(57)【要約】【課題】  各種燃焼機関の排気ガス中の微粒子を捕集・除去するための微粒子除去装置において、微粒子除去フィルターに目詰まりが生じた場合でも、微粒子除去フィルターが外筒から脱落することを防止する。【解決手段】  ウォールフロー型セラミックス製微粒子除去フィルター２と、その下流側に接触して配置したメタルハニカム体３とが金属製の外筒４内に格納されし、メタルハニカム体３は外筒４に接続されてなることを特徴とする微粒子除去装置。メタルハニカム体３は耐熱合金を用いた厚み数十μｍの金属製の平箔７ａと波箔７ｂとを交互に巻き回して形成される。メタルハニカム体３は軸方向長さＬが１０ｍｍ以下である。メタルハニカム体３を構成する金属箔７は微粒子除去フィルターと接触する側の端部がセラミックス被覆されてなる。メタルハニカム体３はその排気ガス入側端部１２のみで外筒４と接続されてなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォールフロー型セラミックス製微粒子除去フィルターと、その下流側に接触して配置したメタルハニカム体とが金属製の外筒内に格納されし、前記メタルハニカム体は前記外筒に接続されてなることを特徴とする微粒子除去装置。
【請求項２】
前記メタルハニカム体は軸方向長さが１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子除去装置。
【請求項３】
前記メタルハニカム体を構成する金属箔は、前記微粒子除去フィルターと接触する側の端部がセラミックス被覆されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の微粒子除去装置。
【請求項４】
前記メタルハニカム体が排気ガス浄化用のメタル触媒担体であることを特徴とする請求項１に記載の微粒子除去装置。
【請求項５】
前記メタルハニカム体は、その排気ガス入側端部のみで前記外筒と接続されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の微粒子除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種燃焼機関の排気ガス中のカーボン等の微粒子を捕集・除去するための微粒子除去装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンをはじめとする各種燃焼機関の排気ガスに含まれるカーボンを主体とする微粒子を除去することは、環境対策上極めて重要である。各種燃焼機関の排気ガス流路又はガス経路に微粒子除去装置を配置し、微粒子除去装置中の微粒子除去フィルターによって微粒子を捕集し、後処理により除去する技術が種々提案されている。
【０００３】
微粒子を捕集するためのフィルターの代表的な形状は、多孔質材料の壁面を排ガスが通過する過程で微粒子を濾し取るウォールフローモノリスとよばれるものである。微粒子除去フィルターに用いられる材質としては、コーディエライトセラミックスのハニカム状多孔体や、セラミックスファイバをキャンドル状にしたセラミックファイバートラップが知られている。排気ガスがフィルターを通過する際の圧損を少なくするため、セラミックス製のハニカム状多孔体は空隙率６０％程度のものを用い、またハニカムの壁の厚さも極力薄く製造されている。
【０００４】
微粒子除去フィルターは、外筒と呼ばれる耐熱金属製の容器内に収容される。外筒は排気ガス経路の一部をなし、通常は微粒子除去フィルターを収容する部分がその前後の排気ガス経路と比較して大きな内径を有する形状となっている。この外筒内に微粒子除去フィルターを固定する手段として、無機繊維成形体からなるモノリス保持材が使用される。
【０００５】
特許文献１に記載されたモノリス保持材は、触媒コンバーターを保持するための保持材であるが、微粒子除去フィルターを保持するためにも同様の保持材が用いられている。そこにおいて、セラミック繊維マットとそのセラミック繊維マットに均一に分散された無機膨張材および均一に含浸されかつ熱分解により消失する有機バインダーとから主として構成された膨張マットに対し、アルミナ繊維マットを有機糸でステッチボンディングした積層体であり、膨張製マットの高温熱劣化をアルミナ繊維マットによって防止することを企図したものである。
【０００６】
特許文献１に記載のモノリス保持材は、膨張マットに対するアルミナ繊維マットの接着の困難性から、有機糸によるステッチボンディングが採用されているが、ステッチボンディングによって繊維が痛みやすく、その結果、モノリスに対する保持力が低下するという問題がある。特許文献２に記載のものは、厚さ方向に圧縮された結晶質アルミナ繊維マットとそれに均一に含浸されかつ熱分解によって消失する有機バインダーとから構成される第１の無機繊維マットと、上記以外のセラミック繊維マットとそれに均一に分散された無機膨張材および均一に含浸されかつ熱分解によって消失する有機バインダーとから構成される第２の無機繊維マントとを積層してなる無機繊維成形体である。この無機繊維成形体をモノリス保持材として使用した際、モノリスを安定的に固定でき、繊維の損失がないのでモノリスに対する保持力の低下がなく、一層安定的にモノリスを固定し得るとしている。
【０００７】
微粒子除去フィルターを継続的に使用可能な状態に保つためには、捕集された微粒子を焼却などの酸化反応によって適宜除去する必要がある。この過程は微粒子除去フィルターの再生と呼ばれる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１−２４０７１５号公報
【特許文献２】特開平１０−２８８０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
微粒子除去フィルターに微粒子が捕集されると、微粒子除去フィルターの再生を行うまでの間、微粒子による目詰まりでフィルターの空隙率が低下するため、排気ガス通過時の圧力損失が増大する。このため、微粒子除去フィルターにかかる圧力が増大し、微粒子除去フィルターを外筒に固定しているモノリス保持材から脱落させようとする力として作用する。従来から用いられている上記無機繊維成形体からなるモノリス保持材による微粒子除去フィルターの保持では、微粒子除去フィルターが外筒からずれ、脱落する場合があった。
【００１０】
本発明は、微粒子除去フィルターに目詰まりが生じた場合でも、微粒子除去フィルターが外筒から脱落することのない微粒子除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）ウォールフロー型セラミックス製微粒子除去フィルター２と、その下流側に接触して配置したメタルハニカム体３とが金属製の外筒４内に格納されし、メタルハニカム体３は外筒４に接続されてなることを特徴とする微粒子除去装置。
（２）メタルハニカム体３は軸方向長さＬが１０ｍｍ以下であることを特徴とする上記（１）に記載の微粒子除去装置。
（３）メタルハニカム体３を構成する金属箔７は、微粒子除去フィルターと接触する側の端部がセラミックス被覆されてなることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の微粒子除去装置。
（４）メタルハニカム体３が排気ガス浄化用のメタル触媒担体１６であることを特徴とする上記（１）に記載の微粒子除去装置。
（５）メタルハニカム体３は、その排気ガス入側端部１２のみで外筒４と接続されてなることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の微粒子除去装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の微粒子除去装置は、微粒子除去フィルターの下流側に接触して配置したメタルハニカム体が金属製の外筒内に格納されし、メタルハニカム体は前記外筒に接続されているので、たとえ微粒子除去フィルターに圧力がかかった場合でも外筒から脱落することがなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の微粒子除去装置１で使用される微粒子除去フィルター２は、図５に示すように多孔質材料の壁面１０を排ガスが通過する過程で微粒子を濾し取るウォールフローモノリスとよばれるものである。微粒子除去フィルター２に用いられる材質としては、コーディエライトセラミックスのハニカム状多孔体や、セラミックスファイバをキャンドル状にしたセラミックファイバートラップが知られている。コーディエライト以外に、より高温まで使用できる炭化珪素などの材料を用いることもできる。排気ガスがフィルターを通過する際の圧損を少なくするため、セラミックス製のハニカム状多孔体は空隙率６０％程度のものを用い、またハニカムの壁面１０の厚さも極力薄く製造されている。ハニカム体に形成されるセル９は、排気ガスの出側端部１３に目封じ１１をされた流入セル９ａと、排気ガスの入側端部１２に目封じ１１をされた排出セル９ｂとが存在し、その両者が交互に並んで配置されている。微粒子を含む排気ガスは、流入ガス２１としてまず出側端部に目封じをされた流入セル９ａに導入され、ハニカム体の壁面１０を通して隣接する排出セル９ｂ（排気ガスの入側端部に目封じをされたセル）に移動する。排気ガス中の微粒子は壁面１０を通過する際にフィルターにトラップされ、微粒子が除去された排気ガスが排出ガス２２として下流側に排出される。
【００１４】
図１に示すように、微粒子除去フィルター２は外筒４の内部に固定される。微粒子除去フィルター２と外筒４との間には、無機繊維成形体からなるモノリス保持材５などを挿入し、両者の間を固定する。外筒４を構成する材質としては耐熱性のステンレス鋼が用いられる。
【００１５】
微粒子除去フィルター２の下流側にはメタルハニカム体３が配置される。メタルハニカム体３は、耐熱合金を用いた厚み数十μｍの金属製の平箔７ａと波箔７ｂとを交互に巻き回し、あるいは積層して形成される。耐熱性を有するステンレス鋼箔が好ましく用いられる。平箔７ａと波箔７ｂとの接触部をろう付け接合することにより、あるいは拡散接合を行うことにより、強固なメタルハニカム体３とすることができる。メタルハニカム体３の外周と外筒４の内周との間は、ろう付け等の接合方法で接続される。メタルハニカム体の外周にまず中筒をろう付け接合し、ついで該中筒の外周と外筒の内周とをろう付け接合する方法を採用しても良い。
【００１６】
微粒子除去フィルター２の下流側に配置するメタルハニカム体３の好ましい形態は以下の通りである。セル密度は１００〜９００ｃｐｓｉ、好ましくは２００〜４００ｃｐｓｉとすると良い。箔厚は０．０２〜０．１ｍｍで好ましくは０．０３〜０．０５ｍｍがよい。セル密度が高すぎると圧損上昇が増大し、また低すぎると接合点不足により強度が得られない。箔厚も厚すぎると圧損上昇を増大させ、薄すぎると強度不足となる。
【００１７】
上記メタルハニカム体３は、微粒子除去フィルター２の下流側に接触して配置される。微粒子除去フィルター２に微粒子が堆積して圧損が増大し、微粒子除去フィルター２を下流側に押し出そうとする力が働いた場合においても、メタルハニカム体３が微粒子除去フィルター２を支持するので、微粒子除去フィルター２が外筒４から脱落することがない。
【００１８】
セラミックス製の微粒子除去フィルター２は、セル壁面における通気性を確保するために高い空隙率を有する材料で構成されており、破損しやすい脆い性質を有している。本発明において、微粒子除去フィルター２の下流側端面の全体がメタルハニカム体３と接触して保持されているので、たとえ微粒子除去フィルター２を下流側に押し出そうとする高い力が働いている場合でも、微粒子除去フィルター２には高い応力が働く部分が存在しない。そのため、微粒子除去フィルター２の破損を防止することができる。
【００１９】
微粒子除去フィルター２の下流側に井桁状の保持部材を配置しようとすると、その井桁部分において排気ガスの流通を妨げることとなり、好ましくない。本発明においては微粒子除去フィルター２の保持にメタルハニカム体３を用いており、メタルハニカム体３はどの部分においても高いガス流通性を保つことができるので、微粒子除去フィルター２の排気ガス流通を妨げることがない。
【００２０】
微粒子除去フィルター２において、排気ガス出側端部１３を目封じした流入セル９ａについては、排気ガス出側端部１３付近に微粒子が堆積しやすい傾向を有する。排気ガス出側端部付近に特に炭素を主体とする微粒子が堆積した状態において、炭素微粒子に着火し、排気ガスに残存する酸素ガスによって酸化燃焼が起きると、酸化燃焼に伴う発熱によって微粒子除去フィルターの材料許容温度以上に温度が上昇し、微粒子除去フィルター２が溶損するという問題を有する。
【００２１】
本発明において、微粒子除去フィルター２の排気ガス出側端面とメタルハニカム体３との間を、伝熱抵抗を減少させるような密接な接触状態を保つことにより、微粒子の酸化燃焼に伴う発熱をメタルハニカム体側に伝熱し、メタルハニカム体から排気ガスに熱を放散させることができる。これにより、排気ガス出側端部付近に特に炭素を主体とする微粒子が異常に堆積した状態において、炭素微粒子に着火して発熱反応が起きた場合においても、微粒子除去フィルター２の温度を低い温度に保持し、微粒子除去フィルター２の溶損を防止することが可能になる。微粒子除去フィルター２の排気ガス出側端面とメタルハニカム体３との間を、伝熱抵抗を減少させるような密接な接触状態を保つためには、箔厚を厚くし、高セル密度化することが有効である。このとき好ましくは箔厚０．０３〜０．０５ｍｍ、セル密度は３００〜４００ｃｐｓｉである。
【００２２】
本発明のメタルハニカム体３は、その軸方向の長さＬを１０ｍｍ以下とすると好ましい。排気ガスがメタルハニカム体３を通過する際の圧力損失は少ないほど好ましく、メタルハニカム体の軸方向長さＬを１０ｍｍ以下とすることにより、圧力損失を少ない状態に保持することができる。メタルハニカム体の軸方向長さＬは５ｍｍ以下とするとより好ましい。また、微粒子除去フィルターでの微粒子の発熱をメタルハニカム体から放熱するに際し、メタルハニカム体の軸方向長さＬが２ｍｍ以上であれば、十分に高い放熱効率を保持することが可能になるので好ましい。
【００２３】
本発明の微粒子除去フィルター２とメタルハニカム体３とは面接触しているので微粒子除去フィルター２の損傷発生を極小化することができるが、前述のとおり、セラミックス製の微粒子除去フィルター２は材質が脆いので、メタルハニカム体３を構成する金属箔７と直接接する部分における微粒子除去フィルターは摩耗しやすい傾向を有する。
【００２４】
本発明においては図２に示すように、メタルハニカム体３を構成する金属箔７は、微粒子除去フィルターと接触する側１７の端部がセラミックス被覆されてなるセラミックス被覆部分１４を有することとすると好ましい。金属箔７の端部をセラミックス被覆することにより、微粒子除去フィルター２はこのセラミックス被覆部分１４と接触することとなり、金属箔７と直接接触する場合に比較して摩耗しにくくなる。これにより、セラミックス製微粒子除去フィルター２の寿命を向上させることができる。セラミックス被覆部分１４を構成するセラミックスとしては、コーディエライト（Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2）をはじめとして、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣなどを用いることができる。セラミックスの粉末を溶剤で液状にしたセラミックス含有液を準備し、この液の表面にメタルハニカム体の端面（微粒子除去フィルターと接触する側１７）を接触させることにより、メタルハニカム体の金属箔７の端部にセラミックス含有液を付着させる。その後真空雰囲気で焼成することにより、金属箔の端部７に強固なセラミックス被覆部分１４を形成することができる。セラミックス含有液として、ウォッシュコート液を用いると特に好ましい。
【００２５】
本発明において、図３に示すように、微粒子除去フィルター２に接触して配置するメタルハニカム体３が、排気ガス浄化用のメタル触媒担体１６であるとすることができる。これにより、メタルハニカム体３は、微粒子除去フィルター２を保持する機能を有すると同時に、排気ガスを浄化する触媒担体としての機能を併せ持つことができる。この場合、メタルハニカム体の軸方向の長さＬとしては、触媒反応を起こさせるのに十分な長さを有していることが必要であり、通常は３０ｍｍ〜１００ｍｍの長さを有することとすると好ましい。メタルハニカム体３をメタル触媒担体１６として機能させるためには、排気ガス通路となるハニカム体のセル６の金属箔表面に、ウォッシュコート層と呼ばれる例えばポーラスなγ−アルミナ層をコーティングする。次に、このウォッシュコート層に貴金属等から成る触媒をしみ込ませる方法、またはあらかじめ触媒を含んだウォッシュコート層をメタル担体にコーティングする方法によって触媒担持層を形成し、触媒を担持したメタル触媒担体１６とする。
【００２６】
本発明のメタルハニカム体と外筒との接続部分については、メタルハニカム体の軸方向全長について外筒と接続するのではなく、排気ガス入側端部のみで外筒と接続することとすると好ましい。具体的には、図４に示すように、排気ガス入側端部１２のみで外筒４とろう付け接合したろう付け部１５を有する。図４（ａ）は、メタルハニカム体３が触媒を担持しない場合であり、図４（ｂ）はメタルハニカム体３がメタル触媒担体１６として機能する場合を示す図である。
【００２７】
微粒子除去フィルター２の下流側に接触して設けられる本発明のメタルハニカム体３は、エンジン運転中には高温に加熱される。特に微粒子除去フィルター２に堆積した微粒子を酸化燃焼させる際には温度が上昇する。温度上昇時にはメタルハニカム体３は熱膨張し、軸方向にも長さが伸びることとなる。一方、メタルハニカム体３と接続される外筒４については、その外周側に放熱するため、エンジン運転中においてもさほど温度は上昇せず、熱膨張しろも少ない。そのため、メタルハニカム体３と外筒４との間を軸方向の全長で接続すると、両者の熱膨張差に対応して熱応力が発生することとなり、繰り返し熱応力によってメタルハニカム体３が損傷することになりかねない。上記本発明のようにメタルハニカム体３の排気ガス入側端部１２のみで外筒４と接続することにより、メタルハニカム体３における熱応力の発生を防止することができ、メタルハニカム体３の寿命を向上させることが可能になる。
【００２８】
メタルハニカム体３が熱膨張する際、隣接する微粒子除去フィルター２の方向に膨張すると、微粒子除去フィルター２に不測の負荷をかけることとなり好ましくない。本発明においては、メタルハニカム体３は排気ガス入側端部１２のみで外筒４と接続するので、メタルハニカム体３が熱膨張した際に下流側に膨張することになり、微粒子除去フィルター２への負荷を最小限に抑えることが可能になる。
【実施例】
【００２９】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるカーボンを主体とする微粒子を除去する目的で、ディーゼルエンジンの排気ガス系に本発明の微粒子除去装置を適用した。
【００３０】
微粒子除去フィルター２としては、直径１００ｍｍ、長さ１２０ｍｍのウォールフロー型セラミックス製微粒子除去フィルターを用いた。フィルターが有するハニカム状多孔体は、３００ｃｐｓｉ×６ｍｉｌとした。微粒子除去フィルター２は、内径１１０ｍｍのステンレス鋼製外筒４に収容される。微粒子除去フィルター２と外筒４との間は、無機繊維成形体からなるモノリス保持材５を配置し、両者間を固定する。
【００３１】
比較例においては、微粒子除去フィルター２は上記モノリス保持材５のみで保持することとした。それに対し、本発明例Ｎｏ．１およびＮｏ．２は、図１に示すように、微粒子除去フィルター２の下流側にフィルター２に接触してメタルハニカム体３を配置し、このメタルハニカム体３を外筒４の内周にろう付け固定し、これによって微粒子除去フィルター２を保持することとした。
【００３２】
本発明例に用いたメタルハニカム体３の形状は、耐熱性ステンレス鋼製の平箔と波箔とを交互に巻き回してハニカム体としたものを用いた。ステンレス鋼箔の厚さは３０μｍとし、ハニカムの密度を４００ｃｐｓｉとした。メタルハニカム体３の直径は１１０ｍｍとし、メタルハニカム体３の長さについては、本発明例Ｎｏ．１が１０ｍｍ、Ｎｏ．２が１００ｍｍである。
【００３３】
本発明例において、メタルハニカム体端部のセラミック被覆は行わず、メタルハニカム体端面は未処理のままセラミックス製の微粒子除去フィルター２に接するように取り付けた。また、メタルハニカム体３と外筒４との間の接合については、本発明例Ｎｏ．１はメタルハニカム体３の外周面全面でろう付け接合し、本発明例Ｎｏ．２はメタルハニカム体３の入側より２０ｍｍ長さ部分のみをろう付けした構造体である。
【００３４】
本発明例Ｎｏ．１、２および比較例について、ディーゼルエンジンを運転し、微粒子除去装置内での微粒子除去フィルター２の固定状況について評価を行った。その結果、比較例については、微粒子除去フィルター２が排気ガスの下流側にずれる現象が発生していた。排気圧の上昇によってずれたものと思われる。それに対し、本発明例Ｎｏ．１、２については、いずれも微粒子除去フィルター２のずれは発生していなかった。
【００３５】
微粒子除去装置における圧損状況を比較すると、本発明例Ｎｏ．１は本発明例Ｎｏ．２よりも圧損が少なかった。また、本発明例Ｎｏ．２においてメタルハニカム体３に十分な昇温が見られた。即ち、メタルハニカム体３に排気ガス浄化用の触媒を担持すれば、高い温度に起因して触媒による排気ガス浄化が図れる可能性が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の微粒子除去装置を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図２】本発明の微粒子除去装置におけるメタルハニカム体を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は部分断面図である。
【図３】本発明の微粒子除去装置を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】本発明の微粒子除去装置を示す側面断面図である。
【図５】ウォールフロー型セラミックス製微粒子除去フィルターを示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  微粒子除去装置
２  微粒子除去フィルター
３  メタルハニカム体
４  外筒
５  モノリス保持材
６  セル
７  金属箔
７ａ  平箔
７ｂ  波箔
９  セル
９ａ  流入セル
９ｂ  排出セル
１０  壁面
１１  目封じ
１２  排気ガスの入側端部
１３  排気ガスの出側端部
１４  セラミックス被覆部分
１５  ろう付け部
１６  メタル触媒担体
１７  微粒子除去フィルターと接触する側
２１  流入ガス
２２  排出ガス
Ｌ  メタルハニカム体の軸方向長さ
【図１】
2005113860.tif 000003
【図２】
2005113860.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005113860.tif 000006
【図５】
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