(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部と連通する少なくとも一つのチャンバー（１０）である貫流孔を備えた、形状安定な濾過用の成形体の製造方法にして、次の（ａ）〜（ｅ）のステップ、即ち、
（ａ）内部に空所を備えた無機性の固形粒子として、その体積または重量の５０％以上が０．２〜１ｍｍの範囲のサイズを有している多孔構造の発泡粘土粒子を備え、
（ｂ）多孔構造の発泡粘土粒子を、未加工成形体の全重量を１００重量％としたものに対し、５重量％以下のタルク、及び水ガラスベースのナトロン水ガラス、カリウム水ガラス、リチウム水ガラスまたはこれら水ガラスの少なくとも２つからなる混合物であるバインダーと混合することによって、未加工成形体を作り、
（ｃ）未加工成形体を、少なくとも一つのコアを有する型に入れ、
（ｄ）型の内容物を硬化し、
（ｅ）硬化された成形体を型から取り出す、
からなる方法。
【請求項２】
バインダーが、未加工成形体（６）を、アルコールをベースとする硬化液と接触することによって硬化されていることを特徴とする、請求項１に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【請求項３】
１種類または複数種類の１価アルコールをベースとする硬化液が用いられていることを特徴とする、請求項２に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【請求項４】
エタノール、メタノール、イソプロパノール、メチル化スピリッツまたはこれら物質のいくつかからなる混合物が用いられていることを特徴とする、請求項３に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【請求項５】
濾過用の成形体がさらに、
−石英粉、
−強度増大用の繊維
を含有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【請求項６】
以下の成分を、未加工成形体（６）の重量に対し以下の重量％範囲で含んでいること、
−１０〜５０％の水ガラス、
−５％以下のタルクを含む充填材、
−５％以下の繊維、
−３５〜９０％の固形粒子（残余として）、
を特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【請求項７】
繊維マットを、強度増大のために含有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【請求項８】
成形体が、別々に製造され、その後に相互結合される２つの成形体半部分（６’）を有していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【請求項９】
未加工成形体を、少なくとも一つのコアを含む型に入れる際、圧縮圧、又は振動によって、型への充填を支援することを特徴とする、請求項１〜８に記載の、濾過用の成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、高温流体の濾過に適した、貫流孔を備えた形状安定なフィルタエレメント、即ち、濾過用の成形体にして、内部に空所を備えた無機性固形粒子と、水ガラスをベースとする硬化されたバインダーとを成分とし、貫流孔を備えた成形体（６）を形成すべく前記バインダーが前記固形粒子を保持するような、貫流孔を備えた形状安定な成形体を備えてなるフィルタエレメントに関するものである。
【０００２】
この種の流体処理要素は多様な固形粒子と多数のバインダーによって知られようになった。
公知の流体処理要素に比べ、本発明による流体処理要素は優れた特性の組み合わせを特徴としている。
−比較的安価な原材料を使用できる。
−製造が簡単で低コストである。
−本発明による流体処理要素はその体積に比べて軽量であるので、使用する原材料のコストを安くさせ、流体処理要素に対し支持構造を設けねばならない場合でも技術コストは低い。
−本発明による流体処理要素は、高温にある流体の処理に適している。
【０００３】
以下の材料群から選択された固形粒子が設けられているのが有利である。
−発泡ガラス粒子、
−発泡粘土、
【０００４】
発泡ガラス粒子には化学的に優れた耐性があるという利点があり、リサイクルガラスから製造されることが多い。発泡ガラス粒子は市場で入手可能で、第一次近似的には球形の閉じた殻の様相を呈し、内部はいくつかの壁が貫通しているが、その他は大部分中空である。中実のガラス粒子に比べ発泡ガラス粒子は強度が著しく低下しておらず、特に非常に軽量である。本発明に従って使用される固形粒子では、内部の空所は該固形粒子の周部に対し密閉されていてよいが（発泡ガラスの場合と同様）、周部と全体または一部が結合していてもよい。
【０００５】
固形粒子が、大部分、０．２ないし１ｍｍ、有利には０．３ないし０．７ｍｍの範囲のサイズを有しているのが有利である。粒子のサイズの選択は、流体処理要素内部の貫流孔のサイズを決定する。「大部分」とは、「固形粒子の体積または重量の５０％以上」、有利には「９０％以上」という意味である。しかし、たとえば、固形粒子間の多孔率が非常に大きい流体処理要素が望ましい場合は、より大きなサイズの固形粒子を使用してもよい。特に排ガス装置で使用される触媒担体としての成形体の場合は、１．０ないし２．０ｍｍのサイズの粒子が好ましい。
【０００６】
バインダーがナトロン水ガラス、カリウム水ガラス、リチウム水ガラスまたはこれら水ガラスの少なくとも２つからなる混合物であるのが有利である。特にナトロン水ガラスとカリウム水ガラスからなる混合物は市販されている。
【０００７】
水ガラスバインダーを硬化させるため、この種のバインダーに適した方法を適用してよい。特にＣＯ２によるガス処理、加熱による空気からのＣＯ２吸収の促進、室温で空気にあてた状態での長時間硬化、水ガラスへの酸化金属の混入、水ガラスへの酸の混入、水ガラスへのエステルの混入を適用してよい。しかしながら、全く新規の硬化方法が特に有利であり、すなわち未加工の流体処理要素（つまりまだ硬化していない流体処理要素）をアルコールをベースとした硬化液と接触させるようにした硬化方法が特に有利である。硬化液はかなりの部分がアルコールからなっているのが有利であり、この場合具体的な範囲としては、少なくとも３０％のアルコール、より有利には少なくとも４０％のアルコール、さらに有利には少なくもと５０％のアルコール、さらに有利には少なくとも７０％のアルコール、さらにはほぼ１００％のアルコール（市販されているものと同じ）が有利である。硬化過程に重要な構成成分は１価アルコール、または複数種類の１価アルコールの混合物が有利である。特に有用で、簡単に且つ安価に入手可能なアルコールはエタノール、メタノール、イソプロパノール、メチレーテッドスピリッツ（変性エタノール）である。未加工の流体処理要素は多孔構造であるため、水ガラスをベースとしたバインダーを未加工の流体処理要素全体のなかで必要な範囲で硬化液と接触させると、技術的な経過の観点から見て簡単である。このような接触により、非常に短時間で（実質的には数秒で）自然にバインダーの硬化が経過する。加熱工程を導入せずに、しかも長時間にわたる硬化過程を導入せずに、流体処理要素を未加工の未硬化状態から硬化状態へもたらすことができるのは、生産上常に有利である。アルコールをベースとした硬化液を用いて硬化過程が極めて迅速に経過するので、バインダーとの化学反応というよりはむしろ、重要な効果としての、バインダーからの脱水過程を含む、物理学的な過程である。
【０００８】
流体処理要素の上記主成分（内部に空所を備えた固形粒子と、水ガラスをベースとした、硬化されたバインダー）に対して、通常は他の成分を添加せずとも、流体処理要素の基本的構成が提供される。しかしながら、特に流体処理要素の比較的高い強度が要求されるケースにおいては、固定要素を有利には繊維束の形態で設けるのが好ましい場合がある。繊維束は特に流体処理要素の表面に設けることができるが、内部の繊維束として設けてもよい。通常の構成の繊維束を使用することができ、特に織物マットを使用できる。材料としては通常の繊維が考えられ、特にガラスファイバーが考えられるが、炭素繊維、鉱物繊維、他の繊維であってもよい。
【０００９】
未加工の流体処理要素を構成している素材は、上記の成分以外にさらに他の成分を補助的な量で含んでいてよく、有利には以下のグループから選択するのが好ましく、より厳密には、以下の１つのグループからなる１つの成分か、或いは１つのグループからなる複数の成分か、或いは複数のグループからなる複数の成分を含んでいるのが有利である。
−１種類または複数種類の充填材、有利にはタルクまたは石英粉、
−１種類または複数種類の補助物質或いは添加物
−強度増大用の繊維、有利にはガラスファイバー
【００１０】
充填材は未加工の流体処理要素の素材の柔軟性を向上させることができ、したがってこの素材の加工性を改善させる。さらに、強度が増大し、未加工の流体処理要素から仕上げ成形された流体処理要素へ硬化する際の縮みが減少する。上記繊維は通常のようにしてバインダーに混入され、被成形素材の中に無秩序に存在する。ここに前記の繊維束との相違がある。望ましい場合に流体処理要素に硬化後添加される成分、たとえば特定の表面層、含浸物等の成分は、上記の補助的な成分とは区別されるべきである。
【００１１】
未加工の流体処理要素を成形するための素材は、全重量に対し以下の重量％範囲を含んでいるのが有利である。
−１０ないし５０％の水ガラス、
−０ないし５％の１種類または複数種類の充填材
−０ないし５％の補助物質および（または）添加物
−０ないし５％の繊維、
−３５ないし９０％の固形粒子（残余物として）
【００１２】
水ガラスの場合、上記重量％は市販の水ガラスのものである。市販の水ガラスは通常５０％近傍の固形物質を含んでおり、これよりもいくぶん下回ることもある。残りは水である。なお、多数の充填材、特に前記タルクまたは前記石英粉、他数の補助物質および（または）添加物、そして素材に配分して装入される繊維も特に非常に軽量である。これらの成分は前記のように重量％範囲が低いが、これらの成分が成形される管素材の体積をもっと高い成分比で占めるようにしてもよい。最後に指摘しておくと、成形される素材の参考重量を１００％としたとき、強度増大用の繊維束が使用されていても、これを算入しなかった。
【００１３】
本発明による流体処理要素には多くの技術的適用性がある。そのいくつかを特に有利なものとして列挙しておく。
−ガスまたは液体用のフィルタエレメント
−燃焼設備の煙ガス用のフィルタエレメント
−ディーゼルエンジンの排ガス装置の粒子フィルタ
−触媒型排ガス無毒化装置用の触媒層を備えたベース体
【００１４】
本発明による流体処理要素はその構成に基づき、高温で使用される技術的要素であるにもかかわらず、非高温度での流体処理の場合も使用できることはもちろんである。本発明による流体処理装置の構成は、特に発泡ガラス粒子または発泡粘土粒子の形態の固形粒子の場合、２００℃以上の継続作動温度での使用を保証するが、これよりもかなり高い継続作動温度も基本的な問題を呈しない。特に、２００ないし９５０℃の温度範囲での燃焼排ガスの濾過または触媒処理の可能性を指摘しておく。
【００１５】
本発明による流体処理要素がフィルタエレメントである場合、フィルタエレメントは、使用可能な最終状態において、流体処理要素の流体供給面に、表面濾過層下方での流体処理要素の孔径よりも小さな孔径を持った表面濾過層を有しているのが有利である。表面濾過層を備えたフィルタエレメントの利点は、特に、フィルタエレメントを逆流により好適に洗浄できること、フィルタエレメントの内部の孔が塞がれず、フィルタエレメントの貫流抵抗を継続的にますます増大させることである。表面濾過層が繊維、特にガラスファイバーまたは鉱物繊維、または無機的固形粒子からなっているのが特に有利である。
【００１６】
本発明による流体処理要素は、以下のような特徴を有する方法に従って製造することができる。
（ａ）未加工の流体処理要素のための素材を、可塑性または流動性の素材に混合させる。
（ｂ）素材を型に装入する。
（ｃ）型内容物を硬化させ、有利には、バインダーが少なくともほぼ完全に硬化液と接触するような量で、アルコールをベースとした硬化液を供給することによって硬化させる。
（ｄ）硬化した流体処理要素を型から取り出す。
【００１７】
硬化液との接触により、成形体を型から取り出すことができるほどに、しかも良好な初期安定性を有するほどに十分に成形体は自然に硬化するが、最終的に乾燥と再硬化が生じ、特に室温で、或いはより高温で、有利には１００ないし１５０℃で生じる。バインダーが前記硬化液とともに硬化することにより、成形体を短時間経過した後に、有利には６０秒以下経過した後に、最も有利なのは３０秒以下経過した後に、型から取り出すことが可能になる。型から取り出す前に、或いは型から取り出した後に、成形体から過剰の硬化液を除去するのが好ましく、たとえば滴下排液、遠心分離、スパージング、吸出し、蒸発によって除去するのが好ましい。
【００１８】
成形体を製造する型は非常に簡潔な形態（たとえば板状の生産物を製造するためには直方体形状）を有していてよいが、複雑な形態を持っていてもよい。型はコアをも有しているのが有利であり、その結果外部に対して密閉され、或いは外部と連通するような、少なくとも１つの内部中空空間を備えた成形体が製造される。多くの場合、１回分割した型或いは複数回分割した型を設けるのが好ましい。型の素材の稠性に応じては、素材を流し込んでよいが、装入した後引き続いてある程度の圧縮圧をかけてもよく、或いは装入し、その後振動等によって型の充填を支援してもよい。
【００１９】
次に、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１に図示した第１の製造型２は、比較的平坦で内側が中空の直方体の形状を有し、５面が閉鎖され、第６面が開口している。開口側からは３つのコア４が挿入され、これらのコアは互いに間隔を持って配置され、それぞれ長方形の横断面を有している。図１にはコア４が断面で図示されているが、これはこれらコアが開口した型から上方へ突出しているためである。
【００２０】
図２は、図１の第１の製造型で製造された流体処理要素６を、製造型２から取り出した後のものを図示したものである。この流体処理要素６は、特に、外側表面８が該流体処理要素６の流体供給面を成し、浄化ガスまたは浄化液がチャンバー１０から上方へ引き出されるように使用することができる。
【００２１】
図３に図示した第２の製造型は筒状のキャビティを有し、このキャビティ内に、より小径のコア４が配置されている。したがって製造型２内には、管部分の形状を有する流体処理要素を形成することができる。
【００２２】
図４に図示した第３の製造型は、前記第２の製造型を変形して波形筒状にしたキャビティを有している。コア４は、この波形に対し間隔を持って追従するような外側輪郭を有している。したがってこの第３の製造型により、コルゲート管部分の形状を持つ流体処理要素を製造することができる。
【００２３】
なお、第１、第２、および第３の製造型２は、コア４が製造型２内でその下部末端部まで延びるように設けてよい。この場合、製造された流体処理要素６の内側中空空間は下端と上端で開口する。或いは、コア４の下部端面がキャビティの下部末端部から間隔を持つように配置してもよい。この場合は、中空空間が下方で閉鎖され、上方だけ開口しているような流体処理要素６が製造される。
【００２４】
図５には、いくぶん複雑な幾何学的形状を持った第４の製造型２が図示されている。「横置きの」下部の型半部分２ａがあり、型半部分２ａは平行に延びる「波山」と「波谷」を順番に有している。「横置きの」上部の型半部分２ｂはその下面を対応的に波山と波谷で異形化されている。下部の型半部分２ａと上部の型半部分２ｂとを型半部分分割部１２で組み合わせると、図５に示すように、これら型半部分は厚い波形板のように構成されたキャビティ１４を画成する。
【００２５】
流体処理要素半部分６’を製造するため、製造型２を開いた状態で、複数の成分ら混合されている素材の配分量を下部の型半部分２ａに充填する。次に、上部の型半部分２ｂを下部の型半部分２ａのほうへ降下させ、型容積に圧縮圧が作用する程度に押圧させる。
【００２６】
流体処理要素半部分６’の強度を増大させるのが望ましい場合には、前記素材を下部の型半部分２ａに装入する前に繊維束、特にガラスファイバー織物マットを挿入してよい。或いは、最初に前記素材の一部を下部の型半部分２ａに充填し、その後その上に繊維束を載置するようにしてもよい。
【００２７】
図６は、流体処理要素半部分６’の概観の詳細を示す拡大図である。水ガラスをベースとる硬化されたバインダーによって保持され、内側に空所を備えた非有機固形粒子からなる多孔構造を点で示した。流体処理要素半部分６’の片側の表面領域にある繊維束１６を二重ハッチングで示した。さらに、流体処理要素半部分６’の外面に接続させて表面濾過層１８を被着させてもよいが、これを二重ハッチングで示した。
【００２８】
第２の流体処理要素６”を、図５の製造型２で製造された第１の流体処理要素半部分６’に対し下側から左右対称になるように設置して、部位２０で結合させたとすると（有利には水ガラスバインダーを用いて）、すでに簡単に述べたように、キャビティを備えた波形の平坦な直方体形状の流体処理要素が得られる。キャビティはそれぞれ２つの端部が開口しているようにしてもよく、或いは、第４の製造型２は、キャビティが片側で閉じているように片側を構成してもよい。この場合、５面が閉鎖され、第６面でキャビティのほうへ開口する、波形の平坦な直方体形状の流体処理要素６が得られる。
組成に関する実施例
次の成分の素材を製造した。
−３２重量％の市販の水ガラス（ナトロン水ガラスとカリウム水ガラスの混合物で、固形物質含有量４５％）；
−３重量％のタルク
−６５重量％の発泡ガラス粒子（０．２５ないし０．５ｍｍ）
この素材は、湿った土に比較しうる稠性を有していた。この素材を、図１に図示したような型の中に充填した。その際、直方体形状のキャビティの大きさを（コアは無視して）、ほぼ３０ｃｍ×２０ｃｍ×５ｃｍに想定した。型とコアは金属から構成した。上記素材を充填する際、ある種のプランジャーのごとき部材を用いて型内容物を押圧して、均等に圧縮した。
【００２９】
次に、１００ｍｌのメチレーテッドスピリッツを型内容物に注入して配分させた。過剰のメチレーテッドスピリッツが型の下部から滴下したことで（型が分割されている場合は分割面から滴下、そうでない場合は細い液体出口穴から滴下）、型内容物が必要な完全性でメチレーテッドスピリッツと接触したことが確認された。短時間経過した後（１０秒ないし２０秒）、型内容物の上面を指で押すことで、硬化が始まったことを確認した。その後、成形体を取り出すことができた。
【００３０】
次に、成形体を１時間、１２０℃の温度で炉内で再硬化させた。
同一の組成の素材を用いて、図３、図４、図５に図示した製造型で類似の素材を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の製造型の平面図である。
【図２】第１の製造型から取り出した後の流体処理装置の水平横断面図である。
【図３】第２の製造型の平面図である。
【図４】第３の製造型の平面図である。
【図５】「横置きの」第４の製造型の鉛直横断面図である。
【図６】第４の製造型で製造された流体処理要素の、図５の部位Ａの拡大詳細断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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