JP2007332781A - 連続再生型粒子状物質フィルター - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度が高く、圧力損失も小さく、構造が簡単で小型軽量であり、小さな電力で連続再生が可能な連続再生型粒子状物質フィルターを提供する。
【解決手段】ハウジング３内に粒子状物質を捕捉するためのバルク状のＳｉＣ多孔体４が収容されている。ＳｉＣ多孔体４の周囲には捕捉された粒子状物質を燃焼させるための電気ヒータ５が配設されている。セラミックス多孔体４はパルスＣＶＩ法によって炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされており、該粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有している。エンジンから排出される排気ガスは、排ガス流入管９及び排ガス側フランジ７を経由してＳｉＣ多孔体４に導入され、粒子状物質を捕捉、燃焼除去した後、排ガス排出側フランジ８及び排ガス配管１０を経由して外部に排気される。
【選択図】図２

Description

本発明は、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ながら燃焼除去する連続再生型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セラミックス製のフィルターが開発されている。さらには、小さな粒子状物質を効率的に捕捉するため、フィルターをハニカム構造とし、そのハニカムを構成する壁から排ガスが通過させて粒子状物質を捕捉する構造（いわゆるウオールスルー型フィルター）のものも開発されている。このようなハニカム構造の粒子物質フィルターで小さな粒子状物質まで捕捉するためには、できるだけ小さな細孔を有することが必要となる。また、圧力損失をできる限り減らすためには、ハニカムを構成する壁の厚さは、できるだけ薄くする必要がある。こうした薄い壁が圧力に耐えるようにするため、ハニカム型のセラミックスフィルターは、単位セルの径が１ｍｍ以下のものまで作られている。

こうしたハニカム型のセラミックスフィルターは、セラミックス粉体とバインダーと発泡剤とを混合して成型してから、焼結することによって製造されている。しかしながら、このハニカム型セラミックスフィルターは、次のような問題を有している。すなわち、（１）セラミックとバインダーとの熱膨張率の差により、クラックや溶損を引き起こしやすい。（２）バインダーを必要とするため空孔率を大きくできない（５０〜６０％程度）。（３）セラミックス粉体の微細化に限界があるため（数ミクロン程度）、サブミクロン程度の小さな細孔を有するものは製造できない。（４）細かい単位セルから成るハニカム型セラミックスフィルターを製造することは難しく、量産が困難であり、製造コストも高騰化する。（５）フィルターの大きさも極めて大きくなるため、捕捉した粒子状物質を燃焼除去するために電気ヒータを設置した場合、消費電力が大きくなり、これらの問題が自動車への搭載を困難とする原因となっている。

こうした問題点を解決するために、発明者らは、ＣＶＩ法の一種であるパルスＣＶＩ法を用いて重ね合わせることが可能な容器形状のセラミックス製フィルターを開発し、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開発した（特許文献１）。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、内部まで均質な多孔体構造を有し、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。

特許第３７１２７１３号

しかし、上記特許文献１の重ね合わせることが可能な容器形状のセラミックス製フィルターを用いた粒子状物質フィルターでは、また、排ガス中の粒子状物質よりも小さな細孔によって粒子状物質を捕捉するため、粒子状物質フィルターの厚さを厚くしようとした場合、圧力損失が大きくなるという問題があった。このため、粒子状物質フィルターの厚さを一定の厚さ以下にしなければならず、機械的強度を高めるということに限界があった。これに対し、粒子状物質フィルターに蓄積された粒子状物質をヒータによって加熱し、捕捉された粒子状物質を燃焼除去させて、圧力損失を低下させるということも考えられる。しかし、容器形状のセラミックス製フィルターをヒータによって効率よく加熱するためには、容器形状のセラミックス製フィルターの形状に合わせて電気ヒータを配設する必要があり、構造が複雑となり、製造コストが高くなるおそれがある。また、電気ヒータの容量が大きくなり、電源の確保が困難となるという問題もあった。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、機械的強度が高く、圧力損失も小さく、構造が簡単で小型軽量であり、小さな電力で連続再生が可能な連続再生型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。

発明者は、上記従来の問題を解決するために、ＣＶＩ法によって作製したセラミックス多孔体を用いて粒子状物質を捕捉する場合、従来の常識であった排ガス中の粒子状物質よりも小さな細孔で捕捉するという従来の考え方を再考した。確かに、セラミックス多孔体の細孔が排ガス中の粒子状物質よりも小さければ、確実に粒子状物質を捕捉することはできるが、そのかわり、セラミックスフィルターを緻密なものにしなければならず、このためどうしても圧力損失が大きくなる。このため、セラミックスフィルターの厚さは薄くしなければならない。上記従来のハニカム型のセラミックスフィルターも同様であり、圧力損失を低下させるには、ハニカムを構成する壁は、できる限り薄くしなければならない。
そこで、発明者は、発想の転換を行い、粒子状物質よりも大きな細孔を有するセラミックス多孔体で粒子状物質を捕捉することを考えたのである。すなわち、セラミックス多孔体の細孔が粒子状物質よりもたとえ大きかったとしても、粒子状物質は粘着性を有しているため（神奈川県川崎市の報告書「ディーゼル車排出ガス中のPM低減調査」における排ガス中の粒子状物質の成分分析によれば、粒子状物質は燃料である軽油成分とは異なり、ジベンゾチオフェン、カルバゾール、フルオレノン、アントラセン、フェナントレン、ピレン等の多環芳香族炭化水素及びその誘導体と炭素成分とからなり、粘着性を有するものである。http://www.k-erc.pref.kanagawa.jp/center/gakkai/knnishi1509.pdf）、セラミックス多孔体に衝突した場合にこれに付着して捕捉されるはずである。そうとすれば、セラミックス多孔体をバルク状とし、粒子状物質がセラミックス多孔体中を長い距離飛翔することにより、粒子状物質は飛翔途中でセラミックス多孔体に衝突し、付着するはずである。このため、セラミックス多孔体はそれほど緻密である必要はなく、空孔率が大きく圧力損失の極めて小さなものを使用することができる。また、このような空孔率が大きなセラミックス多孔体は、機械的強度は緻密なものより劣るが、圧力損失が小さいため、圧力負荷は小さく、またバルクで圧力を支えているため、機械的強度は高いものとなる。
そして、以上の考察に基づいて鋭意試験研究を行った結果、本発明を完成させるに至った。

すなわち、第１発明の連続再生型粒子状物質フィルターは、ハウジングに収容されたバルク状のセラミックス多孔体と、エンジンから排出される排気ガスを該セラミックス多孔体中に導くガス導入手段と、該セラミックス多孔体によって捕捉された粒子状物質を燃焼させるための加熱手段とを備え、該セラミックス多孔体はパルスＣＶＩ法によって炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされており、該粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有していることを特徴とする。

第１発明の連続再生型粒子状物質フィルターでは、ガス導入手段によってセラミックス多孔体に排ガスを導入しながら、加熱手段によってセラミックス多孔体を加熱することができる。これにより、排ガス中の粒子状物質をセラミックス多孔体によって捕捉しながら、燃焼除去することができる。したがって、長時間使用してもセラミックス多孔体が目詰まりを起こし難く、メンテナンスが容易となる。

また、セラミックス多孔体はバルク状とされているため、粒子状物質がセラミックス多孔体中を長い距離飛翔することにより、粒子状物質は飛翔途中で確実にセラミックス多孔体に衝突し、付着する。ここで、バルク状とは、内部においても略均質な塊状の形態をいい、例えば円柱状や角柱状などの形態をしたセラミックス多孔体をいう。また、バルク状のセラミックス多孔体は容器形状のセラミックス多孔体よりも簡単な構造であるため、加熱手段の形状もシンプルとなり、製造コストの低廉化が可能である。

さらに、セラミックス多孔体は、粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有していることから、バルク状であるにもかかわらず、圧力損失は極めて小さい。

また、このセラミックス多孔体はＣＶＩ法によって炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされている。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、内部まで均一の膜厚でセラミックスを容易にコーティングすることができる。このため、内部まで均質なバルク状のセラミックス多孔体とすることができ、内部においても効率的に粒子状物質を捕捉することができる。

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。パルスＣＶＩ法とはＣＶＤ法の一種であり、ＣＶＤ法における反応圧力及び原料となるガスの導入・排出を周期的に行う方法をいう。この方法を炭素質多孔体に適用すれば、原料となるガスが炭素質多孔体の内部にまで導入・排出が繰り返されることになり、内部まで優れた膜厚の均一性を有するセラミックスのコーティング層が形成される。また、このパルスＣＶＩ法は析出速度が大きく、製造時間が短くなるため、セラミックス多孔体の量産化が容易となる。また、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、炭素質多孔体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、炭素質多孔体は活性炭や炭等に代表されるように、極めて空孔率が高い物質であるため、これにセラミックスをコーティングした多孔体も極めて空孔率が大きくなり、圧力損失が小さくなる。また、炭素質多孔体に存在する孔は、セラミックスがコーティングされた分だけ小さくなるため、コーティング時間を調節することによって孔の大きさを調節することも可能となり、所望のセラミックス多孔体を容易に製造することができる。

ガス導入手段については特に限定はないが、エンジンのエグゾースト管からハウジングに配管を接続して被処理気体を導入したりすることなどが挙げられる。また、セラミックス多孔体を加熱するための加熱手段については特に限定はないが、ケイ化モリブデン等のセラミックやニクロム線等からなる電気式の発熱体をセラミックス多孔体の周りに配設すること等が挙げられる。

また、第２発明の連続再生型粒子状物質フィルターは、ハウジングに収容されたバルク状のセラミックス多孔体と、エンジンから排出される排気ガスを該セラミックス多孔体に軸方向から通過させるガス導入手段と、該セラミックス多孔体によって捕捉された粒子状物質を燃焼させるための加熱手段とを備え、該セラミックス多孔体は、パルス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ており、該粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有していることを特徴とする。

すなわち、第２発明の連続再生型粒子状物質フィルターに用いられてい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、炭素質多孔体が燃焼除去されている。このため、第１発明の連続再生型粒子状物質フィルターに用いられているセラミックス多孔体と比べて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する。このため、セラミックス多孔体の大きさを小さくすることができ、ひいては粒子状物質をより小型化することができる。
その他、第２発明の連続再生型粒子状物質フィルターは、第１発明の連続再生型粒子状物質フィルターと同様の作用効果を奏する。すなわち、（１）排ガス中の粒子状物質をセラミックス多孔体によって捕捉しながら、燃焼除去することができため、長時間使用してもセラミックス多孔体が目詰まりを起こし難く、メンテナンスが容易となる。（２）セラミックス多孔体はバルク状とされているため、粒子状物質がセラミックス多孔体中を長い距離飛翔することにより、粒子状物質は飛翔途中で確実にセラミックス多孔体に衝突し、付着する。（３）セラミックス多孔体は、粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有していることから、バルク状であるにもかかわらず、圧力損失はきわめて小さい。

第１発明及び第２発明において、セラミックス多孔体中に導かれる排気ガス中に酸素を含むガスを混合するための酸素供給手段が備えられていることが好ましい。セラミックス多孔体に捕捉された粒子状物質は加熱手段によって燃焼されるが、排気ガス中に酸素を供給することにより、粒子状物質の燃焼が促進されるからである。排気ガス中に混合すべき酸素を含むガスとしては、空気や、酸素富化装置を経由して酸素濃度が高められた空気等が挙げられる。

また、排気ガスがセラミックス多孔体中に導かれる前に該排気ガスを加熱するためのプレ加熱手段を備えることも好ましい。排気ガスがセラミックス多孔体に導かれる場合、セラミックス多孔体は排気ガスの入り口近くにおいて、排気ガスによって冷却されるおそれがある。プレ加熱手段を備えれば、セラミックス多孔体の排気ガス入り口に近い部分においても、加熱された排気ガスによって高温とすることができるため、排ガスの入り口近くにおいても、セラミックス多孔体に捕捉された粒子状物質を確実に燃焼除去することができる。このため、粒子状物質の捕捉による圧力損失をより小さくすることができる。

第１発明及び第２発明における炭素質多孔体にコーティングされるセラミックスとしては、ＣＶＩ法によってコーティングが可能であって、捕捉された粒子状物質を燃焼除去可能な程度の耐熱性及び耐酸化性を有しておればよい。このようなセラミックスとして、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素等が挙げられる。この中でも、炭化ケイ素は優れた耐熱性、耐酸化性及び耐腐食性を示すため、炭化ケイ素からなるセラミックス多孔体を用いれば、極めて耐久性に優れた連続再生型粒子状物質フィルターとすることができる。また、炭化ケイ素の熱膨張率は炭素の熱膨張率とほぼ同じ値であるため、炭素質多孔体に炭化ケイ素をコーティングした場合、加熱による歪で破損するおそれが少ない。

第１発明及び第２発明におけるセラミックス多孔体の空孔率は７５〜９６％であることが好ましい。ここで空孔率とは、セラミックス多孔体の嵩密度及び比重から算出したセラミックス多孔体が保有する空孔の割合をいう。空孔率がこの範囲にあれば、実用上支障ない程度の機械的強度を保ちつつ、圧力損失もそれほど大きくならない。このため、粒子状物質を含む気体が流れる方向の長さを長くし、粒子状物質がセラミックス多孔体に衝突する確率を高め、粒子状物質の捕捉率を高めることができる。しかも、圧力損失も小さく、充分圧力に耐えうる強度を有することとなる。

第１発明及び第２発明における加熱手段はセラミックス多孔体に対して６００°Ｃ以上に加熱されたゾーンの形成が可能とされていることも好ましい。加熱手段がセラミックス多孔体に対して６００°Ｃ以上に加熱されたゾーンの形成が可能とされていれば、セラミックス多孔体を通過するガスが必ず６００°Ｃ以上に加熱されたゾーンを通過することになり、確実に粒子状物質を燃焼除去することができる。さらに好ましいのは、６８０°Ｃ以上のゾーンの形成が可能とされていることである。
セラミックス多孔体の全体を６００°Ｃ以上に加熱されたゾーンとすることがより好ましい。こうであれば、セラミックス多孔体のどの位置で捕捉された粒子状物質であっても全て燃焼することができるからである。セラミックス多孔体の一部分のゾーンを６００°Ｃ以上とした場合には、そのゾーンが長さ方向の１／３よりも上流側に存在することが好ましい。こうであれば、そのゾーンを通過する際に、排気ガス中の粒子状物質の大部分は燃焼してしまうからである。

また、第１発明及び第２発明における炭素質多孔体は、有機繊維が絡み合った多孔体を炭化してなることが好ましい。このような有機繊維が絡み合った多孔体としては、例えば綿等の植物繊維、羊毛などの動物性繊維、アクリル繊維等の合成繊維からなるフェルト、不織布、紙等が挙げられる。有機繊維が絡み合った多孔体には有機繊維間に大きな空隙が存在するため、これを炭化し、さらにＣＶＩ法によってセラミックスをコーティングしたセラミックス多孔体にも、大きな空隙が存在することとなり、圧力損失を極めて小さくすることができる。なお、このように大きな空隙が存在するセラミックス多孔体は、その空隙より小さな粒子状物質を捕捉できないと考えるかもしれないが、そのようなことはない。粒子状物質は粘性があり、セラミックス多孔体の中を通過している最中に、その粘性によって容易にセラミックス多孔体と衝突して付着するからである。このため、ＣＶＩ法によるＳｉＣのセラミックスのコーティングを繊維間の空隙の多くを埋めるほど厚く行わず、嵩密度の小さなセラミックス多孔体としても、セラミックス多孔体中を排ガスが流れる方向の長さを長くすれば、粒子状物質を充分な捕捉率でトラップすることができ、しかも圧力損失も小さく、充分圧力に耐えうる強度を有することとなる。

さらには、セラミックス多孔体のセラミックス多孔体中を排ガスが流れる方向の長さが１０ｍｍ以上であり、細孔の最大径は３０〜２００μｍであり、細孔の最小径は０．１〜２０μｍであることが好ましい。セラミックス多孔体中を排ガスが流れる方向の長さが１０ｍｍ以上であれば、その途中で粒子状物質は確実にセラミックス多孔体に衝突して付着する。また、細孔の最大径が３０〜２００μｍであれば、十分な捕捉率を確保することができる。さらに、細孔の最小径が０．１〜２０μｍであれば、圧力損失もそれほど大きくならない。

以下、本発明を具体化した実施例について、図面を参照しつつ説明する。
（実施例１）
実施例１の連続再生型粒子状物質フィルターは、図１に示すように、ディーゼルエンジン９０から排出される排ガス中の粒子状物質を除去するためのものであり、フィルター部１と、コンプレッサ２と、フィルター部１及びコンプレッサ２を制御するための制御部３とからなる。

フィルター部１は図２に示すように、ハウジング３内に円柱型のＳｉＣ多孔体４が収容されており、ＳｉＣ多孔体４の周囲には３００Ｗの電熱ヒータ５が配設されている。また、電熱ヒータ５の周囲は円筒形の断熱材６ａ、６ｂ、６ｃによって囲まれており、ＳｉＣ多孔体４の両端はアルミナ製リング４ａ、４ｂによって固定されている。ハウジング３の両端にはテーパ形状の排ガス流入側フランジ７及び排ガス排出側フランジ８が断熱ガスケット３ａ、３ｂを介して接続されている。そして、排ガス流入側フランジ７は、排ガス流入管９を介して、図１に示すディーゼルエンジン９０のエグゾースト管に接続されており、一方、排ガス流出側フランジ８は、排ガス配管１０を介して図示しない排気管に接続されている。
また、排ガス流入側フランジ７及び排ガス排出側フランジ８には温度センサ７ａ、８ａ及び圧力センサ７ｂ、８ｂが取付けられている。さらに、ＳｉＣ多孔体４の軸方向の中央外周には温度センサ１１が当接して設置されている。温度センサ１１、７ａ、８ａ及び圧力センサ７ｂ、８ｂは図１に示す制御部２に接続されている。
また、排ガス流入管９には空気導入管１２が接続されており、空気導入管１２は電磁弁１３を介してコンプレッサ２（図１参照）に接続されている。

ＳｉＣ多孔体４はパルスＣＶＩ法によって、以下のように製造した。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＞
長方形に切り出した綿不織布（あるいは綿製厚布）を巻いて円筒状にし、フェノールレジンのエタノール５質量％溶液に浸漬した後乾燥させて、図３に示す円筒形のセルロース型３０とした。
なお、セルロース型の別の製造方法として、（１）綿不織布を円盤状に切り出し、複数個を重ね合わせた後、フェノールレジン溶液に浸漬した後乾燥させる方法や、（２）セルロースパルプを水に分散し、さらにフェノールレジン溶液を加え、円筒形の石膏型内に注入し、水分を吸収した後、形抜きし、乾燥させて円筒形のセルロース型としてもよい。

＜炭化工程＞
次に、型工程で得られたセルロース型３０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、セルロース型１０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９３．３％と極めて高いものであった。

＜コーティング工程＞
さらに、図４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１４が備えられており、反応容器１４の外側には電気ヒータ１５が近接して設けられている。また、反応容器１４の下端には各種ガスを導入するための導入管１４ａと、反応容器１４内部のガスを排気するための排気管１４ｂとが取り付けられている。導入管１４ａは電磁弁１６及びガス混合機１７を介して流量計１８ａ、１８ｂ、１８ｃに接続されており、流量計１８ａ、１８ｂは、さらに図示しない水素ガスボンに接続され、流量計１８ｃは大気側に開放されている。流量計１８ａとガス混合機１７との間には、内部にメチルトリクロロシランが入れられ、温度調節することが可能な飽和器１９が設けられており、水素ガスボンベからの水素の供給によりメチルトリクロロシランのバブリングが可能とされている。排気管１４ｂは電磁弁２０、真空ポンプ２１を介してガス洗浄器２２に接続されている。電磁弁１６、２０、ガス混合機１７、真空ポンプ２１及び電気ヒータ１５は、図示しない制御装置によって制御可能とされている。

このパルスＣＶＩ装置を用いて、炭化工程で得られた炭化成形型に対して次のようにして炭化ケイ素のコーティングを行う。すなわち、反応容器１４を外し、炭化工程で得られた炭化成形型を載置し、再び反応容器１４を被せる。そして、制御装置によって電磁弁１６を閉じ、電磁弁２０を開けて真空ポンプ２１を駆動し反応容器１１内部の圧力を１３０ＫＰａ以下とした後、電気ヒータ１５により、反応容器１４の内部の温度を１０００°Ｃとする。さらに電磁弁２０を閉じ、電磁弁１６を開け、水素ガス及びメチルトリクロロシランを含む水素ガスをガス混合機１７により混合してメチルトリクロロシランの濃度を約４％とした後、減圧下で反応容器１４内に導入する。その後、反応容器１４の排気とガス導入とを２〜４秒／サイクルの間隔で５０００〜１５０００回繰り返す。こうして、パルスＣＶＩ法により、炭化成形型に対し炭化ケイ素のコーティングを行った後、電気ヒータ１５による加熱を停止し、反応容器１１を外して炭化成形型に炭化ケイ素がコーティングされたＳｉＣ多孔体（径５０ｍｍ、長さ９０ｍｍの円柱型）を得た。

＜空隙率測定＞
こうして得られたＳｉＣ多孔体の空隙率を測定した結果を表１に示す。この表から分かるように、パルス数５０００では空隙率が９１％であり、パルス数が１５０００においても空隙率は８９％以上あり、極めて空隙率が高いことが分かった。

＜細孔分布測定＞
また、上記表１の試料１-１及び試料２についてポロシメータにて細孔分布を測定した。その結果、表２に示すように、サブミクロンオーダーの細孔から数十〜２００ミクロンを超える大きな細孔まで、広い範囲にわたって細孔が分布していることが分かった。

＜電子顕微鏡観察＞
こうして得られたＳｉＣ多孔体及び炭化工程で得られた炭化成形型について、走査型電子顕微鏡による断面観察を行った。
その結果、炭化工程で得られた炭化成形型（図７及び図８参照）は、原料となった綿製の不織布（図５及び図６参照）と同様、繊維が絡まった多数の隙間を有する構造が認められ、ほぼ綿不織布の形態を保っていることが分かった。また、この炭化成型形に対してパルスＣＶＩ法によってＳｉＣをコーティングしたＳｉＣ多孔体は、図９及び図１０に示すように、繊維状の炭化物の表面にＳｉＣの結晶が緻密かつ均一にコーティングされており、炭化成形型よりも太くなっていることが分かった。繊維の太さについては、パルスＣＶＩ法におけるパルス回数を制御する等、条件を適宜選択することによって、容易に制御することができ、これによって空孔率も容易に制御できる。また、コーティングは、ＳｉＣ多孔体の内部まで均一かつ緻密になされていた。

＜排ガス浄化試験＞
上記のようにして得られたＳｉＣ多孔体を組み込んだ、実施例１の連続再生型粒子状物質フィルターを、ディーゼルエンジン（マツダ株式会社製 マツダＭＰＶ（登録商標） 型式ＫＤ−ＬＶＬＷ 排気量２５００ｃｃ）のイグゾースト管に接続して排ガスを導入し、排ガス配管１０から排出される処理ガスをガラスフィルターでろ過し、その汚れ具合を観察した。使用したＳｉＣ多孔体は上記の方法によって製造した、直径５０ｍｍ、長さ９０ｍｍの円柱型であり、製造時のパルス回数 ２００００パルス、空隙率９０．２％、ＳｉＣ／Ｃ（重量比）０．９６９である。試験は電磁弁１３を閉じて空気の導入を行わない場合と、電磁弁１３を開け毎分１５Ｌの空気を導入する場合との両方を行った。さらに比較例として、エンジンを約２０００ｒｐｍとし、生排ガスをガラスフィルターで６０秒間ろ過した場合の汚れ具合も観察した。
また、エンジン回転数と圧力センサセンサ７ｂによる入口側圧力を測定した。図１２に排ガス浄化の試験装置の概観を示す。

その結果、生排ガスをろ過した場合には、図１３に示すように、排ガス中の粒子状物質によってガラスフィルターが真っ黒になったのに対し、連続型粒子状物質フィルターを通った排ガスでは、図１４及び図１５に示すように、僅かに変色した程度であり、特に空気を導入した場合（図１５）において、変色の度合いが少なかった。これらの結果から、実施例１の連続型粒子状物質フィルターでは、粒子状物質の除去に対して優れた効果を奏し、特に排ガス中に空気を導入した場合、特に優れた粒子状物質の除去効果を奏することが分かった。

また、図１６〜１９に示すように、排ガス中に空気を導入した場合、エンジンの回転数が３０００ｒｐｍとなっても、入口側圧力は１００ＫＰａ以下であり、圧力損失も小さくエンジンが停止することもなかった。

＜走行テスト＞
ＳｉＣ多孔体４を図２に示すように、ハウジング３の内部にセットし、実車による走行テストを行った。また、走行テストに使用した自動車は、マツダＭＰＶ（登録商標） 型式ＫＤ−ＬＶＬＷ 排気量２５００ｃｃのディーゼルエンジン車である。走行テストは、（１）図１におけるコンプレッサ２を駆動させず、電磁弁１３を閉じた状態での走行と、（２）電磁弁１３を開けた状態でコンプレッサ２を駆動し、排気ガスに空気を導入した場合での走行との両方の場合を行った。また、走行中において図２に示す温度センサ７ａ、８ａ、１１及び圧力センサ７ｂ、８ｂからの出力も記録した。

＜走行テストの評価＞
走行試験の結果、図２０に示すように、排ガス中に空気を導入した場合には、エンジン回転数が２５００ｒｐｍとなっても入口圧力は９０ＫＰａを超えることはなく、順調な走行が可能であった。また、排気管から黒煙が生じることもなく、連続して１００ｋｍ以上の走行も可能であった。
一方、排気ガス中に空気を導入しなかった場合には、図２１に示すように、走行は可能であり、排気ガスの色も黒くなることはなかったが、入口圧力が上昇気味であり、１．２ｋｍの走行の後エンジンが停止した。
以上の結果から、排気ガス中に空気を導入した場合、ＳｉＣフィルター４に捕捉された粒子状物質が導入された空気中の酸素によって燃焼し、除去されることが分かった。

このＳｉＣ多孔体４は極めて空孔率が高く、さらには上記表２に示すように、数十〜２００ミクロンを超える大きな細孔まで、広い範囲にわたって細孔が分布しているため、長さが９０ｍｍと長いにもかかわらず、圧力損失は極めて小さい。また、セラミックス多孔体の長さが９０ｍｍと長いため、繊維間に大きな空隙があるにもかかわらず、排ガス中の粒子状物質はこのＳｉＣ多孔体４中を長い距離の移動をする間に繊維に衝突し、除去される。さらには、サブミクロンオーダーの細孔によって捕捉もされる。このため、粒子状物質の大きさが繊維間の空隙よりも小さくても、効率よく除去することができる。

（実施例２）
実施例２の連続再生型粒子状物質フィルターは、図１１に示すように、実施例１と同様にして製造されたＳｉＣ多孔体２３の上流側に多数のアルミナボール２４が充填されており、アルミナボール２４の周囲には電気ヒータ２５が設けられている。アルミナボール２４の上流側及び下流側にはアルミナボール２４の直径よりも小さい孔が多数開けられたアルミナ製の多孔板２４ａ、２４ｂが設けられており、アルミナボール２４の移動を防止している。その他の構成は実施例１の連続再生型粒子状物質フィルターと同様であり、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

この連続再生型粒子状物質フィルターでは、電気ヒータ２５によってアルミナボール２４が加熱されるため、排ガスがアルミナボール２４によって加熱されてからＳｉＣ多孔体２３に導入される。このため、ＳｉＣ多孔体２３が排ガスによって冷却されることがないため、捕捉された粒子状物質の燃焼が促進される。このため、粒子状物質のＳｉＣ多孔体２３への蓄積による圧力損失の増大を防止することができる。

上記実施例１、２において用いたセラミックス多孔体をさらに酸化雰囲気下で加熱処理して炭素質多孔体が燃焼除去されたセラミックス多孔体を用いることもできる。このようなセラミックス多孔体は、上記実施例１及び実施例２のセラミックス多孔体と比べて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する。このため、セラミックス多孔体の大きさを小さくすることができ、ひいては粒子状物質をより小型化することができる。炭素質多孔体の燃焼除去については、以下の方法によって行うことができる。

すなわち、ＳｉＣコーティング工程終了後、取り出された実施例１のセラミックス多孔体を電気炉の中に入れ、空気雰囲気下で７００°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。以上の工程によって得られたセラミックス多孔体を走査型電子顕微鏡で観察したところ、炭化ケイ素のコーティング層の下に存在していた炭化成形型が酸化除去され、空洞が形成されていることが分かった。

この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

実施例１の連続再生型粒子状物質フィルターのブロック図である。 実施例１の粒子状物質フィルターの模式断面図である。 セルロース型の模式断面図である。 パルスＣＶＩ装置の模式図である。 綿不織布の走査形電子顕微鏡写真（１００倍）である。 綿不織布の走査形電子顕微鏡写真（１０００倍）である。 綿不織布炭化物の走査形電子顕微鏡写真（１００倍）である。 綿不織布炭化物の走査形電子顕微鏡写真（１０００倍）である。 ＣＶＩ法によるＳｉＣコーティング後の綿不織布炭化物の走査形電子顕微鏡写真（１００倍）である。 ＣＶＩ法によるＳｉＣコーティング後の綿不織布炭化物の走査形電子顕微鏡写真（１０００倍）である。 実施例２の粒子状物質フィルターの模式断面図である。 排ガス浄化の試験装置の概観を示す写真である。 生排ガスを６０秒間ろ過した後のガラスフィルターの写真である。 排気ガス中に空気を導入しなかった場合における６０秒間ろ過した後のガラスフィルターの写真である。 排気ガス中に空気を導入した場合における６０秒間ろ過した後のガラスフィルターの写真である。 エンジン回転数１５００ｒｐｍ付近におけるエンジン回転数と入口圧力との推移を示すグラフである。 エンジン回転数２０００ｒｐｍ付近におけるエンジン回転数と入口圧力との推移を示すグラフである。 エンジン回転数２５００ｒｐｍ付近におけるエンジン回転数と入口圧力との推移を示すグラフである。 エンジン回転数３０００ｒｐｍ付近におけるエンジン回転数と入口圧力との推移を示すグラフである。 排気ガス中に空気を導入した場合におけるエンジン回転数、入口圧力及び累積距離の推移を示すグラフである。 排気ガス中に空気を導入しなかった場合におけるエンジン回転数、入口圧力及び累積距離の推移を示すグラフである。

符号の説明

３…ハウジング
４、２３…セラミックス多孔体
７、８、９、１０…ガス導入手段（７…排ガス流入側フランジ、８…排ガス排出側フランジ、９…排ガス流入管、１０…排ガス配管）
５、２５…加熱手段（電気ヒータ）
２、１２、１３…酸素供給手段（２…コンプレッサ、１２…空気導入管、１３…電磁弁）
２４、２５…プレ加熱手段（２４…アルミナボール、２５…電気ヒータ）

Claims (8)

1. ハウジングに収容されたバルク状のセラミックス多孔体と、エンジンから排出される排気ガスを該セラミックス多孔体中に導くガス導入手段と、該セラミックス多孔体によって捕捉された粒子状物質を燃焼させるための加熱手段と、を備え、
   該セラミックス多孔体はパルスＣＶＩ法によって炭素質多孔体にセラミックスがコーティングされており、該粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有していることを特徴とする連続再生型粒子状物質フィルター。
2. ハウジングに収容されたバルク状のセラミックス多孔体と、エンジンから排出される排気ガスを該セラミックス多孔体に軸方向から通過させるガス導入手段と、該セラミックス多孔体によって捕捉された粒子状物質を燃焼させるための加熱手段と、を備え、
   該セラミックス多孔体は、パルス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ており、該粒子状物質の粒子径よりも大きい孔を有していることを特徴とする連続再生型粒子状物質フィルター。
3. セラミックス多孔体中に導かれる排気ガス中に酸素を含むガスを混合するための酸素供給手段が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続再生型粒子状物質フィルター。
4. 排気ガスがセラミックス多孔体中に導かれる前に該排気ガスを加熱するためのプレ加熱手段が備えられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項連続再生型粒子状物質フィルター。
5. セラミックスは炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の連続再生型粒子状物質フィルター。
6. セラミックス多孔体の空孔率は７５〜９６％とされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の連続再生型粒子状物質フィルター。
7. 炭素質多孔体は有機繊維が絡み合った多孔体を炭化してなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の連続再生型粒子状物質フィルター。
8. セラミックス多孔体は排気ガスが流れる方向の長さが１０ｍｍ以上であり、細孔の最大径は３０〜２００μｍであり、細孔の最小径は０．１〜２０μｍであることを特徴とする請求項７記載の連続再生型粒子状物質フィルター。