KR100887196B1 - 내열 필터층, 필터본체, 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

차량 내연 기관의 배기가스의 정화의 관점에서, 필터 재료는 특히 큰 열적 및 동적 조건을 받는다. 결과적으로, 이 필터 재료를 안정적이고 내구성있는 복합재 내에서 함께 사용하는 것이 유리하다. 이를 위해, 본 발명은 유체가 적어도 부분적으로 관류할 수 있고 하나 이상의 필터 영역 및 하나 이상의 가장자리 영역을 갖는 재료로 만들어진 내열 필터층을 제공한다. 하나 이상의 필터 영역의 층두께와 다른 층두께가 하나 이상의 가장자리 영역에 제공된다. 또한 본 발명은 상응하는 필터 본체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

내열 필터층, 필터본체, 및 그 제조 방법{HEAT-RESISTANT FILTER LAYER, FILTER BODY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 유체에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 재료로 만들어진 내열 필터층, 이 유형의 하나 이상의 내열 필터층을 갖는 필터 본체, 그리고 이 유형의 필터 본체의 제조 방법에 관한 것이다. 이 필터 본체는 특히 자동차공학에 사용되는 차량 내연기관의 배기가스의 정화에 이용된다.
독일의 신차 등록을 살펴보면, 2000 종 중에서 디젤 기관을 갖는 차량이 1/3 가량 새로 등록됨을 알 수 있다. 전통적으로, 이 퍼센트는 예를 들면 프랑스나 오스트리아에서보다 상당히 높은 것이다. 예를 들면, 비교적 적은 연료 소비, 현재 디젤 연료의 비교적 낮은 가격 및 이 유형 차량의 향상된 운전 특성으로 인해 디젤 차량에 대한 관심이 커졌다. 또한, 디젤 차량은 가솔린기관의 차량에 비해 CO2 의 배출이 상당히 적어 환경적 측면에서 매우 매력적이다. 그러나, 연소시 생성되는 매연 미립자의 레벨이 가솔린기관의 차량보다 매우 높다는 점에 주목해야 한다.
특히 디젤 기관의 배기가스의 정화를 고려하면, 배기가스 중의 탄화수소 ( HC ) 및 일산화탄소 ( CO ) 가 공지된 방식으로, 예를 들면 촉매 활성 표면과 접촉시켜 산화될 수 있다. 그러나, 산소가 풍부한 조건하에서 질소산화물 ( NOx ) 을 환원시키는 것은 더 어렵다. 예를 들면 불꽃 점화 기관에서 사용될 때 삼원촉매 컨버터는 목적하는 효과를 나타내지 않는다. 이러한 이유로 선택적 촉매 환원 ( SCR ) 처리가 개발되었다. 또한, 질소 산화물의 환원용으로 NOx 흡수제가 실험되었다.
미립자 또는 긴 체인 탄화수소가 사람의 건강에 해로운 영향을 미치는지 여부에 대해 오랜동안 토론이 진행되었지만, 최종 결론이 내려지진 않았다. 이와는 무관하게, 이 물질의 방출이 특정 허용범위를 넘게 환경으로 배출되지 않아야 하는 것은 확실히 바람직한 것이다. 이 점에서, 앞으로의 법령상 가이드라인을 따를 수 있도록 어떠한 필터 효율이 실제 요구되는지에 관해 의문에 제기된다. 현재 독일에서 구입가능한 차량의 배기 방출을 고려하면, 1999년 EU Ⅲ 하에서 인가된 대부분의 승용차는 적어도 30 내지 40 % 효율의 필터를 장착한다면 EU Ⅳ 의 요구사항을 또한 만족시킬 수 있다고 결론내릴 수 있다.
미립자 방출 레벨을 낮추기 위해, 세라믹 기판에 형성된 미립자 트랩을 이용하는 것이 공지되어 있다. 이 트랩은 통로를 가지고 있어, 정화될 배기가스가 미립자 트랩으로 유동할 수 있다. 인접한 통로는 교대로 고립되어 있어, 배기가스가 입구측에서 통로로 들어가 세라믹 벽을 통해 흐른 후 인접한 통로를 통해 출구측에서 배출된다. 이 유형의 필터의 경우, 발생하는 미랍자의 크기 전체에 대해 약 95% 의 효율이 얻어진다.
첨가제와 특별한 피복의 화학적 상호작용 외에도, 자동차의 배기 시스템에서 필터의 믿을 수 있는 재생에는 여전히 문제가 있다. 가스가 관류해야 하는 통로 벽에 미립자의 축적이 증가하면 기관성능에 안 좋은 영향을 미치는 압력 손실이 계속 증가하게 되므로, 미립자 트랩을 재생할 필요가 있다. 재생은 실질적으로 미립자 트랩과 그 안에 축적된 미립자를 단시간 가열하는 것을 포함하며, 매연 미립자가 가스 성분으로 전환된다. 그러나, 미립자 트랩의 이 큰 열적 부하는 서비스 수명에 안 좋은 영향을 미친다.
열적으로 유도된 장비의 향상에 있어 주요인인 이 불연속 재생을 피하기 위해, 필터의 연속 재생용 시스템이 개발되었다 ( CRT : 연속재생트랩 ). 이 유형의 시스템에서, 미립자는 200 ℃ 이상의 온도에서 NO2 와 산화되어 탄다. 이 목적에 필요한 NO2 는 미립자 트랩의 상류에 배열된 산화 촉매 컨버터에 의해 종종 생성된다. 그러나, 특히 디젤 연료를 사용하는 모터 차량에 사용하는 경우 바람직한 배기가스의 이산화질소 ( NO2 ) 로 전환될 수 있는 일산화탄소 ( NO ) 의 양이 불충분하다는 문제가 야기된다. 결론적으로, 지금까지는 배기 시스템에서의 미립자 트랩의 연속 재생의 보장이 가능하지 않았다.
더욱이, 전환될 수 없는 미립자 외에도 오일 또는 첨가제의 부가적 잔여물도 미립자 트랩에 축적될 수 있어 용이하게 재생될 수 없음을 명심해야 한다. 이러한 이유로, 공지된 필터를 정기적으로 교체하거나 그리고/또는 세척해야 한다. 판형 구조의 필터 시스템으로 이 부품을 필터에서 제거하는 진동형 여기를 이용하여 이 문제를 해결하려 시도하였다. 그러나, 이는 몇몇의 경우 재생불가능한 부분의 미립자가 다른 처리 없이 직접 환경으로 유출됨을 의미한다.
최소 반응 온도 및 특정 체류 시간 외에도, NO2 를 이용하는 미립자의 연속 재생을 위해 충분한 산소 산화물을 공급할 필요가 있다. 일산화질소 ( NO ) 및 미립자의 동적 방출에 관한 실험을 통해 특히 배기가스에 매우 적은 양의 일산화질소가 있거나 전혀 없을 때 그리고 그 역의 경우, 미립자가 방출됨을 명백히 입증하였다. 이것은, 2개의 반응 대상이 주어진 시점에 필요한 양만큼 필터에 존재하도록, 확실한 연속 재생을 갖는 필터는 실질적으로 보상기 또는 저장소로서 기능해야 함을 의미한다. 더욱이, 냉각이 시작된 직후에 가능한 한 높은 온도에 도달할 수 있도록, 필터는 가능한 한 내연기관에 가까이 배열되어야 한다. 필요한 이산화질소를 제공하기 위해서, 일산화탄소 ( CO ) 및 탄화수소 ( HC ) 와 반응하도록 그리고 특히 일산화질소 ( NO ) 를 이산화질소 ( NO2 ) 로 전환시키도록, 산화 촉매 컨버터는 필터의 상류에 연결되어야 한다. 산화 촉매 컨버터와 필터를 포함하는 이 시스템이 기관에 가까이 배열된다면, 적절한 위치는 특히 디젤 모터 차량에서 연소챔버의 부스트압을 증가시키기 위해 이용되는 터보차저의 상류이다.
이를 고려하면, 자동차공학에서의 실제 배치에서, 그러한 위치에서 극도로 큰 열적 및 동적 부하를 받으면서도 만족스러운 여과 효율을 얻어야 하는 상기 종류의 필터를 어떻게 구성할 것인가에 대한 문제가 생긴다. 여기서, 특히 필터 의 새로운 설계에 요구되는 공간상의 조건에 관해 설명한다. 아직 반응하지 않은 미립자가 필터 내에 오랜 시간 체류하여 높은 효율을 보장하기 위해, 모터 차량의 언더보디 ( underbody ) 에 배열되는 종래 필터의 경우 최대 가능 체적이 중요하였지만, 필터가 기관에 가까이 배열되면 이용가능한 공간이나 여유가 충분하지 않다.
이를 위해, 주로 "개방형 필터 시스템"이라 불리우는 새로운 개념이 도입되었다. 이 개방형 필터 시스템은 구조적 수단으로 필터 통로를 교대로 고립시킬 필요가 없다는 것이 특징이다. 여기서는, 통로 벽이 다공성의 또는 다공성이 큰 재료로 적어도 부분적으로 형성되고, 개방형 필터의 유동 통로가 전환 또는 유도 구조를 갖는다고 규정된다. 이 내부 부착물 ( internal fittings ) 은 유동과 그 안에 포함된 미립자가 다공성의 또는 다공성이 큰 재료로 만들어진 영역쪽으로 전환되도록 한다. 놀랍게도, 차단되거나 그리고/또는 충격을 받아 미립자가 다공성 통로 벽 표면에 그리고/또는 내에 구속됨이 판명되었다. 유동하는 배기가스의 유동 프로파일에서 압력차가 이 효과 발생에 중요하다. 이 전환으로 국부적으로 감소된 압력 또는 초과 압력 조건의 생성이 추가적으로 가능해지고, 상기한 압력차가 보상되어야 하므로 다공성 벽을 통한 정화 효과로 이어진다.
유동 블라인드 통로 ( flow blind alley ) 가 없기 때문에, 공지된 폐쇄 스크린 또는 필터 시스템과 달리 미립자 트랩은 개방되어 있다. 따라서, 이 성질은 이 유형의 미립자필터를 특징짓는데 또한 이용될 수 있으므로, 예를 들면, "유동자유도( freedom of flow )"라는 파라미터가 시스템을 기술하는데 적합하다. 예를 들면, 20% 의 유동자유은 단면에서 보았을 때 면적의 약 20%를 통해 볼 수 있음을 의미한다. 약 600 cpsi ( cell/inch2 ) 의 통로 밀도 및 0.8 ㎜의 수력 직경을 갖는 특정 필터의 경우, 이 유동자유도는 실질적으로 0.1 ㎟ 이상의 연속 면적에 상응한다. 더 좋은 설명으로는, 원리적으로 실제 걸러질 미립자보다 상당히 큰 미립자라도 미립자가 필터를 완전히 관류할 수 있다면, 미립자 필터는 개방되어 있다고 말할 수 있다. 결국, 작동시 미립자가 응집하는 경우에도 이 유형의 필터는 막힐 수 없다. 미립자 필터의 개방도를 측정하는 적절한 방법은, 예를 들면 이 유형의 필터를 통해 빠져나갈수 있는 구형 입자의 최대 직경을 검사하는 것이다. 본 용도에서, 특히 0.1 ㎜ 이상의 직경을 갖는 구, 바람직하게는 0.2 ㎜ 초과의 직경을 갖는 구 및 특히 0.3 ㎜ 이상의 직경을 갖는 구가 빠져나갈수 있다면 필터는 개방되어 있다.
특히 이 유형의 개방형 필터 시스템을 실현하기 위해, 본 발명의 목적은 특히 연속 재생에 사용하기에 적합하고 이 용도의 요구에 특히 적합한 내열 필터층을 제공하는 것이다. 이 점에서, 필터 시스템은 매우 고온의 배기가스를 방출하는 승용차의 배기 시스템에서의 큰 열적 및 동적 부하를 견딜 수 있어야 한다. 또한, 배기 시스템에서 미립자의 레벨을 상당히 감소시키는데 적합한 필터 본체를 제공하려 한다. 그리고, 상기 필터 본체의 제조 방법을 제공하려 한다. 상기 필터층은 접합 연결, 특히 땜납 연결 또는 용접 연결이 향상되도록 구성되어야 한 다.
이 목적들은 청구항 1 의 특징을 갖는 내열 필터층, 청구항 7 의 특징을 갖는 내연기관의 배기가스 정화용 필터 본체, 및 청구항 15 에 기재된 제조단계를 포함하는 이 유형의 필터 본체의 제조 방법에 의해 달성된다. 다른 유리한 구성은 각각의 종속항에 기재되어 있고, 여기서 개시된 특징은 개별적으로 또는 어떤 바람직하고 적절하게 조합되어 사용될 수 있다.
내열층은 유체에 대해 적어도 부분적으로 투과성인 재료로 만들어지고, 하나 이상의 필터 영역과 하나 이상의 경계 영역을 갖는다. 본 발명에 따른 필터층은, 하나 이상의 경계 영역에서 하나 이상의 필터 영역과 상이한 층두께를 갖는다는 점이 두드러진다. 이 점에서, 필터층은 각각 다른 기능을 하는 상이한 영역을 갖는다. 필터 영역은 주로 배기가스에 포함된 미립자 등을 걸러주고 필터 재료의 공동 ( cavity ), 기공 ( pore ) 등에 이들을 적어도 일시적으로 저장 또는 축적하는 역할을 하는 반면, 하나 이상의 경계 영역은 접합 연결을 형성하는 역할을 한다. 이들 영역에 상이한 층두께를 갖도록 필터층을 설계하는 것은, 예를 들면 그러한 필터층을 갖는 필터 본체의 제조와 관련한 조립 실수를 방지하도록, 뚜렷이 구별되는 공간적 경계를 만드는 것이다.
필터층에 대한 하나 이상의 경계 영역 및 하나 이상의 필터 영역의 공간적 배열에 관해서, 필터 영역이 필터층의 중간 영역에 배열되는 것이 바람직함을 명심해야 한다. 프레임처럼 경계 영역이 필터 영역 주위에 형성될 수 있는 특정 조건하에서도, 하나 이상의 경계 영역이 적어도 가장자리에 가까이 형성되는 것이 바 람직하다. 이 점에서, 하나 이상의 경계 영역에 의해 둘러싸이고 중간에 배열된 비교적 큰 면적의 필터 영역을 형성하는 것이 가능한데, 그러나, 특정 조건하에서는 체스판 패턴과 유사하게 복수의 필터 영역이 하나 이상의 경계 영역 ( 특히 프레임과 유사한 방식으로 설계됨 ) 에 의해 각각 제한되도록 제공될 수 있다. 필터층의 중간 영역에도 배열되어 있는 복수의 경계 영역 내의 인접한 필터층의 연결은 면적으로 균일하게 분포된 부착을 형성하기 때문에, 각각이 하나 이상의 경계 영역으로 둘러싸인 복수의 필터 영역을 갖는 내열 필터층의 구성으로 상응하는 필터 본체 내에 비교적 강한 연결이 가능하다.
필터층의 다른 구성에 따르면, 하나 이상의 경계 영역에서의 층두께는 하나 이상의 필터 영역보다 특히 60 % 이하, 바람직하게는 50 % 이하 또는 35% 이하로 더 작다. 필터층을 이러한 방식으로 구성하면, 더 두꺼운 벽두께로 설계된 하나 이상의 필터 영역에 더 큰 체적이 제공되는 장점이 있다. 이 결과 하나 이상의 필터 영역에 충분한 기공, 공동 등이 제공되고, 이 기공, 공동 등이 예를 들면 매연 미립자를 수용 또는 저장하는데 이용된다. 이 경우, 이 유형의 큰 기공에 특히 100 ㎚ 내지 250 ㎚ 의 직경을 갖는 미립자가 축적된다. 내열 필터층은 예를 들면 비교적 느슨한 섬유 집합체를 형성하는 섬유 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 이 섬유 집합체는 예를 들면 세라믹 섬유로 형성된 직포 또는 편포섬유패브릭 ( knitted fiber fabric ) 일 수 있고, 선택적으로 또는 부가적으로, 금속 섬유, 소결 재료, 와이어 패브릭 등일 수 있다.
하나 이상의 경계 영역은 실질적으로 하나 이상의 필터 영역과 동일한 재료 를 포함하고, 압축 또는 압착 섬유 집합체를 포함하는 것이 바람직하다. 유체, 특히 배기가스 흐름은 하나 이상의 필터 영역의 영역에서 필터 재료를 관류할 수 있는 반면, 하나 이상의 경계 영역은 유체에 대해 실질적으로 불투과성인 것이 바람직하다. 이는, 이 성질의 섬유 재료의 적어도 부분적인 압착이 실시되고, 많은 수의 기공, 개구, 공동, 구멍 등이 폐쇄됨을 의미한다. 이 점에서, 감소된 층두께는 필터 재료를 압축한 결과이다.
하나 이상의 경계 영역에서의 필터 재료의 불투과성은, 접합제 또는 용접 첨가제가 인접하는 필터층을 접합하는데 이용되지 않도록 이들이 가열될 때 섬유 재료의 내부에 축적되는 것을 방지하면서, 예를 들면 연결 재료 또는 부가 재료 ( 땜납, 용접 첨가제 등 ) 가 하나 이상의 경계 영역의 표면에 목적하는 양식으로 가해질 수 있음을 의미한다. 접합 연결에 필요한 접합제에 따라 적절한 압축이 실시되어, 층두께가 하나 이상의 경계 영역에서 유리하게는 40 % 이상, 특히 50 % 이상 또는 65 % 이상 감소된다. 이로써 하나 이상의 경계 영역에서 층두께가 1 ㎜ 이하, 특히 0.5 ㎜ 이하 그리고 0.1 ㎜ 이하이다.
다른 구성에 따르면, 필터층의 가장자리에서 시작하는 하나 이상의 경계 영역은 30 ㎜ 이하, 특히 20 ㎜ 이하, 바람직하게는 10 ㎜ 이하 또는 단지 5 ㎜ 이하의 경계폭을 갖는다. 이것은 특히 필터층의 가장자리 영역이 접합 연결 형성에 이용됨을 의미한다. 이것은 배기가스의 맥동류의 관점에서 특정 부하를 받기 쉬운 영역이므로 특히 유리하다. 가장자리 영역에서 섬유 집합체가 상당히 더 강하기 때문에, 필터층을 이 가장자리 영역에 비교적 강하게 압축된 필터 재료를 갖도록 설계함으로써 분리 현상이 방지된다. 게다가, 상응하는 필터 본체의 인접한 필터층은 가장자리 영역에서 서로 연결되어 있어, 그 결과 이 영역의 진동 또는 플래핑이 또한 회피된다. 경계폭은 특히 사용시 발생하는 동적 부하의 관점에서 설계되어야 하는데, 섬유층의 열팽창 특성이 고려되어야 한다. 이 점에서, 필터층이 적당한 동적 부하에 노출되고 높은 열적 부하에 알맞다면, 가능한 한 좁은 경계 영역을 선택하는 것이 유리하다.
더욱이, 필터층이, 바람직하게 3 ㎜ 이하, 특히 1 ㎜ 이하 그리고 바람직하게는 0.5 ㎜ 이하의 섬유층을 갖는 하나 이상의 섬유층을 포함하는 것이 제안된다. 섬유층 두께는 특히 정화될 배기가스 흐름 그리고/또는 그 안에 포함된 미립자를 고려하여 선택되어야 한다. 또한, 더 두꺼운 섬유층 두께는 더 큰 저장 체적 그리고 증가된 수의 섬유를 제공하고, 그 결과 이 유형의 섬유층이 자주 재생되어야 하는 것은 아니고 따라서 예를 들면 자동차의 언더보디와 같은 기관에서 멀리 떨어진 위치에도 설치될 수 있다는 점에 주목해야 한다. 이 성질의 기관에서 멀리 떨어진 위치에서, 배기가스는 비교적 긴 시간후에 재생에 필요한 온도에 도달하므로, 이 시간동안 충분한 저장 용량이 제공되어야 한다. 필터층이 배기 시스템의 상당한 고온 면적, 특히 기관에 가까이 배열되는 것이 바람직하다면, 연속 재생이 보장될 수 있고, 이 경우 매우 얇은 섬유층 두께를 갖는 섬유층을 사용하는 것이 바람직하다.
필터층의 유리한 개선은 필터층을 외부에서 바람직하게 한정하고 특히 0.05 ㎜ 이하, 바람직하게는 0.03 ㎜ 이하 또는 단지 0.015 ㎜ 이하의 두께를 갖는 하나 이상의 금속층을 포함한다. 유체는 하나 이상의 필터 영역에서 이 금속층을 통해 스며들 수 있는 것이 바람직하고, 즉 금속층은 개구, 구멍 등을 갖는 것이 바람직하다. 금속층은 하나 이상의 경계 영역까지 또는 경계 영역 넘어 연장되는 것이 바람직한데, 이 경우 하나 이상의 경계 영역의 금속층이 유체에 불투과성인 것이 바람직하다. 특히 이 유형의 금속층에 적절한 재료는 금속성 벌집형 본체의 제조에 배기가스의 정화를 위한 촉매 지지체로서 공지된 알루미늄-크롬 합금이다. 이 경우 상기 금속층은 피복으로서 또는 개별 포일로서 형성될 수 있다.
필터층이 샌드위치 구조이고 하나 이상의 섬유층과 하나 이상의 금속층을 갖는 것이 특히 유리하다. 이 경우, 섬유층이 하나 이상의 금속층의 내부에 둘러싸여 배열되도록, 금속층은 섬유층 주위에 슬리브를 형성하는 것이 바람직하다. 이 문장에서, 슬리브라는 용어는, 하나 이상의 금속층이 또한 적어도 부분적으로 섬유층의 외주를 넘어 존재하고, 특히 섬유층을 완전히 둘러싸는 하나 이상의 금속층의 배열을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이 점에서, 적어도 부분적으로, 슬리브는 섬유층의 전체 외주를 넘어 형성된다. 따라서, 이러한 방식의 섬유층 외주 주위의 금속층은, 하나 이상의 방향에서 양으로 고정하는 방식으로 방해되는 하나 이상의 금속층에 대한 섬유층의 상대적 이동으로 이어진다.
이 유형의 샌드위치 구조의 형성은 특히 기관에 가까이 배열되는 이 유형의 필터층의 관점에서 중요한 다수의 장점을 갖는다. 하나 이상의 금속층은 발생하는 압력 충격 및 온도 피크로부터 내부 섬유층을 보호하는 한 유형의 보호 슬리브를 형성한다. 섬유층은 금속층보다 상당히 더 느슨한 섬유의 집합체를 나타 낸다. 섬유층을 보호하는 금속층의 존재는 강도를 주목적으로 설계된 것이 아님을 의미하므로, 이 경우 섬유층은 매우 큰 다공성을 갖는다. 이 점에서, 특히 섬유층에서의 큰 자유 공간, 기공 등을 실현하는 것이 가능하다. 특히, 하나 이상의 금속층이 스티립 또는 시트와 유사한 형태로 제조되고 즉 비교적 큰 첩촉 표면적을 제공한다는 사실에 의해 격려된다. 결과적으로, 이 경우에 있어, 예를 들면 섬유층의 크기안정성을 보장하는데 사용되는 공지된 와이어 메시의 경우보다 상당히 더 느슨하게 채워지는 섬유 재료를 사용할 수 있다.
따라서, 이 유형의 샌드위치 구조는 각각의 경우에 필터 재료 ( 특히 편복선 패브릭 ) 의 양 측에 배열된 하나의 지지 구조를 갖도록 설계되고, 이 샌드위치는 목적하는 형상으로 구부려지거나 변형된다. 이 샌드위치 구조는, 필터 재료의 외주 ( 또는 끝면 ) 이 맥동성 배기가스 흐름에 보호되지 않으면서 노출되도록, 배기가스 흐름에 배열된다. 이것은 이 단부 영역에 특히 분리 현상을 초래한다. 섬유 재료가 오랜 시간 동안 와이어 패브릭 사이에 고정되는 것을 보장하기 위해, 이 샌드위치 구조는 넓은 면적에 걸쳐 ( 경우에 따라서는 전체 표면에 ) 고압하에서 함께 압축되어야 하는데, 이는 미립자의 축적을 위한 매우 작은 기공 또는 자유 공간 때문에, 필터 재료의 효율에 상당히 안 좋은 영향을 미치고 바람직하지 않은 필터에의 큰 압력 손실로 이어진다. 이것은 본 발명에 따른 필터 조립체에서 단순한 방식으로 회피되는데, 하나 이상의 전화층이 섬유층 주위에 관여한다는 사실이 섬유층이 내부에 포위되어 배열됨을 의미하기 때문이다.
본 발명의 다른 태양은 내연기관의 배기가스 정화용 필터 본체를 제안하는 데, 배기가스가 관류할 수 있는 통로를 형성하도록 적층되거나 그리고/또는 감긴 적어도 부분적으로 구조화된 층을 포함하는 것이다. 본 발명에 따른 필터 본체는 상기한 것처럼 하나 이상의 내열 필터층을 갖는다. 필터 본체는, 통로가 교대로 폐쇄되어 배기가스 전체 유동이 내열 필터층을 관류하는 것처럼 종래의 원리에 따라 제조될 수 있다. 그러나, 서두에서 기재된 "개방형 시스템"에 따라, 즉 20 % 이상, 특히 40 % 이상 또는 50 % 이상의 유동자유도로 필터 본체의 구성을 이용하는 것이 바람직하다. 이것은 개방형 필터 본체가, 통로 내에 장치된 압력차를 생성하는 수단 그리고/또는 통로의 유동 방향에 영향을 미치는 수단으로 매체가 통로의 전체 길이를 자유롭게 유동할 수 있는 단면을 갖고 있음을 의미한다. 이것은 필터층을 통해 적어도 부분적으로 스며들고 미립자가 필터 재료에 축적되고 그리고/또는 저장되도록 하기 위해, 정화될 배기가스가 적어도 부분적으로 내열 필터층 쪽으로 전환되도록 한다.
하나 이상의 구조화된 시트금속 포일 및 하나 이상의 실질적으로 매끄러운 또는 비구조화된 필터층을 포함하는 층을 구비한 필터 본체의 구성은 특히 바람직한데, 상기 층은 하나 이상의 연결 영역에서 서로 접합으로, 특히 납땜 또는 용접으로 연결된다. 이것은 하나 이상의 구조화된 시트금속 포일 및 하나 이상의 필터층이 적층 그리고/또는 감기고, 통로가 원리적으로 인접한 매끄러운 필터층 사이의 스페이서 ( spacer ) 로서 기능하는 시트금속 포일의 구조에 형성됨을 의미한다. 이 통로는 실질적으로 서로 평행한 것이 바람직하다. 필터 본체의 상기 층의 상대적인 이동이 큰 열적 및 동적 부하하에서도 실질적으로 회피되는 것을 보장하기 위해, 이 층은 접합에 의해 서로 연결되어야 한다. 자동차공학에서 금속성 벌집형 본체의 제조에 촉매 지지체로서 이미 공지된 것처럼, 특히 땜납 접합 또는 용접 접합은 이 목적에 적합하다.
여기서, 하나 이상의 연결 영역이 필터층의 하나 이상의 경계 영역에 배열되는 것이 특히 바람직하다. 이것은 예를 들면 연결 영역이 필터층의 전체 크기를 덥는다면 더 작게 설계되는 것이 바람직하다는 것을 의미한다. 이것은 이 경우에 2개의 상이한 재료 ( 시트금속 포일 및 필터층 ) 가 서로 연결되어 있고, 이 재료가 상이한 열팽창계수를 가지고 있기 때문에 유리하다. 비교적 작은 연결 영역에서만 이 인접한 부품을 연결하면, 부품이 서로 연결되어 있으므로 팽창이 크게 방해되지 않게 된다. 이것은 연결 영역 근처에 형성되는 균열의 가능성이 상당히 감소되므로 이 유형의 필터 본체의 서비스 수명에 특히 유리하다. 필터층이 경계 영역에서 접합제 ( 땜납 또는 용접 재료 ) 에 대해 불투과성이어서, 서로 연결되어야 하는 부품 사이의 접촉 영역에서 접합 연결이 이루어지는 동안에도 이 재료가 계속 이용가능하므로, 하나 이상의 연결 영역 및 하나 이상의 경계 영역의 공간적으로 일치하는 배열은 특히 내구성 연결로 이어진다.
본 발명에 따른 내열 필터층이 상이한 층두께를 갖도록 설계된다는 점에서, 필터 본체의 필터층의 상이한 층두께를 보상하기 위한 수단이 존재하는 것이 특히 유리하다. 인접한 부품이 본 발명에 따른 필터층을 누르게 될 때, 상기 부품은 하나 이상의 필터 영역의 영역에서 실질적으로 확실한 고정 방식으로 서로 접촉한다. 예로써, 시트금속 포일이 실질적으로 평면의 접촉면적 ( planar bearing surface ) 을 갖지만, 본 발명에 따른 필터층은 하나 이상의 필터 영역에서 하나 이상의 경계 영역까지 천이부에서 숄더를 형성하므로, 한 유형의 틈이 하나 이상의 경계 영역의 시트금속 포일과 필터층 사이에 형성된다. 틈의 크기는 종종 땜납 또는 용접 재료가 단독으로 연결할 수 없을 정도일 수 있다. 이 점에서, 이 틈을 보상하기 위한 수단이 필요한데, 이는 필터층의 하나 이상의 경계 영역에서 필터 본체의 인접한 부품 사이의 접촉을 보장한다. 이하에서 예를 이용하여 다수의 상이한 보상 수단을 설명한다.
필터층의 층두께가 하나 이상의 필터 영역에 비해 하나 이상의 경계 영역에서 감소된다면, 하나 이상의 경계 영역이, 적어도 부분적으로 그 자신과 중첩되고 바람직하게는 함께 납땜되는 변형 영역을 갖는 것이 제안된다. 이것은, 특히 필터층의 하나 이상의 가장자리에 가까이 배열되어 있는 하나 이상의 경계 영역이 결과적으로 생성되는 연결 영역보다 더 큰 경계폭을 갖도록 설계됨을 의미한다. 연결 영역보다 더 돌출한 경계 영역의 부분은 이 돌출 영역이 연결 영역으로 들어가도록 구부러지고, 접어지고, 구겨진다. 결과적으로, 경계 영역의 부분 영역은 서로 인접하게 배열되고 바람직하게는 서로 누르게 되어, 층두께는 하나 이상의 경계 영역의 일부 이상에서 적어도 2배이다. 예를 들면, 이것은 하나 이상의 경계 영역에서 실질적으로 하나 이상의 필터 영역에서의 층두께의 50 % 인 층두께를 갖는 필터층의 경우 바람직하다. 그러므로, 하나 이상의 경계 영역의 변형 동안, 실질적으로 필터 본체의 인접한 부품을 위한 평면의 누름표면이 필터층의 적어도 한 측에 제공된다. 하나 이상의 경계 영역에서의 이 변형된 또는 구부러 진 부분 영역이 자동차의 배기 시스템의 배기 시스템에서의 동적 부하의 결과 플랩 또는 진동하기 시작하는 것이나 또는 필터층에서 분리되는 것을 방지하기 위해, 경계 영역의 겹치는 부분 ( 바람직하게는 경계 영역 자체를 누르는 부분 ) 이 또한 그 자체에 용접되거나 또는 납땜되는 것이 특히 유리하다. 용접 처리라는 용어는, 롤러 시임 용접 처리가 특히 적합하다.
유리한 개선에 따라서, 하나 이상의 경계 영역에서 감소된 층두께를 갖는 필터층의 설계의 경우, 하나 이상의 경계 영역에 인접하여 배열된 층, 특히 구조화된 시트금속 포일의 구역이 잔여 구역보다 더 큰 높이를 갖는 것이 제안되었다. 인접한 층이 구조화된 시트금속 포일이라면, 이것이 잔여 구역보다 큰 구조 높이를 갖는 구역에 형성되는 것이 특히 유리하고, 시트금속 포일의 재료 두께가 다양한 구역에서 동일한 것이 바람직하다. 상이한 층두께가 필터층 자체에 의해 보상되는 상기 원리와 대조적으로, 이 경우에는 필터층에 인접하게 배열된 부품에 의해 보상되는 것이 제안된다.
이미 설명한 것처럼, 시트금속 포일의 구조는 주로 인접한 필터층을 위한 스페이서 역할을 한다. 따라서, 상이한 구조 높이를 갖는 필터층 구조의 경우, 인접한 필터층 사이의 상이한 거리가 또한 연결된다. 필터 영역에 인접하게 배열된 잔여 구역에 비해 하나 이상의 경계 영역에 인접하게 배열된 구역에서 구조 높이가 더 크게 설계된 경우, 통로 전체 길이에서 시트금속 포일이 인접한 필터층과 접촉하는 것이 보장되어, 이 부품들이 서로 접합되어 연결될 수 있게 된다 ( 특히 하나 이상의 경계 영역에서 ). 따라서, 구조 높이는, 하나 이상의 필터 영 역에서 하나 이상의 경계 영역까지인 천이부에서의 층두께의 감소와 유사한 퍼센트로 증가되어야 한다.
또다른 구성에 따르면, 필터 본체는 하나 이상의 부가적 보상층을 구비하고 있는데, 이는 감소된 층두께를 갖는 필터층의 하나 이상의 경계 영역에 인접하게 배열되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 이 부가적 보상층은 필터 본체의 전체 길이보다 길지 않고, 실질적으로 필터 본체의 인접한 부품이 서로 연결되는 연결 영역에만 존재하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어, 보상층은 하나 이상의 경계 영역에서 필터층의 감소된 층두께의 결과 생성된 틈을 실질적으로 채우고, 마찬가지로 인접한 부품에 접합 연결, 특히 납땜 연결되는 것이 바람직하다. 특정 조건하에서는, 부가적 보상층을 하나 이상의 경계 영역보다 더 길게 설계하는 것도 또한 가능한데, 그 경우 보상층은 적어도 부분적으로 필터층 또는 하나 이상의 시트금속 포일보다 길게 돌출한다. 이 돌출한 소영역은 적절하다면 필터층의 경계 영역 주위에 배열될 수 있어서, 필터층의 경계 영역에 대해 가장자리 근체에 형성된 2개의 틈은 하나의 보상층을 이용하여 보상될 수 있다. 이 방식으로, 특히 큰 동적 부하에 노출된 필터층의 가장자리가 감소된 필터 본체에 통합될 다수의 부가적 보상층으로 더 보호받게 된다.
본 발명의 다른 측면은 상기한 것처럼 필터 본체의 제조 방법을 제안하는데, 다음의 단계를 포함하는 것이다.
- 하나 이상의 내열 필터층을 제조하는 단계,
- 감소된 층두께를 갖는 하나 이상의 필터층의 하나 이상의 경계 영역을 형 성하는 단계,
- 하나 이상의 필터층의 상이한 층두께를 보상하기 위한 수단을 제공하는 단계,
- 배기가스가 관류할 수 있는 통로를 갖는 벌집형 본체를 형성하기 위해 하나 이상의 필터층 및 하나 이상의 구조화된 시트금속 포일을 적층 및/또는 감는 단계,
- 하나 이상의 필터층과 하나 이상의 시트금속 포일 사이의 하나 이상의 연결 영역에 땜납을 공급하는 단계, 및
- 하나 이상의 연결 영역에서 납땜 접합을 형성하기 위해 벌집형 본체를 가열하는 단계.
납땜 결합의 형성에 관해서는, 자동차의 차량용 배기 시스템의 촉매 지지체로서 금속성 벌집형 본체의 제조에 사용되는 공지 기술을 참조하였다. 이 점에서, 분말형 니켈계 땜납이 땜납으로서 사용되는 것이 바람직하고, 벌집형 본체의 가열이 보호가스 분위기 또는 거의 완전 진공하에서 실시되는 것이 바람직하다.
상기 방법의 다른 구성에 따르면, 벌집형 본체를 납땜을 공급하기 전에 케이싱에 넣고, 땜납이 공급되는 동안 땜납이 하나 이상의 부착 영역에서 하나 이상의 필터층 그리고/또는 하나 이상의 시트금속 포일을 케이싱에 접착시켜, 하나 이상의 부착 영역에서 가열되는 동안 땜납 접합이 생성된다. 이를 위해, 공지된 방식에서는 먼저 연결 영역 및 부착 영역에 땜납 공급시 가루상태의 땜납이 접착하는 결합제를 공급한다. 연결 영역 그리고/또는 부착 영역을 한정하기 위해 땜납의 유동을 한정하는 수단 ( 땜납 스톱, 오일, 왁스, 세라믹 피복 등 ) 을 사용하는 것 또한 공지되어 있고, 이 수단들은 여기서 또한 사용될 수 있다. 땜납을 공급하기 전에 벌집형 본체를 케이싱에 넣는 것은, 땜납 결합이 동일한 정도의 열치리에 노출되므로, 복수의 땜납 공급 공정을 피하고 균일한 땜납 결합을 형성할 수 있음을 의미한다.
상기 방법의 개선에 따라, 하나 이상의 경계 영역에서 필터층에 압축력을 가하여 감소된 층두께를 갖는 하나 이상의 경계 영역이 형성된다. 이 압축력은 예를 들면 롤러 등에 의해 생성될 수 있는데, 이 롤러는 주로 필터 재료를 압착하도록 다이 등에서 필터층을 누른다. 여기서, 이 압축력은 용접 처리시 예를 들면 평행하게 가해질 수 있다. 예를 들면, 변형된 경계 영역을 갖는 필터층의 구성이 선택된다면, 필터층은 경계 영역에서 먼저 변형된 후 압착되고 동시에 롤러 시임 용접 처리에 의해 함께 용접될 수 있다.
또한, 보상 수단이 필터층의 하나 이상의 경계 영역의 변형에 의해 형성되는 것이 제안된다. 이 의미는 이미 위에서 상세히 설명되었고, 더 상세한 설명은 도 5 와 관련하여 주어진다.
상기 방법의 다른 구성에 따르면, 보상 수단은 필터층과 인접한 포일 사이에 배열되어 있는 하나 이상의 보상층에 의해 형성된다. 이 단계는 이미 위에서 설명되었고, 이하에서 도 5 를 참조하여 자세히 기재한다.
이하에서 본 발명을 도면을 기초로하여 더 상세히 설명하는데, 도면은 본 발명에 따른 내열 필터층 및 필터 본체의 특히 유리하고 특히 바람직한 구성을 보여 주고 있다. 또한, 도면은 기재된 본 발명에 따른 방법을 설명하는데 도움이 된다. 그렇지만, 본 발명이 도면에 나타난 예시적인 실시형태로 국한되지 않음을 명심해야 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 내열층의 제 1 실시형태의 개략적인 사시도이다.
도 2 는 샌드위치 구조로서의 필터층의 다른 실시형태의 측면도이다.
도 3 은 배기 설비의 개략도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 필터 본체의 실시형태 세부의 개략적인 사시도이다.
도 5 는 필터 본체의 다른 실시형태 세부의 개략도이다.
도 6 은 필터층의 상이한 층 두께를 보상하기 위한 시트금속 포일의 실시형태의 개략적인 사시도이다.
도 7 은 필터 본체의 실시형태의 개략적인 사시도이다.
도 8 은 필터 본체를 제조하기 위한 본 발명의 일련의 절차를 보여주는 개략도이다.
도 1 은 본 발명에 따른 필터층 (1) 의 실시형태의 개략적인 사시도로서, 이 필터층을 통해 유체가 적어도 필터 영역 (2) 에서 유동 ( 유동방향(35)을 따라 ) 할 수 있다. 필터층 (1) 은 적어도 부분적으로는 다공성 재료 ( 점선으로 표시된 필터 영역 (2) 참조 ) 로 만들어져 있고, 양 가장자리 (5) 근처에서 2개의 경계 영역 (3) 을 가지고 있다. 경계 영역 (3) 은 압축력 (29) ( 화살표로 표시되어 있음 ) 으로 압축되어, 필터 영역 (2) 에 비해 감소된 층두께 (4) 를 갖고 있다. 압축은 단면에 나타난 기공 또는 공동으로 표시되는데, 이는 필터 영역 (2) 보다 경계 영역 (3) 에서 훨씬 더 작다.
도 2 는 필터층 (1) 의 다른 실시형태에서의 개략적인 단면도인데, 필터층 (1) 은 샌드위치 구조 (11) 로 되어 있고, 섬유층 (7) 주위에 슬리브를 형성하는 2개의 금속층 (9) 을 구비하고 있다. 금속층 (9) 각각은 2개의 경계 영역 (3) 을 갖고 있으며, 금속층 (9) 은 경계 영역 (3) 에서 접합되어 서로 연결되어 있다. 이 경우, 접합에 의한 연결은 땜납에 의해 보장되며, 땜납 스톱 (30) 이 경계 영역 (3) 의 외부에 제공되어 열처리시 땜납 (26) 이 섬유층 (7) 근처로 들어가지 않도록 한다. 경계 영역 (3) 은 금속층 (9) 의 가장자리 (5) 에서부터 바람직하게는 3 ∼ 15 ㎜ 의 경계폭 (6) 에 결쳐 존재한다. 재료 두께에 관해서는, 도 2 를 참조하면, 재료층 (9) 이 예를 들면 금속 포일로 되어 있고 0.04 ㎜미만의 두께 (10) 를 갖는다. 더욱이, 섬유층 (7) 이 바람직하게 0.01 ㎜ ∼ 1 ㎜ 의 섬유층 두께 (8) 를 갖는 것을 볼 수 있다.
도 2 는 유동 안내면 (41) 을 구비한 금속층 (7) 을 보여준다. 이 유동 안내면은 특히 미세구조로서 설계되어 있다. 도시된 실시형태에서, 이 미세구조 또는 유동 안내면 (41) 은 2가지 기능을 한다. 먼저, 유동하는 배기가스가 전환되거나 소용돌이쳐서, 부분적인 가스 흐름이 인접한 다공성 벽, 특히 본 발명에 따른 필터층 쪽으로 전환되거나 그 층을 통과한다. 또한, 이 유형의 미세구조로 안쪽 섬유층 (7) 에 대해서는 클램핑 작용을 이룰 수 있음을 알 수 있다. 이로써 섬유층 (1) 의 안정성이 향상된다. 더욱이, 추가적으로 유도되는 클램핑력이 섬유층 (7) 내의 가능한 분리 현상을 이미 충분히 방지하였기 때문에, 금속층 (9) 의 다공성이 증가될 수 있다. 샌드위치 구조 (11) 인 도 2 의 필터층 (1) 은 2개의 층 두께 ( 4, 4' ) 를 가지고 있는데, 경계 영역 (3) 에서의 층두께 (4) 는 필터 영역 (2) 에서의 두께 (4') 보다 상당히 얇다. 이 도면은 섬유층 (7) 이 경계 영역 (3) 으로 연장되지 않았으므로 특별한 실시형태를 나타낸 것이다.
도 3 은 내연기관 (13) 용 배기 시스템 (36) 의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 이 유형의 내연기관 (13) 은 바람직하게 디젤 기관으로 되어 있다. 배기가스의 유동방향 (35) 으로 배기 시스템 (36) 은 다음의 부품을 포함한다.
- 상류측 산화 촉매 컨버터 (31),
- 본 발명에 따른 필터 본체 (12),
- 터보차저 (32), 및
- 다른 촉매 컨버터 (34).
각 부품은 개별 케이싱 내에 배치되거나 또는 단일 케이싱 내에서 부분적으로 서로 결합될 수 있고, 배기 파이프 (33) 를 통해 서로 연결되어 있다. 이미 서두에서 언급한 것처럼, 필터 본체 (12) 가 내연기관에 가능한 한 가까이 배열되는 것이 특히 유리하다. 이 점에서 내연기관 (13) 으로부터 0.7 m 이하의, 특히 30 ㎝ 이하의 거리 (37) 가 특히 적합하다. 이러한 방식으로 개별 부품이 배열된 경우, 무엇보다도 산화 촉매 컨버터 (31) 의 도움으로 충분한 양의 이산화 질소가 이용가능해져서, 하류에 직접 배치된 필터 본체 (12) 에서 축적된 매연 미립자의 ( 연속 ) 생성이 보장된다. 예를 들면 하류측 촉매 컨버터 (34) 는 또한 하이브리드 컨버터일 수 있는데, 이 경우 상이한 열용량을 갖는 부분을 갖는다. 이 경우, 열용량이 유동 방향으로 증가하도록 설계될 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 필터 본체 (12) 의 다른 실시형태의 개략적인 사시도이다. 여기서의 필터 본체 (12) 는 시트금속 포일 (15) 을 포함하는데, 포일 사이에는 각 경우에 본 발명에 따른 하나의 필터층 (1) 이 존재한다. 도시된 실시형태에서, 필터층 (1) 은 2개의 금속층 (9) 과 그들 사이에 배열된 섬유층 (7) 으로 형성되어 있는데, 경계 영역의 접합에 의한 연결은 단면적 도시로 인해 표시되지 않았다. 여기서의 발췌 도시에서, 필터층 (1) 은 필터 영역(2)에서만 표시되어 있어, 결과적으로 이 도면에서는 층두께 (4') 만 볼 수 있다.
시트금속 포일 (15) 이 일정한 재료 두께 (22) 를 갖고 이 경우 구조물이 제공되어 있으며, 필터층 (1) 은 실질적으로 매끄러운 표면을 갖는다. 시트금속 포일(15)의 이 구조물은 배기가스가 유동방향 (35) 으로 유동할 수 있는 통로 (14) 의 형성을 돕는다. 이 경우의 시트금속 포일 (15) 은 상이한 구조 높이(20)를 갖고, 그 결과 형성된 통로 (14) 가 배기가스의 유입 유동의 특성에 맞는다. 여기에 도시된 실시형태는 실질적으로 개방형 필터 본체의 세부를 보여준다. 이 특성은 20% 이상의 유동자유도가 존재한다는 사실로 설명된다. 이와 관련하여, 유동 자유도라는 말은, 어떠한 소망하는 단면에서 적어도 20% 의 면적을 통하여 볼 수 있는, 즉 적어도 20% 의 면적에는 전환면 (39) 등과 같은 내부 부착물 이 없다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 이러한 유형의 미립자 필터를 단부측에서 볼 때, 내부 부착물이 모두 거의 동일한 설치 위치에 있고, 즉 내부 부착물이 일렬로 배열되어 있다고 하면, 통로의 적어도 일부를 통하여 볼 수 있다. 이는, 통상적으로 적어도 부분적으로 구조화된 시트금속층으로 형성된 벌집형 본체를 갖는 경우이다. 하지만, 서로 일렬로 배열되지 않은 내부 부착물의 경우에, 유동 자유도는, 이러한 유형의 벌집형 본체의 일부를 통하여 실제로 볼 수 있다는 것을 반드시 의미하지는 않는다. 시트금속 포일 (15) 에는 구멍 (38) 과 전환면 (39) 이 형성되어 있고, 전환면은 배기 가스 스트림을 필터 조립체 (1) 쪽으로 전환시킨다. 이로 인해 압력차가 발생하여, 배기 가스의 유동 일부가 필터층 (1) 을 관류하게 되고, 이리하여 매연 미립자 등이 섬유층 (7) 에 남게 되어 축적되게 된다.
도 5 는 필터 본체 (12) 의 다른 실시형태에서의 세부를 개략적으로 보여주는데, 필터 본체에서 본 발명에 따른 필터층 (1) 이 2 개의 시트금속 포일 (15) 사이에 배열되어 있다. 여기서의 필터층 (1) 도 2개의 층두께 (4, 4') 를 갖는데, 경계 영역 (3) 의 층두께 (4) 는 필터 영역 (2) 에서의 층두께보다 더 얇다. 연결 영역 (16) 에서는, 시트금속 층 (15) 은 직접 또는 보상층 (23) 을 통해 필터층 (1) 에 특히 납땜 연결되어 있고( 땜납 (26) 을 이용하여 ), 이 경우 보상층은 경계 영역 (3) 또는 연결 영역 (16) 에 부가적으로 배열되어 있다. 이 경우, 시트금속 포일 (15), 보상층 (23) 및 필터층 (1) 은 그들의 단부에서 일직선으로 정렬되어 있다. 도시된 필터층 (1) 의 얇은 경계 영역 (3) 은 실질적으로 연결 영역 (16) 의 2배 길이이고, 변형 영역 (17) 을 구비하고 있어서, 경계 영역 (3) 은 적어도 부분적으로는 그 자체로 중첩된다. 가장자리 영역 (3) 의 중첩된 부분 영역은 서로에 대해 지지되고, 함께 납땜된다.
도시된 실시형태에서의 층두께 (4) 가 필터 영역의 층두께 (4') 의 약 1/3 에 상당하기 때문에, 경계 영역 (3) 을 구부리거나 또는 접어 필터층 (1) 을 적어도 한 측에서 인접한 시트금속 층 (15) 에 직접 연결할 수 있다. 따라서, 이제 경계 영역 (3) 은 층두께 (4') 의 2/3 를 차지하고, 부가적인 보상층 (23) 이 나머지 1/3 을 연결하고, 그래서 필터층 (1) 과 반대편 시트금속 포일 (15) 사이에 간접 연결이 이루어진다. 이 형태의 또다른 실시형태로서, 경계 영역 (3) ( 비변형된 )이 인접한 시트금속 포일 (15) 에 양측에서 보상층 (23) 에 의해 간접적으로 연결될 수 있는데, 이 경우 보상층 (23) 에 변형 영역이 형성되며, 이 변형영역은 경계 영역 (3) 의 끝쪽 단부 주위에서 돌출하고, 단일 보상층 (23) 이 경계 영역 (3) 과 시트금속 포일 (15) 사이의 양쪽 거리를 동시에 채우게 된다.
도 6 은 필터층 (1) 의 상이한 층 두께 (4, 4') ( 도시되지 않음 ) 를 보상하기 위한 시트금속 포일 (15) 의 실시형태의 개략적인 사시도이다. 구조화된 시트금속 층 (15) 은 이미 설명한 방식으로 필터층 (1) 에 인접하여 배열되고, 상이한 층두께를 보상하는데 사용된다. 이를 위해, 구역 (18) 에서 시트금속 포일 (15) 이 잔여 구역 (19) 의 구조 높이보다 큰 구조 높이 (21) 를 갖는데, 시트금속 포일 (15) 의 재료 두께 (22) ( 도시되지 않음 ) 는 다양한 구역 (18, 19) 에서 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 구역 (18) 의 구조 높이 (21) 의 크기는, 구역 (18) 또는 필터층 (1) 의 경계 영역 (3) 에서 금속 포일 (15) 의 접촉이 보장되도록 증가되어야 한다. 예를 들면, 도 5 에 도시된 필터층 (1) 의 실시형태의 경우라면, 구역 (18) 에서의 구조 높이 (21) 가 구조 높이 (21') 보다 실질적으로 층두께 (4) 와 층두께 (4') 사이의 차에 실질적으로 상응하는 크기만큼 큰 것이 유리하다. 이 경우, 부가적인 보상층이 필요없을 수 있어 유리하다.
도 7 은 케이싱 (27) 에 배열된 벌집형 본체 (24) 를 포함하는 필터 본체 (12) 의 실시형태의 개략적인 사시도이다. 벌집형 본체 (24) 는 교대로 배열된 복수의 필터층 (1) 과 구조화된 시트금속 포일 (15) 로 형성되어 있는데, 이들 필터층과 포일은 먼저 적층된 후 실질적으로 실린더형인 벌집형 본체 (24) 구성을 형성하도록 함께 감겨 있다. 또는, 원뿔형, 직사각형 또는 계란형 구성도 가능하고, 각 경우에 단 하나의 시트금속 포일 (15) 과 하나의 필터층 (1) 을 제공하여 특히 나선형으로 함께 감길 수 있다. 구조화된 시트금속 포일 (15) 과 필터층 (1) 은, 배기가스가 관류하고 한 끝면 (25) 에서 반대편 끝면 (25) 까지 이어진 통로 (14) 를 한정한다. 이로써 이 통로 (14) 를 통해 적어도 부분적으로 볼 수 있음이 보장된다. 이로써 서두에서 설명된 것처럼 20 % 이상의 유동자유도가 보장된다.
구조화된 시트금속 포일 (15) 과 필터층 (1) 은 접합으로, 특히 납땜 ( 바람직하게는 고온 진공 납땜 ) 으로 연결 영역 (16) 에서 서로 연결되어 있다. 게다가, 벌집형 본체 (24) 는 하나 이상의 부착 영역 (28) 에서 케이싱 (27) 에 부착되어 있는데, 여기서는 시트금속 포일 (15) 과 필터층 (1) 을 서로 연결하는데 동 일한 접합 처리가 ( 동시에 ) 사용되는 것이 바람직하다. 부착과 연결은 벌집형 본체의 전체 길이 (42) 에 걸쳐 실시되지 않기 때문에, 열부하에서조차 부품의 상이한 열팽창계수로 인한 차동 ( differential ) 팽창이 가능하다. 이로써 필터 본체의 구조적 온전성의 조기 손실로 이어질 수 있는 응력이 벌집형 본체 (24) 에, 또는 벌집형 본체 (24) 와 케이싱 (27) 사이에 발생되지 않는다.
도 8 은 필터 본체 (12) 를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일련의 절차를 보여주는 개략도이다. 본 방법은 다음 단계들을 포함한다.
a) 하나 이상의 내열 필터층 (1) 을 제조하는 단계:
단계 1 에 따라, 중간의 필터층 (7) 에 외부에 대해 섬유층 (7) 을 한정하는 2개의 금속층 (9) 을 할당하여 필터층 (1) 이 제조되어, 일종의 보호 슬리브가 형성된다 ( 샌드위치 구조 참조). 스트립형 또는 시트형 원료 ( 금속 시트, 직물 등 ) 를 목적하는 크기로 잘라 필터층 (1) 이 제조되는 것이 바람직하다.
b) 감소된 층두께 (4) 를 갖는 하나 이상의 필터층 (1) 의 하나 이상의 경계 영역 (3) 을 형성하는 단계:
감소된 층두께 (4) 를 갖는 2개의 양쪽 경계 영역 (3) 은 경계 영역 (3) 에서 필터층 (1) 에 압축력 (29) 을 가하여 ( 단계 1 참조 : 화살표로 표시됨 ) 형성된다. 이로 인해 적어도 섬유층이 상당히 압축되여, 이 경계 영역 (3) 은 실질적으로 땜납에 대해 불투과성이 된다 ( 단계 2 참조 ). 다수의 제조 공정이 그러한 압축 공정에 적합한데, 여기서는 롤러를 이용한 가압을 예로 들 수 있다.
c) 하나 이상의 필터층 (1) 의 상이한 층두께 (4, 4') 를 보상하기 위한 수 단을 제공하는 단계:
위에서 설명한 것처럼, 실질적으로 상이한 2개의 원리, 또는 이 원리들의 조합이 이 목적에 적합하다. 단계 3 에 나타난 구성에서, 하나 이상의 필터층 (1) 의 상이한 층두께 (4, 4') 는 필터층 (1) 사이에 배열된 층에 의해서만 보상된다. 따라서, 시트금속 포일 (15) 이 중간의 또는 개재된 잔여 구역의 높이 (20') 보다 큰 높이 (20) 를 갖는 복수의 끝면 구역을 갖는다. 이 점에 있어, 인접한 층은 전체 길이에서 서로에 대해 지지되며, 접합에 의한 연결이 이루어진 후에도 서로에 대한 층의 상대 운동이 회피된다 ( 그러한 운동의 예는 필터층 (1) 의 경계 영역의 플래핑 또는 진동을 포함한다 ).
d) 배기가스가 관류할 수 있는 통로 (14) 를 갖는 벌집형 본체 (24) 를 형성하기 위해 하나 이상의 필터층 (1) 및 하나 이상의 구조화된 시트금속 포일 (15) 을 적층 및/또는 감는 단계:
시트금속 포일 (15) 및 필터층 (1) 은 단계 3 에 나타난 방식으로 적층된 후 실린더형의 벌집형 본체 (24) 로 성형된다. 경계 영역은 벌집형 본체 (24) 의 끝면 (25) 에 평행한 면에서 적어도 부분적으로 배열되어야 하고, 특히 모든 경계 영역은 적어도 하나의 끝면 (25) 에 인접한다. 시트금속 포일 (15) 의 구조화 결과 배기가스가 관류할 수 있는 통로 (14) 가 형성되고 이로써 20% 이상의 유동자유도가 보장된다. 감는 공정에 관해서는, 촉매 지지체로서 금속성 벌집형 구조물의 제조에 널리 사용되는 공지된 기술을 참조할 수 있다. 그리고 나서, 벌집형 본체 (24) 를 케이싱 (27) 에 넣어 ( 단계 4 참조 ), 벌집형 본체 (24) 및 케이 싱 (27) 에 결합제 및/또는 땜납 (26) 을 제공할 수 있다.
e) 하나 이상의 연결 영역 (16) 에 땜납 (26) 을 공급하여 하나 이상의 필터층 (1) 을 하나 이상의 시트금속 포일 (15) 에 연결시키는 단계:
이 단계의 경우에도, 예를 들면 자동차용 배기 시스템에서 촉매 지지체로서 사용되는 금속성 벌집형 구조물에 땜납을 공급하는 공지된 기술을 참조할 수 있다. 땜납 등의 고상 스트립의 사용 외에도, 여기서는 분말형 땜납을 사용하는 것도 바람직하다. 이 경우, 우선 서로 연결될 층 사이의 접촉 영역에 결합제를 공급하고, 이렇게 전처리된 필터 본체 (12) 를 분말형 땜납 (26) 에 접촉시키면 땜납이 결합제에 부착된다 ( 단계 5 참조 ).
f) 하나 이상의 연결 영역 (16) 에서 납땜 접합을 형성하기 위해 벌집형 본체 (24) 를 가열하는 단계:
층 사이에 내부식 및 내열성 연결부 ( 연결 영역 (16) ) 를 형성하고 이를 케이싱 (17) 에 부착 ( 부착 영역 (28) ) 하기 위해, 고온 진공 처리를 이용하는 것이 특히 유용함이 밝혀졌다. 이 경우, 필터 본체 (12) 는 노 (40) 에서 진공으로 1200℃ 까지 가열된 후 다시 냉각된다. 일반적으로 가열 및 냉각 처리는 온도천이 및 유지 시간을 이용하여 설명될 수 있는 지정가능한 패턴으로 실시된다.
이 방식으로 제조된 필터 본체 (12) 는 예를 들면 자동차공학에 현재 이용되는 디젤 기관의 배기 시스템에서의 상당히 큰 열적 및 동적 요구를 만족시킨다. 이것은 기관에 가까이 배열된 필터 본체에 특히 적합하고, 이 경우 필터 본체는 연속하여 재생가능하다. 이 구성의 개방형 필터 본체로 인해 반응 대상을 매연 미립자로 전환하고 매연 미립자 자체를 필터 본체에 더 오랜 시간 머무르게 하여, 모든 필요한 반응 대상 및 주위 조건의 존재 가능성이 증가된다. 검사를 통해 이를 확인했고, 예를 들면 50% 이상의 여과 효율을 나타내었다. 이는 현재 사용되고 있는 대부분의 승용차가 가장 엄격한 배기 방출 가이드라인 및/또는 법적 제한을 앞으로도 계속 따를 수 있음을 의미한다. 이 점에서, 본 필터 본체는 개장에 특히 적합하다.
참조번호 목록
1 필터층 2 필터 영역
3 경계 영역 4, 4' 층두께
5 가장자리 6 경계폭
7 섬유층 8 섬유층 두께
9 금속층 10 금속층 두께
11 샌드위치 구조 12 필터 본체
13 내연기관 14 통로
15 시트금속 포일 16 연결 영역
17 변형 영역 18 구역
19 잔여 구역 20, 20' 높이
21, 21' 구조 높이 22 재료 두께
23 보상층 24 벌집형 본체
25 끝면 26 땜납
27 케이싱 28 부착 영역
29 압축력 30 땜납 스톱
31 산화 촉매 컨버터 32 터보차저
33 배기 파이프 34 촉매 컨버터
35 유동방향 36 배기 시스템
37 거리 38 구멍
39 전환면 40 노
41 유동 안내면 42 길이

Claims (19)

  1. 하나 이상의 필터 영역 (2) 및 하나 이상의 경계 영역 (3) 을 가지며, 유체에 대해 일부 또는 전부가 투과성인 재료로 만들어진 내열 필터층 (1) 으로서,
    필터층 (1) 이 하나 이상의 경계 영역 (3) 에서 하나 이상의 필터 영역 (2) 과 상이한 층두께 (4) 를 갖는 것을 특징으로 하는 내열 필터층 (1).
  2. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 경계 영역 (3) 에서의 층두께 (4) 가 하나 이상의 필터 영역 (2) 에서의 두께보다 60% 이하로 얇은 것을 특징으로 하는 내열 필터층 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 필터층 (1) 의 가장자리 (5) 에서 시작하는 하나 이상의 경계 영역 (3) 이 30 ㎜ 이하의 경계폭 (6) 을 갖는 것을 특징으로 하는 내열 필터층 (1).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 필터층 (1) 은 3 ㎜ 이하인 섬유층 두께 (8) 를 바람직하게 갖는 하나 이상의 섬유층 (7) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열 필터층 (1).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 필터층 (1) 은 하나 이상의 금속층 (9) 을 포함하고, 이 금속층이 외부에서 필터층 (1) 을 바람직하게 한정하고 또한 0.05 ㎜ 이하의 금속층 두께 (10) 를 갖는 것을 특징으로 하는 내열 필터층 (1).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 필터층 (1) 은 샌드위치 구조 (11) 이고 하나 이상의 섬유층 (7) 및 하나 이상의 금속층 (9) 을 갖는 것을 특징으로 하는 내열 필터층 (1).
  7. 배기가스가 관류할 수 있는 통로 (14) 를 형성하도록 적층되거나, 감기거나, 또는 적층되고 감겨서 일부 또는 전부가 구조화된 층 (1, 15) 을 포함하는, 내연기관 (13) 의 배기가스를 정화하기 위한 필터 본체로서,
    상기 층이 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 내열 필터층 (1) 을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 층이 하나 이상의 구조화된 시트금속 포일 (15) 및 실질적으로 매끄러운 하나 이상의 필터층 (1) 을 포함하고, 상기 층 (1, 15) 이 하나 이상의 연결 영역 (16) 에서 접합, 특히 납땜 또는 용접에 의해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12).
  9. 제 8 항에 있어서, 하나 이상의 연결 영역 (16) 이 필터층 (1) 의 하나 이상 의 경계 영역 (3) 에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12).
  10. 제 7 항에 있어서, 필터층 (1) 의 상이한 층두께 (4, 4') 를 보상하기 위한 수단 (17, 18, 19, 20, 21, 23) 이 구비된 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12).
  11. 제 10 항에 있어서, 필터층 (1) 의 층두께 (4) 가 하나 이상의 경계 영역 (3) 에서 감소되고, 하나 이상의 경계 영역 (3) 은 변형 영역 (17) 을 가지며 또한 일부 또는 전부 그 자체가 중첩되고 바람직하게는 함께 납땜되는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12).
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 필터층(1)의 층두께(4)가 하나 이상의 경계 영역 (3) 에서 감소되고, 층(1, 15), 특히 구조화된 시트금속 포일 (15) 의 구역 (18) ( 하나 이상의 경계 영역 (3) 에 인접하여 배열되어 있음 )이 잔여 구역 (19) 보다 더 큰 높이 (20) 를 갖는 것을 특징으로 하는 필터 본체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 인접한 층은 구조화된 시트금속 포일 (15) 이고, 상기 포일의 구역 (18) 은 잔여 구역 (19) 의 구조 높이 보다 큰 구조 높이 (21) 로 되어 있으며, 시트금속 포일 (15) 의 재료 두께 (22) 가 다양한 영역 (18, 19) 에서 바람직하게 동일한 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12).
  14. 제 10 항에 있어서, 하나 이상의 부가적인 보상층 (23) 이 존재하고, 바람직하게 이 보상층은 감소된 층두께 (4) 를 갖는 필터층 (1) 의 하나 이상의 경계 영역 (3) 에 인접하여 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12).
  15. 하나 이상의 내열 필터층 (1) 을 제조하는 단계,
    감소된 층두께 (4) 를 갖는 하나 이상의 필터층 (1) 의 하나 이상의 경계 영역 (3) 을 형성하는 단계,
    하나 이상의 필터층 (1) 의 상이한 층두께 (4, 4') 를 보상하기 위한 수단을 제공하는 단계,
    배기가스가 관류할 수 있는 통로 (14) 를 갖는 벌집형 본체 (24) 를 형성하기 위해 하나 이상의 필터층 (1) 및 하나 이상의 구조화된 시트금속 포일 (15) 을 적층하거나, 감거나, 또는 적층하고 감는 단계,
    하나 이상의 필터층 (1) 과 하나 이상의 시트금속 포일 (15) 사이의 하나 이상의 연결 영역 (16) 에 땜납 (26) 을 공급하는 단계, 및
    하나 이상의 연결 영역 (16) 에서 납땜 접합을 형성하기 위해 벌집형 본체 (24) 를 가열하는 단계를 포함하는, 제 7 항에 따른 필터 본체 (12) 의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 땜납 (26) 을 공급하기 전에 상기 벌집형 본체 (24) 를 케이싱 (27) 안에 넣고, 땜납 (26) 이 공급되는 동안, 하나 이상의 필터층 (1) 과 하나 이상의 시트금속 포일 (15) 중의 일방 또는 양방을 케이싱 (27) 에 부착시키기 위해, 땜납이 하나 이상의 부착 영역 (28) 에 또한 바람직하게 배열되어, 하나 이상의 부착 영역 (28) 의 가열 동안 땜납 접합이 생성되는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12) 의 제조 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 감소된 층두께 (4) 를 갖는 하나 이상의 경계 영역 (3) 이, 하나 이상의 경계 영역 (3) 에서 필터층 (1) 에 압축력 (29) 이 가해져 형성되는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12) 의 제조 방법.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 보상 수단은 하나 이상의 경계 영역 (3) 의 변형에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12) 의 제조 방법.
  19. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 보상 수단은, 필터층 (1) 과 인접한 시트금속 포일 (15) 사이에 하나 이상의 보상층 (23) 을 배치함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 필터 본체 (12) 의 제조 방법.
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