粒子状物質除去装置
【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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンなどから排出されるガス中の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）を捕集し、除去する装置に関する。ディーゼルエンジンは大型自動車のエンジンとして広く採用されている。軽油、重油を燃料とし経済性に富む。ディーゼルエンジンはガソリンエンジンのような点火プラグがない。圧縮比が大きくて圧縮したエンジンに軽油、重油を霧状に吹き込むことによって発火させる。熱効率が高く、排気量が大きく、力が強く、長寿命であるという優れた長所がある。
【０００２】
しかしディーゼルエンジンは排ガスが重大な環境汚染を引き起こす。ひとつは窒素酸化物ＮＯｘを排出するということである。もうひとつは未燃物（おもに炭素微粒子）を排ガスに含むということである。空気と燃料の比率によってこれらの排出量が変わる。空気量を増やすと窒素酸化物が増える。空気量を減らすと未燃物（粒子状物質：ＰＭ）の排出が増える。ここで排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）という言葉を用いるが、それは可燃性の粒子状物質である。主に未燃の炭素微粒子のことである。炭素微粒子の残留のため排ガスは黒みを帯びる。
【０００３】
未燃物を減らすためには供給空気量を増やせばよいが、そうすると窒素酸化物が増えるからそれも限界がある。だからディーゼルエンジン排ガス中には必ず炭素が含まれる。排ガス中に炭素が含まれるのでこれを除去してから大気中へ放出しなければならない。
【０００４】
排ガス中に炭素は微粒子固体として存在する。排ガスを目の細かいフィルタに通すと、粒子状物質（主に炭素微粒子）を濾過除去できる。フィルタに粒子状物質が溜まっていく。この過程を排ガスの浄化という。フィルタに粒子状物質をいつまでも溜めておくわけには行かない。圧力損失が増えてガス流がフィルタを通り難くなる。だからある程度溜まると、粒子状物質をフィルタから除去しなければならない。粒子状物質は主に炭素からなり、炭素は燃やすことができる。燃やすと二酸化炭素になってしまうので好都合である。そこである程度粒子状物質が溜まると燃焼除去する。これをフィルタの再生と言っている。
【０００５】
炭素を燃やす時に新たに外部から空気を入れると、フィルタ、炭素粒子、雰囲気の温度が下がり、補償するため多大の加熱エネルギーが必要になる。そこで捕集された炭素を燃焼するとき、外部空気を入れず高温の排ガスに含まれる酸素を利用する。だからガス導入による温度下落はない。排ガスは燃焼後のガスであるから酸素は存在しないように思われるが事実はそうではない。５〜１０％程度の酸素が排ガスに含まれる。残留酸素を使って炭素を燃焼除去する。それにより加熱エネルギーを節減できる。
【背景技術】
【０００６】
ディーゼルエンジンから排出されるガス中の粒子状物質除去装置としては、セラミックハニカム構造体からなるフィルタと、セラミック繊維からなるフィルタを利用する装置が知られている。セラミックハニカム、セラミック繊維フィルタのいずれも排ガスをフィルタに通して粒子状物質を細孔や網目に引っかけて除去する（濾過）ものである。ある程度粒子状物質（炭素粒子など）が蓄積されると、燃焼し二酸化炭素にして大気中へ放散する。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３７１５３
【特許文献２】特開平０８−３１２３２９
【０００８】
特許文献１は、セラミックハニカム構造体からなるフィルタであって、通気性多孔質構造を持つハニカム壁面によって粒子状物質を濾過するものである。ハニカム壁面に捕捉される粒子状物質は、ガスを一時的に高温に加熱することによって酸化燃焼除去される。加熱燃焼手段としては、酸化触媒に燃料を吹き付け燃焼させるものや、電気ヒータで加熱燃焼させるものなどが提案されている。
【０００９】
特許文献２は、セラミック繊維からなるフィルタとして、通気性を持つ薄い布状の高耐熱性の炭化珪素セラミック繊維の織物をプリーツ状に成形したものによって粒子状物質を濾過するものを開示している。
【００１０】
特許文献２は、セラミック繊維に捕捉された粒子状物質が、セラミック繊維を挟み込むように配置された電気ヒータによる加熱によって酸化燃焼除去されるものを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載のセラミックハニカム構造体を持つフィルタは、密度が高いので非常に高い粒子状物質（炭素粒子）捕集効率を有する。しかしセラミックハニカムフィルタは高価であって、破損しても容易に交換できない。そのため破損しないよう高い耐久性が要求される。セラミックハニカムフィルタは、硬質の壁面を多数持つので、捕捉した粒子状物質を加熱燃焼除去する際に、強い熱応力や局所的な過熱によって、亀裂が入ったり溶損する場合がある。そのようなセラミックハニカムフィルタの損傷を防ぐために、ガスの状態の監視、フィルタの粒子状物質捕集状況の予測、エンジン制御との複雑な連携などを必要とする。そのため、扱いが非常に難しいという問題があった。
【００１２】
特許文献２に記載のセラミック繊維からなるフィルタは、柔らかい繊維からなるので、熱応力、局所加熱による亀裂発生といった問題がない。その点では扱い易い。しかし従来のセラミック繊維フィルタは、セラミックハニカム構造体からなるフィルタに比べて、粒子状物質捕集効率が低いという欠点がある。また捕集した粒子状物質を電気ヒータで加熱し酸化燃焼除去するために、大きい電力を要するという問題があった。
【００１３】
本発明はそのような従来の問題を解決し、耐久性に優れ、捕集した粒子状物質の加熱燃焼除去に要する消費電力を著しく低減することのできる粒子状物質除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
［第１の発明（フィルタ／ヒータ／断熱材）］
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。
【００１５】
通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面に近接する形で断熱材を配置することによって、ヒータ要素による通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面の加熱効率が高まり、通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質を、少ない熱エネルギーで燃焼除去することができる。
【００１６】
［第２の発明（フィルタ／ヒータ／フィルタ）］
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。
【００１７】
断熱性を有する通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面を相対向する形で近接配置することによって、ヒータ要素による通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面の加熱効率が高まり、通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質を、少ない熱エネルギーで燃焼除去することができる。
【００１８】
［第３の発明（帯電＋濾過）］
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。
【００１９】
さらに通気性フィルタ材に捕集される粒子状物質を通気性フィルタ材の上流側表面に局在化することができる。それによってヒータ要素による粒子状物質の燃焼効率が一層高くなり、より少ない熱エネルギーで通気性フィルタ材の再生が可能になる。
【００２０】
［第４の発明（ρｃｄとｋ／ｄによる限定）］
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。
【００２１】
ρｃｄ≦６００ｋ／ｄ［−ｌｎ｛１−０．０１９（ｋ／ｄ）｝］ （１）
【００２２】
より好ましくは（２）式を満たすものとする。
【００２３】
ρｃｄ≦６００ｋ／ｄ［−ｌｎ｛１−０．０４７５（ｋ／ｄ）｝］（２）
【００２４】
ρｃｄはフィルタ単位面積当たりの熱容量である。ｋ／ｄはフィルタの表裏面間での伝熱の容易さを示す。断熱性が重要なので伝熱困難な方がよい。だから伝熱容易さに対してｋ／ｄ≦５０Ｗ／ｍ２Ｋ或いはｋ／ｄ≦２０Ｗ／ｍ２Ｋという伝熱困難の条件を課す。
【００２５】
さらにフィルタの単位面積当たりの熱容量ρｃｄに対し上のような条件を付け、フィルタは熱容量が小さいものであることを要求する。フィルタは伝熱困難性と低熱容量を備えることが必要である。
【００２６】
［第５の発明（生体溶解性繊維のフィルタ材への使用）］
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。
【００２７】
［第６の発明（複数フィルタユニット、連続浄化、再生の巡回）］
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。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の装置は、断熱性を有する通気性セラミック繊維をフィルタとして排ガス流路に設け、近接してヒータ要素を設け、ディーゼルエンジン排ガスなどに含まれる粒子状物質（ＰＭ：炭素微粒子など）を除去するものである。
【００２９】
フィルタが目詰まりしてくれば、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してフィルタを再生する。
【００３０】
本発明の特徴は、断熱性を持つフィルタを利用し、フィルタの粒子状物質捕集面に近接する形で断熱材を配置し、フィルタ表面と断熱材の間にヒータ要素を組み込んだことである。ヒータ要素によって捕集された粒子状物質を燃やす。
【００３１】
外部から新たに空気を入れず、排ガス中の酸素だけを使って粒子状物質（主に炭素微粒子）を燃やす。熱が逃げないのでフィルタの加熱効率が高い。少ない熱エネルギーの供給によってフィルタの再生を行うことができる。
【００３２】
断熱材とフィルタを別体とすることもできる。或いは断熱材をフィルタ兼用とすることによって、コンパクト化を図ることもできる。
【００３３】
また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、排ガス中の粒子状物質を帯電させ、フィルタ材の粒子状物質捕集性能が高まる。それによって圧力損失上昇速度も抑制される。さらに粒子状物質の加熱効率も一層向上する。
【００３４】
本発明によって少ない熱エネルギー（電気ヒータを使う場合は、少ない消費電力）でフィルタの再生が可能で、粒子状物質の除去性能に優れた粒子状物質除去装置を提供する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
［第１の発明について］
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。
【００３６】
しかしながら、この方法では電気ヒータに多大な電力を要する。例えばディーゼルエンジンの排ガス浄化の用途にこの方法を適用すると、エンジンの燃費を著しく悪化させる。
【００３７】
特許文献２の電気ヒータに多大の電力を要した原因は、熱効率の悪さにある。熱効率が悪い原因は、電気ヒータによって供給される熱エネルギーが、フィルタに捕捉された粒子状物質の加熱以外に散逸損失があり、この散逸損失を十分に下げることができなかったからである。
【００３８】
本発明者らは、市販されている繊維径数ミクロン、嵩密度１３０ｋｇ／ｍ３，厚み１５ｍｍ程度のセラミック繊維からなるブランケットがディーゼルエンジントラックの排ガスに含まれる粒子状物質の捕集に優れた適性を持つ事を実験的に見い出した。
【００３９】
このセラミック繊維からなるブランケットは、ディーゼルトラックの排ガスを線速度１ｍ／ｓ以下で流通させると、圧力損失は１０００Ｐａ程度（０．０１ａｔｍ）であった。このブランケットの粒子状物質捕集効率はセラミックハニカム構造体（特許文献１）からなるフィルタには及ばないものの、炭化珪素セラミック繊維の織物をプリーツ状に成形したフィルタ（特許文献２）よりは粒子状物質捕集効率が高いということを実験的に見い出した。
【００４０】
更にその上に、それにこのセラミック繊維からなるブランケットが、非常に良好な断熱性と耐熱性を持つということを見い出した。そのような性質に着目して本発明を成したものである。
【００４１】
断熱性、耐熱性が良いフィルタを用いるのは、フィルタの再生を容易にするためである。
【００４２】
本発明の粒子状物質捕集除去装置は、濾過そのものよりフィルタ再生に重点がある。
【００４３】
低いエネルギー消費で簡単にフィルタ再生を行えるようにすることが本発明の目的である。
【００４４】
本願発明の第一の発明では、通気性フィルタ材に断熱性を有するものを用い、且つ通気性フィルタ材に断熱材を近接配置し、該通気性フィルタ材と断熱材の間にヒータ要素を配置する。そうすることによって、ヒータ要素からの熱エネルギーが、通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面の加熱以外に外部へ散逸することを抑制している。熱エネルギーの散逸損失が殆ど０である。ヒータエネルギーが殆ど全部粒子状物質の加熱燃焼に使われる。そのため通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質をより少ない熱エネルギーで燃焼除去することができる。
【００４５】
この作用について詳しく説明する。
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。
【００４６】
図１は、粒子状物質捕集後のセラミック繊維フィルタ上に電熱線を設け、電熱線の上に断熱材を設けず、外部に露出した電熱線で粒子状物質を加熱する実験を示す。静止空気中でこの状態で加熱する。左が加熱初期を示す。フィルタ上の黒い部分が粒子状物質（炭素微粒子）である。右が加熱２分後の状態を示す。フィルタ表面は依然として黒い。多くの粒子状物質がフィルタ上に残留している。露呈したヒータでは熱の逃げのため温度が上がらず、粒子状物質を充分に加熱燃焼できないということである。
【００４７】
図２は粒子状物質捕集後のセラミック繊維フィルタの上に電熱線を設け、更にセラミック繊維断熱材で電熱線を覆い、その状態で同じ電力を電熱線に与えフィルタを加熱した実験を示す。左は加熱初期の写真である。白っぽく見えるのは断熱材である。右は加熱２分後に断熱材を取って内部の状態を現したものである。電熱線の存在する中央部は白っぽくなっている。炭素微粒子（粒子状物質）が中央部では殆ど燃焼し消失したということを示す。粒子状物質が殆ど燃焼除去されている。
【００４８】
何れも室内の静止空気中で行った。ヒータ電力と加熱時間も同一である。それなのに電熱線が露呈した図１では、炭素が殆どそのまま残り、電熱線を断熱材で覆い温度下落を防ぐ図２では、炭素微粒子は殆ど燃焼消去されている。
【００４９】
この実験の結果から、セラミック繊維フィルタ・ヒータに近接してセラミック繊維を配置し、ヒータを両側からセラミック繊維で覆うようにすることによって熱の逃げを防ぎ、著しくヒータの熱効率が高くなり、少ない熱エネルギーでフィルタに捕集した粒子状物質を充分に燃焼除去できることを見い出した。
【００５０】
ここで重要な事は、静止空気中であっても、ヒータの上に断熱材を置かなければ図１に示すように極めて熱効率が悪く、フィルタに捕集した粒子状物質を燃焼除去できないということである。空気自体は熱伝導率が低いが、対流現象によって簡単に熱の散逸が起こってしまうのである。
【００５１】
従来技術では加熱効率を高めるため、フィルタに流入するガスを遮断して加熱することが行われてきた。加熱部位の周囲の空気が対流現象によって、熱容量が大きくて熱伝導性の高い金属や、熱伝導性は低くても熱容量の大きいバルク状のセラミックに熱を伝えてしまう。そのため加熱エネルギーの散逸損失が大きかった。
【００５２】
［第１の発明について（フィルタ／ヒータ／断熱材）］
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。
【００５３】
なお断熱材としては、熱容量の小さいものが好ましい。セラミック繊維や気孔率の高いスポンジ状のセラミックが適している。
【００５４】
また断熱材は加熱時に一時的に通気性フィルタ材に密着させる処置を講じても良い。しかし必ずしも密着させる必要はない。断熱材と通気性フィルタ材の間隙の空気が、対流現象で間隙外に流出しにくい構造になっていればよい。実験によれば、断熱材と通気性フィルタ材の間隙が数ｃｍ程度でも、密着させた場合と遜色のない加熱特性が得られるということを確認した。
【００５５】
［第２の発明について（フィルタ／ヒータ／フィルタ］
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。
【００５６】
［第３の発明について（帯電＋濾過）］
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。
【００５７】
帯電要素を負極性直流コロナ放電管とし、フィルタ材を市販されている繊維径数ミクロン、嵩密度１３０ｋｇ／ｍ３、厚み１５ｍｍ程度のセラミック繊維からなるブランケットとして、排ガスを通し粒子状物質を捕集する実験をした。このフィルタに、線速度１ｍ／ｓ以下でディーゼルトラックの排ガスを流通させた。
【００５８】
粒子状物質捕集効率は、セラミックハニカム構造体からなるフィルタ（特許文献１など）と同程度もしくはそれ以上になることを見い出した。これは粒子を帯電させると捕集効果が著しく増大するということである。帯電にはそれ以外にも２つの優れた効果がある。
【００５９】
セラミック繊維からなる通気性フィルタ材は、粒子状物質の捕集量が増えるにつれ、ガスの流路が粒子状物質で埋められて狭まるため、圧力損失が上昇する。しかしこの発明では、帯電要素によって粒子状物質を帯電させるので、セラミック繊維からなる通気性フィルタ材の圧力損失、上昇速度が抑制されるということを見い出した。これは新規な効果の１つである。
【００６０】
粒子状物質が帯電すると通気性フィルタ材に捕捉される際に、粒子状物質同士が静電力で適度に反発しながら通気性フィルタ材に堆積する。それで表面に局在し、そのためガス流路の狭窄が緩和されるものと考えられる。
【００６１】
粒子状物質を捕集した後の、セラミック繊維からなる通気性フィルタ材の断面を観察した。
【００６２】
粒子状物質を帯電要素で帯電しない場合は、深層濾過のような形、つまり粒子状物質がフィルタの奥（下流側）の方まで入り込む形でフィルタに捕集される。つまりフィルタの厚み方向で捕集粒子密度はほぼ同一である。
【００６３】
粒子状物質を帯電要素で帯電する場合は、表面濾過のような形、つまり粒子状物質が主にフィルタの表面（上流側）で主に捕集される。フィルタの奥の方（下流側）まで入り込まないで、表面で殆どが捕獲されるのである。そのため圧力損失の上昇速度が遅くなる。
【００６４】
それだけでなくフィルタ厚み方向に不均一な捕集粒子分布は、ヒータ加熱にとって極めて好都合であることが分かる。フィルタ表面（上流側）で高密度、裏面（下流側）で低密度の粒子分布になるが、ヒータは表面近くにあり、粒子とヒータ距離が接近し、微粒子はヒータによってより強力に加熱される。複雑な多孔質であるフィルタの目の奥にある微粒子に、ヒータの熱線（赤外）は輻射によっては届かない。断熱性の高いフィルタなので、熱伝導によってなかなか奥の微粒子まで熱が届かない。
【００６５】
空気対流はフィルタの複雑な網目構造で抑制されるから、対流で熱が奥まで伝わらない。つまりフィルタ網目の奥に捉えられた微粒子は、フィルタの断熱性多孔性が却って仇になりヒータ加熱が困難になる。ところが排ガスを帯電させると、表面濾過になり微粒子は表面に局在し、輻射、伝導、対流によって熱が容易に微粒子に伝わるので、捕集微粒子のヒータ加熱が著しく有効になる。
【００６６】
つまり粒子状物質は帯電要素によって帯電すると、ヒータ要素による加熱によって、最も温度が高くなるフィルタ表面（上流側表面）に局在化して捕集されることになる。そのためヒータ要素により粒子状物質の燃焼効率がより一層高くなり、より少ない熱エネルギーで炭素粒子などを燃焼消去でき、通気性フィルタ材の再生が可能になる。
【００６７】
それらの作用効果は、排ガス中の粒子状物質を帯電させれば得られるものであって、帯電要素としては、コロナ放電が使いやすい。コロナ放電の他に放電現象によって空間中に帯電粒子を供給できる他の放電方式、例えば無声放電などでも良いし、また放射線や電子線などの他の帯電手段を用いることもできる。
【００６８】
［第４の発明について（ｋ／ｄとρｃｋの範囲）］
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。
【００６９】
通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面を、粒子状物質の燃焼除去に必要な温度まで加熱するのに要するヒータ要素の能力を考える上で、通気性フィルタ材の熱伝導率ｋと厚さｄの比および通気性フィルタ材の嵩密度ρと比熱ｃとに関する要件は重要である。以下に詳しく説明する。
【００７０】
まず粒子状物質の燃焼除去に必要な加熱温度について説明する。
【００７１】
例としてディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質を除去する場合を考える。この場合、粒子状物質は主としてカーボンである。酸化燃焼除去するには５５０℃以上に加熱する必要がある。
【００７２】
電気炉を用いて粒子状物質を捕集した通気性フィルタ材の小片を空気中で加熱し、加熱温度と処理時間の関係を調べた。その結果を図３、図４に示す。
【００７３】
図３の写真は、加熱時間と加熱温度を変化させて加熱処理した後の通気フィルタ小片１７個の外観である。加熱温度は８００℃、７００℃、６５０℃、６００℃の４種類である。加熱時間は１０分、７分、５分、３分、１分の５種類である。これら小片を温度、時間の順に縦横に並べて写真を撮ったものである。通気性セラミック繊維フィルタはもともと白い色をしているが、粒子状物質を濾過したフィルタは黒色の粒子状物質で真っ黒になってしまう。黒く見えるものは粒子状物質が大量に付着しているということである。
【００７４】
加熱処理前は、フィルタの面にカーボンを主体とする粒子状物質が表面を覆っているので黒く見える。加熱処理後は、カーボンが燃焼してフィルタの地の白い色が見える。つまり白く見えるようになれば再生できており良い結果である。表面が黒いままだと、炭素粒子が大量に残存しフィルタが再生されていないということである。
【００７５】
６００℃の加熱温度では１０分経っても小片は黒い。カーボンが全面に残っている。だから６００℃では、１０分加熱しても（炭素）粒子状物質の酸化燃焼除去効果は少ない。
【００７６】
図４は横軸に加熱温度（℃）、縦軸に加熱時間（分）を取り、図３のフィルタの加熱処理を、その加熱時間、温度の座標点に対応させたものである。○は再生良好、△は中程度、×は再生不良であることを表す。
【００７７】
図４の右下がり曲線が臨界線である。これより右上に加熱時間、加熱温度があるような処理によってフィルタ再生ができ、これより左下の加熱時間、加熱温度の処理ではフィルタ再生ができないということである。
【００７８】
加熱温度６５０℃では加熱時間３分では黒く、加熱時間７分で白くなる。これから加熱温度６５０℃の場合は、７分程度で十分な酸化燃焼除去効果が得られることが分かる。
【００７９】
加熱温度７００℃では、１分では黒く、３分、５分、７分で白くなっている。この結果から７００℃の加熱では３分程度で十分な酸化燃焼除去効果があることが分かる。
【００８０】
８００℃の加熱温度では１分、３分、５分、７分加熱でフィルタ片が白くなっている。８００℃加熱の場合は１分でも十分な効果が上がる。実用的には７００℃以上で数分（３分〜７分）程度の加熱時間とするのが良い。
【００８１】
なお、セラミック繊維の材質を適切に選定することによって、９００℃程度でも十分な耐久性を持つセラミック繊維が市販されている。９００℃とすれば１分以下でフィルタ再生が可能である。
【００８２】
ディーゼルトラックの排ガス温度は、アイドリング時で７０℃程度、都市部走行時で平均２００℃程度以下である。このような条件下で、粒子状物質の燃焼除去（フィルタ再生）を行うためには、５００Ｋ（℃でも同じ）から６００Ｋ程度の温度上昇量を数分程度維持できる加熱能力が必要となる。
【００８３】
ディーゼルトラックなど車載用途で、ヒータ要素として電気ヒータを用いる場合、フィルタ再生に必要なヒータ消費電力は１ｋＷ程度以下であることが望ましい。また加熱時間は１０分程度以下であることが望ましい。これより大きい電力、長い加熱時間とすると経済性において劣り望ましくない。
【００８４】
そのような制約下で、前記のような粒子状物質の燃焼除去を行うためには、フィルタの材質と形状の選定が重要になる。
【００８５】
通気性フィルタ材をシート状として最も簡単にモデル化して考える。
【００８６】
フィルタ材の熱伝導率をｋ（単位Ｗ／ｍＫ）、フィルタの厚さをｄ（単位ｍ）、フィルタ面積をＳ（単位ｍ２）とする。フィルタ材の粒子状物質捕集面Ａ（上流側面）と他方の面Ｂ（下流側面）との温度差ΔＴ（単位Ｋ）があるとする。温度差ΔＴがあって厚みがｄなので温度勾配がΔＴ／ｄである。熱流は温度勾配に熱伝導率ｋを掛けたものｋΔＴ／ｄである。フィルタの面積をＳとするとそのＳ倍の熱流ｋＳΔＴ／ｄが高温側Ａから低温側Ｂへ流れる。そのような熱流を流すには、ヒータ要素がそれと同じ熱量を発生すればよい。
【００８７】
だから、厚みｄ、熱伝導率ｋ、面積Ｓで、表裏面温度差ΔＴのフィルタを加熱するために、次式で表される発熱量Ｑ（単位Ｗ）のヒータ要素が必要である。
【００８８】
Ｑ（Ｗ）＝ＳｋΔＴ／ｄ （３）
【００８９】
この式を変形して、ヒータ要素の単位面積あたりの必要な発熱量Ｑ／Ｓが求められる。
【００９０】
Ｑ／Ｓ ＝ ｋΔＴ／ｄ （４）
【００９１】
ｋ／ｄに温度差ΔＴを乗じた値に等しい発熱密度Ｑ／Ｓ（単位Ｗ／ｍ２）を持つヒータ要素が必要である。
【００９２】
ヒータ要素として電気ヒータを用いると仮定する。発熱密度を高くするとヒータの寿命が短くなることが一般に知られている。
【００９３】
ヒータの耐久性の観点から、実用的な発熱密度を２５ｋＷ／ｍ２以下、より好ましくは１０ｋＷ／ｍ２以下にするのが望ましい。つまり
【００９４】
Ｑ／Ｓ ＝ ｋΔＴ／ｄ ≦ ２５０００Ｗ／ｍ２ （５）
【００９５】
とする必要がある。より好ましくは
【００９６】
Ｑ／Ｓ ＝ ｋΔＴ／ｄ ≦ １００００Ｗ／ｍ２ （６）
【００９７】
とする。これでヒータの発熱密度の上限が与えられる。
【００９８】
前述の通り、ディーゼルエンジンの粒子状物質の燃焼除去のためには、実用上５００Ｋ（℃でも同じ）程度の温度上昇が必要となる場合がある。そのような場合に対応するために、ΔＴを５００Ｋとおいてみる。その条件で決まるｋ／ｄは、より低い温度差ΔＴにおいても（５）或いは（６）を満足することができる。だからΔＴ＝５００Ｋとして考えれば良い。
【００９９】
ｋ／ｄ≦５０Ｗ／ｍ２Ｋ （７）
【０１００】
となるが、より好ましくは、
【０１０１】
ｋ／ｄ≦２０Ｗ／ｍ２Ｋ （８）
【０１０２】
としたフィルタ材料、形状のものを選ぶべきである。
【０１０３】
つまり（７）、より好ましくは（８）で示される熱伝導率ｋと厚さｄの比ｋ／ｄを持つフィルタ材を採用することで、ヒータ要素の耐久性に対する要求を緩和することができる。それによってフィルタの実用的な加熱再生が可能となる。
【０１０４】
一方、通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面を所望の温度に上昇するためには、有限の昇温時間が必要になる。
【０１０５】
この昇温時間を決めるのは、通気性フィルタ材の比熱ｃ（単位Ｊ／ｋｇＫ）とフィルタ材の嵩密度ρ（単位ｋｇ／ｍ３）とフィルタ厚みｄ（単位ｍ）である。
【０１０６】
先と同様に通気性フィルタ材をシート状として簡単にモデル化し、フィルタの加熱面と非加熱面の温度差の時間変化ΔＴ（ｔ）は次の式によって概略評価することができる。
【０１０７】
ΔＴ（ｔ）＝ΔＴ０×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）｝ （９）
【０１０８】
ここで、
【０１０９】
ΔＴ０＝（Ｑ／Ｓ）×（ｄ／ｋ） （１０）
【０１１０】
τ＝（Ｄ×ρａ×ｃａ＋ｄ×ρ×ｃ／２）×（ｄ／ｋ）（１１）
【０１１１】
Ｄ：断熱材とフィルタの間の空気層の厚さ
ρａ：空気の密度、ｃａ；空気の比熱
【０１１２】
Ｄをｄと同程度とすれば、一般にＤ×ρａ×ｃａはｄ×ρ×ｃ／２に比べて十分に小さい。空気の項を無視する近似で、τは、
【０１１３】
τ〜ｄ２×ρ×ｃ／２ｋ＝ｄ２ρｃ／２ｋ （１２）
である。
【０１１４】
（９）、（１２）式から分かるように、τは昇温時間の時定数に相当する。τの３倍の時間が経過すれば、ΔＴ（ｔ）はΔＴ０の９５％以上に達する。工学的にはほぼ熱平衡に達したものと考えることができる。そこで、前述の（７）式、（８）式の条件との整合性を考え、（９）式を次の（１３）式のように書き換えても工学的な意味合いはほぼ同じである。
【０１１５】
ΔＴ（ｔ）＝ΔＴ０×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）｝／０．９５ （１３）
【０１１６】
前述のとおり、ディーゼルエンジンの粒子状物質の燃焼除去のためには、実用上５００（Ｋ）程度の温度上昇が必要となるケースがあり、これに対応できる必要がある。
【０１１７】
また、実用的には加熱時間は１０分程度以下とするのが好ましい。粒子状物質の燃焼のための高温維持時間を５分とすると、昇温時間は５分（＝３００秒）以下にできることが望ましい。つまり、（１３）式において、ｔ＝３００（秒）でΔＴ（ｔ）が５００（Ｋ）以上になることが望ましい。これを式で表現すれば、
【０１１８】
５００（Ｋ）≧ΔＴ０×｛１−ｅｘｐ（−３００（秒）／τ）｝／０．９５（１４）
【０１１９】
（１４）式を（１０）式、（１２）式を用いて書き換えると次式を得る。
【０１２０】
ρｃｄ≦−２×（ｋ／ｄ）×３００／ｌｎ｛１−０．９５×（ｋ／ｄ）・（５００／（Ｑ／Ｓ））｝ （１５）
【０１２１】
（１５）式の右辺にマイナスの符号が付くのは、右辺の分母の自然対数がマイナスの値になるためである。だから右辺は正である。この式の持つ物理的意味合いは、昇温時間を実用的な値に短くするためには、フィルタ材の単位面積当たりの熱容量に対応する嵩密度ρと比熱ｃと厚みｄの積ρｃｄが（１５）式で規定される数値以下であることが重要である、ということである。
【０１２２】
当然ながら、フィルタの温度上昇時間を短くするためには、フィルタの熱容量ρｃｄＳが小さいことが望ましいのである。
【０１２３】
ところで、前述のとおり、発熱密度（ワット密度）Ｑ／Ｓ（Ｗ／ｍ２）は実用的には２５（ＫＷ／ｍ２）以下、より好ましくは１０（ＫＷ／ｍ２）以下にするのが良い。従って（１５）式は次のように書き換えることができる。
【０１２４】
ρｃｄ≦−６００×（ｋ／ｄ）／ｌｎ｛１−０．０１９×（ｋ／ｄ）｝（１６）
【０１２５】
となる。右辺は正である。ｋ／ｄが５０Ｗ／ｍ２Ｋより小さいので自然対数ｌｎの真数は正である。より望ましくは
【０１２６】
ρｃｄ≦−６００×（ｋ／ｄ）／ｌｎ｛１−０．０４７５×（ｋ／ｄ）｝（１７） という条件になる。
【０１２７】
これはｋ／ｄが２０Ｗ／ｍ２Ｋより小さいと自然対数ｌｎの真数は正である。このようにして得られた（１６）式が前掲の（１）式であり、（１７）式が前掲の（２）式である。
【０１２８】
以上、要するに、フィルタ材としては、（７）式、（１）式を同時に満足する。また、より望ましくは、（８）式と（２）式を同時に満足するものを採用することによって、より少ない熱エネルギーの投入で効率よくフィルタの加熱再生が可能となる装置を提供することができるのである。
【０１２９】
［第５の発明について（生体溶解性繊維）］
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。
【０１３０】
セラミック繊維の組成を非アルミナ系で、二酸化珪素（シリカ）、酸化マグネシウム（マグネシア）、酸化カルシウム（カルシア）を主たる成分とする生体溶解性繊維とすることによって、装置が破損するなど何らかの原因で、フィルタ材のセラミック繊維の屑が装置外へ排出されても、生体への影響の少ない装置を提供する事ができる。
【０１３１】
［第６の発明について（複数のフィルタユニット；濾過・再生を順次切り替える）］
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。
【０１３２】
これにより、通気性フィルタ材の加熱再生時にガスの供給を停止したり、ガスを未処理のままバイパスする必要がなくなり、連続的に粒子状物質の捕集と通気性フィルタ材の再生が可能となる。
【実施例１】
【０１３３】
［実施例１（第１の発明の実施例）］
［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。
【０１３４】
隔壁１４、６４の間はフィルタ入口１７となっている。フィルタ入口１７の直前には開閉弁５があり、フィルタ入口１７を開閉することによって、ガスを流通・遮断している。フィルタ３ではガスの流れが軸線と直交する方向に変わる。フィルタ３は厚みｄ、幅ｗ、長さｌを持ったセラミック繊維Ｆを長手方向（軸線）に設けたものである。セラミック繊維の前端は隔壁１４に、後端は隔壁１５によって支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
【０１３５】
フィルタ３に対向してセラミック繊維Ｆによる断熱材６が長手方向に伸びるよう設けられる。断熱材６の前端は隔壁６４に、後端は隔壁６５によって支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
【０１３６】
フィルタ３も断熱材６も同様な材質のセラミック繊維で構成できる。断熱材６はガスが通らず濾過作用はない。断熱作用だけである。フィルタ３はガスが通り濾過作用がある。フィルタ３は断熱作用もある。
【０１３７】
フィルタ３と断熱材６の間に、両者に近接して軸線方向に伸びる電気ヒータ７が設けられる。電気ヒータ７は、外部のヒータ電源８からコードを通じて給電される。途中にスイッチ９がある。フィルタ３と断熱材６で挟まれる狭い上流側流路１８が軸線方向にできる。上流側流路１８の入口１７が開閉弁５によって開閉される。フィルタ３の外側の空間は軸線に平行な下流側流路１９となっている。
【０１３８】
開閉弁５が開いている場合、ガス入口２から入った排ガスＧは前室１２で広がり、フィルタ入口１７から上流側流路１８に入る。断熱材６の方は封鎖されているので流れない。排ガスＧはフィルタ３の多孔質繊維の中へ入る。フィルタ３を軸線と直交する方向に通り抜ける。粒子状物質Ｚはフィルタ３のセラミック繊維の間に濾過されて残る。粒子状物質Ｚの除去された浄化ガスＲは下流側流路１９に入り、軸線と平行に流れを変えてガス出口４から出ていく。
【０１３９】
この例ではヒータ熱を閉じ込めるため、粒子状物質Ｚを捕集するシート状の通気性セラミック繊維フィルタ３に対向して、シート状の断熱材６を近接配置する。断熱材６とセラミック繊維フィルタ３の狭い間隙に電気ヒータがあるので、加熱が効率的に行われる。断熱材６とフィルタ３の間隙は１ｃｍ〜５ｃｍ程度（０．０１ｍ〜０．０５ｍ）である。その間隙の上流側流路１８を通ってガスがフィルタ３に流れるようになっている。
【０１４０】
排ガスＧを濾過するときは開閉弁５を開く。開閉弁５が開状態のときはフィルタ３に排ガスＧが流れ、排ガスＧ中の粒子状物質Ｚはフィルタ３に捕集され、ガスが浄化される（図５）。このとき電気ヒータには通電しない。
【０１４１】
やがてフィルタ３は粒子状物質Ｚによって目詰まりし、圧力損失が増大していく。そこで定期的或いは随時、粒子状物質Ｚをフィルタから除去する必要がある。粒子状物質Ｚは炭素微粒子を主体とし可燃性である。燃やすことによって除去できる。フィルタ３に捕集した粒子状物質Ｚを加熱燃焼除去する時は、開閉弁５を閉状態にし、フィルタ入口１７を閉ざす。
【０１４２】
ガスの流れを遮断してからスイッチ９を閉じて、電気ヒータ７に通電する（図６）。ヒータによって上流側流路１８やフィルタ３の温度が５００Ｋ近く上昇する。フィルタ３、断熱材６があるので電気ヒータ７の熱は逃げず、有効に粒子状物質Ｚを加熱することができる。フィルタ３に捕集された粒子状物質Ｚが加熱燃焼し除去される。燃焼ガスＵがガス出口４から排出される。これをフィルタの再生という。
【０１４３】
フィルタの再生が完了したら、スイッチ９を遮断し電気ヒータ７への通電を停止する。開閉弁５を開状態に戻し、再び排ガスＧをフィルタ３へ流し、排ガスＧから粒子状物質Ｚを捕集できるようにする。このようにフィルタ３は粒子状物質捕集と加熱再生の過程を繰り返す。
【０１４４】
フィルタの加熱再生のタイミングは用途に応じて、例えばタイマー制御で所定の時間で自動的に加熱再生を行うようにしてもよいし、或いはフィルタの圧力損失やフィルタの上流側の圧力を検出し、その値が設定値以上になれば再生するようにしてもよい。
【０１４５】
また加熱時間は、ガス温度と粒子状物質の堆積量や燃焼温度に応じて適宜選定すればよい。フィルタ温度やガス温度を検出して加熱時間を制御するようにしてもよい。
【０１４６】
電気ヒータの制御としては、電流制御、オンオフ制御など一般的に知られている手法を採用することができる。
【０１４７】
フィルタ材には、セラミック繊維からなる高温用耐火断熱繊維が有用である。例えば、新日化サーマルセラミックス株式会社の商品名ＳＣブランケット１２６０（主成分はアルミナと二酸化珪素（シリカ）、最高使用温度１２６０℃、平均繊維径３μｍ、比熱１．０５ｋＪ／ｋｇＫ、嵩密度１３０ｋｇ／ｃｍ３、平均温度６００℃における熱伝導率０．１２Ｗ／ｍＫ）等を用いることができる。
【０１４８】
フィルタ材としては、その他同社の他のセラミック繊維ブランケットであるＳＣブランケットＳＣ１４００やＳＣ１６００Ｍ、イソライト工業株式会社のセラミック繊維ブランケットであるイソウール１２６０ブランケット、イソウール１５００エースブランケット、イソウールウエットフェルトなどといったものが適用できる。
【０１４９】
これらは１０００℃以上の耐熱性を持ち、平均繊維径は３μｍ〜５μｍ程度、熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍＫ〜０．６Ｗ／ｍＫで、嵩密度は７０ｋｇ／ｍ３〜１６０ｋｇ／ｍ３程度である。
【０１５０】
断熱材にもフィルタ材と同様に高温用耐火断熱繊維が有用である。フィルタ材と同じ素材を断熱材として用いることもできる。通気性を重視せず断熱性を重視するなら、フィルタ材と異なる種類の高温用耐火断熱繊維を用いることもできる。
【０１５１】
セラミック繊維からなる断熱用のブランケットは、ガス流の圧力で変形しやすいので、金網などで保持するのがよい。なお、フィルタのガス出口側であれば、金網など熱伝導や熱容量の比較的大きな素材を使用しても、フィルタそのものが断熱性を持つので特に影響はない。
【０１５２】
またガス流の圧力による変形を抑制する方法として、フィルタ材を一旦６００℃以上で高温処理してから使用すると変形量が少なくなる。
【０１５３】
粒子状物質の捕集性能の観点からは、フィルタ部のガスの線速度が３ｍ／ｓ以下、より好ましくは１ｍ／ｓ以下となるようにガス流量に応じてフィルタ面積を設定すると良い。
【０１５４】
例えばディーゼルエンジンの排ガスの微粒子を除去する用途の場合、ディーゼルエンジンの排気量を５Ｌ（リットル：０．００５ｍ３）とし、その代表的なエンジン回転数が２０００ｒｐｍであったとし、そのときの排気温度が２００℃であったとする。排気風量は約８ｍ３／ｍｉｎ（＝０．１３４ｍ３／ｓ）となる。フィルタ部のガス流の線速度を１ｍ／ｓ程度にするには、フィルタ面積を０．１３４ｍ２程度にすればよい。
【０１５５】
もしもディーゼルエンジンの排気量が５Ｌ（リットル）で、その代表的なエンジン回転数が３０００ｒｐｍで、そのときの排気温度が４５０℃であったとすると、排気風量は約１８．５ｍ３／ｍｉｎ（＝０．３０８ｍ３／ｓ）となる。フィルタ部のガス流の線速度を１ｍ／ｓ程度にするには、フィルタ面積を０．３０８ｍ２程度にすればよい。
【０１５６】
ディーゼル自動車の排気風量が時間的に変動する場合は、排気風量が最大となる条件にフィルタ面積を合わせるのが１つの方法である。或いは、各排気風量における微粒子含有量を必要浄化性能に応じて、代表的な排気風量を適宜選定してフィルタ面積を設計すればよい。
【０１５７】
またフィルタの厚さｄは５ｍｍ以上（０．００５ｍ）とするのが良い。特に１２．５ｍｍ〜２５ｍｍ（０．０１２５ｍ〜０．０２５ｍ）程度のものを使用するのが好ましい。
【０１５８】
フィルタ単位面積当たりの電気ヒータ投入電力と、加熱１０分後のフィルタ表面温度の上昇量の関係を測定したものを図２２に示す。横軸はフィルタ単位面積当たりの電気ヒータ電力（ｋＷ／ｍ２）で、縦軸は加熱後１０分でのフィルタ表面の温度上昇（Ｋ）である。フィルタ面積１ｍ２当たり３ｋＷの電力投入で温度上昇量は５００Ｋに達する。フィルタ面積１ｍ２当たり６ｋＷの電力投入で温度上昇量は７００Ｋに達する。これはフィルタと断熱材で電気ヒータを挟みこんでいるからである。
【０１５９】
もしもフィルタ表面を開放空間にすると、空気による自然対流伝熱による熱損失のため、６ｋＷの電力投入でも温度上昇量は２００Ｋにも達しない。
【０１６０】
フィルタ材と断熱材との間の空間から熱が放散するのを防ぐために、フィルタ材と断熱材以外の部分、例えば開閉弁の内側に高温用耐火断熱繊維などの断熱材を取り付けても良い。
【０１６１】
電気ヒータとしてはニクロム線が適している。ニクロム線は５００℃を越える高温域でも耐久性に優れ、又ディーゼルエンジンの排ガス中でも腐食しにくい。ニクロム線は直線状、コイル状、網目状など種々の形状のものを利用する事ができる。使用するヒータ電源の出力特性との兼ね合いで所望の電気抵抗値になるように、また、局部的に異常加熱とならないよう形状、線径を適宜選定すればよい。またタングステン、タンタルなどを電気ヒータとすることもできる。
【０１６２】
この例ではヒータ要素として電気ヒータを用いたが、これ以外にバーナーや高温空気吹き込みなど他の手法を用いることもできる。
【０１６３】
［実施例１−２（図７、図８）］
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。
【０１６４】
図７は濾過時、図８は再生時を示す。筐体１の中の後室１３にはフィルタ３が流れと直交する方向に伸びるよう設けられる。フィルタ３はセラミック繊維Ｆよりなる。隔壁１４、１４によって両側が挟まれて支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
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。
【０１６５】
フィルタ３の前方の前室１２には、フィルタ３に対向するように移動式の断熱材６が設けられる。断熱材はセラミック繊維Ｆよりなる。断熱材６を凹型金属製の保持体５２が支持する。保持体５２には操作棒５３が固定される。操作棒５３は、筐体１の滑り軸受５４を突き抜けて外部から進退操作できる。操作棒５３によって断熱材６が前後し、流路が開閉されるので、この断熱材６、操作棒５３、保持体５２は開閉弁５となる。
【０１６６】
図７のように操作棒５３が引かれ、断熱材６がフィルタ３から離れると、流路が開き排ガスＧがフィルタ３へ流入し、粒子状物質Ｚが濾過される。濾過された浄化ガスＲはガス出口４から出ていく。このときは電気ヒータ７には通電しない。
【０１６７】
圧力損失が増えると粒子状物質を除去する再生を行う。フィルタ再生の場合は、操作棒５３を押し込み、断熱材６を電気ヒータ７の直近まで押し込む。電気ヒータ７は、セラミック繊維よりなるフィルタ３と断熱材６で包囲される。スイッチ９を閉じ電気ヒータ７に通電する。ヒータ熱によってフィルタに付着した粒子状物質Ｚが燃焼し二酸化炭素になる。燃焼ガスＵはガス出口４から排除される。
【実施例２】
【０１６８】
［実施例２（第２の発明の実施例：断熱材・フィルタ兼用：図９、図１０、図１１）］
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。
【０１６９】
また、フィルタ部の構造を図１１に示すような二重円筒構造とすることによって、容積当たりのフィルタ面積を大きくとることも可能である。
【０１７０】
図９は濾過の状態を、図１０は再生の状態を示す。
【０１７１】
図９、１０において、縦長の筐体１はガス入口２、ガス出口４、前室１２、後室１３を持つ。後室１３には長手方向に伸び互いに対向する２つのフィルタ３、３が設けられる。フィルタ３は熱伝導が悪く熱容量が小さいセラミック繊維Ｆによって構成される。前端は隔壁１４に、後端は隔壁１５によって支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
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。
【０１７２】
浄化の過程は図９に示す状態になっている。粒子状物質Ｚを含む排ガスＧが、ガス入口２、前室１２、フィルタ入口１７を通りフィルタ３の中央空間に到る。ここから両側のフィルタ３、３のセラミック繊維多孔質空間を通り抜ける。粒子状物質Ｚが除去される。粒子状物質Ｚは次第にフィルタ３、３に溜まっていく。浄化ガスＲはガス出口４から出ていく。
【０１７３】
再生の過程は図１０に示す状態になっている。開閉弁５によってフィルタ入口１７を閉じる。スイッチ９を閉じる。ヒータ電源８から電力が電気ヒータ７に供給される。ヒータが強く加熱される。温度が上がり粒子状物質Ｚが酸化燃焼する。燃焼ガスＵはガス出口４から排除される。
【０１７４】
これは図５、６の断熱材６を持つフィルタ３としたものである。同じ材料だから保温効果は同じである。このようにするとフィルタの断面積を約二倍に増やすことができる。
【０１７５】
フィルタ３、３の形状は図５、６のように対向平板形状（厚みｄ，幅ｗ、長さｌ）でもよい。
【０１７６】
或いは円筒形のフィルタとしてもよい。円筒形のフィルタの中心に電気ヒータ７を設けるようにできる。そのような構造であれば断面図は図９、１０と同じになる。
【０１７７】
或いは２重円筒形のフィルタとすることもできる。それを図１１に示す。図１１の（１）は中心線に沿う縦断面図、（２）は中心線直交断面図である。内円筒フィルタ３と、円筒電気ヒータ７、外円筒フィルタ３よりなる二重構造である。フィルタ入口１７は円環状となる。上流側流路１８，１８も円環状となる。下流側流路１９、１９は内外に２つできる。
【実施例３】
【０１７８】
［実施例３（第３の発明の実施例；帯電）：図１２、図１３、図１４、図１５］
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。
【０１７９】
［実施例３−１（図１２、図１３）］
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。
【０１８０】
異なる点は前室１２に帯電要素２４を新たに設置したことである。外側のコロナ放電電極２２を中央部で高電圧碍子２３で絶縁支持し、内部電極には高電圧電源２０から負の直流高電圧が印加される。
【０１８１】
ガス入口２から導入された粒子状物質Ｚを含む排ガスＧは、帯電要素によって帯電し、帯電した粒子状物質含有ガスＧ’となる。これがフィルタ入口１７からフィルタ３、３へと流入する。フィルタでの粒子状物質の濾過や、流路を閉じ電気ヒータで加熱し粒子状物質を燃焼除去する再生は、図５、６の装置と同様である。
【０１８２】
［実施例３−２（図１４、図１５）］
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。
【０１８３】
異なる点は前室１２に帯電要素２４を新たに設置したことである。外側のコロナ放電電極２２を中央部で高電圧碍子２３で絶縁支持し、内部電極には高電圧電源２０から負の直流高電圧が印加される。
【０１８４】
ガス入口２から導入された粒子状物質Ｚを含む排ガスＧは帯電要素によって帯電し、帯電した粒子状物質含有ガスＧ’となる。これがフィルタ入口１７からフィルタ３、３へと流入する。フィルタでの粒子状物質の濾過や、流路を閉じ電気ヒータで加熱し粒子状物質を燃焼除去する再生は、図９、１０の装置と同様である。
【０１８５】
コロナ放電電極２２としては、細い線電極や鋭い突起構造を持った板を組み合わせものなど一般的なものが使用できる。
【０１８６】
ディーゼルエンジンの排ガス処理など、高温・振動・腐食性の環境で用いる場合は、ステンレスなど耐熱性、耐食性に優れた金属で突起構造を持たせたものを用いて、コロナ放電電極とするのがよい。
【０１８７】
電極間距離を２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度（０．０２ｍ〜０．０５ｍ）、突起先端の曲率半径を０．５ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ程度以下とすれば、２０ｋＶ以下の印加電圧によって実用的なコロナ放電を発生させることができる。
【０１８８】
印加電圧の形態としては、直流電圧、交流電圧、パルス電圧などを用いることができる。その中でも負極性の直流電圧が比較的帯電効果が大きい。
【０１８９】
コロナ放電で消費する電力としては、排気量５Ｌ（リットル）のディーゼルエンジンで５０Ｗ程度以下の消費電力で後述するような効果を得ることができる。
【０１９０】
上流側に負極性直流コロナ放電によるコロナ放電部を配置したときを例にして、帯電要素を設けた場合の効果を述べる。
【０１９１】
排気量５Ｌ（リットル）のディーゼルエンジンを回転数２０００ｒｐｍで運転したときの排ガスをフィルタで濾過したとき、捕集した粒子状物質の形態が、帯電要素の有無によってどのように変化するのかを調べた。その結果を図２４、図２５に示す。
【０１９２】
帯電要素には、コロナ放電発生用高電圧給電碍子一本の周囲に、内径約６０ｍｍ（０．０６ｍ）の円管を８本並列に配置し、各円管の中心軸上に有効放電長約８０ｍｍ（０．０８ｍ）の突起付き電極（突起先端の曲率半径０．２ｍｍ）を配置した同軸円筒コロナ放電管を用いた。円管は接地電位とした。突起付き電極には１３ｋＶ〜１５ｋＶ程度の負極性の直流電圧を印加して、円管内に負コロナ放電を発生させる。コロナ放電電流は約３ｍＡである。
【０１９３】
帯電要素がない場合、粒子状物質はフィルタの奥の方まで入り込んで捕集される。フィルタは深層濾過という形態で粒子状物質を捕捉する。
【０１９４】
帯電要素がある場合、粒子状物質はフィルタの表面で捕捉されている。フィルタは表面濾過という形態で粒子状物質を捕捉する。このようになる理由については既に説明した。
【０１９５】
フィルタを加熱再生する場合、フィルタ内の温度分布は加熱面側が最も高く、下流側へいくに従って温度が低くなる。帯電要素を設けた場合には、粒子状物質は加熱時に温度が高い方の面に集中して捕捉される。図３、４に示すように、より短い加熱時間でフィルタを再生することが可能となる。フィルタ再生に必要な熱エネルギーがより少なくて済む。
【０１９６】
図２６は、帯電要素の有無による濾過経過時間とフィルタ圧力損失増大の関係を示すグラフである。横軸は時間、縦軸はフィルタ圧力損失である。破線は帯電させない場合を、実線は帯電させた場合を表す。図２６に示すように帯電要素を設けることによって、フィルタの圧力損失上昇速度が抑制される。そのため再生サイクルをより長くすることができる。
【０１９７】
時間平均で考えると、フィルタ再生に要する熱エネルギーを更に低減することができる、ということである。
【０１９８】
図２７はガス中の粒子状物質の平均粒径と粒子密度分布の測定結果を示す。横軸は粒状物の平均粒径（ｎｍ）、縦軸はその粒径の濃度分布（ｃｍ−３）である。いずれのガスも粒径が７０ｎｍ〜９０ｎｍ程度が最も多い。粒径が増大すると共に濃度も減少する。
【０１９９】
処理前の排ガスＧで８０ｎｍ直径の粒子濃度は４×１０６ｃｍ−３である。帯電要素なしのフィルタで濾過した場合、８０ｎｍ直径の粒子濃度は２×１０５ｃｍ−３である。帯電要素があるフィルタで濾過した場合、８０ｎｍ粒径の濃度は１０４ｃｍ−３である。帯電要素のある装置は帯電要素のない装置に比べて約１／２０に粒子数が減っている。つまり帯電要素を設ける事によって粒子状物質の捕集効率が飛躍的に向上する。
【実施例４】
【０２００】
［実施例４（第４の発明の実施例）］
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。
【０２０１】
横軸にｋ／ｄを、縦軸にρｃｄを取って、（７）式と（１）式および（８）式、（２）式の条件式を図示したものを図３３、図３４に示す。
【０２０２】
図３、４に示したような高温域でも使用可能な代表的な耐熱材料の嵩密度ρ、比熱ｃ、熱伝導率ｋを表１に示す。物性値は温度依存性を持つので、ここではカタログなどに記載されている５００℃ないし１０００℃での代表的な数値を示している。必ずしも本発明の動作温度での物性値ではない。
【０２０３】
表１の数値を用いて各材料のｋ／ｄとρｃｄの関係を計算したものを図３３、図３４に重ねてプロットしている。
【０２０４】
フィルタ厚さｄ＝０．０１ｍの場合のものを図３３に示す。フィルタ厚さｄ＝０．０５ｍの場合のものを図３４に示す。これらの図によって、各フィルタの適正をより簡便に評価することができる。
【０２０５】
【表１】
【０２０６】
図３３、図３４は、表１の材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇにおいてｄ＝０．０１ｍ、ｄ＝０．０５ｍとした時のｋ／ｄとそれに対するρｃｄの値を示したものである。横軸はｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）、縦軸はρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）である。上の逆Ｌ字型のグラフは（１）式の不等式からきたρｃｄの上限を与えるもの。下の逆Ｌ字型のグラフは（２）式の不等式によりρｃｄの上限を与えるものである。これらのグラフの縦の部分は、ｋ／ｄ≦５０Ｗ／ｍ２Ｋ、ｋ／ｄ≦２０Ｗ／ｍ２Ｋというｋ／ｄの限界を表現している。
【０２０７】
図３３、図３４に示すように、アルミナ（Ａ）や石英ガラス（Ｂ）のバルク材料では（７）式と（１）式とを同時に満足することができない。嵩密度が大きすぎ熱伝導率が高すぎるからである。これらのバルク材料に通気性を持たせる加工をしてもなお嵩密度、熱伝導率が大きく、本発明のフィルタには適さない。
【０２０８】
バルク材料では本発明のフィルタにならない。バルク材料に比べて格段に熱伝導率が小さく、嵩密度の低い素材でなければ本発明のフィルタとして不適である。そのような要件を満足する代表的な素材がセラミック繊維である。
【０２０９】
セラミック繊維には炭化珪素（ＳｉＣ）系、アルミナ・シリカ・ボリア系、アルミナ・シリカ系、シリカ系、などのいくつかの種類がある。
【０２１０】
炭化珪素系セラミック繊維（Ｃ）は比較的熱伝導率が高く、フィルタの厚みが薄いと温度上昇に必要なワット密度が高すぎて実用的でなくなる。炭化珪素系セラミック繊維では、フィルタの厚みを０．０５ｍ程度以上に厚くしないと本発明の要件を満足することができない。
【０２１１】
炭化珪素系セラミック繊維でも、繊維の組成を変える事によって熱伝導率が表１に示した値よりも小さく、嵩密度が同程度以下の通気性に優れた素材にすることができれば、フィルタの厚みをより薄くすることができ、よりコンパクトな装置を構成することができる。
【０２１２】
アルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維織布（Ｄ）は熱伝導率は低いが、嵩密度が大きいため昇温時間がやや長くなる。アルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維で繊維の加工法を変えるなどして、表１に示した値と同程度以下の熱伝導率で、より嵩密度の低い通気性素材を作ることができれば、昇温時間をより短くすることができ、より熱効率のよい装置を構成することができる。
【０２１３】
アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｅ）やシリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｆ、Ｇ）は表１の例に示したように、熱伝導率が低く、嵩密度は小さい。フィルタ厚さｄ＝０．０１ｍ〜０．０５ｍの範囲でも、十分に本発明の要件を満足することができる。特により好ましい条件である（８）式と（２）式の条件をも満たす事ができる。
【０２１４】
従って加熱再生に要する熱エネルギーの低減という観点と、装置のコンパクト化という観点で、アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｅ）やシリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｆ、Ｇ）は、炭化珪素系セラミック繊維フェルト（Ｃ）やアルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維織布（Ｄ）よりも優れている。
【０２１５】
図３５は、図３３、図３４において、昇温時間を１００秒（ｓｅｃ）にした場合の曲線（（１５）式中の３００を１００に置き換えれば）を図３３、３４に重ね書きしたものである。
【０２１６】
図３５において、甲曲線はＱ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で３００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。乙曲線はＱ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。丙曲線はＱ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で３００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。丁曲線はＱ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。
【０２１７】
もっとも厳しい条件を課すのは丁曲線であり１０ｋＷ／ｍ２の発熱密度で、１００秒内に５００℃（増加分なので℃もＫも同じ）上昇するというものである。
【０２１８】
丁曲線より下にはｄ＝０．０２ｍ、ｄ＝０．０１ｍの材料Ｅと、ｄ＝０．０２ｍの材料Ｇだけがあり、この３つだけが上の条件（１０ｋＷ／ｍ２、１００秒）に適合する。
【０２１９】
丙曲線（１０ｋＷ／ｍ２、３００秒）より下には、それ以外に、ｄ＝０．０５ｍｎのＥと、ｄ＝０．０５ｍの材料Ｇとが追加される。
【０２２０】
乙曲線（２５ｋＷ／ｍ２、１００秒）より下には、上の５つの例の他に、ｄ＝０．０１ｍの材料Ｇ、ｄ＝０．０１ｍの材料Ｄが加わる。
【０２２１】
甲曲線（２５ｋＷ／ｍ２、３００秒）より下には、上の７つの例の他に、ｄ＝０．０２ｍの材料Ｄが加わる。
【０２２２】
この図から分かるように表１に示したようなρ、ｃ、ｋの値を持つアルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットや、シリカ系セラミック繊維ブランケットでは、フィルタ厚みｄを適切に選定することによって、実用的に好ましいワット密度１０ｋＷ／ｍ２で１００秒以内（丁曲線）に５００Ｋの昇温を達成する事が可能である。
【０２２３】
アルミナ・シリカ系のセラミック繊維ブランケットとしては、例えば前掲の新日化サーマルセラミック株式会社の商品名ＳＣブランケット１２６０やイソライト工業株式会社の商品名イソウール１２６０ブランケットなどを採用することができる。
【０２２４】
シリカ系のセラミック繊維ブランケットとしては、市販の生体溶解性繊維ブランケット（第５の発明の実施例で詳しく述べる）を採用することができる。
【０２２５】
粒子状物質の浄化性能の観点からは、フィルタの厚さはｄ＝０．０１ｍ程度以上あれば十分である。図３３、３４に示した特性図の中でヒータ要素に要求されるワット密度と昇温時間の観点から、厚みを適宜選定すればよい。
【０２２６】
アルミナ・シリカ系のセラミック繊維ブランケットやシリカ系のセラミック繊維ブランケットは断熱材として、ｄ＝０．００６ｍ〜０．０５ｍのものが市販されている。通常、ｄ＝０．００６ｍ、０．０１３ｍ、０．０２５ｍ、０．０５ｍ程度のものが標準的に生産されているので、ｄ＝０．０１３ｍ〜０．０２５ｍ程度の厚みのブランケットを使用するのがよい。
【０２２７】
ここに例示した、アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットやシリカ系セラミック繊維ブランケットは、表１に例示した炭化珪素系セラミック繊維フェルトや、アルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維織布よりも安価である。アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットやシリカ系セラミック繊維ブランケットをフィルタに採用すると、より経済的な装置を構成することができる。
【０２２８】
アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットやシリカ系セラミック繊維ブランケットは素材として柔らかく、取り付け方やガス流の抵抗でシートの厚みが変化する場合もある。
【０２２９】
図３３、図３４、図３５に示したように、これらのセラミック繊維ブランケットは（７）式、（８）式の要件を満たすｄの範囲が比較的広いので（この例ではｄ＝０．０１ｍ〜０．０５ｍ）、このような使用条件に伴う厚みの変化に対応できるように、初期の素材の厚さを適宜選定したり、ヒータ要素のワット密度や昇温時間の設計に適度な余裕を持たせれば良い。
【実施例５】
【０２３０】
［実施例５（第５の発明の実施例）］
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。
【０２３１】
生体溶解性繊維は、ＥＵ指令９７／６９／ＥＣにおいて、次の何れかを満足するものとして規定されるものである。
【０２３２】
（１）短期吸入による生体内滞留試験で、２０μｍより長い繊維が１０日未満の荷重半減期を持つもの。
【０２３３】
（２）器官内注入による短期の生体内滞留試験で、２０μｍより長い繊維が４０日未満の荷重半減期を持つもの。
【０２３４】
（３）腹膜内投与試験で過大な発ガン性の証拠がないことが確認できる。
【０２３５】
（４）長期吸入試験で、関連ある病原性変化もしくは腫瘍性変化がない。
【０２３６】
生体溶解性のセラミック繊維として代表的なものは、二酸化珪素（シリカ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は二酸化珪素（シリカ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化カルシウム（ＣａＯ）とを主成分とするものである。
【０２３７】
具体的には、新日化サーマルセラミック株式会社のＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（商標）、米国ＵＮＩＦＲＡＸ社のＩＳＯＦＲＡＸ（商標）、ＩＮＳＵＬＦＲＡＸ（商標）などがある。いずれも最高使用温度は１０００℃以上である。繊維径は３〜５μｍ、繊維長は約３０ｍｍである。
【０２３８】
ブランケット状のものは嵩密度として９６ｋｇ／ｍ３、１２８ｋｇ／ｍ３、１６０ｋｇ／ｍ３のものが市販されている。
【０２３９】
熱伝導率は、温度６００℃で０．１４Ｗ／ｍＫ〜０．２４Ｗ／ｍＫである。温度８００℃で０．１９Ｗ／ｍＫ〜０．３７Ｗ／ｍＫである。
【０２４０】
図２８は米国ＵＮＩＦＲＡＸ社のＩＳＯＦＲＡＸ（商標）ブランケットの電子顕微鏡写真である。
【実施例６】
【０２４１】
［実施例６（第６の発明の実施例）］
［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。
【０２４２】
図１６では開閉弁５は上のフィルタユニット３の入口１７を閉じている。スイッチ９１が閉じ電気ヒータ７に熱エネルギーが発生する。これがフィルタ３の粒子状物質Ｚを加熱燃焼させる。燃焼ガスＵはガス出口４から排除される。下のフィルタユニットは入口１７が開いている。電気ヒータ７はオフになっている。排ガスＧは帯電要素２４で帯電し、帯電ガスＧ’は下フィルタ３に入る。粒子状物質Ｚがフィルタ３によって濾過され除去される。浄化ガスＲはガス出口４から排除される。
【０２４３】
図１７は開閉弁５が下のフィルタユニット３の入口１７を閉じる。下側のフィルタユニットで電気ヒータ１８が通電加熱される。フィルタ３に付着している粒子状物質Ｚを加熱燃焼させる。燃焼ガスＵはガス出口４から排出される。上側のフィルタユニットは濾過作用をしている。
【０２４４】
この実施例は、フィルタユニット３、３を２つ組み込み、同時に全ユニットを再生（フィルタユニットの弁を閉じてヒータ再生を行う操作）せず、少なくとも１つのフィルタユニットはガスを流し続けるようにする。一方は浄化に、他方は再生に割り振ることによって、常に排ガス浄化が可能である。
【０２４５】
例えば交互に再生操作を行う事によって、ガスの供給を停止することなく連続的にガスの浄化をすることが可能になる。
【０２４６】
各フィルタの再生のタイミングは、タイマー制御やエンジンの運転状況に連動した制御等、用途に応じて適宜のパターンを採用することができる。
【０２４７】
［実施例６−２（図１８）］
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。
【０２４８】
フィルタ部のガス流の線速度を１ｍ／ｓ程度以下にするにはフィルタ面積を０．３ｍ２程度以上にすればよい。
【０２４９】
この場合、フィルタを加熱再生するためのヒータ要素のワット密度を、実用的な１０ｋＷ／ｍ２程度にしたとすると、必要電力は３ｋＷ程度になる。
【０２５０】
ディーゼル車両に搭載し、一般的なバッテリーを電源として電気ヒータによる加熱再生を行うような場合は、加熱再生時のみの一時的なものとは言え、所要電力は１ｋＷ程度以下にする事が望ましい。
【０２５１】
そこで、例えば、フィルタを３つ以上のユニットで構成し、各フィルタユニットの捕集面積を０．１ｍ２程度以下にして、切替弁によって時間をずらして順次加熱再生する方式を採用すれば、装置全体としては、再生時に必要となる電力を１ｋＷ程度以下に抑えることができる。第６発明のもう１つの実施例を図１８に示す。
【０２５２】
この例ではドーナッツ型のフィルタユニットを４つ、筐体の軸方向に４つ並べて配置している。１つのフィルタユニットはドーナッツ型のフィルタを２枚向かい合わせに配置し、その間隙に電気ヒータを設けている。このフィルタユニットは円筒の隔壁に収納されており、該円筒の円周に４つの環状（リング状）のガス入口を形成している。開閉弁は、該ガス入口の一つを閉状態にできる大きさを持ったリング状の蓋板であって、この蓋板が該円筒の外周面を直線往復運動するスライド式である。蓋板５０と蓋板５０を前後に直線運動させる操作棒５１と筐体１に設けた滑り軸受５４からなる。操作棒５１は滑り軸受け５４に保持され軸線に平行に進退できる。蓋板５０は４つのフィルタユニットの入口１７の何れか１つを閉じることができる。
【０２５３】
この例では、左から３つ目のフィルタユニットが閉じ、そのフィルタユニットの電気ヒータが発熱し粒子状物質を燃やしている。その他の１、２、４番面のフィルタユニットはガス入口が開いており排ガスＧが流入する。フィルタ３を通り抜けるときに粒子状物質がフィルタ３によって濾過される。ガス出口４には浄化ガスＲと燃焼ガスＵが出てくる。４つのフィルタユニットの内３つは濾過し、１つが再生している。連続的に排ガス処理を行うことができる。
【０２５４】
この開閉弁は、エアシリンダや歯車機構などで駆動すればよい。フィルタ再生はフィルタユニット１つについてのみ行う。再生対象となるフィルタユニットを順次変えることによって、ガスの連続浄化を可能にしている。
【０２５５】
［実施例６−３（図１９、図２０、図２１）］
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。
【０２５６】
コロナ放電部は、コロナ放電発生用高電圧給電碍子１本の周囲に、内径約６０ｍｍ（０．０６ｍ）の円管を８本並列配置し、各円管の中心軸上に有効放電長約８０ｍｍ（０．０８ｍ）の突起付き電極（突起先端の曲率半径は０．２ｍｍ＝０．０００２ｍ）を配置した同軸円筒コロナ放電管で構成される。円管は接地電位とし、突起付き電極には負極性の直流電圧を印加して、円管内に負コロナ放電を発生させている。
【０２５７】
エンジンの運転条件によって、排気温度は７０℃〜５００℃（３４３Ｋ〜７７３Ｋ）程度まで変化する。また排気中に含まれる微粒子の濃度も変化する。この排気温度と微粒子濃度の影響によって、コロナ放電の電圧電流特性は変化する。経験的には印加電圧を１０ｋＶ〜１５ｋＶ程度の範囲として、コロナ放電電流が２ｍＡ〜５ｍＡ程度になるように制御すればよい。コロナ放電電力は約５０Ｗ程度である。
【０２５８】
フィルタ部は、同一の形状を持つ二重同軸円筒型のフィルタユニット４つからなる。１つのフィルタユニットは外径約８０ｍｍ（０．０８ｍ）、内径約１５ｍｍ（０．０１５ｍ）、長さ約３５０ｍｍ（０．３５ｍ）の大きさを持つ。セラミック繊維フィルタには厚さ約１３ｍｍ（０．０１３ｍ）、嵩密度１２８ｋｇ／ｍ３の生体溶解性繊維からなるブランケット（米国ＵＮＩＦＲＡＸ社の製品名ＩＳＯＦＲＡＸ）を用いている。
【０２５９】
この例ではシート状のブランケットを円筒形に丸めた形で使用しているが、その代わりに初めから円筒状に成形したものを用いても良い。
【０２６０】
フィルタユニットは１つ当たりの微粒子捕集面積は約０．１ｍ２である。セラミック繊維フィルタは８ｍｍ（０．００８ｍ）の間隙で微粒子捕集面を対向させてある。この間隙にヒータ要素としてコイル状のニクロム線からなる電気ヒータを設けている。
【０２６１】
ニクロム線の線径は０．７ｍｍ（０．０００７ｍ）である。コイル径は約５ｍｍ（０．００５ｍ）である。フィルタユニット１つ当たりのニクロム線の合成抵抗は０．６Ωである。標準的な車載用バッテリーを２台直列接続して得られる直流電圧２４Ｖの印加で、約１ｋＷの加熱をすることができる。
【０２６２】
フィルタユニット１つ当たりの微粒子捕集面積が約０．１ｍ２なので、加熱時のワット密度（電力密度）は１０ｋＷ／ｍ２である。
【０２６３】
開閉弁５は回転スライド式である。フィルタユニットの端部を保持する隔壁１４に接触して、回転スライド円板５５が回転スライド式開閉弁駆動機構５６によって回転する。この開閉弁５もエアシリンダや歯車機構などで駆動すればよい。
【０２６４】
これもフィルタ再生はフィルタユニット１つについてのみ行う。再生対象となるフィルタユニットを順次変えていくことによりガスの連続浄化を可能とする。
【０２６５】
回転スライド式開閉弁の動作の概要を図２０、図２１に示す。この回転スライド式開閉弁は、１つのフィルタユニットの３つのガス入口１７に対応する大きさの円形の開口部４９が中心角９０゜、９０゜、１８０゜をなす位置に３つ開いている。４つのフィルタユニットの内、３つのフィルタユニットにのみ排ガスを流し（濾過）、１つのフィルタユニットには排ガスを流さない（再生）ようにしている。例えば図２０、図２１に示すように、説明の便宜のため、４つのフィルタユニットにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの名前を付ける。
【０２６６】
あるタイミングでは図２０のように、回転スライド式開閉弁の開口部４９がＡ、Ｂ、Ｄの流入口に一致している。つまり４つのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの内、Ａ、Ｂ、Ｄには排ガスを流し、Ｃには排ガスを流さない状態が作られている。この状態で、フィルタユニットＣの電気ヒータに通電する。ユニットＣを加熱する。粒子状物質Ｚ（炭素微粒子）が燃焼する。粒状物がなくなりフィルタユニットＣが再生される。
【０２６７】
それに続くタイミングでは図２１に示すように、フィルタユニットＤが閉じている。フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃでは排ガスの濾過を、フィルタユニットＤではフィルタ再生を行う。
【０２６８】
このように回転スライド式開閉弁を１／４ずつ回転させて、順次再生処理するフィルタユニットをＡ、Ｂ、Ｃ…と変更していく。このようにしてフィルタユニットを複数設けることによって、排ガスを連続的に流しながらフィルタユニットを順次加熱再生することができる。
【０２６９】
この装置をディーゼルトラックの排気ガス（排気量５Ｌ（リットル）、エンジン回転数２０００ｒｐｍ）の微粒子除去に適用したときの、装置全体の圧力損失の時間変動を測定した例を図２３に示す。
【０２７０】
この例ではタイマー制御により一定時間間隔（この例では約４０分）で回転スライド式開閉弁を回転させている（図２３において矢印で示すタイミング）。
【０２７１】
排ガス温度は約１６０℃で、１つのフィルタユニットの加熱再生は１ｋＷの電力投入で約６分である（平均消費電力約１５０Ｗ）。
【０２７２】
回転スライド式開閉弁が停止している状態では、フィルタユニットが微粒子を捕集し、徐々に目詰まりが進行して圧力損失が増加する。回転スライド式開閉弁が１／４回転すると、前述のように、再生が完了したフィルタユニットに排ガスが流れ始める。そのため一時的に増加していた圧力損失が低下する。
【０２７３】
［実施例６−４（図２９、図３０、図３１）］
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。
【０２７４】
この例ではエアシリンダや歯車機構で駆動棒５９を出し入れすることによって、フィルタユニットのガス流入口に一時的に蓋をするような開閉弁を示している。
【０２７５】
図３０と図３１にこの開閉弁５の動作を模式的に示す。
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。
【０２７６】
図３１は開閉弁の閉状態を示す。駆動棒５９が左側へ押し出される。リンク５８が蓋板５７を隔壁１４へ押し付ける。フィルタ入口１７が閉ざされる。電気ヒータ７に通電し粒子状物質を燃やす。
【０２７７】
この装置をディーゼルトラックの排気ガス（排気量５Ｌ（リットル））、エンジン回転数２０００ｒｐｍに適用したときの、装置全体の圧力損失を測定した例を図３２に示す。
【０２７８】
この例では約４０分間隔で４つあるフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの開閉弁を順次動作させている。
【０２７９】
図３２は４つのフィルタユニットを持つ装置において、圧力損失の時間変化を測定した結果を示すグラフである。横軸は時間、縦軸は圧力損失（ｋＰａ）である。図３２に現れるように、時刻ｔ１までは全フィルタユニットの開閉弁５は開状態となっており、全フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに排ガスが流れている。全てのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが排ガス浄化を行っている。段々フィルタが目詰まりするので圧力損失が増えていく。
【０２８０】
時刻ｔ１で、フィルタユニットＡの開閉弁を閉じる。それまで４つに分散して流れていた排ガスが、フィルタユニットＢ、Ｃ、Ｄだけに流れる。これら３つのフィルタユニットに流れる排ガス量が一時的に増大する。３つのフィルタユニットに流れる排ガスの流速が増えるので、装置全体の圧力損失が一時的に増加する。
【０２８１】
時刻ｔ１〜ｔ２の間は、閉じたフィルタユニットＡの電気ヒータに通電する。フィルタユニットＡの粒子状物質（炭素微粒子）Ｚは燃焼除去される。その燃焼ガスＵは浄化ガスＲと共に排出される。排ガス温度１６０℃、ヒータ電力約１ｋＷ（ワット密度１０ｋＷ／ｍ２）で、約６分の加熱燃焼処理で貯留粒子状物質Ｚが燃焼し尽くす。フィルタユニットＡが再生される。
【０２８２】
フィルタユニットＡの再生が完了した時刻ｔ２でフィルタユニットＡの電気ヒータの通電を停止する。フィルタユニットＡの開閉弁を開に戻す。フィルタユニットＡには炭素微粒子（粒子状物質）がない。ｔ２で装置全体の圧力損失が急激に減少する。
【０２８３】
時刻ｔ２〜ｔ３では再び全てのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに排ガスＧが流れる。浄化されたガスＲが排出される。粒子状物質Ｚがフィルタユニットに溜まり圧力損失が増える。
【０２８４】
時刻ｔ３でフィルタユニットＢの開閉弁を閉じる。更に圧力損失が増える。フィルタユニットＢの電気ヒータに通電する。ｔ４まで通電しフィルタユニットＢの粒子状物質（炭素微粒子）を加熱燃焼する。燃焼ガスＵは浄化ガスＲとして排出される。６分で再生が行われる。再生の完了した時刻ｔ４でフィルタユニットＢの開閉弁を開く。圧力損失が減少する。
【０２８５】
時刻ｔ４〜ｔ５では再び全てのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに排ガスを流す。粒子状物質がフィルタユニットに溜まり圧力損失が高まる。ｔ５でフィルタユニットＣの開閉弁を閉じＣのヒータで加熱しフィルタＣを再生する。そのように順次ひとつずつ再生を繰り返す。３つのフィルタユニットは開いているから連続的に排ガス浄化を行なうことができる。
【０２８６】
この例では、フィルタユニットの再生のタイミングをタイマー制御で実施しているが、エンジンの運転状況やその履歴および排ガス温度などに基づいて、マイコン制御などを行うこともできる。
【０２８７】
また排ガス温度が高く、フィルタに捕集した粒子状物質の加熱燃焼に必要な温度上昇量が少なくて済む場合は、電気ヒータのオンオフ制御や電流制御などにより加熱に注入するエネルギーを適宜調整すればよい。
【０２８８】
また、ディーゼルエンジンの運転状況やフィルタに堆積した粒子状物質の量によって、加熱燃焼除去に必要な酸素が不足する場合も考えられる。このような場合には、開閉弁の開度を調整し、完全に弁を閉じないで排ガスを僅かに流しながら酸素を供給したり、外気を導入して加熱燃焼再生を行っても良い。別の手法として、一旦開閉弁を閉じたフィルタユニットの弁を一時的に開状態にして、フィルタユニット内のガスを入れ替えることによって酸素を補給し、再度開閉弁を閉じて加熱燃焼除去をすればよい。
【０２８９】
一般に、酸素濃度が極端に薄くなる運転状況では排ガス温度が高いため、温度上昇量が少なくて済む。また本発明では加熱に要する時間が短くて済むので、このような操作を行っても経済的なフィルタの再生が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２９０】
【図１】炭素微粒子を濾過したフィルタ表面に電気ヒータを設け、静止空気中で空気中に露呈したままのヒータでフィルタを加熱する実験の構成図。左は加熱中を示し、黒いのは炭素粒子が表面に現れているからである。右は加熱２分後（静止空気）の状態を示す。炭素微粒子は殆どが残存している。
【０２９１】
【図２】排ガスを濾過し炭素微粒子を有するフィルタ表面に電気ヒータを設け、更に断熱材で覆い、静止空気中で断熱材で保温されたヒータでフィルタを加熱する実験の構成図。左は加熱中を示す。白っぽいのは断熱材である。右は加熱２分後に断熱材を取り除いた状態を示す。燃焼して中央部で炭素微粒子は殆ど消失している。
【０２９２】
【図３】排ガスを濾過し炭素微粒子を有するフィルタを加熱温度を６００℃、６５０℃、７００℃、８００℃として、１分、３分、５分、７分、１０分加熱した後のフィルタの一部小片を取って加熱温度と加熱時間の順に並べて撮影した写真。黒いのは炭素微粒子が残っており、白いのは炭素が燃えて消失しフィルタの地色が見えている。
【０２９３】
【図４】排ガスを濾過し炭素微粒子を有するフィルタを加熱温度を６００℃、６５０℃、７００℃、８００℃として、１分、３分、５分、７分、１０分加熱した後のフィルタの色合いなどから、燃焼除去が不良（×）なものと、中程度のもの（△）と燃焼除去が良好（○）なものを、加熱温度を横軸に、加熱時間を縦軸にしてグラフにプロットしたもの。
【０２９４】
【図５】本発明の第１の構成を示し、排ガス流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、フィルタと断熱材の間に電気ヒータを設置し、ガス入口側に開閉弁を設けた排ガス濾過装置の開閉弁を開き、排ガスを流通（濾過）させた時の状態を示す断面図。
【０２９５】
【図６】本発明の第１の構成を示し、排ガス流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、フィルタと断熱材の間に電気ヒータを設置し、ガス入口側に開閉弁を設けた排ガス濾過装置の開閉弁を閉じ、排ガスを遮断しヒータ加熱してフィルタ再生する時の状態を示す断面図。
【０２９６】
【図７】本発明の第２の構成を示し、排ガス流路にセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの入口側に電気ヒータを設置し、フィルタに対向して断熱材を面に直交する方向に往復運動するように設けた排ガス濾過装置において、断熱材を電気ヒータから離隔させて開閉弁を開き排ガスを流通（濾過）させた時の状態を示す断面図。
【０２９７】
【図８】本発明の第２の構成を示し、排ガス流路にセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの入口側に電気ヒータを設置し、対向して断熱材を面に直交する方向に往復運動するように設けた排ガス濾過装置の断熱材をヒータに接近させガス流路を閉じ、排ガスを遮断しヒータ加熱しフィルタ再生をする時の状態を示す断面図。
【０２９８】
【図９】本発明の第３の構成を示し、排ガス流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、円筒セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を開き排ガスを対向したセラミック繊維フィルタに流通（濾過）させた時の状態を示す断面図。
【０２９９】
【図１０】本発明の第３の構成を示し、排ガス流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、円筒セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けたガス濾過装置において、開閉弁を閉じ排ガスを遮断してヒータ加熱し炭素微粒子を燃焼除去しフィルタ再生をする時の状態を示す断面図。
【０３００】
【図１１】本発明の円筒状セラミック繊維フィルタの縦断側面図（１）と縦断正面図（２）。内フィルタ・電気ヒータ・外フィルタが同心構造となっている。排ガスは電気ヒータのある中間円筒から流入し、内側と外側のフィルタで濾過され内外の流路へ排出される。
【０３０１】
【図１２】本発明の第４の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、セラミック繊維フィルタと断熱材の中間に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を開き帯電した排ガスを対向したセラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過する時の状態を示す断面図。
【０３０２】
【図１３】本発明の第４の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、セラミック繊維フィルタと断熱材の中間に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を閉じ電気ヒータに通電しフィルタを加熱して滞留した炭素微粒子を燃焼除去しフィルタを再生するときの状態を示す断面図。
【０３０３】
【図１４】本発明の第５の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を開き帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過する時の状態を示す断面図。
【０３０４】
【図１５】本発明の第５の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を閉じ電気ヒータに通電しフィルタを加熱して滞留した炭素微粒子を燃焼除去しフィルタを再生するときの状態を示す断面図。
【０３０５】
【図１６】本発明の第６の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを２つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、２つのフィルタのガス入口に択一的に開閉する開閉弁を設けた排ガス濾過装置において開閉弁を操作し、一方（下方）のフィルタは帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、他方（上方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０６】
【図１７】本発明の第６の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを２つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、２つのフィルタのガス入口に択一的に開閉する開閉弁を設けた排ガス濾過装置において開閉弁を操作し、一方（上方）のフィルタは帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、他方（下方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０７】
【図１８】本発明の第７の構成を示し、筐体の軸に併せて、ドーナッツ型のセラミック繊維のフィルタを２枚向かい合わせにして、その間に電気ヒータを配置したものを１つのフィルタユニットとし、このフィルタユニットを４つ、筐体の軸方向に並べたものである。１つのフィルタユニットには外周面に環状（リング状）のガス流入口があり、全体で４つの環状（リング状）のガス流入口が設けられ、この並んだ４つの環状の排ガス流入口の面を摺動する、環状の開閉弁を設けてある。この排ガス濾過装置において、開閉弁を動かして、複数フィルタの何れか一つの流入口を閉ざし、それ以外のフィルタは排ガスを流通させて、排ガスから粒子状物質を捕集し粒子状物質を貯留してゆき、開閉弁によって流入口が閉ざされたフィルタでは電気ヒータに通電して滞留した炭素微粒子を燃焼除去しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０８】
【図１９】本発明の第８の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に二重円筒状のセラミック繊維のフィルタを４つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、４つのフィルタの４つのガス入口に回転スライド式の開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、回転スライド開閉弁を操作し、３つのフィルタには帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、１つ（上方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼し、フィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０９】
【図２０】図１９に示した４つのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを持つ本発明の第８の構成において、回転スライド式開閉弁の動作を示すための左側面図。回転スライド円板の３つの開口がフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｄに一致し、フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｄは排ガスの濾過を行っており、フィルタユニットＣは開閉弁の盲板部で閉ざされ、フィルタユニットＣは加熱されて粒子状物質が燃焼除去されている。
【０３１０】
【図２１】図１９に示した４つのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを持つ本発明の第８の構成において、回転スライド式開閉弁の動作を示すための左側面図である。回転スライド円板の３つの開口がフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃに一致し、フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃは排ガスの濾過を行っており、フィルタユニットＤは開閉弁の盲板部で閉ざされ、フィルタユニットＤは加熱されて粒子状物質が燃焼除去されている。
【０３１１】
【図２２】本発明のセラミック繊維フィルタにおいて、フィルタ再生時のヒータ面積当たりの電気ヒータ電力（ｋＷ／ｍ２）と、ヒータ加熱１０分後のフィルタ表面の温度上昇量（Ｋ）の関係を示すグラフ。
【０３１２】
【図２３】本発明の粒子状物質を含む排ガス濾過装置において、フィルタに粒子状物質が捕集堆積することによる圧力損失の増加とフィルタ再生による圧力損失の瞬時の低下が、時間的に繰り返されることを示すための装置全体の圧力損失の変動のグラフ。
【０３１３】
【図２４】帯電要素がない装置で、排ガスをフィルタで濾過した場合の、フィルタにおける粒子状物質の堆積状態を示すためのフィルタ断面の写真。粒子状物質はフィルタの奥まで到達する深層濾過となる。
【０３１４】
【図２５】帯電要素がある装置で、帯電した微粒子を含む排ガスをフィルタで濾過した場合の、フィルタにおける粒子状物質の堆積状態を示すためのフィルタ断面の写真。粒子状物質は反発力のため奥までいかず表面に滞留する表面濾過になる。反発力があり微粒子は集合せず隙間があって圧力損失の上昇が遅い。
【０３１５】
【図２６】粒子状物質を含む排ガスをセラミック繊維フィルタで濾過する装置において、帯電要素がない場合と、帯電要素がある場合において、フィルタの圧力損失の時間的な増大の速度が異なる事を示すグラフ。
【０３１６】
【図２７】処理前の排ガス、帯電要素のない装置で処理した後のガス、帯電要素のある装置で処理した後のガスの中に含まれる粒子状物質の平均粒径とその粒径を持つ粒子数濃度の分布を示すグラフ。本発明の帯電要素のない装置で濾過すると約１／１０程度に粒子数濃度が減少する。帯電要素のある装置で濾過すると約１／２００程度に粒子数濃度が減少する。
【０３１７】
【図２８】本発明でフィルタの材料として用いるセラミック繊維の電子顕微鏡写真。
【０３１８】
【図２９】本発明の第９の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電装置を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に２重円筒状のセラミック繊維のフィルタを２つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維内外フィルタの中間に円筒形の電気ヒータを設置し、２つのフィルタのガス入口に独立に開閉する２つの開閉弁を設けた排ガス濾過装置において開閉弁を操作し、一方（下方）のフィルタには帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、他方（上方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３１９】
【図３０】図２９に示した本発明の第９の構成において、独立開閉弁の動作を示す図。開閉弁はガス流入口から離れている。開状態であり、排ガスの濾過が実行されている。
【０３２０】
【図３１】図２９に示した本発明の第９の構成において、独立開閉弁の動作を示す図。開閉弁はガス流入口を閉ざしている。閉状態であり、ヒータ加熱によって粒子状物質が燃焼しフィルタの再生が実行されている。
【０３２１】
【図３２】図２９、３０、３１に示した４つのフィルタユニットと各フィルタユニットについて独立した開閉弁を持つ濾過装置において、開閉弁を操作することによって１つのフィルタユニットを閉鎖し粒子状物質をヒータで加熱燃焼させ再生させると、圧力損失が上昇と下降を繰り返すことを示すグラフ。
【０３２２】
【図３３】フィルタの厚みをｄ、熱伝導率をｋ、高密度をρ、比熱をｃと表し、横軸をｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）に、縦軸をρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）としたグラフにおいて、本発明の（１）式及び（２）式によって表現される領域を示し、厚みｄ＝０．０１ｍで材質、形態、密度などの異なる７つのフィルタについてｋ／ｄとρｃｄの値を示し、それらフィルタ材料の本発明のフィルタに対する適合、不適合を示すためのグラフ。試料Ａ、Ｂ、Ｃは不適。試料Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは（１）式を満たす。試料Ｅ、Ｆは（２）式をも満たす。
【０３２３】
【図３４】横軸をｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）に、縦軸をρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）としたグラフにおいて、本発明の（１）式及び（２）式によって表現される領域を示し、厚みｄ＝０．０５ｍで材質、形態、密度などの異なる７つのフィルタについてｋ／ｄとρｃｄの値を示し、それらフィルタ材料の本発明のフィルタに対する適合、不適合を示すためのグラフ。試料Ａ、Ｂ、Ｄは不適。試料Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｇは（１）式を満たす。試料Ｅ、Ｆ、Ｇは（２）式をも満たす。
【０３２４】
【図３５】横軸をｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）に、縦軸をρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）としたグラフにおいて、ヒータのパワー密度Ｑ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で３００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を実線（甲）で示す。Ｑ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を一点鎖線（乙）で示す。Ｑ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で５００ｓｅｃ以内に３００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を二点鎖線（丙）で示す。Ｑ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を破線（丁）で示す。
【符号の説明】
【０３２５】
１筐体
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンなどから排出されるガス中の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）を捕集し、除去する装置に関する。ディーゼルエンジンは大型自動車のエンジンとして広く採用されている。軽油、重油を燃料とし経済性に富む。ディーゼルエンジンはガソリンエンジンのような点火プラグがない。圧縮比が大きくて圧縮したエンジンに軽油、重油を霧状に吹き込むことによって発火させる。熱効率が高く、排気量が大きく、力が強く、長寿命であるという優れた長所がある。
【０００２】
しかしディーゼルエンジンは排ガスが重大な環境汚染を引き起こす。ひとつは窒素酸化物ＮＯｘを排出するということである。もうひとつは未燃物（おもに炭素微粒子）を排ガスに含むということである。空気と燃料の比率によってこれらの排出量が変わる。空気量を増やすと窒素酸化物が増える。空気量を減らすと未燃物（粒子状物質：ＰＭ）の排出が増える。ここで排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）という言葉を用いるが、それは可燃性の粒子状物質である。主に未燃の炭素微粒子のことである。炭素微粒子の残留のため排ガスは黒みを帯びる。
【０００３】
未燃物を減らすためには供給空気量を増やせばよいが、そうすると窒素酸化物が増えるからそれも限界がある。だからディーゼルエンジン排ガス中には必ず炭素が含まれる。排ガス中に炭素が含まれるのでこれを除去してから大気中へ放出しなければならない。
【０００４】
排ガス中に炭素は微粒子固体として存在する。排ガスを目の細かいフィルタに通すと、粒子状物質（主に炭素微粒子）を濾過除去できる。フィルタに粒子状物質が溜まっていく。この過程を排ガスの浄化という。フィルタに粒子状物質をいつまでも溜めておくわけには行かない。圧力損失が増えてガス流がフィルタを通り難くなる。だからある程度溜まると、粒子状物質をフィルタから除去しなければならない。粒子状物質は主に炭素からなり、炭素は燃やすことができる。燃やすと二酸化炭素になってしまうので好都合である。そこである程度粒子状物質が溜まると燃焼除去する。これをフィルタの再生と言っている。
【０００５】
炭素を燃やす時に新たに外部から空気を入れると、フィルタ、炭素粒子、雰囲気の温度が下がり、補償するため多大の加熱エネルギーが必要になる。そこで捕集された炭素を燃焼するとき、外部空気を入れず高温の排ガスに含まれる酸素を利用する。だからガス導入による温度下落はない。排ガスは燃焼後のガスであるから酸素は存在しないように思われるが事実はそうではない。５〜１０％程度の酸素が排ガスに含まれる。残留酸素を使って炭素を燃焼除去する。それにより加熱エネルギーを節減できる。
【背景技術】
【０００６】
ディーゼルエンジンから排出されるガス中の粒子状物質除去装置としては、セラミックハニカム構造体からなるフィルタと、セラミック繊維からなるフィルタを利用する装置が知られている。セラミックハニカム、セラミック繊維フィルタのいずれも排ガスをフィルタに通して粒子状物質を細孔や網目に引っかけて除去する（濾過）ものである。ある程度粒子状物質（炭素粒子など）が蓄積されると、燃焼し二酸化炭素にして大気中へ放散する。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３７１５３
【特許文献２】特開平０８−３１２３２９
【０００８】
特許文献１は、セラミックハニカム構造体からなるフィルタであって、通気性多孔質構造を持つハニカム壁面によって粒子状物質を濾過するものである。ハニカム壁面に捕捉される粒子状物質は、ガスを一時的に高温に加熱することによって酸化燃焼除去される。加熱燃焼手段としては、酸化触媒に燃料を吹き付け燃焼させるものや、電気ヒータで加熱燃焼させるものなどが提案されている。
【０００９】
特許文献２は、セラミック繊維からなるフィルタとして、通気性を持つ薄い布状の高耐熱性の炭化珪素セラミック繊維の織物をプリーツ状に成形したものによって粒子状物質を濾過するものを開示している。
【００１０】
特許文献２は、セラミック繊維に捕捉された粒子状物質が、セラミック繊維を挟み込むように配置された電気ヒータによる加熱によって酸化燃焼除去されるものを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載のセラミックハニカム構造体を持つフィルタは、密度が高いので非常に高い粒子状物質（炭素粒子）捕集効率を有する。しかしセラミックハニカムフィルタは高価であって、破損しても容易に交換できない。そのため破損しないよう高い耐久性が要求される。セラミックハニカムフィルタは、硬質の壁面を多数持つので、捕捉した粒子状物質を加熱燃焼除去する際に、強い熱応力や局所的な過熱によって、亀裂が入ったり溶損する場合がある。そのようなセラミックハニカムフィルタの損傷を防ぐために、ガスの状態の監視、フィルタの粒子状物質捕集状況の予測、エンジン制御との複雑な連携などを必要とする。そのため、扱いが非常に難しいという問題があった。
【００１２】
特許文献２に記載のセラミック繊維からなるフィルタは、柔らかい繊維からなるので、熱応力、局所加熱による亀裂発生といった問題がない。その点では扱い易い。しかし従来のセラミック繊維フィルタは、セラミックハニカム構造体からなるフィルタに比べて、粒子状物質捕集効率が低いという欠点がある。また捕集した粒子状物質を電気ヒータで加熱し酸化燃焼除去するために、大きい電力を要するという問題があった。
【００１３】
本発明はそのような従来の問題を解決し、耐久性に優れ、捕集した粒子状物質の加熱燃焼除去に要する消費電力を著しく低減することのできる粒子状物質除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
［第１の発明（フィルタ／ヒータ／断熱材）］
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。
【００１５】
通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面に近接する形で断熱材を配置することによって、ヒータ要素による通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面の加熱効率が高まり、通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質を、少ない熱エネルギーで燃焼除去することができる。
【００１６】
［第２の発明（フィルタ／ヒータ／フィルタ）］
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。
【００１７】
断熱性を有する通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面を相対向する形で近接配置することによって、ヒータ要素による通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面の加熱効率が高まり、通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質を、少ない熱エネルギーで燃焼除去することができる。
【００１８】
［第３の発明（帯電＋濾過）］
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。
【００１９】
さらに通気性フィルタ材に捕集される粒子状物質を通気性フィルタ材の上流側表面に局在化することができる。それによってヒータ要素による粒子状物質の燃焼効率が一層高くなり、より少ない熱エネルギーで通気性フィルタ材の再生が可能になる。
【００２０】
［第４の発明（ρｃｄとｋ／ｄによる限定）］
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。
【００２１】
ρｃｄ≦６００ｋ／ｄ［−ｌｎ｛１−０．０１９（ｋ／ｄ）｝］ （１）
【００２２】
より好ましくは（２）式を満たすものとする。
【００２３】
ρｃｄ≦６００ｋ／ｄ［−ｌｎ｛１−０．０４７５（ｋ／ｄ）｝］（２）
【００２４】
ρｃｄはフィルタ単位面積当たりの熱容量である。ｋ／ｄはフィルタの表裏面間での伝熱の容易さを示す。断熱性が重要なので伝熱困難な方がよい。だから伝熱容易さに対してｋ／ｄ≦５０Ｗ／ｍ２Ｋ或いはｋ／ｄ≦２０Ｗ／ｍ２Ｋという伝熱困難の条件を課す。
【００２５】
さらにフィルタの単位面積当たりの熱容量ρｃｄに対し上のような条件を付け、フィルタは熱容量が小さいものであることを要求する。フィルタは伝熱困難性と低熱容量を備えることが必要である。
【００２６】
［第５の発明（生体溶解性繊維のフィルタ材への使用）］
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。
【００２７】
［第６の発明（複数フィルタユニット、連続浄化、再生の巡回）］
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。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の装置は、断熱性を有する通気性セラミック繊維をフィルタとして排ガス流路に設け、近接してヒータ要素を設け、ディーゼルエンジン排ガスなどに含まれる粒子状物質（ＰＭ：炭素微粒子など）を除去するものである。
【００２９】
フィルタが目詰まりしてくれば、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してフィルタを再生する。
【００３０】
本発明の特徴は、断熱性を持つフィルタを利用し、フィルタの粒子状物質捕集面に近接する形で断熱材を配置し、フィルタ表面と断熱材の間にヒータ要素を組み込んだことである。ヒータ要素によって捕集された粒子状物質を燃やす。
【００３１】
外部から新たに空気を入れず、排ガス中の酸素だけを使って粒子状物質（主に炭素微粒子）を燃やす。熱が逃げないのでフィルタの加熱効率が高い。少ない熱エネルギーの供給によってフィルタの再生を行うことができる。
【００３２】
断熱材とフィルタを別体とすることもできる。或いは断熱材をフィルタ兼用とすることによって、コンパクト化を図ることもできる。
【００３３】
また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、排ガス中の粒子状物質を帯電させ、フィルタ材の粒子状物質捕集性能が高まる。それによって圧力損失上昇速度も抑制される。さらに粒子状物質の加熱効率も一層向上する。
【００３４】
本発明によって少ない熱エネルギー（電気ヒータを使う場合は、少ない消費電力）でフィルタの再生が可能で、粒子状物質の除去性能に優れた粒子状物質除去装置を提供する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
［第１の発明について］
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。
【００３６】
しかしながら、この方法では電気ヒータに多大な電力を要する。例えばディーゼルエンジンの排ガス浄化の用途にこの方法を適用すると、エンジンの燃費を著しく悪化させる。
【００３７】
特許文献２の電気ヒータに多大の電力を要した原因は、熱効率の悪さにある。熱効率が悪い原因は、電気ヒータによって供給される熱エネルギーが、フィルタに捕捉された粒子状物質の加熱以外に散逸損失があり、この散逸損失を十分に下げることができなかったからである。
【００３８】
本発明者らは、市販されている繊維径数ミクロン、嵩密度１３０ｋｇ／ｍ３，厚み１５ｍｍ程度のセラミック繊維からなるブランケットがディーゼルエンジントラックの排ガスに含まれる粒子状物質の捕集に優れた適性を持つ事を実験的に見い出した。
【００３９】
このセラミック繊維からなるブランケットは、ディーゼルトラックの排ガスを線速度１ｍ／ｓ以下で流通させると、圧力損失は１０００Ｐａ程度（０．０１ａｔｍ）であった。このブランケットの粒子状物質捕集効率はセラミックハニカム構造体（特許文献１）からなるフィルタには及ばないものの、炭化珪素セラミック繊維の織物をプリーツ状に成形したフィルタ（特許文献２）よりは粒子状物質捕集効率が高いということを実験的に見い出した。
【００４０】
更にその上に、それにこのセラミック繊維からなるブランケットが、非常に良好な断熱性と耐熱性を持つということを見い出した。そのような性質に着目して本発明を成したものである。
【００４１】
断熱性、耐熱性が良いフィルタを用いるのは、フィルタの再生を容易にするためである。
【００４２】
本発明の粒子状物質捕集除去装置は、濾過そのものよりフィルタ再生に重点がある。
【００４３】
低いエネルギー消費で簡単にフィルタ再生を行えるようにすることが本発明の目的である。
【００４４】
本願発明の第一の発明では、通気性フィルタ材に断熱性を有するものを用い、且つ通気性フィルタ材に断熱材を近接配置し、該通気性フィルタ材と断熱材の間にヒータ要素を配置する。そうすることによって、ヒータ要素からの熱エネルギーが、通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面の加熱以外に外部へ散逸することを抑制している。熱エネルギーの散逸損失が殆ど０である。ヒータエネルギーが殆ど全部粒子状物質の加熱燃焼に使われる。そのため通気性フィルタ材に捕集した粒子状物質をより少ない熱エネルギーで燃焼除去することができる。
【００４５】
この作用について詳しく説明する。
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。
【００４６】
図１は、粒子状物質捕集後のセラミック繊維フィルタ上に電熱線を設け、電熱線の上に断熱材を設けず、外部に露出した電熱線で粒子状物質を加熱する実験を示す。静止空気中でこの状態で加熱する。左が加熱初期を示す。フィルタ上の黒い部分が粒子状物質（炭素微粒子）である。右が加熱２分後の状態を示す。フィルタ表面は依然として黒い。多くの粒子状物質がフィルタ上に残留している。露呈したヒータでは熱の逃げのため温度が上がらず、粒子状物質を充分に加熱燃焼できないということである。
【００４７】
図２は粒子状物質捕集後のセラミック繊維フィルタの上に電熱線を設け、更にセラミック繊維断熱材で電熱線を覆い、その状態で同じ電力を電熱線に与えフィルタを加熱した実験を示す。左は加熱初期の写真である。白っぽく見えるのは断熱材である。右は加熱２分後に断熱材を取って内部の状態を現したものである。電熱線の存在する中央部は白っぽくなっている。炭素微粒子（粒子状物質）が中央部では殆ど燃焼し消失したということを示す。粒子状物質が殆ど燃焼除去されている。
【００４８】
何れも室内の静止空気中で行った。ヒータ電力と加熱時間も同一である。それなのに電熱線が露呈した図１では、炭素が殆どそのまま残り、電熱線を断熱材で覆い温度下落を防ぐ図２では、炭素微粒子は殆ど燃焼消去されている。
【００４９】
この実験の結果から、セラミック繊維フィルタ・ヒータに近接してセラミック繊維を配置し、ヒータを両側からセラミック繊維で覆うようにすることによって熱の逃げを防ぎ、著しくヒータの熱効率が高くなり、少ない熱エネルギーでフィルタに捕集した粒子状物質を充分に燃焼除去できることを見い出した。
【００５０】
ここで重要な事は、静止空気中であっても、ヒータの上に断熱材を置かなければ図１に示すように極めて熱効率が悪く、フィルタに捕集した粒子状物質を燃焼除去できないということである。空気自体は熱伝導率が低いが、対流現象によって簡単に熱の散逸が起こってしまうのである。
【００５１】
従来技術では加熱効率を高めるため、フィルタに流入するガスを遮断して加熱することが行われてきた。加熱部位の周囲の空気が対流現象によって、熱容量が大きくて熱伝導性の高い金属や、熱伝導性は低くても熱容量の大きいバルク状のセラミックに熱を伝えてしまう。そのため加熱エネルギーの散逸損失が大きかった。
【００５２】
［第１の発明について（フィルタ／ヒータ／断熱材）］
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。
【００５３】
なお断熱材としては、熱容量の小さいものが好ましい。セラミック繊維や気孔率の高いスポンジ状のセラミックが適している。
【００５４】
また断熱材は加熱時に一時的に通気性フィルタ材に密着させる処置を講じても良い。しかし必ずしも密着させる必要はない。断熱材と通気性フィルタ材の間隙の空気が、対流現象で間隙外に流出しにくい構造になっていればよい。実験によれば、断熱材と通気性フィルタ材の間隙が数ｃｍ程度でも、密着させた場合と遜色のない加熱特性が得られるということを確認した。
【００５５】
［第２の発明について（フィルタ／ヒータ／フィルタ］
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。
【００５６】
［第３の発明について（帯電＋濾過）］
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。
【００５７】
帯電要素を負極性直流コロナ放電管とし、フィルタ材を市販されている繊維径数ミクロン、嵩密度１３０ｋｇ／ｍ３、厚み１５ｍｍ程度のセラミック繊維からなるブランケットとして、排ガスを通し粒子状物質を捕集する実験をした。このフィルタに、線速度１ｍ／ｓ以下でディーゼルトラックの排ガスを流通させた。
【００５８】
粒子状物質捕集効率は、セラミックハニカム構造体からなるフィルタ（特許文献１など）と同程度もしくはそれ以上になることを見い出した。これは粒子を帯電させると捕集効果が著しく増大するということである。帯電にはそれ以外にも２つの優れた効果がある。
【００５９】
セラミック繊維からなる通気性フィルタ材は、粒子状物質の捕集量が増えるにつれ、ガスの流路が粒子状物質で埋められて狭まるため、圧力損失が上昇する。しかしこの発明では、帯電要素によって粒子状物質を帯電させるので、セラミック繊維からなる通気性フィルタ材の圧力損失、上昇速度が抑制されるということを見い出した。これは新規な効果の１つである。
【００６０】
粒子状物質が帯電すると通気性フィルタ材に捕捉される際に、粒子状物質同士が静電力で適度に反発しながら通気性フィルタ材に堆積する。それで表面に局在し、そのためガス流路の狭窄が緩和されるものと考えられる。
【００６１】
粒子状物質を捕集した後の、セラミック繊維からなる通気性フィルタ材の断面を観察した。
【００６２】
粒子状物質を帯電要素で帯電しない場合は、深層濾過のような形、つまり粒子状物質がフィルタの奥（下流側）の方まで入り込む形でフィルタに捕集される。つまりフィルタの厚み方向で捕集粒子密度はほぼ同一である。
【００６３】
粒子状物質を帯電要素で帯電する場合は、表面濾過のような形、つまり粒子状物質が主にフィルタの表面（上流側）で主に捕集される。フィルタの奥の方（下流側）まで入り込まないで、表面で殆どが捕獲されるのである。そのため圧力損失の上昇速度が遅くなる。
【００６４】
それだけでなくフィルタ厚み方向に不均一な捕集粒子分布は、ヒータ加熱にとって極めて好都合であることが分かる。フィルタ表面（上流側）で高密度、裏面（下流側）で低密度の粒子分布になるが、ヒータは表面近くにあり、粒子とヒータ距離が接近し、微粒子はヒータによってより強力に加熱される。複雑な多孔質であるフィルタの目の奥にある微粒子に、ヒータの熱線（赤外）は輻射によっては届かない。断熱性の高いフィルタなので、熱伝導によってなかなか奥の微粒子まで熱が届かない。
【００６５】
空気対流はフィルタの複雑な網目構造で抑制されるから、対流で熱が奥まで伝わらない。つまりフィルタ網目の奥に捉えられた微粒子は、フィルタの断熱性多孔性が却って仇になりヒータ加熱が困難になる。ところが排ガスを帯電させると、表面濾過になり微粒子は表面に局在し、輻射、伝導、対流によって熱が容易に微粒子に伝わるので、捕集微粒子のヒータ加熱が著しく有効になる。
【００６６】
つまり粒子状物質は帯電要素によって帯電すると、ヒータ要素による加熱によって、最も温度が高くなるフィルタ表面（上流側表面）に局在化して捕集されることになる。そのためヒータ要素により粒子状物質の燃焼効率がより一層高くなり、より少ない熱エネルギーで炭素粒子などを燃焼消去でき、通気性フィルタ材の再生が可能になる。
【００６７】
それらの作用効果は、排ガス中の粒子状物質を帯電させれば得られるものであって、帯電要素としては、コロナ放電が使いやすい。コロナ放電の他に放電現象によって空間中に帯電粒子を供給できる他の放電方式、例えば無声放電などでも良いし、また放射線や電子線などの他の帯電手段を用いることもできる。
【００６８】
［第４の発明について（ｋ／ｄとρｃｋの範囲）］
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。
【００６９】
通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面を、粒子状物質の燃焼除去に必要な温度まで加熱するのに要するヒータ要素の能力を考える上で、通気性フィルタ材の熱伝導率ｋと厚さｄの比および通気性フィルタ材の嵩密度ρと比熱ｃとに関する要件は重要である。以下に詳しく説明する。
【００７０】
まず粒子状物質の燃焼除去に必要な加熱温度について説明する。
【００７１】
例としてディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質を除去する場合を考える。この場合、粒子状物質は主としてカーボンである。酸化燃焼除去するには５５０℃以上に加熱する必要がある。
【００７２】
電気炉を用いて粒子状物質を捕集した通気性フィルタ材の小片を空気中で加熱し、加熱温度と処理時間の関係を調べた。その結果を図３、図４に示す。
【００７３】
図３の写真は、加熱時間と加熱温度を変化させて加熱処理した後の通気フィルタ小片１７個の外観である。加熱温度は８００℃、７００℃、６５０℃、６００℃の４種類である。加熱時間は１０分、７分、５分、３分、１分の５種類である。これら小片を温度、時間の順に縦横に並べて写真を撮ったものである。通気性セラミック繊維フィルタはもともと白い色をしているが、粒子状物質を濾過したフィルタは黒色の粒子状物質で真っ黒になってしまう。黒く見えるものは粒子状物質が大量に付着しているということである。
【００７４】
加熱処理前は、フィルタの面にカーボンを主体とする粒子状物質が表面を覆っているので黒く見える。加熱処理後は、カーボンが燃焼してフィルタの地の白い色が見える。つまり白く見えるようになれば再生できており良い結果である。表面が黒いままだと、炭素粒子が大量に残存しフィルタが再生されていないということである。
【００７５】
６００℃の加熱温度では１０分経っても小片は黒い。カーボンが全面に残っている。だから６００℃では、１０分加熱しても（炭素）粒子状物質の酸化燃焼除去効果は少ない。
【００７６】
図４は横軸に加熱温度（℃）、縦軸に加熱時間（分）を取り、図３のフィルタの加熱処理を、その加熱時間、温度の座標点に対応させたものである。○は再生良好、△は中程度、×は再生不良であることを表す。
【００７７】
図４の右下がり曲線が臨界線である。これより右上に加熱時間、加熱温度があるような処理によってフィルタ再生ができ、これより左下の加熱時間、加熱温度の処理ではフィルタ再生ができないということである。
【００７８】
加熱温度６５０℃では加熱時間３分では黒く、加熱時間７分で白くなる。これから加熱温度６５０℃の場合は、７分程度で十分な酸化燃焼除去効果が得られることが分かる。
【００７９】
加熱温度７００℃では、１分では黒く、３分、５分、７分で白くなっている。この結果から７００℃の加熱では３分程度で十分な酸化燃焼除去効果があることが分かる。
【００８０】
８００℃の加熱温度では１分、３分、５分、７分加熱でフィルタ片が白くなっている。８００℃加熱の場合は１分でも十分な効果が上がる。実用的には７００℃以上で数分（３分〜７分）程度の加熱時間とするのが良い。
【００８１】
なお、セラミック繊維の材質を適切に選定することによって、９００℃程度でも十分な耐久性を持つセラミック繊維が市販されている。９００℃とすれば１分以下でフィルタ再生が可能である。
【００８２】
ディーゼルトラックの排ガス温度は、アイドリング時で７０℃程度、都市部走行時で平均２００℃程度以下である。このような条件下で、粒子状物質の燃焼除去（フィルタ再生）を行うためには、５００Ｋ（℃でも同じ）から６００Ｋ程度の温度上昇量を数分程度維持できる加熱能力が必要となる。
【００８３】
ディーゼルトラックなど車載用途で、ヒータ要素として電気ヒータを用いる場合、フィルタ再生に必要なヒータ消費電力は１ｋＷ程度以下であることが望ましい。また加熱時間は１０分程度以下であることが望ましい。これより大きい電力、長い加熱時間とすると経済性において劣り望ましくない。
【００８４】
そのような制約下で、前記のような粒子状物質の燃焼除去を行うためには、フィルタの材質と形状の選定が重要になる。
【００８５】
通気性フィルタ材をシート状として最も簡単にモデル化して考える。
【００８６】
フィルタ材の熱伝導率をｋ（単位Ｗ／ｍＫ）、フィルタの厚さをｄ（単位ｍ）、フィルタ面積をＳ（単位ｍ２）とする。フィルタ材の粒子状物質捕集面Ａ（上流側面）と他方の面Ｂ（下流側面）との温度差ΔＴ（単位Ｋ）があるとする。温度差ΔＴがあって厚みがｄなので温度勾配がΔＴ／ｄである。熱流は温度勾配に熱伝導率ｋを掛けたものｋΔＴ／ｄである。フィルタの面積をＳとするとそのＳ倍の熱流ｋＳΔＴ／ｄが高温側Ａから低温側Ｂへ流れる。そのような熱流を流すには、ヒータ要素がそれと同じ熱量を発生すればよい。
【００８７】
だから、厚みｄ、熱伝導率ｋ、面積Ｓで、表裏面温度差ΔＴのフィルタを加熱するために、次式で表される発熱量Ｑ（単位Ｗ）のヒータ要素が必要である。
【００８８】
Ｑ（Ｗ）＝ＳｋΔＴ／ｄ （３）
【００８９】
この式を変形して、ヒータ要素の単位面積あたりの必要な発熱量Ｑ／Ｓが求められる。
【００９０】
Ｑ／Ｓ ＝ ｋΔＴ／ｄ （４）
【００９１】
ｋ／ｄに温度差ΔＴを乗じた値に等しい発熱密度Ｑ／Ｓ（単位Ｗ／ｍ２）を持つヒータ要素が必要である。
【００９２】
ヒータ要素として電気ヒータを用いると仮定する。発熱密度を高くするとヒータの寿命が短くなることが一般に知られている。
【００９３】
ヒータの耐久性の観点から、実用的な発熱密度を２５ｋＷ／ｍ２以下、より好ましくは１０ｋＷ／ｍ２以下にするのが望ましい。つまり
【００９４】
Ｑ／Ｓ ＝ ｋΔＴ／ｄ ≦ ２５０００Ｗ／ｍ２ （５）
【００９５】
とする必要がある。より好ましくは
【００９６】
Ｑ／Ｓ ＝ ｋΔＴ／ｄ ≦ １００００Ｗ／ｍ２ （６）
【００９７】
とする。これでヒータの発熱密度の上限が与えられる。
【００９８】
前述の通り、ディーゼルエンジンの粒子状物質の燃焼除去のためには、実用上５００Ｋ（℃でも同じ）程度の温度上昇が必要となる場合がある。そのような場合に対応するために、ΔＴを５００Ｋとおいてみる。その条件で決まるｋ／ｄは、より低い温度差ΔＴにおいても（５）或いは（６）を満足することができる。だからΔＴ＝５００Ｋとして考えれば良い。
【００９９】
ｋ／ｄ≦５０Ｗ／ｍ２Ｋ （７）
【０１００】
となるが、より好ましくは、
【０１０１】
ｋ／ｄ≦２０Ｗ／ｍ２Ｋ （８）
【０１０２】
としたフィルタ材料、形状のものを選ぶべきである。
【０１０３】
つまり（７）、より好ましくは（８）で示される熱伝導率ｋと厚さｄの比ｋ／ｄを持つフィルタ材を採用することで、ヒータ要素の耐久性に対する要求を緩和することができる。それによってフィルタの実用的な加熱再生が可能となる。
【０１０４】
一方、通気性フィルタ材の粒子状物質捕集面を所望の温度に上昇するためには、有限の昇温時間が必要になる。
【０１０５】
この昇温時間を決めるのは、通気性フィルタ材の比熱ｃ（単位Ｊ／ｋｇＫ）とフィルタ材の嵩密度ρ（単位ｋｇ／ｍ３）とフィルタ厚みｄ（単位ｍ）である。
【０１０６】
先と同様に通気性フィルタ材をシート状として簡単にモデル化し、フィルタの加熱面と非加熱面の温度差の時間変化ΔＴ（ｔ）は次の式によって概略評価することができる。
【０１０７】
ΔＴ（ｔ）＝ΔＴ０×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）｝ （９）
【０１０８】
ここで、
【０１０９】
ΔＴ０＝（Ｑ／Ｓ）×（ｄ／ｋ） （１０）
【０１１０】
τ＝（Ｄ×ρａ×ｃａ＋ｄ×ρ×ｃ／２）×（ｄ／ｋ）（１１）
【０１１１】
Ｄ：断熱材とフィルタの間の空気層の厚さ
ρａ：空気の密度、ｃａ；空気の比熱
【０１１２】
Ｄをｄと同程度とすれば、一般にＤ×ρａ×ｃａはｄ×ρ×ｃ／２に比べて十分に小さい。空気の項を無視する近似で、τは、
【０１１３】
τ〜ｄ２×ρ×ｃ／２ｋ＝ｄ２ρｃ／２ｋ （１２）
である。
【０１１４】
（９）、（１２）式から分かるように、τは昇温時間の時定数に相当する。τの３倍の時間が経過すれば、ΔＴ（ｔ）はΔＴ０の９５％以上に達する。工学的にはほぼ熱平衡に達したものと考えることができる。そこで、前述の（７）式、（８）式の条件との整合性を考え、（９）式を次の（１３）式のように書き換えても工学的な意味合いはほぼ同じである。
【０１１５】
ΔＴ（ｔ）＝ΔＴ０×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）｝／０．９５ （１３）
【０１１６】
前述のとおり、ディーゼルエンジンの粒子状物質の燃焼除去のためには、実用上５００（Ｋ）程度の温度上昇が必要となるケースがあり、これに対応できる必要がある。
【０１１７】
また、実用的には加熱時間は１０分程度以下とするのが好ましい。粒子状物質の燃焼のための高温維持時間を５分とすると、昇温時間は５分（＝３００秒）以下にできることが望ましい。つまり、（１３）式において、ｔ＝３００（秒）でΔＴ（ｔ）が５００（Ｋ）以上になることが望ましい。これを式で表現すれば、
【０１１８】
５００（Ｋ）≧ΔＴ０×｛１−ｅｘｐ（−３００（秒）／τ）｝／０．９５（１４）
【０１１９】
（１４）式を（１０）式、（１２）式を用いて書き換えると次式を得る。
【０１２０】
ρｃｄ≦−２×（ｋ／ｄ）×３００／ｌｎ｛１−０．９５×（ｋ／ｄ）・（５００／（Ｑ／Ｓ））｝ （１５）
【０１２１】
（１５）式の右辺にマイナスの符号が付くのは、右辺の分母の自然対数がマイナスの値になるためである。だから右辺は正である。この式の持つ物理的意味合いは、昇温時間を実用的な値に短くするためには、フィルタ材の単位面積当たりの熱容量に対応する嵩密度ρと比熱ｃと厚みｄの積ρｃｄが（１５）式で規定される数値以下であることが重要である、ということである。
【０１２２】
当然ながら、フィルタの温度上昇時間を短くするためには、フィルタの熱容量ρｃｄＳが小さいことが望ましいのである。
【０１２３】
ところで、前述のとおり、発熱密度（ワット密度）Ｑ／Ｓ（Ｗ／ｍ２）は実用的には２５（ＫＷ／ｍ２）以下、より好ましくは１０（ＫＷ／ｍ２）以下にするのが良い。従って（１５）式は次のように書き換えることができる。
【０１２４】
ρｃｄ≦−６００×（ｋ／ｄ）／ｌｎ｛１−０．０１９×（ｋ／ｄ）｝（１６）
【０１２５】
となる。右辺は正である。ｋ／ｄが５０Ｗ／ｍ２Ｋより小さいので自然対数ｌｎの真数は正である。より望ましくは
【０１２６】
ρｃｄ≦−６００×（ｋ／ｄ）／ｌｎ｛１−０．０４７５×（ｋ／ｄ）｝（１７） という条件になる。
【０１２７】
これはｋ／ｄが２０Ｗ／ｍ２Ｋより小さいと自然対数ｌｎの真数は正である。このようにして得られた（１６）式が前掲の（１）式であり、（１７）式が前掲の（２）式である。
【０１２８】
以上、要するに、フィルタ材としては、（７）式、（１）式を同時に満足する。また、より望ましくは、（８）式と（２）式を同時に満足するものを採用することによって、より少ない熱エネルギーの投入で効率よくフィルタの加熱再生が可能となる装置を提供することができるのである。
【０１２９】
［第５の発明について（生体溶解性繊維）］
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。
【０１３０】
セラミック繊維の組成を非アルミナ系で、二酸化珪素（シリカ）、酸化マグネシウム（マグネシア）、酸化カルシウム（カルシア）を主たる成分とする生体溶解性繊維とすることによって、装置が破損するなど何らかの原因で、フィルタ材のセラミック繊維の屑が装置外へ排出されても、生体への影響の少ない装置を提供する事ができる。
【０１３１】
［第６の発明について（複数のフィルタユニット；濾過・再生を順次切り替える）］
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。
【０１３２】
これにより、通気性フィルタ材の加熱再生時にガスの供給を停止したり、ガスを未処理のままバイパスする必要がなくなり、連続的に粒子状物質の捕集と通気性フィルタ材の再生が可能となる。
【実施例１】
【０１３３】
［実施例１（第１の発明の実施例）］
［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。
【０１３４】
隔壁１４、６４の間はフィルタ入口１７となっている。フィルタ入口１７の直前には開閉弁５があり、フィルタ入口１７を開閉することによって、ガスを流通・遮断している。フィルタ３ではガスの流れが軸線と直交する方向に変わる。フィルタ３は厚みｄ、幅ｗ、長さｌを持ったセラミック繊維Ｆを長手方向（軸線）に設けたものである。セラミック繊維の前端は隔壁１４に、後端は隔壁１５によって支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
【０１３５】
フィルタ３に対向してセラミック繊維Ｆによる断熱材６が長手方向に伸びるよう設けられる。断熱材６の前端は隔壁６４に、後端は隔壁６５によって支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
【０１３６】
フィルタ３も断熱材６も同様な材質のセラミック繊維で構成できる。断熱材６はガスが通らず濾過作用はない。断熱作用だけである。フィルタ３はガスが通り濾過作用がある。フィルタ３は断熱作用もある。
【０１３７】
フィルタ３と断熱材６の間に、両者に近接して軸線方向に伸びる電気ヒータ７が設けられる。電気ヒータ７は、外部のヒータ電源８からコードを通じて給電される。途中にスイッチ９がある。フィルタ３と断熱材６で挟まれる狭い上流側流路１８が軸線方向にできる。上流側流路１８の入口１７が開閉弁５によって開閉される。フィルタ３の外側の空間は軸線に平行な下流側流路１９となっている。
【０１３８】
開閉弁５が開いている場合、ガス入口２から入った排ガスＧは前室１２で広がり、フィルタ入口１７から上流側流路１８に入る。断熱材６の方は封鎖されているので流れない。排ガスＧはフィルタ３の多孔質繊維の中へ入る。フィルタ３を軸線と直交する方向に通り抜ける。粒子状物質Ｚはフィルタ３のセラミック繊維の間に濾過されて残る。粒子状物質Ｚの除去された浄化ガスＲは下流側流路１９に入り、軸線と平行に流れを変えてガス出口４から出ていく。
【０１３９】
この例ではヒータ熱を閉じ込めるため、粒子状物質Ｚを捕集するシート状の通気性セラミック繊維フィルタ３に対向して、シート状の断熱材６を近接配置する。断熱材６とセラミック繊維フィルタ３の狭い間隙に電気ヒータがあるので、加熱が効率的に行われる。断熱材６とフィルタ３の間隙は１ｃｍ〜５ｃｍ程度（０．０１ｍ〜０．０５ｍ）である。その間隙の上流側流路１８を通ってガスがフィルタ３に流れるようになっている。
【０１４０】
排ガスＧを濾過するときは開閉弁５を開く。開閉弁５が開状態のときはフィルタ３に排ガスＧが流れ、排ガスＧ中の粒子状物質Ｚはフィルタ３に捕集され、ガスが浄化される（図５）。このとき電気ヒータには通電しない。
【０１４１】
やがてフィルタ３は粒子状物質Ｚによって目詰まりし、圧力損失が増大していく。そこで定期的或いは随時、粒子状物質Ｚをフィルタから除去する必要がある。粒子状物質Ｚは炭素微粒子を主体とし可燃性である。燃やすことによって除去できる。フィルタ３に捕集した粒子状物質Ｚを加熱燃焼除去する時は、開閉弁５を閉状態にし、フィルタ入口１７を閉ざす。
【０１４２】
ガスの流れを遮断してからスイッチ９を閉じて、電気ヒータ７に通電する（図６）。ヒータによって上流側流路１８やフィルタ３の温度が５００Ｋ近く上昇する。フィルタ３、断熱材６があるので電気ヒータ７の熱は逃げず、有効に粒子状物質Ｚを加熱することができる。フィルタ３に捕集された粒子状物質Ｚが加熱燃焼し除去される。燃焼ガスＵがガス出口４から排出される。これをフィルタの再生という。
【０１４３】
フィルタの再生が完了したら、スイッチ９を遮断し電気ヒータ７への通電を停止する。開閉弁５を開状態に戻し、再び排ガスＧをフィルタ３へ流し、排ガスＧから粒子状物質Ｚを捕集できるようにする。このようにフィルタ３は粒子状物質捕集と加熱再生の過程を繰り返す。
【０１４４】
フィルタの加熱再生のタイミングは用途に応じて、例えばタイマー制御で所定の時間で自動的に加熱再生を行うようにしてもよいし、或いはフィルタの圧力損失やフィルタの上流側の圧力を検出し、その値が設定値以上になれば再生するようにしてもよい。
【０１４５】
また加熱時間は、ガス温度と粒子状物質の堆積量や燃焼温度に応じて適宜選定すればよい。フィルタ温度やガス温度を検出して加熱時間を制御するようにしてもよい。
【０１４６】
電気ヒータの制御としては、電流制御、オンオフ制御など一般的に知られている手法を採用することができる。
【０１４７】
フィルタ材には、セラミック繊維からなる高温用耐火断熱繊維が有用である。例えば、新日化サーマルセラミックス株式会社の商品名ＳＣブランケット１２６０（主成分はアルミナと二酸化珪素（シリカ）、最高使用温度１２６０℃、平均繊維径３μｍ、比熱１．０５ｋＪ／ｋｇＫ、嵩密度１３０ｋｇ／ｃｍ３、平均温度６００℃における熱伝導率０．１２Ｗ／ｍＫ）等を用いることができる。
【０１４８】
フィルタ材としては、その他同社の他のセラミック繊維ブランケットであるＳＣブランケットＳＣ１４００やＳＣ１６００Ｍ、イソライト工業株式会社のセラミック繊維ブランケットであるイソウール１２６０ブランケット、イソウール１５００エースブランケット、イソウールウエットフェルトなどといったものが適用できる。
【０１４９】
これらは１０００℃以上の耐熱性を持ち、平均繊維径は３μｍ〜５μｍ程度、熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍＫ〜０．６Ｗ／ｍＫで、嵩密度は７０ｋｇ／ｍ３〜１６０ｋｇ／ｍ３程度である。
【０１５０】
断熱材にもフィルタ材と同様に高温用耐火断熱繊維が有用である。フィルタ材と同じ素材を断熱材として用いることもできる。通気性を重視せず断熱性を重視するなら、フィルタ材と異なる種類の高温用耐火断熱繊維を用いることもできる。
【０１５１】
セラミック繊維からなる断熱用のブランケットは、ガス流の圧力で変形しやすいので、金網などで保持するのがよい。なお、フィルタのガス出口側であれば、金網など熱伝導や熱容量の比較的大きな素材を使用しても、フィルタそのものが断熱性を持つので特に影響はない。
【０１５２】
またガス流の圧力による変形を抑制する方法として、フィルタ材を一旦６００℃以上で高温処理してから使用すると変形量が少なくなる。
【０１５３】
粒子状物質の捕集性能の観点からは、フィルタ部のガスの線速度が３ｍ／ｓ以下、より好ましくは１ｍ／ｓ以下となるようにガス流量に応じてフィルタ面積を設定すると良い。
【０１５４】
例えばディーゼルエンジンの排ガスの微粒子を除去する用途の場合、ディーゼルエンジンの排気量を５Ｌ（リットル：０．００５ｍ３）とし、その代表的なエンジン回転数が２０００ｒｐｍであったとし、そのときの排気温度が２００℃であったとする。排気風量は約８ｍ３／ｍｉｎ（＝０．１３４ｍ３／ｓ）となる。フィルタ部のガス流の線速度を１ｍ／ｓ程度にするには、フィルタ面積を０．１３４ｍ２程度にすればよい。
【０１５５】
もしもディーゼルエンジンの排気量が５Ｌ（リットル）で、その代表的なエンジン回転数が３０００ｒｐｍで、そのときの排気温度が４５０℃であったとすると、排気風量は約１８．５ｍ３／ｍｉｎ（＝０．３０８ｍ３／ｓ）となる。フィルタ部のガス流の線速度を１ｍ／ｓ程度にするには、フィルタ面積を０．３０８ｍ２程度にすればよい。
【０１５６】
ディーゼル自動車の排気風量が時間的に変動する場合は、排気風量が最大となる条件にフィルタ面積を合わせるのが１つの方法である。或いは、各排気風量における微粒子含有量を必要浄化性能に応じて、代表的な排気風量を適宜選定してフィルタ面積を設計すればよい。
【０１５７】
またフィルタの厚さｄは５ｍｍ以上（０．００５ｍ）とするのが良い。特に１２．５ｍｍ〜２５ｍｍ（０．０１２５ｍ〜０．０２５ｍ）程度のものを使用するのが好ましい。
【０１５８】
フィルタ単位面積当たりの電気ヒータ投入電力と、加熱１０分後のフィルタ表面温度の上昇量の関係を測定したものを図２２に示す。横軸はフィルタ単位面積当たりの電気ヒータ電力（ｋＷ／ｍ２）で、縦軸は加熱後１０分でのフィルタ表面の温度上昇（Ｋ）である。フィルタ面積１ｍ２当たり３ｋＷの電力投入で温度上昇量は５００Ｋに達する。フィルタ面積１ｍ２当たり６ｋＷの電力投入で温度上昇量は７００Ｋに達する。これはフィルタと断熱材で電気ヒータを挟みこんでいるからである。
【０１５９】
もしもフィルタ表面を開放空間にすると、空気による自然対流伝熱による熱損失のため、６ｋＷの電力投入でも温度上昇量は２００Ｋにも達しない。
【０１６０】
フィルタ材と断熱材との間の空間から熱が放散するのを防ぐために、フィルタ材と断熱材以外の部分、例えば開閉弁の内側に高温用耐火断熱繊維などの断熱材を取り付けても良い。
【０１６１】
電気ヒータとしてはニクロム線が適している。ニクロム線は５００℃を越える高温域でも耐久性に優れ、又ディーゼルエンジンの排ガス中でも腐食しにくい。ニクロム線は直線状、コイル状、網目状など種々の形状のものを利用する事ができる。使用するヒータ電源の出力特性との兼ね合いで所望の電気抵抗値になるように、また、局部的に異常加熱とならないよう形状、線径を適宜選定すればよい。またタングステン、タンタルなどを電気ヒータとすることもできる。
【０１６２】
この例ではヒータ要素として電気ヒータを用いたが、これ以外にバーナーや高温空気吹き込みなど他の手法を用いることもできる。
【０１６３】
［実施例１−２（図７、図８）］
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。
【０１６４】
図７は濾過時、図８は再生時を示す。筐体１の中の後室１３にはフィルタ３が流れと直交する方向に伸びるよう設けられる。フィルタ３はセラミック繊維Ｆよりなる。隔壁１４、１４によって両側が挟まれて支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
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。
【０１６５】
フィルタ３の前方の前室１２には、フィルタ３に対向するように移動式の断熱材６が設けられる。断熱材はセラミック繊維Ｆよりなる。断熱材６を凹型金属製の保持体５２が支持する。保持体５２には操作棒５３が固定される。操作棒５３は、筐体１の滑り軸受５４を突き抜けて外部から進退操作できる。操作棒５３によって断熱材６が前後し、流路が開閉されるので、この断熱材６、操作棒５３、保持体５２は開閉弁５となる。
【０１６６】
図７のように操作棒５３が引かれ、断熱材６がフィルタ３から離れると、流路が開き排ガスＧがフィルタ３へ流入し、粒子状物質Ｚが濾過される。濾過された浄化ガスＲはガス出口４から出ていく。このときは電気ヒータ７には通電しない。
【０１６７】
圧力損失が増えると粒子状物質を除去する再生を行う。フィルタ再生の場合は、操作棒５３を押し込み、断熱材６を電気ヒータ７の直近まで押し込む。電気ヒータ７は、セラミック繊維よりなるフィルタ３と断熱材６で包囲される。スイッチ９を閉じ電気ヒータ７に通電する。ヒータ熱によってフィルタに付着した粒子状物質Ｚが燃焼し二酸化炭素になる。燃焼ガスＵはガス出口４から排除される。
【実施例２】
【０１６８】
［実施例２（第２の発明の実施例：断熱材・フィルタ兼用：図９、図１０、図１１）］
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。
【０１６９】
また、フィルタ部の構造を図１１に示すような二重円筒構造とすることによって、容積当たりのフィルタ面積を大きくとることも可能である。
【０１７０】
図９は濾過の状態を、図１０は再生の状態を示す。
【０１７１】
図９、１０において、縦長の筐体１はガス入口２、ガス出口４、前室１２、後室１３を持つ。後室１３には長手方向に伸び互いに対向する２つのフィルタ３、３が設けられる。フィルタ３は熱伝導が悪く熱容量が小さいセラミック繊維Ｆによって構成される。前端は隔壁１４に、後端は隔壁１５によって支持される。フィルタの通気面は、通気性を持ち適度な強度を持つ支持材、例えば金網やパンチングメタルなどによって下流側から保持される。なお、熱容量が小さく、フィルタ外への伝熱ロスが少ない通気性材料、たとえば目が粗くて線径の細い金網などをフィルタ上流側の面に置いて、長期使用時の繊維のほつれを防ぐようにしてもよい。
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。
【０１７２】
浄化の過程は図９に示す状態になっている。粒子状物質Ｚを含む排ガスＧが、ガス入口２、前室１２、フィルタ入口１７を通りフィルタ３の中央空間に到る。ここから両側のフィルタ３、３のセラミック繊維多孔質空間を通り抜ける。粒子状物質Ｚが除去される。粒子状物質Ｚは次第にフィルタ３、３に溜まっていく。浄化ガスＲはガス出口４から出ていく。
【０１７３】
再生の過程は図１０に示す状態になっている。開閉弁５によってフィルタ入口１７を閉じる。スイッチ９を閉じる。ヒータ電源８から電力が電気ヒータ７に供給される。ヒータが強く加熱される。温度が上がり粒子状物質Ｚが酸化燃焼する。燃焼ガスＵはガス出口４から排除される。
【０１７４】
これは図５、６の断熱材６を持つフィルタ３としたものである。同じ材料だから保温効果は同じである。このようにするとフィルタの断面積を約二倍に増やすことができる。
【０１７５】
フィルタ３、３の形状は図５、６のように対向平板形状（厚みｄ，幅ｗ、長さｌ）でもよい。
【０１７６】
或いは円筒形のフィルタとしてもよい。円筒形のフィルタの中心に電気ヒータ７を設けるようにできる。そのような構造であれば断面図は図９、１０と同じになる。
【０１７７】
或いは２重円筒形のフィルタとすることもできる。それを図１１に示す。図１１の（１）は中心線に沿う縦断面図、（２）は中心線直交断面図である。内円筒フィルタ３と、円筒電気ヒータ７、外円筒フィルタ３よりなる二重構造である。フィルタ入口１７は円環状となる。上流側流路１８，１８も円環状となる。下流側流路１９、１９は内外に２つできる。
【実施例３】
【０１７８】
［実施例３（第３の発明の実施例；帯電）：図１２、図１３、図１４、図１５］
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。
【０１７９】
［実施例３−１（図１２、図１３）］
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。
【０１８０】
異なる点は前室１２に帯電要素２４を新たに設置したことである。外側のコロナ放電電極２２を中央部で高電圧碍子２３で絶縁支持し、内部電極には高電圧電源２０から負の直流高電圧が印加される。
【０１８１】
ガス入口２から導入された粒子状物質Ｚを含む排ガスＧは、帯電要素によって帯電し、帯電した粒子状物質含有ガスＧ’となる。これがフィルタ入口１７からフィルタ３、３へと流入する。フィルタでの粒子状物質の濾過や、流路を閉じ電気ヒータで加熱し粒子状物質を燃焼除去する再生は、図５、６の装置と同様である。
【０１８２】
［実施例３−２（図１４、図１５）］
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。
【０１８３】
異なる点は前室１２に帯電要素２４を新たに設置したことである。外側のコロナ放電電極２２を中央部で高電圧碍子２３で絶縁支持し、内部電極には高電圧電源２０から負の直流高電圧が印加される。
【０１８４】
ガス入口２から導入された粒子状物質Ｚを含む排ガスＧは帯電要素によって帯電し、帯電した粒子状物質含有ガスＧ’となる。これがフィルタ入口１７からフィルタ３、３へと流入する。フィルタでの粒子状物質の濾過や、流路を閉じ電気ヒータで加熱し粒子状物質を燃焼除去する再生は、図９、１０の装置と同様である。
【０１８５】
コロナ放電電極２２としては、細い線電極や鋭い突起構造を持った板を組み合わせものなど一般的なものが使用できる。
【０１８６】
ディーゼルエンジンの排ガス処理など、高温・振動・腐食性の環境で用いる場合は、ステンレスなど耐熱性、耐食性に優れた金属で突起構造を持たせたものを用いて、コロナ放電電極とするのがよい。
【０１８７】
電極間距離を２０ｍｍ〜５０ｍｍ程度（０．０２ｍ〜０．０５ｍ）、突起先端の曲率半径を０．５ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ程度以下とすれば、２０ｋＶ以下の印加電圧によって実用的なコロナ放電を発生させることができる。
【０１８８】
印加電圧の形態としては、直流電圧、交流電圧、パルス電圧などを用いることができる。その中でも負極性の直流電圧が比較的帯電効果が大きい。
【０１８９】
コロナ放電で消費する電力としては、排気量５Ｌ（リットル）のディーゼルエンジンで５０Ｗ程度以下の消費電力で後述するような効果を得ることができる。
【０１９０】
上流側に負極性直流コロナ放電によるコロナ放電部を配置したときを例にして、帯電要素を設けた場合の効果を述べる。
【０１９１】
排気量５Ｌ（リットル）のディーゼルエンジンを回転数２０００ｒｐｍで運転したときの排ガスをフィルタで濾過したとき、捕集した粒子状物質の形態が、帯電要素の有無によってどのように変化するのかを調べた。その結果を図２４、図２５に示す。
【０１９２】
帯電要素には、コロナ放電発生用高電圧給電碍子一本の周囲に、内径約６０ｍｍ（０．０６ｍ）の円管を８本並列に配置し、各円管の中心軸上に有効放電長約８０ｍｍ（０．０８ｍ）の突起付き電極（突起先端の曲率半径０．２ｍｍ）を配置した同軸円筒コロナ放電管を用いた。円管は接地電位とした。突起付き電極には１３ｋＶ〜１５ｋＶ程度の負極性の直流電圧を印加して、円管内に負コロナ放電を発生させる。コロナ放電電流は約３ｍＡである。
【０１９３】
帯電要素がない場合、粒子状物質はフィルタの奥の方まで入り込んで捕集される。フィルタは深層濾過という形態で粒子状物質を捕捉する。
【０１９４】
帯電要素がある場合、粒子状物質はフィルタの表面で捕捉されている。フィルタは表面濾過という形態で粒子状物質を捕捉する。このようになる理由については既に説明した。
【０１９５】
フィルタを加熱再生する場合、フィルタ内の温度分布は加熱面側が最も高く、下流側へいくに従って温度が低くなる。帯電要素を設けた場合には、粒子状物質は加熱時に温度が高い方の面に集中して捕捉される。図３、４に示すように、より短い加熱時間でフィルタを再生することが可能となる。フィルタ再生に必要な熱エネルギーがより少なくて済む。
【０１９６】
図２６は、帯電要素の有無による濾過経過時間とフィルタ圧力損失増大の関係を示すグラフである。横軸は時間、縦軸はフィルタ圧力損失である。破線は帯電させない場合を、実線は帯電させた場合を表す。図２６に示すように帯電要素を設けることによって、フィルタの圧力損失上昇速度が抑制される。そのため再生サイクルをより長くすることができる。
【０１９７】
時間平均で考えると、フィルタ再生に要する熱エネルギーを更に低減することができる、ということである。
【０１９８】
図２７はガス中の粒子状物質の平均粒径と粒子密度分布の測定結果を示す。横軸は粒状物の平均粒径（ｎｍ）、縦軸はその粒径の濃度分布（ｃｍ−３）である。いずれのガスも粒径が７０ｎｍ〜９０ｎｍ程度が最も多い。粒径が増大すると共に濃度も減少する。
【０１９９】
処理前の排ガスＧで８０ｎｍ直径の粒子濃度は４×１０６ｃｍ−３である。帯電要素なしのフィルタで濾過した場合、８０ｎｍ直径の粒子濃度は２×１０５ｃｍ−３である。帯電要素があるフィルタで濾過した場合、８０ｎｍ粒径の濃度は１０４ｃｍ−３である。帯電要素のある装置は帯電要素のない装置に比べて約１／２０に粒子数が減っている。つまり帯電要素を設ける事によって粒子状物質の捕集効率が飛躍的に向上する。
【実施例４】
【０２００】
［実施例４（第４の発明の実施例）］
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。
【０２０１】
横軸にｋ／ｄを、縦軸にρｃｄを取って、（７）式と（１）式および（８）式、（２）式の条件式を図示したものを図３３、図３４に示す。
【０２０２】
図３、４に示したような高温域でも使用可能な代表的な耐熱材料の嵩密度ρ、比熱ｃ、熱伝導率ｋを表１に示す。物性値は温度依存性を持つので、ここではカタログなどに記載されている５００℃ないし１０００℃での代表的な数値を示している。必ずしも本発明の動作温度での物性値ではない。
【０２０３】
表１の数値を用いて各材料のｋ／ｄとρｃｄの関係を計算したものを図３３、図３４に重ねてプロットしている。
【０２０４】
フィルタ厚さｄ＝０．０１ｍの場合のものを図３３に示す。フィルタ厚さｄ＝０．０５ｍの場合のものを図３４に示す。これらの図によって、各フィルタの適正をより簡便に評価することができる。
【０２０５】
【表１】
【０２０６】
図３３、図３４は、表１の材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇにおいてｄ＝０．０１ｍ、ｄ＝０．０５ｍとした時のｋ／ｄとそれに対するρｃｄの値を示したものである。横軸はｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）、縦軸はρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）である。上の逆Ｌ字型のグラフは（１）式の不等式からきたρｃｄの上限を与えるもの。下の逆Ｌ字型のグラフは（２）式の不等式によりρｃｄの上限を与えるものである。これらのグラフの縦の部分は、ｋ／ｄ≦５０Ｗ／ｍ２Ｋ、ｋ／ｄ≦２０Ｗ／ｍ２Ｋというｋ／ｄの限界を表現している。
【０２０７】
図３３、図３４に示すように、アルミナ（Ａ）や石英ガラス（Ｂ）のバルク材料では（７）式と（１）式とを同時に満足することができない。嵩密度が大きすぎ熱伝導率が高すぎるからである。これらのバルク材料に通気性を持たせる加工をしてもなお嵩密度、熱伝導率が大きく、本発明のフィルタには適さない。
【０２０８】
バルク材料では本発明のフィルタにならない。バルク材料に比べて格段に熱伝導率が小さく、嵩密度の低い素材でなければ本発明のフィルタとして不適である。そのような要件を満足する代表的な素材がセラミック繊維である。
【０２０９】
セラミック繊維には炭化珪素（ＳｉＣ）系、アルミナ・シリカ・ボリア系、アルミナ・シリカ系、シリカ系、などのいくつかの種類がある。
【０２１０】
炭化珪素系セラミック繊維（Ｃ）は比較的熱伝導率が高く、フィルタの厚みが薄いと温度上昇に必要なワット密度が高すぎて実用的でなくなる。炭化珪素系セラミック繊維では、フィルタの厚みを０．０５ｍ程度以上に厚くしないと本発明の要件を満足することができない。
【０２１１】
炭化珪素系セラミック繊維でも、繊維の組成を変える事によって熱伝導率が表１に示した値よりも小さく、嵩密度が同程度以下の通気性に優れた素材にすることができれば、フィルタの厚みをより薄くすることができ、よりコンパクトな装置を構成することができる。
【０２１２】
アルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維織布（Ｄ）は熱伝導率は低いが、嵩密度が大きいため昇温時間がやや長くなる。アルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維で繊維の加工法を変えるなどして、表１に示した値と同程度以下の熱伝導率で、より嵩密度の低い通気性素材を作ることができれば、昇温時間をより短くすることができ、より熱効率のよい装置を構成することができる。
【０２１３】
アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｅ）やシリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｆ、Ｇ）は表１の例に示したように、熱伝導率が低く、嵩密度は小さい。フィルタ厚さｄ＝０．０１ｍ〜０．０５ｍの範囲でも、十分に本発明の要件を満足することができる。特により好ましい条件である（８）式と（２）式の条件をも満たす事ができる。
【０２１４】
従って加熱再生に要する熱エネルギーの低減という観点と、装置のコンパクト化という観点で、アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｅ）やシリカ系セラミック繊維ブランケット（Ｆ、Ｇ）は、炭化珪素系セラミック繊維フェルト（Ｃ）やアルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維織布（Ｄ）よりも優れている。
【０２１５】
図３５は、図３３、図３４において、昇温時間を１００秒（ｓｅｃ）にした場合の曲線（（１５）式中の３００を１００に置き換えれば）を図３３、３４に重ね書きしたものである。
【０２１６】
図３５において、甲曲線はＱ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で３００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。乙曲線はＱ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。丙曲線はＱ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で３００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。丁曲線はＱ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を表す。
【０２１７】
もっとも厳しい条件を課すのは丁曲線であり１０ｋＷ／ｍ２の発熱密度で、１００秒内に５００℃（増加分なので℃もＫも同じ）上昇するというものである。
【０２１８】
丁曲線より下にはｄ＝０．０２ｍ、ｄ＝０．０１ｍの材料Ｅと、ｄ＝０．０２ｍの材料Ｇだけがあり、この３つだけが上の条件（１０ｋＷ／ｍ２、１００秒）に適合する。
【０２１９】
丙曲線（１０ｋＷ／ｍ２、３００秒）より下には、それ以外に、ｄ＝０．０５ｍｎのＥと、ｄ＝０．０５ｍの材料Ｇとが追加される。
【０２２０】
乙曲線（２５ｋＷ／ｍ２、１００秒）より下には、上の５つの例の他に、ｄ＝０．０１ｍの材料Ｇ、ｄ＝０．０１ｍの材料Ｄが加わる。
【０２２１】
甲曲線（２５ｋＷ／ｍ２、３００秒）より下には、上の７つの例の他に、ｄ＝０．０２ｍの材料Ｄが加わる。
【０２２２】
この図から分かるように表１に示したようなρ、ｃ、ｋの値を持つアルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットや、シリカ系セラミック繊維ブランケットでは、フィルタ厚みｄを適切に選定することによって、実用的に好ましいワット密度１０ｋＷ／ｍ２で１００秒以内（丁曲線）に５００Ｋの昇温を達成する事が可能である。
【０２２３】
アルミナ・シリカ系のセラミック繊維ブランケットとしては、例えば前掲の新日化サーマルセラミック株式会社の商品名ＳＣブランケット１２６０やイソライト工業株式会社の商品名イソウール１２６０ブランケットなどを採用することができる。
【０２２４】
シリカ系のセラミック繊維ブランケットとしては、市販の生体溶解性繊維ブランケット（第５の発明の実施例で詳しく述べる）を採用することができる。
【０２２５】
粒子状物質の浄化性能の観点からは、フィルタの厚さはｄ＝０．０１ｍ程度以上あれば十分である。図３３、３４に示した特性図の中でヒータ要素に要求されるワット密度と昇温時間の観点から、厚みを適宜選定すればよい。
【０２２６】
アルミナ・シリカ系のセラミック繊維ブランケットやシリカ系のセラミック繊維ブランケットは断熱材として、ｄ＝０．００６ｍ〜０．０５ｍのものが市販されている。通常、ｄ＝０．００６ｍ、０．０１３ｍ、０．０２５ｍ、０．０５ｍ程度のものが標準的に生産されているので、ｄ＝０．０１３ｍ〜０．０２５ｍ程度の厚みのブランケットを使用するのがよい。
【０２２７】
ここに例示した、アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットやシリカ系セラミック繊維ブランケットは、表１に例示した炭化珪素系セラミック繊維フェルトや、アルミナ・シリカ・ボリア系セラミック繊維織布よりも安価である。アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットやシリカ系セラミック繊維ブランケットをフィルタに採用すると、より経済的な装置を構成することができる。
【０２２８】
アルミナ・シリカ系セラミック繊維ブランケットやシリカ系セラミック繊維ブランケットは素材として柔らかく、取り付け方やガス流の抵抗でシートの厚みが変化する場合もある。
【０２２９】
図３３、図３４、図３５に示したように、これらのセラミック繊維ブランケットは（７）式、（８）式の要件を満たすｄの範囲が比較的広いので（この例ではｄ＝０．０１ｍ〜０．０５ｍ）、このような使用条件に伴う厚みの変化に対応できるように、初期の素材の厚さを適宜選定したり、ヒータ要素のワット密度や昇温時間の設計に適度な余裕を持たせれば良い。
【実施例５】
【０２３０】
［実施例５（第５の発明の実施例）］
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。
【０２３１】
生体溶解性繊維は、ＥＵ指令９７／６９／ＥＣにおいて、次の何れかを満足するものとして規定されるものである。
【０２３２】
（１）短期吸入による生体内滞留試験で、２０μｍより長い繊維が１０日未満の荷重半減期を持つもの。
【０２３３】
（２）器官内注入による短期の生体内滞留試験で、２０μｍより長い繊維が４０日未満の荷重半減期を持つもの。
【０２３４】
（３）腹膜内投与試験で過大な発ガン性の証拠がないことが確認できる。
【０２３５】
（４）長期吸入試験で、関連ある病原性変化もしくは腫瘍性変化がない。
【０２３６】
生体溶解性のセラミック繊維として代表的なものは、二酸化珪素（シリカ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は二酸化珪素（シリカ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化カルシウム（ＣａＯ）とを主成分とするものである。
【０２３７】
具体的には、新日化サーマルセラミック株式会社のＳＵＰＥＲＷＯＯＬ（商標）、米国ＵＮＩＦＲＡＸ社のＩＳＯＦＲＡＸ（商標）、ＩＮＳＵＬＦＲＡＸ（商標）などがある。いずれも最高使用温度は１０００℃以上である。繊維径は３〜５μｍ、繊維長は約３０ｍｍである。
【０２３８】
ブランケット状のものは嵩密度として９６ｋｇ／ｍ３、１２８ｋｇ／ｍ３、１６０ｋｇ／ｍ３のものが市販されている。
【０２３９】
熱伝導率は、温度６００℃で０．１４Ｗ／ｍＫ〜０．２４Ｗ／ｍＫである。温度８００℃で０．１９Ｗ／ｍＫ〜０．３７Ｗ／ｍＫである。
【０２４０】
図２８は米国ＵＮＩＦＲＡＸ社のＩＳＯＦＲＡＸ（商標）ブランケットの電子顕微鏡写真である。
【実施例６】
【０２４１】
［実施例６（第６の発明の実施例）］
［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。
【０２４２】
図１６では開閉弁５は上のフィルタユニット３の入口１７を閉じている。スイッチ９１が閉じ電気ヒータ７に熱エネルギーが発生する。これがフィルタ３の粒子状物質Ｚを加熱燃焼させる。燃焼ガスＵはガス出口４から排除される。下のフィルタユニットは入口１７が開いている。電気ヒータ７はオフになっている。排ガスＧは帯電要素２４で帯電し、帯電ガスＧ’は下フィルタ３に入る。粒子状物質Ｚがフィルタ３によって濾過され除去される。浄化ガスＲはガス出口４から排除される。
【０２４３】
図１７は開閉弁５が下のフィルタユニット３の入口１７を閉じる。下側のフィルタユニットで電気ヒータ１８が通電加熱される。フィルタ３に付着している粒子状物質Ｚを加熱燃焼させる。燃焼ガスＵはガス出口４から排出される。上側のフィルタユニットは濾過作用をしている。
【０２４４】
この実施例は、フィルタユニット３、３を２つ組み込み、同時に全ユニットを再生（フィルタユニットの弁を閉じてヒータ再生を行う操作）せず、少なくとも１つのフィルタユニットはガスを流し続けるようにする。一方は浄化に、他方は再生に割り振ることによって、常に排ガス浄化が可能である。
【０２４５】
例えば交互に再生操作を行う事によって、ガスの供給を停止することなく連続的にガスの浄化をすることが可能になる。
【０２４６】
各フィルタの再生のタイミングは、タイマー制御やエンジンの運転状況に連動した制御等、用途に応じて適宜のパターンを採用することができる。
【０２４７】
［実施例６−２（図１８）］
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。
【０２４８】
フィルタ部のガス流の線速度を１ｍ／ｓ程度以下にするにはフィルタ面積を０．３ｍ２程度以上にすればよい。
【０２４９】
この場合、フィルタを加熱再生するためのヒータ要素のワット密度を、実用的な１０ｋＷ／ｍ２程度にしたとすると、必要電力は３ｋＷ程度になる。
【０２５０】
ディーゼル車両に搭載し、一般的なバッテリーを電源として電気ヒータによる加熱再生を行うような場合は、加熱再生時のみの一時的なものとは言え、所要電力は１ｋＷ程度以下にする事が望ましい。
【０２５１】
そこで、例えば、フィルタを３つ以上のユニットで構成し、各フィルタユニットの捕集面積を０．１ｍ２程度以下にして、切替弁によって時間をずらして順次加熱再生する方式を採用すれば、装置全体としては、再生時に必要となる電力を１ｋＷ程度以下に抑えることができる。第６発明のもう１つの実施例を図１８に示す。
【０２５２】
この例ではドーナッツ型のフィルタユニットを４つ、筐体の軸方向に４つ並べて配置している。１つのフィルタユニットはドーナッツ型のフィルタを２枚向かい合わせに配置し、その間隙に電気ヒータを設けている。このフィルタユニットは円筒の隔壁に収納されており、該円筒の円周に４つの環状（リング状）のガス入口を形成している。開閉弁は、該ガス入口の一つを閉状態にできる大きさを持ったリング状の蓋板であって、この蓋板が該円筒の外周面を直線往復運動するスライド式である。蓋板５０と蓋板５０を前後に直線運動させる操作棒５１と筐体１に設けた滑り軸受５４からなる。操作棒５１は滑り軸受け５４に保持され軸線に平行に進退できる。蓋板５０は４つのフィルタユニットの入口１７の何れか１つを閉じることができる。
【０２５３】
この例では、左から３つ目のフィルタユニットが閉じ、そのフィルタユニットの電気ヒータが発熱し粒子状物質を燃やしている。その他の１、２、４番面のフィルタユニットはガス入口が開いており排ガスＧが流入する。フィルタ３を通り抜けるときに粒子状物質がフィルタ３によって濾過される。ガス出口４には浄化ガスＲと燃焼ガスＵが出てくる。４つのフィルタユニットの内３つは濾過し、１つが再生している。連続的に排ガス処理を行うことができる。
【０２５４】
この開閉弁は、エアシリンダや歯車機構などで駆動すればよい。フィルタ再生はフィルタユニット１つについてのみ行う。再生対象となるフィルタユニットを順次変えることによって、ガスの連続浄化を可能にしている。
【０２５５】
［実施例６−３（図１９、図２０、図２１）］
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。
【０２５６】
コロナ放電部は、コロナ放電発生用高電圧給電碍子１本の周囲に、内径約６０ｍｍ（０．０６ｍ）の円管を８本並列配置し、各円管の中心軸上に有効放電長約８０ｍｍ（０．０８ｍ）の突起付き電極（突起先端の曲率半径は０．２ｍｍ＝０．０００２ｍ）を配置した同軸円筒コロナ放電管で構成される。円管は接地電位とし、突起付き電極には負極性の直流電圧を印加して、円管内に負コロナ放電を発生させている。
【０２５７】
エンジンの運転条件によって、排気温度は７０℃〜５００℃（３４３Ｋ〜７７３Ｋ）程度まで変化する。また排気中に含まれる微粒子の濃度も変化する。この排気温度と微粒子濃度の影響によって、コロナ放電の電圧電流特性は変化する。経験的には印加電圧を１０ｋＶ〜１５ｋＶ程度の範囲として、コロナ放電電流が２ｍＡ〜５ｍＡ程度になるように制御すればよい。コロナ放電電力は約５０Ｗ程度である。
【０２５８】
フィルタ部は、同一の形状を持つ二重同軸円筒型のフィルタユニット４つからなる。１つのフィルタユニットは外径約８０ｍｍ（０．０８ｍ）、内径約１５ｍｍ（０．０１５ｍ）、長さ約３５０ｍｍ（０．３５ｍ）の大きさを持つ。セラミック繊維フィルタには厚さ約１３ｍｍ（０．０１３ｍ）、嵩密度１２８ｋｇ／ｍ３の生体溶解性繊維からなるブランケット（米国ＵＮＩＦＲＡＸ社の製品名ＩＳＯＦＲＡＸ）を用いている。
【０２５９】
この例ではシート状のブランケットを円筒形に丸めた形で使用しているが、その代わりに初めから円筒状に成形したものを用いても良い。
【０２６０】
フィルタユニットは１つ当たりの微粒子捕集面積は約０．１ｍ２である。セラミック繊維フィルタは８ｍｍ（０．００８ｍ）の間隙で微粒子捕集面を対向させてある。この間隙にヒータ要素としてコイル状のニクロム線からなる電気ヒータを設けている。
【０２６１】
ニクロム線の線径は０．７ｍｍ（０．０００７ｍ）である。コイル径は約５ｍｍ（０．００５ｍ）である。フィルタユニット１つ当たりのニクロム線の合成抵抗は０．６Ωである。標準的な車載用バッテリーを２台直列接続して得られる直流電圧２４Ｖの印加で、約１ｋＷの加熱をすることができる。
【０２６２】
フィルタユニット１つ当たりの微粒子捕集面積が約０．１ｍ２なので、加熱時のワット密度（電力密度）は１０ｋＷ／ｍ２である。
【０２６３】
開閉弁５は回転スライド式である。フィルタユニットの端部を保持する隔壁１４に接触して、回転スライド円板５５が回転スライド式開閉弁駆動機構５６によって回転する。この開閉弁５もエアシリンダや歯車機構などで駆動すればよい。
【０２６４】
これもフィルタ再生はフィルタユニット１つについてのみ行う。再生対象となるフィルタユニットを順次変えていくことによりガスの連続浄化を可能とする。
【０２６５】
回転スライド式開閉弁の動作の概要を図２０、図２１に示す。この回転スライド式開閉弁は、１つのフィルタユニットの３つのガス入口１７に対応する大きさの円形の開口部４９が中心角９０゜、９０゜、１８０゜をなす位置に３つ開いている。４つのフィルタユニットの内、３つのフィルタユニットにのみ排ガスを流し（濾過）、１つのフィルタユニットには排ガスを流さない（再生）ようにしている。例えば図２０、図２１に示すように、説明の便宜のため、４つのフィルタユニットにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの名前を付ける。
【０２６６】
あるタイミングでは図２０のように、回転スライド式開閉弁の開口部４９がＡ、Ｂ、Ｄの流入口に一致している。つまり４つのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの内、Ａ、Ｂ、Ｄには排ガスを流し、Ｃには排ガスを流さない状態が作られている。この状態で、フィルタユニットＣの電気ヒータに通電する。ユニットＣを加熱する。粒子状物質Ｚ（炭素微粒子）が燃焼する。粒状物がなくなりフィルタユニットＣが再生される。
【０２６７】
それに続くタイミングでは図２１に示すように、フィルタユニットＤが閉じている。フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃでは排ガスの濾過を、フィルタユニットＤではフィルタ再生を行う。
【０２６８】
このように回転スライド式開閉弁を１／４ずつ回転させて、順次再生処理するフィルタユニットをＡ、Ｂ、Ｃ…と変更していく。このようにしてフィルタユニットを複数設けることによって、排ガスを連続的に流しながらフィルタユニットを順次加熱再生することができる。
【０２６９】
この装置をディーゼルトラックの排気ガス（排気量５Ｌ（リットル）、エンジン回転数２０００ｒｐｍ）の微粒子除去に適用したときの、装置全体の圧力損失の時間変動を測定した例を図２３に示す。
【０２７０】
この例ではタイマー制御により一定時間間隔（この例では約４０分）で回転スライド式開閉弁を回転させている（図２３において矢印で示すタイミング）。
【０２７１】
排ガス温度は約１６０℃で、１つのフィルタユニットの加熱再生は１ｋＷの電力投入で約６分である（平均消費電力約１５０Ｗ）。
【０２７２】
回転スライド式開閉弁が停止している状態では、フィルタユニットが微粒子を捕集し、徐々に目詰まりが進行して圧力損失が増加する。回転スライド式開閉弁が１／４回転すると、前述のように、再生が完了したフィルタユニットに排ガスが流れ始める。そのため一時的に増加していた圧力損失が低下する。
【０２７３】
［実施例６−４（図２９、図３０、図３１）］
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。
【０２７４】
この例ではエアシリンダや歯車機構で駆動棒５９を出し入れすることによって、フィルタユニットのガス流入口に一時的に蓋をするような開閉弁を示している。
【０２７５】
図３０と図３１にこの開閉弁５の動作を模式的に示す。
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。
【０２７６】
図３１は開閉弁の閉状態を示す。駆動棒５９が左側へ押し出される。リンク５８が蓋板５７を隔壁１４へ押し付ける。フィルタ入口１７が閉ざされる。電気ヒータ７に通電し粒子状物質を燃やす。
【０２７７】
この装置をディーゼルトラックの排気ガス（排気量５Ｌ（リットル））、エンジン回転数２０００ｒｐｍに適用したときの、装置全体の圧力損失を測定した例を図３２に示す。
【０２７８】
この例では約４０分間隔で４つあるフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの開閉弁を順次動作させている。
【０２７９】
図３２は４つのフィルタユニットを持つ装置において、圧力損失の時間変化を測定した結果を示すグラフである。横軸は時間、縦軸は圧力損失（ｋＰａ）である。図３２に現れるように、時刻ｔ１までは全フィルタユニットの開閉弁５は開状態となっており、全フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに排ガスが流れている。全てのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが排ガス浄化を行っている。段々フィルタが目詰まりするので圧力損失が増えていく。
【０２８０】
時刻ｔ１で、フィルタユニットＡの開閉弁を閉じる。それまで４つに分散して流れていた排ガスが、フィルタユニットＢ、Ｃ、Ｄだけに流れる。これら３つのフィルタユニットに流れる排ガス量が一時的に増大する。３つのフィルタユニットに流れる排ガスの流速が増えるので、装置全体の圧力損失が一時的に増加する。
【０２８１】
時刻ｔ１〜ｔ２の間は、閉じたフィルタユニットＡの電気ヒータに通電する。フィルタユニットＡの粒子状物質（炭素微粒子）Ｚは燃焼除去される。その燃焼ガスＵは浄化ガスＲと共に排出される。排ガス温度１６０℃、ヒータ電力約１ｋＷ（ワット密度１０ｋＷ／ｍ２）で、約６分の加熱燃焼処理で貯留粒子状物質Ｚが燃焼し尽くす。フィルタユニットＡが再生される。
【０２８２】
フィルタユニットＡの再生が完了した時刻ｔ２でフィルタユニットＡの電気ヒータの通電を停止する。フィルタユニットＡの開閉弁を開に戻す。フィルタユニットＡには炭素微粒子（粒子状物質）がない。ｔ２で装置全体の圧力損失が急激に減少する。
【０２８３】
時刻ｔ２〜ｔ３では再び全てのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに排ガスＧが流れる。浄化されたガスＲが排出される。粒子状物質Ｚがフィルタユニットに溜まり圧力損失が増える。
【０２８４】
時刻ｔ３でフィルタユニットＢの開閉弁を閉じる。更に圧力損失が増える。フィルタユニットＢの電気ヒータに通電する。ｔ４まで通電しフィルタユニットＢの粒子状物質（炭素微粒子）を加熱燃焼する。燃焼ガスＵは浄化ガスＲとして排出される。６分で再生が行われる。再生の完了した時刻ｔ４でフィルタユニットＢの開閉弁を開く。圧力損失が減少する。
【０２８５】
時刻ｔ４〜ｔ５では再び全てのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに排ガスを流す。粒子状物質がフィルタユニットに溜まり圧力損失が高まる。ｔ５でフィルタユニットＣの開閉弁を閉じＣのヒータで加熱しフィルタＣを再生する。そのように順次ひとつずつ再生を繰り返す。３つのフィルタユニットは開いているから連続的に排ガス浄化を行なうことができる。
【０２８６】
この例では、フィルタユニットの再生のタイミングをタイマー制御で実施しているが、エンジンの運転状況やその履歴および排ガス温度などに基づいて、マイコン制御などを行うこともできる。
【０２８７】
また排ガス温度が高く、フィルタに捕集した粒子状物質の加熱燃焼に必要な温度上昇量が少なくて済む場合は、電気ヒータのオンオフ制御や電流制御などにより加熱に注入するエネルギーを適宜調整すればよい。
【０２８８】
また、ディーゼルエンジンの運転状況やフィルタに堆積した粒子状物質の量によって、加熱燃焼除去に必要な酸素が不足する場合も考えられる。このような場合には、開閉弁の開度を調整し、完全に弁を閉じないで排ガスを僅かに流しながら酸素を供給したり、外気を導入して加熱燃焼再生を行っても良い。別の手法として、一旦開閉弁を閉じたフィルタユニットの弁を一時的に開状態にして、フィルタユニット内のガスを入れ替えることによって酸素を補給し、再度開閉弁を閉じて加熱燃焼除去をすればよい。
【０２８９】
一般に、酸素濃度が極端に薄くなる運転状況では排ガス温度が高いため、温度上昇量が少なくて済む。また本発明では加熱に要する時間が短くて済むので、このような操作を行っても経済的なフィルタの再生が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２９０】
【図１】炭素微粒子を濾過したフィルタ表面に電気ヒータを設け、静止空気中で空気中に露呈したままのヒータでフィルタを加熱する実験の構成図。左は加熱中を示し、黒いのは炭素粒子が表面に現れているからである。右は加熱２分後（静止空気）の状態を示す。炭素微粒子は殆どが残存している。
【０２９１】
【図２】排ガスを濾過し炭素微粒子を有するフィルタ表面に電気ヒータを設け、更に断熱材で覆い、静止空気中で断熱材で保温されたヒータでフィルタを加熱する実験の構成図。左は加熱中を示す。白っぽいのは断熱材である。右は加熱２分後に断熱材を取り除いた状態を示す。燃焼して中央部で炭素微粒子は殆ど消失している。
【０２９２】
【図３】排ガスを濾過し炭素微粒子を有するフィルタを加熱温度を６００℃、６５０℃、７００℃、８００℃として、１分、３分、５分、７分、１０分加熱した後のフィルタの一部小片を取って加熱温度と加熱時間の順に並べて撮影した写真。黒いのは炭素微粒子が残っており、白いのは炭素が燃えて消失しフィルタの地色が見えている。
【０２９３】
【図４】排ガスを濾過し炭素微粒子を有するフィルタを加熱温度を６００℃、６５０℃、７００℃、８００℃として、１分、３分、５分、７分、１０分加熱した後のフィルタの色合いなどから、燃焼除去が不良（×）なものと、中程度のもの（△）と燃焼除去が良好（○）なものを、加熱温度を横軸に、加熱時間を縦軸にしてグラフにプロットしたもの。
【０２９４】
【図５】本発明の第１の構成を示し、排ガス流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、フィルタと断熱材の間に電気ヒータを設置し、ガス入口側に開閉弁を設けた排ガス濾過装置の開閉弁を開き、排ガスを流通（濾過）させた時の状態を示す断面図。
【０２９５】
【図６】本発明の第１の構成を示し、排ガス流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、フィルタと断熱材の間に電気ヒータを設置し、ガス入口側に開閉弁を設けた排ガス濾過装置の開閉弁を閉じ、排ガスを遮断しヒータ加熱してフィルタ再生する時の状態を示す断面図。
【０２９６】
【図７】本発明の第２の構成を示し、排ガス流路にセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの入口側に電気ヒータを設置し、フィルタに対向して断熱材を面に直交する方向に往復運動するように設けた排ガス濾過装置において、断熱材を電気ヒータから離隔させて開閉弁を開き排ガスを流通（濾過）させた時の状態を示す断面図。
【０２９７】
【図８】本発明の第２の構成を示し、排ガス流路にセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの入口側に電気ヒータを設置し、対向して断熱材を面に直交する方向に往復運動するように設けた排ガス濾過装置の断熱材をヒータに接近させガス流路を閉じ、排ガスを遮断しヒータ加熱しフィルタ再生をする時の状態を示す断面図。
【０２９８】
【図９】本発明の第３の構成を示し、排ガス流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、円筒セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を開き排ガスを対向したセラミック繊維フィルタに流通（濾過）させた時の状態を示す断面図。
【０２９９】
【図１０】本発明の第３の構成を示し、排ガス流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、円筒セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けたガス濾過装置において、開閉弁を閉じ排ガスを遮断してヒータ加熱し炭素微粒子を燃焼除去しフィルタ再生をする時の状態を示す断面図。
【０３００】
【図１１】本発明の円筒状セラミック繊維フィルタの縦断側面図（１）と縦断正面図（２）。内フィルタ・電気ヒータ・外フィルタが同心構造となっている。排ガスは電気ヒータのある中間円筒から流入し、内側と外側のフィルタで濾過され内外の流路へ排出される。
【０３０１】
【図１２】本発明の第４の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、セラミック繊維フィルタと断熱材の中間に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を開き帯電した排ガスを対向したセラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過する時の状態を示す断面図。
【０３０２】
【図１３】本発明の第４の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行にセラミック繊維のフィルタを設け、フィルタに対向してセラミック繊維断熱材を固定し、セラミック繊維フィルタと断熱材の中間に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を閉じ電気ヒータに通電しフィルタを加熱して滞留した炭素微粒子を燃焼除去しフィルタを再生するときの状態を示す断面図。
【０３０３】
【図１４】本発明の第５の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を開き帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過する時の状態を示す断面図。
【０３０４】
【図１５】本発明の第５の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを設け、セラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、ガス入口に開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、開閉弁を閉じ電気ヒータに通電しフィルタを加熱して滞留した炭素微粒子を燃焼除去しフィルタを再生するときの状態を示す断面図。
【０３０５】
【図１６】本発明の第６の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを２つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、２つのフィルタのガス入口に択一的に開閉する開閉弁を設けた排ガス濾過装置において開閉弁を操作し、一方（下方）のフィルタは帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、他方（上方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０６】
【図１７】本発明の第６の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に円筒状のセラミック繊維のフィルタを２つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、２つのフィルタのガス入口に択一的に開閉する開閉弁を設けた排ガス濾過装置において開閉弁を操作し、一方（上方）のフィルタは帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、他方（下方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０７】
【図１８】本発明の第７の構成を示し、筐体の軸に併せて、ドーナッツ型のセラミック繊維のフィルタを２枚向かい合わせにして、その間に電気ヒータを配置したものを１つのフィルタユニットとし、このフィルタユニットを４つ、筐体の軸方向に並べたものである。１つのフィルタユニットには外周面に環状（リング状）のガス流入口があり、全体で４つの環状（リング状）のガス流入口が設けられ、この並んだ４つの環状の排ガス流入口の面を摺動する、環状の開閉弁を設けてある。この排ガス濾過装置において、開閉弁を動かして、複数フィルタの何れか一つの流入口を閉ざし、それ以外のフィルタは排ガスを流通させて、排ガスから粒子状物質を捕集し粒子状物質を貯留してゆき、開閉弁によって流入口が閉ざされたフィルタでは電気ヒータに通電して滞留した炭素微粒子を燃焼除去しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０８】
【図１９】本発明の第８の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電要素を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に二重円筒状のセラミック繊維のフィルタを４つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維フィルタの中心に電気ヒータを設置し、４つのフィルタの４つのガス入口に回転スライド式の開閉弁を設けた排ガス濾過装置において、回転スライド開閉弁を操作し、３つのフィルタには帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、１つ（上方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼し、フィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３０９】
【図２０】図１９に示した４つのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを持つ本発明の第８の構成において、回転スライド式開閉弁の動作を示すための左側面図。回転スライド円板の３つの開口がフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｄに一致し、フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｄは排ガスの濾過を行っており、フィルタユニットＣは開閉弁の盲板部で閉ざされ、フィルタユニットＣは加熱されて粒子状物質が燃焼除去されている。
【０３１０】
【図２１】図１９に示した４つのフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを持つ本発明の第８の構成において、回転スライド式開閉弁の動作を示すための左側面図である。回転スライド円板の３つの開口がフィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃに一致し、フィルタユニットＡ、Ｂ、Ｃは排ガスの濾過を行っており、フィルタユニットＤは開閉弁の盲板部で閉ざされ、フィルタユニットＤは加熱されて粒子状物質が燃焼除去されている。
【０３１１】
【図２２】本発明のセラミック繊維フィルタにおいて、フィルタ再生時のヒータ面積当たりの電気ヒータ電力（ｋＷ／ｍ２）と、ヒータ加熱１０分後のフィルタ表面の温度上昇量（Ｋ）の関係を示すグラフ。
【０３１２】
【図２３】本発明の粒子状物質を含む排ガス濾過装置において、フィルタに粒子状物質が捕集堆積することによる圧力損失の増加とフィルタ再生による圧力損失の瞬時の低下が、時間的に繰り返されることを示すための装置全体の圧力損失の変動のグラフ。
【０３１３】
【図２４】帯電要素がない装置で、排ガスをフィルタで濾過した場合の、フィルタにおける粒子状物質の堆積状態を示すためのフィルタ断面の写真。粒子状物質はフィルタの奥まで到達する深層濾過となる。
【０３１４】
【図２５】帯電要素がある装置で、帯電した微粒子を含む排ガスをフィルタで濾過した場合の、フィルタにおける粒子状物質の堆積状態を示すためのフィルタ断面の写真。粒子状物質は反発力のため奥までいかず表面に滞留する表面濾過になる。反発力があり微粒子は集合せず隙間があって圧力損失の上昇が遅い。
【０３１５】
【図２６】粒子状物質を含む排ガスをセラミック繊維フィルタで濾過する装置において、帯電要素がない場合と、帯電要素がある場合において、フィルタの圧力損失の時間的な増大の速度が異なる事を示すグラフ。
【０３１６】
【図２７】処理前の排ガス、帯電要素のない装置で処理した後のガス、帯電要素のある装置で処理した後のガスの中に含まれる粒子状物質の平均粒径とその粒径を持つ粒子数濃度の分布を示すグラフ。本発明の帯電要素のない装置で濾過すると約１／１０程度に粒子数濃度が減少する。帯電要素のある装置で濾過すると約１／２００程度に粒子数濃度が減少する。
【０３１７】
【図２８】本発明でフィルタの材料として用いるセラミック繊維の電子顕微鏡写真。
【０３１８】
【図２９】本発明の第９の構成を示し、排ガス流路の前段にコロナ放電による帯電装置を設け排ガスの微粒子を帯電させるようにし、排ガス流路の後段に流路に平行に２重円筒状のセラミック繊維のフィルタを２つ平行に設け、それぞれのセラミック繊維内外フィルタの中間に円筒形の電気ヒータを設置し、２つのフィルタのガス入口に独立に開閉する２つの開閉弁を設けた排ガス濾過装置において開閉弁を操作し、一方（下方）のフィルタには帯電した排ガスを円筒形セラミック繊維フィルタに流通させ粒子状物質を濾過し、他方（上方）のフィルタは流路から遮断しヒータに通電し濾過し滞留した粒子状物質を燃焼しフィルタを再生させる状態を示す断面図。
【０３１９】
【図３０】図２９に示した本発明の第９の構成において、独立開閉弁の動作を示す図。開閉弁はガス流入口から離れている。開状態であり、排ガスの濾過が実行されている。
【０３２０】
【図３１】図２９に示した本発明の第９の構成において、独立開閉弁の動作を示す図。開閉弁はガス流入口を閉ざしている。閉状態であり、ヒータ加熱によって粒子状物質が燃焼しフィルタの再生が実行されている。
【０３２１】
【図３２】図２９、３０、３１に示した４つのフィルタユニットと各フィルタユニットについて独立した開閉弁を持つ濾過装置において、開閉弁を操作することによって１つのフィルタユニットを閉鎖し粒子状物質をヒータで加熱燃焼させ再生させると、圧力損失が上昇と下降を繰り返すことを示すグラフ。
【０３２２】
【図３３】フィルタの厚みをｄ、熱伝導率をｋ、高密度をρ、比熱をｃと表し、横軸をｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）に、縦軸をρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）としたグラフにおいて、本発明の（１）式及び（２）式によって表現される領域を示し、厚みｄ＝０．０１ｍで材質、形態、密度などの異なる７つのフィルタについてｋ／ｄとρｃｄの値を示し、それらフィルタ材料の本発明のフィルタに対する適合、不適合を示すためのグラフ。試料Ａ、Ｂ、Ｃは不適。試料Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇは（１）式を満たす。試料Ｅ、Ｆは（２）式をも満たす。
【０３２３】
【図３４】横軸をｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）に、縦軸をρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）としたグラフにおいて、本発明の（１）式及び（２）式によって表現される領域を示し、厚みｄ＝０．０５ｍで材質、形態、密度などの異なる７つのフィルタについてｋ／ｄとρｃｄの値を示し、それらフィルタ材料の本発明のフィルタに対する適合、不適合を示すためのグラフ。試料Ａ、Ｂ、Ｄは不適。試料Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｇは（１）式を満たす。試料Ｅ、Ｆ、Ｇは（２）式をも満たす。
【０３２４】
【図３５】横軸をｋ／ｄ（Ｗ／ｍ２Ｋ）に、縦軸をρｃｄ（Ｊ／ｍ２Ｋ）としたグラフにおいて、ヒータのパワー密度Ｑ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で３００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を実線（甲）で示す。Ｑ／Ｓ＝２５ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を一点鎖線（乙）で示す。Ｑ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で５００ｓｅｃ以内に３００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を二点鎖線（丙）で示す。Ｑ／Ｓ＝１０ｋＷ／ｍ２で１００ｓｅｃ以内に５００Ｋ昇温できるρｃｄの上限を破線（丁）で示す。
【符号の説明】
【０３２５】
１筐体
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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粒子状物質捕集面に近接配置された断熱材と、該通気性フィルタ材と該断熱材の間に配置されフィルタ材に捕集され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排ガス流入を操作する開閉弁とからなり、開閉弁が開状態のときは通気性フィルタ材の加熱を行わずに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。
【請求項２】
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粒子状物質捕集面に近接配置され通気性フィルタ材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粒子状物質捕集面を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加熱を行って通気性フィルタ材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。
【請求項３】
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または２に記載の粒子状物質除去装置。
【請求項４】
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１〜３の何れかに記載の粒子状物質除去装置。（ｌｎは自然対数）。
【請求項５】
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１〜３の何れかに記載の粒子状物質除去装置。（ｌｎは自然対数）。
【請求項６】
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１〜５の何れかに記載の粒子状物質除去装置。
【請求項７】
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１〜６の何れかに記載の粒子状物質除去装置。
【請求項１】
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粒子状物質捕集面に近接配置された断熱材と、該通気性フィルタ材と該断熱材の間に配置されフィルタ材に捕集され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排ガス流入を操作する開閉弁とからなり、開閉弁が開状態のときは通気性フィルタ材の加熱を行わずに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。
【請求項２】
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粒子状物質捕集面に近接配置され通気性フィルタ材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粒子状物質捕集面を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加熱を行って通気性フィルタ材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。
【請求項３】
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または２に記載の粒子状物質除去装置。
【請求項４】
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１〜３の何れかに記載の粒子状物質除去装置。（ｌｎは自然対数）。
【請求項５】
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１〜３の何れかに記載の粒子状物質除去装置。（ｌｎは自然対数）。
【請求項６】
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１〜５の何れかに記載の粒子状物質除去装置。
【請求項７】
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１〜６の何れかに記載の粒子状物質除去装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【公開番号】特開２００８−６４０１５（Ｐ２００８−６４０１５Ａ）
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４２３５７（Ｐ２００６−２４２３５７）
【出願日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【特許番号】特許第４０２３５１４号（Ｐ４０２３５１４）
【特許公報発行日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【特許番号】特許第４０２３５１４号（Ｐ４０２３５１４）
【特許公報発行日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
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