KR20010021990A - 세라믹 고온-가스 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

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포시스조지다니엘
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도만스키다니엘매튜
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Abstract

다공성 내화성 산화물 세라믹 매트릭스에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 필라멘트-권취된 산화물 세라믹 얀의 다공성 지지물, 및 그것의 적어도 한 표면위에 막 층을 갖는 세라믹 고온-가스 캔들 필터. 막 층은 다공성 지지물의 외면, 내면, 또는 내외면상에 있을 수 있다. 막 층은 원형으로 권취된, 연속적 필라멘트 산화물 얀(b), 필라멘트-권취된 지지물 구조보다 덜 투과성인 세라믹 충전재 재료(d), 또는 연속적 필라멘트와 충전재 재료의 어떤 조합의 정돈된 배열로 형성된다. 특히 효과적인 막 층은 인접한 권취물 사이에 의도적으로 놓여지는 틈을 갖는 원형으로 권취된 필라멘트, 및 틈 영역(c) 전체에 균일하게 분포된 세라믹 미립자를 포함하는 충전재 재료를 포함한다. 충전재는 역펄스 세정 중에 열 사이클링을 견딜 수 있고 고온에서의 화학적 분해에 저항성이다.

Description

세라믹 고온-가스 필터 및 그 제조 방법{CERAMIC HOT-GAS FILTER AND PROCESS FOR MANUFACTURING THE SAME}
세라믹 필터가 석탄 가스화 및 석탄 연소 등의 공정에서 열 송기관 가스로부터 미립자를 제거하여 하류 장치를 부식 및 침식으로부터 보호하고 EPA NSPS(New Source Performance Standards) 규정을 따를 수 있도록 시험되어 왔다. 한 쪽 말단이 폐쇄되고 다른 말단이 개방된, 튜브(캔들)형태의 세라믹 필터가 미립자를 효율적으로 제거하는것으로 보여져왔다. 여과되는 고온가스는 전형적으로 필터의 외부에서 내부로 흐르고, 미립자없는 가스는 개방 말단으로부터 방출된다. 캔들 결합구조는 또한 압축 가스로 역펄싱에 의한 여과된 케이크의 제거에 적당하다.
세라믹 고온-가스 캔들 필터는 800℃를 초과하는 온도에서 화학적으로 부식성의 가스 흐름에 대한 노출을 견디어야 한다. 게다가, 세라믹 캔들 필터 요소의 완전 파손을 초래할 수 있는 역펄스 세정 중에 상당한 열적 스트레스를 받는다.
해당 분야에 알려진 세라믹 고온-가스 캔들 필터는 다공성 모놀리스 물질이나 다공성 세라믹 섬유 함유 복합체 물질로부터 일반적으로 제작된다. 모놀리스 세라믹 캔들 필터는 약하거나 사용중 심하게 파손될 수 있다. 복합체 필터는 완전 파손될 가능성이 덜하고 일반적으로 모놀리스 세라믹 필터에 비해 개선된 강도, 튼튼함, 및 열적 충격에 대한 저항성을 갖는다.
캔들 필터는 필터 전체에 걸쳐 비교적 균일한 다공성을 가지거나 지지물 외면위에 미세한 다공성의 박막, 또는 막을 갖는 다공성 지지물을 포함할 수 있다. 막층은 전형적으로, 보다 작은 막 세공 크기를 위해 지지물에 사용되는 것보다 더 미세한 입자를 함유하는 분산으로 코팅하는 방법, 불규칙하게 배열된 잘게 썬 세라믹 필터를 콜로이드(또는 졸) 물질을 사용하여 지지물에 결합시키는 방법, 또는 화학 증기 침투법에 의해 세라믹 매트릭스를 형성하는 방법 등의 여러 방법을 사용하여 필터에 적용되고, 지지물에 결합한다.
세라믹 고온-가스 필터를 제작하는 데 사용되는 물질은 알루미노실리케이트, 유리, 및 알루미나 등의 산화물, 그리고 탄화규소 및 질화규소 등의 비산화물을 포함한다. 산화물계 세라믹 필터는 필터의 계획 수명을 위해 송기관 가스 분위기 및 플라이-애쉬에 대한 적당한 저항성을 갖는다; 하지만, 일반적으로 낮은 열 충격 저항성을 갖는다. 비산화물 세라믹은 일반적으로 양호한 열 충격 저항성을 가지나, 종속하는 부식성 환경에서의 산화되기 쉬워 기계적 특성의 퇴화의 결과를 가져온다.
해당 분야에서 알려진 세라믹 캔들 필터의 불리한 점은 역펄스 세정에 의해 초래되는 열적으로 유도된 스트레스, 여과되는 고온가스에 존재하는 핵종에 의해 초래되는 화학적 분해, 막 층의 엽렬, 역펄싱된 후의 필터 케이크의 불완전한 제거에 기인한, 고장, 종종 완전파손, 그리고 고비용을 포함한다. 또한 무겁고, 필터 단위내의 캔들의 정렬을 유지하는 데 값비싼 지지물 구조를 요구하는 경향이 있다.
발명의 개요
본 발명은 다공성의 연장된 필터 지지물 및 그것의 적어도 한 표면위에 다공성 막층을 포함하는 세라믹 고온가스 필터에 관한 것이다. 구체적으로, 다공성 막은 다공성의 연장된 필터 지지물의 외면, 내면, 또는 내외면 양쪽에 존재할 수도 있다. 막층은 단단히 지지물에 부착되어서 엽렬 문제를 겪지 않는다. 지지물 및 막의 다공성은 지지물이 벌크 필터로서 작용하고 막이 표면 필터로서 작용하도록 제어된다. 지지물은 중공 내부속 한 말단에서의 개구, 개방 말단에 대향한 폐쇄 말단, 개방 말단과 일체인 외부 플랜지를 갖는다. 지지물은 복수의 산화물 세라믹 지지물 얀 층, 인접 층과 교차 관계로 정렬되어 복수의 4 변형 형태의 개구를 형성하는 각각의 층으로 형성된다. 지지물내의 얀은 제 1 산화물 세라믹 재료로 코팅되어, 열처리시, 다공성 내화성 산화물 지지물 매트릭스를 형성한다. 막층은 정돈된 배열의 연속적 필라멘트 산화물 세라믹 막 얀, 세라믹 충전재 재료의 균일한 코팅, 또는 2 개의 어떤 조합으로 형성될 수 있다. 막 층에 존재하는 임의의 얀은 (바람직하게는 권취전에) 제 2 산화물 세라믹 물질로 코팅되어 열처리시 다공성 내화성 산화물 막 매트릭스를 형성한다. 바람직하게는, 지지물 얀 및 연속적인 필라멘트 막 얀은 적어도 20 중량 퍼센트의 알루미나(Al2O3)를 각각 함유하고 약 750℃이상의 연화점을 갖는다. 세라믹 코팅 물질은 일반적으로 산화물 미립자 또는 산화물 화합물, 또는 그것의 혼합물이고 또한 산화물 선구 물질을 포함할 수도 있다. 막층은 지지물보다 작은 다공성을 갖는다. 바람직하게는 4 변형 형태의 개구는 약 100 내지 약 500 미크론의 치수를 가져서 열처리시 지지물이 벌크 필터로서 작용할 수 있다. 막층은 바람직하게 약 0.1 내지 50 미크론의 세공 직경을 갖고 표면 필터로서 작용한다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 지지물 얀은 일반적으로 막 얀과 동일한 조성물을 갖고, 지지물 매트릭스는 일반적으로 막 매트릭스와 동일한 조성물을 갖는다.
본 발명은 또한 제 1 코팅 조성물로 세라믹 산화물 지지물 얀을 코팅하여 연장된 다공성 필터 지지물을 제조하는 단계, 코팅된 지지물 얀을 굴대에 감아 복수의 코팅된 지지물 얀 층을 형성하는 단계(각 층은 인접한 층과 교차 관계로 배열되어 복수의 4 변형 형태의 개구를 형성하며)를 포함하는 세라믹 고온가스 필터의 제조 방법을 제공한다. 굴대는 지지물의 한 말단에 인접한 구성요소로서의 외부 플랜지를 제공하도록 윤곽이 그려질 수 있다. 다르게는, 별도의 칼라 삽입물이 균일하게 원통 모양의 굴대위를 활주하여 지지물의 플랜지 부분을 형성한다. 결과의 지지물은 플랜지, 외면에 인접한 개방 말단, 및 플랜지 말단에 대향하는 제 2 개방 말단을 갖는다.
막 층은 그 다음에 지지물의 적어도 한 표면위에 형성된다. 예컨대, 막 층은, 제 2 코팅 조성물로 연속적 필라메트 산화물 세라믹 막 얀을 코팅하여 그리고 지지물의 외면상에 정돈된 배열 상태의 코팅된 막 얀을 적용하여, 외면상에 형성될 수 있다. 정돈된 배열의 막 층을 형성하기 위한 방법은 단일사를 감는 후프 권취, 다중 얀 권취, 직물 감싸기 및 세라믹 선구 물질을 함유하는 미립자 슬러리 또는 용액으로 코팅하기를 포함한다. 바람직한 구체예에서, 정돈된 배열은 연속적 필라멘트 산화물 세라믹의 원형 또는 후프 권취를 포함하여 인접한 권취물 사이에 미리결정된 폭의 틈을 규정하도록 한다. 틈은 그 다음 추가적인 세라믹 충전재 재료, 바람직하게는 산화물 재료로 채워지고, 뒤이은 열처리 후 다공성 내화성 막 매트릭스를 형성한다. 인접한 후프 또는 권취물 사이의 틈의 폭 및 균일성은 특히 중요하지 않고;그러나, 필터의 주변 둘레 및 길이를 따라 충전재 재료로 틈을 균일하게 채우는 것은 바람직하다. 다른 구체예에서, 막 층은 인접한 후프 또는 권취물이 가능하면 서로 가깝도록 코팅된 연속적 필라멘트를 권취하여 형성되고 다른 충전재 재료가 적용되지 않는다. 여전히 다른 구체예는 세라믹 충전재 재료를 포함하나 후프에 권취된 필라멘트가 없는 막 층을; 즉, 후프 감은 것 사이의 무한히 큰 틈을 특징으로 한다. 이러한 구체예에서, 예컨대, 바람직하게는 산화물 재료이고 바람직하게는 슬러리의 형태의 세라믹 미립자는 가능하면 균일하게 지지물 층에 적용되어, 지지물 층의 교차 필라멘트에 의해 형성된 다이아몬드 형태의 개구를 본질적으로 폐쇄한다. 슬러리는 브러쉬 또는 스프레이에 의해 칠해지고, 또는 담금 코팅될 수 있기 때문에 충전재 재료를 위해 편리한 형태이다. 세라믹 충전재 재료를 개발도상의 캔들 필터에 제공하기 위한 다른 유용한 형태는 페이스트로서인데, 예컨대 주걱같은 가요성의 작은 주걱을 사용하여 적용될 수 있다. 개발도상의 캔들 필터에 충전재 재료를 전달하기 위한 다른 수단은 보통의 숙련된 기술자는 생각할 수 있고 따라서 본 발명의 영역 내로 간주되어야 한다.
일단 지지물 층이 권취되면, 지지물 굴데를 제거되고, 막 층은 형성되고, 제 2 개방 말단(플랜지 말단에 대향함)은 산화물 세라믹 재료를 사용하여 페쇄된다. 지지물 및 막 층은 열처리되어 제 1 코팅 조성물을 다공성 내화성 산화물 지지물 매트릭스로 전화시키고 여러 코팅 조성물을 다공성 내화성 산화물 막 매트릭스로 전화시킨다.
본 발명은 99.5% 보다 큰 미립자 수집 효율을 갖는, 따라서 EPA NSPS 규정을 충족하는 강하고, 경량의 세라믹 고온-가스 캔들 필터를 제공한다. 필터의 고장은, 막이 손상된다면, 그 벌크 여과 특성에 기인하여 지지물은 손상 위치에서 신속히 가리므로, 미립자의 방출을 막고 가스 터빈이나 흡수제 층 등의 하류 공정 장치를 보호하기 때문에 일반적으로 큰 고장이 아니다. 본 발명의 필터는 사용되는 산화물 조성에 기인하여 화학적 분해에 저항성이 있고, 동시에 산화물 물질의 일반적 특징이 아닌 우수한 열 충격 저항성을 제공한다. 막 표면의 매끄러움은 역펄스 세정 중에 필터 케이크의 효율적인 제거의 결과를 낳는다. 상기 이점 이외에, 본 발명의 필터는 대부분의 상업적으로 이용가능한 캔들 필터에 비하여 잠재적으로 비용이 적게 든다.
정의
여기서 사용되는 “세라믹”은 본질적으로 무기, 비금속 물질을 포함하는 결정질 또는 부분적으로 결정질의 물질, 또는 비결정질 유리질 물질을 의미한다.
여기서 사용되는 “연속적 섬유 또는 필라멘트”는 그러한 섬유 또는 필라멘트의 직경의 적어도 1000 배인 길이를 갖는 섬유 또는 필라멘트를 의미한다.
여기서 사용되는 “충전재 재료”또는 “막 충전재 재료”는 얀을 구성하는 그러한 물체 또는 얀위에 코팅된 임의의 슬러리 재료이외의 막 층에 있는 그러한 물체를 의미한다. 그러한 것으로서, 충전재 재료는 분말, 미립자, 휘스커, 잘게 썬 섬유, 소판, 박판, 구, 세관, 정제 등의 형태일 수 있다.
여기서 사용되는 “막”또는 “막 층”은 지지물 층의 적어도 한 표면위에 침적되거나 또는 적용되는 층을 말하며, 지지물 층보다 낮은 다공성을 갖고 필터 작용의 대부분을 제공한다.
여기서 사용되는 “산화물”은 산화물, 산화물 화합물(예컨대, 멀라이트, 첨정석), 또는 그 선구물질을 의미한다.
여기서 사용되는 “지지물”또는 “지지물 층”은 다이아몬드 형태의 개구의 정돈된 배열을 제조하기 위해 교차 정렬로 굴대 주위로 단일 또는 다중 연속적 세라믹 섬유 또는 필라멘트를 권취하여 형성되는 구조를 말한다. 지지물 또는 지지물 층의 기능은 막이 부착되는 적당히 튼튼한 토대를 제공하는 것이다.
본 발명은 에너지성에 의해 수여된 계약 제 DE-AC21-94MC31214 호에 의거하여 정부 후원으로 창작되었다. 정부는 본 발명에 대해 일정한 권리를 가진다.
본 발명은 고온가스 스트림으로부터 미립자를 제거하기 위한 복합체 세라믹 캔들 필터, 그리고 상기 필터의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1a는 임의의 플랜지 칼라 절단면을 포함하는, 본 발명의 필터 요소의 구체예의 약 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 1B-1B 선 상에 취해진 필터 요소의 단면이다.
도 1c는 도 1a의 1C-1C 선 상에 취해진 플랜지 요소의 단면이다.
도 1d는 도 1a의 1D-1D 선 상에 취해진 플랜지 요소의 단면이다.
도 1e는 도 1a의 1E-1E 선 상에 취해진 폐쇄 말단의 단면이다.
도 2는 본 발명의 구체예를 포함하는 지지물 층에 있는 2 개 층의 얀의 겹침에 의해 형성된 개구를 나타낸다.
도 3a 내지 3c는 막 층의 구조 변화를 예증하는 필터 벽의 단면도이다.
본 발명의 고온-가스 필터는 캔들 필터 형태이고 그것의 적어도 한 표면위에 다공성 세라믹 막 층을 갖는 다공성 세라믹 지지물을 포함한다. 구체적으로, 다공성 막은 다공성 세라믹 지지물의 외면, 내면, 또는 내외면위에 있을 수 있다. 막은 지지물보다 덜 다공성이고 오염 물질 미립자가 그것을 통하여 침투하는 것을 막는 표면 필터로서 작용한다. 지지물은 플라이 애쉬에 대한 양호한 여과 용량을 가지고, 막 누출이 일어나면, 내외면 사이의 미립자를 가둘 수 있는, 벌크 필터로서 작용한다.
도 1a-1e에 관하여, 필터 (10)는 중공 내부속 한 말단에서 개방 말단(14)를 갖는 일반적으로 연장된 관 형태의 지지물(12)를 포함한다. 개방 말단에 대향한 지지물의 말단 (15)은 통상 폐쇄된다. 지지물은 또한 사용 중 튜브 시트 내의 필터를 지지하는, 개방 말단(14)과 일체인 외부 플랜지(16)를 포함한다. 플랜지는 또한 플랜지와 일체인, 그리고 이하에서 더욱 상세히 기술되는 임의의 칼라 삽입물(24)을 포함한다. 막 층(18), (23)은 지지물의 외면(20) 및/또는 지지물의 내면(22) 상에 형성된다. 말단(15)은 세라믹 재료(26)로 채워져 통상 폐쇄되고, 플랜지 단면(16) 및 폐쇄 말단(15)에 인접한 지지물의 첨단 단면은 이하에서 기술되는 대로 불침투성으로 제작된다.
지지물 층의 전체 다공성은 다이아몬드 또는 평행사변형 형태의 개구로 창조된 개방 부피(대세공) 및 개별 얀을 둘러싸는 매트릭스 코팅의 다공성(미세세공)의 조합에 의해 결정된다. 막 층의 다공성은 주로 층을 구성하는 인접 입자 간의 다공성(미세세공) 또는 미소균열에 기인한다.
지지물의 대다공성(macroporosity)은 지지물의 부피(지지물의 측정된 치수로부터 산출됨), 지지물의 중량, 및 지지물의 벌크 밀도(임의의 미세다공성을 포함하는 섬유 및 매트릭스)로부터 산출될 수 있다. 벌크 밀도는 수은 세공측정법을 사용하여 측정된다.
매트릭스는 지지물내의 채널이 실질적으로 폐쇄되지 않는 방식으로 적용된다. 매트릭스는 열적으로 유도된 기계적 스트레스를 흡수하는(그렇지 않은 경우 필터내의 섬유를 파쇄할 수 있는) 다공성 매트릭스의 능력 때문에 일반적으로 지지물에 완전성과 기계적 강도를 부여하고 또한 우수한 열 충격 저항도를 제공한다.
지지물은 연속적 세라믹 산화물 얀 층의 복수로 형성되어, 인접한 층과 교차 관계에 있는, 간격을 둔 나선형 코일로 놓여져 소성 후에 100 내지 500 미크론의 치수를 갖는 다이아몬드 또는 복수의 4변형 형태의 개구를 형성한다. 개구는 지지물의 내면(22) 및 외면(20) 사이에 연장되는, 비틀린, 곡선 통로를 따르는 채널을 형성한다. 필터가, 예컨대 설치 중 막 층의 손상에 의해, 손상되면, 필터는 벌크 필터로서 작용하여 그리고 고온가스 흐름내의 미립자로 가리어 신속히“자기-치료”할 것이다. 상당한 수의 직선 방사상 채널을 함유하는 지지물이 그 만큼 쉽사리 가리지 못할 것이고, 필터 고장의 결과를 낳는다. 여기에 참고로 포함되어 있는 Forsythe, 미국 특허 5,192,597는 바람직한 권취 형태의 그물형태 세라믹 관의 필라멘트 권취를 설명한다. 다이아몬드같은 형태의 인접 층내의 얀은 각각의 층의 다이아몬드 벽을 형성하는 얀이 실질적으로 각각의 인접 층의 다이아몬드 형태의 개구를 덮도록 하는 방식으로 놓여진다. 이는 일련의 연결된 다이아몬드 형태의 개구를 포함하는 관형 구조를 형성하여, 각각의 층은 한 층으로부터 다음 층으로의 가스의 직접 흐름을 방해한다.
상기 기술된 권취 형태는 지지물의 연장된 중심체 단면(즉, 플랜지와 폐쇄 말단 사이의 일반적으로 원통형인 단면)에 대한 것이다. 필터의 윤곽형성된 폐쇄 말단 및 플랜지 단면에 기인하여, 기술된 권취 형태는 플랜지 및 폐쇄 말단에서 이루어지지 않는다.
도 2는 “x”로 표시된 개구를 규정하는, 미국 특허 제 5,192,597에 따라 제조된 지지물내의 2 개의 인접한 얀 층을 도시한다(매트릭스 층은 이 도에 도시되지 않음). 개구의 크기는 얀에 적용되는 매트릭스 재료의 양이외에, 권취 각도 및 얀 데니어에 의해 결정되는 각각의 층내의 얀 사이의 간격에 의해 제어된다. 인접한 얀 사이의 간격 “a”는 바람직하게 제어되어, 고온 소성 후에, 최종 지지물내에 약 100 내지 500 미크론의 치수 “a”를 갖는 개구를 제공한다. 개구는 지지물의 내면 근처에 더 많은 수의 정사각형 형태를 갖고, 대각선 중의 하나가, 권취를 계속함에 따라, 외면쪽으로 점차로 크기에 있어서 증가하므로, 개구에 더 많은 수의 다이아몬드 형태를 허용한다. 치수 “a”는 얀 간격 및 얀에 적용되는 매트릭스의 양을 기준으로 산출될 수 있다. 다르게는, “a”는 최종적인 지지물내에서 시각적으로 측정될 수 있다. 기술된 구조 및 이 크기 범위내의 개구를 갖는 지지물은 지지물의 벽 내부에 미립자를 가둘 수 있는 벌크 필터로서 작용할 것이고, 막 층을 가로지르는 압력 강하에 비교하여 무의미한 압력 강하를 유지한다.
지지물은 일정한 권취비(굴대의 회전 속도를 트래버스 암의 속도로 나눔)를 유지하도록 고안된 필라멘트 와인더를 사용하여, 적절히 설계된 굴대 위에서 세라믹 산화물 얀을 권취하여 형성될 수 있다. 일정한 권취비는 벽 전체에 걸쳐 적당한 크기 및 채널의 분포를 유지하는 데 필요하다. 지지물의 플랜지 단면은 한 쪽 말단에서 더 넓은 굴대를 사용하여 형성되고, 넓은 말단은 원하는 플랜지 결합구조를 얻도록 윤곽이 형성된다. 그러한 굴대 위에서 필라멘트 권취는 개방 말단에서 외부 플랜지 부분, 그리고 도 1e에 보는 바와 같이, 세라믹 재료(26)로 최종 지지물에서 일반적으로 폐쇄되는, 대향 말단에서의 작은 구멍을 갖는 관을 제조한다. 다르게는, 지지물의 내부 벽이 플랜지 부분에서 윤곽이 형성된 것과 반대로 직선인 것이 바람직하다면, 도 1c 및 도 1d에서 도시되는, 지지물와 유사한 조성물을 갖고 굴대의 외경과 대략 동일한 내경 및 적당한 플랜지 결합구조를 얻도록 윤곽이 형성된 외면을 갖는 필라멘트 권취된 칼라 삽입물(24)이 사용될 수 있다. 칼라는 그 다음 굴대에 놓여지고 지지물은 그 다음 결합된 굴대 및 칼라 위에 권취된다. 굴대로부터 지지물을 제거할 때, 이하의 실시예 2에 예증되는 것과 같이, 칼라의 적어도 일부는 플랜지 부분의 일부로서 지지물의 것이 된다.
실지 테스트는 고온-가스 캔들 필터는 일반적으로 플랜지 부분에서 고장난다는 것을 증명한다. 본 발명에 따라서, 지지물의 플랜지 및 본체는 단일 단위로서 형성되어 전체 필터에 걸쳐 지지물 재료의 동질성을 확보하고 물질의 결합으로부터 발생되는 어떤 스트레스 또는 약한 부위를 감소시킨다. 플랜지의 형태는 중요하지 않으나 재현할 수 있어야 한다. 플랜지는 사용 중 필터를 지지하는 튜브 시트에 양호한 밀봉을 제공하여 어떤 먼지 누출도 발생하지 않도록 해야 한다. 폐쇄 말단의 형태는 일반적으로 둥글지만, 적당하게 굴대의 형태를 만들어서 여러 형태가 가능하다. 관의 폐쇄 말단에서의 개구의 직경은 굴대를 지지하는 축의 직경에 의존한다.
막 층은 지지물의 외면, 내면, 또는 지지물의 내외면에 적용된다. 막 층은 보통 연속적 필라멘트 산화물 세라믹 얀의 정돈된 배열을 포함한다. 막 층은 임의적으로 인접한 얀 사이의 틈 또는 마개의 틈새, 빈공간 등을 채우는데 도움이 되는 하나 이상의 세라믹 충전재 물질을 또한 포함한다. 다르게는, 막 층은 세라믹 얀 없이 세라믹 충전재 재료를 포함할 수도 있다. 최종 필터내에 있는 막 층은, 열처리시에, 약 0.1 내지 50 미크론, 바람직하게는 5 내지 25 미크론의 세공 직경을 갖는다. 바람직하게는, 평균 세공 크기 및 크기 분포는 필터의 주변 주위 및 길이를 따라 실질적으로 동일하다.
막 층이 얀을 포함하는 구체예를 위한, 막 층내의 얀의 정돈된 배열은 원형(후프) 권취, 다중 얀 권취, 또는 직물 또는 짠 물질 등의 2차원 또는 3차원적 형태로 미리배열된 얀으로 감싸기에 의해 형성될 수도 있다. 막 층은 매끄러운 막 표면을 얻을 수 있도록 배열되어야 한다. 필터 케이크가 쉽게 매끄러운 표면으로부터 떨어져 나가기 때문에 역펄스 세정 중 여과되는 재료의 완전한 제거를 용이하게 하므로, 매끄러운 막 표면이 바람직하다. 표면이 거칠다면, 여과되는 케이크는 역펄스 세정에 의해 케이크를 완전히 제거하기에 어려운 표면에 기계적으로 부착되는 경우가 있다. 원형 권취는 매끄러운 막 표면을 만들어낸다.
지지물 및 막 층을 형성하는 데 사용되는 얀은 바람직하게 적어도 약 750℃, 더욱 바람직하게는 1000℃의 연화점을 갖는 세라믹 섬유를 포함한다. 구“연화점”은 여기서 유리질 세라믹의 연화점 및 결정질 세라믹의 융점을 의미하는 데 사용된다. 막 층에 사용되는 얀은 지지물에 사용되는 얀과 동일하거나 다를 수 있다.
적당한 산화물 섬유는 예컨대, S 유리(약 24 내지 26% 알루미나(Al2O3)를 함유하는 고장력의 유리), “Fiber Frax”알루미나-실리케이트 섬유, 미국 특허 제 3,503,765(특허권자: Blaze)에 개시되는 알루미나-실리카 섬유 등의 적어도 알루미나 약 20 중량%를 함유하는 다결정질 내화성 산화물 섬유 등의 몇몇의 유리 섬유와, 미국 특허 제 3,808,015(특허권자: Seufert) 및 미국 특허 제 3,853,688(특허권자: D'Ambrosio)에 개시되는 몇몇의 고알루미나 함유량의 섬유를 포함한다. 바람직하게는 산화물 섬유는 산화 알루미늄의 20 중량% 내지 80 중량%를 포함한다. 상업적으로 이용가능한 알루미노실리케이트 섬유의 예는 “Altex”(Sumitomo) 및 “Nextel”(3M) 섬유를 포함한다. B2O3및 P2O5등의 유리-형성 산화물의 상당한 수준을 함유하는 섬유는 전체 구조를 녹여 조밀한, 비다공성 지지물을 가져오기 때문에 바람직하지 않다.
내화성 산화물 선구물질의 섬유가 또한 지지물을 형성하는 데 사용될 수 있다. 권취 후에, 선구물질 섬유는, 소성에 의해 휘발물질이 제거되고, 염이 산화물로 전화되고, 섬유가 결정화됨에 의하여 다결정질 내화성 산화물 섬유로 전화된다. 내화성 산화물 섬유 및 그 선구물질의 제조는 미국 특허 제 3,808,015 및 3,853,688에 개시된다.
산화물 섬유는 일반적으로 0.2 내지 2.0 mil(0.005-0.5 mm)의 범위내 직경을 갖고 연속적 얀, 바람직하게는 10 내지 2000 또는 그 이상의 섬유를 함유하는 형태로 사용된다. 섬유는 바람직하게는 연속적 필라멘트이나, 짧은 섬유의 얀, 특히 유리질이 사용될 수 있다. 얀은 바람직하게 느슨하게 꼬여 얀이 작은 구멍을 통해 당겨질 때, 어떤 느슨한 또는 잘라진 말단도 필라멘트 권취 중에 방해하지 않도록 한다. 얀은 또한 연방 형태로 사용될 수도 있다. 벌크의, 교착된, 또는 직조된 얀이 사용될 수도 있다. 하지만, 막 층에 사용되는 얀은 가장 바람직하게는 연속적 필라멘트, 직조되지 않은 얀을 포함하여 매끄러운 외면을 갖는 막 층을 얻을 수 있다. 고온 열처리시에 결정화되어 내화성 산화물을 형성하는 유리질 얀이 결정질 세라믹 섬유를 함유하는 얀보다 필라멘트 권취 중에 다루기 쉽고 덜 끊어질것 같기 때문에 바람직하다. 지지물 및 막의 내화성 산화물 매트릭스 성분은 바람직하게 1000℃이상의, 더욱 바람직하게는 약 1400℃이상의, 그리고 가장 바람직하게는 약 2000℃이상의 연화점을 갖는다. 바람직하게 매트릭스는 적어도 40중량%의 알루미나를 포함한다.
매트릭스 성분은 일반적으로 코팅 조성물의 형태로 지지물 및 막 얀에 적용되어 그 후 소성되어 내화성 산화물 매트릭스를 형성한다. 지지물에 사용되는 코팅 조성물은 막에 사용되는 코팅 조성물과 동일하거나 다를 수 있다. 코팅 조성물은 일반적으로 하나 이상의 산화물 미립자 또는 산화물 선구물질을 함유하는 수용액, 현탁액, 분산액, 슬러리, 유탁액 등을 포함한다. 바람직하게는 산화물 미립자는 1 내지 20 미크론, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 미크론, 가장 바람직하게는 1 내지 5 미크론의 입자 크기를 갖는다. 쉽게 분산되고 섬유 사이의 빈 공간으로 침투하기 때문에 20 미크론 미만의 입자 크기가 바람직하다. 1 미크론 미만의 입자 크기를 사용하여 제조된 슬러리는 유용한 고체 농도에서 일반적으로 너무 점성이다. 매트릭스 물질로서 유용한 산화물 미립자는 알루미나, 산화 지르코늄, 산화 마그네슘, 멀라이트, 첨정석 등을 포함한다. 적당한 매트릭스 선구물질은 “Chlorohydrol”(알루미늄 클로로히드레이트 용액, Reheis Chemical Co. 시판), 지르코닐 아세테이트, 알루미나 수화물, 염기성 알루미늄 클로로아세테이트, 염화 알루미늄, 및 아세트산 마그네슘 등의 알루미늄, 마그네슘, 지르코늄 및 칼슘의 수용성 염을 포함한다.
바람직하게는, 글리세롤 및 포름아미드 등의 건조 제어 첨가물이 코팅 조성물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 5중량%의 수준으로 코팅 조성물에 가해질 수 있다. 건조 제어 첨가물은 녹색체내의 건조 스트레스를 감소시키고 또한 고온 소성 필터의 표면 상의 육안으로 보이는 균열을 제거한다. 게다가, 건조 스트레스는 적어도 약 30%의 상대 습도의 환경 내에서 지지물 및 막 층을 감음으로써 더욱 감소될 수 있다.
코팅 조성물은 바람직하게는 권취된 구조의 녹색 강도를 증가시키기 위한 세라믹 산화물 선구물질을 포함한다. 매트릭스 선구물질로서 유용한 이들 가용성 산화물 선구물질은 또한 결합제로서 작용한다. 바람직한 결합제는 알루미늄 클로로히드레이트, 및 특히 상술한 “Chlorohydrol”이다. 바람직하게는 코팅 조성물은, 코팅 조성물의 전체 고체 함량을 기준으로 산출된, 약 10 내지 25 중량%의 결합제를 포함한다. 알루미늄 클로로히드레이트는 코팅의 산화물 미립자를 함께 결합하고 지지물의 녹색 강도를 증가시키는 역할을 한다. 결합제는 열처리시 내화성 매트릭스내로 혼합된다.
코팅 조성물은 굴대위에 권취하기 전에 코팅 조성물을 통해 세라믹 산화물 얀을 잡아 당겨 지지물에 적용될 수 있다. 바람직하게는, 코팅 조성물은 얀의 섬유 주위로 균일하게 분포된다. 분포는 코팅 조성물의 점도, 적용 방법, 얀 묶음의 밀도(또는 견고함), 얀의 성질 및 코팅 조성물의 양에 의해 영향을 받는다. 조성물은 얀내부의 빈공간으로의 흐름 및 상당한 침투를 허용할만큼 충분히 낮으나 얀 묶음에 부착되기에 충분히 높은 점도를 가져야 한다. 코팅 조성물이 미립자 슬러리일 때, 고체 함량은 바람직하게는 50 내지 75 중량%이고 슬러리는 바람직하게는 100 내지 300 센티포이즈 범위의 점도를 갖는다. 산화물 선구물질 및 미립자 산화물 분말을 함유하는 코팅 조성물이 사용된다면, 슬러리의 고체 함량은 산화물 미립자로부터 얻어진 내화성 산화물 매트릭스 재료 약 60 내지 90 중량% 그리고 선구물질로부터 얻어진 약 10 내지 40 중량%로 조절되어야 한다. 약 40 중량%보다 높은 수준의 선구물질을 사용하여 코팅 조성물 중 충분한 양의 산화물 함유물질을 얻는 것은 어렵다. 얀에 적용되는 매트릭스 물질의 양은 과잉 슬러리를 제거하기 위해 적당한 크기의 구멍을 통해 얀을 잡아 당겨 제어될 수 있다. 코팅 조성물은 또한 마무리 롤, 스프레이 등의 사용에 의해 얀에 적용될 수도 있다. 또한 매트릭스 코팅 조성물은, 슬러리내에 권취된 지지물을 담그고, 과잉물을 배수시키고 건조시키므로써 권취된 필라멘트 막 및 지지물에 적용될 수도 있다. 지지물내의 얀의 중량에 비례하여 원하는 중량의 매트릭스를 제공하기 위해 필요하다면 부가적 담금 단계가 사용될 수도 있다. 일반적으로, 지지물 내의 채널의 상당한 부분을 폐쇄함이 없이 담금에 의해 매트릭스 코팅 조성물을 적용하는 것은 어렵고, 바람직하지 않으며 배압의 증가를 가져온다.
막 매트릭스 코팅 조성물이 지지물에 대해 전술한 바와 유사한 방법을 사용하여 막 얀에 적용될 수 있다. 바람직하게는 지지물 및 막 층의 매트릭스 성분의 결합 중량은 필터의 최종 중량의 40 내지 70%, 더욱 바람직하게는 약 50 내지 60%을 포함한다. 열적 스트레스를 피하기 위해, 지지물 얀은 일반적으로 임의의 막 얀과 동일한 조성물을 갖고 지지물 매트릭스는 일반적으로 막 매트릭스와 동일한 조성물을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 어떤 이용에서는, 다른 조성물이 바람직할 수도 있다. 동일한 이유로, 막 및 지지물 내에서 본질적으로 동일한 매트릭스에 대한 섬유의 중량비를 갖는 것이 바람직하다.
한 구체예에서는, 다중 얀이 지지물과 실질적으로 동일한 권취 각도로 지지물 상에 결합되고 감겨져 지지물내의 잠재적인(또는 결국 놓여지는) 개구를 채운다. 이는 인장 장치를 통해 별개의 얀을 공급하고, 세라믹 매트릭스 미립자 슬러리내에 담그고, 그리고 단일 얀 말단에 사용되는 것보다 큰 크기결정 구멍을 통해 잡아 당기고 외면막이 요구되는 경우 지지물위에, 내면 막이 요구되는 경우 굴대위에 권취하기 바로 전에 얀을 결합하므로써 이루어질 수 있다. 크기결정 구멍의 직경은 후프 권취를 위한 상기한 바와 같이 선택된다.
지지물 상 또는 지지물의 내면 상의 단일 필라멘트 권취된 층을 포함하는 막은 일반적으로 많은 여과에의 이용에 적당하다. 권취된 얀의 부가적인 층이 막 층의 두께를 증가시키기 위해 적용될 수도 있다. 이는 보통 미립자 수집 효율 및 필터의 배압을 증가시킨다.
다른 구체예에서는, 막 층은 세라믹 직물로 지지물 또는 굴대를 감싸 형성된다. 직물은 필터 지지물 또는 굴대위에 감싸지고 지지물에 사용되는 것과 조성물에서 유사한 매트릭스 슬러리가 직물 위에 칠해진다. 슬러리는 직물과 지지물을 적시고, 지지물이 결합하게 한다. 직물 내의 어떤 주름이라도 아직 젖어 있는 동안에는 제거된다. 직물의 추가적인 층이, 여과 효율을 증가시키기 위해서는 필요하기 때문에, 지지물 또는 굴대 위에 감싸진다. 여과 효율을 증가시키기 위해서는 필요하기 때문에. 막 층을 건조하는 데 유용한 직물은 단단히 제직된 평탄하고 매끈한 제직물을 포함한다. 필터 지지물과 직물 막 층간의 부착을 개선하기 위해 지지물을 감는 데 사용되는 매트릭스 미립자보다 작은 입자 크기를 갖는 매트릭스 미립자를 함유하는 매트릭스 슬러리를 사용하는 것이 필요할 수도 있다. 이는 보다 작은 입자가 제직된 직물내의 틈으로 보다 쉽게 침투할 수 있기 때문이다. 일반적으로, 막 층에 적용되는 매트릭스의 양을 제어하기가 더욱 어렵기 때문에 이 방법은 덜 바람직하다. 게다가, 직물 층은 상기의 필라멘트 권취 기술을 사용하여 형성된 막보다 지지물에 덜 강하게 부착되는 경향이 있다는 것이 발견되었다.
여전히 다른 구체예에서는, 막이 후프 권취에 의해 형성된다. 산화물 세라믹 막 얀은, 예컨대 코팅 조성물을 함유하는 욕을 통과시키고, 뒤이어 과잉 슬러리를 제거하기 위해 크기결정 구멍을 통과시키고, 굴대 축에 대해 약 90 도로 감아, 막 매트릭스 코팅 조성물로 코팅된다. 바람직하게는, 크기결정 구멍의 지름은 막과 지지물 층에 섬유 및 매트릭스의 유사한 중량비를 가져오는 매트릭스 픽-업을 얻도록 주의깊게 선택된다. 트래버스 암의 동작 속도에 비례하여 굴대 회전 속도는 인접한 얀 사이의 간격을 제어한다. 도 3a는 이러한 형태로 만들어진 필터의 단면도를 나타내며, 여기서 “a”는 지지물내의 얀의 단면도(end view)를 나타내고, “b”는 후프-권취된 막내의 단면도를 나타내고, “c”는 후프-권취된 막내의 인접한 얀사이의 간격을 나타낸다. 이러한 구체예의 한 변형에서는, 슬러리 코팅된 막 섬유 또는 얀은 실질적으로 얀이 겹치지 않거나 막 층내부의 얀 사이에 의도적인 틈이 없이 가능하면 빈틈없이 권취된다(예컨대, 도 3a에서 치수 “c”는 0임). 여과 작용은 인접한 얀 사이의 매트릭스 재료내의 미세 균열에 의해 제공된다. 임의적으로, 충전재 재료가 인접한 얀 후프 사이의 어떤 의도하지 않은 틈에 채워지도록 권취된 막에 적용될 수 있다.
본 구체예의 다른 변형에서는, 의도적인 틈이 슬러리 코팅된 얀의 인접한 후프 권취 얀 사이에 남는다. 추가적인 세라믹 필터 재료(예컨대, 미립자) 또는 세라믹 필터 재료에 대한 선구물질(바람직하게는 슬러리 형태)은 그 후 이 틈에 채워진다. 이러한 방식으로 형성된 막을 “조합 막”이라 한다. 바람직하게는 틈-충전 슬러리는 균일한 농도를 유지하기 위해 현탁제를 함유하여야 한다. 바람직한 점도는 선택되는 이용의 방법에 의존할 것이고; 낮은 점도가 브러싱 기술에 가장 적합하고, 페이스트같은 고점도는 주걱으로 적용할 때 더욱 적당하다. 도 3b는 조합 막을 갖는 필터의 단면도를 나타내며,“a”는 지지물내의 얀의 단면도를 나타내고, “b”는 후프-권취된 막내의 얀의 단면도를 나타내고, “c”는 후프-권취된 막내의 간격을 나타내고, “d”는 인접한 얀 사이의 간격을 채우는 데 사용되는 충전재 재료를 나타낸다. 이 추가적인 세라믹 충전재 재료는 막 얀을 코팅하는 막 매트릭스 재료와 동일한 화학적 조성물일 수도 있고, 또한 다른 화학적 조성물을 가질 수도 있다. 전형적으로, 틈을 채우는 데 사용되는 성분은 매트릭스 형성에 사용되는 미립자(예컨대, 3 내지 5 미크론)보다 크다(예컨대, 25 내지 75 미크론). 또한, 의도적인 간격 “c”는 거의 무한히 변하기 쉽고; 실질적으로 0에서 얀의 직경의 수 배까지 범위를 정할 수 있다.
여전히 다른 구체예에서는, 막 층에 있는 인접한 권취물 사이의 틈의 크기에 상한선이 없는 것으로 보이기 때문에, 슬러리 코팅 얀이 권취된 후프로 완전히 디스펜싱되어, 세라믹 충전재 재료로 본질적으로 구성되는 막 층을 남기는 것이 가능하다. 도 3c는 이러한 형태로 창조되는 필터의 단면도를 예시하며, 여기서 “a”는 지지물내의 얀의 단면도를 나타내고, “d”는 지지물의 표면에 있는 4변형 형태의 개구를 채우는 데 사용되는 세라믹 충전재 재료를 나타낸다. 다시, 그러한 재료는 바람직하게는 브러싱, 스프레이, 담금 코팅 등에 의하여 지지물 층에 직접 적용될 수 있는 슬러리 또는 용액의 형태이다. 또한, “충전재 재료만의” 막 층을 구성하는 성분의 바람직한 크기는 직경 약 25 내지 75 미크론이다.
상기 검토는 일반적으로 막 층이 지지물 층의 외면에 적용되는 본 발명의 형태에 관한 것이다. 막 층이 지지물 층의 내부 표면에 적용될 때, 제조 방법은 변형될 수도 있다. 예컨대, 섬유 또는 직물이 막 층을 구성할 때, 지지물 층을 권취하기 전에 굴대 위로 그러한 섬유 또는 직물을 권취하거나 감싸는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 내부 막 층이 “충전재 재료 단독”이라면 또는 추가적인 슬러리 또는 용액이 후프-권취된 필라멘트 층위에 침적된다면, 일단 지지물 층이 형성되고 굴대가 제거되기만 하면 그렇게 하는 것이 바람직 할 수도 있다. 또한, 브러싱 또는 스프레이에 의해 관의 내부에 슬러리 또는 용액을 적용하는 것은 비실용적일 수도 있다. 그러한 경우에는, 슬립 주입 또는 드레인 주입으로 바라는 결과를 달성할 수 있다.
플랜지 단면과 폐쇄 말단은 보강될 수도 있고, 추가적인 세라믹 슬러리로 포화되어 또는 세라믹 결합제 조성물을 사용하여 어떤 가스 흐름에 불투과성이 될 수 있다. 밑에 있는 지지물 재료와 반응을 피하기 위해 그리고 지지물의 열적 팽창과 조화되기 위해, 지지물에 사용되는 매트릭스 재료는 이러한 목적을 위해 바람직하다. 하나 또는 양쪽 말단을 감고 보강한 후에, 취급하기에 충분히 강할 때까지 캔들 필터는 굴대 단위상에 있는 동안 실온에서 건조된다.
주위 온도에서 하룻밤 건조된 후(약 12 내지 16 시간), 개발도상의 필터의 말단은 절단되어 굴대가 제거될 수 있다. 구체적으로, 필터의 칼라 부분은 원래의 칼라 부분이 지지물 층의 플랜지 부분에 남도록 얇게 배어진다(도 1d 참조).
개발도상의 캔들 필터는 그 다음 세라믹 얀의 연화점 이하의 그리고 어떤 휘발성 물질의 끓는 점보다 충분히 위인 온도, 전형적으로 300℃ 내지 800℃ 부근에서 소성되어 휘발성 물질을 제거하고 필터를 안정화시킬 수 있다. 이는 산화물 선구물질이 사용될 때 특히 중요하다.
끝은 폐쇄하는 것은 그 다음 상업적인 고온의 결합제를 사용하여 또는 지지물 구조에 사용되는 형태의 얀의 소량과 함께 혼합된 고점도의 페이스트(조성물에서 매트릭스 코팅 슬러리와 유사함)로 채우거나, 또는 막 충전재 재료와 유사한 진한 페이스트로 채워 달성될 수 있다. 상업적 결합제 중 고체는 필터의 열적 안정성을 감소시키기 위해 관 재료와 반응해서는 안된다. 또한 상기와 같이, 막 층에 대한 세라믹 충전재 재료의 적용 전에, 캔들 필터를 소성하는 것이 바람직하다.
고온에서의 부가적인 소성은 그 다음 전형적으로 1200℃ 내지 1400℃에서 실행되어, 안정한 결정상을 형성한다. 1450℃이상의 소성은 상의 약간을 용해시킬 수 있고 감소된 열기계적 특성으로 인해 바람직하지 않은 융합된 생성물을 가져온다. 바람직하게는, 고온 소성 중에 가열 속도는, 어떤 유리상도 결정화시킬 수 있도록, 분 당 20℃를 초과하지 않고, 분 당 0.1℃만큼 낮을 수도 있다. 고온 소성 중에 유리 섬유는 결정상으로 불투명하게 될 수 있고, 매트릭스는 안정한 결정상 또는 섬유 내 결정상으로 전화될 수 있고 매트릭스는 반응하여 신규의 안정한 결정상을 형성할 수도 있다. 생성 조성물의 최종 상은 섬유 및 매트릭스의 양, 가열 프로파일, 중간 온도에서 담금 시간 및 가장 높은 소성 온도에서의 방치 시간에 의존한다. 전형적인 결정상은 강옥, 멀라이트, 근청석 및 홍연석이다. 여기서 사용되는, 용어 근청석은 근청석과 동일한 조성물을 가지나 약간 무질서한 결정 구조를 갖는 결정질 재료인 인디얼라이트를 포함한다. 홍연석은 200 내지 270℃에서, 불량한 열적 충격 저항성의 원인이 되는, 체적 변화를 겪기 때문에 과잉의 홍연석 형성은 바람직하지 않다. 최종 필터는 홍연석 10 중량%만을 함유해야 한다. 바람직하게는 필터의 최종 조성물은 산화마그네슘 3 내지 7 중량부, 실리카 20 내지 45 중량부 및 알루미나 45 내지 70 중량부이다. 더욱 바람직하게는 최종 필터는 약 60 내지 70 중량%의 알루미나를 포함한다.
바람직한 구체예에서, 지지물 및 막을 제조하는 데 사용되는 얀은 61 내지 66% SiO2, 24 내지 26% Al2O3, 및 9 내지 10% MgO를 포함하는 유리질 섬유를 포함한다. 본질적으로 알루미나로 구성되는 코팅 조성물은, 필터의 최종 중량의 40 내지 70%를 포함하는 내화성 산화물 매트릭스를 제공하기에 충분한 양으로 권취하기 전에, 얀에 적용된다. 코팅 조성물은 2 내지 3 미크론의 평균 입자 크기를 갖는 알루미늄 클로로히드레이트 및 알루미나 매트릭스 미립자를 포함하는 결합제를 포함한다. 막은 후프 권취에 의해 지지물이나 굴대에 적용된다. 권취된 필터 요소는 가열되어 휘발성 물질을 제거하고 그 다음 약 1350℃이상의 온도에서, 바람직하게는 약 1380℃의 온도에서 고온으로 소성된다. 고온 소성 중에, 유리질 섬유는 연화되고 실리카의 일부 및 유리질 중의 산화마그네슘은 알루미나 매트릭스 재료와 결합하여 근청석 및 멀라이트를 형성한다. 최종 필터는 SiO2약 20 내지 40 중량%, MgO 약 3 내지 6 중량%, 및 Al2O3약 50 내지 70 중량%를 포함한다. 최종 결정질 조성물은, 열처리 후에, 전체 결정 함량을 기준으로, 25 내지 45%의 근청석, 5 내지 15%의 멀라이트, 40 내지 60%의 강옥, 및 0 내지 10%의 홍연석이다. 재료의 약 50 내지 90 부피%는 비결정질 잔여물과의 결정체이다. 각각 다른 열팽창 계수를 갖는, 멀라이트, 근청석, 및 강옥의 결정체 형성은 구조에 있어 미세 균열의 형성을 가져온다. 미세균열은 단일 결정 상만을 갖는 영역내에서 뿐만 아니라 결정 경계를 따라서 형성되기도 한다. 미세균열은 열적 충격에 의해 유발되는 스트레스를 흡수하기 위한 것으로 믿어진다. 소성 후에, 필터는 연장된 시간 동안 1200℃까지 안정하고 우수한 열적 충격 저항성을 갖는다.
여기서 언급된 모든 퍼센트는 다른 표시가 없으면 중량 퍼센트이다.
이하의 실시예에서 지지물을 감는 데 사용되는 필라멘트 와인더는 약 70 인치(178㎝)(278 teeth의 0.5 인치(1.27㎝) 피치가 각각의 말단에서 11 tooth 구동 사슬톱니에 의해 구동되고 지지되는 폭이 좁은 루프안을 지남)의 체인 구동 트래버스를 가졌다. 구동비는 필터 지지물을 권취하기 위한 체인 루프의 각각의 완전한 회전을 위해 스핀들이 50 및 10/111 회전의 속도로 회전하도록 설정되었다. 굴대는 각각의 말단에 말단 폐쇄를 갖는, 65 인치(165 ㎝)의 길이를 갖고 1.75 인치(4.45 ㎝)의 외경을 갖는 관이었다. 말단 폐쇄의 하나는 그 축에 설치된 0.50 인치(1.27 ㎝) 직경의 구동축을 갖는 원추형의 각각의 측면위에 약 30 도의 테이퍼를 갖는 원뿔형이었다. 제 2 말단 폐쇄는 그 축에 설치된 0.25 인치(0.64 ㎝)의 구동축을 갖는 반구상(1.75 인치(4.45 ㎝) 직경)이었다. 굴대는 트래버스 얀 가이드에 의해 그 길이를 따라 트래버싱되는 상태로 스핀들에 부착되고 스핀들에 의해 구동되었다. 굴대는 0.50 인치(1.27 ㎝) 축에 의하여 스핀들에 부착되고 스핀들에 의해 구동되었고 0.25 인치(0.64 ㎝) 축에 있는 베어링 내에서 지지되었다. 가이드가 굴대의 표면으로부터 약 0.75 인치(1.91 ㎝)의 거리로 굴대의 표면위로 가로지르고 트래버스 스트로크는 0.25 인치(0.64 ㎝) 축위에 반구상 폐쇄를 지나 약 0.75 인치(1.91 ㎝)로부터 0.5 인치(1.27 ㎝) 축위에 원뿔형 폐쇄를 지나 0.75 인치(1.91 ㎝)까지 연장되었다.
7 ㎜ 벽 두께와 칼라 축에 대해 45 도 에지를 갖는 플라스틱 칼라는 원뿔형 말단 가까이 굴대위에 삽입되어 실시예 1 및 3을 위한 필터 지지물위에 플랜지를 형성한다,
실시예 2를 위해, 패키지 말단의 윤곽을 형성하는 이 스트로크를 조절하는 수단을 갖는, 6 인치(15.2 ㎝) 트래버스 스트로크를 갖는 별도의 와인더가 사용되어 필터의 플랜지 부분을 위한 칼라 삽입물을 형성하였다. 구동비는 지지물에서의 권취 각도와 동일한 칼라 삽입물에서의 권취 각도를 제공하도록 트래버스 캠의 각각의 완전한 회전을 위해 스핀들이 4 및 11/180 회전의 속도로 회전하도록 설정되었다. 1.75 인치(4.45 ㎝) 외경의 관의 짧은 일부분을 포함하는 굴대는 스핀들위에 설치되고, 권취 단위의 제거를 용이하게 하기 위해 0.002 인치(0.005 ㎝) 두께의 “Mylar”폴리에스테르 박막의 2 개 층으로 감싸졌다. 굴대는 건조후에 슬러리로부터 50 내지 60 중량% 및 공급된 얀으로부터 얻어지는 40 내지 50 중량%를 갖는 단위를 형성하는 양으로 적용된 수성 A-17 알루미나 슬러리(슬러리 조성물에 대해서는 실시예 1을 참조)로 코팅된 S-glass(S-2 CG150 1/2 636, Owens-Corning Fiberglas사(Ohio, Toledo)로부터 입수가능함) 90 g으로 감싸졌다. 권취된 상태로서, 칼라 삽입물은 약 45˚의 테이퍼를 나타내는 실린더 벽의 말단과 함께 약 1.75 인치(4.45 ㎝) 내경 및 3/8 인치(0.95 ㎝) 벽 두께의 실린더 형태를 갖는다. 삽입물은 여전히 젖어있는 동안 굴대로부터 제거되고 상기한 주요 필라멘트 와인더상의 굴대로 옮겨졌다. 삽입물은 삽입물 에지와 반구상 말단 폐쇄를 갖는 관의 접합점사이에 노출되는 굴대의 직선 관 부분의 약 57 인치(145 ㎝)를 남기도록 위치가 정해졌다.
필터 지지물 단위는 그 위에 설치되는 칼라 삽입물 또는 플라스틱 칼라와 함께 굴대위에 권취된다. 권취는 분 당 약 500 내지 520 회전수의 회전 속도로 설정된 스핀들로 실행되었다. 최종(소성된) 지지물 단위는 약 175 내지 250 미크론의 치수를 갖는 외면상에 다이아몬드 형태의 개구를 가졌다.
시험 방법
막 층의 밀도 및 다공성은 수은 세공측정법을 사용하여 측정되었다. 막 시료는 두가지 방법 중 어느 하나를 사용하여 세공측정법 측정을 위해 제조되었다. 막 층은 캔들 조립체를 소성하기 전에 지지물로부터 쉽게 분리될 수 있다. 분리된 막 층은 그 다음 고온 소성되고 세공측정법 측정에 사용되었다. 다르게는, 막 시료는 고온 소성된 캔들 조립체의 시료로부터 지지물 층을 떼어내어 제조될 수도 있다. 중간 세공 크기는 미크론으로 보고되고 다공성은 부피 퍼센트로 보고된다. 중간 세공 크기는 최대 관입 부피에서 얻어지는 값이다.
평균 산화물 조성물은 X 선 형광 분광법을 사용하여 측정되었다. 샘플과 표준은 리튬 테트라보레이트 플럭스내에서 융합되고 중요한 요소에 대한 X 선 방사선이 측정되었다. 결과는 130℃에서 건조되는 시료의 중량 퍼센트로 보고된다.
결정상 조성물은 Cu K-알파 방사선을 사용하는 신택 패드 X 테타-테타 회절계를 사용하여 X 선 회절을 사용하여 측정되었다. 다음 조건이 사용되었다: 45 킬로볼트로 조작되는 구리 관, 40 밀리암페어, 각도계 반경 250 ㎚, 광선 발산 0.24 도, 비산 슬릿 0.43 도, 수용 슬릿 0.2 ㎜, 게르마늄 고체상 검출기 바이어스 1000V, 스캔 속도 분당 0.2 도 2-테타, 초퍼 증가 0.03 도 2-테타, 스캔 범위 3 내지 112 도 2-테타(하룻밤 스캔), 1 인치 정사각형 알루미늄 웰-타입 샘플 홀더 중 필터 종이에 대해 포장된 샘플 프론트, 단일 샘플 체인저. 샘플은 강옥 분쇄 구성요소를 사용하는 McCrone 진동 분쇄기내에서 5 분 동안 아세톤 중에서 습식 분쇄되고, 열 램프하에서 건조되었다. 결정상의 퍼센트는 내부 표준으로서 20%의 형석을 갖는 표준 물질의 혼합물에 기초하여 결정되었다. 사용되는 표준 물질은 NIST(NBS) 674 알파 알루미나(강옥), Baikowski 고순도 근청석(인디얼라이트) 표준, 쿠어스 멀라이트 표준, NIST(NBS) 1879 홍연석, NIST(NBS) 1878 석영, 및 쿠어스 첨정석 표준이었다. 샘플 자체는 내부 표준과 혼합되지 않고 각각의 참조 강도 비로 각각의 측정된 강도를 나눈 후에 결정질 성분의 100%로 표준화되었다. 분석 선은 다음과 같다: 10.4, 18.2 및 29.5 도에서 인디얼라이트; 16.5 및 26.1 도에서 멀라이트, 25.6 및 52.6 도에서 강옥, 21.8 도에서 홍연석(인디얼라이트에 대해 보정된 오버랩), 및 20.8 도에서 석영.
실시예 1
본 실시예는 본 발명에 따른 세라믹 필터의 제조를 예시하며, 여기서 막 층은 지지물의 외면에 적용되고 제직된 유리질 직물을 사용하여 형성된다.
알루미나 슬러리는 혼합 용기에 물 7.0 리터 및 포름산 20.0 ml를 채워 제조된다. 13 내지 15 ㎚의 평균 입자 크기를 갖는 퓸드 알루미나(Degussa Corp., Ridgefiled, NJ 시판)(2.0 ㎏)를 휘저어주면서 서서히 가했다. 분산액의 pH를 포름산을 사용하여 4.0 내지 4.1로 조절하였다. 2 시간 동안 이 pH에서 안정화한 후에, A-17 등급 알루미나 11 ㎏(평균 입자 크기 2 내지 3 미크론, Alcoa Industrial Chemicals Div., Bauxite, AR 시판)를 일부분씩 가하고 하룻밤동안 휘저어주었다. 글리세롤을 슬러리의 전체 중량을 기준으로 3 중량%의 수준에서 슬러리에 가했다. 분산액의 고체 함량은 62 내지 65 중량%이었고 점도는 물을 추가하여 140 센티포이즈로 조절되는 데, # 1 스핀들을 사용하는 Brookfield 점도계(모델 번호. RVI)로 측정하였다.
수성 코팅 조성물(S glass, S-2 CG150 1/2 636으로 표시됨, Owens-Corning Fiberglass사로부터 입수가능함)로 적셔지는 것을 촉진하는 친수성 사이즈제를 갖는 65.2% SiO2, 23.8% Al2O3, 및 10.0% MgO를 포함하는 2겹의 유리질 얀(150 필라멘트/겹)은 볼 인장기를 통해 공급되고, 알루미나 슬러리를 통해 통과하고, 그리고 과잉의 슬러리를 제거하기 위해 직경 0.017 인치(0.043 ㎝) 크기결정 구멍을 통해 밖으로 잡아당겼다. 크기결정 구멍은 얀에 적용되는 슬러리의 양을 조절하여, 건조 후에, 지지물내의 세라믹 약 50 내지 60 중량%가 슬러리로부터 비롯되고, 약 40 내지 50중량%는 얀으로부터 얻어졌다. 적셔진 얀은 그 다음 필라멘트 권취 장치의 트래버스 암에 부착된 가이드를 통해 통과하고, 0.002 인치(0.005 ㎝)“Mylar”폴리에스테르 박막의 2개 층으로 감싸여진 상기의 윤곽형성된 굴대위에 권취된다. 권취는 약 1000 g의 얀이 굴대위에 권취된 후에 중단되며, 이때 지지물은 바람직한 외경(약 60 ㎚)에 이르렀다. 실온에서 하룻밤동안 건조된 후에, 필라멘트-권취된 관은 높여진 플랜지 부분의 중심 근처(플라스틱 칼라 삽입물의 위치를 가리킴)에서 권취된 재료를 통해 절단함에 의해 그리고 굴대의 대향 말단으로부터 2개의 부분을 제거함으로써 굴대로부터 제거되었다.
외부 막 층은 다음과 같이 지지물에 부착되었다. Burlington Glass Fabric(Altavista, Virginia)로부터 입수가능한 S-2 유리질 직물(평직, 1.5 온스/스퀘어 야드)은 각각 관의 길이 및 주변과 거의 동일한 길이 및 폭의 조각으로 절단되었다. 각각의 조각은 관의 본체 및 위에 권취되고, 55 내지 60 중량% 고체 함량, 3 중량% 글리세롤, 및 100 내지 120 cps 점도를 갖는 A-16 등급 알루미나(Alcoa 시판, 평균 입자크기 0.45 미크론)를 함유하는 알루미나 슬러리가 직물위에 칠해졌다. 직물은 플랜지 및 관의 맨 말단에 적용되지 않았다. 직물은 추가적인 직물 층을 가하기 전에 여전히 적셔져있는 반면, 직물내의 어떤 주름도 젖은 스폰지로 문질러 제거되었다. 2 개의 추가적인 직물 층은 각각의 직물 층에 있는 말단의 폐쇄가 최종 필터 내에 약 120 도 떨어지도록 하는 유사한 방식으로 부착되었다. 모든 직물 층이 적용된 후에, 관은 실온에서 하룻밤동안 건조되었다. 그 후 머플로내에서 한 시간 동안 700℃에서 저온 소성되어 휘발성 물질을 제거하고 구조를 안정화시켰다.
플랜지 부분은 알루미나 슬러리(상술한 퓸드 알루미나/A-17 알루미나)중에 한 시간 담그어 보강되고 밀봉되었고 과잉물을 배수시켰다. S-2 유리질 섬유의 뭉치를 필터의 맨 말단에 있는 구멍에 삽입한 후 맨 말단을 A-17 알루미나 슬러리 중에 담궜다. 한 시간 동안 700℃에서 완전히 건조하고 소성한 후, 필터를 고온로에서 소성하였다. 온도는 약 40 분안에 800℃까지 상승시켰으며, 약 20 분동안 유지한 후, 2℃/min의 속도로 1300℃까지 상승시켰고, 2 시간 동안 유지한 후, 1℃/min의 속도로 1380℃까지 가열하고, 2 시간 동안 유지하고 5℃/min의 속도로 800℃까지 냉각시키고, 뒤이어 200℃까지 노를 비제한적으로 냉각시켰다. 필터는 그 다음 노로부터 제거되고 대기 중에서 실온까지 냉각시켰다.
막 층은 수은 세공측정법으로 측정한, 중간 세공 직경 0.45 미크론을 갖는 1.62 g/㏄의 벌크 밀도 및 39 %의 부피 다공성을 가졌다. X 선 형광에 의해 측정된, 필터의 평균 산화물 조성물은 27% 실리카, 68% 알루미나 및 4% 마그네시아였다. X 선 회절에 의해 측정된, 결정상 조성물은 35% 근청석(인디얼라이트), 6% 멀라이트, 50% 강옥 및 9% 홍연석이었다.
실시예 2
실시예는 본 발명의 세라믹 필터의 구성을 예시하며, 여기서 외부 막 층은 원형 권취에 의해 형성된다.
필터 지지물은, 플라스틱 칼라 대신에 플랜지 부분을 형성하는 데 필라멘트-권취된 칼라 삽입물이 사용된 점을 제외하고는 실시예 1에서 기술된 것과 유사한 방식으로 제조되었다. 지지물 요소가 굴대로부터 제거되기 위해 완전히 절단되었을 때, 권취된 칼라 또한 완전히 절단되어 원래의 칼라 부분이 지지물의 플랜지 부분에 남도록 한다. 그 위에 권취된 지지물과 함께 굴대는 막 층의 형성을 위해 특수 와인더에 즉시 옮겨졌다.
외부 막은 지지물의 표면 위에 유리질 얀(Owens-Corning S-2 CG 150 1/2 636)의 원형(후프) 권취에 의해 지지물에 적용되었다. 막 층의 형성에 사용되는 필라멘트 와인더는 스크류 구동 트래버스를 가지고 트래버스 가이드의 각각의 1 인치(2.54 ㎝) 운동 동안 75 완전 회전의 속도로 스핀들이 회전하도록 조절된 구동비를 가져서, 얀이 관 표면의 75 얀/직선 인치(30 얀/직선 ㎝)의 간격으로 배열되도록 하였다. 인접한 권취 얀은 겹치지 않고 가능하면 서로 가까웠다. 얀은 A-17/퓸드 알루미나 슬러리에 담궈졌고, 권취 전에 0.017 인치(0.043 ㎝) 크기결정 구멍을 통해 잡아 당겼다. 얀의 약 60 g이 지지물 표면위에 권취되어 그 길이 위에 권취 얀의 단일 층을 형성하였다. 원형 권취는 필터, 맨 말단 및 플랜지 부분의 전체 길이를 가로질러 행해졌다. 주위 온도에서 하룻밤동안 건조후(12 내지 16 시간), 관을 실시예 1에 기술된 것과 같이 굴대로부터 제거하였다. 결합을 정밀검사한 후, 필터 단위를 700℃에서 2 시간 동안 소성시켰다. 그 후 하부 구멍을 S-glass 얀의 뭉치로 채웠다. 플랜지 및 관의 하부를 A-17/퓸드 알루미나 슬러리에 담궜고, 과잉물을 배수시키고, 완전히 건조시켰다. 결합된 지지물 및 막을 그 다음 실시예 1에서 기술된 바와 같이 고온 소성시켰다.
막 층은 수은 세공측정법으로 측정한, 중간 세공 직경 0.43 미크론을 갖는 1.61 g/㏄의 벌크 밀도 및 39 %의 부피 다공성을 가졌다. X 선 형광에 의해 측정된, 필터의 평균 산화물 조성물은 27% 실리카, 68% 알루미나 및 4% 마그네시아였다. X 선 회절에 의해 측정된, 결정상 조성물은 33% 근청석, 8% 멀라이트, 49% 강옥 및 10% 홍연석이었다.
실시예 3
본 실시예는 본 발명의 세라믹 필터의 구성을 예시하고, 여기서 외부 막 층은 다중 얀 권취에 의해 형성된다.
필터 지지물 요소는 실시예 1에서 기술된 대로 제조되었다.
외부 막 층은 지지물을 형성하는데 사용된 것과 동일한 필라멘트 와인더를 사용하여 형성되었다. S-2 CG 150 1/2 636 glass 얀의 3개의 다른 실패로부터 얀이 결합되고 인장 장치를 통해 공급되고, 실시예 1에 기술된 A-17/퓸드 알루미나 슬러리에 담그고, 0.025 인치(0.64 ㎜) 직경의 크기결정 구멍을 통해 잡아 당기고, 지지물위에 권취되었다. 지지물에 대해 사용된 동일한 권취 각도, 굴대 회전 속도, 및 트래버스 암 속도가 막 층을 감는 데 사용되었다. 권취는 2개 층의 얀이 굴대위에 권취되어 얀이 지지물의 전체 표면을 덮을 때까지 계속되었다. 하룻밤동안 건조시킨 후에, 맨 말단과 플랜지 부분을 실시예 2에 기술된 바와 같이 처리하였다. 조립체를 그 다음 실시예 1에 기술된 바와 같이 고온 소성시켰다.
막 층은 수은 세공측정법으로 측정한, 중간 세공 직경 0.64 미크론을 갖는 1.75 g/㏄의 벌크 밀도 및 37 %의 부피 다공성을 가졌다. X 선 형광에 의해 측정된, 평균 산화물 조성물은 27% 실리카, 68% 알루미나 및 4% 마그네시아였다. X 선 회절에 의해 측정된, 결정상 조성물은 35% 근청석, 6% 멀라이트, 50% 강옥 및 9% 홍연석이었다.
실시예 4
본 실시예는 본 발명의 세라믹 필터의 구성을 예시하고, 여기서 막 층은 지지물의 내외면에 적용되고 원형 권취에 의해 형성된다.
내부 막은 유리질 얀의 원형 권취에 의해 형성되고, 세라믹 미립자 슬러리로 포화되고, 플라스틱-감싸진 굴대를 둘러쌌다. 굴대를 제조한 후(실시예 1에 기술됨), 필라멘트-권취된 칼라 삽입물(실시예 2에 기술됨)을 삽입물 에지와 반구상 말단 폐쇄를 갖는 관의 접합점 사이에 노출되는 굴대의 직선 관 부분의 약 57 인치(145 ㎝)를 남기도록 배치하였다. 굴대를 그 다음 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 원형(후프) 와인더 상에 두었으나, 스핀들은 트래버스 가이드의 각각의 1 인치(2.54 ㎝) 운동 동안 약 71.6 완전 회전의 속도로 회전하도록 조절되어 얀이 관 표면의 약 71.6 얀/직선 인치(28 얀/㎝)의 간격으로 배치되었다. Owens-Corning "S-2 CG150 1/2 636" 유리질 얀을 A-17/퓸드 알루미나 슬러리내에 담그고, 권취 전에 0.015 인치(0.038 ㎝) 직경의 크기결정 구멍을 통해 잡아 당겼다. 약 60 g의 얀을 사용하여, 굴대는 반구상 말단 폐쇄를 갖는 관의 접합점으로부터 필라멘트-권취된 칼라 삽입물의 에지까지 감싸였다.
얀이 여전히 젖어있는 동안에, 체인 구동 필라멘트 와인더를 사용하여, 본질적으로 실시예 1에 기술된 것과 같이, 필터 지지물을 깔았다. 지지물은 반구상 말단, 내부막 및 필라멘트-권취된 칼라 삽입물 위에 감겨졌다.
지지물이 완성되었을 때, 원형(후프) 와인더상에 다시 두고 및 플랜지 및 단위의 말단끝을 다음의 알루미나 슬러리의 침투에 의해 보강하였다. 굴대를 100 RPM에서 회전시키는 동안, 실시예 1에 기술된 약 20 cc의 A-17/퓸드 알루미나 슬러리 를 단위 첨단의 약 2 인치(5.1 ㎝)에 붓고 흡수시켰다. 추가적인 20 cc의 슬러리를, 플랜지의 어깨부로부터 칼라 삽입물 아래 1.5 인치(3.7 ㎝)까지, 유사하게 플랜지 부분에 가했다. 슬러리가 모세관 작용에 의해 첨단 및 플랜지에 흡수되었을 때, 표면상에 과잉의 슬러리는 없었고, 외부막은, 본질적으로 실시예 2에서 기술된 바와 같이, 지지물 층위에 후프 감겨졌다. 각각의 권취 진행 중에, 적어도 30%의 습도 수준이 유지되었다.
열선총이 설치되어, 회전을 유지하면서, 적어도 20 분 동안, 침투 영역을 건조하였다. 그 후에, 굴대를 와인더로부터 제거하고 연직 지지물 선반내에 두었다.
주위 온도(예컨대 약 20℃)에서 하룻밤 건조후(약 12 내지 16시간), 내부막, 지지물 층 및 외부막을 포함하는 관을 실시예 1에 기술된 대로 굴대로부터 제거하였다.
결점을 정밀검사한 후, 단위 첨단내에 있는 개방된 구멍을, 실시예 1에서 기술된 A-17/퓸드 알루미나 슬러리 약 68 중량%, 짧은 섬유 S-glass 얀 3 중량%, 및 부분적으로 소성된 알루미나 코팅된 S-glass 미립자(예컨대, 상기한 대로, 매트릭스 슬러리로 코팅된 후, 약 700℃까지 가열되어 부분적으로 유리질 얀을 결정화하고, 그 후 분쇄된 S-glass 얀) 약 29%를 포함하는 페이스트로 충전하였다.
필터는 실시예 1에 기술된 사이클을 따라 1380℃의 최고 온도까지 소성되었다.
실시예 5
세라믹 필터를 다음의 주목할 만한 예외와 함께, 실시예 4에서 기술된 필터와 실질적으로 동일한 방식으로 제조하였다:
내부막 층이 제조되지 않았다.
외부막을 감고(도 3a에 도시됨), 실시예 1에 기술된 대로, 구조를 안정화하기 위해 약 700℃까지 소성한 후에, 막을 400 그릿 38 Alundum알루미나 미립자(23 미크론 평균 입자 크기, Norton-St.Gobain, Worcester, MA) 및 Bluonic콜로이드 알루미나(Wesbond 사, Wilmington, Delaware로부터 입수가능)의 동일한 중량 분율을 포함하는 수성 슬러리로 코팅하였다. 슬러리를 필라멘트 권취된 지지물의 외면에 브러쉬로 적용하였다. 슬러리의 액체 성분은 신속히 지지물에 흡수되고, 표면위에 미립자가 쌓인다. 과잉의 알루미나 미립자를 표면을 서서히 문질러 손으로 제거하고; 개발도상의 필터를 실온에서 하룻밤동안 건조시켰다. 개발도상의 필터를 그 다음 다시 머플로에서 한 시간 동안 약 700℃에서 저온 소성시켜 휘발 물질을 제거하였다. "후프 막"의 상부 위에 미립자 등의 충전재 재료의 이러한 첨가에 의해 만들어진 여과 표면은 "조합 막"으로도 간주된다.
실시예 6
본 실시예는, 다른 것들 중에서도, "조합"형태의 막의 특징을 이루는 필라멘트 권취된 세라믹 고온가스 필터의 구성을 설명한다.
첫 번째, 얀을 코팅하기 위한 슬러리는 혼합 용기에 약 90 ㎏의 "Chorhydrol50%" 알루미늄 클로로히드레이트 용액(Reheis, Inc., Berkeley Heights, NJ)을 채워 제조되었다. 휘저어주면서, 약 113 ㎏의 A-17 등급 알루미나 분말(2 내지 3 미크론의 평균 입자 크기, Alcoa Industrial Chemicals Div., Bauxite, AR) 및 약 1435 g의 염산을 용액에 가했다.
다음에, 필라멘트 권취된 칼라 삽입물(전술한)은 57 인치(145 ㎝) 위치(전술한) 근처의 굴대 위에 삽입되어 필터 관의 플랜지 부분을 그 후에 형성한다.
수성 코팅 조성물(S glass, S-2 CG150 1/2 636로 표시됨, Owens-Corning Fiberglass Corning사로부터 입수가능함)로 적셔지는 것을 촉진하는 친수성 사이즈제를 갖는 65.2%의 SiO2, 23.8%의 Al2O3, 및 10.0%의 MgO를 포함하는 2 겹의 유리질 얀(150 필라멘트/겹)을 볼 인장기를 통해 공급하고, 알루미나 슬러리를 통해 통과시키고, 그리고 0.017 인치 직경(0.043 ㎝) 크기결정 구멍을 통해 밖으로 잡아당겨 과잉의 슬러리를 제거하였다. 크기결정 구멍은 얀에 적용되는 슬러리의 양을 제어하여, 건조 후에, 지지물중 세라믹 약 50 내지 60 중량%가 슬러리로부터 비롯되고 약 40 내지 50 중량%가 얀으로부터 얻어지도록 한다. 적셔진 얀을 그 다음 필라멘트 권취 장치의 트래버스 암에 부착된 가이드를 통해 통과시키고 0.002 인치(0.005 ㎝) "Mylar" 폴리에스테르 박막의 2 개층으로 감싼 상기대로 윤곽형성된 굴대위에 권취된다. 권취는 얀의 약 1000 g이 굴대위에 권취된 후에 멈춰지며, 이때 지지물은 바람직한 외경(약 60 ㎜)에 도달한다.
그 위에 지지물과 칼라 삽입물을 갖는 굴대는 그 다음 특수 와인드에 옮겨졌다. 개발도상의 필터 단위의 플랜지 말단은 그 후 다음과 같이 보강되었다. 굴대를 약 100 RPM에서 회전시키며, 얀 코팅에 사용되는 상기 알루미나 슬러리의 약 20 cc를 서서히, 플랜지 어깨부에서 칼라 삽입물 아래 약 1.5 인치(3.7 ㎝)까지의, 플랜지 부분위에 부었다. 슬러리가 모세관 작용에 의해 플랜지로 흡수되었을 때, 표면위에는 과잉의 슬러리가 없으며, 막 층의 건조가 시작되었다.
막 층의 얀 부분은 후프 권취에 의해 적용되었다. 구체적으로, 막 층의 형성에 사용되는 필라멘트 와인더는 스크류 구동 트래버스를 가지고 스핀들이 트래버스 가이드의 각각의 1 인치(2.54 ㎝) 운동 동안 약 46.8 완전 회전의 속도로 회전하도록 조절된 구동비를 가져서, 얀이 관 표면의 약 46.8 얀/직선 인치(18.4 얀/㎝)의 간격으로 배치되도록 하였다. 이 간격은 이를테면 감긴 것 사이의 틈을 얀의 폭과 대략 동일하게 남기는 것이다. 얀을 A-17/Chlorhydrol알루미나 슬러리 중에 담그고, 권취 전에 0.017 인치(0.043 ㎝) 크기결정 구멍을 통해 잡아당겼다. 원형 권취는 필터의 전체 길이, 말단 끝 및 플랜지 부분을 가로질러 행해졌다. 감는 중에, 적어도 30 %의 습도 수준을 유지하였다.
열선총을 설치하여 적어도 20 분 동안, 회전을 유지하면서, 보강 부분을 건조하였다. 개발도상의 필터 및 굴대를 그 후 와인더로부터 제거하고 연직 지지물 선반내에 두었다.
주위온도에서 하룻밤동안(약 12 내지 16 시간) 건조시킨 후, 개발도상의 필터의 말단을 잘라내어 굴대가 제거되도록 하였다. 필터의 칼라 부분을 잘라내어 원래의 칼라 부분이 지지물 층의 플랜지 부분에 남도록 하였다. 개발도상의 필터를 그 후 염산 스크러버를 갖춘 머플로내에서 주위 온도로부터 약 700℃의 온도까지 가열시켰다. 이러한 낮은 소성 온도를 약 1 시간 동안 유지한 후에, 노 및 그 내용물을 노 냉각되게 하였다.
다음에, 관의 말단끝을 폐쇄하기 위한 그리고 막 층안에 권취물 사이의 틈을 채우기 위한 페이스트가 제조되었다. 구체적으로, 약 980 g의 탈이온화 수를 개방 용기내에서 측정하였다. 휘저어주며, 약 20 g의 "Superloid" 암모늄 알기네이트(Kelco Co., San Diego, CA)를 가했다. 겔 입자가 없는 매끄러운-흐름의 용액을 얻을 때까지 이 혼합물을 계속 휘저어주었다. 그 후, 계속 휘저어주면서, 약 330 g의 활석(MP 12-62 등급, Minerals Technologies 제)을 용액에 가했다. 활석이 균일하게 분산되었을 때, 추가적인 2700 g의 320 그릿 38 Alundum알루미나 미립자(Norton-St. Gobain, Worcester, MA, 32 미크론의 평균 입자 크기)를 서서히 가했다. 외관상 한무더기 또는 덩어리가 없이, 잘 개어진 페이스트를 얻을 때까지, 혼합을 계속하였다.
저온 소성된 캔들 필터는 굴대위의 원위치로 활주되고 와인더위의 원위치에 놓여졌다. 굴대를 약 100 RPM으로 회전시켰고 미립자 페이스트는 전체 표면이 덮힐 때까지 플라스틱 주걱으로 필터의 표면에 적용되었다. 충분한 압력 및 "끌기"가 그 후 깨끗한 주걱으로 가해져서 과잉의 재료의 대부분을 제거하였다. 관 벽의 단면 약도는 도 3b에 예시된다.
다시 한번 굴대로부터 개발도상의 캔들 필터를 제거한 후, 캔들의 끝에 있는 1/4 인치(6㎜) 직경의 개구를 상기 페이스트로 채웠다. 하룻밤동안 건조한 후, 1.25 인치(32 ㎜) 직경, 4 인치(102 ㎜) 길이, 40 와트 조명의 백열전구가 필터의 개방 말단내로 삽입되었다. 방의 불을 모두 끄고 필터의 표면을 조사하였다. 빛의 밝은 지점("핀 홀")이 있는 임의의 위치에서 미립자 페이스트가 추가적으로 적용되었다.
캔들 필터는 그 후 다음과 같이 고온 소성되었다. 캔들 필터를 대략 주위(예컨대, 약 20℃) 온도에서 대기 분위기 노안에 두었다. 노 온도를 약 40 분안에 약 800℃까지 상승시키고, 약 1 시간 동안 유지한 후, 분 당 약 2℃의 속도로 약 1300℃까지 상승시키고, 약 2 시간 동안 유지한 후, 분 당 약 1℃의 속도로 약 1380℃까지 상승시키고, 약 2 시간 동안 유지한 후, 분 당 약 5℃의 속도로 약 800℃까지 냉각하였고, 최종적으로 약 200℃까지 노를 냉각시켰다. 그 다음 노를 열고 그 내용물을 자연적으로 주위 온도까지 냉각되도록 하였다.
실시예 7
세라믹 고온가스 필터는, 원형 권취된 필라멘트 또는 얀이 막 층을 구성하지 않는다는 점을 제외하고는, 실질적으로 실시예 5에 따라 제조되었다. 막 층을 위한 슬러리는 브러쉬로 적용되었고, 과잉의 미립자를 서서히 필터 관으로부터 문질러 떼었다. 관 벽의 단면 약도는 도 3c에 예시된다.

Claims (21)

  1. 외면, 내면에 의해 일부분 규정된 중공 내부속 한쪽 말단에서의 개구, 상기 개방 말단에 대향한 폐쇄 말단, 및 상기 개방 말단과 일체인 외부 플랜지를 갖고, 복수의 산화물 세라믹 얀 층으로 형성되고, 각 층은 인접한 층과 교차 관계로 배열되어 복수의 4변형 형태의 개구를 형성하며, 상기 얀은 제 1 산화물 세라믹 재료로 코팅되고, 상기 제 1 산화물 세라믹 재료는 열처리시에 다공성 내화성 산화물 지지물 매트릭스를 제공하는 다공성 연장된 필터 지지물; 그리고
    상기 지지물의 외면 또는 내면과 접촉하고, 상기 지지물보다 덜 다공성이고, (1) 인접 권취 얀들이 그것들 사이에 틈을 규정하면서 적어도 하나의 원형으로 권취된, 제 2 산화물 세라믹 재료로 코팅된 연속적 필라멘트 산화물 세라믹 얀과, (2) 막 표면에 배치되고 막 안에 실질적으로 균일하게 분포되는 적어도 하나의 세라믹 충전재 재료를 포함하는 다공성 막층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 고온가스 필터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 세라믹 충전재 재료가 미립자 산화물 세라믹 재료를 포함하는 필터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 세라믹 충전재 재료가 분말, 미립자, 휘스커, 잘게 썬 섬유, 소판, 박판, 구, 세관 및 정제로 구성되는 군으로부터 선택되는 형태를 포함하는 필터.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 필터가 필터의 전체 결정질 함량을 기준으로, 약 25 내지 40%의 근청석, 5 내지 15%의 멀라이트, 40 내지 60%의 강옥, 및 0 내지 10%의 홍연석의 결정질 조성물을 갖는 필터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 4변형 형태의 개구가 열처리 후에 약 100 내지 약 500 미크론의 치수를 갖는 필터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 막 층이 약 0.1 내지 약 50 미크론의 직경을 갖는 세공을 규정하는 필터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 막 층이 약 5 내지 약 25 미크론의 직경을 갖는 세공을 규정하는 필터.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 세공의 평균 크기 및 크기 분포가 상기 막 층의 주변 둘레에 그리고 길이방향 크기를 따라 실질적으로 불변인 필터.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 산화물 세라믹 재료가, 열처리시에, 다공성 내화성 산화물 막 매트릭스를 제공하는 필터.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 필터의 전체 중량의 약 40 내지 약 70 %가 상기 지지물 매트릭스 및 상기 막 매트릭스의 결합 중량으로부터 비롯되는 필터.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 지지물 얀이 일반적으로 상기 연속적 필라멘트 막 얀과 동일한 조성물을 갖고 상기 제 1 산화물 세라믹 재료가 일반적으로 상기 제 2 산화물 세라믹 재료와 동일한 조성물을 갖는 필터.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 산화물 세라믹 물질이 각각 Al2O3를 포함하는 필터.
  13. 외면, 내면에 의해 일부분 규정된 중공 내부속 한쪽 말단에서의 개구, 상기 개방 말단에 대향한 폐쇄 말단, 및 상기 개방 말단과 일체인 외부 플랜지를 갖고, 복수의 산화물 세라믹 얀 층으로 형성되고, 각 층은 인접한 층과 교차 관계로 배열되어 복수의 4변형 형태의 개구를 형성하며, 상기 얀은 제 1 산화물 세라믹 재료로 코팅되고, 상기 제 1 산화물 세라믹 재료는 열처리시에 다공성 내화성 산화물 지지물 매트릭스를 제공하는 다공성 연장된 필터 지지물; 그리고
    상기 지지물의 외면 또는 내면상에 배치되고, 상기 지지물보다 덜 다공성이고 복수의 본체가 그것들 사이에 약 0.1 내지 약 50 미크론의 크기를 갖는 간극을 규정하면서 포함되는 적어도 하나의 세라믹 충전재 재료로 본질적으로 구성되는 다공성 막층
    을 포함하는 세라믹 고온가스 필터.
  14. 세라믹 고온가스 필터를 제조하는 방법으로서,
    제 1 코팅 조성물로 세라믹 산화물 지지물 얀을 코팅하여 연장된 다공성 필터 지지물을 제작하고, 상기 코팅된 세라믹 산화물 지지물 얀을 굴대에 권취하여 상기 코팅된 지지물 얀 층의 복수의 층을 형성하고, 이때 각 층은 인접한 층과 교차 관계로 배열하여 복수의 4변형 형태의 개구를 형성하며, 상기 굴대는 상기 개구 중의 하나에 인접한 상기 내부막과 일체부로서 외부 플랜지를 제공하도록 윤곽이 형성되고, 상기 제 1 코팅 조성물은 열처리시에 다공성 내화성 산화물 지지물 매트릭스를 제공하는 단계;
    상기 다공성 필터 지지물상에 적어도 하나의 연속적 필라멘트 산화물 막 얀을 권취하는 단계, 이때 권취는 상기 얀의 인접한 권취 얀 사이에 의도적인 틈이 실질적으로 남지 않도록 행해지며;
    상기 후프 권취된 얀위로 적어도 하나의 세라믹 충전재 재료를 배치하여 상기 얀의 인접한 권취 얀 사이에 의도하지 않은 틈을 충전하는 단계;
    과잉의 세라믹 충전재 재료를 제거하여 막 층을 형성하는 단계; 그리고
    상기 지지물 및 막 층을 소성하는 단계를 포함하는 세라믹 고온가스 필터의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 코팅 조성물 또는 상기 제 2 코팅 조성물의 상기 적어도 하나가 세라믹 산화물 미립자의 수성 슬러리를 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 세라믹 산화물 미립자가 Al2O3를 포함하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 수성 슬러리가 현탁제를 더 포함하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 지지물 얀이 약 61 내지 66 중량%의 SiO2, 24 내지 26 중량%의 Al2O3, 및 9 내지 10 중량%의 MgO를 포함하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 코팅 조성물 또는 상기 제 2 코팅 조성물 중 적어도 하나가 세라믹 산화물 선구물질을 포함하는 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 연속적 필라멘트 산화물 막 얀이 후프 권취, 및 다중 얀 권취로 구성되는 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 적용되는 방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 지지물 얀과 상기 연속적 필라멘트 막 얀이 각각 적어도 20 중량%의 알루미나를 포함하고 약 750℃이상의 연화점을 갖는 방법.
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