KR100203968B1 - 동심관형 디이젤 입자 여과기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라, 케이싱(11)을 반경방향으로 충진시키는 다수의 동심적으로 격설되는 지지식 강성 다공관들(15, 16, 17, 18, 19)를 갖는 케이싱(11)로 구성되는 효율적이고 경제적이며 간결한 디이젤 입자 여과기(10)이 제공되고, 각각의 관의 천공표면은 나선형으로 권취되는 무기질의 실로 구성되는 여과요소(35, 36, 37, 38, 39)에 의해 덮여지며, 관들 사이의 각각의 공간은 관들(15 내지 19)의 일단부에서만 차단되어 케이싱의 일단부에서 차단되지 않은 공간으로 유입되는 배기 개스가 케이싱(11)의 다른 단부에 있는 차단되지 않은 공간을 통하여 방출되기 전에 여과요소들(35 내지 39)를 관통하여 반경방향 내외측으로 통과하도록 한다.

Description

[발명의 명칭]

동심관형 디이젤 입자 여과기

[기술분야]

본 발명은 디이젤 엔진의 배기로부터 입자들을 제거하는 여과기 또는 트랩(trap)에 관한 것이다.

[배경기술]

디이젤 엔진은 위해한 검은 배기를 방출하며 이와 같은 배기는 디이젤 입자 여과기들을 사용함에 의해 그 위해한 정도가 완화되게 된다. 그러나, 공지된 디이젤 입자 여과기들은 연료 소모량을 비정상적으로 증가시키고 내성(durability)이 조악하게 된다.

공지된 디이젤 입자 여과기들은 네개의 분류 또는 형태로 나누어질 수 있고, 제1형태는 세라믹 월플로우(wallflow) 단일암체를 갖는 것을 특징으로 하며, 제2형태는 강성 세라믹 포말을 갖고, 제3형태는 섬유질의 여과 재료로된 괴체를 가지며, 제4형태는 하나 이상의 중공형 다공 금속관들을 갖는다. 각각의 여과기는 배기 시스템에의 연결을 위해 사용되는 연신된 케이싱을 가질 수 있다. 또한, 각각의 여과기 형태는 수집된 입자물질들을 연소시킴으로써 사용중 주기적으로 재생된다.

제1형태의 디이젤 입자 여과기의 일예가 아웃랜드에게 허여된 미합중국 특허 제4,276,071호에 기재되어 있다.

1989. 8. 31자로 공개된 기에블링의 독일연방공화국 출원 공개 제38 06 131호에는 개조된 제1형태의 디이젤 입자 여과기를 제조하기 위한 방법이 기재되어 있고, 평행 격설되는 필라멘트들을 포함하는 메쉬를 지탱하는 페이스트형 세라믹 구조재료가 로울에 권취되며, 상기 로울은 관형 케이싱내로 삽입되고 연소되어 다공성의 세라믹제그을음-여과 본체가 생성되게 된다.

제2형태의 디이젤 입자 여과들은 예컨대 만에게 허여된 미합중국 특허 제4,264,346호 및 비코브스키에게 허여된 미합중국 특허 제4,813,231호에 기재되어 있다. 제1 및 제2형태의 여과기들에 모두 해당되는 결점은, 그들의 강성 특성 때문에 예컨대 여과기들이 자동차나 다른 차량들에 사용되는 경우 열응력 및 진동에 처하여지게 되면 균열되기 쉽다는 데에 있다.

제3형태의 디이젤 입자 여과기의 일예는 1987. 2. 7자로 공개된 브리히의 독일연방공화국 출원 공개 제35 45 725호에 기재되어 있고, 상기 출원에서는 직제 매트가 원통형 하우징내에 위치되어 하우징의 중심선과 동축적으로 된다. 하우징은 축향 개스 유입구 및 축향 개스 배출구를 갖는다. 배기 개스는 상기 직제 매트들을 관통하여 반경방향으로 통과한다. 일 실시예에서, 세라믹 섬유 매트들이 타이트하게 말려져서 (rolled up) 하우징의 전체 횡간단면을 충진시키게 된다. 상기 실시예는 임의적으로 세라믹 섬유 매트들과 함께 나선형으로 감겨지는 금속웨브를 가지며 이에 따라 상기 금속 웨브와 세라믹 섬유 매트들은 축을 중심으로 망을 형성하게 된다.

1989. 8. 3자로 공개된 스퇴플러등의 독일연방공화국 출원 공개 제38 01 634호에는 제3형태의 디이젤 여과기가 기재되어 있고, 원통형 여과 요소들의 수개의 층들이 유입 구멍 및 배출 구멍 사이에서 하우징 유니트내에 배열되어 배기 개스에 의해 반경방향으로 횡단되게 되며, 유입 채널 및 배출 채널의 형성시에 여과요소들은 동일한 간격의 반경방향 중심거리를 갖는 원형 또는 타원형 횡간단면을 갖고, 각각의 여과요소는 와이어-메시, 세라믹 섬유 또는 그 조합체로 제조되면서 개스 투과성 금속제커버 시이트에 의해 양측면에서 봉합되는 개스 투과성 여과기 본체를 구성하게 된다. 또한, 스페이서 요소들을 사용함에 의해, 여과 본체는 권취되어 나선형 유입 채널 및 배출 채널을 갖는 포장물을 형성할 수 있으며, 상기 채널들은 각각 대향 측면에서 폐쇄되고, 금속제다공 시이트들 또는 금속제직물들에 의해 형성되는 봉합 커버들에는 촉매 코팅이 제공되어 개스 오염물을 전환시키게 된다.

제4형태의 디이젤 입자 여과기의 일예는 에르트만스되르페르의 미합중국 특허 제4,324,572호에 기재되어 있으며, 다수의 평행하게 격설된 강성 다공중공관들 (지지용 파이프로서 알려짐)이 케이싱의 길이부를 따라 연장되게 된다. 스펀 실리콘 이산화물 또는 실리카 섬유의 실들이 각각의 관들에 권취되어 여과 요소들을 제공하게 된다. 각각의 관은 유입구에서 플러깅되며(plugged) 관들 사이의 채널들은 배출구에 있는 벽에 의해 차단되어 배기 개스를 여과 요소들을 관통하여 강제이동시키게 된다. 상기 실들은, 수집된 입자물질의 주기적인 연소중 산소가 그을음 침적물들에 도달될 수 있도록 하기 위해, 바람직하게는 교차 권취된다.

1989. 3.30자로 공개된 버크의 독일연방공화국 출원 공개 제37 31 766호에는 유입구 연결 파이프 및 배출구 연결 파이프를 구비하는 봉입물을 갖는 다른 제4형태의 디이젤 입자 여과기가 기재되어 있고, 세라믹 섬유들 또는 실들(yarns)이 상기 봉입물의 내부에 위치된다.

외르네르의 미합중국 특허 제4,576,799호에는, 연신된 케이싱을 반경방향으로 동심적으로 충진시키는 다수의 평행하게 격설된 강성 다공 중공관들로 구성되는 또다른 제4형태의 디이젤 입자 여과기가 기재되어 있다. 각각의 관들은 내부 다공 동체 및 외부 다공벽 사이에 샌드위치된 여과 요소로 구성된다. 일 실시예에서, 근접한 관들의 사이에는 장벽이 존재되어 두개의 관들 사이로 유입되는 배기 개스가, 두개의 관들의 외부 및 다음 장벽 사이의 공간을 관통하여 유출되기 전에, 상기 여과 요소를 관통하여 반경방향 외측으로 통과하도록 한다. 다른 실시예에서는, 근접한 장벽들 사이에 두개의 관들이 존재되고, 배기 개스는 배출구에 도달되기 전에 양 관들의 여과 요소들을 관통하여 통과하게 된다.

1989. 10. 3자로 공개된 엔젤러 등의 독일연방공화국 출원 공개 제39 10 554호에는 또 다른 제4형태의 디이젤 입자 여과기가 기재되어 있으며, 여과기는 케이싱의 길이를 따라 연장되는 네개의 동심적인 강성 중공 다공관들로 구성되고, 근접한 관들 사이의 각각의 공간은 관들의 일단부에서만 차단되어 차단되지 않은 공간으로 유입되는 배기 개스가 관들의 다공 벽들을 관통하여 반경방향 내측 또는 외측으로 통과하도록 한다.

1988. 2. 17자로 공고된 헨켈의 영국 특허 제2,193,656호에는 단지 하나의 중공형 다공관을 갖는 제4형태의 디이젤 입자 여과기가 기재되어 있으며, 관은 두개의 여과 층들로 권취되게 되는데 첫번째로 석영 유리 또는 세라믹 섬유로된 미세한 소공을 갖는 직물로 권취되고 그리고나서 탄성을 갖는 넓은 메쉬의 직물 또는 플리이스로 권취된다. 짧은 또는 스테이플 섬유 여과재료를 사용하는 제4형태의 디이젤 입자 여과기에 관련되는 공통적인 문제점은 섬유의 탈립화(fiber shedding)가 발생되어 수명이 단축되게 된다는 데에 있다.

[발명의 요약]

간단히 언급하면, 본 발명은 (a) 두개 이상의 단부들을 갖는 케이싱, (b) 케이싱의 단부들을 배기 시스팀에 연결시키기 위한 수단, (c) 케이싱의 단부들 사이에서 연장되고 각각 두개 이상의 단부들 및 외면을 가지며 반경방향으로 케이싱을 충진시키고 지지수단에 의해 케이싱내에서 각각 지지되게 되는 다수의 동심 격설되는 강성 다공관들, (d) 상기 다공부들을 덮기 위해 각각의 상기 관들 둘레에 나선형으로 권취되는 무기질의 실로 구성되는 여과 요소들, 및 (e) 관들 사이의 각각의 공간이 케이싱의 일단부들에 근접하여 차단되는 상태에서 관들 사이의 교대적인 공간을 관들의 단부에서 차단하기 위한 수단으로 구성되는 디이젤 입자 여과기를 제공한다.

바람직하게는, 무기질의 실은 하나 이상의 관들의 둘레에 나선형으로 교차 권취된다.

본 발명에 따른 디이젤 여과기의 구조는 배기 개스로 하여금 반대되는 반경방향으로 근접한 관들을 관통하여 통과할 수 있도록 한다.

본 발명의 여과기는 개선된 제4형태의 디이젤 입자 여과기로서 특정화될 수 있다. 본 발명의 여과기는 다공성을 갖는 여과관들의 동심적인 배열체를 사용함으로써 특정의 무효공간(dead space)을 제거하게 된다. 또한 , 상기와 같은 동심적인 배열로 인하여, 디이젤 입자 여과기는 측면 방향으로 격설되는 다공 여과관들을 사용하는 종래기술에 따른 여과기에 비하여 더욱 강건하고 간결한 구조를 달성한다.

본 명세서에서, 무기 섬유는 (예컨대 약 600℃보다 큰 온도의) 고온에서 내성을 갖고 디이젤 배기 개스에 대한 화학적인 저항성을 가지며 직물강도를 갖는 (즉, 본 발명의 여과기를 구성하는 관들 둘레에 권취되기에 적당한) 특정의 무기 섬유를 나타내며; 실이라는 용어는 다수의 개개의 섬유들 또는 필라멘트들 또는 그 다발을 의미하고; 열-변성 섬유는 가열되었을 때 분해 및 휘산되는 성분으로 구성되는 섬유(예컨대 유기재료)를 나타내며; 섬유 조각은 실의 코어로부터 돌출되는 절단된 섬유의 부분을 의미한다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명에 따른 디이젤 입자 여과기를 관통한 종방향 중심 단면도.

제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 취한 횡간 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 제2의 디이젤 입자 여과기를 관통한 (제2도와 유사한) 횡간 단면도.

이하 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명을 상술한다.

[바람직한 실시예의 상세한 설명]

본 발명에 따른 디이젤 입자 여과기는 디이젤 배기 개스로부터 입자를 제거하기 위한 효율적이고 경제적이며 간결한 시스팀을 제공한다.

제1도 및 2도를 참조하면, 바람직한 디이젤 입자 여과기(10)은 원통형 본체(12), 원추형 배기 개스 유입구(13) 및 원추형 배기 개스 배출구(14)를 구비하는 연신된 케이싱(11)을 갖는다. 원통형 본체(12)를 반경방향으로 충진시키는 다섯개의 동심적으로 격설되는 강성 관들(15, 16, 17, 18 및 19)는 원통형 본체(12)내에 위치되어 케이싱(11)의 유입단부(50) 및 배출단부(51) 사이에서 연장된다. 관들(15, 16, 17, 18 및 19)의 벽들은, 각각의 관의 각각의 극단에 있는 불공 구역(imperforate area)(예컨대 15A)를 제외하고는, 그 길이 전체에 걸쳐서 균일하게 천공된다. 관들(15, 16, 17, 18 및 19)의 유입 극단부에는 환형 캡들(20 및 21) 및 중앙의 원형 캡(22)가 연결된다. 관들(15, 16, 17, 18 및 19)의 배출 극단부들에는 환형 캡들(24, 25 및 26)이 연결된다. 캡들(24, 25 및 26)은 배출단부(51)에서 관들 사이의 교대적인 공간들을 차단한다. 관들의 유입 극단부들에서 근접한 캡들을 가교시키는 것은 얇은 스트럿(strut)(28, 29 및 30)이며, 이들중 외부의 스트럿(30)은 케이싱(11)에도 연결된다. 관들의 배출 극단부들에 있는 근접한 캡들도 마찬가지로 얇은 스트럿들(32 및 33)에 의해 가교된다(bridged).

무기질의 실은 관들(15, 16, 17, 18 및 19)의 둘레에 나선형으로 독립적으로 권취되어 각각의 관들(15, 16, 17, 18 및 19)의 다공 표면을 덮는 여과요소(35, 36, 37, 38 및 39)를 형성하게 된다. 임의적으로, 상기 무기질의 실은 관들(15, 16, 17, 18 및 19)의 둘레에 나선형으로 독립적으로 교차 권취된다. 유입 단부(50)에서 차단되지 않은 공간으로 유입되는 배기 개스는 캡들(20, 21 및 22)에 의해 차단되지 않은 관들(15,16,17,18 및 19) 사이의 공간들로 통과되어 캡들(24,25 및 26)에 의해 차단되지 않은 공간들을 통하여 배출단부(51)에서 배출되기 전에 여과요소(35, 36, 37, 38 및 39)를 관통하여 반경방향 내외측으로 통과된다.

임의적으로, 무기 섬유로 구성되는 부직 매트가 관들(15, 16, 17, 18 및 19)중의 하나의 외부표면 및 나선형으로 권취되는 또는 권취되는 무기질의 실 사이에 개재된다.

임의적으로, 무기질의 실에 부가하여, 하나 이상의 관들(15 내지 19) 둘레에는 변성 실이 나선형으로 권취되거나 또는 교차 권취된다.

디이젤 배기가 배출 단부(51)쪽으로 유입되고 유입단부(50)에서 배출되도록 디이젤 입자 여과기(10)을 구성하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.

제3도에 도시한 디이젤 입자 여과기(40)은 제1도 및 2도에 도시한 여과기와 구성 및 기능이 유사하게 된다. 금속 케이싱(42)내에 다섯개의 동심적으로 격설되는 강성 금속관들(도시안됨)이 위치되고, 상기 금속관들의 벽들은, 각각의 관의 각각의 극단부에 있는 불공구역을 제외하고는, 전체 길이에 걸쳐서 균일하게 천공된다. 관들의 유입 및 배출 극단부들에는 시이트 금속 스탬핑들이 용접되며, 상기 스탬핑들중의 하나(44)를 도시한다. 관 단부들에 고정되는 상기 스탬핑들은 관들 사이의 교대적인 공간들을 차단하고 여과기를 구조적으로 보강하는 역할을 한다. 금속 스트럿들(46)은 상기 스탬핑들과 일체로 되고 상기 스트럿(46)의 최외측은 케이싱(42)에 용접된다.

각각의 관의 천공 표면에 대해, 나선형으로 권취된 무기질의 실(49)에 의해, 무기섬유로된 다수의 부직 매트들(48)이 지지된다. 임의적으로, 무기질의 실은 나선형으로 교차 권취된다.

본 발명의 여과기를 구성하는 관들의 크기 및 숫자는 특별한 여과기의 요구조건 및 디이젤 엔진의 크기에 따라 변화된다. 일반적으로 , 여과기의 비용은 사용되는 관들의 숫자의 증가와 함께 증가된다. 한편, 특정 용도를 위해 너무 작은 개수의 관들을 사용하면 배기 개스의 여과효율이 떨어지게 된다.

케이싱, 차단수단 및 스터럿들은 독립적으로 예컨대 금속 또는 세라믹을 포함하는 특정의 적당한 재료로 구성될 수 있다. 제조상의 용이함을 위해 바람직한 재료는 금속이다. 바람직하게는, 상기 금속은 스테인리스강 사이트 금속이다. 케이싱, 차단수단 및 스트럿들은 연결하기 위한 수단은 케이싱, 차단수단 및 스트럿들을 구성하는 특정재료에 적당한, 당 업계에 공지된, 수단을 포함한다. 예컨대, 케이싱, 차단수단 및 스트럿들이 금속으로 제조되는 경우에, 연결을 위해 바람직한 수단은 용접이다.

케이싱의 형상은 편리에 따라 변화될 수 있다. 적당한 형상들은 예컨대 원형 횡간단면, 타원형 횡간단면, 정방형 횡간단면 및 장방형 횡간단면을 포함한다. 바람직하게는, 케이싱은 원형 또는 타원형 횡간단면을 갖는다. 케이싱은 전형적으로 얇은 윤곽을 제공하기 위해 연신된다.

다공관들은 예컨대 금속 및 세라믹을 포함하는 특정의 적당한 재료로 구성될 수 있다. 다공관들은 예컨대 구멍들을 갖는 관, 와이어 스크린 또는 강성을 갖는 전신금속(expended metal)일 수 있다. 세라믹제의 다공관들이 탁월한 성능을 제공할 수는 있지만, 적당한 차단수단을 적용시키는 데에 비용이 비정상적으로 많이 들게 된다. 바람직하게는, 다공관들은 금속으로 구성된다. 더욱 바람직하게는, 상기 금속은 스테인리스강 시이트 금속이다.

관들의 형상은, 케이싱에 대하여 전기한 바와같이, 편리에 따라 변화될 수 있다. 바람직하게는, 관들은 원형 또는 타원형 횡간단면을 갖는다.

각각의 관의 천공부들은 강성을 유지하는 한 가능하면 크게되어야 한다. 바람직하게는, 각각의 천공부들은 1 내지 20mm 범위의 직경을 가지며 너무 크게되면 배기 개스내의 특정의 입자를 포획할 수 없게 된다. 더욱 바람직하게는, 각각의 천공부는 2내지 10mm 범위의 직경을 갖고 가장 바람직하게는 3내지 7mm범위로 된다.

개재의 구멍들의 크기는 동일하게 되거나 다르게 되거나 그 조합으로 될 수 있다.

바람직하게는, 상기 천공부들은 각각의 관의 전체 투영면적의 40 내지 80퍼센트의 범위를 점유한다. 더욱 바람직하게는, 천공부들은 각각의 관의 전체 투영면적의 50 내지 70퍼센트의 범위를 점유한다. 개방된 면적이 80%를 초과하면 관의 구조적인 완전성에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 한편, 개방된 면적이 40% 미만으로 되면, 사용중 바람직하지 않게 높은 배압이 형성될 수 있다.

천공부들은, 바람직하게는 불공으로 되는 관들의 단부들을 제외하고는, 각각의 관의 표면에 걸쳐서 균일하게 분포된다.

금속 극단부들은 갖는 다공관들에 대해, 차단수단은 바람직하게는 상기 극단부들에 용접되는 시이트 금속 캡들이다. 구조적인 강도를 증가시키기 위해, 근접한 캡들이 금속 스트럿들에 의해 상호 연결 될 수 있고, 상기 금속 스트럿들은 또한 반경방향 최외측 캡들을 케이싱에 연결시킨다. 상기 스트럿들은 캡들에 용접될 수 있고 또는 스트럿들 및 캡들이 일체적인 시이트-금속 스탬핑들로 될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 캡들은 두개 이상의 인접한 관들 사이의 공간들을 차단한다. 더욱 바람직하게는, 각각의 캡은 근접한 관들 사이의 공간만을 차단한다.

각각의 여과요소는 나선형으로 권취된 또는 교차 권취된 무기질의 실로 된 하나 이상의 층들로 구성될 수 있으며 또는 무기 섬유들로 구성되고 하나 이상의 부직 매트로 구성될 수 있고, 상기 매트는 나선형으로 권취된 또는 교차 권취된 무기질의 실에 의해 각각의 관의 반경방향 외측 천공 표면에 대해 유지된다.

바람직하게는, 상기 무기질의 실은 0.5 내지 5mm 범위의 직경을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 상기 직경은 1 내지 3mm의 범위로 된다. 상기 특정화된 범위에 있는 실 직경들은 전형적으로, 상기 범위외의 직경을 갖는 실에 비해, 탁월한 섬유 조직 특성을 갖는다. 상기 실들은 전형적으로, 780 내지 7800의 범위의 개개적인 무기 섬유들로 구성된다. 바람직하게는, 상기 무기질의 실은 1560 내지 4680 범위의 개개적인 섬유들로 구성된다.

바람직하게는, 무기질의 실은 가닥이 꼬이게 되며(ply-twisted), 그 이유는 상기와 같이 가닥이 꼬인 구조가 텍스춰링될 때 가닥이 꼬이지 않은 무기질의 실에 비해 실의 본래의 강도를 더욱 양호하게 유지하기 때문이다.

무기 섬유들은 바람직하게는 5 내지 20 마이크로미터 범위의 직경을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 무기 섬유들은 7 내지 15 마이크로미터 범위의 직경을 갖고, 가장 바람직하게는 9 내지 14 마이크로미터 범위 이내의 직경을 갖는다. 상기 특정화된 범위이내의 직경을 갖는 섬유들은 상기 범위외의 직경을 갖는 섬유들에 비해 제조 및 텍스춰링이 더욱 용이하게 된다. 또한 5 마이크로미터 미만의 직경을 갖는 섬유들은 손상되기 쉽게된다(즉 텍스춰링될 때 파단됨). 20 마이크로미터를 초과하는 직경을 갖는 섬유들은 전형적으로 상기 특정화된 범위이내의 직경을 갖는 섬유들보다 효율이 낮은 여과기를 제공하게 된다.

무기질의 실로 구성되는 무기섬유들은 바람직하게는 세라믹이다. 상기 세라믹 섬유는 예컨대 비결정성, 다결정성 또는 그 조합적인 특성을 띨 수 있다.

유용한 세라믹 실들은 예컨대 알루미나-보리아-실리카, 알루미나, 실리카, 탄화규소, 및 질화붕소로 제조되는 섬유들로 구성되는 세라믹 실들을 포함한다. 바람직하게는, 상기 세라믹 섬유는 알루미나-보리아-실리카로 구성된다. 처리를 돕기 위해, 실들은 전형적으로 통상적인 기법을 사용하여 사이징된다(sized). 알루미나-보리아-실리카 실들은 예컨대 미합중국 미네소타 세인트 폴에 소재하는 쓰리엠 컴퍼니에 의해 NEXTEL 312 CERAMIC YARN 및 NEXTEL 440 CERAMIC YARN 이라는 상표명으로 시판되고 있다.

무기질 실의 텍스춰링은 여과기 효율 또는 포획 효율을 개선하게 된다. 바람직하게는, 무기질의 실은 텍스춰링 되어 치솟게 되며, 연속 섬유들의 루우프, 개개의 섬유조각들 또는 그 조합체가 조밀한 코어로부터 외측으로 연장된다. 연속 섬유들의 루우프들이 가장 바람직하다. 상기 무기질의 실은 예컨대 공기 분사 또는 기계적인 텍스춰링을 포함하는 당 업계에 공지된 기법을 사용하여 텍스춰링될 수 있다. 공기 분사 텍스춰링이 바람직하게 되는데 그 이유는 기계적인 기법에 의해 텍스춰링된 경우에 비해 더욱 적은 섬유조각들 및 더욱 많은 섬유 루우프들을 제공하기 때문이다.

바람직하게는, 텍스춰링된 무기질 실은 1 내지 10mm 범위의 직경을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 텍스춰링된 무기질 실의 직경은 3내지 6mm 범위의 직경을 갖는다. 상기 특정화된 범위이내의 직경을 갖는 텍스춰링된 실의 여과효율 및 포획 효율은 상기 범위외의 직경을 갖는 실들보다 탁월하게 된다.

실을 다공관 둘레에 권취시킴에 있어서, 권취 장력은 바람직하게는 실을 파괴시키지 않는 한도 이내에서 가능한 한 높게 된다. 전형적으로, 권취 장력은 9.8 내지 19.6 뉴우튼의 범위로 된다.

여과 요소의 여과효율 또는 포획 효율을 증가시키기 위해, 실은 바람직하게는 관 둘레에 나선형으로 교차 권취된다.

실의 가장 바람직한 권취 배열체는 4면 여과 트랩들을 형성하기 위해 교차 권취된 텍스춰링 무기질 실로 권취된 다공관들의 디이젤 입자 트랩이라는 발명의 명칭을 갖는, 본 발명의 양수인에게 양도되어 함께 계류중인 미합중국 특허 출원 제07/681,147호에 기재되어 있다.

나선형으로 권취되는 무기질의 실로 구성되는 여과요소에 대해, 실은, 배기 개스의 모든 입자물질의 포획을 보장하는 두께로, 권취되거나 또는 교차 권취된다. 무기질의 실로 구성되는 여과요소에 대해 최소한의 배압으로 양호한 여과효율을 달성하기 위해, 실은 바람직하게는 텍스춰링되며 관둘레에 나선형으로 권취되거나 교차 권취되어 실의 각각의 연속적인 코어층이 하부에 있는 실의 코어층에 반경방향으로 정렬되도록 하며, 반경방향으로 정열되는 코어들은 집합적으로 비교적 조밀한 벽들을 형성한다. 바람직하게는, 각각의 권취방향에서 각각의 권취층의 근접한 실들의 코어들은 코어들의 폭의 두배이상으로 격설되며, 돌출되는 섬유 조각들 및 섬유 루우프들의 전체적인 개방도(openness)는 유지되고, 근접한 회전부의 섬유 조각들 및 섬유 루우프들은 상호 맞물린다. 사실상, 실은, 그 코어가 중첩 코어에 의해 접촉되는 지점에서만 간결하게 되며(compacted), 돌출되는 섬유 조각 및 섬유 루우프들은 벽들 사이의 개구부들내로 연장되어 배기 개스 입자들을 위한 트랩들을 제공하게 된다. 실이 관의 불공 단부를 덮는 지점에서, 실들의 근접한 회전부들은 바람직하게는, 각각의 층내의 근접한 회전부들의 코어들이 여과요소의 단부에 있게될 때까지, 점진적으로 더욱 근접적으로 격설되어 조밀한 단부벽을 제공한다.

조밀한 코어 및 돌출되는 섬유조각들과 섬유 루우프들을 갖는 나선형으로 권취되거나 교차 권취된 텍스춰링 무기질 실로 구성되는 여과요소에 대해, 각각의 여과 요소는 동일한 정도 또는 다른 정도로 텍스춰링되는 다수의 실들을 사용하여 제조될 수 있다. 상류층에 비해 하류층들에서 더욱 높은 정도로 텍스춰링되는 실을 사용함으로서 예컨대 섬유 조각 또는 섬유-루우프를 포함하는 개구부들의 전체 높이가 사용될 수 있게된다.

무기질의 섬유들로 제조되는 나선형으로 권취되거나 또는 교차 권취된 텍스춰링 실로 구성되는 여과요소에 대해, 권취물들내에 특정의 열변성 실을 통합시키는 것이 바람직할 수 있다. 여과기의 최초 사용중 또는 그전에 상기 변성 실이 연소된 후에 남겨지는 통로들은 배압을 감소시키고 여과 섬유들에의 접근을 더욱 용이하게 한다.

적당한 열-변성 실은 시장에서 유통되고 있으며 예컨대 폴리프로필렌 실(예컨대 미합중국 유타 마그나에 소재하는 헤르큘레스, 인코오포레이티드에 의해 HURCULON이라는 상표명으로 시판되고 있음). 및 레이온 실(예컨대 미합중국 버어지니아에 소재하는 아브텍스 파이버스 오브 프런트 로얄에 의해 RAYON YARN이라는 상표명으로 시판되고 있음)을 포함하다.

무기질의 섬유들로 제조되는 부직 매트로 구성되는 여과요소에 대해, 현저한 배압을 유발하지 않으면서 높은 정도의 여과 효율을 달성하기 위해, 매트는 바람직하게 선택된다. 전형적으로, 부직 매트로 구성되는 섬유들은 6 마이크로미터 까지의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 부직 매트를 구성하는 섬유들은 3마이크로미터 까지의 직경을 갖고, 상기와 같은 직경을 갖는 섬유들은 미섬유(microfiber)로서 언급될 수 있다. 바람직한 부직매트는 세라믹 취착된 미섬유들로 구성된다. 바람직하게는, 상기 세라믹 섬유들은 알루미나-보리아-실리카, 알루미나-실리카, 알루미나, 실리카 , 탄화규소 또는 질화붕소로 제조된다. 더욱 바람직하게는, 상기 부직 매트는 알루미나-보리아-실리카 취착된 미섬유들로 구성된다.

적당한 부직 매트들은 시장에서 구입이 가능하며, 쓰리엠 컴퍼니의 상표명 ULTRAFIBER 312 및 ULTRAFIBER 440, 영국 쉐쉬어에 소재하는 임페리얼 케미칼즈, 인코오포레이티드의 상표명 SAFFIL LD MAT 및 미합중국 뉴욕 나이아가라 폴스에 소재하는 카보런덤 컴퍼니의 상표명 FIBERFRAX로 시판되고 있는 부직 매트들을 포함한다.

무기질의 섬유로 제조되는 실들에 비교하여 볼 때 부직매트의 상대적인 미세함 및 고유의 큰 표면적은 부직 매트로 구성되는 여과요소로 하여금, 무기섬유들로 제조되는 텍스춰링된 실을 사용하는 여과요소와 동일한 여과효율을 유지하면서, 더욱 얇게 될 수 있도록 한다. 그러나, 무기섬유들로 제조되는 나선형으로 권취되거나 또는 교차 권취되는 텍스춰링된 실로 구성되는 여과요소는, 하나 이상의 부직 매트를 사용하는 여과요소보다, 제조가 더욱 경제적으로 될 수 있다.

바람직하게는, 부직 매트를 적소에 유지하기 위해 사용되는 무기질의 실은 여과요소의 효율을 증가시키기 위해 선택된다. 예컨대, 텍스춰링된 무기질의 실은 각각의 여과요소에 균일한 내성을 갖는 외부표면을 제공하기 위해 나선형으로 권취되거나 교차 권취될 수 있다. 그러나, 하나이상의 부직매트층으로 구성되는 여과요소에 대해, 디이젤 입자 여과기의 최초 사용중 또는 그 전에 연소되는 변성 섬유들로 구성되는 염가의 열-변성 실로 일시적으로 하부층들을 유지시키는 것이 경제적일 수 있다. 변성 실이 연소된 때에 남겨지는 통로들은 배압을 감소시키고 여과용 섬유들에의 접근을 더욱 용이하게 할 수 있다.

바람직하게는, 각각의 여과요소는 1 내지 25mm 범위이내의 두께들을 갖는다. 무기섬유들로 제조되는 나선형으로 권취되거나 또는 교차 권취되는 텍스춰링된 실로 구성되는 여과요소들에 대해, 권취된 또는 교차 권취된 섬유들의 바람직한 전체 환형 두께는 5 내지 15mm 범위 이내이다. 나선형으로 권취된 또는 교차 권취된 텍스춰링 실 및 무기 섬유들로 제조되는 부직매트로 구성되는 여과요소에 대해, 여과 요소의 바람직한 환형 두께는 3내지 8mm이다. 상기 범위보다 큰 두께는 비용을 비정상적으로 증가시키고 비정상적으로 높은 배압을 유발할 수 있으며, 상기 범위보다 작은 두께는 불충분한 여과 효율을 도출하기 쉽다.

디이젤 배기 개스의 그을음 입자들의 탄소 및 가용성 유기성분들(예컨대 탄화수소 및 일산화탄소)의 산화를 돕기 위해, 여과요소는 무기질의 실, 무기질의 부직매트 또는 그 조합체상에 도포되는 산화촉매로 구성될 수 있다. 상기 산화 촉매들은 당 업계에 공지되어 있으며 예컨대 귀금속(예컨대, 플래티늄, 로듐, 다른 프래티늄기 금속, 및 은) 및 모재(예컨대, 구리, 철, 망간 및 포타슘)을 포함한다. 무기질의 실 및 부직 매트상에 상기 촉매를 도포하기 위한 방법은 당 업계에 공지되어 있다.

임의적으로, 본 발명의 디이젤 입자 여과기는 또한 예컨대 포획된 입자 물질의 연소점 이상의 온도로 배기 개스를 주기적으로 가열함에 의해 축적된 입자들의 주기적인 연소를 수행하기 위한 수단으로 구성된다. 1990. 1. 3자로 공개된 괼틀러 등의 유럽 특허출원 공개 제0,275,372호에는 유용한 전기식연소방법이 기재되어 있고, 상기 특허공개 명세서의 내용은 본 발명에서 참조로 인용된다.

상기 축적된 입자들은 또한 (예컨대 대기중에서 550℃ 내지 900℃의 온도범위로 1 내지 2시간 동안) 여과기를 오븐 내에서 가열함에 의해 또는 개스 버너를 유입구에 연결시킴에 의해 연소될 수 있다.

축적된 입자들의 주기적인 연소를 위해 바람직한 수단은 본 발명의 양수인에게 양도되어 함께 계류중인 전기적으로 재생가능한 디이젤 입자 트랩이라는 발명의 명칭을 갖는 미합중국 특허출원 제07/680,812호에 기재되어 있다.

본 발명의 목적 및 장점들이 이하의 예들로부터 더욱 잘 이해될 수 있지만, 이하의 예들에서 언급되는 특정 재료들 및 그 양들 뿐만 아니라 다른 조건들 및 세부사항들은 본 발명을 제한하기 위한 것으로 간주되어서는 아니된다.

[예 1]

제1도 및 2도에 도시한 디이젤 입자 여과기가 제조되었고 여과기는 다섯개 대신에 네개의 동심적인 다공관들을 갖는다. 원통형 본체는 1.6mm 두께의 304스테인리스강 시이트 재료로 제조되었다. 158.7mm의 길이를 갖는 네 개의 다공관들은 1.2mm 두께의 304 스테인리스강 시이트 재료로 제조되었으며 각각 25.4mm, 50.8mm, 76.2mm 및 101.6mm의 직경을 가졌다. 4mm의 직경을 갖는 원형 천공부들은 133.3mm의 길이에 걸쳐서 분포되었고, 4.8mm 엇갈리는 중심들상에 위치된다. 캡들 및 스트럿들은 1.2mm 두께의 304 스테인리스강 시이트 재료로 제조되었다.

각각의 관은 (쓰리엠 컴퍼니에 의해 NEXTEL 312 CERAMIC YARN이라는 상표명으로 시판되고 있는) 2/2, 1.5z 1800 데니어 알루미나-보리아-실리카 실로 권취되었고, 상기 실은 (미합중국 델라웨어 뉴 캐슬에 소재하는 엔터프라이즈 머시인 앤드 디벨롭먼트 코오포레이션에 의해 MODEL 52D JET를 갖는 MODEL 17 SIDEWINDER라는 상표명으로 시판되고 있는) 공기분사 텍스춰링 기계를 사용하여 텍스춰링되었다. 상기 텍스춰링 기계의 속도는 분당 26.5 미터로 세팅되었다.

상기 분사는 최대 폐쇄 위치로부터 3/4 회전만큼 개방되었다. 공기 압력은 690KPa로 세팅되었다. 상기 텍스춰링된 실은 5mm의 실 중심간 거리로 45°의 각도로 나선형으로 교차 권취되어 145mm의 길이에 걸쳐서 9.5mm의 두께를 갖는 층상 여과요소를 제공하였다. 관들 둘레로의 권취는 (미합중국 캘리포니아 시그날 힐즈에 소재하는 오토메이션 다이나믹스의) 3축 컴퓨터 제어되는 정밀 권취기계를 사용하여 수행되었다. 실의 상기와 같은 정위(positioning)의 효과는, 근접한 층들의 실들의 코어들이 반경방향으로 정렬되어 다이아몬드 패턴을 제공하고 필라멘트 루우프들 및 섬유 조각들은 개구부들내로 연장되어 그을음 입자들에 대한 트랩으로서 작용하게 된다는 데에 있다.

교차 권취되는 관들은 600℃로 한시간 동안 가열되어 실의 섬유들 상의 사이징 제거되게 된다. 그리고나서 캡들 및 스트럿들은 적소에 용접되고 종국적인 여과기 조립체는 원통형 본체내로 삽입된다. 플랜지들이 원통형 본체에 부착되어 원추형 배기 유입구 및 배출구가 부착될 수 있도록 하고 후에 제거될 수 있도록 한다. 유입구 및 배출구가 부착되기 전에, 상기 조립체는 그 중량이 측정되게 된다. 상기 디이젤 입자 여과기는 (1984년 시보레 서브얼번형) 트럭에 통합되는 6.2리터 디이젤 엔진의 이중 배기 시스팀의 일 지류에 연결되었다. 트럭은 91㎞의 거리에 걸쳐서 58분 동안 운전되었다. 5.3그람의 수집된 그을음 양은 시험전 및 시험후의 여과기의 중량을 측정함에 의해 결정되었다.

조절가능한 공기유량을 갖는 송풍기 및 직경 5㎝의 연결 파이프를 갖는 통상적인 유량 벤치(flow bench)를 사용하여, 도로 시험전 및 후에 여과기가 처하여지게 되는 압력이 측정되었다. 그 결과를 이하의 표 1에 제시한다.

상기 시험 결과, 예 1의 디이젤 입자 여과기가 디이젤 엔진의 배기로부터 그을음을 수집하는 데에 효과적이라는 것이 밝혀졌다. 상기 디이젤 입자 여과기를 사용함으로써 차량의 구동성능의 현저한 감소는 초래되지 않는다.

[예 2]

제1도 및 2도에 도시한 디이젤 입자 여과기가 예 1에 기재한 방식으로 제조되었고 여과기는 25.4mm, 50.8mm, 76.2mm, 101.6mm, 및 127.0mm의 직경들을 갖는 다섯개의 동심 관들을 포함하였다.

배기유량이 204㎥/hr인 정적인 조건하에서 시험되었다는 것을 제외하고는, 상기 여과기는 예 1의 경우와 동일한 차량내에서 시험되었다.

여과기의 입자 포획효율은 40 CFRξ86..1339-88(1989)에 제시된 여과기 헨들링 절차를 사용하여 유입구(즉, 상류) 및 배출구(즉, 하류)에서의 통상적인 다중 배치 여과기 샘플링을 사용함으로써 측정되었다. 사용되는 박막 여과기는 직경이 47㎜였다(미합중국 커텍티컷 푸트남 소재 팰플랙스 프로덕츠 코오포레이션에 의해 PALLFLEX TEFLON MEMBRANE FILTERS라는 상표명으로 시판되고 있음).

디이젤 입자 여과기의 효율을 계산하기 위해, 하류 샘플의 질량 농도(즉, 샘플의 체적에 의해 나누어진 하류 박막 여과기내의 그을음의 양)은 상류 샘플의 질량 농도(즉, 샘플의 체적에 의해 나누어진 상류 박막 여과기 내의 그을음의 양)에 의해 나누어졌다. 상기 몫은 단위원(unity)으로부터 뺄셈되었고 그 값은 100으로 곱하여졌다.

수집된 그을음의 양은 약 9 그람이었다. 디이젤 입자 여과기를 횡단한 압력강하는 예 1에 제시된 바와 같이 하여 결정되었다. 여과기를 통한 압력강하가 36㎝ 수두인 상태에서 시험의 개시시기에 있어서의 입자 여과기의 효율은 65% 였다. 여과기를 통한 압력강하가 196㎝ 수두인 상태에서 시험의 종료시점에서의 입자 여과기의 효율은 91%였다.

결과적으로, 예 2의 디이젤 입자 여과기가 구동성능의 현저한 감소를 초래하지 않으면서 디이젤 엔진의 배기 개스로부터 그을음을 수집하는 데에 효과적이라는 것이 밝혀졌다.

예 1 및 예 2에 따라 구성되는 여과기들이 균일하게 격설되는 관들을 사용하지만, 균일하지 않은 격리도 양호한 유동 분포를 위해 바람직하게 사용될 수 있다(예컨대, 큰 직경의 관들 사이가 더욱 좁혀짐).

예 1 및 예 2의 여과기들에서, 관들의 각각의 단부에서 교대적인 공간들이 차단되고 상기 공간들중의 하나로 유입되는 배기 개스는 단지 하나의 여과 요소를 관통하여 통과된다. 선택적으로, 두개의 연속적인 공간들이 차단될 수 있어서 배기개스로 하여금 두개의 여과요소들을 관통하여 통과되도록 할 수 있다.

본 발명이 도시하고 설명한 실시예들에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 대체될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알 수 있다.

Claims (10)

1. (a) 두개 이상의 단부들을 갖는 케이싱(42);

   (b) 상기 케이싱의 상기 단부들을 배기 시스템에 연결시키기 위한 수단;

   (c) 상기 케이싱(42)의 상기 단부들 사이에서 연장되고, 두개 이상의 단부들 및 외면을 각각 구비하는 다수의 강성 다공관(15, 16, 17, 18, 19);

   (d) 상기 각각의 다공관(15, 16, 17, 18, 19)을 상기 케이싱(42)내에 지지하는 지지수단(28, 29, 30, 32, 33, 46);

   (e) 상기 다공부들을 덮기 위해 각각의 상기 관들(15, 16, 17, 18, 19)의 둘레에 나선형으로 권취되는 무기질의 실로 이루어진 여과 요소들(35, 36, 37, 38, 39)을 구비하는 디이젤 입자 여과기(10, 40)에 있어서,

   (ⅰ) 상기 관들(15, 16, 17, 18, 19)은 상기 케이싱(42)내에서 반경 방향으로 충진되도록 동심으로 이격 배열되며;

   (ⅱ) 상기 케이싱(42)의 상기 단부들중 하나에 인접하게 각기 차단되어 상기 관들(15, 16, 17, 18, 19) 사이에 교대로 형성된 공간들을 상기 관(15, 16, 17, 18, 19)의 단부에서 차단하기 위한 차단 수단(20, 21, 22, 24, 25, 26, 44)을 구비하는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
2. 제1항에 있어서, 관들(15, 16, 17, 18, 19) 사이의 공간을 덮는 각각의 캡은(20, 21, 22, 24, 25, 26, 44)은 두개의 관들(15, 16, 17, 18, 19) 사이의 상기 공간만을 덮는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
3. 제2항에 있어서, 상기 관들(15, 16, 17, 18, 19) 사이의 공간을 덮는 각각의 캡은 상기 관들(15, 16, 17, 18, 19) 사이의 두개 이상의 인접 공간들을 덮는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
4. 제1항에 있어서, 상기 무기질의 실은 세라믹 섬유들로 구성되는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
5. 제4 항에 있어서, 상기 무기질의 실은, 배기 입자들을 포획하기 위해 코어로부터 외측으로 돌출되는 하나 이상의 섬유 조각들 및 연속 섬유 루우프를 갖는, 직조되어 가닥이 꼬인 무기질이 실인 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
6. 제5 항에 있어서, 각각의 상기 여과 요소들(35, 36, 37, 38, 39)은 1 내지 25㎜ 범위 이내의 환형 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
7. 제1항에 있어서, 상기 외면들중 적어도 하나의 외면과 상기 나선형으로 권취되는 무기질이 실 사이에, 무기 섬유들로 구성되는 부직 매트가 삽입되는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
8. 제7 항에 있어서, 상기 부직 매트 및 상기 나선형으로 권취된 무기질의 실이 교차 배열된 층들을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
9. 제1항에 있어서, 상기 여과 요소(35, 36, 37, 38, 39)는 상기 관들(15, 16, 17, 18, 19) 중 하나 이상의 관을 중심으로 나선형으로 권취되는 열-투과성 실로 구성되는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).
10. 제1항에 있어서, 상기 여과 요소(35, 36, 37, 38, 39)는 상기 무기질의 실에 도포된 산화 촉매로 구성되는 것을 특징으로 하는 디이젤 입자 여과기(10, 40).