JPH062526A

JPH062526A - 排ガス浄化用フィルター

Info

Publication number: JPH062526A
Application number: JP4158004A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Murakawa; 紀博村川; Kunimitsu Fukumura; 国光福村; Tadashi Kojima; 忠小島
Original assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1994-01-11

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。多孔板の表面を凹凸面とすれ
ば、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６２−４１
０５４、特開平３−２５８９１１）。ここでハニカム構
造体とは、図８、９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。

【０００３】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。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った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。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２００〜３０
０℃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。

【０００４】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、多孔板を直列
に配置してなるフィルターであって、該多孔板を外筒と
間隙を設けた状態で設置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り、多孔板のそれぞれに
通電加熱用の電極を取り付けたフィルターであり、多孔
板の表面を凹凸面としたフィルターである。

【０００７】本発明のフィルターは図１のように、多孔
板を外筒と間隙を設けた状態で、図２のように外筒内
（排ガス流路）に直列に設置して構成される。ここで多
孔板の形状は図１に示したように、円を切り欠いた形
状、楕円を切り欠いた形状、四角形、六角形、八角形な
どより広い範囲で選定され、また外筒も円菅、楕円菅、
四角菅などより広い範囲で選定される。多孔板と外筒と
の間隙は、図１（ａ）〜（ｉ）のように一箇所あるいは
二箇所以上であってもよいが、捕集効率の面からは図１
（ａ）、（ｃ）、（ｅ）ように間隙を一箇所としたもの
を、例えば一枚毎に１８０度回転して、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好ましい。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、排ガスの流路に垂直な片側面積
で、１０〜１０００cm²が好ましく、より好ましくは３
０〜５００cm²である。間隙の面積はこの多孔板の面積
の同等以下〜１／５００以上が好ましい。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、また平均細孔径は１〜５０μが適切である。多
孔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。多孔板を設置する間隔は１〜９０mm
が好ましい。多孔板の枚数は捕集効率と通過するガスの
圧力損失を配慮して選定されるが、通常５〜２００枚で
ある。

【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
は多孔板を設置する外筒そのもを導電性の金属等の材料
として電極とする方式も採用できる。また、多孔板の表
面は図４、５のように刃状や波状などの凹凸のある面と
したほうが好ましい。この理由は凹凸のある面とした方
が捕集効率が向上するという本発明者らの実験的知見に
基づくものであり、凹凸の高低差は０．５〜１０mmが好
ましく、ピッチは１〜２０mmが好ましい。このような凹
凸を、図６のように排ガスの流れ方向に直角な縞状に設
けることにより、捕集効率がより効果的に向上する。

【００１０】

【作用】本発明のフィルターの捕集機構は、図７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。即ち、図７のような排ガスの流れにおいて、流れの
方向が変わること、外筒と多孔板との間隙を通過するこ
と、多孔板の間を通過することによって排ガスの圧力は
低下する。圧力が低下すると、一枚の多孔板においては
表裏面間に圧力差が生じ、排ガスに多孔板を貫通させよ
うとする圧力が作用することになる。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】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。

【００１２】また、多孔板の表面を凹凸面とすることが
高い捕集効率を得るために有効であるが、この理由は多
孔板の表面付近の排ガスの流れの面に平行な成分を少な
くするため、即ち捕集した微粒子を再度移動させる流れ
を抑えるためと推測する。また排ガス浄化フィルター
は、微粒子を燃焼除去させるための、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、容積がも小さ
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。

【００１３】

【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、１０cm×１１cmの長方形で厚さ１mmの炭
化ケイ素成形体（気孔率５２％、平均細孔径２３μ）を
用い、これの両端に図３（ａ）のように５mm×１０cm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１１cm×１１cmの角形菅（外筒、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。ここで多孔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。また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。

【００１４】このフィルターに約２５０℃のディーゼル
エンジン排ガスを３００ｍ³／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
０．４３Ｋｇ／ｃｍ²であり，捕集効率は８３％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０．５１Ｋ
ｇ／ｃｍ²であった。また終了直前の捕集効率は８０％
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１９ｇと測定された。次にこのフィルターに１
ｍ³／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１００Ｖの電圧を印加して、０．５Ｋ
Ｗ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。

【００１５】実施例２表面が図４のような凹凸面である多孔板を用いた以外は
実施例１と全く同様にして、１０cm×１１cmの炭化ケイ
素成形体１５枚を、２cmの間隔でアルミナ質の外筒に設
置してフィルターを構成した。ここで多孔板の表面の凹
凸は高低差５mm、ピッチ１０mmで排ガスの上流側の面と
し、凹凸の向きは図６のように排ガスの流れに直角とし
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３００ｍ³／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０．４８Ｋｇ／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０．６２Ｋｇ／ｃｍ²であった。また終了直前の捕
集効率は９３％であり、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。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１００Ｖの電圧を印加して０．５ＫＷ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。

【００１６】実施例３実施例２と同じ１５枚の表面が凹凸面のある炭化ケイ素
多孔板よりなるフィルターに、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３００ｍ³／
Ｈの流量で導きながら、多孔板の一枚ごとに順次１．０
ＫＷ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、０．４８Ｋｇ／ｃｍ²、捕集効率は９５％で、
５時間経過後のフィルター差圧は、０．５１Ｋｇ／ｃｍ
²、捕集効率は９３％で、その後５０時間まではフィル
ター差圧は、０．４８〜０．５３Ｋｇ／ｃｍ²、捕集効
率は９２〜９７％の範囲に安定していた。

【００１７】実施例４多孔板として、図１（ａ）のように円板を切り欠いた形
状（直径１０cmの円板を辺より３cm切り欠いた形状、最
長間隙３cm）の厚さ１．５mmのコージエライト質成形体
（気孔率４７％、平均細孔径２８μ）を用い、この１５
枚を内径１０cmの円菅（外筒）内に２cmの間隔で設置し
てフィルターを構成した。ここで多孔板は間隙部を一枚
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。

【００１８】このフィルターに約２５０℃のディーゼル
エンジン排ガスを３００ｍ³／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
０．４１Ｋｇ／ｃｍ²であり，捕集効率は７４％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０．４６Ｋ
ｇ／ｃｍ²であった。また終了直前の捕集効率は７１％
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１６ｇと測定された。次にこのフィルターに１
ｍ³／Ｈの空気を流しながら、多筒の周囲に取り付けた
２ＫＷの電気ヒーターで加熱し、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
子の捕集と再生を繰り返したが、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５導電性の多孔板として、図１（ｂ）のように円板を二箇
所切り欠いた形状（直径１２cmの円板を辺より２cm切り
欠いた形状、最長間隙２cm）の厚さ１．５mmの二ケイ化
モリブデン成形体（気孔率４８％、平均細孔径３２μ）
を用い、これを図３（ｃ）のように中央部に幅１cm、長
さ１cm、厚さ１mmのパラジウム製の電極を取り付けたも
のを内径１２cmのＳＵＳ３１０（導電性）製の円菅（外
筒）内に、２cmの間隔で２０枚設置してフィルターを構
成した。ここで多孔板は開口部を一枚ごとに１８０度回
転し、開口部を流路の方向に重ならない状態に設置し
た。また中心部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、外筒はアースに接続した。銅線と外筒との隙間
はシール剤で封止した。

【００２０】このフィルターに約２５０℃のディーゼル
エンジン排ガスを３００ｍ³／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
０．５１Ｋｇ／ｃｍ²であり，捕集効率は８２％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０．６３Ｋ
ｇ／ｃｍ²であった。また終了直前の捕集効率は８０％
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２０ｇと測定された。次にこのフィルターに１
ｍ³／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１０
０Ｖの電圧を印加して０．５ＫＷの電力を１０分間供給
することで行い、合計２０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１
０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。

【００２１】実施例６実施例１と同じ２０枚の二ケイ化モリブデン多孔板より
なるフィルターに、実施例３と同様に約２５０℃のディ
ーゼルエンジン排ガスを３００ｍ³／Ｈの流量で導きな
がら、多孔板の一枚ごとに順次１．０ＫＷ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、０．５３
Ｋｇ／ｃｍ²、捕集効率は８３％で、５時間経過後のフ
ィルター差圧は、０．５５Ｋｇ／ｃｍ²、捕集効率は８
１％で、その後５０時間まではフィルター差圧は、０．
５２〜０．５９Ｋｇ／ｃｍ²、捕集効率は８１〜８６％
の範囲に安定していた。

【００２２】

【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】多孔板及び外筒との間隙を例示した説明図であ
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】多孔板の表面の凹凸を例示した断面図である。

【図５】多孔板の表面の凹凸を例示した断面図である。

【図６】多孔板の表面の凹凸と排ガスの流れの方向を示
した平面図である。

【図７】多孔板を直列に配置したフィルターでの排ガス
流れを示した説明図である。

【図８】ハニカム構造体の端面図である。

【図９】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間隙３外筒４電極５リード線６凸面７排ガス流れ方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔板を直列に配置してなるフィルター
であって、該多孔板を外筒と間隙を設けた状態で設置し
たことを特徴とするフィルター。
【請求項２】多孔板が導電性であることを特徴とする
請求項１記載のフィルター。
【請求項３】多孔板のそれぞれに通電加熱用の電極を
取り付けたことを特徴とする請求項１または２記載のフ
ィルター。
【請求項４】多孔板の表面を凹凸面としたことを特徴
とする請求項１、２または３記載のフィルター。