JPH05240028A

JPH05240028A - 電気シースヒータおよびこれが組み込まれたディーゼル機関用パティキュレートトラップ

Info

Publication number: JPH05240028A
Application number: JP4078630A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Takehara; 徹雄竹原; Yasuhiko Endo; 康彦遠藤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1993-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】逆洗を行うディーゼル機関用パティキュレート
トラップのパティキュレート焼却部の着火手段に好適
な、耐久性のある電気シースヒータと、これが組み込ま
れた信頼性の高いディーゼル機関用パティキュレートト
ラップを提供する。【構成】抵抗発熱線３がセラミック軸２に巻き付けられ
た発熱素子４を内蔵する電気シースヒータ１のシース管
５を、絶縁性があって熱伝導率が良好な窒化アルミニウ
ムセラミックスで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車などの車両のディ
ーゼル機関、あるいは船舶の動力や発電の動力などに使
用されている大型のディーゼル機関から排出される排気
ガス中に含まれる炭素を主成分とするパティキュレート
をフィルタ中に捕捉した後、逆洗操作によってフィルタ
から別の場所に移した後着火して焼却処理するパティキ
ュレートトラップの着火手段として好適な電気シースヒ
ータとこの電気シースヒータが組み込まれたディーゼル
機関用パティキュレートトラップに関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスのフィルタが組み込まれた
ディーゼル機関用パティキュレートトラップには、多孔
質のセラミックスの壁で区画された互いに平行な多数の
ガス流路を有するハニカム体のガス流路の両側の開口
を、両側において交互に塞いだハニカム型フィルタを使
用するもの（特開昭５６−１２４４１７、特開平１−１
５９４０８など）と、多孔質のセラミックスの壁で区画
されて互いに交差する方向に含塵ガス流路と清浄ガス流
路が設けられているクロスフロー型のフィルタを使用す
るもの（特開昭５５−１７４８１２、特開平１−７７７
１５など）があり、いずれの型のフィルタを使用する場
合にも、パティキュレートがフィルタに捕捉された状態
（フィルタ上）で焼却処理を行うものと、フィルタに捕
捉されたパティキュレートを逆洗操作により別の場所に
移してから焼却処理を行うものとが提案されている。

【０００３】車両のディーゼル機関の排気ガスを処理す
るパティキュレートトラップとしては、車載に適するよ
うにコンパクトであって、道路条件などによって刻々変
化する運転条件に対応でき、長時間にわたる耐久性を有
するものであることが要求されており、パティキュレー
ト中に灰として残る不燃焼成分が含まれているので、フ
ィルタ中に捕捉された状態でパティキュレートを焼却す
るとフィルタの目詰まりが避けられないことから、フィ
ルタを逆洗操作によってパティキュレートを別の場所に
移してから着火して焼却処理を行うパティキュレートト
ラップの方がフィルタの目詰まりを回避し、フィルタ中
で焼却する場合にしばしば起きるフィルタの溶損や熱割
れを回避することができるので優れていると考えられ
る。

【０００４】ディーゼル機関の排気ガスの処理に使用さ
れるパティキュレートトラップとしては、予想されるマ
ーケットが大きいことから、もっぱら車両に積む目的の
ものに開発の努力が注がれていて、車載用の開発が先行
している。

【０００５】クロスフロー型のセラミックスのフィルタ
を使用し、逆洗操作を行うパティキュレートトラップに
ついては、既に車両に積まれた状態での耐久性を確保す
る検討の段階、あるいは耐久性を実証する詰めを行う段
階に到達しつつある。

【０００６】船舶用のディーゼル機関、あるいは据えつ
けられた状態で使用される発電用のディーゼル機関など
の場合には、高負荷の状態で長時間に亙って運転される
ことが多いことによって排気ガス中には多量のパティキ
ュレートが含まれ、さらに使用される燃料として車両の
燃料よりも重質の品種が使用される場合には、そのパテ
ィキュレート中には車両のディーゼル機関から排出され
る排気ガス中のパティキュレートと比べて炭素以外の燃
えない成分が相当多く含まれることになる。

【０００７】このような条件が付加されていることか
ら、船舶の動力や発電用に使用される大型のディーゼル
機関の排気ガス処理を目的とするパティキュレートトラ
ップには、フィルタ中でパティキュレートの焼却処理を
行うパティキュレートトラップよりも、フィルタの逆洗
を行って別の場所にパティキュレートを移してから焼却
処理を行うパティキュレートトラップの方が不燃焼成分
によるフィルタの目詰まりが避けられ、フィルタの通気
圧損を長時間低く維持できるので適している。

【０００８】これらの比較的大型あるいは固定された状
態で運転されるディーゼル機関の排気ガスの処理に使用
されるパティキュレートトラップとしては、車載用のパ
ティキュレートトラップの構造を部分的に手直しして大
容量化すれば対応できると考えられる。

【０００９】クロスフロー型のセラミックスのフィルタ
が組み込まれ、フィルタの逆洗が行われるパティキュレ
ートトラップにおいて、耐久性を確保する上での問題点
の一つは、別の場所に移されたパティキュレートに着火
する手段として使用される電気シースヒータ（ｓｈｅａ
ｔｈｅｄｈｅａｔｅｒ）の耐久性にあることが突き止
められた。

【００１０】フィルタの逆洗を行って別の場所でパティ
キュレートの着火と焼却処理がされるパティキュレート
トラップに使用されている従来の電気シースヒータは、
シース管（管状のさや）として、ステンレス鋼、インコ
ネル（Ｎｉ−Ｃｒ系の合金）、ハステロイ（Ｎｉ−Ｍｏ
系の合金）などの耐熱鋼が使用されており、抵抗発熱体
とシース材の間の電気絶縁性を確保するためにマグネシ
ア（ＭｇＯ）の粉末をシース管中に充填したり、ムライ
ト（３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ ）系のセラミックスの内
挿管を差し込んだりしたものが使用されている。

【００１１】シース管を構成する耐熱鋼はディーゼル機
関の排気ガス中に存在する酸性物質との接触して錆び、
徐々に腐食が進行する他、電気シースヒータの周囲に堆
積したパティキュレートが部分的に燃えることによって
シース管に温度ムラが生じ、この温度ムラと温度変化に
よってシース管が変形し、シース管が曲がって電気絶縁
材であるマグネシア粉末の移動やセラミック軸の破損に
よる絶縁不良などを起こし、パティキュレートへの着火
がなされなくなる現象も認められている。

【００１２】また電気シースヒータの発熱時には、内部
の抵抗発熱線の温度はシース管の表面温度より高くなっ
ており、シース管の表面温度が部分的に高くなるとカン
タル線などのより耐熱性のある抵抗発熱線を使用しても
抵抗発熱線の温度が許容温度を超えて断線を起こす現象
が認められる。

【００１３】シース管としては太い方がシース管の肉厚
を厚くでき、より太い抵抗発熱線を使用することによっ
て耐久性を向上せしめることができるが、依然として充
分な耐久性は得られていない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はディーゼル機
関の排気ガス中のパティキュレートの除去をセラミック
フィルタで行い、フィルタに捕捉されたパティキュレー
トを逆洗によって別の場所に移してから焼却処理するパ
ティキュレートトラップに好適な耐久性の優れた電気シ
ースヒータと、この電気シースヒータが組み込まれたデ
ィーゼル機関用パティキュレートトラップを提供しよう
とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
すべくなされたものであり、本発明の電気シースヒータ
は、セラミック軸の周りに抵抗発熱線を巻き付けられて
なる発熱素子が、外径８ｍｍ以上４０ｍｍ以下、肉厚１
ｍｍ以上６ｍｍ以下である窒化アルミニウムセラミック
スのシース管中に収納されていることを特徴とする。

【００１６】本発明の電気シースヒータの好ましい態様
では、セラミック軸が直管であり、セラミック軸がシー
ス管の両端において支持され、シース管の一方の端に電
源との接続部が取り付けられ、シース管の他方の端にセ
ラミック軸を支持するとともにシース管を塞ぐセラミッ
クスの蓋が取り付けられている。

【００１７】本発明の電気シースヒータの他の好ましい
態様では、セラミック軸が窒化アルミニウムセラミック
スからなるものである。

【００１８】緻密な窒化アルミニウムセラミックスは、
電気絶縁体であって熱伝導率が１５０〜２３０Ｗ／ｍ／
Ｋと大きく、熱伝導率はベリリアセラミックス（Ｂｅ
Ｏ、約２００Ｗ／ｍ／Ｋ）と炭化珪素セラミックス（Ｓ
ｉＣ、１５０〜２７０Ｗ／ｍ／Ｋ、但し導電性がある）
を除く他のセラミックスより大きく（アルミナセラミッ
クスの約２０Ｗ／ｍ／Ｋより一桁大きい）、かつ電気絶
縁性があるという特有の性質を有する材料であり、緻密
な焼結体であれば空気中において数百度℃の温度に加熱
された状態で使用されても充分な耐酸化性を有してい
る。

【００１９】ベリリアセラミックスはこのシース管の材
料として性能的には好ましい材料であると考えられる
が、非常に毒性の強い物質であるので製造が容易でな
く、かつ市販品を入手できても非常に高価であって実用
性に欠けている。また、炭化珪素セラミックスは電気伝
導性があるのでショートの問題がある。

【００２０】本発明の電気シースヒータでは、このよう
な特性を有する窒化アルミニウムセラミックスのシース
管を使用しているので、発熱素子の熱がシース管の表面
に速やかに伝わることによってスタート時の温度の立ち
上がりが早く、放熱性が良好であることによって抵抗発
熱線の温度がシース管の表面温度と比べてそれほど高く
ならない。

【００２１】また、シース管が電気絶縁性であるので抵
抗発熱線がシース管と接触してもショートの恐れがな
く、シース管と抵抗発熱線との間の間隔を狭くすること
ができ、シース管への熱伝導をさらに良好にできる。こ
の間隔は好ましくは平均して１ｍｍ以下とするが、平均
して０．１ｍｍ以上として緊密にシース管と接触しない
寸法とする。

【００２２】従って、電気シースヒータの表面温度をパ
ティキュレートに着火するのに適した温度である６００
℃以上の温度に保持する場合にも、内部に組み込まれて
いる発熱素子、すなわち抵抗発熱線の温度を従来の電気
シースヒータと比べてより低く保持することが可能であ
り、抵抗発熱線の耐久性を充分に確保できる。

【００２３】また、シース管の表面がパティキュレート
の燃焼熱によって局部的に高い温度に加熱されることが
あっても、熱がシース管を伝わって拡散することによっ
て温度が均一化するので、シース管の局部過熱を回避す
ることができ、シース管の表面温度を同じレベルの温度
に保持するとき、内部の抵抗発熱線の温度ムラが小さく
なり、抵抗発熱線の温度があまり高くならないように、
かつ相対的に低く保つことができることによって抵抗発
熱線の耐久性を確保することができる。

【００２４】抵抗発熱線をセラミックス軸の周りに巻き
付けるのは、抵抗発熱線が撓んでショートしたり一方に
偏ってシース管への熱伝導が不均等にならないようにす
るためであり、らせん状に巻き付けることでシース管の
外径を大きくしても抵抗発熱線をシース管の内周面に近
付けて配置でき、抵抗発熱線の熱をシース管に伝わり易
くできるためである。

【００２５】セラミック軸の材質としては、急激に加熱
しても破損しないように、絶縁体であって１２００℃ま
での温度で使用でき、かつ熱衝撃に強い材料、すなわち
熱膨張率が小さいおよび／または熱伝導率の大きい材料
を選ぶのが好ましく、たとえばムライト、コーディェラ
イト、ジルコン、窒化珪素、窒化アルミニウムなどのセ
ラミックスが好ましく使用できる。

【００２６】シース管の外径を８ｍｍ以上とするのは、
パティキュレートトラップに使用してパティキュレート
に着火する電気シースヒータとしてはこの程度の太さが
あれば発熱容量を使い易い程度に大きくでき、表面があ
る程度パティキュレートの灰で覆われてもパティキュレ
ートへの着火が確実にでき、かつ抵抗発熱線の太さをあ
る程度大きくして電気シースヒータの耐久性を確保でき
るからである。

【００２７】また、シース管の外径が４０ｍｍより大き
くなるとパティキュレートトラップのパティキュレート
焼却部を大きくしないと電気シースヒータが取り付け難
くなり、必要な場合には複数の電気シースヒータを取り
付けることもできるので、発熱容量がそれほど大きい電
気シースヒータを使用する必要はなく、４０ｍｍ以下で
充分なためである。使い易さを考慮した好適なシース管
の太さは外径が１２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

【００２８】シース管の肉厚は１ｍｍより薄いと破損し
易くなり、逆に８ｍｍより厚いと発熱素子の外径をこの
分細くしなければならないので発熱素子の発熱容量が小
さくなる他、窒化アルミニウムセラミックスは余り厚く
ない方が緻密で熱伝導率の良い焼結体が得られるので都
合が良いからである。シース管の製造上の容易さと電気
シースヒータの使い易さを併せて考慮すると、シース管
のより好ましい肉厚は１．５〜５ｍｍである。

【００２９】セラミック軸を中空の管とすることで抵抗
発熱線の戻りの通路を確保できるとともに電気シースヒ
ータの熱容量を小さくして温度の立ち上がり速度を大き
くすることができ、セラミック軸の内部の温度差（熱応
力に比例する）が小さくできることによってセラミック
軸の耐熱衝撃性を増すことができる。

【００３０】また、セラミック軸を直管（真っ直ぐな
管）とすることで、シース管の端部を塞ぐと同時に発熱
素子の端を支持するセラミックスの蓋を配置して、発熱
素子のシース管中における軸芯からの偏りを小さくする
ことができ、直管のシース管と管状のセラミック軸は精
度良く製造することが容易であることもあって、発熱素
子とシース管の内周面の距離を小さくして両者の間の熱
伝達を良くすることができ、これによってシース管の表
面温度が同じであっても抵抗発熱線の温度をより低く維
持することができ、耐久性のある電気シースヒータを、
さらには長尺の電気シースヒータを容易に製造すること
ができる。

【００３１】電源と接続する場合、片側のみに端子箱が
あることによってパティキュレートトラップ焼却部への
組み込みを簡単に行うことができる。

【００３２】また、セラミック軸を熱伝導性の良い窒化
アルミニウムセラミックスとすることによって、セラミ
ック軸の耐熱衝撃性を確保でき、セラミック軸に伝えら
れた抵抗発熱線からの熱がセラミック軸の内部を通って
軸方向に速やかに伝わるので、抵抗発熱線の局部的な過
熱をさらに確実に回避することができ、耐久性がより優
れた電気シースヒータを得ることができる。

【００３３】さらに、セラミック軸の表面にらせん状の
溝が概ね抵抗発熱線の直径の深さに形成され、この溝の
中に抵抗発熱線が納められていることによって、抵抗発
熱線とシース管の内周面との間の距離だけでなく、セラ
ミック軸の外周面とシース管の内周面の間の距離も小さ
くすることができ、この距離を好ましくは０．６ｍｍ以
下とすることによって抵抗発熱線からシース管への熱伝
達がセラミック軸を介する熱伝達によってさらに促進さ
れ、抵抗発熱線の局部的な過熱をより完全に避けられる
ことになる。

【００３４】しかし、組み込まれた材料の間の熱膨張の
差を吸収できる余裕を残して置く必要があるので、互い
に緊密な接触状態とするのは好ましくなく、製造上の容
易さを考慮して平均で０．１ｍｍ以上の隙間を残して置
くのが好ましい。

【００３５】本発明のディーゼル機関用パティキュレー
トトラップは、ディーゼル機関の排気ガスをセラミック
スのフィルタで濾過し、フィルタ中に捕捉された炭素を
主成分とするパティキュレートを、フィルタ中に逆方向
から空気を吹き込む逆洗操作によってパティキュレート
受部に移し、パティキュレートをパティキュレート受部
に取り付けられた着火手段を備えるパティキュレート焼
却部において着火し焼却するパティキュレートトラップ
であって、セラミック軸の周りに抵抗発熱線を巻き付け
られた発熱素子が窒化アルミニウムセラミックスのシー
ス管中に収納されてなる電気シースヒータがパティキュ
レート焼却部に着火手段として備えられていることを特
徴とする。

【００３６】本発明のディーゼル機関用パティキュレー
トトラップに組み込まれるセラミックスフィルタとして
は、ハニカム型のフィルタも使用できるが、フィルタに
捕捉されたパティキュレートを逆洗によってパティキュ
レート焼却部へ移動するのに排気ガスの流れに逆らわな
いで行え、かつ直方体の形状のフィルタを多数個組み合
わせるのが容易な構造のクロスフロー型のフィルタを用
いるのが好ましい。

【００３７】本発明のディーゼル機関用パティキュレー
トトラップでは、使用時における抵抗発熱線の温度を均
等に、かつ全体的に低く保て、腐食や、変形の問題がな
いシース管を使用した電気シースヒータが組み込まれて
いるので、シース管の損傷や抵抗発熱線の断線によって
パティキュレートトラップが運転を継続できなくなる問
題点が回避され、信頼性の高いディーゼル機関用パティ
キュレートトラップが実現された。

【００３８】以下本発明を、実施例によって具体的に詳
しく説明するが、本発明はこれらの実施例によってなん
ら限定されるものではない。

【００３９】

【実施例】図１は本発明の電気シースヒータの一例を示
す断面図であり、１は電気シースヒータ、２はセラミッ
ク軸、３は抵抗発熱線、４は発熱素子、５はシース管、
６は端子箱、７は電線である。

【００４０】この例では、セラミック軸２として熱膨張
率が１．７×１０^-7／℃と小さく、外径２０ｍｍ、内径
１０ｍｍ、全長９００ｍｍのコーディェライトセラミッ
クスの管が使用されている。このセラミックス軸２の表
面には浅い溝がらせん状に刻まれていて、この溝の中に
約半分が埋まった状態で抵抗発熱線３が巻き付けられ、
抵抗発熱線３の一端はセラミック軸２の先端付近に設け
られた穴からセラミック軸の内側に入り、他端ととも
に、端子箱６に接続されている。

【００４１】シース管５としては、緻密であって通気性
がなく、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ／Ｋと大きく、熱膨張
率が２．７×１０^-6／℃の窒化アルミニウムセラミック
スが使用され、このシース管５の寸法は、外径が３０ｍ
ｍ、肉厚が４ｍｍ、全長が９００ｍｍであって先端が閉
じた管となっており、シース管５は発熱素子４とともに
端子箱６に固定かつ保持されている。

【００４２】抵抗発熱線３には、ニクロム線より耐熱性
が高いとされている線径０．９ｍｍのカンタル線が約１
７ｍ使用されていて、この抵抗発熱線３の先端が端子箱
６の中で電線７と接続され、この電線７はさらに図示し
ない電源とつながれている。

【００４３】図２は本発明の電気シースヒータの他の一
例を示す断面図であり、図１に示された例と異なる点
は、セラミック軸２がシース管５と同じ窒化アルミニウ
ムセラミックスで作成されていて、発熱素子４のセラミ
ック軸２に巻き付けられる抵抗発熱線３が完全に収納さ
れる深さの溝がらせん状に刻まれていることと、セラミ
ック軸２の先端が、シース管５の先端を塞いでいるジル
コン（ＺｒＳｉＯ₄ ）セラミックスからなる蓋８（セラ
ミックス接着材でシース管と接合される）によってシー
ス管５と同軸に支持され、シース管５の内周面と発熱素
子４の外周面との間の間隔が狭く保持されていることで
ある。

【００４４】この例における窒化アルミニウムのシース
管の外径は図１に示された例と同じであるが、肉厚は
４．６ｍｍと厚くなっており、発熱素子４とシース管５
の間の隙間は０．４ｍｍとされている。

【００４５】図３は本発明のディーゼル機関用パティキ
ュレートトラップに好ましく使用されるクロスフロー型
のフィルタの一例を示す斜視図であり、図においてフィ
ルタ１０は、フィルタ機能を有する多孔質コーディェラ
イトセラミックス（気孔率％、熱膨張率１．７×１０^-6
／℃）からなり、パティキュレートを含む排気ガスを通
す複数の含塵ガス流路１１が互いに平行に貫通している
板状のフィルタ素子１２を、間にセラミックスのスペー
サ１３を挟んで複数枚積層されている。

【００４６】かくして、各フィルタ素子間には清浄ガス
流路１４が含塵ガス流路１１と交差する方向に形成され
る。

【００４７】図４は本発明のディーゼル機関用パティキ
ュレートトラップに使用可能なハニカム型のフィルタの
一例を示すカット部のある斜視図である。図において、
Ａを排気ガスの入り口側、Ｂを排気ガスの出口側とする
と、多孔質セラミックスの濾壁１７で仕切られた含塵ガ
ス流路１５と清浄ガス流路１６は互いに平行な方向に延
在しており、含塵ガス流路１５はＢの側が閉塞材１８に
よって塞がれており、清浄ガス流路１６はＡの側におい
て閉塞材１９によって塞がれている。

【００４８】図５は本発明による電気シースヒータをパ
ティキュレート焼却部に組み込んだ本発明のディーゼル
機関用パティキュレートトラップの一例を示すカット部
のある斜視図である。

【００４９】このディーゼル機関用パティキュレートト
ラップ２０は、図３に例示された構造のコーディェライ
トセラミックスで製造されたクロスフロー型フィルタ１
０がそれぞれ５個ずつ組み込まれたフィルタモジュール
２１を３組内蔵するように構成されている。

【００５０】このフィルタモジュール２１中に組み込ま
れた一個のクロスフロー型のフィルタの寸法は、含塵ガ
ス流路の開口する面の寸法が１１８ｍｍ×１７７ｍｍ、
清浄ガス流路の開口する面の寸法が１７７ｍｍ×２１６
ｍｍ、ガス流路が開口していない面の寸法が１１８ｍｍ
×２１６ｍｍであり、有効フィルタ面積、すなわち含塵
ガス流路１１を囲む壁面の合計面積が約０．６４ｍ² の
ものである。

【００５１】各フィルタモジュール２１はパッキン２２
を間に挟んでパティキュレートトラップ２０のケーシン
グ２３の一側面にスタッドボルト２４を介して図示しな
いナットをねじ込んで固定される。

【００５２】このパティキュレートトラップ２０では、
図示しないディーゼル機関から排出されるパティキュレ
ートを含む排気ガスが入口配管２５から導入され、フィ
ルタモジュール２１の表面に開口している含塵ガス流路
１１に流入し、フィルタモジュール２１の内部で濾過さ
れ、清浄ガスとなって流出口２６を経て排気管２７から
外系に排出される。

【００５３】ある程度パティキュレートがフィルタモジ
ュール２１中に蓄積されると、排気ガスの通気圧損が増
大してパティキュレートトラップの処理能力が低下して
くるので、フィルタモジュール２１を順々に逆洗して再
生する。

【００５４】まず、最上段のフィルタモジュール２１を
逆洗する場合には、対応する排気管２７に取り付けられ
ている開閉弁２８を閉じ、排気管２７の開閉弁２８の上
流側に接続されている圧縮空気配管２９から短時間（た
とえば０．１秒間）圧縮空気を吹き込んでフィルタモジ
ュール２１の逆洗を行う。吹き込まれた圧縮空気はフィ
ルタモジュール２１の流出口２６を経て各フィルタブロ
ック１０の清浄ガス流路１４に入り、フィルタブロック
１０の多孔質の壁を通常時とは逆方向に通過して含塵ガ
ス流路１１へ流入する。

【００５５】このとき含塵ガス流路１１の壁面に捕捉さ
れているパティキュレートは壁面から剥離して離脱し、
フィルタモジュール２１の両側にある含塵ガス流路１１
の開口からケーシング２３の内部の空間に逆洗の気流と
ともに流れ出し、パティキュレートは落下してケーシン
グ２３の底部に設けられている図示しないパティキュレ
ート受部に移される。

【００５６】時間が重ならないようにずらして、同様の
逆洗を中段と下段のフィルタモジュール２１について行
い、パティキュレートトラップ２０の排気ガス処理能力
が低下しないように維持する。

【００５７】開閉弁２８としては、たとえばトラックな
どでエキゾーストブレーキに使用されているバタフライ
弁が使用できる。

【００５８】図５に示されたディーゼル機関用パティキ
ュレートトラップの例では、パティキュレート受部に移
されたパティキュレートはパティキュレート受部の上面
に取り付けられた２個の電気シースヒータ１によって着
火され、燃えて容積の小さい灰になる。

【００５９】ディーゼル機関の排気ガス中には通常相当
量の酸素が含まれており、パティキュレート受部の上面
にある程度の厚さに堆積したパティキュレートに着火す
ると、着火線が移動することによってパティキュレート
が残らず燃え尽きる。酸素の量が不足している排気ガス
の場合や、燃焼が速やか進むようにしたい場合には、パ
ティキュレート焼却部に空気を注入するようにすると良
い。

【００６０】パティキュレート受部に溜ったパティキュ
レートの灰は、ディーゼル機関の停止時に、または排気
ガスをバイパスを経て放出される状態としておいてか
ら、ケーシング２３の底部に設けた取出し口３０を開い
て取り出され、廃棄される。

【００６１】試験のため、図１に示された構造の、窒化
アルミニウムのシース管が取り付けられた前記寸法の電
気シースヒータ（ａ）と、同じ寸法の窒化珪素セラミッ
クス（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）のシース管が取り付けられた電気シ
ースヒータ（ｂ）（いずれもコーディェライトのセラミ
ック軸を使用）およびシース管の外寸法がほとんど同じ
であるハステロイのシース管（肉厚約３ｍｍ）が取り付
けられ、発熱素子がマグネシア（ＭｇＯ）の粉体中に埋
め込まれた市販の電気シースヒータ（ｃ）を用意した。

【００６２】シース管の材料の違いを比較する材料とし
て窒化珪素セラミックスを選んだのは、窒化珪素セラミ
ックスが電気絶縁性の材料であって熱伝導率が比較的大
きく（約３３Ｗ／ｍ／Ｋ）て熱膨張率が比較的小さい
（３×１０^-6／℃）熱衝撃に強い材料であり、有力な候
補材料の一つと考えられるからである。

【００６３】また、図２に示された構造の、窒化アルミ
ニウムのシース管と窒化アルミニウムのセラミック軸を
取り付けた電気シースヒータ（ｄ）を用意した。
（ａ）、（ｂ）および（ｄ）の電気シースヒータのセラ
ミック軸の内部の中央付近にはシース熱電対の先端を差
し込んで他端を端子箱の部分から引き出し、ヒータの内
部の温度を計れるようにした。

【００６４】試験例１まず最初に電気シースヒータ（ａ）と電気シースヒータ
（ｂ）とを前述のパティキュレートトラップ２０に組み
込んだ。両方の電気シースヒータを電圧が制御できる交
流電源とそれぞれ接続し、ディーゼル機関からの排気ガ
スを流さない状態において赤外線温度計で電気シースヒ
ータのシース管の表面温度を測定しながら徐々に電圧を
上げ、それぞれに１ｋＷの負荷を入力したところ、電気
シースヒータの表面温度はいずれも７８０℃になってい
るのを認めた。

【００６５】このときの電気シースヒータ（ａ）の熱電
対温度計による内部の温度は９６５℃であり、電気シー
スヒータ（ｂ）の内部温度は１０２０℃となっていた。
次に、排気容量６０００ｃｍ³ で２３０馬力の発電用デ
ィーゼル機関を８０％の出力で運転し、その排気ガスを
入口配管２５からこのパティキュレートトラップ２０に
導入し、５分間隔でフィルタモジュールを順々に逆洗し
て、パティキュレートトラップの底のパティキュレート
受部にパティキュレートを集めた。

【００６６】ディーゼル機関の運転を開始すると同時に
電気シースヒータに通電を開始し、電気シースヒータ
（ａ）の内部の温度を９５０℃に保持するように制御し
た。電気シースヒータ（ｂ）には電気シースヒータ
（ａ）と同じ電力を投入するように電圧を制御した。こ
の運転機関中における電気シースヒータ（ｂ）の内部の
温度は常に電気シースヒータ（ａ）の温度より高く、温
度差は５０〜１２０℃となっていた。

【００６７】その後１５０時間運転を継続したところで
電気シースヒータ（ｂ）への通電ができなくなり、その
後は電気シースヒータ（ａ）のみで運転が続けられ、合
計２２０時間の後にディーゼル機関の運転が停止され
た。

【００６８】電気シースヒータ（ｂ）を取り出して分解
したところ、抵抗発熱線が断線しており、発熱素子の先
端がシース管の中央軸からずれているのを認めた。

【００６９】試験例２次に同じ電気シースヒータ（ａ）と電気シースヒータ
（ｃ）を前述のパティキュレートトラップ２０に組み込
んで同様の試験を行った。

【００７０】その結果、ディーゼル機関の排気ガスを導
入し始めてから約６０時間運転を継続したところで電気
シースヒータ（ｃ）が断線したのを認めた。電気シース
ヒータ（ａ）については合計２２０時間の運転に使用さ
れたが、この間故障なく継続して使用さできた。

【００７１】試験例３同じ電気シースヒータ（ａ）と電気シースヒータ（ｄ）
を前述のパティキュレートトラップ２１のパティキュレ
ート焼却部に組み込んで電圧を徐々に上げ、両者に約１
ｋＷの電力を通じたところ、赤外線温度計で測定した両
者の表面温度はいずれも約８００℃となった。このとき
熱電対によって測定された電気シースヒータ（ａ）の内
部の温度は電気シースヒータ（ｄ）の内部の温度より約
２０℃高くなっているのを認めた。

【００７２】引き続いて前記と同じ条件でディーゼル機
関の排気ガスを導入してパティキュレートを除去する運
転を夜間も継続して行い、合計約２００時間にわたって
運転を継続したが、いずれの電気シースヒータも故障な
く使用でき、メインテナンスの手間としては二日に一回
灰を取り出せば良く、本発明のディーゼル機関用パティ
キュレートトラップの信頼性が優れていることが確認さ
れた。

【００７３】

【発明の効果】本発明の電気シースヒータでは、窒化ア
ルミニウムセラミックスをシース管に使用し、その絶縁
性と優れた熱伝導性を有効に利用しており、これによっ
て内部に組み込まれている抵抗発熱線の温度をより均等
に、かつ低く保て、その結果ディーゼル機関用パティキ
ュレートトラップのパティキュレート焼却部に着火手段
として使用されるとき、抵抗発熱線の断線などによる故
障がない耐久性に優れた電気シースヒータとして機能す
る。

【００７４】さらに、セラミック軸を窒化アルミニウム
セラミックスとすることによって抵抗発熱線の温度ムラ
をさらに小さくして耐久性をさらに高めることができ、
セラミック軸の先端をシース管の先端部に取り付けた蓋
で支持し、セラミック軸に抵抗発熱線を収納するらせん
状の溝を刻んで抵抗発熱線をこの中に納め、セラミック
軸とシース管の間の隙間を０．６ｍｍ以下と狭くするこ
とにより熱伝達がさらに良好になって、電気シースヒー
タの耐久性をさらに向上せしめることが可能になる。

【００７５】本発明のディーゼル機関用パティキュレー
トトラップは、上記の耐久性の優れた電気シースヒータ
がパティキュレート焼却部に組み込まれたものであり、
電気シースヒータの抵抗発熱線の断線などによる故障の
恐れがなく、夜間における無人の自動運転が可能な信頼
性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電気シースヒータの一例を示す断
面図。

【図２】本発明による電気シースヒータの他の一例を示
す断面図。

【図３】本発明のディーゼル機関用パティキュレートト
ラップに好ましく使用されるクロスフロー型フィルタの
一例を示す斜視図。

【図４】本発明のディーゼル機関用パティキュレートト
ラップに使用できるハニカム型フィルタの一例を示すカ
ット部のある斜視図。

【図５】本発明によるディーゼル機関用パティキュレー
トトラップの一例を示すカット部のある斜視図。

【符号の説明】

１：電気シースヒータ２：セラミック軸３：抵抗発熱線４：発熱素子５：シース管６：端子箱７：電線８：蓋９：らせん溝１０：フィルタ１１、１５：含塵ガス流路１２：フィルタ素子１３：スペーサ１４、１６：清浄ガス流路１７：濾壁１８、１９：閉塞材２０：ディーゼル機関用パティキュレートトラ
ップ２１：フィルタモジュール２２：パッキン２３：ケーシング２４：スタッドボルト２５：入口配管２６：流出口２７：排気管２８：開閉弁２９：圧縮空気配管３０：取出し口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック軸の周りに抵抗発熱線を巻き付
けられてなる発熱素子が、外径８ｍｍ以上４０ｍｍ以
下、肉厚１ｍｍ以上８ｍｍ以下である窒化アルミニウム
セラミックスのシース管中に収納されていることを特徴
とする電気シースヒータ。
【請求項２】請求項１において、セラミック軸が直管で
あり、セラミック軸がシース管の両端において支持さ
れ、シース管の一方の端に電源との接続部が取り付けら
れ、シース管の他方の端にセラミック軸を支持するとと
もにシース管を塞ぐセラミックスの蓋が取り付けられて
いる電気シースヒータ。
【請求項３】請求項１または２において、セラミック軸
が窒化アルミニウムセラミックスからなる電気シースヒ
ータ。
【請求項４】請求項３において、セラミック軸の表面に
抵抗発熱線を巻き付けるらせん状の溝が概ね抵抗発熱線
の直径の深さに形成されていて、抵抗発熱線がこの溝の
中に納められ、セラミック軸の外周面とシース管の内周
面の間の間隔が平均して０．６ｍｍ以下とされている電
気シースヒータ。
【請求項５】ディーゼル機関の排気ガスをセラミックス
のフィルタで濾過し、フィルタ中に捕捉された炭素を主
成分とするパティキュレートを、フィルタ中に逆方向か
ら空気を吹き込む逆洗操作によってパティキュレート受
部に移し、パティキュレートをパティキュレート受部に
取り付けられた着火手段を備えるパティキュレート焼却
部において着火し焼却するパティキュレートトラップで
あって、セラミック軸の周りに抵抗発熱線を巻き付けら
れた発熱素子が窒化アルミニウムセラミックスのシース
管中に収納されてなる電気シースヒータがパティキュレ
ート焼却部に着火手段として備えられていることを特徴
とするディーゼル機関用パティキュレートトラップ。