JPH0610649A - 排ガス浄化用フィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、ディーゼルエンジン等の排ガスに含
まれるスス状の炭素質微粒子を捕集するフィルターにお
いて、耐久性に優れ、フィルターを再生するに必要な電
気容量が少なくてすむフィルターを提供することを目的
とする。 【構成】多孔板と外筒とを間隙を設けた状態で、多孔板
を直列に配置してなるフィルターである。スス状の微粒
子は多孔体の前後の面の差圧により、多段式に捕集され
る。多孔板を導電性の材料とすれば、多孔板に直接通電
して加熱することにより、捕集した微粒子を着火し燃焼
・除去することができる。多孔板の表面に凸部を設ける
ことにより、捕集効率はより向上する。 【効果】フィルターの再生に必要な電気容量を過大にす
る必要がない。フィルターが閉塞することへの対策が不
要である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】ディーゼルエンジンを搭載した自
動車等から排出されるガスはスス状の炭素質の微粒子
（以下「微粒子」と略称）を含んでおり、これが大気汚
染の重大な問題の一つとなっている。本発明は、これら
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出されるガスに
含まれる微粒子を除去するためのフィルターに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジンを搭載した自
動車から排出されるガス中の微粒子を除去するフィルタ
ーとしては、コージェライト等のセラミックス製のハニ
カム構造体が主として検討されている（特公昭６２−４
１０５４、特開平３−２５８９１１）。ここでハニカム
構造体とは、図７、８に示したように隔壁により区分さ
れた複数の貫通孔を有し、単位容積あたりに濾過面積を
多くとることができる構造体である。ディーゼル車排ガ
スの微粒子除去用としては、例えば全体の容積が１〜４
リッターで、セル密度が１平方センチ当たり１０〜１５
セル、総セル数１５００〜２５００、隔壁厚０．３〜
０．５mmが例示されている。微粒子を捕集したフィルタ
ーの再生は、ハニカム構造体の全体に６００℃以上の高
熱を加えて微粒子を燃焼除去する方式が主に検討されて
おり、捕集・再生を繰り返すことにより、継続して排ガ
スが処理される。即ちこの方式では、上記のような隔壁
の厚さが極めて薄く、セル数の多いハニカム構造体が、
微粒子を燃焼除去する際の耐熱性と、繰り返しの温度変
化に耐える耐熱衝撃性とを有することが必要である。

【０００３】しかしながら、耐熱性及び耐熱衝撃性を備
え、かつ加工精度が高く、ピンホールなどの欠陥がな
く、しかも容積の大きいハニカム構造体を製造すること
は極めて困難であり、更に長期の使用の過程でハニカム
構造体の隔壁に割れが生じ、捕集効率が格段に低下する
という耐久性に著しく欠ける問題があった。またハニカ
ム構造体を加熱するには、その周囲にヒーターを設置し
て通電加熱する方式が簡便であるとして提案されている
が、電源には２ＫＷ以上の容量を必要とするため、バッ
テリーの容量が不足するといった問題もあった。

【０００４】更にフィルターを再生するにおいて、排ガ
スを流通させて微粒子を捕集しながらハニカム構造体を
加熱することは、排ガス温度が約２００〜３００℃と微
粒子の着火温度よりもかなり低いため、周囲のヒーター
加熱によって着火温度の６００℃以上に保つことが不可
能である。このため、フィルターを二系列設け、再生時
には一方のフィルターで捕集するといった、捕集と再生
を交互に繰り返す方式とならざるを得ないという問題も
あった。更にまた、微粒子が異常に蓄積してフィルター
が閉塞し、排ガスの流路が遮断されるという場合の対策
も設備の中に取り入れておく必要もあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの従来
技術の欠点を解決することを目的として、耐久性が高
く、フィルターを加熱して微粒子を燃焼除去するに必要
な電気容量も少なくてすむ排ガス浄化用のフィルターを
提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、一つ以上の開
口部を有する多孔板を直列に配置してなるフィルターに
おいて、多孔板の処理ガス上流面に凸部を設けたフィル
ターであり、処理ガス上流面の開口部の周囲に凸部を設
けたフィルターであり、凸部の面積が多孔板の面積の
０．５〜２０％としたフィルターであり、多孔板が導電
性であるフィルターである。本発明のフィルターは図１
（ａ）〜（ｈ）のように、開口部を有する多孔板であっ
て、凸部を設けた多孔板を直列に配置して構成される。
ここで図１（ａ）〜（ｈ）は、処理する排ガスの流れ方
向から見た多孔板であり、多孔板の形状は円板、三角
板、四角板状などの広い範囲から選定される。多孔板の
面積は処理する排ガス量により選定されるが、ディーゼ
ル車用においては、図１の片側面積で１〜１０００ｃｍ
² が好ましく、より好ましくは５〜５００ｃｍ² であ
り、開口部はこの面積の１〜５０％が好ましい。また開
口部は図１（ｄ）のように複数であってもよい。多孔板
は通気性を有することが必要で、空隙率は３０〜８０％
が適切であり、平均細孔径は０．１〜５０μが適切であ
り、厚みは０．１〜５mmが適切である。

【０００７】本発明のフィルターは、このような通気性
があり開口部を設けた多孔板であって、処理ガス上流面
に凸部を設けた多孔板を用いる。凸部は図１に示したよ
うに開口部の周囲に帯状に設けることが好ましく、更に
は局所的な排ガスの流れの向きに平行でない向きに帯状
に設けることが好ましい。また凸部の面積は、図１の多
孔板の片側面積の０．５〜２０％が好ましい。なお多孔
板の開口部の位置と配置の様式として、図１（ｂ）、
（ｃ）、（ｆ）のように開口部が多孔板の中心にないも
のを、例えば一枚毎に１８０度回転して、図２のように
間隙部を流路の方向に重ならない状態で設置するほうが
捕集効率の面で好ましい。ここで多孔板の枚数は、目的
とする捕集効率や処理する排ガスの圧力損失を配慮して
選定されるが、５〜２００枚が一応の目安で、これらを
例えば１〜９０mmの間隔で配置する。

【０００８】多孔板の材質としては、アルミナ、ムライ
ト、コージエライトなどの耐熱性のセラミックスが使用
可能である。これらの場合、微粒子を燃焼除去するため
のフィルターの加熱は外部に設置したヒーター等による
間接加熱になる。ここで、多孔板をヒーターとして用い
て直接通電加熱し、捕集した微粒子を着火し、燃焼除去
するといった簡便な方法を行うことも可能である。この
場合、多孔板は導電性であることが必要である。このよ
うな性質を有する素材としては、ＳＵＳ３１０、インコ
ネル、ハステロイ、二ケイ化モリブデン、二ケイ化タン
グステンなどの耐熱合金や、炭化ケイ素、炭化ホウ素、
ランタンクロマイトなどの導電性セラミックスなどがあ
る。

【０００９】導電性の素材を多孔板に用いた場合は、図
３のように通電加熱用の電極を取り付けて通電加熱し、
微粒子を燃焼除去する。電極の材質としては特に限定す
る必要はなく、通常電極に使用されるニッケル、クロ
ム、銅、銀、鉄、パラジウム等あるいはこれらの合金を
用いることができるが、ヒーターに接触する部分は６０
０℃以上の耐熱性を有する材質を選ぶべきである。電極
の設置方式には、図３（ａ）のように多孔板の端部の二
箇所に取り付ける方式、図３（ｂ）のように多孔板の中
央部と周囲に取り付ける方式、更に、図３（ｃ）のよう
に多孔板の中央部の一箇所に取り付け、もう一方の電極
を外筒そのものとする方式も、外筒を導電性の金属等の
材料とすることで採用できる。なお電極と多孔板の接合
面を排ガスの下流側としておけば、多孔板の凸部の位置
を配慮することなく電極との接合が可能である。

【００１０】

【作用】本発明のフィルターの捕集機構は、図４のよう
に排ガスが流出する過程で生じる圧力低下を利用するも
のであり、多孔板の表裏面間の差圧によって、一部の排
ガスを多孔板を通過させて、一枚の多孔板においては一
部の排ガスを処理することを多数回繰り返す方式であ
る。この方式において例えば、多孔板と外筒との間隙を
８０％の排ガスが通過し、２０％の排ガスが多孔板を貫
通して微粒子が捕集されたとした場合、ｎ枚の多孔板を
直列に配置したフィルターにおいて、理想的には未処理
の排ガスは０．８のｎ乗となり、ｎが１０であれば未処
理の排ガスは１１％であり、ｎが２０であれば１％であ
る。

【００１１】本発明において、多孔板の処理ガス上流面
に凸部を設けることを特定する。これは凸部があること
が、高い捕集効率を得るに有効なためであるが、この理
由は次のように推定する。即ち、多孔板の表面の近傍に
は図５のように多孔板と平行な処理ガスの流れがあり、
このガスの流れは多孔板に付着した微粒子を再度吹き飛
ばす力となって作用するが、これに対して図６のように
多孔板に凸部があると平行な処理ガスの流れは表面より
離れた位置を流れ、このため捕集した微粒子を再度移動
させることが抑えられる。また凸部を開口部の周囲にす
ることや、局所的な排ガスの流れの向きに平行でない向
きに凸部を帯状に設けることが捕集効率の向上に有効な
ことも同じ理由であろう。

【００１２】このフィルターで捕集した微粒子は、酸素
の存在下で６００℃以上に加熱することにより燃焼除去
できるが、多孔板を導電性の材料としておけば、多孔板
を直接通電加熱して微粒子を燃焼させる方式が採用でき
る。即ち、ヒーターをフィルターの周囲に設置してフィ
ルターの全体を加熱する方式も考えられるが、この場合
にはヒーター、その周囲の断熱材及びフィルターを加熱
することになり、直接通電加熱する方が被加熱物の熱容
量を著しく少なくする長所がある。加えて多孔板の再生
は、複数枚の全てを同時に通電加熱して行う必要はな
く、一枚の多孔板ごと、あるいは電気容量に応じて２〜
３枚ごとの間欠的な通電加熱、即ちフィルター全体に対
して熱容量の少ない部分的な加熱・再生が可能となり、
所定の温度の加熱に要する時間あたりの電気容量を著し
く低く抑えることが可能となる。従って電気容量をさ程
増加することなく、排ガスを処理しながら再生するこ
と、即ちディーゼル車を走行しながら一つのフィルター
で排ガスを処理することも可能となるのである。

【００１３】このような微粒子を燃焼除去して再生する
方式の排ガス浄化フィルターは、繰り返しの加熱に対し
て優れた耐久性を必要とする。一般に、物体の温度が変
化すると物質の熱膨張率及び大きさに比例して寸法の変
化が生じるが、ある大きさの物体が全く均等な温度で昇
降温することはあり得ず、部分的な温度の違いが熱応力
の原因となり、割れなどの物体を損傷させる力となって
作用する。自明なように、物体が大きくなると部分的な
温度の違いも大きくなり、また形状が複雑になると温度
の不均一化が生じ易いため、温度変化に対する耐久性は
劣化する。ここで本発明のフィルターは、ハニカム構造
体に比較してはるかに形状が簡単で、容積も小さい多孔
板を単位とするために、温度変化に対する耐久性に優れ
るのである。

【００１４】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。 実施例１ 多孔板として、図１（ｂ）のような直径１５cmで厚さ２
mmの円板状であって、その中心より４cmに直径３cmの円
形の開口部を設け、更に開口部と中心を共通にした円形
の凸部（高さ５mm、幅１mm、ピッチ１０mm、凸部の面積
は多孔板の面積の１０％）を設けた炭化ケイ素成形体
（気孔率５１％、平均細孔径２０μ）を用い、この１５
枚を処理ガス上流面に凸部がある状態で図２のようにし
て開口部を一枚ごとに１８０度回転し、２cmの間隔で開
口部を流路の方向に重ならない状態で外筒に設置してフ
ィルターを構成した。

【００１５】このフィルターに約２５０℃のディーゼル
エンジン排ガスを２００ｍ³ ／Ｈの流量で導き、ガス中
の微粒子を捕集した。捕集開始直後のフィルター差圧は
０．３８Ｋｇ／ｃｍ² であり，捕集効率は９５％であっ
た。捕集は５時間継続しておこなった。その間フィルタ
ー差圧は徐々に増加し、５時間の経過時には０．４３Ｋ
ｇ／ｃｍ² であった。また終了直前の捕集効率は９１％
であった。またフィルターに付着した微粒子は捕集前後
の重量で２３ｇと測定された。

【００１６】次にこのフィルターに１ｍ³ ／Ｈの空気を
流しながら、周囲に設置した２．５ＫＷの電気ヒーター
で２時間加熱し、多孔板に付着した微粒子を燃焼除去し
た。その後、上記と全く同様にして微粒子の捕集と再生
を１０回繰り返したが、初期の捕集効率、差圧の経時変
化、終了までの捕集効率には１回目と比較して有意差は
みられなかった。

【００１７】比較例１ 多孔板として、凸部が無い以外は実施例１で用いたと同
じ形状の直径１５cmで厚さ２mmの円板状であって、その
中心より４cmに直径３cmの円形の開口部を設けた炭化ケ
イ素成形体１５枚を、２cmの間隔で外筒に設置してフィ
ルターを構成した。このフィルターに実施例１と同様に
して、約２５０℃のディーゼルエンジン排ガスを２００
ｍ³ ／Ｈの流量で導き、ガス中の微粒子を捕集した。捕
集開始直後のフィルター差圧は０．３０Ｋｇ／ｃｍ² で
あり，捕集効率は７８％であった。捕集は５時間継続し
ておこなった。その間フィルター差圧は徐々に増加し、
５時間の経過時には０．３９Ｋｇ／ｃｍ² であった。ま
た終了直前の捕集効率は７４％で、フィルターに付着し
た微粒子は捕集前後の重量で１８ｇと測定された。

【００１８】次にこのフィルターに１ｍ³ ／Ｈの空気を
流しながら、実施例１と同様にして周囲に設置した２．
５ＫＷの電気ヒーターで２時間加熱し、多孔板に付着し
た微粒子を燃焼除去した。その後、上記と全く同様にし
て微粒子の捕集と再生を１０回繰り返したが、初期の捕
集効率、差圧の経時変化、終了までの捕集効率には１回
目と比較して有意差はみられなかった。

【００１９】実施例２ 実施例１で用いたと同じ直径１５cmで厚さ２mmの円板状
であって、円形の開口部と円形の凸部を設けた炭化ケイ
素成形体に、図３（ｃ）のように直径１cmで厚さ１mmの
パラジウム製の電極を取り付けたものを、内寸法１５cm
の円菅（外筒、ＳＵＳ３１０製、導電性）内に２cmの間
隔で１５枚設置してフィルターを構成した。ここで多孔
板は実施例１と同様に間隙部を一枚ごとに１８０度回転
して設置した。またパラジウム製の電極のそれぞれに銅
線をリード線として取り付け、それぞれを外筒に開けた
穴を通して電源に接続し、穴と銅線の隙間はシール剤で
封止した。外筒はアースに接続した。

【００２０】このフィルターに実施例１と同様にして、
約２５０℃のディーゼルエンジン排ガスを２００ｍ³ ／
Ｈの流量で導き、ガス中の微粒子を捕集した。捕集開始
直後のフィルター差圧は０．３７Ｋｇ／ｃｍ² であり，
捕集効率は９５％であった。捕集は５時間継続して行っ
た。その間フィルター差圧は徐々に増加し、５時間の経
過時には０．４２Ｋｇ／ｃｍ² であった。また終了直前
の捕集効率は９０％で、フィルターに付着した微粒子は
捕集前後の重量で２４ｇと測定された。

【００２１】次にこのフィルターに１ｍ³ ／Ｈの空気を
流しながら、多孔板の一枚ごとを通電加熱した。加熱は
直流電源を使って中央部の電極に電圧を印加し、０．５
ＫＷの電力を１０分間供給することで行い、合計１５枚
の多孔板を順次加熱した。その後、上記と全く同様にし
て微粒子の捕集と再生を１０回繰り返したが、初期の捕
集効率、差圧の経時変化、終了までの捕集効率には１回
目と比較して有意差はみられなかった。

【００２２】実施例３ 実施例２と同じ１５枚の炭化ケイ素多孔板よりなるフィ
ルターに、約２５０℃のディーゼルエンジン排ガスを２
００ｍ³ ／Ｈの流量で導き、微粒子を捕集しながらフィ
ルターを通電加熱して再生した。加熱は直流電源を使っ
て各々の多孔板の電極に１．５ＫＷの電力を１０分間供
給して行い、順次多孔板を加熱しながら５０時間連続し
て微粒子を捕集した。捕集開始より１時間経過後のフィ
ルター差圧は、０．３９Ｋｇ／ｃｍ² 、捕集効率は９５
％で、５時間経過後のフィルター差圧は、０．４１Ｋｇ
／ｃｍ² 、捕集効率は９３％で、その後５０時間までは
フィルター差圧は、０．３８〜０．４２Ｋｇ／ｃｍ² 、
捕集効率は９２〜９７％の範囲に安定していた。

【００２３】

【発明の効果】形状が簡単な多孔板よりフィルターが構
成されるため、耐久性に優れ、信頼性が高い。多孔板の
処理ガス上流面に凸部を設けることで、高い捕集効率が
得られる。多孔板に導電性の素材を用いることにより、
多孔板の一枚ごとの再生が可能となる。このため再生に
必要な加熱用電源（バッテリー）の容量が小さくてよ
い。更にこのため、排ガスを浄化処理しながら再生する
ことが可能であり、フィルターを一系列だけにすること
も可能である。フィルターは多孔板の間隙からの流路が
保証されているため、フィルターが閉塞して排ガスの流
路がなくなるといった異常時の対策が不要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】開口部と凸部を設けた多孔板を例示した平面図
である。

【図２】多孔板を直列に配置してなるフィルターの一部
切り欠き断面図である。

【図３】電極を取り付けた多孔板の説明図である。

【図４】開口部を設けた多孔板における処理ガスの流れ
の説明図である。

【図５】開口部近傍の処理ガスの流れの説明図である。

【図６】凸部を設けた多孔板の開口部近傍の処理ガスの
流れの説明図である。

【図７】ハニカム構造体の端面図である。

【図８】ハニカム構造体の一部切り欠き断面図である。

【符号の説明】

１ 多孔板 ２ 開口部 ３ 外筒 ４ 凸部 ５ 電極 ６ リード線 ７ 処理ガスの流れ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一つ以上の開口部を有する多孔板を直列
   に配置してなるフィルターにおいて、該多孔板の処理ガ
   ス上流面に凸部を設けたことを特徴とするフィルター。
2. 【請求項２】 処理ガス上流面の開口部の周囲に凸部を
   設けたことを特徴とする請求項１記載のフィルター。
3. 【請求項３】 凸部の面積が多孔板の面積の０．５〜２
   ０％であることを特徴とする請求項１または２記載のフ
   ィルター。
4. 【請求項４】 多孔板が導電性であることを特徴とする
   請求項１、２または３記載のフィルター。