JPH0153083B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はガス中に含まれる可燃性微粒子、特に
自動車の排ガス中に含まれるカーボン等の可燃性
微粒子を除去するためのフイルタ装置に関するも
のであり、更に詳しくはフイルタ自体に通電して
発熱させることにより、高濾過性を保持したま
ま、濾別した可燃性微粒子を効率的に燃焼除去す
るフイルタ装置に関するものである。

［従来技術とその問題点］ 従来、例えば公害対策として自動車エンジン殊
にデイーゼルエンジンの排ガス中に含まれるカー
ボン微粒子を除去するために、排気系または排気
還流系に、フイルタを用いることが提案されてい
るが、長期の使用ではカーボンが堆積して目詰り
を起こし、圧力損失を生ずるという欠点があつ
た。この欠点を解消するものとしてフイルタの微
粒子捕捉部位にニクロム線ヒータあるいは発熱金
属層を組み合わせて通電加熱したり、捕捉部位に
燃料を噴射して燃料の燃焼熱で加熱したり、高圧
電極を設けて火花放電により加熱したり、又、フ
イルタをカーボン繊維とし、そのカーボン繊維に
通電することにより加熱して、カーボン微粒子を
焼却し、目詰りを防ぐ方法がとられていた。

しかし、ニクロム線を使用する場合は発熱面積
が少なくてエネルギ効率が悪く、又、フイルタへ
の取り付けも手間のかかるものであり、発熱金属
層を設ける場合は濾過の障害にならないように細
く小面積に設けなくてはならず、やはりエネルギ
効率が悪く、取り付けも手間がかかるものであ
り、排ガスにより昇温がうまくゆかない場合はエ
ンジンを止めてから、フイルタにたまつたカーボ
ン微粒子を燃焼させなければならないことも生じ
た。又、燃料噴射および高圧放電方法は格別に複
雑な装置を必要とし、エネルギを大量に消費し、
燃料による火災上の問題、放電によるフイルタの
損傷を生じ、又、カーボン繊維を使用したものは
繊維自体が燃焼により消失してしまう欠点を有し
ていた。

一方、同様な用途にセラミツクのハニカム構造
フイルタが知られており、このものは一般のフイ
ルタに比べ、目を細かくしても圧力損失が少なく
てすみ、しかもコンパクトであるので自動車の排
ガス中のカーボン除去用に好適なものであるが目
詰りを生じた場合、濾過面が広範囲にわたるの
で、フイルタを使用部位より取りはずして全体を
加熱処理し、カーボン微粒子を燃焼消滅させなく
てはならなかつた。

［発明の構成］ 以上述べた従来技術に欠点に鑑み、本発明者ら
はエンジンを作動したままで、圧力損失を悪化さ
せることなく特に複雑な設備を要せずに、効率的
に可燃性微粒子を除去することを目的として、鋭
意研究の結果、セラミツクのハニカム構造フイル
タそのものを通電発熱体となし、現状の装置を大
きく変更することなく、効率的に可燃性微粒子を
取り除くことができることを見出し、本発明を完
成したのである。

本発明の要旨とするところは、入口側から出口
側へ延びる複数の通路を形成する壁構造体をなす
とともに該通路は出口側が出口閉鎖壁で閉鎖され
た入口通路群と入口側が入口閉鎖壁で閉鎖された
出口通路群とからなり、任意の１つの入口通路は
少なくとも１つの出口通路と壁を共有して可燃性
微粒子を捕捉する濾過壁をなすフイルタにおい
て、少なくとも壁構造体を多孔質導電性セラミツ
クで形成するとともに該壁構造体を通電加熱する
ための電圧印加手段を上記フイルタの内、入口が
開口する排ガス導入端面と出口が開口する排ガス
排出端面との両端面間を連絡する外周壁部に設け
てなる可燃性微粒子除去用フイルタ装置にある。

次に、図を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の一実施例である円筒形フイル
タ装置の正面図を、第２図はその断面図を、第３
図はその部分破断概略斜視図を表わしている。第
１図において１は入口通路群であり、その流入口
３が円形の端面２１に市松模様に開口している。
この端面２１の反対端面２２にも同様に出口通路
群２の流出口４が開口して、フイルタ装置はその
筒状周面２０とともに全体で円筒体を形成してい
る。

次に第２図において説明すると、入口通路群１
は、ガスが流入する流入口３の反対側の通路端部
において閉鎖壁５にて閉鎖され、その側面は多孔
質導電性セラミツク濾過壁７の４面よりなり、全
体として、貫通していない断面正方形の穴を形成
している。

出口通路群２は、ガスが流出する流出口４の反
対側の通路端部において閉鎖壁６にて閉鎖され、
その側面は上記の入口通路１と同様に多孔質導電
性セラミツク濾過壁７の４面よりなり、全体とし
て、貫通していない断面正方形の穴を形成してい
る。

そして入口通路群１の各通路と出口通路群２の
各通路は互いに１つ以上の濾過壁７を共有して隣
接するように配設され、通路１，２が断面正方形
である場合は、通路１つにつき最大４側面が入口
通路と出口通路との間に共有濾過壁ということに
なり、全体の配置は、第１図に示すごとく、各端
面の正方形の流入口３あるいは流出口４は閉鎖壁
５あるいは６と市松模様をなしている。

流入口（入口）３が開口している端面（排ガス
導入端面）２１と流出口（出口）４が開口してい
る端面（排ガス排出端面）２２との両端面２１，
２２間を筒状側面壁（外周壁部）２０が連絡して
いる。

又、筒状側面壁２０の外部表面には電圧印加用
の金属質電極８，９が端面２１から２２に至るま
で帯状に、互いに一定間隔をおいて、被着形成さ
れている。各電極の大きさは、筒中心線から見て
60゜前後の幅、特に50゜〜80゜に設定することがハニ
カム断面での均一発熱の点から好ましい。金属質
電極８，９を、フイルタの入口側及び出口側の端
面に設けないのは、端面では、流入口３または流
出口４が開口しており、電極８，９の形状が制約
され、フイルタ全体に均一な発熱のための電流コ
ントロールが非常に困難となるからである。更に
通常、筒状側面壁（外周壁部）２０は、何らの障
害なく、フイルタの形状・構造・用途に応じた加
熱条件に応じた自由な電極形状が選択できるから
でもある。

ここで本実施例のガスの濾過作用を説明する。

まず端面２１方向から流入したガスは端面２１
に開口している各流入口３から入口通路群１に入
り、次いで第２図にて点線で示した矢印のごとく
多孔質の濾過壁７の孔の中を通り抜け、隣接する
出口通路群２に浸出する。その際、ガス中の微粒
子が濾過壁７に捕捉され、ガスのみ出口通路群２
を通つて各流出口４から流出する。

そして、この時、フイルタ装置の両電極間に電
圧印加し通電しておけば、フイルタの濾過壁７が
発熱し、カーボン等の燃焼温度以上に昇温するこ
とにより、濾過壁に捕捉されたカーボン等の可燃
性微粒子が燃焼し消滅してしまうのである。

ここにおいて、濾過壁７，２０および閉鎖壁
５，６は多孔質導電性セラミツクからなり、流入
口３より入口通路１へ入つたガスを濾過して、出
口通路２から流出口４へ導く作用をし通常孔径
2μ〜30μのものであれば、カーボン等の可燃性微
粒子の捕捉に好適である。ただし、濾過壁２０あ
るいは閉鎖壁５，６は特に多孔質である必要はな
いが、同質材料である方が、加熱時等の歪みで損
傷したりすることがないので好ましい。閉鎖壁
５，６も多孔質であれば、この部分でも濾過作用
が生じ、全体の濾過能力が向上する。

ここにおいて、濾過壁７および閉鎖壁５，６に
使用されるセラミツク原料は、炭化珪素（化学式
SiC）あるいは二珪化モリブデン（化学式MoSi₂）
等を主成分とするものが使用され、特に二珪化モ
リブデンを主成分としたものは温度に対する電気
抵抗の変化が使用される全温度領域で正特性を示
すので温度調節がしやすい。

上記実施例において濾過壁のハニカム構造体を
製造するには、例えば次のようになされる。炭化
珪素あるいは二珪化モリブデン等の主成分の他
に、アルミナ、シリカ等の原料微粉末、アルギン
酸ソーダ、アルギン酸アンモン、ポリビニールア
ルコール等の有機バインダー、水、エチルアルコ
ール等の溶剤を加えて混練して調合物を作り、こ
れを貫通孔の断面形状が三角形、四角形、六角形
等の多角形および円形、楕円形等の所定の形状を
構成するように多数のスリツトからなるダイスよ
り押し出すことにより一体構造の長尺物を得、該
長尺物を必要な長さに切断することにより生の濾
過壁ハニカム構造体を得ることができる。

次に該ハニカム構造体からフイルタ装置を製造
するには、例えば、該構造体の入口通路１および
出口通路２の出口側端面に、全入口通路群１のガ
ス流入口３の個所のみを打ち抜いた生のセラミツ
クシートを、生のセラミツクをペースト状の組成
にしたものを結合剤として用いて貼り付け、閉鎖
壁６とし、更に同様にして出口側端部に、全出口
通路群２のガス流出口４の個所のみを打ち抜いた
生のセラミツクシートを貼り付け、閉鎖壁５とし
たのち、焼成する。

フイルタの外形は適用部位に適応させて、四角
柱、円筒体等の各種の形態を選択することが可能
であり、通路の形状も四角柱、六角柱、三角柱等
の各種の形態を選択することが可能である。

次に、上記にごとく焼成された円筒状フイルタ
の筒状側面壁２０の外部表面に白金等の金属粉末
ペーストあるいはニツケル、コバルト等と珪素と
の粉末ペースト混合物を帯状の、間隔をおいて、
焼き付けることにより金属質電極８，９を積層
し、フイルタ装置を得ることができる。

又、該フイルタ装置の側面壁２０に気密性を付
与するためにガラス入りセラミツク層を一部又は
全面に焼成することもでき、それにより側面壁２
０から漏出した高温の排ガスが他の部品に悪影響
を与えることを未然に防止できる。

フイルタ装置の形状は円筒形状だけでなく例え
ば角柱形状でもよい。第５図には、四角柱形状の
フイルタ装置を示す。

金属質電極２３，２４は、フイルタ装置の４つ
の側面の内、相対する２面に設けられている。

第４図は本発明の自動車排ガス濾過用フイルタ
装置としての適用例を示す。

ここにおいて、１０は本発明の可燃性微粒子除
去用フイルタ装置であり、セラミツクの絶縁支持
環１４ａ，１４ｂによつて、外筒１８に固定され
ている。外筒１８はその流入側において、鍔部１
８ａで接合管１６の鍔部１６ａと結合し、エキゾ
ーストマニホールドに接続されている。その反対
側である流出側においては、鍔部１８ｂで接合管
１７の鍔部１７ｂと結合し、排気管に接続されて
いる。

フイルタ装置１０の一方の電極８に導線１２ａ
がろう付けその他の手段で電気的に接続され、外
筒１８に貫設した碍子１３ａにより車体と絶縁状
態を保持したまま外部へ導かれ、電源Ｅのマイナ
ス側に接続及び接地されている。

他方の電極９にも導線１２ｂがろう付けその他
の手段で電気的に接続され、外筒１８に貫設した
碍子１３ｂにより車体と絶縁状態を保持したまま
外部へ導かれ電源Ｅのプラス側にスイツチ１５を
介して接続されており、これら電源Ｅ、導線１２
ａ，１２ｂ、スイツチ１５およびフイルタ装置１
０全体で加熱回路を形成している。

上記構成において、エンジンからのカーボン微
粒子を含んだ排ガスはエキゾーストマニホールド
および接続管１６をそのまま通過して上流方向Ｆ
より、微粒子除去用フイルタ装置１０の入口通路
１へ流入する。ついで第２図の点線で示すごとく
排ガスは濾過壁７を通り抜け、出口通路２に出
て、出口４よりフイルタ装置１０外へ排出され、
下流の排気管の方向Ｂへ向う。

上記濾過壁７を通り抜けることにより、排ガス
内のカーボン微粒子が濾過壁７で捕捉され、カー
ボン微粒子をほとんど含まない排ガスが車外へ排
出されることになるのである。

そこで、スイツチ１５をオンすることにより両
電極８，９間に通電し、フイルタ装置１０を発熱
させて、カーボン微粒子を発火温度まで加熱する
と、カーボンが燃焼消滅してカーボンの付着堆積
によるフイルタの目詰りおよび目詰りによる圧力
損失を未然に防止することができるのである。

この加熱回路において、導線１２ａ及び１２ｂ
が、カーボン微粒子の流動している空間に露出す
ることがなく、カーボン微粒子が導線表面に付着
堆積することがないので、シヨートの恐れがなく
なり、有利である。

また、このフイルタの多孔質壁構造体内に白金
などの触媒金属を分布状に担持させておくこと
は、カーボンの焼却をより低い温度で行うことが
できるので有利となる。これは、たとえば、多孔
質壁構造体を触媒金属の酸もしくは塩の液の浸漬
後、比較的高い温度で加熱処理することによつて
得ることができる。

［発明の効果］ 以上のごとく、本発明の可燃性微粒子除去用フ
イルタ装置は、従来のハニカム構造型フイルタの
形状を特に変更することなく、カーボン微粒子濾
過と加熱のためのフイルタ構造が簡単になり製造
が容易となる。

又、使用時において、フイルタ全体、特に濾過
壁自体が発熱するので、捕捉されたカーボンが全
て効率的に加熱焼却され、昇温も速くてエネルギ
効率がよい、しかも圧力損失が少なくて、カーボ
ン微粒子捕捉性が良好であるというハニカム構造
型フイルタ本来の長所も保持している。

なお、排ガスも加熱されるので、フイルタに捕
捉された可燃性の微粒子の燃焼消滅が効率よく行
われる。

更に、外周壁部は、単に、機能的には隔壁の役
目を果たせばよく、形状的には単純である。従つ
て、外周壁部に設けられる電極形状には、フイル
タの形状・構造・用途に応じて、好適に電圧・電
流をコントロールできるよう任意に選択できるた
め、高機能フイルタとしての自由度が高い。

次に具体的な製造例を挙げて説明する。

製造例 １ 炭化珪素粉末、焼結助剤としての炭化ホウ素
（化学式B₄C）とフエノール樹脂及び孔径制御剤
としてのグラフアイト粉末（平均粒径25μ）を、
SiC：100，B₄C：0.25、フエノール樹脂：５、グ
ラフアイト粉末：15の重量割合で調合した調合物
100に対し、ポリビニルアルコール：３、水：25
の割合で配合、混練したものを、金型に通して押
し出し、貫通状態にある通路を有する長尺物を成
形して、必要な長さに切断し、生の壁構造体を得
た。

次に予め流入口又は流出口を打ち抜いた、上記
と同一配合の生のシートを、前記の切断した生の
壁構造体の両切断面に、上記の成分の内、溶剤の
割合を増加させて配合したペーストを介して接着
させた。このものを1950℃、窒素雰囲気下で３時
間焼成し、更に大気中で1000℃にて余分な燃焼性
のカーボン成分を焼切り、第３図と同形状のフイ
ルタを作つた。

次に珪素50重量％、ニツケルおよびコバルトの
微粉末50重量％の混合物を1500℃の非酸化性雰囲
気下で30分間焼成し合金化したものを更に粉砕し
た粉末のペーストを、上記の焼成したフイルタの
筒状側面壁（外周壁部）の相対向する位置に第１
図のごとく塗布したのち、乾燥し、1500℃の非酸
化性雰囲気中で10分間焼き付け、第１表の性状の
円筒体可燃性微粒子除去用フイルタ装置を得た。

第 １ 表 直径 100mm 長さ 100mm 濾過壁厚さ 0.5mm 通路内のり 一辺3.0mmの正方形 濾過面積 約8200mm²／in³ 平均気孔率 55％ 平均気孔径 20μ 電極間抵抗値（常温） 0.5Ω 製造例 ２ 二珪化モリブデンの粉末72重量部、アルミナ８
重量部、グラフアイト粉末20重量部に対し、有機
バインダとしてポリビニルアルコール３重量部お
よび水20重量部を配合し混練したものを実施例１
と同様な形状、条件で成形および焼成し、更に、
大気中で1000℃にて余分な燃焼性のカーボン成分
を焼切り、第３図と同形状のフイルタを作つた。

得られたフイルタに、製造例１と同様にして白
金粉末のペーストを塗布し、大気中で、1200℃に
て焼き付けて、円筒体可燃性微粒子除去用フイル
タ装置を得た。

その性状は常温の電極間抵抗値が0.3Ωであつ
たこと以外は第１表と同じであつた。

昇温試験 製造例１で得られたフイルタ装置の両電極間に
大気中で26Vの電圧を印加したところ、常温から
600℃を越える温度まで、108秒間で達した。

一方、製造例２で得られたフイルタ装置の両電
極間に大気中で26Vの電圧を印加したところ、常
温から600℃を越える温度まで、103秒間で達し
た。又、二珪化モリブデンのフイルタは正特性で
あるので、温度制御が容易であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の可燃性微粒子除去用フイルタ
装置の一実施例の正面図、第２図はその−断
面図、第３図はその部分破断概略斜視図、第４図
は自動車排ガス濾過用フイルタ装置の概略断面図
第５図は他の実施例の概略斜視図である。 １……入口通路群、２……出口通路群、３……
流入口、４……流出口、５，６……閉鎖壁、７…
…濾過壁、８，９，２３，２４……金属質電極、
２０……筒状側面壁（外周壁部）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入口側から出口側へ延びる複数の通路を形成
   する壁構造体をなすとともに該通路は出口側が出
   口閉鎖壁で閉鎖された入口通路群と入口側が入口
   閉鎖壁で閉鎖された出口通路群とからなり、任意
   の１つの入口通路は少なくとも１つの出口通路と
   壁を共有して可燃性微粒子を捕捉する濾過壁をな
   すフイルタにおいて、少なくとも壁構造体を多孔
   質導電性セラミツクで形成するとともに該壁構造
   体を通電加熱するための電圧印加手段を上記フイ
   ルタの内、入口が開口する排ガス導入端面と出口
   が開口する排ガス排出端面との両端面間を連絡す
   る外周壁部に設けてなる可燃性微粒子除去用フイ
   ルタ装置。 ２ 多孔質導電性セラミツクが炭化珪素を主成分
   とするものである特許請求の範囲第１項記載の可
   燃性微粒子除去用フイルタ装置。 ３ 多孔質導電性セラミツクが二珪化モリブデン
   を主成分とするものである特許請求の範囲第１項
   記載の可燃性微粒子除去用フイルタ装置。