KR20030040004A - 전기히터 내장형 매연여과장치용 필터 - Google Patents

전기히터 내장형 매연여과장치용 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 히터를 내장한 매연여과장치용 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 히터를 다공질 필터의 내부에 내장하여 보조 열원으로 사용함으로써 포집된 입자상 물질에 히터가 직접 접촉하거나 복사열을 발생시켜 전기 에너지를 적게 사용하고도 매연 재생 성능을 향상시키는 것에 관한 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전기 히터를 내장한 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 적층 소결하여 이루어진 필터와, 격벽이 형성된 다공질판을 적층 소결한 후 카트리지 히터를 삽입한 필터를 제공한다. 전기 히터는 금속판 형태로 형성할 수 있고, 열선 코일을 삽입하여 소결한 형태로 사용할 수도 있다. 또한 전기히터를 다공질판에 내장하여 일체로 형성한 형태로 할 수도 있다. 이러한 매연여과장치용 필터를 제공함으로써 히터로 인한 주변 장치들이 차지하는 부피를 줄일 수 있고, 재생시 요구되는 전기 에너지의 부담을 감소시킬 수 있다.

Description

전기히터 내장형 매연여과장치용 필터 {FILTER FOR DIESEL PARTICULATE FILTER TRAP SYSTEM EMBEDDING ELECTRIC HEATER}
본 발명은 전기 히터를 내장한 매연여과장치용 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 히터를 다공질 필터의 내부에 내장하여 보조 열원으로 사용함으로써 포집된 입자상 물질에 히터가 직접 접촉하거나 복사열을 발생시켜 전기 에너지를 적게 사용하고도 매연 재생 성능을 향상시키는 것에 관한 것이다.
현대 사회의 발달에 따라 사람들의 이동량이 증가하면서, 자동차를 비롯한교통 수단의 활용도가 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 교통량의 증가에 따라 여러 가지 문제점이 대두되고 있는데 이중에서도 특히 화석 연료의 사용으로 인한 대가 오염 문제가 대도시등에서 중요한 이슈로 부각되고 있다. 자동차 등의 연료로 사용되는 화석 연료의 연소로 인하여 발생되는 이산화탄소, 황화물, 질화물(NOx, 녹스) 등은 환경 오염의 주범이 되고 있다. 특히 프레온, N2O 가스에 의한 오존층파괴, SOx, NOx성분에 의한 산성비등으로 인하여 중대한 환경 오염이 발생하고 있다. 또한 인체에 주로 호흡기 및 신경성 장애 등의 영향을 미치고 있고, 특히 HC와 NOx의 광화학반응에 의한 오존 발생과 최근에 PM(particulate matter, 입자상 물질)이 폐암의 원인으로 밝혀지고 있어 자동차 배출가스가 인체에 미치는 영향에 대한 관심이 증폭되고 있다. 따라서 이를 저감하기 위한 연구 및 개발이 행해지고 있다.
이러한 화석 연료의 연소로 인한 유해 배출물을 저감시키기 위하여 엔진 내부에서 자체적으로 오염 물질을 저감시키기 위한 기술 즉, 엔진 기술 및 전처리 기술이 개발되고 있으나 배기 규제가 강화됨에 따라 엔진 내부에서의 유해가스 저감기술만으로는 규제를 만족하기에는 한계가 있어 엔진에서 이미 연소된 배출가스를 처리하는 후처리 기술(aftertreatment technology) 적용이 불가피해졌다.
경유 자동차의 후처리 기술로서는 산화촉매, NOx촉매 및 매연여과장치를 예로 들 수 있는데, 이 중에서 현재 가장 효율적이며 실용화에 접근되어 있는 기술로서는 매연여과장치(DPF, diesel particulate filter trap)가 있다. 이 장치는 디젤엔진에서 배출되는 입자상 물질과 매연을 필터에 포집한 후, 이를 태워서 재생하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 매연을 80% 이상 저감할 수 있어 성능면에서는 아주 우수하나 내구성과 경제성이 실용화의 장애 요인으로 작용하고 있다.
매연여과장치는 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 이루어진다. 제어 장치는 별도로 하고, 이하에서는 필터 및 재생 장치에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
우선 필터에 있어서는 세라믹 코디어라이트 필터(ceramic cordierite filter)가 가장 일반적으로 사용되며, 이외에 실리콘 카바이드 필터(SiC), 세라믹 일체형 필터, 금속분말 필터 등도 사용되고 있다. 세라믹 필터나 실리콘 카바이드 필터의 구조는 단면이 원형이나 타원형의 원통이며 축 방향으로 직경 수mm 이내의 작은 삼각형이나 사각형 모양의 배출가스의 통로(channel)가 벌집 모양으로 형성되어 있다. 벌집 구조의 수퍼 하니컴은 비틀림을 6방향으로 균일하게 분산시켜 공기 흐름을 부드럽게 해 준다.
특허출원 제1995-7753호는 이러한 전형적인 하니컴 형태의 필터에 대하여 기재하고 있다. 특허출원 제1995-7753호에서는 디젤 차량 입자상 물질 제거용으로 세라믹 하니컴 필터를 사용하며, 필터 중앙의 일정 부분을 막아 막힌 부분으로 형성시켜 디젤 차량이 배출하는 배기 가스 중의 입자상 물질을 제거하고 내구성을 향상시키고 있다. 또한 하니컴 필터의 모양을 원, 타원, 삼각형, 사각형 또는 육각형으로 하는 것을 그 특징으로 하고 있다.
이러한 하니컴 형태의 다공성 세라믹 필터는 압출 형태로 필터를 제조하여 한 쪽 입구를 플러깅(plugging)해서 막고, 다공성 벽체를 통하여 배기 가스를 통과시켜 여과하는 방식을 취한다. 따라서 각 구멍을 막는 플러깅 공정이 어려워 자동화가 쉽지 않을 뿐만 아니라 소결도 여러번 행해져야 하기 때문에 그 제조 공정이 복잡해지고, 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다. 또한 일반적으로 하니컴 형태의 고형상의 다공질 세라믹 필터를 이용하는 경우, 성형 비용이 높아지고 균일한 가열이 어려워 고온에 의한 균열이 발생기기 쉬운 단점이 있다. 그리고 이러한 세라믹 하니컴의 경우, 그 구멍이 너무 작아 히터를 설치할 수 없는 한계가 있다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 기판상에 여러개의 격벽을 만들어 다공질판을 형성하고, 격벽 방향이 서로 다르게 되도록 다공질판을 적층하여 소결하는 직교류(cross-flow) 방식 필터가 개발되어 있다.
특허출원 제1996-041551호는 이에 관한 것으로, 직교류 방식의 필터에 대하여 기재하고 있다. 특허출원 제1996-041551호에서는 테이프 캐스팅 방법을 이용하여 두께가 일정한 세라믹 그린시트를 제조하고, 이를 엠보싱 가공 처리한 후 서로 직각 방향으로 돌려서 적층 소결하여 직교류 방식의 필터를 제조함으로써 고정원 및 이동원 등의 배기 가스에서 발생하는 분진 및 입자상 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터 제조 방법에 대하여 기재하고 있다.
도 5a 및 도 5b는 이러한 종래 기술에 따른 직교류 방식의 필터를 나타낸다. 도 5a는 종래의 격벽이 형성된 다공질판을 나타낸 것으로 기판상에 일정 간격으로다수의 격벽이 형성되어 있다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 이처럼 격벽이 형성된 다공질판을 적층하되, 이동 통로의 방향이 교대로 엇갈리도록 적층한다. 여기서는 통로의 입구 및 출구가 서로 교대로 막혀 있기 때문에 채널 입구로 유입된 배출가스는 다공질 벽을 통과하여 옆 채널 출구로 빠져나가면서 입자상 물질(PM)은 유입된 통로에서 포집된다. 다만, 이와 같은 구조의 세라믹 필터는 제조 공정이 복잡하고 1차 성형후 양단의 통로를 교대로 막은 후 다시 2차 성형 작업을 필요로 하므로 필터 가격이 상당히 고가인 문제점이 있다.
한편, 매연여과장치를 이루는 요소 중 하나인 재생 장치는 입자상 물질과 매연을 필터에 포집한 후에 포집 물질을 제거하고 필터를 계속 사용하기 위하여 필요하다. 재생 장치의 재생 방법은 포집 물질을 태워서 재생하고 다시 입자상 물질을 포집하여 계속 사용하는 기술로서 강제로 화학적 또는 전기적으로 열원을 공급하여 입자상 물질을 연소시키는 강제재생방식(active regeneration type)과 별도의 열원 공급 없이 배출가스 만으로 재생이 이루어지는 자연재생방식(passive regeneration type)의 2가지로 나눌 수 있다.
강제재생방식은 포집된 입자상 물질을 점화온도인 550℃∼600℃까지 외부열원으로 가열하는 것으로서 전기히터방식, 버너방식, 쓰로틀링(throttling)방식 등이 사용되고 있다. 또한 강제 재생 방식은 포집 필터를 통해 입자상 물질을 포집한 다음 버너나 전기 히터를 통해 입자상 물질을 직접 연소시키거나 연소가 가능한 온도까지 가열하는 방식으로 보조 열원을 공급하여 재생을 유도하기 때문에 잦은 재생으로 인해 고장이 심하고 수명이 단축되며, 매연이 다량 포집되어 재생될 경우이상 연소(abnormal burn)가 발생되어 필터를 파손시키는 결과를 가져올 수 있다.
자연재생방식은 촉매나 첨가제를 이용하여 입자상 물질의 점화온도를 낮추어 엔진배출가스로 연속 연소시키는 방법으로, 철(Fe), 세륨(Ce), 구리(Cu), 백금(Pt) 등의 금속 물질을 연료에 혼합함으로서 입자상 물질의 재생온도를 낮추는 첨가제 방식(Fuel additive), 백금 등의 귀금속을 필터 표면에 코팅하여 입자상물질을 연소시키는 산화촉매 필터 방식(Oxidation catalyst filter trap), 및 촉매를 전단에, 포집필터는 후단에 설치하는 촉매-트랩 복합방식(Catalyst-Trap combinations)이 있다.
자연재생방식이 구조가 간단하고 고장이 적기 때문에 바람직하므로 현재 주로 개발이 진행되고 있으나, 낮은 온도로 장시간 운전할 경우 자동차 배출가스 중 입자상 물질이 연소되지 않고 필터 내부에 누적되어 필터를 손상시키거나 차량 운행을 불가능하게 할 수 있다.
따라서 자연재생방식에 강제재생장치를 보조적으로 사용하는 반자연재생방식(semi-passive type)이 개발되고 있다. 이 경우 보조열원으로 전기히터가 많이 사용되고 있으나 대부분은 필터 외부에 설치되어 있으며, 배출가스에 전기히터의 에너지를 추가하여 배출가스의 온도를 상승시키는 방법과, 전기히터의 복사열이 필터내부에 포집되어 있는 입자상 물질까지 직접 전달되도록 하여 입자상 물질을 재생시키는 방법이 적용된다.
자동차의 시내운전 조건은 도시, 차량 및 운전자에 따라 다를 수 있으나 대체적으로 차량의 전체 부하가 요구되는 운전시간은 전체운전시간의 15%이하이며,45%는 출력이 전혀 요구되지 않고, 나머지도 전부하의 30%∼40%의 출력만 요구된다. 따라서 강제재생방식은 물론 첨가제나 촉매를 사용하는 자연재생방식에서도 필터 및 장치의 내구성을 확보하고 차량의 출력손실을 최저로 하기 위해서는 버너나 히터 등의 보조열원 공급장치가 필수적이다.
미국 특허 제5,780,811호는 이러한 구체적인 예를 보여주고 있다. 미국 특허 제5,780,811호에 따르면, 박판 필터로 포집한 분진을, 격자형 열선에 전류를 인가하여 태워버리는 방법에 대하여 기재하고 있다. 박판 필터에 고온 영역이 생성되는 경우, 동일 영역에 상응하는 격자형 열선 부분에 흐르는 전류가 감소된다.
이와 같은 경우, 격자형 열선등이 배치되어 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 이를 외부 전원에 연결하여 사용하므로, 외부 전원 사용에 의한 부피가 증가하는 문제점이 있다.
요약하자면, 전술한 바와 같이 히터를 사용하는 경우, 히터에 공급해야 할 전기 공급량이 많아져 전기 에너지 소모가 크다는 단점이 있다. 즉, 히터를 가열하기 위해서 3kw∼4kw의 전력이 필요하며, 엔진 발전기나 배터리 크기가 커지는 등 추가 전력공급 장치가 필요할 뿐만 아니라 고가인 문제점이 있다.
본 발명에서는, 매연여과장치에 있어서 전술한 종래 기술의 문제점, 즉 매연여과장치에서 쓰이는 필터의 경우 제조가 어렵고 생산비가 많이 든다는 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 재생 장치에 있어서 히터 사용에 따른 전기 에너지 소모가 많다는 문제점을 해결할 수 있다.
매연여과장치에 있어서 필터의 경우, 전술한 바와 같이 허니컴 구조의 필터는 그 성형 방식이 복잡하고 비용이 많이 드는 바, 본 발명에서는 이러한 성형 방식을 개선하기 위한 방법을 제시한다. 이러한 성형 방식을 개선하기 위하여 본 발명에서는 특히 다공질판을 적층하여 필터를 형성하는 방법을 제공한다.
또한 매연여과장치에 있어서 재생 장치의 경우, 재생을 위해서는 열원의 공급이 필요한 바, 종래 기술에서 이러한 열원을 제공하기 위하여 보조재생 열원 공급장치로서 히터나 버너 등을 사용하는 데, 이들은 필터와 별개로 이루어져 있어서 장치가 커지고 부품의 수가 많아 잦은 고장의 원인이 되어 왔으며, 특히 히터에 공급되는 전기 에너지가 과다하여 차량에 무리가 가는 문제점이 있었다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시한다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터 내장형 다공질판을 나타낸 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터 내장형 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터 내장형 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타낸 또다른 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열선 코일 내장형 다공질판을 나타낸 사시도이다.
도 2b 및 도 2c는 본 발명의 제2 실시예에 따라 열선 코일 내장형 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2d 및 도 2e는 본 발명의 제2 실시예에 따라 열선 코일 내장형 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 배기 가스의 이동 통로 방향이 동일하도록 교대로 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타낸 또다른 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 카트리지 히터를 구비한 필터를 나타낸 도면이다.
도 3b는 본 발명의 제3 실시예의 또다른 형태의 필터를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제4 실시예에 따라 열선 코일을 다공질판에 내장하여 성형한 후 적층하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 5a는 종래의 격벽이 형성된 다공질판을 나타낸 사시도이다.
도 5b는 격벽이 상호 교차되도록 다공질판을 적층한 종래의 필터를 나타낸 도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10. 다공질판 11, 41. 전기 히터
12, 42. 다공성 기판 13, 23, 26. 격벽
14, 24, 44. 상판15, 16, 25, 43. 격막
21. 열선 코일 31. 카트리지 히터
본 발명은 매연여과장치에 사용하는 필터에 관한 것으로서, 본 발명의 필터는 제1 다공성 기판상에 전기 히터가 부착되어 형성되고 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 입구측 다공질판과, 제2 다공성 기판상에 다수의 격벽이 평행한 방향으로 기판과 일체로 형성되고 다수의 격벽에 의하여 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 출구측 다공질판을 포함한다. 본 발명의 필터에서는, 배기 가스가 입구측 다공질판으로 유입되어 다공성 기판을 상하로 통과한 후, 출구측 다공질판을 경유하여 배출되도록, 입구측 다공질판과 출구측 다공질판을 교대로 적층한다.
본 발명의 매연여과장치용 필터에서는, 전기 히터를 제2 다공성 기판상에 형성된 격벽과 동일한 패턴으로 제1 다공성 기판상에 형성하여, 전기 히터 자체가 격벽으로 작용하도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 전기 히터는 금속판으로 형성되어 상호 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 입구측 다공질판에는 격벽을 추가로 형성할 수 있으며, 전기 히터를 추가로 형성된 격벽내에 내장할 수 있다. 이 경우 전기 히터를 코일형 열선으로 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 출구측 다공질판의 격벽으로 형성된 배기 가스의 이동 통로 양끝에, 양끝이 교대로 엇갈리게 격막을 형성하고, 격막이 상하로도 교대로 엇갈리도록 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 입구측 다공질판의 전기 히터가 설치된 방향과 출구측 다공질판의 격벽이 형성된 방향이 서로 직각으로 교차하거나 동일하도록 히터를 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 전기 히터가 부착되어 형성되어 있는 제1 다공성 기판상의 한 면에 격막을 일체로 형성하여, 배기 가스의 이동 통로에서 배기 가스의 일단을 차단하도록 할 수 있다.
본 발명에서는 전기 히터가 부착되어 형성되어 있는 제1 다공성 기판상의 한 면에 전기 히터의 길이 방향으로 양끝에 교대로 엇갈리게 격막을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 다공성 기판상에 다수의 격벽이 평행한 방향으로 기판과 일체로 형성되고, 다수의 격벽에 의하여 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 입구측 다공질판 및 출구측 다공질판을 포함할 수 있다. 또한 다수의 다공질판을 적층하여 소결한 후 전기 히터를 이동 통로로 삽입하여 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 필터에서는 다공질판의 격벽으로 형성된 배기 가스의 이동 통로 양끝에 교대로 엇갈리게 격막을 형성하고, 격막이 상하로도 교대로 엇갈리도록 할 수 있다.
또한 이동 통로상에 삽입되는 전기 히터는 한 쪽 끝단이 상호 전기적으로 연결되어 있는 카트리지 히터로 할 수도 있다.
본 발명의 필터에서는 입구측 다공질판에서의 배기 가스의 유입 방향 및 출구측 다공질판에서의 배기 가스의 배출 방향이 상호 직각으로 교차되거나 일치하도록 할 수 있다.
또한 본 발명의 필터에서는 제1 다공성 기판상에 전기 히터가 내장되어 일체로 형성된 다수의 입구측 다공질판 및 제2 다공성 기판상에 다수의 격벽이 평행한 방향으로 기판과 일체로 형성되고, 다수의 격벽에 의하여 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 출구측 다공질판을 포함할 수 있다. 그리고 배기 가스가 입구측 다공질판으로 유입되어 다공성 기판을 상하로 통과한 후, 출구측 다공질판을 경유하여 배출되도록, 입구측 다공질판과 출구측 다공질판을 교대로 적층할 수 있다.
본 발명의 필터에서는 출구측 다공질판의 격벽으로 형성된 배기 가스의 이동 통로 양끝에 교대로 엇갈리게 격막을 형성하고, 양끝을 막은 부분이 상하로도 교대로 엇갈리도록 할 수 있다.
이러한 본 발명의 전기 히터는 다수의 열선을 격자형으로 형성할 수 있거나, 출구측 다공질판의 격벽에 대하여 평행하거나 직각으로 교차하는 방향으로 지그재그로 이어서 형성할 수 있다.
본 발명의 모든 이러한 경우에 있어서, 히터로부터 공급되는 열량이 매연을 연소시키기에 충분해야 하고, 필터의 작은 셀에 삽입되어야 하며, 배출가스의 유동을 방해하지 않아야 하기 때문에 고열량의 히터를 소형으로 만든다. 또한 기판상에 히터를 설치하여 형성된 다공질판을 적층하여 필터를 형성한 다음 소결하는 경우, 필터의 소결 온도에 견딜 수 있고, 물리적 성질을 유지하는 히터를 사용한다. 이러한 히터는 가솔린 3원 촉매용 금속 필터에 사용되는 금속 히터를 사용할 수 있다.
또한 세라믹으로 이루어진 다공질판을 접착하기 위하여, 히터와 필터 사이의 기밀을 유지해 주면서 고온에 견딜 수 있는 접착제를 사용한다.
본 발명의 매연여과장치용 필터는 금속판 형태의 히터 또는 열선형 히터, 및 입자상 물질을 여과할 수 있는 기판으로 이루어진 다수의 다공질판을 포함한다.
이하에서 본 발명에 따라 전기 히터를 내장한 매연여과장치용 필터에 대하여 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 발명의 제1 실시예를 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제1 실시예에 관한 것으로서, 직교류 방식의 전기 히터가 설치된 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층한 필터를 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다공질판을 나타낸 사시도이다. 도 1a에 나타낸 바와 같이, 세라믹 등을 주성분으로 하여 이루어진 다공성 기판(12)에 다수의 전기 히터(11)를 일정한 간격으로 형성한 다음 상호 연결한다. 필터의 재질로서는 세라믹, 실리콘카바이드 등의 다공질 소재를 이용한다. 이러한 다공질 소재의 경우 보통 1000℃, 최대 1400℃까지의 온도에 견디도록 설계되므로 내열성을 지니고 있다. 히터(11)는 금속판형으로 형성하는 것이 바람직하며 다공성 기판(12)상에 형성한다.
도 1b에는 이러한 전기 히터가 설치된 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타내고 있다. 도 1b에 나타낸 바와 같이 본 발명에 있어서, 도 1a에 나타낸 바와 같은 히터(11)가 형성된 다공질판과 격벽(13)이 형성된 다공질판을 교대로 적층함으로써 본 발명의 필터를 형성한다. 이 경우, 동일한 패턴으로 다공질판의 격벽(13) 위치에 히터(11)를 부착하여 형성한다.
도 1c는 전기 히터가 설치된 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타내는 도면이며, 도 1b의 격벽(13)과 그 형태가 다르다는 점을 특징으로 한다. 즉 도 1c에 나타낸 본 발명의 필터는 격막(16)을 사용하여 다공질판의 양쪽 끝의 배기 가스 이동 통로를 교대로 엇갈리게 막아 형성되어 있다. 따라서 배기 가스의 이동을 제한하는 형태로 되어 있다.
배기 가스는 히터(11)가 형성된 입구측 다공질판의 통로쪽으로 유입되어 상하에 형성된 다공질판을 통과한 후 격벽(13, 16)이 형성된 출구측 다공질판의 통로쪽으로 배출된다. 입자상 물질이 포집되는 필터 내부에 히터(11)가 직접 설치되어 있기 때문에 적은 에너지로도 입자상 물질을 효율적으로 연소시킬 수 있다. 또한 입구측 다공질판에는 격막(15)이 형성되어, 배기 가스가 빠져나가지 못하도록 차단한다.
이러한 과정을 위하여 특성이 상이한 양 다공질판을 교대로 적층하고 맨 위에 상판(14)을 덮어 필터를 형성함으로써 효율적으로 매연을 여과하면서도 재생이 가능한 필터를 계속 사용할 수 있다. 다공질판의 적층시에는 이들 다공질판을 접착제로 접착하여 사용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는 입자상 물질 등의 여과가 가능한 다공질판을 사용하고 그 다공질판의 내부에 금속판으로 된 전기 히터(11)를 삽입하여 필터를 재생하여 계속 사용할 수 있도록 함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 또한 필터를 그 내부에 전기 히터를 포함한 구조로 형성하므로 외부에 따로 전기 열원을 구비할 필요가 없어서 부피 증가로 인하여 발생하는 문제점이 없다.
본 발명의 제2 실시예를 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다공질판을 나타낸 사시도이며, 도 2b 내지 도 2e는 본 발명의 제2 실시예에 따라 다공질판을 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타낸다. 도 2b 내지 도 2e의 경우 모두 본 발명의 제2 실시예에 따라 다공질판을 적층하여 필터를 형성하는 방법을 나타내고 있으나, 다공질판의 적층 방향 및 형태에 있어서 서로 차이점이 있다. 이 차이점에 대해서는 이하에서 상세하게 설명한다.
도 2a에서는, 도면에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 있어서 다공질판의 격벽 위치에 다수의 열선 코일(21)을 삽입 형성한다. 이러한 다수의 열선 코일(21)이 삽입된 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층 후 소결하여도 2b 내지 도 2e에 나타낸 바와 같은 필터를 형성한다.
본 발명의 제2 실시예에서는 입자상 물질 등의 여과가 가능한 다공질판을 사용하고 그 다공질판의 내부에 열선 코일(21)이 삽입된 격벽을 형성하여 입자상 물질 등을 태워 제거함으로써 필터를 재생하여 계속 사용할 수 있도록 한다. 또한 필터 내부가 열선 코일을 포함한 구조로 형성되어 있으므로, 외부에 따로 전기 열원을 구비할 필요가 없어서 부피의 증대로 발생하는 문제점이 없다.
배기 가스는 열선 코일이 삽입된 격벽이 형성되어 있는 입구측 다공질판으로 유입되어 상하의 다공질판을 통과한 후 격벽이 형성된 출구측 다공질판의 이동 통로를 따라 출구로 배출된다. 또한, 이와는 반대로 배기 가스가 격벽이 형성되어 있는 입구측 다공질판으로 유입되어 상하의 다공질판을 통과한 후 열선 코일이 삽입된 출구측 다공질판의 이동 통로를 따라 출구로 배출될 수도 있다.
도 2b는 열선 코일이 삽입된 격벽과, 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다공질판을 교대로 적층하되, 배기 가스의 이동 방향이 상호 직각으로 교차하도록 형성된 적층 방법을 나타내는 도면이다. 도 2b에 나타낸 적층 방법과 같이, 열선 코일이 삽입된 입구측 다공질판과 격벽이 형성된 출구측 다공질판을 교대로 적층한 다음, 최상부에 상판(24)을 적층하여 본 발명의 필터를 형성한다.
도 2c는 도 2b와 동일하게 다공질판을 적층하는 방법을 나타내지만, 출구측 다공질판에 있어서, 배기 가스의 이동 통로의 형성 형태가 도 2b와 다르다. 즉 도 2c에서는 배기 가스의 이동 통로의 한쪽 측면에 격막(25)을 형성하여 배기 가스의 이동을 차단하는 형태로 형성할 수도 있다. 이 경우 배기 가스의 원활한 통과를위해서 출구측 다공질판과 입구측 다공질판을 적층시 배기 가스 통로가 상하로도 교대로 엇갈리도록 한다.
도 2d 및 도 2e에서는 각각 도 2b 및 도 2c와 같은 형태의 격벽을 적층하는 본 발명의 제2 실시예의 또다른 형태를 나타낸다. 도 2d 및 도 2e에서 나타낸 바와 같이, 배기 가스의 유입 방향과 열선 코일이 삽입된 다공질판의 이동 통로를 동일한 방향으로 하여 형성할 수도 있다. 도 2e에서는 특히, 배기 가스의 원활한 통과를 위해서 다공질판을 적층시 배기 가스 통로가 상하로도 교대로 엇갈리도록 한다.
다음으로 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 대하여 설명한다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따라 카트리지 히터를 구비한 매연여과장치의 필터를 나타내며, 도 3b는 본 발명의 제3 실시예의 또다른 형태를 나타낸다.
도 3a에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서는 격벽이 형성된 다수의 다공질판을 적층하여 소결한 후, 카트리지 히터(31)를 제작하여 다수의 다공질판 내부로 삽입한 필터를 사용한다. 카트리지 히터(31)는 배기 가스의 유동을 방해하지 않는 방법으로 제작하며 다공질판상의 격벽 대신에 히터를 카트리지 형태로 만들어서 삽입할 수도 있다. 이러한 카트리지 히터(31)는 배기 가스의 유동으로 인한 요동이 없도록 필터내에 고정된다.
도 3a는 배기 가스의 유입 방향 및 배출 방향이 직각으로 교차하는 경우에 사용하는 필터를 나타내고, 도 3b는 배기 가스의 유입 방향 및 배출 방향이 동일한경우에 사용하는 필터를 나타낸다. 따라서 도 3a의 경우 다공질판의 격벽 방향이 직각으로 교차하는 반면에, 도 3b의 경우 격벽 방향이 동일하도록 되어 있다.
따라서 도 3a에 나타낸 필터에 있어서 배기 가스의 흐름은 입구측 방향으로 배기 가스가 유입된 후 상하로 적층된 다공성 기판을 거치면서 여과 및 가열된 후, 입구측 방향과 수직인 방향으로 배출되도록 되어 있다. 도 3b에 나타낸 필터에 있어서는 입구와 출구측 방향이 동일하므로 필터로 유입된 배기 가스는 상하로 적층된 다공성 기판을 거치면서 여과 및 가열된 후, 입구 방향과 동일한 출구 방향으로 배출되게 된다.
또한 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상하의 격벽에 있어서의 배기 가스의 이동 통로를 상하로 엇갈리게 적층하여, 배기 가스가 원활하게 통과할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 제3 실시예에 있어서의 카트리지 히터(31) 전체에 한꺼번에 전압을 인가하면 전류가 흐르게 되어, 합선 또는 단락될 우려가 있기 때문에 카트리지 히터(31)를 구획하여 구획별로 순차 가열하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 카트리지 히터(31)는 최소 면적에 최대 열량을 주입하여 최소 공간에 필요한 열을 공급할 수 있는 것으로서, 피가열물체인 금속, 열판, 주물 등에 구멍을 뚫는 것만으로도 사용이 간단하다. 내구성이 강하며 다른 히터의 채택이 불가능한 경우에도 피가열물의 구멍에 쉽게 장착하여 사용할 수 있다. 카트리지 히터는 열판금형 가열, 자동 포장기, 압축다이, 고무성형 가열기, 액체 가열기 등에 사용되는 것으로서, 그 중심에 가열 코일이 고정되어 있어서 높은 열량을 전달할 수 있다. 특히, 카트리지 히터(31)는 본 발명에서와 같이 제한된 공간에 많은 전열량이 필요한 경우에 적합하다.
이하에서는 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 대하여 설명한다.
도 4a는 본 발명의 제4 실시예에 따라 열선을 격자형으로 다공질판에 내장하여 성형하는 방법을 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 제4 실시예에 따라 다수의 열선을 출구측 다공질판의 격벽과 평행한 방향으로 내장하여 형성하는 방법을 나타낸 도면이며, 도 4c는 본 발명의 제4 실시예에 따라 다수의 열선을 출구측 다공질판의 격벽과 직교하는 방향으로 내장하여 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 4a에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예의 입구측 다공질판은 다공성 기판(42)상에 열선으로 이루어진 전기 히터(41)를 적층한 다음, 이를 격막(43)이 형성된 다공질판과 교대로 적층하여 이루어진다. 여기서의 격벽층은 매연과 PM을 포집하는 역할을 한다. 도 4a는 이러한 전기 히터(41)의 열선을 가로 방향 및 세로 방향으로 나란히 배열하여 격자형으로 형성한 예를 나타낸다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 전기 히터를 내장한 다공질판과 격벽이 형성된 다공질판을 교대로 적층하고, 상판(44)을 덮음으로써 본 발명의 히터를 형성한다.
또한 다공질판에는 격막(43)이 배기 가스의 이동 통로의 양쪽 끝에 교대로 엇갈리도록 형성되어 있어서, 배기 가스의 이동을 차단한다.
도 4b 및 도 4c는 본 발명의 제4 실시예에 있어서 전기 히터를 이루는 열선의 또다른 배열 형태를 나타낸다.
도 4b에는 전기 히터를 이루는 열선을 지그재그로 이어서 형성하여 내장한 다공질판을 포함하는 본 발명의 히터 내장형 필터를 제조하는 방법을 나타내며, 이러한 열선의 배열을 출구측 다공질판의 격벽과 동일한 방향으로 하여 다공질판에 내장한다.
도 4c에는 전기 히터를 이루는 열선을 지그재그로 이어서 형성하여 내장한 다공질판을 포함하는 본 발명의 히터 내장형 필터를 제조하는 방법을 나타내며, 이러한 열선의 배열을 출구측 다공질판의 격벽과 직교하는 방향으로 하여 다공질판에 내장한다.
본 발명에 따른 매연여과장치는 필터와 전기 히터 또는 필터와 열선 코일을 일체화하여 필터와 그 주변 장치들이 차지하는 부피를 줄임으로써, 공간 효율을 증가시키고 부품을 단순화하여 잔고장의 원인을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
또한 전기 히터 또는 열선 코일의 전원을 독립적으로 연결하여 재생시 요구되는 전기 에너지의 부담을 줄이고, 히터 또는 열선을 필터에 내장하여 필터를 직접 가열할 수 있어서 전기 에너지의 이용 효율을 높일 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 많은 다른 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 매연여과장치에 사용하는 필터에서,
    제1 다공성 기판상에 전기 히터가 부착되어 형성되고, 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 입구측 다공질판 및
    제2 다공성 기판상에 다수의 격벽이 평행한 방향으로 상기 기판과 일체로 형성되고, 상기 다수의 격벽에 의하여 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 출구측 다공질판
    을 포함하며,
    상기 배기 가스가 상기 입구측 다공질판으로 유입되어 상기 다공성 기판을 상하로 통과한 후, 상기 출구측 다공질판을 경유하여 배출되도록, 상기 입구측 다공질판과 상기 출구측 다공질판을 교대로 적층한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  2. 제1항에서,
    상기 전기 히터는 상기 제2 다공성 기판상에 형성된 상기 격벽과 동일한 패턴으로 상기 제1 다공성 기판상에 형성되어 상기 전기 히터 자체가 격벽으로 작용하는 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  3. 제2항에서,
    상기 전기 히터는 금속판으로 형성되어 상호 연결된 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  4. 제1항에서,
    상기 입구측 다공질판에는 격벽이 추가로 형성되어 있으며, 상기 전기 히터는 추가로 형성된 상기 격벽내에 내장되어 있는 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  5. 제4항에서,
    상기 전기 히터는 코일형 열선인 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  6. 제1항에서,
    상기 출구측 다공질판의 상기 격벽으로 형성된 배기 가스의 이동 통로 양끝에, 상기 양끝에 교대로 엇갈리면서 격막을 형성하고, 상기 격막이 상하로도 교대로 엇갈리게 형성된 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상기 입구측 다공질판의 상기 전기 히터가 설치된 방향과 상기 출구측 다공질판의 상기 격벽이 형성된 방향이 서로 직각으로 교차하도록 한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상기 입구측 다공질판의 상기 전기 히터가 설치된 방향과 상기 출구측 다공질판의 상기 격벽이 형성된 방향이 동일하도록 한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 전기 히터가 부착되어 형성되어 있는 상기 제1 다공성 기판상의 한 면에 격막이 일체로 형성되어, 상기 배기 가스의 이동 통로에서 상기 배기 가스의 일단을 차단하는 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  10. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상기 전기 히터가 부착되어 형성되어 있는 상기 제1 다공성 기판상의 한 면에 상기 전기 히터의 길이 방향으로 양끝에 교대로 엇갈리면서 격막을 형성한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  11. 매연여과장치에 사용하는 필터에 있어서,
    상기 다공성 기판상에 다수의 격벽이 평행한 방향으로 상기 기판과 일체로 형성되고, 상기 다수의 격벽에 의하여 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 입구측 다공질판 및 출구측 다공질판을 포함하며,
    상기 다수의 다공질판을 적층하여 소결한 후 전기 히터를 상기 이동 통로로삽입하여 이루어진 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  12. 제11항에서,
    상기 다공질판의 격벽으로 형성된 배기 가스의 이동 통로 양끝에, 상기 양끝에 교대로 엇갈리면서 격막을 형성하고, 상기 격막이 상하로도 교대로 엇갈리도록 한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  13. 제11항 또는 제12항에서,
    상기 이동 통로상에 삽입되는 전기 히터는 한 쪽 끝단이 상호 전기적으로 연결되어 있는 카트리지 히터인 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에서,
    상기 입구측 다공질판에서의 배기 가스의 유입 방향 및 상기 출구측 다공질판에서의 배기 가스의 배출 방향이 상호 직각으로 교차되도록 한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에서,
    상기 입구측 다공질판에서의 배기 가스의 유입 방향 및 상기 출구측 다공질판에서의 배기 가스의 배출 방향이 일치하도록 한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  16. 매연여과장치에 사용하는 필터에 있어서,
    제1 다공성 기판상에 전기 히터가 내장되어 일체로 형성된 다수의 입구측 다공질판 및
    제2 다공성 기판상에 다수의 격벽이 평행한 방향으로 상기 기판과 일체로 형성되고, 상기 다수의 격벽에 의하여 배기 가스의 이동 통로가 형성된 다수의 출구측 다공질판
    을 포함하며,
    상기 배기 가스가 상기 입구측 다공질판으로 유입되어 상기 다공성 기판을 상하로 통과한 후, 상기 출구측 다공질판을 경유하여 배출되도록, 상기 입구측 다공질판과 상기 출구측 다공질판을 교대로 적층한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  17. 제16항에서,
    상기 출구측 다공질판의 격벽으로 형성된 배기 가스의 이동 통로 양끝에, 상기 양끝에 교대로 엇갈리면서 격막을 형성하고, 상기 양끝을 막은 부분이 상하로도 교대로 엇갈리도록 한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  18. 제16항 또는 제17항에서,
    상기 전기 히터는 다수의 열선을 격자형으로 형성한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  19. 제16항 또는 제17항에서,
    상기 전기 히터는 다수의 열선을 상기 출구측 다공질판의 상기 격벽에 대하여 평행한 방향으로 지그재그로 이어서 형성한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
  20. 제16항 또는 제17항에서,
    상기 전기 히터는 다수의 열선을 상기 출구측 다공질판의 상기 격벽에 대하여 직각으로 교차하는 방향으로 지그재그로 이어서 형성한 히터 내장형 매연여과장치용 필터.
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