JPH06129228A

JPH06129228A - 排ガス中の微粒子捕集方法及びフィルター

Info

Publication number: JPH06129228A
Application number: JP4265254A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Murakawa; 紀博村川
Original assignee: HAKUBUNSHIYA KK
Current assignee: HAKUBUNSHIYA KK
Priority date: 1992-08-24
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1994-05-10

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、ディーゼルエンジンの排ガスに含ま
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力
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】排ガスの流路を一部を残して通気性濾過板で遮
断し、一部の排ガス中の微粒子を捕集する操作を連続し
て複数回繰り返してなる微粒子の方法であり、スス状の
炭素質微粒子は濾過板の前後の面の差圧により、多段式
に捕集される。濾過板を導電性の材料とすれば、濾過板
に直接通電して加熱することで捕集した微粒子を着火
し、燃焼除去することができる。濾過板の通電加熱は各
々の濾過板を独立して行うことができる。【効果】フィルターの再生に必要な電気容量が少なくて
すむ。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、これが地球環境問題における早期に解決
すべき重大な課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方法及びフィルター
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ディーゼルエンジン車から排出さ
れるガス中の微粒子を捕集するフィルターとしては、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（特開昭５７−７２１６）。ここでハニカム構造体と
は、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（図５、６）。ディーゼル車排ガスの微粒子捕集用と
しては、セル密度が１０〜１５セル／ｃｍ^２、総セル数
１５００〜２５００、隔壁厚０．３〜０．５ｍｍ、濾過
面積約１．５ｃｍ^２が例示されている。

【０００３】微粒子を捕集したハニカム構造体を再生す
るには、ハニカム構造体の全体あるいは一部に６００℃
以上の高熱を加えて微粒子を着火し、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
り排ガスが処理される。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、微粒子が燃焼する時の高温度に耐える性質と、繰り
返しの温度の変動に耐える性質が必要である。しかしな
がら、上記のような隔壁が薄く、濾過面積の大きいハニ
カム構造体をピンホールなどの欠陥がなく製造すること
は極めて困難であり、しかも微粒子を燃焼させる際ある
いは繰り返しの温度の変動の過程でハニカム構造体の隔
壁に割れが生じ、捕集効率が著しく低下するという生産
性や信頼性に問題があった。

【０００４】また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再生することは、
排ガス温度が約１５０〜３５０℃と微粒子の燃焼可能温
度よりもかなり低いために着火したとしても燃焼が継続
することができない。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、
交互に捕集と再生を繰り返す方式を採用せざるを得ない
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、フィルターの再生に必要な電気容量も少なくてすむ
排ガス中の微粒子の捕集方法及び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、排ガス中の微
粒子を捕集する方法において、排ガスの流路を一部を残
して通気性濾過板（以下「濾過板」と略称）で遮断し、
濾過板の表裏面間の圧力差によって一部の排ガスを濾過
板を貫通して流出せしめ、一部の排ガス中の微粒子を濾
過板の上流面で捕集する操作を連続して複数回繰り返し
てなる微粒子の捕集方法であり、更に、濾過板の表裏面
間の圧力差によって一部の排ガスを濾過板を貫通して流
出させることにより濾過板の上流面で微粒子を捕集し、
ついで濾過板を貫通した処理ガスと濾過板で遮断されな
い流路より流出した排ガスとを混合せしめ、さらに該捕
集と混合の操作とを、交互に連続して複数回繰り返して
なる微粒子の捕集方法であり、更に、排ガスの流路の一
部を遮断した濾過板を間隔を設けて積層してなる微粒子
の捕集用のフィルターであり、更に、各々の濾過板に、
独立して操作し得る通電加熱手段を備えた微粒子の捕集
用のフィルターであり、更に、これらのフィルターを用
いて、排ガスを流通させつつ濾過板を通電加熱して再生
する微粒子の捕集方法である。

【０００７】本発明で使用する濾過板としては、平均細
孔径が０．１〜１００ミクロン、好ましくは１〜５０ミ
クロン、気孔率が３０〜９０％のガス透過性の多孔板が
適切であるが、このような多孔板としてはセラミックス
や金属の粒子や短繊維を加熱などの方法で接合させて得
たものなどより広い範囲で選定される。濾過板は排ガス
の流路を一部を残して遮断する状態で設置する。図１は
排ガスの流路の方向から見た濾過板と排ガスダクトの例
である。図１に例示したように、濾過板と排ガスダクト
の形状は円、楕円、三角、四角などの広い範囲より選定
される。またこの流路において、濾過板で遮断しない開
口部を設ける。開口部は図１に例示したように、濾過板
の内部に位置させてもよいし、濾過板と排ガス導管との
間隙に位置させてもよく、また開口部を二箇所以上設け
てもよい。

【０００８】濾過板の面積は特に限定する必要はない
が、ディーゼル車用では図１に例示した片側面積で１０
〜２０００ｃｍ^２が適切であり、より適切には５０〜５
００ｃｍ^２である。開口部の面積はこの０．１〜１００
％が適切であり、より適切には１〜１０％である。また
濾過板の厚みは空隙率や強度により選定されるが、０．
１〜５ｍｍが好ましい。濾過板の枚数は目標とする捕集
効率と排ガスの圧力損失を配慮して選定されるが、通常
３〜３００枚、より適切には５〜５０枚である。

【０００９】ここで、捕集効率の面からは、それぞれの
濾過板に排ガスが到達する前に、一枚上流側の濾過板を
貫通した処理ガスと濾過板で遮断されない流路より流出
した排ガスとを混合せしめる操作を行うことが望まし
い。これは当然ながら、開口部を流出した未処理の排ガ
スがそのまま次の開口部を流出することを防ぐためであ
る。この混合せしめる操作としては、濾過板の配置の間
隔を適切にして、開口部を流路の方向に重ならないよう
配置することが有効である。即ち、図１（ａ）、
（ｃ）、（ｅ）、（ｋ）、（ｌ）のように開口部を多孔
体の中心よりずらした位置に設けたものを、例えば一枚
毎に１８０度回転して、開口部を流路の方向に重ならな
い状態で設置するほうが好ましい。このようにすること
で図２のように、未処理の排ガスと濾過板を貫通したガ
スとが次の濾過板に至る途中で混合される。この混合の
目的において、濾過板の配置の間隔は１〜９０ｍｍが好
ましい。また開口部の出口に邪魔板を設置することも混
合促進のために有効である。

【００１０】濾過板の材質としては、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、フィルターの再生は外部よ
り加熱して微粒子を燃焼除去することになる。ここで微
粒子を燃焼除去するにおいて、濾過板をヒーターとして
用いて直接通電し、濾過板に付着した微粒子を着火する
といった簡便な方法を行うことも可能である。この場
合、濾過板は導電性であり更に６００℃以上の耐熱性を
有す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、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、コバ
ルトなどより得られる耐熱合金や、二ケイ化モリブデ
ン、二ケイ化タングステン、ジルコニア、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。

【００１１】導電性の素材を用いた濾過板は、一例とし
て図４のように通電加熱用の電極を取り付け、ユニット
毎に通電加熱して、微粒子を燃焼除去し再生することが
可能である。この操作は排ガスを処理しながら即ち、フ
ィルターを一系列で済ませることも可能である。

【００１２】

【作用】本発明の微粒子の捕集機構は、一部を残して濾
過板で遮断した流路を排ガスが流れる過程で生じる濾過
板の表裏面間の圧力差を利用して、一部の排ガス中の微
粒子を捕集する操作を連続して複数回繰り返す捕集方法
である。即ち、図２のような排ガスの流れにおいて、排
ガスの流路を開口部によって絞ること、流れの向きが変
わること、濾過板の間を流れることによって排ガスの圧
力が低下し、この圧力の低下が濾過板の表裏面間の圧力
差につながり、排ガスに濾過板を貫通させようとする圧
力が作用することになる。

【００１３】この方式において例えば、一枚の濾過板の
開口部より８０％の排ガスが通過し、２０％の排ガスが
処理されて濾過板を通過するとした場合、ｎ枚の濾過板
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。一方でフィルターの差圧は、一枚の多孔体にお
いてΔＰであると理想的にはｎ×ΔＰである。即ち理想
的には、多孔体の数を増すことにより、未処理の排ガス
は指数関数的に低下し、フィルターの圧損は比例的に増
加する。従って許容される差圧の範囲において、多孔体
の数を選定するか、あるいは許容される差圧を増加させ
た設計の内燃機関として、目的とする捕集率のフィルタ
ーが設計されることになる。

【００１４】また複数の多孔体より構成される本発明の
フィルターにおいては、多孔体に導電性の素材を選定
し、それぞれの多孔体に電極を取り付けた構造とするこ
とができる。従って、一枚の多孔体毎あるいは電気容量
に合わせて２〜３枚毎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、所定の温度に加熱に要する時間あたりの電
気容量を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
ることも可能となるのである。

【００１５】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。実施例１濾過板として、図１（ｋ）のように直径１４ｃｍで厚さ
２ｍｍの円板状であって、その中心より３ｃｍに直径３
ｃｍの開口部を設けたコージェライト成形体（気孔率５
０％、平均細孔径１６μ）を用い、この成形体の２０枚
を３ｃｍの間隔で内径１４ｃｍの円管状の排ガスダクト
内に設置してフィルターを構成した。ここで濾過板は開
口部を一枚毎に１８０度回転し、図３のように開口部を
流路の方向に重ならない状態に設置した。

【００１６】このフィルターに約２５０℃のディーゼル
エンジン排ガスを１００ｍ^３／Ｈの流量で導き、ガス中
の微粒子を捕集した。捕集開始より１０分間までのフィ
ルター差圧は０．７８Ｋｇ／ｃｍ^２であり，捕集効率は
９１％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０．９８Ｋｇ／ｃｍ^２であった。また終了前１０分間
の捕集効率は８３％であった。またフィルターに付着し
た微粒子は前後の重量で１８ｇと測定された。次にこの
フィルターに１ｍ^３／Ｈの空気を流しながら、周囲に設
置した２ＫＷの電気ヒーターで２時間加熱し、濾過板に
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】実施例２濾過板として、炭化ケイ素成形体（気孔率５１％、平均
細孔径２３μ）を用いた以外は実施例１と全く同様にし
て、直径１２ｃｍで厚さ２ｍｍの円板状であって、その
中心より３ｃｍに直径３ｃｍの開口部を設けた２０枚の
濾過板よりフィルターを形成した。

【００１８】このフィルターに実施例１と全く同様にし
て約２５０℃のディーゼルエンジン排ガスを１００ｍ^３
／Ｈの流量で導き、ガス中の微粒子を捕集した。捕集開
始より１０分間までのフィルター差圧は０．７５Ｋｇ／
ｃｍ^２であり，捕集効率は９０％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０．９２Ｋｇ／ｃｍ^２であ
った。また終了前１０分間の捕集効率は８４％であっ
た。またフィルターに付着した微粒子は前後の重量で２
５ｇと測定された。

【００１９】次にこのフィルターを実施例１と同様にし
て１ｍ^３／Ｈの空気を流しながら、周囲に設置した２Ｋ
Ｗの電気ヒーターで２時間加熱し、濾過板に付着した微
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。

【００２０】実施例３濾過板として、実施例２と同じ炭化ケイ素成形体を用
い、この２０枚のそれぞれに開口部を挟んだ両端に直径
１ｃｍの通電加熱用のパラジウム製の電極を取り付けて
排ガスダクト（アルミナ質、非導電性）内に設置してフ
ィルターを構成した。それぞれの電極に接続した導線は
排ガスダクトに穴を開けてバッテリーに導き、穴の隙間
は絶縁材で封止した。

【００２１】このフィルターに実施例１と同様にして、
約３００℃のディーゼルエンジン排ガスを１００ｍ^３／
Ｈの流量で導きながら、濾過板の一枚毎に順次０．５Ｋ
Ｗの電力を１０分間供給し、間欠的にフィルターを加熱
・再生しながら排ガスを５０時間連続して流し、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、０．８１Ｋｇ／ｃｍ^２、捕集効率は９１％で、５
時間経過後のフィルター差圧は、０．８８Ｋｇ／ｃ
ｍ^２、捕集効率は９０％で、その後５０時間まではフィ
ルター差圧は、０．９０〜０．９３Ｋｇ／ｃｍ^２、捕集
効率は８４〜８８％の範囲に安定していた。

【００２２】実施例４濾過板として、１０ｃｍ×１１ｃｍの長方形で厚さ１ｍ
ｍの炭化ケイ素成形体（気孔率５２％、平均細孔径２３
μ）を用い、これの両端に図４のように幅５ｍｍのパラ
ジウム製の電極を取り付けたものを、内寸法１１ｃｍ×
１１ｃｍの角形管（排ガスダクト、アルミナ質、非導電
性）内に２ｃｍの間隔で１５枚設置してフィルターを構
成した。ここで濾過板は間隙部を一枚ごとに１８０度回
転し、間隙部を流路の方向に重ならない状態に設置し
た。それぞれの電極に接続した導線は排ガスダクトに穴
を開けてバッテリーに導き、穴の隙間は絶縁材で封止し
た。

【００２３】このフィルターに約２５０℃のディーゼル
エンジン排ガスを２００ｍ^３／Ｈの流量で導きながら、
濾過板の一枚毎に順次０．５ＫＷの電力を１０分間供給
し、間欠的にフィルターを加熱・再生しながら排ガスを
５０時間連続して流し、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、０．８１Ｋｇ／ｃ
ｍ^２、捕集効率は９５％で、５時間経過後のフィルター
差圧は、０．８８Ｋｇ／ｃｍ^２、捕集効率は９０％で、
その後５０時間まではフィルター差圧は、０．９０〜
０．９３Ｋｇ／ｃｍ^２、捕集効率は８４〜８８％の範囲
に安定していた。

【００２４】実施例５濾過板として、１０ｃｍ×１１ｃｍの長方形で厚さ１．
５ｍｍの二ケイ化モリブデン成形体（気孔率５４％、平
均細孔径３６μ）を用い、実施例４と同様にして両端に
パラジウム製の電極を取り付けたものを、内寸法１１ｃ
ｍ×１１ｃｍの角形管に２ｃｍの間隔で１５枚設置して
フィルターを構成した。

【００２５】このフィルターに約２５０℃のディーゼル
エンジン排ガスを２００ｍ^３／Ｈの流量で導きながら、
濾過板の一枚毎に順次０．５ＫＷの電力を１０分間供給
し、間欠的にフィルターを加熱・再生しながら排ガスを
５０時間連続して流し、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、０．７２Ｋｇ／ｃ
ｍ^２、捕集効率は９１％で、５時間経過後のフィルター
差圧は、０．７４Ｋｇ／ｃｍ^２、捕集効率は８８％で、
その後５０時間まではフィルター差圧は、０．７０〜
０．７７Ｋｇ／ｃｍ^２、捕集効率は８４〜８８％の範囲
に安定していた。

【００２６】

【発明の効果】形状が簡単な多孔体よりフィルターが構
成されるため、耐熱衝撃性が高く、従って信頼性の高い
フィルターであり、また製造コストも安い。多孔体に導
電性の素材を用いることにより、多孔体の一枚毎の再生
が可能となった。このため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でよくするこ
とも可能である。

【００２７】フィルターは多孔体の開口部からの流路が
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、通気性濾過板、排ガスダクトの形状を
例示した説明図である。

【図２】フィルター内のガスの流れの説明図である。

【図３】実施例で用いたフィルターの一部切り欠き断面
図である。

【図４】電極を取り付けた通気性濾過板の平面図であ
る。

【図５】ハニカム構造体の端面図である。

【図６】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通気性濾過板２開口部３排ガスダクト４電極５導線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排ガス中の微粒子を捕集する方法におい
て、排ガスの流路を一部を残して通気性濾過板で遮断
し、通気性濾過板の表裏面管の圧力差によって一部の排
ガスを通気性濾過板を貫通して流出せしめ、一部の排ガ
ス中の微粒子を通気性濾過板の上流面で捕集する操作を
連続して複数回繰り返してなる微粒子の捕集方法。
【請求項２】排ガス中の微粒子を捕集する方法におい
て、排ガスの流路を一部を残して通気性濾過板で遮断
し、通気性濾過板の表裏面間の圧力差によって一部の排
ガスを通気性濾過板を貫通して流出させることにより通
気性濾過板の上流面で微粒子を捕集し、ついで通気性濾
過板を貫通した処理ガスと通気性濾過板で遮断されない
流路より流出した排ガスとを混合せしめ、さらに該捕集
と混合の操作とを、交互に連続して複数回繰り返してな
る微粒子の捕集方法。
【請求項３】排ガスの流路の一部を遮断した通気性濾
過板を間隔を設けて積層してなる請求項１又は２の方法
に用いるフィルター。
【請求項４】各々の通気性濾過板に、独立して操作し
得る通電加熱手段を備えた請求項１又は２の方法に用い
るフィルター。
【請求項５】請求項４のフィルターにより、排ガスを
流通させつつ通気性濾過板を通電加熱して再生すること
を特徴とする請求項１又は２の微粒子の捕集方法。