(57)【要約】  本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材は、繊維、好ましくは金属繊維を含んでなる。本ディーゼル煤パティキュレート濾材は、その流入側と流出側との間である厚みＴを有し、これは５ｃｍ以上である。Ｓ／Ｖが流入側から流出側へ段階的または漸進的に増大するゆえ、流入側のＳ／Ｖは好ましくは５０ｍ2／ｍ3より大きく、流出側のＳ／Ｖは好ましくは８００００ｍ2／ｍ3未満である。Ｓは、容積Ｖ中に存在する繊維の全外套表面の合計である。
2007501705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入側および流出側を有し、繊維を含んでなるディーゼル煤パティキュレート濾材において、前記流入側と前記流出側との間の濾材厚Ｔが５ｃｍ以上であり、Ｓ／Ｖ（Ｓは、容積Ｖの中に存在する繊維の全外套表面の合計である）が、前記流入側から前記流出側へ段階的または漸進的に増大することを特徴とするディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項２】
前記流入側のＳ／Ｖが５０ｍ2／ｍ3より大きい請求項１に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項３】
前記流出側のＳ／Ｖが８００００ｍ2／ｍ3未満である請求項１から２のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項４】
前記流出側のＳ／Ｖが３００００ｍ2／ｍ3未満である請求項３に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項５】
前記ディーゼル煤パティキュレート濾材が繊維からなる請求項１から２のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項６】
前記繊維が金属繊維である請求項１から５のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項７】
前記流入側のＳ／Ｖが１００００ｍ2／ｍ3未満である請求項１から６のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項８】
前記流出側のＳ／Ｖが１５０００ｍ2／ｍ3より大きい請求項１から７のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項９】
前記ディーゼル煤パティキュレート濾材が、繊維材の層を少なくとも２層含んでなり、この各層が、その層のいずれの部分でも実質的に等しいＳ／Ｖを有する請求項１から８のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項１０】
前記濾材が、この濾材のいずれの部分でも実質的に等しい空隙率を有する請求項１から９のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項１１】
前記濾材の前記繊維が、いずれも実質的に等しい相当直径を有する請求項１から９のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項１２】
前記濾材の前記繊維が、いずれも実質的に等しい径方向断面を有する請求項１から１１のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項１３】
前記繊維が、０．５μｍから１００μｍの範囲の相当直径を有する請求項１から１２のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のディーゼル煤パティキュレート濾材を備えたディーゼル煤フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル煤パティキュレートフィルタおよびディーゼル煤パティキュレート濾材に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属繊維またはセラミック繊維などの繊維を含んでなるディーゼル煤パティキュレートフィルタは周知である。
【０００３】
特開２００２−５８９３９号公報には、濾過すべき排気ガスの流れの方向に向かってフィルタの目をより細かくした多孔質材料構造を含むディーゼル煤フィルタが記載されている。
【０００４】
このフィルタは、各層が規定の目の粗さを有する互いに隣接した幾つかの濾材層を含み、またはその代わりとして、目の粗さが濾材の奥行きに対して漸進的に変化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、金属繊維やセラミック繊維などの繊維を使用して濾材を提供する際、ディーゼル煤の濾過のために、そのような漸進的に変化する目の粗さまたはフィルタ繊度を有するフィルタの濾過特性を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材は繊維を含んでなり、このディーゼル煤パティキュレート濾材は流入側および流出側を有する。本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材は、流入側と流出側との間の濾材厚Ｔが、５ｃｍ以上であること、流入側のＳ／Ｖが５０ｍ2／ｍ3より大きい一方で、流出側のＳ／Ｖが８００００ｍ2／ｍ3未満であること、およびＳ／Ｖが、流入側から流出側へ段階的にまたは漸進的に増大することを特徴とする。Ｓは、容積Ｖ中に存在する繊維の全外套表面（all mantle surface）の合計であると考えるものとする。
【０００７】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材の流入側において、Ｓ／Ｖは５０ｍ2／ｍ3より大きく、好ましくは１００ｍ2／ｍ3より大きく、または３００ｍ2／ｍ3よりも大きい。有利には、流入側のＳ／Ｖは、１０００ｍ2／ｍ3未満である。
【０００８】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材の流出側において、Ｓ／Ｖは８００００ｍ2／ｍ3未満であり、好ましくは５００００ｍ2／ｍ3未満であり、例えば３００００ｍ2／ｍｍ3未満であり、好ましくは２８０００ｍ2／ｍ3未満であり、または２５０００ｍ2／ｍ3未満である。有利には、流出側のＳ／Ｖは、１５０００ｍ2／ｍ3より大きい。
【０００９】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材は、互いに隣接している幾つかの繊維材の層を含むことができる。各層は、その層の全容積Ｖを通して本質的に等しいＳ／Ｖを有する。これらの層は、適切なスペーシング手段を使用して互いの間隔をあけてもよいし、または互いに接触した状態で存在してもよい。
【００１０】
本明細書において使用する用語「層」は、その容積全体を通して実質的に等しい特性を有する、濾材の１つの容積部分と考えるものとする。
【００１１】
Ｓ／Ｖは、濾材の流入側から流出側へ段階的に増大する。
【００１２】
あるいは、本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材は、Ｓ／Ｖがその濾材の厚さを通して漸進的に変化する濾材を１つだけ含むことができる。このＳ／Ｖは、流れの方向に垂直な濾材の断面であり、厚さがほぼ０である容積ＶについてのＳを計算することによって概算される。Ｓ／Ｖは、濾材の流入側から流出側へ漸進的に増大する。
【００１３】
用語「濾材厚Ｔ」は、ディーゼル煤パティキュレート濾材の流入側と流出側の間の最小距離と考えるものとする。ディーゼル煤パティキュレート濾材が、幾つかの個別の濾材層を含む場合、Ｔは、各個別層ｉの最小厚ｔiの合計と考えるものとする。Ｔは、５ｃｍより大きいが、有利には、Ｔは、８ｃｍより大きくまたは１０ｃｍよりも大きく、例えば、１５ｃｍより大きくまたは２０ｃｍよりも大きい。
【００１４】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材は、繊維を含んでなり、場合によっては繊維からなる。
【００１５】
好ましくは、本濾材に使用される繊維は、金属繊維、例えば集束伸線またはコイル切削による繊維である。あるいは、金属ウールを使用してもよい。
【００１６】
金属繊維が耐えなければならない温度範囲に依存して、金属または鋼の合金を選ぶことができる。３００もしくは４００シリーズのＡＩＳＩ合金またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）などの合金のステンレス鋼繊維が好ましいであろう。高温に耐えらなければならない場合、Ｆｅ、ＡｌおよびＣｒを含む合金、例えばＦｅｃｒａｌｌｏｙが、好ましい。
【００１７】
最も好ましくは、金属繊維を含む濾材を焼結して、金属繊維を接着させる。
【００１８】
用語「外套表面の合計Ｓ」は、濾材の容積Ｖの中に存在する繊維の全外套表面の累積と定義する。繊維の外套表面は、その繊維の軸に対して本質的に平行な表面である。この外套表面は、Ｓ＝Ｌ*Ａとして計算することができ、この式中、Ｌは、容積Ｖの中に存在する繊維の長さの合計であり、Ａは、容積Ｖの中に存在する繊維の周長である。
【００１９】
濾材を構成する繊維は、相当直径（Ｄ）、表面形状、および「平均長（ＬＭ）対相当直径」比（ＬＭ／Ｄ）によって特徴付けられる。
【００２０】
用語「相当直径」とは、繊維の主軸に対して垂直に切断した繊維断面と同じ表面を有する虚円の直径を意味する。本発明に係る濾材の層を提供するために使用する繊維は、０．５μｍから１００μｍの範囲内、例えば２μｍから７５μｍの範囲内、一例として１２μｍから５０μｍの範囲内、例えば２５μｍ、３５μｍまたは４０μｍであり得る。
【００２１】
相当直径Ｄに対する平均長ＬＭの比率（すなわち、ＬＭ／Ｄ）は、好ましくは５または１０より大きく、もしくは２５または５０よりも大きく、最も好ましくは、１００より大きい。
【００２２】
繊維の表面の形状は、大いに変わり得る。この形状は、繊維の径方向断面の幾何学模様によって定義される。これは、例えば長方形、正方形、円もしくは三角形であることもあり、または多少鋸歯状の部分の周囲を含むこともある。使用される大部分の繊維は、径方向断面の形状がその全繊維長にわたって本質的に同一である。この形状によって、ディーゼル煤パティキュレート濾材中に存在する繊維の周長Ａが、大いに規定される。
【００２３】
場合により、濾材が異なる層を含む場合、それらの層を互いに焼結して、異なる層を互いに接着させてもよい。第一焼結サイクルの間に、個別に、異なる層を焼結させ、必要な空隙率にしてもよい。それらを、互いに重ね合わせた後、第二焼結サイクルの間に互いに焼結する。あるいは、異なる層を互いに重ね合わせた後焼結してもよい。１回の焼結サイクルの間に、層を焼結し、その焼結操作により互いに接着させる。
【００２４】
金属繊維が、国際公開第９７／０４１５２号パンフレットにおいてより詳細に説明されているようなコイル板からの削り出しによって得られる場合、そのような金属繊維の径方向断面は、本質的に長方形である。そのような繊維を含む容積のＳを計算するには、両辺の長さを考慮に入れなければならない。
【００２５】
金属繊維が、集束伸線によって得られる場合、その金属繊維は、本質的に円形または五角形の径方向断面を有する。この繊維の径方向断面の周長は、この繊維の径方向断面と同じ表面を有する虚円の周長を使用することにより、十分に概算されることが判明した。
【００２６】
ディーゼル煤パティキュレート濾材のＳ／Ｖ値は、その濾材の空隙率もしくはその濾材の一部である層の空隙率を調整することにより、または繊維の表面形状および繊維の相当直径を選ぶことにより変えることができる。
【００２７】
一例として、その全容積を通して均一な空隙率を有するディーゼル煤パティキュレート濾材を提供する。その流入側では、比較的大きな相当直径を有する比較的目の粗い繊維を使用する。濾材の流出側に向かうほど、繊維の相当直径は、漸進的に増大する。
【００２８】
この場合、選ぶ容積Ｖ各々について同じ重量が得られるが、容積Ｖの外套表面Ｓの合計は増加する。細い繊維ほど、繊維容積または繊維重量あたりの繊維外套表面が大きいからである。空隙率は、濾材の全容積を通して等しいので、繊維の相当直径を選択的に選ぶことにより、本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材を提供することができる。
【００２９】
あるいは、繊維断面の形状を選択的に選ぶことにより、その全容積を通して均等な空隙率を有するディーゼル煤パティキュレート濾材を提供することができる。一例として、流入側では、本質的に円形の断面および相当直径ｄを有する繊維を使用することができる。これらの繊維の断面表面は、π*ｄ2／４である。これらの繊維の外套表面は、π*ｄ*Ｌであり、この式中のＬは、繊維長である。
【００３０】
濾材の流出側のさらに近くでは、辺長ａの本質的に正方形の断面を有する繊維を使用する。ａは、ａ2＝π*ｄ2／４になるように選ぶ。従って、ｄは、これらの正方形繊維の相当直径である。これらの正方形繊維の外套表面は、４*ａ*Ｌであり、これは、この濾材の流入側での円形繊維の外套表面より大きい。
【００３１】
流出側のさらに近くでは、短辺がｂで長辺がｃの長方形繊維を使用することができる。ｂおよびｃは、ｂ*ｃ＝π*ｄ2／４になるように選ぶ。従って、ｄは、これらの長方形繊維の相当直径である。これらの長方形繊維の外套表面は、２*（ｂ＋ｃ）*Ｌであり、これは、この濾材の流入側に向かって上流の円形繊維および正方形繊維の外套表面より大きい。流出側に近づくほど、ｂとｃの差が増すように辺ｂおよびｃの寸法を選ぶが、相当直径は、ｄのままである。故に、繊維の外套表面は、濾材の流出側に向かって増大する。全濾材容積を通して空隙率は等しいので、繊維断面の形状の変化により、比率Ｓ／Ｖは、流入側から流出側へと増大する。
【００３２】
他の例として、全濾材を通じて同一の繊維を有するディーゼル煤パティキュレート濾材を提供する。流入側ではより高い空隙率を持たせるが、流出側に向かって空隙率を低下させる。空隙率の低下は、流出側に近づくほど大きな繊維容積が、単位容積当たりに存在しなければならないということを意味する。全ての繊維が等しいので、これは、流出側に近づくほど大きな繊維外套表面が単位容積に存在しなければならないことを意味する。空隙率、断面形状および繊維相当直径を選択的に選ぶことにより、本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材を提供することができる。
【００３３】
結果として、驚くべきことに、本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材は、以下の特徴を有することができることが判明した。
・８５％から９５％の範囲までまたは９９％よりも高い改善されたフィルタ効率、およびこの後の短い負荷時間（フィルタを通して流れるガスの面速度についての効率は、主として流出側のＳ／Ｖ比の選択によることが判明した）。
・濾過される排気ガスからの広い範囲の位相速度においてでさえ、増大された煤負荷時間および煤負荷容量（捕捉することができる煤の量は、濾材それ自体の寸法（この場合、濾材の厚さ）およびそのＳ／Ｖ比の漸進的または段階的増加に主として依存することが判明した）。
・濾材全体にわたって８５％から９９．５％まで、またはそれ以上の範囲の有意に高い空隙率を利用することができるので、比較的厚い濾材厚Ｔにもかかわらず、最小化された圧力降下。
【００３４】
捕捉された煤の酸化を達成するために濾材に触媒を担持することができることは理解される。場合により、排気ガスのＮＯx含量を低減させるために触媒化合物も担持できる。濾材の深さにより種々の触媒を担持することができる。
【００３５】
一定のディーゼル煤パティキュレート濾材を使用して、本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材を含むディーゼル煤フィルタを提供することができる。このディーゼル煤フィルタは、フィルターのハウジング、またはジャケットなどの他の要素、およびその濾材に捕捉された煤を除去するような濾材を再生するための手段をさらに含むことができる。
【００３６】
以下、添付の図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材１０００を図１に示す。矢印１００３で示す方向に流れる排気ガスを濾過するために、流入側１００１および流出側１００２を有するディーゼル煤パティキュレート濾材１０００をフィルタージャケット１００４内に取り付ける。
【００３８】
このディーゼル煤パティキュレート濾材は、１０１０、１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０、１０８０、１０９０および１１００が示す１０層の濾材層を含む。これらの層は、互いに隣接して存在する。図１には、層が互いに離されて取り付けられることが示されているが、この隔たりは、本発明の目的にとって必須ではない。あるいは、これらを互いに接触させて取り付けてもよい。
【００３９】
各層には、１０１１、１０２１、１０３１、１０４１、１０５１、１０６１、１０７１、１０８１、１０９１、１１０１が示すような厚みがある。
【００４０】
濾材厚Ｔは、これらの層の厚さの合計であると考えることができる。
【００４１】
第一の実施形態について、金属繊維からなる層の濾材の特徴を表１に記載する。
【００４２】
【表１】
2007501705.tif 000003
【００４３】
層厚全体を通して、層断面形状、繊維周長、繊維相当直径、空隙率およびＳ／Ｖは、実質的に等しい。層１０６０、１０７０、１０８０、１０９０および１１００は焼結されている。
【００４４】
この濾材内の位置の関数で段階的に増加するＳ／Ｖは、図３の曲線３０１で見ることができる。図３の横座標３１は、フィルタ内の実際の位置とフィルタ内の流入側との距離（ｍｍで表す）である。縦座標３２は、その位置でのＳ／Ｖ値（ｍ2／ｍ3で表す）である。
【００４５】
濾材を提供するために使用する金属繊維は、好ましくは、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）またはＡｌｕｃｈｒｏｍｅ（登録商標）合金繊維である。各層は、直径１６８ｍｍの円板として提供し、等しい内径を有する管形状のジャケット１００４に挿入した。
【００４６】
表１に示したディーゼル煤パティキュレート濾材を、約３０ｇ／ｍ2の煤パティキュレートを含有するディーゼルエンジン発生排気ガスに対して使用した。フィルタを通る排気ガスの位相速度は、約１．５ｍ／ｓであった。
【００４７】
このディーゼル煤パティキュレート濾材は、５分の負荷後、８５％より高い煤フィルタ効率をもたらした。
【００４８】
１０層の濾材層を含む本発明に係る別のディーゼル煤濾材を表２に示す。
【００４９】
【表２】
2007501705.tif 000004
【００５０】
層厚全体を通して、層断面形状、繊維周長、繊維相当直径、空隙率およびＳ／Ｖは、実質的に等しい。層１０６０、１０７０、１０８０、１０９０および１１００は焼結されている。
【００５１】
この濾材内の位置の関数で段階的に増加するＳ／Ｖは、図３の曲線３０２で見ることができる。
【００５２】
濾材を提供するために使用する金属繊維は、好ましくは、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）またはＡｌｕｃｈｒｏｍｅ（登録商標）合金繊維である。各層は、直径１６８ｍｍの円板として提供し、等しい内径を有する管形状のジャケット１００４に挿入した。
【００５３】
このディーゼル煤パティキュレート濾材を、表１のディーゼル煤パティキュレート濾材と同じ環境下で試験した。煤フィルタの効率は、５分の負荷後、９０％より高かった。
【００５４】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材のさらに別の実施形態を表３に示す。この濾材は、好ましくは全てＡｌｕｃｈｒｏｍｅ（登録商標）（Ｆｅ、ＣｒおよびＡｌを含むステンレス鋼合金である）製である１７層の金属繊維層を含む。
【００５５】
【表３】
2007501705.tif 000005
【００５６】
この濾材内の位置の関数で段階的に増加するＳ／Ｖは、図３の曲線３０３で見ることができる。
【００５７】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材のさらに別の実施形態を表４に示す。この濾材は、好ましくは全てＡｌｕｃｈｒｏｍｅ（登録商標）（Ｆｅ、ＣｒおよびＡｌを含むステンレス鋼合金である）製である１７層の金属繊維層を含む。
【００５８】
【表４】
2007501705.tif 000006
【００５９】
本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材２０００の別の実施形態を図２に示す。矢印２００３で示す方向に流れる排気ガスを濾過するために、流入側２００１および流出側２００２を有するディーゼル煤パティキュレート濾材２０００をフィルタージャケット２００４内に取り付ける。一例として、図２において２００５が示す厚さＴは、３７０ｍｍである。厚さＴにわたって、Ｓ／Ｖは、流入側２００１での７４ｍ2／ｍ3から流出側２００２での１６２７０ｍ2／ｍ3へと漸進的に増大する。この漸進的増大は、図３に示す曲線３０４に好ましく対応する。
【００６０】
このフィルタは、５０μｍの辺と１９μｍの辺の長方形断面を有するステンレス鋼金属繊維を使用して提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係るディーゼル煤パティキュレート濾材の模式図である。
【図２】本発明に係る別のディーゼル煤パティキュレート濾材の模式図である。
【図３】本明細書において説明する本実施形態のＳ／Ｖ曲線のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2007501705.tif 000010
2007501705.tif 000011
2007501705.tif 000012