KR20040031704A - 소결된 금속으로 제조된 배기가스 미립자 필터 - Google Patents

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KR20040031704A
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하요트에스 파초이크테히닉 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

본 발명은 내연기관 특히 디젤 내연기관의 배기가스 스트림에 함유된 미립자를 제거하기 위한 소결된 금속으로 제조된 배기가스 미립자 필터에 관한 것이다. 배기가스 미립자 필터는 하나 이상의 금속 지지체(1)를 가지는 필터 물질로 제조되고, 하나 이상의 지지체(1)는 개구부(O)를 가지고 하나 이상의 지지체(1) 상에 소결된 다공성 금속 분말이 소결 공정에 의하여 결합되어 있다. 본 발명은 지지체(1)가 강망으로 구성되고 지지체(1)의 개구부(O)를 한정하는 부분이 물질 결합으로 서로에게 결합됨을 특징으로 한다. 지지체(1)는 70%를 초과하지 않는 양으로 이를 확장시키는 공정 후에 캘린더링된다.

Description

소결된 금속으로 제조된 배기가스 미립자 필터 {EXHAUST GAS PARTICULATE FILTER MADE OF SINTERED METAL}
기술분야
본 발명은 소결 공정에서 다공성 소결 금속이 결합된 개구부를 포함하는 하나 이상의 금속 지지체를 구비한 필터 물질로 구성된, 내연기관, 특히 디젤 내연기관의 배기가스 스트림에 함유된 미립자의 제거를 위한 소결된 금속의 배기가스 미립자 필터에 관한 것이다.
배경기술
소결된 금속 필터는 배기가스 스트림에 함유된 미립자 예를 들어 매연 미립자를 제거하기 위한 내연기관 예를 들어 디젤 내연기관을 위한 배기가스 미립자 필터로서 적용된다. 이러한 내연기관의 배기가스 트레인에 상호연결된 배기가스 미립자 필터는 배기가스 미립자 필터를 통과하는 배기가스의 온도와 또한 이러한 배기가스 필터를 재생시키기 위한 매연 연소 동안 발생되는 온도를 견딜 수 있어야 한다. 이러한 요건은 소결된 금속 필터에 의해 달성된다. 소결된 금속 필터는 필터 본체를 제작하는 필터 플레이트 또는 필터 포켓을 형성하기 위한 필터 물질 스트립을 재형성함에 의해 생성된다. 필터 스트립은 통상적으로 지지체 물질로서 와이어 패브릭으로 구성되고, 와이어 패브릭은 소결 금속 분말로 코팅되고 후속하여소결 공정을 거치게 된다. 이러한 공정으로 소결된 금속 플레이트는 대략 50% 내지 80%의 다공성을 가지는 것으로 생성될 수 있다. 개개의 재형성된 필터 플레이트 또는 필터 포켓을 연결하여 필터 본체를 적합하게 형성하기 위하여, 개개의 구성요소를 결합함에 의해, 예를 들어 용접하여 연결할 필요가 있다. 와이어 패브릭이 지지체로서 활용되는 소결된 금속 필터는 유럽 특허 EP 0 505 832 B1에 기술되어 있다. 소결된 금속 물질의 용접 동안의 열 분배 및 결과적인 특히 열 소실을 개선하기 위하여 능직(twill) 와이어 패브릭이 지지체로 역활한다. 다른 통상적인 와이러 패브릭에 비하여, 능직 와이어 패브릭은 개개의 와이어 간의 이들의 접촉접을 증가시키기 위하여 추가의 와이어가 패브릭 내로 엮어지고, 이의 하나의 씨실은 수개의 날실을 가교한다는 점에 의하여 구별된다. 다른 와이어 패브릭에 비하여, 상기 지지체 물질과 함께, 개개 와이어로부터 다른 와이어로의 열 전달은 개개 와이어 간의 증가된 개수의 접촉점을 통해 열 전달 부위를 증가시킴에 의해 개선된다. 그러나, 패브릭을 형성하기 위한 추가의 와이어의 구비를 통해 견고성 및 중량이 또한 증가한다. 이는 결과적으로 필터 플레이트 또는 필터 포켓을 제조하기 위하여 요구되는 필수적인 재형성 공정에 대해 불리한 영향을 준다. 따라서, 재형성을 위하여, 지지체 물질로서 다른 패브릭으로 생성된 필터 물질 구획에 비하여 보다 큰 재형성력이 필요하다. 따라서, 능직 와이어 패브릭 상에 적용된 소결 물질은 흠결이 날 수 거나 심지어 부서질 수 있는데, 이는 이의 강도 특성이 지지체 물질에 비하여 다공성과 재형성 공정을 수행하기 위하여 이용될 수 있어야 하는 필수적인 강도를 통해 감소된다는 사실에 기인한다.
DE 195 20 146 C1은 다공성 본체, 예를 들어 배기가스 미립자 필터의 다공성 본체를 제조하는 방법을 기술하고 있는데, 이에 따르면, 제 1 방법 단계에서, 지지체 물질은 재형성되고, 그 후에 지지체 물질의 개구부가 차단될 때까지 화염 스프레이에 의해 코팅된다. 결과적으로, 상기 문헌은 먼저 필터 플레이트 또는 필터 포켓의 지지체 물질을 적절한 모형으로 만들고 후속하여 본체를 필터 물질로 적합하게 코팅하는 것을 교시하고 있다. 이러한 방법이 소결된 금속 필터를 생성하기에 부적합하다는 사실은 별문제로 하고, 소결된 금속 필터의 제조를 위한 이러한 방법을 사용하는 것은, 재형성 동안, 다른 방법에 비하여 지지체 상에 적용된 소결 금속 층 및 미리 재형성된 개개 부분의 필터 본체를 제조하기 위한 용접을 피할 수 있는 잇점을 가장 잘 얻게 한다. 그러나, 수 밀리미터 너비의 개구부 만을 가지는 필터 쳄버 또는 필터 포켓 또는 -웨지 필터로서 형성된- 테이프도 구비한 배기가스 미립자 필터는 본 공개 문헌에서 설명된 방법으로 제조될 수 없다. 더욱이, 본 문헌에 따라 제조된, 지지체 및 적용된 물질 사이의 연결부가 또한 배기가스에서의 큰 온도 변동 및 작동 중이 아닌 온도에 비한 재생 온도로 인하여 손상된다는 위험이 존재한다.
EP 0 166 606 B1은 필터로서 적용될 수 있는 다공성 금속 물체를 개시한다. 이러한 다공성 물체에서, 개구부가 구비된 금속 지지체는 개구부로 도입된 소결 금속 분말을 위한 지지체로서 역활하고, 이는 소결 공정 동안 서로 간 및 지지체와 뭉쳐진다. 이러한 필터 물질을 형성하기 위한 지지체로서, 특성에 관계없이 개구부가 구비된 금속 지지체가 기술되어 있고, 이 문헌에서는 다른 통상적으로 활용되는 와이어 패브릭의 지지체에 균등한 지지체로서의 강망(expanded matal)이 또한 언급되어 있다. 본 문헌의 내용은 미세 입자화된 미립자는 또한 물질 흐름으로부터 제거될 수 있는 방식으로 제공하기 위하여 적합한 금속 분말의 개구부의 충전이다. 그러나, 이 문헌은 내연기관의 배기가스 스트림에 함유된 미립자를 제거하기 위한 소결된 금속 필터로서 이 문헌에서 기술된 방법에 따라 제조된 필터 본체를 활용하는 것이 유용할 수 있다는 것을 개시하지 않고 있다. 상기 문헌은 또한 결과적으로 소결된 금속 필터가 적절하게 형성될 수 있는 방식에 대한 어떠한 참조문헌도 개시하지 않고 있다.
이미 논의된 종래 기술분야를 토대로, 본 발명은 따라서 종에 따라 상기 설명된 타입의 소결된 금속 필터를 추가로 개발하여 상이한 소결된 금속 필터 본체를 제공하기 위한 소결된 금속 필터를 구성하기 위하여 적용되는 필터 물질이 재형성이 가능한 유사 고형 물질일 뿐만 아니라 보다 용이하게 용접될 수 있도록 하는 문제를 다룬다.
상기 문제는 본 발명에 따르면 지지체 1이 강망이고, 결과적으로 지지체 1의 개구부 O를 한정하는 단편이 본질적으로 서로 및 지지체와 연결되고, 지지체 1이 70%를 넘지 않는 정도로 확장 공정 후에 캘린더링(calendering)됨에 의해 해결된다.
청구된 소결된 금속 필터에서, 지지체는 물질 유닛을 형성하는 물질 즉, 강망을 포함한다. 강망을 지지체로서 제공하는 것은, 물질 단일성으로 인하여, 공개된 종래 기술에 비하여, 지지체 내에서의 필수적인 열 수송을 위한 열 전달이 금속단일성에 의해 피해질 수 있기 때문에, 강망으로부터 형성된 필터 내의 열 분배 및 결과적으로 용접 및 소결된 금속 필터의 재생 시의 열 소실이 개선되는 잇점을 가진다. 지지체의 강망의 형성은 또한 재형성 시에, 특히 예를 들어 크리스(crease)를 강화하는 등과 같은 스탬핑이 제조될 시에 추가의 잇점을 가진다. 물질 단일성으로 인하여, 상기 소결된 금속 요소에서, 공개된 종래 기술에 비하여, 재형성 공정으로 인하여 패브릭의 개개 와이어가 서로에 관하여 치환되어 소결된 금속의 스폴링(spalling off, 또는 spalling out)을 유발하는 위험이 나타나지 않는다. 결과적으로, 상기 지지체 물질은 입체적으로 매우 안정하고 특히 재형성 공정 동안 입체적으로 매우 안정하다. 열 분배 또는 열 소실을 희생시키지 않고, 소결된 물질에 대한 지지체로서 배출 배압에 유리한 영향을 미치는 꽤 넓은 개구부를 가질 수 있는데, 이는 지지체 물질의 지면 구성요소가 필터 표면 상에서 축소될 수 있다.
확장 공정 후에, 강망은 캘리더링되고 구체적으로 70% 이하로 캘린더링된다. 이는 캘린더링 공정 후에 조차 강망의 웹이 둘러싸여진 개구부를 위해 충분한 인접 영역을 제공하여 개구부에 포함된 소결된 금속이 개구부 안에 고정된 형태로 유지되는데, 이는 소결된 금속 필터의 구체화된 적용 시에 필요 요건을 만족시키기 위함이다.
필터 물질의 구성에 있어 일부를 차지하는 구성요소 "지지체 및 소결된 금속"의 중량 비는 유용하게는 지지체 대 소결된 금속이 3:7 이상이다. 상기 비율은 바람직하게는 2:8 내지 1:9이고, 이러한 비율 규격으로, 소결된 금속 분말이 지지체의 개구부에만 있다는 것이 추정된다. 그러나, 매우 높은 필요요건이 배기가스 미립자 필터의 안정성으로 구성되는 경우, 전적으로 약 1:1의 비율이 사용되는 것이 가능하다. 상기와 같은 적은 지지체 물질 구성요소로 필터 물질을 형성하는 것은 최소한 본 발명에 따른 필터 물질로 획득된 강도를 가지지 않는 통상적인 패브릭 지지체로 실현될 수 없다.
지지체 물질로서 바람직하게는 강망이 활용된다. 이점 중의 하나는 상이한 방향에서 매우 우수한 단일한 입체적인 안정성을 가질 뿐만 아니라 제조하기에 간단하고 비용-효율적이라는 것이다. 강망을 지지체로서 사용할 때의 특수한 잇점은 개구부를 한정하는, 개개 영역의 일체의 상부 및 하부 폐쇄부를 통하여 소결된 물질이 지지체 상에 연속적으로 정전기적으로 유효한 층을 형성할 필요가 없고 지지체의 개구부로 도입될 필요만이 있다는 것이다. 이것은 필요한 소결 물질의 양을 감소시킬 뿐만 아니라 특히 재형성 동안 개구부 사이에 위치한 강망이 재형성되고 소결된 물질이 개구부로 도입되지 않거나 단지 이차적으로 도입되는 잇점을 가진다. 따라서, 예를 들어 재형성 단계, 예를 들어 모서리에서의 90˚ 또는 180˚회전은 개구부에 도입된 소결된 금속이 부서지는 위험 없이 수행될 수 있다. 이러한 모서리에서의 회전은 필터 플레이트의 가장자리 영역을 강화하거나 후속하는 용접을 위하여 물질은 두껍게 형성하는 데 필요할 수 있다.
강망의 지지체를 제공하는 경우에, 확장 공정을 통하여 그물형 구조를 형성하는 데 필요한 개구부는 상이한 치수를 가질 수 있다는 추가의 잇점을 가진다. 이는 확장의 정도 및/또는 확장 공정 전에 상이한 절개부의 도입을 통해 달성될 수있다. 이러한 방식으로, 소결된 금속 필터 본체 내에서의 이의 배치의 작용으로서 상이한 개구부 배열을 가지는 소결된 금속 필터를 위한 요소가 제공될 수 있다.
강망이 지지체로서 제공되는 경우에, 지지체의 개구부의 개구부 너비를 별문제로 하고 확장 정도를 통하여 소결된 금속 충전물을 유지하기 위한 웹의 기울기를 특정하는 것이 가능하다. 두께는 또한 캘린더링 단계를 통하여 조정될 수 있다. 결과적으로 하나의 출발물질 및 동일한 출발 물질이 이로부터 상이한 형성의 필터 물질 스트립을 제조할 수 있도록 사용될 수 있다. 상기 필터 물질 스트립의 두께는 개구부를 바운딩하는 지지체의 웹의 상승 정도에 의해 결정되어, 두께가 적용된 와이어의 두께에 의해 결정되는 패브릭에 비하여, 필터 물질 스트립의 총 중량의 지지체 물질의 구성요소가 과도하게 증가하기 않고 게이지에 관하여 더 두꺼운 필터 물질 스트립이 제조될 수 있다.
하기에서, 본 발명은 첨부된 도면에 관한 구체예와 관련하여 기술될 것이다. 도면은 하기와 같이 간단히 설명된다:
도 1은 소결된 금속의 형성을 위한 필터 물질의 지지체의 단면의 개략도이고,
도 2는 개구부가 소결된 금속 분말로 충전된 도 1의 지지체의 확대된 단면을 통과하는 선 A-B에 따른 개략도이다.
지지체 1은 강망으로 제조된 디젤 내연기관의 배기가스 스트림에 함유된 미립자를 제거하기 위한 소결된 금속 필터를 위한 필터 물질을 형성하기 위한 것이다. 지지체 1은 출발 물질로서 절개부가 확장 공정에 의해 개구부를 제조하기 위하여 도입된 강철 시트로 구성된다. 확장 공정의 과정에서, 강철 시트는 도 1에 도시된 형태가 되고, 강철 시트에 본래 도입되어 있던 절개부가 넓혀져 개구부 O를 형성한다. 개구부 O는 본래의 강철 시크의 웹 S로 표시된 단편에 의해 한정되고, 상기 웹은 절개부가 종결되는 지지체의 영역에서 합쳐진다. 이러한 영역은 결절 점 K라고 표시하였다. 지지체 1의 모든 웹 S는 결과적으로 결절 점 K를 통하여 재료적으로 연결되어 있다. 이는 특히 우수한 열 소실 및 열 분배를 확보할 뿐만 아니라 또한 상이한 방향으로 균일한 매우 높은 안정성을 보일 수 있는 지지체의 형성을 가능하게 한다.
2개의 웹 S 간의 개각(opening angle) a는 유용하게는 40˚내지 80˚이고 바람직하게는 50˚내지 70˚이다. 더 작은 개각에서는, 개구부가 너무 작아서 필터 물질이 너무 큰 배기기스 배압을 보일 것이다.
지지체 1의 구조는 도 2의 단면도의 확대된 스케일에서 분명하다. 도시된 단면 선은 수개의 결절 점 K를 교차하고 이로부터 하나의 웹 S 각각은 다음 결절 점 K로 연장된다. 웹 S 그 자체는 결절 점 K에 도시된 바와 같이 개구부 O라 칭하였고 경사진 측면을 가지는 개구부 O를 형성한다. 이러한 경사진 측면은 도 2에 도시된 바와 같이 그 안에 도입된 소결된 금속을 특히 우수하게 고정할 수 있다. 각 개구부(O)는 소결된 금속으로 충전되고 도 2에 도시된 교차 부분은 소결된 금속 충전재가 각각 지지체 1에 의해 제공된 개구부 O에 고정된 형태로 유지된다는 것을 도시한다. 결과적으로, 개구부 O를 구비한 지지체 1은 우수한 기계적 고정 특성과 효과적인 접합부를 제공하여, 상류 필터 쪽 및 하류 필터 쪽 사이의 압력 차에도불구하고 개구부에 도입된 소결 물질이 개개 개구부로부터 가압될 위험이 없다.
지지체 1을 형성하기 위한 본래의 강철 시트의 게이지는 웹 두께 Sd사이의 결절 점 K의 좁은 측면에 해당한다. 웹 두께 Sd에 대한 웹 너비 Sb의 비율이 유용하게는 1이다. 이러한 비율에서, 웹은 단면 부에서 사각형이다. 소결된 물질로 고정된 적절한 형태를 획득할 수 있도록, 웹은 또한 0.5 내지 2.0의 웹 두께에 대한 웹 너비의 비를 가질 수 있다.
지지체 1의 구조에 관여하는 웹 S 및 결절 점 K의 기계적인 근접 연결은 지지체 1이 높은 기계적 압력을 견딜 수 있다는 것을 명백하게 한다. 지지체 1이 물질 유닛을 형성하고 소결된 금속에 비하여 보다 용이하게 변형될 수 있기 때문에, 재형성은 주로 웹 S 및 결절 점 K에서 일어날 수 있어서, 결국 필터 물질이 예를 들어 강화 크리스를 엠보싱하거나 모서리에서의 회전에 의해 재형성된다.
소결 시의 소결 금속 분말 및 지지체 간의 결합 특성을 개선하기 위하여, 화학적 처리 또는 입자를 포함하는 제트 공정에 의하여 제조된, 텍스쳐링(texturing) 예를 들어 미세텍스쳐링을 구비한 지지체의 표면을 제공하는 것이 타당하다. 상기 제트 공정을 통하여, 더욱이 소정의 내부 장력이 이의 강도에 이로운 효과를 가지는 지지체 (장력 빔)에 생길 수 있다. 이러한 수단으로서, 지지체의 유효한 표면이 증가되고, 특히 개구부를 둘러싸는 웹의 서로를 향하여 있는 측면에서 증가되어 지지체의 웹 상의 소결된 금속 분말의 고정이 가능하다.
적용된 소결 금속 분말의 그레인 분획 또는 입자 크기는 특정 치수로 만들어져 10개 이상의 분말 층이 지지체 1의 개구부 O를 지지체 1의 게이지 방향으로 충전되기 위하여 제공된다. 그러나, 내연기관의 배기가스 스트림에 함유된 입자를 제거하기 위한 소결된 금속 필터의 형성을 위하여, 그레인 크기의 소결 금속 분말로 지지체 1의 개구부 O를 충전시키기에 충분하여 최대 1개 분말 층이 이들로부터 형성된 필터 물질의 두께 방향으로 제공된다는 것이 밝혀졌다.
0.2mm의 게이지를 가지는 강철 시트가 출발 물질로서 사용된다. 확장 공정을 수행한 후의 절개부의 형태 및 절개부에 따라, 이들로부터 형성된 지지체의 두께는 3mm일 수 있고, 확장 공정 동안 두께와 무관하게 지지체 중량은 증가하지 않는다는 것을 주목하여야 한다. 필요한 경우에, 확장된 물질은 예를 들어 70%의 조정[sic]에 해당하는 0.9mm의 두께로 조정[sic]될 수 있다.
참조 기호
1 지지체
K 결절 점
O 개구부
S 웹
Sb웹 폭
Sd웹 두께
a 개각

Claims (11)

  1. 소결 공정을 통하여 소결된 다공성 금속 분말이 결합되는 금속의 개구부(O)를 포함하는 하나 이상의 지지체(1)가 구비된 필터 물질로 구성된, 내연기관 특히 디젤 내연기관의 배기가스 스트림에 함유된 미립자를 제거하기 위한 소결된 금속의 배기가스 미립자 필터로서, 상기 지지체(1)가 강망(expanded metal)이고, 결과적으로 지지체(1)의 개구부(O)를 둘러싸는 단편이 재료적으로 서로 연결되고 지지체(1)이 70%를 초과하지 않는 양의 확장 공정 후에 캘린더링됨을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  2. 제 1항에 있어서, 지지체가 50%를 초과하여 캘린더링되지 않음을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 소결된 금속에 대한 지지체의 중량비가 필터 물질의 총 중량에 대하여 3:7 미만임을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  4. 제 3항에 있어서, 소결된 금속에 대한 지지체의 중량 비가 필터 물질의 총 중량에 대하여 2:8 내지 1:9임을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 소결된 금속이 필수적으로 지지체(1)의 개구부(O)만을 충전시킴을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스 미립자 필터가 연결될 가장자리 단편이 하나 또는 수개의 모서리 상의 회전 공정에 의해 재형성되는 필터 물질의 개개 요소, 예를 들어 포켓으로 구성됨을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 필터 물질로 제조된 배기 가스 미립자 필터의 요소가 예를 들어 강화 크리스(crease) 또는 강화 요소의 형성을 위하여 스탬핑 공정에 의해 스탬핑됨을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 적용된 소결 금속 분말의 분말 분획이 지지체의 특정 두께에 적합화하여 10 이상의 분말 층이 하나의 개구부에 제공되도록 설계됨을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체의 개구부의 개각(opening angle)이 40˚내지 80˚임을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체(1)의 웹 너비(Sb) 및웹 두께(Sd)의 비율이 0.5 내지 2.0, 바람직하게는 1.0 또는 대략 1.0임을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 지지체의 표면이 텍스쳐링, 특히 미세텍스쳐링되어 소결된 금속과 지지체간의 고정을 개선시킴을 특징으로 하는 배기가스 미립자 필터.
KR1020037016522A 2001-06-18 2002-05-25 소결된 금속으로 제조된 배기가스 미립자 필터 KR100688729B1 (ko)

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DE2001128937 DE10128937A1 (de) 2001-06-18 2001-06-18 Partikelfilter, insbesondere für Abgase von Dieselbrennkraftmaschinen
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