KR20080080996A - 서브-머플러 - Google Patents

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Abstract

SUS와 같은 내열재가 필요 없으면서, 서브-머플러가 배기가스 내의 각종 부식 성분에 노출되는 경우에도 그 내구성과 흡음 성능을 유지할 수 있는 서브-머플러가 제공된다. 이와 동시에, 서브-머플러 및 흡음재가 공통으로 직면하는 과제인 저비용 제조가 성취된다. 다공배기관이 배치되고, 상기 다공배기관 외부에 캡과 외관이 배치되는 서브-머플러가 개시된다. 상기 다공배기관, 캡 및 외관 사이의 공간에는 흡음재가 충전된다. 상기 서브-머플러는, 흡음재들 가운데, 다공관측 흡음재의 적어도 일부가 고온용 현무암 섬유인 것을 특징으로 한다.

Description

서브-머플러{SUB-MUFFLER}
본 발명은 흡음재로서 우수한 흡음성과 우수한 내열성을 갖는 현무암 섬유를 이용한 서브-머플러에 관한 것이다.
자동차 머플러는 배기음을 흡수하기 위한 부재로 사용된다. 오늘날 머플러의 흡음재로는 섬유유리가 사용된다. 최근에는, 에너지 절감의 필요성과 배기가스방출의 보다 타이트한 제어가 머플러 부분의 배기가스온도를 800℃ 이상까지 상승시킴으로써 수반되는 자동차 엔진의 온도 증가를 초래하였다. 이러한 이유로, (750℃ 내지 900℃ 범위의 온도를 다룰 수 있는) 내열성이 더욱 높은 머플러용 흡음재를 개발하는 것이 시급하다.
예를 들어, 각종 타입의 엔진의 배기시스템으로부터 방출되는 고온(800℃까지)의 가스에 노출되면, 주로 SiO2-Al2O3-CaO 등의 합성 원료로 이루어진 상용 섬유유리를 구비한 서브-머플러(이하, 서브-머플러 (1)이라고 함)의 흡음성과 내구성의 감소를 초래하게 된다. 이러한 감소의 이유는 다음과 같다. 주로 SiO2, Al2O3 등의 합성 원료로 이루어지는 상용 섬유유리 내의 섬유는 배기가스온도가 800℃까지 섬유가 노출될 때 함께 스티킹된다(stick). 이는 섬유유리의 명백한 필라멘트 직경의 증가를 초래하고, 이러한 직경의 증가는 흡음재로서 섬유유리의 유연성의 감소를 야기한다. 궁극적으로, 이러한 섬유유리의 흡음성이 저하된다.
또한, 각종 타입의 엔진의 배기시스템으로부터 방출되는 (830℃까지의) 고온 가스에 노출되면, 주로 SiO2-Al2O3-MgO 등의 합성 원료로 이루어진 상용 섬유유리를 구비한 서브-머플러(이하, 서브-머플러 (2)라고 함)의 흡음성과 내구성의 감소를 초래하게 된다. 이러한 감소의 이유는 다음과 같다. 주로 SiO2, Al2O3 및 MgO 등의 합성 원료로 이루어지는 상용 섬유유리는 830℃까지의 온도를 갖는 배기가스에 의하여 결정화되고, 이는 섬유의 유연성의 손실을 초래하게 된다.
나아가, 각종 타입의 엔진의 배기시스템의 650℃ 이상의 온도는 상기 서브-머플러 (1) 및 (2)에 사용된 것 이외에 합성 원료의 섬유유리, 구체적으로는 SiO2-Al2O3-CaO-Na2O 시스템, SiO2-CaO-Na2O 시스템, SiO2-Na2O 시스템 및 SiO2-K2O 시스템의 합성 원료의 섬유유리를 구비한 서브-머플러(이하, 서브-머플러 (3)이라고 함)의 흡음성과 내구성의 감소를 초래한다. 이러한 감소의 이유는 다음과 같다. 이들 타입의 섬유유리는 CaO, Na2O 및 K2O와 같은 상당량의 알칼리금속산화물을 함유하기 때문에, 650℃ 이상의 배기가스에 노출되면 배기가스 내의 각종 타입의 산성 성분에 의해 결정화, 스티킹 및 부식을 촉진시킨다.
게다가, 서브-머플러 (2)의 제조비용이 높은데, 구체적으로는 킬로그램당 수천 엔 수준이다. 그 이유는 다음과 같다. 이들 산화물로부터 SiO2, Al2O3, MgO 등의 섬유유리의 제조 시, 첫째 각각의 산화물이 정화되어 대응하는 각종 원료로부터 분리됨으로써, 합성 원료를 얻게 된다. 둘째, 이들 성분들이 그라인딩된 다음, 결과적인 분말이 혼합된다. 후속해서, 상기 혼합물이 고온에서 용융되므로, 용융된 재료가 섬유로 형성된다.
각각의 서브-머플러 (1) 및 (3)은 제조공정이 복잡하고, 섬유유리를 저온에 유지시키기 위하여 중량이 무겁다. 이는 내측관의 외주부 주위에 SUS 울을 와인딩하는 제1단계와 그 원주 주위에 섬유유리의 흡음재를 와인딩하는 제2단계와 같은 두 단계가 상기 목적을 위하여 필요하기 때문이다.
또한, 서브-머플러 (1) 및 (3)의 리사이클링 공정의 비용이 높다. 소각(incineration) 시 서브-머플러 (1) 및 (3)에 사용된 섬유유리의 연소는 각각 용융점이 낮은 산화물을 생성시킨다. 산화물에 기인하는 소각기의 내화성 라이닝의 부식이 상기 소각기의 내구성을 저하시킨다. 이는 공장과 기계의 설비투자의 증가를 필요로 한다.
나아가, 서브-머플러 (1), (2) 및 (3)의 사용은 LCA(Life Cycle Assessment)의 관점에서 볼 때 환경 부담을 줄이기가 곤란하다. 서브-머플러 (1), (2) 및 (3)에 각각 사용되는 섬유유리의 제조는 그 이외에도 CO2를 더욱 많이 발생시키는데, 그 이유는 첫째 그들 자신 성분의 산화물을 합성하고, 둘째 상기 산화물들의 분말을 소정의 사전결정된 조성으로 혼합한 다음, 각각의 혼합물을 용융시켜 생성되기 때문이다.
이와는 대조적으로, 천연 현무암 원석의 원료로 만들어진 현무암 연속섬유(basalt continuous fiber)는 종래의 연속섬유유리보다 현저하게 덜 비싸다. 하지만, 현무암 연속섬유는 근사적으로 750℃ 내지 900℃ 범위의 고온에서 사용될 때 다음과 같은 문제점을 가진다. 유리 성분으로부터 결정상(crystalline phase)이 생성되고, 이는 결정층과 유리층 간의 경계부에서의 분리와 유연성의 손실과 같은 문제점들을 유발시킨다.
지금까지 설명된 사실로부터, 흡음재용 섬유유리 및 내열성과 내구성이 만족할 만하게 높은 동시에 저비용으로 제조될 수 있는 차량의 열절연 부품용 재료의 이용이 불가능하게 된다.
일본특허공보(Kokai) 제10-77823호에는 흡음재로서 섬유가 배기관 주위의 와인딩에 의해 제공되는 머플러의 발명이 개시되어 있다. 개시된 발명에서는, 벤트홀(vent-holes)이 보어링되는 배기관의 외주부 주위의 와인딩에 의하여 연속섬유가 제공된다. 상기 연속섬유는 벤트홀이 위치하는 위치들 주위의 와인딩에 의하여 제공된다. 상기 연속섬유는 섬유유리층을 저렴하게 형성하면서도 상기 층이 배기가스 내의 오일 물질에 의한 클로깅을 방지하기 위하여, 직조되어 있는 상태가 아닌 적층되어 있는 상태에서 와인딩에 의해 제공된다. 상기 명세서에서는, 섬유유리, 현무암석으로 만들어진 섬유 및 고순도 실리카로 제조된 세라믹섬유와 같은 섬유들이 연속섬유의 예로 인용된다. 그럼에도 불구하고, 상기 명세서에는, 어떤 종류의 현무암 섬유가 사용되는 지에 관한 어떠한 설명도 없다.
본 발명의 발명자들은 상기 문제점들이 다음과 같은 이유 (1) 내지 (4)에서 도출된다는 것을 밝혀냈다.
(1) 종래의 섬유유리는 고온의 배기가스에 노출될 때 그 유연성을 잃는다. 이는 상기 노출이 섬유유리의 일부분의 결정화를 완벽한 유리 상으로부터 유발하기 때문이며, 이는 또한 용융점이 낮은 Ca-Si-O 시스템의 결정상의 생성을 유발하기 때문이다. 상기 결정상의 생성은 서로에 대한 섬유들의 스티킹과 경화를 유발하여, 단 하나의 필라멘트의 직경에 몇 배를 곱한 분명한 필라멘트 직경을 만들게 된다. 결정상의 생성 및 결정화는 섬유유리의 유연성을 방해한다.
(2) 종래의 섬유유리는 또다른 이유로 고온의 배기가스에 노출될 때 그 유연성을 잃는다. 섬유유리에 스티킹이 발생하지 않는 경우에도, 완전한 유리상으로 이루어진 섬유유리는 단지 결정상으로만 이루어진 것으로 변한다. 이는 섬유유리의 유연성을 방해한다.
(3) 상용 섬유유리의 제조비용은 다음과 같은 이유들로 높다. 섬유유리의 제조 시, 유리망형성자(glass network formers) 및 유리망수정물(glass network modifiers)이 될 산화물의 원료는 소정의 사전결정된 조성이 되도록 혼합된 다음, 상기 혼합물이 고온에서 용융된다. 그 결과, 원료 비용이 높아지고, 분말을 혼합하는 단계가 필요하며, 원료를 용융하는 데 고온이 필요하다. 이들 모두는 제조비용의 증가를 초래한다.
(4) 종래의 현무암 섬유는 상용 섬유유리보다 낮은 제조비용으로 제조될 수 있는데, 그 이유는 현무암 섬유가 천연 원료로 만들어지기 때문이다. 또한, 원석 (B)(저온용 현무암 원석 (B))는 SiO2 함유량이 적은 데, 이러한 이유로 그 용융재가 고온에서 낮은 점도를 가진다. 그 결과, 필라멘트 직경이 20㎛ 이하인 연속섬유를 제조할 수 있게 된다. 하지만, 상기 연속섬유는 750℃ 이상에서 유리상이 결정화되기 때문에 내열성이 충분하지 못하다.
상기의 이유로 다음과 같이 제안한다. 상기 망형성자와 망수정물은 현무암 원석 (B) 내에 형성되어 유지되어야만 하고, 상기 현무암 섬유의 결정화와 스티킹이 억제되어야만 한다. 또한, 현무암 섬유의 내열성이 종래 수준인 750℃에서 750℃와 900℃ 사이의 범위까지 현저하게 개선되어야 한다. 이와 동시에, 종래의 현무암 섬유에 비해 제조비용을 현저하게 낮추어야만 한다.
본 발명은 가솔린 엔진, 디젤 엔진, FFV(flex fuel vehicle, 예컨대 가솔린/에탄올 차량)용 엔진 및 하이브리드자동차(HV)용 엔진의 서브-머플러용 현무암 섬유의 흡음재에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 상기 재료가 650℃ 내지 900℃의 고온의 배기가스 또는 HC, NOx, SOx, 포름알데히드, 아세트알데히드, 포름산, 아세트산, 아질산 및 아황산과 같은 부식가스성분에 노출될 때에도 서브-머플러의 흡음 성능과 내구성을 유지하는 것이다. 상기 이외의 추구하는 또다른 목적은 흡음재와 서브-머플러가 공통으로 직면하는 도전 과제인 제조비용을 절감하는 것이다.
본 발명의 발명자들은 현무암 원석의 용융 조건을 선택하여 내열성이 우수한 현무암 연속섬유가 생성될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이와 동시에, 본 발명자들은 결정화와 스티킹이 억제될 수 있고, 망형성자와 유리수정물이 될 산화물을 선택하여, 첨가된 산화물들의 양을 최적화함으로써, 스티킹이 억제될 수 있으며, 내열성이 현저하게 개선될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 본 발명은 이러한 방식으로 성취되었다.
본 발명의 고온용 현무암 섬유는, 상기 현무암 섬유가 200 시간 이상 750℃ 내지 900℃의 고온 배기가스에 노출될 때에도, 결정화가 거의 발생하지 않으면서 단지 허용가능한 레벨의 스티킹 현상만 발생하는 현무암 섬유인 점에 유의한다.
본 발명은 서브-머플러의 발명이다. 서브-머플러에 있어서, 상기 서브-머플러 내부에는 다공배기관(perforated exhaust pipe)이 배치되고, 상기 다공배기관 외부에는 캡(caps)과 외관(out pipe)이 배치된다. 상기 다공배기관과 캡 및 외관 사이의 공간에는 흡음재가 충전된다. 상기 서브-머플러는 상기 흡음재들 가운데, 상기 다공배기관에 더 근접한 흡음재의 적어도 일부가 고온용 현무암 섬유인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 서브-머플러는 다음과 같은 통상적인 구조 (1) 내지 (4)를 포함한다.
(1) 상기 고온용 현무암 섬유는 상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 전체 공간에 충전된다.
(2) 상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 공간에 충전된 흡음재는 2층 구조를 가진다. 상기 다공배기관에 더 근접한 흡음재층은 상기 고온용 현무암 섬유의 층이고, 상기 캡과 상기 외관에 더 근접한 흡음재층은 저온용 현무암 섬유의 층이다.
(3) 상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 공간에 충전된 흡음재는 2층 구조를 가진다. 상기 다공배기관에 더 근접한 흡음재층은 상기 고온용 현무암 섬유의 층이며, 상기 캡과 상기 외관에 더 근접한 흡음재층은 저온용 섬유유리의 층이다.
(4) 상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 공간에 충전된 흡음재는 3층 구조를 가진다. 상기 다공배기관에 더 근접한 흡음재층은 상기 고온용 현무암 섬유의 층이며, 상기 캡과 상기 외관에 더 근접한 흡음재층은 저온용 섬유유리의 층이다. 또한, 상기 고온용 현무암 섬유의 층과 상기 저온용 섬유유리의 층 사이에는 저온용 현무암 섬유의 층이 존재한다.
본 발명에 사용된 고온용 현무암 섬유로는, 현무암 연속섬유가 선호되지만, 현무암 단섬유가 사용될 수도 있다. 이 경우, 고온용 현무암 섬유의 필라멘트 직경들은 균일한 것이 바람직하지만, 상기 현무암 단섬유의 필라멘트 직경들은 변할 수도 있다.
또한, 상기 고온용 현무암 섬유는 직조된 상태에서 와인딩에 의해 제공될 수도 있고, 또는 직조되지 않은 상태에서 와인딩에 의해 제공될 수도 있다.
이하, 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고온용 현무암 섬유에 대하여 설명하기로 한다.
첫째, 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고온용 현무암 섬유는 SiO2 함유량이 근사적으로 55.9 wt% 내지 61.1 wt%인 고온용 100-wt% 현무암석 (A)로부터 얻어진 현무암 섬유이다.
둘째, 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고온용 현무암 섬유는 산화물 조성이 서로 상이한 2가지 상이한 타입의 현무암 원석을 포함하여 이루어진다. 여기서, 2가지 상이한 타입의 현무암 원석은 SiO2 함유량이 근사적으로 55.9 wt% 내지 61.1 wt%인 고온용 현무암석 (A) 및 SiO2 함유량이 근사적으로 54.1 wt% 내지 58.1 wt%인 저온용 현무암석 (B)이다. 여기서, 고온용 원석 (A)와 저온용 원석 (B)의 혼합비(중량%)는 (A) 50 wt% + (B) 50 wt% 내지 (A) 95 wt% + (B) 5 wt%의 범위 내에 있다. 바람직한 혼합비는 (A) 80 wt% + (B) 20 wt% 내지 (A) 90 wt% + (B) 10 wt%의 범위 내에 있다.
셋째, 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고온용 현무암 섬유는 Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화물을 저온용 현무암 원석 (B)에 첨가하여 이루어진다. 여기서, 원석에 첨가된 산화물의 최적의 양은 다음의 (1) 내지 (3) 중 하나이다.
(1) 단 한 종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 양은 1.0 wt% 내지 40 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 30 wt%의 범위 내에 있다.
(2) 2종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 총량은 1.0 wt% 내지 70 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 60 wt%의 범위 내에 있다.
(3) 3종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 총량은 1.0 wt% 내지 60 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 50 wt%의 범위 내에 있다.
넷째, 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고온용 현무암 섬유는, 산화물 조성이 서로 상이한 2가지 상이한 종류의 현무암석의 원료로부터 현무암 섬유가 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화물이 현무암석에 첨가되는 것을 특징으로 한다. 여기서는, 제3의 현무암 섬유의 경우에서와 같이, 원석에 첨가된 산화물의 최적의 양이 다음의 (1) 내지 (3) 중 하나이다.
(1) 단 한 종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 양은 1.0 wt% 내지 40 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 30 wt%의 범위 내에 있다.
(2) 2종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 총량은 1.0 wt% 내지 70 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 60 wt%의 범위 내에 있다.
(3) 3종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 총량은 1.0 wt% 내지 60 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 50 wt%의 범위 내에 있다.
다섯째, 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고온용 현무암 섬유는 현무암석의 원료로부터 만들어지고, 다음의 제조공정에 의해 제조된다. 상기 제조공정은 일반적으로 현무암석을 붕괴시키는 단계 및 상기 붕괴된 현무암석을 세척하는 단계를 구비한다. 또한, 제2의 고온용 현무암 섬유의 경우에는, 제조공정이 2종의 현무암석을 혼합하는 단계를 구비하며, 제3 및 제4의 고온용 현무암 섬유의 경우에는, 제조공정이 원석과 첨가 산화물을 혼합하는 단계를 구비한다. 나아가, 상기 제조공정은 일반적으로 현무암석, 혼합된 원석 또는 상기 현무암석과 산화물의 혼합된 원료를 용융시키는 단계를 구비한다. 마지막으로, 제조공정은 일반적으로 용융재를 섬유로 형성하는 단계와 상기 섬유를 더블링 및 와인딩하는 단계를 구비한다. 또한, 용융재의 점도가 η일 때, log η는 온도 상승과 함께 1440℃에 있어서는 2.55(dPa·s) 내지 2.85(dPa·s)의 범위까지, 1540℃에 있어서는 2.10(dPa·s) 내지 2.45(dPa·s)의 범위까지 및 1640℃에 있어서는 1.80(dPa·s) 내지 2.10(dPa·s)의 범위까지 거의 선형으로 감소한다. 상기 현무암 섬유는, 2.15(dPa·s) 내지 2.35(dPa·s)의 log η 또는 바람직하게는 2.20(dPa·s) 내지 2.30(dPa·s)의 log η으로 제조된다. 이들 용융 조건들에 의하면, 필라멘트 직경이 제어될 수 있으며, 더블링 및 와인딩의 단계들에서 컷오프되지 않는 고온용 현무암 연속섬유의 제조가 가능하게 이루어진다. 상술된 바와 같이, 상기 용융재의 최적 온도는 용융재의 log η(η는 고온에서의 점도임)가 2.15(dPa·s) 내지 2.35(dPa·s) 또는 바람직하게는 2.20(dPa·s) 내지 2.30(dPa·s)의 범위 내에 있도록 선택되어야 한다.
현무암석의 원료는 다음의 2가지로부터 선택된다.
(1) SiO2의 함유량이 더욱 높은 고온용 100-wt%의 현무암석, 및
(2) 고온용 현무암석 (A)와 상기 고온용 현무암석 (A)보다 SiO2의 함유량이 낮은 저온용 현무암석 (B)의 혼합물.
또한, Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화물이 현무암석의 원료에 첨가될 수도 있다. 이 경우, 첨가된 산화물의 최적의 양이 다음의 (1) 내지 (3)이다.
(1) 단 한 종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 양은 1.0 wt% 내지 40 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 30 wt%의 범위 내에 있다.
(2) 2종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 총량은 1.0 wt% 내지 70 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 60 wt%의 범위 내에 있다.
(3) 3종의 산화물을 첨가하는 경우, 100 wt%의 현무암석에 외부적으로 첨가된 산화물의 총량은 1.0 wt% 내지 60 wt%, 또는 바람직하게는 10 wt% 내지 50 wt%의 범위 내에 있다.
상기 필라멘트 직경은 섬유로 형성된 용융재의 와인딩 속도를 조정하여 상기 용융재로부터 섬유를 형성하는 상술된 단계에서 제어될 수 있다. 섬유로 형성될 용융재는 소정의 사전결정된 온도에서 원료를 완전히 용융시켜 얻어진 다음, 상기 완전한 용융재가 백금 부싱의 저부에 제공된 구멍으로부터 떨어지게 된다는 점에 유의한다.
본 발명의 서브-머플러에 사용된 고내열성 및 고내산성 현무암 섬유는 현무암석과 같은 원료로 이루어진다. 상기 현무암 섬유는 현무암 연속섬유의 제조장치에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 상기 제조장치는 원료가 안에 놓여지는 호퍼(hopper)를 포함한다. 상기 원료는 현무암석을 그라인딩한 다음 상기 그라인딩된 생성물을 세척하여 준비된다. 상기 제조장치는 또한 상기 세척된 생성물이 가열수단에 의해 용융되는 노를 포함한다. 상기 제조장치는 또한 용융재를 섬유로 형성하기 위해 저부에 다수의 구멍이 제공된 백금 부싱 및 상기 섬유를 더블링한 다음 와인딩하기 위한 와인딩 기계를 포함한다.
또한, 본 발명은 상술된 서브-머플러들 가운데 하나를 구비한 자동차이다.
본 발명의 서브-머플러에 있어서는, 750℃ 내지 900℃의 범위에 있는 온도를 견딜 수 있는 고내열성 현무암 섬유가 흡음재로 사용된다. 상기 서브-머플러는 서브-머플러가 가솔린 엔진, 디젤 엔진, FFV(flex fuel vehicle)의 엔진 및 HV(hybrid vehicle)의 엔진에 사용되는 경우에도 내구성과 흡음 성능을 유지할 수 있다. 또한, 서브-머플러는 흡음재가 650℃ 내지 900℃의 고온의 배기가스 또는 HC, NOx, SOx, 포름알데히드, 아세트알데히드, 포름산, 아세트산, 아질산 및 아황산과 같은 부식가스성분에 노출되는 경우에도 내구성과 흡음 성능을 유지할 수 있다. 게다가, 본 발명의 서브-머플러는 흡음재와 서브-머플러가 공통으로 직면하는 도전 과제인 제조비용의 절감을 성취하였다.
또한, 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고내열성 현무암 섬유는 다음과 같은 원료로 만들어진다.
(1) SiO2 함유량이 높은 고온용 100 wt%의 현무암석 (A);
(2) SiO2 함유량이 낮은 저온용 현무암석 (B)와 고온용 현무암석 (A)의 혼합물;
(3) 첨가될 산화물의 종류가 최적으로 선택되고, 상기 첨가된 산화물의 양도 최적화되면서, 산화물들이 망형성자 및 유리수정물이 될 저온용 현무암석 (B); 및
(4) 첨가될 산화물의 종류가 최적으로 선택되고, 상기 첨가된 산화물의 양도 최적화되면서, 산화물들이 망형성자와 유리수정물이 될 혼합물 (2).
이들 원료의 사용은 현무암 섬유의 결정화와 스티킹을 억제하고, 상기 현무암 섬유의 내열성을 현저하게 개선시킨다. 본 발명의 서브-머플러에 사용된 고내열성 현무암 섬유의 필라멘트 직경의 제어는 고내열성 현무암 섬유의 제조공정에서 용융 조건들을 제어하여 가능하게 이루어질 수 있다. 그 결과, 와인딩의 단계에서 컷오프되지 않는 현무암 연속섬유를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 현무암 연속섬유의 제조공정의 개략적인 모든 단계를 예시한 도면;
도 2는 본 발명의 방법에 의해 얻어진 각종 현무암 원석들의 1430℃ 내지 1640℃의 범위에 있는 고온에서의 점도를 예시한 도면;
도 3은 흡음재로서 사용된 본 발명의 고온용 현무암 연속섬유를 갖는 서브- 머플러의 단면도;
도 4는 본 발명의 2층 구조를 갖는 흡음재를 사용하는 서브-머플러의 단면도;
도 5는 합성 원료로부터 얻어진 연속섬유유리의 층과 본 발명의 현무암 연속섬유의 층으로 이루어진 2층 구조를 갖는 흡음재를 이용하는 서브-머플러의 단면도;
도 6은 필라멘트 직경들이 서로 상이한 현무암 단섬유로 형성된 본 발명의 흡음재를 이용하는 서브-머플러의 단면도;
도 7은 3층 구조를 갖는 본 발명의 흡음재를 이용하는 서브-머플러의 단면도; 및
도 8은 종래의 SUS를 이용하는 서브-머플러의 단면도이다.
본 발명의 현무암 섬유의 원료인 현무암석(현무암 원석)은 일종의 화성암이다. 그 주성분 미네랄은 (1) 사장석: Na(AlSi3O8)-Ca(Al2SiO8), (2) 휘석: (Ca, Mg, Fe2+, Fe3+, Al, Ti)2[(Si, Al)2O6] 및 (3) 감람석: (Fe, Mg)2SiO4. 우크라이나는 저렴하면서도 고품질의 현무암석을 생산한다.
아래 표 1 및 표 2는 (1) 고온용 현무암석 (A), (2) 저온용 현무암석 (B) 및 (3) 85%의 원석 (A)와 15%의 원석 (B)의 혼합 원석의 산화물 (wt%)에 기초한 조성비와 원소비 (wt%)의 예시들을 보여준다. 상기 비는 (고주파 플라즈마 방출 분광 계, 구체적으로는 Shimadzu사의 ICPV-8100에 의한) ICP 분석에 의해 얻어진다. 아래 설명에서, 각종 현무암 원석들의 조성과 상기 원석을 이용하여 얻어지는 현무암 섬유들의 조성은 측정 오차 범위 내에서 근사적으로 동일한 것으로 간주된다는 점에 유의한다.
ICP 분석은 산소량 측정 시에는 곤란하므로, 원소들의 총량이 100%가 안된다는 점에 유의한다. 표 2는 ICP 분석에 의해 검출되기 곤란한 산소를 고려하여 변환된 비를 보여준다.
고온용 현무암 원석(A)(wt%) 저온용 현무암 원석(B)(wt%) 85wt%의 고온용 현무암 원석 (A) 15wt%의 저온용 현무암 원석 (B)(wt%)
Si 23.6-28.7 23.5-28.5 25.1-28.7
Fe 6.07-6.54 6.24-6.84 5.88-6.60
Al 8.75-9.24 8.50-9.00 8.95-9.38
Ca 4.10-4.44 5.71-6.03 4.33-4.64
Na 2.15-2.24 1.85-1.95 2.06-2.23
K 1.54-1.73 1.27-1.47 1.53-1.77
Mg 1.34-1.49 2.68-2.82 1.55-1.65
Ti 0.49-0.52 0.57-0.61 0.50-0.55
Mn 0.12-0.15 0.11-0.15 0.13-0.14
P 0.09-0.09 0.07-0.07 0.08-0.09
Zr 0.02-0.03 0.02-0.03 0.02-0.19
Ba 0.04-0.04 0.04-0.04 0.04-0.09
Sr 0.03-0.03 0.03-0.03 0.03-0.03
B 0.03-0.07 0.01-0.05 0.02-0.06
Cr 0.01-0.02 0.01-0.02 0.01-0.02
S 0.01-0.01 0.01-0.01 0.01-0.01
고온용 현무암 원석(A)(wt%) 저온용 현무암 원석(B)(wt%) 85wt%의 고온용 현무암 원석 (A) 15wt%의 저온용 현무암 원석 (B)(wt%)
SiO2 55.9-61.1 54.1-58.1 56.4-60.4
FeO+Fe2O3 8.10-9.39 8.23-9.53 7.89-9.28
Al2O3 16.2-18.6 15.0-18.0 16.6-18.4
CaO 5.64-6.54 7.68-8.68 5.93-6.72
Na2O 2.94-3.17 2.35-2.75 2.71-3.01
K2O 1.92-2.05 1.54-1.69 1.91-2.09
MgO 0.31-2.57 1.55-4.75 2.49-2.78
TiO2 0.81-0.92 0.89-1.04 0.83-0.95
MnO 0.15-0.22 0.15-0.22 0.16-0.19
P2O5 0.20-0.23 0.14-0.22 0.18-0.21
ZrO2 0.03-0.03 0.03-0.03 0.03-0.25
BaO 0.05-0.05 0.03-0.05 0.05-0.09
SrO 0.03-0.04 0.03-0.05 0.04-0.04
B2O3 0.11-0.22 0.05-0.15 0.06-0.19
Cr2O3 0.01-0.03 0.01-0.03 0.01-0.03
SO 0.01-0.02 0.01-0.02 0.01-0.02
도 1은 본 발명의 현무암 연속섬유를 제조하는 모든 단계를 개략적으로 보여준다. 첫째, 도 1에 도시된 바와 같이, 원료가 될 현무암석은 소정의 사전결정된 입자 크기로 그라인딩된다. 둘째, 그라인딩된 생성물이 세척된 다음, 용융노의 원료입력호퍼 안으로 놓여진다. 상기 용융노는 가스로 및/또는 전기로이며, 내화성 라이닝으로 둘러싸여 있다. 상기 노 안의 원료는 버너에 의하여 표면 상으로 가열되어 용융된다. 상기 용융재는 섬유로 형성될 저부에 있는 다수 구멍들을 구비한 백금 부싱을 통해 나오게 된다. 이렇게 섬유로 형성된 현무암은 섬유 와인더에 의해 더블링 및 와인딩된다.
도 1은 또한 본 발명에 사용된 현무암 연속섬유를 제조하기 위한 장치의 개략도를 보여준다. 이러한 제조장치의 용융로의 일부 특성은 다음과 같다.
(1) 각각의 노는 서로 독립적임.
(2) 부싱은 각 노에 제공됨.
(3) 현무암석입력구로부터 노와 부싱을 통해 와인더까지의 전체 공정을 단독으로 실시하는 일괄처리로(batch furnace)로 해석됨.
이러한 장치를 이용하면 다음과 같은 장점이 있다.
(1) 노의 수정이 생산의 특정 부분만을 정지시킴으로써 행해질 수 있다. 이는 또다른 장점을 가져온다. 예를 들어, 복수의 노를 이용하면, 생산이 다른 노에 의해 계속되면서 각각의 노를 정규적으로 수정할 수 있게 만든다.
(2) 상기 장치는 작은 로트 생산(lot production)에 부합할 수 있다. 나아가, 상이한 원료를 이용하여 생산이 행해질 수 있다.
현무암석의 원료는 소정의 사전결정된 온도에서의 전기 또는 가스로 내에서 완전한 용융재가 되게 된다. 이러한 용융재는 필라멘트 직경이 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터의 레벨인 연속섬유로 형성되도록 백금 부싱의 저부로부터 소정의 사전결정된 속도로 빠져나오게 된다. 특히, 연속섬유가 흡음재로 사용되는 경우에는, 필라멘트 직경이 10㎛ 내지 20㎛가 되는 것이 바람직하다. 현무암 연속섬유의 필라멘트 직경의 제어 시 요인들은 용융재의 조성, 용융재의 온도, 용융재의 소정의 사전결정된 고온에서의 점도, 백금 부싱의 저부에 제공된 각각의 구멍의 크기 및 각각의 구멍의 형태와 상기 구멍의 배치를 포함한다. 그 외에도, 또다른 중요한 요인, 즉 섬유 형성 시의 장력 등을 들 수 있다. 통상적으로, 상기 장력은 도 1의 개략도에 도시된 섬유 와인더의 와인딩 속도, 즉 회전 속도에 의해 제어된다. 또한, 연속섬유를 제조하기 위하여, 와인딩 동안 섬유가 컷오프되지 않는다는 것이 핵심이다. 섬유가 컷오프되는 것을 방지하기 위하여, 상술된 필라멘트 직경의 결정 요인들을 최적화하는 것이 중요하다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 핵심은 필라멘트 직경이 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터 범위에 있으면서, 컷오프되지 않는 연속섬유를 생성한다는 것이다.
현무암석 시스템 원료를 이용하여 현무암 연속섬유를 제조하는 방법의 핵심 기술은 용융재의 점도 및 온도의 제어이다. 용융재의 점도 측정을 고온에서 실시하는 것이 핵심이다. 최적의 점도가 각각의 원료 조성에 응답하여 얻어질 수 있도록 제어를 실시하는 것도 핵심이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
용융재의 고온의 점도는 유리 점도 측정에 의해 측정된다(샘플 드로우-다운법에 의하여). 샘플 드로우-다운법의 원리에 따르면, Pt 볼이 용융된 유리의 일정한 속도로 이동하는 경우, 다음의 수학식을 이용하여 Stokes'Law에 의하여 점도가 얻어진다.
η = GW/υ
여기서, G는 장치 상수를 나타내고, W는 부하를 나타내며, υ는 Pt 도가니의 이동 속도를 나타낸다.
실시예 1
도 2는 1430℃와 1640℃ 사이의 온도 범위에서 본 발명에 관련된 각종 원석들의 고온 점도를 보여준다. 측정 장치의 성능 한계로 인하여, 1550℃ 이상의 온도에서의 점도는 측정될 수 없다는 점에 유의한다. 이러한 이유로, 그래프는 보간선으로 도시되어 있다. 모든 원석에 있어서, log η의 값은 온도가 상승함에 따라 거의 선형으로 감소하는 경향이 있다. 이렇게 얻어진 고온 점도 데이터를 이용하면, 각각의 원석들로 고내열성 현무암 연속섬유를 제조하기 위한 최적의 용융 온도를 선택할 수 있게 된다. 최적의 온도를 이용하면, 여하한의 컷오프를 야기하지 않고도 각각의 원석들로부터 원하는 필라멘트 직경을 갖는 현무암 섬유를 얻을 수 있게 된다.
이어서, 현무암 섬유의 결정상과 유리상의 존재 유무의 판정이 다음과 같은 방식으로 X-레이분말회절법에 의하여 실시되었다. 테스트된 현무암 섬유는 (1) 고온용 현무암 원석 (A)로부터 그리고 (2) 고온용 현무암 원석 (A)와 저온용 현무암 원석 (B)의 혼합 원석으로부터 얻어졌다. 이렇게 얻은 현무암 섬유는 분위기에서 50시간 내지 200시간 동안 800℃, 850℃ 또는 900℃에서 열처리를 겪었다. 도 3은 판정 결과들을 보여준다. 표에서,
A는 유리상만이 존재하는 상태를 나타내고;
B는 유리상은 많이 존재하고 결정상은 거의 없는 상태를 나타내며;
C는 유리상은 거의 없고 결정상은 많이 존재하는 상태를 나타내고;
D는 결정상만이 존재하는 상태를 나타낸다.
A는 최고의 열저항을 의미하고, B, C, D 각각은 이러한 순서로 감소된 열저항을 의미한다는 점에 유의한다. B-레벨에서의 열저항은 충분하다.
고온용 현무암 원석 (A) 100 wt% 고온용 현무암 원석 (A) 80 wt% 저온용 현무암 원석 (B) 20 wt% 고온용 현무암 원석 (A) 85 wt% 저온용 현무암 원석 (B) 15 wt%
강화공법(Fiberization) A A A
800℃ x 200 hr B B B
850℃ x 200 hr B B B
900℃ x 200 hr B B B
도 3에 도시된 결과들은 다음과 같이 나타난다.
(1) 고온용 현무암 원석 (A)로만 제조된 현무암 섬유에서는 200시간 동안 800℃ 내지 900℃에서의 열처리 후에 수많은 유리상을 가졌다. 다시 말해, 상기 현무암 섬유가 고내열성 현무암 섬유였다.
(2) 고온용 현무암 원석 (A)와 저온용 현무암 원석 (B)의 혼합 원석들로 제조된 현무암 섬유들 가운데, 80 wt%의 현무암 원석 (A)와 20 wt%의 현무암 원석 (B)의 혼합물로 제조된 것뿐만 아니라, 85 wt%의 현무암 원석 (A)와 15 wt%의 현무암 원석 (B)의 혼합물로 제조된 것은 200시간 동안 800℃ 내지 900℃에서의 열처리 후에 수많은 유리상을 가졌다. 다시 말해, 상기 현무암 섬유들이 고내열성 현무암 섬유였다.
실시예 2
현무암 섬유의 결정상 및 유리상의 존재 유무의 판정은 다음과 같은 방식으로 X-레이분말회절법에 의하여 실시되었다. 유발에서 그라인딩된 저온용 현무암 원석과 볼밀(ball mill)의 각종 산화물들을 12시간 동안 혼합한 다음, 결과적인 혼합물을 백금-라이닝된 알루미나 도가니에서 1430℃로 가열시켜 어닐링 처리를 행함으로써, 유리화된 샘플(vitrified sample)이 준비되었다. 이들 유리화된 샘플들은 200시간 동안 800℃, 850℃ 및 900℃에서의 열처리를 겪은 다음, 상기 판정이 실시되었다.
표 4 내지 표 9는 판정의 결과들을 보여준다. 표 3에서와 같이, 이들 표에서는,
A는 유리상만이 존재하는 상태를 나타내고;
B는 유리상은 많이 존재하고 결정상은 거의 없는 상태를 나타내며;
C는 유리상은 거의 없고 결정상은 많이 존재하는 상태를 나타내고;
D는 결정상만이 존재하는 상태를 나타낸다.
A는 최고의 열저항을 의미하고, B, C, D 각각은 이러한 순서로 감소된 열저항을 의미한다는 점에 유의한다. B-레벨에서의 열저항은 충분하다.
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + TiO2
2 wt% 5 wt% 10 wt%
유리화 A B B C
800℃ x 50 Hr C C C C
850℃ x 50 Hr C C C C
900℃ x 50 Hr C C C C
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + Na2O
2 wt% 5 wt% 10 wt%
유리화 A A A A
800℃ x 50 Hr C C C C
850℃ x 50 Hr C C C C
900℃ x 50 Hr C C C C
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + SiO2
2 wt% 5 wt% 10 wt%
유리화 A A A A
800℃ x 200 Hr C B B B
850℃ x 200 Hr C B B B
900℃ x 200 Hr C B C C
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + Al2O3
2 wt% 5 wt% 10 wt%
유리화 A A A C
800℃ x 200 Hr C B B C
850℃ x 200 Hr C B B C
900℃ x 200 Hr C B B C
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + CaO
2 wt% 5 wt% 10 wt%
유리화 A A A A
800℃ x 200 Hr C B B C
850℃ x 200 Hr C D D D
900℃ x 200 Hr C D D D
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + MgO
2 wt% 5 wt% 10 wt%
유리화 A A B D
800℃ x 50 Hr C C C D
850℃ x 50 Hr C C D D
900℃ x 50 Hr C C D D
표 4 내지 표 9에 도시된 결과들은 다음을 나타낸다.
(1) TiO2의 첨가는 유리화를 야기하지 않았다. 상기 첨가는 열처리 이후에 발생하는 결정화를 억제하지 못했다.
(2) Na2O(실험에서는, Na2CO3가 첨가됨)의 첨가는 열처리 이후에 발생하는 결정화를 억제하지 못했다.
(3) SiO2의 첨가는 첨가된 양이 증가함에 따라 결정상의 생성을 억제하였지만, 결정상이 관측되었다.
(4) Al2O3의 첨가는 첨가된 양이 증가함에 따라 보다 효과적으로 결정화를 억제하였다. 하지만, 과도한 첨가가 유리화를 어렵게 만들었다.
(5) CaO의 첨가는 800℃ 열처리의 경우에 결정화를 억제하였다. 하지만, 850℃ 이상의 열처리의 경우에는, 결정화가 빠르게 진행되었다.
(6) MgO의 첨가는 결정화를 억제하지 못했다. 나아가, 과도한 첨가가 결정화를 어렵게 만들었다.
실시예 3
분쇄기에 의해 붕괴된 저온용 현무암 원석 (B)와 아게이트 유발의 각종 산화물들을 혼합한 다음, 결과적인 혼합물을 백금-라이닝된 알루미나 도가니에서 1430℃로 4시간 동안 가열시켜 어닐링 처리를 행함으로써, 유리화된 샘플이 준비되었다.
이어서, 이들 샘플은 50시간 내지 200시간 동안 800℃, 850℃ 또는 900℃에서 열처리를 겪었다. 그 후에, 결정상과 유리상의 존재 여부의 판정이 X-레이분말회절법에 의해 실시되었다.
표 10 내지 표 12는 판정 결과들을 보여준다. 이들 표에서, 부호 A 내지 D는 상기 표와 동일한 것을 나타낸다. 부호 A 및 B는 실제 사용을 위한 우수한 열저항과 적합성을 나타낸다.
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + SiO2 20wt%
CaO 10 wt% MgO 10 wt%
유리화 A A A
800℃ x 200 Hr C A B
850℃ x 200 Hr C C C
900℃ x 200 Hr C C C
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) + Al2O3 20wt%
CaO 10 wt% MgO 10 wt%
유리화 A D C
800℃ x 200 Hr C D C
850℃ x 200 Hr C D D
900℃ x 200 Hr C D D
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석(B) + SiO2 10wt% + Al2O3 20wt% 저온용 현무암 원석(B) + SiO2 20wt% + Al2O3 20wt% 저온용 현무암 원석(B) + SiO2 15wt% + Al2O3 25wt% 저온용 현무암 원석(B) + SiO2 13wt% + Al2O3 27wt%
유리화 A A A B B
800℃ x 200 Hr C B A B B
850℃ x 200 Hr C B B C C
900℃ x 200 Hr C C B C D
표 10 내지 표 12에 도시된 결과들은 다음을 나타낸다.
(1) SiO2/Al2O3 시스템의 첨가는 200시간 동안 800℃에서의 열처리의 경우에 결정화를 완벽하게 억제하였다. 나아가, 200시간 동안 850℃에서의 열처리의 경우와 200시간 동안 900℃에서의 열처리의 경우, 유리상이 많이 남았다는 것은 결정상의 생성이 억제되었다는 것을 의미한다.
(2) SiO2/CaO 시스템의 첨가는 200시간 동안 800℃에서의 열처리의 경우에 결정화를 완벽하게 억제하였다. 하지만, 200시간 동안 850℃에서의 열처리의 경우에는 결정화가 억제되지 못했다. 200시간 동안 900℃에서의 열처리의 경우에도 억제되지 못했다.
(3) SiO2/MgO 시스템의 첨가는 200시간 동안 800℃에서의 열처리의 경우에 결정화를 억제하는 경향이 있었다. 하지만, 200시간 동안 850℃에서의 열처리의 경우에는 결정화가 억제되지 못했다. 200시간 동안 900℃에서의 열처리의 경우에도 억제되지 못했다.
(4) Al2O3/MgO 시스템의 첨가는 유리화를 야기하지 않았다. 상기 첨가는 결정화를 억제하지 못했다.
(5) Al2O3/CaO 시스템의 첨가는 유리화를 야기하지 않았다. 상기 첨가는 결정화를 억제하지 못했다.
이들 결과는 열처리 이후의 현무암 원석의 결정화를 억제하는 효과, 즉 열저항을 개선시키는 효과를 갖는 2 구성요소 산화물 시스템이 효과 순서로 다음과 같다는 것을 드러낸다: SiO2:20wt%/ Al2O3:20wt% > SiO2/CaO 시스템 > SiO2/MgO 시스템 > Al2O3:20wt%/MgO 시스템 > Al2O3:20wt%/CaO 시스템. 특히, SiO2:20wt%/ Al2O3:20wt%의 첨가는 현재 근사적으로 750℃에서 850℃ 내지 900℃ 범위에 있는 레벨로 현무암 섬유의 열저항을 현저하게 개선시켰다.
실시예 4
분쇄기에 의해 붕괴된 저온용 현무암 원석 (B)와 아게이트 유발의 3종의 SiO2i, Al2O3 및 MgO의 산화물을 혼합한 다음, 결과적인 혼합물을 백금-라이닝된 알루미나 도가니에서 1430℃로 4시간 동안 가열시켜 어닐링 처리를 행함으로써, 유리화된 샘플이 준비되었다.
이어서, 이들 샘플은 50시간 내지 200시간 동안 800℃, 850℃ 또는 900℃에서 열처리를 겪었다. 그 후에, 결정상과 유리상의 존재 여부의 판정이 X-레이분말회절법에 의해 실시되었다.
표 13은 판정 결과들을 보여준다. 상기 표에서, 부호 A 내지 D는 상기 표와 동일한 것을 나타낸다. 부호 A 및 B는 실제 사용을 위한 우수한 열저항과 적합성을 나타낸다.
저온용 현무암 원석 (B)만 저온용 현무암 원석 (B) 저온용 현무암 원석 (B) 저온용 현무암 원석 (B)
SiO2 10 wt% SiO2 20 wt% SiO2 30 wt%
Al2O3 20 wt% Al2O3 20 wt% Al2O3 20 wt%
MgO 10 wt% MgO 10 wt% MgO 10 wt%
유리화 A A A A
800℃ x 200 Hr C B A A
850℃ x 200 Hr C D D D
900℃ x 200 Hr C D D D
표 13에 도시된 결과들은 다음을 나타낸다. 모든 조성에서의 3종의 산화물, 즉 SiO2/Al2O3/MgO의 첨가는 800℃에서의 열처리의 경우에 결정화를 억제하는 효과를 가졌다. 하지만, 850℃ 이상에서의 열처리의 경우에는 결정화를 억제하는 효과가 나타나지 않았다.
실시예 5
유발에서 그라인딩된 저온용 현무암 원석 (B)와 고온용 현무암 원석 (A)를 12시간 동안 볼밀에서 혼합한 다음, 결과적인 혼합물을 백금-라이닝된 알루미나 도가니에서 1430℃로 가열시켜 어닐링 처리를 행함으로써, 유리화된 샘플이 준비되었다.
이어서, 이들 샘플들은 50시간 내지 200시간 동안 800℃, 850℃ 및 900℃에서 열처리를 겪었다. 그 후, 결정상과 유리상의 존재 여부의 판정이 X-레이분말회절법에 의해 실시되었다.
표 14는 판정 결과들을 보여준다. 상기 표에서, 부호 A 내지 D는 상기 표와 동일한 것을 나타낸다. 부호 A 및 B는 실제 사용을 위한 우수한 열저항과 적합성을 나타낸다.
저온용 현무암 원석 30wt% + 고온용 현무암 원석 70wt% 저온용 현무암 원석 20wt% + 고온용 현무암 원석 80wt% 저온용 현무암 원석 10wt% + 고온용 현무암 원석 90wt%
800℃ x 200 Hr B B B
850℃ x 200 Hr B B B
900℃ x 200 Hr B B B
표 14에 도시된 결과들은 원소 함유량이 서로 상이한 2종류의 현무암 원석을 포함하는 원료를 사용하면 유리상을 많이 남기게 된다는 것을 나타낸다. 또한, 상기 사용이 200시간 동안 800℃에서, 200시간 동안 850℃에서 그리고 200시간 동안 900℃에서 열처리한 경우 결정상의 생성을 억제한다는 것을 나타내기도 한다. 구체적으로는, 2종류의 현무암 원석이 SiO2 함유량이 근사적으로 57 wt% 내지 61 wt%인 고온용 현무암 원석 (A)이고, SiO2 함유량이 근사적으로 54 wt% 내지 58 wt%인 저온용 현무암 원석 (B)인 점에 유의한다.
실시예 6
분쇄기에 의해 붕괴된 고온용 현무암 원석 (A)와 아게이트 유발의 산화물로서 Al2O3을 혼합한 다음, 결과적인 혼합물을 백금-라이닝된 알루미나 도가니에서 1430℃로 4시간 동안 가열시켜 어닐링 처리를 행함으로써, 유리화된 샘플이 준비되었다.
이어서, 이들 샘플들은 50시간 내지 200시간 동안 800℃, 850℃ 및 900℃에서 열처리를 겪었다. 그 후, 결정상과 유리상의 존재 여부의 판정이 X-레이분말회절법에 의해 실시되었다.
표 15는 판정 결과들을 보여준다. 상기 표에서, 부호 A 내지 D는 상기 표와 동일한 것을 나타낸다. 부호 A 및 B는 실제 사용을 위한 우수한 열저항과 적합성을 나타낸다.
현무암 원석 고온용 현무암 원석 (A) 100 wt%
Al2O3(wt%) 0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20 30
800℃ x 200 Hr B B B B B B B C
850℃ x 200 Hr B B B B B B B C
900℃ x 200 Hr B B B B B B B C
표 15에 도시된 결과들은, 고온용 현무암 원석 (A)의 경우에도, 산화물의 첨가가 유리상을 많이 남게 만든다는 것을 나타낸다. 또한, 특정량의 산화물의 첨가가 200시간 동안 800℃에서, 200시간 동안 850℃에서 그리고 200시간 동안 900℃에서 열처리한 경우 결정상의 생성을 억제한다는 것도 나타낸다.
실시예 7
도 1에 도시된 연속섬유의 제조장치를 이용하여, 현무암석시스템의 각종 원료들로 연속섬유들이 제조되었다. 원료로서 사용된 현무암석은 다음과 같다.
(1) 고온용 현무암 원석 (A);
(2) 저온용 현무암 원석 (B);
(3) 1 구성요소시스템, 2 구성요소시스템 및 3 구성요소시스템의 산화물이 각각 첨가된 저온용 현무암 원석 (B)를 갖는 현무암석 원료;
(4) 고온용 현무암 원석 (A)와 저온용 현무암 원석 (B)를 갖는 혼합된 현무암석 원료; 및
(5) 또다른 산화물이 첨가된 저온용 현무암 원석 (B)와 고온용 현무암 원석 (A)의 혼합된 현무암석의 원료.
이들 원료는 호퍼 안에 놓인 다음, 온도가 소정의 사전 결정된 온도로 일정하게 유지되는 가스노에서 용융된다. 현무암석의 크기는 수 밀리미터 내지 수십 밀리미터일 수도 있고, 또는 ㎛ 내지 수 밀리미터일 수도 있다. 원료의 입력률과 백금 부싱으로부터 꺼내지는 섬유의 출력률이 일정하게 유지되어야 하므로, 용융재의 액체 레벨이 항상 일정하게 유지되어야 한다. 상기 노의 내화성 라이닝은 조성이 변할 수도 있지만, 용융재와 덜 반응하고 상기 용융재에 의해 덜 부식되는 재료를 이용할 필요가 있다. 혼합 원료가 사용되는 경우, 상기 혼합 원료는 앞선 혼합 처리에 의해 준비될 수도 있다. 대안적으로는, 혼합 원료의 각각의 구성요소가 복수의 호퍼에 의해 별도로 입력되어, 상기 혼합 원료가 소정의 사전 결정된 조성을 갖도록 할 수도 있다.
상기 획득한 섬유의 형태와 외관의 관측에 따르면, 연속섬유는 합성섬유유리의 백색 컬러와 분명히 구별되는 갈색이었다.
실시예들 : 방음재로서 고내열성과 고내산성 현무암 섬유를 이용하는 서브-머플러.
다음과 같은 서브-머플러의 실시예에 있어서, 200시간 이상의 750℃ 내지 800℃의 고온에 노출되어 현무암 섬유의 허용가능한 레벨의 스티킹 현상과 결정화를 거의 발생시키지 않을 때, 상기 현무암 섬유를 "중내열성"이라고 규정한다. 800℃ 내지 900℃의 보다 높은 온도에 노출되어 동일한 결과를 만들어 낼 때, 상기 현무암 섬유를 "고내열성"이라고 규정한다. 700℃ 내지 900℃ 범위에 있는 고온에서 배기가스 내의 상술된 각종 유기산과 무기산에 노출되어 현무암 섬유에 있어서 허용가능한 레벨의 부식을 발생시킬 때, 상기 현무암 섬유를 "고내산성"이라고 규정한다.
아래는 후술될 실시예 8 내지 실시예 12의 구성을 갖는 서브-머플러의 제조방법이다. 출구관이 입구관 안으로 가압된 다음, 각종 구성의 흡음재가 상기 관 주위에 균일하게 와인딩된다. 일반적으로는, 연속섬유가 상기 관 주위에 몇 층으로 와인딩된다. 입구관과 출구관 주위에 흡음재를 방사상으로 두께가 균일하게 와인딩하기 위해서는, 흡음재가 와인딩되고 있는 동안 소정의 미리 결정된 장력을 연속섬유에 인가하는 것이 바람직하다. 일단 섬유 모양의 흡음재의 두께가 소정의 미리 결정된 것에 도달하면, 유기 바인더가 외주부에 인가되어 상기 흡음재를 체결하게 된다. 이어서, 세퍼레이터 및 입구관측 캡과 출구관측 캡이 입구관과 출구관에 체결된다. 나아가, 예컨대 리벳팅, 웰딩에 의한 방법 또는 타 방법에 의하여 외관이 세퍼레이터와 캡들의 외주부 상에 체결된다.
실시예 8 : 흡음재로서 고내열성 및 고내산성 현무암 연속섬유를 구비한 서브-머플러
도 3에 도시된 바와 같이, 서브-머플러는 입구관, 출구관, 세퍼레이터, 캡 및 외관으로 구성된다. 상기 서브-머플러는 각종 조성의 현무암석 원료로 제조된 고내열성 및 고내산성 현무암 연속섬유가 입구/출구관 주위에 와인딩되고, 상기 입구/출구관과 외관 사이의 공간에 충전되는 구조를 가진다. 본 발명의 서브-머플러는 가솔린 엔진, 디젤 엔진, FFV(flex fuel vehicle, 예컨대 가솔린/에탄올 자동차) 및 HV(hybrid vehicle)용 엔진에 사용될 수 있다. 나아가, 종래의 구조를 갖는 서브-머플러는 도 8에 도시된 바와 같이 SUS(steel used stainless) 울을 포함한다. 하지만, 본 발명의 구조를 갖는 서브-머플러는 종래의 서브-머플러의 SUS 울을 제거한다. 그 결과, 종래의 것에 비해 제조 공정이 단순화될 수 있고, 서브-머플러가 20% 내지 40% 경량화될 수 있다.
실시예 9 : 2층 구조를 갖는 흡음재를 사용하는 서브-머플러
상기 실시예 9의 서브-머플러는 실시예 8의 것과 동일한 구조를 가지며, 실시예 8의 것과 동일한 엔진에 사용된다. 하지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예 9의 서브-머플러에서는, 흡음재로 사용되는 현무암 연속섬유가 고내열성 현무암 연속섬유의 내층과 중내열성 현무암 연속섬유의 외층인 두 층으로 형성된다. 이러한 구조에서는, 내층에 사용되는 현무암 연속섬유가 고가이지만, 외층에 대해서는 덜 고가인 현무암 연속섬유가 사용된다. 그 결과, 본 실시예 9의 서브-머플러가 실시예 8의 것과 같이 경량화될 수 있다. 또한, 본 실시예 9의 서브-머플러가 다른 것보다 저렴한 비용으로 제조될 수 있다.
실시예 10 : 합성 원료로부터 획득한 연속섬유유리 및 현무암 연속섬유의 2층 구조를 갖는 흡음재를 이용하는 서브-머플러
본 실시예 10의 서브-머플러는 실시예 8의 것과 동일한 구조를 가지며, 실시예 8의 것과 동일한 엔진에 사용된다. 하지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예 10의 서브-머플러에서는, 흡음재가 내층과 외층으로 이루어진다. 상기 내층은 고내열성 및 고내산성 현무암 연속섬유의 층이고, 상기 외층은 SiO2-Al2O3-CaO 시스템, SiO2-Al2O3-CaO-Na2O 시스템, SiO2-CaO-Na2O 시스템, SiO2-Na2O 시스템 및 SiO2-K2O 시스템과 같은 합성 원료로부터 얻은 연속섬유유리의 층이다. 이러한 구조에서는, 외층에 사용되는 섬유유리가 덜 비싸므로, 본 실시예 10의 서브-머플러가 실시예 8의 구조를 갖는 서브-머플러보다 낮은 가격으로 제조될 수 있게 된다.
실시예 11 : 필라멘트 직경들이 상이한 현무암 단섬유들의 흡음재를 이용하는 서브-머플러
본 실시예 11의 서브-머플러는 실시예 8의 것과 동일한 구조를 가지며, 실시예 8의 것과 동일한 엔진에 사용된다. 하지만, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예 11의 서브-머플러는 상기 관들 주위에 와인딩된 흡음재가 1 이상의 다음과 같은 범위, 즉 1㎛와 5㎛ 사이, 5㎛와 10㎛ 사이, 10㎛와 20㎛ 사이, 및 20㎛와 50㎛ 사이의 필라멘트 직경을 갖는 현무암 연속섬유인 구조를 가진다. 본 실시예 12의 서브-머플러의 구조에서는, 상술된 필라멘트 직경 및 5mm 내지 1000mm의 길이를 갖는 초핑된 현무암 섬유가 사용될 수도 있다. 현무암 연속섬유의 제조공정에 있어서, 보통 얻어지는 것은 연속섬유지만, 제조 시 때때로는 상기 섬유가 컷오프되거나, 또는 필라멘트 직경이 상이한 현무암 섬유가 얻어지기도 한다. 이들 섬유를 흡음재로 사용하면 생산 수율 100%를 만들 수 있다. 이는 제조비용을 더욱 낮출 수 있다.
실시예 12 : 3층 구조를 갖는 흡음재를 이용하는 서브-머플러
본 실시예 12의 서브-머플러는 실시예 8의 것과 동일한 구조를 가지며, 실시예 8의 것과 동일한 엔진에 사용된다. 하지만, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 흡음재는 3층 구조를 가진다. 상기 구조에 있어서, 내층은 고내열성 현무암 연속섬유이고, 중간층은 중내열성 현무암 연속섬유이며, 외층은 SiO2-Al2O3-CaO 시스템, SiO2-Al2O3-CaO-Na2O 시스템, SiO2-CaO-Na2O 시스템, SiO2-Na2O 시스템 및 SiO2-K2O 시스템과 같은 합성 원료로부터 얻은 연속섬유유리이다. 3층 구조로 인하여, 이러한 구조의 서브-머플러는 실시예 9의 구조를 갖는 서브-머플러보다 훨씬 더 낮은 가격으로 제조될 수 있다.
본 발명의 서브-머플러는 흡음재로서 고온용 현무암 섬유를 사용한다. 그 결과, 서브-머플러는 SUS와 같은 내열재가 필요 없게 되어, 상기 서브-머플러는 배기가스 내의 각종 부식 성분에 노출될 때에도 그 내구성과 흡음 성능을 유지할 수 있다. 그 이외에도, 본 발명의 서브-머플러는 흡음재와 서브-머플러가 공통으로 직면하는 제조비용의 절감을 성취하였다.

Claims (19)

  1. 서브-머플러에 있어서,
    상기 서브-머플러 내부에 배치된 다공배기관;
    상기 다공배기관 외부에 배치된 캡;
    상기 다공배기관 외부에 배치된 외관; 및
    상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 공간에 충전된 흡음재를 포함하여 이루어지고,
    상기 다공배기관에 더 근접한 상기 흡음재의 적어도 일부는 고온용 현무암 섬유인 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온용 현무암 섬유는 상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 전체 공간에 충전되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 공간에 충전된 상기 흡음재는 2층 구조를 가지고,
    상기 다공배기관에 더 근접한 흡음재층은 상기 고온용 현무암 섬유의 층이며,
    상기 캡과 상기 외관에 더 근접한 흡음재층은 저온용 현무암 섬유의 층인 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 공간에 충전된 상기 흡음재는 2층 구조를 가지고,
    상기 다공배기관에 더 근접한 흡음재층은 상기 고온용 현무암 섬유의 층이며,
    상기 캡과 상기 외관에 더 근접한 흡음재층은 저온용 섬유유리의 층인 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공배기관과 상기 캡 및 상기 외관 사이의 공간에 충전된 상기 흡음재는 3층 구조를 가지고,
    상기 다공배기관에 더 근접한 흡음재층은 상기 고온용 현무암 섬유의 층이며,
    상기 캡과 상기 외관에 더 근접한 흡음재층은 저온용 섬유유리의 층이고,
    상기 고온용 현무암 섬유의 층과 상기 저온용 섬유유리의 층 사이의 흡음재층은 저온용 현무암 섬유의 층인 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온용 현무암 섬유는 현무암 연속섬유인 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온용 현무암 섬유는 필라멘트 직경들이 서로 상이한 현무암 단섬유인 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온용 현무암 섬유는 직조되고, 와인딩에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온용 현무암 섬유는 직조되지 않고, 와인딩에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온용 현무암 섬유는 Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화물이 첨가된 저온용 현무암 원석으로 제조되는 것을 특 징으로 하는 서브-머플러.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    (1) 상기 고온용 현무암 섬유는, SiO2 함유량이 더 많은 고온용 현무암 원석 (A)의 원료를 이용하는 섬유로 형성되고, 상기 현무암석 원료에서는, log η(η는 현무암석 원료의 고온에서의 점도임)가 1440℃에 있어서는 2.75에서 2.85로, 1540℃에 있어서는 2.30에서 2.40으로 거의 선형으로 변하며;
    (2) 상기 고온용 현무암 섬유는, 상기 고온용 현무암 원석 (A)와 SiO2 함유량이 더 적은 저온용 현무암 원석 (B)의 혼합물로부터 선택된 현무암 원석 원료를 이용하는 섬유로 형성되고, 상기 현무암석 원료에서는, log η(η는 현무암석 원료의 고온에서의 점도임)가 1440℃에 있어서는 2.55에서 2.75로, 1540℃에 있어서는 2.10에서 2.35로 거의 선형으로 변하는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  12. 제11항에 있어서,
    Al2O3, SiO2, CaO 및 MgO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화물은 상기 저온용 현무암 원석 (B)에 첨가되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    η가 상기 현무암석 원료의 용융재의 고온에서의 점도이면서, log η는 1440 ℃에 있어서는 2.4에서 2.75로, 1540℃에 있어서는 2.0에서 2.5로 거의 선형으로 변하는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    첨가된 상기 산화물은 한 가지 구성요소를 가지고,
    상기 산화물은 100 wt%의 상기 현무암 원석 (B)에 대하여 외부적으로 1 wt% 내지 40 wt%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화물은 두 가지 구성요소를 가지고,
    전체 산화물은 100 wt%의 상기 현무암 원석 (B)에 대하여 외부적으로 1 wt% 내지 70 wt%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  16. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화물은 3이상의 구성요소를 가지고,
    상기 전체 산화물은 외부적으로 100 wt%의 현무암 원석 (B)에 1 wt% 내지 60 wt%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공배기관은 입구관과 출구관으로 구성되고, 그 중 하나는 다른 것 안 으로 가압되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캡과 상기 외관, 및 상기 입구관과 상기 출구관으로 구성되어 하나가 다른 것 안으로 가압되는 상기 다공배기관으로 형성된 상기 공간은 세퍼레이터에 의하여 입구관측과 출구관측으로 분리되는 것을 특징으로 하는 서브-머플러.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 서브-머플러를 포함하여 이루어지는 자동차.
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