JP2000506067A - 高温ガスフィルタカートリッジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 排気ガスから粒子状物質を濾過するための再生可能なガスフィルタカートリッジ（２０、１２０）が、穿孔部と開口した端部（１５４）とを有する中空管（１３０）を備えている。穿孔部（１３０）の直径は開口した端部（１５４）の直径よりも大きい。フィルタエレメント（１３２）が、中空管（１３０）を覆うように配されるとともに、穿孔部（１３０）の大きい直径と開口した端部（１５４）の小さい直径とにわたって延びている。

Description

【発明の詳細な説明】 高温ガスフィルタカートリッジ 技術分野 本発明は、ガス流から粒子状物質を除去するためのフィルタに関し、より詳細 には、再生可能なフィルタカートリッジの流量および圧力低下に関する性能を向 上させるのに適したフィルタに関する。本出願は、本発明をディーゼルエンジン の排気フィルタに関して論じているが、本発明は、その他の種類のガス流から粒 子状物質を濾過するように容易に応用することができる。 背景技術 ディーゼルエンジンは、有害な、すすで汚染された排気を発生するが、ディー ゼル粒子状物質フィルタを用いることによりその有害性を減ずることができる。 これらのフィルタはエンジンから発生したすす粒子を捕集して、それらの粒子が 雰囲気内に入らないようにする。しかし、このようなフィルタに捕集されたすす は、徐々に蓄積することになる。フィルタにすすが蓄積するにつれて、フィルタ の効果が低下し、フィルタの前後で大きな圧力低下が発生するとともに、エンジ ンが排気ガスによる大きな背圧を受けることによりエンジン性能が低下すること になる。その結果、詰まったフィルタを定期的に取り替えるか、または再生させ なければならない。フィルタがすす粒子で満たされる速度によっては、詰まった フィルタの取り替えは不便で費用がかかる。したがって、フィルタの定期的な再 生（すなわち捕集されたすすの除去）が、清浄なフィルタを維持す る好適な方法である。 ディーゼル粒子状物質フィルタを再生するための多数の技術が存在する。これ らの方法は一般に、フィルタ内の捕集されたすす粒子を発火させ、それによりす すを燃焼させてフィルタから除くものである。ある技術では、ヒラバヤシ（Hira bayashi）に対する米国特許第4,912,920号に開示されているように、燃焼ガスが フィルタ内に定期的に放出される。別の技術は、フィルタエレメントと接触する 電気的発熱体を利用するものである。電気的に再生可能なフィルタは、ブルーム ら（Bloom et al.）に対する米国特許第5,252,164号に示されている。さらに第 ３の技術は、マイクロ波エネルギーを利用してフィルタを加熱し、フィルタ内に 捕集された粒子状物質を発火および燃焼させ、それによりフィルタを再生するも のである。マイクロ波により再生可能なフィルタは、フィッシャーら（Fischer et al.）に対する米国特許第5,453,116号に示されている。 捕集されたすすを燃焼ガス添加剤または電気的抵抗加熱で発火させることによ り再生されるフィルタアセンブリは一般に、フィルタエレメントを支持するかま たは抵抗加熱を行なうため金属の構造を用いるものであったが、一方、捕集され たすすをマイクロ波エネルギーで発火させることにより再生されるフィルタは一 般に、フィルタエレメントを支持するため多孔質の非金属構造を用いるものであ る。フィルタエレメントを支持するためには、穿孔された金属管、スクリーン、 ロール状の針金または同様の構造が多くの場合用いられる。例えば、ブルームら に対する米国特許第5,258,164号は、内側フィルタエレメント２０と外側フィル タエレメント２２との間に配置されフィルタエレメント２０、２２を加熱して再 生させるために用いられる電気的に抵抗性のエキスパンデッドメタルのスリーブ ２１を開示している。ディーゼルの排気は、多孔質の支持構造の内側に入ってフ ィルタエレメント２０、２２を半径方向に通過する。 再生可能なフィルタカートリッジの使用は、フィルタカートリッジ内の排気ガ スの流量およびフィルタカートリッジにおける圧力低下によって制限される。フ ィルタカートリッジにおける流量または圧力低下が大きくなるにつれ、フィルタ エレメントの内側に作用する力が増大する。この力の増大により、多くの場合、 フィルタエレメントがフィルタカートリッジの中間部近傍において膨張または「 気球状に」膨張し、その結果、フィルタエレメントの全長が短縮される。フィル タエレメントが気球状に膨張すると、フィルタエレメントを支持している多孔質 構造の端部が露出し、排気ガスがフィルタエレメントを通過することなくフィル タカートリッジから流れ出てしまう可能性がある。この結果的な漏出は、フィル タカートリッジの性能を低下させるものである。 このため、フィルタエレメントの「気球状の膨張」による故障を起こしにくい フィルタとして効果的であり、低コストで容易に製造することのできる再生可能 なフィルタカートリッジが求められている。 発明の開示 本発明は、清浄なガス流を維持するための装置および方法である。本発明は、 穿孔部と開口した端部とを有する縦長の中空管を具備した粒子状物質フィルタを 含むものである。開口した端部は第１の外径を有しており、穿孔部は第２の外径 を有している。開口した端部の第１の外径は穿孔部の第２の外径よりも小さい。 フィルタエレメントが、中空管の周囲に配されるとともに、穿孔部の第２の外径 と 開口した端部の第１の外径とにわたって延びている。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の粒子状物質カートリッジを用いたディーゼル粒子状物質トラ ップの断面図である。 図２は、従来技術による粒子状物質カートリッジの断面図である。 図３は、フィルタエレメントが「気球状に膨張」している、従来技術による粒 子状物質カートリッジの立面図である。 図４は、本発明の粒子状物質カートリッジの断面図である。 上記の図面は好適な実施例を示しているが、本開示は、本発明の例示的な実施 例を限定的でなく代表的なものとして提示するものである。当業者により本発明 の主要部の範囲および精神の内にある他の多くの変型および実施例を考案しうる ことが了解されるべきである。 発明を実施するための最良の形態 本発明は、再生（すなわち捕集されたすすを燃焼させること）に適した効率的 なフィルタカートリッジを提供するものである。本発明は、粒子状物質カートリ ッジの使用中における濾過媒体の「気球状の膨張」を防止するのに特に適してい る。 本発明の説明および特許請求の範囲において、以下の用語は下記の意味をもつ ように意図されている： 「無機繊維」とは、高温（例えばおよそ600℃を超える温度）に対する耐性を 有し、ディーゼル排気ガスに対する化学的な耐性を有し、かつ織物としての品質 を備えている（すなわち、支持管として形成するかまたは支持管の周囲に巻きつ けるか周囲を包みこむこと が可能なヤーンまたは布（fabric）を作製するのに適したものである）無機物主 体の繊維を指すものであり； 「トウ（tow）」とは、複数または１束の個別の繊維またはフィラメントを意 味するものであり； 「ヤーン」とは、撚り合わされた複数または１束の個別の繊維またはフィラメ ントを意味するものであり； 「連続フィラメントによる無機質ヤーン」とは、高温（例えばおよそ600℃を 超える温度）に対し耐性を有し、支持管の周囲を少なくとも１回包みこむのに十 分な長さを有する無機物主体のヤーンを指すものであり；好ましくは連続したヤ ーンの長さは少なくとも25ｃｍであり、より好ましくは少なくとも１ｍである。 図１を参照すると、ディーゼル粒子状物質トラップ１０は、円筒状本体１４と 、排気入口１６と、排気出口１８とを具備するケーシング１２を含んでいる。円 筒状本体１４の内部には、複数のフィルタアセンブリ２０が平行に並んでおり、 フィルタアセンブリ２０はそれぞれ、排気入口１６の近傍で開口しており、排気 出口１８の近傍では閉塞されている。フィルタアセンブリ２０は、排気入口１６ 近傍の端部壁２２と、排気出口１８近傍の端部壁２４との間に延びている。フィ ルタアセンブリ２０は、開口した入口管２６および閉じた端部蓋２８によりそれ ぞれ端部壁２２および端部壁２４に連結されている。端部壁２２および端部壁２ ４は円筒状本体１４に連結されており、フィルタアセンブリ２０における排気ガ ス２９の通過を助けている。端部壁２２は、隣接するフィルタカートリッジ２０ の間の空間を閉塞しており、それにより、排気入口１６に入る排気ガス（図１の 矢印２９を参照のこと）は開口した入口管２６を通過してフィルタカートリッジ ２０の内部に入るようになっている。閉 じた端部蓋２８は、端部壁２４近傍のフィルタアセンブリ２０の端部を閉塞して おり、排気ガス２９が排気出口１８近傍の端部壁２４における開口３２を通って 出る前に半径方向外向きにフィルタカートリッジ２０を通り抜けるようにしてい る。別の実施例では、排気ガス２９を、フィルタカートリッジ２０の外側からフ ィルタカートリッジ２０の内部へ半径方向に流入し、その後、フィルタカートリ ッジ２０の開口端部から外へ出るようにしてもよい。 従来技術によるフィルタカートリッジ２０が図２に示されている。フィルタカ ートリッジ２０はカートリッジとして組み立てられる。穿孔された支持管３０が 、開口した入口管２６と閉じた端部蓋２８との間に延びている。フィルタエレメ ント３２は、支持管３０と、入口管２６と、端部蓋２８とを覆うように配設され ている。このようにフィルタカートリッジ２０は、支持管３０と、開口した入口 管２６と、閉じた端部蓋２８と、フィルタエレメント３２とからなっている。 フィルタエレメント３２は、数種類の無機材料を具備していてもよい。例えば 、無機質のヤーンを支持管３０に実質的にらせん状に巻きつけるか交差させて巻 きつけ、フィルタエレメント３２を形成してもよい。また随意に、２種類以上の フィルタ材料を組み合わせてフィルタエレメント３２を形成してもよい。例えば 、不織マットを、支持管３０と、不織マットおよび支持管３０に実質的にらせん 状に巻きつけるか交差させて巻きつけた無機質ヤーンとの間に介挿することがで きる。所望の濾過性能を発揮するフィルタ材料の他の任意の組合せを用いてもよ い。フィルタエレメント３２を構成する無機材料は、例えばグラスファイバまた はセラミックでもよい。 図２において明らかなように、フィルタエレメント３２は穿孔さ れた支持管３０を覆って入口管２６および端部蓋２８まで延びている。入口管２ ６および端部蓋２８の外径は、穿孔された支持管３０の外径とほぼ一致している 。上記のように、使用中は、排気ガス２９は開口した入口管２６を通ってフィル タカートリッジ２０に入り、半径方向に流動してフィルタエレメント３２を通過 する。フィルタカートリッジ２０における流量または圧力低下が大きくなるにつ れ、フィルタエレメント３２の内表面３４に作用する力が増大する。図３に示す ように、この力の増大により、フィルタエレメント３２がフィルタカートリッジ ２０の中間部近傍において膨張（「気球状に」膨張）し、その結果としてフィル タエレメント３２の全長が短縮される。フィルタエレメント３２の有効長が短く なるにつれ、支持管２０の孔３６が露出する。 気球状の膨張効果に対する唯一の抵抗は、フィルタエレメント３２と入口管２ ６、端部蓋２８および支持管３０との間の封止である。フィルタエレメント３２ と入口管２６、端部蓋２８および支持管３０との間の封止状態は、セラミック繊 維が支持管３０に巻きつけられる張力および巻きつけ角度により決定される。封 止の強度は、巻きつけ角度の余弦にセラミック繊維の張力を乗じた積である。こ の封止強度により、フィルタカートリッジが気球状に膨張することなく耐えるこ とのできる流量および圧力低下が決定される。現在、図２および３に示すような 従来技術によるフィルタカートリッジの限界は、流量がおよそ1.27m³／分（45a ｃｆｍ）、圧力低下が約1524ｍｍＨ₂Ｏ（60インチＨ₂Ｏ、14.91ｋＰａ）である 。フィルタエレメント３２と入口管２６、端部蓋２８および支持管３０との間の 封止が解けると、支持管３０の孔３６が露出し、排気がフィルタエレメント３２ を通過せずに孔３６を通って流れることになる。この結 果生ずる漏出経路によって、フィルタカートリッジの性能が低下する。 図４において明らかなように、本発明は、フィルタエレメントと支持管との間 の封止強度を改善することにより、気球状の膨張効果に打ち勝ち、その結果、再 生可能な、繊維を巻き付けたディーゼル粒子状物質フィルタカートリッジの流量 および圧力低下に関する性能を改善するものである。本発明のフィルタカートリ ッジ１２０は、開口した入口管１２６と閉じた端部蓋１２８とを含んでいる。穿 孔された支持管１３０が、開口した入口管１２６と閉じた端部蓋１２８との間に 延びている。フィルタエレメント１３２は、支持管１３０と、入口管１２６と、 端部蓋１２８とを覆うように配設されている。フィルタエレメントは、支持管１ ３０に実質的にらせん状に巻きつけるか交差させて巻きつけた無機質ヤーンによ り形成することが好ましい。 入口管１２６および端部蓋１２８は、「段差」がつけられており、放射状のシ ョルダ部１４０、１４２をそれぞれ含んでいる。図４の本発明によるフィルタカ ートリッジ１２０と図２の従来技術によるフィルタカートリッジ２０とを比較す れば明らかなように、従来技術によるフィルタカートリッジのフィルタエレメン ト３２は、フィルタエレメント１３２が本発明によるフィルタカートリッジ１２ ０の支持管１３０の上に配されている様態とは大きく異なる様態で支持管３０の 上に配されている。本発明によるフィルタカートリッジ１２０では、フィルタエ レメント１３２の、らせん状に巻きつけられたかまたは交差させて巻きつけられ たヤーンは放射状ショルダ部１４０、１４２を覆うように延びており、フィルタ エレメント１３２の端部１５２がそれぞれ入口管１２６および端部蓋１２８の縮 小 直径部分１５４の上部まで延びるようになっている。放射状ショルダ部１４０、 １４２によって、フィルタエレメント１３２と支持管１３０との間の封止強度を 高めることができる。放射状ショルダ部１４０、１４２は、フィルタエレメント １３２の、らせん状に巻きつけられたかまたは交差させて巻きつけられたヤーン を支持管１３０に固定するため十分な高さ“Ｈ”を有している。好ましくは、放 射状ショルダ部１４０、１４２の高さ“Ｈ”は3.2ｍｍないし19.0ｍｍ（1/8イン チないし3/4インチ）の範囲にある。 本発明によるフィルタカートリッジ１２０における圧力低下が大きくなり、フ ィルタエレメント１３２の内表面１３４に作用する力が増大しても、放射状ショ ルダ部１４０、１４２を覆って延びるフィルタエレメント１３２は動くことがで きない。フィルタエレメント１３２における圧力低下の増大によりフィルタエレ メント１３２の中間部が「気球状に」膨らもうとするとき、放射状ショルダ部１ ４０、１４２を覆って延びるフィルタエレメント１３２の部分１５２は移動を制 限される。端部１５２が制限されていれば、フィルタエレメント１３２の有効長 が短くなることはなく、フィルタエレメント１３２の気球状の膨張は阻止される 。これによりフィルタカートリッジ１２０は、フィルタの性能を保ちながら、図 ２に示した従来技術によるフィルタカートリッジ２０よりも大きい流量および圧 力低下に対応することができる。 本発明によるフィルタカートリッジ１２０の好適な実施例では、支持管１３０ は、スミスら（Smith et al.）に対する米国特許第5,409,669号に開示されてい るもののような電気的に抵抗性の管である。（図１に示すような）ディーゼル粒 子状物質トラップへのフィルタカートリッジ１２０の固定を容易にするため、基 板１６０お よび取付けスタッド１６２を、それぞれ入口管１２６および端部蓋１２８に固定 してもよい。別の方法として、溶接、ボルト締めなど、当該技術において既知の 他の手段により、フィルタカートリッジ１２０をディーゼル粒子状物質トラップ に固定してもよい。 上記のように、本発明の好適な実施例では、フィルタエレメント１３２は、支 持管１３０の周囲に実質的にらせん状に巻きつけるか交差させて巻きつけた無機 質ヤーンにより形成される。無機質ヤーンを支持管１３０の周囲に巻きつける技 術の例は、横方向にずらせた巻きつけ手順を記述しているブルームらに対する米 国特許第5,248,481号および半径方向に位置合わせされた巻きつけ手順を記述し ているブルームらに対する米国特許第5,248,482号に示されている。 横方向にずらせた巻きつけ手順では、ヤーンの芯から延びる複数の連続した繊 維の環または繊維片を備えるようにかさ高加工された連続フィラメントヤーンが 、支持管の周囲に実質的らせん状に交差させて巻きつけられ、複数のヤーンの層 を形成する。ヤーンの連続した回旋（convolution）が何層にも反対方向に巻き つけられ、織り合わされた芯を形成する。連続した層のそれぞれにおける連続し た回旋の芯は、四辺形の開口を形成するように間隔があけられており、かさ高加 工されたヤーン上の繊維の環または繊維片は各四辺形の開口内に突出して、ガス 内の粒子状物質のためのトラップを形成する。少なくとも１つの層におけるヤー ンの芯は、隣接する層におけるヤーンの芯から横方向にずれており、それにより ガスの向きを変えて、屈曲した経路によりフィルタ材料を通過させるようになっ ている。 半径方向に位置合わせする巻きつけ手順も、支持管の周囲に交差 させて巻きつけられた、かさ高加工された連続フィラメントヤーンを用いるもの である。ヤーンの連続した回旋は何層にも反対方向に巻きつけられて、織り合わ された芯を形成し、このとき各層の連続した回旋の芯は半径方向に位置合わせさ れ、四辺形の開口を形成するように間隔があけられた壁部を形成するようになっ ている。かさ高加工されたヤーンの繊維の環または繊維片は各四辺形の開口内に 突出して、ディーゼル排気の粒子状物質のためのトラップを形成する。 好ましくは、支持管１３０の周囲に巻きつけられるか交差させて巻きつけられ る無機質ヤーンの直径は、約0.5ｍｍから約５ｍｍまでの範囲にある。より好ま しくは、この直径は、約１ｍｍから約３ｍｍまでの範囲にある。このようなヤー ンは通常、約780本から約7,800本の個別の無機繊維により構成されている。好ま しくは、この無機質ヤーンは約1,560本ないし約4,680本の個別の繊維を具備して いる。好ましくは、この無機質ヤーンは、もろより（ply-twisted）されており 、その理由は、そのような構造をかさ高加工すれば、もろよりされていない無機 質ヤーンと比較してすぐれたフィルタ材料が得られるからである。 前記の無機質ヤーンをかさ高加工することにより、その濾過効率または捕集効 率が改善される。好ましくは、この無機質ヤーンは、例えば、連続した繊維の環 、個別の繊維片またはそれらの組合わせが稠密な芯から外向きに延びるようにか さ高加工することにより、非常に高くかさ高加工される。連続した繊維の環がも っとも好ましいものである。この無機質ヤーンは、例えばエアージェットや機械 によるかさ高加工を含む当該技術において既知の技法により、かさ高加工するこ とができる。エアージェットによるかさ高加工が好ま しいが、その理由は、一般的に、機械的技法によりかさ高加工されたヤーンより も繊維片が少なく繊維の環が多いかさ高加工ヤーンが得られるからである。この 目的に適したエアージェットによるかさ高加工機械は、デラウェア（Delaware） 州ニューカッスル（New Castle）のエンタプライズ・マシン・アンド・ディベロ ップメント・コーポレーション（Enterprise Machine and Development Corpora tion）からモデル１７サイドワインダ（MODEL 17 SIDEWINDER）の商標名で入手 可能である。好ましくは、かさ高加工された無機質ヤーンの直径は、約１ｍｍか ら約10ｍｍの範囲である。より好ましくは、かさ高加工された無機質ヤーンの直 径は、約３ｍｍから約６ｍｍの範囲である。 前記無機質ヤーンを構成する無機繊維の直径は約５ないし約20マイクロメート ルの範囲にあることが好ましい。より好ましくは、それら無機繊維の直径は約７ ないし約15マイクロメートルの範囲にある。一般的に、直径が前記の範囲内にあ る繊維は、直径がこれらの範囲からかなり外れている繊維よりも作製およびかさ 高加工が容易である。さらに、直径が５マイクロメートルを大きく下回る繊維は 損傷を受けやすい（すなわちかさ高加工の際に切れやすい）。直径が25マイクロ メートルを大きく上回る繊維では通常、直径が前記範囲内にある繊維よりもフィ ルタの効率が低くなる。 前記無機質ヤーンを構成する無機繊維は耐熱性であることが好ましい。耐熱性 の繊維は例えば無定形、多結晶質またはそれらを組み合わせたものとすることが できる。有用な耐熱性繊維には、オハイオ（Ohio）州トレド（Toledo）のオーエ ンス・コーニング（Owens-Corning）から商業的に入手可能なＳ２グラス（S2 GL ASS）やＥグラス（E GLASS）などの特殊高温グラスファイバ； ケンタッキー（Kentucky）州ルーイヴィル（Louisville）のクウォーツ・プロダ クツ・コーポレーション（Quartz Products Corporation）から商業的に入手可 能なクウォーツェル（QUARTZEL（登録商標））溶融石英ヤーンなどの連続した溶 融シリカファイバ；およびミネソタ（Minnesota）州セントポール（St．Paul） の３Ｍカンパニー（3M Company)から商業的に入手可能なネクステル（NEXTEL（ 登録商標））312、440または550セラミック繊維などのセラミック金属酸化物の 繊維が含まれる。ガラスおよびセラミックヤーンの混紡から作製された編まれた 布、織布または編組の布を用いることもできる。およそ330℃を下回る用途に関 しては、通常のグラスファイバを使用することができる。 濾過効率の向上のため、無機質ヤーンは上記のように支持管１３０の周囲に実 質的にらせん状に巻きつけるかまたは交差させて巻きつけることが好ましい。こ の無機質ヤーンは、連続した各層の連続した回旋の芯が（米国特許第5,248,482 号に記述されているように）半径方向に位置合わせされるように支持管１３０の 周囲に巻きつけてもよく、または連続した層の連続した回旋の芯が（米国特許第 5,248,481号に記述されているように）相互に横方向にずらされるように支持管 １３０の周囲に巻きつけてもよい。 好ましくは、各フィルタエレメントの厚さはおよそ１ｍｍから25ｍｍの範囲内 にある。無機繊維を具備する実質的にらせん状に巻きつけられたかまたは交差さ せて巻きつけられたかさ高加工ヤーンを具備するフィルタエレメントに関しては 、巻きつけられたかまたは交差させて巻きつけられた繊維の好ましい全体的な厚 さは約５ｍｍから約15ｍｍの範囲である。厚さが前記の範囲を大きく上回ると、 費用が著しくかさむとともに高い背圧という望ましくない結果をも たらすことがあり、厚さが前記の範囲を大きく下回ると、濾過効率が不十分にな る場合がある。 各フィルタエレメント１３２は、１種類を超えるフィルタ材料からなる１以上 の層を選択的に具備していてもよい。例えば、フィルタエレメント１３２は、実 質的らせん状に巻きつけられたかまたは交差させて巻きつけられた無機質ヤーン の１以上の層を具備することができ、または無機繊維を具備する不織マットの１ 以上の層を具備することができ、このマットは実質的らせん状に巻きつけられた かまたは交差させて巻きつけられた無機質ヤーンによって支持管１３０に対し固 定されている。 以下の例は、本発明によりもたらされる性能の向上を説明するためのものであ って、その限定を行なおうとするものではない。例 「段差をつけた」カートリッジの設計によるフィルタカートリッジの性能向上 を測定するため試験を行なった。試験１は短期の、大きい圧力低下と高い流量と による試験であった。試験２は大きい圧力低下と高い流量とによる長期の耐久性 試験であった。試験３は、従来技術によるフィルタカートリッジ２０と（「段差 をつけた」入口管１２６と「段差をつけた」端部蓋１２８とを含む）本発明によ るフィルタカートリッジ１２０との差異を十分に特性づけるための特性化試験で あった。試験１：短期の大きい圧力低下および高流量 試験１の目的は、従来技術による電気的に再生可能なフィルタカートリッジお よび本発明によるフィルタカートリッジの短期的な定 常状態におけるフィルタ性能を調べることであった。従来技術によるフィルタカ ートリッジと本発明によるフィルタカートリッジとは、本発明によるフィルタカ ートリッジに「段差をつけた」入口管が設けられていることを除くすべての点に おいて同一のものであった。２つの試験カートリッジのフィルタエレメントもそ の他の点では同一であった。試験の条件は以下の通りであった：１）10分間の再 生の後１分間の冷却を行なった；２）60ｋＰａにおいて再生を開始した；３）カ ートリッジを通過した排気の流量はカートリッジ１個につき2.81m³／分であり、 排気マニホルドの温度は450℃であった；４）2.3リットル４気筒ディーゼルエン ジンにより1845ｒｐｍ、98Ｎ・ｍの負荷で排気を発生させた；５）低硫黄燃料（ 0.05％）および低灰オイルを使用した；６）１個の試験キャニスタに２個のフィ ルタカートリッジを収納した。 この試験で用いられた試験条件により、従来技術のフィルタカートリッジによ り通常処理されるものに対して、圧力低下が５倍に増大し、流量が２倍に増大し た。 この試験中に集められたデータは、再生と再生後の背圧との間の時間を含むも のであった。この試験は、本発明の短期における性能を測定するものであった。 前記フィルタカートリッジ（従来技術によるカートリッジおよび本発明によるカ ートリッジ）にすすの負荷を加え、60ｋＰａの所定の圧力低下を実現することに より本発明の試験を行なった。フィルタカートリッジにおける圧力低下がこの値 に達した後、フィルタカートリッジを再生し、負荷工程を繰り返した。24時間に わたり試験を行なって、再生の間の負荷時間を記録した。 再生の間の負荷時間が一定のままであった場合、それらのフィル タカートリッジは試験を通過する。これは、試験の間、フィルタカートリッジの 性能が変化しなかったことを意味している。表１は、標準的なフィルタカートリ ッジおよび本発明の段差をつけた入口管を備えたフィルタカートリッジによる試 験結果を表わしている。 表１のデータが示すように、従来技術によるフィルタカートリッジは５時間の 動作後に機能しなくなった。従来技術によるフィルタカートリッジが再生開始に 必要な圧力低下に達するまでに要した時間は300分まで増大したが、これは漏出 が生じたことを示している。従来技術によるフィルタカートリッジの試験では、 「気球状の」膨張効果が生じたことが示された。さらに使用を続けた結果、無限 大の負荷時間によって明らかなように、従来技術によるフィルタアセンブリはま ったく機能しなくなった（再生開始に必要な圧力低下が達成されなかったことを 示している）。対照的に、本発明によるフィルタカートリッジは試験を通過した 。本発明によるフィルタカートリッジの最終の負荷時間は105分から120分に増大 したが、これは従来技術によるフィルタカートリッジに対して大きな改善である 。 表１ 性能に関する結果 （注）圧力低下が一定水準に達し増大しなかったため、再生開始の限界に達しな かった。試験２：長期の大きい圧力低下および高流量による試験 試験２の目的は、本発明によるフィルタカートリッジの（高流量および大きい 圧力低下レベルにおける）長期的な定常状態でのフィルタ性能を調べることであ った。およそ1500時間の動作期間にわたってフィルタカートリッジの性能を観察 した。本発明によるフィルタカートリッジの入口管１２６および端部蓋１２８の 双方を「段差をつけた」設計とした。試験の条件は以下の通りであった：１）10 分間の再生の後１分間の冷却を行なった；２）40ｋＰａにおいて再生を開始した ；３）カートリッジを通過した排気の流量はカートリッジ１個につき2.8m³／分 であり、排気マニホルドの温度は450℃であった；４）2.3リットル４気筒ディー ゼルエンジンにより1845ｒｐｍ、98Ｎ・ｍの負荷で排気を発生させた；５）低硫 黄燃料（0.05％）および低灰オイルを使用した；６）１個の試験キャニスタに２ 個のフィルタカートリッジを収納した。本発明によるフィルタカートリッジの性 能に関する観察された特性は、再生の間の負荷時間および濾過効率を含むもので あった。 負荷時間 負荷時間は、フィルタに対し再生後の圧力低下から40ｋＰａの圧力低下まで負 荷が加わるのに要する時間である。前記フィルタカートリッジの負荷時間は、試 験開始時における45ないし50分から試験期間終了時におけるおよそ20分までにわ たった。フィルタカ ートリッジはエンジンを通過した燃焼した潤滑油の副産物で満たされるので、負 荷時間は時間の経過とともに当然短くなる。燃焼した潤滑油の副産物はオイルア ッシュと呼ばれる。負荷時間が時間経過とともに増大する場合は、本発明による フィルタカートリッジが機能しなくなったことを示すものである。フィルタエレ メントと構造上のヒータ支持管との間の封止状態が壊れ、排気流が漏出するよう になると、負荷時間は増大するであろう。負荷時間は時間の経過とともに短くな ったので、本発明によるフィルタカートリッジには漏出が起きなかったことにな る。 効率の測定 本発明によるフィルタカートリッジの効率は試験期間中78％から98％の範囲に あった。これらの効率は35ｋＰａの圧力低下において得られたものである。本発 明によるフィルタカートリッジの効率は試験の進行とともに増大した。効率の増 大は、濾過媒体内部におけるオイルアッシュの蓄積によるものであった。オイル アッシュはフィルタエレメントの内側に蓄積し、付加的な濾過機構として作用す る。フィルタカートリッジの効率が試験期間を通じて維持されたという事実は、 フィルタカートリッジ内部に漏出経路が存在しなかったことを示している。さら に、本発明によるフィルタカートリッジは、圧力低下の増大にもかかわらず高い 効率を維持した。明らかに、従来技術によるフィルタカートリッジは、試験され た最大の圧力低下において機能しなくなった。試験３：本発明によるフィルタカートリッジおよび本発明によらないフィルタカ ートリッジの特性化試験 試験３は、3.4リットル間接噴射カミンス（Cummins）ディーゼルエンジンを用 いて実施した。試験のための運転条件はエンジンの運転速度が1560ｒｐｍ、エン ジンの負荷が132Ｎ・ｍであった。この試験は、従来技術によるフィルタカート リッジと本発明によるフィルタカートリッジとの濾過効率を比較するものである 。表２は試験３の結果を示している。 表２は、本発明によるフィルタカートリッジが低流量において従来技術による フィルタカートリッジと同様の性能を保持できたこと、また高流量において作用 し続けたことを示している。本発明によるフィルタカートリッジと従来技術によ るフィルタカートリッジとの効率の差は高流量の方が小さくなったが、本発明に よるフィルタカートリッジは試験された最大の圧力低下に対しても機能不全に陥 ることなくその濾過効率を維持した。 試験結果を総合すると、本発明によるフィルタカートリッジが高い効率を維持 した一方で高い流量および圧力低下において耐久性を維持できたことが示されて いる。このように本発明によるフィルタカートリッジは、従来技術によるフィル タカートリッジに対し明らかにすぐれた性能を示すものである。 表２：本発明に関する効率の比較 本発明を好適な実施例を参照しつつ説明してきたが、本発明の精神および範囲 から逸脱することなく、形態および細部の変更をなし うることは当業者の認識するところであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，Ｈ Ｕ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 イスタ，トロイ ケイ. アメリカ合衆国，ミネソタ 55133―3427, セントポール，ピー．オー．ボックス 33427

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．穿孔部と端部とを有する縦長の中空管であって、前記端部が第１の外径を 有しており、前記穿孔部が第２の外径を有しており、前記第１の外径が前記第２ の外径よりも小さいことを特徴とする中空管と； 前記中空管を覆うように配され、前記穿孔部の前記第２の外径と前記端部の前 記第１の外径とにわたって延びているフィルタエレメントとを具備するディーゼ ル粒子状物質フィルタカートリッジ。 ２．無孔の第１端部と無孔の第２端部とを有する中空管であって、前記第１端 部と前記第２端部とが、前記第１端部と前記第２端部との間に延びる縦長の穿孔 された中央部によって隔てられており、前記第１端部と前記第２端部とが第１の 外径を有しており、前記穿孔された中央部が第２の外径を有しており、前記第１ の外径が前記第２の外径よりも小さいことを特徴とする中空管と； 前記中空管を覆うように配され、前記無孔の第１端部と前記穿孔された中央部 と前記無孔の第２端部とにわたって延びているフィルタエレメントとを具備する ディーゼル粒子状物質フィルタカートリッジ。 ３．前記第１端部が密閉されていることを特徴とする請求の範囲第２項のディ ーゼル粒子状物質フィルタカートリッジ。 ４．前記中空管が電気抵抗式の発熱体であることを特徴とする請求の範囲第２ 項のディーゼル粒子状物質フィルタカートリッジ。 ５．前記フィルタエレメントが、複数のヤーンの層を形成するように前記中空 管にらせん状に交差させて巻きつけられた耐熱性のヤーンを具備しており、前記 ヤーンが、フィラメントまたは繊 維片が外向きに突出している芯を有しており、連続した回旋が各層において反対 方向に巻きつけられて、織り合わされた芯を形成しており、前記突出する繊維片 が相互にかみ合って排気に担持されている粒子状物質のためのトラップを形成し ている実質的に同形の四辺形の開口を形成するように、各層における回旋の芯の 間隔があけられていることを特徴とする請求の範囲第２項のディーゼル粒子状物 質フィルタカートリッジ。 ６．前記ヤーンが無機質のヤーンであることを特徴とする請求の範囲第５項の ディーゼル粒子状物質フィルタカートリッジ。 ７．粒子状物質を含むガスを濾過するフィルタカートリッジとともに使用する ための入口管であって、前記フィルタカートリッジが少なくとも１つの開口した 端部を有しており、前記入口管が第１端部と第２端部とを具備しており、前記入 口管の前記第１端部が第１の直径を有し前記入口管の前記第２端部が第２の直径 を有しており、前記第１の直径が前記第２の直径よりも大きく、移行段差部が前 記第１端部の前記第１の直径と前記第２端部の前記第２の直径との間に延びてお り、フィルタエレメントが、前記フィルタエレメントカートリッジを前記入口管 の前記第１端部と前記第２端部とにわたって延ばすことにより前記入口管に固定 されており、それにより前記フィルタエレメントが前記入口管の前記段差部を覆 うようになっていることを特徴とする入口管。 ８．前記入口管の前記第２端部が基板に固定されていることを特徴とする請求 の範囲第７項の入口管。 ９．排気ガスが前記基板を通過して前記カートリッジ内部に入るように前記基 板が少なくとも１つの開口を含んでいることを特徴とする請求の範囲第８項の入 口管。 10．前記入口管が、前記入口管とフィルタカートリッジとを排 気系統内に取り付けるための手段をさらに具備していることを特徴とする請求の 範囲第７項の入口管。