JP2012515649A - 微粒子フィルタの性能改善のためのろ過構造 - Google Patents

Abstract

微粒子フィルタ（１００）は、入口端（１０２）、出口端（１０４）、および前記入口端（１０２）から前記出口端（１０４）まで流体が流れるように配置および構成された複数のチャネル（１０８，１１０）を備え、ここで前記チャネル（１０８，１１０）は微粒子物質を捕捉するように構成された多孔壁（１０６）によって画成される。多孔壁（１０６）は、約４５％を超える全多孔率、約１３マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの範囲のメジアン細孔径、および１０マイクロメートル未満の細孔が約１０％未満の多孔率を提供するような細孔径分布を有しうる。

Description

関連出願の相互参照

本願は、参照することによって本明細書に援用される、２００９年１月２１日に出願した米国特許出願第１２／３５７，０１６号の優先権の利益を主張する。

本教示はろ過構造に関する。特に、本教示は、例えば、排ガスろ過などの燃焼後用途における使用に適した特性を有するろ過構造に関する。

環境への懸念は、内燃エンジンおよび他の燃焼システムに対する、世界の大部分を通じた排気規制実施の動機づけとなっている。排ガス後処理システムにおいて実現される触媒コンバータは、排ガス中に存在する多くの汚染物質の排除に用いられている；しかしながら、フィルタは、しばしば、例えばアッシュおよびスートなどの微粒子の除去を必要とする。例えば壁流微粒子フィルタは、スートおよびアッシュなどの微粒子を排ガスから除去するためのエンジンシステムに用いられることが多い。このような微粒子フィルタは、内部の多孔壁によって隔てられた平行な流路またはセルを有するハニカム状の基板でできている場合がある。流路の入口および出口端は、排ガスがひとたび基板内部に入ったら、内部の多孔壁を通過するように強いられ、それによって多孔壁が排ガスの一部の微粒子を保持するように、例えば市松模様などに選択的に塞栓されうる。多孔壁による微粒子の捕捉は、２つの異なる段階：最初は多孔壁の内部（深層ろ過）、次に流路の多孔壁（ケーク層ろ過）で起こりうる。

このように、壁流微粒子フィルタは、例えばアッシュおよびスートなどの微粒子を排ガスから除去するのに有効であることが分かった。しかしながら、壁流微粒子フィルタの圧力損失は、多孔壁およびチャネル内に捕捉される微粒子の量が増加するにつれて増大する。調整されていない（例えば、微粒子による多孔質のフィルタ壁の浸透を停止するためのアッシュ層を十分に有しない）フィルタでは、初期の深層ろ過段階（典型的には１ｇ／Ｌ（グラム／リットル）未満の微粒子がフィルタに捕捉される）の間に、一般に圧力損失の急増があり、その後、ケーク層ろ過段階の間の微粒子負荷に伴う圧力損失の漸増が生じる。圧力損失の増大は、エンジンに対する背圧の漸増、およびそれに対応するエンジン性能の低下を生じる結果となる。

フィルタの幾何学的特性および微細構造特性は、フィルタのろ過効率（ＦＥ）のみならず、深層ろ過段階の間の初期の圧力損失にも影響を与えうる。例えば、圧力損失の初期の増大は、深層ろ過段階では、フィルタの幾何学的特性よりも微細構造特性の影響を受け、ケーク層ろ過段階では、幾何学的特性のほうが、より影響を与える傾向にある。したがって、フィルタの微粒子負荷の前（すなわち、フィルタが清浄な場合）に、高いフィルタＦＥを生じるだけでなく、深層ろ過に関係する背圧の、比較的低い初期増加も達成し、それによって、フィルタが清浄な間および深層ろ過の初期段階の間にフィルタの圧力損失を最小限に抑える、微細構造特性を提供することは望ましいであろう。

さらには、以下にさらに説明するように、フィルタのスート負荷の前（例えばフィルタが清浄な場合など）、ならびにスート負荷の初期段階の間（すなわち、深層ろ過の間）は、フィルタの圧力損失が比較的低いまま維持される、ろ過構造を提供することが望ましいであろう。

本教示は、上記問題の１つ以上を解決しうる、および／または上記望ましい特徴の１つ以上を実証しうる。他の特徴および／または利点は、以下の説明から明白になるであろう。

さまざまな典型的な実施の形態によれば、本教示は、入口端、出口端、および流体が前記入口端から前記出口端まで流れるように配置および構成された、複数のチャネルを備えた微粒子フィルタを提供し、ここで前記チャネルは微粒子を捕捉するように構成された多孔壁によって画成される。多孔壁は、約４５％を超える全多孔率、約１３マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの範囲のメジアン細孔径、および１０マイクロメートル未満の細孔が約１０％未満の多孔率を提供するような細孔径分布を有しうる。

追加の目的および利点は、一部には後述する説明に記載され、一部にはその説明から明白となり、あるいは、本教示の実施によって習得されよう。本目的および利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される構成要素および組合せによって、実現および到達されよう。

前述の概要および後述する詳細な説明は、単に典型例および説明のためであって、特許請求の範囲を制限するものではないことが理解されるべきである。

本発明は、後述する詳細な説明から単独で、または添付の図面と共に、理解することができる。図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に取り込まれ、その一部を構成する。図面は１つ以上の典型的な実施の形態を例証し、説明と共に、さまざまな原理および動作を説明する役割をする。

本教示に従った微粒子フィルタの１つの典型的な実施の形態の斜視図。 図１の微粒子フィルタの概略的な断面図。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する、壁メジアン細孔径の関数としての清浄時圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する、壁メジアン細孔径の関数としての清浄時圧力損失の実験的検査から得られた結果。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する、壁多孔率の関数としての清浄時圧力損失のモデリング・データから得られた結果。 さまざまな幾何学的形状のフィルタに対応する、壁多孔率の関数としての清浄時圧力損失の実験的検査から得られた結果。 壁メジアン細孔径の関数としての清浄フィルタ効率のモデリング・データから得られた結果。 壁メジアン細孔径の関数としての清浄フィルタ効率の実験的検査から得られた結果。 壁多孔率の関数としての清浄フィルタ効率のモデリング・データから得られた結果。 壁多孔率の関数としての清浄フィルタ効率の実験的検査から得られた結果。 深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁多孔率の影響を例証するモデリング・データから得られた結果。 深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁細孔径分布の影響を例証するモデリング・データから得られた結果。

例えば壁流または部分流微粒子フィルタなどの微粒子フィルタでは、流体流れ（例えば、排ガス流れ）に由来する微粒子（例えばスートおよびアッシュ）は、最初にフィルタの多孔壁内に捕捉されることから（深層ろ過段階）、背圧の比較的大きい増加が生じ、燃焼システムの効率に悪影響を与える場合がある。例えば、自動車または他の燃焼システム用途における燃料経済性が低下しうる。しかしながら、同時に、ＦＥは、清浄フィルタのＦＥから最高レベルに至るまで増大する。これは、微粒子自体が濾材として作用し、さらなる微粒子をその上に堆積可能にする、フィルタ壁内に堆積した微粒子に起因する。ケーク層ろ過段階に達すると（すなわち、微粒子が、壁の内部ではなく、むしろフィルタの壁のチャネルに捕捉されると）、ＦＥは最高レベルで実質的に一定のまま保たれ、背圧の増加は深層ろ過段階よりもはるかに漸進的になる。

本教示は、フィルタが清浄な場合（すなわち、スート負荷の前）に低い圧力損失を生じ、深層ろ過の間に、背圧の比較的小さい初期増加を生じると共に、比較的高いＦＥも示す微粒子フィルタを意図している。言い換えれば、本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、最初に、スートがフィルタの多孔壁表面に集積する前（例えば、深層ろ過の前および間）に比較的低い圧力損失を有する、微粒子フィルタ構成を検討する。本教示のさまざまな典型的な実施の形態に従って決定した細孔径、多孔率および／または細孔径分布などのフィルタの微細構造特性は、フィルタが清浄である間（スートの集積前）のフィルタの低い圧力損失、および、深層ろ過の間（スートがフィルタの壁の内部に集積するとき）の背圧の比較的低い初期増加（すなわち、微粒子負荷に対する圧力損失または微粒子負荷に対する低い圧力損失応答の比較的小さい曲線勾配）を提供するのに十分でありうる。

本教示のさまざまな典型的な実施の形態では、深層ろ過微粒子負荷の間に低い清浄時圧力損失および背圧の比較的低い初期増加を生じさせることができる微細構造を有し、それによってエンジンの燃料経済性を高め、フィルタのろ過効率を増大する、微粒子フィルタが開示される。

本明細書では「微粒子フィルタ」または「フィルタ」という用語は、通過する流体流れから微粒子物質を除去する能力がある構造体のことをいう。本教示は、任意の流体流れからの任意の微粒子物質の除去に適用して差し支えなく、流体流れは気体または液体の形態でありうる。気体または液体は、気体または液体のいずれかの流れにおける固体微粒子、または気体流れにおける液体の液滴など、別の相を含んでいてもよい。限定されない典型的な流体流れとしては、例えばディーゼルおよびガソリンエンジンなどの内燃エンジンによって生じる排ガス、水性液体流れ、および石炭ガス化プロセスで生じる石炭燃焼排ガスが挙げられる。

微粒子物質は任意の相でありうる。よって、微粒子物質は、例えば、気流流れにおける液体または固体として、または液流流れにおける固体として存在しうる。典型的な微粒子物質として、例えば、アッシュ微粒子、金属摩耗粒子、硫酸塩、および／またはケイ酸塩などのディーゼルのスートおよび煙霧質を含む、ディーゼルの微粒子物質（例えばディーゼルの車およびトラックから排出されるディーゼル排ガスの微粒子成分）などが挙げられる。本明細書では「スート」という用語は、内燃プロセスの間に、炭化水素の不完全燃焼から生じる純粋ではない炭素粒子のことをいう。「アッシュ」という用語は、ほとんどすべての石油製品に見られる不燃性の金属素材のことをいう。ディーゼル用途では、アッシュは、典型的にはクランクケース油および／または燃料添加触媒から生じる。

本教示の微粒子フィルタは、限定はしないが、例えば、壁流モノリス構造または部分流モノリス構造（すなわち、壁流モノリス構造とフロースルーモノリス構造の任意の組合せ）を含めた、特定の用途、ならびにさまざまな構成および設計に適した任意の外形または幾何学的形状を有しうる。典型的な壁流モノリスとしては、例えば、チャネルまたは多孔質の網目構造、または、構造体の対向する両端が開放および塞栓された個別の通路を備えた他の通路を備え、それによって流体が一方の端からもう一方の端に流れる際に、流体によるモノリスのチャネル壁の通過を高める、任意のモノリス構造が挙げられる。典型的な部分流モノリスとしては、例えば、上記のように部分壁流であるモノリス構造、および部分的にフロースルーするモノリス構造が挙げられ、ここで、チャネルまたは多孔質の網目構造または他の通路の一部は両端において開放されており、流体流れがモノリスの通路を通じて一方の端からもう一方の端まで流れることを可能にする。本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、微粒子の堆積についての単位体積あたりの大きい表面積に起因して、ハニカム構成のセルの配置の利用を意図している。当業者は、ハニカム構造のセルの断面が、実際上、任意の形状を有していて差し支えなく、四角形または六角形に限定されないことを理解するであろう。同様に、下記の教示からさらに理解されるように、ハニカム構造は、壁流構造または部分流構造として構成されて差し支えない。

図１は、本教示の実施に適した微粒子フィルタの１つの典型的な実施の形態を例証している。微粒子フィルタ１００は、入口端１０２、出口端１０４、および入口端１０２から出口端１０４まで延在する複数のチャネル１０８、１１０を有する。チャネル１０８、１１０は、交差する多孔壁１０６によって画成され、それによって、一般にハニカムの構成を形成する。微粒子フィルタ１００は、実質的に四角形の断面を有するチャネルを有するように（すなわち、フィルタ１００の長手方向の軸に垂直な平面内で）描かれているが、チャネル１０８、１１０は、本教示の範囲から逸脱することなく、例えば、断面が、円形、四角形、三角形、四角形、六角形、正弦曲線、またはそれらの任意の組合せなど、さまざまな追加の幾何学的形状を有しうることが、当業者に理解されよう。

加えて、微粒子フィルタ１００は円筒形状で描かれているが、これらの形状は単に典型例であって、本教示にしたがった微粒子フィルタはさまざまな形状を有して差し支えなく、限定はしないが、卵型、ブロック型、立方体型、三角形型などが挙げられることが当業者に理解されよう。

微粒子フィルタ１００は任意の適切な物質でできていて差し支えなく、多孔壁１０６は、特定の多孔質材料に限られない。典型的な材料には、さまざまな多孔質のセラミックがあり、限定はしないが、コージエライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム、ユークリプタイト、アルミン酸カルシウム、リン酸ジルコニウム、およびスポジュメンが挙げられる。さまざまな典型的な実施の形態では、微粒子フィルタ１００は、例えば、押出成形および／または鋳造を経て、モノリス構造として成形されて差し支えない。当業者は、例えばセラミックモノリス構造などを成形するための様々な技法に精通している。微粒子フィルタは、さまざまな典型的な実施の形態において、フィルタの外周囲の外側面を形成する外皮も備えうる。外皮は、多孔壁とは同一または異なる材料からできていて差し支えなく、さまざまな実施の形態では、多孔壁よりも厚い場合がある。

図１および２に示すように、本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、さらに、流体流れと多孔壁１０６の間のさらに緊密な接触を可能にする壁流構造を提供する、１つ以上の選択的に塞栓されたチャネル端を有する微粒子フィルタ１００を意図している。図２は、微粒子フィルタ１００におけるチャネル１０８、１１０を示す、線２−２で切断した図１の微粒子フィルタ１００の概略的な断面図である。別のチャネル１０８および１１０は、両端を塞栓１１２で塞がれている。図１および２の典型的な実施の形態では、例えば、チャネル１１０は、フィルタ１００の入口端１０２で塞栓１１２によって塞がれ、チャネル１０８は、フィルタ１００の出口端１０４で塞栓１１２によって塞がれている。このチャネル１０８、１１０の遮断により、流体の対流は多孔壁１０６を通るように強いられる。矢印Ｆの方向に流れる流体は、チャネル１０８の入口端１０２を通じて微粒子フィルタ１００に入るが、チャネルの出口端１０４の塞栓１１２によって遮断される。その遮断物は、遮断されたチャネル１０８内の圧力を上昇させ、流体がチャネル１０８の多孔壁１０６を通過するように強いる。流体は多孔壁１０６を通るように強いられることから、微粒子物質は壁１０６の内部および上に捕捉されるが、流体は遮断されずに通過する。次に、ろ過された流体は隣接するチャネル１１０に入り、チャネル１１０の出口端１０４を通じて微粒子フィルタ１００から出る。

塞栓１１２は任意の適切な物質でできていて差し支えなく、特定の塞栓用のペーストまたは材料に限定されない。さまざまな典型的な実施の形態では、例えば、特にコージエライトでできたフィルタでは、塞栓１１２は、結合剤および充填剤を併用したコージエライト・グロッグから形成されうる。典型的な塞栓には、例えば、チタン酸アルミニウム粉末、アルミン酸カルシウム粉末、カオウール（商標）アルミノケイ酸塩繊維、シリカゾル、メチルセルロース結合剤および水の混合物からなる、加熱によって硬化する塞栓用ペーストなども挙げられる。

上述のように、および本教示のさまざまな典型的な実施の形態によれば、多孔壁１０６は、例えば、多孔壁１０６の厚みの内部および多孔壁１０６の表面１０７上など、さまざまな異なる方法で微粒子を捕捉することができる。上記のように、フィルタ壁内への微粒子の捕捉は、通常、深層ろ過と称される。しかしながら、多孔壁１０６における、ある特定の範囲を超えた微粒子の堆積は、その後の微粒子が多孔壁１０６の表面１０７上に捕捉されるのに十分に壁透過性を低下させ、ケーク層ろ過と称される。

図１および２に示すチャネル端の塞栓パターンは単に典型例であり、チャネルの塞栓の他の配置も本教示の範囲から逸脱することなく利用されうることは、当業者に認識されよう。さらには、部分流フィルタ構造もまた、本教示の範囲から逸脱することなく活用されうる（すなわち、フィルタの一部のチャネルが両端で開放されている場合）ことも当業者に認識されよう。部分流フィルタ構造では、チャネルを通じて流れる少なくとも一部の流体は、壁の内部に微粒子を捕捉する多孔質のフィルタ壁を通過することから、深層ろ過およびケーク層ろ過に関する上記説明およびろ過時間に対する圧力損失応答は、壁流フィルタ構造と同様に部分流フィルタ構造にも当てはまる。

上述のように、例えば図１および２の微粒子フィルタ１００のような微粒子フィルタなど、微粒子フィルタの多孔壁の構造特性は、エンジンの燃料経済性および微粒子フィルタのろ過効率に影響を与える。以下にさらに詳細に記載するように、本発明者らは、深層ろ過の間に、低い清浄時圧力損失および背圧の低い増加を達成する微粒子フィルタが燃料経済性およびろ過効率を促進しうることを見出した。本発明者らは、初期のスート負荷（深層ろ過）の間に、低い清浄時圧力損失および背圧の低い初期増加を達成することができる、多孔壁の構造特性（例えば、微細構造特性）を見出した。

本明細書では「清浄時圧力損失」という用語は、微粒子フィルタが清浄な場合には、流体は微粒子フィルタを通って入口端から出口端へと流れることから、流体の、結果的に生じた圧力損失のことをいう。したがって、「低い清浄時圧力損失」を有する微粒子フィルタとは、初めに流体が比較的自由に通ることができるようにし、流体がフィルタを通じて流れる際に、流体の低い圧力損失を生じるフィルタのことをいう。本明細書では、「背圧の低い初期増加」を有する微粒子フィルタとは、微粒子ろ過の深層ろ過段階に関連する初期の背圧損失の上昇が鈍いフィルタのことをいう。本明細書では「微粒子負荷に対する圧力損失応答」という用語は、流体が微粒子フィルタを通じて入口端から出口端へと流れる際に、フィルタが汚れ、微粒子が負荷されるにつれて、流体の圧力損失に生じる変化のことをいう。本明細書では、深層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する低いまたは小さい圧力損失応答に関する言及は、深層ろ過の初期段階の間に、微粒子負荷に対する感受性の減少を示し（従来フィルタと比較して）、微粒子フィルタに微粒子が負荷されるにつれて、そこを通過する流体の、比較的小さい圧力損失の増加を生じるフィルタのことをいう。上述し、以下にさらに説明するように、本発明者らは、深層ろ過段階の間に、上記の低い圧力損失および背圧の低い初期増加（例えば、微粒子負荷に対する低い圧力損失応答）を示す微粒子フィルタを生み出す、さまざまな微粒子フィルタの多孔壁の特性（例えば、微細構造特性）を見出した。

上述のように、本教示は、所望の低い清浄時圧力損失、高いろ過効率、および深層ろ過の間の初期背圧の増加の低減を達成するために、微粒子フィルタのさまざまな微細構造特性の使用を意図している。これらの微細構造特性を決定するため、本発明者らは、図３〜８に関して以下に示し、説明する、これらの望ましい特徴を有する微粒子フィルタのさまざまな範囲の構造設計変数をもたらすモデリング・データおよび実験データを使用した。

清浄時圧力損失の壁メジアン細孔径および壁多孔率に対する感受性が、２００ｃｐｓｉ（セル／平方インチ）（３１セル／平方センチメートル）／１２ミル（０．３０ｍｍ）（ミル＝１インチの１／１０００）、２００ｃｐｓｉ／１８ミル（０．４６ｃｍ）および２７５ｃｐｓｉ（４３セル／平方センチメートル）／１２ミルの様々な壁セル密度／壁厚の組合せについて、図３Ａおよび３Ｂ、および図４Ａおよび４Ｂにそれぞれ示されている。図３Ａおよび４Ａでは、直径５．６６インチ（１４．３８ｃｍ）、長さ６インチ（１５．２４ｃｍ）の微粒子フィルタを２５℃で４２７ｋｇ／時間の気体流速でモデル化した。図３Ａに示すように、約１３μｍより大きい壁メジアン細孔径では清浄時圧力損失の穏やかな低下しか生じなかったが、約５０％の多孔率を有する微粒子フィルタの清浄時圧力損失は約１３μｍ未満の壁メジアン細孔径について感知できるほどに増大した。図４Ａに示すように、約１５μｍの壁メジアン細孔径を有する微粒子フィルタの清浄時圧力損失は、壁多孔率の増加に伴って穏やかに低下した。したがって、図３Ａおよび４Ａに示すモデリング結果に基づいて、清浄時圧力損失は壁多孔率の増加に対して比較的感受性ではないが、壁メジアン細孔径の低下、例えば、約１３μｍ未満の壁メジアン細孔径に対しては、比較的感受性であった。

図３Ｂおよび４Ｂでは、２５℃で４２７ｋｇ／時間の気体流速において、直径５．６６インチ、長さ６インチを有し、かつ、壁セル密度／壁厚の様々な組合せ（すなわち、ひし形のプロットに対応する２００ｃｐｓｉ／１２ミル、四角形のプロットに対応する２００ｃｐｓｉ／１８ミル、および三角形のプロットに対応する２７５ｃｐｓｉ／１２ミル）を有するフィルタ上で実験的検査を行った。図３Ａおよび４Ａにおける上述のモデリング・データと同様に、図３Ｂは、清浄時圧力損失が、壁多孔率の増加に対して比較的感受性ではなかったことを例証しており、図４Ｂは、清浄時圧力損失が、壁メジアン細孔径の増大に対して比較的感受性であったことを例証している。

壁メジアン細孔径および壁多孔率に対する初期の（清浄なフィルタの）フィルタ効率の感受性を、それぞれ、図５Ａおよび５Ｂ、ならびに図６Ａおよび６Ｂに示す。図５Ａおよび６Ａでは、２７５ｃｐｓｉの壁セル密度、１２ミルの壁厚、５．６６インチの直径および６インチの長さを有するフィルタを、２５℃、１５．５９ｃｆｍ（立方フィート／分）の気体流速でモデル化した。図５Ａに示すように、壁メジアン細孔径が約２０μｍから約１４μｍに低下する場合、約５０％の壁多孔率を有する微粒子フィルタの初期のフィルタ効率（ＦＥ）は、約３４％から約５８％に増大する。図６Ａに示すように、フィルタの壁多孔率が約４８％から約５５％に増大する場合、約１７μｍのメジアン細孔径を有する微粒子フィルタの初期のフィルタ効率は約４２％から約４５％まで増大する。したがって、図５Ａおよび６Ａに示すモデリング・データに基づいて、初期のフィルタ効率は、壁多孔率の増加に対して比較的感受性ではないが、壁メジアン細孔径の増大に対しては比較的感受性を示し、壁メジアン細孔径の低下に伴って感知できるほどに低下する。

同様に、図５Ｂおよび６Ｂでは、２５℃、１５．５９ｃｆｍの気体流速で、２７５ｃｐｓｉ／１２ミル（四角形のプロットに対応する２７５／１２）および２００ｃｐｓｉ／１２ミル（ひし形のプロットに対応する２００／１２）の様々な壁セル密度／壁厚の組合せ、５．６６インチの直径および６インチの長さを有する実際のフィルタ上で実験的検査を実施した。上述のモデリング・データと同様に、図６Ｂは、さらに、初期のフィルタ効率が壁多孔率の増加に対して比較的感受性ではなかったことを例証しており、一方、図５Ｂは、さらに、初期のフィルタ効率が壁メジアン細孔径の増加に対して比較的感受性であったことを例証している。

図７は、深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁多孔率の影響を例証するモデリング・データから得られた結果を示している。図７に例証するように、１０μｍ未満の細孔は約６％の多孔率を提供し、４０μｍより大きい細孔は約１０．２５％の多孔率を提供する、５．０８ｃｍ（２インチ）の直径、６インチの長さ、および約２０μｍのメジアン細孔径を有する、２５℃、２６．２５ｃｆｍの気体流速でモデル化した微粒子フィルタでは、初期の圧力損失の勾配（ｙ軸上で測定）は、４８％から５４％への壁多孔率の増加とともに低下する。

したがって、図３〜７に提示したモデリング・データおよび実験データに基づいて、微粒子フィルタの所望の低い清浄時圧力損失、深層ろ過の間の背圧の低い初期増加、およびフィルタ効率の挙動を達成するために、本教示の典型的な実施の形態は、フィルタの清浄時圧力損失挙動を大幅に低下させることなく、比較的高いフィルタ効率性能を生じる結果となりうる、約１３μｍ〜約２０μｍ、または約１３μｍ〜約１６μｍの範囲のメジアン細孔径を有する多孔壁を備えた構造を用いることを意図している。さらには、清浄時圧力損失は、壁多孔率の増大とともに穏やかに改善されうるに過ぎないが、より大きい壁多孔率は、深層ろ過によって生じた高い初期背圧の低減を補助することもできる。したがって、本教示は、さらに、約４５％を超える全多孔率を有する多孔壁を備えた微粒子フィルタ構造の使用を意図している。本教示の追加の典型的な実施の形態は、より高い多孔率レベルから生じうる、フィルタの嵩密度／熱質量に起こりうる悪影響を明らかにするため、約４５％〜約６０％の範囲の全多孔率を有する多孔壁を備えた微粒子フィルタについても考慮している。

図８は、深層ろ過に起因する初期の背圧低下の勾配における壁細孔径分布の影響を例証するモデリング・データから得られた結果を示している。図８に示すように、初期の背圧低下は、１０μｍ未満の大きさの細孔（水銀ポロシメトリー法で決定する微細孔）が提供する多孔率に対して比較的感受性である。図示するように、５．０８ｃｍ（２インチ）の直径、６インチの長さ、約１９μｍのメジアン細孔径および５２％の多孔率を有する、２５℃、２６．２５ｃｆｍの気体流速でモデル化した微粒子フィルタでは、１０μｍ未満の大きさの細孔が提供する多孔率が約２．１５％から約１２％に増大するとき（一方、４０μｍを超える大きさの細孔は、それぞれ、分布の一定メジアンを維持するために、約１０．６８％から約９．６％まで低下する）、深層ろ過の間の初期の圧力損失の勾配は約６６％増大する。したがって、１０μｍ未満の細孔が、約１０％未満の多孔率、例えば、約６％未満の多孔率、例えば、約２％未満の多孔率を提供するような細孔径分布を有するフィルタ構造の提供は、深層ろ過段階の間の初期の圧力損失の低減を補助するのに望ましいであろう。

当業者は、図３〜８に関して示され、説明された結果および対応する微細構造特性が単に典型例であって、本教示または特許請求の範囲を限定することは意図されていないことを理解するであろう。例えば、例えば、温度、圧力、流体中の汚染物質および／または他の物質の濃度、および流速（システムの内外および中を通る）などの構造体に入る流体流れの特性は、本教示に従ったフィルタの微細構造特性を選択するための考慮すべき要因を提示しうる。したがって、当業者は、本教示の微粒子フィルタが、深層ろ過に起因して、低い清浄時圧力損失、高いろ過効率および初期背圧の小さい増大を達成する複数の微細構造パラメータを含みうることを理解するであろう。

本教示の微粒子フィルタの他の特徴もまた、必要に応じて変化させて差し支えなく、構造に使用する材料、チャネルの構造配置（例えば寸法、形状など）、および／または、例えば、温度、圧力、流体中の汚染物質および／または他の物質の濃度、および流速（システムの内外、および中を通る流速を含む）など、構造体に入る流体流れの特性が挙げられる。当業者は、全般的な後処理システム動作および処理することが望ましい流体流れのさまざまなパラメータに基づいて、さまざまな特徴および上述した他の特徴の少なくとも一部は、深層ろ過の間に、低い清浄時圧力損失、高いろ過効率および初期背圧の小さい増大を達成する補助となるように選択されうることを理解するであろう。

例えば本教示の１つの典型的な用途では、微粒子フィルタは、フィルタが清浄な場合の低い圧力損失および深層ろ過段階の間の背圧の低い初期増加を維持するだけでなく、ケーク層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子（例えば、スート）負荷に対する急勾配の圧力損失応答も達成するために、上記多孔壁の構造特性に加えて、例えば、参照することにより内容全体が本明細書に援用される「微粒子フィルタおよび微粒子フィルタの再生方法（Particulate Filters and Methods for Regenerating Particulate Filters）」という発明の名称で２００９年１月２１日に出願した、米国特許出願第１２／３５６,９６５号明細書に開示されるさまざまな幾何学的特性も意図している。本明細書では、「ケーク層ろ過段階の間の微粒子フィルタの微粒子負荷に対する、急勾配の圧力損失応答」という用語は、ケーク層ろ過の後の段階の間に、微粒子負荷に対する感受性の増大（従来フィルタと比較して）を示し、微粒子フィルタに微粒子が負荷されるにつれて、そこを通過する流体の圧力損失の比較的大きい増大を生じるフィルタのことをいう。

しかしながら、全般的にみれば、本教示に基づいて、当業者は、本明細書に記載する構造特性のさまざまな肯定的な性能特性を考慮に入れることによって、深層ろ過の間に所望の低い清浄時圧力損失、高いろ過効率、および初期背圧の小さい増大を達成するために、例えば、多孔壁の構造特性などを含めた、フィルタの特性の修正方法を理解するであろう。当業者はまた、参照することによって本明細書に援用される米国特許出願第１２／３５６,９６５号明細書に開示される、ケーク層ろ過の間の比較的微粒子負荷に対する急勾配の圧力損失応答をさらに達成するために、フィルタの微細構造特性に加えて、幾何学的特性の修正方法も理解するであろう。

さらには、本教示のさまざまな典型的な実施の形態は、アッシュおよびスートの微粒子をろ過するために使用するディーゼル微粒子フィルタ用途であるが、本教示は、さまざまな用途およびさまざまなタイプの微粒子のろ過に有用な幅広いフィルタを包含する。典型的な用途としては、限定はしないが、例えば、石炭燃焼発電所での使用、ガソリンエンジン、および固定および非固定用途のためのフィルタが挙げられる。

本明細書および添付の特許請求の範囲の目的では、他に指示されない限り、本明細書および特許請求の範囲に用いられる、量、パーセンテージまたは比率を表すすべての数字、および他の数値は、すべての場合において「約」という用語によって修正されるものと理解されるべきである。したがって、反対のことが示されない限り、本明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本発明によってもたらされる所望の特性に応じて変化しうる近似値である。少なくとも、特許請求の範囲への均等論の適用を制限するためではなく、各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の数を考慮し、数値を丸める通常の方法を適用することによって、解釈されるべきである。

本発明の広範な範囲を説明する数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、具体例に記載される数値は可能な限り正確に報告されている。しかしながら、任意の数値は、本質的に、それらのそれぞれの試験測定に見られる標準偏差から必然的に生じるある特定の誤差を含む。さらには、本明細書に開示されるすべての範囲は、そこに含まれる部分的な範囲のいずれかおよびすべてを包含するものと理解されるべきである。

本明細書では、「含む」という用語およびその文法的変形は、リストに列挙される項目が、記載される項目に代える、または加えることのできる他の同様の項目を除外しないように、限定されないことが意図されている。

本発明をそのさまざまな典型的な実施の形態に関して詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲の広範な範囲から逸脱することなく、非常に多くの修正が可能であることから、そのように限定されるべきではないことが理解されるべきである。

Claims (5)

1. 入口端、出口端、および流体が前記入口端から前記出口端まで流れるように配置および構成された複数のチャネルを備えた微粒子フィルタであって、
   前記チャネルが微粒子を捕捉するように構成された多孔壁によって画成され、
   前記多孔壁が、
   約４５％を超える全多孔率、
   約１３マイクロメートル〜約２０マイクロメートルの範囲のメジアン細孔径、および
   １０マイクロメートル未満の細孔が約１０％未満の多孔率を提供する細孔径分布
   を有することを特徴とする、微粒子フィルタ。
2. 前記全多孔率が約４５％〜約６０％の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の微粒子フィルタ。
3. 前記メジアン細孔径が約１３マイクロメートル〜約１６マイクロメートルの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の微粒子フィルタ。
4. 前記細孔径分布が、１０マイクロメートル未満の細孔が約６％未満の多孔率を提供する細孔径分布であることを特徴とする請求項１記載の微粒子フィルタ。
5. 前記細孔径分布が、１０マイクロメートル未満の細孔が約２％未満の多孔率を提供する細孔径分布であることを特徴とする請求項１記載の微粒子フィルタ。

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