JP2012530873A - マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ - Google Patents

Abstract

本発明は、フィルタ容積の外部境界を定めるケーシングを備えるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ（１００）に関する。このフィルタは、中心フィルタ軸（１７０）を有している。ケーシングは、中心フィルタ軸と実質的に平行である平均流れ方向を画定する流入側および流出側を有している。フィルタ容積には、少なくとも２つのフィルタカートリッジが充填されており、これらのフィルタカートリッジの各々は、中心フィルタカートリッジ軸（１７０）を有している。フィルタカートリッジの中心フィルタカートリッジ軸（１７０）は、フィルタの平均流れ方向と実質的に平行である。フィルタカートリッジは、金属繊維を含む多孔構造体（１０１）を備えている。フィルタカートリッジは、前記多孔構造体（１０１）を通る半径流方向をもたらすようになっている。マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを通る流れは、軸流であるが、フィルタカートリッジを通る流れは、半径流である。さらに、本発明は、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを製造する方法に関する。

Description

本発明は、多数の半径方向フィルタカートリッジを備えるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタに関する。
さらに、本発明は、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを製造する方法およびマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの使用方法に関する。

金属繊維を含むディーゼル煤微粒子フィルタは、例えば、特許文献１から知られている。この種のフィルタは、流れが軸方向に沿っていることから、軸方向フィルタと呼ばれている。しかし、この種のフィルタは、多くの欠点を有している。何故なら、この種のフィルタは、流入面積が制限されており、圧力降下が比較的高いからである。
また、ディーゼル排ガスを濾過するためのセラミックフィルタも、当技術分野において知られている。しかし、これらのフィルタは、高熱質量、その結果として、長い再生時間によって特徴付けられている。さらに、これらのフィルタの質量効率は、調節することができない。

国際特許出願公開第２００７／０７９８２９号パンフレット

本発明の目的は、先行技術の欠点を解消するフィルタを提供することにある。
本発明の他の目的は、半径流を有する多数の半径方向フィルタカートリッジを備える軸流を有するマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを提供することにある。このフィルタカートリッジは、圧力降下が低く、流入濾過表面積が大きい。
本発明の他の目的は、例えば、フィルタを既存のマフラー設計にその寸法または形状と無関係に組み入れることを可能にする高い賦形性および高い設計融通性を有するマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを提供することにある。
さらに他の目的は、質量効率を調整することができるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを提供することにある。
さらに他の目的は、本発明のモジュール式マルチカートリッジの概念を用いて、組立、取付け、および保守のコストを低減することができるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタが提供されている。マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタは、フィルタ容積と呼ばれる空間の外部境界を定めるケーシングを備えている。マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタは、中心フィルタ軸を有している。ケーシングおよびフィルタ容積は、少なくとも１つのフィルタ入口を有する流入側および少なくとも１つのフィルタ出口を有する流出側を有している。流入側および流出側は、平均流れ方向を画定している。平均流れ方向は、中心フィルタ軸と実質的に平行である。これは、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを通る平均流れが軸流であることを意味している。
ケーシングは、平均流路の方向におけるフィルタ容積の外部境界を定めている。
ケーシングは、半径方向において気体不透過性である。フィルタ容積には、多数のフィルタカートリッジが充填されている。各フィルタカートリッジは、中心フィルタカートリッジ軸を有している。この中心フィルタカートリッジ軸は、フィルタの平均流れ方向と実質的に平行であり、従って、中心フィルタ軸と実質的に平行である。流入側におけるフィルタ入口の数は、少なくとも１つ以上であり、この数は、好ましくは、フィルタカートリッジの数と等しい。流出側におけるフィルタ出口の数は、少なくとも１つ以上であり、この数は、好ましくは、フィルタカートリッジの数と等しい。フィルタカートリッジは、金属繊維を含む多孔構造体を備えている。
フィルタカートリッジは、フィルタカートリッジの多孔構造体を通る半径流方向をもたらすようになっている。
フィルタカートリッジの半径流は、フィルタカートリッジの外側からフィルタカートリッジの内側に向かうものであってもよいし、またはその逆に、フィルタカートリッジの内側からフィルタカートリッジの外側に向かうものであってもよい。
半径流がフィルタカートリッジの外側からフィルタカートリッジの内側に向かう場合、入口流は、フィルタカートリッジの半径方向内方に向かう流れであり、出口流は、中心フィルタカートリッジ軸と実質的に平行の流れ、従って、軸方向に沿った流れである。
半径流がフィルタカートリッジの内側からフィルタカートリッジの外側に向かう場合、フィルタカートリッジの入口流は、中心フィルタカートリッジ軸と平行の流れであり、出口流は、フィルタカートリッジの半径方向外方に向かう流れである。この場合、入口流は、軸方向に沿っており、出口流は、半径方向外方に向かうことになる。
従って、フィルタカートリッジは、半径方向に透過性を有している。
マルチカートリッジディーゼル煤粒子フィルタを通る平均流れは、軸流であるが、個々のフィルタカートリッジを通る流れは、半径流である。

ケーシングは、フィルタ容積と呼ばれる空間の範囲を定めている。ケーシングは、フィルタ容器を半径方向において不透過性とすることを可能にするどのような材料から構成されていてもよい。金属繊維が用いられる場合、ケーシングは、金属ケーシング、任意選択的に、金属繊維をもたらすのに用いられるのと同様または同一の金属合金からもたらされる金属ケーシングであるとよい。
好ましいケーシングは、金属管または金属箔から構成されている。

フィルタ容積は、どのような形状、例えば、円断面を有する円筒形状または楕円断面を有する形状を有していてもよい。フィルタ容積は、任意選択的に、円錐、例えば、円断面または楕円断面を有する円錐であってもよい。

フィルタ容積には、多数のフィルタカートリッジが充填されている。フィルタカートリッジの数は、少なくとも２つである。原理的に、フィルタカートリッジ数の上限は、制限されていない。フィルタカートリッジの数は、例えば、２、４、７、２０、３７、・・・である。

フィルタカートリッジは、種々の方法によって、フィルタ容積内に配置することができる。フィルタカートリッジは、例えば、中心フィルタカートリッジを有しないように、フィルタ容積の全体にわたって分布するように配置されてもよい。中心フィルタカートリッジを有しない構成の例として、４つのフィルタカートリッジを備えるフィルタ容積が挙げられる。
代替的に、フィルタカートリッジは、１つ以上のフィルタカートリッジが中心に配置され、多数のフィルタカートリッジが中心に配置されたフィルタカートリッジの周りに第１の層として配置されるように、配置されてもよい。可能であれば、多数のフィルタカートリッジが、第１の層の周りに第２の層として配置されてもよい。原理的には、フィルタカートリッジの層の数は、制限されていない。このような構成の第１の例として、中心に配置された１つのフィルタカートリッジおよび中心に配置されたフィルタカートリッジの周りに第１の層として配置された６つのフィルタカートリッジを備える構成、簡略的に、（１＋６）で表される構成が挙げられる。さらに他の例として、中心に配置された１つのフィルタカートリッジ、中心フィルタカートリッジの周りに第１の層として配置された６つのフィルタカートリッジ、その周囲に第２の層として配置された１２個のフィルタカートリッジ、およびその周囲に第３の層として配置された１８個のフィルタカートリッジを備える構成、簡略的に、（１＋６＋１２＋１８）で表される構成が挙げられる。

本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタのフィルタカートリッジは、多孔構造体を備えている。この多孔構造体は、好ましくは、金属繊維を含んでいる。

金属繊維をもたらすのに、どのような適切な種類の金属または金属合金が用いられてもよい。金属繊維は、例えば、ステンレス鋼のような鋼から作製されている。可能なステンレス鋼合金は、ＡＩＳＩ３００系合金またはＡＩＳＩ４００系合金、例えば、ＡＩＳＩ３１６ＬまたはＡＩＳＩ３４７である。または、鉄、アルミニウム、およびクロムを含む合金、具体的には、クロム、アルミニウム、および／またはニッケル、ならびに０．０５重量％から０．３重量％のイットリウム、セリウム、ランタン、ハフニウム、またはチタンを含むステンレス鋼、例えば、ＤＩＮ１．４７６７合金またはFecralloy（登録商標）が用いられてもよい。また、銅または銅合金、またはチタンまたはチタン合金が用いられてもよい。また、金属繊維は、ニッケルまたはニッケル合金から作製されてもよい。

金属繊維は、どのような周知の繊維製造方法、例えば、集束伸線法、特許３０８３１４４号公報に記載されているようなコイル切削法、ワイヤ切削法（例えばスチールウール）、または溶融金属合金の浴から金属繊維を得る方法によって作製されてもよい。平均長さを有する金属繊維をもたらすために、金属繊維は、国際特許出願公開第０２／０５７０３５号パンフレットに記載されているような方法を用いて、または米国特許第４，６６４，９７１号明細書に記載されているような金属繊維粒子をもたらす方法によって切削されてもよいし、または引張破断されてもよい。

好ましくは、金属繊維の等価直径Ｄは、１００μｍ未満、例えば、６５μｍ未満、さらに好ましくは、３６μｍ未満、例えば、３５μｍ、２２μｍ、または１７μｍである。任意選択的に、金属繊維の等価直径は、１５μｍ未満、例えば、１４μｍ、１２μｍまたは１１μｍ、さらに９μｍ未満、例えば、８μｍである。任意選択的に、金属繊維の等価直径Ｄは、７μｍ未満または６μｍ未満、例えば、５μｍ未満、例えば、１μｍ、１．５μｍ、２μｍ、３μｍ、３．５μｍ、または４μｍである。
金属繊維は、フィラメントとしても知られているエンドレス金属繊維であってもよく、任意選択的に、例えば、０．１ｃｍから５ｃｍの範囲内の平均繊維長さＬ_繊維を有していてもよい。

好ましい実施形態では、金属繊維は、１．７よりも大きい粗さ、例えば、１．９よりも大きい粗さ、２よりも大きい粗さ、または２．５よりも大きい粗さを有する非焼結金属繊維である。
本発明の目的から、「粗さ」は、特定繊維の断面の表面積の平均と等しい表面積の円形の半径方向断面を有する仮想繊維の断面の周囲に対する該特定繊維の断面の周囲の比率として定義されている。この仮想繊維の直径は、等価直径と呼ばれている。本発明の目的から、「断面」は、繊維が該繊維の主軸と直交して切断されたときの断面を意味している。
非焼結金属繊維は、大きい粗さを有している。驚くことに、このような粗さを有する金属繊維は、ディーゼル煤微粒子の濾過に極めて効率的であることが見出されている。何故なら、これらの金属繊維は、微粒子を効率的に捕集するからである。１．７よりも大きい粗さを有するＦｅ、Ａｌ、Ｃｒを含む合金、具体的には、クロム、アルミニウムおよび／またはニッケル、ならびに０．０５重量％から０．３重量％のイットリウム、セリウム、ランタン、ハフニウム、またはチタンを含むステンレス鋼から作製された金属繊維は、ディーゼル煤微粒子の濾過に最も効率的であることが見出されている。

フィルタカートリッジの多孔構造体は、平均流れ方向と実質的に平行な方向、すなわち、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの中心軸と実質的に平行な方向である中心フィルタカートリッジ軸の周りにコイル巻きされている。

好ましい実施形態では、フィルタカートリッジは、中心導管をさらに備えている。多孔構造体は、この中心導管の周りにコイル巻きされている。導管は、好ましくは、気体透過性であり、例えば、孔付き管、螺旋巻き管、またはワイヤケージから構成されている。導管は、金属から作製されてもいてもよいし、金属合金から作製されていてもよい。任意選択的に、導管は、金属繊維をもたらすのに用いられるのと同様または同一の金属合金からもたらされるようになっている。

多孔構造体は、繊維ウエブであるとよい。繊維ウエブは、どのような適切なウエブ形成プロセスによって得られた繊維ウエブ、例えば、エアレイドウエブ、ウエットレイドウエブ、または梳毛ウエブであってもよい。ウエブは、好ましくは、不織ウエブ、任意選択的にニードルパンチされた不織ウエブである。
金属繊維から構成されたウエブが用いられる場合、該ウエブは、エアレイドプロセスまたはウエットレイドプロセスによって得られるものであるとよい。金属繊維ウエブは、例えば、１ｍｍから５０ｍｍの厚みおよび１００ｇ／ｍ^２から６００ｇ／ｍ^２の表面重量を有しているとよい。

代替的に、多孔構造体は、少なくとも１本の繊維束から構成されていてもよい。この束は、コイル切削された金属繊維の束であるとよい。代替的に、束は、集束伸線によって得られた金属繊維の束であってもよい。集束伸線された金属繊維は、任意選択的に、例えば、欧州特許第２８０３４０号明細書に記載されているような方法による波付けされた繊維である。束は、複数の金属繊維、例えば、２００本から１０００本またはそれ以上の本数の繊維またはフィラメントを含んでいるとよい。多孔構造体は、少なくとも１本、任意選択的に、複数の同一の束を含んでいてもよいし、または互いに異なる束、具体的には、繊維の種類、繊維の特性、例えば、繊維の等価直径または繊維材料、または束繊度のような束特性に関して互いに異なる束を含んでいてもよい。
繊維束は、どのような適切な束形成プロセスによって得られた繊維束であってもよい。一例を挙げると、繊維束は、カードスライバであってもよい。

縁の１つと平行な軸の周りにコイル巻きされた、すなわち、巻き付けられたウエブまたは少なくとも１つの繊維束、任意選択的に、縁を中心として巻かれたウエブまたは少なくとも１つの繊維束のような多孔構造体は、半径方向に拡がる傾向がある、従って、補強構造体が、コイル巻きされた多孔構造体の周りにコイル巻きされると好ましい。

フィルタカートリッジは、金属粉粒子のような紛体をさらに含んでいてもよいし、および／または触媒成分を含んでいてもよい。

フィルタ容積の高さ、すなわち、平均流路に沿ったフィルタ容積の長さは、本発明を制限すると見なされてはならない。この高さは、例えば、２ｃｍから２０ｃｍの範囲内、典型的には５ｃｍであるとよい。

フィルタカートリッジの多孔構造体は、例えば、７０％から９９％の多孔率を有しているとよい。フィルタカートリッジの多孔率は、フィルタカートリッジの高さに沿って均一になっていてもよいし、またはフィルタカートリッジの高さに沿って変化するようになっていてもよい。多孔率は、流入側の多孔率を流出側の多孔率よりも大きくし、流入側から流出側に向かって徐々にまたは段階的に変化するようになっていてもよい。

平均流路と直交する面に沿ったフィルタカートリッジの断面の表面積は、（円筒フィルタカートリッジの場合におけるように）フィルタカートリッジの高さに沿って均一であってもよいし、（円錐フィルタカートリッジの場合のように）、変化するようになっていてもよい。平均流路と直交する面に沿った断面の表面積は、例えば、４５０ｍｍ^２から１０００００ｍｍ^２の範囲内、例えば、４５０ｍｍ^２から１３０００ｍｍ^２の範囲内、例えば、１２５００ｍｍ^２または９６２００ｍｍ^２であるとよい。

好ましい実施形態では、フィルタカートリッジは、軸方向に主円錐空洞部および／または軸方向に主円錐延長部を備えている。
特に、円錐空洞部は、流入側に配置されているとよく、円錐延長部は、流出側に配置されているとよい。円錐空洞部によって、流入側におけるフィルタカートリッジの表面は、大きくなる。このような実施形態では、流入側におけるフィルタカートリッジの詰まりが遅れることになり、さらに阻止されることになる。
特に、円錐空洞部および円錐延長部は、互いに隣接して配置されたフィルタ材料の軸方向の相互表面接触をもたらすために、略同じに形作られている。１つのフィルタ材料の円錐延長部を他のフィルタ材料の円錐空洞内に挿入することによって、互いに隣接するフィルタカートリッジを頑丈に固着することができる。「円錐」という用語は、円錐台のように形作られたものも意味しており、または三角形の断面または部分的な円または楕円の断面を有するものも意味していると理解されたい。

一実施形態では、本発明によるフィルタカートリッジは、繊維であって、その大部分、例えば、少なくとも５０％または少なくとも８５％が少なくとも部分的にディーゼル煤微粒子フィルタの中心軸を取り囲んでいる繊維を含んでいる。

本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの各フィルタカートリッジは、流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}および容積Ｖ_{カートリッジ}によって特徴付けられている。フィルタカートリッジの流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}は、濾過されるべき液体または気体の入ってくる流れ、特に、濾過されるべきディーゼル排ガスの入ってくる流れと接触するフィルタカートリッジの表面として定義されている。
フィルタカートリッジの外側から内側に向かう半径流を有するフィルタカートリッジの場合、フィルタカートリッジの流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}は、フィルタカートリッジの外被面に対応している。円筒フィルタカートリッジの場合、流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}は、Ａ^＊Ｈに等しい。
ただし、
Ａは、フィルタカートリッジの断面の周囲であり、
Ｈは、フィルタカートリッジの高さである。

マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタは、全流入表面Ｓ_{フィルタ全体}によって特徴付けられている。全流入表面Ｓ_{フィルタ全体}は、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの個々のフィルタカートリッジの流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}の合計である。

本発明によれば、本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタは、０．０１ｍ^２／Ｌから０．１ｍ^２／Ｌの範囲内にある比率（フィルタカートリッジの流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}）／（フィルタカートリッジの容積Ｖ_{カートリッジ}）を有するフィルタカートリッジを備えている。さらに好ましくは、比率（フィルタカートリッジの流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}）／（フィルタカートリッジの容積Ｖ_{カートリッジ}）は、０．０３ｍ^２／Ｌから０．０６ｍ^２／Ｌの範囲内、例えば、０．０４ｍ^２／Ｌまたは０．０５ｍ^２／Ｌである。

さらに、比率（フィルタの全流入表面Ｓ_{フィルタ全体}／エンジン出力）は、好ましくは、０．００１ｍ^２／ｋＷから０．０１ｍ^２／ｋＷの範囲内、さらに好ましくは、０．００２ｍ^２／ｋＷから０．００５ｍ^２／ｋＷの範囲内、例えば、０．００３ｍ^２／ｋＷまたは０．００４ｍ^２／ｋＷである。

本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタは、特に、高出力エンジン、例えば、３５０ｋＷよりも大きい出力、例えば、４２０ｋＷよりも大きい出力を有するエンジンに用いられるのに適している。このようなエンジンの例は、高負荷路上用車（トラック）に設置されたエンジン、およびオフロードエンジン、例えば、ディーゼル機関車（ｇｅｎｓｅｔ）エンジン、建築機械エンジン、農業機械エンジン、機関車エンジン、および海洋エンジンである。

本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタは、当技術分野において知られているディーゼル煤微粒子フィルタと比較して、多くの利点を有している。
１つの利点は、フィルタの質量効率が、例えば、繊維重量、繊維直径、フィルタカートリッジの多孔率、フィルタカートリッジの大きさ、ケーシング内のフィルタカートリッジの構成などを選択することによって、調整可能であることである。質量効率は、重量測定によって決定される濾過の前後の重量減少の百分率によって定義されている。
さらに、フィルタカートリッジの設計は、例えば、繊維重量、繊維直径、フィルタカートリッジの多孔率、フィルタカートリッジの大きさなどを選択することによって、柔軟に調整可能である。
ケーシングの形状にはどのような制限もない。ケーシングの形状ごとに、フィルタカートリッジの最適な数、大きさ、および種類を選択することができる。
熱質量が小さいことによって、再生サイクルが短縮される。材料は、高機械的安定性を得ることを可能にする。さらに、本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの微粒子効率は、高い。
ＳｉＣフィルタと比較して、本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの重量は、低減されている。６５％または８０％に及ぶ重量節減が可能である。この重量節減によって、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタをエンジンのより近くに配置することができる。
マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの組立は、容易である。
付加的な利点は、他の機能性を組み入れるができること、例えば、騒音減衰を組み入れることができることである。

本発明の第２の態様によれば、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタをもたらす方法が提供されている。この方法は、以下のステップ：
−多数のフィルタカートリッジを設けるステップであって、前記フィルタカートリッジは、金属繊維を含む多孔構造体を備えており、前記フィルタカートリッジは、中心フィルタカートリッジ軸を有しており、前記フィルタカートリッジは、前記多孔構造体を通る半径流方向をもたらすようになっている、ステップと、
−前記多数のフィルタカートリッジをケーシング内に配置するステップであって、前記ケーシングは、平均流れ方向を画定する流入側および流出側を有しており、前記ケーシングは、半径方向において気体不透過性であり、前記フィルタカートリッジは、前記フィルタカートリッジの前記中心フィルタカートリッジ軸が前記フィルタの平均流れ方向と実質的に平行になるように、前記ケーシング内に配置される、ステップと、
を含んでいる。

フィルタカートリッジを製造する方法は、
−少なくとも前縁を有する多孔構造体を設けるステップと、
−前記フィルタカートリッジの前記外径である所定の直径が得られるまで、前記多孔構造体を前記前縁と平行にコイル巻きするステップと、
を含んでいる。

本発明によるフィルタカートリッジを製造する代替的方法は、
−少なくとも前縁を有する多孔構造体を設けるステップと、
−導管を設けるステップであって、前記導管は、前記フィルタカートリッジの内径と殆ど等しい直径を有している、ステップと、
−前記フィルタカートリッジの前記外径である所定の直径が得られるまで、前記多孔構造体を前記前縁と平行に前記導管にコイル巻きするステップと、
を含んでいる。

任意選択的に、フィルタカートリッジを製造する方法は、
−少なくともメッシュ前縁を有する補強構造体を設けるステップと、
−前記補強構造体を前記メッシュ前縁と平行にコイル巻きされた多孔構造体の周りにコイル巻きするステップと、
を含んでいる。

補強構造体は、例えば、メッシュ、箔、シート、または板である。任意選択的に、補強構造体は、コイル巻きされた多孔構造体に焼結されるようになっている。

本発明の第３の態様によれば、マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの３５０ｋＷよりも大きい出力、例えば、４２０ｋＷよりも大きい出力を有するエンジンへの使用が提供されている。

以下、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

繊維ウエブから構成されるフィルタカートリッジをもたらす方法の連続的ステップのいくつかを概略的に示す図である。 繊維ウエブから構成される代替的フィルタカートリッジをもたらす方法の連続的ステップのいくつかを概略的に示す図である。 繊維ウエブから構成されたフィルタカートリッジ内に存在する繊維の投影図である。 繊維の束から構成されるフィルタカートリッジをもたらす方法の連続的ステップのいくつかを概略的に示す図である。 繊維の束から構成される代替的フィルタカートリッジをもたらす方法の連続的ステップのいくつかを概略的に示す図である。 繊維の束から構成されるフィルタカートリッジのさらに他の実施形態をもたらす方法のステップを概略的に示す図である。 繊維の束から構成されたフィルタカートリッジ内に存在する繊維の投影図である。 本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを示す図である。 本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの代替的実施形態の断面を示す図である。 特定の金属繊維の断面を示す図である。

以下、本発明を特定の実施形態についていくつかの図面を参照して説明するが、本発明は、これらに制限されず、請求項によってのみ制限されるものである。図面は、概略的に描かれているにすぎず、制限的なものではない。図面において、要素のいくつかの大きさは、説明のために、誇張されて、縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法および相対的寸法は、本発明の実施化に対応しているものではない。

以下の用語は、本発明の理解を促すためにのみ規定されるものである。
用語「多孔率」Ｐは、Ｐ＝１００^＊（１−ｄ）として理解されたい。ただし、ｄは、（焼結金属繊維媒体１ｍ^３の重量）／ＳＦであり、ＳＦは、焼結金属繊維媒体の金属繊維を構成している合金のｍ^３当たりの比重である。
（ＡＰと呼ばれることもある）「空気透過率」は、ＩＳＯ４００２と同等のＮＦ９５―３５２に記載されている装置を用いて測定されたものである。ＮＦ９５−３５２、従って、ＩＳＯ４００２の試験方法は、装置をフィルタ容積のより大きい直径に適合させるように修正されることになる。これは、フィルタ容積と装置の流入開口との間に中間的な漏斗状要素を設置することによって行われる。漏斗状要素は、片側が流入開口の周囲と一致し、他の側がフィルタケーシングの周辺に一致するようになっている。漏斗状要素は、漏れを回避するために、流入開口およびフィルタケーシングのいずれに対しても密封されている。
特定繊維の「等価直径」という用語は、特定繊維の断面の表面積の平均と等しい表面積の円形の半径方向断面を有する仮想繊維の直径として理解されたい。
「取り囲む（ｅｎｃｉｒｃｌｅ）」という用語は、「周りを通る（ｐａｓｓ ａｒｏｕｎｄ）」ことと理解されたい。従って、「少なくとも部分的に軸を取り囲む繊維」は、該繊維が、軸の周りを少なくとも部分的に通ることを意味している。これは、繊維を平均流路と直交する面ＡＡ’上に平均流路の方向に投影することによって、最もよく理解されるだろう。平均流路と直交する面ＡＡ’上に平均流路の方向に投影された繊維の投影線は、必ずしも、この面ＡＡ’上の軸の投影と一致する中心を有する円でなくてもよいし、または円弧でなくてもよい。最適な近似線、すなわち、平均流路と直交する面ＡＡ’上に平均流路の方向に投影された繊維の投影線に最も近似している線は、面ＡＡ’上において軸の投影に向かって配向した凹面を有している。

本発明によるフィルタカートリッジをもたらす連続的ステップが、図１ａ〜図１ｃに示されている。図１ａの第１のステップに示されているように、繊維１０２を含む多孔構造体１０１が準備される。多孔構造体１０１は、例えば、繊維ウエブであり、前縁１０３、後縁１０４、および２つの側縁１０５，１０６を有している。多孔構造体１０１は、例えば、実質的に矩形の繊維ウエブである。
多孔構造体は、例えば、等価直径３５μｍのコイル切削された金属繊維のランダムエアレイド法によって得られたウエブである。このウエブは、例えば、１０ｍｍから１５０ｍｍの間の幅および約３００ｇ／ｍ^２の表面重量を有している。代替例は、等価直径２２μｍのコイル切削された金属繊維のランダムエアレイド法によって得られたウエブである。このウエブは、例えば、１０ｍｍから１５０ｍｍの間の幅および約４５０ｇ／ｍ^２の表面重量を有している。さらに他の代替例は、等価直径１７μｍの集束伸線された金属繊維のランダムエアレイド法によって得られたウエブである。このウエブは、例えば、１０ｍｍから１５０ｍｍの間の幅および約３００ｇ／ｍ^２の表面重量を有している。さらに他の代替例は、等価直径１２μｍの集束伸線された金属繊維のランダムエアレイド法によって得られたウエブである。このウエブは、例えば、１０ｍｍから１５０ｍｍの間の幅および約２００ｇ／ｍ^２の表面重量を有している。
好ましくは、多孔構造体１０１内の繊維１０２は、ウエブ表面１０７と平行な面内に実質的に配向されている。この面内において、繊維の配向は、不規則である。いくつかの繊維は、後縁または前縁と実質的に並んでおり、他の繊維は、側縁と平行の方向に延びており、さらに他の繊維は、後縁または前縁と側縁との間に傾いて配向されている。

次いで、繊維を含む多孔構造体１０１は、前縁１０３と平行の巻軸１３０を有する導管１６０の周りに巻付けられる、すなわち、コイル巻きされる。導管１６０は、直径ｄを有している。巻き付け、すなわち、コイル巻きは、矢印１３１によって示されている方向に沿って行われる。巻付け中、多孔構造体１０１が実質的に矩形状なので、側縁１０５，１０６は、それらの各々がコイル巻きされたときに１つの面内にあるように、真っ直ぐに並んで保持されるようになっているとよい。他の形状の多孔構造体が巻き付けられてもよいし、巻き付けられた構造体の側部が適切な長さに切断されてもよいことは、明らかである。

任意選択的に、コイル巻きされた多孔構造体は、メッシュのような補強構造体１１０によって包囲される。可能であれば、補強構造体によって包囲されたコイル巻きされた構造体は、機械的固着ステップまたは熱的固着ステップに供されるとよい。

図１ｃおよび図１ｄは、使用時における、すなわち、矢印で示されている入口流および出口流がもたらされているフィルタカートリッジ１００を示している。フィルタカートリッジ１００は、高さＨおよび直径Ｄを有している。
図１ｃにおいて、フィルタカートリッジ１００は、フィルタカートリッジ１００の内側からフィルタカートリッジ１００の外側への半径流を有している。
フィルタカートリッジ１００は、フィルタカートリッジ１００の軸１７０と実質的に平行な入口流１７４およびフィルタカートリッ１００の半径方向外方に向かう出口流１７５を有している。フィルタカートリッジ１００は、エンドキャップ（図示せず）を備えていてもよい。
図１ｄにおいて、フィルタカートリッジ１００は、フィルタカートリッジ１００の外側からフィルタカートリッジ１００の内側への半径流を有している。
フィルタカートリッジは、フィルタカートリッジ１００の半径方向内方に向かう入口流１７６およびフィルタカートリッジ１００の軸１７０と実質的に平行な出口流１７７を有している。フィルタカートリッジ１００は、エンドキャップ（図示せず）を備えていてもよい。

さらに詳細に後述するように、繊維１０２の大部分（この実施形態では、例えば、８５％を超える部分）が、少なくとも部分的に軸１３０を取り囲んでいる。繊維のこの部分的な包囲は、繊維がウエブ内に存在しており、かつウエブ表面１０７と実質的に平行に配向されているという事実から説明することができる。ウエブ表面１０７がここでは軸１３０の周りに螺旋巻きされた螺旋体になっているので、ウエブ表面１０７と同一面にある繊維は、この螺旋体に従って、少なくとも部分的に軸１３０を取り囲んでいる経路に追従していることになる。ウエブ内において後縁または前縁と平行な成分を有する方向に沿って存在している繊維は、少なくとも部分的に軸１３０を取り囲むことになる。ウエブ内において側縁と平行な成分を有する方向に沿って存在している繊維は、少なくとも部分的にフィルタカートリッジ１００の軸方向に延在していることになる。

フィルタカートリッジは、多孔率、例えば、８５％、８６％、８７％、８８％、８９％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、または９８％の多孔率を有することができる。流入側と流出側との間の圧力降下を２００Ｐａとして測定された２２５Ｌ／ｄｍ^２／分の空気透過率を有することができる。この空気透過率は、とりわけ、繊維等価直径、フィルタカートリッジの高さ、および多孔率に依存している。

連続ステップが図２ａ〜図２ｃに示されている方法によって、本発明の第１の態様による代替的フィルタカートリッジを得ることができる。この例示的実施形態では、多孔構造体２０１は、矩形形状または実質的に矩形形状を有しており、導管が用いられない点、従って、巻軸２３０を中心としてコイル巻きされる点以外は、図１に記載されているのと同じ方法によってコイル巻きされている。繊維ウエブ２０１は、中心開口が存在するように、コイル巻きされてもよい。
任意選択的に、メッシュ２１０のような補強構造体が、図２ｂおよび図２ｃに示されているように、巻かれた繊維ウエブ２０１の周りにコイル巻きされている。可能であれば、この製品は、軟焼結されるか、または機械的手段によって固着されるとよい。

図３は、図１のフィルタカートリッジ１００に対応するフィルタカートリッジ内に存在している繊維の投影を示している。
図３において、３０５は、軸１３０の投影を表している。
３０１は、平均流路３００と直交している面ＡＡ’上に平均流路１５３の方向に投影された、いくつかの繊維の投影線３０３を概略的に示している。
図３の３０２は、面ＢＢ’上のいくつかの繊維の投影線３０４を概略的に示している。面ＢＢ’は、この面ＢＢ’と直交する方向に投影された平均流路を含んでいる。
３０１から明らかなように、面ＡＡ’上の繊維の投影は、少なくとも部分的に軸の投影３０５を取り囲む経路を示している。従って、面ＡＡ’に投影された繊維は、３次元的にも少なくとも部分的に軸を取り囲んでいる。最適な近似線の凹面は、投影３０５に向かって配向している。
３０２から明らかなように、面ＢＢ’上の繊維の投影は、軸方向に延在している成分を有する経路を示している。一例を挙げると、（その投影が３０６によって表されている）繊維は、長さＬａに沿って軸方向に延在している。

連続的ステップが図４ａ〜図４ｃに示されている方法を用いて、本発明の第１の態様によるフィルタカートリッジのさらに他の実施形態を得ることが可能である。
繊維４０２の束４０８を含む多孔構造体４０１が準備される。多孔構造体４０１は、前縁４０３を有している。束４０８は、任意の適切な等価直径、例えば、３５μｍまたは２２μｍを有するコイル切削または集束伸線された金属繊維を含んでいる。束は、典型的には、３ｇ／ｍの繊度を有している。集束伸線された金属繊維の束が用いられる場合、任意選択的に、束内の繊維は、繊維の嵩張り、従って、束の嵩張りを高めるために、波付けされている。
多孔構造体４０１内の繊維４０２は、束４０８内において、実質的に互いに平行に配向されている。
次いで、多孔構造体４０１は、導管４３２の周りに巻き付け、すなわち、コイル巻きされることになる。導管４３２は、巻軸４３０を画定している。巻付けは、矢印４３１に示されている方向に沿って行われる。束４０８は、長さＬ１にわたって導管４３２の周りに巻き付けられる。束は、（点ａ，ｂで示されている）シャフトの２つの端間で束４０８を案内する往復ガイド手段４３４によって、案内されるようになっている。導管の回転およびガイド手段の往復運動によって、束は、導管４３２の周りに、例えば、渦巻きまたは螺旋経路を描いて巻き付けられことになる。
シャフトの長さに沿った所定位置における巻き数を注意深く定めることによって、種々の位置に存在する繊維の量を決定かつ変更することができ、フィルタカートリッジの全高さＨの全体にわたって、均一な多孔率を得ることができる。

任意選択的に、コイル巻きされた繊維束は、図４ｂに示されているように、メッシュ４１０によってさらに包囲される。その後、可能であれば、コイル巻きされた繊維束４０８およびメッシュ４１０が焼結されるとよい。

図４ｂおよび図４ｃは、使用時における、すなわち、矢印で示されている入口流および出口流がもたらされているフィルタカートリッジ４００を示している。フィルタカートリッジ４００は、高さＨおよび直径Ｄを有している。
図４ｂにおいて、フィルタカートリッジ４００は、フィルタカートリッジ４００の内側からフィルタカートリッジ４００の外側への半径流を有している。
フィルタカートリッジ４００は、フィルタカートリッジ４００の軸４７０と実質的に平行な入口流４７４およびフィルタカートリッジ４００の半径方向外方に向かう出口流４７５を有している。フィルタカートリッジ４００は、エンドキャップ（図示せず）を備えていてもよい。
図４ｃにおいて、フィルタカートリッジ１００は、フィルタカートリッジ４００の外側からフィルタカートリッジの内側への半径流を有している。
フィルタカートリッジは、フィルタカートリッジの半径方向内方に向かう入口流４７６およびフィルタカートリッジ４００の軸４７０と実質的に平行な出口流４７７を有している。フィルタカートリッジ４００は、エンドキャップ（図示せず）を備えていてもよい。

図５ａおよび図５ｂに示されているさらに他の例示的実施形態では、フィルタカートリッジが得られている。この実施形態では、多孔構造体４０１は、導管が用いられない点、従って、巻軸４３０を中心としてコイル巻きされる点以外は、図４ａおよび図４ｂに対して記載されているのと同じ方法によってコイル巻きされている。

図６は、本発明によるフィルタカートリッジを製造するためのさらに他の代替的開始位置を示している。ここでは、多数本の繊維束が導管に巻き付けられるが、これらの繊維束は、いずれも、互いに平行に巻き付けられるようになっている。用いられる繊維束の量は、製造されるフィルタカートリッジの長さＬに依存している。本発明によるフィルタカートリッジを製造するこの方法を用いるとき、種々の金属組成物の繊維束が用いられてもよい。
さらに詳細に後述するように、繊維４０２の大部分（例えば、８５％以上の部分）が、少なくとも部分的に軸４３０を取り囲んでいる。これは、繊維が、束内において束と平行の方向に存在しているからである。従って、束１０８が軸４３０を有する螺旋体に変換されると、繊維は、少なくとも部分的に軸４３０を取り囲む経路に追従することになる。

繊維の殆どは、束４０８内において該束の方向に沿って存在しているので、少なくとも部分的に軸４３０を取り囲むことになる。束が渦巻状または螺旋状に巻かれると、繊維の方向が軸方向成分を有しているので、殆どの繊維は、少なくとも部分的にフィルタカートリッジの軸方向に延在することになる。
さらに詳細に後述するように、繊維４０２の大部分（この実施形態では、例えば、８５％を超える部分）は、少なくとも部分的に軸４３０を取り囲んでいる。図７は、図４のフィルタカートリッジに対応するフィルタカートリッジ内に存在している繊維の投影を示している。
図７において、４１５は、軸１３０の投影を表している。
４１１は、平均流路１５３と直交する面ＡＡ’上に平均流路の方向に投影された、いくつかの繊維の投影線４１３を概略的に示している。
図７の４１２は、面ＢＢ’上のいくつかの繊維の投影線４１４を概略的に示している。面ＢＢ’は、この面ＢＢ’と直交する方向に投影された平均流路を含んでいる。
４１１から明らかなように、面ＡＡ’上の繊維の投影は、少なくとも部分的に軸の投影４１５を取り囲む経路を示している。従って、面ＡＡ’上に投影された繊維は、３次元的にも少なくとも部分的に軸を取り囲んでいる。最適な近似線の凹面は、投影４１５に向かって配向している。
４１２から明らかなように、面ＢＢ’上の繊維の投影は、軸方向に延在している成分を有する経路を示している、一例を挙げれば、投影が４１６で示されている繊維は、長さＬａに沿って軸方向に延在している。

図８および図９は、本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子のいくつかの実施形態を示している。本発明を実施する方法およびフィルタカートリッジの目的を達成するための他の構成は、当業者には明らかであろう。本明細書において、本発明による装置に対する好ましい実施形態、特定の構造および構成、ならびに材料について検討してきたが、形態および詳細に関する種々の変更または修正が、添付の請求項に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、行われてもよいことを理解されたい。

図８ａは、本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ８００を示している。このマルチカートリッジフィルタ８００は、７つのフィルタカートリッジ８０２を備えている。気体不透過性ケーシング８０４が、フィルタ容積８０６の外部境界を覆うことによって、設けられている。ケーシング８０４は、流入側８１０および流出側８０８を有しており、平均流れ方向８１２を画定している。ケーシング８０４およびフィルタ容積８０６は、平均流れ方向８１２と実質的に平行な軸８１４を有しており、ケーシング８０４は、平均流路の方向におけるフィルタ容積８０６の外部境界を定めている。ケーシング８０４は、半径方向において気体不透過性である。ケーシング内のフィルタ容積には、多数のフィルタカートリッジ８０２が充填されている。
図８ｂは、図８ａに示されているマルチカートリッジディーゼル煤微粒子の断面を示している。
図８ｃは、ケーシング８０４を有するマルチカートリッジ煤微粒子フィルタ８００を示している。フィルタ流出側８０８は、７つのフィルタ出口８１４を有している。

図９ａおよび図９ｂは、本発明によるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの他の実施形態の断面を示している。図９ａは、４つのフィルタカートリッジ９０２を有するディーゼル煤微粒子フィルタ９００の断面を示している。
図９ｂは、（１＋６＋１９＋３７）フィルタカートリッジ９６０を有するディーゼル煤微粒子フィルタ９５０の断面を示している。１つのフィルタカートリッジ９６１が、中心に配置されている。この中心フィルタカートリッジ９６１は、第１の層として６つのフィルタカートリッジ９６２によって包囲されており、第２の層として１９個のフィルタカートリッジ９６３によって包囲されており、第３の層として３７個のフィルタカートリッジ９６４によって包囲されている。

図１０は、少なくとも１．７の粗さを有する金属繊維の断面１０００を示している。図示されている金属繊維は、２２μｍの等価直径を有している。２２μｍの等価直径を有する仮想繊維の周囲が１０２０によって示されている。実繊維の断面の周囲が１０１０によって示されている。
該等価直径を直径として有する仮想繊維の断面の周囲１０２０に対する実繊維の断面の周囲１０１０の比率として定義される粗さは、１．９である。

Claims (15)

1. フィルタ容積の外部境界を定めるケーシングを備えるマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタにおいて、前記フィルタは、中心フィルタ軸を有しており、前記ケーシングは、平均流れ方向を画定する流入側および流出側を有しており、前記平均流れ方向は、前記中心フィルタ軸と実質的に平行であり、前記ケーシングは、半径方向において気体不透過性であり、前記フィルタ容積には、少なくとも２つのフィルタカートリッジが充填されており、前記フィルタカートリッジの各々は、中心フィルタカートリッジ軸を有しており、前記中心フィルタカートリッジ軸は、前記フィルタの前記平均流れ方向と実質的に平行であり、前記フィルタカートリッジは、金属繊維を含む多孔構造体を備えており、前記フィルタカートリッジは、前記多孔構造体を通る半径流方向をもたらすようになっていることを特徴とするマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
2. 前記フィルタカートリッジの各々は、前記フィルタカートリッジの半径方向内方に向かう入口流および前記中心フィルタカートリッジ軸と実質的に平行な出口流を有していることを特徴とする、請求項１に記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
3. 前記フィルタカートリッジの各々は、前記中心フィルタカートリッジ軸と実質的に平行な入口流および前記フィルタカートリッジの半径方向外方に向かう出口流を有していることを特徴とする、請求項１に記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
4. 前記フィルタカートリッジの各々は、流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}および容積Ｖ_{カートリッジ}を画定しており、比率（フィルタカートリッジの流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}／フィルタカートリッジの容積Ｖ_{カートリッジ}）は、０．０１ｍ^２／Ｌから０．１ｍ^２／Ｌの範囲内にあることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
5. 比率（フィルタの全流入表面Ｓ_{フィルタ全体}／エンジンの出力）は、０．００１ｍ^２／ｋＷから０．０１ｍ^２／ｋＷの範囲内にあり、前記フィルタの全流入表面Ｓ_{フィルタ全体}は、前記マルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの個々のフィルタカートリッジの前記流入表面Ｓ_{フィルタカートリッジ}の合計であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
6. 前記フィルタは、３５０ｋＷよりも大きい出力を有するエンジンに適していることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
7. フィルタカートリッジの前記多孔構造体は、前記中心フィルタカートリッジ軸の周りにコイル巻きされていることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
8. フィルタカートリッジは、中心導管を備えており、フィルタカートリッジの前記多孔構造体は、前記中心導管の周りにコイル巻きされていることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
9. 前記多孔構造体は、繊維ウエブであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
10. 前記多孔構造体は、少なくとも１つの繊維束を含んでいることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
11. 前記フィルタは、少なくとも１つの中心フィルタカートリッジおよび少なくとも２つの外側フィルタカートリッジを備えており、前記外側フィルタカートリッジは、前記中心フィルタカートリッジの周りに配置されていることを特徴とする、先行する請求項のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタ。
12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを製造する方法において、
    −多数のフィルタカートリッジを設けるステップであって、前記フィルタカートリッジは、金属繊維を含む多孔構造体を備えており、前記フィルタカートリッジは、軸を有しており、前記フィルタカートリッジは、前記多孔構造体を通る半径流方向をもたらすようになっている、ステップと、
    −前記多数のフィルタカートリッジをケーシング内に配置するステップであって、前記ケーシングは、平均流れ方向を画定する流入側および流出側を有しており、前記ケーシングは、半径方向において気体不透過性であり、前記フィルタカートリッジは、前記フィルタカートリッジの前記軸が前記フィルタの前記平均流れ方向と実質的に平行になるように、前記ケーシング内に配置される、ステップと、
    を含んでいることを特徴とするマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを製造する方法。
13. 前記フィルタカートリッジは、
    −少なくとも前縁を有する多孔構造体を設けるステップと、
    −前記多孔構造体を所定の直径が得られるまで前記前縁と平行にコイル巻きするステップと、
    を含んでいる方法によって製造されることを特徴とする、請求項１２に記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを製造する方法。
14. 補強構造体が前記コイル巻きされた多孔構造体の周りにコイル巻きされることを特徴とする、請求項１２または１３のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタを製造する方法。
15. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載のマルチカートリッジディーゼル煤微粒子フィルタの３５０ｋＷよりも大きい出力を有するエンジンへの使用方法。

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