KR100884517B1

KR100884517B1 - 허니콤 구조체

Info

Publication number: KR100884517B1
Application number: KR1020070013077A
Authority: KR
Inventors: 가즈시게 오노; 마사후미 구니에다; 아키히로 오히라
Original assignee: 이비덴 가부시키가이샤
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2009-02-18
Also published as: JPWO2007097056A1; KR20070087493A; CN101053719A; US7732366B2; US20070196620A1; CN101053719B; WO2007097056A1

Abstract

허니콤 구조체는 셀 벽을 사이에 두고 길이방향으로 나열된 다수의 셀로 구성된 다공질 세라믹을 포함한다. 상기 셀은 어느 일방의 단부가 밀봉된다. 상기 셀 벽의 가스 투과 계수 (k) 는 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.

Description

허니콤 구조체{HONEYCOMB STRUCTURE}

도 1 은 허니콤 구조체의 가스 투과 계수와 압력 손실의 관계를 모식적으로 나타낸 도면.

도 2 는 본 발명의 허니콤 구조체의 일례를 모식적으로 나타낸 사시도.

도 3 은 본 발명의 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재를 모식적으로 나타낸 사시도.

도 4 는 도 3 의 다공질 세라믹 부재의 A-A 선 단면도.

도 5 는 본 발명의 허니콤 구조체가 설치된 차량의 배기 가스 정화 장치의 일례를 모식적으로 나타낸 단면도.

도 6 은 본 발명의 허니콤 구조체의 제조 공정을 표의 형태로 설명하는 도면.

도 7 은 본 발명의 허니콤 구조체를 사용한 미립자 포집 효율과 가스 투과 계수의 관계를 표의 형태로 나타내는 도면.

도 8 은 허니콤 구조체의 가스 투과 계수와 흡수율의 변동폭의 관계를 나타낸 도면.

도 9 는 본 발명의 허니콤 구조체를 사용하여, 가스 투과 계수와 압력 손실 사이의 관계를 나타내는 도면.

도 10 은 본 발명의 허니콤 구조체를 사용하여, 가스 투과 계수와 포집 효율 사이의 관계를 나타내는 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 허니콤 구조체

11: 접착재층

12: 코팅층 (시일재층)

15: 세라믹 블록

20: 다공질 세라믹 부재

21: 셀

22: 마개

23: 셀 벽

70: 배기 가스 정화 장치

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2002-219319호

특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2002-357114호

본 발명은, 디젤 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중에 함유되는 미립자 형상 물질을 제거하는 필터, 및 이러한 필터에 있어서 촉매 담체 등 으로서 사용되는 허니콤 구조체에 관한 것이다.

버스, 트럭 등의 차량이나 건설 기계 등의 내연 기관, 특히 디젤 엔진으로부터는 탄소를 주로 하는 미립자 형상 물질을 함유하는 배기 가스가 배출되지만, 최근에는, 이러한 미립자 형상 물질에 의한 환경이나 인체에 대한 영향이 문제가 되고 있다. 즉, 이러한 탄소를 주로 하는 미립자 형상 물질에는 여러 가지 화합물이 흡착되어, 탄소뿐만 아니라 이러한 흡착 화합물에 의한 인체의 건강에 대한 영향이 염려되고 있다.

이러한 사정으로, 배기 가스 중의 미립자 형상 물질을 포집하여 배기 가스를 정화하는 필터에 대해 연구가 이루어지고 있고, 특히 다공질 세라믹으로 이루어지는 허니콤 구조체가 여러 가지 제안되고 있다.

예를 들어, 다공질 셀 벽을 사이에 두고 인접하여 각각 길이 방향으로 연신하는 다수의 사각형 기둥 형상 셀로 구성되는 허니콤 구조체로 이루어지는 여러가지 필터가 제안되고 있다. 이러한 허니콤 구조체에서는, 각각의 셀에 있어서 어느 일방의 단부가 마개 (plug) 로 밀봉되고, 상기 허니콤 구조체 내에 도입된 배기 가스는 허니콤 구조체 외부로 배출될 때 셀 벽을 통과한다. 이러한 구성의 필터에서는, 배기 가스가 상기 셀 벽을 통과할 때에, 배기 가스 중의 미립자 형상 물질 등이 포획된다 (특허 문헌 1).

또, 배기 가스에 함유되는 CO, HC 및 NOx 와 같은 유해 화학 성분을 촉매 반응에 의해 전환하기 위해, 상기 기술한 허니콤 구조체에 있어서 길이 방향으로 연재하는 셀 벽의 표면에 촉매 담지층을 설치한 후, 이 촉매 담지층에 촉매를 부착시 킨 허니콤 구조체도 제안되어 있다 (특허 문헌 2).

그러나, 상기 기술한 바와 같은 셀의 일단이 밀봉된 구조의 허니콤 구조체에서는, 셀 벽 등의 허니콤 구조체를 구성하는 재료나 구조의 특성이 필터 성능에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 셀 벽 (격벽) 의 기공률이 작아지면 배기 가스의 압력 손실이 높아지고, 반대로 셀 벽 (격벽) 의 기공률이 커지면 미립자 형상 물질 등의 포집 효율이 저하한다. 따라서, 낮은 압력 손실이나 높은 포집 효율이라는 양호한 필터 성능을 안정적으로 발휘시키기 위해서는, 허니콤 구조체의 기공 구조가 적정한 상태로 제어되도록 제조 공정을 관리할 필요가 있다.

그러나, 전술한 허니콤 구조체는 예를 들어, 2000℃ 를 초과하는 고온에서의 소성 (firing) 을 거쳐 제조되기 때문에, 허니콤 구조체의 기공 구조 등을 고정밀도로 제어하는 것은 어렵다. 특히, 상기 기술한 바와 같은 촉매 담지층을 갖는 허니콤 구조체에서는 촉매 담지층을 격벽에 설치할 때에, 셀 벽 내의 기공의 일부가 막히는 경우가 있어, 촉매 담지층의 설치 전후로 기공 구조가 크게 변화해 버릴 가능성이 있다. 따라서, 허니콤 구조체의 기공률 및 기공 직경의 관리만으로는, 필터의 성능을 결정하는 중요한 인자 즉, 압력 손실과 포집 효율을 안정적으로 제어할 수가 없다는 문제가 발생한다.

본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 기공률이나 기공 직경과 같은 변동이 심한 파라미터에 영향을 받지 않고, 압력 손실 및 미립자 형상 물질 등의 포집 효율이 적정한 범위로 설정된 허니콤 구조체를 제공하는 것을 과제로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

일방의 측면에 의하면 본 발명은, 어느 일방의 단부가 밀봉된 다수의 셀을, 셀 벽을 사이에 두고 길이 방향으로 다수 나열 형성하여 구성된, 다공질 세라믹으로 이루어지는 허니콤 구조체로서, 상기 셀 벽의 가스 투과 계수 (k) 가, 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체를 제공한다.

본 발명의 다른 목적, 특징, 이점은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 이해함으로써 보다 분명해 진다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명의 허니콤 구조체는 셀 벽의 가스 투과 계수 (k) 가, 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 의 범위에 있는 것을 특징으로 한다. 여기서 가스 투과 계수 (k) 란 허니콤 구조체의 셀 벽을 가스가 통과할 때의 통과의 용이성을 나타내는 파라미터이며, 압력 손실 (ΔP(kPa)) 이란 이하의 식 (1) 에 나타내는 관계가 성립한다. [수학식 1]

여기서, Q 는 가스 유량 (㎥/s), μ 는 가스 동점도, V_trap 은 유효 허니콤 구조체 용적 (㎥), a 는 셀 폭 (m), w_s 는 셀 벽 두께 (m), L 은 허니콤 구조체의 외경 (m), ζ 는 압축/팽창 관성 손실 계수라고 하고, 허니콤 구조체의 양 단면에서 가스의 유통 단면적이 불연속으로 변화하는 것에 기인한 파라미터로서, 주로 허니콤 구조체의 양단면의 개구율이나 형상에 의해 정해지는 파라미터, ρ 는 가스 밀도 (kg/㎥), F 는 상수 (28.454) 이다. 이 중, V_trap, a, w_s, L 및 ζ 는 허니콤 구조체의 형상에 의해 정해지고, μ 및 ρ 는 온도와 가스 종류에 의해 일의로 정해진다.

도 1 에는 가스 투과 계수 (k) 와 압력 손실 (ΔP) 의 관계를 모식적으로 나타낸다. 압력 손실은 가스 투과 계수 (k) 의 증가와 함께 감소한다. 특징적인 것은, 가스 투과 계수 (k) 가 소정의 값 (k_c) 을 초과하면 가스 투과 계수 (k)<k_c 의 경우에 보여지는 바와 같은, 급격한 압력 손실의 변화가 발생하지 않게 되어, 압력 손실의 변화율이 작아지는 것이다. 이것은, 압력 손실의 변화율이 억제되는 영역 (k≥k_c) 에 있어서는, 가스 투과 계수 (k) 라는 파라미터로 허니콤 구조체의 특성을 관리한 경우, 허니콤 구조체를 압력 손실의 변동이 적은 상태로 유지할 수 있는 것을 시사하고 있다. 바꿔 말하면, 허니콤 구조체의 압력 손실이 이러한 영역에 속하도록 가스 투과 계수 (k) 를 규정한 경우 (즉, 가스 투과 계수 (k) 의 하한치를 정한 경우), 가스 투과 계수 (k) 가 다소 변동하여도 그러한 변동이 압력 손실에 미치는 영향은 작다. 따라서, 기공률 또는 기공 직경으로 허니콤 구조체의 특성을 관리하는 종래의 방법과 같이, 제조 단계에서 관리 파라미터가 크게 변동해 버려, 완성 후의 허니콤 구조체의 필터 특성을 파악할 수 없게 되거나 완성 후의 허니콤 구조체에 원하는 필터 성능을 얻을 수 없게 되거나 하는 문제가 해소된다.

단, 허니콤 구조체를 필터로서 사용하는 경우, 허니콤 구조체에 요구되는 특성으로서, 압력 손실 이외에 포집 효율을 들 수 있다. 그래서 가스 투과 계수 (k) 와 필터 성능에 영향을 미치는 또 하나의 중요한 특성인 포집 효율의 관계에 대해서도 고려할 필요가 있다. 일반적으로는, 가스 투과 계수 (k) 가 커지면, 허니콤 구조체의 포집 효율은 저하한다고 예상된다. 따라서, 가스 투과 계수 (k) 는 상한치를 갖게 된다.

이상의 고찰에 의해, 본원 발명자는 예의 연구를 진행시켜 가스 투과 계수 (k) 가, 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 의 범위에 있는 경우에 낮은 압력 손실과 높은 포집 효율 모두를 만족하는 허니콤 구조체가 얻어지는 것을 발견했다. 이 경우, 기공률 및 기공 직경과 같은 변동이 심한 관리 파라미터를 이용하지 않아도, 가스 투과 계수 (k) 의 범위를 상기 기술한 바와 같이 정함으로써, 허니콤 구조체의 특성을 원하는 범위로 제어할 수 있다.

또한, 촉매 담지층 및 촉매를 설치하는 형식의 허니콤 구조체의 경우에도, 상기 가스 투과 계수 (k) 는, 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 의 범위에 있는 것이 바람직하다. 그리고, 특히 허니콤 구조체의 겉보기 용적 1L 에 대하여 촉매 담지층을 40g 이상 설치하는 경우에는, 촉매 담지층을 설치하기 전의 단계에 있어서의 초기의 가스 투과 계수 (k) 는, 1.0μ㎡≤k 의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이로써, 후술하는 바와 같이 허니콤 구조체에 설치되는 촉매의 양을 원하는 변동폭 이 내로 들어가게 하는 것이 가능해져, 촉매를 과잉으로 담지시키지 않고 귀금속의 사용량을 줄일 수 있어 제조 비용을 억제하는 것이 가능해진다.

이하 도면에 의해 본 발명의 형태를 설명한다.

도 2 에는, 본 발명에 의한 허니콤 구조체를 모식적으로 나타낸다. 또 도 3 에는, 도 2 에 나타낸 허니콤 구조체를 구성하는 다공질 세라믹 부재 (20) 의 사시도를 나타낸다. 또 도 4 에는, 도 3 의 다공질 세라믹 부재 (20) 를 나타내는 길이방향 단면도를 나타낸다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 허니콤 구조체 (10) 는 예를 들어, 탄화규소 등으로 이루어지는 다공질 세라믹 부재 (20) 를, 접착재층 (11) 을 통하여 복수개 조합함으로써 구성된다. 그 후, 접착재층 (11) 에 의해 접합된 다공질 세라믹 부재 (20) 는 원통 형상으로 가공되고, 세라믹 블록 (15) 이 구성된다. 또한, 이 세라믹 블록 (15) 의 주위에는 코팅층 (이하, 시일재층이라고 한다) (12) 이 설치된다.

또한, 도 2 에 나타낸 허니콤 구조체 (10) 에서는 세라믹 블록 (15) 의 형상은 원주 형상이지만, 본 발명에 있어서 세라믹 블록은 기둥 형상이면 원주에 한정되지 않고, 예를 들어 타원 형상이나 사각형 기둥 형상 등의 임의의 형상이어도 된다.

도 3, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 다공질 세라믹 부재 (20) 에는 길이 방향으로 다수의 셀 (21) 이 나열 형성되고, 셀 (21) 끼리를 가르는 셀 벽 (23) 이 필터로서 기능하도록 되어 있다. 즉, 다공질 세라믹 부재 (20) 에 형성된 셀 (21) 은, 도 4 에 나타내는 바와 같이 배기 가스의 입구측 또는 출구측 중 어느 한쪽이 마개 (22) 에 의해 봉해지고, 한 개의 셀 (21) 에 유입된 배기 가스는 반드시 셀 (21) 을 사이에 둔 셀 벽 (23) 을 통과한 후, 다른 셀 (21) 로부터 배출되게 되어 있다.

본 발명의 허니콤 구조체는 주로 다공질 세라믹으로 이루어지고, 그 재료로서 예를 들어, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 질화티탄 등의 질화물 세라믹, 탄화규소, 탄화지르코늄, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화텅스텐 등의 탄화물 세라믹, 알루미나, 지르코니아, 코디어라이트, 뮬라이트, 실리카, 티탄산알루미늄 등의 산화물 세라믹 등을 들 수 있다. 또 허니콤 구조체 (10) 는 실리콘과 탄화규소 등의 복합재 등, 2 종류 이상의 재료로 구성되어도 된다. 실리콘과 탄화규소의 복합재를 이용하는 경우에는, 실리콘을 전체의 0∼45중량% 가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 다공질 세라믹 재료 중에서는 내열성이 높고, 기계적 특성이 우수하고, 또한 열전도성이 좋은 탄화규소계 세라믹이 바람직하다. 또한, 탄화규소계 세라믹이란 탄화규소가 60중량% 이상 함유되는 재료를 말한다.

허니콤 구조체 (10) 를 제조할 때에 사용하는 세라믹의 입경은 특별히 한정 되지 않지만, 후의 소성 (firing) 공정에서의 수축이 적은 것이 바람직하고, 예를 들어 0.3∼50㎛ 정도의 평균 입경을 갖는 분말 100중량%와 0.1∼1.0㎛ 정도의 평균 입경을 갖는 분말 5∼65중량%를 조합한 것이 바람직하다.

다공질 세라믹 부재 (20) 내의 셀 벽 (23) 및 마개 (22) 는 동일한 다공질 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이로써, 양자의 부착 강도를 높일 수가 있음과 함께, 마개 (22) 의 기공률을 셀 벽 (23) 과 동일하게 조정함으로써, 「셀 벽」(23) 의 열팽창률과 마개 (22) 의 열팽창률 사이의 정합을 도모할 수 있고, 제조시나 사용시의 응력에 따라 마개 (22) 와 셀 벽 (23) 사이에 간극이 발생하거나 마개 (22) 나 마개 (22) 에 접촉하는 셀 벽 (23) 의 부분에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 「셀 벽」 이란 셀 (21) 을 사이에 둔 셀 벽 및 다공질 세라믹 부재 (20) 의 외주 부분 모두를 의미하는 것으로 한다.

마개 (22) 의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 마개 (22) 가 다공질 탄화규소로 이루어지는 경우에는, 1∼20㎜ 인 것이 바람직하고, 3∼10㎜ 인 것이 보다 바람직하다.

셀 벽 (23) 의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 바람직한 하한은 0.1㎜ 이며, 바람직한 상한은 0.6㎜ 이다. 0.1㎜ 미만인 경우, 허니콤 구조체 (10) 의 강도가 불충분해지는 경우가 있다. 0.6㎜ 를 초과하면 압력 손실이 높아진다.

본 발명의 허니콤 구조체 (10) 에 있어서, 접착재층 (11) 은 다공질 세라믹 부재 (20) 사이에 형성되고, 복수개의 다공질 세라믹 부재 (20) 끼리를 결속시키는 접착재로서 기능한다. 또 시일재층 (12) 은 세라믹 블록 (15) 의 외주면에 형성되고, 허니콤 구조체 (10) 를 내연 기관의 배기 통로에 설치했을 때, 상기 시일재층 (12) 은 세라믹 블록 (15) 의 외주면으로부터 셀을 통과한 배기 가스가 누설되는 것을 방지하기 위한 마개로서 기능하며, 또한 상기 시일재층 (12) 은 보강재로서 기능한다.

또한 다공질 세라믹 부재 (20) 에 있어서, 접착재층 (11) 과 시일재층 (12) 은 동일한 재질이어도 되고 상이한 재질이어도 된다. 또한, 접착재층 (11) 및 시일재층 (12) 이 동일한 재질인 경우, 그 재료의 배합비는 동일하거나 상이해도 된다. 또 이들은 치밀질이어도 되고 다공질이어도 되지만, 시일성을 중시하는 경우에는 치밀질인 것이 바람직하다.

접착재층 (11) 및 시일재층 (12) 을 구성하는 재료로는 특별히 한정되지 않지만 예를 들어, 무기 바인더와 유기 바인더와 무기 섬유 및/또는 무기 입자로 이루어지는 것을 사용할 수 있다.

상기 무기 바인더로는 예를 들어, 실리카졸, 알루미나졸 등을 사용할 수 있고, 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상의 것을 혼합하여 사용해도 된다. 상기 무기 바인더 중에서는 실리카졸이 바람직하다.

상기 유기 바인더로는 예를 들어, 폴리비닐알코올, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스 등을 사용할 수가 있고, 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상의 것을 혼합하여 사용해도 된다.

상기 무기 섬유로는 예를 들어, 실리카알루미나, 뮬라이트, 알루미나, 실리카와 같은 세라믹 화이버를 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상의 것을 혼합하여 사용해도 된다. 상기 무기 섬유 중에서는 실리카알루미나 화이버가 바람직하다.

상기 무기 입자로는 예를 들어, 탄화물, 질화물 등을 사용할 수 있고, 구체적으로는 탄화규소, 질화규소, 질화붕소 등으로 이루어지는 무기 분말 또는 위스커 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2 종류 이상의 것을 혼합하여 사용해도 된다. 상기 무기 입자 중에서는 열전도성이 우수한 탄화규소가 바람직하다.

또한, 시일재층이나 접착재층을 형성하기 위해 사용하는 페이스트에는, 필요에 따라 산화물계 세라믹을 성분으로 하는 미소 중공 구체인 벌룬이나, 구 형상 아크릴 입자, 흑연 등의 조공제 (造孔劑) 를 첨가해도 된다.

상기 벌룬은 이것에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어, 알루미나 벌룬, 유리 마이크로 벌룬, 실라스 벌룬, 플라이애시 벌룬, 뮬라이트 벌룬 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 특히 알루미나 벌룬이 바람직하다.

이러한 허니콤 구조체 (10) 는 배기 가스 중의 미립자 형상 물질을 포집하는 필터 (디젤 미립자 형상 물질 필터 : diesel particulate filter;DPF) 로서 사용할 수 있다.

또, 허니콤 구조체 (10) 에는 촉매가 설치되어도 된다.

또한, 허니콤 구조체 (10) 에 촉매를 설치할 때에는, 미리 셀 벽을 촉매 담지층으로 피복하여 두는 것이 바람직하다. 이로써, 비표면적을 크게 하여 촉매의 분산성을 높여, 촉매의 반응 영역을 증가시킬 수 있다.

상기 촉매 담지층으로는 예를 들어, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 실리카, 세리아 등의 산화물 세라믹을 들 수 있다.

또, 촉매 담지층에 설치되는 촉매는 특별히 한정되지 않지만, CO, HC 및 NOx 와 같은 배기 가스 중의 유해한 가스 성분을 전환하는 것이 가능한 것이나, 미립자 형상 물질의 연소의 활성화 에너지를 저하시키고, 미립자 형상 물질을 타기 쉽게 하여, 이것을 효율적으로 제거하는 것이 바람직하고, 예를 들어, 백금, 팔라듐, 로듐 등의 귀금속을 들 수 있다. 또 알칼리 금속 원소, 알칼리토류 금속 원소, 희토류 원소, 천이 금속 원소 등을 함유한 화합물을 담지시켜도 된다.

이와 같이, 허니콤 구조체 (10) 에 촉매 담지층을 설치하고, 그 촉매 담지층에 촉매를 담지시킨 경우, 허니콤 구조체 (10) 는 배기 가스 중의 미립자 형상 물 질을 포집하는 필터로서 기능함과 함께, 배기 가스에 함유되는 CO, HC 및 NOx 등을 전환시키기 위한 촉매 컨버터로서 기능한다.

또한, 상기 기술한 기재에서는 접착재층 (11) 을 통하여 복수의 다공질 세라믹 부재 (20) 를 접합 또는 바인딩시킴으로써 구성되는 도 2 에 도시된 바와 같은 허니콤 구조체를 예로 본 발명의 특징을 설명했다. 그러나, 본 발명은 이와는 다른 종류의, 접착재층을 사용하지 않고 도 2 에 나타낸 바와 같은 외부 형상을 일체화 성형하여 제작되는 허니콤 구조체에도 적용할 수 있다 (이하, 이러한 허니콤 구조체를 「일체형 허니콤 구조체」라고 한다. 또, 상기 기술한 접착재를 통하여 복수의 다공질 세라믹 부재 (20) 를 접합하는 형식의 허니콤 구조체를 「접합형 허니콤 구조체」라고 한다). 이 경우, 최초로 상기 기술한 바와 같은 세라믹을 주성분으로 하는 원료 페이스트를 이용하여 압출 성형을 실시하여, 상기 기술한 세라믹 블록의 베이스가 되는, 다수의 셀을 갖는 세라믹 성형체를 제작한다. 다음으로, 이 성형체를 건조시킨 후, 각각의 셀의 양 단부의 어느 일방에 마개를 충전하여 셀을 밀봉한다. 이러한 방법으로도, 도 2 에 나타내는 접합형 허니콤 구조체와 동일한 형상의 일체형 허니콤 구조체를 얻을 수 있다.

다음으로 본 발명의 접합형 허니콤 구조체의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다.

우선 상기 기술한 세라믹을 주성분으로 하는 원료 페이스트를 이용하여 압출 성형을 실시하여, 사각 기둥 형상의 세라믹 성형체를 제작한다.

상기 원료 페이스트는 이것에 한정되는 것은 아니지만 예를 들어, 제조 후의 허니콤 구조체의 기공률이 40∼75% 가 되는 것이 바람직하고, 예를 들어, 상기 기술한 바와 같은 세라믹을 포함하는 분말에 바인더, 분산 용매 등을 첨가한 것이어도 된다.

세라믹 분말의 입경은 특별히 한정되지 않지만, 후공정에서 수축이 적은 것이 바람직하고, 예를 들어 0.3∼50㎛ 의 평균 입경을 갖는 분말 100중량%와 0.1∼1.0㎛ 의 평균 입경을 갖는 분말 5∼65중량%를 조합한 것이 바람직하다.

상기 바인더로는 이것에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜 등을 사용할 수 있다.

상기 바인더의 배합량은 통상, 세라믹 분말 100중량%에 대하여 1∼10중량%인 것이 바람직하다.

상기 분산 용매로는 이것에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 벤젠과 같은 유기 용매, 메탄올 등의 알코올, 물 등이 사용된다. 분산 용매는 원료 페이스트의 점도가 소정 범위 내가 되도록 적당량 배합된다.

이들의 세라믹 분말, 바인더 및 분산 용매는 아트라이터 등으로 혼합, 니더 등으로 충분히 혼련한 후, 압출 성형된다.

또 상기 원료 페이스트에는 필요에 따라, 성형 보조제를 첨가해도 된다. 성형 보조제로는 이것에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 에틸렌글리콜, 덱스트린, 지방산, 지방산 비누, 폴리비닐알코올 등이 사용된다.

또 상기 원료 페이스트에는 필요에 따라, 산화물계 세라믹을 성분으로 하는 미소 중공 구체인 벌룬이나 구상 아크릴 입자, 흑연 등의 조공제를 첨가해도 된다.

다음으로, 압출 성형된 세라믹 성형체를 마이크로 건조기, 열풍 건조기, 유전 건조기, 감압 건조기, 진공 건조기, 동결 건조기 등을 이용하여 건조시켜 세라믹 건조체로 한다. 다음으로, 세라믹 건조체의 양 단면에 있어서, 소정의 셀의 단부에 마개 페이스트를 소정량 충전하여, 각 셀의 어느 일방의 단부를 밀봉한다.

상기 마개 페이스트로는 이것에 한정되는 것은 아니지만, 후공정을 거쳐 형성되는 마개의 기공률이 30∼75% 가 되는 것이 바람직하고, 예를 들어, 상기 기술한 원료 페이스트와 동일한 것을 사용해도 된다.

다음으로, 상기 마개 페이스트가 충전된 세라믹 건조체에 대하여, 소정의 조건으로 탈지 (예를 들어 200∼500℃), 소성 (예를 들어 1400∼2300℃) 을 실시함으로써, 다공질 세라믹 부재 (20) 를 제조할 수 있다. 상기 세라믹 건조체의 탈지 및 소성의 조건은 종래의 다공질 세라믹으로 구성된 필터를 제조할 때에 사용되는 것을 적용할 수 있다.

다음으로, 다공질 세라믹 부재 (20) 의 4 측면에, 후에 접착재층 (11) 이 되 는 접착재 페이스트를 균일한 두께로 도포한 후, 이 접착재 페이스트층 상에 순서대로 다른 세라믹 부재 (20) 를 적층한다. 이 공정을 반복하여, 원하는 치수의 다공질 세라믹 부재 접합체를 제작한다.

또한 상기 접착재 페이스트를 구성하는 재료에는, 상기 기술한 원료 페이스트 또는 마개 페이스트를 사용할 수 있다.

다음으로 이 다공질 세라믹 부재 접합체를 가열하여, 접착재 페이스트층을 건조, 고정화시켜 접착재층 (11) 을 형성시킴과 함께, 각 다공질 세라믹 부재 (20) 끼리를 경화시킨다.

다음으로 다이아몬드 커터 등을 이용하여 다공질 세라믹 부재 접합체를 절단 가공하고, 소정의 외경의 원통 형상 세라믹 블록 (15) 을 제작한다.

또한, 세라믹 블록 (15) 의 외주 측면에 상기 시일재 페이스트 (코팅 페이스트) 를 도포하여 건조, 경화시킴으로써 시일재층 (12) 을 형성한다. 이러한 공정을 거쳐 다공질 세라믹 부재 (20) 가 접착재층 (11) 을 통하여 복수개 접착된 원통 형상의 접합형 허니콤 구조체를 제조할 수 있다.

또한, 일체형 허니콤 구조체의 경우에도, 거의 동일한 공정으로 제작하는 것이 가능하다. 이 경우, 최종 형상에 가까운 형상으로 압출 성형된 세라믹 성형체를 건조시키고, 소정의 셀의 소정의 단부를 밀봉한 후에 직접, 탈지 및 소성 처리를 실시함으로써, 일체형 허니콤 구조체를 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 허니콤 구조체에는 추가로 귀금속과 같은 촉매가 설치되어도 된다.

허니콤 구조체에 촉매를 설치하는 경우, 우선 최초로 허니콤 구조체에 알루미나와 같은 촉매 담지층이 설치된다. 허니콤 구조체에 촉매 담지층을 형성하는 방법으로는 예를 들어, 허니콤 구조체를 알루미나 분말을 함유하는 용액 중에 침지시켜 끌어올린 후, 이것을 가열하는 방법이 있다. 그 후 추가로 Ce(NO₃)₃ 와 같은 용액 중에 허니콤 구조체를 침지시키고, 촉매 담지층 중에 희토류 원소를 함침시켜도 된다.

이러한 촉매 담지층에 촉매를 설치하는 방법으로는 예를 들어, 촉매 담지층이 설치된 세라믹 소성체를 디니트로디안민 백금 질산 용액 ([Pt(NH₃)₂(NO₂)₂]HNO₃) 등에 함침시켜, 가열하는 방법 등이 이용된다.

다른 방법으로서 백금을 담지시킨 알루미나 슬러리 (예를 들어, 백금 농도 5중량%) 중에 허니콤 구조체를 2 분간 침지시켜, 끌어올린 후 이것을 500℃ 에서 가열하여 백금 촉매를 설치해도 된다.

또는, 허니콤 구조체에는 CeO₂-ZrO₂ 계 혼합물, CeO₂-CuO₂ 계 혼합물, CeO₂-FeO₂계 혼합물, 또는 LaCoO₃ 와 같은 산화물 촉매를 설치해도 된다. 허니콤 구조체에 산화물 촉매로서 CeO₂-ZrO₂ 계 혼합물을 담지시키는 경우에는, CZ(nCeO₂·mZrO₂) 10g, 물 40㎖ 및 pH 조정제를 적당량 함유하는 용액 중에, 허니콤 구조체를 5 분간 침지시켜 끌어올린 후, 이것을 500℃ 에서 소성하는 방법이 사용된다.

허니콤 구조체에 산화물 촉매로서 LaCoO₃ 을 담지시키는 경우에는, 0.01㏖ 의 La(NO₃)₃·6H₂O, 0.01㏖ 의 Co(CH₃COO)₂·4H₂O, 0.024㏖ 의 C₆H₈O₇H₂O (시트르산) 를 각각 20㎖ 의 비율로 에탄올 중에 첨가하여, 이것을 혼합 교반한 용액이 사용된다. 허니콤 구조체를 이 용액 중에 침지시켜 끌어올린 후, 여분의 졸을 흡인 제거하여 100℃ 에서 건조시키고, 600℃ 에서 1 시간 소성함으로써, 촉매로서 La(NO₃)₃가 담지된 허니콤 구조체를 얻을 수 있다.

또한 일체형 허니콤 구조체의 경우에는, 허니콤 구조체가 제작되고 나서 상기 공정에 의해 촉매가 설치된다. 한편, 접합형 허니콤 구조체의 경우, 촉매의 설치는 상기 다공질 세라믹 부재 (20) 가 제작된 다음이면, 어느 단계에서 실시되어도 되는 것에 주의할 필요가 있다.

이와 같이 하여 제작된 허니콤 구조체의 용도는 특별히 한정되지 않지만, 차량의 배기 가스 정화 장치에 이용할 수 있다.

도 5 에는 본 발명에 의한 허니콤 구조체가 설치된 배기 가스 정화 장치의 일례를 모식적으로 나타낸다.

도 5 에 나타내는 바와 같이, 배기 가스 정화 장치 (70) 는 주로 허니콤 구조체 (10), 허니콤 구조체 (10) 의 외주를 덮는 케이싱 (71), 및 허니콤 구조체 (10) 와 케이싱 (71) 의 사이에 제공되는 유지 시일재 (매트) (72) 로 구성되고, 케이싱 (71) 의 배기 가스가 도입되는 측의 단부에는 엔진 등의 내연 기관에 연결된 도입관 (74) 이 접속되어 있고, 케이싱 (71) 의 타단부에는 외부로 연결된 배출관 (75) 이 접속되어 있다. 또한, 도 5 에서 화살표는 배기 가스의 흐름을 나 타내고 있다.

이와 같이 구성되는 배기 가스 정화 장치 (70) 에서는, 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스는 도입관 (74) 을 통하여 케이싱 (71) 내에 도입되고, 도입관 (74) 과 면하는 측의 단부가 개방된 셀로부터 허니콤 구조체 (10) 에 유입된다. 허니콤 구조체 (10) 에 유입된 배기 가스는 셀 벽을 통과하고, 이 셀 벽에서 미립자 형상 물질이 포집되어 정화된 후, 상기 측과는 상이한 측의 단부가 개방된 셀을 통하여 허니콤 구조체 밖으로 배출된다. 마지막으로, 정화된 배기 가스는 배출관 (75) 을 통해 외부로 배출된다. 또, 허니콤 구조체 (10) 에 촉매가 설치되어 있는 경우에는, 배기 가스가 셀 벽을 통과할 때에 CO, HC 및 NOx 등 배기 가스 중의 유해한 성분이 전환된다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.

(시험체 1 의 제작)

평균 입경 7㎛ 의 α 형 탄화규소 분말 7000중량%와, 평균 입경 0.5㎛ 의 α 형 탄화규소 분말 3000중량%와, 유기 바인더 (메틸셀룰로오스) 550중량%를 건식 혼합하여 혼합 조성물을 얻었다.

다음으로, 이 혼합 조성물에 가소제 (NOF 제조, UNILUB) 를 330중량%, 윤활제로서의 글리세린을 150중량%, 물 (적당량) 을 첨가하여 이 혼합 조성물을 추가로 혼련한 후, 압출 성형을 실시하여 도 3 에 나타내는 사각형 형상의 생성형체를 얻었다.

다음으로 마이크로파 건조기 및 열풍 건조기를 이용하여 상기 생성형체를 건조시키고, 세라믹 건조체로 한 후, 상기 성형체와 동일한 조성의 마개 페이스트를 소정의 셀에 충전했다.

다음으로, 열풍 건조기를 이용하여 재차 건조를 실시한 후, 400℃ 에서 탈지 하고, 상압의 아르곤 분위기 하 2200℃ 에서 3 시간 소성을 실시함으로써, 34.3㎜×34.3㎜×150㎜ 의 형상의 탄화규소 소결체로 이루어지는 다공질 세라믹 부재 (20) 를 제조했다. 다공질 세라믹 부재 (20) 의 셀 수는 46.5개/㎠ (300cpsi) 이고, 모든 셀 벽의 두께는 실질적으로 0.25㎜ 이었다.

다음으로, 평균 섬유 길이 0.2㎜ 의 알루미나 섬유 30중량%, 평균 입경 0.6㎛ 의 탄화규소 입자 21중량%, 실리카졸 15중량%, 카르복시메틸셀룰로오스 5.6중량% 및 물 28.4중량% 를 함유하는 접착재 페이스트를 이용하여 다공질 세라믹 부재 (20) 을 다수 접착시키고, 그 후 다이아몬드 커터를 이용하여 절단함으로써, 원통 형상의 세라믹 블록 (15) 을 제작했다.

다음으로, 접착재 페이스트와 동일한 페이스트를 세라믹 블록 (15) 의 외주부에 도포하여, 두께 0.2㎜ 의 시일재 페이스트층을 형성했다. 또한 이 시일재 페이스트층을 120℃ 에서 건조, 고화시켜, 최종적으로 직경 143.8㎜×길이 150㎜ 의 원통 형상 허니콤 구조체를 제작했다. 이 허니콤 구조체를 시험체 1 로 한다.

(시험체 2∼9 의 제작)

평균 입경 10㎛ 의 α 형 탄화규소 분말 7000중량%와, 평균 입경 0.5㎛ 의 α 형 탄화규소 분말 3000중량%와, 유기 바인더 (메틸셀룰로오스) 570중량%를 건식 혼합하여 혼합 조성물을 얻었다.

다음으로, 얻어진 혼합 조성물에 가소제 (NOF 사 제조, UNILUB) 를 330중량%, 윤활제로서의 글리세린을 150중량%, 물 (적당량) 을 첨가하여, 이 혼합 조성물을 추가로 혼련한 후, 압출 성형을 실시하여 도 3 에 나타내는 사각형 형상의 생성형체를 얻었다. 이 생성형체로부터 시험체 1 의 경우와 동일한 공정으로 허니콤 구조체를 제작했다. 이 허니콤 구조체를 시험체 2 로 한다.

마찬가지로, 성형체를 제작할 때에 도 6 에 나타내는 각 성분을 혼합하여 혼합 조성물을 형성하고, 압출 성형에 의해 성형체를 제작한 것 이외에는, 시험체 1 과 동일한 방법으로 시험체 3∼9 의 허니콤 구조체를 제조했다. 또한, 시험체 4∼7 및 시험체 9 에서는 각각 도 6 에 나타내는 입자 직경의 중공 아크릴 입자를 표에 기재된 양만큼 첨가했다. 아크릴 입자는 기공을 형성하기 위한 조공제로서 첨가되어 있다.

(촉매 담지층의 설치)

상기 기술한 시험체 중, 시험체 2∼6 에 대해서는 이하의 공정으로 허니콤 구조체의 겉보기 용적 1L 에 대하여 20g 의 알루미나 담지층을 설치했다. 이하, 촉매 담지층 (알루미나 담지층) 의 설치량은 허니콤 구조체의 겉보기 용적 1L 에 대한 설치량으로서 나타내고, 예를 들어,「20g/L 의 알루미나 담지층을 설치」, 등으로 표기한다.

γ-알루미나를 물 및 분산제 (질산 용액) 중에 넣어 혼합하고, 추가로 볼 밀 로 24 시간 분쇄하여 평균 입경 2㎛ 의 알루미나를 함유하는 슬러리를 조제했다. 다음으로, 얻어진 슬러리 중에 각 시험체를 침지시켜 끌어올린 후, 200℃ 에서 건조시켰다. 이 공정을 시험체에 설치되는 알루미나 담지층이 20g/L 가 될 때까지 반복하고, 그 후 이 시험체를 600℃ 에서 소성했다. 이러한 공정을 거쳐 20g/L 의 알루미나 담지층이 설치된 시험체 2∼6 을 각각 실험예 6∼10 이라고 한다.

또 상기 기술한 시험체 중, 시험체 3∼6 에 대해서는 동일한 공정으로 알루미나 담지층을 40g/L 설치했다. 이들의 시험체를 각각 실험예 11∼14 라고 한다.

또한, 시험체 3∼7 에 대해서는 동일한 공정으로 알루미나 담지층을 60g/L 설치했다. 이들의 시험체를 각각 실시예 15∼19 라고 한다.

또한, 시험체 8, 4, 5, 6 및 9 에 대해서는 동일한 공정으로 알루미나 담지층을 80g/L 설치했다. 이들의 시험체를 각각 실험예 20∼24 라고 한다.

또한, 알루미나 담지층을 설치하지 않은 시험체 1, 2, 3, 4 및 6 을 각각 실험예 1∼5 라고 한다. 실험예 1∼24 까지의 허니콤 구조체의 알루미나 담지층의 설치량을 정리하여 도 7 에 나타냈다.

(평가 시험)

(1) 가스 투과 계수의 측정

각 허니콤 구조체의 가스 투과 계수 (k) 를 측정했다. 또한, 측정에는 상기 기술한 각 실험예와는 상이한 제법으로 제작한 샘플, 즉, 처음부터 원통 형상 으로 압출 성형된 일체형 허니콤 구조체 샘플을 사용했다. 단, 제법은 상이해도 상기 기술한 각 실험예의 경우와 동일한 원재료를 사용하고, 동일한 압출 성형 처리를 실시하여, 동일한 소성 조건으로 샘플을 제작하고 있기 때문에, 이들 샘플의 기공 직경 등의 특성은 상기 기술한 각 실험예의 것과 거의 동일하다. 또한 샘플의 형상은 직경이 25㎜ 이고, 전체 길이가 50㎜ 이다.

가스 투과 계수는 이하와 같이 측정했다. 우선, 샘플의 개방단 각각의 측에, 일단이 샘플의 외주와 대략 동등한 내경을 갖는 금속관을 장착하여, 접합부의 간극을 시일한다. 다음으로, 양단에 금속관이 장착된 상태에서 샘플의 원통축이 대략 수평이 되도록 샘플을 실험대 상에 설치한다. 다음으로, 어느 하나의 금속관의 개방단측 (입구측) 으로부터 공기를 유입시키고, 타방의 금속관의 개방단 (출구측) 으로부터 공기를 배출시킨 상태에서, 금속관의 입구측과 출구측에서의 공기의 압력차 (ΔP) 를 측정했다. 또한, 측정은 샘플에 유입시키는 공기유량 Q 를 매스플로우 미터를 이용하여 0∼80L/min 의 범위에서 변화시키고, 20 점의 공기류량에 대하여 실시했다. 얻어진 20 점의 데이터를 Q 를 가로축, ΔP/Q 를 세로축으로 한 그래프 상에 플롯하여, 플롯을 연결하는 직선의 절편으로부터 가스 투과 계수 (k) 를 구하였다 (보다 정확하게는 식 (1) 로부터 직선의 절편은 C/k 가 된다 : C 는 상수). 또한 측정은 실온에서 실시했다. 결과를 도 7 에 나타낸다.

(2) 평균 기공 직경 및 기공률의 측정

촉매 담지층을 설치하기 전에 각 시험체 1∼9 에 관련된 허니콤 구조체를 포 로시미터 (시마즈 제작소사 제조, AutoPore Ⅲ 9420) 를 이용하여, 수은 주입법에 의해 세공 직경 0.1∼360㎛ 의 범위에서 세공 분포를 측정했다. 이 측정에 의해, 각 시험체의 평균 기공 직경 및 기공률이 얻어졌다. 얻어진 결과를 실험예 1∼24 로 분류하여 도 7 에 나타냈다.

(3) 압력 손실의 측정

각 실험예 1∼24 에 관련된 허니콤 구조체를 엔진의 배기 통로에 배설하고, 공기를 750㎥/h 의 속도로 흘려 허니콤 구조체의 압력 손실을 측정했다. 결과를 정리하여 도 7 및 도 9 에 나타냈다.

도 7 및 도 9 에 나타낸 바와 같이, 상기 관계 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 를 만족하는 가스 투과 계수 (k) 를 갖는 허니콤 구조체는 압력 손실이 작았다. 이에 대하여, 0.5μ㎡>k (가스 투과 계수) 의 허니콤 구조체 (실험예 1, 6, 11, 15, 20) 에서는 압력 손실이 커져, 10kPa 를 초과하였다.

(4) 포집 효율의 측정

각 실험예 1∼24 에 관련된 허니콤 구조체를 엔진의 배기 통로에 배설하여, 허니콤 구조체의 포집 효율을 측정했다. 포집 효율은 이하와 같이 하여 측정했다. 배기량 2 리터의 디젤 엔진을 회전수 2000rpm, 토크 47N·m 의 조건으로 운전한다. 이러한 운전에 의해 엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 허니콤 구조체에 유통시킨다. 허니콤 구조체에 유입되기 전의 배기 가스 중의 PM 량 (P0) 과 허니콤 구조체를 통과한 배기 가스 중의 PM 량 (P1) 을 PM 카운터에 의해 측정한다. 얻어진 결과로부터, 포집 효율 (%)=(P0-P1)/P0×100 으로 하여 포집 효율을 산정한다.

결과를 정리하여 도 7 및 도 10 에 나타낸다. 도 7 및 도 10 과 같이, 가스 투과 계수 (k) 가 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 를 만족하는 허니콤 구조체에서는 포집 효율이 높았다. 이에 반하여, 1.5μ㎡>k (가스 투과 계수) 의 허니콤 구조체 (실험예 5, 10, 14, 19, 24) 에서는 포집 효율이 나쁘고, 80% 미만이었다. 또한, 여기에서는 초기 포집 효율의 값 (신품 또는 신품과 동일한 상태에 있는 허니콤 구조체에 배기 가스를 유통시켜, 포집을 개시한 직후의 포집 효율의 값) 을 이용하여 평가를 실시하고 있다.

(5) 흡수율의 측정

다음으로, 시험체 1∼9 (촉매 담지층 설치전) 의 허니콤 구조체에 대하여, 흡수율 (수분 흡수) 을 측정하였다. 또한 흡수율이란 허니콤 구조체에 있어서의 액체의 유지 용이성을 평가하는 지표이다. 이 흡수율의 값은 미세한 기공이 많이 존재하는 허니콤 구조체에서는 변동이 커지는 경향이 있다. 이것은 미세한 기공이 많이 존재하는 허니콤 구조체에서는 그들의 기공이 액체를 유지하거나, 액체를 유지하지 않거나 하기 때문이라고 생각된다. 흡수율의 측정은 이하와 같이 실시했다. 우선 건조 상태에서의 샘플의 중량을 측정한다. 다음으로, 샘플을 수중에 완전하게 침지시키고, 수중 반전 후, 끌어올려 샘플로부터 낙하하는 물을 가볍게 털어낸다. 다음으로, 젖은 상태의 샘플을 흡인 장치 (진공 시스템) 에 설치하고, 풍량 4.4㎥/min, 흡인 압력 9.8kPa 로 흡인하여 흡인 후의 샘플 중량을 측정한다. 이 값과 건조 상태에서의 샘플의 중량차를 초기 (건조시) 중 량으로 나눔으로써, 샘플의 흡수량이 얻어진다.

도 8 은 각 시험체 (촉매 담지층 설치 전) 에 있어서, 상기 기술한 측정을 각각 10 회 반복했을 때의 흡수율 값의 편차를 가스 투과 계수 (k) 에 대하여 나타낸 것이다. 각 점은, 각각의 가스 투과 계수에서의 흡수율의 편차를 백분율로 나타낸 것이며, 파선에 의한 곡선은 흡수율의 편차 (변동) 의 크기를 명시하기 위해서 추가한 보조선이다. 가스 투과 계수 (k) 가 1.0 미만인 경우, 흡수율 값의 편차는 현저하게 커졌다. 이것은, 가스 투과 계수 (k) 가 지나치게 작아지면, 허니콤 구조체에 포함되는 미세한 기공이 많아져, 미세한 기공에 촉매 담지층이 설치되거나 설치되지 않거나 하는 경향이 현저해지기 때문이라고 생각된다. 촉매는 촉매 담지층 상에 설치되기 때문에, 촉매 담지층의 설치 상태에 따라, 촉매의 양은 크게 변동한다. 따라서, 흡수율 값의 편차이 큰 것은 촉매 담지층의 설치 상태의 변동이 큰 것을 의미하고, 이것은 고가인 촉매의 도포량이 변동하는 것으로 이어질 것으로 생각되어 바람직하지 않다. 이러한 관점으로부터, 특히 촉매를 담지하는 허니콤 구조체에서는 촉매 담지층을 설치하기 전의 단계에 있어서의 가스 투과 계수 (k) 는 1.0≤k 의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이러한 특정의 실시예에 한정되는 것이 아니라, 특허 청구의 범위에 기재한 요지 내에 있어서 여러가지 변형·변경이 가능하다.

산업상 이용 가능성

본 발명에 의하면, 디젤 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스중에 함유되는 미립자 형상 물질을 제거하는 필터, 및 이러한 필터에 있어서 촉매 담체 등으로서 이용되는 허니콤 구조체에 있어서, 허니콤 구조체의 특성을 규정하는 파라미터로서 셀 벽의 가스 투과 계수를 사용하여, 상기 가스 투과 계수를 소정의 수치 범위 내로 제어함으로써, 압력 손실이 낮고, 높은 포집 효율을 갖는 허니콤 구조체를 제공하는 것이 가능해진다.

본 출원은, 2006년 2월 23일에 출원된 일본 우선권 출원 제 2006-047348 및 2006년 8월 25일에 출원된 PCT/JP2006/316748 에 기초한다.

셀 벽의 가스 투과 계수 (k) 가 상기 기술한 범위에 있는 허니콤 구조체에서는, 양호한 필터 성능을 발휘시키는데 있어서 중요한 특성인, 낮은 압력 손실과 높은 포집 효율 모두를 만족시킬 수 있다. 또 가스 투과 계수 (k) 가 상기 범위에 있는 경우, 압력 손실은 가스 투과 계수 (k) 의 변화에 별로 민감하지 않고, 가스 투과 계수 (k) 를 관리 파라미터로 한 경우, 관리 파라미터의 관리치 내에서의 변동에 의한 허니콤 구조체의 특성 저하를 어느 정도 회피하는 것이 가능해진다. 또 본 발명은 촉매 및 촉매 담지층을 설치하는 형식의 허니콤 구조체에 적용하는 것도 가능하고, 상기 셀 벽에는 촉매 담지층 및 촉매가 설치되어도 된다.

통상, 셀 벽에 촉매 담지층을 설치하면, 촉매 담지층의 설치량에 따라 가스 투과 계수 (k) 는 작아진다. 그래서, 특히 상기 허니콤 구조체의 겉보기 용적 (appearance capacity) 1L (리터) 에 대하여 상기 촉매 담지층을 40g (그램) 이상 설치하는 형식의 허니콤 구조체의 경우, 상기 촉매 담지층을 설치하기 전의 단계에 있어서의 상기 셀 벽의 상기 가스 투과 계수 (k) 는 1.0μ㎡≤k 의 범위에 있는 것이 보다 바람직하다. 이로써, 허니콤 구조체에 설치되는 촉매의 양을 원하는 변동폭 이내로 들어가게 하는 것이 가능해져, 촉매를 과잉으로 담지시키지 않고 귀금속의 사용량을 줄일 수 있어 제조 비용을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 겉보기 용적이란 시료의 기공 (개기공 및 폐기공) 및 개구를 모두 포함한 용적이다.

본 발명에서는 허니콤 구조체의 특성을 규정하는 파라미터로서 셀 벽의 가스 투과 계수를 사용하고, 소정의 수치 범위 내로 제어함으로써, 압력 손실이 낮고, 높은 포집 효율을 갖는 허니콤 구조체를 제공하는 것이 가능해진다.

Claims

셀 벽을 사이에 두고 길이 방향으로 나열된 다수의 셀로 구성된 다공질 세라믹을 포함하는 허니콤 구조체로서,

상기 셀은 어느 일방의 단부가 밀봉되며,

상기 허니콤 구조체의 구조 및 상기 허니콤 구조체에 유입하는 배기 가스의 특성에 기초한 가스 투과 계수 (k) 는 0.5μ㎡≤k≤1.5μ㎡ 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
제 1 항에 있어서,

상기 셀 벽에는, 촉매 담지층과 촉매가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
제 2 항에 있어서,

상기 허니콤 구조체의 겉보기 (appearance) 용적 1L 에 대하여 상기 촉매 담지층이 40g 이상 설치되고,

상기 촉매 담지층을 설치하기 전의 단계에서 상기 가스 투과 계수 (k) 는, 1.0㎛²≤k 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 다공질 세라믹은 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 질화티탄, 탄화규 소, 탄화지르코늄, 탄화티탄, 탄화탄탈, 탄화텅스텐, 알루미나, 지르코니아, 코디어라이트, 뮬라이트, 실리카, 티탄산알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 일종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 촉매 담지층은, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 실리카, 세리아로 이루어진 군으로부터 선택된 일종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 촉매는, 백금, 팔라듐, 로듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 일종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 촉매는, 알칼리 금속 원소, 알칼리토류 금속 원소, 희토류 원소, 천이 금속 원소 중 어느 하나를 함유하는 화합물인 것을 특징으로 하는 허니콤 구조체.