KR20050075040A - 플러깅된 허니컴 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20050075040A
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유키히토 이치카와
미츠루 미야모토
신야 모리
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니뽄 가이시 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따르면, 하나의 단부면(42)으로부터 다른 단부면(44)까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀(3)을 형성하도록 배치된 격벽(2)과; 격벽(2)의 외주를 둘러싸는 외주벽(7)과; 셀(3)을 어느 하나의 단부면(42, 44)에 있어서 플러깅하도록 배치된 플러깅부(4a, 4b)를 구비하는 플러깅된 허니컴 구조체가 제공된다. 상기 플러깅된 허니컴 구조체(1)에서, 외주벽 근방에 배치된 적어도 일부의 플러깅부(4a)가 단부면(42 또는 44)으로부터 돌출된다. 별법으로서, 돌출부(5)의 선단이 실질적으로 평탄하거나 또는 완만한 곡면인 플러깅된 허니컴 구조체(1)와 그 제조 방법이 제공된다. 이 플러깅된 허니컴 구조체(1)는 쉽게 파손되지 않고, 내구성의 향상을 도모할 수 있으며, DPF(디젤 미립자 필터) 등의 필터에 적합하게 이용할 수 있다.

Description

플러깅된 허니컴 구조체 및 그 제조 방법{SEALED HONEYCOMB STRUCTURE BODY AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명은 플러깅된 허니컴 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 말하면 쉽게 파손되지 않고, 내구성의 향상을 도모할 수 있으며, DPF(디젤 미립자 필터) 등의 필터에 적합하게 이용할 수 있는 플러깅부를 갖는 허니컴 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
허니컴 구조체를 DPF 등의 필터로서 이용하는 경우에, 일반적으로 도 11의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 하나의 단부면(42)으로부터 다른 단부면(44)까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀(3)을 형성하도록 배치된 다공질의 격벽(2)과; 격벽(2)의 외주를 둘러싸는 외주벽(7)과; 셀(3)을 어느 하나의 단부면에 있어서 플러깅하도록 배치된 플러깅부(4)를 구비하는 플러깅된 허니컴 구조체(1)의 형태로 이용한다. 이와 같이 구성함으로써, 한쪽 단부면(42)으로부터 셀 내로 유입되는 피처리 유체는 다공질의 격벽(2)을 통과하여 다른 셀(3)을 거쳐 다른 단부면(44)으로부터 배출된다. 이 경우, 격벽(2)은 입자형 물질을 포집하는 필터를 구성한다.
또한, 플러깅된 허니컴 구조체는, 도 12에 도시한 바와 같이, 예컨대 세라믹제의 매트(24)를 구조체의 외주벽 주위에 감은 상태로 금속제의 캔 부재(20)에 수납된다. 이 허니컴 구조체는 캔 부재 내에 배치된 금속제의 환형 고정 부재(22)에 의해 고정되고, 자동차 등에 장착되어 사용되는 경우가 있다(예컨대, 일본 특허 공개 평성 제8-281034호 공보 참조).
이러한 용례에 사용되는 플러깅된 허니컴 구조체는 진동에 의해 쉽게 파손되지 않고, 압력 손실이 작으며, 내열충격성이 양호할 것 등이 요구된다.
플러깅된 허니컴 구조체를 DPF용으로서 이용하는 경우에, 입자형 물질의 퇴적에 의한 압력 손실의 급증을 방지하는 방법으로서, 셀의 단부면으로부터 상류측을 향해 테어퍼진 형상으로서 돌출하는 돌출부가 플러깅부에 형성된 플러깅된 허니컴 구조체가 제안되어 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제2002-309922호 공보 참조).
도 1의 (a)는 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체의 일례를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 1의 (b)는 평행 단면도이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 플러깅부의 일례를 개략적으로 도시한 평행 단면 일부 확대도이고, 도 2의 (b)는 본 발명에 따른 플러깅부의 다른 일례를 개략적으로 도시한 평행 단면 일부 확대도이며, 도 2의 (c)∼(h)는 본 발명에 따른 플러깅부의 또 다른 일례를 개략적으로 도시한 평행 단면 일부 확대도이다.
도 3의 (a)∼(e)는 본 발명에 따른 플러깅부의 또 다른 일례를 개략적으로 도시한 평행 단면 일부 확대도이다.
도 4는 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체와 고정 부재와의 관계를 개략적으로 도시한 평행 단면 일부 확대도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 플러깅부의 또 다른 일례를 개략적으로 도시한 평행 단면 일부 확대도이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 플러깅부의 또 다른 일례를 개략적으로 도시한 직교 단면 일부 확대도이다.
도 7의 (a)는 본 발명의 제조 방법에 있어서 이용하는 허니컴 구조체의 일례를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 7의 (b)는 평면 일부 확대도이다.
도 8은 본 발명의 제조 방법에 있어서, 마스킹 부공정을 개략적으로 보여주는 평행 단면 일부 확대도이다.
도 9의 (a)는 본 발명에 있어서의, 마스킹 부공정의 적합한 일례를 개략적으로 보여주는 평행 단면 일부 확대도이고, 도 9의 (b)는 충전 부공정의 적합한 일례를 개략적으로 보여주는 평행 단면 일부 확대도이다.
도 10은 본 발명에 있어서의 충전 부공정의 적합한 일례를 개략적으로 보여주는 평행 단면 일부 확대도이다.
도 11의 (a)는 종래의 플러깅된 허니컴 필터의 일례를 보여주는 개략적인 사시도이고, 도 11의 (b)는 평면 일부 확대도이며, 도 11의 (c)는 평행 단면 일부 확대도이다.
도 12는 종래의 허니컴 필터를 캔에 수납한 상태를 보여주는 개략적인 평행 단면도이다.
도 13은 종래의 플러깅부의 일례를 개략적으로 보여주는 평행 단면 일부 확대도이다.
도 14의 (a)는 종래의 충전 부공정을 개략적으로 설명하는 평행 단면도이고, 도 14의 (b)는 평행 단면 일부 확대도이다.
본 발명의 목적은 상기 제안과는 다른 관점에서 압력 손실을 줄이고, 파손이 쉽게 발생하지 않는 플러깅된 허니컴 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 외주벽 근방에 생길 수 있는 크랙에 대해서 상세히 검토하였다. 종래의 플러깅부는 도 11의 (c)에 도시한 바와 같이, 단부면(42)과 거의 동일면에 선단이 형성되어 있다. 따라서, 도 12에 도시한 바와 같이, 캔 부재(20)에 고정된 환형의 고정 부재(22)에 의해서 플러깅된 허니컴 구조체가 캔 부재(20) 내에 고정되는 경우, 격벽의 단부는 외주벽의 단부 및 고정 부재(22)와 직접 접촉하게 된다. 또한, 고온의 배출 가스 등의 피처리 유체가 캔 부재(20) 내로 유입될 때에, 캔 부재(20) 및 고정 부재(22)는 가열되어 팽창된다. 그에 따라, 고정 부재(22)는 단부면(42)을 압박하면서 외주 방향으로 이동한다. 따라서, 큰 열이 가해지는 경우에는, 이러한 이동 중에 받는 응력에 의해 외주벽 근방의 단부면에서 크랙이 발생되는 것도 생각할 수 있다. 또한, 금속선을 네트 형상으로 짜서 환형으로 형성한 와이어 메쉬 링(도시 생략)을, 고정 부재(22)와 단부면(42) 사이에 쿠션재로서 배치하는 경우도 있다. 이 경우, 와이어 메쉬 링은 단부면(42)에 직접 접촉하고, 또한 플러깅되어 있지 않은 셀의 개구부에 맞물려 들어가는 형태가 된다. 또한, 고정 부재가 이동할 때 와이어 메쉬가 이동하며, 와이어 메쉬가 맞물려 들어가는 부분의 격벽에 응력이 가해져 크랙을 유발하는 경우도 생각할 수 있다.
또한, 외주벽 근방의 셀의 개구부가 고정 부재(22)가 덮일 때, 외주벽 근방의 셀에는 피처리 유체가 유입되지 않아서, 필터로서의 기능을 수행할 수 없게 되며, 압력 손실이 증대한다. 또한, 외주벽 근방의 셀에 고온의 피처리 유체가 유입되지 않을 때, 고온의 피처리 유체가 유입되는 내측 셀과의 온도차가 생겨, 열 충격에 의한 크랙도 발생하기 쉬워진다고 생각된다.
본 발명은 이러한 지견에 기초하여, 외주벽 근방에 대한 고정 부재의 접촉 상태를 개량하고, 그에 따라 크랙이 외주벽 근방에 발생할 가능성을 줄이며, 압력 손실을 저감시킨다. 즉, 하나의 단부면으로부터 다른 단부면까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀을 형성하도록 배치된 격벽과; 상기 격벽의 외주를 둘러싸는 외주벽과; 상기 셀을 어느 하나의 단부면에 있어서 플러깅하도록 배치된 플러깅부를 구비하는 플러깅된 허니컴 구조체로서, 외주벽 근방에 배치된 적어도 일부의 플러깅부가 단부면으로부터 돌출되어 있고, 돌출부의 선단이 실질적로 평탄하거나 또는 완만한 곡면인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체를 제공한다.
또한, 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체에 있어서, 외주 근방 이외의 부분에 배치된 일부 또는 모든 플러깅부가 단부면으로부터 돌출되어 있고, 돌출부의 선단이 실질적으로 평탄하거나 또는 완만한 곡면인 것이 바람직하다. 상기 허니컴 구조체는 축 방향에 직교하는 단면 형상이 거의 원 형상인 부분을 포함하는 돌출부를 포함하는 플러깅부를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 허니컴 구조체는 축 방향에 직교하는 단면 형상이 실질적인 다각형 형상인 부분을 포함하는 플러깅부를 갖는 것이 바람직하며, 상기 실질적인 다각형 형상은 모서리부가 직선형 또는 곡선형으로 절취된 형상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 허니컴 구조체는 축 방향에 평행한 단면 형상이 실질적인 사각형 형상인 돌출부를 포함하는 플러깅부를 갖는 것이 바람직하고, 상기 실질적인 사각형 형상은 모서리부가 직선형 또는 곡선형으로 절취된 형상인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체에 있어서, 단부면으로부터 각 돌출부의 선단까지의 최대 높이가 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 또한, 돌출부의 기공율은 플러깅된 허니컴 구조체 이외의 부분의 기공율보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 하나의 단부면으로부터 다른 단부면까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀을 형성하도록 배치된 다공질의 격벽을 갖는 허니컴 구조체를 마련하는 공정과, 상기 셀의 적어도 일부를 어느 하나의 단부면에 있어서 플러깅하는 플러깅 공정을 포함하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법으로서, 상기 플러깅 공정은, 일부 셀을 마스킹하도록 필름을 단부면에 배치하는 마스킹 부공정과; 마스킹되어 있지 않은 소정 셀에 플러깅재를 충전하는 충전 부공정을 포함하며, 상기 충전 부공정은 플러깅재를 상기 필름 상면의 높이 이상으로 충전하는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 충전 부공정에 있어서, 플러깅재는 적어도 2회 충전되는 것이 바람직하다. 또한, 충전 부공정에 있어서, 플러깅재는 1회 충전되는 것도 바람직하다. 또한, 플러깅재는 액체를 포함하는 슬러리이며, 상기 액체는 실질적으로 격벽에 침투하지 않는 액체인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 마스킹 부공정에 있어서, 필름은 모든 셀을 덮도록 배치되고, 소정 셀에 대응하는 필름의 일부분에 구멍이 형성되는 것이 바람직하며, 구멍의 주위가 필름의 두께 방향으로 볼록해지도록 구멍이 형성되는 것이 더 바람직하다. 또한, 플러깅재는 액체를 포함하는 슬러리이며, 그 슬러리의 점성이 10∼1000 dPa·s, 나아가 100∼600 dPa·s인 것이 바람직하다. 또한, 플러깅재는 식물 유래의 분체형 유기 물질, 분체형 합성수지, 분체형 카본계 물질, 중공 합성수지, 고체형의 상온 액체 또는 기체 물질, 고융점 물질, 다공질 물질 및 중공 무기 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 슬러리인 것도 바람직하다. 또한, 플러깅재를 셀에 충전한 후, 플러깅재의 체적이 팽창되고, 플러깅부는 필터 단부면으로부터 돌출되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 플러깅된 허니컴 구조체 및 그 제조 방법을 구체적인 실시 형태에 기초하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되지 않는다. 또한, 이하에 있어서, 축 방향(예컨대, 도 1에 도시된 축 방향)에 직교하는 단면을 직교 단면, 축 방향에 평행한 단면을 평행 단면이라고 한다.
도 1의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체(1)는, 하나의 단부면(42)으로부터 다른 단부면(44)까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀(3)을 형성하도록 배치된 격벽(2)과; 격벽(2)의 외주를 둘러싸는 외주벽(7); 그리고 셀(3)을 어느 하나의 단부면에 있어서 플러깅하도록 배치된 플러깅부(4a, 4b)를 구비한다.
본 발명의 중요한 특징은, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 외주벽(7) 근방에 배치된 플러깅부(4a)의 적어도 일부가 단부면(42)으로부터 돌출되어 있고, 돌출부(5)의 선단(6)이 도 2의 (a)∼(h)에 도시된 바와 같이 실질적으로 평탄하거나, 또는 도 3의 (a)∼(e)에 도시된 바와 같이 완만한 곡면으로 되어 있는 것이다.
이와 같이 구성함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 플러깅된 허니컴 구조체가 고정 부재(22)에 의해 고정되고, 캔 부재(20)에 수납된 경우에, 선단(6)은 고정 부재(22)와 접촉하고, 고정 부재(22)는 외주벽(7) 또는 외주 근방의 셀(3a)을 형성하는 격벽(2)과 직접 접촉하지 않게 된다. 고정 부재가 외주 방향으로 이동할 때 열팽창에 의해 크랙이 생기기 쉽지만, 외주벽(7) 및/또는 외주 근방의 셀(3a)을 형성하는 격벽(2)에서 크랙이 저감될 수 있다.
또한, 외주 근방의 셀(3a)은 고정 부재(22)에 의해 직접 덮이지 않으므로, 외주 근방의 셀에 피처리 유체가 유입될 수 있고, 압력 손실이 저감될 수 있다. 또한, 외주 근방의 셀과 내측 셀의 온도차를 줄일 수 있고, 열 응력에 의한 크랙의 가능성을 줄일 수 있다.
이러한 관점에서, 본 발명에 따른 돌출부는 단순히 돌출될 필요가 있고, 또한 선단은 실질적으로 평탄하거나 또는 완만한 곡면일 필요가 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 돌출부(5)가 원뿔형 또는 피라미드형인 경우, 허니컴 구조체가 고정 부재에 의해 고정될 때에 선단에 과대한 응력이 작용하고, 이는 돌출부나 외주벽 근방에서의 크랙을 야기한다. 여기서, 선단(6)이 실질적으로 평탄하다는 것은 돌출부의 선단에 실질적으로 평탄한 부분을 갖고 있는 것을 의미한다. 이 평탄한 부분은 가능한 한 평탄한 것이 바람직하고, 평면도가 약 0.05 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 여기서 말하는 평면도 0.05 ㎜란 JIS-BO021에서 규정되어 있는 평면도와 동일한 정의로서, 면의 윤곽이 0.05 ㎜ 폭의 공간 내에 존재하고 있는 것을 의미하며, 대상이 되는 평면의 평면도 실측치가 0.05 ㎜ 이하인 것을 의미한다. 예컨대, 필터 단부면으로부터의 플러깅부 돌출 높이는 약 0.005∼0.02 ㎜이다. 돌출부의 평면도 실측치가 0.01 ㎜인 경우는 0.05 ㎜ 이하의 평면도 범위에 포함된다. 또한, 이 평탄한 부분의 면적은 대개 작을 수 있지만, 고정 부재의 이동을 원활하게 행하게 하는 관점에서, 하나의 셀의 단면적, 즉 플러깅부 본체의 단면적의 5% 이상인 것이 바람직하고, 20% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 평탄부의 평면도는 작을수록 좋고, 바람직하게는 0.05 ㎜ 이하이다. 그러나, 평면도가 작을수록 실제로는 제조하기가 곤란하다. 플러깅부 선단의 돌출 높이와 평탄부의 면적에 의해 평면도는 약 2 ㎜까지 증대될 수 있지만, 제작성, 고정 부재의 위치 정밀도나 안정성을 고려하면 대략 0.1 이하, 나아가 0.5 ㎜ 이하인 것이 실용상 바람직하다. 각 플러깅부의 돌출부의 높이의 차이가 너무 크면, 고정 부재의 안정성이 만족스럽지 못하다. 따라서, 돌출부 전체에서의 평면도도 중요하고, 실용상 2 ㎜ 이하, 바람직하게는 1 ㎜ 이하이다. 요컨대, 고정 부재(22)는 격벽의 단부에 접촉하지 못하게 된다. 별법으로서, 고정 부재가 격벽의 단부에 접촉하더라도, 고정 부재와 격벽의 단부 사이의 접촉 면압은 근소하게 설정되고, 고정 부재는 원활하게 이동할 수 있다. 선단(6)이 완만한 곡면인 경우, 돌출부의 선단은 고정 부재가 원활하게 이동할 수 있는 정도의 곡면부를 갖는다. 구체적으로, 플러깅 선단부에서의 곡률 반경이 R 0.1 ㎜ 이상, 바람직하게는 R 0.5 ㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 R 1 ㎜ 이상이다.
돌출부(5)가 전술한 바와 같은 선단(6)을 갖고 있으면, 돌출부 전체의 형태에 특별히 제한은 없지만, 실질적으로 평탄한 선단이 바람직한 형태이다. 예컨대, 도 2의 (a)∼(h)에 도시된 바와 같이, 평행 단면 형상은 실질적인 직사각형과 실질적인 사다리꼴 형상 등과 같은 실질적인 사각형 형상이다. 여기서, 실질적인 사각형 형상이란, 사각형 이외에 사각형의 모서리부가 절취된 형상도 포함한다. 도 5의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 사각형은 그 모서리부가 직선형 또는 곡선형으로 절취된 평행 단면 형상인 것이, 고정 부재의 원활한 이동에 의해 외주벽 근방의 크랙을 억제하는 관점에서 바람직하다. 즉, 선단은 그 모서리부가 모따기된 형상인 것이 바람직하다. 선단이 완만한 곡면인 적합한 구체예로서, 도 3의 (a)∼(d)에 도시된 바와 같이 선단은 하나의 돔형으로 되어있는 형상을 갖고, 도 3의 (e)에 도시된 바와 같이 선단은 2 이상의 돔형으로 되어 있는 형상을 갖는다.
돌출부의 직교 단면 형상에는 특별한 제한이 없다. 돌출부의 구체적인 바람직한 형태로서, 돌출부는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같은 거의 원 형상 또는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같은 실질적인 다각형 형상의 단면 형상의 부분을 포함하는 것이 바람직하고, 셀의 단면형상과 동일한 형상인 부분을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 셀의 단면 형상이 실질적인 사각형 등의 실질적인 다각형 형상인 경우, 돌출부는 셀의 단면 형상과 동일 형상으로부터 시작되고 선단을 향해 갈수록 더 많은 모서리부를 갖는 다각형 형상 또는 거의 원 형상으로 변화되는 형상을 갖는 것도 바람직하다. 여기서, 거의 원 형상이란, 원 형상 이외에도 타원 형상이나 레이스 트랙 형상 등을 포함하고, 실질적인 다각형 형상이란, 통상의 다각형 이외에도 모서리부가 직선형 또는 곡선형으로 절취된 형상을 포함한다. 또한, 돌출부의 단면 형상이 실질적인 다각형 형상인 부분을 포함하는 경우, 모서리부가 직선형 또는 곡선형으로 절취된 실질적인 다각형 형상인 것이 모서리부의 치핑(chipping)을 억제하는 관점에서 바람직하다.
돌출부(5)에 있어서, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같은, 플러깅된 허니컴 구조체의 단부면(42)으로부터의 높이, 즉 돌출부의 최대 높이(h)에는 특별한 제한이 없다. 그러나, 돌출부의 최대 높이(h)가 너무 높으면, 돌출부에 치핑이 일어나가 쉽다. 상기 높이가 너무 낮으면, 피처리 유체가 외주벽 근방의 셀에 유입되기 어렵게 되어 바람직하지 못하다. 돌출부의 최대 높이(h)는 바람직하게는 20 ㎛ 이상, 더 바람직하게는 0.2 ㎜ 이상, 특히 더 바람직하게는 0.5 ㎜ 이상이며, 바람직하게는 셀 피치의 길이 이하, 더 바람직하게는 셀 피치 길이의 80% 이하, 특히 더 바람직하게는 50% 이하이다. 또한, 각 돌출부의 최대 높이는 각각 다를 수 있다. 그러나, 적어도 외주벽 근방에 배치된 각 플러깅부의 돌출부의 최대 높이는 실질적으로 동일한 것이, 고정 부재의 응력을 분산시키는 관점에서 바람직하다. 또한, 제조의 용이성에 관한 관점에서, 모든 플러깅부의 돌출부의 최대 높이가 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 또한, 고정 부재의 평면도를 함께 고려하면, 고정 부재의 평면도가 양호하고, 돌출부의 높이가 실질적으로 동일한 경우, 돌출부의 높이는 20 ㎛ 미만이다. 이 경우에, 평면도가 0.02 ㎜이며, 돌출부가 적어도 5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.
플러깅부의 돌출부의 기공율을 플러깅된 허니컴 구조체의 다른 부분보다 작게 설정한다. 이에 따라, 돌출부가 고정 부재와의 접촉에 견딜 수 있는 충분한 강도를 발현하는 동시에, 돌출부의 표면이 매끄러워져 고정 부재와의 마찰을 줄이는 효과를 기대할 수 있다. 기공율을 줄이는 수단으로서, 미리 플러깅제의 슬러리 성분을 조정하고, 플러깅부의 기공율이 허니컴 구조체 본체의 기공율보다 작게 설정되도록 허니컴 구조체를 소성하는 방법이 있다. 코디에라이트, 실리카, 알루미나 등의 성분을 돌출부에 코팅할 수도 있다. Ti계나 W계의 경질 재료를 돌출부 표면에 용사할 수도 있다. 즉, 플러깅부 전체의 기공율을 감소시켜, 돌출부의 기공율을 격벽의 기공율보다 작게 설정하는 것도 바람직한 형태이며, 플러깅부에서 돌출부만의 기공율을 감소시키는 것도 바람직한 형태이다.
본 발명에서, 외주벽 근방에 배치된 셀을 플러깅하는 플러깅부의 적어도 일부는 전술한 돌출부를 가질 필요가 있고, 외주벽 근방에 배치된 셀을 플러깅하는 모든 플러깅부는 전술한 돌출부를 갖는 것이 필수적인 것은 아니다. 그러나, 고정 부재로부터 돌출부에 인가되는 응력을 분산시키는 관점에서, 외주벽 근방에 배치된 셀을 플러깅하는 모든 플러깅부는 전술한 돌출부를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 플러깅부를 간단하게 형성하는 관점에서, 모든 플러깅부는 전술한 돌출부를 갖는 것이 바람직하다.
여기서, 외주벽 근방이란, 외주벽에 인접한 셀을 포함하며, 고정 부재의 폭에 의해 그 범위는 변하며, 바람직하게는 외주벽에서 5 ㎜ 이내, 더욱 바람직하게는 20 ㎜ 이내이다. 물론, 외주부 근방뿐만 아니라, 외주부 근방 이외의 부분에 배치된 플러깅부의 일부 또는 전부가 본 발명에 따른 돌출부를 갖고 있어도, 즉 돌출부가 허니컴 구조체의 단부면 전역에 걸쳐 존재하고 있어도 실용상 아무 문제가 없다. 실용상, 허니컴 구조체의 배기 가스 상류로부터, 즉 엔진 방향으로부터 여러 가지 이물질, 예컨대 배기관 내벽으로부터의 산화 스케일 등이 배기 가스의 흐름을 타고 고속으로 날아와서 허니컴 구조체의 배기 입구 단부면에 충돌한다. 따라서, 허니컴 구조체의 얇은 격벽이 파손될 우려가 있다. 이러한 경우에, 도 2의 (c), 도 2의 (f), 또는 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 격벽 선단부를 덮도록 돌출부가 플러깅부에 배치되면, 격벽에 이물이 직접 충돌하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 플러깅부의 돌출부를 허니컴 구조체의 단부면 전역에 형성하는 것이 바람직하다. 돌출부가 형성되는 경우, 배기 가스와의 접촉 면적이 증가하므로, 플러깅부와 배기 가스 사이의 열 교환이 향상된다. 플러깅부는 주위의 격벽부에 비해 체적이 크고 열 용량도 크기 때문에, 배기 가스 온도에서의 추종성이 낮고, 플러깅부와 격벽부 사이의 온도차가 커지며, 열 응력이 발생하기 쉽다. 플러깅부와 배기 가스 사이의 열 교환이 향상될 때, 온도차가 감소하고 열 응력이 억제되는 것을 기대할 수 있다. 따라서, 플러깅부의 돌출부를 허니컴 구조체의 단부면 전역에 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 허니컴 구조체의 모든 플러깅부에 돌출부를 마련하는 것이 바람직하지만, 반드시 필요한 것은 아니며, 실제 사용시의 사용환경에 따라 돌출부는 적절하게 배치될 수 있다. 본 발명의 허니컴 구조체는 전술한 바와 같이 이물질과의 충돌에 대한 내성을 갖고, 열 응력을 감소시키는 효과를 갖는다. 따라서, 고정 부재를 이용하지 않는 사용 모드, 예컨대 고정 부재를 이용하지 않고서 캔 부재에 유지하는 캐닝 구조에서도, 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체를 유효하게 이용할 수 있다. 또한, 플러깅된 허니컴 구조체의 이송시나 조작시에, 플러깅된 허니컴 구조체를 베이스 또는 바닥 등의 면 위에 두는 경우가 있다. 이 경우에, 단부면 외주의 모서리부(외주벽의 단부)에서 치핑이 일어나는 경우가 있다. 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체가 베이스, 바닥 등의 면 위에 놓인 경우, 단부면 외주의 모서리부가 하부면에 직접 닿지 않고, 상기 치핑을 방지하는 효과도 갖는다. DPF의 양단부면에 있어서 플러깅부에 돌출부가 형성되어 있으면, 어느 쪽 단부면을 아래쪽으로 하여도, 바람직하게 치핑 방지 효과를 갖는다.
본 발명에 있어서의 플러깅된 허니컴 구조체는, 예컨대 도 1의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 하나의 단부면(42)으로부터 다른 단부면(44)까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀(3)을 형성하도록 배치된 격벽(2)과; 격벽(2)의 외주를 둘러싸는 외주벽(7); 그리고 셀(3)을 어느 하나의 단부면(42, 44)에 있어서 플러깅하도록 배치된 플러깅부(4)를 구비하는 것이면, 그 형상이나 재질에 있어서 특별한 제한은 없다. 플러깅된 허니컴 구조체의 직교 단면 형상은, 예컨대 원형, 타원형, 레이스 트랙 형상, 사각형 등, 용례나 설치 장소에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 셀의 직교 단면 형상은, 예컨대 삼각형, 사각형, 육각형 등의 다각형과 같은 실질적인 다각형, 또는 원형, 타원형 등의 실질적인 원형으로 할 수 있다. 셀 밀도는, 예컨대 6∼2000 셀/평방 인치(0.9∼311 셀/㎠), 바람직하게는 50∼1000 셀/평방 인치(7.8∼155 셀/㎠) 정도로 할 수 있다. 도 1의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 인접하는 셀(3)이 서로 반대측이 되는 단부면에 있어서 플러깅부(4a, 4b)를 갖고, 각 단부면(42, 44)이 체크 무늬형이 되도록 플러깅부가 배치되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 플러깅부, 격벽 및 외주벽의 재질에 대해서는 특별한 제한이 없지만, 내열성 등의 관점에서 세라믹 또는 금속이 바람직하고, 특히 세라믹이 바람직하다. 허니컴 구조체를 촉매 담체나 필터로서 이용하는 경우에는, 격벽 및 외주벽은 다공질인 것이 바람직하다. 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체를 캔 부재에 수납하여 이용하는 경우에는, 캔 부재와 외주벽 사이에 세라믹제 매트 등의 탄성 부재를 배치하는 것이 바람직하다.
다음에 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체를 적절하게 제조할 수 있는 제조 방법에 대해서 설명한다. 이 방법은, 도 7의 (a), (b)에 도시된 바와 같은, 하나의 단부면(42)으로부터 다른 단부면(44)까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀(3)을 형성하도록 배치된 격벽(2)을 갖는 허니컴 구조체(10)에 있어서, 셀(3)의 적어도 일부를 어느 하나의 단부면에서 플러깅하는 플러깅 공정을 포함한다. 그리고, 플러깅 공정은 마스킹 부공정과, 충전 부공정을 포함한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 마스킹 부공정에서 일부 셀, 즉 단부면에 플러깅부가 형성되지 않는 셀을 마스킹하도록, 필름(12)이 단부면에 배치된다. 이 공정에서, 단부면에 플러깅부가 형성되는 소정의 셀에 대응하는 필름(12) 부분, 즉 소정의 셀 위에 배치되는 필름 부분에 구멍(13)이 형성된 상태로, 필름(12)이 단부면에 부착될 수 있다. 모든 셀을 덮도록, 구멍이 형성되어 있지 않은 필름(12)을 단부면에 부착한 후, 플러깅부가 형성되는 소정의 셀에 구멍(13)을 형성한다. 이는 구멍이 목적으로 하는 셀에 정확하게 형성될 수 있기 때문에 바람직하다.
이와 같이 필름을 배치한 후에 필름(12)에 구멍(13)을 형성하는 경우, 예컨대 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 구멍(13) 주위가 필름의 두께 방향으로 볼록해지도록 구멍을 형성하며, 이는 충전 부공정에 있어서, 충분한 높이의 돌출부를 형성하도록 플러깅재를 충전할 수 있는 점에서 바람직하다. 이와 같이 구멍을 형성하는 구체적인 방법의 예로는, 필름을 구멍의 중심으로부터 외측을 향해 용융하도록 가열하여 구멍을 형성하는 방법이 있다. 더 구체적으로, 레이저광 등을 소정 위치에 조사하여 구멍을 형성하는 것이 바람직하다.
필름의 종류에는 특별한 제한이 없다. 예컨대, 가열에 의해 용융되는 필름이 적합한 예로서 바람직하며, 레이저광에 의해 구멍이 형성되는 필름이 더 바람직하다. 또한, 필름은 단부면상에 배치된 후 충분히 고정되도록 점착층을 갖고 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 필름은 기재층과 점착층을 가지며, 기재층은 폴리에스테르, 폴리올레핀, 할로겐화폴리올레핀 등의 폴리머 재료로 형성되고, 점착층은 아크릴계 점착재 등으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 필름의 두께는 강도, 구멍 형성 용이성 등의 관점에서 약 10∼100 ㎛가 바람직하다.
충전 부공정에서, 구멍이 형성된 셀은 플러깅재(14)로 충전된다. 종래의 충전 공정에서는, 도 14의 (a)에 도시된 바와 같이, 물을 함유하는 슬러리로 된 플러깅재(14)를 슬러리 용기(16)에 넣고, 마스킹한 허니컴 구조체(10)의 단부면(42)을 상기 슬러리형의 플러깅재(14)에 침지하며, 소정의 셀에 플러깅재(14)를 충전한다. 이 방법에서, 허니컴 구조체(10)를 슬러리 용기에서 꺼내면, 셀에 충전된 슬러리 속의 액체가 다공질의 격벽 또는 외주벽으로 침출한다. 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이, 슬러리의 선단(15)이 필름의 상면에서 셀을 향해 이동하며, 허니컴 구조체의 단부면과 동일 높이 또는 그것보다 낮은 높이의 플러깅부밖에 형성될 수 없다.
본 발명에 있어서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 플러깅재(14)를 필름의 상면(17)과 동일한 높이 이상으로 충전하므로, 돌출부를 갖는 플러깅부를 적합하게 형성할 수 있다. 여기서, 필름의 상면이란, 필름에 있어서 허니컴 구조체에 대향하는 측의 면을 의미한다. 이와 같이, 플러깅재를 필름의 상면과 동일한 높이 이상으로 충전하는 적합한 방법에서, 예컨대 우선 플러깅재를 한 번 충전하고, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 플러깅재의 선단(15)이 셀을 향해 이동한 후, 플러깅재를 더 충전한다. 이것은, 첫 번째 충전에 의해 플러깅재의 선단이 이동한 후에는, 플러깅재를 더 충전하여도 플러깅재의 선단이 거의 이동하지 않는다는 것을 발견한 것에 기초한 것이다. 통상은 2회의 충전에 의해 필름 상면의 높이 이상으로 셀을 충전할 수 있지만, 3회 이상 플러깅재를 충전할 수도 있다.
플러깅용 용기에 슬러리를 미리 넣어 두고, 지그재그형으로 구멍이 형성된 필름을 허니컴 구조체에 미리 부착하며, 허니컴 구조체를 프레스의 가동부에 척으로 고정하고, 허니컴 구조체를 용기 내에 0.01∼5 MPa의 압력, 0.1∼10 ㎜/sec의 속도로 압입하며, 용기 내의 슬러리를 천공된 구멍으로부터 셀 내로 주입한다. 허니컴 구조체는 허니컴 단부면이 용기와 평행하게 연장되도록 척으로 고정된다. 허니컴 구조체를 용기에 압입할 때에는, 허니컴 구조체의 외주부에서 플러깅재 슬러리의 누설을 방지하도록, 허니컴 구조체에 시일을 행한다. 플러깅 깊이를 작게 하기 위해서 슬러리량이 적은 경우에, 시일은 필요하지 않을 수 있다. 압입을 완료한 후, 허니컴 구조체를 용기에서 꺼낸다. 허니컴 구조체를 약간 회전시키면, 허니컴 구조체는 용기로부터 쉽게 꺼내어질 수 있다.
플러깅재 슬러리의 점성은 10∼1000 dPa·s의 범위에 있는 것이 바람직하다. 점성이 이 범위임에 있으면, 슬러리를 셀에 충전한 경우에 슬러리가 셀 내에서 쉽게 유지되고 소정의 플러깅부를 쉽게 형성할 수 있다. 슬러리는 지나치게 단단해지지 않기 때문에, 셀에 슬러리를 쉽게 충전할 수 있다. 슬러리 충전시에 셀 격벽이 눌려 파괴되는 것도 방지할 수 있다.
슬러리의 점성은 100∼600 dPa·s의 범위에 있는 것이 더 바람직하다. 점성이 이 범위에 있으면, 셀에 충전된 슬러리 속의 액체가 다공질의 격벽 또는 외주벽으로 침출하는 현상을 적절히 억제할 수 있고, 플러깅재의 비틀림이 감소되며, 충전 횟수를 줄일 수 있어 생산성이 향상된다. 또한, 셀의 구석구석까지 슬러리를 충전하기 쉬워지고, 셀 코너와 플러깅부 사이에 간극이 발생하는 것을 용이하게 억제할 수 있다.
셀 코너와 플러깅부 사이에 간극이 발생하면, 필터의 포집 성능이 저하한다. 그러나, 포집 효율이 허용 범위 내라면, 필터의 압력 손실을 저감하거나, 셀 내에 퇴적한 애시(ash) 성분을 간극으로부터 배출하기 위해, 셀 콘와 플러깅부 사이에 간극을 생성할 수도 있다. 따라서, 장기적인 애시 성분의 퇴적에 의한 압력 손실의 상승을 억제하기 위해서, 플러깅재 슬러리의 점성을 의도적으로 높이고, 간극을 생성한다.
플러깅재를 필름의 상면 이상의 높이로 충전하는 다른 바람직한 방법에서, 실질적으로 격벽에 침투하지 않는 액체를 슬러리형 플러깅재에 있어서의 액체 성분에 사용함하여, 플러깅재의 선단 이동을 방지한다. 이 방법을 이용하면, 1회의 충전으로 셀은 필름의 상면까지 플러깅재로 충전될 수 있다. 여기서, 액체가 실질적으로 침투하지 않는다고 하는 것은, 플러깅재의 선단이 셀을 향해 이동하는 길이가 50 ㎛ 이하, 바람직하게는 30 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 10 ㎛ 이하가 되는 정도로만 액체가 침투하는 것을 의미한다. 이러한 액체, 즉 플러깅제 슬러리는 점도가 높은 액체이며, 구체적으로는 슬러리 속의 수분량을 가능한 한 낮추거나 증점제를 조제로서 플러깅제 슬러리에 첨가하여 점성을 조정할 수 있는 것이다.
또한, 또 다른 바람직한 방법으로서, 플러깅재 슬러리에 흡수성 물질 혹은 보수성(保水性) 물질을 첨가하여 슬러리의 건조 속도를 늦추는 방법이 있다. 흡수성 물질 혹은 보수성 물질이 수분을 유지하기 때문에, 이러한 물질 첨가에 의해 셀에 충전된 슬러리 속의 수분이 다공질의 격벽 또는 외주벽으로 침출하는 현상을 억제할 수 있다.
또한, 슬러리 속에서의 플러깅재 또는 수분의 급격한 이동은 첨가 물질에 의해 물리적으로 방해받고 있기 때문에, 외관상 슬러리 점성을 높이는 효과가 영향을 미치고 있다고 생각되며, 그에 따라 흡수성 물질 혹은 보수성 물질인 것이 보다 바람직하지만, 반드시 흡수성 혹은 보수성일 필요는 없다.
이러한 물질은 플러깅/충전 후의 건조 혹은 소성에 있어서 분해, 비산, 소실되는 것이 보다 바람직하지만, 소성 중 혹은 소성 후에 있어서 플러깅부 특성에 악영향을 미치지 않으면, 분해, 비산, 소실되지 않을 수도 있고, 플러깅재와 반응할 수도 있다.
분해, 비산, 소실되는 물질의 예로는, 밀가루, 전분, 호두껍질 등의 식물 유래의 분체형 유기 물질; PET, PMMA, 페놀수지, 폴리에틸렌, 우레탄 등의 분체형 합성수지; 그래파이트, 코크스, 석탄, 활성탄, 튜브형 카본 등의 분체형 카본계 물질; 발포수지, 미발포 발포성 수지, 흡수성 폴리머 등의 중공 합성수지; 얼음, 드라이아이스 등의 고체형 상온 액체 또는 기체 물질을 들 수 있다. 또한, 분해, 비산, 소실되지 않는 물질 혹은 플러깅재와 반응하는 물질의 예로는, 알루미나, 멀라이트, 티탄산알루미늄, 지르코니아, 질화규소, 탄화규소, 티타니아, 텅스텐 카바이드, 몰리브덴 등의 고융점 물질; 실리카겔, 제올라이트 등의 다공질 물질; 플라이 애시 벌룬, 실라스틱 벌룬, 실리카 비드 등의 중공 무기 물질을 들 수 있다. 여기서 말하는 고융점 물질이란 플러깅재 주성분의 소성 온도보다 높은 융점을 갖는 물질이다. 예컨대, 플러깅재 주성분이 코디에라이트인 경우, 고융점 물질로서, 질화규소, 탄화규소 등의 비산화물계 재료가 적합한 데, 이는 약 1400℃의 산화 분위기에서 코디에라이트의 소성시 상기 재료가 안정적이기 때문이다.
물질의 형상은 입자형뿐만 아니라 섬유형이라도 좋고, 분체란 입자형과 섬유형의 양방을 포함하는 것을 의미한다. 중실 재료보다는 중공 재료가 분해, 비산, 소실시의 발생 가스의 처리에 바람직하다. 이들 물질은 단독으로 또는 복합으로 사용될 수 있다. 이들 물질의 첨가량은 플러깅 슬러리의 점성, 소성후의 플러깅재 기공율의 설정에 기초하여 적당히 결정될 수 있어, 특별히 한정되지 않는다.
이들 중에서 발포성 수지, 미발포 발포성 수지, 흡수성 폴리머 등의 중공 합성수지와, 실리카겔 등의 다공질 물질은 흡수성을 갖기 때문에, 전술한 이유에서 보다 바람직하다. 플러깅재를 셀에 충전한 후에, 열처리 등에 의해 체적 팽창을 일으키는 물질을 첨가한다. 그에 따라, 셀 내의 플러깅재가 체적 팽창을 일으키고, 필터 단부면으로부터 플러깅부가 돌출하며, 돌출부가 용이하게 형성될 수 있다. 예컨대, 미발포 발포성 수지를 플러깅재에 미리 첨가하고, 셀에 플러깅재를 충전하며, 100∼250℃에서 열처리하면, 미발포 수지가 발포하고 플러깅부의 체적이 팽창한다. 또한, 예컨대 흡수성 합성수지 혹은 우레탄을 플러깅재에 미리 첨가하고, 셀에 플러깅재를 충전한 후에, 수분을 플러깅재에 첨가하면, 흡수성 합성수지 혹은 우레탄의 체적이 팽창하여 플러깅부의 체적이 팽창한다. 또한, 예컨대 의도적으로 플러깅재 슬러리 속에 기포를 발생시키고, 플러깅부에 기포가 잔존하도록 셀에 슬러리를 충전하면, 플러깅부의 기공율을 높일 수 있다.
또한, 이들 각종 물질을 첨가하면, 플러깅부의 기공율이 증대되고, 플러깅부가 열용량이 감소되며, 필터 내에 있어서의 PM(미립자 물질)의 연소가 촉진된다. 또한, 필터에 촉매를 담지하고, 촉매의 활성을 이용하여 PM을 산화/연소하며, 배기 가스중의 유해 성분을 처리하는 경우에도, 플러깅부의 열용량을 낮춤으로써 촉매 활성을 높이는 효과가 있다. 한편, 종래 기술에서는, 특히 플러깅부 근방의 셀에서 플러깅부의 열용량이 높기 때문에 필터 온도가 쉽게 상승하지 않고, 촉매 활성이 저하된다. 또한, 플러깅부의 기공율이 증대되는 경우, 필터 양단의 플러깅부 사이의 영역에서 플러깅부는 강성에 차이를 갖기 때문에, 플러깅부의 강성은 저하되고, 그에 따라 강성의 차이가 줄고, 필터의 내열충격성이 향상된다. 또한, 필터 외주면을 매트 등으로 파지하는 경우, 플러깅부 근방에서의 응력 집중을 완화시킬 수 있다. 또한, 플러깅부의 기공율이 높아지면, 플러깅부에 충분한 통기성이 부여되고, 배기 가스는 플러깅부를 통과할 수 있으며, 필터의 압력 손실 저감 효과가 있다. 또한, 필터의 제조 단계에 있어서, 허니컴 기재와 플러깅부와의 강성을 비슷하게 하면, 소성시에 플러깅부 근방에서의 크랙이 감소될 수 있다.
또한, 이러한 방법으로 셀에 플러깅재를 충전하는 경우, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 마스킹 부공정에서, 구멍(13)의 주위가 필름의 두께 방향으로 볼록해지도록 구멍을 형성하여, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 필름의 상면(17)보다 높은 위치까지 셀에 플러깅재(14)를 충전할 수 있고, 필름의 상면보다 높은 위치에 선단이 있는 돌출부를 형성할 수 있다. 액체가 격벽 등에 침출하고, 플러깅재의 선단이 셀을 향해 이동하는 경우라도, 플러깅재의 선단을 필름의 상면 이상의 높이로 유지하는 것도 가능해진다.
충전 부공정 후에, 돌출부를 갖는 플러깅부는 통상 건조, 가열 및/또는 소성에 의해 형성될 수 있다. 일반적으로 허니컴 구조체는, 후술하는 바와 같이 성형 후에 소성하여 제조될 수 있지만, 플러깅 공정은 소성전의 허니컴 구조의 성형체에 대하여 행하여도 좋고, 소성후의 허니컴 구조의 소성체에 대하여 행하여도 좋다.
본 발명에 따른 허니컴 구조체에서, 원료는 예컨대 코디에라이트, 멀라이트, 알루미나, 스피넬, 지르코니아, 탄화규소, 탄화규소-코디에라이트계 복합 재료, 규소-탄화규소계 복합 재료, 질화규소, 리튬알루미늄 실리케이트, 티탄산알루미늄, 제올라이트 등의 각종 세라믹; Fe-Cr-Al계 금속 등의 금속; 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 재료의 분말이다. 이러한 원료에 메틸셀룰로오스 및 히드록시프로폭실 메틸 셀룰로오스 등의 바인더를 첨가한다. 또한, 계면활성제 및 물을 첨가하여 가소성의 배토(puddle)를 형성하고, 이 배토를 허니컴 형상으로 압출 성형한다. 별법으로서, 허니컴 형상을 형성한 후에, 허니컴 구조체는 소성에 의해 만들어질 수 있다. 또한, 플러깅재의 주성분도 각종 세라믹 및 금속이 바람직하며, 허니컴 구조체의 바람직한 원료의 군에서 선택되는 적어도 1종이 더 바람직하고, 플러깅되는 허니컴 구조체와 공통의 원료인 것이 특히 바람직하다. 또한, 상기 주성분이 플러깅부의 주성분이 된다.
(실시예 및 비교예)
이하, 한 가지 구체예를 기초로 하여 본 발명의 제조 방법을 더욱 구체적으로 설명한다. 우선 원료 조합과 반죽 공정으로서, 코디에라이트 재료인 실리카, 카올린, 활석, 알루미나에 발포수지를 조공재(造孔材])로서 첨가하고, 바인더, 분산제, 물을 더 첨가하며, 이들 재료를 반죽하여 점토형으로 한다. 조공재는 소성 공정에 의해 비산 소실되는 성질을 가질 수 있다. 카본 물질 등의 무기 물질, 플라스틱 재료 등의 고분자 화합물, 전분 등의 유기 물질 등을 단독으로 이용하거나 조합하여 이용할 수 있다. 다음에 성형 및 건조 공정에서, 상기 반죽된 점토형의 원료를 이용하고, 압출 성형에 의해 허니컴 구조체를 성형하며, 이를 건조시킨다. 건조 수단으로서, 각종 방법이 수행될 수 있지만, 마이크로파 건조와 열풍 건조, 또는 유도 건조와 열풍 건조를 조합한 방법으로 건조시키는 것이 바람직하다. 또한, 동결/건조 등의 특수한 방법도 적용할 수 있다. 다음에 건조된 허니컴 구조체의 양단부면을 소정의 길이로 절단 가공한다.
다음에 플러깅 공정으로 이동한다. 우선, 마스킹 부공정에서 필름을 단부면에 배치한다. 필름 재료로서 폴리에스테르 필름(메이커: 데라오카세이사꾸쇼 상품 번호: 631S#25, 필름 두께: 50 ㎛)을 사용한다. 필름의 한 면에는 점착제가 피복되어 있고, 필름을 허니컴 구조체의 단부면에 부착한다. 다음에, 폴리에스테르 필름을 부착한 허니컴 구조체 단부면에 NC 주사 가능한 레이저 장치에 의해 지그재그형으로 셀 개구부를 형성한다. 구멍이 형성될 때, 필름이 녹고, 그 영향으로 구멍 주위가 볼록해진다.
다음에 충전 부공정으로 이동한다. 코디에라이트 재료에 물, 바인더, 글리세린을 첨가하여 약 200 dPa·s의 슬러리를 만들고, 플러깅용 용기에 슬러리를 미리 넣어 두며, 허니컴 구조체를 프레스의 가동부에 척으로 고정한다. 필름은 지그재그형으로 구멍이 형성된 허니컴 구조체에 부착된다. 이 허니컴 구조체를 용기 내에 0.25 MPa의 압력, 1 ㎜/sec의 속도로 압입하고, 용기내의 슬러리를 형성된 구멍으로부터 셀 내로 주입한다. 허니컴 구조체는 그 단부면이 용기와 평행하게 연장되도록 용기 내에 압입된다. 허니컴 구조체를 용기에 압입할 때, 허니컴 구조체의 외주부에서 플러깅재 슬러리가 새지 않도록 허니컴 구조체에 시일을 행한다. 압입을 완료한 후, 허니컴 구조체를 용기에서 꺼낸다. 허니컴 구조체를 약간 회전시키면, 허니컴 구조체를 용기에서 쉽게 꺼낼 수 있다. 이렇게 해서 셀을 플러깅하는 플러깅부가 허니컴 구조체의 단부면에 형성된다. 주입된 슬러리 속의 수분이 허니컴 구조체에 흡수되므로, 플러깅재가 비틀어지고, 플러깅부의 선단은 필름 상면 위치(구멍 주위의 볼록한 상면 위치)의 내측에 있다. 여기서, 플러깅재 슬러리는 형성된 구멍 내에 삽입된다. 플러깅재 슬러리의 수분 함량을 조정하여 슬러리 점성을 450 dPa·s로 높이면, 플러깅재의 비틀림을 억제할 수 있었다. 또한, 발포수지를 5% 첨가하여도 플러깅재의 비틀림을 억제할 수 있었다.
다음에 플러깅제를 건조시키기 위해서, 허니컴 구조체의 플러깅된 단부면에 140℃의 열풍을 쪼이고 필름을 벗기지 않고 약 5분 건조시킨다. 핫 플레이트를 이용한 건조도 가능하다. 건조 후에, 필름을 벗기면 플러깅부의 선단부가 볼록하게 플러깅되어 있다. 이것을 다른 한쪽의 단부면에 대해서도 마찬가지로 행하여, 양단부면의 플러깅부에 돌출부를 형성할 수 있다. 이 후에 소성함으로써 코디에라이트질의 플러깅된 허니컴 구조체를 얻을 수 있다.
상기 방법에 기초하여 실제로 얻어진 코디에라이트질의 플러깅된 허니컴 구조체의 격벽의 기공율은 수은 기공 측정기(porosimeter)에 의해 측정한 결과 67%이고, 그 평균 세공 직경은 27 ㎛였다. 셀은 사각형이며 격벽 두께는 약 0.3 ㎜, 셀 피치는 약 1.6 ㎜이고, 필터 치수는 직경이 약 191 ㎜, 길이가 약 200 ㎜였다. 필터 단부면으로부터 셀 통로 내부 방향으로의 플러깅 길이는 약 3 ㎜로 하고, 돌출부의 높이는 0.2∼0.4 ㎜(돌출부 전체에서의 평면도: 0.2 ㎜)로 하였다.
이렇게 해서 본 발명에 기초하여 제조된 돌출부를 갖는 플러깅된 허니컴 구조체를 DPF로서 금속 케이스(캔 부재) 안에 세라믹 매트(상품명: 인터램 매트, 3M사 제조)로 압입/파지한 후, DPF 양단부면을 고정 부재로 고정하여 고정 부재를 금속 케이스에 용접하고, 금속 케이스에 콘을 접속하여, 컨버터 어셈블리를 제조하였다. 또한, 돌출부가 없는 종래의 플러깅 구조 DPF를 사용한 컨버터 어셈블리도 제조하였다. 제조된 컨버터 어셈블리를 실제 디젤 엔진(배기량 : 약 5 ℓ)의 배기계에 접속하고, 배기 가스를 흐르게 하여 가열/냉각 시험을 실시하며, 컨버터 어셈블리를 해체하여 DPF를 조사하였다. 그 결과, 종래 구조의 컨버터 어셈블리에서는 DPF 단부면 외주부에 크랙이 발생하였지만, 본 발명에 따른 컨버터 어셈블리에서는 DPF 단부면 외주에 크랙이 발생하지 않았다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체는 쉽게 파손되지 않고, 내구성의 향상을 도모할 수 있기 때문에 DPF 등의 필터에 적합하게 이용할 수 있다. 본 발명의 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법에 의해, 이러한 플러깅된 허니컴 구조체를 적합하게 제조할 수 있다.

Claims (18)

  1. 하나의 단부면으로부터 다른 단부면까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀을 형성하도록 배치된 격벽과;
    상기 격벽의 외주를 둘러싸는 외주벽; 그리고
    상기 셀을 어느 하나의 단부면에 있어서 플러깅하도록 배치된 플러깅부
    를 갖는 플러깅된 허니컴 구조체로서,
    적어도 외주벽 근방에 배치된 적어도 일부의 플러깅부가 단부면으로부터 돌출되어 있고, 돌출부의 선단이 실질적으로 평탄하거나 또는 완만한 곡면인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 외주 근방 이외의 부분에 배치된 일부 또는 모든 플러깅부가 단부면으로부터 돌출되어 있고, 돌출부의 선단이 실질적으로 평탄하거나 또는 완만한 곡면인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축 방향에 직교하는 단면 형상이 거의 원 형상인 부분을 포함하는 돌출부를 포함하는 플러깅부를 갖는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축 방향에 직교하는 단면 형상이 실질적인 다각형 형상인 부분을 포함하는 돌출부를 포함하는 플러깅부를 갖는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 실질적인 다각형 형상은 모서리부가 직선형 또는 곡선형으로 절취된 형상인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 축 방향에 평행한 단면 형상이 실질적인 사각형 형상인 돌출부를 포함하는 플러깅부를 갖는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 실질적인 사각형 형상은 모서리부가 직선형 또는 곡선형으로 절취된 형상인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 단부면으로부터 각 돌출부의 선단까지의 최대 높이가 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 돌출부의 기공율이 플러깅된 허니컴 구조체의 다른 부분의 기공율보다 작은 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체.
  10. 하나의 단부면으로부터 다른 단부면까지 축 방향으로 연장되는 복수의 셀을 형성하도록 배치된 다공질의 격벽을 갖는 허니컴 구조체를 마련하는 공정과,
    상기 셀의 적어도 일부를 어느 하나의 단부면에 있어서 플러깅하는 플러깅 공정
    을 포함하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법으로서,
    상기 플러깅 공정은, 일부의 셀을 마스킹하도록 필름을 단부면에 배치하는 마스킹 부공정과; 마스킹되어 있지 않은 소정 셀에 플러깅재를 충전하는 충전 부공정을 포함하고, 상기 충전 부공정은 플러깅재를 상기 필름 상면의 높이 이상으로 충전하는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 충전 부공정에 있어서, 플러깅재는 적어도 2회 충전되는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 충전 부공정에 있어서, 플러깅재는 1회 충전되는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 플러깅재는 액체를 함유하는 슬러리이고, 상기 액체는 실질적으로 격벽에 침투하지 않는 액체인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 마스킹 부공정에 있어서, 필름은 모든 셀을 덮도록 배치되고, 소정의 셀에 대응하는 필름의 일부분에 구멍이 형성되는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 구멍의 주위가 필름의 두께 방향으로 볼록해지도록 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플러깅재는 액체를 함유하는 슬러리이며, 이 슬러리의 점성은 10∼1000 dPa·s인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플러깅재는 식물 유래의 분체형 유기 물질, 분체형 합성수지, 분체형 카본계 물질, 중공 합성수지, 고체형의 상온 액체 또는 기체 물질, 고융점 물질, 다공질 물질 및 중공 무기 물질로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 슬러리인 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플러깅재를 셀 내에 충전한 후, 플러깅재의 체적은 팽창되고, 돌출부는 필터 단부면으로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 플러깅된 허니컴 구조체의 제조 방법.
KR1020057010728A 2002-12-11 2003-12-10 플러깅된 허니컴 구조체 및 그 제조 방법 KR20050075040A (ko)

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