KR20070088538A - 허니컴 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

필터 외주부 (21B) 에 있어서의 셀 (28) 의 막힘을 억제할 수 있는 허니컴 구조체 (21) 는, 사각 단면의 필터 코어부 (21A) 와, 필터 코어부 (21A) 의 외측면에 배치되는 필터 외주부 (21B) 를 갖고, 원형 단면을 갖는다. 필터 코어부 (21A) 는 제 1 허니컴 부재 (22A) 로 이루어지며, 필터 외주부 (21B) 는 제 2 허니컴 부재 (22B) 를 구비한다. 허니컴 구조체 (21) 에 있어서는, 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 대신에, 충전층 (35) 이 충전되어 있다.

Description

허니컴 구조체 및 그 제조 방법{HONEYCOMB STRUCTURE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 예를 들어, 내연 기관, 보일러 등의 배기 가스 중에 함유되는 입자 형상 물질 등을 포집 및 제거하기 위해 이용되는 허니컴 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에는, 환경에 대한 영향을 고려하여, 내연 기관이나 보일러 등의 연소 장치의 배기 가스에 함유되는 입자 형상 물질을 배기 가스 중으로부터 제거할 필요성이 높아지고 있다. 특히 디젤 엔진으로부터 배출되는 흑연 미립자 등의 입자 형상 물질 (이하 PM 이라고 한다) 의 제거에 관한 규제는 구미, 일본 내 모두 강화되고 있다. PM 등을 제거하기 위한 포집 필터로서, DPF (Diesel Particulate Filter) 라고 불리는 허니컴 구조체가 사용되고 있다. 허니컴 구조체는 연소 장치의 배기 통로에 형성된 케이싱 내에 수용되어 있다. 허니컴 구조체는 그 길이 방향으로 연장됨과 함께 격벽에 의해 구획된 다수의 셀을 갖고 있다. 인접하는 한 쌍의 셀에 있어서, 일방의 셀의 개구단과, 그 개구단과 반대측에 있는 타방의 셀의 개구단이 밀봉체에 의해 밀봉된다. 복수의 밀봉체는 허니컴 구조체의 각 단면 (유입구측 단면 및 유출구측 단면) 에 체크 무늬 형상으로 배치된다. 배기 가스는 허니컴 구조체의 유입구측 단면에 있어서, 개방되어 있는 셀에 유입되고, 다공질의 격벽을 통과하여, 유출구측 단면에 있어서 개방되어 있는 근처의 셀로부터 배출된다. 예를 들어 디젤 엔진으로부터 배출되는 PM 은 여과 필터로서 기능하는 격벽에 포집되어 격벽 상에 퇴적된다. 격벽에 퇴적된 PM 은 버너나 히터 등의 가열 수단, 또는 배기 가스의 열에 의해, 연소되어 제거된다. 본 명세서에서는 PM 을 연소시켜 제거하는 것을, 간단하게 「PM 의 제거」 또는 「허니컴 구조체의 재생」 이라고도 한다.
각종의 허니컴 구조체가 알려져 있다 (예를 들어, 특허 문헌 1 ∼ 3 참조). 특허 문헌 1 에 나타내는 허니컴 구조체는 단면 원 형상을 이루고, 그 외벽의 소정 지점에 보강부를 갖고 있다. 이 보강부는 허니컴 구조체의 외벽에 있어서 강도가 낮은 소정 지점에 설치된다. 그 결과, 기계적 강도가 우수함과 함께 압력 손실이 적은 허니컴 구조체가 얻어진다.
특허 문헌 2 에 나타내는 허니컴 구조체는 그 축선에 평행한 면에서 분할된 복수 개의 허니컴 부재로 구성되어 있다. 이 허니컴 구조체는 8개의 각주 형상의 허니컴 부재와 4개의 직각 이등변 삼각형 단면을 갖는 허니컴 부재로 형성되고, 그 단면은 팔각형이다. 허니컴 부재 사이에는 탄성질 소재로 이루어지는 시일재가 개재되어 있고, 허니컴 부재가 일체로 접착되어 있다.
특허 문헌 3 은 원형 단면의 허니컴 구조체를 개시하고 있다. 이 허니컴 구조체는 각주 형상을 이루는 복수의 허니컴 부재를 시일재를 이용하여 결속시켜 허니컴 부재의 다발을 형성하고, 허니컴 부재의 다발의 일부를 절삭 가공하여 그 외형을 일정하기 하여 얻어진다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2003-260322호
특허 문헌 2 : 특허 제3121497호
특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 2005-154202호
그런데, 특허 문헌 3 에 나타내는 원형 단면의 허니컴 구조체에서는, 허니컴 구조체의 외주부를 구성하는 허니컴 부재의 단면은, 절삭 가공에 의해 직각 이등변 삼각형으로 형성된다. 그 때문에, 허니컴 구조체의 직경이나, 결속시키는 허니컴 부재의 수에 따라, 허니컴 구조체의 외주부를 구성하는 몇 개의 허니컴 부재의 단면적이 매우 작아지는 경우가 있다.
종래의 허니컴 구조체에 있어서는, 그 외주부로부터 케이싱측으로 열이 빠져나가기 쉽다. 그 때문에, 중심부에 비하여 외주부의 온도가 낮아지는 경향이 있다. 특히 허니컴 부재 사이에 시일재가 개재되는 허니컴 구조체에서는, 시일재에 의해 열의 전도가 약해지고, 외주부의 온도가 낮아지기 쉽다. 허니컴 구조체의 외주부에 있어서는, PM 을 연소 및 제거하는데 충분한 고온을 얻기 어렵고, 허니컴 구조체의 외주부를 구성하는 허니컴 부재의 격벽에는, PM 이 연소되지 않고 남기 쉽다. PM 의 타다 남음을 발생시키는 온도 저하는, 외주부에 위치하는 허니컴 부재 중에서도 단면적이 매우 작은 허니컴 부재에 있어서 현저해진다. 그 결과, 단면적이 매우 작은 허니컴 부재에서는, 셀이 PM 에 의해 막히기 쉽다. 셀을 막은 PM 은 가끔 자기 착화하고, 국부적인 열 충격을 발생시켜, 허니컴 구조체 (특히, 허니컴 구조체의 외주부) 에 균열을 일으키는 요인이 된다.
이 발명의 목적은 필터 외주부에 있어서의 셀의 막힘을 억제할 수 있는 허니컴 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 접합재에 의해 결속된 복수의 허니컴 부재로서, 각각이 외벽과, 상기 외벽의 내측에 형성된 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되어 유체의 유로로서 기능하는 복수의 셀을 갖는 상기 복수의 허니컴 부재와, 도포층으로 이루어지는 외측면을 구비하는 허니컴 구조체로서, 상기 복수의 허니컴 부재 중, 각각이 상기 허니컴 구조체의 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 사각형인 복수의 제 1 허니컴 부재로 이루어지는 필터 코어부와, 상기 필터 코어부의 외측에 배치된 필터 외주부로서, 상기 복수의 허니컴 부재 중, 각각이 상기 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 다른 형상인 복수의 제 2 허니컴 부재를 구비한 상기 필터 외주부와, 상기 필터 코어부 및 상기 필터 외주부의 어느 일방의 외측면과, 상기 도포층 사이에 형성된 충전층을 구비하는 허니컴 구조체를 제공한다.
축선에 직교하는 각 제 1 허니컴 부재의 수직 단면의 단면적을 S0 으로 나타내고, 상기 충전층의, 상기 축선에 직교하는 수직 단면의 단면적을 S1 로 나타냈을 때, 단면적 S0 에 대한 단면적 S1 의 비율이 4% 미만인 것이 바람직하다.
허니컴 구조체의 형상에 따라서는, 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재가 형성되기 쉬운 지점이, 둘레 방향에 있어서 거의 등간격으로 발생하는 경우가 있다. 이러한 허니컴 구조체의 경우, 복수의 충전층을 허니컴 구조체의 축선의 둘레에서 같은 각도 간격을 두어 배치하는 것이 바람직하다. 특히, 복수의 충전층은 허니컴 구조체의 외측면에 있어서, 상기 허니컴 구조체의 중심에 인접하는 제 1 허니컴 부재의 일 외면을 따른 연장선 상에 있는 0도 위치와, 상기 0도 위치로부터 상기 중심의 둘레에서 90도, 180도, 및 270도만큼 각각 이간된 90도 위치, 180도 위치, 및 270도 위치에 배치되거나, 또는, 상기 0도 위치와, 0도 위치로부터 45도, 135도, 225도, 및 315도만큼 각각 이간된 45도 위치, 135도 위치, 225도 위치, 및 315도 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 허니컴 구조체에 대하여 균형있게 배치 형성된 충전층은, 집합체 전체에 있어서의 PM 의 제거에 바람직하다.
상기 충전층은 허니컴 구조체의 단면 사이에 걸쳐 축선을 따라 충전되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 필터 코어부 또는 필터 외주부의 외측면과 도포층 사이에 간극이 발생하지 않고, 간극에 기인하여 필터 외주부의 온도가 잘 상승되지 않는 경우가 없어, 상기 필터 외주부에 있어서의 열 전도가 양호해지게 된다.
상기 충전층은 무기 입자를 함유하는 것이 바람직하다. 무기 입자에 의해 양호한 열 전도성이 부여된 충전층은, 필터 외주부에 있어서의 열 전도성을 향상시킬 수 있다.
상기 충전층은 무기 섬유 및 무기 중공체의 적어도 일방을 함유하는 것이 바람직하다. 무기 섬유 및 무기 중공체의 적어도 일방에 의해 충전층의 내열성 및 강도가 향상된다. 그 결과, 격벽에 포집된 PM 을 제거 처리할 때의 열에 의해 충전층이 열 팽창되었다고 하여도, 상기 충전층에 있어서의 균열의 발생이 억제된다.
또한, 상기 무기 섬유의 평균 섬유 길이가 1 ∼ 40㎛, 평균 섬유 길이가 10 ∼ 200㎛ 인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 충전층의 내열성이 보다 더 높아진다.
또한, 상기 무기 섬유의 탭 밀도는 55 ∼ 65g/㎤ 인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 충전층의 강도 및 접착성이 보다 더 높아진다. 이 때문에, 격벽에 포집된 PM 을 제거할 때의 열에 의해 충전층이 열팽창되었다고 하여도, 상기 충전층에 있어서의 균열의 발생이나 박리가 바람직하게 억제된다.
또한, 상기 충전층의 조성은 상기 도포층의 조성과 동일한 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 충전층과 도포층 사이에 있어서의 열의 전도가 매우 용이해지고, 허니컴 구조체의 외주부에 있어서의 열의 전도가 높아진다.
허니컴 부재의 셀 밀도는 200 ∼ 300셀/평방인치인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 배기 가스 중의 PM 을 충분히 포집할 수 있는 격벽의 표면적과 허니컴 부재의 내열충격성을 확보할 수 있다. 추가로, 셀이 작아지는 경우에 일어나기 쉬운 압력 손실이 저감됨과 함께, 셀의 내부에 있어서의 PM 의 막힘 (브릿지) 이 억제된다.
격벽의 두께는 0.33㎜ 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 격벽에 포집된 PM 을 제거할 때의 격벽 온도의 상승 속도를 용이하게 높일 수 있는 열 용량이 얻어진다. 격벽의 두께가 0.1㎜ 이상이면, 허니컴 구조체의 충분한 기계적 강도가 확보된다.
허니컴 구조체는 상기 축선에 직교하는 수직 단면이 원 형상 또는 타원 형상이다. 일례에서는 상기 격벽에 촉매가 담지되어 있다. 이것에 의하면, 격벽의 표면 및 내부에 포집된 PM 이 촉매에 의해 용이하게 연소되고, 정화된다. 상기 허니컴 구조체는 각각이 외벽과, 상기 외벽의 내측에 형성된 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되어 유체의 유로로서 기능하는 복수의 셀을 갖는 복수의 허니컴 부재를, 접합재에 의해 결속시켜 집합체를 형성하는 집합체 형성 공정과, 상기 집합체의 외측면에 있어서의 소정 지점에 충전층을 형성하는 충전층 형성 공정과, 상기 집합체의 외측면에 도포층을 도포하는 도포층 형성 공정을 거쳐 제조된다.
일례에서는, 상기 집합체의 외측면을 절삭 가공하는 절삭 공정이 실시된다.
일례에서는, 상기 집합체 형성 공정, 상기 충전층 형성 공정, 상기 절삭 공정, 및 상기 도포층 형성 공정의 순서로 실시된다.
다른 예에서는, 상기 집합체 형성 공정과 상기 절삭 공정을 실시하고, 그 후, 상기 충전층 형성 공정과 상기 도포층 형성 공정이 실시된다.
또 다른 예에서는, 상기 복수의 허니컴 부재의 각각이 미리 소정 형상으로 형성되어 있다. 이 경우, 상기 집합체 형성 공정을 실시하고, 그 후, 상기 충전층 형성 공정과 상기 도포층 형성 공정이 실시된다.
상기 충전층 형성 공정과 상기 도포층 형성 공정을 동시에 실시할 수 있다.
상기 집합체는 상기 복수의 허니컴 부재 중, 각각이 상기 허니컴 구조체의 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 사각형인 복수의 제 1 허니컴 부재로 이루어지는 필터 코어부와, 상기 필터 코어부의 외측에 배치된 필터 외주부 로서, 상기 복수의 허니컴 부재 중, 각각이 상기 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 다른 형상인 복수의 제 2 허니컴 부재를 구비한 상기 필터 외주부로 이루어지고, 상기 제조 방법은 상기 집합체 형성 공정에 앞서, 상기 복수의 허니컴 부재의 여러 개를 절삭 가공하여, 상기 복수의 제 2 허니컴 부재를 형성하는 공정을 추가로 구비하고, 상기 집합체 형성 공정은 상기 필터 코어부를 형성하는 공정과, 상기 필터 코어부의 주위에 상기 필터 외주부를 형성하는 공정을 포함한다.
도 1 은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 허니컴 구조체를 구비한 배기 가스 정화 장치의 개략도이다.
도 2(a) 는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 허니컴 구조체의 수직 단면도, 도 2(b) 는 도 2(a) 의 허니컴 구조체의 부분 확대도, 도 2(c) 는 도 2(a) 의 허니컴 구조체의 필터 코어부의 단면도, 도 2(d) 는 도 2(a) 의 허니컴 구조체의 필터 외주부의 단면도이다.
도 3 은, 허니컴 부재의 사시도이다.
도 4 는, 도 1 의 케이싱 내부의 단면도이다.
도 5 는, 허니컴 부재의 집합체의 수직 단면도이다.
도 6 은, 도 5 의 허니컴 부재의 집합체의 절삭 가공을 설명하는 도면이다.
도 7 은, 제 1 의 변경예의 허니컴 구조체의 개략도이다.
도 8 은, 제 2 의 변경예의 허니컴 구조체의 개략도이다.
도 9 는, 제 3 의 변경예의 허니컴 구조체의 개략도이다.
도 10 은, 제 4 의 변경예의 허니컴 구조체의 개략도이다.
도 11 은, 배기 가스의 정화 시험에 있어서의 시험 조건을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 허니컴 구조체를 설명한다. 바람직한 실시형태에서는, 허니컴 구조체는 배기 가스의 열에 의해서만 포집된 PM 이 제거되는 자연 착화 방식의 차량 배기 가스 정화 장치에 사용된다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 배기 가스 정화 장치 (10) 는 예를 들어, 디젤 엔진 (11) 으로부터 배출되는 배기 가스를 정화하기 위한 장치이다. 디젤 엔진 (11) 은 도시하지 않는 복수의 기통을 구비하고 있다. 복수의 기통에는 금속 재료로 이루어지는 배기 매니 폴드 (12) 의 복수의 분기 관 (13) 이 각각 연결되어 있다.
배기 매니 폴드 (12) 의 하류측에는, 금속 재료로 이루어지는 제 1 배기관 (15) 및 제 2 배기관 (16) 이 배치 형성되어 있다. 제 1 배기관 (15) 의 상류단은 매니 폴드 (12) 에 연결되어 있다. 제 1 배기관 (15) 과 제 2 배기관 (16) 사이에는, 금속 재료로 이루어지는 통 형상의 케이싱 (18) 이 배치 형성되어 있다. 케이싱 (18) 의 상류단은 제 1 배기관 (15) 의 하류단에 연결되고, 케이싱 (18) 의 하류단은 제 2 배기관 (16) 의 상류단에 연결되어 있다. 제 1 배기 관 (15), 케이싱 (18) 및 제 2 배기관 (16) 의 내부는 서로 연통하고, 그 속을 배기 가스가 흐른다.
케이싱 (18) 의 중앙부는 배기관 (15, 16) 보다 큰 직경이며, 케이싱 (18) 의 내부 영역은 배기관 (15, 16) 의 내부 영역에 비하여 넓다. 케이싱 (18) 에 허니컴 구조체 (21) 가 수용되어 있다. 허니컴 구조체 (21) 의 외주면과 케이싱 (18) 의 내주면 사이에는, 허니컴 구조체 (21) 와는 별체의 단열재 (19) 가 배치 형성되어 있다. 케이싱 (18) 의 내부에 있어서 허니컴 구조체 (21) 보다 상류측에는 프레 필터 (41) 가 수용되어 있다. 프레 필터 (41) 의 내부에는 종래 공지된 산화 촉매가 담지되어 있고, 프레 필터 (41) 의 내부에 있어서 배기 가스가 산화 처리된다. 이 때의 산화열이 허니컴 구조체 (21) 의 내부에 전도되어, 허니컴 구조체 (21) 의 내부에 있어서의 PM 의 제거에 기여한다.
다음으로, 본 실시형태의 허니컴 구조체 (21) 에 대하여 설명한다. 본 명세서 중의 문헌 「수직 단면」 은, 허니컴 구조체 (21) 의 축선 (Q) 에 직교하는 단면을 의미한다. 그리고, 그 단면의 형상을 「수직 단면 형상」 이라고 하고, 그 단면의 면적을 「수직 단면적」 이라고 한다.
도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 허니컴 구조체 (21) 는 사각 기둥 형상을 이루는 복수 개 (본 실시형태에서는 16개) 의 허니컴 부재 (22) 를 접합재 (24) 에 의해 결속시켜 허니컴 부재의 다발 또는 집합체를 형성하고 그 집합체의 외측면을 소정 형상으로 절삭 가공함으로써 얻어진다. 접합재 (24) 는 무기 바인더, 유기 바인더, 무기 섬유 등을 함유할 수 있다.
허니컴 구조체 (21) 는 단면 사각 형상을 이루는 필터 코어부 (21A) 와, 필터 코어부 (21A) 의 외측에 배치되는 필터 외주부 (21B) 를 갖고, 단면 원 형상 (직경 : 약 143㎜, 수직 단면적 : 약 160.6㎠) 으로 형성되어 있다. 이하, 필터 코어부 (21A), 필터 외주부 (21B), 및 그들을 구성하는 허니컴 부재 (22) 에 대하여 설명한다.
필터 코어부 (21A) 는 허니컴 구조체 (21) 의 중심부에 배치되어 있다. 도 2(c) 에 나타내는 바와 같이, 필터 코어부 (21A) 는 4개의 허니컴 부재 (22 ; 제 1 허니컴 부재 (22A)) 에 의해 구성되어 있다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각 제 1 허니컴 부재 (22A) 는 외벽 (26) 과, 외벽 (26) 의 내측에 배치된 격벽 (27) 과, 정사각형의 수직 단면을 갖는다. 본 실시형태에서는 각 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적은, 11.8㎠ 이다.
각 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 외벽 (26) 및 격벽 (27) 은 주로 다공질 세라믹으로 형성되어 있다. 이 세라믹으로는 예를 들어, 질화 알루미늄, 질화 규소, 질화 붕소, 질화 티탄 등의 질화물 세라믹이나, 탄화 규소, 탄화 지르코늄, 탄화 티탄, 탄화 탄탈, 탄화 텅스텐 등의 탄화물 세라믹이나, 알루미나, 지르코니아, 코듀라이트, 멀라이트, 실리카, 티탄산알루미늄 등의 산화물 세라믹, 및 금속 규소-탄화 규소 복합재 등을 들 수 있다.
격벽 (27) 의 두께는 0.33㎜ 이하인 것이 바람직하다. 격벽 (27) 의 두께가 0.33㎜ 이하인 경우에는, 격벽 (27) 의 표면 및 내부에 포집된 PM 을 제거할 때에 격벽 (27) 온도가 상승되기 쉽다. 격벽 (27) 의 두께를 0.1㎜ 이상으로 함으로써, 허니컴 구조체 (21) 의 기계적 강도를 충분히 확보할 수 있다.
본 실시형태의 격벽 (27) 에는 백금족 원소 (예를 들어 Pt 등) 나, 그 이외의 금속 원소 및 그 산화물 등으로 이루어지는 산화 촉매가 담지되어 있어도 된다. 이 경우, 격벽 (27) 의 표면 및 내부에 포집된 PM 의 제거가, 그러한 산화 촉매의 촉매 작용에 의해 촉진된다.
허니컴 부재 (22 (22A)) 는 격벽 (27) 에 의해 구획되어 이루어지는 복수의 셀 (28) 을 갖고 있다. 도 4 에 나타내는 바와 같이, 각 셀 (28) 은 일방의 단면 (상류측 단면 ; 29A) 으로부터 타방의 단면 (하류측 단면 ; 29B) 에 걸쳐 축선 (Q) 을 따라 연장되고, 유체로서의 배기 가스의 유로로서 기능한다. 각 셀 (28) 은 단면 (29A) 과 단면 (29B) 에 개구를 갖는다. 각 셀 (28) 의 하나의 개구는, 예를 들어 다공질 탄화 규소 소결체로 이루어지는 밀봉체 (30) 에 의해 밀봉되어 있다. 복수의 밀봉체 (30) 는 각 단면 (29A, 29B) 에 체크 무늬 형상으로 배치된다. 즉, 약 반 수의 셀 (28) 은 상류측 단면 (29A) 에 있어서 개구되고, 나머지의 약 반 수의 셀 (28) 은 하류측 단면 (29B) 에 있어서 개구되어 있다.
허니컴 부재 (22) 의 셀 밀도는 200 ∼ 300셀/평방인치이며, 바람직하게는 200 ∼ 250셀/평방인치이다. 본 명세서에 있어서 문헌 「셀 밀도」 는 단위 단면적당 셀의 수를 의미한다. 허니컴 부재 (22) 의 셀 밀도가 200셀/평방인치 이상인 경우에는, 배기 가스 중의 PM 을 충분히 포집할 수 있는, 격벽 (27) 의 표면적을 확보할 수 있다. 한편, 셀 밀도가 300셀/평방인치 이하인 경우에는, 배기 가스 중의 PM 을 충분히 포집할 수 있는, 격벽 (27) 의 표면적과, 허니컴 부재 (22) 의 내열충격성을 확보할 수 있고, 추가로, 셀의 내부에 있어서의 PM 의 막힘 (브릿지) 을 잘 초래하지 않는다. 또한, 셀이 과잉되게 작아지는 경우가 없기 때문에, 압력 손실의 증대, 내연 기관의 출력 저하, 및 연비의 악화를 일으키지 않는다.
도 2(d) 에 나타내는 바와 같이, 필터 외주부 (21B) 는 12개의 허니컴 부재 (22 ; 제 2 허니컴 부재 (22B)) 로 구성되어 있다. 이 필터 외주부 (21B) 의 외측면에는, 평탄부 (32) 가 90도 간격으로 형성되어 있다. 각 평탄부 (32) 는 필터 외주부 (21B) 의 외측면에 있어서 축선 (Q) 을 따라 연장되어 있다. 평탄부 (32) 는 16개의 제 2 허니컴 부재 (22B) 를 결속시켜 직경이 거의 143㎜ 인 허니컴 구조체 (21) 를 제조할 때에 형성된다.
각 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면은 이(異)형상이다. 본 명세서 중의 문헌 「다른 형상」 은 예를 들어, 사각 기둥 형상의 허니컴 부재에 대하여 소정의 절삭 가공 등이 행해진 후의 허니컴 부재의 단면 형상을 나타낸다. 특히, 「다른 형상」 은 원형, 타원형, 삼각형, 다각형 등과 같이 외형이 직선 및 곡선 중 어느 일방만으로 이루어지는 형상을 의미하지 않고, 직선 및 곡선의 양방으로 이루어지는 형상을 의미한다. 다른 형상 단면의 예에는, 2개의 직선과 1개의 원호에 의해 구획된 단면, 3개의 직선과 1개의 원호에 의해 구획된 단면, 4개의 직선과 1개의 원호에 의해 구획된 단면이 포함된다. 「직선」 또는 「곡선」 에 대하여 설명한다. 허니컴 부재의 집합체를 절삭 가공할 경우에, 그 집합체에 포함되는 일부의 격벽과 일부의 밀봉체가 제거된다. 이 제거의 결과, 집합 체의 외면이 요철 형상이 된다. 집합체의 외면에 노출된 볼록부를 연결하는 가상선을, 본 명세서에서는 「직선」 또는 「곡선」 이라고 한다. 또, 압출 성형으로 제작한 복수의 허니컴 부재 (22B) 를 결속시킨 집합체에는, 집합체의 측면 (주면) 에 격벽이 존재한다. 이 경우, 주면의 격벽 부분을 본 명세서에서는 「직선」 또는 「곡선」 이라고 부른다. 각 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면 형상 이외의 구성 (예를 들어, 재질, 격벽 (27) 의 두께, 셀 밀도 등) 은 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 것과 동일하다. 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 복수의 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면은 서로 동일해도 되고, 서로 상이해도 된다. 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 복수의 제 2 허니컴 부재 (22B) 중 적어도 하나는, 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 제 1 허니컴 부재 (22A) 와 동일한 구성의 허니컴 부재 즉 사각형의 수직 단면을 갖는 허니컴 부재이어도 된다. 따라서, 필터 외주부 (21B) 는 다른 형상의 수직 단면을 갖는 허니컴 부재와, 사각형의 수직 단면을 갖는 허니컴 부재로 구성되어도 된다. 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 복수의 허니컴 부재의 대부분이 다른 형상인 것이 바람직하다. 각 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적을 S0 으로 나타내고, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 임의의 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면적을 S2 로 나타냈을 때, 단면적 S0 에 대한 단면적 S2 의 비율은 4% 이상이다. 이 비율이 4% 이상인 경우, 즉 수직 단면적이 매우 작은 제 2 허니컴 부재 (22B) 가 필터 외주부 (21B) 에 존재하지 않는 경우, 모든 허니컴 부재 (22) 에 있어서 PM 을 충분히 제거할 수 있어, 타고 남은 PM 에 의한 셀 (28) 의 막힘을 방지할 수 있다. 한편, 이 비율이 4% 미만인 경우, 즉 수직 단면적이 매우 작은 제 2 허니컴 부재 (22B) 가 필터 외주부 (21B) 에 존재하는 경우, 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 (22B) 에 포집된 PM 은 충분히 제거하는 것이 곤란하여, 타고 남은 PM 에 의해 셀 (28) 이 막히기 쉽다.
필터 외주부 (21B) 의 외측면에는 복수의 충전층 (35) 이 배치되어 있다. 보다 상세하게는, 각 충전층 (35) 은 필터 외주부 (21B) 의 평탄부 (32) 와 도포층 (34) 사이의 간극에 충전되어 있다. 도 2(a) 의 예에서는, 충전층 (35) 은 허니컴 구조체 (21) 의 외측면으로서, 그 중심 (X) 의 둘레의 같은 각도 간격 위치 (예를 들어, 0도, 90도, 180도, 270도의 위치) 에 형성되어 있다. 0도 위치는 중심 (X) 에 인접하는 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 외벽 (26) 중, 방향 P (도 2(c) 참조) 와 평행한 일 외벽 (26) 을 따른 연장선 상에 있는, 허니컴 구조체 (21) 의 외측면이다. 90도 위치, 180도 위치 및 270도 위치는 허니컴 구조체 (21) 의 외측면에 있어서, 0도 위치로부터 각각 90도, 180도, 및 270도만큼 이간된 위치이다. 여기서, 도포층 (34) 은 필터 외주부 (21B) 의 외측면에 도포된 거의 동일한 두께를 갖는 층 형상의 부분을 가리킨다. 충전층 (35) 은 필터 외주부 (21B) 의 외측면과, 도포층 (34) 사이에 충전된 부분을 가리킨다.
도 2(b) 에 나타내는 필터 외주부 (21B) 는 절삭 가공된 것이다. 이 경우, 필터 외주부 (21B) 의 외측면의 일부에 요철이 발생하여, 도포층 (34) 은 그 요철을 덮도록 도포된다. 따라서, 필터 외주부 (21B) 의 외측면의 오목부는 도포층 (34) 의 재료에 의해 매립된다. 압출 형성에 의해 형성된 다른 형상의 제 2 허니컴 부재 (22B) 를 사용한 필터 외주부 (21B) 의 경우, 요철이 없는 측벽이 필터 외주부 (21B) 의 전체 외측면을 제공한다. 이 경우, 도포층 (34) 은 그 측벽을 덮도록 도포된다.
충전층 (35) 의 수직 단면적을 S1 로 나타내고, 필터 코어부 (21A) 를 구성 하는 각 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적을 S0 으로 나타냈을 때, 면적 S0 에 대한 면적 S1 의 비율은 4% 미만이다. 이 비율이 4% 이상인 경우에는, 배기 가스에 의한 가열시 온도 편차가 발생하기 쉬워짐과 함께, 내부의 열 응력이 과잉되게 되어, 충전층 (35) 에 균열이 발생하거나, 충전층 (35) 이 박리되거나 할 우려가 있다. 이 때문에, 이 비율이 4% 이상의 충전층 (35) 인 경우에는, 그 충전층 (35) 은 제 2 허니컴 부재 (22B) 로 치환되는 것이 바람직하다. 상기 기술한 바와 같이, 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면적 S2 가, 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 4% 이상이면, PM 을 제거하는데 충분한 열량을 확보할 수 있기 때문이다. 충전층 (35) 은 허니컴 구조체 (21) 의 외측면의 일부에 있어서, 단면 (29A, 29B) 사이에 걸쳐, 축선 (Q) 을 따라 배치되어 있다 (도 4 참조).
충전층 (35) 은 무기 입자, 및 무기 섬유를 함유한다. 무기 입자는 충전층 (35) 에 양호한 열 전도성을 부여하는 기능을 갖는다. 무기 입자로는, 탄화 규소, 질화 규소, 코제라이트, 알루미나 (예를 들어, 용융 알루미나, 소결 알루미나), 멀라이트, 지르코니아, 인산지르코늄, 티탄산알루미늄, 티타니아, 실리카 (예를 들어, 용융 실리카) 및 이들의 조합에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 세라믹, 철-크롬-알루미늄계 금속, 니켈계 금속, 금속 규소-탄화 규소 복합재 등을 들 수 있다. 이들은, 단독으로 사용되어도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용되어도 된다.
무기 섬유는 충전층 (35) 의 내열성 및 강도를 향상시키는 기능을 갖는다. 이 종류의 무기 섬유로는, 실리카-알루미나세라믹 섬유, 멀라이트 섬유, 실리카 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용되어도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용되어도 된다. 본 실시형태에서는 이 무기 섬유의 성질을 특정함으로써, 충전층 (35) 의 내열성 및 강도의 향상을 도모한다. 이하, 본 실시형태의 무기 섬유의 성질에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 무기 섬유의 평균 섬유 길이는 1 ∼ 40㎛ 가 바람직하고, 6 ∼ 40㎛ 가 보다 바람직하다. 무기 섬유의 평균 섬유 길이는 10 ∼ 200㎛ 가 바람직하고, 20 ∼ 30㎛ 가 보다 바람직하다. 본 명세서 중의 문헌 「평균 섬유 길이」 및 「평균 섬유 길이」 는, 주사형 전자 현미경으로 촬영한 충전층 (35) 의 단면 사진으로부터 랜덤하게 선택한 복수 개의 무기 섬유의 섬유 직경의 평균값 및 섬유 길이의 평균값이다.
무기 섬유의 평균 섬유 직경이 1㎛ 미만, 및 평균 섬유 길이가 10㎛ 미만인 경우에는, 충전층 (35) 의 충분한 내열성 및 강도를 확보하는 것이 곤란해진다. 따라서, 배기 가스에 의한 가열에 기인하여, 충전층 (35) 에 균열이 발생하거나, 충전층 (35) 이 용이하게 박리되거나 할 가능성이 있다. 한편, 무기 섬유의 평균 섬유 직경이 40㎛ 를 초과하는 경우, 및 평균 섬유 길이가 200㎛ 를 초과하는 경우에는, 충전층 (35) 의 내열성 및 강도에 대하여 그 이상의 효과는 나타나지 않 아, 경제적이지 않다.
무기 섬유의 탭 밀도는 55 ∼ 65g/㎤ 가 바람직하고, 55 ∼ 60g/㎤ 가 보다 바람직하다. 본 명세서 중의 문헌 「탭 밀도」 는, 일정 조건으로 용기를 탭핑하여 얻어지는, 무기 섬유의 부피 밀도를 나타낸다. 이 탭 밀도가 클수록, 무기 섬유가 치밀하게 충전되어 있는 것을 의미한다. 무기 섬유의 탭 밀도가 55g/㎤ 미만인 경우에는, 충전층 (35) 의 내열성이나 강도를 충분히 확보하는 것이 곤란해진다. 한편, 무기 섬유의 탭 밀도가 65g/㎤ 를 초과하는 경우에는, 섬유의 배향성이 지나치게 높아져, 허니컴 부재 (22) 에 대한 충전층 (35) 의 접착성이 저하될 가능성이 있다.
상기 무기 섬유 대신, 또는 무기 섬유와 함께, 무기 중공체 (무기 벌룬) 를 충전층 (35) 에 함유시켜도 된다. 이 종류의 무기 중공체로는, 유리 마이크로 벌룬, 알루미나 벌룬, 세라믹 벌룬 등을 들 수 있다. 무기 중공체의 평균 입경은 특별히 한정되지 않는다.
충전층 (35) 에는 다른 성분으로서 무기 바인더, 유기 바인더 등이 함유되어도 된다. 이 종류의 무기 바인더로는, 알루미나졸, 실리카졸, 티타니아졸 등을 들 수 있다. 이들은, 단독으로 사용되어도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용되어도 된다. 유기 바인더로는, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스 등의 친수성 유기 고분자를 들 수 있다. 이들은, 단독으로 사용되어도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용되어도 된다.
도포층 (34) 은 케이싱 (18) 내에 있어서의 허니컴 구조체 (21) 의 위치 어 긋남을 억제하는 기능을 갖는다. 도포층 (34) 의 조성은 충전층 (35) 의 조성과 동일하여도 된다. 도포층 (34) 은 필터 외주부 (21B) 의 전체 외측면에 걸쳐 형성되어 있다.
충전층 (35) 을 형성한 후에 도포층 (34) 을 형성하여도 된다. 충전층 (35) 과 도포층 (34) 을 동시에 형성하여도 된다.
허니컴 구조체의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 복수의 허니컴 부재 (22) 를 준비한다. 각 허니컴 부재 (22) 는 외벽 (26) 과, 유체의 유로로서 기능하는 복수의 셀 (28) 을 구획하는 격벽 (27) 을 갖는다. 복수의 허니컴 부재 (22) 를 접합재 (24) 에 의해 결속시켜 집합체 (S) 를 형성한다 (집합체 형성 공정). 필요에 따라, 집합체 (S) 의 외측면을 절삭 가공하여, 집합체 (S) 의 형상을 일정하게 하여도 된다 (절삭 공정). 압출 가공에 의해 제조된 허니컴 부재 (22) 와 같이, 원하는 다른 형상을 갖는 허니컴 부재 (22) 를 사용하는 경우, 집합체 (S) 의 절삭 가공을 생략하여도 된다. 집합체 (S) 의 외측면의 소정 지점에 충전층 (35) 을 형성한다 (충전층 형성 공정). 집합체 (S) 의 외측면에 도포층 (34) 을 도포한다 (도포층 형성 공정). 이렇게 하여, 본 발명의 허니컴 구조체가 제조된다.
집합체 형성 공정, 충전층 형성 공정, 절삭 공정, 및 도포층 형성 공정의 순서로 실시되는 제 1 제조예를 이하에 설명한다. 예를 들어 플랜저형의 압출기나 2 축 스크류의 연속 압출기 등에 의한 압출 성형에 의해 중간 성형체를 성형하고, 그 중간 성형체를 소성하여 허니컴 부재 (22) 를 얻는다. 16개의 허니컴 부재 (22) 를 접합재 (24) 에 의해 결속시켜 집합체 (S) 를 형성한다 (도 5 참조). 집합체 (S) 의 외측면에 있어서의 소정 지점 (집합체 (S) 의 각 측면의 중앙부) 에 충전층 (35) 을 형성하다. 다음으로, 집합체 (S) 의 외측면을 다이아몬드 툴 등에 의해 절삭 가공하여, 집합체 (S) 의 단면을 원 형상으로 가다듬는다. 집합체 (S) 의 전체 외측면에 도포층 (34) 을 도포한다. 이로써, 도 2(a) 의 허니컴 구조체 (21) 가 얻어진다.
절삭 공정에 의해, 수직 단면이 원형인 허니컴 구조체 (21) 를 제조하는 경우에는, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 허니컴 부재 (22B) 가 다른 형상으로 형성된다. 그 때, 결속시키는 허니컴 부재 (22) 의 개수나, 허니컴 구조체 (21) 의 직경의 크기 등에 기인하여, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 소정의 허니컴 부재 (22C) 의 수직 단면적이, 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 매우 작아지는 경우가 있다 (도 6 참조). 예를 들어, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 집합체 (S) 의 각 측면의 중앙부에 허니컴 부재 (22) 를 1개씩 결속시킨 집합체로부터, 본 실시형태와 동일한 직경 (143㎜) 을 갖는 허니컴 구조체 (21) 를 제조하는 경우 등이다. 이 경우, 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 4% 미만이 되는 수직 단면적을 갖는 허니컴 부재 (22C) 가 얻어진다. 이와 같이 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 (22C) 의 내부에 있어서는, 격벽 (27) 에 포집된 PM 이 잘 연소되지 않게 된다. 그리고, 이러한 허니컴 구조체 (21) 를 그대로 방치한 경우에는, 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 (22C) 의 내부에 PM 이 경시적으로 퇴적 되어, 허니컴 부재 (22C) 의 셀 (28) 이 PM 에 의해 막힌다. 그 결과, 배기 가스의 정화 효율의 저하를 초래할 뿐만 아니라, PM 의 자기 착화에 의한 열 충격에 수반하여 허니컴 구조체 (21) (특히, 허니컴 구조체 (21) 의 외주부) 에 균열이 발생할 가능성이 있다.
그래서, 셀 (28) 의 막힘을 일으키기 쉬운, 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 (22C) 를 생략하고, 그러한 허니컴 부재 (22C) 대신에 충전층 (35) 을 충전하고 있다 (도 2(b) 참조). 이로써, 셀 (28) 의 막힘이 현저한 부재 (수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 (22C)) 가 배제된다. 따라서, 본 실시형태의 허니컴 구조체 (21) 의 외주부에 있어서는, 수직 단면적이 어느 정도 확보된 제 2 허니컴 부재 (22B) 만으로 구성된다. 구체적으로는, 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 4% 이상의 수직 단면적을 갖는 제 2 허니컴 부재 (22B) 만으로 구성된다. 이로써, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 각 허니컴 부재 (22B) 에 있어서는, 배기 가스에 의한 가열시, PM 을 충분히 제거할 수 있을 정도의 열량이 유지되게 된다. 따라서, 본 실시형태의 허니컴 구조체 (21) 에 있어서는, 필터 외주부 (21B) 에 있어서의 셀 (28) 의 막힘이 억제된다. 나아가서는, 허니컴 구조체 (21) 의 외주부에 있어서의 균열의 발생이 억제된다.
그리고, 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재의 형성 지점에, 축선 (Q) 을 따라 충전층 (35) 을 충전함으로써, 필터 외주부 (21B) 와 도포층 (34) 사이에 간극이 발생하지 않아, 배기 가스의 침입이 방지된다. 또, 이 충전층 (35) 은 무기 입자를 함유하는 점에서, 양호한 열 전도성이 부여되고 있다. 이 때문에, 충전층 (35) 은 필터 외주부 (21B) 에 있어서의 열 전도의 향상에도 기여하고 있다.
여기서, 충전층 (35) 에 있어서는 그 수직 단면적 S1 이 매우 큰 경우에는, 배기 가스에 의한 가열시에 온도 편차가 발생하기 쉬워짐과 함께, 내부의 열 응력이 과잉되게 되어, 균열이 발생하거나 박리되거나 할 가능성이 있다. 그 결과, 필터 외주부 (21B) 와 도포층 (34) 사이에, 배기 가스가 침입할 가능성이 발생한다. 이것에 대하여, 본 실시형태의 충전층 (35) 은 그 수직 단면적 S1이, 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 4% 미만이기 때문에, 가열시의 온도 편차는 작아지고, 또, 내부의 열 응력이 과도하게 증가하지도 않는다. 따라서, 충전층 (35) 에 균열이 발생하거나, 충전층 (35) 이 박리되거나 하여, 필터 외주부 (21B) 와 도포층 (34) 사이에 간극이 발생할 우려는 없다. 따라서, 정화되어 있지 않은 배기 가스가 배출된다는 문제는 발생할 수 없다.
집합체 형성 공정과 절삭 공정을 실시하고, 그 후, 충전층 형성 공정과 도포층 형성 공정을 실시하는 제 2 제조예를 이하에 설명한다.
집합체 형성 공정과 절삭 공정에 대해서는, 제 1 의 제조예와 동일하다. 충전층 (35) 을 필터 외주부 (21B) 에 도포한다. 그 후, 충전층 (35) 과 필터 외주부 (21B) 를 덮도록 도포층 (34) 을 형성한다. 충전층 (35) 의 도포에서는, 필터 외주부 (21B) 의 가상 윤곽선 (예를 들어 원) 보다 패인 지점에 선택적으로 충전층 (35) 을 도포한다. 이 시점에서는, 충전층 (35) 은 상기 가상 외주 원보다 돌출되는 것이 바람직하다. 그것은, 도포층 (34) 의 도포 후에, 허니컴 구조체 (21) 의 외측면의 요철이 적어지기 때문이다. 허니컴 구조체 (21) 의 외측면의 요철은 배기 누설의 요인이 될 뿐만 아니라, 허니컴 구조체 (21) 를 시일재 (단열재 (19)) 로 유지하기 어려워진다.
집합체 형성 공정과 절삭 공정 후에, 충전층 형성 공정과 도포층 형성 공정을 동시에 실시하는 제 3 및 제 4 의 제조예를 이하에 설명한다.
집합체 형성 공정과 절삭 공정에 대해서는, 제 1 의 제조예와 동일하다. 제 3 의 제조예에서는 충전층 (35) 과 도포층 (34) 을 형성하는 페이스트 재료를, 패들로 필터 외주부 (21B) 에 도포한다. 이로써, 충전층 (35) 과 도포층 (34) 을 동시에 형성할 수 있다. 제 4 의 제조예에서는, 필터 외주부 (21B) 를 통 형상의 지그에 수용한다. 충전층 (35) 과 도포층 (34) 을 형성하는 페이스트 재료를 지그와 필터 외주부 (21B) 사이의 간극에 주입한다. 페이스트 재료의 건조 후, 지그를 제외함으로써, 허니컴 구조체 (21) 가 얻어진다. 지그는 서로 분리 가능한 복수의 부품을 조합한 것이 바람직하다. 허니컴 구조체 (21) 를 꺼내기 쉽기 때문이다. 제 4 의 제조예는 공정 수 및 작업이 간단한 면에서 제 3 의 제조예보다 바람직하다.
집합체 형성 공정 후에, 충전층 형성 공정과 도포층 형성 공정을 실시하는 제조 방법의 제 5 및 제 6 의 제조예를 이하에 설명한다.
제 5 의 제조예에서는 압출 가공에 의해, 원하는 이형 단면을 갖는 제 2 허니컴 부재 (22B) 를 준비한다. 제 6 의 제조예에서는, 사각 기둥 형상의 허니컴 부재 (22) 를 절삭 가공하여, 원하는 이형 단면을 갖는 제 2 허니컴 부재 (22B) 를 준비한다. 복수의 제 1 허니컴 부재 (22A) 와, 복수의 제 2 허니컴 부재 (22B) 를 접합재 (24) 에 의해 결속시켜 집합체 (S) 를 형성한다. 충전층 형성 공정과 도포층 형성 공정에 대해서는, 제 3 및 제 4 의 제조예를 참조. 제 5 의 제조예는 공정 수 및 작업이 간단한 면에서 제 6 의 제조예보다 바람직하다. 제 2 내지 제 6 의 제조예에 의해서도, 제 1 의 제조예와 동등한 이점이 얻어진다.
충전층을 형성하지 않고, 복수의 허니컴 부재를 결속시키는 것만으로, 원형의 수직 단면을 갖는 허니컴 구조체가 얻어지도록, 복수의 허니컴 부재를 형성하는 방법도 생각된다. 이 경우, 몇 개의 허니컴 부재에, 비교적 취약한 예각 부분이 발생하는 경우가 있다. 예각 부분은 절결되기 쉽기 때문에, 압출 성형시에, 그 예각 부분이 절결되어 둥그스름한 외형을 갖는 허니컴 부재가 제조되기 쉬워, 원하는 형상을 갖는 허니컴 부재가 제대로 제조되지 않는 경우가 있다. 따라서, 충전층을 형성하지 않는 상기 방법은, 허니컴 구조체 (21) 의 수율면에서 바람직하지 않다. 이에 대하여, 제 1 내지 제 6 의 제조예에 의하면, 허니컴 부재 (22) 에 예각 부분이 발생하지 않는다. 따라서, 원하는 형상을 갖는 허니컴 부재를 정확히 제조할 수 있다. 또, 충전층을 형성하지 않는 상기 방법에서는, 도 6 내지 8 및 10 의 허니컴 구조체 (21) 를 제조할 수 있지만, 도 9 의 허니컴 구조체 (21) 를 제조할 수 없다. 따라서, 충전층을 형성하지 않는 상기 방법은, 제조 가능한 허니컴 구조체 (21) 범위의 넓이면에서 바람직하지 않다.
필터 코어부 (21A) 를 형성하고 나서, 필터 외주부 (21B) 를 필터 코어부 (21A) 의 외측에 형성하여도 되고, 필터 코어부 (21A) 와 필터 외주부 (21B) 를 따로 따로 형성하고 나서, 필터 코어부 (21A) 와 필터 외주부 (21B) 를 일체화하여도 되며, 필터 코어부 (21A) 와 필터 외주부 (21B) 를 동시에 형성하여도 된다.
바람직한 실시형태에 의하면, 이하의 효과가 얻어진다.
(1) 내부에 유지되는 열량이 적다는 허니컴 부재, 즉 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 에 대해서는, 굳이 PM 의 제거에 기여시키는 것을 단념하고, 그러한 허니컴 부재를 존재시키는 대신에, 그 지점에 충전층 (35) 을 충전하는 구성을 채용하고 있다. 이로써, 셀 (28) 의 막힘이 현저하다는 허니컴 부재가 배제된다. 그 결과, 필터 외주부 (21B) 에 있어서의 셀 (28) 의 막힘을 억제할 수 있다. 나아가서는, 허니컴 구조체 (21) 의 외주부에 있어서의 균열의 발생을 바람직하게 억제할 수 있다.
(2) 각 충전층 (35) 의 수직 단면적을 S1 로 나타내고, 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 각 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적을 S0 으로 나타냈을 때, 면적 S0 에 대한 면적 S1 의 비율은 4% 미만이다. 따라서, 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 수직 단면적이 4% 미만이 되는 허니컴 부재 대신에, 충전층 (35) 을 형성한 결과, 필터 외주부 (21B) 에 있어서의 셀 (28) 의 막힘을 억제할 수 있다. 또, 충전층 (35) 의 수직 단면적 S1 을 4% 미만으로 함으로써, 배기 가스에 의한 가열시의 충전층 (35) 의 온도 편차가 작아져, 내부의 열 응력이 과도하게 증가하지도 않고, 충전층 (35) 에 있어서의 균열의 발생이나 박리를 억제할 수 있다.
(3) 필터 외주부 (21B) 는 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 4% 이상이 되는 수직 단면적을 갖는 허니컴 부재 (22B) 만으로 형성되어 있다. 이로써, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 각 허니컴 부재 (22B) 에 있어서는, 격벽 (27) 에 포집된 PM 을 충분히 제거할 수 있을 정도의 열을 유지하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 실시형태의 허니컴 구조체 (21) 의 외주부에 있어서는, PM 에 의한 셀 (28) 의 막힘을 바람직하게 억제 할 수 있다.
(4) 충전층 (35) 은 허니컴 구조체 (21) 의 단면 (29A, 29B) 사이에 걸쳐 축선 (Q) 을 따라 충전되어 있다. 이 때문에, 필터 외주부 (21B) 와 도포층 (34) 사이에 간극이 발생하지 않고, 필터 외주부 (21B) 에 있어서의 열 전도를 양호하게 할 수 있다.
(5) 충전층 (35) 에는 무기 입자가 함유되어 있고, 충분한 열 전도성을 갖고 있다. 따라서, 필터 외주부 (21B) 에 있어서의 열 전도를 양호하게 할 수 있다.
(6) 충전층 (35) 에는 평균 섬유 직경이 1 ∼ 40㎛, 평균 섬유 길이가 10 ∼ 200㎛ 인 무기 섬유가 함유되어 있고, 내열성 및 강도가 높아져 있다. 이 때문에, 충전층 (35) 에 있어서의 균열의 발생이나 박리를 바람직하게 억제할 수 있다.
(7) 무기 섬유의 탭 밀도는 55 ∼ 65g/㎤ 이기 때문에, 충전층 (35) 의 강도 및 접착성이 보다 더 높아져 있다. 이 때문에, 충전층 (35) 에 있어서의 균열의 발생이나 박리를 억제하는 것이 용이해진다.
(8) 충전층 (35) 의 조성은 도포층 (34) 의 조성과 동일한 점에서, 충전층 (35) 과 도포층 (34) 사이에 있어서의 열의 전도가 매우 용이해져, 허니컴 구조체 (21) 의 외주부에 있어서의 열의 전도를 바람직하게 높일 수 있다.
(9) 허니컴 부재 (22) 의 셀 밀도, 200 ∼ 300셀/평방인치이기 때문에, 배기 가스 중의 PM 을 충분히 포집할 수 있는, 격벽 (27) 의 표면적을 확보할 수 있다. 또, 압력 손실의 저감을 도모할 수 있어, 셀 내부에 있어서의 PM 의 막힘 (브릿지) 도 최대한 억제할 수 있다.
(10) 격벽 (27) 의 두께는 0.33㎜ 이하이기 때문에, 격벽 (27) 의 표면 및 내부에 포집된 PM 을 제거할 때의 격벽 온도의 상승 속도가 높아지고, 나아가서는 PM 의 제거를 용이하게 실시할 수 있다. 또, 격벽의 두께를 0.1mm 이상으로 함으로써, 허니컴 구조체 (21) 의 충분한 기계적 강도를 확보할 수 있다.
(11) 허니컴 부재 (22) 의 격벽 (27) 에는 산화 촉매가 담지되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 격벽 (27) 의 표면 및 내부에 포집된 PM 의 제거를 촉진 할 수 있다. 즉, PM 을 용이하게 연소 및 정화할 수 있다.
바람직한 실시형태는, 다음과 같이 변경하는 것도 가능하다.
도 7 에 나타내는 제 1 의 변형예와 같이, 단면이 타원형인 허니컴 구조체 (21) 를 채용하여도 된다. 이 경우, 충전층 (35) 은 허니컴 구조체 (21) 의 외측면으로서, 중심 (X) 의 둘레의 같은 각도 간격 위치 (45도, 135도, 225도, 315 도의 위치) 에 형성되어 있다. 이 예에 있어서 0도 위치는, 중심 (X) 으로부터 단축 (L) 을 따른 연장선 상에 있는, 허니컴 구조체 (21) 의 외측면이다.
도 8 에 나타내는 제 2 의 변형예와 같이, 수직 단면이 거의 삼각형인 허니컴 구조체 (21) 를 채용하여도 된다.
충전층 (35) 및 도포층 (34) 의 조성을 동일한 것으로 하였지만, 이들은 상이해도 된다. 예를 들어, 도포층 (34) 에는 무기 중공체를 함유하지 않고, 충전층 (35) 에만 무기 중공체가 함유되어 있어도 된다.
허니컴 구조체 (21) 의 단면 (29A, 29B) 사이에 걸쳐 충전층 (35) 을 형성하였지만, 충전층 (35) 은 적어도 허니컴 구조체 (21) 의 상류측 단면 (29A) 의 근방에 형성되면 된다.
필터 외주부 (21B) 의 외측면에 있어서 0도, 90도, 180도, 270도의 위치에 충전층 (35) 을 형성하였지만, 충전층 (35) 의 형성 위치는 이것에 한정되지 않고, 충전층 (35) 의 형성 위치는 허니컴 구조체 (21) 의 직경이나, 허니컴 부재 (22) 의 결속 수에 의해 적절하게 변경된다. 예를 들어, 도 9 에 나타내는 제 3 의 변형예와 같이, 허니컴 부재 (22) 를 32개 결속시켜, 직경이 거의 203㎜ 인 허니컴 구조체 (21) 를 제조하는 경우, 충전층 (35) 은 허니컴 구조체 (21) 의 외측면에 있어서, 중심 (X) 에 대하여 45도, 135도, 225도, 315 도의 위치에 배치해도 된다. 이 예에 있어서 0도 위치는, 중심 (X) 에 인접하는 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 외벽 (26) 중, 방향 P 와 평행한 일 외벽 (26) 을 따른 연장선 상에 있는, 허니컴 구조체 (21) 의 외측면이다.
허니컴 구조체 (21) 의 직경의 크기나, 결속시키는 허니컴 부재 (22) 의 개수에 따라서는, 충전층 (35) 을 필요로 하지 않는 경우가 있다. 예를 들어, 도 10 에 나타내는 제 4 의 변형예와 같이, 본 실시형태의 허니컴 부재 (22) 를 45개 결속시켜, 직경이 거의 228㎜ 인 허니컴 구조체 (21) 를 제조하는 경우이다. 이 경우, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 각 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면적 (S2) 은, 필터 코어부 (21A) 를 구성하는 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대하여 4% 이상이 된다.
제 1 허니컴 부재 (22A) 를 형성하는 다공질 세라믹보다 열전도율의 낮은 재료에 의해, 제 2 허니컴 부재 (22B) 를 형성해도 된다. 이 경우, 필터 외주부 (21B) 에 있어서의 단열 효과가 높아져, 케이싱 (18) 측으로 열이 잘 빠져나가지 않게 된다. 이로써, 필터 외주부 (21B) 의 온도의 저하가 억제되고, PM 제거의 효율도 높아진다.
본 실시형태의 허니컴 구조체는 자연 착화 방식 이외의 방식의 배기 가스 정화 장치에 사용할 수 있다. 예를 들어, 히터나 버너 등의 가열 수단에 의해 PM 을 제거하는 배기 가스 정화 장치에 사용할 수 있다. 또, 보일러와 같은 내연 기관 이외의 연소 장치의 배기 가스 정화 장치에 사용할 수 있다.
본 발명에는 이하의 구성을 갖는 허니컴 구조체가 포함된다.
(1) 접합재에 의해 결속된 복수의 허니컴 부재로서, 각각이 외벽과, 상기 외벽의 내측에 형성된 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되어 유체의 유로로서 기능하는 복수의 셀을 갖는 상기 복수의 허니컴 부재와, 도포층으로 이루어지는 외측면을 구비하는 허니컴 구조체로서, 상기 복수의 허니컴 부재 중, 각각이 상기 허니컴 구조체의 축선에 직교하는 단면을 갖고, 각 단면이 사각형인 복수의 제 1 허니컴 부재 로 이루어지는 필터 코어부와, 상기 필터 코어부의 외측에 배치된 필터 외주부로서, 상기 복수의 허니컴 부재 중, 각각이 상기 축선에 직교하는 단면을 갖고, 각 단면이 사각형과는 상이한 형상인 복수의 제 2 허니컴 부재를 구비한 상기 필터 외주부를 구비하고, 각 제 1 허니컴 부재의 상기 단면의 단면적을 S0 으로 나타내고, 상기 충전층의 상기 축선에 직교하는 단면을 S1 로 나타내었을 때, 상기 단면적 S0 에 대한 상기 단면적 S1 의 비율이 4% 미만인 것을 특징으로 하는 허니컴 구조체. 이 구성에 의하면, 필터 외주부를 구성하는 각 허니컴 부재에 있어서는, 격벽에 포집된 PM 을 충분히 제거할 수 있을 정도의 열을 유지하는 것이 가능해져, PM 에 의한 셀의 막힘을 바람직하게 억제할 수 있다.
(2) 상기 단면적 S0 에 대한 상기 단면적 S1 의 비율이 9% 미만인 허니컴 구조체.
(3) 상기 축선에 직교하는 단면이 타원 형상이며, 상기 허니컴 구조체는 상기 허니컴 구조체의 외측면에 있어서, 상기 허니컴 구조체의 중심으로부터 단축을 따른 연장선 상에 있는 0도 위치와, 상기 0도 위치로부터 45도, 135도, 225도, 및 315도만큼 각각 이간된 45도 위치, 135도 위치, 225도 위치, 및 315도 위치를 갖고, 복수의 충전층이 상기 45도 위치, 상기 135도 위치, 상기 225도 위치, 및 상기 315도 위치에 배치되어 있는 허니컴 구조체. 이 구성에 의하면, 타원형의 단면을 갖는 허니컴 구조체에 있어서, 필터 외주부에 있어서의 PM 의 제거를 확실하게 실시할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 시험예와 비교예를 설명한다.
<허니컴 구조체의 제조>
(시험예 1)
시험예 1 에서는, 도 2, 6 에 나타내는 허니컴 구조체 (21) 를 제작하였다. 먼저, 평균 입경 10㎛ 의 α 형 탄화 규소 분말 7000중량부와, 평균 입경 0.5㎛ 의 α 형 탄화 규소 분말 3000중량부를 습식 혼합하여, 얻어진 혼합물 10000중량부에 대하여 유기 바인더 (메틸셀룰로오스) 570중량부와, 물 1770중량부를 첨가하여, 혼련하여 혼합 조성물을 얻었다. 그 혼합 조성물에 가소제 (닛폰 유지사 제조, 유니루브 (등록 상표)) 330중량부와, 윤활제 (글리세린) 150중량부를 첨가하여, 추가로 혼련한 후, 압출 성형하여, 도 3 에 나타내는 각주 형상의 생성형체를 제작하였다.
다음으로, 마이크로파 건조기 등을 이용하여, 생성형체를 건조시켜, 세라믹 건조체를 얻었다. 생성형체의 조성과 동일한 조성을 갖는 밀봉재 페이스트를 소정 셀의 개구에 충전하였다. 건조기로 건조시킨 후, 세라믹 건조체를 400℃에서 탈지하고, 상압 2200℃, 아르곤 분위기 하에서 3시간 소성하여, 탄화 규소 소결체로 이루어지는 허니컴 부재 (22) (도 3) 를 제조하였다. 이 허니컴 부재 (22) 의 치수는 34.3㎜ × 34.3㎜ × 150㎜(H × W × L), 기공률은 42%, 평균 기공 직경은 11㎛, 셀 밀도는 240셀/평방인치(cpsi), 셀 격벽의 두께는 0.3㎜ 이다.
별도로, 내열성의 접합재 페이스트를 조정하였다. 이 접합재 페이스트의 조성은, 평균 섬유 길이 20㎛ 로 평균 섬유 길이 2㎛ 의 알루미나 섬유 30중량%, 평균 입경 0.6㎛ 의 탄화 규소 입자 21중량%, 실리카졸 15중량%, 카르복시메틸셀룰 로오스 5.6중량%, 및 물 28.4중량% 이다. 접합재 페이스트의 점도는 30Pa·s (실온) 이다.
별도로, 스페이서 (공극 유지 부재) 를 준비하였다. 각 스페이서는 양면에 점착재가 도포된 골판지제로, 직경 5㎜ × 두께 1㎜ 의 원반이다.
각 허니컴 부재 (22) 의 각 측면의 각 모퉁이에 1 개의 스페이서를 장착하였다. 각 스페이서는 허니컴 부재 (22) 의 모퉁이를 구획하는 2개의 변으로부터 각각 6.5㎜ 만큼 떨어진 위치에 장착하였다. 스페이서가 장착된 허니컴 부재 (22) 를 4개 × 4개로 결속시켜, 집합체 (S) 를 조립하였다.
다음으로, 접합재 페이스트 공급 장치에 장착된 페이스트 공급실에 집합체 (S) 를 형성하였다. 페이스트 공급실 내 치수는, 145㎜ × 145㎜ × 150㎜ (H × W × L) 이다. 접합재 페이스트 공급 장치는 집합체 (S) 중의 허니컴 부재 (22) 간의 공극에 대응하는 위치에 형성된, 폭 5㎜ 의 3개의 공급 홈을 구비한다. 각 공급 홈은 페이스트 공급실의 내면과 접합재 페이스트 공급 장치의 내부를 연통한다. 페이스트 공급실은 접합재 페이스트 공급 장치에 장착된 단부와는 반대의 단부에, 개폐 가능한 저판을 갖는다. 이 저판을 닫아, 저판을 집합체 (S) 의 단면 (29A 또는 29B) 에 맞닿게 함으로써, 허니컴 부재 (22) 간의 공극을 밀봉하였다.
이 상태로, 접합재 페이스트 공급 장치의 페이스트 공급실에 접합재 페이스트을 투입하였다. 접합재 페이스트를, 페이스트 공급실의 내면으로부터 집합체 (S) 의 측면으로 0.2MPa 의 압력으로 주입하고, 저판에 맞닿은 단면과는 반대측의 집합체 (S) 의 단면에 0.05MPa 의 압력으로 주입하였다. 이로써, 허니컴 부재 (22) 간의 간극에 접합재 페이스트를 충전하였다. 다음으로, 집합체 (S) 를 100℃ 에서 1시간 건조시켜, 접합재 페이스트을 경화시켰다. 경화 후에, 두께 1㎜ 의 접합재 (24) 에 의해 일체화된 집합체 (S) 가 얻어졌다.
다음으로, 무기 섬유로서 알루미나실리케이트로 이루어지는 세라믹 섬유 (쇼트 함유율 3%, 평균 섬유 길이 20㎛, 평균 섬유 직경 (6㎛) 22.3중량%, 무기 입자로서 평균 입경 0.3㎛ 의 탄화 규소 분말 30.2중량%, 무기 바인더로서 실리카졸 (졸 중의 SiO2 함유율 30중량%) 7중량%, 유기 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스 0.5중량%, 및 물 39중량% 를 혼합하고 혼련함으로써, 충전층 형성 페이스트를 조정하였다.
집합체 (S) 의 외측면의 4 지점에 충전층 형성 페이스트를 도포하여, 120℃ 1시간 건조시키고, 충전층 형성 페이스트를 경화시켜, 충전층 (35) 을 형성하였다 (도 5 참조).
다음으로, 집합체 (S) 를 다이아몬드 커터로 절삭하여, 직경 142㎜ 의 원주 형상의 허니컴 블록을 제작하였다.
다음으로, 무기 섬유로서 알루미나실리케이트로 이루어지는 세라믹 섬유 (쇼트 함유율 3%, 평균 섬유 길이 20㎛, 평균 섬유 직경 6㎛) 22.3중량%, 무기 입자로서 평균 입경 0.3㎛ 의 탄화 규소 분말 30.2중량%, 무기 바인더로서 실리카졸 (졸 내의 SiO2 함유율 30중량%) 7중량%, 유기 바인더로서 카르복시메틸셀룰로오스 0.5중 량%, 및 물 39중량% 를 혼합하고 혼련함으로써, 도포층 형성 페이스트를 조정하였다. 시험예 1 에서는, 도포층 형성 페이스트는 충전층 형성 페이스트와 동일한 조성이다.
다음으로, 도포층 형성 페이스트를 허니컴 블록의 외측면에 도포하여, 120℃ 1시간 건조시키고, 도포층 형성 페이스트를 경화시켜, 도포층 (34) 을 형성하였다. 이렇게 하여, 직경 143㎜ × 길이 150㎜ 의 원주 형상의 허니컴 구조체 (21) 를 얻었다. 시험예 1 의 허니컴 구조체 (21) 의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(시험예 2 ∼ 10)
도 2, 6 에 나타내는 바와 같이, 시험예 1 과 동일하게 제조한 16개의 허니컴 부재 (22) 를 결속시켜, 허니컴 부재 (22) 의 다발 즉 집합체 (S) 를 형성하였다. 집합체 (S) 의 소정 지점에 충전층 (35) 을 형성하고, 집합체 (S) 를 소정 형상으로 절삭 가공하여, 수직 단면이 원형인 허니컴 구조체 (21) 를 얻었다. 시험예 2 ∼ 10 허니컴 구조체 (21) 의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(시험예 11 ∼ 13)
시험예 1 과 동일하게 제조한 32개의 허니컴 부재 (22) 를 결속시켜, 허니컴 부재 (22) 의 다발 즉 집합체 (S) 를 형성하였다. 집합체 (S) 의 소정 지점에 충전층 (35) 을 형성하고, 집합체 (S) 를 소정 형상으로 절삭 가공하여, 수직 단면이 원형인 허니컴 구조체 (21) 를 얻었다 (도 9 참조). 이 허니컴 구조체의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(시험예 14, 15)
시험예 1 과 동일하게 제조한 16개의 허니컴 부재 (22) 를 결속시켜, 허니컴 부재 (22) 의 다발을 즉 집합체 (S) 를 형성하였다. 집합체 (S) 의 소정 지점에 충전층 (35) 를 형성하고, 집합체 (S) 를 소정 형상으로 절삭 가공하여, 수직 단면이 타원형인 허니컴 구조체 (21) 를 얻었다 (도 7 참조). 이 허니컴 구조체의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(시험예 16)
시험예 1 과 동일하게 4개 × 4개의 허니컴 부재 (22) 를 접합재 (24) 로 결속시켜, 허니컴 부재 (22) 의 다발을 즉 집합체 (S) 를 형성하였다. 다음으로, 집합체 (S) 를 다이아몬드 커터로 절삭하여, 평탄부 (32) 를 갖는 직경 142㎜ 의 허니컴 블록을 제작하였다. 시험예 16 에서는, 충전층을 형성하기 전에 절삭을 실시하여 허니컴 블록을 제작했기 때문에, 이 허니컴 블록의 외측면은 도 2(d) 의 필터 외주부 (21B) 의 것과 동일하다.
다음으로, 허니컴 블록을 직경 143mm, 길이 150㎜ 의 원주 형상의 지그에 수용하여, 이 지그를, 접합재 페이스트 공급 장치에 부착된 페이스트 공급실에 형성하였다. 지그는 스테인리스 합금제의 2개의 반원 기둥 형상의 부품으로 이루어지며, 분할 가능하다. 지그와, 허니컴 블록의 곡면 형상의 외측면 사이에 1㎜ 의 간극이 구획되도록, 지그는 구성되어 있다. 접합재 페이스트 공급 장치는 지그와 허니컴 블록 사이의 간극에 대응한 위치에 복수의 노즐을 갖는다. 노즐로부터 지그와 허니컴 블록 사이의 간극에 시험예 1 의 도포층 형성 페이스트와 동 일한 조성의 페이스트를 주입하였다.
지그에 수용된 상태의 허니컴 블록 페이스트 공급실로부터 꺼내어, 120℃ 1시간 건조시키고, 페이스트를 경화시켜, 충전층 (35) 과 도포층 (34) 을 동시에 형성하였다. 이렇게 하여, 직경 143㎜ × 길이 150㎜ 의 원주 형상의 허니컴 구조체 (21) 를 얻었다. 시험예 16 의 허니컴 구조체 (21) 의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(시험예 17)
시험예 1 에서는, 다이아몬드 커터를 이용하여 집합체를 절삭하였지만, 시험예 17 에서는, 사각 기둥 형상의 복수의 허니컴 부재 (제 1 허니컴 부재 (22A)) 와, 복수 종류의 이형 단면의 허니컴 부재 (제 2 허니컴 부재 (22B)) 를, 압출 성형에 의해 제작하였다. 각 허니컴 부재의 조성은 시험예 1 의 것과 동일하다. 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 생성형체를 압출 성형할 때에 사용하는 다이 (금형) 를 원하는 형상의 다이로 변경함으로써, 복수 종류의 이형 단면의 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 생성형체를 압출 성형할 수 있다. 생성형체의 건조, 소결 등의 처리에 대해서는, 시험예 1 을 참조.
시험예 1 과 동일한 방법으로 허니컴 부재 (22A, 22B) 를 접합재 (24) 와 결속시켜, 평탄부 (32) 를 갖는 직경 142㎜ 의 허니컴 블록을 제작하였다. 시험예 16 과 동일한 방법으로 허니컴 블록에 충전층 (35) 과 도포층 (34) 을 동시에 형성하였다. 시험예 17 의 허니컴 구조체 (21) 의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(비교예 1)
비교예 1 에 있어서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이 20개의 허니컴 부재 (22) 로 허니컴 구조체를 제조하였다. 따라서, 비교예 1 의 허니컴 구조체는 시험예 1 ∼ 10 의 충전층 (35) 을 구비하지 않는다. 이 허니컴 구조체의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(비교예 2)
비교예 2 에 있어서는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 36개의 허니컴 부재 (22) 로 허니컴 구조체를 제조하였다. 따라서, 비교예 2 의 허니컴 구조체는 시험예 11 ∼ 13 의 충전층 (35) 을 구비하지 않는다. 이 허니컴 구조체의 구성의 상세함을 표 1 에 나타낸다.
(비교예 3)
도 10 에 나타내는 바와 같이, 45개의 허니컴 부재 (22) 를 결속시켜, 허니컴 부재 (22) 의 다발을 형성하였다. 허니컴 부재 (22) 의 다발을 절삭 가공 하여, 수직 단면이 원형인 허니컴 구조체를 얻었다. 본 비교예 3 의 허니컴 구조체 (21) 에 있어서는, 충전층 (35) 에 대용해야 하는 허니컴 부재 (22B), 즉 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재 (22B) 가 필터 외주부 (21B) 에 존재하고 있다. 허니컴 구조체에 관한 상세한 것은 표 1 에 나타낸다.
(비교예 4)
시험예 1 과 동일하게, 접합재 (24) 를 이용하여 4개 × 4개의 허니컴 부재 (22) 를 결속시켜 집합체를 제작하였다. 충전층을 형성하지 않고 , 다이아몬드 커터로 집합체를 절삭하여, 도 2(d) 와 같이 4개의 평탄부 (32) 를 갖는 직경 142㎜ 의 허니컴 블록을 제작하였다. 허니컴 블록의 외측면에 실시예 1 의 도포층 형성 페이스트를 도포하였다. 고무제의 평판 스퀴지로 도포층의 두께를 0.5㎜ 로 조절하여, 4개의 평탄부를 갖는 허니컴 구조체를 제작하였다. 즉, 비교예 4 의 허니컴 구조체의 외측면은, 도 2(d) 의 필터 외주부 (21B) 의 것과 거의 동일하다.
Figure 112007023587310-PCT00001
「집합체의 치수」 : 직경 (φ) × 길이 (L) 를 나타낸다.
「충전층 위치」 : 시험예 1 ∼ 13, 16, 17, 및 비교예 1 ∼ 4 의 각도의 값은, 도 2(a) 및 도 9 를 참조. 시험예 14 및 15 의 각도의 값은, 도 7 을 참조.
「제 2 허니컴 부재의 수직 단면적」 : 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 각 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면적 중, 가장 작은 값을 기입한다. 표 1 중에 있어서의 각 수직 단면적의 단위는 ㎠ 이다.
<충전층의 물성 평가>
상기 각 예의 허니컴 구조체 (21) 에 형성된 충전층 (35) (특히, 충전층 (35) 에 함유된 무기 섬유) 에 관한 것으로, 하기 물성을 평가하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.
(1) 「무기 섬유의 평균 섬유 직경」 : 주사형 전자 현미경을 이용하여 충전층 (35) 의 단면을 촬영하고, 그 때의 사진으로부터 랜덤하게 선택한 100개의 무기 섬유의 섬유 직경의 평균값을 산출하였다.
(2) 「무기 섬유의 평균 섬유 길이」 : 주사형 전자 현미경을 이용하여 충전층 (35) 의 단면을 촬영하고, 그 때의 사진으로부터 랜덤하게 선택한 100개의 무기 섬유의 섬유 길이의 평균값을 산출했다.
(3) 「무기 섬유의 탭 밀도」 : JIS R 1628-1997 「파인 세라믹스 분말의 부피 밀도 측정 방법」 의 정용적 측정법에 따라 측정하여 얻은 값을 말한다.
<허니컴 구조체의 평가 시험>
(평가 1 : 막힘의 용이함)
각 예의 허니컴 구조체 (21) 를 배기 가스 정화 장치 (10) 에 설치하고, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 회전 수 및 토크를 적절하게 변화시키면서 600 초간 엔진을 운전시켜, 허니컴 구조체 (21) 에 의한 배기 가스의 정화를 시험하였다. 그 후, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 셀 (28) 이 PM에 의해 막힐 때까지 동일한 시험을 반복 실시하고, 제 2 허니컴 부재 (22B) 가 막혔을 때의 시험 횟수를 구하였다. 그리고, 이하의 기준에 따라 평가하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.
○ : 정화 시험을 150 회 이상 실시하여도, 제 2 허니컴 부재에 막힘이 확인되지 않는다
× : 정화 시험을 50 회 실시하였을 때, 제 2 허니컴 부재에 막힘이 확인되었다.
「막힘의 용이」 에 관해서는, 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대한, 제 2 허니컴 부재 (22B) 의 수직 단면적 (S2) 의 비율 (S2/S0) 의 값과 관련지어 고찰하였다.
(평가 2 : 충전층의 내구성)
평가 1 의 정화 시험을 150 회 실시한 후의, 충전층 상태에 대하여, 이하의 기준에 따라 육안으로 평가하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.
○ : 변화 없음, △ : 작은 균열이 인정되었다, × : 박리된다
「충전층의 내구성」 에 관해서는, 제 1 허니컴 부재 (22A) 의 수직 단면적 S0 에 대한, 충전층 (35) 의 수직 단면적 S1 의 비율 (S1/S0) 의 값이나, 무기 섬유의 성질과 관련지어 고찰하였다. 덧붙여서, 표 2 중의 「*」 표시는, 평가 1 에 있어서, 제 2 허니컴 부재 (22B) 가 막힐 때까지의 시험 횟수가 적기 때문에, 충전층의 내구성에 관하여 정당한 평가를 할 수 없다는 이유에서, 평가를 생략한 것을 의미한다.
비교예 4 의 허니컴 구조체에 대하여, 평가 1, 2 의 측정 중에 배기 가스의 누설이 발생하였기 때문에, 평가 1, 2 는 실시할 수 없었다. 가스 누출의 원인은 허니컴 구조체를 케이싱 (18) 에 설치할 때에, 허니컴 구조체의 외측면에 있는 4개의 평탄부와 단열재 (19) 사이에 간극이 발생했기 때문이라고 생각된다. 평탄부는 단열재 (19) 에 의한 허니컴 구조체의 유지력을 저하시킨다. 그 때문에, 허니컴 구조체를 단열재 (19) 로 단단히 조여도, 사용시에 허니컴 구조체가 이동하거나, 덜컹거리거나, 가스가 누설되거나 하는 것을 완전하게 방지하는 것은 곤란하다. 이 점은, 시험예 1 ∼ 17 의 허니컴 구조체에는 평탄부가 없기 때문에, 허니컴 구조체의 이동, 덜컹거림, 가스 누출은 발생하지 않았다.
Figure 112007023587310-PCT00002
표 2 에 나타내는 바와 같이, 시험예 1 ∼ 17 에 있어서는, 「S2/S0」 의 값이 4% 이상이며, 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 제 2 허니컴 부재 (22B) 에 있어서의 막힘이 확인되지 않았다. 이것은 필터 외주부 (21B) 를 구성하는 각 제 2 허니컴 부재 (22B) 가, PM 을 충분히 제거할 수 있는 열량을 유지하는 것이 가능한 용량 (수직 단면적에 대응) 으로 설정되어 있는 것에 기인하는 것이라고 생각된다. 한편, 비교예 1 ∼ 4 에 있어서는, S2/S0 의 값이 4% 미만이 되어, 수직 단면적이 매우 작은 허니컴 부재가 필터 외주부 (21B) 에 존재하고 있다. 이 때문에, 그러한 특정의 허니컴 부재의 내부에 있어서는, PM 을 충분히 제거하지 못하여, PM 에 의한 셀 (28) 의 막힘이 확인되었다.
시험예 1 ∼ 5, 및 시험예 11 ∼ 17 에 있어서는, 사이클 시험 후의 충전층 (35) 의 상태에 아무런 변화도 없었다. 이것은 무기 섬유의 평균 섬유 직경이 1 ∼ 40㎛, 평균 섬유 길이가 10 ∼ 200㎛, 탭 밀도가 55 ∼ 65g/㎤ 로 설정되어 있는 점에서, 충전층 (35) 의 내열성 및 강도가 충분히 확보되고, 그 결과, 충전층 (35) 의 내구성이 향상된 것이라고 생각된다.
한편, 시험예 7 ∼ 10 에 관해서는, 충전층 (35) 에 작은 균열이 확인되었다. 이것은 무기 섬유가 함유되어 있지 않는, 또는 무기 섬유의 평균 섬유 직경, 평균 섬유 길이 및 탭 밀도 중 어느 하나가 상기 소정의 범위를 만족하지 않는 점에서, 충전층 (35) 의 내열성 및 강도가 불충분했던 것이 요인이라고 생각된다. 또, 시험예 6 및 시험예 15 에 있어서는, 충전층 (35) 의 박리가 확인되었다. 이것은 시험예 6 및 시험예 15 에서는 「S1/S0」 의 값이 4% 이상이며, 다른 시험예와 비교하여, 충전층 (35) 의 수직 단면적이 매우 크기 때문에, 배기 가스에 의한 가열시에 온도 편차가 발생하기 쉬워짐과 함께, 내부의 열 응력이 과잉되게 되어, 최종적으로는 박리된 것이라고 생각된다. 덧붙여서, 시험예 14 의 결과로부터, 상기 「S1/S0」 의 값이 9% 미만이면, 충전층 (35) 의 충분한 내구성을 유지하는 것이 가능한 것이 확인되었다.

Claims (23)

  1. 접합재에 의해 결속된 복수의 허니콤 부재로서, 각각이 외벽과, 상기 외벽의 내측에 형성된 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되어 유체의 유로로서 기능하는 복수의 셀을 갖는 상기 복수의 허니콤 부재와, 도포층으로 이루어지는 외측면을 구비하는 허니콤 구조체로서,
    상기 복수의 허니콤 부재 중, 각각이 상기 허니콤 구조체의 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 사각형인 복수의 제 1 허니콤 부재로 이루어지는 필터 코어부와,
    상기 필터 코어부의 외측에 배치된 필터 외주부로서, 상기 복수의 허니콤 부재 중, 각각이 상기 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 다른 형상인 복수의 제 2 허니콤 부재를 구비한 상기 필터 외주부와,
    상기 필터 코어부 및 상기 필터 외주부 중 어느 일방의 외측면과, 상기 도포층 사이에 형성된 충전층을 구비하는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 제 1 허니콤 부재의 상기 수직 단면의 단면적을 S0 으로 표시하고, 상기 충전층의 상기 축선에 직교하는 수직 단면의 단면적을 S1 으로 표시했을 때, 상기 단면적 S0 에 대한 상기 단면적 S1 의 비율이 4% 미만인 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 충전층은, 상기 허니콤 구조체의 상기 외측면에 있어서, 상기 축선의 둘레에서 같은 각도 간격을 두어 배치된 복수의 충전층 중 하나인 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 허니콤 구조체는, 상기 외측면에 있어서, 상기 허니콤 구조체의 중심에 인접하는 제 1 허니콤 부재의 일 외면을 따른 연장선 상에 있는 0 도 위치와, 상기 O 도 위치로부터 상기 중심의 둘레에서 90도, 180도, 및 270도 만큼 각각 이간된 90도 위치, 180도 위치, 및 270도 위치를 갖고, 상기 복수의 충전층은, 상기 0도 위치, 상기 90도 위치, 상기 180도 위치, 및 상기 270도 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 허니콤 구조체는, 상기 축선에 평행으로 연장되는 외면과, 상기 외면에 있어서, 상기 허니콤 구조체의 중심에 인접하는 제 1 허니콤 부재의 일 외면을 따른 연장선 상에 있는 0도 위치와, 상기 0도 위치로부터 45도, 135도, 225도, 및 315도 만큼 각각 이간된 45도 위치, 135도 위치, 225도 위치, 및 315도 위치를 갖고, 상기 복수의 충전층은, 상기 45도 위치, 상기 135도 위치, 상기 225도 위치, 및 상기 315도 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전층은, 상기 허니콤 구조체의 상기 외측면의 일부에 있어서, 상기 허니콤 구조체의 단면 사이에 걸쳐 상기 축선을 따라 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전층은 무기 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전층은 무기 섬유 및 무기 중공체의 적어도 일방을 함유하는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 무기 섬유는, 1 ∼ 40㎛ 의 평균 섬유 직경과, 10 ∼ 200㎛ 의 평균 섬유 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 무기 섬유의 탭 밀도는 55 ∼ 65g/㎤ 인 것을 특징으로 하는 허니콤 구 조체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전층의 조성은, 상기 도포층의 조성과 동일한 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 허니콤 부재의 셀 밀도는 200 ∼ 300셀/평방 인치인 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 격벽의 두께는 0.33㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축선에 직교하는 수직 단면이 원 형상 또는 타원 형상인 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 격벽에 담지된 촉매를 추가로 구비하는 허니콤 구조체.
  16. 각각이 외벽과, 상기 외벽의 내측에 형성된 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되어 유체의 유로로서 기능하는 복수의 셀을 갖는 복수의 허니콤 부재를 접합재에 의해 결속시켜 집합체를 형성하는 집합체 형성 공정과,
    상기 집합체의 외측면의 소정 지점에 충전층을 형성하는 충전층 형성 공정과,
    상기 집합체의 외측면에 도포층을 도포하는 도포층 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 집합체의 외측면을 절삭 가공하는 절삭 공정을 추가로 구비하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 집합체 형성 공정, 상기 충전층 형성 공정, 상기 절삭 공정, 및 상기 도포층 형성 공정의 순서로 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 집합체 형성 공정과 상기 절삭 공정을 실시하고, 그 후, 상기 충전층 형성 공정과 상기 도포층 형성 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 충전층 형성 공정과 상기 도포층 형성 공정을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 허니콤 부재의 각각이 미리 소정 형상으로 형성되어 있는 경우, 상기 집합체 형성 공정을 실시하고, 그 후, 상기 충전층 형성 공정과 상기 도포층 형성 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 충전층 형성 공정과 상기 도포층 형성 공정을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 집합체는,
    상기 복수의 허니콤 부재 중, 각각이 상기 허니콤 구조체의 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 사각형인 복수의 제 1 허니콤 부재로 이루어지는 필터 코어부와,
    상기 필터 코어부의 외측에 배치된 필터 외주부로서, 상기 복수의 허니콤 부재 중, 각각이 상기 축선에 직교하는 수직 단면을 갖고, 각 수직 단면이 다른 형상인 복수의 제 2 허니콤 부재를 구비한 상기 필터 외주부로 이루어지고,
    상기 제조 방법은, 상기 집합체 형성 공정에 앞서, 상기 복수의 허니콤 부재의 몇 개를 절삭 가공하여, 상기 복수의 제 2 허니콤 부재를 형성하는 공정을 추가로 구비하고,
    상기 집합체 형성 공정은, 상기 필터 코어부를 형성하는 공정과, 상기 필터 코어부의 주위에 상기 필터 외주부를 형성하는 공정을 포함하는 방법.
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