KR100712943B1 - 세라믹 필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 세라믹 필터는, 다공질체(2)와 여과막(5)으로 구성된 세라믹 필터(1)이며, 복수의 메인 유로(3)의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 소정의 패턴으로 열형으로 배열되고, 특정 격벽부(18)의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 소정 간격을 둔 2 라인의 평행 직선에 의해 형성되는 형상을 포섭하는 형상이며, 제1 특정 메인 유로(3a)의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이 소정 상태로 배치되는 칠각형 이상의 다각형이고, 또한 θ1, θ2, θ3, θ4가 110∼160°의 범위, A와 B가 0.3B≤A≤0.7B의 관계를 만족하는 세라믹 필터로서, 여과막에 균열 등의 결함을 일으키는 일없이, 수율 향상이 이루어진 것이다.
Description
본 발명은 액체·가스 등의 유체 여과에 이용되는 세라믹 필터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 여과막에 균열 등의 결함을 일으키는 일없이, 수율 향상이 이루어진 세라믹 필터에 관한 것이다.
세라믹 필터는, 고분자막 등과 비교하여, 물리적 강도, 내구성이 우수하기 때문에 신뢰성이 높다는 것, 내식성도 우수하다는 것, 나아가서는 여과 능력을 결정하는 세공 직경의 정밀한 제어가 가능하다는 점에서, 고액 분리용의 필터 등으로서 유용하다.
세라믹 필터는 평판형, 튜브형 등, 여러 가지 형상으로 가공된 세라믹 다공체를 여과재로 하여 여과를 하는데, 단위체적당 여과 면적이 크고, 여과 처리 능력이 높은 점에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같은 세라믹으로 이루어지는 다공질체(22)에 원액(피정화 유체)의 유로(셀)(23)가 다수 형성된, 소위 모노리스형의 세라믹 필터(21)가 광범위하게 이용되고 있다.
모노리스형의 세라믹 필터는, 기재가 되는 다공질체만을 여과재로 하거나, 또는 투수량을 확보하면서 여과 성능을 향상시킨다는 관점에서, 유로(셀)의 내벽면에, 기재가 되는 다공질체의 세공에 비하여 더욱 세공 직경이 작은 세라믹 여과막( 이하, 단순히 「여과막」이라고 함)을 형성한 상태로 사용된다.
이러한 세라믹 필터의 셀(메인 유로)의, 피정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면의 형상(셀 형상)으로서는, 단위체적당 여과 면적을 크게 잡을 수 있다는 점에서 사각형 셀이 범용되고 있지만, 역세척을 쉽게 하기 위해서 오각형 이상의 다각 셀(예컨대, 육각형 셀 등), 또는 원형 셀과 같은 코너부를 갖지 않는 셀 형상 등이 바람직하다고 여겨지고 있다.
세라믹 필터는 일종의 허니컴 구조체이기 때문에, 다른 허니컴 구조체와 마찬가지로 성형 원료의 배토를 압출 성형하여, 건조한 후, 소성하는 방법 등에 의해서 제조할 수 있다. 그러나, 전술한 다각 셀, 원형 셀 등의 셀은 유로 방향과 직행하는 방향으로부터의 힘에 대한 강도가 낮기 때문에, 압출 성형체의 자중(自重)이나, 압출 공정 이후의 공정(소성 공정 등)에서 발생하는 진동 등의 외력에 의해, 셀 또는 세라믹 필터 자체가 쉽게 망가져 변형되거나 하는 등의 문제가 있었다.
이러한 문제를 피하기 위해, 관련 종래 기술로서, 적어도 1조의 근접하는 셀열 사이에, 기재(다공질체)를 직선적으로 횡단하는 셀벽이 형성되고, 역세척이 용이한 동시에 제조시에 있어서의 자중이나 외력에 의한 변형 등의 문제점의 발생이 방지된 세라믹 필터가 개시되어 있다(예컨대, 일본 특허 공개 2000-342920호 공보 참조).
그러나, 일본 특허 공개 2000-342920호 공보에 기재된 세라믹 필터에 의해서도, 셀 내벽면의 코너부에 있어서 형성된 여과막에 균열 등의 결함이 생기는 경우가 있기 때문에, 이러한 막 결함의 발생이 억지되어, 제조 수율의 향상이 이루어진 세라믹 필터의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은, 이러한 종래 기술이 갖는 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 여과막에 균열 등의 결함을 일으키는 일없이, 수율 향상이 이루어진 세라믹 필터를 제공하는 데에 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 2개의 단부면 및 외주면을 갖는 동시에, 한 쪽의 상기 단부면에서부터 다른 쪽의 상기 단부면까지 관통하는 피정화 유체의 복수의 메인 유로가 격벽을 사이에 두고 형성된 다공질체와, 상기 메인 유로의 내벽면에 배치된 여과막으로 구성되고, 상기 메인 유로의 상기 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 유입된 상기 피정화 유체를, 상기 여과막 및 상기 다공질체의 내부를 투과시킴으로써 정화하여, 상기 다공질체의 상기 외주면으로부터 정화 유체로서 추출하거나, 또는 상기 다공질체의 상기 외주면으로부터 유입한 상기 피정화 유체를, 상기 다공질체의 내부 및 상기 여과막을 투과시킴으로써 정화하여, 상기 메인 유로의 적어도 상기 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 정화 유체로서 추출하는 세라믹 필터로서, 상기 복수의 메인 유로의 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 소정의 패턴으로 열형으로 배열되고, 상기 격벽 중 서로 근접하는 소정의 메인 유로(제1 특정 메인 유로)의 열 사이에 위치하는 특정 격벽부의, 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 소정 간격을 둔 2 라인의 평행 직선에 의해 형성되는 형상을 포섭하는 형상이며, 상기 제1 특정 메인 유로의 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 상기 특정 격벽부를 통해 대향하는 소정의 변(기준변)끼리가 상기 2 라인의 평행 직선을 구성하도록 배치되는 칠각형 이상의 다각형이며, 또한 상기 기준변의 양단에서 교차하는 변을 제2변 및 제3변, 상기 기준변의 반대편에 있는 상기 제2변의 단부와 교차하는 변을 제4변, 상기 기준변의 반대편에 있는 상기 제3변의 단부와 교차하는 변을 제5변으로 한 경우에, θ1, θ2, θ3, θ4[단, 상기 θ1, θ2, θ3, θ4는 각각 상기 기준변과 상기 제2변이 이루는 각도(θ1), 상기 기준변와 상기 제3변이 이루는 각도(θ2), 상기 제2변과 상기 제4변이 이루는 각도(θ3), 상기 제3변과 상기 제5변이 이루는 각도(θ4)를 나타냄]이 110∼160°의 범위인 동시에, 상기 기준변의 길이(A)와, 상기 제4변과 상기 제5변의 최대 격리 길이(B)가, 0.3B≤A≤0.7B의 관계를 만족하는 세라믹 필터가 제공된다.
본 발명에 있어서는, 2 라인의 평행 직선을 1조로 하는 평행 직선 조를 2조 이상 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 다공질체의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면에 있어서의 최대 직경이 70 mmφ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 특정 격벽부에, 그 양 단부면의 개구부가 밀봉된 소정의 메인 유로(제2 특정 메인 유로)의 열이 형성되는 동시에, 다공질체의 외주면을 포함하는 부분에, 제2 특정 메인 유로가 외부 공간과 연통하도록 슬릿형의 보조 유로가 형성되며, 메인 유로의 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 유입된 피정화 유체를, 여과막 및 다공질체의 내부를 투과시킴으로써 정화하여, 다공질체의 외주면 및 보조 유로의 출구로부터 정화 유체로서 추출하거나, 또는 다공질체의 외주면 및 보조 유로의 출구로부터 유입된 피정화 유체를, 다공질체의 내부 및 여과막을 투과시킴으로써 정화하여, 메인 유로의 적어도 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 정화 유체로서 추출하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 제2 특정 메인 유로의 열과, 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 열의, 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상의 배열 패턴이, 1열의 제2 특정 메인 유로의 열에 이어서 2∼8열의 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 열이 배열되는 반복 패턴인 것이 바람직하다.
도 1의 (a)∼(c)는 본 발명의 세라믹 필터의 일 실시형태를 도시한 도면으로, 도 1의 (a)는 사시도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 P부 확대도, 도 1의 (c)는 제1 특정 메인 유로의 확대도이다.
도 2는 종래의 세라믹 필터의 일 실시형태를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 세라믹 필터의 다른 실시형태를 도시하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 세라믹 필터의 더욱 다른 실시형태를 도시하는 모식도이다.
도 5의 (a)∼(d)는 본 발명의 세라믹 필터의, 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상의 배열 패턴(반복 패턴)을 도시하는 확대도이다.
도 6은 실시예 1의 세라믹 필터의, 메인 유로의 단면 형상의 배열 패턴을 도 시하는 확대도이다.
도 7은 비교예 1의 세라믹 패턴의, 메인 유로의 단면 형상의 배열 패턴을 도시하는 확대도이다.
도 8은 고압 발포 시험기의 일례를 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명의 최량의 실시형태에 관해서 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 당업자의 통상의 지식에 기초하여, 적절하게 설계의 변경, 개량 등을 가할 수 있음이 이해될 필요가 있다.
본 발명의 세라믹 필터는, 2개의 단부면 및 외주면을 갖는 동시에, 한 쪽의 단부면에서부터 다른 쪽의 단부면까지 관통하는 피정화 유체의 복수의 메인 유로가 격벽을 사이에 두고 형성된 다공질체와, 메인 유로의 내벽면에 배치된 여과막으로 구성되며, 메인 유로의 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 유입된 피정화 유체를, 여과막 및 다공질체의 내부를 투과시킴으로써 정화하여, 다공질체의 외주면으로부터 정화 유체로서 추출하거나, 또는 다공질체의 외주면으로부터 유입된 피정화 유체를, 다공질체의 내부 및 여과막을 투과시킴으로써 정화하여, 메인 유로의 적어도 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 정화 유체로서 추출하는 세라믹 필터이며, 복수의 메인 유로의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상(이하, 단순히 「단면 형상」이라고 할 때는, 「피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상」을 의미함)이 소정의 패턴으로 열형으로 배열되고, 격벽 중 서로 근접하는 제1 특정 메인 유로의 열 사이에 위치하는 특정 격벽부의 단면 형상이, 소정 간격을 둔 2 라인의 평행 직선에 의해 형성되는 형상을 포섭하는 형상이며, 제1 특정 메인 유로의 단면 형상이, 특정 격벽부를 통해 대향하는 기준변끼리 전술한 2 라인의 평행 직선을 구성하도록 배치되는 칠각형 이상의 다각형이고, 또한 기준변의 양단에서 교차하는 변을 제2변 및 제3변, 기준변의 반대편에 있는 제2변의 단부와 교차하는 변을 제4변, 기준변의 반대편에 있는 제3변의 단부와 교차하는 변을 제5변으로 한 경우에, θ1, θ2, θ3, θ4[단, θ1, θ2, θ3, θ4는 각각 기준변과 제2변이 이루는 각도(θ1), 기준변과 제3변이 이루는 각도(θ2), 제2변과 제4변이 이루는 각도(θ3), 제3변과 제5변이 이루는 각도(θ4)를 나타냄]가 110∼160°의 범위인 동시에, 기준변의 길이(A)와, 제4변과 제5변의 최대 격리 길이(B)가 0.3B≤A≤0.7B의 관계를 만족하는 것이다. 이하, 본 발명의 실시형태에 관해서 구체적으로 설명한다.
도 1의 (a)∼(c)는 본 발명의 세라믹 필터의 일 실시형태를 도시한 도면으로, 도 1의 (a)는 사시도, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 P부 확대도, 도 1의 (c)는 제1 특정 메인 유로의 확대도이다. 본 실시형태의 세라믹 필터(1)는 한 쪽의 단부면(4a)에서 다른 쪽의 단부면(4b)까지 관통하는 메인 유로(3)가, 격벽(8)을 사이에 둔 상태로 복수 형성된 다공질체(2)와, 메인 유로(3)의 내벽면에 배치된 여과막(5)으로 구성되고 있다. 또한, 메인 유로(3)의 단면 형상이 소정의 패턴으로 열형으로 배열되어 있고, 다공질체(2)의 외주면(6)을 포함하는 부분에는, 제2 특정 메인 유로(3b)가 외부 공간과 연통하도록 슬릿형의 보조 유로(9)가 형성되어 있다. 한편, 제2 특정 메인 유로(3b)의 열은 특정 격벽부(18)에 형성되어 있는 것으로, 그 양 단부면의 개구부[도 1의 (b)에 있어서는, 한 쪽의 단부면의 개구부(11)만 도시함]에 있어서 밀봉부(7)가 형성됨으로써 밀봉되어 있다.
도 1의 (a)∼(c)에 도시하는 세라믹 필터(1)를 이용하여, 액체·가스 등의 유체를 여과하여 정화하기 위해서는, 이하에 나타내는 2 종류의 플로우를 예로 들 수 있다. 즉, 제1 플로우는, 정화하여야 할 유체(피정화 유체)를 메인 유로(3)의 한 쪽의 단부면(4a)측의 개구부(11)로부터 유입시켜, 여과막(5) 및 다공질체(2)의 내부를 투과시킴으로써 정화하고, 다공질체(2)의 외주면(6) 및 보조 유로(9)의 출구(10)로부터 정화 유체로서 추출하는 플로우이다. 한편, 제2 플로우는, 피정화 유체를 다공질체(2)의 외주면(6) 및 보조 유로(9)의 출구(10)로부터 유입시켜, 다공질체(2)의 내부 및 여과막(5)을 투과시킴으로써 정화하고, 메인 유로(3)의 단부면[한 쪽의 단부면(4a) 및/또는 다른 쪽의 단부면(4b)]측의 개구부(11)로부터 정화 유체로서 추출하는 플로우이다. 이 후, 주로 제1 플로우를 예로 들면서, 본 실시형태의 세라믹 필터의 상세한 점에 관해서 설명하는데, 피정화 유체의 정화에 있어서 제2 플로우를 채용하는 경우라도 마찬가지이다.
본 실시형태의 세라믹 필터(1)는 인접하는 제1 특정 메인 유로(3a)의 열 사이에 위치하는 특정 격벽부(18)의 단면 형상이, 소정 간격을 둔 2 라인의 평행 직선에 의해 형성되는 형상을 포섭하는 형상이다. 특정 격벽부(18)의 단면 형상을 이와 같이 형성함으로써, 메인 유로의 단면 형상에 상관없이 세라믹 필터의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 세라믹 필터(1)는, 제1 특정 메인 유로(3a)의 단면 형상이 칠각형이며, 특정 격벽부(18)를 통해 대향하는 제1 특정 메인 유로(3a)의 기준변(31)끼리가 2 라인의 평행 직선을 구성하도록 배치되어 있다. 한편, 제1 특정 메인 유로(3a)의 단면 형상은 도 1의 (b), 도 1의 (c)에 도시한 바와 같은 칠각형에 한정되지 않고, 칠각형 이상의 다각형이라도 좋다. 또한, 본 실시형태의 세라믹 필터(1)는 제1 특정 메인 유로(3a)의 단면 형상인 칠각형 이상의 다각형이, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 기준변(31)의 양단에서 교차하는 변을 제2변(32) 및 제3변(33), 기준변(31)의 반대편에 있는 제2변(32)의 단부와 교차하는 변을 제4변(34), 기준변(31)의 반대편에 있는 제3변(33)의 단부와 교차하는 변을 제5변(35)으로 한 경우에, 기준변(31)과 제2변(32)이 이루는 각도(θ1), 기준변(31)과 제3변(33)이 이루는 각도(θ2), 제2변(32)과 제4변(34)이 이루는 각도(θ3), 제3변(33)과 제5변(35)이 이루는 각도(θ4)가 110∼160°의 범위인 동시에, 기준변(31)의 길이(A)와, 제4변(34)과 제5변(35)의 최대 격리 길이(B)가 0.3B≤A≤0.7B의 관계를 만족하는 것이다.
본 실시형태의 세라믹 필터(1)는, 도 1의 (a)∼(c)에 도시한 바와 같이 제1 특정 메인 유로(3a)의 단면 형상이, 특정 격벽부(18)를 통해 대향하는 기준변(31)끼리가 2 라인의 평행 직선을 구성하도록 배치되는 소정의 칠각형이기 때문에, 제1 특정 메인 유로(3a)의 내벽면에 있어서의 코너부에 있어서도 균일한 막 두께를 갖 는 여과막(5)이 형성되고 있어, 소성 등에 의해 여과막이 형성될 때에 생기는 균열 등의 결함 발생율이 매우 효과적으로 저감되는 것이다. 또한, 결함 발생율이 매우 낮기 때문에, 제조 수율의 향상을 도모할 수 있는 동시에, 제품 신뢰성이 높은 세라믹 필터(1)이다.
본 실시형태의 세라믹 필터(1)는 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이 θ1, θ2, θ3, θ4가 110∼160°의 범위인 동시에, A와 B가 0.3B≤A≤0.7B의 관계를 만족하는 것이다. 한편, 여과막(5)[도 1의 (b) 참조]에 있어서의 균열 등의 결함 발생을 더욱 억제하여, 한층 더 수율 향상이 이루어진 세라믹 필터(1)[도 1의 (a) 참조]로 하는 관점에서는, θ1, θ2, θ3, θ4는 120∼150°의 범위인 것이 바람직하고, 130∼140°의 범위인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 같은 관점에서, A와 B가 0.35B≤A≤0.65B의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 0.4B≤A≤0.6B의 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 도 1의 (a)∼(c)에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 세라믹 필터(1)에 있어서는, 특정 격벽부(18)에, 그 양 단부면의 개구부가 밀봉부(7)에 의해 밀봉된 제2 특정 메인 유로(3b)의 열이 형성되는 동시에, 다공질체(2)의 외주면(6)을 포함하는 부분에, 제2 특정 메인 유로(3b)가 외부 공간과 연통하도록 슬릿형의 보조 유로(9)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 소정의 보조 유로(9)가 형성되어 이루어지는 본 실시형태의 세라믹 필터(1)는, 다공질체(2)의 중심부 근방의 메인 유로(3)로부터의 정화 유체의 회수가 용이하게 되어, 세라믹 필터(1)의 여과 처리 능력을 10배 이상으로 비약적으로 향상시키는 것이 가능하게 된다는 점에서 바람직하다. 또한, 세라믹 필터(1) 내의 유량 분포, 역세척시의 역세척 압력 분포를 대폭 개선할 수 있다는 점에서도 바람직하다. 한편, 본 명세서에 있어서의 「서로 근접하는 제1 특정 메인 유로의 열」에는, 제1 특정 메인 유로의 열끼리가, 이들 사이에 다른 메인 유로의 열 등을 개재시키는 일없이 인접하여 형성된 경우 외에, 도 1의 (a)∼(c)에 도시한 바와 같이, 제1 특정 메인 유로의 열 사이에 위치하는 특정 격벽부에 제2 특정 메인 유로의 열이 형성된 경우도, 이 「서로 근접하는 제1 특정 메인 유로의 열」에 포함되는 것으로 한다. 또한, 본 명세서에서 말하는 「특정 격벽부에 제2 특정 메인 유로의 열이 형성된 경우」란, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 특정 격벽부(18) 내에, 다른 메인 유로와 평행하게 제2 특정 메인 유로(3b)의 열이 형성된 경우를 말한다. 따라서, 본 명세서에서는, 특정 격벽부(18) 내에 제2 특정 메인 유로(3b)의 열이 형성된 상태라도, 2 라인의 평행 직선(12) 사이에 위치하는 부분을 「특정 격벽부」라고 부른다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 세라믹 필터(61)는 2 라인의 평행 직선(12)을 1조로 하는 평행 직선 조(13)가 적어도 1조 형성되어 있으면 된다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 세라믹 필터(71)는 이들 2 라인의 평행 직선(12)을 1조로 하는 평행 직선 조(13)를 2조 이상 갖는 것이, 미소성체(70)의 형상 유지에 기여하는 특정 격벽부(18)를 적당한 간격으로 배치할 수 있어, 소성시에 있어서의 다공질체(2)의 왜곡이나 변형, 나아가서는 세라믹 필터(71)의 왜곡이나 변형을 보다 효과적으로 억제할 수 있으므로 바람직하다. 한편, 도 3 및 도 4에서, 도면 부호 60, 70은 미소성체, 도면 부호 80은 미소성체의 외형선, 도면 부호 81은 세라믹 필터(소성체)의 외형선을 나타낸다. 여기서, 2조 이상의 평행 직선 조(13)를 지님에 의한, 세라믹 필터(71)의 왜곡이나 변형의 억제 효과는, 다공질체(2)의, 피정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면에 있어서의 최대 직경이, 바람직하게는 70 mmφ 이상, 더욱 바람직하게는 120 mmφ 이상인 경우에 의해 효과적으로 발휘된다. 상기 최대 직경의 상한치는 특별히 한정되지 않지만, 다공질체의 실질적인 제조 가능성 등의 관점에서는, 300 mmφ 이하이다.
한편, 본 명세서에서 말하는 「피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면에 있어서의 최대 직경」이란, 다공질체의, 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 중에서(유로를 따라서 형성되는 임의의 단면 중에서), 그 값이 최대가 되는 단면의 그 직경(최대 직경)을 말한다. 단면 형상이 원인 경우는 원의 직경, 단면 형상이 타원, 장원인 경우는 장축의 길이, 단면 형상이 다각형인 경우는 가장 긴 대각선의 길이, 단면 형상이 기타 부정형인 경우는 단면 형상의 외주상의 2점을 취했을 때에, 가장 길게 되는 2점 사이의 거리이다.
도 5의 (a)∼(d)는, 본 발명의 세라믹 필터의, 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상의 배열 패턴(반복 패턴)을 도시하는 확대도이다. 도 5의 (a)∼(d)에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 세라믹 필터(82, 83, 84, 88)는 제2 특정 메인 유로의 열(40)과, 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 열(42, 43, 44, 48)의, 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상의 배열 패턴이, 1열의 제2 특정 메인 유로(40)의 열에 이어서 2∼8열의 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 열(42, 43, 44, 48)이 배열되는 반복 패턴인 것이 바람직하다. 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상의 배열 패턴을 이러한 소정의 반복 패턴으로 함으로써, 여과막의 결함 발생율이 저감되는 동시에 피정화 유체의 여과 효율이 매우 높고, 나아가서는 소성시의 왜곡이나 변형 등의 문제점 발생이 저감되어, 제조 수율이 양호하다고 하는 효과를 발휘한다.
피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상의 배열 패턴은, 피정화 유체의 여과 효율의 관점이나, 소성시의 왜곡이나 변형 등의 문제점 발생 회피의 관점에서, 종합적으로 판단하여 설정하면 좋다. 예컨대, 피정화 유체의 여과 효율의 관점에 보면, 동일한 직경의 세라믹 필터라도 제막(製膜)되는 여과막의 세공 직경의 대소에 따라 선택하는 배열 패턴이 적절히 설정된다. 즉, 여과막의 세공 직경이 큰 경우에는, 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 투수량 분포(여과 처리수량)에 변동을 일으키기 쉽게 되기 때문에, 제2 특정 메인 유로-제1 특정 메인 유로의 배열 패턴을, 1열-2열, 또는 1열-3열의 반복 패턴으로 설정하면 좋다. 한편, 여과막의 세공 직경이 작은 경우에는, 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 투수량 분포(여과 처리수량)에 변동을 일으키기 어렵게 되기 때문에, 1열-7열, 또는 1열-8열의 반복 패턴을 선택하면 좋다. 또한, 단면 형상에 있어서의 중앙부와 외주부에서 투수량의 차가 큰 경우에는, 제1 특정 메인 유로-제2 특정 메인 유로-제1 특정 메인 유로-제2 특정 메인 유로-…의 배열 패턴을, 2열-1열-3열-1열-2열이나, 5열-1열-8열-1열-5열 등의 배열 패턴으로 설정하는 것이 바람직하다.
소성시의 왜곡이나 변형 등의 문제점 발생 회피의 관점에서 보면, 세라믹 필 터의 직경이 커짐에 따라서, 건조시나 소성시의 변형이 커지기 쉬운 경향에 있기 때문에, 제2 특정 메인 유로의 열(격벽)을 많게 하면 변형을 일으키기 어렵게 된다. 그러나, 제2 특정 메인 유로의 수를 증가시키면, 그 만큼 여과막의 면적이 감소되어 버리기 때문에, 가능한 한 제2 특정 메인 유로의 수를 적게 하여, 변형되기 어렵고, 충분한 투수량 분포가 이루어질 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.
본 발명의 세라믹 필터의 기재인 다공질체의 단면 형상은 특별히 한정되지 않고, 원형, 정방형, 직사각형, 또는 육각형 등인 것을 이용할 수 있다. 단, 압출 성형이 쉽고, 소성 변형이 적으며, 또한 하우징과의 시일을 하기 쉽다는 점에 있어서, 단면 형상이 원형인 것이 바람직하다. 다공질체는 물리적 강도, 내구성, 내식성이 우수한 세라믹으로 구성되는데, 세라믹의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 알루미나, 티타니아, 멀라이트, 지르코니아, 코디어라이트, 또는 이들의 혼합물 등, 여러 가지 세라믹 재료 중에서 피여과 유체 등에 대한 내식성, 제조 용이성, 비용 등 목적에 따라서 적절하게 선택하면 좋다.
다공질체를 제조함에 있어서는 우선, 골재, 소결 조제 외에. 분산매, 유기 바인더, 필요에 따라 계면활성제, 가소제 등을 첨가하여, 반죽하여 이루어지 배토를 압출 성형하여 이루어지는 성형체를 얻는다. 골재는 전술한 세라믹 재료에서 선택하면 된다. 골재를 포함하는 배토를 성형하여 소성함으로써, 골재의 입자 지름에 따른 세공을 갖는 다공질체가 형성된다. 또한, 소결 조제는 골재끼리의 결합을 강화하기 위한 첨가재로서, 평균 입자 지름 5 ㎛ 미만의 세라믹 입자로 이루어지는 골재와 동시에 배토에 첨가함으로써, 골재 사이의 결합이 강화되어, 강고한 다공질체가 형성된다. 소결 조제의 재질도 특별히 한정되지 않고, 예컨대 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 유리 프릿, 장석, 코디어라이트 등을 이용할 수 있다. 통상은, 골재끼리의 결합 강도를 확보하여 다공질체의 세공 폐색을 방지하기 위해서, 골재 및 소결 조제의 전체 질량에 대하여 10∼35 질량% 정도 첨가하면 좋다. 압출 성형하여 얻어진 성형체를 건조하여, 이것을 유로 방향과 수직으로 소정 길이로 절단한 후에 소성하여 다공질체를 얻을 수 있다.
다공질체의 사이즈도 한정되지 않지만, 예컨대 유로 방향의 전체 길이가 150∼2000 mm 정도, 다공질체가 원주형인 경우에 있어서 외경이 30 mmΦ 이상인 것이 일반적이지만, 본 발명에서는 가로배치로 소성 등을 실시할 필요가 있는 대형인 것, 구체적으로는 외경 70 mmΦ, 전체 길이 500 mm 이상의 대형인 것이 바람직하다.
다공질체에는, 한 쪽의 단부면에서 다른 쪽의 단부면까지 관통하는 복수의 메인 유로가 격벽을 사이에 둔 상태로 형성되어 있지만, 본 발명에서는 각 메인 유로가 무작위로 형성(배열)되어 있는 것이 아니라, 복수의 메인 유로가 병렬하도록 배치된 메인 유로 열이 복수 열 형성되어 있다. 메인 유로의 구멍 직경은, 단위체적당 여과 면적의 확보, 역세척시에 있어서의 퇴적물의 박리 용이성, 여과 유체의 다공질체 내에 있어서의 투과 저항의 저감 등의 관점에서 피정화 유체의 성형(고형분 농도, 고형분의 크기, 점도 등)시의 구멍 직경을 선택하면 좋다. 예컨대, 상수도의 여과에 사용하는 경우라면 1∼5 mm 정도인 것이 바람직하다. 또한, 다공질체의 강도를 확보하기 위해서, 모든 메인 유로의 공극 용적이 다공질체 체적의 80% 이하인 것이 바람직하다. 한편, 본 발명에서 말하는 메인 유로의 구멍 직경이란, 메인 유로의 피여과 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상에 있어서의 최대 구멍 직경을 말하는 것으로 한다.
본 발명의 세라믹 필터에 있어서의 여과막은, 세공 직경이 수십 ㎛ 이하인 박막이며, 다공질체와 같은 식의 세라믹에 의해 구성된다. 여과막은 다공질체의 메인 유로의 내벽면에 세라믹으로 이루어지는 골재 입자를 포함하는 슬러리를 이용하여 소정 막 두께를 갖는 제막층을 형성한 후, 소성함으로써 메인 유로의 내벽면에 배치(형성)할 수 있다. 구체적으로는, 골재 입자를 물 등의 분산매 중에 분산하고, 필요에 따라 유기 바인더, pH 조정제, 계면활성제 등을 첨가함으로써 제막용 슬러리를 조제하며, 종래 공지의 방법, 예컨대 디프 제막법, 일본 특허 공고 소63-66566호 공보에 기재된 여과 제막법 등을 이용하여 메인 유로의 내벽면에 제막층을 형성하고, 건조한 후, 1300℃ 정도의 고온에서 소성하면 좋다.
골재 입자의 세라믹의 종류는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 알루미나, 티타니아, 멀라이트, 지르코니아, 실리카, 스피넬 또는 이들의 혼합물 등을 이용할 수 있다. 단, 입자 직경이 제어된 원료를 입수하기 쉬워, 안정적인 제막층을 형성할 수 있고, 또한 내식성이 높은 재질(예컨대 알루미나 등)을 이용하는 것이 바람직하다. 여과막의 세공 직경은 골재 입자의 입자 지름에 의해 제어할 수 있다. 한편, 여과막은 적어도 1층 형성하는 것이 바람직하고, 2층 이상 형성하더라도 좋다.
슬릿형의 보조 유로는 도 1의 (a), (b)에 도시한 바와 같이 다공질체(2)의 소성전 또는 소성후에, 다이어 전착 커터 등의 날붙이에 의해, 보조 유로(9)를 형성하여야 할 제2 특정 유로(3b)의 열이 외부 공간과 연통하도록 파단하여 형성하면 좋다. 여기서, 보조 유로(9)에 연통하는 제2 특정 유로(3b)는 정화 유체로의 피정화 유체의 혼입을 방지하기 위해서 다공질체(2)의 양 단부면의 개구부를 플러깅 부재 등에 의해 봉하여 막아 밀봉부(7)를 형성한다. 한편, 제2 특정 메인 유로(3b)의 내벽면에도, 전술한 여과막을 필요에 따라서 형성하더라도 좋다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것이 아니다.
(실시예 1)
골재로서 입자 지름이 30∼100 ㎛이 되도록 체로 걸러 구분한 알루미나를 사용하고, 이것에 소결 조재로서 입자 지름 0.5∼5 ㎛인 장석, 분산매로서 물, 유기 바인더로서 메틸셀룰로오스를 첨가하여, 반죽하여 얻어진 배토를 압출 성형함으로써 복수의 메인 유로를 갖는 허니컴형의 성형체를 얻었다. 이 성형체를 건조한 후, 소정의 길이가 되도록 유로 방향과 수직으로 절단하고, 이것을 소성함으로써, 외경 180 mm, 유로의 내경 2.5 mm, 길이 1000 mm, 1열에 최대 53개의 메인 유로를 갖는 메인 유로열을 61열 구비한, 전체 메인 유로의 수가 약 2200개인 허니컴형의 다공질체를 얻었다. 한편, JIS 침지법에 의해 측정한 다공질체의 기공율은 40%, 수은 압입법에 의해 측정한 평균 세공 직경은 20 ㎛이었다.
이어서, 다이어 전착 커터를 이용하여, 다공질체의 유로 방향의 중심부에 6열 걸러서 슬릿형의 보조 유로를 형성했다. 보조 유로의 출구의 폭은 1.2 mm이며, 보조 유로의 출구의 가장자리 단부는 R 형상으로 가공했다. 그 후, 건조 및 소성 함으로써, 보조 유로를 갖는 다공질체를 제조했다.
이어서, 보조 유로에 연통하는 제2 특정 메인 유로(3b)(도 6 참조)의 양 단부면의 개구부에 유리질로 이루어지는 밀봉 부재를 충전한 후에 소성하여 밀봉부(7)를 형성하고, 도 6에 도시한 바와 같은 메인 유로(3)의 단면 형상의 배열 패턴을 갖는 다공질체를 제조했다. 또한, 제2 특정 메인 유로(3b) 이외의 메인 유로의 내벽면에, 막 두께가 10 ㎛인 알루미나로 이루어지는 여과막을 형성함으로써, 세라믹 필터를 제조했다(실시예 1). 한편, 실시예 1의 세라믹 필터의 제2 특정 메인 유로(3b)는 폭이 2.5 mm, 높이가 2 mm인 직사각형, 제1 특정 메인 유로(3a)는 θ1=135°, θ2=135°, θ3=135°, θ4=135°, A=1.4 mm, B=2.8 mm인 칠각형, 이들 이외의 메인 유로(3)는, 대향변이 2.5 mm인 육각형이며, 제1 특정 메인 유로(3a)가 제2 특정 메인 유로(3b)와 높이 방향으로 병렬하도록 배치되어 있다.
(비교예 1)
메인 유로의 단면 형상의 배열 패턴을, 도 7에 도시한 바와 같은 배열 패턴으로 하는 것 이외에는, 전술한 실시예 1와 같은 식의 조작에 의해 세라믹 필터를 제조했다(비교예 1). 한편, 비교예 1의 세라믹 필터의 제2 특정 메인 유로(3b)는 폭이 2.5 mm, 높이가 2 mm인 직사각형, 제1 특정 메인 유로(3a)는 폭이 2.5 mm, 최대 높이가 2.4 mm인 홈베이스형의 오각형, 이들 이외의 메인 유로(3)는 대향변이 2.5 mm인 육각형이며, 제1 특정 메인 유로(3a)가 제2 특정 메인 유로(3b)와 높이 방향으로 병렬하도록 배치되어 있다.
[결함의 조사(불량율의 측정)]
도 8에 도시하는 고압 발포 시험기(50)를 사용하여, 에어버블법에 의해 세라믹 필터(51)에 있어서의 결함을 조사했다. 구체적으로는, 실시예 1 및 비교예 1의 세라믹 필터(51)[n=60(단, 「n」은 시료수를 나타냄)]를 고압 발포 시험기(50) 내에 설치한 후에 액체로 습윤하고, 이것에 대하여 압력을 서서히 상승시키면서 가압 에어를 보내, 기공으로부터 발포하는 압력으로부터 기공 직경을 산출했다. 이 방법에 의해, 기공 직경 환산으로 5 ㎛ 이상의 발포가 일어난 메인 유로를 결함 메인 유로로 하며, 결함 메인 유로가 하나라도 발생한 경우는 그 세라믹 필터(51)를 불량으로서 카운트하여 불량율을 측정했다. 한편, 도 8에서 도면 부호 52는 패킹, 도면 부호 53은 밸브, 도면 부호 54는 O-링을 나타낸다.
| 불량 개수(개, n=60) | 불량율(%) | |
| 실시예 1 | 2 | 3.3 |
| 비교예 1 | 11 | 18.3 |
표 1에 나타내는 결과로부터, 비교예 1의 세라믹 필터에 비하여 실시예 1의 세라믹 필터 쪽이 불량율의 값이 낮은 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 1에 있어서 발생한 불량의 형태는, 주로 메인 유로의 직각부의 막에 있어서 발생한 균열이었다. 이것은, 직각부에서는 균일한 막 두께로 여과막이 제막되지 않고서 국소적으로 두껍게 제막된 부위를 만들어, 그 부위에서 소성시에 균열이 발생했기 때문이라고 생각된다. 따라서, 본 발명의 세라믹 필터의 우수한 특성을 확인할 수 있었다.
본 발명의 세라믹 필터는, 복수의 메인 유로의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이 소정의 패턴으로 열형으로 배열되어, 제1 특정 메인 유로열 사이에 위치하는 특정 격벽부의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이 소정의 형상이며, 제1 특정 메인 유로의 피정화 유체 또는 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 소정의 상태로 배치되는 소정의 관계를 만족하는 칠각형 이상의 다각형이기 때문에, 여과막에 균열 등의 결함을 생기는 일없이, 수율 향상이 이루어진 세라믹 필터이다. 따라서, 예컨대 고액 분리용의 필터 등으로서 유용하다.
Claims (5)
- 2개의 단부면 및 외주면을 갖는 동시에, 한 쪽의 상기 단부면에서부터 다른 쪽의 상기 단부면까지 관통하는 피(被)정화 유체의 복수의 메인 유로가 격벽을 사이에 두고 형성된 다공질체와, 상기 메인 유로의 내벽면에 배치된 여과막으로 구성되고,상기 메인 유로의 상기 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 유입된 상기 피정화 유체를, 상기 여과막 및 상기 다공질체의 내부를 투과시킴으로써 정화하여, 상기 다공질체의 상기 외주면으로부터 정화 유체로서 추출하거나, 또는상기 다공질체의 상기 외주면으로부터 유입된 상기 피정화 유체를, 상기 다공질체의 내부 및 상기 여과막을 투과시킴으로써 정화하여, 상기 메인 유로의 적어도 상기 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 정화 유체로서 추출하는 세라믹 필터로서,상기 복수의 메인 유로의 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 소정의 패턴으로 열(列)형으로 배열되고,상기 격벽 중 서로 근접하는 소정의 메인 유로(제1 특정 메인 유로)의 열 사이에 위치하는 특정 격벽부의, 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 소정 간격을 둔 2 라인의 평행 직선에 의해 형성되는 형상을 포섭하는 형상이며,상기 제1 특정 메인 유로의 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상이, 상기 특정 격벽부를 통해 대향하는 소정의 변(기준변)끼리가 상기 2 라인의 평행 직선을 구성하도록 배치되는 칠각형 이상의 다각형이고,상기 기준변의 양단에서 교차하는 변을 제2변 및 제3변, 상기 기준변의 반대편에 있는 상기 제2변의 단부와 교차하는 변을 제4변, 상기 기준변의 반대편에 있는 상기 제3변의 단부와 교차하는 변을 제5변으로 한 경우에, θ1, θ2, θ3, θ4[단, 상기 θ1, θ2, θ3, θ4는 각각 상기 기준변과 상기 제2변이 이루는 각도(θ1), 상기 기준변과 상기 제3변이 이루는 각도(θ2), 상기 제2변과 상기 제4변이 이루는 각도(θ3), 상기 제3변과 상기 제5변이 이루는 각도(θ4)를 나타냄]가 110∼160°의 범위인 동시에, 상기 기준변의 길이(A)와, 상기 제4변과 상기 제5변의 최대 격리 길이(B)가, 0.3B≤A≤0.7B의 관계를 만족하는 것인 세라믹 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 2 라인의 평행 직선을 1조로 하는 평행 직선 조를 2조 이상 갖는 것인 세라믹 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면에 있어서의 상기 다공질체의 최대 직경이 70 mmφ 이상인 것인 세라믹 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 특정 격벽부에, 그 양 단부면의 개구부가 밀봉된 소정의 메인 유로(제2 특정 메인 유로)의 열이 형성되는 동시에, 상기 다공질체의 상기 외주면을 포함하는 부분에, 상기 제2 특정 메인 유로가 외부 공간과 연통하도록 슬릿형의 보조 유로가 형성되고,상기 메인 유로의 상기 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 유입된 상기 피정화 유체를, 상기 여과막 및 상기 다공질체의 내부를 투과시킴으로써 정화하여, 상기 다공질체의 상기 외주면 및 상기 보조 유로의 출구로부터 정화 유체로서 추출하거나, 또는상기 다공질체의 상기 외주면 및 상기 보조 유로의 출구로부터 유입된 상기 피정화 유체를, 상기 다공질체의 내부 및 상기 여과막을 투과시킴으로써 정화하여, 상기 메인 유로의 적어도 상기 한 쪽의 단부면측의 개구부로부터 정화 유체로서 추출하는 것인 세라믹 필터.
- 제4항에 있어서, 상기 제2 특정 메인 유로의 열과, 상기 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 열의, 상기 피정화 유체 또는 상기 정화 유체의 유로 방향에 수직인 단면 형상의 배열 패턴이, 1열의 상기 제2 특정 메인 유로의 열에 이어서 2∼8열의 상기 제2 특정 메인 유로 이외의 메인 유로의 열이 배열되는 반복 패턴인 것인 세라믹 필터.
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|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130404 Year of fee payment: 7 |
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| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140401 Year of fee payment: 8 |
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| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170330 Year of fee payment: 11 |
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| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180418 Year of fee payment: 12 |
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| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190418 Year of fee payment: 13 |