KR20070088464A - 벌집형 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력 손실을 낮게 유지함과 동시에, 강도도 확보할 수 있고, 균열 등의 파손의 발생도 방지할 수 있으며, 제조시 등에 기계로 파지했을 때나, 세라믹 부재끼리 등이 접촉했을 때에, 부스러짐 등의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있는 벌집형 구조체를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 벌집형 구조체는 복수개의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설되고, 그 외연에 외연벽을 갖는 다공질 세라믹 부재가 접착재층을 개재시켜 복수개 접착된 벌집형 구조체이며, 상기 다공질 세라믹 부재의 상기 외연벽의 두께는 상기 셀벽의 두께보다도 두껍고, 상기 다공질 세라믹 부재의 최외주에 위치하는 셀의 1개 이상에는 해당 셀의 모서리부의 1개소 이상에 해당 모서리부를 충전하는 충전체가 설치되는 것을 특징으로 한다.
벌집형 구조체, 다공질 세라믹 부재

Description

벌집형 구조체{HONEYCOMB STRUCTURED BODY}
본 발명은 2005년 11월 18일에 출원된 일본국 특허 출원 2005-334781호를 기초 출원으로 하여 우선권 주장하는 출원이다.
본 발명은 디젤 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중 미립자상 물질(이하, PM이라 함)을 포집, 제거하는 필터나 배기 가스 중 유해한 가스 성분을 정화하는 촉매 담체 등으로서 사용되는 벌집형 구조체에 관한 것이다.
버스, 트럭 등의 차량이나 건설 기계 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중에 함유되는 그을음 등의 PM이 환경이나 인체에 해를 끼치는 것이 최근 문제가 되고 있다.
따라서, 이들 문제를 해결하기 위해서, 배기 가스 중의 PM을 포집하여 배기 가스를 정화시키는 필터로서, 복수개의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설된 벌집형 유닛으로 이루어지는 벌집형 구조체를 사용한 것이 다양하게 제안되어 있다.
또한, 종래의 벌집형 유닛의 재료로서, 다공질의 탄화규소나 근청석 등이 알려져 있다.
종래, 이 종류의 벌집형 구조체로는, 예를 들면 재생 처리시 등에 발생하는 열 응력에 대한 강도를 확보하기 위해서, 모든 셀의 각 모서리부에 보강부를 설치한 벌집형 구조체(예를 들면, 일본 특허 공개 (평)9-299731호 공보, 일본 특허 공개 (소)49-113789호 공보 참조)나, 역세척시의 강도를 확보함과 동시에, 역세척시 PM의 가교 결합을 회피하기 위해서, 셀벽의 두께와 셀의 형상을 크게 한 벌집형 구조체(예를 들면, 일본 특허 공개 (평)2-146212호 공보 참조)가 개시되어 있다.
또한, 외주측의 영역에 위치하는 셀에 대해서만 각 모서리부에 보강부를 설치한 벌집형 구조체(예를 들면, 일본 특허 공개 (평)10-264125호 공보 참조)도 개시되어 있다.
또한, 외연벽을 두껍게 하고, 셀벽의 일부 또는 전부가 외연벽과의 접점 위치로부터 내부측을 향해서 경사적으로 두께가 얇아지는 벌집형 구조체(예를 들면, 일본 특허 공개 제2003-10616호 공보 참조)도 개시되어 있다.
벌집형 구조체는, 그 기본 특성으로서, 압력 손실이 낮은 것이 요구되고 있다. 압력 손실을 낮게 하기 위해서는, 기공률을 높게 하거나 개구율을 높게 하는 것 등이 유효한 수단이다. 그러나, 예를 들어 기공률을 높이면, 강도가 저하하는 것으로 생각되며, 기공률을 높인 후에, 상술한 바와 같이 벌집형 구조체의 강도를 확보하기 위해서, 모든 셀의 셀벽에 보강부를 설치한 경우에는, 셀벽의 두께가 그 상태로는 개구율이 저하되어, 압력 손실이 증대된다는 문제가 있었다.
또한, 압력 손실의 증대를 피하기 위해서, 개구율을 확보하면서 보강부를 설치하고자 하면, 셀벽의 두께를 얇게 해야만 하고, 그 경우, 벌집형 구조체의 강도 확보가 곤란해진다.
이와 같이, 압력 손실을 낮게 억제하는 것과 강도의 확보라는 상반되는 특성을 동시에 확보하는 것이 곤란하였다.
본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토하여, 벌집형 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재에서, 상기 다공질 세라믹 부재의 기공률이나 개구율을 소정의 범위로 유지하면서 외연벽을 두껍게 하고, 외주 부분의 셀의 모서리부에 상기 모서리부를 충전하는 충전체를 설치함으로써, 압력 손실을 낮게 억제한 상태에서 강도도 확보할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
본 발명의 벌집형 구조체는, 복수개의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설되고, 그 외연에 외연벽을 갖는 다공질 세라믹 부재가 접착재층을 개재시켜 복수개 접착된 벌집형 구조체이며,
상기 다공질 세라믹 부재의 상기 외연벽의 두께는 상기 셀벽의 두께보다도 두껍고,
상기 다공질 세라믹 부재의 최외주에 위치하는 셀 중 1개 이상에는, 해당 셀의 모서리부의 1개소 이상에 해당 모서리부를 충전하는 충전체가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 벌집형 구조체에서는, 상기 충전체가 상기 외연벽에 의해 구성되는 모서리부, 및 상기 외연벽과 상기 셀벽에 의해 구성되는 모서리부에 설치되어 있는 것이 바람직하며, 상기 셀의 길이 방향에 직교하는 면에서의 해당 셀의 단면 형상은 대략 사각형이고, 상기 셀의 길이 방향에 직교하는 면에서의 상기 충전체의 단면 형상은 대략 직각 삼각형상, 또는 대략 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 다공질 세라믹 부재의 기공률은 45 내지 55 ％이고, 상기 다공질 세라믹 부재의 길이 방향에 수직인 단면에서의 셀의 개구율은 60 내지 75 ％인 것이 바람직하다.
또한, 상기 벌집형 구조체에서, 상기 셀은 양단부 중 어느 하나의 단부가 밀봉되어 있는 것이 바람직하다.
<발명의 효과>
종래의 벌집형 구조체에서는, 외력이 가해진 경우, 셀의 모서리부에 응력이 집중되고, 이 집중점으로부터 균열이 발생하는 것으로 추정되지만, 본 발명의 벌집형 구조체에 따르면, 외연벽의 두께는 셀벽의 두께보다도 두껍고, 최외주에 위치하는 셀의 1개 이상에는 해당 셀의 모서리부 중 1개소 이상에 해당 모서리부를 충전하는 충전체가 설치되어 있기 때문에, 모서리부에 응력이 집중되지 않아, 균열이 발생하기 어렵다고 생각된다. 또한, 모서리부의 충전체는 셀벽을 보강하는 보강체로서도 기능하고 있어, 다공질 세라믹 부재에 외력이 가해진 경우에도, 셀벽의 변형을 방지하여 균열의 발생을 억제할 수 있다고 생각된다. 또한, 압력 손실을 저하시킬 목적으로 다공질 세라믹 부재의 기공률이나 개구율을 높인 경우나 셀벽을 얇게 한 경우, 셀벽의 강도는 저하되지만, 본 발명의 벌집형 구조체에 따르면, 기공률이나 개구율을 높이거나, 셀벽을 얇게 하여도, 균열의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 압력 손실을 낮게 유지함과 동시에, 강도도 확보할 수 있고, 균열 등의 파손의 발생도 방지할 수 있다. 또한, 제조시 등에 기계로 파지할 때나, 세라믹 부재끼리 등이 접촉했을 때에, 부스러짐 등의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
본 발명의 벌집형 구조체는 복수개의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설되고, 그 외연에 외연벽을 갖는 다공질 세라믹 부재가 접착재층을 개재시켜 복수개 접착된 벌집형 구조체이며,
상기 다공질 세라믹 부재의 상기 외연벽의 두께는 상기 셀벽의 두께보다도 두껍고,
상기 다공질 세라믹 부재의 최외주에 위치하는 셀의 1개 이상에는 해당 셀의 모서리부의 1개소 이상에 해당 모서리부를 충전하는 충전체가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 벌집형 구조체에 대해서, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 벌집형 구조체의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이고, 도 2(a)는 도 1에 도시한 벌집형 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재의 일례를 나타내는 사시도이며, (b)는 (a)에 나타낸 다공질 세라믹 부재의 A-A선 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 벌집형 구조체 (10)은 탄화규소질 세라믹 등으로 이루어지는 다공질 세라믹 부재 (20)이 시일재층(접착재층) (11)을 개재시켜 복수개 조합되어 원주상의 세라믹 블록 (15)를 구성하고, 이 세라믹 블록 (15)의 주위에 시일재층(코팅층) (12)가 형성되어 있다.
도 1에 도시한 벌집형 구조체 (10)에서 세라믹 블록의 형상은 원주상이지만, 본 발명의 벌집형 구조체에서 세라믹 블록은 기둥상이면 원주상으로 한정되지 않고, 예를 들면 타원기둥상이나 각기둥상 등 임의의 형상의 것일 수도 있다.
다공질 세라믹 부재 (20)은, 도 2(a),(b)에 도시한 바와 같이, 복수개의 셀 (21)이 셀벽 (23b)를 사이에 두고 길이 방향(도 2(a) 중, 화살표 a의 방향)으로 병설되고, 외연에 외연벽 (23a)가 형성된 벌집형 유닛에서, 셀 (21) 중 어느 하나의 단부가 밀봉재 (22)로 밀봉된 것으로, 셀 (21)끼리를 사이에 두는 셀벽 (23b)가 필터로서 기능하도록 되어 있다. 즉, 다공질 세라믹 부재 (20)에 형성된 셀 (21)은, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 배기 가스의 입구측 또는 출구측의 단부 중 어느 하나가 밀봉재 (22)에 의해 밀봉되고, 하나의 셀 (21)에 유입된 배기 가스는 반드시 셀 (21)을 사이에 두는 셀벽 (23b)를 통과한 후, 다른 셀 (21)로부터 유출하도록 되어 있다.
다공질 세라믹 부재 (20)에서는, 길이 방향에 수직인 단면에서의 셀의 개구율이 60 내지 75 ％인 것이 바람직하다.
상기 개구율이 60 ％ 미만이면 벌집형 구조체의 압력 손실이 커지는 경우가 있고, 상기 개구율이 75 ％를 초과하면 강도가 저하되는 경우가 있으며, 강도가 저하된 경우에는 벌집형 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재에 균열이 발생하기 쉬워진다. 보다 바람직한 하한은 65 ％이다.
여기서 셀의 개구율이란, 다공질 세라믹 부재 (20)의 길이 방향에 수직인 단면에서 셀이 차지하는 비율을 말한다. 또한, 상기 수직인 단면은 밀봉재에 의해 밀봉되어 있지 않은 단면으로 한다.
상기 다공질 세라믹 부재의 기공률의 바람직한 하한은 45 ％이고, 바람직한 상한은 55 ％이다.
상기 기공률이 45 ％ 미만이면, 압력 손실이 커지는 경우가 있고, 한편 상기 기공률이 55 ％를 초과하면, 강도가 저하되는 경우가 있다. 보다 바람직한 하한은 47 ％이고, 보다 바람직한 상한은 53 ％이다.
또한, 상기 기공률은 예를 들면 수은 압입법, 아르키메데스법 및 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 측정 등의 종래 공지된 방법에 의해 측정할 수 있다.
또한, 다공질 세라믹 부재 (20)에서는, 길이 방향에 수직인 단면에서 외연을 구성하는 외연벽 (23a)의 두께(도 3 중, L3)는 셀벽 (23b)의 두께(도 3 중, L4)보다도 두꺼워져 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 상기 기공률 및 개구율을 유지하여 압력 손실을 낮게 유지하면서 강도를 확보할 수 있다.
또한, 외연벽 (23a)의 두께 L3은 셀벽 (23b)의 두께 L4의 1.3 내지 3.0배가 바람직하다.
1.3배 미만이면 강도를 확보하는 효과를 얻을 수 없는 경우가 있고, 3.0배를 초과하면 개구율을 확보하기 위해서 셀벽 (23b)를 얇게 할 필요가 있어, 셀벽 (23b)에서 균열 등의 파손이 발생하기 쉬워진다.
또한, 셀벽 (23b)의 두께 L4는 그 하한이 0.1 mm이고, 그 상한이 0.4 mm인 것이 바람직하다.
셀벽 (23b)의 두께 L4가 0.1 mm 미만이면, 셀벽 (23b)의 강도가 지나치게 낮아져 균열 등의 파손이 발생하는 경우가 있고, 한편 셀벽 (23b)의 두께 L4가 0.4 mm를 초과하면 개구율을 높게 유지할 수 없으며, 그 결과, 압력 손실이 지나치게 커지는 경우가 있다. 셀벽 (23b)의 두께 L4의 보다 바람직한 하한은 0.2 mm이고, 보다 바람직한 상한은 0.3 mm이다.
본 발명에서, 상기 다공질 세라믹 부재의 최외주에 위치하는 셀의 1개 이상에는 해당 셀의 모서리부의 1개소 이상에 충전체가 설치되어 있다.
상기 셀의 길이 방향에 직교하는 면에서의 해당 셀의 단면 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 대략 사각형인 것이 바람직하다.
또한, 상기 셀의 길이 방향에 직교하는 면에서의 상기 충전체의 단면 형상도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 대략 직각 삼각형상, 또는 대략 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상인 것이 바람직하다. 특히, 직각 삼각형이 직각 이등변 삼각형이면, 충전체는 모서리부를 기준으로 하여 대칭인 형상이 되기 때문에, 모서리부 부근의 중량 균형이나 열 전도 균형이 양호하여, 열이나 힘을 효율적으로 분산시킬 수 있기 때문에 바람직하다.
또한, 빗변이 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상이란, 도 7(d), (e)에 도시한 바와 같이, 직각 삼각형의 3정점 중 예각이 되는 2정점을 연결하여 순조롭게 만곡하는 것, 또는 도 7(a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 직각 삼각형의 예각이 되는 2정점을 복수개의 선분으로 연결하여 형성된 것을 의미한다.
본 발명에서는, 상기 다공질 세라믹 부재의 최외주에 위치하는 셀의 모서리부의 1개소 이상에 충전체가 설치되어 있으면 좋고, 그 위치는 한정되지 않으며, 그 개수도 1 이상이면 되지만, 상기 외연벽에 의해 구성되는 모서리부, 및 상기 외연벽과 상기 셀벽에 의해 구성되는 모서리부에 설치되는 것이 바람직하다.
외연벽과 셀벽에 의해 구성되는 모서리부란, 최외주에 존재하는 셀 (21a)의 모서리부 중, 외연벽 (23a)와 셀벽 (23b)의 분지부에 존재하는 모서리부를 말한다. 또한, 외연벽에 의해 구성되는 모서리부란, 예를 들면 도 2, 3에 도시한 다공질 세라믹 부재 (20)에서는, 다공질 세라믹 부재 (20)의 4 모서리에 존재하는 셀 (21a)의 모서리부 중, 다공질 세라믹 부재 (20)의 외연 (23a)의 모서리부에 가장 가까운 것을 말하지만, 이것으로 한정되지 않고, 그 외에 해당하는 것이 있으면 그것도 포함한다.
구체적으로는, 예를 들면 도 2, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 다공질 세라믹 부재 (20)의 길이 방향에 수직인 단면에서 최외주에 위치하며, 다공질 세라믹 부재 (20)의 외연벽 (23a)와 수직으로 교차하는 셀벽에 의해 나뉘어진 사각형의 셀 (21a)의 모서리부에 직각 삼각형상의 충전체가 설치된 것을 들 수 있다.
또한, 도 3(a)는 도 2(a)에 도시한 다공질 세라믹 부재의 일례의 단면만을 확대하여 나타낸 정면도이고, (b)는 도 2(a)에 도시한 다공질 세라믹 부재와는 다른 다공질 세라믹 부재의 일례의 단면만을 확대하여 나타낸 정면도이다.
본 발명에서는, 최외주에 위치하는 셀에서 모서리부를 충전하는 충전체가 설치된 것은 1개 이상 존재하면 되지만, 그 수는 되도록 많은 것이 바람직하고, 최외주에 위치하는 셀의 전부에 대해서, 모서리부를 충전하는 충전체가 설치되어 있는 것이 보다 바람직하다.
이와 같이, 최외주에 위치하는 셀 (21a)의 모서리부에 해당 모서리부를 충전하는 충전체가 설치됨으로써, 다공질 세라믹 부재의 강도를 확보함과 동시에, 셀벽의 두께를 얇게 하지 않고, 개구율을 확보할 수 있기 때문에, 압력 손실을 낮게 유지함과 동시에, 균열 등의 파손의 발생을 회피할 수 있다.
또한, 도 3(a)에 도시한 다공질 세라믹 부재에서는, 사각형의 셀 (21a)의 모서리부에 직각 삼각형상의 충전체가 설치되어 있지만, 셀 (21a)의 다른 모서리부에 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상의 충전체가 설치될 수도 있다.
또한, 최외주에 위치하는 셀 (21a)에서, 직각 삼각형상의 충전체의 1변의 길이(도 3 중, L2)는 셀 (21a)의 1변의 길이(도 3 중, L1)의 5 내지 40 ％인 것이 바람직하다.
5 ％ 미만이면, 충전체를 설치한 효과를 얻을 수 없는 경우가 있고, 한편 40 ％를 초과하면, 외주부에 위치하는 셀이 지나치게 작아지는 경우가 있기 때문이다.
예를 들면, 상기 직각 삼각형상의 충전체의 1변의 길이는, 셀 (21a)의 충전체를 설치하기 전의 길이가 1.2 mm이면, 직각 삼각형상의 충전체의 1변의 길이 L2는 0.06 내지 0.48 mm가 바람직한 것이다.
도 3(a)에서는, 최외주에 위치하는 셀 (21a)에 직각 삼각형상의 충전체가 설치되어 있었지만, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 최외주에 위치하는 셀 (31a)에 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상의 충전체가 설치될 수도 있다. 이와 같이, 셀 (31a)에 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상의 충전체가 설치된 경우에도, 직각 삼각형상의 충전체가 설치된 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 직각 삼각형상의 충전체가 설치된 경우와 마찬가지로, 셀 (31a)의 다른 모서리부에 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상의 충전체가 설치될 수도 있다. 또한, 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상의 충전체가 설치된 경우 1변의 길이 L5는 셀 (31a)의 1변의 길이 L1의 5 내지 40 ％인 것이 바람직하다(도 3(b) 참조).
또한, 도 3(b)에서, 외연벽 (33a)는 다공질 세라믹 부재 (30)의 외연을 구성하는 것이고, 셀벽 (33b)는 외연벽 (33a) 이외의 셀벽이며, 셀 (31b)는 최외주에 위치하는 셀 이외의 셀이다. 이와 같이, 본 발명에서 최외주에 위치하는 셀의 형상은 사각형인 셀의 모서리부에 직각 삼각형상의 충전체가 설치된 형상 등으로 되어 있다.
본 발명에서는, 상기한 바와 같이 구성함으로써, 압력 손실을 낮게 유지함 과 동시에, 강도도 확보할 수 있어, 균열 등의 파손의 발생도 방지할 수 있다. 또한, 제조시 등에 기계로 파지했을 때나, 세라믹 부재끼리 등이 접촉했을 때에, 부스러짐 등의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
다공질 세라믹 부재 (20)에서는, 셀 (21)의 양단부 중 어느 하나의 단부가 밀봉재 (22)로 밀봉되어 있지만, 본 발명의 벌집형 구조체에서 다공질 세라믹 부재의 셀의 단부는 반드시 밀봉되어 있을 필요는 없고, 벌집형 구조체의 용도에 따라서 밀봉하면 된다.
구체적으로는, 예를 들면 본 발명의 벌집형 구조체를 DPF(디젤 입자 필터)로서 사용하는 경우에는, 셀의 단부가 밀봉되어 있는 것이 바람직하고, 상기 벌집형 구조체를 촉매 담체로서 사용하는 경우에는, 셀의 단부가 밀봉되어 있지 않아도 관계없다.
또한, 본 발명의 벌집형 구조체는 상술한 특성, 구조를 갖는 다공질 세라믹 부재를 1개 이상 가질 수 있지만, 상술한 특성, 구조를 갖는 다공질 세라믹 부재의 수는 많으면 많을수록 바람직하다.
상기 다공질 세라믹 부재는 주로 다공질 세라믹으로 이루어지고, 그 재료로는 예를 들면 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 질화티탄 등의 질화물 세라믹, 탄화규소, 탄화지르코늄, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화텅스텐 등의 탄화물 세라믹, 알루미나, 지르코니아, 근청석, 멀라이트, 실리카, 티탄산알루미늄 등의 산화물 세라믹 등을 들 수 있다. 또한, 다공질 세라믹 부재는 실리콘과 탄화규소와의 복합체로 형성되는 것일 수도 있다. 실리콘과 탄화규소와의 복합체를 사용하는 경우에는, 실리콘을 전체의 0 내지 45 중량％가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 다공질 세라믹 부재를 DPF로서 사용하는 경우, 상기 다공질 세라믹 부재의 재료로는 내열성이 높고, 기계적 특성이 우수하며, 열전도율도 높은 탄화규소질 세라믹이 바람직하다. 또한, 탄화규소질 세라믹이란, 탄화규소가 60 중량％ 이상인 것을 말한다.
상기 다공질 세라믹 부재의 평균 기공 직경은 특별히 한정되지 않지만, 바람직한 하한은 1 ㎛이고, 바람직한 상한은 50 ㎛이다. 보다 바람직한 하한은 5 ㎛이고, 보다 바람직한 상한은 30 ㎛이다. 평균 기공 직경이 1 ㎛ 미만이면, 압력 손실이 높아지고, 한편 평균 기공 직경이 50 ㎛를 초과하면, PM이 기공을 빠져 나가기 쉬워지고, 상기 PM을 충분히 포집할 수 없으며, PM의 포집 효율이 저하되는 경우가 있다.
상기 다공질 세라믹 부재의 길이 방향에 수직인 단면의 면적은 특별히 한정되지 않지만, 통상 5 내지 50 ㎠인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
5 ㎠ 미만이면 필터로서의 유효 여과 면적이 작아지고, 한편 50 ㎠를 초과하면 제조시나 사용시에 있어서, 열 응력에 의해 균열 등의 파손이 발생하기 쉬워지기 때문이다.
상기 다공질 세라믹 부재의 단부를 밀봉하는 밀봉재 (22)와 셀벽 (23)은 동일한 다공질 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 이 둘의 밀착 강도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 밀봉재 (22)의 기공률을 셀벽 (23)과 마찬가지로 조정함으로써, 셀벽 (23)의 열 팽창률과 밀봉재 (22)의 열 팽창률과의 정합을 도모할 수 있고, 제조시나 사용시의 열 응력에 의해서 밀봉재 (22)와 셀벽 (23) 사이에 간극이 발생하거나, 밀봉재 (22)나 밀봉재 (22)에 접촉하는 부분의 셀벽 (23)에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
밀봉재 (22)의 길이는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 밀봉재 (22)가 다공질 탄화규소로 이루어지는 경우, 바람직한 하한은 1 mm이고, 바람직한 상한은 20 mm이다.
상기 밀봉재의 길이가 1 mm 미만이면 셀의 단부를 확실하게 밀봉할 수 없는 경우가 있고, 한편 20 mm를 초과하면 벌집형 구조체에서의 유효 여과 면적이 저하되기 때문이다.
상기 밀봉재 길이의 보다 바람직한 하한은 2 mm이고, 보다 바람직한 상한은 10 mm이다.
벌집형 구조체 (10)에서, 시일재층(접착재층) (11)은 다공질 세라믹 부재 (20) 사이에 형성되어, 배기 가스가 누설되는 것을 방지하는 기능을 가지며, 복수개의 다공질 세라믹 부재 (20)끼리 결속시키는 접착재로서 기능하는 것이고, 한편 시일재층(코팅층) (12)는 세라믹 블록 (15)의 외주면에 형성되고, 벌집형 구조체 (10)을 내연 기관의 배기 통로에 설치했을 때, 세라믹 블록 (15)의 외주면으로부터 셀을 통과하는 배기 가스가 누설되는 것을 방지하기 위한 밀봉재로서 기능하며, 세라믹 블록 (15)의 외주 형상을 갖춤과 동시에 외주부를 보강하는 보강재로서도 기능하는 것이다.
또한, 벌집형 구조체 (10)에서, 접착재층 (11)과 코팅층 (12)는 동일한 재료로 이루어지거나, 다른 재료로 이루어지는 것일 수도 있다. 또한, 접착재층 (11) 및 코팅층 (12)가 동일한 재료를 포함하는 경우, 그 재료의 배합비는 동일하거나, 상이할 수도 있다. 또한, 치밀질이거나, 다공질일 수도 있다.
접착재층 (11) 및 코팅층 (12)를 구성하는 재료로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 무기 바인더와 유기 바인더와 무기 섬유 및/또는 무기 입자를 포함하는 것 등을 들 수 있다.
상기 무기 바인더로는, 예를 들면 실리카졸, 알루미나졸 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하거나, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 상기 무기 바인더 중에서는 실리카졸이 바람직하다.
상기 유기 바인더로는, 예를 들면 폴리비닐알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하거나, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 상기 유기 바인더 중에서는, 카르복시메틸셀룰로오스가 바람직하다.
상기 무기 섬유로는, 예를 들면 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 유리, 티탄산칼륨, 붕산알루미늄 등으로 이루어지는 세라믹 섬유 등이나, 예를 들면 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 멀라이트, 탄화규소 등으로 이루어지는 위스커 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하거나, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 상기 무기 섬유 중에서는, 알루미나 섬유가 바람직하다.
상기 무기 입자로는, 예를 들면 탄화물, 질화물 등을 들 수 있고, 구체적으로는 탄화규소, 질화규소, 질화붕소 등을 포함하는 무기 분말 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하거나, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 상기 무기 입자 중에서는, 열 전도성이 우수한 탄화규소가 바람직하다.
또한, 시일재층을 형성하기 위해서 사용하는 페이스트에는, 필요에 따라서 산화물계 세라믹을 성분으로 하는 미소 중공구체인 벌룬(balloon)이나, 구상 아크릴 입자, 흑연 등의 기공 형성제를 첨가할 수도 있다.
상기 벌룬으로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 알루미나 벌룬, 유리 마이크로 벌룬, 시라스(shirasu) 벌룬, 플라이애쉬(flyash) 벌룬(FA 벌룬), 멀라이트 벌룬 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 알루미나 벌룬이 바람직하다.
또한, 본 발명의 벌집형 구조체에는 촉매가 담지되어 있을 수도 있다.
본 발명의 벌집형 구조체에서는, CO, HC 및 NOx 등의 배기 가스 중 유해한 가스 성분을 정화할 수 있는 촉매를 담지시킴으로써, 촉매 반응에 의해 배기 가스 중 유해한 가스 성분을 충분히 정화하는 것이 가능해진다. 또한, PM의 연소를 돕는 촉매를 담지시킴으로써, PM을 보다 용이하게 연소 제거할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 벌집형 구조체는, 배기 가스 중 가스 성분의 정화 성능을 향상시킬 수 있으며, PM을 연소시키기 위한 에너지를 저하시키는 것도 가능해진다.
상기 촉매로는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 백금, 팔라듐, 로듐 등의 귀금속으로 이루어지는 촉매를 들 수 있다. 또한, 이들 귀금속에 더해, 알칼리 금속(원소 주기율표 1족), 알칼리 토금속(원소 주기율표 2족), 희토류 원소(원소 주기율표 3족), 전이 금속 원소 등을 포함하여 담지되어 있을 수도 있다.
또한, 상기 벌집형 구조체에 상기 촉매를 부착시킬 때에는, 미리 그 표면을 알루미나 등의 촉매 담지층으로 피복한 후에, 상기 촉매를 부착시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 비표면적을 크게 하여 촉매의 분산도를 높이고, 촉매의 반응 부위를 늘릴 수 있다. 또한, 촉매 담지층에 의해서 촉매 금속의 소결을 방지할 수 있다.
상기 촉매 담지층으로는, 예를 들면 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 실리카 등의 산화물 세라믹을 들 수 있다.
상기 촉매가 담지된 벌집형 구조체는 종래 공지된 촉매 부착 DPF(디젤 입자 필터)와 마찬가지의 가스 정화 장치로서 기능하는 것이다. 따라서, 여기서는 본 발명의 벌집형 구조체가 촉매 담지체로서도 기능하는 경우의 자세한 설명을 생략한다.
이어서, 상기 벌집형 구조체의 제조 방법에 대해서 설명한다.
우선, 상술한 바와 같은 세라믹 재료를 주성분으로 하는 원료 페이스트를 사용하여 압출 성형을 행하고, 4각 기둥형상의 세라믹 성형체를 제조한다.
상기 원료 페이스트로는 특별히 한정되지 않지만, 제조 후 다공질 세라믹 부재의 기공률이 45 내지 55 ％가 되는 것이 바람직하고, 예를 들면 상술한 바와 같은 세라믹으로 이루어지는 분말(세라믹 분말)에 바인더, 분산매액 등을 첨가한 것을 들 수 있다.
상기 세라믹 분말의 입경은 특별히 한정되지 않지만, 이후의 소성 공정에서 수축이 적은 것이 바람직하고, 예를 들면 3 내지 70 ㎛의 평균 입경을 갖는 분말 100 중량부와 0.1 내지 1.0 ㎛의 평균 입경을 갖는 분말 5 내지 65 중량부를 조합한 것이 바람직하다.
또한, 상기 세라믹 분말은 산화 처리가 실시된 것일 수도 있다.
상기 바인더로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜 등을 들 수 있다.
상기 바인더의 배합량은 통상 세라믹 분말 100 중량부에 대하여 1 내지 15 중량부 정도가 바람직하다.
상기 분산매액으로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 벤젠 등의 유기 용매, 메탄올 등의 알코올, 물 등을 들 수 있다.
상기 분산매액은 상기 원료 페이스트의 점도가 일정 범위 내가 되도록 적정량 배합된다.
이들 세라믹 분말, 바인더 및 분산매액은 아트라이터 등으로 혼합하고, 혼련기 등으로 충분히 혼련한 후, 압출 성형한다.
또한, 상기 원료 페이스트에는 필요에 따라 성형 보조제를 첨가할 수도 있다.
상기 성형 보조제로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 에틸렌글리콜, 덱스트린, 지방산, 지방산 비누, 폴리비닐알코올 등을 들 수 있다.
또한, 상기 원료 페이스트에는, 필요에 따라 산화물계 세라믹을 성분으로 하는 미소 중공구체인 벌룬이나, 구상 아크릴 입자, 흑연 등의 기공 형성제를 첨가할 수도 있다.
상기 벌룬으로는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 알루미나 벌룬, 유리 마이크로 벌룬, 시라스 벌룬, 플라이애쉬 벌룬(FA 벌룬), 멀라이트 벌룬 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 알루미나 벌룬이 바람직하다.
또한, 이 공정에서는, 압출 성형을 행할 때에 소정의 셀의 모서리부에 충전체가 설치된 형상이 되도록 금형을 선정한다.
또한, 충전체는 이와 같이 압출 성형 공정에서 설치할 수도 있고, 압출 성형보다 뒤의 공정, 예를 들면 후술하는 밀봉재를 설치하는 공정에서 별도로 설치할 수도 있지만, 압출 성형 공정에서 설치하는 것이 생산성이 우수하기 때문에 바람직하다.
이어서, 상기 세라믹 성형체를 마이크로파 건조기, 열풍 건조기, 유전 건조기, 감압 건조기, 진공 건조기, 동결 건조기 등을 이용하여 건조시켜, 세라믹 건조체로 한다. 이어서, 입구측 셀군의 출구측의 단부, 및 출구측 셀군의 입구측의 단부에 밀봉재가 되는 밀봉재 페이스트를 소정량 충전하고, 셀을 밀봉한다.
상기 밀봉재 페이스트로는 특별히 한정되지 않지만, 후속 공정을 거쳐 제조되는 밀봉재의 기공률이 30 내지 75 ％가 되는 것이 바람직하고, 예를 들면 상기 원료 페이스트와 마찬가지인 것을 사용할 수 있다.
또한 이 공정에서는, 충전하는 페이스트량을 조정함으로써, 후속 공정을 거쳐 형성되는 밀봉재의 길이를 조정할 수 있다.
이어서, 상기 밀봉재 페이스트가 충전된 세라믹 건조체를 소정의 조건으로 탈지(예를 들면, 200 내지 500 ℃), 소성(예를 들면, 1400 내지 2300 ℃)함으로써, 전체가 하나의 소결체로 구성되고, 복수개의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설되며, 상기 셀 중 어느 하나의 단부가 밀봉된 다공질 세라믹 부재 (20)을 제조할 수 있다.
상기 세라믹 건조체의 탈지 및 소성의 조건은, 종래부터 다공질 세라믹으로 이루어지는 필터를 제조할 때에 사용되고 있는 조건을 적용할 수 있다.
이어서, 다공질 세라믹 부재 (20)의 측면에 접착재층 (11)이 되는 접착재 페이스트를 균일한 두께로 도포하여 접착재 페이스트층을 형성하고, 이 접착재 페이스트층 위에 차례로 다른 다공질 세라믹 부재 (20)을 적층하는 공정을 반복한 후, 소정 크기의 다공질 세라믹 부재 집합체를 제조한다. 또한, 다공질 세라믹 부재 (20) 사이의 공간을 확보하기 위해서, 다공질 세라믹 부재 (20) 위에 공극 유지재를 접착하고, 공극 유지재를 개재시켜 복수개의 다공질 세라믹 부재 (20)을 조합함으로써 집합체를 제조한 후, 다공질 세라믹 부재 (20) 사이의 공극에 접착재 페이스트를 주입하는 방법도 있다.
또한, 상기 접착재 페이스트를 구성하는 재료는 상술하였으므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
이어서, 이 다공질 세라믹 부재 집합체를 가열하여 접착재 페이스트층을 건조, 고화시켜 접착재층 (11)로 한다.
이어서, 다이아몬드 절삭기 등을 이용하여, 다공질 세라믹 부재 (20)이 접착재층 (11)을 개재시켜 복수개 접착된 다공질 세라믹 부재 집합체에 절삭 가공을 실시하여, 원주 형상의 세라믹 블록 (15)를 제조한다.
그리고, 세라믹 블록 (15)의 외주에 상기 시일재 페이스트를 사용하여 시일재층 (12)를 형성함으로써, 다공질 세라믹 부재 (20)이 접착재층 (11)을 개재시켜 복수개 접착된 원주형상의 세라믹 블록 (15)의 외주부에 시일재층 (12)가 설치된 벌집형 구조체 (10)을 제조할 수 있다.
그 후, 필요에 따라 벌집형 구조체에 촉매를 담지시킨다. 상기 촉매의 담지는 집합체를 제조하기 전의 다공질 세라믹 부재에 행할 수도 있다.
촉매를 담지시키는 경우에는, 벌집형 구조체의 표면에 높은 비표면적의 알루미나막을 형성하고, 이 알루미나막의 표면에 보조 촉매, 및 백금 등의 촉매를 부여하는 것이 바람직하다.
상기 벌집형 구조체의 표면에 알루미나막을 형성하는 방법으로는, 예를 들면 Al(NO3)3 등의 알루미늄을 함유하는 금속 화합물의 용액을 벌집형 구조체에 함침시켜 가열하는 방법, 알루미나 분말을 함유하는 용액을 벌집형 구조체에 함침시켜 가열하는 방법 등을 들 수 있다.
보조 촉매를 부여하는 방법으로는, 예를 들면 Ce(NO3)3 등의 희토류 원소 등을 함유하는 금속 화합물의 용액을 벌집형 구조체에 함침시켜 가열하는 방법 등을 들 수 있다.
촉매를 부여하는 방법으로는, 예를 들면 디니트로디아민 백금 질산 용액([Pt(NH3)2(NO2)2]HNO3, 백금 농도 4.53 중량％) 등을 벌집형 구조체에 함침시켜 가열하는 방법 등을 들 수 있다.
또한, 미리 알루미나 입자에 촉매를 부여하여, 촉매가 부여된 알루미나 분말을 함유하는 용액을 벌집형 구조체에 함침시켜 가열하는 방법으로 촉매를 부여할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 벌집형 구조체가 설치된 차량의 배기 가스 정화 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 배기 가스 정화 장치 (40)은 주로 벌집형 구조체 (10), 벌집형 구조체 (10)의 외측을 덮는 케이싱 (41), 벌집형 구조체 (10)과 케이싱 (41) 사이에 배치되는 유지 시일재 (42)로 구성되어 있고, 케이싱 (41)의 배기 가스가 도입되는 측의 단부에는, 엔진 등의 내연 기관에 연결된 도입관 (43)이 접속되어 있으며, 케이싱 (41)의 다른 단부에는 외부에 연결된 배출관 (44)가 접속되어 있다. 또한, 도 4 중 화살표는 배기 가스의 흐름을 나타내고 있다.
또한, 도 4에서, 벌집형 구조체 (10)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니고, 원주상일 수도 있으며, 타원기둥상일 수도 있다. 단, 케이싱은 각각의 형태에 맞는 형상으로 할 필요가 있다.
이러한 구성으로 이루어지는 배기 가스 정화 장치 (40)에서, 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스는 도입관 (43)을 통해 케이싱 (41) 내에 도입되고, 입구측 셀로부터 벌집형 구조체 (10)의 내부에 유입되어 셀벽을 통과하고, 이 셀벽에서 미립자가 포집되어 정화된 후, 출구측 셀로부터 벌집형 구조체 외부로 배출되고, 배출관 (44)를 통해 외부로 배출된다.
또한, 배기 가스 정화용 촉매가 담지된 배기 가스 필터에서는, 상술한 바와 같이 배기 가스에 함유되는 CO, HC 및 NOx 등의 유해 성분이 CO2, H2O 및 N2 등으로 정화되어 외부로 배출된다.
또한, 배기 가스 정화 장치 (40)에서는, 벌집형 구조체 (10)의 셀벽에 다량의 미립자가 퇴적되어, 압력 손실이 높아지면, 벌집형 구조체 (10)의 재생 처리가 행해진다.
상기 재생 처리에서는, 도시하지 않는 가열 수단을 이용하여 가열된 가스를 벌집형 구조체의 관통 구멍의 내부로 유입시킴으로써, 벌집형 구조체 (10)을 가열하여, 셀벽에 퇴적한 미립자를 연소 제거한다. 또한, 후분사(post-injection) 방식을 이용하여 미립자를 연소 제거할 수도 있다.
이하에 실시예를 들어 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
평균 입경 22 ㎛의 α형 탄화규소 분말(이하, SiC 조분이라 함) 6000 중량부, 평균 입경 0.5 ㎛의 α형 탄화규소 분말(이하, SiC 미분이라 함) 2570 중량부, 유기 바인더(메틸셀룰로오스) 700 중량부, 내부에 기공이 형성된 평균 입경 20 ㎛의 기공 형성제(아크릴 수지) 300 중량부, 윤활제(유니루브(UNILUB)) 330 중량부, 글리세린 150 중량부 및 적정량의 물을 배합하여 균일하게 혼합함으로써, 원료의 혼합 조성물을 제조하였다. 이 혼합 조성물을 압출 성형기에 충전하고, 압출 성형 을 행하여 도 2에 나타내는 셀의 모서리부에 충전체가 설치된 각기둥형상의 원료 성형체를 제조하였다.
이어서, 마이크로파 건조기 등을 이용하여 상기 원료 성형체를 건조시켜 세라믹 건조체로 한 후, 압출 성형에 사용한 조성물과 마찬가지 조성의 밀봉재 페이스트를 소정의 셀에 충전하였다.
이어서, 다시 건조기를 이용하여 건조시킨 후, 400 ℃에서 탈지하고, 상압의 아르곤 분위기하에 2200 ℃, 3 시간 동안 소성을 행함으로써, 그 크기가 34.3 mm×34.3 mm×150 mm, 셀 (21)의 수(셀 밀도)가 50.5개/㎠, 셀의 치수 1.17×1.17 mm, 셀벽의 두께가 0.24 mm, 외연벽의 두께가 0.40 mm, 개구율이 66.4 ％, 기공률 47.5 ％인 탄화규소 소결체로 이루어지는 다공질 세라믹 부재 (20)을 제조하였다. 또한, 셀의 길이 방향에 수직인 단면에서의 정사각형 셀의 모서리부에 설치된 직각(이등변) 삼각형상의 충전재의 1변 L2의 길이는, 본래 셀의 1변 L1의 길이(=1.17 mm)에 대하여 10 ％이다.
이어서, 평균 섬유 길이 20 ㎛의 알루미나 섬유 30 중량％, 평균 입경 0.5 ㎛의 탄화규소 입자 21 중량％, 실리카졸 15 중량％, 카르복시메틸셀룰로오스 5.6 중량％ 및 물 28.4 중량％를 포함하는 내열성의 접착재 페이스트를 사용하여 다공질 세라믹 부재 (20)을 다수개 접착시키고, 추가로 120 ℃에서 건조시키고, 계속해서 다이아몬드 절삭기를 이용하여 절단함으로써, 접착재층의 두께 1 mm의 원주상의 세라믹 블록 (15)를 제조하였다.
이어서, 무기 섬유로서 알루미나실리케이트를 포함하는 세라믹 섬유(쇼트 함유율: 3 ％, 평균 섬유 길이: 100 ㎛) 23.3 중량％, 무기 입자로서 평균 입경 0.3 ㎛의 탄화규소 분말 30.2 중량％, 무기 바인더로서 실리카졸(졸 중 SiO2의 함유율: 30 중량％) 7 중량％, 유기 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스 0.5 중량％ 및 물 39 중량％를 혼합, 혼련하여 시일재 페이스트를 제조하였다.
이어서, 상기 시일재 페이스트를 사용하여 세라믹 블록 (15)의 외주부에 두께 0.2 mm의 시일재 페이스트층을 형성하였다. 그리고, 이 시일재 페이스트층을 120 ℃에서 건조시켜, 직경 143.8 mm×길이 150 mm의 원주상의 집합체형 벌집형 구조체 (10)을 제조하였다. 또한, 표 2에 상기 혼합 조성물을 제조할 때에 사용한 각 원료의 비율(중량부)을 나타내고 있다.
또한, 제조된 벌집형 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재의 자세한 형상이나 치수를 하기 표 1 및 표 3에 나타낸다. 표 1에 나타낸 a 내지 e는, 표 3에 자세히 나타낸 a 내지 e의 형상의 다공질 세라믹 부재를 제조하고, 얻어진 다공질 세라믹 부재를 사용한 것을 나타내고 있다.
(실시예 2 내지 12)
다공질 세라믹 부재의 원료의 중량 비율, 충전체의 단면 형상, 기공률, 개구율, 셀벽의 두께, 외연벽의 두께, 셀 밀도, 충전체의 1변의 비율을 표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
또한, 충전체의 단면 형상에 대해서, "직각 삼각형의 빗변이 만곡"이란, 충전재의 단면 형상이 직각 삼각형의 예각이 되는 2정점을 연결하여 그 빗변이 순조롭게 만곡하고 있는 형상으로, 상기 빗변이 상기 직각 삼각형의 직각이 되는 정점측, 즉 셀의 외측을 향해서 만곡하고 있는 형상인 것을 나타내고 있다(도 7(d) 참조).
(비교예 1 내지 14)
다공질 세라믹 부재의 원료의 중량 비율, 다공질 세라믹 부재의 구조, 충전체의 단면 형상, 기공률, 개구율, 셀벽의 두께, 외연벽의 두께, 셀 밀도, 충전체의 1변의 비율을 표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벌집형 구조체를 제조하였다.
Figure 112007009038539-PCT00001
Figure 112007009038539-PCT00002
Figure 112007009038539-PCT00003
얻어진 실시예 1 내지 12에 관한 벌집형 구조체 및 비교예 1 내지 14에 관한 벌집형 구조체에 대해서, 하기의 평가(측정)를 행하였다.
(1) 압력 손실의 측정
각 실시예 및 비교예에 관한 다공질 세라믹 부재를 송풍기에 접속하고, 유속 13 m/s에서 가스(공기)를 유통시키고, 벌집형 구조체의 압력 손실을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타낸다.
(2) 철구의 낙하에 의한 다공질 세라믹 부재의 기계적 특성의 측정
도 5에 도시한 바와 같은 철구의 낙하 충돌 장치를 이용하여, 다공질 세라믹 부재의 기계적 특성을 평가하였다.
이 철구의 낙하 충돌 장치 (50)에서는, 그 각도(α)가 10°가 되도록 받침대 (53)에 비스듬히 판상체 (52)를 기대어 세우고, 그 측면(외주면)이 판상체 (52)의 1변에 접촉하도록, 다공질 세라믹 부재로 이루어지는 샘플을 놓는다. 이 때, 다공질 세라믹 부재의 외연벽에 수직인 셀벽에 상당하는 외연벽 부분에 철구가 부딪히도록 배치한다. 그리고, 샘플로부터 100 mm 떨어진 지점(X=100 mm)의 판상체 (52) 상에서 철구 (54)(무게: 33 g)를 굴려 낙하시켜서 샘플의 다공질 세라믹 부재 (20)에 충돌시키고, 샘플의 파손 여부를 관찰하였다. 샘플의 수는 10개이고, 그 중 몇개가 파손되었는지로 평가를 행한다. 10개 중, 파손된 것이 1개 이내는 ◎, 2 내지 4개는 ○, 5개 이상은 ×로 하였다. 그 결과를 하기의 표 4에 나타낸다.
(3) 포스 게이지(force gauge)에 의한 다공질 세라믹 부재의 외연벽 부분의 강도의 측정
도 6에 도시한 바와 같이, 포스 게이지 (60)으로서 IMADA제의 PS10K를 사용하고, (2)와 마찬가지로 다공질 세라믹 부재의 외연벽에 수직인 셀벽에 상당하는 외연벽 부분에 포스 게이지 (60)의 원추상의 선단을 가압하여 정적인 압력을 인가하고, 외벽 부분이 파손되는 압력을 측정하였다. 그 결과를 하기의 표 4에 나타낸다.
Figure 112007009038539-PCT00004
표 4에 나타낸 바와 같이, 실시예에 관한 벌집형 구조체는 압력 손실이 낮고, 철구의 낙하(동적 하중)에 대해서도 파손되기 어려우며, 포스 게이지에 의한 측정(정적 하중)에서도 파손되기 위해서는 높은 압력이 필요하였다.
이에 대하여, 비교예에 관한 벌집형 구조체는, 압력 손실이 높거나, 철구의 낙하에 대하여 파손되기 쉽거나, 포스 게이지에 의한 측정시에 파손되는 데에는 낮은 압력만 필요로 하였다.
[도 1] 본 발명의 벌집형 구조체의 일례를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
[도 2] (a)는 본 발명의 벌집형 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재의 일 례를 모식적으로 나타낸 사시도이고, (b)는 그 A-A선 단면도이다.
[도 3] 도 2에 도시한 다공질 세라믹 부재의 단면의 일례를 모식적으로 나타낸 정면도이다.
[도 4] 본 발명의 벌집형 구조체가 설치된 차량의 배기 가스 정화 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
[도 5] 철구의 낙하 충돌 장치를 사용한 철구의 낙하에 의한 다공질 세라믹 부재의 기계적 특성의 측정 방법을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
[도 6] 포스 게이지에 의한 다공질 세라믹 부재의 외연벽 부분의 강도의 측정 방법을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
[도 7] (a) 내지 (e)는 셀의 모서리부에 충전체를 설치했을 때의 모서리부의 형상의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요 부분을 설명하기 위한 부호의 간단한 설명>
10 벌집형 구조체
11 시일재층(접착재층)
12 시일재층(코팅층)
15 세라믹 블록

Claims (5)

  1. 복수개의 셀이 셀벽을 사이에 두고 길이 방향으로 병설되고, 그 외연에 외연벽을 갖는 다공질 세라믹 부재가 접착재층을 개재시켜 복수개 접착된 벌집형 구조체이며,
    상기 다공질 세라믹 부재의 상기 외연벽의 두께는 상기 셀벽의 두께보다도 두껍고,
    상기 다공질 세라믹 부재의 최외주에 위치하는 셀의 1개 이상에는 해당 셀의 모서리부의 1개소 이상에 해당 모서리부를 충전하는 충전체가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 벌집형 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전체가 상기 외연벽에 의해 구성되는 모서리부, 및 상기 외연벽과 상기 셀벽에 의해 구성되는 모서리부에 설치되어 있는 벌집형 구조체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 셀의 길이 방향에 직교하는 면에서의 해당 셀의 단면 형상은 대략 사각형이고, 상기 셀의 길이 방향에 직교하는 면에서의 상기 충전체의 단면 형상은 대략 직각 삼각형상, 또는 대략 직각 삼각형상의 빗변이 상기 셀의 내측 또는 외측을 향해서 만곡 또는 굴곡하고 있는 형상인 벌집형 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 세라믹 부재의 기공률이 45 내지 55 ％이고,
    상기 다공질 세라믹 부재의 길이 방향에 수직인 단면에서의 셀의 개구율이 60 내지 75 ％인 벌집형 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀은 양단부 중 어느 하나의 단부가 밀봉되어 있는 벌집형 구조체.
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