KR101174113B1 - 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터 - Google Patents

매연 저감 장치용 메탈 폼 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터에 관한 것으로 매연 등의 축적에 의한 필터의 압력 증가를 방지하기 위한 메탈 폼 필터에 관한 것이다.
본 발명에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 차압 증가를 방지하도록 배기 가스의 흐름 방향을 따라 형성된 복수개의 홀;을 포함한다.

Description

매연 저감 장치용 메탈 폼 필터{METAL FOAM FILTER FOR DIESEL PARTICULATE FILTER TRAP}
본 발명은 배기 가스 후처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터에 관한 것이다.
내연 기관의 연소로 배출되는 배기가스에는 질소산화물(NOx), 이산화탄소, 애쉬(ass) 등 여러 가지 유해 성분이 포함되어 있으며, 이들 유해 성분을 제거하기 위한 장치나 방법들이 고안되어 왔다.
특히, 디젤엔진용 차량에서는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter trap: DPF) 등의 배기가스 여과 장치 또는 후처리 장치를 사용하여 입자상 물질(particulate matter) 등을 제거하고 있다.
디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter trap: DPF)는 디젤엔진에서 배출되는 입자상물질(PM; particulate matter )을 필터로 포집한 후 이것을 태우고(재생) 다시 입자성물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능 면에서는 아주 우수하나 내구성과 경제성이 실용화의 장애요인으로 작용하고 있다.
디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF)의 반복적인 사용을 위해서는 재생(regeneration)이 필요하고, 재생을 위해 촉매를 사용하기 위해서는 배기가스의 온도가 260도 이상 유지되어야 촉매 반응에 의해 입자상 물질이 분해된다. 그런데, 도시를 주행하는 차량의 경우 잦은 운행 정지로 인해 이 온도에 도달하기 어려워 재생이 불완전하게 되는 문제가 있다.
이와 같이, 도심 주행으로 재생이 불완전하게 되는 경우, 또한 필터에 입자성물질이 포집됨에 따라 엔진에 배압이 걸리며 이것에 의하여 출력이 감소하고 연료소비율이 증가하여 이를 보완하는 기술이 필요하다.
이처럼 촉매 재생이 어려운 운행 조건을 가진 차량에 부착되는 배기 후처리 장치용 필터의 경우 입자상물질 축적에 의해 차압이 빠르게 증가하여 차량 출력에 영향을 미치게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 도심 주행 등으로 재생이 불완전하여 필터에 입자성물질이 과도하게 포집되는 것을 방지하는 필터를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터는 차압 증가를 방지하도록 배기 가스의 흐름 방향을 따라 형성된 복수개의 홀을 포함할 수 있다.
상기 메탈 폼 필터는 상기 홀이 형성된 복수개의 메탈 시트(metal sheet)가 상기 배기 가스의 흐름 방향을 따라 적층되어 형성될 수 있다.
상기 메탈 시트는 0.5 mm 내지 3mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 메탈 폼 필터는 10㎛ 내지 1,000㎛ 의 평균 기공이 형성될 수 있다.
상기 메탈 시트는 배기 가스가 흐르는 방향을 따라 상기 기공의 크기가 감소하도록 형성될 수 있다.
상기 홀의 지름은 상기 평균 기공의 1.5배 이상으로 할 수 있다.
상기 홀은 상기 지름의 1.5배 이상 이격되어 형성될 수 있다.
상기 홀은 일면 길이가 상기 평균 기공의 1.5배 이상인 것으로 할 수 있다.
상기 홀은 상기 일면 길이의 1.5배 이상 이격되어 형성될 수 있다.
상기 홀의 면적은 상기 메탈 시트 전체 면적의 10% 내지 90%인 것으로 할수 있다.
상기 메탈 시트는 상기 각 메탈 시트의 홀이 연결되도록 적층될 수 있다.
상기 홀은 상기 메탈 폼 필터의 입구부와 출구부를 연결하도록 형성될 수 있다.
상기 각 메탈 시트의 홀이 인접하는 메탈 시트에 의하여 적어도 일부분이 막히도록 상기 메탈 시트가 적층될 수 있다.
상기 인접하는 메탈 시트에 의하여 막히는 상기 홀의 단면적은 상기 홀의 단면적의 10% 이하인 것으로 할 수 있다.
상기 메탈 시트는 연결된 상기 홀이 일정한 형상을 유지하도록 일정한 규칙을 갖고 적층될 수 있다.
상기 메탈 폼 필터는 상기 메탈 시트를 브레이징(brazing) 에 의하여 일체로 결합하여 형성할 수 있다.
상기 메탈 폼 필터는 상기 메탈 시트를 소결(sintering)에 의하여 일체로 결합하여 형성할 수 있다.
상기 메탈 폼 필터에는 귀금속 촉매 또는 제올라이트 촉매가 포함될 수 있다.
상기 귀금속 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제올라이트 촉매는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매로 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터에 의하면 차압 증가를 방지하도록 배기 가스의 흐름 방향을 따라 형성된 복수개의 홀이 형성되어 차압이 과도하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.
필터의 과도한 차압 증가를 방지하여 엔진 출력 저하와 연료 소비 증가를 방지할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 정면도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 메탈 시트의 적층을 도시한 단면도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 홀을 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 변형예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 홀을 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 변형예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 메탈 시트의 적층을 도시한 단면도이다.
도6은 본 발명의 다른 변형예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 메탈 시트의 적층을 도시한 단면도이다.
도7은 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 확대도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 정면도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 메탈 시트의 적층을 도시한 단면도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터(10)에는 차압 증가를 방지하도록 배기 가스의 흐름 방향을 따라 형성된 복수개의 홀(40)이 형성된다.
여기서 상기 필터(10)는 DPF (Diesel Particular Filter trap: 50)를 형성하며, 마운팅 브라켓(52)에 의하여 체결될 수 있다.
메탈 폼(Metal Foam)은 복잡한 유로를 가지고 있어 입자상 물질이 포함된 배기가스가 통과하면서 충돌, 간섭, 정전인력 등에 의해 입자상 물질이 여과되는 특성이 있다.
도7은 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 확대도이다.
메탈 폼 필터는 다른 종류의 필터에 비하여 그 무게가 가볍고, 그 형상 변형이 상대적으로 자유롭다.
또한, 상대적으로 고압, 고열에 적합하여 배기가스가 직접 전달되어도 변형이잘 일어나지 않고 입자상 물질의 제거가 용이하며, 따라서, 엔진으로부터 직접 배기가스를 공급받아 이를 여과할 수 있다.
도7에 도시된 바와 같이, 메탈 폼 필터는 복잡한 유로를 구성하여 매연 등의여과에 보다 효율적이며, 필터에 입자상 물질이 축적되더라도 기공이 계속 유지되므로 차압 증가속도가 낮아 장시간 입자상 물질이 필터에 축적되더라도 차압 증가에 의한 차량 엔진 출력 감소 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.
재생을 위해 촉매를 사용 시, 배기가스의 온도가 260도 이상 유지되어야 촉매 반응에 의해 입자상 물질이 분해되는데, 도시를 주행하는 차량의 경우 잦은 운행 정지로 인해 이 온도에 도달하기 어려운 문제가 있다.
이처럼 촉매 재생이 어려운 운행 조건을 가진 차량에 부착되는 배기 후처리 장치용 필터의 경우 입자상물질 축적에 의해 차압이 빠르게 증가하여 차량 출력에 영향을 미치게 되는데, 이를 방지하기 위하여, 도2에 도시된 바와 같이, 필터가 완전히 막혀있지 않도록 상기 홀(40)을 상기 메탈 폼 필터(10)에 형성한다. 따라서, 상기 홀(40)을 통해 소량의 배기 가스가 흐르게 되어 필터가 완전히 막혀 차압이 급격히 증가하는 현상을 방지할 수 있다.
상기 메탈 폼 필터(10)는 상기 복수 개의 홀(40)이 각각 배기 가스의 흐름 방향을 따라 형성된 복수개의 메탈 시트(metal sheet; 12, 14, 16,18)가 상기 배기 가스의 흐름 방향에 수직하게 적층되어 형성될 수 있다.
상기 메탈 시트(12, 14, 16,18)는 0.5 mm 내지 3mm의 두께를 가질 수 있으며, 복수개의 메탈 시트를 적층하여 배기 가스의 흐름 상태에 따라 성질이 다른 메탈 시트를 배치하여 다양한 형태/크기의 입자상 물질을 흡수하고 다양한 유해 배기가스의 정화가 가능해진다.
상기 메탈 폼 필터(10)는 10㎛ 내지 1,000㎛ 의 평균 기공(porous)이 형성될 수 있다.
상기 메탈 시트(12, 14, 16,18)는 배기 가스가 흐르는 방향을 따라 상기 기공의 크기가 감소하도록 형성될 수 있다. 즉, 배기 가스의 흐름 방향에 따라 기공의 크기를 감소시켜 보다 큰 입자상 물질은 흐름 방향의 상류에서 흡착하고, 상대적으로 작은 크기의 입자상 물질은 흐름 방향의 하류에서 흡착하여 차압(differential pressure) 증가를 방지할 수 있다.
상기 메탈 시트(12, 14, 16,18)는 상기 각 메탈 시트의 각각의 홀(40)이 인접하는 상기 메탈 시트(12, 14, 16, 18)의 각각의 홀(40)과 연결되도록 적층될 수 있다.
즉, 도2에 도시된 바와 같이, 각 메탈 시트의 홀(40)이 연통하도록 하여 배기 가스가 막힘 없이 흐르도록 할 수 있다.
상기 홀(40)은 상기 메탈 폼 필터(10)의 입구부(20)와 출구부(30)를 연결하도록 형성되어 배기 가스의 일부가 상기 홀(40)을 통해 빠져 나갈 수 있다.
상기 각 메탈 시트의 홀(40)이 인접하는 메탈 시트(12, 14, 16,18)에 의하여 적어도 일부분이 막히도록 상기 메탈 시트(12, 14, 16,18)가 적층될 수 있다.
도2에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 인접하는 메탈 시트(18)에 의하여 막히는 상기 홀(40)의 단면적(B)은 상기 홀(A)의 단면적의 10% 이하로 할 수 있다.
즉, 첫번째 메탈 시트(12)의 단면 "A"는 인접하는 메탈 시트(18)에 의하여 막히는 단면 "B"이 10% 이하로 하여 상기 홀(40)을 통과하는 배기 가스의 일부는 그대로 통과하며, 일부는 와류(votex)를 형성하며 각 메탈 시트(12, 14, 16,18)를 통과하여 여과될 수 있어 배기 흐름 속도를 유지하며 배기가스의 일부의 정화가 가능해진다.
도3은 본 발명의 실시예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 홀을 도시한 도면이고, 도4는 본 발명의 변형예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 홀을 도시한 도면이다.
도3에 도시된 바와 같이, 상기 홀(40)은 일면 길이(C)가 상기 평균 기공의 1.5배 이상인 것으로 할 수 있으며, 이는 배기 가스가 막히지 않고 통과하는 최소한의 단면을 확보하기 위한 것으로, 상기 홀(40)은 사각 형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다각형의 형상도 구현이 가능하다.
상기 홀(40)은 상기 일면 길이(C)의 1.5배 이상 이격되어 형성될 수 있으며, 이는 상기 홀(40)이 형성되는 최소한의 간격(D)으로 배기 가스의 정화와 배기 가스의 막힘을 방지하는 최소한의 이격 거리이다.
도4에 도시된 바와 같이, 홀(41)을 원형으로 형성할 수도 있으며, 상기 홀(41)의 지름(E)은 상기 평균 기공의 1.5배 이상으로 할 수 있다.
상기 홀(41)은 상기 지름(E)의 1.5배 이상 이격(F)되어 형성될 수도 있다.
면적비로 하면, 상기 홀(40,41)의 면적은 상기 메탈 시트(12, 14, 16, 18) 전체 면적의 10% 내지 90%인 것으로 할 수 있으며, 이는 배기 가스가 막히지 않고 통과하는 최소한의 단면을 확보하기 위한 것이다.
도5는 본 발명의 변형예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 메탈 시트의 적층을 도시한 단면도이고, 도6은 본 발명의 다른 변형예에 의한 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터의 메탈 시트의 적층을 도시한 단면도이다.
도5와 도6에서는 설명의 편의를 위하여 앞서 설명한 본 발명의 제1 실시예와 동일한 참조번호를 사용하기로 한다.
도2, 도5 및 도6을 참조하면, 상기 메탈 시트(12, 14, 16, 18) 는 연결된 상기 홀이 일정한 형상을 유지하도록 일정한 규칙을 갖고 적층될 수 있다.
즉, 도2와 같이, 짝수 번째 메탈 시트(14,18)와 홀수 번째 메탈 시트(12,16)가 일정한 패턴으로 적층될 수도 있고, 도5와 같이, 하나의 패턴(12,14,16,18), 즉 일방향으로 편향되도록 적층될 수도 있고, 도6과 같이 일정한 패턴을 반복하도록, 즉, 상기 홀(40,41)이 지그재그(zigzag) 형상으로 적층되도록 할 수도 있다.
이러한 패턴(pattern)은 배기 가스의 흐름이 일정 수준을 유지하면서도 일부가 상기 메탈 시트(12, 14, 16, 18)로 흐르도록 하여 정화가 가능해지도록 한다.
상기 메탈 폼 필터(10)는 상기 메탈 시트(12, 14, 16, 18)를 브레이징(brazing)에 의하여 일체로 결합하여 형성할 수 있으며, 상기 메탈 폼 필터(10)가 일체로 형성되어 배기 가스의 유출을 차단하고, 매연 저감 장치(DPF) 장치 구성이 용이해진다.
상기 메탈 폼 필터(10)는 상기 메탈 시트(12, 14, 16, 18)를 소결(sintering)에 의하여 일체로 결합하여 형성할 수도 있다.
상기 메탈 폼 필터에는 귀금속 촉매 또는 제올라이트 촉매가 포함될 수 있다.
상기 귀금속 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제올라이트 촉매는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매로 할 수 있다.
상기 촉매는 메탈 폼 필터(10)에 입자로 포함되거나 코팅 등 다양한 형태로 포함될 수 있으며, 배기 가스 내의 총 탄화수소(Total Hydrocarbon: THC)와 일산화탄소(Carbon Monoxide; CO)를 산화시킬 수도 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 메탈 폼 필터 12,14,16,18: 메탈 시트
20: 입구부 30: 출구부
40,41: 홀 50: DPF
52: 마운팅 브라켓

Claims (20)

  1. 배기 가스의 흐름 방향에 수직하게 적층되며, 복수 개의 홀이 각각 형성된 복수 개의 메탈 시트;
    를 포함하되,
    상기 각각의 홀은 인접하는 메탈 시트의 각각의 홀과 연통하도록 배기 가스의 흐름 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 메탈 시트는
    0.5 mm 내지 3mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  4. 제1항에서,
    상기 메탈 폼 필터는 10㎛ 내지 1,000㎛ 의 평균 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  5. 제4항에서,
    상기 메탈 시트는
    배기 가스가 흐르는 방향을 따라 상기 기공의 크기가 감소하도록 형성된 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  6. 제4항에서,
    상기 홀의 지름은 상기 평균 기공의 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  7. 제6항에서,
    상기 홀은
    상기 지름의 1.5배 이상 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  8. 제4항에서,
    상기 홀은
    일면 길이가 상기 평균 기공의 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  9. 제8항에서,
    상기 홀은 상기 일면 길이의 1.5배 이상 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  10. 제1항에서,
    상기 홀의 면적은 상기 메탈 시트 전체 면적의 10% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  11. 삭제
  12. 제1항에서,
    상기 홀은 상기 메탈 폼 필터의 입구부와 출구부를 연결하도록 형성된 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  13. 제1항에서,
    상기 각 메탈 시트의 홀이 인접하는 메탈 시트에 의하여 적어도 일부분이 막히도록 상기 메탈 시트가 적층되는 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  14. 제13항에서,
    상기 인접하는 메탈 시트에 의하여 막히는 상기 홀의 단면적은 상기 홀의 단면적의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  15. 제12항에서,
    상기 메탈 시트는 연결된 상기 홀이 일정한 형상을 유지하도록 일정한 규칙을 갖고 적층되는 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  16. 제1항, 제3항, 제3항 내지 제10항, 제12항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 메탈 폼 필터는 상기 메탈 시트를 브레이징(brazing) 에 의하여 일체로 결합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  17. 제1항, 제3항, 제3항 내지 제10항, 제12항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 메탈 폼 필터는 상기 메탈 시트를 소결(sintering)에 의하여 일체로 결합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  18. 제1항, 제3항, 제3항 내지 제10항, 제12항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 메탈 폼 필터에는 귀금속 촉매 또는 제올라이트 촉매가 포함된 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  19. 제18항에서,
    상기 귀금속 촉매는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 텅스텐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 구리, 아연을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
  20. 제18항에서,
    상기 제올라이트 촉매는 구리, 백금, 망간, 철, 코발트, 니켈, 아연, 은, 세륨, 갈륨 중 적어도 하나 이상의 원소가 이온 교환된 촉매인 것을 특징으로 하는 매연 저감 장치용 메탈 폼 필터.
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