JP4023514B1 - 粒子状物質除去装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ディーゼルエンジン排ガス等に含まれる可燃性の粒子状物質を効率よく捕集し少ないエネルギーで燃焼除去し、排ガスを浄化するコンパクトな装置を与えること。
【解決手段】断熱性セラミック繊維でフィルタを作り、排ガスを濾過し捕集された粒子状物質でフィルタの圧力損失が高くなった場合には、ガス流を遮ってヒータ要素でフィルタ表面を加熱し、粒子状物質を燃焼除去する。フィルタが断熱性を持つことを利用し、フィルタの粒子状物質捕集面近くに断熱材を配置し、フィルタ表面と断熱材の間にヒータ要素を組み込む。加熱効率が高く、少ない熱エネルギーでフィルタの再生を行うことができる。断熱材をフィルタ兼用とすることによりコンパクト化できる。フィルタ材の上流側に帯電要素を配置することによって、フィルタ材の粒子状物質の捕集性能が高まり、圧力損失上昇速度が抑制され、粒子状物質の加熱効率が向上する。
【選択図】 図6
Description
上記の課題を解決するための粒子状物質除去装置の第1の発明は、断熱性を有するセラミック繊維からなる通気性フィルタ材と、通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面に近接する形で配置した断熱材と、通気性フィルタ材と断熱材の間に配置される粒子状物質加熱燃焼除去用のヒータ要素と、通気性フィルタ材へのガス流入を操作する開閉弁とからなり、開閉弁が開状態の時は通気性フィルタ材の加熱を行わず通気性フィルタで粒子状物質を捕集し、開閉弁が閉状態となって通気性フィルタ材へのガス流入が抑制されたときに、ヒータ要素で通気性フィルタ材の加熱を行って、通気性フィルタ材に捕集された粒子状物質を燃焼除去する。
前記課題を解決するための粒子状物質除去装置の第2の発明は、断熱性を有するセラミック繊維からなる通気性フィルタ材と、通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質を加熱燃焼除去するヒータ要素と、通気性フィルタ材へのガス流入を操作する開閉弁とからなり、2つ以上の通気性フィルタ材が粒子状物質捕集面を相対向する形で近接配置され、近接配置された通気性フィルタ材への粒子状物質捕集面の間にヒータ要素を配置し、開閉弁が開状態の時は通気性フィルタ材への加熱を行わずに通気性フィルタ材で粒子状物質を捕集し、開閉弁が閉状態となって通気性フィルタ材へのガス流入が抑制されたときに、ヒータ要素で通気性フィルタ材の加熱を行って通気性フィルタ材に捕集された粒子状物質を燃焼除去する。
前記課題を解決するための粒子状物質除去装置の第3の発明は、第1または第2の発明の粒子状物質除去装置において、通気性フィルタ材の上流側に粒子状物質を帯電させる帯電要素を設けたことを特徴とする。排ガス中の粒子状物質を予め帯電させることによって通気性フィルタ材の粒子状物質捕集効率を高める。またフィルタ材の圧力損失上昇速度を抑制する。
前記課題を解決するための粒子状物質除去装置の第4の発明は、第1、第2、第3の発明の粒子状物質除去装置において、断熱性を有する通気性フィルタ材の熱伝導率k(単位W/mK)と厚さd(単位m)の比(熱伝導率を厚さで除したもの:k/d:単位W/m2K)が50W/m2K以下、より好ましくは20W/m2K以下であり、且つ通気性フィルタ材の嵩密度ρ(単位kg/m3)と比熱c(単位J/kgK)と厚さd(単位m)の積ρcd(単位J/m2K)が次の(1)式を満たすものであるとする。
前記課題を解決するための粒子状物質除去装置の第5の発明は、第1、第2、第3、第4の発明の粒子状物質除去装置において、通気性フィルタ材の組成が二酸化珪素(シリカ;SiO2)、酸化マグネシウム(マグネシア;MgO)、酸化カルシウム(カルシア;CaO)を主たる成分とする生体溶解性繊維であることを特徴とするものである。
前記課題を解決するための粒子状物質除去装置の第6の発明は、第1〜第5の発明の粒子状物質除去装置において、開閉弁と通気性フィルタ材の組み合わせを2つ以上持ち、ガスが供給される間、少なくとも1つの開閉弁が開状態となるよう、各開閉弁の開閉動作を制御することを特徴とするものである。フィルタユニットの内どれか1つは、排ガスを通しフィルタが粒子状物質除去をするので、連続的に排ガスの浄化を行うことができる。
通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質を電気ヒータで加熱し、燃焼除去する手法が、例えば特許文献2に開示されている。
実験の一例を図1、図2に示す。ディーゼルトラックの排ガスを流通させて粒子状物質(炭素微粒子など)を捕集したセラミック繊維フィルタ上に電熱線(ニクロム線)を設けた。電熱線に通電し粒子状物質を燃焼させた。そして粒子状物質燃焼除去の様子を調べた。
本発明では、断熱性を有するセラミック繊維からなる通気性フィルタ材の粒子捕集面に近接する形で断熱材を配置し、通気性フィルタ材と断熱材との間にヒータ要素を配置する。そのためガス流を抑制すれば熱の散逸が抑制される。より少ない熱エネルギーで、通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面を効率よく加熱することができる。
本発明の第2の発明は、通気性フィルタ材として用いるセラミック繊維の断熱性を利用して、第1の発明の断熱材を通気性フィルタ材に置き換えたものである。第1の発明よりもさらにコンパクトで熱利用効率の高い装置を実現することができる。
本発明の第3の発明は、第1、第2の発明において、通気性フィルタ材の上流側に粒子状物質を帯電させる帯電要素を追加配置したものである。帯電要素によって排ガス中の粒子状物質が帯電すると、静電力によって、粒子状物質が通気性フィルタ材を構成するセラミック繊維に付着しやすくなる。
本発明の第4の発明は、第1〜3の発明において、断熱性を有する通気性フィルタ材の熱伝導率k(単位W/mK)と厚さd(単位m)の比(つまり熱伝導率を厚さで除したもの;k/d)が50W/m2K以下、より好ましくは20W/cm2K以下であり、且つ通気性フィルタ材の嵩密度ρ(単位kg/m3)と比熱(単位J/kgK)と厚さd(単位m)の積ρcdが前述の(1)式を満足し、より好ましくは(2)式を満足することを特徴とする。
ρa:空気の密度、ca;空気の比熱
である。
本発明の第5の発明は、第1から第4の発明の粒子状物質除去装置において、通気性フィルタ材のセラミック繊維の組成が二酸化珪素(SiO2:シリカ)、酸化マグネシウム(MgO:マグネシア)、酸化カルシウム(CaO:カルシア)を主たる成分とする生体溶解性繊維であることを特徴とするものである。
本発明の第6の発明は、第1〜第5の発明の粒子状物質除去装置において、開閉弁と通気性フィルタ材の組み合わせを2つ以上持ち、ガスが供給される間、少なくとも1つの開閉弁が開状態になるよう、各開閉弁の開閉動作を制御することを特徴とする。
[実施例1−1(図5、図6)]
第1の発明の第1の実施例を図5、図6に示す。図5は排ガスを濾過浄化する状態を、図6はフィルタ再生の状態を示す。筐体1はガス入口2と、フィルタ3と、ガス出口4を有する。筐体1の中心線に沿って、ガス入口2から粒子状物質Zを有する排ガスGが流入する。筐体1の内部の空間は前室12と後室13があり隔壁14、64で仕切られる。前室12はガスを流入させるだけの空間である。後室13にはフィルタ3、断熱材6、ヒータ7などが設けられ、濾過作用、再生作用を実行する部分である。
本発明の第1の発明のもう1つの実施例を図7に示す。これは図5に示したものと基本構成は同じであるが、フィルタに近接配置する断熱材と開閉弁を1つの部材で兼ねるようにしたものである。断熱材をフィルタに近接配置する必要があるのは、フィルタを加熱再生する時だけであるので、そのような構成としてもよい。
フィルタ3は熱伝導率が低く、ある程度の厚みを持つセラミック繊維で作られる。
本発明の第2の発明の実施例を図9に示す。これは通気性フィルタ材が断熱性を持つことを更に活用したものである。実施例1の第1例(図5、図6)における断熱材6を通気性フィルタ材3そのものとする。図5、6の装置と同様の効果を持ちながら容積当たりのフィルタ面積をより大きく取れる。通気性フィルタ材は図示する断面を持つ平板構造でも良い。また同軸円筒構造であっても良い。
隔壁14の中央はフィルタ入口17となっている。これを開閉する開閉弁5が設けられる。対向するヒータ3、3によって挟まれる中央空間には電気ヒータ7が設けられる。ヒータ電源8はコード、スイッチ9を介して電気ヒータ7に繋がっている。
これらはそれぞれ図5、6の濾過装置の上流側に帯電要素として、コロナ放電部を設けたものである。ガス中でコロナ放電を発生させ、ガス中にイオンを供給し、このイオンが粒子状物質に付着することによって粒子状物質が帯電する。コロナ放電を発生させるため、装置内にコロナ放電電極を配置する。コロナ放電電極に高電圧を印加することによって、ガス中に不平等電界が形成される。コロナ放電電極近傍でガスが電離し、イオンが供給される。そのため捕集効率が著しく増強される。
本発明の第3の発明の第1の実施例を図12、図13に示す。図12は濾過状態を、図13は再生状態である。これは図5、6の濾過装置の前室12に帯電要素を設けたものである。筐体1の後室には、隔壁14、15によって保持される長手方向に伸びるフィルタ3と、これに対向する断熱材6が設けられる。フィルタ入口17を開閉する開閉弁5があること、フィルタ3と断熱材6の間に近接して電気ヒータ7が設置される点は図5、6の装置と同じである。
本発明の第3の発明の第2の実施例を図14、図15に示す。これは図9、10の濾過装置の前室12に帯電要素を設けたものである。筐体1の後室には、隔壁14、15によって保持される長手方向に伸びる2つのフィルタ3、3があり、その間に電気ヒータ7がある。フィルタ入口17に開閉弁5があり、濾過と再生を切り替える。そのような点は図9、10の装置と同じである。
第4の発明の実施例について説明する。
これは上記の実施例1〜3において、断熱性を有する通気性フィルタ材の熱伝導率k(単位W/mK)と厚さd(単位m)の比k/d(単位W/m2K))が50W/m2K以下((7)式)であり、より好ましくは20W/m2K以下((8)式)であり、且つ通気性フィルタ材の嵩密度ρ(単位kg/m3)と比熱c(単位J/kgK)と厚さd(単位m)の積ρcd(単位J/m2K)が(1)式、より好ましくは(2)式を満足することを特徴としている。この(1)式、(2)式の持つ意味については既に説明した通りである。
第5の発明の実施例について説明する。
これは上記の実施例1〜4において、セラミック繊維からなる通気性フィルタのセラミック繊維が生体溶解性のセラミック繊維であることを特徴とするものである。
[実施例6−1(図16、図17)]
本発明の第6の発明の1つ目の実施例を図16、図17に示す。
筐体1がガス入口2、ガス出口4、前室12、後室13を有する。前室12には帯電要素24が設けられる。これはコロナ放電電極22、高電圧電源20、高電圧碍子23等を含む。後室13には2つの円筒状のフィルタ3、3が軸線に平行に並列して設けられる。隔壁14には2つのフィルタ入口17、17がある。開閉弁5は2つのフィルタ入口17、17の何れかを閉じることができる。入口17に続くのは上流側流路18である。これも2つある。円筒フィルタ3、3の外側は下流側流路19、19である。フィルタユニット3、3の中心には電気ヒータ7、7が設けられる。ヒータ電源8から二組のコードが伸び、スイッチ91、92も2つある。
例えばディーゼルエンジンの排気量が5L(リットル)(0.005m3)で、その代表的なエンジン回転数が3000rpm、排気温度が450℃であったとする。排気風量は約18.5m3/min(=0.308m3/s)となる。
第6発明の3つ目の実施例を図19〜図21に示す。
これは排気量5L(リットル)のディーゼルトラックの微粒子除去装置の例である。筐体1の上流側に帯電要素24としてコロナ放電部(22、23)を設け、下流側のフィルタ部は4つ(2×2)の二重同軸円筒型のフィルタユニットで1つの装置を構成している(図19)。フィルタユニットは外筒、電気ヒータ、内筒よりなる。フィルタ部の直前にある回転スライド式開閉弁5で4つのフィルタユニットの何れか1つが閉じ、その他の3つが開くというような流路制御を実現している。回転スライド式開閉弁5は、回転スライド円板55と回転スライド式開閉弁駆動機構56よりなる。
第6発明の4つ目の実施例を図29、図30、図31に示す。構造は図19〜図21のものと同様である。図19〜図21の回転スライド式開閉弁を、各フィルタユニットについて独立した開閉弁5、5で置き換えたものである。開閉弁5は、隔壁14にあるガス入口に接離する蓋板57と、蓋板57を動かすリンク58、リンク58を廻す駆動棒59よりなる。
図30は開閉弁5の開状態を示す。駆動棒59は右側に引かれている。リンク58が蓋板57を隔壁14から引き離す。フィルタ入口17が開く。帯電ガスG’がフィルタユニットへ入っていく。粒子状物質がフィルタ3によって捕集される。
2ガス入口
3フィルタ
4ガス出口
5開閉弁
6断熱材
7電気ヒータ
8ヒータ電源
9スイッチ
12前室
13後室
14隔壁
15隔壁
17フィルタ入口
18上流側流路
19下流側流路
20高電圧電源
22コロナ放電電極
23高電圧碍子
24帯電要素
49開口部
50蓋板
51操作棒
52保持体
53操作棒
54滑り軸受
55回転スライド円板
56回転スライド式開閉弁駆動機構
57蓋板
58リンク
59駆動棒
64隔壁
65隔壁
91スィッチ
92スィッチ
F セラミック繊維
G 排ガス
G’帯電ガス
R 浄化ガス
U 燃焼ガス
Z 粒子状物質
Claims (6)
- 断熱性を有するセラミック繊維からなり粒子状物質を含む排ガスの流路に設けられ粒子状物質を捕集する通気性フィルタ材と、通気性フィルタ材の上流側の粒子状物質捕集面に近接配置され通気性フィルタ材の上流側に捕集された粒子状物質を加熱燃焼除去するためのヒータ要素と、通気性フィルタ材の上流側に配置され通気性フィルタ材への排ガス流入を操作する開閉弁とからなり、2つ以上の通気性フィルタ材が上流側の粒子状物質捕集面に相対向して近接配置され、近接配置された通気性フィルタ材の上流側の粒子状物質捕集面の間に該ヒータ要素を配置し、開閉弁が開状態のときは通気性フィルタ材の加熱を行わず通気性フィルタ材に粒子状物質を捕集させ、開閉弁が閉状態となって通気性フィルタ材へのガス流入が抑制された時にヒータ要素で通気性フィルタ材の上流側の加熱を行って通気性フィルタ材の上流側に捕集した粒子状物質を燃焼除去することを特徴とする粒子状物質除去装置。
- 通気性フィルタ材の上流側に粒子状物質を帯電させる帯電要素を設けたことを特徴とする請求項1に記載の粒子状物質除去装置。
- セラミック繊維からなる通気性フィルタ材の熱伝導率k(単位W/mK)と厚さd(単位m)の比k/d(熱伝導率を厚さで除したもの;単位W/m2K)が50W/m2K以下であり、且つ通気性フィルタ材の嵩密度ρ(単位kg/m3)と比熱c(単位J/kgK)と厚さd(単位m)の積ρcd(単位J/m2K)が
ρcd≦600(k/d)/{−ln(1−0.019k/d)}
を満たすものであることを特徴とする請求項1または2に記載の粒子状物質除去装置。(lnは自然対数)。 - セラミック繊維からなる通気性フィルタ材の熱伝導率k(単位W/mK)と厚さd(単位m)の比k/d(熱伝導率を厚さで除したもの;単位W/m2K)が20W/m2K以下であり、かつ通気性フィルタ材の嵩密度ρ(単位kg/m3)と比熱c(単位J/kgK)と厚さd(単位m)の積ρcdが
ρcd≦600(k/d)/{−ln(1−0.0475k/d)}}
を満たすものであることを特徴とする請求項1または2に記載の粒子状物質除去装置。(lnは自然対数)。 - セラミック繊維からなる通気性フィルタ材の組成が二酸化珪素(シリカ:SiO2)、酸化マグネシウム(マグネシア:MgO)、酸化カルシウム(カルシア:CaO)を主成分とする生体溶解性繊維のものであることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の粒子状物質除去装置。
- 開閉弁と通気性フィルタ材の組み合わせを2つ以上持ち、排ガスが供給される間少なくとも1つの開閉弁が開状態となるよう、各開閉弁の開閉動作を制御することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の粒子状物質除去装置。
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