KR100284956B1 - 무기질 방사로 이루어진 측방으로 오프셋되고 교차 권선된 랩을 구비하는 다공성 튜브의 디젤 미립자 트랩 - Google Patents

무기질 방사로 이루어진 측방으로 오프셋되고 교차 권선된 랩을 구비하는 다공성 튜브의 디젤 미립자 트랩 Download PDF

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스프레이그 로버트 월터
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Abstract

본 발명은 다수의 관통의 중공 튜브를 구비한 효율적이고, 경제적이며, 소형인 디젤 미립자 트랩(Diesel Particulate trap)에 관한 것으로서, 필터링 요소로서 작용하는 다수의 층을 제공하기 위하여 각 튜브위에 내열성의 실(yarn)을 나선형으로 엇갈려 감았다. 바람직하게는 연속적인 필라멘트 세라믹 실인, 이 실은 트랩을 제공하기 위하여 측면으로 이격되어 위치한 중심부의 화이버 마디와 서로 망을 만드는 필라멘트 또는 화이버 마디가 바깥쪽으로 돌출한 중심부(core)를 구비한다. 필터링 요소를 통하여 대체로 반경방향으로 유동하는 가스를 꼬인 통로로 구부리기 위하여 하나이상의 층의 실말림(convolution)의 중심부는 근접층의 말림 중심부로 부터 측면으로 오프셋된다.

Description

[발명의 명칭]
무기질 방사로 이루어진 측방으로 오프셋되고 교차 권선된 랩을 구비하는 다공성 튜브의 디젤 미립자 트랩
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 디젤 엔진의 배기 가스로 부터 미립자를 제거하는 필터(filter)또는 트랩(trap)에 관한 것으로, 특히 필터링 부재를 제공하기 위해 각각 내열성 방사(yarn)로 권선된 다수의 다공성 중공 튜브를 구비하는 트랩에 관한 것이다.
[관련 기술의 설명]
브룸(Bloom)에게 공동 양도된 PCT출원 제US92/02638호에는 내열성 방사(yarn)(예를 들면, 약 600℃ 이상의 온도에 내열성이 있는)가 나선형으로 교차 권선된 적어도 하나의 다공성 중공 튜브를 가지는 케이스를 구비한 디젤 미립자 트랩이 개시되어 있으며, 상기 방사는 필라멘트(filament)또는 화이버(fiber) 세그먼트가 돌출하는 중심부를 갖는다. 각각의 방사 권선부의 중심부는 하부에 위치하는 권선부의 중심부와 반경방향으로 정렬되어 벽을 형성하며, 상기 벽은 4측면 개구부를 형성하도록 이격되어 있다. 돌출한 화이버 세그먼트는 각각의 개구부를 가로질러 서로 망을 만든다. 케이스의 단부에 있는 공간을 봉쇄하기 위한 수단은 배기가스가 4측면 개구부를 통해 거의 반경 방향으로 통과하도록 케이스의 한 단부에 있는 봉쇄되지 않은 공간으로 들어가도록 함으로써 서로 망을 형성하는 필라멘트 또는 화이버 세그먼트는 배기 가스가 운반하는 매연 또는 미립자를 포집할 수 있다. 상기 브룸의 특허 출원에 개시된 디젤 미립자 트랩은 동심관계 또는 나란한 관계로 배열된 다수의 튜브를 구비한다.
축적된 매연은 고온에 의하여 주기적으로 연소되기 때문에, 방사가 단단히 권선되어 배기 가스의 힘에 대항하여 적소에 위치할 수 있도록 충분한 강도를 제공하기 위하여, 방사는 세라믹, 연속적인 필라멘트의 가닥으로 꼰 세라믹 방사가 바람직하다. 연속적인 필라멘트의 가닥으로 꼰 방사는 상당히 파손되지 않고 연속한 필라멘트 루프가 외향 돌출할 수 있도록 직조될 수도 있다. 미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 쓰리엠 (3M)사의 "넥스텔 312 세라믹 방사(NEXTEL 312 CERAMIC YARN)" 또는 "넥스텔 440 세라믹 방사"라는 상표로 시판되는 알루미나-보리아-실리카(alumina-boria-silica) 화이버로 이루어진 연속한 필라멘트 세라믹 방사가 특히 유용하다. 상기 브룸 특허 출원에서와 같이 직조된 세라믹 방사로 만들어진 디젤 미립자 트랩은 최소한 공지된 어떠한 디젤 미립자 트랩 만큼은 효율적이고 내구적일 수 있지만, 세라믹 방사의 높은 가격 때문에 일반적인 용도로 사용하기에는 상당히 비경제적이라고 생각된다.
[발명의 요약]
본 발명은 상기 브룸의 특허 출원에 기초한 바와 같은 동일한 효율을 갖는 트랩을 제조하는데 요구되는 것보다 상당히 적은 방사를 사용하여 제조할 수 있는 디젤 미립자 트랩을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 트랩은 원자재의 비용 및 다공성 튜브에 방사를 감는 시간을 줄이는 두가지 측면에서의 경제성을 제공한다.
상기 브룸의 특허 출원의 디젤 미립자 트랩과 같이, 본 발명은,
(a)적어도 2개의 단부를 가지는 케이스와,
(b)상기 케이스의 단부를 배출 시스템에 연결하기 위한 수단과,
(c)하나 이상의 튜브를 지지하기 위한 수단과,
(d)상기 케이스의 단부 사이를 연장하며, 2개의 단부, 외부 표면, 다공성 영역을 제공하는 구멍을 가지며, 상기 지지 수단에 의하여 지지되는 하나 이상의 중공 튜브와,
(e)상기 튜브 각각을 거의 반경방향으로 통과하도록 상기 케이스의 한 단부에 있는 비봉쇄된 공간으로 배출가스가 들어가게 케이스의 단부에 있는 공간을 봉쇄하기 위한 수단과,
(f)방사로 이루어진 복수개의 층을 형성하기 위하여 튜브 각각에 나선형으로 교차 권선되고, 필라멘트 또는 화이버 세그먼트가 그로부터 바깥쪽으로 돌출한 중심부를 가지는 내열성 방사를 구비하는 필터링 부재를 포함하며,
서로 짜여진 중심부를 제공하기 위해 층 각각에는 연속한 권선부가 반대로 감기며, 층 각각의 권선부 중심부는 배출가스에 의해 운반되는 입자를 포집하기 위한 트랩을 형성하도록 상기 돌출한 화이버 세그먼트가 서로 망을 형성하는 거의 균일한 4측면(다이아몬드 형상) 개구부를 제공하기 위해 이격 배치되며, 하나 이상의 층의 권선부 중심부는 거의 반경방향인 배출 가스 유동을 만곡 통로로 편향시키기 위하여 인접한 층의 권선부 중심부로 부터 측면으로 오프셋되어 있는 디젤 미립자 트랩이 제공된다.
반경방향인 배출가스의 유동을 만곡 통로로 편향시키기 위해 적어도 1개층의 권선부 중심부가 근접층의 권선부 중심부에서 측면으로 오프셋된다는 점에서 본 발명의 디젤 미립자 트랩은 상기 브룸의 발명과 구별된다.
전술한 방사의 감소를 위해, 필터링 부재는 적어도 4개의 방사 층(양호하게는 10 내지 30개 층)을 구비하여야 하며, 적어도 3개층(양호하게는 5 내지 15개층)의 권선부 중심부는 아래층의 권선부 중심부로 부터 측면으로 오프셋 되어야 한다.
본 발명의 필터링 부재에서, 오프셋된 근접층의 권선부 중심부는 같은 층의 권선부 중심부가 위치하는 것보다 서로 좀더 가까이에 위치한다. 가까운 위치는 화이버 세그먼트를 좀더 양호하게 지탱할 수 있게하고, 따라서 손상을 줄이고 각 화이버 세그먼트가 높은 매연 농도 및 배압이 만족할만큼 낮게 유지되는 동안에 얻을 수 있는 이점들을 가질 수 있게한다. 반면, 연속하는 권선부의 모든 중심부가 아래의 권선부 중심부와 반경방향으로 정렬된 때에는, 중심부간의 간격을 조금이라도 줄이는 것은 배압을 증가시킨다.
본 발명의 필터링 부재를 재생하기 위하여 전기식 가열 부재가 채용된 경우에, 복사 열손실은 측면으로 편향된 방사 중심부의 단열 성질에 의해 감소된다. 그러나, 대개 전기식 가열 부재에 근접한 방사 권선부의 중심부는 벽을 제공하기 위해 반경방향으로 정렬된다. 이러한 큰 4측면 개구부는 가열 부재 가까이에 포집된 매연의 연소를 강화한다. 상기 매연이 연소된 후, 그 연소는 측면으로 오프셋된 방사 중심부에 의한 열 장벽에도 불구하고 좀더 떨어진 매연의 연소를 돕는 부가적인 열을 발생시킨다.
상기 브룸의 특허 출원에 나타난 바와같이, 방사는 바람직하게는 튜브의 축과 30°내지 70°, 좀더 바람직하게는 45°내지 55°의 각도록 권선된다. 결과적으로, 각 층의 제1 교차 권선 써키트(circuit)에 놓인 방사의 권선부는 인접 권선부의 중심부간의 간격이 층 전체에서 실질적으로 일정하게 될때까지 후속 권선부로 산재(散在)될 수 있다. 실시예 2와 같이, 각 4측면 개구부의 반대면의 중심점 사이의 1.5cm의 중심 대 중심간의 거리(여기서는 "필터 밴드폭"이라 한다)를 얻기 위하여, 튜브 축과 46°의 초기 각도로 권선되었을때 하나의 층은 지름 5cm의 튜브에서 8개의 하방 및 후방 써키트를 필요로 한다.
매연을 일정하게 분포시키기 위하여 4측면 개구부의 크기, 벽의 높이 및 레벨, 측면 오프셋의 수 및 오프셋 각도를 선택하여, 필터링 부재를 맞출 수 있다. 이것은 매연이 연소되기 전에 더 많은 매연을 포집할 수 있게 한다. 또한, 농축된 매연 연소는 더 많은 열을 발생시키며, 따라서 각 재생에 필요한 에너지를 줄인다.
상기 브룸의 특허 출원에서와 같이:
(a)다공성 튜브 또는 튜브들은 다양한 모양의 개구부를 가지고 형성된 튜브, 튜브 모양의 와이어 스크린, 또는 튜브 모양의 망상 전신 금속판(expanded metal)으로 만들어 질 수 있으며, 각 단부에 천공되지 않은 영역을 구비하여야 하고: 구멍은 강도를 유지하는 한도내에서 가능한한 커야하며, 각 구멍은, 원형일때, 바람직하게는 지름이 약 1 내지 20mm이며, 그리고 보다 바람직하게는 3 내지 7mm이며; 바람직하게는 구멍이 각 튜브의 계획된 총 천공된 면적의 40 내지 80%를 점하며;
(b)바람직하게는 방사가 연속적인 필라멘트 세라믹 방사로 직조되며;
(c)방사의 각 타래가 방사의 다른 타래의 중심부와 접하는 곳에서만 밀집되게 하기 위해 바람직하게는 방사가 감기기 바로 전에 직조되며;
(d)천공되지 않은 영역에서, 방사의 인접한 권선부는 실질적으로 배출 가스 유동을 통과시키지 않는 상대적으로 두꺼운 단부 벽을 제공하기 위하여 빽빽이 권선된다. 브룸 출원은 약 9.8 내지 19.6 N의 권선 장력을 제시하는 반면에, 본 발명에서는 측면으로 편향된 권선부사이의 상호 결속이 안전성을 높이기 때문에 보다 작은 장력도 가능하다. 또한, 높은 권선 장력은 권선부가 아래층의 화이버 세그먼트에 의해 지지되는 곳에서 바람직하지 못한 압밀(compaction)을 낳을 수도 있다. 따라서, 4 내지 13N의 권선 장력이 바람직하다.
대부분의 용도에서, 방사의 중심부는 바람직하게는 0.5mm이상, 보다 바람직하게는 1 내지 10mm의 지름을 가지며; 필터링 부재는 바람직하게는 약 1 내지 150 mm, 보다 바람직하게는 5 내지 30mm의 두께를 가지며, 4측면 개구부의 필터 밴드 폭은 바람직하게는 0.25 내지 10cm, 보다 바람직하게는 0.8 내지 2cm이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 디젤 미립자 트랩의 종단면도이다.
제2도는 필터링 부재의 일부만을 확대 도시하기 위하여 다른 부분이 생략된, 제1도의 선 2-2를 따라 도시한 단면도이다.
제3도는 제2도에 도시된 필터링 부재의 표면 일부를 도시하는 개략도이다.
제4도는 본 발명의 제 2 디젤 미립자 트랩의 종단면도이다.
[양호한 실시예의 설명]
제1도 내지 제3도에 도시된 디젤 미립자 트랩(10)은 원추형 몸체(12) 및 원추형 배출가스 입구(13), 원추형 배출가스 출구(14)를 가지는 길다란 케이스(11)를 구비한다. 원통형 몸체 내부에는 13개의 평행하고, 나란한 카트리지가 배치되며, 카트리지 각각은 단단한 중공(hollow)의 다공성 튜브(16)를 구비한다. 튜브 각각은 배출가스 출구에 인접한 단부는 폐쇄되고 배출가스 입구에 인접한 단부는 개방되며, 각각의 폐쇄된 단부는 기둥(18)에 의해 단부벽에 고정되어 있다. 튜브의 개방 단부에는 원형 판(20)이 용접되어 있으며, 상기 원형 판은 튜브를 수용할 수 있도록 원형의 개구부가 형성되어 있다. 판(20)은 원통형 본체(12)에도 용접되어 있기 때문에, 입구(13)로 들어가는 배출가스가 출구(14)에 근접한 비봉쇄된 공간을 통해 배출되기 전에 튜브 각각에 형성된 구멍(21)을 통해 전체적으로 반경방향 외향으로 통과할 수 있도록 인접한 튜브 사이의 공간 및 튜브와 케이스(11) 사이의 공간을 봉쇄한다. 튜브(16) 각각은 그 선단 각각에 있는 구멍이 없는 영역(22)을 제외하고 천공되어 있다.
튜브 각각의 천공된 영역 및 구멍이 없는 영역의 일부는 필터링 부재(23)에 의하여 차폐되며, 상기 필터링 부재는 튜브에 내열성 방사로 권선하여 형성되어 있다. 다음 층은 필라멘트 루프 또는 화이버 세그먼트(26)가 외향 돌출하는 중심부를 갖는 직조된 방사로 형성된다. 이것을 위해, 튜브(16)는 컴퓨터에 의하여 제어되는 상태에서 방사를 공급하는 와인더 기계(winder machine)(도시되지 않음)의 맨드릴 (mandrel)에 일시적으로 장착된다. 본질적으로 반대쪽 방향으로 배향된 권선부(convolution)(제3도에 도시된 바와같이)를 섞어 짜면 각 층에 다수의 하방 및 후방 써키트가 형성되어 배출력에 대하여 필터링 부재가 안정화될 수 있다.
비직조된 방사로 이루어진 4개의 제1층(28) 각각의 연속하는 권선부 중심부는 아래에 위치하는 권선부의 중심부에 대하여 단단히 감겨있고 이것에 대하여 반경방향으로 정렬되어 있다. 반경방향으로 정렬된 중심부는 제2도에서 볼때 깔때기형인 제1 셋트의 4측면이 개구부를 형성하는 이격된 벽을 형성한다.
직조된 방사로 이루어진 제2 셋트의 4개 층(30)을 제공하기 전에 맨드릴을 23°회전시켜, 반경방향으로 정렬된 권선부의 중심부가 제1의 4개 층(28)에 의해 형성된 4측면 개구부를 양분하여 제2 셋트의 4측면 개구부를 형성하며, 상기 개구부내에서 돌출한 화이버 세그먼트(26)는 서로 망을 형성하여 매연 트랩을 형성한다. 맨드릴을 다시 23°회전시키면, 4측면이 개방된 개구부를 갖는 제3 세트의 2개의 방사 층(32)이 형성된다. 제2도에 도시된 바와 같이, 제3 셋트 층(32)의 반경방향으로 배열된 방사 권선부의 중심부는 4측면이 개방된 제2 셋트의 개구부를 양분하고 제1 셋트의 4개 층(28)의 권선부 중심부와 반경방향으로 배열된다.
제4 셋트의 4측면 개구부를 형성하는 제4의 단일 방사 층(34)을 제공하기전에 맨드릴을 11.5°회전시킨다. 제4 층(34)의 권선부 각각의 중심부는 제3 세트 층(32)의 4면 개구부를 교차하는 길이의 25% 만큼 측면으로 오프셋 된다.
제5 셋트의 4측면 개구부를 형성하는 단일의 제5 방사 층(36)을 제공하기 전에 맨드릴을 다시 11.5°회전시킨다. 제5층(36)의 권선부의 각 중심부는 제3 셋트 층(32)의 4측면 개구부를 양분하고 제2 셋트 층의 권선부 중심부와 반경방향으로 배열된다.
제6 셋트의 4측면 개구부를 형성하기 위해 반경방향으로 배열된 제6 셋트의 4개 방사 층(38)을 제공하기 전에 맨드릴을 다시 11.5°회전시킨다. 제6층(38)의 방사 중심부의 각 권선부는 제5층(36) 권선부의 중심부와 제3 셋트 층(32) 권선부의 중심부 사이의 공간을 양분한다. 각각의 튜브(16)상에 형성된 필터링 부재(23)는 방사로 이루어진 16개 층을 포함한다.
상기 브룸의 특허 출원에서 제안된 바와같이, 필터링 부재(23)의 연속적인 방사 층을 제공할때, 방사 중심부를 이전 층의 하측 중심부와 반경방향으로 배열되도록 위치시키기 위해 또는 소정의 측방향 오프셋을 제공하기 위해 권선 각도를 약간 크게 한다(예를 들어, 약 0.25).
바깥쪽으로 유동하는 배기가스는 필터링 부재(23)를 이루는 외부의 5개 셋트 층의 방사 중심부가 측방향으로 오프셋되어 만곡 통로로 편향시킨다.
방사 층(28),(30),(32),(34),(36) 및 (38)으로 형성된 4측면 개구부는 제3도에 도시된 바와같이 거의 균일한 다이아몬드 형태이다.
다공성 튜브(16)를 전기 저항 재료로 형성하고 각 튜브 양단에 전압을 주기적으로 인가함으로써 전압이 인가되어, 포집된 매연을 연소시킬 때 마다 각 필터링 부재(23)는 세정될 수 있다.
제4도의 디젤 미립자 트랩(40)은 원통형 몸체(42)를 가지는 길다란 케이스 (4), 원추형 배출가스 입구(43) 및 원추형 배출가스 출구(44)를 구비한다. 원통형 몸체 내에는 반경방향으로 원통형 몸체(42)를 채우는 5개의 동심을 이루며, 단단한 중공의 다공성 튜브(45),(46),(47),(48) 및 (49)가 배치된다. 튜브의 입구 선단에는 환형 마개(50),(51) 및 중앙 원형 마개(52)가 있다. 튜브의 출구 선단에는 환형 마개(54),(55) 및 (56)가 있다. 튜브의 입구 선단에 있는 마개에 인접하여 얇은 스트럿(strut)(58),(59) 및 (60)이 연결되며, 최외측 스트럿(60)은 케이스(41)에도 연결되어 있다. 인접한 마개들은 튜브의 출구 선단에서 얇은 스트럿(62) 및 (63)에 의해 이와 유사하게 연결된다.
5개의 동심 튜브의 각 튜브(45),(46),(47),(48) 및 (49)는 단부에 천공되지 않은 영역(64)를 구비하며, 천공된 영역은 제1도 내지 제3도의 필터링 부재(23)중의 하나와 같은 방법으로 만들어진 필터링 부재(65)로 덮힌다. 입구(43)에 인접한 비봉쇄된 공간으로 들어가는 배기가스는 출구(44)에 인접한 마개(54),(55) 및 (56)로 봉쇄되지 않은 공간을 통해 배출되기 전에 마개(50),(51) 및 (52)로 봉쇄되지 않은 튜브 사이의 공간으로 들어가고, 필터링 부재(65)의 구멍을 통해 반경 방향 안쪽으로 및 바깥쪽으로 통과한다.
본 발명의 디젤 미립자 트랩 제조시에 재료비의 절감을 위해, 필터링 부재는 큰 배압없이 높은 필터링 효율을 얻기 위해 선택된 무기질 화이버로된 하나 또는 그 이상의 비직조 매트 층과 함께 사용될 수 있다. 바람직한 비직조된 매트는 알루미나 -보리아- 실리카 송풍(blown) 미세화이버와 같은 세라믹 송풍 미세화이버를 포함한다. 이용할 수 있는 적합한 비직조 매트로는 3M사의 "울트라화이버 312(ULTRAFIBER 312)", "울트라화이버 440" 및 "울트라화이버 550" 과 임페리얼 케미칼스, 인코포레이티드(Imperial chemicals, Inc.)의 "새필드 매트(SAFFILLD MAT) "의 상표가 있다. 상기 매트는 권선 층 및/또는 필터링 부재의 반경방향으로 내부 및 외부면 사이에 산재될 수 있다. 외부면에 산재되었을때, 상기 매트는 에너지를 저장하고 케이스를 차갑게 유지할 수 있도록 돕는 바람직한 단열 효과를 가질 수 있다.
필터링 부재를 만드는데 있어서, 유용한 내열성 방사로는 오웬스 코닝(Owens Corning)의 S-2 글래스 또는 E 글래스와 같은 초고온 글래스 화이버, 연속적으로 융합된 실리카 화이버("아스트로쿼츠(ASTROQUARSTZ)"라는 상표로 시판), 여과된 글래스 화이버("레프라실(REFRASIL)"이라는 상표로 시판), 비유리질(nonvitreous)세라믹 화이버("니칼론(NICALON)" 이라는 상표로 시판), 비금속 산화물과 결합한 세라믹 금속 산화물로된 화이버(지르코니아 실리카(zirconia silica), 알루미나-실리카(alumina-silica), 그라파이트(graphite), 알루미나-크로미아- 금속 산화물 (alumina-chromia-metal oxide), 및 양호하게는 알루미나-보리아- 실리카(alumina-boria-silica) ("넥스텔 312(NEXTEL 312)", "넥스텔 440" 또는 "넥스텔 550"의 상표로 시판)가 있다. 약 330℃이하에서는, 통상의 글래스 화이버가 사용될 수 있다.
디젤 배기가스 매연 미립자의 탄소 및 가용성 유기질 성분(예를 들면, 탄화수소와 일산화탄소)의 산화를 돕기 위해, 필터링 부재는 무기질 방사, 무기질의 비직조된 매트, 또는 그 조합체로 코팅된 산화 촉매를 구비할 수도 있다. 상기 산화촉매는 당업계에 공지되어 있으며, 예를 들면, 귀금속(즉, 플래티늄(platinum), 로디움(rhodium), 다른 플래티늄족) 금속, 및 은(silver)과 염기 금속(base metal)(즉, 구리, 철, 망간, 및 포타시움(pota ssium))을 포함한다. 무기성 방사와 비직조된 매트에 촉매를 코팅하는 방법은 당업계에 공지되어 있다.
필터링 부재가 직조되고, 연속적인 필라멘트의 세라믹 방사를 포함할때, 열-소실(heat-fugitive) 화이버를 함께 사용하는 것도 바람직하다. 트랩의 최초 사용 동안 또는 그에 앞서서 소실 섬유가 연소될때 발생하는 통로는 배압을 감소시키며 필터링 화이버 세그먼트에 대한 접근을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 디젤 미립자 트랩은 집적된 미립자를 주기적으로 연소시키기 위한 수단, 즉 포집된 미립자 물질의 연소점 이상으로 온도를 올리기 위해 주기적으로 배출가스를 가열하는 수단을 구비할 수도 있다. 유용한 전기 연소 기술이 1990년 1월 3일 공개된 유럽 특허 출원 공고 제0,275,372(귀르틀러 등에게 허여), 및 PCT출원 제US92/02640(브룸 등에게 허여)에 나타나 있다. 다른 방법으로는, 또거운 가스를 디젤 미립자 트랩을 통과시켜 포집된 미립자 물질을 연소시킬 수도 있다.
본 발명의 목적 및 이점은 후술하는 실시예에서 좀더 설명될 것이나. 이런 실시예에서 열거된 특정의 재료나 그 양 뿐만 아니라 다른 조건 및 세부사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 파악되서는 안된다.
[실시예 1]
제1도에 도시된 바와같이 디젤 미립자 트랩은 원통형 몸체 및 그에 부착된 원추형 배출가스 입구와 출구를 구비한 길다란 케이스로 제조되었다. 실린더 본체 내에는 4개의 평행한 카트리지가 2×2 배열로 장착되어 있으며, 각 카트리지는 단단하고, 중공의 다공성 튜브를 포함한다. 각 튜브는 0.2 오옴(ohm)의 전기저항을 가지고 25.4cm의 길이 및 3.8cm의 지름이 되게 전신(展伸)된 신장가능한 금속(인코 합금(Inco Alloys)의 "인코넬 600D(INCONEL 600D)"의 상표로 시판)으로 만들어진다. 전신된 금속의 각 개구부는 약 100㎟의 넓이를 가지며, 개구부는 각 튜브의 천공된 영역의 61%를 점한다. 각 튜브의 배출 가스 출구에 근접한 단부는 마개로 밀봉되며, 배출 가스 입구에 근접한 곳에서 튜브를 개방되게 하는 다른 단부에는 칼라(collar)가 있다. 배출 가스 입구에 근접한 원형 판은 튜브의 개방된 단부를 막지않고 근접 튜브의 칼라 사이 및 칼라와 원통형 몸체 사이의 공간을 막는다. 마개와 칼라는 각 튜브의 천공된 길이를 22.9cm까지 줄인다.
컴퓨터로 통제되는 필라멘트 와인더(오토메이션 다이나믹스(Automation Dynamics)모델 HWC-860)를 사용하여, 도면에서와 같은 방법으로 각 튜브의 천공된 영역을 덮기 위해 내열성의 방사는 약 12.75N의 장력으로 교차 권선된다. 방사는 알루미나-보리카-실리카화이버(소위 "넥스텔 312"), 1800 데니어(denier 2/21.5 z 방사)로된 겹으로 꼬인 세라믹 방사이며, 그중 한부분은 낮은 직조 등급을 가지며, 다른 부분은 중간 직조 등급을 가지며, 제 3부분은 직조되지 않았다. 비직조 방사는 약 0.18cm의 지름을 가지는 반면, 각각의 낮은 정도 및 중간정도로 직조된 방사의 필라멘트 고리는 약 1-5cm의 지름을 구비한다. 각 필라멘트의 지름은 약 10-12㎛이다.
첫째로, 반경방향으로 배열된 비직조 방사의 5개 층은 8.15cm의 초기 필터 밴드 폭을 제공하기 위해 47°의 초기 감는 각도로 권선되며, 층 마다 10개의 써키트가 있다.
필라멘트 와인더의 맨드릴을 23.5°회전시킨후, 낮은 정도로 직조된 방사의 8개 층은 제1의 5개 층의 4면 개구부를 양분하는 반경방향의 벽을 형성하게 감긴다.
맨드릴을 다시 23.5°회전시킨후, 중간 정도로 직조된 방사의 8개 층은 그 전의 8개 층으로된 4면 개구부를 양분하는 반경방향의 벽을 형성하게 감긴다.
얻어진 카트리지의 필터링 부재는 약 5.8cm의 지름을 가지며, 방사 함량은 약 170g 이다.
카트리지가 2개의 동일한 디젤 미립자 트랩내에 조립되며, 각 트랩은 2.3리터, 4기통, 4행정, 직접 분사 디젤 엔진(오하이오 콜럼버스의 커민스 엔진 컴패니(Cummins Engine Co.)가 제조한 "CUMMINS 4A 2.3")에 장착된다. 사용된 막(membrane) 필터(코네디컷, 푸트남의 팔프렉스 프로덕츠 코오포레이션(Pallflex Products Corp.)이 제조한 통상적으로 "팔프렉스 테프론 멤브래인 필터(PALLFLEX TEFLON MEMBRANE FILTERS)"라는 상표로 시판)는 지름이 90mm이다. 디젤 미립자 트랩의 입자 트랩핑 효율은 40 CFR 986.1339-86(1989)에 개설된 필터 취급 절차를 이용하여 트랩의 상류 및 하류에서의 통상적인 다중 배치(multiple batch)필터 시료 채취를 통하여 측정된다.
매연이 있는 디젤 미립자 트랩은 1.88 리터/초의 공기 유동에서 4.5분 동안 12볼트의 직류 전력을 공급받아 재생되며, 따라서 60리터/초의 유동 속도에서 배압을 25.5cm H2O까지 감소시킨다.
[비교 실험]
디젤 미립자 트랩(여기서는 "C-1"이라한다)은 C-1의 필터링 부재를 만드는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 만들어지며, 각 권선부의 중심부가 아래에 놓인 권선부의 중심부와 반경방향으로 배열되게 똑같은 방사가 감긴다. C-1의 초기 필터 밴드폭은 6.2mm이고 C-1 및 제 1실시예의 트랩이 거의 동등한 필터링 성능을 가지게 선택된다. C-1은 다음과 같은 20개의 층을 가지게 만들어진다:
비직조 방사로된 제1의 4개 층.
낮은 정도로 직조된 방사로된 제2의 8개 층.
중간 정도로 직조된 방사로된 제3의 8개 층.
카트리지 당 총 방사 함량은 300g 이다.
평균적인 실험 결과를 표 1에 나타냈다.
A = 46℃에서 60리터/초의 유동속도일때 cm H2O 로 표시한 초기 배압
B = 배압을 152cm H2O까지 증가시켜 매연을 포집하기 위한 시간
C = B시간 동안 카트리지당 포집된 매연의 평균량
D = 배압이 127cm H2O 일때의 효율
E = 필터 매체의 평균 중량
C 및 D 값의 편차는 실험적 에러(error)에 속한다. 실시예 1에 비하여 C-1의 상당한 배압 증가는 실시예 1이 43% 적은 방사를 가지기 때문이다.
[실시예 2]
하나의 카트리지를 포함한다는 것을 제외하고는 디젤 미립자 트랩을 위한 카트리지는 실시예 1에서와 같은 방법으로 만들어 졌다. 튜브의 원주방향으로 약 0.75cm의 지름과 축방향으로 0.05cm의 지름을 갖는 타원형 개구부를 형성하기 위하여 금속 튜브("인코넬 600D")는 천공(punched)된다. 튜브의 길이는 38.7cm이며, 지름은 5.1cm이며, 그 튜브는 0.3오옴의 전기 저항을 가진다. 상기 개구부는 튜브의 돌출한 전체 관통된 영역의 약 50%를 점한다.
방사는 지름이 약 5-7cm인 필라멘트 고리로된 덮개를 제조하기 위해 높은 정도로 직조되기 전에 약 0.2cm의 지름을 가지는 알루미나 -보리아 -실리카 화이버("넥스텔 440" 으로 명칭된) 2000 데니어 2/21.5z 방사로된 연속적인 필라멘트, 겹으로 꼬인 세라믹 방사이다. 각 필라멘트는 지름이 약 13 - 15㎛이다.
방사는 10.7N의 일정한 장력으로 감긴다. 초기 권선 각도는 1.5cm의 필터 밴드폭을 제공하기 위하여 46°가 되며, 층 당 8개의 권선부가 있으며, 28개의 층은 다음과 같다:
층수 점진적적인 굴대 회전각
6
6 23°
4 46°
2 57.5°
2 69°
8 80.5°
얻어진 카트리지의 필터링 부재는 7cm의 외경을 가지며 215g의 방사를 함유한다.
카트리지는 6.9MPa 유압 하중을 받으며 1200r.p.m에서 77.9 리터/초의 유동속도로 맞추어진 5.9리터 터보-차지드 디젤 엔진("커민스 6A3.4")의 배기 시스템에 장착된다. 카트리지는 22.9cm H2O의 시동 배압을 가지며 203cm H2O이 될때까지 매연을 포집한다. 카트리지는 매연을 포집하기 전후에 무게를 측정하며 2.4g의 매연을 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 효율은 질량 시료 채취 시스템을 이용하여 매연을 포집하는 동안에 검침되며 127cm H2O의 배압에서 87%가 된다는 것을 알 수 있다.
매연을 포집한 카트리지는 5분 주기로 공급되는 24볼트의 직류 전력으로 재생되며, 따라서 약 28cm H2O까지 배압을 되돌린다.
이런 매연 포집 및 재생 싸이클은 23분의 재생간격으로 10회 반복된다. 각 사이클의 끝에서, 배압은 약 28cm H2O이다.
본 발명의 범주 및 사상에서 벗어남이 없이 당업자는 본 발명의 다양한 변형 실시예 및 대체 실시예를 인식할 수 있을 것이며, 본 발명이 여기서 설명한 대략적인 실시예로 부당하게 제한되지 않는다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (5)

  1. (a)적어도 2개의 단부를 가지는 케이스(11, 41)와,
    (b)상기 케이스(11, 41)의 단부를 배출 시스템에 연결하기 위한 수단과,
    (c)하나 이상의 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49)를 지지하기 위한 수단(18, 50, 51, 52, 54, 55, 56, 58, 59, 60)과,
    (d)상기 케이스(11, 41)의 단부 사이를 연장하며, 2개의 단부, 외부 표면, 다공성 영역을 제공하는 구멍(21)을 가지며, 상기 지지 수단(18, 50, 51, 52, 54, 56, 58, 59, 60)에 의하여 지지되는 하나 이상의 중공 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49)와,
    (e)상기 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49) 각각을 거의 반경방향으로 통과하도록 상기 케이스(11, 41)의 한 단부에 있는 비봉쇄된 공간으로 배출가스가 들어가게 케이스(11, 41)의 단부에 있는 공간을 봉쇄하기 위한 수단(20, 50, 51, 52, 54, 55, 56)과,
    (f)방사로 이루어진 복수개의 층(28, 30, 32, 34, 36, 38)을 형성하기 위하여 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49) 각각에 나선형으로 교차 권선되고, 필라멘트 또는 화이버 세그먼트(26)가 그로부터 바깥쪽으로 돌출한 중심부를 가지는 내열성 방사를 구비하는 필터링 부재(23, 65)를 포함하며, 서로 짜여진 중심부(interwoven core)를 제공하기 위해 층(30, 32, 34, 36, 38) 각각에는 연속한 권선부가 반대로 감기며, 층(28, 30, 32, 34, 36, 38) 각각의 권선부 중심부는 배출가스에 의해 운반되는 입자를 포집하기 위한 트랩을 형성하도록 상기 돌출한 화이버 세그먼트(26)가 서로 망을 형성하는 거의 균일한 4측면 개구부를 제공하기 위해 이격 배치되며, 하나 이상의 층(28, 30, 32, 34, 36, 38)의 권선부 중심부는 거의 반경방향인 배출 가스 유동을 만곡 통로로 편향시키기 위하여 인접한 층(28, 30, 32, 34, 36, 38)의 권선부 중심부로 부터 측면으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 트랩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 튜브(16)가 나란히 배치되고, 상기 봉쇄 수단(20)은 단지 케이스(11)의 한 단부에 인접한 튜브(16) 각각의 한 단부를 봉쇄하며 단지 케이스(11)의 다른 단부에 인접한 튜브(16)사이의 공간을 봉쇄하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 트랩(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 내열성 방사는 세라믹 방사를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 트랩(10,40).
  4. 디젤 미립자 트랩용 카트리지에 있어서,
    (a)다공성 중공 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49)와,
    (b)방사로 이루어진 복수개의 층(28, 30, 32, 34, 36, 38)을 형성하기 위하여 각각의 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49)상에 나선형으로 교차 권선되며, 상기 방사는 내열성의 필라멘트 또는 화이버 세그먼트(26)가 그로부터 바깥쪽으로 돌출하는 중심부를 가지는 내열성 방사를 구비하는 필터링 부재(23, 65)와,
    (c)상기 카트리지를 디젤 미립자 트랩에 장착하기 위한 수단(18, 58, 59, 60, 62, 63)을 구비하며,
    서로 짜여진 중심부(interwoven core)를 제공하기 위해 층(30, 32, 34, 36, 38) 각각에는 연속한 권선부가 반대로 감기며, 층(28, 30, 32, 34, 36, 38) 각각의 권선부 중심부는 배출가스에 의해 운반되는 입자를 포집하기 위한 트랩을 형성하도록 상기 돌출한 화이버 세그먼트(26)가 서로 망을 형성하는 거의 균일한 4측면 개구부를 제공하기 위해 이격 배치되며, 하나 이상의 층(28, 30, 32, 34, 36, 38)의 권선부 중심부는 거의 반경방향인 배출 가스 유동을 만곡 통로로 편향시키기 위하여 인접한 층(28, 30, 32, 34, 36, 38)의 권선부 중심부로 부터 측면으로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 미립자 트랩용 카트리지.
  5. 디젤 미립자 트랩용 카트리지를 제조하는 방법에 있어서,
    (a)하나 이상의 다공성 중공 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49)를 제공하는 단계,
    (b)필라멘트 또는 화이버 세그먼트(26)가 바깥쪽으로 돌출하는 중심부를 가지는 방사로 이루어진 권선부의 제1층(28)을 상기 튜브(16, 45, 46, 47, 48, 49)상에 교차 권선하는 단계로, 연속하는 권선부는 서로 짜여진 중심부를 제공하기 위하여 각 층에서 반대로 권선되고, 인접한 권선부의 중심부가 균일하게 이격되고 트랩을 형성하기 위하여 상기 돌출한 화이버 세그먼트(26)가 서로 망을 짜는 4측면 개구부를 형성하기까지 상기 권선부는 초기에는 넓게 이격되고 그후 후속 권선부와 섞여지는 단계,
    (c)상기 제1층(28)위에 방사로 이루어진 하나 이상의 부가적인 층을 나선형으로 교차 권선하는 단계로, 상기 방사의 중심부가 유사한 트랩에 의해 연결된 유사한 개구부를 형성하고, 상기 제1층(28)의 중심부로 부터 측면으로 오프셋되며, 그에 따라 상기 카트리지를 통해 거의 반경방향으로 유동하는 가스를 만곡 통로로 편향시키는 부가적인 방사로 이루어진 층을 나선형으로 교차 권선하는 단계를 구비하는 디젤 미립자 트랩용 카트리지 제조방법.
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