KR20070097347A

KR20070097347A - 허니컴 구조체

Info

Publication number: KR20070097347A
Application number: KR1020070029786A
Authority: KR
Inventors: 와타루 시오노야
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2007-10-04
Also published as: EP1839725B1; KR100845205B1; JP2007260530A; EP1839725A1; US7473456B2; US20070231536A1; JP4890903B2

Abstract

본 발명은, 배기가스 포집용 필터로서, 특히 디젤 엔진의 배기가스 중의 입자상 물질(미립자)을 포집하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)로서 유용한 허니컴 구조체를 제공하며, (진동하에서의) 사용 또는 캐닝(canning) 중에 허니컴 세그먼트의 변위를 방지하고, 사용 및 재생 중의 열 응력에 기인한 크랙과 같은 결함을 효율적으로 방지한다. 허니컴 구조체는 접합재 층(20)을 매개로 각각의 접합면에서 일체로 접합된 복수의 허니컴 세그먼트(2)를 구비하는 허니컴 세그먼트 접합체와, 상기 허니컴 세그먼트 접합체의 외주면을 덮는 외주 코팅층을 포함하며, 상기 허니컴 구조체는 유체 통로로서 작용하는 복수의 셀이 중앙 축선의 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 상기 복수의 허니컴 세그먼트(2)의 단면 형상의 측부(11)는 1 이상의 곡률을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

허니컴 구조체{HONEYCOMB STRUCTURE}

도 1은 (전체 구조체의 단면 형상이 중앙 축선에 수직인 평면을 따라 원형인) 본 발명에 따른 허니컴 구조체의 실시예의 개략적인 사시도이고,

도 2는 (전체 구조체의 단면 형상이 중앙 축선에 수직인 평면을 따라 정사각형 형상인) 본 발명에 따른 허니컴 구조체의 다른 실시예를 단부면측에서 본 부분 정면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 허니컴 구조체의 다른 실시예에 사용된 허니컴 세그먼트를 개략적으로 도시하는 개략 사시도이고,

도 4는 도 3의 A-A 선을 따라 취한 단면도이고,

도 5는 허니컴 세그먼트의 중앙 축방향에 대해 수직인 방향으로 단면 형상의 측부에서의 곡률의 곡률 반경을 얻는 것을 보여주는 설명도이고,

도 6은 다양한 단면 형상을 갖는 허니컴 세그먼트의 예를 개략적으로 도시하는 설명도이고,

도 7은 접합재에 의해 서로 접합되는 한 쌍의 허니컴 세그먼트를 포함하는 접합체의 예를 개략적으로 보여주는 설명도이고,

도 8은 인접 허니컴 세그먼트들 사이에 있는 접합재 층의 파열 모드(breakdown mode)를 보여주는 설명도이고,

도 9는 축선 방향에 대해 수직인 방향으로 인접 허니컴 세그먼트들의 단면 형상의 측부의 조합의 예를 개략적으로 도시하는 설명도로서, 그 측부가 오목부와 볼록부의 조합으로 형성되어 있는 것을 보여주는 도면이고,

도 10은 예 1의 결과로서 접합 강도와 곡률 반경의 합 사이의 관계를 보여주는 그래프이고,

도 11은 예 2의 결과로서 압력 손실과 곡률 반경의 합 사이의 관계를 보여주는 그래프이고,

도 12는 예 3의 결과로서 압력 손실과 곡률 반경 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 허니컴 구조체

2 : 허니컴 세그먼트

4 : 외주 코팅층

5 : 셀

6 : 격벽

7 : 충전재

9 : 접합재 층

11 : 측부

20 : 접합재 층

본 발명은 접합재 층에 의해 일체로 접합되는 복수의 허니컴 세그먼트를 구비하는 허니컴 구조체에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하면, 본 발명은, 배기가스 포집용 필터, 특히 디젤 엔진의 배기가스에 포함된 입자상 물질(미립자)을 포집하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)로서 유용한 허니컴 구조체의 재생 및 사용 중에 발생하는 열 응력에 의해 초래되는 크랙 등의 결함을 효율적으로 방지하는 허니컴 구조체에 관한 것이다.

허니컴 구조체는, 배기 가스를 포집하는 필터로서, 예컨대 디젤 엔진 등의 배기가스에 포함된 입자상 물질(미립자)을 포집하여 제거하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)로서 디젤 엔진 등의 배기 시스템에 채용되고 있다. 이러한 허니컴 구조체는, 허니컴 구조체가 사용 중일 때(미립자를 포집하여 제거할 때), 그리고 허니컴 구조체가 재생 중일 때(필터에 시간 순으로 퇴적된 미립자에 의해 초래된 압력 손실의 증대를 방지하기 위하여 필터에 퇴적된 미립자를 연소하여 제거할 때) 전체 허니컴 구조체에서 온도가 불균일하게 상승하기 쉬우며, 그에 따라 열 응력에 기인한 크랙 등의 결함을 초래하기 쉽다. 이러한 단점을 배제하기 위하여, 내열성이 우수한 실리콘 탄화물(SiC)을 포함하는 복수의 허니컴 세그먼트를 접합재 층을 매개로 하여 각 접합면에서 일체로 접합하여 형성한 허니컴 세그먼트 접합체의 구성을 통하여 열 응력을 감소시키는 허니컴 구조체가 제안되어 있다.

SiC 허니컴 구조체는 전술한 바와 같이 접합재에 의해 복수의 허니컴 세그먼 트를 접합함으로써 구성된다. 각 허니컴 세그먼트의 접착력이 약한 경우에는, (진동하에서의) 사용 또는 캐닝(canning) 시에 (축방향으로의) 종방향 변위 또는 (축방향에 수직인 방향으로의) 횡방향 변위가 발생한다. 그러한 단점을 없애기 위하여, 외주에서의 표면 평탄도가 0.2 mm 이상인 허니컴 세그먼트를 이용하는 허니컴 구조체가 제안되어 있다(JP-A-2001-138416 참조).

본 발명은 전술한 문제를 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, (진동하에서의) 사용 또는 캐닝 시에 허니컴 세그먼트의 변위를 방지하고, 사용 및 재생 중의 열 응력에 기인한 크랙과 같은 결함을 효율적으로 방지하며, 배기가스 포집용 필터로서, 특히 디젤 엔진의 배기가스 중의 입자상 물질(미립자)을 포집하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)로서 유용한 허니컴 구조체를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 접합재 층을 매개로 각 접합면에서 일체로 접합되는 복수의 허니컴 세그먼트를 구비하는 허니컴 세그먼트 접합체와, 상기 허니컴 세그먼트 접합체의 외주면을 덮는 외주 코팅층을 포함하는 허니컴 구조체를 제공하며, 이 허니컴 구조체는 유체 통로로서 작용하는 복수의 셀이 중앙 축선의 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있는 구조를 가지며, 상기 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 상기 복수의 허니컴 세그먼트의 단면 형상의 측부는 1 이상의 곡률을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 1 이상의 곡률의 곡률 반경은 허니컴 세그먼트의 변위 방 지의 관점에서 300 내지 700 mm의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 접합재 층을 매개로 서로 인접한 각각의 허니컴 세그먼트의 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부에서의 곡률 반경의 합은 800 내지 1400 mm인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 접합재 층을 매개로 서로 인접한 허니컴 세그먼트의 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부는 오목부와 볼록부(projection)의 조합으로 형성되는 것이 바람직하고, 단면 형상의 측부에서 오목부와 볼록부의 조합의 비율은 50% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에는, 단면 형상이 대략 직사각형인 허니컴 세그먼트를 사용하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 허니컴 구조체는, 배기가스 포집용 필터로서, 특히 디젤 엔진의 배기가스 중의 입자상 물질(미립자)을 포집하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)로서 유용하며, (진동하에서의) 사용 또는 캐닝 중에 허니컴 세그먼트의 변위를 방지하고, 사용 및 재생 중의 열 응력에 기인한 크랙과 같은 결함을 효율적으로 방지한다.

본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 본 발명은 이들 실시예로 한정되지 않으며, 이들 실시예는 본 발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서 당업자의 지식을 기초로 하여 다양하게 변형, 수정, 개선 또는 치환될 수 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 허니컴 구조체(1)는 접합재 층(9)을 매개로 각 접합면에서 일체로 접합되는 복수의 허니컴 세 그먼트(2)를 구비하는 허니컴 세그먼트 접합체(10)와, 이 허니컴 세그먼트 접합체(10)의 외주면을 덮는 외주 코팅층(4)을 포함하며, 상기 허니컴 구조체(1)는 유체 통로로서 작용하는 복수의 셀(5)이 중앙 축선의 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있는 구조를 갖고, 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 복수의 허니컴 세그먼트(2)의 단면 형상의 측부(11)는 1 이상의 곡률(curvature)을 갖는다. 여기서 도 5에 도시된 바와 같이, 단면 형상의 측부(11)에서의 곡률의 곡률 반경(r)은 다음의 식으로부터 얻어진 값이다.

r = (4a² + b²)/(8a)

이하에서 본 발명의 실시예에 따른 허니컴 구조체(1)의 구조를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 허니컴 구조체(1)는, 다공질 격벽(6)에 의해 구획된 유체 통로로서 작용하는 복수의 셀(5)이 허니컴 구조체(1)의 중앙 축선의 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있는 구조를 갖고, 접합재 층(9)을 매개로 일체로 접합되는 복수의 허니컴 세그먼트(2)를 구비한 허니컴 세그먼트 접합체(10)를 포함하며, 각각의 허니컴 세그먼트(2)는 전체 구조체의 일부를 구성하는 형상을 갖고, 또한 허니컴 구조체(1)의 중앙 축선에 수직인 방향으로 함께 조립될 때에 전체 구조체를 구성하는 형상을 가지며, 외주 코팅층(4)이 허니컴 세그먼트 접합체(10)의 외주면을 덮는다. 허니컴 세그먼트(2)를 접합재 층(9)에 의해 함께 접합한 후에, 허니컴 구조체(1)의 중앙 축선에 수직인 평면을 따라 취한 전체의 단면 형상이 원형, 타원형, 경주용 트랙형, 또는 이들 형상이 부분 변형된 형상으로 되도록 연마 를 실시하고, 외주면을 외주 코팅층(4)에 의해 덮는다. 허니컴 구조체(1)를 DPF로서 사용하는 경우에, 허니컴 구조체는 디젤 엔진으로부터 배기되는 그을음을 포함한 입자상 물질(미립자)을 포집하도록 디젤 엔진의 배기 시스템에 배치될 수 있다. 한편, 도 1에서는, 하나의 허니컴 세그먼트(2)에만 셀(5)과 격벽(6)이 도시되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 허니컴 세그먼트(2)는 허니컴 구조체(1)의 전체 구조의 일부〔허니컴 세그먼트 접합체(10)〕(도 1 참조)를 구성하는 형상을 갖고, 또한 허니컴 구조체(1)의 중앙 축선에 수직인 방향으로 함께 조립될 때에 전체 구조를 구성하는 형상을 갖는다(도 1 참조). 셀(5)은 허니컴 구조체(1)의 중앙 축선의 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있고, 인접 셀(5)의 단부들은 충전재(7)로 번갈아 밀봉되어 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 소정의 셀(5; 유입측 셀)은 좌측 단부가 개방되어 있는 반면에, 우측 단부는 충전재(7)로 밀봉되어 있다. 이 셀(5; 유입측 셀)에 인접한 다른 셀(5: 유출측 셀)은 좌측 단부가 충전재(7)로 밀봉되어 있는 반면에, 우측 단부는 개방되어 있다. 그러한 밀봉(plugging)에 의해, 허니컴 세그먼트(2)의 단부면은 도 2에 도시된 바와 같이 체크무늬 형태로 보인다. 복수의 허니컴 세그먼트(2)가 함께 접합되어 있는 허니컴 구조체(1)가 배기가스용의 배기 시스템에 배치되어 있는 경우에, 배기가스는 도 4의 좌측으로부터 각 허니컴 세그먼트(2)의 셀(5) 내로 진행하여, 우측으로 이동한다.

도 4에서, 허니컴 세그먼트(2)의 좌측 단부는 배기가스의 유입측으로서 작용한다. 배기가스는 밀봉되지 않고 개방되어 있는 셀(5; 유입측 셀)로부터 허니컴 세그먼트(2) 내로 흐른다. 배기가스는 셀(5; 유입측 셀) 내로 흐르고, 다공질 격벽(6)을 통과하여, 다른 셀(5; 유출측 셀)로부터 유출된다. 배기가스가 격벽(6)을 통과할 때, 배기가스 내의 그을음을 포함한 입자상 물질(미립자)이 격벽(6)에 의해 포집된다. 이러한 방식으로, 배기가스의 정화가 실시된다. 그을음을 포함하는 입자상 물질(미립자)이 허니컴 세그먼트(2)에 시간 순으로 퇴적되어 포집 과정에서 압력 손실이 증대하며, 그을음 등이 연소되는 재생이 실시된다. 전체 단면이 대략 정사각형 형상인 허니컴 세그먼트(2)가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있지만, 허니컴 세그먼트(2)는 직사각형 형상 또는 부분적으로 변형된 직사각형의 형상을 가질 수 있다. 셀(5)의 단면 형상은 다각형, 원형, 타원형, 경주용 트랙형, 또는 이들 형상이 부분적으로 변형된 형상일 수도 있다.

본 발명에 따른 허니컴 구조체는 일반적으로 전술한 바와 같은 구조를 갖는다. 본 발명에 있어서, 도 6a 내지 도 6e에 도시된 바와 같이, 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 복수의 허니컴 세그먼트(2)의 단면 형상의 측부(11)는 1 이상의 곡률을 갖는다.

본 발명에 있어서, 측부(11)에서 1 이상의 곡률의 곡률 반경은 허니컴 세그먼트의 변위를 방지하는 관점에서 300 내지 700 mm의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서는, 동일한 관점으로부터, 도 7에 도시된 바와 같이, 접합재 층(20)을 매개로 서로 인접한 각 허니컴 세그먼트(2)의 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부(11)에서의 곡률 반경의 합은 바람직하게는 800 내지 1400 mm이다.

또한 본 발명에 있어서, 접합재 층(20)을 매개로 서로 인접한 허니컴 세그먼트(2)의 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부(11)는 오목부와 볼록부의 조합으로 형성되는 것이 바람직하고, 단면 형상의 측부에서의 오목부와 볼록부의 조합의 비율은 바람직하게는 50% 이상이다.

도 9a 내지 도 9d는 서로 인접한 허니컴 세그먼트(2)의 측부(11)가 오목부와 볼록부의 조합으로 형성되어 있는 예를 도시하고 있다. 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이, 오목부와 볼록부는 서로 인접한 허니컴 세그먼트(2)의 측부(11)가 서로 상보적으로 되도록 조합되는 것이 바람직하다. 이러한 예에서, 서로 인접한 허니컴 세그먼트들(2) 사이에 있는 접합재 층(20)의 두께는 거의 균일하며, 이로 인하여 전체 접합재 층(2)에 걸쳐 균일한 접합 강도를 보장한다. 그 결과, 접합 강도(파열 강도)가 증가하여, (진동하에서의) 사용 또는 캐닝 중에 허니컴 세그먼트의 변위를 방지하고, 사용 및 재생 중의 열 응력에 기인한 크랙 등의 결함을 방지한다.

도 8a 내지 도 8c를 참고로 하여, 서로 인접한 허니컴 세그먼트(2; 2a, 2b) 사이의 접합재 층(20)의 파열 모드(break mode)를 설명하기로 한다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 허니컴 세그먼트의 축선 방향에 수직인 양 방향으로의 외력(X, Y)이 서로 인접한 각각의 허니컴 세그먼트(2a, 2b)에 가해지는 것으로 가정한다. 측부(11)의 곡률 반경이 도 8b에 도시된 바와 같이 측부(11)의 곡률 반경이 큰 경우로부터, 도 8c에 도시된 바와 같이 측부(11)의 곡률 반경이 작은 경우로 변경되는 때에, 파열 강도(접합 강도)는 증가하고, 또한 상황은 도 8b에 도시된 바와 같이 계면에서의 접합재 층(20)의 박리 상황으로부터, 도 8c에 도시된 바와 같이 접합재 층(20) 자체의 파열 상황으로 변경된다.

허니컴 세그먼트(20)용 재료로는, 실리콘 탄화물, 실리콘-실리콘 탄화물계 복합 재료, 실리콘 질화물, 코디어라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 실리콘 탄화물-코디어라이트계 복합 재료, 실리콘-실리콘 탄화물 복합 재료, 리튬 알루미늄 실리케이트, 알루미늄 티타네이트, Fe-Cr-Al계 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 재료를 사용하는 것이 강도 및 내열성의 관점에서 바람직하다. 특히, 실리콘 탄화물 또는 실리콘-실리콘 탄화물계 복합 재료가 바람직하다.

메틸 셀룰로오스, 하이드록시프로폭실 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리비닐 알콜 등과 같은 바인더, 계면활성제, 용매로서의 물 등을 위에서 적절하게 선택한 1종 이상의 재료에 첨가하고, 플라스틱 소지(green body)를 준비하고, 소지를 전술한 형상으로 압출 성형하고, 마이크로파, 고온 공기 등에 의해 성형된 소지를 건조한 후에, 결과적인 소지를 소결함으로써 허니컴 세그먼트(2)를 제작한다.

셀(5)의 밀봉에 사용되는 충전재(7)로서는, 허니컴 세그먼트(2)용 재료와 유사한 재료를 사용할 수 있다. 충전재(7)에 의한 밀봉은, 비밀봉 셀(5)을 마스킹한 상태로 허니컴 세그먼트(2)의 단부면을 슬러리형 충전재(7)에 침지하고, 그에 따라 개방 셀(5)을 충전재(7)로 충전함으로써 실시된다. 충전재(7)의 충전 공정을 허니컴 세그먼트(2)의 성형 후에 일어나는 소성의 전 또는 후에 실시할 수도 있지만, 단 한 번의 소성 공정만을 필요로 한다는 이유로 소성 전에 충전 공정을 실시하는 것이 바람직하다.

이러한 방식으로 허니컴 세그먼트(2)를 제작한 후에, 슬러리 타입의 접합재(9)를 허니컴 세그먼트(2)의 외주면에 도포하고, 복수의 허니컴 세그먼트(2)를 함께 조립하여 소정의 3차원 형상〔허니컴 구조체(1)의 전체 구조〕을 형성하고, 허니컴 세그먼트(2)를 조립된 상태에서 크림핑한 후에, 가열 건조한다. 이러한 방식으로, 함께 일체로 접합된 복수의 허니컴 세그먼트(2)로 형성된 접합체를 제작한다. 그 후에, 접합체를 전술한 형상으로 연마하고, 외주면을 코팅재(4)로 피복한 후에, 가열 건조시킨다. 이러한 방식으로, 도 1에 도시된 허니컴 구조체(1)를 제작한다.

본 발명에 사용된 접합재 층(9)을 허니컴 세그먼트(2)의 외주면에 도포하여 허니컴 세그먼트(2)를 함께 접합한다. 접합재(9)를 서로 인접한 허니컴 세그먼트의 각각의 외주면에 도포할 수도 있지만, 서로 인접한 허니컴 세그먼트(2)의 대응 외주면 중 하나에만 도포할 수도 있다.

이와 같이 대응 표면 중 하나의 표면에만 접합재 층을 도포하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이 방식이 사용된 접합재 층(9)의 양을 절감할 수 있기 때문이다. 접합재 층(9)의 두께는 허니컴 세그먼트(2) 사이의 접합력을 고려하여 결정되며, 예컨대 0.2 mm 내지 4.0 mm의 범위에서 임의적으로 선택된다.

본 발명에 사용된 접합재 층(9)은 미립자 충전재뿐 아니라 주성분으로서의 세라믹을 포함하는 것이 바람직하다. 접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)으로서, 동일한 재료를 사용할 수 있다. 본 실시예에서 접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)에 주성 분으로서 포함된 세라믹은 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 코디어라이트, 알루미나 및 멀라이트 등의 세라믹일 수 있다. 콜로이드 실리카 또는 콜로이드 알루미나와 같은 콜로이드 졸(colloidal sol), 또는 필요에 따라 조공제의 금속 섬유를 세라믹에 첨가할 수 있다.

외주 코팅층(4)은 허니컴 세그먼트(2)의 접합체의 외주면에 도포되어 허니컴 세그먼트(2)의 외주면을 보호하는 작용을 한다. 외주 코팅층(4)의 두께는 예컨대 0.1 mm 내지 1.5 mm의 범위 내에 적절하게 선택된다.

접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)에 포함된 미립자 충전재(filler)는 무기질 재료 또는 유기질 재료로 제조된 충전재일 수 있다. 무기질 재료의 특정의 예로는, 유리 비드 또는 플라이-애쉬 벌런(fly-ash balloon)을 들 수 있다. 유기질 재료의 특정의 예로는, 전분(starch) 또는 발포 수지 등을 들 수 있다.

미립자 충전재의 평균 지름은 10 내지 300 ㎛, 보다 바람직하게는 15 내지 250 ㎛, 가장 바람직하게는 20 내지 200 ㎛인 것이 바람직하다. 미립자 충전재의 긴 중앙 축선 대 짧은 중앙 축선의 비율은 바람직하게는 0.1 내지 4.0이고, 보다 바람직하게는 미립자 충전재는 완전 구체이다. 미립자 충전재는 바람직하게는 20 내지 70 용적%의 비율로, 보다 바람직하게는 25 내지 65 용적%의 비율로, 가장 바람직하게는 30 내지 60 용적%의 비율로 접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)에 포함되는 것이 바람직하다. 미립자 충전재는 바람직하게는 중공 구조를 갖는다. 중공 구조의 입자(중공 입자)를 사용하게 되면, 접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)의 경화에 의해 형성된 외주면과 접합부의 밀도가 감소하여, 영률을 확실하게 감소시킨다. 이 로 인하여, 외주면과 접합부의 내열 충격성이 개선되고, 이에 따라 사용 시의 크랙을 억제한다.

접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)은, 전술한 세라믹 및 미립자 충전재 이외에, 무기질 입자, 산화물 섬유, 콜로이드 산화물로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 50 내지 60 질량%의 비율로 더 포함할 수 있다. 그러한 성분을 포함함으로써, 접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)의 성질을 개선하는 것이 가능하다. 무기질 입자는 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 코디어라이트, 알루미나, 멀라이트, 지르코니아, 지르코늄 포스페이트, 알루미늄 티타네이트 및 티타니아로 이루어지는 군에서 선택된 세라믹; Fe-Cr-Al계 금속; 니켈계 금속; 금속 Si; SiC 등 중에서 적어도 1종일 수 있다. 산화물 섬유는 알루미노실리케이트 섬유 또는 다른 유형의 섬유일 수 있다. 콜로이드 산화물은 실리카 겔 또는 알루미나 졸일 수 있다.

접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)의 열전도율은 바람직하게는 0.1 내지 5.0 W/m·k 이다. 접합재 층(9)과 외주 코팅층(4)의 열팽창 계수는 열 충격에 의해 초래되는 크랙을 방지하도록 1×10^-6 내지 8×10^-6/℃의 범위로 낮은 것이 바람직하다.

(예)

예를 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 이러한 예로 결코 한정되지 않는 것에 주의해야 한다.

1. 허니컴 세그먼트의 제작

허니컴 세그먼트의 재료로서는, 실리콘 탄화물 분말과 실리콘 분말을 80 : 20의 질량 비율로 혼합하고, 조공제로서 전분 및 발포 수지를 첨가하고, 메틸 셀룰로오스 및 하이드록시프로폭시메틸 셀룰로오스와 계면활성제 및 물을 첨가하여 플라스틱 소지를 형성한다. 소지를 압출 성형하고, 마이크로파 및 고온 공기에 의해 건조하여, 격벽 두께 310 ㎛, 셀 밀도 약 46.5 셀/㎠(300 셀/in²), 한변이 35 mm인 정사각형 단면, 및 길이 152 mm의 성형된 허니컴 세그먼트 바디를 얻는다. 형성된 허니컴 세그먼트 바디의 셀의 양 단부면을 밀봉하여 단부면이 체크무늬 형태로 보이도록 한다. 즉, 인접 셀이 서로 반대측 단부에서 밀봉될 수 있도록 밀봉을 실시한다. 허니컴 세그먼트의 재료를 밀봉 재료와 동일한 재료를 사용한다. 셀의 양 단부면을 밀봉하고, 형성된 성형 허니컴 세그먼트를 건조하고, 약 400℃의 분위기에서 탈지하고, Ar 불활성 분위기에서 약 1450 ℃로 소성한 후에, 다공질 구조의 허니컴 세그먼트를 얻도록 SiC 결정 입자를 Si로 접합한다.

2. 접합재의 제조

무기질 입자로서의 실리콘 탄화물 분말 40 질량%, 무기 바인더로서의 40 질량% 실리카 겔 수용액 30 질량%, 1 질량%의 클레이 및 29 질량%의 알루미노실리케이트를 함께 혼합한 후에, 혼합기를 이용하여 물과 함께 30분 동안 혼련하여 접합재를 얻는다.

3. 허니컴 구조제의 제조

다음으로, 상기 접합재를 이용하여 허니컴 세그먼트를 접합하고, 이를 200℃에서 2시간 동안 건조한다. 그 후, 외주부를 원통 형상으로 연마하고, 코팅재를 그 외주부에 도포하고, 결과적인 허니컴 세그먼트를 500℃에서 2시간 동안 열처리하여 허니컴 구조체(SiC-DPF 구조체)를 얻는다.

(예 1)

허니컴 세그먼트의 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부에서 다양한 곡률 반경을 갖는 총 100개의 허니컴 세그먼트 샘플을 준비하였다. 허니컴 세그먼트를 접합재에 의해 함께 접합하여 허니컴 세그먼트의 쌍으로 형성된 50개의 접합체를 제작하고, 접합 강도를 측정하였다. 그 결과를 도 10에 도시한다. 도 10으로부터 알 수 있듯이, 접합재 층 자체는 400 mm 이하의 곡률 반경에서 파열되고, 강도 증가가 포화 상태로 된다.

(예 2)

축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부가 볼록한 형상과 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm의 곡률 반경을 갖는 허니컴 세그먼트를 조합(예컨대, 300 mm와 300mm, 400 mm와 500mm)으로 사용하여 전술한 바와 같은 방식으로 허니컴 구조체(SiC-DPF 구조체)를 제작하고, 허니컴 구조체의 압력 손실을 측정하였다. 그 결과를 도 11에 도시한다.

도 11에 도시된 결과로부터, 곡률 반경의 합이 700 mm 이하인 때에(예컨대, 400 mm 및 500 mm의 곡률 반경을 갖는 허니컴 구조체의 조합을 사용하는 비율이 50%인 경우에), 접합부의 영역은 최저 압력 손실과의 조합(700 mm 및 700 mm의 곡률 반경을 갖는 허니컴 구조체의 조합)에 비교하여 증가하고, 압력 손실은 5%만큼 증가하여 압력 손실의 관점에서의 성능 강하를 더 이상 무시할 수 없다.

(예 3)

허니컴 세그먼트의 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부가 볼록부와 오목부의 조합으로 형성되어 있고 동일한 곡률 반경을 갖는 허니컴 세그먼트를 사용하여 허니컴 구조체(SiC-DPF 구조체)를 제작하고, 허니컴 구조체의 압력 손실을 측정하였다. 그 결과를 도 12에 도시한다.

도 12에 도시된 결과로부터 이해할 수 있듯이, 압력 손실은 곡률 반경에 관계없이 거의 일정한 값을 나타낸다. 300 mm의 곡률 반경에서, 볼록부만을 갖는 측부는 볼록부와 오목부의 조합을 갖는 측부에 비하여 10%만큼의 압력 손실의 증가를 나타내며, 볼록부와 오목부의 조합이 50% 이상인 경우에는, 압력 손실을 5% 미만으로 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 허니컴 구조체는 배기가스 포집 필터, 예컨대 디젤 엔진의 배기가스에 포함된 입자상 물질(미립자)을 포집하여 제거하기 위한 디젤 미립자 필터(DPF)로서 유용하다.

Claims

접합재 층을 매개로 각 접합면에서 일체로 접합되는 복수의 허니컴 세그먼트를 구비하는 허니컴 세그먼트 접합체와,

상기 허니컴 세그먼트 접합체의 외주면을 덮는 외주 코팅층

을 포함하는 허니컴 구조체로서,

상기 허니컴 구조체는 유체 통로로서 작용하는 복수의 셀이 중앙 축선의 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있는 구조를 가지며,

상기 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 취한 상기 복수의 허니컴 세그먼트의 단면 형상의 측부는 1 이상의 곡률을 갖는 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 1 이상의 곡률의 곡률 반경은 300 내지 700 mm의 범위 내에 있는 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 상기 접합재 층을 매개로 서로 인접한 각각의 허니컴 세그먼트의 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부에서의 곡률 반경의 합이 800 내지 1400 mm인 것인 허니컴 구조체.
제1항에 있어서, 상기 접합재 층을 매개로 서로 인접한 허니컴 세그먼트의 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부는 오목부와 볼록 부(projection)의 조합으로 형성되는 것인 허니컴 구조체.
제3항에 있어서, 상기 접합재 층을 매개로 서로 인접한 허니컴 세그먼트의 중앙 축선 방향에 수직인 방향으로 단면 형상의 측부는 오목부와 볼록부의 조합으로 형성되는 것인 허니컴 구조체.
제4항 또는 제5항에 있어서, 단면 형상의 측부에서 오목부와 볼록부의 조합의 비율은 50% 이상인 것인 허니컴 구조체.
제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 허니컴 세그먼트는 대략 직사각형 단면 형상을 갖는 것인 허니컴 구조체.