KR20100098402A - 비대칭 육각형 채널을 구비한 가스 여과 구조물 - Google Patents

비대칭 육각형 채널을 구비한 가스 여과 구조물 Download PDF

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아드리앙 빈센트
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다비드 르슈발리에
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생-고뱅 생트레 드 레체르체 에 데투드 유로삐엔
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Abstract

본 발명은 허니컴 타입이고, 다공성 여과 벽에 의해 분리된 평행한 축들을 갖는 종방향 인접 채널의 조립체를 포함하는, 입자로 채워진 가스를 여과하기 위한 구조물에 관한 것이며, 각각의 출구 채널은 여섯 개의 입구 채널과 공통인 벽을 갖고, 각각의 공통 벽은 상기 출구 채널의 면을 형성하며; 각각의 출구 채널은 실질적으로 동일한 폭(a)을 가진 여섯 개의 면을 포함하여 실질적으로 정육각형 단면을 갖는 채널을 형성하며; 각각의 입구 채널의 인접하는 둘 이상의 면은 상이한 폭을 가지며; 동일한 출구 채널과 벽을 공유하는 둘 이상의 입구 채널은 폭(b)을 갖는 공통 벽을 공유하고, 여기서 폭 간의 비(b/a)는 1 초과이고 13 미만이다.

Description

비대칭 육각형 채널을 구비한 가스 여과 구조물{GAS FILTRATION STRUCTURE WITH ASYMMETRICAL HEXAGONAL CHANNELS}
본 발명은 예컨대 디젤 내연 엔진의 배기 라인에 사용되는 촉매 성분을 임의로 포함할 수 있는 여과 구조물 분야에 관한 것이다.
가스의 처리 및 통상적으로 디젤 엔진으로부터 나오는 그을음 입자를 제거하기 위한 필터는 종래 기술에 주지되어 있다. 통상적으로 이러한 구조물 모두는 허니컴 구조를 가지며, 구조물의 면 중 하나는 처리될 배기 가스의 유입을 허용하고 다른 면은 처리된 배기 가스의 유출을 허용한다. 구조물은 유입면과 유출면 사이에, 다공성 벽에 의해 분리된 서로 평행한 축들을 갖는 대개 정사각형 단면의 인접 덕트 또는 채널의 조립체를 포함한다. 덕트는 그 단부 중 어느 하나에서 폐쇄되어 유입면 위에 입구 챔버 개구를 형성하고 유출면 위에 출구 챔버 개구를 형성한다. 배기 가스가 허니컴 본체를 통과하는 과정에서 출구 채널과의 재결합을 위하여 입구 채널의 측벽을 통과하는 식으로 채널이 교번식으로 폐쇄된다. 이러한 방식으로, 미립자 또는 그을음 입자가 필터 본체의 다공성 벽 상에 침착 및 축적된다.
현재, 다공성 세라믹 물질, 예컨대 근청석 또는 알루미나, 특히 알루미늄 티타네이트, 멀라이트 또는 질화규소 또는 규소/탄화규소 혼합물 또는 탄화규소로 제조된 필터가 가스 여과에 사용된다.
사용 중에, 미립자 필터는 일련의 여과 단계(그을음 축적)와 재생 단계(그을음 제거)를 거치는 것으로 알려져 있다. 여과 단계 중에, 엔진에 의해 방출되는 그을음 입자는 필터 내부에 보유 및 침착된다. 재생 단계 중에, 그을음 입자는 필터 내부에서 연소되어 여과 특성을 회복한다. 따라서, 다공성 구조물은 계속해서 미세-균열을 야기하기 쉬운 강한 방사상 및 접선 방향 열-기계적 응력을 받아서, 유닛이 여과 용량에 심각한 손실을 입거나 심지어 완전한 불활성화를 겪게 될 수 있다. 이러한 현상은 특히 직경이 큰 모놀리식 필터에서 관찰된다.
이러한 문제를 해결하고 필터의 수명을 증가시키기 위해, 보다 최근에는 몇 개의 허니컴 블록 또는 모놀리스를 조합하여 제조된 필터 구조물을 제공하는 것이 제안되었다. 모놀리스는 통상적으로, 이하 설명에서는 결합 시멘트로 지칭되는 세라믹 특성의 시멘트 또는 접착제에 의해 서로 접합된다. 이러한 여과 구조물의 예는, 예컨대 특허출원 EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923, WO 2004/090294 또는 WO 2005/063462에 기술되어 있다. 이러한 조립 구조물에서 최적의 응력 완화를 보장하기 위하여, 구조물의 다양한 부분(필터 모놀리스, 코팅 시멘트, 결합 시멘트)의 열팽창 계수는 실질적으로 동일한 크기여야 한다는 것이 공지되어 있다. 따라서, 상기 부분들은 유익하게는 동일한 물질, 통상적으로 탄화규소(SiC) 또는 근청석을 기초로 하여 합성된다. 이러한 선택은 또한 필터의 재생 중에 균일한 열 분배를 보장한다.
열-기계적 강도 및 압력 강하에 있어서 최상의 성능을 얻기 위하여, 현재 경차에 이용가능한 조립 필터는 통상적으로 기본 단면적이 약 13 cm2 내지 약 25 cm2인 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는 약 10 내지 20 개의 모놀리스를 포함한다. 이들 모놀리스는 대개 정사각형 단면을 갖는 복수의 채널로 이루어진다. 압력 강하 및 그을음 저장에 있어서 성능을 감소시키지 않으면서 필터의 질량을 더 감소시키기 위해 명백한 한 가지 방법은 모놀리스의 개별적인 크기를 증가시킴으로써 조립체 내 모놀리스의 수를 감소시키는 것이다. 그러나, 이러한 증가는 특히 SiC 필터의 경우에는 필터의 열-기계적 강도를 용납할 수 없을 정도로 감소시키지 않고서는 현재 가능하지 않다.
특히 "트럭" 용도에 현재 사용되는, 보다 넓은 단면의 필터는 결합 시멘트를 이용하여, 경차용 필터를 구성하는 것과 유사한 크기를 갖는 모놀리스를 조립함으로써 제조된다. 따라서, 트럭 필터 타입의 모놀리스 갯수는 매우 많으며, 최대 30 개 또는 심지어 80 개의 모놀리스를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 필터는 과도하게 높은 총 중량 및 너무 큰 압력 강하를 갖는다.
따라서, 일반적으로 현 시점에서는 통용되는 필터의 전체적인 여과 성능 및 수명 모두를 증가시킬 필요성이 있다.
더 정확하게는, 이하의 특성들을 비교함으로써 필터의 개선점을 직접적으로 측정할 수 있어서, 본 발명에 따라 동등한 엔진 속도에서 특성들 간의 최상의 가능한 절충안이 모색되고 있다. 특히, 본 발명의 대상은 이하 모두를 동시에 갖는 필터 또는 필터 모놀리스이다.
- 여과 구조물에 그을음 입자가 없을 때 (초기 압력 강하) 및 그을음 입자를 포함할 때 모두에서, 작동 중인, 즉 통상적으로 내연 엔진의 배기 라인 내에 있을 때, 여과 구조물에 의해 야기되는 낮은 압력 강하;
- 상기 작동 중에 필터를 가로지르는 압력 강하의 가능한한 적은 증가, 즉 작동 시간의 함수, 보다 정확하게는 필터의 그을음 적재 수준의 함수로 측정되는 압력 강하의 적은 증가;
- 넓은 총 여과 표면적;
- 그 자체로 모놀리스에 균열을 야기할 수 있는 필터가 겪는 열 구배 및 최대 재생 온도를 최소화시키도록 충분한 열량을 보장하기에 적합한 모놀리스 질량;
- 재생의 빈도를 감소시키도록, 특히 일정한 압력 강하에서 큰 그을음 저장 부피;
- 필터의 수명을 연장시키는 높은 열-기계적 강도; 및
- 큰 잔사 저장 부피.
필터의 그을음 적재 수준의 함수로써의 압력 강하의 증가는 특히 적재 기울기 ΔP/M그을음에 의해 직접 측정될 수 있으며, 여기서 ΔP는 압력 강하를 나타내고 M그을음은 필터에 축적된 그을음의 질량을 나타낸다.
상기 기술된 특성 중 어느 하나를 개선하기 위해, 다양한 방식으로 여과 구조물의 채널 형상을 변형시키는 것이 종래 기술에서 이미 제안되었다.
예컨대, 일정한 필터 부피에 대한 상기 필터의 여과 표면적을 증가시키기 위해, 특허출원 WO 05/016491은 입구 채널과 출구 채널이 상이한 형상 및 상이한 내부 부피를 갖는 필터 모놀리스를 제안하였다. 이러한 구조물에서, 벽 요소들은 단면에서 채널의 수평열 및/또는 수직열을 따라 서로를 뒤따라서 정현(sinusoidal) 형상 또는 파동(wavy) 형상을 형성한다. 벽 요소들은 통상적으로 채널의 폭에 대해 정현의 반-주기를 갖는 파동을 형성한다. 이러한 채널 구성은 낮은 압력 강하 및 큰 그을음 저장 부피를 얻을 수 있게 한다. 그러나, 이러한 타입의 구조물은 과도하게 큰 그을음 적재 기울기와 조합된 과도하게 높은 초기 압력 강하를 가지며, 따라서 이러한 타입의 채널 구성으로 제조된 필터는 상기 기술된 모든 요건을 만족시키지 못한다.
다른 구성에 따라, 특허 US 4,417,908은 입구 채널이 여섯 개의 출구 채널로 둘러싸인 육각형 단면의 채널 또는 셀(특히 도 11 참조)을 제안한다. 그러나, 이러한 구조물의 그을음 저장 부피는 전체적으로 여전히 적다.
필터가 작동중일 때 출원인이 수행한 실험은, 이러한 필터가 내연 엔진의 배기 라인에 설치될 때 상기 필터에 의해 잠재적으로 저장될 수 있는 잔사의 양이 증가하는 것은 궁극적으로 필터 수명을 주목할 만하게 연장시킨다는 것을 입증하였다.
따라서, 종래 기술 각각의 구성은 원하는 특성 중 적어도 하나를 개선시키지만, 기술된 어떠한 방법도 상기 설명된 바와 같이 원하는 특성의 조합 사이에서 받아들일 만한 절충안을 제공하지 못한다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 종래 기술 각각의 구성의 경우, 필터의 한 가지 특성에 대해 얻어진 개선은 동시에 다른 특성에 대한 열화를 수반하여, 야기된 문제점에 대해 얻어진 최종적인 개선은 일반적으로 미미하다고 지적될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 기술된 바와 같이, 유도된 압력 강하, 적재 기울기 ΔP/M그을음, 질량, 총 여과 표면적, 그을음 및 잔사 저장 부피 및 열-기계적 강도 간에 최상의 절충안을 갖는 여과 구조물을 제공하는 것이다.
가장 일반적인 형태에서, 본 발명은 허니컴 타입이고 다공성 여과 벽에 의해 분리된 서로 평행한 축들을 가진 종방향 인접 채널의 조립체를 포함하는, 미립자 포함 가스를 여과하기 위한 가스 여과 구조물에 관한 것이며, 상기 채널은 구조물의 단부 중 어느 하나를 교번식으로 차단하여 여과될 가스에 대한 입구 채널 및 출구 채널을 형성하고 입구 채널과 출구 채널을 분리하는 다공성 벽을 상기 가스가 통과하도록 하며, 상기 구조물은,
- 각각의 출구 채널은 여섯 개의 입구 벽에 공통인 벽을 갖고, 각각의 공통 벽은 상기 출구 채널의 한 면을 구성하며;
- 각각의 출구 채널은 대략 동일한 폭(a)의 여섯 면으로 구성되어, 대략적으로 정육각형 단면의 채널을 형성하며;
- 각각의 입구 채널의 인접한 둘 이상의 면은 상이한 폭을 가지며;
- 하나의 동일한 출구 채널과 벽을 공유하는 둘 이상의 입구 채널은 사이에 폭(b)의 공통 벽을 공유하며;
- 폭의 비(b/a)는 1 초과이고 13 미만인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 폭의 비(b/a)는 1(1은 제외) 내지 5, 바람직하게는 1.05 내지 3, 및 매우 바람직하게는 1.1 내지 2이다.
가능한 일 실시양태에 따라, 입구 채널 및 출구 채널을 구성하는 벽은 평면이다.
대안적인 실시양태에 따라, 입구 채널 및 출구 채널을 구성하는 벽은 파동형, 즉 단면에서 및 채널의 중심에 대해 하나 이상의 오목부 또는 하나 이상의 볼록부를 갖는다.
예컨대, 출구 채널은 상기 채널의 중심에 대해 볼록한 벽을 갖는다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 출구 채널은 동일하게 상기 채널의 중심에 대해 오목한 벽을 가질 수 있다.
바람직하게는, 출구 채널을 구성하는 벽이 파동형인 실시양태에서, 두 입구 채널 사이의 폭(b)의 공통 벽은 평면이다.
오목한 벽 또는 볼록한 벽 또는 벽들의 극점과 상기 벽의 두 단부를 연결하는 직선 세그멘트 사이의 단면을 따른 최대 거리는 통상적으로 0 초과이고 0.5a 미만이다.
본 발명에 따른 여과 구조물에서, 채널의 밀도는 통상적으로 cm2 당 약 1 내지 약 280 개의 채널 및 바람직하게는 cm2 당 15 내지 40 개의 채널이다.
본 발명에 따른 여과 구조물에서, 평균 벽 두께는 통상적으로 100 내지 1000 마이크로미터, 및 바람직하게는 150 내지 450 마이크로미터이다.
일반적으로, 출구 채널의 폭(a)은 약 0.1 mm 내지 약 4.00 mm, 및 바람직하게는 약 0.20 mm 내지 약 2.50 mm이다.
일반적으로, 두 입구 채널에 공통인 벽의 폭(b)은 약 0.05 mm 내지 약 4.00 mm 및 바람직하게는 약 0.20 mm 내지 약 2.50 mm이다.
가능한 일 실시양태에 따라, 벽은 탄화규소(SiC)를 기재로 한다.
본 발명은 특히 상기 기술한 바와 같은 복수의 여과 구조물을 포함하는 조립 필터에 관한 것이며, 상기 구조물은 시멘트에 의해 서로 접합된다.
본 발명은 또한 디젤 엔진 또는 가솔린 엔진, 바람직하게는 디젤 엔진의 배기 라인 상의 오염 제어 장치로서 상기 기술된 조립 필터 또는 여과 구조물의 용도에 관한 것이다.
도 1, 도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 채널 구성을 갖는 여과 구조물의 세 가지 비제한적인 실시양태를 도시한다.
도 1은 여섯 개의 벽을 갖는 입구 채널 및 출구 채널을 포함하고 상기 벽은 평면인, 본 발명의 제1 실시양태에 따른 필터의 정면 부분의 정면도이다.
도 2는 여섯 개의 벽을 갖는 입구 채널 및 출구 채널을 포함하고 상기 벽은 파동형이며 출구 채널은 그 중심에 대해 볼록한 벽으로 구성되는, 본 발명의 제2 실시양태에 따른 필터의 정면 부분의 정면도이다.
도 3은 도 2와 관련하여 이미 설명된 실시양태를 보다 상세하게 도시한다.
도 4는 여섯 개의 벽을 갖는 입구 채널 및 출구 채널을 포함하고 출구 채널이 그 중심에 대해 오목한 벽으로 구성되는, 본 발명의 제3 실시양태에 따른 필터의 정면 부분의 정면도이다.
도 1은 모놀리스 여과 유닛(1) 일부의 가스 유입면의 정면도를 도시한다. 유닛은 입구 채널(3)과 출구 채널(2)을 갖는다. 출구 채널은 통상적으로 플러그(4)에 의해 가스 유입면에서 폐쇄된다. 입구 채널 또한 필터의 대향면(후방면)에서 차단되어, 정제될 가스는 다공성 벽(5)을 통과한다. 본 발명에 따른 여과 구조물은 정육각형 형상의 단면을 갖는, 즉 육각형의 여섯 개의 면이 실질적으로 동일한 길이(a)를 갖고 인접한 두 면이 120 °에 근접하는 각도를 이루는 출구 채널(2)의 존재를 특징으로 한다. 정육각형 출구 채널(2)은, 역시 육각형이지만 불규칙적인 일반 형상, 즉 단면에서 인접한 적어도 두 벽이 상이한 폭을 갖는 인접한 벽에 의해 형성되는 여섯 개의 입구 채널(3)과 접촉한다.
본 발명에 따라, 입구 채널(3)은 길이(b)의 공통 벽을 갖는다.
본 발명에 따른 구조물은 비율(b/a)이 1 초과이고 13 미만인 것을 특징으로 한다.
첨부된 단면도(도 1 내지 도 4)에서 볼 수 있듯이, 거리(a 및 b)는 본 발명에 따라 문제의 벽의 중심 코어(6; 이하 도 1 참조)에 놓인 상기 벽의 두 꼭짓점(S1 및 S2)을 연결하는 거리로 정의된다. 따라서, 벽 두께와 독립적인 a와 b의 값이 얻어진다. 바람직하게는, 벽 두께는 본 발명에 따라 필터 두께의 전체 길이에 대해 일정하다.
도 2는 정제될 가스가 본 발명에 따른 허니컴 구조물로 유입되고 그 벽이 파동형인 면의 정면에서 가스 출구 채널(2) 및 입구 채널(3)의 세트의 배열을 도시한다. 이러한 구조물 내에서 도 3에 도시된 바와 같이, 단면에서의 최대 거리(c)는 파동형 벽의 극점(7)과 벽의 두 단부(S1 및 S2)를 연결하는 직선 세그멘트(8) 사이의 거리로 정의된다.
도 4는 전술한 실시양태의 대안적인 실시양태를 도시하지만, 이번에는 출구 채널이 상기 채널의 중심에 대해 볼록한 벽으로 구성된다.
벽이 파동형, 오목형 또는 볼록형인 본 발명에 따른 실시양태의 경우, 거리(c)는 0 초과 0.5a (0.5 × a) 미만이다. 바람직하게는, 이 비율은 0.01a 초과이고, 매우 바람직하게는 0.03a 초과 또는 심지어 0.05a 초과이다. 바람직하게는, 이 비율은 0.30a 미만이고, 매우 바람직하게는 0.20a 미만이다.
가능한 일 실시양태에 따라, 60 °인 입구 채널의 두 벽(평면 또는 파동형)은 본 발명에 따른 구조물에서 동일한 폭을 갖는다. 가능한 일 실시양태에 따라, 본 발명에 따른 구조물의 입구 채널의 인접한 두 벽은 상이한 폭을 갖는다.
본 발명 및 이미 공지된 구조물에 대한 본 발명의 장점은 이하의 비제한적인 실시예를 이해함으로써 더 명확하게 이해될 것이다.
<실시예 1>
탄화규소로 제조된 허니컴 형상 모놀리스의 제1 집단을 종래 기술에 따라, 예컨대 특허 EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923 또는 WO 2004/090294에 기술된 모놀리스로 합성하였다.
이를 위해, 이하의 물질을 혼합기 내에서 혼합하였다.
- 98 % 초과의 순도를 갖고 두 개의 입자 크기 분획으로 이루어진 탄화규소 그레인 또는 입자의 블렌드 3000 g - 제1 분획은 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 중간 직경(d50)을 갖고 분획을 구성하는 입자의 10 중량% 이상이 5 ㎛ 초과의 직경을 가짐. 제2 분획은 5 ㎛ 미만의 중간 입자 직경을 가짐. 본 발명의 내용에서, 용어 "중간 직경"은 그 아래에 입자 집단의 50 중량%가 위치하는 입자 직경을 의미하는 것으로 이해됨 -; 및
- 셀룰로오스 타입의 유기 결합제 150 g.
이후, 압출에 적합한 가소성을 가진 균일한 페이스트가 얻어질 때까지 물을 첨가하여 혼합하였으며, 압출 다이는 정사각형 단면의 모놀리스 블록을 얻을 수 있도록 구성되어 상기 블록의 내부 채널 또한 현재 시판되는 것과 같은 정사각형 단면을 갖는다.
수득된 그린(green) 모놀리스를 화학적으로 비결합된 물의 함수율이 1 중량% 미만이 되도록 충분히 긴 시간동안 마이크로웨이브-건조시켰다.
공지된 기술, 예컨대 출원 WO 2004/065088에 기술된 기술을 사용하여 모놀리스 각각의 면의 채널을 교번식으로 차단시켰다.
이후 모놀리스 (요소)를 2100 ℃ 초과의 온도에서 열처리하고, 상기 온도를 5 시간 동안 유지하였다. 수득된 다공성 물질은 39 %의 개방 공극률 및 약 15 ㎛의 평균 세공 분포 직경을 가졌다. 이에 따라 수득된 모놀리스의 치수적 특성이 이하의 표 1에 주어지며, 구조물은 주기성, 즉 1.89 mm의 인접한 두 채널 간 거리를 갖는다.
이후 모놀리스로부터 조립 필터를 형성하였다. 동일한 혼합물로부터 수득된 열 여섯 개의 요소를 이하의 화학적 조성 - 72 중량%의 SiC, 15 중량%의 Al2O3, 11 중량%의 SiO2, 나머지는 대부분 Fe2O3와 알칼리 및 알칼리 토금속 산화물인 불순물로 이루어짐 - 의 시멘트를 사용하여 접합하는 종래 기술을 사용하여 서로 조립하였다. 인접한 두 블록 사이 접합부의 평균 두께는 약 1 내지 2 mm였다. 이후, 약 14.4 cm의 직경을 가진 원통형 형상의 조립 필터를 구성하도록 전체적인 조립체를 기계가공하였다.
<실시예 2>
상기 기술된 모놀리스 합성 기술을 또한 동일한 방식으로 반복하였지만, 이번에는 내부 채널의 파동형 배열을 특징으로 하는 모놀리스 블록을 생성하도록 압출 다이를 설계하였다. 특허출원 WO 05/016491의 도 3과 관련하여 기술된 바에 따른 모놀리스가 수득되었다. 단면에서, 벽의 파형은 특허출원 WO 05/016491에 정의된 바와 같이 11 %와 동일한 비대칭 정도를 특징으로 하였다. 이에 따라 수득된 요소의 치수적 특성이 이하의 표 1에 주어지며, 구조물은 주기성, 즉 1.95 mm의 인접한 두 채널 간 거리를 갖는다.
<실시예 3>
상기 기술된 모놀리스 합성 기술을 또한 동일한 방식으로 반복하였지만, 이번에는 특허출원 EP 1 495 791의 도 6b에 도시된 바와 같이, 내부 입구 채널의 팔각형 배열(당업계에서는 종종 정사각형/팔각형 구조라고 지칭함)을 특징으로 하는 모놀리스 블록을 생성하도록 압출 다이를 설계하였다. 이에 따라 수득된 요소의 치수적 특성이 이하의 표 1에 주어지며, 구조물은 주기성, 즉 2.02 mm의 인접한 두 채널 간 거리를 갖는다.
<실시예 4>
상기 기술된 합성 기술을 또한 동일한 방식으로 반복하였지만, 이번에는 특허 US 4,417,908의 도 11의 교시에 따라 평면 벽에 의해 채널이 형성되는 정육각형 형상의 단면을 갖는 내부 입구 채널 및 출구 채널의 배열을 특징으로 하는 모놀리스 블록을 생성하도록 압출 다이를 설계하였다. 이에 따라 수득된 정육각형 채널을 갖는 구조물의 파라미터는 a = b = 1.13 mm였다.
<(본 발명에 따른) 실시예 5>
상기 기술된 모놀리스 합성 기술을 또한 동일한 방식으로 반복하였지만, 이번에는 평면 벽을 갖는, 전술된 도 1에 따른 내부 채널의 배열을 특징으로 하는 모놀리스 블록을 생성하도록 압출 다이를 설계하였다. 채널의 배열은 이하의 값을 특징으로 하였다.
a = 1.13 mm;
b = 1.39 mm;
b/a = 1.23.
<(본 발명에 따른) 실시예 6>
상기 기술된 모놀리스 합성 기술을 또한 동일한 방식으로 반복하였지만, 이번에는 본 발명 및 도 2에 주어진 도면에 따른, 즉 정육각형 출구 채널의 중심에 대해 볼록한 파동형 벽을 갖는 내부 채널의 배열을 특징으로 하는 모놀리스 블록을 생성하도록 압출 다이를 설계하였다. 채널의 배열은 이하의 값을 특징으로 하였다.
a = 1.13 mm;
b = 1.39 mm;
b/a = 1.23;
c = 0.09a.
실시예 1 내지 실시예 6에 따라 수득된 모놀리스의 주요한 구조적 특성이 이하의 표 1에 주어진다. 필터 조립/제조 기술은 모든 실시예에 대해 동일하며 실시예 1에 기술된 바와 같다.
Figure pct00001
수득된 표본을 이하의 조작법에 따라 평가 및 특성화하였다.
A - 그을음 포함 상태 및 그을음이 없는 상태에서의 압력 강하 측정 및 적재 기울기 측정
용어 "압력 강하"는 본 발명 내에서 필터의 상류 단부와 하류 단부 사이에 존재하는 압력 차이를 의미하는 것으로 이해된다. 먼저 새로운 필터에서 250 kg/h의 가스 유량 및 250 ℃의 온도에 대해 표준 기술을 사용하여 압력 강하를 측정하였다.
그을음 포함 필터의 손실 측정의 경우, 최대 출력(4000 rpm)으로 30분 동안 작동하는 2.0 리터 디젤 엔진의 배기 라인 상에 다양한 필터를 사전에 장착하였고, 그 이후에 제거하고 칭량하여 초기 질량을 결정하였다. 이후, 필터를 다시 엔진 시험 베드에 올리고 3000 rpm의 속도 및 50 Nm의 토오크에서 작동시켜 7 g/l의 필터 내 그을음 적재량을 얻었다. 따라서 새로운 필터에서와 같이, 그을음을 포함하는 필터를 가로지르는 압력 강하를 측정하였다. 또한 0 내지 10 g/l의 다양한 적재 수준의 함수로 압력 강하를 측정하여 적재 기울기 ΔP/M그을음을 결정하였다.
B - 열-기계적 강도 측정
최대 출력(4000 rpm)으로 30분 동안 작동하는 2.0 리터 직접 분사식 디젤 엔진의 배기 라인 상에 필터를 장착하고, 그 이후 제거하고 칭량하여 초기 질량을 결정하였다. 이후, 필터를 다시 엔진 시험 베드에 올리고 3000 rpm의 속도 및 50 Nm의 토오크에서 다양한 시간 동안 작동시켜 8 g/l(필터의 부피)의 그을음 적재량을 얻었다. 따라서 그을음을 포함하는 필터를 다시 라인 상에 올려서 다음과 같이 정의된 격심한 재생을 겪게 하였다. 95 Nm의 토오크에 대해 1700 rpm의 엔진 속도로 2분 동안 안정화시킨 이후에 18 mm3/사이클의 후분사 부피에 대해 70 °의 위상 변이로 후분사가 수행됨. 그을음 연소가 시작되면, 보다 정확하게는 4초 이상 동안 압력 강하가 감소하면, 엔진 속도는 5분 동안 40 Nm의 토오크에 대해 1050 rpm으로 감소되어 그을음 연소를 가속화시킨다. 이후, 필터는 30분 동안 4000 rpm의 엔진 속도에 노출되어 잔여 그을음을 제거한다.
재생 필터를 절단한 후에 검사하여, 육안으로 볼 수 있는 균열의 존재 가능성을 확인하였다. 필터의 열-기계적 강도를 균열의 개수에 따라 평가하였으며, 적은 개수의 균열이 미립자 필터로 사용하기에 적합한 열-기계적 강도를 나타낸다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 필터에 대해 아래와 같은 등급이 매겨졌다.
+++ : 매우 많은 균열이 존재함;
++ : 많은 균열이 존재함;
+ : 어느 정도의 균열이 존재함;
- : 균열이 없거나 드물게 존재함.
각각의 필터에 대해 본 기술분야에 주지된 통상의 기술에 따라 잔사 저장 부피 및 여과 표면적이 측정되었다.
실시예 1 내지 실시예 6 모두에 대한 시험에서 얻어진 결과가 이하의 표 2에 주어진다.
Figure pct00002
<결과 분석>
표 2에 주어진 결과는 실시예 5 및 실시예 6에 따른 필터가 자동차 배기 라인의 미립자 필터로서의 용도에서 원하는 다양한 특성 간에 최상의 절충안을 제공한다는 것을 나타낸다. 보다 구체적으로, 이러한 결과는 본 발명에 따른 필터가 종래 기술의 필터(실시예 1 내지 실시예 4)에 비해 대단히 개선된 잔사 저장 부피를 가질 수 있다는 것을 나타낸다. 이러한 개선은 특히 자동차 용도에서 잠재적으로 더 긴 필터 수명을 야기하며, 필터가 최종적으로 사용할 수 없게 될 때까지 재생 단계 중에 연속적인 그을음 연소로부터 나오는 잔사가 축적되기 쉽게 한다.
실시예 6에 따른 필터는 새로운 상태 또는 그을음을 포함하지 않은 상태에서 이미 공지된 필터보다 약간 높은 압력 강하를 갖지만, 이러한 결점은 극도로 낮은 적재 기울기에 의해 대체로 보상되며, 자동차 배기 라인의 미립자 필터의 용도를 정당화시킨다.
실시예 5 및 실시예 6에 따른 필터는 또한 종래 기술에 따른 필터보다 우수한 열-기계적 강도를 갖는다.
보다 구체적으로, 이러한 우수한 절충으로 인해 본 발명에 따라 지금까지보다 큰 크기를 갖는 모놀리스로부터 조립 구조물을 합성하면서 조립 구조물이 여전히 긴 수명을 갖는 것을 보장하는 것이 가능해진다.

Claims (15)

  1. 허니컴 타입이고, 다공성 여과 벽에 의해 분리된 서로 평행한 축들을 가진 종방향 인접 채널의 조립체를 포함하는, 미립자 포함 가스를 여과하기 위한 가스 여과 구조물이며, 상기 채널은 구조물의 어느 한 단부에서 교번식으로 차단되어 여과될 가스에 대한 입구 채널(3) 및 출구 채널(2)을 형성하고 입구 채널(3)과 출구 채널(2)을 분리하는 다공성 벽(5)을 상기 가스가 통과하게 되며, 상기 구조물은,
    i. 각각의 출구 채널은 여섯 개의 입구 벽에 공통인 벽을 갖고, 각각의 공통 벽은 상기 출구 채널의 한 면을 구성하며;
    ii. 각각의 출구 채널은 대략 동일한 폭(a)의 여섯 면으로 구성되어, 대략 정육각형 단면의 채널을 형성하며;
    iii. 각각의 입구 채널의 인접한 둘 이상의 면은 상이한 폭을 가지며;
    iv. 하나의 동일한 출구 채널과 벽을 공유하는 둘 이상의 입구 채널은 사이에 폭(b)의 공통 벽을 공유하며;
    v. 폭의 비(b/a)는 1 초과이고 13 미만인 것을 특징으로 하는 여과 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 폭의 비(b/a)는 1(1은 제외) 내지 5, 바람직하게는 1.05 내지 3, 및 매우 바람직하게는 1.1 내지 2인 여과 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입구 채널 또는 출구 채널을 구성하는 벽은 평면인 여과 구조물.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입구 채널 및 출구 채널을 구성하는 벽은 파동형, 즉 단면에서 및 채널의 중심에 대해 하나 이상의 오목부 또는 하나 이상의 볼록부를 갖는 여과 구조물.
  5. 제4항에 있어서, 출구 채널은 상기 채널의 중심에 대해 볼록한 벽을 갖는 여과 구조물.
  6. 제4항에 있어서, 출구 채널은 상기 채널의 중심에 대해 오목한 벽을 갖는 여과 구조물.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 두 입구 채널 사이의 폭(b)의 공통 벽은 평면인 여과 구조물.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 오목한 벽 또는 볼록한 벽 또는 벽들의 극점(7)과 상기 벽의 두 단부를 연결하는 직선 세그멘트(8) 사이의 단면을 따른 최대 거리는 0 초과이고 0.5a 미만인 여과 구조물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 채널의 밀도는 cm2 당 약 1 내지 약 280 개의 채널, 및 바람직하게는 cm2 당 15 내지 40 개의 채널인 여과 구조물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 평균 벽 두께는 100 내지 1000 마이크로미터, 바람직하게는 150 내지 450 마이크로미터인 여과 구조물.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 출구 채널의 폭(a)은 약 0.1 mm 내지 약 4.00 mm, 및 바람직하게는 약 0.20 mm 내지 약 2.50 mm인 여과 구조물.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 두 입구 채널에 공통인 벽의 폭(b)은 약 0.05 mm 내지 약 4.00 mm, 및 바람직하게는 약 0.20 mm 내지 약 2.50 mm인 여과 구조물.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 벽은 탄화규소(SiC)를 기재로 하는 여과 구조물.
  14. 시멘트로 접합된 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 복수의 여과 구조물을 포함하는 조립 필터.
  15. 디젤 엔진 또는 가솔린 엔진, 바람직하게는 디젤 엔진의 배기 라인 상의 오염 제어 장치로서 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 여과 구조물 또는 조립 필터의 용도.
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