(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の貫流する流路（１）を有する、流体の流れから粒子を分離するための粒子捕獲装置（５）において、
前記流路（１）が、前記流体の貫流する複数の流路を有するハニカム体の構成要素であって、当該各流路（１）の内壁（２，４）は少なくとも、多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域を有し、かつ当該各流路（１）は、前記流れに対する転向構造物もしくは誘導構造物として作用して前記流れから前記粒子を前記多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域へ向けるように配置された組込み物を有する
ことを特徴とする、流体の流れから粒子を分離するための粒子捕獲装置。
【請求項２】
前記多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域が、非多孔性の流路壁（４）に取付けられている中間層（２ａ）によって形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項３】
前記組込み物が、前記多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域に対向位置されており、必要な場合には軸線方向へずらされて流路壁（２，４）から突出して配設されている、少なくとも１つの突出部、瘤、節（３）等から成る
ことを特徴とする請求項１又は２記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項４】
前記流路壁（２）から等しい長さで前記流路（４）の内部へ突出している複数の突出部、瘤、節（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ）等が、前記流体の流れ方向（８）つまり前記流路（１）の主軸方向において連続的に配設されている
ことを特徴とする請求項３記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項５】
前記流体の流れ方向（８）に沿って進むにつれて前記流路壁（４）からの突出長さが増大しながら前記流路（１）の内部へ向かって各々突出している複数の突出部、瘤、節（３ａ，３b，３c，３d，３e）等が、前記流体の流れ方向（８）つまり前記流路（１）の主軸方向において連続的に配設されている
ことを特徴とする請求項３記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項６】
前記流路壁（４）の円周方向においても、前記領域として延びている前記突出部、瘤、節等が群をなして配設されている
ことを特徴とする請求項３乃至５の１つに記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項７】
前記流路（１）全体及び／又は前記組込み物が、前記多孔性もしくは高多孔性の材料から成る
ことを特徴とする請求項１、３乃至６の１つに記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項８】
前記流体が、排気ガスであり、
前記転向構造物もしくは誘導構造物として作用する前記組込み物が、当該組込み物によってそのつど前記排気ガス中になお含まれている前記粒子の２％以上１５％以下、特に４％以上８％以下を、前記多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域へ向けるように形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項９】
前記排気ガス中になお含まれている前記粒子の転向が、前記多孔性もしくは高多孔性の材料の多孔率、及び／又は前記転向構造物もしくは誘導構造物の寸法を、相応に設定することによって、生ぜしめられる
ことを特徴とする請求項８記載の粒子捕獲装置（５）。
【請求項１０】
粒子捕獲装置（５）内の流体の流れから粒子を分離するための方法において、
前記流体を、複数の流路（１）を有するハニカム体の構成要素であって、当該各流路（１）の内壁（２，４）には少なくとも、多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域を設けると共に、前記流れに対する転向構造物もしくは誘導構造物として作用して前記流れから前記粒子を前記多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域へと向けるように配置された組込み物を有する各流路（１）に流すことで、当該各流路（１）における少なくとも１つの転向構造物もしくは誘導構造物によって、前記ハニカム体を貫流する前記流体の前記粒子が、前記多孔性もしくは高多孔性の流路壁（２，４）へと投げ飛ばされるかもしくは向けられるようにして、前記粒子を前記流体から分離する
ことを特徴とする、流体の流れから粒子を分離するための方法。
【請求項１１】
前記粒子が、前記ハニカム体の種々の部分領域における流速に依存して、前記多孔性もしくは高多孔性の流路壁（２）へ向けられる
ことを特徴とする請求項１０記載の、流体の流れから粒子を分離するための方法。
【請求項１２】
前記多孔性もしくは高多孔性の流路壁（２）が、連続的もしくは断続的に再生される
ことを特徴とする請求項１０又は１１記載の、流体の流れから粒子を分離するための方法。
【請求項１３】
前記再生が、当該粒子捕獲装置（５）の敷設率に関係して作動される補助手段によって促進される
ことを特徴とする請求項１２記載の、流体の流れから粒子を分離するための方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの転向構造物もしくは誘導構造物によって、そのつど前記排気ガス中になお含まれている粒子の２％以上１５％以下、特に４％以上８％以下が、前記多孔性もしくは高多孔性材料から成る領域へ向けられる
ことを特徴とする請求項１０乃至１３の１つに記載の、流体の流れから粒子を分離するための方法。
【請求項１５】
請求項１乃至９の１つに記載の粒子捕獲装置（５）を、内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガス管内において使用する
ことを特徴とする粒子捕獲装置（５）の用途。
【請求項１６】
請求項１乃至９の１つに記載の粒子捕獲装置（５）を、煤煙フィルタと組合わせて使用する
ことを特徴とする粒子捕獲装置（５）の用途。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、流体の貫流する少なくとも１つの流路を有する、流体の流れから粒子を分離するための粒子捕獲装置に関する。さらに、本発明は、流体の流れから粒子を分離するための方法、また粒子捕獲装置の用途にも関する。
【０００２】
冒頭に挙げた種類の粒子捕獲装置は貫流する流体内に含まれている固形粒子を流れから分離するために役立つ。この種の粒子捕獲装置は自動車のディーゼル排気ガスを浄化する場合に特に実用上重要である。この場合、粒子捕獲装置は粒子を酸化することにより再生可能でなければならない。粒子捕獲装置は例えば自動車の排気ガス管のような管の中に取付け可能である。
【０００３】
自動車の排気ガス中の粒子は、例えば自動車の排気ガス管及び／又は触媒コンバータ中のコーティング層及び／又は外壁に沈着することが多い。次に、これらの粒子は負荷変化の際に例えば煤煙雲のような粒子雲の形で排出される。
【０００４】
従来、粒子を分離するためには、一部ではフィルタとも呼ばれている濾過器が使用されている。濾過器は原則的には粒子を捕獲するが、以下の２つの大きな欠点を持つ。すなわち、第一に濾過器は詰まる可能性があり、第二に不都合な圧力低下を引き起こす。濾過器が使用されていない場合、触媒コンバータのハニカム体が詰まる、すなわち貴金属の孔が覆われるという危険があり、粒子により覆われた部位においては有害物質も酸素も貴金属へ拡散することができない。さらに、粒子を減少させなければ超えてしまう、自動車の放出に関する法的数値を遵守しなければならない。従って、濾過器およびフィルタの欠点を回避し、触媒コンバータの効率を損なわないような、排気ガス粒子用の捕獲要素を作り出す必要がある。
【０００５】
従って、本発明の課題は、できるだけ高い効率で流体の流れから粒子を分離する冒頭に挙げた種類の粒子捕獲装置および方法を提供することにある。分離された粒子はその後酸化により除去可能であり、その結果粒子捕獲装置は再生可能である。
【０００６】
上述の種類の粒子捕獲装置に関する課題は請求項１の特徴により解決される。すなわち、流路の壁が少なくとも、多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域を有し、流路が、転向構造物もしくは誘導構造物として作用し粒子を流れから多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域へ向けるように配置された組込み物を有する。
【０００７】
冒頭に挙げた方法に関する本発明による課題は、請求項１１によれば、粒子捕獲装置内の流体の流れから粒子を分離するための方法において、粒子捕獲装置の少なくとも１つの流路における少なくとも１つの転向構造物もしくは誘導構造物によって、粒子捕獲装置を貫流する流体の粒子が多孔性もしくは高多孔性の流路壁へ投げ飛ばされるかもしくは向けられることによって解決される。
【０００８】
つまり、驚くべきことに、組込み物によって流れから多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域へ向けられる粒子が妨害及び／又は衝突により多孔性の流路壁に付着し続けることが判明している。この作用の実現には、流れる流体の流れプロフィルにおける圧力差が重要である。転向により補助的な局部的負圧状態および過圧状態が生じ、その結果多孔性壁により濾過作用が生じる。というのは、圧力差が当然均衡化されるからである。
【０００９】
粒子捕獲装置は、閉鎖形濾過装置もしくはフィルタ装置と異なり、開放している。というのは、流れの行き止まりが設けられていないからである。この場合、この特性は粒子捕獲装置の特色付けに役立つ。すなわち、例えば２０％の開放性は、横断面に関して面積の約２０％が開放していることを意味する。ｄ（流体圧）＝０．８ｍｍの６００ｃｐｓi担体の場合、これは＞０．１mm2の面積に相当する。
【００１０】
粒子捕獲装置の材料としては金属、プラスチック、セラミックス等が適し、流路を形成する際に組込み物にほぼ対向位置している流路壁の少なくとも一部は多孔性である。
【００１１】
多孔性の材料としてはいずれの多孔性もしくは高多孔性の焼結物質及び／又は線維物質が適用可能であり、この場合、煤煙粒子に対する分離特性および付着特性（構造物の例えば幾何学的表面積が大きい、前縁面積が大きい、高さが適正）だけでなく、多孔性もしくは高多孔性の材料の形状安定性、強度および耐食性も重要である。
【００１２】
本発明による粒子捕獲装置および本発明による方法は、自動車の触媒コンバータから公知であるようにハニカム体にこれらを応用できる点が特に重要である。この場合、多孔性の流路壁は例えばハニカム体全体を多孔性材料から形成することにより実現される。ハニカム体を多孔性もしくは高多孔性の材料から形成する場合、粒子捕獲装置の半径方向への貫流が完全な多孔性の流路壁により実現される場合に限り、多孔性材料の貫流能力が重要になる。
【００１３】
流路の全長における流路壁もしくは全流路壁の一部が流路壁と呼ばれる。
【００１４】
転向構造物もしくは誘導構造物すなわち組込み物によって、粒子は流体から規定の速度で多孔性の壁へ向けられ、そこに付着する。粒子捕獲装置においては“バット”および“キャッチャーミット”の原理に基づく粒子の分離が実現され、その場合“バット”としての転向構造物が粒子を多孔性の流路壁もしくは中間層の“キャッチャーミット”へ向ける。流路内の転向構造物は同形もしくは異形とすることができ、また粒子捕獲装置内の流路の構造化も同様に様々に変化をつけることができる。
【００１５】
流路の横断面は、流路内の最小部位も平均的な大きさの粒子を通過させるように設定されている。横断面は転向構造物もしくは誘導構造物により影響され、流路の全長にわたり同形もしくは異形とすることができる。
【００１６】
本発明による粒子捕獲装置の望ましい実施態様は、多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域が非多孔性の流路壁に取付けられている中間層により形成されていることにある。このようにして材料の選択に大きな自由度が得られる。
【００１７】
本発明による粒子捕獲装置の実用的な構成は、別の実施態様によれば組込み物が多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域に対向位置し必要な場合には軸線方向へずらされて流路壁から突出するように配設されている少なくとも１つの突出部、瘤、節等から成る場合に特に有利である。このようにして組込み物は製造技術的に簡単にかつ最適な部位に配設可能となる。
【００１８】
有利な別の実施態様によれば、流体の流れ方向において、流路壁から等しい長さで流路の内部へ突出している複数の突出部、瘤、節等が連続的に配設される。あるいは、流体の流れ方向において、流れ方向へ進むにつれて流路壁からの長さが増大しながら流路の内部へ突出している複数の突出部、瘤、節等が連続的に配設される。このような両事例において、有利な実施態様によれば、流路壁の円周方向においても、領域として延びている突出部、瘤、節等が群をなして配設される。
【００１９】
転向構造物および誘導構造物を適合させかつ流路を構造化することにより、例えば粒子捕獲装置内で連続する部分領域においてまず、第１の流速で構造物によって転向させられた粒子は多孔性の流路壁へ向けられ、次に、より小さな転向構造物のところで転向させられなかった粒子は例えばより速い第２の流速で転向されるという作用が達成される。この場合、自動車の運転状態に応じて粒子捕獲装置はどんな流速に対しても分離能力を発揮する。
【００２０】
また、転向構造物および誘導構造物の形状により、粒子捕獲装置を貫流する流体の流速および流体圧力が操作可能となり、最適の分離率に適合させることができる。例えば、流路の内部への突出部、瘤、節等の半径方向長さを増大させることによって、粒子がより速い速度でさらに転向させられるだけでなく、多孔性の流路壁に直ぐ近くに位置する粒子も転向させられる。粒子が流れにより多孔性もしくは高多孔性の材料から成る壁領域まで進まねばならない拡散路はこのようにして徐々に小さくなる。
【００２１】
転向構造物もしくは誘導構造物として作用する組込み物が、そのつど排気ガス中になお含まれている粒子の２〜１５％、特に４〜８％を多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域へ向ける粒子捕獲装置が特に有利であることが判明している。同様の実験からも、このように形成された粒子捕獲装置はきわめて小さな圧力低下しかもたらさないことが明らかにされている。ただし、流れ方向へ連続的に及び／又はずらされて互いに配設されている転向構造物もしくは誘導構造物の数が十分である場合、きわめて有効な粒子浄化が保証される。この場合、必要であれば互いに支え合うそれぞれ少数の転向構造物もしくは誘導構造物を有する複数のこの種の粒子捕獲装置を直列に接続することも可能である。転向構造物もしくは誘導構造物の数はガス流全体を多孔性の材料へないしはそれを貫流するように少なくとも統計的に転向させることが行われるように選択する必要がある。現在はいろいろな実験から、流れ方向においてこの種の転向構造物の１０〜１５個を連続的に直列接続することによて、流れの中に含まれる粒子の９０％以上、それどころか９５％以上の分離効果が得られることが知られている。
【００２２】
特に排気ガス中になお含まれている粒子の転向は、多孔性もしくは高多孔性の材料の多孔率及び／又は粒子捕獲装置の転向構造物もしくは誘導構造物の寸法を相応に設定することによって生ぜしめられる。これは例えば、流路壁の十分に大きな多孔率が保証されている場合には、より小さく形成された転向構造物による流れのより僅かな転向が必要であることを意味する。この場合、特に、隣接する流路において圧力低下領域が転向構造物の近くに（流れ方向では後に）発生し、これらの領域が次に多孔性材料内への粒子の吸込みを生じる。粒子捕獲装置をそれに流入する排気ガスの主要な流れ条件に相応に整合させた場合、きわめて少ない圧力損失で特に有効な粒子分離が保証される。
【００２３】
実際上の適用については、本発明による粒子捕獲装置が多数の流路を有するハニカム体の構成要素であるような別の実施態様が重要である。この実施態様では、粒子捕獲装置は自動車技術用として特に適している。自動車の駆動装置の種々の（ダイナミック）負荷例をカバーするためには、円錐形の装置もしくは円錐形の要素が望ましい。例えば国際公開第９３／２０３３９号パンフレットに記載されているようなこの種の装置は拡大されている流路を有するので、流路が相応の転向構造物もしくは渦流構造物を備えている場合には質量流量の際に、流路のどこかの部位で粒子捕獲のための特に良好な状況が生じる。
【００２４】
流体の流れから粒子を分離するための本発明による方法が、多孔性もしくは高多孔性の流路壁が連続的もしくは断続的に再生されることによって完全化されると有利である。この場合、種々の補助手段が組合わされてもしくは単独で接続可能である。補助手段は第一に、NO2を十分に使用できる前置接続された触媒コンバータであり、及び／又は粒子の酸化を促進し、それにより粒子捕獲装置の再生を促進する前置接続された添加剤投与装置である。
【００２５】
NO2貯蔵器を流れ技術的に粒子捕獲装置と付随的に連結することも可能である。例えば、BａＳｎＯ3もしくはその他のバリウム‐スズ‐灰チタン石等の灰チタン石から成る貯蔵器もしくはバリウム‐アルミン酸塩及び／又はバリウムゼオライトから成るＮＯ2貯蔵器である。
【００２６】
本発明による方法が、粒子捕獲装置の敷設率に関係して作動される補助手段により有利に促進される場合、この方法は粒子捕獲装置により生ぜしめられる圧力損失の割合に応じて作動される。
【００２７】
本発明による粒子捕獲装置が内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガス管に適用されると有利である。さらに、煤煙フィルタと組合わせて使用されると特に有利である。この場合、煤煙フィルタは当然のことながら粒子捕獲装置なしの排気ガス管の場合よりもはるかに小さくなる。
【００２８】
本発明について以下に実施例に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明による粒子捕獲装置および本発明による方法の基本的機能、
図２は、多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域が中間層により形成されている本発明による粒子捕獲装置の実施例、
図３は、流れ方向へ進むにつれて流路壁からの長さを増大しながら流路の内部へ突出している組込み物を有する実施例、
図４は、全体に同一の長さだけ流路の内部へ突出する組込み物が連続的に配設されている粒子捕獲装置の実施例、
図５は、後続の触媒コンバータの担体に対向して支持されている粒子捕獲装置の実施例を示す。
【００２９】
図１は、粒子を含有する流体が流れ方向８（矢印方向）へ流れている流路１を示している。この場合、流路壁２は全体が多孔性である。流路壁２に対向して、突出部、瘤（こぶ）もしくは節（ふし）３の形の組込み物が位置している。流路壁４はこの部位では非多孔性である。流速が小さい場合、突出部、瘤、節３等により流体の粒子が捕獲され、多孔性の流路壁２の方へ転向させられる。そこに粒子は付着し続ける。粒子は粒子捕獲装置の再生の際に例えば高温では酸素による酸化作用により、あるいは低温では二酸化窒素による酸化作用により除去される。
【００３０】
図２は同様に、粒子を含有する流体が流れ方向８（矢印）に沿って流れる流路１を示している。流路壁４はここではすべて非多孔性である。しかし、多孔性の材料から成る中間層２ａが配設されている。この中間層２ａに対向してかつこの中間層２ａに対して若干ずらされて、突出部、瘤、節３等が配設されているので、ここでも粒子は流体から多孔性の中間層２ａへ向けられ、そこに付着し続ける。
【００３１】
図３は、原則的に図１と同じ配置を示している。ただし、ここでは流れ方向８へ連続的に配設されている突出部、瘤、節３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅは、それらの長さが流れ横断面において半径方向へ徐々に増大するように形成されている。このようにして、より速い速度の場合にも粒子は転向させられ、多孔性もしくは高多孔性に形成されている壁領域への距離が徐々に小さくなり、その結果粒子の付着領域までの道程が徐々に小さくなる。
【００３２】
図４の場合は、図示されている流路１の全部分は多孔性もしくは高多孔性の材料から成る、すなわち突出部、瘤、節３は２つの流路壁２と同様に多孔性もしくは高多孔性の材料から成る。この場合、突出部、瘤、節等の半径方向長さは常に同一である。この場合、すべての部分で同一の多孔性の材料を適用することは可能であるが、必ずしもそうする必要はない。
【００３３】
図５は内燃機関７の排気ガス管６内への粒子捕獲装置５の実施例の配置を概略的に示している。粒子捕獲装置５は流れ方向８へ連続的に配設されている触媒コンバータの担体９に直接対向して支持されている。このために、粒子捕獲装置５は、流路１内に特に触媒コンバータの担体９ないしは粒子捕獲装置５の横断面に均等に配設されている支持ピン１０により保持される。この場合、内燃機関７に関してはオットーエンジンだけでなくディーゼルエンジン用燃料により駆動される乗用車及び／又はオートバイのエンジンを想定している。支持ピン１０は、支持ピンが流路１とほぼ同一の横断面を有し少なくとも一部がこれらの流路１内へ突出するように形成されている。触媒コンバータの担体９は排気ガスの浄化のためのその他の構成要素、例えば煤煙フィルタと取り替えることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による粒子捕獲装置および本発明による方法の基本的機能を説明するための図。
【図２】多孔性もしくは高多孔性の材料から成る領域が中間層により形成されている本発明による粒子捕獲装置の実施例を示す概略図。
【図３】流れ方向へ進むにつれて流路壁からの長さを増大しながら流路の内部へ突出している組込み物を有する実施例を示す図。
【図４】全体に同一の長さだけ流路の内部へ突出する組込み物が連続的に配設されている粒子捕獲装置の実施例を示す概略図。
【図５】後続の触媒コンバータの担体に対向して支持されている粒子捕獲装置の実施例を示す概略図。
【符号の説明】
１    流路
２    多孔性流路壁
２ａ  中間層
３    突出部
４    流路壁
５    粒子捕獲装置
６    排気ガス管
７    内燃機関
８    流れ方向
９    触媒コンバータの担体
１０  支持ピン
【図１】
0004761695.tif 000002
【図２】
0004761695.tif 000003
【図３】
0004761695.tif 000004
【図４】
0004761695.tif 000005
【図５】
0004761695.tif 000006