KR20090047385A - 세라믹 허니컴 필터 - Google Patents

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KR20090047385A
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도시타카 이시자와
겐이치로 세키구치
마사카즈 고노미
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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 세라믹 허니컴 필터에 관한 것으로서, 다공질의 격벽으로 나누어진 다수의 유로를 가지는 허니컴 구조체와, 유로의 배기 가스 유입측 또는 배기 가스 유출측에 교대로 설치된 밀봉부를 가지는 세라믹 허니컴 필터로서, 격벽의 두께 W(mm), 격벽의 통기도 κ(㎛2), 유로의 길이 L(mm) 및 유로의 길이 방향으로 수직인 면에서의 유로의 단면적 A(mm)가, 0.1≤W≤ 0.5, 8≤κ/W≤26.7, 및 125≤L/A0.5≤360을 만족시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 허니컴 필터.

Description

세라믹 허니컴 필터{CERAMIC HONEYCOMB FILTER}
본 발명은, 디젤 엔진 등으로부터 배출되는 입자형의 물질을 포함하는 배기 가스를 정화하는데 사용되는 세라믹 허니컴 필터에 관한 것이다.
디젤 엔진의 배기 가스 중에는, 탄소(그을음 등) 및 고 비등점 탄화수소를 주성분으로 하는 미립자(Particulate Matter)가 포함되어 있고, 이것이 대기중에 방출되면 인체나 환경에 악 영향을 끼칠 우려가 있다. 그러므로, 디젤 엔진의 배기 관의 도중에, 미립자를 제거하여 배기 가스를 정화하기 위한 세라믹 허니컴 필터(이하 “허니컴 필터”라고도 함)를 장착하는 것이 종래부터 행해지고 있다. 도 8A 및 도 8B에 나타낸 바와 같이, 종래의 허니컴 필터(20)는, 다수의 유로(3, 4)를 형성하는 다공질 격벽(2)과 외주벽(1)으로 이루어지는 세라믹 허니컴 구조체와, 유로(3, 4)의 양 단면(8, 9)를 체크무늬형으로 교대로 밀봉하는 밀봉부(6a, 6b)로 이루어진다. 허니컴 필터의 외주벽(1)은, 금속 메쉬 또는 세라믹스제의 매트 등으로 형성된 파지(把持) 부재(도시하지 않음)로 고정되고, 금속제 수납 용기(도시하지 않음) 내에 배치되어 있다.
허니컴 필터(20)에서, 배기 가스는 도 8B에 점선 화살표로 나타낸 바와 같이, 배기 가스 유입측 단면(8)에 개구되어 있는 유출측 밀봉 유로(3)로부터 유입된 다. 배기 가스 중에 포함되는 미립자는, 격벽(2)에 형성된 가는 구멍[이하 세공(細孔)이라고 함]을 통과할 때 포집(捕集)되고, 배기 가스 유출측 단면(9)에 개구되어 있는 유입측 밀봉 유로(4)로부터 정화된 배기 가스가 유출한다. 격벽(2)에 미립자가 계속 포집되면 격벽의 세공이 막히고, 압력 손실을 증가시킨다. 퇴적된 미립자를 버너나 히터 등에 의해 연소시킴으로써, 허니컴 필터를 재생할 수 있다. 그러나, 미립자를 연소시키려면 에너지를 소비하므로, 재생 처리 간격을 가능한 길게 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 허니컴 필터의 초기 압력 손실이 작고, 또한 미립자를 포집한 후에도 허니컴 필터의 압력 손실이 급격하게 커지지 않을 것이 요구된다.
허니컴 필터에는, 미립자의 높은 포집 효율을 유지하면서 압력 손실이 작아야 한다. 허니컴 필터의 압력 손실은, 도 2에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 배기 가스가 유입측 단면(8)으로부터 유입될 때의 입구 손실 P1, 유출측 단면(9)으로부터 유출할 때의 출구 손실 P2, 격벽(2)을 통과할 때의 격벽 손실 P3, 유로(3, 4)를 흐를 때의 격벽과의 마찰에 의한 유로 손실 P4의 합계로 여겨지고 있다. 그 중에서도 격벽 손실 P3가 필터의 압력 손실의 대부분을 차지하는 것으로 여겨지고 있으므로, 이것을 저감하는 기술이 검토되고 있다. 특히 미립자를 포집한 후의 압력 손실의 상승은 격벽 손실 P3의 영향을 많이 받고 있다.
일본 특허출원 공개번호 2003-40687호는, 기공률(氣孔率)이 55%∼65%, 평균 세공 직경이 15㎛∼30㎛ 및 격벽의 면적에 대한 격벽 표면에 노출된 기공의 총 면적이 35% 이상인 허니컴 필터를 개시하고 있고, 격벽의 기공률 등을 규정함으로써, 미립자의 고포집 효율과 저압력 손실과의 양립이 가능한 것으로 기재하고 있다. 또한, 격벽 손실 P3의 크기에 영향을 주는 격벽의 통기도(permeability)는 1.5㎛2∼6㎛2이 바람직하다고 기재하고 있다. 그러나, 일본 특허출원 공개번호 2003-40687호는, 격벽 손실 P3를 저감하는 기술에 관하여 기재하고 있지만, 유로의 길이 및 단면적을 규정함으로써 유로 손실 P4를 저감하는 기술에 관해서는 기재하고 있지 않다.
일본 특허출원 공개번호 2002-239322호는, 격벽의 두께가 0.1mm∼0.3mm, 격벽 피치가 1.4mm∼3mm, 유로의 단면적이 1.3mm2 이상, 유로의 한 변의 길이가 1.15mm 이상, 및 단위 체적당 필터 표면적이 7cm2/cm3 이상인 다공질 세라믹 허니컴 구조체를 개시하고 있고, 이들 규정에 의해 미립자를 고효율로 포집하고, 압력 손실을 낮출 수 있다고 기재되어 있다. 또한, 일본 특허출원 공개번호 2002-239322호는, 격벽 피치가 너무 작으면, 배기 가스가 유입측 단면(8)으로부터 유입될 때의 입구 손실 P1이 커지게 되는 것도 기재하고 있다. 이 기재로부터 출구 손실 P2도 커지게 되는 것은 용이하게 상상할 수 있다. 그러나, 일본 특허출원 공개번호 2002-239322호는, 격벽 피치를 3mm 이하로 작게 한 경우에, 격벽 손실 P3가 작아지는 한편, 입구 손실 P1과 출구 손실 P2가 커진 결과, 허니컴 필터의 총 압력 손실이 어떻게 되는지에 대하여 기재하고 있지 않다. 또한, 유로 손실 P4에 관해서는 검토되어 있지 않으므로, 예를 들면, 격벽 피치를 일정하게 하고 유로의 길이를 길 게 한 경우에는, 격벽(2)의 총 면적이 커지므로 격벽 손실 P3는 작아지지만, 한편에서는 유로 손실 P4는 커지는 것으로 예상되고, 그 결과 허니컴 필터의 총 압력 손실이 어떻게 될지에 대해서는, 일본 특허출원 공개번호 2002-239322호의 기재로부터는 알 수 없다.
WO 2003/074848호는, 유로의 단면의 최장변의 길이 l(mm)과, 유로의 길이 L(mm)이, 60≤L/l≤500의 관계를 만족시키고, 유로 내벽의 표면 거칠기 Ra가 100㎛ 이하인 허니컴 필터를 개시하고 있다. WO 2003/074848호는, 유로의 길이가 과도하게 긴 경우나, 유로의 길이 방향으로 수직인 단면의 면적(이하, 간단히 유로의 단면적이라고도 함)이 너무 작은(즉 격벽의 두께가 같다면 격벽 피치가 작은) 경우에는, 유로 손실 P4가 커진다고 기재하고 있다. 그러나, 유로가 긴 경우나 격벽 피치가 작은 경우는, 유로 손실 P4가 커지게 되는 한편, 격벽의 총 면적이 커지므로 격벽 손실 P3가 작아지는 것은 검토되고 있지 않다. 즉 유로 손실 P4가 커지고 격벽 손실 P3가 작아진 결과, 허니컴 필터의 총 압력 손실이 어떻게 되는지에 대해서는 WO 2003/074848호의 기재로부터는 알 수 없다.
유로의 길이와 허니컴 필터의 압력 손실과의 관계를 나타내는 공지 문헌으로서, 일본 특허출원 공표번호 2003-515023호는, 적어도 약 0.50g/cm3의 부피 밀도를 가지고, 직경에 대한 길이의 비가 약 0.9를 넘지 않는 세라믹 필터를 개시하고 있다. 일본 특허출원 공표번호 2003-515023호는, 격벽의 두께, 격벽의 피치, 및 허니컴 필터의 체적을 일정하게 했을 때의 허니컴 필터의 전체 길이와 압력 손실과의 관계를 나타내고, 전체 길이가 짧아짐에 따라(이 때, 체적은 일정하므로 유로 수직 방향 단면적은 증가하고 있음), 허니컴 필터의 압력 손실이 감소한다고 기재하고 있다. 즉, 격벽의 총 면적이 일정하므로 격벽 손실 P3는 변하지 않지만, 유로의 길이가 짧아지는 만큼, 유로 손실 P4는 감소하므로 총 압력 손실은 감소한다. 그러나, 만일 허니컴 필터의 단면적을 일정하게 하고 전체 길이(유로 길이)를 변경하는 경우에는, 유로 손실 P4는 감소하고 격벽 손실 P3는 증가하므로, 총 압력 손실이 어떻게 될지에 대해서는 일본 특허출원 공표번호 2003-515023호의 기재로부터는 알 수 없다.
이상과 같이 격벽의 피치와 유로의 길이로부터, P1∼P4의 4개의 손실이 각각 커지는지 혹은 작아지는지는 추정할 수 있지만, 4개의 손실을 합계한 허니컴 필터의 압력 손실이 어떻게 되는지는 용이하게는 알 수 없다.
일본 특허출원 공개번호 평9-299811호는, 직경 d와 길이 L과의 비 L/d가 0.4∼1.3의 범위에 있고, 격벽의 두께가 O.1mm 이하이며, 유로의 수가 100개/cm2 이상인 허니컴 구조체를 기재하고 있다. 그러나, 이 허니컴 구조체는, 높은 배기 가스 정화 성능을 유지하면서 스폴링(spalling) 강도를 높인 것이며, 압력 손실을 저감하는 것을 목적으로 한 것은 아니다. 따라서, 일본 특허출원 공개번호 평9-299811호로부터는 허니컴 필터의 압력 손실을 저감하기 위하여, 격벽의 피치 및 유로의 길이를 어떻게 설정하면 좋은지에 대한 지침을 얻을 수 없다.
이상과 같이 격벽의 피치와 유로의 길이로부터, P1∼P4의 4개의 손실이 각각 커지는지 혹은 작아지는지를 추정할 수 있지만, 4개의 손실을 합계한 허니컴 필터의 압력 손실이 어떻게 되는지는 용이하게는 알 수 없다. 그러므로 허니컴 필터의 개발은, 실제로 몇 종류나 되는 허니컴 필터를 제작하여 특성을 측정하고, 이것을 반복함으로써 보다 바람직한 것을 얻는 방법이 행해지고 있다.
또한, 격벽의 피치 및 유로의 길이는, 허니컴 필터의 재생(미립자의 연소) 시의 온도 상승에 영향을 끼치고, 유로가 길수록 배기 가스 유출측 단면(9) 근방의 온도가 높아지고, 용손(溶損)이 쉽게 발생하는 문제도 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 압력 손실을 저감하고, 용손이 쉽게 생기지 않는 허니컴 필터를 얻는 것이다.
전술한 목적을 감안하여 연구한 결과, 본 발명자들은, 격벽의 두께와 통기도의 관계, 및 유로의 단면적과 길이의 관계를 규정함으로써, 압력 손실을 저감하고, 용손이 쉽게 생기지 않는 허니컴 필터를 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.
즉, 본 발명의 세라믹 허니컴 필터는, 다공질의 격벽으로 나누어진 다수의 유로를 가지는 허니컴 구조체와, 유로의 배기 가스 유입측 또는 배기 가스 유출측으로 교대로 설치된 밀봉부를 가지는 세라믹 허니컴 필터로서, 격벽의 두께 W(mm), 격벽의 통기도 κ(㎛2), 유로의 길이 L(mm) 및 유로의 길이 방향으로 수직인 면에서의 유로의 단면적 A(mm2)가,
0.1≤W≤0.5,
8≤κ/W≤26.7, 및
125≤L/A0.5≤360
을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
통기도 κ(㎛2)는 2이상인 것이 바람직하다.
L 및 유로의 길이 방향으로 수직인 면에서의 허니컴 필터의 단면적 S(mm2)는, 0.75≤L/S0 .5≤1.2를 만족시키는 것이 바람직하다.
길이 L은 140mm 이상인 것이 바람직하다.
유입측 밀봉부의 유출측 단면과 유출측 밀봉부의 유입측 단면과의 거리는 120mm 이상인 것이 바람직하다.
세라믹 허니컴 필터의 격벽의 두께와 통기도, 및 유로의 단면적과 길이의 관계를 규정함으로써, 압력 손실을 저감하고, 또한 용손이 쉽게 생기지 않는 허니컴 필터를 얻을 수 있다. 또한, 이들 관계로부터, 압력 손실이 가장 낮아지는 구성의 세라믹 허니컴 필터의 형상 파라미터를 결정할 수 있다.
도 1A는 본 발명의 세라믹 허니컴 필터의 일례를 유로에 수직으로 나타내는 모식 단면도이다.
도 1B는 본 발명의 세라믹 허니컴 필터의 일례를 유로에 평행하게 나타내는 모식 단면도이다.
도 2는 압력 손실을 구성하는 P1∼P4의 각 손실을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3A는 L/A0.5과 압력 손실과의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 3B는 L/A0.5과 압력 손실과의 관계의 다른 예를 나타낸 그래프이다.
도 3C는 L/A0.5과 압력 손실과의 관계의 또 다른 예를 나타낸 그래프이다.
도 4는 L/A0.5과 미립자 포집 전후의 압력 손실과의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 5는 L/A0.5과 미립자 연소 시의 허니컴 필터의 유출측 단면의 최고 온도와의 관계를 나타낸 그래프다.
도 6은 유로의 길이와 압력 손실과의 관계를 나타낸 그래프다.
도 7은 실시예 20∼실시예 23 및 비교예 5∼비교예 7에서, 유로의 길이와 미립자 포집 후의 압력 손실과의 관계를 나타낸 그래프다.
도 8A는 종래의 세라믹 허니컴 필터를 유로에 수직으로 나타내는 모식 단면도이다.
도 8B는 종래의 세라믹 허니컴 필터를 유로에 평행하게 나타내는 모식 단면도이다.
[1] 본 발명의 작용 효과
본 발명의 허니컴 필터(10)는, 도 1A 및 도 1B에 나타낸 바와 같이, 외주벽(1)과, 이 외주벽(1)의 내측에 각각 직교하는 격벽(2)으로 나누어진 다수의 유출측 밀봉 유로(3)와 유입측 밀봉 유로(4)를 가지는 다공질 세라믹 허니컴 구조체와, 배기 가스 유입측 단면(8)과 배기 가스 유출측 단면(9)을 체크무늬형으로 교대로 밀봉하는 유입측 밀봉부(6a)와 유출측 밀봉부(6b)로 이루어진다.
(1) 격벽의 두께 W
격벽(2)의 두께 W(mm)는 0.1mm∼0.5mm이다. W가 0.5mm보다 크면 격벽 손실 P3가 증대하고, 또한 입구 손실 P1과 출구 손실 P2가 증가하고, 허니컴 필터의 압력 손실이 증가한다. W가 O.1mm보다 작으면 허니컴 필터의 강도가 낮아져서 실용에 적합하지 않다.
(2) 통기도 κ
통기도 κ(㎛2)는, 식(1)에 의해 나타낸다.
κ = 1×10-3η·Q·W/(E·P3) …식(1)
식(1)에서, η는 실온에서의 공기의 점도(MPa·s), W는 격벽의 두께(mm), Q는 격벽을 통과하는 가스의 유량(m3/s), E는 가스가 통과하는 격벽의 면적(m2), P3는 격벽의 두께 방향의 압력차[격벽 손실](MPa)이다. 통기도의 측정 방법은, 예를 들면, 일본 특허출원 공표번호 2003-534229호에 기재되어 있다. 식(1)로부터, 격벽 손실 P3는,
P3 = (1×10-3ηQ/E)·W/κ …식(2)
가 되므로, 허니컴 필터의 격벽 손실 P3는 κ/W에 반비례하는 것을 알 수 있다. 즉, κ/W가 클수록 격벽 손실 P3는 작아진다.
격벽(2)의 통기도 κ는 2㎛2 이상인 것이 바람직하다. 통기도 κ가 2㎛2 미만의 경우, 격벽 손실 P3가 크기 때문에 허니컴 필터의 압력 손실이 커지게 된다. 격벽(2)의 통기도 κ는 4㎛2 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 통기도 κ가 10㎛2을 넘으면 미립자의 포집율이 악화되므로, 통기도 κ는 10㎛2 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 8㎛2 이하이다. 통기도 κ는 격벽의 기공률 및 기공 직경에 의해 조절한다.
구체적으로는, 발포 수지 등의 조공제(造孔劑)의 소지토에 대한 첨가량을 증감함으로써 조정할 수 있다.
식(1)로부터, 허니컴 필터의 격벽 손실 P3는 격벽의 면적 E에 반비례하는 것을 알 수 있다. 즉 격벽의 면적이 클수록 격벽 손실 P3는 작아진다. 격벽의 면적 E는, 유로의 길이 L(허니컴 필터의 전체 길이)에 비례하고, 격벽 피치 P에 반비례한다. 여기서 격벽 피치 P는 유로의 단면적 A의 제곱근에 비례하므로, 격벽의 면적 E는 L/A0.5에 비례하고, 따라서, 격벽 손실 P3는 L/A0.5에 반비례한다. 또한, 격벽의 총 면적이 클수록 격벽 단위 면적당에 포집되는 미립자의 양이 저감하므로 미 립자를 포집한 후의 압력 손실[격벽 손실 P3]의 상승은 작아진다.
한편, 유로 손실 P4는, 유로의 길이 L이 길수록, 또 유로의 단면적 A가 작을 수록(격벽 피치 P가 작을수록) 커지고, L/A0.5에 거의 비례한다. κ/W가 일정하며 L/A0.5을 변화시켰을 때의 격벽 손실 P3, 유로 손실 P4, 및 격벽 손실 P3와 유로 손실 P4의 합계의 변화의 일례를 도 3A에 나타낸다. 허니컴 필터의 압력 손실(격벽 손실 P3과 유로 손실 P4의 합계)이 극소로 되는 L/A0. 5이 존재하고, 단지 격벽 피치 P를 작게 하고 격벽의 면적을 크게 할수록, 또는 유로 길이 L을 짧게 할수록 허니컴 필터의 압력 손실이 작아지는 것이 아님을 이해할 수 있다. 과도하게 L/A0. 5이 큰 경우에도 허니컴 필터의 압력 손실은 상승한다.
(3) 통기도와 격벽의 두께의 비: κ/W
κ/W는, 8≤κ/W≤26.7을 만족시키는 값이다. κ/W가 도 3A의 경우보다 작은 경우의 L/A0.5과 압력 손실의 관계를 도 3B에 나타낸다. κ/W가 작아지면 격벽 손실 P3가 커지므로, 허니컴 필터의 압력 손실(격벽 손실 P3와 유로 손실 P4의 합계)이 커지게 된다. 따라서 과도하게κ/W가 작은 경우에는 허니컴 필터의 압력 손실이 현저하게 커지고 실용에 적합하지 않다. 따라서, κ/W를 8 이상으로 함으로써 허니컴 필터의 압력 손실의 상승을 방지할 수 있다.
κ/W가 도 3A의 경우보다 큰 경우의 L/A0.5과 압력 손실의 관계를 도 3C에 나 타낸다. κ/W가 커지면 격벽 손실 P3가 작아지므로, 허니컴 필터의 압력 손실(격벽 손실 P3와 유로 손실 P4의 합계)도 작아진다. 따라서, 허니컴 필터의 압력 손실을 저감하기 위해서는 κ/W는 클수록 바람직하다. 그러나, 격벽의 기공률 및/ 또는 평균 기공 직경을 크게 하여 통기도 κ를 크게 하거나, 격벽의 두께 W를 얇게 하거나 하면 허니컴 필터의 강도는 작아진다. 따라서 과도하게 κ/W를 크게 하는 설계를 행하면 허니컴 필터의 강도가 저하되어 실용에 적합하지 않다. 예를 들면, κ = 8㎛2(기공률을 70% 정도)의 격벽을, 두께 W = 0.3mm 보다 작게 하면 허니컴 필터의 강도는 너무 낮아져서 실용에 적합하지 않게 된다. 따라서, κ/W는 26.7 이하이다.
(4) 유로의 길이와 (유로의 단면적)0.5의 비: L/A0.5
유로의 길이 L(mm)과 유로의 단면적 A(mm2)의 제곱근과의 비 L/A0. 5은, 125≤L/A0.5≤360을 만족시키는 값이다. L/A0. 5이 360보다 큰 값이 되면 허니컴 필터의 압력 손실이 상승하고, 허니컴 필터의 재생 시에 용손이 발생한다. 허니컴 필터의 재생은, 필터에 유입시킨 고온의 공기에 의해 격벽의 표면에 퇴적된 미립자를 연소시킴으로써 행하지만, 유로의 길이 L 및 유로의 단면적 A는, 허니컴 필터 재생 시의 필터의 온도에 영향을 끼친다.
도 5는 유로의 길이 L만이 다른 각종 허니컴 필터에 일정량의 미립자를 포집시킨 후, 유입측 단면(8)으로부터 550℃의 공기를 유입시키고 미립자를 연소시켰을 때의, L/A0.5의 값과 배기 가스 유출측 단면의 최고 온도와의 관계를 나타낸다. L/A0.5의 값이 커지면 배기 가스 유출측 단면의 최고 온도가 급격하게 상승한다. 즉, 유로의 길이 L이 길수록 필터 온도가 높아지고, 용손이 쉽게 발생하게 된다. 또한, 유로의 단면적 A를 작게 하면 격벽의 총 면적이 커지고, 격벽의 단위 면적 당의 미립자의 퇴적량이 감소한다. 그러므로 공기와의 접촉 면적이 증가하고, 미립자가 효율적으로 연소하게 된다. 그 결과, 급격한 온도 상승이 일어나고, 허니컴 필터에 용손이 쉽게 발생하게 된다.
본 발명에서 전술한 κ/W가 8 이상이면서, 또한 L/A0.5가 360 이하인 경우에 허니컴 필터의 압력 손실을 저감할 수 있다. κ/W가 8 미만이면 격벽 손실 P3가 높으므로, 압력 손실을 저감하기 위해서는 유로의 길이 L를 길게 하거나, 격벽의 피치를 작게 하여 A0. 5을 작게 할 필요가 있다. 그러나, 유로의 길이 L을 길게 하면 상기 용손의 문제가 생기고, 격벽 피치를 작게 하면 후술하는 바와 같이 부피 밀도가 증대한다.
도 3A에 나타낸 바와 같이, L/A0. 5이 125 이하로 되면 허니컴 필터의 압력 손실이 급격하게 커지게 된다. 그러나, 도 3C에 나타낸 바와 같이, κ/W의 값이 큰 허니컴 필터를 사용한 경우, 격벽 손실 P3와 유로 손실 P4의 합계가 극소로 되는 L/A0.5은 작아진다. 따라서, 허니컴 필터의 강도를 만족시키는 범위 내에서 κ/W를 크게 함으로써 허니컴 필터의 전체 길이 L을 짧게 해도 충분히 압력 손실을 작게 할 수 있다. 그러나, L/A0. 5이 작은(허니컴 필터의 전체 길이 L이 짧거나 및/ 또는 격벽 피치 P가 큼), 즉 격벽의 총 면적이 작을 때는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 미립자를 포집하는 데 수반하여 격벽 단위 면적당의 미립자의 퇴적량이 급격하게 증가하고, 허니컴 필터의 압력 손실이 상승한다. 따라서, L/A0.5의 하한값은 미립자 포집 시의 압력 손실에 의해 제한되고, 125≤L/A0.5로 함으로써, 미립자 포집 시의 허니컴 필터의 압력 손실이 급격하게 상승하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, L/A0.5을 크게 함으로써, 비록 허니컴 필터의 초기 압력 손실이 증가하는 경우라 하더라도, 미립자 포집 시의 압력 손실의 상승을 저감할 수 있다. 따라서, 133.3≤L/A0.5인 것이 바람직하고, 166≤L/A0.5인 것이 보다 바람직하고, 175≤L/A0.5인 것이 가장 바람직하다.
그리고, 본 발명에서는 모든 유로가 125≤L/A0.5≤360의 식을 만족시킬 필요는 없고, 반수 이상의 유로가 이 식을 만족시키면 된다. 보다 바람직하게는 80% 이상의 유로가 이 식을 만족시키면 된다.
(5) 유로의 길이와 (필터 단면적)0.5의 비: L/S0 .5
유로의 길이 L(mm) 방향으로 수직인 면에서의 허니컴 필터의 단면적을 S(mm2)로 했을 때, L과 S의 관계가 0.75≤L/S0 .5≤1.2를 만족시키는 것이 바람직하 다. 유로의 단면적 A가 일정한 경우, 허니컴 필터의 단면적 S가 감소하면, 유로(3, 4)의 수가 감소하고 허니컴 필터의 압력 손실이 커지므로, 압력 손실을 저감하기 위해서는 S는 큰 것이 바람직하다. 또한, 유로의 길이 L이 커지면, 허니컴 필터의 체적이 커지고, 차량으로의 탑재 공간을 크게 차지하므로 바람직하지 않다. 따라서, L/S0 .5≤1.2로 함으로써 허니컴 필터의 압력 손실의 증대를 방지하고, 또한 허니컴 필터의 체적의 증대를 방지할 수 있다. 그리고, L과 차원을 맞추기 위해 S0.5로 하고 있다.
유로의 길이 L에 대하여 허니컴 필터의 단면적 S가 커지면, 허니컴 필터의 중량과 체적이 커져서 바람직하지 않다. 또한, 허니컴 필터의 단면적 S가 커지면, 허니컴 필터의 압력 손실이 증대하여 바람직하지 않다. S가 커지면 허니컴 필터를 수납하는 용기의 직경이 커지게 된다. 배기관을 흐르는 가스가 허니컴 필터를 통과하는 전후에서 팽창·수축하므로, 이 수납 용기의 직경이 커지면 가스의 팽창 수축량이 커지고, 압력 손실이 커지기 때문이다. 따라서, O.75≤L/S0 .5로 함으로써, 허니컴 필터의 압력 손실의 증대를 방지하고, 또한 허니컴 필터의 체적과 중량의 증대를 방지할 수 있으므로 바람직하다. 0.87≤L/S0 .5인 것이 바람직하고, O.98≤L/S0.5인 것이 보다 바람직하다. L/S0 . 5이 0.98 미만의 경우에는 L/A0. 5은 210 이하인 것이 허니컴 필터의 압력 손실을 저감할 수 있으므로 바람직하다.
(6) 부피 밀도
본 발명의 허니컴 필터는, 부피 밀도[허니컴 필터의 질량(g)/허니컴 필터의 체적(cm3)]를 O.5g/cm3 미만으로 하는 것이 바람직하다. 부피 밀도가 O.5g/cm3 이상이면 열용량이 커지므로, 특히 촉매 담지형(담지한 촉매 물질의 작용에 의해 포집한 미립자를 연소 정화함) 허니컴 필터의 경우에는, 고온의 배기 가스나 미연소 연료 등의 가열 수단에 의한 온도의 상승이 늦으며, 촉매 물질이 활성화되는데 시간이 걸린다. 그러므로 허니컴 필터의 재생을 단시간에 행할 수 없다. 또한, 고온의 배기 가스나 미연소 연료 등의 가열 수단을 대량으로 공급해야만 하므로 연비가 악화된다. 허니컴 필터의 부피 밀도는 O.4g/cm3 미만인 것이 보다 바람직하다. 한편, 허니컴 필터의 부피 밀도는, 유로(3, 4)의 단면적이 클수록, 또한 격벽의 두께 W가 얇을수록, 또한 격벽의 기공률이 클수록 작아지므로, 극단적으로 부피 밀도가 작은 설계로 한 경우는 허니컴 필터의 강도가 약해서 실용에 적합하지 않게 된다. 또한, 부피 밀도가 너무 작으면, 허니컴 필터의 재생 시에 온도가 너무 상승하기 때문에, 용손이 발생하거나, 부위마다 큰 온도차가 생겨 깨짐이 발생하거나 한다. 따라서, 허니컴 필터의 부피 밀도는 O.1g/cm3 이상인 것이 바람직하고, O.3g/cm3 이상인 것이 보다 바람직하다.
허니컴 필터의 부피 밀도를 작게 하기 위하여, 외주벽(1)의 기공률은 30% 이상인 것이 바람직하고, 35% 이상인 것이 보다 바람직하다. 외주벽(1)의 기공률이 극단적으로 크면 강도가 저하하여 실용에 적합하지 않게 되므로, 80% 이하인 것이 바람직하고, 60% 이하인 것이 보다 바람직하다. 외주벽(1)은, 압출 성형 시에 격벽(2)의 성형과 동시에 일체로 성형할 수도 있고, 압출 성형 세라믹 허니컴 구조체의 외주에 나중에 형성할 수도 있다. 후자의 경우는, 격벽(2)과 외주벽(1)의 기공률을 다르게 할 수 있다.
(7) 개구율
배기 가스 유입측 단면(8)에서의 개구율은 30% 이상인 것이 바람직하다. 개구율이 30% 미만이면 입구 손실 P1이 작아지고, 허니컴 필터의 압력 손실이 커진다. 개구율은 34% 이상이 보다 바람직하다. 상기 개구율은, 배기 가스 유입측 단면(8)의 면적에 대한 유출측 밀봉 유로(3)의 개구 면적의 총합계의 비율이다.
(8) 유로의 길이 L
본 발명의 허니컴 필터는, 유로의 길이 L(mm)이 140mm 이상인 것이 바람직하다. 본 발명자들은, 허니컴 필터에 미립자를 포집한 후의 압력 손실의 크기가, 유로의 길이 L이 140mm를 경계로 하여 크게 변화하는 것을 발견하였다. 유로의 길이 L과 미립자 포집 후의 압력 손실의 크기와의 관계를 개념적으로 나타낸 그래프를 도 6에 나타낸다. L의 값이 140mm보다 작은 값일 때, 미립자 포집 후의 압력 손실이 현저하게 커지게 된다.
(9) 유입측 밀봉부의 유출측 단면과 유출측 밀봉부의 유입측 단면과의 거리 X
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이 유입측 밀봉부(6a)의 유출측 단면(7a)과, 유출측 밀봉부(6b)의 유입측 단면(7b)과의 거리 X(mm)를 120mm 이상으로 함으로써, 밀봉부(6a, 6b)의 유로 방향의 길이가 10mm 이상으로 긴 경우나, 유입측 밀봉부(6a)가 배기 가스 유입측 단면(8)으로부터 이격되어 배치되어 있는 경우라 하더라도, 미립자 포집 후의 압력 손실이 작은 허니컴 필터를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
(10) 산화 촉매
배기 가스의 온도가 낮은 경우라 하더라도, 효율적으로 미립자를 연소시키기 위하여, 격벽의 표면 및 세공 내에 산화 촉매를 담지시키는 것이 바람직하다. 산화 촉매로서는, 백금족 금속 촉매가 특히 바람직하다. 촉매가 담지된 격벽의 통기도 κ는 1 이상인 것이 바람직하고, 2 이상인 것이 특히 바람직하다. 촉매 담지 후의 격벽의 기공률을 50% 이상으로 함으로써, 촉매 담지한 경우라 하더라도 통기도 κ를 1 이상으로 할 수 있다. 통기도 κ를 크게 하기 위해서는, 촉매의 담지량을 허니컴 필터 체적 1리터당 6g 이하, 바람직하게는 4g 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 때, 촉매 담지 전의 격벽의 기공률은 60% 이상, 통기도 κ를 3 이상으로 하는 것이 바람직하다.
[2] 세라믹 허니컴 필터
본 발명의 세라믹 허니컴 필터는 주로 디젤 엔진의 배기 가스 중의 미립자를 제거하는 목적으로 사용되므로, 격벽 및 밀봉부를 구성하는 재료로서는 내열성 이 우수한 것이 바람직하고, 코디어라이트(cordierite), 알루미나, 멀라이트(mullite), 질화규소, 탄화규소, 티탄산 알루미늄, 질화 알루미늄 및 LAS로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 주결정으로 하는 세라믹 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 코디어라이트를 주결정으로 하는 재료는, 염가이며 내열성 및 내식성이 우수하고, 저열팽창이므로 가장 바람직하다. 격벽을 구성하는 재료와 밀봉부를 구성하는 재료는 상이해도 상관없지만, 격벽과 밀봉부와의 열팽창 계수의 상이에 따라 발생하는 응력을 저감하기 위하여, 동일한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명을 이하의 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
카올린(kaolin), 탈크(talc), 실리카, 알루미나, 수산화 알루미늄의 분말을, 50질량%의 SiO2, 35질량%의 Al2O3, 및 15질량%의 MgO의 조성이 되도록 배합하고, 코디어라이트 생성 원료 분말로 하였다. 이에 바인더로서 메틸 셀룰로오스 및 히드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 윤활재 및 조공제로서 발포 수지를 첨가하고, 건식으로 충분히 혼합한 후, 물을 첨가하여 충분히 혼련하고, 가소화 세라믹 소지토를 제작하였다. 이 소지토를 압출 성형하고, 절단하여, 허니컴 구조를 가지는 성형체로 하였다. 이 성형체를 건조 및 소성하고, 코디어라이트질 세라믹 허니컴 구조체를 얻었다. 이 허니컴 구조체의 각각의 유로(3, 4)의 일단에 밀봉부(6a, 6b)를 설치하고, 또한 외주벽(1)을 설치하고, 전체 길이(L) 360mm, 외경(2r) 300mm, 격벽의 두께(W) 0.3mm, 격벽 피치(P) 1.5mm 및 기공률 60%의 도 1에 나타낸 허니컴 필터(10)를 얻었다. 얻어진 허니컴 필터의 통기도 κ는 4.6㎛2, 부피 밀도는 O.4g/cm3였다. 통기도 κ는 조공제인 발포 수지의 소지토로의 첨가량을 증감함으로써 조정할 수 있다. 배기 가스 유입측 단면(8)에서의 개구율은, [(격벽 피치 P- 격벽 두께 W)2/(격벽 피치 P)2]×0.5로 나타내고, 1.22/1.52×0.5= 32%였다.
[실시예 2∼실시예 9]
유로의 길이 L을 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 점 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 허니컴 필터를 제작하였다.
실시예 1∼실시예 9의 허니컴 필터의, L/A0.5의 값, κ/W, L/S0 .5의 값, 체적 및 부피 밀도를 표 1에 나타낸다. 그리고, 체적은 실시예 3의 허니컴 필터를 100으로 한 상대값으로 나타낸다.
(압력 손실의 측정)
각 허니컴 필터의 배기 가스 유입측 단면(8) 측으로부터, 미립자 발생기로부터의 카본 가루(입경 0.042㎛)를 0.4g/min(공기흐름량 1Nm3/min)로 1시간동안 투입하였다. 그 후 이들 허니컴 필터에 20℃의 공기를 10Nm3/min의 유량으로 통과시키고, 상류측과 하류측과의 차이압(압력 손실)을 압력 손실 측정 장치에서 측정하였다.
(용손의 평가)
압력 손실의 측정을 행한 후의 각 허니컴 필터에, 전술한 카본 가루를 1.6g/min로 1시간동안 투입하고, 550℃의 공기로 카본 가루를 연소시킨 후의 허니 컴 필터의 용손을 이하의 기준으로 평가했다.
용손이 확인되지 않은 것 …○
용손이 확인되었지만, 실용상 문제가 없는 것 …△
용손이 확인된 것 …×
(통기도의 측정)
실시예 1∼실시예 9의 허니컴 필터와 각각 동일 조건으로 제조한 허니컴 필터의 격벽으로부터 자른 테스트 피스(test piece)를 사용하여 통기도를 측정하였다. 통기도의 측정은 일본 특허출원 공표번호 2003-534229호에 기재된 방법에 따라서 행하였다.
압력 손실, 용손의 평가 및 통기도를 표 1에 나타낸다. 그리고, 압력 손실의 값은 실시예 3의 값을 100으로 한 상대값으로 나타낸다.
[실시예 10∼실시예 18]
격벽의 두께 W, 통기도 κ, 유로의 길이 L, 허니컴 필터의 단면적 S, 격벽 피치 P 및 유로의 단면적 A를 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 점 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 10∼실시예 18의 허니컴 필터를 제작하였다. 이들 허니컴 필터의 부피 밀도, 체적 및 압력 손실의 측정, 및 용손의 평가를 실시예 1의 허니컴 필터와 마찬가지로 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
[실시예 19]
격벽의 두께 W를 0.2, 허니컴 필터의 격벽에 백금 금속을 담지(필터 1L당 3g)하여 통기도 κ를 2.O으로 한 점 이외는 실시예 3과 마찬가지로 하여, 허니컴 필터를 제작하였다. 이들 허니컴 필터의 부피 밀도, 체적 및 압력 손실의 측정, 및 용손의 평가를 실시예 1의 허니컴 필터와 마찬가지로 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 1]
필터의 전체 길이 L을 표 1에 나타낸 바와 같이 단축한 점 이외는 실시예 13과 마찬가지로 하여 허니컴 필터를 제작하였다.
[비교예 2]
통기도 κ, 필터의 전체 길이 L 및 격벽 피치 P를 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 점 이외는 실시예 13과 마찬가지로 하여 허니컴 필터를 제작하였다.
[비교예 3]
격벽의 두께 W를 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 점 이외는 실시예 3과 마찬가지로 하여 허니컴 필터를 제작하였다.
[비교예 4]
격벽 두께 W 및 통기도 κ를 표 1에 나타낸 바와 같이 변경한 점 이외는 실시예 3과 마찬가지로 하여 허니컴 필터를 제작하였다.
비교예 1∼비교예 4의 허니컴 필터의 부피 밀도, 압력 손실 및 통기도의 측정, 및 용손의 평가를 실시예 1의 허니컴 필터와 마찬가지로 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
또한, 실시예 3과 비교예 4의 허니컴 필터의 등압(isostatic) 강도를 측정한 결과, 실시예 3의 허니컴 필터에 대하여 비교예 4의 허니컴 필터의 강도는 약 50% 였다.
본 발명의 허니컴 필터(실시예 1∼실시예 19)는, 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 격벽의 두께가 0.1∼0.5mm이며, 125≤L/A0.5≤360 및 8≤κ/W≤26.7을 만족시키고 있으므로, 압력 손실이 14O 이하로 낮은 값이었다. 그 중에서도 격벽의 통기도 κ가 2.O㎛2 이상의 실시예 1∼실시예 16 및 실시예 19의 허니컴 필터는, 압력 손실이 138 이하로 낮은 값이었다. 또 실시예 2∼실시예 7 및 실시예 14의 허니컴 필터는, 0.75≤L/S0 .5≤1.2의 관계를 만족시키고 있으므로, 압력 손실 및 체적이 작고 특히 우수한 형상이다.
본 발명의 실시예에 비교하여, L/A0.5의 값이 125보다 작은 비교예 1의 허니컴 필터는 압력 손실이 222로 크다. 또한, L/A0.5의 값이 360보다 큰 비교예 2의 허니컴 필터는 압력 손실이 142로 크며, 용손이 확인되었다. 격벽 두께 W가 0.5보다 큰 비교예 3은, κ/W가 8.0보다 작으므로 압력 손실도 157로 크다. 비교예 3의 허니컴 필터에는 용손은 확인되지 않았지만, 미립자의 연소 잔류가 확인되었다. 이것은 부피 밀도가 O.7g/cm3로 높은 것이 원인으로 추정된다. κ/W가 26.7보다 큰 비교예 4는, 전술한 바와 같이 등압 강도가 작으므로 실용에 적합하지 않다.
[표 1]
Figure 112008061367106-PCT00001
표 1(계속)
Figure 112008061367106-PCT00002
주*: 체적 및 압력 손실의 값은 각각 실시예 3의 값을 100으로 한 상대값으로 나타낸다.
[실시예 20∼실시예 23]
격벽의 피치 P 및 필터의 외경을 각각 1.4mm 및 190mm로 변경하고, 유로의 길이 L을 표 2에 나타내는 값으로 변경한 점 이외는 실시예 8과 마찬가지로 하여 허니컴 필터를 제작하였다.
실시예 20∼실시예 23의 허니컴 필터의 배기 가스 유입측 단면(8) 측으로부터, 미립자 발생기로부터의 카본 가루(입경 0.042㎛)를 0.3g/min(공기흐름량 1Nm3/min)로 1시간동안 투입하였다. 그 후 이들 허니컴 필터에 20℃의 공기를 10Nm3/min의 유량으로 통과시키고, 상류측과 하류측과의 차이압(압력 손실)을 압력 손실 측정 장치에서 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다. 그리고, 압력 손실의 값은 실시예 20의 값을 100으로 한 상대값으로 나타낸다.
[비교예 5∼비교예 7]
유로의 길이 L을 변경한 점 이외는 실시예 20과 마찬가지로 하여 허니컴 필터를 제작하였다.
비교예 5∼비교예 7의 허니컴 필터의 압력 손실을, 실시예 20∼실시예 23과 마찬가지로 하여 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다. 그리고, 압력 손실의 값은 실시예 20의 값을 100으로 한 상대값으로 나타낸다.
실시예 20∼실시예 23 및 비교예 5∼비교예 7의 허니컴 필터의 길이 L과 미립자 포집 후의 압력 손실의 관계를 도 7에 나타낸다. 표 2 및 도 7로부터, 허니컴 필터의 전체 길이 L이 140mm 이상의 경우에는, 미립자 포집 후의 압력 손실의 크기는 L의 크기에 거의 영향을 받지 않지만, 허니컴 필터의 전체 길이 L가 140mm 보다 작은 경우에는, L가 작아지는데 따라 급격하게 미립자 포집 후의 압력 손실이 증가하였다.
[표 2]
Figure 112008061367106-PCT00003
주*: X는 유입측 밀봉부의 유출측 단면과 유출측 밀봉부의 유입측 단면과의 거리이다
주**: 압력 손실의 값은 실시예 20의 값을 100으로 한 상대값으로 나타낸다.

Claims (5)

  1. 다공질의 격벽으로 나누어진 다수의 유로를 가지는 허니컴 구조체와, 상기 유로의 배기 가스 유입측 또는 배기 가스 유출측에 교대로 설치된 밀봉부를 가지는 세라믹 허니컴 필터로서, 상기 격벽의 두께 W(mm), 상기 격벽의 통기도 κ(㎛2), 상기 유로의 길이 L(mm) 및 상기 유로의 길이 방향으로 수직인 면에서의 상기 유로의 단면적 A(mm2)는,
    0.1≤W≤0.5,
    8≤κ/W≤26.7, 및
    125≤L/A0.5≤360
    을 만족시키는, 세라믹 허니컴 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통기도 κ(㎛2)는 2이상인, 세라믹 허니컴 필터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 L 및 상기 유로의 길이 방향으로 수직인 면에서의 상기 허니컴 필터의 단면적 S(mm2)는,
    O.75≤L/S0 .5≤1.2
    를 만족시키는, 세라믹 허니컴 필터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 길이 L은 140mm 이상인, 세라믹 허니컴 필터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입측 밀봉부의 유출측 단면과, 상기 유출측 밀봉부의 유입측 단면과의 거리가 120mm 이상인, 세라믹 허니컴 필터.
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