JP2015128765A - 微粒子フィルタおよび微粒子フィルタの再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低い清浄時圧力損失、低い圧力損失応答、および微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答を生じ、エンジンの燃料経済性を促進し、フィルタの再生頻度を低下させ、ろ過効率を増大させる幾何学的形状および微細構造の微粒子フィルタの提供。
【解決手段】微粒子フィルタ１００は、入口端１０２、出口端１０４、および流体が入口端１０２から出口端１０４まで流れるように配置及び構成された複数のチャネル１０８，１１０を備え、ここでチャネル１０８，１１０は微粒子を捕捉するように構成された多孔壁１０６によって画成され、多孔壁は、約２００ｃｐｓｉ未満のセル密度、約０．３６ｍｍ未満の壁厚、約１３〜約２０μｍの範囲のメジアン細孔径、約４５％を超える全多孔率、及び、１０μｍ未満の細孔が約６％未満の多孔率である細孔径分布を有し、直径に対する長さの比が約１未満である微粒子フィルタ。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照

本願は、参照することによって本明細書に援用される、２００９年１月２１日に出願した米国特許出願第１２／３５６，９６５号の優先権の利益を主張する。

本教示は、一般に、微粒子フィルタおよび、微粒子フィルタの再生方法に関する。さらに具体的には、本教示は、エンジン排ガスに含まれる微粒子を捕捉および燃焼するための、例えば壁流微粒子フィルタなどの微粒子フィルタに関する。

環境への懸念は、内燃エンジンおよび他の燃焼システムに対する、世界の大部分を通じた排気規制実施の動機づけとなっている。排ガス後処理システムにおいて実現される触媒コンバータは、排ガス中に存在する多くの汚染物質の排除に用いられている；しかしながら、フィルタは、しばしば、例えばアッシュおよびスートなどの微粒子の除去を必要とする。例えば壁流微粒子フィルタは、スートおよびアッシュなどの微粒子を排ガスから除去するためのエンジンシステムに用いられることが多い。このような微粒子フィルタは、内部の多孔壁によって隔てられた平行な流路またはセルを有するハニカム状の基板でできている場合がある。流路の入口および出口端は、排ガスがひとたび基板内部に入ったら、内部の多孔壁を通過するように強いられ、それによって多孔壁が排ガスの一部の微粒子を保持するように、例えば市松模様などに選択的に塞栓されうる。多孔壁による微粒子の捕捉は、２つの異なる段階：最初は多孔壁の内部（深層ろ過）、次に流路の多孔壁（ケーク層ろ過）で起こりうる。

このように、壁流微粒子フィルタは、例えばアッシュおよびスートなどの微粒子を排ガスから除去するのに有効であることが分かった。しかしながら、壁流微粒子フィルタの圧力損失は、多孔壁およびチャネル内に捕捉される微粒子の量が増加するにつれて増大する。調整されていない（例えば、微粒子による多孔質のフィルタ壁の浸透を停止するためのアッシュ層を十分に有しない）フィルタでは、初期の深層ろ過段階（典型的には１ｇ／Ｌ（グラム／リットル）未満の微粒子がフィルタに捕捉される）の間に、一般に圧力損失の急増があり、その後、ケーク層ろ過段階の間の微粒子負荷に伴う圧力損失の漸増が生じる。圧力損失の増大は、エンジンに対する背圧の漸増、およびそれに対応するエンジン性能の低下を生じる結果となる。したがって、スートは、過剰レベルまで蓄積する前に、制御された再生プロセスにおいて一般に酸化され、除去される。

従来の再生技術の１つは、例えば、フィルタにおけるスートの焼失を支援する温度まで、入口の排ガスを加熱することを含む。しかしながら、このプロセスは、熱という形でエネルギーを放出し、フィルタの温度を上昇させる。フィルタ内のスート・レベルが非常に高くなると、再生によりフィルタの温度が破損点まで上昇し、フィルタに熱誘導された亀裂または溶融を生じうる。フィルタの不具合は、フィルタのろ過効率の深刻な低下を生じ、交換を必要とする場合がある。したがって、フィルタの不具合につながりうる高いフィルタ温度を回避するため、十分に低いスート・レベルで再生を行うことが有利である。

しかしながら、過度に多くの再生事象を生じうる、低すぎるスート・レベルでの再生の誘発を避けることも望ましいであろう。再生事象の繰り返しは、例えば、オイル希釈、ＮＯ_xの不利益、燃料の不利益、および／またはエンジンパワーの損失を生じることなどによる悪影響を有しうる。したがって、高いフィルタ温度での再生を回避するため、スート・レベルが臨界レベルに達する前に再生が誘発されることを確実にすると共に、再生事象の間隔を比較的長くすることが望ましいであろう。

例えば壁流微粒子フィルタにわたる、圧力損失は、フィルタのスート・レベルをモニタリングし、スート質量が臨界極限に達したときに再生を誘発する方法として使用することができる。しかしながら、実際には、測定誤差、フィルタごとの圧力損失応答の変動、および／または、フィルタにおけるアッシュの存在の関数としての圧力損失応答の変化（例えば、フィルタが新しいか、または蓄積したアッシュ（調整アッシュ）を有するかなど）としてのこれらの因子に起因して、フィルタにおける実際のスート・レベルには幾つかの不確実性が存在する。ケーク層ろ過段階の間のスート負荷に関して比較的低い圧力損失応答を示すフィルタの場合（例えば、スート負荷レベルに対する圧力損失の曲線の勾配は小さい）、この不確実性はかなり大きくなりうる。それにもかかわらず、燃料効率の増大の目的の理由から、一部の従前の方法は、微粒子の負荷に関係なく、フィルタの圧力損失を最小化し、それによって初期の深層ろ過段階の間だけでなく、ケーク層ろ過段階の間にも、スート負荷に対する低い圧力損失応答を生じさせることに集中していた。

しかしながら、低い圧力損失応答の維持は、燃料経済性における悪影響も有しうる。さらに具体的に言えば、特に、圧力損失が再生事象の誘発に使用される場合には、ケーク層ろ過段階の間のスート負荷の増大に対する低い圧力損失応答は、燃料効率に悪影響を与えうる。再生は、入口の気体の温度を十分に高いレベルまで上昇させてスートの燃焼を開始するために、システムへのエネルギー入力を必要とする。このエネルギー入力は、典型的には燃料の注入後にもたらされるが、どんなエネルギー入力装置であれ、燃料経済性を損なう結果となる。

ケーク層ろ過段階の間に、微粒子負荷に対する比較的高い圧力損失応答（すなわち、スート負荷レベルに対する圧力損失の曲線の比較的急な勾配）を示すが、微粒子負荷前（例えばフィルタが清浄な場合）は低い圧力損失を示し、深層ろ過段階の間には、微粒子負荷に対する比較的低い圧力損失応答（すなわち、スート負荷レベルに対する圧力損失の曲線の比較的小さい勾配）を示すフィルタを提供することは、望ましいであろう。比較的高いろ過効率（ＦＥ）を達成するフィルタの提供も望ましいであろう。したがって、前述の望ましい特徴を達成する幾何学的特性および微細構造特性を有するフィルタの提供は望ましいであろう。

フィルタが微粒子負荷の臨界レベルに達する前に再生が行われることを確実にするが、時期尚早な再生の誘発（結果的に頻繁な再生を生じる）をしない、フィルタの再生技術を提供することもまた望ましいであろう。言い換えれば、従来の再生を誘発する方法を用いた場合よりも臨界極限の負荷レベルに近い微粒子負荷レベルで再生を誘発するフィルタおよび再生技術を提供することは望ましいであろう。

本教示は、上記問題の１つ以上を解決、および／または上記望ましい特徴の１つ以上を実証しうる。他の特徴および／または利点は、以下の説明から明白になるであろう。

さまざまな典型的な実施の形態によれば、本教示は、入口端、出口端、および流体が前記入口端から前記出口端まで流れるように配置および構成された複数のチャネル
を備えた微粒子フィルタを提供し、ここで、
前記チャネルは、微粒子を捕捉するように構成された多孔壁によって画成され、
前記多孔壁は、約２００ｃｐｓｉ（約３１セル／平方センチメートル）未満のセル密度、約１４ミル（約０．３６ｍｍ）未満の壁厚、約１３マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの範囲のメジアン細孔径、約４５％を超える全多孔率、および１０マイクロメートル未満の細孔が約１０％未満の多孔率を提供するような細孔径分布を有する。

さまざまな追加の典型的な実施の形態によれば、本教示は、
入口端、出口端、および流体が前記入口端から前記出口端まで流れるように配置および構成された複数のチャネルを備えた微粒子フィルタを提供し、ここで、
前記チャネルは、微粒子を捕捉するように構成された多孔壁によって画成され、
前記微粒子フィルタは、５００℃の温度および１４００ｍ³／時間の流体流速で微粒子フィルタを通じて流れる流体が、１．７ｋＰａ以下の入口端から出口端に至る低い清浄時圧力損失；約３．４ｋＰａ／（スート密度のｇ／Ｌ）以下の勾配で規定される、深層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する低い圧力損失応答；および、約０．９ｋＰａ／（スート密度のｇ／Ｌ）より大きい勾配で規定される、ケーク層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答を示すように構成される。

追加の目的および利点は、一部には後述する説明に記載され、一部にはその説明から明白となり、あるいは、本教示の実施によって習得されよう。本目的および利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される構成要素および組合せによって、実現および到達されよう。

前述の概要および後述する詳細な説明は、両方とも、単に典型例および説明のためであって、特許請求の範囲を制限するものではないことが理解されるべきである。

本発明は、後述する詳細な説明から単独で、または添付の図面と共に、理解することができる。図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に取り込まれ、その一部を構成する。図面は１つ以上の典型的な実施の形態を例証し、説明と共に、さまざまな原理および動作を説明する役割をする。

本教示に従った微粒子フィルタの１つの典型的な実施の形態の斜視図。 図１の微粒子フィルタの概略的な断面図。 本教示のさまざまな典型的な実施の形態に従った微粒子フィルタの微粒子負荷に対する圧力損失のグラフ。 ケーク層ろ過の間の微粒子フィルタのスート負荷に対する比較的急勾配の圧力損失応答と、ケーク層ろ過の間の微粒子フィルタのスート負荷に対する比較的低い圧力損失応答とを比較するグラフ。 清浄フィルタおよびスートを負荷したフィルタの壁セル密度の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな壁セル密度を有するフィルタに対応する、スート負荷の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな長さのフィルタに対応する、スート負荷の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな壁厚を有するフィルタに対応する、スート負荷の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな壁厚を有するフィルタに対応する、スート負荷の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな壁厚を有するフィルタに対応する、スート負荷の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する壁メジアン細孔径の関数としての清浄時圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する壁メジアン細孔径の関数としての清浄時圧力損失の実験的検査から得られた結果。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する壁多孔率の関数としての清浄時圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する壁多孔率の関数としての清浄時圧力損失の実験的検査から得られた結果。 壁メジアン細孔径の関数としての清浄フィルタ効率のモデリング・データから得られた結果。 壁メジアン細孔径の関数としての清浄フィルタ効率の実験的検査から得られた結果。 壁多孔率の関数としての清浄フィルタ効率のモデリング・データから得られた結果。 壁多孔率の関数としての清浄フィルタ効率の実験的検査から得られた結果。 深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁多孔率の影響を例証するモデリング・データから得られた結果。 深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁細孔径分布の影響を例証するモデリング・データから得られた結果。

上述のように、フィルタのスート負荷レベルをモニタリングし、スート負荷が臨界極限に達したときに再生を誘発するためにスート負荷に対する圧力損失応答を使用する場合、測定誤差、フィルタごとの圧力損失応答の変動、およびフィルタにおけるアッシュの存在の関数としての圧力損失応答の変化などの因子に起因して、フィルタにおける実際のスート負荷レベルには幾つかの不確実性が存在する。したがって、その不確実性に起因して、再生は、しばしば、臨界スート負荷レベルより低いスート負荷レベルに対応する圧力損失において誘発される。一部の従来のフィルタ構成では、フィルタの圧力損失応答がケーク層ろ過段階の間のスート負荷に関して比較的低い場合、不確実性は、ケーク層ろ過段階の間のスート負荷に対する比較的高い圧力損失応答を有するフィルタと比較して、より早く再生を誘発する必要を生じる。

本教示は、流体流れから微粒子を除去するように構成された微粒子フィルタ、およびそのような微粒子フィルタを再生する方法を意図している。さらに具体的に言えば、微粒子フィルタは、例えば、エンジン排ガスに含まれるスートおよびアッシュなどの微粒子を捕捉するように構成されうる。本教示は、フィルタが清浄な場合に低い圧力損失を生じ、フィルタが汚れてきた場合、すなわちスートなどの微粒子が負荷された場合には高い圧力損失を生じる、微粒子フィルタを意図している。言い換えれば、本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、最初に、アッシュおよびスートが集積する前（例えば清浄時）には低い圧力損失を有し、深層ろ過段階の間には比較的低い圧力損失応答（例えば、フィルタ壁へのアッシュおよびスートの捕捉の初期段階の最小化された勾配）を有するが、連続したスートの集積には感応性であり、ケーク層ろ過段階の間にはフィルタのスート負荷の増大に対し比較的急勾配の圧力損失応答（例えば、フィルタ壁上へのスートの捕捉の残りの期間を通じて最大化される勾配）を生じる、微粒子フィルタ構成を検討する。ある典型的な実施の形態では、深層ろ過の間の圧力損失応答は、ケーク層ろ過の間の圧力損失応答にほぼ等しい。言い換えれば、スート負荷に対する圧力損失の曲線の勾配は、深層ろ過の間とケーク層ろ過の間で実質的に同一である。

例えば、本教示のさまざまな典型的な実施の形態に従って決定した細孔径、多孔率および／または細孔径分布などのフィルタの微細構造特性は、フィルタにわたる低い清浄時圧力損失、ならびに深層ろ過段階の間のスート負荷に対する低い圧力損失応答を提供するのに十分でありうる。加えて、例えば、本教示のさまざまなさらなる典型的な実施の形態に従って決定した、セル密度（すなわち、セル／平方インチ（ｃｐｓｉ））、壁厚、フィルタ長および／またはフィルタ直径などのフィルタの幾何学的特性は、ケーク層ろ過段階の間にフィルタのスート負荷に対する急勾配の圧力損失応答を提供するのに十分でありうる。

上述し、本明細書で説明する典型的な実施の形態は、幾何学的形状および微細構造が、深層ろ過段階の間に（もしあれば）、微粒子フィルタの低い清浄時圧力損失、微粒子負荷に対する低い圧力損失応答、および、ケーク層ろ過段階の間に微粒子フィルタの微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答を生じ、それによってエンジンの燃料経済性を促進し、フィルタの再生頻度を低下させ、フィルタのろ過効率を増大させる、微粒子フィルタを表す。

本明細書では「微粒子フィルタ」または「フィルタ」という用語は、その構造体を通過する流体流れから微粒子を除去することができる構造体のことをいう。本教示は任意の流体流れからの任意の微粒子の除去に適用して差し支えなく、流体流れは気体または液体の形状でありうる。気体または液体は、気体または液体流れ中の固体微粒子、または気体流れ中の液滴など、別の相も含みうる。限定されない典型的な流体流れとしては、例えばディーゼルおよびガソリンエンジンなどの内燃エンジンによって生じる排ガス、水性液体流れ、および、石炭ガス化プロセスで生じる石炭燃焼排ガスが挙げられる。

微粒子は任意の相でありうる。よって、微粒子は、例えば、気流流れにおける固体または液体、または液流流れにおける固体として存在しうる。典型的な微粒子として、例えば、アッシュ微粒子、金属摩耗粒子、硫酸塩、および／またはケイ酸塩などのディーゼルのスートおよび煙霧質を含む、例えばディーゼルの微粒子（例えばディーゼルの車およびトラックからのディーゼル排ガスの微粒子成分）が挙げられる。本明細書では「スート」という用語は、内燃プロセスの間に、炭化水素の不完全燃焼から生じる純粋ではない炭素粒子のことをいう。「アッシュ」という用語は、ほとんどすべての石油製品に見られる不燃性の金属素材のことをいう。ディーゼル用途では、アッシュは、典型的にはクランクケース油から生産される、および／または燃料添加触媒から生じる。本明細書では「臨界の微粒子負荷レベル」という用語は、エンジン動作にとって圧力損失の不利益が大きすぎる、または再生が微粒子の燃焼時の高温および／または大きい温度勾配に起因してフィルタの不具合を生じうる、微粒子の負荷レベルのことをいう。

本教示の微粒子フィルタは、限定はしないが、例えば、壁流モノリス構造または部分流モノリス構造（すなわち、壁流モノリス構造とフロースルーモノリス構造の任意の組合せ）を含めた、特定の用途、ならびにさまざまな構成および設計に適した任意の外形または幾何学的形状を有しうる。典型的な壁流モノリスとしては、例えば、チャネルまたは多孔質の網目構造、または、構造体の対向する両端が開放および塞栓された個別の通路を有する他の通路を備え、それによって流体が一方の端からもう一方の端に流れる際に、流体によるモノリスのチャネル壁の通過を高める、任意のモノリス構造が挙げられる。典型的な部分流モノリスとしては、例えば、上記のように部分壁流であるモノリス構造、および部分的にフロースルーするモノリス構造が挙げられ、ここで、チャネルまたは多孔質の網目構造または他の通路の一部は両端において開放されており、流体流れがモノリスの通路を通じて一方の端からもう一方の端まで流れることを可能にする。本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、微粒子の堆積についての単位体積あたりの表面積が大きいことから、ハニカム構造のセル配置の利用を意図している。当業者は、ハニカム構造のセル断面が、実際上、任意の形状を有していて差し支えなく、四角形または六角形に限定されないことを理解するであろう。同様に、下記の教示からさらに理解されるように、ハニカム構造は、壁流構造または部分流構造のいずれかのように構成されて差し支えない。

図１は、本教示の実施に適した微粒子フィルタの１つの典型的な実施の形態を例証している。微粒子フィルタ１００は、入口端１０２、出口端１０４、および入口端１０２から出口端１０４まで延在する複数のチャネル１０８、１１０を有する。チャネル１０８、１１０は、交差する多孔壁１０６によって画成され、それによって、一般にハニカム構造を形成する。微粒子フィルタ１００は、実質的に四角形の断面を有するチャネルを有するように（すなわち、フィルタ１００の長手方向の軸に垂直な平面内で）描かれているが、チャネル１０８、１１０は、本教示の範囲から逸脱することなく、例えば、断面が、円形、四角形、三角形、四角形、六角形、正弦曲線、またはそれらの任意の組合せなど、さまざまな追加の幾何学的形状を有しうることは、当業者に理解されよう。

加えて、微粒子フィルタ１００は円筒形状で描かれているが、これらの形状は単に典型例であって、本教示にしたがった微粒子フィルタはさまざまな形状を有して差し支えなく、限定はしないが、卵型、ブロック型、立方体型、三角形型などが挙げられることが当業者に理解されよう。

微粒子フィルタ１００は任意の適切な物質でできていて差し支えなく、多孔壁１０６は、特定の多孔質材料に限られない。典型的な材料には、さまざまな多孔質のセラミックがあり、限定はしないが、コージエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム、ユークリプタイト、アルミン酸カルシウム、リン酸ジルコニウム、およびスポジュメンが挙げられる。さまざまな典型的な実施の形態では、微粒子フィルタ１００は、例えば、押出成形および／または鋳造を経て、モノリス構造として成形されうる。当業者は、例えばセラミックモノリス構造などを成形するための様々な技法に精通している。微粒子フィルタは、さまざまな典型的な実施の形態において、フィルタの外周囲の外側面を形成する外皮も備えうる。外皮は、多孔壁とは同一または異なる材料からできていて差し支えなく、さまざまな実施の形態では、多孔壁よりも厚い場合がある。

図１および２に示すように、本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、さらに、流体流れと多孔壁１０６の間のさらに緊密な接触を可能にする壁流構造を提供するために、１つ以上の選択的に塞栓されたチャネル端を有する微粒子フィルタ１００を意図している。図２は、微粒子フィルタ１００におけるチャネル１０８、１１０を示す、線２−２で切断した図１の微粒子フィルタ１００の概略的な断面図である。別のチャネル１０８および１１０は、両端を塞栓１１２で塞がれている。図１および２の典型的な実施の形態では、例えば、チャネル１１０は、フィルタ１００の入口端１０２において塞栓１１２で塞がれ、チャネル１０８は、フィルタ１００の出口端１０４において塞栓１１２で塞がれている。このチャネル１０８、１１０の遮断により、流体の対流は多孔壁１０６を通るように強いられる。矢印Ｆの方向に流れる流体は、チャネル１０８の入口端１０２を通じて微粒子フィルタ１００に入るが、チャネルの出口端１０４における塞栓１１２によって遮断される。その遮断物は、流体がチャネル１０８の多孔壁１０６を通過するように強いる、遮断されたチャネル１０８内の圧力を上昇させる。流体が多孔壁１０６を通るように強いられることから、微粒子物質が壁１０６に捕捉されると同時に、流体は遮断されずに通過する。次に、ろ過された流体は隣接するチャネル１１０に入り、チャネル１１０の出口端１０４を通じて微粒子フィルタ１００から出る。

塞栓１１２は任意の適切な物質でできていて差し支えなく、特定の塞栓用のペーストまたは材料に限定されない。さまざまな典型的な実施の形態では、例えば、特にコージエライトでできたフィルタでは、塞栓１１２は、結合剤および充填剤を併用したコージエライト・グロッグから形成されうる。典型的な塞栓には、例えば、チタン酸アルミニウム粉末、アルミン酸カルシウム粉末、カオウール（商標）アルミノケイ酸塩繊維、シリカゾル、メチルセルロース結合剤および水の混合物からなる、加熱によって硬化する、塞栓用ペーストなども挙げられる。

本教示のさまざまな典型的な実施の形態によれば、多孔壁１０６は、例えば、多孔壁１０６の厚みの内部および多孔壁１０６の表面１０７上など、さまざまな異なる方法で微粒子を捕捉することができる。フィルタ壁内への微粒子の捕捉は、通常、深層ろ過と称される。しかしながら、多孔壁１０６における、ある特定の範囲を超えた微粒子の堆積は、その後の微粒子が多孔壁１０６の表面１０７上に捕捉されるのに十分なほど、壁透過性を低下させうる。この種の捕捉は、しばしばケーク層ろ過と称される。深層ろ過の間、微粒子フィルタのスート負荷に伴い、背圧は急勾配で増大する。したがって、深層ろ過段階において、微粒子負荷に対する低い圧力損失応答を有する（例えば、圧力損失応答曲線の勾配を最小化する）ことは望ましい。堆積する微粒子自体が濾材として作用することから、ろ過効率もまた、初期の（清浄フィルタ）ろ過効率から最大ろ過効率まで、増大が見られる。ケーク層ろ過の間にろ過効率は最大化され、スート負荷に伴う背圧の増加は、深層ろ過と比較してより漸進的である（例えば、スート負荷に対する圧力損失応答は一般に低い）。

したがって、微粒子フィルタの微粒子負荷に対する圧力損失応答は、一般に、ケーク層ろ過段階と比較して深層ろ過段階の間で大きく、それによって、フィルタの圧力損失応答曲線２００には屈曲２０２が生じる（図３Ａに概略的に示す）。圧力損失応答曲線２００の屈曲２０２における勾配の変化を最小限に抑えるため、本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、深層ろ過の初期段階の間の圧力損失応答曲線の勾配を縮小し（すなわち、深層ろ過の間に見られる典型的には高い勾配と比較して比較的小さい勾配をもたらし）、ケーク層ろ過の後の段階の間の圧力損失応答曲線の勾配に近づけることを意図する（図３Ａを参照）。初期の屈曲２０２を排除および／または最小限に抑える（例えば、実質的に連続的に傾斜した曲線２００をもたらす）ため、さまざまな追加の典型的な実施の形態は、さらに、深層ろ過が排除されるか、または最小限に抑えられ、フィルタの微粒子負荷が直接ケーク層ろ過を生じるように（例えば、その微細構造に基づいて）構成された微粒子フィルタを意図している。このような事例では、本教示は、それにもかかわらず、ケーク層ろ過の間に低い清浄時圧力損失および微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答を達成するように構成されたフィルタを意図している。

図１および２およびに示す塞栓されたチャネル端のパターンは単に典型例であり、塞栓されたチャネルの他の配置も本教示の範囲から逸脱することなく利用されうることは、当業者に認識されよう。さらには、当業者は、部分流フィルタ構造（すなわち、フィルタの一部のチャネルは塞栓され、フィルタの一部のチャネルは両端が開放されている）もまた、本教示の範囲から逸脱することなく利用して差し支えないことを認識するであろう。深層ろ過およびケーク層ろ過に関する上記説明、およびろ過時間に対する圧力損失応答は、部分流構造におけるチャネルを通じて流れる少なくとも一部の流体が、多孔質のフィルタ壁を通過し、チャネル壁内に微粒子を捕捉する結果となることから、壁流フィルタ構造と同様に部分流フィルタ構造にも適用される。

上述のように、幾何学的な、例えば図１および２の微粒子フィルタ１００のような微粒子フィルタなど、微粒子フィルタの多孔壁の構造特性は、エンジンの燃料経済性、微粒子フィルタのろ過効率、および微粒子フィルタの再生頻度に影響を与える。以下にさらに詳細に記載するように、本発明者らは、低い清浄時圧力損失および微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答を達成する（例えば、ケーク層ろ過の間に）微粒子フィルタが、燃料経済性およびろ過効率を促進すると同時に、フィルタの再生頻度を低減しうることを見出した。さらには、本発明者らは、高い初期ろ過効率、低い清浄時圧力損失、深層ろ過段階の間（もしあれば）の微粒子負荷に対する低い圧力損失応答、およびケーク層ろ過段階の間の微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答を達成することができる、微粒子フィルタの幾何学的形状と多孔壁構造特性の組合せを見出した。

本明細書では「清浄時圧力損失」という用語は、微粒子フィルタが清浄な場合には流体は微粒子フィルタを通って入口端から出口端へと流れることから、流体の、結果的に生じた圧力損失と称される。したがって、「低い清浄時圧力損失」を有する微粒子フィルタとは、初めに流体が比較的自由に通ることができるようにし、フィルタを横断する際に流体の低い圧力損失を生じるフィルタのことをいう。本明細書では「微粒子負荷に対する圧力損失応答」という用語は、流体が微粒子フィルタを通じて入口端から出口端へと流れる際に、フィルタが汚れてきて、微粒子が負荷されるにつれて、流体の圧力損失に生じる変化のことをいう。本明細書では「深層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する低い圧力損失応答」という用語は、深層ろ過の初期段階の間に微粒子負荷に対する感受性の減少（従来フィルタと比較して）を示し、微粒子フィルタに微粒子が負荷されるにつれて、そこを通過する流体の、圧力損失の比較的小さい増加を生じるフィルタのことをいう。本明細書では「微粒子フィルタケーク層ろ過段階の間の微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答」という用語は、ケーク層ろ過の後の段階の間に、微粒子負荷に対する感受性の増大（従来フィルタと比較して）を示し、微粒子フィルタに微粒子が負荷するにつれて、そこを通過する流体の圧力損失の比較的大きい増大を生じるフィルタのことをいう。

図３Ａは、本教示に従った微粒子フィルタの微粒子負荷に対する圧力損失応答を概略的に示すグラフである。図３Ａに示すように、本教示のさまざまな典型的な実施の形態によれば、フィルタは、２０４に示す洗浄時（例えばフィルタが清浄な場合）の低い圧力損失、２０６に示す深層ろ過段階の間（例えば、図３Ａの曲線２００における、屈曲２０２に至るまでで表される微粒子負荷の最初の短い期間）の比較的低い（または小さい）微粒子負荷に対する圧力損失応答、および２０８に示すケーク層ろ過段階の間（例えば、図３Ａの曲線の直線部分で表される微粒子負荷の継続期間）の微粒子負荷に対する比較的急勾配の圧力損失応答を示しうる。

図３Ａに示すように、当業者は、深層ろ過段階を表す２０６における曲線勾配はケーク層ろ過段階を表す２０８における曲線勾配より大きいが、従来のフィルタ構造と比較して、本発明の典型的な実施の形態は、深層ろ過の間の圧力損失応答曲線は比較的小さい勾配を表し、ケーク層ろ過の間は比較的急な勾配を表すことを認識するであろう。

図３Ｂを参照すると、曲線３００は、ケーク層ろ過の間に比較的小さい圧力損失応答を有する微粒子フィルタのスート負荷に対する圧力損失応答（例えば、典型的な従来フィルタ）を概略的に例証しており、曲線３０２は、ケーク層ろ過の間に比較的急勾配の圧力損失応答を有する微粒子フィルタを概略的に例証している。小さい圧力損失応答に対応する曲線３００は、スート負荷レベル０まで外挿した場合、ケーク層ろ過の間に比較的低い清浄時圧力損失および比較的低いスート負荷時の圧力損失を有し、全般的に小さい、スート負荷に対する応答勾配を生じる。急勾配の圧力損失応答に対応する曲線３０２は、スート負荷レベル０まで外挿した場合、ケーク層ろ過の間に比較的低い清浄時圧力損失および急勾配のスート負荷に対する応答勾配を有する。臨界スート負荷レベル、または、再生の間にフィルタの温度を許容できないレベルまで上昇させることを回避するために超えるべきではないスート負荷を図３ＢにＳＬ_cとして示す。

上述のように、微粒子フィルタの圧力損失のモニタリングから得られたスート負荷の評価には、実際のスート負荷と比較して、幾つかの不確実性が存在する。上述のように、例えば、所定のフィルタにおける圧力損失応答の変動性、フィルタに存在するアッシュレベル、および／または計算に使用するセンサーの精度などのさまざまな因子が、不確実性を与える。したがって、圧力損失における不確実性の範囲は、圧力損失の軸上の図３Ｂにおける中括弧３０４で示す範囲で表される。

ＳＬ_cを超えないようにするため、後処理システムは、一般に、再生を誘発する圧力損失における不確実性の範囲の下端を使用する。図３Ｂでは、この不確実性の範囲の下端は、スート負荷目標（ＳＬ_t）に対応し、ここで、包含する不確実性を考慮することによって、ＳＬ_cを上回らないという十分な水準の信頼で、システムが再生事象を誘発しうる。図３Ｂに示すように、急勾配の圧力損失応答曲線（ＳＬ_t,Steep）のＳＬ_tは小さい圧力損失応答曲線（SL_t,Shallow）のＳＬ_tをはるかに超える。したがって、ケーク層ろ過の間に急勾配の圧力損失応答を示す（曲線３０２で表す）微粒子フィルタの再生は、ケーク層ろ過の間にスート負荷に対する小さい圧力損失応答を示す（曲線３００で表す）微粒子フィルタと比較して、両フィルタが同一のＳＬ_cを有する場合に、より長い再生事象間隔で行われうる。

上述のように、本教示は、フィルタが清浄な場合に低い圧力損失および高いろ過効率を維持しつつ、ケーク層ろ過段階の間にフィルタの微粒子（例えば、スート）負荷に対する所望の急勾配の圧力損失応答を達成するために、さまざまな幾何学的特性および多孔壁の微細構造特性を有する微粒子フィルタを構成することを意図している。一部の典型的な実施の形態では、本教示はさらに、深層ろ過を殆どまたは全く生じず、微粒子負荷が実質的に直接ケーク層ろ過を生じる微粒子フィルタ構成も意図している。しかしながら、他の典型的な実施の形態では、本教示はさらに、深層ろ過が生じて深層ろ過段階の間に微粒子負荷に対する低い圧力損失応答を達成する微粒子フィルタも意図している。

例えば、幾何学的特性および多孔壁の微細構造特性など、さまざまな範囲のフィルタ設計の変数を決定し、所望の高いフィルタＦＥ、低い清浄時圧力損失、深層ろ過（もしあれば）の間の微粒子（例えばスート）負荷に対する低い圧力損失応答、およびケーク層ろ過の間の微粒子（例えばスート）負荷に対する急勾配の圧力損失応答を達成するため、本発明者らは、図４〜１３に示し、これらに関連して以下に説明するモデリング・データならびに実験結果を使用した。

図４は、セル／平方インチ（ｃｐｓｉ）単位で測定したフィルタ多孔壁のセル密度の関数として、水銀をインチ単位で測定した（Ｈｇインチ）、清浄時およびスート負荷時の圧力損失のモデリング・データから得られた結果を示している。図４では、８インチ（２０．３２ｃｍ）の直径および１２インチ（３０．４８ｃｍ）の長さを有する微粒子フィルタを、５７０℃、５５ｌｂｓ／分の気体流速でモデル化した。図４に示すように、清浄時圧力損失（１リットルあたり０グラム（ｇ／ｌ）で表される）は、壁セル密度（ｃｐｓｉ）の増大と共に増大し、スート負荷時の圧力損失（６ｇ／ｌで表す）は壁セル密度の低下と共に増大する。さらには、清浄時およびスート負荷時の圧力損失の差異は壁セル密度が低下するにつれて増大する。図４は、この効果が約２００ｃｐｓｉ未満の壁セル密度で特に強いことを示しており、ここで、スート負荷時の圧力損失は、壁セル密度の低下の関数として大幅に増大する。したがって、低い清浄時圧力損失およびスート負荷に対する急勾配の圧力損失応答をもたらすために、本教示は、例えば約２００ｃｐｓｉ未満の壁セル密度などの低い壁セル密度を有する微粒子フィルタを意図しており、例えば、約１５０ｃｐｓｉ（約２３セル／平方センチメートル）未満の壁セル密度などが挙げられる。図４では、壁セル密度の変化に伴い、異なる比較のためのフィルタの等価嵩密度が一定になるように（例えば、２００／１８および２００／１２のｃｐｓｉ／ミルで）、壁厚を変化させた。当業者が理解するように、所定の微粒子負荷レベルで再生する間に嵩密度が最大フィルタ温度の上昇を決定することから、フィルタ同士を比較する際には、時には、嵩密度を一定に保つことが重要である。

同様の効果が図５に示され、これは、それぞれ、１５０ｃｐｓｉ、２００ｃｐｓｉ、２５０ｃｐｓｉ（３９セル／平方センチメートル）、および３００ｃｐｓｉ（４７セル／平方センチメートル）のさまざまな壁セル密度に対応する、スート負荷の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果を示す。図５では５００℃、１４００ｍ³／時間の気体流速で、１２インチの直径、８インチの長さ、８ミル（０．２０ｍｍ；１ミル＝１インチの１／１０００）の壁厚、５０％の多孔率および１９μｍのメジアン細孔直径を有する微粒子フィルタをモデル化した。図５に示すように、スート負荷の関数としての圧力損失の増大は、より小さい壁セル密度である２００ｃｐｓｉおよび１５０ｃｐｓｉで大きい。

図６は、それぞれ、８インチ、１０インチ（２５．４ｃｍ）、１２インチ、および１４インチ（３５．６ｃｍ）のさまざまなフィルタ長（１５０／１４／８；１５０／１４／１０；１５０／１４／１２；および１５０／１４／１４の曲線で示され、連続する数字の末尾はフィルタの長さに対応する）、グラム（ｇ）で測定した、スート負荷の関数としての圧力損失のモデリング・データから得られた結果を示している。図６では、１２インチの直径、１４ミル（０．３６ｍｍ）の壁厚、５０％の壁多孔率、１９μｍのメジアン細孔直径、および１５０ｃｐｓｉを有する微粒子フィルタを、５００℃、１４００ｍ³／時間の気体流速でモデル化した。図６に示すように、圧力損失のスート負荷に対する勾配は、小さい長さ／直径の比を有するフィルタ（例えば、より短いフィルタ長を有するフィルタ）のほうが大きい。例えば、おおよそ７０秒^-1の空間速度に対応する、８／１２（０．６６）の長さ／直径比を有するフィルタは、おおよそ４０秒^-1の空間速度に対応する、１４／１２（１．１７）の長さ／直径比を有するフィルタのおおよそ３倍の勾配を有する。したがって、スート負荷に対する急勾配の圧力損失応答を提供するため、本教示は、例えば、約４０秒^-1を超える空間速度、または、例えば、約７０秒^-1を超える空間速度など、より大きい空間速度に対応する、例えば、約１未満の長さ／直径、例えば、約０．８５未満の長さ／直径、または、例えば、約０．７未満の長さ／直径など、長さ／直径の比が小さい微粒子フィルタを意図している。

図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃは、それぞれ、１５０ｃｐｓｉ（図７Ａ）、２００ｃｐｓｉ（図７Ｂ）、および３００ｃｐｓｉ（図７Ｃ）のさまざまな壁セル密度における、それぞれ、８ミル（０．２０ｍｍ）、１０ミル（０．２５ｍｍ）、１２ミル（０．３０ｍｍ）および１４ミルのさまざまなチャネルの壁厚についてのスート負荷に対する圧力損失応答の感受性を例証している。図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃでは、１２インチの直径、８インチの長さ、５０％の壁多孔率、および１９μｍのメジアン細孔直径を有する微粒子フィルタを、５００℃、１４００ｍ³／時間の気体流速でモデル化した。各図に見られるように、それぞれの図に各曲線で示される壁厚の増大は、微粒子フィルタの清浄時圧力損失、ならびに微粒子フィルタのスート負荷時の圧力損失を増大させ、それによって、スート負荷に伴い、圧力損失増大のより大きい勾配を生じる。しかしながら、図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃに例証するように、壁厚の増大に関するこの勾配の増大は少ない。したがって、どんな壁セル密度（ｃｐｓｉ）であっても、より薄い壁厚を有する、低い清浄時圧力損失を維持することによる利点は、スート負荷に伴う圧力損失増大のわずかに高い勾配を有する利益を上回りうる。したがって、低い清浄時圧力損失を維持するため、本教示は、例えば約１４ミル（約０．３６ｍｍ）未満のチャネル壁厚を有する微粒子フィルタを意図している。

微粒子フィルタの多孔壁の微細構造は、高いスート負荷レベルにおいて（例えば、ケーク層ろ過の間）流体の圧力損失に重大な影響を有するようには見えないが、壁多孔率、細孔径および細孔径分布などのパラメータは、フィルタの清浄時圧力損失、ならびにフィルタのろ過効率および深層ろ過から生じる初期の圧力損失の増大に影響を有することが知られている。よって、これらの微細構造特性は、ケーク層ろ過の間にスート負荷に対する急勾配の圧力損失応答を示す微粒子フィルタに用いることができる。上述のように、本教示は、所望の低い清浄時圧力損失、高いろ過効率、および初期の圧力損失の増大の低減を達成するため、微粒子フィルタのさまざまな微細構造特性の使用を意図している。前述同様、これらの微細構造特性を決定するため、モデル化および実験データを使用して、これらの望ましい特徴を有する微粒子フィルタについてのさまざまな範囲の構造設計変数を得た。

壁セル密度／壁厚の様々な組合せ、すなわち、２００ｃｐｓｉ／１２ミル、２００ｃｐｓｉ／１８ミル（０．４６ｃｍ）および２７５ｃｐｓｉ（４３セル／平方センチメートル）／１２ミルについての清浄時圧力損失の壁メジアン細孔径および壁多孔率に対する感受性を、それぞれ、図８Ａおよび８Ｂ、および９Ａおよび９Ｂに示す。図８Ａおよび９Ａでは、直径５．６６インチ（１４．４ｃｍ）、長さ６インチ（１５．２４ｃｍ）の微粒子フィルタを、２５℃、４２７ｋｇ／時間の気体流速でモデル化した。図８Ａに示すように、約１３μｍより大きい壁メジアン細孔径では清浄時圧力損失の穏やかな低下しか生じなかったが、約１３μｍ未満の壁メジアン細孔径では、約５０％の多孔率を有する微粒子フィルタの清浄時圧力損失は感知できるほどに増大した。図９Ａに示すように、約１５μｍの壁メジアン細孔径（ＭＰＳ）を有する微粒子フィルタの清浄時圧力損失は、壁多孔率の増加に伴って穏やかに低下した。したがって、清浄時圧力損失は、壁多孔率の増加に対しては比較的感受性ではないが、例えば、約１３μｍ未満などの壁メジアン細孔径の低下に対しては比較的感受性であったことを示している。

同様に、図８Ｂおよび９Ｂは、壁セル密度／壁厚の様々な組合せ（すなわち、ひし形のプロットに対応する２００ｃｐｓｉ／１２ミル、四角形のプロットに対応する２００ｃｐｓｉ／１８ミル、および三角形のプロットに対応する２７５ｃｐｓｉ／１２ミル）を有するフィルタについて行った実験的検査の結果を示している。上記のように、各フィルタは６インチの長さで５．６６インチの直径を有し、２５℃、４２７ｋｇ／時間の気体流速で試験を行った。上記モデリング・データに裏付けを与えて、図８Ｂはさらに、清浄時圧力損失が壁多孔率の増加に対して比較的感受性ではないことを示し、図９Ｂは、清浄時圧力損失が壁メジアン細孔径の縮小に対して比較的感受性であったことを示している。

壁メジアン細孔径および壁多孔率に対する初期の（清浄なフィルタの）フィルタ効率の感受性は、それぞれ、図１０Ａおよび１０Ｂ、ならびに１１Ａおよび１１Ｂに示す結果に例証されている。図１０Ａおよび１１Ａでは、２７５ｃｐｓｉの壁セル密度および１２ミルの壁厚（２７５／１２）、５．６６インチの直径および６インチの長さを有するフィルタを、２５℃、１５．５９ｃｆｍ（立方フィート／分）の気体流速でモデル化した。図１０Ａに示すように、壁メジアン細孔径が約２０μｍから約１４μｍまで縮小する場合、約５０％の壁多孔率を有する微粒子フィルタの初期のフィルタ効率は約３４％から約５８％に増大する。図１１Ａに示すように、フィルタの壁多孔率が約４８％から約５５％まで増加する場合、約１７μｍのメジアン細孔径を有する微粒子フィルタの初期のフィルタ効率は約４２％から約４５％まで増大する。したがって、初期のフィルタ効率は、壁多孔率の増加に対して比較的感受性ではないが、壁メジアン細孔径の増大に対しては比較的感受性を示し、壁メジアン細孔径の低下に伴って感知できるほどに低下する。

同様に、図１０Ｂおよび１１Ｂは、２５℃、１５．５９ｃｆｍの気体流速で試験した、さまざまな壁セル密度／壁厚の組合せ、すなわち、２７５ｃｐｓｉ／１２ミル（四角形のプロットに対応する２７５／１２）および２００ｃｐｓｉ／１２ミル（ひし形のプロットに対応する２００／１２）、ならびに５．６６インチの直径および６インチの長さを有するフィルタにおける、実験的検査の結果を示している。モデリング・データを確認すると、図１１Ｂにおける２７５／１２のプロットは、初期のフィルタ効率は壁多孔率の増加に対して比較的感受性ではないことをさらに示し、図１０Ｂにおける２７５／１２のプロットは、初期のフィルタ効率が壁メジアン細孔径の低下に対しては比較的感受性であることをさらに示している。

図１２は、深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁多孔率の影響を例証するモデリング・データから得られた結果を示している。図１２に例証するように、１０μｍ未満の細孔が約６％の多孔率を提供し、４０μｍを超える細孔が約１０．２５％の多孔率を提供する、２インチ（５．０８ｃｍ）の直径、６インチの長さ、および約２０μｍのメジアン細孔径を有する、２５℃、２６．２５ｃｆｍの気体流速でモデル化した微粒子フィルタでは、初期の圧力損失の勾配（ｙ軸上で測定）は、４８％から５４％への壁多孔率の増加とともに低下する。

したがって、微粒子フィルタの所望の圧力損失およびフィルタ効率の挙動を達成するために、本教示の典型的な実施の形態は、フィルタの清浄時圧力損失挙動を大幅に低下させることなく、比較的高いフィルタ効率性能を生じる結果となりうる、約１３μｍ〜約２０μｍ、または約１３μｍ〜約1６μｍの範囲のメジアン細孔径を有する多孔壁を備えた構造を用いることを意図している。さらには、清浄時圧力損失が壁多孔率の増加に伴ってわずかに改良されると同時に、より大きい壁多孔率は、深層ろ過によって生じた高い初期背圧の低減を助けることもできる。したがって、本教示はさらに、約４５％を超える全多孔率を有する多孔壁を備えた構造の使用も意図している。追加の本教示の典型的な実施の形態は、より高い多孔率レベルから生じうる、フィルタの嵩密度／熱質量に起こりうる悪影響を明らかにするため、約４５％〜約６０％の範囲の全多孔率を有する多孔壁を備えた微粒子フィルタについても考慮している。

図１３は、深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁細孔径分布の影響を例証するモデリング・データから得られた結果を示している。図１３に例証するように、初期の背圧低下は、１０μｍ未満の大きさの細孔（水銀ポロシメトリー法で決定する微細孔）が提供する多孔率に対して比較的感受性である。図示するように、２インチの直径、６インチの長さ、約１９μｍのメジアン細孔径および５２％の多孔率を有する、２５℃、２６．２５ｃｆｍの気体流速でモデル化した微粒子フィルタでは、１０μｍ未満の大きさの細孔が提供する多孔率が約２.１５%から約１２％まで増加する際に、深層ろ過の間の初期の圧力損失の勾配が約６６％増大する（一方、４０μｍを超える大きさの細孔が提供する多孔率は、分布の一定のメジアン値を維持するために、それぞれ約１０.６８％から約９.６％に増大する）。したがって、１０μｍ未満の細孔が、約１０％未満の多孔率、例えば、約６％未満の多孔率、例えば、約２％未満の多孔率を提供するような細孔径分布を有するフィルタ構造の提供は、深層ろ過段階の間の初期の圧力損失増大の軽減を補助するために望ましいであろう。

当業者は、図４〜１３に示され、それらに関して説明される結果および対応する幾何学的形状および微細構造特性が、単に典型例であり、本教示または特許請求の範囲を制限することは意図されていないことを理解するであろう。例えば、例えば、温度、圧力、流体中の汚染物質および／または他の物質の濃度、および流速（システムの内外および中を通る）などの構造体に入る流体流れの特性は、本教示に従ったフィルタの幾何学的形状および微細構造特性を選択するように考慮するための因子も提供しうる。したがって、当業者は、微粒子フィルタおよび本教示の微粒子フィルタの再生方法が、低い清浄時圧力損失、ケーク層ろ過段階の間の微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答、および深層ろ過段階の間の微粒子負荷に対する低い圧力損失応答を達成する、複数の幾何学的形状および微細構造パラメータを含みうることを理解するであろう。

次の例は、さまざまなフィルタパラメータを有し、低い清浄時圧力損失、深層ろ過の間のスート負荷に対する低い圧力損失応答（例えば、スート負荷に対する圧力損失の小さい勾配）、およびケーク層ろ過の間のスート負荷に対する高い圧力損失応答（例えば、スート負荷に対する圧力損失の急な勾配）を提供する、さまざまな気体流動条件下における、モデル微粒子フィルタを表している。

１２インチの直径、８インチの長さ、１２ミルの壁厚、２００ｃｐｓｉの壁セル密度、４５％の壁多孔率、および、１０μｍ未満の細孔が１０％の多孔率を提供する、１９μｍのメジアン細孔径を有する微粒子フィルタでは、本教示に従って、１４００ｍ³／時間の流速（Ｑ_ref）および５００℃の温度（T_ref）の排ガス条件で、次の圧力損失および圧力損失応答を示した：低い清浄時圧力損失は１．６７ｋＰａ（キロパスカル）であり、０．０５スートのｇ／Ｌにおける深層ろ過圧力損失は１．８４ｋＰａであり、および１スートのｇ／Ｌにおけるケーク層ろ過の圧力損失（調整フィルタで）は２．５７ｋＰａであった。

さらには、深層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する低い圧力損失応答（深層ろ過段階の間の圧力損失応答の勾配）は３.４（ｋＰａ／（スートのｇ／Ｌ）であり、ケーク層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答（ケーク層ろ過段階の間の圧力損失応答の勾配）は０．９（ｋＰａ／（スートのｇ／Ｌ））であった。

１０μｍ未満の細孔が６％の多孔率を提供する細孔径分布を有するフィルタ以外は、上記と同一のフィルタパラメータおよび排ガスパラメータを用いて、低い清浄時圧力損失は１．６１ｋＰａであり、０.０５ｇ／Ｌにおける深層ろ過圧力損失は１．７５ｋＰａであった。さらには、深層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する低い圧力損失応答（深層ろ過段階の間の圧力損失応答の勾配）は２.８（ｋＰａ／（スートのｇ／Ｌ））であり、ケーク層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答（ケーク層ろ過段階の間の圧力損失応答の勾配）は０．９（ｋＰａ／（スートのｇ／Ｌ））であった。

１０μｍ未満の細孔が２％の多孔率を提供する細孔径分布を有するフィルタ以外は上記と同一のフィルタパラメータおよび排ガスパラメータを用いて、低い清浄時圧力損失は１．５５ｋＰａであり、０.０５ｇ／Ｌにおける深層圧力損失は１．６６ｋＰａであった。さらには、深層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する低い圧力損失応答（深層ろ過段階の間の圧力損失応答の勾配）は２.２（ｋＰａ／（スートのｇ／Ｌ）であり、ケーク層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答（ケーク層ろ過段階の間の圧力損失応答の勾配）は０.９（ｋＰａ／（スートのｇ／Ｌ））であった。

しかしながら、下記のスケーリング手法および方程式を用いて、流速および温度条件の任意の組合せから、所望の圧力損失応答および関連するフィルタの幾何学的形状および微細構造を拡大縮小することができる。よって、当業者は、下記のスケーリング手法を用いて、低い清浄時圧力損失、深層ろ過の間の低い圧力損失応答の勾配、およびケーク層ろ過の間の急勾配の圧力損失応答の勾配を達成するように構成されたフィルタを決定して差し支えない。

オイラー数Ｅｕおよびレイノルズ数Ｒｅは、

として定義され、ここで、ΔＰはフィルタの圧力損失であり、ρは流体（例えば気体）密度であり、Ｄはフィルタ直径であり、μは流体（例えば気体）粘土であり、Ｕ_fは、

として流体（例えば気体）流速Ｑから計算できる面速度である。

実験条件および標準状態におけるオイラー数およびレイノルズ数は（ＥＵ₁、Ｒｅ₁）および（Ｅｕ_ref，Ｒｅ_ref）と記載され、次の関係を使用して、実験フローおよび温度条件（Ｑ₁，Ｔ₁）で測定した圧力損失が標準状態（Ｑ_ref，Ｔ_ref）まで拡大縮小できるようにする：
スート負荷（ＳＬ）＝０では
Ｅｕ₁Ｒｅ₁＝Ｅｕ_refＲｅ_ref
であり、
ＳＬ＞０では
Ｅｕ₁Ｒｅ₁ＳＣＦ₁＝Ｅｕ_refＲｅ_refＳＣＦ_ref
であり、ここで、ＳＣＦは、微粒子層の細孔クヌーセン数Ｋｎｐの関数であるＳｔｏｋｅｓ−Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ補正因子であり、

として定義され、前記微粒子（例えばスート）層の細孔クヌーセン数は：

として定義され、ここで、Ｌ_mfpは気体平均自由行程であり、ｄ_particulateは微粒子（例えば、スート）直径であり、Ｓ_ｖｆは微粒子（例えば、スート）層の固体画分である。

本教示の微粒子フィルタの他の特徴もまた、必要に応じて変化させて差し支えなく、構造に使用する材料、チャネルの構造配置（例えば寸法、形状など）、および／または、例えば、温度、圧力、流体中の汚染物質および／または他の物質の濃度、および流速（システムの内外、および中を通る流速を含む）など、構造体に入る流体流れの特性が挙げられる。当業者は、全般的な後処理システム動作および処理が望まれる流体流れのさまざまなパラメータに基づいて、さまざまな特徴および上述した他の特徴の少なくとも一部は、低い清浄時圧力損失および微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答の達成を助けるように選択して差し支えないことを理解するであろう。

しかしながら、全般的にみれば、本教示に基づいて、当業者は、上記開示されたスケーリング手段を利用し、本教示に従った本明細書に記載する構造特性のさまざまな肯定的な性能特性を考慮に入れることによって、深層ろ過（もしあれば）の間の所望の高いフィルタＦＥ、低い清浄時圧力損失、微粒子負荷に対する低い圧力損失応答、およびケーク層ろ過の間の微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答を達成するための、例えば、その幾何学的形状および微細構造特性を含めたフィルタの特性の修正方法を理解するであろう。

さらには、本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、自動車の排ガスに由来するアッシュおよびスート微粒子のろ過に使用する微粒子フィルタを参照するが、本教示は、さまざまな用途およびさまざまなタイプの微粒子のろ過に有用な幅広いフィルタを包含する。典型的な用途としては、限定はしないが、例えば、石炭燃焼発電所での使用、ガソリンエンジン、および固定および非固定用途のためのフィルタが挙げられる。

本明細書および添付の特許請求の範囲の目的では、他に指示されない限り、本明細書および特許請求の範囲に用いられる、量、パーセンテージまたは比率を表すすべての数字、および他の数値は、すべての場合において「約」という用語によって修正されるものと理解されるべきである。したがって、反対のことが示されない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本発明によってもたらされる所望の特性に応じて変化しうる近似値である。少なくとも、および特許請求の範囲への均等論の適用を制限するためではなく、各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の数を考慮し、数値を丸める通常の方法を適用することによって、解釈されるべきである。

本発明の広範な範囲を説明する数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、具体例に記載される数値は可能な限り正確に報告されている。しかしながら、任意の数値は、本質的に、それらのそれぞれの試験測定に見られる標準偏差から必然的に生じるある特定の誤差を含む。さらには、本明細書に開示されるすべての範囲は、そこに含まれる部分的な範囲のいずれかおよびすべてを包含するものと理解されるべきである。

本明細書では「含む」という用語およびその文法的変形は、リストに列挙される項目が、記載される項目に代える、または加えることのできる他の同様の項目を除外しないように、限定されないことが意図されている。

本発明をそのさまざまな典型的な実施の形態に関して詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲の広範な範囲から逸脱することなく、非常に多くの修正が可能であることから、そのように限定されるべきではないことが理解されるべきである。

Claims (6)

1. 入口端、出口端、および、流体が前記入口端から前記出口端まで流れるように配置および構成された複数のチャネルを備えた微粒子フィルタであって、
   前記チャネルが微粒子物質を捕捉するように構成された多孔壁によって画成され、
   前記多孔壁が、
   約２００ｃｐｓｉ未満のセル密度、
   約０．３６ｍｍ未満の壁厚、
   約１３マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの範囲のメジアン細孔径、
   約４５％を超える全多孔率、および
   １０マイクロメートル未満の細孔が約６％未満の多孔率を提供する細孔径分布
   を有し、
   前記微粒子フィルタは、直径に対する長さの比が約１未満であることを特徴とする、微粒子フィルタ。
2. 前記全多孔率が約４５％〜約６０％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の微粒子フィルタ。
3. 前記メジアン細孔径が約１３マイクロメートル〜約１６マイクロメートルの範囲であることを特徴とする請求項１記載の微粒子フィルタ。
4. 前記多孔壁が、１０マイクロメートル未満の細孔が約２％未満の多孔率を提供する細孔径分布を有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の微粒子フィルタ。
5. 前記微粒子フィルタが、エンジン排ガスに含まれる微粒子を捕捉するものであり、
   前記微粒子フィルタが前記捕捉された微粒子の臨界の微粒子負荷レベルに達したときに、前記捕捉した微粒子を燃焼させて前記微粒子フィルタが再生されるように構成されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の微粒子フィルタ。
6. 前記微粒子フィルタが、前記微粒子フィルタに対して前記エンジン排ガスが通過せしめられるときの前記微粒子フィルタの圧力損失の測定により、前記微粒子負荷レベルを監視するように構成されていることを特徴とする請求項５記載の微粒子フィルタ。

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