KR100838546B1 - 시트 부재 및 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

유지 시일재 및 배기 가스 처리 장치
소정의 위치에 용이하게 장착될 수 있는 조립성이 뛰어난 시트 부재 및 이러한 시트 부재를 포함하는 배기 가스 정화 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 시트 부재 내에서 실질적으로 서로 대향하는 제 1 및 제 2 표면이 시트 부재의 두께 방향으로 수직하는 무기 섬유를 포함하는 시트 부재를 제공한다. 상기 제 1 표면은 적어도 오목부와 볼록부를 포함하고, 상기 제 1 표면의 오목부와 볼록부의 최대 차이 (최대 요철 차이) h 는 0.4mm ≤ h ≤ 9mm 이다.
이러한 시트 부재에 있어서, 제 1 표면에 형성된 요철에 의해, 제 1 표면이 다른 부재와 접촉하도록 위치하는 경우, 상기 시트 부재와 다른 부재 사이의 접촉 면적이 작아지기 때문에, 상기 시트 부재가 다른 부재에 대하여 수평으로 움직이는 경우, 발생하는 마찰력이 감소한다.
시트 부재, 배기 가스 정화 장치.

Description

시트 부재 및 배기 가스 정화 장치{SHEET MEMBER AND EXHAUST GAS PURIFYING DEVICE}
도 1 은 본 발명의 시트 부재의 구조를 나타내는 일례이다.
도 2 는 본 발명의 시트 부재를 유지 시일재로 사용하여, 배기 가스 처리 장치가 구성되는 경우, 상기 배기 가스 처리 장치의 구성도이다.
*도 3 은 본 발명의 배기 가스 정화 장치의 구조를 나타내는 일례이다.
도 4 는 마찰력 평가 시험 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5 는 제 1 면의 요철 차이와 마찰 계수의 관계를 나타내는 개략적으로 나타낸 것이다.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
10 배기 가스 정화 장치
12 금속 쉘
15 유지 시일재
20 배기 가스 처리체
24 시트 부재
26 제 1 표면
28 제 2 표면
50 조립 볼록부
60 조립 오목부
본 발명은 무기 섬유를 포함하는 시트 부재 및 이러한 시트 부재를 유지 시일재로서 사용하는 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
자동차의 대수는 금세기에 접어들어 크게 증가하고 있으며, 이에 비례하여 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기 가스의 양도 크게 증가하고 있다. 특히, 디젤 엔진의 배기 가스 중에 포함된 여러가지 물질은 환경 오염의 주요 원인이 되기 때문에, 현재 이러한 물질들은 지구 환경에 심각한 영향을 주고 있다.
이러한 이유에서, 많은 배기 가스 처리 장치가 제안되어 왔고, 실용화되어 있다. 일반적인 배기 가스 처리 장치는 엔진 룸의 배기 가스 다기관 (manifold) 에 연결된 배기관에 형성된 케이싱 (금속 쉘) 을 포함하고 있으며, 상기 케이싱에는 미세한 구멍을 다수 갖는 배기 가스 처리체가 형성되어 있다. 배기 가스 처리체의 예로는 촉매 담지체 및 디젤 미립자 필터 (DPF) 를 들 수 있다. 예를 들어, DPF 의 경우에는 전술한 구조에 의하여, 배기 가스가 배기 가스 처리체를 통과할 때에, 그 구멍 주위의 벽에 미립자가 포획되어 배기 가스로부터 미립자를 제거할 수 있다. 배기 가스 처리체의 구성 재료는 금속, 합금, 세라믹 등이 될 수 있다. 세라믹을 포함하는 배기 가스 처리체의 대표예는 코디어라이트 (cordierite) 로 만들어진 허니컴 (honeycomb) 필터가 알려져 있다. 최근에는 내열성, 기계적 강도, 화학적 안정성 등의 관점에서 다공질 탄화규소 (silundum) 소결체가 배기 가스 처리체로서 사용되고 있다.
통상적으로, 배기 가스 처리체와 금속 쉘 사이에 유지 시일재가 설치된다. 상기 유지 시일재는 차량 주행중에 금속 쉘과 배기 가스 처리체가 접촉함에 따라 발생하는 파손을 방지하고, 금속 쉘과 배기 가스 처리체와의 틈으로부터 배기 가스가 누출되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 상기 유지 시일재는 배기 가스의 배기 압력으로 인한 배기 가스 처리체가 이탈되는 것을 방지하는 중요한 역할을 한다. 또한, 상기 배기 가스 처리체는 반응성을 안정화하기 위해 고온으로 유지할 필요가 있고, 상기 유지 시일재는 내열성이 요구된다. 이러한 요구를 만족하는 구성 부재로서, 알루미나계 섬유 등의 무기 섬유를 포함하는 시트 부재가 있다.
상기 시트 부재는 배기 가스 처리체의 개구면을 제외한 외주면의 적어도 일부에 감겨지고, 테이핑에 의해 배기 가스 처리체와 일체로 고정된 후, 금속 쉘 내부로 압입되어, 배기 가스 정화 장치 내부에 조립된다.
상기 유지 시일재를 금속 쉘에 압입 고정할 경우에는, 유지 시일재가 금속 쉘과 내부 벽과의 마찰에 의해 큰 전단 응력을 받기 때문에, 금속 쉘에 압입 고정된 유지 시일재에는 위치 어긋남 또는 틈이 발생할 수 있다. 이러한 위치 어긋남 및 틈이 발생하는 경우, 유지 시일재의 시일성이 손상되고, 유지 시일재로 서의 기능을 발휘할 수 없다. 그러므로, 전술한 문제점들을 해결하기 위해 금속 쉘 내벽과 접촉하는 유지 시일재의 표면에 액체 윤활유를 제공하여, 유지 시일재의 금속 쉘에 압입 고정을 용이하게 하는 방법이 제안되고 있다. (특허문헌 1 : 일본공개특허공보 2002-173875 참조)
그러나, 상기 전술한 방법에 있어서, 유지 시일재 표면에 윤활유를 제공하기 위한 새로운 처리가 필요하게 되어, 유지 시일재의 제작 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 조작 문제가 발생할 수 있다. 즉, 유지 시일재가 윤활유를 사용하여 처리되는 경우, 유지 시일재에 제공되는 윤활유가 처리 장치 및 작업자에게 부착되기 쉽다. 또한, 이러한 윤활유는 유기 결합제를 포함하기 쉽지만, 상기 유지 시일재가 배기 가스 정화 장치로서 사용되는 경우, 이러한 윤활유가 열에 의해 공기 중으로 방출될 수 있다. 그러므로, 환경적 관점에서는 이러한 윤활유를 사용하는 것이 바람직하지 않다.
현재, 작업자의 건강 등을 배려하여, 시트 부재에 포함되는 무기 섬유의 직경이 증가하는 경향이 있다. 예를 들어, 무기 섬유의 평균 섬유 직경은 현재 최대 6㎛ 미만에서 장래 7㎛ 이상으로 바뀔것으로 예상되고 있다. 이러한 섬유 직경의 증대가 시트 부재의 유연성을 저하시키기 때문에, 유지 시일재를 압입 고정하는 경우 발생하는 위치 어긋남의 문제는 향후 좀더 일반적으로 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 표면 윤활유를 사용하지 않고, 지정된 위치에 매우 용이 하게 장착이 가능한 조립성이 우수한 시트 부재를 제공하고, 이러한 시트 부재를 포함하는 배기 가스 정화 장치를 제공하는데 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일양태에 따라 무기 섬유를 포함하는 시트 부재로서, 상기 시트 부재내에서 실질적으로 서로 대향하는 제 1 및 제 2 표면이 시트 부재의 두께 방향으로 수직하고, 상기 제 1 표면은 적어도 오목부와 볼록부를 포함하고, 상기 제 1 표면의 오목부와 볼록부의 최대 차이 (최대 요철 차이) h 는 0.4mm ≤ h ≤ 9mm 인 시트 부재를 제공한다.
전술한 특징을 갖는 시트 부재를 제 1 표면이 다른 부재와 접촉하도록 배치하였을 경우, 제 1 표면에 형성된 요철에 의하여 시트 부재와 다른 부재 사이의 접촉 면적이 작아지게 된다. 이를 통해, 시트 부재를 다른 부재에 대하여 수평으로 움직였을때 발생하는 마찰력이 억제된다. 그러므로, 다른 부재에 대하여 시트 부재를 원하는 위치에 배치시키는 조작을 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 시트 부재에 있어서, 예를 들어, 상기 시트 부재는 무기 섬유로 만들어진 적층 시트를 니들링 (needling) 처리를 통해 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 본 발명의 실시예에 따른 시트 부재는 종래의 시트 부재의 제조 기술을 이용하여 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 니들링 처리에 있어서, 시트 부재의 두께 방향으로 섬유가 직조되고, 두께가 얇아지기 때문에, 상기 시트 부재의 부피가 억제되고, 용이하게 취급할 수 있는 시트 부재가 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시트 부재에 있어서, 상기 시트 부재는 바인더를 포함 할 수 있다. 바인더를 포함시킴으로써 섬유끼리의 접착성이 향상될 수 있으며, 상기 시트 부재를 절단하고 가공하는 때에 섬유가 비산하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시트 부재에 있어서, 상기 무기 섬유의 평균 직경은 6㎛ 이상일 수 있다. 전술한 바와 같이, 통상적으로 무기 섬유의 평균 직경이 증가함에 따라, 시트 부재의 유연성이 저하되는 경향이 있기 때문에 상기 시트 부재의 취급성이 감소될 것이다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 시트 부재에 있어서, 상기 시트 부재의 무기 섬유의 평균 직경이 6-7㎛ 이상이더라도, 전술한 마찰력의 억제 효과에 의해 다른 부재에 대한 상기 시트 부재의 이동하는 조작이 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 상기 시트 부재에 있어서, 상기 시트 부재에 포함된 무기 섬유는 알루미나와 실리카의 혼합물일 수 있다. 이를 통해, 단열 성능이 향상된다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 양태에 있어서, 배기 가스 처리체와, 상기 배기 가스 처리체의 개구면을 제외한 외주면의 적어도 일부에 사용되는 유지 시일재와, 상기 유지 시일재가 둘레에 권취된 상기 배기 가스 처리체를 수용하는 금속 쉘을 포함하는 배기 가스 정화 장치에 있어서, 상기 유지 시일재는 청구범위 제 1 항 내지 제 5 항에 기재된 시트 부재로 형성되고, 상기 시트 부재의 제 1 면이 상기 금속 쉘의 내면과 밀접하도록, 유지 시일재가 배치되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치가 제공된다. 이러한 배기 가스 정화 장치 에 있어서, 상기 유지 시일재는 전술한 시트 부재의 효과로 인하여 금속 쉘 내부에 쉽게 장착될 수 있다. 이를 통해, 장치 내부에서 유지 시일재의 위치 어긋남 및 틈 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치에 있어서, 상기 배기 가스 처리체는 촉매 담지체 또는 배기 가스 필터일 수 있다. 이 경우, 상기 배기 가스 정화 장치는 가스 시일성 및 상기 촉매 담지체 또는 배기 가스 필터에 대한 유지성이 우수하도록 제공된다.
본 발명에 있어서, 종래의 제조 공정에 큰 변화를 두지 않고, 소정의 위치에 용이하게 장착이 가능한 조립성이 우수한 시트 부재를 제공하는 것이 가능하다. 또한, 이러한 시트 부재를 배기 가스 처리 장치의 유지 시일재로서 사용하여, 금속 쉘에 압입시 위치 어긋남이 발생하지 않고, 배기 가스 처리 장치의 소정의 위치에 상기 유지 시일재를 장착하는 것이 가능하다. 그러므로, 조립성이 우수한 배기 가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징, 이점 등은 첨부된 도면을 통해 좀 더 분명해질 수 있다.
다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 첨부된 도면과 함께 설명한다.
도 1 에 있어서, 본 발명의 시트 부재 (24) 의 일례가 나타나 있다. 상기 시트 부재 (24) 는 무기 섬유를 포함하고, 또한 시일재의 두께 방향에 실질적 으로 수직하며, 서로 대향하는 제 1 표면 (26) 및 제 2 표면 (28) 을 갖는다. 본 발명의 시트 부재에 있어서, 도 1 내의 단면 확대도에 나타난 바와 같이, 적어도 제 1 표면 (26) 은 요철로 형성되어 있다. 제 1 표면 (26) 의 오목부와 볼록부의 최대 차이 (이하, '최대 요철 차이 h' 라 한다.) 는 0.4mm ≤ h ≤ 9mm 이다.
이러한 특징을 갖는 상기 시트 부재 (24) 가 제 1 표면 (26) 이 다른 부재와 접촉하도록 배치되는 경우, 제 1 표면 (26) 에 형성된 요철에 의해 시트 부재 (24) 와 다른 부재 사이의 접촉 면적이 감소될 것이다. 이 결과, 상기 시트 부재 (24) 가 다른 부재에 대하여 평행하게 움직일 때 생기는 마찰력이 감소된다. 따라서, 시트 부재 (24) 를 다른 부재에 대하여 이동시킴으로써, 시트 부재를 원하는 위치에 배치시키는 조작을 용이하게 실시하는 것이 가능하다.
특히, 최대 요철 차이 h 가 3mm ≤ h ≤ 7mm 인 경우에는, 후술하는 바와 같이 마찰력의 감소가 더욱 증가하게 된다.
상기 시트 부재의 제 1 표면 (26) 의 상기 최대 요철 차이 h 는 하기와 같이 정해진다. 즉, 시트 부재 (24) 의 임의의 단면의 임의의 위치에서 배율 12 배의 사진을 촬영하고, 사진내의 제 1 표면 (26) 에 있어서, 상기 시트 부재 (24) 의 가장 볼록한 모양이 되어 있는 위치와 가장 오목한 모양이 되어 있는 위치와의 차이가 결정된다. 다음으로, 시트 부재 (24) 의 다른 9 개의 위치에서 촬영된 단면 사진에 대해서도, 동일한 측정 방법이 사용되고, 제공되는 10 개의 측정치의 평균값을 제 1 표면 (26) 의 최대 요철 차이 h 라고 정의한다. 또한, "제 1 표면" 및 "제 2 표면" 이라는 표현은 편의적인 것이다. 그러므로, 상기 최대 요철 차이 h 가 0.4mm ≤ h ≤ 9mm 인 경우에는, 양 시트 부재의 표면이 "제 1 표면" 이 될 수 있음을 유의하여야 한다.
도 2 에 있어서, 본 발명의 시트 부재 (24) 를 배기 가스 처리체 (20) 의 유지 시일재 (15) 로 사용하여, 배기 가스 처리 장치를 제작하기 위한 조립도를 나타낸 것이다. 도 1 에 형성된 상기 시트 부재 (24) 는 유지 시일재 (15) 로서 사용된다. 예를 들어, 유지 시일재 (15) 는 촉매 담지체와 같이 원통형 배기 가스 처리체 (20) 의 외주면 둘레에 권취되고, 적절하게 위치한다. 유지 시일재 (15) 에는 감기는 방향 (도 1 의 X 방향) 에 수직인 모서리 (70, 71) 에 1 쌍의 조립 볼록부 (50) 와 조립 오목부 (60) 가 형성된다. 유지 시일재 (15) 가 상기 배기 가스 처리체 (20) 주위에 감겨지는 경우, 도 2 에 나타난 바와 같이, 상기 조립 볼록부 (50) 와 조립 오목부 (60) 가 서로 조립되고, 유지 시일재 (15) 가 배기 가스 처리체 (20) 에 고정된다. 이 경우, 상기 유지 시일재 (15) 는 상기 시트 부재 (24) 의 제 1 표면 (26) 이 외측을 향하도록 위치된다. 다음으로, 상기 유지 시일재 (15) 및 배기 가스 처리체 (20) 의 일체는 배기 가스 처리체 (20) 의 외경보다 약간 큰 내경을 갖는 원통형 금속 쉘 (12) 내부로 압입된다.
*일반적으로, 금속 쉘 (12) 의 내경은 금속 쉘 (12) 내부의 소정의 위치에 상기 일체가 위치하도록 상기 일체의 외경보다 약간 더 작다. 그러므로, 상기 일체가 금속 쉘 내부로 압입되는 경우, 금속 쉘 (12) 의 내부벽과의 마찰에 의하여 상기 유지 시일재 (15) 의 외면에 전단 응력이 발생하게 된다. 그러므로, 상기 유지 시일재 (15) 의 위치는 압입시 소정의 위치에서 벗어나거나, 상기 금속 쉘 (12) 과 상기 유지 시일재 (15) 사이에 틈이 발생된다.
그러나, 본 발명의 상기 시트 부재 (24) 가 유지 시일재 (15) 로 사용되는 경우, 제 1 표면 (26) 은 금속 쉘 (12) 의 내부벽과 접촉하게 되고, 압입시의 마찰이 감소되고, 상기 일체가 좀 더 용이하게 금속 쉘 (12) 내부로 장착될 수 있다. 그러므로, 위치 어긋남 또는 틈이 발생하는 종래의 문제점이 감소된다.
도 3 에 있어서, 이러한 시트 부재 (24) 를 유지 시일재 (15) 로서 사용한 배기 가스 정화 장치 (10) 구조의 일례을 나타내었다. 이 도면에 있어서, 배기 가스 처리체 (20) 는 가스 유동과 평행한 방향으로 형성된 다수의 관통홀을 갖는 촉매 담지체로서 나타나지만, 본 발명의 상기 배기 가스 정화 장치 (10) 는 이러한 구조에 한정되지 않는다. 예를 들어, 배기 가스 처리체 (20) 가 관통홀의 일부가 시일된 DPF 로도 할 수 있다. 상기 배기 가스 정화 장치 (10) 에 상기 시트 부재 (24) 를 사용함으로써 가스 시일 특성 및 배기 가스 처리체에 대한 유지 특성이 개선될 수 있다.
본 발명의 시트 부재의 제조 방법의 일례를 하기에서 설명하기로 한다.
먼저, 무기 섬유를 포함하는 적층 시트가 제조된다. 하기의 설명에 있어서, 무기 섬유로서 알루미나와 실리카의 혼합물이 사용될 수 있지만, 무기 섬유 재료는 상기 혼합물에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 알루미나 또는 실리카만으로 무기 섬유를 구성할 수도 있다. 일례로, 알루미늄 70g/l, Al:Cl=1.8 (원자비) 인 염기성의 염화 알루미늄 수용액에 알루미나와 실리카의 조성비가 60-80:40-20 가 되도록 실리카 졸을 첨가하여, 무기 섬유의 전구체를 조제한다. 특히, 알루미나-실리카의 조성비는 70-74:30-26 인 것이 바람직하다. 만일 알루미나가 60% 이하이면, 알루미나와 실리카로부터 생성된 멀라이트 (mullite) 의 존재비가 낮아지고, 완성된 시트 부재의 열 전도도가 증가하고, 충분한 단열 성능을 얻을 수 없다.
다음으로, 폴리비닐 알코올과 같은 유기 중합체가 상기 알루미나 섬유 전구체에 더해진다. 그 후, 이 액체는 농축되고, 방사액이 준비된다. 또한, 상기 방사액을 사용하여 블로잉 (blowing) 법으로 상기 방사가 처리된다.
상기 블로잉법은 에어 노즐 (air nozzle) 로부터 불어오는 공기 유동과 방사액 공급 노즐로부터 밀려나오는 방사액 유동을 사용하여 방사하는 방법이다. 에어 노즐에서 분사되는 슬릿당 가스 유속은 통상적으로 40-200m/s 이다. 또한, 방사 노즐의 직경은 통상적으로 0.1-0.5mm 이다. 방사액 공급 노즐 하나당 용액의 양은 통상적으로 1-120ml/h, 바람직하게 3-50ml/h 이다. 이러한 조건에서, 상기 방사액 공급 노즐로부터 밀려나오는 방사액은 분무 (안개 형태) 되지 않고, 충분하게 퍼지게 되며, 섬유 사이에 밀착되기 어렵다. 이러한 이유 때문에, 방사 조건을 최적화함으로써, 섬유 직경 분포가 좁은 알루미나 섬유 전구체를 얻을 수 있다.
여기서 제작되는 알루미나 섬유의 평균 길이는 바람직하게 250㎛ 이상이다, 좀 더 바람직하게 500㎛ 이상이다. 만일 섬유의 평균 길이가 250㎛ 미만이면, 섬유끼리 충분히 얽히지 않고, 충분한 강도를 얻을 수 없다. 특히, 무기 섬유의 평균 직경이 제한되지 않는다. 그러나, 본 발명에서는 무기 섬유의 평균 직경이 5㎛ 이상, 예를 들어, 7㎛ 인 경우에도 효과가 발휘된다는 점을 유의하여야 한다.
방사가 완전히 이루어진 전구체를 적층하여 적층 시트를 제작한다. 또한, 상기 적층 시트에 니들링 처리가 이루어진다. 상기 니들링 처리는 니들을 상기 적층 시트 내부에 넣고, 내부에서 뽑아내어 상기 시트를 얇게 하도록 하는 것이다. 일반적으로, 상기 니들링 처리는 니들링 장치에 의해 이루어진다. 니들링 장치는 니들의 찌르는 방향으로 왕복운동이 가능한 니들 보드와, 적층 시트의 양측에 형성된 지지판을 포함한다. 니들 보드상에는, 적층 시트에 찌르는 다수의 니들이 예를 들어, 100㎠ 당 약 100-5000 개의 니들이 형성되어 있다. 또한, 지지판에는 니들용 관통홀이 형성되어 있다. 그러므로, 한 쌍의 지지판을 사용하여 적층 시트를 양면으로부터 누른 상태로 적층 시트 내부에 니들을 넣고, 내부에서 뽑아내어 니들링 처리가 이루어진다. 이를 통해, 복잡하게 방법으로 얽힌 섬유가 적층 방향으로 위치하고, 적층 시트의 적층 방향에 대한 강화가 향상될 수 있다. 또한, 적층 시트에 대한 니들 보드의 가압 접촉하는 회수 (즉, 적층 시트 내부에 니들을 넣고, 내부에서 뽑아내는 회수) 를 변화시켜 적층 시트 표면의 요철 차이를 제어하는 것이 가능하다. 그러므로 니들링 처리를 이용하여 제 1 표면의 요철 차이가 소정의 범위내로 제어 되는 본 발명의 시트 부재가 용이하게 제공될 수 있다. 그러나, 제 1 표면의 요철 차이 제어는 하기에 설명된 바와 같이 가열 압축 건조 공정으로 처리될 수 있다.
그 후, 상기 니들링 처리가 이루어진 적층 시트를 상온으로부터 가열하여, 최고 1250℃ 정도로 연속 소성함으로써 소정 농도의 시트 부재 (24) 를 얻을 수 있다.
취급을 용이하게 하기 위하여, 전술한 처리 공정에 의해 얻어지는 시트 부재는 소정 크기의 조각으로 절단된다.
다음으로, 절단된 시트 부재에는 수지와 같은 유기 바인더가 주입되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 상기 시트 부재의 부피가 제어될 수 있다. 또한, 상기 시트 부재의 취급성이 개선될 수 있으며, 예를 들어, 상기 시트 부재가 배기 가스 정화 장치의 유지 시일재로 사용되는 경우, 무기 섬유가 상기 유지 시일재로부터 이탈하여 유지성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 고온의 배기 가스가 사용중의 배기 가스 정화 장치에 도입되고, 유지 시일재에 포함된 유기 바인더가 열에 의해 소실되고, 이를 통해, 압축된 유지 시일재가 원 상태로 회복된다. 이 때, 금속 쉘과 배기 가스 처리체 사이의 틈도 시일될 수 있으며, 유지 시일재의 유지 성능 및 시일성이 개선된다.
유기 바인더의 양은 1.0-10.0 중량% 인 것이 바람직하다. 만일 함량이 1.0 중량% 미만이면, 무기 섬유의 감소가 충분하게 방지될 수 없다. 또한, 만일 함량이 10.0 중량% 초과이면, 상기 시트 부재는 유연하지 못하게 되고, 배기 가스 처리체 주위로 시트 부재를 권취하는 것이 어렵게 된다.
또한, 유기 바인더로서, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 고무계 수지 및 스티렌 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 아크릴 수지 (ACM), 아크릴니트릴-부타디엔 고무 (NBR), 스티렌-부타디엔 고무 (SBR) 을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 유기 바인더와 물로 조제된 수용 분산액을 사용하는 플로우 코터 (flow-coater) 법을 사용하여 상기 수지는 시트 부재에 주입된다. 또한, 상기 시트 부재에 포함된 과잉의 코팅 고형물과 수분은 다음 단계에서 제거된다.
다음 단계에서, 과잉의 고형물이 제거되고, 건조 처리가 수행된다. 과잉 고형물 제거는 진공 흡입에 의해 이루어진다. 또한, 과잉 수분 제거는 가열 압축 건조법에 의해 이루어진다. 이러한 방법에 있어서, 시트 부재에 압력이 가해지기 때문에, 과잉 수분이 제거될 수 있고, 시트 부재가 얇게 될수 있다. 상기 건조 처리는 95-155℃ 정도의 온도에서 이루어진다. 만일 온도가 95℃ 미만이면, 건조 시간이 길어지고, 생산 효율이 저하된다. 또한, 건조 온도가 155℃ 초과이면, 유기 바인더가 분해하기 시작하여 유기 바인더의 접착성이 손상된다. 또한, 상기 시트 부재의 제 1 표면의 요철 차이 제어는 이 단계에서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 시트 부재에 가열 압축 건조법이 이루어질때 사용되는 압축형 시트 부재의 표면과 접촉하는 표면에 소정의 요철 구조를 제공함으로써 압축 건조 후에 표면에 원하는 최대 요철 차이를 가진 시트 부재를 얻을 수 있다.
최종적으로, 시트 부재는 소정의 구조로 절단된다. (예를 들어, 도 1 에 나타난 구조)
상기 방법에 의해 얻어진 시트 부재는 배기 가스 정화 장치 (10) 의 배기 가스 처리체 (20) 의 유지 시일재 (15) 로서 사용될 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 유지 시일재 (15) 는 시트 부재의 제 1 표면이 외측을 향하도록 배기 가스 처리체 (20) 주위에 권취되고, 접합되는 모서리에서 접합 볼록부 (50) 와 접합 오목부 (60) 가 결합 고정된다. 이러한 상태로, 유지 시일재 (15) 와 배기 가스 처리체 (20) 로 이루어진 일체는 스테인리스 강 등을 포함하는 금속 쉘 (12) 내부로 장착되고, 금속 쉘 (12) 의 내벽과 유지 시일재 (15) 의 표면 사이의 마찰은 상기 효과들로 인하여 작아지게 된다. 그 결과, 금속 쉘 (12) 내부에 상기 일체를 장착하는 것이 용이해지고, 유지 시일재 (15) 의 위치 어긋남은 극복될 수 있다. 그러므로, 시일성이 좋은 배기 가스 처리 장치 (10) 가 제조된다.
본 발명의 효과는 이하의 실시예를 사용하여 설명하기로 한다.
실시예
상기 시트 부재는 하기의 순서에 따라 제작된다.
시트 부재의 제작
알루미나 섬유의 조성이 Al2O3:SiO2=72:28 이 되도록, 실리카 졸을 염기성의 염화 알루미늄 용액 (알루미늄 함량 : 70g/l, Al/Cl=1.8 (원자비)) 에 배합한 후, 알루미나 섬유 전구체를 형성하였다.
그 후, 폴리비닐 알코올과 같은 유기 중합체가 상기 알루미나 섬유 전구체에 첨가된다. 또한, 상기 용액을 희석하여 방사액을 만들고, 상기 방사액을 사용하는 블로잉 법을 이용하여 방사가 이루어졌다.
그 후, 알루미나 섬유 전구체의 접힌 구조를 적층하고, 적층된 알루미나 섬유 시트가 제작되었다. 상기 적층된 시트에는 100㎠ 당 80 개의 니들을 가진 니들 보드에 반복적으로 가압 접촉하는 니들링 처리를 실시하였다. 상기 니들링 처리 이후에는, 상기 시트의 제 1 표면에는 단위 ㎠ 당 약 14.7 개의 니들링 처리 자국이 형성되었다. 그 후, 얻어진 시트 부재를 실온에서 최고 온도 1250℃ 까지 연속 가열하여, 농도가 1160g/㎡ 인 알루미나 섬유 시트 부재가 형성되었다. 알루미나 섬유의 평균 직경은 5.0㎛, 최소 직경은 3.2㎛ 이다. 또한, 상기 시트 부재의 두께는 9mm 이다.
또한, 섬유의 평균 직경은 이하의 방법을 사용하여 측정된다. 우선, 알루미나 섬유를 실린더에 넣고, 20.6 MPa 로 가압 분쇄한다. 그 후, 이러한 샘플을 필터 네트에 넣고, 필터 네트를 통과시킨 샘플을 전자현미경 관찰 시험체로 한다. 상기 시험체의 표면에 금을 증착시키고, 대략 1500 배의 전자 현미경 사진을 촬영한다. 얻어진 사진으로부터 적어도 40 개의 섬유의 직경을 측정한다. 이러한 단계를 5 샘플에 대하여 반복하고, 평균 측정값을 섬유의 평균 직경으로 한다.
시트 부재의 절단
상기 단계로 제작된 시트 부재를 세로 1270mm, 가로 1280mm 로 절단한다.
유기 바인더 주입
상기 절단된 시트 부재에 유기 바인더 (아크릴 라텍스) 를 주입한다. 아크릴 수지 수용 분산액 (일본 제온사 : LX803, 고형분 농도 50±10%, pH 5.5-7.0) 을 수지 농도가 1.0-10.0 중량% 가 되도록 조제하여, 주입 수용액을 얻을 수 있다. 그 후, 주입 수용액을 플로우 코터법을 사용하여 상기 시트 부재에 주입한다.
고형물의 흡입
알루미늄 바인더를 주입한 후에, 상기 시트 부재에 소정량의 과잉 고형물을 부착한 후, 고체 흡입 공정 (약 3초) 으로 상기 과잉 고형물을 제거한다. 이러한 공정후에, 상기 시트의 유기 바인더의 주입율은 측량법 결과 4 중량% 이다.
가열 압축 건조법
흡입 단계 후의 시트 부재를 사용하여 95-155℃ 의 건조 온도로 가열 압축 건조법을 수행한다. 여기서는 상부와 하부 사이에 장비를 사용하여 시트 부재를 겹치게 함으로써, 상기 가열 압축 건조를 수행하였다. 이로써, 처리 후에 평균 두께가 약 8mm 인 시트 부재를 얻을 수 있었다. 상기 단계를 통해 얻어진 시트 부재를 실시예 1 로 한다.
다음으로, 니들링 처리를 수행하는 경우, 시트 부재의 제 1 표면에 대하여 니들링 보드와 가압 접촉하는 횟수를 변경함으로써, 니들링 처리 자국의 수를 2.3/㎠ - 9.8/㎠ 로 한것을 제외하고는, 전술한 실시예 1 과 같은 처리를 하여 실시예 2 - 6 의 시트 부재를 제작하였다. 또한, 상기 시트 부재의 주표면에 니들링 처리 자국의 수를 1.0/㎠, 19.6/㎠ 및 24.3/㎠ 인 것을 제외하고는, 실시예 1 상기 단계와 같은 공정을 하여 비교예 1-3 의 시트 부재를 제작하였다.
표 1 에 있어서, 전술한 방법을 사용하여 제작한 실시예 1-6 및 비교예 1-3 시트 부재의 제 1 표면의 최대 요철 차이 h 는 다음과 같다. 여기에서, 시트 부재의 양 표면 중에서 최대 요철 차이 h 가 더 큰 것을 제 1 표면으로 정하였다.
표 1
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또한, 니들링 처리를 수행하는 경우, 상기 시트 부재에 대한 니들링 보드의 가압 접촉의 회수를 변경함으로써, 알루미나 섬유의 평균 직경이 7.2㎛ 인 실시예 7-12 시트 부재는 시트 부재의 제 1 표면의 니들 처리 자국의 숫자를 1.9/㎠ - 15.4/㎠ 로 하는 것을 제외하고는 실시예 1 의 전술한 단계와 동일한 공정을 사용하여 제작한다. 또한, 알루미나 섬유의 평균 직경이 7.2㎛ 인 비교예 4-6 시트 부재는 시트 부재의 제 1 표면의 니들 처리 자국의 숫자를 0.9/㎠, 20.3/㎠ 및 25.1/㎠ 로 하는 것을 제외하고는 실시예 1 의 전술한 단계와 동일한 공정을 사용하여 제작한다. 표 1 에 이러한 시트 부재의 제 1 표면의 최대 요철 차이 h 를 각각 나타내었다. 여기에서, 시트 부재의 양 표면 중에서 최대 요철 차이 h 가 더 큰 것을 제 1 표면으로 정하였다.
표 1 에 나타난 바와 같이, 니들링 처리에 의해 발생하는 니들링 처리 자국의 수를 변경함으로써 제 1 표면의 최대 요철 차이 h 가 다른 여러 시트 부재들을 얻을 수 있다.
그 후, 얻어진 시트 부재를 절단한 샘플을 사용하여 하기의 평가 시험을 수행한다. 하기에서, 시험 결과를 설명하기로 한다.
마찰력 평가 시험
마찰력 평가 시험에 있어서, 전술한 방법으로 제작된 각 시트 부재를 30×50mm 절단된 샘플들을 사용하였다. 또한, 이러한 시험에 있어서, 로드 셀 ( load cell) 을 구비한 보편적인 시험기 (Instron 사) 를 사용하였다. 시험의 개요를 도 4 에 나타내었다. 샘플로 사용되는 시트 부재 샘플 (150) 을 도 4 의 X 방향을 상기 샘플 (150) 의 길이 방향이 되도록 스테인리스 플레이트 (155) 상에 설치한다. 여기에서, 샘플의 제 1 표면 (26) 이 하부의 스테인리스 플레이트 (155) 와 접촉하도록 샘플 (150) 이 설치된다. 그 후에, 샘플 (150) 의 크기보다 더 큰 하중 지지 플레이트 (160) (예를 들어, X 방향으로 150mm, Y 방향으로 50mm) 를 상기 샘플 (150) 과 수평하게 설치하고, 상기 하중 지지 플레이트 (160) 위에 무게추 (165) 를 설치한다. 상기 하중 지지 플레이트 (160) 와 무게추 (165) 의 합계 하중은 5kg 이다. 상기 샘플 (150) 의 상부면과 상기 샘플 (150) 의 상부면에 접촉하는 하중 지지 플레이트 (160) 의 계면은 접착제 등으로 고정되어, 각각에 대하여 독립적으로 움직이는 것을 방지한다. 또한, 하중 지지 플레이트 (160) 는 와이어 (170) 를 통해 만능 시험기의 로드 셀에 접속하여 있고, 상기 로드 셀의 수직 방향 (도 4 의 Z 방향) 의 움직임이 하중 지지 플레이트 (160) 의 수평 방향 움직임 (X 방향) 으로 전달되도록, 와이어 (170) 에는 풀리 (175) 가 설치되어 있다. 즉, 로드 셀이 도 4 의 상부로 이동하였을 경우, 이러한 움직임이 와이어 (170) 및 도르래를 통해 하중 지지 플레이트 (160) 에 전달되고, 하중 지지 플레이트 (160) 및 상기 하중 지지 플레이트 (160) 에 고정된 샘플 (150) 은 수평 방향의 오른쪽으로 힘을 받게 된다. 그러므로, 이 장치에서 샘플 (150) 이 하부 스테인리스 플레이트 (155) 에 대하여 전단력을 받으면서 이동하는 때에 발생하는 마찰력을 측정할 수 있다.
전술한 장치를 사용함으로써, 하중 지지 플레이트 (160) 는 수평 방향으로 10mm/min 의 속도로 당겨질 수 있으며, 상기 샘플 (150) 이 움직이기 시작한 후에 는 로드 셀의 지시값이 안정된다. 동시에, 하중값을 측정한다. 측정된 하중값을 마찰력으로 규정하고, 하중값을 샘플 (150) 상의 하중 (5kg) 값으로 나눠 마찰 계수값을 얻을 수 있다.
표 1 에 있어서, 각 시트 부재에서 얻어진 마찰 계수값의 결과를 나타내었다. 표 1 에 있어서, 실시예 1, 6 및 비교예 2 에는 두 개의 마찰 계수값이 나타나 있다. 이 경우에 있어서, (X) 로 나타낸 마찰 계수 결과는 상기 샘플 (150) 에 형성된 니들링 처리 자국의 방향을 당김 방향에 수직하도록 샘플 (150) 을 설치하는 경우의 값이다. 마찰 계수의 나머지 결과값은 상기 샘플 (150) 에 형성된 니들링 처리 자국의 방향 및 당김 방향이 유지되도록 샘플 (150) 을 설치하는 경우의 값이다. 그러나, 실시예 1, 6 및 비교예 2 의 값을 비교하여 보았을 때, 샘플 (150) 에 형성된 니들링 처리 자국의 방향과 당김 방향의 관계는 마찰 계수의 측정 결과에 큰 영향을 주지 못한다.
표 1 의 결과는 도 5 에 나타내었다. 도 5 의 가로축은 상기 시트 부재의 제 1 표면의 최대 요철 차이 h 이고, 도 5 의 세로축은 마찰 계수이다. 도 5 에 따르면, 최대 요철 차이 h 를 0.4mm≤h≤9mm 인 경우에는 , 마찰 계수가 약 0.18-0.24 이다. 또한, 통상적으로 배기 가스 정화 장치의 유지 시일재로 사용되는 시트 부재에 있어서, 일반적으로 대부분의 경우 니들링 처리 자국의 수는 약 20/㎠ - 25/㎠ 이다. 이러한 경우에 있어서, 표 1 에 근거하였을때, 최대 요철 차이 h 는 약 0<h≤0.3mm 로 예상되고, 이러한 시트 부재의 마찰 계수는 도 5 의 비교예 2, 3, 5 및 6 을 근거하였을 때, 약 0.25-0.27 로 산출된다. 그러므로, 시트 부재를 배기 가스 정화 장치의 금속 쉘에 장착할 때에, 제 1 표면의 최대 요철 차이 h 를 0.4mm≤h≤9mm 로 조절함으로써, 종래의 시트 부재보다 마찰력이 작은 시트 부재를 얻을 수 있다.
또한, 최대 요철 차이 h 가 동일하더라도, 시트 부재에 포함되는 무기 섬유의 평균 직경이 커지면, 마찰 계수가 다소 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 하기와 같이 예상된다. 즉, 무기 섬유의 평균 직경이 증가하는 경우, 제 1 표면의 볼록부에 존재하는 섬유의 수가 상대적으로 작아지고, 그 결과 전단 방향의 마찰에 대한 저항이 더 작아진다.
또한, 최대 요철 차이 h 가 특정값 (예를 들어, 약 6mm) 보다 큰 경우, 마찰 계수가 증가하는 경향을 알 수 있다. 이는 하기와 같이 예상된다. 즉, 제 1 표면의 최대 요철 차이 h 보다 더 큰 시트 부재는 니들링 처리를 수행할 때 시트 부재에 니들링 보드의 가압 접촉 회수를 더 작게하여 제작되었기 때문에, 시트 부재의 압축이 불충분하고, 제 1 표면의 볼록부가 다른 부재 (스테인리스 플레이트) 와 접촉하여 눌러지고, 그 결과 접촉 면적이 증가하기 때문이다. 이러한 결과에 따르면, 시트 부재의 제 1 표면의 최대 요철 차이 h 는 3.0mm≤h≤7.0mm 인 것이 바람직하다.
압입 평가 시험
전술한 방법으로 제작된 각 시트 부재가 유지 시일재로서 사용되고, 이러한 시트 부재를 원통형의 촉매 담지체 둘레에 권취하여 일체화 시킨후, 상기 일체를 원통형 금속 쉘에 압입하여 촉매 컨버터를 제작한다. 이 때, 상기 시트 부 재는 시트 부재의 제 1 표면이 외측으로 대향하도록, 즉, 시트 부재의 제 1 표면이 금속 쉘 내면과 접촉하도록 설치된다. 또한, 상기 촉매 담지체와 금속 쉘과의 틈은 약 3.5mm 이다. 다음으로, 촉매 컨버터를 원통 축에 수직 방향으로 절단하고, 유지 시일재의 금속 쉘의 내부면과 접촉하는 측의 표면을 관찰하였다.
각 시트 부재로부터 얻어진 결과를 표 1 에 나타내었다. 실시예 1-12 의 시트 부재를 사용한 경우, 시험 후 시트 부재 표면에는 손상이 없었으며, 상태가 양호하였다. 반면, 비교예 1-6 의 시트 부재를 사용한 경우, 시트 부재의 표면에 박리와 같은 손상이 있음을 알 수 있다.
본 발명의 유지 시일재 및 배기 가스 정화 장치는 차량용 배기 가스 정화 장치에 유용하다.
본 발명은 개시된 실시예에 특별히 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않게 다양하게 변경이 가능하다.
본 발명은 일본 출원 2006-066517 (2006. 3. 10) 및 2006-224032 (2006. 8. 21) 를 우선권으로 하여 기초하였으며, 여기의 내용을 전체 포함하였다.
본 발명의 유지 시일재 및 배기 가스 정화 장치는 차량용 배기 가스 정화 장치에 유용하다.

Claims (7)

  1. 무기 섬유를 포함하는 시트 부재로서,
    상기 시트 부재내에서 실질적으로 서로 대향하는 제 1 및 제 2 표면이 시트 부재의 두께 방향으로 수직하고,
    상기 제 1 표면은 적어도 오목부와 볼록부를 포함하고,
    상기 제 1 표면의 오목부와 볼록부의 최대 차이 (최대 요철 차이) h 는 0.4mm ≤ h ≤ 9mm 인 시트 부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 시트 부재는 무기 섬유의 적층 시트를 니들링 (needling) 처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 시트 부재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 시트 부재는 결합재를 함유하는 것을 특징으로 하는 시트 부재.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 무기 섬유의 평균 직경은 6㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 시트 부재.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 무기 섬유는 알루미나와 실리카의 혼합물인 것을 특징으로 하는 시트 부재.
  6. 배기 가스 처리체와,
    상기 배기 가스 처리체의 개구면을 제외한 외주면의 적어도 일부에 감싸 사용되는 유지 시일재와,
    상기 유지 시일재가 감겨진 상기 배기 가스 처리체를 수용하는 금속 쉘을 포함하는 배기 가스 정화 장치로서,
    상기 유지 시일재는, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 시트 부재를 포함하고, 상기 시트 부재의 제 1 표면이 상기 금속 쉘의 내면과 인접하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 배기 가스 처리체는 촉매 담지체 또는 배기 가스 필터인 것을 특징으로 하는 배기 가스 정화 장치.
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