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JP6699187B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気浄化装置に関するものである。
現在、排気に含まれるＰＭ（Particulate matter）等の微粒子を捕集する装置として、パーティキュレットフィルタであるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が用いられた排気浄化装置が実用化されている。このような排気浄化装置は、使用しているうちにＤＰＦにＰＭ等の微粒子が堆積するため、ＤＰＦを再生することが求められる。ＤＰＦを再生する方法としては、マイクロ波等の高周波電磁波を用いる方法が開示されている（例えば、特許文献１〜３）。具体的には、この方法は、ＤＰＦにマイクロ波等の電磁波を照射することにより、ＤＰＦに堆積しているＰＭ等の微粒子を加熱し燃焼させて、ＤＰＦの再生を行う方法である。
特開２００６−１４００６３号公報 特開２００３−２０１８２５号公報 特開２０１１−１６３３４１号公報 特開２０１１−２５２３８７号公報
上述した排気浄化装置においては、ＤＰＦの再生は、ＤＰＦにマイクロ波等の電磁波を照射することにより、ＰＭ等の微粒子が誘電加熱されて、酸化分解されることにより行われる。しかしながら、ＤＦＰ内において均一な強度でマイクロ波を照射することは困難であるため、ＤＰＦ内ではマイクロ波の強度分布が生じ、温度むらが生じてしまう。このため、ＤＰＦ内では、ＰＭ等の微粒子が除去される領域とあまり除去されない領域とが生じ、ＤＰＦの再生が完全にはなされない場合がある。
特に、ＤＰＦにおいては、排気の下流側にＰＭ等の微粒子が溜まりやすいことから、排気の下流側に溜まったＰＭ等を効率よく除去することができ、再生することのできるパーティキュレットフィルタが求められている。
本実施の形態の一観点によれば、排気浄化装置は、排気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集本体部と、前記微粒子捕集本体部の周囲に設けられた誘電体により形成された誘電体導波路部と、を有し、前記誘電体導波路部における実効的な比誘電率は、前記微粒子捕集本体部における実効的な比誘電率よりも高く、前記微粒子捕集本体部における実効的な比誘電率は、１．５〜２．０であり、前記誘電体導波路部における実効的な比誘電率は、略２．５であるパーティキュレットフィルタと、前記パーティキュレットフィルタを覆う筐体本体部と、前記筐体本体部に接続されている前記排気の吸入口及び排出口と、を備えた筐体部と、前記パーティキュレットフィルタに照射するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、を有し、前記マイクロ波発生部と前記誘電体導波路部との間には、誘電体接続部が設けられており、前記誘電体接続部は、前記誘電体導波路部と同じ材料であって、同じ空隙率で形成されていることを特徴とする。
開示の排気浄化装置によれば、ＤＰＦ内におけるＰＭ等の微粒子を効率よく除去し、再生することができる。
本実施の形態における排気浄化装置の構造図 本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタの説明図 本実施の形態における排気浄化装置に用いられる半導体素子の説明図 本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタの斜視図 従来のパーティキュレットフィルタの斜視図 本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタのシミュレーションの結果の説明図 従来のパーティキュレットフィルタのシミュレーションの結果の説明図
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ及び排気浄化装置について図１及び図２に基づき説明する。図１は本実施の形態における排気浄化装置の排気が流れる方向における断面の構造図である。図２（ａ）は本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタの側面図であり、図２（ｂ）は正面図であり、図２（ｃ）は図２（ｂ）における一点鎖線２Ａ−２Ｂにおいて切断した断面図である。
図１に示されるように、本実施の形態における排気浄化装置は、本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０、筐体部２０、マイクロ波発生部３０等を有している。尚、パーティキュレットフィルタ１０は、本実施の形態における排気浄化装置において、微粒子捕集部となるものである。図２に示されるように、本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０は、微粒子を捕集するための微粒子捕集本体部１１と微粒子捕集本体部１１の周囲に設けられた円環状の誘電体導波路部１２とを有している。
微粒子捕集本体部１１は、ＤＰＦ等により形成されている。ＤＰＦは、例えば、隣り合う通気口が交互に閉じられたハニカム構造により形成されており、排気は入口の通気口とは異なる出口の通気口より排出される。パーティキュレットフィルタ１０において、破線矢印Ａに示される排気の入る入口側を一方の側、破線矢印Ｂに示される排気の出る出口側を他方の側と記載する場合がある。
微粒子捕集本体部１１と誘電体導波路部１２は、同じ材料により形成されており、好ましくはコージェライトにより形成されている。また、本実施の形態においては、微粒子捕集本体部１１における実効的な比誘電率よりも、誘電体導波路部１２における実効的な比誘電率が高くなるように形成されている。具体的には、上記のように、微粒子捕集本体部１１は、隣り合う通気口が交互に閉じられたハニカム構造により形成されているため、空間が多い。従って、同じ材料であっても、微粒子捕集本体部１１よりも誘電体導波路部１２の空隙率を低くすることにより、微粒子捕集本体部１１における実効的な比誘電率よりも、誘電体導波路部１２における実効的な比誘電率を高くすることができる。
尚、誘電体導波路部１２におけるマイクロ波を微粒子捕集本体部１１に効率よく漏れるようにするためには、誘電体導波路部１２の空隙率は、３０％以上、８０％以下であることが好ましい。本実施の形態においては、例えば、微粒子捕集本体部１１における実効的な比誘電率は、１．５〜２．０であり、誘電体導波路部１２における実効的な比誘電率は、約２．５となるように形成されている。
パーティキュレットフィルタ１０は、例えば、円筒状の微粒子捕集本体部１１の長さＬが約２０ｃｍ、直径Ｒが１５ｃｍ〜３０ｃｍとなるように形成されている。また、誘電体導波路部１２は幅Ｗが１ｃｍ以上、６ｃｍ以下、例えば、５ｃｍ、高さＨが約２ｃｍとなるように形成されている。
筐体部２０は、ステンレス等の金属材料により形成されており、パーティキュレットフィルタ１０の周囲を覆う筐体本体部２１、筐体本体部２１に接続されている吸入口２２及び排出口２３を有している。本実施の形態における排気浄化装置においては、エンジン等からの排気ガス等の排気は、破線矢印Ａに示される方向から、吸入口２２より筐体部２０内に入り、筐体本体部２１内に設置されているパーティキュレットフィルタ１０を通ることにより浄化される。この後、パーティキュレットフィルタ１０において浄化された排気は、排出口２３より破線矢印Ｂに示される方向に排出される。
本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０は、誘電体導波路部１２が、微粒子捕集本体部１１の排気の流れる方向の下流側、即ち、他方の側の近傍に設けられている。これは、微粒子捕集本体部１１では、ＰＭ等は排気の流れる方向の下流側に溜まりやすいからである。尚、筐体部２０とパーティキュレットフィルタ１０との間には、不図示の断熱材が設けられており、誘電体導波路部１２における実効的な比誘電率は、断熱材の実効的な比誘電率よりも高くなっている。例えば、本実施の形態においては、断熱材の実効的な比誘電率は、約２．０となるものが用いられている。
本実施の形態における排気浄化装置においては、マイクロ波発生部３０とパーティキュレットフィルタ１０における誘電体導波路部１２とは、誘電体導波路部１２と同じ材料であって、同じ空隙率で形成された誘電体接続部１３により接続されている。これにより、マイクロ波発生部３０において発生したマイクロ波は、誘電体接続部１３を介し誘電体導波路部１２に供給され、誘電体導波路部１２より、微粒子捕集本体部１１の内部に照射される。
本実施の形態における排気浄化装置においては、マイクロ波発生部３０には、半導体素子、具体的には、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ等が用いられている。
窒化物半導体を用いたＨＥＭＴは、図３に示されるように、ＳｉやＳｉＣ等の基板２１０の上に、窒化物半導体層が積層して形成されている。即ち、基板２１０の上に、ＡｌＮにより形成された核形成層２１１、電子走行層２１２、電子供給層２１３が順に積層されている。電子走行層２１２は、ＧａＮにより形成されており、電子供給層２１３は、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮにより形成されている。これにより、電子走行層２１２において、電子供給層２１３との界面近傍には２ＤＥＧ２１２ａが生成される。ゲート電極２３１、ソース電極２３２、ドレイン電極２３３は、電子供給層２１３の上に形成される。
次に、本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタと、従来のパーティキュレットフィルタにおいて、マイクロ波を照射した場合におけるマイクロ波の強度分布について説明する。尚、パーティキュレットフィルタでは、マイクロ波の強度の高い領域が高温となるため、マイクロ波の強度の高い領域におけるＰＭ等の除去が特に促進される。
図４は本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０の斜視図であり、図５は従来のパーティキュレットフィルタ９１０の斜視図である。図６は図４に示される本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０におけるマイクロ波の強度分布を示すものである。図６（ａ）は、排気の流れる方向における強度分布を示し、図６（ｂ）は、誘電体導波路部１２において、排気の流れる方向とは垂直な面の強度分布を示す。図７は図５に示される従来のパーティキュレットフィルタ９１０におけるマイクロ波の強度分布を示すものである。図７（ａ）は、排気の流れる方向における強度分布を示し、図７（ｂ）は、排気の下流部分において、排気の流れる方向とは垂直な面の強度分布を示す。図６及び図７では、マイクロ波の強度が高い領域が白く、マイクロ波の強度が低くなる程黒くなるように表示されている。尚、図６及び図７は、パーティキュレットフィルタ１０及びパーティキュレットフィルタ９１０の周囲には、断熱材が設けられており、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射した場合のシミュレーション結果である。また、排気は、破線矢印Ａに示す方向からパーティキュレットフィルタの内部に入り、破線矢印Ｂに示す方向に出るものとする。
図６に示されるように、本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０は、図７に示される従来のパーティキュレットフィルタ９１０に比べて、マイクロ波の強度が高くなっている。特に、本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０においては、誘電体導波路部１２が設けられている排気の下流部分において、温度が高くなっており、ＰＭ等の溜まりやすい排気の下流部分におけるＰＭ等の除去を促進することができる。
このように、本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０は、誘電体導波路部１２を設けることにより、パーティキュレットフィルタ１０において、所望の領域におけるマイクロ波の強度を高くすることができる。具体的には、パーティキュレットフィルタでは、排気の下流側にＰＭ等の微粒子が溜まりやすいため、本実施の形態におけるパーティキュレットフィルタ１０では、微粒子捕集本体部１１の排気の下流側の周囲に誘電体導波路部１２を設けている。これにより、パーティキュレットフィルタ１０において、排気の下流側におけるマイクロ波の強度を高めることができ、温度を高くすることができるため、排気の下流側に溜まったＰＭ等の微粒子を効率よく除去することが可能となる。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
排気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集本体部と、
前記微粒子捕集本体部の周囲に設けられた誘電体により形成された誘電体導波路部と、
を有し、
前記誘電体導波路部における実効的な比誘電率は、前記微粒子捕集本体部における実効的な比誘電率よりも高いことを特徴とするパーティキュレットフィルタ。
（付記２）
前記誘電体導波路部は、前記微粒子捕集本体部と同じ材料により形成されていることを特徴とする付記１に記載のパーティキュレットフィルタ。
（付記３）
前記誘電体導波路部及び前記微粒子捕集本体部は、コージェライトを含む材料により形成されていることを特徴とする付記２に記載のパーティキュレットフィルタ。
（付記４）
前記誘電体導波路部における空隙率は、３０％以上、８０％以下であることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載のパーティキュレットフィルタ。
（付記５）
前記微粒子捕集本体部において、一方の側より入った排気は、他方の側より出るものであって、
前記誘電体導波路部は、前記微粒子捕集本体部の他方の側の周囲に設けられていることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載のパーティキュレットフィルタ。
（付記６）
付記１から５のいずれかに記載のパーティキュレットフィルタと、
前記パーティキュレットフィルタを覆う筐体本体部と、前記筐体本体部に接続されている前記排気の吸入口及び排出口と、を備えた筐体部と、
前記パーティキュレットフィルタに照射するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
を有することを特徴とする排気浄化装置。
（付記７）
前記マイクロ波発生部と前記誘電体導波路部との間には、誘電体接続部が設けられており、
前記誘電体接続部は、前記誘電体導波路部と同じ材料であって、同じ空隙率で形成されていることを特徴とする付記６に記載の排気浄化装置。
（付記８）
前記マイクロ波発生部は、窒化物半導体により形成された半導体素子を含むものにより形成されていることを特徴とする付記６または７に記載の排気浄化装置。
（付記９）
前記窒化物半導体は、インジウムを含む材料であることを特徴とする付記８に記載の排気浄化装置。
（付記１０）
前記パーティキュレットフィルタと前記筐体本体部との間には、断熱材が設けられており、
前記誘電体導波路部における実効的な比誘電率は、前記断熱材の実効的な比誘電率よりも、高いことを特徴とする排気浄化装置。
１０ パーティキュレットフィルタ
１１ 微粒子捕集本体部
１２ 誘電体導波路部
１３ 誘電体接続部
２０ 筐体部
２１ 筐体本体部
２２ 吸入口
２３ 排出口
３０ マイクロ波発生部

Claims (6)

  1. 排気に含まれる微粒子を捕集する微粒子捕集本体部と、前記微粒子捕集本体部の周囲に設けられた誘電体により形成された誘電体導波路部と、を有し、前記誘電体導波路部における実効的な比誘電率は、前記微粒子捕集本体部における実効的な比誘電率よりも高く、前記微粒子捕集本体部における実効的な比誘電率は、１．５〜２．０であり、前記誘電体導波路部における実効的な比誘電率は、略２．５であるパーティキュレットフィルタと、
    前記パーティキュレットフィルタを覆う筐体本体部と、前記筐体本体部に接続されている前記排気の吸入口及び排出口と、を備えた筐体部と、
    前記パーティキュレットフィルタに照射するマイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
    を有し、
    前記マイクロ波発生部と前記誘電体導波路部との間には、誘電体接続部が設けられており、
    前記誘電体接続部は、前記誘電体導波路部と同じ材料であって、同じ空隙率で形成されていることを特徴とする排気浄化装置。
  2. 前記誘電体導波路部は、前記微粒子捕集本体部と同じ材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
  3. 前記誘電体導波路部及び前記微粒子捕集本体部は、コージェライトを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
  4. 前記微粒子捕集本体部において、一方の側より入った排気は、他方の側より出るものであって、
    前記誘電体導波路部は、前記微粒子捕集本体部の他方の側の周囲に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気浄化装置。
  5. 前記誘電体導波路部における空隙率は、３０％以上、８０％以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排気浄化装置。
  6. 前記マイクロ波発生部は、窒化物半導体により形成された半導体素子を含むものにより形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の排気浄化装置。
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