JP2006312895A - 粒子状物質フィルター - Google Patents

Abstract

【課題】目詰まりを起こし難くて圧力損失が小さく、製造が容易で粒子状物質に対する法規制の変更にもフレキシブルに対応することが可能な粒子状物質フィルターを提供する。
【解決手段】ハウジング１、２内に、ＣＶＩ法により炭素質多孔体に炭化ケイ素がコーティングされた２つのフィルター本体３、４が収容されている。フィルター本体３は、フィルター４よりも目が荒くされている。排気ガス中の粒子状物質のうち大きな径のものはフィルター３で捕捉され、フィルター３を通過したより細かい粒子状物質はフィルター４で捕捉される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕捉し、燃焼除去するために用いられる粒子状物質フィルターに関する。

近年、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれている煤、ハイドロカーボン等の粒子状物質に関して発ガン性の疑いが指摘され、環境問題となっている。そして、この問題に対処すべく、粒子状物質の排ガス規制が厳しくなりつつある。このため、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれている粒子状物質を捕捉し、さらにこれを燃焼除去するための粒子状物質フィルターが開発されている。

例えば、特開２００１−１８２５２４号公報には、セラミックス製の不織布からなるフィルターを用いた粒子状物質フィルターが記載されている。
特開２００１−１８２５２４号公報

このフィルターはセラミックス繊維の不織布からなり、断面略星型形状に折り曲げられた襞部が全体として筒状に形成されている。そして排ガスがフィルターの外側から内側に通過する際、排ガス中の粒子状物質がフィルターの表面に付着して捕捉され、さらにこのフィルターを電気ヒータで加熱することにより、捕捉された粒子状物質が燃焼除去される構造となっている。

また、特開平７−４２５３２号公報には、セラミックス多孔体を利用した粒子状物質フィルターが記載されている。
特開平７−４２５３２号公報

この粒子状物質フィルターに用いられているフィルターは、仮焼したＬａＭｎＯ₃粉末をポリビニルアルコール水溶液と混合してスラリーとし、ウレタンフォームに流し込んで成形体とし、これを乾燥させた後、焼結させることにより製造される。こうしてできたフィルターは、多孔性で耐熱性のあるセラミックスからなるため、粒子状物質を捕捉することができ、さらに捕捉した粒子状物質を燃焼する温度に耐えることができる。また、捕捉した粒子状物質を燃焼する際、フィルターの内部まで高温のガスが流れるため、全体を均一に加熱することができる。このため、熱応力による損傷が発生しにくい。

しかし、上記従来のセラミックス製の粒子状物質フィルターでは、フィルターの目が粗すぎるため、粒子状物質の捕捉率が不十分となりやすく、特にμオーダー以下の細かい粒子状物質の捕捉が不十分であった。

このため、粒子状物質のある程度十分な捕捉率を確保しようとした場合、フィルターの量を多くしなければならず、フィルターが大きな容積を占めることとなり、設置スペースの確保を困難としていた。

こうしたセラミック製フィルターを用いた粒子状物質フィルターの問題点を解決するために、ＣＶＩ法によってセラミック製フィルターを製造することが考えられる。ＣＶＩ法とはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の一種であり、多孔質のプリフォームを用意し、その空孔内部まで原料ガスを浸透させてＣＶＤを行う手法である。ＣＶＩ法によってプリフォームをセラミックスでコーティングすれば、目の細かいセラミックス製のフィルターを容易に製造することができる。このため、粒子状物質に対するフィルターの捕捉率を大幅に上げることができ、粒子状物質フィルターの小型化を図ることができる。

発明者は、ＣＶＩ法の一種であるパルスＣＶＩ法を用いてセラミックス製フィルターを製造し、これを粒子状物質フィルターに組み込むことによって、捕捉率が極めて高く、小型化が可能な粒子状物質フィルターを既に開発している（特許文献３）
特開平２００４−３３２５８１号公報

しかし、ＣＶＩ法によって製造された目の細かいセラミックス製フィルターを粒子状物質フィルターに組み込んだ場合、目詰まりを起こしやすく、圧力損失が大きいという問題がある。

こうした問題は、上記特許文献３で提案されているように、目の粗さが異なる多層プレフィルター用い、ＣＶＩ法によって排ガスの上流側から下流側に向かって細かくなるようなセラミック製フィルターとすることにより解決される。しかし、この方法では、プレフィルターの作製に手間がかかるとともに、ＣＶＩにおける温度、ガス濃度等の反応制御を精密に行わないと、セラミックス製フィルターに歪が生じて変形しやすいという問題があった。

また、排ガス中の粒子状物質に対する法規制が改正された場合、フィルターを法規制に適合するように設計を変更しなければならないという煩わしさがあった。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、目詰まりを起こし難くて圧力損失が小さく、製造が容易で粒子状物質に対する法規制の変更にもフレキシブルに対応することが可能な粒子状物質フィルターを提供することを解決すべき課題とする。

本発明の粒子状物質フィルターは、エンジンの排気ガス中の粒子状物質を捕捉し、燃焼除去するためのフィルター本体と、該フィルター本体を収容するハウジングとを備えた粒子状物質フィルターにおいて、前記フィルター本体は、ＣＶＩ法により製造された目の粗さの異なる複数個のセラミックス多孔体が、排気ガスの上流側から下流側に向かって目が細かくなるように配設されてなることを特徴とする。

本発明の粒子状物質フィルターでは、フィルター本体に目の粗さがことなる複数個のセラミックス多孔体が用いられている。そして、これらのセラミックス多孔体は、排気ガスの上流側から下流側に向かって目が細かくなるように配設されている。このため、排気ガスの上流側に配設されたの目の粗いセラミックス多孔体がプレフィルターの役割を果たし、まず大きい粒子状物質が捕捉される。そして、この目の粗いセラミックス多孔体をすり抜けた細かい粒子状物質は、さらに下流側に存在する目の細かいセラミックス多孔体によって捕捉される。このため、粒子状物質の大きさに応じて、段階的に粒子状物質を捕捉することができることとなり、目詰まりを起こし難くて圧力損失が小さくなる。

また、フィルター本体を構成するセラミックス多孔体はＣＶＩ法によって製造されているため、目を細かくすることが可能であり、粒子状粒子の捕捉率を挙げることが容易である。ここで、ＣＶＩ法の種類については特に限定はないが、等温等圧ＣＶＩ法、強制ＣＶＩ法、パルスＣＶＩ法等を用いることができる。特にパルスＣＶＩ法は、等温等圧ＣＶＩ法や強制ＣＶＩ法において必要とされる、プリフォームに原料ガスを流すためのシールが不要である点において好ましい方法である。

また、一つのセラミックス多孔体の中で目の大きさの分布を変化させる必要はないため、目の粗さが異なる多層プレフィルターを用意する必要はなく、製造が容易となる。

さらには、粒子状物質に対する法規制が厳しくなって、より径の小さな粒子状物質を捕捉する必要性が生じた場合にも、既に設置されているセラミックス多孔体のさらに下流側に、新たに細かいセラミックス多孔体を付け加えることによって対応が可能となる。このため、法規制が変更されるごとに、既に設置された粒子状物質フィルターが無駄となることはなく、その有効な利用が可能となる。

セラミックス多孔体は炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされた構造とすることができる。炭素質多孔体は、活性炭や炭等に代表されるように、極めて小さな孔を有するものを容易に製造することができる。このため、目の細かいセラミックス多孔体が必要な場合、これを容易に製造することができる。

セラミックス多孔体は、ＣＶＩ法により炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされた後、該炭素質多孔体が燃焼除去された構造とすることができる。こうであれば、炭素質多孔体が燃焼除去された分だけ空孔率が大きくなり、粒子状物質を捕捉するための容量が増大し、ひいては、粒子状物質フィルターを小型化することができる。

ＣＶＩ法により製造されるセラミックス多孔体の成分としては特に限定はなく、ＣＶＩ法による製造が可能であって、粒子状物質フィルターとしての使用に耐える耐熱性を有するセラミックスの中から適宜選択することができる。このようなセラミックス多孔体の成分として、例えば炭化ケイ素や窒化ケイ素等が挙げられる。

以下、本考案を具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。

実施形態の粒子状物質フィルターは、ディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質を除去するために用いられれるものである。この粒子状物質フィルターは、図１に示すように、一端側がテーパ状に広がった管形状のハウジング１、２が互いに大径側を突き合わすように構成されており、ハウジング１、２の内部に２個のフィルター本体３、４が収容されている。

フィルター本体３、４は略円錐容器形状とされており、開口側の周縁にはフランジ３ａ、４ａが一体に成形されている。フィルター本体３、４は炭化ケイ素多孔体からなり、孔の平均径はフィルター本体３が１０μｍ、フィルター本体４が３μｍとされている。

ハウジング１、２の大径側の先端にはフランジ１ａ、２ａが形成されているおり、フランジ１ａ、２ａの径は、フィルター本体３、４のフランジ３ａ、４ａと同径とされている。フランジ１ａとフランジ３ａとはリング状の耐熱シール５を間に挟んで密着されており、フランジ３ａの耐熱シール５と反対側は耐熱シール６を間に挟んでステンレス製のフランジ付き連結管７の一端が接している。ハウジング１とフィルター本体３とフランジ付き連結管７はボルト８ａ及びナット８ｂによって連結されている。フランジ付き連結管７の他端は耐熱シール９を間に挟んでフィルター本体４のフランジ４ａと密着されており、フランジ４ａの耐熱シール９と反対側は耐熱シール１０を間に挟んでステンレス製のフランジ付き連結管１１の一端が接している。フランジ付き連結管７とフィルター本体４とフランジ付き連結管１１はボルト１２ａ及びナット１２ｂによって連結されている。フランジ付き連結管１１の他端は、ハウジング２のフランジ２ａとボルト１３ａ及びナット１３ｂによって連結されている。

上記のように構成された粒子状物質フィルターのフィルター本体３、４は、パルスＣＶＩ法によって、以下のように製造することができる。なお、パルスＣＶＩ法以外のＣＶＩ法（例えば等温等圧ＣＶＩ法や強制ＣＶＩ法）を用いて製造することも可能である。

＜型工程＞
図２（ａ）に示すコーン形状に成形したステンレス製の金網２０を用意する。この金網２０は、製造しようとするフィルター本体３，４とほぼ同様の形状比率とされている。ただし、後に述べる炭化工程における収縮を考慮して、最終的な粒子状物質フィルターの寸法よりも大きくされている。そして、綿をエチレングリコールに懸濁させた綿懸濁液を用意する。なお、エチレングリコールの替わりに水に抄造用の糊剤を加え、粘度を調整したものを使用しても良い。そして、まず金網２０の外側から綿懸濁液を綿が均等な厚さに抄造されるように注ぐ。こうして図２（ｂ）に示すように、金網２に抄造されたセルロース型２１を乾燥させた後、金網２０からセルロース型２１を外す。さらにセルロース型２１をフェノールレジンのエタノール１０質量％溶液に浸し、再び乾燥させてレジン強化セルロース型とする。フェノールレジンでセルロース型２１を強化する理由は、次の炭化工程において生ずるセルロース型３の縮みや変形を極力防止するためである。

＜炭化工程＞
次に、型工程で得られたレジン強化セルロース型を雰囲気炉の中に入れ、窒素雰囲気下において１０００°Ｃで４時間の加熱を行う。そして、雰囲気炉を冷却した後、レジン強化セルロース型２１が炭素質多孔体となった炭化成形型を取り出す。こうして得られた炭化成形型の空孔率は９８．９％であった。

＜コーティング工程＞
次に、図３に示すパルスＣＶＩ装置を用いて炭化成形型に炭化ケイ素をコーティングする。このパルスＣＶＩ装置には反応容器３０が備えられており、反応容器３０の外側には、加熱用の電気ヒータ３１が設けられている。また、反応容器３０の下方は各種ガスを導入するための導入管３２と、反応容器４内部のガスを排気するための排気管３３が取り付けられている。

炭化工程で得られた炭化成形型を反応容器３０内に入れ、水素及びメチルトリクロロシランを導入する。その後、電気ヒータ３１によって加熱しながら反応容器３０内の排気とガス導入とを２〜４秒／サイクルの間隔で１００００回繰り返す。こうして、炭化ケイ素でコーティングされた炭化形成型を電気炉の中に入れ、空気雰囲気下で１１００°Ｃで１時間の加熱を行う。この操作により、炭化成形型が酸化除去され、炭化ケイ素のコーティング層のみが抜け殻となって残る。こうして、炭化ケイ素多孔体からなるフィルター本体３を得た。なお、電気炉での空気酸化を行わないで、炭素質多孔体を残したまま、これに炭化ケイ素がコーティングされた炭化形成型をフィルター本体として用いることもできる。

フィルター本体３より目の細かいフィルター本体４は以下のようにして製造した。すなわち、上記型工程において、綿をエチレングリコールに懸濁させた綿懸濁液の替わりに、綿及びパルプを等量づつエチレングリコールに懸濁させた綿−パルプ懸濁液を用意し、これを用いてセルロース型を作る。こうして得られたセルロース型は、綿のみで作られたセルロース型よりも目が細かくなる。他の製造条件はフィルター本体３の製造方法と同様であり、説明を省略する。こうして得られたフィルター本体４は、目のより細かいセルロース型から作られた目の細かい炭化成形型に炭化ケイ素がコーティングされるため、フィルター３よりも目が細かくなる。

こうして得られた目の粗さの異なるフィルター本体３及びフィルター本体４を装着した図１の粒子状物質フィルターは、ディーゼルエンジンからの排気ガス配管の途中に設置される。そして、粒子状物質を含む排気ガスがハウジング１に導入され、まず目の粗いフィルター本体３によって径の大きい粒子状物質が除去される。さらに、フィルター３を通過した径の小さい排気ガスがフィルター４によって除去される。このため、粒子状物質の径の大きさに応じて段階的に捕捉することができ、目詰まりを起こし難くて圧力損失が小さくなる。こうしてフィルター３、４で捕捉された粒子状物質がある一定量に達した場合、、図示しない電気ヒータによって加熱され、燃焼除去される。

また、粒子状物質に対する法規制が厳しくなる等の理由から、より径の小さな粒子状物質を捕捉する必要性が生じた場合には、図４に示すように新たなフィルター本体１４をフランジ付き連結管１１とハウジング２のフランジ２ａとの間に耐熱シール１５、１６を介して設置すれば良い。こうすることにより、フィルター本体３、４を有効に活用しながら、フィルター１４でさらに細かい粒子状物質を捕捉することができる。こうしたフィルター本体４より更に目の細かいフィルター１４は、上記型工程において、パルプをエチレングリコールに懸濁させたパルプ懸濁液によって、更に目の細かいセルロース型を作り、上記と同様の方法によって製造することができる。

なお、上記型工程によるセルロース型のかわりに、ポリエステル織地、綿織地、不織布等の布帛をフィルター本体３、４と同様の形に縫製した縫製型を用いることもできる。

本発明はディーゼルエンジン等のエンジンから排出される排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕捉し、燃焼除去するためにに利用可能である。

粒子状物質フィルターの断面図である。 型工程開始前及び型工程終了後の金網及びセルロース型の断面模式図である。 パルスＣＶＩ装置の模式図である。 目の細かいフィルター本体１４を増設した粒子状物質フィルターの断面図である。

符号の説明

３、４、１４…フィルター本体
１、２…ハウジング

Claims (3)

1. エンジンの排気ガス中の粒子状物質を捕捉し、燃焼除去するためのフィルター本体と、該フィルター本体を収容するハウジングとを備えた粒子状物質フィルターにおいて、
   前記フィルター本体はＣＶＩ法により製造された目の粗さの異なる複数個のセラミックス多孔体が、排気ガスの上流側から下流側に向かって目が細かくなるように配設されてなることを特徴とする粒子状物質フィルター。
2. セラミックス多孔体は炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされた構造とされていることを特徴とする請求項１記載の粒子状物質フィルター。
3. セラミックス多孔体はＣＶＩ法により炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされた後、該炭素質多孔体が燃焼除去された構造とされていることを特徴とする請求項１記載の粒子状物質フィルター。

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