JPH06108823A - 耐熱性筒状フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィルタに堆積した堆積物を燃焼させる際に
フィルタの損傷を招くことなく、少ない熱量で効率良く
燃焼させることができ、フィルタの再生に有利な耐熱性
筒状フィルタを提供する。 【構成】 筒状フィルタ１はその内側に耐熱性繊維で組
織された筒状繊維組織体としての円筒織物２が配置さ
れ、円筒織物２の外表面側に電熱線としてのヒータ３が
コイル状に一体的に配設されている。円筒織物２の外側
には保温材としての通気性を有する耐熱性の不織布４が
円筒織物２に沿って配置され、その外側に円筒織物５が
配置されている。筒状フィルタ１はその第１端部に閉塞
部材が、第２端部に排ガス導入口を有する支持部材がそ
れぞれ嵌合固定され、被ろ過流体が内側から外側へ通過
する状態で使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高温期待中に含まれる不
純物を捕集する耐熱性筒状フィルタに係り、詳しくは高
温度のエンジン排気ガスに含まれるパティキュレート
（カーボン微粒子とエンジンオイル、未燃燃料の混合
物）の捕集に好適な耐熱性筒状フィルタに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれ
るパティキュレートを除去するフィルタ装置として、従
来、種々のものが提案されている。フィルタ装置は使用
により一定量以上堆積物が溜まり、ろ過効果が低下して
くると、堆積物を除去してろ過機能を再生する必要があ
る。堆積物の除去方法として、フィルタ装置を分解して
堆積物を洗浄する方法や堆積物を燃焼させる方法があ
る。しかし、堆積物の除去のためフィルタ装置を取り外
したり分解するのは手間がかかるため、フィルタ装置を
ディーゼルエンジンの排気システムに組み込んだまま、
フィルタの再生を可能にした装置が特開平２−２５６８
１２号公報に提案されている。

【０００３】この装置は通気性支持材（多数の透孔が形
成された金属製円筒）の周面に、セラミック繊維ろ過材
料と電気加熱素子（ヒータ）とが交互に複数の層状に巻
付けられている。従って、通気性支持材の半径方向に種
々の大きさの空隙がセラミック繊維ろ過材料により形成
され、ディーゼルエンジンの排ガスを通過させると、排
ガス中のパティキュレートがヒータに近接した状態で捕
集される。そして、ヒータに通電すると効率よくパティ
キュレートが燃焼する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、堆積物を燃
焼させるためにヒータに通電した発熱時には、ヒータの
熱膨張率とセラミック繊維のそれとの差による両者の膨
張量の違いが無視できない大きさとなる。例えば、ヒー
タにカンタル線（１８００°Ｃまでもの高温度発熱体と
して使用されるサーメット材料で、カンタル・ガデリウ
ス株式会社の製品）を用いると、セラミックの熱膨張率
との違いは２倍に近い。そのため例えば、長さ３００ｍ
ｍのものは１０００℃〜常温の間で２ｍｍものずれを起
こす。そして、前記従来装置では多層にわたって、ヒー
タとセラミック繊維とが交互に密接状態で積層されてい
るため、ヒータに通電した発熱時には、両者の間に摺動
摩擦が生じる。その結果、摩擦に弱いセラミック繊維が
破断損傷し易く、耐久性に乏しいと推定される。

【０００５】又、前記従来装置ではヒータがセラミック
繊維内に封じ込められているため、発熱部分及び発熱部
分に直接接している部分が過剰に昇温し、近辺に堆積し
た堆積物の燃焼熱も加わって温度勾配が激しくなる。そ
の結果、熱膨張の差による摩擦と、局部的高温とによっ
て、セラミック繊維が損傷を受けるという問題もある。

【０００６】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的はフィルタに堆積した堆積物を燃
焼させる際にフィルタの損傷を招くことなく、少ない熱
量で効率良く燃焼させることができ、フィルタの再生に
有利な耐熱性筒状フィルタを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め本発明においては、耐熱性繊維で組織された筒状繊維
組織体の表面に一体的に電熱線を配設し、前記筒状繊維
組織体の被ろ過流体の通過方向下流側に耐熱性かつ通気
性の保温材を筒状繊維組織体に沿って配置した。

【０００８】

【作用】本発明のフィルタは、一端が閉塞された状態
で、筒状繊維組織体に沿って配置されている保温材の反
対側から保温材側に向かってろ過すべき流体が通過する
ようにして使用される。そして、流体が筒状繊維組織体
を通過する間に流体中の不純物が筒状繊維組織体に捕集
される。電熱線に通電されると電熱線が発熱し、筒状繊
維組織体に捕集された堆積物が燃焼する。電熱線の発熱
時に、電熱線と筒状繊維組織体を構成する耐熱性繊維と
の熱膨張率の違いにより、両者が相対移動する。しか
し、熱膨張率の違いによる摩擦は筒状繊維組織体の組織
の伸縮で吸収され、耐熱性繊維の損傷が防止される。電
熱線が筒状繊維組織体の表面に一体的に配設されている
ため、電熱線の発熱が筒状繊維組織体上の堆積物に効率
良く伝わるとともに、下流側に配置された保温材の保温
効果により、少ない熱量で堆積物が効率的に燃焼する。

【０００９】又、本発明で使用する筒状繊維組織体は円
筒状の多孔体にセラミック繊維や織物を巻付けた場合と
異なって継ぎ目がない。従って、円筒の内側から外側に
向かって流体を流す場合、過大な圧力が加わっても、特
定箇所（継ぎ目部分）が破裂してフィルタ機能を失うよ
うなトラブルが発生しない。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を排ガスフィルタに具体化した
一実施例を図１〜図３に従って説明する。図１及び図２
に示すように、筒状フィルタ１はその内側に耐熱性繊維
で組織された筒状繊維組織体としての円筒織物２が配置
され、円筒織物２の外表面側に電熱線としてのヒータ３
がコイル状に一体的に配設されている。円筒織物２の外
側には保温材としての通気性を有する耐熱性の不織布４
が円筒織物２に沿って配置され、その外側にも円筒織物
５が配置されている。

【００１１】円筒織物２，５は例えば、本願出願人が先
に提案した三次元織機（特開平２−２２１４４０号公
報）を用いて、平組織の１層の織物として製織されたも
のが使用される。耐熱性繊維には炭化珪素繊維、アルミ
ナ繊維、チラノ繊維（宇部興産株式会社製：商品名）等
のセラミック繊維が使用される。そして、織物に使用さ
れる糸は多数本の繊維から構成されている。ヒータ３に
はカンタル線等が使用されている。ヒータ３は円筒織物
２の一部の糸を縫うようにしてその表面に部分的に結合
された状態で配設されている。ヒータ３は円筒織物２が
製織された後に、円筒織物２に取付けられる。

【００１２】不織布４にはセラミック短繊維をニードル
パンチ方式で相互に絡ませてマット状にしたものが使用
される。外側に配置された円筒織物５は不織布４から脱
落した短繊維がフィルタ外に流出するのを阻止する役割
と、形態保持の役割とを果たす。内側に配置された円筒
織物２はフィルタの役割と形態保持の役割とを果たす。
従って、外側に配置された円筒織物５は内側に配置され
た円筒織物２よりも織物の密度が小さい。

【００１３】前記筒状フィルタ１はその第１端部に閉塞
部材が、第２端部に排ガス導入口を有する支持部材（い
ずれも図示せず）がそれぞれ嵌合固定された状態で使用
される。筒状フィルタ１は１個でも使用されるが、ろ過
面積を増大させるため、通常は図３に示すように多数本
の筒状フィルタ１が１個のハウジング６内に平行に組付
けられたフィルター装置７として使用される。ハウジン
グ６は本体部が円筒状に形成されるとともに入口６ａ側
及び出口側がそれぞれ縮径となるように形成され、その
内部に流体の流れる方向と直交する状態で一対の円形状
の区画板８，９が固定配置されている。両区画板８，９
の対向する面間に筒状フィルタ１が複数個互いに平行に
固定されている。入口６ａ側の区画板８にはハウジング
６内に導入された排ガスを筒状フィルタ１の内側へ導く
ため、筒状フィルタ１の内径より小さな透孔８ａが形成
されている。又、出口側の区画板９には筒状フィルタ１
の外側をハウジング６の出口側に連通させるための透孔
９ａが形成されている。

【００１４】次に前記のように構成されたフィルタ装置
７の作用を説明する。フィルタ装置７はディーゼルエン
ジンの排気管に連結されて使用される。入口６ａからハ
ウジング６内に導入された排ガスは区画板８の透孔８ａ
を通って各筒状フィルタ１の内側に導かれ、筒状フィル
タ１を内側から外側へ向かって通過する。そして、内側
の円筒織物２及び不織布４を通過する間に排ガス中に含
まれるパティキュレート等がろ過され、清浄になった排
ガスが区画板９の透孔９ａを経て出口から排出される。

【００１５】排ガス中のパティキュレートは慣性作用及
び拡散作用によって円筒織物２及び不織布４の内側部分
において捕集される。慣性作用はエアロゾルが繊維に衝
突する際に生ずる渦流による負圧によってエアロゾルが
繊維に付着する作用であり、拡散作用はエアロゾルが繊
維に衝突すると流速が小さくなり、繊維の表面に堆積す
る作用である。円筒織物２及び不織布４には立体的に交
錯した繊維に囲まれた多数の空隙が存在する。そして、
空隙の大きさがパティキュレートの大きさより大きくて
も、排ガスが円筒織物２及び不織布４を通過する間に、
パティキュレートが繊維に衝突して前記慣性作用及び拡
散作用により空隙に捕捉されるとともに蓄積される。従
って、パティキュレートが捕捉されてもその空隙が完全
に塞がれないため、長期間にわたりろ過性能が持続され
る。

【００１６】筒状フィルタ１は円筒織物２，５により形
態保持がなされるため、形態保持のための金属製支持体
が不要となり、ろ過面積が円筒側面全体となって実質的
なろ過面積が大きくなる。又、継ぎ目がないため、過大
な圧力が加わっても、特定箇所が破裂するトラブルが発
生しない。

【００１７】ディーゼルエンジンの排気ガス温度はエン
ジンから離れた部位でも、３００〜６００℃と高く、通
常のろ過素材では耐熱性が不足する。しかし、円筒織物
２，５及び不織布４がセラミック繊維のような１０００
℃以上もの耐熱性を持った素材で形成されているため、
排ガスの温度に十分耐えられる。又、排ガス中には硫黄
酸化物による酸性成分が含まれるが、セラミック繊維は
高温度酸性雰囲気中でも十分耐えられる。

【００１８】長時間にわたり排ガス処理が行われ、パテ
ィキュレートの堆積量がある程度に達すると、ヒータ３
に通電されて堆積したパティキュレートが燃焼除去され
る。パティキュレートの燃焼時、その発熱によりフィル
タ温度が排ガス温度よりも高温になり、局部的な温度上
昇も起こる。しかし、円筒織物２，５及び不織布４の構
成素材がセラミック繊維であるため、温度勾配があって
も破損せず、熱ショックにも強い。従って、燃焼条件を
厳密に調整しなくても、損傷などのトラブが発生しな
い。又、ヒータ３と円筒織物２との熱膨張率の違いによ
り、両者が相対移動する。しかし、熱膨張率の違いによ
る摩擦は円筒織物２の組織の伸縮で吸収され、円筒織物
２を構成するセラミック繊維の損傷が防止される。

【００１９】パティキュレートはヒータ３からの発熱を
受けて燃焼し、筒状フィルタ１の内側から外側へ向かう
空気流の作用により、パティキュレートの燃焼熱を利用
して逐次風下側へ類焼する。前記のようにパティキュレ
ートは円筒織物２あるいは不織布４の内側部分において
捕集され、ヒータ３が円筒織物２に一体的に取付けられ
ているため、パティキュレートとヒータ３との距離が近
く、パティキュレートがヒータ３からの発熱を受け易
い。しかも、円筒織物２の外側に配置された不織布４が
保温材の役割を果たすため、ヒータ３からの発熱量が少
なくてもパティキュレートが効率良く燃焼する。

【００２０】円筒織物２にセラミック繊維の単繊維径φ
１５μｍ，１０００フィラメントで構成された糸束を経
緯糸として織った織物（直径５５ｍｍ、長さ３００ｍ
ｍ、織物密度約７００ｇ／ｍ² ）を、不織布４にセラミ
ック単繊維をニードルパンチ方式でかさ密度０．０９６
ｇ／ｃｍ² のマットに成形したものをそれぞれ用いた筒
状フィルタ１を複数本使用して構成したフィルタ装置を
ディーゼルエンジンの排気系に接続して排ガス処理を行
った。背圧上昇が７０mmＨg に達したとき、１本の筒状
フィルタ１の入口側開口部を蓋で軽く塞いで排ガスの流
入を妨げた状態とし、当該筒状フィルタ１のヒータ３に
１１００Ｗ×２分間通電したところ、完全に堆積物が燃
焼された。セラミック繊維は真っ白で、排ガス処理によ
りパティキュレートが捕集されると、パティキュレート
が堆積した箇所が黒くなる。しかし、ヒータ３への１１
００Ｗ×２分間の通電により筒状フィルタ１は内外共真
っ白に復元された。その後、再び当該筒状フィルタ１の
入口側開口部を開放して、排ガス処理を他の筒状フィル
タ１と平行して行わせたところ、全体の背圧も３０mmＨ
g 程度にまで低下した。背圧は処理時間の経過とともに
次第に上昇するので、背圧が７０mmＨg に達する毎に他
の筒状フィルタ１に対して順に同様の再生作業を繰り返
して連続的に排ガスの処理を行った。パティキュレート
の捕集率は８０％以上であった。捕集率はフィルタ装置
を通過前の排ガス中のパティキュレート量と、フィルタ
装置を通過後の排ガス中のパティキュレート量とを測定
して求めた。

【００２１】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、コイル状のヒータ３を円筒織物２
の外側に配置する代わりに、図４に示すように円筒織物
２の内側に配置してもよい。この場合はヒータ３が筒状
フィルタ１の最も内側に存在するため、堆積物の燃焼時
に堆積物が前記実施例よりも効率よく類焼する。又、ヒ
ータ３をコイル状とする代わりに図５（ａ）に示すよう
に、直線状のカンタル線を円筒織物２の軸方向に配列し
た状態に取付けてもよい。又、図５（ｂ）に示すよう
に、ヒータ３が一体的に取付けられた円筒織物２が外側
となる構成としてもよい。ヒータ３はコイル状に限らず
直線状でもよい。この場合、筒状フィルタ１は被ろ過流
体が外側から内側に向かって通過する状態で使用され
る。筒状フィルタ１の外側から内側へ被ろ過流体が通過
する構成では、内側から外側とした場合に比較してパテ
ィキュレートの捕集面積が大きくなる点でメリットがあ
る。しかし、堆積物を燃焼する際の熱効率は、ヒータ３
を内側に配置した場合の方が良い。又、ヒータ３の材質
としてはカンタル線に限らず、ニクロム線等通電により
発熱するとともに、通電の繰り返しに耐える材質であれ
ばよい。

【００２２】又、筒状繊維組織体は円筒織物を製織する
三次元織機で製織されたものに限らず、組紐機や環状織
機で製造したものでもよい。又、筒状繊維組織体の被ろ
過流体の通過方向下流側に配置される保温材を不織布に
代えて、セラミック長繊維を開繊充填した層で構成して
もよい。この場合は保温機能とフィルタ機能を備えるだ
けでなく、短繊維の脱落がないため、円筒織物２と協同
して保温材を挟持する円筒織物５の代わりに、金網、多
孔板、編み物などで形成された形態保持機能のみを有す
る円筒体を使用してもよい。又、フィルタ機能を向上す
るために織物密度を大きくするか多層の三次元織物とし
てもよい。さらには、筒状繊維組織体を円筒以外の筒状
としてもよい。

【００２３】又、多数の筒状フィルタ１を１個のハウジ
ング６内に組付けて使用するフィルタ装置７において、
ハウジング内の入口と区画板との間の空間に、入口から
ハウジング内に導入された流体を区画板に形成された各
透孔に向かって案内するフィンを設けてもよい。ハウジ
ングはフィルタが配置された箇所より入口側の径が小さ
いため、入口とフィルタの配置箇所との間になにもない
場合は、流体がハウジングの中央部に配置されたフィル
タに多く集中しがちであり、堆積物の量も中央のフィル
タが最も多い傾向がある。ところが、前記のようなフィ
ンを設けた場合は、ハウジング内に導入された流体が中
央部のフィルタに集中せずに、全てのフィルタと対応す
る箇所に均一に流れ、全てのフィルタが有効に機能して
ろ過効果の持続性が向上する。

【００２４】さらには、ディーゼルエンジンの排ガスろ
過装置に限らず、他の流体ろ過装置に適用してもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、堆
積物の燃焼除去時の局部的な昇温による熱衝撃や熱歪み
が発生してもフィルタが破壊し難く、少ない熱量で効率
良く燃焼させることができ、フィルタの再生に有利とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した筒状フィルタの部分破断概
略斜視図である。

【図２】筒状フィルタの模式断面図である。

【図３】多数の筒状フィルタを備えたフィルタ装置の概
略斜視図である。

【図４】変更例の筒状フィルタの模式断面図である。

【図５】別の変更例の筒状フィルタの模式断面図であ
る。

【符号の説明】

１…筒状フィルタ、２…筒状繊維組織体としての円筒織
物、３…電熱線としてのヒータ、４…保温材としての不
織布、７…フィルタ装置。

フロントページの続き (72)発明者 安居 義治 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐熱性繊維で組織された筒状繊維組織体
   の表面に一体的に電熱線を配設し、前記筒状繊維組織体
   の被ろ過流体の通過方向下流側に耐熱性かつ通気性の保
   温材を筒状繊維組織体の表面に沿って配置した耐熱性筒
   状フィルタ。