JP2007078520A

JP2007078520A - 微粒子捕集フィルタ及びフィルタユニット

Info

Publication number: JP2007078520A
Application number: JP2005266920A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Katsuyama; 恭介勝山; Takeya Miyashita; 武也宮下; Yukio Miyairi; 由紀夫宮入
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】簡単な方法でフィルタへの微粒子堆積量を検知でき、フィルタの交換や再生処理の時期の決定が容易に行えるような微粒子捕集フィルタを提供する。
【解決手段】気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタであって、当該微粒子捕集フィルタ１の少なくとも２カ所に電極２を設置して、当該電極２間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成し、当該インピーダンス計測回路に交流電流を流したときの前記電極２間の交流インピーダンスを計測することによって、捕集された微粒子の量を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィルタに捕集された微粒子の堆積量を推定することが可能な微粒子捕集フィルタに関する。

気体中の微粒子を捕集して気体を浄化する手段としては、フィルタによるろ過が代表的である。フィルタの材質・構造としては、繊維層、セラミックフォーム、金属フォーム等があり、特に、圧力損失を低減できる材質・構造として、多孔質の隔壁によって気体の流路となる複数のセルが区画形成されたハニカム構造体の端面を交互に千鳥状に目封止したウォールフロー型のものが良く知られている。

これら微粒子捕集フィルタでは、微粒子が堆積して行くにつれてフィルタの目詰まりが進行し、フィルタ性能が低下して行くため、微粒子の堆積量がフィルタの使用限界に達する前に、フィルタ自体を交換するか、あるいは堆積した微粒子を取り除く再生処理が必要である。この交換や再生処理の時期を決めるためには、微粒子堆積量の検知が必要であり、従来は、フィルタ圧力損失によるフィルタ前後の排圧の差圧を差圧センサにより検出して微粒子堆積量を検知するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、微粒子捕集フィルタにおいては、微粒子の堆積量に対して、フィルタの圧力損失がヒステリシスを持つ場合が多く、フィルタ圧力損失によるフィルタ前後の排圧の差圧のみから微粒子堆積量を一義的に検知することは不可能な場合が多い。例えば、ディーゼルエンジンの排気微粒子を捕集するウォールフロー型のセラミックフィルタ（ＤＰＦ）では、低温で微粒子を捕集し続けた後、フィルタ細孔内にコートされた触媒が活性となる温度に一時的に昇温すると、細孔内に堆積した微粒子が酸化除去され、わずかな細孔内微粒子の酸化消滅により大幅に圧力損失が低下するため、堆積微粒子量と圧力損失との関係はヒステリシスを示し、同一の圧力損失でも、堆積微粒子の量が大きく異なる状態が生じ得ることになる。

したがって、このような微粒子捕集フィルタにおいては、圧力損失から一義的に微粒子堆積量を推定することは困難であり、フィルタの交換や再生処理の時期を決定する際には、圧力損失の情報以外に、運転時間、運転条件によるエンジンからの微粒子発生量予測を併用して、フィルタへの微粒子堆積量を推定し、その推定堆積量からフィルタの交換や再生処理の時期を決定しているのが現状である。
特開昭６０−４７９３７号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より簡単な方法でフィルタへの微粒子堆積量を検知でき、フィルタの交換や再生処理の時期の決定が容易に行えるような微粒子捕集フィルタを提供することにある。

本発明によれば、気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタであって、当該微粒子捕集フィルタの少なくとも２カ所に電極を設置して、当該電極間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成し、当該インピーダンス計測回路に交流電流を流したときの前記電極間の交流インピーダンスを計測することによって、捕集された微粒子の量を検知する微粒子捕集フィルタ、が提供される。

また、本発明によれば、気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタと、当該微粒子捕集フィルタの外周部を取り囲む筒状のマットと、当該マットの外周部を取り囲み、当該マットを介して前記微粒子捕集フィルタを保持する筒状の金属管体とを有する微粒子捕集フィルタユニットであって、前記微粒子捕集フィルタの少なくとも１カ所に電極を設置して、当該電極と前記金属管体との間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成し、当該インピーダンス計測回路に交流電流を流したときの前記電極と前記金属管体との間の交流インピーダンスを計測することによって、捕集された微粒子の量を検知する微粒子捕集フィルタユニット、が提供される。

本発明の微粒子捕集フィルタ及びフィルタユニットによれば、従来よりも簡単な方法でフィルタへの微粒子堆積量を検知でき、フィルタの交換や再生処理の時期の決定を容易に行うことができる。

前記のとおり、本発明の微粒子捕集フィルタは、気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタであって、当該微粒子捕集フィルタの少なくとも２カ所に電極を設置して、当該電極間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成し、当該インピーダンス計測回路に交流電流を流したときの前記電極間の交流インピーダンスを計測することによって、捕集された微粒子の量を検知するものである。

図１は、本発明に係る微粒子捕集フィルタの実施形態の一例を示す模式図である。本例では、フィルタ本体として、多孔質の隔壁により気体の流路となる複数のセルが区画形成されたハニカム構造体の端面を交互に千鳥状に目封止したウォールフロー型のフィルタ１を使用しており、その外周面の２カ所に電極２を設置して、矢印で示された電極２，２間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成している。

この微粒子捕集フィルタにおいては、フィルタ１に設置された電極２，２間の交流インピーダンスを計測することによって、フィルタ１に微粒子が堆積したことによる、電極２，２間の静電容量の変化を検知することができる。電極２，２間の静電容量は、フィルタ内の微粒子の絶対量に対応して変化するため、交流インピーダンスの計測データからフィルタ１の微粒子堆積量を一義的に推定することができる。具体的には、堆積した微粒子の質量と交流インピーダンスとの関係を実測値に基づいて予めグラフ化等しておくことにより、交流インピーダンスを計測するだけで、その計測時点での微粒子の堆積量を推定することができるようになる。

本発明においては、このように交流インピーダンスの計測値から、微粒子の堆積量を推定し、推定堆積量が、ある量に達した時点でフィルタの交換や再生処理を行うことが可能であるが、更に精度良く交換や再生処理の時期を決定するため、図２に示すようにインピーダンス計測回路内にコイル（インダクタンス）３を接続することが好ましい。このようにコイル３を接続することにより、静電容量を持つフィルタ１とコイル３を含む回路の交流インピーダンスは、共振条件Ｌω＝１／Ｃω（Ｌ：インダクタンス、Ｃ：静電容量、ω：２πｆ（ｆ：周波数））で急激に０に近づくため、微粒子の堆積量変化に対する交流インピーダンスの変化がシャープになり、より精度良く微粒子堆積量を検知できる。

接続するコイルのインダクタンスの値は、狙いの微粒子堆積量において共振条件を満足するように設定しておけば良い。すなわち、可変インダクタンスを用いるなどして、微粒子堆積量が、フィルタの交換や再生処理が必要となる値に達したときに、交流インピーダンスが急激に０に近づくようにインダクタンスの値を予め制御しておく。なお、本発明においては、このようなインダクタンスの他、キャパシタンス、直流抵抗などをインピーダンス計測回路内に直列又は並列に接続して、共振条件を調整することも可能である。

本発明の微粒子捕集フィルタにおいて、電極の形成方法は特に限定されないが、銀ペースト等の導電性ペーストをフィルタ外周面等の所定位置に塗布し、これを加熱して焼き付ける方法を用いると、形成が容易で、電極がフィルタに強固に接合されるので好ましい。

次に、本発明の微粒子捕集フィルタユニットについて説明する。本発明の微粒子捕集フィルタユニットは、気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタと、当該微粒子捕集フィルタの外周部を取り囲む筒状のマットと、当該マットの外周部を取り囲み、当該マットを介して前記微粒子捕集フィルタを保持する筒状の金属管体とを有する微粒子捕集フィルタユニットであって、前記微粒子捕集フィルタの少なくとも１カ所に電極を設置して、当該電極と前記金属管体との間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成し、当該インピーダンス計測回路に交流電流を流したときの前記電極と前記金属管体との間の交流インピーダンスを計測することによって、捕集された微粒子の量を検知するものである。

図３は、本発明に係る微粒子捕集フィルタユニットの実施形態の一例を示す模式図である。本例では、フィルタ本体として、多孔質の隔壁により気体の流路となる複数のセルが区画形成されたハニカム構造体の端面を交互に千鳥状に目封止したウォールフロー型のフィルタ１を使用しており、このフィルタ１が、その外周部を取り囲む筒状のマット６を介して、同じく筒状の金属管体５内に保持された構造となっている。フィルタ１には、その断面中央部付近に筒状の電極４が埋設されており、矢印で示されたこの電極４と金属管体５との間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路が構成されている。

この微粒子捕集フィルタユニットにおいて、捕集された微粒子の量を検知する基本原理は、前述の微粒子捕集フィルタと同様であるが、微粒子捕集フィルタは、一般に、金属管体内部にマットを介して保持された状態で実用に供されることが多いので、本発明の微粒子捕集フィルタユニットでは、金属管体５を一方の電極として利用し、この金属管体５とフィルタ１に設けた電極４との間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成している。

この微粒子捕集フィルタユニットにおいては、フィルタ１に設置された電極４と金属管体５との間の交流インピーダンスを計測することによって、フィルタ１に微粒子が堆積したことによる、電極４と金属管体５との間の静電容量の変化を検知することができる。電極４と金属管体５との間の静電容量は、フィルタ１内の微粒子の絶対量に対応して変化するため、交流インピーダンスの計測データからフィルタ１の微粒子堆積量を一義的に推定することができる。具体的には、堆積した微粒子の質量と交流インピーダンスとの関係を実測値に基づいて予めグラフ化等しておくことにより、交流インピーダンスを計測するだけで、その計測時点での微粒子の堆積量を推定することができるようになる。

本発明の微粒子捕集フィルタユニットにおいても、前述の微粒子捕集フィルタと同様に、より精度良くフィルタの交換や再生処理の時期を決定する目的で、図４に示すようにインピーダンス計測回路内にコイル（インダクタンス）３を接続することが好ましい。このようにコイルを接続することにより得られる効果やコイルのインダクタンス値の設定の仕方等は、前述の微粒子捕集フィルタの場合と同様である。

この微粒子捕集フィルタユニットにおいては、電極をフィルタの断面中央部付近に設けることが好ましく、例えば、図５のように筒状の電極４をハニカム構造の隔壁に沿ってフィルタ１内部に埋設したり、図６のように板状の電極４をハニカム構造の隔壁に沿ってフィルタ１内部に埋設したり、あるいは図７のように、端面中央付近の目封止部の一部を導電性の材料を充填して構成し電極４とすることも可能である。

フィルタの外周部を取り囲むマット６の材質としては、アルミナ、シリカ等のセラミックスを主成分とする繊維をマット状に成形したもの等が好適に使用でき、また、金属管体５の材質としては、フェライト系ステンレス等が好適に使用できる。

本発明の微粒子捕集フィルタ及び微粒子捕集フィルタユニットに用いるフィルタの形態は特に限定されるものではないが、前記実施形態で例示したようなウォールフロー型のものや多孔質セラミックフォーム等が好適に使用できる。また、フィルタの材質も特に限定されないが、炭化珪素、コージェライト、アルミナタイタネイト、サイアロン、ムライト、窒化珪素、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア、アルミナ及びシリカよりなる群から選ばれる１種以上のセラミックス、又は焼結金属を主成分とする材料から構成されているものが好適である。

本発明の微粒子捕集フィルタ及び微粒子捕集フィルタユニットにおいて、交流インピーダンスを計測する際の交流電流の周波数は、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚであることが好ましい。１ｋＨｚ未満では、インピーダンスに占める直流抵抗成分の比率が大きくなるため、静電容量の変化による測定インピーダンスの相対変化率が小さくなり、微粒子堆積量の検知精度が低下する。一方、１０ＭＨｚを超えると、フィルタからの信号取り出し線等を含む計測系全体に含まれるノイズ的インダクタンスの量が過大になり、計測精度が低下する。

本発明の微粒子捕集フィルタ及び微粒子捕集フィルタユニットは、微粒子を含む気体の浄化に広く使用できるものであり、その用途は限定されないが、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの排気中の微粒子を捕集するためのフィルタやフィルタユニットとして特に好適に使用できる。また、フィルタには、その再生処理の際の微粒子の酸化除去を促進する等の目的で、Ｐｔのような触媒成分を担持させるようにしてもよい。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
タルク、カオリン、仮焼カオリン、アルミナ、水酸化カルシウム、シリカの各粉末を、ＳｉＯ₂が４２〜５６質量％、Ａｌ₂Ｏ₃が０〜４５質量％、ＭｇＯが１２〜１６質量％という化学組成の範囲に入るように所定の割合で調合したコージェライト化原料に、造孔剤としてグラファイトを１５〜２５質量％、ＰＥＴ、ＰＭＡ、フェノール樹脂等の合成樹脂を合計５〜１５質量％添加し、更にメチルセルロース類と界面活性剤とを所定量添加し、これに水を加えて混練し杯土とした。次いで、この杯土を真空脱気後、ハニカム構造に押し出し成形し、マイクロ波乾燥及び熱風乾燥法により乾燥した後、最高温度を１４００〜１４３５℃として焼成することにより、多孔質のセラミックス（コージェライト）からなるハニカム構造体を製造した。

このハニカム構造体をウォールフロー型のフィルタにするため、ハニカム構造体の両端面においてセルの端部を交互に千鳥状に目封止した。目封止の材料には、コージェライト化原料のスラリーを用い、これを目封止すべきセルの端部に充填して目封止部を形成した。この目封止部を乾燥後、ハニカム構造体の隔壁細孔内表面にフィルタ再生処理を促進するための触媒としてＰｔを含浸担持させ、再度ハニカム構造体全体を焼成することにより、直径１４４ｍｍ、長さ１５２ｍｍのウォールフロー構造のフィルタを得た。このフィルタの外周面の２カ所に銀ペーストを塗布して焼き付けることにより、図１に示すように、電極を形成し、当該電極間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成した。

このフィルタに、微粒子（パティキュレート）を含むディーゼルエンジン排ガスを流し、フィルタに微粒子を堆積させながら、前記電極間の交流インピーダンスの計測を行ったところ、堆積した微粒子の質量と計測した交流インピーダンスとの関係は、図８のようになり、交流インピーダンスの値より微粒子の堆積量が推定できることを確認した。なお、図８は、交流電流の周波数を５０ｋＨｚとして計測したときの結果である。

（実施例２）
実施例１と同じ構成のフィルタにおいて、更に図２に示すように、インピーダンス計測回路中にコイル（可変インダクタンス）を接続し、微粒子の堆積量が５ｇ／Ｌとなった時に共振条件Ｌω＝１／Ｃωを満たすように予めインダクタンスの値を調整しておいた。電気炉でフィルタ内の微粒子を一度完全に酸化除去した後、このフィルタに、微粒子（パティキュレート）を含むディーゼルエンジン排ガスを流し、フィルタに微粒子を堆積させながら、前記電極間の交流インピーダンスの計測を行ったところ、堆積した微粒子の質量と計測した交流インピーダンスとの関係は、図９のようになり、狙い通り、微粒子の堆積量が５ｇ／Ｌとなった時に、交流インピーダンスが急激に０に近づいていた。この結果より、インピーダンス計測回路中にインダクタンスを接続することにより、微粒子の堆積量変化に伴う交流インピーダンスの変化がシャープになり、微粒子の堆積量が所定の値に達した時点（フィルタの交換や再生処理の時期）をより精度良く検知できるようになることがわかる。

本発明は、気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタ及びフィルタユニットとして好適に使用することができる。

本発明に係る微粒子捕集フィルタの実施形態の一例を示す模式図である。本発明に係る微粒子捕集フィルタの実施形態の他の一例を示す模式図である。本発明に係る微粒子捕集フィルタユニットの実施形態の一例を示す模式図である。本発明に係る微粒子捕集フィルタユニットの実施形態の他の一例を示す模式図である。本発明に係る微粒子捕集フィルタユニットの電極の形態の一例を例を示す模式図である。本発明に係る微粒子捕集フィルタユニットの電極の形態の他の一例を例を示す模式図である。本発明に係る微粒子捕集フィルタユニットの電極の形態の更に他の一例を例を示す模式図である。実施例１において、堆積した微粒子の質量と交流インピーダンスとの関係を示したグラフである。実施例２において、堆積した微粒子の質量と交流インピーダンスとの関係を示したグラフである。

符号の説明

１：フィルタ、２：電極、３：コイル（インダクタンス）、４：電極、５：金属管体、６：マット。

Claims

気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタであって、当該微粒子捕集フィルタの少なくとも２カ所に電極を設置して、当該電極間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成し、当該インピーダンス計測回路に交流電流を流したときの前記電極間の交流インピーダンスを計測することによって、捕集された微粒子の量を検知する微粒子捕集フィルタ。
前記インピーダンス計測回路中に、少なくとも１つのコイル（インダクタンス）が接続されている請求項１に記載の微粒子捕集フィルタ。
前記微粒子捕集フィルタが、多孔質の隔壁によって気体の流路となる複数のセルが区画形成されたハニカム構造体の端面を交互に千鳥状に目封止したウォールフロー型のフィルタである請求項１又は２に記載の微粒子捕集フィルタ。
前記微粒子捕集フィルタが、多孔質セラミックフォームである請求項１又は２に記載の微粒子捕集フィルタ。
ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンの排気中の微粒子を捕集するためのものである請求項１ないし４の何れか一項に記載の微粒子捕集フィルタ。
前記微粒子捕集フィルタが、炭化珪素、コージェライト、アルミナタイタネイト、サイアロン、ムライト、窒化珪素、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア、アルミナ及びシリカよりなる群から選ばれる１種以上のセラミックス、又は焼結金属を主成分とする材料から構成されている請求項１に記載の微粒子捕集フィルタ。
前記電極が、前記微粒子捕集フィルタの外周に導電性ペーストを塗布して焼き付けることによって形成されている請求項１ないし６の何れか一項に記載の微粒子捕集フィルタ。
前記交流電流の周波数が、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである請求項１ないし７の何れか一項に記載の微粒子捕集フィルタ。
気体中の微粒子を捕集し気体を浄化するために使用される微粒子捕集フィルタと、当該微粒子捕集フィルタの外周部を取り囲む筒状のマットと、当該マットの外周部を取り囲み、当該マットを介して前記微粒子捕集フィルタを保持する筒状の金属管体とを有する微粒子捕集フィルタユニットであって、前記微粒子捕集フィルタの少なくとも１カ所に電極を設置して、当該電極と前記金属管体との間の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測回路を構成し、当該インピーダンス計測回路に交流電流を流したときの前記電極と前記金属管体との間の交流インピーダンスを計測することによって、捕集された微粒子の量を検知する微粒子捕集フィルタユニット。
前記インピーダンス計測回路中に、少なくとも１つのコイル（インダクタンス）が接続されている請求項９に記載の微粒子捕集フィルタユニット。
前記微粒子捕集フィルタが、多孔質の隔壁によって気体の流路となる複数のセルが区画形成されたハニカム構造体の端面を交互に千鳥状に目封止したウォールフロー型のフィルタである請求項９又は１０に記載の微粒子捕集フィルタユニット。
前記微粒子捕集フィルタが、多孔質セラミックフォームである請求項９又は１０に記載の微粒子捕集フィルタユニット。
ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンの排気中の微粒子を捕集するためのものである請求項９ないし１２の何れか一項に記載の微粒子捕集フィルタユニット。
前記微粒子捕集フィルタが、炭化珪素、コージェライト、アルミナタイタネイト、サイアロン、ムライト、窒化珪素、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア、アルミナ及びシリカよりなる群から選ばれる１種以上のセラミックス、又は焼結金属を主成分とする材料から構成されている請求項９に記載の微粒子捕集フィルタユニット。
前記交流電流の周波数が、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである請求項９ないし１４の何れか一項に記載の微粒子捕集フィルタユニット。