JP2020157236A - 金属フィルタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工数が少なく濾過性能の高い金属フィルタ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】フィルタ機能を有するメッシュ状のフィルタ部１０と，フィルタ部１０を支持する複数の梁部材２１，２２から成るサポート部２０とを，継ぎ目無く連続して設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は流体中の固形物を濾過し得る金属フィルタ及びその製造方法に関する。

流体中の固形物を濾過し得るフィルタとして，樹脂，セラミック，ガラスなどに比べて耐熱、耐圧、耐衝撃性に優れた金属フィルタ（メタルフィルタ）が利用されることがある。金属フィルタの１つとして，金属の粉体を溶融点前後の温度で焼き固めることにより微細孔を形成した焼結フィルタがある。焼結フィルタは金属粒子が３次元に絡み合って焼結されるため高い濾過能力を発揮し得る。焼結フィルタの濾過能力向上を図る場合，例えば，金属粉体の粒径を微小化してさらに孔径の小さい焼結体を製造することや、焼結体の厚さを増すことが考えられるが、これらの方法では圧力損失が大きく濾過効率が低下するおそれがある。

この種の課題に鑑み，特許文献１は濾過面積を増大することにより圧力損失の低減を図った金属フィルタを開示している。具体的には，外周面上に凹凸を有する円筒状の支持体と，単体では濾過圧に対して形状を維持できない厚さを有し支持体の外周面（被覆面）を覆う微細濾過層とを一体に焼結した金属フィルタが開示されている。この金属フィルタでは、微細濾過層の空孔径は支持体の空孔径よりも小さく、かつ支持体の被覆面（外周面）が山部を有する凹凸に形成されることにより微細濾過層の濾過面を起伏濾過面とするとともに、山部間の谷部における微細濾過層の平均厚さを山部での平均厚さよりも厚くし、かつ微細濾過層の濾過面を滑らかな曲面状に形成している。

特開２０００−１８５２０９号公報

一般的に焼結フィルタの製造には，特許文献１の金属フィルタを含め，金属粉末を充填して加圧、焼結するための金型（特許文献１の内型及び外型）を準備する必要がある。また，焼結フィルタは焼結の性質上，フィルタ孔径の制御が難しい。さらに，焼結体の形状は金型の構造による制約を受けるため自由度が低い。

そして特許文献１のフィルタでは微細濾過層の内周面側の全面に略円筒状の支持体が位置するため依然として圧力損失に改善の余地がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的は製造工数が少なく濾過性能の高い金属フィルタ及びその製造方法を提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、メッシュ状のフィルタ部と，前記フィルタ部を支持する複数の梁部材から成るサポート部とを備えた金属フィルタであって，前記フィルタ部と前記サポート部とは継ぎ目無く連続していることとする。

本発明によれば濾過性能の高い金属フィルタを容易に製造できる。

本発明の実施形態に係る金属フィルタ（メタルフィルタ）の斜視図。 図１の金属フィルタ１からフィルタ部１０を取り除いた図。 図２におけるＡ部の拡大図。 図１の金属フィルタ１からサポート部２０を取り除いた図。 図４におけるＢ部の拡大図。 フィルタ部１０とサポート部２０の位置関係の変形例を模式的に示した図。 パウダーベッド方式の３Ｄプリンタの概略構成図。 ３Ｄプリンタ１００による金属フィルタ１の製造過程を６つに分解して示した図。 ３Ｄプリンタにおいてレーザ照射条件を変更した場合の造形例。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施形態に係る金属フィルタ（メタルフィルタ）の斜視図である。この図に示す金属フィルタ１は，略円筒状に形成されており，流体中の固形物を濾過するフィルタとして機能するメッシュ状のフィルタ部１０と，フィルタ部１０を支持して金属フィルタ１の構造強度を高める複数の梁部材２１，２２から成るサポート部２０とを備えている。フィルタ部１０とサポート部２０とは両者の境界部において継ぎ目無く連続している。すなわち，フィルタ部１０とサポート部２０とは一体成形されており，個別に製造された後に結合されたものではない。フィルタ部１０とサポート部２０とは同一の金属で形成することができる。

金属フィルタ１の軸方向におけるサポート部２０の両端（すなわち筒形状の上端及び下端）には扁平なリング形状の鍔部３０が設けられている。鍔部３０も同様にフィルタ部１０及びサポート部２０と一体成形されており，これらとの境界部では継ぎ目無く連続している。鍔部３０はサポート部２０の両端のいずれか一方に設けても良いし，省略しても良い。

図２は図１の金属フィルタ１からフィルタ部１０を取り除いた図であり，サポート部２０のみを抽出して表している。図３は図２におけるＡ部の拡大図である。

複数の梁部材２１，２２は，金属フィルタ１の軸方向における上端と下端に位置し，金属フィルタ１の軸方向に間隔を介して配置された２つの鍔部３０の間に架け渡されている。複数の梁部材２１，２２は格子状に組まれており，それにより複数の格子を形成している。すなわち，サポート部２０では，第１の配列方向に沿って所定の間隔を介して配置された複数の第１梁部材２１と，第1の配列方向と交差する第２の配列方向に沿って同様に所定の間隔を介して配置された複数の第２梁部材２２とにより複数の四角型の格子状区画２３が形成されている。本実施形態のフィルタ部１０は各格子状区画２３を金属フィルタ１の外側面側から閉塞するように配置されている。

本実施形態の複数の梁部材２１，２２は金属フィルタ１における径方向に幅を有しており，その幅は金属フィルタ１の径方向における鍔部３０の幅（径方向の厚み）と同じ，またはそれより小さい。ただし，金属フィルタ１の径方向におけるフィルタ部１０の幅（厚み）よりも小さくなることはない。すなわち金属フィルタ１の径方向で比較すると，複数の梁部材２１，２２の幅はフィルタ部１０の厚みよりも大きく，鍔部３０の幅以下となる。

図４は図１の金属フィルタ１からサポート部２０を取り除いた図であり，フィルタ部１０のみを抽出して表している。図５は図４におけるＢ部の拡大図である。

図４に示すように本実施形態のフィルタ部１０は中空の円筒状に形成されており，その円筒の厚みはフィルタの厚みとなっている。

図５に示すようにフィルタ部１０は上下方向（フィルタ軸方区）と左右方向（フィルタ周方向）にそれぞれ延びる複数の直線が直角に交差することで碁盤目状の格子を形成しており，各フィルタ孔１１の形状は略均一に形成されている。図５におけるフィルタ孔１１は略正方形に形成されていが，フィルタ孔１１の形状及びサイズは所望の形状に変更可能である。

＜変形例＞
上記では，（ａ）金属フィルタ１の外側面側にフィルタ部１０が位置する場合（すなわち，サポート部２０がフィルタ部１０の内側面側に位置する場合）について説明したが，（ｂ）金属フィルタ１の内側面側にフィルタ部１０を位置させても良いし（すなわち，サポート部２０をフィルタ部１０の外側面側に位置させても良いし），（ｃ）サポート部１０の格子内（格子状区画２３内）にフィルタ部１０を位置させても良い（すなわち，サポート部２０をフィルタ部１０の内側面側と外側面側の双方に位置させても良い）。図６は上記（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれの場合のフィルタ部１０とサポート部２０の位置関係を模式的に示した図である。

例えば，サポート部２０の位置は，流体がフィルタ部１０を通過する方向（濾過方向）に応じて（ａ）−（ｃ）の中から適宜選択できる。また，（ｃ）の場合のようにフィルタ部１０の内側面側と外側面側の双方にサポート部２０を設けると，フィルタ部１０を内側面側と外側面側の両側で支持できるので，金属フィルタ１の構造強度を向上できる。

＜製造方法＞
金属フィルタ１は積層造形（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を利用してフィルタ部１０とサポート部２０とを一体成形して製造する。積層造形の具体的な手法としては、金属粉末を敷き詰め、熱源となるレーザや電子ビームで造形する部分を溶融・凝固させるパウダーベッド方式と、溶融した金属材料を所定の場所に積層・凝固させて造形するメタルデポジッション方式がある。前者には、レーザビームを熱源とするレーザビーム方式と，電子ビームを熱源とする電子ビーム方式がある。後者には，金属粉末を噴射すると同時にレーザで溶融するレーザビーム方式と，金属ワイヤーをアーク放電により溶融するアーク放電方式がある。

積層造形で金属フィルタ１を製造する装置としては金属３Ｄプリンタが挙げられ，本実施形態ではパウダーベッド方式の金属３Ｄプリンタで金属フィルタ１を製造する。図７はパウダーベッド方式の３Ｄプリンタの概略構成図である。この図に示すように、パウダーベッド方式の３Ｄプリンタ１００は、制御装置１０１と、レーザ照射装置１０２と、粉末注入部１０３と、コータ１０４と、ベースプレート１０５と、製造用容器１０６とを備えている。

制御装置１０１は、レーザ照射装置１０２のレーザ照射出力及び位置、ベースプレート１０５の位置、コータ１０４の制御、粉末注入部１０３による粉末１０７の注入などの３Ｄプリンタ１００の制御を行う。制御装置１０１はコンピュータ２００で作成された金属フィルタ１（３次元造形物）の構造データ（３次元形状データ）に基づき、３Ｄプリンタ１００の各部を制御する。この結果、３Ｄプリンタ１００は積層造形により金属フィルタ１を成形する。

３Ｄプリンタ１００で金属フィルタ１を成形する際には、まずベースプレート１０５の上、つまり粉末注入部１０３から，製造用容器１０６内に向かって、レーザ照射により溶融・固化される金属粉末１０７が注入される。

次にコータ１０４を制御し、金属粉末１０７の表面を平らにする。続いて、金属フィルタ１の構造に合わせて、レーザ照射装置１０２からレーザが照射され、金属粉末１０７を選択的に溶融・固化する。この結果、第１層成形部１０８が成形される。

次に、第２層成形部１０９を成形するため、ベースプレート１０５が下げられる。再度、金属粉末１０７が注入される。コータ１０４を制御し、金属粉末１０７の表面を平らにする。レーザ照射装置１０２からレーザが照射され、第２層成形部１０９が成形される。

これを繰り返すことで、３Ｄプリンタ１００は、金属フィルタ１を成形する。つまり、３Ｄプリンタ１００は、製造用容器１０６に注入した粉末１０７を溶融・固化することで、３次元造形物を成形する。図８は３Ｄプリンタ１００による金属フィルタ１の製造過程を６つに分解して示した図であり，図の（１），（２），（３），（４），（５），（６）の順で時間が経過しており，フィルタ部１０とサポート部２０を分離することなく一体で成形している。

ところで，通常，レーザ照射装置１０２のレーザ照射は，レーザ照射範囲に存在する金属粒子の全てが溶融・固化するように制御装置１０１によって所定の出力及び所定の走査速度で行われる。しかし，レーザ照射範囲に存在する金属粒子の一部のみが溶融・固化するように部分的にレーザ照射条件を通常と変更しても良い（例えば，走査速度を通常と同じにしながら出力を通常よりも低減したり，逆に走査速度を速くする一方で出力を維持したりする等）。

そのようにすると，金属粒子の一部が溶融または拡散接合した状態となり，コンピュータ２００により作成した３次元形状データが規定する金属フィルタ１の形状と異なった不規則な形状が出現し，レーザ照射出力を一定とした場合と比較して造形物の表面積が増加し得る。そのため例えばフィルタ部１０に触媒機能を付加する場合にレーザ照射条件を通常と変更してフィルタ部１０の表面積を増加すれば，フィルタ部１０通過時の流体と触媒の接触面積を増加できるので反応を促進できる可能性がある。図９はレーザ照射条件を変更した場合の造形例である。ただし，図９は金属フィルタ１の一部を示すものではない。

なお，ここでは３Ｄプリンタの熱源がレーザビームの場合について説明したが，電子ビームを利用しても良いことは言うまでもない。同様にメタルデポジッション方式も利用可能である。

＜効果＞
以上のように構成される金属フィルタ１では，フィルタ部１０とサポート部２０とを継ぎ目無く連続させ，サポート部２０の複数の梁部材２１，２２の側面でフィルタ部１０を支持した構造となっているため，使用中にフィルタ部１０に濾過圧が作用しても，その圧力を梁部材２１，２２が支持することでフィルタ部１０の曲がり等の変形を防止でき，フィルタ部１０の厚みを薄くすることも容易である。その際，上記の実施形態で示したように金属フィルタ１の軸方向の両端に鍔部３０を設けて複数の梁部材２１，２２を架け渡せば，金属フィルタ１の構造強度をさらに向上できる。このように本実施形態によれば濾過性能と耐圧性に優れた金属フィルタを提供できる。

従前の焼結フィルタと比較すると，フィルタ孔１１を小径化しても大きな圧力損失が発生することがないため濾過性能を容易に向上させることができる。また，フィルタ孔径の制御が難しかった焼結フィルタに比してフィルタ孔径の制御性が高いため，所望の濾過性能の確保が容易である。さらにフィルタ製造に際して金型を作成する必要も無いので焼結フィルタに比して製造工数も少ない。したがって従前の焼結フィルタに比して容易に金属フィルタの濾過性能を向上できる。

本実施形態の金属フィルタ１の製造には３Ｄプリンタ１００を利用するため，フィルタ部１０とサポート部２０とを一体成形でき，フィルタ部１０とサポート部２０を個別に製造した後に結合する場合と比較して製造工数を大幅に削減できる。また，金属フィルタ１はその軸方向における下端から上端に至るまで複数の梁部材２１，２２でフィルタ部１０を支持した構造となっているため，３Ｄプリンタ１００による金属フィルタ１の全製造行程においてフィルタ部１０とサポート部２０とを同時に積層造形していくことができ，厚みの薄いフィルタ部１０が積層中に変形することもなく安定して金属フィルタを製造できる。３Ｄプリンタ１００によれば，３次元形状データで定義した形状が忠実に再現されるため，フィルタ孔１１の厚みや孔径を容易かつ正確に制御できる。金型を使用する焼結フィルタと比較してフィルタ部１０とサポート部２０の位置関係の制約も無いため，要件に応じた金属フィルタを容易に製造することが可能である。また，金属粉末の一部が未溶融の状態で残るようにレーザ照射条件を変更すれば，３次元形状データで定義した形状だけでなく不規則な形状も造形できる。この方法により例えばフィルタ部１０の表面積を増加すれば，フィルタ部１０とそれを通過する流体との接触面積が増加するので，フィルタ部１０に触媒機能を持たせた場合等には容易に反応を進めることができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

上記では，サポート部２０において複数の梁部材２１，２２で四角形（菱形）状の格子を形成したが，格子は所望の形状として良い。梁部材２１，２２の形状についても上記した形状に限らず，フィルタ部１０と接触する側面を有するものであれば種々の形状が採用可能である。その際，複数の梁部材で格子を形成する必要も無い。

上記では，フィルタ部１０の形状が円筒状の場合について説明したが，例えばサポート部２０が形成する格子状区画２３ごとにサポート部２０に対するフィルタ部１０の位置が変化していても良い。すなわち或る格子状区画２３ではフィルタ部１０がサポート部２０の内側面側に位置しているが、他の格子状区画２３ではフィルタ部１０がサポート部２０の外側面側に位置していても良い。

上記では中空の円筒状の金属フィルタ１を例に挙げたがフィルタの形状は適宜変更が可能であり，例えば円柱状の金属フィルタにも本発明は適用可能である。

なお，上記の金属フィルタ１の具体的な適用先としては，石炭ガス化複合発電等で発生するチャー（ガス化炉内において石炭から揮発分や水分を除いて得られる未反応固形物。主に灰分と固定炭素から成る。）を回収するシステム（チャー回収システム）に用いられるチャーフィルタが考えられる。チャーフィルタではフィルタ孔径の制御性や強度及び耐硫化性が求められるので，本実施形態に係る金属フィルタ１が好適である。

１…金属フィルタ，１０…フィルタ部，１１…フィルタ孔，２０…サポート部，２１…梁部，２２…梁部，２３…格子状区画，３０…鍔部，１００…３Ｄプリンタ，１０１…制御装置，１０２…レーザ照射装置，１０３…粉末注入部，１０４…コータ，１０５…ベースプレート，１０６…製造用容器，１０７…金属粉末，１０８…第１層成形部，１０９…第２層成形部，１１０…第３層成形部，２００…コンピュータ

Claims (9)

1. メッシュ状のフィルタ部と，前記フィルタ部を支持する複数の梁部材から成るサポート部とを備え，
   前記フィルタ部と前記サポート部とは継ぎ目無く連続していることを特徴とする金属フィルタ。
2. 請求項１の金属フィルタにおいて，
   前記フィルタ部と前記サポート部とは同一の金属で形成されていることを特徴とする金属フィルタ。
3. 請求項１の金属フィルタにおいて，
   前記フィルタ部は筒状に形成されており，
   前記サポート部は前記フィルタ部の内側面側及び外側面側の少なくとも一方に位置していることを特徴とする金属フィルタ。
4. 請求項３の金属フィルタにおいて，
   前記金属フィルタの上端及び下端の少なくとも一方に設けられた鍔部をさらに備え，
   前記鍔部と，前記フィルタ部及び前記サポート部とは継ぎ目無く連続していることを特徴とする金属フィルタ。
5. 請求項３の金属フィルタにおいて，
   前記フィルタ部の径方向における前記複数の梁部材の幅は，前記フィルタ部の径方向における前記フィルタ部の厚みよりも大きいことを特徴とする金属フィルタ。
6. 請求項１の金属フィルタにおいて，
   前記複数の梁部材は格子状に組まれることで複数の格子を形成していることを特徴とする金属フィルタ。
7. 請求項６の金属フィルタにおいて，
   前記フィルタ部は前記複数の格子の内部に位置するように形成されていることを特徴とする金属フィルタ。
8. メッシュ状のフィルタ部と，前記フィルタ部を支持する複数の梁部材から成るサポート部とを備える金属フィルタの３次元形状データを作成する第１ステップと、
   前記３次元形状データに基づいて，金属３次元プリンタを用いて金属粉末を溶融・固化させて前記フィルタ部と前記サポート部とを一体成形する第２ステップとを備えた金属フィルタの製造方法。
9. 請求項８の金属フィルタの製造方法において，
   前記第２ステップにおける前記フィルタ部の造形時には，前記金属３次元プリンタにおけるレーザビームまたは電子ビームの照射条件を部分的に変更して金属粒子の一部を溶融させることを特徴とする金属フィルタの製造方法。

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