(57)【要約】排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレートフィルターであって、相互に離間して配置されるフィルター壁材層と、フィルター壁材層を相互に離間させるスペーサー部材とを備え、フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって排気ガス流路が形成されるとともに、フィルター壁材層には、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に、所定間隔離間して複数のパティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とする。
2002084085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレートフィルターであって、
相互に離間して配置されるフィルター壁材層と、
前記フィルター壁材層を相互に離間させるスペーサー部材とを備え、
前記フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって排気ガス流路が形成されるとともに、
前記フィルター壁材層には、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に、所定間隔離間して複数のパティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とするパティキュレートフィルター。
【請求項２】
前記フィルター壁材層が、相互に平行に配置された複数の線状部材から形成されるとともに、
前記線状部材の軸線方向が、排気ガスの流れ方向と垂直な方向になるように配置され、
前記線状部材の隣接部分の側面によって、前記パティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルター。
【請求項３】
前記フィルター壁材層を構成する複数の線状部材が、相互に平行に接触するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のパティキュレートフィルター。
【請求項４】
前記フィルター壁材層が、シート材本体と、このシート材本体の排気ガス流路側の表面に、相互に平行に所定間隔離間するように配置された複数の線状部材とから形成され、
前記線状部材の軸線方向が、排気ガスの流れ方向と垂直な方向になるように配置されるとともに、
前記線状部材の隣接部分の側面とシート材本体によって、前記パティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルター。
【請求項５】
前記フィルター壁材層が、シート材によって形成されるとともに、
前記パティキュレート捕集用溝が、前記シート材の排気ガス流路側の表面に形成された凹部によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルター。
【請求項６】
前記フィルター壁材層が、円柱形状または長円柱形状に巻回されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項７】
前記スペーサー部材が、排気ガスの流れ方向と平行な方向に延設されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項８】
前記スペーサー部材が、相互に平行に配設されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項９】
前記スペーサー部材が、線状部材から形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項１０】
前記フィルター壁材層が、セラミックによって形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項１１】
前記スペーサー部材が、セラミックによって形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項１２】
前記セラミックが、理論密度の２０〜８０％の密度と１０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有することを特徴とする請求項１１に記載のパティキュレートフィルター。
【請求項１３】
前記セラミックに、白金、パラジウム、およびロジウムからなる群より選択された少なくとも１種の触媒成分が担持されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項１４】
前記フィルター壁材層が、金属によって形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項１５】
前記パティキュレートフィルターを加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のパティキュレートフィルター。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載のパティキュレートフィルターを、筒状部材の開口部から、排気ガス流路を介して排気ガスが流出入するように、筒状部材内に装着したことを特徴とするパティキュレートフィルター装置。
【請求項１７】
排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレート除去方法であって、
相互に離間して配置されるとともに、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に、所定間隔離間して複数のパティキュレート捕集用溝が形成されたフィルター壁材層の間に、
排気ガスを所定の速度で流通させることによって、パティキュレート捕集用溝近傍で乱流域を生じせしめ、パティキュレート捕集用溝に排気ガス中に含まれるパティキュレートを凝集捕集及び／又は付着捕集することを特徴とするパティキュレート除去方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ディーゼルエンジンなどの希薄燃焼内燃機関の排気ガスに含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレートフィルターおよびパティキュレート除去方法に関する。
背景技術
ディーゼルエンジンなどの希薄燃焼内燃機関では、いわゆる「スス」の原因である粒子状物質のパティキュレートを含んだ排気ガスが排出されている。このようなパティキュレートは、人体にとって、様々な障害、疾病の原因となり有害であるため、環境保護の面から早期に排出量を低減することが要請されているのが現状である。
このため、ディーゼルエンジンにおける燃焼の改良、もしくは燃料の改質、またはこれらの燃焼の改良と燃料の改良の両方を行うことによってパティキュレートの発生を抑える技術、さらには、発生したパティキュレートを排気ガスの後処理によって浄化する技術に、開発努力が重ねられている。
このような排気ガスの後処理としては、パティキュレートフィルターによる濾過・浄化が検討されている。このようなパティキュレートフィルターには、多孔質ハニカム基材のセルを交互に目封じしたタイプ、間隙を設けて配置された無機多孔質体に排気ガスを衝突させてパティキュレートを多孔質体の表面で捕集するタイプ、多孔質体を形成した無機繊維の間隙でパティキュレートを捕集するタイプなどの各種タイプのパティキュレートフィルターが提案されている。
このようなパティキュレートフィルターが、長期間にわたって継続的に使用可能であるためには、連続再生式であること、すなわち、パティキュレート捕集とフィルター再生が並行して行われる方式であることが必要である。
このような連続再生式のパティキュレートフィルターとしては、濾過材と触媒を組み合わせたものが提案されている。具体的には、セルを交互に目封じしたコージェライト製などのハニカム基材に、比表面積の高いγ−アルミナなどの触媒担体をコートし、その触媒担体に白金などの触媒成分を担持した構造のものが検討されている。
このような構造のパティキュレートフィルターにおいては、ハニカム基材のセル壁と触媒担体が、パティキュレートの濾過材として機能するとともに、触媒担体上に担持された白金などの触媒成分が、パティキュレートの燃焼浄化を促進する機能を有するものである。
この場合、排気ガスは、全量がセル壁を貫通して排出されるため、このような構造は、ウォールフロー構造と称されている。このようなウォールフロー構造のパティキュレートフィルターにおいては、排気ガス中のパティキュレートは、多孔質の濾過材を流通する間に触媒成分の作用により燃焼浄化されるか、もしくは、一時的に捕集された後に、触媒成分の作用により燃焼浄化されるか、または、これらの両方の燃焼浄化作用が同時に行われるようになっている。
このような構造のパティキュレートフィルターにおいては、一般に、セラミック製ハニカム基材が使用され、排気ガス温度の急激な温度変化に伴う熱膨張または収縮によるクラックなどの損傷を回避する必要があるため、通常は、極めて低い熱膨張率を有するコージェライトからなるハニカム基材が使用されている。
しかしながら、このようなパティキュレートフィルターが、ディーゼルエンジンなどの希薄燃焼内燃機関を搭載した自動車などにおいて、常時使用できる連続再生式フィルターとして適用できるためには、パティキュレートの捕集率が高く、燃費の悪化を抑制するためには、圧力損失が低いことに加え、排気ガスの流路が閉塞しないことが必要である。さらに、触媒成分によってパティキュレートの燃焼を促進する方式にあっては、触媒担持面積が広く、また、熱容量が低いことが望まれる。
しかしながら、上記のハニカム基材を使用したウォールフロー構造のパティキュレートフィルターは、排気ガスの全量がセル壁を貫通するため、圧力損失が高いという問題がある。さらに、パティキュレートの不完全な燃焼、または触媒の長期間の使用に伴う触媒活性の低下によって、排気ガスの流路が閉塞するおそれが存在する。
本発明は、このような現状に鑑み、常時使用できる連続再生式フィルターとして機能するのに必要な、パティキュレートの高い捕集率が確保され、圧力損失が低く、しかも、排気ガスの流路が閉塞することのないパティキュレートフィルターおよびパティキュレート除去方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、触媒成分によってパティキュレートの燃焼を促進する方式において、触媒担持面積を広くすることができ、また、熱容量を低くすることが可能なパティキュレートフィルターおよびパティキュレート除去方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は、前述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明なされたものであって、本発明のパティキュレートフィルターは、排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレートフィルターであって、
相互に離間して配置されるフィルター壁材層と、
前記フィルター壁材層を相互に離間させるスペーサー部材とを備え、
前記フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって排気ガス流路が形成されるとともに、
前記フィルター壁材層には、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に、所定間隔離間して複数のパティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とする。
また、本発明のパティキュレート除去方法は、排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレート除去方法であって、
相互に離間して配置されるとともに、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に、所定間隔離間して複数のパティキュレート捕集用溝が形成されたフィルター壁材層の間に、
排気ガスを所定の速度で流通させることによって、パティキュレート捕集用溝近傍で乱流域を生じせしめ、パティキュレート捕集用溝に排気ガス中に含まれるパティキュレートを凝集捕集及び／又は付着捕集することを特徴とする。
このように構成することによって、フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって、実質的に一方向に延び、パティキュレートの堆積による閉塞が生じないサイズの排気ガス流路が形成される。
しかも、一定の流速以上の排気ガスをこの排気ガス流路に流通することによって、パティキュレートを含む排気ガスは、排気ガス流路内を、スペーサー部材の軸線方向に沿って流れ、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に形成された複数のパティキュレート捕集用溝によって、排気ガスの乱流が生じてパティキュレートが相互に衝突し、パティキュレートが集合して、二次凝集体を生成する。このパティキュレート二次凝集体は、その増大した粒子径と質量に起因して、排気ガスの流れに比較的同伴され難くなる。
そして、排気ガスの乱流下において、パティキュレート捕集用溝の中には流速が極めて遅い局所領域が発生する。このため、パティキュレートは、二次凝集体として、この流速が極めて遅い局所領域に凝集捕集されることになる。
あるいは、一定の流速以上の排気ガスに同伴された一定の流速以上のパティキュレートは、その慣性力によって、乱流下で流速が極めて遅い局所領域のパティキュレート捕集用溝の表面に衝突し、その表面に付着して捕集される。
そして、このようなパティキュレートの二次凝集及び／又は付着は、パティキュレートに含まれる可溶性有機成分（ＳＯＦ）が、バインダーとしての機能を奏して促進するものと考えられる。
すなわち、排気ガスを一定の流速以上で排気ガス流路内を流通させることによって、パティキュレート捕集用溝によって、排気ガス中に含まれるパティキュレートがある割合で二次凝集され捕集され、あるいは付着して捕集され、パティキュレートを排気ガスから除去することができる。
このようにして、それぞれのパティキュレート捕集用溝が、パティキュレートを捕集して排気ガス中のパティキュレート濃度をある割合で低下させる吹き溜まりとなる。
従って、複数のパティキュレート捕集用溝によって、全体として排気ガス中のパティキュレート濃度を指数関数的に低下させることができる。すなわち、適切なサイズのパティキュレート捕集用溝を、必要な数でフィルター壁材層に設けることによって、目的とするパティキュレートの捕集率、すなわち、パティキュレートの除去率を達成することができる。
また、フィルター壁材層とスペーサー部材によって形成される間隙は、排気ガスの流路となり、この間隙は、スペーサー部材のサイズとスペーサー間の間隙によって、パティキュレートの堆積による閉塞が生ぜず、しかも十分に低い圧力損失となる適切な範囲に調整することができる。従って、排気ガスの流路が確保され、また、従来のウォールフロー式のパティキュレートフィルターに比較して、格段に圧力損失を低減することができる。
すなわち、本発明のパティキュレートフィルターでは、ストレートフロー式のパティキュレートの捕集によって、従来のウォールフロー式フィルターの問題点を解決できるものである。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層が、相互に平行に配置された複数の線状部材から形成されるとともに、
前記線状部材の軸線方向が、排気ガスの流れ方向と垂直な方向になるように配置され、
前記線状部材の隣接部分の側面によって、前記パティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とする。
このように構成することによって、フィルター壁材層が、相互に平行に配置された複数の線状部材から形成されるので、個々の線状部材は、単純形状であって体積を極めて小さくすることができる。従って、比較的高い熱膨張率を有する材料であっても、温度の変動に伴う熱応力が桁違いに小さいので、温度の変動による破損を防止することができるとともに、熱容量を小さくすることができる。
しかも、線状部材の隣接部分の側面によって、パティキュレート捕集用溝が形成されているので、前述した排気ガスの乱流域が効率良く発生して、パティキュレート捕集用溝内に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを確実に凝集捕集及び／又は付着捕集して除去することが可能となる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層を構成する複数の線状部材が、相互に平行に接触するように配置されていることを特徴とする。
このようにフィルター壁材層を構成する複数の線状部材が、相互に平行に接触するように配置されているので、線状部材の隣接部分の側面によって形成されるパティキュレート捕集用溝から、パティキュレートフィルターの外部に捕集されたパティキュレートが漏洩して汚染することがない。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層が、シート材本体と、このシート材本体の排気ガス流路側の表面に、相互に平行に所定間隔離間するように配置された複数の線状部材とから形成され、
前記線状部材の軸線方向が、排気ガスの流れ方向と垂直な方向になるように配置されるとともに、
前記線状部材の隣接部分の側面とシート材本体によって、前記パティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とする。
このように構成することによって、線状部材の隣接部分の側面とシート材本体によって、パティキュレート捕集用溝を形成することができ、排気ガスの乱流域が効率良く発生して、パティキュレート捕集用溝内に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを確実に凝集捕集及び／又は付着捕集して除去することが可能となる。
しかも、個々の線状部材、シート材本体は、単純形状であって体積を極めて小さくすることができ、温度の変動に伴う熱応力が小さいので、温度の変動による破損を防止することができるとともに、熱容量を小さくすることができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層が、シート材によって形成されるとともに、
前記パティキュレート捕集用溝が、前記シート材の排気ガス流路側の表面に形成された凹部によって構成されていることを特徴とする。
このように構成することによって、押出成形等によってシート材料を凹凸形状に作製するか、または、平板上のシート材料を曲げ加工、または溝加工するなどによって、簡単にしかも低コストで製造することが可能となる。
また、パティキュレート捕集用溝が、シート材の排気ガス流路側の表面に形成された凹部によって形成されているので、この凹部近傍に排気ガスの乱流域が効率良く発生して、パティキュレート捕集用溝内に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを確実に凝集捕集及び／又は付着捕集によって除去することが可能となる。
しかも、パティキュレート捕集用溝が、シート材の排気ガス流路側の表面に形成された凹部によって形成されているので、シート材は、単純形状であって体積を極めて小さくすることができ、温度の変動に伴う熱応力が小さいので、温度の変動による破損を防止することができるとともに、熱容量を小さくすることができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層が、円柱形状または長円柱形状に巻回されていることを特徴とする。
このようにフィルター壁材層が、円柱形状または長円柱形状に巻回されていることによって、パティキュレートフィルターを、円柱形状または長円柱形状とすることができるので、コンパクトでしかも高機能なパティキュレートフィルターを提供することができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記スペーサー部材が、排気ガスの流れ方向と平行な方向に延設されていることを特徴とする。
このように構成することによって、排気ガスが、スペーサー部材に沿って排気ガス流路内を下流に流れることになるので、上記のパティキュレートの捕集、除去を効率的に行うことが可能となる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記スペーサー部材が、相互に平行に配設されていることを特徴とする。
このように構成することによって、フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって排気ガス流路が複数個形成されることになるので、上記のパティキュレートの捕集、除去をさらに効率的に行うことが可能となる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記スペーサー部材が、線状部材から形成されていることを特徴とする。
このようにスペーサー部材を、線状部材から形成することによって、スペーサー部材も単純形状であり、体積を極めて小さくすることができ、温度の変動に伴う熱応力が小さいので、温度の変動による破損を防止することができるとともに、熱容量を小さくすることができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記排気ガス流路を画成するフィルター壁材層の間の離間距離が、５０μｍ〜３ｍｍであることを特徴とする。
このような範囲に、排気ガス流路を画成するフィルター壁材層の間の離間距離を設定することによって、パティキュレートの堆積による閉塞が生ぜず、しかも、十分に低い圧力損失となる適切な範囲に、排ガス流路を調整することができる。従って、排気ガスの流路が確実に確保されるとともに、上述の従来のウォールフロー式のパティキュレートフィルターに比較して、格段に圧力損失を低くすることができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記パティキュレート捕集用溝の離間距離が、１０μｍ〜２ｍｍであることを特徴とする。
このような範囲に、パティキュレート捕集用溝の離間距離を設定することによって、上記のパティキュレート捕集用溝近傍における排気ガスの乱流域の発生が阻害されることなく確実に発生して、上記のパティキュレートの捕集、除去をさらに効率的に行うことが可能となる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記パティキュレート捕集用溝の深さが、１０μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする。
このような範囲に、パティキュレート捕集用溝の深さを設定することによって、上記のパティキュレート捕集用溝近傍における排気ガスの乱流域の発生が阻害されることなく確実に発生し、しかも、このパティキュレート捕集用溝内に、パティキュレートを確実に凝集捕集及び／又は付着捕集して、除去することが可能となる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記パティキュレート捕集用溝が、前記フィルター壁材層の排気ガスの流れ方向全体にわたって形成されていることを特徴とする。
このように、パティキュレート捕集用溝が、フィルター壁材層の排気ガスの流れ方向全体にわたって形成されていることによって、排気ガス流路を流れる排気ガス中に含まれるパティキュレートの上記の凝集捕集及び／又は付着捕集による除去効率がさらに向上することになる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層を構成する線状部材の直径が、１０μｍ〜２ｍｍであることを特徴とする。
このような範囲に、フィルター壁材層を構成する線状部材の直径を設定することによって、フィルター壁材層の体積、すなわち、パティキュレートフィルター全体の体積をも小さくすることができ、温度の変動に伴う熱応力が小さいので、温度の変動による破損を防止することができるとともに、熱容量を小さくすることができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記スペーサー部材を構成する線状部材の直径が、５０μｍ〜３ｍｍであることを特徴とする。
このような範囲に、スペーサー部材を構成する線状部材の直径を設定することによって、スペーサー部材によって形成されるフィルター壁材層の間の間隙を所定の大きさとすることができ、パティキュレートの堆積による閉塞が生ぜず、しかも、十分に低い圧力損失となる適切な範囲に、排ガス流路を調整することができる。従って、排気ガスの流路が確実に確保されるとともに、上述の従来のウォールフロー式のパティキュレートフィルターに比較して、格段に圧力損失を低くすることができる。
しかも、このようなサイズのスペーサー部材であれば、スペーサー部材の体積、すなわち、パティキュレートフィルター全体の体積をも小さくすることができ、温度の変動に伴う熱応力が小さいので、温度の変動による破損を防止することができるとともに、熱容量を小さくすることができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記排気ガス流路の長さが、排気ガスの流れ方向に２０〜５００ｍｍであることを特徴とする。
このような範囲に排気ガス流路の長さを設定することによって、排気ガス流路を流れる排気ガス中に含まれるパティキュレートの上記の凝集捕集及び／又は付着捕集による除去効率がさらに向上することになる。その結果、パティキュレートフィルターを通過した排気ガス中にパティキュレートが残存することがなく、環境を汚染することがない。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層が、セラミックによって形成されていることを特徴とする。
このようにフィルター壁材層が、セラミックによって形成することによって、実質的に触媒担体の材料のみからパティキュレートフィルターを構成することが可能である。
従って、従来のハニカム基材を用いるウォールフロー式のパティキュレートフィルターと比較すると、触媒担持面積が格段に広くなり、しかも、熱容量が格段に低いパティキュレートフィルターを提供することができる。すなわち、ハニカム基材の存在なしにパティキュレートフィルターが構成されるため、触媒担体としてのセラミックのフィルター壁材層が占める空間体積を格段に増すことができることになる。
このことは、特に、上記のように、フィルター壁材層が複数の線状部材を備えている態様において、線状部材をセラミックから形成することによって特に顕著である。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記スペーサー部材が、セラミックによって形成されていることを特徴とする。
このようにスペーサー部材が、セラミックによって形成することによって、実質的に触媒担体の材料のみからパティキュレートフィルターを構成することが可能である。
従って、従来のハニカム基材を用いるウォールフロー式のパティキュレートフィルターと比較すると、触媒担持面積がさらに格段に広くなり、しかも、熱容量が格段に低いパティキュレートフィルターを提供することができる。すなわち、ハニカム基材の存在なしにパティキュレートフィルターが構成されるため、触媒担体としてのセラミックのフィルター壁材層が占める空間体積をさらに格段に増すことができることになる。
このことは、特に、上記のように、スペーサー部材が線状部材である態様において、線状部材をセラミックから形成することによって特に顕著である。
また、本発明のパティキュレートフィルターでは、前記セラミックは、低い熱膨張率を有する材料に限定されず、排気ガス雰囲気下で耐久性のある各種の酸化物もしくは複合酸化物、または、炭化物もしくは窒化物などから広範囲に選択することができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記セラミックが、繊維材料に酸化物セラミックがコーティングされたものであることを特徴とする。
このように構成することによって、パティキュレートフィルターの構造強度を向上することができ、繰り返しの使用に耐え得るパティキュレートフィルターを提供することができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記酸化物セラミックが、アルミナ、ジルコニア、セリア、ジルコニア−セリア、アルミナ−セリア−ジルコニア、セリア−ジルコニア−イットリア、ジルコニア−カルシア、ペロブスカイト型複合酸化物、アルミネート型複合酸化物、およびスピネル型複合酸化物から選択された少なくとも１種の酸化物セラミックであることを特徴とする。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記酸化物セラミックが、理論密度の２０〜８０％の密度と１０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有することを特徴とする。
このような密度と比表面積を有するセラミックによって、パティキュレートフィルターを構成することにより、触媒成分に広い担持面積を与えることができるため、触媒作用を向上することができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記セラミックに、白金、パラジウム、およびロジウムからなる群より選択された少なくとも１種の触媒成分が担持されていることを特徴とする。
このように構成することによって、パティキュレートフィルターに、白金、パラジウム、ロジウムから選択された触媒成分が担持されることにより、排気ガスの雰囲気下でパティキュレートを燃焼浄化することができ、パティキュレートの燃焼が促進されたパティキュレートフィルターを提供することができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記フィルター壁材層が、金属によって形成されていることを特徴とする。
このようにフィルター壁材層を金属によって形成することによって、金属材料の高い機械的強度により、セラミックのフィルター壁材層よりも薄い金属層にすることができる。従って、熱容量を小さくすることができるとともに、金属材料の導電性を備えたパティキュレートフィルターを構成することができる。
また、本発明のパティキュレートフィルターは、前記パティキュレートフィルターを加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする。
このようにパティキュレートフィルターを加熱する加熱手段が設けられていることによって、パティキュレートフィルターを、例えば、ヒーターによって外部加熱し、または直接通電加熱して、パティキュレートを燃焼させることによって、燃焼浄化することができ、繰り返しの使用が可能となる。
また、本発明のパティキュレートフィルター装置は、上記のいずれかに記載のパティキュレートフィルターを、筒状部材の開口部から、排気ガス流路を介して排気ガスが流出入するように、筒状部材内に装着したことを特徴とする。
このように構成することによって、本発明のパティキュレートフィルター装置をディーゼルエンジンなどの希薄燃焼内燃機関の排気ガス配管に直接連結することができ便利である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本発明のパティキュレートフィルターの実施例を示す概略斜視図、図２は、図１のＡ−Ａ線での断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線での断面図、図４は、図１のパティキュレートフィルターのパティキュレートの捕集状態を説明する部分拡大概略図である。
図１〜図３において、１は、全体で本発明のパティキュレートフィルターを示している。
図１に示したように、パティキュレートフィルター１は、相互に離間して配置されるフィルター壁材層２を備えており、このフィルター壁材層２は、線状部材からなるスペーサー部材４を介して、相互に一定間隔で離間されている。
そして、このフィルター壁材層２とスペーサー部材４で画成される空間６によって、排気ガス流路７が形成されている。これによって、全体として直方体形のパティキュレートフィルター１が形成されている。
また、このフィルター壁材層２は、相互に平行に配置された複数の線状部材３から形成されており、図１に示したように、線状部材３の軸線方向Ｃが、排気ガスの流れ方向Ｇと垂直な方向になるように配置されている。
さらに、この線状部材３の軸線方向Ｃと垂直に交差する方向に、スペーサー部材４の軸線方向Ｅが位置するように、スペーサー部材４が一定間隔離間して配設されている。
また、図２および図４に示したように、フィルター壁材層２には、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向Ｇと実質的に垂直な方向に、所定間隔離間して複数のパティキュレート捕集用溝５が形成されている。
すなわち、この実施例のパティキュレートフィルター１では、線状部材３の隣接部分の側面８、８によって、パティキュレート捕集用溝５が、所定間隔離間して複数個形成されている。
この場合、フィルター壁材層２を形成する線状部材３は、図１に示した実施例では、円形の断面を有しているが、正確な円形の横断面を有する必要はなく、線状部材３相互に実質的に接触することによって、線状部材３の隣接部分の側面８、８によって、パティキュレート捕集用溝５を有するフィルター壁材層２を形成することができる形状であれば良く、例えば、楕円形状、四角形状など、任意の断面形状を有することができる。
ここで、フィルター壁材層２を形成する線状部材３が「実質的に接触する」とは、好ましくは、線状部材３が相互に物理的に接触して、その接触箇所がフィルター壁材層２において、線状部材３の平行に延設された隣接部分の側面８、８によって、パティキュレート捕集用溝５が形成されることを意味する。
従って、本発明においては、パティキュレートを捕集するパティキュレート捕集用溝５の空間が、線状部材３の間に形成されれば良く、例えば、線状部材３の間に幅約１ｍｍ以下の空隙が存在してもよい。このような空隙を含むフィルター壁材層２のパティキュレート捕集用溝５においても、後述するように、パティキュレートが捕集され得るためである。また、このような大きさの空隙であれば、パティキュレート捕集用溝５から、パティキュレートフィルターの外部に捕集されたパティキュレート９が漏洩して汚染することがない。
また、この場合、フィルター壁材層２を形成する線状部材３は、好ましくは、１０μｍ〜２ｍｍの直径、より好ましくは、２０〜５００μｍの直径を有するのが望ましい。
一方、スペーサー部材４は、好ましくは、５０μｍ〜３ｍｍの直径、より好ましくは、１００μｍ〜２ｍｍの直径を有するのが望ましい。
なお、これらの線状部材３およびスペーサー部材４の「直径」とは、線状部材３またはスペーサー部材４の長手方向に垂直な断面における最長径と最短径の平均を意味する。
さらに、隣接したスペーサー部材４の間隙Ｌとしては、排気ガスの圧力損失を考慮して適宜選択することができるが、スペーサー部材４の直径をＤとして、Ｄ＜Ｌ＜２０×Ｄとするのが望ましい。
なお、スペーサー部材４は、図２に示したように、フィルター壁材層２の排気ガス流通方向の略同一の長さとしてもよいが、図６に示したように、線状部材３の長さよりも短い、複数のスペーサー部材４を千鳥状に配置することによって、全体として、フィルター壁材層２の排気ガス流通方向の略同一の長さに達するようにして、排気ガス流路７を形成するようにしてもよい。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、全体として直方体形のパティキュレートフィルター１であるが、このようなパティキュレートフィルター１のサイズは、排気ガスの処理量や目的とするパティキュレート捕集率によって、適宜選択すればよい。
一例を挙げれば、排気ガスの流れ方向から見たパティキュレートフィルター１の断面（図３参照）は、一辺Ｆが５０〜３００ｍｍの四角形、その方向から垂直に見たパティキュレートフィルターの長さＨは（図２参照）、２０〜５００ｍｍが一応の目安である。
また、フィルター壁材層２の数は、好ましくは、５以上であり、より好ましくは、１０以上であり、さらに好ましくは、１００〜１０００である。
この場合、フィルター壁材層２を形成する線状部材３は、セラミックによって形成することができる。
このようなセラミック材料としては、低い熱膨張率を有する材料に限定されず、排気ガス雰囲気下で耐久性のある各種の酸化物もしくは複合酸化物、または、炭化物もしくは窒化物などから広範囲に選択することができる。
このような、セラミック材料としては、アルミナ、ジルコニア、セリア、ジルコニア−セリア、アルミナ−セリア−ジルコニア、セリア−ジルコニア−イットリア、ジルコニア−カルシア、ペロブスカイト型複合酸化物、アルミネート型複合酸化物、およびスピネル型複合酸化物から選択された少なくとも１種の酸化物セラミック、または、炭化ケイ素等の炭化物や窒化ケイ素等の窒化物が例示できる。
図１に示したように、フィルター壁材層２が、線状部材３によって形成されるパティキュレートフィルター１を、触媒成分によってパティキュレートの燃焼を促進する方式に適用する場合、線状部材３は、好ましくは、理論密度の２０〜８０％の密度、より好ましくは、理論密度の３０〜７０％の密度を有し、かつ好ましくは、１０ｍ２／ｇ以上の比表面積、より好ましくは、５０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有する多孔質のセラミック材料からなるのが望ましい。これにより、触媒成分に広い担持面積を与えることができる。
このような線状部材３は、例えば、セラミック粉末の水分散系スラリーを作製し、このスラリーに必要により、セラミック前駆体、およびポリビニルアルコールやポリアクリルアミドのような曳糸性の高いポリマーを添加し、直径数ｍｍ以下のノズルからスラリーを押出しながら延伸して、線状に加工されたセラミック粉末成形体である未焼成の線状部材３を作製し、次いで、乾燥と焼成を行うことによって作製することができる。
ここで、「セラミック前駆体」とは、焼成によりセラミック材料を生成する物質を指称し、常温で液体の物質、または常温で液体の溶液を形成する物質が適切である。このようなセラミック前駆体には、アルミナゾルやチタニアゾルのようなセラミックゾル、または硝酸アルミニウムや塩化アルミニウムのような溶解性金属化合物が例示される。このようなセラミック前駆体は、セラミック粉末を結合させ、焼成して得られる線状部材３の強度と一体性を高めることができる。
このようにして得られる線状部材３の直径、密度、比表面積は、原料粉末の種類、押出速度と延伸速度、焼成時の温度と時間等によって制御することができる。
また、線状部材３は、例えば、別に調製されたセラミック繊維にセラミック材料をコーティングすることによって作製することもできる。
このセラミック材料のコーティングによる線状部材３は、例えば、セラミック粉末の水分散系スラリーを作製し、このスラリーに必要により、上記のセラミック前駆体を添加したものをセラミック繊維に浸漬等によって被覆して、セラミック繊維を心材としたセラミック粉末成形体である未焼成の線状部材３を作製し、次いで、焼成して作製することができる。
このようにして得られる線状部材３の直径、密度、比表面積は、原料の粉末、被覆の厚さ、焼成の温度と時間等によって制御することができる。
また、線状部材３は、金属繊維を用いて作製することもできる。この場合、例えば、金属繊維にセラミック溶射を施し、次いで、上記のセラミック繊維のコーティングと同様にして、セラミック粉末を含むスラリーを用いて、金属繊維を心材としたセラミック粉末成形体である未焼成の線状部材３を作製し、次いで、これを焼成して作製することができる。
ここで、上記のようにして、線状部材３を、セラミック繊維または金属繊維にセラミック材料をコーティングすることによって作製した場合、このセラミック繊維または金属繊維をコーティングするセラミック材料が、好ましくは、理論密度の２０〜８０％の密度、より好ましくは、理論密度の３０〜７０％の密度を有し、かつ好ましくは、１０ｍ２／ｇ以上の比表面積、より好ましくは、５０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有するのが望ましい。
なお、セラミック材料をセラミック繊維にコーティングする場合、理論密度の少なくとも７０％の密度を有するセラミック繊維を選択することが、高強度の線状部材３を作製する上で好ましい。
このようなセラミック繊維は、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素等の材料からなる市販の高強度のセラミック繊維を利用することもできる。これらの市販のセラミック繊維は、多くは、欠陥がなく緻密な繊維を得ることを指向して溶融法等によって製造されたものであり、比表面積は、一般に、僅か０．１ｍ２／ｇを下回る。
一方、スペーサー部材４は、排気ガス雰囲気中で耐久性のある任意の材料から構成することができ、フィルター壁材層２を形成する線状部材３と同様に、セラミック材料によって形成することができるほか、金属材料から構成することもできる。
このようなスペーサー部材４の作製は、上記の線状部材３の作製と同様に、セラミック粉末を用い、セラミック繊維とセラミック粉末を用い、または金属繊維とセラミック粉末を用いてそれぞれ未焼成の線状部材を作製し、次いで、焼成することによって行うことができる。あるいは、セラミック繊維または金属繊維をそのままスペーサー部材４として用いることもできる。
線状部材３とスペーサー部材４から、図１の実施例に示したような、パティキュレートフィルター１を一体的に構成するには、例えば、上記のようにして作製された線状部材３用の多数の未焼成の線状部材とスペーサー部材４用の多数の未焼成の線状部材を、図１のように配置して直方体成形体を作製し、必要により０．１〜１００ｋＰａのような若干の圧力を直方体の上面に加えて直方体成形体を一軸加圧しながら、約５００℃以上の温度で焼成することにより行うことができる。
この方法において、未焼成の線状部材に含まれるセラミック前駆体が線状部材３とスペーサー部材４のバインダーとして作用し、焼成後に一体のパティキュレートフィルター１を得ることができる。
この場合、多数の未焼成の線状部材を、図１のように配置した後、１０ｋＰａ〜１０ＭＰａのような圧力を直方体の上面に加えて、直方体成形体を一時的に一軸加圧すると、相互に咬み合う程度の変形を線状部材３用とスペーサー部材４用の未焼成の線状部材に生じさせることができ、次いで、焼成することによってより強固な線状部材３とスペーサー部材４の一体構造を得ることができる。
あるいは、未焼成の線状部材３または焼成後の線状部材３と、スペーサー部材４を、図１のように配置し、上記のセラミック前駆体の液にその直方体成形体を浸した後焼成することで、一体化させることもできる。
このように構成されるパティキュレートフィルター１に、白金、パラジウム、ロジウム等から選択された触媒成分が担持されることにより、パティキュレートの燃焼が促進されたパティキュレートフィルター１が構成される。この担持は、通常の蒸発乾固法、含浸法、吸着法、イオン交換法、還元析出法等によって行うことができる。担持される白金等の触媒成分の量は、一般に、触媒担体として機能するセラミック材料の質量あたり約０．２〜５質量％の量である。
このように構成されるパティキュレートフィルター１では、図４に示したように、一定の流速以上の排気ガスＧを、排気ガス流路７に流通することによって、パティキュレートを含む排気ガスＧは、排気ガス流路内を、スペーサー部材４の軸線方向に沿って流れ、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に形成された複数のパティキュレート捕集用溝５によって、排気ガスの乱流が生じてパティキュレートが相互に衝突し、パティキュレート９が集合して、二次凝集体を生成する。このパティキュレート９の二次凝集体は、その増大した粒子径と質量に起因して、排気ガスの流れに比較的同伴され難くなる。
そして、排気ガスの乱流下において、パティキュレート捕集用溝５の中には流速が極めて遅い局所領域が発生する。このため、パティキュレート９は、二次凝集体として、この流速が極めて遅い局所領域に凝集捕集されることになる。
すなわち、排気ガスを一定の流速以上で排気ガス流路７内を流通させることによって、パティキュレート捕集用溝５によって、排気ガス中に含まれるパティキュレート９がある割合で二次凝集され捕集され、パティキュレート９を排気ガスから除去することができる。
あるいは、一定の流速以上の排気ガスに同伴された一定の流速以上のパティキュレートは、その慣性力によって、乱流下で流速が極めて遅い局所領域のパティキュレート捕集用溝５の表面に衝突し、その表面に付着して捕集される。
そして、このようなパティキュレートの二次凝集及び／又は付着は、パティキュレートに含まれる可溶性有機成分（ＳＯＦ）が、バインダーとしての機能を奏して促進するものと考えられる。
このようにして、それぞれのパティキュレート捕集用溝５が、パティキュレート９を捕集して排気ガス中のパティキュレート濃度をある割合で低下させる吹き溜まりとなる。
従って、複数のパティキュレート捕集用溝５によって、全体として排気ガス中のパティキュレート濃度が指数関数的に低下させることができる。すなわち、適切なサイズのパティキュレート捕集用溝５を、必要な数でフィルター壁材層に設けることによって、目的とするパティキュレートの捕集率、すなわち、パティキュレートの除去率を達成することができる。
また、フィルター壁材層２とスペーサー部材４によって形成される間隙は、排気ガスの流路７となり、この間隙は、スペーサー部材４のサイズとスペーサー部材４間の間隙によって、パティキュレートの堆積による閉塞が生ぜず、しかも十分に低い圧力損失となる適切な範囲に調整することができる。従って、排気ガスの流路が確保され、また、従来のウォールフロー式のパティキュレートフィルターに比較して、格段に圧力損失を低減することができる。
すなわち、本発明のパティキュレートフィルターでは、ストレートフロー式のパティキュレートの捕集によって、従来のウォールフロー式フィルターの問題点を解決できるものである。
この場合、このようにパティキュレート捕集用溝５近傍で乱流域を生じせしめ、パティキュレート捕集用溝５に排気ガス中に含まれるパティキュレートを凝集捕集及び／又は付着捕集するために、排気ガスを排気ガス流路７内に流通させる所定の速度としては、好ましくは、３ｍ／秒以上の流速で流通させることにより、パティキュレート捕集用溝５にパティキュレートを高い割合で捕集することができる。そして、一般に、少なくとも約５０ｍ／秒の流速までは、流速が高くなるにつれてパティキュレート捕集率は高くなることができる。
この理由は、上述のように、排気ガスの流速が高くなるにつれて、パティキュレート捕集用溝５の近傍に生じる乱流が激しくなり、パティキュレートが相互に衝突して二次凝集体を生成し易くなり、あるいはパティキュレートそのものがランダムな方向に高い流速を有するようになり、一方で、パティキュレート捕集用溝５の箇所には、全体の流速が高くなっても局所的に流速が極めて遅い領域が存在し、それぞれのパティキュレート捕集用溝５が、パティキュレートを捕集してパティキュレート濃度をある割合で低下させる吹き溜まりとなるためと考えられる。
この排気ガスの「流速」とは、フィルター壁材層２の「層」の間隙を流通するにおいての排気ガスの平均流速を意味し、この流速は、好ましくは３ｍ／秒以上、より好ましくは５ｍ／秒以上、さらに好ましくは１５ｍ／秒以上、より一層好ましくは２５ｍ／秒以上である。
また一方、フィルター壁材層２が、相互に平行に配置された複数の線状部材３から形成されるので、個々の線状部材３は、単純形状であって体積を極めて小さくすることができる。従って、比較的高い熱膨張率を有する材料であっても、温度の変動に伴う熱応力が桁違いに小さいので、温度の変動による破損を防止することができるとともに、熱容量を小さくすることができる。
さらに、フィルター壁材層２が複数の線状部材３を備えており、この線状部材３を、セラミック材料によって形成することによって、実質的に触媒担体の材料のみからパティキュレートフィルターを構成することが可能である。
従って、従来のハニカム基材を用いるウォールフロー式のパティキュレートフィルターと比較すると、触媒担持面積が格段に広くなり、しかも、熱容量が格段に低いパティキュレートフィルターを提供することができる。すなわち、ハニカム基材の存在なしにパティキュレートフィルターが構成されるため、触媒担体としてのセラミックのフィルター壁材層が占める空間体積を格段に増すことができることになる。
さらに、パティキュレート捕集用溝５内に捕集されたパティキュレート９は、白金等の触媒成分を担持した態様においては燃焼温度が低下されて、効率的に燃焼浄化することができる。
また、触媒成分の担持と併せて、例えば、図１の実施例のように直方体形のパティキュレートフィルター１の直方体の６面のうち相対する２面を加熱するといった簡便な加熱方式を採用して、ヒーター加熱手段を触媒活性を高める手段とすることができる。なお、このヒーター加熱手段としては、特に限定されるものではなく、シーズヒーターなど公知のヒーター加熱手段を採用することができる。
また、このような加熱手段を、触媒成分を担持せずに直接燃焼させる手段とすることもできる。さらに、導電性セラミック層または金属層を用いた態様においては、これらを直接通電することによってパティキュレートを燃焼することも可能である。
そして、これらの燃焼手段のいずれにおいても、本発明では、パティキュレートフィルター１の触媒担持面積が広く、熱容量が小さいので、パティキュレートの効率的な燃焼浄化に寄与することができる。また、これらのパティキュレートの燃焼は、フィルター壁材層２とスペーサー部材４によって形成される間隙によって排気ガスの流路７が確保された状態で行うことができる。
従って、これらのいずれのパティキュレート燃焼手段においても、圧力損失が低く、排気ガスの流路が閉塞しないパティキュレートフィルターを提供でき、常時使用の連続再生式パティキュレートフィルターを提供することができる。
また、フィルター壁材層２を形成する線状部材３は、金属線材によって形成することも可能である。このような金属としては、特に限定されるものではなく、１０００℃の高温で腐食しない、例えば、ステンレス鋼などの様々な金属が使用可能である。
このようにフィルター壁材層２を形成する線状部材３を、金属線材によって形成することによって、金属材料の高い機械的強度により、セラミックのフィルター壁材層よりも薄い金属層にすることができる。従って、熱容量を小さくすることができるとともに、金属材料の導電性を備えたパティキュレートフィルター１を構成することができる。
なお、スペーサー部材４もフィルター壁材層２を形成する線状部材３と同様に、金属材料で形成することももちろん可能であり、これにより、パティキュレートフィルター１の機械的強度をさらに向上することが可能である。
図５（Ａ）は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す概略斜視図、図５（Ｂ）は、その端面図である。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、基本的には、図１に示したパティキュレートフィルター１と同様な構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
この実施例のパティキュレートフィルター１では、フィルター壁材層２が、円柱形状または長円柱形状に巻回されているのが、図１に示した実施例と相違する。
このようにフィルター壁材層２が、円柱形状または長円柱形状に巻回されていることによって、パティキュレートフィルター１を、円柱形状または長円柱形状とすることができるので、コンパクトでしかも高機能なパティキュレートフィルターを提供することができる。従って、このパティキュレートフィルター１を円筒形状などの筒状部材に装着して、これをディーゼルエンジンなどの希薄燃焼内燃機関の排気ガス配管に直接連結することができるなど極めて便利である。
この場合、図５に示した実施例のように円柱形または長円柱形のパティキュレートフィルター１のサイズは、排気ガスの処理量や目的とするパティキュレート浄化率によっても異なるため一概ではないが、円形または長円の外径Ｒは３０〜３００ｍｍ、円柱形または長円柱形の長さＭは２０〜５００ｍｍが、それぞれ一応の目安である。また、円柱形または長円柱形の中心から外側方向のフィルター壁材層２の数は、好ましくは、５以上であり、より好ましくは、１０以上であり、さらに好ましくは、１００〜１０００である。
このような構成のパティキュレートフィルター１を作製するには、図１の実施例と同様に、例えば、フィルター壁材層２の線状部材３用の多数の未焼成セラミック線材を平行に並べ、この未焼成セラミック線材と直角に、多数のスペーサー部材４用の未焼成セラミック線材を間隔を設けて配置し、次いで、これらを、図５のように巻回して円柱形または長円柱形に巻回することによって、円筒状又は長円柱状の成形体を作成する。
次いで、所望により、例えば、ラバープレスによって円筒状又は長円柱状の成形体の外側面を加圧した後、約５００℃以上の温度で焼成することにより、セラミック線材とスペーサーを一体化させ、本発明のパティキュレートフィルター１を得ることができる。
図７は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、基本的には、図１に示したパティキュレートフィルター１と同様な構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図中では、説明の便宜上、１つのフィルター壁材層２のみ示しており、スペーサー部材４は省略して示している。
この実施例のパティキュレートフィルター１では、フィルター壁材層２が、シート材本体１０と、このシート材本体１０の排気ガス流路７側の表面１０ａに、相互に平行に所定間隔離間するように配置された複数の線状部材３とから形成されている。そして、線状部材の軸線方向が、排気ガスの流れ方向と垂直な方向になるように配置されるとともに、線状部材３の隣接部分の側面８、８とシート材本体１０によって、パティキュレート捕集用溝５が形成されている。
このように構成することによって、線状部材３の隣接部分の側面８、８とシート材本体１０によって、パティキュレート捕集用溝５を形成することができ、排気ガスの乱流域が効率良く発生して、パティキュレート捕集用溝内に、排気ガス中に含まれるパティキュレートを確実に凝集捕集及び／又は付着捕集して除去することが可能となる。
なお、この場合、シート材本体１０としては、線状部材３と同様に、セラミック材料、または金属材料から作製することができる。
図８は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、基本的には、図１に示したパティキュレートフィルター１と同様な構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図中では、説明の便宜上、１つのフィルター壁材層２のみ示しており、スペーサー部材４は省略して示している。
この実施例のパティキュレートフィルター１では、フィルター壁材層２が、シート材本体１０のみから構成され、このシート材本体１０の排気ガス流路７側の表面１０ａ、１０ｂに形成された凹部１２によってパティキュレート捕集用溝５が形成されている。
図９は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、基本的には、図１に示したパティキュレートフィルター１と同様な構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図中では、説明の便宜上、１つのフィルター壁材層２のみ示しており、スペーサー部材４は省略して示している。
この実施例のパティキュレートフィルター１では、フィルター壁材層２が、シート材本体１０のみから構成され、このシート材本体１０の排気ガス流路７側の表面１０ａに、シート材本体１０の厚さを変化することによって形成された凹部１２によってパティキュレート捕集用溝５が形成されている。
図１０は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、基本的には、図１に示したパティキュレートフィルター１と同様な構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図中では、説明の便宜上、１つのフィルター壁材層２のみ示しており、スペーサー部材４は省略して示している。
この実施例のパティキュレートフィルター１では、フィルター壁材層２が、シート材本体１０のみから構成され、このシート材本体１０の排気ガス流路７側の表面１０ａ、１０ｂに、シート材本体１０に突設部１４を設けることによってパティキュレート捕集用溝５が形成されている。
図１１は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、基本的には、図１に示したパティキュレートフィルター１と同様な構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図中では、説明の便宜上、１つのフィルター壁材層２のみ示しており、スペーサー部材４は省略して示している。
この実施例のパティキュレートフィルター１では、フィルター壁材層２が、シート材本体１０のみから構成され、このシート材本体１０の排気ガス流路７側の表面１０ａ、１０ｂに、シート材本体１０に、排気ガスの流れ方向の上流側に傾斜した突設部１４を設けることによってパティキュレート捕集用溝５が形成されている。
このように、排気ガスの流れ方向の上流側に傾斜した突設部１４を設けることによって、上記したパティキュレート捕集用溝５近傍での乱流域の発生が効率的に行われ、パティキュレートの凝集捕集及び／又は付着捕集によるパティキュレートの除去を効率的に行うことが可能となる。
図１２は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
この実施例のパティキュレートフィルター１は、基本的には、図１に示したパティキュレートフィルター１と同様な構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図中では、説明の便宜上、１つのフィルター壁材層２のみ示しており、スペーサー部材４は省略して示している。
この実施例のパティキュレートフィルター１では、フィルター壁材層２が、シート材本体１０のみから構成され、このシート材本体１０の排気ガス流路７側の表面１０ａに、シート材本体１０に、排気ガスの流れ方向の下流側に傾斜した突設部１４を設けることによってパティキュレート捕集用溝５が形成されている。
このように、排気ガスの流れ方向の上流側に傾斜した突設部１４を設けることによって、上記したパティキュレート捕集用溝５近傍での乱流域の発生が効率的に行われ、パティキュレートの凝集捕集及び／又は付着捕集によるパティキュレートの除去を効率的に行うことが可能となる。
なお、図７〜図１２の実施例においては、フィルター壁材層２のパティキュレート捕集用溝５は、好ましくは、１０μｍ〜２ｍｍのピッチと、１０μｍ〜１ｍｍの深さを有して形成され、フィルター壁材層２の厚さは、好ましくは、２０μｍ〜３ｍｍであるのが望ましい。
この場合、フィルター壁材層２の厚みは、フィルター壁材層２をシート材本体１０と線状部材３によってフィルター壁材層２を形成した場合、線状部材３の直径とシート材本体１０の厚さの合計に対応し、フィルター壁材層２をシート材本体１０によって形成した場合、シート材本体１０の最大肉厚に対応する。
これらの図７〜図１２に示したように、シート材本体１０を用いる場合においては、ある程度の大面積のシート材本体１０は、昇降温によりクラック等の損傷を発生する恐れがあるが、このような損傷は、例えば、コージェライトのような低い熱膨張率を有する材料で形成することにより、または、熱膨張率が大きい材料であっても１辺が数ｃｍの小片のセラミックシート材料をモザイク状に組み合わせることで抑制することができる。
これらのセラミックシート材料を用いたシート材本体１０によって、フィルター壁材層２を形成したパティキュレートフィルターを、触媒成分によってパティキュレートの燃焼を促進する方式に適用する場合、セラミック層の少なくとも一部が、触媒成分に広い担持面積を与えるように、好ましくは、理論密度の２０〜８０％の密度、より好ましくは、理論密度の３０〜７０％の密度を有し、かつ好ましくは、１０ｍ２／ｇ以上の比表面積、より好ましくは、５０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有する上記のアルミナ等のセラミック材料であるのが望ましい。
この要件は、例えば、図７の実施例のフィルター壁材層２においては、セラミック線材からなる線状部材３をこのような材料によって作成することによって満たすことができる。また、図８〜図１２の実施例のフィルター壁材層２においては、このような材料でセラミックシート材料からなるシート材本体１０を作成するか、またはこのような材料でセラミックシート材料からなるシート材本体１０をコーティングすることによって満たすことができる。
これらのセラミックシート材料を用いて、図７〜図１２の実施例のフィルター壁材層２を備えたパティキュレートフィルター１は、例えば、次のようにして製造することができる。
図７に示したような構成のパティキュレートフィルター１のフィルター壁材層２を作製するには、例えば、ドクターブレード法よって、セラミック粉末配合物から平面状で薄肉の未焼成セラミックシート材料を作成した後、上述した線状部材３用の未焼成セラミック線材を配置して、フィルター壁材層２を作成すればよい。そして、上述した図１の実施例に準じてパティキュレートフィルター１を作製すればよい。
また、図８〜図１２に示したような構成のパティキュレートフィルター１のフィルター壁材層２を作製するには、いずれもこれらの押出口形状を有する金型から、セラミック粉末配合物を押出成形して未焼成セラミックシート材料を作成する。次いで、必要により、触媒成分によってパティキュレートの燃焼を促進する方式に適用するように、上記の高い比表面積を有するセラミック材料をコーティングして未焼成セラミックからなるフィルター壁材層２を作成すればよい。そして、上述した図１の実施例に準じてパティキュレートフィルター１を作製すればよい。
なお、上述した図７に示した実施例では、図１に示したフィルター壁材層２を用いて、円柱形状または長円柱形状に巻回してパティキュレートフィルター１を作製したが、図８〜図１２に示した実施例のフィルター壁材層２を用いて、円柱形状または長円柱形状に巻回してパティキュレートフィルター１を作製することも可能である。
図１３は、図１に示した構造の本発明のパティキュレートフィルターを用いたパティキュレートフィルター装置の一例を示す部分切欠斜視図である。
このパティキュレートフィルター装置２０は、図１に示したパティキュレートフィルター１を、直方体形状の筒状部材２２内に、筒状部材２２の開口部から、排気ガス流路７を介して排気ガスＧがＹ軸方向に流出入し、線状部材３の軸線方向がＸ軸方向に一致するように、筒状部材２２内にＺ軸方向に積層した状態で装着したものである。
このように構成することによって、本発明のパティキュレートフィルター装置２０をディーゼルエンジンなどの希薄燃焼内燃機関の排気ガス配管に直接連結することができ便利である。
なお、この実施例では、図１に示したパティキュレートフィルター１を、筒状部材２２に装着したが、これ以外にも、例えば、図５〜図１２に示したようなパティキュレートフィルター１を、筒状部材２２に装着することも可能であり、また、筒状部材の形状は、円筒形状などその他の形状とすることも可能である。
また、以上の実施例では、パティキュレートフィルター１を形成する材料として、セラミック材料、または金属材料から形成したが、本発明のパティキュレートフィルター１は、排気ガス中で、強度、腐食性、耐高温性などの耐久性を有するその他の任意の材料から構成することももちろん可能である。
さらに、以上の実施例では、パティキュレート捕集用溝５を連続して延びる溝形状としたが、不連続な溝形状とすることも可能であり、また、パティキュレート捕集用溝５を排気ガスの流れ方向に垂直な方向だけでなく、排気ガスの流れ方向に沿ったパティキュレート捕集用溝５を追加することももちろん可能である。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上述した実施例では、排気ガスの流れ方向Ｇと「実質的に垂直な方向」に、所定間隔離間して複数のパティキュレート捕集用溝５が形成したが、「実質的に垂直な方向」とは、場合により、排気ガス流路７に垂直な方向から約３０°未満のようなある程度の角度で傾斜しても、本発明の目的とするパティキュレート捕集を達成することができるので、適用することができるなど本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
（実施例）
実施例１
γ−アルミナ粉末（比表面積１９０ｍ２／ｇ）をイオン交換水に分散させ、これにアルミナゾルと分子量約１００万のポリアクリルアミド水溶液を添加して、γ−アルミナ粉末を約３０質量％、アルミナゾルを固形分として約１０質量％、ポリアクリルアミドを約０．１質量％含むスラリーを調製した。
このスラリーを直径１ｍｍの孔から延伸しながら押出した後切断し、フィルター壁材層を形成するセラミック層用として、直径約５０μｍ×長さ５０ｍｍの多数の未焼成セラミック線材を作成した。
別に、このスラリーを、延伸速度を先の未焼成セラミック線材よりも遅くして直径１ｍｍの孔から延伸しながら押出した後切断し、スペーサー用として、直径約２５０μｍ×長さ１００ｍｍの多数の未焼成セラミック線材を作成した。
次いで、直径約５０μｍ×長さ５０ｍｍの未焼成セラミック線材の約２０００本を平行に接触させて幅１００ｍｍに配置し、５０ｍｍ×１００ｍｍのサイズの第１の未焼成セラミック層を形成した。
次いで、第１の未焼成セラミック層の上に、その層を形成する未焼成セラミック線材と垂直に、直径約２５０μｍ×長さ１００ｍｍのスペーサー用の未焼成セラミック線材を、１ｍｍの間隔を設けて第１の未焼成セラミック層の全体に配置した。
次いで、そのスペーサー用の未焼成セラミック線材の上に、第１の未焼成セラミック層と同様にして、フィルター壁材層を形成する第２の未焼成セラミック層を形成し、さらに、その上にスペーサー用の未焼成セラミック線材を１ｍｍの間隔を設けて配置し、これらの操作を高さ５０ｍｍとなるまで繰り返し、５０ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍのサイズの直方体形状の構造体を得た。
次いで、この直方体形状の構造体の上面に平らな耐熱板を置き、この耐熱板の上に、この構造体の上面に約１ｋＰａの圧力を与える錘を乗せ、その状態で８００℃×３時間の大気雰囲気中の焼成に供して、図１に示した態様の本発明のパティキュレートフィルターを得た。
実施例２
実施例１で得られたパティキュレートフィルターに、ジニトロジアンミン白金錯体水溶液を白金として０．１質量％の量で含浸させ、乾燥の後、大気雰囲気中で焼成して、触媒成分の白金が担持された本発明のパティキュレートフィルターを得た。
実施例３
γ−アルミナとアルミナゾルをイオン交換水に分散させ、γ−アルミナが約３０質量％、アルミナゾルが固形分として１０質量％含まれるスラリーを調製した。
理論密度が９８％以上で直径約３０μｍのアルミナ繊維をこのスラリーに浸漬して乾燥させ、アルミナ繊維にセラミック材料をコーティングした後切断し、フィルター壁材層を形成するセラミック層用として、直径約１００μｍ×長さ５０ｍｍの多数の未焼成セラミック線材を作成した。
別に、上記の直径約３０μｍのアルミナ繊維に、上記のスラリーへの浸漬と乾燥を繰り返して、セラミック材料をコーティングした後切断し、スペーサー用として、直径約３５０μｍ×長さ１００ｍｍの多数の未焼成セラミック線材を作成した。
次いで、これらのセラミック層用の未焼成セラミック線材とスペーサー用の未焼成セラミック線材を用いた以外は実施例１と同様にして、約５０ｍｍ×１００ｍｍ×５０ｍｍのサイズの直方体形状の構造体を得た後焼成し、図１に示した態様の本発明のパティキュレートフィルターを得た。
実施例４
実施例３で作成した本発明のパティキュレートフィルターの５０ｍｍ×５０ｍｍの２面以外の４面をステンレス製薄板で覆い、図１に流れ方向を示すように、一方の５０ｍｍ×５０ｍｍの面から他方の５０ｍｍ×５０ｍｍの面に、ディーゼルエンジンの排気ガスを流通させた。
排気ガスは、約８ｍｇ／ｍ３のパティキュレートを含んでおり、パティキュレートフィルターの出口でパティキュレート濃度を測定した。
その結果、パティキュレートフィルターのフィルター壁材層を形成するセラミック層とスペーサーの間隙を流れる排気ガスの平均流速が約１ｍ／秒のとき、パティキュレート捕集率は約１０％以下、平均流速が約７ｍ／秒のとき、パティキュレート捕集率は約５０％、平均流速が約１２ｍ／秒のとき、パティキュレート捕集率は約９０％であった。
（発明の効果）
以上のべたように、本発明によれば、全使用過程における連続再生式フィルタとして機能するのに必要な、パティキュレートの捕集率が確保され、圧力損失が低く、しかも、排気ガスの流路が閉塞せず、さらに、触媒成分によってパティキュレートの燃焼を促進する方式にあっては、触媒担持面積を広くすることができ、また、熱容量が低いといった特徴を有する極めて顕著で優れた作用効果を奏するパティキュレートフィルターおよびパティキュレート除去方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のパティキュレートフィルターの実施例を示す概略斜視図である。
図２は、図１のＡ−Ａ線での断面図である。
図３は、図１のＢ−Ｂ線での断面図である。
図４は、図１のパティキュレートフィルターのパティキュレートの捕集状態を説明する部分拡大概略図である。
図５（Ａ）は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す概略斜視図、図５（Ｂ）は、その端面図である。
図６は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す図２と同様な断面図である。
図７は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
図８は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
図９は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
図１０は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
図１１は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
図１２は、本発明のパティキュレートフィルターの別の実施例を示す部分拡大概略図である。
図１３は、本発明のパティキュレートフィルターを用いたパティキュレートフィルター装置の一例を示す部分切欠斜視図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年3月19日(2003.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレートフィルターであって、
相互に離間して配置されるフィルター壁材層と、
前記フィルター壁材層を相互に離間させるスペーサー部材とを備え、
前記フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって排気ガス流路が形成されるとともに、
前記フィルター壁材層には、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に延びるとともに、排気ガスの流れ方向に所定間隔離間するように配置された複数のパティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とするパティキュレートフィルター。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
前記セラミックが、理論密度の２０〜８０％の密度と１０ｍ２／ｇ以上の比表面積を有することを特徴とする請求項１０に記載のパティキュレートフィルター。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１７】
排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレート除去方法であって、
相互に離間して配置されるとともに、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に延びるとともに、排気ガスの流れ方向に所定間隔離間するように配置された複数のパティキュレート捕集用溝が形成されたフィルター壁材層の間に、
排気ガスを所定の速度で流通させることによって、パティキュレート捕集用溝近傍で乱流域を生じせしめ、パティキュレート捕集用溝に排気ガス中に含まれるパティキュレートを凝集捕集及び／又は付着捕集することを特徴とするパティキュレート除去方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
前記フィルター壁材層を相互に離間させるスペーサー部材とを備え、
前記フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって排気ガス流路が形成されるとともに、
前記フィルター壁材層には、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に延びるとともに、排気ガスの流れ方向に所定間隔離間するように配置された複数のパティキュレート捕集用溝が形成されていることを特徴とする。
また、本発明のパティキュレート除去方法は、排気ガス中に含まれるパティキュレートを浄化するためのパティキュレート除去方法であって、
相互に離間して配置されるとともに、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に延びるとともに、排気ガスの流れ方向に所定間隔離間するように配置された複数のパティキュレート捕集用溝が形成されたフィルター壁材層の間に、
排気ガスを所定の速度で流通させることによって、パティキュレート捕集用溝近傍で乱流域を生じせしめ、パティキュレート捕集用溝に排気ガス中に含まれるパティキュレートを凝集捕集及び／又は付着捕集することを特徴とする。
このように構成することによって、フィルター壁材層とスペーサー部材で画成される空間によって、実質的に一方向に延び、パティキュレートの堆積による閉塞が生じないサイズの排気ガス流路が形成される。
しかも、一定の流速以上の排気ガスをこの排気ガス流路に流通することによって、パティキュレートを含む排気ガスは、排気ガス流路内を、スペーサー部材の軸線方向に沿って流れ、排気ガスの流れ方向と垂直な方向に延びるとともに、排気ガスの流れ方向に所定間隔離間するように配置された複数のパティキュレート捕集用溝によって、排気ガスの乱流が生じてパティキュレートが相互に衝突し、パティキュレートが集合して、二次凝集体を生成する。このパティキュレート二次凝集体は、その増大した粒子径と質量に起因して、排気ガスの流れに比較的同伴され難くなる。
そして、排気ガスの乱流下において、パティキュレート捕集用溝の中には流


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
さらに、この線状部材３の軸線方向Ｃと垂直に交差する方向に、スペーサー部材４の軸線方向Ｅが位置するように、スペーサー部材４が一定間隔離間して配設されている。
また、図２および図４に示したように、フィルター壁材層２には、排気ガス流路側の表面に、排気ガスの流れ方向Ｇと実質的に垂直な方向に延びるとともに、排気ガスの流れ方向Ｇに所定間隔離間するように配置された複数のパティキュレート捕集用溝５が形成されている。
すなわち、この実施例のパティキュレートフィルター１では、線状部材３の隣接部分の側面８、８によって、排気ガスの流れ方向Ｇと実質的に垂直な方向に延びるパティキュレート捕集用溝５が、排気ガスの流れ方向Ｇに所定間隔離間して複数個形成されている。
この場合、フィルター壁材層２を形成する線状部材３は、図１に示した実施例では、円形の断面を有しているが、正確な円形の横断面を有する必要はなく、線状部材３相互に実質的に接触することによって、線状部材３の隣接部分の側面８、８によって、パティキュレート捕集用溝５を有するフィルター壁材層２を形成することができる形状であれば良く、例えば、楕円形状、四角形状など、任意の断面形状を有することができる。
ここで、フィルター壁材層２を形成する線状部材３が「実質的に接触する」とは、好ましくは、線状部材３が相互に物理的に接触して、その接触箇所がフィルター壁材層２において、線状部材３の平行に延設された隣接部分の側面８、８によって、パティキュレート捕集用溝５が形成されることを意味する。
従って、本発明においては、パティキュレートを捕集するパティキュレート捕集用溝５の空間が、線状部材３の間に形成されれば良く、例えば、線状部材３の間に幅約１ｍｍ以下の空隙が存在してもよい。このような空隙を含むフィルター壁材層２のパティキュレート捕集用溝５においても、後述するように、パティキュレートが捕集され得るためである。また、このような大きさの空隙であれば、パティキュレート捕集用溝５から、パティキュレートフィルターの外部に捕集されたパティキュレート９が漏洩して汚染することがない。
また、この場合、フィルター壁材層２を形成する線状部材３は、好ましくは、


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
に一軸加圧すると、相互に咬み合う程度の変形を線状部材３用とスペーサー部材４用の未焼成の線状部材に生じさせることができ、次いで、焼成することによってより強固な線状部材３とスペーサー部材４の一体構造を得ることができる。
あるいは、未焼成の線状部材３または焼成後の線状部材３と、スペーサー部材４を、図１のように配置し、上記のセラミック前駆体の液にその直方体成形体を浸した後焼成することで、一体化させることもできる。
このように構成されるパティキュレートフィルター１に、白金、パラジウム、ロジウム等から選択された触媒成分が担持されることにより、パティキュレートの燃焼が促進されたパティキュレートフィルター１が構成される。この担持は、通常の蒸発乾固法、含浸法、吸着法、イオン交換法、還元析出法等によって行うことができる。担持される白金等の触媒成分の量は、一般に、触媒担体として機能するセラミック材料の質量あたり約０．２〜５質量％の量である。
このように構成されるパティキュレートフィルター１では、図４に示したように、一定の流速以上の排気ガスＧを、排気ガス流路７に流通することによって、パティキュレートを含む排気ガスＧは、排気ガス流路７内を、スペーサー部材４の軸線方向に沿って流れる。
そして、排気ガスの流れ方向Ｇと実質的に垂直な方向に延びるとともに、排気ガスの流れ方向Ｇに所定間隔離間するように配置された複数のパティキュレート捕集用溝５によって、排気ガスの乱流が生じてパティキュレートが相互に衝突し、パティキュレート９が集合して、二次凝集体が生成される。このパティキュレート９の二次凝集体は、その増大した粒子径と質量に起因して、排気ガスの流れに比較的同伴され難くなる。
そして、排気ガスの乱流下において、パティキュレート捕集用溝５の中には流速が極めて遅い局所領域が発生する。このため、パティキュレート９は、二次凝集体として、この流速が極めて遅い局所領域に凝集捕集されることになる。
すなわち、排気ガスを一定の流速以上で排気ガス流路７内を流通させることによって、パティキュレート捕集用溝５によって、排気ガス中に含まれるパティキュレート９がある割合で二次凝集され捕集され、パティキュレート９を排




【国際調査報告】
2002084085.tif 000016
2002084085.tif 000017