JP2006257888A

JP2006257888A - エアークリーナー用フィルター

Info

Publication number: JP2006257888A
Application number: JP2005072500A
Authority: JP
Inventors: Junichi Moriyama; 順一森山; Hiroko Niijima; 裕子新島; Eizo Kawano; 栄三川野
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】良好な捕集効率を示し、圧力損失が低く、長寿命のエアークリーナー用フィルターを提供する。
【解決手段】内燃機関に吸気される吸気ガス中の微粒子を捕集するエアークリーナー用フィルター１１であって、超高分子量ポリエチレンの焼結多孔質シートより構成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に吸気される吸気ガス中の微粒子を捕集するエアークリーナー用フィルターに関するものである。

オートバイ等の内燃機関（エンジン）に於いて、埃等の微粒子を含んだ空気をそのまま吸気すると、ピストンやリング、シリンダライナーなどが摩耗し、空気を十分圧縮できなくなる。この為、エンジン馬力の低下を招来することがある。また、摩耗により生じた隙間からオイルが滲み出して燃焼することにより、オイル消費量が急激に増加することもある。これらの問題は、特に５μｍ以上の埃が含まれると顕著になる。

この為、エンジンの吸気管に連結する気化器の入口にエアークリーナーを連結し、エアークリーナーに於けるフィルターで微粒子を取除いた空気を供給する様にしている（例えば、下記特許文献１〜８参照）。即ち、エアークリーナーは、微粒子を取り除いて空気を清浄にし、エンジンの機能低下を防止する働きをする。

しかし、従来のエアークリーナー用フィルターは、一般的に埃の捕集効率が高ければ圧力損失も高くなり、圧力損失が低ければ捕集効率も低いというトレードオフの関係を有している。また、捕集効率と圧力損失とのバランスが良い場合でも、目詰まりにより、エンジン内部に十分な量の空気が吸気されず、酸素密度の低下に起因した燃焼不良を起こすことがある。この為、フィルターの寿命が短くまた初期特性を維持するために常にメンテナンスが必要となる。
特開平６−２４８９５５号公報特開平６−２６４８３６号公報日本国特許第２８５７９２６号日本国特許第２８５８３６９号日本国特許第２９７６５５７号特開平５−２７８６５９号公報日本国特許第３１７５４４２号特開平５−３２１７８１号公報

本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、良好な捕集効率を示し、圧力損失が低く、長寿命のエアークリーナー用フィルターを提供することにある。

本発明は、以下の構成とすることにより上述の課題を解決している。

即ち、本発明に係るエアークリーナー用フィルターは、内燃機関に吸気される吸気ガス中の微粒子を捕集するエアークリーナー用フィルターであって、超高分子量ポリエチレンの焼結多孔質シートより構成されることを特徴とする。

前記焼結多孔質シートは、撥油処理、撥水処理又は帯電防止処理が施されていることが好ましい。

前記焼結多孔質シートは、所定の延伸倍率に延伸されたものであることが好ましい。

前記焼結多孔質シートには、ポリエチレンテレフタレートからなる不織布が積層されていることが好ましい。

本発明は、前記に説明した手段により、以下に述べる効果を奏する。

即ち、本発明のエアークリーナー用フィルターによれば、その材料として超高分子量ポリエチレンの焼結多孔質シートを使用するので、微粒子の高い捕集効率と低い圧力損失を実現することができる。また、超高分子量ポリエチレンの焼結多孔質シートは離型性能に優れているので、例えば内燃機関の振動やバックファイア的圧力の逆噴出により、表面に付着した埃を容易に離型させることができる。その結果、エアークリーナー用フィルターを初期の性能に容易に回復させることができ、フィルター寿命も延ばすことができる。また、メンテナンスも軽減できる。

本実施の形態に係るエアークリーナー用フィルター（以下、「フィルター」と言う）について、図１に基づき説明する。図１は、本発明の実施の一形態に係るエアークリーナーの概略を示す平面図である。

同図に示すエアークリーナー１０は、例えば内燃機関に於ける吸気の入り口に備え付けられ、吸気ガス中に含まれる埃や砂等の微粒子を除去して内燃機関に取り込まれる吸気ガスを清浄にするものであり、その内部にはフィルター１１が設けられている。フィルター１１は、超高分子量ポリエチレン（以下「ＵＨＭＷＰＥ」という）の焼結多孔質シートより構成される。焼結多孔質シートは微細な空孔が無数に形成された構造を有し、これらの空孔の孔径（表面に於ける孔径及びシート内部に於ける孔径の両方を含む）よりも大きな微粒子の通過を遮断することにより、より清浄な吸気ガスを内燃機関に供給するものである。

本発明では、摩擦係数が低く、離型性に優れたＵＨＭＷＰＥを使用するので、該ＵＨＭＷＰＥから得られた焼結多孔質シートも摩擦係数が低く離型性に優れたものとなる。この為、前記多孔質シートの表面に付着した微粒子が静電気により吸着するのを抑制し、該多孔質シートに振動を加えたり、バックファイア的圧力の逆噴出をすることにより簡単に除去できる。その結果、多孔質シートの目詰まりを抑制し、内燃機関に於いて空気の取り込み不足により生じる燃焼不良を低減することができる。また、ＵＨＭＷＰＥの焼結多孔質シートは耐摩耗性にも優れるので、例えばフィルター１１の表面を擦りながら洗浄しても、フィルター１１表面の摩耗を低減し、フィルターとしての性能の低下も抑制できる。

また本発明では、多孔質シートの焼結体を使用するので、その焼結構造に起因する曲路効果により、従来のフィルターと比較して捕集効率が高い。また、空孔の孔径を多少大きくしても、該曲路効果から多孔質シートの捕集機能を十分に維持できる。従って、圧力損失の低減（通気性の向上）が図れる。更に、多孔質シート自身にも塵等が含まれないことから、本発明のフィルター１１は無塵性に優れている。

ＵＨＭＷＰＥの粘度平均分子量は、５０万〜１０００万の範囲内であることが好ましく、１００万〜７００万の範囲内であることがより好ましい。ＵＨＭＷＰＥの具体例としては、例えば市販されているハイゼックス・ミリオン（商品名、三井化学社製）、ホスタレンＧＵＲ（商品名、ティコナ社製）等が挙げられる。尚、前記の分子量は、ＡＳＴＭＤ４０２０（粘度法）による測定値を言う。

多孔質シートの厚さ（後述の延伸を行う場合は、延伸後の厚さ）は圧力損失等を考慮して適宜設定することができる。一般には、０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内であることが好ましい。厚さが０．０３ｍｍより薄いと、フィルターの機械的強度が低下し、使用時に破れる場合があり、また多孔質シートをエアークリーナーに取り付ける際の作業性も低下する恐れがある。その一方、厚さが０．２ｍｍより厚いと、多孔質シートの通気性が低下する場合がある。

多孔質シートの平均孔径は、１〜３０μｍの範囲内であることが好ましく、５〜１０μｍの範囲内であることがより好ましい。平均孔径を前記数値範囲内にすることにより、本発明のフィルター１１は、平均サイズが５μｍ以上の微粒子を約８０％以上遮断することができる。

また、多孔質シートの気孔率は、該多孔質シートがＵＨＭＷＰＥからなる場合、用途等に応じて適宣に設定することができるが、１０〜７０％の範囲内であることが好ましい。気孔率が１０％未満であると通気性の低下や摩擦係数が上昇する傾向が見られる。その一方、７０％を超えると、多孔質シートの機械的強度が低下する場合がある。尚、気孔率は下記式（１）から算出される。

本発明の多孔質シートは、圧力損失の低減の観点から、通気性に優れる方が好ましい。通気性を良好なものにすることにより内燃機関の最高回転数時に於ける空気の必要な流量を確保することができる。また、従来のエアークリーナー用のシートと比較して体積を抑制できることから、エアークリーナー１０のコンパクト化が図れる。前記通気性は、具体的には例えば、ＪＩＳＰ−８１１７に準拠する通気度で１０〜１００ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃの範囲内であることが好ましく、５０〜７０ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃの範囲内であることがより好ましい。通気性が低下する場合、圧力損失が増大するという不都合がある。尚、前記の通気性はフラジール型通気度試験機によるものであって、多孔質シートの厚み方向に於ける値である。

前記多孔質シートには、例えばフッ素コート処理や撥油、撥水処理などの表面処理を施してもよい。これにより、多孔質シートに捕集された微粒子の除去を一層容易にする。前記の各表面処理は、従来公知の手法により行い得る。また、多孔質シートは、静電気防止の為、帯電防止材を塗布して含浸させることもできる。帯電防止材としては、従来公知のものを採用し得る。

前記多孔質シートは、所定の延伸倍率で延伸してもよい。ＵＨＭＷＰＥからなる焼結多孔質シートは、前述の通り曲路効果を有しており、平均孔径が大きい割には捕集効率が良い。延伸処理は、この様な多孔質シートに対し、更に通気性の向上を図るものである。これにより、高い通気性が要求される場合にも、圧力損失の低減が図れる。その結果、例えば本発明のフィルターを中性能のフィルターとして用いる場合に、高通気・低圧力損失を実現できる。

延伸倍率は、温度１１０℃〜１５０℃、好ましくは１２５℃〜１３５℃に於いて、延伸前の多孔質シートの厚さが０．２ｍｍの場合、約１．２〜２倍の範囲内であることが好ましく、約１．５〜１．８倍の範囲内であることがより好ましい。また、延伸前の厚さが０．２ｍｍ以上の場合は、約１．２〜５倍の範囲内であることが好ましく、良好な通気性を維持する為には約２〜３倍の範囲内であることがより好ましい。また、延伸は一軸延伸でもよく、或いは二軸延伸でも良い。

本発明の多孔質シートは加工性にも優れており、例えばプリーツ加工した立体形状として用いることも可能である。プリーツ加工を施すことにより、エアークリーナー１０内での表面積を大きくし、濾過性能を高めることができる。尚、プリーツ加工とは、多孔質シートを交互に折り返して波型（又は襞状）の形状に成形することを言う。

また、多孔質シートは、不織布にラミネートしたものや、粘着剤層が積層された積層体であってもよい。前記不織布としては特に限定されず、従来公知のものを採用することができる。また、多孔質シートにプリーツ加工を施す場合には、不織布の材料としてはプリーツ加工性やプリーツ形態保持性を高めるため、剛性や強度の大きいものを選択するのが好ましい。不織布の厚さは、０．１〜０．４ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．２〜０．３ｍｍの範囲内であることがより好ましい。前記数値範囲内であると、プリーツ加工性及びプリーツ形態保持性を向上させることができる。また、前記粘着剤層としては、従来公知の粘着剤を含み構成されるものを用いることができる。

本発明の多孔質シートの製造方法としては、例えば日本国特許第２０２００２６号等に記載の方法を適用することができる。より具体的には、先ず、ＵＨＭＷＰＥ粉末（粒径は通常３０〜２００μｍ）を金型に充填し、次いで、これをＵＨＭＷＰＥの融点以上に加熱された水蒸気雰囲気中で焼結してブロック状多孔質体とする。この様にＵＨＭＷＰＥ粉末を金型に充填し、これを加熱された水蒸気雰囲気中で焼結するので、金型としては少なくとも一つの開口部（加熱水蒸気導入用）を有するものを用いる。焼結に要する時間は粉末の充填量や水蒸気の温度等によって変わるが、通常、約１〜１２時間である。

この際に用いる水蒸気はＵＨＭＷＰＥの融点以上に昇温させる為、加圧状態とされるので、金型に充填されたＵＨＭＷＰＥ粉末間に容易に進入することができる。尚、ＵＨＭＷＰＥ粉末間への加熱水蒸気の進入をより容易にするため、該粉末を金型に充填し、この金型を耐圧容器に入れ、減圧状態とする脱気操作を施し、その後加熱された水蒸気雰囲気中で焼結するようにしてもよい。この際の減圧度合いは特に限定されないが、約０．１３〜１３ｋＰａが好ましい。

従って、金型に充填されたＵＨＭＷＰＥ粉末の焼結は、前記耐圧容器に水蒸気導入管及びその開閉バルブを設けておき、該粉末間の空気を脱気した後、減圧を止めあるいは減圧を続けながら、水蒸気バルブを開いて加熱水蒸気を導入する方法によって行うことができる。

この焼結時に於いて、ＵＨＭＷＰＥ粉末は融点以上の温度に加熱されるがその溶融粘度が高いのであまり流動せず、その粉末形状を一部乃至大部分維持し、隣接する粉末相互がその接触部位に於いて熱融着しブロック状多孔質体（粉末相互の非接触部が該多孔質成形体の孔となる）が形成される。尚、焼結に際し、所望により加圧することもできるが、その圧力は、通常、約１ＭＰａ以下とするのが好ましい。

前記のようにして焼結を行った後、冷却する。冷却に際してはブロック状多孔質体への亀裂の発生を防止するため、急冷を避けるのが好ましい。冷却の方法としては、例えば室温に放置する等の方法を採用できる。尚、冷却はブロック状多孔質体を金型に入れたまま行ってもよく、あるいは金型から取り出して行ってもよい。ブロック状多孔質体の冷却後、該ブロック状多孔質体を旋盤等を用いて所定厚さに切削する。これにより、多孔質シートを得ることができる。

前記方法により得られる多孔質シートの空孔の孔径及び気孔率は、用いるＵＨＭＷＰＥ粉末の粒径や焼結時に於ける加圧の有無によって決定される。他の条件が同じであれば、用いた粉末の粒径が大きい程空孔の孔径が大きく、気孔率の高い多孔質シートが得られる。本発明では、粉末の平均粒径は２０〜１７０μｍの範囲内であることが好ましく、２０〜７０μｍの範囲内であることがより好ましい。また、焼結時に加圧しない場合は加圧した場合に比べ空孔の孔径が大きく、気孔率の高い多孔質シートが得られる。更に、焼結時に加圧した場合はその圧力が高い程空孔の孔径が小さく、気孔率の低い多孔質シートが得られる。

この様な方法によって得られるＵＨＭＷＰＥの多孔質シートは、前記したように隣接するＵＨＭＷＰＥ粉末がその形状の一部乃至大部分を維持すると共に粉末相互がその接触部位に於いて熱融着してシート形状を呈し、且つ、粉末相互の非接触部位を孔とするミクロ構造を有している。この多孔質シートのミクロ構造は、例えば、多孔質シートを厚さ方向に沿って切断し、その切断面を走査型電子顕微鏡で観察（倍率は適宜設定するが、通常約１００〜１０００倍である）することができる。

以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている材料や配合量等は、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施例１）
ＵＨＭＷＰＥ粉末（平均分子量６５０万、融点１３５℃、平均粒子径６０μｍ）を内径５００ｍｍ、高さ１０００ｍｍの金型に充填し、これを金属製耐圧容器に入れ、容器内を４×１０^３Ｐａにまで減圧した。

続いて、容器内に加熱された水蒸気を導入し、ＵＨＭＷＰＥ粉末を１６０℃×６気圧で５時間加熱した後、徐冷を行った。これにより、円柱状の焼結多孔質体（ブロック状多孔質体）を作製した。この焼結多孔質体を切削して、厚さ０．１ｍｍのシート状にし、これを延伸倍率が１．６倍となる様に延伸して、厚さ８５μｍの多孔質シートを得た。この多孔質シートをエアークリーナー用フィルターとして用いた。

（実施例２）
実施例１と同様にして、ＵＨＭＷＰＥからなる焼結多孔質体を作製した。この焼結多孔質体を切削して厚さ０．２ｍｍのシート状にし、更に延伸倍率が２倍になる様に延伸して、厚さ１７５μｍの多孔質シートを得た。この多孔質シートをエアークリーナー用フィルターとして用いた。

（実施例３）
実施例１と同様にして、ＵＨＭＷＰＥからなる焼結多孔質体を作製した。この焼結多孔質体を切削して厚さ０．１ｍｍのシート状にし、これを延伸倍率が２倍となる様に延伸して厚さ８０μｍの多孔質シートを得た。

次に、多孔質シート上に、カーテン塗工にてホットメルトを塗布し、更にＰＥＴ不織布（バルコンポ、厚さ０．２ｍｍ）を貼り合わせてラミネートした。続いて、ＰＥＴ不織布をラミネートした多孔質シートに、固形分濃度０．５％の撥油、撥水処理を行い、本実施例に係るエアークリーナー用フィルターを作製した。撥油、撥水処理は、具体的にはディッピング後、１００℃の炉に連続的に通過させて乾燥させることにより行った。通過速度は２ｍ／ｍｉｎ、炉長は３ｍとした。

（比較例１）
本比較例に於いては、エアークリーナー用フィルターとして、オイル（鉱物油）を約５％体積分含浸した、ウレタン樹脂からなるウレタンシート（厚さ２０ｍｍ、平均孔径約０．５〜１ｍｍ）を用いた。

（比較例２）
フッ素多孔質膜（日東電工（株）製、厚さ０．０１ｍｍ）上に、カーテン塗工にてホットメルトを塗布し、更にＰＥＴ不織布（バルコンポ、厚さ０．２ｍｍ）を貼り合わせてラミネートした。これにより、比較例２に係るエアークリーナー用フィルターを作製した。

（比較例３）
エアークリーナー用フィルターとして、厚さ０．３ｍｍのＰＥＴ不織布（バルコンポ）を用いた。

（比較例４）
エアークリーナー用フィルターとして、厚さ０．２ｍｍのＰＥＴ不織布（アクスター）を用いた。

（平均孔径の測定）
各実施例及び比較例で作製したフィルターに於ける平均孔径は、水銀ポロシメーター測定により求めた。

（圧力損失の測定）
圧力損失の測定はＪＩＳＫ−０９０１に準拠して行った。即ち、サンプルの有効面積が１００ｃｍ^２となる様に円形ホルダーにセットし、入口側から大気塵を供給しつつ、入口側と出口側に圧力差を与え、このサンプルを通過する空気の透過速度を流量計で５．３ｃｍ／ｓｅｃに調整した。この状態で圧力損失（初期値）を圧力計（マノメーター）で測定した。尚、大気塵とは雰囲気中に浮遊している塵埃をいう。

（捕集効率）
圧力損失の測定と同様にしてサンプルをセットした。次に、サンプルを通過する空気の透過速度を５．３ｃｍ／ｓｅｃに調整して、サンプルの上流側にＪＩＳ第８種の関東ローム層の粉末７ｇを１分間にわたって供給した。上流側粒子濃度（個／リットル）と、サンプルを透過してきた下流側粒子濃度（個／リットル）とをパーティクルカウンターで測定して下記式により捕集効率を算出した。

（関東ローム層の粉末を用いた圧力損失の測定）
各実施例及び比較例で作製したフィルターに対し、ＪＩＳＺ８９０１（試験用粉体及び試験用粒子）の第８種の関東ローム層の粉末７ｇを混合させた空気をろ過させた。ろ過時間は１分間とした。その後、前記と同様にして圧力損失を測定した。

（振動後の圧力損失の測定）
各フィルターをエンジン上の水平な面に垂直となる様に載置し、エンジンを１０秒間運転させた後、停止させた。これを１０回繰り返して各フィルターの表面に付着した埃を除去した。その後、圧力損失の測定を前記の通り行った。

（水洗後の圧力損失の測定）
各実施例及び比較例で得たフィルターを、水をかけながらタワシにて１０回擦りつけた後、軽く水洗いして乾燥させた。その後、フィルターの圧力損失を前記と同様にして測定した。

（プリーツ加工性）
プリーツ加工性は、次の様にして評価した。即ち、前記実施例及び比較例で作製したフィルターをプリーツ加工機で、山高さ２５ｍｍのプリーツ加工を行い、加工後の外観を観察し下記の基準で評価した。
○：プリーツが鋭角で均一である
×：プリーツが不均一である

（総合評価）
総合評価は、捕集効率、圧力損失、関東ローム層の粉末を用いた圧力損失、振動後の圧力損失、水洗後の圧力損失及びプリーツ加工性の各項目を考慮して行った。即ち、（i）圧力損失（関東ローム層の粉末を用いた圧力損失、振動後の圧力損失、水洗後の圧力損失を含む）が３５Ｐａ以下、（ii）捕集効率が８０％以上、（iii）プリーツ加工性が○であることを評価基準とし、（i）〜（iii）の全てを満たした場合を○、（i）及び（ii）を満たした場合を△、（i）〜（iii）の何れか１つを満たすか或いは何れも満たさない場合を×とした。

本発明の実施の一形態に係るエアークリーナーの概略を示す平面図である。

符号の説明

１０エアークリーナー
１１エアークリーナー用フィルター（フィルター）

Claims

内燃機関に吸気される吸気ガス中の微粒子を捕集するエアークリーナー用フィルターであって、
超高分子量ポリエチレンの焼結多孔質シートより構成されることを特徴とするエアークリーナー用フィルター。
前記焼結多孔質シートは、撥油処理、撥水処理又は帯電防止処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載のエアークリーナー用フィルター。
前記焼結多孔質シートは、所定の延伸倍率に延伸されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のエアークリーナー用フィルター。
前記焼結多孔質シートには、ポリエチレンテレフタレートからなる不織布が積層されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のエアークリーナー用フィルター。