JP6030350B2 - エアクリーナ用の濾材の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、内燃機関のエアクリーナに用いられる濾材、特に、天然繊維と化学繊維とを用いて湿式の抄紙により製造される濾材の製造方法に関する。
例えば自動車用内燃機関のエアクリーナの濾材は、一般に、パルプやリンター等の天然繊維を主体とした濾紙からなり、この濾紙を多数回折り返した形としてケース内に収容した構成となっている。このような濾紙は、一般に単層のものであるが、濾材の長寿命化を図るために、図１０の説明図に示すように、相対的に密度が高い濾紙を下層２１とし、その上流側となる面に、相対的に密度が低い不織布もしくは濾紙からなる上層２２を貼り合わせてなる２層構造の複合型濾材も実用に供されている。なお、図１０は、各々の層の密度ないしポアサイズを孔の大きさで表した説明図である。
このような２層構造の濾材では、粒子の大きなダストが上層２２で捕捉されるため、単層のものに比べれば目詰まりしにくく寿命が長くなるが、図１１に模式的に示すように、２つの層２１，２２の界面で目詰まりが生じやすい。
このようなことから、特許文献１では、上層用の抄紙原料と下層用の抄紙原料とを用い、両者が部分的に混合するように抄紙機のワイヤ上に供給することで、上層と下層との層間で連続した密度勾配を有する複合濾紙を得るようにした製造方法が提案されている。
特公昭５３−１７６８７号公報
上記特許文献１には、上層用の抄紙原料および下層用の抄紙原料として、リンター繊維とレーヨン繊維との配合比をそれぞれ異ならせたものを用いることが開示されているが、このように同じ繊維を用いて配合比を変えたのみでは、必ずしも良好な特性が得られない。特に、自動車用内燃機関のエアクリーナとしては、比較的大きなダスト粒子（例えば７μｍの粒子で試験が行われる）に対するダスト性能と、非常に小さなカーボン粒子（例えば０．５μｍ程度のすす）に対するカーボン性能と、の双方について、捕捉効率と寿命（目詰まりまでの期間）とを両立させることが求められるが、従来の構成では、特にカーボン性能について良好な性能が得られなかった。
この発明は、上記特許文献１に開示されているような製造方法を利用して、より高いレベルで捕捉効率と寿命とを両立させた濾材を提供することを目的としている。
この発明は、ダスト粒子とカーボン粒子との双方を捕捉対象とする内燃機関のエアクリーナ用の濾材の製造方法であって、
マーセル化パルプを主体とした天然繊維とポリエチレンテレフタレート繊維からなる化学繊維とを含む第１の抄紙原料と、マーセル化していないパルプを主体とした天然繊維とポリエチレンテレフタレート繊維からなる化学繊維とを含む第２の抄紙原料と、を準備し、
ここで、上記第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は上記第２の抄紙原料における化学繊維の配合比よりも高く、かつ、
上記第１の抄紙原料における化学繊維の太さが上記第２の抄紙原料における化学繊維の太さよりも太く、
これら２つの抄紙原料を用いて、坪量が６０〜２５０ｇ／ｍ2 の範囲で、主に第１の抄紙原料からなる上層から主に第２の抄紙原料からなる下層へと層間で両者の配合割合が連続的に変化するように抄紙を行う。
図１は、本発明の濾材を抄紙するための製造方法を示す説明図であって、これは、特許文献１に記載されている方法と特に変わりがない。すなわち、図示しない別々のヘッドボックスから第１の抄紙原料１と第２の抄紙原料２とが、ワイヤ送りドラム３およびワイヤ４からなる抄紙機のワイヤパートへ供給されるが、混合率調整板５よりも下流側では、２つの抄紙原料１，２が部分的に混合し、明確な界面が存在しない状態となってワイヤ４上に載る。これにより、上面から下面の間で２つの抄紙原料１，２の配合割合が連続的に変化した濾材が得られる。なお、本発明における「上層」および「下層」の語は、濾過される流体の流れ（例えばエアクリーナ用の濾材であれば空気の流れ）に対する上流側の層および下流側の層の意味であり、抄紙時の上下がこれに限定されるものではない。
図２は、本発明の濾材の説明図であって、図１０や図１１と同様に、各々の層の密度ないしポアサイズを孔の大きさで模式的に示した説明図である。図示するように、２つの層の界面は存在せず、密度ないしポアサイズが連続的に変化する。そのため、基本的に、界面での目詰まりが生じにくいものとなる。
ポリエチレンテレフタレート繊維のような化学繊維は、パルプ等の天然繊維に比較して真っ直ぐなため、化学繊維が多く配合されると濾材内部に空隙が生じ、密度が低下する。このような作用は、同じ化学繊維でも、繊維径が太いほど大となる。また、アルカリ処理により繊維をカールさせたマーセル化パルプはマーセル化していないパルプに比して嵩高であって低密度となる。そのため、本発明では、図１に示したような抄紙方法で層間が連続密度勾配となるように抄紙した場合に、層間で単に配合比が連続的に変化するにとどまらず、繊維径の太い化学繊維（ポリエチレンテレフタレート繊維）およびマーセル化パルプが上層ほど多く存在し、繊維径の細い化学繊維（ポリエチレンテレフタレート繊維）およびマーセル化していないパルプが下層ほど多く存在する形となり、比較的大きなダスト粒子（例えば７μｍの粒子で試験が行われる）に対するダスト性能と、非常に小さなカーボン粒子（例えば０．５μｍ程度のすす）に対するカーボン性能と、の双方について、捕捉効率と寿命（目詰まりまでの期間）とがより高いレベルで両立する。
好ましい一つの例では、図１に示したように、上記第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は、１０〜８０％（重量％、以下同じ）であり、その繊維の太さは、１０〜３０μｍであり、上記第２の抄紙原料における化学繊維の配合比は、６０％以下であり、その繊維の太さは、３〜２０μｍである。
すなわち、上層における化学繊維の配合量が少ないと、空隙率が低く、低密度化の効果が得られない。逆に配合量が多すぎると、空隙率が高くなりすぎてダストが上層を通過してしまい、上層の役割を果たせなくなる。従って、第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は、１０〜８０％が好ましい。また、下層は、上層よりも密度を高くして密度勾配を確保するとともに、例えばエアクリーナエレメントとして後行程でプリーツ加工しやすいように天然繊維の割合を多くする必要があることから、第２の抄紙原料における化学繊維の配合比は、６０％以下であることが好ましい。また、化学繊維の繊維径は、上述したように太い方が空隙を確保して密度を下げる効果が高いことから、上層では１０〜３０μｍ、下層では３〜２０μｍ、の範囲が好ましい。
また、原紙の坪量は、紙力（強度）や厚さとの相関が高く、図３に示すように、６０ｇ／ｍ2未満ではフィルタ例えばエアクリーナエレメントとしての必要強度が得られないことから、６０ｇ／ｍ2以上であることが望ましい。但し、２５０ｇ／ｍ2を越えると、強度は強いものの、図４に示すように、ある厚さを越えてしまい、プリーツ加工してフィルタ（例えばエアクリーナエレメント）としてケース内に収容するに際して、必要な濾材の面積を十分に確保できなくなる（つまり濾材の嵩が過大となる）とともに、厚みが過大で通気抵抗が高くなることから、２５０ｇ／ｍ2以下であることが望ましい。
本発明においては、望ましくは、上記第１の抄紙原料と上記第２の抄紙原料とが、坪量比で、２：８〜６：４の割合で含まれている。
本発明のような密度勾配を有する濾材では、上層および下層の坪量比は、図５に示すように、濾過性能（図ではダストホールディングキャパシティ：ＤＨＣで示している）および濾材の剛性との相関が高い。上流側となる低密度層の割合が大きくなると、ダスト性能の寿命（ライフ）が向上するが、これに伴って下流側の高密度材料の割合が少なくなり過ぎると、濾材の剛性が低下し、濾材密着等が発生してフィルタとしての性能低下（寿命の低下や効率の低下）が起こりやすくなる。従って、両者を勘案して、ダスト性能と剛性とのバランスがとれた２：８〜６：４の割合が望ましい。
また望ましくは、濾材の厚みは、０．４〜１．５ｍｍの範囲にある。濾材の厚みは、図６に示すように、濾過面積および通気抵抗との相関が高く、濾材が薄いほど、同じフィルタにおいて濾過面積を大きく確保できるとともに、通気抵抗を小さくできるので、１．５ｍｍ以下であることが望ましい。但し、強度の点で、少なくとも０．４ｍｍは必要である。
また望ましくは、濾材の密度は、０．１〜０．５ｇ／ｃｍ3の範囲にある。濾材の密度は濾過性能との相関が高く、図７に示すように、密度が低いほど目詰まりまでの寿命（ライフ）は長くなるが、効率は低くなるので、両者のバランスがとれた０．１〜０．５ｇ／ｃｍ3の範囲が望ましい。
この発明によれば、排気カーボンのような微小な粒子から粒子径の大きな粗塵ダスト粒子に至るまで様々な大きさの粒子を幅広く濾過でき、かつ目詰まりまでの寿命が長い濾材を提供することができる。
この発明に適用される抄紙方法の説明図。 この発明に係る濾材の説明図。 坪量と強度との関係を示す特性図。 坪量と厚みとの関係を示す特性図。 坪量比と濾材特性との関係を示す特性図。 濾材厚みと濾過面積および通気抵抗との関係を示す特性図。 密度と濾過性能との関係を示す特性図。 本発明の実施例と比較例とのダスト性能を示す特性図。 本発明の実施例と比較例とのカーボン性能を示す特性図。 従来の二層構造の濾材を示す特性図。 界面での目詰まりを模式的に示した特性図。
以下、この発明の具体的な実施例を詳細に説明する。ここでは、フィルタとして自動車用内燃機関のエアクリーナエレメントに適用する濾材を例に説明する。
下記表１に示すように、上層を構成する第１の抄紙原料としては、天然繊維としてマーセル化パルプを４０％、化学繊維として繊維径が１８μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）繊維を６０％、配合したものを用いた。下層を構成する第２の抄紙原料としては、天然繊維として、マーセル化パルプを３５％ならびにマーセル化していない通常のパルプを６０％、化学繊維として繊維径が９μｍのＰＥＴ繊維を５％、配合したものを用いた。なお、アルカリ処理により繊維をカールさせたマーセル化パルプはパルプに比して嵩高であって低密度となり、逆にパルプはマーセル化パルプよりも強度に優れたものとなる。
これら２つの抄紙原料を用いて、前述した図１のような湿式の抄紙方法によって、連続的な密度勾配を有する濾材を抄紙した。ここで、全体の坪量が１２０ｇ／ｍ2となり、かつ第１の抄紙原料と第２の抄紙原料との坪量比が４：６となるように、それぞれの原料の供給量を調整した。これにより得られた濾材の厚み（カレンダー処理していない厚み）は、０．９５ｍｍであり、ポアサイズは７５μｍ、全体の密度は０．１３ｇ／ｃｍ3であった。
同じく表１に示すように、上層を構成する第１の抄紙原料としては、天然繊維としてマーセル化パルプを８０％、化学繊維として繊維径が１２μｍのＰＥＴ繊維を２０％、配合したものを用いた。下層を構成する第２の抄紙原料としては、天然繊維として、マーセル化パルプを２０％ならびにマーセル化していない通常のパルプを６５％、化学繊維として繊維径が９μｍのＰＥＴ繊維を１５％、配合したものを用いた。
これら２つの抄紙原料を用いて、前述した図１のような湿式の抄紙方法によって、連続的な密度勾配を有する濾材を抄紙した。ここで、全体の坪量が１００ｇ／ｍ2となり、かつ第１の抄紙原料と第２の抄紙原料との坪量比が３：７となるように、それぞれの原料の供給量を調整した。これにより得られた濾材の厚み（カレンダー処理していない厚み）は、０．６０ｍｍであり、ポアサイズは９０μｍ、全体の密度は０．１７ｇ／ｃｍ3であった。
同じく表１に示すように、上層を構成する第１の抄紙原料としては、天然繊維としてマーセル化パルプを３５％ならびにマーセル化していない通常のパルプを１５％、化学繊維として繊維径が１８μｍのＰＥＴ繊維を２０％ならびに繊維径が８μｍのＰＥＴ繊維を３０％配合したものを用いた。下層を構成する第２の抄紙原料としては、天然繊維として、マーセル化パルプを１５％ならびにマーセル化していない通常のパルプを４０％、化学繊維として繊維径が８μｍのＰＥＴ繊維を３５％ならびに繊維径が３μｍのＰＥＴ繊維を１０％配合したものを用いた。
これら２つの抄紙原料を用いて、前述した図１のような湿式の抄紙方法によって、連続的な密度勾配を有する濾材を抄紙した。ここで、全体の坪量が８０ｇ／ｍ2となり、かつ第１の抄紙原料と第２の抄紙原料との坪量比が６：４となるように、それぞれの原料の供給量を調整した。これにより得られた濾材の厚み（カレンダー処理していない厚み）は、０．５６ｍｍであり、ポアサイズは６０μｍ、全体の密度は０．１４ｇ／ｃｍ3であった。
Figure 0006030350
また、表２〜表５に比較例４〜１４の抄紙材料ならびに物性値をまとめて示す。ここで、比較例４，５，６は、低密度と高密度の２つの抄紙原料を用いた２層構造のものであって、実施例１〜３と同様に、図１で説明した抄紙方法により連続的な密度勾配を有するように抄紙した。残りの比較例７〜１４は、一種類の抄紙原料からなる単層のものである。
Figure 0006030350
Figure 0006030350
Figure 0006030350
Figure 0006030350
図８は、これらの実施例１〜３および比較例４〜１４について、いわゆるダスト性能を試験した結果をまとめたものである。この試験は、「ファインダスト」として定義される粒径７μｍのダストを含む空気を試料となる濾材に継続的に通過させて行い、所定の通気抵抗増加に達するまでに捕捉したダスト量を、横軸のダストホールディングキャパシティ（ＤＨＣ）とし、また、投入したダスト量に対し捕捉したダストの割合を縦軸の効率として、濾材の総合的な性能（寿命と捕捉効率）を一つの点で表したものである。図中の♯１〜♯３の点が実施例１〜３であり、♯４〜♯１４の点が比較例４〜１４である。
図９は、同様に、いわゆるカーボン性能を試験した結果をまとめたものである。このカーボン性能の試験は、粒径７μｍのダストに代えて粒径０．５μｍのカーボン（すす）を用いる点以外は上述のダスト性能の試験と変わりがない。横軸は、カーボンホールディングキャパシティ（ＣＨＣ）となる。
これらの図８，図９の試験においては、図中に矢印で示すように、右上の領域ほど寿命と捕捉効率とが高いレベルで両立していることになる。そして、図８のダスト性能は、大気中に飛散する比較的大きなダストに対する性能を表し、図９のカーボン性能は、排気中のカーボンのような非常に微細な粒子に対する性能を表している。これらの図８，図９に明らかなように、本発明の実施例１〜３は、ダスト性能およびカーボン性能の双方において、寿命と捕捉効率とが高いレベルで両立する結果が得られた。特に、カーボン性能において、比較例４〜１４に比べて、寿命が大幅に向上する結果が得られた。

Claims (5)

  1. ダスト粒子とカーボン粒子との双方を捕捉対象とする内燃機関のエアクリーナ用の濾材の製造方法であって、
    マーセル化パルプを主体とした天然繊維とポリエチレンテレフタレート繊維からなる化学繊維とを含む第１の抄紙原料と、マーセル化していないパルプを主体とした天然繊維とポリエチレンテレフタレート繊維からなる化学繊維とを含む第２の抄紙原料と、を準備し、
    ここで、上記第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は上記第２の抄紙原料における化学繊維の配合比よりも高く、かつ、
    上記第１の抄紙原料における化学繊維の太さが上記第２の抄紙原料における化学繊維の太さよりも太く、
    これら２つの抄紙原料を用いて、坪量が６０〜２５０ｇ／ｍ2 の範囲で、主に第１の抄紙原料からなる上層から主に第２の抄紙原料からなる下層へと層間で両者の配合割合が連続的に変化するように抄紙を行う、エアクリーナ用の濾材の製造方法。
  2. 上記第１の抄紙原料と上記第２の抄紙原料とが、坪量比で、２：８〜６：４の割合で用いられる請求項１に記載のエアクリーナ用の濾材の製造方法。
  3. 厚みが０．４〜１．５ｍｍの範囲にあるように抄紙することを特徴とする請求項１または２に記載のエアクリーナ用の濾材の製造方法。
  4. 密度が０．１〜０．５ｇ／ｃｍ3の範囲にあるように抄紙することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエアクリーナ用の濾材の製造方法。
  5. 上記第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は、１０〜８０％であり、その繊維の太さは、１０〜３０μｍであり、
    上記第２の抄紙原料における化学繊維の配合比は、６０％以下であり、その繊維の太さは、３〜２０μｍである、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエアクリーナ用の濾材の製造方法。
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