JP7310810B2 - 水処理用セラミックフィルタユニット - Google Patents
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Description
多孔質セラミックからなる複数の隔壁で仕切られた一方向に延びる複数の流路からなり、前記複数の流路は、第1端のみが目封止された第1の流路と、第2端のみが目封止された第2の流路とを含む柱状のフィルタと、
前記フィルタの前記第1端側の第1の端面の第1の外縁部の全周にわたって配置された弾性体からなる第1のシール部材、及び前記フィルタの前記第2端側の第2の端面の第2の外縁部の全周にわたって配置された弾性体からなる第2のシール部材と、
前記第2の流路に外部から水を供給するための供給口を備え、前記第1の外縁部に配置された前記第1のシール部材に当接する第1のフランジ部を有する供給部、前記第1の流路から流出する水を外部に排出するための排出口を備え、前記第2の外縁部に配置された前記第2のシール部材に当接する第2のフランジ部を有する排出部、並びに前記供給部及び前記排出部を接続するとともに、前記フィルタの外側面を覆うフィルタ収容部から一体的に構成されるハウジングと
を有する水処理用フィルタユニットであって、
前記第1の外縁部及び前記第2の外縁部の幅は、それぞれ前記第1の端面及び前記第2の端面に開口する前記流路のうちの少なくとも最外周部に存在する流路を覆うに足りる範囲の長さであり、前記第1のシール部材と前記第2のシール部材はそれぞれ前記第1の外縁部及び前記第2の外縁部を覆っており、
前記フィルタは、前記第1のシール部材と前記第2のシール部材とを介して、それぞれ前記第1のフランジ部と前記第2のフランジ部とにより固定されており、
前記フィルタの外側面と前記ハウジングとの間隙の最大値が前記流路の等価直径以下(ただし、前記等価直径は、前記フィルタの軸方向に直交する断面における任意の10本以上の流路について断面積及び周長を求め、それらの平均値をそれぞれ平均流路断面積及び平均濡れ縁長さとしたとき、前記平均流路断面積の4倍の値を前記平均濡れ縁長さで除した値である。)であることを特徴とする。
まず本発明の水処理用セラミックフィルタユニットが適用される水処理設備について図7を参照しつつ説明する。
次に、本発明の水処理用セラミックフィルタユニットの構成を説明する。
図1(a)は本発明の水処理用セラミックフィルタユニット100を示す中心軸を含む断面図であり、図1(b)は図1(a)のA-A断面図であり、図1(c)及び図1(d)はそれぞれ図1(a)のX部分及びY部分の拡大図である。なお、図1(b)において、フィルタ収容部111のフランジ部に設けられたボルト穴及びボルト123は省略し、図1(c)及び図1(d)においては、フィルタ101とフィルタ収容部111のみを抜き出してそれ以外の部分を省略して示した。
多孔質セラミックからなる複数の隔壁102で仕切られた一方向に延びる複数の流路103からなり、複数の流路103は、一方端101aが目封止部104bで目封止された第1の流路103bと、他方端101bのみが目封止部104aで目封止された第2の流路103aとを含む柱状のフィルタ101と、
フィルタ101の一方端101a側の端面(以下、第1の端面105aともいう。)の外縁部(以下、第1の外縁部106aともいう。図1(d)を参照。)に沿って配置された弾性体からなる第1のシール部材120a、及びフィルタ101の他方端101b側の端面(以下、第2の端面105bともいう。)の外縁部(以下、第2の外縁部106bともいう。図1(c)を参照。)に沿って配置された弾性体からなる第2のシール部材120bと、
第2の流路103aに外部から水を供給するための供給口112aを備え、第1の外縁部106aに配置された第1のシール部材120aに当接する第1のフランジ部112bを有する供給部112、第1の流路103bから流出する水を外部に排出するための排出口113aを備え、第2の外縁部106bに配置された第2のシール部材120bに当接する第2のフランジ部113bを有する排出部113、並びに供給部112及び排出部113を接続するとともに、フィルタ101の外側面108を覆うフィルタ収容部111から一体的に構成されるハウジング110とを有し、
フィルタ101は、第1の外縁部106aに配置された第1のシール部材120aと第2の外縁部106bに配置された第2のシール部材120bとを介して、それぞれ供給部112の第1のフランジ部112bと排出部113の第2のフランジ部113bとによって固定されており、
フィルタ101の外側面108とハウジング110との間隙115の最大値が流路103の等価直径以下であることを特徴とする。ただし、等価直径は、フィルタ101の軸方向に直交する断面における任意の10本以上の流路103について断面積及び周長を求め、それらの平均値をそれぞれ平均流路断面積及び平均濡れ縁長さとしたとき、平均流路断面積の4倍の値を平均濡れ縁長さで除した値である。
水処理用セラミックフィルタユニット100(図1(a)を参照)の供給口112aより外部から供給された水は、フィルタ101を通過する際に溶存有機物等が除去されて、排出口113aより外部に排出される。フィルタ101を水が通過するとき、水中に含まれる溶存有機物等が多孔質セラミックの隔壁102の内部に形成された細孔からなる連通孔(不図示)の表面で吸着されて除去される。
フィルタ101を構成するハニカム構造体11は、図3(a)及び図3(b)に示すように、柱状の形態をなし、多孔質セラミックからなる複数の隔壁102で仕切られた複数の流路103を有する。すなわち、ハニカム構造体11は、軸方向(流路方向)に延びる複数の流路103が、軸方向視(図3(b)を参照)でハニカム状に形成された構造を有する。図3(a)及び図3(b)で示すハニカム構造体11は円柱状であるが、柱状であればこれに限定されない。
フィルタは複数の流路103を有するハニカム構造体11の両端部に必要な目封止が施されて構成される。図2(a)及び図2(b)は、図3(a)及び図3(b)で示したハニカム構造体11の複数の流路103のうち、所定の流路端部に目封止部104a,104bを形成してなるフィルタ101を示す。フィルタ101において、目封止部104bによって一方端101aのみが目封止された第1の流路103bと、目封止部104aによって他方端101bのみが目封止された第2の流路103aとが、隔壁102を介して互いに隣接するように配置されている。処理される水は、一方端101aが目封止部104bで閉塞されている第1の流路103bには直接に流入しないで、一方端101aが開口する第2の流路103aに流入する。しかし第2の流路103aは他方端101bが目封止部104aで閉塞されているため、処理される水は隔壁102の連通孔を必ず通過して、他方端101bが開口する第1の流路103bに移動する構造であるため、この形態は水中の溶存有機物等を効率よく吸着、除去できて好ましい。
ハウジング110は、図1(a)及び図1(b)に示すように、フィルタ101の外側面108を覆って収容する筒状のフィルタ収容部111と、フィルタ101の第2の流路103aに外部から水を供給するための供給口112aを備える供給部112と、フィルタ101の第1の流路103bから排出される水を外部に排出するための排出口113aを備える排出部113とを有し、これらの部材が一体的に構成されているものである。ここでいう「一体的に構成」とは、供給口112aから供給された水が排出口113aを除く部位からは外部に流出しない程度の水密性を有する構成、という意味であって、図4に示すようにハウジング110の各構成部材は互いに分離可能であってもよい。図1(a)及び図4に示すハウジング110の例は、フィルタ収容部111に対し、供給部112と排出部113は分離可能な構成であるが、いずれもO-リング等のパッキング部材121を介してボルト123とナット124によりフィルタ収容部111に締結されることにより、ハウジング110として一体的に構成される形態である。なお、締結方法はこれに限定されず、例えばクランプによる方法などでもよい。
図2(a)及び図2(b)に示すフィルタ101の軸方向に直交する断面において、任意の10本以上の流路103について断面積及び周長(流路103を囲む全ての内辺の長さの合計)を求め、それらの平均値をそれぞれ平均流路断面積Af及び平均濡れ縁長さWpとしたとき、流路103の等価直径Deは、平均流路断面積Afの4倍の値を平均濡れ縁長さWpで除した値(4Af/Wp)である。このとき、フィルタ101の外側面108とハウジング110(フィルタ収容部111)との間隙115(図1(b)を参照)の最大値がフィルタ101の流路103の等価直径De以下となるようにフィルタ収容部111を構成する。つまり図1(b)に示すように、円柱状のフィルタ101に外接する円筒の直径をDf、フィルタ収容部111の内径をDhとするとき、DhとDfとの差(Dh-Df)が等価直径Deの2倍以下となるようにフィルタ収容部111の内径Dhを構成するのが好ましい。フィルタ101の外側面108とフィルタ収容部111の内側面とがなす間隙115をこのような関係とすることにより、処理される水が間隙115に漏れ出たとしても、間隙115に滞留する時間を少なく抑えることができ、処理される水が満遍なくフィルタ101を通過することが可能となる。なお、平均流路断面積Af及び平均濡れ縁長さWpは、フィルタ101を構成する全流路(ただし、後述する不完全な流路は除く。)について断面積及び周長を測定して求めてもよいが、流路数が多いフィルタでは任意に選ばれた少なくとも10本の流路について測定すればよい。流路103の断面形状が一辺wの正方形である場合はAf=w2及びWp=4wなので、等価直径Deはwに一致する(De=w)。間隙115の最大値は0.1 mm以上であるのが好ましい。
図1(a)において、供給部112はフィルタ101の第1の外縁部106a(図1(d)を参照)に配置された第1のシール部材120aに当接する第1のフランジ部112bを有しており、排出部113はフィルタ101の第2の外縁部106b(図1(c)を参照)に配置された第2のシール部材120bに当接する第2のフランジ部113bを有する。第1のフランジ部112bと第2のフランジ部113bは、次に説明する第1及び第2のシール部材120a,120bをフィルタ101との間に介在させることによってフィルタ101を固定するのに寄与する。
図1(a)~図1(d)に示すように、フィルタ101は、第1の外縁部106aに配置された第1のシール部材120aと、第2の外縁部106bに配置された第2のシール部材120bとを介して、それぞれ供給部112の第1のフランジ部112bと排出部113の第2のフランジ部113bとにより固定されている。第1のシール部材120aは、供給口112aから供給された水が間隙115に直接に流入するのを防止する機能を有し、一方、第2のシール部材120bは、間隙115に漏れ出た水がフィルタ101に戻ることなく排出口113aから直接に流出するのを防止する機能を有する。これにより、供給口112aから供給される水のほぼ全量が満遍なくフィルタ101を通過できる効果を奏する。第1のシール部材120a及び第2のシール部材120bはいずれも弾性体からなり、フィルタ101をハウジング110内に装入する際に緩衝材としての機能を果たしてフィルタ101の破損を防止する効果と、ハウジング110内に装入された状態においては適度な反発力を有してフィルタ101をハウジング110に確実に固定する効果を奏する。
例えば、ハニカム構造体11の外側面108に外壁を設けないフィルタ101を使用する場合、フィルタ101の外側面108には、外側面108の側の隔壁102の少なくとも一部が欠損する流路、すなわち外側面108に隔壁102で仕切られていない部分を有する流路(以下、不完全な流路107ともいう。図1(b)、図2(b)、図3(b)及び図3(c)を参照。)が存在する。このような不完全な流路107は、通常一方端101a及び他方端101bのいずれも目封止されていないため、処理される水が不完全な流路107に流入すると隔壁102を通過しないまま排出されてしまう虞がある。処理される水が満遍なくフィルタ101の隔壁102を通過するようにするためには、第1の及び第2の外縁部106a,106bの最外周に存在するこれらの不完全な流路107も第1のシール部材120a及び第2のシール部材120bにより完全に覆う必要がある。従って、第1の及び第2のシール部材120a,120bの幅は、第1の及び第2の外縁部106a,106bにおける流路103の最大開口長よりも大きい値であることが必要である。ここで、流路103の最大開口長とは、例えば、流路103の端面の形状が正方形の場合はその対角線の長さである。このため、第1の及び第2のシール部材120a,120bの幅は流路の開口長よりも大きくなるようにするのが好ましい。また、第1の及び第2のシール部材120a,120bとハウジング110との偏心により複数の流路103を過多に塞ぐことのないように、第1の及び第2の外縁部106a,106bにおける互いに隣接する流路103のピッチの1.5~4.0倍にするのが好ましい。ここで、ピッチとは第1の及び第2の外縁部106a,106bにおける互いに隣接する流路103の隔壁102の厚さdと等価直径Deの和である。例えば流路103が一辺wの正方形の場合は等価直径Deはwに等しいので、ピッチは隔壁102の厚さdと流路の幅wの和d+wとなる。
カオリン、タルク、シリカ、水酸化アルミニウム及びアルミナの粉末を混合して、化学組成が50質量%のSiO2、36質量%のAl2O3及び14質量%のMgOとなるコーディエライト化原料粉末を得た。このコーディエライト化原料粉末に、成形助剤としてメチルセルロース及びヒドロキシプロピルメチルセルロース、造孔剤として熱膨張性マイクロカプセルを添加し、適切な量のイオン交換水を注入して、十分な混練を行い、ハニカム構造に押出成形可能な坏土を調製した。
比較例1のフィルタは、目封止部を形成後のハニカム構造体の外周に、コーディエライト粒子とコロイダルシリカを含有するコーティング剤をコーティングした後、乾燥及び焼成して外壁を設けた以外は、実施例1と同様な方法で作製したものであり、外径127 mm、全長152.4 mm、隔壁厚さ0.76 mm及びピッチ2.75 mmの多孔質セラミックからなるフィルタであった。
汚染物質の捕捉性能を比較するために、実施例1及び比較例1の水処理用セラミックフィルタユニットを用いて模擬汚濁水の濾過試験を行った。ここで模擬汚濁水とは、模擬的な汚濁粒子として粒度#1000(平均粒子径約15μm)のSiC粒子を水1リットルあたり100 mg添加して作製したものである。実施例1及び比較例1の水処理用セラミックフィルタユニットにそれぞれ毎分35リットルの模擬汚濁水を循環させることにより繰り返し通水し、通水開始から30分後、60分後、及び360分後において、実施例1及び比較例1の水処理用セラミックフィルタユニットにおける供給口側及び排出口側の水をサンプリングし、それらのSiC濃度を測定した。結果を表1に示す。
実施例1と同様にして作製したフィルタ(外径125 mm、全長152.4 mm、隔壁厚さ0.76 mm、セルピッチ2.75 mm及び等価直径1.99 mm)を、構成材料がポリエチレン製である以外は実施例1と同様のハウジング(フィルタ収容部が外径140 mm、内径126 mm、及び長さ161.6 mm)に、ニトリルゴム製(硬度A70)の第1のシール部材120a及び第2のシール部材120b(いずれも負荷がかからないときの外径126 mm、内径106 mm、厚さ5 mm)を介して固定した水処理用セラミックフィルタユニットを作製した。上記いずれの寸法も25℃のときの値である。水処理用セラミックフィルタユニットとして25℃において固定されたときに第1のシール部材120a及び第2のシール部材120bのつぶし代はいずれも0.4 mm(つぶし率8%)、すなわちいずれの厚さも負荷がかからない状態の厚さの92%であった。使用環境温度範囲の10℃~40℃において、フィルタ101の寸法はほとんど変化しないが、ポリエチレン製のハウジング110'の軸方向長さは、25℃における値を基準にしてプラス側に0.32 mm、マイナス側に0.32 mmの範囲で変化したので、第1及び第2のシール部材120a,120bのつぶし代はこれに伴い、その半分であるプラス側に0.16 mm、マイナス側に0.16 mm変化したことになる。つまり、10℃においては、つぶし代はいずれも0.56 mm(つぶし率11%)、すなわち第1及び第2のシール部材120a,120bの厚さは負荷がかからない状態の厚さの89%であった。40℃においては、いずれもつぶし代は0.24 mm(つぶし率5%)、すなわち第1及び第2のシール部材120a,120bの厚さは負荷がかからない状態の厚さの95%であった。
実施例1と同様にして作製したフィルタ(外径125 mm、全長152.4 mm、隔壁厚さ0.76 mm、ピッチ2.75 mm及び等価直径1.99 mm)を、実施例2と同様のハウジング(フィルタ収容部が外径140 mm、内径126 mm、及び長さが161.6 mm)に、第1のシール部材120a及び第2のシール部材120bに替えて、断面が円形のO-リングを介して固定して比較例2の水処理用セラミックフィルタユニットを作製した。O-リングは、ニトリルゴム製(硬度A70)で、規格サイズのP-115(外径126 mm、内径114.6 mm、線径5.7 mm)のものを用いた。比較例2の水処理用セラミックフィルタユニットでは、O-リングのつぶし代を規格値である1.1 mmになるようにフィルタ収容部の長さを161.6 mmとしたものである。
実施例2及び比較例2の水処理用セラミックフィルタユニットを、10℃、25℃及び40℃の環境で使用したときの第1及び第2のシール部材120a,120b及びO-リングの接触面幅を表2に示す。ここで、接触面幅とは、平行した2枚の板の間にシール部材120a,120b及びO-リングを挟持してつぶしたときに、第1及び第2のシール部材120a,120b及びO-リングが1枚の板と接触している部分の径方向の幅である。実施例2で使用した第1及び第2のシール部材120a,120bは接触面幅がほとんど変わらないのに対し、比較例2で使用したO-リングは温度によって接触面幅が変化した。また、規格品のO-リングを用いた比較例2の水処理用セラミックフィルタユニットは、供給口より供給された水の一部がフィルタを通過せずに排出口から排出されてしまうことがわかった。これはO-リングの接触面幅が流路のピッチの1.5倍である4.1 mmよりも小さいため、フィルタの外側部に存在する目封止されていない一部の流路の両端部が覆われていなかったためである。
Claims (10)
- 多孔質セラミックからなる複数の隔壁で仕切られた一方向に延びる複数の流路からなり、前記複数の流路は、第1端のみが目封止された第1の流路と、第2端のみが目封止された第2の流路とを含む柱状のフィルタと、
前記フィルタの前記第1端側の第1の端面の第1の外縁部の全周にわたって配置された弾性体からなる第1のシール部材、及び前記フィルタの前記第2端側の第2の端面の第2の外縁部の全周にわたって配置された弾性体からなる第2のシール部材と、
前記第2の流路に外部から水を供給するための供給口を備え、前記第1の外縁部に配置された前記第1のシール部材に当接する第1のフランジ部を有する供給部、前記第1の流路から流出する水を外部に排出するための排出口を備え、前記第2の外縁部に配置された前記第2のシール部材に当接する第2のフランジ部を有する排出部、並びに前記供給部及び前記排出部を接続するとともに、前記フィルタの外側面を覆うフィルタ収容部とから一体的に構成されるハウジングと
を有する水処理用フィルタユニットであって、
前記第1の外縁部及び前記第2の外縁部の幅は、それぞれ前記第1の端面及び前記第2の端面に開口する前記流路のうちの少なくとも最外周部に存在する流路を覆うに足りる範囲の長さであり、前記第1のシール部材と前記第2のシール部材はそれぞれ前記第1の外縁部及び前記第2の外縁部を覆っており、
前記フィルタは、前記第1のシール部材と前記第2のシール部材とを介して、それぞれ前記第1のフランジ部と前記第2のフランジ部とにより固定されており、
前記フィルタの外側面と前記ハウジングとの間隙の最大値が前記流路の等価直径以下(ただし、前記等価直径は、前記フィルタの軸方向に直交する断面における任意の10本以上の流路について断面積及び周長を求め、それらの平均値をそれぞれ平均流路断面積及び平均濡れ縁長さとしたとき、前記平均流路断面積の4倍の値を前記平均濡れ縁長さで除した値である。)であることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1に記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記第1の流路と前記第2の流路とは互いに隣接するように構成されていることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1又は2に記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記フィルタが固定されたときの前記第1のシール部材及び前記第2のシール部材の厚さは、前記第1のシール部材及び前記第2のシール部材において負荷がかからない状態の厚さの75%以上であることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1~3のいずれかに記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記フィルタが固定されたときの前記第1のシール部材及び前記第2のシール部材の幅は、前記第1の外縁部及び前記第2の外縁部における前記流路のピッチの1.5~4.0倍であることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1~4のいずれかに記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記第1のシール部材及び前記第2のシール部材を構成する前記弾性体は、JIS K6253に準拠するタイプAのデュロメータで測定される硬度がA30~A80であることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項5に記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記第1のシール部材及び前記第2のシール部材を構成する前記弾性体は、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、及びシリコーンゴムからなる群から選ばれた少なくとも1つの材料からなることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1~6のいずれかに記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記フィルタは、前記外側面に前記隔壁で仕切られていない部分を有する流路を有することを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1~7のいずれかに記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記ハウジングを構成する前記供給部、前記排出部及び前記フィルタ収容部の各部材のうち、少なくとも1つの部材は他の部材とは異なる材料から構成されていることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1~8のいずれかに記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記ハウジングの前記供給部及び前記排出部のうちのいずれか一方は、前記フィルタ収容部と不可分に構成されていることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。 - 請求項1~9のいずれかに記載の水処理用セラミックフィルタユニットにおいて、
前記ハウジングはアルカリ性水溶液に耐性を有する材料から構成されていることを特徴とする水処理用セラミックフィルタユニット。
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