KR20200115033A - 금속 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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metal filter
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아츠오 오타
신야 이마노
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 제조 공정수가 적고 여과 성능이 높은 금속 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
필터 기능을 갖는 메쉬상의 필터부(10)와, 필터부(10)를 지지하는 복수의 빔 부재(21, 22)로 이루어지는 서포트부(20)를, 이음매 없이 연속해서 마련한다.

Description

금속 필터 및 그 제조 방법{METAL FILTER AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}
본 발명은 유체 중의 고형물을 여과할 수 있는 금속 필터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
유체 중의 고형물을 여과할 수 있는 필터로서, 수지, 세라믹, 유리 등에 비해 내열, 내압, 내충격성이 우수한 금속 필터(메탈 필터)가 이용되는 경우가 있다. 금속 필터의 하나로서, 금속의 분체를 용융점 전후의 온도에서 구워서 굳힘으로써 미세 구멍을 형성한 소결 필터가 있다. 소결 필터는 금속 입자가 3차원으로 서로 얽혀 소결되기 때문에 높은 여과 능력을 발휘할 수 있다. 소결 필터의 여과 능력 향상을 도모하는 경우, 예를 들어, 금속 분말체의 입경을 미소화하여 더욱 구멍 직경이 작은 소결체를 제조하는 것이나, 소결체의 두께를 증가시키는 것이 고려되지만, 이들 방법으로는 압력 손실이 커 여과 효율이 저하될 우려가 있다.
이러한 종류의 과제를 감안하여, 특허문헌 1은 여과 면적을 증대시킴으로써 압력 손실의 저감을 도모한 금속 필터를 개시하고 있다. 구체적으로는, 외주면 상에 요철을 갖는 원통상의 지지체와, 단체로는 여과압에 대하여 형상을 유지할 수 없는 두께를 갖고 지지체의 외주면(피복면)을 덮는 미세 여과층을 일체로 소결한 금속 필터가 개시되어 있다. 이 금속 필터에서는, 미세 여과층의 공공 직경은 지지체의 공공 직경보다도 작고, 또한 지지체의 피복면(외주면)이 산부를 갖는 요철로 형성됨으로써 미세 여과층의 여과면을 기복 여과면으로 함과 함께, 산부 사이의 골부에 있어서의 미세 여과층의 평균 두께를 산부에서의 평균 두께보다도 두껍게 하고, 또한 미세 여과층의 여과면을 매끄러운 곡면상으로 형성하고 있다.
일본 특허 공개 제2000-185209호 공보
일반적으로 소결 필터의 제조에는, 특허문헌 1의 금속 필터를 포함하여, 금속 분말을 충전하여 가압, 소결하기 위한 금형(특허문헌 1의 내형 및 외형)을 준비할 필요가 있다. 또한, 소결 필터는 소결의 성질상, 필터 구멍 직경의 제어가 어렵다. 또한, 소결체의 형상은 금형의 구조에 의한 제약을 받기 때문에 자유도가 낮다.
그리고 특허문헌 1의 필터에서는 미세 여과층의 내주면측의 전체면에 대략 원통상의 지지체가 위치하기 때문에 여전히 압력 손실에 개선의 여지가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적은 제조 공정수가 적고 여과 성능이 높은 금속 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있지만, 그 일례를 들면, 메쉬상의 필터부와, 상기 필터부를 지지하는 복수의 빔 부재로 이루어지는 서포트부를 구비한 금속 필터이며, 상기 필터부와 상기 서포트부는 이음매 없이 연속되어 있는 것으로 한다.
본 발명에 따르면 여과 성능이 높은 금속 필터를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 금속 필터(메탈 필터)의 사시도이다.
도 2는 도 1의 금속 필터(1)로부터 필터부(10)를 제거한 도면이다.
도 3은 도 2에 있어서의 A부의 확대도이다.
도 4는 도 1의 금속 필터(1)로부터 서포트부(20)를 제거한 도면이다.
도 5는 도 4에 있어서의 B부의 확대도이다.
도 6은 필터부(10)와 서포트부(20)의 위치 관계의 변형예를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 7은 파우더 베드 방식의 3D 프린터의 개략 구성도이다.
도 8은 3D 프린터(100)에 의한 금속 필터(1)의 제조 과정을 6개로 분해하여 도시한 도면이다.
도 9는 3D 프린터에 있어서 레이저 조사 조건을 변경한 경우의 조형예이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 금속 필터(메탈 필터)의 사시도이다. 이 도면에 도시하는 금속 필터(1)는, 대략 원통상으로 형성되어 있고, 유체 중의 고형물을 여과하는 필터로서 기능하는 메쉬상의 필터부(10)와, 필터부(10)를 지지하여 금속 필터(1)의 구조 강도를 높이는 복수의 빔 부재(21, 22)로 이루어지는 서포트부(20)를 구비하고 있다. 필터부(10)와 서포트부(20)는 양자의 경계부에 있어서 이음매 없이 연속되어 있다. 즉, 필터부(10)와 서포트부(20)는 일체 성형되어 있고, 개별로 제조된 후에 결합된 것은 아니다. 필터부(10)와 서포트부(20)는 동일한 금속으로 형성할 수 있다.
금속 필터(1)의 축방향에 있어서의 서포트부(20)의 양단(즉, 통형상의 상단 및 하단)에는 편평한 링 형상의 플랜지부(30)가 마련되어 있다. 플랜지부(30)도 마찬가지로 필터부(10) 및 서포트부(20)와 일체 성형되어 있고, 이것들과의 경계부에서는 이음매 없이 연속되어 있다. 플랜지부(30)는 서포트부(20)의 양단의 어느 한쪽에 마련해도 되고, 생략해도 된다.
도 2는 도 1의 금속 필터(1)로부터 필터부(10)를 제거한 도면이고, 서포트부(20)만을 추출하여 나타내고 있다. 도 3은 도 2에 있어서의 A부의 확대도이다.
복수의 빔 부재(21, 22)는, 금속 필터(1)의 축방향에 있어서의 상단과 하단에 위치하고, 금속 필터(1)의 축방향으로 간격을 두고 배치된 2개의 플랜지부(30) 사이에 걸쳐져 있다. 복수의 빔 부재(21, 22)는 격자상으로 짜여져 있고, 그것에 의해 복수의 격자를 형성하고 있다. 즉, 서포트부(20)에서는, 제1 배열 방향을 따라 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 제1 빔 부재(21)와, 제1 배열 방향과 교차하는 제2 배열 방향을 따라 마찬가지로 소정의 간격을 통해 배치된 복수의 제2 빔 부재(22)에 의해 복수의 사각형의 격자상 구획(23)이 형성되어 있다. 본 실시 형태의 필터부(10)는 각 격자상 구획(23)을 금속 필터(1)의 외측면측으로부터 폐색하도록 배치되어 있다.
본 실시 형태의 복수의 빔 부재(21, 22)는 금속 필터(1)에 있어서의 직경 방향으로 폭을 갖고 있고, 그 폭은 금속 필터(1)의 직경 방향에 있어서의 플랜지부(30)의 폭(직경 방향의 두께)과 동일하거나, 또는 그것보다 작다. 단, 금속 필터(1)의 직경 방향에 있어서의 필터부(10)의 폭(두께)보다도 작아지는 일은 없다. 즉, 금속 필터(1)의 직경 방향에서 비교하면, 복수의 빔 부재(21, 22)의 폭은 필터부(10)의 두께보다도 크고, 플랜지부(30)의 폭 이하로 된다.
도 4는 도 1의 금속 필터(1)로부터 서포트부(20)를 제거한 도면이고, 필터부(10)만을 추출하여 나타내고 있다. 도 5는 도 4에 있어서의 B부의 확대도이다.
도 4에 도시한 바와 같이 본 실시 형태의 필터부(10)는 중공의 원통상으로 형성되어 있고, 그 원통의 두께는 필터의 두께로 되어 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 필터부(10)는 상하 방향(필터 축방향)과 좌우 방향(필터 주위 방향)으로 각각 연장되는 복수의 직선이 직각으로 교차함으로써 바둑판 눈형의 격자를 형성하고 있고, 각 필터 구멍(11)의 형상은 대략 균일하게 형성되어 있다. 도 5에 있어서의 필터 구멍(11)은 대략 정사각형으로 형성되어 있지만, 필터 구멍(11)의 형상 및 사이즈는 원하는 형상으로 변경 가능하다.
<변형예>
상기에서는, (a) 금속 필터(1)의 외측면측에 필터부(10)가 위치하는 경우(즉, 서포트부(20)가 필터부(10)의 내측면측에 위치하는 경우)에 대하여 설명했지만, (b) 금속 필터(1)의 내측면측에 필터부(10)를 위치시켜도 되고(즉, 서포트부(20)를 필터부(10)의 외측면측에 위치시켜도 되고), (c) 서포트부(10)의 격자 내(격자상 구획(23) 내)에 필터부(10)를 위치시켜도 된다(즉, 서포트부(20)를 필터부(10)의 내측면측과 외측면측의 양쪽에 위치시켜도 됨). 도 6은 상기 (a), (b), (c)의 각각의 경우의 필터부(10)와 서포트부(20)의 위치 관계를 모식적으로 도시한 도면이다.
예를 들어, 서포트부(20)의 위치는, 유체가 필터부(10)를 통과하는 방향(여과 방향)을 따라 (a) 내지 (c) 중에서 적절히 선택할 수 있다. 또한, (c)의 경우와 같이 필터부(10)의 내측면측과 외측면측의 양쪽에 서포트부(20)를 마련하면, 필터부(10)를 내측면측과 외측면측의 양측에서 지지할 수 있으므로, 금속 필터(1)의 구조 강도를 향상시킬 수 있다.
<제조 방법>
금속 필터(1)는 적층 조형(Additive Manufacturing)을 이용하여 필터부(10)와 서포트부(20)를 일체 성형하여 제조한다. 적층 조형의 구체적인 방법으로서는, 금속 분말을 깔고, 열원으로 되는 레이저나 전자 빔으로 조형하는 부분을 용융·응고시키는 파우더 베드 방식과, 용융된 금속 재료를 소정의 장소에 적층·응고시켜 조형하는 메탈 데포지션 방식이 있다. 전자에는, 레이저 빔을 열원으로 하는 레이저 빔 방식과, 전자 빔을 열원으로 하는 전자 빔 방식이 있다. 후자에는, 금속 분말을 분사하는 동시에 레이저에 의해 용융하는 레이저 빔 방식과, 금속 와이어를 아크 방전에 의해 용융하는 아크 방전 방식이 있다.
적층 조형으로 금속 필터(1)를 제조하는 장치로서는 금속 3D 프린터를 들 수 있고, 본 실시 형태에서는 파우더 베드 방식의 금속 3D 프린터로 금속 필터(1)를 제조한다. 도 7은 파우더 베드 방식의 3D 프린터의 개략 구성도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 파우더 베드 방식의 3D 프린터(100)는, 제어 장치(101)와, 레이저 조사 장치(102)와, 분말 주입부(103)와, 코터(104)와, 베이스 플레이트(105)와, 제조용 용기(106)를 구비하고 있다.
제어 장치(101)는 레이저 조사 장치(102)의 레이저 조사 출력 및 위치, 베이스 플레이트(105)의 위치, 코터(104)의 제어, 분말 주입부(103)에 의한 분말(107)의 주입 등의 3D 프린터(100)의 제어를 행한다. 제어 장치(101)는 컴퓨터(200)로 작성된 금속 필터(1)(3차원 조형물)의 구조 데이터(3차원 형상 데이터)에 기초하여, 3D 프린터(100)의 각 부를 제어한다. 이 결과, 3D 프린터(100)는 적층 조형에 의해 금속 필터(1)를 성형한다.
3D 프린터(100)로 금속 필터(1)를 성형할 때에는, 먼저 베이스 플레이트(105) 위, 즉 분말 주입부(103)로부터, 제조용 용기(106) 내를 향해, 레이저 조사에 의해 용융·고화되는 금속 분말(107)이 주입된다.
이어서 코터(104)를 제어하여, 금속 분말(107)의 표면을 평평하게 한다. 계속해서, 금속 필터(1)의 구조에 맞추어, 레이저 조사 장치(102)로부터 레이저가 조사되어, 금속 분말(107)을 선택적으로 용융·고화한다. 이 결과, 제1 층 성형부(108)가 성형된다.
이어서, 제2 층 성형부(109)를 성형하기 위해, 베이스 플레이트(105)가 내려진다. 다시, 금속 분말(107)이 주입된다. 코터(104)를 제어하여, 금속 분말(107)의 표면을 평평하게 한다. 레이저 조사 장치(102)로부터 레이저가 조사되어, 제2 층 성형부(109)가 성형된다.
이것을 반복함으로써, 3D 프린터(100)는 금속 필터(1)를 성형한다. 즉, 3D 프린터(100)는, 제조용 용기(106)에 주입한 분말(107)을 용융·고화함으로써, 3차원 조형물을 성형한다. 도 8은 3D 프린터(100)에 의한 금속 필터(1)의 제조 과정을 6개로 분해하여 도시한 도면이고, 도면의 (1), (2), (3), (4), (5), (6)의 순으로 시간이 경과하고, 필터부(10)와 서포트부(20)를 분리하지 않고 일체로 성형하고 있다.
그런데, 통상, 레이저 조사 장치(102)의 레이저 조사는, 레이저 조사 범위에 존재하는 금속 입자 모두가 용융·고화되도록 제어 장치(101)에 의해 소정의 출력 및 소정의 주사 속도로 행해진다. 그러나, 레이저 조사 범위에 존재하는 금속 입자의 일부만이 용융·고화되도록 부분적으로 레이저 조사 조건을 통상으로 변경해도 된다(예를 들어, 주사 속도를 통상과 동일하게 하면서 출력을 통상보다도 저감시키거나, 반대로 주사 속도를 빠르게 하는 한편 출력을 유지하거나 하는 등).
그렇게 하면, 금속 입자의 일부가 용융 또는 확산 접합한 상태로 되어, 컴퓨터(200)에 의해 작성한 3차원 형상 데이터가 규정하는 금속 필터(1)의 형상과 상이한 불규칙한 형상이 출현하고, 레이저 조사 출력을 일정하게 한 경우와 비교하여 조형물의 표면적이 증가할 수 있다. 그 때문에, 예를 들어 필터부(10)에 촉매 기능을 부가하는 경우에 레이저 조사 조건을 통상으로 변경하여 필터부(10)의 표면적을 증가시키면, 필터부(10) 통과 시의 유체와 촉매의 접촉 면적을 증가시킬 수 있으므로 반응을 촉진시킬 수 있을 가능성이 있다. 도 9는 레이저 조사 조건을 변경한 경우의 조형예이다. 단, 도 9는 금속 필터(1)의 일부를 도시하는 것은 아니다.
또한, 여기서는 3D 프린터의 열원이 레이저 빔인 경우에 대하여 설명했지만, 전자 빔을 이용해도 되는 것은 물론이다. 마찬가지로 메탈 데포지션 방식도 이용가능하다.
<효과>
이상과 같이 구성되는 금속 필터(1)에서는, 필터부(10)와 서포트부(20)를 이음매 없이 연속시켜, 서포트부(20)의 복수의 빔 부재(21, 22)의 측면에서 필터부(10)를 지지한 구조로 되어 있기 때문에, 사용 중에 필터부(10)에 여과압이 작용해도, 그 압력을 빔 부재(21, 22)가 지지함으로써 필터부(10)의 구부러짐 등의 변형을 방지할 수 있어, 필터부(10)의 두께를 얇게 하는 것도 용이하다. 그때, 상기한 실시 형태에서 나타낸 바와 같이 금속 필터(1)의 축방향의 양단에 플랜지부(30)를 마련하여 복수의 빔 부재(21, 22)를 걸쳐 두면, 금속 필터(1)의 구조 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이와 같이 본 실시 형태에 따르면 여과 성능과 내압성이 우수한 금속 필터를 제공할 수 있다.
종전의 소결 필터와 비교하면, 필터 구멍(11)을 소직경화해도 큰 압력 손실이 발생하는 일이 없기 때문에 여과 성능을 용이하게 향상시킬 수 있다. 또한, 필터 구멍 직경의 제어가 어려운 소결 필터에 비해 필터 구멍 직경의 제어성이 높기 때문에, 원하는 여과 성능의 확보가 용이하다. 또한 필터 제조 시에 금형을 작성할 필요도 없으므로 소결 필터에 비해 제조 공정수도 적다. 따라서 종전의 소결 필터에 비해 용이하게 금속 필터의 여과 성능을 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태의 금속 필터(1)의 제조에는 3D 프린터(100)를 이용하기 때문에, 필터부(10)와 서포트부(20)를 일체 성형할 수 있어, 필터부(10)와 서포트부(20)를 개별로 제조한 후에 결합하는 경우와 비교하여 제조 공정수를 대폭으로 삭감할 수 있다. 또한, 금속 필터(1)는 그 축방향에 있어서의 하단으로부터 상단에 이르기까지 복수의 빔 부재(21, 22)로 필터부(10)를 지지한 구조로 되어 있기 때문에, 3D 프린터(100)에 의한 금속 필터(1)의 전체 제조 행정에 있어서 필터부(10)와 서포트부(20)를 동시에 적층 조형해 갈 수 있고, 두께가 얇은 필터부(10)가 적층 중에 변형되는 일도 없어 안정적으로 금속 필터를 제조할 수 있다. 3D 프린터(100)에 의하면, 3차원 형상 데이터에서 정의한 형상이 충실하게 재현되기 때문에, 필터 구멍(11)의 두께나 구멍 직경을 용이하면서 정확하게 제어할 수 있다. 금형을 사용하는 소결 필터와 비교하여 필터부(10)와 서포트부(20)의 위치 관계의 제약도 없기 때문에, 요건에 따른 금속 필터를 용이하게 제조하는 것이 가능하다. 또한, 금속 분말의 일부가 미용융의 상태로 남도록 레이저 조사 조건을 변경하면, 3차원 형상 데이터에서 정의한 형상뿐만 아니라 불규칙한 형상도 조형할 수 있다. 이 방법에 의해, 예를 들어 필터부(10)의 표면적을 증가시키면, 필터부(10)와 그것을 통과하는 유체의 접촉 면적이 증가하므로, 필터부(10)에 촉매 기능을 갖게 한 경우 등에는 용이하게 반응을 진행시킬 수 있다.
<기타>
또한, 본 발명은, 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내의 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 본 발명은, 상기한 실시 형태에서 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되지 않고, 그 구성의 일부를 삭제한 것도 포함된다.
상기에서는, 서포트부(20)에 있어서 복수의 빔 부재(21, 22)로 사각형(마름모형)상의 격자를 형성했지만, 격자는 원하는 형상으로 해도 된다. 빔 부재(21, 22)의 형상에 대해서도 상기한 형상에 한정되지 않고, 필터부(10)와 접촉하는 측면을 갖는 것이라면 다양한 형상이 채용 가능하다. 그때, 복수의 빔 부재로 격자를 형성할 필요도 없다.
상기에서는, 필터부(10)의 형상이 원통상인 경우에 대하여 설명했지만, 예를 들어 서포트부(20)가 형성하는 격자상 구획(23)마다 서포트부(20)에 대한 필터부(10)의 위치가 변화되어 있어도 된다. 즉, 어느 격자상 구획(23)에서는 필터부(10)가 서포트부(20)의 내측면측에 위치하고 있지만, 다른 격자상 구획(23)에서는 필터부(10)가 서포트부(20)의 외측면측에 위치하고 있어도 된다.
상기에서는 중공의 원통상의 금속 필터(1)를 예로 들었지만 필터의 형상은 적절히 변경이 가능하고, 예를 들어 원기둥상의 금속 필터에도 본 발명은 적용 가능하다.
또한, 상기한 금속 필터(1)의 구체적인 적용처로서는, 석탄 가스화 복합 발전 등에서 발생하는 차(가스화로 내에 있어서 석탄으로부터 휘발분이나 수분을 제외하고 얻어지는 미반응 고형물. 주로 회분과 고정 탄소로 이루어짐.)를 회수하는 시스템(차 회수 시스템)에 사용되는 차 필터가 고려된다. 차 필터에서는 필터 구멍 직경의 제어성이나 강도 및 내황화성이 요구되므로, 본 실시 형태에 관한 금속 필터(1)가 적합하다.
1: 금속 필터
10: 필터부
11: 필터 구멍
20: 서포트부
21: 빔부
22: 빔부
23: 격자상 구획
30: 플랜지부
100: 3D 프린터
101: 제어 장치
102: 레이저 조사 장치
103: 분말 주입부
104: 코터
105: 베이스 플레이트
106: 제조용 용기
107: 금속 분말
108: 제1 층 성형부
109: 제2 층 성형부
110: 제3 층 성형부
200: 컴퓨터

Claims (9)

  1. 메쉬상의 필터부와, 상기 필터부를 지지하는 복수의 빔 부재로 이루어지는 서포트부를 구비하고,
    상기 필터부와 상기 서포트부는 이음매 없이 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터부와 상기 서포트부는 동일한 금속으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 필터부는 통상으로 형성되어 있고,
    상기 서포트부는 상기 필터부의 내측면측 및 외측면측의 적어도 한쪽에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 금속 필터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 필터의 상단 및 하단의 적어도 한쪽에 마련된 플랜지부를 더 구비하고,
    상기 플랜지부와, 상기 필터부 및 상기 서포트부는 이음매 없이 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 필터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 필터부의 직경 방향에 있어서의 상기 복수의 빔 부재의 폭은, 상기 필터부의 직경 방향에 있어서의 상기 필터부의 두께보다도 큰 것을 특징으로 하는 금속 필터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 빔 부재는 격자상으로 짜여짐으로써 복수의 격자를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 금속 필터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 필터부는 상기 복수의 격자의 내부에 위치하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 필터.
  8. 메쉬상의 필터부와, 상기 필터부를 지지하는 복수의 빔 부재로 이루어지는 서포트부를 구비하는 금속 필터의 3차원 형상 데이터를 작성하는 제1 스텝과,
    상기 3차원 형상 데이터에 기초하여, 금속 3차원 프린터를 사용하여 금속 분말을 용융·고화시켜 상기 필터부와 상기 서포트부를 일체 성형하는 제2 스텝을 구비한, 금속 필터의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 스텝에 있어서의 상기 필터부의 조형 시에는, 상기 금속 3차원 프린터에 있어서의 레이저 빔 또는 전자 빔의 조사 조건을 부분적으로 변경하여 금속 입자의 일부를 용융시키는 것을 특징으로 하는 금속 필터의 제조 방법.
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