JPH0214711A - 排ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、気体中に含まれる微粒子、特に自動車の排ガ
ス中に含まれるカーボンや未反応燃料等の微粒子を捕集
・除去して排ガスを浄化するための排ガス浄化装置に関
する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］例えば
第７図、第８図に示すような薄い隔壁３ｄを介して蜂の
巣状に連なる無数の貫通孔３ｃを有するハニカム構造体
の一方の端部に例えば縦横−つおきに封止材３ａを充填
して封止し、−の封【ト１．た言通石に陽培１７τいろ
言通眉３ｃの他端部に封止材３ｂを充填して封止した多
孔質隔壁からなるセラミック質のハニカム状フィルター
３は、自動車のディーゼルエンジンを初めとして各種燃
焼機器の排ガス中に含まれる微粒子を吸着して浄化する
排ガス浄化装置に使用されている。

通常、排ガス中に含まれる微粒子は前記セラミック質ハ
ニカム状フィルターの隔壁表面に捕集・蓄積されるので
、長期に亙って使用すると、目詰まりが生じ圧力損失が
高くなる。

従来、かかる欠点を解消する手段として、フィルターの
微粒子捕集部、すなわち隔壁にニクロム線ヒーターなど
の発熱金属を組合せて通電加熱したり、該捕集部に加熱
空気を供給したり、あるいは燃料や火花放電を用いて加
熱したり、さらには、フィルター自体をヒーターとして
電極を設けて発熱させるなどして、前記微粒子を燃焼・
除去してフィルターを再生する方法が採られている。

また、上記した手段に触媒等を併用して燃焼効率を高め
て再生する手段も行なわれている。

しかしながら、前記微粒子中、あるいは、各種燃焼器中
に供給される燃料中には灰分などの金属化合物が少なか
らず含まれていたり、燃焼器内の構成部品が酸化したり
摩耗したりして発生する金属微粉、あるいは、自動車用
エンジン等における摺動用の潤滑オイルからの灰分等の
不燃性微粒子が存在する。

これらの金属微粉あるいは灰分等の不燃性微粒子は可燃
性微粒子とともに前記隔壁表面で捕集・蓄積されるが、
前記フィルターの再生処理を行なっても除去されず、隔
壁表面で化学反応を起こし、逆に一層強く付着して目詰
まりしてしまう。

したがって、長期に亙って使用すると圧力損失が徐々に
高くなって、最終的にフィルターの再生が不可能となる
、という欠点があった。

一方、高分子発泡体材料にセラミック泥漿を含浸し、該
高分子発泡体材料を熱処理により消失せしめた後、さら
に焼成して得られた第６図の一部拡大側面図に示すよう
なセラミックスケルトン構造体４を前記排ガス用浄化装
置のフィルターとして使用することが考えられている。

しかしながら、該セラミックスケルトン構造体４を使用
した場合、圧力損失は低く抑えることができても、捕集
効率が比較的小さいという欠点を有している。

したがって、自動車用の排ガス浄化装置に使用した場合
等において、排ガス流入側の圧力変動が極めて激しい場
合には、捕集された微粒子が吹き抜けてしまうことがあ
り、効率よくしかも安定して微粒子を捕集・除去するこ
とは困難となるおそれがある。

本発明は、上記した問題点を解消し、排ガス中に含まれ
る微粒子を効率的に捕集・除去でき、しかも長期に亙り
使用しても圧力損失が小さく安定して使用することがで
きる排ガス浄化装置の提供を目的とする。

［課題を解決するための手段および作用］本発明の排ガ
ス浄化装置は、セラミックスケルトン構造体またはセラ
ミック繊維より成る成形体と、所定の貫通孔の端部が封
止された多孔質セラミック材より成るハニカム状フィル
ターとを備え、徘ガスの流路に取り付けられる浄化装置
であって、該流路の上流側にセラミックスケルトン構造
体またはセラミック繊維成形体を、下流側にハニカム状
フィルターを配置したことを特徴とする。

以下、図面に基づき本発明をさらに詳細に説明する。

第１図及び第２図は、模式的に示した本発明の排ガス浄
化装置の縦断面図である。

すなわち、本発明の排ガス浄化装置１は、排ガス流路を
形成している管２内に、排ガス中に含まれる不燃性微粒
子と可燃性微粒子とを主として前記セラミックスケルト
ン構造体４あるいはセラミック繊維成形体５で捕集し、
該セラミックスケルトン構造体４あるいはセラミック繊
維成形体５で捕集されず吹き抜けた微粒子のみをハニカ
ム状フィルター３の隔壁３ｄで捕集せんとするように両
者を配置して成る装置である。

本発明の排ガス浄化装置１においては、前記セラミック
スケルトン構造体４またはセラミック繊維成形体５と、
ハニカム状フィルター３との配置関係が上述の如くであ
れば、両者がその端面において互いに接するように配置
してもよいし、また、間隙を有するように配置してもよ
い。

また、本発明によれば、前記ハニカム状フィルター３の
開放気孔率は５５〜８０ｖｏｌ％であることが好ましい
。開放気孔率が５５ｖｏｌ％よりも小さいとフィルター
３内での圧力損失が高くなり、８０ｖｏｌ％を超えると
圧力損失は小さくなるが、同時に隔壁の厚さが薄くなる
ので、フィルター３の機械的強度が小さくなるおそれが
ある。より好ましくは６０〜７５ｖｏｌ％である。また
、以上のことと相俟って、隔壁の厚さは、０．１ｍｍ以
上が好ましい。

隔壁３ｄの平均気孔径は１５〜４０μｍであることが好
ましい。１５μｍよりも小さいと長期使用により不燃性
の粒子が徐々に蓄積し、早期に気孔径が小さくなり、場
合によっては閉塞して圧力損失が高くなり易（、一方、
４０μｍよりも大きいと閉塞はしないが捕集すべき粒子
が吹き抜けてしまうおそれがある。

なお、ハニカム状フィルター３は、常法の押出成形法、
シート成形体巻き取り法、多孔性有機高分子体へのセラ
ミックスラリ−含浸法等により製造したもので、その材
質としては一般的な材料である炭化ケイ素、コージェラ
イト、ムライト、アルミナ、ホウ化ジルコニウム、炭化
ホウ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を使用できる
が、これらのうち熱伝導性が優れ、耐熱性も高く、フィ
ルター３内に捕集された可燃性微粒子を燃焼除去するフ
ィルター再生処理に伴う高熱をすみやかに系外に放出す
ることができ溶損しにくい炭化ケイ素、ホウ化ジルコニ
ウム、炭化ホウ素が好適である。

一方、前記セラミックスケルトン構造体４の開放気孔率
は７５〜９８ｖｏｌ％の範囲が好ましく、平均セル数は
４０〜ｌＯＯセル／ｉｎｃｈであることが好ましい。

開放気孔率が７５ｖｏｌ％よりも小さいと、排ガス等の
流体の通過抵抗が大きくなり前記微粒子によって短時間
の間に圧力損失が高くなる。特に９０％前後であること
がより好適である。

また、平均セル数が４０セル／ｉｎｃｈよりも小さいと
、排ガスとの接触表面積が小さくなり捕集効率が急激に
低下してしまう、なかでも６０セル／ｉｎｃｈ前後であ
ることがより好適である。

セラミックスケルトン構造体４の材質としては、１００
０℃以上の融点を有するセラミックであれば何であって
もよく、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコ
ニア、カルシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化
ケイ素、炭化チタン、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウ
ム、炭化ホウ素、窒化ホウ素、窒化チタン等のセラミッ
クあるいはそれらの混合物、融合物等が挙げられる。

また、前記セラミック繊維成形体５は、セラミック繊維
が相互に複雑に絡み合って成る成形体であり、その開放
気孔率は７５〜９８ｖｏｌ％の範囲が好ましく、平均繊
維径が０．５〜１００μｍの範囲の繊維を用いることが
好ましい。

開放気孔率が７５ｖｏｌ％よりも小さいと、前記セラミ
ックスケルトン構造体と同様に圧力損失が高（なるから
である。

また、平均繊維径が１００μｍより大きいと排ガス等の
流体との接触表面積、すなわち有効繊維表面積が低下し
捕集効率が低下するからである。

前記セラミック繊維としては、ＳｉＣ。

Ａ１□Ｏｍ　、　Ｚ　ｒ　Ｏ□、チラノ繊維、あるいは
これらの混合物が好ましい。

これらの成分で構成される繊維は、フィルターの再生燃
焼時、すなわち可燃性微粒子の燃焼除去時において発生
する熱に対して優れた耐熱性と耐酸化性を有しており、
溶融したりしない、なかでもＳｉＣ繊維、Ａ１□０．繊
維、チラノ繊維が優れている。

また、本発明の排ガス浄化装置１を構成しているハニカ
ム状フィルター３とセラミックスケルトン構造体４また
はセラミック繊維成形体５との容積比率は０．３〜２：
１の割合であることが好ましい。

その理由はハニカム状フィルター３の容積が、セラミッ
クスケルトン構造体４またはセラミック繊維成形体５に
対し０．３よりも小さいと、セラミックスケルトン構造
体４またはセラミック繊維成形体５を吹き抜けて通過し
た微粒子がハニカム状フィルター３の隔壁３ｄの気孔を
比較的早く閉塞してしまうおそれがあるからであり、一
方、２より大きいとセラミックスケルトン構造体４ある
いはセラミック繊維成形体５でろ過される微粒子の量が
少なくなり、セラミックスケルトン構造体４あるいはセ
ラミック繊維成形体５をハニカム状フィルター３よりも
上流側に配した効果が減少し、比較的早期に圧力損失が
高くなるためである。なかでも前記比率は、０．６〜１
．２：ｌがより好適である。

本発明の排ガス浄化装置１によれば、ハニカム状フィル
ター３のみでなく、その上流に配置されるセラミックス
ケルトン構造体４等にも多（の微粒子が捕集されるので
、捕集効率が高く、かつ、ハニカム状フィルター３やセ
ラミックスケルトン構造体４等の再生処理を行なっても
、すなわち、加熱空気を加えたり、燃料を用いたり、あ
るいはそれらの手段に触媒を加える等の方法を施してハ
ニカム状フィルター３等を燃焼する再生処理を行なって
も残存してしまう不燃性微粒子を、前記スケルトン構造
体４あるいはセラミック繊維成形体５に主として蓄積さ
せることができる。

すなわち、従来のハニカム状フィルター３のみを備えた
排ガス浄化装置のようにその隔壁３ｄのみで微粒子の捕
集・除去を行なうのではなく、セラミックスケルトン構
造体４またはセラミック繊維成形体５とハニカム状フィ
ルター３の隔壁３ｄとの２段階のろ過手段が施されてい
るので、不燃性微粒子の隔壁３ｄへの蓄積を極めて低く
抑えることができる。長期使用により、セラミックスケ
ルトン構造体４またはセラミック繊維成形体５に不燃性
微粒子が多く蓄積した場合は、該セラミックスケルトン
構造体４等のみを交換すればよく、ハニカム状フィルタ
ー３は引き続き使用することができる。

次に、本発明を実施例を用いて説明する。

実施例１ 炭化ケイ素９８％、ホウ素０．１％からなる粉末より押
出成形によって製造したハニカム状構造体に、封止材を
該ハニカム構造体と同じ材料を使用して製造し所定の位
置の貫通孔の端部に栓詰めした。このハニカム状フィル
ターは、隔壁の厚みが０．４ｍｍ、開口部寸法すなわち
貫通孔の横断面形状が１．５Ｘ１．５ｍｍの正方形であ
り、開放気孔率が６１．３ｖｏｌ％、隔壁の平均気孔径
が３１ＬＬＩＩ、直径Ｌ４２ｍｍｘ長さ８０ｆｆｉｌ１
１であった。

一方、本実施例に使用したセラミックスケルトン構造体
は次のようにして製造した。

まず、平均粒径０．３μｍの主として炭化ケイ素よりな
る粒子１００重量部と無定形ホウ素０．３重量部および
水６０重量部と分散剤０．１重量部からなる泥漿を、直
径１４０１１ｍｘ　７０ｍｍ、空隙率８９％、６５セル
／ｉｎｃｈの市販のポリウレタン発泡体に含浸付着させ
乾燥し、この含浸乾燥を４回繰り返した。乾燥は温度６
０℃、湿度６０％の雰囲気中で２４時間放置することに
よって行なった。

そして、この成形体をアルゴン雰囲気中で１０℃／Ｈｒ
で加熱昇温し、最高温度５００℃で前記有機物を消失さ
せて、次いで、この成形体を密閉性のカーボンルツボ中
で２１００℃、アルゴン雰囲気下で焼成した。

このようにして得られたセラミックスケルトン構造体は
、直径１４０ｍｍＸ長さ７０Ｉ１ｍ、平均セル数６５セ
ル／ｉｎｃｈ、空隙率８８％であった。

なお、ハニカム状フィルターとセラミックスケルトン構
造体との容積比率は１．１＝１であった。

そして、第３図に示す排ガス浄化装置内において、徘ガ
ス流路の上流側に前記スケルトン構造体を、下流側に前
記ハニカム状フィルターを配置しで固定し、エンジン負
荷１００％９回転数３０００ｒｐｍで発生したディーゼ
ルパティキュレートをろ過した。

この時、前記スケルトン構造体に流入する前の排ガスに
含まれるパティキュレートの量をサンブリングし、前記
スケルトン構造体及び前記ハニカム状フィルターを通過
後の濃度とガス量によりろ過動率を求め、さらに初期圧
力損失を調べた。

運転時間は圧力損失が２００　＋ｏｎ＋Ｈｇとなるまで
行なった。そして、前記スケルトン構造体とハニカム状
フィルター自体を酸化雰囲気中、８００℃で加熱して可
燃性微粒子を完全に燃焼させ、両者の再生処理を行なっ
た。

捕集効率および初期圧力損失を再生回数ごとに調べたの
が第４図及び第５図である。

第４図から明らかなように初回の捕集効率は７２％で１
００回の繰り返し再生を行なっても７５％であり、高い
捕集効率でその変動も少なかった。

また、第５図から明らかなように、初期圧力損失は初回
と１００回再生後とでは、初回が３８ｎ＋ｍＨｇ、１０
０回再生後が５０　＋＋ｕｉＨｇと若干増加したにすぎ
ず、少ない圧力損失で高い捕集効率を得ることができた
。

１００回再生後、このセラミックスケルトン構造体を、
前記と同様にして製造し同様の構造特性を有する新たな
セラミックスケルトン構造体と交換し、圧力損失を測定
したところ、３９　ｎｕｓＨｇであり、ハニカム状フィ
ルターにはほとんど不燃性微粒子が付着していないこと
が分かった。

比較例１ コージェライト質によって実施例１と同様に封止材を充
填してハニカム状フィルターを製造した。このハニカム
状フィルターは、隔壁の厚みが０．４ｍｍ、貫通孔の横
断面形状が１．５Ｘ１．５１１１＋１の正方形、開放気
孔率が６１．８ｖｏｌ％、隔壁の平均気孔径が２５μｍ
、直径１４２ｍｍＸ長さ８０ｒａｌｌであった。また、
このハニカム状フィルターとまったく同条件で長さのみ
が異なる直径１４２ｍ■×長さ７０ｍｍのものを製造し
た。なお、両者の容積比率は１．１：１であった。

本比較例においては、直径１４２ｍ■×長さ７０＋ａｍ
のハニカム状フィルターを実施例１のセラミックスケル
トン構造体の代わりに使用した。すなわち、長さのみが
異なる２つのハニカム状フィルターを排ガス流路の上流
側と下流側に配置した。そして、実施例１と同様にパテ
ィキュレートの捕集と圧力損失を測定し第４図、第５図
において比較した。

第４図から明らかなように、捕集効率は最初７８％であ
り、再生回数を増すごとに捕集効率は上昇する傾向があ
り、１００回の再生時には９３％と上昇変動した。

また、第５図から明らかなように、初期圧力損失は４０
　ｍｍＨｇであるが、再生回数を増すごとに初：胡圧力
損失は上昇し、１００回の再生では９６ｍｍＨｇとなり
、フィルターの再生ごとに処理することのできる徘ガス
量も徐々に低下した。

すなわち、ハニカム状フィルターの隔壁の気孔、特に上
流側に配置されたフィルターの気孔が徐々に目詰まりを
生じ、再生燃焼処理を行なっても従来の気孔と同様には
ならないことがわかった。したがって、この場合には、
少なくとも１つのハニカム状フィルターを早期に交換し
なければならず、生産コスト的に著しく不利であること
が分かった。

比較例２ 実施例１の上流側に使用した炭化ケイ素を主体とするセ
ラミックスケルトン構造体で直径１４０ｍｍＸ長さ８０
＋＋＋ｍのものをハニカム状フィルターに代えて使用し
た。すなわち実施例１で使用した炭化ケイ素を主体とす
るセラミックスケルトン構造体のみで直径１４０ｍｍＸ
長さ７０ＩＩＩ１１のものを上流側に、直径１４０！Ｉ
ＩＩＩＸ長さ８０ｍ＋ｍのものを下流側に配置し使用し
た。実施例１と同様にパティキュレートの捕集効率と圧
力損失を測定した。

初期圧力損失は１８ｎａ＋Ｈｇで極めて低いが、捕集効
率は３８％で充分に処理していなかった。このことは再
生回数を増してもほとんど変化がなかった。

また、エンジンの始動時にはエンジンの排ガス流量が急
激に多くなり捕集粒子がほとんど吹き抜けてしまう現象
を生じた。

実施例２〜６、比較例３〜７ 上流側に配置するセラミックスケルトン構造体またばセ
ラミック繊維成形体と、下流側に配置するハニカム状フ
ィルターの構造特性を次表に示すように種々に変化させ
て、実施例１と同様、捕集効率と初期圧力損失を再生回
数ごとに測定した。

表から明らかな如く、実施例２〜６では、初回と１００
回再生時とを比較すると、捕集効率が高（安定している
一方、初期圧力損失はあまり上昇していないことが分か
る。

一方、比較例３では、捕集効率が高くても初期圧力損失
がいずれも極めて高く、比較例４〜６では、捕集効率の
上昇に伴ない初期圧力損失も大きく上昇し、また、比較
例７では、捕集効率が極めて低いことが分かる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の排ガス浄化装置は、排ガ
ス流路の上流側にセラミックスケルトン構造体またはセ
ラミック繊維成形体を配し、下流側にハニカム状フィル
ターを配しているので、排ガス等の気体に含まれる微粒
子を効率よ（捕集・除去することができる。

また、ハニカム状フィルター等の再生燃焼処理に伴う不
燃性微粒子のハニカム状フィルター隔壁への付着・蓄積
を極めて低く抑えることができ、ハニカム状フィルター
の長寿命化を図ることができる。しかも、圧力損失が上
昇した場合には、セラミックスケルトン構造体またはセ
ラミック繊維成形体のみを交換すればよいので、コスト
的にも有利である。

さらに１本発明の排ガス浄化装置は、セラミック繊維成
形体またはセラミックスケルトン構造体とハニカム状フ
ィルターとを備えて構成されているので、高温焼却炉や
高温反応炉等において使用される高温付着性のある粒子
を含んだガスをろ過する浄化装置としても有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の排ガス浄化装置の一例の要部を示す
縦断面図である。第２図は、本発明の排ガス浄化装置の
他の例の要部を示す縦断面図である。第３図は、実施例
、比較例において使用した排ガス浄化装置を示す模式的
に示す縦断面図である。第４図及び第５図は、実施例１
と比較例１で測定した捕集効率と初期圧力損失を示す図
である。第６図はセラミックスケルトン構造体の一部拡
大側面図である。第７図は、−船釣なハニカム状フィル
ターを説明するための正面図であり、第８図は、気体の
流入、流出状態を示す模式図である。 ■−排ガス浄化装置 ３−ハニカム状フィルター ４−セラミックスケルトン構造体 ５−セラミック繊維成形体 第４図 第５図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックスケルトン構造体またはセラミック繊維
   より成る成形体と、所定の貫通孔の端部が封止された多
   孔質セラミック材より成るハニカム状フィルターとを備
   え、排ガスの流路に取り付けられる浄化装置であって、
   該流路の上流側にセラミックスケルトン構造体またはセ
   ラミック繊維成形体を、下流側にハニカム状フィルター
   を配置したことを特徴とする排ガス浄化装置。 ２、前記ハニカム状フィルターと前記セラミックスケル
   トン構造体またはセラミック繊維成形体との容積比率が
   ０．３〜２：１の割合である請求項１に記載の排ガス浄
   化装置。 ３、前記ハニカム状フィルターの開放気孔率が５５〜８
   ０ｖｏｌ％であり、平均気孔径が１５〜４０μｍである
   請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。 ４、前記セラミックスケルトン構造体の開放気孔率が７
   ５〜９８ｖｏｌ％であり、平均セル数が４０〜１００セ
   ル／ｉｎｃｈである請求項１〜３いずれか１に記載の排
   ガス浄化装置。 ５、前記セラミック繊維成形体の開放気孔率が７５〜９
   ８ｖｏｌ％以上であり、平均繊維径が０．５〜１００μ
   ｍである請求項１〜３いずれか１に記載の排ガス浄化装
   置。