KR100506909B1 - 소형 엔진용 방사형 촉매 변환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

소형 엔진용 방사형 촉매 변환기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 소형 엔진으로부터 나오는 배기가스 유동을 정화시키기 위해 사용되는 촉매 변환기용 금속성 지지 구조물에 관한 것이다. 이 지지 구조물은 벌집형 구조물을 형성하도록 조립되는 다수의 스트립형 박막(9, 10)으로 구성된다. 본 발명에 따라서, 박막은 박막 조립 구조물(2)로 형성되며, 이 박막 조립 구조물(2) 내에서 각각의 인접 박막들은 접속부(11)에서 고정적으로 상호 연결된다. 이러한 접속부(11)는 서로 이격되어 교번적으로 배치된다. 예컨대 중공 본체를 형성하도록 박막 조립 구조물(2)을 감음으로써 박막 조립 구조물(2)이 펼쳐질 때, 벌집형 구조물이 내부에 유동 채널(8)을 가지며 형성된다. 이러한 유동 채널(8)은 벌집형 구조물을 관통하며, 적어도 하나의 반경방향 성분을 갖는다. 또한, 본 발명은 특히 소형 엔진용의 촉매로 사용되는 박막 조립 구조물(2)에 관한 것이다. 박막 조립 구조물(2)은 펼쳐질 때 먼저 임의의 단면 형상을 갖는 중공 본체로 감겨질 수 있는 편평한 가요성 벌집형 구조물을 형성하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 박막 조립 구조물(2)는 기존 형상의 촉매 용기에 적용될 수 있다.

Description

소형 엔진용 방사형 촉매 변환기 및 그 제조 방법 {RADIAL CATALYTIC CONVERTER, IN PARTICULAR FOR SMALL ENGINES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른, 특히, 소형 엔진용의 금속성 촉매 지지 구조물 및 촉매 지지 구조물로 사용되는 박막 조립 구조물에 관한 것이다.
방사형의 금속성 촉매 지지 구조물은 공지되어 있다. 그러한 방사형 촉매의 일례가 WO 96/09893에 개시되어 있다. 공지된 방사형 촉매는 서로에 대해 연속하여 배치되며 적층되는 개별 디스크로 구성되고, 그 내부에는 반경방향으로 연장되는 유체 채널이 형성되어 있다. 이와 같은 방사형 촉매는 중공 본체로 설계되며, 처리되어질 배기 가스 유동이 그 내부로 유입되고 방향이 바뀌어 개개의 디스크 사이의 유동 채널을 통해 반경방향으로 유출된다.
이러한 방사형 촉매의 단점은 이 촉매가 다수의 부분적으로 구조화된 디스크로 구성되는데, 제조시 이들 디스크가 하나의 조립체로서 서로 고정되어야 한다는 것이다. 그러므로, 이러한 촉매는 제조비용이 비교적 많이 들기 때문에, 소형 엔진에 사용하기 위한 촉매 지지 구조물로서는 적절하지 못하다.
DE 36 22 115 C1에는 팽창식 부분 적층 복합물로 구성된 축상 촉매 지지 구조물이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 유형의 구조물은 제작과 제위치에의 고정이 비교적 복잡하며 방사형 촉매의 분야에 적용할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 특히, 소형 엔진용으로 사용할 수 있는 소형의 능률적인 방사형 촉매를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 촉매는 배기 시스템의 치수를 증가시키지 않으며 저렴한 비용으로 제작이 가능하다. 또한, 본 발명의 목적은 박막 조립 구조물의 형태인 조립식 반제품을 제공하는 것이다. 이 조립식 반제품은 다른 추가의 제조장치 없이 간단한 제조방법으로 특히, 소형 엔진용 촉매 지지 구조물로 용이하게 형성될 수 있다.
이러한 목적은 청구범위 제 1 항의 특징을 갖는 금속성 촉매 지지 구조물 및 청구범위 제 2 항의 특징을 갖는 박막 조립 구조물에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 특징들은 각각의 종속 청구항에서 개시된다.
도 1은 촉매 지지 구조물의 내부에서의 유동을 기본적으로 나타내며, 배기 시스템 내의 본 발명에 따른 방사형 촉매의 기본 배치를 도시한 도면이고,
도 2는 벌집형 구성요소의 형태로 설계된, 본 발명에 따른 박막 조립 구조물을 도시한 도면이고, 그리고
도 3a 내지 도 3e는 박막 조립 구조물 내에서 서로 나란히 배치되는 상이하게 설계된 박막에 따른 도 2에 도시된 바와 같은 벌집형 구조물의 실시예들을 도시한 도면이다.
본 발명에 따르면, 특히 소형 엔진 내에서 배기 가스 유동을 처리하기 위해 사용되는 금속성 촉매 지지 구조물은 고온 및 부식에 강한 다수의 스트립형 박막으로 구성되는 벌집형 구조물을 갖는다. 본 발명에 따르면, 박막은 완성 상태에서 블록형(block-like) 구성을 갖는 박막 조립 구조물을 형성한다. 박막 조립 구조물에 있어서, 서로 나란하게 배치되는 박막들은 서로 이격되고 서로 교번적으로 오프셋된 연결 지점들에서 서로 고정적으로 연결되며, 그에 따라, 박막 조립체를 중공 본체 형태로 권취(winding)시켜 그 박막 조립체를 연신(stretch)시키면, 지지 구조물의 종축선에 대해 수직인 방향으로 연장하거나 적어도 반경방향 성분을 갖는 유동 채널이 벌집형 구조물내에 형성된다.
본 발명에 따른 촉매 지지 구조물의 주된 이점은 박막의 형태인 조립식 반제품을 사용함으로써, 한편으로는 공지되어 있는 바와 같은 디스크 형태의 다수의 개별 부품을 피할 수 있고, 다른 한편으로는 원통형 또는 절두원추형 중공 본체를 형성하도록 굴대나 튜브 등의 둘레에 자체 가요성을 가진 박막 조립체를 단순하게 권취함으로써 실제 촉매 지지 구조물을 제조하는데 있어서 복잡한 제조 공정이 필요 없어진다는 것이다. 박막 조립체가 중공 본체를 형성하면, 두 개의 단부 박막을 상호 연결시키는 것만이 필요하므로, 서로 버트 접합(butting)시키면 되고, 이 때 촉매 지지 구조물을 고정시키거나 촉매 지지 구조물의 전체적인 형상을 유지시키기 위한 다른 장치는 필요 없다. 이에 따라서, 특히 소형 엔진의 배기가스 유동을 처리하기 위한 비교적 소형의 촉매를 저렴한 비용으로 제조하는 것이 가능해지며 기존의 배기관 시스템의 치수를 변경하지 않고도 용이하게 적용시키는 것이 가능해진다.
본 발명에 따라서, 특히 소형 엔진용 촉매로서 사용하고 중공 본체를 형성하는 것이 가능한 박막 조립 구조물은 제조상태에서 박막들이 서로 나란하게 배치되는 블록형 조립체를 제조하도록 상응하는 접속부들에서 상호 연결되는 다수의 스트립형 박막을 포함한다. 박막들이 서로 나란하게 각각 배치되는 경우에, 박막들의 접속부들은 서로 교번적으로 오프셋되며, 또한 박막 조립 구조물이 연신되었을 때 실질적으로 편평한 가요성(flexible) 벌집형 구조물이 생산되는 방식으로 서로 고정적으로 연결된다. 또한, 본 발명에 따른 가요성 벌집형 구조물은 본래 편평한 형태의 벌집형 구조물을 굴대나 튜브 둘레에 권취함으로써 연신될 수 있으며, 그 결과, 가요성 벌집형 구조물의 대응 단부들의 접속에 의해 원통형 또는 절두원추형 중공 본체가 생성된다. 이러한 원통형 중공 본체는 자체적으로 안정적이며 자체 형상을 유지하기 위한 다른 요소를 필요로 하지 않는다. 그러므로, 기존의 배기 시스템의 치수를 변경할 필요 없이 특히 소형 엔진의 상응하는 배기 시스템 내에 용이하게 통합될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 박막 조립 구조물로부터 제조된 그러한 촉매 지지 구조물의 제조비용은 매우 저렴하다.
바람직한 실시예에 따르면, 서로 나란하게 각각 배치되는 박막들은 박막의 폭에 걸쳐 직선 형태의 접속부를 갖는다. 스트립형 박막의 길이방향 측면 가장자리에 대해 직각이거나 비스듬한 그러한 직선 접속부는, 제조된 박막 조립 구조물이 매우 신축적일 수 있게 하고 결국 비교적 작은 직경을 갖는 굴대 상에 권취될 수 있는 매우 가요성을 갖는 벌집형 구조물을 제조할 수 있게 한다는 장점을 제공한다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 접속부는 표면적을 갖도록 설계된다. 바람직하게는, 이 접속부가 스트립형 박막의 길이방향 측면 가장자리에 대해 직각으로 형성되거나 또는 (또 다른 실시예에 따라서) 비스듬하게 배치될 수 있는 직사각형 영역으로 설계될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 접속부가 삼각형이나 사다리꼴형으로 형성된다. 삼각형 또는 사다리꼴 접속부는, 박막 조립 구조물이 원통형 중공 본체로 권취될 때 스트립형 박막의 길이방향 측면 가장자리에 대해 직각으로 형성되는 직선 접속부나 또는 표면적을 갖는 직사각형인 접속부의 경우에서와 같이 원통형으로부터 술통(barrel)형상으로 변형되는 것을 방지하는 장점을 갖는다.
또한, 원추형에 보다 가까워지도록 개개의 접속부 사이의 간격을 스트립형 박막의 방향으로 증가시키거나 및/또는 접속부의 폭을 감소시키는 것이 가능하기 때문에, 본체가 중공 절두원추형으로 형성된 다음에 증가된 단면적을 갖는 상응하는 채널이 생성된다. 유체 유입영역은 방사형 촉매의 경우에 매우 균일한 유동 분포를 갖는 깔대기 형상, 즉 유동 방향으로 점점 가늘어지는 절두원추형으로 형성될 수도 있다.
박막 조립 구조물은 박막을 접속부에서 접착, 납땜 또는 용접함으로써 특히 간단한 방법으로 제조될 수 있다. 이에 있어서, 특히 초음파 용접이 바람직하다. 이러한 절차들은 신속하고 저렴하게 실행될 수 있어서, 조립식 반제품으로서 준비되는 박막 조립 구조물을 저렴하게 얻을 수 있다.
박막 조립 구조물이 원통형 중공 본체로 권취될 때, 벌집형 구조물의 개개의 셀은 반경방향으로 형성되는 유동 채널을 형성한다. 촉매 지지 구조물로서 박막 조립 구조물을 사용하기 위하여, 박막은 내고온성 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 박막 조립 구조물 또는 원통형 중공 본체를 제조하기 전에 촉매로 코팅되는 것이 바람직하다. 또한, 박막 조립 구조물이 완성된 후 또는 원통형 중공 본체로 설계된 촉매 지지 구조물이 완성된 후에 촉매 코팅을 도포시킬 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 벌집형 구조물은 매우 다양한 유동로가 존재하기 때문에 침지되거나 다양한 방향으로부터 분사함으로써 워시코팅(washcoat) 및/또는 촉매 활성 코팅을 쉽게 갖출 수 있다. 과도한 코팅 재료는 예컨대 자체 종축선을 중심으로 촉매 지지 구조물을 회전시킴으로써 매우 명확하고 균일한 방식으로 제거될 수 있다.
이외의 본 발명의 이점, 특징 및 적용 가능성은 실시예를 참고로 하여 이하에서 상세하게 설명된다.
도 1에는 배기관 케이스(7) 내에 유동(3, 5) 경로를 갖는 본 발명에 따른 방사형 촉매 또는 촉매 지지 구조물(1)의 기본 배치가 도시되어 있다. 촉매 지지 구조물(1)은 중공 본체의 형태로 설계되며 그 내부에 중공 내부 영역(4)을 갖는다. 배기가스 유동(3)이 배기관(6)을 통해 촉매 지지 구조물(1)의 내부 영역(4)으로 공급되고, 이 내부 영역(4)은 촉매 지지 구조물(1)로의 배기가스 유동(3)의 유입 구역에 반대편인 말단부에서 차단되어 있다. 그 결과, 배기가스 유동(3)은 내부 영역(4)으로부터 방향이 바뀌어, 벌집형 구조물 내에 형성되어 있는 유동 채널(8)을 통해 배기관 케이스(7) 내에서 촉매 지지 구조물(1)을 둘러싸는 공간으로 외측 반경방향을 따라 유도된다. 이 경우, 배기가스 유동(3)은 배기관(6) 내에서 촉매 지지 구조물(1)의 종축선(15)과 동축방향으로 유도된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막 조립 구조물(2)을 연신시킴으로써 얻어지는 벌집형 구조물을 도시하고 있다. 서로 나란하게 배열된 박막들이 서로에 대해 교번적으로 오프셋된 직선 접속부(11)들에서 상호 고정적으로 연결됨으로써, 처음에는 본질적으로 편평한 박막 조립 구조물이 연신되었을 때 유동 채널(8)을 갖춘 본질적으로 편평한 가요성 벌집형 구조물이 얻어진다. 이 경우, 유동 채널(8)은 서로 나란하게 배치되는 박막(9, 10)에 의해 각각 형성된다. 배기가스 유동(3)은 촉매 지지 구조물(1)의 종축선(15)에 수직인 방향으로 유동 채널(8)을 통해 유도된다. 연신 후에 얻어지는 편평한 벌집형 구조물은 탄성이 있어서 다양한 형상으로 권취될 수 있으며, 따라서 원하는 단면 형상을 갖는 촉매 지지 구조물이 용이하게 얻어질 수 있다. 그러한 편평한 벌집형 구조물은 대체로 원통형 중공 본체를 형성하도록 굴대를 중심으로 권취되는 것이 바람직하다. 또한, 적당하게 얇도록 선택된 박막과 적당한 가요성의 벌집형 구조물에 의하여, 편평한 원래의 벌집형 구조물을 각진 코어(예컨대, 삼각형, 사각형 또는 다각형, 또는 타원형이나 다소 편평한 타원형)의 둘레에 권취하는 것도 가능하다. 이러한 방식으로, 배기관 케이스(7)에 의해 요구되는 케이스의 형태에 쉽사리 맞춰질 수 있는 형태로 만들어질 수 있는 촉매 지지 구조물이 얻어질 수 있다.
연결되어지는 박막(9, 10)의 접속부(11, 12, 13, 14)의 다양한 실시예가 도 3a 내지 도 3e에 도시되어 있다. 도 3a에서는, 직선 접속부(11)가 서로 나란하게 배치된 박막(9, 10)에 형성된다. 이러한 직선 접속부(11)는 스트립 형상의 박막(9, 10)의 길이방향 측면의 가장자리에 수직으로 형성된다.
도 3b에서는, 직선 접속부(11)가 스트립 형상의 박막(9, 10)의 길이방향 측면 가장자리에 대해 사선으로 형성된다. 직선 접속부(11)의 그러한 사선 형상은 중공 본체로서 형성되는 촉매 지지 구조물(1)에 대해 비스듬한 유동 채널(8)을 형성하는 효과를 낸다. 이들 유동 채널(8)은 종축선(15)에 대해 직각방향으로 형성되는 방향 성분의 유동(5)을 갖는다. 비스듬한 유동 채널(8)의 이점은 촉매 지지 구조물을 통과하는 배기가스 유동(3)의 체류 기간이 증가하기 때문에 촉매에 의한 처리 효과가 증가한다는 것이다.
도 3c에는, 스트립 형상의 박막(9, 10)의 길이방향 측면 가장자리에 대해 직각으로 연장되는 표면적을 갖는 접속부(12)가 서로에 대한 간격(A)과 자체의 폭(B)과 함께 도시되어 있다. 서로 나란하게 배치되는 박막(9, 10)이 그러한 직사각형 접속부(12)에 의해 서로 연결되는 박막 조립 구조물은 벌집형 구조물로 펼쳐질 때 보다 큰 강도를 갖는다.
도 3d에는, 삼각형의 표면적을 갖는 접속부(13)가 도시되어 있다. 만일 도 3a 및 도 3c에 따른 직선 접속부(11 또는 12)가 사용되면, 벌집형 구조물이 원통형 중공 본체로 권취될 때 엄밀한 원통형으로부터 술통(barrel) 형상으로 변경된다. 이것은 삼각형 접속부(13)에 의하거나 또는 도 3e에 도시된 바와 같은 사다리꼴 접속부(14)에 의해 피해질 수 있다. 표면적을 갖는 접속부(12, 13, 14)를 형성할 때, 한편으로는 각각의 접속부(12, 13 또는 14)의 전체 표면적을 인접 박막(9 또는 10)에 고정적으로 연결하는 것도 가능하고, 다른 한편으로는 표면영역의 경계선인 오직 측선들만이 각각의 인접 박막(9 또는 10)에 직접 결합될 수도 있다.
조립식 반제품 요소로서 편평한 가요성 벌집형 구조물은 효율적으로 처리되고 저렴한 비용으로 제작될 수 있는 소형 촉매의 제조를 가능하게 한다. 그러한 촉매는 소형 엔진의 배기가스 유동의 처리에 특히 적합하다. 결국, 단순한 구성을 가지며 용이하게 제작될 수 있는 촉매 지지 구조물을 사용함으로써, 소형 엔진에 장착되는 장비의 제조비용이 크게 증가되지 않으며, 그리고 배기가스 유동이 처리됨으로써 그러한 장비의 생태학적 균형을 향상시키는 동시에 장비를 사용하는 사람의 건강상태도 개선시키게 된다.

Claims (14)

  1. 배기가스 유동(3)을 정화하기 위한, 종축선(15)을 가지며 다수의 스트립형 박막(9, 10)으로 형성된 벌집형 구조물을 가지는 금속성 촉매 지지 구조물(1)로서, 상기 박막(9, 10)들이 박막 조립 구조물을 형성하고, 상기 박막(9, 10)들은 각각 서로 인접하게 배치되며, 상호 이격되고 서로에 대해 교번적으로 오프셋된 접속부(11, 12, 13, 14)들에서 고정적으로 상호 연결되는, 금속성 촉매 지지 구조물에 있어서,
    상기 박막 조립 구조물이 연신되도록 상기 박막 조립 구조물을 상기 종축선(15)을 중심으로 중공 본체로 권취하고 나면, 상기 종축선(15)에 대해 직각인 방향을 향하는 하나 이상의 유동(5) 성분을 갖는 유동 채널(8)이 상기 벌집형 구조물 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속성 촉매 지지 구조물.
  2. 촉매 지지 구조물로서 사용하기 위한 중공 본체를 형성할 수 있는 박막 조립 구조물(2)로서, 상기 촉매 지지 구조물은 다수의 스트립형 박막(9, 10)들로 형성되고, 상기 박막(9, 10)들은, 서로 이격되고 박막이 서로 인접하게 배열되는 경우에 상호 교번적으로 오프셋되는 접속부(11, 12, 13, 14)들에서 고정적으로 상호 연결되어, 연신되었을 때 배기가스가 통과할 수 있는 가요성(flexible) 벌집형 구조물을 형성하는 박막 조립 구조물에 있어서,
    상기 박막(9, 10)이 내고온성 및 내식성 재료로 이루어지며, 상기 박막이 촉매 활성 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 박막 조립 구조물(2)이 종축선(15)을 중심으로 배열되는 중공 본체를 형성하며, 그리고 상기 박막 조립 구조물(2)이 하나 이상의 반경방향 유동(5) 성분을 갖춘 유동 채널(8)을 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 접속부(11)가 상기 박막의 폭에 걸친 직선 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 접속부(12, 13, 14)가 표면적을 갖는 면의 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 접속부(11)가 박막의 폭에 걸친 사선 형상으로 설계되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 접속부(11)가 박막의 폭에 걸친 사선 형상으로 설계되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 접속부가 삼각형(13) 또는 사다리꼴형(14)으로 설계되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 접속부들 사이의 간격(A)이 상기 스트립형 박막(9, 10)을 따라서 증가되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 박막의 상기 접속부(11, 12, 13, 14)가 접착, 납땜, 용접 또는 초음파 용접되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 박막(9, 10)이 크롬-알루미늄-강철 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 조립 구조물.
  12. 배기가스 유동을 정화하기 위한 금속성 촉매 지지 구조물을 제조하기 위한 방법으로서:
    다수의 인접한 박막들을 구비하는 박막 조립 구조물을 형성하도록 다수의 스트립형 박막을 함께 위치시키는 단계;
    서로 이격되고 교번적으로 오프셋된 접속부들에서 상호 인접하는 박막들을 고정적으로 상호 연결시키는 단계; 및
    상기 박막 조립 구조물을 연신시켜 벌집형 구조물이 되도록 상기 박막 조립 구조물을 종축선을 중심으로 권취하여 중공 본체를 형성하는 권취 단계를 포함하며;
    상기 벌집형 구조물은 상기 종축선에 대해 수직인 방향을 향하는 하나 이상의 유동 성분을 갖는 유동 채널을 구비하는 촉매 지지 구조물의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 권취 단계는 굴대 둘레로 권취시킴으로써 실행되는 촉매 지지 구조물의 제조 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 고온 부식에 대한 내성을 가지는 재료로 형성된 다수의 스트립형 박막을 가지는 박막 조립 구조물로부터 촉매 지지 구조물을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 박막들은 촉매 활성 코팅을 구비하며, 상기 박막들은 이격된 접속부들에서 고정적으로 상호 연결되며, 상기 박막들은 서로 교번적으로 오프셋된 인접 박막들을 포함하여 상기 박막 조립 구조물이 연신되었을 때 배기가스가 통과할 수 있는 가요성 벌집형 구조물을 생성하는 촉매 지지 구조물의 제조 방법.
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