JP6492717B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。

ディーゼルエンジン車には、ディーゼルエンジンから排出される排気を浄化する排気浄化装置が搭載されている。この排気浄化装置は、例えば、触媒が付着しているセラミックフィルタにより形成されており、ＰＭ（particulate matter：粒子状物質）等の炭素化合物の分解除去や捕集を行うものである。このような触媒が付着しているセラミックフィルタは、所定の温度以上にならないと触媒作用が活性化しないため、排気の温度が低いと、触媒作用が十分に働かない。従って、排気の温度が低い場合等においては、ＰＭ等の炭素化合物の多くが分解されないため、触媒が付着しているセラミックフィルタの内部に蓄積し、フィルタ機能を大きく低下させる原因となる。このため、触媒が付着しているセラミックフィルタによる排気浄化装置においては、触媒が付着しているセラミックフィルタにおける温度が重要となるが、一般的には、このような触媒が付着しているセラミックフィルタは、排気の熱により加熱されている。

特開平６−１５４６２３号公報 特許第３７１９１４８号公報

ところで、大型のディーゼルエンジン車等の場合、ディーゼルエンジンの排気量が大きいことから、大量に排出される排気を処理するために、径の大きな円柱形のセラミックフィルタが用いられている。このため、排気をセラミックスフィルタに導入するための排気管は、セラミックフィルタが設置されている部分で管径が広がるように形成されている。このような排気管では、排気は排気管の管径の広がりに応じて広がるが、排気の多くはセラミックフィルタの中央部分に多く流れる。

このため、セラミックフィルタの中央部分は高温となり、触媒が活性化する温度以上になり、ＰＭ等の炭素化合物の分解除去がなされる。しかしながら、円柱形のセラミックフィルタの側面近傍の周辺部分では、中央部分ほど排気が多く流れないため、触媒が活性化する温度まで到達しない場合がある。この場合、触媒が活性化していないセラミックフィルタの周辺部分においては、ＰＭ等の炭素化合物が分解されずに、セラミックフィルタ内に蓄積し、排気浄化装置としての機能が十分に発揮されない場合がある。特に、外気の温度が低い場合には、セラミックフィルタの周辺部分においては、温度は上がりにくい傾向になる。

また、エンジンの動作開始時においては排気の温度が低く、セラミックフィルタを所定の温度まで加熱できない場合がある。セラミックフィルタの温度が低い場合には、燃料を供給して、セラミックフィルタの直前で燃料を燃焼させることにより、セラミックフィルタを加熱する方法も取られている。しかしながら、この方法であっても、燃焼した気流はセラミックフィルタの周辺部分よりも中央部分に多く流れるため、セラミックフィルタの中央部分と周辺部分とを均一な温度となるように加熱することは困難である。また、この方法では、セラミックフィルタを加熱するための燃料が必要であり、燃料を供給するための特別な機構等も必要となる。

このため、エンジンの排気に依存することなく、セラミックフィルタの温度を均一に所望の温度まで上げることのできる排気浄化装置が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、複数の穴が設けられているセラミックスにより形成されたフィルタと、前記フィルタの複数の穴の一部に入れられている金属棒と、前記フィルタの周囲に設置された複数のコイルと、を有し、前記フィルタには、排気に含まれる炭素を含む化合物を分解する触媒が付着しており、前記コイルに交流電流を流すことにより、前記金属棒が誘導加熱により加熱されることを特徴とする。

開示の排気浄化装置によれば、エンジンの排気に依存することなく、セラミックフィルタの温度を均一に所望の温度まで上げることができる。

本実施の形態における排気浄化装置を含む排ガス装置の説明図 本実施の形態における排気浄化装置の構造図 本実施の形態における排気浄化装置に含まれるセラミックフィルタの斜視図 本実施の形態における排気浄化装置による加熱方法の説明図（１） 本実施の形態における電源が接続されている排気浄化装置の構造図 本実施の形態における排気浄化装置の電源とコイルの接続方法の説明図（１） 本実施の形態における排気浄化装置の電源とコイルの接続方法の説明図（２） 本実施の形態における排気浄化装置による加熱方法の説明図（２） コイルに電流を流すことにより発生した磁界の磁界分布図 誘導加熱の実験の説明図 誘導加熱により加熱された金属棒の温度特性図 本実施の形態における排気浄化装置の電源に用いられる半導体装置の構造図 ディスクリートパッケージされた半導体デバイスの説明図 電源装置の回路図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態における排気浄化装置について説明する。本実施の形態における排気浄化装置は、例えば、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ：diesel particulate filter）等の黒鉛除去フィルタであり、エンジンからの排気に含まれる炭素成分を含む化合物等の微粒子を除去するものである。このような排気浄化装置は、円柱状のセラミックスにより形成されており、円柱の底に形成されたハニカム構造の穴の出入口を交互に塞いだ市松模様の構造のフィルタであり、エンジン側の排気の入口側の穴は、出口側で行き止まりになっている。このため、隣接する穴と穴を隔てているセラミックスの壁がフィルタとなって、エンジンからの排気含まれるＰＭ等の炭素成分を含む化合物等の微粒子を除去することができる。

このようなフィルタは多孔質セラミックスにより形成されており、炭素化合物を分解するためのＰｔ（白金）等の触媒が付着している。尚、多孔質とは、スポンジや軽石のように細かく均一な孔が沢山開いていることを意味している。セラミックフィルタを形成している多孔質セラミックスの壁にエンジンからの排気を通すと、細かい孔に排気に含まれるすすが捕らえられ、ガスだけを通過させることができる。

本実施の形態における排気浄化装置は、セラミックフィルタを含むものであり、図１に示されるように、ディーゼルエンジン１０における排ガス処理装置２０の一部として用いられている。具体的には、排ガス処理装置２０は、ディーゼルエンジン１０の排気管１１に接続されている。排ガス処理装置２０は、ディーゼルエンジン１０の排気に含まれるＮＯｘ成分を除去するための酸化触媒装置３０と、炭素化合物等を除去するための本実施の形態における排気浄化装置１００とを有している。

（排気浄化装置の構造）
本実施の形態における排気浄化装置について図２等に基づき説明する。本実施の形態における排気浄化装置１００は、円柱状のセラミックフィルタ１１０の穴（セル）１１１の一部には複数の金属棒１２０が入れられており、セラミックフィルタ１１０の側面１１０ａの周囲には、複数のコイル１３０が設置されている。図２（ａ）は、本実施の形態における排気浄化装置の正面図であり、図２（ｂ）は側面図であり、図３は、セラミックフィルタ１１０の斜視図である。

図３等に示されるように、セラミックフィルタ１１０は、円柱の一方の底から他方の底に向かって伸びる複数の穴１１１が、セラミックフィルタ１１０の底に２次元的に形成されており、隣り合う穴１１１は、底の片側が交互に閉じられている。セラミックフィルタ１１０における複数の穴１１１には、炭素化合物等を分解するための不図示の触媒が付着している。このような触媒としては、例えば、Ｐｔ等が用いられる。

直径が３００ｍｍの大型のセラミックフィルタ１１０では、穴１１１は、１万個以上ある。金属棒１２０は、セラミックフィルタ１１０の側面１１０ａの近傍の穴１１１に入れられており、セラミックフィルタ１１０の側面１１０ａの周囲には不図示の断熱材が設けられており、不図示の断熱材の外側に、複数のコイル１３０が設置されている。尚、複数のコイル１３０の周囲は、排気管等のケースで覆われている。不図示の断熱材としては、例えば、セラミックファイバーを用いたブランケット等が用いられている。

金属棒１２０は、セラミックフィルタ１１０の穴１１１に入れることができるように、直径約１ｍｍの棒状に形成されている。金属棒１２０を形成する材料としては、金属材料であればよいが、後述するコイル１３０に流れる交流電流の周波数が比較的低い場合には、金属棒１２０を渦電流により加熱するため、融点が高く、有る程度抵抗を有する材料であることが好ましい。例えば、鉄、ステンレス、鋼等、または、これらの材料に貴金属等による被覆を施したものが好ましい。更には、金属棒１２０を形成する材料としては、磁性材料、即ち、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等の強磁性材料、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト等の軟磁性材料が好ましい。

また、コイル１３０は、銅線等を巻くことにより形成されており、コイル１３０に電流を流した際に発生する磁束が、セラミックフィルタ１１０の側面１１０ａに対し垂直となるように設置されている。

本実施の形態における排気浄化装置においては、誘導加熱により金属棒１２０を加熱する。誘導加熱とは、電磁誘導の原理を用いた加熱方法であり、コイル１３０に交流電流を流すことにより磁界を発生させ、金属棒１２０に流れる渦電流により、金属棒１２０を加熱する方法である。このように、金属棒１２０を誘導加熱により加熱することにより、セラミックフィルタ１１０において、金属棒１２０が設置されている部分を加熱することができ、この部分に付着している触媒を活性化させることができる。

即ち、本実施の形態においては、セラミックフィルタ１１０の周辺部分における穴１１１に金属棒１２０を設置し、誘導加熱により金属棒１２０を加熱することにより、セラミックフィルタ１１０の周辺部分を加熱することができる。加熱される金属棒１２０の温度は、コイル１３０に流す電流や周波数に依存するため、これらを調整することにより、金属棒１２０の温度を所望の温度にすることができる。このように、本実施の形態においては、セラミックフィルタ１１０の周辺部分に設置された金属棒１２０を誘導加熱により加熱することにより、セラミックフィルタ１１０の全体の温度を触媒が活性化する所望の温度まで均一に加熱することができる。

本実施の形態における排気浄化装置は、排気浄化装置を加熱するための燃料等が不要である。また、セラミックフィルタの側面にセラミックフィルタを中心として周囲に銅線を巻いた構造のコイル（セラミックフィルタの穴の伸びる方向に沿った磁束が発生する）と比較して、コイル１３０を小型にすることができるため、発振周波数を高くすることができる。尚、本実施の形態における排気浄化装置は、金属棒１２０を渦電流により加熱するものであるため、コイル１３０に流される交流電流の周波数は、１００ｋＨｚ以上、１００ＭＨｚ以下が好ましく、更には、１ＭＨｚ以上、１００ＭＨｚ以下が好ましい。

本実施の形態においては、コイル１３０には、図４に示されるように、隣り合うコイル１３０により発生する磁束の向きが、逆方向となるように電流を流してもよい。図４において、磁束の向きを一点鎖線で示す。この場合、図５及び図６に示されるように、隣り合うコイル１３０同士を配線１４０により直列に接続し、配線１４０により直列に接続された複数のコイル１３０を交流電流を発生させる電源１５０に接続して、交流電流を流してもよい。電源１５０は、制御部１６０を有しており、制御部１６０による制御により、コイル１３０に流れる電流の電流値や周波数等を制御してもよい。図５は、セラミックフィルタ１１０の底から見た図であり、図６は、配線１４０等により接続されている電源１５０とコイル１３０との接続関係を示す図である。本実施の形態における排気浄化装置は、図５及び図６に示されるように、全てのコイル１３０を接続したものであってもよく、また、このうちの一部を電源に接続し、残りをコイルとキャパシタからなる共振回路構成とし、電源により発振するコイルとの間で磁気共鳴を利用するものであってもよい。また、電源１５０は、コイルで交番磁界を発生させる共振回路を有している。

また、本実施の形態における排気浄化装置は、交流電流を発生させる電源を２つ設けたものであってもよい。具体的には、図７に示されるように、コイル１３０を１つおきに配線１４１により直列に接続し、残りのコイル１３０を配線１４２により直列に接続してもよい。配線１４１により直列に接続された複数のコイル１３０を一方の電源１５１に接続し、配線１４２により直列に接続された複数のコイル１３０を他方の電源１５２に接続する。一方の電源１５１と他方の電源１５２において交流電流の位相を変えることにより、磁束の向きを変化させることができる。尚、一方の電源１５１は、制御部１６１を有しており、制御部１６１における制御により、一方の電源１５１に接続されているコイル１３０に流れる電流や周波数等を制御してもよい。また、他方の電源１５２は、制御部１６２を有しており、制御部１６２における制御により、他方の電源１５２に接続されているコイル１３０に流れる電流や周波数等を制御してもよい。

また、セラミックフィルタ１１０の中央部分を加熱したい場合には、図８に示されるように、セラミックフィルタ１１０の中央部分に金属棒１２０を設置し、この金属棒１２０に磁界が及ぶように、一点鎖線で示されるような磁束を発生させてもよい。この場合、セラミックフィルタ１１０の側面に設置されているコイル１３０のうち、セラミックフィルタ１１０の中央部分に設置されている金属棒１２０に渦電流が発生するように、対向するコイル１３０に電流を流す。

尚、上記においては、セラミックスにより形成されたセラミックフィルタ１１０を用いた場合について説明したが、セラミックフィルタ１１０に代えて、金属により形成されたフィルタを用いてもよい。この場合、金属棒等を設置する必要はなくなるが、金属材料を多孔質に形成することは困難であり、また、セラミックスの方が融点が高い。従って、本実施の形態における排気浄化装置においては、セラミックフィルタ１１０を用いた方が好ましい。

（シミュレーション及び実験）
次に、本実施の形態における排気浄化装置において、シミュレーションを行った結果について説明する。シミュレーションのモデルとなる排気浄化装置は、底の直径が３００ｍｍのセラミックフィルタ１１０の側面１１０ａの周囲に、１０個のコイル１３０が設置されている。コイル１３０は、８０ｍｍ径のコイルであり、各々のコイル１３０に電流を流すことにより、コイル１３０から所定の領域まで磁界が発生する。具体的には、図９に示される場合では、コイル１３０に電流を流すことにより、コイル１３０より内側に３０ｍｍの領域まで強い磁界が発生する。このため、コイル１３０から３０ｍｍ内側の磁界が及ぶ範囲内の位置に金属棒１２０を設置することにより、セラミックフィルタ１１０の周辺部分を加熱することができる。従って、図９に示されるように、例えば、コイル１３０から内側に２０ｍｍの位置に金属棒１２０を１８０本設置することにより、セラミックフィルタ１１０の周辺部分を加熱することが可能である。

次に、コイル１３０による誘導加熱について説明する。具体的には、図１０に示されるように、コイル１３０から２０ｍｍ離れた位置に金属棒１２０を設置し、コイル１３０に交流電流を流した状態における金属棒１２０の温度を測定した。コイル１３０は、４０ｍｍ径の３回巻のコイルであり、金属棒１２０は、直径２ｍｍの鉄の棒である。コイル１３０のインダクタンスは約８００ｎＨであり、共振に用いたキャパシタは約４７０ｐＦである。ハーフブリッジ回路を有する電源を用いて、出力周波数が１２．５６ＭＨｚの交流電流をコイル１３０に流し、金属棒１２０の表面温度を測定した結果を図１１に示す。

図１１に示されるように、コイル１３０に交流電流を流し始めてから１分後には、約１０℃温度が上昇している。尚、ハーフブリッジ回路に投入される電力は、１３Ｗ（１０Ｖ×１．３Ａ）であった。

（半導体装置）
次に、本実施の形態における排気浄化装置の電源１５０等に用いられる半導体装置について説明する。本実施の形態における排気浄化装置の電源に用いられる半導体装置は、高周波で大電流を流すことが求められているため、窒化物半導体により形成された半導体装置が好ましい。具体的には、窒化物半導体により形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）が好ましい。

具体的には、図１２に示されるように、本実施の形態における半導体装置２００は、Ｓｉ基板２１０の上に、窒化物半導体により形成されたバッファ層２１１、電子走行層２２１、電子供給層２２２が順に積層されている。電子供給層２２２の上には、ゲート電極２４１、ソース電極２４２、ドレイン電極２４３が形成されている。

半導体装置２００において、バッファ層２１１、電子走行層２２１、電子供給層２２２は、窒化物半導体を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）によるエピタキシャル成長により形成されている。バッファ層２１１は、ＡｌＧａＮ等の材料により形成されている。電子走行層２２１は、膜厚が約１μｍのｉ−ＧａＮにより形成されており、電子供給層２２２は、膜厚が約３０ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮにより形成されており、ｎ型となる不純物元素としてＳｉが約５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされている。これにより、電子走行層２２１において、電子走行層２２１と電子供給層２２２との界面近傍には、２ＤＥＧ２２１ａが生成される。

（半導体デバイス及び電源装置）
次に、本実施の形態における排気浄化装置に用いられる半導体デバイス、電源装置及び高周波増幅器について説明する。

本実施の形態における半導体デバイスは、図１２に示される構造の半導体装置２００をディスクリートパッケージしたものであり、このようにディスクリートパッケージされた半導体デバイスについて、図１３に基づき説明する。尚、図１３は、ディスクリートパッケージされた半導体装置の内部を模式的に示すものであり、電極の配置等については、図１２に示されているものとは異なっている。

最初に、上述した半導体装置が形成されているＳｉ基板２１０をダイシング等により切断することにより、ＧａＮ系の半導体材料のＨＥＭＴの半導体チップ４１０を形成する。この半導体チップ４１０をリードフレーム４２０上に、ハンダ等のダイアタッチ剤４３０により固定する。尚、この半導体チップ４１０は、図１２に示される構造の半導体装置に相当するものである。

次に、ゲート電極４１１をゲートリード４２１にボンディングワイヤ４３１により接続し、ソース電極４１２をソースリード４２２にボンディングワイヤ４３２により接続し、ドレイン電極４１３をドレインリード４２３にボンディングワイヤ４３３により接続する。尚、ボンディングワイヤ４３１、４３２、４３３はＡｌ等の金属材料により形成されている。また、本実施の形態においては、ゲート電極４１１はゲート電極パッドであり、図１２に示される構造の半導体装置のゲート電極２４１と接続されている。また、ソース電極４１２はソース電極パッドであり、図１２に示される構造の半導体装置のソース電極２４２と接続されている。また、ドレイン電極４１３はドレイン電極パッドであり、図１２に示される構造の半導体装置のドレイン電極２４３と接続されている。

次に、トランスファーモールド法によりモールド樹脂４４０による樹脂封止を行なう。このようにして、ＧａＮ系の半導体材料を用いたＨＥＭＴのディスクリートパッケージされている半導体デバイスを作製することができる。

次に、図１４に基づき、電源装置について説明する。この電源装置は、図１２に示される構造の半導体装置２００を用いた電源装置の一例であり、本実施の形態における排気浄化装置の電源としても用いることが可能なものである。尚、本実施の形態における排気浄化装置の電源は、図１２に示される構造の半導体装置２００を用いた他の構成の電源であってもよい。

図１４に示されるように、電源装置４６０は、一次側回路４６１、二次側回路４６２及び一次側回路４６１と二次側回路４６２との間に配設されるトランス４６３を備えている。一次側回路４６１は、交流電源４６４、いわゆるブリッジ整流回路４６５、複数のスイッチング素子（図１４に示す例では４つ）４６６及び一つのスイッチング素子４６７等を備えている。二次側回路４６２は、複数のスイッチング素子（図１４に示す例では３つ）４６８を備えている。図１４に示す例では、図１２に示される構造の半導体装置が一次側回路４６１のスイッチング素子４６６及び４６７として用いられている。尚、一次側回路４６１のスイッチング素子４６６及び４６７は、ノーマリーオフの半導体装置であることが好ましい。また、二次側回路４６２において用いられているスイッチング素子４６８は図１２の半導体装置、または、シリコンにより形成される通常のＭＩＳＦＥＴ（metal insulator semiconductor field effect transistor）を用いている。また、図１２の半導体装置は、コイルに高周波電圧を供給する発振回路にも用いることができる。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
複数の穴が設けられているセラミックスにより形成されたフィルタと、
前記フィルタの複数の穴の一部に入れられている金属棒と、
前記フィルタの周囲に設置された複数のコイルと、
を有し、
前記フィルタには、排気に含まれる炭素を含む化合物を分解する触媒が付着しており、
前記コイルに交流電流を流すことにより、前記金属棒が誘導加熱により加熱されることを特徴とする排気浄化装置。
（付記２）
前記フィルタは円柱形状であって、前記複数の穴は前記フィルタの底に設けられており、前記コイルは前記フィルタの側面において、前記コイルに電流を流した際に発生した磁界が、前記フィルタの前記側面に垂直に磁束が生じるように設置されていることを特徴とする付記１に記載の排気浄化装置。
（付記３）
前記金属棒は、磁性材料により形成されていることを特徴とする付記１または２に記載の排気浄化装置。
（付記４）
前記コイルの一部または全部が直列に接続されており、
前記直列に接続されているコイルに交流電流を流す電源を有していることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の排気浄化装置。
（付記５）
前記電源は、窒化物半導体により形成された半導体装置を有することを特徴とする付記４に記載の排気浄化装置。
（付記６）
前記半導体装置は、電子走行層がＧａＮを含む材料により形成されており、電子供給層がＡｌＧａＮを含む材料により形成さている高電子移動度トランジスタであることを特徴とする付記５に記載の排気浄化装置。
（付記７）
前記電源は制御部を有しており、
前記制御部により前記コイルに流れる交流電流の電流値または周波数を制御することにより、前記金属棒を所定の温度に加熱することを特徴とする付記４から６のいずれかに記載の排気浄化装置。
（付記８）
複数の穴が設けられている金属により形成されたフィルタと、
前記フィルタの周囲に設置された複数のコイルと、
を有し、
前記フィルタには、排気に含まれる炭素を含む化合物を分解する触媒が付着しており、
前記コイルに交流電流を流すことにより、前記フィルタが誘導加熱により加熱されることを特徴とする排気浄化装置。

１０ ディーゼルエンジン
１１ 排気管
２０ 排ガス処理装置
３０ 酸化触媒装置
１００ 排気浄化装置
１１０ セラミックフィルタ
１１０ａ 側面
１１１ 穴
１２０ 金属棒
１３０ コイル
１４０ 配線
１５０ 電源
１６０ 制御部
２００ 半導体装置

Claims (7)

1. 複数の穴が設けられているセラミックスにより形成されたフィルタと、
   前記フィルタの複数の穴の一部に入れられている金属棒と、
   前記フィルタの周囲に設置された複数のコイルと、
   を有し、
   前記フィルタには、排気に含まれる炭素を含む化合物を分解する触媒が付着しており、
   前記コイルに交流電流を流すことにより、前記金属棒が誘導加熱により加熱されることを特徴とする排気浄化装置。
2. 前記フィルタは円柱形状であって、前記複数の穴は前記フィルタの底に設けられており、前記コイルは前記フィルタの側面において、前記コイルに電流を流した際に発生した磁界が、前記フィルタの前記側面に垂直に磁束が生じるように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記金属棒は、磁性材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置。
4. 前記コイルの一部または全部が直列に接続されており、
   前記直列に接続されているコイルに交流電流を流す電源を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気浄化装置。
5. 前記電源は、窒化物半導体により形成された半導体装置を有することを特徴とする請求項４に記載の排気浄化装置。
6. 前記半導体装置は、電子走行層がＧａＮを含む材料により形成されており、電子供給層がＡｌＧａＮを含む材料により形成さている高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項５に記載の排気浄化装置。
7. 前記電源は制御部を有しており、
   前記制御部により前記コイルに流れる交流電流の電流値または周波数を制御することにより、前記金属棒を所定の温度に加熱することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の排気浄化装置。