KR100310919B1 - 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 배기라인에 설치되어 배기가스를 여과하는 탄화규소 필터와 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 반응소결법으로 탄화규소 필터를 제조함에 있어서, 소결체와 실리콘과의 접촉각을 증가시키는 보조 첨가제를 첨가하여, 다공성 탄화규소의 제조시 실리콘의 제거를 용이하게 한 것이다.

Description

엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터와 그 제조방법{Silicon carbide filter for romoving particulates of engine exhaust and a method emploing the same}

본 발명은 엔진의 배기라인에 설치되어 배기가스를 여과하는 탄화규소 필터와 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 반응소결법으로 탄화규소 필터를 제조함에 있어서, 소결체와 실리콘과의 접촉각을 증가시키는 보조 첨가제를 보강하여, 실리콘의 제거가 용이하고, 배기가스중의 유해가스의 반응이 촉진되도록 된 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터와 그 제조방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 엔진의 배기가스는 미연소물 등의 분진과, NOx,SOx 등의 유해가스를 함유하고 있어서 별도의 여과 및 반응 처리없이 그대로 대기중으로 방출할 경우에는 대기환경이 크게 오염되므로, 배기가스 중의 분진을 여과하고, 유해가스를 반응시켜서 대기오염물질을 억제하는 것이 필요하다.

배기가스의 분진을 여과하는 필터는 통상 탄화규소 필터를 이용하고 있는데, 종래에는 상압소결법으로 제조된 탄화규소 필터가 주로 이용되었다.

상기 탄화규소 필터를 제조하는 상압소결법은, 통상 2가지로 구분될 수 있는데, 우선 탄화규소의 분말과, 알루미나 및/또는 이트리아 등의 소결조제의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성한 후, 성형체에 열을 가해서 액상의 용매와 폴리머를 증발/연소시키고, 액상의 용매와 폴리머가 제거된 성형체를 1800∼2000℃정도의 온도와 불활성/진공상태인 환경하에서 상압소결시켜서 다공성 탄화규소 필터를 제조하는 방법과 ; 탄화규소의 분말과, 점토질의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성시킨 후, 성형체에 열을 가해서 액상의 용매와 폴리머를 증발/연소시키고, 액상의 용매와 폴리머가 제거된 소결체를 1600℃정도의 온도와 불활성/진공상태인 환경하에서 상압소결시켜서 다공성 탄화규소 필터를 제조하는 방법으로 구분된다.

상기 용매로는 물이 주로 이용되고, 폴리머로는 폴리비닐 알코올, 폴리 엔틸렌 글리콜, 메틸 셀룰로즈, 메틸 셀룰로즈, 레진, 왁스 들중 어느 하나가 개별적으로 이용되지만, 필요에 따라서는 이들중 다수를 선택하여 이용할 수도 있으며, 상기 액상의 용매와 폴리머를 증발/연소시키기 위한 가열온도는 통상 600∼800℃정도이다. 상기 액상의 용매와 폴리머는 분말형태의 탄화규소와, 소결조제 혹은 점토질을 성형체로 형성하기 위한 매개체이며, 상기 소결조제나, 점토질은 상압소결시 탄화규소의 분말들 간의 결합이 견고하게 되도록 도와주는 기능을 한다.

그러나, 이와 같이 상압소결법으로 제조된 탄화규소 필터는 휨강도, 고온 강도 및 내부식성이 좋지 못하고, 제조시 성형체의 수축율이 높아서 탄화규소 필터의 형상제어가 상당히 어려워서, 사용이 극히 제한되고, 정밀한 제조장비의 필요에 의해 제품비용이 비싼 단점이 있었다.

이에, 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성한 후, 성형체에 열을 가해서 액상의 용매와 폴리머를 증발/연소시키고, 액상의 용매와 폴리머가 제거된 성형체에 고체 실리콘을 얹은 후 불활성/진공상태의 환경하에서 1600℃정도로 가열하여 고체 실리콘이 용융되면서 성형체내로 흘러들어가며 반응소결되도록 한 후, 반응소결된 소결체를 가열하여(통상 1700∼1800℃정도) 잔류 실리콘을 제거시켜서 다공성 탄화규소 필터를 제조하는 반응소결법이 제안되어 사용되고 있는데, 이와 같이 반응소결법으로 제조된 탄화규소 필터는 제조시 성형체의 수축율이 작아서 초기 성형체의 형상이 최종 제품까지유지되는 장점이 있다. 따라서, 형상제어가 용이하여 제조장치의 구조가 단순하게 되고, 이로 인해 제품비용이 절감되는 효과가 있다. 한편, 상기 폴리머는 통상 레진이 주로 이용되며, 경우에 따라서는 폴리비닐 알코올, 폴리 엔틸렌 글리콜, 메틸 셀룰로즈, 왁스 들 중 어느 하나 또는 다수를 선택하여 레진과 혼합 사용한다.

그러나, 상기 종래 반응소결법의 경우에는, 잔류 실리콘을 제거하기 위해 소결체를 고온으로 가열하더라도, 잔류 실리콘의 제거가 제대로 이루어지지 못하여, 잔류 실리콘으로 인해 탄화규소 필터의 기능이 크게 저해되는 문제가 발생되었다.

또한, 종래 반응소결법에 따르면, 반응소결 후, 잔류 실리콘의 제거를 목적으로, 고온의 소결체를 별도의 잔류 실리콘 제거장치로 이송한 후 1700∼1800℃로 가열하여, 잔류 실리콘이 용융된 상태로 카본 펠트 등의 부재에 강제적으로 흡수되거나, 반응되도록 해서 잔류 실리콘을 제거하고 있는데, 이와 같은 경우, 고온의 소결체가 잔류 실리콘의 제거를 위해 이송되는 과정에서 방열되어 냉각되므로, 이를 다시 가열하기 위해서는 연료가 불필요하게 소비되고, 카본 펠트 등의 부재를 갖춘 별도의 잔류 실리콘 제거장치가 필요하게 되는 문제가 발생되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 발명된 것으로, 종래 반응소결법으로 탄화규소 필터를 제조함에 있어서, 반응소결된 소결체와 잔류 실리콘과의 접촉각을 증가시키는 보조 첨가제를 보강하여, 실리콘의 제거가 용이하게 되도록 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터와 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 필터를 갖춘 여과장치의 개략적인 구성도이다.

1 ; 배기가스, 2 ; 하우징 입구,

3 ; 하우징 본체, 4 ; 탄화규소 필터,

5 ; 하우징 출구.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성한 후, 성형체에 열을 가해서 액상의 용매와 폴리머를 증발/연소시키고, 액상의 용매와 폴리머가 제거된 성형체에 고체 실리콘을 얹은 후 불활성/진공상태의 환경하에서 고온으로 가열하여 고체 실리콘이 용융되면서 성형체내로 흘러들어가며 반응소결되도록 한 후, 반응소결된 소결체를 가열하여 잔류 실리콘이 제거되도록 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터를 제조하는 방법에 있어서, 상기 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하는 과정에서, 소결체와 잔류 실리콘 간의 접촉각을 증가시키는 보강 첨가제를 첨가하여, 반응소결 후 잔류 실리콘이 소결체로부터 쉽게 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법과, 이에 의해 제조된 탄화규소 필터로 되어 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 탄화규소 필터의 제조방법은 종래 반응소결법을 응용하고 있는 것으로, 탄화규소의 분말와, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성할 때, 반응소결된 소결체와, 잔류 실리콘 간의 접촉각을 증가시키는 보강 첨가제를 분말상태로 투입/혼합한 후, 액상의 용매와 폴리머가 제거된 성형체에 고체 실리콘을 얹은 후 불활성/진공상태의 환경하에서 1600℃정도로 가열하여 고체 실리콘이 용융되면서 성형체내로 흘러들어가며 반응소결되도록 하고, 이러한 상태하에서 반응소결된 소결체를 가열하여(통상 1700∼ 1800℃정도) 잔류 실리콘을 제거하여서 탄화규소 필터가 제조되도록 한다.

본 발명에 따르면, 보강 첨가제에 의해 소결체와, 잔류 실리콘 간의 접촉각이 증가되는데, 이와 같이 접촉각이 증가되면 잔류 실리콘의 접착면(소결체와의 접착면)이 감소되어 잔류 실리콘의 제거가 손쉽게 이루어진다.

따라서, 본 발명에 의하면, 강제적으로 잔류 실리콘을 제거하기 위하여 반응소결된 소결체를 별도의 잔류 실리콘 제거장치로 이송하여 처리할 필요없이, 반응소결 직후에 1600℃정도의 소결체를 1700∼1800℃정도로 가열하면 용융된 잔류 실리콘이 소결체로부터 흘러나와 만족할만하게 제거된다. 그러므로, 종래 기술에서 언급한 바 있는 잔류 실리콘 제거장치가 불필요하게 되고, 반응소결된 소결체를 이송시키지 않고 반응소결 직후 가열하므로, 연료의 소비가 절감된다.

상기 보강 첨가제로는 산화세륨(CeO₂), 산화비소(As₂O₃), 산화안티몬(Sb₂O₃), 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃) 들중에서 어느 하나를 개별적으로 이용하거나, 필요에 따라서 다수를 선택하여 혼합적으로 이용할 수도 있는데, 상기 산화세륨(CeO₂), 산화비소(As₂O₃), 산화안티몬(Sb₂O₃), 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미늄 (Al₂O₃) 등은 배기가스중의 유해가스를 분해하는 촉매제로 작용하므로, 이들이 첨가된 탄화규소 필터는 배기가스중의 분진을 포집하는 기능 외에도 배기가스중의 유해가스의 함량이 절감되도록 하는 기능을 수행한다.

한편, 종래에는 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성하고 있는데, 이와 같은 경우에는 카본이 균일하게 분포되지 못하는 경우가 빈번하게 발생되어, 완성된 탄화규소 필터의 휨강도 등의 특성이 저하되는 문제가 발생된다.

따라서, 상기 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합함에 있어서, 액상의 용매와 폴리머에 1차적으로 카본을 투입/혼합하여 카본이 균일하게 분포되도록 한 후, 2차적으로 탄화규소의 분말과 보강 첨가제를 투입/혼합하여 성형체가 형성되도록 하면, 탄화규소 필터의 기능 및 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 탄화규소 필터를 갖춘 여과장치의 개략적인 구성도로서, 본 발명에 따른 탄화규소 필터가 적용되어진 일예를 나타내고 있는 바, 우선 하우징 입구(2)를 통해 유입된 배기가스(1)는 하우징 본체(3)내에 안착된 탄화규소 필터(4)를 통과한 후, 하우징 출구(5)를 통해 유출되는데, 배기가스(1)중에 함유된 분진 등은 다공성 탄화규소 필터(4)의 미세한 기공부를 통과하면서 포집되게 된다. 이와 같이 탄화규소 필터(4)내에 분진 등이 포집되면, 탄화규소 필터(4)를 가열(가열수단은 도시되지 않음)하여 포집된 분진 등이 탄화규소필터(4)내에서 완전 연소되도록 한다. 또한, 본 발명에 따르면 배기가스(1)가 탄화규소 필터(4)의 미세한 기공부를 통과하면서 보강 첨가제와 접하게 되므로, 하우징 출구(5)를 통해 유출되는 배기가스(1)는 분진과, 일부 유해가스가 제거된 상태로 유출된다.

이상 상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 종래 반응소결법에 있어서, 보강 첨가제를 첨가하여, 반응소결된 소결체와, 잔류 실리콘 간의 접촉각이 증가되도록 하므로, 잔류 실리콘의 제거가 용이하게 되어, 제조작업이 편리하고, 생산성이 향상되며, 제품 비용을 절감할 수 있는 잇점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 잔류 실리콘이 용이하게 제거되므로, 반응소결 직후, 소결체를 반응소결시의 온도보다 고온으로 가열하게 되면, 용융된 잔류 실리콘이 자연스럽게 소결체로부터 흘러나와 제거되므로, 별도의 잔류 실리콘 제거장치가 불필요하고, 연료의 소비가 절감되는 잇점이 있다.

한편, 보강 첨가제로 산화세륨(CeO₂), 산화비소(As₂O₃), 산화안티몬(Sb₂O₃), 산화티타늄(TiO₂), 산화알루미늄 (Al₂O₃) 등을 이용할 경우, 배기가스중에 함유된 유해가스의 반응이 촉진되므로, 배기가스 중의 유해가스 함량이 감소되는 효과가 있으며, 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합함에 있어서, 액상의 용매와 폴리머에 1차적으로 카본을 투입/혼합한 후, 2차적으로 탄화규소의 분말과 보강 첨가제를 투입/혼합하여 성형체가 형성되도록 하면, 카본의 분포가 고르게 되어, 탄화규소 필터의 기능 및 강도가 저하되는 것이 억제된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위내에서 다양하게 변형 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims (9)

1. 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성한 후, 성형체에 열을 가해서 액상의 용매와 폴리머를 증발/연소시키고, 액상의 용매와 폴리머가 제거된 성형체에 고체 실리콘을 얹은 후 불활성/진공상태의 환경하에서 1600℃정도로 가열하여 고체 실리콘이 용융되면서 성형체내로 흘러들어가며 반응소결되도록 하며, 이후 반응소결된 소결체를 가열하여 잔류 실리콘이 제거되도록 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하는 과정에서, 반응소결된 소결체와 잔류 실리콘 간의 접촉각을 증가시키는 보강 첨가제를 첨가하여, 반응소결 후 잔류 실리콘이 소결체로부터 쉽게 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터를 제조하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반응소결 직후, 소결체가 이동되거나 냉각되지 않는 상태에서 가열처리되어 잔류 실리콘이 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하는 과정에서, 카본이 성형체내에 고르게 분포되도록, 액상의 용매와 폴리머에 1차적으로 카본을 투입/혼합한 후, 2차적으로 탄화규소의 분말과 보강 첨가제를 투입/혼합하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터를 제조하는 방법.
4. 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하여 성형체를 형성한 후, 성형체에 열을 가해서 액상의 용매와 폴리머를 증발/연소시키고, 액상의 용매와 폴리머가 제거된 성형체에 고온 용융된 실리콘을 부어서 카본과 실리콘을 반응소결시킨 후, 반응소결된 소결체를 가열하여 잔류 실리콘이 제거되어진 엔진의 배기가스 처리용 다공성 탄화규소 필터에 있어서,

   상기 탄화규소의 분말과, 카본의 분말을 액상의 용매와 폴리머에 투입/혼합하는 과정에서, 반응소결된 소결체와 잔류 실리콘 간의 접촉각을 증가시키는 보강 첨가제가 첨가되어진 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터.
5. 제 4항에 있어서, 상기 보강 첨가제는 산화세륨(CeO₂)인 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터.
6. 제 4항에 있어서, 상기 보강 첨가제는 산화비소(As₂O₃)인 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터.
7. 제 4항에 있어서, 상기 보강 첨가제는 산화안티몬(Sb₂O₃)인 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터.
8. 제 4항에 있어서, 상기 보강 첨가제는 산화티타늄(TiO₂)인 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터.
9. 제 4항에 있어서, 상기 보강 첨가제는 산화알루미늄(Al₂O₃)인 것을 특징으로 하는 엔진의 배기가스 처리용 탄화규소 필터.