KR20090075808A - 입자 여과를 위해 강화된 코너를 구비한 모놀리식 부재 - Google Patents

입자 여과를 위해 강화된 코너를 구비한 모놀리식 부재 Download PDF

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KR20090075808A
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프란시스코 조세 꺄란자
데이비드 이. 울리
앤드류 케이. 라이튼
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생-고뱅 생트레 드 레체르체 에 데투드 유로삐엔
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Abstract

본 발명은 입자의 여과를 위한 벌집 모놀리식 요소(1)에 관한 것이며, 상기 요소의 외벽(7)의 일부를 형성하는 주연 채널(8)은, 요소(1)의 전체 길이에 걸쳐 대체로 평평한 내부면(7')을 지닌 외벽(7)을 형성하도록 구성되며, 또한, 상기 평평한 벽은 코너(11)에서의 증가된 두께(10 및 10')를 가져, 단면에서 상기 벽의 최소 두께(Emin)에 대한 요소(1)의 코너(11)에서의 각도의 이등분선을 따라 측정된 벽의 두께(Ec)의 비율(R)이 1.5보다 큰 것을 특징으로 한다.
필터, 여과, 모놀리식 요소, 다공성 벽, 코너 두께

Description

입자 여과를 위해 강화된 코너를 구비한 모놀리식 부재 {MONOLITHIC MEMBER WITH REINFORCED CORNERS FOR PARTICLE FILTRATION}
본 발명은 특히 내연 기관에서 디젤 연료의 연소에 의해 생산된 수트(soot)의 제거를 위한 엔진의 배기 라인에 사용되는 입자 필터의 분야에 관한 것이다.
내연 기관 배기 가스에 포함된 수트에 대한 여과 구조물은 종래 기술에 공지되어 있다. 거의 대부분의 이러한 구조물은, 한 면이 흡입된 배기 가스를 여과시키며, 다른 면이 여과된 배기 가스를 배출시키는 벌집 구조를 갖는다. 구조물은 다공성 여과벽에 의해 분리되어 축이 서로 평행한 일 세트의 인접한 덕트 또는 채널을 흡입면과 배출면 사이에 포함하며, 상기 덕트는 흡입면 상에 개방된 유입 챔버와 배출면 상에 개방된 배출 챔버의 경계를 이루기 위하여 덕트 단부들 중 어느 하나가 막혀져 있다. 양호한 밀봉을 위해, 거의 대부분의 구조물의 주연부는 코팅 시멘트로 둘러싸여져 있다. 배기 가스가 벌집 본체를 통과할 때 유입 채널의 측벽을 통과해 배출 채널로 합류되도록 하기 위하여, 채널 또는 덕트는 번갈아 순서대로 막히게 된다. 이러한 방식으로, 입자 또는 수트는 필터 본체의 다공성 벽에 침착되어 축적된다. 거의 대부분의 자동차 배기 라인에서 사용되는 필터 본체는 예컨대, 코디어라이트(cordierite) 또는 실리콘 카바이드의 다공성 세라믹 재료로 제 조된다.
공지된 방식으로, 입자 필터의 사용 동안, 입자 필터는 연속하여 여과 단계(수트의 축적)과 재생 단계(수트의 제거)에 놓이게 된다. 여과 단계 동안, 엔진에 의해 배출된 수트 입자는 필터 내에 유지되고 침착된다. 재생 단계 동안, 수트 입자는 필터의 여과 특성을 회복시키도록 필터 내부에서 연소된다. 다공성 구조물은 미세균열을 일으킬 수도 있는 강한 열역학적 응력을 받게 되며, 미세균열은 시간이 지남에 따라 유닛의 여과 능력의 심각한 손실 및 심지어는 완전한 비활성화를 초래할 수 있다. 이러한 현상은 특히 직경이 큰 모놀리식 필터에서 관찰된다. 특히, 배기 라인의 작동시, 이러한 구조물의 중앙부와 주연부 사이의 온도 구배는 모놀리스(monolith)의 규모가 증가함에 따라 증가한다.
이러한 문제를 해결하고 필터의 서비스 수명을 증가시키기 위하여, 여과 구조물에 여러 모놀리식 벌집 블록 또는 요소를 결합시키는 것이 최근에 제안되었다. 상기 요소들은 거의 대부분이 접착제 또는 이하의 설명에서 결합 시멘트(joint cement)로 칭해지는 세라믹 성질의 시멘트에 의해 접합되어 서로 조립된다. 이러한 여과 구조물의 예는 예컨대, 특허 출원 제EP 816 065호, 제EP 1 142 619호, 제EP 1 455 923호, 제WO 2004/090294호 또는 제WO 2005/063462호에 기재되어 있다. 조립된 구조물에 더 완화된 응력을 제공하기 위하여, 구조물의 다양한 부분들(필터 요소, 코팅 시멘트, 결합 시멘트)의 열 팽창 계수가 대체로 동일한 계수로 되어야 한다는 것이 공지되어 있다. 따라서, 상기 부분들은 유리하게 동일한 재료, 거의 대부분이 실리콘 카바이드(SiC) 또는 코디어라이트에 기초하여 합성된다. 또한, 이러한 선택은 필터의 재생 동안 열 분포를 고르게 할 수 있다.
상기 필터의 여과 표면을 증가시키기 위하여, 일정한 필터 부피에서, 필터 요소의 유입 채널 및 배출 채널의 형상과 내부 부피는 예컨대, 국제 출원 공개공보 제WO 05/016491호에 제안되어 있다. 이러한 구조물에서, 벽 요소는 사인파 또는 파형(wavy shape)을 형성하기 위하여 단면에서와, 채널의 수평 및/또는 수직 열을 따라 서로 이어진다. 벽 요소는 통상적으로 채널의 폭에 대하여 사인파의 절반 주기로 파상을 이룬다.
이러한 파형의 채널을 포함하는 상기 요소들, 즉 이러한 특정 채널 형상을 갖는 상기 요소들이 조립된 필터의 열역학적 강도를 향상시키기 위하여, 2개의 인접한 주연 채널에 있어서 상기 채널의 외벽 세트의 평균 두께 "E"와 내벽 세트의 평균 두께 "e" 사이의 벌집 구조물의 비율 R이 1.2보다 큰 벌집 구조물이 국제 출원 공개공보 제WO 05/063462호에 제안되었다. 상기 출원에서 이러한 구성은, 특히 필터 내에 존재하는 높은 온도 구배 및 모놀리식 요소와 결합 시멘트에 사용되는 상이한 타입의 재료로 인해, 특히 국부적으로 큰 진폭의 응력이 재생 단계동안 발생할 때 나타날 수 있는 균열의 위험을 감소시킬 수 있다고 명시한다.
이와 같이 증가된 두께의 벽이 이러한 요소들로 조립된 필터의 열역학적 강도를 상당히 향상시킬 수 있지만, 통상적으로 약 5.5% 내지 7.5%의 상당한 필터의 중량 증가를 초래한다.
이러한 중량 증가는, 재생 단계 동안 과잉 소모를 일으키고, 필터가 촉매 요소를 포함할 때 촉매의 증가된 활성(또는 활동) 시간으로 인해 촉매 효과를 약화시 키는 필터의 열 관성을 증가시키는 단점이 있다.
본 발명의 주 목적은 강화된 벽을 구비하나 총 중량은 대체로 감소하는, 전술된 필터의 우수한 열역할적 특성을 보유한 필터를 형성하기 위한 요소를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은 다공성 벽에 의해 분리되어 축이 서로 평행한 일 세트의 인접한 덕트들 또는 채널들을 포함하는 모놀리식 벌집 요소에 관한 것이며, 상기 덕트는 덕트 단부들 중 어느 하나가 플러그에 의해 막혀져 있어서 가스 흡입면 상에 개방된 유입 덕트와 가스 배출면 상에 개방된 배출 덕트의 경계를 이룸으로써 가스가 다공성 벽을 통과하며, 상기 요소의 외벽의 일부를 형성하는 주연 채널은, 요소의 전체 길이에 걸쳐 대체로 평평한 내부면을 지닌 외벽을 형성하도록 구성되며, 또한, 상기 평평한 벽은 코너에서의 증가된 두께를 가져, 단면에서, 상기 벽의 최소 두께(Emin)에 대한, 요소의 코너에서의 각도의 이등분선을 따라 측정된 벽의 두께(Ec)의 비율(R)이 1.5보다 크고, 양호하게는 1.6 또는 심지어 1.7보다 더 크다.
양호하게는 모놀리식 요소는, 단면에서, 배출 채널 대신에 상기 유입 채널의 총 부피를 증가시킬 수 있는, 주기적 파동형상의 내부 채널의 벽을 구비한다.
대체로, 상기 외벽의 두께(Emin)는 요소의 측면의 중앙부에서 측정된다.
본 발명의 가능한 실시예에 따라, 상기 증가된 두께는, 요소의 각 코너로부터 외벽의 일부에 걸쳐 연장되며 상기 외벽의 일부에 대해 연속적이고 일정하다.
다른 실시예에 따라, 상기 증가된 두께는, 요소의 각 코너로부터 외벽의 일부에 걸쳐 연장되며 상기 외벽의 일부에 대해 연속적이고 감소한다.
유리하게는, 본 발명에 따라, 상기 증가된 두께는, 요소의 각 코너로부터 외벽의 내부면의 총 표면적의 적어도 8분의 1 및 양호하게는 적어도 4분의 1과 동일한 총 표면적에 걸쳐 연장된다.
본 발명에 따라, 채널의 내벽의 평균 두께(e)에 대한, 요소의 코너에서의 각도의 이등분선을 따라 측정된 외벽의 두께(Ec)의 비율(R')은 2.7보다 크고, 양호하게는 3.5보다 크다.
또한, 요소의 코너에서의 각도의 이등분선을 따라 측정된 벽의 두께(Ec)는, 150마이크로미터 내지 5000마이크로미터 사이, 양호하게는 700 내지 2000마이크로미터 사이, 더 양호하게는 1000마이크로미터 내지 1300마이크로미터 사이에 속한다.
이와 유사하게, 요소의 측면의 중앙부에서 측벽의 두께(Emin)는 100마이크로미터 내지 3500마이크로미터 사이, 양호하게는 450마이크로미터 내지 1300마이크로미터 사이, 더 양호하게는 600마이크로미터 내지 900마이크로미터 사이에 유리하게 속한다.
통상적으로, 채널의 내벽의 평균 두께(e)는 100마이크로미터 내지 400마이크로미터 사이, 양호하게는 200 내지 350마이크로미터 사이에 속한다.
또한, 본 발명은 상기 전술된 복수의 모놀리식 요소의 조립체에 의해 얻어진 필터에 관한 것이며, 상기 요소는 결합 시멘트에 의해 서로 연결된다.
유리하게는, 필터 내에서, 상기 요소와 결합 시멘트는 동일한 세라믹 재료에 기초하며, 양호하게는 실리콘 카바이드(SiC)에 기초한다.
마지막으로, 본 발명은 세라믹 재료의 압출성형에 의해 상기 전술된 바와 같은 모놀리식 요소를 형성하도록 형상화된 압출성형 다이에 관한 것이다.
본 발명은 다음과 같이 도 1 내지 도 6에 각각 도시된 본 발명의 다양한 실시예의 설명을 통해 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 국제 출원 공개공보 제WO 05/063462호에 따른 모놀리식 요소의 단면을 도시한다.
도 2는 단면에서의, 본 발명에 따른 모놀리식 요소의 코너부를 개략적으로 도시한다.
도 3은, 요소의 외벽이 요소의 전체 길이에 걸쳐 대체로 평평한 내부면을 구비하며, 또한 상기 외벽이 코너에서 연속적이고 일정한 증가된 두께를 갖는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 모놀리식 요소의 단면을 도시한다.
도 4는, 요소의 외벽이 요소의 전체 길이에 걸쳐 대체로 평평한 내부면을 구비하며, 또한 상기 외벽이 코너로부터 요소의 측면의 중앙부를 향해 연속적이고 감소하는 증가된 두께를 갖는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 모놀리식 요소의 단면을 도시한다.
도 5는, 외부면의 반경(R2)보다 큰 내부면에서의 외벽의 곡률 반경(R1)으로 인해 증가된 두께가 비선형 방식으로 코너에서의 연속적이고 감소하는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 모놀리식 요소의 단면을 도시한다.
도 6은 전술된 본 발명의 제2 실시예 및 제3 실시예의 특성을 결합한 모놀리식 요소의 단면을 도시한다.
공지된 기술에 따라, 모든 모놀리식 요소들은 다공성 벌집 구조물을 형성하기 위하여 예컨대, 실리콘 카바이드로 제조된 무른 페이스트(paste)를 압출성형함으로써 유리하게 얻어진다.
이는 제한적이지 않으며, 압출성형된 다공성 구조물은 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 상류측 표면과 하류측 표면 사이의 종축을 따라 연장되는 직각 평행육면체의 외부 형상을 지닌 모놀리식 블록(1)의 형상을 가진다. 이 단면은 대체로 정사각형이다. 주축이 블록의 종축과 평행한 복수의 인접한 채널(2 및 3)은 요소(1)의 단부를 향해 개방된다.
도면에 도시되지는 않았으나, 공지된 방식으로, 압출성형된 다공성 구조물은 각각 배출 채널(3)과 유입 채널(2)을 형성하기 위하여, 상류측 플러그와 하류측 플러그에 의해 각각 상류측 표면 또는 하류측 표면에서 교대로 막히게 된다. 따라서, 각각의 채널(2 또는 3)은 측벽(4)에 의해 경계를 이루는 내부 부피, 배출 채널에 대한 상류측 표면 또는 유입 채널에 대한 하류측 표면에 위치된 스토 핑(stopping) 플러그(도면에 미도시) 및 하류측 표면 또는 상류측 표면을 향해 교대로 개방되는 개구를 형성함으로써, 유입 채널(2)과 배출 채널(3)은 측벽(4)을 통해 유체 연통한다.
도면에 도시되지는 않았으나, 공지된 방식으로, 이후 모놀리식 요소(1)는 예컨대, 실린콘 카바이드계의 세라믹 성질의 결합 시멘트에 의해 접합됨으로써 필터 구조물 또는 조립된 필터로 조립된다. 따라서, 구성된 조립체는 예컨대, 원형 또는 난형 단면을 취하도록 제조되고, 예컨대, 밀봉을 위해 코팅 시멘트로 덮일 수 있다. 이로써, 조립된 필터는 공지된 기술을 따라 배기 라인으로 삽입될 수 있다. 작동시, 배기 가스의 스트림(F)은 유입 채널(2)을 통해 필터로 유입되고, 배출 채널(3)에 합류하기 위하여 이러한 채널의 필터 측벽(4)을 통과한다.
필터를 형성하기 위한 모놀리식 요소들과 이들의 조립체의 구조물의 상세 내용에 대해서는, 국제 출원 공개공보 제WO 05/063462호 또는 제WO 05/016491호를 참조할 수 있다.
국제 출원 공개공보 제WO 05/063462호에 기술되고 도 1에 설명된 실시예에 따라, 유입 채널(2)과 배출 채널(3)의 세트는, 상기 유입 채널이 상부 방향(방향 y)과 가로 방향(방향 x)으로 상기 배출 채널과 교차하는 체커보드(checkerboard) 패턴을 단면에 형성하도록 서로 겹쳐진다.
도 1에 도시되고 본 발명에 따른 실시예에서, 유입 채널(2)의 단면은 배출 채널(3)의 단면과 상이하다. 따라서, 배출 채널(3)의 총 부피를 감소시켜 유입 채널(2)의 총 부피를 증가시키기 위하여, 유입 채널(2)의 단면은 배출 채널(3)의 단 면보다 크다. 따라서, 각각의 요소(1)당 수트 저장 능력은 유리하게 증가된다.
따라서, 유입 채널과 배출 채널은 평평하지 않은 벽 요소(4), 유입 채널 측면의 오목부 및 배출 채널 측면의 볼록부에 의해 경계를 이룬다.
양호하게는, 벽 요소들은 사인파 또는 파형을 형성하도록 (x축을 따른) 수평 열 또는 (y축을 따른) 수직 열의 채널을 따라 단면에서 서로 이어진다. 벽 요소들은 예컨대, 대체로 채널의 폭에 대해 사인 파의 절반 주기로 파상을 이룬다.
요소(1)의 주연에 위치한 채널은 주연 채널(8)로 칭해진다. 어떤 부분도 외벽(7)의 일부를 형성하지 않는 채널은 내부 채널(9)로 칭해진다.
주연 채널의 벽(4)은 요소의 외벽(7)의 일부를 형성하는 부분(5)을 포함하는데, 이는 인접한 채널(8 또는 9)과 공유하는 내벽부(6) 및 요소의 외부와 접촉하는 것을 의미한다.
내부 채널(9)의 벽은, 바람직하게는 두께(e)가 요소의 모든 부피에서 대체로 일정한 것을 특징으로 한다. 또한, 주연 채널(8)의 내벽부(6)는 이러한 두께(e)를 갖는 것이 바람직하다.
종래 기술에 따른 구조물은 내부면(7')이 평평할 뿐만 아니라 파형 타입의 표면을 갖는 전체적으로 강화된 외벽(7)을 특징으로 한다. 따라서, 모놀리식 요소의 외주연벽(7)은 도 1의 단면에 도시된 바와 같이, 네 면에 고르게 놓이고 상기 요소의 전체 길이(L)에 걸쳐 상류측 표면으로부터 하류측 표면까지 연장되는 재료의 평균 두께 및 주기적으로 증가되는 두께만큼 강화된다.
도 2는 본 발명에 따른 모놀리식 요소의 강화된 코너부의 단면을 대략적으로 도시한다. 특히, 도 2는 코너에서의 증가된 두께(Ec)의 여러 프로파일을 도시한다. 본 발명에 따르면, 요소의 외벽의 최소 두께(Emin)에 대하여 코너에서의 각도의 이등분선을 따라 도 2에 도시된 바와 같이 측정되는 비율(Ec)은 1.5보다 크다. 이러한 특성은, 유리하게는 열역학적 강도와 요소의 총 중량 사이의 양호한 절충안으로 이어진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코너에서의 증가된 두께(Ec)는:
- 한편으로는, 요소의 코너에서 외벽의 내부면의 곡률 반경(R1)에 따라,
- 다른 한편으로는, 상기 코너에서 외벽의 외부면의 형상을 따라, 유리하게 정의될 수 있다.
도 2에 도시된 제1 예에 따라, 요소는 코너에서의 증가된 두께(Ec1)를 한정하는 곡률 반경(R2)을 따라 대체로 둥글려진 외부 표면을 코너에 갖는다. 본 발명에 따르면, 곡률 반경(R2)은 R1 이하인 것이 바람직하다. 본 발명의 범위 내에서도 R2는 R1보다 클 수도 있다.
도 2에 도시된 제2 예에 따라, 요소의 코너는 통상적으로 코너에서의 증가된 두께(Ec2)를 한정하는 베벨(bevel) 형태인 대체로 평평한 외부 표면도 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 요소를 특징짓기 위하여, "코너를 제외한(except corner)", 즉, 코너에서의 곡률 반경의 차이와 관련된 강화 효과와는 무관한, 벽의 증가된 최대 두께(E')가 정의된다.
이러한 수치(E')는:
- 상기 증가된 두께의 전체 길이(d'1)에 대한 상수(도 2의 E'1) 또는
- 증가된 두께의 전체 길이(d'2)에 대한 코너 방향에서의 증가된 편차 및 정규 편차(도 2의 최대치 E'2)로 특징지워질 수 있다.
본 발명에 따라, 후자의 경우에, 상기 증가된 두께의 정규 증가치는 0.5°내지 45°사이의 각도(α), 예컨대 1°내지 10°사이에서 측정된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예를 도시한다. 모든 도면에서, 동일한 타입의 요소와 부분들은 동일한 도면부호로 표기된다. 도 2와 관련하여, 이 실시예에서, 각도(α)는 0이고 벽의 내부면의 곡률 반경(R1)은 외부면의 곡률 반경(R2)과 동일하다. 본 발명의 범위 내에서, 외부면 또는 내부면의 둥글려진 코너는 베벨로 대신될 수 있음이 명백하다.
전형적으로 모놀리식 요소는 국제 출원 공개공보 제WO 03/064132호의 교시에 따른 형상의 단면을 구비한 내부 채널(2)과 외부 채널(3)을 가진 중앙부를 포함한다. 본 실시예에 따라, 벽 요소들은 단면에서 및 수평열 또는 수직열의 채널을 따라 서로 이어져 있어, 도 1에 이미 도시된 바와 같은 사인파 또는 파형을 형성한다. 벽 요소들은 채널의 폭에 대해 사인파의 절반 주기로 파상을 이룬다.
통상적으로, 중앙부와 주연부의 채널 밀도는 6cpsi 내지 1800cpsi 사이, 양 호하게는 90cpsi 내지 400cpsi 사이(제곱 인치당 셀, 1cpsi는 1셀/6.45㎠와 동일), 즉 약 14c/㎠ 내지 62c/㎠ 사이에 속한다.
도 3에 도시된 실시예에 따라, 요소의 외벽(7)은 요소의 전체 길이에 대해 대체로 평평한 내부면(7')을 구비한다. 외벽(7)의 이러한 구성은 어려움 없이, 적절한 압출 다이를 사용하여 공지된 방식으로 얻어진다. 본 실시예에 따라, 주연 채널(8)은, 인접한 채널(8 또는 9)과 공유하고 형상 및 두께가 내부 채널(9)의 형상 및 두께와 동일한 내벽부(6)와, 요소의 외벽(7)의 일부를 형성하는 편평부(5)를 구비한다. 이러한 편평부(5)는 내벽의 평균 두께(e)보다 적어도 1.2배, 양호하게는 1.4배 만큼 큰, 예컨대 요소의 측면 중앙부에서 측정된 최소 두께(Emin)를 갖는다.
본 실시예에 따라, 외벽(7)은 내부면(7')의 평평도 뿐만 아니라 요소의 코너(11)에 존재하는 증가된 두께(10)로 인해 차이가 난다. 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따라, 이러한 증가된 두께는 요소의 전체 길이(L) 및 코너로부터의 거리(d)에 대해 요소의 각 측면으로 연장된다. 본 실시예에 따른 증가된 두께는 전체 길이(L)와 전체 폭(d)에 대해 연속적이고 일정한 것을 특징으로 한다.
도 4는 전술한 실시예와 동일한 본 발명의 제2 실시예를 도시하나, 코너(11)에 존재하는 증가된 두께(10')는 길이(d)에 대해 일정하지 않고, 도 4의 단면에 도시된 바와 같이, 두께가 최대인 코너(11)로부터 및 측면의 중앙부 방향으로 요소의 측면을 따라 대체로 규칙적인 방식으로 감소된다.
본 발명의 범위 내에서, 외부면 또는 심지어 내부면의 둥글려진 코너는 베벨로 대체될 수 있다.
따라서, 이러한 제2 실시예에서, 형성된 각도(α)(도 2 참조)는 0.5°내지 45°사이이며, 도 2와 관련하여 정의된 외벽의 내부면의 곡률 반경(R1)은 외부면의 곡률 반경(R2)과 동일하다.
도 5는 요소가 코너에서 기본적으로 강화된 본 발명의 제3 실시예를 도시한다. 요소의 코너는 둥글려지고, 외벽의 외부면의 곡률 반경(R2)은 외벽의 내부면의 곡률 반경(R1)보다 작다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예를 도시하며, 곡률 반경(R2)은 곡률 반경(R1)보다 작으며, 증가된 두께(10')는 코너로부터 감소하고 대체로 규칙적인 방식으로, 및 도 4에 도시된 실시예와 유사한 방식으로 측면의 중앙부 방향으로, 폭(d)을 따라 요소의 측면들에 대해 연장된다.
본 발명에 따라, 코너의 강화는 상류부면으로부터 하류부면으로 요소의 전체 길이(L)에 대해 연장되는 것이 바람직하다.
코너가 둥근 형상을 가지는 경우에, 강화 폭(d)은 본 발명에 따라, 곡률 반경(R2 및 R1)의 함수로서 유리하게 결정된다. 통상적으로, 강화 폭(d)이 셀의 폭의 0.5배 내지 8배 사이, 양호하게는 셀의 폭의 1배 내지 6배 사이가 되도록 반경(R2 및 R1)이 정해진다.
각각의 요소를 형성하는 다공성 재료는 2100℃ 내지 2400℃ 사이의 온도에서 재결정되는 실리콘 카바이드로 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명 및 본 발명의 장점은 실례와 같은 다음의 예시들을 통해 더 잘 이해될 수 있다.
다음 예시의 모든 요소는 예시 1에 기술된 바와 같이 전형적인 방식으로 합성된다.
(종래 기술에 따른) 예시 1
예컨대, 특허 출원 제EP 816 065호, 제EP 1 142 619호, 제EP 1 455 923호 또는 제WO 2004/090294호에 설명된 종래 기술에 따라, 실리콘 카바이드로 제조된 모놀리식 벌집 형상의 요소들의 제1 집합물이 합성되었다.
이를 위해, 다음 요소들이 믹서에서 혼합된다:
- 98% 순도보다 높고, 입자들의 70 중량%가 직경이 10마이크로미터보다 크고, 이러한 비율의 입자 크기의 중간 직경이 300마이크로미터보다 작은 실리콘 카바이드 입자들의 혼합물 3000g. 본 설명의 의미 내에서, 중간 직경은 제공된 집합물의 50 중량% 이하의 입자들의 직경이다.
- 셀룰로오스로부터 추출된 타입의 유기 바인더(binder) 150g.
물은 압출성형을 허용하는 부드러운 페이스트의 가소성이 얻어질 때까지 첨가되고 혼합되며, 다이는 국제 출원 공개공보 제WO 05/064132호의 교시에 따르고 도 1에 도시된 파상 구조를 갖는 채널 및 외벽을 구비하는 모놀리식 블록을 얻도록 구성된다.
이후, 얻어진 미가공 모놀리스(monolith)는 물의 양이 1 중량%보다 작게 화학적으로 고정되지 않도록 충분한 시간 동안 초단파로 건조된다.
이후, 모놀리스 각 면의 채널은 예컨대, 국제 출원 공개공보 제WO 2004/065088호에 기술된 공지된 기술에 따라 교대로 막히게 된다.
이후, 모놀리식 블록은 약 2200℃의 온도에 도달할 때까지 20℃/시간의 온도 상승으로 가열되어 2시간동안 유지된다.
얻어진 재료는 47%의 개방 세공율 및 약 15㎛의 평균 공극 분포 직경을 가진다.
따라서, 얻어진 요소들의 구조적 특징은 이하의 표1에 나타난다.
외벽의 내부면은 파형 표면을 가져, 외벽의 두께는 최소 544마이크로미터 내지 최대 767마이크로미터 사이에서 변한다. 외벽의 평균 두께는 약 660마이크로미터이다.
필터를 형성하기 위해, 동일한 혼합물에서 생산된 요소들은 시멘트에 의해 접착됨으로써 서로 조립되며, 시멘트의 화학적 조성은 다음과 같다: 72 중량%의 SiC, 15 중량%의 Al2O3, 11 중량%의 SiO2, 나머지는 주로 Fe2O3와 알칼리 금속 산화물 및 알칼리토류인 불순물. 두 인접한 블록들 사이의 평균 결합 두께는 약 2mm이다. 열 처리 이후에 결합 시멘트의 열 전도성은 대기에서 약 2.1W/m.K이며, 측정된 개방 세공율은 약 38%이다.
이후, 실린더 형상의 조립된 필터를 제조하기 위하여 조립체가 가공된다.
(본 발명에 따른) 예시 2:
전술된 합성 기술이 동일하게 반복되지만, 이때 다이는 도 3에 도시된 실시예에 따라, 내부 채널의 파형 특성, 대체로 평평한 내부면을 지닌 외벽 및 일정하고 연속적으로 증가된 코너의 두께로 특징지워지는 모놀리식 블록을 생산하도록 구성된다. 이러한 예시는 α= 0 이고 R1 = R2인 실시예를 설명할 수 있다.
이러한 예시에 따라 얻어진 요소의 주요 구조적 특징은 표1에 나타난다.
(본 발명에 따른) 예시 3:
전술된 합성 기술이 역시 동일하게 반복되지만, 이때 다이는 도 4에 도시된 실시예에 따라, 내부 채널의 파형 특성, 대체로 평평한 내부면을 지닌 외벽 및 일정하고 연속적으로 증가된 코너의 두께로 특징지워지는 모놀리식 블록을 생산하도록 구성된다. 이러한 예시는 α> 0 이고 R1 = R2인 실시예를 설명할 수 있다. 이러한 예시에 따라 얻어진 요소의 주요 구조적 특징은 표1에 나타난다.
(본 발명에 따른) 예시 4:
전술된 합성 기술이 역시 동일하게 반복되지만, 이때 다이는 도 5에 도시된 실시예에 따라, 내부 채널의 파형 특성, 대체로 평평한 내부면을 지닌 외벽 및 증가된 코너의 두께로 특징지워지는 모놀리식 블록을 생산하도록 구성된다. 이러한 예시는 α= 0 이고 R1 > R2인 실시예를 설명할 수 있다. 이러한 예시에 따라 얻어진 요소의 주요 구조적 특징은 표 1에 나타난다.
(본 발명에 따른) 예시 5:
전술된 합성 기술이 역시 동일하게 반복되지만, 이때 다이는 R1 < R2을 제외하는 도 6에 도시된 실시예에 따라, 내부 채널의 파형 특성, 대체로 평평한 내부면을 지닌 외벽 및 연속적이고 감소하는 증가된 코너의 두께로 특징지워지는 모놀리식 블록을 생산하도록 구성된다. 이러한 예시에 따라 얻어진 요소의 주요 구조적 특징은 이하의 표 1에 나타난다.
[표 1]
예시 1 예시 2 예시 3 예시 4 예시 5
대표 형상 도 2 도 3 도 4 도 5 R1 < R2제외한 도 6
내부 채널의 구 조 파상 파상 파상 파상 파상
외벽의 구조(내 부면) 파상 평활 평활 평활 평활
요소 크기(mm) 37.8 37.8 37.8 37.8 37.8
채널 밀도(CPSI) 270 270 270 270 270
내벽의 두께(e)(㎛) 310 310 310 310 310
외벽의 두께(Emin)(㎛) 544 660 660 660 660
요소 길이(cm) 20.32 20.32 20.32 20.32 20.32
요소의 외부 부피(㎤) 290.3 290.3 290.3 290.3 290.3
코너 외부의 증가된 두께의 최대 두께(E')(㎛) 767 847 838 660 847
강화 폭(d)(mm) 0 5.2 5.2 2.0 5.2
코너 외부의 강화 폭(d')(mm) 0 3.4 3.4 0 3.6
R2(mm) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
R1(mm) NA 1.0 1.0 1.6 0.8
각도(α)(도) 0 0 3 0 3
코너에서의 요소의 두께(Ec)(㎛) 663 1198 1183 1182 1114
Ec/e 2.14 3.86 3.82 3.81 3.59
Ec/Emin 1.22 1.82 1.79 1.79 1.69
E'/e 2.47 2.73 2.70 2.13 2.73
중량(g) 189.1 191.6 190.8 190.1 190.7
예시 1에 대한 중량 +1% +1% +1% +1%
(NA = 해당 없음)
전술된 예시들의 샘플은 다음의 테스트에 의해 평가되었다:
A - 열역학적 강도의 측정:
전술된 작동 모드에 따라 예시 1 내지 예시 5의 요소들로 조립된 필터는, 30분 동안 최대 출력(4000rpm)으로 가동되도록 설정된 2.0L 직접 분사식 디젤 엔진의 배기 라인에 장착되며, 이후 필터의 초기 중량을 결정하기 위하여 제거되어 중량이 측정된다. 이후, 필터는 (필터의 부피로) 6g/L 부하의 수트를 얻기 위하여, 다른 시간 동안의 3000rpm의 속도와 50Nm의 토크로 엔진 벤치(bench)에 재설치된다.
따라서, 꽉 찬 필터는 다음과 같이 정의된 강한 재생을 겪도록 라인에 재설치된다: 2분 동안 1700 rpm의 엔진 속도 및 95Nm의 토크에서의 안정화 이후에, 18㎣/행정의 후분사 출력을 위한 상의 70°로 후분사가 수행된다. 수트의 연소가 시작되면, 더 자세하게는 적어도 4초 동안 부하의 손실이 감소할 때, 수트의 연소를 가속시키기 위하여 엔진 속도는 5분 동안 40Nm의 토크에서 1050 rpm으로 감소된다. 이후, 필터는 잔존 수트를 제거하기 위하여 30분 동안 4000 rpm의 엔진 속도 하에 있게 된다.
재생된 필터는 육안으로 보이는 어떠한 균열이라도 찾기 위해 절단시켜 개방한 이후에 점검된다. 필터의 열역학적 강도는 균열의 수와 관련하여 평가되며, 낮은 수의 균열은 입자 필터로서 사용되도록 허용되는 열역학적 강도를 반영한다.
B - 열역학적 강도의 측정
파괴 강도는 길이 20.32cm 및 폭 37.8mm 규모와 동일한 제조 배치(batch)의 요소들에 대응하는 30개의 시료로 각각의 예시에 대해 대기에서 측정된다. 4 지점의 만곡부에서의 장착은 통상적으로 ASTM C1161-02.c 표준에 따라 두 하부 베어링 표면들 사이의 180mm 거리 및 두 상부 펀치들 사이의 90mm 거리로 수행된다. 고무 요소들은 시료의 상부면의, 측정 수준에 악영향을 끼칠 수 있는 압축 균열의 생성을 방지하기 위하여 펀치에 위치된다. 펀치의 강하 속도는 약 10mm/분으로 일정하다. 30개의 측정치의 평균은 각각의 예시에 대해 열역학적 강도의 대표값으로 간주된다.
예시 1 내지 예시 5에 따라 얻어진 필터의 주요 분석 및 평가 자료는 이하의 표 2에 나타난다.
[표 2]
예시 1 예시 2 예시 3 예시 4 예시 5
평균 측정세공율(%) 47.1 46.9 47.2 47.3 47.4
측정된 파괴 강도(N) 3900 4150 4200 4450 4500
파괴 강도/중량 계산비(n/g) 20.6 21.7 22.0 23.4 23.6
6g/L재생 이후 필터에서 관찰된 균열 수 5 내지 10 0 내지 5 0 내지 4 0 내지 5 0 내지 5
표 2로부터, 예시 2 내지 예시 5의 모놀리식 요소들은 중량비에 대해 높은 파괴 강도를 가지며, 이러한 예시들의 필터가 예시 1보다 양호한 열열학적 행동을 보이는 것을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 다공성 벽(4)에 의해 분리되어 축이 서로 평행한 일 세트의 인접한 덕트들 또는 채널들(8 및 9)을 포함하는 모놀리식 벌집 요소(1)로서, 상기 덕트는 덕트 단부들 중 어느 하나가 플러그에 의해 막혀져 있어서 가스 흡입면 상에 개방된 유입 덕트(2)와 가스 배출면 상에 개방된 배출 덕트(3)의 경계를 이룸으로써 가스가 다공성 벽(4)을 통과하는, 모놀리식 요소(1)에 있어서,
    상기 요소의 외벽(7)의 일부를 형성하는 주연 채널(8)은, 요소(1)의 전체 길이에 걸쳐 대체로 평평한 내부면(7')을 지닌 외벽(7)을 형성하도록 구성되며,
    상기 평평한 벽은 코너(11)에서 증가된 두께(10 및 10')를 가져, 단면에서 상기 벽의 최소 두께(Emin)에 대한 요소(1)의 코너(11)에서의 각도의 이등분선을 따라 측정된 벽의 두께(Ec)의 비율(R)이 1.5보다 큰 것을 특징으로 하는 모놀리식 벌집 요소.
  2. 제1항에 있어서, 단면에서 배출 채널(3) 대신에 상기 유입 채널(2)의 총 부피를 증가시킬 수 있는 주기적 파동형상의 내부 채널의 벽을 구비하는, 모놀리식 벌집 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외벽(4)의 두께(Emin)는 요소(1)의 측면의 중앙부에서 측정되는, 모놀리식 벌집 요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증가된 두께(10)는, 요소의 각 코너(11)로부터 외벽의 일부에 걸쳐 연장되며 상기 외벽의 일부에 대해 연속적이고 일정한, 모놀리식 벌집 요소.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증가된 두께(10')는, 요소의 각 코너(11)로부터 외벽의 일부에 걸쳐 연장되며 상기 외벽의 일부에 대해 연속적이고 감소하는, 모놀리식 벌집 요소.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증가된 두께(10 및 10')는, 요소의 각 코너(11)로부터 외벽의 내부면의 총 표면적의 적어도 8분의 1, 양호하게는 적어도 4분의 1과 동일한 총 표면적에 걸쳐 연장되는, 모놀리식 벌집 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 채널의 내벽(4)의 평균 두께(e)에 대한, 요소의 코너(11)에서의 각도의 이등분선을 따라 측정된 외벽(7)의 두께(Ec)의 비율은 2.7보다 크고, 양호하게는 3.5보다 큰, 모놀리식 벌집 요소.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 요소의 코너에서의 각도의 이등 분선을 따라 측정된 벽의 두께(Ec)는, 150마이크로미터 내지 5000마이크로미터 사이, 양호하게는 700 내지 2000마이크로미터 사이, 더 양호하게는 1000마이크로미터 내지 1300마이크로미터 사이에 속하는, 모놀리식 벌집 요소.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 요소의 측면의 중앙부에서 측벽의 두께(Emin)는 100마이크로미터 내지 3500마이크로미터 사이, 양호하게는 450마이크로미터 내지 1300마이크로미터 사이, 더 양호하게는 600마이크로미터 내지 900마이크로미터 사이에 속하는, 모놀리식 벌집 요소.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 채널의 내벽의 평균 두께(e)는 100마이크로미터 내지 400마이크로미터 사이, 양호하게는 200 내지 350마이크로미터 사이에 속하는, 모놀리식 벌집 요소.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 복수의 모놀리식 요소의 조립체에 의해 얻어진 필터이며,
    상기 요소는 결합 시멘트에 의해 서로 연결되는, 필터.
  12. 제11항에 있어서, 상기 요소와 결합 시멘트는 동일한 세라믹 재료에 기초하며, 양호하게는 실리콘 카바이드(SiC)에 기초하는, 필터.
  13. 세라믹 재료의 압출성형에 의해 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 모놀리식 요소를 형성하도록 형상화된, 압출성형 다이.
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