KR100985489B1 - 슬롯형 바이-패싱부가 형성된 입자상 물질 저감용 금속섬유 필터 및 이를 포함하는 배가스 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필터부재의 이음부에 슬롯(slot)이 형성된 차압성능이 개선된 배가스 정화용 필터 및 이를 포함하는 배가스 정화장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 다수의 필터부재가 중첩되어 관통형으로 형성되며, 이웃한 두 필터부재는 양말단에서 이음부로 연결되며, 필터부재의 일말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈려서 연결되도록 형성되며, 필터부재 양말단의 이음부중 최소 일말단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 배가스 유입단 이음부에 형성되는 필터; 및 상기 본 발명에 의한 필터를 포함하는 배가스 정화장치가 제공된다. 본 발명에 의한 필터는 필터부재 표면에 매연이 포집되어 축적되더라도 슬롯으로 유량의 일부가 배출되므로 필터 전,후단의 압력차 (차압, 배압) 상승이 방지된다. 또한 필터 입구단에 슬롯이 형성되어 있는 경우에는 필터 내부에 쌓여 있는 입자상물질이 필터 외부로 일시에 유출되는 현상이 방지된다. 따라서, 필터에 매연이 한계 포집양 이상으로 포집되는 경우에도 입자상물질의 외부 배출 (Blow-out)과 필터 전,후단의 압력에 큰 영향이 없어 차량 출력감소등이 방지된다.

디젤엔진 배가스, 입자상물질 포집, 차압성능 개선, 슬롯, 배가스 정화장치용 필터

Description

슬롯형 바이-패싱부가 형성된 입자상 물질 저감용 금속섬유 필터 및 이를 포함하는 배가스 정화장치{Metal Fiber Filter for Purifying Diesel Engine Exhaust Gas Having Slot Type By-Passing Part and Exhaust Gas Purifying System}

본 발명은 차압성능이 개선된 배가스 정화용 필터 및 이를 포함하는 배가스 정화장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 필터부재의 이음부, 특히 배가스 유입단의 이음부에 슬롯(slot)형 바이-패싱(by-passing)부가 형성되어 개선된 차압성능을 나타내는 배가스 정화용 필터 및 이를 포함하는 배가스 정화장치에 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 의무화하는 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 중의 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. 일반적으로 사용되는 DPF 필터(10)의 측단면도를 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시한 바와 같이, 필터의 양말단(11,11')은 교대로 폐쇄되어 있으며 따라서, 필터에 포집된 입자상 물질은 필터의 폐쇄된 양말단(11, 11') 내부에 쌓이게 되어 필터가 막히게 된다. 필터가 막히게 되면, 차압이 높아지고 이로 인해 배기가스 배출이 원활하지 않아 결국 엔진의 성능이 저하된다.

따라서, 필터의 성능을 회복시키기 위해 필터에 포집된 수트(soot)를 태워서 필터를 재생하여야 한다. 필터 재생방법으로는 일반적으로 촉매를 사용하는 방법과 외부에서 에너지를 가하여 PM을 연소시켜 제거하는 방법이 이용된다. 그러나, 상기 필터의 재생에 많은 비용 및 시간이 소요된다.

따라서, 필터의 차압성능이 개선되어 배압 증가없이 장기간 사용 가능한 배기가스중의 입자상 물질 저감용 필터가 요구된다.

이에 본 발명의 목적은 차압성능이 개선된 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 매연이 필터에 한계 포집량 이상으로 포집되는 경우에도 필터 전,후단의 차압 증가가 방지되는 배기가스중의 입자상 물질 저감장치용 필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 매연 포집량 증가로 인한 차량 출력 감소가 방지되는 배기가스중의 입자상 물질 저감장치용 필터를 제공하는 것이다.

나아가, 본 발명의 목적은 필터 내부에 쌓여 있는 입자상물질이 필터 외부로 일시에 유출되는 현상이 없는 배기가스중의 입자상 물질 저감용 필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 본 발명에 의한 필터를 포함하는 배가스 정화장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면,

다수의 필터부재가 중첩되어 관통형으로 형성되며, 이웃한 두 필터부재는 양말단에서 이음부로 연결되며, 필터부재의 일말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈리도록 형성되며, 필터부재 양말단의 이음부 중 최소 일 말단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 배가스 유입단 이음부에 형성되는 필터가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면,
다수의 금속섬유로 구성된 필터 부재가 중첩되어 관통형으로 형성되며, 이웃한 두 필터부재는 양 말단에서 이음부로 연결되며, 필터부재의 일 말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈려서 연결되도록 형성되며, 필터부재 양 말단의 이음부중 최소 일 말단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 배가스 유입단 이음부에 형성되는 필터를 포함하는 디젤 엔진 혹은 디젤 발전기의 배가스 정화장치가 제공된다.

본 발명에 의한 필터부재 말단의 이음부 중 특히, 배가스 유입단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성된 필터는 필터부재 표면에 매연이 포집되어 축적되더라도 슬롯에 의해 바이-패싱(by-passing)되어 유량의 일부가 배출되므로 필터 전,후단의 압력차(차압, 배압) 상승이 방지된다. 따라서, 필터에 매연이 한계 포집양 이상으로 포집되는 경우에도 입자상 물질의 외부 배출(Blow-out)과 필터 전,후단의 압력에 큰 영향이 없어 차량 출력 감소등이 방지된다. 필터 입구단에 슬롯이 형성되는 경우에는 필터 내부에 쌓여 있는 입자상물질이 필터 외부로 일시에 유출되는 현상이 또한, 방지된다.

본 발명에 의한 차압성능이 개선된 필터는 다수의 필터부재가 중첩된 관통형 필터로서, 이웃한 두 필터부재는 양말단에서 이음부로 연결되며, 필터부재의 일 말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈리도록 형성되며, 필터부재 양말단의 이음부중 최소 일말단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 배가스의 유입단의 이음부에 형성된다. 또한, 필터부재의 양말단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성될 수 있다.

도 2(a)에 이음부의 일말단에 슬롯이 형성되고, 5겹의 주름진 필터부재가 배가스 흐름방향을 축으로 하여 중첩된 본 발명에 의한 필터(20)을 도시하였다. 도 2(a) 필터의 A-A 절개선에 따라 절개한 측단면도인 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 필터부재의 양말단의 이음부(a, b, c, d)는 서로 엇갈리도록 형성되어 필터가 일체로 형성되고 이러한 이음부에는 다수의 슬롯(slot)이 형성된다. 상기 슬롯은 양 말단의 이음부중 최소 일 말단의 이음부에 형성될 수 있으며, 이 때, 슬롯은 배가스 유입구측 이음부에 형성될 수 있다. 배가스 배출구측 필터부재의 이음부에 슬롯이 형성되는 경우에는 필터 내부에 쌓여 있는 입자상 물질이 필터 외부로 일시에 유출될 수 있으므로, 필터 중 배가스 유입구측 일말단(유입단)의 이음부에 슬롯이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 슬롯은 바람직하게는 등간격으로 형성될 수 있다. 이음부에 슬롯이 형성된 필터의 입구형상을 나타내는 사진을 도 2(c)에 그리고 출구형상을 나타내는 사진을 도 2(d)에 도시하였다. 본 발명의 필터에서 슬롯은 필터로 배기가스를 유입시키는 배가스 파이프 단면적의 50% 이하의 면적이 되도록 형성된다. 슬롯은 반드시 형성되어야 하는 것으로 슬롯 면적이 O인 경우는 제외되고 슬롯면적의 하한값은 특히 한정되지 않는다. 필터를 통과한 배가스중 극히 일부만이 슬롯을 통과하고, 매연저감율이 저하되지 않도록 슬롯은 배가스 파이프 단면적의 50%이하로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 필터부재 이음부, 특히 배가스 유입단 이음부에 다수의 슬롯(slot)이 형성된 필터는 필터부재면에 매연이 포집되어 축적되더라도 슬롯이 바이-패스(by-pass) 역할을 하여 유량의 일부가 슬롯을 통해 배출되므로 필터 전,후단의 압력 상승이 방지된다. 본 발명에 의한 필터부재 이음부에 슬롯이 형성된 필터의 차압상승이 방지되는 개념을 도 3에 도시하였다. 도 3에 도시한 바와 같이 필터부재 표면에 매연이 축적되더라도 슬롯에 의해 배가스가 유입 및 배출되므로 차압의 증가가 방지된다.

본 발명에 의한 필터 부재 말단의 이음부에 슬롯이 형성된 필터는 다수의 필터부재가 중첩된 관통형 필터로서, 이웃하는 두 필터 부재가 양 말단에서 이음부로 연결되며, 필터부재의 일말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈리도록 형성된 어떠한 필터에 적용가능한 것으로 필터부재의 재료를 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 필터부재는 다음과 같은 금속소재(media)로 된 것일 수 있다.

즉, 상기 필터부재는 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(media)일 수 있다.

또한, 상기 필터 부재는 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 메디아일 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 금속섬유 메디아(30)는 도 4에 도시한 바와 같이 금속섬유 매트(1‘)와 매트의 상,하면에 대어진 지지체(2,2‘)를 포함하여 이루어질 수 있다.

금속섬유 메디아 필터부재(30)는 도 4에 도시한 바와 같이, 길이방향으로 정렬된 금속섬유(도 5(a))로 된 매트(1) 또는 금속섬유 얀(도 5(b) 및 도 5(c))으로된 금속섬유 매트(1‘, 1“)의 상,하면에 지지체로서 와이어 메쉬(2,2‘)를 대어서 제조될 수 있다. 와이어 메쉬(2,2’)는 금속섬유 매트의 형상을 유지하고 금속섬유 메디아(30)의 강도를 증대시키기 위해 사용된다. 금속섬유 매트의 상,하면에 지지체(와이어 메쉬)를 대어 보강하므로써 금속섬유 및 금속섬유 얀이 길이방향으로 정렬된 매트의 상태가 고정되어, 후속하는 일정한 형태의 필터로 가공시 정렬된 금속섬유 및 금속섬유 얀의 움직임이 방지되고 또한 금속섬유 메디아(30)의 강도가 증대된다. 금속섬유 매트는 금속섬유 또는 상기 금속섬유로 된 얀으로 제조될 수 있다. 금속섬유 메디아(30)에 사용될 수 있는 여러 가지 형태의 금속섬유 매트를 도 5(a) 내지 도 5(c)에 나타내었다.

이로써 한정하는 것은 아니지만, 상기 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.

이로써 한정하는 것은 아니지만, 상기 금속섬유로는 철-크롬-알루미늄계 합 금을 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 철(Fe)을 포함하는 퍼크랄로이, 바람직하게는 지르코늄(Zr) 0.05-0.5중량%, 더욱 바람직하게는 지르코늄(Zr) 0.1-0.3중량%를 추가로 포함하는 퍼크랄로이가 사용될 수 있다.

이로써 한정하는 것은 아니지만, 상기 금속섬유 또는 금속섬유로된 얀 제조에는 용융추출법으로 제조된 방향성이 무작위인 금속섬유가 사용될 수 있다. 용융추출법은 본 출원인의 미국특허 제 6,604,570호에 개시되어 있는 바에 따라 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. 이와 같이 용융추출법으로 제조된 금속섬유는 무방향성의 금속섬유로서 이러한 금속섬유를 이용하여 금속섬유 매트로 제조하기 위해서는 금속섬유에 일정한 방향성이 부여되어야 한다. 방향성은 무작위로 섞여 있 는 금속섬유를 연속적으로 수차례 빗질(combing)하여 미세 금속섬유가 서로 평행하게 일방향으로 배열되도록 하여 부여할 수 있다. 따라서, 용융추출법으로 얻어진 무방향성의 금속섬유를 빗질하여 일방향성을 부여하므로써 도 5(a)에 도시한 바와 같은 금속섬유 매트(1)를 얻을 수 있다.

금속섬유 매트는 또한, 금속섬유 얀으로 구성될 수 있다. 금속섬유 얀은 한 가닥의 얀이 약 20-500개의 금속섬유로 이루어질 때까지 일방향성을 부여하는 공정을 반복하여 제조될 수 있다. 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. 상기한 바와 같이, 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. 예를들어, 한 가닥의 금속섬유 얀은 상기 용융추출법으로 제조된 방향성이 무작위인 금속섬유를 빗질하여 일방향성이 부여된 20-500개의 금속섬유 다발로 이루어지도록 하여 제조될 수 있다.

또한, 금속섬유 얀은 1g당 길이가 0.45m-0.6m(0.45Nm-0.6Nm)이고, 1-9 turns/m의 꼬임율이 되도록 제조될 수 있다. 얀 1g당 길이가 0.45m미만이면 얀의 굵기가 굵어 다공성이 감소되어 바람직하지 않으며, 0.6m를 초과하면 얀의 굵기가 가늘어서 연속적으로 일정한 굵기를 유지하기 어려운 문제가 있다. 또한, 꼬임율이 1 turns/m 미만이면 섬유가 충분히 꼬이지 않아 풀어질 수 있으며, 꼬임율이 9turns/m을 초과하면 필터부재에 공극이 불충분하여 차압증가의 원인이 될 수 있다. 금속섬유 얀으로 이루어진 금속섬유 매트를 도 5(b) 및 도 5(c)에 도시하였다.

상기 금속섬유 매트는 기공율이 30%~95%인 것이 바람직하다. 기공율이 30% 미만이면 배출가스에 포함된 입자상 물질, 분진등이 여과되면서 차압 상승률을 급격하게 높이며, 95%를 초과하면 기공의 크기가 너무 커서 입자상 물질, 분진등을 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 지지체는 같거나 혹은 다른 기공율을 가질 수 있다. 상기 지지체 또한, 상기 금속섬유 재료로 기재한 퍼크랄로이로 된 것이 사용될 수 있다. 상기 금속섬유 및 지지체는 내열성 있는 것이다.

상기 금속섬유 메디아는 두께가 0.5-3mm인 것이 바람직하다. 금속섬유 메디아의 두께가 0.5mm 미만이면 섬유의 밀집도가 높아 기공율이 낮아지며, 이로 인하여 차압이 높아지는 문제가 있으며, 3mm를 초과하면 기공율이 높아져 분진을 여과하지 못하는 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 물성 등을 고려하여 2이상의 다수의 층으로 적층하여 사용될 수 있다.

상기 필터의 필터부재는 주름진 필터부재일 수 있다. 주름진 필터부재는 배가스와의 접촉면적이 증대되어 보다 우수한 매연포집효율 및 차압개선 효과를 나타낼 수 있다. 예를들어, 상기 금속 메디아를 플리팅(pleating)하여 형성된 주름진 금속섬유 메디아를 필터부재로 사용할 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 상기한 어 떠한 형태의 금속섬유 메디아를 플리팅하여 주름진 금속섬유 메디아로 제조할 수 있다. 구체적으로는 도 5(a) 내지 도 5(c)에 도시한 금속섬유 매트를 이용하여 제조된 금속섬유 메디아를 플리팅하여 주름진 금속섬유 메디아를 제조할 수 있다.

예를들어, 주름진 금속섬유 메디아는 도 7(a)에 도시한 바와 같이 플리팅하려는 금속섬유 메디아(30)의 금속섬유 혹은 금속섬유 얀의 길이방향 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(30')로 제조될 수 있다. 플리팅시, 주름의 깊이는 3~30㎜로 할 수 있다. 주름의 깊이가 3㎜미만일 때는 주름이 형성되지 않고 주름에 의한 표면적 향상효과가 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㎛인 것이 바람직하다. 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 주 름진 금속섬유 메디아를 필터부재로 사용하여 제조되는 필터 내부의 기공율은 85%~97%이다.

본 발명의 관통형 필터의 종단면 형태는 특히 제한되지 않으며, 예를들어, 원형, 타원형 또는 사각형, 오각형등의 다각형, 바람직하게는 원형인 실린더형일 수 있다. 중첩 관통형 필터에서 필터부재는 2이상의 필터부재가 중첩된 것으로 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(실린더형)일 수 있다.

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 여과면적이 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 간격이 유지되지 못하여 넓은 여과면을 만들지 못하는 문제가 있다.

한편, 종래의 세라믹 필터 등의 경우 촉매를 담지하기 위해 세라믹 필터등에 알루미나를 코팅한 다음에, 이에 촉매를 담지하여 사용하여 왔다. 그러나, 상기 금속섬유 메디아로 된 필터부재는 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 용이하게 코팅할 수 있다. 즉, 금속섬유 메디아 필터부재를 이용하여 필터를 제조한 후에 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.

상기 필터는 배가스 정화장치용, 구체적으로는 배가스중의 입자상물질 감소용 필터로 사용될 수 있으며, 구체적으로 디젤엔진 또는 디젤 발전기 등에서 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 필터는 다음과 같이 제조되었다. 미국특허 6,604,570호의 방법에 따라 도 8의 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 금속섬유가 80가닥이 될 때까지 연속적으로 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. 발명예 1의 금속섬유는 밀도가 1.5㎏/㎡, 기공율은 85% 였다.

상기 금속섬유 매트의 상,하면에 기공율이 각각 45%, 72%인 내열 와이어 메쉬를 지지체로 보강하여 금속섬유 메디아를 제조하였다. 와이어 메쉬의 성분은 크롬 18중량%, 알루미늄 3.0중량%, 그리고 잔부 철(Fe)이었다. 이렇게 만들어진 금속섬유 메디아는 두께 1.0mm였으며 평균기공크기는 등가직경이 40㎛이었다.

상기 제조된 금속섬유 메디아를 깊이가 8mm가 되도록 플리팅하여 주름을 잡고 1kg/㎠로 가압하여 주름잡힌 금속섬유 메디아를 직경 70mm, 길이 300mm, 주름수 52개의 실린더형 필터 부재로 제조하였다. 그 후, 도 2(a)에 도시한 바와 같이 양말단에서 필터부재가 교차하도록 용접하고 배가스 유입구 말단의 필터 부재 이음부에 슬롯을 형성하고 필터 양말단에 고정부재를 장착하여 체적 6.4ℓ의 필터를 제조하였다. 슬롯은 직경이 50mm인 배가스 파이프 단면적의 35% 면적에 해당하는 범위가 되도록 등간격으로 필터 부재 이음부에 형성되었다.

상기 제조된 필터에 매연을 각각 0 g/L, 3g/L, 5 g/L, 7g/L 및 8.25 g/L로 포집시킨 후, 공기를 2 내지 12 ㎡/min의 유량으로 통과시키면서 매연포집양에 따른 차압변화를 측정하였다. 측정된 차압변화를 도 9에 나타내었다. 도 9에서 알 수 있듯이, 매연이 8.25 g/L로 포집된 필터의 경우에도 100 mbar미만의 차압을 나타내었다.

또한, 제조된 필터에 매연을 각각 0 g/L와 9g/L로 포집시키고 최고 RPM에서 10%씩 부하를 높여가는 Lug-Down 테스트를 통해 필터의 장착 전과 후의 매연율을 측정하여 필터에 의한 매연 저감율을 측정하였다. 즉, 최고 RPM (3,400RPM)에서 10%씩 2번 RPM을 저감시켜가며 차량에서 배출되는 매연도를 측정하는 부하검사로 매연도를 측정하였다. 매연도는 동일한 조건에서 각각 3회 반복(모드 1 내지 3)시 험하였으며, 매연저감율은 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

	필터 1 (매연 0 g/L 포집)			필터 2 (매연 9 g/L 포집)
구분	모드 1	모드 2	모드 3	모드 1	모드 2	모드 3
필터장착전 매연도	63%	60%	58%	63%	60%	58%
필터장착후 매연도	28%	24%	22%	41%	36%	35%
저감율	56%	60%	62%	35%	40%	40%

상기 표 1에서 기재한 바와 같이, 본 발명의 필터부재 이음부에 슬롯이 형성된 본 발명의 필터는 매연이 9g/L 포집되어 있는 경우에도 35%이상의 우수한 매연저감율을 나타냄을 알 수 있다.

도 1은 종래의 배가스 저감장치용 필터의 측단면도이며,

도 2(a)는 본 발명에 의한 차압성능이 개선된 필터의 사시도이며,

도 2(b)는 본 발명에 의한 차압성능이 개선된 필터의 A-A선 측단면도이며,

도 2(c)는 본 발명에 의한 차압성능이 개선된 필터의 입구형상을 나타내는 도면이며,

도 2(d)는 본 발명에 의한 차압성능이 개선된 필터의 출구형상을 나타내는 도면이며,

도 3은 본 발명에 의한 필터에서 차압성능이 개선되는 개념을 도시한 도면이며,

도 4는 본 발명의 필터부재로 사용되는 금속섬유 메디아 구성요소 및 제조방법을 나타내는 개략도이며,

도 5(a)는 본 발명의 일 구현에서 금속섬유에 일방향성을 부여하여 매트로 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 5(b)는 본 발명의 일 구현에서 일방향성이 부여된 금속섬유 얀을 길이방향으로 일정하게 배열하여 형성된 금속섬유 매트를 나타내는 도면이며,

도 5(c)는 본 발명의 일 구현에서 길이 방향으로 일정하게 배열된 일방향성이 부여된 2층의 금속섬유 얀으로 형성된 금속섬유 매트를 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 주름진 금속섬유 메디아(필터부재) 제조방법을 나타내는 도면이며,

도 7(b)는 주름진 금속섬유 메디아(필터부재)를 나타내는 도면이며,

도 8은 본 발명에 사용되는 금속섬유의 용융추출에 사용되는 장치를 나타내는 도면이며,

도 9는 실시예 1에서 측정된 매연포집양 변화에 따른 차압변화를 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부위에 대한 간단한 설명 *

1,1‘,1“.... 금속섬유 매트 2, 2‘.... 지지체

3 .... 금속섬유 얀 10 ....종래 필터

20 .... 본 발명의 필터 30, 30' .... 금속섬유 메디아

Claims (8)

1. 다수의 금속섬유로 구성된 필터 부재가 중첩되어 관통형으로 형성되며, 이웃한 두 필터부재는 양말단에서 이음부로 연결되며, 필터부재의 일말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈려서 연결되도록 형성되며, 필터부재 양말단의 이음부중 최소 일말단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 배가스 유입단 이음부 에 형성되는 필터.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯은 배가스 파이프 단면적의 50% 이하의 면적으로 형성됨을 특징으로 하는 필터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯은 등간격으로 형성됨을 특징으로 하는 필터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯은 필터부재 양 말단의 이음부에 형성됨을 특징으로 하는 필터.
6. 제 1항에 있어서, 상기 필터부재는 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 메디아임을 특징으로 하는 필터.
7. 제 1항에 있어서, 상기 필터는 디젤엔진 또는 디젤 발전기에서 배출되는 배가스 정화장치용 필터임을 특징으로 하는 필터.
8. 다수의 금속섬유로 구성된 필터 부재가 중첩되어 관통형으로 형성되며, 이웃한 두 필터부재는 양말단에서 이음부로 연결되며, 필터부재의 일말단과 다른 말단의 이음부는 서로 엇갈려서 연결되도록 형성되며, 필터부재 양말단의 이음부중 최소 일 말단의 이음부에 다수의 슬롯이 형성되며, 상기 슬롯은 배가스 유입단 이음부에 형성되는 필터를 포함하는 디젤 엔진 혹은 디젤 발전기의 배가스 정화장치.

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