KR20020022344A - 세라믹 섬유를 이용한 디젤 입자상물질 여과재 - 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 우리 나라는 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 우리 나라에서는 세라믹 허니컴 모노리스 필터를 이용한 연구가 1990년부터 수행되어 기술의 진보를 이루었으나, 큰비용과 내구성의 부족, 가스제거 기술의 미비로 인해 상용화의 단계에서 적용되지 못하고 있는 실정이다.

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

본 발명은 상기와 같은 이유로, 세라믹 섬유를 이용한 디젤 입자상 물질 여과장치에 적용되는 여과재로서, 일반 단열재로 사용되는 세라믹 블랑켓과 같은 적층형 세라믹 섬유를 패드형으로 여과장치에 부착하여 사용하는 여과재이다. 사용되는 여과재는 2.56 g/㎤ 의 섬유밀도와 0.1 g/㎤의 Bulk 밀도를 갖으며, 95%의 높은 기공율로써 차압의 문제를 줄일 수 있고, 섬유형 필터의 특성인 Deep bed filtration으로 미세입자에 대한 높은 포집효율을 가진다.

입자상 물질의 축적으로 인한 급속한 차압의 상승을 방지, 저감 시키기 위해 여과재 표면으로부터 직경 2mm 정도의 구멍을 여과재 두께의 60%지점까지 뚫어 입자상 물질의 포집 면적을 늘려 차압 상승을 지연시키고, 여과재 전면의 균일한 재생으로 급속한 발화로 인한 시스템의 장애를 방지 할 수 있는 여과재이다.

또한, 내부 사각형 틀의 네 면과 가스흐름 끝쪽의 한 면에 장착하도록 5개의 여과재로 구성되어 있어 장기운전으로 인한 여과재의 파손시 부분교환이 가능한 여과재이다.

Description

세라믹 섬유를 이용한 디젤 입자상 물질 여과재 {Diesel Particulate filter Using Ceramic Fibers}

본 발명은 인체에 유해한 미립자의 입자상 물질을 배출하여 대도시 대기오염에 큰 영향을 미치는 디젤 자동차의 매연을 여과하는 장치에 사용되는 여과재로서, 재생시 열응력에 의한 파괴문제가 적고, 미세 입자에 대한 표집효율이 좋은 세라믹 섬유를 사용하였으며, 여과재 표면에 구멍을 뚫어 입자상물질의 축적으로 인한 급격한 차압의 상승을 방지하고 입자상물질이 여과재 전체로 골고루 포집되도록 하여 재생시 급격한 발화로 인한 시스템의 장애를 방지할 수 있는 여과재이다.

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.

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

디젤 입자상물질 여과장치에 사용되는 세라믹 섬유형 여과재는 3M의 Fiber wound filter, HUG의 Fiber woven filter, 그리고 BUCK, OBERLAND의 Fiber knitted filter 등이 있다. 본 발명은 세라믹 섬유를 적층한 후, Needling Punching 하여 Bulk형으로 가공한 것을 사용하여 여과재의 구조를 변경후 사용한다.

본 발명은 기존의 세라믹 화이버를 이용한 디젤 입자상물질 여과장치와는 다른 세라믹 섬유의 구조를 가진다. 세라믹 섬유를 그대로 적층한 후 Needle Punching하여 Bulk형으로 가공한 제품으로 95%의 높은 기공율을 가지고 있어, 차압의 문제가 적다.

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

본 발명은 여과재의 표면에 직경 2mm 정도의 구멍을 두께 25mm 여과재의 60% 되는 지점까지 만들어서 입자상물질을 함유한 배출가스의 흐름을 유도한다. 입자상물질은 여과재의 표면과 구멍의 깊은 곳에 대부분 포집되며 이렇게 포집된 입자상물질의 축적으로 인해 차압의 상승시 전기히터 또는 버너를 이용하여 재생을 시작한다.

구멍으로 유도된 입자상물질의 포집은 여과재 전체면적을 입자상물질의 포집에 이용할 수 있으며, 포집 면적의 증가로 여과시간을 증대시킬 수 있다. 또한, 재생시 표면에 축적된 입자상물질의 급격한 발화로 인한 입자상물질 여과장치 시스템의 문제를 방지할 수 있다.

도 1은 여과장치의 전체를 2-D와 3-D로 나타낸 전체도

도 2는 측면에 부착하는 여과재에 대한 단면도와 부착시의 모습을 나타낸 단면도.

도 3은 끝면에 부착하는 여과재에 대한 단면도와 부착위치를 나타낸 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2. 여과장치 5. 스테인레스 외부망

6. 측면 여과재 7. 다공성 내부관(측면)

9. 끝면 여과재 10. 여과장치 입구

14. 측면 여과재 개체 21. 끝면 여과재 개체

26. 고정볼트 27. 끝면 여과재 하우징

28. 다공성 내부관 (끝면)

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

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

디젤 엔진으로부터 배출되는 가스상 물질과 입자상물질은 캐니스터 입구(1)를 통해 유입되어 캐니스터 본체(3) 내의 여과장치 입구(10)를 지난다. 입자상물질은 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 2.는 내부관 측면 4개의 여과재의 단면도와 장착모습을 나타낸 것이다.

두께 25mm 정도인 여과재(14)의 표면에 직경 2mm 정도의 구멍(11)(15)을 여과재 두께의 60%지점까지 만들어서 구멍내부로 배출가스의 흐름을 유도하여 입자상물질을 포집한다. 입자상물질의 대부분은 여과재의 표면(17)과 구멍끝(16)에 포집이 되어 여과재 전체적으로 볼 때 전체에 골고루 분포된다. 여과재 자체는 세라믹 섬유를 적층하여 고정한 것이므로 매우 유연하다. 디젤 엔진 배출가스의 큰 유량과 입자상물질의 퇴적으로 인한 차압증가로 인해 각 여과재의 연결부분으로 새는 것을 막기 위해 각 측면 여과재는 한쪽 끝에 굴곡(12)을 주어 연결을 긴밀하게 한다. 측면 여과재 4개의 연결부위(20)의 안쪽은 다공성 내부관(19)이, 바깥쪽은 스테인레스 외부망(18)이 여과재의 외곽(13)(13')을 고정시켜 여과를 수행한다.

도 3.은 5면의 여과재 중 가스흐름 끝면의 정사각형 여과재의 단면도와 설치위치를 나타낸 것이다.

여과재의 구조는 도 2.의 구조와 동일하며, 끝면의 사각형의 틀(27)에 여과재를 부착하여 내부관의 끝면(28)과 밀착시킨 후, 그 외부를 8개의 고정볼트(26)로 스테인레스 외부망을 고정시킨다.

본 발명은 미세입자에 대한 포집효율이 좋고, 재생시 열응력에 의한 파손의 염려가 적은 세라믹 섬유를 이용하여 디젤 입자상물질을 여과하는 장치에 사용되는 여과재를 설계한 것이다. 각 여과재가 조립식으로 되어 있으므로 부분교환이 가능하여 경제적이라 할 수 있으며, 여과재 표면의 미세 구멍으로 인해 입자상물질의 포집면적이 증대되고 여과재 전체로의 포집을 유도할 수 있어 재생시 급격한 발화로 인한 시스템의 문제를 줄일 수 있다.

Claims (4)

1. 디젤차 배기가스중의 입자상물질을 제거하기 위한 장치에 장착되는 여과재로, 세라믹 섬유를 적층하여 Bulk형으로 가공된 95%의 기공율을 가지는 세라믹 Blanket 같은 재료를 패드형으로 부착하여 사용하는 것을 특징을 하는 여과재
2. 제 1항에 있어서, 사용되는 패드형 여과재의 표면을 직경 2mm 정도의 구멍을 여과재 두께의 60% 지점까지 만들어서 입자상물질을 함유한 배기가스의 흐름을 유도하고, 입자상물질의 여과면적을 높이며, 엔진 역압의 상승을 지연시키는 것을 특징으로 하는 여과재
3. 제 1항에 있어서, 여과재는 장기운전으로 인한 필터의 파손시 교환이 쉽도록 측면 4면과 끝면 1면의 패드형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 여과재
4. 제 3항에 있어서, 4개의 측면 여과재는 맞물리는 부분의 새는 것을 방지하기 위하여 각 여과재의 한쪽 끝에 'ㄴ'자형의 굴곡을 주어 연결을 긴밀하게 하는 것을 특징으로 하는 여과재