JP2600941B2 - ハニカムフィルタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は例えばディーゼル車両から排出される排気ガ
ス中の微粒子を補集し、浄化するために用いられるハニ
カムフィルタ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来この種のハニカムフィルタ装置としては、特公平
１−22449号公報に記載されたものがある。

これは、セラミック発泡フィルタを収容したケース
に、該フィルタの端面の上方を横切るようにして電極を
配意し、またケースの該部に他の電極を配置し、両電極
の間を多数の発熱抵抗体で架橋、接続するようにした構
成を有している。

そして、上記フィルタに排気ガスを通過させて排気ガ
ス中のカーボン等の微粒子を該フィルタにて捕捉し、ま
た該フィルタを再生する際には上記発熱抵抗体に通電
し、フィルタに捕捉された微粒子を燃焼させるようにし
ている。

しかしながら、従来のものでは、振動等により発熱抵
抗体が断線し易く、従って耐久性に劣るという難点があ
る。

かかる難点を解決するために、実公昭61−40893号公
報に記載されているように、発熱抵抗体をハニカムフィ
ルタの端面において貫通孔の開口部を封止する封止部内
に埋設する構成が提案されている。

この構成を具体的に述べると、貫通孔の開口部を封止
する封止部内に発熱抵抗体を封止するために、封止され
ていない開口部を部分的に遮りながら発熱抵抗体を該端
面に這わせ、そして封止部内に発熱抵抗体を埋設してい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来（実公昭61−40893号公報）
のものでは、下記のごとき解決されない課題がある。

（ａ）発熱抵抗体が開口部を部分的に遮るため、ハニカ
ムフィルタに対する排気ガスの抵抗となる。

（ｂ）開口部を部分的に遮った発熱抵抗体、即ち開口部
に露出する発熱抵抗体は、ハニカムフィルタの貫通孔を
隔離する隔壁に対して有効に熱を伝えず、従って効果的
に該フィルタの再生が行えないし、該フィルタの再生を
十分に行うには高電圧を必要とする。

（ｃ）発熱抵抗体の配置に対して特別な配慮がされてお
らず、このため発熱抵抗体の長さに差を生じて発熱抵抗
体の抵抗値が部分的に異なる部分が発生し易く、均一な
発熱が達成できず、再生不良となる恐れがあり、また部
分的に電流の集中を起き、発熱抵抗体の断線を招く。

本発明は上記の点に鑑みて案出されたものであって、
その目的とするところは、ハニカムフィルタの貫通孔を
隔離する隔壁に対して発熱抵抗体の熱を効果的に伝達
し、しかも低電圧でかかる効果を達成できるようにし、
また発熱低抗体の均一な発熱が得られ、かつ該発熱抵抗
体の断線を防ぐことのできるハニカムフィルタ装置を提
供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するため、ハニカム構造体
の多数の貫通孔の一つ置きの開口部が封止部により封止
されたハニカムフィルタと、該ハニカムフィルタの端面
側に、前記封止部が前記開口部を介することなく連続し
て配列する方向に対して交差する方向に配置された電極
と、前記ハニカムフィルタの外周側に配置された電極
と、前記封止部が前記連続して配置された方向における
該封止部に埋設され、かつ前記両電極間に架橋、接続さ
れた多数の発熱抵抗体と、を具備したという手段を採用
したものである。

また、多数の発熱抵抗体の抵抗値は各々同じに設定し
てもよい。

また、ハニカムフィルタの端面側に配置された電極に
熱応力緩和手段を設けてもよい。

更に、両電極にピンを設け、該ピンをハニカムフィル
タの貫通孔に固定することにより、該両電極をハニカム
フィルタに直接固定してもよい。また、発熱抵抗体の、
封止部による埋設部分に近接する位置に、該発熱抵抗体
の温度を検出する温度センサを配置してもよいし、両電
極が、ハニカムフィルタの端面に一体化されていてもよ
い。

〔作用〕

ハニカムフィルタの封止部に多数の発熱抵抗体を該封
止部に埋設してあって、開口部を遮ることがないため、
フィルタに対する排気ガスの通過抵抗に影響を及ぼすこ
とがない。

発熱抵抗体の熱は開口部を通る排気ガスに運び去られ
ることなくフィルタの隔壁に伝達することができ、従っ
てフィルタの再生を効果的に達成できる。

このため、発熱抵抗体に対する電圧を高くする必要が
なくなる。

また、該発熱抵抗体の両端はフィルタの端面側に、封
止部が開口部を介することなく連続して配列する方向に
対して交差する方向に配置された電極とフィルタの外周
側に配置された電極との間に架橋、接続され、しかも該
発熱抵抗体は封止部に埋設した構成であるため、両電極
の配置構成と発熱抵抗体の埋設構成とが相まって多数の
発熱抵抗体の長さ、つまり抵抗値を両電極間で均等にで
き、従ってフィルタに対して均一な発熱を構成できる。

更に、電極に設けた熱応力緩和手段によって、電極に
作用する熱応力を緩和することができるため、該電極に
接続された発熱抵抗体の変形を防止して断線を回避する
ことが可能となる。

また、電極に設けたピンにより、確実に該電極をフィ
ルタに固定できる。

更に、温度センサによって発熱抵抗体の温度を検出で
き、この検出温度の結果に基づいて発熱抵抗体の温度制
御が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例について説明する。第
１図〜第８図の第１実施例において、１はコージェライ
ト製のハニカムフィルタであって、該ハニカムフィルタ
１は軸方向に多数の貫通孔1aを有しており、該貫通孔1a
の開口部は一つ置きに封止部1cにより封止されている。
この結果、該フィルタ１内に貫通孔1aを経て流入した排
気ガスは、上記貫通孔1aを隔てている隔壁1bを通過して
隣の貫通孔1a内に流出し、該隔壁1bにて排気ガス中の微
粒子が捕捉される。

ハニカムフィルタ１の全周囲にはステンレス製のワイ
ヤネット10が巻装され、かつフィルタ１はワイヤネット
10を介してステンレス製のケース２内に圧入されてい
る。

また、フィルタ１の一端面側においては、セラミック
製のシール部材11が圧入されている。該シール部材11は
フィルタ１内を通過する排気ガスの熱によって膨張する
特性を有しており、かかるシール部材11よりフィルタ１
とケース２との間はシールされ、排気ガスの全てがフィ
ルタ１内を通過する。

フィルタ１の一端側は上記ケース２の一端に形成され
た円弧状の座部2aに載置されたエンドクッション17aを
介して当接している。一方、フィルタ１の他端側はケー
ス２の他端側に配置したエンドクッション17bに当接し
ており、該エンドクッション17bは、ケース２の他端側
に固定したフィルタ押さえ部材20によりその位置が固定
されている。かかるエンドクッション17aおよびエンド
クッション17bにより、フィルタ１の軸方向の動きが規
制されている。

上記ケース２の一端側には、フィルタ１の排気ガス出
口側端面の上方にて該端面を半径方向に均等に二分割す
る位置にて棒状のマイナス電極４が張設してある。該電
極４の一端はケース２に直接溶接されており、他端は該
電極４が熱膨張した際にその膨張分を逃がすようにする
ために、ケース２にネジ止め固定したプレート７とケー
ス２との間に挟持されている。

一方、ケース２の一端側にはフィルタ１の排気ガス入
口端面の外周領域の上方にて４箇所略Ｌ字形状のプラス
電極５が固定されている。かかる固定構造は、例えばア
ルミナ製の一対の碍子23および銅製のワッシャ22を介し
てスクリュウ24にて電極５を直接ケース２にねじ込み固
定してある。電極５はケース２に固定された金属カバー
31により電気的に保護されている。

また、電極５はボルト状の外部電極12に溶接され、該
外部電極12はアルミナ製の碍子13および耐熱ガスケット
14を介してケース２を挟み、ナット16を締めつけて該ケ
ース２に固定されている。

外部電極12はリード線15に接続され、該リード線15は
図示しない電気制御回路部に接続されている。外部電極
12とリード線15との接続部は、ケース２に図示しないス
クリュウにて固定された金属製の電極カバー18で保護さ
れており、カバー18とリード線15との間にはゴム製のブ
ッシュ28を介在せしめてある。

フィルタ１の排気ガス出口側端面には多数の発熱抵抗
体３が配置されている。該発熱抵抗体３はフィルタ１の
格子（前記隔壁1b）の対角線方向つまり貫通孔1aの開口
部を介することなく連続して封止部1cが配列する方向で
均等に４分割した領域に同一パターンで１列置きの封止
部1cに埋設されている。なお、埋設形態としてはその封
止部1c内にてフィルタ１の軸方向に伸びる矩形波状とし
てあり、かつ隔壁1bの交差部を這わせてある。

発熱抵抗体３は格子の対角線方向に延在していて、各
発熱抵抗体３は平行に並んでいる。また、各発熱抵抗体
３はその全てが同一抵抗値となるよう同一長さとしてあ
り、そのためフィルタ１の外周部分の発熱抵抗体は屈曲
した形状となっている。

なお、参考までに、発熱抵抗体３の埋設深さは約５〜
15mmの間で調整され、例えば車両電源12Vの場合は5mmで
抵抗値は1.5Ω程度とするのが発熱量、即ち再生効率の
観点からよい。この抵抗値を得るにはフィルタ１の直径
が200mm、貫通孔1aが100メッシュの場合、発熱抵抗体３
の線径は0.6mm、埋設数26とする。

ところが、４分割パターンとされた各パターン毎の発
熱抵抗体３の一端は１つの電極４に溶接、接続され、ま
た他端は４つの電極５の各々に溶接、接続されている。
なお、各発熱抵抗体３の電極４との接続部を覆うように
して金属カバー26がスクリュウ27により電極４に固定さ
れている。

上記マイナス電極４に隣接して且つ平行に２本のサー
モカップルステー９がケース２に張設してある。該ステ
ー９には熱電対30のシース30aが支持されており、該熱
電対30は上記発熱抵抗体３の４分割パターンに対応させ
て４本あり、該熱電対30のシース30aは、各々発熱抵抗
体３の４分割パターンの領域内の中心部において、フィ
ルタ１の貫通孔1aの１つを封止して該封止部に埋設され
ている。

該各シース30aは公知の締結金具31を介してケース２
の外部に固定されており、かつケース２の外周に固定さ
れたステー32に支持されている。なお、各シース30aか
らは補償導線30bが導出され、該補償導線30bは図示しな
い電気制御回路部に接続されている。

上記構成において、次に本発明になるハニカムフィル
タ装置の作動について説明する。

図中の矢印のＡ方向からの排気ガスはフィルタ１の多
数の貫通孔1aを通ってフィルタ１内に流入し、該貫通孔
1a同士を隔てる隔壁1bを通過して隣の貫通孔1a内に流出
する。この過程で排気ガス中のカーボンを主体とする微
粒子は隔壁1bの表面に捕捉され、フィルタ１から流出す
る排気ガス中の微粒子の量は低減される。

ところが、かかる微粒子の捕集の繰り返しによってフ
ィルタ１の再生を必要とする時期に達した時点で、図示
しない反転装置によりフィルタ１の発熱抵抗体３側から
矢印Ｂのごとく２次空気を供給する。また、電極４と４
つの電極５との間に電圧を印加する。これにより、４分
割パターンの発熱抵抗体３の全体が発熱し、その熱によ
りフィルタ１に捕集された微粒子が着火、燃焼し、フィ
ルタ１が再生される。

なお、４分割パターンの発熱抵抗体３の個々を選択的
に通電するには４つの電極５に対する電圧の印加を選択
すればよい。

このような再生を達成するためにはフィルタ１の端面
を約800℃以上に加熱する必要がある。発熱抵抗体３は
その材質の種類によって異なるものの約1000℃〜1300℃
の融点を有するため、過度に温度を上げると発熱抵抗体
３の溶断を招く。

しかるに、上記実施例では最も温度の上昇する箇所に
発熱抵抗体３と略同じ深さで熱電対30を埋設し、該熱電
対30で検知した温度信号により発熱抵抗体３の発熱量を
制御するようにしてあるため、過熱による発熱抵抗体３
の断線が防止される。

発熱抵抗体３の埋設パターンは再生効率を大きく左右
する重要な要素である。因みに、フィルタ１の封止部1c
の数に対して発熱抵抗体３の埋設率を変化させて実験し
たところ、埋設率を上げる程、均一で着火可能温度にフ
ィルタ１を加熱する際の発熱抵抗体３の１本当たりの電
流値が低くなる結果を得た。例えば、埋設率25％で8A、
50％で6A、100％で4Aであった。

発熱抵抗体３への通電量が増加すると、過熱による溶
断の危険性が高くなるため、埋設率は50％以上、かつフ
ィルタ１の封止部1cに対し等しい長さで埋設する必要が
ある。このため、75％、100％は埋設パターンが複雑と
なるので、50％の埋設率で部分的過熱を避ける意味でフ
ィルタ１の端面に対する発熱抵抗体３の密度が等しく、
かつ各発熱抵抗体３の長さを等しくなるようなパターン
がよい。

本実施例ではフィルタ１の中央寄りに電極４を配置す
ることで直径200mm〜250mm程度のフィルタ１であっても
12Vの印加電圧で約800℃までフィルタ１を加熱できる発
熱抵抗体３の抵抗値とすることができるのである。

ただ、かかる構成によると、フィルタ１の中央寄りに
配置した電極４は冷熱サイクル（温度差約800℃程度）
を受けるため、非常に大きな熱応力が作用することにな
る。

しかるに、本実施例によれば、電極４の一端はケース
２に溶接、接続されているが、他端はプレート７により
ケース２との間で挟んだ構成、所謂片持ち支持としてあ
るため、電極４の他端がスライドすることにより、該電
極４の固有振動数を下げることなく上記の熱応力を逃が
すことができる。

それ故、熱応力により発熱抵抗体３が変形して断線す
るのを回避できる。

一方、発熱抵抗体３はフィルタ１の封止部1cに埋設し
た構成であるため、フィルタ１に対して発熱抵抗体３が
一体化された形態となり、従ってこの点からも発熱抵抗
体３の断線を回避できる。

なお、電極４は断面コ字状であるとともに、カバー26
を組み合わせた構成であるため、軽量で断面２次モーメ
ントが大きく、固有振動数を高めるようにしている。ま
た、カバー26の存在により、電極４と発熱抵抗体３との
溶接部の温度変化を緩和し、該溶接部に対する熱応力の
作用を回避しているとともに、通電時に該溶接部が過熱
しないようにヒートシンクの役目を果たしている。

第９図〜第11図は電極４の熱応力緩和手段の他の例を
示すものである。これについて、説明する。第８図は電
極４の中央を断面Ｕ字状に、フィルタ１方向へ屈曲せし
めたものである。この実施例によれば、断面Ｕ字状部分
の伸び縮みによって電極４に加わる熱応力を緩和するこ
とができる。

第10図および第11図は電極４の両端をケース２に溶
接、接続し、かつ該電極４を中央で２分割し、その分割
面において、ピン部4aと該ピン部4aが摺動自在に嵌合す
る摺動孔4bとを形成し、また該摺動作用が行われるよう
に、電極４とカバー26とを固定するスクリュウ27の挿通
用の穴4cを長穴としてある。かかる構成によっても電極
４に加わる熱応力を緩和することができる。

第12図〜第15図は電極４、５をフィルタ１の端面上に
直接、配置してフィルタ１と電極４、５とを一体的なも
のとした本発明の第２実施例を示すものである。

これについて説明すると、マイナス電極４はリング状
に形成してあり、該電極４の対向する２箇所にはピン33
がストッパリング34により抜け止めした状態で固定され
ている。

該ピン33をフィルタ１の貫通孔1a内に挿入して該貫通
孔1a部分を封止剤により固定することで電極４がフィル
タ１の外周に固定される。

一方、プラス電極５は断面角柱状に形成されており、
該電極５には電極４と同様な構成で両端にピン33が固定
されている。電極５はフィルタ１の端面を均等に２分割
する位置においてそのピン33をフィルタ１の貫通孔1a内
に挿入して該貫通孔1a部分を封止剤により固定すること
で電極５がフィルタ１の中央部に固定される。

発熱抵抗体３の一端は電極４の上面を取り巻くように
Ｌ字状に屈曲されて該上面に金属製のカバー35を介して
溶接、接続されている。これにより、電極４は発熱抵抗
体３の一端とフィルタ１の端面との間で挟持された状態
となる。なお、カバー35は溶接時に発熱抵抗体３の異常
加熱を防ぐために用いたものであり、必ずしも必要な
い。

また、発熱抵抗体３の他端を電極５の上面を取り巻く
ようにＬ字状に屈曲されて該上面に溶接、接続されてい
る。これにより、電極５は発熱抵抗体３の一端とフィル
タ１の端面との間で挟持された状態となる。

上記のように、電極４、５を一体化したフィルタ１は
第12図のごとくケース２内に収容される。即ち、ケース
２は２分割タイプとしてあり、中央の円筒部2aとその両
端のコーン部2bとにより構成してある。フィルタ１はエ
ンドクッション17a、17bおよびワイヤネット10を介して
ケース２の円筒部2aに収容されており、またセラミック
製のシール部材11により排気ガスの全てがフィルタ１を
通過する。

上記電極５はリード線15aを介してボルト状の外部電
極12に接続されている。なお、電極５とリード線15aと
は溶接にて接続され、またリード線15aと外部電極12と
は溶接にて接続されている。外部電極12はアルミナ製の
碍子13、銅製のガスケット14を介してケース２にナット
16により固定されている。リード線15aはケース２のコ
ーン部2bに溶接、固定された金属カバー36により保護さ
れている。

なお、外部電極12はリード線15bに溶接、接続され、
該リード線15bは図示しない電気制御回路部に接続され
ている。外部電極12とリード線15bとの接続部を保護す
るため、金属製のカバー18がケース２に溶接、固定さ
れ、該カバー18とリード線15bとの間はゴムブッシュ28
によりシールされている。

電極４はケース２の内面に直接に接触して該ケース２
と電気的に導通しており、ケース２の１箇所にて溶接に
てケース２に固定されている。

フィルタ１の略中央部分の一つの貫通孔1aには熱電対
30のシース30aの先端が挿入され、該挿入部は封止部1c
にて封止されている。

該熱電対30はケース２の外部に引き出され、上記電気
制御回路部に接続されている。

本発明は上記実施例に限定されることなく、次のごと
く種々の変形が可能である。

（１）発熱抵抗体３はニクロム線により構成したが、カ
ンタル線等の他の金属製であってもよいし、また例えば
炭化珪素等の導電性のセラミック材料により構成しても
よい。

（２）発熱抵抗体３の配置パターンは種々変形可能であ
り、要は両電極４、５間を架橋、接続するに際して抵抗
値が略同じとなるようにすればよく、例えばフィルタ１
の外周部分で屈曲せずに直線状にしてもよい。この場
合、直線状であるため、この部分は他の部分に比べて線
径を細くすればよい。

（３）電極４または電極５と発熱抵抗体３との接続部に
おいては、第16図〜第18図のように、発熱抵抗体３を屈
曲した構成にしてもよい。これにより、電極４、５が熱
膨張した際に発熱抵抗体３に応力が加わるのを回避する
ことができる。

（４）第14図におけるピン33は廃止してもよい。

（５）フィルタ１の材質はセラミック製に限らず、例え
ば金属製であってもよい。

（６）上記各実施例においては、排気ガス中の微粒子を
フィルタ１にて捕捉する際には矢印Ａ方向に排気ガスを
流し、フィルタ１の再生時には２次空気を矢印Ｂ方向に
流すように設定したが、例えば再生時においても２次空
気を捕捉時と同方向に流しても勿論よい。

（７）フィルタ１の貫通孔1aの形状、封止部1cの配列パ
ターンは第19図（ａ）〜（ｄ）のごとくであってもよ
い。

（８）本発明は車両の内燃機関から排出される排気ガス
中の微粒子を捕捉するものに限定されるものではなく、
種々の燃焼機構から排出される排気ガス中の微粒子を捕
捉するものに広く適用できることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、発熱抵抗体の熱
を効果的にフィルタの隔壁に伝達でき、かつ均一な発熱
がえられるため、低電圧で効果的にフィルタの再生が可
能となる。

また、電流の集中を回避することが可能となるので、
発熱抵抗体の断線回避できる。

さらに、発熱抵抗体の温度制御が可能となり、発熱抵
抗体の一層の断線を回避できる。

また、電極と発熱抵抗体とをフィルタに一体化できる
ので、例えばケース内に収容する際の組付け性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の第１実施例を示すもので、第
１図（ａ）は発熱抵抗体のフィルタに対する配置パター
ンの例を示す模式的平面図、第１図（ｂ）は第１図
（ａ）の一部分を拡大して示す平面図、第１図（ｃ）は
第１図（ｂ）のＩ−Ｉ断面図、第２図はフィルタを含め
た装置を示す部分断面平面図、第３図は第２図のIII−I
II断面図、第４図は第３図の要部を拡大して示す断面
図、第５図はプラス電極の固定構成を拡大して示す断面
図、第６図はマイナス電極の固定構成を拡大して示す断
面図、第７図はマイナス電極と発熱抵抗体との接続部分
を拡大して示す断面図、第８図は第７図のVIII−VIII断
面図、第９図および第10図は本発明の第１実施例の変形
例を示す断面図、第11図は第10図のXI−XI断面図、第12
図〜第15図は本発明の第２実施例を示すもので、第12図
は全体構成を示す断面図、第13図は第12図のXII−XII部
を拡大して示す断面図、第14図はフィルタに対する電極
の配置構成を示す平面図、第15図はマイナス電極の固定
構成を拡大して示す断面図、第16図および第17図は第１
実施例および第２実施例に対する変形例を模式的に示す
正面図、第18図は第17図の斜視図、第19図（ａ）〜第19
図（ｄ）は本発明におけるフィルタの貫通孔の形状およ
び封止部の配列パターンの他の例を説明する平面図であ
る。 １……フィルタ,1a……貫通孔,1c……封止部,3……発熱
抵抗体,4,5……電極,7……プレート,33……ピン。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハニカム構造体の多数の貫通孔の一つ置き
   の開口部が封止部により封止されたハニカムフィルタ
   と、該ハニカムフィルタの端面側に、前記封止部が前記
   開口部を介することなく連続して配列する方向に対して
   交差する方向に配置された電極と、前記ハニカムフィル
   タの外周側に配置された電極と、前記封止部が前記連続
   して配置された方向における該封止部に埋設され、かつ
   前記両電極間に架橋、接続された多数の発熱抵抗体と、
   を具備したことを特徴とするハニカムフィルタ装置。
2. 【請求項２】前記多数の発熱抵抗体の抵抗値は各々同じ
   に設定されていることを特徴とする請求項第１項記載の
   ハニカムフィルタ装置。
3. 【請求項３】前記ハニカムフィルタの端面側に配置され
   た前記電極は、熱応力緩和手段を備えていることを特徴
   とする請求項第１項または第２項何れか記載のハニカム
   フィルタ装置。
4. 【請求項４】前記両電極にピンが設けてあり、該ピンを
   前記ハニカムフィルタの貫通孔に固定することにより、
   該両電極が前記ハニカムフィルタに直接固定されている
   ことを特徴とする請求項第１項〜第３項何れか一つに記
   載のハニカムフィルタ装置。
5. 【請求項５】前記発熱抵抗体の、前記封止部による埋設
   部分に近接する位置に、該発熱抵抗体の温度を検出する
   温度センサを配置したことを特徴とする請求項第１項〜
   第４項何れか記載のハニカムフィルタ装置。
6. 【請求項６】前記両電極が、前記ハニカムフィルタの端
   面に一体化されていることを特徴とする請求項第１項〜
   第５項何れか記載のハニカムフィルタ装置。