KR101340519B1 - 배기가스 여과 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 여과 장치에 관한 것으로, 배기관과 연결된 외부 케이스;
상기 외부 케이스와 결합하는 제1 플랜지 및 제2 플랜지를 통해 상기 외부 케이스 내에 장착되며, 그 내측에는 배기 가스가 흐르는 제1 배기 가스 통로가 형성되고, 상기 외부 케이스와의 사이에 제2 배기 가스 통로가 형성되도록 상기 외부 케이스와 이격되어 구비되는 여과유닛(filtering unit); 및 상기 여과유닛에 입자상 물질이 퇴적되면 배기가스를 외부로 원활하게 배출하여 배기가스 압력에 의한 파손을 방지하도록 상기 여과 유닛과 나란하게 구비되는 압력 유지 필터;를 포함한다.

Description

배기가스 여과 장치{EXHAUST GAS FILTER}
본 발명은 배기가스 여과 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기 가스 여과 장치 내에 포집된 입자상 물질이 증가하여 배기 가스 여과 장치 내의 압력이 과도하게 증가할 경우, 배기가스를 우회 배출하여 배기가스 여과장치의 파손을 방지할 수 있는 배기가스 여과 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 연소로 배출되는 배기가스에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM), 이산화탄소(CO2) 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: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC)등의 배기가스 여과 장치 또는 후처리 장치를 사용하여 입자상 물질(particulate matter) 등을 제거하고 있다.
도7은 일반적인 배기가스 여과 장치를 나타내는 개략도이다.
도7에 도시된 바와 같이, 배기가스는 다공성 튜브(10)의 외주면을 둘러싼 여과체(20)를 거치면서 여과된다. 여과된 배기가스는 배기가스 통로(30)를 지나 외부로 배출된다.
그러나, 배기가스 여과 장치를 장시간 사용하게 되면, 입자상 물질 등의 과도한 포집으로 여과장치 내의 압력 상승을 유발하여 여과장치가 파손되거나 엔진의 성능을 저감 시키는 원인이 되기도 한다.
본 발명은, 배기 가스 여과 장치 내에 포집된 입자상 물질이 증가하여 배기 가스 여과 장치 내의 압력이 과도하게 증가하는 것을 방지하여 배기가스 여과장치의 파손을 방지할 수 있는 배기 가스 여과 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 여과장치는 배기관과 연결된 외부 케이스; 상기 외부 케이스와 결합하는 제1 플랜지 및 제2 플랜지를 통해 상기 외부 케이스 내에 장착되며, 그 내측에는 배기 가스가 흐르는 제1 배기 가스 통로가 형성되고, 상기 외부 케이스와의 사이에 제2 배기 가스 통로가 형성되도록 상기 외부 케이스와 이격되어 구비되는 여과유닛(filtering unit); 및 상기 여과유닛에 입자상 물질이 퇴적되면 배기가스를 외부로 원활하게 배출하여 배기가스 압력에 의한 파손을 방지하도록 상기 여과 유닛과 나란하게 구비되는 압력 유지 필터;를 포함할 수 있다.
압력 유지 필터는 원통 형상의 복수 개의 층으로 형성될 수 있다.
상기 압력 유지 필터의 복수 개의 층은 각각 배기 가스의 흐름 방향을 따라 평균 기공의 크기가 작은 것으로 할 수 있다.
상기 압력 유지 필터는 메탈 폼으로 이루어질 수 있다.
상기 압력 유지 필터의 평균 기공의 크기는 800 내지 3000㎛로 할 수 있다.
상기 압력 유지 필터에는 촉매가 담지될 수 있다.
상기 여과유닛(filtering unit)과 상기 압력 유지 필터 사이에 배기가스 흐름을 차단하도록 구비된 가스켓;을 더 포함할 수 있다.
상기 여과유닛은, 상기 외부 케이스의 길이 방향을 따라 구비된 다공성 튜브; 및 상기 다공성 튜브의 외주방향에 구비된 여과체;를 포함할 수 있다.
상기 여과체는 상기 다공성 튜브의 길이 방향을 따라 복수 개로 구비된 원통 형상으로 할 수 있다.
상기 여과체는 상기 다공성 튜브 주위에 복수 개의 층으로 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 층으로 구비된 여과체는 각각 배기 가스의 흐름 방향을 따라 평균 기공의 크기가 작은 것으로 할 수 있다.
상기 여과체는 메탈 폼으로 이루어질 수 있다.
상기 여과체의 평균 기공의 크기는 200 내지 3000㎛로 할 수 있다.
상기 배기가스 여과 장치는 상기 여과체를 감싸도록 구비되는 자켓;을 더 포함할 수 있다.
상기 여과체는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 질소 산화물 제거 장치 (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), 삼원촉매(Three Way Catalyst) 중 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 압력 유지 필터의 배기가스가 흐르는 방향의 두께는 상기 여과체의 배기가스가 흐르는 방향의 두께보다 작은 것으로 할 수 있다.
상기 압력 유지 필터의 길이는 상기 여과체의 길이의 35% 이하로 할 수 있다.
상기 압력 유지 필터의 평균 기공의 크기는 상기 여과유닛의 평균 기공의 크기보다 큰 것으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 여과장치에 의하면, 배기 가스 여과 장치 내에 포집된 입자상 물질이 증가하여 배기 가스 여과 장치 내의 압력이 과도하게 증가하더라도, 배기가스를 우회 배출하여 배기가스 여과장치의 파손을 방지할 수 있으며, 또한 우회하는 배기가스를 일부 여과할 수 있다. 또한, 엔진 부품(EGR, 터보차저 등)의 파손 및 출력저하를 방지할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 단면도이다.
도2 및 도3은 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 일부 사시도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 압력 유지 필터와 여과체의 단면도이다.
도5는 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 압력 유지 필터와 여과체의 사시도이다.
도6은 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 여과유닛의 구성을 도시한 사시도이다.
도7은 일반적인 배기가스 여과 장치를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 단면도이고, 도2 및 도3은 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 일부 사시도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 압력 유지 필터와 여과체의 단면도이고, 도5는 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 압력 유지 필터와 여과체의 사시도이다.
도6은 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 여과유닛의 구성을 도시한 사시도이다.
도1 내지 도6을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치의 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 여과 장치(100)는, 배기관(110)과 연결된 외부 케이스(120), 상기 외부 케이스(120)와 결합하는 제1 플랜지(150) 및 제2 플랜지(155)를 통해 상기 외부 케이스 (120)내에 장착되며, 그 내측에는 배기 가스가 흐르는 제1 배기 가스 통로(147)가 형성되고, 상기 외부 케이스(120)와의 사이에 제2 배기 가스 통로(148)가 형성되도록 상기 외부 케이스(120)와 이격되어 구비되는 여과유닛(filtering unit) 및 상기 여과유닛에 입자상 물질이 퇴적되면 배기가스를 외부로 원활하게 배출하여 배기가스 압력에 의한 파손을 방지하도록 상기 여과 유닛과 나란하게 구비되는 압력 유지 필터(130)를 포함한다.
상기 여과유닛은, 상기 외부 케이스(120)의 길이 방향을 따라 구비된 다공성 튜브(135) 및 상기 다공성 튜브(135)의 외주방향에 구비된 여과체(140)를 포함하며, 상기 여과체(140)를 감싸도록 자켓(160)이 구비될 수 있다.
상기 제2 플랜지(155)에는 제2 플랜지 통로 지지부(157)가 돌출 형성되어, 상기 외부 케이스(120)와 상기 제2 플랜지(155) 사이에는 제2 플랜지 통로(156)가 형성된다.
상기 다공성 튜브(135)와 상기 자켓(160)은 상기 여과체(140)를 지지하며, 배기 가스가 상기 여과체(140)로 원활히 유입될 수 있도록 복수개의 구멍이 형성되어 있고, 열충격에 강한 소재로 형성된다.
상기 제1, 2 플랜지(150,155)와 상기 여과체(140) 사이에는 실링 매트(미도시)가 구비되어 배기 가스 누출을 방지할 수 있다.
상기 여과체(140)는, 도6의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 다공성 튜브(135)의 길이 방향을 따라 여러 개 구비된 원통형 필터(142)로 이루어질 수 있다.
도6의 (b)를 참조하면, 상기 여과체(140)는 상기 다공성 튜브(135) 주위에 여러 층으로 된 필터(144, 146)로 하나 또는 복수 개의 층을 말아 형성할 수 있다. 또한, 도4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 층(140a, 140b, 140c)으로 형성될 수도 있다.
상기 복수 개의 층으로 구비된 여과체(144, 146 또는140a, 140b, 140c)는 각각 배기 가스의 흐름 방향을 따라 평균 기공의 크기가 작은 것으로 할 수 있으며, 따라서, 상기 배기 가스가 상기 여과체(144, 146)를 따라 흐르며 큰 입자상 물질부터 작은 입자상 물질이 차례로 포집되어 여과 효율을 높일 수 있다. 상기 여과체(140)의 평균 기공의 크기는 200 내지 3000㎛인 것으로 다양한 크기의 입자상 물질을 포집할 수 있다.
상기 여과체(140)는 세라믹 재질인 SiC, Cordierite, AT, SiN 등으로 구성할 수도 있고, 금속 재질인 Foil type, foam type, wire mesh type, metal fiber 등으로 구성할 수도 있다.
상기 여과체(140)는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 질소 산화물 제거 장치 (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), 삼원촉매(Three Way Catalyst) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어 질 수 있다.
즉, 상기 여과체(140)를 다른 종류의 필터를 차례로 적층하여 배기 가스에 함유된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 입자상물질(PM), 이산화탄소(CO2) 등 여러 유해 성분을 동시에 여과할 수도 있으며, 이는 DPF, DOC 또는 삼원촉매 등을 따로 설치하는 경우보다 공간을 절약할 수 있으며, 여과 효율을 높일 수 있고, 생산 비용도 절감할 수 있다.
상기 압력 유지 필터(130)는 상기 제1 플랜지(150)와 상기 여과체(140) 사이에 구비되며, 상기 여과유닛(filtering unit)과 상기 압력 유지 필터(130) 사이에 배기가스 흐름을 차단하도록 가스켓(132)이 구비될 수 있다.
또한, 상기 압력 유지 필터(130)는, 도4에 도시된 바와 같이, 원통 형상의 복수 개의 층(130a, 130b)으로 형성될 수도 있고, 하나의 층으로 형성될 수도 있다.
상기 압력 유지 필터(130)의 복수 개의 층(130a, 130b)은 각각 배기 가스의 흐름 방향을 따라 평균 기공의 크기가 작은 것으로 할 수 있다. 도4에는 상기 압력 유지 필터(130)가 2개의 층(130a, 130b)으로 구성된 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 2개 이상의 층으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 압력 유지 필터(130)의 각각의 층(130a, 130b)에 배기 가스의 흐름 방향을 따라 평균 기공의 크기를 다양하게 구성하여 그 내측의 배기 가스의 압력을 일정 범위로 제한할 수 있다. 상기 제한되는 배기가스의 압력 범위는 상기 여과유닛(filtering unit) 등이 파손되지 않으면서 배기가스의 유해성분 저감을 유지할 수 있는 범위로, 엔진의 배기량 등을 고려하여 선택될 수 있다.
상기 압력 유지 필터(130)는 메탈 폼(metal foam)으로 이루어질 수 있으며, 그 이외에 세라믹 재질인 SiC, Cordierite, AT, SiN 등으로 구성할 수도 있고, 금속 재질인 Foil type wire mesh type, metal fiber 등 또는 다양한 금속의 합금폼으로 구성될 수도 있다.
상기 압력 유지 필터(130)의 평균 기공의 크기는 800 내지 3000㎛로 할 수 있으며, 상기 여과체(140)의 평균 기공의 크기 이상으로 할 수 있다.
도4를 참조하면, 상기 압력 유지 필터(130)의 배기가스가 흐르는 방향의 두께(d1-d2)는 상기 여과체(140)의 배기가스가 흐르는 방향의 두께(d1-d3)보다 작은 것으로 할 수 있으며, 상기 압력 유지 필터의 길이(LA)는 상기 여과체(LB)의 길이의 35% 이하로 할 수 있다.
즉, 상기 압력 유지 필터(130)의 상대적인 두께가 너무 두꺼우면, 상기 여과체(140)에 입자상 물질 등이 퇴적되었을 때, 상기 압력 유지 필터(130)로 배기 가스가 우회 배출되지 못하고, 상기 배기가스 여과 장치(100)의 내부압력이 증가하여 장치의 파손 가능성이 있다.
또한, 상기 압력 유지 필터(130)의 상대적인 길이가 너무 길면, 상기 여과체(140)를 통해 배기가스를 필터링 하는 효율이 낮아 질 수 있으므로, 상기 압력 유지 필터(130)의 배기가스가 흐르는 방향의 두께(d1-d2)는 상기 여과체(140)의 배기가스가 흐르는 방향의 두께(d1-d3)보다 작은 것으로 하고, 상기 압력 유지 필터의 길이(LA)는 상기 여과체(LB)의 길이의 35% 이하로 한다.
즉, 상기 압력 유지 필터(130)는 다공성의 메탈 폼으로 상기 여과체(140)가 정상적으로 작동하는 경우에는 배기 가스의 용해성 유기물(Soluble Organic Fraction; SOF), HC 등을 걸러주는 역할을 한다. 즉, 상기 압력 유지 필터(130)는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM; particulate material)을 이루는 카본(carbon), SOF, HC, 황산(sulfate) 등 중 SOF와 HC 등을 저감시킨다. 따라서, 상기 압력 유지 필터(130)는 상기 여과체(140)의 장시간 사용 등으로 입자상 물질(PM) 등이 퇴적되어 상기 여과체(140)가 막히는 경우에도 배기 가스를 배출하는 통로 역할을 하여 상기 여과체(140)의 파손을 방지할 수 있다.
상기 압력 유지 필터(130)는 기공 평균 지름이 800 내지 3000㎛로 하여 정상적인 상황에서 미세한 배기가스의 흐름을 유지함과 동시에 SOF 등을 걸러낼 수 있고, 상기 여과체(140)가 막히는 경우에는 배기가스를 배출할 수 있다. 또한, 상기 압력 유지 필터(130)에는 촉매, 예를 들어 백금(platinum), 로듐(rhodium), 그리고 팔라듐(palladium) 등이 담지되어 SOF 등을 보다 효과적으로 제거할 수도 있다. 상기 촉매는 상기 압력 유지 필터(130)에 담지 될 수도 있고, 상기 압력 유지 필터(130)와 함께 합금 폼 형태로 구성될 수도 있다.
도1을 다시 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 여과장치의 작동 원리를 설명한다.
정상적인 작동 상태에서는 배기가스가 상기 배기관(110), 상기 제1 배기 가스 통로(147), 상기 여과체(140), 상기 제2 배기 가스 통로(148), 상기 배기가스 통로(156)를 통과하여 배출되고, 상기 압력 유지 필터(130)를 통해서는 미량의 배기가스만이 통과되며, 상기 압력 유지 필터(130)를 통해 용해성 유기물이 일부 걸러진다.
그런데, 상기 여과체(140) 내에 입자상 물질(PM) 등이 과도하게 축적되면 배기가스 여과 장치(100) 내의 압력이 크게 증가한다. 이 경우 배기가스 중 일부가 여과체(140)를 통과하지 못한다. 상기 여과체(140)를 통과하지 못하는 배기가스는 상기 압력 유지 필터(130)를 통해 상기 배기가스 여과 장치(100)의 외부로 유출된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 배기가스 여과 장치(100)는 입자상 물질(PM)등이 과도하게 축적되어 배기가스 여과 장치(100) 내의 압력이 과도하게 증가하는 경우에도 배기가스를 우회시켜 배기가스 여과 장치(100)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도1에서는 배기 가스의 흐름 방향이 도면의 좌측에서 우측으로, 즉 아웃워드(outward) 방식의 경우를 도시 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 그 반대 방향으로 배기 가스가 흐르는 경우에도 적용 가능하다.
즉, 도1의 화살표 반대 방향으로, 즉 도면의 우측에서 좌측으로 배기가스가 흐르는 인워드(inward) 방식의 장치에도 동일하게 적용 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 여과장치에 의하면, 차량이나 선박 등에 사용되는 내연기관에서 배출되는 배기 가스의 여러 유해 성분을 효과적으로 제거 하면서도, 배기 가스 여과 장치 내에 포집된 입자상 물질이 증가하여 배기 가스 여과 장치 내의 압력이 과도하게 증가하더라도, 배기가스를 우회 배출하여 배기가스 여과장치의 파손을 방지할 수 있다.
또한 배기가스를 우회 배출함과 동시에 배기가스를 일부 여과할 수 있고 엔진 부품(EGR, 터보차저 등)의 파손 및 출력저하를 방지할 수 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.
110: 배기관 120: 외부 케이스
130: 압력 유지 필터 132: 가스켓
135: 다공성 튜브 140: 여과체
147: 제1 배기 가스 통로 148: 제2 배기 가스 통로
150: 제1 플랜지 155: 제2 플랜지
156: 제2 플랜지 통로 157: 제2 플랜지 통로 지지부
160: 자켓

Claims (18)

  1. 배기관과 연결된 외부 케이스;
    상기 외부 케이스와 결합하는 제1 플랜지 및 제2 플랜지를 통해 상기 외부 케이스 내에 장착되며, 그 내측에는 배기 가스가 흐르는 제1 배기 가스 통로가 형성되고, 상기 외부 케이스와의 사이에 제2 배기 가스 통로가 형성되도록 상기 외부 케이스와 이격되어 구비되는 여과유닛(filtering unit); 및
    상기 여과유닛에 입자상 물질이 퇴적되면 배기가스를 외부로 원활하게 배출하여 배기가스 압력에 의한 파손을 방지하도록 상기 여과 유닛과 나란하게 구비되는 압력 유지 필터;
    를 포함하며,
    상기 여과유닛은,
    상기 외부 케이스의 길이 방향을 따라 구비된 다공성 튜브; 및
    상기 다공성 튜브의 외주방향에 구비된 여과체;
    를 포함하되,
    상기 압력 유지 필터의 배기 가스가 흐르는 방향의 두께는 상기 여과체의 배기가스가 흐르는 방향의 두께보다 작고,
    상기 압력 유지 필터의 평균 기공의 크기는 상기 여과체의 평균 기공의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  2. 제1항에서,
    압력 유지 필터는
    원통 형상의 복수 개의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 압력 유지 필터의 복수 개의 층은 각각 배기 가스의 흐름 방향을 따라 평균 기공의 크기가 작은 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 압력 유지 필터는 메탈 폼으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 압력 유지 필터의 평균 기공의 크기는 800 내지 3000㎛인 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 압력 유지 필터에는 촉매가 담지된 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 여과유닛(filtering unit)과 상기 압력 유지 필터 사이에 배기가스 흐름을 차단하도록 구비된 가스켓;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에서,
    상기 여과체는 상기 다공성 튜브의 길이 방향을 따라 복수 개로 구비된 원통 형상인 배기가스 여과 장치.
  10. 제1항에서,
    상기 여과체는 상기 다공성 튜브 주위에 복수 개의 층으로 구비된 배기가스 여과 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 복수 개의 층으로 구비된 여과체는 각각 배기 가스의 흐름 방향을 따라 평균 기공의 크기가 작은 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 여과체는 메탈 폼으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 여과체의 평균 기공의 크기는 200 내지 3000㎛인 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  14. 제1항에서,
    상기 배기가스 여과 장치는
    상기 여과체를 감싸도록 구비되는 자켓;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  15. 제1항에서,
    상기 여과체는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 질소 산화물 제거 장치 (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), 삼원촉매(Three Way Catalyst) 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.
  16. 삭제
  17. 제1항에서,
    상기 압력 유지 필터의 길이는 상기 여과체의 길이의 35% 이하인 것을 특징으로 하는 배기가스 여과 장치.

  18. 삭제
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