JPH0929045A

JPH0929045A - ガス分離装置

Info

Publication number: JPH0929045A
Application number: JP7179948A
Authority: JP
Inventors: Ryutaro Motoki; 龍太郎元木; Atsushi Funakoshi; 淳船越; Shigemitsu Shin; 重光新; Takashi Nishi; 隆西; Akira Kosaka; 晃小阪
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1995-07-17
Publication date: 1997-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】耐熱強度、通気性の点で共に優れているガス
分離部を備えたガス分離装置を得る。【構成】ガス分離装置に備えられるガス分離部２を、
加熱状態で、静水圧加圧下に金属粉末の焼結を行う熱間
静水圧加圧焼結処理を含む成形処理過程を経て得られ、
且つその処理過程で生じ、表裏面間を貫通する孔を多数
備えた金属多孔体にて構成し、且つ前記金属多孔体に一
対の電極３を備えて、金属多孔体を電圧印加可能に構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、異なった温度域におい
て、分離対象ガスに対する吸着能を異にするペロブスカ
イト化合物を収容するガス分離部を備え、前記ガス分離
部の温度を所定の温度域に設定可能な加熱手段を備える
とともに、前記ガス分離部に原料ガスを供給する原料ガ
ス供給路と前記ガス分離部から送出されてくる分離済ガ
スが流れる製品ガス路とを備えたガス分離装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】このようなガス分離装置の構成を図３に
示した。装置は、ペロブスカイト化合物４を収容するガ
ス分離部２を、一対のセラミック多孔体１５で区画され
た気体流路特定部位として備え、さらに、この気体流路
特定部位を少なくとも２段階の異なった温度域に設定可
能な加熱手段としての加温装置１６を備えて構成されて
いた。ガス分離部２の上流側には、先ず、原料ガスある
いは搬送ガスを択一的に前記ガス分離部２に供給可能な
原料ガス供給路５を備えるとともに、その下流側に、前
記ガス分離部２から送出されてくる分離済ガスが流れる
製品ガス路６を備えていた。この装置の運転状況を説明
すると、先ず、ガス分離部内に収納されているペロブス
カイト化合物の温度域を高温状態（例えば１０００℃程
度）に設定して、酸素の価数が低い状態にペロブスカイ
ト化合物をする。例えば、ペロブスカイト化合物が鉄酸
ストロンチウム（ＳｒＦｅＯ_x）である場合は、このｘ
が２．５程度まで低下する。この状態から化合物温度域
を低温状態（例えば３００℃程度）に設定するとととも
に、原料ガス供給路から例えば空気を供給すると、空気
中の酸素がペロブスカイト化合物に吸着され、製品ガス
路には窒素リッチなガスを得ることができる。即ち、こ
のような低温の温度域にあっては、例えば、ペロブスカ
イト化合物が鉄酸ストロンチウム（ＳｒＦｅＯ_x）であ
る場合は、このｘが２．８程度まで上昇する。次に、こ
の低温状態から、原料ガス供給路からの空気の供給を停
止するとともに、搬送ガスとしての例えば酸素リッチな
ガスを供給し、さらに、ガス分離部を前記の高温状態と
すると、化合物に吸着されていた酸素が脱離されて搬送
ガスとともに送りだされ、製品ガス路側に、酸素リッチ
なガスを得ることができる。このような装置にあって
は、ガス分離部の温度が、その内部に収納されるペロブ
スカイト化合物に必要とされる所定の異なった温度域
に、交互に設定される。従って、この部位は大きな熱衝
撃を受けることとなる。従来、このようなガス分離部
は、管路を構成する耐熱性金属部材と多孔のセラミック
フィルター１５から構成されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなセラミックフィルターを使用する場合は、セラミッ
クが熱衝撃に対応できないため、割れ、欠け等が発生し
易いという問題があった。さらに、管路を構成する金属
配管との馴染みが取りにくく、加熱装置１６を、ガス分
離部２を構成する部材とは別体として備える必要があっ
た。従って、本発明の目的は、耐熱強度、通気性の点で
共に優れているガス分離部を備えたガス分離装置を得る
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１に係わるガス分離装置の特徴構成は、加熱
状態で、静水圧加圧下で金属粉末の焼結を行う熱間静水
圧加圧焼結処理を含む成形処理過程を経て得られ、且つ
その処理過程で生じた表裏両面間に貫通する孔を多数備
えた金属多孔体にて、前記ガス分離部を構成し、前記金
属多孔体に一対の電極を備えて、前記金属多孔体を電圧
印加可能に構成したことにある。そして、その作用・効
果は次の通りである。

【０００５】

【作用】請求項１に係わるガス分離装置にあっては、ガ
ス分離部に、所謂、ＨＩＰ焼結法（熱間静水圧加圧焼結
処理）を含む処理で得られる金属多孔体が使用される。
このような金属多孔体は、例えば、従来のセラミック製
の多孔体より強度的に優れているため、形状保持、耐久
性の点で優れたものとなっている。また、このような金
属多孔体は、その耐熱温度が高く、本願のガス分離装置
のように、異なった温度に、交互に設定されて過酷な熱
衝撃を受ける場合にあっても、従来のセラミックのよう
に、割れ、欠け等を生じ、装置として機能しなくなる等
の事故を起こすこともない。さらに、このようなＨＩＰ
焼結処理を経て得られる金属多孔体にあっては、従来の
一般的な焼結体と比較して成形体の表裏面間で連通した
孔が形成されやすい。この理由は、例えば、従来の焼結
処理においては、焼結に伴って所定の強度を得るために
は、粒子形状が不揃いで、且つ球形状からは程遠い形状
の金属粉末を使用する必要があったのに対して、ＨＩＰ
焼結処理においては、その焼結が効果的であるため、比
較的粒子形状が一定で、且つ球形に近い粒子を焼結して
所定の強度を得ることができ、粒子間に形成される孔
が、材料表裏間で連続して形成されるためである。従っ
て、このような金属多孔体においては、開気孔率が高い
（材料の外表面に連通され、例えばガス流通用の孔とし
て使用できる孔の割合が高い）ものを容易に得ることが
可能であるとともに、形成される孔の径も均一化できる
ため、均一且つ通気性に優れたガス分離部を得て、少な
い駆動圧でガスの分離をおこなうことができる。さら
に、このガス分離部は、ＨＩＰ焼結処理を経て得られる
金属多孔体であるため、複雑な形状に設定することも可
能となる。また、この金属多孔体には電極を備えて電圧
印加可能な構造とするため、この金属多孔体を通電状態
として発熱させることにより、従来の加熱手段の役割を
果たすことが可能となり、別途加熱装置等を備える必要
もない。

【０００６】

【発明の効果】請求項１に係わるガス分離装置にあって
は、強度、耐熱衝撃性、通気性の点で共に優れている信
頼性の高く、別途加熱装置が必要ないガス分離部を備え
たガス分離装置を得ることができる。

【０００７】

【実施例】本願の実施例を図面に基づいて説明する。図
１には、本願のガス分離装置１の構造が示されている。
装置構造は、従来のものとほぼ同様であるが、先に説明
したガス分離部２が本願の特徴構成である熱間静水圧加
圧焼結処理を含む成形処理過程を経て得られる金属多孔
体から成っていること、及び、この金属多孔体に電圧印
加をおこなうことが可能な電極３が備えられており、金
属多孔体からなるガス分離部２自体が、自己加熱型に形
成されている点で異なっている。

【０００８】装置１は、ペロブスカイト化合物４を収容
するガス分離部２を、気体流路に備えて構成されてい
る。ガス分離部２の上流側には、原料ガスあるいは搬送
ガスを択一的にガス分離部２に供給可能な原料ガス供給
路５を備えるとともに、その下流側に、ガス分離部２か
ら送出されてくる分離済ガスが流れる製品ガス路６を備
えて構成されている。

【０００９】ガス分離部２は、加熱状態で、静水圧加圧
下に金属粉末材料の焼結を行う熱間静水圧加圧焼結処理
（ＨＩＰ焼結処理）を含む成形処理過程を経て得られ、
且つその処理過程で生じ、表裏面間を貫通する孔を多数
備えた金属多孔体にて、ペロブスカイト化合物４を収容
可能に構成されている。

【００１０】前記ガス分離部２を構成する前記金属多孔
体には、一対の電極３が備えられ、この電極３間に電圧
を印加して、前記金属多孔体自体を自己加熱可能に構成
されている。この目的のために、電圧印加装置７を備え
るとともに、印加電圧を調節して、前記のペロブスカイ
ト化合物４が例えば酸素を分離し易い温度である高温
（例えば１０００℃）と酸素を吸着し易い温度である低
温（例えば３００℃）とに、ガス分離部２が設定される
ように、印加電圧を切り換える温度制御装置８を備えて
いる。そして、この温度制御装置８は原料ガス供給路５
から供給されるガス種の切り換え、製品ガス路６から送
出されるガス種に依存した貯蔵部９の切り換えを行う切
り換え機構１０とも連動するように構成されている。

【００１１】ガス分離装置１の運転状況を説明すると、
装置１の始動にあたっては、ガス分離部２内に収納され
ているペロブスカイト化合物４の温度域を高温状態（例
えば１０００℃程度）に設定して、酸素の価数が低い状
態にペロブスカイト化合物４をする。この状態から化合
物温度域を低温状態（例えば３００℃程度）に設定する
ととともに、原料ガス供給路５から例えば空気を供給す
る。この操作をすると、空気中の酸素がペロブスカイト
化合物４に吸着され、製品ガス路６に窒素リッチなガス
を得ることができる。次に、この低温状態から、原料ガ
ス供給路５からの空気の供給を停止するとともに、搬送
ガスとしての例えば酸素リッチなガスを供給し、さら
に、ガス分離部２を前記の高温状態とすると、化合物４
に吸着されていた酸素が脱離されて搬送ガスとともに送
りだされ、製品ガス路６側に、酸素リッチなガスを得る
ことができる。以上の工程で、前記の温度制御装置８、
切り換え機構１０が連動して働く。

【００１２】前述のように、ガス分離部２は、所謂、熱
間静水圧加圧焼結処理（ＨＩＰ焼結処理）によって製造
されるため、従来の金属焼結手法より強度的に強く、同
一の強度のものにおいては、材料の表面間に渡って連通
した開気孔の多い、通気性、耐熱性、耐熱衝撃性の良好
な特性を備える。

【００１３】以下、ガス分離部２を構成する金属多孔体
として適した供試体について説明する。供試体は、その
製造手法において、二つの群に分けることができる。以
下、第１群と第２群、夫々について別個に説明する。１第１群この群に属する供試体は、２工程を経て製造される。製
造にあたっては、所謂、ＣＩＰと呼ばれる手法で代表さ
れる工程である、金属粉末材料を加圧成形して粉末予備
成形体を得る第１工程と、第１工程で得られる粉末予備
成形体に対して熱間静水圧加圧焼結処理を行う第２工程
を経て製造する。そして、この第２工程においては、粉
末予備成形体を裸のままで静水圧媒体の中に投入して処
理をおこなう。従って、この工程においては、粉末予備
成形体内に存し、且つ粉末予備成形体の表裏を貫通する
孔内に、静水圧媒体の侵入が許容され、処理が進む。こ
のような孔は、その開口状態を維持でき、結果的に開気
孔率の高い金属焼結体を得ることができる。この群に属
する供試体の製造条件、物性を表１に示した。以下に、
各供試体について説明する。下記の金属粉末を原料と
し、ゴム型に封入してＣＩＰ成形により、粉末予備成形
体を形成する（第１工程）。ついで、粉末予備成形体を
ＨＩＰ装置に装入し、焼結処理を行って（第２工程）金
属多孔体No. １〜５を得た。ステンレス鋼粉末：SUS 310S相当、アトマイズ粉末（C:
0.02，Si:1.0，Mn:0.1，Cr:18.3，Ni:10.8.％）合金工具鋼粉末：SKD 61相当、アトマイズ粉末（C:0.3
8，Si:0.9，Mn:0.01，Cr:5.25，Ni:1.20，V:1.0.％）供試体No. １〜５は発明例であり、No. １１は粉末予備
成形体を真空雰囲気中で加熱焼結してして得られた比較
例である。表中、「孔径分布」欄の数値は最大気孔径
（μｍ）、「ガス抜き性」欄の数値は、エアの透過に必
要な圧力（Kgf/cm²)であり、「曲げ強度」欄は、JIS B
1601の曲げ試験法（スパン距離：３０mm）による３点曲
げ強度（Kgf/ｍｍ²)の測定結果を示している。粉末予備
成形体をＨＩＰ処理して得られる金属多孔体は、No. １
〜３に示されるように、比較例の金属多孔体No. １１に
比べ、高いガス抜き性を有すると同時に、No. １１を大
きく凌ぐ強度を備えている。特にNo. ２は格段の高強度
化を達成している。No. ４は、比較例No. １１と同等の
強度を維持しながら、大孔径、高開気孔率を有し、より
高いガス透過性を備えており、またNo. ５は、金属材種
を異にするが、高い開気孔率・ガス抜き性と改良された
強度を具備し、比較例No．１１との差異は歴然である。

【００１４】

【表１】供試体１〜５において、材料表裏面間に渡る貫通孔が多
いことは、開気孔率／気孔率の割合が、比較例よりも高
いことからも明らかである。

【００１５】２第２群この群に属する供試体もまた、２工程を経て製造され
る。製造にあたっては、前述の第２工程に相当する熱間
静水圧加圧焼結処理を最初におこない、さらに、この処
理によって得られたものを熱処理して、所望のものを得
る。この群に属する熱間静水圧加圧焼結処理にあって
は、軟鋼製カプセル内に金属粉末を脱気密封して処理を
おこなう。この手法における熱間静水圧加圧焼結処理の
特徴は、前述の第１群に属するものを得る場合と比較し
て、その処理時間を短く選択して、この処理のみに関し
ては、処理を甘くおこなっていることにある。この群に
属する供試体の製造条件、物性を表２に示した。以下
に、各供試体について説明する。下記金属粉末を原料と
し、軟鋼製カプセルに充填し、脱気密封（１×１０^-2To
rr）したうえ、ＨＩＰ装置に入れ予備成形する。つい
で、カプセルのまま、加熱炉に装入し、加熱処理する。
処理後、カプセルを機械加工により除去して金属多孔体
を得る。ステンレス鋼粉末：SUS 310S相当、アトマイズ粉末（C:
0.02，Si:1.0，Mn:0.1，Cr:18.3，Ni:10.8.％）合金工具鋼粉末：SKD 61相当、アトマイズ粉末（C:0.3
8，Si:0.9，Mn:0.01，Cr:5.25，Mo:1.20，V:1.0.％）

【００１６】供試体No. ６〜１０は発明例であり、No.
１２は、粉末成形体を真空雰囲気中で加熱焼結して得ら
れた比較例である。表中、「孔径分布」欄の数値は最大
気孔径（μｍ）、「ガス抜き性」欄の数値は、エアの透
過に必要な圧力（Kgf/cm²)であり、「曲げ強度」欄は、
JIS B 1601の曲げ試験法（スパン距離：３０mm）による
３点曲げ強度（Kgf/ｍｍ²)の測定結果を示している。発
明例の金属多孔体は、No. ６〜８に示されるように、比
較例の金属多孔体No. １２と平均孔径等はほぼ同等であ
りながら、高い開気孔率を有し、ガス透過性に優れてい
ると同時に、比較例No. １２を大きく超える高強度を具
備しており、また、No. ９，No. １０のように、比較例
No. １２と同等の機械強度を保持しながら、気孔径を大
きく、開気孔率の高い気孔分布とすることも可能であ
り、従来材との差異は歴然である。

【００１７】

【表２】供試体６〜１０において、材料表裏面間に渡る貫通孔が
多いことは、開気孔率／気孔率の割合が、比較例よりも
高いことからも明らかである。結果、このようにして製
造される金属多孔体を、ガス分離部２として採用するガ
ス分離装置１は、耐熱衝撃性、強度の点で優れ、通気性
の良好な非常に使用勝手の良いものであった。

【００１８】〔別実施例〕上記の実施例においては、単
一のガス分離部２を備え、この分離部２に対して、原料
ガスもしくは搬送ガスを択一的に供給する原料ガス供給
路５を備えるとともに、このガス分離部２から出てくる
ガスを、その状態に従って、貯蔵部４に択一的に回収で
きる製品ガス路６を備えて構成したが、図２に示すよう
な装置構成を取る場合は、連続的に別種のガスの分離を
おこなうことができる。この装置構成について説明す
る。この装置１００にあっては、ペロブスカイト化合物
４が、所定の温度域に維持されたままで、一定の循環路
１０１を循環される。循環路１０１は、低温部１０１ａ
と高温部１０１ｂとに分離された構造となっており、こ
の部位１０１ａ、１０１ｂ間に渡って化合物４が循環さ
れて、ガスの分離が行われる。装置１００は、原料ガス
もしくは搬送ガスが供給される原料ガス供給路５０、送
出されてくるガスの回収が行われる製品ガス路６０を夫
々備えた一対のガス分離部２０と、これらのガス分離部
２０とを化合物が循環する形態で接続する一対の接続路
３０から構成されている。そして、これらの接続路３０
は、夫々、起点側のガス分離部２０の温度に維持される
構成が取られている。これらのガス分離部２０は、先の
実施例と同様に、本願特有の金属多孔体から構成されて
いる。以下に、ペロブスカイト化合物が鉄酸ストロンチ
ウム（ＳｒＦｅＯ_x）である場合について説明する。図
面上、左側に備えられるガス分離部２０が低温側ガス分
離部２０ａであり、この部位２０ａにあっては、原料ガ
ス供給路５０ａを経て供給される空気からの酸素の化合
物４への吸着が行われて、窒素リッチな製品ガスが製品
ガス路６０ａに排出される。酸素を吸着した状態にある
ペロブスカイト化合物４は、この温度を維持したまま
で、図面上右側にある高温側ガス分離部２０ｂまで移動
され、この部位２０ｂで昇温される。従って、この高温
側ガス分離部２０ｂで酸素は脱離され、原料ガス供給路
５０ｂを介して供給される搬送ガスとしての酸素リッチ
ガスに供給され、製品ガスとして、製品ガス路６０ｂに
酸素リッチなガスを得ることができる。これまで説明し
てきた実施例においては、ペロブスカイト化合物として
は、鉄酸ストロンチウム（ＳｒＦｅＯ_x）の例を示した
が、この他に、ＢａＦｅＯ_x、ＳｒＮｉＯ_x、ＳｒＣｏＯ
_x等、温度や酸素分厚によって酸素不定比性を示す化合
物なら、どのような化学組成の化合物でも使用すること
ができる。上記の実施例では、本願の金属多孔体とし
て、ステンレス鋼、合金工具鋼、アトマイズ粉末の例を
示したが、耐熱、耐熱衝撃性を得られる材料としては、
インコネル、チタン、クロム等を含有する金属材料を使
用して、金属多孔体を得ることが好ましい。

【００１９】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願のガス分離装置の構成を示す図

【図２】本願のガス分離装置の別実施例を示す図

【図３】従来のガス分離装置の構成を示す図

【符号の説明】２ガス分離部３電極４ペロブスカイト化合物６製品ガス路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西隆大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号株式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者小阪晃大阪府枚方市中宮大池１丁目１番１号株式会社クボタ枚方製造所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なった温度域において、分離対象ガス
に対する吸着能を異にするペロブスカイト化合物（４）
を収容するガス分離部（２）を備え、前記ガス分離部
（２）の温度を所定の温度域に設定可能な加熱手段を備
えるとともに、前記ガス分離部（２）に原料ガスを供給
する原料ガス供給路（５）と前記ガス分離部（２）から
送出されてくる分離済ガスが流れる製品ガス路（６）と
を備えたガス分離装置であって、加熱状態で、静水圧加
圧下で金属粉末の焼結を行う熱間静水圧加圧焼結処理を
含む成形処理過程を経て得られ、且つその処理過程で生
じた表裏両面間に貫通する孔を多数備えた金属多孔体に
て、前記ガス分離部（２）を構成し、前記金属多孔体に
一対の電極（３）を備えて、前記金属多孔体を電圧印加
可能に構成したガス分離装置。