JP2002143655A - セラミックフィルタ及びセラミックフィルタの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単に濾過性能に優れたものを製造すること
のできるセラミックフィルタ及びセラミックフィルタの
製造方法を提供する。 【解決手段】 まず、多孔管２を乾湿式紡糸法によって
製造し、製品の外形となるケース内に、多孔管２を必要
な本数だけ配列させて、配列された多孔管２の外壁間の
隙間にセラミック材料を充填させて、多孔管２を接着す
ることで、このセラミック材料が支持層３となり、多孔
管２を支持すると共に、隔壁となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体中あるいは液
体中から微粒子を除去するセラミックフィルタ及びその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のセラミックフィルタとし
ては、たとえば、ハニカム形状のモノリス型セラミック
フィルタが知られている。

【０００３】多数の細孔を備えたセラミック材料は、フ
ィルタとして機能させることができるものの、この細孔
の孔径を微粒子の除去に必要な径に設定して、フィルタ
を構成した場合には、透過性能が劣ってしまう。

【０００４】そのため、主要部分のセラミック材料（以
下、支持層と称する）の細孔は、除去に必要な径よりも
大きく設定しておき、一方、支持層に流路となる通路
（孔）を形成して、この通路の表面に濾過膜（薄膜）を
形成し、この濾過膜に設けられた複数の細孔の径を、微
粒子の除去に必要な径に設定することで、圧力の欠損を
抑えて透過性能の低下を抑制している。

【０００５】そして、モノリス型セラミックフィルタの
場合には、通常、円筒状の支持層に、軸方向に伸びた複
数の貫通孔を形成したハニカム形状として、複数の貫通
孔を上述した通路としており、その表面に濾過膜を形成
した構成となっている。

【０００６】このような構成により、通路の表面に形成
された濾過膜によって、特定の成分のみが透過あるいは
除去されることで分離が行われる。

【０００７】次に、上述のようなモノリス型セラミック
フィルタの製造方法の従来例について説明する。

【０００８】上記モノリス型セラミックフィルタの場合
には、まず、軸方向に伸びた複数の貫通孔を有する円筒
状の支持層を作製し、その後、貫通孔の表面に濾過膜を
作製していた。

【０００９】ここで、ハニカム形状の支持層について、
その製造工程の具体的な一例を説明する。図４（Ａ）
は、従来技術に係るモノリス型セラミックフィルタの製
造工程を示すフローチャートである。

【００１０】まず、適当な粒子径のセラミック粉末に、
無機接合材（結合材），有機バインダー，溶媒（水）な
どを添加した後に混錬して押し出すことで坏土とする。
この坏土を所定形状の口金を持った押し出し成形機にて
押し出し成形を行った後に、乾燥させて、更に、焼成す
ることでハニカム構造の支持層を得ることができる。

【００１１】このようにして得たハニカム構造の支持層
に設けられた貫通孔の内周表面に、平均細孔径が０．０
０２μｍ〜５μｍの多孔質セラミックからなる濾過膜を
形成することによって、モノリス型セラミックフィルタ
を得ることができる。

【００１２】ここで、濾過膜の製造工程の具体的な一例
を説明する。

【００１３】適当な粒子径のセラミック粉末あるいはコ
ロイド溶液に、水などの溶剤，有機バインダー，解摎
剤，ｐＨ調整剤などを添加して混合し、スリップを得
る。このスリップを上述した貫通孔の内周表面にコート
して、乾燥後に焼成して濾過膜を得ることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術の場合には、下記のような問題が生じて
いた。

【００１５】上述したように、モノリス型セラミックフ
ィルタの場合には、目的の微粒子の分離・除去は、支持
層の貫通孔の内周表面に形成した濾過膜によって行われ
るため、分離機能を担う濾過膜の性能が、フィルタとし
ての性能を決定づけるため重要である。

【００１６】ここで、上述した従来の製法の場合には、
均質な構造を持つ濾過膜を形成するためには、貫通孔の
内周表面の状態が均質であることが望まれる。

【００１７】このような条件を達成するためには、高度
な製造技術が要求されていた。

【００１８】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、簡単
に濾過性能に優れたものを製造することのできるセラミ
ックフィルタ及びセラミックフィルタの製造方法を提供
することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のセラミックフィルタにあっては、壁面に複数
の細孔を有する、多数本の管と、これら多数本の管の外
壁間の隙間に充填された、多孔質のセラミック材料と、
を備えることを特徴とする。

【００２０】従って、多孔質のセラミック材料は、多数
本の管の外壁間の隙間に充填される構造であるため、分
離性能（管の壁面の複数の細孔が分離膜として機能する
ことになり、この分離機能としての性能）は、充填され
たセラミック材料とは無関係なものとなる。

【００２１】前記セラミック材料は、アルミナ，シリ
カ，ジルコニア，チタニア，ムライト，スピネル，コー
ディライト，炭素，炭化珪素及び窒化珪素のうちの少な
くともいずれか一つを含むとよい。

【００２２】また、前記セラミック材料は、無機接着剤
またはセメントであることも好適である。

【００２３】前記管の細孔の孔径は、０．００２μｍ〜
１０μｍであるとよい。

【００２４】前記セラミック材料の細孔の孔径は、０．
２μｍ〜１００μｍであるとよい。

【００２５】前記管は、乾湿式紡糸法によって得られる
とよい。

【００２６】また、本発明のセラミックフィルタの製造
方法にあっては、壁面に複数の細孔を有する管を製造す
る第１工程と、該第１工程で得られた管を、ケース内に
複数配置する第２工程と、前記ケース内に複数配置され
た管の外壁間の隙間に、セラミック材料を充填して、各
管を接着する第３工程と、を有することを特徴とする。

【００２７】従って、第１工程で管を製造した後に、第
２工程を経た後に、第３工程でセラミック材料を充填す
るため、分離性能（管の壁面に設けられた細孔によって
得られる性能）は、第３工程で充填するセラミック材料
に影響されない。

【００２８】前記第１工程で、乾湿式紡糸法によって管
を製造するとよい。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００３０】図１〜図４を参照して、本発明の実施の形
態に係るセラミックフィルタ及びセラミックフィルタの
製造方法について説明する。

【００３１】まず、本発明の実施の形態に係るセラミッ
クフィルタの構成等について特に図１を参照して説明す
る。図１は本発明の実施の形態に係るセラミックフィル
タの概観斜視図である。

【００３２】図１に示すように、本発明の実施の形態に
係るセラミックフィルタ１は、概略、気体中あるいは液
体中の微粒子を分離するための濾過膜として機能する複
数の多孔管２と、多孔管２を支持すると共に、隔壁とな
る支持層３と、から構成される。また、両端付近には、
それぞれその表面がガラスによってコーティングされた
ガラスコート部４が設けられている。

【００３３】多孔管２は、壁面に均質な孔径を有する複
数の細孔を備えており、その孔径は、０．００２μｍ〜
１０μｍのものを用いると好適である。このような多孔
管２は、例えば、本願出願人による特公平５−６６３４
３号公報に開示された製造法を用いることによって、容
易かつ安価に製造することが可能である。

【００３４】この製造方法によれば、細孔径及び気孔率
は、使用する原料の粒子径と焼成条件によって任意に製
造することができ、また、多孔管２の外径及び肉厚は使
用するノズル及び紡糸条件によって任意に製造を行うこ
とができる。

【００３５】ここで、フィルタの濾過特性は、細孔径や
気孔率などの物理的因子に依存し、材質には依存しない
ため、多孔管２の材質としては、例えば、ステンレス，
インコネル，ハステロイなどの金属や、アルミナ，シリ
カ，ジルコニア，チタニア，ムライト，スピネル，コー
ディライト，炭素，炭化珪素，窒化珪素、及び、これら
のうちのいくつかの混合物等の任意のセラミックを用い
ることができる。

【００３６】支持層３は、多孔管２の外壁間の隙間に充
填されるセラミック材料によって構成されるものであ
り、このセラミック材料は、支持層３の製造時に多孔管
２の構造に悪影響を及ぼさないように、多孔管２を焼成
する焼成温度以下で焼結する材料を選定する。

【００３７】また、この支持層３では、均一な細孔や、
均一な構造を必要としないが、濾過抵抗（流体が流動す
る際の抵抗）が小さいほど好ましいため、細孔径及び気
孔率が大きい方が良く、例えば、細孔径０．２μｍ〜１
００μｍ，気孔率１０〜６０％を満たすようなセラミッ
ク材料が好適である。

【００３８】このようなセラミック材料としては、例え
ば、アルミナ，シリカ，ジルコニア，チタニア，ムライ
ト，スピネル，コーディライト，炭素，炭化珪素，窒化
珪素、及び、これらのうちのいくつかの混合物等の任意
のセラミックを用いることができる。

【００３９】また、多孔体を形成可能な無機接着剤また
はセメントを用いることもできる。

【００４０】次に、本発明の実施の形態に係るセラミッ
クフィルタ１の使用例について、特に、図２及び図３を
参照して説明する。ここでは、特定の成分を分離除去す
るための分離装置として適用する場合を説明する。

【００４１】図２は本発明の実施の形態に係るセラミッ
クフィルタを組込んだ分離装置の模式的断面図であり、
図３は図２に示す分離装置における分離動作を説明する
説明図である。

【００４２】図２に示すように、分離装置１００は、ケ
ース１０内にセラミックフィルタ１を収納すると、ケー
ス１０に設けられた隔壁１１，１２によって、セラミッ
クフィルタ１の一方の端縁が収まる第１室Ｓ１と、セラ
ミックフィルタ１の側面部が収まる第２室Ｓ２と、セラ
ミックフィルタ１の他方の端縁が収まる第３室Ｓ３とに
隔てられる。

【００４３】ここで、隔壁１１，１２はセラミックフィ
ルタ１のガラスコート部４に対して液密に密接するた
め、セラミックフィルタ１の外部（外周表面側）におい
て、第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間、及び第２室Ｓ２と
第３室Ｓ３との間で流体が行き来することはない。

【００４４】以上のような構成で、図２に示すように、
まず、特定の成分を含む流体を、流入口１３から第２室
Ｓ２へ流入し（矢印Ｐ０）、セラミックフィルタ１の外
周表面に沿って流し（矢印Ｐ１）、流出口１４から分離
装置１００の外部へと流出させる（矢印Ｐ２）。ここで
矢印Ｐ１方向に流れる過程で、特定成分が分離される。

【００４５】一方、分離させた特定の成分を排出させる
ための流体を、流入口１５から第３室Ｓ３に流入し（矢
印Ｑ０）、多孔管２の管内２１を通らせて第１室Ｓ１を
経て流出口１６から分離装置１００の外部へと流出させ
る（矢印Ｑ１）。

【００４６】このときの特定の成分の分離動作につい
て、特に図３を参照して説明する。

【００４７】上述のように、特定の成分を含む流体がセ
ラミックフィルタ１の外周表面に沿って流れる過程（矢
印Ｐ１）において、この流体は、濾過抵抗の小さい支持
層３の内部へ侵入する（矢印Ｒ１）。

【００４８】そして、この流体に含まれる特定成分のみ
が、多孔管２の壁面を透過して、管内２１を流れる流体
の濃度勾配に応じて多孔管２の管内２１に侵入し（矢印
Ｒ２）、第１室Ｓ１を経て流出口１６から分離装置１０
０の外部へと流出される。

【００４９】このように、多孔管２の壁面が濾過膜とし
て機能する。

【００５０】次に、本発明の実施の形態に係るセラミッ
クフィルタの製造方法について説明する。図４（Ｂ）
は、本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタの製
造工程を示すフローチャートである。

【００５１】本実施の形態においては、まず、多孔管２
を製造する。この多孔管２の製造方法については、上述
のように、特公平５−６６３４３号公報に開示された製
造法を用いることができる。

【００５２】なお、この製造方法は、乾湿式紡糸法と呼
ばれるもので、一般的な乾湿式紡糸法では、原料を溶剤
に溶かしてノズルによって紡糸し、紡糸液を空気中に押
し出し、エアギャップ（空隙）を設けて、分子鎖の配向
状態をコントロールし、溶剤を水浴でぬいて繊維に再生
する方法である。

【００５３】そして、製品の外形となるケース内に、多
孔管２を必要な本数だけ配列させて、配列された多孔管
２の外壁間の隙間に上述したようなセラミック材料（充
填用スラリー）を充填させて、多孔管２を接着する。

【００５４】このセラミック材料が支持層３となり、多
孔管２を支持すると共に、隔壁となる。

【００５５】

【実施例】次に、上記実施の形態に基づく、より具体的
な実施例を、製造工程の順に説明する。

【００５６】まず、ポリスルホン（ＵＣＣ社製品Ｐ−１
７００）７重量部，アルミナ微粉末（粒径０．３μｍ）
７８重量部、及びＮ，Ｎ−ジメチルホルムアルデヒド４
５重量部の混合物からなる紡糸原液を、内径２．０ｍ
ｍ，外径３．０ｍｍの二重環式ノズルを用い、次の紡糸
条件にしたがって乾湿式紡糸法によって紡糸すること
で、内径約２．８ｍｍ，外径約３．５ｍｍの複合中空糸
を得た。

【００５７】紡糸条件は、芯液流量が５ｍｌ／分，原液
流量が２０ｍｌ／分，ノズル吐出口とゲル化浴間距離が
５ｃｍ，ゲル化浴の温度が１０℃，巻取速度が１６．８
ｍ／分である。

【００５８】このようにして得られた複合中空糸を、６
００℃で５時間仮焼きした後に、１４００℃で２時間焼
成することによって、内径が約２．４ｍｍ，外径が約
３．０ｍｍのアルミナ製多孔管が得られた。得られた多
孔管は、断面が対称構造で、気孔率が４０％以上で、そ
の平均細孔径は０．２μｍのシャープな孔径分布であっ
た。

【００５９】また、平均粒子径４０μｍのアルミナ１０
０重量部，ガラス粉末８重量部，メチルセルロース５重
量部に水を所定量加えて十分に混合し、充填用スラリー
とした。

【００６０】ここで、縦に分割可能な内径３０ｍｍ，長
さ３００ｍｍのステンレス管の両端をクランプ固定し、
底蓋を取り付けてモノリスの外形となるケースとして用
いた。

【００６１】そして、このケース内に、長さ約３００ｍ
ｍに切断した多孔管を１９本均等に配置した。

【００６２】多孔管を配置した後に、ケース内に上記充
填用スラリーを流し込み、各多孔管の外壁間の隙間に充
填させた後に、乾燥させた。

【００６３】乾燥させた後に、ケースを取り外し、１２
５０℃で焼成した。

【００６４】また、このようにして得られたセラミック
フィルタの両端面及び両端面から約１０ｍｍの外壁面の
表面をガラスコーティングして、モノリス型セラミック
フィルタを得ることができた。

【００６５】この時、支持層の平均細孔径は約１０μｍ
であり、供給される濾過対象流体の通路となる多孔管の
内周表面は、微細孔が均等に分布された状態が維持され
ており、その平均孔径は０．２μｍであった。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、多孔質
のセラミック材料を、多数本の管の外壁間の隙間に充填
する構造としたので、分離性能がセラミック材料に無関
係となり、簡単に濾過性能に優れたものを製造すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ
の概観斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るセラミックフィルタ
を組込んだ分離装置の模式的断面図である。

【図３】分離装置における分離動作を説明する説明図で
ある。

【図４】製造工程（（Ａ）は従来，（Ｂ）は本発明の実
施の形態）を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ セラミックフィルタ ２ 多孔管 ２１ 管内 ３ 支持層 ４ ガラスコート部 １０ ケース １１，１２ 隔壁 １３ 流入口 １４ 流出口 １５ 流入口 １６ 流出口 １００ 分離装置 Ｓ１ 第１室 Ｓ２ 第２室 Ｓ３ 第３室

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D006 GA07 GA44 HA01 JA03C JA04C JA07C JA08C JB04 JB09 MA01 MA09 MA10 MA22 MC03X MC05 NA04 NA46 NA51 NA54 NA62 4D019 AA01 AA03 BA05 BB06 CA03 CB06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】壁面に複数の細孔を有する、多数本の管
   と、 これら多数本の管の外壁間の隙間に充填された、多孔質
   のセラミック材料と、を備えることを特徴とするセラミ
   ックフィルタ。
2. 【請求項２】前記セラミック材料は、アルミナ，シリ
   カ，ジルコニア，チタニア，ムライト，スピネル，コー
   ディライト，炭素，炭化珪素及び窒化珪素のうちの少な
   くともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に
   記載のセラミックフィルタ。
3. 【請求項３】前記セラミック材料は、無機接着剤または
   セメントであることを特徴とする請求項１に記載のセラ
   ミックフィルタ。
4. 【請求項４】前記管の細孔の孔径は、０．００２μｍ〜
   １０μｍであることを特徴とする請求項１，２または３
   に記載のセラミックフィルタ。
5. 【請求項５】前記セラミック材料の細孔の孔径は、０．
   ２μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜
   ４のいずれか一つに記載のセラミックフィルタ。
6. 【請求項６】前記管は、乾湿式紡糸法によって得られる
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の
   セラミックフィルタ。
7. 【請求項７】壁面に複数の細孔を有する管を製造する第
   １工程と、 該第１工程で得られた管を、ケース内に複数配置する第
   ２工程と、 前記ケース内に複数配置された管の外壁間の隙間に、セ
   ラミック材料を充填して、各管を接着する第３工程と、
   を有することを特徴とするセラミックフィルタの製造方
   法。
8. 【請求項８】前記第１工程で、乾湿式紡糸法によって管
   を製造することを特徴とする請求項７に記載のセラミッ
   クフィルタの製造方法。