KR100417442B1 - 연결웹을구비한미소구역으로분할된전기가열식벌집형상체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수평으로 연장하고 유체가 흐르는 통로와 전기 가열 부분을 갖는 벌집형상체에 관한 것으로, 상기 가열 부분은 상기 벌집형상체(12)를 통해 굽어진 흐름을 갖도록 적어도 하나의 간극에 의해 서로 전기적으로 절연되어 있으며, 상기 부분 사이의 간극은 부분 내에 적어도 하나의 고정점(14)을 갖는 적어도 하나의 전기 절연 연결부 가지(13)에 의해 안정화된다.

Description

연결 웹을 구비한 미소 구역으로 분할된 전기 가열식 벌집형상체 {ELECTRICALLY HEATABLE HONEYCOMBED BODY SUBDIVIDED INTO PARTIAL AREAS WITH INTERCONNECTING WEBS}
전기 가열식 벌집형상체는 내연 기관으로부터 배출되는 연소 배기 가스내 오염 인자의 변환을 위한 촉매 변환기용 캐리어로 사용된다. 내연 기관의 배기 가스와 관련하여 점점 더 강화되어져 가는 오염물 방출 규제 및 방출량을 감소시키기 위한 많은 노력들에 있어서, 연소 배기 가스가 저온 시동 상태(cold-start phase)에서도 가능한 완전하게 변환되는 것이 중요하다. 상기 목적으로 전기 가열식 촉매가 사용되며, 이러한 전기 가열식 촉매는 내연 기관이 작동하기 직전 및/또는 직후에 가열된다. 이는 비교적 저온의 배기 연소 가스가 신속하게 촉매 변환되도록 한다. 전기 가열식 벌집형상체는 공기 히터 등의 다른 배기 가스 시스템에도 사용된다.
상기와 같은 전기 가열식 벌집형상체는 WO 89/10471 및 WO 92/02714에 기술되어 있다. 적당한 전기 저항을 갖기 위해서, 벌집형상체는 소정의 저항을 갖는하나 이상의 전류 경로가 제공될 수 있도록 간극 또는 전기 절연층에 의해 전기적으로 분할된다.
DE 43 07 431 A1은 압출에 의해 제조되어지는 벌집형상체를 기술하고 있다. 각각의 부품 또는 부분을 포함하는 간극을 갖는 벌집형상체의 경우에 있어서, 작동중에 발생하는 충격 및 진동으로 인한 재료의 피로 위험이 있다. 상호 대향으로 위치된 간극의 측면들은 온도의 증가로 인해 접촉하지 않도록 하는 것이 필요하다. 따라서, WO 92/02714는 벌집형상체 구조를 안정적으로 유지하는 다양한 방법을 기술하고 있다. 상기 구조에서, 벌집형상체 내의 캐리어 구조는 서로 연결되어 있거나 전기 절연 지지물에 의해 관형의 케이싱에 연결되어 있다. DE 43 07 431 A1에 기술되어진 벌집형상체 형태에서는, 연결지점으로 제공될 수 있는 캐리어 구조물이 없다.
본 발명은 서로 전기적으로 분리된 다수의 부분을 갖는 벌집형상체, 특히 차량의 가열식 촉매 변환기용 캐리어로서 사용되는 벌집형상체에 관한 것이다.
도 1은 주 촉매와 가열 촉매를 포함하는 조립체를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 2는 다른 종류의 벌집형상체의 각각의 부분이 도시되어진, 도 1의 선 II-II를 따라 취한 벌집형상체의 주 흐름 방향에 수직으로 도시한 횡단면도이다.
도 3은 벌집형상체의 세 부분이 서로 연결되거나 연결부 가지에 의해 관형의 케이싱에 연결됨을 도시한 도면이다.
도 4는 벌집형상체 두 부분 사이의 연결부 가지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 브릿지-형상으로 배치되어진 연결부 가지의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 벌집형상체 각각의 부분을 연결하는 빗-형상의 연결부 가지를 도시한 도면이다.
도 7은 빗-형상의 연결부 가지를 보다 상세하게 도시한 사시도이다.
도 8은 연결부 가지를 갖는 칼라를 도시한 도면이다.
도 9는 핀-형상의 연결부 가지에 의해 관형의 케이싱과 벌집형상체 사이의 연결부를 도시한 도면이다.
도 10은 핀-형상의 연결부 가지 부분을 도시한 도면이다.
따라서, 본 발명의 목적은 바람직하지 못하게 변동하는 기계 및 열 하중하에서 특히, 대향 위치된 간극 측면들이 서로 접하지 않도록, 혹은 벌집형상체 부분들 사이의 연결부에서 피로 파열이 발생되지 않고 작동될 수 있도록, 전기 가열식 벌집형상체 부분들 사이에 전기 절연 간극의 안정적 유지(stabilization)를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 상기 목적은 청구항 제 1항의 벌집형상체에서 달성된다.
벌집형상체 부분 사이의 연결부 가지 또는 웹(connect limb or web)에 의한 본 발명에 따른 연결부는 벌집형상체의 각 부분에 작용하는 힘과 모멘트가 적절하게 전달됨을 보장한다. 이러한 연결부 가지는, 개별적인 각각의 부분으로 형성된, 벌집형상체의 총괄적인 구조물을 강화시키고, 상기 연결부 가지는 벌집형상체가 충격 및 진동 및 요동 뿐 아니라 온도의 상승으로 인해 발생하는 힘을 견딜 수 있게 하며, 이러한 힘들을 관형의 케이싱에 전달할 수도 있다. 이러한 관점에서, 벌집형상체의 개별 부분들의 단부 사이에 상기 부분들을 서로 연결하는 연결부 가지가 위치하는 것이 바람직하다. 이러한 목적에 따라, 상기 연결부 가지는 바람직하게는 브릿지 형상이다. 이런 형상은 벌집형상체의 단지 일부분만이 서로 연결되어질 때 특히 바람직하다. 연결부 가지는 임의의 부가적인 캐리어 구조물이 필요하지 않도록 벌집형상체 임의의 부분에서 하나의 고정점을 갖는 것이 중요하다.
본 발명의 바람직한 개선점은 예컨대 벌집형상체 상으로 압입되는 빗-형상의 구성으로 단단한 잠금 연결을 형성하기 위해, 각각의 연결부 가지를 병합함으로써 제공된다. 이는 많은 개별 부분들이 서로 용이하게 결합되도록 한다. 각 부분 사이의 전기 절연은 적합한 재료, 피복물 및/또는 연결부 가지의 설계 구성의 선택에 따라 제공된다.
벌집형상체와 관형의 케이싱 사이의 연결부는 벌집형상체 단부의 전후 또는 벌집형상체 내에서 연장하는 연결부 가지의 제공으로 인해 형성된다.
단단한 잠금 연결(positively locking connection)의 또 다른 바람직한 실시예는 케이싱의 단부에서 칼라에 연결부 가지를 통합시키는 것을 포함한다. 이러한 구성으로 관형의 케이싱과 벌집형상체 사이에 연결부를 제공하는 동시에, 매우 낮은 설치 비용을 필요로 한다. 칼라의 설치에 있어 문제점이 발생된다면, 프레임수단으로 연결부 가지용 고정기 구조물을 사용하는 것이 바람직하다. 벌집형상체에 다음 부품을 연결할 때의 설치 문제점은 상기 방식으로 방지될 수 있다.
상기 연결부 가지의 특정 실시예는 핀(pin) 형태의 연결부 가지에 의해 달성된다. 각 부분의 전기 절연물은 핀 연결부의 설계 구성에 의해 제공된다. WO 94/17292에 기술된 지지 구조물에 의해 서로 전기적으로 분리된 도전성 부품의 금속성 연결부는 상기 목적에 적합한 공지된 구성이다. 층 형상의 지지 부재의 외장 구조물은 독일 실용신안 제 93 17050.5에 또한 기술되어 있다.
본 발명의 또 다른 이점 및 특성은 단지 예로서 도면에 제시되어 있는 실시예를 참조하여 이후 보다 상세히 설명된다.
도 1은 가열 촉매(10a)와 주 촉매(10b)와 상기 촉매들을 둘러싸고 있는 관형의 케이싱(11)으로 이루어지는 배기 가스 정화 장치의 구조를 도시하고 있다. 가열 촉매(10a)내에 위치되고, 화살표에 의해 나타난 것처럼 주요 흐름 방향(S)의 절단 영역에서 볼 수 있는 벌집형상체(12)는 본 발명에 따른 연결부 웹 또는 가지(13)에 의해 안정적으로 유지된다. 상기 목적에 따라, 연결부 가지(13)는 벌집형상체(12)의 단부 밖으로 돌출될 수 있다. 이는 상기 벌집형상체를 보강하기 위한 목적에서 예컨대 벌집형상체(12)상에 작동하는 굽힘 모멘트와 관련하여 바람직하다. 왜냐하면, 연결부 가지(13)에 대해 바람직한 지렛대 길이를 제공하기 때문이다. 상기 연결부 가지(13)와 벌집형상체(12) 사이의 연결 위치(14)는 벌집형상체(12) 내에서 연결부마다 적어도 하나씩 발생한다. 그러나, 이는 후에 보다 상세히 설명되어질 것이다.
도 2는 한 실시예인 벌집형상체(12)의 구조를 도시하고 있다. 이것은 상이한 벌집형상체 부분(22a-d)으로 이루어져 있다. 벌집 구조의 다양한 가능예에 관하여 각각의 벌집형상체 부분(22a-d)으로 나타내었다. 일반적으로 상기 가능한 구조물중의 하나만이 벌집형상체 내에서 사용되어 모든 부분이 동일한 설계 구성을 하고 있다. 본 발명의 이점은 모든 종류의 구조물에 대해 실용적으로 적합하게 사용할 수 있다는 것이다. 상기 벌집형상체 부분(22a-d)은 전기 절연 간극(21)에 의해 분리된다. 상기 간극은 공기 또는 절연성 재료로 채워질 수 있다. 이 때 각각의 통로(24)를 통해 유체가 흐른다. 상기 벌집형상체(12) 각 부분(22a-d)의 도전성 장착 연결부(26)(그 구성의 일례를 DE 43 07 431 A1에서 찾아볼 수 있음.)는 구불구불한 전류 경로(current path; 25)를 제공한다. 이 경로는 점선 화살표로 나타나 있다. 상기 종류의 벌집형상체(12)에 대해, 본 발명의 또 다른 이점은 어떠한 위치에서도 연결부 가지(23)를 사용할 수 있는 융통성이 있다는 것이다. 예를 들어, 인장력 및 토오크가 벌집형상체 부분(22a-d)의 엣지에서 발생한다면, 연결부 가지(23a)는 그 부위에서 적당한 벽면에 설치되어 상기 종류의 하중을 만족스럽게 지탱할 수 있다. 예를 들어, 벌집형상체 부분(22a-d)의 중심에서 압축력이 발생하는 경우에는, 연결부 가지(23a)를 다른 배치로 할 수 있다. 도 4에 그 예가 도시되어 있다. 이러한 두 예는 연결부 가지가 각각 다른 하중 상황에서 다른 방식으로 어떻게 사용될 수 있는지를 설명해준다.
도 3은 연결부 가지(33)에 의해, 이 도면에 선택된 벌집형상체의 여러 부분 사이의 간극(21)의 안정적 유지를 도시하고 있다. 연결부 가지(33)는 상기 벌집형상체(12)의 각각의 부분(22a-d)에 다른 전압 전위를 유지시키기 위해 적어도 연속적으로 도전성을 갖지는 않는다. 이러한 연결부 가지(33)는 각각의 벌집형상체 부분(22a-d) 사이의 간극을 안정적으로 유지시키고 형상 강도를 증가시킨다. 연결부 가지(33)는 상기 벌집형상체(12)내에 적어도 하나의 고정점(34)을 갖는 것이 바람직하다. 이것은, 예를 들어, 연결부 가지(33)의 연결 고정점(34)에서 뿐만 아니라, 벌집형상체(22)에 대항하여 유지되는, 연결부 가지(33)의 일부에 의해 제공된 접촉면(35)에 의해서도 압축력이 지탱되게 한다. 그 결과, 벌집형상체 부분(22a-d)의 상호 대향 위치한 측면들은 서로 접촉될 수 없다. 본 발명에 따라, 벌집형상체에 작용하는 모멘트와 힘을 전달할 수 있도록 하기 위해서, 관형의 케이싱(11)과 벌집형상체(12) 부분(22a-d) 사이의 부가적인 접촉이 연결부 가지(33)에 의해서 발생하도록 한다. 관형의 케이싱(11)에 의해 힘이 지탱되어진다는 사실은 벌집형상체(12)의 부분(22a-d)과 간극(21)에 보다 나은 안정성을 초래한다.
도 4에 도시되어진 것처럼 연결부 가지(33)와 벌집형상체(12) 사이의 연결점(34)은 연결부 가지(33)에 대한 재료의 선택에 따라 납땜되거나 용접되거나 소결되거나 또는 그외의 다른 형태로 제공될 수 있다. 도 4는 압축력 발생시 연결부 가지(33)와 벌집형상체(12) 사이의 힘 전달을 개선시키는 접촉면(35)을 보다 상세히 도시하고 있다. 연결부 가지(33)의 가로 부분상의 굽힘 모멘트는, 연결부 가지(33)의 일부분이 통로(24) 내부로 삽입됨으로써 제공된 접촉면(35)에 의해 감소된다.
도 5는 브릿지 형상을 하고 있는 연결부 가지(33)의 또 다른 구성을 도시하고 있다. 이는 전기 절연 비-도전체(54)에 의해 상호 연결된 좌측연결부 가지 부분(53a)과 우측연결부 가지 부분(53b)으로 이루어지며 상기 비-도전체는 중심부에서 상기 부분들을 둘러싸며 세라믹 재료로 제조된다. 이러한 비-도전체는 그 다음에 금속성 외장(55)에 의해 둘러싸인다. 이러한 구조로 인해, 연결부 가지(33)가 도면 부호 34의 지점에서 벌집형상체(12)의 두 개의 각각 다른 부분(22a-d)에 고정될 때, 한편으로는 상기 부분들 사이의 전위차를 유지시킨다. 다른 한편으로는 이러한 브릿지 형태의 연결부는 인장력과 압축력 및 모멘트를 동일하게 지탱 및 전달할 수 있다. 금속성 외장(55)을 포함한 연결부를 제조하기 위한 방식에서, 전기 절연성 비-도전체(54)와 연결부 가지 부분(53a,53b)은 각각 WO 94/17292에 기술되어 있다.
도 6은 벌집형상체(12)의 서로 다른 부위를 상호 고정하고 안정적으로 유지시키는 동시에 관형의 케이싱(11)에 대한 지지 기능을 갖는 연결부 가지(63)를 도시하고 있다. 따라서, 이에 따른 연결점(64)은 형상 잠금 및/또는 강제 잠금 구성으로 되어 있는데, 다른 연결 과정 및 구성의 이용도 가능하다. 이러한 빗-형상의 연결부 가지(63)의 이점은 벌집형상체(12)에 작용하는 힘을 관형의 케이싱(11)에 전달하는데 있고, 또한 벌집형상체 부분(22a-d) 사이의 간극(21)을 안정적으로 유지시키는데 있다. 다른 한편으로, 충격에 의해 야기된 외부로부터 관형의 케이싱(11)에 인가된 힘은 관형의 케이싱(11) 또는 벌집형상체(12)에 손상을 주지 않고 흡수된다. 도 7에 보다 상세히 도시되어진 도면부호 63으로 나타난 빗 형상의 연결부 가지는 벌집형상체(12)에 꼭 맞도록 오목부(65)와 다리부(66)가 번갈아 놓여져 통로(24) 또는 간극(21)의 양측면이 서로 맞닿지 않도록 한다. 각각의 안정성 계산에 따라, 오목부(65)와 다리부(66)의 길이는 변할 수가 있다. 벌집형상체(12) 각 부분(22a-d) 사이에 전기 단락이 방지되도록, 실시예에서 오목부(65) 내의 표면(67)은 세라믹과 같은 전기 절연 재료로 제조된다. 이는 연결부 가지(63)에 대한 재료를 강도의 측면에서 선택할 수 있도록 한다.
도 8은 연결부 가지(83a-c)에 대해 낮은 설치 비용으로 가장 높은 수치의 간극(21)의 안정도가 이루어지는 본 발명에 따른 구성을 도시하고 있다. 상이한 구성의 연결부 가지들(83a-c)이 통합될 수 있는 칼라(81)는, 관형의 케이싱(11)에 칼라(81)를 끼울 때 벌집형상체(82) 부분들과 간단하게 결합되고, 관형의 케이싱(11)과 벌집형상체 부분(82) 사이에 연결점(84)을 형성하며, 이 연결점(84)은 이후에 다시 해제될 수 있다. 연결부 가지(83)와 칼라(81) 사이의 가능한 연결은 도시되어진 점선 부분으로부터 볼 수 있다. 큰 접촉면을 제공하여 벌집형상체 부분(82)과 연결부 가지(83) 사이의 우수한 전달력을 제공하기 위해서는, 연결부 가지(83)가 도시되어진 것처럼 통로 횡단면(85)의 치수에 부합하도록 하는 것이 바람직하다. 칼라 대신에, 기능적으로 등가의 구성(연결부 가지(83a-c)의 캐리어), 즉 관형의 케이싱(11) 내부로 압입되는 임의의 프레임의 형태를 사용하는 것이 가능하다.
도 9는 도면부호 22d로 지시된 형상의 벌집형상체 부분들을 관형의 케이싱(11)에 연결하기에 바람직한 본 발명에 따른 연결부 가지(93)를 도시하고 있다. 이러한 연결부 가지(93)는 상호 연결되어진 벌집형상체 부분(22a-d)이 적절히 뚫어지도록 벌집형상체(12)의 두 개의 단부면 사이에 연장하는 핀의 형태이다. 연결부 가지(93)의 구조가 도 10에 도시되어 있다. 도 5를 참조하여 기술된 연결부 가지(33)에 기초하여, 상기 연결부 가지(93)는 전기 절연 외장(93b)을 갖는 금속 지지핀(93a)과, 관형의 케이싱(11)과 연결부 가지(93) 사이에 접촉면(94)을 제공하는 금속성 외장(93c)을 포함한다. 연결부 가지(93)에 수직으로 벌집형상체에 작용하는 힘과 모멘트는 연결부 가지(93)에 의해 지탱될 수 있으며 관형의 케이싱(11)에 전달될 수 있다. 상기 목적에 따라, 연결부 가지(93)의 두 단부는 관형의 케이싱(11)에 용접되거나 납땜될 수 있으나, 다른 연결 과정 및 구성의 이용도 가능하다. 상이한 주변 각도로 배치된 다수의 연결부 가지(93) 및/또는 관형 케이싱(11)의 축방향 길이에 의해 간극(21)의 높은 안정적 유지 수준(stabilization level)이 달성된다.
본 발명은 적절한 연결부에 의해 각 부분으로 구성된 벌집형상체의 강도를 강화시키고, 상기 벌집형상체 부분들 사이의 간극을 안정적으로 유지시키는데 특히 적합하다.

Claims (11)

  1. 평행하게 연장되고 유체가 흐를 수 있는 통로(24), 및 하나 이상의 간극(21)에 의해 부분적으로 서로 전기 절연된 전기 가열 부분(electrically heatable portions; 22a-d)을 갖는 벌집형상체(12)로서, 상기 벌집형상체를 통해 굽어진 전류 경로(25)를 갖는 벌집형상체에 있어서,
    상기 전기 가열 부분(22a-d) 사이의 간극(21)은 상기 부분들(22a-d; 52) 내에 하나 이상의 고정점(14; 34; 64; 84; 94)을 갖는 하나 이상의 전기 절연 연결부 가지(13; 33; 63; 83a-c; 93)에 의해 안정적으로 유지되며, 상기 연결부 가지(13; 33; 63; 83)의 하나 이상의 단부가 통로(24)내로 연장되어 상기 통로에 고정되는 것을 특징으로 하는 벌집형상체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 벌집형상체가 관형의 케이싱(11)으로 둘러싸이고, 상기 연결부 가지(13; 33; 83a-c; 93)는 상기 관형의 케이싱(11)에 상기 벌집형상체(12)의 하나 이상의 부분(22a-d; 82)을 연결함을 특징으로 하는 벌집형상체.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연결부 가지(13; 33; 63; 83a-c; 93)는 상기 벌집형상체(12)의 상이한 부분들(22a-d; 82) 사이에 하나 이상의 연결점(34; 64; 84; 94)을 가짐을 특징으로 하는 벌집형상체.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연결부 가지(63; 93)는 하나 이상의 벌집형상체 부분(22a-d)과 관형 케이싱(11)의 대향 측면 사이에 연결부(64; 94)를 제공함을 특징으로 하는 벌집형상체.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연결부 가지(13; 33)는 상기 벌집형상체(12)의 하나 이상의 단부 밖으로 적어도 부분적으로 돌출되어 있음을 특징으로 하는 벌집형상체.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연결부 가지(63; 93)는 상기 벌집형상체(12)의 단부들에서 동일 평면으로 상기 단부들 사이로 연장됨을 특징으로 하는 벌집형상체.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연결부 가지는 내부 층(93a)과 외부 층(93c)이 각각 금속성 재료로 구성되어 있고 중간 층(93b)이 전기 절연재로 구성된 다중층으로 둘러싸인 핀(93) 형상임을 특징으로 하는 벌집형상체.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연결부 가지(13; 33; 63)는 서로 전기적으로 절연된 두 개 이상의 지지 기둥을 갖춘 브릿지 형상임을 특징으로 하는 벌집형상체.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 벌집형상체가 관형의 케이싱(11)에 의해 둘러싸이고, 상기 관형의 케이싱(11)내에 끼워 맞춰지는 칼라(81)에 상기 연결부 가지(83)가 고정되는 것을 특징으로 하는 벌집형상체.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 벌집형상체가 관형의 케이싱(11)에 의해 둘러싸이고, 상기 관형의 케이싱(11)내에 끼워 맞춰지는 프레임에 상기 연결부 가지(83)가 고정되는 것을 특징으로 하는 벌집형상체.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 통로(24) 내로 연장된 상기 연결부 가지(13; 33; 63; 83)의 단부는 상기 통로(24)의 횡단면 형상 및 횡단면 치수와 부합하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 벌집형상체.
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