KR101025849B1 - 허니컴 구조체 - Google Patents

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Abstract

복수의 제1 허니컴 세그먼트를 접착재로 복수 접합한 세그먼트 영역과, 일축 방향 단면에 있어서, 세그먼트 영역의 외측 주위에 배치되고, 상기 세그먼트 영역과 일체가 되도록 접착재로 접합된 복수의 제2 허니컴 세그먼트를 갖는 허니컴 구조체이다. 제1 허니컴 세그먼트의 일축 방향 단면적은 제2 허니컴 세그먼트의 일축 방향 단면적보다 작아지도록 설정되어 있다.

Description

허니컴 구조체{HONEYCOMB STRUCTURE BODY}
본 발명은 디젤 엔진 등으로부터의 배기 가스에 포함되어 있는 미립자를 포착하여 제거하기 위한 DPF(Diesel Particulate Filter) 등에 이용되는 허니컴 구조체에 관한 것이다.
DPF로서 사용되는 허니컴 구조체(100)는 도 1a에 도시하는 바와 같이, 동일 형상과 사이즈를 갖는 복수의 허니컴 세그먼트(200)를 접합재(900)에 의해 접합하여 일체화한 후, 원형 단면 등의 소정 형상으로 가공하고, 또한 외주위를 코트재층(400)에 의해 피복함으로써 형성된 것이다. 이 허니컴 구조체(100)는 디젤 엔진의 배기계 내에 배치됨으로써, 배기 가스를 정화하기 위해 사용된다.
도 1b 및 도 1c에 도시한 바와 같이, 각각의 허니컴 세그먼트(200)는 탄화규소 등으로 구성되는 다공질체로 이루어지며, 또한, 다공질 격벽(600)에 의해 구획된 다수의 유통 구멍(500)을 갖고 있다. 유통 구멍(500)은 허니컴 세그먼트(200)를 일축 방향으로 관통하고 있으며, 각 유통 구멍(500)의 한쪽 단부에서는 하나 건너 충전재(7)에 의해 밀봉되어 있다. 또한, 다른 쪽 단부에서는 한쪽 단부에서 밀봉되어 있지 않은 유통 구멍(500)의 단부가 밀봉되어 있다. 즉, 하나의 유통 구멍(500)에 있어서는 좌단부가 개구되어 있는 한편, 우단부가 충전재(7)에 의해 밀봉 되어 있으며, 이것과 인접하는 다른 유통 구멍(5)에 있어서는 좌단부가 충전재(7)에 의해 밀봉되지만, 우단부가 개구되어 있다. 이러한 구조에서는 도 1c의 화살표로 나타내는 바와 같이, 좌단부가 개구되어 있는 유통 구멍(500) 안으로 유입된 배기 가스는 다공질 격벽(600)을 통과하여 다른 유통 구멍(500)으로부터 유출된다. 그리고, 격벽(600)을 통과할 때에 배기 가스 중의 미립자가 격벽(600)에 포착되기 때문에, 배기 가스를 정화할 수 있다.
허니컴 세그먼트(200)를 접합하는 접착재(900)로서는 허니컴 세그먼트(200)의 구성 성분과 공통인 세라믹 분말에 세라믹 파이버 등의 무기섬유, 유기·무기 바인더 및 물 등의 분산매를 첨가한 재료 등이 사용된다. 일반적으로, 허니컴 구조체(100)를 재생할 때의 허니컴 세그먼트(2)의 온도 상승을 억제하기 위해 접착재(900)로서는 허니컴 세그먼트(2)보다 열용량이 큰 것이 사용된다.
허니컴 구조체(100)는 사용을 계속함으로써 그을음이 격벽(600)에 퇴적되어 압력 손실이 경시적으로 커진다. 이러한 압력 손실의 증대가 발생하면 엔진의 성능이 저하한다. 이 때문에, 퇴적된 그을음을 연소 제거하여 허니컴 구조체(100)의 재생을 행한다.
재생은 자동차 주행 중에 허니컴 구조체(1)를 550∼600℃ 정도로 가열함으로써 행해진다. 이 가열에 의해 그을음이 연소하여 자기 발열하고, 허니컴 구조체(100) 전체의 온도가 상승한다. 이 온도 상승에 의해 허니컴 구조체(100)의 중앙부, 특히 유통 구멍의 관통 방향(축 방향)으로 수직인 단면의 중앙 부근에 있는 허니컴 세그먼트에 있어서, 과대한 온도 구배가 생겨 열응력에 의한 크랙이 발생하기 쉬운 상태가 생긴다.
그래서, 전술한 종래 기술에서는 허니컴 세그먼트(200)를 접합하는 접착재(900)로서 열용량이 큰 것을 사용함으로써, 재생시에 있어서의 허니컴 세그먼트(200)의 온도 상승을 억제하여 크랙의 발생을 억제하고 있었다. 또한, 특히 크랙이 발생하기 쉬운 허니컴 구조체(100)의 중심부에 열용량이 큰 접착재(900)의 층을 배치하여, 이 중심부에서의 온도 구배를 억제한 구조가 검토되고 있다.
허니컴 구조체에 크랙이 생기지 않게 재생할 수 있는 그을음의 양을 그 허니컴 구조체에 있어서의 「그을음 재생 한계량」이라고 부르지만, 이 「그을음 재생 한계량」이 높은 만큼 필요한 재생 빈도를 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.
접착재(900)를 허니컴 구조체의 중심에 배치한 허니컴 구조체, 즉 인접하는 허니컴 세그먼트(200) 사이에 존재하는 접착재(900) 층이 허니컴 구조체(100)의 중심에서 교차되도록 허니컴 세그먼트(200)를 배치시킨 허니컴 구조체는 중심에 허니컴 세그먼트의 유통 구멍이 형성되도록 각 허니컴 세그먼트(200)를 배치시킨 허니컴 구조체, 즉 접착재(900) 층이 중심으로부터 떨어진 상태의 허니컴 구조체에 비하여, 크랙의 발생을 억제하는 효과가 높고, 「그을음 재생 한계량」을 증가시킬 수 있다. 따라서, 허니컴 구조체(100)의 중심부에 접착재(900) 층을 배치함으로써, 보다 많은 그을음을 퇴적한 상태에서의 재생이 가능해진다.
그러나, 최근의 차재용 허니컴 구조체에서는 조립되는 위치에서의 차량 내의 구조상의 제한때문에, 축방향으로 수직인 단면 형상이 원형(도 1a에 도시하는 허니컴 구조체) 및 정방형과 같은 좌우 대칭인 것에 한정되지 않으며, 중심 위치를 정 하기 어려운 이형 단면을 갖는 것이 증가하고 있다. 이러한 이형 단면 형상의 허니컴 구조체에서는 중심 위치의 특정이 곤란하며, 중심에 접착재(900) 층을 배치하도록 허니컴 세그먼트의 위치를 조정하는 것이 쉽지 않다.
또한, 접착재층의 두께를 두껍게 함으로써, 허니컴 구조체 내의 접착재(900)의 양을 증가시키면, 열용량이 증가하여, 재생시의 온도 상승 및 중앙부에서의 온도 구배를 억제할 수 있다. 그러나, 접착재(900)의 양을 늘리면 접착재(900) 층의 단면적이 증가하고 상대적으로 허니컴 세그먼트의 총 단면적이 적어지기 때문에, 유통 구멍 전체의 총 체적이 감소하여 그을음의 제거 능력이 저하된다. 따라서, 단순히, 접착재(900)의 양을 늘려도, 「그을음 재생 한계량」을 유효하게 증가시키는 것은 어렵다.
본 발명은 축 방향 단면에 있어서의 접착재층의 위치를 고려하지 않고, 그을음 재생 한계량을 증가시킬 수 있는 허니컴 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 양태에 따른 허니컴 구조체는 (i) 격벽에 의해 구획되어 일축 방향으로 관통하는 복수의 유통 구멍을 갖는 복수의 제1 허니컴 세그먼트를 접착재로 복수 접합한 세그먼트 영역과, (ii) 일축 방향 단면에 있어서, 상기 세그먼트 영역의 외측 주위에 배치되고, 세그먼트 영역과 일체가 되도록 접착재에 의해 접합되며, 격벽에 의해 구획되어 일축 방향으로 관통하는 복수의 유통 구멍을 갖는 복수의 제2 허니컴 세그먼트를 갖고, 제1 허니컴 세그먼트는 일축 방향에 있어서의 단면적이 제2 허니컴 세그먼트의 일축 방향에 있어서의 단면적보다 작은 것이다.
도 1a는 종래의 허니컴 구조체의 기본 구조를 도시한 사시도이며, 도 1b 및 도 1c는 각각 허니컴 세그먼트의 기본 구조를 도시한 사시도 및 단면도.
도 2a는 본 발명의 실시형태에 따른 허니컴 구조체의 단면도이며, 도 2b는 종래형의 구조를 갖는 허니컴 구조체의 단면도.
도 3a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 이형 단면 형상을 갖는 허니컴 구조체의 단면도이며, 도 3b는 이 허니컴 구조체의 재생시의 온도 분포를 도시한 그래프.
도 4a는 종래형 구조의 이형 단면 형상을 갖는 허니컴 구조체의 단면도이며, 도 4b는 이 허니컴 구조체의 재생시의 온도 분포를 도시한 그래프.
도 5a∼도 5c는 3종의 허니컴 구조체의 단면 구조를 각각 도시한다. 이 중 도 5a 및 도 5b는 본 실시형태에 관한 허니컴 구조체에 해당한다.
도 6은 도 5a∼도 5c에 도시하는 허니컴 구조체에 관한 것이며, 접착재층 단면적과 압력 손실과의 관계를 도시한 그래프.
도 7a는 실시예 1의 허니컴 구조체의 단면도이며, 도 7b는 비교예의 허니컴 구조체의 단면도.
도 8a 및 8b는 실시예 1 및 비교예의 허니컴 구조체의 재생시에 있어서의 온도 분포를 각각 도시한 그래프.
도 9는 실시예 2의 허니컴 구조체의 단면도.
도 10은 실시예 1, 2 및 비교예의 허니컴 구조체에 관한 것이며, 접착재층 단면적과 압력 손실과의 관계를 도시한 그래프.
본 발명의 실시형태에 따른 허니컴 구조체는 도 1b에 도시한다. 종래의 허니컴 구조체와 마찬가지로 복수의 허니컴 세그먼트를 접착재를 매개로 하여 접합한 구조를 갖는다. 또한, 각 허니컴 세그먼트는 도 1b 및 도 1c에 도시하는 바와 같이, 다공질 격벽에 의해 구획된 축 방향으로 관통하는 다수의 유통 구멍을 가지며, 인접하고 있는 유통 구멍에 있어서의 일단부는 충전재에 의해 교대로 밀봉되어 있다.
도 2a에 본 실시형태에 따른 허니컴 구조체(11)의 축 방향으로 수직인 단면도(이하, 「단면」이라고 하는 경우는 축 방향으로 수직인 단면을 말하는 것으로 함)를 도시한다. 참고를 위해 도 2b에 종래 구조를 갖는 허니컴 구조체(110)의 단면도를 도시한다.
도 2a에 도시하는 본 실시형태에 따른 허니컴 구조체(11)는 복수의 허니컴 세그먼트를 접착재(9)로 접합시킨 것이지만, 도 2b에 도시하는 종래형의 허니컴 구조체(110)가 동일 형상, 동일 사이즈인 복수의 허니컴 세그먼트(210)로 구성되는 것과 달리, 다른 사이즈인 2 종류의 허니컴 세그먼트(20, 22)로 구성되어 있다. 중앙측의 세그먼트 영역(21) 내에 위치하는 허니컴 세그먼트(22)(제1 허니컴 세그먼트)는 세그먼트 영역(21)보다 외주측에 위치하는 허니컴 세그먼트(20)(제2 허니컴 세그먼트)보다도 작은 단면적을 가지고 있다.
종래형의 허니컴 구조체(110)는, 예컨대 한 변이 30 내지 40 mm, 대표적으로는 35 mm인 정방형 단면을 갖는 같은 사이즈인 복수의 허니컴 세그먼트(210)를 접착재(910)로 접합하고, 일체화한 후 허니컴 구조체(110)의 단면이 원형이 되도록 가공하여 외주위를 코트재층(410)으로 피복한 것이다.
이것에 대하여, 본 발명의 실시형태에 따른 허니컴 구조체(11)는 도 2a에 도시하는 바와 같이, 중앙부의 세그먼트 영역(21)이 적어도 종래 구조에 있어서 사용되는 허니컴 세그먼트(210)보다 단면적이 작은 허니컴 세그먼트(22)에 의해 형성되어 있다. 예컨대, 허니컴 세그먼트(22)는 외주측에 있는 허니컴 세그먼트(20)와 거의 동일한 면적을 갖는 중앙의 세그먼트 영역(21)의 정방형 단면을 4 등분한 작은 정방형 단면을 갖고, 접착재(9)에 의해 접합되어 있다. 또한, 인접하는 각 허니컴 세그먼트는 접착재(9)로 접합되어 있지만, 접착재(9)의 층 두께는 대략 일정 두께로 유지되어 있다.
허니컴 구조체(11)는 단면 외형이 원형이 되도록 가공되며, 그 외면이 코트재층(4)에 의해 피복되어 있다.
본 실시형태에 따른 허니컴 구조체(11)에서는 이와 같이 단면 방향의 중앙측에 위치하는 세그먼트 영역(21)을 단면적이 작은 복수의 허니컴 세그먼트(22)에 의해 형성하기 때문에, 중앙부의 세그먼트 영역(21)에서는 각 허니컴 세그먼트(22)를 접합하기 위해 필요한 접착재층의 단면적이 상대적으로 증가하여, 접착재(9)의 양이 많아지고 있다. 일반적으로 접착재(9)의 비열과 밀도는 높기 때문에, 중앙측 열 용량이 커지는 동시에, 허니컴 세그먼트(22)의 단면적이 작기 때문에, 재생시에 있어서의 온도 구배가 작아지며, 허니컴 구조체(20)의 재생시에 있어서의 중앙측 세그먼트 영역(21)에서의 열응력을 작게 할 수 있고, 고온도에서의 재생이 가능해진다. 이 때문에, 그을음의 퇴적량이 많은 상태에서의 재생이 가능해져, 그을음 재생 한계량을 크게 할 수 있고 재생 빈도를 적게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 허니컴 구조체(11)에서는 세그먼트 영역(21)의 외주 영역에 배치되는 허니컴 세그먼트(20)는 종래의 허니컴 구조체(110)를 구성하는 허니컴 세그먼트(210)보다 단위 단면적이 크기 때문에, 접합재(9) 층의 단면적이 외주 영역에서는 상대적으로 작아지고 있다. 이 때문에, 허니컴 구조체 전체로서는 접착재 층의 면적의 증대가 억제되고, 유통 구멍(5)의 총 체적이 필요 이상으로 감소하지 않는다. 이것에 의해, 배기 가스의 압력 손실을 조금 억제할 수 있어 배기 가스의 정화를 확실하게 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에서 사용하는 허니컴 세그먼트의 주성분은 특별히 한정되지 않으며, 종래와 동일한 재료를 사용할 수 있다. 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 탄화규소, 탄화규소-코디어라이트계 복합재, 규소-탄화규소계 복합재, 질화규소, 리튬알루미늄실리케이트, 티타늄산알루미늄, Fe-Cr-Al계 금속 등을 사용할 수 있지만, 특히, 강도, 내열성의 관점으로부터 Si 결합 SiC를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 허니컴 구조체의 단면 형상은 한정되지 않는다. 도 2a에 도시한 원형으로 한정되지 않고, 타원 형상, 레이스 트랙 형상, 정다각형 형상 및 그것 이외의 이형 형상 등 여러 가지의 형태를 채용할 수 있다.
접착재의 재료는 특별히 한정되지 않지만, 무기 입자, 무기 바인더의 수용액 및 산화물 섬유에 물을 첨가하여 제작된다. 또한 필요에 따라 점토나 유기 바인더 등을 첨가하여도 좋다. 무기 입자는 골재로서, 무기 바인더는 접착재로서 기능한다. 무기 입자로서는, 예컨대 탄화규소, 질화규소, 코디어라이트, 알루미나, 멀라이트, 지르코니아, 인산지르코늄, 알루미늄 티타네이트, 티타니아 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 세라믹스, 또는 Fe-Cr-Al계 금속, 니켈계 금속 혹은 금속규소(Si)-탄화규소(SiC) 복합재 등을 적합하게 이용할 수 있다. 내열성, 양호한 열전도성 및 허니컴 세그먼트재와 같은 정도의 열 팽창률을 갖는 것이 바람직하며, 탄화규소를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 무기 바인더로서는 실리카졸 또는 알루미나졸 등의 수용액인 산화물 콜로이드졸을 사용할 수 있다. 산화물 섬유로서는 알루미노 실리케이트, 멀라이트, 실리카, 알루미나 등의 세라믹 파이버 등을 적합하게 이용할 수 있다.
또한, 허니컴 구조체의 재생시에 발생하는 허니컴 구조체 내의 장소에 의한 열 구배를 낮추기 위해서는, 높은 비열과, 양호한 열전도성을 갖는 것이 바람직하다. 예컨대, 접착재의 열 전도율은 0.1∼5 W/m·K가 바람직하다. 비열은 570∼770 J/kg·K 인 것이 보다 바람직하다.
또한, 각 허니컴 세그먼트를 접합하는 접착재층 두께는 0.5 mm∼3 mm가 바람직하고, 0.5 mm∼1.5 mm으로 하는 것이 보다 바람직하다. 0.5 mm 이하에서는 접착재층에 의한 온도 구배 억제 효과가 적고, 3 mm 이상에서는 접착재층이 두꺼운 결 과, 상대적으로 유통 구멍의 면적이 감소하여 배기 가스의 압력 손실이 증가하기 때문이다.
다음에, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 허니컴 구조체(12)에 대해서 설명한다. 도 3a에 도시하는 바와 같이, 허니컴 구조체(12)는 이형 단면 형상을 갖는 것이지만, 도 2a에 도시한 허니컴 구조체(11)와 마찬가지로, 중앙측 세그먼트 영역(21)을 단면적이 작은 복수의 허니컴 세그먼트(22)에 의해 형성하고, 세그먼트 영역(21) 외주위에 허니컴 세그먼트(22)보다 큰 단면적을 갖는 허니컴 세그먼트(20)를 배치하고 있다.
또한, 이러한 이형 단면 형상의 허니컴 구조체(12)는 예컨대, 허니컴 구조체를 차량에 탑재할 때, 주위에 배치되어 있는 다른 기기와의 접촉을 피하기 위해 사용된다. 본 실시형태에 따른 허니컴 구조는 도 3a에 도시하는 단면 형상 외에 탑재되는 장소의 주위 환경에 의해 여러 가지의 형상을 취하여 얻는다.
허니컴 구조체(12)에 있어서, 중앙측 세그먼트 영역(21)을 단면적이 작은 복수의 허니컴 세그먼트(22)에 의해 형성함으로써, 허니컴 구조체 재생시의 온도 구배로의 작용에 대해서 설명한다.
또한, 여기서 허니컴 세그먼트(20)는 한 변이 35 mm인 정방형 단면을 갖는다. 중앙측 세그먼트 영역(21)에는 허니컴 세그먼트(20)와 대략 동일 사이즈인 정방형 단면을 대략 사등분하는 단면 형상을 갖는 허니컴 세그먼트(22)를 갖고 있으며, 중앙측 세그먼트 영역(21)에는 이 허니컴 세그먼트(22)를 접착재(9)에 의해 16개 접합한 것이 배치되어 있다.
도 3b는 허니컴 구조체(12)의 재생시에 얻어지는 온도 분포를 도시하는 그래프이다. 도 3b 중의 횡축(측정 위치)은 도 3a 중에 도시한 실선 화살표상의 위치에 대응한다. 도 3b 중의 Z1∼Z5는 도 3a 내에 도시하는 접착재(9) 층의 교차점 Z1∼Z5에 대응한다. 실선과 일점 쇄선과의 교점 Z3을 기준점으로 하고 있다.
또한, 참고를 위해 도 4a에 도시하는 바와 같이, 동일한 이형 단면 형상을 갖는 종래 구조의 허니컴 구조체(120)를 이용한 경우에, 재생시에 얻어지는 온도 분포를 도 4b에 도시한다.
종래 구조의 허니컴 구조체(120)는 한 변이 35 mm인 정방형 단면을 갖는 동일 형상인 복수의 허니컴 세그먼트(220)를 접착재(920)로 접착하여 일체화시킨 것이다. 도 4b 중 Z1∼Z3은 도 4a 중에 도시하는 접착재(920) 층의 교차점 Z1∼Z3에 대응한다.
도 3b, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 허니컴 구조체(12 및 120)에 대하여 그을음을 연소시켜 그 재생을 행하면, 그을음의 연소에 의한 자기 발열에 의해 온도가 상승한다. 이 경우, 접착재(9, 920)가 존재하고 있는 부분에서는 접착재(9, 920)의 열용량에 의해 온도가 어느 정도 저하한다. 그 중 어느 한쪽의 허니컴 구조체(12 및 120)에 있어서도 중앙 부분이 고온이 된다. 허니컴 세그먼트(220)만으로 이루어지는 종래 구조의 허니컴 구조체(120)에서는 중앙 부분과 외주위부 사이에 생기는 온도 구배가 급경사로 이루어져 있다. 이것에 대하여, 중앙측 세그먼트 영역(21)이 단면적이 작은 허니컴 세그먼트(22)로 형성되어 있는 실시형태에 따른 허니컴 구조체(12)에서는 온도 구배가 완만해지고 있는 것이 분명하다.
이것은 허니컴 세그먼트(22)를 접합하는 접착재(9)가 중앙부에 많이 존재함으로써, 중앙부의 열용량이 커지고 있는 동시에, 허니컴 세그먼트(22)의 단면적이 작기 때문이다. 이와 같이 온도 구배가 완만해짐으로써, 재생시에 있어서 중앙부의 세그먼트 영역(21)에서의 열응력이 작아지기 때문에, 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 그 결과, 그을음을 재생시키는 온도 영역이 보다 고온까지 허용될 수 있기 때문에, 그 만큼, 재생시 그을음의 퇴적량을 많이 설정할 수 있다. 따라서, 그을음 재생 한계량을 증가할 수 있어, 재생 빈도를 적게 할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 허니컴 구조체에서는 세그먼트 영역(21)을 중앙측에 배치하지만, 단면에 있어서의 중심 위치를 정확히 특정할 필요는 없다. 이 때문에, 중심 위치의 특정이 곤란한 이형 단면 형상을 갖는 허니컴 구조체에서도 용이하게 본 실시형태에 따른 구조를 응용할 수 있다.
다음에, 본 실시형태에 따른 허니컴 구조체에 있어서의 중앙부 세그먼트 영역(21) 및 그 외주위에 각각 배치되는 허니컴 세그먼트의 단면 형상과 압력 손실과의 관계에 대해서 설명한다.
도 5a∼도 5c는 동일한 이형 단면 형상을 갖는 허니컴 구조체에 있어서의 허니컴 세그먼트의 배치예를 도시한다. 또, 도 5a 및 도 5b에 도시하는 허니컴 구조체(12 및 13)는 본원의 실시형태에 따른 허니컴 구조체이며, 도 5c는 종래 구조를 갖는 허니컴 구조체(120)이다.
도 5a는 도 3a에 도시하는 허니컴 구조체(12)와 같은 것이며, 외주측에 종래의 허니컴 세그먼트(210)와 같이 한 변이 35 mm인 정방형 단면을 갖는 허니컴 세그 먼트(20)를 배치하고, 중앙측 세그먼트 영역(21)에 한 변이 35 mm인 정방형을 4 등분한 형상의 허니컴 세그먼트(22)를 16개 배치한 허니컴 구조체(12)를 도시한다. 도 5b는 중앙측 세그먼트 영역(21)을 도 5a와 동일하게 하고, 외주측에 상기 단위 형상의 4배 치수인 정방형 단면을 갖는 허니컴 세그먼트(25)를 배치한 허니컴 구조체(13)를 도시한다. 도 5c는 도 4a에 도시한 허니컴 구조체(120)와 동일한 것이며, 한 변이 35 mm인 정방형 단면을 갖는 동일 형상의 복수의 허니컴 세그먼트(220)를 전체에 배치시킨 종래 구조의 허니컴 구조체(120)를 도시한다.
도 6은 도 5a∼도 5c에 도시하는 동일한 이형 단면 형상을 갖는 허니컴 구조체에서의 접착재층 단면적과 압력 손실과의 관계를 도시하는 그래프이다. 접착재층 단면적의 증대는 각 허니컴 세그먼트의 개구부 면적, 즉 배기 가스 유통 구멍의 총 단면적의 감소에 대응한다. 따라서, 도 6의 그래프 중에 도시하는 바와 같이 접착재층 단면적의 증대는 허니컴 구조체의 전체를 통과하는 배기 가스의 압력 손실의 증대를 초래한다.
도 5a∼도 5b에 도시하는 허니컴 구조체 단면 구조의 다른 점은 전단면적에 있어서의 접착재(9, 920) 층의 단면적에 차이가 있다. 도 6의 그래프 중, D 점은 종래의 허니컴 구조체(120), E 점은 허니컴 구조체(12), F 점은 허니컴 구조체(13)의 접착재 단면적에 대응하고 있다. 도 5c의 종래 구조의 허니컴 구조체(120)에 비교하여, 도 5a에 도시하는 허니컴 구조체(12)에서는 접착재층의 단면적이 증가하기 때문에 압력 손실도 증가하게 되지만, 도 5b의 허니컴 구조체(13)에서는 종래 구조의 허니컴 구조체(120)의 압력 손실에 대하여 압력 손실의 증가는 겨우 2% 정도에 그친다.
이것은, 단면적이 작은 허니컴 세그먼트(22)로 이루어지는 중앙측 세그먼트 영역(21)의 외주위를 종래의 허니컴 구조체(120)를 구성하는 허니컴 세그먼트(210)의 단면적보다도 큰 단면적을 갖는 허니컴 세그먼트(25)로 구성함으로써, 세그먼트 영역(21) 외주위에서의 접착재(9)층의 단면적이 감소하며, 이 부분에서의 배기 가스의 통과량이 증대하기 때문에, 허니컴 구조체의 전체를 통과하는 배기 가스의 압력손실의 보충이 가능해지기 때문이다. 이것에 의해, 배기 가스를 허니컴 구조체 내에 양호하게 도입할 수 있으며, 그 정화를 행할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 허니컴 구조체에서는 중앙측 세그먼트 영역(21)을 단면적이 작은 복수의 허니컴 세그먼트에 의해 형성하는 동시에, 그 외주측에 위치하는 허니컴 세그먼트는 허니컴 구조체의 전체를 통과하는 배기 가스의 압력 손실을 보충할 수 있는 단면 치수로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 허니컴 구조체 전체의 압력 손실을 보충하는 단면 형상으로서는 도시하는 형태에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 변형이 가능하다.
전술하는 바와 같이, 압력 손실의 보충은 중앙측 세그먼트 영역(21)내에 단면적이 작은 허니컴 세그먼트를 배치함으로써, 종래 구조의 허니컴 구조체보다 증대되는 압력 손실을 세그먼트 영역(21) 외주위의 허니컴 세그먼트의 단면적을 넓힘으로써, 전체의 압력 손실의 저감을 억제하는 것을 말한다. 구체적으로는, 압력 손실의 보충은 종래 구조의 허니컴 구조체, 즉 한 변이 30∼40 mm, 대표적으로는 35 mm인 정방형 단면을 갖는 허니컴 세그먼트만을 접합하여 허니컴 구조체 전체를 형 성한 경우에 발생하는 압력 손실을 100%로 하는 경우에, 허니컴 구조체 전체의 압력 손실의 증대를 적어도 약20% 이하, 더욱 바람직하게는 5% 이하로 하도록 각 허니컴 세그먼트의 단면적을 조정하는 것이 바람직하다.
중앙측 세그먼트 영역(21)의 단면적은 허니컴 구조체 전체의 크기 및 단면 형상에 의존하지만, 허니컴 구조체 전체 단면적의 약 1/3∼2/3가 바람직하며, 또한 1/3∼1/2로 하는 것이 보다 바람직하다. 1/3 이하에서는 허니컴 구조체를 재생할 때에 발생하는 열 구배를 억제하는 효과가 적고, 2/3 이상이 되면 압력 손실의 보충 조정이 어려워지기 때문이다.
또한, 세그먼트 영역(21) 내에 형성되는 허니컴 세그먼트(22)의 단면적은 적어도 한 변이 30∼40 mm, 대표적으로는 35 mm인 정방형 단면을 갖는 종래의 허니컴 세그먼트(210)보다 단면적을 작게 하는 것이 바람직하지만, 세그먼트 영역(21) 외주위에 형성되는 허니컴 세그먼트의 단면 형상은 전술하는 압력 손실을 보충할 수 있도록 조정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 세그먼트 영역(21) 외주위에 형성되는 허니컴 세그먼트의 단면적은 종래 구조의 허니컴 세그먼트(210), 즉 한 변이 30 mm∼40 mm, 대표적으로는 35 mm인 정방형 면적 이상인 것이 바람직하다. 또한, 세그먼트 영역(21) 외주위에 형성되는 허니컴 세그먼트의 단면적은 세그먼트 영역(21) 내에 형성되는 허니컴 세그먼트 단면적의 4배 이상, 바람직하게는 10배, 보다 바람직하게는 16배 이상의 면적으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 허니컴 세그먼트의 접합, 일체화 공정이 행해지기 쉽도록 각 허니컴 세그먼트의 단면 형상은 직사각형, 바람직하게는 정방형으로 하고, 허니컴 세그먼 트(25) 단면의 한 변의 길이가 허니컴 세그먼트(22) 단면의 한 변의 길이와 접착재층 두께의 합의 대략 정수배가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
[실시예]
<실시예 1, 비교예>
도 7a에 실시예 1의 허니컴 구조체(14)의 단면을 도시하고, 도 7b에 비교예의 허니컴 구조체(130)의 단면을 도시한다.
실시예 1의 허니컴 구조체(14)에서는 중앙측 세그먼트 영역(21)에 한 변이 17 mm인 정방형 단면을 갖는 허니컴 세그먼트(22)를 16개 배치하고, 세그먼트 영역(21)의 외주위에 한 변이 35 mm인 정방형 단면을 갖는 허니컴 세그먼트(20)를 14개 배치하였다. 허니컴 세그먼트(20 및 22)는 각각 길이가 254 mm이며, 세라믹스 시멘트로 이루어지는 접착재(9)로 접합하여 일체화하였다. 또한, 허니컴 구조체(14)는 도 7a에 도시하는 바와 같이 외주위가 가공되어 이형 단면 형상을 갖는 것이다.
비교예의 허니컴 구조체(130)는 한 변이 35 mm인 정방형 단면 형상을 갖고, 길이가 254 mm인 허니컴 세그먼트(230)를 세라믹스 시멘트로 이루어지는 접착재(930)에 의해 18개 접합하여 외주위를 실시예 1과 동일한 이형 단면 형상으로 가공하였다.
표 1에 실시예 1 및 비교예에서 사용한 허니컴 세그먼트 및 접착재의 특성을 나타낸다. 또한, 허니컴 구조체는 이하의 조건으로 제작하였다.
허니컴 세그먼트 재료 조성 SiC : 80%, Si : 20%
기공율 52%
평균 세공 지름 20㎛
열 전도율 20W/m·K
비열 670J/kg·K
밀도 1450kg/m3
셀 구조 12 mil/300cpsi
세라믹스 시멘트 열 전도율 1W/m·K
비열 650J/kg·K
밀도 1700kg/m3
<허니컴 세그먼트의 제작 조건>
허니컴 세그먼트 원료로서, SiC 분말 및 금속 Si 분말을 80:20의 질량 비율로 혼합하고, 이것에 조공재로서 전분, 발포 수지를 첨가하고, 또한 메틸셀룰로오스 및 히드록시프로폭실메틸셀룰로오스, 계면활성제 및 물을 첨가하여 가소성의 배토를 제작하였다. 이 배토를 압출 성형하여 마이크로파 및 열풍으로 건조하여 격벽의 두께가 0.3 mm(12 mil), 셀 밀도가 약 46.5 셀/㎠(300 cpsi)인 허니컴 세그먼트 성형체를 얻었다.
이 허니컴 세그먼트 성형체를 단면이 체크무늬 형상을 나타내도록 유통 구멍(셀)의 양단면을 밀봉하였다. 즉, 인접하는 셀이 서로 반대측의 단부에서 봉해지도록 밀봉을 행하였다. 밀봉재로서는 허니컴 세그먼트 원료와 같은 재료를 이용하였다. 유통 구멍(셀)의 양단면을 밀봉하여 건조시킨 후, 대기 분위기 중 약 400℃에서 탈지한 후, Ar 불활성 분위기 중에서 약 1450℃로 소성하여 SiC 결정 입자를 Si에 의해 결합시킨, 표 1에 나타내는 특성을 갖는 다공질 구조를 갖는 허니컴 세그먼트를 얻었다.
<접합재의 조제>
SiC 분말, 알루미노실리케이트 섬유(비중 D＝2.73 g/㎤), 실리카겔 40 질량% 수용액 및 점토를 40:30:20:10의 조성비로 혼합한 것에 추가로 물을 첨가하여 믹서에 의해 30분간 반죽을 행하고, 페스트 형상의 접합재를 제작하였다.
<허니컴 세그먼트의 접합>
각 허니컴 세그먼트의 외벽면에 두께가 약 1∼2 mm가 되도록 접합재를 코팅하고, 그 위에 다른 허니컴 세그먼트를 적재하는 공정을 반복하여 소정의 단면 구조를 얻을 수 있는 허니컴 세그먼트 적층체를 형성하고, 외부로부터 압력을 가하여 전체를 일체로 접합시킨 후, 200℃에서 5시간 건조하여 외주를 원통 형상으로 절삭한 후 코팅재를 도포하여 허니컴 구조체를 얻었다.
<재생 시험>
실시예 1의 허니컴 구조체(14) 및 비교예의 허니컴 구조체(130)를 각각 디젤 엔진의 배기관에 접속하고, 경유를 이용하여 디젤 엔진을 구동함으로써, 그을음을 8 g/L 퇴적시킨 후, 재생하는 시험을 실시하였다.
도 8a, 도 8b는 재생시에 허니컴 구조체(14, 130)에서 발생하는 온도 분포를 도시한다. 또한, 측정 위치는 도 7a, 도 7b에서의 실선 화살표상의 위치이다. 도 7a상의 화살표상의 점 Z1∼Z5가 접착재층의 교차점에 닿으며, 도 8a의 Z1∼Z5에 해당된다. 또한, 도 7b상의 화살표상의 점 Z1∼Z3이 접착재층의 교차점에 닿으며, 도 8b의 Z1∼Z3에 해당된다. 표 2는 재생 중에 계측된 최고 온도 및 최고 온도 구배를 나타낸다.
실시예 1
허니컴 구조체
14		 비교예
허니컴 구조체
130
최고 온도(℃) 756 890
최고 온도 구배(℃/cm) 120 180
도 8a, 도 8b 및 표 2에 나타내는 바와 같이, 중앙측에 단면적이 작은 허니컴 세그먼트(22)를 배치한 실시예 1의 허니컴 구조체(14)는 비교예의 허니컴 구조체(130)에 비해서 최고 온도 및 최고 온도 구배 양쪽 모두 낮아졌다. 이것에 의해, 허니컴 구조체(50)에서는 그을음 재생 한계량을 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 2>
도 9에 실시예 2의 허니컴 구조체(15)의 단면을 도시한다. 허니컴 구조체(15)는 실시예 1과 동일한 단면 외형 및 길이를 갖는 것으로, 표 1에 나타내는 특성을 구비한 허니컴 세그먼트 및 접착재를 사용하여 제작하였다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 허니컴 구조체(15)에서는 중앙측 세그먼트 영역(21)에 한 변이 17 mm인 정방형 단면으로 이루어지는 허니컴 세그먼트(22)를 16개 배치하고, 세그먼트 영역(21)의 외주측에는 한 변이 71 mm인 정방형 단면으로 이루어져 있으며, 이 허니컴 세그먼트(25)를 중앙측 세그먼트 영역(21)의 주위에 7개 배치하였다. 각 허니컴 세그먼트를 접착재로 접합하여, 일체화하였다.
실시예 2의 허니컴 구조체(15)를 초기 압력 손실 측정 장치(니뽄 가이시 가부시키가이샤 제조)에 설치하여, 허니컴 구조체의 전후에 발생하는 압력차를 측정함으로써 압력 손실을 측정하였다. 측정시에 있어서의 가스 유량은 5 N㎥/min, 가스 온도는 실온으로 하였다. 참고를 위해 실시예 1 및 비교예의 허니컴 구조체(14 및 130)에 대해서도 동일한 조건으로 압력 손실의 측정을 행하였다.
도 10은 측정된 압력 손실과 각 허니컴 구조체에 이용한 접착재 면적과의 상관 관계를 도시한다. 횡축에 있어서의 H 점은 비교예의 허니컴 구조체(130), I 점은 실시예 1의 허니컴 구조체(15), J 점은 실시예 2의 허니컴 구조체(16)의 접착재층 단면적에 대응하고 있다.
도 10으로부터 명백한 바와 같이, 중앙측을 단면적이 작은 허니컴 세그먼트(22)에 의해 형성한 실시예 1의 허니컴 구조체(15)가 높은 압력 손실을 나타내고 있는 데 대하여, 외주측에 한 변이 71 mm인 큰 단면적을 갖는 허니컴 세그먼트(25)를 배치한 실시예 2의 허니컴 구조체(16)는 비교예의 허니컴 구조체(130)에 비하여 압력 손실의 증대가 적어 압력 손실 저감 효과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 허니컴 구조체에 의하면, 중앙측 세그먼트 영역에 단면적이 작은 복수의 허니컴 세그먼트를 접합함으로써 중앙측 허니컴 세그먼트를 형성하기 때문에, 중앙측에서의 열용량이 커지는 동시에 온도 구배가 작아지며, 재생시의 열응력이 작아져 크랙 발생의 온도가 고온측으로 이행한다. 이 때문에, 그을음 재생 한계량을 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 허니컴 구조체에서는 단면 중심을 정확히 특정할 필요가 없기 때문에, 이형 단면을 갖는 허니컴 구조체에도 용이하게 응용할 수 있다.
또한, 세그먼트 영역의 외주측에 배치되는 허니컴 세그먼트의 면적을 허니컴 구조체 전체를 통과하는 배기 가스의 압력 손실을 보충할 수 있는 단면 치수로 설정함으로써, 허니컴 구조체 전체로서의 압력 손실을 작은 것으로 할 수 있다. 이것에 의해, 그을음의 제거 능력이 저하하지 않는 상태에서 배기 가스의 정화를 행할 수 있다.
이상, 실시형태 및 실시예에 따라서 본 발명의 허니컴 구조체에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시형태 및 실시예의 기재에 한정되는 것이 아니며, 여러 가지의 개량 및 변경이 가능한 것은 당업자에게 분명하다.

Claims (7)

  1. 격벽에 의해 구획되어 일축 방향으로 관통하는 복수의 유통 구멍을 갖는 복수의 제1 허니컴 세그먼트를 접착재로 복수 접합한 세그먼트 영역과,
    상기 일축 방향 단면에서, 상기 세그먼트 영역의 외측 주위에 배치되고, 상기 세그먼트 영역과 일체가 되도록 상기 접착재로 접합되며, 격벽에 의해 구획되어 상기 일축 방향으로 관통하는 복수의 유통 구멍을 갖는 복수의 제2 허니컴 세그먼트를 갖고,
    상기 제1 허니컴 세그먼트는 상기 일축 방향 단면적이 상기 제2 허니컴 세그먼트의 상기 일축 방향 단면적보다 작고,
    정방형의 동일한 단면적을 갖는 복수의 허니컴 세그먼트를 접합하여 허니컴 구조체를 형성한 경우와 비교하여, 상기 제1 허니컴 세그먼트의 단면적을 1/4 이하로 하고, 상기 제2 허니컴 세그먼트의 단면적을 4배 이상으로 하며, 상기 세그먼트 영역은 일축 방향 단면적이 허니컴 구조체 전체의 일축 방향 단면적의 1/3 이상 1/2 이하인 것인 허니컴 구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 허니컴 세그먼트의 상기 단면적은 40 mm를 한 변으로 하는 정방형 면적보다 작은 것인 허니컴 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 허니컴 세그먼트의 상기 단면적은 30 mm를 한 변으로 하는 정방형 면적보다 넓은 것인 허니컴 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 허니컴 세그먼트의 상기 단면적은 상기 제1 허니컴 세그먼트의 상기 단면적의 4배 이상의 면적을 갖는 것인 허니컴 구조체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 허니컴 구조체의 상기 일축 방향의 단면 형상이 이형인 것인 허니컴 구조체.
  7. 제1항 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 허니컴 세그먼트의 상기 단면적은, 35 mm의 길이를 한 변으로 하는 정방형 단면을 갖는 허니컴 세그먼트만을 접합하여 형성한 동일한 외형 형상을 갖는 허니컴 구조체를 통과하는 배기 가스의 압력 손실을 100%로 할 경우에, 압력 손실의 증대가 20% 이하가 되도록 조정되어 있는 것인 허니컴 구조체.
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