KR20030094349A

KR20030094349A - 하니컴 구조체

Info

Publication number: KR20030094349A
Application number: KR10-2003-7013491A
Authority: KR
Inventors: 사카모토히로후미
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2003-12-11
Also published as: US7169203B2; EP1473445B1; AU2003211918A1; WO2003067043A1; PL364165A1; US20040128991A1; JP4157304B2; KR100593275B1; JP2003227327A; EP1473445A1; EP1473445A4

Abstract

본 발명은 외주벽(8)과, 외주벽(8)의 내측에 배치된 격벽(2)과, 격벽(2)에 의해 구획되며 축 방향으로 관통되는 다수의 유통 구멍(3)을 갖는 복수의 하니컴 세그멘트(12)가 일체화되어 이루어지는 하니컴 구조체를 개시한다. 하니컴 구조체(1)의 X축 방향에 대한 수직 단면에 있어서, 다른 하니컴 세그멘트에 인접하는 외주벽(8a)의 최외측의 점을 따른 직선(9)에 대한 격벽(2)의 각도 a 및/또는 b가 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체(1)가 제공된다. 내연기관, 보일러 등의 배기 가스 중의 미립자 포집 필터 등에 이용되며, 열 응력에 의한 크랙에 대한 내성이 우수한 하니컴 세그멘트를 포함하는 하니컴 구조체를 개시한다.

Description

하니컴 구조체{HONEYCOMB STRUCTURE}

내연기관, 보일러 등의 배기 가스 중의 미립자, 특히 디젤 미립자의 포집 필터 등에 하니컴 구조체가 이용되고 있다.

이와 같은 목적으로 사용되는 하니컴 구조체는 일반적으로, 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이, 격벽(2)에 의해 구획되고 X축 방향으로 관통되는 다수의 유통 구멍(3)을 구비하고, 단부면이 체크 무늬 형상을 나타내도록, 인접하는 유통 구멍(3)의 서로 반대측 일 단부에서 막혀 있는 구조를 갖는다. 이와 같은 구조를 갖는 하니컴 구조체에 있어서, 피처리 유체는 유입구측 단부면(42)이 막혀 있지 않은 유통 구멍(3), 즉 유출 구멍측 단부면(44)에서 단부가 막혀 있는 유통 구멍(3)으로 유입되어, 다공질의 격벽(2)을 통해서 이웃의 유통 구멍(3), 즉 유입 구멍측 단부면(42)에서 단부가 막혀 있고, 유출 구멍측 단부면(44)이 막혀 있지 않은 유통 구멍(3)으로부터 배출된다. 이 때 격벽(2)이 필터로 되어, 예컨대 디젤 엔진으로부터 배출되는 검댕(soot)(그을음) 등이 격벽에 포착되어 격벽 상에 퇴적된다. 이와같이 사용되는 하니컴 구조체에 있어서는 배기 가스의 급격한 온도 변화나 국소적인 발열에 의해서 하니컴 구조 내의 온도 분포가 불균일하게 되어, 하니컴 구조체 내에 열 응력이 발생되어, 크랙이 발생되는 등의 문제가 있었다. 특히 디젤 엔진의 배기(排氣) 중의 입자상 물질을 포집하는 필터(이하 DPF라 함)로서 이용되는 경우에는 퇴적된 카본 미립자를 연소시켜 제거하여 재생할 필요가 있는데, 이 때에 국소적인 고온화가 일어나, 재생 온도의 불균일화에 의해 큰 열 응력이 발생되고, 크랙이 발생되기 쉽다고 하는 문제가 있었다.

이 때문에, 하니컴 구조체의 복수로 분할된 세그멘트를 접합재에 의해 접합하는 방법이 제안되었다. 예컨대, 미국 특허 제4,335,783호 공보에는 다수의 하니컴체를 불연속의 접합재로 접합하는 하니컴 구조체의 제조 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 공고 소61-51240호 공보에는, 세라믹 재료로 이루어지는 하니컴 구조의 매트릭스 세그멘트를 압출 성형하고, 소성후 그 외주부를 가공하여 평활하게 한 후, 그 접합부에 소성 후의 광물 조성이 매트릭스 세그멘트와 실질적으로 동일하고 800℃에 있어서 열 팽창율의 차가 0.1% 이하로 되는 세라믹 접합재를 도포하여, 소성하는 내열 충격성 회전 축열식이 제안되어 있다. 또한, 1986년의 SAE 논문 860008에는 코데라이트의 하니컴 세그멘트를 마찬가지로 코데라이트 시멘트로 접합한 세라믹 하니컴 구조체가 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 평8-28246호 공보에는 하니컴 세라믹 부재를 적어도 3차원적으로 교착(交錯)하는 무기 섬유, 무기 바인더, 유기 바인더 및 무기 입자로 이루어지는 탄성질 시일재로 접착한 세라믹 하니컴 구조체가 개시되어 있다. 또한, 열 전도율이 높고, 내열성이 높은 탄화규소계의 재료 등을 이용하여 하니컴 구조체를 제작함으로써 국소적인 고온화를 방지하여, 열 응력에 의한 하니컴 구조체의 파손을 방지하는 것도 시도되고 있다.

이와 같이 세그멘트화함으로써, 및/또는 탄화규소계의 재료와 같이 내열성이 높은 재료를 이용함으로써 열 응력에 의한 크랙은 어느 정도 억제할 수 있는데, 세그멘트 자체의 열 응력에 대한 내성을 더욱 높일 수 있다면, 세그멘트 수의 감소에 의한 비용의 저감이나 재생 효율의 향상도 도모할 수 있다.

본 발명은 내연기관, 보일러 등의 배기 가스 중의 미립자 포집 필터 등에 이용되는 하니컴 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 열 응력에 의한 크랙에 대한 내성이 우수한 하니컴 구조체에 관한 것이다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 하니컴 구조체의 일 실시형태를 도시하는 개략도, 도 1a는 하니컴 세그멘트의 개략적인 사시도, 도 1b는 하니컴 세그멘트의 개략적인 단면도, 도 1c는 하니컴 구조체의 개략적인 사시도, 도 1d는 하니컴 구조체의 개략적인 단면도이고,

도 2는 도 1에 있어서의 II 부분의 확대도이고,

도 3은 본 발명에 있어서의 하니컴 세그멘트의 다른 실시형태를 도시하는 개략적인 단면도이고,

도 4는 본 발명에 있어서의 하니컴 세그멘트의 또 다른 실시형태를 도시하는 개략적인 평면도이고,

도 5는 도 4의 하니컴 세그멘트로 이루어지는 하니컴 구조체를 도시하는 개략적인 평면도이고,

도 6은 본 발명에 있어서의 하니컴 세그멘트의 또 다른 실시형태를 도시하는 개략적인 평면도이고,

도 7은 본 발명에 있어서의 하니컴 구조체의 또 다른 실시형태를 도시하는 개략적인 평면도이고,

도 8은 실시예 및 비교예에서 얻어진 하니컴 구조체의 경사각과 재생시의 최대 응력과의 관계를 도시하는 그래프이고,

도 9a 및 도 9b는 종래의 하니컴 구조체를 도시하는 개략적인 도면으로, 도 9a는 개략적인 사시도이고, 도 9b는 개략적인 평면도이며,

도 10a 내지 도 10c는 종래의 하니컴 세그멘트 구조체를 도시하는 개략적인 도면으로, 도 10a는 하니컴 세그멘트의 개략적인 사시도, 도 10b는 하니컴 세그멘트의 개략적인 단면도, 도 10c는 하니컴 구조체의 개략적인 사시도이다.

도 11a는 종래의 하니컴 구조체를 도시하는 개략적인 단면도, 도 11b는 도 11a를 구성하는 하니컴 세그멘트의 단면도, 도 11c는 도 11b에 있어서의 XIc 부분의 확대도이다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 열 응력에 의한 크랙에 대한 내성이 우수한 하니컴 세그멘트를 포함하는 하니컴 구조체를 제공하는 데에 있다.

본원의 발명자는 상기와 같은 문제점에 관해 예의 검토한 결과, 하니컴 구조체에 생기는 크랙은 유통 구멍의 코너부, 즉 격벽의 교점에 응력이 집중함으로써 생긴다는 것과, 유통 구멍의 각도, 즉 격벽의 각도를 변경함으로써 응력의 집중을 억제할 수 있어 응력의 저감 및 응력에 대한 내성의 향상을 도모할 수 있다는 것을 알아냈다.

본 발명은 상기한 발견에 기초한 것으로, 외주벽과, 상기 외주벽의 내측에 배치된 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되고 축 방향으로 관통하는 다수의 유통 구멍을 갖는 복수의 하니컴 세그멘트가 일체화되어 이루어지는 하니컴 구조체에 있어서, 상기 하니컴 구조체의 축 방향에 대한 수직 단면에 있어서, 다른 하니컴 세그멘트에 인접하는 상기 외주벽의 최외측 점을 따른 직선에 대한 격벽의 각도가25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명에 있어서, 하니컴 세그멘트의 상기 단면에 있어서의 상기 유통 구멍의 형상은 사각형인 것이 바람직하며, 하니컴 구조체의 중앙부에 배치되어 있는 하니컴 세그멘트의 적어도 하나는 상기 각도가 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트인 것이 바람직하다. 또한, 하니컴 세그멘트는 탄화규소 또는 규소-탄화규소 복합 재료를 주성분으로 하는 것이 바람직하며, 하니컴 구조체의 70 체적% 이상은 상기 단면에 있어서의 단면적이 900 ㎟∼10000 ㎟인 하니컴 세그멘트로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 하니컴 세그멘트에 있어서의 소정의 유통 구멍의 개구부가 한 단부면에 있어서 막혀 있고, 나머지 일부 유통 구멍의 개구부가 다른 단부면에 있어서 막혀 있는 것이 바람직하며, 또한 하니컴 세그멘트에 있어서의 소정의 유통 구멍의 개구부가 한 단부면에 있어서 막혀 있고, 나머지 전부의 유통 구멍의 개구부가 다른 단부면에 있어서 막혀 있는 것도 바람직하다.

이하, 도면을 참고로 하여, 본 발명의 하니컴 구조체 및 하니컴 구조체의 제조 방법을 상세히 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 또한, 이하에 있어서 단면이란, 특별히 달리 얘기하지 않는 한 X축 방향(유통 구멍의 길이 방향)에 대한 수직의 단면을 의미한다.

본 발명의 하니컴 구조체는 도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d에 도시한 바와 같이, 외주벽(8)과, 외주벽(8)의 내측에 배치된 격벽(2)과, 격벽(2)에 의해 구획되며 축 방향으로 관통하는 다수의 유통 구멍(3)을 갖는 복수의 하니컴 세그멘트(12)가 일체화되어 이루어지는 하니컴 구조체이다. 본 발명의 중요한 특징은 도 1b 및 도 1d에 도시한 바와 같이, 하니컴 구조체(1)의 단면에 있어서, 다른 하니컴 세그멘트에 인접하는 외주벽(8a)의 최외측의 점을 따른 직선(이후, 외주선이라 함)(9)에 대한 격벽(2)의 각도(이후 경사각이라 함) a 및/또는 b가 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트를 하니컴 구조체가 포함하는 것이다.

종래의 하니컴 세그멘트는 도 10a 및 도 10b에 도시한 바와 같이, 경사각 a가 90° 또는 180°(평행)이며, 통상 사각형 단면을 기본 형상으로 한다. 이와 같은 하니컴 세그멘트를 도 10c에 도시한 바와 같이 배치하고 일체화하여 하니컴 구조체로 한다. 이와 같은 하니컴 구조체를 예컨대 DPF에 이용하면, DPF에 포집된 입자상 물질(PM)이 고온의 엔진 배기 가스에 의해 재생될 때, 유체의 특성상, 배기 가스는 DPF의 중앙부에 많이 흐르기 때문에, 재생도 DPF의 중앙부에서 활발히 일어난다. 이 때문에, DPF의 중앙부는 고온으로, 외주부는 저온으로 되기 쉬워, DPF의 중앙부로부터 지름 방향으로 온도차가 생기기 쉽게 된다. 따라서, DPF의 중앙부가외주부보다 팽창하기 때문에, 예컨대 도 11a에 있어서의 하니컴 세그멘트(12a)에는 화살표 S 방향으로 응력이 가해진다. 그 결과, 격벽(2)의 교점(25)에 응력이 집중되어, 도 11c에 도시한 바와 같이, 예컨대 격벽의 교점(25a)에 크랙이 발생하기 쉽게 된다. 더욱이, 일단 발생한 크랙은 그 경사 방향의 격벽의 교점(25b)에 응력을 집중시키기 때문에, 크랙이 진전되기 쉽다고 하는 결점도 가지고 있었다.

이에 비하여, 본 발명의 하니컴 구조체는 경사각 a가 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트, 예컨대 도 1b에 도시한 바와 같이 경사각 a 및 b가 45°인 하니컴 세그멘트를 포함하기 때문에, 전술한 바와 같이 응력(S)이 가해진 경우에, 도 2에 도시한 바와 같이 구조적으로 격벽의 교점(25)에 응력이 집중하기 어렵게 된다. 또한, 만일 교점(25a)에 크랙이 발생했더라도, 인접하는 교점(25b)으로의 응력 집중을 피할 수 있기 때문에, 크랙이 진전되기 어렵게 된다.

본 발명에 있어서 외주선(9)이란, 하니컴 세그멘트의 단면에 있어서의 외주 형상이 직선과 볼록각(180°미만의 각도)인 내각을 갖는 다각형, 예컨대 도 1b에 도시한 바와 같은 사각형의 경우는, 외주벽(8)을 따라서 연장되는 직선을 의미하는 것이다. 한편, 도 1d에 도시한 바와 같은 다른 하니컴 세그멘트에 인접하지 않는 외주벽(8b) 상의 선은 포함하지 않는다. 또한, 하니컴 세그멘트의 단면 외주 형상이 상기와 같은 일반적인 다각형이 아닌 경우, 예컨대 도 3에 도시한 바와 같이, 오목각(180°보다 큰 각도)인 내각을 갖는 다각형인 경우, 외주선(9)은 도 3에 도시한 바와 같이, 하니컴 세그멘트의 외측에서 정점을 연결하여 연장되는 직선을 의미하게 된다.

또한, 외주선(9)과 격벽(2)을 따른 직선의 교점에 있어서, 서로 보각이 되는 2개의 각도가 형성되는데, 경사각〔외주선(9)에 대한 격벽(2)의 각도〕이란 외주선(9)과 격벽(2)을 따라서 연장되는 직선과의 교점에 있어서 형성되는 예각의 각도를 의미한다.

본 발명에 있어서, 도 1b 또는 도 3에 도시하는 하니컴 세그멘트와 같이, 경사각 a 및 b가 45°인 경우에 가장 효과적이지만, 경사각이 25∼65°의 범위라면 양호한 개량 효과를 얻을 수 있고, 30∼60°의 범위라면 더욱 양호한 개량 효과를 얻을 수 있으며, 35∼55°의 범위라면 45°인 경우과 거의 동등한 개량 효과를 얻을 수 있다.

도 4에는, 본 발명에 따른 하니컴 세그멘트의 다른 형태로서, 경사각 a 및 b가 각각 30°및 60°인 하니컴 세그멘트를 나타내고, 도 5에는 도 4에 도시하는 하니컴 세그멘트의 접합 형태를 나타냈다. 이와 같은 형태에 있어서도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 3이나 도 4에 도시한 바와 같이, 외주 형상이 오목각을 갖는 다각형의 하니컴 세그멘트인 경우에는, 도 5에 도시한 바와 같이 접합시의 위치 결정을 간단히 할 수 있다고 하는 이점도 있다.

도 6에는 경사각 a 및 b가 각각 30°및 60°인 다른 형태의 하니컴 세그멘트가 도시되어 있다. 도 6에 도시하는 하니컴 세그멘트는 격벽의 교점이 직각은 아니지만, 이와 같은 형태라도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 4 내지 도 6에 도시한 하니컴 구조체는 소정의 유통 구멍의 개구부가 한 단부면에 있어서 막혀 있고, 나머지 소정의 유통 구멍의 개구부가 다른 단부면에 있어서 막혀 있다.이와 같이 막음으로써 큰 여과 면적을 확보할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 나머지 소정의 유통 구멍이 나머지 유통 구멍의 일부일 것, 즉 어떤 단부면에 있어서도 막혀 있지 않은 유통 구멍이 존재하더라도 좋지만, 상기 나머지 소정의 유통 구멍이 나머지 유통 구멍의 전부일 것, 즉 모든 유통 구멍의 개구부가 어느 한쪽의 단부면에 있어서 막혀 있는 것이 가장 큰 여과 면적을 확보할 수 있다는 점에서 바람직하다.

본 발명에 있어서, 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트란, 어느 한 외주선에 대한 경사각이 25∼65°의 범위인 격벽이 격벽 전체에 대하여 50 체적% 이상, 바람직하게는 70 체적% 이상, 더욱 바람직하게는 90 체적% 이상, 가장 바람직하게는 95 체적% 이상인 하니컴 세그멘트를 의미한다. 또한, 모든 외주선에 대한 경사각이 25∼65°의 범위인 격벽이 격벽 전체에 대하여 50 체적% 이상, 바람직하게는 70 체적% 이상, 더욱 바람직하게는 90 체적% 이상, 가장 바람직하게는 95 체적% 이상인 것이 적합하다. 또한, 격벽은 바람직하게는 30∼2000 ㎛, 더욱 바람직하게는 40∼1000 ㎛, 가장 바람직하게는 50∼500 ㎛의 범위의 두께를 갖는 판형으로서, 단면 형상은 적어도 하나의 유통 구멍을 형성하는 구간에 있어서, 그 단면을 따라서 직선을 그릴 수 있을 정도의 직선성을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 격벽에 의해 구획됨으로써 형성되는 유통 구멍의 단면 형상은 다각 형상인 것이 바람직하며, 특히 사각형인 것이 바람직하다. 유통 구멍의 단면 형상을 사각형으로 한 경우에는, 격벽을 하나의 외주벽에서 다른 하나의 외주벽까지 계속되는 직선형으로 할 수도 있고, 또한 경사각을 일정하게 할 수도 있다.

본 발명에 있어서 하니컴 구조체가, 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트를 적어도 하나 포함함으로써, 어느 정도의 개량 효과를 기대할 수 있다. 또한, 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트는, 하니컴 구조체의 단면에 있어서의 중앙부에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 하니컴 구조체는 중앙부가 고온으로 되기 쉽기 때문에, 중앙부에 있어서 열 팽창에 의한 응력을 가장 받기 쉽다. 따라서, 중앙부에 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트를 배치함으로써, 하니컴 구조체 전체의 열 응력에 대한 내성을 효과적으로 개량할 수 있다. 여기서, 하니컴 구조체의 단면에 있어서의 중앙부(이하 중앙부라 함)에 배치되어 있는 하니컴 세그멘트란, 도 7에 도시한 바와 같이, 하니컴 구조체(1)의 단면 중심(10)을 포함하거나 또는 단면 중심(10)에 인접하는 하니컴 세그멘트(12i)를 의미한다. 따라서, 도 7에 도시하는 하니컴 구조체에 있어서는, 단면 중심(10)에 인접하는 4개의 하니컴 세그멘트(12i)가 중앙부에 배치되어 있는 하니컴 세그멘트이다.

중앙부에 배치되어 있는 하니컴 세그멘트의 적어도 하나, 더욱 바람직하게는 2개 이상, 가장 바람직하게는 전부는 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트인 것이 바람직하다. 더욱이, 하니컴 구조체의 외주측에 배치되어 있는 하니컴 세그멘트, 예컨대 도 7에 있어서의 하니컴 세그멘트(12o)를 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트로 하는 것이 바람직하며, 모든 하니컴 세그멘트를 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트로 하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 있어서, 하니컴 구조체의 주성분은 강도, 내열성 등의 관점에서,코데라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 탄화규소, 탄화규소-코데라이트계 복합 재료, 규소-탄화규소계 복합 재료, 질화규소, 리튬알루미늄실리케이트, 티탄산알루미늄, Fe-Cr-Al계 금속 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 1종의 재료로 이루어지는 것이 바람직하지만, 이하의 열 전도율의 범위에 들어가고 내열성이 높다고 하는 점에서, 탄화규소 또는 규소-탄화규소계 복합 재료를 주성분으로 하는 것이 본 발명의 하니컴 구조체에 특히 적합하다. 여기서, 「주성분」이란, 하니컴 구조체의 50 질량% 이상, 바람직하게는 70 질량% 이상, 더욱 바람직하게는 80 질량% 이상을 구성하는 것을 의미한다. 또한, 본 발명에 있어서, 하니컴 구조체(1)가 금속규소(Si)와 탄화규소(SiC)로 이루어지는 경우, 하니컴 구조체(1)의 Si/(Si+SiC)로 규정되는 Si 함유량이 지나치게 적으면 Si 첨가 효과를 얻을 수 없고, 50 질량%을 넘으면 SiC의 특징인 내열성, 고열 전도성의 효과를 얻을 수 없다. Si 함유량은 5∼50 질량%인 것이 바람직하며, 10∼40 질량%인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 유통 구멍의 개구부를 막는 재료로서는, 전술한 하니컴 구조체에 적합하게 이용할 수 있는 세라믹스 또는 금속 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 재료가 바람직하며, 하니컴 구조체의 주성분과 동일한 재료로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 하니컴 구조체의 열 전도율에 특별히 제한은 없지만, 열 전도율이 너무 높으면 방열이 지나치게 커져, 재생 시에 충분히 온도가 상승하지 않아 재생 효율이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 열 전도율이 지나치게 낮으면, 그을음의 재생시에 국소적인 고온화가 일어나, 열 응력이 커져 크랙이 더욱 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다. 하니컴 구조체의 열 전도율은, 40℃에 있어서 바람직하게는 10∼60 W/mK, 더욱 바람직하게는 20∼55 W/mK, 가장 바람직하게는 25∼50 W/mK이다.

본 발명의 하니컴 구조체에 있어서의 하니컴 세그멘트의 크기에 제한은 없지만, 각 세그멘트가 지나치게 크면 열 응력에 의한 파손의 문제가 생기기 쉽게 되고, 지나치게 작으면 각 세그멘트의 제조나 접합에 의한 일체화가 번잡하게 되어 바람직하지 못하다. 바람직한 하니컴 세그멘트의 크기는 단면적이 900 ㎟∼10000 ㎟, 더욱 바람직하게는 950 ㎟∼5000 ㎟, 가장 바람직하게는 1000 ㎟∼3500 ㎟이며, 하니컴 구조체의 70 체적% 이상이 상기 크기의 하니컴 세그멘트로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 하니컴 세그멘트의 형상에 특별히 제한은 없지만, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이 단면 형상이 사각형인 것이 바람직하다. 또한, 도 1c 및 도 1d에 도시한 바와 같이 일체화한 경우의 하니컴 구조체의 형상에 맞춰 외주측의 하니컴 세그멘트의 형상을 적절하게 선택할 수 있지만, 적어도 2개의 변이 서로 직각으로 되는 직선 단면 형상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 하니컴 세그멘트의 셀 밀도(단위 단면적당 유통 구멍의 수)에 특별히 제한은 없지만, 셀 밀도가 지나치게 작으면 하니컴 구조체로서의 강도 및 유효 GSA(기하학적 표면적)이 부족하게 되고, 셀 밀도가 지나치게 크면 피처리 유체가 흐르는 경우의 압력 손실이 커진다. 셀 밀도의 바람직한 범위는 6 ∼ 2000 셀/평방인치(0.9 ∼ 311셀/㎠), 더욱 바람직하게는 50 ∼ 1000셀/평방인치(7.8 ∼ 155 셀/㎠), 가장 바람직하게는 100 ∼ 400 셀/평방인치(15.5 ∼ 62.0 셀/㎠)이다.

본 발명의 하니컴 구조체는 복수의 하니컴 세그멘트가 일체화되어 이루어지는 것인데, 그 때에 접합재를 이용하여 일체화할 수 있다. 바람직한 접합재는 전술한 하니컴 구조체의 주성분으로서 적합하게 이용되는 재료에서 선택될 수 있다. 또한, 접합재와 하니컴 세그멘트와의 열팽창 계수의 차가 지나치게 크면, 가열ㆍ냉각 시에 있어서 접합부에 열 응력이 집중되기 때문에 바람직하지 못하다. 20℃에서부터 800℃까지에서 접합재와 하니컴 세그멘트의 열팽창 계수의 차는 바람직하게는 1×10^-6/℃ 이하이다.

본 발명의 하니컴 구조체를 촉매 담체로서 내연기관 등의 열기관이나 보일러 등의 연소 장치의 배기 가스의 정화, 또는 액체 연료나 기체 연료의 개질에 이용하고자 하는 경우, 본 발명의 하니컴 구조체에 촉매, 예컨대 촉매능을 갖는 금속을 담지시키는 것이 바람직하다. 촉매능을 갖는 금속의 대표적인 것으로서는 Pt, Pd, Rh를 들 수 있고, 이들 중의 적어도 1종을 하니컴 구조체에 담지시키는 것이 바람직하다.

다음에 본 발명의 하니컴 구조체의 제조 방법을 설명한다.

하니컴 구조체의 원료 분말로서는 전술한 적합한 재료, 예컨대 탄화규소 분말을 사용하고, 이것에 바인더, 예컨대 메틸셀룰로오스 및 히드록시프로폭시메틸셀룰로오스를 첨가하고, 또한 계면활성제 및 물을 첨가하여, 가소성의 배토를 준비한다. 이 배토를 압출 성형할 때에, 다이의 형상을 본 발명에 따른 하니컴 세그멘트, 즉 경사각이 25∼65°인 하니컴 세그멘트를 형성할 수 있는 형상으로 하여 압출 성형함으로써, 소정 형상의 하니컴 세그멘트를 얻는다.

이것을 예컨대 마이크로파 및 열풍으로 건조한 후, 단부면이 체크 무늬형을 띠도록, 인접하는 유통 구멍(3)을 서로의 반대측 일 단부에서 하니컴 구조체의 제조에 이용한 재료와 같은 재료로 막고, 더욱 건조한 후, 예컨대 N₂분위기 속에서 가열 탈지하고, 그 후 Ar 등의 불활성 분위기 속에서 소성함으로써 본 발명에 따른 하니컴 세그멘트를 얻을 수 있다. 또한, 도 10a에 도시한 바와 같은 종래의 하니컴 세그멘트의 외주를 절삭 가공함으로써도 얻을 수 있다. 이렇게 하여 얻은 세그멘트를, 예컨대 세라믹스 시멘트를 이용하여 접합한 후, 예컨대 200℃에서 건조 경화하여, 본 발명의 하니컴 구조체를 얻을 수 있다.

이렇게 하여 제조된 하니컴 구조체에 촉매를 담지시키는 방법은 당업자가 통상 행하는 방법이라도 좋고, 예컨대 촉매 슬러리를 워시코트하여 건조, 소성함으로써 촉매를 담지시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 전혀 한정되는 것이 아니다.

(비교예 1)

원료로서, SiC 분말 75 질량%와 금속 Si 분말 25 질량%의 혼합 분말을 사용하여, 이것에 메틸셀룰로오스 및 히드록시프로폭시메틸셀룰로오스, 계면활성제 및 물을 첨가하여, 가소성의 배토를 준비했다. 이 배토를 압출 성형하여, 마이크로파 및 열풍으로 건조하여, 유통 구멍의 단면 형상이 정방형이고 경사각이 0° 및 90°이며, 기공율 43%, 평균 기공 지름 약 10 ㎛, 격벽 두께 약 300 ㎛(12 mil), 셀 밀도 약 47 셀/㎠(300 셀/평방인치)의 도 10a에 도시한 바와 같은 하니컴 세그멘트를 얻었다. 이 세그먼트를, 단부면이 체크 무늬형을 띠도록, 인접하는 상기 유통 구멍을 서로 반대측의 일 단부에서 하니컴 구조체의 제조에 이용한 재료와 같은 재료로 막아서, 건조시킨 후, N₂분위기 중에서 약 400℃에서 탈지하고, 그 후 Ar 불활성 분위기 속에서 약 1550℃에서 소성하여, Si 결합 SiC의 하니컴 세그멘트를 얻었다. 이것을 알루미노실리케이트질, 탄화규소 분말 및 실리카겔에 유기 및 무기의 바인더의 혼합물을 이용해 접합하여 200℃에서 건조 경화한 후, 절삭에 의해 지름 144 ㎜ ×길이 152 ㎜의 DPF용의 원주형 하니컴 구조체 A를 얻었다.

(비교예 2∼5 및 실시예 1∼5)

동일한 방식으로, 경사각 a를 각각 5, 10, 15, 20°로 한 하니컴 구조체 B∼E를 비교예 2∼5로서 준비하고, 경사각을 각각 25, 30, 35, 40, 45°로 한 하니컴 구조체 F∼J를 실시예 1∼5로서 준비했다. 또한, 경사각 a가 45° 이외인 경우에는 2개의 경사각 a 및 b가 가능하지만, (경사각) b =〔90－(경사각 a)〕라는 관계가 되어, 경사각 a가 45∼90°인 것은 경사각이 45∼0°인 것과 각각 기하학적으로 동일하게 된다.

(최대 응력의 측정)

얻어진 하니컴 구조체 A∼J의 각각에 열전쌍을 31점 장착하여 내부의 온도 분포를 정확히 측정할 수 있는 상태로 하여, 이것을 2L의 터보 인터쿨러가 달린 직접 분사식 디젤 엔진의 배기관에 접속하고, Rhodea Co 제조의 30 ppm의 Ce 연료 첨가제를 함유하는 경유를 이용하여 엔진을 운전하여, 6 g/L의 그을음을 필터에 쌓이게 한 후, DPF 입구의 엔진 배기 가스 온도를 600℃로 승온시켜 그을음을 연소시켰을 때의 하니컴 구조체 내의 온도 분포를 측정했다. 측정된 온도 분포를 기초로 유한 요소법에 의해서 각 하니컴 세그멘트 내의 최대 응력을 계산하여, 경사각과 최대 응력과의 관계를 도 8에 도시했다.

도 8로부터, 최대 응력은 경사각 a가 25°인 것을 경계로 하여 급격히 감소되고 있고, 또한 경사각 a가 25∼45°인 영역에서 본 발명의 효과가 현저히 나오고 있음을 알 수 있다. 따라서, 기하학적으로 경사각 25∼45°와 동일한 경사각 45∼65°의 영역도 포함시켜 경사각 25∼65°의 영역에서 본 발명의 효과가 현저하게 나오고 있음을 알 수 있다.

(한계 검댕 량의 측정)

상기와 같은 그을음 연소 시험을 하여, 필터에 쌓이는 그을음의 양을 4 g/L에서부터 시작하여 그을음 재생 처리후에 현미경 관찰하여, 하니컴 구조체의 단부면에 크랙이 인지되지 않는 경우를 OK, 크랙이 인지된 경우를 NG로 했다. 그을음의 퇴적량을 2 g/L씩 늘려 나가, 이 시험을 반복하여 그 결과를 표 1에 나타냈다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하니컴 구조체 F∼J가 크랙에 대한 내성이 매우 양호하였다.

	비교예1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
하니컴구조체	A	B	C	D	E	F	G	H	I	J
경사각 a	0°	5°	10°	15°	20°	25°	30°	35°	40°	45°
그을음퇴적량	4 g/L	OK	OK	OK	OK	OK	OK	OK	OK	OK	OK
	6g/L	NG	NG	NG	NG	OK	OK	OK	OK	OK	OK
	8 g/L	NG	NG	NG	NG	NG	OK	OK	OK	OK	OK
	10 g/L	NG	NG	NG	NG	NG	NG	OK	OK	OK	OK
	12 g/L	NG	NG	NG	NG	NG	NG	NG	OK	OK	OK

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 하니컴 구조체는 경사각이 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트를 포함하기 때문에, 열 응력에 대한 양호한 내성을 보였다. 따라서 본 발명의 하니컴 구조체는 내연기관, 보일러 등의 배기 가스 포집용 필터 등에 이용되는 하니컴 구조체로서 유용하다.

Claims

외주벽과, 상기 외주벽의 내측에 배치된 격벽과, 상기 격벽에 의해 구획되며 축 방향으로 관통되는 다수의 유통 구멍을 갖는 복수의 하니컴 세그멘트가 일체화되어 이루어지는 하니컴 구조체로서, 상기 하니컴 구조체의 축 방향에 대한 수직 단면에 있어서, 다른 하니컴 세그멘트에 인접하는 상기 외주벽의 최외측의 점을 따른 직선에 대한 격벽의 각도가 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체.
제1항에 있어서, 상기 하니컴 세그멘트의 상기 단면에 있어서의 상기 유통 구멍의 형상은 사각형인 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하니컴 구조체의 중앙부에 배치되어 있는 하니컴 세그멘트의 하나 이상은 상기 각도가 25∼65°의 범위인 하니컴 세그멘트인 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하니컴 세그멘트는 탄화규소 또는 규소-탄화규소 복합 재료를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하니컴 구조체의 70 체적% 이상은 상기 단면에 있어서의 단면적이 900 ㎟∼10000 ㎟인 하니컴 세그멘트로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하니컴 세그멘트에 있어서의 소정의 유통 구멍의 개구부는 한 단부면에 있어서 막혀 있고, 나머지 일부의 유통 구멍의 개구부는 다른 단부면에 있어서 막혀 있는 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하니컴 세그멘트에 있어서의 소정의 유통 구멍의 개구부는 한 단부면에 있어서 막혀 있고, 나머지 전부의 유통 구멍의 개구부는 다른 단부면에 있어서 막혀 있는 것을 특징으로 하는 하니컴 구조체.