JPH08500409A - 無機ヤーンを横方向へオフセットしながら交差して巻いたラップ材を有する穴あきチューブのディーゼル・パティキュレート・トラップ - Google Patents

無機ヤーンを横方向へオフセットしながら交差して巻いたラップ材を有する穴あきチューブのディーゼル・パティキュレート・トラップ

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Abstract

(57)【要約】 効率的で、経済的で、コンパクトなディーゼル・パティキュレート・トラップは、複数の中空穴あきチューブを備えており、各チューブに耐熱ヤーンが螺旋状に交差して巻かれ、フィルタエレメントとして機能する複数の層が形成されている。連続したフィラメントのセラミックヤーンであることが好ましいこのヤーンは、フィラメントもしくはファイバーセグメントが外方へ突出するコアを有し、横へ離れたコアのファイバーセグメントとかみ合ってトラップを形成する。少なくとも１層のヤーンの周回のコアは、隣の層の周回のコアから横へオフセットしており、フィルタエレメントを大略径方向へ通過するガスを入り組んだ経路内に屈折させる。

Description

【発明の詳細な説明】 無機ヤーンを横方向へオフセットしながら交差して巻いたラップ材を有する穴あ きチューブのディーゼル・パティキュレート・トラップ発明の背景 発明の分野 本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガスからパティキュレートを除去するフ ィルタないしはトラップに関し、特に、複数の中空穴あきチューブを有し、この チューブにそれぞれ耐熱ヤーンを巻いてフィルタエレメントとした構造のトラッ プに関する。関連技術の説明 本願出願人に譲渡されているブルーム（Bloom）氏の国際出願第US92/02638号 は、穴空きの中空チューブを少なくともひとつ含んだケーシングを有するディー ゼル・パティキュレート・トラップを開示しており、この中空チューブは、フィ ラメントすなわちファイバーセグメントが外方へ突出するコアを有する耐熱ヤー ン（例えば約600℃を越える温度に対する耐熱性）で螺旋状に交差して巻かれて いる。ヤーンの周回の中心は、分離した壁面を形成するようにその下の周回のコ アと径方向へ位置が合わされ、４面開口が形成されるようになっている。突出し たファイバーセグメントは、各開口を横切るようにして互いにかみ合っている。 ケーシングの端部のスペースを塞ぐための手段により、ケーシングの一端のふさ いでいないスペースから入った排気ガスが４面開口をほぼ径方向へ通り抜けるこ とが必要になり、それによって、排気ガスで運ばれた煤やパティキュレートを、 かみ合ったフィラメントないしファイバーセグメントでトラップすることができ る。ブルーム氏の出願に示されたディーゼル・パティキュレート・トラップは、 同心配置または並べて配置された数本のチューブを有している。 蓄積した煤を定期的に焼き払うときの高温のために、ヤーンはセラミックにす べきであり、好ましくは、ヤーンを強く巻き付けて排気ガスの力に対抗して位置 を保つのに十分な力が得られるように、連続したフィラメントの、撚り合わせた セラミックヤーンにするのがよい。連続したフィラメントの、撚り合わせたヤー ンは、フィラメントを実質的に損なわずに、連続したフィラメントのループが外 方へ突出するようにテクスチャー化することができる。特に有効なのは、ミネソ タ州セント・ポールのスリーエム・カンパニーから「ネクステル（NEXTEL）312 セラミックヤーン」または「ネクステル（NEXTEL）440 セラミックヤーン」と いう商品名で販売されているアルミナ−ボリア−シリカ繊維の、連続したフィラ メントのセラミックヤーンである。テクスチャー化されたセラミックヤーンで作 られたブルーム氏の出願におけるディーゼル・パティキュレート・トラップは、 公知のいかなるディーゼル・パティキュレート・トラップと少なくとも同程度に 効率的で耐久性があるが、セラミックヤーンがコスト高であるために、一般的に 使用するには高価すぎると考えられる。発明の要旨 本発明によれば、ブルーム氏の出願を基にしてトラップを形成するのに必要と するよりも実質的に少ないヤーンを使って、等しい効率のデーゼル・パティキュ レート・トラップを形成できる。したがって、この新規なトラップは、原料のコ ストと、ヤーンを穴あきチューブに巻き付ける短い時間の両方に関して経済的で ある。 ブルーム氏の出願のデーゼル・パティキュレート・トラップと同様に、本発明 のそれは、 （ａ）少なくとも２つの端部を有するケーシングと、 （ｂ）ケーシングの端部を排気システムに連結するための手段と、 （ｃ）少なくとも１つのチューブを支持するための手段と、 （ｄ）上記ケーシングの各端部の間に延在する少なくとも一つの中空チューブで あって、２つの端部と、外面と、穴のあいた領域を形成する穴とを有するととも に、上記支持手段に支持されたチューブと、 （ｅ）上記ケーシングの一端の塞いでいないスペースに排気ガスを進入させて各 チューブを通って大略径方向へ通過させるために、該ケーシングの端部のスペー スを塞ぐ手段と、 （ｆ）複数のヤーンの層を形成するように各チューブに螺旋状に交差して巻いた 耐熱ヤーンを備えたフィルタエレメントを有し、このヤーンが、フィラメントな いしファイバーセグメントが外方へ突出するコアを有し、コアを編み込むために 連続した周回が各層では反対方向へ巻かれ、各層の周回のコアが、排気ガスによ って運ばれた粒子用のトラップを形成するように、突出するファイバーセグメン トが内部でかみ合う実質的に同形の（ひし形をした）４面開口を形成するように 間隔をあけられて配置されている。 本発明のディーゼル・パティキュレート・トラップは、少なくとも１層の周回 のコアが、大略径方向へ向かう排気ガスの流れを入り組んだ通路内で屈折させる ように、隣り合う層の周回のコアから横へオフセットしている点でブルーム氏の ものとは異なっている。 上述したようにヤーンを少なくするために、フィルタエレメントは少なくとも ４層になったヤーン（好ましくは１０から３０層）を有し、少なくとも３層（好 ましくは５から１５層）の周回のコアは、その下に位置する層の周回のコアから 側方へオフセットしている。 本発明のフィルタエレメントにおいては、隣り合ったオフセットした層の周回 のコアは、同じ層内の周回のコア間よりも互いにより接近した位置関係となる。 この接近した配置によりファイバーセグメントがよりよく保たれ、したがって、 ダメージが少なくなるとともに、かつ各ファイバーセグメントで煤を高密度に捉 えることができ、しかもこの効果が、背圧を十分低く保ちながら達成される。こ れとは対照的に、連続する周回のコアのすべてを下に位置する周回のコアと径方 向へ位置を揃えた場合と、コアの間隔を少しでも小さくすると背圧の上昇につな がる。 電気的な加熱エレメントを本発明のフィルタエレメントを再生するために使用 すると、側方へオフセットしたヤーンのコアの熱絶縁特性により放熱のロスが減 少する。しかし、電気的加熱エレメントに密に巻かれたヤーンのコアは、径方向 へ位置を揃えて壁にするのが好ましい。これらのより大きな４面開口により、加 熱エレメントに密接してトラップされた煤の燃焼が促進する。煤を燃焼した後、 側方へオフセットしたヤーンのコアにより形成される熱バリアにかかわらず、そ の燃焼工程により、より離れた煤を容易に燃焼させる熱がさらに生じる。 ブルーム氏の出願に教示されているようにヤーンはチューブの軸に対して30° から70°の角度で巻き付けるのが好ましく、さらに好ましくは、45゜から55°に するのがよい。その結果、各層においてクロス巻きにした第１周目のヤーンのコ アは、隣り合う周回のコアの間の間隔がその層に関して実質的に均一になるまで 、続く周回とともに配置されることになる。例２で示しているように、各４面開 口の対向辺の中間点の間に約1.5cmのセンター間コア間隔（ここでは「フィルタ バンド幅」という）ができるように、１つの層において、チューブの軸に46゜の 初期巻き付け角度で5cmの直径のチューブに往復８周回させる必要がある。 ４面開口のサイズ、すべての壁の高さとレベル、そして側方へのオフセットの 数と度合いを選択することによって、フィルタエレメントを、煤を均一に分布さ せるのに適応させることができる。このことにより、焼き払う前により多くの煤 を集めることができ、再生と再生の間の時間を長くすることによってエネルギー を節約できる。また、煤をより集中的に焼き払うことによりより多くの熱が発生 し、各再生に必要なエネルギーが少なくなる。 ブルーム氏の出願におけるのと同様に、 （ａ）穴あきの一本のチューブまたは複数のチューブは、穴を形成したものや、 管状のワイヤースクリーンや、管状のエキスパンデッドメタルなどの種々のもの から形成することができ、各端部には穴のあいていない領域を設けるべきである 。穴は、できる限り大きくしかも剛性を維持できるものでなければならず、各穴 は、円形であれば直径を約１から20mmにするのが好ましく、さらに好ましくは３ から７mmとすればよい。穴は、各チューブを投影した全穴あき領域の約40から80 ％を占めているのが好ましく、フィルタエレメントは穴空き領域全体をカバーす る。 （ｂ）ヤーンは、テクスチャー化した、連続したフィラメントのセラミックヤー ンであるのが好ましい。 （ｃ）ヤーンの各周回がヤーンの他の周回のコアに接触する部分でのみ堅く締ま るように、ヤーンは巻付けのすぐ前の部分をテクスチャー化するのが好ましい。 （ｄ）穴のあいていない領域では、ヤーンの隣り合った周回は、排気ガスの流れ を実質的に通さない比較的厚い端壁を形成するように、密に巻かれる。 ブルーム氏の出願では巻き付け張力を約9.8から19.6ニュートンにすることを 提案しているが、本発明では、側方へオフセットした周回間のかみ合いが安定性 を高めるため、より低い巻き付け張力が適している。さらに、下に位置する層の ファイバーセグメントによって周回が支持されているところでは、高い巻き付け 張力では望ましくない圧縮を生じることになる。したがって、４から13ニュート ンの巻き付け張力が好ましい。 ほとんどの使用に対して、ヤーンのコアは直径が少なくとも0.5mmであるのが 好ましく、より好ましくは１から10mmにするのがよい。フィルタエレメントは厚 さが約１から150mmであるのが好ましく、より好ましくは５から30mmである。ま た、４面開口のフィルタバンド幅は、0.25から10cmであるのが好ましく、より好 ましくは0.8から2cmである。図面の簡単な説明 本発明は、図面を参照することによって、さらに容易に理解することができる 。すべての図は概略図である。 図面中、 図１は本発明のディーゼル・パティキュレート・トラップの長手方向の中央断 面図、 図２はフィルターエレメントの一部のみを示すために他の部分を省略して拡大 した状態での図１の２−２線に沿った横断面図、 図３は図２のフィルターエレメントの表面の一部を示し、 図４は本発明の第２のディーゼル・パティキュレート・トラップの長手方向の 中央断面図である。好適な実施例の説明 図１〜３のディーゼル・パティキュレート・トラップ１０は、円筒状の本体１ ２と、円錐状の排気ガス入り口１３と、円錐状の排気ガス出口１４とを有する横 長のケーシング１１を有している。円筒状の本体の中には、１３個のカートリッ ジが平行に並べられ、各カートリッジは、中空で穴のあいた硬質のチューブ１６ を含んでいる。各チューブは、排気ガス出口側が閉じられて排気ガス入り口側が 開口しており、閉じられた端部はそれぞれ支柱１８によって端壁に固定されてい る。また、これらの開口端には、チューブを入れるための円形の開口が形成され た円形のプレート２０が溶接されている。また、プレート２０は、円筒状本体１ ２にも溶接されており、それによって、隣り合ったチューブの間やチューブとケ ーシング１１の間のスペースをふさいで、入り口１３から入った排気ガスが出口 １４側のふさがれていないスペースから出る前に各チューブの穴２１をほぼ径方 向外側へ通過するようになっている。各チューブ１６は、各端部の穴のない領域 ２２を除いては穴があけられている。 各チューブにおいて穴のあいた領域と穴のあいていない領域の一部を覆ってい るのは、チューブに耐熱ヤーンを巻き付けることによって形成したフィルターエ レメント２３である。続いている層は、フィラメントのループもしくはファイバ ーセグメント２６が外へ突出したコアを有するテクスチャー化されたヤーンで形 成されている。このために、チューブ１６は、コンピュータ制御の下でヤーンを 巻き付ける巻き付け装置（図示せず）のマンドレルに一時的に組み付けられる。 各層において、（図３に示すように）反対向きの周回が上下になって編み込まれ ることになり、その結果、排気ガスの圧力に対してフィルターエレメントを安定 させるのに役立っている。 テクスチャー化していないヤーンからなる最初の４つの層２８の連続する各周 回のコアは、下の周回のコアに対して径方向への位置を合わせて強く巻き付けら れている。径方向へ位置が合わされたコアは、一緒になって、図２に見られるよ うにじょうご状の４面開口の第１組目を構成する分離した壁を形成する。 テクスチャー化したヤーンからなる４つの層３０の第２のセットを巻き付ける 前にマンドレルを２３゜回すことにより、径方向へ位置合わせされた周のコアは 第１の４つの層２８によって形成された４面開口を横切り、突出しているファイ バーセグメント２６がかみ合って煤トラップを形成する４面開口の第２組目を形 成する。マンドレルをさらに２３°回した後、２本のヤーンの層３２からなる第 ３組目が、第３組目の４面開口を形成するように積層される。図２に示されてい るように、第３組目の層３２における径方向へ位置が合わされた周回のコアは、 第２組目の４面開口を横切り、かつ第１組目の４層２８の周回のコアと径方向へ 位置合わせされている。 さらに、マンドレルは、第４組目の４面開口を形成する一本のヤーンからなる 第４層３４を巻き付ける前に11.5°回される。第４層３４の周回の各コアは、第 ３組目の層３２の４面開口を横切る距離の25％横へオフセットしている。 マンドレルは、第５セットの４面開口を形成する、単一のヤーンからなる第５ 番目の層３６を巻き付ける前に再度11.5゜回される。第５層３６の周回の各コア は、第３組目の層３２の４面開口を横切り、かつ第２組目の層３０の周回のコア と径方向へ位置が合わされている。 マンドレルは、第６セットの４面開口を形成するように径方向へ位置が合わさ れる第６セットの４本の層３８を巻き付ける前に、再度11.5゜回される。第６層 ３８のヤーンのコアの各周回は、第５層３６の周回のコアと第３セットの層３２ の周回のコアの間のスペースを横切っている。以上により各チューブ１６に形成 されたフィルターエレメント２３は、１６層になったヤーンを含んでいる。 ブルーム氏の出願で教示されているように、フィルタエレメント２３において 連続する各ヤーンの層を巻き付けるときに、その前の層における下に位置するコ アと径方向へ位置合わせしながらヤーンのコアを配置するか、所望の横へのオフ セット量を得るために、巻き付け角度がわずかに大きくなる（例えば、約0.25° )。 外へ流れる排気ガスは、フィルターエレメント２３の外側の５組の層における 横へオフセットしたヤーンのコアにより、入り組んだ経路の中へ屈折する。 ヤーンの層２８，３０，３２，３４，３６及び３８により形成された４面開口 は、図３に示すように、実質的に均一なひし形をしている。 電気抵抗性の材料で穴あきチューブ１６を形成し、各チューブに周期的に電圧 を印加することにより、集積した煤を焼き払うために電圧を印加する場合にはい つでも各フィルタエレメント２３をきれいにすることができる。 図４に示したディーゼル・パティキュレート・トラップ４０は、円筒形の本体 ４２と、円錐形の排気ガス入り口４３と、円錐形の排気ガス出口４４とを備えた 横長のケーシングを有している。円筒形ボディの中には、中空で穴あきの５個の 硬質のチューブ４５，４６，４７，４８及び４９が同心上に配置され、円筒形本 体４２を径方向にうめている。チューブの入り口端には、環状キャップ５０，５ １と、中央の円形キャップ５２が配置されている。チューブの出口端には、環状 キャップ５４，５５，５６が配置されている。チューブの入り口端には、キャッ プを橋渡しするように、細い支柱５８，５９及び６０が配置され、その一番外側 のもの６０は、ケーシング４１にも連結されている。隣り合ったキャップは、チ ューブの出口端では、細い支柱６２及び６３により同様に橋渡しされている。 ５本の同心チューブ４５，４６，４７，４８及び４９は、それぞれ、その端部 に穴のあいていない領域を有しており、穴のあいた領域が、図１〜３のフィルタ エレメント２３の一つと同じ方法で作られたフィルタエレメント６５で覆われて いる。入り口４３に続く塞がれていないスペースに入る排気ガスは、キャップ５ ０，５１及び５２により塞がれていないチューブの間のスペースヘ進み、さらに 、出口４４側のキャップ５４，５５及び５６により塞がれていないスペースから 出る前に、フィルター材６５の穴を通って径方向内方及び外方へ進む。 本発明のディーゼル・パティキュレート・トラップを形成する原料のコストを 下げるために、フィルタエレメントは、大きな背圧なしで高いフィルタ効果が得 られるように選定した無機ファイバーからなる不織布のマットを１層以上包含す ることができる。好ましい不織布のマットは、アルミナ−ボリア−シリカの吹き 込みマイクロファイバなどのセラミックの吹き込みマイクロファイバを含むもの である。好ましい不織布のマットとして、スリーエム社の「ウルトラファイバー （ULTRAFIBER）３１２」、「ウルトラファイバー（ULTRAFIBER）４４０」、及び 「ウルトラファイバー（ULTRAFIBER）５５０」や、インペリアル・ケミカルズ・ インコーポレイテッドの「サフィル・エルディー・マット（SAFFIL LD MAT）」 などの商品が販売されている。このようなマットは、巻き付けた層の間、及び／ またはフィルタエレメントの径方向内外面に間隔を置いて配置することができる 。このようなマットは、外面に用いると、エネルギーを保護し、かつケーシング を 低温に保つのに役立つ望ましい断熱効果が得られる。 フィルタエレメントを形成するために、有効な耐熱ヤーンは、オーウェンズ・ コーニング社のＳ−２ガラスまたはＥガラスや、（「アストロクオーツ（ASTROQ UASTROQUARTZ）」という商品名で市販されている）連続した溶融シリカファイバ や、（「レフレイシル（REFRASIL）」という商品名で市販されている）浸出グラ スファイバーや、（「ニカロン（NICALON）」という商品名で市販されている） 非ガラス質のセラミックファイバや、（ジルコニアシリカ、アルミナシリカ、グ ラファイト、アルミナ−クロミア−金属酸化物などの）非金属酸化物を含んだセ ラミック金属酸化物のファイバーや、（「ネクステル（NEXTEL）３１２」、「ネ クステル（NEXTEL）４４０」または「ネクステル（NEXTEL）５５０」などの商品 名で入手可能な）好ましいアルミナ−ボリア−シリカなどの、超高温グラスファ イバーを含んでいる。約350℃以下で使用する場合には、通常のグラスファイバ ーを使用することができる ディーゼル機関の排気ガスの煤に含まれたパティキュレートの炭素と可溶性の 有機成分（例えば炭化水素と一酸化炭素）の酸化を促進するために、このフィル タエレメントに、さらに無機ヤーンにコーティングした酸化触媒や、無機不織布 や、それらを組み合わせたものを含ませることができる。このような酸化触媒は この技術分野では公知であり、例えば、貴金属（例えば、プラチナ、ロジウム、 他のプラチナ属金属、及び銀）と、卑金属（例えば、銅、鉄、マンガン、及びカ リウム）を含んでいる。無機ヤーンと不織布のマットに触媒をコーティングする 方法は、この技術分野において公知である。 フィルタエレメントが、テクスチャー化した連続繊維のセラミックヤーンを含 む場合、熱で変性しやすいファイバーをいくぶん含ませることが好ましい。この トラップを最初に使用するとき、またはその前に、変性しやすいファイバーが焼 き払われる際に作り出される通路により、背圧が小さくなり、しかもフィルタ用 のファイバーセグメントへのアクセスが容易になる。 この新規なディーゼル・パティキュレート・トラップには、例えば、トラップ したパティキュレートの燃焼点よりも高い温度まで排気ガスを定期的に加熱する ことにより、蓄積したパティキュレートを定期的に焼き払うための手段を設けて もよい。有効な電気燃焼技術が、1990年1月3日に公開されたガートラー氏等の欧 州特許出願公開第0,275,372号と、ブルーム氏等の国際出願第US92/02640号に教 示されている。この代わりに、ディーゼル・パティキュレート・トラップに高温 のガスを通すことにより、トラップしたパティキュレートを焼き払うようにして もよい。 本発明の目的と効果を、以下の例を用いてさらに説明する。なお、これらの例 において示された特定のの材料や量、さらに他の条件や詳細は、本発明を不当に 制限するものと考えてはならない。例１ ディーゼル・パティキュレート・トラップを、図１に実質的に示すように、円 筒形の本体と、それに取り付けられた円錐形の排気ガス入り口と出口を有する横 長のケーシングから作った。円筒形本体の中には、それぞれが硬質で中空の穴あ きチューブを備えた４個の平行なカートリッジを２×２列に配置した。各チュー ブは、（インコ・アロイズ（Inco Alloys）社から「インコネル（INCONEL）６０ ０Ｄ」という商品名で販売されている）エキスパンデッドメタルを、長さ25.4cm 、直径3.8cmに展伸して電気抵抗が0.22ohmになるようにしたものから形成した。 エキスパンデッドメタルの各開口の面積は約100mm2で、開口全体で各チューブの 穴の面積の61％を占めていた。各チューブの端部は排気ガス出口側のキャップに より閉塞され、他端では排気ガス入り口側でチューブを開口したままにするカラ ーを設けた。排気ガス入り口に続く円形プレートでカラーとその隣のチューブと の間のスペースと、カラーと円筒形本体との間のスペースを塞ぎ、一方、チュー ブの開口端は塞がなかった。キャップとカラーにより、各チューブの穴あき部の 長さを22.9cmに縮めた。 コンピューター制御のフィラメントワインダ（オートメーション・ダイナミク ス・モデル＃ＨＷＣ−８６０）を用いて、耐熱ヤーンを図１〜３に示す方法で各 チューブの穴のあいた領域を覆うように、12.75ニュートンの張力を与えながら 交差するように巻き付けた。ヤーンは、連続したフィラメントの、アルミナ−ボ リア−シリカファイバーの、撚り合わせたセラミックヤーン（すなわち、1800デ ニール 2／2 1.5zヤーンの「ネクステル（NEXTEL）３１２」）であり、その一 本はテクスチャー化が小さく、他はテクスチャー化の度合いが適度で、第３本目 のものはテクスチャー化されていなかった。テクスチャー化されていないヤーン は直径が約0.18cmであり、テクスチャー化の低いヤーンとテクスチャー化の中程 度のヤーンのそれぞれのフィラメントのループにより、直径が約1〜5cmの外皮を 形成した。個々のフィラメントは直径が約10〜12μｍであった。 まず、径方向へ位置を揃えた未テクスチャー化のヤーンを、初期巻き付け角度 47゜で巻き付けて５つの層を形成し、初期フィルターバンド幅を8.15mmとし、１ 層あたりに１０の周回を含ませた。 フィラメントワインダのマンドレルを23.5°進めた後、８層の低テクスチャー 化のヤーンを巻き付けて、第１の５つの層の４面開口を分割する径方向への壁を 形成した。 マンドレルをさらに23.5°進めた後、中程度にテクスチャー化したヤーンを８ 層、先行する８層の４面開口を２分する径方向への壁を形成するように巻き付け た。 このようにして形成したカートリッジのフィルターエレメントは、直径が約5. 8cmで、含まれたヤーンは約170gであった。 このカートリッジを、2.3リッター、４気筒、４ストロークの副室式ディーゼ ルエンジン（オハイオ州コロンブスのクミンズ・エンジン・カンパニー（Cummin s Engine Co.）の「クミンズ（CUMMINS）4A2.3」）にそれぞれ配置された、２つ の同じディーゼル・パティキュレート・トラップに組み込んだ。ディーゼル・パ ティキュレート・トラップの粒子トラップ効率を、40CFR986．1339−86（1989） に略述された方法を処理するフィルターを使って、トラップの上流と下流でサン プリングする通常の複式バッチフィルタを使って測定した。使用した膜フィルタ は、直径が90mmであった（コネティカット州パットナムのポールフレックス・プ ロダクツ・コーポレイション（Pallflex Products Corp.）から「ポールフレッ クス・テフロン・メンブレン・フィルタ（PALLFLEX TEFLON MEMBRANE FILTERS」 と言う商品名で市販されている）。 煤の蓄積したディーゼル・パティキュレート・トラップを、1.88リットル／秒 の空気の流れの下で4.5分間、12ボルトの直流電源を用いて再生した。したがっ て、１秒間に60リットルの流量で、背圧が25.5水柱cm低下した。比較テスト ディーゼル・パティキュレート・トラップ（ここでは「Ｃ−１」と呼ぶ）を、 Ｃ−１のフィルタエレメントの形成を除いては例１のものと同じ方法で形成し、 同じヤーンを巻き付けて、連続する各周回のコアがその下の周回のコアと径方向 へ揃うようにした。Ｃ−１の初期フィルタバンド幅は6.2mmで、Ｃ−１と例１の トラップが比較できる性能になるように選定した。Ｃ−１は下記のように２０層 を有するものとして形成した。 第１の４層 テクスチャー化していないヤーン 第２の８層 テクスチャー化の度合いの低いヤーン 最後の８層 中程度にテクスチャー化したヤーン カートリッジ毎のヤーンのトータル含有量は３００ｇであった。 平均テスト結果を表１にまとめている。 ＣとＤの値の相違は、テストにおける誤差の範囲内である。例１に比較して十 分に大きくしたＣ−１の背圧（項目Ａ）は、例１のヤーンが４３％少ないことに よる。例２ ディーゼル・パティキュレート・トラップのカートリッジを、それが単一のカ ートリッジを含んでいるという点を除いて例１と同様にして形成した。金属チュ ーブ（「インコネル（INCONEL）６００Ｄ」）に穴を打ち抜き、周方向へは径が 約0.75cmで、チューブの軸方向へは径が約0.05cmの楕円開口を形成した。チュー ブは、長さが38.7cm、直径が5.1cmで、電気抵抗は0.3ohmであった。その開口は 、チューブを投影した全穴あき面積の約50％を占めていた。 ヤーンは、2000デニール、2／2、1.5zヤーンのアルミナ−ボリア−シリカファ イバー（すなわち「ネクステル（NEXTEL）４４０」）の、連続したフィラメント の、より合わせたセラミックヤーンで、直径が5〜7cmのフィラメントのループの エンベロープを形成するように強くテクスチャー化する前は、直径が約0.2cmで あった。個々のフィラメントは、直径が13〜15μｍであった。 このヤーンを、10.7Ｎの一定張力で巻き付けた。フィルタバンド幅を1.5cmに するように初期巻き付け角度を46°とし、１層毎に８周回の以下に示す２８層を 形成した。 このようにして形成したカートリッジのフィルタエレメントは、外径が7cmで 、215gのヤーンを含んでいた。 このカートリッジを、77.9リッター／秒の流量に対して6.9ＭＰａの水圧を発 するように1200r.p.m.にセットした5.9リッターのターボチャージャー付きディ ーゼルエンジン（「カミンズ（CUMMINS）6A3.4」）の排気システムに組み付けた 。このカートリッジは、最初の背圧が22.9水柱cmで、203水柱cmまで上昇した。 このカートリッジの重量を上昇の前後に測定したところ、2.4ｇの煤を保持して いることが認識された。サンプリングシステムを使って上昇中の効率をチェック すると、127水柱cmの背圧で87％であった。 煤の蓄積したカートリッジを5分以上にわたって24ボルトの直流電源により再 生すると、背圧が約28水柱cmまで戻った。 この煤集積及び再生サイクルを、各再生間を23分として10度繰り返した。各サ イクルの終わりに、背圧は28水柱cmであった。 本発明の範囲並びに本質から逸脱することなく本発明の種々の修正や変更が可 能であることが当業者には明らかであろう。また、本発明は、上述した説明的な 実施例に不当に制限されるべきではないことを理解すべきである。
【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年５月１６日 【補正内容】 このカートリッジを、77.9リッター／秒の流量に対して6.9ＭＰａの水圧を発 するように1200r.p.m.にセットした5.9リッターのターボチャージャー付きディ ーゼルエンジン（「カミンズ（CUMMINS）6A3.4」）の排気システムに組み付けた 。このカートリッジは、最初の背圧が22.9水柱cmで、203水柱cmまで上昇した。 このカートリッジの重量を上昇の前後に測定したところ、2.4ｇの煤を保持して いることが認識された。サンプリングシステムを使って上昇中の効率をチェック すると、127水柱cmの背圧で87％であった。 煤の蓄積したカートリッジを5分以上にわたって24ボルトの直流電源により再 生すると、背圧が約28水柱cmまで戻った。 この煤集積及び再生サイクルを、各再生間を23分として10度繰り返した。各サ イクルの終わりに、背圧は28水柱cmであった。 請求の範囲 １．（ａ）少なくとも２つの端部を有するケーシング(11,41)と、 （ｂ）上記ケーシング(11,41)の上記端部を排気システムに連結するための手段 と、 （ｃ）少なくとも１つのチューブ(16,45,46,47,48,49)を支持するための手段(18 ,50,51,52,54,55,56,58,59,60)と、 （ｄ）上記ケーシング(11,41)の上記端部の間に延在する少なくとも一つの中空 チューブ(16,45,46,47,48,49)であって、２つの端部と、外面と、穴のあいた領 域を形成する穴(21)とを有するとともに、上記支持手段(18,50,51,52,54,55,56, 58,59,60)に支持されたチューブ(16,45,46,47,48,49)と、 （ｅ）上記ケーシング(11,41)の一端の塞いでいないスペースに排気ガスを強制 的に進入させて各チューブ(16,45,46,47,48,49)を大略径方向へ通過させるため に、該ケーシング(11,41)の端部のスペースを塞ぐ手段(20,50,51,52,54,55,56) と、 （ｆ）耐熱ヤーンを備えたフィルタエレメント(23,65)とを備え、 該耐熱ヤーンは、ヤーンからなる複数の層(28,30,32,34,36,38)を形成するよ うに各チューブ(16,45,46,47,48,49)に螺旋状に交差して巻かれ、該ヤーンは、 フィラメントもしくはファイバーセグメント(26)が外方へ突出するコアを有し、 コアを編み込むように各層(30,32,34,36,38)内で連続した周回が反対方向へ巻か れ、各層(28,30,32,34,36,38)の周回のコアが、排気ガスによって運ばれた粒子 用のトラップを形成するように上記突出するファイバーセグメント(26)が内部で かみ合う実質的に均一な４面開口を形成するように間隔をあけられ、少なくとも １層(28,30,32,34,36,38)の周回のコアが、大略径方向への排気ガスの流れを入 り組んだ通路内で屈折させるように、隣り合う層(28,30,32,34,36,38)の周回の コアから横へオフセットしているディーゼル・パティキュレート・トラップ(10, 40)。 ２．上記穴あき中空チューブ(16,45,46,47,48,49)を少なくともさらに一つ有し 、上記チューブ(16,45,46,47,48,49)の各軸が平行で、上記フィルタエレメント( 23, 65)が互いに分離している請求項１記載のトラップ(10,40)。 ３．上記各穴あきチューブ(45,46,47,48,49)が同心上に配置され、上記ブロック 手段(50,51,52,54,55,56)が、上記チューブ(45,46,47,48,49)の上記端部(43,44) で該チューブ(45,46,47,48,49)間のスペースを塞ぎ、隣り合うスペースが、該チ ューブ(45,46,47,48,49)の隣り合う交互の端部でのみ塞がれている請求項２のト ラップ(40)。 ４．上記穴あきチューブ(16)が並べて配置され、上記ブロック手段(20)は、上記 ケーシング(11)の一端側のみで各チューブ(16)の一端を塞ぎ、上記ケーシング(1 1)の他端側のみでチューブ(16)間のスペースを塞ぐ請求項２のトラップ。 ５．上記耐熱ヤーンがセラミックヤーンを含む請求項１のトラップ(10,40)。 ６．上記セラミックヤーンが、連続したフィラメントのループ及び／またはファ イバーセグメント(26)が外方へ突出する連続したフィラメントのヤーンを含む請 求項５のトラップ(10,40)。 ７．各チューブ(16,45,46,47,48,49)の上記穴あき領域での各ヤーンの各周回が 、該チューブ(16,45,46,47,48,49)の軸に対して30°〜70°の角度で延在してい る請求項１のトラップ(10,40)。 ８．上記ヤーンのコアが１から10mmの直径である請求項１のトラップ(10,40)。 ９．上記ヤーンのコアから突出する上記各ファイバーセグメント(26)の直径は、 ５から３０マイクロメートルである請求項８のトラップ(10,40)。 １０．上記フィルタエレメント(23,65)の厚さが、５から30mmである請求項１の トラップ(10,40)。 １１．上記チューブ(16,45,46,47,48,49)は、開口を形成したものと、チューブ 状のワイヤースクリーンと、チューブ状のエキスパンデッドメタルとから構成さ れたチューブからなるグループから選択され、上記チューブ(16,45,46,47,48,49 )の各端部に、穴のあけられていない領域が設けられている請求項１のトラップ 。 １２．上記穴のあけられていない領域で上記ヤーンが密に巻かれ、排気ガスの流 れを実質的に通さない比較的厚い端壁が形成された請求項１１のトラップ(10,40 )。 １３．上記ヤーンの少なくとも１層(30,32,34,36,38)のコアが、下に位置する層 (28,30,32,34,36)のコアと径方向へ位置が揃えられ、径方向へ位置の揃ったコア が協働して壁を形成している請求項１のトラップ(10,40)。 １４．各フィルタエレメント(23,65)が、１０から３０層(28,30,32,34,36,38)に なったヤーンを有する請求項１３のトラップ(10,40)。 １５．５から１５層(30,32,34,36,38)の周回のコアが、下に位置する層(28,30,3 2,34,36)の周回のコアから横へオフセットしている請求項１４のトラップ(10,40 )。 １６．ディーゼル・パティキュレート・トラップに有用なカートリッジであって 、 （ａ）穴があけられた中空のチューブ(16,45,46,47,48,49)と、 （ｂ）ヤーンからなる複数の層(28,30,32,34,36,38)を形成するように各チュー ブ(16,45,46,47,48,49)に螺旋状に交差して巻かれた耐熱ヤーンを備え、該ヤー ンが、フィラメントもしくはファイバーセグメント(26)が外方へ突出するコアを 有し、コアを編み込むように各層(30,32,34,36,38)内で連続した周回が反対方向 へ巻かれ、各層(28,30,32,34,36,38)の周回のコアが、排気ガスによって運ばれ た粒子用のトラップを形成するように上記突出するファイバーセグメント(26)が 内部でかみ合う実質的に均一な４面開口を形成するように間隔をあけられ、少な くとも１層(28,30,32,34,36,38)の周回のコアが、大略径方向への排気ガスの流 れを入り組んだ通路内で屈折させるように、隣り合う層(28,30,32,34,36,38)の 周回のコアから横へオフセットしている構成のフィルタエレメント(23,65)と、 （ｃ）上記カートリッジをディーゼル・パティキュレート・トラップに装着する ための手段(18)と、を備えたカートリッジ。 １７．ディーゼル・パティキュレート・トラップに有用なカートリッジを形成す る方法であって、 （ａ）少なくとも一つの穴あき中空チューブ(16,45,46,47,48,49)を用意するス テップと、 （ｂ）フィラメントまたはファイバーセグメント(26)が外方へ突出するコアを有 するヤーンの周回の第１の層(28)を上記チューブ(16,45,46,47,48,49)上に螺旋 状に交差して巻き付け、コアを編み込むように連続する周回を各層(28)内で反対 方向へ巻き付け、該周回は、初期の間隔が広く、それに続く周回が、その隣の周 回のコアが実質的に均一な間隔となるとともに突出するファイバーセグメント(2 6)がトラップを形成するようにかみ合う４面開口を形成するまで配置されるステ ップと、 （ｃ）上記第１層(28)の上に上記ヤーンからなる少なくとも一つの追加層(30,32 ,34,36,38)を螺旋状に交差して巻き付け、上記コアは、同様のトラップにより橋 渡しされた同様の開口を形成し、かつ第１層(28)のコアから横へオフセットし、 該カートリッジを大略径方向へ流れるガスを入り組んだ経路に進行させるステッ プと、を備えた方法。 １８．さらに、上記第１及び追加の層(28,30)の少なくとも一つの上に第３の層( 32)を螺旋状に交差して巻き付け、該第３層(32)の周回のコアを、その下に位置 する層(28,30)の周回のコアと径方向へ位置を揃え、該径方向へ位置を揃えたコ アが協働して壁を形成するようにしたステップを備えた請求項１７の方法。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イスタ、トロイ・ケイ アメリカ合衆国 55133―3427ミネソタ州、 セント・ポール、ポスト・オフィス・ボッ クス33427番（番地の表示なし) (72)発明者 スミス、マーク・ピー アメリカ合衆国 55133―3427ミネソタ州、 セント・ポール、ポスト・オフィス・ボッ クス33427番（番地の表示なし)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）少なくとも２つの端部を有するケーシングと、 （ｂ）上記ケーシングの上記端部を排気システムに連結するための手段と、 （ｃ）少なくとも１つのチューブを支持するための手段と、 （ｄ）上記ケーシングの上記端部の間に延在する少なくとも一つの中空チューブ であって、２つの端部と、外面と、穴のあいた領域を形成する穴とを有するとと もに、上記支持手段に支持されたチューブと、 （ｅ）上記ケーシングの一端の塞いでいないスペースに排気ガスを強制的に進入 させて各チューブを大略径方向へ通過させるために、該ケーシングの端部のスぺ ースを塞ぐ手段と、 （ｆ）耐熱ヤーンを備えたフィルタエレメントとを備え、 該耐熱ヤーンは、ヤーンからなる複数の層を形成するように各チューブに螺旋 状に交差して巻かれ、該ヤーンは、フィラメントもしくはファイバーセグメント が外方へ突出するコアを有し、コアを編み込むように各層内で連続した周回が反 対方向へ巻かれ、各層の周回のコアが、排気ガスによって運ばれた粒子用のトラ ップを形成するように上記突出するファイバーセグメントが内部でかみ合う実質 的に均一な４面開口を形成するように間隔をあけられ、少なくとも１層の周回の コアが、大略径方向への排気ガスの流れを入り組んだ通路内で屈折させるように 、隣り合う層の周回のコアから横へオフセットしているディーゼル・パティキュ レート・トラップ。 ２．上記穴あき中空チューブを少なくともさらに一つ有し、上記チューブの各軸 が平行で、上記フィルタエレメントが互いに分離している請求項１記載のトラッ プ。 ３．上記各穴あきチューブが同心上に配置され、上記ブロック手段が、上記チュ ーブの上記端部で該チューブ間のスペースを塞ぎ、隣り合うスペースが、該チュ ーブの隣り合う交互の端部でのみ塞がれている請求項２のトラップ。 ４．上記穴あきチューブが並べて配置され、上記ブロック手段は、上記ケーシン グの一端側のみで各チューブの一端を塞ぎ、上記ケーシングの他端側のみでチュ ーブ間のスペースを塞ぐ請求項２のトラップ。 ５．上記耐熱ヤーンがセラミックヤーンを含む請求項１のトラップ。 ６．上記セラミックヤーンが、連続したフィラメントのループ及び／またはファ イバーセグメントが外方へ突出する連続したフィラメントのヤーンを含む請求項 ５のトラップ。 ７．各チューブの上記穴あき領域での各ヤーンの各周回が、該チューブの軸に対 して30°〜70゜の角度で延在している請求項１のトラップ。 ８．上記ヤーンのコアが１から10mmの直径である請求項１のトラップ。 ９．上記ヤーンのコアから突出する上記各ファイバーセグメントの直径は、５か ら30マイクロメートルである請求項８のトラップ。 １０．上記フィルタエレメントの厚さが、５から30mmである請求項１のトラップ 。 １１．上記チューブは、開口を形成したものと、チューブ状のワイヤースクリー ンと、チューブ状のエキスパンデッドメタルとから構成されたチューブからなる グループから選択され、上記チューブの各端部に、穴のあけられていない領域が 設けられている請求項１のトラップ。 １２．上記穴のあけられていない領域で上記ヤーンが密に巻かれ、排気ガスの流 れを実質的に通さない比較的厚い端壁が形成された請求項１１のトラップ。 １３．上記ヤーンの少なくとも１層のコアが、下に位置する層のコアと径方向へ 位置が揃えられ、径方向へ位置の揃ったコアが協働して壁を形成している請求項 １のトラップ。 １４．各フィルタエレメントが、１０から３０層になったヤーンを有する請求項 １３のトラップ。 １５．５から１５層の周回のコアが、下に位置する層の周回のコアから横へオフ セットしている請求項１４のトラップ。 １６．（ａ）少なくとも２つの端部を有するケーシングと、 （ｂ）上記ケーシングの上記端部を排気システムに連結するための手段と、 （ｃ）少なくとも１つのチューブを支持するための手段と、 （ｄ）上記ケーシングの上記端部の間に延在する少なくとも一つの中空チューブ であって、２つの端部と、外面と、穴のあいた領域を形成する穴とを有するとと もに、上記支持手段に支持されたチューブと、 （ｅ）上記ケーシングの一端の塞いでいないスペースに排気ガスを強制的に進入 させて各チューブを大略径方向へ通過させるために、該ケーシングの端部のスぺ ースを塞ぐ手段と、 （ｆ）耐熱ヤーンを備えたフィルタエレメントとを備え、 該耐熱ヤーンは、ヤーンからなる複数の層を形成するように各チューブに螺旋 状に交差して巻かれ、該ヤーンは、フィラメントもしくはファイバーセグメント が外方へ突出するコアを有し、コアを編み込むように各層内で連続した周回が反 対方向へ巻かれ、各層の周回のコアが、排気ガスによって運ばれた粒子用のトラ ップを形成するように上記突出するファイバーセグメントが内部でかみ合う実質 的に均一な４面開口を形成するように間隔をあけられ、さらに、大略径方向への 排気ガスの流れを入り組んだ通路内で屈折させるように、隣り合う層の周回のコ アから横へオフセットしている少なくとも１層の周回のコアを有するディーゼル ・パティキュレート・トラップ。 １７．ディーゼル・パティキュレート・トラップに有用なカートリッジであって 、 （ａ）穴があけられた中空のチューブと、 （ｂ）ヤーンからなる複数の層を形成するように各チューブに螺旋状に交差して 巻かれた耐熱ヤーンを備え、該ヤーンが、フィラメントもしくはファイバーセグ メントが外方へ突出するコアを有し、コアを編み込むように各層内で連続した周 回が反対方向へ巻かれ、各層の周回のコアが、排気ガスによって運ばれた粒子用 のトラップを形成するように上記突出するファイバーセグメントが内部でかみ合 う実質的に均一な４面開口を形成するように間隔をあけられ、少なくとも１層の 周回のコアが、大略径方向への排気ガスの流れを入り組んだ通路内で屈折させる ように、隣り合う層の周回のコアから横へオフセットしている構成のフィルタエ レメントと、 （ｃ）上記カートリッジをディーゼル・パティキュレート・トラップに装着する ための手段と、を備えたカートリッジ。 １８．ディーゼル・パティキュレート・トラップに有用なカートリッジを形成す る方法であって、 （ａ）少なくとも一つの穴あき中空チューブを用意するステップと、 （ｂ）フィラメントまたはファイバーセグメントが外方へ突出するコアを有する ヤーンの周回の第１の層を上記チューブ上に螺旋状に交差して巻き付け、コアを 編み込むように連続する周回を各層内で反対方向へ巻き付け、該周回は、初期の 間隔が広く、それに続く周回が、その隣の周回のコアが実質的に均一な間隔とな るとともに突出するファイバーセグメントがトラップを形成するようにかみ合う ４面開口を形成するまで配置されるステップと、 （ｃ）上記第１層の上に上記ヤーンからなる少なくとも一つの追加層を螺旋状に 交差して巻き付け、上記コアは、同様のトラップにより橋渡しされた同様の開口 を形成し、かつ第１層のコアから横へオフセットし、該カートリッジを大略径方 向へ流れるガスを入り組んだ経路に進行させるステップと、を備えた方法。 １９．さらに、上記第１及び追加の層の少なくとも一つの上に第３の層を螺旋状 に交差して巻き付け、該第３層の周回のコアを、その下に位置する層の周回のコ アと径方向へ位置を揃え、該径方向へ位置を揃えたコアが協働して壁を形成する ようにしたステップを備えた請求項１８の方法。
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