属線材同士が接合されていることから、外力を取り除いた後も変形後の形状を維持した状態で使用することが前提とされている。従って、外力を除いた後に自力により原形に復帰することはない。
金属線材を螺旋状、且つ多層状に巻き付けることによって形成される金属製多孔体において、変形後に自力で原形に復帰できるものはこれまで提案されておらず、このような金属製多孔体が開発されれば金属製多孔体の用法及び用途が拡大する可能性がある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、金属線材を螺旋状且つ多層状に巻付けることにより作製される金属製多孔体において、変形後に自力で原形に復帰(復元)する新規な金属製多孔体を提供することを目的とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の金属製多孔体を含む金属製フィルタを特徴とする。
〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態に係る金属製多孔体について説明する。図1は、本発明の第一の実施形態に係る金属製多孔体の平面図である。図2は、本発明の第一の実施形態に係る金属製多孔体の部分拡大斜視図である。図3は、金属製多孔体を湾曲させた状態を示す斜視図である。図1は、金属製多孔体が原形(初期形状)にある状態を示している。
本実施形態に係る金属製多孔体は、伸縮性及び可撓性を有し、外力を加えられることにより変形し、外力を取り除かれることにより原形(或いは、原姿勢)に復帰(原形に復元)する弾力性を有している点に特徴がある。
図1に示すように、初期形状にあるとき、金属製多孔体10はその軸線Xが直線的に延び、且つ、軸方向に収縮した状態にある。
金属製多孔体10は軸方向に伸縮可能であり、初期形状にある金属製多孔体10に対して軸方向に沿った方向への外力を加えると、金属製多孔体10は軸方向に伸縮する。また、外力を取り除かれることにより、金属製多孔体10は初期形状に自己復元する性質を有する。
また、金属製多孔体10は可撓性(又は柔軟性)を有しており、図1に示す初期形状にある金属製多孔体10に対して軸線Xを湾曲させる外力を加えると金属製多孔体10は、図3に示すようにキンクすることなく湾曲する。また、外力を取り除かれることにより、金属製多孔体10は初期形状に自己復元する性質を有する。なお、ここで「キンク」とは金属製多孔体10に対して金属製多孔体10を湾曲させる外力を加えたときに、金属製多孔体10が潰れてしまい、金属製多孔体から外力を除去しても原形に復帰しない現象をいう。
<金属製多孔体の形状>
図2に示すように、本発明の実施形態に係る中空円筒状の金属製多孔体10は、少なくとも一本の金属線材20を、軸方向(図中上下方向)に対して一定の傾斜角度を有して螺旋状に、且つ多層状に巻き付けることにより形成される。ここで同じ方向に巻き付けられている個々の層を線材層L1、L2、L3・・・と称する。各線材層L1、L2、L3・・・を構成する金属線材は、正面視で金属製多孔体10の軸方向に対して傾斜した同一方向へ延びており、また隣接する各線材層を構成する金属線材は互いに交差する方向に延びている(平行していない)。
即ち金属製多孔体10は、金属線材20を軸方向に対して一定の傾斜角度にて螺旋状に巻付けることにより形成した一つの線材層(例えば、線材層L1)と、一つの線材層L1の外周側に重ねて、且つ該一つの線材層L1を構成する金属線材とは異なる傾斜角度にて螺旋状に金属線材を巻付けることにより形成される他の線材層(例えば、線材層L2)と、を有する。一つの線材層L1とこれと隣接する他の線材層L2を夫々構成する金属線材同士は軸方向とは非平行であり、且つ互いに交差するように構成されている。
なお、線材層を構成する金属線材の軸方向に対する傾斜角度が一つの線材層中で変化するように構成してもよい。
この金属製多孔体の材料となる金属の種類としては、鉄、軟鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、銅合金などを挙げることができ、中でもオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304、SUS316、SUS316L等)が好適である。
また、金属製多孔体に使用される金属線材の太さ及び断面形状は、金属製多孔体の大きさ、金属製多孔体が除去する物質、圧力損失等に応じて適宜決定される。
金属製多孔体には、例えば断面が真円形状の金属素線の他、金属素線を圧延した平圧延線等、所定の断面形状となるように圧延処理されたもの等が使用される。
金属製多孔体の製造工程について説明する。図4は、金属製多孔体の製造工程を示したフローチャートである。
金属製多孔体10は、ワインド工程(ステップS1)、型抜き工程(ステップS2)、熱処理工程(ステップS3)、金具取付工程(ステップS4)、洗浄工程(ステップS5)、及び検査工程(ステップS6)を経ることにより作製される。
なお、ステップS1とS2は、金属製多孔体の元となる中空筒状体を形成する工程である。
また、ステップS2の型抜き工程とステップS3の熱処理工程は、入れ替えて実施することが可能である。また、ステップS2の型抜き工程後、ステップS4に示す金具取付工程を実施した後に、ステップS3の熱処理工程を実施してもよい。
図5は、金属製多孔体の製造装置の一例を示す模式図である。この装置は金属素線から金属製多孔体の元となる中空筒状体を作製するものである。また、作製された中空筒状体の形状が金属製多孔体の初期形状となる。
製造装置100Aは、不図示のボビンから供給される金属素線21を圧延する圧延装置110と、圧延により断面形状が変形した後の金属素線(以下「金属線材20」という)に対して長手方向へ所定の張力を与えるテンションユニット120と、金属線材20を心棒131に巻付けて中空筒状体を形成する巻付装置130と、を概略備える。また、金属線材20の搬送経路上には、金属線材をガイドしつつ搬送する複数の搬送ローラ140が配置されている。
圧延装置110は対向配置されて回転する2つの円柱状の圧延ローラ111a、111bを備える。圧延ローラ111aと圧延ローラ111bの表面(対向面)同士が接触する部分は、金属素線21を間に挟んで所望の形状に変形させる加圧部112を構成している。圧延装置110は所定の温度及び圧力下で金属素線21を加圧部112にて塑性変形させることにより、所定の断面形状を有する金属線材20を得る。圧延は冷間圧延により行われる。
巻付装置130は、一定方向に所定速度にて回転する心棒131と、心棒131の軸方向(図中紙面と直交する方向)に所定速度にて往復移動して金属線材20をガイドするガイド部材132と、を備える。心棒131は概略円柱状又は円筒状であり、一般的にステンレス鋼、銅合金、アルミニウム合金などの金属から形成される。
例えば、心棒131の外周に直接巻き付けられる第1の金属線材層では、各線材が図2において心棒の軸方向に対して所定角度θだけ時計回り方向へ傾斜しているとすると、第1の金属線材層の外周に巻き付けられる第2の金属線材層を構成する線材は、心棒の軸方向に対して所定角度θだけ反時計回り方向に傾斜する。
心棒131の軸方向に対する金属線材20の角度(巻付け角度)、及び軸方向に隣接する金属線材20同士の間隔(ピッチ)は、心棒131の回転速度とガイド部材132の移動速度との比率を適宜調節することにより変更することができる。金属線材の太さ、巻付け角度、ピッチ、巻付け回数を適宜変更することにより、金属製多孔体をフィルタとして用いる場合に、金属製多孔体を通過する流体の圧力損失を適切な値に制御することができる。
熱処理工程では、圧延や巻付けの際に生じた金属線材の残留応力を低減又は除去する応力除去焼なまし(低温焼なまし)を実施する。この熱処理工程を経ることにより得られる金属製多孔体は弾性を有し、外力を加えることにより自在に伸縮又は湾曲変形可能であるが、外力を取り除くと初期形状に戻る自己復元能力を発現する。
熱処理工程では、中空筒状体を加熱炉内に入れて、所定の温度にて一定時間維持した後、中空筒状体を冷却する。熱処理は、処理温度が600℃~700℃、好ましくは600℃に設定された炉内で、数時間程度(例えば4時間程度)実施する。
熱処理は空気中で行うこともできるが、真空中や、表面の酸化物を還元する還元性ガス、金属線材を脆化させたり化学反応を生起するおそれのない不活性ガス中で行うのが好ましい。還元性ガスとしては、水素ガス、水素と窒素の混合ガス、アンモニア分解ガス等を挙げることができる。また、不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンなどを挙げることができる。
熱処理工程を経ることにより得られた金属製多孔体に対しては取り扱いを容易にする為、金属製多孔体10に対して金具を取り付ける。本例では、軸方向端部に端部金具13を溶接にて取り付ける。端部金具13は、金属製多孔体10の中空部内と連通する孔部を有した筒状部材とすることができる。図1に示す端部金具13は、金属製多孔体10の表面から外径方向に階段状に突出するフランジ部を有している。
以上のようにして作製された金属製多孔体10は、洗浄され、所定の検査を経て完成する。
上記金属製多孔体は、複数の微細な孔を有する多孔質体である。金属製多孔体は、軸方向へ伸張したときに孔径(目開き)が拡大し、収縮させたときに孔径が縮小するので、必要に応じて濾過精度を調整可能な金属製フィルタとして使用することができる(図8(a)、(b)参照)。
また、金属製多孔体は、図3に示すように所望の曲率にて適宜湾曲変形させた状態で異物を除去できるので、フレキシブルな金属製フィルタとして使用可能である。金属製多孔体をフレキシブルな金属製フィルタとして使用する場合は、湾曲変形した形状を固定的に維持したまま異物を除去する静的なフィルタとして使用することが可能である。また、軸方向が直線上にない2つの回転部材を金属製多孔体にて接続することで、金属製多孔体は回転しながら濾過を実施する動的なフィルタとして使用することが可能である。
金属製多孔体は自在に湾曲変形するので、軸方向が直線上にない2つの回転部材のうちの一方から出力される回転力を他方の回転部材に等速で伝達する動力伝達部材として使用することも可能である。
以上のことから、本発明により得られた金属製多孔体を所望の伸張量及び所望の湾曲形状に変形させた状態にて、その形状を維持したまま焼結処理を実施することで、任意の形状に変形させた中空筒状の金属製フィルタを作製することが可能である。
以上、本発明について軸方向の両端部が開口した円筒状の金属製多孔体の例により説明したが、金属製多孔体は軸方向の一端を閉止した円筒状としてもよい。また、金属線材を巻付ける心棒の形状により、角筒状、円錐状、角錐状、その他の形状の金属製多孔体を作製することも可能である。
また、上記変形形状としては、伸縮及び湾曲を例示したが、変形形状としては屈曲、捻れ等、種々の変形を含むものである。
本発明の第二の実施形態について説明する。第二の実施形態においては、金属製多孔体が部分的に、自己復元性を有さない復元不能部分を備えている点に特徴がある。
図6(a)~(c)は、本発明の第二の実施形態に係る金属製多孔体の平面図である。
金属製多孔体30は、復元可能部分31と、復元不能部分33とを有する。
復元可能部分31は、第一の実施形態に示した金属製多孔体が有する性質を持つ部分であり、軸方向に伸縮自在、且つ軸線Xを自在に湾曲可能であるが、初期形状に自力で復元可能な性質を持つ部分である。
復元不能部分33は、伸縮や湾曲変形させることが可能であるが変形後は自力による形状の復元が不能であるか、又は外力を加えても変形不能な部分である。
また、図6(b)に示す金属製多孔体30Bは、周方向の一部分に軸方向に伸びる復元不能部分33を配置し、周方向の他の部位を復元可能部分31とした例である。
また、図6(c)は、金属製多孔体30Cに対して螺旋状に復元不能部分33を配置し、他の部分を復元可能部分31とした例である。
復元可能部分31と復元不能部分33とを混在させることで、金属製多孔体30を構成する金属線材同士の位置を略均等に変位させながら金属製多孔体30を変形させ、また変形後の形状を保持するようにすることができる。
熱処理時の温度条件のみを変えた複数の金属製多孔体を作製して、評価試験を行った。図7は、試験体の材料、形状、熱処理条件及び伸縮評価試験結果を表で示す図である。図8(a)、(b)は試験体表面の拡大写真で示す図であり、(a)は初期状態を示し、(b)は伸張時の状態を示す図である。
試験体である金属製多孔体は、以下のようにして作製した。
まず、オーステナイト系のステンレスSUS316L、線径φ0.13mmの丸線を冷間圧延加工により厚さ0.065mmの平圧延線とした。次いで、平圧延線を外径3.7mmの円筒状の心棒に、隣接する線材が違いに交差するように、螺旋状且つ多層状に巻き付けた後、心棒を抜き取って円筒状の中空筒状体を作製した。
この中空筒状体の寸法は、内径3.7mm、外径6.2mm、全長100mmである。また、隣接する金属線材間の間隔は概ね630μmであり、交差する金属線材間の角度は概ね46度である(図8(a)参照)。この中空筒状体は、外力を加えることにより軸方向へ伸縮させることは可能であるが自己復元性を有しておらず、一旦変形させた後は変形後の形状のままとなる。
試験体1~6までは、温度400~900℃の熱処理を100℃間隔で実施した。また、試験体7については、温度1250℃にて熱処理を実施した。
熱処理後、夫々の試験体の軸方向両端部に試験体よりも大径のフランジ部を有する端部金具を溶接にて取り付けて洗浄することにより、試験体を完成させた。なお、端部金具は、金属製多孔体の軸方向端縁が露出するように取り付けた。
試験体1~7を伸張させた場合の変化について説明する。伸縮評価試験は、試験体を軸方向に引っ張った場合に、伸張するか(可動性の有無)、どの程度伸びるか、伸張前の形状に戻るか(自己復元性の有無)という観点から行った。
試験体1-2は可動性があり、それぞれ最大で24.5mm、37.0mm伸張したが、引っ張り力を取り除いても伸張したままとなり、自己復元性を有していなかった。
試験体3は最大で23.8mm伸張した。伸張後、引っ張り力を取り除いたところ、伸張前の状態に戻った。
試験体4は最大で12.5mm伸張した。伸張後、引っ張り力を取り除いたところ、伸張前の状態に戻った。しかし、試験体3に比べて伸張量が約半分と、可動範囲が狭いという結果になった。
試験体5-7は金属線材同士が焼結されており、可動性を有していなかった。
以上のことから、熱処理条件については、600℃~700℃、望ましくは600℃が好適であることが判明した。
試験体3について、ASTM-E-128-61に準拠したバブルポイントテストを実施し、金属製多孔体をフィルタとして使用する場合の濾過精度を測定した。
図9は、バブルポイントテストの原理を示す図である。
バブルポイントテストにおいては、イソプロピルアルコール中にテストフィルタを沈め、フィルタの内圧をゼロから徐々に増していく。すると、最初に最も大きい孔から気泡が発生する(イニシャルポイント)。このときの内圧から最大孔径を求めることができる。孔径D[μm]は以下の式(1)にて求められる。
但し、
D:孔径
S:イソプロピルアルコールの界面張力
θ:塗れ角
P:内圧
γ:イソプロピルアルコールの密度
h:液深
である。
D[μm]=3700/P[mmH2O] ・・・式(2)
にて求められる。なお、数値3700は、定数である。
ここで、図8(a)は伸張前(初期状態)の試験体表面の拡大写真であり、図8(b)は伸張時の試験体表面の拡大写真である。
伸張前(初期状態)の試験体の端部金具間の長さは88mmであり、このときの平均孔径は28[μm]であった。また、図8(a)に示すように、隣接する金属線材間の間隔は概ね630μmであり、交差する金属線材間の角度は概ね46度である。
端部金具間の長さが98[mm](伸び率111.4%)となるように試験体を伸張させた状態で治具により固定し、バブルポイントテストを実施したところ、平均孔径は33[μm]であった。このとき、図8(b)に示すように、隣接する金属線材間の間隔は概ね792μmとなり、交差する金属線材間の角度は概ね59度となった。
本発明に係る金属製多孔体をフィルタとして用いる場合は、金属製多孔体を軸方向に適宜伸張させることにより、所望の濾過精度(孔径)を有したフィルタとして使用することができる。また、濾過時よりも金属製多孔体を伸張させて逆洗を実施することにより、より効果的な逆洗が実施可能となる。
なお、角筒状の金属製多孔体、軸方向一端部を閉止した金属製多孔体、錐形状の金属製多孔体についても同様に、金属線材間の角度を変化させることにより孔径を拡縮させることができる。
<第一の実施態様>
本態様は、隣接する線材層L1、L2を構成する各金属線材20A、20Bの傾斜角度が異なるように、金属線材20が螺旋状、且つ多層状に巻付けられた中空筒状の金属製多孔体10であって、金属製多孔体は、外力を加えられることにより変形し、外力を取り除かれることにより原形に復帰することを特徴とする。
本態様に係る金属製多孔体は、外力を加えられることにより変形するが、外力を取り除かれることにより原形に復帰するので、金属製多孔体を従来とは異なる新規な用法及び用途で使用できる。
なお、ここにいう変形とは、伸縮、湾曲、屈曲、捻れ等、種々の変形を含むものである。
本態様に係る金属製多孔体は、軸方向への外力を加えられることにより軸方向に伸縮変形し、外力を取り除かれることにより原形に復帰することを特徴とする。
本態様に係る金属製多孔体は、軸方向への外力を加えられることにより伸縮変形するが、外力を取り除かれることにより原形に復帰するので、金属製多孔体を従来とは異なる新規な用法及び用途で使用できる。
本態様に係る金属製多孔体は、外力を加えられることにより、湾曲変形し、外力を取り除かれることにより原形に復帰することを特徴とする。
本態様に係る金属製多孔体は、軸線Xを湾曲させる外力を加えられることにより湾曲変形するが、外力を取り除かれることにより原形に復帰するので、金属製多孔体を従来とは異なる新規な用法及び用途で使用できる。
本態様において、金属製多孔体は、軸線Xが直線的に延びる円筒状を原形とすることを特徴とする。
金属製多孔体の原形は、金属製多孔体のもととなる中空筒状体の形態によって決まる。本態様においては、軸線が直線的に延びる円筒状又は円柱状の心棒に金属線材を巻付けることによって作製される円筒状の中空筒状体から金属製多孔体を作製する。従って、本態様に係る金属製多孔体は、比較的単純な方法により作製できる。
本態様に係る金属製多孔体は、隣接する線材層L1、L2を構成する各金属線材20A、20Bの傾斜角度が異なるように、金属線材が螺旋状、且つ多層状に巻付けられた中空筒状体の少なくとも一部に対して応力除去焼なまし処理が施されていることを特徴とする。
本態様によれば、応力除去焼なまし処理を実行することにより得られる金属製多孔体は、弾性を有し、外力を加えることにより自在に伸縮又は湾曲変形可能であるが、外力を取り除くと原形に復帰する能力を発現する。
本態様は、第一乃至第五の何れかに記載の金属製多孔体を含むことを特徴とする金属製フィルタである。
本態様によれば、新規な性質の金属製多孔体を含むことにより、金属製フィルタの用法及び用途の拡大を図れる。
本態様に係る金属製多孔体10の製造方法は、隣接する線材層L1、L2を構成する各金属線材20A、20Bの傾斜角度が異なるように、金属線材を螺旋状、且つ多層状に巻付けて多孔質の中空筒状体を作製する工程(ステップS1、S2)と、中空筒状体の少なくとも一部に対して応力除去焼なましをする熱処理工程(ステップS3)と、を含むことを特徴とする。
本態様によれば、外力を加えることにより変形するが、外力を取り除くと原形に復帰する新規な金属製多孔体を製造することができる。
本態様に係る金属製多孔体10の製造方法において、金属線材はステンレスであり、熱処理工程における処理温度が600℃~700℃であることを特徴とする。
本態様によれば、外力を加えることにより変形するが、外力を取り除くと原形に復帰する新規な金属製多孔体を製造することができる。
Claims (3)
- 一本の金属線材を、隣接する線材層を構成する前記金属線材の各部分の傾斜角度が異なるように、螺旋状、且つ多層状に巻付けることにより、前記金属線材の前記各部分同士が互いに交差して網目を形成した中空筒状の金属製多孔体であって、
前記金属線材は平圧延線であり、
前記金属線材の各部分同士は接合されておらず、
前記金属製多孔体は、軸線を湾曲させる外力を加えられたときに該外力に応じてフレキシブルに湾曲変形し、前記外力の全てを取り除かれたときに弾性により原形に復帰することを特徴とする金属製多孔体。 - 前記金属製多孔体は、軸線が直線的に延びる円筒状を原形とすることを特徴とする請求項1に記載の金属製多孔体。
- 請求項1又は2に記載の金属製多孔体を含むことを特徴とする金属製フィルタ。
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