JP2002213230A - セラミックハニカムフィルタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定して電力を供給しながら、速やかに加熱
して再生できるセラミックハニカムフィルタ装置を提供
する。 【解決手段】 通電によって発熱するセラミックハニカ
ムフィルタ素子２と、その外周表面に接近して配置され
た電気抵抗発熱体４とからなり、前記フィルタ素子２と
電気抵抗発熱体４とを電気的に直列に接続し、再生行程
において前記フィルタ素子２と前記電気抵抗発熱体４に
同時に通電して全体を加熱するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの排ガスなどに含まれる有害な微粒子状の物質（パテ
ュキュレートマター；以下ＰＭという）を除去するため
のハニカムフィルタの、再生行程において捕集された微
粒子状物質を加熱、燃焼させて除去する昇温機構を有す
るセラミックハニカムフィルタ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンは空気過剰率の大き
い領域で燃焼が行なわれるため、ＣＯとＨＣの排出量が
少ない反面、ＮＯx の排出量が多く、また燃焼が不均一
であるため、ＰＭの排出量も多い。したがって、これら
の低減がディーゼルエンジンの大きな課題である。周知
のようにエンジンの作動に伴ってＰＭは空気中に分散さ
れて空気を悪化させ、視界を悪くするとともに発ガン性
など健康への悪影響があることから、車両からＰＭの排
出が規制されつつあり、その対策として各種のフィルタ
が開発されている。

【０００３】フィルタ内に捕集されたＰＭを燃焼させて
再生する際、フィルタ内が高温になり、この温度に耐え
るため、近年多くのＤＰＦではコーディエライト（２Ｍ
ｇＯ・２Ａｌ₂ Ｏ₃ ／５ＳｉＯ₂ ）に代わり炭化珪素
（ＳｉＣ）を材料としたウォールフロータイプハニカム
フィルタを採用している。

【０００４】このハニカムフィルタは排ガスを、一端を
閉止した細いガス通路内に導入してこの通路を形成して
いる壁面を透過・濾過させて壁面を介して隣接する通路
側に排出させて排ガス中のＰＭを捕集するように構成し
ているが、この捕集に伴って通路が目詰まり状態になる
ため、外部から加熱してＰＭを焼却してハニカムフィル
タを再生している。

【０００５】このハニカムフィルタを構成している耐熱
性、耐蝕性に優れた炭化珪素の特性としては、低温時に
電気抵抗が高く、高温時には逆に低くなり、しかも低温
時と高温時との間では抵抗変化の割合も大きい。従っ
て、直接ハニカムフィルタに通電した場合は、低温時に
は電力の供給が困難であるが、逆に、高温時には多量の
電力を消費することになる。

【０００６】そこでこのフィルタの温度に関係する抵抗
変化と発熱特性を考慮して、高温時の最適な電力消費に
対応してフィルタ自体の抵抗値を合わせた場合は、抵抗
値を高くせざるを得ず、このように設計すると昇温時間
が長くなることから、この欠点を解消するために外部ヒ
ータを使用してフィルタを加熱している装置が殆どであ
る。

【０００７】前記炭化珪素製のハニカムフィルタの電気
的な特性を説明すると、次の通りでる。

【０００８】図７はハニカムフィルタの温度変化に対応
する電気抵抗値と消費電力との関係を示し、図８は同フ
ィルタの昇温時間と温度との関係を示すグラフである。

【０００９】このグラフにおいて曲線Ａは、炭化珪素製
ハニカムの２０℃の抵抗値が０．２２Ω、８００℃で
０．０７Ωの低電気抵抗発熱体Ａのものの特性を、また
曲線Ｂは炭化珪素製ハニカムの２０℃の抵抗値が０．６
９Ω、８００℃で０．２２Ωの高電気抵抗発熱体Ｂのも
のの特性をそれぞれ示している。また、点線のａ、ｂは
前記抵抗素材ＡとＢとに供給された電力をそれぞれ示し
ている。

【００１０】今、電圧を２４．０ボルトとすると、低電
気抵抗発熱体Ａの曲線ａにおいては２０℃の電流値は１
０９Ａであるものが、８００℃で３４３Ａにも上昇し、
従ってこれに対応するためには巨大な容量のケーブルを
必要とする。一方、高電気抵抗発熱体Ｂの２０℃の電流
値は３５Ａ、また、８００℃で１０９Ａであり、従って
これには低電気抵抗発熱体Ａのようなケーブルの容量に
関する問題はない。

【００１１】また、図８のフィルタの昇温時間について
みれば、低電気抵抗発熱体Ａの曲線線Ａは、高電気抵抗
発熱体Ｂの曲線Ｂに比較して、急速に温度が上昇してい
ることが分かる。

【００１２】前記図７に示すように、フィルタの温度上
昇に伴って抵抗値が大きく低下し、元の抵抗値に関係し
て需要される電流値と電力量とが温度に関係して大きく
変化する。従って、従来の炭化珪素製のハニカムフィル
タに直接通電して使用するため、昇温時間の短縮を狙っ
て抵抗値を高くすれば、高温時に大きな電流が需要され
るので、これに対応するために大型のバッテリを必要と
し、適正な昇温と消費電力に制御するためには電力供給
装置が高価になる。また、高温時の消費電力に合わせて
抵抗値を低く抑えれば、昇温時間が遅く再生処理行程に
も問題があったのである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、炭化珪素製
のハニカムフィルタ装置の持つ前記欠点を解消し、小電
力で短時間に加熱して再生できるハニカムフィルタ装置
を提供することを目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明に係る炭化珪素ハニカムフィルタ装置は、次の
ように構成している。

【００１５】１）通電によって発熱するセラミックハニ
カムフィルタ素子と、その外周表面に接近して配置され
た電気抵抗発熱体とからなり、前記フィルタ素子と電気
抵抗発熱体を電気的に直列に繋ぐ回路を形成し、再生行
程において前記フィルタ素子と電気抵抗発熱体に同時に
通電して全体を加熱するように構成したことを特徴とし
ている。

【００１６】２）セラミックハニカムフィルタ素子の表
面に溝付きの絶縁スペーサを配置し、この溝内に線状の
電気抵抗線を嵌合して位置決めするように構成したこと
を特徴としている。

【００１７】炭化珪素（ＳｉＣ）ハニカムに直接通電す
る場合、フィルタ内部は高温で、外表面は輻射あるいは
伝熱により低温となるため、内部に熱応力が発生し、ク
ラックの原因となり易い。

【００１８】本発明は、通電とともに速やかに発熱する
電気抵抗発熱体、即ち、金属抵抗発熱体をセラミック製
ハニカムフィルタの外周に併設し、これらの抵抗体を電
気的に直列に接続して、再生行程においてこの金属抵抗
発熱体が加熱されて発生する輻射熱、あるいはこの輻射
熱と伝熱を利用して、ハニカムフィルタ素子の内側と外
側との温度差が小さくなるように加熱でき、またこのハ
ニカムフィルタ素子の材料の炭化珪素自体の特性であ
る、温度上昇による電気抵抗減少変化も金属抵抗体を電
気的に直列に接続することによってその特性である温度
上昇による電気抵抗状によって少なくして大幅な変化が
無い電力供給をおこなうことができるセラミックハニカ
ムフィルタ装置を提供するものである。

【００１９】前記電気抵抗発熱体はスパイラルコイル状
の電気抵抗線から構成されたもの、或いは金属板状のも
の等を使用することができるが、本発明においては金属
線からなるものが好適に使用できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２１】図は１本発明に係る炭化珪素製のハニカム
フィルタ装置の概要を示す斜視図であって、通常の構造
を有するウオールフロータイプのハニカムフィルタ素子
２の両端に電極３ａ，３ｂを設け、更にこのフィルタ素
子２の表面に電気抵抗発熱体４（電気抵抗線）を巻回配
置し、この電気抵抗発熱体４の一端をフィルタ素子２の
電極３ａに連結し、他端をバッテリ８の一方の電極に接
続する。

【００２２】そしてバッテリ８の他方の電極にスイッチ
５を経由して前記フィルタ素子２の電極３ｂと接続して
フィルタ素子２と電気抵抗発熱体４とを直列に接続した
電気回路を形成している。

【００２３】フィルタ素子２は、図２及び図３に示すよ
うに主要部をハニカム状に仕切り壁に形成して多数の断
面四角型の通路を所定の分散状態に配置している。そし
て所定の通路の端部を閉止し、隣接する通路との間にＵ
型に屈曲した通路２ａを全面的に形成し、前記通路２ａ
を形成している壁面を通じて排気ガスを透過させて濾過
するように構成している。

【００２４】そして円筒状のフィルタ素子２の表面に図
４に示したセラミック製の絶縁スペーサ６を複数箇所、
この実施例においては正断面に均等に４箇所に分散して
固定している。このスペーサ６の表面には所定の間隔
で、電気抵抗発熱体４を嵌合できる溝７が所定のピッチ
で形成されており、この溝７内に電気抵抗発熱体４を嵌
合させながら全体スパイラル状に巻回している。この電
気抵抗発熱体４の一方の端部は、フィルタ素子２の電極
３ａに、他方の端部はバッテリ８の一方の電極に接続さ
れることは前記の通りである。

【００２５】本発明の実施例に係る炭化珪素製のハニカ
ムフィルタ素子２は、外径が１００ｍｍ、長さが１００
ｍｍであり、また、電気抵抗線は直径が１．６ｍｍの電
熱用鉄クロム線で、ハニカムフィルタ素子２の外周上９
０°に４本配置され、外周に僅かな間隙を持って巻回さ
れる。これら４本の線は両端が電気的に接続された並列
回路を成しており、その上でハニカムフィルタ素子２と
電気的に直列に接続されている。

【００２６】また、ハニカムフィルタ素子２の電気抵抗
値は２０℃で０．２２Ω、８００℃で０．０７Ω、更に
電気抵抗線４の抵抗は２０℃で０．３０Ω、８００℃で
０．３６Ωである。

【００２７】そして前記ように構成された炭化珪素製の
ハニカムフィルタ装置１の特性を図５と図６に示してい
る。

【００２８】図５に実線Ｃでフィルタ素子２と電気抵抗
発熱体との直列抵抗（本発明に係るセラミックハニカム
フィルタ装置全体の総合電気抵抗）の温度変化に対応す
る変化を、また、点線ｃで電力量の変化をそれぞれ示し
ている。更に、図６のグラフは、ハニカムフィルタ素子
２の昇温時間と温度変化との関係を示している。

【００２９】図５より理解できるように、フィルタ素子
２はスイッチ５のＯＮによりフィルタ素子２自身の発熱
と、外周に配置されている電気抵抗発熱体４の発熱によ
り、素早く加熱されて温度が急激に上昇する。その結
果、直列抵抗の総合電気抵抗値は曲線Ｃのように緩やか
に低下するが、図７のようには大きく変化せず、曲線Ｂ
とＡとの中間のような特性となる。

【００３０】また、図５に曲線ｃで示すように電力量の
変化も少ない。更に、図６の昇温時間とフィルタ素子２
の温度変化を示す曲線Ｃは、図８の曲線ＡとＢとの中間
の位置で、曲線Ａと比較するとかなり緩やかになってい
ることが分かる。

【００３１】

【発明の効果】本発明に係るセラミックハニカムフィル
タ装置は、炭化珪素製のハニカムフィルタ素子と、その
外周に配置された電気抵抗発熱体からなり、これらの電
気抵抗発熱体を直列的に接続して通電加熱するように構
成している。

【００３２】このように低温から高温で、電気抵抗が減
少する前記炭化珪素製ハニカムフィルタ素子と、低温か
ら高温で電気抵抗が増加する前記電気抵抗発熱体とを電
気的に直列に接続することにより総合的な電気抵抗値の
変化を緩やかに低下させることができる。

【００３３】その結果、供給電力量をほぼ一定に保つこ
とができながら、フィルタ素子の温度を急速に上昇させ
て、このフィルタ素子に捕集されているＰＭを短時間内
に燃焼させてフィルタ装置を効率的に再生することがで
きるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るセラミックハニカムフィ
ルタ装置の概略構造を示す斜視図である。

【図２】周囲に電抵抗発熱体を配置したセラミックハニ
カムフィルタ素子の正面図である。

【図３】図２のハニカムフィルタ素子の側面図である。

【図４】（Ａ）は溝付きスペーサの正面図、（Ｂ）は同
側面図である。

【図５】本発明に係るセラミックハニカムフィルタ装置
における温度変化に対応する電気抵抗値と電力量との変
化を示すグラフである。

【図６】図５に示した装置の昇温時間と温度との関係を
示すグラフである。

【図７】従来のセラミックハニカムフィルタ装置におけ
る温度変化に対応する電気抵抗値と電力量との変化を示
すグラフである。

【図８】図７に示した装置の昇温時間と温度との関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

１ セラミックハニカムフィルタ装置 ２ ハニカムフィルタ素子 ２ａ 通路 ３ａ，３ｂ 電極 ４ 電気抵抗発熱体 ５ スイッチ ６ セラミック製絶縁スペーサ ７ ６のヒータ線嵌合部 ８ バッテリ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通電によって発熱するセラミックハニカ
   ムフィルタ素子と、その外周表面に接近して配置された
   電気抵抗発熱体とからなり、前記フィルタ素子と電気抵
   抗発熱体を電気的に直列に接続し、再生行程において前
   記フィルタ素子と電気抵抗発熱体に同時に通電して全体
   を加熱するように構成したことを特徴とするセラミック
   ハニカムフィルタ装置。
2. 【請求項２】 セラミックハニカムフィルタの表面に溝
   付きスペーサを配置し、この溝内に線状の電気抵抗発熱
   体を嵌合して位置決めするように構成した請求項１記載
   のセラミックハニカムフィルタ装置。