JP2009535647A - フィルタ負荷判定のためのマイクロ波検出 - Google Patents

Abstract

フィルタ負荷の判定方法が開示されている。フィルタは、第１の誘電率を有する。このフィルタは、第２の誘電率を有する汚染物質によって負荷を受ける。ディーゼル微粒子フィルタのようなフィルタは、マイクロ波キャビティを形成する金属製のエンクロージャの中に収容される。フィルタ負荷の判定方法は、キャビティの中にマイクロ波エネルギを確立するステップと、キャビティのマイクロ波応答の変化を監視するステップとを含んでおり、この変化はフィルタ負荷に関連している。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、米国仮特許出願第６０／７４６，０８１号（２００６年５月１日出願）の優先権を主張するものであり、その内容は、参考として本明細書に援用される。

（発明の技術分野）
本発明は、フィルタ負荷の判定に関し、より具体的には、マイクロ波検出を使用したフィルタ負荷の判定に関する。

多くの分野において、フィルタによって捕捉された物質の量を正確に検出する必要がある。その一例は、ディーゼル微粒子フィルタ（ｄｉｅｓｅｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ：ＤＰＦ）についての煤煙のフィルタ負荷の判定ニーズである。再生を開始するための適切な条件を判定するために、また、条件を監視して完全な再生がいつ達成されたのかを判定するために、ディーゼル微粒子フィルタへの負荷の量を把握しなければならない。このような状況において、負荷レベルは重要である。なぜなら、ＤＰＦの再生は、しばしば、煤煙が遊離酸素の存在下で点火され、フィルタを通って燃焼波が発生するという無制御の燃焼を介したものだからである。特定の条件下では、再生が、非常に高い温度を発生するために、フィルタの疲労寿命を制限し、最終的には破壊に至らしめるおそれのある大きな熱応力をもたらす可能性がある。したがって、煤煙の負荷レベルは、良好なフィルタ再生にとって重要である。

フィルタ負荷を判定する複数の方法があることは既に知られている。最も一般的な調査方法は、フィルタ全体の圧力降下を測定するものである。この方法は、エキスパートシステムと組み合わせることができ、エキスパートシステムは、エンジンを介して産生された煤煙の累積計算によって煤煙の量を計算する。

本発明は、トラップまたはフィルタの負荷状況の判定に、マイクロ波技術を応用することを目的とする。

本発明による方法は、第２の誘電率を有する汚染物質を伴った第１の誘電率を有するフィルタであって、マイクロ波キャビティを形成する金属製容器の中に収容されたフィルタの負荷を判定することを目的とするものである。本発明による方法は、キャビティ内にマイクロ波エネルギを確立するステップと、キャビティのマイクロ波応答の変化を監視するステップとを含む。第２の誘電率は、汚染物質が置換している媒体（通常は、空気、排気ガス、または流体）の誘電率とは異なっていなければならない。キャビティのマイクロ波応答の変化は、フィルタ負荷に関連する。好適な一実施形態では、マイクロ波エネルギは、汚染物質負荷の空間分布の判定を可能にする、複数のキャビティモードを含んでいる。

好適な一実施形態では、マイクロ波キャビティの応答は、共振モードの周波数のシフトを含む。あるいは、マイクロ波キャビティの応答は、共振モードの品質係数（ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）Ｑのシフトを含む。マイクロ波キャビティの応答は、共振時のマイクロ波の信号の振幅のシフトを含むことができる。

少なくとも１つのアンテナを使用してマイクロ波エネルギを送受信することが好ましい。好適な一実施形態では、反射モードにおいて、１つのアンテナだけを使用してマイクロ波エネルギを送受信する。２つのアンテナは、伝送モードにおいて１つのアンテナを送信に、もう１つのアンテナを受信に使用することができる。アンテナの代わりに、少なくとも１つの導波管を使用してマイクロ波エネルギを送受信することができる。一実施形態では、１つの導波管を反射モードで使用して、マイクロ波エネルギを送受信する。あるいは、２つの導波管は、１つを伝送モードにおける導波管の送信に、もう１つを導波管の受信に使用することができる。

重要な一実施形態では、フィルタは、ディーゼル機関の排気から粒子状物質を除去するためのディーゼル微粒子トラップである。粒子状物質は、煤煙である場合がある。

さらに別の実施態様では、１つが排気管に接続された２つの遷移円錐体（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｅｓ）の間に円筒状部分を含む金属製容器である。マイクロ波エネルギは、Ｓ帯域である場合がある。好適なフィルタ材料は、コージライトである。別の好適なフィルタ材料は、炭化ケイ素である。低次および高次のキャビティモードを使用して、トラップの負荷を監視することが好ましい。本実施形態では、動作周波数は、モードが、フィルタのサイズを減じた吸排気管におけるカットオフで動作しているように選択されることが好ましい。

２つのアンテナまたは導波管を使用したときには、該アンテナは、フィルタの反対側に設置されるか、またはフィルタと同じ側に設置される。アンテナおよび導波管は、汚染を防止するように、フィルタの下流側に設置されることが好ましい。

マイクロ波エネルギは、改良されたマイクロ波チップによって提供することができ、また、マイクロ波エネルギは、増幅の有無に関わらずダイオードによって監視することができる。キャビティの監視は、ロックイン検出またはヘテロダイン検出を用いることができる。

本発明は、マイクロ波を使用して、トラップまたはフィルタの負荷状況を判定することができるという認識に基づくものである。負荷は、煤煙、粒子、灰、または任意の固体／液体でありうる。負荷の総量を判定することに加えて、本願明細書に記載のマイクロ波システムは、トラップ全体に及ぶ負荷分布の判定に有用である。本発明に使用されるマイクロ波検出は、対象となる周波数範囲の安価な発振器および検出器が市販されているので、費用のかからないものとすることができる。

ディーゼル微粒子フィルタの場合、粒子は、煤煙、他の有機化合物（固体および／または液体）、および灰で構成される。本開示の目的のために、炭素、有機化合物、および灰の組み合わせを単純に煤煙と称する。当業者は、煤煙および有機化合物は再生によって除去されるが、灰の負荷は保持されるものと認識されよう。

通常、ディーゼル微粒子フィルタユニットは、コージライト材料で作製されるが、該材料は、Ｓ帯域付近で４よりわずかに高い誘電率を有し、温度依存性が小さい。一部分がコージライトを有し、大部分が空洞であるコージライトフィルタの有効誘電率は、約１．５乃至１．７であり、トラップの配向依存性のため、わずかに異方性である。煤煙は、煤煙が置換するガス（空気または排気）とは異なる誘電率を有するので、煤煙の存在（トラップ１リットルあたり１０ｇになることがあり、トラップのサイズは５．６６インチのトラップの場合、約２リットルとなる）により、マイクロ波キャビティのマイクロ波特性が変化する。したがって、このトラップに対する最大煤煙負荷は、体積約２０ｃｍ^３に対して２０ｇにもなりうる。この煤煙の量は、かなりの体積に相当し、それに応じてトラップの誘電特性が大きく変化する。いくつかの種類の煤煙の誘電率は、ほぼ２であることに留意されたい。

炭化ケイ素は、ディーゼル微粒子フィルタの製造にも好適である。炭化ケイ素のマイクロ波特性も、負荷を検出するためのマイクロ波の使用を好適なものにする。当業者は、本願明細書のマイクロ波負荷検出技術を使用して、例えば、バグハウス、および誘電率が不均一なかなりの量／体積の材料が収集される他の用途において使用されるような繊維フィルタ（有機および無機繊維）の負荷の判定を行うことができることを認識されよう。

灰分含有量（再生によって除去されない）は、かなりの量の灰がトラップ上に経時的に堆積された場合に監視することができる。

低次キャビティモードおよび高次キャビティモードを使用して、トラップの負荷を監視することができる。異なるキャビティモードは、体積によって変化するピークおよびヌルを伴う異なる電場パターンを有する。所与のキャビティモードに対しては、高い電場を有する領域内の煤煙の存在のみが、キャビティ内のマイクロ波応答に影響を及ぼすためである。キャビティ内の異なるモードを選択することによって、異なる領域のサンプルを採取することが可能となり、それによって煤煙分布に関する情報を得ることができる。

以下、本発明が基づく理論を簡潔に説明する。煤煙が存在することは、いくつかの態様でキャビティ応答に影響を及ぼす。共振周波数は、煤煙の堆積によってより低い周波数にシフトする。加えて、キャビティ品質Ｑは、煤煙が吸着することによって影響を受ける。さらに、共鳴時の信号の振幅は、煤煙の堆積によって減少する。これら３つ全てのパラメータを使用して、煤煙のレベルを判定することができる。複数のモードを使用して、ディーゼル微粒子フィルタの種々の領域の負荷を監視することができる。

以下、本発明を図面を参照して説明する。図１を参照すると、ディーゼル微粒子フィルタユニット１０は、金属製シリンダ（缶と称する）部分１２と、遷移円錐体１４および１６とを含む。円錐体１４は、排気管１８に接続される。本実施形態では、一対のロッドアンテナ２０および２２は、フィルタ２４を間にして反対の側に設置される。

円錐体の遷移部分１４および１６により、動作周波数は、トラップの小さい吸排気管におけるカットオフを下回ってモードが動作するように選択されることができ、それとともにその周波数は、主排気管１８へのカットオフを下回ってモードが動作するような周波数である。マイクロ波放射を閉じ込めるスクリーンを提供する必要はない。図１の実施形態では、従来のロッドアンテナ２０および２２のうちの１つが送信器として機能し、もう１つが受信器として機能する。ロッドアンテナ２０および２２は、どちらも側面ではなく、フィルタ２４と同じ側に設置することができるものと理解されたい。この場合、ロッドアンテナ２０および２２の好適な位置は、送信器、受信器、または関連する構成要素の表面における煤煙を最小限に抑えるように、フィルタ要素２４の下流側となる。

以下、図２を参照すると、ループアンテナ２６または導波管２８の使用を介して送信器を実装することが可能である。導波管２８は、高誘電体材料で満たされる場合もある。また、ループアンテナ２６および／または導波管２８を使用して、受信アンテナとして作用させることによって、放射を監視することも考慮される。

単一のアンテナ（ロッドまたはループ）、および単一の導波管を使用すること、または２つのアンテナまたは導波管を使用することが可能である。単一のアンテナ／導波管の場合、情報は、反射信号内に含まれる。送信器および受信器に別個のアンテナ／導波管を使用した場合、反射または伝送モードを選択することが可能である。２つのアンテナ／導波管の場合、煤煙の負荷の判定に使用することができる、結合マトリクスの４つの要素、すなわち一方から他方のアンテナ／導波管への送信、その逆、および各アンテナ／導波管における反射が存在する。

図２に示されるように、送信器および／または受信器の好適な１つの位置は、フィルタの中央領域の中にある。この位置は、マイクロ波がフィルタの外面を貫通し、したがってセンサが、フィルタの外壁によって煤煙の被着から保護されるので、本願明細書に記載されたマイクロ波システムの明確な利点を示す。この配置は、単一または２つの導波管、ループアンテナ、またはロッドアンテナのいずれに対しても行うことができる。

動作中に、マイクロ波エネルギは、デバイス１０のキャビティ内で確立される。多数のモードをトラップの負荷の判定に使用することができる。図３は、周波数の関数として伝送成分Ｓ２１を示す図であり、図４は、単一の発信器／受信器システムからの反射を示す図である。図３では、図１に示されるように、ロッドアンテナをトラップについて反対側に配置した。図４のグラフは、単一のアンテナによる場合のものであり、情報は反射信号の中に含まれる。図５は、図３の送信モードの拡大図であり、１．７ＧＨｚ付近の詳細を示す図である。煤煙無しから煤煙有りへ、どのようにグラフが変化するのかを容易に理解することができる。その変化は、判定すべきトラップの負荷を判定できる差異である。

本願明細書に開示されたマイクロ波検出システムは、携帯電話に使用されているような、改良型マイクロ波チップであるマイクロ波源を備えた安価な構成要素を使用することができ、受信器は、増幅の有無に関わらず単純なダイオードとすることができる。検出システムは、ロックイン検出、ヘテロダイン検出等のような高性能検出システムを使用することができる。

負荷は（ディーゼル機関等からの）煤煙によるものを想定しているが、バックグラウンドフィルタの材料とは異なる誘電率（例えば、空気／エンジン排気の場合）であれば、フィルタの表面上にかなりの量が堆積するあらゆる物質を測定することができる。

システムを使用して、トラップの状態を監視することができる。システム内にかなりのクラックが存在すると、煤煙の分布が変化し、不均一となる。

さらに、コージライトの温度依存性を使用して、トラップ全体の温度を監視することが可能である。

本記述は、缶内に単一のＤＰＦを使用することに関連しているが、本手法は、単一の缶内に複数のフィルタがある場合にも適用することができる。

フィルタリング監視システムは、いずれかの元の機器とすることができ、また、新しい装置として使用することもできる。

当業者には、本発明の修正および変更が生じ、そのような修正および変更は、添付の特許請求の範囲に含まれるものとされることが認識されよう。

図１は、本発明の一実施態様による、缶に入れられたディーゼル微粒子フィルタの斜視図である。 図２は、本発明の別の実施形態の断面図である。 図３は、周波数の関数として実験的に決定されたＳ２１伝送のグラフである（Ｓ２１の大きさを示す）。 図４は、周波数の関数として実験的に決定されたＳ１１（反射）応答のグラフである。 図５は、図３の伝送モードの拡大図を示すグラフである。

Claims (31)

1. 第２の誘電率を有する汚染物質を伴った第１の誘電率を有するフィルタの負荷を判定する方法であって、該第２の誘電率は該汚染物質が置換する媒体の誘電率とは異なり、該フィルタはマイクロ波キャビティを形成する金属製容器の中に収容されており、該方法は、
   該キャビティの中にマイクロ波エネルギを確立することと、
   該キャビティのマイクロ波応答の変化を監視することであって、該変化はフィルタ負荷に関連する、ことと
   を含む、方法。
2. 前記マイクロ波エネルギは、前記汚染物質の負荷の空間分布を判定できるようにする、複数のキャビティモードを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記マイクロ波キャビティ応答は、共振モードの周波数のシフトを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記マイクロ波キャビティ応答は、共振モードの品質係数Ｑのシフトを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記マイクロ波キャビティ応答は、共振時のマイクロ波信号の振幅のシフトを含む、請求項１に記載の方法。
6. マイクロ波エネルギの送受信に使用される少なくとも１つのアンテナを含む、請求項１に記載の方法。
7. 反射モードにおいてマイクロ波エネルギの送受信に使用される１つのアンテナを含む、請求項１に記載の方法。
8. ２つのアンテナは、伝送モードにおいて、一方のアンテナ送信と他方のアンテナ受信とに使用される、請求項１に記載の方法。
9. マイクロ波エネルギを送受信する少なくとも１つの導波管を含む、請求項１に記載の方法。
10. マイクロ波エネルギの送受信に反射モードで使用される１つの導波管を含む、請求項１に記載の方法。
11. ２つの導波管は、伝送モードにおいて、一方の導波管送信と他方の導波管受信とに使用される、請求項１に記載の方法。
12. 前記フィルタは、ディーゼル機関の排気から粒子状物質を除去するディーゼル微粒子トラップである、請求項１に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つのアンテナは、ロッドアンテナである、請求項６に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つのアンテナは、ループアンテナである、請求項６に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つの導波管は、誘電体物質をその中に含む、請求項９に記載の方法。
16. 前記粒子状物質は、煤煙である、請求項１２に記載の方法。
17. 前記金属製容器は、一方が排気管に接続された２つの遷移円錐体の間に円筒状部分を含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記マイクロ波エネルギは、Ｓ帯域である、請求項１に記載の方法。
19. 前記フィルタ材料は、コージライトである、請求項１に記載の方法。
20. 前記フィルタ材料は、炭化ケイ素である、請求項１に記載の方法。
21. 低次および高次のキャビティモードが、負荷の監視に使用される、請求項１に記載の方法。
22. 動作周波数は、モードが、前記フィルタの小さな吸排気領域でのカットオフにおいて動作しているように選択される、請求項１７に記載の方法。
23. 前記２つのアンテナは、フィルタを関して反対側に設置される、請求項８に記載の方法。
24. 前記２つのアンテナは、フィルタに関して同じ側に設置される、請求項８に記載の方法。
25. 前記アンテナは、フィルタの下流側に設置される、請求項８に記載の方法。
26. 前記マイクロ波エネルギは、改良されたマイクロ波チップによって提供される、請求項１に記載の方法。
27. 前記マイクロ波エネルギは、増幅の有無に関わらずダイオードによって監視される、請求項１に記載の方法。
28. 前記監視は、ロックイン検出またはヘテロダイン検出を使用する、請求項１に記載の方法。
29. マイクロ波モニタを使用して、異常な煤煙堆積であるという判定を介して、フィルタの状態を判定する、請求項１に記載の方法。
30. マイクロ波モニタを使用して、前記フィルタまたは汚染物質の誘電率が温度の関数であるときに、該フィルタの温度を判定する、請求項１に記載の方法。
31. キットを形成する領域の中に組み立てることができる構成要素を有する、マイクロ波フィルタ検出システムであって、該キットは、
    マイクロ波キャビティを形成するハウジングの中に収容されるフィルタと、
    マイクロ波キャビティ応答の変化を監視する１つ以上のアンテナであって、該変化がフィルタの負荷に関連する、アンテナと、
    該キャビティのマイクロ波特性を判定するマイクロ波発生器および検出器と、
    フィルタ負荷を判定する関連の電子機器および信号処理と
    の組み合わせを備える、マイクロ波フィルタ検出システム。

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