KR100765672B1 - 배기 가스중의 미립자 제거 장치 및 필터 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포집된 배기 가스중의 미립자를 단시간에 효율적으로 연소할 수 있는 구조가 단순하여 제어가 용이한 미립자 제거 장치(10)를 제공한다. 이 미립자 제거 장치는 배기 가스를 유통시키는 비자성제 재료의 하우징(12)내에, 배기 가스중의 미립자를 포집하는 필터 유닛(14)을 배치한다. 하우징(12)의 외주부에 권회된 워킹 코일(18)에 고주파 전류를 공급함으로써, 이 필터 유닛(14)에 배치된 지지 플레이트(28)를 유도 가열하고, 필터 유닛(14)내에 포집된 미립자를, 이 때 발생하는 열로 연소시킨다.

Description

배기 가스중의 미립자 제거 장치 및 필터 유닛{APPARATUS FOR REMOVING FINE PARTICLES IN EXHAUST GAS}
본 발명은 디젤 기관, 보일러 혹은 소각 화로 등의 배기 가스중의 미립자, 특히 가연성의 미립자를 제거하는 미립자 제거 장치 및 이를 채용하는 필터 유닛(filter unit)에 관한 것이다.
디젤 기관으로부터 배출되는 유해 미립자를 포집하는 여러 가지 형식의 디젤 배기 미립자 필터(DPF)가 개발되어 있다.
예를 들면 일본 특허 공개 공보 제 1996-326522 호에는, 비자성 재료제의 파이프와, 이 비자성 재료제의 파이프내에 배치되고, 다수의 금속판 혹은 소경 금속 파이프 등의 금속제 부재를 규칙적으로 배열하여 다수의 가늘고 긴 배기 가스 통로를 형성한 금속 필터와, 이 비자성 재료제의 파이프 외주에 배치되고, 고주파 전류를 공급하는 코일을 구비한 DPF가 개시되어 있다.
이 장치로는, 코일에 고주파 전류를 공급하는 것에 의해, 금속 필터의 가늘고 긴 배기 가스 통로를 구획하는 다수의 금속제 부재의 표면에 와전류를 생기게 하고, 이 와전류에 의한 쥴(joule) 열로 금속제 부재를 약 600℃ 이상의 고온으로 가열한다. 배기 가스가, 이들의 가늘고 긴 배기 가스 통로내를 흐를 때, 배기 가스중의 가연성 미립자가 가늘고 긴 배기 가스 통로를 구획하는 고온의 금속제 부재에 접촉하여 연소된다.
그러나, 이 DPF는, 운전중, 코일에 항상 고주파 전류를 공급하기 위해서, 많은 전력을 소비한다. 또한, 배기 가스중의 가연성 미립자를 효율적으로 연소시키기 위해서, 배기 가스 통로를 길게 형성하면, 장치 전체가 대형화를 증가시키고, 가열에 필요한 에너지가 증대하며, 효율적으로 연소시킬 수 없다.
또한, 「ECO INDUSTRY」(CMC 출판사, 2001년 2월, 페이지 12-18)에는, 세라믹 섬유에서 형성한 펠트(felt)를 양측에서 철망 히터로 끼워서 판형상으로 형성하고, 이 판형상에 형성한 펠트 및 히터를 다수 장 조합하여 주름 형상의 필터 요소(filter element)에 성형하고, 이것을 케이싱내에 수용한 DPF가 개시되어 있다. 이 DPF는 병렬로 2개 배치되고, 상류측에 설치한 제어 밸브로 배기 유로를 전환하고, 한 쪽으로 미립자를 포집하고 있는 사이에, 다른 쪽을 재생하고, 이로써 항상 포집할 수 있다. 이 DPF의 재생은 각 필터 요소의 철망 히터에 관통하고, 펠트내에 포집된 미립자를 연소함으로써 수행된다.
이 주름 형상의 필터 요소를 갖는 DPF는 재생시의 열응력에 의한 필터 요소의 파손을 방지하는 동시에, 연료 물성에 좌우되지 않고 미립자의 포집 재생이 가능한 점에서 극히 유익한 것이기는 하지만, 그러나 가는 금속제의 철망 히터를 세라믹 섬유제의 펠트의 표면에 배치하고 있기 때문에, 이 철망 히터는 항상 배기 가 스에 바래지는 동시에, 재생시에는 극히 고온에 가열된다. 이 때문에, 철망 히터를 형성하는 와이어가 단선할 우려가 있다. 또한, 2개의 DPF를 교대로 포집 재생에 이용하기 위해서, 구조 및 연소 제어가 극히 복잡하게 된다.
이 때문에, 조밀한 구조이면서, 배기 가스중의 가연성 미립자를 효율적으로 제거할 수 있는 PDF의 개발이 소망되고 있다.
발명의 요약
본 발명은, 상술한 바와 같은 사정에 근거하여 이루어진 것으로, 포집한 배기 가스중의 가연성 미립자를 단시간에 효율적으로 연소할 수 있는 구조가 간단하여 제어가 용이한 미립자제 거 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르면, 배기 가스를 유통시키는 비자성 재료제의 하우징내에, 배기 가스중의 미립자를 포집하는 포집 장치를 배치하고, 상기 하우징의 외주부에 권회된 코일에 고주파 전류를 공급함으로써, 이 포집 장치에 배치한 가열 부재를 유도 가열하고, 포집 장치에 집적된 미립자를 이 때에 발생하는 열로 연소시키는 배기 가스중의 미립자 제거 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 외주부에 코일을 권회하고 또 배기 가스를 유통시키는 비자성 재료제의 하우징내에 배치되고, 배기 가스중의 미립자를 포집하는 필터 유닛으로서, 한쪽으로부터 유입한 배기 가스를 다른 쪽으로 유출 가능하여, 포집한 미립자를 지탱하는 다공성 지지 플레이트를 갖고, 이 지지 플레이트는 상기 코일에 고주파 전류를 공급했을 때에 유도 가열되는 가열 부재에 의해 포집한 미립자를 연소하는 필터 유닛이 제공된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미립자 제거 장치의 설명도,
도 2는 다른 실시예에 따른 미립자 제거 장치의 설명도,
도 3은 도 2의 미립자 제거 장치를 디젤 발전기에 설치한 상태의 설명도,
도 4a 및 도 4b는 미립자 제거 장치를 설치하지 않는 상태와 설치한 상태의 매연 테스터(smoke tester)의 측정 상태를 도시하는 설명도,
도 5a는 다른 실시예에 따른 필터 유닛의 부분 단면도,
도 5b는 도 5a의 B-B선에 따른 도면.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미립자 제거 장치(10)를 도시한다.
이 미립자 제거 장치(10)는, 예를 들면 질화 규소 등의 세라믹 재료로 형성한 비자성 재료제의 원통형 하우징(12)내에, 배기 가스중의 미립자를 포집하는 포집 장치로서 2개의 필터 유닛(14)을 축방향으로 간격을 두어 배치하고, 이들 필터 유닛(14)을 본 실시예에서는 2개의 지지 축(16)으로 연결하고 있다. 또한, 하우징(12)의 외측에는, 예를 들면 리츠(Ritz)선 혹은 공중 구조의 소경 금속관을 권회하여 형성한 워킹 코일(working coil)(18)을 배치하고 있고, 이 워킹 코일(18)에, 고주파 인버터를 구비한 고주파 전원(20)으로부터, 예를 들면 lkHz 내지 100kHz의 범위로, 바람직하게는 약 15kHz 내지 40 kHz의 고주파 전류를 공급하고, 필터 유닛(14)의 후술하는 가열 부재를 유도 가열할 수 있다. 고주파 전류의 주파수가 15kHz보다도 지나치게 낮으면 가청음이 발생하고, 반대로 100kHz보다도 지나치게 높으면 표피 효과에 의해, 자력선이 하우징(12)의 심부(深部), 즉 중심부 가까이까지 도달하기 어려워진다.
이 미립자 제거 장치(10)에는, 예를 들면 디젤 기관, 보일러 혹은 소각 화로 등으로부터 배출된 배기 가스가, 이 하우징(12)의 일단부의 입구(22)로부터 화살표(G1)의 방향을 따라서, 하우징(12)의 내부 유로(24)내에 유입한다. 배기 가스중의 미립자는 2개의 필터 유닛(14)에서 포집되어, 미립자를 제거된 배기 가스가 출구(26)로부터 화살표(G2)의 방향으로 배출된다.
또한, 필터 유닛(14)은, 도시와 같이 2개에 한정되지 않고, 1개만 혹은 3개 이상이어도 좋다. 어느 경우도, 필터 유닛(14)은 워킹 코일(18)을 권회한 범위내, 즉 자력선의 도달 범위내에 배치한다. 복수의 필터 유닛(14)을 배치할 경우에는, 각 필터 유닛(14)에 대응시켜서 복수의 워킹 코일(18)을 배치해도 좋다. 또한, 복수의 필터 유닛(14)을 연결하는 지지 축(16)은 각 필터 유닛(14)의 위치 및 간격을 유지할 수 있는 것이면 적당한 위치에 배치할 수 있고, 도시와 같이 중앙부에 한정하지 않고, 주연부에 근접한 위치에서 서로 격리시켜서 배치해도 좋다.
본 실시예의 필터 유닛(14)은, 상술한 워킹 코일(18)에서 유도 가열되는 가열 부재로서, 예를 들면 SUS430 등의 금속판에 다수의 구멍을 천공하여 형성한 한쌍의 디스크 형상의 다공성 지지 플레이트(28)를 구비하고, 이 지지 플레이트(28) 사이에, 예컨대 약 600℃ 이상의 미립자 연소 온도에 견디는 세라믹 섬유제 필터(30)를 배치한 샌드위치 구조를 갖는다. 이 세라믹 섬유제 필터(30)는 분쇄형 치라노(chirano) 섬유층(32) 사이에 블랭킷(blanket) 형상 섬유층(34)을 끼운 적층 구조를 갖는다. 이 분쇄형 치라노 섬유층(32)을 형성하는 분쇄형 치라노 섬유는 실리콘, 티탄 또는 지르코늄, 탄소, 산소로 이루어지는 세라믹 연속 섬유인 것이 바람직하고, 여러 가지의 필라멘트 직경을 갖는 시판의 것을 이용할 수 있다. 또한, 블랭킷 형상 섬유층(34)을 형성하는 블랭킷은 세라믹 섬유를 적층하면서 니들(needle) 가공한 것을 이용하는 것이 바람직하고, 시판의 산화 알루미늄 및 산화 규소를 주성분으로 한 것을 이용할 수 있다.
이러한 세라믹 섬유제 필터(30)는 분쇄형 치라노 섬유층(32) 사이에 블랭킷 형상 섬유층(34)을 키운 3층 구조에 한정하지 않고, 어느 쪽이 1개의 세라믹 섬유만으로 형성해도 좋고, 더구나 4층 이상으로 적층해도 좋다. 도시한 실시예와 같은 3층 혹은 5층의 홀수층 구조로 할 경우에는, 필터 유닛(14)의 어느 쪽의 다공성 지지 플레이트(28)로부터 배기 가스를 유입시켜도 좋고, 전후 방향의 특정이 불필요하기 때문에, 조립이 용이하게 된다. 더욱이, 세라믹 섬유제 필터(30)가 두껍게 될 경우에는, 그 중간부에 지지 플레이트(28)와 같은 금속제 부재(도시하지 않음)를 배치하는 것도 가능하다. 한편, 1개의 다공성 지지 플레이트(28)만으로도 소요의 온도로 유도 가열할 수 있을 경우에는, 어느 쪽이 1개의 지지 플레이트(28)만을 유도 가열용의 금속제 부재로서 형성해도 좋다.
이러한 미립자 제거 장치(10)의 입구(22)로부터 유입한 배기 가스는 내부 유로(24)를 흘러서 출구(26)로부터 배출되는 사이에, 필터 유닛(14)을 통과한다. 배기 가스는 이 필터 유닛(14)의 한쪽의 다공성 지지 플레이트(28)의 구멍으로부터 세라믹 섬유제 필터(30)를 통과시켜서 다른 쪽의 다공성 지지 플레이트(28)로 배출되고, 예를 들면 그을음 형상 혹은 눈으로 보이지 않는 미립자가 이 세라믹 섬유제 필터(30)에 트랩된다.
필터 유닛(14)에 다량인 미립자가 트랩되고, 입구(22)와 출구(26)의 압력차가 미리 설정한 값 이상으로 하면, 고주파 전원(20)으로부터 워킹 코일(18)에 고주파 전류가 통전(通電)된다. 이 압력차의 값은 디젤 기관, 보일러 혹은 소각로 등의 통상 운전의 효율을 저하시키지 않는 정도의 크기로 설정하는 것이 바람직하다.
워킹 코일(18)이 전류가 통전되면, 필터 유닛(14)의 다공성 지지 플레이트(28)에 와전류가 흐르고, 저항 성분에 의한 쥴 열에 의해 단시간에 고온(약 600℃)으로 가열된다. 이 열에 의해, 필터 유닛(14)내에 트랩된 배출 미립자(대부분을 가연성 입자가 차지함)는 단시간에 연소하고, 이로써 필터 유닛(14)이 재생된다. 이것는 배기 가스중의 근소한 산소에서도 고온으로 효율적으로 배출 미립자를 연소시키기 위해서이다. 지지 플레이트(28) 사이에 금속 플레이트가 배치되어 있는 경우에는, 이 금속 플레이트도 지지 플레이트(28)와 함께 유도 가열되고, 이에 따라 보다 단시간에 배출 미립자를 연소시키는 것도 가능하다.
이 미립자 제거 장치(10)는 종래와 같은 와이어 형상의 전기 히터 및 이들을 접속하는 배선이 불필요하기 때문에, 단선의 우려가 전혀 없다. 또한, 세라믹 섬유제 필터(30)를 지탱하는 금속제의 지지 플레이트(28) 자체가 발열하는 가열 부재로서 형성되어 있기 때문에, 큰 와전류가 흘러도 단선하지 않고, 구조가 극히 단순하면서도, 양측에서 효율적으로 단시간에 고온으로 가열할 수 있다. 더구나, 디젤 기관 등을 운전하면서 재생하는 것도 가능하고, 그 제어도 극히 용이하다. 디젤 기관을 운전하면서 가열 재생하는 경우는, 필터 유닛(14)을 고온으로 유지한 상태에서 가열하기 때문서, 배출 미립자의 연소에 필요한 시간 및 전력이 적어지므로, 그 효율을 보다 높일 수 있다. 특히, 세라믹 섬유제 필터(30)에 트랩된 고밀도의 미립자를 단시간에 연소시키기 때문서, 적은 전력 에너지로 효율적으로 연소할 수 있다.
또한, 워킹 코일(18)로의 통전은 입구(22) 및 출구(26)의 압력차에 한정되지 않고, 소정 시간마다 실행하는 것도 가능하다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 미립자 제거 장치(10A)를 도시한다. 본 실시예도 유도 가열에 의한 그을음형 미립자의 연소 저감의 원리는 상술의 실시예와 같기 때문에, 동일한 부위에는 동일한 부호를 부여하여 그 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예의 미립자 제거 장치(10A)의 필터 유닛(36)은 각각 다수의 펀치 구멍을 형성한 원통형의 외측 지지 플레이트(28a)와 원통형의 내측 지지 플레이트(28b) 사이에 세라믹 섬유제 필터(30)를 배치한 원통형 구조를 갖고, 하우징(12)내에 동축형으로 배치된다. 이들 다공성 지지 플레이트(28a, 28b)는 하우징(12)의 입구(22)측 및 출구(26)측 단부를 각각 스토퍼 부재(38, 40)에 의해 동축형으로 유지된다.
입구(22)측의 스토퍼 부재(38)는 지지 플레이트(28a, 28b) 사이에 형성되는 환상 스페이스, 즉 세라믹 섬유제 필터(30)의 수용 스페이스의 단부를 밀폐하는 동시에, 내측 지지 플레이트(28b)의 단부도 닫히고, 내측 지지 플레이트(28b)의 내부 공간, 즉 축방향 구멍이 하우징(12)의 입구(22)와 연통하는 것을 방지한다. 이 스토퍼 부재(38)는 외주연부가 외측 지지 플레이트(28a)에 고정되고 있고, 이로부터 반경방향 외측으로 돌출하지 않는다. 또한, 출구(26)측의 스토퍼 부재(40)는 지지 플레이트(28a, 28b) 사이에 형성되는 환형 스페이스의 단부를 밀폐한다. 이 출구(26)측의 스토퍼 부재(40)는 내측 지지 플레이트(28b)의 내측의 축방향 구멍을 외부, 즉 하우징(12)의 내부 통로(24)에 연통시키는 개구를 갖고, 외측 지지 플레이트(28a)를 지나서 더욱 반경방향 외측으로 연장된다. 이들 스토퍼 부재(38, 40)는 예를 들면 SUS316 등의 바람직한 판 재료로 형성하는 것이 바람직하다.
이 스토퍼 부재(40)의 외주연부에는, 예를 들면 SUS316 등의 바람직한 비자성 재료로 형성한 원통형의 환상 부재(42)를 보조 가열 부재려서 배치하고 있다. 이 환형 부재(42)는 하우징(12)의 내주면에 밀착하고, 외측 지지 플레이트(28a)와의 사이에 배기 가스 유로(44)를 형성한다.
이 미립자 제거 장치(10A)에서는, 하우징(12)의 입구(22)로부터 유입한 배기 가스(G1)가, 필터 유닛(36)의 환형 부재(42)와 외측 지지 플레이트(28a) 사이에 형성된 환형의 배기 가스 유로(44)로부터 외측 지지 플레이트(28a)의 다수의 펀치 구멍을 통하여 세라믹 섬유제 필터(30)내에 들어간다. 이 세라믹 섬유제 필터(30)로 미립자를 제거한 후, 내측 지지 플레이트(28b)에 형성된 다수의 펀치 구멍으로부터 이 지지 플레이트(38b)의 축방향 구멍에 형성된 배기 가스 유로(46)를 지나고, 출구(26)로부터 배출된다. 참조부호(g)는 배기 가스 유로(46)내의 가스의 흐름을 도시한다.
본 실시예에서는, 도 1에 도시한 실시예에 비해, 배기 가스의 유통 면적을 극히 크게 형성하는 동시에, 배기 가스 유로를 미로 형상으로 형성할 수 있으므로, 미립자의 포집 효율을 증대할 수 있다.
이 미립자 제거 장치(10A)에서는, 필터 유닛(36)을 재생할 때, 외측 지지 플레이트(28a)의 외측에 위치하는 환상 부재가 표피 효과를 이용하고, 단시간에 고온으로 가열되고, 내측의 지지 플레이트(28a, 28b) 사이에 샌드위치 형상으로 끼워진 세라믹 섬유제 필터(30)의 단시간 가열을 돕는 보조 가열 부재로서 작용한다.
상기한 필터 유닛(36)은 원통형으로 형성하는 대신에, 절두 원추형상으로 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 소경측을 입구(22)측 혹은 출구(26)측 중 어느 쪽으로 지향시켜도 좋다. 환형 부재(42)를 입구(22)측으로 직경을 축소하는 절두 원추형상으로 형성하는 경우에는, 다수의 펀치 구멍을 형성하는 것이 바람직하다. 또는, 환형 부재(42)를 생략하는 것도 가능하다.
도 3은 도 2에 도시한 미립자 제거 장치(10A)에 의한 미립자 제거 효과를 확인한 실험 장치의 개요도를 도시한다.
실험에 있어서는, 디젤 발전기(50)로부터 내열 호스(52)로 미립자 제거 장치(10A)의 입구(22)측에 배기 가스를 도입하고, 출구(26)측을 배기관(54)을 거쳐서 대기로 개방했다.
이 실험에서 사용한 디젤 발전기(50)의 수단을 표 1에 도시하고, 매연 테스터(56)의 수단을 표 2에 도시한다. 디젤 기관은, 지정 연료의 경유 대신에, 이것보다도 저질인 A중유를 이용하고, 그을음 형상의 미립자를 많이 포함하는 흑연을 발생시켰다.
[표 1] 발전기의 상세
제조사 : 얀마 디젤 주식회사
기종명칭(형식명) 단위 YDG250A-5E
발 전 기 형식 자여식 회전 계자형 교류 발전기 콘덴서 보상식 브러시리스
주파수 Hz 50
정격 출력 kVA 2.0
정격 전압 V 100
정격 전류 A 20
상수 단상
극수 2
역률(力率) 1.0
엔 진 명칭 L48ADGY5/6
형식 입형 공냉 4사이클 디젤 기관
연소 방식 직접 분사식
실린더 직경×행정 ㎜ φ70×55
총 행정 용적 ℓ 0.211
출 력 연속 정격 kW/rpm 2.8/3000
최대 kW/rpm 3.1/3000
[표 2] 디젤 매연 메터 (닛산 알티아 가부시키 가이샤)
상품 번호 ED1949
규격 ST-100N
차륜성형식 인정 번호 DS-7
측정 원리 여과지 반사식
측정 범위 0∼100%(오염도)
측정 정도 풀 스케일의 ±3%
응답 속도 2초 이내
전원 AC100V 50/60Hz
본체 외형 치수 400(높이)×445(폭)×300(길이) [㎜]
중량 약 13kg
또한, 미립자 제거 장치(10A)는 하우징(12) 및 원통형 부재(42) 각각의 외경을 약 100㎜, 98㎜로 하고, 외측 및 내측 지지 플레이트(28a, 28b)의 외경을 각각 약 70㎜, 50㎜로 형성하고, 워킹 코일(18)은 대략 4㎜ 직경의 동(銅)제의 중공 가는 관으로 형성하고, 거의 300㎜의 축방향 길이로 걸쳐 권회하였다.
배기 가스중의 그을음 등을 포함하는 배출 미립자의 농도는 배기관(54)의 출구부분에서, 매연 테스터(56)로 계측했다. 이 실험에서는, 미립자 제거 장치(10A)에 의한 미립자 제거 효과의 확인과, 유도 가열에 의한 미립자 제거 장치(10A)의 재생 효과의 확인을 2번 수행했다.
도 4a 및 도 4b는 미립자 제거 장치(10A)에 의한 미립자 제거 효과를 도시한다.
도 4a는 필터 없는 경우의 배기 가스의 매연 테스터에 의한 흑연 농도(84%)를 도시하고, 도 4b는 미립자 제거 장치(10A)를 통과시켰을 때의 농도(0.12%)를 개략적으로 도시한다.
표 3은 미립자 제거 장치(10A)를 설치하지 않았을 때의 매연 테스터(56)에 의한 계측 결과를 도시한다. 이 표 3에 나타낸 측정 결과로부터, 흑연 농도 미립자 제거 장치(10A)를 설치하지 않았을 때의 흑연 농도를 기준(100%)으로 하면, 미립자 제거 장치(1OA)를 통과시켰을 때의 그을음형 미립자 저감율은 거의 100%의 고효율을 실현한다. 여기에서, 그을음형 미립자 저감율은 다음 관계식 (1)으로 정의한다. 즉, 관계식 (1)은,
그을음형 미립자 저감율(%) = {1-(미립자 제거 장치(10A)를 설치했을 때의 흑연 농도)/(미립자 제거 장치(10A)를 설치하지 않았을 때의 흑연 농도)}×100으로 나타난다.
[표 3] 필터가 없을 때의 흑연 농도
1번째 2번째 3번째 평균
매연 테스터 흑연 농도 84% 84% 83% 83.67%
또한, 표 4는 유도 가열에 의한 미립자 제거 장치(10A)의 재생 효과를 도시한다.
이 실험에서는, 미립자 제거 장치(10A)를 유도 가열에 의해 재생한 후, 디젤 기관을 5회 시동하고, 각각의 시동시에 있어서의 그을음형 미립자를 포집했다. 그리고, 그 포집한 그을음형 미립자를 유도 가열에 의해 연소하고, 이 미립자 제거 장치(10A)를 재생한 후, 2번째 디젤 기관 시동시의 그을음형 미립자를 포집한 결과이다. 또한, 그을음형 미립자 저감율은 상기 관계식 (1)에 근거하여 산출했다.
[표 4] 원통형 필터를 설치했을 때의 흑연 농도
디젤 기관 시동 회수 평균값 그을음형 미립자 저감율
1번째 2번째 3번째 4번째 5번째
매연 테스터 흑연 농도 유도 가열전 1% 0% 0% 0% 0% 0.2% 99.8%
1번째 유도 가열 처리 후 0% 0% 0% 0% 0% 0% 100%
2번째 유도 가열 처리 후 2% 0% 0% 0% 0% 0.4% 99.5%
3번째 유도 가열 처리 후 0% 0% 0% 0% 0% 0% 100%
4번째 유도 가열 처리 후 0% 0% 0% 0% 0% 0% 100%
이상으로부터 명확한 바와 같이, 유도 가열을 이용하여 재생하는 필터 유닛(14, 36)을 구비하는 미립자 제거 장치(10, 10A)는 종래의 자동차용 DPF와 다르고, 배기 가스와 접촉하는 부분에 와이어 형상 히터와 같은 배선 부분이 전혀 없고, 샌드위치 형상으로 세라믹 섬유제 필터를 지탱하는 지지 플레이트(28)는 비접촉의 유도 가열용 워킹 코일에 고주파 교류를 통전함으로써, 단시간에 고온으로 발열하는 가열 원으로서 작용한다. 이 때문에, 미립자 제거 장치(10, l0A)는 콤팩트한 구조로, 가열 부재의 단선의 걱정도 없고, 단시간에 효율적으로 세라믹 섬유제 필터를 가열할 수 있다. 이로써, 배출 미립자를 단시간에 연소시켜서, 용이하게 필터의 재생을 복귀시킬 수 있고, 유지 보수에도 극히 유익하다.
상술한 각 실시예에 따른 미립자 제거 장치에서는, 어느 것이나 상술한 연소온도(약 600℃) 이상의 고온에 견디는 세라믹 섬유 필터(30)를 이용하고 있지만, 상술한 바와 같이 유도 가열되는 지지 플레이트(28, 28a, 28b)로 직접 가열가능한 상태에서 미립자를 포집할 수 있는 것이면, 이것에 한정되지 않고 다른 포집 부재 혹은 포집 장치를 이용하는 것이 가능한 것은 명확하다. 예를 들면, 지지 플레이트(28, 28a, 28b)의 구멍 직경을 예컨대 10㎛ 정도로 형성함으로써, 이 지지 플레이트(28, 28a, 28b)로 직접 포집하고, 가열 재생시킬 때까지 이 포집한 미립자를 지지 혹은 유지시켜 두는 것도 가능하다. 이 경우에는, 1개의 지지 플레이트만으로 포집 장치 혹은 필터 유닛(14, 36)을 형성할 수 있다.
또한, 포집 부재인 필터 자체를 발열시켜도 좋다. 도 5a 및 도 5b는 필터 자체를 발열가능한 필터 유닛(58)을, 하우징(12) 및 워킹 코일(18)을 생략한 상태에서 도시한다. 이 필터 유닛(58)은 다수의 펀치 구멍을 형성한 원통형의 지지 플레이트(28c)의 외주를 따라서, 금속 섬유를 소결시켜서 형성한 소결 부직포제 필터(60)를 장착한 원통형 구조를 갖는다. 이 필터 유닛(58)은, 더욱이, 지지 플레이트(28c)의 일단측에서 연장되는 원통형의 연장부(62)와, 이 연장부의 선단부로부터 반경방향 외측으로 연장되는 플랜지(64)를 갖고, 지지 플레이트(28c)의 다른 단부측은 닫혀져 있다. 이들 지지 플레이트(28c), 연장부(62) 및 플랜지(64)는, 예컨대 스테인리스강 등의 비자성 금속으로 형성되어 있다. 이 필터 유닛(58)은 플랜지(64)에 형성한 부착 구멍(66)을 거쳐서 하우징(12)에 설치할 수 있다. 소결 부직포제 필터(60)에 작용하는 배기 가스(G1)의 압력은 지지 플레이트(28c)로 지탱하고, 이 소결 부직포제 필터(60)를 배기 가스의 압력으로부터 보호한다.
본 실시예에서는, 이 소결 부직포제 필터(60)는 베칼토아시아 동경 지점으로부터 「베쿠라리」의 상품명으로 입수가능한 금속 섬유로 형성되어 있다. 이 금속 섬유는, 평균값으로서 Cr를 19.50%, A1을 4.55%, Y를 0.25%, 나머지부의 Fe를 주요 성분으로서 포함하는 자성체이고, 최고 사용 온도가 1000℃이다. 이러한 금속 섬유를 소결시킨 소결 부직포제 필터(60)는, 통상 60∼85%의 높은 공극율을 갖고, 저압력 손실이면서 높은 투과 유량을 얻을 수 있다. 이 금속 섬유의 소결품을 스테인리스 분말의 소결품과 비교했을 경우, 여과 입자도 4㎛일 때, 약 14배의 물의 투과 유량을 얻을 수 있다.
이러한 금속 섬유의 소결 부직포제 필터(60)는 배기 가스중으로부터 3차원적으로 이물을 취입할 수 있고, 배기 가스중으로부터의 우수한 이물 포집 능력을 갖는다. 더욱이, 세라믹에 비해 내열성, 기계적 강도가 우수하고, 황화물에 대한 내부식성도 갖고 있다. 따라서, 큰 진동을 받는 선박용 DPF의 필터로서 바람직하다.
이 필터 유닛(58)은 소결 부직포성 필터(60)가 금속 섬유로 형성되어 있기 때문에, 워킹 코일(18)이 고주파 전류에서 여자되면, 지지 플레이트(28c)에 부가하여, 소결 부직포성 필터(60)도 유도 가열된다. 이 때문에, 트랩된 미립자를 극히 효율적으로 연소할 수 있다.
표 5는 이 필터 유닛(58)을 이용한 미립자 제거 장치를 상술한 바와 마찬가지로, 도 3에 도시한 실험 장치에서 실제로 실험한 결과를 도시한다.
[표 5] 입자 포집 실험 결과 (초기 압력 0.06)
엔진 시동 회수 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
흑연 농도 (%) 3.0 1.0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
압력 손실 (㎪) 3.06 3.06 2.96 2.88 2.96 3.32 3.68 4.02 4.60 5.32 5.78 6.28 6.82 7.26
이 실험 결과로부터, 시동 회수가 적을 때에, 즉 압력 손실이 작을 때는, 미량의 흑연을 발생하지만, 그러나 시동 회수가 늘어나면, 압력 손실이 증대하고, 흑연은 발생하지 않는다. 이것은 배기 가스중의 미립자가 소결 부직포제 필터(60)에 포착되어서 퇴적하고, 이 결과 지극히 작은 미립자도 소결 부직포제 필터(60)에 포착되기 때문이라고 사료된다. 그리고, 압력 손실이 4kPa가 되었을 때에, 워킹 코일(18)에 고주파 전류를 공급하고, 필터 유닛(58)을 3분간 가열했다. 이 결과, 가열전은, 그 표면이 까맣던 소결 부직포 필터(60)의 표면이 금속 광택을 회복했다.
이상 명확한 바와 같이, 본 발명의 미립자 제거 장치에 따르면, 지극히 구조가 간단하고 또한 제어도 용이하면서, 포집한 배기 가스중의 미립자를 단시간에 효율적으로 연소할 수 있다. 따라서, 도로 주행용의 트럭, 건설 차량 혹은 선박 등의 디젤 기관뿐만 아니라, 가연성 입자를 포함하는 미립자를 배출할 뿐만 아니라, 보일러 혹은 소각 화로에 대해서도 매우 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 디젤 기관과 보일러와 소각로 중 적어도 하나로부터 배출되는 배기 가스 중의 미립자 제거 장치(10, 10A)에 있어서,
    배기 가스를 유통시키는 비자성 재료제의 하우징(12)과,
    상기 하우징(12)의 외주부에 권회된 코일(18)과,
    상기 코일에 고주파 전류를 공급가능한 고주파 전원(20)과,
    상기 하우징내에 배치되어, 배기 가스중의 미립자를 포집하는 포집 장치(58)를 구비하고,
    상기 포집 장치(58)는, 적어도 600℃의 온도에 견디는 것이 가능하고 상기 미립자를 트랩하기 위한 금속 섬유를 소결시켜 형성한 소결 부직포제 필터(60)와, 한쪽측으로부터 유입한 배기 가스를 다른쪽 측으로부터 유출 가능하고 상기 하우징(12)에 대하여 이 필터를 지지하는 하나의 서포트(28c)를 갖고,
    적어도 상기 필터가, 상기 고주파 전원으로부터 코일에 고주파 전류가 공급되었을 때에, 내부에 유도되는 와전류로 발열하는 것에 의해, 상기 필터를 적어도 600℃의 온도로 가열하여, 상기 필터에 집적된 미립자를 연소시키는 것을 특징으로 하는
    배기 가스중의 미립자 제거 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 외주부에 코일(18)을 권회하고 또 배기 가스를 유통시키는 비자성 재료제의 하우징(12)내에 배치되어, 디젤 기관과 보일러와 소각로 중 적어도 하나로부터 배출되는 배기 가스중의 미립자를 포집하는 필터 유닛(58)에 있어서,
    이 필터 유닛은, 적어도 600℃의 온도에 견디는 것이 가능하고 상기 미립자를 포집하기 위한 금속 섬유를 소결시켜 형성한 소결 부직포제 필터(60)와, 한쪽측으로부터 유입한 배기 가스를 다른쪽 측으로부터 유출 가능하고 상기 하우징(12)에 대하여 이 필터를 지지하는 하나의 지지 플레이트(28c)를 갖고,
    적어도 상기 필터(60)는, 상기 고주파 전원으로부터 코일에 고주파 전류를 공급했을 때에, 내부에 유도되는 와전류로 발열하는 것에 의해서, 적어도 600℃의 온도로 가열되어, 이 필터에 포집된 미립자를 연소하는 것을 특징으로 하는
    필터 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 포집 장치는 필터 유닛으로서 형성되고, 상기 서포트(28c)는, 일단이 닫힌 원통 형상 구조를 갖는 다공성의 지지 플레이트를 갖고, 상기 필터는 이 다공성 플레이트의 외주에 장착되는 원통형 구조를 갖는
    배기 가스중의 미립자 제거 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터(60)와 지지 플레이트(28c)의 쌍방은, 상기 고주파 전원으로부터 코일에 고주파 전류가 공급되었을 때에, 내부에 유도되는 와전류로 발열하는
    배기 가스중의 미립자 제거 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 포집 장치(58)는, 상기 지지 플레이트의 타단으로부터 연장되는 연장부(62)를 거쳐서 상기 하우징에 설치되는
    배기 가스중의 미립자 제거 장치.
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