KR20020022343A - 세라믹 섬유를 이용한 디젤 입자상물질 여과장치 - Google Patents

Abstract

디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 연료 소비효율이 높고, 고출력을 낼 수 있으며 CO₂배출특성이 유리하기 때문에 버스나 트럭같은 상용차에 광범위하게 사용되고 있다. 이와 같은 특성은 지구 온난화의 대책면에서는 유리하지만, 대도시 미세분진 오염의 주범인 PM (Particulate Matters)과, O₃의 전구체로 작용하는 NOx의 배출이 과다하기 때문에 대기오염 측면에서 많은 문제를 야기하고 있다. 또한, 자동차 비율로 볼 때, 미국의 3%, 유럽의 20%, 그리고 일본의 13%에 비해 우리나라는 전체 자동차의 30%이상의 높은 비를 차지하고 있어 디젤 자동차에 의한 오염은 더욱 심각하다.

1980년대 이후 강화되는 규제기준의 추세에 맞추기 위한 가장 현실적인 대안인 후처리 기술의 경우 우리나라에서는 세라믹 허니컴 모노리스 필터를 이용한 연구가 1990년부터 수행되어 기술의 진보를 이루었으나, 큰 비용과 내구성의 부족, 가스제거 기술의 미비로 인해 상용화의 단계에서 적용되지 못하고 있는 실정이다.

세라믹 섬유를 이용한 화이버 필터는 파인세라믹스를 이용한 허니컴형 필터보다 미세입자에 대한 포집효율이 뛰어날 뿐아니라, 허니컴형 필터의 단점인 열응력에 대한 문제의 발생이 적어 외국의 경우, 3M & Nissan, 독일의 DSI, 네델란드의 DAF에서 세라믹 섬유를 이용한 필터에 관한 연구를 수행한 적이 있으며 만족할 만한 수준의 결과를 나타내었다.

본 발명은 상기와 같은 이유로, 일반적인 단열재로도 사용되고 있는 적층형 세라믹 섬유제품을 여과재로 사용하였다. 이 여과재는 재생을 할 수 있는 사각형 틀의 주변을 여과재로 둘러싸고 다시 그 주위를 스테인레스 망으로 고정시켜 디젤 입자상물질을 여과할 수 있도록 설계되어 있다. 사용되는 여과재는 2.56 g/㎤ 의 섬유밀도와 0.1 g/㎤의 Bulk 밀도를 가지며, 95%의 높은 기공율로써 차압의 문제를 줄일수 있고, 섬유형 필터의 특성인 Deep bed filtration으로 미세입자에 대한 높은 포집효율을 가진다. 또한, 기존 카트리지형 세라믹 섬유형 필터와 다르게 재생을 할 수 있는 틀 부분과 여과재의 분리가 가능하므로 장기간의 사용에 따른 여과재의 파손시, 여과재만을 교환하여 사용할 수 있으므로 경제적이라 할 수 있다.

Description

세라믹 섬유를 이용한 디젤 입자상물질 여과장치 {Apparatus for Reducing of Diesel Particulate Using Ceramic Fibers}

본 발명은 인체에 유해한 미립자의 입자상 물질을 배출하여 대도시 대기오염에 큰 영향을 미치는 디젤 자동차의 매연을 여과하는 장치로서 재생시 열응력에 의한 파괴의 문제가 적은 세라믹 섬유를 사용하였으며, 세라믹 블랭킷과 같은 적층형 세라믹 섬유 제품을 여과재로 사용할 수 있고 파손시 교환이 쉬워 경제성이 높은 저감장치이다.

디젤 입자상물질 여과장치(Diesel Particulate Filter)에 사용되고 있는 필터는 허니컴 모노리스, 세라믹 화이버, 세라믹 폼, 크로스 플로우 방식등 여러 가지가 있으나 허니컴 모노리스와 세라믹 화이버가 가장 각광을 받고 있다.

허니컴 모노리스(Wall Flow Honeycomb monolith)는 매우 넓은 표면적을 가진다는 커다란 장점으로 널리 연구되고 있지만, 재생시 열응력에 의한 파괴(Crack)의 문제와 고가의 비용으로 인해 상용화의 어려움이 있다.

세라믹 화이버를 이용한 디젤 입자상물질 여과장치는 하니컴 모노리스 필터에 비하여 미세입자에 대한 포집효율이 좋고, 재생시 열응력에 의한 파괴(Crack)의 문제가 적은 장점이 있다.

기존의 세라믹 화이버를 이용한 디젤 입자상물질 저감장치는 Knitted structure,braided structure, Wounded structure등의 Pattern으로, 섬유를 지지하는 틀과 세라믹 섬유를 일체형으로 하는 카트리지형이지만, 본 발명은 재생을 할 수 있는 지지틀과 여과를 하는 세라믹 여과재의 분리가 가능하여 필터 손상시 교환이 쉽도록 설계되었다.

본 발명은 기존의 세라믹 화이버를 이용한 디젤 입자상물질 여과장치와는 다른 세라믹 섬유의 구조의 여과재를 사용한다. 세라믹 섬유를 그대로 적층한후 Needle Punching하여 Bulk형으로 가공한 제품으로 95%의 높은 기공율을 가지고 있어, 차압의 문제가 적다.

Deep bed filteration의 특성을 갖는 세라믹 섬유 여과재는 파인 세라믹스 여과재보다 미세입자에 대한 포집 효율이 좋으며, 섬유 하나하나가 포집 메카니즘을 수행하므로 표면적이 굉장히 넓다.

본 발명은 섬유형 여과재의 장점을 이용한 장치로, 일반적으로 단열재로 사용되고 있는 세라믹 블랭킷(Blanket)과 같은 적층형 세라믹 제품을 장치 내부관의 4면과 끝부분 1면에 조립하듯이 부착하고, 이 둘레를 고온에서 견딜 수 있는 스테인레스 망으로 고정시켜 사용할 수 있는 장치이다. 이는 장기간의 운전으로 필터의 손상시 필터의 손상된 면을 교환하는 것으로 쉽게 교환할 수 있으며, 재생부분과 여과재의 일체형인 기존제품보다 경제적이다. 또한, 단열재로 사용되는 여과재를 사용하므로 써, 600℃이상의 고온재생시 열 손실을 줄일 수 있고, 디젤 차량의 급격한 유량의 변동에 외부 스테인레스망의 완충효과를 기대할 수 있게 한 것이다.

도 1은 여과장치의 전체를 2-D와 3-D로 나타낸 전체도.

도 2는 여과재의 내부관을 나타낸 단면도.

도 3은 여과재의 외부망을 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1. 캐니스터(입구) 2. 여과장치

3. 캐니스터(본체) 4. 캐니스터(출구)

5. 외부망 6. 여과재

7. 내부관 8. 내부관 구멍

10. 여과장치 입구 13. 여과재 개체

24. 외부관 개체

이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 입자상물질 저감장치의 전체적인 개략도로서 2-D와 3-D로 캐니스터 내부의 다공성 내부관과 여과재, 외부 스테인레스 망의 구조를 설명한 것이다.

디젤 엔진으로부터 배출되는 가스상 물질과 입자상 물질은 캐니스터 입구(1)를 통해 유입되어 캐니스터 본체(3) 내의 여과장치 입구(10)를 지난다. 입자상 물질은 Heating 장치의 적용이 가능한 내부관(7)과 외부망(5)사이에 고정되어 있는 여과재(6)를 지나면서 여과된 후, 캐니스터 출구(4)를 통해 배출된다.

도 2는 여과장치 내부관의 상세도로서 Inlet 방향, 측면도, Outlet 방향에서 본 모습을 나타내었다.

여과재(6)는 내부관의 4면과 아래면 1면에 고정되어 있으며, 각 여과재 개체(13)는배출압의 상승시 각 여과재 개체사이로 새는 것을 막기 위해 각 여과재 개체사이의 연결부분(15)(15')을 'ㄴ'자 형태로 가공해서 사용한다.

내부관의 표면은 직경 7mm 정도의 구멍(18)으로 표면적의 50% 이상되게 촘촘히 Punching하여 여과재 표면에 배출가스가 골고루 분산되도록 하였다. 여과재 장착후 외부망(5)으로 여과재 각 면을 볼트 조임(21)(21')방식으로 압박하여 조립한다. 아랫면 지지대(19)에는 볼트조임(22)을 할 수 있는 구멍을 붙여 8곳에서 아랫면 여과재를 견고하게 지지한다.

내부관의 구멍에 밀착된 여과재는 엔진의 압력 상승시 압력 작용방향으로 여과재가 밀리므로 50%이상의 타공면적으로도 90%이상의 표면적을 이용할 수 있다.

도 3은 외부방의 전체 부착모습과 아랫면, 옆면의 외부망의 개체를 보여준다.

재생시의 고온과 부식을 견딜수 있는 스테인레스 외부망(24)은 아래 위로 여과장치에 부착할 수 있도록 볼트 조임 구멍(23)(23')을, 좌 우로는 스테인레스 외부망의 휘어짐을 방지하는 굵은 지지대를 붙여서 하나의 외부망 개체로 하여 4면의 여과재를 고정시킨다. 또한, 아래면은 내부관의 볼트구멍(22)과 외부망의 볼트구멍(27)을 볼트로 조여서 아랫면 여과재를 고정시킨다.

본 발명은 미세 입자에 대한 포집효율이 좋고, 재생시 열응력에 의한 파손의 염려가 적은 세라믹 섬유를 이용하여 디젤 입자상물질을 여과시키는 장치로서 세라믹 섬유를 적층한 여과재를 사용할 수 있도록 설계되었다. 각 5면의 여과재를 조립한 사이로 배출가스가 새는 것을 막아 배출가스가 전부 여과재를 통과 할 수 있도록 설계한 것이며, 장기간의 사용으로 여과재의 파손시 쉽게 교환할 수 있어 여과장치의 장착시 유지관리비를 줄일 수 있게 하였다.

Claims (6)

1. 엔진후단의 배기가스 유로에 장착하여 디젤 배출입자를 저감하는 장치로, 4각형의 내부관에 패드형의 여과재를 장착하고 그 둘레를 망으로 고정하는 것을 특징으로 하는 여과장치
2. 제 1항에 있어서, 내부관은 적층형 세라믹 여과재 패드의 장착을 용이하게 하기 위해 4각형 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 여과장치
3. 제 1항에 있어서, 내부관은 50% 이상의 타공면적을 가지는 것을 특징으로 하는 여과장치
4. 제 1항에 있어서, 외부망은 Mesh를 사용하여 여과재를 고정하는 것을 특징으로 하는 여과장치
5. 제 1항에 있어서, 사용되는 여과재의 맞물리는 부분은 'ㄴ'자 형태로 가공하여 조립함으로써 배출가스가 새는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 여과장치
6. 제 2항에 있어서, 여과 장치에 사용되는 적층형 세라믹 여과재 패드는 내부관 둘레 4면과 끝부분 1면의 크기에 맞게 가공되어 각각 탈착, 부착되는 것을 특징으로 하는 여과장치