KR20040101345A - 허니콤 필터 - Google Patents

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KR20040101345A
KR20040101345A KR10-2004-7014999A KR20047014999A KR20040101345A KR 20040101345 A KR20040101345 A KR 20040101345A KR 20047014999 A KR20047014999 A KR 20047014999A KR 20040101345 A KR20040101345 A KR 20040101345A
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KR10-2004-7014999A
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모토미치 이토우
다카시 미즈타니
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니뽄 가이시 가부시키가이샤
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Abstract

피처리 유체의 유입 단부면(42) 및 유출 단부면(44)과, 유입 단부면(42)에서부터 유출 단부면(44)까지 연장하는 다공질의 격벽(2)과, 격벽(2)에 의해 구획되며 유입 단부면(42)에서 유출 단부면(44)까지 관통하는 다수의 유통 채널(3a 및 3b)을 지니고, 유입 단부면(42)에 있어서 소정의 유통 채널(3a)이 밀봉되어 있고, 유출 단부면(44)에 있어서 나머지 소정의 유통 채널(3b)이 밀봉되어 있는 허니콤 필터(1)이다. 유입 단부면(42)에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널(3a)의 단면적의 합계를 A(mm2), 유출 단부면(44)에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널(3b)의 단면적의 합계를 B(mm2)라 한 경우에, A < B의 관계인 허니콤 필터(1)이다. 사용에 의한 압력 손실의 시간 경과에 따른 증가가 적은 허니콤 필터이다.

Description

허니콤 필터{HONEYCOMB FILTER}
내연 기관, 보일러 등의 배출 가스 중의 미립자나 유해 물질은 환경에 미치는 영향을 고려하여 배출 가스 중에서 제거할 필요성이 높아지고 있다. 특히 디젤 엔진으로부터 배출되는 미립자(이하 PM이라 함)의 제거에 관한 규제는 구미, 일본 국내 모두에서 강화되는 추세이며, PM을 제거하기 위한 포집 필터(이하 DPF라 함)에 허니콤 구조 필터를 사용하는 것이 주목받고 있다. 또한, 상하수 등의 액체의 여과에도 허니콤 필터가 사용되고 있다(예컨대 일본 특허 공개 평4-301114호 공보 참조).
이와 같은 목적으로 사용되는 허니콤 필터는 일반적으로, 도 13a와 도 13b에 도시한 바와 같이, 피처리 유체의 유입 단부면(42) 및 유출 단부면(44)과, 단부면(42)에서부터 단부면(44)까지 연장하는 격벽(2)과, 격벽(2)에 의해 구획되며 유입 단부면(42)에서 유출 단부면(44)까지 관통하는 단면이 사각형인 다수의 유통 채널(3a 및 3b)을 지니고, 단부면이 체크무늬형을 띄도록, 인접한 유통 채널(3a 및 3b)이 서로 반대측으로 되는 한 쪽의 단부에서 밀봉된 구조를 갖는다. 이와 같은 구조를 갖는 허니콤 필터에 있어서, 기체나 액체 등의 피처리 유체는 유입 단부면(42)에 있어서 개구되어 있는 유통 채널(3b), 즉 유출 단부면(44)에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널(3b)으로 유입되어, 다공질의 격벽(2)을 지나 이웃의 유통 채널(3a), 즉 유입 단부면(42)에 있어서 밀봉되고, 유출 단부면(44)에 있어서 개구되어 있는 유통 채널(3a)으로부터 배출된다. 이 때, 격벽(2)이 필터가 되며, 포착된 것은 격벽 상에 퇴적된다(예컨대 일본 특허 공개 평4-301114호 공보 참조).
이와 같은 필터를 이용한 경우, 여과 저항 등에 의한 압력 손실이 문제가 되어, 압력 손실이 작은 필터가 요구되고 있다. 일반적으로 필터를 사용하면 시간이 경과함에 따라 필터 상에 퇴적물이 퇴적되어, 압력 손실이 증대되기 때문에, 시간 경과에 의한 압력 손실의 증가가 적은 허니콤 필터가 요구되고 있다. 특히 허니콤 필터를 DPF에 이용한 경우에는, 압력 손실의 증대에 의해, 내연 기관의 출력 저하나 연비의 악화를 초래하기 때문에, 시간 경과에 따른 압력 손실의 증가가 적은 허니콤 필터가 특히 요망되고 있다.
본 발명은 내연 기관, 보일러 등의 배출 가스 중의 미립자 포집 등의 기체의 여과, 상하수 등의 액체의 여과에 이용할 수 있는 다공질 허니콤 필터에 관한 것으로, 특히 사용에 의한 압력 손실의 증대가 적은 허니콤 필터에 관한 것이다.
도 1a은 본 발명에 따른 허니콤 필터의 한 형태를 도시하는 모식적인 사시도, 도 1b는 본 발명의 허니콤 필터의 한 형태를 도시하는 모식적인 평면도이다.
도 2는 도 1b의 II부를 확대한 확대도이다.
도 3은 도 2에 대응하는 부분의 저면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 허니콤 필터의 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 5는 본 발명에 따른 허니콤 필터의 또 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 허니콤 필터의 또 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 7은 본 발명에 따른 허니콤 필터의 또 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 8은 본 발명에 따른 허니콤 필터의 또 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 9는 본 발명에 따른 허니콤 필터의 또 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 10은 본 발명에 따른 허니콤 필터의 또 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 11은 본 발명에 따른 허니콤 필터의 또 다른 형태를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
도 12는 압력 손실과 단위 필터 면적당의 PM 퇴적량의 관계를 도시한 도면이다.
도 13a는 종래의 허니콤 필터를 도시하는 모식적인 사시도, 도 13b는 Xb부를 확대한 모식적인 평면 일부 확대도이다.
도 14는 종래의 허니콤 필터를 도시하는 모식적인 평면의 일부 확대도이다.
본 발명은 이러한 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 사용에 의한 시간 경과에 따른 압력 손실의 증가가 적은 허니콤 필터를 제공하는 데에 있다.
본 발명은, 피처리 유체의 유입 단부면 및 유출 단부면과, 상기 유입 단부면에서부터 상기 유출 단부면까지 연장하는 다공질의 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되며, 상기 유입 단부면에서 상기 유출 단부면까지 관통하는 다수의 유통 채널을 지니고, 상기 유입 단부면에 있어서 소정의 유통 채널이 밀봉되어 있고, 상기 유출 단부면에 있어서 나머지 소정의 유통 채널이 밀봉되어 있는 허니콤 필터로서, 상기 유입 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면적의 합계를 A(mm2), 상기 유출 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면적의 합계를 B(mm2)라 한 경우에, A < B의 관계인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터를 제공하는 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 B가 A에 대하여, (A×1.1)≤B ≤(A×15)의 범위인 것이 바람직하며, 유입 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널 1개당의, 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면에 있어서의 평균 면적을 C(mm2/1유통구멍), 유출 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널 1개당의, 상기 수직 단면적에 있어서의 평균 면적을 D(mm2/1유통구멍)라 한 경우에, C<D의 관계인 것도 바람직하다. 또한, 하나의 격벽을 사이에 둔 양측의 유통 채널이 서로 반대측의 단부면에 있어서 밀봉되어 있고, 유입 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면 형상과, 유출 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면 형상이 다른 것도 바람직하며, 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면에 있어서의 격벽의 단면 형상이, 소정 형상을 하나의 단위로 한 번씩 반복되어 구성되어 있는 것도 바람직하다. 또한, 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직단면에 있어서의 격벽의 단면적의 합계를 E(mm2)라 한 경우에, 상기 A(mm2)와 상기 B(mm2)와 상기 E(mm2)의 관계가, A : B : E = 4∼30 : 32∼57 : 7∼64의 범위인 것이 바람직하며, 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면에 있어서의 격벽의 평균 두께를 F(mm)라 한 경우에, 상기 D(mm2/1유통구멍)와 상기 F(mm)의 관계가, D/F ≥ 5.5(mm/1유통구멍)인 것이 바람직하다. 또한, 격벽의 기공율이 20% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 격벽이 세라믹 및/또는 금속을 주성분으로 하는 것이 바람직하며, 상기 주성분이, 코디에라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 탄화규소, 질화규소, 리튬알루미늄실리케이트, 티탄산알루미늄, Fe-Cr-Al계 금속 및 금속 규소에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 격벽 상에 촉매가 담지되어 있는 것도 바람직하며, 복수의 허니콤 구조의 세그멘트가 일체화되어 되는 것도 바람직하고, 허니콤 필터가 디젤 엔진으로부터 배출되는 미립자 포착용인 것도 바람직하다.
이하, 도면에 따라서, 본 발명의 허니콤 필터를 상세히 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또, 이하에서 단면이란, 특별한 언급이 없는 한 유통 채널의 길이 방향[도 1a에 있어서의 X축 방향]에 대한 수직 단면을 의미한다.
본 발명의 허니콤 필터는 도 1a 와 도 1b에 도시한 바와 같이, 피처리 유체의 유입 단부면(42) 및 유출 단부면(44)과, 유입 단부면(42)에서부터 유출 단부면(44)까지 연장하는 다공질의 격벽(2)과, 격벽(2)에 의해 구획되며 유입 단부면(42)에서 유출 단부면(44)까지 관통되는 다수의 유통 채널(3a 및 3b)을 갖는다. 더욱이, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 유입 단부면(42)에 있어서 소정의 유통 채널(3a)이 밀봉되어 있으며, 유출 단부면(44)에 있어서 나머지 소정의 유통 채널(3b)이 밀봉되어 있다. 한편, 도 1a와 도 1b 및 이하의 도면에 있어서, 검게 전부 칠한 유통 채널이 그 단부면에서 밀봉되어 있는 유통 채널을 나타낸다.
본 발명의 중요한 특징은, 예컨대 도 2 및 도 3에 도시하는, 유입 단부면(42)에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널(3a)의 단면적의 합계를 A(mm2), 유출 단부면(44)에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널(3b)의 단면적의 합계를 B(mm2)라 한 경우에, A < B의 관계인 것이다. 바꾸어 말하면, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적의 합계가 피처리 유체가 유출되는 유통 채널의 단면적의 합계보다도 큰 것이다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 필터의 역할을 하는 격벽의 표면적을 크게 할수 있어, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널 내에 면하는 격벽의 표면적에 대한, 격벽에 퇴적되는 퇴적물의 비율을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 허니콤 필터를 사용할 때의 시간 경과에 따른 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명자가, 도 13a와 도 13b에 도시한 바와 같은 종래 구조에서, 셀 밀도(단위 단면적당 유통 채널의 수)가 다른 여러 가지 DPF용 허니콤 필터를 이용하여 시간 경과에 따른 압력 손실의 변화를 상세히 검토한 결과, 압력 손실은 (PM의 부착 중량)/(격벽의 표면적), 즉 PM의 격벽 상의 퇴적 두께에 크게 의존하는 것을 알아냈다. 그리고, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적을 피처리 유체가 유출되는 유통 채널의 단면적보다도 크게 함으로써, 격벽의 두께를 감소시키지 않더라도, PM이 퇴적되는 격벽의 표면적을 크게 할 수 있어, 시간 경과에 따른 압력 손실의 증가를 억제할 수 있음을 알아냈다.
본 발명은, A < B의 관계, 즉 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적의 합계(B)가, 피처리 유체가 유출되는 유통 채널의 단면적의 합계(A)보다도 큰 것을 중요한 특징으로 하지만, A와 B와의 차가 지나치게 작으면 본 발명의 효과를 얻기가 어렵게 되기 때문에, (A×1.1) ≤B, 나아가서는 (A×1.3) ≤B, 특히 (A×1.5) ≤B인 것이 바람직하다. 또한, A와 B의 차가 지나치게 커지면, 실질적으로 피처리 유체가 유출되는 유로가 좁아져, 결과적으로 초기의 압력 손실이 지나치게 커져 바람직하지 못하다. 따라서, B ≤(A×15), 또 B ≤(A×10), 특히 B ≤(A×6.5), 더욱 특히 B ≤(A×2.5)인 것이 바람직하다.
또한, 예컨대 도 2 및 도 3에서, 유입 단부면(42)에 있어서 밀봉되어 있는유통 채널(3a) 1개당 평균 단면적을 C(mm2/1유통구멍), 유출 단부면(44)에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널(3b) 1개당 평균 단면적을 D(mm2/1유통구멍)라 한 경우에, C < D의 관계인 것, 즉, 피처리 유체가 유입되는 1개의 유통 채널(3b)의 평균 단면적이, 피처리 유체가 유출되는 1개의 유통 채널(3a)의 평균 단면적보다도 큰 것이, 격벽의 표면적을 크게 할 수 있다는 점에서 바람직하다. 이 경우도, C와 D의 차가 지나치게 적으면 본 발명의 효과를 얻기가 어렵게 되기 때문에, (C×1.1) ≤D, 나아가서는 (C×1.3) ≤D, 특히 (C×1.5) ≤D인 것이 바람직하며, C와 D의 차가 지나치게 크면, 초기의 압력 손실이 지나치게 커지기 때문에, D ≤(C×15), 나아가서는 D ≤(C×10), 특히 D ≤(C×6.5), 더욱 특히 D ≤(C×2.5)인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 구성으로 하기 위한 바람직한 형태는, 예컨대 임의의 하나의 격벽, 예컨대 도 4에 있어서의 격벽(2x)을 사이에 둔 양측의 유통 채널(3ax 및 3bx)이 서로 반대측의 단부면, 즉 3ax는 유입 단부면, 3bx는 유출 단부면에 있어서 밀봉되어 있고, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널(3bx)의 단면 형상과 피처리 유체가 유출되는 유출 구멍(3ax)의 단면 형상을 다른 형상으로 한 형태이다. 이와 같은 형태로 함으로써, 격벽을 필터로서 유효하게 사용할 수 있고, 또한 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적을 크게 잡을 수 있다. 더욱이, 본 발명의 허니콤 필터는, 격벽의 단면 형상이 소정 형상, 예컨대 도 5에 있어서의 Y로 나타내어지는 점선 테두리 안의 형상을 한 단위로 하여, 그 형상의 반복에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 다른 크기 및형상의 유통 채널을 규칙적으로 조합할 수 있어, 인접한 유통 채널이 서로 반대측의 단부면에서 밀봉되고, 또한 피처리 유체가 유입되는 유통 채널이 큰 단면을 갖는 구성으로 할 수 있다.
이와 같은 형태로 하기 위한 유통 채널의 단면 형상에 특별히 제한은 없지만, 바람직한 형태로서는, 예컨대 피처리 유체가 유입되는 유통 채널을 1 또는 2 종류 이상, 바람직하게는 1 또는 2 종류의 소정 형상으로 하고, 이것에 인접한 피처리 유체가 유출되는 유통 채널을 1 또는 2 종류 이상, 바람직하게는 1 또는 2 종류의 소정 형상으로 하며, 이 반복에 의해 허니콤 필터의 단면이 형성되는 형태를 생각할 수 있다. 구체적으로는, 예컨대 도 2에 도시한 바와 같이, 유통 채널(3b)을 6각형으로 하고, 이것과 격벽을 사이에 두고 인접한 유통 채널(3a)을 3각형으로 하는 형태, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 유통 채널(3b)을 내각이 요각인 정점을 갖는 다각형, 예컨대 8각형으로 하고 이것과 격벽을 사이에 두고 인접한 유통 채널(3a)을 4각형으로 하는 형태, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 유통 채널(3b)을 원형으로 하고, 이것과 격벽을 사이에 두고 인접한 유통 채널(3a)을 4 라인 또는 3 라인의 오목형 원호로 둘러싸인 형상으로 하는 형태 등을 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 또 다른 바람직한 형태는 도 8에 도시한 바와 같이, 유통 채널의 단면 형상이 사각형이며, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널(3b)이, 큰 유통 채널(3b1) 및 이것보다도 작은 유통 채널(3b2)을 갖추는 형태이다. 특히, 큰 유통 채널(3b1)의 각부(4b1)와 작은 유통 채널(3b2)의 각부(4b2)가 격벽(2)의 교차부(5)를 사이에 두고 대향하는 위치에 있는 형태가 바람직하다.
허니콤 필터를 DPF 등에 이용하는 경우, PM 등이 유입 단부면에 쌓여, 브릿징을 일으킴으로써, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 개구부를 폐색시켜 버리는 경우가 있으며, 모든 유통 채널이 폐색되어 버리면 큰 문제가 된다. 도 8에 도시한 바와 같이, 피처리 유체가 유입되는 크기가 다른 유통 채널(3b1및 3b2)을 갖춤으로써, 전체의 셀 밀도를 낮추지 않고서, 큰 개구부를 갖는 유통 채널(3b1)을 갖출 수 있고, 폐색을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, DPF를 이용한 디젤 배출 가스의 정화 시스템에 있어서, 배출 가스 중에 PM의 연소를 촉진시키는 촉매를 포함하게 함으로써, DPF에 쌓인 PM의 연소를 촉진시키는 방법이 제안되어 있지만, 이 방법에서는 촉매 성분에 유래하는 성분(ash)이, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널에 퇴적된다. 이 애쉬는 PM과 달리, 유통 채널 내의 밀봉부 상에 퇴적되기 때문에, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 체적이 큰 것이, 애쉬의 퇴적에 의한 압력 손실의 증대를 억제하기 위해서는 효과적으로 되어, 이러한 점에 있어서도 본 발명의 허니콤 필터는 유효하다.
또한, 도 8에 도시한 바와 같은 형태는 허니콤 필터의 강도의 관점에서도 우수하다. 더욱이, 이 허니콤 구조는 압출 성형할 때의 구금(口金)의 작성도 비교적 용이하며, 성형성도 양호하다고 하는 이점을 갖는다.
본 발명에 있어서의 또 다른 바람직한 형태를 도 9에 도시한다. 도 9에 도시하는 형태는, 피처리 유체가 유출되는 유통 채널의 단면 형상이 사각형이며, 이 유통 채널(3ax)과 격벽(2x)의 면을 사이에 두고 인접하여 피처리 유체가 유입되는 유통 채널(3bx)이 8각형으로 되는 형태이다. 이러한 형태도, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적을 크게 할 수 있는 동시에, 구금의 작성이 용이하고, 성형성도 양호하다고 하는 이점을 갖는다.
본 발명에 있어서의 또 다른 바람직한 형태를 도 10에 도시한다. 도 10에 도시하는 형태는, 유통 채널의 단면 형상이 삼각형이며, 피처리 유체가 유출되는 2개의 유통 채널(3ax1및 3ax2)이, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널(3bx)의 일면을 형성하는 격벽(2x)을 사이에 두고 인접하도록 배치되는 형태이다. 이러한 형태는, 구금의 작성, 성형성의 점에서 도 8 및 도 9에 도시하는 형태에 비하여 약간 뒤떨어지지만, 격벽을 유효하게 이용할 수 있어, 피처리 유체가 유입되는 면의 필터 면적을 넓게 할 수 있다고 하는 이점을 갖는다.
본 발명에 있어서의 또 다른 바람직한 형태를 도 11에 도시한다. 도 11에 도시하는 형태는, 단면 형상이 육각형과 사각형의 2 종류인, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널(3b1, 3b2)을 갖춘다. 또한, 단면 형상이 사각형과 삼각형의 2 종류인, 피처리 유체가 유출되는 유통 채널(3a1, 3a2)을 갖춘다. 그리고, 피처리 유체가 유출되는, 단면이 사각형인 2개의 유통 채널(3a1) 및 단면이 삼각형인 4개의 유통 채널(3a2)이, 피처리 유체가 유입되는 단면이 육각형인 유통 채널(3b1)과 격벽면을 사이에 두고 인접하도록 배치되고, 피처리 유체가 유출되는, 단면이 사각형인 2개의 유통 채널(3a1) 및 단면이 삼각형인 2개의 유통 채널(3a2)이, 피처리 유체가 유입되는 단면이 사각형인 유통 채널(3b2)과 격벽면을 사이에 두고 인접하도록 배치된다. 이러한 형태는, 구금의 작성, 성형성의 점에서 약간 뒤떨어지지만, 다른 크기의 피처리 유체가 유입되는 유통 채널을 갖추기 때문에, 전체의 셀 밀도를 낮추지 않고서, 큰 개구부를 갖는 유통 채널을 갖출 수 있어, 유통 채널의 폐색을 효과적으로 억제할 수 있다.
한편, 도 2∼도 11에 구체적인 바람직한 유통 채널의 형태를 나타냈지만, 허니콤 필터의 모든 유통 채널이 이러한 형태일 필요는 없으며, 특히 도 1b에 도시한 바와 같이, 허니콤 필터 전체의 단면 형상에 대응하여, 외주부의 유통 채널은 불완전한 형태로 될 수 있기 때문에, 상술한 바와 같이 바람직한 형태로는 되지 않는 경우가 있다. 이러한 경우라도, 상술한 바와 같이 바람직한 형태가 단면 유통 채널 전체의 30 체적% 이상을 차지하고 있으면 효과가 나타나고, 또 50 체적% 이상, 더욱 특히 70 체적% 이상이 상술한 바와 같은 형태인 것이 바람직하다.
본 발명의 허니콤 필터의 평균 셀 밀도에는 특별히 제한은 없지만, 평균 셀 밀도가 지나치게 작으면, 필터로서의 강도 및 유효 GSA(기하학적 표면적)이 부족하고, 평균 셀 밀도가 지나치게 크면, 초기의 압력 손실이 지나치게 커져 바람직하지 못하다. 따라서, 셀 밀도는 6∼2000 셀/평방인치(0.9∼311 셀/cm2), 나아가서는 50∼1000셀/평방인치(7.8∼155 셀/cm2), 특히 100∼400 셀/평방인치(15.5∼62.0 셀/cm2)의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명은, 시간 경과에 따른 압력 손실의 증가의 억제를 도모하는 것이지만, 초기의 압력 손실을 낮게 하는 것도 중요하며, 초기의 압력 손실은 허니콤 필터의 단면에 있어서, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적, 즉 A(mm2), 피처리 유체가 유출되는 유통 채널의 단면적, 즉 B(mm2) 및 격벽의 단면적, 즉 E(mm2)의 비율에도 크게 의존한다. 또한, 격벽의 단면적이 작으면 압력 손실은 작아지는데, 허니콤 필터의 강도가 저하된다. 따라서, A : B : E는 4∼30 : 32∼57 : 7∼64인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10∼30 : 37∼57 : 15∼50, 더욱 바람직하게는 15∼30 : 42∼57 : 25∼45의 범위이다.
본 발명에 있어서의 도 1a∼도 3에 도시한 바와 같은 형태에 있어서, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널 1개당 단면적을, 도 13b에 도시한 바와 같은 종래의 필터에 있어서의 단면적과 동등하게 하고, 피처리 유체가 유출되는 유통 채널의 단면적을 이것보다 작게 한 경우에, 격벽의 두께를 종래와 동등한 두께로 하면, 필터전체의 단면적에 있어서의 격벽의 단면적이 차지하는 비율은 상대적으로 커진다. 따라서, 종래의 필터와 동등한 강도를 얻고자 하는 경우에, 격벽의 두께를 얇게 할 수 있어, 초기의 압력 손실을 저하시킬 수 있다. 따라서, 이러한 형태에 있어서, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널 1개당 단면적, 즉 D(mm2/1유통구멍)를, 단면에 있어서의 격벽의 평균 두께, 즉 F(mm)로 나눈 값은 5.5(mm/1유통구멍) 이상인 것이바람직하며, 6.0(mm/1유통구멍) 이상인 것이 보다 바람직하고, 6.5(mm/1유통구멍) 이상인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서의 격벽의 두께의 절대치에는 특별히 제한은 없지만, 격벽이 지나치게 두꺼우면 다공질의 격벽을 피처리 유체가 투과할 때의 초기 압력 손실이 커지고, 격벽이 지나치게 얇으면 강도가 부족하여 각각 바람직하지 못하다. 격벽의 두께는 30∼2000 μm, 나아가서는 40∼1000 μm, 특히 50∼750 μm의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 도 1a에 도시한 바와 같은 외주벽(7)은 허니콤 필터의 강도 향상의 관점에서, 격벽(2)보다도 두꺼운 것이 바람직하며, 45∼6000 μm, 나아가서는 60∼4000 μm, 특히 75∼2000 μm의 범위인 것이 바람직하다. 한편, 외주벽은 성형시에 격벽과 일체적으로 형성시키는 성형 일체벽뿐만 아니라, 성형후에 외주를 연삭하여 소정 형상으로 하여, 시멘트 등으로 외주벽을 형성하는 시멘트 코트 벽이라도 좋다.
본 발명의 허니콤 필터의 격벽은 다공질체이지만, 격벽의 기공 직경에 특별히 제한은 없으며, 당업자라면 용도에 맞춰 적절하게 선택할 수 있다. 일반적으로, 기공 직경은 피처리 유체의 점도나 분리해야 할 대상물에 따라 선택할 수 있으며, 예컨대 DPF에 이용하는 경우는 평균치로 1∼100 μm 정도로 하는 것이 바람직하다. 물의 정화용으로 이용하는 경우는, 0.01∼10 μm 정도로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 기공율은 중요하며, 초기의 압력 손실에 큰 영향을 준다. 기공율이 지나치게 작으면 초기 압력 손실이 지나치게 커서 바람직하지 못하다. 예컨대 DPF에 이용하는 경우의 바람직한 기공율은 20% 이상, 보다 바람직하게는 30%이상, 더욱 바람직하게는 40% 이상이다. 또한, 본 발명에서는 격벽의 두께를 얇게 하여 기공율을 올리는 것도, 초기의 압력 손실을 작게 한다는 관점에서 바람직한 형태이며, 예컨대 격벽의 두께가 0.5 mm 이하, 보다 바람직하게는 0.45 mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.4 mm 이하이며, 기공율이 30% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상인 것도 바람직하다. 한편 기공율이 지나치게 크면 강도가 너무 부족하기 때문에, 기공율은 90% 이하인 것이 바람직하다. 더욱이, 촉매를 담지하여 미립자를 연속해서 연소시키는 방식의 필터 등, 압력 손실을 낮게 억제해야 하는 필터로서 이용하는 경우에는, 기공율이 30∼90%의 범위에 있는 것이 바람직하며, 기공율이 50∼80%의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하고, 기공율이 50∼75%의 범위에 있는 것이 특히 바람직하다. 또한, 배출 가스 중에 PM의 연소를 촉진시키는 촉매를 포함하게 하는 방식에 있어서 본 발명의 허니콤 필터를 사용하는 경우에는, PM 연소시에 생기는 큰 열 응력에 견딜 수 있도록, 치밀하고 고강도인 재료가 필요하게 된다. 이러한 재료의 기공율은 20∼80%이 바람직하며, 25∼70%가 더욱 바람직하고, 30∼60%가 특히 바람직하다. 또, 본 발명에서 기공율은 체적%를 의미한다.
본 발명에 있어서, 허니콤 필터를 구성하는 재질에 특별히 제한은 없지만, 강도, 내열성, 내구성 등의 관점에서, 주성분은 산화물 또는 비산화물의 각종 세라믹이나 금속 등이 바람직하며, 구체적으로는 예컨대 코디에라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 탄화규소, 질화규소, 리튬알루미늄실리케이트 및 티탄산알루미늄 등을 생각할 수 있으며, 금속으로서는 Fe-Cr-Al계 금속 및 금속규소 등을 생각할 수 있고, 이들 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.더욱이 고강도, 고내열성 등의 관점에서는 주성분이 알루미나, 멀라이트, 리튬알루미늄실리케이트, 코디에라이트, 탄화규소 및 질화규소로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하며, 열전도율 및 내열성의 관점에서는 탄화규소 또는 규소-탄화규소 복합 재료가 특히 적합하다. 여기서, 「주성분」이란, 허니콤 필터의 50 질량% 이상, 바람직하게는 70 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 80 질량% 이상을 구성하는 것을 의미한다. 유통 채널이 밀봉됨으로써 형성되는 밀봉부의 재질에도 특별히 제한은 없지만, 전술한 허니콤 필터의 격벽에 적합한 것으로서 예로 든 세라믹 및 금속 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 세라믹 및/또는 금속을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 허니콤 필터에 퇴적된 퇴적물을 제거하는 경우, 허니콤 필터에 촉매, 예컨대 촉매능을 갖는 금속 등을 담지시키는 것이 바람직하다. 특히, 허니콤 필터를 DPF로서 이용하는 경우, 허니콤 필터 내에 포착된 PM을 연소시켜 허니콤 필터를 재생하기 위해서, PM의 연소를 촉진시키는 능력을 갖는 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 촉매의 구체적인 예로서는, 예컨대 Pt, Pd, Rh 등을 들 수 있으며, 이들 중 적어도 1종을 허니콤 필터에 담지시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 허니콤 필터는 복수의 세그멘트를 일체화시킨 것이나, 슬릿을 갖는 것도 바람직하다. 복수의 세그멘트로 분할하여 이것을 일체화한 것으로 하는 것이나 슬릿을 넣은 것으로 함으로써, 열 응력을 분산시켜 열 응력에 의한 크랙을 방지할 수 있다. 허니콤 필터를 세그멘트화하여, 이것을 일체화하는 경우의 각 세그멘트의 크기나 형상에 제한은 없지만, 각 세그멘트가 지나치게 크면, 세그멘트화에의한 크랙 방지 효과를 충분히 발휘할 수 없고, 지나치게 작으면 각 세그멘트의 제조나 접합에 의한 일체화가 번잡하게 되어 바람직하지 못하다. 바람직한 세그멘트의 크기는 단면적이 900∼10000 mm2, 더욱 바람직하게는 900∼5000 mm2, 가장 바람직하게는 900∼3600 mm2이며, 허니콤 필터의 70 용량% 이상이, 이 크기의 허니콤 세그멘트로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 세그멘트의 바람직한 형상은, 예컨대 단면 형상이 사각형, 즉 세그멘트가 사각 기둥인 것을 기본 형상으로 하여, 일체화한 경우의 허니콤 필터의 형상에 맞춰 외주측의 세그멘트의 형상을 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 허니콤 필터 전체의 단면 형상에 특별히 제한은 없으며, 도 1b에 도시한 바와 같은 원형에 한정되지 않고, 예컨대 타원형 외에, 레이스 트랙형, 장원형 등의 대략 원형인 것 외에, 사각형, 육각형 등의 다각형으로 할 수도 있다.
본 발명의 허니콤 필터의 제조 방법에 특별히 제한은 없지만, 예컨대 다음과 같은 방법에 의해 제조할 수 있다.
허니콤 필터의 원료 분말로서, 전술한 적합한 재료 중에서 선택된 재료, 예컨대 탄화규소 분말을 사용하여, 이것에 바인더, 예컨대 메틸셀룰로오스 및 히드록시프로폭실메틸셀룰로오스 등을 첨가하고, 또한 계면활성제 및 물을 첨가하여, 가소성의 배토를 제작한다. 이 배토를 압출 성형함으로써, 상술한 바와 같이 소정의 격벽 및 유통 채널의 단면 형상을 갖는 허니콤 구조의 성형체를 얻는다. 이것을, 예컨대 마이크로파 및 열풍으로 건조한 후, 인접한 유통 채널이 서로 반대측이 되는 한 쪽의 단부에서 허니콤 필터의 제조에 이용한 재료와 같은 재료로 밀봉하여건조한 후, 예컨대 질소 분위기 속에서 가열 탈지하여, 그 후 아르곤 등의 불활성 분위기 속에서 소성함으로써 본 발명의 허니콤 필터를 얻을 수 있다. 소성 온도 및 소성 분위기는 원료에 따라 다르고, 당업자라면 선택된 세라믹 원료에 적절한 소성 온도 및 소성 분위기를 선택할 수 있다.
허니콤 필터를 복수의 세그멘트가 일체화된 구성으로 하기 위해서는, 전술 한 방법으로 세그멘트를 얻은 후, 얻어진 세그멘트를, 예컨대 세라믹 시멘트를 이용하여 접합하고, 건조 경화함으로써 허니콤 필터를 얻을 수 있다. 이렇게 하여 제조된 허니콤 필터에 촉매를 담지시키는 방법은, 당업자가 통상 행하는 방법이라도 좋고, 예컨대 촉매 슬러리를 워시코트하여 건조, 소성함으로써 촉매를 담지시킬 수 있다.
다음에, 구체적인 예를 기초로 하여, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
직경 144 mm×길이 152 mm의 원통형이며, 유통 채널의 단면 형상이 도 13b에 도시한 바와 같은 정방형이고, 또한 인접한 유통 채널이 서로 반대측의 단부면에서 밀봉되어 있고, 셀 밀도, 셀 피치(p) 및 격벽 두께(t)가 각각 표 1에 나타내는 치수의 허니콤 필터 A∼F를 작성했다. 이들 필터의 유통 채널(3b)에 면하는 격벽면의 면적을 계산한 결과도 필터 면적으로서 표 1에 나타냈다. 이들 허니콤 필터를 디젤 엔진의 배기관에 부착하여, 허니콤 필터 내에의 PM의 퇴적량과 압력 손실을 측정하여, 압력 손실과 단위 필터 면적당의 PM 퇴적량을 도 12에 도시했다. 도 12로부터, 격벽 두께가 동일하면, 압력 손실 증가의 기울기가 거의 동일하게 되고, 압력 손실은 단위 필터 면적당 PM 퇴적량에 직접 의존하여 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 필터 면적을 크게 함으로써, 압력 손실의 증가를 억제할 수 있음을 알 수 있다.
[표 1]
허니콤 필터 격벽 두께, t(mm) 셀 밀도(셀/cm2) 셀 피치, p(mm) 필터 면적(m2)
A 0.384 32.2 1.76 2.05
B 0.389 31.0 1.80 2.02
C 0.384 38.0 1.62 2.18
D 0.371 39.4 1.59 2.23
E 0.376 47.1 1.46 2.35
F 0.302 47.3 1.45 2.52
여기서, 유통 채널의 단면 형상을 도 2에 도시하는 육각형과 삼각형을 조합시킨 형상으로 하고, 격벽 두께, 셀 밀도, 허니콤 필터 전체의 직경 및 길이를 허니콤 필터 A와 동일하게 한 경우의 필터를 허니콤 필터 G로 하여, 필터 면적을 계산하면 3.11 m2가 되었다. 따라서, 허니콤 필터 A에 비하여, 허니콤 필터 G는 약 1.52배 필터 면적을 크게 할 수 있다. 따라서, 허니콤 필터 G의 압력 손실의 증가율은 종래의 허니콤 필터 A에 비하여 1/1.52로 경감할 수 있음을 알 수 있다.
도 8∼도 11에 도시한 형태에 대해서, 격벽의 유효 이용도, 강도, 구금 작성의 용이성, 성형의 용이성, 애쉬 퇴적 용량을 검토한 결과를 표 2에 나타낸다. 한편, 강도, 구금 작성의 용이성, 성형성의 관점에서는 격벽의 단면이 원형 등의 곡선 형상보다도 직선 형상인 것이 바람직하다.
[표 2]
실시예 도 8 도 9 도 10 도 11
격벽의 유효 이용도 고 중 고 고
허니콤 필터의 강도 고 저 저 저
구금 작성의 용이성 고 고 중 중
성형의 용이성 고 고 중 중
애쉬 퇴적 용량 중 중 고 고
더욱이, 도 14에 도시한 바와 같은 종래의 형태에 있어서, 격벽의 두께(t)를 15 mil(0.381 mm), 셀 밀도를 200 셀/평방인치(31.1 셀/cm2)로 한 경우의 형태에 거의 대응하는 형태로서, 강도나 성형성 등도 감안하여, 도 8∼도 11에 도시한 형태에 기초한 구체적인 치수를 산출했다. 표 3에 그 결과를 나타낸다. 애쉬의 퇴적 용량이나 유통 채널의 개구부의 폐색의 방지라는 관점에서는, 표 3에 나타낸 바와 같이 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적 B와 피처리 유체가 유출되는 유통 채널의 단면적 A와의 비율이 낮더라도 충분한 효과를 얻을 수 있어, 강도, 구금 작성의 용이성, 성형성 및 초기의 압력 손실을 고려하면 (A×1.1) ≤B ≤(A×6.5), 또한 (A×1.1) ≤B ≤(A×2.5)의 범위도 적합한 범위이다.
[표 3]
실시예 도 14(종례예) 도 8 도 9 도 10 도 11
격벽 두께, t(mm) 0.381 0.381 0.381 0.285 0.381
유입 유통 채널의 단면 형태 정방형 정방형 팔각형 정삼각형 육각형, 사각형
유출 유통 채널의 단면 형태 정방형 정방형 사각형 정삼각형 삼각형, 사각형
한변의 길이(mm) W:1.419 W1:2.238 W1:1.145 W:2.300 W1:1.267
W2:0.600 W2:0.806 W2:2.350
W3:1.648
W4:2.854
A:B 1:1 1:2 1:2 1:6.2 1:2
이상 설명한 것과 같이 본 발명의 허니콤 필터는, 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적이, 유출되는 유통 채널의 단면적보다도 크기 때문에, 격벽 두께 등의 다른 조건을 동일하게 한 경우라도, 필터 면적을 크게 할 수 있어, 압력손실의 시간 경과에 따른 증가를 억제할 수 있다. 한편, 본 발명을 주로 DPF용의 허니콤 필터를 예로 들어 설명해 왔지만, 본 발명은 필터 면적을 크게 함으로써, 또한 피처리 유체가 유입되는 유통 채널의 단면적 및 체적을 크게 함으로써, 압력 손실의 시간 경과에 따른 증가를 억제하는 것으로, DPF 이외의 허니콤 필터에도 적용할 수 있음은 물론이다.

Claims (13)

  1. 피처리 유체의 유입 단부면 및 유출 단부면과, 상기 유입 단부면에서부터 상기 유출 단부면까지 연장하는 다공질의 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되며, 상기 유입 단부면에서 상기 유출 단부면까지 관통되는 다수의 유통 채널을 지니고, 상기 유입 단부면에 있어서 소정의 유통 채널이 밀봉되어 있고, 상기 유출 단부면에 있어서 나머지 소정의 유통 채널이 밀봉되어 있는 허니콤 필터에 있어서,
    상기 유입 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면적의 합계를 A(mm2), 상기 유출 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면적의 합계를 B(mm2)로 한 경우에 A < B의 관계인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 B가 A에 대하여, (A×1.1) ≤B ≤(A×15)의 범위인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유입 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널1개당의, 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면에 있어서의 평균 면적을 C(mm2/1유통구멍), 유출 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널 1개당의, 상기 수직 단면적에 있어서의 평균 면적을 D(mm2/1유통구멍)로 한 경우에, C < D의 관계인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나의 격벽을 사이에 둔 양측의 유통 채널이 서로 반대측의 단부면에 있어서 밀봉되어 있고, 유입 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면 형상과, 유출 단부면에 있어서 밀봉되어 있는 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면 형상이 다른 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  5. 제4항에 있어서, 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면에 있어서의 격벽의 단면 형상이, 소정 형상을 한 단위로 하여 한 번씩 반복되어 구성된 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 유통 채널의 길이 방향에 대한 수직 단면에 있어서의 격벽의 단면적의 합계를 E(mm2)로 한 경우에, 상기 A(mm2)와 상기 B(mm2)와 상기 E(mm2)의 관계가, A : B : E = 4∼30 : 32∼57 : 7∼64의 범위인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 유통 채널의 길이 방향에 대한수직 단면에 있어서의 격벽의 평균 두께를 F(mm)로 한 경우에, 상기 D(mm2/1유통구멍)와 상기 F(mm)의 관계가, D/F ≥5.5(mm/유통구멍 1개)인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 격벽의 기공율이 20% 이상인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 격벽이 세라믹과 금속 중 하나 이상을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 주성분이, 코디에라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 탄화규소, 질화규소, 리튬알루미늄실리케이트, 티탄산알루미늄, Fe-Cr-AL계 금속 및 금속 규소에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 격벽 상에 촉매가 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 복수의 허니콤 구조의 세그멘트가 일체화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 허니콤 필터가 디젤 엔진으로부터 배출되는 미립자 포착용인 것을 특징으로 하는 허니콤 필터.
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