KR100327706B1 - 촉매담체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상교류의 사용에 적합한 촉매담체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서는, 내열합금제의 띠형상의 도전성호일에 물결형상을 부여하고, 그 표면에 절연층과 촉매담지층을 설치한 촉매호일 3개를 각 촉매호일끼리 면접촉하지 않도록 와형으로 감음으로써 3상교류전원에 접속할 수 있도록 한 통전가열 가능한 촉매담체로 하였다.

Description

촉매담체{CATALYST CARRIER}

종래의 촉매장치에 이용되는 촉매담체로서는 단상용(單相用)이나 자동차 배기가스용이 다수 알려져 있다. 그런데 대형 촉매장치, 예를 들면 탈취장치를 형성하고자 하는 경우, 대형기계류에 많이 이용되고 있는 3상교류를 사용하고 싶은 욕구가 생기게 되지만, 본 발명자가 아는 범위내에 있어서는, 종래의 단상용이나 자동차 배기가스용에서는 3상교류의 사용을 고려한 촉매담체는 전혀 알려져 있지 않다. 3상교류를 사용하려면 전원에 대응하는 최저 3개의 촉매호일(foil)이 필요하게 되지만, 단순히 물결형상의 단면(斷面)을 직선적으로 부여한 촉매호일을 감는 것으로는 가스통로용의 다수 채널(channel)을 동일하게 형성하는 것이 어렵다. 또, 자동차 배기가스용의 촉매장치는 구동전원이 12V로 낮은 것을 대상으로 하고 있고, 촉매호일의 절연성이 완전한 장치도 적으므로, 3상교류의 표준공급전원(200V)을 사용하는 것이 썩 알맞는 것이라고는 할 수 없다.

본 발명은 통전가열(通電加熱)이 자유로운 촉매담체에 관한 것이다.

도 1은 본 실시형태에 있어서의 촉매장치를 도시한 사시도,

도 2는 3개의 촉매호일을 와형으로 감고 전극을 배치한 상태를 도시한 사시도,

도 3은 3개의 촉매호일을 편위시킨 상태를 도시한 개략 설명도,

도 4는 스타결선 상태를 도시한 결선도,

도 5는 델타결선을 구성할 때의 촉매호일을 감는 방식을 도시한 개념도,

도 6은 델타결선의 상태를 도시한 결선도.

<도면부호의 설명>

1...촉매장치 2...통상케이스

3, 4, 5...촉매호일 31, 32, 33...촉매호일

7... 센터로드 8, 9, 10...아우터전극

37, 38, 39...전극 15...절연코트

16...절연스토퍼 17...열전대

21...헤링본 형상의 산부 22...헤링본 형상의 골부

C...가스통로형 채널 L...촉매호일의 편위길이

본 발명은 소정의 형상을 부여한 촉매호일 3개을 이용하여, 각 촉매호일끼리 면접촉하지 않도록 와형(渦形)으로 감음으로써 3상교류전원에 접속할 수 있도록 한 통전가열 가능한 촉매담체를 제공하여, 3상교류전원을 사용, 촉매장치의 대형화가 가능하도록 한다.청구항 1에 기재한 발명에서는, 내열성합금제인 띠 형상의 도전성 호일의 표면에 절연층과 촉매담지층을 형성한 촉매호일 3장을, 각각의 긴변을 짧은변 방향으로 약간 편위시킨 상태로 겹치고, 상기 겹쳐진 3장의 촉매호일의 일단쪽을 센터로드에 접속하여, 각 촉매호일이 서로 면접촉하지 않도록 와형으로 감아넣고, 와형의 외주측에 위치하는 각각의 촉매호일 단부와 센터로드를 삼상교류전원에 접속하여 스타결선을 구성하도록 한 것을 특징으로 하는 통전가열 가능한 탈취촉매용 촉매담체로 하였다.띠형상의 메탈호일에 물결형상을 부여하는 것은, 호일 단면(斷面)에 물결형상의 요철(凹凸)이 형성된 상태에서 그 단면형상이 띠형상 호일의 폭방향으로 주기적인 산과 골을 형성한 것을 말하고, 소위 헤링본(herringbone)형상이라고 불리워지는 예각의 산과 골을 주기적으로 되풀이하는 형상을 갖는 것이다. 이와 같은 물결형상이 부여된 3개의 촉매호일을, 각 촉매호일끼리 면접촉하지 않도록 감으면, 접촉하는 촉매호일간의 물결형상이 서로 밀치고 들어가서 겹치는 일이 없고, 거기에 다수의 채널, 즉 가스통로용의 채널이 구성된다. 각 촉매호일이 면접촉하지 않도록 하기 위해서는, 각 촉매호일에 부여된 물결형상에 있어서의 주기적인 산과 골의 위상이 어긋나도록 하여 감음으로써 얻어진다. 예를 들면, 단순히 물결형상의 단면을 직선적으로 부여한 촉매호일, 즉 호일 단면(斷面)에서 물결형상의 요철이 형성되고 그 단면형상이 띠형상 호일의 폭방향으로 직선적으로 형성된 것을 복수로 하여 감는 것만으로는 각 촉매호일에 부여한 물결형상끼리 겹쳐짐으로 인해 가스통로용 채널이 형성되지 않게 된다. 이것을 방지하기 위해서는, 단순히 물결형상의 단면을 직선적으로 부여한 각 촉매호일 사이에 스페이서가 되도록 한 평면상(平面狀)의 호일을 개재시켜 감으면 좋지만, 본 발명에 따르면, 그와 같은 스페이서는 필요없으므로, 감아서 형성할 때 필요한 호일의 갯수를 감소시킬 수 있다.

더욱이, 3상교류를 사용하기 때문에, 단순히 물결형상의 단면을 직선적으로 부여한 촉매호일과 스페이서용 평판상 호일을 포함하는 총 6개의 호일로 촉매담체를 구성하는 경우, 3상교류의 한 회로에 스페이서와 촉매호일 2개가 저항체로서 배선되게 된다. 이것은 다시 말하면 2개의 도전체가 병렬접속된 상태로 생각할 수 있으므로 한 회로에 대한 저항치는 작아진다. 한편, 청구항 1에 기재한 발명에 따르면, 3상교류전원과의 접속에 일반적으로 이용되는 스타결선을 구성할 수 있어, 대형의 촉매장치를 용이하게 형성할 수 있다.

청구항 2에 기재한 발명은, 내열성합금제인 띠 형상의 도전성 호일의 표면에 절연층과 촉매담지층을 형성한 촉매호일 3장을, 각각의 촉매호일에 있어서 양 단부를 무단상(無端狀)이 되도록 서로 접속하여, 정삼각형 형상의 단면을 갖도록 연결된 촉매호일을 형성하고, 각 변을 구성하는 촉매호일의 중앙부를 정삼각형 형상의 중심방향으로 각각 균일하게 끌어당긴 상태로 하여, 그 중심수직방향을 축으로 하여 각 접속부분을 권취한 것인 3장의 촉매호일을 각 촉매호일이 서로 면접촉하지 않도록 와형으로 감아넣고, 와형의 외주측에 위치하는 각 접속부를 삼상교류전원에 접속하여 델타결선을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 통전가열 가능한 탈취촉매용 촉매담체이다. 이와 같이 하면, 3상교류전원과의 접속에서 일반적으로 이용되는 델타결선을 구성할 수 있어 대형의 촉매장치를 용이하게 형성할 수 있을 뿐 아니라, 스타결선의 경우와 같이 센터로드를 필요로 하지 않으므로 촉매담체에 있어서 가스통과용 면적을 크게 할 수 있다. 여기서, 정3각형상 단면의 중심이라는 것은 정3각형상 단면의 무게중심위치를 말하는 것이다.

청구항 3에 기재한 발명은, 청구항 2에 기재된 촉매호일에 있어서, 3장의 촉매호일이 각각의 긴변을 짧은변 방향으로 약간 편위시킨 상태로 와형으로 감아넣은 것을 특징으로 하는 통전가열 가능한 탈취촉매용 촉매담체를 나타낸다. 통전가열용 촉매호일에서는, 촉매호일끼리의 도전을 방지하기 위해 촉매호일의 표면에 절연층을 입히고 있다. 그러나 각 촉매호일의 단부(端部)에는 절연층이 형성되지 않아서 촉매호일을 감을 때 특히 긴변 단부끼리의 단락(短絡)이 발생하는 경우를 생각할 수 있다. 그 때문에 청구항 3에 기재한 발명과 같이 하면 와형으로 감을 때 촉매호일의 각 긴변 단부끼리의 도통(導通)이 생기지 않기 때문에 효율좋은 통전가열을 행할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 한 실시형태에 관하여 설명한다. 도 1에 이 3상교류용 촉매장치(1)의 전체가 도시되어 있다. 통형상(筒形狀)케이스(2) 내에, 와형으로 감는 형상으로 3개의 촉매호일(3, 4, 5)을 겹쳐서 감는 형태로 이루어진 촉매담체(6)가 설치되어 있다.

이 촉매호일(3, 4, 5)은, 내열합금제의 띠형상의 메탈호일에 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 헤링본 형상을 부여한 것으로, 메탈호일로서는 알루미늄을 함유한 스텐레스계의 내열합금재(Fe-20%Cr-5%Al-0.08%La)을 사용한다. 그리고 촉매호일(3, 4, 5)은 헤링본 형상이 부여되는 메탈호일의 전면(全面)에 알루미나위스커(whisker) 의 생성, 절연층의 생성, 와시코트(wash coat)의 도포 및 촉매가 되는 귀금속의 담지를 행한 것이다. 구체적으로는 Fe-20%Cr-5%Al-0.08%La의 두께 약 50㎛의 메탈호일에 900℃×15시간의 분위기중에서 열처리를 행한 표면에 산화알루미늄의 위스커를 형성한 것이다. 이 위스커는 표면에 도포한 와시코트, 결정화 글래스(crystallized glass) 및 귀금속(촉매)등의 밀착강도를 향상시키는 작용을 하는 것이다. 또, 와시코트는 SiO₂95% - ZrO₂5% 의 조성물을 이용하고, 스프레이코터(spray coater)를 사용하여 도포한다. 결정화 글래스는 예를 들면 특개평4-198039호 공보에 개시한 방법으로 입힌다. 더욱이, 촉매 귀금속으로서는 백금을 사용한다.

촉매담체(6)는 폭길이가 균일한 3개의 촉매호일(3, 4, 5)을 3개 겹쳐서 와형으로 감은 형상으로 한 것이다. 그래서 촉매호일(3, 4, 5)의 각 내단(內端)은 센터위치에 배치된 센터로드(7)에 접속되어 있다. 더욱이 촉매호일(3, 4, 5)의 각 외단(外端)에는 각각 아우터전극(outer electrode)(8, 9, 10)이 설치되어 있고, 상기 센터로드(7)와의 사이를 스타(star)결선하고 있다. 스타결선의 상태를 도 4에 도시한다. 11은 3상부하를, 12가 제1상, 13이 제2상, 14가 제3상을 각각 도시한다. 이와 같이 스타결선으로 하기 때문에 전극의 잡는 방법이 간편화되고, 촉매장치 전체 설계가 용이하게 된다.

절연수단으로서 통형상케이스(2)의 내면에는 절연코트(15)가 입혀지고, 위치결정용 좌우 한쌍의 절연 스토퍼(16)가 앞쪽에, 그리고 절연바(bar)(미도시)가 맞은편에 설치되어 있고, 이들 절연코트(15), 절연스토퍼(16), 절연바등으로 절연수단을 구성하고, 이 절연수단을 매개하여 촉매담체(6)가 통형상케이스(2)에 넣어지게 된다. 또 도 1에 있어서 17은 열전대를 나타낸다.

3개의 촉매호일(3, 4, 5)은 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 각 긴변(18)(19)(20)이 짧은변방향으로 길이(L)씩 편위시킨 형상으로 감겨져 있다.

3개의 촉매호일(3, 4, 5)에는 동일 패턴의 헤링본 형상이 부여되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 이 헤링본 형상은 산부(山部)(21)사이에 골부(谷部)(22)가 폭이 넓게 형성되어 있고, 게다가 각 긴변을 약간 짧은변방향으로 편위하여 3개 겹쳐진 상태로 감겨 있으므로, 각 촉매호일(3, 4, 5)끼리는 겹쳐서 감겨질 때, 인접상태의 촉매호일은 서로 간섭하면서 만나므로 그 간격에 가스통로용의 다수의 통형의 채널(C)이 형성되게 된다. 또 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 3개 겹쳐진 것 중의 가운데 촉매호일(24)의 산·골부의 패턴을, 양측에서 끼게되는 촉매호일(23, 25)의 산·골부 패턴과 반전된 것(위상이 반만큼 어긋난 상태)으로 하여, 감기도록 하면, 더 한층 각 촉매호일(23, 24, 25)끼리 밀착하는 것을 방지하게 된다.

다음에 델타결선을 구성할 때의 촉매담체에 관하여 설명한다. 도 5는 델타결선을 구성할 때의 촉매호일을 감는 방식을 도시한 것이다. 먼저 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 폭길이가 균일한 3개의 촉매호일(31, 32, 33)에 있어서 짧은변측의 각 측단부(側端部)를 각각 접속하여, 촉매호일 단부(斷部)방향에서 보는 경우에 거의 정3각형상 단면이 되도록 무단상으로 연결한다. 그리고, 이 정3각형의 각 변을 구성하는 각 촉매호일(31, 32, 33)의 긴변 중앙부분을 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 정3각형의 중심(무게중심)(P)방향으로 균일하게 끌어 당기고, 중심(P)을 통한 수직축에 대하여 각 접속부(34, 35, 36)를 화살표(X)방향으로 각각 돌려 감게 함으로써 와형으로 형성된다. 더욱이 와형으로 형성된 촉매담체의 접속부(34, 35, 36)에 전극을 설치함으로써 델타결선을 행한다. 델타결선 상태를 도 6에 도시한다. 37, 38, 39는 전극을, 40은 3상부하를, 41이 제1상, 42가 제2상, 43이 제3상을 각각 나타낸다. 이와 같은 촉매담체로 함으로써 델타결선을 구성할 수 있다. 이 델타결선을 구성하는 경우에 있어서도, 상술한 스타결선의 경우와 마찬가지로 통형상케이스에 설치함으로써 촉매장치로 할 수 있다. 또 스타결선의 경우에서 설명한 바와 같이, 각 촉매호일의 긴변을 짧은변측으로 편위시켜서 감는 것도 가능하다.

발명의 효과

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 3상교류의 사용이 가능하게 되고 대형의 촉매장치를 용이하게 제공할 수 있다는 효과가 있다. 또, 촉매장치에 있어서 촉매담체로 유입하는 가스를 가열하여 촉매반응을 촉진하기 위해 전기히터를 촉매담체의 상류에 설치하는 것도 고려되지만, 본 발명의 촉매담체를 탈취장치로서 이용하면 촉매담체 자체를 통전가열 할 수 있으므로 이와 같은 전기히터부의 공간이 생략될 수 있다는 잇점도 있다.

Claims (4)

1. 내열성합금제인 띠 형상의 도전성(導電性) 호일의 표면에 절연층(insulating layer)과 촉매담지층(catalyst-carrying layer)을 형성한 촉매호일 3장을, 각각의 긴변을 짧은변 방향으로 약간 편위시킨 상태로 겹치고, 상기 겹쳐진 3장의 촉매호일의 일단쪽을 센터로드에 접속하여, 각 촉매호일이 서로 면접촉하지 않도록 와형으로 감아넣고, 와형의 외주측에 위치하는 각각의 촉매호일 단부와 센터로드를 삼상교류전원에 접속하여 스타결선을 구성하도록 한 것을 특징으로 하는 통전가열 가능한 탈취촉매용 촉매담체(catalyst carrier).
2. 내열성합금제인 띠 형상의 도전성 호일의 표면에 절연층과 촉매담지층을 형성한 촉매호일 3장을, 각각의 촉매호일에 있어서 양 단부를 무단상(無端狀)이 되도록 서로 접속하여, 정삼각형 형상의 단면을 갖도록 연결된 촉매호일을 형성하고, 각 변을 구성하는 촉매호일의 중앙부를 정삼각형 형상의 중심방향으로 각각 균일하게 끌어당긴 상태로 하여, 그 중심수직방향을 축으로 하여 각 접속부분을 권취한 것인 3장의 촉매호일을 각 촉매호일이 서로 면접촉하지 않도록 와형으로 감아넣고, 와형의 외주측에 위치하는 각 접속부를 삼상교류전원에 접속하여 델타결선을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 통전가열 가능한 탈취촉매용 촉매담체.
3. 제2항에 있어서,

   3장의 촉매호일이 각각의 긴변을 짧은변 방향으로 약간 편위시킨 상태로 와형으로 감아넣은 것을 특징으로 하는 통전가열 가능한 탈취촉매용 촉매담체.
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