KR100414137B1 - 하나 이상의 금속 시트를 포함하는 중간층을 구비한하니컴 본체 조립체 - Google Patents

하나 이상의 금속 시트를 포함하는 중간층을 구비한하니컴 본체 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 중간층(7)을 이용하여 하니컴(honeycomb)(3)으로 부터 하우징(2)으로 열복사에 의해 열이 전달되는 것을 감소시키기 위한 하니컴 조립체(1)에 관한 것이다. 본 발명의 조립체는 또한 중간층(7)의 전방면이 마모되는 것을 방지한다. 그 중간층(7)은 하나 이상의 금속 호일(9) 및 세라믹 물질로 이루어진 하나 이상의 층(8;10)으로 구성되는 다수의 층(8,9,10)을 구비하며, 바람직하게는 단열층(8), 금속 필름(9), 팽창 매트(swelling mat)(10)로 구성되고, 그 금속 호일의 단부는 하나 이상의 층(8,10)의 전방을 덮는다. 본 발명은 특히 자동차 배기 정화 시스템에서 엔진에 근접한 곳에 위치하는 얇은 벽 세라믹 하니컴을 장착하는데 적합하다. 일반적으로, 본 발명은 모든 형태의 하니컴과 하우징 간의 단열에 적합하다.

Description

하나 이상의 금속 시트를 포함하는 중간층을 구비한 하니컴 본체 조립체{HONEYCOMB ARRANGEMENT WITH AN INTERMEDIATE LAYER CONTAINING AT LEAST ONE METAL FOIL}
본 발명은 하우징을 구비한 하니컴(honeycomb) 본체 조립체에 관한 것으로서, 상기 하우징내에는 중간 층에 의해 둘러싸인 하니컴 본체가 배치되고, 그 중간 층은 다수의 층부를 포함한다. 이러한 본체 조립체는 주로 동력 차량(이하 자동차)의 배기가스 정화 시스템, 특히 세라믹 하니컴 본체를 구비한 촉매 변환기에 사용된다.
독일 실용신안 제 80 19 813 호에는 세라믹 하니컴 본체용 홀더(holder)가 개시되어 있으며, 그 실용신안에서 하니컴 본체는 소위 팽창 매트(swell mat)내에 수납되고 금속 하우징내에 배치된다. 상기 팽창 매트는 팽창될 수 있어, 하우징 및 하니컴 본체의 상이한 작동 특성에 의해 발생되고 또 제조상의 오차로 인해 발생되는 공동(空洞)을 채울 수 있고, 그에 따라 오랜 작동 시간동안 확실한 지지 효과를 보장할 수 있다. 일반적으로, 팽창 매트는 운모(mica) 조각을 포함하는데, 그 운모 조각 주위에 여유 공간이 있다면, 운모 조각은 물을 흡수하고 그 물 흡수에 따라 팽창된다. 그러한 팽창 매트를 안정화시키기 위해, 상기 실용신안은 물결모양으로 직조된 와이어(wire) 매트와 팽창 매트를 일체화시키는 것을 제안하고 있다. 하니컴 본체의 단부에서 팽창 매트가 마모되는 것을 방지하기 위해, 하니컴 본체의 단부에 가스밀봉 링을 마련하여 팽창 매트에 의해 채워지는 간극을 덮는다.
배기 시스템 내의 하니컴 본체는 작동중에 900 ℃ 이상으로 가열되고 하니컴 본체 조립체 인근의 부품들을 그러한 고온으로 부터 보호하기 위하여, 하우징과 하니컴 본체 조립체 사이에 단열 중간 층을 제공하는 것이 공지되어 있다.
그러한 단열층으로 공기층을 이용할 수 있는데, 공기의 열전도 및 열대류(heat convection) 특성이 낮기 때문에, 하니컴 본체 조립체 사용중에 하니컴 본체내에 발생하는 고온으로 부터 하우징을 단열시킨다.
공기 층에 의한 단열 대신에 또는 그에 부가하여, 세라믹 물질을 포함하는 중간 층을 제공하는 것이 공지되어 있다. 이 경우 역시 사용되는 세라믹의 낮은 열전도 및 열대류 특성을 이용하여 하우징과 하니컴 본체 사이를 단열시키는 것을 포함한다. 하니컴 본체를 지지하기위한 전술한 팽창 매트는 예를 들어 800 ℃ 이상의 고온 분위기에서 물을 방출하고 수축되어 하니컴 본체가 하우징과 느슨하게 될 것이므로, 팽창 매트는 하니컴 본체 조립체내에 소정 중량(重量)으로 적재되는 하니컴 본체와 단열되어야 하며, 이를 위해 하니컴 본체에 먼저 단열부를 제공하고 그 후에 팽창 매트로 둘러싼다는 것이 공지되어 있다.
그러나, 약 600 ℃ 이상의 온도에서, 열전도 및 열대류에 의해서만 열전달이 일어나는 것이 아니라 열복사에 의해서도 온도의 상승이 일어난다. 그러나 이와 관련하여, 당업계에 알려진 전술한 단열부 및 팽창 매트는 적은 단열효과 밖에 제공하지 못한다.
공지된 하니컴 본체 조립체의 다른 단점은, 하우징과 하니컴 본체 사이에 배치된 단열 중간 층은 하니컴 본체 조립체의 단부 영역에서 고온 배기가스 파동에 의해 마모된다는 것이다. 자체의 내마모성이 양호한 세라믹 중간 층의 경우에도 작동중의 파동 배기가스 유동에 의해 마모되어, 하니컴 본체 조립체의 가동(可動)시간(period of operation) 중에도 하니컴 본체와 하우징 사이의 단열부가 심하게 손상되거나 파괴될 수 있다. 이는 하니컴 본체 조립체의 손상 또는 그 조립체의 전체 파괴 가능성을 내포한다.
이와 관련하여, 본 발명의 목적은 하니컴 본체로 부터 하우징으로 열복사에 의해 이루어지는 열전달을 감소시킬 수 있고 또한 바람직하게는 중간 층의 마모를 방지하거나 또는 적어도 감소시킬 수 있는 하니컴 본체 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 하니컴 본체 조립체를 용이하게 생산할 수 있는 적합한 샌드위치 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러한 목적은 청구범위 제 1 항에 기재된 하니컴 본체 조립체 및 청구범위 제 11 항에 기재된 샌드위치 구조에 의해 달성될 수 있다. 바람직한 형태 및 개선점들은 종속항에 기재하였다.
본 발명에 따라 중간 층이 하나 이상의 금속 호일 또는 시트를 포함하는 다수의 층부(layer portions)를 구비하기 때문에, 하니컴 본체로 부터 하우징으로의 열복사에 의한 열전달이 바람직하게 감소한다. 또한, 본 발명에 따라 하나 이상의 세라믹 물질층을 포함하는 다수의 층부가 마련되기 때문에, 하니컴 본체 조립체는 열전도 및 열대류와 관련하여 양호한 단열특성을 가진다. 이것은 세라믹 물질의열전도도가 아주 낮을 때 특히 그러하다.
제조중에 하우징과 하니컴 본체 사이에 형성되어 하니컴 본체 조립체에 남아있는 공동 또는 작동중에 형성된 공동은, 세라믹 물질로 이루어진 층부들 중 하나 이상이 물을 흡수하여 팽창함으로서 인접 공동을 폐쇄하는 팽창 매트로 구성된다면, 바람직하게 폐쇄될 것이다. 이에 따라, 하니컴 본체는 오랜시간동안 확고하게 정위치에서 유지될 것이다.
또한, 제조 공정의 관점에서 바람직한 중간 층의 실시예는, 층부가 금속 시트의 형태라는 사실에 의해 권선(winding) 또는 코일링(coiling)과 같은 간단한 방법으로 하니컴 본체 조립체를 제작할 수 있게 한다. 특히, 하나 이상의 금속 시트 및 하나 이상의 세라믹 층을 결합하여 샌드위치 구조를 형성한다면, 중간 층을 간단한 방법으로 하니컴 본체 둘레로 감을 수 있고, 이때 바람직하게는 한번 이상 또는 보다 확실한 단열을 필요로 하는 경우에는 여러번 감을 수 있다. 또한, 샌드위치 구조로 미리 형성된 반-원형 틀(half-shell)을 이용할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 하니컴 본체의 하나 이상의 단부에서 하나 이상의 금속 시트 또는 호일로 단부의 인접 세라믹 층을 덮는다. 이에 따라, 하니컴 본체 조립체로 유입되는 정화될 고온 배기가스 파동으로 부터 특히 효과적으로 보호하며, 이는 그 배기가스가 더이상 세라믹 층으로 직접 유동하지 않으며 따라서 마모가 방지되기 때문이다.
본 발명에 따라 마련되는 금속 시트 및 바람직하게는 그 금속 시트에 연결가능한 세라믹 층은 특히 주름과 같은 구성을 가진다. 그 구성에 의해 적은 힘으로도 금속 시트를 하니컴 본체의 원주방향으로 굽힐 수 있다.
본 발명의 다른 특징, 이점 및 형태를 실척(實尺)이 아닌 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예의 단부를 부분 절개하여 도시한 사시도.
도 2 는 도 1 에 도시한 실시예의 일부를 도시한 길이방향 단면도.
도 3 은 하니컴 본체 조립체의 단부의 일부를 도시한 또 다른 실시예의 길이방향 단면도.
도 4 는 본 발명에 따른 샌드위치 구조를 도시한 부분 단면도.
도 5 는 본 발명에 따라 주름진 샌드위치 구조를 도시한 부분 단면도.
도 1 에는, 본 발명에 따른 하니컴 본체 조립체(1)를 실척(實尺)이 아닌 부분 단면 사시도로 도시하였다. 하니컴 본체(3)는, 분할벽(4,5)에 의해 서로 나누어지고 내연 엔진으로 부터의 배기가스와 같은 유체가 유동방향(S)으로 관통하여 유동하는 통로(6)를 구비한다. 바람직하게, 하니컴 본체는 압출 세라믹 하니컴 본체, 특히 소위 얇은 벽 세라믹을 구비한 본체를 포함한다. 이러한 종류의 세라믹 하니컴 본체 및 얇은 금속 시트로 만들어진 하니컴 본체는 관형 케이스(2)내에 단단히 장착되어야 하고, 또한 관형 케이스와의 단열을 제공하여야 한다. 이러한 실시예에서, 전술한 장착 및 단열은, 세라믹 물질로 이루어진 단열 층부(8), 금속 호일 또는 시트(9) 및 바람직하게는 팽창 매트인 세라믹 물질(10)로 이루어진 부가적인 층부에 의해 이루어진다. 이 3개의 층부는 중간층을 함께 형성하는데, 그 중간층은 한편으로는 하니컴 본체를 관형 케이스(2)에 단단히 고정하고 또 한편으로는매우 양호한 단열 효과를 제공한다. 첫째로, 단열 층부(8)는 하니컴 본체로 부터 금속 시트(9)로의 열전도 및 열대류를 방지한다. 또한, 그 금속 시트(9)는 열복사에 대한 복사 차폐물로서 작용하기 때문에, 자동차 배기 시스템의 하니컴 본체 조립체의 작동중에, 세라믹 물질의 층부(10)는 하니컴 본체(3) 보다 온도가 상당히 낮게 된다. 이에 따라, 세라믹 물질로 이루어진 층부(10)로서 팽창 매트를 이용할 때, 하니컴 본체 조립체는 배기 정화 시스템 특히 내연 엔진의 배출구에 인접한 촉매 변환기에서 발생하는 것과 같은 초고온 작동온도에서도 사용될 수 있다. 하우징(2)의 두께는 대개 0.5 내지 1 mm 인 반면, 금속 시트(9)는 아주 얇은 특히 50 μ이하, 바람직하게는 30 μ이하인 아주 얇은 호일 또는 시트라는 것을 주지하여야 한다. 특히, 금속 시트(9)는 크롬- 및 알루미늄-베어링 스틸과 같은 고온부식에 대해 내성을 갖는 물질을 포함한다. 세라믹 물질로 이루어진 층부(8,10)는 통상적으로 섬유 매트이며, 그 섬유 매트는 당업계에 공지된 바와 같이 하우징(2) 및 하니컴 본체(3)의 제조오차를 보상하는데 필요한 두께를 가지고 세라믹 본체를 지지하며 또 그 세라믹 본체를 장시간 동안 확고하게 지지하기 위한 것이다. 열복사와 관련한 단열 효과를 개선하기 위해, 반경방향으로 연속적으로 배열된 다수의 금속 시트 및 다수의 세라믹 물질 층부을 마련할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도 2 에는, 하니컴 본체 조립체의 일부를 길이방향을 따라 단면도시함으로서, 본 발명에 따른 간단한 하니컴 본체 조립체의 반경방향 구조를 도시하였다. 안쪽으로 부터 바깥쪽으로, 하니컴 본체(3), 세라믹 금속으로 이루어진 단열층부(8), 금속 시트(9), 팽창 매트(10) 및 하우징(2)이 배치되어 있다.
도 3 은, 하니컴 본체 조립체의 일부를 길이방향을 따라 단면도시함으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하니컴 본체의 단부 영역을 도시하였다. 공지된 바와 같이, 파동치는 고온 배기가스는 특히 섬유 매트 및 팽창 매트와 같은 세라믹 물질을 침식시킬 수 있기 때문에, 하니컴 본체 조립체의 일단부 또는 바람직하게는 양단부에 본 발명에 따른 보호부가 마련되어야 한다. 통상적인 본체 조립체의 경우에, 그러한 보호는 하우징내의 보호 링 또는 계단부에 의해 이루어진다. 그러나, 이와 달리 아주 바람직한 본 발명에 따른 해결방법이 있는데, 이를 설명한다면 단부 보호 수단으로서 금속 시트 또는 시트들을 세라믹 물질로 이루어진 층부 둘레로 접는 것이다. 도 3 의 실시예에서, 먼저 하니컴 본체(3) 둘레에 금속 시트(11)를 감고, 그 금속 시트(11) 둘레에는 세라믹 층부(8), 다시 금속 시트(9), 및 세라믹 물질로 이루어진 또 다른 층부(10)가 배치된다. 그러한 배열에서, 본 발명에 따라, 금속 시트(9,11)의 단부들(12,13)을 각각의 인접 세라믹 층(8,10) 둘레로 접는다. 그러한 형상은, 먼저 세라믹 물질로 이루어진 층부(8,10) 바깥쪽으로 단부가 돌출한 금속 시트(9,11)를 하니컴 본체(3) 둘레에 감고, 그 후에 적당한 공구를 이용하여 돌출 단부들(12,13)을 세라믹 물질로 이루어진 층부(8,10) 둘레로 접는 공정에 의해 간단히 이루어질 수 있다. 그러한 경우에, 본 실시예에서 도시한 형태 즉, 금속 시트(9,11)의 단부들(12,13)을 하우징(2) 아래쪽으로 접는 형태와 같은 접는 공정을 실시할 수 있다. 그러나, 하우징과 인접 배기시스템을 접합하기 위한 용접부에 단부들(12,13)을 결합시킬 수도 있다.
중간층(7)으로 사용되는 층부를 각각의 샌드위치 구조물(17,27)로 미리 제조하는 것도 본 발명에 따라 하니컴 본체 조립체를 제조하는데 특히 바람직하다.
층부를 미리 제조하는 것과 관련된 실시예를 도 4 에 도시하였다. 이 경우, 예를 들어 접착과 같은 방법으로 세라믹 물질로 이루어진 단열 층부(8)를 금속 시트(9)의 일측에 배치시킨다. 그 금속 시트(9)의 타측에는 팽창 매트가 배치되고, 그 금속 시트(9)의 단부(14)는 팽창 매트(10) 둘레로 접혀진다. 이렇게 형성된 구조물을 하니컴 본체에 감을 수도 있고 또는, 원통형 또는 타원형으로 미리 제조할 수도 있다. 만약 단열 층부(8)가 긴 세라믹 섬유를 포함한다면, 파동하는 배기가스에 의한 마모에 그리 민감하지 않기 때문에, 팽창 매트에 대한 보호는 금속 시트(9)의 단부(14)를 접어서 덮어싸는 것으로도 충분할 것이다.
도 5 에는, 예를 들어 원통형 본체에 감을때의 가요성(flexibility)을 개선하기 위한 것으로서, 단부(15)가 접혀진 금속 시트(9)를 구비한 샌드위치 구조 형상의 일예를 도시하였다. 비록 금속 시트(9)가 매우 얇은 시트 또는 호일이지만, 단부가 접혀진 금속으로 형성된 샌드위치 구조는 비교적 강성(剛性)을 가진다. 다시 가요성을 복원하기 위해, 주름이 형성된 롤 조립체를 이용하여 전체 샌드위치 구조물을 가공하며, 그러한 가공에 의해 도 5 에 과장 도시한 바와 같은 주름(18)을 형성한다. 주름이 매우 얕더라도 가요성을 부여하기에 충분하다. 그러한 경우에, 금속 시트(9)의 접혀진 단부(15)는 편평하게 압착되어 단부(16)를 형성한다. 샌드위치 구조물(27)의 얕은 주름에도 불구하고, 샌드위치 구조물(27)에 포함되는 세라믹 물질 층부(8) 및 금속 시트(9)의 내측에 위치하는 팽창 매트(10)에 의해,배기가스가 유동할 수 있는 통로가 하니컴 본체(3) 외측에 형성되지는 않는다.
본 발명은 자동차 엔진에 인접한 영역의 배기 촉매 변환기용 하니컴 본체 조립체에 특히 적합하다. 본 발명은 특히 얇은 벽을 가지는 금속제 또는 세라믹제 하니컴 본체의 견고한 장착을 가능하게 하고, 동시에 하니컴 본체와 하우징 사이에 양호한 단열 효과를 제공한다. 바람직하게는 벽의 두께가 100 μ이하, 바람직하게는 50 μ이하인 소위 얇은 벽 세라믹을 포함하는 세라믹 하니컴 본체용 하니컴 본체 조립체에 이용할 수 있다.
도면의 참조부호
1 : 하니컴 본체 조립체 2 : 하우징
3 : 하니컴 본체 4,5 : 분할 벽
6 : 통로 7 : 중간층
8 : 세라믹 물질로 이루어진 단열 층부 9 : 금속 시트
10 : 세라믹 물질로 이루어진 층부, 팽창 매트
11 : 금속 시트
12,14 : 금속 시트(9)의 접힌 단부
13 : 금속 시트(11)의 접힌 단부
15 : 주름진 샌드위치 구조물(27)내의 금속 시트(9)의 접힌 단부
16 : 샌드위치 구조물(27)의 편평하게 압착된 단부
17,27 : 샌드위치 구조물 18 : 주름
S : 유동방향

Claims (17)

  1. 중간층(7)으로 둘러싸인 하니컴 본체(3)가 내부에 배치되는 하우징(2)을 구비한 하니컴 본체 조립체(1)로서, 상기 중간층(7)은 하나 이상의 금속 시트(9;11)와 하나 이상의 세라믹 물질 층(8;10)으로 형성된 다수의 층부(8,9,10)를 포함하는 하니컴 본체 조립체에 있어서,
    하나 이상의 하니컴 본체(3)의 단부에서, 하나 이상의 금속 시트(9;11)가 세라믹 물질로 이루어진 하나 이상의 인접 층(10;8)을 덮도록 그 하나 이상의 금속 시트를 성형하고(12;13;14;15), 하나 이상의 금속 시트(9;11)의 단부를 세라믹 물질로 이루어진 인접 층(10;8) 둘레로 접는(12;13;14;15) 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중간층(7)은 금속 시트(9;11)로 이루어진 하나 이상의 층부와 세라믹 물질로 이루어진 둘 이상의 층부(8,10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 세라믹 물질로 이루어진 하나 이상의 층부(8,10)는 물을 흡수하였을 때 팽창되어 인접 공동을 폐쇄할 수 있는 팽창 매트(10)인 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 물질로 이루어진 하나 이상의 층부(8)는 열전도도가 매우 낮은 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 물질로 이루어진 층부(8,10)는 하나 이상의 섬유 매트로 형성되는 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 금속 시트(9;11) 및 세라믹 물질로 이루어진 하나 이상의 층(8;10)을 결합하여 샌드위치 구조물(17;27)을 형성하고, 그 샌드위치 구조물을 바람직하게는 하니컴 본체(3) 둘레로 원주방향을 따라 한번 이상 감는 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 샌드위치 구조물(17)은, 바람직하게는 안쪽에서 부터 바깥쪽으로 연속적으로, 양호한 단열성을 갖는 하나 이상의 세라믹 층(8)과, 금속 시트(9;11)와, 팽창 매트(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 시트(9;11)가 적은 힘으로도 하니컴 본체(3)의 둘레를 따라 굽혀질 수 있도록, 성형 영역(12;13;14;15)을 포함한 모든 금속 시트(9;11) 및 그 금속 시트에 결합되어 샌드위치 구조물(17;27)을 형성하는 세라믹 물질로 이루어진 모든 층(9,10)에 특히 주름(18)과 같은 구성부(17)를 마련하는 것을 특징으로 하는 하니컴 본체 조립체.
  11. 제 1 항에 따른, 특히 하니컴 본체 조립체(1)용 샌드위치 구조물(17;27)로서, 하나 이상의 금속 시트(9;11)와, 그 금속 시트에 결합되고 단열 섬유 물질(8)로 이루어진 세라믹 층을 포함하는 샌드위치 구조물에 있어서,
    상기 금속 시트(9;11)의 일측, 바람직하게는 양측이 하나 이상의 인접 세라믹 층(8;10) 둘레로 접히는(12;13;14;15) 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조물.
  12. 제 11 항에 있어서, 하나 이상의 금속 시트(9;11)와, 그 금속 시트의 일측에 위치하는 단열 섬유 물질로 이루어진 세라믹 층과, 상기 금속 시트의 타측에 위치하고 운모와 같은 팽창 물질을 포함하는 섬유 물질 층(10)을 구비하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조물.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 다수의 금속 시트(9;11)와 세라믹 층(8;10)을 번갈아 구비한 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조물.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 금속 시트(9;11)는 고온부식에 대해 내성을 갖는 물질 특히, 크롬- 및 알루미늄-베어링 철 합금과 같은 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조물.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 금속 시트(9;11)의 두께는 50 μ이하인 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조물.
  16. 삭제
  17. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 하니컴 본체(3) 외측에 배기가스가 유동할 수 있는 통로를 형성하지 않으면서도 샌드위치 구조물이 적은 힘으로 하니컴 본체(3)의 둘레를 따라 굽혀질 수 있도록, 샌드위치 구조물에 주름과 같은 구성부(18)를 마련하는 것을 특징으로 하는 샌드위치 구조물.
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