KR100794541B1 - 배기가스 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

배기가스 정화 장치 (10) 는 엔진 (20) , 그 엔진 (20) 에 연결되고 연료의 연소에 의해 발생된 배기가스가 통과하여 흐르는 매니폴드 (22) , 및 그 매니폴드 (22) 에 연결되고 촉매가 담긴 하니콤 필터 (30) 를 지지하는 케이싱 (26) 을 포함하고, 차량에 설치된다. 배기가스 정화 장치 (10) 에서, 하니콤 필터 (30) 는 배기가스가 흐르는 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부와 하니콤 필터 (30) 의 헤드부 사이의 배기가스 경로의 길이가 1 m 이하인 위치에 배치된다. 하니콤 필터 (30) 는 70% 이상의 기공율을 갖는다. 하니콤 필터 (30) 는 관통구멍들이 서로 소통하도록 길이방향으로 복수의 판상 부재를 적층하여 형성된다. 관통구멍의 단면(end face)은 서로 엇갈려 밀봉된다. 하니콤 필터 (30) 는 무기 섬유(세리믹 화이버 및 금속 화이버) 및/또는 무기 폼(세라믹 폼 및 금속 폼)으로 형성될 수 있다.
하니콤 필터, 배기가스 정화 장치, 촉매

Description

배기가스 정화 장치{EXHAUST GAS PURIFICATION APPARATUS}
본 발명은 배기가스 정화 장치에 관한 것이다.
지금까지, 배기가스 정화 장치로서, 입자 물질을 포집하기 위한 매연여과장치(이후, "DPF"라 한다)의 위치가 고안된 장치가 제안되었다. 예를 들어, 일본특허출원 JP-A 2000-145430 은 DPF가 엔진의 하류로부터 1 m 거리 이내의 위치에 배치되어, 그 DPF는 입자 물질을 포집할 수 있고, 그 포집된 입자 물질을 엔진으로부터의 배기열을 이용하여 연소시켜 DPF를 재생시키는 장치를 설명하고 있다.
상술한 문헌에서 설명된 배기가스 정화장치에 따라, DPF 는 배기열을 이용하여 입자 물질을 연소시켜 재생될 수 있다. 그러나, 배기열을 이용하여 입자 물질을 연소시켜 더 쉽게 재생될 수 있는 DPF에 대한 요구가 있어왔다.
본 발명은 이러한 문제점들을 참작한 것으로, 본 발명의 목적은 정화 필터를 쉽게 재생시킬 수 있는 배기가스 정화 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적의 적어도 일부를 달성하기 위해, 본 발명의 배기가스 정화 장치는 다음과 같이 구성된다. 본 발명의 배기가스 정화 장치는 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 것으로, 내연기관에 연결되어 배기가스가 통과하여 흐르는 연결 튜브; 및 70% 이상의 기공율을 갖고, 촉매를 담으며, 그 촉매를 이용하여 연결 튜브를 통하여 흐르는 배기가스에서의 입자 물질을 연소시켜 배기가스를 정화시키는 정화 필터를 포함한다. 정화 필터는 내연기관으로부터 연결 튜브의 길이가 1 m 이하의 위치에 배치된다.
배기가스 정화 장치에서, 정화 필터는 내연기관으로부터 연결 튜브의 길이가 1 m 이하의 위치에 배치되기 때문에, 배기가스는 연결 튜브 등에 의해 열을 빼앗기지 않고, 고온으로 정화 필터에 도달한다. 또한, 정화 필터의 기공율은 70% 이상 만큼 크기 때문에, 정화 필터에 의해 포집된 입자 물질은 정화 필터에 담겨진 촉매와 쉽게 접촉하게 된다. 그 결과, 촉매가 담겨진 정화 필터는 빠르게 가열되어 촉매 기능을 발휘한다. 또한, 입자 물질 및 촉매는 서로 쉽게 접촉하게 되어, 많은 입자 물질이 효과적으로 연소된다. 따라서, 정화 필터는 JP-A 2000-145430 에서 설명된 배기가스 정화 장치와 비교하여 더 쉽게 재생될 수 있다. 여기서, "내연기관으로부터 연결 튜브의 길이"는 배기가스가 흐르는 연결 튜브의 가장 높은 상류부와 정화 필터의 헤드부 사이의 길이를 나타낸다. 촉매가 담겨진 후 정화 필터의 기공율은 바람직하게 70% 이상, 더 바람직하게는 80% 이상이다.
본 발명의 배기가스 정화 장치에서, 정화 필터는 95% 이하의 기공율을 갖는 것이 바람직하다. 95% 보다 큰 기공율은 바람직하지 않은데, 왜냐하면 이러한 경우에는 정화 필터의 벽을 구성하는 재료가 감소되어 강도가 저하되기 때문이다.
본 발명의 배기가스 정화 장치에서, 정화 필터는 그 길이방향을 따라 평행하게 배치된 복수의 관통구멍을 갖고, 그 관통구멍들의 단면(end face)들이 서로 엇갈려 밀봉된다.
본 발명의 배기가스 정화 장치에서, 정화 필터는 배기가스가 통과하는 벽 안쪽에 촉매를 담고, 입자 물질이 들어가도록 벽 안쪽에 공간이 형성될 수 있다. 이것은 입자 물질과 촉매 사이의 접촉 가능성을 높이고, 따라서 단지 담긴 촉매와의 표면에 의해서만 입자 물질이 포집되는 경우와 비교하여 재생 효율을 높인다.
본 발명의 배기가스 정화 장치에서, 정화 필터는 길이방향으로 복수의 관통구멍이 제공된 둘 이상의 판상 부재를 그 관통구멍이 서로 소통하도록 적층하여 형성될 수 있다. 입자 물질의 연소열로 인해 정화 필터의 길이방향으로 온도 차가 일어나고 열응력이 가해지는 경우에도, 적층된 판상 부재는 서로 응력을 완화시킨다. 따라서, 길이방향으로 통합 몰딩함에 의해 얻어진 필터와 비교하여 열응력에 의한 손상이 쉽게 일어나지 않는다.
본 발명의 배기가스 정화 장치에서, 정화 필터는 무기 섬유(inorganic fiber) 및 무기 폼(inorganic foam) 중 하나 이상의 재료로 주로 형성될 수 있다. 따라서 무기 섬유 및/또는 무기 폼을 사용하여 70% 이상의 기공율을 갖는 정화 필터를 실현하는 것이 가능하다. 여기서, 무기 섬유의 예는 금속 화이버 및 세라믹 화이버를 포함할 수 있다. 금속 화이버의 예는 구리, 철(크롬계 스테인레스, 크롬-니켈계 스테인레스) 및 알루미늄 화이버 중 1종 또는 2종 이상의 화이버를 포함할 수 있다. 세라믹 화이버의 예는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 및 실리카-알루미나 화이버와 같은 산화물 화이버 및 실리콘 카바이드 화이버와 같은 카바이드 화이버 중 1종 또는 2종 이상의 화이버를 포함할 수 있다. 무기 폼은 예를 들어, 금속 폼 또는 세라믹 폼이 될 수 있다. 그들 중, 금속 폼이 그 고강도로 인해 바람직하다. 금속 폼의 예는 예를 들어, 구리, 철(크롬계 스테인레스, 크롬-니켈계 스테인레스 등) 및 알루미늄 폼 중 1종 또는 2종 이상의 폼을 포함할 수 있다. 세라믹 폼의 예는 알루미나 폼, 실리카 폼 및 실리콘 카바이드 폼 중 1종 또는 2종 이상의 폼을 포함할 수 있다.
본 발명의 배기가스 정화 장치에서, 촉매는 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 귀금속 또는 산화물이 될 수 있다. 귀금속의 예는 백금, 팔라듐 및 로듐 중 1종 또는 2종 이상의 귀금속을 포함할 수 있다. 산화물의 예는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 산화물(LaCoO3, LaMnO3 등) 및 CeO2 를 포함할 수 있다. 그들 중, 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물이 바람직하다. 따라서, 흔치 않은 원소인 귀금속(백금과 같은)을 사용하지 않고 입자 물질을 연소시키는 것이 가능하다. 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물의 예는, 그 구조(일반식:ABO3)의 A 자리가 La, Y 및 Ce 등(바람직하게는 La) 중 1종 또는 2종 이상의 원소인 페로브스카이트 구조와 B 자리가 Fe, Co, Ni 및 Mn 중 1종 또는 2종 이상의 원소인 페로브스카이트 구조인 것을 포함한다. A 자리 원소의 일부가 K, Sr 및 Ag 등으로 치환된 일반식을 갖는 산화물은 예를 들어, La0 .75K0 .25CoO3 가 될 수 있다.
도 1 은 실시예에 따른 배기가스 정화 장치 (10) 의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 실시예에 따른 하니콤 필터 (30) 를 나타낸다.
도 3 은 실시예에 따른 하니콤 필터 (30) 를 나타낸다.
도 4 는 실시예에 따른 배기가스 정화 장치에 의해 입자 물질이 포집되어 제거되는 것을 개략적으로 나타낸다.
도 5 는 또 다른 실시예에 따른 배기가스 정화 장치 (40) 의 구성을 개략적으로 나타낸다.
본 발명을 수행하는 최선의 형태를 도면을 참고하여 설명한다.
도 1 은 실시예에 따른 배기가스 정화 장치 (10) 의 구성을 개략적으로 나타낸다. 배기가스 정화 장치 (10) 는 엔진 (20), 그 엔진 (20) 에 연결되어 연료의 연소에 의해 발생된 배기가스가 통과하여 흐르는 매니폴드 (22) , 그 매니폴드 (22) 에 연결되어 촉매를 담는 하니콤 필터 (30) 를 지지하는 케이싱 (26) 및 그 케이싱 (26) 에 연결되어 정화된 배기가스를 배출하는 배기가스관 (24) 을 포함하며, 그 배기가스 정화 장치 (10) 는 자동차에 설치된다. 배기가스 정화 장치 (10) 에서, 도 1 에서 보여지는 바와 같이, 하니콤 필터 (30) 는, 엔진 (20) 으로부터 배기가스 경로의 길이가 1 m 이하인 위치, 즉 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 경로의 길이가 1 m 이하인 위치에 배치된다.
엔진 (20) 은 연소를 위해 경유와 같은 탄화수소 연료를 피스톤에 의해 압축된 공기에 분사하여 주행 동력을 발생시키는 디젤 엔진(내연기관)으로 구성된다. 엔진 (20) 으로부터의 배기가스는 질소 산화물(NOx), 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO) 를 포함하고, 연료에 함유된 탄소로부터 발생된 입자 물질(이 후, "PM"이라 한다)을 또한 포함한다.
하니콤 필터 (30) 는 주로 무기 섬유로 형성되어 엔진 (20) 에서 나온 배기가스에 포함된 PM 을 제거한다. 도 2 및 3 에서 나타나는 바와 같이, 이러한 하니콤 필터 (30) 는, 복수의 관통구멍 (31) 이 제공된 둘 이상의 디스크형 판상 부재 (32) 를 그 관통구멍이 서로 소통하도록 길이방향으로 적층하고, 그 적층된 판상 부재 (32) 의 양 끝단에 금속재 끝단 판상 부재 (34) 를 배치하고, 케이싱 (26) 안에 적층물을 고정하기 위해 적층 방향으로 압력을 가하여 형성된다. 이러한 끝단 판상 부재 (34) 로, 적층된 판상 부재 (32) 들의 서로 소통하는 관통구멍 (31) 의 양 단면(end face)들이 서로 엇갈려 밀봉된다. 배기가스는 하니콤 필터 (30) 의 상류측에서 열린 관통구멍 (31) 안으로 유입하고, 벽 부분 (33) 을 통과한 후, 하류측에서 열린 관통구멍 (31) 으로 이동하여, 관통구멍 (31) 을 통과하여 하니콤 필터 (30) 로부터 흘러나간다. 여기서, 배기가스가 벽 부분 (33) 을 통과하여 흐를 때 배기가스 중의 PM 이 포집된다. 하니콤 필터 (30) 의 안쪽과 비교하여 더 큰 열 또는 압력이 배기가스에 의해 하니콤 필터 (30) 의 단면에 작용될 수 있다. 그러나, 끝단 판상 부재 (34) 는 금속으로 만들어지기 때문에, 하니콤 필터 (30) 의 손상이 방지된다. 판상 부재 (32) 및 끝단 판상 부재 (34) 의 두께는 0.1 내지 10 mm 인 것이 바람직하다. 하나의 끝단 판상 부재 (34) 가 적층된 판상 부재 (32) 의 양 끝 각각에 배치되거나, 또는 수 개의 끝단 판상 부재 (34) 가 양 끝 각각에 배치될 수 있다. 여기서, 끝단 판상 부재 (34) 는 금속으로 만들어지지만, 판상 부재 (32) 와 동일한 재료로 만들어질 수 있다. 여기서, 하니콤 필터 (30) 는 판상 부재 (32) 를 적층하여 얻을 수 있지만, 일체로 몰딩된 하니콤 필터가 사용될 수 있다.
이러한 하니콤 필터 (30) 는 촉매를 담은 후 기공율이 70% 내지 95% 가 되도록 형성된다. 따라서, 촉매를 담기 전에 측정된 기공율은 적어도 70% 이상 이고 97% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 이러한 하니콤 필터 (30) 의 겉보기 밀도는 바람직하게 0.05 내지 1.00 g/㎤, 더 바람직하게는 0.10 내지 0.50 g/㎤ 이다.
하니콤 필터 (30) 에 형성되는 관통구멍 (31) 의 크기는 1.4×1.4 mm 내지 16×16 mm 인 것이 바람직하다. 인접하는 관통구멍 (31) 들 사이의 벽 부분 (33) 의 두께(벽 두께)는 바람직하게 0.2 내지 10 mm 이고, 더 바람직하게는 0.3 내지 6.0 mm 이다. 0.2 mm 보다 작은 벽 두께는 PM 의 누출로 인해 포집 효율을 악화시키고, 10.0 mm 보다 큰 벽 두께는 배기가스가 벽 부분 (33) 을 통과하기 어렵게 하여, 압력 손실을 증가시킬 수 있다. 단위 단면적 당 관통구멍 (31) 의 수(셀 밀도)는 바람직하게 0.16 내지 62 개/㎠ (1.0 내지 400 cpsi)이고, 더 바람직하게는 0.62 내지 31 개/㎠ (4 내지 200 cpsi)이다. 0.16 개/㎠ 보다 작은 관통구멍의 수는 하니콤 필터 (30) 안쪽에서 배기가스와 접촉하는 벽의 면적을 감소시키고, 62 개/㎠ 보다 많은 관통구멍의 수는 압력손실을 증가시키고 하니콤 필터 (30) 를 만들기 어렵게 한다. 관통구멍의 형상은 직사각형 또는 삼각형 또 는 육각형일 수 있다.
하니콤 필터 (30) 의 판상 부재 (32) 는 주로 무기 섬유로 형성된다. 이러한 무기 섬유의 길이는 바람직하게 0.1 내지 300 ㎛ 이고, 더 바람직하게는 0.5 내지 50 ㎛ 이다. 무기 섬유의 직경은 바람직하게 1 내지 30 ㎛ 이고, 더 바람직하게는 2 내지 10 ㎛ 이다. 또한, 이러한 판상 부재 (32) 는 무기 섬유를 서로 결합시키기 위한 무기 바인더를 포함한다. 무기 바인더의 예는 실리카 유리, 실리카 알칼리 유리, 및 붕소 실리카 유리 등과 같은 무기 유리 및 알루미나 졸, 실리카 졸, 및 티타니아 졸 등과 같은 졸 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 무기 바인더를 포함한다. 하니콤 필터 (30) 에 함유된 고형분으로서 무기 바인더의 양은 바람직하게 5 내지 50 중량% 이고, 더 바람직하게는 10 내지 40 중량% 이다. 바인더 함량이 5 중량% 보다 작으면 하니콤 필터 (30) 의 강도가 저하되고, 50 중량% 보다 많으면 높은 기공율을 갖는 하니콤 필터 (30) 를 만들기 어렵게 된다.
판상 부재 (32) 에 함유된 많은 무기 섬유는 관통구멍 (31) 이 형성된 방향에 수직한 면을 따라 배향되는 것이 바람직하다. 이러한 구성이면, 배기가스에 포함된 PM 이 들어가는 공간을 쉽게 형성할 수 있다. 또한, 배기가스는 벽 부분 (33) 을 쉽게 통과할 수 있어, 초기 압력 손실을 줄이고 배기가스에 포함된 PM 이 벽 부분 (33) 의 안쪽으로 들어가도록 하여 PM 을 포집하는 것이 가능하다.
판상 부재 (32) 는 무기 섬유 외에도 무기 입자를 함유할 수 있다. 무기 입자는 금속 입자 또는 세라믹 입자가 될 수 있다. 금속 입자의 예는 금속 실 리콘 및 알루미늄 등 중의 1종 또는 2종 이상의 금속 입자를 포함할 수 있다. 세라믹 입자의 예는 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 지르코니아, 코디어라이트 및 뮬라이트 등과 같은 산화물 입자 중 1종 또는 2종 이상의 산화물을 포함할 수 있다.
촉매로서 페로브스카이트 구조를 갖는 LaCoO3 는 하니콤 필터 (30) 에 담겨진다. 담겨진 배기가스 전환 촉매의 양은 하니콤 필터 (30) 의 단위 부피 당 촉매의 무게로서 바람직하게 10 내지 100 g/ℓ 이다. 여기서, 촉매가 담겨진 하니콤 필터 (30) 는 원재료로서 촉매가 담겨진 무기 섬유를 이용하여 만들어질 수 있고, 또는 촉매가 담겨진 끝단 판상 부재 (34) 및 판상 부재 (32) 를 이용하여 만들어질 수 있고, 또는 미리 만들어진 하니콤 필터에 촉매를 담아 만들어질 수 있다.
하니콤 필터 (30) 는 무기 섬유를 함유하는 상술한 판상 부재 (32) 대신에 주로 무기 폼으로 형성된 판상 부재 (32) 를 적층하여 만들어질 수 있다. 이러한 무기 폼은 예를 들어, 세라믹 폼 또는 금속 폼이 될 수 있다. 그들 중, 금속 폼이 고강도 때문에 바람직하다. 세라믹 폼의 예는 알루미나 폼, 실리카 폼 및 실리콘 카바이드 폼 중 1종 또는 2종 이상의 폼을 포함한다. 금속 폼의 예는 구리, 철(스테인레스와 같은) 및 알루미늄 폼 등 중의 1종 또는 2종 이상의 폼을 포함할 수 있다. 촉매를 담은 후 무기 폼으로 형성된 하니콤 필터 (30) 의 기공율은 바람직하게 70 % 내지 95 % 이다. 따라서, 촉매를 담기 전 측정된 기 공율은 적어도 70 % 이상 및 97 % 이하인 것이 바람직하다.
(1) 무기 섬유를 함유하는 하니콤 필터의 제조 방법
무기 섬유를 함유하는 하니콤 필터의 제조 방법의 일 실시예를 설명한다. 그 제조 방법의 공정은 1 ℓ 의 물에 5 내지 100 g 의 무기 섬유(알루미나 화이버와 같은)를 분산시키고, 무기 섬유 100 중량부에 대해 무기 바인더(실리카 졸과 같은)와 유기 바인더(아크릴 수지와 같은)를 각각 10 내지 40 중량부 및 1 내지 10 중량부 첨가하여 혼합물을 만든다. 필요에 따라, 상기 혼합물에 황산 알루미늄과 같은 응고제, 폴리아크릴아미드와 같은 응집제를 소량 첨가하고, 그 혼합물을 충분히 교반시켜 슬러리를 만든다. 이 슬러리는 소정의 간격으로 소정의 모양(정사각형 모양과 같은)을 갖는 구멍이 제공된 망을 이용하여 판의 형상으로 만들어지고, 그 얻어진 물체를 100 내지 200 ℃ 에서 건조하여 도 2 에서 보여지는 판상 부재 (32) 를 만든다. 무기 섬유를 함유하는 판상 부재 (32) 의 형상은 가하는 압력에 의해 변할 수 있다. 적층된 판상 부재 (32) 는 필요에 따라 기공율과 두께를 조절하기 위해 압축된다. 여기서, 예를 들어, 하니콤 필터 (30) 가 몰드를 이용한 압출 몰딩에의해 일체로 몰딩될 때, 많은 무기 섬유가 압출 방향으로(관통 구멍 (31) 이 형성된 방향으로) 배향된다. 그러나, 슬러리를 도 2 에서와 같은 판 형태로 만드는 경우, 많은 무기 섬유가 관통구멍 (31) 이 형성된 방향에 수직한 면을 따라 배향된다. 따라서, 배기가스는 벽 부분 (33) 을 쉽게 통과하여 흐를수 있다. 그 후, 끝단 판상 부재 (34) 는 관통구멍 (31) 의 단면(end face)들이 서로 엇갈리게 밀봉되는 방식으로 금속 판에 소정 형상의 구멍을 형성함 에 의해 만들어진다(도 2 (b) 참조).
판상 부재 (32) 는 촉매를 담게 된다. 우선 촉매를 함유하는 용액(예를 들어, 슬러리 또는 졸)을 준비하고, 그 용액에 판상 부재 (32) 를 침적시킨 후, 그 부재를 들어올려 흡입에 의해 관통구멍 (31) 등에 남아있는 과량의 용액을 제거하고, 80 내지 200 ℃ 에서 건조하고, 500 내지 700 ℃ 에서 소성시킨다. 이로써, 촉매가 담겨진 판상 부재 (32) 가 얻어질 수 있다. 여기서, 촉매를 함유하는 용액은 촉매의 슬러리 또는 촉매가 담겨진 산화물의 슬러리가 될 수 있다. 담겨진 배기가스 변환 촉매의 양은 촉매의 종류 또는 조합에 따라 적절히 선택될 수 있다. 마지막으로, 판상 부재 (32) 및 끝단 판상 부재 (34) 는 물리적으로 적층되어 하니콤 필터 (30) 를 만든다. 도 3 에서 보여지듯이, 관통구멍 (31) 들이 서로 소통하도록 수 개의 끝단 판상 부재 (34) 를 적층하고 그 적층된 끝단 판상 부재 (34) 를 금속제 케이싱 (26) 에 삽입한 후, 유사하게 소정 갯수의 판상부재 (32) 를 적층하고 그 적층된 판상 부재 (32) 를 케이싱 (26) 으로 삽입하고, 수 개의 끝단 판상 부재 (34) 를 케이싱 (26) 에 더 삽입한다. 적층방향으로 프레스에 의해 적층물에 압력을 가하여 금속 압착에 의해 고정되도록 한다. 이로써, 하니콤 필터 (30) 가 만들어진다. 적층된 끝단 판상 부재 (34) 들은 접착성 재료로 서로 접착되어 고정될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 3 에서의 케이싱 (26) 은 중공 실린더 형상 케이싱 (26) 을 절단하여 얻어지는 상부와 하부 중 하부만을 보여준다.
(2) 무기 폼으로 형성된 하니콤 필터 제조 방법
1. 세라믹 폼으로 형성된 하니콤 필터 제조 방법
높은 기공율의 무기 폼 중 세라믹 폼으로 형성된 하니콤 필터 제조 방법의 일 실시예를 설명한다. 주로 세라믹 재료(예를 들어, 코디어라이트, 알루미나, 멀라이트, 실리콘 카바이드 및 알루미늄 티타네이트 등)로 만들어진 높은 기공율의 세리믹 폼 판(예를 들어, BRIDGESTONE 등에 의해 만들어진 세라믹 폼)에 절단 작업을 통해 관통구멍 (31) 을 형성함에 의해 상기 (1) 에서 설명한 형상을 갖는 판상 부재 (32) 를 만든다. 이어서 상기 (1) 에서 설명한 복수의 얻어진 판상 부재 (32) 에 촉매를 담고, 상기 (1) 에서 설명한 방법에 의해 그 부재 (32) 들을 적층하여 하니콤 필터 (30) 를 만든다. 끝단 판상 부재 (34) 로서, 상기 (1) 에서 설명한 금속 판이 사용된다.
2. 금속 폼으로 형성된 하니콤 필터 제조 방법.
높은 기공율의 무기 폼 중 금속 폼으로 형성된 하니콤 필터 제조 방법의 일 실시예를 설명한다. 주로 금속으로 형성된 높은 기공율의 세라믹 금속 판(예를 들어,Sumitomo Metal Industries의 Selmet 등)에 레이저 빔 가공을 통해 관통구멍 (31) 을 형성함에 의해 상기 (1) 에서 설명한 형상을 갖는 판상 부재 (32) 를 만든다. 이어서 상기 (1) 에서 설명한 복수의 얻어진 판상 부재 (32) 에 촉매를 담고, 그 촉매를 담은 판상 부재 (32) 를 적층하여 하니콤 필터 (30) 를 만든다. 금속 폼으로 형성된 판상 부재 (32) 의 형상은 가하는 압력에 의해 변형될 수 있다. 적층된 판상 부재 (32) 는 필요하다면 기공율 및 두께를 조절하기 위해 압축될 수 있다. 끝단 판상 부재 (34) 로서, 상기 (1) 에서 설명한 금속 판이 사 용된다.
다음으로, 본 실시 형태의 배기가스 정화 장치 (10) 의 작동을 도 4 를 참고하여 설명한다. 도 4 는 PM 이 포집되어 배기가스 정화 장치에 의해 제거되는 것을 개략적으로 설명하고 있다. 우선, 엔진 (20) 이 시동될 때, 엔진 (20) 은 연소를 위해 피스톤에 의해 압축된 공기에 연료를 분사하여 주행 동력을 발생시킨다. 이때, PM 을 포함하는 배기가스는 엔진 (20) 으로부터 매니폴드 (22) 로 배출되어 하니콤 필터 (30) 로 흐른다. 하니콤 필터 (30) 에는 PM 이 들어가는 공간이 있고, 배기가스에 포함된 PM 은 촉매가 담긴 벽 부분 (33) 의 안쪽으로 들어가 포집된다. 하니콤 필터 (30) 에 포함된 많은 무기 섬유 (35) 가 관통구멍 (31) 이 형성된 방향에 수직인 면을 따라 배향될 때, PM 은 벽 부분 (33) 의 안쪽 깊은 곳으로 들어가 포집될 수 있다고 판단된다. 하니콤 필터 (30) 는 높은 기공율과 작은 열용량을 갖기 때문에, 배기열로 인해 온도가 급격히 상승한다. 따라서, 하니콤 필터 (30) 는 열손실이 작고 배기열로 인해 촉매가 충분히 작동하는 온도(예를 들어, 350℃ 이상)가 얻어지도록 엔진 (20) 으로부터 1 m 거리의 위치에 배치된다. 이 경우, PM 이 하니콤 필터 (30) 의 벽 부분 (33) 의 안쪽에 담긴 촉매 (36) 와 맞닿을 때, 이러한 PM 은 빠르게 연소된다. 그 결과, 하니콤 필터 (30) 에서, PM 이 쉽게 퇴적되지 않기 때문에, 강제 재생(과량의 연료 등의 분사 등)의 빈도수가 감소한다.
상술한 배기가스 정화 장치에서, 촉매가 담긴 하니콤 필터 (30) 가 빠르게 가열되고 촉매 기능이 발휘될 수 있다. 또한, 촉매 및 PM 이 서로 쉽게 맞닿기 때문에, 많은 PM 이 효과적으로 연소될 수 있다. 결과적으로, 하니콤 필터 (30) 를 쉽게 재생시킬 수 있다. 또한, 하니콤 필터 (30) 는 95% 이하의 기공율을 가져서, 강도가 악화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 촉매가 담긴 벽 표면에 의해서만 PM 이 포집되는 경우와 비교하여, PM 과 촉매 (36) 사이의 접촉 가능성이 강화되고, 따라서 재생 효율이 향상될 수 있다. 또한, PM 의 연소열로 인해 하니콤 필터 (30) 의 길이방향으로 온도 차가 일어나고 열응력이 작용될 때에도, 적층된 판상 부재 (32) 는 서로 응력을 완화시킨다. 따라서, 길이방향으로 통합 몰딩된 필터와 비교하여 열응력에 의한 손상은 쉽게 일어나지 않는다. 하니콤 필터 (30) 는 높은 기공율과 작은 열용량을 갖기 때문에, PM 이 연소될 수 있도록 온도가 빠르게 증가한다. 또한, 하니콤 필터 (30) 에 담겨진 촉매 (36) 는 페로브스카이트 구조를 갖는 산화물이기 때문에, 입자 물질은 희귀 원소인 귀금속(백금과 같은)을 사용하지 않고 연소될 수 있다.
물론, 본 발명은 상술한 실시 형태에 제한되지 않고, 본 발명의 기술분야의 범위내에서 여러 가지 실시예로 수행될 수 있다.
상술한 실시 형태는 하니콤 필터 (30) 를 지지하는 케이싱 (26) 이 매니폴드 (22) 에 연결된 배기가스 정화 장치 (10) 를 설명하였다. 그러나, 도 5 에서 나타나듯이, 배기가스 정화 장치 (40) 는 매니폴드 (22) 내에 하니콤 필터 (30) 를 배치하여 구성될 수 있다. 이러한 구성은 배기열을 효율적으로 사용하고 필터를 쉽게 재생시키는 것을 가능하게 한다. 엔진 (20) 으로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 통로의 길이가 1 m 이하로 설정되는 한, 연결 튜브 의 유형(매니폴드 (22) , 배기가스관 (24) 및 케이싱 (26) 등) 및 연결 순서는 변할 수 있다.
상술한 실시예에서, 배기가스 정화 장치 (10) 는 자동차에 설치된다. 하지만, 예를 들어 기차, 배, 및 비행기 등에 설치되거나 엔진 (20) 을 이용하는 발전기 등에도 적용될 수 있다.
실시예
이 후, 하니콤 필터 (30) 를 사용하는 배기가스 정화 장치 (10) 의 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
무기 섬유로서 알루미나 화이버(평균 직경 : 5 ㎛, 평균 길이 : 300 ㎛)를 포함하는 하니콤 필터 (30) 가 제조되었다. 1 ℓ의 물에 알루미나 화이버 10 g 을 분산시키고, 알루미나 화이버에 대한 유기 바인더로서 실리카 졸 5 중량% 및 아크릴 고무 3 중량% 를 첨가한 후, 알루미늄 황산염 및 폴리아크릴아미드를 첨가하여 혼합물을 만들었다. 그 혼합물을 충분히 교반하여 슬러리를 만들었다. 이 슬러리는 소정의 간격으로 사각형 구멍이 있는 메쉬를 사용하여 판상으로 만들어지고, 그 얻어진 물체는 150 ℃ 에서 건조되어 143.8 mm 의 직경, 1 mm 의 두께, 4.5 × 4.5 mm 의 관통구멍, 2 mm 의 벽 부분 (33) 두께 그리고 2.4 셀/㎠ (15.2 cpsi) 의 셀 밀도를 갖는 판상 부재 (32) 로 만들어졌다. 또한, 끝단 판상 부재 (34) 는 직경 143.8 mm 이고 두께 1.0 mm 인 니켈-크롬계 스테인레스로 만들어 진 금속판에 관통구멍 (31) 의 끝이 서로 엇갈리게 밀봉되는 방법으로 관통구멍을 형성하여 만들어진다.
다음으로, 20 mℓ 에탄올 용매에 La(NO3)3·6H2O 0.01 몰, Co(OCOCH3)2·4H2O 0.01 몰, 및 C6H8O7·H2O (구연산) 0.024 몰을 섞어 혼합물을 만들었다. 그 혼합물을 교반하여 LaCoO3 전구체 졸을 준비하였다. 이 졸에 판상 부재 (32) 를 침적시키고 들어올린 후 흡입을 통해 과량의 졸을 제거하고, 100 ℃ 에서 건조 및 600 ℃ 에서 한 시간 동안 소성시켰다. LaCoO3 의 페로브스카이트 구조는 X-선 회절법에 의해 확인되었다. 담겨진 배기가스 변화 촉매의 양은 하니콤 필터 (30) 의 단위 부피당 촉매의 중량으로 30g/ℓ 이었다.
그 다음, 관통구멍이 서로 소통하도록 세 개의 끝단 판상 부재 (34) 를 적층시키고 그 적층된 부재를 금속 케이싱 (26) 에 삽입하고, 그 후 유사하게 150개의 판상 부재 (32) 를 적층하고 금속 케이싱 (26) 에 삽입하였고, 금속 케이싱 (26) 에 세 개의 끝단 판상 부재 (34) 를 더 삽입하였다. 압력 고정을 제공함에 의해 고정되도록 적층된 방향으로 프레스에 의해 적층물에 압력이 가해진다. 이에 따라, 하니콤 필터 (30) 가 얻어진다. 촉매를 담은 후 얻어진 하니콤 필터 (30) 의 기공율은 70% 였다. 기공율은 하니콤 필터 (30) 의 건조 중량 G (g) , 하니콤 필터 (30) 의 외부 부피 V (㎤) , 관통구멍 (31) 의 부피 K (㎤) 및 하니콤 필터 (30) 를 구성하는 재료의 진밀도 D (g/㎤) 를 측정하여 아래의 식 (1) 에 따라 계산되었다.
기공율 (%) = 100 × (1 - G / ((V - K) × D )) .....(1)
이 후, LaCoO3 가 담겨져 제조된 하니콤 필터 (30) 는 엔진 (20) 에 연결된 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 통로 길이가 0.5 m 인 위치에 배치되었다. 이것을 실시예 1 의 하니콤 필터 (30) 로 하였다. 엔진 (20) 으로, 2.0 ℓ 디젤 엔진이 사용되었다. 실시예 1 의 수치 등, 즉 엔진 (20) 으로부터 하니콤 필터 (30) 까지의 거리, 촉매가 담기기 전과 후에 측정된 하니콤 필터 (30) 의 기공율, 인접하는 관통구멍 (31) 들 사이의 벽 부분 (33) 의 두께, 하니콤 필터 (30) 의 구성 재료, 및 하니콤 필터 (30) 의 구조의 윤곽 등은 표 1 에 나타내었다. 표 1 은 또한 아래에서 언급한 실시예 2 내지 12 와 관련된 내용을 나타낸다.
Figure 112006010253775-pct00001
[실시예 2 및 3]
하니콤 필터 (30) 가 표 1 에서 나타난 벽 두께 및 2.4 개/㎠ 의 셀 밀도를 갖도록 설계하는 것과 표 1 에서와 같은 기공율을 갖도록 압축비를 변경시키는 것을 제외하고는 실시예 1 에서와 동일한 방법으로 만들어졌다. 실시예 1 과 유사하게, 하니콤 필터 (30) 는 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 통로 길이가 0.5 m 인 위치에 배치되었다. 이를 실시예 2 및 3 으로 하였다.
[실시예 4]
평균 기공 크기가 80 ㎛ 가 되도록 롤러를 이용하여 크롬-니켈계 스테인레스 합금 금속 폼(Selmet, Sumitomo Electric Industries, 평균 기공 크기 : 400 ㎛ )을 압축하고, 직경 143.8 mm 이고 두께 1 mm 인 디스크 형상으로 처리하고, 레이저 공정을 수행하여 4.5 mm × 4.5 mm 크기의 관통구멍, 2 mm 의 벽 부분 (33) 두께, 및 2.4 개/㎠ (15.2 cpsi) 의 셀 밀도를 갖는 판상 부재 (32) 를 만들었다. 또한, 관통구멍의 끝단이 서로 엇갈려 밀봉되도록 관통구멍 (31) 이 레이저 처리된 끝단 판상 부재 (34) 를 만들었다.
이 후, 실시예 1 에서와 동일한 방법에 의해, 판상 부재 (32) 와 끝단 판상 부재 (34) 에 LaCoO3 를 담고, 적층하여 금속 폼으로 만들어진 하니콤 필터 (30) 를 만들었다. 실시예 1 과 유사하게, 하니콤 필터 (30) 는 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 통로 길이가 0.5 m 인 위치에 배치되었다. 이를 실시예 4 로 하였다.
[실시예 5 내지 8]
실시예 1 내지 4 에서와 유사한 하니콤 필터 (30) 가 만들어져, 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 통로 길이가 1 m 인 위치에 배치되었다. 이를 각각 실시예 5 내지 8 의 하니콤 필터 (30) 로 하였다(표 1 참조).
[실시예 9 내지 11]
실시예 1 내지 3 에서와 유사한 하니콤 필터 (30) 가 만들어져, 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 통로 길이가 1.5 m 인 위치에 배치되었다. 이를 각각 실시예 9 내지 11 의 하니콤 필터 (30) 로 하였다(표 1 참조).
[실시예 12]
하니콤 필터 (30) 가 표 1 에서 나타난 벽 두께를 갖도록 설계하는 것과 65% 의 기공율을 갖도록 압축비를 변경시키는 것을 제외하고는 실시예 1 에서와 동일한 방법으로 만들어졌다. 실시예 5 와 유사하게, 하니콤 필터 (30) 는 매니폴드 (22) 의 가장 높은 상류부로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 통로 길이가 1.0 m 인 위치에 배치되었다. 이를 실시예 12 의 하니콤 필터 (30) 로 하였다.
[재생율의 측정]
실시예 1 내지 12 에 대하여, 재생율이 측정되었다. 이러한 측정은 강제 재생 공정(과량의 연료 분사와 같은) 없이 하니콤 필터에 퇴적되는 작동 중의 엔진으로부터 배출된 PM 의 양을 검사한다. 엔진 (20) 의 작동은 2.0 ℓ 디젤 엔진 차량 10·15 모드 배기가스 측정 시험의 측정 방법에 준하여 3회 실시하였다. 이때, 시험을 실시하기 전과 후의 하니콤 필터 (30) 의 무게를 각각 측정하였다. 또한, 각 실시예의 하니콤 필터 (30) 의 하류에, PM 카운터(응고 입자 카운터 3022A-S, TSI)가 하니콤 필터 (30) 에 의해 포집되지 않고 하류측으로 배기된 PM 의 양을 PM 입자의 수로부터 파악하기 위해 배치되었다. 모든 실시예에서, PM 은 하니콤 필터 (30) 의 하류를 향해 흐르지 않아, 모든 포집율은 100% 를 보였다. 또한, 이 시험에서 발생된 PM 의 총 생성량이 먼저 검사되었을 때, 그 양은 3.5 g 이었다. 따라서, 재생율은 PM 의 총 생성량에 대한 PM 의 퇴적량(시험 전과 후의 중량 차이)으로부터 계산되었다.
[측정 결과]
실시예 1 내지 12 와 관련하여, 엔진으로부터 하니콤 필터 (30) 의 헤드부까지의 배기가스 경로의 길이, 하니콤 필터 (30) 의 기공율, PM 의 포집 효율, PM 의 퇴적양 및 하니콤 필터 (30) 의 재생율은 표 2 에 나타내었다. 실시예 1 내지 8 에서, 포집 효율은 100% 이었고 재생율은 50% 이상이었다. 실시예 9 내지 11 에서, 엔진으로부터 하니콤 필터 (30) 까지의 길이는 1.5 m 이었기 때문에, 재생율은 실시예 1 내지 8 과 비교하여 더 낮았다. 실시예 12 에서, 촉매 (36) 를 담은 후 하니콤 필터 (30) 의 기공율은 70% 보다 작았고, 재생율은 실시예 1 내지 8 과 비교하여 더 낮았다. 이러한 결과는 기공율 70% 이상인 하니콤 필터 (30) 가 엔진 (20) 으로부터 거리 1 m 이내에 배치될 때, PM 이 쉽게 연소 되었다는 것을 보여준다.
Figure 112006010253775-pct00002
본 발명은 2004년 6 월 30일 출원된 일본특허출원 제 2004-194407 호에 대해 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기서 참고문헌으로 인용되었다.
본 발명의 배기가스 정화 시스템은 내연기관이 장착된 동력기 또는 차량 등과 관련된 산업에서 사용될 수 있다. 배기가스 정화 시스템은 예를 들어 자동차 산업 또는 오토바이 산업에 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 내연기관으로부터 배출된 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 정화 장치로서,
    내연기관에 연결되어 배기가스가 통과하여 흐르는 연결 튜브; 및
    복수의 관통구멍이 제공된 둘 이상의 판상 부재를 그 관통구멍이 서로 소통하도록 길이방향으로 적층하고, 70% 이상의 기공율을 갖고, 촉매를 담으며, 그 촉매를 이용하여 연결 튜브를 통하여 흐르는 배기가스 중의 입자 물질을 연소시켜 배기가스를 정화시키는 정화 필터를 포함하고, 이 정화 필터는 내연기관으로부터 연결 튜브의 길이가 1 m 이하인 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정화 필터는 95% 이하의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 정화 필터는 그 길이방향을 따라 평행하게 배치된 복수의 관통구멍을 갖고, 그 관통구멍의 단면(end face)이 서로 엇갈려 밀봉되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 관통구멍은 그 한 끝단이 밀봉되고 다른 끝단은 개방된 관통구멍과 그 한 끝단은 개방되고 다른 끝단은 밀봉된 관통구멍이 서로 엇갈리게 배열되는 방법으로 제공되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
  5. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 정화 필터는 배기가스가 통과하는 벽 안쪽에 촉매를 담고, 입자 물질이 들어가는 공간이 그 벽 안쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 정화 필터는 주요 구성성분으로서, 무기 섬유 및 무기 폼 중 1종 이상의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
  8. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 촉매는 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 산화물은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 장치.
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