KR101457145B1 - 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법 - Google Patents

비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 미 건조된 세라믹 성형체의 길이방향으로 관통된 복수의 채널 중 일부의 채널 내부에 에어를 분사하여 채널 내부를 길이방향에 걸쳐 균일하게 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법은 비대칭형 금형을 사용하지 않고 채널의 크기 및 모양을 다양하게 형성한다.
분진, 허니컴, 세라믹 성형체, 채널, 비대칭, 에어노즐

Description

비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법{Method for producing ceramic shaped body with asymmetrical channel structure}
본 발명은 세라믹 성형체의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 세라믹 성형체의 일부 채널 내부에 에어를 분사하여 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중의 분진(particulate matter)을 포집하고, 배기가스를 정화하는 필터로 허니컴 형상의 세라믹 성형체가 사용되고 있다.
이러한 필터는 세라믹 분말 및 바인더의 혼합물을 압출하는 단계; 압출된 세라믹 성형체를 건조하는 단계; 건조된 세라믹 성형체를 일정한 길이로 절단하는 단계; 절단된 세라믹 성형체의 배기가스 유입측의 채널 입구 및 배출측의 채널 출구를 플러깅하는 단계; 플러깅 공정 후의 세라믹 성형체를 소성하는 단계; 소성된 다수의 세라믹 성형체를 세라믹 세멘트로 접합하는 단계; 상기 접합체를 원하는 규격 으로 가공하는 단계; 상기 가공물 표면에 외벽재를 처리하는 단계; 및 최종 열처리하는 단계를 거쳐 제조된다.
종래에는 세라믹 성형체의 길이방향으로 관통된 복수의 채널 중 입구측 채널과 출구측 채널의 크기 및 단면형상을 동일하게 형성하였으나, 최근 필터의 재생효율과 수명을 고려하여 출구측 채널에 대한 입구측 채널의 형상과 크기를 비대칭형으로 성형하는 기술이 제안되고 있다.
이는 출구측 채널의 표면적 대비 입구측 채널의 표면적을 증가시켜, 분진 포집 면적을 증가시키고, 재생시 소멸되지 않는 성분이 퇴적되는 공간을 증가시켜, 필터의 사용 가능 수명을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
일본공개특허 제 2006-088556 호는 비대칭형 금형을 제작하여 다양한 크기 및 단면형상을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
그러나 이러한 비대칭형 금형은 대칭형 금형에 비해 최고 10배의 단가를 갖는 고가이며, 제작이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
더욱이 금형은 소모성 부품에 해당하므로, 이러한 고가의 금형을 사용할 경우 필연적으로 필터의 단가도 높아지는 문제점이 있었다.
특히 탄화규소(SiC)계 필터의 경우, 사포의 주 재료인 탄화규소(SiC)로 인해 압출 페이스트의 마모성이 높아 일반 SUS 재질의 금형의 수명이 매우 짧기 때문에, 탄화 텅스텐(WC)과 같은 초경소재를 사용하는데, 초경 소재의 경우 가공이 극히 어려워, 금형 제조에 어려움이 있다.
또한, 금형 마모에 의해 채널 형상이 점차 변화된다면, 생산 시기에 따라 입 구측 채널과 출구측 채널의 표면적 비율에 차이가 발생하여, 제품 성능에 불균일함을 초래할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 대칭형 금형을 사용하여 세라믹 성형체를 압출한 후, 미 건조된 세라믹 성형체에 후처리를 행하여 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 분사되는 공압세기를 달리하여 채널내부로 유동하는 배기가스의 유입면적 및 배출면적을 다양한 비율로 제작함으로써 최적의 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 비대칭 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법은, 미 건조된 세라믹 성형체의 길이방향으로 관통된 복수의 채널 중 일부의 채널 내부에 에어를 분사하여 채널 내부를 길이방향에 걸쳐 균일하게 팽창시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 일 측면에 따른 비대칭 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법에서, 일부의 채널의 일례로는 미 건조된 세라믹 성형체의 인접하는 2 개의 채널 중 어느 한 채널인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 비대칭 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법에서, 일부의 채널의 다른 예로는 미 건조된 세라믹 성형체의 최외각에 형 성된 채널을 제외한 어느 한 열의 홀수번째 채널 및 상기 열과 인접한 열의 짝수번째 채널인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법에서, 에어는 팽창되는 각 채널의 끝단에 대응되는 복수의 에어노즐에 의하여 분사되는 것이 바람직하다.
또한, 각 에어노즐은 대응되는 각 채널의 내부로 왕복 이동할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 각 에어노즐은 분사과정에서 각 채널 외부로 에어가 유출되지 않도록 각 채널 끝단에 밀착되는 것이 바람직하다.
또한, 에어는 각 채널의 제 1 끝단에 대응되는 제 1 에어노즐 및 상기 각 채널의 제 2 끝단에 대응되는 제 2 에어노즐에 의하여 분사되는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 에어노즐 및 제 2 에어노즐은 동일선상에 위치하고, 같은 크기의 공압으로 에어를 분사하는 것이 바람직하다.
또한, 팽창된 각 채널의 내주면은 곡면인 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법은 종래의 대칭형 금형을 사용하여 압출한 후 미건조된 세라믹 성형체에 후처리 공정을 거쳐 낮은 비용으로 세라믹 성형체에 비대칭 채널구조를 형성한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일실시예 따른 비대칭 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법을 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 2 는 도 1 의 세라믹 성형체의 정면도이며, 도 3 은 도 1 의 세라믹 성형체에 에어를 분사하는 측 단면도이다.
도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 세라믹 성형체(100)는 길이방향으로 관통된 복수의 채널(110)이 형성되어 있다.
본 실시예에서 상기 세라믹 성형체(100)는 압출 공정 직후의 미 건조 상태이므로 플렉서블한 상태를 유지하고 있다.
본 실시예에 따른 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법은 이러한 미 건조된 세라믹 성형체(100)의 길이방향으로 관통된 복수의 채널(110) 중 일부의 채널 내부에 에어를 분사하여 채널 내부를 길이방향에 걸쳐 균일하게 팽창시키는 단계를 포함한다.
미 건조된 세라믹 성형체(100)는 유동성이 있으므로, 채널 내부에 에어를 분사하여 채널을 팽창시키는 경우에도 팽창과정 중 균열이 발생하지 않는다.
본 실시예에서는 세라믹 성형체의 각 채널의 단면 형상이 사각형인 것으로 설명하고 있으나, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되지 않으며, 채널의 단면 형 상이 다각형 및 원형인 경우에도 적용된다.
비대칭형 채널구조를 형성하기 위한 일례로 상기 일부의 채널은 인접하는 2 개의 채널 중 어느 한 채널인 것이 바람직하다.
비대칭형 채널구조를 형성하기 위한 다른 예로 상기 일부의 채널은, 미 건조된 세라믹 성형체의 최외각에 형성된 채널을 제외한 어느 한 열의 홀수번째 채널 및 상기 열과 인접한 열의 짝수번째 채널인 것이 바람직하다.
상기와 같은 비대칭형 채널구조를 형성하기 위한 바람직한 실시예를 도 2 에 도시하였다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 미 건조된 세라믹 성형체의 최외각에 형성된 채널을 제외한 어느 한 열의 홀수 번째 채널(110-1, 110-3, 110-5) 및 상기 열과 인접한 열의 짝수 번째 채널(110-2, 110-4) 내부에 에어를 분사하는 것이 바람직하다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 에어는 복수의 에어노즐(150a, 150b)에 의하여 분사되는 것이 바람직하며, 각 에어노즐은 대응되는 각 채널의 내부로 왕복 이동하며 에어를 분사하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 각 채널(110)의 길이방향의 제 1 끝단부(110a)에는 채널 내부로 왕복 이동하는 제 1 에어노즐(150a)에 의하여 에어가 분사되며, 나머지 제 2 끝단부(110b)에는 채널 내부로 왕복 이동하는 제 2 에어노즐(150b)에 의하여 에어가 분사된다.
분사 전 각 에어 노즐(150a, 150b)은 채널 외부로 에어가 유출되지 않도록, 채널 끝단(B)에 밀착되는 것이 바람직하다.
이 과정에서 채널 끝단(B)의 형상은 변화될 수 있고, 변화된 채널의 끝단부 길이는 5 mm이하로 하며, 이 부분은 정치수 절단 공정에서 절단 및 폐기되는 부분이다.
에어노즐은 채널의 단면 크기 및 인접하는 채널사이의 칸막이 벽의 두께를 고려하여 일정한 공압으로 에어를 분사하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 에어노즐(150a) 및 제 2 에어노즐(150b)은 동일선상에 위치하고, 같은 크기의 공압으로 에어를 분사하는 것이 바람직하다.
따라서 내부로 에어가 분사되는 각 채널은 길이방향에 걸쳐 일정한 단면의 크기로 팽창이 되는 것이다.
채널 내부로 일정한 압력으로 에어가 분사되면, 채널 내부는 채널 길이방향과 수직하는 방향으로 서서히 팽창하게 된다.
본 실시예에서와 같이 사각형 모양의 채널 내부에 서서히 공압을 증가시키며 에어를 분사하게 되면, 최종적으로 단면이 원형 모양으로 팽창된다.
이처럼 팽창된 각 채널의 내주면은 곡면인 것이 바람직하다.
채널의 단면이 원형모양으로 팽창된 경우의 공압을 100%라고 했을 때, 공압의 크기를 다양하게 조절하여 채널 단면의 형상 및 크기를 원활하게 조정할 수 있는 것이다.
도 4 는 도 2 의 A 부분에 에어를 분사하여 일부 채널이 팽창된 후의 정면 도이다.
중앙의 위치한 채널을 제외한 나머지 상하채널(110-3) 및 좌우채널(110-2, 110-4)에 에어를 분사하여 팽창시켰다.
이때 중앙의 채널은 인접된 상하 및 좌우 채널이 팽창됨에 따라 단면이 수축하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 에어를 채널 내부에 분사하여 팽창시키는 단계가 끝나면, 비대칭 채널구조가 형성된 세라믹 성형체를 건조하는 단계, 건조된 세라믹 성형체를 소정의 길이로 절단하는 단계, 절단된 세라믹 성형체의 채널 양 종단부에 플러깅 하는 단계 및 플러깅 공정을 마친 세라믹 성형체를 소성하는 단계 등을 거쳐 세라믹 필터가 제조된다.
도 5 는 본 발명에 따른 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체(200) 내의 배기가스 유동을 나타내는 측 단면도이다.
상기와 같은 각 단계를 거쳐 제조된 필터는 세라믹 성형체의 길이방향으로 관통된 각 채널들이 비대칭형 구조로 형성되게 된다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 배기가스는 팽창된 각 채널(210) 내부로 유입되지만, 상기 각 채널의 끝단은 플러깅 작업이 이루어져 막혀 있게 되므로, 배기가스는 유입된 채널로 배출되지 않는다.
이때 인접한 채널 사이에 형성된 벽은 다공질 세라믹 재질이므로 배기가스가 통과하면서 분진 등은 다공질 벽에 포집되며, 정화된 가스만 인접한 채널 내부 를 유동한 후 외부로 배출된다.
팽창된 채널과 인접된 채널은 도 4 에 도시된 바와 같이, 수축된 채널(220)이고, 상기 수축된 채널을 통하여 정화된 가스는 외부로 배출된다.
본 실시예에서는 에어를 분사하여 팽창된 입구측 채널과 상대적으로 수축된 출구측 채널의 표면적 비율은 입구측 채널 직경이 1.1mm, 벽두께가 0.3mm인 경우, 8.1 로 대칭형에 비해 8배 이상의 입구측 면적을 확보하게 된다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일실시예 따른 비대칭 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법을 나타내는 개략적인 사시도.
도 2 는 도 1 의 세라믹 성형체의 정면도.
도 3 은 도 1 의 세라믹 성형체에 에어를 분사하는 측 단면도.
도 4 는 도 2 의 A 부분에 에어를 분사하여 일부 채널이 팽창된 후의 정면도.
도 5 는 본 발명에 따른 비대칭 채널구조를 갖는 세라믹 성형체 내의 배기가스 유동을 나타내는 측 단면도.

Claims (9)

  1. 미 건조된 세라믹 성형체의 길이방향으로 관통된 복수의 채널 중 일부의 채널 내부에 에어를 분사하여 채널 내부를 길이방향에 걸쳐 균일하게 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널 구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 일부의 채널은, 미 건조된 세라믹 성형체의 인접하는 2 개의 채널 중 어느 한 채널인 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널 구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 일부의 채널은, 미 건조된 세라믹 성형체의 최외각에 형성된 채널을 제외한 어느 한 열의 홀수번째 채널 및 상기 열과 인접한 열의 짝수번째 채널인 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    에어는 팽창되는 각 채널의 끝단에 대응되는 복수의 에어노즐에 의하여 분사되는 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각 에어노즐은 대응되는 각 채널의 내부로 왕복 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    각각의 에어노즐은 분사과정에서 각 채널 외부로 에어가 유출되지 않도록 각 채널 끝단에 밀착되는 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    에어는 팽창되는 각 채널의 제 1 끝단부에 대응되는 제 1 에어노즐, 및 상기 팽창되는 각 채널의 나머지 제 2 끝단부에 대응되는 제 2 에어노즐에 의하여 분사되는 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 에어노즐 및 제 2 에어노즐은 동일선상에 위치하고, 같은 크기의 공압으로 에어를 분사하는 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    팽창된 각 채널의 내주면은 곡면인 것을 특징으로 하는 비대칭형 채널구조를 갖는 세라믹 성형체의 제조방법.
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