KR100874398B1

KR100874398B1 - 허니컴 구조체

Info

Publication number: KR100874398B1
Application number: KR1020070019502A
Authority: KR
Inventors: 다카시 미즈타니
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-12-17
Also published as: US20070231535A1; EP1840347B1; DE602007001614D1; KR20070098495A; EP1840347A1; JP2007260595A

Abstract

허니컴 구조체(1)는, 복수 개의 기공을 갖고 두 단부면 사이에서 배기 가스 유로로서 기능하는 복수 개의 셀(5)을 형성하도록 배치된 격벽(6)과, 두 단부면 상의 셀의 개방 단부 중 하나를 교대로 밀봉하도록 배치되는 밀봉부(7)를 포함하고, 중심축과 평행한 평면에서 2개 또는 그 이상으로 분리되는 전체 구조체의 일부분의 형상을 갖는 허니컴 세그먼트(2)가 결합되어 전체 구조체를 형성하는 구성을 갖는다. 상기 허니컴 세그먼트(2)는 적어도 일부분에 특정 세그먼트(2X)를 포함하며, 이 특정 세그먼트(2X)는 이 특정 세그먼트 이외의 일반적인 세그먼트(2a)와 다른 특성을 갖고, 상기 밀봉부(7)가 복수 개의 특정 세그먼트의 셀에 배치되지 않은 개방 단부(밀봉되지 않은 개방 단부)에 추가의 밀봉부(8)가 배치되어 밀봉되지 않은 단부로 적어도 일부분의 배기 가스가 흐르는 것을 억제한다. 허니컴 구조체는 가열시 열 분산성이 우수하고, 열 응력에 의한 손상이 효과적으로 방지되며, 일반적인 세그먼트의 특성과 다른 특성(특이성)이 부여되는 허니컴 세그먼트에 의해 특별한 기능을 나타낼 수 있다.

Description

허니컴 구조체{HONEYCOMB STRUCTURE}

도 1은 본 발명의 허니컴 구조체의 실시예의 단부면을 개략적으로 보여주는 평면도.

도 2는 도 1에 도시한 허니컴 구조체의 단부면의 일부분을 보여주는 확대 평면도.

도 3은 본 발명의 허니컴 구조체의 다른 실시예를 개략적으로 보여주는 평면도.

도 4는 허니컴 구조체의 일례를 개략적으로 보여주는 사시도.

도 5는 종래의 허니컴 구조체의 일례를 개략적으로 보여주는 단면도.

도 6은 복수의 예와 비교예 각각에 있어서의 DPF 최대 온도와 재생 효율을 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 허니컴 구조체

2 : 허니컴 세그먼트

2a : 일반적인 세그먼트

2X : 특정 세그먼트

4 : 외주 코팅층

5 : 셀

5c : 밀봉된 셀

6 : 격벽

7 : 밀봉부

8 : 추가의 밀봉부

9 : 결합재

본 발명은 허니컴 구조체에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하자면, 본 발명은 가열시에 열 분산성이 우수하고, 일반적인 세그먼트와는 다른 특성(특수성)이 부여되는 세그먼트에 의한 특정 기능을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 열 응력으로 인한 손상이 효과적으로 방지되는 허니컴 구조체에 관한 것이다.

환경에 대한 영향을 고려하여, 내연 기관, 보일러 등으로부터 배출되는 배기 가스의 미립자 성분 및 유해 물질을 제거하는 필요성이 대두되어 왔다. 특히, 디젤 엔진으로부터 배출되는 미립자 성분(이하, "PM"으로도 칭함)의 제거와 관련된 규정은 서방 국가와 일본 양자에서 강화되는 경향이 있으며, PM을 제거하기 위한 포집 필터(이하, "DPF"라고도 칭함)인 허니컴 구조체의 사용에 대해 주의가 집중되고 있다.

일반적으로, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 허니컴 구조체(20)에는 복수 개의 기공을 구비하고 두 단부면 사이의 배기 가스 유로로서 기능하는 복수 개의 셀(21)을 형성하도록 배치된 다공질 격벽(22)과, 두 단부면 상에 있는 셀(21)의 개방 단부 중 하나를 교대로 밀봉하도록 배치된 밀봉부(23)가 마련된다. 이와 같이 구성된 허니컴 구조체(20)에서는, 가스, 액체 등과 같은 유체가 밀봉부(23)에 의해 밀봉되지 않고 개구되어 있는 유입측 개방 단부(23)로부터 셀(21) 내로 흘러, 다공질 격벽(22)을 통과하여, 인접한 셀(21)[유입측 개방 단부(24)는 밀봉되어 있고, 유출측 개방 단부(25)는 개구되어 있음]로부터 배출된다. 이 때, 격벽(22)은 실질적으로 필터로서 기능한다. 예컨대, 디젤 엔진으로부터 배출되는 탄소 미립자 성분 등이 격벽(22)에 축적된다. 그러한 허니컴 구조체(20)는 배기 가스의 급속한 온도 변화 또는 국부적인 열 생성에 기인하는 허니컴 구조체 내의 불균일한 온도 분포로 인한 크랙을 갖는 등의 문제점을 안고 있다. 특히, 허니컴 구조체가 DPF로서 사용되는 경우에는 재생을 위해, 축적된 탄소 미립자 성분을 연소에 의해 제거해야 할 필요성이 있다. 이 때, 국부적인 고온이 불가피하고, 높은 열 응력이 생성되기 때문에, 이로 인해 손상이 쉽게 발생한다.

따라서, 허니컴 구조체를 복수 개의 부재로 분할함으로써 획득되는 세그먼트를 접합재로 결합시키는 방법(예컨대, 특허 문헌 1 참조)과, 내부에 통로 세퍼레이터가 형성된 허니컴 구조체(예컨대, 특허 문헌 2 참조)가 개시되어 있다.

[특허 문헌 1] JP-B-61-51240

[특허 문헌 2] JP-A-2003-161136

특허 문헌 1에 개시된 방법은 세그먼트를 일체로 결합시킴으로써 국부적으로 온도가 상승하는 것을 억제하며, 이것은 정확하고 효과적이다. 그러나, 특정 기능을 나타낼 수 있도록 일반적인 세그먼트의 특성과 다른 특성(특수성)을 갖는 세그먼트를 사용하는 경우에는 재생시에 새그먼트의 온도가 상승하기 때문에 열 응력으로 인한 손상이 초래된다는 문제점이 발생한다. 즉, 배기 저항을 감소시키기 위해 부여되는 "높은 개구율" 또는 "높은 다공도", 공정 단계의 개수와 제조비를 감소시키기 위해 부여되는 "큰 체적" 및 습도 유지를 증대시키고 재생시에 연소되지 않고 남아 있는 그을음을 감소시키기 위해 부여되는 "낮은 열전도율"의 특성을 갖는 것으로 인해, 간접적으로 열팽창율이 낮은 세라믹을 사용할 수 있게 된다. 세그먼트의 온도가 재생시에 급속히 상승하여, 열 응력으로 인해 손상이 야기되는 불편을 갖게 된다. 이에 따라, 상기 방법이 항상 충분히 만족스러운 것은 아니다. 또한, 특허 문헌 2에 개시된 허니컴 구조체에서도 열 응력으로 인한 손상을 방지하는 효과가 항상 충분하게 만족스러운 것은 아니며, 특히 허니컴 구조체에 제공되는 통로 세퍼레이터의 비율에 좌우되는 압력 손실 및 온도의 상승 등을 효과적으로 억제할 수 없는 경우를 갖는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기 문제점을 고려하여 안출되었으며, 가열시에 열 분산성이 우수하고, 일반적인 세그먼트와는 다른 특성(특수성)이 부여되는 세그먼트에 의한 특정 기능을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 열 응력으로 인한 손상이 효과적으로 방지되는 허니컴 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해여 안출되었으며, 본 발명에 따른 이하의 허니컴 구조체가 제공된다.

[1] 복수 개의 기공을 갖고, 두 단부면 사이에서 배기 가스 유로로서 기능하는 복수 개의 셀을 형성하도록 배치된 격벽과, 두 단부면 상에 있는 셀 각각의 개방 단부 중 하나를 교대로 밀봉하도록 배치된 밀봉부를 포함하고, 전체 구조체의 일부분의 형상이 중심축과 평행한 평면에서 2개 또는 그 이상으로 분리되는 허니컴 세그먼트가 결합되어 전체 구조체를 형성하는 구성을 갖는 허니컴 구조체로서, 상기 허니컴 세그먼트는 이 허니컴 세그먼트의 적어도 일부분에 일반적인 세그먼트의 특성과는 다른 특성을 갖는 특정 세그먼트를 포함하고, 복수 개의 특정 세그먼트의 셀에 밀봉부가 배치되지 않은 개방 단부(밀봉되지 않은 개방 단부)에 추가의 밀봉부가 배치되어 적어도 일부분의 배기 가스가 밀봉되지 않은 단부로 흐르는 것을 억제하는 것인 허니컴 구조체.

[2] 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 높은 개구율을 갖는 것인, 상기 [1]에 따른 허니컴 구조체.

[3] 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 높은 다공도를 갖는 것인, 상기 [1]에 따른 허니컴 구조체.

[4] 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 큰 체적(중심축에 대해 수직인 평면을 따라 취한 단면적)을 갖는 것인, 상기 [1]에 따른 허니컴 구조체.

[5] 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 낮은 열 전도율을 갖는 것인, 상기 [1]에 따른 허니컴 구조체.

[6] 상기 일반적인 세그먼트의 격벽의 재료는 코디어라이트이고, 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와는 다른 특성으로 탄화규소(SiC)로 이루어진 격벽 재료를 갖는 것인, 상기 상기 [1]에 따른 허니컴 구조체.

[7] 상기 전체 구조체는, 상기 특정 세그먼트가 배기 가스에 의해 가열될 때 최고 온도를 갖는 부분에, 특정 세그먼트가 배치되도록 조립되어 형성되는 것인, 상기 [1] 내지 [6]에 따른 허니컴 구조체.

[8] 상기 전체 구조체는, 상기 특정 세그먼트가 중심축을 포함하는 중앙부에 배치되도록 조립되어 형성되는 것인, 상기 [1] 내지 [7]에 따른 허니컴 구조체.

[9] 상기 추가의 밀봉부의 중심축에 대해 수직인 평면을 따라 취한 단면 형상은 예정된 일련의 형상을 형성하도록 서로 연속적인 것인, 상기 [1] 내지 [8]에 따른 허니컴 구조체.

본 발명에 따르면, 가열시에 열 분산성이 우수하고, 일반적인 세그먼트와는 다른 특성(특수성)이 부여되는 세그먼트에 의한 특정 기능을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 열 응력으로 인한 손상이 효과적으로 방지되는 허니컴 구조체가 제공된다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하겠다.

도 1은 본 발명의 허니컴 구조체의 실시예의 단부면을 개략적으로 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 허니컴 구조체의 단부면의 일부분을 보여주는 확대 평면도이며, 도 3은 본 발명의 허니컴 구조체의 다른 실시예를 개략적으로 보여주는 평면도이다. 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 허니컴 구 조체(1)에는 복수 개의 기공을 갖고, 두 단부면 사이의 배기 가스 유로로서 기능하는 복수 개의 셀(5)을 형성하도록 배치된 다공질 격벽(6)과, 두 단부면 상의 셀(5) 각각의 개방 단부 중 하나를 교대로 밀봉하도록 배치된 밀봉부(7)가 마련된다. 허니컴 구조체(1)는 중심축과 평행한 평면에서 2개 또는 그 이상으로 분리되는 전체 구조체의 일부분의 형상을 갖는 허니컴 세그먼트(2)가 결합되어 전체 구조체를 형성하는 구성을 갖고, 셀(5) 내로 흐르는 유체가 필터층으로서 기능하는 격벽(6)을 통해 배출될 수 있다. 허니컴 구조체(1)는, 허니컴 세그먼트(2)가 이 허니컴 세그먼트(2)의 적어도 일부에 일반적인 세그먼트(2a)와 다른 특성을 갖는 특정 세그먼트(2X)를 포함하고, 배기 가스의 적어도 일부가 밀봉되지 않은 개방 단부로 흐르는 것을 억제하기 위해 밀봉부가(7)가 특정 세그먼트(2X)의 복수 개의 셀(5)에 배치되지 않은 개방 단부(밀봉되지 않은 개방 단부)에 추가의 밀봉부(8)가 배치되는 것을 특징으로 한다. 밀봉 패턴은 밀봉부(7)를 추가의 밀봉부(8) 사이에 개재되도록 배치함으로써 형성될 수 있다.

여기에서, 추가의 밀봉부(8)에 관해서 "배기 가스의 적어도 일부가 밀봉되지 않은 개방 단부로 흐르는 것을 억제하도록 배치되는"이라고 하는 것은 "배기 가스의 다른 부분의 유입은 억제되지만 배기 가스의 일부는 유입되는 것을 허용하도록 배치되는 것"뿐만 아니라, "배기 가스의 유입을 완전히 억제(밀봉)하도록 배치되는 경우를 포함하는 것"도 의미한다. 보다 구체적으로 말하자면, 전자의 경우는 정사각형 셀에 대하여 중앙에 구멍을 갖는 정사각형 형상, 또는 라운드나 도넛 형상을 갖는 밀봉부를 구비하는 구조체를 의미한다. 후자의 경우는 통상적인 밀봉과 같이 완전한 밀봉부를 갖는 구조체를 의미한다. 추가로, 두 단부면 중 하나 이상에 추가의 밀봉부(8)가 배치되지만, 양 단부면에 추가의 밀봉부(8)가 배치되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명의 허니컴 구조체(1)에서는, 전술한 바와 같이 온도가 특히 급속히 상승하는 특정 세그먼트(2X)의 셀(5) 부분에 추가의 밀봉부(8)가 마련된다. 온도가 급속히 상승하는 특정 세그먼트에 추가의 밀봉부(8)를 마련함으로써, 일단부면의 개방 단부, 즉 유입측 개방 단부와, 타단부면측 개방 단부, 즉 유출측 개방 단부 양자가 밀봉된 셀[이하에서 때때로 "밀봉된 셀(5c)"로 칭함]이 형성된다. 밀봉된 셀(5c)에 의해, 가열시 이 부분의 열 분산성이 향상되어 열 응력으로 인한 손상을 효과적으로 방지할 수 있다. 종래, 허니컴 구조체(1)를 DPF로 사용하고, 격벽(6)에 의해 포집된 탄소 미립자 성분 등을 연소시킴으로써 DPF의 재생을 수행할 때, 포집된 탄소 미립자 성분의 양이 많은 경우에는 재생시의 연소열이 특정 세그먼트(2X)의 셀(5c) 부분에 집중되는 경향이 있기 때문에 급속한 온도 상승으로 인해서 특정 세그먼트(2X)가 때때로 손상되거나 용융된다. 추가의 밀봉부(8)를 내부에 구비하는 특정 세그먼트(2X)의 셀(5c)에 있는 격벽(6)에 축적되는 탄소 미립자 성분의 양을 감소시킬 수 있고, 재생시에 발생하는 열의 양을 감소시킬 수 있다. 또한, 밀봉된 셀(5c)에 탄소 미립자 성분 등이 포집되지 않기 때문에, 재생시에 연소열이 발생하지 않고, 그 부분의 온도가 실질적으로 연소가 일어나는 다른 부분의 온도보다 낮다. 따라서, 밀봉된 셀(5c)이 다른 부분에서 발생하는 연소 열을 흡수하고, 이에 따라 열 분산에 기여하고 급속한 연소를 억제한다. 추가로, 도 면 부호 4 및 9는 각각 외주 코팅층과 허니컴 세그먼트(2)의 결합재를 나타낸다.

본 실시예에서 이용되는 특정 세그먼트(2X)는 이하에서 구체적으로 설명하겠다.

본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서, 특정 세그먼트(2X)는 일반적인 세그먼트(2a)와 다른 특성으로 보다 높은 개구율을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 배기 저항 및 압력 손실의 감소를 꾀할 수 있다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서 특정 세그먼트(2X)는 일반적인 세그먼트(2a)와 다른 특성으로 보다 높은 다공도를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 배기 저항 및 압력 손실의 감소를 꾀할 수 있다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서 특정 세그먼트(2X)는 일반적인 세그먼트(2a)와 다른 특성으로 보다 큰 체적(중심축에 대해 수직인 평면을 따라 취한 단면적)을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 배기 저항 및 압력 손실의 감소를 꾀할 수 있다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서 특정 세그먼트(2X)는 일반적인 세그먼트(2a)와 다른 특성으로 보다 낮은 열전도율을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 습기 유지가 증대되고, 재생시에 연소되지 않고 남아 있는 그을음의 감소를 꾀할 수 있다. 간접적으로, 이러한 구성은 열팽창율이 낮은 세라믹의 사용을 가능하게 한다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서, 일반적인 세그먼트(2a)에 있는 격벽(6)의 재료가 코디어라이트인 경우, 특정 세그먼트(2X)는 일반적인 세그먼트(2a) 와 다른 특성으로 탄화규소(SiC)로 이루어진 격벽의 재료를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 온도가 대기의 영향에 의해서 좀처럼 상승하지 않는 외주부와, 배기 가스의 열의 양에 보다 영향을 받기 쉬운 중앙부 각각에 최적 재료를 배치할 수 있다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서 전체 구조체는, 특정 세그먼트(2X)가 배기 가스에 의해 가열될 때 최고 온도를 갖는 부분에 배치되도록 조립되는 특정 세그먼트(2X)를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 말하자면, 허니컴 구조체(DPF)(1)의 전후방에 있는 파이핑(콘)에 따라 유량 분포가 불균일한 경우가 있고, 이러한 경우에 특정 세그먼트는 선택적으로 유량이 큰 부분, 즉 배기 가스의 열의 양에 보다 영향을 받기 쉬운 부분에 배치된다. 이러한 구성에 의해서, 열 응력에 의한 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서 전체 구조체는 중심축을 포함하는 중앙부에 배치되도록 조립되는 특정 세그먼트(2X)를 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로 말하자면, 예컨대 4 × 4 세그먼트로 구성된 경우의 중심축 둘레에 배치된 4개의 세그먼트와 이 중앙부의 세그먼트를 둘러싸는 9개의 세그먼트, 또는 5 × 5 세그먼트 경우의 중앙부에 있는 단지 1개의 세그먼트가 특정 세그먼트일 수 있다. 이러한 구성에 의해서, 열 응력에 의한 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.

더욱이, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에 있는 특정 세그먼트(2X)에서는 추가의 밀봉부(8)[밀봉부(7)가 개재될 수 있음]의 중심축에 대해 수직인 평면을 따라 취한 단면 형상이 예정된 일련의 형상을 형성하도록 서로 연속적인 것이 바람직하 다. 도 1 및 도 3 각각은 전술한 바와 같은 본 발명의 허니컴 구조체의 실시예에서의 단부면을 보여준다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 추가의 밀봉부(8)의 중심축에 대해 수직인 평면을 따라 취한 단면 형상은, 분리되지 않은 예정된 일련의 형상을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 특정 세그먼트(2X)는, 예컨대 연속적인 예정된 일련의 형상을 갖는 밀봉된 셀(5c)에 의해 예정된 크기를 갖는 영역으로 분할될 수 있다. 따라서, 탄소 미립자 성분 등의 연소시에 생성되는 열이 각각의 영역으로 분산되고, 이에 따라 열 생성으로 인한 연쇄적인 연소가 억제되고, 급속한 온도 상승이 효과적으로 방지될 수 있다.

또한, 상기 "분리되지 않은 일련의 형상"은 추가의 밀봉부가 완전히 연결되는 경우뿐만이 아니라 추가의 밀봉부가 일부분에서는 연속적이고 다른 부분과는 "단절"된 경우, 즉 중심축에 대해 수직인 면을 따라 취한 단면에서 "무작위로 배치되어 있는 것" 등의 경우와 같이 추가의 밀봉부가 어떤 부분에서는 연결되지만 다른 부분에서는 서로 분리되어 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서는 격벽(6)을 구성하는 재료에 대한 특별한 제한은 없으며, 이 재료는 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 탄화규소(SiC), 질화규소, 알루미늄 티타네이트, 리튬 알루미늄 실리케이트(LAS) 및 지르코늄 포스페이트로부터 선택된 1종 이상을 주요 결정으로 함유하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시예의 허니컴 구조체(1)에서 추가의 밀봉부(8)는 격벽(6)의 재료와 동일한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 재료들 간 의 열팽창율의 차이가 없기 때문에, 밀봉재의 팽창으로 인한 크랙을 방지할 수 있다. 또한, 이것은 밀봉부(7)의 재료에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 허니컴 구조체를 제조하는 방법의 예는 이하의 3가지 방법을 포함한다.

(1) 점토로 허니컴 세그먼트를 성형하고, 이렇게 하여 성형된 복수의 허니컴 세그먼트(특정 세그먼트를 포함함)를 결합시켜 허니컴 형상의 허니컴 성형체를 형성하고, 소성 이전의 밀봉 단계에서 일반적인 세그먼트에 레이저로 체크 무늬 패턴으로 구멍을 형성하여, 허니컴 성형체를 소성하는 방법으로서, 상기 구멍은 체크 무늬 패턴으로 형성될 뿐만 아니라 허니컴 성형체의 특정 세그먼트에서만 추가적으로 밀봉되는 셀에도 형성되며, 밀봉은 통상의 방식으로 수행되는 것인 방법.

(2) 전술한 바와 같이 얻은 허니컴 성형체를 소성한 후, 세그먼트 중 특정 세그먼트만을 추가로 밀봉하는 방법. 이 때, 추가적인 밀봉을 위해 사용되는 추가의 밀봉재는 밀봉부를 위한 일반적인 재료 또는 기판재와 동일한 것일 수 있다. 그러나, 이외에도 밀봉재는 시멘트와 같이 소성하지 않고 경화되는 재료일 수도 있다.

(3) 전술한 바와 같이 얻은 허니컴 성형체를 소성하고 결합한 후 또는 처리후 결합된 블럭체 중 특정 세그먼트 부분만을 밀봉하는 방법. 재료는 (2)의 재료와 동일하다.

이 경우, 전술한 허니컴 구조체(1)를 낮은 비용으로 간단하게 제조할 수 있다는 점에서 밀봉부에 대응하는 구멍의 크기와 추가의 밀봉부에 대응하는 구멍의 크기가 다른 것을 마스크 및/또는 필름으로 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 밀봉부와 추가의 밀봉부를 형성하는 것을 제외한, 점토 준비, 허니컴 세그먼트 제조, 허니컴 세그먼트 결합(허니컴 성형체 제조), 건조, 소성 등은 종래의 허니컴 구조체 제조 방법에 따라 수행될 수 있다.

보다 구체적으로 말하자면, 일반적인 밀봉 단계에서 추가의 밀봉부에 대응하는 구멍이 마스크 및/또는 필름에 더 형성된다. 일반적인 밀봉부 등을 완전히 밀봉하는 경우를 제외하고는, 추가의 밀봉부에 대응하는 구멍의 크기는 밀봉부에 대응하는 구멍의 크기보다 작다. 대안으로서, 구멍은 일반적인 밀봉부에서와 동일한 방식으로 형성될 수 있다.

밀봉할 부분과 추가적으로 밀봉할 부분에 재료를 주입하는 방법에 대한 특별한 제한은 없으며, 이러한 방법의 일례로는 슬러리재를 컨테이너에 소정 깊이만큼 넣고 마스크 및/또는 필름이 배치된 허니컴 구조체의 일단부면을 하방을 향하게 가압하는, 소위 압착 방법을 들 수 있다.

대안으로서, 셀의 밀봉부와 추가의 밀봉부 역할을 하는 부분으로 각각의 재료를 주입하는 방법으로서 흡입 방법을 채용할 수 있다.

밀봉부와 추가의 밀봉부를 형성한 후, 소성을 수행하여 내부에 밀봉부와 추가의 밀봉부를 갖는 허니컴 구조체를 얻는다.

본 발명의 허니컴 구조체(1)에서는, 격벽(6)의 내면 및/또는 격벽(6)의 기공 내면의 적어도 일부에 배기 가스 정제능이 있는 촉매가 포함되어 허니컴 촉매체로서 이용된다. 이러한 촉매의 예는 (1) 가솔린 엔진 배기 가스 정제 3 방향 촉매, (2) 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진 배기 가스를 정제하기 위한 산화 촉매 및 (3) NOx를 선택적으로 감소시키기 위한 촉매, 및 (4) NOx 저장 촉매를 포함한다.

가솔린 엔진 배기 가스를 정제하는 3 방향 촉매는 허니컴 구조체의 격벽을 코팅하기 위한 캐리어 코팅과, 이 캐리어 코팅 내에 분산된 상태로 포함된 귀금속을 포함한다. 캐리어 코팅은, 예컨대 활성 알루미나로 구성된다. 캐리어 코팅 내에 분산된 상태로 포함되는 귀금속의 바람직한 예는 Pt, Rh, Pd 및 이들의 조합을 포함한다. 또한, 캐리어 코팅은 산화 세륨, 산화 지르코늄, 실리카 등 또는 이들의 혼합물과 같은 복합물을 함유한다. 또한, 귀금속의 총량은 허니컴 구조체의 체적에 대해 단위 리터당 0.17 내지 7.07 g 범위 내인 것이 바람직하다.

가솔린 엔진 또는 디젤 엔진 배기 가스를 정제하기 위한 산화 촉매는 귀금속을 함유한다. 귀금속으로는, Pt, Rh 및 Pd로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 1종 이상이 바람직하다. 부수적으로, 귀금속의 총량은 허니컴 구조체의 체적에 대해 단위 리터당 0.17 내지 7.07 g 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, NOx를 선택적으로 감소시키기 위한 SCR 촉매는 금속 치환 제올라이트, 바나듐, 티타니아, 산화 텅스텐, 은 및 알루미나로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 함유한다.

NOx 저장 촉매는 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속을 함유한다. 알칼리 금속의 예는 K, Na 및 Li를 포함한다. 알칼리 토금속의 예는 Ca를 포함한다. 또한, K, Na 및 Li, Ca의 총량은 허니컴 구조체의 체적에 대하여 단위 리터당 5 g 또는 그 이상인 것이 바람직하다.

상기 허니컴 촉매체는, 종래 공지되어 있는 방법에 따라 본 발명의 허니컴 구조체 상에 촉매를 포함시킴으로써 형성될 수 있다. 구체적으로 말하자면, 우선, 촉매를 포함하는 촉매 슬러리를 준비한다. 이어서, 촉매 슬러리를 흡입 방법과 같은 방법에 의해 허니컴 구조체의 격벽에 있는 기공의 표면에 코팅한다. 그 후, 허니컴 구조체를 실온에서 또는 가열 조건 하에서 건조시켜 본 발명의 허니컴 구조체를 준비한다.

예

이하, 여러 가지 예를 기초로 하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하겠다. 그러나, 본 발명이 이들 예로만 제한되는 것은 아니다.

(예 1)

(일반적인 세그먼트의 제조예)

허니컴 세그먼트의 원료로는, SiC 분말과 금속 Si 분말을 80 : 20의 질량비로 혼합하여 혼합물을 얻었다. 이 혼합물에 기공 형성제인 발포 수지 및 전분과, 메틸 셀룰로오스와, 하이드록시프로폭실메틸 세룰로오스와, 계면 활성제, 그리고 물을 첨가하여 가소성을 갖는 점토를 준비하였다. 이 점토를 압출 성형한 후에 마이크로파 및 열풍으로 건조시켜, 격벽의 두께가 310 ㎛이고, 셀 밀도가 약 45.5 셀/㎠이며, 단면 형상은 한변이 35 mm인 정사각형이고, 길이가 152 mm인 허니컴 세그먼트 성형체를 얻었다.

다음에, 상기 허니컴 세그먼트 성형체의 단부면을 촬영하고, 이미지에 대한 이미지 처리를 실시하여 단부면에서의 전체 셀의 위치를 확인하였다. 그 후, 이미 지 처리에 의해 사전 인식된 셀 부분을 기초로 하여 허니컴 세그먼트 성형체의 모든 표준 외경과, 셀 피치 등에 대한 데이터 세트를 산출하였고, 허니컴 세그먼트 성형체가 배치되는 XYZθ 위치에서 위치 설정을 실시하였다. 레이저 처리로 시트의 개방될 셀 위치에 구멍을 형성하였고, 이 시트는 마스크로서의 역할을 하였다. 그 후, 마스크가 도포된 허니컴 세그먼트 성형체의 단부면을 충전제에 침지시키고, 미리 정해진 양의 밀봉재를 시트에 형성된 구멍에서부터 셀에 압입하여 채웠다. 다음에, 마스크를 박리하여 단부면의 밀봉을 완료하였다. 그 후, 동일한 방식으로 다른 단부면을 밀봉하였다. 또한, 허니컴 세그먼트 원료를 위한 재료와 유사한 재료를 충전제로 사용하였다. 마지막으로, 셀의 양단부면에 있는 밀봉부를 건조시킨 후, 주위 분위기에서 약 400 ℃의 온도에서 탈지하고, 다음에 Ar 불활성 분위기에서 약 1450 ℃의 온도에서 소성시킴으로써, Si로 SiC 결정 입자를 결합시켜 다공질 구조를 갖는 허니컴 세그먼트를 얻었다.

(예 1-1)

각각이 8 mil/300 cpsi의 셀 구성을 갖는 4개의 세그먼트를 중앙에 배치하고, 12 mil/300 cpsi의 셀 구성을 갖는 12개의 세그먼트로 외주측을 구성하였다. 이 때, 중앙에 있는 8 mil/300 cpsi의 셀에만 추가의 밀봉을 실시하였다.

(예 1-2)

각각이 10 mil/200 cpsi의 셀 구성을 갖는 4개의 세그먼트를 중앙에 배치하고, 12 mil/300 cpsi의 셀 구성을 갖는 12개의 세그먼트로 외주측을 구성하였다. 이 때, 중앙에 있는 10 mil/200 cpsi의 셀에만 추가의 밀봉을 실시하였다.

(예 2)

각각이 60 %의 다공도를 갖는 4개의 세그먼트를 중앙에 배치하고, 외주측에 배치한 12개의 세그먼트는 다공도가 50 %였다. 다공도가 60 %인 중앙의 세그먼트에만 추가의 밀봉을 실시하였다. 또한, 기공 형성제의 양을 증가시킴으로써 다공도를 (50 %에서 60%로) 상승시켰다.

(예 3)

크기가 70 × 70 mm인 정사각형 세그먼트를 중앙에 배치하였다. 크기가 35 × 35 mm인 12개의 정사각형 세그먼트로 외주측을 구성하였다. 이 때, 크기가 70 × 70 mm인 세그먼트에만 추가의 밀봉을 실시하였다.

(예 4)

모든 세그먼트의 크기는 35 ×35 mm였다. 중앙에 배치되는 4개의 세그먼트는 기판재로 코디어라이트를 해용하였다. 외주측에 있는 12개의 세그먼트는 SiC로 구성되었다. 코디어라이트 세그먼트에만 추가의 밀봉을 실시하엿다.

(비교예 1)

추가로 밀봉되지 않은 일반적인 DPF를 사용하였다.

(비교예2)

추가로 밀봉된 일반적인 DPF를 사용하였다.

(재생 시험)

상기에서 얻은 허니컴 구조체(DPF : 직경 144 mm, 길이 152 mm)를 배기량이 2.0 L인 디젤 엔진에 장착하고, 그을음 축적량이 10 g/L인 상태에서 재생 시험을 실시하였다. 허니컴 구조체의 유입구에서의 배기 가스 온도는, 재생을 위한 엔진 회전 속도 2000 rpm × 엔진 토크 50 Nm인 조건 하에서 사후 분사에 이르기까지 상승하였다. 허니컴 구조체 전후방에서의 압력 손실이 상승하기 시작하여 상기 조건을 공회전으로 변환시키는 시점에서 그을음 재생이 종료되고 사후 분사가 종료되었을 때, 높은 산소 농도와 낮은 유량으로 인해 허니컴 구조체의 내부 온도가 급격히 상승하였다. 이 때의 허니컴 구조체의 내부 온도(하류 단부면에서 상류로 15 mm 떨어진 위치에서 반경 방향으로의 온도 분포)를 측정하였다(측정 수단은 이후에서 설명함). 또한, 재생 효율(초기 그을음 양에 대한 재생된 그음을 양)을 평가하였다. 허니컴 구조체 내부의 최대 온도(℃)와, 재생 효율을 표 1 및 도 6에 나타낸다.

[재생시 최대 온도]

허니컴 구조체의 각 부분에 열전대를 배치하여 PM 재생시에 허니컴 구조체의 내부 온도 프로파일을 모니터링할 수 있었다. 재생시의 최대 온도를 기록함으로써, 허니컴 구조체의 각 부분에서의 내부 온도를 측정하였다. 측정된 온도 중 최고 온도를 재생시의 최대 온도로 규정하였다.

[표 1]

본 발명의 허니컴 구조체는, 내연 기관, 보일러 등이 사용되는 다양한 산업 분야, 예컨대 배기 가스 내의 미립자 성분과 유해 물질이 문제가 되는 차량 산업에서 디젤 엔진 등으로부터의 배기 가스 내에 함유되는 미립자 물질(미립자)를 포집하여 제거하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)로서 효율적으로 사용된다.

Claims

복수 개의 기공을 갖고 두 단부면 사이에서 배기 가스 유로로서 기능하는 복수 개의 셀을 형성하도록 배치된 다공성 격벽과, 두 단부면 상의 셀의 개방 단부 중 하나를 교대로 밀봉하도록 배치되는 밀봉부를 포함하고, 중심축과 평행한 평면에서 2개 또는 그 이상으로 분리되는 전체 구조체의 일부분의 형상을 갖는 허니컴 세그먼트들이 결합되어 전체 구조체를 형성하는 구성을 갖는 허니컴 구조체로서,

상기 허니컴 세그먼트들은 이 허니컴 세그먼트들의 적어도 일부분에 일반적인 나머지 세그먼트와 다른 특성을 갖는 특정 세그먼트를 포함하고,

상기 특정 세그먼트의 복수 개의 셀에 상기 밀봉부가 배치되지 않은 개방 단부(밀봉되지 않은 개방 단부)에 추가의 밀봉부가 배치되어, 적어도 일부분의 배기 가스가 상기 밀봉되지 않은 개방 단부로 흐르는 것을 억제하는 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 높은 개구율(opening ratio)을 갖는 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 높은 다공도(porosity)를 갖는 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 큰 체적(중심축에 대해 수직인 평면을 따라 취한 단면적)을 갖는 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 보다 낮은 열전도율을 갖는 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 일반적인 세그먼트에 있는 격벽의 재료는 코디어라이트이고, 상기 특정 세그먼트는 일반적인 세그먼트와 다른 특성으로 탄화규소(SiC)로 이루어진 격벽의 재료를 갖는 것인 허니컴 세그먼트.
제1항에 있어서, 상기 전체 구조체는, 특정 세그먼트가 배기 가스에 의해 가열될 때 최고 온도를 갖는 부분에, 특정 세그먼트가 배치되도록 조립되어 형성되는 것인 허니컴 세그먼트.
제1항에 있어서, 상기 전체 구조체는, 상기 특정 세그먼트가 중심축을 포함하는 중앙부에 배치되도록 조립되어 형성되는 것인 허니컴 세그먼트.
제1항에 있어서, 상기 추가의 밀봉부의 중심축에 대해 수직인 평면을 따라 취한 단면 형상은 예정된 일련의 형상을 형성하도록 서로 연속적인 것인 허니컴 세 그먼트.