KR100810748B1 - 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내구성, 기계적 강도, 열전도 효율 및 차압특성이 우수한 디젤엔진 배가스중의 입자상 물질 제거용 필터에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 일방향성이 부여된 다수의 금속섬유로 이루어지고 기공율이 30%~95%인 금속섬유 매트 및 상기 금속섬유 매트의 상,하면에 대어진 기공율이 5%~95%인 지지체를 포함하는 금속섬유 메디아인 필터부재 또는 일방향성이 부여된 20-500개의 금속섬유 다발로 이루어지며, 1g당 길이가 0.45-0.6m이고 꼬임율이 1-9turns/m인 금속섬유 얀이 길이방향으로 정렬된 기공율이 30%~95%인 금속섬유 매트 및 상기 금속섬유 매트의 상,하면에 대어진 기공율이 5%~95%인 지지체를 포함하는 금속섬유 메디아인 필터부재로 이루어지며, 필터 중심으로부터 ±40% 길이방향 범위에 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터가 제공된다. 본 발명의 필터는 우수한 내구성, 기계적 강도 및 열전도율을 나타낼 뿐만 아니라 저밀도부에 의해 개선된 차압특성을 나타낸다.

디젤엔진 배가스, 저밀도부, 입자상물질 포집, 금속섬유 메디아, 배가스 정화장치용 필터

Description

저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터 {Filter Having a Low Density Parts for an Apparatus for Purifying Exhaust Gas}

도 1(a)는 본 발명의 일 구현에 의한 다수의 주름진 실린더형 필터부재가 겹쳐진 형태의 중첩 실린더형 필터를 나타내는 사진이며,

도 1(b)는 도 1(a) 필터의 A-A 절개선에 따라 절개한 종단면 및 저밀도부(B)가 형성되는 위치를 나타내는 도면이며,

도 2(a)는 본 발명의 일 구현에 의한 주름진 실린더형 필터를 나타내는 사진이며, 도 2(b)는 도2(a)의 실린더형 필터의 B-B 절개선을 따라 절개한 종단면도를 나타내는 도면이며,

도 3은 본 발명의 필터에 사용되는 금속섬유 메디아 필터 부재의 구성요소 및 제조방법을 나타내는 도면이며,

도 4(a)는 본 발명에 의한 필터의 필터 부재로 사용되는 금속섬유에 일방향성을 부여하여 매트로 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 4(b)는 본 발명에 의한 필터의 필터 부재로 사용되는 금속섬유 얀을 길이방향으로 일정하게 배열하여 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 4(c)는 본 발명에 의한 필터의 필터 부재로 사용되는 2층의 금속섬유 얀 으로 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 5는 본 발명에 사용되는 금속섬유의 용융추출에 사용되는 장치를 나타내는 도면이며,

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

도 6(b)는 용융추출법으로 제조된 금속섬유의 횡단면을 나타내는 SEM사진(배율x200),

도 6(c)는 용융추출법으로 제조된 금속섬유의 측표면을 나타내는 SEM사진(배율x600),

도 7(a)는 본 발명에 의한 필터의 필터 부재인 주름진 금속섬유 메디아 제조방법을 나타내는 도면이며,

도 7(b)는 본 발명에 의한 필터의 필터 부재인 주름진 금속섬유 메디아를 나타내는 도면이며,

도 8은 본 발명에 의한 필터에서 배가스의 입자상 물질이 여과되는 현상을 나타내는 도면이며,

도 9는 실시예 2의 저밀도부를 갖는 필터의 차압특성을 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부위에 대한 간단한 설명 *

1,1‘,1“.... 금속섬유 매트 2, 2‘.... 지지체

3.... 금속섬유 얀 4.... 입자상물질

10, 10‘.... 금속섬유 메디아 20, 30 .... 필터

21, 22.... 고정부재

본 발명은 금속섬유 메디아(media) 필터부재로 이루어지며 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 내구성, 기계적 강도, 열전도 효율 및 차압특성이 우수한 금속섬유 메디아 필터부재로 이루어지며 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 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 의무화는 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 중 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. 그러나, 시간경과에 따라 필터에 포집된 입자상 물질의 증가로 인하여 필터가 막히게 되고 이에 따라 배가스의 차압이 증가하고 엔진의 부압이 커지게 되며, 결국 엔진의 성능이 저하된다. 따라서, 필터의 성능을 회복시키기 위해 필터에 걸린 탄화수소류의 수트(Soot)를 태워서 재생하여 사용한다.

DPF를 사용함에 있어서 가장 문제가 되는 것은 필터에 축적된 입자상 물질의 제거, 즉, DPF의 재생에 관한 것이다. 필터 재생방법으로는 일반적으로 촉매를 사용하는 방법과 외부에서 에너지를 가하여 PM을 연소시켜 제거하는 방법이 이용된다. 따라서, 상기 DPF를 이용한 디젤엔진 배가스 중의 PM 입자제거 및 DPF의 재생과 관련하여 DPF에서 요구되는 성능은 (1)여과효율( PM 포집율 등), (2)내열성, (3)열팽창율, (4)열충격 및 기계적 강도 및 내구성 및 (5)차압특성이다. 그러나 가 열상태 등에 따른 내열충격성 및 내구성 약화가 문제된다.

한편, 종래 DPF에서 필터 재료로는 세라믹 재료인 코디얼라이트(cordierite) 및 SiC 그리고 소결 금속매트가 사용되어 왔다.

코디얼라이트 필터는 2MgO-2Al₂O₃-5SiO₂ 조성을 갖는 세라믹 재료로 강도가 우수하고 약 1200도까지의 온도에서 안정적으로 사용가능하며, 주로 코닝사제 필터가 코디얼라이트로 제조된다. 그러나 입자상 물질의 축적이 많은 곳에서는 열전도도가 작아 재생시 발생하는 고열에 의해 필터가 국부적으로 용융되므로 내구성에 문제가 있다.

고온에서의 용융과 열충격으로 인한 단점을 극복하기 위해 SiC 재질의 필터가 개발되었으나, SiC 필터는 내열성 및 기계적 강도가 우수한 반면, 원료가 고가이고 고온 소결등을 필요로 하므로 제조공정이 복잡한 단점이 있다.

또한, 주로 독일계 필터 제조사는 필터재료로 소결 금속 매트나, 금속 분말 소결품을 이용한다. 예를들어, 에미텍사의 대한민국 특허공개 제 2005-30223에는 필터층을 소결 금속섬유로 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 소결금속 매트로 된 필터는 소결로 인해 금속이 취약해지므로 필터로 가공시 꺽인 부분 등이 부 서지기 쉬워 가공성이 문제시된다.

이와 같이 세라믹 필터는 충격 등에 의해 크랙이 발생할 수 있고 재생시 국부적인 가열에 의해 필터가 용융되는 문제가 있으며, 소결금속 매트는 가공성이 저조한 문제를 갖는다.

또한, 종래 필터는 입자상 물질을 포집함에 따라 필터가 막히게 되고, 이로 인하여 차압이 증가하여 필터 효율이 감소하는 문제가 있으며, 따라서, 내구성, 기계적 강도, 열전도 효율 및 차압특성이 우수한 디젤엔진 배가스용 필터가 요구되어 왔다.

이에 본 발명의 목적은 내구성, 기계적 강도, 열전도 효율 및 차압특성이 우수한 금속섬유 메디아 필터부재로 이루어지며 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 있어서,

일방향성이 부여된 다수의 금속섬유로 이루어지고 기공율이 30%~95%인 금속섬유 매트 및 상기 금속섬유 매트의 상,하면에 대어진 기공율이 5%~95%인 지지체를 포함하는 금속섬유 메디아 필터부재로 이루어지며, 필터 중심으로부터 ± 40% 길이방향 범위에 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터가 제공된다.

본 발명의 다른 견지에 있어서,

일방향성이 부여된 20-500개의 금속섬유 다발로 이루어지며, 1g당 길이가 0.45-0.6m이고 꼬임율이 1-9turns/m인 금속섬유 얀이 길이방향으로 정렬된 기공율이 30%~95%인 금속섬유 매트 및 상기 금속섬유 매트의 상,하면에 대어진 기공율이 5%~95%인 지지체를 포함하는 금속섬유 메디아 필터부재로 이루어지며, 필터 중심으로부터 ± 40% 길이방향 범위에 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터가 제공된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

종래 디젤엔진 배가스 중의 입자상 물질(Particulate Matter) 및 질소산화물(NOx)을 제거하기 위해 사용되는 입자상 물질 여과장치(DPF)의 핵심 요소인 필터 재료로는 세라믹 재료의 일종인 코디얼라이트 혹은 소결금속매트가 주로 사용되어 왔다. 그러나, 코디얼라이트의 경우 충격(진동)에 의해 크랙이 발생하고 파손될 염려가 있다. 또한, 필터를 재생하기 위해 연소시키는 과정에서 저조한 열전달율로 인한 국부적인 집중가열로 인하여 필터가 효율적으로 재생되지 않고 용해 또는 파손된다. 소결금속 매트를 필터부재로 한 필터는 소결로 인하여 강도가 취약해지므 로, 원하는 형태의 필터로 제조하는 경우 꺽임 부분등에서 파손되기 쉬우므로 필터로의 가공성이 저조한 문제가 있다. 또한, 종래 필터는 입자상 물질을 포집함에 따라 필터가 막히게 되며, 이로 인하여 차압이 증가하여 필터 효율이 감소하는 문제가 있다. 따라서, 내구성, 기계적 강도, 열전도 효율 및 차압특성이 우수한 디젤엔진 배가스용 필터가 요구된다.

본 발명에 의한 금속섬유 메디아 필터부재로 이루어지며 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터는 금속재료로 이루어져 있어 우수한 내구성, 기계적 강도, 열전도율을 가질 뿐만 아니라, 저밀도부에 의하여 개선된 차압특성을 나타낸다.

본 발명의 필터를 이루는 금속섬유 메디아 필터부재는 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 외부적 충격등에 의해 크랙이 발생하지 않고 파손의 염려가 없다. 또한, 열전도율이 우수하여 필터 재생을 위한 연소시, 열이 고르게 전달되고 국부가열로 인한 필터의 파손 및 재료의 용융이 방지되며 따라서 필터 재생 효과가 뛰어나다.

나아가, 본 발명의 필터는 소결되지 않는 금속섬유 메디아 필터부재로 제조되므로 금속이 취약해지지 않으므로 우수한 가공성을 나타내며, 3차원적인 딥스 필터링(depth filtering)되므로 보다 우수한 매연 포집효율을 나타낸다. 더욱이, 종래 코디얼라이트 및 소결금속 매트로된 필터에 못지않은 디젤엔진 배가스 중의 입 자상 물질 포집 효율 및 재생 효율을 나타낸다. 또한, 필터에 포집된 입자상 물질중 기상 미립자 물질이 필터의 저밀도부를 통해 배출되므로, 입자상 물질 포집으로 인한 차압증가율이 감소되며, 이에 따라, 필터를 장기간 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 필터의 입자상 물질 포집효율이 증대된다.

도 1(a) 및 1(b)에 본 발명의 일 구현에 의한 금속섬유 메디아 필터부재로 제조되고 저밀도부를 갖는 디젤엔진 배가스용 입자상물질 제거용 필터의 일예를 도시하였다. 도 1(a)은 배가스 흐름방향을 축으로하여 다수의 주름진 관통형 필터부재가 겹쳐진 형태의 필터를 나타내며, 도 1(b)는 도 1(a) 필터의 A-A 절개선을 따라 절개한 종단면도를 나타낸다. 또한, 도 1(b)에서 도시한 바와 같이, 필터의 중심으로부터 길이방향의 ± 40%의 길이 부분에 저밀도부(B)를 갖는다.

상기 도 1(a) 및 (b)의 다수의 주름진 관통형 필터부재가 겹쳐진 형태의 필터는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명에 의한 필터의 형태를 이로서 제한하는 것은 아니며, 필터는 배가스와 접촉할 수 있는 표면적이 가능한한 넓게 그리고 각각의 금속섬유 사이의 기공에 가능한한 많은 배가스중의 입자상 물질등이 포집될 수 있는 어떠한 형태로 제조될 수 있다.

본 발명의 필터는 관통형 또는 다수의 관통형 필터부재가 겹쳐진 중첩 관통형일 수 있다. 관통형 필터의 종단면은 원형, 타원형 또는 사각형, 오각형등의 다 각형, 바람직하게는 원형인 실린더형일 수 있다. 중첩 관통형 필터에서 필터부재는 2이상의 필터부재가 중첩되며, 중첩되는 필터부재의 수는 특히 제한되지 않으며, 필터의 효율 및 용량을 고려하여 적합하게 선택될 수 있다. 또한, 상기 주름진 금속 메디아가 필터부재로 사용되는 경우에 상기 관통형 또는 중첩 관통형 필터에서 필터부재는 주름진 관통형, 바람직하게는 주름진 실린더형일 수 있다.

도 2(a) 및 2(b)에 주름진 실린더형 필터부재로 형성된 필터를 또한, 도시하였다. 도 2(a)는 본 발명의 다른 구현에 의한 주름진 금속섬유 메디아를 실린더형으로하여 필터부재로 이용한 주름진 실린더형 필터(20)를 나타내며, 도 2(b)는 도 2(a)의 주름진 실린더형 필터의 B-B선을 따라 절단된 주름진 실린더형 필터의 종단면도이다. 상기 주름진 실린더형 필터 부재의 양말단은 고정부재(21,22)로 고정된다. 예를들어, 상기 고정부재의 고정은 실린더형 필터부재의 양말단을 캡으로 용접하여 행할 수 있다. 이때, 필터에서 배가스 유입구는 오픈(open)되며 처리된 배가스 배출구는 폐쇄(close) 된다.

상기한 바와 같이 도 1(a)에 도시한 중첩 실린더형 필터는 배가스 흐름방향을 축으로하여 다수의 주름진 관통형 필터부재가 겹쳐진 형태이며, 필터부재는 양말단에서 각각 두 개의 필터부재가 이음부(a, b, c, d)로 연결되며, 일말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈리도록 이음부로 연결된다.

도 1(a) 및 도 1(b)에 도시한 필터는 7겹의 필터부재, 즉, 주름진 금속섬유 메디아가 겹쳐진 것으로, 도 1(a) 필터의 A-A 절개선을 따라 절개한 종단면도인 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 두겹의 필터부재가 양말단에서 엇갈려서 이음부로 연결되어 일체로 형성된다.

본 발명에 의한 어떠한 형태의 필터는 도 1(b)에 도시한 바와 같이 필터부재 일부에 저밀도부(B)를 갖는다. 필터부재 일부의 밀도가 필터부재의 다른 부분(이하, '비저밀도부'라 한다.) 보다 작게 조절된 저밀도부(B)를 갖는 본 발명의 필터는 개선된 차압특성을 나타낸다.

도 1(b)에 도시한 바와 같이, 필터부재중 저밀도부(B)는 필터 중심으로부터 ± 40% 길이범위의 부분에 형성된다. 저밀도부(B)가 필터의 중심에서 ± 40% 길이 부분 범위를 벗어나서, 필터의 유입부 혹은 말단부에 형성되는 경우에는 필터의 여과효율이 감소되므로 바람직하지 않다.

상기 저밀도부(B)는 필터 부재의 총 면적의 1~15%, 바람직하게는 1.5~5%로 형성되는 것이 바람직하다. 저밀도부(B)가 필터 부재 총 면적의 1% 미만이면 저밀도부 형성에 의한 차압특성 개선효과가 미비하며, 15%를 초과하면 저밀도부의 증가로 인하여 전반적인 입자상물질 여과효율이 감소되므로 바람직하지 않다.

상기 저밀도부(B)의 밀도는 필터부재의 다른 부분(비저밀도부)의 밀도의 1~30%에 해당한다. 저밀도부(B)의 밀도가 비저밀도부 밀도의 1% 미만이면 밀도가 너무 낮아 입자상 물질이 충분히 여과되지 않으며, 30%를 초과하면 비저밀도부의 밀도차가 충분하지 않아 저밀도부 형성에 의한 차압특성 개선 효과가 미비하다. 상기 저밀도부의 밀도는 예를들어, 필터부재인 금속섬유 메디아를 구성하는 금속섬유의 기공율 및/또는 금속섬유 밀도등을 조절하여 조절할 수 있다.

본 발명의 필터에서, 필터부재의 밀도가 필터 부재의 다른 부분의 밀도보다 작게 조절된 저밀도부(B)로 필터에 포집된 입자상 물질중 기상 미립자 물질이 배출되므로 필터의 차압 증가율이 감소된다. 또한, 입자상 물질에 의한 필터의 막힘이 지연되므로 필터를 장시간 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 필터의 입자상 물질 포집효율이 증대된다.

본 발명에 의한 필터는 관통형으로 제조시, 등가직경 대 길이의 비율이 1 : 1.5-15인 것이 바람직하다. 중첩 관통형 필터의 경우에는, 가장 안쪽의 관통형 필터부재의 등가직경 대 길이 비율이 1:1.5-15인 것이 바람직하다. 길이의 비율이 1.5미만이면 필터의 부피 대비 여과 면적이 작아지는 문제가 있다. 15배를 초과하면 필터의 길이가 길어서 차량에 설치하기에 부적합하다. 관통형 필터부재 한 개당 주름의 개수는 필터의 등가직경을 센티미터로 표시하는 경우 등가직경의 15배 이하인 것이 바람직하다. 등가직경의 15배를 초과하면 주름이 많아서 주름사이의 간격 이 유지되지 못하여 넓은 여과면을 만들지 못하는 문제가 있다.

상기 본 발명에 의한 필터는 도 3에 도시한 금속섬유 메디아(10)를 필터 부재로 하여 제조될 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에서 필터부재로 사용되는 금속섬유 메디아(10)는 금속섬유 매트(1‘)와 매트의 상,하면에 대어진 지지체(2,2‘)로 이루어진다.

금속섬유 매트는 금속섬유 또는 상기 금속섬유로 된 얀으로 제조될 수 있다. 상기 금속섬유 메디아(10)에 사용될 수 있는 여러 가지 형태의 금속섬유 매트를 도 4(a) 내지 도 4(c)에 나타내었다. 상기 금속섬유 매트 제조에 사용되는 금속섬유는 특히 한정되지 않으며, 어떠한 금속섬유가 사용될 수 있다. 이들 금속섬유는 일 방향성이 부여되어 정렬된다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 상기 금속섬유 메디아 제조에 사용가능한 금속섬유의 일예로서, 용융추출법으로 제조된 방향성이 무작위인 금속섬유를 빗질하여 일 방향성이 부여된 금속섬유가 사용될 수 있다.

도 4(a)는 용융추출법으로 제조된 방향성이 무작위인 금속섬유를 빗질하여 일방향성이 부여된 내열성 금속섬유 매트를 나타낸다. 도 4(b)는 길이방향으로 정렬된 금속섬유 얀으로 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이다. 도 4(b)의 금속섬유 매트에서 금속섬유 얀(3)은 용융추출법으로 제조된 방향성이 무작위인 금속섬유를 빗질하여 일방향성이 부여된 20-500개의 금속섬유 다발로 이루어지며, 1g당 길이가 0.45-0.6m이고 꼬임율이 1-9turns/m이다.

상기 금속섬유로는 등가직경이 10~150㎛인 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. 또한, 섬유 길이가 10~20cm인 금속섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 섬유길이가 10cm미만이면 길이가 짧아 얀을 제조하기 어려우므로 바람직하지 않으며, 용융추출 공정으로 직경이 10~150㎛인 금속섬유를 20cm를 초과하는 길이로 제조하기 어렵다.

용융추출법은 본 출원인의 미국특허 제 6,604,570호에 개시되어 있는 바에 따라 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.

상기 용융추출법으로 제조된 무방향성의 금속섬유를 상기 금속섬유 매트로 제조하기 위해서는 일정한 방향성이 부여되어야 한다. 미세 금속섬유가 서로 평행 하게 일방향으로 배열되도록 하기 위한 방향성은 무작위로 섞여 있는 금속섬유를 연속적으로 수차례 빗질(combing)함으로써 부여될 수 있다. 이와 같이 용융추출법으로 얻어진 무방향성의 금속섬유를 빗질하여 일방향성을 부여하므로써 도 4(a)와 같은 금속섬유 매트(1)를 얻을 수 있다.

한편, 얀으로 제조하는 경우, 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. 상기 얀의 제조에 사용되는 금속섬유 또한, 특히 한정되지 않으며, 어떠한 금속섬유가 사용될 수 있다. 이로써 한정하는 것은 아니지만, 용융추출법으로 제조된 방향성이 무작위인 금속섬유를 빗질하여 일 방향성이 부여된 금속섬유가 사용될 수 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.

한편, 내열성 금속섬유 매트에 사용되는 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 일방향성이 부여된 다수의 금속섬유로된 금속섬유 매트 혹은 금속섬유 얀이 길이방향으로 정렬된 금속섬유 매트가 이용되는 경우, 금속섬유 매트는 단층 또는 둘 이상의 층으로 길이방향으로 적층하여 사용될 수 있다. 예를들어, 얀의 굵기가 굵으면 단층으로 얀의 굵기가 가늘면 다층으로 하여 금속섬유 매트를 제조할 수 있다. 또한, 용도에 따라 요구되는 물성등을 고려하여 2이상의 다수의 층으로 적층하여 사용될 수 있다. 단층의 일방향성이 부여된 금속섬유로된 금속섬유 매트(1)를 도 4(a)에, 단층의 금속섬유 얀으로 된 매트(1‘)를 도 4(b)에 그리고 2층의 금속섬유 얀으로된 매트(1“)를 도 4(c)에 각각 도시하였다. 또한, 상기 금속섬유 얀으로된 매트와 일방향성이 부여된 다수의 금속섬유로된 금속섬유 매트를 적층하여 금속섬유 매트로 사용할 수도 있다.

상기 금속섬유 매트 제조에 사용되는 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 금속섬유로는 철-크롬-알루미늄계 합금을 기초로 한 퍼크랄로이(Fecralloy) 금속섬유가 이용될 수 있다. 바람직하게는 Zr을 0.05-0.5중량%, 보다 바람직하게는 0.1~0.3중량% 포함하는 개량된 퍼크랄로이가 사용될 수 있다. Zr을 상기 범위로 포함하는 퍼크랄로이 금속섬유로된 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 철을 포함하는 퍼크랄로이, 바람직하게는 지르코늄(Zr) 0.05-0.5중량%, 더욱 바람직하게는 지르코늄(Zr) 0.1-0.3중량%를 추가로 포함하는 퍼크랄로이가 사용될 있다.

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 5중량% 미만이면 강도는 높으나 필터의 차압이 너무 높으며, 95%를 초과하면 차압은 낮아지나, 강도가 약해지는 문제가 있다. 상기 금속섬유 매트 상부 및 하부의 지지 체는 같거나 혹은 다른 기공율을 가질 수 있다. 상기 지지체 또한, 상기 금속섬유 재료인 상기한 퍼크랄로이로 된 것이 사용될 수 있다. 상기 금속섬유 및 지지체는 내열성 있는 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 길이방향으로 정렬된 금속섬유(도 4(a))로 된 매트(1) 또는 금속섬유 얀(도 4(b) 및 도 4(c))으로된 금속섬유 매트(1‘, 1“)의 상,하면에 지지체로서 와이어 메쉬(2,2‘)를 대어서 금속섬유 메디아(10)를 제조한다. 와이어 메쉬(2,2’)는 금속섬유 매트(1‘)의 형상을 유지하고 금속섬유 메디아(10)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 금속섬유 메디아(10)의 강도가 증대된다.

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

본 발명의 필터는 상기와 같은 금속섬유 메디아(10)를 필터부재로하여 제조 된다.

또한, 상기 필터 부재로 사용되는 금속섬유 메디아는 주름진 금속섬유 메디아일 수 있다. 주름진 금속섬유 메디아는 금속섬유 또는 얀의 길이방향에 대하여 수직방향으로 플리팅(pleating)하고 플리팅하여 형성된 주름이 고정되도록 주름방향으로 가압하여 제조된다. 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(c)에 도시한 금속섬유 매트를 이용하여 제조된 금속섬유 메디아를 플리팅하여 주름진 금속섬유 메디아를 제조할 수 있다. 주름진 금속섬유 메디아의 제조방법 및 이에 따라 제조된 주름진 금속섬유 메디아를 각각 도 7(a) 및 도 7(b)에 나타내었다. 도 7(a)에 도시한 바와 같이 플리팅하려는 금속섬유 메디아(10)의 금속섬유 혹은 얀의 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(10')로 제조될 수 있다. 플리팅시, 주름의 깊이는 3~30㎜로 할 수 있다. 주름의 깊이가 3㎜미만일 때는 주름이 형성되지 않고 주름에 의한 표면적 향상 효과가 적으며, 주름의 깊이가 30㎜를 초과하면 재생시 발생하는 열에 의한 변형이 발생하고 높은 압력에서 변형이 발생하는 문제가 있다. 상기 주름의 깊이가 3㎜일때는 주름을 형성하기 전에 비해 표면적이 1.5배 향상되며, 주름의 깊이가 30㎜일 때는 15배 향상된다.

상기 금속섬유 메디아 및 주름진 금속섬유 메디아는 평균기공크기가 등가직경으로 10~250㎛일 수 있다. 평균기공크기의 등가직경이 10㎛미만이면 극미세분진을 거르는데는 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 필터 내부의 기공율은 85%~97%이다.

상기 본 발명에 의한 필터는 디젤엔진 배가스가 금속섬유 메디아의 금속섬유 사이 그리고 얀과 얀 사이에 형성되어 있는 다수의 공극을 통과하여 딥스 필터(depth filter) 효과를 나타낸다. 도 8에 도 3에 도시한 금속섬유 메디아(10)의 C-C 선 단면도를 나타내고 디젤엔진 배가스가 금속섬유 필터를 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 필터부재로한 필터의 경우, 금속섬유 메디아의 두께가 증가하여 필터 단면의 금속섬유 수가 많아지고 따라서 PM을 포집할 수 있는 표면적이 더욱 증대되어 보다 우수한 배가스 중의 입자상 물질 포집효율을 나타낸다. 또한, 저밀도부에 의해 기상 미립자 물질 이 제거되므로 필터의 차압특성이 개선된다.

또한, 종래의 세라믹 필터 등의 경우 촉매를 담지하기 위해 세라믹 필터등에 알루미나를 코팅한 다음에, 이에 촉매를 담지하여 사용하여 왔다. 그러나, 본 발명의 필터에 필터부재로 사용되는 금속섬유 메디아는 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. 상기 금속섬유 메디아인 필터부재로 필터를 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.

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, 열전도율 및 차압특성을 나타낸다.

본 발명의 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 발명예 1의 필터는 다음과 같이 제조되었다. 미국특허 6,604,570호의 방법에 따라 도 3의 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.

상기 금속섬유 매트 제조시, 밀도가 3.0㎏/㎡인 금속섬유가 사용되었으며, 저밀도부를 이루는 부분의 금속섬유 매트는 밀도가 0.9kg/㎡인 금속섬유가 사용되었다. 상기 금속섬유 매트 제조시, 필터의 중심에서 -40% 부분이 저밀도부의 말단이 되도록 필터 부재 총 면적의 3.0%에 해당하는 저밀도부를 형성하였다.

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 비저밀도부의 평균기공크기는 등가직경이 40㎛이었다.

상기 제조된 금속섬유 메디아를 깊이가 10mm가 되도록 플리팅하여 주름을 잡고 1kg/㎠로 가압하여 주름잡힌 금속섬유 메디아를 직경 70mm, 길이 300mm, 주름수 52개의 실린더형 필터 부재로 제조하였다. 필터부재의 양 말단에 고정 부재를 장착하여 도 2a형태의 주름진 실린더형 필터(발명예 1)를 제조하였다. 상기 실린더형 필터의 체적은 1.15ℓ였다.

비교예 1의 필터는 별도의 저밀도부를 형성하지 않고, 밀도가 3.0㎏/㎡인 금속섬유를 사용하여 금속섬유 매트를 제조한 것을 제외하고는 상기 발명예 1의 필터와 동일한 방법으로 제조하였다.

실시예 2

본 실시예에서는 상기 실시예 1에서 제조된 발명예 1과 비교예 1의 필터를 사용하여 각 필터의 PM 포집량에 따른 차압변화를 측정하였다.

디젤엔진으로는 4기통의 VGT, 인터쿨러와 커먼레일(common rail)이 장착된 용량 2,000cc급인 산타페용 디젤엔진을 사용하였다.

발명예 1 및 비교예 1의 필터 2개가 각각 장착된 DPF를 사용하여 시험하였다.

100km/hr.속도로 1,800rpm 및 풀 로드 토크에서 연료주입량 21.9kg/hr, 공기주입량 330kg/hr로 하여 PM 포집량에 따른 차압변화를 측정하여 그 결과를 도 9에 나타내었다. 연료로는 ULSD(초저유황 디젤엔진, 황 함유율 50ppm 미만)이 사용되었다.

도 9에 도시한 바와 같이, PM(입자상 물질) 포집량이 2g/L인 경우에, 발명예 1 필터의 차압은 25mbar이며, 비교예 1 필터는 60mbar의 차압을 나타내었으며, 이로부터 본 발명에 의한 저밀도부를 갖는 필터의 경우에 차압특성이 개선됨을 알 수 있다.

본 발명에 의한 배가스 정화장치용 필터는 금속메디아 필터부재로 이루어져 있어 우수한 내구성, 기계적 강도 및 열전도율을 나타낼 뿐만 아니라 저밀도부에 의해 개선된 차압특성을 나타낸다. 본 발명의 필터는 또한, 내구성 및 기계적 강도가 우수하여 외부적 충격 등에 의해 크랙이 발생하지 않고 파손의 염려가 없으며, 열전도율이 우수하여 필터 재생을 위한 수트(soot) 연소시, 열이 고르게 전달되고 국부가열로 인한 필터의 파손 및 재료의 용융이 방지되며 따라서 필터 재생 효과가 뛰어나다. 나아가, 필터부재로 사용되는 금속섬유 메디아는 소결되지 않은 것으로 금속이 취약해지지 않으므로 가공성이 우수하다. 더욱이, 종래 코디얼라이트 및 소 결금속 매트로 된 필터에 못지않은 디젤엔진 배가스 중의 입자상 물질 포집 효율을 나타낸다.

Claims (14)

1. 일방향성이 부여된 다수의 금속섬유로 이루어지고 기공율이 30%~95%인 금속섬유 매트 및 상기 금속섬유 매트의 상,하면에 대어진 기공율이 5%~95%인 지지체를 포함하는 금속섬유 메디아 필터부재로 이루어지며, 필터 중심으로부터 ± 40% 길이방향 범위에 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터.
2. 일방향성이 부여된 20-500개의 금속섬유 다발로 이루어지며, 1g당 길이가 0.45-0.6m이고 꼬임율이 1-9turns/m인 금속섬유 얀이 길이방향으로 정렬된 기공율이 30%~95%인 금속섬유 매트 및 상기 금속섬유 매트의 상,하면에 대어진 기공율이 5%~95%인 지지체를 포함하는 금속섬유 메디아 필터부재로 이루어지며, 필터 중심으로부터 ± 40% 길이방향 범위에 저밀도부를 갖는 배가스 정화장치용 필터.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 금속섬유는 밀도가 100-4,000g/㎡임을 특징으로 하는 필터.
4. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 금속섬유 매트는 2층 이상으로 길이방향으 로 정렬됨을 특징으로 하는 필터.
5. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 금속섬유 메디아는 주름진 형태임을 특징으로 하는 필터.
6. 제 5항에 있어서, 상기 주름은 깊이가 3~30㎜임을 특징으로 하는 필터.
7. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 금속섬유는 등가직경이 10-150㎛임을 특징으로 하는 필터.
8. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 금속섬유 메디아는 평균기공크기가 등가직경으로 10-250㎛임을 특징으로 하는 필터.
9. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 필터는 관통형 필터부재로된 관통형 또는 다수의 관통형 필터부재가 겹쳐진 중첩 관통형 필터임을 특징으로 하는 필터.
10. 제 9항에 있어서, 상기 관통형 필터부재는 주름진 실린더형임을 특징으로 하는 필터.
11. 제 9항에 있어서, 상기 관통형 필터에서 등가직경:길이의 비율이 1:1.5-15임을 특징으로 하는 필터.
12. 제 9항에 있어서, 상기 관통형 필터에서 주름은 개수가 필터의 등가직경을 센티미터로 표기시 직경의 15배이하임을 특징으로 하는 필터.
13. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 저밀도부는 필터부재 총면적의 1~15%에 해당함을 특징으로 하는 필터.
14. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 저밀도부는 비저밀도부 밀도의 1~30%에 해당함을 특징으로 하는 필터.

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