(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスが通過する非磁性材料のパイプと、該パイプに巻かれたコイルと、前記パイプ内に収納され前記コイルによる電磁誘導で加熱される金属フィルターとを備え、該金属フィルターはガスの通過方向に沿って規則的に配列された多数の部材からなり、該部材が互いに電気的に結合され、フィルター断面の全体において渦電流が発生して加熱されるように形成され、排ガス中の可燃微粒子を加熱されたフィルターに接触させて燃焼させるようにした排ガス中の微粒子低減装置。
【請求項２】
前記フィルターの前記部材は、前記パイプの軸方向に延在する板又小径パイプで構成されている請求項１記載の微粒子低減装置。
【請求項３】
前記フィルターの前記部材の電気的結合は、前記部材同士の溶接又は金属ロー付けにより行われる請求項１記載の微粒子低減装置。
【請求項４】
請求項１記載の微粒子低減装置の下流に、排ガス中の微量金属粒子を除去する金属除去装置を配設した微粒子低減装置。
【請求項５】
請求項１記載の微粒子低減装置の下流に、排ガス中の凝縮成分を除去する凝縮器を配設した微粒子低減装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車や船舶等のディーゼルエンジン又はボイラから排出される微粒子のうち可燃微粒子を効率よく燃焼させて、排ガス中の微粒子を低減することができる排ガス中の微粒子低減装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼルエンジンやボイラから排出される微粒子が、環境悪化の原因として問題になっている。その対策として、微粒子をフィルターで捕捉し、捕捉された微粒子を燃焼させる微粒子低減装置が検討されるようになった。
【０００３】
ところで、捕捉された微粒子を燃焼させる方式としては、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｍ．Ｅ．Ｓ．Ｊ．，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．８，ｐｐ．５７０〜５７５に開示されるように電気ヒータを使う方式が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気ヒータによる加熱燃焼では、ヒータの耐久性や信頼性において問題があり実用化には至っていなかった。なお、燃料の気化という分野では、燃料が通過する部分に、金網、鉄くず、発砲金属の如き多孔質磁性材料を配設し、この多孔質磁性材料を電磁誘導で加熱するという加熱装置が提案されている。（特開昭５５−８２２１０号、特開昭６１−３８３１８号、特開昭６４−５８９０６号公報参照）。このような多孔質磁性材料に対して燃料の代わりに排気ガスを通すことも考えられなくはないが、多孔質磁性材料を通過する際の圧力損失が大きく、多孔質磁性材料の断面方向の温度ムラも大きく、実用的なものになりえない。
【０００５】
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、電磁誘導によって金属フィルターを加熱し、排ガス中の可燃性微粒子を効率的に燃焼させることができる排ガス中の微粒子低減装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決する本発明の排ガス中の微粒子低減装置は、排ガスが通過する非磁性材料のパイプと、該パイプに巻かれたコイルと、前記パイプ内に収納され前記コイルによる電磁誘導で加熱される金属フィルターとを備え、該金属フィルターはガスの通過方向に沿って規則的に配列された多数の部材からなり、該部材が互いに電気的に結合され、フィルター断面の全体において渦電流が発生して加熱されるように形成され、排ガス中の可燃微粒子を加熱されたフィルターに接触させて燃焼させるようにしたものである。前記フィルターの前記部材は、前記パイプの軸方向に延在する板又小径パイプで構成されているものが好ましく、前記フィルターの前記部材の電気的結合は、前記部材同士の溶接又は金属ロー付によるものが好ましい。
【０００７】
そして、前記微粒子低減装置の下流に、排ガス中の微量金属粒子を除去する金属除去装置や、排ガス中の凝縮成分を除去する凝縮器を配設したシステムにすることもできる。
【０００８】
【作用】
ガスの通過方向に沿って規則的に配列された多数の部材であるため、圧力損失が少ないわりに、排ガス中の微粒子が部材の壁に接触する機会が増やせる。この多数の部材は互いに電気的に結合されて断面全体が加熱されるため、所定の温度によって可燃性微粒子を断面方向のムラがないように燃焼させうる。
【０００９】
可燃性微粒子を燃焼させた後の排ガスを金属除去装置に通すと、微量金属粒子が除去される。また、可燃性微粒子を燃焼させた後の排ガスを凝縮器に通すと、排ガス中の凝縮成分も除去される。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。図１は微粒子低減装置の機器構成図であり、図２は金属フィルターの断面図である。
【００１１】
図１において、微粒子低減装置１は、エンジン等の排ガス発生装置２の煙突部分３に取り付けられる。排ガス発生装置２からの高温・高圧の排ガスに近い部分に微粒子低減装置１を取り付けると、エネルギー効率が高くなり、特別のブロアー等が必要なく好都合である。
【００１２】
この微粒子低減装置１は、パイプ１１と、コイル１２と、金属フィルター１３と、インバータ１４とからなっている。
【００１３】
パイプ１１はセラミックの如く非磁性体であって耐熱性と耐腐食性に優れた材質で形成されたものである。普通は丸形であるが、楕円断面のパイプ又は四角断面のパイプであってもよい。このパイプ１１の内に金属フィルター１３が収納されており、パイプ１１の外周であって金属フィルター１３が収納された部分に、コイル１２が巻かれている。
【００１４】
コイル１２はリッツ線を撚り合わせたものが用いられる。このコイル１２に高周波電流を供給するためのインバータ１４が接続されている。
【００１５】
金属フィルター１３の材質は、電磁誘導が生じやすい程度の透磁率を有し、排ガスに対する耐蝕性を兼ね備えたものである。このような材料としては、マルテンサイト系ステンレス、ニッケル合金、クロム合金等がある。
【００１６】
つぎに、金属フィルター１３の構造を図２により説明する。図２には３種類のものが図示されているが、いずれのフィルターもパイプ１１の軸方向に延びる板部材又は小径パイプ部材の多数を規則的に配列したものであり、これらの板部材又は小径パイプ部材は電気的導通が可能なように溶接又は金属ろー付けで接合されている。
【００１７】
図２（ａ）のものは横板部材２１と縦板部材２２とを格子状に組み上げ、各板部材２１，２２同士を溶接又は金属ろー付けで接合したものである。図２（ｂ）のものは板部材２３を平行且つ等間隔に列設し、各板部材２３同士を要所に配設されたバー２４で貫き、形状保持と板部材間の電気的導通を確保したものである。図２（ｃ）のものは小径パイプ２５を密に束ねて溶接又は金属ろー付けで接合したものであり、小径パイプ２５内の空間及び小径パイプ２５間の空間を排ガス通路にしたものである。
【００１８】
このように、金属フィルターの断面が板部材又は小径パイプ部材を規則正しく組み上げ、これら部材が電気的に独立することなく、特に半径方向に導通しやすい構造にすると、電磁誘導による渦電流の発生が金属フィルターの断面の略全域にわたって生じ、断面での発熱ムラが少なくなる。また、板部材又は小径パイプ部材は軸方向に延在しているため、排ガスは、板部材又は小径パイプ部材で区切られた小さなセグメントに沿って軸方向に流れる。その結果、排ガスの圧力損失が少ない割に、板部材又は小径パイプ部材で区切られた小さくて細長いセグメントの壁に排ガス中に含まれる微粒子が接触する可能性が大きくなる。
【００１９】
つぎに、インバータ１４の構造例を図３により説明する。図３のインバータ１４は、４個の主スイッチＳ１〜Ｓ４を順次切り換えて正逆の電流を生じさせるものである。この主スイッチＳ１〜Ｓ４には、ＩＧＢＴ，Ｂ−ＳＩＴ，ＭＯＳＦＥＴ等の半導体デバイスによる自己消弧型スイッチが用いられる。
【００２０】
特に図３の回路は、ソフトスイッチングが可能なように、主スイッチＳ１，Ｓ２に逆並列にダイオードＤｐ１，Ｄｐ２を接続し、このダイオードＤｐ１，Ｄｐ２に小リアクトルＬ１，Ｌ２をそれぞれ接続し、主スイッチＳ３，Ｓ４には逆並列ダイオードを接続せず、直列にそれぞれ逆電流防止、逆耐圧用のダイオードＤｓ３，Ｄｓ４を接続して構成したものである。なお、Ｅｄは商用電源、整流部及び非平滑フィルタ等からなる電源部である。また、主スイッチＳ１，Ｓ４の中間と主スイッチＳ２，Ｓ３の中間に接続される金属フィルター１３は、漏れインダクタンスの大きいトランス回路モデルに近似でき、ＬｏとＲｏからなる単純なＲ−Ｌ回路で表示できる。このＲ−Ｌ回路に補償コンデンサＣｏを直列に接続すると、電気回路定数が殆ど変化しない不時変回路系になる。
【００２１】
図４（ａ）（ｂ）の波形図において、ｉ１，ｉ２波形に示されるように、Ｄｐ１，Ｄｐ２が導通している（ｉ１＝ｉ２＜０）時点で、Ｓ３，Ｓ４をトリガーしてターンオンすると、Ｄｐ１，Ｄｐ２を流れていた電流は、Ｌ１，Ｌ２の作用により急激に零にならず、ある傾きをもって減少する。それと同時に、Ｓ３，Ｓ４のターンオンによる電流ｉ３，ｉ４も、Ｌｏを流れる電流ｉ０＝ｉ１−ｉ４が急変できないため、零からある傾きをもって増加する。
【００２２】
すなわち、Ｄｐ１，Ｄｐ２ターンオフにおけるＺＣＳ動作と、Ｓ３，Ｓ４ターンオンにおけるＺＣＳ（Ｚｅｒｏ，Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作とが実現する。ターンオンしたＳ３，Ｓ４の電流は、共振によりｉ３＝ｉ４＝０になると、自然にＺＣＳ動作によりターンオフする。また、Ｓ１，Ｓ２は、ｔ＝０においてトリガするとｉ１＝ｉ２＝０から立ち上がり、ＺＣＳ動作をする。このように余分なアクティブスイッチを付加することなく、全てのスイッチがソフトスイッチングとしてのＺＣＳ動作を実現することができる。
【００２３】
さらに、図４（ａ）に対する図４（ｂ）のように、Ｓ１，Ｓ２とＳ３，Ｓ４のトリガする時間遅れｔｄ（位相差）を変化させると、Ｄｐ１，Ｄｐ２を流れる電流（回生電流）の大きさを制御することができ、その結果入力電流ｉｄひいては入出力電力を調整できる。すなわち、出力周波数を変化して、入出力電力を制御する方法に対して、一定周波数で、入出力電力を制御できることを意味し、しかも、高周波特有のサージ電圧やスイッチィング損失をＺＣＳ動作によって解決している。
【００２４】
なお、上述したソフトスイッチングが可能なインバータに限らず、電圧型直列付加共振フルブリッジによる位相シフトＰＷＭ方式や、アクティブＰＡＭ整流回路や高周波トランジスタチョッパによる電流電源制御（ＰＡＭ方式）や可変周波数制御（ＰＦＭ方式）やパルスサイクル制御によるパルス密度変調制御（ＰＤＭ方式）やこれらの各種方式にソフトスイッチング促進用補助回路を備えたものが使用できる。
【００２５】
上述した各機器を備えた図１の微粒子低減装置１においては、インバータ１４によって高周波（１０〜１００ＫＨｚ）を励磁コイルとしてのコイル１２に印加すると、高周波磁束が金属フィルター１３を貫通することになる。すると、金属フィルター１３を構成する部材の表面に起電力が発生し、その結果渦電流が流れる。この渦電流が金属フィルター１３の断面の全体に略均一又は中心部が周辺部より多く生じ、金属フィルター１３の部材の表面が非接触加熱され、６００°Ｃ以上、好ましくは６５０°Ｃ以上の高温になる。
【００２６】
この金属フィルター１３の各部材に沿って排ガス通路が形成され、排ガスが各部材で区画された軸方向に細長いセグメントを通過する。その際、排ガス中に含まれる可燃性微粒子が各部材の壁に接触して瞬時に燃焼し、低減される。なお、排ガスの微粒子中には、有機化合物のような可燃性のものだけではなく、微量金属等の不燃焼物が含まれるが、この不燃焼物はそのまま通過して排出されるため、微粒子が完全に除去されるわけではない。
【００２７】
そのため、図５に示されるように、本発明の微粒子低減装置１の下流に、金属除去装置としての液体槽４を配設し、排ガス中の微量金属粒子を沈殿させて、微粒子のほぼ全部を除去する微粒子低減装置又は微粒子低減システムにすることもできる。また、排ガス中の除去成分が凝縮可能な成分で構成される場合には、図６に示されるように、本発明の微粒子低減装置１の下流に、凝縮器５を配設し、濃縮された除去成分を取り出す微粒子低減装置又は微粒子低減システムにすることもできる。この際、除去成分の一部を微粒子低減装置１の上流に戻す循環サイクルにして除去成分の濃度を上げて、除去を促進することもできる。
【００２８】
さらに、微粒子低減装置１の金属フィルターの材質を触媒金属を含有又は付属させたものにすると、排ガスの特性成分（例えばＮＯｘ）を加熱反応によって無害化することも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は、６００°Ｃ以上まで電磁誘導によって非接触加熱された金属フィルター内に、排ガスを通過させるものである。そのため、排ガス中の可燃性微粒子は金属フィルターを構成する部材に接触して瞬時に燃焼して除去される。金属フィルターの構造がガスの通過方向に沿って規則的に配列された多数の部材からなり、該部材が互いに電気的に結合され、フィルター断面の全体で発熱する構造であるため、局所加熱が少なく、必要以上に金属フィルターを加熱することなく、効率良く可燃性微粒子を燃焼させることができる。また、本発明の微粒子低減装置の下流側に金属除去装置や凝縮器を配設すると、排ガス中の微量金属粒子や凝縮成分まで除去かれ、排ガスのクリーン度がよりアップする。
【図面の簡単な説明】
【図１】微粒子低減装置の機器構成図である。
【図２】金属フィルターの断面図である。
【図３】インバータの回路図である。
【図４】インバータの波形図である。
【図５】他の微粒子低減装置のシステム図である。
【図６】更に他の微粒子低減装置のシステム図である。
【符号の説明】
１  微粒子低減装置
２  排ガス発生装置
３  煙突
４  流体槽（金属除去装置）
５  凝縮器
１１  パイプ
１２  コイル
１３  金属フィルター
１４  インバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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