KR20080097923A

KR20080097923A - 배기가스 정화용 담체 구조

Info

Publication number: KR20080097923A
Application number: KR1020080039795A
Authority: KR
Inventors: 히로시 마츠오카
Original assignee: 가부시키가이샤 에이씨알
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2008-11-06

Abstract

본 발명은 배기가스에 포함되는 입자상 물질 등의 유해물질을 포집 소실시키는 담체를, 홈이 있는 파상 띠모양체를 감아 굴절로 및/또는 평행로를 구비한 기둥모양체로 구성하여, 필터에 조립하였을 때에 입자상 물질에 의한 막힘을 방지하는 배기가스 정화용 담체 구조에 관한 것이다. 배기가스 정화용 담체는 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 띠모양체를 적어도 폭방향으로 뻗는 능선과 홈으로 이루어지는 파상 띠모양체로 성형하여, 파상 띠모양체를 나선상으로 감거나 또는 적층한 기둥모양체로 구성되어 있다.

배기가스, 정화장치, 담체, 벌집, 허니컴, 입자상 물질, PM, 띠모양체

Description

배기가스 정화용 담체 구조{EXHAUST GAS PURIFYING CARRIER STRUCTURE}

본 발명은 배기가스를 담체(擔體)에 접촉 통과시켜 배기가스 중에 포함되는 유해물질을 연소, 산화·환원 반응시켜 소실(消失) 제거하여 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치에 적용할 수 있는 배기가스 정화용 담체 구조에 관한 것이다.

종래, 디젤 엔진에서는, 배기가스 중의 HC, CO, PM(입자상(粒子狀) 물질) 중의 SOF(가용(可溶) 유기성분), NO_X 등의 유해물질을 정화하기 위하여, 산화촉매나 NO_X 환원촉매를 코지라이트의 허니컴(honeycomb) 담체에 담지(擔持)하여, 허니컴 담체의 가스통로의 단부(端部)를 교대로 봉지(封止)하여 허니컴 벽체(壁體)에 배기가스를 흘려서, 허니컴 담체의 벽면에서 PM을 포집(捕集)하여, 배기가스를 정화하는 것이 알려져 있다. 촉매용 허니컴 담체에는 2종류가 존재하는데, 하나는 허니컴 구조의 개개의 가스통로의 단부를 교대로 봉지하여, 배기가스 중에 포함되는 PM을 포집하는 것이며, 다른 하나는 허니컴 구조의 개개의 가스통로의 단부를 봉지하지 않고, 배기가스를 가스통로에 흘려 배기가스 중의 유해물질을 정화하는 것이다.

또한, 디젤 엔진은, CO₂의 배출량이 가장 적은 원동기(原動機)로서 재검토되 어 승용차에 대하여도 채용이 계속 증가하고 있다. 최근에는, 디젤 파티큘레이트 필터(Disel Particulate Fiter; DPF)가 많은 차량에 탑재되어, 세라믹 허니컴에 입자상 물질(PM)을 포집하여 촉매의 도움으로 저온에서 연소시켜 소각하여, 배기가스를 정화하도록 이루어졌다. 또한, 배기가스 중에 포함되는 PM에 대하여, 그 조성의 대부분이 미(未)연소의 카본 또는 중질유(中質油)의 탄화수소이므로, DPF를 사용하여 연료를 완전하게 연소만 하면, 미립자로서 배출되는 것이 없다. 통상, 필터에 담지된 촉매는 300℃ 전후로부터 검댕을 연소시키거나, 또는 배기가스 중의 NO를 NO₂로 산화시켜, 그 NO₂를 활용하는 것이다.

상기 세라믹 허니컴, 특히, 가스통로의 단부를 교대로 봉지하지 않은 구조를 갖는 담체는 배기가스와의 접촉면적을 늘리기 위해, 허니컴의 벽 두께를 줄여, 허니컴 셀(cell) 수(1 인치 평방당의 셀의 수)를 늘리는 노력이 행해지고 있고, 디젤 엔진용의 허니컴 담체에서는, 200∼400 셀의 구조가 실용화되어 있다. 또한, 세라믹 허니컴에 대향(對向)하여, 그 허니컴을 내열 금속으로 제조한 배기가스 정화촉매용 담체도 실용화되어 있다. 이러한 금속제의 허니컴은 파판상(波板狀)으로 성형된 파상박판(波狀薄板)과 평평하게 성형된 평박판(平薄板)을 교대로 겹쳐서 소용돌이 형상으로 감은 구조를 갖는 것이며, 판의 두께를 얇게 구성하는 것에 의해 강도를 유지하면서, 허니컴 셀 수를 늘려 배기가스와의 접촉면적을 늘리는 것이 실용화되어 있다.

한편, 도시지역의 대기를 정화하기 하기 위해서는, 신차(新車)는 물론이지 만, 이미 시판된 자동차의 배기가스를 정화하는 것이 불가결하게 되어, 그러한 관점으로부터 DPF를 자동차에 탑재하는 것이 적극적으로 진행되고 있다. 그러나, 현재 사용되고 있는 기존 차에서, DPF를 도입하는 경우, 엔진 구동과 관련하여 종합적으로 제어할 수 없기 때문에 DPF가 정상적으로 작동하지 않는 경우가 많다.

배기가스 정화의 용도에 사용할 수 있는 필터로서, 최근, 금속박판과 금속제 부직포를 복합시킨 것이 사용되기 시작하고 있다. 상기 필터는 금속박판의 안내로 배기가스를 금속 부직포에 충돌시켜 포집하고 있어, 필터의 구조가 복잡하고, PM저감율이 40∼50%가 한도이며 그 이상 높게 할 수 없는 어려운 점이 있었다. 금속제 허니컴에 대하여, 배기가스와의 접촉면적을 늘리는 것은 유효하지만, 더욱이 허니컴 셀로 구성된 가스통로를 흐르는 배기가스에 교란을 주어, 배기가스를 촉매에 적극적으로 접촉시키는 구조의 것이 제안되어 있다. 상기 허니컴 구조는 박판을 구멍 개방 구조로 형성하여, 표면적을 증대한다는 점에서는, 손실이지만, 가스통로 내에 난류를 생성하여, 교란에 의한 배기가스를 촉매에 적극적으로 접촉시키는 것이다[예를 들면, Next generation catalysts are turbulent：Development of Support and Coating：2004-Ol-1488, 인터넷 구글(google) 참조].

또한, 일본특허공개 평 8－196918호 공보에 개시된 배기가스 정화용 촉매 담체는, 다중권회체(多重捲回體)를 형성하면서 양단(兩端)을 개구(開口)한 통모양 케이스 내에 수납 배치되어, 촉매 담체의 띠모양 박판에 케이스 내에 난류발생부를 설치하여, 그 난류발생부가 바람의 흐름을 변화시키는 변화면부(變化面部)에 형성되며, 케이스의 내부에 수납한 촉매 담체의 이탈을 방지하는 걸림부가 설치되어, 유통 중의 가스가 난류로 되어 촉매와의 반응시간이 길어져, 정화성능을 향상시키는 것이다.

또한, 일본특허공개 평6－2536호 공보에 개시된 배기가스 정화촉매용 담체 구조는, 외통(外筒)과, 상류측의 제1 허니컴체(honeycomb body)와, 하류측의 제2 허니컴체를 구비하고, 제1 허니컴체는 제2 허니컴체로부터 돌출하여 축방향 상류측으로 뻗는 지지부재에 외통과 비접촉 상태로 지지되어 있다. 제1 허니컴체와 외통의 사이에 공기층을 개재시켜, 제1 허니컴체로부터의 방열(放熱)을 방지시키고 있다.

또한, 일본특허공개 평1－123638호 공보에 개시된 배기가스 정화촉매용 금속담체는, 자동차 배기가스 등의 배기가스의 정화에 사용되는 촉매이기 때문에, 금속의 평판(平板)과 파판(波板)을 교대로 배열한 허니컴 구조체를 갖고, 배기가스의 상류측으로부터 하류측으로 향하여 복수 개로 분할되어, 상류측 허니컴 구조체와 하류측 허니컴 구조체를 각각의 평판 단부(端部)를 겹쳐서 배열한 소용돌이 형상 또는 적층 형상의 허니컴 구조체이며, 허니컴 구조체의 셀 구멍 방향을 따른 외주면을 통체(筒體)로 피장(被裝)하고, 그 통체의 양단에 지지 플레이트(plate)를 장착하여 지지 플레이트로 통체 내부에 고정되어 있다.

또한, 일본특허공개 평10－159552호 공보에 개시되어 있는 배기가스 정화장치는, 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 검댕 입자를 저감 또는 제거하는 것이고, NO를 NO₂로 산화하는 제1 촉매, 및 탄화수소, 일산화탄소, 휘발성 유기물 성분을 산화시키는 제2 촉매를 갖고, 제2 촉매 모노리스(monolith) 위 또는 안에 포획된 검댕 입자가 제1 촉매로부터의 NO₂ 함유 가스 중에서 연소되며, 제1 촉매의 담체로서 사용되는 모노리스는 검댕 입자의 포집을 최소한도로 억제한다.

또한, 일본특허공표 2005－534487 공보에 개시된 디젤 엔진의 배기가스를 정화하는 배기가스 필터는, 부분적으로 유체(流體)를 관류(貫流)할 수 있는 재료로 이루어지는 필터부를 구비한 띠모양 필터층과 금속박으로 이루어지며, 필터층이 배기가스의 기체 성분을 전환하기 위한 촉매 활성 피복을 구비한 접촉부와 배기가스로부터 입자를 여과 제거하기 위한 필터부를 구비하고 있다.

또한, 일본특허공표 2003－509620호 공보에 개시된 가열요소가 부착된 배기가스 정화장치는, 외피관(外皮管) 내에 배치되어 배기가스로 관류되는 허니컴 구조의 촉매 담체와 전기가열요소(電氣加熱要素)를 갖고, 가열요소가 양단에 전기접속단자를 갖고, 가열요소 내에 전기절연용의 틈새에 의해 구부려진 유로가 규정되고, 가열요소의 허니컴체가 전기가열요소에 의해 촉매 담체에 고정되며, 허니컴체가 배기가스의 흐름방향에 있어서 촉매 담체의 하류에 배치되어 있다.

그런데, 디젤 엔진에서는, NO_X와 PM과는 트레이드 오프(trade off) 관계에 있어, 그 저감은 어렵고, 또한, 디젤 엔진은 배기가스 중의 산소 농도가 높기 때문에, 가솔린 엔진에서 유효한 삼원(三元)촉매에 의한 NO_X의 저감이 어렵다. 또한, PM의 주성분인 검댕은 산화 온도가 높기 때문에 특수한 저감장치가 필요하다. 촉매를 담지한 필터로 PM을 정화하는 DPF는 존재하지만, 촉매의 열화(劣化)에 관하여 는 미리 백금 등의 촉매를 필터에 넉넉하게 담지하여 두어, 성능을 확보할 수 있도록 구성되어 있지만, 극히 장거리를 주행하는 차량에는 충분하지 않고, PM을 배기가스 중으로부터 제거하는 본래의 성능을 발휘할 수 없을 가능성이 높아진다.

또한, PM의 주성분인 검댕은 필터에 의해 여과되어 연소하지만, DPF를 탑재한 차량이 정체로 등에서 연속적으로 주행하는 경우에, 엔진의 배기가스 온도는 촉매에 의한 PM의 연소 온도에 도달하는 빈도가 극히 적게 되고, 결과적으로 검댕에 의해 필터가 폐색(閉塞)되어, 그것이 배기관의 폐색으로 이어져 차량이 주행할 수 없게 될 가능성이 있다. 또한, 필터에 퇴적한 검댕이 주행 조건에 따라 검댕의 연소 온도를 웃돌았을 때에, PM이 급격하게 폭발적으로 연소하여, DPF를 파손하거나 필터를 용손(溶損)시키거나 화재로 발전할 우려가 있다. 따라서, 최근에는, DPF는 검댕의 퇴적량을 압력센서 등에 의해 검지하여, 검댕의 퇴적량이 일정치를 넘었을 경우에, 배기온도를 높이는 장치를 부가하여 검댕을 적극적으로 연소시키려고 하는 연구가 이루어져 왔다. 또한, 배기가스 정화장치를 설치한 엔진에서는, 팽창행정(行程) 후반이나 배기행정에 커먼레일식 연료분사장치를 사용하여 연료를 분사, 연소시켜 배기온도를 상승시키는 것, 상기 분사한 연료를 후방에 마련한 산화촉매에 의해 산화 발열시키는 것, 또는 PM 제거장치의 상류에 별도로 설치된 연료공급장치로부터의 연료를 후방에 마련된 산화촉매에 의해 산화 발열시켜 배기가스 온도를 상승시키는 것이 알려져 있다. 이러한 PM 정화시스템은 검댕에 의해 필터가 폐색될 위험성은 낮지만, 저속주행 등으로 배기가스가 고온으로 되는 빈도가 적은 경우는, 상기 연료를 사용한 배기가스 온도상승시스템이 가동하여, 쓸모없이 연료를 소 비하기 때문에, 주행 연비가 악화된다는 문제가 있었다. 특히, PM 촉매의 활성 온도가 낮은 경우는, 배기가스 온도상승시스템의 가동이 더욱 더 증가하여 연비가 악화된다.

본 발명의 목적은 상기 문제를 해결하기 위해, 배기가스가 통과하는 담체의 가스통로 그 자체의 구조를 종래의 것과 근본적으로 다르게 구성한 것으로서, 박판으로 형성하는 허니컴 구조의 담체 구조의 한계를 넘는 성능을 발휘시키기 위해, 철망(金網)이나 금속 부직포의 띠모양체(帶體)를 감거나 또는 적층하여 원통(圓筒)이나 각통(角筒)의 통체의 기둥모양체를 형성하여, 띠모양체 사이에 곧은 또는 지그재그로 뻗는 배기가스통로를 형성하여, 배기가스가 띠모양체의 틈새를 거의 통과하게 하지 않고, 대부분의 배기가스를 띠모양체의 통로 벽면을 따라 접촉 통과시켜, 배기가스 흐름에 교란을 발생시킴과 아울러 배기가스의 띠모양체 벽면에의 접촉면적을 증대시켜, 띠모양체 표면에 담지한 촉매의 도움으로 유해물질을 산화·환원 반응을 높여 유해물질을 소실시키고, 종래와 같은 입자상 물질에 의한 담체의 셀의 막힘이나 폐색 현상의 발생을 피하여, 입자상 물질이 통로의 띠모양체 벽면에 충돌하면서 접촉 통과하고, 배기가스가 통로를 항상 순조롭게 계속 흐르게 하여 경우에 따라서는 띠모양체에 충돌하거나 일부의 배기가스가 띠모양체를 빠져나가게 하여, 입자상 물질 등의 유해물질을 배기가스통로를 따라 띠모양체의 벽면에 포집하고, 예를 들면, 입자상 물질을 굴절로(屈折路)에 체류 또는 포집하여, 엔진 배기온도가 상승하였을 때의 엔진 배기열로 상기 입자상 물질을 가열 소각 또는 촉매의 도움으로 산화·환원하여 배기가스 중의 유해물질을 70∼99% 정도를 산화 또는 환원하여 소실시켜, 배기가스를 정화하여, 배기가스 중의 입자상 물질의 삭감율로서 40∼80% 정도를 확보할 수 있는 배기가스 정화장치에 적용하여 바람직한 배기가스 정화용 담체 구조를 제공하는 것이다.

본 발명은 배기가스 중에 포함되는 NO_X, HC, 입자상 물질, 슈트(soot)의 유해물질을 연소나 산화·환원 반응에 의해 소실시켜 상기 배기가스를 정화하기 위해 촉매를 담지한 담체와 상기 담체를 수납하는 통모양 케이스로 이루어지며,

상기 담체는 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 띠모양체를 통모양으로 감거나 또는 적층한 기둥모양체로 이루어지고, 상기 띠모양체는 적어도 상기 기둥모양체의 축에 대하여 평행한 곧은(straight) 형상 또는 경사 형상으로 뻗는 다수의 능선(稜線)과 이 능선 사이의 다수의 홈으로 성형된 파상 띠모양체를 갖고, 상기 띠모양체 사이에 상기 홈을 따라 상기 기둥모양체의 일단면으로부터 타단면으로 연통(連通)하는 배기가스통로가 형성되어, 상기 배기가스통로를 흐르는 상기 배기가스가 상기 띠모양체의 요철(凹凸) 표면에 의해 교란되어 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조에 관한 것이다.

또한, 상기 띠모양체는 상기 파상 띠모양체끼리가 겹쳐져 배치되고, 또는 상기 파상 띠모양체 사이에 편평한 띠모양체를 개재하여 상기 파상 띠모양체와 상기 편평한 형상 띠모양체가 교대로 겹쳐져 배치되어 있다. 또한, 상기 파상 띠모양체의 상기 능선은 상기 기둥모양체의 축에 대하여 지그재그로 경사지게 뻗어 상기 배기가스통로가 굴절로에 형성되어 있다. 또한, 상기 파상 띠모양체끼리가 겹쳐져 배치된 경우에, 상기 파상 띠모양체의 상기 능선에서 형성되는 상기 굴절로는 각각 교차하여 있다. 혹은, 상기 파상 띠모양체는 상기 기둥모양체의 축에 대하여 소정의 길이만큼 경사를 갖는 상기 능선과 소정의 길이만큼 평행하게 뻗는 상기 능선이 교대로 반복하는 모양으로 성형되어, 상기 파상 띠모양체의 상기 홈을 따라 형성되는 상기 배기가스통로가 평행로(平行路)와 굴절로로 구성된다.

또한, 상기 담체는 상기 파상 띠모양체와 상기 편평한 형상 띠모양체가 세트로서, 또는 상기 능선의 경사가 동일하거나 또는 다른 각도의 상기 파상 띠모양체끼리가 2매 이상 세트로서 겹쳐진 겹침 띠모양체가 통모양으로 감겨지거나 또는 적층되어 상기 기둥모양체로 구성되어 있다.

또한, 상기 띠모양체를 구성하는 상기 철망 또는 상기 금속제 부직포는 스테인레스강 또는 철 크롬 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 또한, 서로 겹쳐치는 상기 띠모양체끼리는 땜납 또는 땜납박의 땜납재로 접합되어 있다. 또한, 상기 담체의 적어도 한쪽의 단면(端面)은 상기 땜납재로 접합되며, 땜납 접합부는 미리 결정된 폭을 갖고 방사곡선(放射曲線)모양으로 뻗는 간헐적인 선 형상, 또는 외주측으로 폭이 넓어져서 방사곡선모양으로 뻗는 선 형상으로 이루어져 있다. 또한, 상기 기둥모양체는, 상기 파상 띠모양체를 감을 때에, 적어도 상기 능선이 인접하는 상기 띠모양체에 미리 결정된 영역의 부위에 상기 땜납재로 상기 띠모양체끼리가 땜납 접합되어 있다. 또한, 상기 띠모양체끼리가 땜납 접합된 상기 미리 결정된 영역의 부위는, 인접하는 상기 띠모양체로 상기 기둥모양체의 축방향으로 서로 위치가 어긋나 있다

또한, 상기 파상 띠모양체의 상기 능선은 상기 기둥모양체의 축에 대하여 l0°∼50°의 각도로 기울어져 있고, 상기 배기가스통로가 상기 굴절로에 형성되어 있다. 또한, 상기 파상 띠모양체의 상기 능선은 상기 기둥모양체의 축에 대하여 지그재그의 경사가 0°∼50°의 범위의 각도로 2종류 이상의 경사를 조합하고 있다. 또한, 상기 기둥모양체는 상기 통모양 케이스 내에 복수 개 직렬로 배치되며, 상기 기둥모양체의 상기 파상 띠모양체의 상기 능선의 경사 각도는 상기 배기가스의 상류측과 하류측에서 동일하거나 또는 다르게 되어 있다. 또한, 상기 철망을 구성하는 금속제 와이어의 선경(線徑)은 0.03mm∼0.35mm이다.

또한, 상기 철망의 메쉬는 16∼200 메쉬이다. 또한, 상기 철망의 메쉬는 철망띠(鐵網帶)의 종선(縱線)의 메쉬 수가 상기 철망띠의 횡선(橫線)의 메쉬 수보다 많고, 상기 철망띠의 상기 종선의 상기 메쉬 수가 30∼100 메쉬이고 또한 상기 횡선의 상기 메쉬 수가 60∼200 메쉬로 설정되어 있다.

또한, 상기 파상 띠모양체의 파상 요철의 피치(pitch)는 1mm∼6mm이다. 또한, 상기 파상 띠모양체의 파상 요철의 높이는 0.5mm∼5mm이다.

또한, 상기 담체를 구성하는 상기 띠모양체의 선재(線材) 표면에는, 알루미나, 실리카, 산화 지르코늄, 세리아 중 적어도 1종 이상의 세라믹스가 코팅되어 있다. 또한, 상기 코팅층의 표면에는 백금, 은, 칼륨, 팔라듐, 이리듐, 철, 구리, 바륨으로부터 선택되는 1종 또는 복수 종의 촉매가 담지되어 있다.

또한, 상기 배기가스가 상기 띠모양체 사이에 상기 홈을 따라 형성된 상기 배기가스통로를 통과할 때에, 상기 배기가스에 포함되는 상기 유해물질이 상기 띠 모양체에 접촉하면서 교란 상태로 흘러 상기 담체에 담지되어 있는 촉매의 도움으로 산화·환원 반응하여 소실된다. 또한, 상기 담체에 담지되어 있는 촉매는 산화촉매, 삼원촉매, 혹은 탄화수소계 연료, 암모니아 또는 요소(尿素)를 환원제로서 기능시키는 NO_X 환원촉매이다.

또한, 이 배기가스 정화용 담체 구조는 상기 배기가스를 배출하는 배기통로에 상기 담체를 조립한 필터를 배치하여, 상기 필터에 상기 배기가스를 통하여 상기 유해물질이 상기 띠모양체에 포집됨과 아울러 상기 유해물질이 상기 띠모양체에 접촉 통과하여 상기 유해물질을 연소, 산화·환원하여 소실시켜 상기 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치에 적용되는 것이다.

즉, 상기 배기가스 정화용 담체 구조는 배기가스 정화장치에 조립하여 적용할 수 있는 것이다.

또한, 상기 띠모양체는 폭방향으로 요철부로 성형되어 있고, 상기 띠모양체를 상기 기둥모양체에 감거나 또는 적층한 상태에서는 서로 적층한 상기 요철부가 상기 띠모양체를 서로 걸어서, 상기 기둥모양체의 축방향으로 상기 띠모양체가 배기가스 흐름 방향으로 서로 어긋나지 않도록 구성되어 있다.

또한, 상기 필터는 상기 파상 띠모양체와 상기 편평한 형상 띠모양체가 세트로 하여 또는 상기 능선의 경사가 동일 또는 다른 각도의 상기 파상 띠모양체끼리가 2매 이상 세트로서 겹쳐진 겹침 띠모양체가 통모양으로 감거나 또는 적층하여 상기 기둥모양체로 구성되어 있다. 또한, 상기 필터의 적어도 한쪽의 단면은 땜납 재로 접합되고, 땜납 접합부는 미리 결정된 폭을 갖고 방사곡선모양으로 뻗는 간헐적인 선 형상, 또는 외주측으로 폭이 넓어져서 방사곡선모양으로 뻗어 있다.

또한, 상기 필터는 상기 기둥모양체가 상기 배기가스의 흐름 방향으로 복수 직렬로 배치하여 구성되어 있다. 또한, 상기 파상 띠모양체의 상기 능선의 경사 각도는 상기 배기가스의 상류측이 작으면서 하류측이 크게 성형되어 있다. 상기 필터는 적어도 3개의 상기 띠모양체를 세트로 하여 상기 파상 띠모양체로 성형하는 경우에, 상기 띠모양체는 내측의 메쉬가 촘촘하고, 외측의 메쉬가 듬섬 듬섬하도록 배치하여 구성되어 있다.

또한, 상기 필터는 적어도 3개의 상기 띠모양체를 세트로 하여 상기 파상 띠모양체로 성형하는 경우에, 상기 띠모양체는, 내측이 금속제 와이어의 선경(線徑)이 작으면서 메쉬가 촘촘하고, 외측이 상기 금속제 와이어의 선경이 크면서 메쉬가 듬섬 듬섬하도록 배치하여 구성되어 있다.

또한, 상기 필터는 배기가스 흐름의 상류로부터 하류로 갈수록 상기 피치가 작아지는 상기 파상 띠모양체와, 상기 배기가스 흐름의 상류로부터 하류로 갈수록 상기 피치가 커지는 상기 파상 띠모양체가 교대로 겹쳐져 구성되어 있다.

또한, 상기 배기가스가 상기 띠모양체 사이에 형성된 상기 굴절로를 통과할 때에, 상기 배기가스 중에 포함되는 상기 입자상 물질은 상기 띠모양체의 상기 철망 또는 금속제 부직포에 접촉하면서 흐르고 또는 상기 굴절로에서 일단 접촉 체류 하여 산화 소각된다. 또한, 상기 배기가스가 상기 띠모양체 사이에 상기 파상 띠모양체의 상기 홈으로 형성된 상기 배기가스통로의 상기 굴절로를 통과할 때에, 상 기 굴절로에 포집되어 있는 상기 입자상 물질이 시간 경과와 함께 상기 담체에 담지되어 있는 촉매의 도움으로 산화 반응하여 소실된다.

본 발명에 의하면, 배기가스 정화용 담체 구조는 상기와 같이 구성되어 있으므로, 파판상(波板狀)으로 성형된 철망 또는 금속제 부직포를 성형한 파상 띠모양체와 편평한 형상 띠모양체를 적층하여 나선상(螺旋狀)으로 감거나 또는 적층하여, 파상 띠모양체의 다수의 홈을 따라 허니컴 구조를 형성하고, 파상 띠모양체의 홈을 따라 입구와 출구가 봉지되어 있지 않은 관통한 배기가스통로를 형성하여, 배기가스통로의 띠모양체의 요철 표면에 의해 배기가스의 접촉면적이 증대하고, 배기가스의 띠모양체에 담지된 산화촉매, 삼원촉매, NO_X 선택 환원촉매 등의 각종 촉매와의 접촉 기회를 증대시켜, HC, NO_X, CO의 유해물질을 물, 이산화탄소, 질소로 산화 환원시켜 유해물질을 소실시키는 성능을 촉진할 수 있다. 특히, 이 배기가스 정화촉매용 담체 구조는, 파판상의 띠모양체의 능선을 지그재그로 성형함으로써 통로를 지그재그 모양으로 성형하여, 배기가스의 접촉면적을 증대시킴과 아울러, 철망 또는 금속제 부직포를 구성하는 띠모양체의 요철 표면에 의해 배기가스의 흐름에 교란을 발생시켜, 배기가스를 파판상 벽에 접촉시켜 충돌시키면서 흘려, 유해물질과 촉매와의 접촉 기회를 증대시켜, 산화 환원의 높은 성능을 확보하고, 또한, 배기가스가 띠모양체를 통과하는 것이 아니라, 배기가스통로를 파상 띠모양체의 홈을 따라 형성하였으므로, 배기가스통로가 검댕 등의 입자상 물질로 폐색되는 일 없이 항 상 확보된다.

또한, 이 담체 구조는 촉매를 담지하는 담체의 배기가스와의 접촉 표면적이 크고 극히 정화성능이 고성능이며, 그에 따라 담체 자체를 소형으로 구성할 수 있어 저비용으로 제작할 수 있으며, 또한, 환원제를 사용하는 NO_X 선택 환원촉매에서는, 극히 높은 성능을 갖고, 크기를 절반 이하로 소형화할 수 있고, 담체가 금속제이므로, 세라믹스와 같이 박리(剝離) 등이 발생하지 않아, 내구성이 뛰어나다. 또한, 담체는 철망의 사양(선경, 메쉬 수, 개수)을 변경함으로써, 파판으로 형성되는 배기가스통로의 단면 형상을 평행로 또는 지그재그 형상의 굴절로로 변경함으로써 처리효율을 제어할 수 있다. 배기가스통로를 굴절로로 형성함으로써, 배기가스 중의 입자상 물질을 효율적으로 포집하여 소실시키는 기능을 갖게 할 수도 있다. 또한, 이 담체 구조는 종래와 같은 스테인레스강제의 박판 대신에 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 띠모양체를 나선상으로 감거나 또는 적층하여 담체를 제작할 수 있으므로, 담체 성형의 자유도가 대폭으로 개선되어, 제조가 용이하며 염가이다. 예를 들면, 종래의 20∼30㎛의 스테인레스강제의 박판에서는, 신장 등을 거의 기대할 수 없지만, 본 발명과 같이 담체의 소재가 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 띠모양체에서는, 성형의 자유도가 높아져, 성형을 간단하게 염가로 실시할 수 있다. 즉, 20∼30㎛의 박판에서는, 신장 등은 거의 기대할 수 없지만, 철망 또는 금속제 부직포의 성형에서는 자유도가 높아진다.

또한, 이 담체 구조는 띠모양체를 한 쌍의 요철 성형구(成形具)를 통하거나 또는 압압 성형만으로, 간단하게 능선과 이 능선 사이의 홈을 성형할 수 있어, 파상 띠모양체의 제조가 용이하여 염가이며, 띠모양체는 서로 얽혀 있으므로, 반드시 띠모양체끼리를 접합할 필요가 없게 된다.

이 배기가스 정화용 담체 구조가 조립된 배기가스 정화장치는 배기가스의 통로와 입자상 물질(이하, PM) 등의 포집 부분이 구획되어 있으므로, 필터가 PM 등으로 폐색되는 일이 없이, PM 포집율을 40∼80% 정도를 항상 확보할 수 있고, 또한, 슈트, HC, NO_X 등의 유해물질을 연소 또는 촉매의 도움으로 산화·환원에 의해 소실시킬 수 있어, 필터가 PM으로 폐색되는 경우가 없다. 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 파상 띠모양체의 홈을 따른 배기가스통로를 지그재그 모양으로 형성하여, 배기가스가 파상 띠모양체의 요철벽에 충돌하면서 흘러, 충돌한 배기가스 중의 PM을 포착할 수 있고, PM을 포착해도 배기가스통로는 폐색되는 경우가 없다. 띠모양체의 철망의 메쉬의 사양(선경, 메쉬 수, 개수)을 변경하거나 파상 띠모양체에 형성되는 배기가스통로의 단면 형상, 지그재그 모양의 형상을 변경함으로써, PM의 보수율(補修率)을 조정할 수 있다. 즉, 필터는 배기가스 중의 PM 등의 유해물질이 굴절로 또는 평행로의 통로 벽면에 접촉하면서 흘러 가열 연소 또는 산화·환원되고, 비록 유해물질 중 PM이 즉시 가열 연소나 산화 연소하지 않고 PM이 벽면에 체류하여 포집된 상태이어도, 통로 벽면인 필터의 배기가스통로 그 자체가 폐색된는 경우가 없고, 포집된 PM이 시간 경과에 따라 가열 연소나 산화 연소하여 소실하여, PM의 배기가스로부터의 제거율을 40∼80% 달성할 수 있어, 배기가스는 항상 장시간 에 걸쳐서 순조롭게 통로를 흘러 엔진의 운전 상태에 악영향을 미치는 경우가 없다. 이 배기가스 정화장치는 필터에 굴절로나 평행로가 형성되어, 배기가스통로와 PM의 포집 부분이 별개이기 때문에, 배기가스통로가 폐색되는 경우가 없고, 포집된 입자상 물질은 시간 경과와 함께 촉매의 도움으로 서서히 산화 연소 소실, 또는 엔진 배기온도가 높아져 배기열에 의해 가열 연소 또는 NO₂에 의해 산화 소실하게 되어, 배기가스 중의 PM의 포집 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 배기가스 정화용 담체 구조가 조립된 배기가스 정화장치는 엔진, 버너, 가스 발생원 등으로부터의 배기가스를 배기통로에 배치한 필터를 통하여, 배기가스에 포함되는 입자상 물질(PM), 슈트, HC, NO_X 등의 유해물질을 촉매의 도움으로 연소시켜, 또는 산화·환원에 의해 변환하여 소실시키는 배기가스를 정화하는 것에 적절하며, 예를 들면, 신차 또는 기존 차의 엔진, 특히, 디젤 엔진으로부터의 배기가스를 배출하는 배기관에 배치되는 필터에 적용하는데 바람직한 것이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 배기가스 정화용 담체 구조가 조립된 배기가스 정화장치를 설명한다.

이 배기가스 정화장치는, 배기계에 촉매를 담지한 담체(1)(총칭(總稱)은 부호 1)로 구성된 필터(20)를 조립한 것이며, 담체(1)는 엔진, 버너, 연소장치, 연도(煙道) 등의 배출구로부터 배출되는 배기가스에 포함되는 입자상 물질(PM), 슈 트, HC, NO_X 등의 유해물질을, 촉매의 도움으로 물, 이산화탄소, 질소에 산화·환원 반응시켜 소실시키는 것이다.

이 배기가스 정화용 담체 구조에 있어서의 담체(1)는 도 1∼도 3에 도시하는 바와 같이, 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 띠모양체(8)를 성형한 파상 띠모양체(3)와 편평한 형상 띠모양체(13)를 교대로 배치하고, 혹은 도 4∼도 6에 도시하는 바와 같이, 파상 띠모양체(3)를 단독으로, 또는 파상 띠모양체(3)끼리를 배치하여 소용돌이 형상 즉, 나선상으로 감거나 또는 적층하여 기둥모양체(4)로 구성하고, 띠모양체(8)를 성형하여 제작된 파상 띠모양체(3)의 홈(6)을 따라 기둥모양체(4)의 일단면의 유입구(9)로부터 타단면의 유출구(10)로 연통한 배기가스통로(5)를 형성한 것을 특징으로 하고 있다(도 12∼도 15). 기둥모양체(4)는 전체적으로, 원통, 각통 등의 통체로 형성되어 있다. 파상 띠모양체(3)의 홈(6)을 따라 형성된 배기가스통로(5)는 단부가 봉지되어 있지 않고, 일단면의 유입구로부터 타단면의 유출구로 연통하여 곧은 또는 지그재그로 뻗는 다수의 허니컴 구조로 형성되어 있다. 이 배기가스 정화장치에서는, 도 12, 도 13에 도시하는 일직선의 배기가스통로(5)를 구비한 담체(1)는 HC, NO_X 등의 유해물질을 정화하는데 적합하고, 또한, 도 14, 도 17에 도시하는 지그재그인 배기가스통로(5)를 구비한 담체(1)는 HC, NO_X 에 더하여 입자상 물질(18) 등의 유해물질을 정화하는데 적합하다.

띠모양체(8)는 철망을 각종의 구성으로 짜거나 금속제 부직포라도 좋다. 파상 띠모양체(3)는 편평한 띠모양체(8)를 기어형상 등의 성형구(成形具)에 의해 폭 방향으로 능선(7)과 능선(7) 사이의 홈(6)에 성형함으로써 형성할 수 있고, 또한, 편평한 형상 띠모양체(13)는 띠모양체(8)를 평평하게 성형하여 형성할 수 있다. 또한, 기둥모양체(4)를 형성하는 띠모양체(8)는 그 표면에 유해물질을 산화·환원시켜 소실시키는 촉매를 담지하고 있다. 띠모양체(8)는 철망 또는 금속제 부직포로 성형되어 표면에 다수의 요철이 형성되고, 요철 표면에 촉매가 담지되어 있으므로, 띠모양체(8)로 이루어지는 담체(1)는, 배기가스(G)가 띠모양체 표면에 접촉할 기회가 증가하여 배기가스가 높은 정화성능을 발휘할 수 있다. 배기가스(G)는 담체(1)의 띠모양체 벽면의 접촉 흐름에 의해 교란 즉, 난류를 일으켜, 배기가스(G)와 촉매의 접촉 기회나 접촉 시간이 증대되어 유해물질의 산화·환원이 촉진되게 된다. 담체(1)를 구성하는 띠모양체(8)는 항시, 저온과 고온의 반복적인 열응력을 받고 있고, 또한 온도분포도 띠모양체(8)의 장소에 따라 차이가 난다. 띠모양체의 철망 또는 금속제 부직포는 각각 매우 가는 와이어로 구성되어 있기 때문에, 열분포에 의한 변형을 유연하게 허용할 수 있어 국부적인 소성변형 등이 일어나지 않으므로, 표면에 코팅되어 있는 세라믹스 등은 벗겨지지 않고 내구성도 우수하다. 담체(1)는 배기가스(G)의 흐름에 교란을 일으킴으로써, 담체(1)의 표면에 코팅 등으로 담지된 촉매와의 접촉이 대폭으로 증대되어 담체(1)에 담지된 촉매의 종류에 무관하게 정화성능을 높일 수 있고, 혹은 종래의 것과 동등한 정화성능을 얻는다면, 본 발명은 대폭으로 소형화할 수 있다.

또한, 파상 띠모양체(3)는 도시하고 있지 않지만, 지그재그의 요철 모양의 한 쌍의 롤(roll)형의 프레스기 등의 성형구로 통과하는 것만으로, 또는 롤 사이에 서 압압되는 것만으로, 능선(7)과 능선(7) 사이의 홈(6)으로 이루어지는 물결형상으로 성형된다. 파상 띠모양체(3)의 능선(7)은 도 1이나 도 10에 도시하는 바와 같이, 평행하게 뻗는 형상, 또는 기둥모양체(4)의 축에 대하여 경사를 갖는 형상, 구체적으로는, 도 4∼도 6에 도시하는 바와 같이, 기둥모양체(4)의 축에 대하여 유입구(9)로부터 유출구(10)로 지그재그로 성형구로 성형되어 있다. 따라서, 담체(1)는 파상 띠모양체(3)의 능선(7)이 평행하게 뻗어 홈(6)을 따라 다수의 평행로(17)를 구비한 것, 혹은 파상 띠모양체(3)의 능선(7)이 굴절하여 뻗어 홈(6)을 따라 다수의 굴절로(16)를 구비한 것으로 형성되어 있다. 또한, 기둥모양체(4)는 도 5, 도 7 및 도 16에 도시하는 바와 같이, 능선(7)의 경사가 역방향으로 뻗도록 서로 크로스(cross) 즉, 교차하여 겹쳐진 적어도 2개의 파상 띠모양체(3)를 세트로 하여 나선상으로 감아져 있다. 도 16에는 2개의 철망띠(3)를 적층한 상태가 도시되어 있는데, 한쪽의 파상 띠모양체(3)를 실선으로 표시하고, 다른 쪽의 파상 띠모양체(3)을 점선으로 표시하고, 파상 띠모양체(3)의 능선(7)이 서로 교차상태로 적층된 상태가 도시되어 있다. 혹은 도시하고 있지 않지만, 파상 띠모양체(3)에 성형된 능선(7)은 기둥모양체(4)의 축에 대하여 소정의 길이만큼 경사를 갖는 부분과 소정의 길이만큼 평행하게 뻗는 부분이 교대로 반복하여 형성할 수도 있다. 이 배기가스 정화장치는 특히, 배기가스(G)가 띠모양체(8) 사이의 홈(6)을 따라 형성된 배기가스통로(5)를 통과할 때에, 배기가스(G) 중의 유해물질이 띠모양체(8)에 접촉하면서 교란되어 흘러서 연소 혹은 산화·환원 반응하여, 물, 이산화탄소, 질소로 변환되어 소실시키는 것을 특징으로 하고 있다.

담체(1)를 구성하는 파상 띠모양체(3)에 형성한 굴절로(16)에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 배기가스(G)가 화살표로 표시하는 방향으로 흐른다. 담체(1)는 도 7∼도 9에 도시하는 바와 같이, 배기가스(G)가 파상 띠모양체(3) 사이에 형성된 굴절로(16)를 통과할 때에, 배기가스 중의 입자상 물질(18)은 파상 띠모양체(3)에 접촉하면서 흐르고 또는 능선(7) 사이의 홈(6)에 형성되는 굴절로(16)의 굴절부분 등의 영역에서 일단 체류하고, 거기서 서서히 입자상 물질(18)이 산화 연소하여 소각된다. 배기가스(G)에 포함된 입자상 물질(18)은 배기가스(G)와 함께 굴절로(16)를 흐름에 따라 파상 띠모양체(3)의 띠모양체 벽면에 접촉하면서 흘러 띠모양체(8)의 철망 또는 금속제 부직포에 담지되어 있는 촉매의 도움으로 소실되지만, 입자상 물질(18)의 일부는 굴절로(16)의 굴절부분 등의 영역에서 일단 체류하고, 거기서, 배기가스 온도가 높아져 배기열로 가열 소각 또는 NO₂에 의해 산화 소실하고, 혹은 서서히 촉매의 도움으로 산화 연소하여 소각되게 되어, 굴절로(16)는 입자상 물질(18)로 폐색되는 일 없이 배기가스(G)가 항상 순조롭게 흐르도록 연통하여 있다.

또한, 이 배기가스 정화장치는 도 10에서는, (A)의 (a)가 단면도, (b)가 평면도이며, 가스 유속이 느린 경우의 배기가스(G)의 흐름을 나타내고 있다. 또한, 도 10에서는, (B)의 (a)는 단면도, (b)는 평면도이며, 가스 유속이 빠른 경우의 배기가스(G)의 흐름을 나타내고 있다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 배기가스(G)의 유속이 빠를수록, 배기가스(G)는 필터(20)의 통 안에 평행하게 흐르려고 하므로, 배기가스(G)의 흐름에 약간의 각도 즉, 굴절로(16)를 부여함으로써, 배기가스(G)에 포함되는 PM을 배기가스통로(5)를 형성하는 철망 또는 금속제 부직포의 벽면에 부착시키면서 흐르기 때문이며, 가스 유속이 빠른 경우는, 느린 경우보다 훨씬 통 안에서 평행하게 흐르는 특성이 강하고, 그 결과, 배기가스통로(5)의 벽을 구성하는 철망 또는 금속제 부직포를 관통하여 흘러 PM을 벽에 부착시켜 PM을 제거하는 특성이 약해져, PM정화율이 작아지기 때문이다. 마찬가지로, 가스 유속이 작은 경우에는, 가스 유속이 높은 경우의 반대의 특성으로 된다.

또한, 이 배기가스 정화장치에서는, 파상 띠모양체(3)의 능선(7)은 기둥모양체(4)의 축에 대하여 지그재그의 경사의 각도가 동일하거나 또는 다르며, 그 범위는 기둥모양체(4)의 축에 대하여 거의 10°∼50°의 각도로 기울어, 배기가스통로(5)의 경사로인 굴절로(16)에 형성되어 있다. 또한, 기둥모양체(4)는 통모양 케이스(2) 내에 복수 개 직렬로 배치되며, 기둥모양체(4)의 파상 띠모양체(3)의 능선(7)의 경사 각도는 배기가스(G)의 상류측과 하류측에서 동일하거나 또는 달라지는 것이다. 배기가스통로(5)에서의 배기가스(G)의 흐름을 고려하면, 능선(7)의 경사 각도는 10°∼50°인 것이 바람직하다. 능선(7)의 경사의 각도범위의 검증은 본 발명품과 종래의 메탈 허니컴(metal honeycomb)에 백금을 담지시킨 탄화수소의 정화성능을 조사한 것이다. 본 발명품이 높은 정화율을 확보할 수 있었던 것은, 띠모양체(8)의 철망 또는 금속제 부직포의 표면이 배기가스(G)의 흐름에 교란을 일으켜, 촉매와의 접촉을 대폭으로 증가시키는 것이 하나의 요인이라고 사료된다. 능선(7)의 경사 각도는 배기가스(G)에 대하여 최적값이 존재하여 있다. 도 23에 는, 엔진 회전속도에 대응하여 파상 띠모양체(3)의 능선(7)의 경사 각도에 따라 PM정화율이 다른 것을 나타내고 있다. 즉, 능선(7)의 각도가 45°인 경우에는, 도 23의 그래프 A로 나타내는 바와 같이, 엔진 속도가 500rpm∼2000rpm인 경우에, PM정화율이 양호하고, 또한, 능선(7)의 각도가 30°인 경우에는, 도 23의 그래프 B로 나타내는 바와 같이, 엔진 속도가 2000rpm∼3500rpm인 경우에, PM정화율이 양호하였다. 따라서, 엔진은 주행도로 조건에서 아이들링 운전의 저속으로부터 최고 출력을 발휘하는 고속까지 크게 변화하고, 그에 따라 배기가스(G)의 유량은 크게 변화하므로, PM정화율을 높이기 위해, 저속에 맞춘 각도와 고속에 맞춘 각도를 복수 조합시키도록, 배기가스(G)의 상류측으로부터 하류측으로 향하여 지그재그의 각도를 2회 이상 바꿈으로써 뛰어난 PM정화율의 성능을 얻을 수 있다.

이 배기가스 정화장치에서는, 파상 띠모양체(3)의 능선(7)의 경사 각도의 차이를 배기가스(G)의 흐름의 상류와 하류에서 변화시키는 경우는, 각도가 작은 파상 띠모양체(3)에 제작한 필터(20)를 상류에 배치하고, 각도가 큰 파상 띠모양체(3)에 제작한 필터(20)를 하류에 배치하는 것이 포집 효율을 유효하게 발휘시킬 수 있다. 즉, 배기가스 유량이 큰 경우는 배기온도도 대체로는 고온이기 때문에, PM을 포집해도 PM이 산화 연소하므로, PM이 필터(20)에 퇴적되는 퇴적량이 적다. 그러나, 저속시는 배기가스 유량이 작고, 배기온도도 낮으므로 PM이 퇴적하는 양이 커지는 경우가 많다. 이러한 경우에는, 상류에 각도가 작은 파상 띠모양체(3)의 필터(20)를 배치하는 것이 높은 포집율은 아니지만, PM을 포집할 수 있어, 하류에 설치한 각도가 큰 필터(20)의 퇴적량이 감소하므로, 부담이 적고, 필터 전체로 유효하게 PM을 포집할 수 있게 된다. 또한, 이 배기가스 정화장치에서는, 파상 띠모양체(3)의 능선(7)의 경사 각도가 큰 것과 각도가 작은 것을 조합하여 띠모양체(8)를 감음으로써 저속으로부터 고속까지 밸런스 좋게 PM을 포집할 수 있다. 또한, 1개의 담체(1)의 띠모양체(8)의 능선 각도를 일정하게 하고, 2종류 이상의 다른 능선 각도의 담체(1)를 배기가스(G)의 흐름에 직렬로 배치하면, 저속으로부터 고속까지 안정된 성능을 얻을 수 있다. 혹은 1개의 담체(1)에, 띠모양체(8)의 능선 각도가 다른 것을 2종류 이상 조합하여 말아 넣는 것 또는 적층한 것을 사용해도, 저속으로부터 고속까지 안정된 성능을 얻을 수 있다. 또한, 능선(7)의 경사 각도가 다른 것을 조합한 담체(1)의 복수 개를, 배기가스(G)의 흐름에 직렬로 배열함으로써, 더 높은 정화율을 얻을 수 있음과 아울러, 복수 개를 같은 사양으로 제조할 수 있으므로, 담체(1)의 제조비용을 저감할 수 있다.

담체(1)에 담지시킨 촉매는 삼원촉매, 산화촉매, NO_X 환원촉매(NO_X 선택환원촉매)를 사용할 수 있다. 본 발명은 삼원촉매, 산화촉매, NO_X 환원촉매 중 어느 촉매를 사용해도, 정화성능을 대폭으로 향상시킬 수 있고, 종래의 담체와 동등한 정화성능을 확보한다면, 대폭으로 소형화할 수 있어 저비용으로 제조할 수 있다. 또한, 요소(또는 암모니아), 경유 등의 환원제를 사용하는 NO_X 환원촉매는 배기가스(G)와 배기가스(G)에 혼합된 환원제를 균일하게 혼합하는 것이 극히 중요하다. 차량에 탑재하는 정화 시스템의 경우는, 극히 좁은 공간에서 배기가스(G)와 환원제를 균일하게 분산, 혼합시킬 필요가 있다. 종래의 담체에서는, 배기가스(G)에 대 한 환원제의 농담(濃淡)이 생겨 곤란한 것이지만, 본 발명품을 사용하면, 분산 혼합이 순조롭게 달성된다. 이 배기가스 정화장치는 PM을 포집하는 것을 목적의 하나로 구성하고 있지만, 그 이외, NO_X 환원촉매를 필터(20)에 담지할 수도 있다. 경유를 환원제로서 사용하는 NO_X 환원촉매는 촉매로서 백금, 은 등을 사용하는 경우가 많다. 이러한 경우에는, PM을 연소시키는 효과를 가지므로, 필터(20)에 NO_X 환원촉매를 담지함으로써 PM을 포집 연소시켜 정화함과 동시에, NO_X 정화를 실시하고, 그에 따라, 이 배기가스 정화장치를 NO_X·PM 동시 정화장치로서 기능시킬 수 있다. 이 배기가스 정화장치에서는, 필터(20)에 제올라이트 등을 사용한 NO_X 환원촉매를 담지할 수도 있고, 이 경우도 NO_X 정화와 PM 포집정화를 동시에 같은 필터(20)로 실시할 수 있어, 장치 그 자체를 소형화하여, 저비용화를 달성할 수 있다. 또한, 종래의 세라믹스 허니컴이나 메탈 허니컴 담체는 배기가스의 입구로부터 들어간 배기가스가 어느 셀 안을 흘러 근처 셀의 배기가스와는 섞이는 일이 없이, 담체의 출구에 도달한다. 그러나, 본 발명의 담체(1)는 하나의 셀은 유입구(9)로부터 유출구(10)까지 곧은으로 뻗음과 아울러, 셀과 인접하는 셀과는 철망 또는 금속제 부직포의 다공(多孔)을 통하여 연통하여 있으므로, 배기가스(G)가 혼합하면서 흘러 혼합이 촉진되고, 그에 따라 담체(1)의 유입구(9)에서의 환원제의 균일성이 다소 나빠도, 배기가스(G)가 담체(1)를 흐르는 동안에 배기가스(G)와 환원제의 혼합이 계속되며, 결과적으로, 극히 높은 정화율을 얻을 수 있다. 실제의 엔진을 사용한 시 험에서는, 본 발명품은 종래의 것과 비교하여 3배의 SV(1/h)이며, 종래의 것과 동등한 성능을 얻는다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, SV(1/h)는 가스 유량을 담체 용적(容積)으로 나눈 비(比)이다.

또한, 띠모양체(8)를 구성하는 철망 또는 금속제 부직포는 스테인레스강 또는 철 크롬 알루미늄 합금의 와이어로 구성되어 있다. 또한, 띠모양체(8)를 구성하는 철망의 와이어의 선경은 0.03mm∼0.25mm인 것이 바람직하고, 또한, 파상 띠모양체(3)와 편평한 형상 띠모양체(13)를 구성하는 철망의 메쉬는 30∼200 메쉬인 것이 바람직하다. 또한, 담체 즉, 필터(20)는 적어도 2개의 띠모양체(8)를 세트로 하여 파판상(波板狀)을 성형하는 경우에, 내측의 띠모양체(8)의 철망의 메쉬를 촘촘하게 하고, 외측의 띠모양체(8)의 철망의 메쉬를 듬섬 듬섬하게 한 것이다. 띠모양체(8)의 철망의 메쉬는 띠모양체(8)의 종선과 횡선의 메쉬 수가 다르며, 띠모양체(8)의 종선의 메쉬 수가 띠모양체(8)의 횡선의 메쉬 수보다 많게 되어 있다. 본 실시예에서는, 띠모양체(8)의 종선의 메쉬 수가 30∼100 메쉬이며, 띠모양체(8)의 횡선의 메쉬 수가 60∼200 메쉬가 되도록 설정되어 있다. 바꾸어 말하면, 띠모양체(8)의 종선이란, 띠모양체(8)의 길이방향으로 뻗는 와이어이며, 띠모양체(8)의 횡선이란, 띠모양체(8)의 폭방향으로 뻗는 와이어이다. 일반적으로, 띠모양체(8)를 형성하는 철망은 종선과 횡선으로 제직되지만, 철망을 제직하는 속도는 횡선의 메쉬 수에 따라 구속된다. 횡선의 메쉬 수가 많은 경우에는, 제직기로 1회로 제직되는 속도가 늦어지고, 즉, 제직의 소요 시간이 길어지고, 그 결과, 철망을 제직하기 위한 작업 비용은 높아진다. 그러나, 종선의 메쉬 수가 많은 경우에는 종선을 제직기에 셋팅하는 작업이 약간 많아지지만, 횡선의 메쉬 수가 적어도 되며, 그 때문에, 제직의 소요 시간이 대폭으로 짧아져, 제직작업 효율이 상승된다. 따라서, 철망의 제조 비용을 줄이려면, 제직기에 의해 제직하는 속도가 빨라지도록 횡선의 메쉬 수를 줄이는 것이 유효하다. 한편, 단위면적 당의 표면적은 예를 들면, 날실(縱絲)이 80 메쉬와 씨실(橫絲)이 80 메쉬로 이루어지는 철망과, 날실이 120 메쉬이고 씨실이 40 메쉬로 이루어지는 철망과는, 동일하게 되어 담체(1)의 성능도 마찬가지로 된다.

또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 파상 띠모양체(3)의 능선(7)과 홈(6)의 크기에 대하여, 능선(7) 사이의 즉, 요철의 피치(P)는 lmm∼6mm로 설정되는 것이 바람직하고, 피치(P)가 lmm 이하이면, 배기가스통로(5)가 너무 좁아 PM 등이 막히는 경향으로 되며, 또한, 6mm 이상이면, 배기가스통로(5)가 너무 넓어 배기가스(G)의 촉매에의 접촉이 충분하지 않게 된다. 또한, 담체(1)의 능선(7) 사이의 피치(P)의 크기는 길이방향에서 동일하게 하거나 또는 변경함으로써 배기가스통로(5)의 폭 크기를 변경할 수 있어 배기가스(G)의 흐름에 바람직한 교란을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 파상 띠모양체(3)에 대하여, 피치(P)의 크기는 도시하고 있지 않지만, 흐름의 상류측을 크게 하고 하류측을 작게 하는 것과, 그 반대로 한 것을 교대로 형성하거나, 또는 길이방향으로 동일한 크기로 형성할 수 있다. 파상 띠모양체(3)의 능선(7)의 피치를 작게 형성할수록, PM의 포집비율은 높아지지만, 한편, 능선(7)의 피치가 너무 작으면, PM에 의한 필터(20)의 막힘이 생길 경우가 있다.

따라서, 이 배기가스 정화장치에서는, 높은 포집율을 얻기 위해서는 파상 띠 모양체(3)를 비교적 피치가 작은 것으로 제작하여, 부분적으로 피치가 큰 것을 말아 넣는 것이 유효하게 된다. 주행함에 있어서, 장시간에 걸쳐 PM이 연소하지 않고, 필터에 퇴적하는 경우라도, 피치가 큰 부분은 폐색되는 경우가 없기 때문에, 다소 엔진 출력은 저하하지만, 주행에 지장은 발생하지 않는다. 필터(20)에 있어서의 파상 띠모양체(3)의 능선(7)의 피치를, 상류측을 크게 하류측을 작게 형성한 필터벽과, 상류측의 피치를 작게 하류측의 피치를 크게 형성한 필터벽을 교대로 조합하면, 배기가스(G)의 흐름에 대하여 배기가스(G)의 일부가 필터벽을 통과하는 양을 적절히 조정할 수 있어 PM 포집율을 조정할 수 있다. 또한, 파상 띠모양체(3)는 능선(7)과 홈(6)의 파판(波板)의 요철의 높이(H)는 0.5mm∼5mm인 것이 바람직하고, 높이(H)가 0.5mm 이하이면, 배기가스통로(5)가 너무 낮아 PM 등이 막히는 경향으로 되며, 또한, 5mm 이상이면, 배기가스통로(5)가 너무 높아 배기가스(G)의 촉매에의 접촉이 충분하지 않게 된다. 필터(20)는 능선(7) 사이의 피치(P) 및 능선(7)과 홈(6)의 요철의 높이(H)를 조정함으로써, 굴절로(16) 또는 평행로(17)의 크기를 조절할 수 있고, 배기가스(G)의 흐름을 조절할 수 있어, 엔진의 크기나 성능에 대응하여 이러한 크기를 결정하면 좋다.

필터(20) 즉, 담체(1)를 구성하는 띠모양체(8)의 철망 또는 금속제 부직포에는, 알루미나(Al₂0₃), 실리카(SiO₂), 산화지르코늄(ZrO₂), 세리아(CeO₂), 이산화티타늄(TiO₂) 중 적어도 1종 이상의 세라믹스가 코팅되어 있다. 즉, 담체(1)를 구성하는 담체 기재(基材)에는, 실리카, 알루미나, 세리아, 이산화티타늄, 산화지르코늄 중 어느 1종 또는 그러한 적어도 1종류를 함유하는 복합산화물 분말이 미리 피복 되어 있다. 또한, 띠모양체(8)의 기재를 피복한 세라믹스의 코팅층의 표면에는, 백금(Pt), 은(Ag), 칼륨(K), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 철(Fe), 구리(Cu), 바륨(Ba), 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 중 적어도 1종류 이상의 산화·환원촉매가 담지되어 있는 것이다.

또한, 도 ll에 도시하는 바와 같이, 담체(1)로 이루어지는 필터(20)는 과대한 진동 등의 외력이 부하(負荷)되는 환경, 또는 큰 열응력을 받는 환경에서 사용되는 경우에는, 필터(20)를 구성하는 파상 띠모양체(3)와 편평한 형상 띠모양체(13) 또는 파상 띠모양체(3)끼리는 분해나 변형을 저지하기 위해 니켈, 구리 등의 땜납재로 서로 접합할 수 있다. 필터(20)는 600℃ 이상의 고온하에서 사용되는 경우, 파상 띠모양체(3) 및/또는 편평한 형상 띠모양체(13)의 띠모양체(8)끼리를 땜납재로 접합하는 것이 필터(20)의 띠모양체(8)의 열변형이 억제되어 바람직하다. 예를 들면, 필터(20)의 한쪽의 단면(25) 또는 양 단면(25)은 땜납재로 접합선(23)(총칭은 23)으로 서로 접합되어 있다. 구체적으로는, 땜납 접합부는 도 ll의 (A) 또는 (B)에 도시하는 바와 같이, 미리 결정된 폭으로 방사곡선모양으로 뻗는 간헐적인 선 형상의 접합선(23A, 23B), 또는 도 ll의 (C)에 도시하는 바와 같이, 외주측으로 넓어진 폭으로 방사곡선모양으로 뻗는 접합선(23C)으로 이루어져 있다. 도 ll의 (A)에서는, 띠모양체(8)의 단면에 부여하는 결합력을 균등하게 하기 위해 외주측으로 갈수록 접합선(23A)을 증대시킨 구성, 즉, 최외주부(最外周部)에는 12개의 접합선(23A), 중간부에는 8개의 접합선(23A), 최내주부(最內周部)에는 4개의 접합선(23A)으로 접합되어 있다. 도 ll의 (B)에서는, 땜납재의 접합선(23)에 불필요한 외력이 걸리지 않는 구성, 즉, 접합선(23B)에 절결부(cut)(24)를 형성하여 접합되어 있다. 또한, 도 11의 (C)에서는, 띠모양체(8)의 단면에 접합선(23)으로 부여하는 결합력을 균등하게 하기 위해, 외주측으로 갈수록 접합선(23C)의 굵기 즉, 폭을 크게 형성하고 있다. 또한, 필터(20)는 파상 띠모양체(3)가 감아질 때에, 겹치는 파상 띠모양체(3)의 능선(7)과 띠모양체(8)가 접하는 미리 결정된 영역의 부위에 땜납재를 도포 또는 땜납재박(箔)을 배치하여 띠모양체(8)끼리 땜납 접합되어 있다. 또한, 띠모양체(8)끼리 땜납 접합되는 미리 결정된 영역의 부위는 필터(20)를 구성하는 인접하는 띠모양체(8) 사이에 기둥모양체(4)의 축방향으로 서로 위치가 어긋나 있는 것이 바람직하다.

일반적으로, 금속박을 사용한 허니컴 필터에서는, 감아 붙이면서, 금속박 안에 땜납박을 말아 넣거나 금속박을 말아 넣으면서 땜납 페이스트(paste)를 도포하여 땜납을 행하고 있지만, 본 발명품의 철망 또는 금속제 부직포를 사용한 담체(1)로 이루어지는 필터(20)는 그 기둥모양체(4)의 통체의 양 단면(25)을 땜납하는 것만으로 열응력에 강한 강도를 얻을 수 있다. 철망 또는 금속제 부직포는 와이어에 주목하면, 모든 방향에 대하여 유연하기 때문에, 접합부를 양 끝단만으로 하여도, 기회(機會) 응력, 열응력을 거의 받지 않아, 충분한 강도의 필터(20)를 얻을 수 있다. 즉, 담체(1)는 항시, 저온과 고온의 반복적인 열응력을 받고 있고, 또한 온도 분포도 담체(1)의 장소에 따라 차이가 나지만, 필터(20)는 철망 또는 금속제 부직포로 제작되어 있고, 매우 가는 와이어로 구성되어 있으므로, 열 분포에 의한 변형 을 매우 유연하게 받아 들일 수 있어 소성변형 등이 일어나지 않는다. 따라서, 땜납 접합에서도, 접합부를 분산시키는 것으로, 담체의 우수한 특성을 살릴 수 있다. 필터(20)의 단면(25)을 땜납하는 경우에는, 접합선(23)을 담체 통체 중심축을 통과하는 방사곡선상으로 뻗게 하면, 담체(1)가 그 땜납 접합부분의 강성을 높게 하므로, 그 방사곡선상의 땜납 접합부에서 구속되어 유연성이 손상된다. 그래서, 접합선(23)을 방사곡선상으로 뻗게 하는 경우에, 소용돌이 형상 등의 굴곡형상으로 연장하는 것에 의해 외압에 대한 저항력을 약하게 할 수 있고, 그 경우에 접합선(23)을 군데군데 접합하지 않고 절결부(24)를 형성함으로써 더욱 높은 유연성을 얻을 수 있다. 또한, 접합선(23)의 면적을 증대시킴으로써, 필터(20)의 강도가 높아진다. 촉매가 부착된 필터(20)는 통상 그 전후로 압력이 다르기 때문에, 소정의 힘을 받고 있다. 담체(1)는 그 소정의 힘에 의해 가해지는 담체(1)의 전단(剪斷)은 반경에 비례하여 외주부(外周部) 쪽이 높아지므로, 필터(20)의 단면(25)을 땜납 접합하는 경우는 외주로 갈수록 접합면적을 늘리는 것이 바람직하다. 또한, 파상 띠모양체(3)의 철망 또는 금속제 부직포는 완성시의 기둥모양체(4)의 축방향으로 비스듬하게 기울어 능선(7)이 존재하고 있으므로, 띠모양체(8)를 감았을 때에, 땜납재를 도포 또는 땜납박을 끼우려면, 띠모양체(8)끼리가 접하는 영역에 땜납재 또는 땜납박이 위치하도록 한다. 그러나, 띠모양체(8)끼리가 접하는 영역은 항상 변화하므로, 땜납재를 유효하게 기능시키기 위해서는 지그재그 모양의 능선(7)을 화상(畵像)으로 읽어들여, 띠모양체(8)를 감았을 때에, 띠모양체(8)끼리가 접하는 영역에 적절히 땜납재를 위치시키는 것이 바람직하다.

담체(1)를 구성하는 기둥모양체(4)가 도 12∼도 15에 도시하는 바와 같이, 복수 개(도면에서는, 3개)가 케이스(2) 내에 배치되어, 예를 들면, 배기관의 도중에 배치되는 것으로, 케이스(2)의 단부를 배기관에 연결하거나, 배기관 내에 케이스(2)를 밀어넣는 것에 의해 배치할 수 있다. 담체(1)는 파상 띠모양체(3)로 성형된 능선(7)을 기둥모양체(4)의 축에 대하여 평행하게 뻗어 형성하면, 파상 띠모양체(3)의 홈(6)을 따라 형성되는 배기가스통로(5)는 일직선의 평행로(17)의 배기가스통로(5)에 형성된다(도 12, 도 13). 또는 파상 띠모양체(3)로 성형된 능선(7)을 기둥모양체(4)의 축에 대하여 경사를 갖게 형성하면, 파상 띠모양체(3)의 홈(6)을 따라 형성되는 배기가스통로(5)는 경사진 굴절로(16)에 형성된다. 또한, 파상 띠모양체(3)로 성형된 능선(7)을 기둥모양체(4)의 축에 대하여 지그재그로 형성하면, 파상 띠모양체(3)의 홈(6)을 따라 형성되는 배기가스통로(5)가 굴절로(16)에 형성된다(도 14, 도 15).

도 12에는, 배기관에 배치되는 담체(1)로 구성된 필터(20A)의 일례가 도시되어 있다. 필터(20A)는 배기관의 배기가스(G)의 흐름 방향에 배치되어 조립된다. 필터(20A)는 케이스(2)와 케이스(2) 내에 배치된 3개의 기둥모양체(4)로 구성되어 있다. 필터(20A)는, 가스통로(5)가 일단면의 유입구(9)로부터 타단면의 유출구(10)로 관통하여 일직선의 가스통로(14)에 형성된다. 또한, 담체(1)는 3개의 기둥모양체(4)를 케이스(2)에 고정하기 위해, 케이스(2) 내의 상하류측에 위치하는 기둥모양체(4)의 단면에, 걸림부재(11)를 케이스(2)에 용착(溶着)함으로써 기둥모양체(4)를 케이스(2) 내에 고정할 수 있다. 도시하고 있지 않지만, 이 배기가스 정화장치는 케이스(2) 내에 1개의 담체(1)를 배치해도 좋다는 것은 물론이다. 또한, 도 13에는, 배기관에 배치되는 담체(1)로 구성된 필터(20B)의 다른 예가 도시되어 있다. 필터(20B)는 배기관의 배기가스(G)의 흐름 방향에 배치되어 조립된다. 필터(20B)는 케이스(2)와 케이스(2) 내에 배치된 3개의 기둥모양체(4)로 구성되어 있다. 필터(20B)는, 가스통로(5)가 일단면의 유입구(9)로부터 타단면의 유출구(10)로 관통하여 일직선의 가스통로(14)로 형성된다. 이 배기가스 정화장치는 3개의 기둥모양체(4)를 케이스(2)에 고정하기 위해, 도 17에 도시하는 바와 같이, 기둥모양체(4)가 위치하는 케이스(2)의 외주면을 변형시켜 오목부(12)를 형성하여 케이스(2)에 기둥모양체(4)를 고정할 수 있다.

또한, 도 14에는 배기관에 배치되는 담체(1)로 구성된 필터(20C)의 또 다른 예가 도시되어 있다. 필터(20C)는 배기관의 배기가스(G)의 흐름 방향에 배치되어 조립된다. 필터(20C)는 케이스(2)와 케이스(2) 내에 배치된 3개의 기둥모양체(4)로 구성되어 있다. 필터(20C)는, 가스통로(5)가 일단면의 유입구(9)로부터 타단면의 유출구(10)로 관통하여 지그재그 가스통로(15)로 형성된다. 이 배기가스 정화용 담체 구조는 3개의 기둥모양체(4)를 케이스(2)에 고정하기 위해, 케이스(2) 내의 상하류측에 위치하는 기둥모양체(4)의 단면에, 걸림부재(11)를 케이스(2)에 용착함으로써 기둥모양체(4)를 케이스(2) 내에 고정할 수 있다. 또한, 도 15에는, 배기관에 배치되는 담체(1)로 구성된 필터(20D)의 다른 예가 나타나고 있다. 필터(20D)는 배기관의 배기가스(G)의 흐름 방향에 배치되어 조립된다. 필터(20D)는 케이스(2)와 케이스(2) 내에 배치된 3개의 기둥모양체(4)로 구성되어 있다. 필 터(20D)는, 가스통로(5)가 일단면의 유입구(9)로부터 타단면의 유출구(10)로 관통하여 지그재그 가스통로(15)로 형성된다. 이 배기가스 정화용 담체 구조는 3개의 기둥모양체(4)를 케이스(2)에 고정하기 위해, 기둥모양체(4)가 위치하는 케이스(2)의 외주면을 변형시켜 오목부(19)를 형성하여 케이스(2)에 기둥모양체(4)를 고정할 수 있다. 또한, 담체(1)로 구성된 필터(20A, 20B, 20C, 20D)에 대하여는, 도시하고 있지 않지만, 기둥모양체(4)의 축방향으로 파상 띠모양체(3)와 편평한 형상 띠모양체(13)가 서로 어긋나지 않게 하기 위해 , 예를 들면, 케이스(2) 내에 수용한 상태로 기둥모양체(4)의 양 단부 즉, 일단면의 유입구(9)와 타단면의 유출구(10)에 케이스(2)의 횡단방향으로 십자모양으로 금속제 와이어를 걸쳐놓음으로써 간단하게 달성할 수 있다.

또한, 띠모양체(8)는 도 17 또는 도 18에 도시하는 바와 같이, 폭방향으로 요철부(19)로 성형되어 있고, 띠모양체(8)의 파상 띠모양체(3)가 기둥모양체(4)로 감겨진 필터(20)로 형성된 상태에서는, 요철부(19)가 서로 적층하여 파상 띠모양체(3)가 서로 걸리게 되어 기둥모양체(4)의 축방향으로 파상 띠모양체(3)가 서로 어긋나지 않게 구성되어 있다. 도 17에서는, 기둥모양체(4)를 구성하는 파상 띠모양체(3)가 축방향에서 중앙부가 한 쌍의 단부(21)에 의해 접시 모양으로 패인 형상의 요철부(19)로 성형되어 있다. 또한, 도 18에서는, 기둥모양체(4)를 구성하는 파상 띠모양체(3)가 축방향에서 중앙부가 돌출한 쐐기부(22)에 의해 패인 형상의 요철부(19)로 성형되어 있다. 즉, 기둥모양체(4)인 필터(20)에 대하여 진동, 열응력, 외력 등의 축방향의 힘이 부하(負荷)되면, 적층하고 있는 파상 띠모양체(3) 가 축방향으로 어긋날 가능성이 있지만, 요철부(19)가 서로 적층함으로써 요철부(19)가 파상 띠모양체(3)끼리 걸림수단으로서 기능하여, 파상 띠모양체(3)가 축방향으로 어긋나는 것을 방지할 수 있다. 파상 띠모양체(3)에 요철부(19)를 성형한 경우에는, 요철부(19)가 있는 파상 띠모양체(3)를 기둥모양체(4)로 감은 경우에, 요철부(19)의 경계 영역에서 배기가스(G)가 흐르는 굴절로(16)가 무너지지 않게 성형할 필요가 있다.

도 19에는, 본 발명에 의한 배기가스 정화용 담체 구조(본 발명품)에 의해 배기가스(G) 중의 CO와 HC의 삭감율과 종래품에 의한 CO와 HC의 삭감율을 비교한 시험결과가 도시되어 있다. 도 19에서는, 가로축이 촉매온도(℃)이며, 세로축이 유해물질의 삭감율(%)이다. 본 발명품은 촉매온도에 대한 유해물질의 삭감율은 배기가스 온도 즉, 촉매온도가 150℃에서 250℃까지의 저온 영역에서의 삭감이 유효하지만, 종래품에서는, 저온 영역에서의 삭감이 불충분하였다. 이것으로부터, 본 발명품은 저온 영역에서의 유해물질의 제거효율이 충분하여, 유해물질을 산화·환원 소실하고 있다는 것을 알았다.

본 발명의 담체(1)와, 백금을 담지한 종래의 메탈 허니컴의 담체를 대비한 경우의 유해물질의 정화율, SV(1/h)에 대한 정화율을 시험하기 위해, 예를 들면, 다음과 같은 시험장치(도시하지 않음)를 제작하였다. 케이스 내에 NO_X 환원촉매를 담지한 본 발명의 담체(200 셀)와 종래의 메탈 허니컴 담체(300 셀)를 각각 배치하고, 케이스의 입구측과 출구측에 NO_X 농도 센서를 각각 설치하여, 케이스의 입구측 에 환원용 연료(경유)의 공급노즐을 배치하였다. 케이스의 입구측에 배기가스와 연료를 혼합시키는 영역을 마련하였다. 배기가스의 배기량은 8000cc이면서 배기가스 온도는 400℃이며, 담체의 직경은 240mm이며, NO_X 배출 질량에 대한 환원용 경유의 공급량비를 2배로 설정하였다. 이 시험장치를 사용하여, 본 발명품과 종래의 담체를 시험한 결과를 도 20 및 도 21에 나타낸다. 도 20에는, 본 발명의 담체(1)와 백금의 촉매를 담지한 종래의 메탈 허니컴의 담체를 대비한 경우의 탄화수소(HC)의 정화성능, SV(1/h)에 대한 HC 정화율의 시험결과를 비교한 그래프가 나타나 있고, 본 발명의 담체(1)는 60000SV에서도 HC의 정화율이 높은 레벨을 유지하고 있어, 담체(1)에 폐색이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있지만, 종래의 담체는 정화율이 저하하여 있어 담체(1)에 폐색이 발생하고 있다고 생각된다. 또한, 도 21에는, 본 발명의 담체(1)와 백금의 촉매를 담지한 종래의 메탈 허니컴의 담체를 대비한 경우의 NO_X의 정화성능, SV(1/h)에 대한 NO_X 정화율의 시험결과를 비교한 그래프가 나타나 있고, 본 발명의 담체(1)는 60000SV에서도 NO_X의 정화율이 높은 레벨을 유지하고 있어, 담체(1)에 폐색이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있지만, 종래의 담체는 정화율이 저하하여 있어 담체(1)에 폐색이 발생하고 있다고 생각된다.

다음으로, 이 배기가스 정화장치에 조립된 배기가스 정화용 담체 구조를 설명한다. 배기가스 정화장치는 주로, 성형홈이 있는 철망띠(3)를 나선상으로 감은 담체(1)로 구성되는 필터(20)를 제작하고, 적층한 철망띠(3) 사이에 배기가스(G)가 접촉 통과하는 다수의 굴절로(5)를 굴절홈(6)에 의해 제작한 것을 특징으로 하고 있다. 구체적으로는, 필터(20)는 도 5에 도시하는 바와 같이, 주로, 폭방향으로 복수 굴절하여 뻗는 능선(7)과 능선(7) 사이의 홈(6)으로 이루어지는 파판상으로 성형된 철망띠(3)가 순차적으로 원형 모양으로 감겨진 기둥모양체(4)로 형성되어 있다. 이 배기가스 정화장치는, 기둥모양체(4)를 형성하는 철망띠(3)를 구성하는 철망의 표면에는 배기가스(G) 중에 포함되는 입자상 물질(8)을 산화 소각시키는 산화촉매가 담지되어 있다. 도 12∼도 15, 도 17, 및 도 18에 도시하는 바와 같이, 필터(20)는 1개 또는 복수 개(도면에서는, 3개)의 기둥모양체(4)가 케이스(2) 내에 배치하여 형성되어 있다. 필터(20)는 배기관의 도중에 배치되는 것으로, 케이스(2)의 단부를 배기관에 연결하거나, 배기관 내에 케이스(2)를 밀어넣는 것에 의해 배치될 수 있다. 기둥모양체(4)의 일단면의 유입구(9)로부터 타단면의 유출구(10)로 적층 즉, 인접하는 철망띠(3) 사이에 홈(6)을 따라 배기가스(G)가 통과하는 배기가스통로(5)가 연통하여 다수 형성되어 있는 것이다.

이 배기가스 정화장치(본 발명품)에 의해 배기가스(G) 중의 PM의 삭감율과 종래품에 의한 PM의 삭감율을 비교 시험하였다. 시험에 사용한 종래품은 금속제 필터이며, 엔진의 배기온도 제어에 의해 재생하는 타입이었다. 본 발명품과 종래품과의 ETC 모드에 의한 시험결과를 도 22에 나타낸다. 도 22에 있어서, 세로축의 좌측이 PM 삭감율(%)을 나타내고, 우측이 필터의 시험중의 대표 입구압(KPa)을 나타내며, 횡축이 시험회수(n)를 나타내고 있다. 1회의 테스트(시험)는 차속으로부터 약 30km의 주행거리이다. 실선의 그래프는 PM 삭감율(%)을 나타내고 있고, A가 본 발명품이며, B가 종래품이다. 또한, 점선의 그래프는 필터의 시험중 대표 입구 압(KPa)을 나타내고 있고, C가 본 발명품이며, D가 종래품이다. 도 22로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명품은 시험회수에 대한 PM 삭감율은 시종 45%를 확보하고 있지만, 종래품에서는, 시험회수를 거듭함에 따라 저하된다는 것을 알았다. 또한, 본 발명품은 시험회수를 거듭해도 필터의 입구압이 저하하지 않았지만, 종래품에서는, 시험회수를 거듭하면 필터의 입구압이 저하한다는 것을 알았다. 이것으로부터, 본 발명품은 PM에 의해 필터가 폐색하는 일 없이 순조롭게 PM을 산화 소각하고 있다는 것을 알았다.

도 24에는, 이 배기가스 정화장치에서의 필터에 대하여, 발화시의 액셀 오프를 가정하였을 때의 입구온도에 대한 PM 포집율에 대한 용손(溶損) 유무를 나타낸 용손시험의 그래프이다. 일반적으로, 입자상 물질(이하, PM 이라고 함)은 촉매의 효과를 이용하면, 300℃ 정도로 연소를 개시한다. 그러나, 시가지(市街地) 등에서의 주행에서는, 자동차의 배기가스 온도는 300℃에 이르는 것은 드물고, 따라서, 필터로의 PM 포집량(퇴적량)이 증가하는 경향이다. 자동차로 저속주행시에, PM은 필터에 퇴적하지만, 고속주행 이후, 배기가스 온도가 300℃ 이상으로 상승하면, 퇴적한 PM이 연소를 시작하고 PM이 연소를 시작하면, 그 발열도 더해져, PM은 순간적으로 연소하는 경우가 있다. 그때, 발열량은 당연히 PM 퇴적량에 비례한다. 따라서, 담체로서는 포집한 PM이 많아도 녹지 않는다는 것이 요구되어, 담체로서 우수한 것이라고 말할 수 있다. 도 24는 필터에 저온에서 PM을 포집하고, 거기에 고온 가스를 갑자기 도입하여 필터의 용손의 유무를 조사한 결과를 나타내고 있다. 본 발명에 의한 필터(20)는 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 담체(1)로 구성되 어 있지만, 종래의 코지라이트 허니컴 필터와 비교하여, 3배 이상의 내구성이 있다는 것을 알았다. 도 24에 있어서, 600℃의 고온 가스를 필터에 불어 넣었을 때의 필터의 용손한계를 나타내는 것으로, ●는 본 발명품의 용손 없음을 나타내고 있고, ×는 코지라이트 하니컴 필터의 용손 없는 한계의 포집량(8g/ℓ)을 나타내며, △는 탄화규소 허니컴 필터의 용손 없는 한계의 포집량(12g/ℓ)을 나타내고 있다. 즉, 본 발명품의 용손 없는 한계의 포집량(28g/ℓ)을 나타내고 있다. 또한, ■는 700℃의 고온 가스를 본 발명품에 불어 넣을 때의 용손 발생의 최대 포집량(28g/ℓ)을 나타내고 있다. 또한, 필터로의 PM의 실차(實車) 최대포집량은 25g/ℓ이다. 따라서, 본 발명품인 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 담체(1)로 제작한 필터(20)는 용손하는 경우가 없이 극히 내구성이 풍부하다는 것을 알 수 있다.

일반적으로, 필터는 항시, 저온과 고온의 반복적인 열응력을 받고 있지만, 또한 온도 분포도 필터의 장소에 따라 차이가 난다. 본 발명품의 필터(20)는 철망 또는 금속제 부직포로 제작한 담체(1)로 구성되어 있고, 철망 또는 금속제 부직포가 매우 가는 와이어로 구성되어 있으므로, 열 분포에 의한 변형을 매우 유연하게 받아들이고 즉, 추종할 수 있어, 국부적인 소성변형 등이 일어나지 않고, 그 결과, 표면에 코팅된 세라믹스 등의 박리가 발생하지 않아, 내구성이 우수한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 배기가스 정화용 담체 구조를 형성하는 공정을 나타내는 설명도.

도 2는 도 1의 담체를 구성하는 파상 띠모양체와 편평한 형상 띠모양체와의 겹침 상태를 나타내는 정면도.

도 3은 도 2의 겹침 띠모양체를 나선상으로 감아 형성한 기둥모양체를 나타내는 정면도.

도 4는 다른 경사의 능선을 갖는 파상 띠모양체를 감아 기둥모양체를 형성하는 공정을 나타내는 사시도.

도 5는 도 4의 파상 띠모양체를 감은 기둥모양체를 나타내는 정면도.

도 6은 도 5의 기둥모양체를 나타내는 측면도.

도 7은 도 4의 기둥모양체를 구성하는 2개의 파상 띠모양체의 능선을 교차 상태로 배치한 상태를 나타내는 설명도.

도 8은 도 7의 기둥모양체의 Ⅰ-Ⅰ단면을 나타내는 단면도.

도 9는 도 7의 Ⅱ-Ⅱ단면을 나타내는 단면도.

도 10은 기둥모양체의 홈을 따라 형성된 배기가스통로를 배기가스가 흐를 때의 상태를 나타내며, (A)는 배기가스의 유속이 늦을 때의 상태를 나타내고, (B)는 배기가스의 유속이 빠를 때의 상태를 나타내는 설명도.

도 ll는 필터의 단면에 있어서, 띠모양체를 땜납재로 접합하는 상태를 나타내며, (A)는 필터의 통로 단면적에 비례하여 여러 개소에서 접합한 상태를 나타내 고, (B)는 필터의 중심부로부터 외주부로 뻗는 접합부를 분단한 상태를 나타내고, (C)는 필터의 중심부로부터 외주부로 뻗는 접합부의 접합면을 증대시킨 상태를 나타내는 설명도.

도 12는 케이스 내에 담체의 기둥모양체를 직렬로 3개 배치한 상태로 기둥모양체의 양 측단(側端)을 걸림부재로 케이스에 고정한 일례를 나타내는 설명도.

도 13은 케이스 내에 담체의 기둥모양체를 직렬로 3개 배치한 상태에서 케이스가 오목부에서 기둥모양체를 케이스에 고정한 다른 예를 나타내는 설명도.

도 14는 케이스 내에 담체의 기둥모양체를 직렬로 3개 배치한 상태에서 기둥모양체의 양 측단을 걸림부재로 케이스에 고정한 또 다른 예를 나타내는 설명도.

도 15는 케이스 내에 담체의 기둥모양체를 직렬로 3개 배치한 상태에서 케이스가 오목부에서 기둥모양체를 케이스에 고정한 다른 예를 나타내는 설명도.

도 16은 필터의 기둥모양체를 구성하는 2개의 띠모양체의 능선을 교차하여 배치한 상태를 나타내는 설명도.

도 17은 폭방향으로 요철부를 성형한 띠모양체를 감은 일례의 기둥모양체를 케이스 내에 배치한 필터로서, 필터의 중심을 통과하는 종단면도.

도 18은 폭방향으로 요철부를 성형한 띠모양체를 감은 다른 예의 기둥모양체를 케이스 내에 배치한 필터로서, 필터의 중심을 통과하는 종단면도.

도 19는 본 발명품과 종래품과의 배기가스 중의 유해물질인 CO와 HC의 삭감율의 시험결과의 비교를 나타내는 그래프.

도 20은 본 발명품과 종래품과의 배기가스 중의 유해물질인 HC의 정화율의 시험결과의 비교를 나타내는 그래프.

도 21은 본 발명품과 종래품과의 배기가스 중의 유해물질인 NO_X의 정화율의 시험결과의 비교를 나타내는 그래프.

도 22는 본 발명품과 종래품과의 입자상 물질의 삭감율과 필터의 입구압(入口壓)의 시험결과의 비교를 나타내는 그래프.

도 23은 엔진 속도에 대응하는 파상 띠모양체의 능선의 각도가 발휘하는 PM정화율을 나타내는 그래프.

도 24는 이 배기가스 정화장치에서의 필터에 대하여, 발화시에 액셀 오프를 고려하였을 때의 용손시험을 나타내는 그래프.

Claims

배기가스 중에 포함되는 NO_X, HC, 입자상(粒子狀) 물질, 슈트(soot)의 유해물질을 연소나 산화·환원 반응에 의해 소실시켜 상기 배기가스를 정화하기 위해 촉매를 담지(擔持)한 담체(擔體)와 상기 담체를 수납하는 통모양 케이스로 이루어지며,

상기 담체는 철망 또는 금속제 부직포로 이루어지는 띠모양체를 통모양으로 감거나 또는 적층한 기둥모양체로 이루어지고, 상기 띠모양체는 적어도 상기 기둥모양체의 축에 대하여 평행한 곧은(straight) 형상 또는 경사 형상으로 뻗는 다수의 능선(稜線)과 이 능선 사이의 다수의 홈으로 성형된 파상(波狀) 띠모양체를 갖고, 상기 띠모양체 사이에 상기 홈을 따라 상기 기둥모양체의 일단면으로부터 타단면으로 연통(連通)하는 배기가스통로가 형성되어, 상기 배기가스통로를 흐르는 상기 배기가스가 상기 띠모양체의 요철 표면에 의해 교란되어 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 띠모양체는 상기 파상 띠모양체끼리가 겹쳐져 배치되고, 또는 상기 파상 띠모양체 사이에 편평한 띠모양체를 개재하여 상기 파상 띠모양체와 상기 편평한 형상 띠모양체가 교대로 겹쳐져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정 화용 담체 구조.
제2항에 있어서,

상기 파상 띠모양체의 상기 능선은, 상기 기둥모양체의 축에 대하여 지그재그로 경사지게 뻗어 상기 배기가스통로가 굴절로(屈折路)로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제3항에 있어서,

상기 파상 띠모양체끼리가 겹쳐져 배치된 경우에, 상기 파상 띠모양체의 상기 능선에서 형성되는 상기 굴절로는 각각 교차하여 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제2항에 있어서,

상기 담체는, 상기 파상 띠모양체와 상기 편평한 형상 띠모양체가 세트로서, 또는 상기 능선의 경사가 동일하거나 또는 다른 각도의 상기 파상 띠모양체끼리가 2매 이상 세트로서 겹쳐진 겹침 띠모양체를 통모양으로 감거나 또는 적층하여 상기 기둥모양체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 띠모양체를 구성하는 상기 철망 또는 상기 금속제 부직포는 스테인레스 강 또는 철 크롬 알루미늄 합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

서로 겹쳐지는 상기 띠모양체끼리는 땜납 또는 땜납박의 땜납재로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제7항에 있어서,

상기 담체의 적어도 한쪽의 단면은 상기 땜납재로 접합되며, 땜납 접합부는 미리 결정된 폭을 갖고 방사곡선(放射曲線)모양으로 뻗는 간헐적인 선 형상, 또는 외주측으로 폭이 넓어져서 방사곡선모양으로 뻗는 선 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제7항에 있어서,

상기 기둥모양체는 상기 파상 띠모양체를 감을 때, 적어도 상기 능선이 인접하는 상기 띠모양체에 미리 결정된 영역의 부위에 상기 땜납재로 상기 띠모양체끼리가 땜납 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제9항에 있어서,

상기 띠모양체끼리가 땜납 접합된, 상기 미리 결정된 영역의 부위는, 인접하 는 상기 띠모양체로 상기 기둥모양체의 축방향으로 서로 위치가 어긋나 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제3항에 있어서,

상기 파상 띠모양체의 상기 능선은 상기 기둥모양체의 축에 대하여 l0°∼50°의 각도로 기울어져 있고, 상기 배기가스통로가 상기 굴절로에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제3항에 있어서,

상기 파상 띠모양체의 상기 능선은 상기 기둥모양체의 축에 대하여 지그재그의 경사가 0°∼50°의 범위의 각도로 2종류 이상의 경사를 조합하고 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제11항에 있어서,

상기 기둥모양체는 상기 통모양 케이스 내에 복수 개 직렬로 배치되며, 상기 기둥모양체의 상기 파상 띠모양체의 상기 능선의 경사 각도는 상기 배기가스의 상류측과 하류측에서 동일하거나 또는 다르게 되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 철망을 구성하는 금속제 와이어의 선경(線徑)은 0.03mm∼0.35mm인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 철망의 메쉬(mesh)는 16∼200 메쉬인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제15항에 있어서,

상기 철망의 메쉬는 철망띠(鐵網帶)의 종선(縱線)의 메쉬 수가 상기 철망띠의 횡선(橫線)의 메쉬 수보다 많고, 상기 철망띠의 상기 종선의 상기 메쉬 수가 30∼100 메쉬이며, 또한 상기 횡선의 상기 메쉬 수가 60∼200 메쉬로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 파상 띠모양체의 파상 요철의 피치(pitch)는 1mm∼6mm인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 파상 띠모양체의 파상 요철의 높이는 0.5mm∼5mm인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 담체를 구성하는 상기 띠모양체의 선재(線材) 표면에는, 알루미나, 실리카, 산화 지르코늄, 세리아 중 적어도 1종 이상의 세라믹스가 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제19항에 있어서,

상기 코팅층의 표면에는 백금, 은, 칼륨, 팔라듐, 이리듐, 철, 구리, 바륨으로부터 선택되는 1종 또는 복수 종의 촉매가 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 배기가스가 상기 띠모양체 사이에 상기 홈을 따라 형성된 상기 배기가스통로를 통과할 때, 상기 배기가스에 포함되는 상기 유해물질이 상기 띠모양체에 접촉하면서 교란 상태로 흘러 상기 담체에 담지되어 있는 촉매의 도움으로 산화·환원 반응하여 소실되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 담체에 담지되어 있는 촉매는 산화촉매, 삼원(三元)촉매, 혹은 탄화수 소계 연료, 암모니아 또는 요소(尿素)를 환원제로서 기능시키는 NO_X 환원촉매인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제1항에 있어서,

상기 배기가스 정화용 담체 구조는 상기 배기가스를 배출하는 배기통로에 상기 담체를 조립한 필터를 배치하여, 상기 필터에 상기 배기가스를 통하여 상기 유해물질이 상기 띠모양체에 포집됨과 아울러 상기 유해물질이 상기 띠모양체에 접촉 통과하여 상기 유해물질을 연소, 산화·환원하여 소실시켜 상기 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치에 적용되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 띠모양체는 상기 파상 띠모양체끼리가 겹쳐져 배치되고, 또는 상기 파상 띠모양체 사이에 편평한 띠모양체가 개재되어 상기 파상 띠모양체와 상기 편평한 띠모양체가 교대로 겹쳐져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제24항에 있어서,

상기 띠모양체는 폭방향으로 요철부로 성형되어 있고, 상기 띠모양체를 상기 기둥모양체에 감거나 또는 적층한 상태에서는 서로 적층한 상기 요철부가 상기 띠 모양체를 서로 걸어서, 상기 기둥모양체의 축방향으로 상기 띠모양체가 배기가스 흐름 방향으로 서로 어긋나지 않도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 파상 띠모양체는 상기 기둥모양체의 축에 대하여 소정의 길이만큼 경사를 갖고 상기 능선과 소정의 길이만큼 평행하게 뻗는 상기 능선이 교대로 반복하는 모양으로 성형되며, 상기 파상 띠모양체의 상기 홈을 따라 형성되는 상기 배기가스 통로가 평행로(平行路)와 굴절로로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 필터는 상기 파상 띠모양체와 상기 편평한 형상 띠모양체가 세트로서, 또는 상기 능선의 경사가 동일 또는 다른 각도의 상기 파상 띠모양체끼리가 2매 이상 세트로서 겹쳐진 겹침 띠모양체를 통모양으로 감거나 또는 적층하여 상기 기둥모양체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 필터의 적어도 한쪽의 단면은 땜납재로 접합되고, 땜납 접합부는 미리 결정된 폭으로 방사곡선모양으로 뻗는 간헐적인 선 형상, 또는 외주측으로 폭이 넓 어져서 방사곡선모양으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 필터는 상기 기둥모양체가 상기 배기가스의 흐름 방향으로 복수 직렬로 배치되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 파상 띠모양체의 상기 능선의 경사 각도는 상기 배기가스의 상류측이 작으면서 하류측이 크게 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 필터는 적어도 3개의 상기 띠모양체를 세트로 하여 상기 파상 띠모양체로 성형하는 경우에, 상기 띠모양체는 내측의 메쉬가 촘촘하고, 외측의 메쉬가 듬섬 듬섬하도록 배치하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 필터는 적어도 3개의 상기 띠모양체를 세트로 하여 상기 파상 띠모양체 로 성형하는 경우에, 상기 띠모양체는 내측이 금속제 와이어의 선경이 작으면서 메쉬가 촘촘하고, 외측이 상기 금속제 와이어의 선경이 크면서 메쉬가 듬섬 듬섬하도록 배치하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제29항에 있어서,

상기 필터는 배기가스 흐름의 상류로부터 하류로 갈수록 상기 피치가 작아지는 상기 파상 띠모양체와, 상기 배기가스 흐름의 상류로부터 하류로 갈수록 상기 피치가 커지는 상기 파상 띠모양체가 교대로 겹쳐져 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 배기가스가 상기 띠모양체 사이에 형성된 상기 굴절로를 통과할 때, 상기 배기가스 중에 포함되는 상기 입자상 물질은 상기 띠모양체의 상기 철망 또는 금속제 부직포에 접촉하면서 흐르고 또는 상기 굴절로에서 일단 접촉 체류 하여 산화 소각되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.
제23항에 있어서,

상기 배기가스가 상기 띠모양체 사이에 상기 파상 띠모양체의 상기 홈으로 형성된 상기 배기가스통로의 상기 굴절로를 통과할 때에, 상기 굴절로에 포집되어 있는 상기 입자상 물질이 시간 경과와 함께 상기 담체에 담지되어 있는 촉매의 도 움으로 산화 반응하여 소실되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 구조.