JP4283083B2

JP4283083B2 - 粒子状物質除去フィルタ

Info

Publication number: JP4283083B2
Application number: JP2003353589A
Authority: JP
Inventors: 和久松本
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: JP2005120841A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中の粒子状物質を除去する粒子状物質除去フィルタに関するものである。

ディーゼルエンジンの排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するディーゼルエンジンパテキュレートフィルタ（ＤＰＦ）の開発は、既に、世界各国で２０年以上続けられ、失敗の繰り返しであった。ＰＭとは、数ミクロンから数十ミクロンの直径を持つカーボン粒子の周りにＨＣ，ＳＯｘ，ＮＯｘなどが付着したものであり、このＰＭの捕集のために、従来、ハニカム状の多孔質コージェライトセラミックスや、多孔質炭化珪素セラミックスを用いて微小径の通孔をフィルタとして使用する方法が試みられてきた。

しかし、モノリシックのセラミックス材料に孔が多数開いていれば、この材料に機械的、或いは熱的応力が作用したとき、容易に破壊する。従来のＤＰＦフィルタは、炭化珪素、ニッケルクローム合金などが用いられたが、いずれも耐久および信頼性が十分でなく、実用上の問題がある。

一方、ランダムに積層した炭化珪素繊維を、２枚の抵抗発熱体金網でサンドイッチ状に挟み込んだ後、これを蛇腹状に形成し、更に、その一端部に電極ブロックを取り付けたＤＰＦフィルタが知られている。そして、このＤＰＦフィルタを再生処理する時には、抵抗発熱体金網に通電し、捕集したＰＭを焼却することが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
高温学会誌、第２５巻、第１号（1999年 1月）（第29−31頁、図10)

しかし、電極ブロックを溶接によって抵抗発熱体金網に接合すると、コスト高となる。また、従来の技術では、通電により発熱するＤＰＦフィルタに金属製電極を接合させることができなかった。

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、その目的とするところは、金属製電極をセラミック製フィルタに容易に、かつ、安価に接合させることができ粒子状物質除去フィルタを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の粒子状物質除去フィルタは、ディーゼルエンジンの排ガス中の粒子状物質を除去するフィルタであって、所定の電気抵抗を有し、かつ、繊維強化セラミックス製の板状のフィルタ本体の表裏両面に電極板を設け、該電極板とフィルタ本体とをスリットによって隔てられた多数の押圧片を有する金属製クリップによって狭持することを特徴とするものである。

また、本発明の粒子状物質除去フィルタは、電極板を、導電性を有する接合部を介して前記フィルタ本体に固着させたものである。

また、本発明の粒子状物質除去フィルタは、フィルタ本体の電気抵抗が０．３Ω〜６Ωである。

また、本発明の粒子状物質除去フィルタは、フィルタ本体を、平織布の形態を持つベース部と、このベース部に支持され、かつ、不織布の形態を持つ粒子状物質捕集部により構成すると共に、その表面に炭化珪素を析出被着させてなるものである。

また、本発明の粒子状物質除去フィルタは、粒子状物質捕集部を、薄手のマット又はペーパと、その表面及び表面近傍の空隙に短繊維を担持させてなるものである。

また、本発明の粒子状物質除去フィルタは、ベース部及び粒子状物質捕集部を、炭化珪素繊維、窒化珪素繊維、アルミナ繊維、アルミナ・シリカ繊維及び炭素繊維よりなる繊維群から選択した１種以上の繊維により構成してなるものである。

また、本発明の粒子状物質除去フィルタは、請求項１記載の粒子状物質除去フィルタを、スペーサを介して複数段積み重ねてユニット化し、その上流端には、邪魔板を１段置きに設けてその間に排ガス流入口を形成し、その下流端は、前記排ガス流入口に対向する位置に邪魔板を設けて閉鎖すると共に、上流端の邪魔板に対向する位置に排ガス流出口を設けたことを特徴とするものである。

上記のように、本発明は、所定の電気抵抗を有し、かつ、繊維強化セラミックス製の板状のフィルタ本体の表裏両面に導電性を有する接合部を介して電極板を設け、該電極板とフィルタ本体とをスリットによって隔てられた多数の押圧片を有する金属製クリップによって狭持するので、フィルタ自体に凹凸があっても、その全長にわたって電極板を密着させることができる。

従って、フィルタ本体を、その全面にわたって効率よく発熱させることができるため、捕集した粒子状物質（ＰＭ）を効率的に焼却処理することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の粒子状物質除去フィルタ１は、所定の電気抵抗を有し、かつ、繊維強化セラミックス製の平板状のフィルタ本体２の表裏両面に電極板３を設け、この電極板３とフィルタ本体２とを金属製のクリップ５によって狭持するようになっている。

この金属製のクリップ５は、フィルタ本体２の凹凸面に馴染むように、その自由端、すなわち、狭持部にスリット４によって隔てられた多数の押圧片７を備えている（図３参照。）。この押圧片７は、その腰を強くするために、例えば、半円弧状のビードを一体的にプレス成形してもよい。また、スリット４は、通常、所定のピッチで設けられている。また、フィルタ本体２の電気抵抗としては、０．３Ω〜６Ωが望ましい。

図２及び図３に示すように、電極板３は、耐熱性および導電性を有する接着層、すなわち、接合層６を介してフィルタ本体２に固着されている。その上、電極板３及びクリップ５は、互いに対向するように、フィルタ本体２の左右両側に取り付けられている（図１参照。）。ここで、電極板及びクリップの材料としては、例えば、インコネル（商標名）などの耐熱性のある金属が好ましい。

ここで、金属製クリップは、次の寸法に形成することが望ましい。
すなわち、
（ａ）クリップ脚長ａ：４〜１０ｍｍ
（ｂ）クリップ肩幅ｂ：（ｔ_f＋２ｔ_e）以上
但し、ｔ_f：フィルタ本体の厚さ
ｔ_e：電極の厚さ
（ｃ）クリップ板厚ｔ：０．１５〜０．８ｍｍ
（ｄ）スリット深さｃ：３〜９ｍｍ
（ｅ）スリットの幅：０．３〜３ｍｍ
（ｆ）スリットのピッチ：２〜２０ｍｍ

一方、上記フィルタ本体２は、図４に示すように、平織布の形態を持つベース部２１と、このベース部２１に支持され、かつ、不織布の形態を持つ粒子状物質捕集部２２によって構成されている。この粒子状物質捕集部２２は、図４及び図５に示すように、例えば、１ｍｍに満たない薄い繊維製のマット、或いはフェルト２３の空隙に短繊維２４を充填させたものである。

上記ベース部２１及び粒子状物質捕集部２２は、分離しないように、不活性雰囲気中で炭化させた結合剤によって互いに結合されている。また、マット、或いはフェルト２３の空隙に充填させた微細な繊維２４がマット、或いはフェルト２３から脱落しないように、これらは不活性雰囲気中で炭化させた結合剤（不図示）によって互いに結合されている。その上、フィルタ本体２を構成している繊維の表面には、炭化珪素（不図示）を析出被着させている。

また、上記ベース部２１及び粒子状物質捕集部２２は、炭化珪素繊維、窒化珪素繊維、アルミナ繊維、アルミナ・シリカ繊維及び炭素繊維よりなる繊維群から選ばれる１種以上の繊維により構成されている。

ここで、複合化前の素材の平織布の目付重量としては、１００ｇ／ｍ²〜３５０ｇ／ｍ²の範囲が望ましい。また、複合化前のマット又はペーパの目付重量としては、１５ｇ／ｍ²〜８０ｇ／ｍ²の範囲が望ましい。更に、複合化前の短繊維の直径としては、０．１μｍ〜１５μｍの範囲が望ましい。また、その長さとしては、１００μｍ〜２０００μｍの範囲が望ましい。

また、平織布とマットとを接着させる接着剤、並びにマット又はペーパと短繊維とを接着させる接着剤としては、四塩化炭素で希釈したフェノール樹脂が望ましい。

図６に示すように、フィルタユニット１０は、既に説明した粒子状物質除去フィルタ１をスペーサ１１を介して複数段、例えば、４段に重ねて形成したものであり、その上流端は、邪魔板１３によって１段置きに閉塞され、その間に排ガス流入口１２が設けられている。また、その下流端は、排ガス流入口１２に対向する個所が邪魔板（不図示）によって閉鎖される一方、上流端の邪魔板１３に対向する部分が排ガス流出口（不図示）となっている。

従って、排ガス流入口１２からフィルタユニット１０内に流入したディーゼルエンジンの排ガスＧは、フィルタユニット１０内を通過する間に粒子状物質除去フィルタ１によって排ガス中の粒子状物質（ＰＭ）が捕捉される。清浄になった排ガスＧ’は、フィルタユニット１０の排ガス流出口（不図示）から大気中に排出される。

そして、粒子状物質除去フィルタ１によって捕捉された粒子状物質（ＰＭ）は、電極３間に直流電流を印加することによって焼却される。

（実施例）
（１）フィルタの形状及び寸法について
繊維径１５μｍの炭化珪素繊維（ニカロン）よりなる平織布（目付重量：１５０ｇ／ｍ²）に結合剤として四塩化炭素で希釈したフェノール樹脂（重量濃度：２０％）を含浸させた。

一方、繊維径１５μｍ、長さ６ｍｍの炭化珪素繊維（ニカロン）のマット（目付重量：６０ｇ／ｍ²、厚さ０．７ｍｍ）の片面に、炭素繊維のミルドファイバ（トレカＴ３００、直径：７μｍ、長さ５００μｍ）のスラリ（エタノール中に分散）を振りかけて厚さ０．９ｍｍの不織布を形成した。

この不織布に結合剤として四塩化炭素で希釈したフェノール樹脂（重量濃度：２０％）を含浸した後、上記平織布の上に載せ、板状フィルタを成型した。

この成型品を８００℃のアルゴンガス中で無機化した後、ＣＶＤ（化学気相蒸着法）により炭化珪素結晶を析出被着させた（平織布の表面の５０ケ所での平均膜厚５μｍ）。この中間製品（板厚２ｍｍ）を長方形に整形し、３２０ｍｍ×１００ｍｍのフィルタ本体を得た。

このフィルタ本体の左右両端の上下両面の３２０ｍｍ×５ｍｍの部分に銀パラジウムペーストを塗布し、３２０ｍｍ（長さ）×５ｍｍ（幅）×０．５ｍｍ（厚さ）のインコネル６００（商標名）製の電極板を貼り付けた。

この上下２枚の電極板とフィルタ本体とをインコネル１８（商標名）製のクリップで狭持した後、７５０℃（大気中）で上記銀パラジウムペーストを焼成した。

尚、クリップは、脚長６ｍｍ、スリット幅０．４ｍｍ、深さ４ｍｍ、ピッチ８ｍｍとした。
（２）フィルタ特性について
上記フィルタを平成５年製造の積載重量４．５トンのトラックのマフラの下流に取り付け、アイドリング状態で排ガスの一部を吸引した（通気速度：１００ｍ／分。）。

上記フィルタは、集塵率が９０％（初期集塵率）から９２．５％（２０００回再生後の集塵率）に増加する一方、圧損も０．９ｋＰａ（初期圧損）から１．１ｋＰａ（２０００回再生後の圧損）に増加したが、圧損の増加は、僅かであった。

すなわち、
１．１（ｋＰａ）−０．９（ｋＰａ）＝０．２（ｋＰａ）
尚、フィルタの再生には、フィルタの圧損が２０ｋＰａになった時、２４Ｖの直流電圧を両電極間に印加し、フィルタ表面温度を５５０℃〜６５０℃になるように温度制御し、５分間保持した。

本発明に係る粒子状物質除去フィルタの正面図である。図１のＡ部拡大断面図である。図１のＡ部拡大斜視図である。図１のＢ部拡大断面図である。図４のＣ部拡大断面図である。本発明に係る粒子状物質除去フィルタユニットの斜視図である。

符号の説明

１フィルタ
２フィルタ本体
３電極板
４スリット
５金属製クリップ
７押圧片

Claims

ディーゼルエンジンの排ガス中の粒子状物質を除去するフィルタであって、所定の電気抵抗を有し、かつ、繊維強化セラミックス製の板状のフィルタ本体の表裏両面に電極板を設け、該電極板とフィルタ本体とをスリットによって隔てられた多数の押圧片を有する金属製クリップによって狭持することを特徴とする粒子状物質除去フィルタ。
前記電極板を、導電性を有する接合部を介して前記フィルタ本体に固着してなる請求項１記載の粒子状物質除去フィルタ。
前記フィルタ本体の電気抵抗が０．３Ω〜６Ωである請求項１記載の粒子状物質除去フィルタ。
前記フィルタ本体を、平織布の形態を持つベース部と、このベース部に支持され、かつ、不織布の形態を持つ粒子状物質捕集部により構成すると共に、その表面に炭化珪素を析出被着させてなる請求項１記載の粒子状物質除去フィルタ。
前記粒子状物質捕集部を、薄手のマット又はペーパと、その表面及び表面近傍の空隙に短繊維を担持させてなる請求項４記載の粒子状物質除去フィルタ。
前記ベース部及び粒子状物質捕集部を、炭化珪素繊維、窒化珪素繊維、アルミナ繊維、アルミナ・シリカ繊維及び炭素繊維よりなる繊維群から選択した１種以上の繊維により構成してなる請求項４記載の粒子状物質除去フィルタ。
請求項１記載の粒子状物質除去フィルタを、スペーサを介して複数段積み重ねてユニット化し、その上流端には、邪魔板を１段置きに設けてその間に排ガス流入口を形成し、その下流端は、前記排ガス流入口に対向する位置に邪魔板を設けて閉鎖すると共に、上流端の邪魔板に対向する位置に排ガス流出口を設けたことを特徴とする粒子状物質除去フィルタ。