KR100680097B1 - 허니콤 구조체 및 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

허니콤 구조체 및 배기 가스 정화 장치

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Abstract

본 발명은 그 사이즈를 콤팩트하게 유지하면서 장기 수명화를 도모할 수 있고, 또한 기계적 강도 및 열응답성이 우수하므로, 크랙 한계가 높고, 신뢰성이 우수한 허니콤 구조체를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 허니콤 구조체는 다수의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설되고, 상기 관통 구멍 중 어느 한쪽의 단부가 밀봉된 허니콤 구조를 갖는 기둥 형상의 허니콤 구조체이며, 상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 입구측의 개구율(X)(％)이 하기 식 (1)의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다. Y ≤ －1.1X ＋ 68.5(단, Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
하니콤 구조체, 다공질 부재, 격벽, 다공질 블럭, 밀봉재층

Description

허니콤 구조체 및 배기 가스 정화 장치{HONEYCOMB STRUCTURAL BODY AND EXHAUST GAS PURIFYING APPARATUS}
본 출원은 2004년 2월 23일에 출원된 일본 특허 출원 2004-046949호를 기초 출원으로 하여 우선권 주장하는 출원이다.
본 발명은 디젤 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중의 파티큘레이트 등을 제거하는 목적 등으로 이용되는 허니콤 구조체 및 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
버스, 트럭 등의 차량이나 건설 기계 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중에 함유되는 파티큘레이트가 환경이나 인체에 해를 미치는 것이 최근 문제가 되고 있다.
이 배기 가스를 다공질 세라믹에 통과시켜 배기 가스 중의 파티큘레이트를 수집하여 배기 가스를 정화할 수 있는 세라믹 필터로서 이용되는 허니콤 구조체가 다양하게 제안되어 있다.
종래, 이러한 종류의 세라믹 필터로서, 배기 가스 유출측의 단부가 밀봉된 관통 구멍(이하, 유입측 관통 구멍이라고도 함)을 용적이 큰 관통 구멍(이하, 대용적 관통 구멍이라고도 함)으로 하고, 배기 가스 유입측의 단부가 밀봉된 관통 구멍 (이하, 유출측 관통 구멍이라고도 함)을 용적이 작은 관통 구멍(이하, 소용적 관통 구멍이라고도 함)으로 함으로써, 배기 가스 유입측의 개구율을 배기 가스 유출측의 개구율보다도 상대적으로 크게 한 것이 개시되어 있다.
도18은 종래의 배기 가스 필터의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
이 배기 가스 필터(60)는 바둑판 눈의 교점에 상기 바둑판 눈을 구성하는 정사각형보다도 작은 4각형이 배치된 단면 형상을 갖고, 작은 4각형에 상당하는 소용적 관통 구멍(61b)과 그 주위에 존재하는 대용적 관통 구멍(61a)으로 이루어지고, 이들 관통 구멍 사이에 격벽(62a, 62b)이 형성되어 있다(특허문헌 1, 2 참조).
도19의 (a) 내지 (d)는 종래의 별도의 배기 가스 필터의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
이 배기 가스 필터(300 내지 330)는 다양한 형상의 대용적 관통 구멍(301a, 311a, 321a, 331a)과, 소용적 관통 구멍(301b, 311b, 321b, 331b)으로 이루어지고, 이들 관통 구멍 사이에 격벽(302, 312, 322, 332)이 형성되어 있다.
격벽(302, 312, 322, 332)은 모두 대용적 관통 구멍(301a, 311a, 321a, 331a)과 소용적 관통 구멍(301b, 311b, 321b, 331b)을 이격하는 격벽이고, 대용적 관통 구멍(301a, 311a, 321a, 331a)끼리를 이격하는 격벽은 존재하지 않는다고 해도 좋다(특허문헌 3 내지 7 참조).
또한, 다른 종래 기술로서는 대용적 관통 구멍의 셀 칩을 대략 1.0 내지 2.5 ㎜로 한 필터가 개시되어 있다(특허문헌 8 참조).
또한, 대용적 관통 구멍의 용적률이 60 내지 70 ％이고, 소용적 관통 구멍의 용적률이 20 내지 30 ％이고, 대용적 관통 구멍의 셀 칩을 대략 2.5 내지 5.0 ㎜로 한 필터도 개시되어 있다(특허문헌 9 참조).
도20은 이들 필터(200)의 길이 방향에 수직인 단면(이하, 단순히 단면이라고도 함)을 개략적으로 도시한 단면도이고, 이 필터(200)에서는 단면의 형상이 6각형인 대용적 관통 구멍(201)의 주위에 단면의 형상이 3각형인 소용적 관통 구멍(202)을 배치하고 있다.
또한, 대용적 관통 구멍의 단면의 총면적에 대한 소용적 관통 구멍의 단면의 총면적의 비의 백분률이 40 내지 120 ％인 필터도 개시되어 있다(특허문헌 10, 11 참조).
도21은 이와 같은 필터의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 단면도이고, 이 필터(210)에서는 상기 단면의 형상이 6각형인 대용적 관통 구멍(211)의 주위에 상기 단면의 형상이 가로로 긴 6각형의 소용적 관통 구멍(212)을 배치하고 있다. 또한, 외주 근방에는 정육각형의 대용적 관통 구멍(211)과 사다리꼴의 대용적 관통 구멍(213)을 병존시키고 있다. 또한, 유입측 관통 구멍의 수를 유출측 관통 구멍의 수보다도 많게 함으로써 배기 가스 유입측의 개구율을 배기 가스 유출측의 개구율보다도 상대적으로 크게 한 것도 개시되어 있다(예를 들어, 특허문헌 10의 도3 참조).
또한, 필터에 관하여 벽의 두께나, 물성치를 조정하는 기술도 공개되어 있고(특허문헌 12, 13 참조), 관통 구멍의 단면이 정사각형과 직사각형으로 이루어지는 필터도 개시되어 있다(특허문헌 14 참조).
또한, 2종류의 관통 구멍의 형상으로 이루어지는 필터, 특히 8각형과 4각형으로 이루어지는 필터도 개시되어 있고(특허문헌 15, 16 참조), 상대적으로 큰 정사각형과 작은 정사각형의 2종류의 관통 구멍으로 이루어지는 필터가 개시되어 있다(특허문헌 17).
또한, 배기 가스 유입측의 개구율이 배기 가스 유출측의 개구율의 1.1 내지 15배인 허니콤 필터도 개시되어 있다(특허문헌 18 참조).
이상, 모든 종래 기술에 개시된 필터에서는 배기 가스 유입측의 개구율과 배기 가스 유출측의 개구율이 동등한 필터와 비교하여 배기 가스 유입측의 개구율을 상대적으로 크게 하고 있으므로, 배기 가스 정화용 필터로서 이용하였을 때에 파티큘레이트의 수집 한계량을 많게 하여 재생까지의 기간을 장기화하는 것 등이 가능해진다.
특허문헌 1 : 미국 특허 제4417908호 명세서
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 소58－196820호 공보
특허문헌 3 : 미국 특허 제4364761호 공보
특허문헌 4 : 일본 특허 공개 소56－124417호 공보
특허문헌 5 : 일본 특허 공개 소62-96717호 공보
특허문헌 6 : 미국 특허 제4276071호 공보
특허문헌 7 : 일본 특허 공개 소56－124418호 공보
특허문헌 8 : 일본 실용신안 출원 소56－187890호 마이크로 필름[일본 실용 신안 공개 소58-92409호(제4 페이지, 도6 참조)]
특허문헌 9 : 일본 특허 공개 평5-68828호 공보[특허 제3130587호 명세서(제1 페이지)]
특허문헌 10: 일본 특허 공개 2001-334114호 공보(제5 페이지, 도2 참조)
특허문헌 11 : 국제 공개 제WO 02/100514 팸플릿
특허문헌 12 : 미국 특허 제4416676호 명세서
특허문헌 13 : 미국 특허 제4420316호 명세서
특허문헌 14 : 일본 특허 공개 소58－150015호 공보
특허문헌 15 : 프랑스 특허 발명 제2789327호 명세서
특허문헌 16 : 국제 공개 제WO 02/10562 팸플릿
특허문헌 17 : 국제 공개 제WO 03/20407 팸플릿
특허문헌 18 : 국제 공개 제WO 03/80218 팸플릿
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그러나, 이들 필터는 통상의 필터(즉, 배기 가스 유입측과 유출측의 개구율이 같은 필터)에 비해 초기의 압력 손실이 매우 높은 것을 알 수 있었다.
또한, 배기 가스 유입측의 개구율을 크게 함에 따라서, 필터의 강도가 저하되므로, 사용 시의 엔진의 진동이나 재생 시의 파티큘레이트의 연소에서 열충격이 발생하면 크랙이 발생하기 쉬운 것을 알 수 있었다.
한편, 입구측의 개구율을 변경하지 않고, 필터의 체적을 크게 함으로써 배기 가스 유입측의 관통 구멍의 비표면적(여과 면적) 및 총용적을 크게 하면, 압력 손실을 낮게 할 수 있다.
그러나, 필터의 체적을 크게 한 경우, 내연 기관의 주변에 필터를 배치하는 공간을 확보하는 것이 곤란하거나, 체적 증가에 수반하여 열응답성이 저하되게 되어 그을음을 연소시키는 것이 곤란하거나, 열충격에 의해 크랙이 들어가기 쉬워지거나 하므로, 단순히 필터의 체적을 크게 하는 것은 상기 과제를 해결하기 위한 유효한 수단이라고는 할 수 없었다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 행하여 허니콤 구조체의 체적과, 상기 허니콤 구조체의 입구측의 개구율이 소정의 관계를 갖고 있는 경우에는 허니콤 구조체의 사이즈를 콤팩트하게 유지하면서 장기 수명화를 도모할 수 있고, 또한 열응답성이 우수하므로, 크랙 한계가 높고, 신뢰성이 우수한 허니콤 구조체가 되는 것을 발견하여 본 발명을 완성되었다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서는 상기 허니콤 구조체의 체적과 상기 개구율과 내연 기관의 배기량이 소정의 관계를 갖고 있는 경우에는 허니콤 구조체에 크랙이 보다 발생하기 어렵고, 허니콤 구조체의 성능을 유효하게 이용할 수 있는 것도 더불어 발견하였다.
즉, 본 발명의 허니콤 구조체는 다수의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설되고,
상기 관통 구멍 중 어느 한쪽의 단부가 밀봉된 허니콤 구조를 갖는 기둥 형상의 허니콤 구조체이며,
상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 입구측의 개구율(X)(％)이 하기 식 (1)의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
Y ≤ －1.1X ＋ 68.5(단, Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
본 발명의 허니콤 구조체에 있어서는 상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 상기 입구측의 개구율(X)(％)이 하기 식 (2)의 관계를 갖는 것이 바람직하다.
[식 2]
Y ≤ －1.1X ＋ 66.3(단, 2.5 ≤ Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
또한, 상기 허니콤 구조체는 내연 기관의 배기 가스 정화용 허니콤 구조체로서 사용하였을 때에,
상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 상기 입구측의 개구율(X)(％)과, 상기 내연 기관의 배기량(V)(1)이 하기 식 (3)의 관계를 갖는 것이 바람직하다.
[식 3]
100V － 400 ≤ XㆍY ≤ 100V ＋ 100
상기 허니콤 구조체에 있어서, 상기 다수의 관통 구멍은 배기 가스의 유입측에 존재하는 길이 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 큰 대용적 관통 구멍과, 배기 가스의 유출측에 존재하는 상기 단면의 면적이 상대적으로 작은 소용적 관통 구멍으로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 대용적 관통 구멍과 상기 소용적 관통 구멍은 실질적으로 동수인 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체는 복수의 관통 구멍이 격벽을 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥 형상의 다공질 부재가 밀봉재층을 거쳐서 복수개 결속됨으로써 구성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체에 있어서, 다수의 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 적어도 2종류 이상의 형상으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 대용적 관통 구멍 및/또는 상기 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 다각형인 것이 바람직하고, 예를 들어 8각형 및 4각형인 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체에 있어서, 상기 대용적 관통 구멍의 단면의 면적의, 상기 소용적 관통 구멍의 단면의 면적에 대한 비는 1.55 내지 2.75인 것이 바람직하다.
또한, 상기 대용적 관통 구멍 및/또는 상기 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 모서리부의 근방은 곡선에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체에 있어서, 이웃하는 상기 대용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 중심간 거리와, 이웃하는 상기 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 중심간 거리는 동등한 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체에 있어서, 다수의 관통 구멍을 이격하는 격벽 표면 및/또는 격벽 내부에는 촉매가 담지되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 다수의 관통 구멍의 내부에는 길이 방향에 대해 평행하게 볼록부 및/또는 오목부가 마련되어 있는 것이 바람직하고, 상기 볼록부 및/또는 오목부는 입구측 관통 구멍끼리가 공유하는 격벽에 마련되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 볼록부 및/또는 오목부는 선택적 촉매 담지 부위, 파티큘레이트 수집 사이트 및 허니콤 구조체의 내열 응력 개선 사이트 중 적어도 하나로서 기능하는 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체에 있어서, 아이소스택틱 강도는 7 ㎫ 이상인 것이 바람직하고, A축의 압축 강도는, 18 ㎫ 이상인 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체에 있어서, 다수의 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 1종류의 형상으로 구성되어 있고, 또한 적어도 2종 이상의 단면적으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체는 주성분이 SiC, Si3N4, 티탄산 알루미늄, 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 리튬 알루미늄 실리케이트, FeㆍCrㆍAl계 금속 및 금속 규소로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다.
또한, 상기 허니콤 구조체는 차량의 배기 가스 정화 장치에 사용되는 것인 것이 바람직하다.
도1은 본 발명의 허니콤 구조체의 일예를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도2의 (a)는 도3에 도시한 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 부재의 일예를 개략적으로 나타낸 사시도이고, (b)는 (a)에 도시한 다공질 부재의 A-A선 단면도이다.
도3의 (a)는 본 발명의 허니콤 구조체의 다른 일예를 개략적으로 나타낸 사시도이고, (b)는 (a)에 도시한 허니콤 구조체의 B-B선 단면도이다.
도4의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 다른 일예의 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 부재의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도5의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 다른 일예의 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 부재의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도6의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 다른 일예의 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 부재의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 종단면 도면이다. (e)는 비교예에 관한 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 부재의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도7은 본 발명의 배기 가스 정화용 허니콤 구조체를 이용한 배기 가스 정화 장치의 일예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도8은 본 발명의 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 필터 체적과, 입구측의 개구율과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도9는 본 발명의 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 필터 체적과, 입구측의 개구율과의 곱과, 배기량과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도10은 도4의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 입구측의 개구율과 재생 한계치와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도11은 도5의 (a), (b)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 입구측의 개구율과 재생 한계치와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도12는 도5의 (e), (f)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 입구측의 개구율과 재생 한계치와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도13은 도6의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 입구측의 개구율과 재생 한계치와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도14는 도4의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체의 입구측의 개구율과 열응답성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도15는 도5의 (a), (b)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 입구측의 개구율과 열응답성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도16은 도5의 (e), (f)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 입구측의 개구율과 열응답성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도17은 도6의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 입구측의 개구율과 열응답성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도18은 종래의 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 다른 일예를 개략적으로 나타낸 종단면도이다.
도19의 (a) 내지 (d)는 종래의 배기 가스 정화용 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 다른 예를 개략적으로 나타낸 종단면도이다.
도20은 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍의 수가 실질적으로 1 : 2가 되도록 구성된 종래의 다공질 세라믹 부재의 길이 방향에 수직인 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도21은 종래의 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 길이 방향에 수직인 단면 을 개략적으로 도시한 단면도이다.
<부호의 설명>
10, 30 : 허니콤 구조체
13, 14 : 밀봉재층
15 : 다공질 블럭
20, 30, 40, 50, 70, 110, 120, 130, 140 : 다공질 부재
160, 170, 180, 260, 270, 280 : 다공질 부재
21a, 31a, 41a, 51a, 71a : 대용적 관통 구멍
114, 124, 134 : 볼록부
134, 161a, 171a, 181a, 261a, 271a, 281a : 대용적 관통 구멍
21b, 31b, 41b, 51b, 71b : 소용적 관통 구멍
161b, 171b, 181b, 261b, 271b, 281b : 대용적 관통 구멍
22 : 밀봉재
23, 43, 53, 73 : 격벽
163, 173, 183, 263, 273, 283 : 격벽
33 : 벽부
본 발명의 허니콤 구조체는 다수의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설되고, 상기 관통 구멍 중 어느 한쪽의 단부가 밀봉된 허니콤 구조를 갖는 기둥 형상의 허니콤 구조체이며,
상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 입구측의 개구율(X)(％)이 하기 식 (1)의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
Y ≤ －1.1X ＋ 68.5(단, Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
여기서, 상기 입구측의 개구율(X)(％)이라 함은, 허니콤 구조체의 입구측의 단부면 전체의 면적에 대한 입구측 관통 구멍군의 면적의 총합이 차지하는 백분율이다.
본 발명의 허니콤 구조체는 다수의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설되고, 상기 관통 구멍 중 어느 한쪽의 단부가 밀봉된 허니콤 구조를 갖는 기둥 형상의 허니콤 구조체이다.
상기 허니콤 구조체에 있어서는 복수의 관통 구멍이 격벽을 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥 형상의 다공질 부재가 밀봉재층을 거쳐서 복수개 결속됨으로써 구성되어 있어도 좋고(이하, 상기 허니콤 구조체를 집합체형 허니콤 구조체라고도 함), 전체가 일체적으로 소결 형성된 다공질체로 구성되어 있어도 좋다(이하, 상기 허니콤 구조체를 일체형 허니콤 구조체라고도 함). 또한, 상기 허니콤 구조체는 관통 구멍이 포개어지도록 길이 방향에 적층 부재가 적층되어 이루어지는 것이라도 좋다.
도1은 본 발명의 허니콤 구조체의 일예인 집합체형 허니콤 구조체의 구체예를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도2의 (a)는 도1에 도시한 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 부재의 일예를 개략적으로 나타낸 사시도이고, (b)는 (a)에 도시한 다공질 부재의 A-A선 단면도이다.
도1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 허니콤 구조체(10)는 다공질 부재(20)가 밀봉재층(14)을 거쳐서 복수개 결속되어 다공질 블럭(15)을 구성하고, 이 다공질 블럭(15)의 주위에는 배기 가스의 누설을 방지하기 위한 밀봉재층(13)이 형성되어 있다.
또한, 이 다공질 부재(20)는 그 길이 방향에 다수의 관통 구멍(21)이 병설되어 있지만, 이 관통 구멍(21)은 길이 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 큰 대용적 관통 구멍(21a)과, 상기 단면의 면적이 상대적으로 작은 소용적 관통 구멍(21b)의 2종류로 이루어지고, 대용적 관통 구멍(21a)은 허니콤 구조체(10)의 배기 가스 출구측의 단부에서 밀봉재(22)에 의해 밀봉되는 한편, 소용적 관통 구멍(21b)은 허니콤 구조체(10)의 배기 가스 입구측의 단부에서 밀봉재(22)에 의해 밀봉되어 이들 관통 구멍끼리를 이격하는 격벽(23)이 허니콤 구조체로서 기능하도록 되어 있다. 즉, 대용적 관통 구멍(21a)으로 유입한 배기 가스는 반드시 이들 격벽(23)을 통과한 후, 소용적 관통 구멍(21b)으로부터 유출되도록 되어 있다.
이와 같은 허니콤 구조체(10)는 그 체적(Y)(ℓ)과, 대용적 관통 구멍(21a)의 입구측의 개구율(X)(％)이 하기 식 (1)의 관계를 갖는다.
[식 1]
Y ≤ －1.1X ＋ 68.5(단, Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
일반적으로 허니콤 구조체를 배기 가스의 유로에 배치하여 사용하는 경우, 애쉬는 허니콤 구조체의 후방부(출구측)로부터 축적되어 가게 된다. 그로 인해, 애쉬를 장시간 축적해도 압력 손실이 커지지 않도록 하기 위해서는, 환언하면 허니콤 구조체를 장기 수명화시키기 위해서는 입구측이 개구된 관통 구멍의 용적을 크게 할 필요가 있다. 그리고, 입구측이 개구된 관통 구멍의 용적을 크게 하기 위해서는 입구측의 개구율을 높게 하고, 또한 허니콤 구조체의 용적을 크게 할 필요가 있다.
그러나, 개구율이 높아지면 허니콤 구조체 전체의 밀도가 저하되게 되므로, 재생 한계치(축적한 파티큘레이트를 연소시킬 때에 크랙이 발생하지 않는 파티큘레이트의 최대 축적량)가 저하되게 되어 재생까지의 시간이 단축화된다.
또한, 허니콤 구조체의 용적이 커지면, 허니콤 구조체 전체의 열용량이 커져 허니콤 구조체 전체의 승온성이 악화되게 된다.
이에 대해, 상기 식 (1)의 관계를 갖는 본 발명의 허니콤 구조체에서는, 첫째, 허니콤 구조체의 용적을 19 ℓ(리터) 이하로 한정하고 있다. 이와 같이, 허니콤 구조체의 체적에 상한을 마련함으로써 허니콤 구조체 전체의 승온성의 악화를 방지할 수 있다.
또한, 입구측의 개구율을 35 내지 65 ％로 상한, 하한을 마련하고 있다. 입구측의 개구율이 35 ％ 미만이면, 허니콤 구조체를 구성하는 다공질체의 중량이 지나치게 무거워지므로, 열용량이 커져 승온성이 악화된다. 또한. 벽부의 양(용적)이 증가하게 되므로, 압력 손실도 높아지기 쉽다. 한편, 입구측의 개구율이 65 ％를 초과하면, 상술한 바와 같이 허니콤 구조체 전체의 밀도가 저하되게 되어 재생 한계치가 저하된다. 또한, 상술한 개구율 및 허니콤 구조체의 용적의 범위 내에 서,
[식 1]
Y ≤ －1.1X ＋ 68.5
의 관계를 갖도록 입구측의 개구율과 허니콤 구조체의 용적의 범위를 설정하고 있다. 이는 상기 개구율 및 허니콤 구조체의 용적의 범위 내라도 상기 (1) 식을 만족시키지 않는 것은 마찬가지로 재생 한계치가 저하되어 재생까지의 시간이 단축화되거나, 강도가 저하되어 배기 가스 배관 등에 설치할 때에 요구되는 기계적 특성이 열화되기 때문이다.
본 발명의 허니콤 구조체에서는 상기 식 (1)을 만족시키도록 입구측의 개구율과 허니콤 구조체의 용적의 관계를 설정하고 있으므로, 입구측이 개구된 관통 구멍의 용적을 크게 할 수 있고, 압력 손실의 상승을 억제하여 다량의 파티큘레이트나 애쉬를 축적할 수 있는 동시에, 허니콤 구조체 전체의 밀도의 저하를 억제하여 재생 한계치의 저하를 방지할 수 있고, 열응답성도 우수해 긴 수명이 된다.
본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 상기 입구측의 개구율(X)(％)은 하기 식 (2)의 관계를 갖는 것이 바람직하다.
[식 2]
Y ≤ －1.1X ＋ 66.3(단, 2.5 ≤ Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
상기 식 (2) 식의 관계를 갖는 허니콤 구조체에서는 허니콤 구조체의 체적이 2.5 ℓ 이상으로 설정되어 있다. 허니콤 구조체의 체적이 2.5 ℓ 미만이면 허니콤 구조체의 체적이 작아진다. 이 때, 입구측의 개구율 등을 올려, 파티큘레이트의 축적 총량을 올리고자 하면, 크랙 등이 발생하기 쉬워진다.
또한, 상기 개구율과 허니콤 구조체의 용적의 범위라도 상기 식 (2)를 만족시키지 않으면, 재생 한계치가 충분하다고 할 수 없다.
본 발명의 허니콤 구조체에서는 상기 식 (2)를 만족시키도록 입구측의 개구율과 허니콤 구조체의 용적의 관계를 설정함으로써 압력 손실의 상승을 억제하여 보다 다량의 파티큘레이트나 애쉬를 축적할 수 있는 동시에, 허니콤 구조체 전체 밀도의 저하를 억제하여 재생 한계치의 저하를 보다 효과적으로 방지할 수 있고, 열응답성도 우수해 긴 수명이 된다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체는 내연 기관의 배기 가스 정화용 허니콤 구조체로서 사용하였을 때에,
상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ), 상기 입구측의 개구율(X)(％) 및 상기 내연 기관의 배기량(V)(1)이 하기 식 (3)의 관계를 갖는 것이 바람직하다.
[식 3]
100V － 400 ≤ XㆍY ≤ 100V ＋ 100
상기 허니콤 구조체를 내연 기관의 배기 가스 정화용 필터로서 사용하는 경우, 내연 기관의 배기량이 증가하는 것에 수반하여 가스 유량이 증가하게 되므로, 허니콤 구조체의 저항 압력이 증가한다.
여기서, 압력 손실(배압)을 감소시키기 위해서는 허니콤 구조체의 체적을 크게 하면 되지만, 상술한 바와 같이 허니콤 구조체의 체적을 크게 한 경우에는 허니콤 구조체 전체의 열용량이 커져 열응답성이 저하된다. 또한, 허니콤 구조체에 촉 매를 담지하는 경우, 배기 가스에 대한 촉매의 반응성이 허니콤 구조체로 유입하는 배기 가스의 유량에 따라서는 악화되게 된다.
이에 대해, 상기 식 (3)의 관계를 갖는 본 발명의 허니콤 구조체는 내연 기관의 배기량에 대해 적절한 체적 및 입구측의 개구율을 갖게 된다. 그로 인해, 다양한 내연 기관에 따른 최적의 허니콤 구조체를 제공할 수 있다.
또한, 다공질 부재의 기공률은 특별히 한정되지 않지만, 상기 다공질 부재가 후술하는 세라믹으로 이루어지는 경우, 그 기공률은 20 내지 80 ％ 정도인 것이 바람직하다. 기공률이 20 ％ 미만이면 상기 허니콤 구조체가 곧 막힘을 일으키는 일이 있고, 한편 기공률이 80 ％를 초과하면, 다공질 부재의 강도가 저하되어 용이하게 파괴되는 일이 있다.
또한, 상기 다공질 부재가 후술하는 금속으로 이루어지는 경우에는, 그 기공률의 바람직한 하한치는 50 용량 ％이고, 바람직한 상한치는 98 용량 ％이다. 50 용량 ％ 미만이면 벽부 내부에서 심층 여과시킬 수 없거나, 승온 특성이 나빠지거나 하는 일이 있다. 한편, 98 용량 ％를 초과하면 다공질 부재의 강도가 저하되어 용이하게 파괴되는 일이 있다. 보다 바람직한 하한치는 70 용량 ％, 보다 바람직한 상한치는 95 용량 ％이다.
또한, 상기 다공질 부재의 평균 기공 직경은 1 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 평균 기공 직경이 1 ㎛ 미만이면 파티큘레이트가 용이하게 막힘을 일으키는 일이 있다. 한편, 평균 기공 직경이 100 ㎛를 초과하면, 파티큘레이트가 기공을 빠져 나가 상기 파티큘레이트를 수집할 수 없어, 필터로서 기능할 수 없는 일이 있 다.
또한, 기공률이나 평균 기공 직경은, 예를 들어 수은 폴로시메이터에 의한 측정, 중량법, 아르키메디스법, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 측정 등, 종래 공지의 방법에 의해 측정할 수 있다.
이와 같은 다공질 부재를 제조할 때에 사용하는 분말의 입경으로서는 특별히 한정되지 않지만, 후의 소성 공정에서 수축이 적은 것이 바람직하고, 예를 들어 0.3 내지 50 ㎛ 정도의 평균 입경을 갖는 분말 100 중량부와, 0.1 내지 1.0 ㎛ 정도의 평균 입경을 갖는 분말 5 내지 65 중량부를 조합한 것이 바람직하다. 상기 입경의 분말을 상기 배합으로 혼합함으로써 상술한 요구 특성을 갖는 다공질 부재를 제조할 수 있기 때문이다.
상기 밀봉재로서는, 다공질체로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 상기 밀봉재가 밀봉된 다공질 부재는 다공질체로 이루어지는 것이므로, 상기 밀봉재를 상기 다공질 부재와 같은 다공질체로 함으로써 양자의 접착 강도를 높게 할 수 있는 동시에, 밀봉재의 기공률을 상술한 다공질 부재와 마찬가지로 조정함으로써 상기 다공질 부재의 열팽창율과 밀봉재의 열팽창율의 정합을 도모할 수 있어, 제조 시나 사용 시의 열응력에 의해 밀봉재와 격벽 사이에 간극이 생기거나, 밀봉재나 밀봉재에 접촉하는 부분의 격벽에 크랙 이 발생하거나 하는 것을 방지할 수 있다.
상기 밀봉재가 다공질로 이루어지는 경우, 그 재료로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 상술한 다공질 부재를 구성하는 재료와 같은 재료를 들 수 있다.
본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 밀봉재층(13, 14)은 다공질 부재(20) 사이 및 다공질 블럭(15)의 외주에 형성되어 있다. 그리고, 다공질 부재(20) 사이에 형성된 밀봉재층(14)은 복수의 다공질 부재(20)끼리를 결속하는 접착제로서도 기능하고, 한편, 다공질 블럭(15)의 외주에 형성된 밀봉재층(13)은 본 발명의 허니콤 구조체(10)를 내연 기관의 배기 통로에 설치하였을 때, 다공질 블럭(15)의 외주로부터 배기 가스가 누출되는 것을 방지하기 위한 밀봉재로서 기능한다.
상기 밀봉재층을 구성하는 재료로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 무기 바인더, 유기 바인더, 무기 섬유 및/또는 무기 입자로 이루어지는 것 등을 들 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 밀봉재층은 다공질 부재 사이 및 다공질 블럭의 외주에 형성되어 있지만, 이들 밀봉재층은 같은 재료로 이루어지는 것이라도 좋고, 다른 재료로 이루어지는 것이라도 좋다. 또한, 상기 밀봉재층이 같은 재료로 이루어지는 것인 경우, 그 재료의 배합비는 같은 것이라도 좋고, 다른 것이라도 좋다.
상기 무기 바인더로서는, 예를 들어 실리카졸, 알루미나졸 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다. 상기 무기 바인더 중에서는 실리카졸이 바람직하다.
상기 유기 바인더로서는, 예를 들어 폴리비닐 알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 카르복시메탈셀룰로오스 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다. 상기 유기 바인더 중에서는 카르복시메탈셀룰로 오스가 바람직하다.
상기 무기 섬유로서는, 예를 들어 실리카-알루미나, 멀라이트, 알루미나, 실리카 등의 세라믹 파이버 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다. 상기 무기 섬유 중에서는 알루미나 파이버, 실리카-알루미나 파이버가 바람직하다.
상기 무기 섬유의 섬유 길이의 하한치는 5 ㎛가 바람직하다. 또한, 상기 무기 섬유의 섬유 길이의 상한치는 100 ㎜가 바람직하고, 100 ㎛가 보다 바람직하다. 5 ㎛ 미만이면 밀봉재층의 탄성이 불충분해지는 경우가 있고, 한편, 100 ㎜를 초과하면 무기 섬유가 곱슬마디와 같은 형성을 취하기 쉬워지므로, 무기 섬유와의 분산이 나빠지는 일이 있다. 또한, 100 ㎛를 초과하면 밀봉재층의 두께를 얇게 하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
상기 무기 입자로서는, 예를 들어 탄화물, 질화물 등을 들 수 있고, 구체적으로는 탄화규소, 질화규소, 질화붕소 등으로 이루어지는 무기 분말 또는 위스커 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋다. 상기 무기 입자 중에서는 열전도성이 우수한 탄화규소가 바람직하다.
밀봉재층(14)은 치밀체로 이루어지는 것이라도 좋고, 그 내부로의 배기 가스의 유입이 가능하도록 다공질체라도 좋지만, 밀봉재층(13)은 치밀체로 이루어지는 것이 바람직하다. 밀봉재층(13)은 본 발명의 허니콤 구조체(10)를 내연 기관의 배기 통로에 설치하였을 때, 다공질 블럭(15)의 외주로부터 배기 가스가 누출되는 것을 방지할 목적으로 형성되어 있기 때문이다.
도3의 (a)는 본 발명의 허니콤 구조체의 일예인 일체형 허니콤 구조체의 구체예를 개략적으로 도시한 사시도이고, (b)는 그 B-B선 단면도이다.
도3의 (a)에 도시한 바와 같이, 허니콤 구조체(30)는 다수의 관통 구멍(31)이 벽부(33)를 이격하여 길이 방향에 병설된 기둥 형상의 다공질 블럭(35)으로 구성되어 있다.
관통 구멍(31)은 길이 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 큰 대용적 관통 구멍(31a)과, 상기 단면의 면적이 상대적으로 작은 소용적 관통 구멍(31b)의 2종류의 관통 구멍으로 이루어지고, 대용적 관통 구멍(31a)은 허니콤 구조체(30)의 배기 가스 출구측의 단부에서 밀봉재(32)에 의해 밀봉되는 한편, 소용적 관통 구멍(31b)은 허니콤 구조체(30)의 배기 가스 입구측의 단부에서 밀봉재(32)에 의해 밀봉되고, 이들 관통 구멍(31)을 이격하는 격벽(33)이 허니콤 구조체로서 기능하도록 되어 있다.
도3에는 도시하고 있지 않지만, 다공질 블럭(35)의 주위에는 도1에 도시한 허니콤 구조체(10)와 마찬가지로 밀봉재층이 형성되어 있어도 좋다.
이 허니콤 구조체(30)에서는 다공질 블럭(35)이 소결에 의해 제조된 일체 구조의 것 외에는 집합체형 허니콤 구조체(10)와 마찬가지로 구성되어 있고, 대용적 관통 구멍(31a)으로 유입한 배기 가스는 관통 구멍(31)을 이격하는 벽부(33)를 통과한 후, 소용적 관통 구멍(31b)으로부터 유출되도록 되어 있다. 따라서, 일체형 허니콤 구조체(30)에 있어서도 집합체형 허니콤 구조체인 경우와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 일체형 허니콤 구조체(30)에 있어서도 집합체형 허니콤 구조체(10)와 마찬가지로 형상, 크기는 임의의 것이라도 좋고, 그 기공률은 집합체형 허니콤 구조체와 마찬가지로 20 내지 80 ％인 것이 바람직하고, 그 기공 직경은 1 내지 100 ㎛ 정도인 것이 바람직하다.
다공질 블럭(35)을 구성하는 다공질로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 집합체형 허니콤 구조체와 같은 질화물, 탄화물, 산화물 세라믹 등을 들 수 있지만, 통상 코디어라이트 등의 산화물 세라믹이 사용된다. 저렴하게 제조할 수 있는 동시에, 비교적 열팽창 계수가 작기 때문에, 제조 중 및 사용 중에 열응력에 의해 허니콤 구조체가 파손될 우려가 적기 때문이다.
이와 같은 일체형 허니콤 구조체(30)에 있어서의 밀봉재(32)는 마찬가지로 다공질체로 이루어지는 것이 바람직하고, 그 재료로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 상술한 다공질체(35)를 구성하는 재료와 같은 재료를 들 수 있다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체는 관통 구멍이 포개어지도록 길이 방향에 다공질의 적층 부재가 적층되어 이루어지는 것이라도 좋다.
구체적으로는 두께가 0.1 내지 20 ㎜ 정도이고, 소정의 부위에 복수의 관통 구멍이 형성된 다공질의 적층 부재를 적층하여 형성한 허니콤 구조체이며, 길이 방향에 관통 구멍이 포개어지도록 적층 부재가 적층된 허니콤 구조체라도 좋다.
또한, 관통 구멍이 포개어지도록 적층 부재가 적층되어 있다라 함은, 이웃하는 적층 부재에 형성된 관통 구멍끼리가 연통하도록 적층되어 있는 것을 말한다.
도1 및 도3에 도시한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 허니콤 구조 체에서는, 다수의 관통 구멍은 배기 가스의 유입측에 존재하는 대용적 관통 구멍과 배기 가스의 유출측에 존재하는 소용적 관통 구멍의 2종류로 이루어지고, 그 관통 구멍의 수는 실질적으로 동수이다.
또한,「대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍의 2종류로 이루어지고, 그 관통 구멍의 수는 실질적으로 동수이다」라 함은, 본 발명의 허니콤 구조체를 길이 방향에 수직인 단면에서 보았을 때, 그 윤곽의 형상 등에 기인하여 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍이 동수가 아닌 경우가 있지만, 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍으로 이루어지는 일정한 패턴으로 판단하면 양자가 동수인 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체에서는 입구측의 개구율(X)(％)이 상기 식 (1)의 관계를 갖는 것이면, 다수의 관통 구멍은 반드시 배기 가스의 유입측에 존재하는 대용적 관통 구멍과 배기 가스의 유출측에 존재하는 소용적 관통 구멍의 2종류로 구성되어 있을 필요는 없고, 상기 다수의 관통 구멍은 별도의 형태를 취하고 있어도 좋다. 또한, 관통 구멍의 수가 실질적으로 반드시 동수일 필요는 없다.
그러나, 본 발명의 허니콤 구조체는 배기 가스의 유입측에 존재하는 길이 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 큰 대용적 관통 구멍과, 배기 가스의 유출측에 존재하는 상기 단면의 면적이 상대적으로 작은 소용적 관통 구멍으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 허니콤 구조체를 관통 구멍의 용적이 모두 같거나, 배기 가스의 유출측에 존재하는 길이 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 큰 대용적 관통 구멍 과, 배기 가스의 유입측에 존재하는 상기 단면의 면적이 상대적으로 작은 소용적 관통 구멍으로 이루어지는 것을 비교하면, 배기 가스 유입측의 개구율을 상대적으로 크게 하고 있으므로, 파티큘레이트의 수집 한계량을 보다 많게 하여 재생까지의 기간을 장기화하는 것 등이 가능해지고, 또한 긴 수명이 되기 때문이다.
또한, 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍이 실질적으로 동수인 것이 바람직하다. 배기 가스는 배기 가스의 유입측에 존재하는 관통 구멍으로 들어간 후, 격벽이 되는 다공질 부분을 통과하여 배기 가스의 유출측에 존재하는 관통 구멍을 통해 나가기 때문에, 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍이 실질적으로 동수이면, 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍이 이웃하게 되는 비율이 많아, 격벽을 효율적으로 사용할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체에서는, 도1에 도시한 바와 같은 복수의 관통 구멍이 격벽을 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥 형상의 다공질 부재가 밀봉재층을 거쳐서 복수개 결속됨으로써 구성되어 있는 것이 바람직하다.
다공질 부재의 조합의 수에 의해 그 크기나 형상을 용이하게 바꿀 수 있고, 또한 밀봉재층이 완충재가 되어 열충격 등에 대해 우수한 내구성을 갖기 때문이다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 다수의 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 1종류의 형상으로 구성되어 있고, 또한 적어도 2종 이상의 단면적으로 이루어지는 것도 바람직하다.
이 경우, 기계적인 강도가 향상되는 경우가 많아, 내구성이 우수한 것이 되기 때문이다.
또한, 허니콤 구조체(10)의 형상은 원기둥 형상이지만, 본 발명의 허니콤 구조체는 원기둥 형상으로 한정되지 않고, 예를 들어 타원 기둥 형상이나 각기둥 형상 등 임의의 형상, 크기의 것이라도 좋다.
대용적 관통 구멍 및/또는 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 다각형인 것이 바람직하다.
상기 단면의 형상이 다각형이면, 압력 손실을 내리기 위해 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 격벽의 면적을 감소시키고, 개구율을 높게 해도 내구성이 우수해 긴 수명의 허니콤 구조체를 실현할 수 있다.
또한, 다각형 중에서도 특히 4각형 이상의 다각형이 바람직하고, 그 각 중 적어도 하나가 둔각인 것이 보다 바람직하다.
구체적으로는 8각형과 4각형의 조합이 보다 바람직하다. 이 경우, 보다 내구성이 우수하고, 긴 수명인 허니콤 구조체를 실현할 수 있다. 이와 같이, 다수의 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 적어도 2종류 이상의 형상으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 다수의 관통 구멍이 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍으로 구성되어 있는 경우, 대용적 관통 구멍 및/또는 소용적 관통 구멍의 단면의 모서리부의 근방은 곡선에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
곡선으로 함으로써 배기 가스가 관통 구멍 입구측을 통과할 때의 마찰 및 관통 구멍 출구측을 통과할 때의 마찰에 기인하는 압력 손실을 더 낮게 할 수 있기 때문이다.
또한, 모서리부에서의 응력 집중에 기인하는 크랙의 발생을 방지할 수도 있기 때문이다.
또한, 상기 허니콤 구조체에 있어서, 다수의 관통 구멍이 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍으로 구성되어 있는 경우, 이웃하는 상기 대용적 관통 구멍의 상기 단면의 중심간 거리와, 이웃하는 상기 소용적 관통 구멍의 상기 단면의 중심간 거리는 동등한 것이 바람직하다. 상기 2개의 중심간 거리가 동등할 때, 재생 시에 열이 균일하게 확산됨으로써 허니콤 구조체 내의 국소적인 온도의 치우침이 없어져 장기간 반복해서 사용해도 열응력에 기인하는 크랙 등이 발생하지 않는 내구성이 우수한 허니콤 구조체가 된다고 생각된다.
또한, 본 발명에 있어서,「이웃하는 상기 대용적 관통 구멍의 상기 단면의 중심간 거리」라 함은, 하나의 대용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 중심과, 이웃하는 대용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 중심과의 최소의 거리를 말하고, 한편,「이웃하는 상기 소용적 관통 구멍의 상기 단면의 중심간 거리」라 함은, 하나의 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 중심과, 이웃하는 소용적 관통 구멍의 중심과의 최소의 거리의 것을 말한다.
도4의 (a) 내지 (d), 도5의 (a) 내지 (f) 및 도6의 (a) 내지 (d)는 본 발명에 관한 집합체형 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 부재의 단면의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다. 또한, 일체형 허니콤 구조체에 있어서의 대용적 관통 구 멍 및 소용적 관통 구멍의 단면의 형상도 같은 조합이므로, 이들 도면을 이용하여 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서의 대용적 관통 구멍 및 소용적 관통 구멍의 단면 형상을 설명한다.
도4의 (a)에서는 개구 비율(대용적 관통 구멍의 단면적/소용량 관통 구멍의 단면적)이 대략 1.55, 도4의 (b)에서는 대략 2.54, 도4의 (c)에서는 대략 4.45, 도4의 (d)에서는 대략 6.00이다. 또한, 도5의 (a), (c), (e)는 상기 개구 비율이 모두 대략 4.45이고, 도5의 (b), (d), (f)는 모두 대략 6.00이고, 또한 도6의 (a)에서는 상기 개구 비율이 대략 1.55, 도6의 (b)에서는 대략 2.54, 도6의 (c)에서는 대략 4.45, 도6의 (d)에서는 대략 6.00이었다.
도4의 (a) 내지 (d)에서는 모두 대용적 관통 구멍의 단면의 형상은 8각형이고, 소용적 관통 구멍의 단면의 형상은 4각형으로 각각 교대로 배열되어 있고, 소용량 관통 구멍의 단면적을 변화시키고, 대용적 관통 구멍의 단면 형상을 조금 변화시킴으로써 개구 비율을 임의로 변동시키는 것을 용이하게 할 수 있다. 마찬가지로, 도5 및 도6에 도시하는 허니콤 구조체에 대해서도 임의로 그 개구 비율을 변동시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 다수의 관통 구멍이 8각형과 4각형의 조합인 경우에는 대칭성이 양호한 것이 된다. 대칭성이 양호한 것이므로, 배기 가스가 균등하게 대용적 관통 구멍으로 유입되기 쉬워진다. 게다가, 압축 강도, 아이소스택틱 강도 등의 향상이 도모되어 상술한 바람직한 범위의 압축 강도 및 아이소스택틱 강도를 갖게 된다.
여기서, A축의 압축 강도에 대해 고찰해 보는 것으로 한다. A축의 압축 강도는 허니콤 형상에 있어서, 적어도 관통 구멍과 수직인 2평면을 구성하는 입체(바람직하게는 남은 4면을 서로 평행하게 절단한 직육면체, 정육면체 형상)로 잘라내고, 그 관통 구멍을 대(臺)에 수직이 되도록 설치하여 그 상부로부터 협입하도록 하중 압력을 가하고, 파괴된 하중으로부터 강도를 계산하는 것이다.
이 경우, 단면의 형상이 모두 정사각형만이면, A축에 대해서는 모두 같은 압력으로 힘이 가해지게 된다.
그런데, 단면의 형상이 8각형과 4각형의 형이면, 8각형이 확장되어 4각형을 찌그러뜨리고자 하는 힘 등에 압축의 힘이 분산되고, 또한 대용적 관통 구멍끼리가 공통하는 벽에서는 상쇄하게 되어 압축 강도가 높은 것이 된다고 생각된다.
마찬가지로 아이소스택틱 강도에 있어서도 대각선의 방향에도 빔을 설치하게 되므로, 개구율을 증가시켰을 때의 강도 부족을 보충할 수 있다고 생각된다.
또한, 아이소스택틱 강도라 함은, 허니콤 구조체가 주위로부터 정적인 압력을 받았을 때에 파괴가 발생하는 강도를 말한다.
이와 같은 강도에 관한 안정성과, 가스의 흐름, 열의 전파 등 다양한 요인이 겹쳐 파티큘레이트의 재생에 대한 내구성이 우수한 허니콤 구조체가 된다고 생각된다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 허니콤 형상은 유입측으로부터 유출측에 걸쳐서 단면적을 변경시키고 있지 않은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 예를 들어 상술한 바와 같은 압축 강도에 있어서, 관통 구멍의 단면적을 변경하는 것은 압축 강도의 감소를 일으키고, 압출 성형에서의 제조가 곤란해지기 때문이다.
또한, 도5의 (a), (b)에 도시하는 허니콤 구조체(160, 260)에서는 대용적 관통 구멍(161a, 261a)의 단면의 형상은 5각형이고, 그 중 3개의 각이 대략 직각으로 되어 있고, 소용적 관통 구멍(161b, 261b)의 단면의 형상은 4각형이고, 각각 큰 4각형의 경사에 대향하는 부분을 차지하도록 구성되어 있다. 도5의 (c), (d)에 도시하는 허니콤 구조체(170, 270)에서는 도4의 (a) 내지 (d)에 도시하는 단면의 형상을 변형한 것이며, 대용적 관통 구멍(171a, 271a)과 소용적 관통 구멍(171b, 271b)이 공유하는 격벽을 소용적 관통 구멍측에 있는 곡률을 갖고 확장한 형상이다. 이 곡률은 임의의 것이라도 좋다.
여기서는 대용적 관통 구멍(171a, 271a)과 소용적 관통 구멍(171b, 271b)이 공유하는 격벽을 구성하는 곡선이 1/4원에 상당하는 것을 예시한다. 이 경우, 그 개구 비율이 최소가 되는 형상은 대략 도5의 (c)와 같은 형상이 되고, 그 때의 개구 비율은 대략 3.66이 된다.
도5의 (e) 내지 (f)에 도시하는 허니콤 구조체(180, 280)에서는 대용적 관통 구멍(181a, 281a) 및 소용적 관통 구멍(281b, 281b)은 4각형(직사각형)으로 이루어지고, 도면과 같이 2개의 대용적 관통 구멍과 2개의 소용적 관통 구멍을 조합하면 대략 정사각형이 되도록 구성할 수 있다. 이 경우, 제조 시의 변형을 방지할 수 있다.
관통 구멍의 형상 및 늘어서는 방향이 동일하면, 상기 개구 비율의 변동에 수반하여 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 하나의 대용적 관통 구멍이 이웃하 는 대용적 관통 구멍과 공유하는 벽부의 길이의 합계(a)와, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 하나의 대용적 관통 구멍이 이웃하는 상기 소용적 관통 구멍과 공유하는 벽부의 길이의 합계(b)는 각각 대략 일정한 관계로 변동된다.
이와 같은 다양한 형상의 대용적 관통 구멍 및 소용적 관통 구멍을 갖는 상기 허니콤 구조체에 있어서는, 상기 대용적 관통 구멍의 단면의 면적의, 상기 소용적 관통 구멍의 단면의 면적에 대한 비에 대해 그 하한은 1.55가 바람직하고, 2.0이 보다 바람직하다. 한편, 상기 비의 상한치는 2.75가 바람직하고, 2.54가 보다 바람직하고, 2.42가 보다 바람직하다. 이와 같은 범위로 함으로써, 파티큘레이트 수집 시의 압력 손실을 보다 저감시킬 수 있는 동시에, 재생 한계치를 크게 할 수 있다.
또한, 재생 한계치라 함은, 이 이상 파티큘레이트를 수집하면, 재생을 행할 때에 허니콤 구조체에 크랙 등이 발생하여 허니콤 구조체가 손상될 우려가 있는 파티큘레이트의 수집량(g/ℓ)을 말한다. 따라서, 재생 한계치가 커지면, 재생을 행할 때까지 수집하는 것이 가능한 파티큘레이트의 양을 증대시킬 수 있고, 재생까지의 기간을 장기화할 수 있다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서는 다수의 관통 구멍을 이격하는 격벽 표면 및/또는 격벽 내부에는 촉매가 담지되어 있어도 좋다.
상기 촉매로서는, 예를 들어 배기 가스 중의 CO, HC 및 NOx 등을 정화할 수 있는 촉매를 들 수 있다.
이와 같은 촉매가 담지되어 있음으로써 본 발명의 허니콤 구조체는 배기 가 스 중의 파티큘레이트를 수집하는 허니콤 구조체로서 기능하는 동시에, 배기 가스에 함유되는 상기 CO, HC 및 NOx 등을 정화하기 위한 촉매 컨버터로서 기능한다. 단, 본 발명의 허니콤 구조체에 담지시킬 수 있는 촉매는 상기 귀금속으로 한정되지 않고, 배기 가스 중의 CO, HC 및 NOx 등을 정화할 수 있는 촉매이면, 임의의 것을 담지시킬 수 있다.
상기 촉매는 본 발명의 허니콤 구조체를 구성하는 입자 표면에 담지됨으로써 기공을 남긴 것이라도 좋고, 벽부 상에 있는 두께를 갖고 담지되어 있어도 좋다. 또한, 상기 촉매는 관통 구멍의 벽부의 표면에 균일하게 담지되어 있어도 좋고, 어떤 일정한 장소에 치우쳐 담지되어 있어도 좋다. 특히 입구측 관통 구멍의 벽부의 표면 또는 표면 부근의 입자의 표면, 또는 이들 양쪽 모두 상기 촉매를 담지시키면, 파티큘레이트와 접촉하기 쉽기 때문에 파티큘레이트의 연소를 효율적으로 행할 수 있다.
또한, 상기 허니콤 구조체에 촉매가 담지되는 경우, 상기 허니콤 구조체에 있어서는 다수의 관통 구멍의 내부에 길이 방향에 대해 평행하게 촉매 담지용 볼록부 및/또는 오목부가 마련되어 있는 것이 바람직하다.
상기 격벽에 볼록부나 오목부가 마련되어 있으면, 촉매 또는 촉매 원료를 함유하는 용액에 허니콤 구조체의 기재를 함침시키고, 취출하였을 때에 상기 용액의 표면 장력을 이용하여 상기 볼록부의 주위나 상기 오목부(홈)의 내부에 액적을 보유 지지시킬 수 있고, 그 후, 가열 건조시킴으로써 볼록부나 오목부에 다량의 촉매를 담지시킬 수 있다. 또한, 볼록부나 오목부가 형성되면 허니콤 구조체의 면적이 증가하여 파티큘레이트를 보다 많이 수집하는 것이 가능해진다. 즉, 볼록부나 오목부는 파티큘레이트 수집 사이트로서 기능한다.
또한, 볼록부나 오목부는 이 허니콤 구조체의 온도가 상승할 때나 하강할 때에 발생하는 내열 응력을 완화할 수 있다. 즉, 볼록부나 오목부는 열응력 개선 사이트로서 기능한다.
도6의 (a) 내지 (d)에 도시하는 허니콤 구조체(110, 120, 130, 140)에서는 대용적 관통 구멍(111a, 121a, 131a, 141a)끼리를 이격하는 격벽에 볼록부(114, 124, 134, 144)가 마련되어 있고, 대용적 관통 구멍(111a, 121a, 131a, 141a)의 볼록부(114, 124, 134, 144)를 제외한 상기 단면 형상은 8각형이고, 소용적 관통 구멍(111b, 121b, 131b, 141b)의 상기 단면 형상은 4각형이고, 대용적 관통 구멍(111a, 121a, 131a, 141a)과 소용적 관통 구멍(111b, 121b, 131b, 141b)이 교대로 배열되어 있다.
상기 볼록부의 형상으로서는 특별히 한정되지 않지만, 액적을 보유 지지하기쉬운 형상인 동시에, 어느 정도의 강도를 확보할 수 있는 형상인 것이 바람직하고, 구체적으로는 끝이 넓은 형상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 볼록부는 허니콤 구조체의 입구측의 단부로부터 출구측의 단부까지 연속적으로 형성된 것인 것이 바람직하다. 높은 강도를 얻을 수 있는 동시에, 압출 성형에 의해 형성하는 것이 가능해지기 때문이다.
상기 볼록부의 높이로서는 특별히 한정되지 않지만, 이웃하는 대용적 관통 구멍끼리를 이격하는 격벽의 두께의 0.02 내지 6.0배인 것이 바람직하다. 0.02배 미만이면 볼록부 및 그 근방에 충분한 양의 촉매를 담지시킬 수 없는 일이 있고, 6.0배를 초과하면 볼록부의 강도가 불충분해져 배기 가스의 압력 등에 의해 파손되는 일이 있다.
상기 오목부의 형상으로서는 특별히 한정되지 않지만, 액적을 보유 지지하기 쉬운 형상인 것이 바람직하고, 구체적으로는 구덩이 형상이나 홈 형상인 것이 바람직하다. 또한, 허니콤 구조체의 입구측의 단부로부터 출구측의 단부까지 연속적으로 형성된 홈 형상인 것이 바람직하다. 압출 성형에 의해 형성하는 것이 가능해지기 때문이다.
상기 오목부의 깊이로서는 특별히 한정되지 않지만, 이웃하는 대용적 관통 구멍끼리를 이격하는 격벽의 두께의 0.02 내지 0.4배인 것이 바람직하다. 0.02배 미만이면 볼록부 및 그 근방에 충분한 양의 촉매를 담지시킬 수 없는 일이 있고, 0.4배를 초과하면 격벽의 강도가 불충분해져 배기 가스의 압력 등에 의해 파손되는 일이 있다.
상기 볼록부나 오목부의 수로서는 특별히 한정되지 않고, 각각의 이웃하는 대용적 관통 구멍끼리를 이격하는 격벽에 대해 하나씩 설치해도 좋고, 복수 설치해도 좋다.
또한, 상기 촉매 담지용 볼록부 및/또는 오목부는 상기 입구측 관통 구멍끼리가 공유하는 격벽에 마련되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 특히 선택적으로 촉매를 부여하기 쉽기 때문이다.
상기 촉매의 구체예로서는, 예를 들어 백금, 팔라듐, 로듐 등의 귀금속을 들 수 있다. 이 귀금속으로 이루어지는 촉매는, 소위 삼원 촉매이고, 이와 같은 삼원 촉매가 담지된 본 발명의 허니콤 구조체는 종래 공지의 촉매 컨버터와 마찬가지로 기능하는 것이다. 따라서, 여기서는 본 발명의 허니콤 구조체가 촉매 컨버터로서도 기능하는 경우의 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 허니콤 구조체에 있어서, 허니콤 구조는 유입측으로부터 유출측에 걸쳐서 단면적을 변경시키고 있지 않은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 압축 강도 등의 향상을 도모할 수 있고, 압출 성형에서의 제조가 용이해지기 때문이다.
본 발명의 허니콤 구조체는 아이소스택틱 강도가 7 ㎫ 이상인 것이 바람직하고, 9 ㎫ 이상인 것이 보다 바람직하다.
아이소스택틱 강도가 상기 범위에 있으면, 파티큘레이트의 재생에 대한 내구성이 우수한 것이 되기 때문이다.
또한, 아이소스택틱 강도는 등방적 압력 파괴 강도라고도 하고, 허니콤 구조체에 정수압 등의 등방적인 압력을 인가하여 파괴가 발생하였을 때의 강도를 말한다.
또한, 상기 허니콤 구조체는 A축의 압축 강도가 18 ㎫ 이상인 것이 바람직하고, 25 ㎫ 이상인 것이 보다 바람직하다.
A축의 압축 강도가 상기 범위에 있으면, 파티큘레이트의 재생에 대한 내구성이 우수한 것이 되기 때문이다.
본 발명의 허니콤 구조체의 재료로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 질화티탄 등의 질화물 세라믹, 탄화규소, 탄화지 르코늄, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화텅스텐 등의 탄화물 세라믹, 알루미나, 지르코니아, 코듀라이트, 멀라이트 등의 산화물 세라믹 등을 들 수 있다. 또한, 실리콘과 탄화규소의 복합체, 티탄산 알루미늄 등 2종류 이상의 재료로 형성되어 있어도 좋다. 또한, 예를 들어 스피넬, 리튬 알루미늄 실리케이트, 크롬계스테인레스, 크롬니켈계 스테인레스 등의 FeㆍCrㆍAl계 금속, 금속 규소 등도 들 수 있다.
이들 중에서는 주성분이 SiC, Si3N4, 티탄산 알루미늄, 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 리튬 알루미늄 실리케이트, FcㆍCrㆍAl계 금속 및 금속 규소로부터 선택되는 적어도 1종류인 것이 바람직하다.
특히, 내열성이 크고, 기계적 특성이 우수하고, 또한 열전도율도 큰 탄화규소가 바람직하다.
상기 허니콤 구조체의 재료가 금속인 경우, 이 금속 재료는 다공질이지만, 다공질의 금속의 구체예로서는, 예를 들어 상술한 바와 같은 금속으로 이루어지는 금속 섬유가 3차원으로 얽혀 구성된 구조체, 상술한 바와 같은 금속으로 이루어지고, 조공재에 의해 관통 기공이 형성된 구조체, 상술한 바와 같은 금속으로 이루어지는 금속 분말을 기공이 남도록 소결시킨 구조체 등을 들 수 있다.
또한, 상기 허니콤 구조체의 재료가 주로 금속으로 이루어지는 것인 경우에는 전체를 고기공률로 해도 충분한 강도를 확보할 수 있으므로, 보다 압력 손실이 낮은 허니콤 구조체를 실현할 수 있다. 또한, 케이싱(금속 용기)과의 열팽창차에 기인하여 고온 시(사용 시)에 케이싱(금속 용기)과의 간극 등이 생기는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 금속은 열전도율이 우수하므로, 균열성을 향상시킬 수 있고, 재생 처리에서의 파티큘레이트의 정화율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 열용량이 작아지므로, 내연 기관으로부터 배출되는 배기열에 의해, 신속하게 승온시키는 것이 가능해지므로, 특히 허니콤 구조체를 엔진 바로 아래에 배치하여 그 배기열을 유효하게 이용하는 형태로 이용되는 경우에 우위라고 생각된다.
다음에, 상술한 본 발명의 허니콤 구조체의 제조 방법의 일예에 대해 설명한다.
본 발명의 허니콤 구조체의 구조가 도3에 도시한 바와 같은 그 전체가 하나의 소결체로 구성된 일체형 허니콤 구조체인 경우, 우선 상술한 바와 같은 세라믹을 주성분으로 하는 원료 페이스트를 이용하여 압출 성형을 행하여 도3에 도시한 허니콤 구조체(30)와 대략 동일 형상의 성형체를 제작한다.
상기 원료 페이스트는 제조 후의 다공질 블록의 기공률이 20 내지 80 ％가 되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 상술한 바와 같은 세라믹으로 이루어지는 분말에 바인더 및 분산 매액을 더한 것을 들 수 있다.
상기 바인더로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 메틸셀룰로오스, 카르복시메탈셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 페놀 수지 등을 들 수 있다.
상기 바인더의 배합량은, 통상 세라믹 분말 100 중량부에 대해 1 내지 10 중량부 정도가 바람직하다.
상기 분산 매액으로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 벤젠 등의 유기 용매 ; 메탄올 등의 알코올, 물 등을 들 수 있다.
상기 분산 매액은 원료 페이스트의 점도가 일정 범위 내가 되도록 적량 배합된다. 이들 세라믹 분말, 바인더 및 분산 매액은 애트라이터 등으로 혼합하고, 니더 등으로 충분히 혼합한 후, 압출 성형하여 상기 성형체를 제작한다.
또한, 상기 원료 페이스트에는 필요에 따라서 성형 조제를 첨가해도 좋다.
상기 성형 조제로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 에틸렌 글리콜, 덱스트린, 지방산 비누, 폴리알코올 등을 들 수 있다.
또한, 상기 원료 페이스트에는 필요에 따라서 산화물계 세라믹을 성분으로 하는 미소 공중 구체인 벌룬이나, 구 형상 아크릴 입자, 그래파이트 등의 조공재를 첨가해도 좋다.
상기 벌룬으로서는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 알루미나 벌룬, 글래스 마이크로 벌룬, 실러스 벌룬, 플라이 애쉬 벌룬(FA 벌룬) 및 멀라이트 벌룬 등을 들 수 있다. 이들 중에서는 플라이 애쉬 벌룬이 바람직하다. 또한, 상기 원료 페이스트에는 실리콘 등의 금속을 혼합해도 좋고, 또한 금속을 주성분으로 하는 원료 페이스트를 이용해도 좋다.
그리고, 상기 성형체를 마이크로파 건조기, 열풍 건조기, 유전 건조기, 감압 건조기, 진공 건조기 및 동결 건조기 등을 이용하여 건조시킨 후, 소정의 관통 구멍에 밀봉재가 되는 밀봉재 페이스트를 충전하여 상기 관통 구멍에 밀봉하는 밀봉 처리를 실시한다.
상기 밀봉재 페이스트로서는 후공정을 경유하여 제조되는 밀봉재의 기공률이 20 내지 80 ％가 되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 상기 원료 페이스트와 같은 것을 이용할 수 있지만, 상기 원료 페이스트에서 이용한 분말에 윤활제, 용제, 분산제 및 바인더를 첨가한 것이 바람직하다. 상기 밀봉 처리의 도중에 밀봉재 페이스트 중의 입자가 침강하는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
다음에, 상기 밀봉재 페이스트가 충전된 건조체에 소정의 조건으로 탈지, 소성을 행함으로써 다공질체로 이루어지고, 그 전체가 하나의 소결체로 구성된 허니콤 구조체를 제조할 수 있다.
또한, 상기 건조체의 탈지 및 소성의 조건 등은 종래부터 다공질체로 이루어지는 허니콤 구조체를 제조할 때에 이용되고 있는 조건을 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체의 구조가 도1에 도시한 바와 같은 다공질 부재가 밀봉재층을 거쳐서 복수개 결속되어 구성된 집합체형 허니콤 구조체인 경우, 우선 상술한 세라믹을 주성분으로 하는 원료 페이스트를 이용하여 압출 성형을 행하고, 도2에 도시한 다공질 부재(20)와 같은 형상의 생성형체를 제작한다.
또한, 상기 원료 페이스트는 상술한 집합체형 허니콤 구조체에 있어서 설명한 원료 페이스트와 같은 것을 들 수 있고, 또한 상기 원료 페이스트에는 실리콘 분말 등의 금속을 혼합해도 좋고, 또한 금속을 주성분으로 하는 원료 페이스트를 이용해도 좋다.
다음에, 상기 생성형체를, 마이크로파 건조기 등을 이용하여 건조시켜 건조체로 한 후, 상기 건조체의 소정의 관통 구멍에 밀봉재가 되는 밀봉재 페이스트를 충전하여 상기 관통 구멍을 밀봉하는 밀봉 처리를 실시한다.
또한, 상기 밀봉재 페이스트는 상술한 일체형 허니콤 구조체에 있어서 설명한 밀봉재 페이스트와 같은 것을 들 수 있고, 상기 밀봉 처리는 밀봉재 페이스트를 충전하는 대상이 다른 것 외에는 상술한 일체형 허니콤 구조체의 경우와 같은 방법을 들 수 있다.
다음에, 상기 밀봉 처리를 경유한 건조체에 소정의 조건으로 탈지, 소성을 행함으로써 복수의 관통 구멍이 격벽을 사이에 두고 길이 방향에 병설된 다공질 부재를 제조할 수 있다.
또한, 상기 생성형체의 탈지 및 소성의 조건 등은 종래부터 다공질 부재가 밀봉재층을 거쳐서 복수개 결속되어 구성된 허니콤 구조체를 제조할 때에 이용되고 있는 조건 등을 적용할 수 있다.
다음에, 다공질 부재(20)를 비스듬히 경사시킨 상태에서 쌓아 올릴 수 있도록 상부의 단면이 V자 형상으로 구성된 대(臺) 상에 다공질 부재(20)를 경사시킨 상태에서 적재한 후, 상측을 향한 2개의 측면에 밀봉재층(14)이 되는 밀봉재 페이스트를 균일한 두께로 도포하여 밀봉재 페이스트층을 형성하고, 이 밀봉재 페이스트층 상에 차례로 다른 다공질 부재(20)를 적층하는 공정을 반복하여 소정의 크기의 각기둥 형상의 다공질 부재(20)의 적층체를 제작한다.
또한, 상기 밀봉재 페이스트를 구성하는 재료로서는 상술한 본 발명의 허니콤 구조체에 있어서 설명한 바와 같기 때문에 여기서는 그 설명을 생략한다.
다음에, 이 다공질 부재(20)의 적층체를 가열하여 밀봉재 페이스트층을 건조, 고화시켜 밀봉재층(14)으로 하고, 그 후, 예를 들어 다이아몬드 커터 등을 이 용하여 그 외주부를 도3에 도시한 바와 같은 형상으로 절삭함으로써 다공질 블럭(15)을 제작한다.
그리고, 다공질 블럭(15)의 외주에 상기 밀봉재 페이스트를 이용하여 밀봉재층(13)을 형성함으로써 다공질 부재가 밀봉재층을 거쳐서 복수개 결속되어 구성된 허니콤 구조체를 제조할 수 있다.
이렇게 하여 제조한 허니콤 구조체는 모두 기둥 형상이고, 그 구조는 도1이나 도3에 도시한 바와 같다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체가 관통 구멍이 포개어지도록 길이 방향에 적층 부재가 적층된 금속 적층 부재로 이루어지는 것인 경우에는, 우선 두께가 0.1 내지 20 ㎜ 정도의 주로 금속으로 이루어지는 다공질 금속판을 레이저 가공함으로써 대략 전면에 구멍을 서로 대략 등간격으로 형성하여 관통 구멍이 고밀도로 형성된 허니콤 형상의 적층 부재를 제조한다.
또한, 본 발명의 허니콤 구조체의 단부면 근방에 위치하여 바닥이 있는 구멍의 밀봉부를 구성하는 적층 부재를 제조하는 경우에는 레이저 가공 시에 구멍을 바둑판 무늬로 형성하고, 관통 구멍이 저밀도로 형성된 허니콤 형상의 적층 부재를 제조한다.
즉, 이 적층 부재를 수매 단부에 이용하면, 단부의 소정의 관통 구멍을 막는 공정을 행하지 않고, 필터로서 기능하는 허니콤 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명의 허니콤 구조체의 용도는 특별히 한정되지 않고, 다양한 용도의 필터에 이용할 수 있지만, 특히 차량의 배기 가스 정화 장치용 필터에 이용하는 것이 바람직하다.
도7은 본 발명의 허니콤 구조체가 설치된 차량의 배기 가스 정화 장치의 일예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도7에 도시한 바와 같이, 배기 가스 정화 장치(600)는 주로 본 발명의 허니콤 구조체(60), 허니콤 구조체(60)의 외측을 덮는 케이싱(630), 허니콤 구조체(60)와 케이싱(630) 사이에 배치된 보유 지지 밀봉재(620) 및 허니콤 구조체(60)의 배기 가스 유입측에 마련된 가열 수단(610)으로 구성되어 있고, 케이싱(630)의 배기 가스가 도입되는 측의 단부에는 엔진 등의 내연 기관에 연결된 도입관(640)이 접속되어 있고, 케이싱(630)의 타단부에는 외부에 연결된 배출관(650)이 접속되어 있다. 또한, 도7 중 화살표는 배기 가스의 흐름을 나타내고 있다.
또한, 도7에 있어서, 허니콤 구조체(60)는 도1에 도시한 허니콤 구조체(10)라도 좋고, 도3에 도시한 허니콤 구조체(30)라도 좋다.
이와 같은 구성으로 이루어지는 배기 가스 정화 장치(600)에서는, 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스는 도입관(640)을 통해 케이싱(630) 내로 도입되고, 허니콤 구조체(60)의 관통 구멍으로부터 벽부(격벽)를 통과하여 이 벽부(격벽)에서 파티큘레이트가 수집되어 정화된 후, 배출관(650)을 통해 외부로 배출되게 된다.
그리고, 허니콤 구조체(60)의 벽부(격벽)에 대량의 파티큘레이트가 퇴적하여 압력 손실이 높아지면, 허니콤 구조체(60)의 재생 처리가 행해진다.
상기 재생 처리에서는 가열 수단(610)을 이용하여 가열된 가스를 허니콤 구 조체(60)의 관통 구멍의 내부로 유입시킴으로써 허니콤 구조체(60)를 가열하여 벽부(격벽)에 퇴적한 파티큘레이트를 연소 제거시키는 것이다.
또한, 포스트 인젝션 방식을 이용하여 파티큘레이트를 연소 제거해도 좋다.
이와 같은 본 발명의 허니콤 구조체를 이용한 배기 가스 정화 장치도 또한 본 발명 중 하나이다.
(실시예)
이하에 실시예를 게재하여 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시예)
(1) 평균 입경 11 ㎛의 α형 탄화규소 분말 60 중량 ％와, 평균 입경 0.5 ㎛의 β형 탄화규소 분말 40 중량 ％를 습식 혼합하여 얻게 된 혼합물 100 중량부에 대해 유기 바인더(메틸셀룰로오스)를 5 중량부, 물을 10 중량부 더하고 혼련하여 혼합 조성물을 얻었다. 다음에, 상기 혼합 조성물에 가소제와 윤활제를 소량 더하고 또한 혼합한 후, 압출 성형을 행하고, 도4의 (a) 내지 (d)에 도시한 바와 같이, 단면 형상을, 대용적 관통 구멍을 8각형, 소용적 관통 구멍으로서 4각형(대략 정사각형)을 선택하여 생성형체를 제작하였다. 다음에, 마이크로파 건조기 등을 이용하여 상기 생성형체를 건조시키고, 세라믹 건조체로 한 후, 상기 생성형체와 같은 조성의 페이스트를 소정의 관통 구멍에 충전한 후, 다시 건조기를 이용하여 건조시킨 후, 400 ℃에서 탈지하여 상압의 아르곤 분위기 하 2200 ℃, 3시간으로 소성을 행함으로써 기공률이 42 ％, 평균 기공 직경이 9 ㎛, 그 크기가 34.3 ㎜ × 34.3 ㎜ × 150 ㎜이고, 관통 구멍의 수가 28개/1 ㎠(10 ㎜ ×10 ㎜)(대용적 관통 구멍 14개/1 ㎠, 소용적 관통 구멍 14개/1 ㎠), 실질적으로 모든 격벽(23)의 두께가 0.4 ㎜인 탄화규소 소결체인 다공질 세라믹 부재(20)를 제조하였다.
또한, 얻게 된 다공질 세라믹 부재(20)의 한쪽 단부면에 있어서는 대용적 관통 구멍(21a)만을 밀봉재에 의해 밀봉하고, 다른 쪽 단부면에 있어서는 소용적 관통 구멍(21b)만을 밀봉재에 의해 밀봉하였다.
(2) 섬유 길이 0.2 ㎜의 알루미나 파이버 30 중량 ％, 평균 입경 0.6 ㎛의 탄화규소 입자 21 중량 ％, 실리카졸 15 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 5.6 중량 ％ 및 물 28.4 중량 ％를 포함하는 내열성의 밀봉재 페이스트를 이용하여 상기 다공질탄화규소 부재를 다수 결속시키고, 계속해서 다이아몬드 커터를 이용하여 절단함으로써 원기둥 형상의 세라믹 블럭을 제작하였다.
이 때, 상기 다공질 세라믹 부재를 결속하는 밀봉재층의 두께가 1.0 ㎜가 되도록 조정하였다.
다음에, 무기 섬유로서 알루미나 실리케이트로 이루어지는 세라믹 파이버(쇼트 함유율 : 3 ％, 섬유 길이 : 0.1 내지 100 ㎜) 23.3 중량 ％, 무기 입자로서 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량 ％, 무기 바인더로서 실리카졸(졸 중의 SiO2의 함유율 : 30 중량 ％) 7 중량 ％, 유기 바인더로서 카르복시메탈셀룰로오스 0.5 중량 ％ 및 물 39 중량 ％를 혼합, 혼련하여 밀봉재 페이스트를 조제하였다.
다음에, 상기 밀봉재 페이스트를 이용하여 상기 세라믹 블럭의 외주부에 두 께 0.2 ㎜의 밀봉재 페이스트층을 형성하였다. 그리고, 이 밀봉재 페이스트층을 120 ℃에서 건조하여 지름이 144 ㎜, 필터 체적 2 ℓ(리터), 소성 후의 입구측의 개구율이 35.5 ％인 원기둥 형상의 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다. 또한, 필터 체적(허니콤 구조체 체적)은 외형 크기로부터 계산하였다.
(제2 내지 제20 실시예 및 제1 내지 제15 비교예)
(1) 다공질 세라믹 부재의 단면 형상을 도4의 (a) 내지 (d)에 도시한 바와 같이 대용적 관통 구멍을 8각형, 소용적 관통 구멍으로서 4각형(대략 정사각형)의 단면 형상을 선택하여 그 소성 후의 입구측의 개구율을 표1, 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (1)과 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 필터 체적을 표1, 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 표1, 표3에 나타내는 체적을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제21 내지 제23 실시예)
(1) 평균 입경 30 ㎛의 α형 탄화규소 분말 80 중량 ％와, 평균 입경 4 ㎛의 금속 실리콘 분말 20 중량 ％를 습식 혼합하여 얻게 된 혼합 분말 100 중량부에 대해 유기 바인더(메틸셀룰로오스)를 6 중량부, 계면 활성제(올레인산)를 2.5 중량부, 물을 24 중량부 더하고 혼련하여 원료 페이스트를 조제하였다.
다음에, 상기 원료 페이스트를 압출 성형기에 충전하여 압출 속도 10 ㎝/분으로 도3에 도시한 다공질 부재(30)와 대략 동일 형상의 생성형체를 제작하였다.
다음에, 마이크로파 건조기를 이용하여 상기 생성형체를 건조시키고, 건조체로 한 후, 상기 생성형체와 같은 조성의 충전재 페이스트를 소정의 관통 구멍으로 충전한 후, 다시 건조기를 이용하여 건조시킨 후, 산화 분위기 하 550 ℃에서 3시간 탈지하여 탈지체를 얻었다.
다음에, 상기 탈지체를 아르곤 분위기 하 1400 ℃, 2시간의 조건으로 가열하여 단결정 실리콘을 용융시키고 탄화규소 입자를 실리콘으로 접합시켜 기공률이 45 ％, 평균 기공 직경이 10 ㎛, 그 크기가 34.3 ㎜ × 34.3 ㎜ × 305 ㎜인 다공질 부재를 제조하였다.
(2) 섬유 길이 0.2 ㎜의 알루미나 파이버 30 중량 ％, 평균 입경 0.6 ㎛의 탄화규소 입자 21 중량 ％, 실리카졸 15 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 5.6 중량 ％ 및 물 28.4 중량 ％를 포함하는 내열성의 밀봉재 페이스트를 이용하여 상기 다공질 부재를, 도5를 이용하여 설명한 방법에 의해 다수 결속시키고, 계속해서 다이아몬드 커터를 이용하여 절단함으로써 직경이 190 ㎜이고 원기둥 형상인 다공질 블럭을 제작하였다.
이 때, 상기 다공질 부재를 결속하는 밀봉재층의 두께가 1 ㎜가 되도록 조정하였다.
다음에, 무기 섬유로서 알루미나 실리케이트로 이루어지는 세라믹 파이버(쇼트 함유율 : 3 ％, 섬유 길이 : 0.1 내지 100 ㎜) 23.3 중량 ％, 무기 입자로서 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량 ％, 무기 바인더로서 실리카졸(졸 중의 SiO2의 함유율 : 30 중량 ％) 7 중량 ％, 유기 바인더로서 카르복시메탈셀룰로오스 0.5 중량 ％ 및 물 39 중량 ％를 혼합, 혼련하여 밀봉재 페이스트를 조제하였다.
다음에, 상기 밀봉재 페이스트를 이용하여 상기 다공질 블럭의 외주부에 두께 1.0 ㎜의 밀봉재 페이스트층을 형성하였다. 그리고, 이 밀봉재 페이스트층을 120 ℃에서 건조하여 원기둥 형상이고 표1에 나타낸 필터 체적 및 입구측의 개구율을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제24 내지 제26 실시예)
평균 입경 4 ㎛의 금속 실리콘 분말을 습식 혼합하여 원료 페이스트를 조제 한 것 외에, 제21 내지 제23 실시예와 마찬가지로 하여 탈지체를 조정하였다. 상기 탈지체를 아르곤 분위기 하, 1000 ℃, 2시간의 조건으로 가열하여 기공률이 45 ％, 평균 기공 직경이 10 ㎛, 그 크기가 34.3 ㎜ × 34.3 ㎜ × 305 ㎜인 다공질 부재를 제조하였다. 이를 제21 내지 제23 실시예와 마찬가지로 하여 직경이 190 ㎜이고, 원기둥 형상인 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제27 내지 제40 실시예)
(1) 다공질 세라믹 부재의 단면 형상을 도5의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 대용적 관통 구멍을 5각형, 소용적 관통 구멍으로서 4각형(대략 정사각형)의 단면 형상을 선택하여 그 소성 후의 입구측의 개구율을 표2에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (1)과 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 필터 체적을 표2에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제41 내지 제46 실시예 및 제16 비교예)
(1) 다공질 세라믹 부재의 단면 형상을 도5의 (c), (f)에 도시한 바와 같이, 대용적 관통 구멍을 직사각형, 소용적 관통 구멍으로서 직사각형(경우에 따라서는 정사각형)의 단면 형상을 선택하여 그 입구측의 개구율을 각각 표2, 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는, 제1 실시예의 (1)과 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 필터 체적을 표2, 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제47 내지 제52 실시예 및 제17 비교예)
(1) 다공질 세라믹 부재의 단면 형상을 도6의 (a) 내지 (d)에 도시한 바와 같이 단면 형상과 대략 같은 단면 형상이고, 이웃하는 대용적 관통 구멍끼리를 이격하는 격벽에 마련한 볼록부를 마련한 형상으로 하여 그 입구측의 개구율을 각각 표2, 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (1)과 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 필터 체적을 표2, 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제53 내지 제56 실시예)
(1) 소성 후의 입구측의 개구율을 표4에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (1)과 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 밀봉재(접착제) 페이스트로 하고, 섬유 길이 20 ㎛의 알루미나 파이버 30 중량 ％, 평균 입경 0.6 ㎛의 탄화규소 입자 21 중량 ％, 실리카졸 15 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 5.6 중량 ％ 및 물 28.4 중량 ％를 포함하는 내열성의 밀봉재(접착제) 페이스트를 이용하여 세라믹 블럭의 외주 도포용 페이스트로 하고, 알루미나 실리케이트로 이루어지는 세라믹 파이버(쇼트 함유율 : 3 ％, 섬유 길이 : 5 내지 100 ㎛) 23.3 중량 ％, 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량 ％, 실리카졸(졸 중의 SiO2의 함유율 : 30 중량 ％) 7 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 0.5 중량 ％ 및 물 39 중량 ％를 혼합, 혼련하여 조제한 밀봉재 페이스트를 이용한 것 외에는 제1 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 표4에 나타낸 체적을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제57 내지 제59 실시예)
(1) 소성 후의 입구측의 개구율을 표4에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제21 내지 제23 실시예와 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 밀봉재(접착제) 페이스트로 하고, 섬유 길이 20 ㎛의 알루미나 파이버 30 중량 ％, 평균 입경 0.6 ㎛의 탄화규소 입자 21 중량 ％, 실리카졸 15 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 5.6 중량 ％ 및 물 28.4 중량 ％를 포함하는 내열성의 밀봉재(접착제) 페이스트를 이용하여 세라믹 블럭의 외주 도포용 페이스트로 하고, 알루미나 실리케이트로 이루어지는 세라믹 파이버(쇼트 함유율 : 3 ％, 섬유 길이 : 5 내지 100 ㎛) 23.3 중량 ％, 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량 ％, 실리카졸(졸 중의 SiO2의 함유율 : 30 중량 ％) 7 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 0.5 중량 ％ 및 물 39 중량 ％를 혼합, 혼련하여 조제한 밀봉재 페이스트를 이용한 것 외에는 제21 내지 제23 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 표4에 나타낸 체적을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제60 내지 제62 실시예)
소성 후의 입구측의 개구율을 표4에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제24 내지 제26 실시예와 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
이렇게 하여 얻게 된 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 밀봉재(접착제) 페이스트로 하고, 섬유 길이 20 ㎛의 알루미나 파이버 30 중량 ％, 평균 입경 0.6 ㎛의 탄화규소 입자 21 중량 ％, 실리카졸 15 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 5.6 중량 ％ 및 물 28.4 중량 ％를 포함하는 내열성의 밀봉재(접착제) 페이스트를 이용하여 세라믹 블럭의 외주 도포용 페이스트로 하고, 알루미나 실리케이트로 이루어지는 세라믹 파이버(쇼트 함유율 : 3 ％, 섬유 길이 : 5 내지 100 ㎛) 23.3 중량 ％, 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량 ％, 실리카졸(졸 중의 SiO2의 함유율 : 30 중량 ％) 7 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 0.5 중량 ％ 및 물 39 중량 ％를 혼합, 혼련하여 조제한 밀봉재 페이스트를 이용한 것 외에는 제24 내지 제26 실시예와 마찬가지로 하여 표4에 나타낸 체적을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제63 내지 제67 실시예)
(1) 다공질 세라믹 부재의 단면 형상 및 소성 후의 입구측의 개구율을 표4에 나타낸 바와 같이 한 것 외에는 제1 실시예의 (1)과 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 밀봉재(접착제) 페이스트로 하고, 섬유 길이 20 ㎛의 알루미나 파이버 30 중량 ％, 평균 입경 0.6 ㎛의 탄화규소 입자 21 중량 ％, 실리카졸 15 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 5.6 중량 ％ 및 물 28.4 중량 ％를 포함하는 내열성의 밀봉재(접착제) 페이스트를 이용하여 세라믹 블럭의 외주 도포용 페이스트로 하고, 알루미나 실리케이트로 이루어지는 세라믹 파이버(쇼트 함유율 : 3 ％, 섬유 길이 : 5 내지 100 ㎛) 23.3 중량 ％, 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량 ％, 실리카졸(졸 중의 SiO2의 함유율 : 30 중량 ％) 7 중량 ％, 카르복시메탈셀룰로오스 0.5 중량 ％ 및 물 39 중량 ％를 혼합, 혼련하여 조제한 밀봉재 페이스트를 이용한 것 외에는 제1 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 표4에 나타낸 체적을 갖는 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
(제1 내지 제6 참고예)
(1) 다공질 세라믹 부재의 단면 형상을 도6의 (e)에 도시한 단면 형상(모두 정사각형이고 또한 바둑판 무늬로 밀봉)과 대략 마찬가지로 하여 그 입구측의 개구율을 각각 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (1)과 마찬가지로 하여 다공질 세라믹 부재를 제조하였다.
(2) 상기 (1)에서 제조한 다공질 세라믹 부재를 각각 이용하여 필터 체적을 표3에 나타낸 값으로 한 것 외에는 제1 실시예의 (2)와 마찬가지로 하여 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 제조하였다.
도8에 실시예, 비교예 및 참고예에 관한 필터(허니콤 구조체)에 있어서의 필터 체적(허니콤 구조체 체적)(ℓ)과 입구측의 개구율의 관계를 그래프 상에서 나타낸다. 실시예에 관한 필터는 도면 중에 도시하는 5각형 ABCDE 중의 점으로서 플롯되어 이하의 측정에 있어서도 양호한 값을 나타냈다.
도9에는 입구측의 개구율과 필터 체적의 곱과 배기량과의 관계를 나타낸다.
허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 입구측의 개구율(X)(％)과, 내연 기관의 배기량(V)(ℓ)이 상기 식 (3)의 관계를 갖는 허니콤 구조체는 상하 2개의 함수의 사이에 끼는 범위에 들어간다.
(평가 방법)
(1) 재생 한계치의 측정
도7에 도시한 바와 같이, 각 실시예 및 비교예에 관한 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 엔진의 배기 통로에 배치하여 배기 가스 정화 장치로 하고, 상기 엔 진을 회전수 3000 분－1, 토크 50 Nm으로 소정의 시간 운전하여 소정량의 파티큘레이트를 수집하였다. 그 후, 엔진을 회전수 4000 분－1, 풀로드로 하여 필터 온도가 700 ℃ 부근에서 일정해진지 얼마 지나지 않아 엔진을 회전수 1050분－1, 토크 30 Nm으로 함으로써 파티큘레이트를 강제 연소시켰다.
그리고, 이 재생 처리를 행하는 실험을 파티큘레이트의 수집량을 변화시키면서 행하여 필터에 크랙이 발생하는지 여부를 조사하였다. 상기 실험은 각 실시예, 비교예 및 시험예에 관한 필터에 대해 행하여 크랙이 발생하지 않은 최대 파티큘레이트량을 재생 한계치로 하였다. 그 결과를 하기의 표1 내지 표4에 나타냈다.
또한, 각각의 필터 체적에 대한 입구측의 개구율과 재생 한계치와의 관계를 도4의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도10에, 도5의 (a), (b)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도11에, 도5의 (e), (f)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도12에, 도6의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도13에 각각 그래프로 나타냈다. 데이터가 없는 도6의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터를 제외하고, 비교예에 관한 필터에 있어서는 재생 한계치가 모두 낮고, 7 이하로 되어 있는 것이 많다.
(2) 열응답성
도7에 도시한 바와 같이, 각 실시예 및 비교예에 관한 허니콤 구조체로 이루어지는 필터를 엔진의 배기 통로에 배치하여 배기 가스 정화 장치로 하고, 필터 중 심부에 온도계를 설치한 후, 상기 엔진을 회전수 3000분－1, 토크 50 Nm으로 파티큘레이트를 8 g/l 수집하였다. 그 후, 엔진을 회전수 1250분－1, 토크 60 Nm으로 하고, 필터의 중심 온도가 일정해진 상태에서 1분간 보유 지지한 후, 포스트 인젝션을 행하여 필터 전방의 산화 촉매를 이용하여 배기 온도를 상승시키고, 파티큘레이트를 연소시켰다. 상기 포스트 인젝션의 조건은 개시 후 1분간 허니콤 구조체의 중심 온도가 600 ℃에서 대략 일정해지도록 설정하였다. .
그리고, 회전수 1250분-1, 토크 60 Nm으로 온도가 일정했던 1분간과, 그 후의 포스트 인젝션에서 파티큘레이트가 연소되어 허니콤 구조체 중심 온도에 연소 피크가 나타나기까지의 합계 시간을 측정하여 열응답성을 평가하였다. 그 결과를 표1 내지 표4에 나타냈다.
또한, 각각의 필터의 체적에 대한 입구측의 개구율과 열응답성의 관계를 도4의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도14에, 도5의 (a), (b)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도15에, 도5의 (e), (f)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도16에, 도6의 (a) 내지 (d)에 도시한 단면 형상을 갖는 필터에 대해 도17에 각각 그래프로 나타냈다. 그 결과, 실시예에 관한 필터는 열응답성이 우수한 것이 명백해졌다.
(3) 필터의 압축 강도와 아이소스택틱 강도
표에 기재된 필터를 30 ㎜ 정도의 정육면체로 절단하여 인스트론(5582)에 의해 A축의 압축 강도를 측정하였다.
또한, 각 필터의 아이소스택틱 강도를 측정하였다. 측정 시에는 샘플의 상하에 알루미늄판(10 ㎜의 두께)을 대고, 우레탄 고무 시트(2 ㎜의 두께)로 감싸 밀봉하여 정수압 가압 장치(CIP)의 물을 채운 압력 용기에 넣고, 가압 속도 1.0 ㎫/분으로 가압하여 파괴된 압력을 아이소스택틱 강도로 하였다. 결과를 표1 내지 표4에 나타냈다.
[표 1]
Figure 112005064358993-pct00001
[표 2]
Figure 112005064358993-pct00002
[표 3]
Figure 112005064358993-pct00003
[표 4]
Figure 112005064358993-pct00004
표1 내지 표4 및 도10 내지 도17에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 실시예에 관한 필터에서는 비교예에 관한 필터에 비해 재생 한계치, 열응답성, 필터 의 압축 강도와 아이소스택틱 강도 모두 양호한 값을 취하고 있다.
본 발명에 따르면, 상기 허니콤 구조체로 이루어지는 필터의 체적(Y)과, 상기 입구측의 개구율(X)이 상기 식 (1)의 관계를 갖고 있으므로, 필터 사이즈(허니콤 구조체의 사이즈)를 콤팩트하게 유지하면서 장기 수명화를 도모할 수 있고, 또한 기계적 강도 및 열응답성이 우수하므로, 크랙 한계가 높고, 신뢰성이 우수한 것이 된다.
본 발명의 허니콤 구조체에 따르면, 상기 허니콤 구조체의 체적(Y)과, 상기 입구측의 개구율(X)이 상기 식 (1)의 관계를 갖고 있으므로, 허니콤 구조체의 사이즈를 콤팩트하게 유지하면서 장기 수명화를 도모할 수 있고, 또한 기계적 강도 및 열응답성이 우수하므로, 크랙 한계가 높고, 신뢰성이 우수한 것이 된다.

Claims (22)

  1. 다수의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설되고,
    상기 관통 구멍 중 어느 한쪽의 단부가 밀봉된 허니콤 구조를 갖는 기둥 형상의 허니콤 구조체이며,
    상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 입구측의 개구율(X)(％)이 하기 식 (1)의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
    [식 1]
    Y ≤ －1.1X ＋ 68.5(단, Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
  2. 제1항에 있어서, 상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 상기 입구측의 개구율(X)(％)이 하기 식 (2)의 관계를 갖는 허니콤 구조체.
    [식 2]
    Y ≤ －1.1X ＋ 66.3(단, 2.5 ≤ Y ≤ 19, 35 ≤ X ≤ 56)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내연 기관의 배기 가스 정화용 허니콤 구조체로서 사용하였을 때에,
    상기 허니콤 구조체의 체적(Y)(ℓ)과, 상기 입구측의 개구율(X)(％)과, 상기 내연 기관의 배기량(V)(1)이 하기 식 (3)의 관계를 갖는 허니콤 구조체.
    [식 3]
    100V － 400 ≤ XㆍY ≤ 100V ＋ 100
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다수의 관통 구멍은 배기 가스의 유입측에 존재하는 길이 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 큰 대용적 관통 구멍과, 배기 가스의 유출측에 존재하는 상기 단면의 면적이 상대적으로 작은 소용적 관통 구멍으로 이루어지는 허니콤 구조체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대용적 관통 구멍과 소용적 관통 구멍이 실질적으로 동수인 허니콤 구조체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 관통 구멍이 격벽을 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥 형상의 다공질 부재가 밀봉재층을 거쳐서 복수개 결속됨으로써 구성되어 있는 허니콤 구조체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 적어도 2종류 이상의 형상으로 구성되어 있는 허니콤 구조체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대용적 관통 구멍 및/또는 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 다각형인 허니콤 구조체.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대용적 관통 구멍 및/또는 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 8각형 및 4각형인 허니콤 구조체.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대용적 관통 구멍의 단면의 면적의, 소용적 관통 구멍의 단면의 면적에 대한 비는 1.55 내지 2.75인 허니콤 구조체.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대용적 관통 구멍 및/또는 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 모서리부의 근방이 곡선에 의해 구성되어 있는 허니콤 구조체.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이웃하는 대용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 중심간 거리와, 이웃하는 소용적 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 중심간 거리가 동등한 허니콤 구조체.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 관통 구멍을 이격하는 격벽 표면 및/또는 격벽 내부에 촉매가 담지되어 있는 허니콤 구조체.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 관통 구멍의 내부에 길이 방향에 대해 평행하게 볼록부 및/또는 오목부가 마련되어 있는 허니콤 구조체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 볼록부 및/또는 오목부는, 선택적 촉매 담지 부위, 파티큘레이트 수집 사이트 및 허니콤 구조체의 내열 응력 개선 사이트 중 적어도 하나로서 기능하는 허니콤 구조체.
  16. 제14항에 있어서, 볼록부 및/또는 오목부는 입구측 관통 구멍끼리 공유하는 격벽에 마련되어 있는 허니콤 구조체.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 아이소스택틱 강도가 7 ㎫ 이상인 허니콤 구조체.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서, A축의 압축 강도가 18 ㎫ 이상인 허니콤 구조체.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 관통 구멍의 길이 방향에 수직인 단면의 형상은 1종류의 형상으로 구성되어 있고, 또한 적어도 2종 이상의 단면적으로 이루어지는 허니콤 구조체.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서, 주성분이 SiC, SiN, 티탄산알루미늄, 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 리튬 알루미늄 실리케이트, FeㆍCrㆍAl계 금속 및 금속 규소로부터 선택되는 적어도 1종인 허니콤 구조체.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서, 차량의 배기 가스 정화 장치에 사용되는 허니콤 구조체.
  22. 제21항에 기재된 허니콤 구조체가 이용되고 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
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