JPH055523B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、流体中に含まれる固体微粒子のフ
イルタリング装置および方法に関し、さらに詳し
くは、エンジンの排気ガス中に含まれる固体微粒
子のフイルタリング装置および方法に関する。

従来、セラミツクあるいは他の多孔質材料によ
り形成されたハニカム構造が、デイーゼルエンジ
ンの排気ガスからの炭素質を含む流体から固体微
粒子およびより大きな粒子をフイルタリングする
ために使用し得るものであることは広く知られて
いる。ハニカム固体微粒子フイルタとしては、一
方向流タイプとクロス流タイプの二つの基本形が
ある。この発明によるフイルタは、前者のタイプ
のフイルタについてのものである。

一方向流タイプのハニカムフイルタは、フイル
タの両側の外面に注入面および排出面を形成する
薄い相互に結合された多孔の壁のマトリツクスに
よつて構成され、および、二つの前記面間に位置
する多数の中空セルによつて構成されている。セ
ルの注入口グループは、排出面付近のセルのいく
つかの開放端を閉じることによつて形成される。
また排出口グループは、入射面付近の他のセルの
開放端を閉じることによつて同様に形成される。
多孔の外壁が、マトリツクス周囲でありかつ両面
間に設けられている。流体は、主として注入口セ
ルを介して注入面からフイルタに入るが、外壁が
多孔の場合は外壁からも入る。マトリツクスの薄
い壁は、内部に互いに連結された多くの開放孔を
備え、その容積と大きさは、その小さな寸法を流
体が通過可能であるのに充分であるようにされ、
もし必要あれば、接続および（あるいは）隣接す
るセル間を長い寸法の部分についても通過させる
が、少なくとも微粒子の重要部分およびより大き
な粒子のいかなる方向への流れをも阻止する。補
捉された微粒子は、注入口セルを構成する薄い壁
の上およびその中に付着する。デイーゼルエンジ
ンの排気微粒子フイルタ（以下に「DPF′S」と
いう）は、一方向流タイプの溶融金属および熱回
収ホイールフイルタと同様、特願昭56−104943号
（特公昭61−54750号公報参照）に記載されてい
る。

一方向流タイプのハニカムフイルタは、比較的
簡単に製造できかつハウジング内に取り付けられ
てマフラあるいは触媒コンバータのような排気シ
ステム内に挿入できるので、デイーゼルエンジン
の固体微粒子フイルタとして使用することが好ま
しい。従来の使用例では、垂直方向および横方向
の車輛空隙が許す限り、セルを横断する方向への
DPFの断面直径を最大としかつ排気ガスのフイ
ルタリングを実施するために必要な容積を与える
ようにフイルタの長さを延長してきた。これは、
DPF′Sの直径よりもより大きく、しばしば数倍
となる長さをDPF′Sに生じる結果となつた。

DPF′Sの使用可能な動作時間および（あるい
は）微粒子装荷能力を最大にし、コストを下げか
つ交換および（あるいは）再生に伴なう不便さを
少なくすることが好ましい。二つの特性は、フイ
ルタにより発生される背圧あるいはフイルタに許
される流速などの他の因子によつて制限される。
フイルタは、その注入口セルを形成する薄い壁へ
の粒子および微粒子の補捉中に増加するイニシヤ
ル圧力低下（汚染流体の上流とフイルタリングさ
れた流体の下流間の圧力差であつて介在するフイ
ルタの存在によつて生じる）を有する。同様にフ
イルタは、微粒子蓄積と共に減少するイニシヤル
流速を有する。使用にあたつて、両方の特性は、
フイルタが交換あるいは再生されねばならないと
き制御されることとなる。DPFの有用動作寿命
は、それが使用されるデイーゼルエンジンにより
維持される最大背圧により通常制御される。

DPF′Sおよび他の一方向流タイプのハニカム
フイルタは、種々の形状を備え、以後用語を「有
効径」および「有効長」とする。前者は、フイル
タのセルの中央長手方向軸を横断するフイルタの
断面領域に等しい円形領域の直径である。後者
は、横断方向の断面積と掛け算されたときフイル
タの容積となるような長さである。並列して動作
する多数のフイルタ（すなわち個々のフイルタの
複数個）の「有効径」は、この複数のフイルタの
横断方向の断面面積の和に等しい円形領域の直径
である。「有効長」は、また、複数のフイルタの
横断方向の断面積の集合と掛け算したときフイル
タの集合的な容積に等しくなるような長さであ
る。これに対して直列して動作する複数のフイル
タは、直列したフイルタの平均横方向断面積に等
しい円形領域を与える有効径を有し、かつ、平均
横断方向断面積と掛け算されたときフイルタの集
合容積に等しくなる有効長を有する。フイルタの
アスペクト比は、その有効径の有効長に対する比
（有効長／有効径）である。

なお、本明細書中において、装置の「動作時
間」とは、装置が所定の圧力低下を示すまでに要
する時間を意味し、「動作時間特性」とは、この
動作時間と所定の圧力低下時における微粒子装荷
能力とを含むものである。濾過装置の動作寿命は
圧力低下、動作時間、および所定の圧力低下時に
おける微粒子装荷能力によつて決まる。

この発明は、改良された微粒子フイルタリング
能力を有する新規な固体微粒子フイルタリング装
置の提供を目的とする。

さらにこの発明の目的は、動作時間の長い新規
な固体微粒子フイルタリング装置の提供にある。

さらにこの発明の目的は、使用中に形成される
圧力低下速度が低くおよび（あるいは）流速低下
の低い改良された固体微粒子フイルタリング装置
の提供にある。

さらにこの発明の目的は、新規なデイーゼルエ
ンジン用微粒子フイルタリング装置の提供にあ
る。

またこの発明の目的は、高いアスペクト比フイ
ルタリングを行なうデイーゼル用の微粒子フイル
タリング装置における熱クラジエントの大きさを
小さくすることにある。

この発明によれば、動作中に畜積される圧力低
下および（あるいは）流速の低下は、フイルタの
アスペクト比の逆数（有効長と有効径の比）に直
接比例し、与えられた構成および容積のフイルタ
ならびに薄い壁の表面積に対するアスペクト比
（有効径と有効長の比）を増加することによつて
使用中に蓄積される圧力低下速度および流速低下
は、これによつて小さくなり、さらに重要なこと
に、フイルタの微粒子装荷能力と有効な動作時間
は、圧力低下が最大に達しかつ流速が最小となる
ために、増加する。従つて、この発明は、有効径
と有効長の比を大きくするように並列させられた
複数の一方向流タイプフイルタエレメントを用い
た固体微粒子フイルタリング装置を特徴とするも
のである。この発明においては、個々のフイルタ
エレメントの有効長ｌをその有効径ｄより小さく
するとともに、複数のフイルタエレメントが集合
的に有する有効長Ｌをそれらが集合的に有する有
効径Ｄよりも小さくすることにより、濾過時の圧
力低下および流速低下を防止し、装置の濾過効率
を向上させるとともに、個々のフイルタエレメン
トが受けるストレスを低減し、装置の動作寿命を
増大させるという優れた作用効果が得られる。こ
の発明は、圧力の蓄積の小さな、微粒子フイルタ
リング能力を改良しかつ動作時間性能を高めたデ
イーゼルエンジン排気ガスのフイルタリング装置
について説明される。熱ストレスが直接、熱グラ
ジエントに関係しかつラジアル熱グラジエントの
可能性がフイルタ径の増加により増加するので、
均等なアスペクト比の単一フイルタの代りに高温
でのデイーゼルの排気ガスおよび他の流体のフイ
ルタリングのための複数のフイルタエレメントの
使用は、各エレメントが受ける熱ストレスを減少
させる。以下に説明される実施例においては、隔
壁によつて注入室と排出室に分割されるハウジン
グに取り付けられる複数のフイルタエレメントを
備える各装置か説明される。フイルタエレメント
の各々は、隔壁を横切つて配置され、その際その
注入面は注入室に入る汚染流体に曝され、その排
出面は排出室に接続されて、複数のエレメント
は、流体をフイルタリングするために並列して動
作する。

またこの発明の他の特徴として、装置の微粒子
フイルタリング能力および有効な動作寿命が、各
フイルタエレメントの有効長を上回る有効径を有
する複数のフイルタエレメントを設けることによ
り改良されることが挙げられる。

以下、添付の図面に示す実施例に従つてこの発
明を詳細に説明する。

第１図〜第３図は、フランジ１６において互い
にシール状態で嵌合している一対のシエル１２と
１４からなるハウジング１０を有するデイーゼル
エンジンの排気ガス中の固体微粒子フイルタリン
グ装置の実施例を示すものである。図示のハウジ
ング１０は、車輛１のシヤーシ２の下方に取付け
られ、車輛１内のデイーゼルエンジン３のマフラ
ーあるいは触媒コンバータの如きマニフオールド
４からの排気パイプあるいは導管に接続されてい
る。シエル１２と１４は、ハウジングの吸入口１
８と排出口２４を有している。吸入口１８は、デ
イーゼルエンジン３からハウジング１０に向けて
発生される矢印２２で示される排気ガスを、マニ
フオールド４と反対側においてパルプ５の端部に
熔接あるいはクランプの如き適当な手段によつて
接続されて受け入れる。排出口２４は、ハウジン
グ１０から大気中へ廃棄するように、矢印２８で
示されるフイルタリングされた排気ガスを移送す
るために排気システムの下流部分に同様の適当な
手段で嵌合せしめられる。この排気システムは、
接続パイプ６、大気に向つて開口するテイルパイ
プ８およびその間のマラフーとからなる。触媒コ
ンバータが、ハウジング１０内のフイルタエレメ
ント３０に設けられてもよくあるいは排気ガス流
中に別個のコンバータエレメントを設けてもよ
い。シエル１２および１４は、廃却可能な装置１
０のフランジ１６において固定的に結合され（例
えば、熔接、ろう付あるいはリベツトにより）て
もよくあるいは、ハウジング１０の分解および交
換またはフイルタの再生のためナツトとボルトま
たは他の取り外し可能な固定具（図示せず）によ
り分解可能に結合されてもよい。

第２図および第３図は、複数の一方向流のハニ
カム状フイルタエレメント３０を内蔵しかつこれ
を示しているハウジング１０の上面図と側方断面
図である。フイルタエレメント３０の各々は、エ
レメント３０の両端で注入面３４と排出面３６を
規制するマトリツクス状の相互に結合された薄い
壁３２によつて形成され、上記面３４と３６の間
で互いにほぼ平行に長手方向に各エレメント３０
を貫通する複数の中空通路あるいはセル３８によ
つて形成されている。セル３８の各々の一端ある
いは両端は、三つの図面の全てにおいて斜線で示
されるように、注入面３４あるいは排出面３６の
付近で閉じられている。エレメント３０の各々の
セル３８のグループは、注入面３４において開放
され、排出面３６付近で閉じられている注入セル
３８ａである。エレメント３０の各々のセル３８
の他のグループは、注入面３４において閉じられ
かつ排出面３６において開放されている排出セル
３８ｂである。滑らかな外壁３９が、薄い壁３２
を包囲しかつ端面３４および３６の間に位置して
いる。エレメント３０は、通常の構造を有し、セ
ル状の形状、配置および注入セルを多数有しおよ
び（あるいは）配置している。フイルタエレメン
ト３０は、多孔の材質から通常の方法で製造さ
れ、好ましくは押出され焼結されたコーデイエラ
イトセラミツク材から薄い壁によつて連通された
一体的な多孔構造に製造し、シエル端部を閉じる
コーデイエライトセメントプラグを備えるように
する。このフイルタエレメントは、1200℃付近の
温度の燃焼排気および他の流体に対して化学的お
よび機械的に安定しており、高温の流体をフイル
タリングするために使用できよう。1300℃を越え
る温度に安定しているフイルタエレメントを製造
することができる他のコーデイエライト物質の組
合せが、1981年８月24日に出願された米国特許出
願第295612号（米国特許第4455180号明細書）に
記載されている。

デイーゼルエンジンの微粒子フイルタリングの
ために、フイルタエレメントの薄い壁３２は、フ
イルタエレメントの容積を小さくしかつ熱衝撃の
問題をなくすために約0.06インチ（約1.5mm）を
下回ることが望ましい。コーデイエライトの薄い
壁は、約0.002インチ（約0.05mm）程度の厚さに
することができ、好ましくは約0.010〜0.030イン
チ（0.25〜0.76mm）の間の厚さである。開放され
た多孔の容積は、少なく共薄い壁の全体の容積の
25％であり、流体の流れに対する流体圧抵抗を小
さくするため40〜70％の間であることが好まし
い。この多孔は、約１〜60マイクロメータ（ミク
ロン）の平均直径を有する孔であり、用途に応じ
ては、10〜50ミクロンの範囲であることもある。
デイーゼルエンジン用の微粒子フイルタエレメン
トの横断方向のセル密度は、約10〜300セル／平
方インチ（約１〜46セル／cm）の範囲に及び、好
ましい多孔と壁面厚さに対しては約100〜200セ
ル／平方センチ（約15.5〜31セル／cm）が好まし
い。

ハウジング１０はさらに、エレメント３０を取
り付ける隔壁４０を備える。隔壁４０は、ハウジ
ング内部を注入室部分４２と排出室部分４４とに
分離し、注入室４２に入る汚染流体４２がフイル
タエレメントをバイパスすスすることを阻止して
いる。注入室４２はまた矢印２２ａで示す如く入
つてきた汚染流体２２の水平流（第１図および第
３図の水平方向）を導びくための手段として働
く。排出室４４は、同様の目的でエレメント３０
の排出面３６を垂直に出るフイルタリングされた
流体流を水平方向に転じてハウジング１０の排出
口２４へ導びくように働く。エレメント３０は、
注入面３４の各々が注入室４２内に位置するよう
に隔壁４０に取り付けられ、従つてエレメント３
０は、微粒子汚染されたガス２２を並列してフイ
ルタリングするように働く。排出面３６の各々も
同様に、排出室４４内に位置して、流体がハウジ
ング１０内で繰り返してフイルタリングされない
ようにする。マフラ触媒コンバータ、他のデイー
ゼル用微粒子フイルタおよび排気システムの構成
に用いられる通常の方法および材質が、上部シエ
ル１２、下部シエル１４および隔壁４０の製造お
よび結合に用いられ、隔壁４０内へのエレメント
の固定にも用いられ、さらに微粒子汚染ガス１６
の漏れを防ぐためのエレメント３０と隔壁４０の
間の全ての空間の閉鎖およびシーリングに用いら
れる。シエル１２，１４および隔壁４０は、金属
により構成され、隔壁４０は、熔接部４２、ろう
付けあるいは接合体により下方のシエル１４に固
定されて、ハウジング１０を二つの部屋４２Ａと
４４Ａに分割するようにシエル１４に対するコン
プレツシヨンシールを形成するものである。

複数のエレメント３０の有効断面積は、有効径
Ｄを有する円４６として第２図に鎖線で示されて
いる。円４６は、エレメント３０のセルの中心長
手方向軸４４を横切る複数のエレメント３０の断
面積の和と等しく、エレメント３０は、流体２２
を並列してフイルタリングする。複数のエレメン
ト３０の有効長Ｌが第３図に示されており、これ
は個々のエレメント３０の長さｌに等しく、これ
はこの実施例ではそうであるが必ずしも必要では
ない。複数のエレメント３０の有効長Ｌは、その
有効径Ｄを下回る。エレメント３０の有効長ｌ
は、その有効径ｄを下回つている。このようにｄ
＞ｌおよびＤ＞Ｌが満たされていることにより、
微粒子フイルタリング能力を増加せしめ、装置の
動作時間特性を改善している。この発明の大きな
利点は、注入室４２および排出室４４が、熱い排
気ガスの各エレメント３０の外壁３９周囲の循還
を可能にして、各エレメント内での熱的グラデイ
エントの発生を最小にするところにある。数個の
フイルタエレメントを並列に配置して使用するこ
ととあいまつて上述の要因は、熱衝撃と高い温度
での動作によるフイルタエレメントの損傷を大幅
に減少させると共に、高いアスペクト比のフイル
タリングシステムを提供することになる。

第１図〜第３図に示す装置は、第１図の如く取
り付けられるべきものであり、その際デイーゼル
エンジン３は、直径ｄをもつて水平面に配列され
たフイルタエレメント３０と共にこの水平面に取
り付けられ、車輛１下方のハウジング１０の高さ
を小さくしている。エレメント３０は、その数、
大きさおよび形状を変更可能でエレメント３０の
配置は、加えられた空間的な制限に対してハウジ
ング１０に順応するように図示のものとは異なる
ようにすることができる。さらに吸入口１８と排
出口２４は、互いにほぼ平行である必要はなく、
もし他の構成が装置の収容のために有効であるな
らば、第１図〜第３図に示す如くエレメント３０
のセル３８の中央長手軸に垂直である必要もな
い。

第４図は、デイーゼルエンジンの直下に取付け
られるハウジング５０の実施例を示すものであ
る。矢印５２で示される排気ガスは、鎖線で示す
上流パイプ５′、吸入口５４へと方へ流れ、吸入
口５４を介してハウジング５０を注入室５８と排
出室６０に分割している隔壁５７（破線）を貫通
する複数の一方向流タイプフイルタエレメント５
６に流れる。矢印６２で示されるフイルタリング
された排気ガスは、ハウジング５０から排出口６
４を介して鎖線で示す下流パイプ６′、さらに残
りの排気システムと流れ込む。

排出室６０は、排気ガスの運動を垂直方向から
水平方向へと変えるように働く。

この発明のいくつかの実施例について以上説明
して来たが、さらに他の実施例およびその変形例
についても示唆を行なつた。また構造、構成およ
び（あるいは）配置に関してこの発明の技術思想
を逸脱することなく他の変形を行なうことも可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第１ａ図、第２図および第３図は並列
して作用する複数の独立した一方向流タイプのハ
ニカムフイルタエレメントを備えるフイルタ装置
の実施例の斜視図、上方からの断面図および側方
からの断面図を示し、第４図は、この発明による
装置の他の実施例の説明図である。 １…車輛、２…シヤーシ、３…デイーゼルエン
ジン、４…マニフオールド、５…排気パイプ、
５′…上流パイプ、１０…ハウジング、１２，１
４…シエル、１８…吸入口、２２…流体、２４…
排出口、３０…フイルタエレメント、３２…薄い
壁、３４…注入面、３６…排出面、３８…セル、
３９…外壁、４０…隔壁、４２…注入室、４４…
排出室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 排気源と排出点間に配置され固体微粒子で汚
   染された流体を移送する手段中にあつてフイルタ
   リングを行なう装置において、前記排気源から導
   かれる前記移送手段の上流部分に接続される吸入
   口と前記排出点に接続する前記移送手段の下流部
   分に接続される排出口とを有するハウジングと、
   ハウジング内に位置せしめられ、その各々が注入
   面とこれに対向する排出面を規制する相互に結合
   された複数の薄い壁によつて形成されるとともに
   互いにほぼ平行でありかつ上記両面間に長手方向
   に位置する複数のセルによつて形成される複数の
   フイルタエレメントであつて、前記セルの吸入口
   グループは前記注入面の位置で開口しかつ前記排
   出面付近で閉鎖され、前記セルの排出口グループ
   は、前記排出面の位置で開口しかつ前記注入面付
   近で閉鎖され、前記薄い壁は少なくともその小さ
   な寸法を流体が通過できかついかなる方向へも固
   体微粒子の少なくとも重要な部分が通過しないよ
   うな容積と大きさの開放された多孔を有するよう
   にしたフイルタエレメントからなり、複数の前記
   フイルタエレメントが有効径Ｄとこの有効径を下
   回る有効長Ｌを集合的に有しており、前記フイル
   タエレメントの各々が有効径ｄとこの有効径を下
   回る有効長ｌを有しており、 前記フイルタエレメントは、その前記注入面が
   前記移送手段の上流部分から前記ハウジングに導
   かれる汚染流体に向けられるように前記ハウジン
   グ内に位置せしめられて、前記フイルタエレメン
   トは前記流体をフイルタリングするように並列し
   て作用するようにした固体微粒子フイルタリング
   装置。 ２ 前記フイルタがセラミツク材から作られてい
   る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 前記流体が、高い温度において前記装置を通
   過する特許請求の範囲第２項記載の装置。 ４ 前記流体が、デイーゼルエンジンの排気ガス
   である特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５ 開口した前記多孔が、前記薄い壁の容積の約
   25％を越え、１ミクロンを越える平均直径を有す
   る多数の孔によつて形成されている特許請求の範
   囲第４項記載の装置。 ６ 流体から固体微粒子をフイルタリングする方
   法において、有効径ｄとこの有効径を下回る有効
   長ｌを有する各フイルタエレメントからなり、集
   合的に有効径Ｄとこの有効径を下回る有効長Ｌを
   有する複数のフイルタエレメントを用意し、その
   際エレメントの各々が注入面とこれに対向する排
   出面を規制する相互に結合された複数の薄い壁お
   よび前記注入面と排出面間の複数の注入セルと排
   出セルとによつて形成されるようにし、前記薄い
   壁は相接するセル間における薄い壁の少なくとも
   小さな寸法を流体が通過できかついかなる方向へ
   も排気ガス中の固体微粒子の少なくとも重要な部
   分が通過しないような容積と大きさの開放された
   多孔を有するものとし、汚染流体を移送する手段
   を隔壁により上流部分と下流部分に分割し、前記
   注入面は前記移送手段の上流部分とおよび前記排
   出面はその下流部分と接続するように前記隔壁を
   貫通して前記複数のフイルタエレメントを位置決
   めし、前記流体が前記移送手段と複数のフイルタ
   を通過するようにすることからなるフイルタリン
   グ方法。