KR101037241B1

KR101037241B1 - 배기 가스 처리용 공해 제어 장치에 공해 제어 요소를 장착하기 위한 매트

Info

Publication number: KR101037241B1
Application number: KR1020057001725A
Authority: KR
Inventors: 리차드 피. 메리; 울리히 에. 쿤제; 마이클 디. 스완
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2011-05-25
Also published as: JP4575159B2; WO2004011785A1; BR0313074B1; CN1678821A; EP1561018A1; EP1388649A1; DE60230603D1; MXPA05001251A; ATE419456T1; ZA200501650B; AU2003247946A1; EP1388649B1; JP2006516043A; CN1678821B; BR0313074A; KR20060038349A

Abstract

공해 제어 장치는 내연 기관(예를 들어, 디젤 엔진)과 함께 사용하기에 적합하고 케이싱과 공해 제어 요소 사이에 배치된 부직포 장착 매트와 함께 케이싱 내에 배치된 공해 제어 요소를 포함하며, 상기 부직포 매트는 수 평균 직경이 5㎛ 이상이고 길이가 0.5㎝ 내지 15㎝를 갖는 잘게 잘려진 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유로 된 매트의 총중량에 의거하여 적어도 90 중량%를 포함하는 비팽창성 매트이고, 상기 유리 섬유는 니들 천공되거나 스티치 접합되고 상기 매트는 유기 접합제가 없거나 사실상 없다.

공해 제어 장치, 케이싱, 공해 제어 요소, 부직포 장착 매트

Description

배기 가스 처리용 공해 제어 장치에 공해 제어 요소를 장착하기 위한 매트{MAT FOR MOUNTING A POLLUTION CONTROL ELEMENT IN A POLLUTION CONTROL DEVICE FOR THE TREATMENT OF EXHAUST GAS}

본 발명은 공해 제어 장치에 공해 제어 요소를 장착하기 위한 장착 매트를 포함하는 공해 제어 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 내연 기관(예를 들어, 디젤 엔진)의 배기 가스를 처리하기 위한 공해 제어 장치에 관한 것이다. 공해 제어 장치의 장착 매트는 디젤 엔진의 배기 가스로부터의 공해를 감소시키도록 구성된 디젤 촉매 변환기 또는 다른 공해 제어 요소와 같은 저온 응용분야에 특히 적합하도록 설계될 수 있다.

디젤 공해 방지 장치는 촉매 변환기 및 디젤 입자 필터 또는 트랩을 포함한다. 공해 제어 장치는 전형적으로는 금속 하우징 또는 탄성 및 가요성의 장착 매트에 의해 공해 제어 요소가 그 내부에 고정식 장착되는 케이싱을 포함한다. 오염 제어 장치는 대기 오염을 제어하기 위하여 모터 차량에 폭넓게 채용된다. 촉매 변환기 및 디젤 입자 필터 또는 트랩과 같은 2가지 종류의 장치가 폭넓게 이용된다. 촉매 변환기는 금속성 하우징 내에 장착된 단일 구조물에 전형적으로 도포되는 촉매를 함유한다. 금속 단일체가 사용되어 왔지만 단일 구조물은 전형적으로는 세라 믹이다. 촉매는 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고, 자동차 배기 가스 내의 질소 산화물을 감소시켜 대기 오염을 제어한다.

디젤 입자 필터 또는 트랩은 다공성 결정질 세라믹 재료로 제조된 벌집 모양의 단일 구조물을 갖는 전형적으로는 벽 유동 필터이다. 벌집 모양의 구조물의 교대 셀은 배기 가스가 하나의 셀에 유입되어 다공성 벽을 통해 구조물로부터 유출될 수 있는 인접 셀로 강제되도록 전형적으로는 막혀진다. 이러한 방식으로, 디젤 배기 가스 내에 존재하는 작은 그을음 입자가 수집된다.

공해 제어 장치에 사용되는 단일체 및 특히 세라믹 공해 제어 단일체는 깨지기 쉽고, 진동 또는 충격 손상 및 파손에 취약하다. 이들은 이들을 포함하는 금속 하우징보다 대체로 작은 열팽창 계수를 갖는다. 이는 공해 제어 장치가 가열됨에 따라 하우징의 내부 주연벽과 단일체의 외벽 사이의 간극이 증가한다는 것을 의미한다. 금속성 하우징이 매트의 단열 효과로 인해 훨씬 작은 온도 변화를 겪는다 할지라도, 금속성 하우징의 큰 열팽창 계수는 하우징이 단일 요소의 팽창보다 빠른 주연 크기로 팽창하게 한다. 이러한 열 순환은 공해 제어 장치의 수명 및 사용 시 수백 번 일어난다.

예를 들어 노상 충격 및 진동으로부터 세라믹 단일체가 파손되는 것을 회피하고, 열팽창 차이를 보상하며 배기 가스가 단일체와 금속 하우징 사이를 통과(이에 따라 촉매를 바이패스)하는 것을 방지하기 위하여, 세라믹 단일체와 금속 하우징 사이에 장착 매트가 배치된다. 이러한 매트에는 단일체를 소정 온도 범위로 유지시키기에 충분한 압력, 하지만 세라믹 단일체를 파손시키지 않을 정도의 압력이 가해져야 한다.

본 기술 분야에 개시된 많은 장착 매트는 전형적으로는 고온에서 작동하는 가솔린 엔진으로부터의 배기 가스의 처리를 위한 촉매 변환기를 장착하기 위하여 발전되어 왔다. 종래의 장착 매트는 세라믹 섬유, 팽창성 재료 및 유기질 및/또는 무기질 결합제로 구성된 팽창성 시트 재료를 포함한다. 하우징 내에 촉매 변환기를 장착하는데 유용한 팽창성 시트 재료는, 예를 들어 미국 특허번호 제3,916,057호(해치 외), 제4,305,992호(랭거 외), 제5,151,253호(메리 등), 제5,250,269호(랭거) 및 제5,736,109호(호워스 외)에 개시된다. 최근에는, 다결정 세라믹 섬유 및 결합제로 이루어진 비팽창성 매트는 이들의 매우 얇은 셀 벽으로 인해 현저하게 작은 강도를 갖는 소위 초박 벽 단일체에 대하여 특히 사용되어 왔다. 비팽창성 매트의 예는, 예를 들어 미국 특허번호 제4,011,651호(브래드버리 외), 제4,929,429호(메리), 제5,028,397호(메리), 제5,996,228호(쇼오지 외) 및 제5,580,532호(로빈슨 외)에 개시된다. 다결정 섬유는 통상적으로 용융 형성된 세라믹 섬유보다 훨씬 비용이 많이 들어서, 이러한 섬유를 사용하는 매트는, 예를 들어 초박 벽 단일체가 절대적으로 필요할 때만 사용된다.

미국 특허번호 제5,290,522호는 5 마이크로미터 이상의 직경을 가지며 적어도 60 중량%의 샷이 없는(shot-free) 고온 마그네슘 알루미노실리케이트 유리 섬유를 포함하는 부직포 장착 매트를 갖는 촉매 변환기를 개시한다. 이 레퍼런스에서 개시된 장착 매트는 이 매트가 700℃ 이상의 배기 가스 온도에 놓여지는 예에서의 시험 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이 고온 응용분야용으로 주로 사용된다.

미국 특허 제5,380,580호는 적어도 20 중량%의 다결정인 알루미노실리케이트계 섬유에 기초하여, (a) 60 내지 대략 85 중량%의 산화알루미늄 및 40 내지 대략 15 중량%의 산화실리콘을 포함하는 알루미노실리케이트 섬유와, (b) 다결정 석영 섬유 및 (c) (a)와 (b)의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 샷이 없는 산화세라믹 섬유를 포함하고, 알루미노실리케이트계 섬유 및 다결정 석영 섬유의 결합 중량이 부직포 매트의 적어도 50 중량%인 가요성 부직포 매트를 개시한다. 가요성 부직포 매트는 탄화규소 섬유, 질화규소 섬유, 탄소 섬유, 유리 섬유, 스테인레스강 섬유, 황동 섬유, 퓨지티브(fugitive) 섬유 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 고강도 섬유를 추가로 포함할 수 있다.

디젤 산화 촉매(DOC)는 배출된 디젤 입자의 용해성 유기분(SOF)을 산화시키도록 현대 디젤 엔진에 사용된다. 매우 낮은 배기 가스 온도로 인해, DOC에 종래의 장착재를 장착하는 것은 문제가 많다. 터보-차지 직접 분사(TDI) 엔진과 같은 현대 디젤 엔진의 배기 가스는 300℃를 초과할 수 없다. 이 온도는 대부분의 팽창성 매트를 팽창시키는데 요구되는 온도 이하이다. 촉매 변환기 내에서 적절한 압력으로 발전시키고 유지시키는데 팽창이 요구된다. 추가적으로, 이 온도는 팽창성 매트 재료 내에 함유된 유기질 결합제를 태워버리기에는 너무 낮다. 이러한 온도에서 결합제는 단지 연화되며, 이는 세라믹 섬유의 탄성을 방해하는 역할을 한다. 결과적으로, 종래의 팽창성 장착 매트를 사용할 때 DOC에 필드 파손이 발생된다. 이러한 단점을 극복하기 위하여, 변환기들은 질석을 팽창시키도록 종종 설치 전에 열처리하고 결합제를 태워버린다. 이는 비용이 들고 시간이 소요되는 일이다. 보 조 와이어 메쉬 “L" 시일은 저온에서 팽창성 매트의 보유력을 증가시키도록 채용되지만, 또한 비용이 들고 조립 과정을 복잡하게 만든다. 약간 양호한 작동을 하는 대부분의 비팽창성 매트는 200 내지 300℃의 온도 범위 내에서 섬유의 탄성을 현격하게 감소시키는 유기질 결합제를 여전히 함유한다. 이는 희박 NOx 촉매, 연속 재생 트랩(CRT) 및 NOx 트랩을 포함하여 다른 디젤 배기 가스 공해 제어 장치에 대해서도 해당된다.

미국 특허번호 제6,231,818호에서는 비결정성 무기질 섬유로 구성된 비팽창성 매트를 사용함으로써 저온 디젤 촉매를 장착할 때의 현 문제점들을 극복하는 시도를 행하였다. 이 특허에서는 매트에 유기질 결합제가 없을 수도 있다고 개시하지만, 예에 사용된 소정의 매트는 상당량의 결합제를 사용하는 것이 요구되는 것으로 보인다. 또한, 이 미국 특허에 개시된 장착 매트는 디젤 엔진, 특히 TDI 엔진으로부터의 배기 가스를 처리하는데는 여전히 적절하지 않다.

이에 따라, 디젤 엔진으로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 공해 제어 장치의 금속성 케이싱 내에 디젤 공해 제어 단일체를 장착하기 위한 다른 장착 매트를 찾는 것이 바람직하다. 특히, 알맞은 비용으로 쉽고 편리한 방식으로 제조될 수 있는 이러한 개선된 장착 매트를 얻는 것이 바람직하다. 또한, 실조건 부착 시험(Real Condition Fixture Test; RCFT), 주기성 압축 시험(Cyclical Compression Test) 및 고온 진동 시험(Hot Vibration Test) 중 하나 이상에서 양호한 성능을 보이는 장착 매트를 찾는 것이 요구된다. 바람직하게는, 장착 매트는 건강, 안전성 및 환경적 태양에 또한 더 수용 가능하다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 5㎛ 이상의 수 평균 직경과 0.5 내지 15㎝의 길이를 갖는 잘게 잘려진 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유의 매트의 총중량에 대해 적어도 90 중량%를 포함하는 부직포 및 비팽창성 매트가 제공되고, 이 유리 섬유는 니들 천공되거나 또는 스티치 접합되고 이 매트에는 유기질 결합제가 없거나 또는 실질적으로는 없다. “실질적으로는 없다”는 것은 결합제의 양이 매트의 중량에 대하여 1 중량% 이하, 양호하게는 0.5 중량% 이하라는 것을 의미한다. 이 매트는 장치의 내연 기관(예를 들어, 디젤 엔진)으로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 공해 제어 장치에 사용된다. 이 엔진은, 예를 들어 동력 발전기 또는 모터 차량에서와 같은 정지 장치에 포함될 수 있다. 장착 매트는 공해 제어 장치의 하우징(예를 들어, 금속성 하우징) 내에 공해 제어 요소(예를 들어, 디젤 공해 제어 단일체)를 장착시킨다.

본 발명의 특정 태양에 따르면, 공해 제어 장치의 하우징(예를 들어, 금속성 하우징) 내에 공해 제어 요소(예를 들어, 디젤 공해 제어 단일체)를 장착시키기 위한 매트가 제공되며, 이 매트는 5㎛ 이상의 수 평균 직경과 0.5 내지 15㎝의 길이를 갖는 잘게 잘려진 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유의 매트의 총중량에 대해 적어도 90 중량%를 포함하는 비팽창성 매트이고, 이 유리 섬유는 니들 천공되거나 또는 스티치 접합되고, 이 매트에는 유기질 결합제가 없거나 또는 실질적으로는 없고, 잘게 잘려진 적어도 2개 층의 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유로 구성되며, 이 2개의 층에서는 이의 유리 섬유 조성이 상이하다. 이 태양에 따른 매트는 성능 및 디젤 엔진 배기 가스용 공해 제어 장치에 대한 장착 매트의 제조 비용을 최적화하는데 특히 적합하다는 것을 발견하였다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 케이싱과 공해 제어 요소 사이에 배치된 부직포 매트를 갖춘 하우징(예를 들어, 금속성 하우징) 내에 배열된 공해 제어 요소(예를 들어, 디젤 공해 제어 단일체)를 포함하는 공해 제어 장치에 배기 가스를 놓이게 함으로써 내연 기관 엔진(예를 들어, 디젤 엔진)으로부터의 배기 가스를 처리하는 방법이며, 비팽창성 매트인 이 부직포 매트는 5㎛ 이상의 수 평균 직경과 0.5 내지 15㎝의 길이를 갖는 잘게 잘려진 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유의 매트의 총중량에 대해 적어도 90 중량%를 포함하는 비팽창성 매트이고, 이 유리 섬유는 니들 천공되거나 또는 스티치 접합되고, 이 매트에는 유기질 결합제가 없거나 또는 실질적으로는 없다.

용어 ‘디젤 공해 제어 단일체’는 디젤 엔진으로부터의 배기 가스에 의해 야기된 공해를 감소시키기에 적합하고 및/또는 감소시키도록 구성되는 단일 구조물을 의미하고, 특히 예를 들어 350℃ 이하의 저온에서 공해를 감소시키도록 작동되는 단일 구조물을 포함한다. 디젤 공해 제어 단일체는 촉매 변환기, 디젤 입자 트랩 및 Nox 흡수기 또는 트랩에 제한되지 않는다.

용어 ‘마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유’는 다른 산화물, 특히 다른 금속 산화물의 존재를 배제시키지 않고 실리콘, 알루미늄 및 마그네슘의 산화물을 포함하는 유리 섬유를 포함한다.

본 발명의 설명 및 나은 이해만을 목적으로 이에 대하여 어떤 식으로든 본 발명을 제한하지 않는 다음의 도면들이 제공된다

도1은 분리된 관계로 도시된 본 발명의 촉매 변환기의 사시도이다.

도2 및 도3은 실조건 부착 시험에서의 예1과 비교예 1 및 2의 매트의 결과를 도시하는 도면이다.

도1을 참조하면, 공해 제어 장치(10)는 대체적으로 절두원추형(frusto-conical) 입구 및 출구 단부(12, 13)를 각각 갖춘 금속성 케이싱 또는 하우징(11)을 포함한다. 케이싱(11) 내에 배치되는 것은 이를 관통하는 복수의 가스 유동 채널(도시 안됨)을 갖는, 예를 들어 벌집 모양의 단일체로 형성된 디젤 공해 제어 단일체(20)이다. 케이싱(11) 내에서 단일 요소(20)를 견고하게 하지만 탄성적으로 지지하는 역할을 하는 잘게 잘려진 마그네슘 알루미노실리케이트 유리 섬유를 포함하는 장착 매트(30)가 디젤 공해 제어 단일체(20)를 둘러싼다. 장착 매트(30)는 디젤 공해 제어 단일체(20)를 케이싱 내에서 제 위치에 보유시키고, 디젤 공해 제어 단일체(20)와 케이싱(11) 사이의 간극을 밀봉시켜서, 디젤 배기 가스가 디젤 공해 제어 단일체(20)를 바이패스하는 것을 방지하거나 또는 최소화시킨다.

금속성 케이싱은 스테인레스강을 포함하는 이러한 용도에 대하여 본 기술 분야에서 알려진 재료로부터 제조될 수 있다.

공해 제어 장치(10)에서 사용되는 디젤 공해 제어 단일체의 예들은 촉매 변환기와 디젤 입자 필터 또는 트랩을 포함한다. 촉매 변환기는 금속성 하우징 내에 장착된 단일 구조물 상에 전형적으로는 도포되는 촉매를 포함한다. 촉매는 저온, 전형적으로는 350℃ 이하에서 작동되도록 전형적으로는 구성된다. 금속 단일체가 도한 사용되어 왔지만, 단일 구조물은 전형적으로는 세라믹이다. 촉매는 일산화탄소 및 탄화수소를 산화시키고, 대기 오염을 제어하도록 배기 가스 내의 질소 산화물을 감소시킨다. 가솔린 엔진에서는 이러한 3가지 오염물질들은 소위 “3방향 변환기”에서 동시에 반응될 수 있지만, 대부분의 디젤 엔진들은 디젤 산화 촉매 변환기만을 구비한다. 오늘날 디젤 엔진에만 제한되어 사용되는 질소 산화물을 감소시키기 위한 촉매 변환기는 대체로 개별적인 촉매 변환기로 구성된다. 촉매 지원으로서 사용되는 적절한 세라믹 단일체는 “CELCOR"의 상표명으로 코닝 인크.(뉴욕 코닝)으로부터 상용으로 입수 가능하고, ”HONEYCERAM"의 상표명으로 엔지케이 인슐레이티드 엘티디(일본 나고야)로부터 상용으로 입수 가능하다.

디젤 입자 필터 또는 트랩은 다공성 결정질 세라믹 재료로 전형적으로는 제조되는 벌집 모양의 단일 구조물을 갖는 전형적으로는 벽 유동 필터이다. 벌집 모양의 구조물의 교대 셀은 배기 가스가 하나의 셀에 유입되어 다공성 벽을 통해 구조물로부터 유출될 수 있는 인접 셀로 강제되도록 전형적으로는 막혀진다. 이러한 방식으로, 디젤 배기 가스 내에 존재하는 작은 그을음 입자가 수집된다. 근청석으로 제조된 적절한 디젤 입자 필터는 코닝 인크.(뉴욕 코닝)와 엔지케이 인슐레이티드 인크.(일본 나고야)로부터 상용으로 입수 가능하다. 탄화 규소로 제조된 디젤 입자 필터는 이비덴 코.엘티디.(일본)로부터 상용으로 입수 가능하고, 예를 들어, JP2002047070A에 개시된다.

부직포 장착 매트에 사용된 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유는 적어도 5㎛의 평균 직경과 0.5 내지 15㎝, 바람직하게는 1 내지 12㎝의 길이를 갖는다. 바람직하게는, 평균 직경이 적어도 7㎛이고 전형적으로는 7 내지 14㎛의 범위이다. 유리 섬유는 양호하게는 개별화시킨다. 개별화시킨(즉, 각각의 섬유를 서로 분리시킴) 섬유를 제공하기 위하여, 섬유의 토우 또는 얀이 소정의 길이(전형적으로는 0.5 내지 대략 15㎝의 범위)로, 예를 들어 유리 로빙 커터(예를 들어, 캘리포니아 파코마의 핀&프램, 인크.로부터 상용으로 입수 가능한 상표명 “MODEL 90 GLASS ROVING CUTTER")를 사용하여 잘려질 수 있다. 전형적으로는 섬유는 샷이 없거나 또는 전체 섬유 중량에 대하여 전형적으로는 1 중량% 미만인 매우 작은 샷의 양을 함유한다. 추가적으로, 섬유는 전형적으로는 직경이 적당하게 균일, 즉 평균의 ±3㎛ 내의 직경을 갖는 섬유의 양은 대체로 적어도 70 중량%, 바람직하게는 80 중량%, 가장 바람직하게는 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유의 총중량의 적어도 90 중량%이다.

매트는 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유와 다른 섬유를 10 중량% 까지 함유할 수 있다. 하지만, 바람직하게는 매트는 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유만으로 구성된다. 다른 섬유가 매트 내에 함유되면, 이들은 전형적으로는 비결정질 섬유이고, 이들은 바람직하게는 적어도 5㎛의 평균 직경을 가져야 한다. 바람직하게는, 매트는 3㎛ 이하의 직경을 갖는 섬유가 없거나 또는 본질적으로는 없고, 더 바람직하게는 5㎛ 미만의 직경을 갖는 섬유가 없거나 또는 본질적으로는 없다. 본질적으로는 없다는 것은 이러한 작은 직경의 섬유의 양이 2 중량%이하, 바람직하게는 매트 내의 섬유의 1 중량% 이하라는 것을 의미한다.

부직포 매트를 제조하는 바람직한 방법에서, 절단되거나 또는 잘게 잘려진 섬유는 이들을 종래의 2개의 구역을 갖는 라로쉬 오프너(Laroche Opener)[예를 들어, 프랑스 꾸루 라 빌르의 라로쉬 에스.에이.로부터 상용으로 입수 가능함]를 통과시킴으로써 분리될 수 있다. 섬유들은 또한 해머 밀, 바람직하게는 블로우 토출 해머 밀(예를 들어, 오하이오주 티핀의 씨.에스.벨 컴파니로부터 상용으로 입수 가능한 상표명 “BLOWER DISCHARGE MODEL 20 HAMMER MILL")을 통과시킴으로써 분리될 수 있다. 덜 효과적이기는 하지만, 섬유는 일리노이주 시카고의 더블유.더블유.그링거로부터 상용으로 입수 가능한 3마력, 31.1 ㎝(12.25 인치)의 Model 3C 539, 상표명 ”DAYTON RADIAL BLOWER"와 같은 종래의 블로어를 사용하면서 개별화될 수 있다. 잘게 잘려진 섬유는 정상적으로는 라로쉬 오프너를 한번만 통과시키면 된다. 해머 밀을 사용할 때는, 이들은 통상적으로는 2번을 통과시켜야 한다. 블로어만이 사용될 경우에는, 섬유는 전형적으로는 적어도 2번 이를 통과한다. 바람직하게는, 섬유의 적어도 50 중량%는 이들이 부직포 매트로 형성되기 전에 개별화된다.

대략 15㎝ 이상의 절단되거나 또는 잘게 잘려진 섬유가 부직포 매트를 준비할 때 유용할 지라도, 이들은 처리하기가 더 어려운 경향이 있다. 섬유의 분리는 부직포 매트를 제조하는 섬유의 로프티니스(loftiness)[즉, 벌크 밀도를 감소시킴]를 증가시키는 경향이 있어서, 최종 매트의 밀도를 감소시킨다.

최소한의 손상으로 잘게 잘려지거나 또는 절단된 섬유의 처리 및 분리를 용이하게 하도록, (예를 들어, 뉴저지주 햇필드의 심코 컴파니 인코포레이티드로부터 상용으로 입수 가능한 상표명 “NEUTROSTAT"과 같은) 정전방지 윤활제가 섬유가 분리되는 동안 해머 밀 내로 살포될 수 있다.

마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유는 양호하게는 10 내지 30 중량%의 산화 알루미늄, 52 내지 70 중량%의 산화 실리콘 및 1 내지 12 중량%의 산화 마그네슘을 포함한다. 상기 언급된 산화물의 중량 %는 Al2O3, SiO2 및 MgO에 기초한다. 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유는 추가적인 산화물을 함유할 수 있다는 것을 추가로 이해할 수 있다. 예를 들어, 존재할 수 있는 추가적인 산화물은 나트륨 또는 산화 칼륨, 산화 붕소 및 산화 칼슘을 포함한다. 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유의 특정 예는 전형적으로는 대략 55%의 SiO2, 11%의 Al2O3, 6%의 B2O3, 18%의 CaO, 5%의 MgO 및 5%의 다른 산화물의 조성을 갖는 E-유리 섬유, 대략 65%의 SiO2, 25%의 Al2O3, 10%의 MgO의 조성을 전형적으로는 갖는 S 및 S-2 유리 섬유, 60%의 SiO2, 25%의 Al2O3, 9%의 CaO, 6%의 MgO의 조성을 전형적으로는 갖는 R-유리 섬유를 포함한다. E-유리, S-유리, S-2 유리는 어드밴스드 글래스파이버 얀스 엘엘씨(Advanced Glassfiber Yarns LLC)로부터 입수 가능하고, R-유리는 세인트-고베인 베트로텍스(Saint-Gobain Vetrotex)로부터 입수 가능하다.

부직포 매트를 제조하는 방법에 따르면, 잘게 잘려지고 개별화된 섬유(양호하게는 대략 2.5 내지 대략 5㎝ 길이)는 종래의 웨브 형성 기계 내로 이송되고(예를 들어, 뉴욕 메이스돈의 란도 머신 코포레이션으로부터 상용으로 입수 가능한 “RANDO WEBBER" 또는 덴마크의 스캔웨브 컴퍼니로부터의 ”DAN WBB"), 섬유는 와이어 스크린 또는 메쉬 벨트(예를 들어, 금속 또는 나일론 벨트) 상으로 당겨된다. “DAN WEB"형 웨브 형성 기계가 사용될 경우, 섬유는 해머 밀, 그 후 블로어를 이용하여 바람직하게는 개별화된다. 대략 2.5㎝ 이상의 길이를 갖는 섬유는 웨브 형 성 공정동안 얽히게 되는 경향이 있다. 매트의 가공을 용이하게 하도록, 매트는 스크림 상에서 형성되거나 또는 그 위에 위치될 수 있다. 섬유의 길이에 따라서, 최종 매트는 전형적으로는 (예를 들어, 스크림과 같은)보조물이 필요없이 니들 천공 기계로 이송되어 충분한 가공성을 갖는다.

부직포 매트는 종래의 습식 형성 또는 직물 소면 공정을 사용하면서 또한 제조될 수 있다. 습식 형성 공정에 대하여, 섬유 길이는 바람직하게는 대략 0.5 내지 대략 6㎝이다. 직물 공정에 대하여, 섬유 길이는 바람직하게는 대략 5 내지 대략 10㎝이다.

니들 천공 부직포 매트는, 예를 들어 갈고리형 니들에 의해 매트의 다중 완전 또는 부분(양호하게는, 완전) 관통에 의해 제공된 섬유의 물리적인 얽힘이 있는 매트를 가리킨다. 부직포 매트는, 니들 천공된 부직포 매트를 제공하도록 종래의 니들 천공 장치[예를 들어, (위스콘슨주 마니토웍의 포스터 니들 컴퍼니, 인코포레이티드로부터 상용으로 입수 가능한) 갈고리형 니들을 갖춘, 독일의 딜로로부터 상용으로 입수 가능한 상표명이 “DILO"인 니들 천공기]를 사용하여 니들 천공될 수 있다. 섬유의 얽힘을 제공하는 니들 천공은 전형적으로는 매트를 압축시키고, 그 후 천공하고 매트를 통해 갈고리형 니들을 드로잉하는 것과 관련된다. 매트의 단위 면적당 최적의 니들 천공의 수는 특정 응용분야에 따라 변화된다. 전형적으로는, 부직포 매트는 대략 5 내지 대략 60 니들 천공/㎠을 제공하도록 니들 천공된다. 바람직하게는, 매트는 대략 10 내지 대략 20 니들 천공/㎠을 제공하도록 니들 천공된다.

바람직하게는, 니들 천공된 부직포 매트는 대략 1000 내지 3000 g/㎡의 범위인 단위 면적당 중량값을 갖고, 다른 태양에서는 두께가 0.5 내지 3 ㎝의 범위에 있다. 5 kPA 하중 하에서의 전형적인 벌크 밀도는 0.1 내지 0.2 g/cc의 범위에 있다.

부직포 매트는 종래의 기술[예를 들어, 미국 특허번호 제4,181,514호(레프코윗츠 외)]을 사용하여 스티치 접합될 수 있고, 그 개시는 스티치접합 부직포 매트의 그 교시에 대하여 레퍼런스로 본문에 참조된다. 전형적으로는, 매트는 유기질 스레드로 스티치 접합된다. 유기질 또는 무기질 시트 재료의 박층은 스레드가 매트를 통해 절단되는 것을 최소화하거나 또는 방지하기 위하여 스티치접합 시 매트의 일 측 또는 양측에 위치될 수 있다. 스티치 접합이 사용 시 분해되는 것이 바람직한 경우에서는, 세라믹 또는 금속(예를 들어, 스테인레스강)과 같은 무기질 스레드가 사용될 수 있다. 스티치의 간격은 섬유가 매트의 전 영역에 걸쳐서 균일하게 압축되도록 대체로 3 내지 30 ㎜이다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 매트는 복수의 층의 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유로 구성된다. 이러한 층들은 사용된 섬유의 평균 직경, 사용된 섬유의 길이 및/또는 사용된 섬유의 화학적 조성에 있어서 서로 구별될 수도 있다. 일정 온도에서 섬유의 열 저항 및 기계적 강도는 그 조성과 함께 변화되어 더 작은 정도의 섬유 직경이 되기 때문에, 섬유 층들은 비용을 최소화하면서 성능을 최적화하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, E-유리의 층과 조합된 S-2 유리의 층으로 구성된 부직포 매트는 디젤 촉매 변환기를 장착하는데 사용될 수 있다. 사용 시, S- 2 유리 층은 촉매 변환기의 단일체 측의 가열기, E-유리 층이 냉각기에 대하여 위치할 때는 촉매 변환기의 금속 하우징 측에 대하여 직접 위치된다. 층상 조합 매트는 S-2 유리 섬유만으로 구성되는 매트와 비교하여 훨씬 감소된 비용으로 E-유리 섬유만으로 구성되는 매트보다 훨씬 고온에서 견딜 수 있다. 층상 매트는 후술되는 형성 기술을 사용하여 특정 섬유 형태를 갖는 개개의 부직포 층을 먼저 형성함으로써 제조된다. 이러한 층들은 소정의 이산 층들을 갖는 마무리 작업된 매트를 형성하도록 이후에 함께 니들 접합된다.

본 발명의 장착 매트는 공해 제어 장치에서의 디젤 공해 제어 단일체를 장착하기에 특히 적합하다. 전형적으로는, 매트의 장착 밀도, 즉 조립후의 매트의 벌크 밀도는 단일체를 제 위치에 견고하게 보유시키기에 충분한 압력을 제공하도록 적어도 0.2 g/㎤이어야 한다. 대략 0.70 g/㎤ 이상의 장착 밀도에서는 섬유는 과도하게 붕괴될 수 있다. 또한, 매우 높은 장착 밀도에서는 공해 제어 장치의 조립 과정동안 단일체가 파손될 위험이 있을 수도 있다. 바람직하게는, 장착 밀도는 대략 0.25 g/㎤ 내지 0.45 g/㎤ 이어야 한다. 공해 제어 장치는 디젤 엔진 배기 가스의 처리에서와 같은 저온 응용분야에서 사용될 때 뛰어난 성능 특성을 갖는다. 공해 제어 장치는 정지 장치에 사용되어 그 내부에 포함된 디젤 엔진으로부터의 배기 가스를 처리하는데 사용될 수도 있다. 이러한 정지 장치들은, 예를 들어 전기를 발생시키거나 또는 유체를 펌핑하는 동력원을 포함한다.

공해 제어 장치는 모터 차량의 디젤 엔진으로부터의 배기 가스의 처리에 특히 적합하다. 이러한 모터 차량의 예들은 기차, 버스, 트럭 및 ‘저용적(low capacity)’ 탑승객 차량을 포함한다. ‘저용적’ 탑승객 차량은 적은 수의 탑승객, 전형적으로는 15인 이하를 운송하도록 설계되는 모터 차량을 의미한다. 그 예들은 승용차, 밴 및 소위 모노-볼륨 승용차를 포함한다. 공해 제어 장치는 특히 유럽에서 모터 차량에 더욱 사용되고 있는 터보차지 직접 분사 디젤 엔진(TDI)으로부터의 배기 가스의 처리에 특히 적합하다.

다음의 예들은 이에 대한 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 본 발명을 추가로 예시한다.

예

예들에 채용된 재료들

미국 사우스 캐롤라이나주의 아이켄의 어드밴스드 글래스파이버 얀스 엘엘씨(Advanced Glassfiber Yarns LLC)[AGY]로부터의 401 S-2 유리 잘게 잘려진 스트랜드(Glass Chopped Strands)로서 입수 가능한 직경이 대략 9㎛이고 1.0 인치(25.4 mm)로 잘게 잘려진 S-2 유리 섬유.

미국 사우스 캐롤라이나주의 아이켄의 어드밴스드 글래스파이버 얀스 엘엘씨(Advanced Glassfiber Yarns LLC)[AGY]로부터의 1 인치(25.4 mm)로 잘게 잘려진 E 잘게 잘려진 유리 스트랜드.

독일 헤르조젠라드 세인트-고베인 베트로텍스 도이칠란드 게엠베하(Saint-Gobain Vetrotex Deutschland GmbH)로부터 입수 가능한 직경이 10㎛이고 36mm의 길이로 잘게 잘려진 R 유리 섬유(60%의 SiO2, 25%의 Al2O3, 9%의 CaO, 6%의 MgO의 조성을 전형적으로 가짐).

시험 방법들(Test Methods)

실조건 부착 시험(RCFT)

이 시험은 전형적인 사용 시에 단일체 또는 디젤 입자 트랩을 갖춘 공해 제어 장치에서의 실제 조건을 모델링하고, 이러한 모델링된 사용 조건 하에서 장착 재료에 의해 가해진 압력을 측정한다. RCFT 방법은 2002년 윌리-브이씨에이치 한스 보드판 “자동차 공해 제어 장치에서의 재료 태양들(Material Aspects in Automotive Pollution control devices)”에서의 206 내지 208페이지에 개시된다.

별개로 제어되는 2개의 50.8 mm ×50.8 mm 열간 스테인레스강 플래튼은 상이한 온도로 가열되어 금속 하우징과 단일체 온도 각각을 모의 실험한다. 동시에, 플래튼들 사이의 공간 또는 간극은 특정된 타입의 전형적인 공해 제어 장치의 열 팽창계수 및 온도로부터 계산된 수치에 의해 증가된다. 디젤 공해 제어 장치에 대한 통상적인 구동 조건은 300℃ 까지의 단일체 온도 및 100℃까지의 금속 하우징의 온도에 의해 모의 실험되고, 예를 들어 고속도로 상에서와 같은 고속으로 연속 구동하는 동안 발생하는 악조건에 대해서는 500℃까지의 단일체 온도 및 200℃까지의 금속 하우징 온도로 모의 실험된다.

RCFT의 3가지 사이클은 매트 단위 면적당 중량인 1200 내지 1400 g/㎠을 사용하면서 각각의 장착 매트 샘플에 대해서 수행된다. 시험 샘플에 장착될 때 매트의 밀도는 0.35 g/㎤이다. 팽창성 비교 샘플은 1.0 g/cc의 밀도로 시험된다.

3가지 RCFT 사이클이 수행된 후, 데이터 곡선이 생성된다. 이 곡선은, 제1 및 제2 플레이트 각각의 온도가 처음에는 증가되고, 15분 동안 일정 온도로 유지된 후 감소되는, 온도 함수로서의 2개의 플레이트 사이의 압력을 나타낸다.

고온 진동 시험

고온 진동 시험은 디젤 엔진용 저온 공해 제어 장치를 위한 장착 매트로서 본 발명에 따른 장착 매트의 적합성을 또한 평가하도록 사용되었다. 고온 진동 시험은, 변환기 어셈블리가 가속된 내구성 시험으로서 여겨지는 충분한 기계 진동을 동시에 받는 동안, 금속 케이싱(이하에서 시험 어셈블리로서 칭함) 내에 장착 매트와 함께 장착된 공해 제어 장치 요소를 배기 가스가 통과하는 것을 포함한다.

시험 어셈블리는,

1) 350cells/in²를 가진 세라믹 단일체[직경 4.66인치(11.8cm)에 길이 3.0인치(7.6cm)],

2) 단일체와 금속 하우징 사이에 원통형 방식으로 배치된 이하의 예 또는 비교예에서 기술된 장착 매트, 및

3) 내부 직경이 약 4.88인치(12.4cm)인 409 스테인레스강을 포함하는 원통형 캔 형상인 하우징을 포함한다.

종래의 셰이커(shaker) 표[미국 코네티컷주 웰링포드(Wallingford, Conn.)에 소재하는 운홀츠-디키에 코포레이션(Unholtz-Dickie Corp.)으로부터 상용으로 입수 가능]는 진동을 시험 어셈블리에 사용하도록 채택되었다. 열원은 가스 입구 온도를 1000℃까지의 변환기(converter)에 제공할 수 있는 천연가스 버너를 포함한다. 변환기는 단일체의 외부면과 장착 매트의 내부면 사이의 인터페이스 온도를 측정하 도록 열전쌍이 장비된다. 배기 가스 온도는 장착 매트 재료 상에 여분의 응력을 주기 위해서 사이클(반복적으로 상승 및 하강)된다. 15시간의 열적 상태 스테이지(thermal conditioning stage)가 시험의 셰이킹 세그먼트(shaking segment)가 시작되기 전에 실행된다. 열적 상태 스테이지는 50℃에서 1시간으로 선택된 상승 온도로 2시간의 5 사이클로 구성된다. 시험의 셰이킹 세그먼트 동안, "임의의 사인(sine on random)" 형태의 진동은 다른 응력을 발생시키고 사용 조건하에서 시험 어셈블리의 가속된 노화를 자극하도록 채택되었다. 제1단계에서, 진동은 임의의 0.01 g²/Hz(약 10g 피크)에의 1.75g(이 진동 시험에서, 'g'는 중력을 나타냄)의 진동 레벨로 시작한다. 진동은 선택된 상승 온도에서 3시간 동안 계속되었고 이어서 정지되었다. 시험 어셈블리는 50℃에서 냉각되고 셰이킹 없이 1시간 동안 유지되게 하였다. 제2단계에서, 진동 레벨은 시험 어셈블리가 온도에서 추가 3시간 동안 가열되었을 때 두 배(즉, 임의의 0.02 g²/Hz에의 3.5g 사인)가 되었다. 진동은 2시간동안 정지되었고 50℃로 냉각 및 유지되었다. 제3단계에서, 단지 기술된 진동 파라미터는 두 배가 되었고 사이클(선택된 온도에서 3시간 셰이킹 및 50℃에서 1시간을 포함)이 반복되었다. 제4단계에서, 진동 파라미터는, 전체 4 단계 동안, 즉 임의의 0.16 g²/Hz(약 61g 피크)에의 28g의 사인을 포함하는 진동 파라미터가 얻어질 때까지, 다시 두 배가 되었다. 시험 어셈블리는 시험 어셈블리 파손이 주목될 때까지 또는 임의의 0.16 g²/Hz에의 28g의 사인에서 적어도 14 사이클이 도달될 때 까지 진동 파라미터의 최종 설정을 또한 받게 된다.

주기성 압축 시험

주기성 압축 시험용 시험 장치는,

a) 고정된 하부와 "크로스헤드 스피드(crosshead speed)"로서 한정된 비율로 수직 방향에서 하부로부터 멀리 이동 가능한 상부를 포함하고 30kN까지 힘을 측정할 수 있는 로드 셀을 지지하는 상용으로 입수 가능한 시험 기구(통상 인장 시험기로 알려짐, 미국 노스캐롤라이나주 캐리(Cary)에 소재하는 매터리얼 테스트 시스템으로부터 입수 가능한 MTS^TM 모델 얼라이언스 RT/30),

b) 기구의 고정된 하부에 수직 방식으로 부착된 제1 석영 튜브(직경 50.8mm x 길이 20cm),

c) 기구의 상부 상의 로드 셀에 수직 방식으로 부착된 제2 석영 튜브(직경 50.8mm x 길이 20cm),

d) 시험 어셈블리와 접촉하도록 상부 석영 튜브를 통해 연장된 열전쌍(thermocouple) 및

e) 2개의 석영 튜브의 부분이 서로 가장 가까이 인접하게 둘러싸여지도록 배치된 환형 구멍을 지지하는 벽돌형 라이닝을 갖는 전기적으로 가열된 오븐을 포함한다.

시험 어셈블리는 서로 겹쳐진 3개의 디스크로 구성된다.

a) 시험 샘플을 지지하기 위한 큰 하부 석영 디스크(두께가 20.0mm, 직경이 75mm)

b) 51mm(센티아르 2인치)의 직경을 갖는 시험될 장착 매트의 하중 디스크를 포함하는 시험될 장착 매트의 시험 샘플

c) 시험 샘플의 상부에 위치된 작은 상부 석영 디스크(두께가 12.5mm, 직경이 51mm)

시험 어셈블리는 시험 어셈블리의 3개의 디스크가 서로에 대하여 수직으로 배치되는 방식으로 하부 석영 튜브의 상단부와 상부 석영 튜브의 하단부 사이에 놓여진다.

그 다음에 2개의 갭 거리는 다음과 같이 선택된다.

1) 갭 1 - 2개의 석영 디스크들 사이의 제1 작은 거리

2) 갭 2 - 2개의 석영 디스크들 사이의 제2 큰 거리

갭 거리는 시험될 장착 매트 샘플이 작은 "갭 1" 및 작은 "갭 1"에서의 밀도보다 10% 큰 밀도인 큰 "갭 2"에서 소정 재료를 위해 추천된 장착 밀도에 대응하는 밀도를 가지도록 선택되고, 이들 인자는 장착 매트가 실제 사용 조건하에 채택될 때 일반적으로 정해진 매트 밀도를 기초로 선택된다.

따라서 선택된 2개의 갭 거리는 기구 내로 프로그래밍되고, 오븐은 시험 어셈블리 둘레를 폐쇄시키고 250℃로 가열 유지되며, 최종적으로 기구는 하나의 갭 거리로부터 다른 갭 거리로 반복적으로 이동되도록 프로그래밍되어서, 2개의 석영 디스크들 사이에 시험 어셈블리 내에 위치된 샘플 디스크 상에 반복적으로 압력을 증가시키고 감소시킨다. 크로스-헤드 속도는 5.0 mm/min이었으며, "갭 1" 또는 " 갭 2" 위치 중 어느 하나에서 사실상 정지 시간은 없었다.

한번에 샘플 디스크에 의해 가해진 압력은 킬로 파스칼(kPa)의 단위로 기록되었다. 압축 사이클은 1000회 반복되었다.

(초기 압력에서) 시험 초기에서 샘플 디스크에 의해 가해진 압력은 기구가 압축 사이클의 작은 "갭 1" 위치 내에 있는 동안 기록되었다. 250℃에서 1000 압축 사이클 이후 샘플 디스크에 의해 가해진 압력은 기구가 다시 압축 사이클의 작은 "갭 1" 위치 내에 있는 동안에 또한 기록되었다.

이들 2개의 수치는 다음의 방식[(최종 압력/초기 압력) x 100% = 보유율]으로 비교된다.

예1

평균 직경이 약 9㎛이고 길이가 2.54cm인 40리터의 S-2 유리 섬유는 어드밴스드 글래스파이버 얀스 엘엘씨(Advanced Glassfiber Yarns LLC, AGY)로부터 입수된다. 섬유는 사실상 샷이 없게(shot free) 된다.

유리 섬유는 두 구역 라로쉬 오프너(Laroche opener)에서 오픈된다(opened). 제1 구역은 급송 속도가 2m/min이고 릭케린 롤(Lickerin roll) 속도가 2,500 rev/min를 갖는다. 제2 구역은 급송 속도가 4m/min이고 릭케린 롤 속도가 2,500 rev/min를 갖는다. 출력 속도는 6.5 m/min이다.

그 다음에 오픈된 섬유는 종래의 웨브 형성 기계장치[미국 뉴욕주 마세돈의 란도 머신 회사로부터 상표 표시 "란도 웨버(Rando Webber)"로 상용으로 입수 가능] 내로 급송되며, 섬유는 연속 웨브를 형성하도록 다공 금속 롤 위로 부풀려진 다. 그 다음에 연속 웨브는 종래의 니들 택커(needle tacker) 상에 니들 접합된다. 니들 속도는 100 사이클/분이고 출력 속도는 1.1 m/min이다. 장착 매트의 "영역당 하중(weight per area)"은 필요에 따라 조정될 수 있다. "영역당 하중"의 값이 시험 결과에 사실상 영향을 미치는 시험에서, 이 파라미터는 시험 결과와 함께 표시된다. 예1의 장착 매트의 조성은 아래 표1에서 요약된다.

예1의 매트는 시험 방법(Test Methods) 이하에서 상술된 RCFT 방법에 따라 시험된다. 3개의 데이터의 집단이 발생되고, 3개의 사이클 각각이 표시된다. 예1의 장착 매트는 검사된 온도 범위에 걸쳐 매우 균일한 압력을 보여주고 제 위치에 단일체를 고정되게 유지시키는데 필요한 최소 압력(약 40kPa) 이상의 적절한 압력을 제공한다. 예1을 위한 RCFT 데이터는 도2에 도시된다. 도2에서, X축은 시뮬레이트된 단일체 온도와 시뮬레이트된 스킨 온도를 위한 온도 눈금(scale)을 나타낸다. 단일체 온도에 있어서, 도1에 나타낸 온도 범위는 'A'로 표시된 라인에서 20 내지 300℃이고 ('B'로 표시된 라인에서) 300 내지 50 ℃이다. 시뮬레이트된 스킨 온도에서, 범위는 각각 20 내지 100℃이고 100 내지 25℃이다. 라인 A 및 B 사이의 간격은 샘플이 최대 온도로 유지되는 15분의 기간을 지시한다. Y축은 측정된 온도를 나타낸다. 눈금은 0 내지 500kPa이다. 곡선 1 내지 3은 각각 1차 내지 3차 사이클의 결과를 나타낸다. 시힘된 전체 온도 범위에 걸쳐서 적절한 유지력은 도2에 도시된 바와 같이 발견된다.

예1의 매트는 또한 시험 방법 이하에서 상술된 바와 같이 고온 진동 시험을 받게 되었다. 고온 진동 시험은 2개의 온도, 즉 300℃ 및 500℃, 각각에서 수행되 었다. 300℃에서, 예1의 매트는 72시간 후에 파손되지 않았다. 500℃에서, 예1은 80시간 후에 파손되지 않았다. 고온 진동 시험은 표2에서 아래에 요약된다.

예2

예2는 E-유리 섬유[미국 사우스캐놀라이나주 아이켄에 소재하는 어드밴스드 글래스파이버 얀스 엘엘씨(AGY)로부터 입수 가능한 직경이 약 9㎛이고 길이가 25.4mm(1인치)로 잘게 잘려진 유리 스트랜드]가 채택되는 것을 제외하고 예1에 기술된 방법에 의해 준비된다. 예2의 매트의 조성은 표1에 요약된다.

예2의 매트에의 시험은 주기성 압축 시험을 포함한다. 결과는 표3에 요약되고, 디젤 공해 제어 장치 온도(즉, 평균 매트 온도가 250℃)에서, 매트가 1000 압축 사이클 이후 그 원래 압력의 86.3%를 유지한다는 것을 보여준다.

예2는 예1에 사용된 바와 같은 동일한 조건을 이용한 RCFT에서 또한 시험된다. 예2는 전체 온도 범위에 걸쳐서 적정한 유지력이 유지된다.

예3

세인트-고바인 베트로텍스(Saint-Gobain Vetrotex)로부터 입수된 직경이 10㎛이고 길이가 36mm로 잘게 잘려진 R-유리 섬유(SiO₂ 60%, Al₂O₃ 25%, CaO 9%, 및 MgO 6%)는 예1에서 기술된 방법에 의해 웨브로 처리된다. 예4의 매트의 조성은 표1에서 요약된다.

예3의 R-유리 매트에의 시험은 주기성 압축 시험을 포함한다. 결과는 아래 표3에서 요약되고 디젤 공해 제어 장치 온도(즉, 평균 매트 온도가 250℃)에서, 매 트가 1000 압축 사이클 이후 그 원래 압력의 95.5%를 유지한다는 것을 보여준다.

추가적으로, RCFT 시험은 단일체를 위한 시뮬레이트된 온도 범위가 스킨에서 25℃ 내지 500℃ 및 25 내지 200℃인 것을 제외하고 예1의 매트에 관해서 동일한 방식으로 예3의 매트에 실행된다. 예3은 전체 온도 범위에 걸쳐서 적절한 유지역을 유지한다.

예4

2개의 층 매트는 별도로 준비된 2개의 층을 함께 적층시킴으로써 준비된다. 제1층은 R-유리를 포함한다. 제2층은 E-유리를 포함한다. 2개의 층은 니들 접합에 의해 구성된다. 이 방식으로 형성된 장착 매트는 다른 조성의 유리의 2개의 별개 층을 갖는다. 예4의 2개의 층 매트의 조성은 표1에 요약된다.

예4의 2개의 층 매트는 예3의 온도 조건을 이용하는 RCFT 시험을 받게 된다. 예4의 장착 매트는 전체 온도 범위에 걸쳐서 적절한 유지력을 유지한다.

예5

2개의 층 매트는 별도로 준비된 2개의 층을 함께 적층시킴으로써 준비된다. 제1층은 S-2 유리를 포함한다. 제2층은 E-유리를 포함한다. 2개의 층은 니들 접합에 의해 구성된다. 이 방식으로 형성된 장착 매트는 다른 조성의 유리의 2개의 별개 층을 갖는다. 예5의 매트의 조성은 표1에 요약된다.

예5의 매트는 주기성 압축 시험을 받게 된다. 결과는 표3에서 요약되고, 디젤 변환기 온도(즉, 평균 매트 온도가 250℃)에서, 매트가 1000 압축 사이클 이후 그 원래 압력의 82.2%를 유지한다는 것을 보여준다.

비교예1

비교예1(C1)은 독일 브란드-에르비스도르프(Brand-Erbisdorf)에 소재하는 벨켐 파이버 매터리얼스 게엠바하(Belchem Fiber Materials GmbH)로부터 입수된 섬유 직경이 9 미크론(micron)인 벨코텍스 실리카(Belcotex silica) 섬유로 이루어진 결합제(binder)가 없는 부직포 섬유를 포함한다.

이 재료는 0.4 g/㎤의 장착 밀도에서 실조건 부착 시험(Real Conditions Fixture Test, RCFT)을 받게 된다. 사용된 온도 범위는 상기 예3에서 사용된 바와 동일하다. 시험 결과는 곡선 C1에 의해 도3에서 도시된다. 도3은 제3 사이클 결과를 보여준다. 예1의 매트는 이 비교예1의 매트를 위한 RCFT 시험에서 사용된 바와 동일한 조건이 되고 도3에서 곡선 1로서 도시된다. 비교예1의 매트는 시뮬레이트된 조건 하에 제 위치에서 단일체를 유지하도록 충분한 압력을 유지하지 못하는 반면에 예1의 매트는 단일체를 유지하기에 충분한 압력을 유지한다는 것을 도3으로부터 알 수 있다.

비교예2

비교예2(C2)는 미국 버지니아주 알트비스타(Altvista)에 소재하는 BGF 인더스트리로부터 명칭이 실코소프트^TM(Silcosoft^TM)로서 사용으로 입수 가능한 실리카 섬유로 이루어진 결합제가 없는 부직포 섬유를 포함한다. 매트 내의 섬유는 평균 직경이 9 미크론이다.

이 재료는 0.4 및 0.45 g/㎤의 장착 밀도에서 비교예1의 시뮬레이트된 온도 조건을 이용하는 실조건 부착 시험(RCFT)을 받게 된다. 제3 사이클의 시험 결과는 곡선 C2a(0.45 g/㎤ 장착 밀도) 및 C2b(0.40 g/㎤ 장착 밀도)로서 도3에서 도시되고, 비교예2의 매트가 디젤 엔진에 대해 이들을 시뮬레이팅하는 조건 하에서 제 위치에 단일체를 유지시키기에 충분한 압력을 유지하지 못함을 보여준다. 도3에서 Y축은 0 내지 600 kPa의 눈금을 갖는 압력을 나타낸다.

비교예3

비교예3(C3)은 상용으로 입수 가능한 팽창성 공해 제어 장치 장착 매트를 포함한다. 이것은 약 55%의 비팽창된 질석(vermiculite), 약 37%의 섬유, 및 약 8%의 유기 결합제를 포함한다. 섬유는 길이가 0.5인치(12.7mm) 이하이고 직경이 약 2 내지 3 미크론인 용융 형성된 비결정의 샷 함유(shot-containing) 알루미나/실리카 섬유이다.

비교예3은 300℃에서 고온 진동 시험에 따라 시험되었다. 샘플은 8시간 이후 파손되었다. 고온 진동 시험 결과는 표2에서 요약된다. 비교예3은 주기성 압축 시험에서 또한 시험되었다. 결과는 표3에서 보여지고 디젤 공해 제어 장치 온도(즉, 평균 매트 온도가 250℃)에서, 매트가 받아들일 수 없게 낮은 1000 사이클 이후 그 원래 압력의 25.3%만을 유지한다는 것을 보여준다.

비교예3은 예1의 온도 조건을 이용하는 RCFT 시험에서 또한 시험되었다. 제1 사이클 이후 받아들일 수 없게 낮은 유지력이 주목된다.

비교예4

비교예4(C4)는 상용으로 입수 가능한 감소된 질석 팽창성 공해 제어 장치 장 착 매트를 포함한다. 이것은 약 37%의 비팽창된 질석, 약 54%의 섬유, 및 약 9%의 유기 결합제를 포함한다. 섬유는 비교예3의 것과 동일하다.

비교예4는 300℃ 및 500℃ 모두에서 고온 진동 시험에 따라 시험되었다. 샘플은 300℃에서 8시간 이후 파손되었고 500℃에서 18시간 이후 파손되었다. 고온 진동 시험 결과는 표2에서 요약된다.

비교예5

비교예5(C5)는 미국 조지아주 오거스타에 소재하는 서멀 세라믹스(Thermal Ceramics)로부터 카오울 벌크 섬유(Kaowool Bulk Fibers)로서 입수 가능한 용융 형성된 비결정의 샷 함유 알루미나 실리케이트 섬유로부터 준비된 웨트 레이드(wet laid) 매트를 포함한다. 섬유는 직경이 약 2 내지 3 미크론이고 길이가 약 0.5인치(12.7mm)이다.

비교예5는 시험 방법 이하에 상술된 주기성 압축 시험에 따라 시험되었고, 디젤 엔진용 공해 제어 장치에서 사용하기에 적합하지 않는 49.8%의 보유율을 나타낸다. 주기성 압축 시험 결과는 표3에서 요약된다.

비교예6

비교예6(C6)은 밀도가 0.2 g/㎤(12 lb/ft3)인 울트라펠트^TM(Ultrafelt^TM) 페이퍼로서 영국 메르세이사이드 위렐(Merseyside Wirrel)에 소재하는 서멀 세라믹스 UK 리미티트(Thermal Ceramics UK Lmtd.)로부터 상용으로 입수 가능한 "결합제 없는 부직포 매트 재료(a non-woven binder-free mat material)"를 포함한다. 매트 는 알루미나/실리카 섬유(Al₂O₃ 47% 및 SiO₂ 53%)의 니들 접합된 매트이다. 매트의 제조사의 기술적 데이터 시트에 따라, 섬유는 일반적으로 사용된 페이퍼 제작에서 보다 더 긴 길이를 갖는다. 이것은 0.5인치(12.7mm) 이상의 길이를 가질 수도 있다.

비교예6은 시험 방법 이하에 상술된 주기성 압축 시험에 따라 또한 시험되었고, 받아들일 수 없게 낮은 41.2%의 보유율을 나타낸다.

주기성 압축 시험 결과는 표3에서 요약된다.

비교예7

비교예7(C7)은 높은 알루미나 다결정 세라믹 섬유로 이루어진 상용으로 입수 가능한 비팽창성 공해 제어 장치 장착 매트를 포함한다. 섬유는 사실상 샷이 없게 되고 평균 직경이 3 미크론이다.

비교예7은 시험 방법 이하에 상술된 주기성 압축 시험에 따라 또한 시험되었고, 보유율이 81.1%를 나타낸다. 주기성 압축 시험 결과는 표3에서 요약된다. 이들 매우 값비싼 섬유의 보유율은 용납될 수 있지만, 본 발명에 충실하지 않다.

표 1: 본 발명에 따른 장착 매트의 조성의 요약

표 2: 고온 진동 시험 결과의 요약

표 3: 주기성 압축 시험 결과의 요약

Claims

공해 제어 장치의 케이싱 내에 공해 제어 요소를 장착시키기 위한 매트이며, 상기 매트는 5㎛ 이상의 수 평균 직경과 0.5㎝ 내지 15㎝의 길이를 갖는 잘게 잘려진 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유를 상기 매트의 총중량을 기준으로 적어도 90 중량%를 포함하는 비팽창성 매트이고, 상기 유리 섬유는 니들 천공되거나 스티치 접합되고, 상기 매트는 유기 접합제가 없거나 사실상 없고 상기 잘게 잘려진 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유로 된 적어도 두 개의 층으로 구성되며, 상기 적어도 두 개의 층은 그들의 마그네슘 알루미늄 실리케이트 유리 섬유 조성이 다른 것인 매트.
제1항에 있어서, 상기 유리 섬유 조성은 유리 섬유의 길이, 유리 섬유의 평균 직경, 및 유리 섬유의 화학 조성 중 적어도 하나가 다른 것인 매트.
제1항에 있어서, 상기 유리 섬유는 상기 유리 섬유의 총중량을 기준으로 10 내지 30 중량%의 산화 알루미늄, 52 내지 70 중량%의 이산화 규소 및 1 내지 12 중량%의 산화 마그네슘을 포함하며, 산화 알루미늄, 이산화 규소 및 산화 마그네슘의 중량 비율은 Al₂O₃(산화 알루미늄), SiO₂(이산화 규소) 및 MgO(산화 마그네슘)으로서 이론적 기준에 의해 각각 계산되는 매트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 부직포 장착 매트로 케이싱 내에 배열되는 공해 제어 요소를 포함하는 공해 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 층 중 하나는 상기 케이싱과 접촉하고 E-유리 섬유를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 층 중 다른 하나는 상기 공해 제어 요소와 접촉하고 S-유리 섬유, S-2 유리 섬유, R-유리 섬유 및 그 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 공해 제어 장치.
제4항에 따른 공해 제어 장치 및 디젤 엔진을 포함하는 기계 장치.
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