KR0140873B1 - 유동 혼합을 위한 미세구조물을 구비한 금속 벌집형 구조물 - Google Patents

유동 혼합을 위한 미세구조물을 구비한 금속 벌집형 구조물

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볼프강 마우스
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Abstract

본 발명은 벌집형태 및 기계적 특성을 결정하는 제 1 거대 구조물이 적어도 부분적으로 설치되고 있고 제 2 미세구조물(5)이 적어도 부분적으로 1~10mm의 간격으로 설치되어 있는 시트(2),(3)로 구성된 금속 벌집형 고조물(1), 특히 촉매변환기-지지체에 관한 것이며, 벌집형 구조물(1)은 한 흐름방향(s)으로 유체가 흐를 수 있는 , 평균 채널폭(b)을 가진 대략 평행한 다수의 채널(4)을 가진다. 채널(4)내의 흐름상태에 영향을 주기 위해, 특히 흐름을 혼합하기 위해, 적어도 시트(2,3)의 일부는 흐름방향에 대해 횡으로 또는 비스듬이 형성된 미세구조물(5)을 가진다. 제2미세구조물(5)은 채널(4)내의 흐름의 횡방향 혼합 및/또는 선회를 일을킬 수 있는 크기와 형태를 가진다. 제2미세구조물(5)은 채널(4)의 평균 폭(b)의 0.01 내지 0.3배의 높이 또는 깊이를 가진 홈, 리세스, 돌출부, 슬롯 등으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 미세구조물(5)은 주어진 체적의 자동차 촉매변환기의 변환율을 증가시키고 경우에 따라 그 기계적 특성을 개선시킨다.

Description

유동혼합을 위한 미세구조물을 구비한 금속 벌집형 구조물
본 발명은 자동차의 촉매변환기-지지체로 사용하기 위한 금속 벌집형 구조물에 관한 것이다.
선행 기술에는 여러 형태의 금속 벌집형 구조물이 공지되어 있으며, 상기 금속 벌집형 구조물을 형성하는 각 시트의 형태는 먼저 기계적 안정성 및 각 채널의 형태에 중점을 두고 있다. 여기서 제조 기술적 문제 및 작용 표면 확대의 관점이 부가된다. 상응하는 벌집형 구조물은 예컨대, EP-A-0 159 468, EP-A-0 220 468, EP-A-0 245 737 및 EP-A-0 254 738 에 공지되어 있다.
예컨대, 채널들 사이에 연결 개구를 형성함으로써 또는 2개의 파형시트를 층층이 엇갈리게 배치함으로써, 벌집형 구조물에서 흐름의 거시적 혼합에 영향을 주는 여러 가지 거대 구조물이 있다.
EP-B-0 136 515 에는 파형시트와 평형시트가 교대로 놓인 층을 나사선 형태로 감은 벌집형 구조물에 있어서, 미세구조물을 평형시트에 흐름방향에 대해 거의 횡으로 설치하는 것이 공지되어 있다. 기본적으로 상기 벌집형 구조물의 제조 및 납땜에 유리한 상기 선행기술로부터 본 발명이 출발한다. 흐름에 대한 상기 구조물의 작용연구에서 미세 구조물은 각 채널에서 흐름의미시적 혼합에 유리한 부가적 효과를 발생시키는 것으로 나타났다.
상기 효과는 EP-A-0 298 943에서도 언급되며, 여기서는 나사선 형태로 감겨진 구조물의 평형시트 및 파형 시트사이에 형태 끼워맞춤 결합이 기술되어 있다. 그러나 상기 효과의 체계적 이용은 언급되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 벌집형 구조물의 각 채널에서 미시적혼합에 대한 미세구조물의 영향을 특히 바람직하게 이용하고 그로인해 촉매 효율을 증가시키는 금속 벌집형 구조물을 제공하는데 있다. 동시에 벌집형 구조물의 기계적 특성에 유리한 영향으 주어야한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따라 벌집형태, 평균 채널폭 및 중요한 기계적 특성을 결정하는 최소한 하나의 제 1 거대 구조물이 적어도 부분적으로 설치된 시트로 구성된 금속 벌집형 구조물이 사용되고, 상기 벌집형 구조물은 한 흐름방향으로 유체가 흐를 수 있는, 평균 채널폭을 가진 다수의 채널을 가지며, 적어도 시트의 일부에 평균 채널폭의 0.01 내지 0.3배이면서 최소한 15μ의 높이를 가진 부가의 미세 구조물이 설치되고, 상기 미세구조물은 흐름방향에 대해 횡으로 또는 비스듬이 설치되며 1~10mm의 간격을 두고 흐름방향으로 차례로 놓인다. 상기와 같이 설계하는데는 다음의 인식을 기초로 한다 : 촉매변환기용 벌집형 구조물은 횡단면 단위당 다수의 채널(통상적으로 제곱인치당 200 내지 500채널)러 인해 구조물의 총 체적에 대해 큰 내부 표면을 가진다. 효과적인 촉매작용을 위해서는 무엇보다도 가급적 큰 촉매변환기 표면이 필요하다. 작용 표면은 산화 알루미늄층의 부착에 으해 통상적으로 3배이상 증가한다. 이것은 μ-부분에 놓인 거친 그리고 갈라진 결정질 표면구조에 기인한다. 물론 효과적인 촉매 변환을 위해 부가적으로 벽근처에서 중심흐름을 신속하게 교체하는 것도 중요하다(제 7도 참조). 벌집형 구조물의 채널에서 와류의, 그러나 특히 선상으로 형성된 흐름의 속도가 벽쪽으로의 전이 영역에서 급속히 감소된다. 가스흐름속도가 전체적으로 증가되면, 벽근처에서 교체가 개선되기는 하지만, 벌집형 구조물내의 드로틀의 손실이 커지고 촉매활성부분에서의 가스의 체류 시간이 짧아진다. 거친 산화 알루미늄 표면은 10μ 범위의 균일한 조도에 의해 특별한 횡방향 혼합을 일으키지는 않는다. 그러나 본 발명은 산화 알루미늄의 조도보다 크지만 채널폭보다 작은, 각 시트의 부가적인 미세구조물에 의해 각 채널에서 , 특히 벽근처의 채널에서 미시적 흐름상태를 현저히 개선시킬 수 있다. 즉, 상기 미세구조물에 의해 흐름손실이 증가하지 않으면서 채널벽내의 많은 미시적 돌출부는 국부적으로 가스흐름속도를 증가시키고 홈은 국부적으로 가스흐름속도를 지연시킨다.
평형시트와 파형시트가 교대로 놓인 층으로 이루어진 벌집형 구조물의 경우에는 파형시트가 채널벽의 대부분을 형서하기 때문에, 파형시트에 미세구조물을 설치하는 것은 바람직하다. 미세구조물이 설치된 시트의 파형에 문제가 없으며, 더욱이 경우에 따라서는 파형과 미세구조물을 한 작업공정에서 제조할 수 있다. 일반적으로 적어도 채널벽의 일부에 미세구조물을 설치하는 것이 중요하다.
전술한 바에 따르면 미세구조물의 형태는 중요하지 않다. 상기 미세구조물은 홈, 돌출부, 슬롯, 리세스 등으로 이루어질 수 있으며, 흐름 방향에 대해 횡으로 또는 비스듬히 형성되고 시트표면으로부터 한 측면 또는 양 측면으로 돌출한다. 모든 채널에 동일하게 영향을 주기 위해서는 시트의 양 측면으로 구조화하는 것이 중요하다. 미세구조물을 각 시트위에 중단없이 설치해야할 필요는 없으며 중단되거나 서로 변위도도록 설치할 수 있다.
중심흐름방향으로의 가장자리 흐름성분에 있어서 미세구조물이 흐름방향에 대해 정확히 횡으로 놓일 필요는 없다. 미세구조물은 예컨대, 흐름방향에 대해75 내지
105°의 각 α을 가질 수 있다.
중심흐름방향의 가장자리 흐름성분에서만 선회를 일으키는 것이 아니라 각 채널내에서 전체적으로 선회를 일으키려면, 미세구조물이 흐름방향에 대해 ±15° 내지 75° , 바람직하게는 45° 의 각을 가질 수 있다. 이렇게 형성되면 중심흐름방햐으로의 가장자리 흐름성분에서 뿐만 아니라 전체적으로 가장자리 흐름의 선회가 발생하며 이것은 양편에서 혼합을 개선시킨다.
각 채널에서 보다 효과적인 선회를 발생시키기 위해, 2개의 차례로 놓인 시트층에 흐름방향에 대해 동일한 각을 가지지만 부호가 반대인 미세구조물을 설치하는 것이 중요하다. 이 경우에 한 채널을 형성하는 시트의 2개의 미세구조물이 선회에 특히 유리한 나사선형 미세구조물에 보충된다.
미세구조물에 대한 바람직한 길이는 0.05 내지 8mm , 특히 바람직하게는 약 0.5 내지 3mm 인 것으로 나타났다. 미세구조물의 높이에는 벌집형 구조물의 채널 크기가 중요하다. 미세구조물의 높이는 채널의 평균폭의 약 0.05 내지 0.1배인 것이 바람직한 것으로 나타났다. 흐름방향에서 미세구조물 상호간의간격은 1 내지 10mm, 바람직하게는 2~8mm, 특히 바람직하게는 4~6mm 일 수 있다.
시트를 층층이 쌓거나 감을 때 미세구조물이 예상하는 바와같이, 무조건 방해가 되지는 않으며 오히려 부가적인 기계적 작용을 증가시킬 수 있다. 시트상의 미세구조물의 형태, 간격 및 배열을 매칭시킴으로써, 시트를 감거나 층층이 쌓을 때 시트의 접촉부분에서 상기 구조물의 형태 끼워맞춤이 이루어질수 있고 이로인해 접촉부분을 나중에 납땜하는데 문제가 없을 뿐만아니라 전체 벌집형 구조물의 부가적인 기계적 강도가 얻어질 수 있다. 부분적으로 미세구조물이 시트의 길이 방향 팽창을 보상할 수도 있다.
미세구조물의 제조는 여러 방식으로 이루어질 수 있다. 이것은 예컨대, 강철로울과 고무로울 사이에 또는 2개의, 경우에 따라서는 맞물리는 강철로울사이에 제조될 수 있다. 불연속 공정에서 구조물을 제조하는 것도 가능하다. 미세구조물은 일반적으로 작기 때문에 그 제조에 있어서 시트의 소성 변형성이면 충분하다.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.
제1도는 미세구조물을 갖춘 시트 스트립을 나타내며,
제2도는 변형된 구조물을 갖춘 시트 스트립의 횡단면도이고,
제3도는 또다른 미세구조물을 나타낸 제1도의 횡단면도이며,
제4도는 흐름방향에 대해 비스듬히 놓인 미세구조물을 갖춘 시트스트립을 나타내고,
제5도는 선회발생에 적합한 위치에서의 미세구조물을 갖춘 시트스트립을 나타내며,
제6도는 본 발명에 따른 미세구조물을 갖춘 벌집형 구조물이 거의 완성되어 감겨지는 상태를 나타내고,
제7도는 각 채널에서의 흐름상태를 나타낸다.
제1도는 길이방향으로, 즉 완성후 흐름방향에 대해 횡으로 형성된 미세구조물(5)을 갖춘 시트스트립(2) 또는 (3)으로 된 부분을 개략적으로 나타낸다.
제2도는 제1도의 선 을 따라 자른 횡단면도, 즉 본 발명에 따른 미세구조물(5)의 많은 변형중 하나를 나타낸다. 시트스트립(2) 또는 (3)은 거의 평행하게 형성된 크림프(6),(7)를 가지며, 그 간격a은 서로 1~10mm, 예컨대 약 2mm이다. 미세구조물의 돌출부(6)또는 홈(7)의 흐름방향으로의 길이 e 는 예컨대, 약 0.1 내지 0.5mm이다. 시트스트립(2)또는 (3)의 표면에 대한 미세구조물의 최대 높이는 벌집형 구조물내의 채널의 평균폭의 일부, 예컨대 약 0.05배이다. 이것은 절대적으로 예컨대, 15-100μ의 높이 일 수 있다.
제3도는 돌출부(8) 및 각인된 리세스 또는 슬롯 형태의 홈(9)을 가진 미세구조물의 또다른 변형예를 나타낸다.
제4도는 시트스트립(2)또는 (3)상에 미세구조물이 흐름방향 s 에 대해 α각으로 비스듬히 형성된 것을 나타낸다. 효과적인 횡방향 혼합을 위해 미세구조물이 흐름방향에 대해 횡으로 형성될 필요가 없고 상기 방향으로부터 약 15° 정도 벗어날 수 있다.
제5도는 특수한 목적을 위해 흐름방향 에 대한 시트스트립(2)또는 (3)상의 미세구조물(5)의 각이 보다 작은 경우가 개략적으로 나타나 있다. 각 채널에서 선회를 발생시키기 위해 각α 가, 예컨대, 약 45° 일 수 있으며, 상기 각은 채널 및 흐름속도에 의존해서 ±15 내지 75°의 범위에 놓일 수 있다.
제6도에는 완성 바로전 상태의 벌집형 구조물이 도시되어 있다. 상기 벌집형 구조물은 흐름방향 에 대해 횡으로 형성된 미세구조물(5)을 가진 거시적 평형 시트스트립(2) 및, 부가적으로 흐름방향 s에 대해 횡으로 형성된 미세구조물을 가진 거시적 파형스트립(3)으로 이루어진다. 각 채널(4)의 평균 폭 b 이 표시되어 있다. 일반적으로 평균 채널폭 b은 제1거대구조물이 예컨대, 인벌류우트 톱니로 제조되는 파형인 경우 제1거대구조물의 평균 축높이와 거의 동일한 크기이다. 제 2미세구조물의 크기는 축높이와 관련될 것이다. 물론 전체 구조물에 대한 평균 채널폭 및 축 높이가 정확히 정해질 수 없는 거대구조물도 있다. 이런 경우에도 본 발명이 적용될 수 있으며, 이때 평균 채널폭은 2개의 동일한 형태로 구조화된 시트층 사이의 평균 간격으로 이해되어야 한다. 이것은 간단한 구조에 있어서 보다 높은 축높이에 상응한다. 나사선형으로 감겨진 촉매변환기 지지체는 본 발명이 적용될 수 있는 여러 가지 가능성중 하나이다. 미세구조물은 선행기술로 공지되어 있는 바와같이, 시트스트립을 층층이 쌓거나 휘감음으로써 이루어진 벌집형 구조물의 개선에도 적합하다.
제7도는 벌집형 구조물의 한 채널(4)에서의 흐름상태 p를 나타낸다. 채널의 가장자리 부분에서는 흐름이 비교적 느리고 층 흐름시 채널중앙에서 중심흐름의 교체가 거의 발생하지 않는다. 미세구조물이 설치된, 채널(8)을 부분적으로 제한하는 시트(3)는 상기의 흐름상태에 영향을 주지 않는다. 그러나 미세구조물(5)이 설치된 시트(2)는 채널(4)내의 압력손실을 크게 증가기키지 않으면서 촉매작용의 가장자리 부분에서의 흐름을 혼합시킨다.
본 발명은 각 채널에서 흐름의 미시적인 소용돌이에 의해 배기가스 촉매변환기에서의 촉매변환을 증가시킴으로써, 두드러진 단점없이 변환율을 몇 %정도 증가시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 벌집형태, 평균 채널폭(b) 및 중요한 기계적 특성을 결정하는 최소한 하나의 제1거대구조물이 적어도 부분적으로 설치된 시트(2,3)로 구성된 금속 벌집형 구조물에 있어서, 벌집형 구조물(1)은 한 흐름방향으로 유체가 흐를수 있는, 평균 채널폭(b)을 가진 다수의 채널(4)을 가지며, 적어도 시트(2,3)의 일부에 평균 채널폭(b)의 0.01 내지 약 0.3배이면서 적어도 15의 높이를 가진 부가의 미세구조물(5)이 설치되고, 상기 미세구조물(5)은 흐름방향(s)에 대해 횡으로 또는 비스듬이(α각) 형성되며 흐름방향(s)에서 1~10의 간격으로 차례로 놓여 있는 것을 특징으로 하는 유동혼합을 위한 미세구조물을 구비한 금속 벌집형 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 벌집형 구조물(1)이 평형시트(2)와 파형시트(3)가 교대로 놓인 층 또는 서로다른 파형시트의 층으로 이루어지며, 적어도 파형시트(3)의 일부가 제 2미세구조물(5)을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 제 2미세구조물(5)이 홈, 리세스, 돌출부, 슬롯 등(6,7,8,9)으로 이루어지고, 흐름방향(s)에 대해 횡으로 또는 비스듬히(α각) 형성되며 시트(2,3)의 표면으로부터 한 측면 또는 양 측면으로 돌출해 있는 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서, 미세구조물(5)이 흐름방향(s)에 대해 75 내지 105, 바람직하게는 90 의 각(α)으로 설치되는 것을 특징으로 하는 금속벌집형 구조물.
  5. 제1항 또는 2항에 있어서, 미세구조물 흐름방향(s)에 대해 15 내지 75, 바람직하게는 약 45 의 각(α)으로 설치되는 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  6. 제5항에 있어서, 2개의 차례로 놓인 시트층에 있어서 미세구조물(5)과 흐름방향(s) 사이의 각(α)이 거의 동일하지만 반대 부호를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  7. 제1항 또는 2항에 있어서, 제 2미세구조물(5)은 서로 2 내지 8, 바람직하게는 약 4 내지 6의 간격(a)을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  8. 제1항 또는 2항에 있어서, 미세구조물(5)은 0.05 내지 8, 바람직하게는 약 0.5 내지 3의 흐름방향(s)에서의 길이(e)를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  9. 제1항 또는 2항에 있어서, 미세구조물(5)은 평균채널폭(b)의 약 0.05 내지 0.1배의 높이(h)을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  10. 제1항 또는 2항에 있어서, 벌집형 구조물(1)의 모든 시트(2,3)가 제 2미세구조물(5)을 가지며, 상기 미세구조물의 형태, 간격 및 배열이 시트(2,3)의 접촉부분에서 미세구조물의 형태 끼워 맞춤에 유리한 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
  11. 제1항에 있어서, 벌집형 구조물이 예컨대, 자동차 배기 가스정화장치용 촉매변환기-지지체인 것을 특징으로 하는 금속 벌집형 구조물.
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