KR20080068296A - 차압성능이 개선된 필터 - Google Patents

Abstract

배기가스중의 입자상 물질에 의한 필터의 막힘이 최소화되도록 구성된 차압성능이 개선된 배가스 저감장치용 필터에 관한 것으로, 필터케이스; 및 상기 필터케이스 내부의 공간을 횡단하여 필터층을 포함하며, 상기 필터층은 필터부와 유통부를 포함하여 이루어지며, 상기 필터층은 서로 평행하면서 복수개가 설치되고, 서로 마주보는 필터층간에 필터부와 유통부가 교번되도록 배치된 것을 특징으로 하는 필터가 제공된다. 본 발명에 의한 필터는 배가스 중의 입자물질에 의한 필터의 막힘이 방지되므로 필터의 차압성능이 개선되어 배압증가 없이 장기간 사용 가능한 것이다. 본 발명에 의한 필터는 또한, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 외부적 충격 등에 의해 크랙이 발생하지 않고 파손될 염려가 없다.

디젤엔진 배가스, 입자상물질 포집, 용융추출, 금속섬유 메디아, 차압성능개선, 배가스 저감장치용 필터

Description

차압성능이 개선된 필터 {Filter Having Improved Differential Pressure}

도 1은 종래의 배가스 저감장치용 필터의 측단면도이며,

도 2(a)는 본 발명에 의한 배가스 저감장치용 필터를 나타내는 사시도이며,

도 2(b)는 상기 본 발명에 의한 필터의 X-X'선 절개단면도이며,

도 3은 금속섬유 메디아 제조방법 및 이에 따라 제조된 금속섬유 메디아를 나타내는 도면이며,

도 4(a)는 본 발명의 일 구현에 의한 금속섬유 부직포로 된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 4(b)는 본 발명의 일 구현에 의한 금속섬유에 일방향성을 부여하여 매트로 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 4(c)는 본 발명의 일 구현에서 금속섬유 얀을 길이방향으로 일정하게 배열하여 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 4(d)는 본 발명의 일 구현에서 금속섬유 얀을 길이방향으로 일정하게 배열하여 형성된 2층의 금속섬유 얀으로 된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 5는 금속섬유의 용융추출에 사용되는 장치를 나타내는 도면이며,

도 6(a)는 용융추출법으로 얻어진 방향성이 무작위(random)한 금속섬유를 나타내는 도면이며,

도 6(b)는 용융추출법으로 제조된 금속섬유의 횡단면을 나타내는 SEM사진(배율 x200)이며,

도 6(c)는 용융추출법으로 제조된 금속섬유의 측표면을 나타내는 SEM사진(배율 x200)이며,

도 7(a)는 본 발명의 일 구현에 의한 주름진 금속섬유 메디아(필터부재) 제조방법을 나타내는 도면이며,

도 7(b)는 본 발명의 일 구현에 의한 주름진 금속섬유 메디아(필터부재)를 나타내는 도면이며,

도 8은 본 발명에 의한 필터에서 배가스의 입자상 물질이 여과되는 현상을 나타내는 도면이다.

< 도면의 주요부위에 대한 간단한 설명 >

10 : 종래의 필터 20: 본 발명의 필터

30, 30': 금속섬유 메디아 1,1',1",1"': 금속섬유 매트

2,2': 금속섬유 지지체 3 : 금속섬유 얀

4 : 입자상 물질 11, 11': 종래 필터의 양 말단

21: 필터층

22, 22', 22", 22"': 필터부(금속섬유 메디아)

23, 23', 23": 필터부말단 24: 필터케이스

25, 25', 25": 유통부

본 발명은 차압성능이 개선된 필터에 관한 것이며, 보다 상세하게는 배기가스 중의 입자상 물질에 의한 필터의 막힘에 의한 압력상승이 최소화 되도록 구성된 차압성능이 개선된 배가스 저감장치용 필터에 관한 것이다.

디젤엔진은 열효율이 높고 내구성이 우수한 장점이 있으나, 입자상 물질(Particulate Matter; PM) 및 질소산화물(NOx)이 다량 배출된다. 이러한, 입자상 물질 및 질소산화물은 대기오염을 일으키며 PM은 호흡기 계통에 대한 흡착율이 높아 인체에 매우 유해한 물질이다. 그러나, 근래 디젤 자동차에서 배출되는 입자상물질 및 질소산화물의 비율이 급증하고 있어 사회적 문제로 대두되기에 이르렀다. 이에 따라, 최근 환경부의 경유차 환경위원회는 디젤승용차의 판매를 허용하면서 배출가스의 배출 허용기준을 강화하는 한편 매연 후처리장치(DPF, DOC)등의 부착을 의무화하는 방안을 발표하였다.

디젤엔진 배가스 중 입자상물질은 탄소함유 미립자, 설페이트와 같은 황함유 미립자 및 고분자량 탄화수소 미립자와 같은 미립자 물질로 이루어지며, 미립의 가벼운 입자로 대기 중으로 배출되고 부유되어 환경오염을 유발할 뿐만 아니라, 시야를 좁게 하고, 폐질환등을 일으키는 원인이 되고 있다. 이러한 디젤엔진 배가스 중의 입자상 물질은 종래 디젤 입자상물질 필터(Diesel Particulate Filter, 이하,‘DPF'라 한다.)를 사용하여 제거되어 왔다.

DPF는 디젤엔진 배가스 중 입자상 물질을 포집하여 그 배출양을 감소시킬 수 있다. 일반적으로 사용되는 DPF 필터(10)의 측단면도를 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시한 바와 같이, 필터의 양말단(11,11')은 교대로 폐쇄되어 있으며 따라서, 필터에 포집된 입자상 물질은 필터의 폐쇄된 양말단(11, 11') 내부에 쌓이게 되어 필터가 막히게 된다. 필터가 막히게 되면, 차압이 높아지고 이로 인해 배기가스 배출이 원활하지 않아 결국 엔진의 성능이 저하된다.

따라서, 필터의 성능을 회복시키기 위해 필터에 포집된 수트(Soot)를 태워서 필터를 재생하여야 한다. 필터 재생방법으로는 일반적으로 촉매를 사용하는 방법과 외부에서 에너지를 가하여 PM을 연소시켜 제거하는 방법이 이용된다. 그러나, 상기 필터의 재생에 많은 비용 및 시간이 소요된다.

따라서, 필터의 차압성능이 개선되어 배압 증가없이 장기간 사용가능한 배기가스 저감장치용 필터가 요구된다.

이에 본 발명의 목적은 차압성능이 개선된 배기가스 저감장치용 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 한계 포집량 이상의 매연포집에서 배압이 증가되지 않는 배기가스 저감장치용 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 매연 포집량 증가로 인한 차량 출력 감소가 방지되는 배기가스 저감장치용 필터를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면,

필터케이스; 및

상기 필터케이스 내부의 공간을 횡단하여 형성된 필터층을 포함하며,

상기 필터층은 필터부와 유통부를 포함하여 이루어지며, 상기 필터층은 서로 평행하면서 복수개가 설치되고, 서로 마주보는 필터층간에 필터부와 유통부가 교번되도록 배치된 것을 특징으로 하는 필터가 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 종래 일 말단이 막힌 배기가스 저감장치용 필터를 사용함에 따라 필터의 양 말단이 막히게 되고 따라서, 필터의 전단과 후단에서 차압이 걸리지 않아 배기가스중의 입자상 물질을 여과할 수 없게 되는 문제를 개선하기 위한 것으로, 본 발명에 의한 새로운 구조의 필터는 가스 중 입자상 물질에 의한 필터 양말단에서의 막힘이 방지되어 차압성능이 개선되고 장기간 사용가능한 배기가스 저감장치용 필터를 제공하는 것이다.

나아가, 본 발명에 의한 필터에서 필터층의 필터부는 금속섬유 매트와 금속섬유매트의 양면에 대어진 지지체를 포함하는 금속섬유 메디아로 형성된다. 본 발명에서 필터부를 이루는 필터부재인 금속섬유 메디아는 내열성 금속재질로서 고온에서 적용가능하며 우수한 여과효율을 나타낸다. 상기 금속섬유 메디아는 또한, 열전도율이 우수하여 필터 재생을 위한 연소시 열이 고르게 전달되고 국부가열로 인한 필터의 파손 및 재료의 용융이 방지되므로 우수한 필터 재생 효과를 나타낸다. 또한, 본 발명의 금속섬유 메디아는 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 외부적 충격등에 의해 크랙이 발생하지 않으므로 파손의 염려가 없다.

도 2(a)에 본 발명에 의한 새로운 구조의 필터를 나타내는 사시도를, 그리고 도 2(b)에 도 2(a)에 도시한 필터의 X-X'선 절개단면도를 나타내었다. 이하, 도 2(a) 및 2(b)를 참조하여 본 발명에 의한 필터에 대하여 설명한다. 도 2(a)의 필터는 본 발명을 설명하기 위하여 예시한 것으로, 이로써 본 발명에 의한 필터의 구조 또는 형태를 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 의한 필터(20)는 필터케이스(24); 및 상기 필터케이스 내부의 공간을 횡단하도록 형성된 필터층(21, 21'등)을 포함하여 이루어지며, 상기 필터층(21, 21'등)은 필터부(22, 22', 22"등)와 유통부(25, 25', 25"등)를 포함하여 이루어진다. 상기 필터층(21, 21'등)은 서로 평행하게 복수개가 설치되고, 서로 마주보는 필터층(21, 21'등)은 필터부(22, 22', 22"등)와 유통부(25, 25', 25"등)가 교번되도록 배치된다.

도 2(b)에 도시한 바와 같이, 필터 케이스(24) 내부의 공간을 횡단하도록 서로 평행하게 설치된 필터층(21, 21'등)을 이루는 필터부(22, 22', 22"등)는 필터층중 필터부의 일말단에서 필터케이스에 까지의 부분에 해당하는 일정한 공간의 유통부(25, 25', 25"등)를 형성하도록 이웃하는 필터층의 필터부와 필터부 면적의 약 5-85%가 겹쳐지도록 필터 케이스 내부의 공간을 횡단하도록 형성된다.

예를들어, 필터부(22)와 그에 이웃한 다른 필터부(22', 22")의 겹쳐지는 면적이 커질수록 배가스중의 입자상 물질이 여과되는 필터부의 면적이 넓어져 배기가스중의 입자상 물질이 필터에 원활하게 포획되어 제거될 수 있다. 한편, 필터부(22)와 인접한 필터부(22', 22")의 겹치는 면적이 적을수록 여과효율이 감소된다.

따라서, 필터의 여과효율 및 필터 부재의 막힘 방지를 고려하여 필터에서 각각의 필터부재는 그 표면적의 5-85%가 겹치도록 구성된다.

즉, 상기한 바와 같이, 필터부와 이웃 필터부는 일정한 면적으로 겹쳐지도록 필터케이스 내부의 공간을 횡단하여 위치되며, 이는 필터층에서 일정한 면적의 유통부가 확보되도록 하여 필터층의 막히지 않아 차압 상승없이 원할하게 배가스 중의 입자상 물질이 여과될 수 있도록 하기 위함이다.

예를들어, 필터층(21)을 이루는 필터부(22)가 이웃한 필터부(22')와 5%미만의 면적으로 겹치면, 중첩된 필터부를 통하지 않고 유통부를 거쳐 통과되는 배가스가 상대적으로 많아져 배가스중의 입자상 물질이 충분히 여과되지 않게되므로 바람직하지 않다. 이웃 필터부와 겹치는 필터부의 면적이 85%를 초과하면 배기가스의 유로가 길어지게 되어 압력을 상승시키는 점에서 바람직하지 않다.

본 발명의 필터에서 다수의 필터층(21, 21'등)은 일정한 간격으로 필터부(22, 22'등)의 일말단이 필터케이스(24)에 교대로 부착되도록 필터 케이스(24)의 내부공간에 횡단하여 형성된다. 이때, 이 기술분야의 기술자는 필터층 사이의 간격 및 필터층의 수등은 필터의 형태, 여과용량 및 배가스 중의 입자상 물질의 양 등 사용목적에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 상기 필터층(21, 21', 21"등)의 사이의 간격은 약 5-20mm 정도일 수 있다. 필터층 사이의 간격이 5㎜미만이면 유로가 좁아 유입되는 배가스가 원활히 배출되지 않는 점에서 바람직하지 않으며, 20㎜를 초과하면 필터와 배기가스가 접촉이 원활하지 못해 배기가스 중의 매연물질이 필터 표면에 부착되기 어려운 점에서 바람직하지 않다.

필터(20) 및 이에 구비되는 필터층(22, 22'등)의 형상은 필터 또는 입자상 물질 저감장치(DPF)의 형태에 따라 어떠한 형상일 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니나, 그 예로서 원형, 타원형, 사각형, 직사각형 등을 들 수 있다. 설치시 차지하는 부피를 고려하여 타원형인 것이 바람직하다.

또한, 상기 필터층(21, 21'등)을 이루는 필터부(22, 22'등)의 가장자리 둘레는 금속강판으로 끝말단(23, 23')을 대어서 마무리 처리될 수 있다. 상기 본 발명에 의한 필터를 필터층(21, 21'등)을 이루는 필터부(22, 22', 22"등)는 필터 케이스(24)내에 일정한 간격으로 고정되어 위치한다.

상기 본 발명의 필터부(22, 22'등)를 이루는 필터부재로는 금속섬유 메디아가 사용될 수 있다. 금속섬유 메디아는 금속섬유 매트와 금속섬유 매트의 양면에 대어진 지지체를 포함하여 이루어진다. 도 3에 필터부를 이루는 필터부재인 금속섬유 메디아의 제조방법 및 그에 따라 제조된 금속섬유 메디아(30)를 나타내었다. 상기한 바와 같이 본 발명의 필터부를 이루는 필터부재인 금속섬유 메디아는 금속섬유 매 트(1, 1', 1", 1"')와 매트의 상,하면에 대어진 지지체 (2,2')로 이루어진다.

상기 금속섬유 매트는 기공율이 30%~95%인 것이 바람직하다. 기공율이 30% 미만이면 배출가스에 포함된 분진이 여과되면서 차압 상승률을 급격하게 높이며, 95%를 초과하면 기공의 크기가 너무 커서 분진을 적절히 여과하지 못하는 문제가 있다.

상기 금속섬유 지지체는 기공율이 5-95%인 것이 바람직하다. 기공율이 5% 미만이면 강도는 높으나 필터의 차압이 너무 높으며, 95%를 초과하면 차압은 낮아지나, 강도가 약해지는 문제가 있다. 상기 금속섬유 매트의 상부 및 하부 지지체의 기공율은 서로 같거나 혹은 다를 수 있다.

상기 금속섬유 매트는 금속섬유 부직물(1), 빗질(combing)하여 정렬된 금속섬유(1') 또는 일정하여 배열된 금속섬유 얀(1", 1"')일 수 있다. 본 발명에서 필터부(22, 22' 등)를 이루는 금속섬유 메디아(30)로 사용될 수 있는 여러 가지 형태의 금속섬유 매트를 도 4(a) 내지 도 4(d)에 나타내었다.

도 4(a)는 본 발명의 일 구현에 있어서, 금속섬유 매트로 사용되는 금속섬유 부직물(1)을 나타낸다. 금속섬유 부직물은 금속섬유가 방향성 없이 무작위로 나열된 형태로 기공크기는 크지만, 섬유가 3차원으로 배열되어 있어, 필터 전,후단의 차압이 거의 없고, 오염물질 (입자상물질 등)을 보유(holding)할 수 있는 능력이 크다.

도 4(b)는 본 발명의 일 구현에서 방향성이 무작위인 금속섬유를 빗질(combing)하여 일방향성이 부여된 내열성 금속섬유 매트(1')를 나타낸다. 방향성이 무작위인 금속섬유를 빗질(combing)하여 일방향성이 부여된 내열성 금속섬유 매트는 예를들어, 무작위로 섞여 있는 금속섬유를 연속적으로 수차례 빗질(combing)하여 제조될 수 있다. 일방향성이 부여된 금속섬유 매트는 금속섬유가2차원적으로 배열되어, 오염물질을 보유할 수 있는 능력은 부직포 매트에 비해 작으나, 기공크기가 작아 미세 분진까지 여과할 수 있는 장점이 있다.

도 4(c)는 본 발명의 일 구현에서 길이방향으로 정렬된 금속섬유 얀으로 형성된 금속섬유 매트(1")를 나타내는 도면이다. 도 4(d)는 본 발명의 일 구현에서 금속섬유 얀을 길이방향으로 일정하게 배열하여 형성된 금속섬유매트가 2층으로 적층된 금속섬유 매트(1"')를 나타내는 도면이다.

길이방향으로 정렬된 금속섬유 얀으로 된 매트(1", 1"')는 금속섬유 사이의 기공의 크기가 작아 미세분진을 여과할 수 있을 뿐만 아니라, 입자상 물질을 포집할 수 있는 표면적이 증대되므로 배가스 중의 포집 효율이 증대되는 장점을 갖는다.

또한, 상기 금속섬유 부직물 매트(1), 빗질하여 일방향성이 부여된 금속섬유 매트(1') 및 금속섬유 얀으로 된 매트(1")로 구성되는 그룹으로부터 선택된 어떠한 금속섬유 매트를 단층 혹은 둘 이상의 층으로 적층하여 필터부를 이루는 필터부재를 형성할 수 있다. 예를들어, 얀의 굵기가 굵으면 단층으로 얀의 굵기가 가늘면 다층으로 하여 금속섬유 매트를 제조할 수 있다. 또한, 이 기술분야의 기술자는 필터의 용도(필터의 용량, 필터의 적용처등), 배가스 중의 입자상 물질의 양 등을 고려하여 금속섬유매트를 2이상의 다수의 층으로 적층하여 사용할 수 있으며, 적층가능한 금속섬유 매트의 수 또한, 당업자가 적합하게 선정할 수 있는 것으로 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

금속섬유를 얀으로 제조하는 경우, 빗질하여 일방향성을 부여하는 공정은 한 가닥의 얀이 약 20-500개의 금속섬유로 이루어질 때까지 반복한다. 섬유가 20개 미만이면 한가닥의 얀을 형성하는 섬유의 수가 적으므로 서로 엉기게 하여 얀을 형성하기 어렵고 500개를 초과하면 얀에 포함되는 섬유의 개수가 많아 필터로 제조시 차압이 높아지고, 필터 자체의 두께 및 무게가 증가하는 문제가 있다.

또한, 금속섬유 얀은 1g당 길이가 0.45m-0.6m(0.45Nm-0.6Nm)이고, 1-9 turns/m의 꼬임율이 되도록 제조된다. 얀 1g당 길이가 0.45m미만이면 얀의 굵기가 굵어 다공성이 감소되어 바람직하지 않으며, 0.6m를 초과하면 얀의 굵기가 가늘어 연속적으로 일정한 굵기를 유지하기 어려운 문제가 있다.

상기 금속섬유 매트 제조에 사용되는 금속섬유는 특히 한정되지 않으며, 어떠한 방 법으로 제조된 금속섬유가 사용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 본 발명에 사용 가능한 금속섬유의 일 예로서, 용융추출법으로 제조된 금속섬유가 사용될 수 있다.

상기 금속섬유로는 등가직경이 10~150㎛, 그리고 섬유의 길이가 10~20cm인 것이 바람직하게 사용될 수 있다. 등가직경이 10㎛ 미만이면 빗질시 잘 끊어지므로 바람직하지 않으며, 150㎛을 초과하면 얀으로 제조시, 한가닥의 얀을 이루는 섬유의 개수가 적어 얀을 만들 수 없으므로 바람직하지 않다.

섬유길이가 10cm미만이면 길이가 짧아 얀을 제조하기 어려우므로 바람직하지 않으며, 용융추출 공정으로 등가직경이 10-150㎛,인 금속섬유를 20cm를 초과하는 길이로 제조하기 곤란하다.

용융추출법은 본 출원인의 미국특허 제 6,604,570호에 개시되어 있는 바에 따라, 예를들어, 도 5에 도시한 장치를 사용하여, 직경이 12mm인 원형 봉(rod)재를 용융수단의 인덕션 코일 근처에 위치시켜 봉재의 말단을 용융시키고 이 부분을 1-100m/sec로 고속회전하는 디스크에 접촉시켜 순간적으로 직경이　20~70㎛인 금속섬유를 추출하는 방법이다. 용융추출법으로 제조된 미세 금속섬유는 도 6(a)와 같이 방향성 없이 무작위로 섞여 있고, 금속섬유의 단면은 도 6(b)에 도시한 바와 같이 반달형상이고, 측표면에는 도 6(c)와 같이 높이가 1~5㎛인 다수의 돌기가 형성되어 있다.

용융추출법으로 얻어진 금속섬유는 표면에 형성되어 있는 미크론 수준 높이의 돌기로 인하여 얀 제조시 금속섬유가 빠져나가는 현상이 방지될 수 있으므로 종래의 기계가공으로 제조된 금속섬유에 비하여 용이하게 얀으로 제조될 수 있다. 상세한 내용은 대한민국 특허출원 제 2005-4249호에 기재되어 있는 내용을 참조할 수 있다.

상기 금속섬유는 밀도가 100-4,000g/㎡인 것이 바람직하다. 밀도가 100g/㎡미만이면 기공의 등가직경이 약 250㎛를 초과하므로 바람직하지 않고, 4,000g/㎡를 초과하면 필터가 무겁고, 두꺼워서 성형이 어려운 문제가 있어 바람직하지 않다.

상기 금속섬유 매트와 지지체로는 철-크롬-알루미늄계 합금을 기초로 한 퍼크랄로이(Fecralloy) 금속섬유로 된 것이 사용될 수 있다. 또한, 상기 금속섬유 매트와 상부 및 하부의 지지체는 각각 조성이 다른 금속섬유로 제조될 수 있거나, 혹은 동일한 금속섬유로 제조될 수 있다. 상기 금속섬유 매트 또는 지지체를 이루는 금속섬유로는 바람직하게는 Zr을 0.05-0.5중량%, 보다 바람직하게는 0.1~0.3중량% 포함하는 개량된 퍼크랄로이가 사용될 수 있다. Zr을 상기 범위로 포함하는 퍼크랄로이가 사용된 매트를 메디아에 사용하는 경우 우수한 산화수명을 나타내는 잇점이 있다. 상기 퍼크랄로이(Fecralloy) 합금은 일반적으로 알려져 있는 것으로, 예를들어, 크롬(Cr) 13-30중량%, 알루미늄(Al) 3-7중량% 및 잔부 철(Fe) 을 포함하는 퍼 크랄로이, 바람직하게는 지르코늄(Zr) 0.05-0.5중량%, 더욱 바람직하게는 지르코늄(Zr) 0.1-0.3중량%를 추가로 포함하는 퍼크랄로이가 사용될 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 최소 일층 이상의 금속섬유 부직포 매트(1) (도 4(a)), 길이방향으로 정렬된 금속섬유로 된 매트(1") (도 4(b)) 또는 금속섬유 얀으로된 금속섬유 매트(도 4(c) 및 도 4(d)) (1", 1"')의 상,하면에 지지체로서 와이어 메쉬(2,2')를 대어서 금속섬유 메디아(30)로 제조될 수 있다. 와이어 메쉬(2,2')는 금속섬유 매트(1")의 형상을 유지하고 금속섬유 메디아(30)의 강도를 증대시키기 위해 사용된다. 금속섬유 매트(1")의 상,하면에 지지체(2, 2')를 대어 보강하므로써 금속섬유 및 금속섬유 얀의 길이방향으로 정렬된 매트의 상태가 고정되어, 후속하는 일정한 형태의 필터로 가공시 정렬된 금속섬유 및 금속섬유 얀(3)의 움직임이 방지되고 또한 필터부(21, 21'등)의 강도가 증대된다.　

상기 금속섬유 메디아는 두께가 0.5-3mm인 것이 바람직하다. 금속섬유 메디아의 두께가 0.5mm 미만이면 섬유의 밀집도가 높아 기공율이 낮아지게 되고, 이로인해 차압이 높아지는 문제가 있으며, 3mm를 초과하면 기공율이 커져 분진을 여과하지 못하는 문제가 있다.

또한, 상기 필터 부재로 사용되는 금속섬유 메디아는 주름진 금속섬유 메디아일 수 있다. 빗질하여 방향성이 부여된 금속섬유매트(1') 또는 금속섬유얀이 길이방향으 로 정렬된 금속섬유매트(1")를 포함하는 금속섬유 메디아를 플리팅(pleating)하는 경우에는 금속섬유의 길이방향에 대하여 수직방향으로 플리팅(pleating)될 수 있다. 금속섬유매트(1, 1', 1", 1"')를 포함하는 금속섬유 메디아를 플리팅한 후, 플리팅하여 형성된 주름이 고정되도록 주름방향으로 가압하여 제조된다. 이와 같이, 플리팅되는 금속섬유 메디아는 특히 한정되지 않으며 본 발명의 어떠한 형태의 금속섬유 메디아를 플리팅하여 주름진 금속섬유 메디아로 제조할 수 있다. 구체적으로는 도 4(a) 내지 도 4(d)에 도시한 금속섬유 매트를 포함하는 금속섬유 메디아를 플리팅하여 주름진 금속섬유 메디아를 제조할 수 있다.

주름진 금속섬유 메디아의 제조방법 및 이에 따라 제조된 주름진 금속섬유 메디아의 예를 각각 도 7(a) 및 도7(b)에 나타내었다. 도 7(a)에 예시한 바와 같이 플리팅하려는 금속섬유 메디아(30)의 금속섬유 혹은 길이방향의 양 말단에서 힘을 가하여 금속섬유 및/또는 얀의 길이방향에 대하여 수직방향으로 플리팅(pleating)하고 가압하여 주름을 고정하므로써 대략 주름 깊이의 두께를 갖는 주름진 금속 섬유 메디아(30')로 제조될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 플리팅시, 주름의 깊이는 3~30㎜로 할 수 있다. 주름의 깊이가 3㎜미만일 때는 주름이 형성되지 않고 주름에 의한 표면적 증대 효과가 적으며, 주름의 깊이가 30㎜를 초과하면 재생시 발생하는 열 또는 높은 압력에서 변형될 수 있는 문제가 있다. 상기 주름의 깊이가 약 3㎜일 때는 주름을 형성하기 전의 금속섬유 메디아에 비하여 표면적이 약 1.5배 향상되며, 주름의 깊이가 약 30㎜일 때는 약 15배 향상된다.

상기 본 발명의 금속섬유 메디아 및 주름진 금속섬유 메디아는 평균기공크기가 등가직경으로 10~250㎛일 수 있다. 평균기공크기의 등가직경이 10㎛미만이면 극미세 분진의 여과에 효율적이나, 분진이 필터 표면에 포집될 경우 기공이 막히면서 압력 상승률이 급격히 빨라진다. 평균기공크기의 등가직경이　250㎛을 초과하면 적절한 여과특성을 나타내지 못하는 문제가 있다. 상기 금속섬유 메디아 및 주름진 금속섬유 메디아를 필터부재로 사용하여 제조되는 필터부의 기공율은 55%~97%이다.

상기 본 발명에 의한 금속섬유 메디아로 필터부가 형성된 본 발명의 필터는, 디젤엔진 배가스중의 입자상 물질이 금속섬유 메디아의 금속섬유 사이에 형성되어 있는 다수의 공극을 통과하여 딥스 필터(depth filter) 효과를 나타내도록 여과된다. 도 8에 도 3에 도시한 금속섬유 메디아(30)의 Z-Z' 선 단면도를 나타내고 디젤엔진 배가스가 본 발명에 의한 금속섬유 메디아로된 필터부를 통과함에 따라 딥스(depth) 필터와 같이 입자상 물질(4)이 필터에 의해 포집되는 개념을 나타내었다.

본 발명의 필터에서 미세한 공극의 크기가 많아질수록 디젤엔진 배가스 중 PM의 제거효율이 증대되므로 다수층의 금속섬유 얀으로 된 금속섬유 메디아, 금속섬유 얀과 금속섬유로 된 금속섬유 메디아 및 주름진 금속섬유 메디아를 필터 부재로 한 필터의 경우, 금속섬유 메디아의 두께가 증가하여 필터 단면의 금속섬유 수가 많아지므로 PM을 포집할 수 있는 표면적이 더욱 증대되어 보다 우수한 배가스 중의 입 자상 물질 포집효율을 나타낸다.

또한, 종래의 세라믹 필터 등의 경우 촉매를 담지하기 위해 세라믹 필터 등에 알루미나를 코팅한 다음에, 이에 촉매를 담지하여 사용하여 왔다. 그러나, 본 발명에 의한 금속섬유 메디아로 된 필터는 금속섬유가 퍼크랄로이 재료로 제조되고, 퍼크랄로이에는 알루미늄 성분이 포함되어 있으며 알루미늄은 고온에서 알루미나로 산화되므로 별도의 알루미나 코팅 단계 없이 필터에 Pt, Pd, Rh 및 Ru로부터 선택된 최소 일종의 금속 촉매를 담지하여 사용할 수 있다. 따라서, 필터에 촉매를 코팅하기가 보다 용이하다. 본 발명에 따른 금속섬유 메디아를 필터로 제작한 후 필요에 따라, 500-1,200℃, 바람직하게는 산소분위기하에서 500-1,200℃로 1-24시간 가열하므로써 금속섬유 성분중의 알루미늄을 알루미나로 산화시키고 여기에 촉매를 담지시킬 수 있다. 가열시간이 500℃미만 또는 1시간 미만이면 알루미늄이 알루미나로 충분히 산화되지 않으며, 1,200℃ 혹은 24시간을 초과하면 과도한 비용이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 종래 필터소재로 사용되고 있는 코디얼라이트(Codierite), SiC 및 본 발명의 필터부재 소재로 사용되는 퍼크랄로이의 물성을 비교해보면, 강도(strength)는 코디얼라이트 1MPa, SiC 6MPa, 퍼크랄로이 540MPa; 내열성은 코디얼라이트 1200℃, SiC 1,600℃, 퍼크랄로이 1200℃; 열전도도는 코디얼라이트 2W/mK, SiC 6W/mk, 퍼 크랄로이 16 W/mK; 열팽창율은 코디얼라이트 1x10^-6℃^-1, SiC 4x10^-6℃^-1, 퍼크랄로이 11.1x10^-6℃^-1; 융점은 코디얼라이트 1,450℃, SiC 2,400℃, 퍼크랄로이 1530℃로 퍼크랄로이 금속섬유를 이용하여 제조된 금속섬유 메디아를 필터부재로한 본 발명의 필터가 종래 사용되던 필터에 비하여 우수한 강도, 내충격성 및 열전도율 등을 나타낸다.

상기 필터는 배가스 정화장치용 필터로 사용될 수 있으며, 구체적으로 디젤엔진 또는 디젤 발전기등에서 발생하는 배가스 정화장치용 필터로 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.　

[실시예]

실시예 1

본 실시예에서 금속섬유 필터는 다음과 같이 제조되었다. 미국특허 6,604,570호의 방법에 따라 도 5의 용융장치를 사용하여 직경이 12mm인 원형(rod)봉재를 용융수단의 인덕션 코일 근처에 위치시켜 1,600℃로 가열하여 봉재의 말단을 용융시키고 이 부분을 20m/sec로 고속회전하는 디스크에 접촉시켜 순간적으로 등가직경이 50㎛인 금속섬유를 제조하였다. 제조된 금속섬유는 무방향성으로 무작위로 배열된 것으로 반달형상의 단면을 가지며 길이는 약 10~18cm이었다. 상기 금속 섬유의 성분은 크롬 22중량%, 알루미늄 5.5중량%, 지르코늄 0.3중량% 그리고 잔부 철(Fe)이었다.

상기 무작위로 분포되어 있는 금속섬유를 연속적으로 100회 빗질하여 일 방향성을 부여하면서 80가닥이 될 때까지 빗질하여 금속섬유 얀을 제조하였다. 제조된 얀은 1g당 길이가 0.55m였으며, 약 8turn/m의 꼬임율이 부여되었다. 상기 얀을 2층으로 길이방향으로 일렬이 되도록 정렬하여 금속섬유 매트를 제조하였다. 발명예 1의 금속섬유는 밀도가 1.5㎏/㎡, 발명예 2의 금속섬유는 밀도가 3.0㎏/㎡였다.

　　

그 후, 기공율이 60%인 상기 금속섬유 매트의 상,하면에 기공율이 각각 45%, 72%인 내열 와이어 메쉬를 대어서 금속섬유 메디아를 제조하였다. 와이어 메쉬의 성분은 크롬 18중량%, 알루미늄 3.0중량%, 그리고 잔부 철(Fe)이었다. 이렇게 만들어진 금속섬유 메디아는 두께 1.0mm였으며 평균기공크기는 등가직경이　40㎛이었다.

　 　

상기 제조된 금속섬유 메디아를 깊이가 10mm가 되도록 플리팅하여 주름을 잡고 주름잡힌 금속섬유 메디아를 금속부재를 10mm 간격으로 필터부재의 면적이 약 30% 겹쳐지도록 5개의 필터부재를 필터부가 교번되도록 평행하게 위치시키고 필터케이스로 고정하여 필터를 제조하였다. 실린더형 필터의 체적은 1.15ℓ였다.　

제조된 필터를 3,000cc급 디젤 엔진이 장착 된 경유 차량에 부착하여 CVS-75 mode 로 10,000km를 주행한 후 여지반사식 매연 측정 장치를 이용하여 포집효율을 측정한 결과, 25%의 포집효율을 가지는 것으로 나타났으며, 이때 최대 압력은 160mbar였다.

본 발명에 의한 필터는 배가스중의 입자물질에 의한 필터의 막힘이 방지되므로 필터의 차압성능이 개선되어 배압증가 없이 장기간 사용 가능한 것이다. 본 발명에 의한 필터는 또한, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 외부적 충격등에 의해 크랙이 발생하지 않고 파손될 염려가 없다.

Claims (14)

1. 필터케이스; 및

   상기 필터케이스 내부의 공간을 횡단하여 필터층을 포함하며,

   상기 필터층은 필터부와 유통부를 포함하여 이루어지며,

   상기 필터층은 서로 평행하면서 복수개가 설치되고, 서로 마주보는 필터층간에 필터부와 유통부가 교번되도록 배치된 것을 특징으로 하는 필터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 필터층 중 필터부는 이웃한 필터층의 필터부와 면적의 5-85%가 겹쳐지도록 위치됨을 특징으로 하는 필터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 필터층은 일정한 간격을 두고 필터부의 일 말단이 필터 케이스에 교대로 부착되도록 필터케이스의 내부공간에 횡단하여 형성됨을 특징으로 하는 필터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 필터부를 이루는 필터부재는 기공율이 30%~95%인 금속섬유 매트 및 상기 금속섬유 매트의 상, 하면에 대어진 기공율이 5%~95%인 지지체를 포 함하여 이루어지는 금속섬유 메디아임을 특징으로 하는 필터.
5. 제 4항에 있어서, 상기 금속섬유 매트는 금속섬유 부직포, 빗질되어 일방향성이 부여된 금속섬유 매트 혹은 길이방향으로 정렬된 금속섬유 얀으로 된 금속섬유 매트임을 특징으로 하는 필터.
6. 제 4항에 있어서, 상기 금속섬유 매트는 금속섬유 부직포, 빗질되어 일방향성이 부여된 금속섬유 매트 및 길이방향으로 정렬된 금속섬유 얀으로 된 금속섬유 매트로 구성되는 그룹으로부터 선택된 일종 이상의 금속섬유매트가 최소 2층 이상으로 적층 된 금속섬유 매트임을 특징으로 하는 필터.
7. 제 4항에 있어서, 상기 금속섬유 메디아는 주름진 형태이며, 주름은 깊이가 3~30㎜임을 특징으로 하는 필터.
8. 제 5항 또는 6항에 있어서, 길이방향으로 정렬된 금속섬유 얀으로 된 금속섬유 매트는 20-500개의 금속섬유로 이루어지며, 1g당 길이가 0.45-0.6m이고 꼬임율이 1- 9turns/m인 금속섬유 얀이 길이방향으로 정렬된 것임을 특징으로 하는 필터.
9. 제 4항에 있어서, 상기 금속섬유 매트를 구성하는 금속섬유는 밀도가 100-4,000g/㎡임을 특징으로 하는 필터.
10. 제 4항에 있어서, 상기 금속섬유 매트 및/또는 지지체는 Cr 13-30중량%, Al 3-7중량% 및 잔부 철을 포함하는 퍼크랄로이로 된 것임을 특징으로 하는 필터.
11. 제 4항에 있어서, 상기 금속섬유 매트를 구성하는 금속섬유는 등가직경이 10-150㎛임을 특징으로 하는 필터.
12. 제 1항에 있어서, 상기 필터부에는 촉매가 담지 됨을 특징으로 하는 필터.
13. 제 17항에 있어서, 상기 촉매는 Pt, Pd, Rh 및 Ru로 구성되는 그룹으로부터 선택된 최소 일종임을 특징으로 하는 필터.
14. 제 1항에 있어서, 상기 배기가스 저감장치용 필터는 디젤엔진 또는 디젤 발전기에서 배출되는 배기가스 저감장치용 필터임을 특징으로 하는 필터.

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