KR100687111B1

KR100687111B1 - 벌집형 구조체

Info

Publication number: KR100687111B1
Application number: KR1020057009378A
Authority: KR
Inventors: 가즈시게 오노; 마사후미 구니에다
Original assignee: 이비덴 가부시키가이샤
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2007-02-27
Also published as: EP1736225A2; JPWO2005000445A1; EP1736225A3; US7521025B2; KR20070086004A; DE602004008000T2; KR20060103551A; EP1520614A4; DE602004008000D1; US20050266991A1; ATE369200T1; WO2005000445A1; KR20050086785A; EP1520614A1; EP1520614B1; JP4509029B2

Abstract

본 발명은 다량의 촉매를 담지할 수 있으며, 입자를 수집했을 때의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있고, 동시에 입자의 수집 능력도 높고, 효율적으로 재생 및 유해 가스의 정화를 행할 수 있는 필터에 사용되는 벌집형 구조체를 제공하는 것을 목적으로 하며, 본 발명의 벌집형 구조체는 주로 무기 섬유를 포함하고, 다수 개의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥상 벌집형 구조체이며, 상기 벌집형 구조체를 구성하는 무기 섬유는 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대해서 평행한 면과 비교하여, 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대해서 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있는 것을 특징으로 한다.

벌집형 구조체, 입자, 무기 섬유, 관통 구멍

Description

벌집형 구조체{HONEYCOMB STRUCTURE BODY}

본 출원은 2003년 6월 10일에 출원된 일본 특허 출원 제 2003-165588 호 및 2003년 7월 15일에 출원된 일본 특허 출원 제 2003-197385 호를 기초 출원으로 하여 우선권을 주장하는 출원이다.

본 발명은 디젤 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중의 입자 등을 제거할 목적 등에 사용되는 벌집형 구조체에 관한 것이다.

버스, 트럭 등의 차량이나 건설 기계 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중에 함유되는 매연 등의 입자가 환경이나 인체에 해를 미치는 것이 문제가 되고 있다. 종래, 배기 가스 중의 입자를 수집하여 배기 가스를 정화하기 위해 다양한 필터가 제안되어 있고, 벌집형 구조를 갖는 필터도 알려져 있다.

도 4는 이 종류의 벌집형 구조를 갖는 필터의 1종을 나타낸 사시도이다. 벌집형 필터 (60)은 탄화규소 등을 포함하는 벌집형 구조체이고, 벌집형 필터 (60)에서는 사각 기둥상의 다공질 세라믹 부재 (70)이 접착제로서 기능하는 밀봉재층 (64)를 통해 복수 개 결속되어 세라믹 블럭 (65)를 구성하고, 이 세라믹 블럭 (65)의 주위에도 밀봉재층 (63)이 형성되어 있다.

도 5의 (a)는 도 4에 나타낸 벌집형 필터를 구성하는 다공질 세라믹 부재를 모식적으로 나타내는 사시도이고, (b)는 (a)에 나타낸 다공질 세라믹 부재의 B-B 선을 따라 자른 단면도이다.

다공질 세라믹 부재 (70)은 벌집형 구조를 갖고 있고, 길이 방향에 다수 개가 병설된 관통 구멍 (71)을 서로 떼어 놓는 격벽 (73)이 필터로서 기능하도록 되어 있다.

즉, 다공질 세라믹 부재 (70)에 형성된 관통 구멍 (71)은 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 배기 가스의 입구측 또는 출구측의 단부 중 어느 하나가 봉지재 (72)에 의해 봉지되고, 1개의 관통 구멍 (71)에 유입된 배기 가스는 반드시 관통 구멍 (71)을 서로 떼어 놓는 격벽 (73)을 통과한 후, 다른 관통 구멍 (71)로부터 유출하도록 되어 있다.

또한, 외주에 설치된 밀봉재층 (63)은 벌집형 필터 (60)을 내연 기관의 배기 통로에 설치했을 때, 세라믹 블럭 (65)의 외주부로부터 배기 가스가 누설되는 것을 방지하려는 목적으로 설치되어 있는 것이다.

이러한 구성의 벌집형 필터 (60)이 내연 기관의 배기 통로에 설치되면, 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스 중의 입자는 이 벌집형 필터 (60)을 통과할 때에 격벽 (73)에 의해 포착되어 배기 가스가 정화된다.

또한, 벌집형 구조를 갖는 필터로는 복수 개의 다공질 세라믹 부재가 결속된 것 이외에, 전체가 근청석 (cordierite) 등을 포함하는 하나의 세라믹으로 일체로서 형성된 것이나, 알루미나, 실리카, 멀라이트 (mullite) 등을 포함하는 무기 섬유를 사용하여 압출 성형한 벌집형 필터나, 초조 (抄造)한 무기 섬유를 포함하는 무기 시트나 금속 시트를 롤형으로 파형 가공하여 제조된 벌집형 필터가 알려져 있다 (예를 들면, 일본 특허 공개 (평)6-182228 호 공보, 일본 특허 공개 (평)4-2673 호 공보 및 일본 특허 공개 2001-252529 호 공보 참조).

상기 구성의 벌집형 필터는 내열성이 매우 우수하고, 입자의 연소 제거 (이하, 재생 처리라 함) 등도 용이하기 때문에, 각종 대형 차량이나 디젤 엔진 탑재 차량 등에 사용되고 있다.

또한, 배기 가스 중의 입자를 수집하면서 동시에, CO, HC, NOx 등의 유해한 배기 가스를 정화시킬 수 있는 필터도 알려져 있고, 이러한 필터에서는 필터로서 기능하는 부분 (관통 구멍 등)에 배기 가스를 정화시키기 위한 촉매를 부착시키고 있다.

촉매를 부착시킨 벌집형 구조체에서는, 촉매에 입자가 부착됨으로써 입자의 연소에 필요한 활성화 에너지가 촉매에 의해 저하되어 저온에서 입자를 연소시킬 수 있기 때문에, 촉매의 분산도를 향상시켜서 반응 부위를 늘림으로써 입자를 저온에서 연소시키거나, 배기 가스의 정화 능력을 향상시키는 방책이 종래부터 채용되고 있다.

상술한 촉매를 사용한 필터에서는, 예를 들면 하기의 2종류의 방법을 사용하여 재생이나 정화를 행하고 있다.

제1 방법은, 배기 가스 중 유해 가스는 연속적으로 정화하지만, 수집한 입자는 어느 정도 퇴적될 때까지는 재생 처리를 행하지 않고, 어느 정도 퇴적된 후 재생 처리를 행하여 제거하고, 입자를 수집하는 공정을 여러 번 반복하는 방법이다.

제2 방법은, 배기 가스 중 유해 가스를 연속적으로 정화하면서 동시에, 입자를 연속적으로 연소 제거하고, 입자를 퇴적시키지 않고 계속해서 연소시키는 방법이다.

이들 방법을 사용하여 낮은 압력 손실로 효율적으로 반응을 일으키기 위해서는, 입자와 촉매의 반응 부위를 증가시키는 것이 바람직하기 때문에, 벌집형 구조체의 비표면적을 크게 하는 것이 바람직하다고 생각된다.

그러나 벌집형 구조체의 관통 구멍의 단면적을 작게 하고, 단위 단면적 당 관통 구멍의 개수를 증가시켜 벌집형 구조체의 비표면적을 크게 하는 방법을 채용하는 경우, 관통 구멍의 단면적이 작기 때문에, 배기 가스가 흐르기 어려워지고, 압력 손실이 높아지므로 비실용적이다.

그 밖에, 필터를 구성하는 벽부의 밀도를 낮춰 기공율을 높이고, 개방 기포를 포함하는 기공을 많게 하여, 필터 벽부의 심층 기공 부분에서도 입자를 수집시켜 벽 내부에 있는 촉매와도 접촉시키는 것이 유효하다고 생각된다. 그러나, 상술한 바와 같은 필터로 상기 방책을 사용하면, 필터의 강도가 낮아진다. 특히 일본 특허 공개 (평)6-182228 호 공보에 기재되어 있는 것과 같은 필터에서는, 필터의 강도가 매우 낮은 것이 되어 버린다. 그 때문에, 이들 필터에서는 수집한 입자를 연소 제거 (이하, 재생 처리라 함)할 때, 입자의 연소에 따라 필터의 길이 방향에 큰 온도 차이가 발생하고, 그것에 의한 열 응력에 기인하여 필터에 균열 등의 손상이 쉽게 발생한다. 그 결과, 상술한 바와 같은 필터는 필터로서의 기능을 잃어버린다는 문제가 있었다.

또한, 엔진으로부터 배출되는 배기열을 재생 처리 및 정화에 유효하게 이용하기 위해서, 필터를 엔진 바로 아래에 배치하는 것이 바람직하지만, 그 공간은 매우 한정되어 있다. 그 때문에, 필터에는 복잡한 형상에도 대응하는 것이 필요하지만, 종래의 필터에서는 복잡한 형상에 대응하기가 매우 곤란하였다.

또한, 적층한 필터도 개시되어 있지만, 이 필터는 세라믹 원료 (배토 (杯土))에 세라믹 섬유를 첨가함으로써 인성 강화를 도모한 것이고, 기공율을 높인다는 개념은 없었다 (일본 특허 공개 (평)8-12460 호 공보 참조).

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이고, 다량의 촉매를 담지할 수 있으며, 입자를 수집했을 때의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있고 동시에, 효율적으로 재생 및(또는) 유해 가스의 정화를 행할 수 있는 벌집형 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

본 발명의 제1 측면은 주로 무기 섬유를 포함하고, 다수 개의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥상의 벌집형 구조체이며, 상기 벌집형 구조체를 구성하는 무기 섬유는 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 벌집형 구조체이다.

또한, 본 발명의 제1 측면에서 무기 섬유가 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있는 것은, 도 8에 나타낸 바와 같이 벌집형 구조체 (관통 구멍을 사이에 두는 벽부)의 파단면을 관찰하고, 관통 구멍의 형성 방향과 무기 섬유 (101)이 이루는 각도 α가 0 내지 45°가 되도록 배향되어 있는 무기 섬유 (101)을 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행하게 배향되어 있는 무기 섬유로 하며, 관통 구멍의 형성 방향과 무기 섬유 (102)가 이루는 각도 α가 45 내지 90°가 되도록 배향되어 있는 무기 섬유 (102)를 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직 방향으로 배향되어 있는 무기 섬유로 했을 때, 평행 방향으로 배향되어 있는 무기 섬유보다도 수직 방향으로 배향되어 있는 무기 섬유가 더 많다는 것을 의미한다. 또한, 벌집형 구조체 (관통 구멍을 사이에 두는 벽부)의 파단면에서의 무기 섬유의 배향은 주사형 전자 현미경 (SEM) 등을 사용하여 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 측면은 주로 무기 섬유를 포함하고, 복수 개의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥상의 벌집형 구조체이며, 길이 방향에 대하여 관통 구멍이 중첩되도록 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 벌집형 구조체이다.

이하, 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체에 대해서 설명한다.

본 발명의 제1 또는 제2 측면에 따른 벌집형 구조체에서는, 길이 방향에 다수 개 (또는 복수 개)의 관통 구멍이 병설되어 있지만, 상기 관통 구멍은 양단이 봉지되어 있지 않은 통 형태의 관통 구멍만으로 구성되어 있어도 좋고, 어느 한 말단이 봉지된 관통 구멍 (이하, 유저공 (有底孔)이라 함)을 포함하여 구성되어 있어도 좋다.

상기 관통 구멍이 봉지되어 있지 않은 통 형태의 관통 구멍인 경우, 상기 벌집형 구조체는 입자를 수집하는 필터로는 기능하지 않지만, 관통 구멍을 포함하는 부분에 촉매를 부착시킴으로써 유해 가스의 정화 장치로서 기능한다.

한편, 상기 다수 개의 관통 구멍이 어느 한 말단이 봉지된 유저공인 경우, 상기 벌집형 구조체는 입자를 수집하는 필터로서 기능하며, 촉매가 부착되어 있는 경우에는 입자를 수집하는 필터 및 유해 가스의 정화 장치로서 기능한다.

이하에서는, 주로 입자를 수집하는 필터 및 유해 가스의 정화 장치로서 기능하는 벌집형 구조체에 대해서 설명하지만, 상술한 바와 같이 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 단순히 필터로서 기능하는 것일 수도 있고, 유해 가스의 정화 장치로서 기능하는 것일 수도 있다.

본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 주된 구성 재료로서 무기 섬유를 사용하므로, 충분한 강도를 갖는 높은 기공율의 벌집형 구조체를 실현할 수 있다.

여기서, 주된 구성 재료로서 무기 섬유를 사용한다는 것은 그 구성 재료의 반 이상이 무기 섬유의 형상을 남겨둔 것으로 구성되고, 나머지 구성 성분이 유기 결합제나 무기 결합제 등인 것을 말한다.

또한, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체를 구성하는 무기 섬유는 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있다. 따라서, 배기 가스가 벌집형 구조체의 벽부를 투과하기 쉬워지므로, 초기의 압력 손실을 저감할 수 있고, 동시에 입자를 벽 내부에 심층 여과하기가 보다 쉬워지고, 벽부 표면에서 케이크층이 형성되는 것을 억제하며, 입자 수집시의 압력 손실의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 벌집형 구조체를 성형하기 전에 구성 재료인 무기 섬유에 촉매를 부착시킬 수 있기 때문에, 촉매를 보다 균일하게 분산시켜 벌집형 구조체에 부착시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체에서는 유해 가스의 정화 기능을 증대시킬 수 있다.

또한, 무기 섬유에 촉매를 부착시킨 경우에는 무기 섬유가 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직에 가까운 방향으로 배향되어 있는 비율이 높아지면 배기 가스가 무기 섬유의 배향 방향에 평행하게 흐르는 비율이 높아지고, 그 때문에 입자가 무기 섬유에 부착된 촉매와 접촉하는 기회 (확률)이 증가하여 입자가 연소하기 쉬워진다.

또한, 높은 기공율이 가능하므로 열용량을 작게 할 수 있기 때문에, 내연 기관으로부터 배출되는 배기열로 인해 조기에 촉매의 활성 온도 (재생, 정화)까지 상승시킬 수 있다. 특히, 필터를 엔진 바로 아래에 배치하고, 그 배기열을 유효하게 이용하는 형태로 사용하는 경우에 유리하다고 생각된다.

또한, 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 성형 전에 구성 재료인 무기 섬유에 촉매를 부여할 수 있기 때문에, 촉매를 보다 균일하게 분산시킨 상태로 부착시킬 수 있다. 또한 길이 방향에 적층되어 이루어지기 때문에, 길이 방향에 대한 촉매의 분산도 및 촉매 종류를 용도에 맞게 자유롭게 조합하여 적층시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 재생 처리 및 유해 가스의 정화 기능을 증대시킬 수 있다고 생각된다.

또한, 엔진 바로 아래에 배치하는 경우 필터의 공간이 매우 한정되고, 필터의 형상도 복잡해질 수 있지만, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 길이 방향에 적층하여 이루어지기 때문에, 용이하고 재료의 낭비가 없게 대응할 수 있다.

또한, 재생 처리 등을 할 때에 입자의 연소에 따라 필터의 길이 방향에는 큰 온도 차이가 발생하고, 그에 따라 필터에 큰 열응력이 걸리지만, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 길이 방향에 적층되어 이루어지기 때문에, 필터 전체에 큰 온도 차이가 발생해도 각각의 단위체 당 발생하는 온도 차이는 작고, 그것에 의한 열응력도 작기 때문에 균열 등의 손상이 발생하기 매우 어렵다고 생각된다. 특히 상술한 바와 같은 복잡한 형상의 필터에서는 형상 때문에, 열응력에 대해 매우 약해지지만, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체에서는 복잡한 형상에서도, 상기한 이유로 균열 등의 손상이 발생하기 매우 어렵다고 생각된다.

또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 다른 단위체를 교대로 또는 불규칙하게 적층함으로써 벌집형 구조체 벽부의 표면에 요철을 용이하게 형성할 수 있다. 그리고, 벽부의 표면에 요철을 형성함으로써 여과 면적이 증가하여 입자를 수집했을 때의 압력 손실을 줄일 수 있다고 생각된다. 또한, 요철에 의해 배기 가스의 흐름이 난류가 되어 필터 내의 온도 차이를 작게 하여 열응력에 의한 균열 등의 손상을 방지할 수 있다고 생각된다. 또한, 본 발명의 제1 측면에 대해서도 관통 구멍이 중첩되도록 적층되어 이루어지는 경우에는, 상술한 본 발명의 제2 측면과 동일한 작용 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명의 제3 측면에 따른 벌집형 구조체의 제조 방법은 주로 무기 섬유를 포함하고, 관통 구멍이 형성된 시트를 상기 관통 구멍이 중첩되도록 적층하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명의 제3 측면에 따른 벌집형 구조체의 제조 방법을 사용함으로써, 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체를 바람직하게 제조할 수 있다.

<발명의 실시 형태>

우선, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체의 실시 형태에 대해서 설명한다.

실시 형태에 따른, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체는 어느 한 말단이 봉지된 다수 개의 관통 구멍 (이하, 유저공이라 함)이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설되어 필터로서 기능하도록 구성된 기둥상의 벌집형 구조체이며, 상기 벌집형 구조체를 구성하는 무기 섬유는 상기 유저공의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 상기 유저공의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 벌집형 구조체이다.

본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체는 주로 무기 섬유를 포함한다.

상기 무기 섬유의 재질로는, 예를 들면 실리카-알루미나, 멀라이트, 알루미나, 실리카 등의 산화물 세라믹, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 질화티탄 등의 질화물 세라믹, 탄화규소, 탄화지르코늄, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화텅스텐 등의 탄화물 세라믹 등을 들 수 있다.

이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.

상기 무기 섬유의 섬유 길이의 바람직한 하한값은 0.1 mm, 바람직한 상한값은 100 mm, 보다 바람직한 하한값은 0.5 mm, 보다 바람직한 상한값은 50 mm이다. 또한, 상기 무기 섬유의 섬유 직경의 바람직한 하한값은 1 ㎛, 바람직한 상한값은 30 ㎛, 보다 바람직한 하한값은 2 ㎛, 보다 바람직한 상한값은 20 ㎛이다.

상기 벌집형 구조체는 상기 무기 섬유 이외에, 일정한 형상을 유지하기 위해 이들 무기 섬유를 서로 결합시키는 결합제를 포함할 수도 있다.

상기 결합제는 특별히 한정되지 않으며, 규산 유리, 규산알칼리 유리, 붕규산 유리 등의 무기 유리, 알루미나 졸, 실리카 졸, 티타니아 졸 등을 들 수 있다.

상기 결합제의 함유량에 있어서 바람직한 하한값은 5 중량％, 바람직한 상한값은 50 중량％이고, 보다 바람직한 하한값은 10 중량％, 보다 바람직한 상한값은 40 중량％이며, 특히 바람직한 상한값은 20 중량％이다.

상기 벌집형 구조체의 겉보기 밀도의 바람직한 하한값은 0.05 g/㎤, 바람직한 상한값은 1.00 g/㎤, 보다 바람직한 하한값은 0.10 g/㎤, 보다 바람직한 상한값은 0.50 g/㎤이다.

또한, 상기 벌집형 구조체의 기공율의 바람직한 하한값은 60 용량％, 바람직한 상한값은 98 용량％, 보다 바람직한 하한값은 80 용량％, 보다 바람직한 상한값은 95 용량％이다.

상기 기공율이 60 용량％ 이상인 경우, 벌집형 구조체에 입자가 깊게 침투하여 여과되기 쉬워지기 때문에, 벽의 내부에 담지된 촉매와 입자가 접촉하기 쉬워져 반응성이 보다 향상되는 것으로 생각된다. 단, 상기 기공율이 98 용량％를 초과하면 강도가 불충분해지기 쉽다.

또한, 겉보기의 밀도나 기공율은, 예를 들면 중량법, 아르키메데스법, 주사형 전자 현미경 (SEM)에 의한 측정 등 종래 공지된 방법에 의해 측정될 수 있다.

상기 벌집형 구조체를 구성하는 무기 섬유에는 백금, 팔라듐, 로듐 등의 귀금속을 포함하는 촉매가 담지되어 있을 수 있다. 또한, 귀금속에 더해, 알칼리 금속 (원소 주기율표 1족), 알칼리 토금속 (원소 주기율표 2족), 희토류 원소 (원소 주기율표 3족), 전이 금속 원소가 첨가될 수도 있다.

이러한 촉매가 담지되어 있음으로써, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체를 사용한 필터는 배기 가스 중의 입자를 수집하고, 촉매에 의해 재생 처리를 행할 수 있는 필터로서 기능하며, 동시에 배기 가스에 함유되어 있는 CO, HC 및 NOx 등을 정화하기 위한 촉매 컨버터로서 기능할 수 있다.

상기 귀금속을 포함하는 촉매가 담지된 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 필터는 종래 공지된 촉매 부착 DPF (디젤·입자·필터)와 동일한 가스 정화 장치로서 기능하는 것이다. 따라서, 여기서는 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 필터가 촉매 컨버터로서도 기능하는 경우에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이어서, 도면을 참조하면서 본 발명의 제1 측면의 실시 양태를 설명한다.

상기 벌집형 구조체는 무기 입자 및 금속 입자를 소량 포함할 수 있다. 상기 무기 입자로는, 예를 들면 탄화물, 질화물, 산화물 등을 들 수 있고, 구체적으로는 탄화규소, 질화규소, 질화붕소, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등을 포함하는 무기 분말 등을 들 수 있다. 금속 입자로는, 예를 들면 금속 규소, 알루미늄, 철, 티탄 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 병용할 수도 있다.

도 1의 (a)는 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체의 구체예를 모식적으로 나타낸 사시도이고, (b)는 그의 A-A선을 따라 자른 단면도이다.

도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 벌집형 구조체 (10)은 어느 한 말단이 봉지된 다수 개의 유저공 (11)이 벽부 (13)을 사이에 두고 길이 방향에 병설되어 필터로서 기능하는 원기둥 형상인 것이다.

즉, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 유저공 (11)은 배기 가스의 입구측 또는 출구측에 상당하는 단부 중 어느 하나가 봉지되고, 하나의 유저공 (11)에 유입된 배기 가스는 반드시 유저공 (11)을 사이에 두는 격벽 (13)을 통과한 후, 다른 유저공 (11)로부터 유출하여 필터로서 기능하도록 되어 있다.

상기 벽부 두께의 바람직한 하한값은 0.2 mm, 바람직한 상한값은 10.0 mm, 보다 바람직한 하한값은 0.3 mm, 보다 바람직한 상한값은 6 mm이다.

상기 벌집형 구조체의 길이 방향에 수직인 단면에서 관통 구멍 밀도의 바람직한 하한값은 0.16개/㎠ (1.0개/in²), 바람직한 상한값은 62개/㎠ (400개/in²), 보다 바람직한 하한값은 0.62개/㎠ (4.0개/in²), 보다 바람직한 상한값은 31개/㎠ (200 개/in²)이다.

또한, 관통 구멍의 크기는 1.4 mm × 1.4 mm 내지 16 mm × 16 mm가 바람직하다.

본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체는 상기 구성의 일체물일 수도 있지만, 도 1에 나타낸 바와 같이 두께가 0.1 내지 20 mm 정도의 시트형의 물체 (10a)를 길이 방향에 적층시켜 형성된 적층체인 것이 바람직하다.

이 때, 길이 방향에 관통 구멍 (11)이 중첩되도록 시트형의 물체 (10a)가 적층되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 관통 구멍이 중첩되도록 적층되어 있다는 것은 인접하는 시트형의 물체에 형성된 관통 구멍들이 서로 연통하도록 형성되어 있다는 것을 말한다.

상기 시트형의 물체는 초조법 등에 의해 용이하게 얻을 수 있고, 이것을 적층함으로써 적층체를 포함하는 벌집형 구조체를 얻을 수 있기 때문이다. 적층체는 무기 접착재 등에 의해 접착되어 형성될 수 있고, 단순히 물리적으로 적층되어 있을 수도 있다. 적층체를 제조할 때에는, 배기관에 장착하기 위한 케이싱 (금속제의 통 형태의 물체)에 직접 적층하여 압력을 가함으로써 벌집형 구조체를 구성할 수 있다. 이 경우, 애초부터 복수 개의 적층체로 이루어져 있기 때문에, 균열의 발생 등을 방지할 수 있다. 시트형의 물체의 제조 방법, 적층 방법 등에 대해서는 후술한다.

도 1에 나타낸 벌집형 구조체 (10)의 형상은 원기둥상이지만, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체는 원기둥상으로 한정되지 않고, 예를 들어 타원 기둥상이나 각기둥상 등의 임의의 기둥형상, 크기의 것이어도 좋다.

또한, 엔진 바로 아래에 배치되는 경우 필터의 공간이 매우 한정되고, 필터의 형상도 복잡해지지만, 본 발명의 제1 측면의 경우, 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이 한 쪽에 오목부가 형성된 형상의 필터 (30)이나, 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이 양측에 오목부가 형성된 형상의 필터 (40)과 같은 복잡한 형상에서도 초조 시트 (30b, 40b)를 길이 방향에 중첩함으로써 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 초조 시트 (30b, 40b)를 길이 방향에 중첩하기 때문에, 길이 방향으로 굽어져 있는 경우나 길이 방향으로 조금씩 변형해나가고 있는 경우에도 용이하게 제조할 수 있다는 큰 특징을 갖는다.

벌집형 구조체를 사용한 필터를 재생한다는 것은 입자를 연소시킨다는 것을 의미하지만, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체를 재생하는 방법은 배기 가스 유입측에 설치한 가열 수단에 의해 벌집형 구조체를 가열하는 방식일 수도 있고, 벌집형 구조체에 산화 촉매를 담지시키고, 이 산화 촉매에 의해 배기 가스 중의 탄화수소 등이 산화함으로써 발생하는 열을 이용함으로써 배기 가스의 정화와 병행하여 재생을 행하는 방식일 수도 있다. 또한, 고체인 입자를 직접 산화시키는 촉매를 필터에 설치하는 방식이나 필터의 상류측에 설치한 산화 촉매에 의해 NOx를 산화시켜 NO₂를 생성하고, 그 NO₂를 사용하여 입자를 산화시키는 방식일 수도 있다.

이어서, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체의 실시 형태에 대해서 간단히 설명한다.

본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체의 실시 형태는, 하기와 같은 점에서 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체의 실시 형태와는 다르다는 것 이외에는 대략 동일하다. 즉, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체에서는 반드시 길이 방향에 관통 구멍이 중첩되도록 시트형의 물체가 적층되어 있다는 점, 및 무기 섬유가 반드시 소정의 방향으로 배향되어 있지 않아도 된다는 점에서, 본 발명의 제1 측면의 벌집형 구조체의 실시 형태와는 다르다는 것 이외에는, 그 구성은 대략 동일하다. 따라서, 여기서는 각 구성 요건의 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체의 용도는 특별히 한정되지 않지만, 차량의 배기 가스 정화 장치에 사용하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체가 설치된 차량의 배기 가스 정화 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 배기 가스 정화 장치 (200)에서는 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체 (20)의 외부를 케이싱 (23)이 덮고 있고, 케이싱 (23)의 배기 가스가 도입되는 측의 단부에는 엔진 등의 내연 기관에 연결된 도입관 (24)가 접속되어 있으며, 케이싱 (23)의 다른 단부에는 외부에 연결된 배출관 (25)가 접속되어 있다. 또한, 도 3 중 화살표는 배기 가스의 흐름을 나타낸다.

이러한 구성으로 이루어진 배기 가스 정화 장치 (200)에서는, 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스는 도입관 (24)를 통해 케이싱 (23) 내에 도입되고, 벌집형 구조체 (20)의 관통 구멍으로부터 벽부 (격벽)을 통과하여 이 벽부 (격벽)에서 입자가 수집되고 정화된 후, 배출관 (25)를 통해 외부로 배출된다.

그리고, 벌집형 구조체 (20)의 벽부 (격벽)에 대량의 입자가 퇴적되고 압력 손실이 높아지면, 상술한 수단에 의해 벌집형 구조체 (20)의 재생 처리를 행한다.

이어서, 본 발명의 제3 측면에 따른 벌집형 구조체의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 벌집형 구조체의 제조 방법은 주로 무기 섬유를 포함하고, 관통 구멍이 형성된 시트를 상기 관통 구멍이 중첩되도록 적층하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 벌집형 구조체의 제조 방법을 사용함으로써, 상술한 실시 형태의 본 발명의 제1 또는 제2 측면에 따른 벌집형 구조체를 바람직하게 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 벌집형 구조체의 제조 방법의 일례에 대해서 공정 순서대로 도 2를 참조하면서 설명한다.

(1) 무기 섬유에 촉매를 부여하는 공정

알루미나 섬유 등의 무기 섬유를, 예를 들면 Pt 등의 귀금속을 포함하는 촉매를 담지한 산화물의 슬러리에 함침한 후 꺼내어 가열함으로써, 촉매가 부착된 무기 섬유를 제조한다. 촉매를 포함하는 슬러리에 무기 섬유를 함침한 후 꺼내어 가열하여 직접 무기 섬유에 촉매를 부착시킬 수도 있다. 촉매의 담지량은 0.01 내지 1 g/무기 섬유 10 g이 바람직하다. 촉매가 담지되어 있지 않은 벌집형 구조체를 제조할 때에는 이 공정이 필요하지 않다.

이와 같이 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체에서는, 성형 전에 구성 재료인 무기 섬유에 직접 촉매를 부여할 수 있기 때문에, 촉매를 보다 균일하게 분산시킨 상태로 부착시킬 수 있다. 그 때문에, 얻어지는 벌집형 구조체에서는 입자의 연소 기능 및 유해 가스의 정화 기능을 증대시킬 수 있다. 또한, 촉매의 부여는 초조 시트를 제조한 후에 행할 수도 있다.

(2) 초조용 슬러리의 제조 공정

이어서, 물 1 ℓ에 대하여 (1)의 공정에서 얻어진 촉매를 담지한 무기 섬유를 5 내지 100 g의 비율로 분산시키고, 그 밖에 실리카 졸 등의 무기 결합제를 무기 섬유 100 중량부에 대하여 10 내지 40 중량부, 아크릴라텍스 등의 유기 결합제를 1 내지 10 중량부의 비율로 첨가하며, 필요에 따라 황산알루미늄 등의 응결제, 폴리아크릴아미드 등의 응집제를 소량 첨가하고, 충분히 교반함으로써 초조용 슬러리를 제조한다.

상기 유기 결합제로는, 예를 들면 메틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리비닐 알코올, 스티렌부타디엔 고무 등을 들 수 있다.

(3) 초조 공정

(2)에서 얻어진 슬러리를 소정 형상의 구멍이 상호 소정의 간격으로 형성된 구멍이 뚫린 메쉬로 떠서, 얻어진 것을 100 내지 200 ℃ 정도의 온도에서 건조함으로써, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같은 관통 구멍이 형성된 소정 두께의 초조 시트 (10a)를 얻는다. 초조 시트 (10a)의 두께는 0.1 내지 20 mm가 바람직하다.

본 발명의 제1 및 제2 측면에서는, 예를 들면 소정 형상의 구멍이 체크 무늬로 형성되어 있는 메쉬를 사용함으로써, 양단부용 초조 시트 (10b)를 얻을 수 있다. 즉, 이 초조 시트를 양단부에 몇 장 사용하면 관통 구멍을 형성한 후, 양단부의 소정의 관통 구멍을 막는 공정을 행하지 않고도 필터로서 기능하는 벌집형 구조체를 얻을 수 있다.

(4) 적층 공정

도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 한 쪽에 밀봉용 금구(金具)를 갖는 원통형의 케이싱 (23)을 사용하고, 우선 케이싱 (23) 내에 양단부용 초조 시트 (10b)를 몇 장 적층한 후, 내부용 초조 시트 (10a)를 소정 매수 적층한다. 마지막으로 양단부용 초조 시트 (10b)를 몇 장 적층하고, 압축한 후, 또한 한 쪽에도 밀봉용 금구를 설치, 고정함으로써, 캐닝 (canning)까지 완료한 벌집형 구조체를 제조할 수 있다. 이 공정에서는 관통 구멍이 중첩되도록 초조 시트 (10a, 10b)를 적층한다.

상기 벌집형 구조체가 이와 같이 단순히 초조 시트를 물리적으로 적층하고 있는 것이면 이 벌집형 구조체를 배기 통로에 배치했을 때, 이 벌집형 구조체에 어느 정도의 온도 분포가 발생해도 한 장의 초조 시트의 온도 분포는 작아 균열 등이 발생하기 어렵다.

또한, 상기 초조 공정에 의해 상기 무기 섬유는 초조 시트의 주요면에 거의 평행하게 배향되고, 적층체를 제조할 때에는 상기 무기 섬유는 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있다. 따라서, 배기 가스가 벌집형 구조체의 벽부를 투과하기 쉬워진 결과, 초기의 압력 손실을 저감할 수 있으며, 동시에 입자를 벽 내부를 따라 심층 여과하기 쉬워지고, 벽부 표면에서 케이크층이 형성되는 것을 억제하여 입자 수집시의 압력 손실의 상승을 억제할 수 있다.

또한, 배기 가스가 무기 섬유의 배향 방향에 평행하게 흐르는 비율이 높아지기 때문에, 입자가 무기 섬유에 부착된 촉매와 접촉하는 기회가 증가하여 입자가 연소하기 쉬워진다.

또한, 구멍의 치수가 다른 초조 시트를 제조하고, 이들을 적층해가면 유저공이 요철을 형성하여 표면적이 큰 유저공을 형성할 수 있다. 따라서, 여과 면적이 커지고, 입자를 수집했을 때의 압력 손실을 낮출 수 있다. 따라서, 많은 입자를 수집할 수 있다. 구멍의 형상에 대해서는 특별히 사각형 (정방형)에 한정되지 않고, 삼각형, 육각형, 팔각형, 12각형, 원형, 타원형 등의 임의의 형상일 수 있다.

이하에 실시예를 들어 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

(1) 무기 섬유에 촉매를 부여하는 공정

알루미나 섬유 (평균 섬유 직경: 5 ㎛, 평균 섬유 길이: 0.3 mm)를 Pt를 담지한 알루미나 슬러리 (Pt 농도: 5 중량％)에 2 분 동안 함침한 후, 500 ℃로 가열하여 촉매가 부착된 알루미나 섬유를 제조하였다. Pt의 담지량은 0.24 g/알루미나 10 g이었다.

(2) 초조용 슬러리의 제조 공정

이어서, (1)의 공정에서 얻어진 알루미나 섬유를 물 1 ℓ에 대하여 10 g의 비율로 분산시키고, 그 이외에 무기 결합제로서 실리카 졸을 섬유에 대하여 5 중량％, 유기 결합제로서 아크릴라텍스를 3 중량％의 비율로 첨가하였다. 또한, 응결제로서 황산알루미늄, 응집제로서 폴리아크릴아미드를 함께 소량 첨가하고 충분히 교반하여 초조용 슬러리를 제조하였다.

(3) 초조 공정

(2)에서 얻어진 슬러리를 4.5 mm × 4.5 mm의 구멍이 상호 2 mm의 간격으로 거의 전체 면에 걸쳐 형성되어 있는 직경 143.8 mm의 구멍 뚫린 메쉬로 떠서, 얻어진 것을 150 ℃에서 건조함으로써, 4.5 mm × 4.5 mm의 구멍이 상호 2 mm의 간격으로 전체 면에 걸쳐 형성된 1 mm 두께의 초조 시트 A₁을 얻었다.

또한, 양단부용 시트를 얻기 위해 4.5 mm × 4.5 mm의 구멍이 체크 무늬로 형성되어 있는 메쉬를 사용하고, 마찬가지로 초조, 건조를 행함으로써 4.5 mm × 4.5 mm의 구멍이 체크 무늬로 형성된 초조 시트 B를 얻었다.

(4) 적층 공정

한 쪽에 밀봉용 금구가 부착된 케이싱 (원통형의 금속 용기)를 금구가 부착된 쪽이 아래가 되도록 세웠다. 초조 시트 B를 3장 적층한 후, 초조 시트 A₁을 150장 적층하고, 마지막으로 초조 시트 3장을 적층하고, 추가로 압축한 후, 또한 한 쪽에도 밀봉용 금구를 설치, 고정함으로써, 그 길이가 150 mm인 적층체를 포함하는 벌집형 구조체를 얻었다. 이 벌집형 구조체의 Pt 담지량은 5 g/ℓ였다.

또한, 이 공정에서는 관통 구멍이 중첩되도록 각 시트를 적층하였다.

(실시예 2, 3)

Pt 촉매의 담지량을 0.1 g/알루미나 10 g (실시예 2), 0.15 g/알루미나 10 g (실시예 3)으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 얻었 다. 실시예 2에 따른 벌집형 구조체의 Pt 담지량은 2 g/ℓ이고, 실시예 3에 따른 벌집형 구조체의 Pt 담지량은 3 g/ℓ였다.

(실시예 4, 5)

알루미나 섬유의 섬유 길이를 10 mm (실시예 4), 50 mm (실시예 5)로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 얻었다.

(실시예 6, 7)

알루미나 섬유 대신에 실리카-알루미나 섬유 (실시예 6: 평균 섬유 직경: 3 ㎛, 평균 섬유 길이: 1 mm), 실리카-알루미나 섬유 (실시예 7: 평균 섬유 직경: 3 ㎛, 평균 섬유 길이: 20 mm)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 얻었다.

(실시예 8)

초조 시트 A₁과 동일한 형상이고, 두께가 2 mm인 초조 시트 A₂를 사용하고, 적층할 초조 시트 A₂를 75장으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 얻었다.

(실시예 9)

초조 시트 A₁과 동일한 형상이고, 두께가 15 mm인 초조 시트 A₃을 사용하고, 적층할 초조 시트 A₃을 10장으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 얻었다.

(실시예 10)

실시예 1과 동일한 초조 시트 A₁을 75장 제조함과 동시에 구멍의 크기를 4.0 mm × 4.0 mm로 하고, 초조 시트 A₁과 동일한 초조 시트 A₄를 75장 제조하고, 이들을 교대로 적층한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 얻었다.

(실시예 11)

실시예 1과 동일한 초조 시트 A₁을 75장 제조함과 동시에 구멍의 크기를 3.5 mm × 3.5 mm로 하고, 초조 시트 A₁과 동일한 초조 시트 A₅를 75장 제조하고, 이들을 교대로 적층한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 얻었다.

(비교예 1)

실시예 1과 마찬가지로 (1) 무기 섬유에 촉매를 부여하는 공정, (2) 초조용 슬러리의 제조 공정을 행하고, 이어서 구멍이 뚫려있지 않은 144 mm × 150 mm의 메쉬로 떠서, 얻어진 것을 150 ℃에서 건조하여 144 mm × 150 mm × 2 mm의 초조 시트 C를 얻었다. 또한, 초조 시트 C를 144 mm × 4.5 mm × 2 mm로 절단하여 초조 시트 D를 제조하였다.

(4) 적층 공정

초조 시트 D를 144 mm × 2 mm의 면이 접하도록 하고, 초조 시트 C의 표면에 4.5 mm 간격으로 무기 접착제에 의해 접착시켜 144 mm × 150 mm × 6.5 mm의 적층용 시트를 제조하였다. 또한, 이 적층용 시트를 무기 접착제에 의해 접착시켜 144 mm × 150 mm × 145 mm의 사각기둥 형상의 벌집형 구조체를 제조하였다.

그 후, 최종적으로 직경 143.8 mm의 원기둥 형상이 되도록 외주의 절삭 가공 및 외주에 무기 접착제를 사용하여 밀봉재 도포를 행함으로써 4.5 mm × 4.5 mm의 관통 구멍이 형성된 원기둥 형상의 벌집형 구조체를 얻었다.

이어서, 일 말단에 밀봉용 금구가 부착된 케이싱 (원통형의 금속 용기) 내에 초조 시트 B를 3장 적층한 후, 얻어진 원기둥 형상의 벌집형 구조체를 압입하고, 추가로 초조 시트 B를 3장 적층하고, 마지막으로 케이싱의 다른 말단에 밀봉용 금구를 부착하고 고정함으로써 직경 143.8 mm, 길이 150 mm의 벌집형 구조체를 얻었다.

(비교예 2)

(1) 평균 입경 10 ㎛의 α형 탄화규소 분말 80 중량％와, 평균 입경 0.5 ㎛의 β형 탄화규소 분말 20 중량％를 습식 혼합하고, 얻어진 혼합물 100 중량부에 대하여 유기 결합제 (메틸 셀룰로오스) 5 중량부, 물 10 중량부를 첨가하고 혼련하여 혼련물을 얻었다. 이어서, 상기 혼련물에 가소제와 윤활제를 소량 첨가하여 더 혼련한 후, 압출 성형하여 생성형체를 제조하였다.

이어서, 상기 생성형체를 마이크로파 건조기를 사용하여 건조시키고, 상기 생성형체와 동일한 조성의 페이스트를 소정의 관통 구멍에 충전한 후, 다시 건조기를 사용하여 건조시킨 후, 400 ℃에서 탈지하고, 상압의 아르곤 분위기 하에 2200 ℃, 3 시간 동안 소성하여, 그 크기가 33 mm × 33 mm × 150 mm이고, 관통 구멍의 개수가 3.1개/㎠, 격벽의 두께가 2 mm인 탄화규소 소결체를 포함하는 다공질 세라 믹 부재를 제조하였다.

(2) 섬유 길이 0.2 mm의 알루미나 섬유 19.6 중량％, 평균 입경 0.6 ㎛의 탄화규소 입자 67.8 중량％, 실리카 졸 10.1 중량％ 및 카르복시메틸 셀룰로오스 2.5 중량％를 포함하는 내열성의 접착제 페이스트를 사용하여 상기 다공질 세라믹 부재를 다수 개 결속시키고, 계속해서 다이아몬드 절삭기를 사용하여 절단함으로써, 직경이 141.8 mm인 원기둥 형상의 세라믹 블럭을 제조하였다.

이어서, 무기 섬유로서 알루미나 실리케이트를 포함하는 세라믹 섬유 (쇼트(shot) 함유율: 3 ％, 섬유 길이: 0.1 내지 100 mm) 23.3 중량％, 무기 입자로서 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량％, 무기 결합제로서 실리카 졸 (졸 중 SiO₂의 함유율: 30 중량％) 7 중량％, 유기 결합제로서 카르복시메틸 셀룰로오스 0.5 중량％ 및 물 39 중량％를 혼합, 혼련하여 밀봉재 페이스트를 제조하였다.

이어서, 상기 밀봉재 페이스트를 사용하여 상기 세라믹 블럭의 외주부에 두께 1.0 mm의 밀봉재 페이스트층을 형성하였다. 그리고, 이 밀봉재 페이스트층을 120 ℃에서 건조하여 원기둥 형상의 벌집형 구조체를 제조하였다. 그 후, 종래의 방법으로 이 벌집형 구조체에 Pt를 5 g/ℓ 부착시켰다.

(비교예 3)

(1) 알루미나 섬유 (평균 섬유 직경: 5 ㎛, 평균 섬유 길이: 0.3 mm) 65 중량％와, 실리카 졸 30 중량％, 유기 결합제 (메틸 셀룰로오스) 3 중량％, 가소제와 윤활제를 각각 1 중량％씩 첨가하여 혼합 및 혼련한 후, 압출 성형하여 생성형체를 제조하였다.

이어서, 상기 생성형체를 마이크로파 건조기를 사용하여 건조시키고, 상기 생성형체와 동일한 조성의 페이스트를 소정의 관통 구멍에 충전한 후, 다시 건조기를 사용하여 건조시킨 후, 400 ℃에서 탈지하고, 상압의 아르곤 분위기 하에 1200 ℃, 3 시간 동안 소성하여, 그 크기가 직경 143.8 mm × 길이 150 mm이고, 관통 구멍의 개수가 3.1개/㎠, 격벽의 두께가 2 mm인 벌집형 구조체를 제조하였다.

(2) 그 후, 종래의 방법 (Pt를 담지한 알루미나 슬러리에 벌집형 구조체를 침지하는 방법)으로 이 벌집형 구조체에 Pt를 5 g/ℓ 부착시켰다.

(평가 방법)

(1) 입자의 내부로의 침투도 관찰

촉매를 담지하고 있지 않은 것 이외에는, 실시예 및 비교예와 동일한 벌집형 구조체를 제조하고, 각각의 실시예 및 비교예에 따른 벌집형 구조체를 필터로서 엔진의 배기 통로에 배설하여 배기 가스 정화 장치로 하였다. 그리고, 상기 엔진을 회전수 3000 분^-1, 토크 50 Nm에서 10 분 동안 운전하고, 길이 방향에 수직인 면에서 절단한 후, 입자가 어느 정도까지 내부에 도달하고 있는 지를 주사형 전자 현미경 사진 (SEM)으로 관찰하여 어느 부분까지 입자가 도달하고 있는 지를 결정하였다. 하기 표 2에는 내부 도달도로서 나타내고 있다.

(2) 재생 처리에 대한 관찰

촉매를 담지하고 있지 않은 것 이외에는, 실시예 및 비교예와 동일한 벌집형 구조체를 제조하고, 각각의 실시예 및 비교예에 따른 벌집형 구조체를 필터로서 엔진의 배기 통로에 배설하여 배기 가스 정화 장치로 하였다. 그리고, 상기 엔진을 회전수 3000 분^-1, 토크 50 Nm에서 필터에 8 g/ℓ의 입자가 수집될 때까지 운전한 후, 입자를 연소시키는 재생 처리를 실시하였다.

여기서, 실시예 1 내지 11의 벌집형 구조체에서는 재생시에 필터 내의 온도를 배기 가스 유입측으로부터 20 mm 떨어진 곳에 있는 시트의 전후와, 배기 가스 유출측으로부터 20 mm 떨어진 곳에 있는 시트의 전후에서 측정하였다. 그리고, 각각의 위치에서 시트 1장 당 길이 방향에 발생하는 온도 차이를 산출하였다. 또한, 비교예 1 내지 3의 벌집형 구조체에서는 배기 가스 유입측으로부터 20 mm 떨어진 곳과, 배기 가스 유출측으로부터 20 mm 떨어진 곳에서 온도를 측정하였다. 그리고, 벌집형 구조체의 길이 방향에 발생하는 온도 차이를 산출하였다.

또한, 상술한 8 g/ℓ의 입자의 수집과 재생 처리를 100회 반복한 후, 벌집형 구조체를 길이 방향에 수직인 면에서 절단하여 균열 발생의 유무를 주사형 전자 현미경 사진 (SEM)으로 관찰하였다.

(3) 압력 손실의 증가에 대한 관찰

각각의 실시예 및 비교예에 따른 필터를 엔진의 배기 통로에 배설하여 배기 가스 정화 장치로 하고, 상기 엔진을 회전수 1200 분^-1, 토크 10 Nm에서 100 분 동안 운전하고, 입자 수집량과 압력 손실을 측정하였다.

(4) 벌집형 구조체의 기공율

벌집형 구조체의 기공율을 중량 기공율 측정법에 의해 측정하였다.

제조 조건 및 평가 결과를 하기 표 1 및 2에 나타낸다.

표 1 및 2에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 실시예에 따른 벌집형 구조체에서는, 벌집형 구조체를 구성하는 무기 섬유는 관통 구멍 (유저공)의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있기 때문에, 관통 구멍 (유저공)의 형성 방향에 평행인 면을 따라 더 많이 배향되어 있는 비교예 1에 따른 벌집형 구조체나 세라믹 입자를 소성하여 제조한 벌집형 구조체 (비교예 2)와 비교하여 입자가 벌집형 구조체의 내부로 더 깊이 도달하고 있다.

도 6 및 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 벌집형 구조체의 배기 가스가 유입되는 관통 구멍으로부터 1.5 mm 내부의 벽내 상태를 나타낸 SEM 사진이다. 이들 사진으로부터 명백한 바와 같이, 실시예에 따른 벌집형 구조체에서는 그 부분까지 입자가 도달하고, 수집되어 있는 데 비하여, 비교예 1에 따른 벌집형 구조체에서는 입자가 도달하고 있지 못하였다. 비교예 2에 따른 벌집형 구조체에 대해서는, 도면을 생략한다.

또한, 실시예에 따른 벌집형 구조체에서는 세라믹 입자를 소성하여 제조한 벌집형 구조체 (비교예 2)와 비교하여 기공율을 높게 할 수 있었기 때문에, 초기 압력 손실, 6 g/ℓ 수집시의 압력 손실이 낮아지고 있다.

상기 표 2에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 실시예에 따른 벌집형 구조체에서는 재생시 시트형의 물체 1장 당 발생하는 온도 차이는 1 내지 25 ℃였다.

이에 비해, 비교예에 따른 벌집형 구조체에서는 재생시 벌집형 구조체에 발생하는 온도 차이가 170 내지 195 ℃였다.

그 때문에, 상기 표 2에도 나타낸 바와 같이 비교예에 따른 벌집형 구조체에서는, 재생 처리 후에 균열이 관찰된 데 비하여, 실시예에 따른 벌집형 구조체에서는 재생 처리 후에도 균열은 관찰되지 않았다.

또한, 실시예에 따른 벌집형 구조체에서는 세라믹 입자를 소성하여 제조한 벌집형 구조체 (비교예 2)와 비교하여 기공율을 높일 수 있었기 때문에, 초기 압력 손실 및 입자 수집시의 압력 손실이 낮아져 있었다.

또한, 실시예 10 및 11에 따른 벌집형 구조체에서는 벽부의 표면에 요철이 형성되어 있고, 이러한 벌집형 구조체에서는 입자 수집 후의 압력 손실이 낮아진다는 것이 분명해졌다.

도 1의 (a)는 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체를 모식적으로 나타내는 사시도이고, (b)는 (a)에 나타낸 벌집형 구조체의 A-A선을 따라 자른 단면도이다.

도 2의 (a)는 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체를 구성하는 초조 시트를 모식적으로 나타낸 사시도이고, (b)는 (a)에 나타낸 초조 시트를 적층하여 벌집형 구조체를 제조하는 형태를 나타내는 사시도이다.

도 3은 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체를 사용한 배기 가스 정화 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.

도 4는 종래의 벌집형 필터를 모식적으로 나타내는 사시도이다.

도 5의 (a)는 도 4에 나타낸 벌집형 필터를 구성하는 다공질 세라믹 부재를 모식적으로 나타내는 사시도이고, (b)는 (a)에 나타낸 다공질 세라믹 부재의 B-B선을 따라 자른 단면도이다.

도 6은 실시예 1에 따른 벌집형 구조체의 관통 구멍으로부터 1.5 mm 내부의 상태를 나타낸 SEM 사진이다.

도 7은 비교예 1에 따른 벌집형 구조체의 관통 구멍으로부터 1.5 mm 내부의 상태를 나타낸 SEM 사진이다.

도 8의 (a)는 벌집형 구조체를 모식적으로 나타내는 정면도이고, (b)는 (a)에 나타낸 벌집형 구조체의 B-B선을 따라 자른 단면도이다.

도 9의 (a)는 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체의 다른 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이고, (b)는 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체의 또 다른 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10, 20 벌집형 구조체

10a, 10b 초조 시트

11 유저공 (관통 구멍)

13 벽부

23 케이싱

200 배기 가스 정화 장치

본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체에서는, 무기 섬유가 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있기 때문에, 기공율을 높이면 벌집형 구조체의 내부를 포함하여 더 많은 촉매를 벌집형 구조체에 부착시키고, 유해 가스의 정화 기능을 증대시킬 수 있으며, 초기의 압력 손실을 저감할 수 있고, 동시에 입자를 벽 내부를 따라 심층 여과하기 쉬워지고, 벽부 표면에서 케이크층이 형성되는 것을 억제하며, 입자 수집시의 압력 손실의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 측면에 따른 벌집형 구조체는 구성 재료로서 무기 섬유를 사용하기 때문에, 기공율을 높게 하여도 충분한 강도를 확보할 수 있다.

또한, 무기 섬유에 촉매를 부착시킨 경우에는, 무기 섬유가 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직에 가까운 방향으로 배향되어 있는 비율이 높아지면 배기 가스가 무기 섬유의 배향 방향에 평행하게 흐르는 비율이 높아지고, 그 때문에 입자가 무기 섬유에 부착된 촉매와 접촉하는 기회가 증가하여 입자가 연소하기 쉬워진다.

또한, 기공율을 높게 하면 열용량이 작아지고, 엔진으로부터의 배기열에 의해 촉매의 활성 온도까지 벌집형 구조체의 온도를 용이하게 높일 수 있다. 그 때문에, 효율적으로 배기열을 재생 및 정화에 이용할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 주된 구성 재료로서 무기 섬유를 사용하기 때문에, 충분한 강도를 갖는 기공율이 높은 벌집형 구조체를 실현할 수 있다. 그 때문에, 압력 손실을 낮출 수 있고, 동시에 입자가 무기 섬유에 부착된 촉매와 접촉하는 기회가 증가하여 입자를 용이하게 연소시킬 수 있다. 또한, 열용량이 작기 때문에 내연 기관으로부터 배출되는 배기열에 의해 조기에 촉매의 활성 온도까지 상승시킬 수 있다. 특히, 필터를 엔진 바로 아래에 배치하고, 그 배기열을 유효하게 이용하는 형태로 사용하는 경우에 유리하다고 생각된다.

또한, 엔진 바로 아래에 배치하는 경우 필터의 공간이 매우 한정되고, 필터의 형상도 복잡해질 수 있지만, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 길이 방향에 적층하여 이루어지기 때문에, 용이하고 재료의 낭비가 없게 대응할 수 있 다.

또한, 재생 처리 등을 할 때에 입자의 연소에 따라 필터의 길이 방향에는 큰 온도 차이가 발생하고, 그에 따라 필터에 큰 열응력이 걸리지만, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 길이 방향에 적층되어 이루어지기 때문에, 필터 전체에는 큰 온도 차이가 발생해도 각각의 단위체 당 발생하는 온도 차이는 작고, 그것에 의한 열응력도 작기 때문에 균열 등의 손상이 발생하기 매우 어렵다고 생각된다. 특히 상술한 바와 같은 복잡한 형상의 필터에서는 형상 때문에, 열응력에 대해 매우 약해지지만, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체에서는 복잡한 형상에서도, 상기한 이유로 균열 등의 손상이 발생하기 매우 어렵다고 생각된다.

또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 성형 전에 구성 재료인 무기 섬유에 촉매를 부여할 수 있기 때문에, 촉매를 보다 균일하게 분산시킨 상태로 부착시킬 수 있다. 또한 길이 방향에 적층되어 이루어지기 때문에, 길이 방향에 대한 촉매의 분산도 및 촉매 종류를 용도에 맞게 자유롭게 조합하여 적층시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 재생 처리 및 유해 가스의 정화 기능을 증대시킬 수 있다고 생각된다.

또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 벌집형 구조체는 다른 단위체를 교대로 또는 불규칙하게 적층함으로써 벌집형 구조체 벽부의 표면에 요철을 용이하게 형성할 수 있다. 그리고, 벽부의 표면에 요철을 형성함으로써 여과 면적이 증가하여 입자를 수집했을 때의 압력 손실을 줄일 수 있다고 생각된다. 또한, 요철에 의해 배기 가스의 흐름이 난류가 되어, 필터 내의 온도 차이를 작게 하여 열응력에 의한 균열 등의 손상을 방지할 수 있다고 생각된다.

또한, 본 발명의 제3 측면에 따른 벌집형 구조체의 제조 방법으로 본 발명의 제1 및 제2 측면에 따른 벌집형 구조체를 바람직하게 제조할 수 있다.

Claims

주성분으로 무기 섬유를 포함하고, 다수 개의 관통 구멍이 벽부를 사이에 두고 길이 방향에 병설된 기둥상의 벌집형 구조체이며, 상기 벌집형 구조체를 구성하는 무기 섬유는 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 평행인 면과 비교하여, 상기 관통 구멍의 형성 방향에 대하여 수직인 면을 따라 더 많이 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 벌집형 구조체.
제1항에 있어서, 길이 방향에 대하여 관통 구멍이 중첩되도록 적층되어 이루어지는 벌집형 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관통 구멍의 단부 중 어느 한 쪽이 봉지되어 이루어지는 벌집형 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 기공율이 60 내지 98 용량％인 벌집형 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기 섬유에 촉매가 담지되어 있는 벌집형 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 배기 가스 정화 장치용 필터로서 기능하는 벌집형 구조체.
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