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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am
22. November 2007 beim koreanischen Patentamt eingereichten
koreanischen Patentanmeldung
Nr. 2007-119844 , deren Offenbarung hier durch Inbezugnahme
aufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Filter zur Reinigung von Abgas
mit Differenzdruckeigenschaften und insbesondere ein Filter zur
Reinigung von Abgas mit besseren Differenzdruckeigenschaften, wobei
das Filter ein schlitzartiges Umleitungsteil aufweist, das an einer
Verbindung eines Filterelements ausgebildet ist.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Obwohl
Dieselmotoren Vorteile dahingehend aufweisen, dass sie einen hohen
Wärmewirkungsgrad und eine längere Lebensdauer
aufweisen, emittieren sie eine große Menge an Feinstaub
(PM) und Stickoxid (NOX). Derartiger PM
und Stickoxid verschmutzen die Luft. Insbesondere ist Feinstaub
sehr gefährlich für den menschlichen Körper,
da die Adsorptionsrate in das Atmungssystem hoch ist. Da Feinstaub
und Stickoxid in steigendem Maße aus Dieselfahrzeugen emittiert
wurden, wird jüngst die Emission von Feinstaub und Stickoxid
ein ernstes soziales Problem. Hierzu hat das Dieselfahrzeug-Umweltschutzkomitee
des Ministeriums für Umweltschutz in Korea jüngst
einen Plan erstellt, um die Zulässigkeitsstandards für
die Emission von Abgas zu verschärfen und den Einbau einer
Rauchnachbehandlungsvorrichtung (Diesel-PM-Filter (DPF), Dieseloxidationskatalysator
(DOC) usw.) verpflichtend vorzuschreiben, wenn der Verkauf von Dieselfahrzeugen
genehmigt wurde.
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Feinstaub
in aus einem Dieselmotor emittiertem Abgas umfasst teilchenförmiges
Material wie kohlenstoffhaltiges teilchenförmiges Material,
schwefelhaltiges teilchenförmiges Material (beispielsweise
Sulfat) und teilchenförmiges Material aus Kohlenwasserstoffen
mit hohem Molekulargewicht. Da derartiger Feinstaub in Form von
leichten Partikeln emittiert wird und in der Luft schwebt, verursacht
das teilchenförmige Material eine Umweltverschmutzung,
eingeschränkte Sichtverhältnisse, Lungenerkrankungen
usw. Derartiger Feinstaub im Abgas wurde unter Verwendung herkömmlicher
Dieselteilchenfilter (im folgenden als ”DPF” bezeichnet)
entfernt.
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DPF
funktionieren dahingehend, dass sie die Emission von Feinstaub durch
Sammeln des Feinstaubs im Abgas verringern. 1 zeigt
eine Seitenquerschnittsansicht eines DPF-Filters 10, der
auf dem einschlägigen Fachgebiet allgemein verwendet wurde.
Wie in 1 gezeigt, verbleiben beide Enden 11 und 11' des Filters
in alternierender Weise verschlossen, so dass in dem Filter gesammelter
Feinstaub im Inneren der beiden verschlossenen Enden 11 und 11' des
Filters akkumuliert wird, was zu einem Verstopfen des Filters führt. Wenn
das Filter mit dem Feinstaub verstopft wird, nimmt der Differenzdruck
zu, was ein leichtes Abführen von Abgas unmöglich
macht. Als Ergebnis wird die Leistungsfähigkeit des Motors
erniedrigt.
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Um
die Leistungsfähigkeit des Filters wiederherzustellen,
sollte durch den Filter eingefangener Ruß verbrannt werden,
um das Filter zu regenerieren. Im allgemeinen umfasst ein Filterregenerationsverfahren
ein Verfahren unter Verwendung eines Katalysators und ein Verfahren
zur Verbrennung von PM unter Verwendung externer Energie. Die Regeneration
des Filters erfordert jedoch hohe Kosten und viel Zeit.
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Folglich
ist ein Filter zur Reinigung von Feinstaub im Abgas notwendig, wobei
das Filter in der Lage ist, über einen längeren
Zeitraum hinweg ohne Erhöhung des Gegendrucks durch Verbesserung
der Differenzdruckeigenschaften eines Filters verwendet zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Filter mit verbesserten
Differenzdruckeigenschaften.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Filter zur
Reinigung von Abgas mit der Fähigkeit zur Verhinderung
der Erhöhung des Differenzdrucks an den vorderen/hinteren
Enden eines Filters, selbst wenn das Filter Rauch in einer Menge
einfängt, die größer ist als die maximale
Sammelkapazität.
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Ein
noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Filter
zur Reinigung von Abgas mit der Fähigkeit, die Abnahme
der Fahrzeugleistung zu verhindern, die durch eine Erhöhung
der Rauchsammelkapazität bedingt ist.
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Ein
noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Filter
zur Reinigung von Abgas mit der Fähigkeit zur Verhinderung,
dass Feinstaub, der sich im Inneren des Filters angesammelt hat,
auf einmal in der Gesamtheit aus dem Filter ausfließt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Filter zur Reinigung
von Abgas bereitgestellt, das eine Röhrenstruktur aufweist,
in der mehrere Filterelemente teleskopisch angeordnet sind, wobei
die Enden von zwei benachbarten Filterelementen miteinander durch
eine Verbindung verbunden sind und die Verbindung an einem Ende
eines Filterelements abwechselnd auf einer weiteren Verbindung an
einem Ende des anderen Filterelements angeordnet ist und mehrere
Schlitze in mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten
Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sind.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Das
Filter mit mehreren Schlitzen, die an Verbindungen ausgebildet sind,
die an den Enden eines Filterelements gemäß der
vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, kann sich dazu eignen,
eine Erhöhung der Druckdifferenz (Differenzdruck, Gegendruck)
an den vorderen/hinteren Enden des Filters zu verhindern, da ein Teil
des Rauchs herausgeblasen wird, da der Rauch durch Schlitze umgeleitet
wird, obwohl der Rauch eingefangen wird und an der Oberfläche
des Filterelements angesammelt wird. Folglich kann sich das Filter
gemäß der vorliegenden Erfindung dazu eignen,
die Verringerung der Fahrzeugleistung zu verhindern, selbst wenn das
Filter Rauch in einer Menge einfängt, die größer
ist als die maximale Sammelkapazität, da der überschüssige
Rauch kaum das Ausblasen des Feinstaubs und den Druck an den vorderen/hinteren
Enden des Filters beeinflusst. Folglich kann sich das Filter gemäß der
vorliegenden Erfindung dazu eignen, dass das Herausfließen
eines im Inneren des Filters angesammelten Feinstaubs auf einmal
in seiner Gesamtheit aus dem Filter verhindert wird, da die Schlitze
an den Einlässen des Filters ausgebildet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
obigen und weitere Aspekte, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen klarer verständlich.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenquerschnittsansicht, die ein herkömmliches Filter
zur Reinigung von Abgas veranschaulicht;
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2A eine
perspektivische Ansicht, die ein Filter mit besseren Differenzdruckeigenschaften
gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2B eine
Seitenquerschnittsansicht entlang einer Linie A-A des Filters mit
verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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2C eine
bildliche Darstellung, die den Einlass des Filters mit verbesserten
Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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2D eine
bildliche Darstellung, die den Auslass des Filters mit verbesserten
Differenzdruckeigenschaften gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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3 eine
konzeptionelle Darstellung, die das Filter mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der
vorliegenden Erfindung veranschauchlicht;
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4 eine
schematische Ansicht, die die Komponenten eines Metallfasermediums
und ein Verfahren zur Herstellung des als Filterelement gemäß der
vorliegenden Erfindung verwendeten Metallfasermediums veranschaulicht;
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5A ein
Diagramm, das eine Metallfasermatte, die aus in einer Richtung orientierten
Metallfasern hergestellt wurde, gemäß einer Beispielausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5B ein
Diagramm, das eine Metallfasermatte, die durch gleichmäßiges
Anordnen von in einer Richtung orientierten Metallfasergarnen in
Längsrichtung hergestellt wurde, gemäß einer
Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5C ein
Diagramm, das eine Metallfasermatte, die aus zwei Schichten von
in einer Richtung orientierten Metallfasergarnen hergestellt wurde,
gemäß einer Beispielausführungsform der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei die Metallfasergarne
gleichmäßig in Längsrichtung angeordnet
sind;
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6A eine
Photographie, die willkürlich orientierte Metallfasern,
die gemäß einem Schmelzextraktionsverfahren hergestellt
wurden, veranschaulicht;
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6B eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (× 200), die den
Querschnitt von gemäß dem Schmelzextraktionsverfahren
hergestellten Metallfasern veranschaulicht;
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6C eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (× 600), die eine
Seitenfläche der gemäß dem Schmelzextraktionsverfahren
hergestellten Metallfasern veranschaulicht;
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7A ein Diagramm, das ein Verfahren zur
Herstellung eines gewellten Metallfasermediums (Filterelement) gemäß einer
Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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7B ein Diagramm, das ein gewelltes Metallfasermedium
(Filterelement), das nach einer Beispielausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, veranschaulicht;
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8 ein
Diagramm, das eine zur Schmelzextraktion der Metallfasern gemäß einer
Beispielausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete
Vorrichtung veranschaulicht, und
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9 einen
Graphen, der die Veränderung des Differenzdrucks (DP) in
Abhängigkeit von der Veränderung der Raucheinfangkapazität,
die in Beispiel 1 gemessen wurde, veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Beispielausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun detailliert unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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Das
Filter mit verbesserten Differenzdruckeigenschaften gemäß der
vorliegenden Erfindung besitzt eine Röhrenstruktur, worin
mehrere Filterelemente teleskopisch angeordnet sind, wobei die Enden
von zwei benachbarten Filterelementen miteinander über
eine Verbindung verbunden sind und die Verbindung an einem Ende
eines Filterelements abwechselnd auf einer weiteren Verbindung an
einem Ende des weiteren Filterelements angeordnet ist und mehrere
Schlitze in mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten
Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sind.
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2A zeigt
ein Filter 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung, das mehrere fünflagige gewellte Filterelemente
umfasst, deren Verbindungen Schlitze aufweisen, die in einem Ende
hiervon ausgebildet sind, und die koaxial teleskopisch um eine Achse,
die sich in Fließrichtung des Abgases erstreckt, angeordnet
sind. Wie in 2B gezeigt, die eine Seitenquerschnittsansicht
entlang einer Linie A-A des Filters gemäß Darstellung
in 2A zeigt, sind die an beiden Enden des Filterelements
ausgebildeten Verbindungen a, b, c und d abwechselnd miteinander
angeordnet, wobei ein Filter in einstückiger Form gebildet
wird, und mehrere Schlitze sind an derartigen Verbindungen ausgebildet.
Die Schlitze können in mindestens einer Verbindung an zwei
entgegengesetzten Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sein.
Wenn die Schlitze an den an einem Ende des Filterelements ausgebildeten
Verbindungen ausgebildet sind, können die Schlitze an einem
Ende eines Abgaseinlasses oder -auslasses ausgebildet sein. Da im
Inneren des Filters angesammelter Feinstaub aller auf einmal herausfließt,
wenn die Schlitze in den Verbindungen, die in dem Abgasauslass des
Filterelements ausgebildet sind, ausgebildet sind, werden die Schlitze
vorzugsweise in den in dem Abgaseinlass des Filters ausgebildeten
Verbindungen ausgebildet. Die Schlitze können vorzugsweise
in gleichem Abstand ausgebildet sein. Die 2C und 2D zeigen
eine Photographie, die einen Einlass eines Filters mit an Verbindungen ausgebildeten
Schlitzen veranschaulicht, bzw. eine Photographie, die einen Auslass
des Filters veranschaulicht. Bei dem erfindungsgemäßen
Filter sind die Schlitze so ausgebildet, dass sie eine Fläche
aufweisen, die kleiner oder gleich 50% der Querschnittsfläche
eines Abgasrohrs ist, so dass ein Fließen von Abgas in
den Filter erlaubt wird. Da die Schlitze notwendigerweise an den
Verbindungen ausgebildet sein sollten, gibt es keine spezielle Einschränkung
bei dem niedrigsten Wert der Fläche der Schlitze, ausgenommen
einer Fläche Null der Schlitze. Und die Schlitze sind vorzugsweise
so ausgebildet, dass sie eine Fläche aufweisen, die kleiner oder
gleich 50% der Querschnittsfläche eines Abgasrohrs ist,
so dass lediglich das Hindurchführen einer sehr kleinen
Menge an Abgas, das durch das Filter geführt wurde, durch
die Schlitze erlaubt wird und eine Abnahme des Rauchreduktionsverhältnisses
verhindert wird.
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Das
Filter mit einer Vielzahl von Verbindungen eines erfindungsgemäßen
Filterelements ausgebildeten Schlitzen verhindert eine Erhöhung
des Drucks an den vorderen/hinteren Enden des Filters, da die Schlitze als
Umleitungen fungieren, um einen gewissen Teil des Rauchs auszutragen, obwohl
der Rauch auf der Oberfläche des Filterelements eingefangen
und angesammelt wird. 3 zeigt ein Konzept eines Verhinderns
der Erhöhung des Differenzdrucks im Filter mit einer Vielzahl
von Schlitzen, die an Verbindungen eines erfindungsgemäßen
Filterelements ausgebildet sind. Wie in 3 gezeigt,
wird eine Erhöhung des Differenzdrucks verhindert, da das
Abgas durch die Schlitze hinein- oder herausfließt, obwohl
der Rauch an der Oberfläche des Filterelements angesammelt
wird.
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Das
Filter mit einer Vielzahl von Schlitzen, die an Verbindungen eines
erfindungsgemäßen Filterelements ausgebildet sind,
umfasst beliebige von Filtern mit Röhrenstruktur, worin
mehrere Filterelemente teleskopisch angeordnet sind, wobei Enden
von zwei benachbarten Filterelementen miteinander über
eine Verbindung verbunden sind und die Verbindung an einem Ende
eines Filterelements abwechselnd auf einer weiteren Verbindung an
einem Ende des anderen Filterelements angeordnet ist und mehrere
Schlitze in mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten
Enden eines jeden Filterelements ausgebildet sind. Es gibt keine Einschränkung
bezüglich der Materialien des Filterelements, das Filterelement
kann jedoch beispielsweise aus Metallmaterialien (Medien), wie sie
nachfolgend beschrieben sind, hergestellt werden.
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Mit
anderen Worten kann das Filterelement ein Metallfasermedium einschließlich
einer Metallfasermatte aus mehreren in einer Richtung orientierten
Metallfasern und mit einer Porosität von 30 bis 95% sein, wobei
Träger jeweils mit den Oberseiten und Unterseiten der Metallfasermatte
verbunden sind und eine Porosität von 5 bis 95% aufweisen.
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Ferner
kann das Filterelement ein Metallfasermedium sein, das eine Metallfasermatte
aus in Längsrichtung ausgerichteten Metallfasergarnen umfasst,
wobei jedes der Metallfasergarne 20 bis 500 Bündel von in
einer Richtung orientierten Metallfasern umfasst und eine Länge
von 0,45 bis 0,6 m pro 1 g und eine Verwindung von 1 bis 9 Drehungen/m
aufweist, und die Metallfasermatte eine Porosität von 30
bis 95% aufweist, und Träger jeweils an die Oberseiten
und Unterseiten der Metallfasermatte gebunden sind und eine Porosität von
5 bis 95% aufweisen.
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Spezieller
können die Metallfasermedien 30 als das Filterelement
eine Metallfasermatte 1' und Träger 2 und 2',
die an der Oberseite bzw. Unterseite der Metallfasermatte 1' befestigt
sind, umfassen, wie in 4 dargestellt ist. Die Metallfasermedien 30 können
durch Befestigen von Drahtnetzen 2 und 2' als
Träger für die Oberseite bzw. Unterseite der Metallfasermatte 1 aus
in Längsrichtung ausgerichteten Metallfasern (5A) oder
der Metallfasermatte 1' oder 1'' aus Metallfasergarnen
(5B und 5C) hergestellt
werden, wie in 4 gezeigt ist. Die Drahtnetze 2 und 2' werden
verwendet, um die Form der Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' beizubehalten
und die Festigkeit der Metallfasermedien 30 zu erhöhen.
Da die Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' durch
die Träger 2 und 2', die an der Oberseite
und Unterseite der Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' befestigt
sind, verstärkt wird, wird die Matte, in der die Metallfasern
oder Metallfasergarne längs ausgerichtet sind, fixiert. Folglich
ist es möglich, die Bewegung der ausgerichteten Metallfasern
oder Metallfasergarne während eines nachfolgenden Verfahrens
zur Ausformung der Matte zu einem Filter mit einer bestimmten Form
und zur Erhöhung der Festigkeit der Metallfasernmedien 30 zu
verhindern. Die Metallfasermatte 1, 1' oder 1'' kann
mit Metallfasern oder Garnen aus den Metallfasern hergestellt werden.
Verschiedene Typen von Metallfasermatten, die für die Metallfasermedien 30 verwendet
werden können, sind in den 5A bis 5C veranschaulicht.
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Es
gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich der
Dichte der Metallfasern, die Metallfasern weisen jedoch vorzugsweise
eine Dichte von 100 bis 4 000 g/m2 auf.
Eine Dichte von weniger als 100 g/m2 ist
unerwünscht, da der äquivalente Durchmesser der
in diesem Fall gebildeten Poren etwa 250 μm übersteigt.
Eine Dichte von mehr als 4 000 g/m2 ist
auch unerwünscht, da es schwierig ist, aufgrund der schweren
und dicken Struktur des Filters in diesem Fall ein Filter herzustellen.
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Es
gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich der
Komponenten der Metallfasern, jedoch können Metallfasern
einer FeCr-Legierung, die aus einer Legierung auf Eisen-Chrom-Aluminium-Basis
hergestellt wurden, als Metallfasern verwendet werden. Vorzugsweise
kann eine verbesserte FeCr-Legierung verwendet werden, die 0,05
bis 0,5 Gew.-% und stärker bevorzugt 0,1 bis 0,3 Gew.-%
Zr enthält. Wenn eine Matte, die aus FeCr-Legierungsmetallfasern,
die Zr in dem oben genannten Gehaltsbereich enthalten, hergestellt
wurde, für Filtermedien verwendet wird, besitzt die Matte
eine ausgezeichnete Oxidationslebensdauer. Im allgemeinen ist eine
FeCr-Legierung bekannt. Beispielsweise kann eine FeCr-Legierung
verwendet werden, die 13 bis 30 Gew.-% Chrom (Cr), 3 bis 7 Gew.-%
Aluminium (Al) und zum Rest Eisen (Fe) umfasst. Eine FeCr-Legierung umfasst
vorzugsweise ferner 0,05 bis 0,5 Gew.-% Zirconium (Zr) und stärker
bevorzugt 0,1 bis 0,3 Gew.-% Zirconium (Zr).
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Es
gibt keine spezielle Einschränkung hinsichtlich der Metallfasern,
durch ein Schmelzextraktionsverfahren hergestellte, willkürlich
orientierte Metallfasern können jedoch bei der Herstellung
der Metallfasern oder der Garne aus den Metallfasern verwendet werden.
Das Schmelzextraktionsverfahren ist ein Verfahren zur augenblicklichen
Extraktion einer Metallfaser mit einem Durchmesser von 20 bis 70 μm,
wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfasst: Anordnen eines
kreisrunden Stabs mit einem Durchmesser von 12 mm nahe einer Induktionsspule
eines Schmelzmittels; und Schmelzen eines Endes des Stabs, um den
geschmolzenen Bereich des Stabs mit einer Scheibe in Berührung
zu bringen, die sich mit hoher Geschwindigkeit von 1 bis 100 m/s
dreht, wie in dem den vorliegenden Anmeldern erteilten
US-Patent 6 604 570 offenbart ist.
Durch das Schmelzextraktionsverfahren hergestellte, feine Metallfasern
sind willkürlich angeordnet ohne irgendeine Orientierung,
d. h. willkürlich orientiert, wie in
6A gezeigt
ist. Die Metallfasern besitzen einen halbmondförmigen Querschnitt,
wie in
6B gezeigt ist. Jede der Metallfasern
besitzt mehrere Ausbuchtungen, die in einer Seitenfläche
hiervon ausgebildet sind, wobei die Ausbuchtungen eine Höhe
von 1 bis 5 μm aufweisen, wie in
6C gezeigt
ist. Die Metallfasern, die nach dem Schmelzextraktionsverfahren
hergestellt sind, sind willkürlich orientierte Metallfasern,
so dass es notwendig ist, den Metallfasern eine bestimmte Ausrichtung
zu geben, um eine Metallfasermatte unter Verwendung der willkürlich
orientierten Metallfasern herzustellen. Die Ausrichtung kann den
Metallfasern durch kontinuierliches mehrmaliges Kämmen
der willkürlich orientierten Metallfasern gegeben werden,
um die feinen Metallfasern parallel zueinander in einer Richtung
anzuordnen. Somit kann eine in
5A dargestellte
Metallfasermatte
1 durch Kämmen der willkürlich
orientierten Metallfasern, die gemäß dem Schmelzextraktionsverfahren
hergestellt wurden, um sie in einer Richtung zu orientieren, erhalten
werden.
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Die
Metallfasermatte kann auch aus Metallfasergarnen hergestellt werden.
Das Metallfasergarn kann durch wiederholtes Durchführen
des Verfahrens zur Herbeiführung einer Orientierung in
einer Richtung, bis etwa 20 bis 500 Metallfasern zu einem Garn gebündelt
sind, hergestellt werden. Wenn ein Garn aus weniger als 20 Metallfasern
hergestellt wird, sind die Metallfasern aufgrund der geringen Zahl der
Metallfasern nicht ausreichend verwickelt, was es schwierig macht,
ein Garn herzustellen. Wenn andererseits ein Garn aus mehr als 500
Metallfasern hergestellt wird, kann in dem letztendlich hergestellten
Filter aufgrund der übermäßigen Zahl
an Metallfasern zunehmend ein Differenzdruck erzeugt werden. In
diesem Fall gibt es das weitere Problem einer Erhöhung
der Dicke und des Gewichts des Filters. Es gibt keine spezielle
Einschränkung bezüglich der zur Herstellung der
Garne verwendeten Metallfasern, beliebige der Metallfasern können
jedoch hier verwendet werden. Wie oben beschrieben, können
die nach dem Schmelzextraktionsverfahren erhaltenen Metallfasern
ohne Schwierigkeiten zu Garnen ausgebildet werden, verglichen mit
unter Verwendung eines herkömmlichen Bearbeitungsverfahrens
hergestellten Metallfasern, da es möglich ist, die Freisetzung
der Metallfasern während der Herstellung der Garne aufgrund
der auf den Oberflächen der Metallfasern ausgebildeten Ausbuchtungen,
wobei die Ausbuchtungen eine Höhe im μm-Bereich
aufweisen, zu vermeiden. Bezüglich einer detaillierten
Beschreibung sei auf die Offenbarung der
koreanischen Patentanmeldung 2005-4249 verwiesen.
Beispielsweise kann ein Metallfasergarn aus 20 bis 500 Bündeln
von in einer Richtung orientierten Metallfasern durch mehrmaliges
Kämmen der willkürlich orientierten Metallfasern,
wobei die willkürlich orientierten Metallfasern nach dem
Schmelzextraktionsverfahren hergestellt wurden, ausgebildet werden.
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Die
Metallfasergarne können auch in einer Weise hergestellt
werden, dass sie eine Länge von 0,45 bis 0,6 m pro 1 g
(0,45 bis 0,6 Nm) und eine Verwindung von 1 bis 9 Drehungen/m aufweisen.
Eine Garnlänge von weniger als 0,45 m pro 1 g ist unerwünscht,
da eine Verringerung der Porosität infolge einer erhöhten
Länge der Garne auftritt. Wenn andererseits die Länge
der Garne 0,6 m pro 1 g übersteigt, gibt es ein Problem dahingehend,
dass die Garne zu dünn sind, um fortlaufend eine gleichmäßige
Dicke beizubehalten. Ferner ist eine Garnverwindung von weniger
als einer Drehung/m auch unerwünscht, da die Metallfasern
aufgrund einer unzureichenden Verwindung der Garne entwirrt sein
können. Wenn andererseits die Verwindung der Garne 9 Drehungen/m übersteigt,
kann es infolge eines nicht ausreichenden Vorhandenseins von Poren
in dem Filterelement zu einer Erhöhung des Differenzdrucks
kommen. Die Metallfasermatte aus den Metallfasergarnen ist in den 5B und 5C gezeigt.
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Vorzugsweise
besitzt die Metallfasermatte eine Porosität von 30 bis
95%. Wenn die Porosität weniger als 30% beträgt,
kommt es zu einer abrupten Zunahme des Differenzdrucks, wenn Feinstaub
und Stäube im Abgas herausgefiltert werden. Wenn andererseits
die Porosität 95% übersteigt, sind die Poren zu
groß, um Feinstaub und Stäube wirksam herauszufiltern.
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Vorzugsweise
besitzen die Metallfaserträger eine Porosität
von 5 bis 95%. Wenn die Porosität der Metallfaserträger
weniger als 5% beträgt, ist die Festigkeit der Metallfaserträger
hoch, jedoch der Differenzdruck im Filter übermäßig
hoch. Wenn andererseits die Porosität der Metallfaserträger
95% übersteigt, ist der Differenzdruck im Filter niedrig,
jedoch kann es zu einer Verringerung der Festigkeit kommen. Die
oberen und unteren Träger der Metallfasermatte können
gleiche oder unterschiedliche Porositäten aufweisen. Die
Träger können auch aus dem gleichen Material wie
die Metallfasern, nämlich der oben beschriebenen FeCr-Legierung,
hergestellt sein. Die Metallfasern und die Träger besitzen
eine Hitzebeständigkeit.
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Vorzugsweise
besitzen die Metallfasermedien eine Dicke von 0,5 bis 3 mm. Wenn
die Metallfasermedien eine Dicke von weniger als 0,5 mm aufweisen,
wird die Porosität der Metallfasermedien aufgrund der hohen
Faserdichte in unerwünschter Weise verringert, was zu einem
erhöhten Differenz druck führt. Wenn andererseits
die Metallfasermedien eine Dicke von mehr als 3 mm aufweisen, ist
die Porosität der Metallfasermedien zu hoch, um Stäube
herauszufiltern.
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Wenn
die aus mehreren in einer Richtung orientierten Metallfasern hergestellte
Metallfaserratte oder die aus in Längsrichtung ausgerichteten
Metallfasergarnen hergestellte Metallfasermatte zur Herstellung
eines Filters verwendet wird, kann die Metallfasermatte eine Einzelschicht-
oder Mehrschichtstruktur, die zwei oder mehr in Längsrichtung
laminierte Schichten umfasst, aufweisen. Beispielsweise kann die
Metallfasermatte eine Einzelschichtstruktur aufweisen, wenn die
Dicke der Garne groß ist, und sie kann eine Mehrschichtstruktur
aufweisen, wenn die Dicke der Garne gering ist. Ferner kann die
Metallfasermatte eine Mehrschichtstruktur, die zwei oder mehr laminierte
Schichten umfasst, aufweisen, wenn die gemäß der
Verwendung der Metallfasermatte geforderten physikalischen Eigenschaften
dies bedingen.
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Das
Filterelement des Filters kann ein gewelltes Filterelement sein.
Das gewellte Filterelement kann eine ausgezeichnetere Rauchsammeleffizienz
und Fähigkeit zur Verbesserung des Differenzdrucks aufweisen,
da es eine höhere Kontaktfläche mit dem Abgas
aufweist. Beispielsweise kann ein durch Falten eines Metallfasermediums
hergestelltes gewelltes Metallfasermedium als Filterelement verwendet
werden.
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Das
gewellte Metallfasermedium kann durch Falten des Metallfasermediums
in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Metallfasern
oder Garne zur Herstellung von Wellen und Verpressen des gefalteten
Metallfasermediums in Richtung der Wellen zur Fixierung der Wellen
hergestellt werden. Es gibt keine spezielle Einschränkung
bezüglich der gefalteten Metallfasermedien. Beliebige Typen
der oben genannten Metallfasermedien können gefaltet werden,
um das gewellte Metallfasermedium herzustellen. Genau gesagt ist
es möglich, ein gewelltes Metallfasermedium durch Falten
des unter Verwendung einer der in den 5A bis 5C gezeigten
Metallfasermatten hergestellten Metallfasermediums herzustellen.
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Beispielsweise
werden Kräfte an gegenüberliegende Längsenden
der Metallfasern oder Metallfasergarne in dem zu faltenden Metallfasermedium 30 gemäß Darstellung
in 7A angelegt, um das Metallfasermedium 30 in
einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Metallfasern
oder Garne zu falten, worauf das gefaltete Metallfasermedium verpresst
wird, um die Wellen zu fixieren. So kann ein Metallfasermedium 30' mit einer
Dicke, die etwa der Tiefe der Wellen entspricht, erhalten werden.
Vorzugsweise kann die Wellentiefe in einem Bereich von 3 bis 30
mm liegen. Wenn die Wellentiefe weniger als 3 mm beträgt,
wird keine wirksame Wellung ausgebildet. In diesem Fall gibt es
keine oder eine geringe Erhöhung der Oberfläche
durch die Wellen. Wenn andererseits die Wellentiefe 30 mm übersteigt,
kann das Metallfasermedium durch die während eines Regenerationsverfahrens
erzeugte Wärme oder durch den hohen Druck deformiert werden.
Wenn die Wellentiefe 3 mm beträgt, nimmt die Oberfläche
des Metallfasermediums um das 1,5-fache der Oberfläche
des vor Ausbildung der Wellen erhaltenen Metallfasermediums zu.
Wenn die Wellentiefe 30 mm beträgt, nimmt die Oberfläche
des Metallfasermediums um das 15-fache zu.
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Das
Metallfasermedium und das gewellte Metallfasermedium weisen vorzugsweise
eine mittlere Porengröße auf, die einem Äquivalentdurchmesser
von 10 bis 250 μm entspricht. Wenn der Äquivalentdurchmesser
der mittleren Porengröße weniger als 10 μm
beträgt, können Mikrostäube in wirksamer Weise
herausgefiltert werden, die Poren können jedoch infolge
des Sammelns von Mikrostäuben auf der Oberfläche
des Filters blockiert werden, was zu einer abrupten Erhöhung
des Drucks führt. Wenn andererseits der Äquivalentdurchmesser
der mittleren Porengröße 250 μm übersteigt,
können die geeigneten Filtereigenschaften nicht erreicht werden.
Wenn das unter Verwendung des Metallfasermediums oder gewellten
Metallfasermediums hergestellte Filter als das Filterelement verwendet
wird, besitzt das Filter eine Porosität von 85 bis 97%.
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Es
gibt keine spezielle Einschränkung bezüglich des
Querschnitts des röhrenförmigen Filters, der Querschnitt
des röhrenförmigen Filters kann jedoch beispielsweise
kreisförmig, oval oder polygonal, beispielsweise quadratisch
oder pentagonal, sein. Vorzugsweise weist das röhrenförmige
Filter eine zylindrische Form auf, deren Querschnitt kugelförmig
ist. Das Mehrröhrenfilter kann zwei oder mehr teleskopische
Filterelemente umfassen. Es gibt keine spezielle Einschränkung
bezüglich der Zahl der teleskopischen Filterelemente, die Zahl
der teleskopischen Filterelemente kann jedoch in geeigneter Weise
unter Berücksichtigung der Wirksamkeit und der Kapazität
des Filters gewählt werden. Wenn das Filterelement in dem
röhrenförmigen Filter oder dem Mehrröhrenfilter
aus den oben beschriebenen gewellten Metallmedien besteht, kann
das Filterelement eine gewellte röhrenförmige
(zylindrische) Struktur aufweisen.
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Im
Falle eines Filters mit einer röhrenförmigen Struktur
liegt das Verhältnis des Äquivalentdurchmessers
zur Länge vorzugsweise in einem Bereich von 1:1,5 bis 15.
Im Falle eines Filters mit einem Mehrröhrenfilter liegt
das Verhältnis von Äquivalentdurchmesser zur Länge
des innersten röhrenförmigen Filterelements vorzugsweise
in einem Bereich von 1:1,5 bis 15. Wenn die Länge weniger
als das 1,5-fache des Äquivalentdurchmessers beträgt,
ist die Filterfläche verringert, verglichen mit dem Volumen
des Filters. Wenn andererseits die Länge mehr als das 15-fache
des Äquivalentdurchmessers beträgt, ist das Filter
zu lang, um in Fahrzeugen installiert zu werden. Vorzugsweise ist
die Zahl der Wellen in einem röhrenförmigen Filterelement
des röhrenförmigen Filters oder des Mehrröhrenfilters
kleiner oder gleich dem 15-fachen des Äquivalentdurchmessers
des Filters, wenn der Äquivalentdurchmesser in Zentimeter
ausgedrückt ist. Wenn die Zahl der Wellen größer
als das 15-fache des Äquivalentdurchmessers ist, ist der
Abstand zwischen benachbarten Wellen zu gering, um eine weite Filteroberfläche
aufgrund einer übermäßig großen
Zahl von Wellen bereitzustellen.
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Zwischenzeitlich
wurden die herkömmlichen keramischen Filter für
einen keramischen Filterkörper mit Aluminiumoxid und zum
Tragen eines Katalysators auf dem Aluminiumoxid verwendet. Im Falle
eines Filters aus dem Metallfasermedium ist es jedoch möglich,
auf dem Filter einen Metallkatalysator zu tragen, ohne dass ein
getrenntes Aluminiumoxidbeschichtungsverfahren verwendet wird, da
die Metallfasern des Metallfasermediums aus einer FeCr-Legierung
bestehen, die als eine Komponente Aluminium enthält und
das Aluminium bei hoher Temperatur zu Aluminiumoxid oxidiert. Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann der Metallkatalysator mindestens einer
sein, der aus Pt, Pd, Rh und Ru ausgewählt ist. Folglich
kann die Beschichtung des Katalysators auf dem Filter in einfacherer
Weise gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht
werden. Das heißt, nach Herstellen des Filters aus dem
Filterelement des Metallfasermediums kann das Filter auf 500 bis
1200°C, vorzugsweise in einer Sauerstoffatmosphäre,
wenn nötig während 1 bis 24 h erwärmt
werden, um das Aluminium in der Metallfaserzusammensetzung zu Aluminiumoxid
zu oxidieren, und um so den Katalysator auf dem Aluminiumoxid zu
tragen. Wenn das Erwärmen bei einer Temperatur von 500°C
oder darunter während einer Stunde oder weniger durchgeführt
wird, wird das Aluminium in nicht ausreichender Weise zu Aluminiumoxid oxidiert.
Wenn andererseits das Erwärmen bei einer Temperatur von
1200°C oder darüber während 24 h oder mehr
durchgeführt wird, können die Kosten übermäßig
hoch sein.
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Das
Filter kann als Abgasreiniger, insbesondere als Filter zur Reinigung
von Feinstaub im Abgas verwendet werden. Im Detail kann das Filter
als Filter zur Reinigung von in Dieselmotoren und Dieselgeneratoren erzeugtem
Abgas verwendet werden.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung detailliert anhand von Beispielen
beschrieben. Diese Beispiele sollen lediglich veranschaulichen und
die Erfindung in keiner Weise auf diese Beispiele einschränken.
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[Beispiele]
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Beispiel 1
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Ein
Filter wurde in diesem Beispiel wie folgt hergestellt. Ein Rundstab
mit einem Durchmesser von 12 mm wurde nahe einer Induktionsspule
einer Schmelzvorrichtung gemäß Darstellung in
8 angeordnet
und auf 1600°C erwärmt, um ein Ende des Stabs
gemäß dem in der
US
6 604 570 offenbarten Verfahren zu schmelzen. Das geschmolzene
Ende des Stabs wurde mit einer Scheibe in Berührung gebracht,
die bei einer hohen Geschwindigkeit von 20 m/s umläuft,
um augenblicklich Metallfasern mit einem Äquivalentdurchmesser von
50 μm herzustellen. Die hergestellten Metallfasern sind
willkürlich angeordnet, ohne dass es Orientierungen gibt.
Hier besitzen Metallfasern einen halbmondförmigen Querschnitt
und eine Länge von etwa 10 bis 18 cm. Die Metallfasern
besaßen eine Zusammensetzung, die 22 Gew.-% Chrom, 5,5
Gew.-% Aluminium, 0,3 Gew.-% Zirconium und zum Rest Eisen (Fe) umfasst.
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Bis
80 Stränge von in einer Richtung orientierten Metallfasern
hergestellt sind, wurden die willkürlich orientierten Metallfasern
kontinuierlich gekämmt, um ein Metallfasergarn herzustellen.
Die hergestellten Metallfasergarne wiesen eine Länge von
0,55 m pro 1 g und eine Verwindung von 8 Drehungen/m auf. Anschließend
wurden die Metallfasergarne in Längsrichtung in zwei Schichten
ausgerichtet, um eine Metallfasermatte herzustellen. Die Metallfasermatte
des erfindungsgemäßen Beispiels 1 besaß eine
Dichte von 1,5 kg/m2 und eine Porosität
von 85%.
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Ein
Metallfasermedium wurde anschließend durch Befestigen von
wärmebeständigen Drahtnetzen (als Träger)
mit Porositäten von 45 und 72% auf die Ober- bzw. Unterseite
der Metallfasermatte hergestellt. Die Drahtnetze besaßen
eine Zusammensetzung, die 18 Gew.-% Chrom, 3,0 Gew.-% Aluminium
und zum Rest Eisen (Fe) umfasst. Die hergestellten Metallfasermedien
besaßen eine Dicke von 1,0 mm und eine mittlere Porengröße,
die einem Äquivalentdurchmesser von 40 μm entspricht.
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Die
hergestellten Metallfasermedien wurden bis zu einer Tiefe von 8
mm gefaltet und anschließend bei 1 kg/cm2 verpresst,
um ein zylindrisches Filterelement mit einem Durchmesser von 70
mm, einer Länge von 300 mm und 52 Wellen herzustellen.
Anschließend wurden beide gegenüberliegenden Enden
des Filterelements so geschweißt, dass die entgegengesetzten
Enden des Filterelements abwechselnd gemäß Darstellung in 2A angeordnet
sind. Schlitze wurden an den Verbindungen des Filterelements derart
ausgebildet, dass sie an einem Ende eines Abgaseinlasses ausgebildet
wurden, und ein Befestigungselement wurde an beiden Enden des Filters
montiert, um ein Filter mit einem Volumen von 6,4 l zu erhalten.
Die Schlitze wurden in einem gleichen Abstand in den Verbindungen
des Filterelements innerhalb eines Flächenbereichs, der
35% der Querschnittsfläche des Abgasrohrs mit einem Durchmesser
von 50 mm entspricht, ausgebildet.
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Rauch
wurde in den hergestellten Filtern in Mengen von 0 g/l, 3 g/l, 5
g/l, 7 g/l bzw. 8,25 g/l gesammelt. Anschließend wurde
die Veränderung des Differenzdrucks gemäß der
Rauchsammelkapazität durch Führen der Luft durch
die Filter mit einer Strömungsrate von 2 bis 12 m2/min gemessen. Die gemessene Veränderung des
Differenzdrucks ist in 9 dargestellt. Wie in 9 gezeigt,
weist das Filter einen Differenzdruck von weniger als 100 mbar auf,
wenn 8,25 g/l des Rauchs in dem Filter gesammelt wurden.
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Ferner
wurde das Rauchverringerungsverhältnis durch den Filter
durch Sammeln von 0 g/l bzw. 9 g/l Rauch in den hergestellten Filtern
und Messen des Rauchanteils vor/nach Installieren des Filters unter
Verwendung eines Lug-Down-Tests, bei dem die Last um 10% bei der
maximalen Drehzahl zunimmt, bestimmt. Das heißt, der Rauchanteil
wurde anhand eines Belastungstests zum Messen des aus Kraftfahrzeugen
ausgestoßenen Anteils an Rauch, wenn die Drehzahl zweimal
um 10% von der maximalen Drehzahl (3400 Umdrehungen pro Minute)
verringert wurde, gemessen. Der Anteil an Rauch wurde dreimal unter
den gleichen Bedingungen (Betrieb 1 bis 3) gemessen und die Ergebnisse
eines Rauchverringerungsanteils sind in der folgenden Tabelle 1
angegeben. Tabelle 1
| | Filter 1
(gesammelter Rauch: 0 g/l) | Filter 2
(gesammelter Rauch: 9 g/l) |
| Betrieb
1 | Betrieb
2 | Betrieb
3 | Betrieb
1 | Betrieb
2 | Betrieb
3 |
| Anteil an Rauch vor Installation
des Filters | 63% | 60% | 58% | 63% | 60% | 58% |
| Anteil an Rauch nach
Installation des Filters | 28% | 24% | 22% | 41% | 36% | 35% |
| Verringerungsverhältnis | 56% | 60% | 62% | 35% | 40% | 40% |
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Wie
in Tabelle 1 angegeben, zeigte sich, dass das erfindungsgemäße
Filter mit Schlitzen, die an den Verbindungen des Filterelements
ausgebildet waren, ein ausgezeichnetes Rauchverringerungsverhältnis
von 35% oder mehr aufweist, wenn 9 g/l des Rauchs in dem Filterelement
eingefangen werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Beispielausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, ist einem Fachmann auf dem einschlägigen
Fachgebiet offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen ohne
Abweichen vom Geist und Umfang der Erfindung, die durch die beigefügten
Patentansprüche definiert sind, durchgeführt werden
können.
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Zusammenfassung
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Beschrieben
wird ein Filter zur Reinigung von Abgas mit besseren Differenzdruckeigenschaften,
wobei das Filter schlitzartige Umleitungsteile aufweist, die an
Verbindungen eines Filterelements ausgebildet sind. Das Filter besitzt
eine Röhrenstruktur, worin eine Vielzahl von Filterelementen
teleskopisch angeordnet ist, wobei jedes der Filterelemente aus
einer Vielzahl von Metallfasern besteht, wobei die Enden von zwei
benachbarten Filterelementen miteinander über eine Verbindung
verbunden sind und die Verbindung an einem Ende eines Filterelements
abwechselnd auf einer weiteren Verbindung an einem Ende eines weiteren
Filterelements angeordnet ist und eine Vielzahl von Schlitzen in
mindestens einer Verbindung an zwei entgegengesetzten Enden eines
jeden Filterelements ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - KR 2007-119844 [0001]
- - US 6604570 [0042, 0058]
- - KR 2005-4249 [0043]