(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルチャンネルを形成する多数の多孔質セラミック壁を備え、前記セルチャンネルのうちの少なくとも一部が施栓されてなるセラミック壁流通式フィルタにおいて、
ＷＰがＷＰ＝Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤにて定義される比であり、ＭＰＤが前記多孔質セラミック壁におけるμｍで表される気孔径中央値であり、Ｔｗａｌｌが前記壁のμｍで表される厚さである場合に、
前記多孔質セラミック壁が、
１０２μｍ≦Ｔｗａｌｌ＜２５４μｍ
１０＜ＷＰ＜２０
を示し、
前記セルチャンネルの入力平均断面積（Ａｉ）が、前記セルチャンネルの出力平均断面積（Ａｏ）より大きいことを特徴とするセラミック壁流通式フィルタ。
【請求項２】
出力流体力学的平均直径に対する入力流体力学的平均直径の比（Ｄｈ）がＤｈ＞１．２であり、
Ｄｈｉが前記セルチャンネルの入力流体力学的平均直径であり、Ｄｈｏが前記セルチャンネルの出力流体力学的平均直径であり、Ａｉが前記セルチャンネルの入力平均断面積であり、Ａｏが前記セルチャンネルの出力平均断面積であり、Ｐｉが前記セルチャンネルの入力断面における周囲の平均長さであり、Ｐｏが前記セルチャンネルの出力断面における周囲の平均長さである場合に、
Ｄｈ＝Ｄｈｉ／Ｄｈｏ
Ｄｈｉ＝４Ａｉ／Ｐｉ
Ｄｈｏ＝４Ａｏ／Ｐｏ
で定義されることを特徴とする請求項１記載のセラミック壁流通式フィルタ。
【請求項３】
さらに、１．２＜Ｄｈ＜１．６であることを特徴とする請求項２記載のセラミック壁流通式フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質セラミック製の壁流通式フィルタに関し、特に薄い多孔質セラミック壁を備えた壁流通式フィルタ関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル微粒子フィルタは従来から知られており、これらの実例が特許文献１〜特許文献４に記載されている。現在、これらのディーゼル微粒子フィルタ（壁流通式フィルタ、ディーゼル微粒子トラップ、ハニカム・フィルタまたは排気フィルタとも呼ばれる）は、ディーゼル排気流から煤微粒子を取り除くための厚さが１２〜３０ミル（３０５〜７６２μｍ）の多孔質セラミック壁の網状組織を備えたものとして製造されて来た。これらの多孔質セラミック壁は、一体に相互結合されて、一般に例えば正方形、円形、長方形、三角形、八角形、六角形またはこれらの組合せの断面形状を有する多数のガス誘導セルチャンネルからなるマトリクスを形成している。セラミック・セルチャンネルからなるマトリクスの外側領域は外皮によって囲まれて、例えば円筒形の一体構造体を形成しているが、用途に応じた如何なる断面形状を有していてもよい。
【０００３】
このような壁流通過式ディーゼル微粒子フィルタは、排気ガスを受容するための入口端と、濾過された後のガスを排出するための出口端とを有する。セルチャンネルは、細長いかつ入口端と出口端との間に延びる多数の多孔質セラミック壁によって画成されている。多孔質セラミック壁は一般に、約１０〜４００セル／平方インチ(cpsi)（１．５〜６２／ｃｍ２）のセル密度（ＣＤ）を有するハニカム構造を画成している。ガスを導く多数のセルチャンネルによって画成されたセルは、全ての入力チャンネルが出口において施栓され、かつ全ての出力チャンネルが入口において施栓されている態様で、各端部が例えば「市松模様」模様に施栓されている。このような施栓構造により、ディーゼル排気ガスは強制的に多孔質セラミック壁を通過して流れ、これにより、ディーゼルエンジンの排気中に含まれる煤微粒子が取り除かれ、それ故に「壁流通式（wall flow）」と呼ばれる。
【０００４】
動作時には、排気ガス中の煤微粒子は入力チャンネルの壁面上または壁の気孔内に捕捉される。セルを形成するセラミック壁の、ガスが入力される側に煤微粒子が蓄積されるので、フィルタを通じた圧力低下（煤負荷による背圧）が増大する。用途によっては、煤の蓄積によるフィルタの圧力低下が許容不可能な程高まるために、フィルタは加熱により再生されなければならない。それ故に、セルは一般的に、蓄積された煤微粒子を除去して灰に転化するように計画された「焼切りサイクル」が開始される条件に周期的に曝される。この加熱再生サイクルが完了すると、フィルタは修復されて、低い背圧レベルまで実質的に回復する。別の用途では、動作中に煤が連続的に灰に転化されるように、かなりの量の受動再生が行なわれる。何れの場合も、灰の管理が重要な配慮事項である。
【０００５】
実用的な用途に関し、フィルタの目標は、いくつかの重要な性能基準を達成することにある。最も重要なことは、圧力低下が比較的低く、かつ濾過効率が比較的高いことである。さらに、比較的高い強度ならびに熱的および機械的耐性を有することも重要な配慮事項である。ディーゼル微粒子フィルタのマトリクスの芯部分にあるセラミック壁は、焼切りサイクル時に極めて高い温度（８００℃を超える）に加熱され、その一方で、外皮はずっと低い温度に加熱されるに過ぎないので、例えば熱的耐性は重要である。マトリクス芯部分と外皮との間の温度差（５００℃を超える場合もある）により、フィルタ内にはかなりの温度勾配が発生する。これらの温度勾配は、微粒子フィルタ内に有害な熱応力を発生させる。フィルタは、濾過動作中にセラミック壁に加えられる圧力のみでなく、製造時および取付け時にも機械的応力に曝されるので、機械的耐性を有することも望ましい。エンジンの出力低下の原因となるような排気ガスの排出効率への干渉を最少にするために、圧力低下は少ないことが望ましい。さらに、用途によっては、排気ガスからの微粒子物質の十分な初期除去を達成するために、初期濾過効率は比較的高いことが望ましい。受動再生の大きなパーセンテージ部分が動作時に行なわれるフィルタにおいては、このことは特に望ましい。これらの組合せを達成し得るフィルタは極めて得にくいことが判明している。そして、現在の市販のフィルタは、許容し得る組合せ性能を備えてはいるが、上述で特定された優れた組合せ性能を達成してはいない。
【０００６】
圧力低下を少なくするための一つも簡単な対策は、排気系に用いられる所定の容積を有するフィルタのセルを形成するセラミック壁の厚さを薄くすることである。このような薄い壁は、セラミック壁を通過する排気ガスの流れに対して、より低い抵抗しか示さない筈である。しかしながら、セラミックフィルタ技術における過去の教示によれば、１２ミル（３０５μｍ）よりも薄いセラミック壁を備えたディーゼル微粒子フィルタを提供することによって得られる圧力低下に関する利点よりも、機械的強度の低下および初期濾過効率の低下という欠点の組合せの方が上回るであろう。これに加えて、このような薄い壁は、動作時の圧力低下を容認できる低い値に維持するために、蓄積された煤を除去するための、燃料を消費する焼切りサイクルの頻度が高くなる傾向があるのみでなく、焼切りサイクル中に高い温度および高い温度勾配を招来し得る低い嵩熱容量をも有することになる。このことは、特にコージェライト・セラミック材料において事実である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４,３２９,１６２号明細書
【特許文献２】米国特許第４,４２０,３１６号明細書
【特許文献３】米国特許第４,４１６,６７６号明細書
【特許文献４】米国特許第６,２０６,９４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、初期濾過効率は比較的高く、圧力低下は比較的低く保つことができる壁流通式フィルタは製作が困難であることが判明している。さらに、十分な機械的強度および／または十分な嵩熱容量と組み合わせて、比較的高い初期濾過効率および比較的低い圧力低下という複合特性を得ることは、言うまでもなくさらに製作が困難なことが判明している。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
総括して言えば、多孔質セラミックからなる壁流通式フィルタが開示されている。このようなフィルタは、例えば、特に微粒子フィルタとして有用であり、ディーゼル排気の濾過等のエンジン排気濾過の用途に用いられる。ここに開示されているフィルタによって達成される卓越した効果の一つは、過去のフィルタ構造と比較して、より小さい容積内に多孔質セラミックからなる壁流通式フィルタを組み込むことが可能なことである。このことは、排気後処理システムの性能向上（装備の改良）にとって特に重要である。例えば、性能が向上されたシステムは、微粒子状煤の濾過に加えてＮｏｘ処理が必要になる。このような性能向上の場合には、Ｎｏｘ除去対策のために、同じスペース内に追加のセラミック基体部品を収容することが必要になる。したがって、一つの広範な効果において本発明は、極めて小型のフィルタ（容積または長さにおいて）が可能になることである。また、本発明によれば、このような付加的な後処理部品を収容するための余分なスペースを設けることが可能になる。さらに本発明は、別の広範な効果によれば、従来は達成不可能であった、初期濾過効率（ＦＥ０）とクリーン時の圧力低下（ΔＰｃ）とを組み合わせることが可能になった。
【００１０】
それ故に、本発明に実施の形態によれば、少なくとも一部のセルチャンネルが施栓された多数のセルチャンネルを形成する複数の多孔質セラミック壁を備えたセラミック壁流通式フィルタが提供され、その場合に、上記壁は、４．０ミル以上（≧１０２μｍ）以上でかつ１１．０ミル未満（＜２７９μｍ）の厚さ（Ｔｗａｌｌ）を有し、かつこの多孔質の壁は、ＷＰ＝Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤとして定義されるＷＰ比が１０を超える気孔径中央値（ＭＰＤ）を有する。十分に低い背圧を確保するために、比Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤは、４０未満、３５未満、３０未満、２５未満、または２０未満でもあり得る。壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）に比較して、比核的小さいＭＰＤは、より薄いセラミック壁の使用を可能にし、かつ意外にも同じ初期濾過効率（ＦＥ０）を保ちながら、より厚い壁よりも低い流動抵抗を示す。特に、３０％を超える、３５％を超える、４０％を超える、５０％を超える、または６０％さえも超える初期濾過効率（ＦＥ０）が本発明により達成される。いくつかの実施の形態においては、７０％を超える、８０％を超える、または９０％さえも超える初期濾過効率（ＦＥ０）が達成される。より薄い壁はまた、ガスを導くセルの断面積を増大させ、さらに流動抵抗を減少させる。さらに、より薄い壁は、煤の除去が必要になる以前に、より多量の煤の蓄積を可能にする。このことは、燃料を消費する焼切りサイクル（能動的再生の場合）の頻度を低減する。この態様に、出力チャンネルよりも入力チャンネルの方が平均断面積が大きいという付加的な特徴を組み合わせると、フィルタ全体のサイズ（長さおよび／または容積）のさらなる縮小が可能になる。
【００１１】
さらに詳細に説明すると、ここに記載されている実施の形態によれば、上記フィルタは入口端および出口端と、ガスを導く多数のセルを画成する多孔質セラミック壁からなる網状組織を備えている。これらのセルは、例えば１００〜４００セル／平方インチ（cpsi）（１５〜６０セル／ｃｍ２）の、または１５０〜３００セル／平方インチ（２３〜４６セル／ｃｍ２）のセル密度（ＣＤ）を有し得る。これらのセルチャンネルのそれぞれは、入力セルチャンネルまたは出力セルチャンネルとして構成され、これらのセルチャンネルのうちの少なくとも一部は施栓されており、その結果、セルチャンネル（入力セルチャンネル）の施栓されていない入口端から入力されたガス流が、施栓されていない出口端（出力セルチャンネル）を出る以前に強制的に多孔質セラミック壁を通過せしめられる。施栓されるセルは、市松模様等の反復パターンをもって施栓される。
【００１２】
上記フィルタの多孔質セラミック壁の強度は、１インチ×1/2インチ×４ 1/2インチ（２．５４ｃｍ×１．２７ｃｍ×１１．４３ｃｍ）の多セルサンプル上で４点曲げ試験により測定された破壊強度係数によって測定された場合に、１５０psi（１ＭＰａ）以上である。随意的に、ＣＦＡＲが閉鎖正面面積比である場合に、強度はＮＳ＝ＭＯＲ／ＣＦＡＲで定義される標準化された強度（ＮＳ）によって特徴付けられる。複数の実施の形態においては、ＮＳが１０００psi（６．９ＭＰａ）以上、１１００psi（７．６ＭＰａ）以上、１５００psi（１０．４ＭＰａ）以上、または２０００psi（１３．８ＭＰａ）以上を示した。さらなる実施の形態によれば、セラミック壁が、例えばコージェライトおよびチタン酸アルミニウムからなる群のうちの一つから形成される。しかしながら、ＳｉＣ等の他の適当な任意のセラミック材料から製造されてもよい。壁の総気孔率（％Ｐ）は、容積％で％Ｐ≧３０％、％Ｐ≧４０％、３０％≦％Ｐ≦８０％、３５％≦％Ｐ≦７５％、または、４０％≦％Ｐ≦６０％である。特に効果的な組合せは、１０２μｍ≦Ｔｗａｌｌ≦１５２μｍと１０＜ＷＰ＜３０、１５２μｍ≦Ｔｗａｌｌ＜２２９μｍと１２＜ＷＰ＜３６、および２２９μｍ≦Ｔｗａｌｌ＜２７９μｍと１５＜ＷＰ＜４２である。
【００１３】
さらなる実施の形態によれば、セラミック・ディーゼル微粒子壁流通式フィルタは、複数のセルチャンネルを画成する多数の多孔質セラミック壁を備えており、少なくとも一部のチャンネルが施栓されており、このフィルタは、
１０２μｍ≦Ｔｗａｌｌ＜２７９μｍ
４μｍ≦ＭＰＤ≦１８μｍ
３５％≦％Ｐ≦６５％、かつ
１０＜（Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤ）＜３５
ここで、Ｔｗａｌｌは壁の厚さ（μｍ）、ＭＰＤは壁内の気孔の気孔径中央値（μｍ）、％Ｐは壁の総気孔率（容積％）である。
【００１４】
さらに別の実施の形態によれば、および他の広範な態様において、セラミック・ディーゼル微粒子壁流通式フィルタは、複数のセルチャンネルを画成する多数の多孔質セラミック壁を備えており、少なくとも一部のチャンネルが施栓されており、このフィルタは、
１７８μｍ≦Ｔｗａｌｌ＜２７９μｍ
４μｍ≦ＭＰＤ≦１８μｍ
３５％≦％Ｐ≦７５％
１０＜（Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤ）＜３５
Ａｉ／Ａｏ＞１．２、かつ
１５０セル／平方インチ≦ＣＤ≦３００セル／平方インチ
（２３セル／ｃｍ２≦ＣＤ≦４６セル／ｃｍ２）
ここで、Ｔｗａｌｌは壁の厚さ（μｍ）、ＭＰＤは壁内の気孔の気孔径中央値（μｍ）、％Ｐは壁の総気孔率（容積％）、Ａｉは入力セルの断面積、Ａｏは出力セルの断面積、ＣＤはセル密度である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】セラミック壁流通式フィルタの斜視図である。
【図２】図１に示されたフィルタの２−２線に沿った部分的断面の斜視図である。
【図３】図２に示された排気フィルタの３−３線に沿った拡大部分的断面図である。
【図４】図３における仮想円で囲まれた多孔質の壁の一部の拡大図である。
【図５】種々のセル密度および壁の厚さを有するフィルタに関する煤負荷量（グラム／リットル）の関数としての、一定の圧力低下を維持するのに必要なフィルタ容積（リットル）を示すグラフである。
【図６】セル密度と壁の厚さの種々の組合せを有するフィルタに関する煤負荷量（グラム／リットル）の関数としてのフィルタの長さ（インチ）を示すグラフである。
【図７Ａ】標準的な壁を備えた微粒子フィルタと、非対称セル技術（ＡＣＴ）を採用した微粒子フィルタとのセル構造の各半体を示す写真である。
【図７Ｂ】標準的な壁を備えた微粒子フィルタと、非対称セル技術（ＡＣＴ）を採用した微粒子フィルタとのセル構造の各半体を示す写真である。
【図８】薄壁を有する壁流通式フィルタを含むシステム環境を示す概略図である。
【図９】種々の壁の厚さと気孔径中央値の組合せに関するフィルタのクリーン時の圧力低下量（ｋＰａ）に対する初期濾過効率（ＦＥ０％）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態において、全図を通じて類似の要素には類似の符号が付されている図１および図２を参照すると、この形式の微粒子フィルタ１は、セラミック体３を有する。本体３は、コージェライト、チタン酸アルミニウム、ＳｉＣ等のセラミック材料から形成されている。本発明は、コージェライト、チタン酸アルミニウム、ＳｉＣ等のセラミック材料を用いた場合のフィルタを収容するのに、より小さい容積の容器の使用を可能にするという大きな問題を解決するものである。セラミック体３は、互いに結合された多数の多孔質セラミック壁４を備えており、かつ多数の排気ガス入力チャンネル６（または「入力セル」と呼ぶ）を有する入口端５と、多数の排気ガス出力チャンネル８（または「出力セル」と呼ぶ）を有する出口端７とを有する。多孔質セラミック壁４は、入口端５と出口端７との間に配置された、ガスを導く多数のセル９（図２）を画成している。図１〜図３に描かれたセル９は、正方形の断面を有するものとして示されているが、八角形、六角形、長方形、円形、三角形およびそれらの組合せ等も同様に使用可能である。外皮１０は多数のセル９を囲んで押出し工程で形成されるが、後付けであってもよい。
【００１７】
特に図２を参照すると、少なくとも一部分のセルチャンネルが、施栓用セメントを用いて、セルチャンネルの一端において施栓されている。セルチャンネル９の入口端５および出口端７は、例えば内部壁４を形成しているものと同様のセラミック材料から一体に形成された入口栓１２および出口栓１４によって市松模様に施栓されている。例えば、米国再発行特許第３１,４０５号明細書に記載されている発泡形式のコージェライト・セラミックセメント、米国特許第５,９１４,１８７号または第４,４５５,１８０号明細書に記載されているセメント、または国際公開第２００５／０５１８５９号パンフレットに記載されているセメント等の何れの適当な施栓用セラミックセメントを採用してもよい。適当な施栓方法が例えば米国特許第４,５５７,７７３号明細書および米国特許出願公開第２００６／０１３１７８２号明細書に記載されている。図８から明らかなように、フィルタ１は、例えばディーゼルエンジン等のエンジン１０７の排気からの微粒子を除去するための排気システム１００に備えられている。この排気システム１００は、エンジン１０７からセラミック壁流通式フィルタ１に通じる導管１０５を備え、さらにフィルタ１の上流側にディーゼル酸化触媒１１４を備え、かつＮｏｘの除去が望まれる場合には、フィルタ１の下流側にＳＣＲ部品１１５が備えられる。さらにこのシステムは、場合によってターボチャージャ１１１を備えていてもよい。本発明は、多数の要素を備えたシステム、特に、ディーゼル酸化触媒、壁流通式フィルタおよびＳＣＲ（選択的触媒還元、Ｎｏｘの除去）部品の組合せを備えた後処理システムの全体の長さ（または容積）を縮小するのに有用である。
【００１８】
壁４を形成する多孔質セラミック材料は、相互連結された気孔１６（図４に示されている）を備え、かつこの材料の総気孔率（％Ｐ）は容積％で約３０％≦％Ｐ≦８０％の範囲内にあることが好ましい。本発明の実施の形態によるセラミックフィルタに関しては、厚さ（Ｔｗａｌｌ）が１１．０ミル（２７９μｍ未満）の薄壁および比較的小さい気孔径中央値（ＭＰＤ）を有し、かつ強度を保つために、総気孔率は約６０％未満でなければならない。さらに低い背圧（ΔＰ、クリーンおよび煤負荷の双方において）を達成するために、総気孔率（％Ｐ）は３０％を超え、３５％を超え、４０％を超えているのがよい。多くの適切な実施の形態において、このような薄い壁を備えたフィルタに関して、総気孔率は４０％と６０％との間がよい。適切な（ＭＰＤ）は、適当な壁強度および初期濾過効率（ＦＥ０）を確保するために、２８．０μｍ以下、２０．０μｍ以下、１８．０μｍ以下、または１５．０μｍ以下がよい。気孔径中央値（ＭＰＤ）は、クリーン時等における低い背圧を適当に確保するために、４．０μｍ≦ＭＰＤ≦２８．０μｍ、または８．０μｍ≦ＭＰＤ≦２８．０μｍの範囲内が好ましい。このような微細構造は、セル９を形成する壁を排気ガスが自由に流通するのを許容し、その結果、排気ガスに含まれている微粒子が、３５％以上、実施の形態によっては４０％以上、５０％以上、中には６０％以上もの高い初期濾過効率（ＦＥ０）をもって濾過されることが可能になる。実施の形態によっては、７０％以上、８０％以上または９０％以上の初期濾過効率（ＦＥ０）が実証されている。
【００１９】
動作時には、ディーゼル微粒子フィルタ１は、加圧された排気ガスをこのフィルタ１の入口端５が受け取るように結合される。図１および図２に示されているように、これらのガスは多数の入力セルチャンネル６を通ってセラミック体３に入る。各セル９の入口端５から最も下流側に形成されている出口栓１４は、これらのガスがセラミック体３を真直ぐに通り抜けるのを阻止する。その代わりに、これらのガスは入力セルチャンネル６の多孔質セラミック壁４を強制的に通過せしめられて、隣接する出力セルチャンネル８内に入り、そこから出口端７の外に追放される。図２の上端の矢印は、ディーゼル排気ガスがセラミック体３のセルチャンネル９を通ってほぼＳ字状に流れる流路を示す。
【００２０】
図３および図４を参照すると、排気ガスが入力セルチャンネル６内に流入すると、ガスは、図３に矢印によって示されているようにセル壁４を強制的に通過せしめられる。具体的には、排気ガスが先ず、開口している入力セルチャンネル６を有するセル９の内表面１５ａ上に存在する微細構造の気孔１６内に入り、次いで外表面１５ｂ上の気孔１６を出る。排気ガスに含まれている煤微粒子は、図示のように内表面１５ａ上に層１８を形成する。
【００２１】
本発明は、図４に関して最も良く理解されるであろう。１２ミルと１８ミルとの間（３０５μｍと４５７μｍとの間）の壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）を有する従来のディーゼル微粒子フィルタと対照的に、フィルタ１の壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）は１１ミル（２７９μｍ）未満である。コージェライトまたはチタン酸アルミニウム材料を含むフィルタに関して適切な強度を確保するためには、壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）は４．０ミル（１０２μｍ）以上であろう。比較的高い初期濾過効率（ＦＥ０）と比較的低い背圧（クリーン時の圧力低下）との良好な組合せを示すいくつかの実施の形態において、壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）および気孔径中央値（ＭＰＤ）は、ＷＰ比が１０を超えるように選択されるであろう。ここで、ＷＰ＝（Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤ）である。さらに、クリーン時の背圧が大きくなり過ぎないように、ＷＰ比（Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤ）は、４０未満、３５未満、３０未満、２５未満、または２０未満であろう。
【００２２】
例えば、４ミル≦Ｔｗａｌｌ＜６ミル（１０２〜１５２μｍ）の範囲内の壁の厚さに対しては、ＷＰは１０＜ＷＰ＜３０の範囲内とすべきである。さらに、６ミル≦Ｔｗａｌｌ＜９ミル（１５２〜２２９μｍ）の範囲内の壁の厚さに対しては、ＷＰは１２＜ＷＰ＜３６の範囲内とすべきである。また、９ミル≦Ｔｗａｌｌ＜１１ミル（２２８〜２７９μｍ）の範囲内の壁の厚さに対しては、ＷＰは１５＜ＷＰ＜４２の範囲内とすべきである。４ミル（１０２μｍ）未満の壁の厚さでは、比較的低い強度しか得られないであろう。いくつかの実施の形態においては、セラミック壁流通式フィルタが、Ｔｗａｌｌ＜２５４μｍ、Ｔｗａｌｌ＜２２９μｍ、またはＴｗａｌｌ＜２０３μｍを備えたセラミック壁流通式フィルタが提供される。
【００２３】
これに加えて、容積％で３０％を超える、３５％を超える、３０％から８０％までの範囲内の、または４０％から６０％までの総気孔率（％Ｐ）を備えたセラミック壁４が提供される。セル９のセル密度は、１００セル／平方インチと３５０セル／平方インチとの間（１５〜５４セル／ｃｍ２）がよい。しかしながら、薄壁流通式フィルタとの組合せにおいて、本発明者等は、１５０〜３００セル／平方インチ（２３〜４６セル／ｃｍ２）のセル密度（ＣＤ）が一般にクリーン時の圧力低下と煤負荷時の圧力低下との影響が釣り合った比較的低い圧力低下を提供することを認識している。
【００２４】
最後に、種々のセル密度（ＣＤ）および壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）を有する１インチ×1/2インチ×４ 1/2インチ（２．５４ｃｍ×１．２７ｃｍ×１１．４３ｃｍ）のハニカムサンプル上で４点曲げ試験法によって測定した場合に、破壊強度係数（ＭＯＲ）によって測定された壁４の強度は、ＭＯＲ≧１５０psi（１ＭＰａ）またはＭＯＲ≧２５０psi（１．７ＭＰａ）等であることが好ましい。しかしながら、強度は標準化された強度比（ＮＳＲ）によって最も良く特徴付けられ、ここでＮＳＲ＝ＭＯＲ／ＣＦＡＲ、ＣＦＡＲは閉鎖正面面積比を意味し、下記のように定義される。すなわち、
ＣＦＡ＝ＴｗａｌｌＣＤ｛（（２／ＣＤ）１／２）−Ｔｗａｌｌ｝
フィルタ１に沿った圧力低下は、セル９の入力セルチャンネル６に入る排気ガスによる圧力成分（ΔＰｅｎｔｒｙ）、入力セルチャンネル６を流れる排気ガスの通路による圧力与成分（ΔＰｉｎｌｅｔ）、煤または微粒子層１８を通るガス通路による圧力成分（ΔＰｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）、セラミック壁４を通り抜ける排気ガスの通路による圧力成分（ΔＰｗａｌｌ）、出力セルチャンネル８を流れる排気ガスの通路による圧力成分（ΔＰｏｕｔｌｅｔ）、および出力セルチャンネル８を出るガスの膨張による圧力成分（ΔＰｅｘｉｔ）の総和によって演算され、下記の式で表される。すなわち、
ΔＰｆｉｌｔｅｒ＝ΔＰｅｎｔｒｙ＋ΔＰｉｎｌｅｔ＋ΔＰｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ＋ΔＰｗａｌｌ
＋ΔＰｏｕｔｌｅｔ＋ΔＰｅｘｉｔ
フィルタ１の寸法、すなわち、セル密度（ＣＤ）、壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）、セルの長さ、およびフィルタ１の容積は、上述の個々の圧力成分からの寄与度に影響を与える。さらに、排気ガス流量、温度および煤および灰の蓄積量等のエンジンの状態も圧力低下および特定の用途に対する理想的なフィルタ構造の選択に最終的に影響を与える。
【００２５】
灰および煤の双方の微粒子が壁４の内表面１５ａ上に煤層１８を形成するので、フィルタ１に沿った背圧が増大し、これにより、エンジンから発生した排気に抵抗するように作用する。この圧力の増大は、排気ガスがフィルタを出るためには通過しなければならない煤層１８の厚さの増大によって（ΔＰｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）のみでなく、煤層１８がセラミック壁上に蓄積されるのにつれてセル９の断面積が減少することによって（ΔＰｅｎｔｒｙ、ΔＰｉｎｌｅｔ）も発生する。本発明のフィルタ１の薄いセラミック壁４は、任意の煤層の厚さに対するセル９内のより大きい流体力学的断面積、より高い濾過面積、およびより低い（ΔＰｗａｌｌ）からの影響度を提供によって、これらの圧力低下の減少に寄与している。排気ガスの流量および温度、フィルタの直径および長さ（容積）、セルの幾何学的形状、壁の厚さ、気孔率および気孔サイズ分布（透過率）、ならびに煤および／または灰の負荷状態等の既知の入力の関数としての圧力低下の計算に関しては数学的モデルが用いられる。このモデルは、条件付き（煤負荷状態）および無条件（クリーン）のフィルタの双方のみでなく、壁４の種々の気孔率の結果としての種々の嵩密度を有するフィルタに適用される。このモデルは以下の条件を仮定している。すなわち、微粒子が充填された気孔１６およびセラミック壁４上に蓄積された煤層１８の双方からの排気ガスの濾過（ディープベッド・フィルタおよびケーキ・フィルタとしても知られている）、壁４上および出口栓１４上に蓄積された煤層１８の存在、ならびに、８０〜１２０ｎｍの煤粒子径、１μｍの灰粒子径、１５０ｋｇ／ｍ３の煤堆積密度、３００〜４００ｋｇ／ｍ３の灰堆積密度、２０００ｋｇ／ｍ３の灰および煤粒子の密度。
【００２６】
もし上述以外のパラメータが一定であれば、モデリングを通じて、煤負荷の関数としての特定の圧力低下を維持するのに必要なフィルタの容積を計算することが可能である。もし幾何学的性質の変更の目的がフィルタ容積を最小にすることであれば、このことは役に立つ。フィルタ容積の縮小は、特に改造用途に関して望ましい条項である。
【００２７】
２５ｋＰａの一定の圧力低下に関して、セル密度および壁の厚さが異なる４種類フィルタに関するモデリング計算の結果が図５にそれぞれ示されている。すなわち、
(a)２００セル／平方インチ、１２．０ミル、ＭＰＤ＝１７μｍ（比較のための200/12フィルタ）
(b)２００セル／平方インチ、８．０ミル、ＭＰＤ＝１７μｍ（200/8フィルタ）
(c)２７０セル／平方インチ、１０．０ミル、ＭＰＤ＝１７μｍ（270/10フィルタ）
(d)２７０セル／平方インチ、１０．０ミル、ＭＰＤ＝１７μｍ、入力セルが出力セルよりも大（270/10 ＡＣＴフィルタ）
これらの実施例のＷＰ比はそれぞれ(a)１７．９、(b)１２．０、(c)１４．９、(d)１４．９である。モデリング条件はさらに、直径１０．５インチ（２６．７ｃｍ）、Ｑ＝２４．２、ここでＱはガスの流量損失、フィルタ内の温度４５０℃、フィルタ内の全灰レベル３６０グラム、灰負荷目標背圧２５ｋＰａである。図５に示されているように、実施例ｂ〜ｄにおける薄いセラミック壁４の効果が実証されている。例えば、所望の背圧レベルに関し、ＷＰ比をＴｗａｌｌ／ＭＰＤ＞１０に保ちながら、薄い壁の厚さＴｗａｌｌを動かすと、同じ背圧において、フィルタ容積（リットルで測定）をかなり小さくすることを可能にする。
【００２８】
例えば、５グラム／リットルの煤付加量（符号Ａが付された破線）において、Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤ＞１０のＷＰ比を有する本発明の２００／８構造の薄壁フィルタは、従来の２００／１２構造に比較して約２２％小さい容積内に収容することが可能である。さらにこれらの曲線は、上述のＴｗａｌｌ／ＭＰＤ＞１０のＷＰ比を満たしながら、入力面積と出力面積とを異ならせた組合せ（符号ＡＣＴが付されている）の効果をも示している。図５から明らかなように、特定の煤付加量（符号Ａが付された水平破線）における上述のＴｗａｌｌ／ＭＰＤ＞１０のＷＰ比を満たした薄いセラミック壁４を有しかつ１．２以上の出力面積（Ａｏ）に対する入力面積（Ａｉ）の面積比Ａｉ／Ａｏを有する実施例は、同一サイズの入力セルと出力セルとを有する同様の構造（例えば２７０／１０）に比較して、同一背圧レベルにおいて、さらにかなりのフィルタ容積の縮小（２３％も低い）が可能である。これらの比較は、米国再発行特許第３８,８８８号明細書に記載されているような、例えばコージェライト材料を有するフィルタで行なわれた。
【００２９】
図７Ａおよび図７Ｂは、入力セルと出力セルとが等しい標準的セル構造（図７Ａ）と、入力チャンネルが出力チャンネルよりも大きいＡＣＴセル構造（図７Ｂ）とを有し、かつセルサイズの差がより容易に判るように出口栓１４が取り除かれたセル構造を有するフィルタ１の半分ずつの断面図を示す。図７Ａにおいては、入力セルと出力セルとが平均的にほぼ同一の断面積を有する交差壁構造のハニカム構造体が示されている。一方、図７Ｂにおいては、入力セルチャンネル１９が出力セルチャンネル２０よりも平均的に大きい断面積を有する。したがって、入力セルチャンネル１９の流体力学的平均直径（Ｄｈｉ）（Ａｉが入力セルの平均断面積、Ｐｉが入力セルの断面における周囲の平均長さである場合にはＤｈｉ＝４Ａｉ／Ｐｉで定義される）は、出力セルチャンネル２０の流体力学的平均直径（Ｄｈｏ）（Ａｏが出力セルの平均断面積、Ｐｏが入力セルの断面における周囲の平均長さである場合にＤｈｏ＝４Ａｏ／Ｐｏで定義される）よりも大きい。特に、薄壁を適用する場合、入力セルチャンネル１９の流体力学的平均直径（Ｄｈｉ）は、Ｄｈ＝（Ｄｈｉ／Ｄｈｏ）で定義される流体力学的直径比がＤｈ＞１．２となるように、出力セルチャンネル２０の流体力学的平均直径（Ｄｈｏ）よりも大きい。さらに、比Ｄｈは、Ｄｈ＜１．６となるようにされる。図５における２７０／１０ ＡＣＴ構造（グラフｄ）は、最小量のフィルタ容積（１１リットル未満）において、２５ｋＰａの圧力低下要求に適合する。
【００３０】
図６は、種々のセル密度（ＣＤ）および壁の厚さを有しかつ１７．０μｍの気孔径中央値を有する種々の本発明のフィルタおよび比較例のフィルタに関し、一定圧力低下３０ｋＰａ、ガス流量損失Ｑが２４．２ｋｇ／分、ガス温度４５０℃、３００グラム／リットルにおける灰負荷量３６０グラム、最大フィルタ容積２０リットル、およびフィルタ直径１０．５インチ（２６７ｍｍ）に関するこれらのモデリング計算を示す。実施例は以下の通り。すなわち、
(a)２００セル／平方インチ、１８．０ミル（比較のための200/18フィルタ）
(b)２００セル／平方インチ、１２．０ミル（比較のための200/12フィルタ）
(c)２７０セル／平方インチ、１５．０ミル（比較のための270/15 ＡＣＴ）
(d)２００セル／平方インチ、１２．０ミル（比較のための200/12 ＡＣＴ）
(e)３００セル／平方インチ、１２．０ミル（比較のための300/12 ＡＣＴ）
(f)２００セル／平方インチ、９．０ミル、ＡＣＴ（本発明の200/9 ＡＣＴ）
(g)３００セル／平方インチ、１０．０ミル、ＡＣＴ（本発明の200/9 ＡＣＴ）
(h)３００セル／平方インチ、８．０ミル、ＡＣＴ（本発明の300/8 ＡＣＴ）
モデル化されたデータによって実証されているように、図６における本発明の実施例である２００／９ ＡＣＴ，３００／８ ＡＣＴおよび３００／１０ ＡＣＴ構造は、比較のための構造、すなわち、２００／１８，２００／１２，２７０／１５ ＡＣＴ，２００／１２ ＡＣＴおよび３００／１２ ＡＣＴに比較してより小量の容積において圧力低下要求値（３０ｋＰａ）に適合している。符号Ｂが付された線に沿って、従来の２００／１２構造を本発明の３００／８ ＡＣＴ構造と比較すると、フィルタの全体の長さが約１３．６インチ（３４５ｍｍ）から約７．４インチ（１８８ｍｍ）に短縮され、約４５％という驚くべき長さの短縮となっている。
【００３１】
本発明のフィルタの開発において、本発明者等は当初、厚さが１２ミル（３０５μｍ）未満のセラミック壁４を用いると、濾過効率が低下し、嵩熱容量が減少し（煤質量限界に制限を加える）、強度が低下すると信じていた。しかしながら、本発明者等は、壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）が気孔径中央値（ＭＰＤ）よりも一桁を超えて大きい（×１０）限り、厚さ（Ｔｗａｌｌ）が１１．０ミル未満（＜２７９μｍ）の壁を用いても、３０％を超える良好な初期濾過効率（ＦＥ０）を維持することができることを発見した。それ故に、本発明の広範な態様によれば、本発明のフィルタは、Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤ＞１０、＞１２または＞１５のＷＰ比を示す。ここで、ＴｗａｌｌおよびＭＰＤの双方はμｍである。気孔の微細構造は微細過ぎると、圧力低下が許容できないレベルにまで増大するために、微細過ぎてはならない。したがって、クリーン時の比較的低い圧力低下を維持するためには、Ｔｗａｌｌ／ＭＰＤのＷＰ比が約４２を超えてはならない。さらに、壁の厚さに関しては、＜４０、＜３５、＜３０、＜２５または＜２０でなければならない。能動的再生サイクル間に高レベルの煤が蓄積される用途においては、嵩熱容量は重要な構造特性である。嵩熱容量が重要な構造特性である場合には、比較的高い嵩熱容量を維持するために、低いレベルの総気孔率（％Ｐ）が用いられて、より薄い壁を補償する。本発明の実施の形態によれば、例えば、５０％以下の総気孔率（％Ｐ）がこれらの場合に用いられる。図９のグラフは、比較的低いクリーン時の圧力低下のみでなく、比較的高い初期濾過効率に関する本発明の効果を良く表している。特に、薄い壁と、ＷＰ比がＷＰ＞１０に保たれるように管理されたＭＰＤとの組合せによって、３０％を超える初期濾過効率（ＦＥ０）が達成される。種々の楕円に囲まれた実施の形態は、４μｍ〜１８μｍのＭＰＤをそれぞれ示し、これに対して、４ミル（１０２μｍ）と１１ミル（２７９μｍ）との間の壁の厚さ（Ｔｗａｌｌ）が示されている。楕円内の値は、種々の実施の形態に関するＷＰ比である。
【００３２】
縮小された平均気孔径（ＭＰＤ）を備えた薄いセラミック壁に関する圧力低下への明白な影響が、下記の表１に示された実験結果に表されている。表１には、クリーン時の圧力低下量（ΔＰｃ）(psi)、煤負荷時の圧力低下量（ΔＰｓ）(psi)、総気孔率（％Ｐ）(%)、Ｔｗａｌｌ（ミル）（括弧内はμｍ）、セル密度（ＣＤ）(cpsi)、平均気孔径（ＭＰＤ）（μｍ）、ＷＰ比、セルの破壊強度係数(psi)、閉鎖全面面積比（ＣＦＡＲ）、および標準化された強度（ＮＳ）(psi)が報告されている。
【００３３】
【表１】
0005898757.tif 000002
【００３４】
【表２】
0005898757.tif 000003
【００３５】
さらに、本発明の別の広範な態様において、取扱い、触媒の用途および缶収納に必要な強度に適合する高い強度が提供される。本発明者等は、上述したセル構造を有する１インチ×1/2インチ×４ 1/2インチ（２．５４ｃｍ×１．２７ｃｍ×１１．４３ｃｍ）の多セルサンプル上で４点曲げ試験により測定された場合に、軸線方向の破壊強度係数（ＭＯＲ）によって与えられる強度が、ＭＯＲ≧１５０psi（１ＭＰａ）、実施の形態によってはＭＯＲ≧２５０psi（１．７ＭＰａ）でなければならないことを観測した。標準化された強度（ＮＳ）は、ＮＳ＝ＭＯＲ/ＣＦＡである。ここで、ＣＦＡは閉鎖全面面積比であり、下式によって与えられる。すなわち、
ＣＦＡＲ＝ＴｗａｌｌＣＤ{（１／ＣＤ１／２）−Ｔｗａｌｌ}
表１においては、本発明のセラミック体が全てＭＯＲ/ＣＦＡの値を超えているのを見ることができる。
【００３６】
本発明の種々の変形、追加および変更が当業者には明らかであろう。このような変形、追加および変更の全ては本発明の範囲内に含まれ、添付の請求項およびそれらの均等物によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１  微粒子フィルタ
３  セラミック体
４  セラミック壁
５  入口端
６  入力チャンネル（入力セル）
７  出口端
８  出力チャンネル（出力セル）
９  セル（セルチャンネル）
１０  外皮
１２  入口栓
１４  出口栓
１５ａ  入力セルの内表面
１５ｂ  入力セルの外表面
１６  気孔
１８  煤層
１９  入力セル
２０  出力セル
１００  排気システム
１０５  導管
１０７  ディーゼルエンジン
１１１  ターボチャージャ
１１４  ディーゼル酸化触媒
１１５  ＳＣＲ（選択的触媒還元）部品
【図１】
0005898757.tif 000004
【図２】
0005898757.tif 000005
【図３】
0005898757.tif 000006
【図４】
0005898757.tif 000007
【図５】
0005898757.tif 000008
【図６】
0005898757.tif 000009
【図７Ａ】
0005898757.tif 000010
【図７Ｂ】
0005898757.tif 000011
【図８】
0005898757.tif 000012
【図９】
0005898757.tif 000013