KR100327850B1 - 재킷튜브에용접된촉매코팅금속스트립의매트릭스를포함하는금속캐리어를구비한촉매변환기 - Google Patents
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Abstract
굽혀져서 주름지거나 교대로 주름지고 편평한 금속 스트립으로 형성된 다수의 시트 금속 적층물로 구성되는 촉매 코팅된 매트릭스를 포함하며, 상기 금속 스트립의 자유 단부가 소정의 횡단면을 갖는 외곽 재킷 튜브에 결합법으로 연결되어 있는 금속 캐리어를 구비한 일체형 촉매 변환기가 매우 경제적으로 제조되고, 상기 매트릭스를 형성하기 위해 적합한 길이로 절단되고 굽혀져서 미리 코팅된 스트립으로 제조되고 재킷 튜브내에 매트릭스를 삽입하여 금속 스트립의 자유 단부를 재킷 튜브에 용접으로 고정한, 상기 금속 캐리어를 구비한 촉매 변환기에 필요한 시트 금속 적층물로 제조함으로써 촉매 코팅의 경우에 그 두께가 매우 균일하다.
Description
본 발명은 어떤 필요한 형상으로 다르게 주름져 있거나 교대로 주름지고 편평한 형상으로 되어 있어, 필요한 횡단면을 갖는 외곽 재킷 튜브와의 접촉 지점에서 결합 공정에 의해 연결되는 금속 스트립으로 구성되고 굽혀지거나 지그재그 형태로 겹쳐져 있는 여러개의 금속 시트 적층물로 구성되는 촉매 코팅된 매트릭스를 포함하는 금속 캐리어를 갖는 일체형 촉매 변환기에 관한 것이다.
촉매 변환기용 금속 캐리어는 예를 들어, EP 0 245 736호 및 EP 0 245 737호 뿐만아니라 DE-OS 40 25 434 호 또는 DE-PS 40 16 276 호에 기술되어 있다. 상기 금속 캐리어 매트릭스는 고온에 저항성을 갖는 Cr, Al 함유 페라이트 철과, 내열성을 증가시키고 강철 위에 있는 산화물 방지층의 벗겨짐을 방지하는 소량의 Ce, Zr, Y, 회토류, 알칼리 토류 및 알카리 금속으로 구성된다.
전술한 특허출원과 공개 공보에 따르면, 금속 캐리어 매트릭스는 주름지거나 교대로 주름지고 편평한 금속 스트립으로 구성된 하나 또는 여러개의 금속 시트 적층물을 굽혀서 재킷 튜브 내부에 순차적으로 삽입함으로써 제조된다. 그후, 적합한 결합 공정에 의해 상기 금속 매트릭스를 재킷 튜브내에 고정하기 위해, 금속 스트립이 재킷 튜브 내부와 접촉하는 지점에서 금속 스트립을 재킷 튜브에 연결한다.
적합한 결합 공정으로는 1100℃ 이상의 고진공하에서 고온 용접하는 방법이 일반적으로 사용된다. 나선형으로 감긴 금속 캐리어에 대한 전자 비임 용접법(DE-OS 27 20 322 호) 및 레이저 비임 용접법(DE-OS 27 27 967 호)과 같은 용접법도 기술되어 있다.
이와 같이 제조된 금속 캐리어는 커다란 표면적을 가지며 미세하게 분산된 금속 산화물과 조촉매의 활성도 증대 중간층[이러한 층은 일반적으로 워시코팅 (wash coat)으로 기술됨]과 촉매 활성 귀금속으로 코팅되어, 재킷 튜브의 단부, 예를 들어, 내연기관의 배기 시스템 내부에 용접된다.
유리한 특성으로는 고온 용접에 의해 제조된 금속 캐리어를 갖는 촉매 변환기 또는 금속 캐리어의 기계적 안정성이 높다는 점이다. 온도 변화로부터 야기되는 응력 및 배기 가스압에 의한 금속 캐리어 매트릭스의 외관상 변위는 전술한 촉매 변환기에서는 발견되지 않는다. 그러한 안정성은 각 금속 스트립의 자유 단부가 재킷 튜브에 단단히 연결되어 있다는 사실에 기인한다.
그러나, 모세관력이 더 많은 코팅 재료를 자유면상에 적층하게 하므로, 마무리 가공된 금속 캐리어면의 코팅은 두 인접 재료 스트립 사이의 접선에 따라 코너에서 코팅 두께가 매우 불규칙해지며, 이것은 코팅 재료와 귀금속의 소비량을 증가시킨다. 금속 캐리어를 마무리 가공한 후에 코팅하는 것은 매우 고가의 제조 단계를 추가로 필요로 한다.
금속 캐리어를 갖는 촉매 변환기를 제조하는 다른 공정은 전술한 제조 공정과 유사하다. 그러한 다른 공정들은 편평하거나 주름진 금속 스트립상에 활성도를 증가시키는 중간 화합물층과 귀금속을 가하는 것으로 시작한다. 상기 스트립을 볼록하게 하는 방법에 따라, 단지 주름진 스트립만 또는 편평하고 주름진 두개의 스트립을 나선형으로 감는 것이 결정되며, 튜브 내부로 삽입되는 스트립은 적합한 강도의 응력을 받게 된다. 그러나, 금속 캐리어를 갖는 형태의 촉매 변환기에 대한 크리프 시험(creep test)으로, 촉매 변환기가 차량내에서 심한 응력을 받는 경우 금속 캐리어 사이의 다수의 접촉점은 배기 가스압으로 인한, 재킷 튜브로부터 매트릭스의 외관상 변형을 충분히 방지하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 그 해결책으로, 촉매 변환기로부터 배기 가스의 측면 누출을 방지하도록 특별히 설계된 금속핀이재킷의 한면으로부터 매트릭스를 통과해 재킷의 다른 면에 삽입되어 재킷 튜브에 용접된다. 금속 캐리어를 갖는 전술한 형태의 촉매 변환기는 핀란드 특허 출원 제 896,294 호에 기술되어 있다. 그러나, 실제적인 작동 상황에 근접한 조건하의 엄격한 시험으로 상기 방법을 다양하게 검토한 결과, 사용된 페라이트 강철이 정확한 조성비에 따라 550 내지 900℃ 사이의 온도에서 연화되기 시작하고 배기 시스템내의 진동 및 가스 맥동(pulsation)으로 유지핀 주위의 매트릭스가 느슨해지고 분리되므로 전술한 단점을 완전하게 방지할 수 없음이 밝혀졌다.
또한, 금속 캐리어의 셀룰러 밀도가 작으면 작을수록 금속핀의 유지 효과가 작아진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 영구성의 이유로 셀룰러의 밀도가 약 30 셀/cm2인 경우에만 겨우 실용성이 있다.
게다가, 유지 핀의 끼워맞춤으로 인해 전술한 형태의 금속 캐리어를 갖는 촉매 변환기의 중량과 압력 손실을 증가시킴으로써 금속 캐리어를 갖는 다른 형태 촉매 변환기에 비해 장점을 감소시킨다.
그러므로, 본 발명의 목적은 매트릭스와 외곽 재킷 튜브 사이의 접점들이 결합 공정에 의해 연결되는, 금속 캐리어를 갖는 높은 기계강도의 촉매 변환기를 제공하는 것이며, 상기 촉매 변환기는 금속 스트립 상의 코팅의 동질성이 우수하고 특히, 두 금속 스트립 사이의 접선에 따른 예각의 코너에 코팅물이 집중적으로 적층되지 않은 매우 균일한 금속 스트립상의 코팅을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 매트릭스를 형성하도록 적절한 길이로 절단되거나 서로 겹쳐서 굽혀진 예비 코팅된 금속 스트립으로 구성된 금속 캐리어를 갖는촉매 변환기에 필요한 금속 시트 적층물로 제조되는, 금속 캐리어를 갖는 일반적인 형태의 촉매 변환기에 의해 성취되며, 상기 매트릭스는 재킷 튜브내에 삽입되고 금속 스트립은 상기 스트립과 튜브 사이의 접촉점에서 용접에 의해 재킷 튜브에 연결된다. 상기 재킷 튜브는 반원형으로 구성될 수도 있다.
상기 목적에 적합한 용접법은 전자 비임 용접법, 레이저 비임 용접법 또는 기타 용접 방법도 있을 수 있다. 그러나, 용접법을 선택할 때 상기 매트릭스는 재킷 튜브와의 접촉점과는 별개로, 촉매 코팅에 대한 열적 손상을 방지하기 위해 용접중 적당한 온도에 노출되는 것이 필수적이다.
상기 이유로, 코팅된 금속 스트립을 재킷 튜브내에 납땜(soldering)하는 것은 표준 결합법의 경우, 모든 매트릭스가 재킷과 함께 가열되므로 대부분의 경우에 사용될 수 없는 몇몇 특정 형태의 코팅물에만 가능하다. 단지 그러한 결합법에서도 용접의 경우와 같이, 매트릭스가 재킷의 영역에서만 가열될 때 성공할 수 있다.
상기 매트릭스는 다수의 연속적인 또는 간헐적인 용접 이음법에 의해 재킷 튜브에 고정된다. 상기 재킷 튜브면 상의 용접 이음은, 예를 들어, 나선형, 환형, 사인곡선형 또는 톱날형일 수 있으며, 제조상의 이유로 1 차 형태의 용접 이음위에 2 차 형태의 용접 이음을 덧붙이는 것도 가능하다. 또한, 재킷 튜브에 사각으로 배열된다면 간헐적인 용접 이음도 가능하다.
연속 작동중 고강도를 유지하기 위해서는 재킷의 일정 구역, 예를 들어, 일련의 배기 가스 입구나 출구에만 용접 이음을 배열하는 것이 유리하다.
재킷 튜브와 금속 스트립 사이의 영구 접촉을 유지하기 위해서는 용접전에기계적 수단 예를 들어, 브러쉬로 스트립을 청소하거나 화학적 에칭 또는 용해로 코팅을 전반적 또는 국부적으로 제거하는 것이 유리하다.
또한, 상기 재킷 튜브와의 일련의 접촉점에 촉매 코팅을 가하기 전에 금속 스트립을 박리제(release agent) 층으로 코팅하여, 상기 박리제 층이 촉매 코팅을 제거하거나 용접전에 촉매 코팅의 제거공정을 용이하게 할 수 있다.
상기 방법으로 제조된 특히, l5cm2이상의 촉매 변환기 단부면을 갖는 촉매 변환기의 양호한 실시예는 교대로 편평하고 주름진 스트립, 예를 들어, DE-OS 40 16 276 호에 따른 스트립으로 적층한 후에 변형시킨 적층 금속 스트립으로 구성되는 매트릭스 구조물을 제공함으로써 각 금속 스트립의 단부가 재킷과 접촉한다. 또한 상기 실시예는 EP-PS 0 245 736 호에 따른 인벌루트형 층을 갖는 매트릭스 구조물에도 적용된다.
만일, 주름진 스트립이 가스가 흐르는 채널로 굽혀져서 겹쳐져 있거나 적층(예를 들어, USP 4,402,871 호 참조)되어 있다면, 편평한 스트립은 필요하지 않다. 주름진 금속 스트립은, 예를 들어 헤링본(herringbone) 구조물(USP 4,753,919 호)을 갖는 스트립이나 적합한 엠보싱 패턴(embossed pattern)을 갖는 슬롯이 형성된 스트립(slotted strip)이다.
본 발명에 따른 용접에 있어서, 편평한 또는 주름진 금속 스트립에, 예를 들어, 펀칭 구멍, 슬롯 및 기타의 구멍이 제공되어 있고 특별한 구조물을 금속 스트립 상에 조화시키는 엠보싱 패턴이 제공되어 있을 때 특히 중요하다. 과잉의 코팅 재료는 압축 공기로 송풍하거나 추출 흡입에 의해 부적합한 범위까지 제거될 수 있으므로, 상기 캐리어는 정상적인 제조법 즉, 침지, 흡입 또는 스프레이에 의한 코팅이 어렵다.
또한, 상기 금속 캐리어의 경우에, 수성(aqueous) 분산 코팅이 표면 장력을 받는다는 사실로 인해 구멍 근처에 코팅 재료가 집적되어 구멍을 막을 수 있으므로 구멍의 기능을 발휘할 수 없게 된다. 상술한 바와 같이, 먼저 각각의 금속 스트립을 개별적으로 코팅한 후에 적합한 길이로 절단하여 재킷 튜브에 용접한다면, 바람직하지 않은 비균일 코팅을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 캐리어를 갖는 촉매 변환기의 크리프 응릭(creep stress)에 대한 높은 저항성을 제공하려는 견지에서, 재킷 튜브 근처의 금속 스트립에 대한 설계가 매우 중요하다. 양호한 설계로는 상기 주름진 스트립이 재킷 튜브의 일부를 둘러싸는 부드러운 단부나 매우 편평한 주름을 재킷쪽에 갖게 하는 것이다.
그러한 경우에, 상기 스트립은 작동중에 길고 편평한 스트립으로부터 재킷 튜브에 용접된다. 매트릭스를 재킷 튜브에 용접하는 것과는 무관하게, 다른 추가의 구성 방법이 매트릭스를 고정하기 위해 고려될 수 있다. 예를 들어, 그러한 방법으로는 재킷 튜브를 약간 경사지게 하거나 재킷 튜브내에 비드(bead)를 제공하는 방법이 있다. 세라믹 접착제를 사용하여 일시적으로 고정하는 방법도 가능하다. 상기 재킷 튜브 내부로 진입되는 촉매 활성 성분을 갖는 금속 매트릭스는 우발적으로 분리되는 것을 방지하도록 예를 들어, 후크 결합(hooking), 점용접 또는 다른 결합 방법에 의해 일시적으로 미리 고정될 수도 있다.
다른 형태의 촉매 변환기에 필요하다면, 상기 촉매 변환기를 재킷 튜브 내부에 용접하거나 재킷 튜브가 없는 일시 고정된 금속 매트릭스에 용접한 후에 추가의 촉매 성분을 가하는 것도 가능하다.
우선, 내연기관의 배기 가스 정화용 촉매 변환기에 사용되는 것과 같이 커다란 표면적을 갖는, 미세하게 분산된 산화물의 코팅이 금속 스트립에 가해질 수 있고 예를 들어, 상기 스트립을 재킷 튜브내에 용접한 후에 귀금속 및 조촉매(promoter)로써 주입될 수 있다.
미리 조립된 금속 캐리어의 차후 촉매 코팅과는 다르게, 상기 방법애 의해 주입으로 용액에 가해진 성분이 접촉하고 있는 금속 스트립 사이의 연결부에 적층되는 것이 방지된다. 비록, 본 발명에 따라 코팅된 금속 스트립으로 제조된 촉매 변환기의 몸체에 대한 연속적인 분산 코팅이라도, 본 발명에 따른 방법의 경우에는 셀의 횡단면 전반에 걸쳐 코팅 두께가 더 균일하므로 전술한 방법으로 수행된 것보다 훨씬 양호한 코팅 결과를 얻을 수 있다.
제 1 도는 EP 0 245 737 호에 기재된 바와 같이 재킷 튜브(1)내에 S 형태로 편평한 금속 스트립(2)과 주름진 금속 스트립(3)이 교대로 감겨있는 매트릭스를 도시한다. 상기 매트릭스는 두개의 고정점(4) 주위에 스트립을 감음으로써 편평한 금속 스트립과 주름진 금속 스트립들을 교대로 장방형으로 적층하여 형성된다.
제 2 도는 EP 0 245 736 호에 기재된 바와 같이 재킷 튜브(1)내에 편평한 금속 스트립(2)과 주름진 금속 스트립(3)을 교대로 감은 인벌루트형 매트릭스를 도시한다. 촉매 코팅후, 금속 스트립은 필요에 따라 주름지게 하고, 적당한 길이로 절단하여, 한 단부를 원통형 삽입부(6)에 용접하고 나서 상기 매트릭스를 형성하도록 인벌루트 방식으로 굽혀진다.
상기 두 실시예의 공통 사항은 각 금속 스트립의 자유 단부가 재킷 튜브의 내면에 접촉하고 용접에 의해 재킷 튜브에 단단히 용접된다는 점이다. 금속 스트립이 금속 매트릭스를 형성하기 이전에 촉매 코팅되므로, 본 발명에 따른 금속 캐리어를 구비한 촉매 변환기의 코팅은 매우 균일해지며, 또한 상기 촉매 변환기는 매우 경제적으로 제조된다.
또한, 모세관력의 작용으로 인한 재료의 축적이 처음부터 방지되므로 촉매 코팅 재료가 절약된다.
제 3a 도 및 제 3b 도는 각각 금속 매트릭스를 외곽 재킷 튜브에 영구 부착하는 다른 용접 이음법을 도시한다. 상기 도면에서 도면부호 1 은 재킷 튜브, 6 은 나선형 용접 이음 및 7 은 재킷 튜브의 말단부에 있는 간헐적인 환형 용접 이음을 나타낸다.
제 1 도는 편평한 금속 스트립과 주름진 스트립이 교대로 감겨있는 S 형 매트릭스를 구비한 금속 캐리어를 포함하는 촉매 변환기를 도시하는 도면.
제 2 도는 편평한 금속 스트립과 주름진 스트립이 교대로 감겨있는 인벌루트형 매트릭스를 구비한 금속 캐리어를 포함하는 촉매 변환기를 도시하는 도면.
제 3a 도 및 제 3b 도는 각각 금속 스트립의 자유 단부를 재킷 튜브에 고정하기 위한 나선형 용접 이음법 및 간헐적인 환형 용접 이음법을 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 튜브 2, 3 : 스트립
6 : 삽입부
Claims (10)
- 상이하게 주름져 있거나 교대로 주름지면서 편평하고 적어도 하나의 적층물(stack)로 배열된 여러개의 금속 스트립을 포함하며, 그에 의해서 두 인접 금속 스트립 사이의 접촉 라인을 따라서 예각을 형성하는 매트릭스와;내면을 구비하는 재킷 튜브를 포함하며, 금속 스트립의 상기 적어도 하나의 적층물은 재킷 튜브 안으로 삽입되어서 상기 재킷 튜브의 내면과 용접 또는 납땜 결합으로 연결되고,상기 금속 스트립은 두 금속 스트립 사이의 접촉 라인을 따라서 예각으로 형성된 코너에서 코팅 재료의 축적이 증가되지 않는 촉매 재료로 코팅한, 금속 캐리어를 구비한 일체형 촉매 변환기.
- 제 1 항에 있어서,시트 금속 적층물들은 S 자, 별 또는 인벌루트 방식으로 굽혀지는 것을 특징으로 하는 금속 캐리어를 구비한 일체형 촉매 변환기.
- 제 1 항에 있어서,시트 금속 적층물들은 지그재그 방식으로 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 금속 캐리어를 구비한 일체형 촉매 변환기.
- 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,상기 주름진 금속 스트립은 재킷 튜브의 내면과 접촉하고 상기 내면과 서로에 대해서 용접되는 편평한 단부들을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 캐리어를 구비한 일체형 촉매 변환기.
- 금속 캐리어를 구비하는 촉매 변환기에 필요한 시트 금속 스트립이 적합한 길이로 절단되어서 적어도 하나의 적층물로 배열되는 미리 코팅된 금속 스트립으로 구성되고, 상기 적층물(들)은 굽혀지거나 또는 겹쳐진 후에 재킷 튜브 안으로 삽입되고 내부 재킷면과 금속 스트립의 접촉점이 재킷 튜브와 용접으로 연결되는 것을 특징으로 하는 제 10 항에 따른 금속 캐리어를 구비한 일체형 촉매 변환기의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,전체 또는 부분적으로 용접하기 전에, 금속 스트립과 재킷 튜브 사이 및/또는 금속 스트립들 사이의 접촉점으로부터 코팅을 제거하는 것을 특징으로 차는 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,금속 스트립을 미리 코팅하는 공정은 금속 스트립이 재킷 튜브의 내면과의 접촉점에서 코팅되지 않고 제조되는 방식으로 실행되는 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,촉매 코팅을 적용하기 전에, 상기 금속 스트립은 재킷 튜브와 접촉하는 지점에서 촉매 코팅을 방지하도록 작용하거나 용접전 촉매 코팅을 용이하게 제거할 수 있는 박리제(release agent)의 층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제 5 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,코팅된 매트릭스를 용접한 후에, 함침(impregnating)에 의해서 추가 촉매 요소를 적용하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 고정 및 비고정식 내연기관의 배기 가스 정화를 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 금속 캐리어를 구비한 일체형 촉매 변환기를 사용하는 내연기관.
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