KR0143909B1 - 전도성 벌집형 본체 조립체 및 배출가스 촉매장치용 지지체 - Google Patents

전도성 벌집형 본체 조립체 및 배출가스 촉매장치용 지지체

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디트리히 마우스
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Abstract

벌집형 본체 조립체, 특히 촉매 운반 본체는 축방향으로 유체가 흐를 수 있는 다수의 채널을 가진 금속 구조체를 가지는 전도성 벌집형 본체를 포함한다. 금속 구조체는 0.03 내지 0.12㎜의 두께를 가진다. 벌집형 본체는 본체의 단면 또는 길이방향에 대해서 전기적으로 세분되어 있다. 적어도 하나의 전기 통로는 0.01 내지 2Ω 사이의 전기저항을 가진 금속 구조체를 통해서 형성된다. 온도에 의존하는 저항은 벌집형 조립체를 모니터하고 조절하는데 사용될 수 있다.

Description

전도성 벌집형 본체 조립체 및 배출가스 촉매장치용 지지체
본 발명은 유체가 흐를 수 있는 다수의 채널을 형성하는 적어도 부분적으로 구조화된 고온 내부식성 시트의 감겨지거나 집적된 층으로 구성된, 전도성 벌집형 본체 조립체 및 특히 배출가스 촉매장치용 지지체에 관한 것이다.
본 발명의 벌집형 본체는 촉매장치용 지지체로서 사용하면 하기와 같은 장점이 있지만, 그 밖의 다른 용도를 배제해서는 안된다. 예컨대, 상기 벌집형 본체는 유체의 가열 또는 액체의 기화에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예로 자동차 촉매장치, 즉 3원 촉매장치에 관한 공지 기술로부터 시작해서 주로 이런 촉매장치 시스템의 반응촉진, 조정 그리고 감시에 중점을 두었다.
지금까지 자동차의 콜드 스타트(cold start) 단계에서 유해물질의 배출을 줄이기 위해 대부분의 경우에 있어서 예비 촉매장치의 불리는 소위 스타트 촉매장치를 이용했다. 이와 같이 엔진 근처에 설치된 스타트 촉매장치는 금속 지지 구조물을 가지며, 체적이 큰 주촉매장치보다도 더 빨리 가열된다.
왜냐하면, 스타트 촉매장치는 더 엔진 가까이에 배치되고, 더욱이 더 적은 체적을 갖기 때문이다. 그럼에도 불구하고 스타트 촉매장치의 촉매 활성 물질, 즉 그의 세라믹 지지 물질 및 금속 지지 구조물이 먼저 배출가스로부터 가열되어야만 하기 때문에 스타트 촉매장치는 반응할 때까지 일정한 시간을 필요로 한다. 이 경우 스타트 촉매장치가 배출가스에서 우선적으로 열을 빼앗기 때문에, 더 뒤에 배치된 주촉매장치는 더욱 서서히 작동온도에 이른다.
금속 지지 구조물로서, 예를 들면 다음의 간행물에 상세히 설명된 바와 같이 벌집형 본체의 여러 가지 변형들이 공지되어 있다 : EP-C-O 049 489, EP-C-O 121 174, EP-C-O 121 175, EP-A-O 245 737, EP-A-O 245 738.
특히 상기 간행물에는 소위 S형의 벌집형 본체 및 U형의 시트층을 가진 이러한 벌집형 본체에 이미 공지되어 있다.
또한, 금속물질인 벌집형 본체를 전기적으로 가열하는 것은 이미 오래 전부터 공지되어 있다. 이것은 예를 들면 독일 특허 DE-PS-563 757에 기술되어 있다. 전기 가열 수단에 의해 촉매장치용 지지체를 가열하려는 또 다른 시도는 독일 특허 DE-AS-22 30 663에 공지되어 있다. 그런데, 촉매장치용 지지체를 직접적으로 전기가열하는 것은 지금까지 많은 어려움을 야기했다. 왜냐하면, 통상의 금속 구조물은 자동차에 통상적으로 갖고 있는 전압을 직접 가열체로서 이용할 때보다도 훨씬 적은 전기저항을 갖기 때문이다. 따라서, 독일 특허 DE-PS563 757에서는 적당한 저항을 갖도록 형성되어진 별도의 부분 영역만을 가열했었다. 독일 출원 DE-AS 22 30 663에서는 촉매장치용 지지체로서 동시에 사용되지 않는 별도의 가열요소가 사용된다.
다른 한편으로는, 나선형으로 감긴 벌집형 본체에서 시트층의 적합한 절연에 의해 감겨진 시트의 전체 길이를 이용하면 너무 높은 저항이 발생하는데, 그 저항은 가열에 필요한 전력에 대해 충분치 못한 전류세기를 허용할 것이다.
본 발명의 목적은, 금속 벌집형 본체 저항이 그 체적과 무관하게 넓은 범위에서 자유로이 선택될 수 있고, 따라서 자동차내에서 통상적으로 이용할 수 있는 전압 또는 전류원에 의해 벌집형 본체를 문제없이 가열할 수 있도록 금속 벌집형 본체 구조를 개선하는데 있다. 또한, 본 발명의 목적은 벌집형 본체 온도에 의존하는 저항을 관찰함으로써 벌집형 본체 온도를 추론하고 상기 정보에 의해 조정 또는 제어가 이루어질 수 있도록 하는데 있다. 상기 목적을 해결하기 위해 본 발명에서는 벌집형 본체가 전기 절연 중간층 또는 코팅에 의해 그 휭단면 및
또는 그 축방향 폭에 대해 세분됨으로써 시트를 통한 최소한 하나의 전류통로에 0.03 내지 2Ω, 바람직하게는 0.1 내지 1Ω, 특히 0.6Ω의 저항이 얻어진다. 도면을 참조로 더 상세히 설명되는 바와 같이, 이때 일정한 저항을 얻기 위해 필요한 갭 및/혹은 중간층의 수도 많은 매개변수에 의존한다. 즉, 개별적인 시트의 두께, 그 구조, 개별적인 채널의 횡단면적 및 재료의 선택이 영향을 준다. 약 0.03 내지 0.12㎜, 특히 0.03 내지 0.06㎜ 두께의 시트가 사용된다. 통상적인 재료는 크롬과 알루미늄 성분을 갖는 강판이다. 전기로 가열되는 촉매장치용 지지체의 여러 가지 변형이 본 발명에 포함된다. 상기 변형에서는 촉매장치용 지지체를 통한 적어도 하나의 전류통로가 0.03 내지 2Ω 사이의 전기저항을 갖도록 촉매장치용 지지체를 갭 및/혹은 전기적으로 절연 중간층에 의해 세분하는 것, 그리고 그 재킷튜브로부터 분리하는 것이 공통적이다. 이 범위의 저항은 통상적인 12V용 설비에서 특히 전기 가열하는데 적당하다. 이 경우 전류 세기가 높은 면 도선에 현저한 손실이 야기될 수 있으므로 촉매장치용 지지체 자체에는 가급적 더 낮은 전압, 예컨대 10볼트의 전압이 인가되어야 한다는 것을 고려해야 한다.
자동차내에 전기로 가열되는 다수의 촉매장치가 설치된 경우, 전기접속의 여러 변형이 가능하다. 높은 저항을 갖는 개개의 지지체들을 병렬로 접속시키거나 비교적 낮은 전기저항을 갖는 지지체들을 직렬 접속시킬 수 있다. 가열전력이 작동상태에 따라 변화되어야만 하는 경우에는 시간에 따라 병렬접속에서 직렬접속으로 전환할 수 있다.
통상적으로 사용되는 약 0.03 내지 0.06㎜ 두께의 고온 내부식성 시트는 촉매장치용 지지체의 형성에 필요한 전체 길이상에 전기가열에 대한 너무 높은 저항을 가질 것이다. 모든 구조화된 시트가 접하거나 접합 기술에 의해 결합되어 있는 촉매장치용 지지체는 12볼트로 전기가열하는데 대한 너무 낮은 저항을 가질 것이다. 결과적으로 촉매장치용 지지체는 그 전체 체적에 의존해서 길이 및 전도율의 적합한 상호작용이 이루어지는 전류통로가 발생되도록 세분되어야 한다. 이 경우, 예를 들면 각각 4개 이상의 병렬 접속된 시트층으로 구성되는, 바람직하게는 8 내지 12개의 시트층으로 구성되는, 전기적으로 차례로 도달되는 부분으로 횡단면을 세분하는 것도 가능하다.
또한, 전기적으로 직렬로 접속되어 있는, 축 방향으로 차례로 놓인 층으로 촉매장치용 지지체를 세분하는 것도 가능하다. 실시예로 상세히 설명되는 바와 같이, 상기의 2가지 가능성을 조합해서 사용할 수도 있다.
전기로 가열되는 촉매장치용 지지체를 재킷튜브내에 넣으면 몇가지 특성이 얻어지며, 이 경우에는 적어도 촉매장치용 지지체의 일부가 재킷튜브로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 또한, 도선에도 적합한 절연이 이루어져야 한다. 그러나, 이것은 예컨대 반원셀로 조합된 재킷튜브를 사용하면 큰 문제가 없다. 이 경우 촉매장치용 지지체와 재킷튜브 사이의 절연이 동시에 열적 그리고 전기적 절연 작용을 할 수 있어 특히 바람직하다.
또한, 본 발명은 특수한 사용을 위한 몇가지 세부사항의 문제 해결에 관한 것이다. 도면에서 더 자세하게 설명되는 것처럼, 벌집형 본체의 하나의 전면 혹은 양 전면에서 연결대를 설치하는 것은 벌집형 본체에 전류밀도를 균일하게 분배하기 위해 중요하다. 가열되는 벌집형 본체 및 그의 재킷 튜브 사이에 예상되는 상대팽창이 예상되는 경우, 필요에 따라서 도선은 상기 팽창을 보상하기 위하여 탄력성을 가져야만 한다. 이러한 도선은 경우에 따라서 50 내지 400A의 전류세기에 대해 설계되어야만 한다.
벌집형 본체의 높은 축방향의 기계적 하중이 예상되는 경우, 형태 끼워맞춤 결합에 의해 서로 전기절연된 시트층의 축방향 밀림을 저지하는 것은 매우 중요하다. 공지된 바와 같이, 세라믹으로 된 절연층은 인장에 대해 심하지 않은 하중을 받는다. 여기서 형태 끼워맞춤 결합부는 발생되어진 힘들을 수용하는 것을 돕는다. 특히, 형태 끼워맞춤 결합부가 절연층의 두께보다도 큰 깊이를 가지면, 축방향의 힘들은 주로 이부분에서 세라믹으로 된 중간층의 인장하중이 아니라 압력하중을 발생시킨다.
적어도 부분적으로 그 재킷 및 지지부에 대해 절연되며 촉매 활성 코팅이 제공된 전도성 촉매장치용 지지체, 특히 전술한 지지체 또는 예컨대 분말 금속으로 제조된 다른 지지체가 내연기관의 배기 시스템내에 설치되면, 상기 지지체의 저항을 전체적으로 또는 부분 영역에서 측정하여 촉매장치 배기 시스템을 감시 및/또는 조절하는데 적용시킴으로써 상기 지지체가 감시될 수 있다. 온도가 상승하면 벌집형 본체의 전기저항도 상승한다. 이것이 전기 가열의 감시 및 조절에 이용될 수 있다. 전압이 일정하게 인가될 때 촉매장치용 지지체에 공급되는 가열전력이 강하하는 효과와 더불어 전기저항이 예정된 한계치를 미달할 때 가열과정이 종료될 수 있다. 예컨데, 차량의 정지시 촉매장치의 작동온도가 촉매반응의 점화온도 이하로 떨어지면, 저항 측정에 의해 촉매장치의 재가열이 시작될 수 있다. 이 경우 가열회로가 주기적으로 단시간 동안 접속되고, 공급된 가열 전력 또는 상기 가열 전력에 비례하는 값이 측정되므로 전기회로 자체가 저항 측정에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.
제 1 도는 스타트 촉매장치 및 주촉매장치에 대한 여러 위치를 표시한 자동차의 2분기 배기 시스템의 일부를 나타낸 개략도.
제 2 도는 전기로 가열되는 촉매장치의 기본 회로도.
제 3 도는 원판별로 가열되는 촉매장치의 기본 회로도.
제 4 도는 작동 시작 후 시간에 따른 자동차의 배기 및 촉매장치 시스템내의 온도변화를 나타낸 다이어그램.
제 5 도는 우곡형 촉매장치용 지지체의 개략도.
제 6 도는 U형 시트층 및 상응하는 전류통로를 가진 촉매장치용 지지체의 개략도.
제 7 도는 축소부를 가진 시트 집적체를 나타낸 개략도.
제 8 도는 제 7 도의 시트 집적체로 제조된 우곡형 촉매장치의 개략도.
제 9 도는 재킷튜브에 대한 시트 집적체의 절연을 명확히 나타낸 제 8 도의 부분도.
제 10 도는 절연 중간층을 가진, 엇갈리게 짜맞춰진 시트 접적체(S형)로 된 전기로 가열되는 촉매장치용 지지체의 개략도.
제 11 도는 제 10 도의 촉매장치용 지지체로 조합된 다수원판 촉매장치 및 전기접속을 나타낸 개략도.
제 12 도는 재킷튜브를 가진, 엇갈리게 짜맞춰진 시트로 된 또다른 촉매장치용 지지체 및 전기접속을 나타낸 개략도.
제 13 도는 제 12 도에 따른 2개의 원판으로 구성된 측매장치용 지지 체의 종단면도.
제 14 도는 전도성 촉매장치용 지지체의 삽입구조를 나타낸 개략도.
제 15 도 및 16 도는 전면의 연결대에 대한 서로 다른 변형예
제 17 도는 2개의 시트층 사이의 전기절연된 형태 끼워맞춤 결합부를 나타낸 단면도.
제 1 도에는 자동차의 2분기 배기 시스템의 일부가 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 하기 설명에서는 차례로 장치(10b,11b,12b,15b,16b,17b,18b,19b)로 이루어진 하나의 분기로 형성된 장치로 다룬다. 배기 시스템에서 배출가스는 모터 배출관(10a,10b)을 통해 람다-센서(14: Lambda-Sensor)가 설치되어 있는 혼합구간(13)으로 안내된다. 상기 흔합구간(13)으로부터 배기관(15a,15b)을 통해 주촉매장치(17a,17b,18a,18b)로 안내되고, 상기 주촉매장치로부터 배기관(19a,19b)으로 안내된다. 주촉매장치가 단지 하나의 본체로 구성되든지 또는 도시되어 있는 바와 같이 2개의 본체로 구성되는지의 여부는 모터의 크기 및 출력에 의존한다. 제 1도에는 전기적으로 가열되는 촉매장치에 대한 3개의 가능한 위치가 표시되어 있다. 위치 1은 도면부호 11a, 11b로, 위치 2는 도면부호 12a, 12b로 그리고 위치 3은 도면보호 16a, 16b로 표시되어 있다. 상기 위치의 장단점을 다음에 상세히 설명한다. 물론 2개 또는 이들 위치 모두가 가열된 촉매장치를 설치하는 조합 형태도 가능하다. 또한, 스타트 촉매장치가 필요없는 경우에는 더 높은 전력을 필요로 하는 주촉매장치(17a,17b,18a,18b) 자체가 전기로 가열될 수 있다. 위치 1은 스타트 촉매장치가 통상적으로 배치되어 있는 배치장소이며, 촉매장치가 모터 근처에 있기 때문에 급속히 가열되고, 따라서 너무 일찍 반응하며 높은 열교체 부하를 견디어야 한다. 전기가열에 의해 상기 위치에서의 반응상태가 개선될 수 있지만, 시동직후 배출가스는 주촉매장치까지 도달하기 전에 다시 냉각될 수 있으므로 단지 제한된 범위내에서만 주촉매변환기의 반응 상태가 개선된다.
위치 2는 한편으로는 모터로부터 약간 더 떨어져 있기 때문에 촉매장치용 지지체의 열 교체부하가 줄어들며, 다른 한편으로는 주촉매장치에 더 가까이 있기 때문에 그 반응상태가 더 좋아진다. 부가적으로 위치 2는 너무 일찍 반응하는 촉매장치가 람다-센서(14)의 반응 상태를 개선시키는 장점을 가진다.
위치 3은 스타트 촉매장치(16a,16b)의 반응에 의해 주촉매장치(17a,17b,18a,18b)의 반응을 급속히 가속시키는데 유리하다. 모터로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 이 위치에서의 스타트 촉매장치는 가열에도 불구하고 늦게 반응한다.
표시된 각각의 위치에서 스타트 촉매장치, 특히 전기로 가열되는 스타트 촉매장치는 어떤 위치 또는 상기 위치들의 어떤 조합이 특히 유리한지가 개별적인 조건에 의존한다. 이 경우 주촉매장치용 지지체가 세라믹 지지체 또는 금속 지지체인지는 중요하지 않다.
제 2 도 및 제 3 도에는 전기로 가열되는 촉매장치에 대한 기본회로가 개략적으로 도시되어 있다. 제 2도에서 가열되는 촉매장치(24)는 전원(20)으로부터 스위치(23)를 통해 전류를 공급받는다. 전원(20)은 부호 +/-/∼로 표시되어 있으며, 배터리로부터 직류가 공급되든지 또는 발전기로부터 교류가 공급되는지는 본 발명에서 중요하지 않다. 일반적으로 일정한 작동상태에 도달한 후에는 촉매변환기의 부가적인 전기가열이 더 이상 필요없기 때문에 스위치(23)가 타임 릴레이(21) 및 점화 로크(22)와 연결되어 있다. 제 2도에 도시된 장치에 의해 본 발명의 중요한 문제인, 촉매장치(24)의 실제(즉, 온도에 의존하는) 저항 R(T)을 추론하는 것이 가능해진다. 가장 간단하게는 전압측정기(25) 및 (26)에 전류측정기에 의해 저항 R이
Figure kpo00001
(U 전압, I 전류)로부터 구해질 수 있으며, 경우에 따라서 전압이 일정하고 공지된 것으로 전제될 수도 있다. 저항 R은 촉매장치용 지지체의 온도 TK에 정비례한다. 따라서, 일정한 전류 Imin에 미달되면, 즉, 충분히 높은 온도 TK에 도달되면, 가열과정을 끝나게 함으로써 가열과정의 자체 조절이 가능해진다. 또한, 가열 전류를 균일하게 단시간동안 공급하고 측정함으로써(또는 다른 저항측정 시스템에 의해) 촉매장치의 온도 TK가 촉매변환에 대한 점화온도 TZ을 초과하는지를판단하는 것도 가능하다. 만약 초과하지 않으면, 촉매장치가 재차 전기로 가열될 수 있다. 또한 저항의 신속한 상승에 의해 발열촉매 반응이 일어나기 때문에, 촉매장치의 저항 R의 시간에 따른 변화를 기록함으로써(자동차 자체내에서 또는 공장 연구실에서) 촉매장치의 작용력을 추측할 수 있다. 자동차내의 표시장치, 예를 들면 녹색램프로 쉽게 구현할 수 있다.
제 3도에서는 전기로 가열되는 촉매장치는 전원(30)으로부터 스위치(33)를 통해 전류를 공급받으며, 상기 스위치(33)는 타임 릴레이(31)를 통해 점화 로크(32)에 접속되어 있다. 그러나, 이 실시 예에서는 촉매장치가 개별적으로 가열되는 다수의 부분 영역(34,35,36,37)으로 구성되며, 이 부분 영역들에서 먼저 제 1 부분 영역(34)이 개별적으로 높은 전류로 가열될 수 있고, 나중에 바람직하게는 직렬접속된 다른 부분 영역(35,36,37)이 가열된다.
제 4도를 참고로 상세히 설명되는 바와 같이, 전기로 가열되는 촉매 장치의 작동시 여러 가지 선택적인 시스템이 사용될 수 있다. 제 4도의 다이어그램에서는 횡좌표상의 시간 t에 대한 온도 T가 종좌표상에 도시되어 있다. 통상의 촉매장치의 점화온도, 예컨대 약 350℃는 Tz으로 표시되어 있고, 점화시점, 즉 촉매반응이 중요한 범위에 놓이는 시점은 tZ으로 표시되어 있다. 곡선 TA은 모터의 시동후 시간에 따라 촉매장치 앞의 배출가스 온도가 변화하는 과정을 나타낸다. 점선 TK1은 전기로 가열되는 촉매장치용 지지체내의 온도변화 과정을 나타낸다. 촉매장치용 지지체에 대한 가열전력을 그 온도 TK1가 항상 배출가스 온도 TA보다 약간 높도록 선택하면 촉매장치용 지지체를 가열하기 위한 열을 배출가스에 빼앗기는 것이 방지된다. 전력으로 배출가스 자체를 가열할 수는 없지만 냉각은 방지된다. 이 작동방식에서 촉매장치의 세라믹 및 촉매활성 부분은 외부로부터 배출가스에 의해 그리고 내부로부터 촉매장치용 지지체에 의해 동시에 가열되기 때문에 온도 TZ에 보다 빨리 도달되며, 이 온도 TZ에서는 (발열)반응이 이루어져 저절로 부가의 가열이 제공된다. 촉매장치를 가열하기 위한 전력이 임의로 높게 처리될 수 없기 때문에 제 3 도의 회로에 따라 발열반응을 가급적 신속히 일으 키기 위해, 먼저 단지 하나의 부분 영역, 예컨대 약 3.5 내지 6㎝의 축방향 높이를 가진 촉매장치의 최전방 플레이트를 가열할 필요가 있다. 상기 플레이트에 대한 가능한 온도변화 과정은 제 4도에 일점쇄선(TK2)으로 표시되어 있다. 이 경우 작은 부분 영역에 제한된 높은 단락 전류로 온도가 급속히, 예컨대 600℃로 상승된 다음 촉매장치의 다른 부분 영역의 가열로 전환된다. 이로 인해 제 1 플레이트가 다시 약간 냉각되기는 하지만 예열이 충분하면 점화온도 이하로 떨어지지 않기 때문에 배출가스와의 발열반응이 일어나고, 이것은 재차 후속 부분 영역의 반응상태에 유리하게 작용한다. 곡선 TK3은 모터시동전에 예열된 촉매장치용 지지체의 온도변화를 나타낸다. 시점 tv에서의 예열 시작으로부터 시동시점 Ts까지 온도가 급상승하여 점화온도 Tz위로 상승하며, 더이상 점화온도 이하로 떨어지지 않는다.
여기서 촉매장치의 전기가열에 대한 몇가지 기본원리를 설명한다.
이 경우에는 다음 사항을 주의해야 한다 :
a) 촉매장치가 모터의 시동전에 예열되어야 하는 경우에는 너무 긴 대기시간이 발생하지 않으면서 배터리에 너무 많은 부하가 걸리지 않도록 촉매장치의 전력소비가 설정되어야 한다. 의도하는 바에 따라 전류소비가 (12볼트 시스템에서) 약 40 내지 400A로 설정되면, 배터리에 너무 많은 부하가 걸리지 않으면서 촉매장치의 반응에 명확히 영향을 줄 수 있다.
b) 촉매장치가 모터 시동후에 가열되는 경우에는 비교적 높은 전력이 공급될 수 있지만 전동기의 허용부하 및 필요한 케이블링의 범위에서의 최대 전류 크기가 고려되어야 한다. 특히 전기장치의 화재 위험에 대한 면을 주의해야 한다.
상기 사실은 12볼트 전압으로 작동되는 전기장치에서 촉매장치 또는 개별적인 촉매장치 영역의 전기가열을 위해 약 5 내지 50 암페어의 전류가 이용될 수 있다는 것을 전제로 한다. 이것은 앞에서 이미 설명한 바와 같이 촉매장치의 가열에 가열되는 전류통로의 전기저항이 일정한 값을 초과하거나 미달하지 않아야 한다는 것을 의미한다. 다수의 시트층으로 형성된 촉매 장치용 지지체에서 저항 R은 하기식에 의해 얻어진다 :
Figure kpo00002
상기 식에서,
ρ = 고유저항
L = 층 길이(경우에 따라 평탄한 시트 및 파형시트에 대해 서로 다르다),
b = 시트 두께,
h = 시트 높이
z = 층수
촉매장치가 높이 h를 가진 n개의 촉매장치 플레이트로 형성되면, 직렬회로에서의 저항은 n을 곱해야 한다.
도체내에서 전류 I에 의해 발생되는 열은 하기식에 의해 얻어진다.
Q = U·I·t = I2·R
상기 식에서,
Q = 열량,
U = 전압,
I = 전류,
t = 시간,
R = 저항,
지지체를 온도 T로 가열하기 위해 필요한 열량은 하기식에 의해 얻어진다.
Q = c·m·△T
상기 식에서,
c = 비열,
m = 질량,
△T = 온도차,
상기 식으로부터 전기저항 가열에 의한 가열 시간
Figure kpo00003
을 구할 수 있다. 모터의 페열에 의해 촉매장치에 공급된 열량을 포함한 실제적인 가열시간은 훨씬 더 짧다. 경험에 따르면 약 1/2tel이다.
다음에 설명되는 본 발명의 실시예는 금속시트로 된 촉매장치용 지지체를 전기가열에 적합한 저항을 가진 전류통로(current paths)가 발생하도록 형성하는 여러 가지 가능성을 나타낸다. 본 발명은 이 실시예에 국한되지 않으며 당업자에 의한 변형 및 선행기술에 따른 유사한 실시예를 포함한다.
특히 시트층이 평형시트와 파형시트가 교대로 배열된 시트층일 필요가 없으며, 선행기술에서 공지된 여러 가지 변형과 같은 다른 형태의 구조를 가진 시트가 사용될 수 있다.
제 5도에는 우곡형 촉매장치용 지지체(50)가 도시되어 있으며, 이 촉매장치용 지지체(50)는 아코디언 형상으로 접혀진 부분(57)을 가진, 금속 구조체를 형성하는 평형시트(51) 및 파형시트(52)의 집적체로 구성된다. 본 실시예에서는 집적체는 4개의 파형시트(52) 및 3개의 평형시트(51)로 형성되며, 집적체의 상부면 및 하부면은 파형시트로 형성된다. 우곡형 루프 사이에는 각각 전기절연 중간층(58)이 배열되어 있으며, 상기 중간층(58)은 각각의 우곡형 루프 사이의 직접적인 전기접촉을 방지한다. 집적체의 단부에서의 시트는 각각 서로 도통되게 접속되어 있으며, 인입선(53) 및 인출선(54) 또는 그것에 적합한 접속부가 설치되어 있다. 지지체 전체는 하우징 또는 재킷튜브(55)내에 설치되어 있다. 전면에 아코디언 형상으로 접혀진 부분(57)은 점선으로 표시된 가장자리 커버링(56a,56b)을 가지며, 상기 커버링은 한편으로는 아코디언 형상으로 접혀진 부분(57) 및 하우징(55) 사이의 원하지 않는 전류를 방지하고, 다른 한편으로는 우곡형 루프 및 절연 중간층(58)을 고정 시킨다. 상기 장치의 저항은 시트 집적체내의 시트수에 의해 변경될 수 있다. 또한, 상기 방식의 배열로 직사각형이 아닌 단면을 채울 있다.
제 6도에는 U형으로 휘어져 있으며, 그 단부가 지지벽(65,66,69)에 고정되어 있는 평형시트(61) 및 파형시트(62)를 가진 공지된 촉매장치의 배열이 예시되어 있다. 본 발명에 따라 상기 장치가 절연 중간층(68)에 의해, 그리고 전도성 부분(65,66) 및 전기절연 부분(69)으로 된 지지벽(65,66,69)의 세분에 의해 적합한 저항을 가진 전류 통로가 얻어지도록 세분된다. 화살표로 도시된 바와 같이 전류는 차례로 U형의 서로 인접한 시트의 여러 그룹을 통해 흐르며, 이때 지지벽의 전도성 부분은 각각 바로 다음 그룹에 대한 접속을 발생시킨다. 지지체의 내부에 있는 지지벽이 맞은편 전도성 부분을 관통하는 전기접속부(67)를 가지므로 지지벽(69)의 양측면상에 놓인 U형 시트 그룹에 전류가 공급된다. 본 실시 예에서 인출선(54)은 인입선(63) 근처에 놓인다. 전체 촉매장치용 지지체(60)는 경우에 따라 도시되지 않은 재킷튜브 내에 설치되어야 하고, 상기 재킷튜브에 대해 가장 바깥의 시트가 경우에 따라 절연되어야 하며, 상기 재킷튜브에 의해 인입선(63) 및 인출선(64)이 경우에 따라 절연되어야 한다
본 발명의 다른 실시예가 제 7 도, 제 8 도 및 제 9 도에 도시되어 있다. 제 7 도에는 매우 길게 형성된 시트 집적체(70)의 일부가 도시되어 있으며, 상기 시트 집적체(70)는 적어도 부분적으로 평형시트(71) 및 파형시트(72)로 구성된다. 상기 시트 집적체는 간격을 두고 축소부(73)를 가진다
이런 축소부는 파형시트(72)의 파형을 부분적으로 없애거나 원하는 부분의 시트 집적체를 함께 압착함으로써 형성될 수 있다. 예를 들면, 먼저 축소부 없이 상기 시트 집적체를 제조하여 평형시트(71)와 파형시트(72) 사이의 접촉 부분을 납땜한 다음 축소부를 함께 압착하는 것도 가능하다. 이렇게 형성된 시트 집적체로부터 제 8 도에 도시된 바와 같이 촉매장치용 지지체(80)가 층을 이루게 될 수 있다. 원칙적으로 다시 우곡형 층이 이루어지지만 다만 여기서는 아코디언 형상으로 접혀진 부분이 시트 집적체(70)의 축소부(73)로 형성된다. 이 방식에 의해 소정의 횡단면 형태가 보다 쉽게 형성될 수 있고 불균일하게 형성되는 가장자리 부분이 줄어들게 된다. 집적체의 평형시트(81) 및 파형시트(82)는 단부가 도통되도록 접속되고 인입선(83) 또는 인출선(84)내로 뻗어 있으며, 상기 인입선(83) 또는 인출선(84)은 절연부(85,86) 및 몸체를 둘러싸고 있는 재킷튜브를 통해 안내된다. 하나의 우곡형 루프 및 집적체의 외부면은 절연층(88)에 의해 서로 분리되고 재킷튜브로부터 전기적으로 분리된다. 재킷튜브에 대한 절연의 일례를 나타내기 위해 제 9 도에는 제 8 도의 IX 부분이 확대되어 도시되어 있다. 재킷튜브(90)는 예를 들면 포킷(93)을 가질 수 있고, 이 포킷내에는 세라믹판(98)이 삽입되어 있고, 경우에 따라 그 부분이 납땜되어 있다. 상기 세라믹판(98)은 평형시트(91) 및 파형시트(92)로 이루어진 집적체를 재킷튜브(90)로부터 간격을 유지시키고, 이로 인해 전기절연 및 열절연이 얻어진다. 물론 절 연재로서 세라믹 섬유매트 또는 그 밖의 세라믹 재료도 고려될 수 있다.
제 10도에는 본 발명의 또다른 바람직한 실시예, 즉 평형시트(101) 및 파형시트(102)와 집적체가 엇갈리게 짜맞춰진 공지된 촉매장치용 지지체(110)가 도시되어 있다. 촉매장치용 지지체의 이러한 구조는 공지되어 있으며 종종 S형이라고 불린다. 이 실시예에서는 집적체의 상부면 및 하부면에 절연층(108) 또는 절연코팅이 제공될 수 있는 가능성이 주어지며, 이로 인해 집적체를 엇갈리게 짜맞추는 경우 화살표로 도시된 바와 같이 비교적 긴 전류통로가 형성된다. 그 길이는 촉매장치용 지지체의 직경에 대한 초기 집적체의 높이의 비율에 의존한다. 시트(101,102)의 단부가 서로 절연되어 전기적으로 도통되는 반원셀(105,106)에 고정되어 있는 경우 상기 반원셀에 인입선(103) 및 인출선(104)이 설치될 수 있다. 이것을 위해 반원셀(105,106)은 예를 들면 절연부(107)에 의해 서로 분리되어야 하며, 이 경우 절연층(108)은 직접 상기 절연부(107)의 영역으로 뻗어있어야 한다. 전체 장치는 통상적으로 전기적으로 절연되어 도시되어 있지 않은 재킷튜브내에 놓여지며, 상기 재킷튜브를 통해 인입선(10) 및 인출선(104)이 절연되어 안내된다. 일반적으로 실제의 모든 실시 예에서 자동차의 하우징 및 접지로의 전도성 접속이 잘 이루어진 경우에는 인출선이 생략될 수 있다. 더욱이, 엇갈리게 짜맞춰진 시트로 공지된 방식으로 많은 횡단면이 형성될 수 있으므로, 이 실시예에서 도시한 등근 횡단면에 국한되지는 않는다.
제 10 도에 따라 형성된 전기적으로 가열되는 촉매장치용 지지체의 얻어질 수 있는 전기저항이 소정의 축방향 길이를 고려해 볼 때 충분히 크지 않으면, 예컨대 제 11 도에 따라 다수의 원판을 차례로 함께 연결할 수 있다. 도시된 실시 예에는 제 10 도에 따라 형성된, 높이 h를 가진 원판(100) 4개가 차례로 접속되어 있으며, 여기서 각 원판의 직렬접속은 각각 2개의 원판을 포함하는 반원통(116)으로 표시되어 있다. 전체 지지체는 인입선(113)을 가지며, 각각 단락 스위치(115a,l15b,115c)를 통해 접속되거나 차단될 수 있는 4개까지의 인출선(104)을 가진다. 각각의 원판(100) 사이의 갭(118)은 축방향의 전기절연을 위해 마련되며, 전체 지지체는 재차 전기적으로 절연되어 도시되어 있지 않은 재킷튜브내에 넣어질 수 있다. 상기 장치를 개략적으로 도시한 전기회로는 다음과 같이 작동될 수 있다 :
처음에는 스위치(115a)만을 페쇄함으로써 배출가스 흐름방향에서 보아 최전방의 원판(100)에 매우 높은, 원판저항에 상응하는 전류가 공급된다.
따라서, 상기 원판은 제 4도의 Tk2의 좌측에 따라서 급속히 가열된다. 일정한 시간간격이 지난 후, 예컨대 10초 후에 스위치(115a)가 개방될 수 있으므로 스위치(l15b,115c)의 개방과 더불어 전체 원판은 부가의 가열을 위해 인자 4만큼 더 적은 가열전류를 얻는다. 원판마다 점점 감소하는 전력으로 촉매장치를 가열하기 위해, 일정한 시간간격 내에 차례로 스위치(115a,l15b) 및 (115c)을 개별적으로 개방하는 것도 가능하다. 이것은 촉매를 빨리 개시시킬 수 있으며, 동시에 단시간에 전류 소비를 높일 수 있다.
제 12도 및 13도에는 S형의, 전기적으로 가열되는 촉매장치용 지지체의 휭단면도(제 12 도) 및 종단면도(제 13 도)가 재차 도시되어 있다. 제 12 도에는 제 10 도에 따라 엇갈리게 짜맞춰진 평형시트(121) 및 파형시트(122)로 이루어진 촉매장치용 지지체(120)와 더불어 재킷 튜브(127a,127b)내에 고정된 시스템 및 접속부가 도시되어 있다. 재킷튜브는 2개의 반원셀(127a,127b)로 구성되며, 상기 셀들은 세라믹 절연부(129,130)에 의해 전기적으로 서로 분리되어 있다. 상기 반원쎌(127a,f27b)내에는 이것으로부터 전기적으로 절연된 또다른 반원셀(125,126)이 형성되어 있고, 이 반원셀은 인입선(123) 또는 인출선(124)에 접속되어 있다. 절연층(128)은 제 10도의 것에 상응한다. 인입선(123) 및 인출선(124)은 세라믹부(129)를 통해 외부로 안내된다. 제 13도에 나타나 있는 바와 같이, 예를 들면 2개의 상기 촉매장치용 지지체(120a,120b)가 차례로 그리고 전기적으로 직렬로 접속되어 재킷튜브 내에 넣어질 수 있다.
제 14도에는 전류 1가 축 방향으로, 경우에 따라서는 우곡형으로 흐르는 (화살표 참조) 촉매장치용 지지체(140)와 그것이 들어있는 재킷튜브(종단면이 도시됨)의 실시예가 도시되어 있다. 촉매장치용 지지체(140)의 한 단부는 예를 들면 금속링(142)을 통해 잘 도통되도록 재킷튜브에 접속되어 있다. 다른 단부는 전기절연된 스페이서(148)에 의해 재킷튜브(141)로부터 분 리되어 있다. 상기 한 단부 또는 2개의 단부는 고전류 I을 촉매장치용 지지체(140)내로 균일하게 도류시키는데 유리한, 전도율이 좋은 연결대(146)를 가진다. 상기 연결대(146)는 일부가, 예를 들면 약 3-10㎜가 촉매장치용 지지체(140)내로 축방향으로 돌출해 있으며, 지지체의 시트와 잘 도통되도록 접속되어 있다. 바람직하게는 경질 납땜된다. 연결대(146)에는 인입선(143)이 잘 도통되도록 고정되어 있으며, 인입선(143)은 절연도관(145)에 의해 재킷튜 브(141)를 통해 외부로 안내된다. 인입선(143)은 탄성적으로 변형가능한 부분(144)을 가지며, 상기 부분은 재킷튜브(141)에 대한 촉매장치용 지지체(140)의 종방향 열팽창을 보상할 수 있다. 인입선(143,144)은 예를 들면 고온 내부식성 물질로 이루어진 휘어진 두꺼운 스트립으로 형성될 수 있다.
제 15 도 및 16 도에는 촉매장치용 지지체의 전면내로 연결대를 끼워 넣는데 대한 여러 가지 실시예가 도시되어 있다. 평형시트(151) 및 파형시트(152)로 감겨진 제 15도의 촉매장치용 지지체(150)에서는 곧은 연결대(156)가 전면내의 상응하는 슬롯내로 삽입되어 있다. 제 16도에는 거의 S형의 시트(161,162)로 된 촉매장치용 지지체(160)의 전면이 도시되어 있다. 상기의 S형 촉매장치용 지지체는 예를 들면 연결대(166)를 시트 집적체내에 삽입하고 시트 집적체의 단부를 짜 맞춤으로써 형성된다.
제 17도에는 전기적으로 서로 절연된 2개의 시트(171,172)로 된 형태 끼워맞춤 결합부(173)가 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 형태 끼워맞춤 결합부는 화살표로 표시된 축방향 힘을 수용할 수 있다. 도면에는 상기 형태 끼워맞춤 결합부(173)의 부분에서의 서로 접촉하는 2개의 시트(171,172)의 종단면이 도시되어 있다. 상기 형태 끼워맞춤 결합부는 예를 들면 촉매 장치용 지지체의 길이방향에 대해 거의 횡으로 형성된 홈에 의해 또는 비딩에 의해 형성할 수 있다. 예컨대, 세라믹 물질로 이루어진 절연층(178)은 2개의 시트(171,172)를 서로 분리시킨다. 상기 홈 또는 비딩의 깊이 d가 절연층(178)의 두께보다 크면, 형태 끼워맞춤 결합부(173)에 축방향 하중이 걸릴 때 상기 층은 인장하중이 걸리는 것이 아니라 압축하중이 걸리므로 축방향에서 결합부의 높은 강도가 얻어진다.
본 발명 및 상기 실시예는 기본적으로 스타트 촉매장치의 전기가열뿐만 아니라 전력이 충분히 이용될 수 있는 경우 주촉매장치의 가열에도 적합하다. 각각 주어지는 사정 및 치수에 따라 다수의 촉매 장치용 지지체를 병렬로 또는 직렬로 접속하는 것이 가능하다. 모터의 가동시 및 발전기에 의한 전류발생시 촉매장치가 교류에 의해 직접 가열될 수 있으며, 따라서 필요한 전체 전력이 먼저 정류될 필요가 없다. 자동차의 다른 전기장치와는 달리 촉매장치용 지지체가 전압편차에 대해 민감하지 않으므로 경우에 따라 불규칙한 부가의 전압이 공급될 수도 있다. 본 발명에 따른 전기로 가열되는 촉매장치용 지지체는 자동차의 콜드 스타트 단계에서 배출가스에 대한 규제가 엄격할 때 유해물질의 배출을 줄이는데 적합하다. 전술한 벌집형 본체의 주용도는 자동차 촉매장치이지만 예를 들면 유동액의 가열기 또는 기화기 등으로 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 축방향 길이를 가지는 전도성 벌집형 본체(50; 60; 80; 110; 120; 140; 150; 160)와, 축방향으로 유체가 흐를 수 있는 다수의 채널을 형성하며, 0.03 내지 0.12㎜의 두께를 가지고 상기 채널내의 촉매활성면을 형성하는 벽을 가지는 금속 구조체(51,52; 61,62; 71,72; 81,82; 91,92; 101,102; 121,122; 151,152; 161,162; 171,172)와, 상기 벌집형 본체를 부분적으로 전기적으로 세분하고 상기 금속 구조체를 통해 0.03 내지 2Ω 사이의 전기저항을 가지는 전기통로를 형성하기 위해 상기 벌집형 본체내에 배치된 절연수단(58; 68: 88; 98; 108; 128; 148; 178)을 포함하는 것을 특징으로 하는 벌집형 본체 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연수단은 상기 금속 구조체 사이에 배치된 갭(118) 또는 중간층(58: 68: 88: 98: 108: 128: 148; 178)의 형태인 것을 특징으로 하는 벌집형 본체 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 벌집형 본체(60: 80; 110)는 축방향으로 서로 이격된 부재(지지벽(65,65); 축소부(73); 원판(100))로 세분되어 있고, 상기 부재중 원판 사이에는 상기 벌집형 본체의 축방향을 따라서 갭(118)이 형성되어 있고, 상기 갭은 상기 절연수단을 제공하는 것을 특징으로 하는 벌집형 본체 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 구조체는 평행시트와 파형시트 층을 교대로 집적한 시트 금속층(51,52; 61,62; 71,72; 81,82; 91,92; 101,102; 121,122; 151,152; 161,162; 171,172)인 것을 특징으로 하는 벌집형 본체 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전기저항이 0.1과 1Ω 사이인 것을 특징으로 하는 벌집형 본체 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전기저항이 0.6Ω인 것을 특징으로 하는 벌집형 본체 조립체.
  7. 축방향으로 유체가 흐를 수 있는 다수의 채널을 형성하며, 상기 채널 내의 촉매활성면을 형성하는, 부분적으로 구조화된 고온 내부식성 시트 금속층을 가지는 금속 구조체와, 배출가스 촉매장치용 지지체의 단면을 전기적으로 세분하고, 상기 지지체가 0.03 내지 2Ω 사이의 전기저항을 갖도록 상기 금속 구조체를 통해 하나 이상의 전류통로를 형성하기 위해 상기 금속 구조체내에 배치된 절연 수단을 포함하며, 상기 절연수단은 상기 지지체를 부분적으로 서로 절연된 영역으로 세분하고, 상기 영역은 그룹을 형성하고, 상기 그룹을 전기적으로 직렬로 접속하기 위한 전기 커넥팅 브리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매장치용 지지체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 절연수단은 상기 금속 구조체 사이에 배치된 중간층의 형태인 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매장치용 지지체.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 전기저항이 0.1과 1Ω 사이인 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매장치용 지지체.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전기저항이 0.6Ω인 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매장치용 지지체.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 금속 구조체는 0.03 내지 0.06㎜의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매장치용 지지체.
  12. 축방향으로 유체가 흐를 수 있는 다수의 채널을 형성하며, 상기 채널내의 촉매활성면을 형성하는, 부분적으로 구조화된 고온 내부식성 시트 금속층과, 배출가스 촉매장치용 지지체의 단면을 전기적으로 세분하고, 상기 지지체가 0.03 내지 2Ω 사이의 전기저항을 갖도록 상기 금속 구조체를 통해 하나 이상의 전류통로를 형성하기 위해 상기 금속 구조체내에 배치된 절연 수단을 포함하며, 상기 시트 금속층은 전류가 평행하게 흐르는 최소한 4개의 인접한 시트 금속층으로 된 집적체를 포함하며, 상기 최소한 4개 인접한 시트 금속층으로 된 집적체는 아코디언 형상으로 접혀진 부분으로 하나의 본체를 형성하며, 상기 절연수단은 중간층의 형태인 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매 장치용 지지체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 집적체는 상기 최소한 4개의 인접한 시트 금속층이 서로에 대해서 평평하게 높이는 전환점에서 구부려진 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매장치용 지지체.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 접혀진 부분의 전기저항을 하강하기 위해 상기 접혀진 부분의 영역내에 배치된 보강재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출가스 촉매장치용 지지체.
  15. 축방향으로 유체가 흐를 수 있는 다수의 채널을 형성하며, 상기 채널내의 촉매활성면을 형성하는, 부분적으로 구조화된 고온 내부식성 시트 금속층과, 배출가스 촉매장치용 지지체의 단면을 전기적으로 세분하고, 상기 지지체(60)가 0.03 내지 2Ω 사이의 전기저항을 갖도록 상기 금속 구조체를 통해 하나 이상의 전류통로를 형성하기 위해 상기 금속 구조체내에 배치된 절연수단을 포함하며, 상기 시트 금속층(61,62)은 단부를 가지며 U형 집적체를 형성하고, 상기 집적체는 상기 절연수단(68)에 의해 서로로부터 전기절연되고, 상기 단부가 부착되어 있는 지지벽(65,66,69)을 포함하며, 상기 지지벽은 서로로부터 절연된 다수의 전도성 세그먼트(65,66)를 포함하며, 상기 세그먼트 각각은 상기 집적체와 상기 세그먼트를 통해 직렬 회로를 형성하기 위해서 최소한 2개의 상기 집적체를 전기적으로 접속하는 것을 특징으로 하는 배출 가스 촉매장치용 지지체.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 벌집형 본체가 배치되어 있는 금속 재킷 튜브와, 상기 재킷 튜브내에 배치된 전연 도관(145)과, 상기 절연도관을 통해 상기 재킷 튜브로 50 내지 400A 사이의 전류를 안내하고 상기 연결대(146)에 접속되는데 적합한 인입선(143)을 포함하며, 상기 인입선(143)의 탄성변형 가능한 부분(144)은 고온 내부식성이고 상기 연결대(146)와 상기 절연도관(145) 사이의 상대적인 이동을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 하는 벌집형 본체 조립체.
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