KR100766357B1 - 세라믹 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 길이 방향으로 관통한 셀을 다수 병설하여, 상기 셀에서의 배기 가스(G)의 입구측 단부면(10a)과 출구측 단부면(10b)이 교대로 폐색된 허니컴 구조체(10)로 이루어지는 세라믹 필터로서, 입구측 폐색(충전재(16))은 출구측 폐색부(충전재(16))보다도 깊게 되도록 형성되는 것을 목적으로 한다. 이에 따라 배기 가스(G)의 흐름은 입구측에서 난류 경향이 감소하여 층류 경향이 증대하기 때문에, 입구측 단부면 부근에서의 오일 애시의 불균등한 퇴적을 억제할 수 있다.
세라믹 필터

Description

세라믹 필터{CERAMIC FILTER}
본 발명은 DPF(diesel engine particulate filter) 등의 디젤 엔진의 배기 가스를 정화하기 위해 사용되는 세라믹 필터에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배기 가스 중에는 여러 가지의 미립자(particulate)가 함유되어 있고, 배기 가스를 대기 중에 방출할 때에는, 미립자를 제거하기 위한 정화를 행할 필요가 있다. 이 때문에, DPF 등의 세라믹 필터가 디젤 엔진의 배기계(exhaust gas system)에 내장되어 있다.
도 13은 세라믹 필터(1)를 배기계에 내장한 상태를 도시하고, 디젤 엔진의 배기관(3)의 중앙에는 케이싱(4)이 설치되어 있으며, 단열재(2)에 의해 케이싱(4) 내에 배치된 세라믹 필터(1)가 디젤 엔진으로부터의 배기 가스의 정화를 행하도록 되어 있다.
도 14 및 도 15는 세라믹 필터(1)로서의 DPF에 이용되는 허니컴 구조체(honeycomb structure; 10)를 도시한다. 이 허니컴 구조체(10)는 길이 방향으로 관통한 셀(11)을 다수 병설한 탄화규소 등의 다공질 세라믹으로 이루어지고, 외주면이 시멘트 등으로 이루어지는 시일재(12)에 의해 덮어지고 있다. 그리고, 각각의 셀(11)은 길이 방향으로의 유통 구멍(15)을 갖고 있고, 각 셀(11)의 유통 구 멍(15)은 셀벽(14)을 통해 인접한 셀(11)의 유통 구멍(15)과 이격되어 있다.
유통 구멍(15)을 이격하는 셀벽(14)은 필터로서 기능하는 것이다. 즉 허니컴 구조체(10)에서는 도 14 및 도 15에 도시한 바와 같이 셀(11)에 있어서의 배기 가스의 입구측 단부면(10a)이 충전재(16)에 의해 교대로 폐색되는 한편, 배기 가스의 출구측 단부면(10b)에서는 인접하는 셀(11)이 충전재(16)에 의해 폐색되어지며, 이에 따라 셀(11)에 유입한 배기 가스(G)가 셀벽(14)을 통과하도록 되어 있다. 그리고, 셀벽(14)의 통과 시에, 배기 가스(G)가 여과되어 배기 가스(G) 중의 미립자가 제거된다.
이러한 허니컴 구조체(10)에서는 사용을 계속함으로써 미립자가 퇴적한다. 도 16은 이 퇴적 상태를 도시하고, 미립자(17)가 셀벽(14)에 부착되어, 이 부착에 의해 필터로서의 압력 손실이 증대한다.
디젤 엔진에서의 미립자로서는 그을음(soot), 오일 애시(oil-ash)가 있고, 각각이 그을음 퇴적 압력 손실, 오일 애시 압력 손실과 같은 압력 손실의 원인이 된다.
그을음 퇴적 압력 손실은 엔진의 출력이나 연비에 영향을 미치는 요인이므로, 일정량 이상의 그을음이 퇴적한 경우에는, 공지된 종래 방법으로 허니컴 구조체를 재생하도록 그을음을 연소에 의해 제거한다. 이에 의해 압력 손실의 회복이 가능하다는 것을 알 수 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
오일 애시는 윤활 오일이나 연료 중의 미연소분이 배기 가스에 혼합되어 배출되는 것에 기인하고 있다. 이 오일 애시는 그을음과 달리 연소에 의해 제거할 수 없기 때문에, 오일 애시 압력 손실이 허니컴 구조체의 내구성의 기준(yardstick of durability)이 된다. 즉, 오일 애시 압력 손실이 일정 이상이 된 때에는 필터로서의 기능을 다하지 못하기 때문에 허니컴 구조체의 교환을 행할 필요가 생기는 것이다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평 제5-261300호 공보(제2페이지)
이 오일 애시는 허니컴 구조체(10)에서의 배기 가스의 입구측 단부면(10a) 근방에서의 퇴적량이 다른 부분에 비해 더 많다. 배기 가스의 입구측 단부면(10a)의 근방에서는 그을음을 포함하는 흐름이 편류(drift)하고 있으므로, 오일 애시가 단부면(10a) 근방에 퇴적하기 쉽다. 도 4에서의 특성 곡선(A)은 종래부터 이용되고 있는 허니컴 구조체에서의 오일 애시의 퇴적량을 두께로 나타내는 것이고, 약 10만 킬로 주행(상당) 후에는, 배기 가스의 입구측 단부면 부근에서는 0.32㎜의 두께로 되어 있으며, 출구측 단부면에 비해 2배 이상의 두께로 되어 있다.
또한, 종래의 허니컴 구조체(10)에서는 폐색부에서 충전재(16)의 깊이는 배기 가스의 입구측과 출구측에서 거의 동일하며, 예컨대 셀 개구 직경(후술)에 대해, 2.5~4.0배가 되도록 형성되는 것이다.
도 5는 오일 애시의 퇴적량에 대한 압력 손실(압손)이며, 특성 곡선(A)은 종래부터 이용되고 있는 허니컴 구조체의 압력 손실을 나타낸다. 종래에서는, 60g의 오일 애시의 퇴적량 부근에서 압력 손실이 급상승하고 있다. 이와 같이 압력 손실이 상승하는 경우에는 상술한 바와 같이 허니컴 구조체의 수명이 다 된 것이며, 따라서, 그 허니컴 구조체를 폐기하고 새로운 허니컴 구조체를 부착할 필요가 있다.
이와 같이 종래에는 오일 애시가 퇴적하기 쉬우므로 그 퇴적량이 빠른 시기에 한계량에 달하기 쉽고, 이에 따라, 허니컴 구조체의 교환 빈도가 많아지는 문제를 갖고 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 허니컴 구조체에 대해 오일 애시가 퇴적하기 어려운 구조로 함으로써, 허니컴 구조체의 내구성을 증대시키는 것이 가능한 세라믹 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한, 청구항 1의 발명에 따른 세라믹 필터는 길이 방향으로 관통한 셀을 다수 병설한 일체품으로서 형성됨과 동시에, 상기 셀에서의 배기 가스의 입구측 단부면과 출구측 단부면이 교대로 폐색된 일체형(monolithic) 허니컴 구조체로 이루어지는 세라믹 필터이며, 상기 입구측 폐색부는 출구측 폐색부보다도 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 입구측 폐색부의 깊이를 출구측 폐색부의 깊이보다도 깊게 되도록 형성했으므로, 배기 가스의 흐름은 입구측에서는 난류 경향이 감소하고 층류(laminar flow) 경향이 증대하게 되며, 이에 따라 일체형 허니컴 구조체의 입구측 단부면 부근에서의 오일 애시의 불균등한 퇴적을 억제할 수 있다.
청구항 2의 발명은 청구항 1에 기재한 세라믹 필터로서, 상기 입구측 폐색부의 깊이는, 평균적으로 셀 개구 직경의 3.4~12.9배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 입구측 폐색부의 깊이를, 셀 개구 직경의 3.4~12.9배로 함으로써, 배기 가스의 입구측에서의 층류 경향의 증대를 보다 확실하게 할 수 있다.
청구항 3의 발명은 청구항 1 또는 2에 기재한 세라믹 필터로서, 상기 입구측 폐색부의 깊이는 상기 일체형 허니컴 구조체의 중앙 부분에서 외주 부분측으로 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
허니컴 구조체의 외주 부분은 그 중앙 부분에 비해 배기 가스의 유속이 작아지므로, 외주 부분에서는 오일 애시가 퇴적하기 쉬운 환경으로 되어 있다. 이 때문에, 허니컴 구조체의 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이를, 중앙 부분의 것보다도 깊게 함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 거의 균일하게 할 수 있다.
청구항 4의 발명은 청구항 3에 기재한 세라믹 필터로서, 상기 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이는 평균적으로 상기 중앙 부분의 입구측 폐색부 깊이의 1.05~10.0배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이를, 평균적으로 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~10.0배가 되도록 형성함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하고 균일하게 할 수 있다.
청구항 5의 발명은 길이 방향으로 관통한 셀을 다수 병설한 세그멘트를 복수 접합하여 형성됨과 동시에, 상기 셀에서의 배기 가스의 입구측 단부면과 출구측 단부면이 교대로 폐색된 접합형 허니컴 구조체로 이루어지는 세라믹 필터로서, 입구측 폐색부의 깊이는 출구측 폐색부의 깊이보다도 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 입구측 폐색부의 깊이를 출구측 폐색부의 깊이보다도 깊게 되도록 형성했기 때문에, 배기 가스의 흐름은 입구측에서는 난류 경향이 감소하여 층류 경향이 증대하게 되며, 이에 따라 접합형 허니컴 구조체의 입구측 단부면 부근에서의 오일 애시의 불균등한 퇴적을 억제할 수 있다.
청구항 6의 발명은 청구항 5에 기재한 세라믹 필터로서, 상기 복수의 세그멘트의 각각의 입구측 폐색부의 깊이는 상기 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 입구측 폐색부의 깊이를 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 세그먼트 단위로 깊게 되도록 형성했기 때문에, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 세그먼트 단위로 거의 균일하게 할 수 있다.
청구항 7의 발명은 청구항 6에 기재한 세라믹 필터로서, 상기 접합형 허니컴 구조체의 최외주 부분을 구성하는 상기 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이가, 평균적으로 상기 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분을 구성하는 상기 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~5.0배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 접합형 허니컴 구조체의 최외주 부분을 구성하는 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이를, 평균적으로 상기 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분을 구성하는 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05∼5.0배가 되도록 형성함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 세그먼트 단위로 보다 확실하고 균일하게 할 수 있다.
청구항 8의 발명은 청구항 5 내지 7 중 어느 한 항에 기재한 세라믹 필터로서, 상기 각 세그먼트 내의 입구측 폐색부의 깊이는 세그먼트 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 각 세그먼트 내의 입구측 폐색부의 깊이를 세그먼트 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 깊게 되도록 형성했기 때문에, 셀의 길이 방향과 직교하는 세그멘트의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 각 세그먼트 내에서 거의 균일하게 할 수 있고, 대략 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하고 균일하게 할 수 있다.
청구항 9의 발명은 청구항 8에 기재한 세라믹 필터로서, 상기 각 세그먼트 내의 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이는 평균적으로 세그먼트 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~3.0배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 세그먼트 내의 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이를 평균적으로 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~3.0배가 되도록 형성함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 세그멘트의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하고 균일하게 할 수 있다.
청구항 1의 발명에 의하면, 일체형 허니컴 구조체의 입구측 단부면 부근에서의 배기 가스의 난류 경향이 감소하여 층류 경향이 증대하기 때문에, 입구측 단부면 부근에서의 오일 애시의 불균등한 퇴적을 억제할 수 있으며, 이에 따라 오일 애시의 퇴적량이 빠른 시기에 한계량에 도달되지 않고, 나아가서는 세라믹 필터의 내구성을 향상시킬 수 있다.
청구항 2의 발명에 의하면, 입구측 폐색부의 깊이를 셀 개구 직경의 3.4~12.9배로 함으로써, 배기 가스의 입구측에서의 층류 경향의 증대를 보다 확실한 것으로 할 수 있고, 이에 따라 청구항 1의 발명의 효과에 더하여, 세라믹 필터의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
청구항 3의 발명에 의하면, 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이를 중앙 부분의 것보다도 깊게 함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 거의 균일하게 할 수 있고, 이에 따라 청구항 1 또는 2의 발명의 효과에 더하여, 세라믹 필터의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
청구항 4의 발명에 의하면, 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이를 평균적으로 중앙 부분의 입구측 폐색부 깊이의 1.05~10.0배가 되도록 형성함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하게 균일하게 할 수 있어, 이에 따라 청구항 3의 발명의 효과에 더하여, 세라믹 필터의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
청구항 5의 발명에 의하면, 접합형 허니컴 구조체의 입구측 폐색부의 깊이를 출구측 폐색부보다도 깊게 되도록 형성했기 때문에, 배기 가스의 흐름은, 입구측에서 난류 경향이 감소하여 층류 경향이 증대하게 되며, 이에 따라 접합형 허니컴 구조체의 입구측 단부면 부근에서의 오일 애시의 불균등한 퇴적을 억제할 수 있으므로, 오일 애시의 퇴적량이 빠른 시기에 한계량에 도달되지 않고, 나아가서는 세라믹 필터의 내구성을 향상시킬 수 있다.
청구항 6의 발명에 의하면, 입구측 폐색부의 깊이를 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 세그먼트 단위로 깊게 되도록 형성했기 때문에, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 세그먼트 단위로 거의 균일하게 할 수 있고, 이에 따라 청구항 5의 발명의 효과에 더하여, 세라믹 필터의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
청구항 7의 발명에 의하면, 접합형 허니컴 구조체의 최외주 부분을 구성하는 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이를, 평균적으로 상기 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분을 구성하는 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~5.0배가 되도록 형성함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 세그먼트 단위로 보다 확실하고 균일하게 할 수 있고, 이에 따라 청구항 6의 발명의 효과에 더하여, 세라믹 필터의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
청구항 8의 발명에 의하면, 각 세그먼트 내의 입구측 폐색부의 깊이를 평균적으로 세그먼트 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 깊게 되도록 형성했기 때문에, 셀의 길이 방향과 직교하는 세그멘트의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 각 세그먼트 내에서 거의 균일하게 할 수 있고, 대략 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하고 균일하게 할 수 있으므로, 청구항 5 내지 7 중 어느 한 항의 발명의 효과에 더하여, 세라믹 필터의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
청구항 9의 발명에 의하면, 세그먼트 내의 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이를, 평균적으로 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~3.0배가 되도록 형성함으로써, 셀의 길이 방향과 직교하는 세그멘트의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하고 균일하게 할 수 있고, 이에 따라 청구항 8의 발명의 효과에 더하여, 세라믹 필터의 내구성을 한층 더 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에서의 주요부 단면도.
도 2는 셀 개구 직경을 도시하는 허니컴 구조체의 주요부 정면도.
도 3은 셀 개구 직경에 대한 폐색부의 깊이의 비와 압력 손실의 상승 비율을 도시하는 특성도.
도 4는 셀 길이에 대한 오일 애시의 퇴적 두께를 도시하는 특성도.
도 5는 오일 애시 퇴적량에 대한 압력 손실을 도시하는 특성도.
도 6은 실시예 1~3 및 비교예 2에서의 오일 애시 퇴적량에 대한 압력 손실을 도시하는 특성도.
도 7은 실시예 4의 접합형 허니컴 구조체의 정면도.
도 8은 실시예 5, 6 및 비교예 2, 3을 각각 구성하는 일체형 허니컴 구조체의 폐색부 형성 상태를 설명하는 모식도.
도 9는 실시예 7을 구성하는 일체형 허니컴 구조체의 폐색부 형성 상태를 설명하는 모식도.
도 10은 실시예 8, 9를 각각 구성하는 접합형 허니컴 구조체의 폐색부 형성 상태를 설명하는 모식도.
도 11은 실시예 10, 11을 각각 구성하는 접합형 허니컴 구조체의 폐색부 형 성 상태를 설명하는 모식도.
도 12는 실시예 5~11 및 비교예 2, 3의 각각의 압력 손실치를 도시하는 막대그래프.
도 13은 세라믹 필터의 적용예를 도시하는 단면도.
도 14는 허니컴 구조체에서의 배기 가스의 흐름을 도시하는 단면도.
도 15는 허니컴 구조체의 일례의 사시도.
도 16은 허니컴 구조체에서의 미립자의 퇴적 상태를 도시하는 단면도.
도 17은 세그멘트의 일례의 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 허니컴 구조체 10a : 입구측 단부면
10b : 출구측 단부면 11 : 셀
13 : 세그먼트 14 : 셀벽
15 : 유통로 16 : 충전재
A : 입구측 폐색부 B : 출구측 폐색부
이하, 본 발명을 나타내는 실시 형태에 의해 구체적으로 설명한다. 또, 이 실시 형태에서는 종래의 기술과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙여 대응시킨다.
이 실시 형태에 이용하는 세라믹 필터(1)(도 13 참조)는 도 15에 도시한 바와 같이, 탄화규소 등의 다공질 세라믹으로 이루어지는 허니컴 구조체(10)로 구성 되어 있다.
이러한 허니컴 구조체(10)는 길이 방향으로 관통한 셀(11)을 다수 병설한 일체품으로서 형성된 일체형 허니컴 구조체이거나, 길이 방향으로 관통한 셀(11)을 다수 병설한 세그멘트(13)(도 17)를 복수 접합하여 형성되는 접합형 허니컴 구조체이다.
각각의 셀(11)은 길이 방향으로의 유통 구멍(15)을 갖고 있고, 각 셀(11)에서의 유통 구멍(15)은 셀벽(14)을 통해 인접한 셀(11)의 유통 구멍(15)과 이격되어 있다.
이 허니컴 구조체(10)로 이루어지는 세라믹 필터(1)는 셀(11)에서의 배기 가스의 입구측 단부면(10a)이 충전재(16)에 의해 교대로 폐색되는 한편, 배기 가스의 출구측 단부면(10b)에서는 인접하고 있는 셀(11)이 충전재(16)에 의해 폐색되어 있고, 이에 따라 셀(11)에 유입한 배기 가스(G)가 셀벽(14)을 통과하여, 셀벽(14)의 통과 시에 배기 가스(G)가 여과되어 오일 애시나 그을음 등의 미립자를 제거할 수 있다.
이 세라믹 필터(1)에서는 그것을 구성하는 허니컴 구조체(10)가 일체형 허니컴 구조체이거나, 접합형 허니컴 구조체이거나에 관계없이, 그 입구측 폐색부는 출구측 폐색부보다도 깊게 되도록 형성되어 있다.
즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 허니컴 구조체(10)에서의 배기 가스(G)의 입구측 단부면(10a)에서의 입구측 폐색부의 깊이(충전재(16)의 길이)(D)는 출구측 폐색부의 깊이(충전재(16)의 길이)(d) 보다도 깊게 되도록 형성되어 있다.
이 구성에서는, 배기 가스(G)의 흐름은 입구측에서 난류 경향이 감소하여 층류 경향이 증대하게 되며, 이에 따라 허니컴 구조체(10)의 입구측 단부면(10a) 부근(보다 상세하게는 충전재(16)의 내단(inner tip) 부근)에서의 오일 애시의 불균등한 퇴적을 억제할 수 있다.
구체적으로는, 허니컴 구조체(10)를 일체형 허니컴 구조체로 구성한 때에는, 입구측 폐색부의 평균 깊이는 셀 개구 직경의 3.4~12.9배의 깊이(D)가 되도록 형성된다.
이 구성에 의하면, 배기 가스(G)의 입구측(10a)에서의 층류 경향의 증대를 보다 확실하게 할 수 있고, 이에 따라 일체형 허니컴 구조체의 입구측 단부면 부근에서의 오일 애시의 불균등한 퇴적을 한층 더 확실하게 억제할 수 있다.
바람직하게는, 입구측 폐색부는 셀 개구 직경의 3.4~8.5배의 평균 깊이(D)가 되도록 형성된다.
이 때의 셀 개구 직경(L)은 도 2에 도시한 바와 같이, 셀 피치로부터 리브 두께(셀벽(14)의 두께)를 빼서 구할 수 있는 것으로, 셀벽(14)으로 구획된 셀(11)의 한변의 길이를 나타내고 있다.
도 1은 이러한 구조의 허니컴 구조체(10)를 부분적으로 도시하는 것이며, 배기 가스의 입구측 단부면(10a)에서 충전재(16)가 길게 되어 있고, 이에 따라 충전재(16)에 의해 형성되는 폐색부의 깊이(D)가 셀 개구 직경(L)의 3.4~8.5배로 되어 있다. 또한, 배기 가스(G)의 출구측 단부면(10b)에서는 종래와 동일한 폐색부의 깊이(d)로 한다.
입구측 단부면(10a)에서의 폐색부의 깊이(D)는 깊게 할수록 셀벽(14)의 중공 부분(hollow portion; 여과 부분)이 줄어들기 때문에, 오일 애시가 퇴적할 수 있는 면적(배기 가스류가 통과하는 면적)이 감소하므로, 그을음이 퇴적하지 않은 때라도 압력 손실이 상승한다.
도 3은 셀 개구 직경에 대한 폐색부의 깊이의 비율을 변화시킨 경우에 있어서의 압력 손실의 비율을 도시하는 것으로, 종축은 그을음 10g/L 퇴적 시의 압력 손실을 측정하고, 그 때의 종래 구조에서의 압력 손실에 대한 압력 손실 상승 비율을 나타내고 있으며, 횡축은 셀 개구 직경에 대한 폐색부의 깊이의 비율을 나타낸다. 폐색부의 깊이/셀 개구 직경이 9.0일 때에는 압력 손실이 종래에 비해 10% 상승한다. 이러한 압력 손실의 상승은 배기 가스(G) 중의 미립자의 포집 효율을 저하시킨다. 이 때문에, 이 실시 형태에서는 폐색부의 깊이(D)의 상한치는 셀 개구 직경(L)의 8.5배로 한다.
또한, 셀 개구 직경(L)에 대한 폐색부의 깊이가 3.4배에 달하지 않은 경우에는, 입구측 단부면(10a)에서의 배기 가스의 난류 억제 효과가 작아진다. 이 때문에, 실시 형태에서는 폐색부의 깊이(D)의 하한치를 셀 개구 직경(L)의 3.4배로 한다.
도 4의 특성 곡선(B)은 상기와 같이 설정한 실시 형태에 의해 오일 애시의 퇴적 두께를 측정한 결과를 도시한다. 약 10 만 킬로 주행(상당) 후에, 입구측 단부면(10a) 부근의 오일 애시의 퇴적량이 0.18㎜(두께)이고, 이는 출구측 단부면(10b)의 퇴적량(0.15 ㎜(두께))의 거의 1.2배 정도이다. 따라서, 유통 구멍(15) 내에서는 셀벽(14)에 오일 애시가 거의 균일하게 퇴적되고, 유통 구멍(15) 내에서 배기 가스가 체류하지 않고 원활하게 유동할 수 있어 압력 손실의 저감을 방지하는 것이 가능해지고 있다.
또한, 이 실시 형태에서의 오일 애시의 퇴적량에 대한 압력 손실(압손)은 도 5의 특성 곡선(B)에 도시한 바와 같이, 오일 애시의 퇴적량이 증가하더라도 완만하게 상승하는 것으로 되어있다. 이에 의해, 허니컴 구조체(10)의 수명을 증대시킬 수 있다.
바람직하게는, 입구측 폐색부의 깊이는 일체형 허니컴 구조체(10)의 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 깊게 되도록 형성된다. 접합형 허니컴 구조체(10)의 경우에는 복수의 세그멘트(13)의 각각의 입구측 폐색부는 접합형 허니컴 구조체(10)의 중앙 부분으로부터 외주 부분을 향함에 따라 깊게 되도록 형성된다.
허니컴 구조체(10)의 외주 부분은 그 중앙 부분에 비해 배기 가스의 유속이 작으므로, 오일 애시가 외주 부분에서는 퇴적하기 쉽다.
이 구성은 일체형(또는 접합형) 허니컴 구조체(10)의 외주 부분이 그 중앙 부분에 비해 배기 가스(G)의 유속이 작아지도록 대응시킨 것이고, 허니컴 구조체(10)의 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이(D)를 중앙 부분의 것보다도 깊게 함으로써 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체(10)의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 거의 균일하게 할 수 있으므로, 외주 부분에서의 오일 애시의 퇴적량이 빠른 시기에 한계량에 도달되는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 일체형 허니컴 구조체(10)에서는 외주 부분의 입구측 폐색부 의 깊이는 평균적으로 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~10.0배가 되도록 형성되고, 접합형 허니컴 구조체(10)에서는 접합형 허니컴 구조체(10)의 최외주 부분을 구성하는 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이는, 평균적으로 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분을 구성하는 세그멘트의 입구측 폐색부 깊이의 1.05~5.0배, 보다 바람직하게는 1.05~3.0배가 되도록 형성된다.
최외주 부분의 폐색부의 깊이가 중앙 부분의 것에 비해 1.05배 이하이면, 오일 애시는 외주측에 많이 퇴적되게 되고, 그을음이 중심부에 많이 퇴적되어진다. 이 때문에 그을음 재생 시에 중심측이 외주측에 비해, 그을음 연소에 의한 발열이 커져, 중심측과 외주측에서의 온도차가 커진다. 이 온도차가 매우 큰 경우는, 그 온도차에 의한 열충격으로 크랙이 발생하는 경우가 있다.
한편, 외주의 폐색부의 깊이가 중심부의 폐색부의 깊이에 비해, 3.0배 이상, 나아가서는 5.0배 이상이면, 외주측의 폐색부이 깊게 된 만큼, 가스 통과 셀의 면적이 작아져서 압력 손실이 상승한다.
바람직하게는, 접합형 허니컴 구조체(10)에서 각 세그먼트 내의 입구측 폐색부의 깊이는 세그먼트 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 깊게 되도록 형성된다.
이 구성에 의하면, 셀의 길이 방향과 직교하는 세그멘트의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를, 각 세그먼트 내에서 거의 균일하게 할 수 있고, 대략 셀의 길이 방향과 직교하는 허니컴 구조체(10)의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하고 균일하게 할 수 있다.
바람직하게는, 접합형 허니컴 구조체(10)에서는 각 세그먼트 내의 외주 부분 의 입구측 폐색부의 깊이는 평균적으로 세그먼트 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~3.0배, 보다 바람직하게는 1.05~2.0배가 되도록 형성된다.
접합형 허니컴 구조체의 경우는 각 세그멘트를 통하는 접합부에는 가스가 통과하지 않으므로, 각 세그멘트의 접합부에 인접하는 셀은 각 세그먼트 중앙부에 비해, 가스 유입 속도가 느려진다. 즉, 각 세그멘트에서 일체형과 동일한 가스 유입 속도 분포가 형성된다.
이 때문에, 각 세그멘트의 외주 부분의 폐색부의 깊이가 중앙 부분의 1.05배 이하이면 각 세그멘트의 외주 부분에 애시가 퇴적하기 쉽게 되고, 일체형과 동일하게 외주 부분과 중앙 부분의 온도차가 커짐으로써, 세그먼트 내에 크랙이 발생할 가능성이 있다.
한편, 각 세그멘트의 외주 부분의 폐색부의 깊이가 중앙 부분의 2.0배, 나아가서는 3.0배 이상이면, 일체형과 동일하게 외주 부분의 폐색 깊이가 깊게 되는 만큼, 가스 통과 셀의 면적이 작아져서 압력 손실이 크게 상승하게 된다.
이 구성에 의하면, 셀의 길이 방향과 직교하는 세그멘트의 단부면 내의 오일 애시의 퇴적 분포를 보다 확실하고 균일하게 할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 주지의 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 예컨대, 셀을 원형 등의 다른 단부면으로 할 수도 있다.
실시예
(실시예1~4, 비교예 1)
셀 밀도 46.5 셀/㎠, 셀벽(리브 두께)의 두께 0.3 ㎜, □35.4 ㎜의 세그멘트를 16개 적층하고, 직경 143.8 ㎜, 축 방향 길이 152.4 ㎜, 용적 2.5 리터의 원통형의 접합형 허니컴 구조체를 제작했다.
그리고 이 접합형 허니컴 구조체를 다음과 같이 폐색을 행하여 샘플용 세라믹 필터로서의 비교예 1 및 실시예 1~3을 제작했다. 이 때 출구측 폐색부는 각 샘플용 세라믹 필터 모두 동일 깊이로 형성했다.
비교예 1 : 입구측 폐색부의 깊이(D)를 셀 개구 직경(L)의 3배(D=3L)로 형성했다.
실시예 1 : 입구측 폐색부의 깊이(D)를 셀 개구 직경(L)의 6배(D=6L)로 형성했다.
실시예 2 : 입구측 폐색부의 깊이(D)를 셀 개구 직경(L)의 8배(D=8L)로 형성했다.
실시예 3 : 입구측 폐색부의 깊이(D)를 셀 개구 직경(L)의 10배(D=10L)로 형성했다.
실시예4 : 도 7에 도시한 바와 같이, 중앙 부분의 4개의 세그먼트 C1~C4의 입구측 폐색부의 깊이(D)를 셀 개구 직경(L)의 5배(D=5L)로 형성함과 동시에, 외주 부분의 12개의 세그먼트 C5~C16의 입구측 폐색부의 깊이(D)를 셀 개구 직경(L)의 7배(D=7L)로 형성했다.
이상의 비교예 1 및 실시예 1~4의 샘플용 세라믹 필터를 배기량 2.0 리터의 디젤 엔진에서의 배기계(exhaust gas system)에 설치하여, 배기 가스 온도를 일정 한 300℃로 유지하고, 5시간마다 배기 온도가 600℃인 상태를 15분간 유지함으로써 샘플용 세라믹 필터의 재생을 행했다. 이 재생에 의해 그을음이 완전히 없어져, 오일 애시만이 퇴적한 상태로 되었다. 이 때의 샘플용 세라믹 필터의 중량을 측정하고 오일 애시의 퇴적량을 측정했다. 이 시험을 오일 애시가 150g 퇴적할 때까지 행했다.
도 6은 오일 애시가 150g 퇴적하기까지의 압력 손실 변화를 도시하고 있으며, 표 1은 오일 애시가 150g 퇴적한 때에 있어서 각 실시예 1~4의 압력 손실의 비교이며, 비교예 1을 1로써 비교한 경우의 수치를 나타내고 있다.
[표 1]
비교예1 1.0
실시예1 0.8
실시예2 0.65
실시예3 0.6
실시예4 0.5
도 6으로부터 명확해진 바와 같이, 비교예 1은 압력 손실이 급상승하고 있는 데 비해, 실시예 1~4에서는 압력 손실이 완만하게 상승하고 있다.
또한, 표 1로부터 명확해진 바와 같이, 실시예 1~4는 1 미만의 수치를 나타내고 있으며, 이에 따라 압력 손실 상승의 억제 효과가 인정된다.
나아가서 실시예 4는 허니컴 구조체의 외주측이 중심측에 비해 배기 가스의 유속이 작고, 허니컴 구조체의 외주측의 폐색부의 깊이가 중심측의 것보다도 클 때 측정한 것이다. 이에 따라, 도 6 및 표 1로부터 명확해진 바와 같이, 오일 애시의 분포를 균일하게 할 수 있고, 외주측에서의 오일 애시의 퇴적량이 빠른 시기에 한계량에 도달되는 것을 방지할 수 있었다.
(실시예 5~11, 비교예 2~3)
샘플용 세라믹 필터 : 143.8㎜φ×152.4 ㎜L, 12mil/300cpsi
각 샘플의 폐색부 데이터는 표 2에 나타내고, 그 모식도를 도 8∼도 11에 도시한다. 도면 중, 부호 A는 입구측 폐색부, 부호 B는 출구측 폐색부를 각각 도시한다. 각 샘플의 출구측 폐색부의 깊이는 5㎜로 일정하다.
[표 2]
샘플용 세라믹 필터 허니컴 구조체의 형태 유입구측 폐색부의 깊이 셀 개구 직경의 비율 외주부/중심부 폐색부의 깊이 비율 외측단부 폐색부의 깊이(㎜)
중앙부(㎜) 외주부(㎜) 중앙부
비교예2 일체형 5 - 4.3 5
실시예5 일체형 7 - 6.0 5
실시예6 일체형 9 - 7.7 - 5
비교예3 일체형 1/8 - 15.5 - 5
실시예7 일체형 5-9 - 43.-7.7 - 5
실시예8 접합형 9 10 7.7 1.1 5
실시예9 접합형 1 15 7.7 1.7 5
실시예10 접합형 5-7 5-7 4.3-6.0 1.0 5
실시예11 접합형 5-7 8-10 1.6-2.0 5
비교예 2 : 일체형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로, 입구측과 출구측의 폐색부의 깊이는 모두 5㎜로 동일하게 도 8에 도시한다.
실시예 5 : 일체형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로, 입구측 폐색부의 깊이는 7㎜이며 도 8에 도시한다.
실시예 6 : 일체형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로, 입구측 폐색부의 깊이는 9㎜이며 도 8에 도시한다.
비교예 3 : 일체형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로, 입구측 폐색부의 깊이를 셀 개구 직경의 15.5배로 한 것으로 도 8에 도시한다.
실시예 7 : 일체형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로, 입구측 폐색부의 깊 이를 중앙 부분 5㎜, 외주 부분 9㎜로 한 것으로 도 9에 도시한다.
실시예 8 : □35㎜ 세그멘트를 복수 접합한 접합형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로 도 10에 도시한다.
실시예 9 : □35㎜ 세그멘트를 복수 접합한 접합형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로 도 10에 도시한다.
실시예 10 : □35㎜ 세그멘트를 복수 접합한 접합형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로 입구측 폐색부의 깊이는 각 세그먼트 내에서 분포된 것으로 되어 있고 도 11에 도시한다.
실시예 11 : □35㎜ 세그멘트를 복수 접합한 접합형 허니컴 구조체로 이루어지는 것으로, 입구측 폐색부의 깊이는 각 세그먼트 내에서 분포된 것으로 되어 있고 도 11에 도시한다.
시험 조건 : 비교예 2, 3 및 실시예 5~11의 샘플용 세라믹 필터를, 배기량 2.0리터의 디젤 엔진에서의 배기계에 설치하고, 배기 가스 온도를 일정하게 250℃로 유지하며, 5시간 마다 배기 온도가 600℃인 상태를 10분간 유지함으로써 샘플용 세라믹 필터의 재생을 행했다. 이러한 과정을 오일 애시가 200g 퇴적할 때까지 반복하였다. 그 후, 샘플용 세라믹 필터를 전기로에서 600℃로 3시간 가열하여 완전히 그을음을 제거하여, 이를 압력 손실 측정에 제공했다.
압력 손실 측정은 풍동에서 25℃, 1~9N㎥/min의 조건하에서 행하여, 얻어진 9N㎥/min의 압력 손실치를 비교 데이터로 했다.
결과 : 표 3은 9N㎥/min의 압력 손실치(압손치) 및 비교예 2의 압력 손실치 를 1로 했을 때의 압력 손실비(압손비)를 나타내며, 도 12는 9N㎥/min의 압력 손실치를 막대 그래프로 도시한 것이다.
[표 3]
샘플용 세라믹 필터 압손치 9N㎥/min(kPa) 압손비 비교예2를 기준
비교예2 22.0 1.00
실시예5 19.8 0.90
실시예6 17.6 0.80
비교예3 23.1 1.05
실시예7 16.5 0.75
실시예8 17.3 0.78
실시예9 16.9 0.77
실시예10 16.1 0.73
실시예11 15.6 0.71
표 3 및 도 12로부터 명확해진 바와 같이, 비교예 2, 3은 22.0 이상의 압력 손실치를 나타내지만, 실시예 5~11은 어느 것이나 20 이하의 압력 손실치 및 1 미만의 압력 손실비를 나타내고 있으며, 압력 손실 상승의 억제 효과를 인정할 수 있다.
본 발명의 세라믹 필터는 DPF 등의 디젤 엔진의 배기 가스를 정화하기 위해 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 길이 방향으로 관통한 셀을 다수 병설한 일체품으로서 형성됨과 동시에, 상기 셀에서의 배기 가스의 입구측 단부면과 출구측 단부면이 교대로 폐색된 일체형 허니컴 구조체로 이루어지는 세라믹 필터로서,
    상기 입구측 폐색부의 깊이는 출구측 폐색부의 깊이보다도 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입구측 폐색부의 깊이는 평균적으로 셀 개구 직경의 3.4~12.9배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입구측 폐색부의 깊이는 상기 일체형 허니컴 구조체의 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 갈수록 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이는 평균적으로 상기 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~10.0배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  5. 길이 방향으로 관통한 셀을 다수 병설한 세그멘트를 복수 접합하여 형성됨과 동시에, 상기 셀에서의 배기 가스의 입구측 단부면과 출구측 단부면이 교대로 폐색된 접합형 허니컴 구조체로 이루어지는 세라믹 필터로서,
    상기 입구측 폐색부의 깊이는 출구측 폐색부의 깊이 보다도 깊게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 세그멘트의 각각의 입구측 폐색부의 깊이는 상기 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 갈수록 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 접합형 허니컴 구조체의 최외주 부분을 구성하는 상기 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이는 평균적으로 상기 접합형 허니컴 구조체의 중앙 부분을 구성하는 상기 세그멘트의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~5.0배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 세그먼트 내의 입구측 폐색부의 깊이는 세그먼트 중앙 부분으로부터 외주 부분측으로 갈수록 깊게 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 각 세그먼트 내의 외주 부분의 입구측 폐색부의 깊이는 평균적으로 세그먼트 중앙 부분의 입구측 폐색부의 깊이의 1.05~3.0배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 필터.
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