KR100509393B1 - 오염제어장치용하이브리드장착시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 하우징(12)과, 상기 금속 하우징 내에 배치된 고형 오염 제어 장치(20)와, 상기 오염 제어 요소를 적소에 배치하고 기계적 충격 및 열충격을 흡수하도록 상기 오염 제어 요소와 상기 금속 하우징 사이에 배치된 마운팅 매트를 포함하는 오염 제어 장치에 관한 것이다. 상기 마운팅 매트는 탄력적이고, 가요성인 섬유질의 비탄성 재료로 형성된 하나 이상의 삽입물을 가지는 팽창 재료층(26)을 포함하여 팽창성 재료의 부식을 방지하며, 오염 제어 요소와 하우징 사이에 밀봉을 제공한다.

Description

오염 제어 장치용 하이브리드 장착 시스템
본 발명은 오염 제어 장치에 관한 것으로, 구체적으로 말하자면 자동차 배기시스템용 촉매 컨버터 및 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter) 또는 트랩(trap)에 관한 것이다. 오염 제어 장치는 통상적으로 탄성 및 가요성이 있는 장착매트(mounting mat)에 의하여 케이싱 내부에 고정 장착되는 모놀리식 요소(monolithic element)를 갖는 금속 하우징을 구비한다. 장착 매트는 비발포성 세라믹 섬유 복합물로 형성된 삽입물(insert)을 갖는 발포성 시트 재료로 구성되어 있다.
일반적으로, 대기 오염을 제어하기 위해 자동차에는 오염 제어 장치가 설치된다. 현재에는, 촉매 컨버터와 디젤 미립자 필터 또는 트랩의 두 종류가 널리 이용되고 있다. 촉매 컨버터는 촉매를 포함하며, 이 촉매는 컨버터에 장착된 모놀리식 구조물에 통상적으로 코팅된다. 모놀리식 구조물은 통상적으로 세라믹이지만, 금속 모놀리스도 사용되고 있다. 촉매는 일산화탄소와 탄화수소를 산화시키고, 자동차 배기 가스 중의 질소 산화물을 환원시켜 대기 오염을 제어한다. 이들 촉매 공정에서 발생되는 비교적 고온으로 인하여, 촉매 지지체로서는 세라믹이 자연스럽게 선택되어 왔다. 특히 유용한 촉매 지지체는, 예컨대 미국 특허 재발행 제27,747호에 개시된 바와 같은 세라믹의 벌집 모양(honeycomb)의 구조물일 수 있다.
보다 최근에는, 금속 촉매 지지체(금속 모놀리스)를 사용하는 촉매 컨버터도 이 목적을 위하여 사용되고 있다(예컨대, 영국 특허 제1,452,982호, 미국 특허 제4,381,590호 및 자동차 기술자 협회 논문 850131 참조).
가장 일반적인 디젤 미립자 필터 또는 트랩은 모놀리식 월 플로 필터(monolithic wall flow filter)이다. 이들 모놀리식 월 플로 타입의 디젤 미립자 필터 요소는 통상적으로 벌집 모양의, 다공성 결정질 세라믹(예컨대, 근청석) 재료로 구성된다. 벌집 모양 구조물의 교호(交互) 셀은 일반적으로, 배기 가스가 한 셀로 유입되고 그 셀의 다공성 벽을 강제적으로 통과하고, 다른 셀을 통하여 구조물을 빠져나가도록 되어 있다. 디젤 미립자 필터 요소의 크기는 특정 용례의 필요에 의존한다. 유용한 디젤 미립자 필터 요소는, 예컨대 미국 뉴욕주의 코닝에 소재하는 Corning Inc.와, 일본 나고야에 소재하는 NGK Insulator Ltd.에서 시판하는 것일 수 있다. 유용한 디젤 미립자 필터 요소는 논문 제목이 "셀룰라 세라믹 디젤 미립자 필터(Cellular Ceramic Diesel Particulate Filter)"인 호윗(Howitt) 등의 1981년 자동차 기술자 협회 기술 논문 시리즈의 논문 번호 제810114호에서 발표된 것일 수 있다.
이들 장치의 종래의 구조에 있어서, 각 유형의 장치는 모놀리식 구조물 또는 요소를 내부에 유지하고 있는 금속 하우징을 구비하는데, 이 요소는 금속 또는 세라믹일 수 있고, 가장 일반적으로는 세라믹이다. 모놀리식 구조물은 캐닝(canning)으로 지칭되는 공정에서 하우징에 장착된다. 모놀리스와 하우징 사이에는 간격 또는 공간이 있으며, 이 공간은 모놀리스와 하우징에 대하여 크기 공차의 범위가 있기 때문에 변동된다. 최대의 간격은 모놀리스가 크기 공차 범위의 하한측에 있고, 하우징이 크기 공차 범위의 상한측에 있을 때 존재한다. 모놀리스에 대한 손상을 방지하고 모놀리스를 적소에 유지하기 위하여, 발포성 장착 매트 또는 발포성 페이스트와 같은 장착 재료가 통상적으로 캐닝 이전에 모놀리스의 둘레에 배치된다. 장착 재료는 간격을 채운다. 에워싸인 모놀리스가 하우징에 삽입된 후에, 캔은 압축 폐쇄되고, 하우징의 측방향 가장자리를 따른 플랜지는 용접된다. 차량에 설치된 후에, 오염 제어 장치는 고온 배기 가스에 의해 가열되고, 이것은 발포성 재료를 팽창시켜 추가의 유지 압력을 발생시킨다. 압력의 크기는 재료의 장착 밀도(mount density)와 사용 온도에 의하여 결정된다. 장착 밀도가 너무 낮은 경우, 모놀리스를 적소에 유지하기에는 불충분한 압력이 생긴다. 장착 밀도가 너무 높은 경우, 하우징과 모놀리스 사이의 장착 재료에 의하여 과도한 압력이 가해져 하우징의 변형 및/또는 모놀리스의 손상을 초래한다.
모놀리스가 하우징에 고정된 후에, 발포성 장착 재료는 오염 제어 장치에 문제가 될 수 있는 다른 상태로부터의 손상을 방지하거나 감소시키는 역할을 한다. 오염 제어 장치는 차량에 설치되기 전후 모두에 유해한 진동을 겪을 수 있다. 추가로, 전체 장치는 다양한 시간 동안, 예컨대 300℃ 이상의 고온을 겪는다.
세라믹 모놀리스는 일반적으로 그것이 내장되는 금속(통상 스테인리스 강) 하우징보다 작은 크기의 열팽창 계수를 가지므로, 고온에서는 장착 재료가 상이한 팽창을 보상하기에 충분하도록 팽창해야 하지만, 하우징 또는 모놀리스에 손상을 입힐 수 있는 과도한 압력을 발생시킬 정도로 팽창해서는 안된다. 장착 재료는 고온 배기 가스가 모놀리스와 금속 하우징 사이로 통과하는 것도 방지한다. 이에 따라, 배기 가스는 촉매를 통과하게 된다.
통상적으로, 장착 재료는 무기 결합제, 결합제로서도 작용할 수 있는 무기 섬유, 발포성 재료와, 선택적으로 유기 결합제, 충전제 및 그 외의 보조제를 포함한다. 이러한 장착 재료는 페이스트, 시트 및 매트로서 사용된다. 모놀리스를 하우징에 장착하는 데 유용한 발포성 시트 재료, 세라믹 매트 재료 및 세라믹 페이스트는, 예컨대 해치(Hatch) 등의 미국 특허 제3,916,057호, 랑거(Langer) 등의 제4,305,992, 제4,385,135호, 제5,254,416호, 하시모토(Hashimoto) 등의 제5,242,871호, 해치의 제3,001,571호, 맥나일(MacNeil)의 제5,385,873호, 제5,207,989호 및 우드(Wood)의 영국 특허 제1,522,646호에 개시되어 있다.
텐아이크(TenEyck)의 미국 특허 제4,999,168호에는, 크라프트 종이(kraft paper), 플라스틱 필름, 무기 섬유와 같은 시트 재료의 보강층에 접착 결합되는 예비 형성된 발포층을 갖는 내균열성의 발포성 시트가 개시되어 있다.
메리(Merry) 등의 미국 특허 제4,865,818호에는, 매트 재료의 얇은 시트를 모놀리스의 둘레에 적어도 2회, 층처럼 감음으로써 촉매 컨버터를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
메리의 미국 특허 제4,929,429호에는, 발포성 매트 재료에 스티치 결합(stitched-bonded)되는 세라믹 섬유 매트를 갖는 촉매 컨버터용 복합재가 개시되어 있다.
랑거 등의 미국 특허 제4,048,363호에는 발포성 재료의 유사한 시트의 적어도 2개의 층을 갖는 복합재가 개시되어 있다.
오염 제어 장치가 고온과 저온 사이를 순환함에 따라, (금속 또는 세라믹) 모놀리스와 하우징 사이의 간격 크기는 계속적으로 변하며, 장착 매트는 반복적으로 압축 및 압축 해제된다. 하우징이 매우 높은 온도, 즉 약 700℃ 이상에 도달하는 경우에, 하우징의 변형이 발생될 수 있다. 이 경우에, 종래의 발포성 매트 장착 재료는 모놀리스에 계속적인 지지를 제공하기에는 고온 탄력성이 부족할 수 있다. 그러므로, 금속 하우징의 변형을 야기하지 않으면서 모놀리스와 금속 하우징 사이의 간격 변화에 적응하도록 충분히 탄성력이 있고 압축 가능한 장착 시스템이 요구된다. 또한, 종래의 장착 재료가 자체의 유용성과 장점을 가지지만, 오염 제어 장치에 사용하기 위하여 장착 재료를 개선하기 위한 계속적인 요구가 있다. 또한, 보다 넓은 온도 범위에 걸쳐 기능을 잘 발휘하는 재료를 제공하는 것이 유리하다.
도 1은 본 발명의 장착 시스템을 보여주는 촉매 컨버터의 분해 사시도.
도 2는 모놀리스로부터 박리된 본 발명의 장착 시스템을 보여주는 도 1의 촉매 컨버터의 도면.
도 3A는 발포성 재료로 구성되는 종래 기술의 결합 시스템을 도시한 도면.
도 3B는 모놀리스의 둘레에 배치된 도 3A의 장착 시스템의 단면도.
도 4A는 본 발명에 따른 장착 시스템의 바람직한 실시예를 도시한 도면.
도 4B는 모놀리스의 둘레에 배치된 도 4A의 장착 시스템의 단면도.
도 4C는 도 4A의 장착 시스템의 변형예를 도시한 도면.
도 5A는 본 발명의 장착 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 5B는 모놀리스의 둘레에 배치된 도 5A의 장착 시스템의 단면도.
도 6A는 본 발명의 장착 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 6B는 모놀리스의 둘레에 배치된 도 6A의 장착 시스템의 단면도.
도 7A는 본 발명의 장착 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 7B는 모놀리스의 둘레에 배치된 도 7A의 장착 시스템의 단면도.
도 8A는 본 발명의 장착 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 8B는 모놀리스의 둘레에 배치된 도 8A의 장착 시스템의 단면도,
도 9는 이중 모놀리스를 갖춘 촉매 컨버터의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 장착 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 장착 시스템의 다른 실시예를 도시한 도면.
[실시예]
본 발명의 장착 시스템은 촉매 컨버터 및 디젤 미립자 필터 또는 트랩과 같은 다양한 오염 제어 장치에 사용하는 데 적합하지만, 본 명세서에서는 그 용도를 촉매 컨버터와 관련하여 설명한다. 이하의 설명은 본 발명에 따른 장착 시스템의 용도를 예시한 것으로, 장착 시스템의 용도가 촉매 컨버터에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 촉매 컨버터(10)는 대략 원추형의 입구(14) 및 출구(16)를 갖는 금속 하우징(12)을 구비한다. 캔 또는 케이싱으로도 지칭되는 하우징은 이 용도를 위해 당업계에 공지된 적절한 재료일 수 있으며, 일반적으로는 금속으로 되어있다. 하우징은 스테인리스 강으로 제조되는 것이 바람직하다. 세라믹 또는 금속으로 제조된 벌집 모양의 모놀리식 몸체로 형성된 모놀리식 촉매 요소(20)가 하우징(12) 내에 배치되어 있다. 모놀리스로도 지칭되는 적절한 촉매 컨버터 요소는 당업계에 공지되어 있으며, 금속 또는 세라믹으로 제조되는 것들을 포함한다. 모놀리스 또는 컨버터 요소는 컨버터용 촉매 재료를 지지하는 데 사용된다. 유용한 촉매 컨버터 요소는, 예컨대 존슨(Johnson)의 미국 특허 재발행 공보 제27,747호에 개시되어 있다. 모놀리스(20)는 그것을 관통하는 복수 개의 가스 흐름 채널(도시 생략)을 갖는다. 촉매 컨버터 요소에 코팅되는 촉매 재료로는 당업계에 공지된 재료(예컨대, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐, 백금과 같은 금속과, 바나듐 5산화물 및 티타늄 이산화물과 같은 금속 산화물)가 포함된다. 촉매 코팅과 관련한 더욱 상세한 내용은, 예컨대 케이스(Keith) 등의 미국 특허 제3,441,381호를 참조하면 된다.
하이브리드 장착 시스템(24)이 모놀리스(20)를 둘러싸고 있다. 장착 시스템(24)은, 발포성 재료의 매트(26)를 구비하며, 이 매트는 본질적으로 숏 프리 세라믹 섬유(shot-free ceramic fiber)로 구성된 탄력적이고, 가요성이 있는, 섬유질 매트로 형성된 삽입물(28)을 포함한다. 삽입물(28)은 그것의 하나 이상의 가장자리가 발포성 매트(26)의 측방향 가장자리를 따라 연장되도록 배치되어 있다.
도 4A 내지 도 8B에 도시된 바와 같이, 삽입물(28)을 발포성 재료(26)의 측방향 가장자리를 따라 연장하도록 배치시킬 수 있는 많은 방법이 있다. 도 3A 및 도 3B에는 삽입물(28)이 없는 발포성 매트(26)가 도시되어 있다. 도 3B는 케이싱(12)과 모놀리스(20) 사이에 배치된 발포성 매트(26)의 단면도를 도시한다.
도 4A는, 장착 시스템(24)의 측방향 가장자리(32)가 발포와 비발포의 교호(交互) 섹션을 나타내도록, 발포성 매트(26)와 교호하는 비발포성 삽입물(28)을 도시하고 있다. 도 4C는 각 매트(26)와 삽입물(28)은 그 일단부에 탭(30)이, 타단부에 슬롯(31)이 형성되어 있는 장착 시스템(24)의 변형예를 도시하고 있다. 각 매트(26)의 탭(30)은 인접 삽입물(28)의 슬롯(31)에 끼워지거나 합치된다. 마찬가지로, 각 삽입물(28)의 탭(30)은 인접 매트(26)의 슬롯(31)에 끼워지거나 합치된다. 도시된 실시예에서, 각 탭(30)은 동일한 크기이며, 각 슬롯(31)도 동일한 크기이다. 각 매트(26)의 탭(30)은 삽입물(28)의 슬롯(31)과 정합되게 크기가 정해지고, 각 삽입물(28)의 탭(30)이 매트(26)의 슬롯(31)과 정합되게 크기가 정해지는 것이 유리할 수 있다. 장착 시스템(24)은, 장착 시스템(24)에 사용되는 각 유형의 섹션의 수를 증가시키거나 감소시키는 것과, 하나 이상의 섹션의 형상을 변화시키는 것을 비롯하여 본 명세서에서 설명되지 않은 다른 유형의 케이싱과 모놀리스를 수용하도록 여러 방법으로 변형될 수도 있다는 것을 이해할 수 있다. 상이한 슬롯과 탭 배치를 사용하는 것도 유리할 수 있다.
도 4B에 도시된 바와 같이, 장착 시스템(24)이 케이싱(12) 내부에서 모놀리스(20) 둘레에 배치되는 경우, 비발포성 삽입물(28)은 곡률 반경이 최대인 모놀리스의 부분을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 이 영역이 장착 시스템(24)의 압축에 의하여 야기된 과도 압력 하에서 가장 잘 변형되는 케이싱(12)의 부분에 대응하기 때문에, 삽입물(28)은 곡률 반경이 최대인 모놀리스(20)의 부분을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 오염 제어 장치가 매우 높은 온도, 즉 약 700 ℃이상에 도달하는 경우에, 하우징의 변형이 발생될 수 있다. 그러한 고온에서, 종래의 발포성 장착 재료는 크게 팽창되고, 케이싱(12)의 내부에 가해지는 결과적인 압력은 매우 높다. 또한, 그러한 고온에서, 케이싱의 금속(통상적으로 스테인리스 강)은 연화되기 시작하며 보다 변형되기 쉬워진다. 고온 상태에서 가장 잘 변형되는 지점에 비발포성 삽입물(28)을 배치함으로써, 장착 시스템(24)은 고온에서 유해한 힘을 보다 덜 발생시켜서, 케이싱(12)의 변형은 크게 감소된다.
도 5A 및 도 5B는 도 4A 및 도 4B와 유사한 장착 시스템(24)의 실시예를 도시하고 있다. 도 5A 및 도 5B의 실시예에서, 삽입물(28)은 발포성 매트(26)의 전체 폭에 걸쳐 연장되지 않는다. 모놀리스(20)의 둘레에 배치될 때, 비발포성 삽입물(28)은 도 4B에서 전술한 바와 같은 방식으로 배치된다.
도 6A 및 도 6B는, 장착 시스템(24)이 모놀리스(20)의 둘레에 배치될 때 발포성 시트 재료(26)의 전체 측방향 가장자리(34)가 삽입물(28)에 의하여 보호되도록, 비발포성 삽입물(28)이 발포성 시트 재료(26)의 전체 측방향 가장자리(34)를 따라 연장되는 것인 장착 시스템(24)의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 7A 및 도 7B에는 장착 시스템(24)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 7A에서, 장착 시스템(24)은 발포성 시트 재료(26)의 측방향 가장자리(34)를 따라 연장되는 삽입물(28)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 이 삽입물은 발포성 시트 재료로부터 오프셋되어, 발포성 재료(26)와 비발포성 재료(28)의 적층물로 보이는 탭 단부 슬롯 구조(tab end slot configuration)를 형성한다.
마지막으로, 도 8A 및 도 8B에는 장착 시스템(24)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 8A 및 도 8B의 장착 시스템은 도 7A 및 도 7B의 장착 시스템과 유사하지만, 삽입물(28)은 발포성 시트 재료(26)의 단지 한쪽 측방향 가장자리(34)를 따라서만 연장된다. 삽입물(28)은 발포성 시트 재료(26)로부터 오프셋되어 연동 단부(interlocking end)를 형성한다.
도 4A 내지 도 8B의 각 실시예에서, 삽입물(28)은 포장 테이프 또는 그 외의 적합한 접착 테이프와 같은 접착 테이프(도시 생략)에 의하여 발포성 매트(26)에 고정될 수 있다. 선택적으로, 삽입물(28)은 테이프로 고정될 필요는 없으며, 스태플링, 스티칭 등과 같은 다른 기술에 의하여 고정될 수 있다.
경우에 따라서, 오염 제어 장치는 단일 모놀리스 대신에 이중 모놀리스를 사용할 수도 있다. 예컨대, 도 9에는 금속 하우징(12) 내에 2개의 모놀리스(20)를 구비하며, 간격(40)을 두고 분리되어 있는 종래 기술의 촉매 컨버터(10A)가 도시되어 있다. 이러한 이중 모놀리스 구조에서, 모놀리스(20) 사이에 간격(40)을 갖도록 금속 스트립(42)을 정렬시키는 것이 공지되어 있다(예컨대, 독일 특허 제43 23 791 A1호 참조). 금속 스트립은 통상적으로 인코넬(Inconel) 및 스테인리스 강과 같은 고온 내식성 금속으로 제조된다. 금속 스트립은 금속 포일, 주름진 금속 포일, 금속 망 등과 같은 형태를 취할 수 있다. 금속 스트립(42)은 금속 하우징(12)과 매우 유사한 속도로 팽창한다. 금속 스트립(42)이 금속 하우징(12)과 유사한 속도로 팽창하기 때문에, 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이의 장착 매트(44)의 부분은 모놀리스(20)와 하우징(12) 사이의 장착 매트(44)의 부분보다 더 많이 압축되는 경향이 있다. 금속 스트립과 하우징(12) 사이의 장착 매트(44)의 부분이 과도하게 압축되는 경우, 하우징(12) 또는 금속 스트립(42) 중 어느 하나의 변형이 발생될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 장착 매트는 통상적으로 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이에 장착 매트(44)의 연속층을 제공하였다. 전술한 바와 같이, 이러한 배치는 하우징(12) 또는 금속 스트립(42) 중 어느 하나의 변형을 야기할 수 있다. 그러므로, 가요성 및 탄성이 있는 섬유질 삽입물(48)을 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이에서 금속 스트립(42)을 따라 배치하는 것이 유리하다. 바람직하게는, 삽입물(48)은 ICI Chemical and Polymers로부터 시판되는 SAFFIL과 같은 재료이다. 전술한 바와 같이, 이러한 삽입물은 통상적으로 사용되는 장착 재료 보다 작은 힘으로 압축될 수 있어, 케이싱(12) 또는 금속 스트립(42)의 변형이 방지된다.
도 10 및 도 11은 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이에서 금속 스트립(42)을 따라 배치된 가요성의 탄력적인 섬유질의 비발포성 삽입물을 사용하는 도 9의 장착 시스템의 변형예를 도시하고 있다. 도 10에서, 금속 스트립(42)은 장착 매트(44)의 정해진 경로 부분(50)으로 삽입되고, 삽입물(48)은 접착 테이프(52)에 의하여 인접한 금속 스트립(42)에 고정된다. 도 11에서, 금속 스트립(42)은 장착 매트의 층(44A 및 44B) 사이에 끼워진다(이에 따라, 장착 매트의 회전은 필요하지 않다). 뒤이어, 가요성 및 탄성이 있는 섬유질 삽입물(48)은 장착 매트 부분(44B) 사이에 삽입되고, 접착 테이프(52)로 적소에 고정된다. 도 10 또는 도 11의 실시예는 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이의 재료의 과도한 압축을 방지하며, 이에 따라 금속 스트립(42) 또는 하우징(12)의 변형을 방지한다.
사용 시에, 본 발명의 장착 재료는 촉매 컨버터 또는 디젤 미립자 필터에 대해 유사한 방식으로 모놀리스와 하우징 사이에 배치된다. 이것은 장착 재료의 시트로 모놀리스를 감싸고, 감싸진 모놀리스를 하우징에 삽입하고, 하우징을 용접함으로써 수행된다. 장착 시스템(24)은 촉매 모놀리스(20)를 케이싱(12) 내의 적소에 유지하고, 촉매 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 간극을 밀봉하며, 이에 따라 배기 가스가 촉매 모놀리스(20)를 바이패스하는 것을 방지한다.
발포성 시트 재료(26)는 가요성 및 탄성이 있는 발포성 시트를 구비하며, 이 시트는 인산 이수소 암모늄, 탄산 암모늄, 염화 암모늄 또는 그 외의 적합한 암모늄 화합물과 같은 암모늄 화합물과의 이온 교환에 의해 처리되거나 처리되지 않은 약 20 내지 65 중량%의 비팽창성 질석 조각과; 알루미노실리케이트 섬유〔뉴욕 나이아가라 폴에 소재하는 Uinifrax Co.로부터 판매되는 FiberfraxTM와, 조지아 오거스타에 소재하는 Thermal Ceramics로부터 판매되는 CerafiberTM〕, 석면 섬유, 유리 섬유, 지르코니아-실리카, 결정질의 알루미나 휘스커(crystalline alumina whiskers)를 포함한 약 10 내지 50 중량%의 무기 섬유 재료와; 천연 고무 라티스, 스티렌-부타디엔 라티스, 부타디엔 아크릴로니트릴 라티스, 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트 중합체 및 공중합체의 라티스 등을 포함하는 약 3 내지 25 중량%의 결합제와; 팽창 질석, 중공 유리 미소구체 및 벤토나이트를 포함한 약 40 중량%에 이르는 무기질 충전제를 함유한다. 유용한 시트 재료로는 랑거 등의 미국 특허 제5,523,059호에 개시된 재료도 포함된다.
또한, 발포성 시트 재료의 예로는 해치 등의 미국 특허 제3,916,057호, 랑거 등의 제4,305,992호, 제4,385,135호, 제5,254,410호, 메리 등의 제4,865,818호, 제5,151,253호 및 로저(Roger) 등의 제5,290,522호에 개시되어 있는 재료들이 포함된다. 상업적으로 시판되는 유용한 발포성 시트 및 매트는 미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링 사로부터 제품명 INTERAM™으로 판매되는 것이 있다. 장착 매트의 두께는 통상적으로 0.5 내지 10 mm이다. 추가로, 유용한 발포성 장착 재료는 메리의 미국 특허 출원 제08/496,945호에 개시된 것과 같은 발포성 페이스트를 포함한다.
유기 결합제는 천연 고무 라티스, 스티렌-부타디엔 라티스, 부타디엔 아크릴로니트릴 라티스, 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트 중합체 및 공중합체의 라티스 등을 포함한다.
무기 충전제는 팽창 질석, 중공의 유리 미소구체 및 벤토나이트를 포함한다. 바람직하게는, 무기 충전제는 팽창 질석이다.
비발포성 삽입물(28)을 형성하는 데 유용한 본질적인 숏 프리(shot-free) 세라믹 섬유는 알루미나-보리아-실리카 섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나-인 오산화물 섬유, 지르코니아-실리카 섬유, 지르코니아-알루미나 섬유 및 알루미나 섬유를 포함한다. 상업적으로 시판되는 유용한 섬유로는 Unifrax로부터 판매되는 제품명 FIBERMAX와, ICI Chemicals & Polymers로부터 판매되는 SAFFIL LD, Denka로부터 판매되는 ALCEN 알루미나 섬유와, Mitsubishi로부터 판매되는 MAFTECH 섬유와 같은 재료를 포함한다.
섬유는 통상적으로 당업계에 공지된 방법을 이용하여 블로잉(blowing) 또는 스피닝(spinning)함으로써 형성된다. 바람직하게는, 섬유는 졸 겔 용액(sol gel solution)을 스피닝함으로써 형성된다. 섬유는 부직포 업계에서 실행되는 바와 같이 섬유질 재료를 수집 스크린(collection screen) 상에 블로잉하는 것을 비롯한 다양한 공지의 방법에 의하여 매트로 형성된다. 바람직한 비발포성 재료는 ICI Chemicals & Polymers로부터 SAFFIL 이라는 제품명으로 판매되는 다결정 알루미나 섬유이다. 섬유는 내약품성이 있으며, 1600 ℃에 이르는 선택된 용례에 사용될 수 있다. 이것은, 라멜라 형태의 매트로 되는 주로 2차원의 무작위 방위의 섬유로 이루어지는 저밀도 매트 형태로 생산된다. 매트는 균일한 섬유 구조를 갖는 본질적으로 숏 프리이다.
저밀도 매트의 라멜라 성질로 인하여, 오염 제어 장치의 취급 및 조립 중에 층의 분리를 방지하는 분리 방지 수단을 도입할 필요가 있다. 즉, 알루미나 섬유의 저밀도 매트는 취급 및 조립 중에 물리적으로 억제되거나 압축되는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 이용되는, "숏 프리(shot free)" 또는 "본질적으로 숏 프리(essentially shot free)"는 95% 이상의 숏 프리, 바람직하게는 99%의 숏-프리인 섬유 매트를 지칭한다. 약 0.10 내지 0.60 g/cm3의 장착 밀도로 압축될 때, 이러한 입방체 재료는 고온에서 두께 감소를 반복적으로 겪는 독특한 능력을 가지며, 냉각시에 실질적으로 원래의 두께로 복원되어, 촉매 모놀리스(20)에 상당한 유지력을 연속적으로 가한다.
비발포성 삽입물(28)에 대해 바람직한 섬유 재료는 0.020 g/cm 내지 0.060 그램/cm의 밀도 범위에서 일반적으로 사용 가능하므로, 섬유 재료는 촉매 모놀리스(20)를 장착하기 위해 사용될 때 약 10배 정도 압축되어야 한다. 비발포성 삽입물 재료로 구성된 매트는 일반적으로 압축되고, 그 압축 상태에서 유지되어 촉매 컨버터(10)의 조립 중에 재료의 취급을 용이하게 한다. 삽입물(28)은 수지 결합, 스티치 결합 또는 니들 펀칭 또는 진공 패킹(vacuum packing)의 이용을 비롯한 여러 방식으로 물리적으로 압축될 수 있다.
수지 결합은, 고온 배기 가스의 존재 하에 연소되고 삽입물 재료를 사용 중에 팽창시킬 수 있는 유기 결합제로 비발포성 재료를 포화시킴으로써 달성된다. 숏 프리 세라믹 섬유의 저밀도 및 체적이 큰 성질과, 원하는 장착 밀도를 얻기 위해서는 통상적으로 약 10배로 압축되어야 한다는 사실 때문에, 이들 재료를 유기 스레드(organic thread)로 꿰매거나 스티치 결합하여 사용 시의 그것의 궁극적인 두께에 보다 근접한 압축 매트를 형성하는 것도 유용한 것으로 판명되었다. 스티치가 절단되거나 섬유 매트를 통하여 당겨지는 것을 방지하도록 받침 재료(backing material)로서의 매우 얇은 시트 재료를 섬유 매트의 양면에 부가하는 것이 때때로 유용하다. 스티치의 간격은 일반적으로 섬유가 매트의 전체 영역에 걸쳐 균일하게 압축되도록 3 내지 30 mm이다. 유기 재료는 고온 배기 가스에 노출될 때 연소되어, 압축된 매트를 팽창시킬 수 있다.
숏 프리 세라믹 섬유는 니들 펀칭(needle-punching)에 의해서도 압축될 수 있다. 세라믹 섬유 자체적으로는 비교적 부서지기 쉬우며, 효과적으로 니들 펀칭 될 정도로 탄력적이지 않다. 세라믹 섬유 매트를 효과적으로 니들 펀칭하기 위하여, 매트에는 먼저 통상적으로 길이가 약 5 내지 10 cm인 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스테르 섬유와 같은 긴 가요성 중합체 섬유가 적층된다. 나일론 직물 또는 부직포와 같은 중합체 스크림(scrim)이 매트의 아래에 배치된다. 매트는 플라튼(platen) 내에 수많은 구멍을 갖는 하부 플래튼과 상부 플래튼 사이에서 압축된다. 다수의 작은 가시 니들(barbed needle)을 갖는 보어가 있는 니들은 그 니들을 구멍을 통하여 밀어 넣는다. 니들이 세라믹 섬유 매트를 관통함에 따라, 가시는 매트 상부의 중합체 섬유를 스크림을 통하게 당기며, 중합체 섬유는 스크림과 뒤얽히게 되어 매트가 물리적으로 구속된다. 유기 섬유와 스크림은 상승된 사용 온도에 노출될 때 연소되어, 세라믹 섬유를 팽창시킬 수 있다.
섬유 매트는, 그 섬유 매트를 기밀한 백(bag)에 위치시키고, 백으로부터 공기를 배기시키고, 백을 밀봉함으로써도 구속될 수 있다. 대기압은 오염 제어 장치가 사용 온도(300 ℃ 이상)로 가열될 때 백이 터지거나 연소될 때 까지 매트를 압축 상태로 유지한다.
비발포성 삽입물(28)은 두 가지 중요한 기능을 제공한다. 삽입물(28)은 발포성 매트(26)에 비교해서 우수한 내식성을 갖는다. 삽입물(28)을, 그것이 아니면 고온 배기 가스에 노출되는 발포성 재료의 측방향 가장자리를 따라 배치함으로써, 삽입물(28)은 발포성 매트(26)를 고온 가스로부터 절연시키는 기능을 하여, 발포성 매트(26)의 부식을 방지한다. 가장자리 보호 재료의 사용은 공지되어 있지만, 종래 기술은 최악의 온도 조건 하에서 또는 케이싱의 변형이 발생되는 때에 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 간격의 폭 변화에 적응하도록 팽창 및 압축될 수 있는 가장자리 보호 시스템을 포함하지 않는다. 종래의 가장자리 보호 메커니즘은, 메리의 미국 특허 제5,008,086호에 개시된 바와 같은 발포성 매트의 가장자리 둘레를 에워싸는 스테인리스 강 와이어 스크린과, 클로즈(Close) 등의 미국 특허 제4,156,333호에 개시된 바와 같은 편조형(braided), 또는 로프형 세라믹(즉, 유리, 결정질 세라믹 또는 유리 세라믹) 섬유 편조(編造) 또는 금속 와이어의 사용을 포함한다. 가장자리 보호부는 하워드(Howorth) 등의 유럽 특허 제639701A1호, 제639702A1호, 스트룸(Stroom) 등의 제639700A1호에 개시된 바와 같은 유리 입자를 갖는 조성물로부터 형성될 수도 있다.
삽입물(28)은 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 시일로서도 작용한다. 삽입물(28)에 사용되는 바람직한 비발포성 재료의 가요성 및 탄성이 있는 성질은, 오염 제어 장치가 고온과 저온 사이를 순환할 때 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 간격을 연속적으로 밀봉하고, 배기 가스가 모놀리스를 바이패스하는 것을 확실히 방지한다. 이러한 방식으로, 오염 제어 장치의 효율은 유지되며, 배기 가스의 누출에 의한 발포성 매트(26)의 부식도 방지된다.
본 발명의 목적과 장점은 이하의 예에 의하여 보다 상세하게 설명되지만, 이들 예의 특정 재료와 양은 본 발명을 과도하게 한정하도록 해석되어서는 안된다. 다른 설명이 없다면, 모든 부(部)와 퍼센트는 중량 단위이다.
예 1
6.2 cm x 30 cm로 측정되는 발포성 매트 재료 〔미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링 컴퍼니로부터 판매되는 INTERAMTM TYPE 100 Mat, 3100 gsm(그램/m2)〕의 층을 도 5A에 도시된 바와 같이 절단하였다. 수지 결합된 세라믹 섬유 매트 〔ICI Chemical and Polymers Ltd로부터 시판되는 SAFFILTM 화학 결합 매트 1200 gsm〕의 스트립을 1.27 cm x 9 cm로 절단하고, 발포성 매트에서 절단된 간극에 배치하였다. 섬유 매트 스트립을 플라스틱 포장 테이프에 의하여 적소에 유지하여 하이브리드 장착 매트를 형성하였다. 하이브리드 장착 매트를 크기가 170 mm x 80 mm x 76 mm인 타원형의 세라믹 모놀리스(Corning으로부터 구입 가능) 둘레에 에워쌌다. 제2 모놀리스를 전술한 매트와 동일한 하이브리드 장착 매트로 동일한 방식으로 에워쌌다. 에워싸인 모놀리스를 이중 공동의 스테인리스 강 촉매 컨버터 하우징에 장착하였다. 장착 매트의 장착 밀도는 발포성 매트에 대해서는 0.7 g/cm3이고, 섬유 스트립에 대해서는 0.27 g/cm3이었다. 그 다음에, 하이브리드 장착 매트를 포함하는 촉매 컨버터를 3000rpm/220ft lb의 가솔린 엔진(포드 자동차의 배기량 7.5 리터인 V-8 동력의 가솔린 내연기관)에 결합하였다. 촉매 컨버터를 900 ℃의 입구 가스 온도에 100시간 동안 지속적으로 노출시켰다.
시험 후에, 촉매 컨버터 조립체를 해체하고, 검사하였다. 하이브리드 장착 매트의 장착 재료 상에서는 부식이 발견되지 않았다. 추가로, 섬유 매트 스트립 위의 하우징의 넓은 부분을 따라서 변색은 없었다. 변색이 있다는 것은 고온 배기 가스가 장착 매트와 금속 하우징 사이를 통과하는 것을 나타낸다. 어떠한 변색도 없다는 것은 배기 가스가 하이브리드 매트 장착 재료를 통하여 흐르는 것을 방지하기에 충분하게 조립체가 밀봉되어 있다는 것을 표시한다.
예 2
이 예에서 테스트할 장착 매트를 준비하고, 예 1에 이용된 하이브리드 장착 매트 대신에 상업적으로 구입 가능한 발포성 매트 재료를 이용했다는 것을 제외하고는 예 1과 동일하게 테스트하였다. 테스트 후에, 장착 매트를 검사한 결과, 장착 매트 재료가 엔진 배기 가스에 의하여 부식되었다는 것을 알게 되었다. 최대 부식 거리, 즉 부식된 장착 매트의 부분은 장착 매트의 가장자리 부분 내로 23mm 연장되었다. 또한, 상당량의 변색이 하우징 상에 나타났다.
테스트한 장착 매트의 성능 비교는 예 1의 하이브리드 장착 매트의 성능이 예 2의 비하이브리드(non-hybrid) 장착 매트의 성능에 비해 상당히 개선된 것을 나타낸다. 하이브리드 장착 매트는 배기 가스에 노출될 때 부식에 대해 내성이 있었으며, 모놀리스와 하우징 사이에 양호한 밀봉을 제공한다(예 1의 하우징에 변색이 없는 것으로 증명됨). 확실하게, 하이브리드 장착 매트(예 1)의 성능은 섬유 매트 삽입물을 사용하지 않는 장착 매트(예 2)의 성능에 비해 우수하다.
본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 기술하였지만, 당업자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고, 소정의 정형화되고 구체화된 변형이 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 금속 하우징 내에 모놀리스 구조물을 사용하는 오염 제어 장치용 하이브리드 장착 시스템을 제공한다. 장착 시스템은 오염 제어 장치의 금속 하우징과 모놀리스 사이에 배치된 장착 매트를 구비한다. 장착 매트는 장착 매트의 측방향 가장자리를 따라 위치된 탄성 및 가요성이 있는 섬유질의 비발포성 재료로 형성된 삽입물을 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 장착 매트는 발포성 재료이고, 탄성 및 가요성이 있는 섬유질 삽입물은 비발포성 재료로 형성된다. 하이브리드 장착 매트는 촉매 컨버터, 디젤 미립자 필터 및 고온 필터에 있어서의 깨지기 쉬운 모놀리식 구조물을 보호하는 데 유용하다. 하이브리드 장착 매트는 발포성 장착 매트의 특징과 비발포성 삽입물의 특징을 겸비할 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 고체 오염 제어 요소를 오염 제어 장치의 하우징 내에 고정하기 위한 장착 매트로서,
    발포성 시트 재료의 층과,
    탄성 및 가요성이 있는 섬유질의 비발포성 재료로 형성되는 하나 이상의 삽입물(insert)
    을 포함하는 것인 장착 매트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 삽입물은 장착 매트의 하나 이상의 측방향 가장자리의 적어도 일부를 따라 배치되는 것인 장착 매트.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비발포성 재료는 장착 매트의 전체 측방향 가장자리를 따라 길게 연장되는 것인 장착 매트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비발포성 재료는 세라믹 섬유를 포함하는 것인 장착 매트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비발포성의 탄성 삽입물은 본질적으로 숏 프리 세라믹 섬유로 형성되는 것인 장착 매트.
  6. 제4항에 있어서, 상기 삽입물은 물리적으로 압축되는 것인 장착 매트.
  7. 제1항에 있어서, 상기 비발포성 삽입물은 상기 하우징과 오염 제어 요소 사이의 간격을 메우도록 팽창될 수 있는 것인 장착 매트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비발포성 삽입물의 탄성은 발포성 재료 층의 탄성보다 큰 것인 장착 매트.
  9. 제1 및 제2 오염 제어 요소를 오염 제어 장치의 하우징 내에 고정하기 위한 제1항의 장착 매트로서,
    발포성 재료의 제1 종방향 스트립과,
    발포성 재료의 제2 종방향 스트립과,
    발포성 재료의 제1 스트립과 제2 스트립의 측방향 가장자리를 따라 고정되며, 발포성 스트립을 분리하는 금속 밴드와,
    탄성 및 가요성이 있는 섬유질의 비발포성 재료로 형성되는 삽입물로서, 제1 및 제2 발포성 스트립의 측방향 가장자리의 적어도 일부 및 금속 밴드와 인접하게 배치되는 삽입물
    을 더 구비하는 것인 장착 매트.
  10. 하우징과,
    상기 하우징 내에 배치되는 고체 오염 제어 요소와,
    제1항 내지 제9항에 따른 장착 매트
    를 구비하는 오염 제어 장치로서,
    상기 장착 매트는 오염 제어 요소와 하우징 사이에 배치되어 오염 제어 요소를 위치 결정하고, 기계적 충격 및 열적 충격을 흡수하며, 이 장착 매트는 탄성 및 가요성이 있는 섬유질의 비발포성 재료로 형성된 하나 이상의 삽입물을 갖춘 발포성 재료의 층을 포함하는 것인 오염 제어 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4269807A (en) * 1979-10-22 1981-05-26 Uop Inc. Catalytic converter mounting arrangement for reducing bypass leakage
US4985212A (en) * 1987-09-29 1991-01-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Support apparatus for a ceramic honeycomb element

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