JP3899404B2 - 排ガス中の微粒子除去装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル機関、ボイラあるいは焼却炉等の排ガス中の微粒子を除去する微粒子除去装置およびこれに用いるフィルタユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関から排出される有害微粒子を捕集する種々の形式のディーゼル排気微粒子フィルタ（ＤＰＦ）が開発されている。
このようなＤＰＦには、セラミック繊維で形成したフェルトを両側から金網ヒータで挟み込んで板状に形成し、この板状に形成したフェルトおよびヒータを多数枚組合せてひだ状のフィルタエレメントに成形し、これをケーシング内に収容したものがある（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
このＤＰＦは、並列に２つ配置され、上流側に設けた制御弁で排気流路を切換え、一方で微粒子を捕集している間に、他方を再生し、これにより常時捕集することができる。このＤＰＦの再生は、各フィルタエレメントの金網ヒータに通電し、フェルト内に捕集された微粒子を燃焼することにより行われる。
【０００４】
【非特許文献１】
「ＥＣＯ ＩＮＤＵＳＴＲＹ」 シーエムシー出版社、２００１年２月、ｐ．１２−１８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来例によるＤＰＦは、再生の際の熱応力によるフィルタエレメントの破損を防止すると共に、燃料性状に左右されることなく微粒子の捕集再生が可能である点で極めて有益なものではあるが、しかし、細い金属製の金網ヒータをセラミック繊維製のフェルトの表面に配置しているため、この金網ヒータは常時排ガスに晒されると共に、再生時には極めて高温に加熱される。このため、金網ヒータを形成するワイヤが断線する虞が有る。また、２つのＤＰＦを交互に捕集再生に用いるために、構造および燃焼制御が極めて複雑となる。
【０００６】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、捕集した排ガス中の微粒子を短時間で効率良く燃焼することのできる構造が簡単で制御の容易な微粒子除去装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によると、排ガスを流通させる非磁性材料製の円筒状ハウジングと、このハウジングの外周部に巻回されて高周波電流を供給されるコイルと、このコイルが形成する磁力線の到達範囲内でこのハウジング内に同軸状に配置され、外周側に形成される排ガス流路と内側の軸方向孔で形成される排ガス流路との間を流通する排ガス中の微粒子を捕集する円筒状構造のフィルタユニットと、を備え、前記フィルタユニットは、ハウジングの内周面との間に環状の排ガス流路を形成すると共に、前記コイルに高周波電流が供給されたときに、誘導加熱され、このフィルタユニットに捕集された微粒子を燃焼させる円筒状の多孔性支持プレートを有する微粒子除去装置が提供される。
【０００８】
また、本発明によると、高周波電流が供給されるコイルを外周部に巻回しかつ排ガスを流通させる非磁性材料製の円筒状ハウジング内で、前記コイルが形成する磁力線の到達範囲内に同軸状に配置され、外周側に形成される排ガス流路と内側の軸方向孔で形成される排ガス流路との間を流通する排ガス中の微粒子を捕集する円筒状構造のフィルタユニットであって、前記ハウジングの内周面との間に環状の排ガス流路を形成すると共に、前記コイルに高周波電流が供給されたときに、誘導加熱され、集積された微粒子を燃焼させる円筒状の多孔性支持プレートを有するフィルタユニットが提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、参考例による微粒子除去装置１０を示す。
この微粒子除去装置１０は、例えば窒化ケイ素等のセラミック材料で形成した非磁性材料製の円筒状ハウジング１２内に、排ガス中の微粒子を捕集する捕集装置として２つのフィルタユニット１４を軸方向に間隔をおいて配置し、これらのフィルタユニット１４を本実施形態では２本の支持軸１６で連結してある。また、ハウジング１２の外側には、例えばリッツ線あるいは中空構造の細径金属管を巻回して形成したワーキングコイル１８を配置してあり、このワーキングコイル１８に、高周波インバータを備えた高周波電源２０から例えば１〜１００ＫＨｚの範囲で、好ましくは約１５〜４０ＫＨｚの高周波電流を供給し、フィルタユニット１４の後述する加熱部材を誘導加熱することができる。高周波電流の周波数が１５ＫＨｚよりも低すぎると可聴音が発生し、逆に１００ＫＨｚよりも高すぎると表皮効果により、磁力線がハウジング１２の深部すなわち中心部近くまで到達し難くなる。
【００１０】
この微粒子除去装置１０には、例えばディーゼル機関、ボイラあるいは焼却炉等から排出された排ガスが、このハウジング１２の一端の入口２２から、矢印Ｇ１の方向に沿って、ハウジング１２の内部流路２４内に流入する。排ガス中の微粒子は２つのフィルタユニット１４で捕集され、微粒子を除去された排ガスが、出口２６から矢印Ｇ２の方向に排出される。
【００１１】
なお、フィルタユニット１４は、図示のように２つに限らず、１つのみあるいは３つ以上であってもよい。いずれの場合も、フィルタユニット１４は、ワーキングコイル１８を巻回した範囲内すなわち磁力線の到達範囲内に配置する。複数のフィルタユニット１４を配置する場合には、各フィルタユニット１４に対応させて複数のワーキングコイル１８を配置してもよい。また、複数のフィルタユニット１４を連結する支持軸１６は、各フィルタユニット１４の位置および間隔を保持できるものであれば適宜の位置に配置することができ、図示のように中央部に限らず、周部に近接した位置で互いに離隔させて配置してもよい。
【００１２】
このフィルタユニット１４は、上述のワーキングコイル１８で誘導加熱される加熱部材として、例えばＳＵＳ４３０等の金属板に多数の孔を打抜き形成した一対のディスク状多孔性支持プレート２８を備え、この支持プレート２８間にセラミック繊維製フィルタ３０を配置したサンドイッチ構造を有する。このセラミック繊維製フィルタ３０は、チラノチョップ状繊維層３２間にブランケット状繊維層３４を挟んだ積層構造を有する。このチラノチョップ状繊維層３２を形成するチラノチョップ状繊維は、シリコン、チタンまたはジルコニウム、炭素、酸素からなるセラミック連続繊維であるのが好ましく、種々のフィラメント径を有する市販のものを用いることができる。また、ブランケット状繊維層３４を形成するブランケットは、セラミック繊維を積層しながらニードル加工したものを用いるのが好ましく、市販の酸化アルミニュームおよび酸化ケイ素を主成分としたものを用いることができる。
【００１３】
このようなセラミック繊維製フィルタ３０は、チラノチョップ状繊維層３２間にブランケット状繊維層３４を挟んだ３層構造に限らず、いずれか１つのセラミック繊維のみで形成してもよく、更に、４層以上に積層してもよい。図示の実施形態のような３層あるいは５層の奇数層構造とする場合には、フィルタユニット１４のいずれの側の多孔性支持プレート２８から排ガスを流入させてもよく、前後方向の特定が不要であるため、組立てが容易となる。更に、セラミック繊維製フィルタ３０が厚くなる場合には、その中間部に支持プレート２８と同様な金属製部材（図示しない）を配置することも可能である。一方、１つの多孔性支持プレート２８のみでも所要の温度に誘導加熱できる場合には、いずれか１つの支持プレート２８のみを誘導加熱用の金属製部材として形成してもよい。
【００１４】
このような微粒子除去装置１０の入口２２から流入した排ガスは、内部流路２４を流れて出口２６から排出される間に、フィルタユニット１４を通過する。排ガスは、このフィルタユニット１４の一方の多孔性支持プレート２８の孔からセラミック繊維製フィルタ３０を通して他方の多孔性支持プレート２８から排出され、例えばスス状あるいは目に見えない微粒子がこのセラミック繊維製フィルタ３０にトラップされる。
【００１５】
フィルタユニット１４に多量の微粒子がトラップされ、入口２２と出口２６との圧力差が予め設定した値以上となると、高周波電源２０からワーキングコイル１８に高周波電流が通電される。この圧力差の値は、ディーゼル機関、ボイラあるいは焼却路等の通常運転の効率を低下させない程度の大きさに設定するのが好ましい。
【００１６】
ワーキングコイル１８が通電されると、フィルタユニット１４の多孔性支持プレート２８に渦電流が流れ、抵抗成分によるジュール熱によって、短時間で高温（約６００℃）に加熱される。この熱により、フィルタユニット１４内にトラップされた排出微粒子は短時間で燃焼し、これにより、フィルタユニット１４が再生される。これは、排ガス中の僅かな酸素でも高温で効率よく排出微粒子を燃焼させるためである。支持プレート２８間に金属プレートが配置されている場合には、この金属プレートも支持プレート２８と共に誘導加熱され、したがって、より短時間で排出微粒子を燃焼させることも可能である。
【００１７】
この微粒子除去装置１０は、従来のようなワイヤ状の電気ヒータおよびこれらを接続する配線が不要であるため、断線の虞が全くない。また、セラミック繊維製フィルタ３０を支える金属製の支持プレート２８自体が発熱する加熱部材として形成されているため、大きな渦電流が流れても断線することなく、構造が極めて簡単でありながらも、両側から効率良く、短時間で高温に加熱することができる。しかも、ディーゼル機関等を運転しつつ再生することも可能であり、その制御も極めて容易である。ディーゼル機関を運転しつつ加熱再生する場合は、フィルタユニット１４を高温に維持した状態で加熱するため、排出微粒子の燃焼に要する時間および電力が少なくてすみ、その効率をより高めることができる。
なお、ワーキングコイル１８への通電は、入口２２および出口２６の圧力差に限らず、所定時間毎に行うことも可能である。
【００１８】
図２は、本発明の実施形態による微粒子除去装置１０Ａを示す。本実施形態も誘導加熱によるスス状微粒子の燃焼低減の原理は、上述の参考例と同様であるため、同様な部位には同様な符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態の微粒子除去装置１０Ａのフィルタユニット３６は、それぞれ多数のパンチ孔を形成した円筒状の外側支持プレート２８ａと円筒状の内側支持プレート２８ｂとの間にセラミック繊維製フィルタ３０を配置した円筒状構造を有し、ハウジング１２内に同軸状に配置される。これらの多孔性支持プレート２８ａ，２８ｂは、ハウジング１２の入口２２側および出口２６側端部をそれぞれストッパ部材３８，４０により同軸状に保持される。
【００１９】
入口２２側のストッパ部材３８は、支持プレート２８ａ，２８ｂ間に形成される環状スペースすなわちセラミック繊維製フィルタ３０の収容スペースの端部を密閉すると共に、内側支持プレート２８ｂの端部も閉じ、内側支持プレート２８ｂの内部空間すなわち軸方向孔がハウジング１２の入口２２と連通するのを防止する。このストッパ部材３８は、外周縁部が外側支持プレート２８ａに固定されており、これから半径方向外方に突出しない。また、出口２６側のストッパ部材４０は支持プレート２８ａ，２８ｂ間に形成される環状スペースの端部を密閉する。この出口２６側のストッパ部材４０は、内側支持プレート２８ｂの内側の軸方向孔を外部すなわちハウジング１２の内部通路２４に連通させる開口を有し、外側支持プレート２８ａを超えて更に半径方向外方に延びる。これらのストッパ部材３８，４０は、例えばＳＵＳ３１６等の好適な板材料から形成することが好ましい。
【００２０】
このストッパ部材４０の外周縁部には、例えばＳＵＳ３１６等の好適な非磁性材料で形成した円筒状の環状部材４２を補助加熱部材として配置してある。この環状部材４２はハウジング１２の内周面に密着し、外側支持プレート２８ａとの間に排ガス流路４４を形成する。
【００２１】
この微粒子除去装置１０Ａでは、ハウジング１２の入口２２から流入した排ガスＧ１が、フィルタユニット３６の環状部材４２と外側支持プレート２８ａとの間に形成された環状の排ガス流路４４から外側支持プレート２８ａの多数のパンチ孔を通ってセラミック繊維製フィルタ３０内に入る。このセラミック繊維製フィルタ３０で微粒子を除去された後、内側支持プレート２８ｂに形成された多数のパンチ孔からこの支持プレート３８ｂの軸方向孔で形成された排ガス流路４６を通り、出口２６から排出される。符号ｇは排ガス流路４６内のガスの流れを示す。
【００２２】
本実施形態では、図１に示す参考例に比べて、排ガスの流通面積を極めて大きく形成すると共に、排ガス流路を迷路状に形成することができるため、微粒子の捕集効率を増大することができる。
【００２３】
この微粒子除去装置１０Ａでは、フィルタユニット３６を再生する際、外側支持プレート２８ａの外側に位置する環状部材が、表皮効果を利用して、短時間に高温に加熱され、内側の支持プレート２８ａ，２８ｂ間にサンドイッチ状に挟まれたセラミック繊維製フィルタ３０の短時間加熱を助ける補助加熱部材として作用する。
【００２４】
上記のフィルタユニット３６は、円筒状に形成することに代え、截頭円錐状形状に形成することも可能である。この場合、小径側を入口２２側あるいは出口２６側のいずれに指向させてもよい。環状部材４２を入口２２側に縮径する截頭円錐状に形成する場合には、多数のパンチ孔を形成することが好ましい。あるいは、環状部材４２を省略することも可能である。
【００２５】
図３は、図２に示す微粒子除去装置１０Ａによる微粒子除去効果を確認した実験装置の概要図を示す。
実験においては、ディーゼル発電機５０から耐熱ホース５２で微粒子除去装置１０Ａの入口２２側に排ガスを導き、出口２６側を排気管５４を介して大気に開放した。
【００２６】
この実験で用いたディーゼル発電機５０の仕様を表１に示し、スモークテスタ５６の仕様を表２に示す。ディーゼル機関は、指定燃料の軽油に代えて、これよりも低質のＡ重油を用い、スス状の微粒子を多く含む黒煙を発生させた。
【００２７】
【表１】
Figure 0003899404
【００２８】
【表２】
Figure 0003899404
【００２９】
また、微粒子除去装置１０Ａは、ハウジング１２および環状部材４２のそれぞれの外径を約１００ｍｍ，９８ｍｍとし、外側および内側支持プレート２８ａ，２８ｂの外径をそれぞれ約７０ｍｍ，５０ｍｍに形成し、ワーキングコイル１８は、略４ｍｍ径の銅製の中空細管で形成し、ほぼ３００ｍｍの軸方向長さにわたって巻回した。
【００３０】
排ガス中のスス等を含む排出微粒子の濃度は、排気管５４の出口部分で、スモークテスタ５６で計測した。この実験では、微粒子除去装置１０Ａによる微粒子除去効果の確認と、誘導加熱による微粒子除去装置１０Ａの再生効果の確認との２つを行った。
【００３１】
図４は、微粒子除去装置１０Ａによる微粒子除去効果を示す。
図４の（ａ）は、フィルタなし場合の排ガスのスモークテスタによる黒煙濃度（８４％）を示し、図４の（ｂ）は、微粒子除去装置１０Ａを通したときの濃度（０．１２％）を概略的に示す。
【００３２】
表３は、微粒子除去装置１０Ａを設置しないときのスモークテスタ５６による計測結果を示す。この表３に示す測定結果から、黒煙濃度微粒子除去装置１０Ａを設置しないときの黒煙濃度を基準（１００％）とすると、微粒子除去装置１０Ａを通したときのスス状微粒子低減率は、ほぼ１００％の高効率を実現する。ここで、スス状微粒子低減率は次の関係式（１）で定義する。すなわち、関係式（１）は、
スス状微粒子低減率（％）＝｛１−（微粒子除去装置１０Ａを設置したときの黒煙濃度）／（微粒子除去装置１０Ａを設置しないときの黒煙濃度）｝×１００、
と表される。
【００３３】
【表３】
Figure 0003899404
【００３４】
また、表４は、誘導加熱による微粒子除去装置１０Ａの再生効果を示す。
この実験では、微粒子除去装置１０Ａを誘導加熱により再生した後、ディーゼル機関を５回始動し、それぞれの始動時におけるスス状微粒子を捕集した。そして、その捕集したスス状微粒子を誘導加熱によって燃焼し、この微粒子除去装置１０Ａを再生した後、再度ディーゼル機関始動時のスス状微粒子を捕集した結果である。なお、スス状微粒子低減率は、上記関係式（１）に基づいて算出した。
【００３５】
【表４】
Figure 0003899404
【００３６】
以上から明らかなように、誘導加熱を利用して再生するフィルタユニット１４，３６を備える微粒子除去装置１０，１０Ａは、従来の自動車用ＤＰＦと異なり、排ガスと接触する部分にワイヤ状ヒータのような配線部分が全くなく、サンドイッチ状にセラミック繊維製フィルタを支える支持プレート２８は、非接触の誘導加熱用ワーキングコイルに高周波交流を通電することにより、短時間で高温に発熱する加熱源として作用する。このため、微粒子除去装置１０，１０Ａは、加熱部材の断線の心配もなく、短時間で効率良くセラミック繊維製フィルタを加熱できる。これにより、排出微粒子を短時間で燃焼させ、容易にフィルタの再生を繰り返ことができ、メンテナンス上も極めて有益である。
【００３７】
なお、上述の各実施形態による微粒子除去装置では、いずれもセラミック繊維フィルタ３０を用いているが、上述のように誘導加熱される支持プレート２８，２８ａ，２８ｂで直接加熱可能な状態に微粒子を捕集できるものであれば、これに限らず他の捕集部材あるいは捕集装置を用いることが可能なことは明らかである。例えば、支持プレート２８，２８ａ，２８ｂの孔径を例えば１０μｍ程度に形成することで、この支持プレート２８，２８ａ，２８ｂで直接捕集し、加熱再生させるまで、この捕集した微粒子を支えあるいは保持させておくことも可能である。この場合には、１つの支持プレートのみで捕集装置あるいはフィルタユニット１４，３６を形成することもできる。
【００３８】
【発明の効果】
以上明らかなように、本発明の微粒子除去装置およびフィルタユニットによると、ハウジングの内周面との間に環状の排ガス流路を形成する多孔性支持プレートが、ハウジングの外周部に巻回されたコイルで誘導加熱されることにより、極めて構造が簡単でかつ制御も容易でありながら、捕集した排ガス中の微粒子を短時間で効率良く燃焼することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例による微粒子除去装置の説明図。
【図２】 本発明の好ましい実施形態による微粒子除去装置の説明図。
【図３】図２の微粒子除去装置をディーゼル発電機に取付けた状態の説明図。
【図４】スモークテスタによるスス状微粒子の測定状態を示す説明図。
【符号の説明】
１０…微粒子除去装置、１２…ハウジング、１４…フィルタユニット（捕集装置）、１８…コイル、２８…支持プレート（加熱部材）、３０…セラミック繊維フィルタ。

Claims (5)

  1. 排ガスを流通させる非磁性材料製の円筒状ハウジング（１２）と、このハウジング（１２）の外周部に巻回されて高周波電流を供給されるコイル（１８）と、このコイルが形成する磁力線の到達範囲内でこのハウジング内に同軸状に配置され、外周側に形成される排ガス流路（４４）と内側の軸方向孔で形成される排ガス流路（４６）との間を流通する排ガス中の微粒子を捕集する円筒状構造のフィルタユニット（３６）と、を備え、
    前記フィルタユニット（３６）は、ハウジング（１２）の内周面との間に環状の排ガス流路（４４）を形成すると共に、前記コイル（１８）に高周波電流が供給されたときに、誘導加熱され、このフィルタユニット（３６）に集積された微粒子を燃焼させる円筒状の多孔性支持プレート（２８ａ）を有することを特徴とする微粒子除去装置。
  2. 前記フィルタユニットは、前記支持プレートの内周側に配置されたセラミック繊維製フィルタを有し、このセラミック繊維製フィルタは、チラノチョップ状繊維層間にブランケット状繊維層を挟んだ積層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の微粒子除去装置。
  3. 前記セラミック繊維製フィルタは、内周側を多孔性支持プレート（２８ｂ）で支えられることを特徴とする請求項２に記載の微粒子除去装置。
  4. 前記多孔性支持プレートは、排ガス中の微粒子を直接捕集する孔径に形成され、加熱再生されるまで、この捕集した微粒子を支えることを特徴とする請求項１に記載の微粒子除去装置。
  5. 高周波電流が供給されるコイルを外周部に巻回しかつ排ガスを流通させる非磁性材料製の円筒状ハウジング内で、前記コイルが形成する磁力線の到達範囲内に同軸状に配置され、外周側に形成される排ガス流路（４４）と内側の軸方向孔で形成される排ガス流路（４６）との間を流通する排ガス中の微粒子を捕集する円筒状構造のフィルタユニットであって、
    前記ハウジング（１２）の内周面との間に環状の排ガス流路（４４）を形成すると共に、前記コイル（１８）に高周波電流が供給されたときに、誘導加熱され、集積された微粒子を燃焼させる円筒状の多孔性支持プレート（２８ａ）を有することを特徴とするフィルタユニット。
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