KR100817623B1 - 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강재층을 포함하는 적어도 두개의 측면부를 포함하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트에 관한 것이다. 이들 각 측면부는 적어도 하나의 열적 및 전기적 절연측부를 갖는다. 필터 엘리먼트는 또한 주름개방부를 갖는 변부를 제공토록 주름선을 따라서 주름이 잡히는 금속섬유플리이스를 포함한다. 금속섬유플리이스는 열적 및 전기적 절연측부가 상기 변부에 접촉하며 이들 절연측부가 주름개방부를 폐쇄할 수 있도록 상기 측면부 사이에 착설된다.
Figure R1020037009438
필터 엘리먼트, 금속섬유플리이스, 절연측부

Description

전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트 {ELECTRICALLY REGENERATABLE FILTER ELEMENT}
본 발명은 전기적으로 재생될 수 있는 필터 엘리먼트에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 디젤배기가스를 여과하기 위한 필터 엘리먼트에 관한 것이다.
주름형 금속섬유플리이스를 포함하는 디젤매연입자트랩이 예를 들어 특허문헌 US5709722로부터 알려져 있다.
필터 엘리먼트 자체의 전기적인 가열을 통하여 재생될 수 있는 디젤매연입자트랩은 예를 들어 특허문헌 US5800790으로부터 알려져 있다.
현재 전기적으로 재생하는데 적합한 것으로 알려진 필터 엘리먼트는 전기적 에너지로부터의 줄효과(Joule effects)에 의하여 얻고 필터 엘리먼트를 가열하는데 사용되는 대부분의 열에너지가 열손실에 의하여 손실되는 결점을 갖는다.
발명의 요약
열에너지의 손실은 다음의 3가지의 현상에 의한 것으로 확인되었다.
1. 줄효과에 의하여 열에너지를 발생하는 필터매체가 예를 들어 필터 하우징으로 향하는 방열을 통하여 열에너지를 잃는다.
2. 열에너지가 재생 중에 필터매체를 통과하는 가스를 가열하는 대류를 통하여 손실된다. 이러한 현상은 스트립이 흐름 내에서 재생될 때 매우 크다.
3. 열에너지가 열전도에 의하여 손실된다. 예를 들어 필터매체가 하우징에 용접되어 있을 때, 상당량의 열에너지가 이러한 접촉부분을 통하여 필터매체로부터 하우징측으로 전달된다. 하우징은 전도되는 이러한 열에너지에 의하여 불필요하게 가열된다.
본 발명의 목적은 전기적으로 재생가능한 것으로 열에너지손실이 적은 필터 엘리먼트를 제공하는데 있다. 더욱이, 본 발명의 목적은 전기적으로 재생되는 필터매체와 필터 엘리먼트의 하우징 사이의 접촉을 개선하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 적어도 둘 그러나 가능하다면 둘 이상의 필터 엘리먼트를 포함하고 각 필터 엘리먼트가 개별적으로 재생될 수 있는 필터 유니트를 제공 하는데 있다. 이러한 본 발명의 필터 유니트는 선박, 열차 또는 기타 모터차량에 사용되는 고정형 디젤엔진용의 디젤배기가스 필터팩에 사용될 수 있다.
필터팩(filter pack)은 가스흐름 내에 설치되거나 사용되는 필터시스템으로서 이해되어야 한다. 이는 가스유입구, 가스유출구와 이들 유입구와 유출구 사이에 설치되는 적어도 하나의 필터 유니트로 구성된다.
본 발명의 필터 엘리먼트는 주름형 금속섬유플리이스를 포함한다. 이러한 금속섬유플리이스, 바람직하게 소결된 금속섬유플리이스는 주름선을 따라서 주름이 잡혀 있어 주름개방부를 갖는 변부가 형성되도록 한다. 여과된 가스는 플리이스를 통하여 플리이스의 일측(유입측)으로부터 플리이스의 타측(유출측)으로 유동한다. 가스가 금속섬유플리이스를 통하여 유동할 수 있도록 적당한 주름개방부가 폐쇄되어 금속섬유플리이스를 통과하지 않고 가스가 유입측으로부터 유출측으로 바이패스하는 것이 방지되어야 한다.
또한 본 발명의 필터 엘리먼트는 적어도 두개의 측면부를 포함하며 이들 각 측면부는 강재층(强材層)으로 구성되는 필터 엘리먼트 하우징을 포함한다. 본 발명에 따라서, 각 측면부의 적어도 일측부에는 열적으로 그리고 전기적으로 절연특성이 부여되며, 이후부터는 이를 "열적 및 전기적 절연측부"라 할 것이다. "강재"라는 용어는 일반적으로 세라믹 또는 금속판과 같이 어느 정도까지 유연성 또는 유순 성이 떨어지고 굽히기 어려운 특성을 갖는 비유연성 재료인 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 주름형 금속섬유플리이스의 변부는 이 변부가 측면부의 열적 및 전기 절연된 두 측부에 접촉하도록 측면부의 이들 열적 및 전기적 절연측부 사이에 착설된다. 측면부는 주름선에 실질적으로 평행한 방향으로 금속섬유플리이스의 변부에 고정력을 가하는 한편 바이패스를 방지하기 위하여 주름개방부를 폐쇄한다.
금속섬유플리이스와 측면부는 중공형 필터공간을 제공하는 것이 바람직하다. 적어도 하나 그러나 바람직하게 두개의 측면부에는 가스가 중공형 필터공간의 내측부로 유입될 수 있도록 하는 통공이 형성되어 있다. 여과되었거나 여과될 가스는 이들 통공을 통하여 중공형 필터공간으로 유입 또는 유출된다.
개선된 연결이 이루어질 수 있도록 하는 방법은 본 발명에 따르면 다양한 방법이 있다.
각 측면부는 강재층으로서 변부에 접촉하는 세라믹판을 포함한다. 금속섬유플리이스는 이들 두 세라믹판 사이에 고정된다. 이들 두 측면부는 주름선에 실질적으로 평행한 방향으로 금속섬유플리이스의 변부에 고정력을 가하는 한편 바이패스 를 방지하기 위하여 주름개방부를 폐쇄한다. 세라믹판은 측면부에 열적 및 전기적 절연특성을 부여한다. 세라믹판의 두께는 적어도 5 mm, 바람직하게 적어도 6 mm, 예를 들어 적어도 10 mm이다.
이들 세라믹판에는 요구가 형성되는 것이 바람직하다. 이들 요구의 깊이는 0.5 mm 보다 깊은 것이 바람직하며 0.5 mm ~ 2 mm의 범위, 예를 들어 1.58 mm가 바람직하다. 이들 요구는 예를 들어 열적 및 전기적 절연세라믹판에 예를 들어 슬로트를 제공함으로써 얻을 수 있다. 이들 요구는 변부측에 근접하여 주름형 금속섬유플리이스가 두 측면부 사이에 착설될 때 이들이 변부에 근접하게 결합된다. 금속섬유플리이스의 변부는 요구 내에 일정한 깊이로 요입된다. 요구 내에 요입된 금속섬유플리이스의 변부의 부분을 이후부터는 "요입부"라 할 것이다.
변부는 작은 움직임, 예를 들어 금속섬유플리이스의 열팽창 또는 수축이 허용될 수 있도록 요구 내에 설치된다. 이러한 운동의 자유도는 열적 및 전기적 절연측부에서 변부의 요입부의 높이보다 약간 깊은 요구를 제공함으로써 얻을 수 있다.
세라믹판은 예를 들어 Al2O3와 SiO2 또는 운모계의 세라믹물질을 이용하여 제공된다. 측면부는 하나의 물질로부터 제공되거나 또는 여러 물질로 된 여러 층으로 구성될 수 있다. 요구가 사용되고 여러 층이 측면부를 제공하는데 사용되는 경우, 이들 요구는 열적 및 전기적으로 절연되는 층에 제공되는 것으로 이해되어야 한다. 기계적인 손상으로부터 세라믹판을 보호하기 위하여 세라믹판은 세라믹판의 타측부에 제공되고 금속섬유플리이스에는 접촉되지 않는 금속판에 의하여 지지되어야 한다. 또한, 이러한 금속판은 세라믹판이 결합되는 테두리의 형상을 가져야 한다.
본 발명에 따르면, 비록 크게 바람직하지는 않으나 금속섬유플리이스는 세라믹이나 고내열성 접착제를 이용하여 세라믹판에 접착되는 것이 바람직하다.
또한 이들 각 측면부는 열적 및 전기적 절연섬유와 강재층을 포함한다. 이들 열적 및 전기적 절연섬유는 강재층의 일측부에 제공되어 측면부에 대한 열적 및 전기적 절연측부를 제공한다. 금속섬유플리이스는 양측 측면부의 열적 및 전기적 절연측부 사이에 착설되어 주름선에 실질적으로 평행한 방향으로 금속섬유플리이스의 변부에 고정력을 가하는 한편 바이패스를 방지하기 위하여 주름개방부를 폐쇄한다.
각 측면부에서, 열적 및 전기적 절연섬유, 예를 들어 세라믹직물층이 강재층, 바람직하게 금속 또는 세라믹판 또는 테두리에 의하여 지지된다. 금속섬유플리이스는 양측 측면부의 열적 및 전기적 절연측부 사이에 착설되어 측면부의 이들 측부가 주름개방부를 폐쇄할 수 있도록 한다. 열적 및 전기적 절연섬유가 열적 및 전기적 절연측부를 제공함으로써, 열적 및 전기적 절연섬유는 금속섬유플리이스의 변부에 접촉하게 된다. 고정력이 측면부에 의하여 주름선에 실질적으로 평행한 방향 으로 금속섬유플리이스의 변부 상에 가하여진다. 주름형 금속섬유플리이스는 충분한 만곡저항성을 가지므로서, 주름형 금속섬유플리이스가 열적 및 전기적 절연섬유측으로 가압되어 측면부의 열적 및 전기적 절연섬유에서 주름형 금속섬유플리이스의 변부에 요구가 형성될 수 있도록 한다.
변부에 형성되는 요구의 깊이는 주름형 금속섬유플리이스가 여과될 가스와 함께 움직이는 것을 충분히 방지할 수 있어야 한다. 이러한 현상을 소위 "블로우 스루우(blow through)"라 한다. 금속섬유플리이스가 열적 및 전기적 절연섬유에 가압되어 나타나는 요구의 깊이는 0.5 mm 보다 깊게, 바람직하게 0.5 mm ~ 2 mm의 범위일 수 있다. 본 발명의 범위에서, 열적 및 전기적 절연섬유는 부직포, 직물, 편조물 또는 편직물로서 이해되어야 하며, 금속섬유플리이스의 변부에 접촉하는 섬유의 표면에서 열적 및 전기적 절연섬유를 포함한다. 가장 바람직하게, 전체 섬유가 열적 및 전기적 절연섬유로 구성되는 것이 바람직하나, 변부에 접촉하는 측부에서 열적 및 전기적 절연섬유와 반대측의 금속섬유의 조합이 사용될 수 있다. 이러한 열적 및 전기적 절연섬유로서는 Al2O3 및/또는 SiO2, 예를 들어 NEXTEL ®-섬유와 같은 세라믹섬유가 바람직하다.
섬유의 두께는 3 ~ 6 mm 사이가 바람직하다. 직물 또는 부직섬유가 사용되는 것이 바람직하다.
세라믹판 또는 테두리로 구성되는 측면부가 열적 및 전기적 절연직물섬유와 함께 본 발명에 따른 필터 엘리먼트를 제공토록 사용될 때, 세라믹판 또는 테두리는 측면부의 이러한 측부를 제공하기 위하여 예를 들어 Al2O3 및/또는 SiO2 또는 운모를 주재로 하는 세라믹물질을 이용하여 얻을 수 있다. 측면부가 열적 및 전기적 절연직물섬유와 함께 세라믹판 또는 테두리를 포함할 때, 세라믹판 또는 테두리를 제공하기 위하여 스텐레스 스틸이 사용되는 것이 바람직하다. 측면부는 하나의 물질로 제공되거나 또는 여러 물질에 의하여 제공되는 것과 같이 여러 층을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 다른 필터 엘리먼트는 금속섬유플리이스와 강재층을 연결하거나, 바람직하게 금속판 또는 테두리를 서로 연결하기 위하여 세라믹접착제의 비교적 두꺼운 층을 이용하여 제공될 수 있다. 접착제는 적어도 금속섬유플리이스의 변부 전길이에 걸쳐 도포되나, 강제층의 측부의 전면에 이 접착제가 도포되는 것이 바람직하다. 금속섬유플리이스는 측면부의 강재층에 실질적으로 수직인 주름선을 갖는 측면부 사이에 착설된다. 세라믹접착제의 층은 측면부에 연결되는 금속섬유플리이스의 변부의 전 길이에 직접 접촉하는 것을 방지한다. 이는 금속섬유플리이스를 정치하여 열적 및 전기적 절연특성을 제공하고 금속섬유플리이스와 강재층 사이의 양호한 밀폐가 이루어질 수 있도록 한다. 따라서 열적 및 전기적 절연측부가 강재층에 제공된다. 금속섬유플리이스는 접착제에 의하여 접착되는 양측 측면부의 열 적 및 전기적 절연측부 사이에 착설된다. 측면부는 주름선에 실질적으로 평행한 방향으로 금속섬유플리이스의 변부에 고정력을 가한다. 한편으로는 이들 측면부가 바이패스를 방지하기 위하여 주름개방부를 폐쇄한다.
강재층과 세라믹접착제 사이의 접착을 개선하기 위하여, 강재층의 표면과 금속섬유플리이스의 변부 사이에 와이어 메쉬 또는 확장형이나 천공형의 금속시이트가 삽입된다. 이러한 메쉬 또는 확장형 또는 천공형 금속시이트는 세라믹접착제의 고정점으로서 작용하고 접착제층으로 요입된다. 금속테두리와 금속메쉬가 사용되는 경우 최상의 결과를 얻을 수 있었다. 금속메쉬는 여러 지점에서 금속테두리에 스폿트용접되었다. 접착제 층의 두께는 0.5 mm 보다 깊으며 2 mm 미만이 바람직하다. 금속섬유플리이스는 접착제층에서 일정한 깊이로 요입되어 금속섬유플리이스의 변부에 소위 요입부를 형성한다. 이 요입부는 접착제 층의 두께보다 10 % 낮은 높이를 가지나 0.5 mm ~ 2 mm의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 강재층과 세라믹접착제 사이의 접착은 세라믹접착제를 강재층에 도포하기 전에 강재층의 측부에 예를 들어 세라믹입자의 층을 분사(예를 들어 Al2O3 또는 SiO2의 화염분사)하는 제1코팅으로 이루어질 수 있다. 또한 이 층은 강재층이 금속판 또는 테두리인 경우에 요구되는 금속섬유플리이스와 강재층 사이의 전기적인 절연을 개선한다. 이러한 분사는 메쉬 또는 확장형 또는 천공형 금속시이트 상에 이 루어질 수도 있다. 가능하다면 세라믹층은 메쉬 또는 확장형 또는 천공형 시이트가 금속판 또는 테두리에 스폿트용접된 후에 이에 분사될 수 있다.
세라믹 또는 금속판이나 테두리인 측면부의 강재층과 소결금속섬유층 사이의 세라믹 접착제층의 유연성과 열주기에 대한 내성을 더욱 개선하기 위하여, 금속입자가 세라믹 접착제에 첨가될 수 있다. 경화된 세라믹 접착제의 유연성이 금속분말로 이루어진 세라믹 접착제에 비하여 매우 우수하므로 금속단섬유가 금속분말보다 바람직하다. 놀랍게도, 이러한 접착제층의 전기적인 절연특성이 순수세라믹접착제에 비하여 약간 영향을 받을 뿐이라는 사실이 확인되었다.
금속단섬유는 1 ~ 150 ㎛ 사이, 바람직하게 2 ~ 100 ㎛ 사이의 등가직경 "D"를 갖는 섬유를 포함한다. 가장 바람직하게 이러한 직경이 2 ~ 50 ㎛ 사이, 또는 2, 4, 6.5, 8, 12 또는 22 ㎛과 같은 2 ~ 35 ㎛ 사이인 것이다. 이러한 금속단섬유는 5 보다 큰, 바람직하게 10 보다 큰 L/D 비율을 갖는 것이 바람직하지만 필수적인 것은 아니다. 여기에서 L은 금속단섬유의 평균길이를 나타낸다.
바람직하게 세라믹접착제의 층은 금속단섬유의 적어도 0.5 중량 %, 가장 바람직하게 10 중량 % 보다 큰 또는 20 중량 % 보다 큰 비율을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게 세라믹접착제의 층이 금속단섬유의 30 중량 % 미만을 포함하는 것이다.
금속판 또는 테두리는 스텐레스 스틸로 구성되는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게 금속섬유플리이스의 금속섬유와 금속판 또는 테드리가 동일한 금속합금으로 구성되는 것이다.
본 발명에 따른 필터 엘리먼트는 추가로 상기 언급된 측면부와 함께 필터 엘리먼트 하우징을 구성하는 다른 요소를 포함한다. 이들 요소도 또한 금속섬유플리이스로부터 이들 요소측으로의 방열 또는 고온가스와 하우징 사이의 접촉에 의한 이들 요소의 가열에 의한 열에너지의 손실을 줄이기 위하여 열적으로 그리고 전기적으로 절연될 수 있다. 필터팩 벽의 인접한 필터 유니트측으로 향하는 방열에 의한 열손실을 줄이기 위하여 예를 들어 천공형 금속스크린 또는 투과성이 양호한 단열섬유가 부착될 수 있다. 투과성이 양호한 단열섬유의 경우, SiO2-그리드 직조섬유가 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이러한 필터 엘리먼트는 다수의 이점을 갖는다.
주름개방부를 폐쇄하기 위하여 사용된 측면부의 측부가 단열특성을 가지므로 대류에 의한 열에너지손실이 방지된다. 금속섬유플리이스가 그 측부만을 통하여 필터 하우징에 접촉한다. 또한 금속섬유플리이스를 주름지게 함으로써 일측 주름으로부터 인접한 주름으로 방열이 이루어진다. 전류가 금속섬유플리이스에만 공급되므 로 플리이스는 전기적인 절연측부에 의하여 그 변부에서 필터 하우징으로부터 전기적으로 절연된다.
금속섬유플리이스는 팽창되는 것에 대하여 내성을 갖는 것이 바람직하다. 소결되고 주름이 잡힌 금속섬유플리이스는 변부를 형성하는 주름형상에 의하여 매우 높은 내팽창성을 갖는다.
게다가, 놀랍게도, 열적 및 전기적 절연섬유로 구성되는 본 발명의 필터 엘리먼트가 예를 들어 매연입자가 포함된 디젤배기가스를 여과하는데 사용될 때, 필터 엘리먼트는 재생후라 하더라도 자기밀폐기능을 발휘한다. 이에 대하여서는 다음과 같이 설명된다.
금속섬유플리이스의 변부는 측면부의 열적 및 전기적 절연측부 사이에 착설되거나 가압된다.
열적 및 전기적 절연섬유가 사용되는 경우, 섬유의 조직특성에 의하여 금속섬유플리이스는 섬유 내에 일정한 깊이로 요입된다. 정상적인 환경하에서, 이러한 요구는 금속섬유플리이스의 요입부에 인접한 섬유 내의 모든 공극을 충분히 폐쇄하여 가스가 열적 및 전기적 절연섬유를 통하여 금속섬유플리이스를 바이패스할 수 없도록 한다. 섬유내 공극수가 적고 이들이 금속섬유플리이스의 요입부에 의하여 폐쇄되지 않는 경우, 소량의 배기가스가 이러한 공극을 통하여 금속섬유플리이스를 바이패스할 것이다. 배기가스 내에 존재하는 매연물질은 섬유에 의하여 갇히어 공극공간을 폐쇄할 것이다. 금속섬유플리이스가 재생될 때, 열적 및 전기적 절연섬유는 공극공간에서 섬유 내에 갇힌 매연물질을 소각시킬 수 있을 정도로 충분히 가열되지 않을 것이다. 따라서 섬유를 통한 가스의 바이패스는 이러한 바이패스에 의하여 공극공간이 매연물질로 충전된 후에 방해를 받게된다. 필터가 스스로 밀폐된다.
주름형 금속섬유플리이스의 변부가 세라믹판인 측면부의 열적 및 전기적 절연측부에 형성된 요구에 착설될 때 동일한 효과를 얻었다. 바람직하게는 변부의 하측에는 작은 규모의 운동이 이루어질 수 있도록 소규모의 공극공간에 제공된다. 요구에는 주름형 금속섬유플리이스에 대하여 표면에서 변부의 요입부가 효과적으로 결합될 수 있도록 하여 이러한 환경하에서는 가스가 변부의 측부와 이들의 공극을 통하여 금속섬유플리이스를 바이패스할 수 없도록 한다. 요입부에서 변부의 측부와 요구 사이의 간극이 작은 경우, 이들 간극에 매연물질이 갇히어 포착된다. 필터가 재생될 때, 매연물질은 이 매연물질이 완전히 소각될 수 있을 정도로 충분히 가열되지 않을 것이다. 따라서, 이러한 바이패스에 의하야 매연물질이 간극에 채워진 후에는 간극을 통한 가스의 바이패스가 방해받는다.
본 발명의 범위 내에서, 금속섬유플리이스는 금속섬유, 바람직하게 스틸섬유로 구성되는 플리이스를 의미한다. 금속 또는 스틸의 합금이 금속섬유플리이스에 의하여 견딜 수 있는 온도범위에 따라서 선택될 수 있다. 300-시리즈 또는 400-시리즈의 AlSl 합금 또는 Inconel®과 같은 합금의 스텐레스 스틸 섬유가 바람직하다. 재생 중에 고온을 견딜 수 있는 경우, Fe, Al 및 Cr로 구성되는 Fecralloy®합금이 바람직하다. 이러한 섬유는 번들 드로잉(bundle drawing) 또는 세이빙(shaving)과 같은 현재 알려져 있는 제조방법에 의하여 얻을 수 있다. 1 ~ 100 ㎛ 사이, 바람직하게 2 ~ 50 ㎛ 사이, 예를 들어 12, 17 및 22 ㎛와 같은 12 ~ 35 ㎛ 사이의 직경을 갖는 섬유가 사용될 수 있다. 플리이스는 사용된 합금에 따라서 적당한 소결환경을 이용하여 소결되는 것이 바람직하다. 금속섬유는 번들 드로잉 또는 코일 세이빙에 의하여 얻는다. 후자의 방법에 대하여서는 특허문헌 WO97/04152에 상세히 기술되어 있다.
또한 두께, ㎡당 중량, 기공직경 및 기타 플리이스의 파라미터가 포착되어야 하는 입자 또는 필터 엘리먼트가 사용되어야 하는 분야에 따라서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 필터 엘리먼트를 제공하기 위하여 사용되는 금속섬유플리이스는 여러 층의 금속섬유를 포함하는 것이 바람직하다. 각 섬유층은 일정한 등가직경을 갖는 섬유를 포함한다. 가장 거친 섬유로 이루어진 층이 필터 엘리먼트의 유입측에 배치되는 한편, 미세섬유로 이루어지는 금속섬유층이 필터의 유출측에 배치될 때 최상의 여과결과를 얻었다. 이러한 성층된 금속섬유플리이스의 실시예는 35 ㎛의 등가직경을 갖는 금속섬유층과 17 ㎛의 등가직경을 갖는 금속섬유층을 포함하는 금속섬유플리이스이다. 이들 두 층 사이에는 22 ㎛의 등가직경을 갖는 금속섬유층이 배치될 수 있다. 85 % 보다 큰 기공율이 바람직하며 플리이스의 평방미터당 중량은 1500 g/㎡ 미만, 예를 들어 1450 g/㎡이 바람직하다.
등가직경은 동일한 표면을 갖는 가상원형단면의 섬유를 방사상으로 정단하였을 때의 직경으로서 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 금속섬유플리이스는 금속섬유로 구성되는 필터매체의 단 하나의 스트립으로 구성되는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게 이 스트립이 직사각형인 것이다. 그러나, 금속섬유플리이스는 금속섬유를 포함하는 필터매체의 하나 이상의 스트립으로 구성될 수 있으며 이들 스트립은 본 발명에 따른 필터 엘리먼트의 두 측면부 사이에 착설된다.
소결된 금속섬유플리이스는 플리이스의 평면표면에 평행한 방향으로 기계적인 부하 하에 놓였을 때 양호한 내팽창성을 갖는다. 내팽창성을 개선하기 위하여 플리이스는 반복적인 파형으로 이루어져 주름진 형태가 되도록 하는 것이 좋으며, 이러한 파형의 파장은 플리이스의 두께의 5배 미만인 것이 바람직하다. 또한 파형의 진폭은 플리이스의 두께의 5배 미만인 것이 바람직하다. 내팽창성은 주위환경에서 50 % 보다 크게 개선될 수 있었다. 이들 플리이스는 600 ℃ 보다 높게 가열되었 을 때에도 내팽창성이 30 % 보다 크게 개선되었다.
또한, 본 발명에 따른 필터 엘리먼트를 제공하기 위하여 사용된 금속섬유플리이스는 금속섬유플리이스에 고정되거나 이에 소결되어 고정된 둘 이상의 접점단자를 갖는다. 본 발명에 따라서, 접점단자는 필터 엘리먼트를 재생하기 위하여 전기회로에 의하여 전류가 공급되는 단자이다. 이러한 접점단자는 금속섬유플리이스의 전면에 정당히 전류를 분배할 수 있게 되어 있다. 이들 접점단자는 금속섬유플리이스의 양단부에 소결되어 고정되는 예를 들어 Ni-포일과 같은 금속포일 또는 금속직조메쉬이다.
각각 전기회로의 각 전극에 접촉하는 금속섬유플리이스의 양단부가 서로 근접하여 배치되는 경우에는 특별한 주의를 요한다. 접점단자는 상대측에 대하여 절연되어야 한다. 이는 양측 접점단자 사이에 운모판과 같은 하나 이상의 전기절연판을 삽입함으로써 수행된다. 양측 접점단자는 볼트나 너트 등을 이용하여 이러한 전기절연판에 연결될 수 있다. 접점단자는 이들 접점단자가 금속섬유플리이스으로부터 필터 엘리먼트의 유출방향으로 연장되게 단부에 부착된다.
본 발명에 따른 필터 엘리먼트는 필터 유니트를 제공하는데 사용될 수 있다. 여러 개의 필터 엘리먼트가 상하로 적층되게 조합될 수 있다. 열손실을 방지하기 위하여, 여러 필터 엘리먼트가 필터 유니트의 둘레에서 예를 들어 SiO2-섬유직물과 같은 단열 및 내열직물층과 같은 단열층에 의하여 상대측으로부터 분리되고, 필터팩 벽의 인접한 필터 유니트를 향한 방열에 의한 열손실을 줄이기 위하여 투과성이 큰 단열섬유가 사용될 수 있다. SiO2-그리드 섬유직물이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 필터 엘리먼트는 디젤엔진으로부터의 배기가스와 같은 고온가스를 여과하는데 사용될 수 있다.
필터 엘리먼트로 구성되는 본 발명에 따른 필터 유니트는 두개의 측면부를 갖는 필터 엘리먼트를 이용하여 제공되며, 각 측면부는 중공형 필터공간의 내측부로 가스가 유입될 수 있도록 하는 통공을 갖는다. 필터 엘리먼트는 필터 엘리먼트의 통공을 통하여 연장된 천공형 금속튜브와 같은 투과성 코어부재 상에 착설된다. 투과성 코어부재측으로 향하는 가스는 중공형 필터공간으로 유입될 수 있다. 이러한 가스는 필터 엘리먼트의 외측을 향하여 필터 엘리먼트의 금속섬유플리이스를 통하여 유동한다. 또한 금속섬유플리이스를 통하여 중공형 필터공간으로 유입되는 가스는 투과성 코어부재를 통하여 배출될 수 있다.
수개의 필터 엘리먼트 또는 본 발명에 따른 필터 엘리먼트를 포함하는 필터 유니트는 병렬로, 예를 들어 적어도 하나의 필터 엘리먼트를 재생할 수 있도록 병 렬로 사용될 수 있으며, 재생되는 필터 엘리먼트를 통하여서는 가스가 유동하지않아 대류열손실을 줄일 수 있는 반면에 다른 필터 엘리먼트들은 계속하여 가스를 여과할 수 있다. 이들은 예를 들어 상이한 크기의 입자를 여과할 수 있도록 다단으로 가스를 여과하기 위하여 직렬로 연결되게 착설될 수 있다.
게다가, 본 발명의 다른 주제에 따라서, 본 발명에 따른 수개의 필터 유니트를 포함하는 필터 시스템이 제공된다. 필터 시스템은 추가로 밸브 시스템과 전기제어시스템을 포함한다. 일시적으로 하나 이상의 필터 유니트에는 여과될 가스의 공급이 차단될 수 있다. 이후부터 이를 "풋-오프 라인(put-off line)"라 하였다. 이는 밸브 시스템의 적당한 밸브를 개폐함으로써 수행될 수 있다. 이러한 밸브의 폐쇄는 전기제어시스템에 의하여 제어된다. 또한 전기제어시스템은 하나 이상의 필터 엘리먼트에 대한 전류의 공급과 필터 시스템의 온도 및 압력을 제어할 수 있다. 또한 가능하다면, 여러 필터 유니트의 재생순서의 타이밍이 전기제어시스템에 의하여 제어될 수 있다.
따라서, 각 필터 엘리먼트는 하나씩 개별적으로 재생될 수 있다. 또한 필터 엘리먼트는 가스가 필터 엘리먼트를 통하여 연속하여 유동하는 동안에도 인라인방식으로 재생될 수 있다.
적어도 하나 또는 가장 바람직하게 전부의 측면부가 중간에 예를 들어 원형 개방부와 같은 통공을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 통공은 본 발명에 따른 다수의 필터 엘리먼트를 상하로 착설하는데 이용될 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 필터 유니트의 단면도.
도 2는 도 1에서 보인 필터 유니트의 AA'부분 확대단면도.
도 3은 도 1에서 보인 필터 유니트의 BB'면 단면도.
도 4, 도 5a 및 도 5c는 도 1의 AA'부분에 해당하는 본 발명에 따른 다른 필터 엘리먼트의 부분확대단면도.
도 5b는 도 5a의 CC' 확대단면도.
도 5d는 도 5c의 CC' 확대단면도.
도 6은 본 발명에 따른 필터 엘리먼트로부터 접점단자를 보인 측면도.
도 7은 본 발명에 따른 필터 엘리먼트로부터 다른 접점단자를 보인 측면도.
도 8, 도 9 및 도 10은 도 1의 BB'면 부분에 해당하는 본 발명에 따른 다른 필터 유니트의 다른 실시형태를 보인 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 여러 필터 유니트로 구성된 머플러형의 디젤배기가스 필터 시스템을 보인 사시도.
도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 바람직한 필터 유니트를 보인 것이다. 이 필터 유니트는 상하로 적층된 다수의 필터 엘리먼트(11)를 포함한다. 이들은 모두 링의 형상을 갖는다. 필터 엘리먼트의 내측개방부(13) 내에는 천공형 금속튜브(12)가 배치된다. 각 필터 엘리먼트 사이에는 디스크형 SiO2 펠트물질(14)이 배치되어 여러 필터 엘리먼트 사이를 단열시킨다. 필터 유니트의 양 단부에서, 금속판(15)이 예를 들어 도 1에서 보인 바와 같이 스크류(16)에 의하여 상하측 필터 엘리먼트에 대하여 고정되며, 스크류는 금속판을 필터 엘리먼트측으로 가압한다. 이 금속판(15)과 상측 또는 하측 필터 엘리먼트 사이에는 다른 디스크형 SiO2 펠트물질(14)이 배치된다.
이러한 필터 유니트가 사용될 때, 여과될 가스는 필터 엘리먼트의 외측으로부터(화살표 17로 보임) 유입되어 필터매체(18)와 금속튜브(12)의 통공을 통하여 화살표 19로 보인 바와 같이 다른 배기시스템으로 유동한다.
본 발명의 각 필터 엘리먼트에는 필터매체(18)로서 금속섬유플리이스가 사용된다. "오염된" 가스가 유입측(20)으로부터 유입되고 금속섬유플리이스를 통하여 이 금속섬유플리이스의 유출측(21)에서 배기시스템으로 유동한다. 금속섬유플리이스는 두개의 접점단자(22)(23)를 통하여 전기회로(24)에 연결되며, 이는 필터매체에 포착되어 있는 오염물, 예를 들어 매연물질을 재생하기 위하여 금속섬유플리이스에 전류를 공급한다. 금속섬유플리이스는 주름이 잡혀 있으며 재생 중에 이러한 주름(25)에 의하여 발생된 열이 화살표 26으로 보인 바와 같이 인접한 주름측으로 방열되도록 한다. 이러한 방열을 이용하여 여과된 입자의 연소를 증식시키고 지원함으로써 전력을 크게 줄일 수 있다.
필터 엘리먼트의 바람직한 실시형태의 구성이 도 2에 도시되어 있다. 필터 엘리먼트의 측면부(28)는 금속테두리(29)를 포함하고 이에 와이어 메쉬(30)가 여러 용접점(31)에서 스폿트용접되어 있다. 미세한 세라믹물질 Al2O3의 층(32)이 측면부의 열적 및 전기적 절연측부(33) 상에 스프레이된다. 비교적 두꺼운 층의 세라믹접착제(34)가 이러한 메쉬와 열적 및 전기적 절연측부(33)에 도포되고 이후에 금속섬유플리이스(18)가 10 중량 % 보다 큰 금속단섬유를 포함하는 이러한 세라믹 접착제(34)에 접착된다. 접착제층의 두께는 2 mm이고 ZrO2-MgO 화합물계의 접착제가 사용되었다. 금속섬유플리이스의 변부가 1.5 mm의 깊이에 걸쳐 접착제층에 요입되었다. 금속판과 금속메쉬는 스텐레스 스틸 AlSl 304로 만들어졌다. 다른 스텐레스 스틸 AlSl 430이 사용되었다.
필터 엘리먼트의 다른 실시형태에서 AA' 부분의 상세한 구성이 도 4에 도시되어 있다. 필터 엘리먼트의 측면부(401)는 금속테두리인 강재층(402)으로 구성되 고 이에 열적 및 전기적 절연섬유(403)가 배치된다. 이 섬유(403)는 두께가 약 3 mm인 SiO2-펠트물질(예를 들어, 부직포)이 바람직하다. 금속섬유플리이스(18)의 주름형 변부가 측면부의 두 열적 및 전기적 절연측부 사이에 압착된다.
금속섬유플리이스(18)는 착설되었을 때 약 1 mm의 깊이(404)로 절연섬유(403)에 가압된다. 이와 같이 하여 형성된 요구는 필터 엘리먼트가 사용될 때 금속섬유플리이스를 통한 블로우-스루우가 방지되도록 한다.
필터 엘리먼트의 또다른 실시형태에서 AA' 부분의 상세한 구성이 도 5a와 도 5c에 도시되어 있다.
제1의 다른 실시형태의 상세부분 AA'이 도 5a에 도시되어 있다. 이 실시형태의 평면 CC'에 따른 단면이 도 5b에 도시되어 있다. 필터 엘리먼트의 측면부(501)는 세라믹판(503)이 구비된 금속테두리(502)를 포함한다. 이 세라믹판은 Al2O3-세라믹물질 또는 SiO2-물질계이며 약 6 mm의 두께를 갖는다. 이 세라믹판(503)은 2 ㎜의 깊이(505)의 요구(504)를 갖는다. 금속섬유플리이스(18)가 요구(504)로 요입되어 약 1.5 ㎜의 높이(507)를 갖는 금속섬유플리이스(18)의 변부로 요입부(506)를 채운다.
제2의 다른 실시형태의 상세부분 AA'이 도 5c에 도시되어 있다. 이 실시형태의 평면 CC'에 따른 단면이 도 5d에 도시되어 있다. 필터 엘리먼트의 측면부(510)는 세라믹판(512)이 구비된 금속테두리(512)를 포함한다. 이 세라믹판은 Al2O3-세라믹물질 또는 SiO2-물질계이며 약 6 mm의 두께를 갖는다. 금속섬유플리이스(18)에 접촉하는 세라믹판(512)의 내측부에 세라믹접착제(513)가 도포된다. 금속섬유플리이스(18)의 변부는 접착제(513)측으로 요입된다. ZrO2-MgO 화합물계의 이러한 비교적 두꺼운 층의 세라믹접착제(513)는 10 중량 % 보다 큰 금속단섬유를 포함하며, 바람직하게 22 ㎛의 등가직경을 갖는 스텐레스스틸을 포함하는 것이 바람직하다.
여러 엘리먼트를 상하로 스크류(16)로 고정하여 기계적인 인장력에 대한 내성을 개선하기 위하여, 여러개의 스터드(35)가각 필터 엘리먼트의 상하측 테두리에 용접될 수 있다. 도 1, 도 2, 도 4, 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d에서 보인 바와 같이, 필터 엘리먼트(11)의 둘레에는 천공형 금속판(39)이 배치될 수 있다(도면에서는 간단히 설명하기 위하여 일부만을 도시하였음).
도 6과 도 7에서 보인 바람직한 실시형태의 접점단자(22)(23)로 돌아가서, 미세 Ni-시이트(36)가 금속섬유플리이스의 단부에 소결고정되었다. 각 접점단자는 두개의 볼트(38)(39)에 의하여 예를 들어 운모판과 같은 절연판(37)에 고정되었다. 접점단자(22)와 볼트(38) 사이와 접점단자(23)와 볼트(39) 사이의 전기적인 접촉을 방지하기 위하여, 두개의 운모시이트(40)가 절연판(37)과 접점단자(22)(23) 사이에 삽입되었다.
다른 구성이 도 7에 도시되어 있다. 도 6에서 보인 동일한 구성이 사용되었으나 접점단자(22)는 이 접점단자(22)의 부분이 볼트(38)의 배후에는 배치되지 않고 접점단자(23)가 절연판(37)에 고정되는 형상으로 구성되어 있다. 이상적으로는, 접점단자(23)가 이 접점단자(23)의 부분이 볼트(39)의 배후에는 배치되지 않고 접점단자(22)가 절연판(37)에 고정되는 형상으로 구성되는 것이다. 이러한 접점단자를 이용함으로써, 두개의 운모판(40)이 사용되는 것을 피할 수 있고 필터 엘리먼트의 구조가 간단하도록 할 수 있다.
도 8은 BB'부분의 단면을 보인 것이다.이 실시형태의 천공형 튜브는 단면이 타원형의 형태이다. 또한, 금속섬유플리이스가 주름선을 따라서 주름이 잡혀져 있어 재생 중에 일측 주름으로부터 타측 주름으로의 방열이 가능하도록 한다.
본 발명에 따른 필터 엘리먼트의 또다른 단면구조가 도 9에 도시되어 있다. 이 실시형태의 필터 엘리먼트는 두개의 금속섬유플리이스 스트립을 포함하며 이들은 함께 필터 엘리먼트의 전체 필터매체를 형성한다. 이들 두개의 금속섬유플리이스 스트립은 각 단부에 하나씩 두개의 접점단자(22)(23)를 가지며 이들은 적당한 전기회로(24)에 연결된다.
본 발명에 따른 필터 엘리먼트의 또다른 단면구조가 도 10에 도시되어 있다. 필터 엘리먼트는 한 셋트의 금속섬유플리이스 스트립을 포함하며 이들 각각은 하나의 주름선(81)을 따라서 주름이 잡혀 있다. 각 금속섬유플리이스 스트립은 각 단부에 하나씩 두개의 접점단자(22)(23)를 갖는다. 이들 접점단자는 적당한 전기회로(24)에 연장되어 연결된다.
도 11에서 보인 바와 같이, 여과될 가스는 유입구(91)를 통하여 머플러 시스템으로 유입된다. 머플러 시스템에는 각각 수개의 필터 엘리먼트(93)를 포함하는 수개의 필터 유니트(92)가 배치되어 있다. 화살표 94로 보인 바와 같이 여과될 가스는 각 필터 엘리먼트의 필터매체를 통과한 후에 수집챔버(96)의 천공형 튜브(95)를 통하여 필터 유니트(92)를 떠난다. 유출구(97)를 통하여, 여과된 배기가스는 화살표 98로 보인 바와 같이 배기시스템을 통해 유동한다.
필터매체로서는 3개층의 스텐레스 스틸 섬유로 구성된 소결금속섬유플리이스가 사용된다. 제1층은 등가직경이 17 ㎛인 600 g/㎡의 Fecralloy®섬유를 포함한다. Fecralloy®섬유의 제2층이 제1층 상에 배치된다. 이 층은 등가직경이 22 ㎛인 250 g/㎡의 섬유를 포함한다. Fecralloy®섬유의 제3층이 제2층 상에 배치되며 이 층은 등가직경이 35 ㎛인 섬유이다. 이 제3층은 600 g/㎡의 섬유를 포함한다.
85 %의 기공율을 갖는 스텐레스 스틸 플리이스를 이용하여 91 %의 매연포착율을 얻었다.
상기 언급된 실시형태에서 금속섬유플리이스의 길이는 1200 mm인 반면에, 금속섬유플리이스 스트립의 높이는 30 ~ 35 mm, 예를 들어 33.75 mm인 것이 바람직하다.
매연은 소위 심도있게 여과되었다. 이는 매연입자가 필터의 전 깊이를 통하여 포착되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
필터 유니트를 재생하는데 하나의 필터 엘리먼트당 1분 정도만이 필요하였으며 전력소모는 750 W ~ 1500 W 정도였다. 필터 엘리먼트를 통한 압력강하는 재생전 100 mbar로 측정되었다.

Claims (13)

  1. 적어도 두개의 측면부를 포함하고 상기 각 측면부는 강재층을 포함하며 상기 각 측면부가 적어도 하나의 열적 및 전기적 절연측부를 가지고 상기 필터 엘리먼트가 주름개방부를 갖는 변부를 제공토록 주름선을 따라서 주름이 잡히는 금속섬유플리이스를 포함하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트에 있어서, 상기 금속섬유플리이스가 상기 측면부들 사이에 착설되고 상기 열적 및 전기적 절연측부가 상기 변부에 접촉하며 상기 열적 및 전기적 절연측부가 상기 주름개방부를 폐쇄함을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측면부의 적어도 하나가 통공을 가지고, 상기 금속섬유플리이스와 측면부가 중공형 필터공간을 형성하며 상기 통공이 상기 중공형 필터공간으로 가스가 유입될 수 있도록 하는 유입구를 제공함을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  3. 제2항에 있어서, 상기 측면부 모두가 통공을 가짐을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 측면부가 상기 주름선에 평행한 방향으로 상기 금속섬유플리이스에 고정력을 가함을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 각 측면부는 열적 및 전기적 절연섬유와 강재층을 포함하며 상기 열적 및 전기적 절연섬유가 상기 강재층의 일측부에 제공되어 상기 측면부에 대하여 열적 및 전기적 절연측부를 제공함을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 각 측면부는 세라믹판을 포함하며 상기 금속섬유플리이스가 양측 측면부의 상기 세라믹판 사이에 착설됨을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 각 측면부는 강재층을 포함하고 상기 강재층과 상기 금속섬유플리이스가 세라믹접착제의 층을 이용하여 접착되며 상기 세라믹접착제의 층이 상기 금속섬유플리이스의 상기 변부를 따라서 상기 금속섬유플리이스가 상기 측면부에 직접 접촉하는 것을 방지함을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 금속섬유플리이스는 적어도 하나의 금속섬유스트립을 포함하고 상기 각 금속섬유스트립이 두 단부를 가지며 상기 금속섬유스트립의 상기 각 단부에 접점단자가 고정됨을 특징으로 하는 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 전기적으로 재생가능한 필터 엘리먼트를 포함하는 필터 유니트에 있어서, 상기 필터 유니트는 상기 필터 엘리먼트의 상기 측면부에 형성된 상기 통공을 통하여 연장되는 투과성 코어부재를 포함함을 특징으로 하는 필터 유니트.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속섬유플리이스가 서로 전기적으로 절연됨을 특징으로 하는 필터 유니트.
  11. 제9항에 있어서, 상기 투과성 코어부재가 천공형 금속튜브임을 특징으로 하는 필터 유니트.
  12. 제9항의 필터 유니트를 포함하는 필터 시스템에 있어서, 상기 필터 시스템은 밸브 시스템과 전자제어시스템을 포함하고 상기 전자제어시스템이 상기 밸브 시스템의 개폐를 제어하며 상기 전자제어시스템이 상기 필터 시스템의 상기 필터 유니트의 상기 필터 엘리먼트에 공급되는 전류를 제어함을 특징으로 하는 필터 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 필터 시스템은 적어도 두개의 필터 유니트를 포함하 고 상기 밸브 시스템이 하나의 필터 유니트를 오프-라인상태가 되도록 하며 상기 전류가 오프-라인 상태가 된 상기 필터 유니트의 적어도 하나의 필터 엘리먼트에 공급됨을 특징으로 하는 필터 시스템.
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