KR100670875B1 - 전기 아크 분무된 기질을 가진 촉매부, 그의 제조 방법 및 이를 이용하는 장치 - Google Patents

Abstract

기질 위에 금속을 전기 아크 분무하면 부착된 촉매 물질에 놀랍게 우수한 중간층 역할을 하는 앵커층을 기질 위에 생성시킨다. 소형 엔진에 의해 또는 대형 엔진의 경우 가깝게 결합된 위치에서 부과되는 험한 조건에 노출될 때도 촉매 물질이 깨져 나오는 일이 방지된다.

촉매부, 전기 아크 분무, 앵커층

Description

전기 아크 분무된 기질을 가진 촉매부, 그의 제조 방법 및 이를 이용하는 장치 {Catalyst Members Having Electric Arc Sprayed Substrates, Methods Of Making The Same And Apparatuses Using the Same}

관련 분야에 대한 상호 참조

본 출원은 마이클 피. 갈리간(Michael P. Galligan) 등의 명의로, 1998년 5월 1일에 출원된, "전기 아크 분무된 기질을 가진 촉매부 및 그의 제조 방법(CATALYST MEMBERS HAVING ELECTRIC ARC SPRAYED SUBSTRATES AND METHOD OF MAKING THE SAME)"이라는 발명의 명칭의, 동시 출원 중인 미국 특허 출원 일련번호 제 09/071,663호의 부분 계속 출원(CIP)이며, 상기 출원은 본원에 참고 문헌으로 인용된다. 또한, 본 출원은 마이클 피. 갈리간(Michael P. Galligan) 등의 명의로, 1999년 4월 16일에 출원된, "전기 아크 분무된 기질을 가진 촉매부 및 그의 제조 방법(CATALYST MEMBERS HAVING ELECTRIC ARC SPRAYED SUBSTRATES AND METHOD OF MAKING THE SAME)"이라는 발명의 명칭의, 동시 출원 중인 미국 특허 출원 일련번호 제 09/293,216호의 부분 계속 출원이며, 이 출원은 본원에 참고 문헌으로 인용되고, 이 출원은 상기 미국 특허 출원 일련번호 09/071,663의 부분 계속 출원이다.

본 발명은 촉매화된 기질, 즉, 촉매 물질이 코팅된 기질을 포함하는 촉매부, 및 그러한 촉매화된 기질의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 금속 앵커층을 코팅하여 촉매 물질의 기질에 대한 접착력을 높이거나 카니스터(canister)에 촉매부를 쉽게 설치할 수 있도록 한 기질을 포함하는 촉매화된 기질에 관한 것이다.

1993년 4월 20일자로 고리닌(I.V. Gorynin) 등에 허여된 미국 특허 제 5,204,302호는 발명의 명칭이 "촉매 조성물 및 그의 제조 방법(Catalyst Composition and a Method For Its Preparation)"이고 이하에서 "'302 특허"라고 한다. '302 특허는 금속 기질 위에 지지된 다층 촉매 물질을 개시한다. 금속 기질(컬럼 4, 64-68행)은 스테인리스강 및 저합금강을 포함한 임의의 열적으로 안정한 금속이 될 수 있는데, '302 특허에서는 어떤 유형의 기질을 사용하는가에 상관없이 결합된 층의 성능에 큰 차이가 없다고 언급하고 있다. 상기 특허의 도 1에 도시하고 컬럼 4, 32행이하에 기술한 바와 같이, 접착성 부층(12)를 금속 기질(11)에 붙이는데 화염 분무 또는 플라즈마 분무 장치(도 2 및 컬럼 5, 32행 이하)를 이용하는데, 이는 단면에 조밀한 (고체) 판형 구조로 나타내었다. '302 특허의 컬럼 5, 1-6행에 기재된 바와 같이, 접착성 부층(12)는 알루미늄 및 니켈을 포함하여 다수의 금속 쌍 중 임의의 하나로부터 형성된 자기 접착성 금속간 화합물을 함유한다. 화염 또는 플라즈마 분무 작업의 높은 온도로 인해 기질(11) 및 부층(12)의 물질이 그 계면 사이를 지나 확산되면서 확산층(도 1의 13)이 생긴다고 한다(컬럼 4, 37-41행). 촉매적 활성을 가진 층(14)(도 1)가 부층(12) 위에 분무되고 계면에서 멀어짐에 따라 촉매적 활성을 가진 물질의 함량이 증가하는 조성 구배를 갖는다(컬럼 5, 7-24행). 촉매적 활성을 가진 층은 알루미나, 바람직하게는 감마- 알루미나일 수 있고, 추가로 CaO, Cr₂O₃ 등과 같은 특정한 금속 산화물 안정제 및 ZrO₂, Ce₂O₃ 등과 같은 금속 산화물 촉매 물질을 포함할 수 있다. 다공층(18)(도 1 및 컬럼 5, 25-32행)은 MnCO₃, Na₂CO₃ 등과 같은 기공 형성 화합물의 분해 생성물로서 일부 촉매적 활성을 가진 성분 및 전이 금속 산화물을 함유하는데, 기공 형성 화합물이 열분해할 때 탄산염 또는 수산화물(컬럼 7, 40-45행)로부터 기체가 방출되면서 기공이 형성되는 것으로 추측된다(컬럼 7, 37-45행 참조). 컬럼 5, 44행 이하 및 컬럼 7, 37행 이하에 기재된 바와 같이, 부층(12), 촉매적 활성을 가진 층(14) 및 다공층(18)은 연속 플라즈마 분무 작업에 의해 도포될 수 있는데, 이 작업에서 분말 (21), (28) 및 (33)(도 2)중에서 상이한 것들이 예정된 순서 및 예정된 간격으로 플라즈마 분무기에 공급된다. 다공층 위에 선택적으로 활성제 코팅(19)가 도포될 수 있는데, 마그네트론 스퍼터링으로 하는 것이 바람직하다(컬럼 4, 56-63행 및 컬럼 8, 24행 이하 참조).

1977년 6월 7일자로 론듀(H.S. Rondeau) 등에 허여된 미국 특허 제 4,027,367호는 발명의 명칭이 "니켈 알루미늄 및 니켈 티탄 합금의 분무 접착(Spray Bonding of Nickel Aluminum and Nickel Tatanium Alloys)"이고 이하에서 "'367 특허"라고 한다. '367 특허는 금속 성분 와이어를 전기 아크 분무총 속으로 공급함으로써 자기 접착성 물질, 구체적으로, 니켈 알루미늄 합금 또는 니켈 티탄 합금을 전기 아크 분무하는 방법을 개시한다(컬럼 1, 6-13행). '367 특허에서는 컬럼 1, 25행에서부터 연소 화염 분무총, 예를 들면, 산소 및 아세틸렌의 혼 합물을 공급하여 화염 속으로 공급한 분말을 녹이는 총에 대해 기술한다. 그러한 연소 화염 분무총은 비교적 낮은 온도에서 작동한다고 하고 종종 융점이 5,000℉(2,760℃)를 넘는 물질을 분무할 수 없는 경우가 있다. '367 특허는 또한 (컬럼 1, 32행에서부터) 플라즈마 아크 분무총이 가장 비싼 유형의 열분무 장치이고 연소형 화염 분무총보다 훨씬 높은 온도인 약 30,000℉(16,649℃)까지 낼 수 있다고 기술한다. 추가로 '367 특허에서는 플라즈마 아크 분무총이 적절한 작동을 위해 기체 유속 및 전력의 극히 정확한 제어를 필요로 할 뿐 아니라 플라즈마 발생을 위해 불활성 기체원을 필요로 한다고 지적하고 있다. 이에 반해, 컬럼 1, 39행에서부터, 전기 아크 분무총은 전력원, 및 아크 속에 녹아 있는 물질을 분쇄하여 기질 또는 목적물로 쏘기 위한 압공 또는 다른 기체의 공급원이 필요할 뿐이라고 기술한다. 니켈 알루미늄 또는 니켈 티탄 합금의 와이어를 공급하면서 평활한 강철 및 알루미늄 기질을 포함하여 적합한 기질 위에 전기 아크 분무하는 방법의 이용은 컬럼 5, 28행에서부터 예시되어 있지만, 개방형, 다공성 또는 하니콤이나 세라믹 기질에 대해선 기술된 바 없으며, 생성된 제품을 촉매 물질의 캐리어로 이용하는 것에 대해서 어떠한 암시도 없다.

1963년 11월 19일자로 볼(Ball)에게 허여된 미국 특허 제 3,111,396호(이하, '396 특허라고 함)는 다공성 금속 물질 또는 "발포 금속"의 제조 방법을 개시한다. 본질적으로, 상기 방법은 메쉬, 천과 같은 다공성 유기 구조체, 또는 개방형 다공성 스폰지와 같은 경화된 발포 구조체를 형성하는 단계, 액체 매질 중의 분말형 금속의 유체 현탁액으로 상기 구조체를 함침하는 단계, 및 상기 함침된 구조체를 건 조 및 가열하여 액체 매질을 제거하는 단계 및 이어서 추가로 상기 유기 구조체를 가열하여 분해시키고 상기 금속 분말을 연속형으로 소결시키는 단계를 포함한다. 생성된 금속성 구조체는 제조 공정 중에 발포된 것은 아니지만 그럼에도 발포되었다고 기술하고 있는데, 이는 최종 구조체가 발포 물질의 구조체와 닮았기 때문이다.

자동차 촉매적 변환기용 신규 촉매 지지 구조체(A New Catalyst Support Structure For Automotive Catalytic Converters)라는 제목의 자트카(Arun D. Jatkar)의 SAE(자동차 공학회(Society of Automotive Engineers)) 기술 논문 971032가 1997년 2월 24-27일, 미시간주 디트로이트시의 국제 회의 및 전시회에서 발표되었다. 이 논문은 발포 금속을 자동차 촉매용 기질로 사용하는 것을 개시한다. 상기 논문은 촉매 기질로 다양한 발포 금속을 사용하는 것을 기술하고 순수 니켈 또는 니켈-크롬 합금으로 된 발포물이 자동차 배기 촉매 부근에서 나타나는 부식 문제 때문에 자동차 촉매용 기질로 좋지 않았다고 나타내고 있다. FeCr합금 및 ALFA-IV_ 페라이트 스테인리스강 분말로 만든 발포 금속이 적어도 예비 시험에서 자동차 촉매용 기질 용도로서 성공적이라고 하였다. 귀금속 로딩을 가진 세라믹 와쉬코트(washcoat)가 아스트로 메트사(Astro Met, Inc.)에서 제조한 ALFA-IV

발포 금속의 디스크 위에 부착되었다. 상기 와쉬코트는 감마-알루미나 및 산화세륨을 포함하였으며, 그 위에 백금 및 로듐을 4:1의 비로 산재시켜 발포물 지지 촉매 입방 피트당 40 그램의 귀금속 로딩을 제공하였다. 그러한 촉매화된 기질이 탄화수소 배출 처리에 효과적이라고 하였다.

문헌[Journal of Advanced Materials, 1994, 1(5) 471-476]에 발표된 "발포 금속 기재 촉매(Catalyst Based On Foam Metals"라는 제목의 논문에서, 페스트리아코프(Pestryakov) 등은 자동차 엔진의 배기 가스의 촉매 중화용 촉매 물질의 캐리어 기질로 발포 금속을 사용할 것을 제안하였다. 금속성 발포물 및 촉매 물질 사이에 높은 표면적의 알루미나로 된 중간층을 발포물 캐리어 위에 직접 부착하여 사용할 것을 추천하고 있다. 알루미나는 기질의 표면적을 증가시킬 뿐 아니라, 기질 표면을 부식으로부터 보호한다고 생각된다.

에미텍사(EMITECH, GmbH)의 렉(Reck) 등이 발표한 "승용차, 이륜차 및 삼륜차의 촉매적 변환기용 금속 기질 및 열관(Metallic Substrates and Hot Tubes For Catalytic Converters in Passenger Cars, Two- and Three-Wheelers)"이라는 제목의 SAE 논문 962473에서는 촉매적 변환기 및 열관을 사용하여 스쿠터 및 모터사이클, 특히 이행정 엔진을 가진 것들의 배기 가스를 처리하는 것을 기술하고 있다.

OptiCat으로 알려진 촉매 물질용 와이어 메쉬 캐리어의 공급자는 플라즈마 분무 코팅을 하여 와이어 위에 거친 표면을 형성함으로써 그 위에 부착된 촉매 물질의 접착성을 개선한 와이어를 포함하는 와이어 메쉬를 판매한다.

촉매 물질을 금속 기질에 부착하기 위한 종래 기술의 시도에는 알루미늄을 함유한 철합금의 사용이 포함된다. 상기 합금을 기질 구조체로 형성하여 산화 조건하에서 열처리한다. 알루미늄이 산화하여 기질 표면에서 돌출한 알루미나 위스커를 형성하고, 이것이 촉매 물질의 앵커를 제공한다고 믿고 있다. 이런 목적으로 철 금속 중에 다른 합금 성분, 예를 들면, 하프늄을 사용하는 것은 산화 처리시 그 러한 위스커를 형성한다고 알려져 있다.

발명의 요약

본 발명은 촉매부 제조에 사용하기 위해 다양한 기질 위에 금속을 전기 아크 분무하는 방법을 이용하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 일면은 전기 아크 분무에 의해 앵커층이 위에 배치된 캐리어 기질 및 상기 캐리어 기질 위에 배치된 촉매 물질을 포함하는 촉매부에 관한 것이다.

본 발명의 일면에 따르면, 상기 앵커층은 니켈, Ni/Al, Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fe/Ni/Cr, 300 시리즈 스테인리스강, 400 시리즈 스테인리스강, 및 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 공급 원료를 전기 아크 분무하여 부착될 수 있다. 한 실시태양에서, 상기 앵커층은 니켈 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 알루미늄은 앵커층의 니켈 및 알루미늄의 합한 중량의 약 3 내지 10 퍼센트, 선택적으로 약 4 내지 6 퍼센트를 구성할 수 있다.

본 발명의 또다른 일면에 따르면, 상기 촉매 물질이 상기 앵커층에 부착될 수 있다. 하나 이상의 촉매 금속 성분이 위에 산재된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함할 수 있다.

선택적으로, 상기 기질이 적어도 두 개의 밀도가 상이한 영역을 포함할 수 있으며, 이로써 그 위에 촉매 물질의 상이한 유효 로딩을 줄 수 있다. 상기 두 영역은 발포 금속, 와이어 메쉬 및(또는) 골진 호일이 있는 하니콤(honeycomb) 기질을 포함할 수 있다.

배기 가스 처리 장치는 내연 기관의 배기 유로에 연결된, 여기서 기술한 바와 같은 촉매부를 포함할 수 있다. 한 형태의 실시태양에서, 촉매부의 기질이 내연 기관의 배기 가스가 배기 가스 배출 전에 흐르는 도관의 내부 표면을 포함할 수 있다.

본 발명의 또다른 넓은 일면은 발포 금속 기질 및 하니콤 모노리스 기질로 구성된 군으로부터 선택된 개방형 기질을 포함하고 그 위에 열분무에 의해 배치된 앵커층을 가진 캐리어, 및 상기 캐리어 위에 배치된 촉매 물질을 포함하는 촉매부에 관한 것이다. 특정 실시태양에서, 상기 기질은 길이 인치당 약 3 내지 80 개의 기공(ppi)을 가진 발포 금속을 포함할 수 있다. 다르게는, 발포 금속 기질이 3 내지 30 ppi 또는 3 내지 10 ppi, 또는 달리, 10 내지 80 ppi를 가질 수 있다. 선택적으로, 발포 금속 기질이 그 형성 원료인 금속의 밀도의 약 6%의 밀도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 촉매부의 캐리어 기질은 금속 기질 또는 세라믹 기질 또는 이 둘의 조합을 포함을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 촉매부 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 전기 아크 분무에 의해 금속 공급 원료를 기질에 부착시켜 기질 위에 금속 앵커층을 제공하고, 기질 위에 촉매 물질을 부착시키는 것을 포함한다. 선택적으로, 촉매 물질을 전기 아크 분무 이외의 방법으로 부착시킬 수 있다. 촉매 물질 부착은 하나 이상의 촉매 성분이 산재된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 촉매 물질로 금속 앵커층을 코팅하는 것을 포함한다. 선택적으로, 상기 방법은 용융 금속이 기질 표면에 부딪혔 을 때 불규칙한 표면 형상 속으로 굳어 들어 갈 수 있는 온도에서 용융 금속 공급 원료를 전기 아크 분무하는 것, 예를 들면, 약 10,000℉ 이하의 아크 온도에서 용융 금속을 전기 아크 분무하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 의해 제공되는 또다른 방법은 금속 공급 원료를 적어도 하나의 기질 위에 전기 아크 분무하여 적어도 하나의 앵커층이 코팅된 기질을 제공하는 단계, 상기 적어도 하나의 앵커층이 코팅된 기질 위에 하나 이상의 촉매적 활성이 있는 성분이 산재된 벌크상 내화성 금속 산화물로 구성된 촉매 물질을 부착시켜 적어도 하나의 촉매화된 기질을 제공하는 단계, 및 상기 적어도 하나의 촉매화된 기질을 입구와 출구를 한정하는 형상의 구조체 속에 합체시키고 상기 적어도 하나의 촉매화된 기질을 입구와 출구 사이에 형상화 및 배치하여 그 사이에 여러개의 유로를 한정하도록 하는 단계를 포함하는, 촉매부 제조 방법에 관한 것이다.

따라서 본 발명은 여러개의 유로를 한정하는 금속 기질을 포함하고 전기 아크 분무된 앵커층이 그 위에 있는 촉매화된 기질을 포함하는 배기 가스 처리 장치를 제공한다. 상기 앵커층 위에 배치된 촉매 물질이 있을 수 있으며, 이 촉매 물질은 하나 이상의 촉매적 활성이 있는 금속 성분이 그 위에 산재된 벌크상 내화성 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 촉매화된 기질은 입구와 출구가 있는 카니스터 안에 놓여 상기 입구와 출구 사이에 배치될 수 있으며, 이렇게 함으로써 입구와 출구 사이의 카니스터를 지나 흐르는 유체의 적어도 일부가 유로를 따라서 흐르고 촉매화된 금속 기질과 접촉하도록 구속된다. 상기 촉매화된 금속 기질이 카니스터 안에 배치 및 위치할 수 있으며, 이로써 입구와 출구 사이의 카니스터를 지나 흐르 는 유체의 거의 전부가 유로를 따라서 흐르고 촉매화된 금속 기질과 접촉하도록 구속된다.

본 발명은 또한 배기 스트림이 여기서 기술된 바와 같은 촉매부와 접촉하면서 흐르도록 하여 엔진 배기 스트림을 처리하는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한 설치 용기에 맞는 촉매부 제조 방법을 제공하며, 이 방법은 앵커층을 유연한 기질 위에 부착시켜 앵커층이 코팅된 기질을 제공하는 단계, 상기 기질 위에 촉매 물질을 부착시키는 단계 및 상기 기질 위에 적어도 상기 앵커층을 부착시킨 후에 기질이 용기에 맞도록 재성형하는 단계를 포함한다. 앵커층 부착은 금속 공급 원료를 기질 위에 열분무, 예를 들면, 전기 아크 분무 및(또는) 플라즈마 분무하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 선택적으로 기질 위에 촉매 물질을 부착시킨 후에 기질을 재성형하는 단계를 포함할 수 있다. 기질을 용기에 맞추는 단계는 기질을 용기에 삽입하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 배기 가스 처리 장치를 갖는, 소형 엔진 및 디젤 엔진에 의해 동력을 받는 여러 가지 장치를 개선시킬 수 있으며, 이 개선은 상기 배기 가스 처리 장치가 여기서 기술한 바와 같은 촉매부를 포함한다는 점이다. 그러한 발명에는 모터사이클, 잔디 깎는 기계, 가스 동력 발전기, 데브리스 블로우어(debris blower) 등이 포함되지만, 여기에 제한되지는 않는다.

도면 1A-1D는 부착된 앵커층이 없는 발포 금속 기질의 현미경 사진이며, 배율은 각각 38x, 55x, 152x 및 436x이다.

도 2A-2D는 앵커층이 전기 아크 분무된 발포 금속 기질의 현미경 사진이며, 배율은 각각 38x, 55x, 153x 및 434x이다.

도 2E-2G는 평면 금속 기질 및 전기 아크 분무된 앵커층의 단면의 현미경 사진이며, 배율은 500x, 1.51kx 및 2.98kx이다.

도 2H는 천공된 튜브형 금속 기질의 입면도이다.

도 2I는 도 2H의 기질을 포함하는, 본 발명에 따른 촉매부의 입면도이다.

도 2J는 본 발명에 따라 앵커층이 분무된 와이어 메쉬 기질의 도식도이다.

도 3A는 본 발명의 한 실시태양에 따라 앵커층이 전기 아크 분무된 금속 기질의 단면 도식도이다.

도 3B는 골진 형상으로 가공하고 또다른 분무된 기질 위에 배치된 후의, 도 3A의 기질의 단면 도식도이다.

도 3C는 하니콤을 형성하도록 기질을 감는 추가 가공 후의, 도 1B의 기질의 단면 도식도이다.

도 3D는 본 발명의 특정 실시태양에 따른 촉매부 제조를 도시하는 공정 도식도이다.

도 3E는 본 발명에서 사용한 비스듬한 골진 줄의 단편을 도시하는 평면도이다.

도 3F는 도 3E에 나타낸 골진 줄의 측단편 프로필을 확대한 것이다.

도 3G는 도 3E에 나타낸 줄을 접어서 만든 하니콤 캐리어 중심체를 도시하는 투시도이다.

도 3H는 중심체와 자켓 튜브의 조립을 설명하는 분해도이다.

도 3I는 도 3G에 나타낸 중심체의 끝단편의 확대도이다.

도 3J는 도 3I와 유사하지만, 조립 후의 중심체와 자켓을 설명하는, 끝단편의 확대도이다.

도 3K는 본 발명의 중심체를 자켓 튜브 속으로 삽입하는 바람직한 방법을 설명하는 단면 부분도이다.

도 3L은 조립후 조립된 중심체와 자켓 튜브의 제형 작업을 설명하는 단면도이다.

도 3M은 중심체와 자켓 튜브를 조립하는 다른 방법을 설명하는 평면도이다.

도 3N은 조립이 완료된 후의, 도 3M의 중심체와 자켓 튜브를 도시하는 평면도이다.

도 3P는 본 발명의 하니콤 캐리어 생성물을 도시하는 평면도이다.

도 3Q는 도 11에 도시한 캐리어의 측입면도이다.

도 3R, 3S, 3T 및 3U는 본 발명에서 만들어 사용할 수 있는 중심체의 다른 형상을 보여주는 평면도이다.

도 4A는 본 발명의 한 실시태양에 따른 촉매부를 포함하는, 배기 가스 처리 장치를 가진 소형 엔진용 머플러의 단면 도식도이다.

도 4B는 도 4A의 장치의 A 부분의 도면이다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시태양에 따라 기질의 평평한 외부 표면에 앵커층이 부착된 세라믹 하니콤 기질의 투시도이다.

도 6A는 본 발명에 따른 밀도가 상이한 두 개의 발포 금속 영역을 포함하는 배기 가스 처리 장치의 단면 도식도이다.

도 6B는 본 발명의 또다른 실시태양에 따라 폭이 점점 좁아지는 슬리브에 설치된 코팅된 발포 금속 기질의 단면 도식도이다.

도 6C는 본 발명의 한 실시태양에 따른 촉매부의 설치 슬리브의 도식 입면도이다.

도 6D는 6D-6D선을 따라 취한 도 6C의 슬리브의 단면 도식도이다.

도 7A는 본 발명에 따른 촉매부가 설치된 소형 엔진에 의해 동력을 받는 이륜 트랙터의 투시도이다.

도 7B는 본 발명에 따른 촉매부를 포함하는 모터사이클의 도식 입면도이다.

도 7C는 본 발명에 따른 촉매부가 설치된 유틸리티 엔진을 포함하는 가솔린 동력 발전기의 도식 투시도이다.

본 발명은 금속 앵커층을 기질 위에 열분무함으로써 촉매 물질용 캐리어를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이어서 촉매 물질을 상기 캐리어 위에 부착할 수 있다.

본 발명의 한 넓은 일면은 열분무를 이용하여 금속 앵커층을 개방형 구조를 가진 기질, 즉 "개방형 기질" 위에 도포하는 방법에 관한 것이다. 개방형 기질은 수많은 천공, 기공, 채널, 또는 액체 및(또는) 기체를 그 사이로 난류 또는 실질적으로 층류가 아닌 방식으로 흐르게 하고 기질 사이로 흐르는 유체의 유로 전체 부 피당 높은 표면적을 기질에 부여하는 유사한 구조적 특징, 예를 들면, 그 속의 유체에 높은 물질 전달 영역을 만들어주는 특징을 한정한다. 이와 반대로, 판, 튜브, 호일 등과 같이 밀도가 높은 기질은 다공성 여부에 관계없이 기질 사이 유로의 전체 부피당 비교적 적은 표면적을 갖고, 그 사이의 층류를 거의 깨지 않는다. 개방형 기질은 여러 가지 형태 및 형상으로 제공될 수 있으며, 여기에는 하니콤형, 모노리스, 제직 또는 부직 메쉬, 작은 뭉치로 된 단섬유, 발포형 아니면 망상형 또는 격자형 삼차원 구조물 등이 포함된다. 이러한 구조물들은 고밀도 기질보다 높은 표면적을 가지고 유체가 그 사이로 흐를 수 있기 때문에, 액체 또는 기체를 함유한 물질의 촉매적 처리용 촉매부 제조에 사용하기에 적합하다. 본 발명의 이러한 넓은 측면은 대체로 열 분무 방법에 관한 것으로서, 여기에는 플라즈마 분무, 단일 와이어 플라즈마 분무, 고속 옥시-연료 분무, 연소 와이어 및(또는) 분말 분무, 전기 아크 분무 등이 포함되는데, 이들은 이전에 개방형 기질에 이용된 적이 없다. 열분무를 개방형 기질에 사용하지 않았던 한 이유는, 좋은 결과를 얻기 위해 분무할 기질 표면적의 거의 전부가 분무 헤드로부터 "보이는" 선에서 접근할 수 있어야 할 필요가 있지만, 개방형 기질은 이런 식으로 접근 가능한 표면적이 많지 않다는, 즉, 개방형 기질은 분무 헤드로부터 보이는 선에 비해 가려진 표면적이 많아서 만족스러운 분무를 이룰 수 없다는 생각 때문이다. 하지만, 본 발명은 개방형 기질이 사실은 열분무법을 이용하여 만족스럽게 코팅될 수 있다는 것을 밝혀준다.

본 발명의 또다른 일면은 금속 또는 세라믹 기질 위에 금속(이 용어는 여기 및 청구항에서 금속의 혼합물을 포함하며, 여기에는 제한없이 금속 합금, 유사 합금, 및 다른 금속간 조합이 포함된다)을 전기 아크 분무, 예를 들면, 이중 와이어 아크 분무하면 기질이 개방형인가 고밀도 기질인가에 관계없이 촉매부 분야에서 촉매 물질용 캐리어로서 뜻밖에 우수한 유용성을 가진 구조물이 생긴다는 점을 발견한 데서 나온다. 이중 와이어 아크 분무(여기서 "와이어 아크 분무"라는 용어 및 "전기 아크 분무"라는 더 넓은 용어에 포함된다)는 공지된 방법으로서, 미국 특허 제 4,027,367호에 대한 상기 참조로 나타낸 바와 같으며, 이는 본원에 참고문헌으로 인용한다. 간단히 기술해서, 이중 와이어 아크 분무 공정에서, 두 개의 공급 와이어는 두 개의 소모성 전극으로 작용한다. 이 와이어들은 와이어 화염총과 유사한 방식으로 분무총의 분무 노즐로 들어갈 때 서로 차단된다. 이 와이어들은 노즐에서 발생한 기체 스트림의 중심에서 만난다. 전기 아크는 이 와이어들 사이에서 시작하고, 와이어를 통해 흐르는 전류로 인해 그 끝이 녹게 된다. 압축 분사 기체, 보통 공기는 노즐을 지나 아크 영역을 가로질러 진행하여, 용융 방울이 떨어져 나가게 함으로써 기질 위에 분사되는 분무를 형성한다. 공급 원료가 전도성이어야 하기 때문에 금속 와이어 공급 원료만이 아크 분무 시스템에 사용될 수 있다. 분무총에 의해 생긴 높은 입자 온도는 금속 기질 상의 충격 지점에 미세한 접착 영역을 만든다. 결과적으로, 그러한 전기 아크 분무 코팅(때때로 여기서 "앵커층"이라고 함)은 접착 강도가 좋고 기질에 아주 잘 붙는다.

와이어 아크 분무에서 주요한 공정 파라미터에는 아크의 볼트수 및 암페어수, 분사 기체의 압축, 노즐 형상 및 기질로부터 떨어진 거리가 포함된다. 볼트수 는 일반적으로 18 내지 40 볼트의 범위에 있으며, 전형적으로 28 내지 32 볼트의 범위에 있다; 전류는 약 100 내지 400 암페어 범위에 있을 수 있다. 분사 기체는 약 30 내지 70 psi 범위의 압력으로 압축될 수 있다. 노즐 형상(예를 들면, 슬롯 틈 또는 교차 틈) 및 분무 양식은 앵커층의 원하는 성질에 따라 변하거나 다른 파라미터 또는 기질의 특성에 맞도록 선택될 수 있다. 기질에서 노즐까지의 적합한 간격은 일반적으로 약 4 내지 10 인치의 범위에 있다. 또다른 공정 파라미터는 공급 원료의 분무 속도로서, 이의 전형적인 예는 시간당 100 암페어당 100 파운드(4.5 kg/hr/100 amps)일 것이다. 또다른 파라미터는 적용 범위 또는 공급 원료 소모 속도로서, 특정한 예를 들면, 앵커층 두께 .001 인치당 제곱 피트당 0.9 온스일 수 있다. (70 퍼센트(예를 들면, 판 분무의 경우) 이하의 부착 효율을 갖는 것이 전형적이다.)

전기 아크 분무 코팅은 보통 마무리(예를 들면, 연마)하기가 더 어렵고 보통 다른 열분무 방법의 코팅보다 높은 분무 속도를 가진다. 유사하지 않은 전극 와이어를, "유사 합금"이라고 일컫는 둘 이상의 상이한 금속 재료의 혼합물을 함유한 앵커층을 만드는데 사용할 수 있다. 선택적으로, 반응성 기체를 사용하여 용융 공급 원료를 분사함으로써 도포된 앵커층의 조성 또는 특성에 변화를 줄 수 있다. 반면, 불활성 기체 또는 적어도 산소 또는 또다른 산화 물질을 함유하지 않은 기체를 이용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 산소는 금속 기질의 표면이나 공급 원료 물질에 산화를 일으켜 앵커층과 기질 사이의 결합을 약화시킬 수 있다.

하기 금속 및 금속 혼합물의 공급 원료를 이용하여 여러 가지 조성의 앵커층 을 본 발명에 따라 기질 위에 부착시킬 수 있으나, 여기에 제한되지는 않는다: Ni, Ni/Al, Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fe/Ni/Cr, 300 및 400 시리즈 스테인리스강, 및 선택적으로, 이들 하나 이상의 혼합물. 본 발명에 따라 기질 위에 와이어 아크 분무하는데 유용한 금속의 구체적인 한 예는 니켈/알루미늄 합금으로서, 중량%로 일반적으로 적어도 약 90%의 니켈 및 약 3% 내지 10%의 알루미늄, 바람직하게는 약 4% 내지 6%의 알루미늄을 함유한다. 그러한 합금은 여기서 "불순물"이라 일컫는 다른 금속을 소량 함유할 수 있는데, 모두 합쳐서 합금의 약 2%를 넘지 않는다. 구체적인 공급 원료 합금으로서 바람직한 것은 약 95%의 니켈 및 5%의 알루미늄을 포함하며 약 2642℉의 융점을 가질 수 있다. 여러 가지 목적으로 일부 그러한 불순물이 합금내에 포함될 수 있는데, 예를 들면, 와이어 아크 분무 공정이나 앵커층 형성을 용이하게 하기 위한 공정 보조물로서, 또는 앵커층에 바람직한 특성을 부여하기 위해 사용된다.

본 발명의 일면은 금속 기질 위로 금속을 전기 아크 분무하면 다른 방법에 의해 도포된 금속 앵커층을 가진 캐리어에 비해 촉매 물질용으로 뜻밖의 우수한 캐리어가 생긴다는 발견으로부터 나온다. 촉매 물질이, 도포된 중간층이 없는 기질을 포함하는 캐리어보다 전기 아크 분무된 앵커층을 포함하는 캐리어에 더 잘 달라 붙고, 플라즈마 분무에 의해 금속층이 부착된 기질을 포함하는 캐리어보다는 훨씬 더 잘 달라 붙는다는 것이 관찰되었다. 본 발명 전에는, 기질과 촉매 물질 사이에 중간층이 있거나 없는, 금속 기질 위에 배치된 촉매 물질이 종종 상업적으로 허용 가능한 제품을 제공할 만큼 충분히 기질에 달라 붙지 못했다. 예를 들면, 플라즈마 분무된 금속 중간층이 있고 그 중간층에 촉매 물질이 도포된 금속 기질은 촉매 물질을 보유하지 못하여, 일상적인 취급시 벗겨져 나가는데, 이는 분명히 중간층이 기질과 결합하지 못하기 때문이다. 다른 캐리어 위의 촉매 물질은 보통 사용시 부서져 떨어지는 것이 관찰되는데, 이는 분명히 높은 기체 유속, 열순환, 고온 스팀 및 배기 가스 스트림의 다른 성분들과의 부식 접촉, 진동 등에 노출된 결과이다. 따라서, 본 발명은 촉매 기질의 내구성을 개선함으로써 캐리어 기질 위의 촉매 물질을 포함하는 촉매부의 내구성을 개선한다. 터보충전기와 같은 민감한 장치는 종래 기술의 촉매부에서 떨어져 나오는 촉매 물질 및(또는) 앵커층 물질에 의해 손상을 받는데, 본 발명은 또한 이런 장치의 윗쪽에서 그러한 촉매부를 사용할 수 있게 한다.

놀랍게도, 본 출원인은 금속 기질 위에 금속을 전기 아크 분무(와이어 아크 분무는 이것의 특정 실시태양이다)하면 플라즈마 분무에 비해 생성된 앵커층과 기질 사이에 우수한 결합이 생긴다는 것을 발견하였다. 전기 아크 분무된 앵커층은 플라즈마 분무에 의해 도포된 앵커층과 구분되는 적어도 두 개의 특징이 있다고 생각된다: 앵커층과 금속 기질의 우수한 계면 결합 및 매우 불규칙하거나 "거친" 표면. 앵커층-금속 기질 계면 결합은 분무된 물질과 금속 기질 사이의 확산의 결과로서, 이는 와이어 아크 분무가 행해지는 비교적 낮은 온도에도 불구하고 그 계면에서 이루어진다. 예를 들면, 전기 아크 온도는 10,000℉를 넘지 않을 수 있다. 그런 경우, 용융 공급 원료의 온도가 약 5000℉ 이하, 바람직하게는 1000 내지 4000℉의 범위, 더욱 바람직하게는 약 2000℉ 이하의 온도가 될 것으로 예상된다. 또한 온도가 낮으면 분무된 물질이 기질(금속 또는 세라믹이든지) 위에서 빙점으로 빨리 냉각되어서 기질 표면 위에서 잘 흐르지 않고 따라서 평평해지지 않기 때문에 앵커층이 특히 울퉁불퉁해지는 원인이 된다고 생각된다. 대신에, 분무된 물질이 불규칙한 표면 형상 속으로 굳어진다. 따라서, 앵커층의 표면은 그 위에 배치된 촉매 성분 및 물질에 우수한 물리적 앵커를 제공하는 거친 프로필을 갖게 된다. 거친 프로필은 "필러링 (pillaring)"의 결과로 보이며, 이는 공급 원료 물질의 용융 방울이 다른 방울 위에 순차적으로 배치되고 굳어서 생기는 작고 필러 모양을 한 구조체가 형성되는 것을 말한다.

전기 아크 분무 공정은 조성 및(또는) 물리적 형상이 변할 수 있는 여러 가지 기질 위에 앵커층을 만드는데 사용할 수 있다. 예를 들면, 기질이 개방형 기질 또는 고밀도 기질이 될 수 있다; 금속성 판, 튜브, 호일, 와이어, 와이어 메쉬, 단단하거나 가단성이 있는 발포 금속 등, 세라믹 구조체, 또는 이들 둘 이상의 조합의 형태로 될 수 있다. 분무되는 금속을 기질의 금속에 맞추는 것은 중요해 보이지 않는다.

상술한 바와 같이, 발포 금속은 본 발명에서 사용하는 개방형 기질의 한 종류를 제공할 수 있다. 발포 금속을 만드는 방법은 상술한 미국 특허 제 3,111,396호에 나타난 바와 같이 당해 기술 분야에서 공지된 것이고, 촉매 물질의 캐리어로 발포 금속을 사용하는 것은 위에서 SAE 기술 논문 971032(위에서 인용함) 및 페스트리아코프(Pestryakov) 등의 저널 논문(위에서 인용함)을 참조하여 위에서 인식한 바와 같이 당해 기술 분야에서 제시된 것이다. 발포 금속은 여러 가지 방법으로 특성 분석을 할 수 있으며, 이들 중 일부는 금속이 배치되는 초기 유기 매트릭스의 특성과 관계가 있다. 당해 기술 분야에서 인식된 발포 금속 기질의 일부 특성에는 셀 크기, 밀도, 자유 부피, 및 비표면적이 포함된다. 예를 들면, 표면적은 발포 기질과 같은 치수를 갖는 속이 꽉찬 기질의 표면적의 1500 배가 될 수 있다. 페스트리아코프 등이 언급한 바와 같이, 촉매부용 캐리어로 유용한 발포 금속 기질은 0.5 내지 5 mm 범위의 평균 셀 직경을 가질 수 있고, 약 80 내지 98%의 자유 부피를 가질 수 있으며, 예를 들면, 발포 기질이 차지하는 부피의 3 내지 15%를 금속이 차지할 수 있다. 기질의 다공률은 3 내지 80 ppi, 예를 들면, 3 내지 30 ppi 또는 3 내지 10 ppi 또는 달리 10 내지 80 ppi에 이를 수 있다. 예를 들면, 5 ppi를 갖는 발포 금속은 모터사이클 엔진에 사용되는 촉매부의 촉매 물질용 지지체로 유용하다는 것이 발견되었다. 10 내지 80 ppi의 예시적인 범위에서, 제곱 인치당 셀수와 같은 다른 특성은 100 내지 6400에 이를 수 있고 대략적인 웹 직경은 0.01 인치 내지 0.004 인치에서 변할 수 있다. 그러한 발포물은 망상형 및 서로 연결된 웹 전구체에 기초한 개방 셀 망상형 구조체를 가질 수 있다. 이들은 전형적으로 약 10 ppi에서 발포물 입방 피트당 약 700 제곱 미터(m²/ft³) 내지 약 60 ppi에서 4000 m²/ft³ 등의 범위의 다공률과 함께 증가하는 표면적을 갖는다. 다른 적합한 발포 금속 기질은 약 10 ppi에서 발포 금속 입방 피트당 약 200 제곱 피트(ft²/ft³) 내지 약 80 ppi에서 약 1900 ft²/ft³에 이르는 표면적을 갖는다. 한가지 그러한 기질은 다공률 110 ppi, 두께 약 1.6±0.2 밀리미터에서 500 g/㎡의 비중을 갖는다. 이들은 입방 센티미터당 0.1 내지 0.3 그램(g/cc) 범위의 부피 밀도를 가질 수 있다. 발포 금속 시트는 권취, 적층 등을 하여 임의의 원하는 치수의 기질을 만들 수 있다.

본 발명을 수행할 수 있는 적합한 발포 니켈은 약 1.6 밀리미터(mm) 두께의 압출 시트로 상업적으로 구할 수 있다. 이것은 기계 방향으로 제곱 센티미터당 적어도 3 킬로그램 및 횡단 방향으로 9 퍼센트의 인장 강도를 가질 수 있다. 1.3 내지 2.5 mm의 두께에서, 350 내지 1000 g/㎡ 범위의 비중 및 길이 인치당 60 내지 110 기공(ppi)의 기공 크기를 가질 수 있다. 한가지 특정 물질은 500 g/㎡의 비중 및 80 ppi를 가진다.

본 발명과 함께 사용하는 한가지 적합한 발포 금속 기질은 약 6 퍼센트의 밀도를 가졌다. 발포 금속 기질은 여러 가지 금속으로부터 만들 수 있으며, 이에는 철, 티탄, 탄탈룸, 텅스텐 귀금속, 일반 소결성 금속, 예를 들면, 구리, 니켈, 동 등, 알루미늄, 지르코늄 등, 및 그 혼합물 및 합금, 예를 들면, 강, 스테인리스강, 하스탈로이(Hastalloy), Ni/Cr, 인코넬(Inconel; 니켈/크롬/철) 및 모넬(Monel; 니켈/구리)이 포함된다.

스테인리스강 발포물은 판형 기질 및 FeCrAl합금(FeCrAl)과 같은 더 고가의 합금 발포물의 양호한 저가의 대체물이다.

페스트리아코프 등은 순수 발포 금속의 비표면적이 약 0.01 내지 0.1 ㎡/g이지만, 이로는 동적 영역에서 일어나는 대부분의 촉매적 공정의 활성 촉매를 제조하 기에 불충분하다고 말한다. 따라서, 비록 저표면적 발포 금속을 고온의 외부 확산 공정에 사용할 수 있다고 말하지만, 20 내지 50 ㎡/g의 표면적을 갖는 감마-알루미나의 발포 금속 위에 직접 부착시킴으로써 비표면적을 증가시킬 것을 추천한다. 대신에 본 발명은 바람직하게는 니켈 알루미나이드를 포함하는 금속 앵커층을 발포 금속 기질 위에 전기 아크 분무와 같은 열분무를 할 것을 가르쳐준다.

앵커층이 없는 금속 기질의 표면에 비해 본 발명에 따라 도포된 앵커층의 표면에 있어서의 극적인 차이를 설명하기 위해, 여기서 도 1A 내지 1D 및 이에 대한 비교로 도 2A 내지 2D를 참조한다. 도 1A 내지 1D는 여러 가지 배율로 찍은 발포 금속 기질의 현미경 사진이다. 이 도면들은 기질이 평활한 표면을 가진 삼차원의 웹모양 구조를 가지는 것을 보여준다. 비교로, 도 2A 내지 2D는 앵커층 위에 전기 아크 분무를 한 후 상응하는 배율 수준에서 찍은 발포 금속 기질의 현미경 사진이다. 도 1A 내지 1D 및 상응하는 도 2A 내지 2D의 시각적 비교는 여기서 설명한 바와 같이 기질 위에 앵커층을 전기 아크 분무하여 생긴 거칠어진 표면을 도시한다. 도 2E, 2F 및 2G는 고온 강판 기질(100) 및 전기 아크 분무된 니켈 알루미나이드 앵커층(110)의 단면을 각각 500, 1.51k 및 2.98k배로 확대한 것을 보여준다. 이 도면들로부터 명백하듯이, 앵커층(110)은 기질(100) 위에 매우 불규칙한 표면을 제공한다. 따라서, 앵커층(110)은 분무되지 않은 기질에 비하여 촉매 물질이 캐리어 위에 부착될 수 있는 표면적을 효과적으로 증가시키고 촉매 물질이 앵커층에서 떨어져 나가는 것을 막는데 도움이 되는 크레비스, 구석 등과 같은 구조적 특징을 제공한다. 도 2E 내지 2G는 공급물이 기질에 부딪힐 때 용융 상태로 남아서 좀더 평 활한 형상으로 흐르기 보다는 굳게 할 수 있는 온도에서 전기 아크 분무 공정의 비교적 낮은 온도가 기질 위에 앵커층용 금속 공급 원료를 부착시키는 것을 도시한다.

개방형 기질의 또다른 종류는 제직 또는 부직 와이어 메쉬에 의해 제공될 수 있다. 본 발명에서 사용하는 제직 와이어 메쉬 기질은 임의의 적합한 제직법, 예를 들면, 평직, 능직, 평 더치 제직, 능 더치 제직, 코바늘 뜨게 등으로 만들 수 있다. 와이어 메쉬는 약 18 내지 78 퍼센트의 개방면, 더욱 전형적으로 약 30 내지 70 퍼센트의 개방면을 남기는 제직물로 보통 구할 수 있다. "개방면"은 당해 기술 분야에서 개방 공간인 전체 메쉬 면적의 척도로서 알려져 있다. 그런 재료들의 메쉬 수(길이 인치에서 구멍의 수)는 인치당 2 곱하기 인치당 2(2x2) 내지 635x635로 변한다. 메쉬는 알루미늄, 황동, 청동, 구리, 니켈, 스테인리스강, 티탄 등 및 이들의 혼합물 및 합금을 포함하는 와이어로부터 제직할 수 있다. 본 발명에 따른 개방형 기질로 사용할 수 있는 부직 와이어 메쉬는 제직 메쉬와 같은 재료로 만들 수 있다. 와이어 메쉬 기질은 납땜, 용접 또는 임의의 다른 적합한 방법에 의해 함께 결합한 하나 이상의 와이어 메쉬층을 포함할 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 도 2H에 나타낸 바와 같은 천공된 스테인리스강 튜브 기질은 니켈 알루미나이드 공급 원료로 전기 아크 분무하여 그 위에 앵커층을 부착시킨다; 이어서 촉매 물질을 앵커층 위에 부착할 수 있다. 생성된 촉매부의 샘플을 도 2I에 나타내었다. 앵커층은 본 발명에 따라 촉매부를 제조하는데 사용하면 캐리어에 대한 촉매 물질의 우수한 접착력을 제공할 것이다. 촉매부는, 예를 들면, 상업적으로 구할 수 있는 튜브형 촉매부의 대체제로서 배기 가스 처리 장치에 사용하기에 적합하도록 만들어져, 배기 스트림에, 예를 들면, 배기 배관 부분 안쪽에 설치할 수 있다. 튜브형 촉매부는 선택적으로 통상의 촉매적 변환기의 윗쪽에 설치할 수 있다. 다른 실시태양에서, 천공되지 않은 튜브형 기질의 내부를 와이어 아크 분무하고 촉매 물질로 코팅할 수 있다. 생성된 내부 코팅된 튜브형 촉매부는 종래의 엔진 배기 가스 처리 장치의 통상의 촉매가 없는 튜브부 대신에, 예를 들면, 배기 파이프의 일부로서 사용할 수 있다. 선택적으로, 플로우-스루 (flow-through) 촉매부는 튜브형 촉매부내에 설치할 수 있다.

전기 아크 분무에 의해 얻어지는 앵커층의 강한 결합은 생성된 기질을, 기질을 재성형하지만 기질의 질량을 감소시키지는 않는, 즉, 절단, 연마 또는 기타 기질 물질을 제거하는 방법을 수반하지 않는 여러 가지 방법으로 기계적 가공을 할 수 있게 한다. 예를 들면, 유연한(즉, 전연성 및(또는) 유연성이 있는) 앵커층이 코팅된 기질은 절단, 연마 등 외에 또는 그 대신에, 앵커층을 기질 위에 부착시킨 후 구부리기, 압축, 접기, 말기, 제직 등을 할 수 있다. 상세한 설명 및 청구범위에서 사용한 바와 같은, "재성형"이라는 용어는 기질을 변형하지만 절단, 연마 등으로 기질의 질량을 감소시키지는 않는 모든 공정을 포함함을 의미한다. 따라서, 와이어 아크 분무된 호일 기질은 평평한 호일을 가지고 골을 만들거나 말아서 재성형하여 골진 호일의 하니콤을 제공한다. 와이어는 분무하고 이어서 다른 와이어와 함께 제직하여 촉매 물질용 캐리어로 사용되는 메쉬를 구성한다. 유사하게, 본 발명에 따라 와이어 아크 분무된 평평한 와이어 메쉬 기질은 이어서 원형 모양으로 감거나 골판으로 만드는 방법에 의하여 재성형 할 수 있으며, 선택적으로 다른 기질과 결합하여 캐리어를 구성하거나 단독으로 사용할 수 있다. 이런 식으로 선택적으로 재성형 할 수 있고 그 위에 앵커층이 있는 다층 와이어 메쉬 기질을 도 2J에 나타내었다. 비슷하게, 앵커층이 있는 발포 금속은 여기서 설명한 바와 같이 압축에 의해 재성형하여 모양 및(또는) 밀도를 바꿀 수 있다. 그러한 재성형은 촉매 물질을 발포 금속 기질 위에 부착시키기 전이나 후에도 할 수 있다. 본 발명은 촉매부용 용기로 사용되는 배기 가스 처리 장치의 일부분내에, 예를 들면, 촉매부를 담도록 구체적 설계가 된 카니스터 안에, 또는 상기 장치의 또다른 부분, 예를 들면, 배기 다기관, 배기 유관, 높은 물질 전달 면적의 도관 등의 안에 맞도록 쉽게 성형할 수 있는 캐리어 및(또는) 촉매부를 제조할 수 있게 한다. 예를 들면, 여기서 기술한 분무 및 코팅 방법에 따라 제조된 평평하고 촉매화된 와이어 메쉬 패치는 코일 형상에 맞게 말아서 배기 파이프에 설치할 수 있도록 재성형 할 수 있다. 선택적으로, 기질이 탄력성이 있어서 용기 구조 안에 삽입하면 용기 구조의 내면을 떠받쳐 구조에 맞을 정도로 풀리거나 다른 방법으로 재성형력으로부터 이완될 수 있다.

앵커층을 부착시킨 후 재성형 한 기질의 한 예를 도 3A에 나타내었는데, 이는 와이어 아크 분무하여 앵커층(110)을 부착시킨 금속 기질(100)을 보여준다. 분무된 기질(111)은 이어서 도 3B에 나타낸 바와 같이 골을 만들고 두번째의 선택적으로 분무된 기질(112)에 놓을 수 있다. 두 기질은 도 3C에 나타낸 바와 같이 함께 감아서 추가 가공하여 촉매 물질이 부착되는 캐리어(114)를 구성할 수 있다. 그러한 캐리어용 촉매부의 제조 방법을 도 3D에 도식적으로 나타내었다. 평평한 금속 호일 기질(100)으로 시작하여 골 제작 스테이션(210)을 지나 골진 호일 기질(100a)를 제조한다. 골진 기질(100a)는 전기 아크 분무 스테이션(212)를 지나며, 이는 두 개의 전기 아크 분무 장치(212a, 212b)를 포함하여, 장치 하나가 기질(100a)의 한쪽씩 분무한다. 각 장치는 니켈 알루미나이드 합금 또는 다른 금속을 포함할 수 있는 한 쌍의 대전된 공급 원료 와이어(212d 및 212e), 및 전극 와이어 사이를 지나가는 전기 충전에 의해 형성된 용융 금속을 분사하기 위한 분무총(212c)를 포함한다. 분무총은 용융 금속 공급 원료를 기질 위에 분무한다. 별도로, 스테이션(212')에서 평평한 기질(100')의 양쪽에 앵커층을 전기 아크 분무 시킨다. 골진 전기 아크 분무된 기질(111)을 단계(214)에서 평평한 전기 아크 분무된 기질(112) 위에 놓고, 두 기질을 감고(재성형) 이어서 단계(216)에서 함께 고정시켜 당해 기술 분야에서 일반적으로 공지된 방식으로 금속성 하니콤 캐리어를 제조한다. 코팅 스테이션(218)에서, 캐리어(216a)를 촉매 물질의 슬러리가 든 배스 (218a)에 담근다. 단계(220)에서, 공기나이프(220a)를 사용하여 캐리어로부터 잉여 촉매 물질을 불어낸다. 고정 단계(222)에서, 코팅된 캐리어를 오븐(222a) 안에 놓고 건조 및 선택적으로 하소시켜 슬러리의 액체 부분을 제거하고 촉매 물질을 캐리어 위에 결합시킴으로써 전기 아크 분무된 캐리어 기질 위에 부착된 촉매 물질을 포함하는 촉매부를 제조한다. 촉매부는 엔진의 배기 가스 스트림 속에 놓기 위하여 본체 또는 카니스터에 설치함으로써 배기 가스 처리 장치에 혼입될 수 있다.

바람직한 금속성 하니콤 캐리어는 마주보는 측면 테두리 및 그 측면 테두리 와 비스듬한 각으로 향한 골이 있는 골진 호일 스트립을 이용하는 방법에 따라 제조할 수 있다. 호일 스트립을 측면 테두리에 수직한 선에서 접어 반대 끝 사이에 유로가 있는 중심체 및 골진 스트립에서 평행하게 밖으로 접은 것에 의해 정의되는 모양이 있는 주변부를 제공한다. 이렇게 만든 중심체를 중심체 주변의 접힌 부분이 자켓 튜브와 압축 접촉하도록 자켓 튜브 속으로 삽입하고, 중심체 주변을 자켓 튜브에 결합시킨다. 그러한 캐리어의 제조 방법 및 거기서 얻어지는 캐리어는 1996년 10월 10일 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제 08/728,641호에 상세히 기술되어 있으며, 그 개시 내용을 본원에 참고로 인용한다. 간단히 재서술하면, 바람직한 하니콤 캐리어 중심체를 골이 스트립 측면 테두리에 비스듬한 각으로 향한 골진 호일 스트립으로부터 제조할 수 있다. 그러한 호일 스트립의 실시태양을 도 3E 및 3F에 나타내었고 대체로 도면 부호 (110)으로 표시하였다.

도시된 스트립(110)은 처음에 길이가 한정되지 않거나 연속적이고 스트립 폭 W를 규정하는 마주보는 측면 테두리(112 및 114)가 있다. 폭 W는 제조할 중심체의 크기에 따라 1 인치와 9 인치 사이에 있을 수 있다. 스트립(110)은 "비스듬하게 골이 나 있다". 다시 말해, 골(116)이 측면 테두리(112 및 114) 사이의 선로 위에 뻗어있고, 측면 테두리에 대해 비스듬한 각 β로 기울어져 있다. 이상적으로는, 각 β가 모든 골에 대해 동일하고 바람직하게는 4˚ 내지 15˚의 범위에 있다. 실제로는 모든 골의 각 β가 바람직한 범위 안에 들더라도 각 골의 경사각이 다른 골에 비해 다를 수 있다.

도 3F에서, 호일 스트립(110)의 측면 프로필의 견본 모양 및 골(116)의 상대 적인 치수를 보여주기 위해 확대하여 나타내었다. 나타낸 바와 같이, 각 골(116)은 높이 h 및 피치 길이 ℓ을 갖는다. 스트립(110)을 제조하는 호일 재료의 두께를 t로 나타내었다.

일부 경우에서는, 골이 약 0.01 인치 내지 약 0.15 인치의 높이 h, 및 약 0.02 인치 내지 약 0.25 인치의 피치 길이 ℓ을 갖는 것이 바람직하다. 골의 높이 및 피치 길이는 변환기의 본체의 셀 밀도, 즉, 하기 수학식(1)에 따른 단위 단면적당 셀의 수를 결정한다:

c = cos β/hℓ

전형적으로, 셀 밀도 c는 제곱 인치당 셀(cpsi)로 표현하고, 일부 경우에서는 약 50 cpsi 내지 1000 cpsi로 변할 수 있다.

호일 스트립(110)은 애건(Aggen)의 미국 특허 제 4,414,023호에 기술된 것과 같은 "페라이트" 스테인리스강으로부터 제조할 수 있다. 통상의 페라이트 스테인리스강 합금은 크롬 20%, 알루미늄 5%, 및 세륨, 란타늄, 네오디뮴, 이트륨 및 프라세오디뮴에서 선택된 적어도 하나의 희토류 금속, 또는 그러한 희토류 금속, 나머지가 철 및 미량의 강 제조 불순물 중 둘 이상의 혼합물 0.002% 내지 0.05%를 포함한다. 페라이트 스테인리스강은 알레게니 루드룸 스틸사(Allegheny Ludlum Steel Co.)로부터 "Alfa IV"라는 상품명으로 구할 수 있다.

상업적으로 구할 수 있는 또다른 사용 가능한 스테인리스강 금속 합금은 Haynes 214 합금으로 확인된다. 이 합금 및 다른 유용한 니켈 함유 합금이 허첸뢰더(Herchenroeder) 등의 미국 특허 제 4,671,931호에 기술되어 있다. 이 합금은 산화 및 고온에 대한 높은 저항력으로 특징지워진다. 구체적인 예는 니켈 75%, 크롬 16%, 알루미늄 4.5%, 철 3%, 선택적으로 이트뮴을 제외한 하나 이상의 희토류 금속 미량, 탄소 0.05%, 및 강 제조 불순물을 함유한다. 또다른 적합한 합금은 Haynes 230 합금으로서, 크롬 22%, 텅스텐 14%, 몰리브덴 2%, 탄소 0.10%, 란타늄 미량, 나머지로 니켈을 함유한다.

페라이트 스테인리스강 및 Haynes 합금 214 및 230(모두 스테인리스강이라고 간주됨)은 고온 저항성, 산화 저항성(또는 내식성) 금속 합금의 예로서, 본 발명의 호일 스트립 및 중심체 시트 요소 뿐 아니라 멀티셀 하니콤 변환기 본체를 제조하는데 사용하기에 유용하다. 적절한 금속 합금은 "높은" 온도, 예를 들면, 900℃ 내지 1200℃(1652℉ 내지 2012℉)를 오랜 기간 동안 견딜 수 있어야 한다.

다른 고온 저항성, 산화 저항성 금속 합금도 공지되어 있고 사용할 수 있다. 대부분의 경우, 및 특히 자동차 분야에서는, 이 합금을 "얇은", 다시 말해, 약 0.001 인치 내지 약 0.005 인치 및 바람직하게는 0.0015 인치 내지 약 0.0037 인치의 두께를 가지는 금속 또는 호일으로 사용한다.

본 발명의 이 일면에 따라, 비스듬한 골이 있는 호일 스트립을 측면 테두리에 수직인 선에서 접어, 중심체에 골진 스트립에서 평행하게 밖으로 접힌 부분에 의해 주로 정의되는 모양이 있는 주변부를 제공한다. 특히, 원하는 중심체 주변 모양을 형성하도록 선택된 간격으로 배치된 접는 선에서 아코디언 방식으로 호일 스트립을 거꾸로 접는다. 접힌 부분 사이의 적층된 인접 스트립 부분은 중심체 끝 사이의 유로를 제공한다.

도 3E에서, 예시적인 평행 접힘 선이 도면 부호 (118), (119), (120), (121) 및 (122)로 표시되어 있다. 이 접힘 선들은 또한 도 3E의 오른쪽에서 왼쪽으로 배치 간격이 증가하는 것으로 나타나 도 3G에 나타낸 바와 같이 원형 주변을 갖는 중심체(125) 부분을 생성한다. 도 3E에서 접는 선의 간격이 정확한 것은 아니고 대표적인 것에 지나지 않다고 하더라도, 스트립(110)의 골 높이 h가 주어졌을 때, 그 스트립을 접어 도 3G에 나타낸 원형 주변을 생성하는 것은, 예를 들면, 공지된 알고리즘 및 컴퓨터 제어된 접는 장치를 이용하여 쉽게 달성할 수 있다. 접는 공정의 결과, 스트립(110)의 인접한 현 모양의 부분이 중심 주변(126)에 위치한 외부의 접힘선(128)의 쌍 사이에 뻗어있다. 또한, 인접한 스트립 부분의 골(116)이 포개지지 않으면서 서로 교차하여 중심체(125)의 끝 사이에 유로망을 제공한다.

골의 교차는 인접한 스트립 부분 사이에 접점을 만들고, 개개의 호일 부분 또는 층에 그들이 놓인 현에 수직한 방향으로 지지대를 제공하는데 도움이 된다. 따라서, 중심체(125)의 각 스트립 부분 또는 층 사이의 접점의 수는 중심체(125)가 사용되는 완성된 하니콤 캐리어내 중심체(125)의 강도 및 내구성에 기여하는 파라미터를 나타낸다. 한 스트립 부분 또는 층에서 각 골이 인접한 층에 있는 골과 적어도 6 개의 접점, 더욱 바람직하게는 8 개의 접점에서 교차하는 것이 바람직하다. 접점의 수 Np는 하기 수학식 (2)에 나타낸 바와 같이, 스트립(110)의 폭 W, 경사진 골의 각 β, 및 골의 피치 길이 ℓ에 좌우된다:

Np = 2W sin β/ℓ

중심체를 예를 들면 도 3G에 나타낸 형상으로 접고 조립한 후, 그 주위를 줄을 묶거나 고무 밴드 또는 다른 묶는 것을 놓는 것과 같은 방법으로 임시 고정시킨다. 중심체(125)의 주변(126), 특히 외부 접힘선(128)을 세정하여 각각의 외부 접힘선(128)에서 깨끗한 금속 표면이 나타나도록 한다. 스트립(110)에 도포된 모든 코팅 물질을 적어도 외부 접힘선(128)로부터 세정하여 제거한다. 세정은, 예를 들면, 압공의 고속 스트림 중의 산화알루미늄 입자를 이용하여 중심체(125) 주위의 표면을 그릿 블래스팅(grit blasting)하여 달성한다. 실리콘 카바이드 그릿도 사용할 수 있다. 다른 세정 방법을 사용하여 접힌 중심체(125)의 주변으로부터 코팅 또는 다른 이물질을 제거할 수 있다. 예를 들면, 중심체 주변을 일종의 잘 알려진 도구, 예를 들면, 파일, 연마석, 와이어 휠 등으로 문지르거나 마모시킬 수 있다. 또한, 코팅 전에 접힌 선을 가림으로써 접힘선에서 깨끗한 금속 표면을 제공하는 것도 본 발명의 범위 안에 있다.

기술한 바와 같이 조립 및 세정한 후, 접혀진 중심체를 자켓 튜브 안으로 삽입하여 중심체 주변의 접힘선이 자켓 튜브의 내부와 바람직하게는 압축하에 접촉하고, 중심체의 주변이 자켓 튜브와 결합하도록 한다.

예시한 실시태양 및 도 3H에 나타낸 바와 같이, 중심체(125)를 축 방향으로 원통형의 자켓 튜브(130)에 삽입하여 중심체(125)의 외부 모양을 보충한다. 자켓 튜브(130)은 내면(132)를 갖고 바람직하게는 스테인리스강으로 만들며, 두께는 약 0.03 인치 내지 약 0.08 인치, 바람직하게는 0.04 인치 내지 0.06 인치이다. 삽입 하기 전에, 자켓 튜브(130)의 내면(132)를 AMDRY Alloy 770과 같은 땜질 합금으로 0.002 인치 두께의 코팅을 한다. 다르게는, 도 3H에 도시한 바와 같이, 중심체(125)의 외측 주변(126)과 자켓 튜브(130)의 내면(132) 사이에 땜질 합금층을 제공하는 방법으로서 중심체(125)를 땜질 호일(134)로 쌀 수 있다.

중심체(125)의 주변(126)에서 충분한 수의 외부 접힘선(128)이 자켓 튜브(130)의 내면(132)와 접촉하여 접힘선(128)을 자켓의 내면(132)에 확실히 고정 결합시키는 것이 중요하다. 그러한 접촉은 중심체(125)를 압축하여 직경을 약 1 내지 3 퍼센트 줄임으로써 하는 것이 바람직하다. 이렇게 압축하여 중심체 (125)의 직경을 줄이는 이유는 도 3I 및 3J에 도시한 것으로부터 이해할 수 있다.

도 3I에 나타낸 바와 같이, 110a 및 110b로 표시한 골진 스트립의 인접한 층 및 부분을 접힌 선 128a, 128b 및 128c에 의해 의도한 주변(126)에 결합시킨다. 현재 알려진 접는 도구로 호일 스트립(110)을 접는 것이 불완전하기 때문에, 접힘선(128)이 중심체(125)의 의도한 주변(126) 위에 정확히 놓일 수 없다. 따라서, 도 3I에 나타낸 바와 같이, 접힘선(128a)가 의도한 주변(126)의 바깥에 놓이고, 접힘선(128b)가 의도한 주변(126)의 바깥에 놓이고, 접힘선(128c)가 의도한 주변(126)의 안쪽에 놓인다. 도 3J에 나타낸 바와 같이, 중심체(125)를 자켓(130) 속으로 삽입하고 땜질 합금(134)가 위치한 내면(133)에 압축하에 갖다 대어 놓은 후, 접힘선(128a 및 128b)를 압축시켜서 안쪽으로 잡아당기거나 변형시켜 3 개의 접힘선 모두가 땜질 합금(134)에 단단히 접촉하도록 한다. 도 3I 및 3J에 도시한 내용은 설명을 위한 것일 뿐이며, 실제로는 중심체 주변의 각각의 접힘선(128)이 접힌 채로 의도한 주변 또는 자켓 튜브(130)의 내면(132)를 보상하는 주변으로부터 벗어날 것이라는 점을 이해해야 한다.

중심체(125)를 자켓 튜브(130) 속으로 삽입하는 바람직한 방법을 도 3K에 나타내었다. 나타낸 바와 같이, 자켓 튜브(130)을 대(136) 위에 놓고 위쪽 끝을 동심형의 끝이 가늘어지는 다이(138)에 맞춘다. 다이(138)은 자켓 튜브(130)의 내경과 동일한 내경으로 하방 수렴하는 원뿔형 절단체 내면(139)을 갖고 있다. 램(140)을 이용하여 중심체(125)를 다이(138)의 끝이 점점 가늘어지는 내면(139) 속으로 밀어넣어 중심체가 자켓 튜브(125) 속으로 들어감에 따라 중심체 주변(126)의 직경이 위에서 말한 약 1 내지 3 퍼센트 만큼 감소한다.

도 3K에 도시한 내용으로부터, 중심체(125)의 바깥 주변이 자켓 튜브(130) 속으로 삽입시 변형하고 그 후에 자켓 튜브의 내면(132)와 압축 접촉 상태를 유지할 것이라는 점을 이해할 것이다. 다르게는, 도 3F에 나타낸 바와 같이 중심체 (125)를 삽입시의 압축없이 자켓 튜브(130) 속으로 삽입할 수 있다. 이어서 도 3L에 나타난 바와 같이 다이(138a)를 이용하여 자켓 튜브(130)의 외부를 변형함으로써 자켓 튜브(130)의 주변이 감소된다. 이런 식으로 자켓 튜브(130)의 주변 직경을 감소시킨 후에는 중심체가 자켓 튜브(130)과 압축 접촉하에 놓여진다.

중심체 주변(126)을 자켓 튜브(130)의 내측에 압축 로딩하는 추가의 다른 방법은 중심체(125)를 자켓 튜브 속으로 삽입하고 용접이나 땜질하기 전에 팽창시키는 것이다. 이 실시태양은 도 3M 및 3N에 도시하였다. 도 3M에 나타낸 바와 같이 개방된 자켓 튜브(130a)로 중심체(125)를 삽입한 후, 이어서 그 개방형 자켓 튜브 를 방사상으로 중심체(125)에 대해 압축시켜 길이를 따라 닫히도록 한다. 이어서 이전의 개방된 슬릿을 땜질 또는 용접으로 결합시켜 압축된 중심체(125)를 단단히 고정시킨다.

도 3L, 3M 및 3N을 참조하여 기술한 바와 같이, 중심체를 자켓 튜브 속으로 삽입한 후 중심체 주변 및 자켓 튜브의 내면을 서로에 맞대어 압축 로딩하는 것은 중심체(125)의 주변(126)을 자켓 튜브(130)의 내측에 기계적으로 결합하는 기구를 제공한다. 예를 들면, 자켓 튜브(130)의 내면(132)를 다양한 형태와 모양의 표면 불규칙, 예를 들면, 주변의 가는 줄무늬, 실, 가시, 돋을새김한 코팅 등으로 거칠게 하여, 자켓 튜브를 삽입된 중심체에 맞대어 압축할 때 중심체(125)가 자켓 튜브(130)내에 기계적으로 유지된다. 그러한 기계적 유지는 땜질로 대표되는 접합법과 조합될 수 있고, 어떤 경우에는, 땜질을 대체하여 사용될 수도 있다. 따라서, "결합"이란 용어는 여기서 중심체 주변과 자켓 튜브의 연결을 특징지우고 기계적 및 접합적 연결을 포함하기 위하여 사용되며, 이들 둘의 조합도 포함한다.

중심체 주변에서 접힘선(128)을 자켓 튜브(130)의 내면(132)로 땜질하기 위하여 중심체와 자켓 튜브를 압축 조립한 것을 챔버 안에 넣는 것이 바람직하다. 공기를 빼고 챔버를 비산화 기체, 바람직하게는 아르곤과 같은 불활성 기체로 뒤채운다. 또한, 남아 있는 대기가 비산화적이라면 기체를 채우지 않고 진공을 이용할 수도 있다. 또한 챔버 안에 코일과 자켓 튜브 사이에 약 1/8 내지 ¼ 인치의 간격을 두고 자켓 주위에 뻗어있는 유도 코일이 있다. 유도 코일에 전압을 가하면, 자켓 튜브 및 호일의 외부 접힘선이 매우 국부적으로 유도 가열되어 중심체 주변과 자켓 튜브 사이의 땜질 금속을 용융시킨다. 중심체의 바깥 접힘선 위에는 코팅이 없어서 자켓 튜브의 내면으로 말끔하게 땜질이 된다.

전술한 방법은 금속 자켓이 있는 하니콤 캐리어, 마주보는 말단 사이의 길이와 골진 스트립의 접힘선에 의해 정의되는 주변부를 갖는 중심체, 중심체의 주변부와 맞물려 주변부의 모든 접힘선과 접촉하는 자켓 내면, 및 중심체의 주변부와 자켓의 내면 사이의 결합을 제공한다.

도 3P 및 3Q에 도시한 실시태양에서, 원형 단면의 중심체(125)는 자켓 튜브(130)내에 압축하에, 또한 중심체(125)의 바깥 주변과 자켓 튜브(130)의 내부 사이의 바람직하게는 땜질 물질로 된 결합(134)에 의해 고정된다. 도 3Q에 나타낸 바와 같이, 자켓 튜브는 중심체(125)보다 길이가 약간 더 길어서 중심체의 끝이 자켓 튜브(130)의 끝 속으로 움푹 들어간다.

연속적인 골진 스트립을 따라 선택된 접힘선 배치 간격에 의해 중심체를 형성하는 방법에 의해 제공되는 편리함 때문에, 도 3P 및 3Q에 나타낸 원형 원통 형상 외의 형상을 만들 수 있다. 이를테면, 도 3R에, 다각형, 더 구체적으로, 육각형의 중심체(125)의 끝 형상을 도시하였다. 도 3S에 나타낸 타원형 끝 프로필에서는, 골진 호일층이 타원의 부축을 가로질러 뻗어있다. 도 3S에 나타낸 타원형 끝 프로필의 변형을 도 3T에 도시하였다. 이를테면, 도 3T에서, 중심체(125c)의 끝 프로필은 직사각형원 또는 "경주장" 모양이다. 마지막으로, 도 3U에서, 중심체(125)는 직사각형 끝 프로필을 갖는 것으로 도시되었다. 도 3P-3U에 도시된 각각의 실시태양에서, 하니콤 캐리어의 외부 형상은 곧게 선 평행 파이프 모양이 다. 다시 말해, 중심체의 주변 표면이 서로 평행하고 중심체의 중심축과도 평행한 직선에 의해 생긴다.

여기서 설명한 바대로 기질에 부착된 앵커층은 지나치게 변형이 쉽거나 유연한 금속 기질에 어느 정도의 단단함을 제공하고, 촉매 물질이 부착될 수 있는 거친 표면을 제공하고, 금속 기질의 표면을 싸서 사용시 표면 산화로부터 기질을 보호할 수 있다. 상기한 바와 같이, 여기서 제공된 바와 같은, 촉매 물질을 금속 기질에 단단히 접착시키는 능력은 또한, 촉매 물질이 설치되는 배기 가스 처리 장치의 카니스터 또는 다른 특징들에 의해 부과된 물리적 제한에 따라 필요한 대로, 촉매 물질의 큰 손실없이 촉매부를 구조적으로 변형할 수 있게 한다.

본 발명에 따라 제조된 캐리어 기질에 사용하기에 적합한 촉매 물질은 임의의 촉매적 활성이 있는 성분의 화합물 및(또는) 착물, 예를 들면, 하나 이상의 백금 그룹 금속 화합물 또는 착물을 비교적 불활성인 벌크상 지지 물질 위에 산재시켜 제조할 수 있다. 여기서 사용한 대로, "화합물"이란 용어는, "백금 그룹 금속 화합물"에서처럼, 하소 또는 촉매 사용시 분해되거나 아니면 촉매적 활성이 있는 형태(반드시는 아니지만 산화물인 경우가 많다)로 전환하는, 촉매적 활성이 있는 성분(즉, "촉매 성분")의 임의의 화합물, 착물 등을 의미한다. 하나 이상의 촉매 성분의 화합물 또는 착물을 지지 물질을 젖게 하거나 함침시키고, 촉매 물질의 다른 성분과 역작용하지 않으며, 가열 및(또는) 진공 적용시 기화 또는 분해됨으로써 촉매로부터 제거될 수 있는 임의의 액체에 용해시키거나 현탁시킬 수 있다. 일반적으로, 경제적 및 환경적 측면 둘다에서, 가용성 화합물 또는 착물의 수용액이 바람직하다. 예를 들면, 적합한 수용성 백금 그룹 금속 화합물에는 염화백금산, 아민이 용해된 수산화백금, 염화로듐, 질산로듐, 헥사민 염화로듐, 질산팔라듐 또는 염화팔라듐 등이 있다. 상기 화합물을 함유하는 액체를 촉매의 벌크상 지지 입자의 기공 속으로 함침하고, 함침된 물질을 건조시키고, 바람직하게는 하소하여 액체를 제거하고, 백금 그룹 금속을 지지 물질 속으로 결합시킨다. 어떤 경우에는, 촉매를 사용하여 고온의 배기 가스에 노출시킬 때까지는 액체(예를 들면, 결정수로 존재할 수 있다)가 완전히 제거되지 않을 수 있다. 하소 단계 동안, 또는 적어도 촉매 초기 사용 단계 동안, 그러한 화합물이 촉매적 활성이 있는 형태의 백금 그룹 금속 또는 그 화합물로 전환된다. 다른 성분들을 촉매 물질에 결합시키기 위해 유사한 방법을 사용할 수도 있다. 선택적으로, 불활성 지지 물질을 생략할 수 있고, 촉매 물질이, 통상의 방법에 의해 분무된 캐리어 기질 위에 직접 부착된 촉매 성분을 필수적 구성 성분으로 할 수 있다.

촉매 성분으로 적합한 지지 물질에는 알루미나, 실리카, 티탄, 실리카-알루미나, 알루미노-실리케이트, 알루미늄-지르코늄 산화물, 알루미늄-크롬 산화물 등이 포함된다. 그러한 물질은 고표면적 형태로 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 감마-알루미나는 알파-알루미나보다 바람직하다. 안정제 물질과 함께 상기 물질을 함침시킴으로써 고표면적 지지체 물질을 안정화시키는 것이 공지되어 있다. 예를 들면, 감마-알루미나는 세륨 화합물 용액으로 함침시키고 이어서 함침된 물질을 하소시켜 용매를 제거하고 세륨 화합물을 산화세륨으로 전환함으로써 열분해로부터 안정화시킬 수 있다. 안정제 물질은 예를 들면 지지 물질의 약 5 중량 퍼센트 이상의 양으로 존재할 수 있다. 촉매 물질은 전형적으로 마이크론 크기 범위, 예를 들면, 10 내지 20 마이크론의 직경을 가진 입자와 함께 입자 형태로 사용되어, 슬러리로 만든 후 촉매부 위에 코팅될 수 있다.

소형 엔진용 촉매부에 사용하는 전형적인 촉매 물질은 백금, 팔라듐 및 로듐을 알루미나 위에 산재시킨 것을 포함하며, 추가로 네오디뮴, 스트론튬, 란타늄, 바륨 및 지르코늄의 산화물을 포함한다. 일부 적합한 촉매가 1996년 12월 6일 출원된 미국 특허 출원 제 08/761,544호에 기술되어 있으며, 그 개시 내용을 본원에 참고로 인용한다. 거기에 기술된 한 실시태양에서, 촉매 물질은 제 1 내화성 성분 및 적어도 하나의 제 1 백금 그룹 성분, 바람직하게는 제 1 팔라듐 성분 및 선택적으로 팔라듐 외의 적어도 하나의 백금 그룹 금속 성분을 포함하는데, 후자의 백금 그룹 금속 성분은 바람직하게는 제 1층의 백금 그룹 금속 성분과 밀접하게 접촉하는 산소 저장 성분이다. 산소 저장 성분("OSC")은 연료를 적게 쓰는(lean) 엔진 작동 기간 동안 과잉 산소를 효과적으로 흡수하고 연료를 많이 쓰는(fuel-rich) 엔진 작동 기간 동안 산소를 방출하여 연료를 많이 쓰는 작동 모드와 연료를 적게 쓰는(즉, 과잉 산소) 작동 모드 사이의 엔진 작동 변화에 의한 배기 가스 스트림의 산소/탄화수소 양론의 변화를 개선시킨다. 벌크상 산화세륨이 OSC 용도로 공지되어 있지만, 다른 희토류 산화물도 사용할 수 있다. 게다가, 상기한 바와 같이, 동시 형성된 희토류 산화물-산화지르코늄을 OSC로 이용할 수 있다. 동시 형성된 희토류 산화물-산화지르코늄은 공침전, 공겔형성 등과 같은 임의의 적합한 기술로 제조할 수 있다. 동시 형성된 산화세륨-산화지르코늄 물질을 제조하는 하나의 적합 한 기술은 루치니 (Luccini, E.), 마리아니(Mariani, S.), 및 스바이제로 (Sbaizero, O.) 등의 논문 ["Preparation of Zirconia Cerium Carbonate in Water With Urea" Int. J. of Materials and Product Technology, vol. 4, no. 2, pp. 167-175(1989)]에 설명되어 있으며, 그 개시 내용을 본원에 참고로 인용한다. 상기 논문의 169쪽에서부터 개시된 바와 같이, ZrO₂ - 10 몰% CeO₂의 최종 생성물을 촉진시키기 위한 비율로 된 지르코닐 클로라이드 및 질산세륨의 증류수 중의 묽은(0.1 M) 용액을, pH를 조절하기 위해 질산암모늄을 완충 용액으로 사용하여 제조한다. 상기 용액을 일정하게 교반하면서 2 시간 동안 끓인 후 완전한 침전물을 얻었으며, 어떤 단계에서도 pH가 6.5를 넘지 않았다.

얻어진 생성물이 산화지르코늄 입자 표면 또는 표면층 뿐만 아니라 최종 생성물의 전체 산화지르코늄 매트릭스의 거의 전체에 걸쳐 퍼진 희토류 산화물을 함유함으로써 희토류 산화물이 산재되지 않은 산화지르코늄 매트릭스의 실질적인 핵심이 남는다면, 동시 형성된 희토류 산화물-산화지르코늄을 제조하는 임의의 적합한 기술을 이용할 수 있다. 이를테면, 공침전 지르코늄 및 세륨(또는 한가지 다른 희토류 금속) 염에는 염화물, 황산염, 질산염, 아세트산염 등이 포함된다. 공침전물은 세척 후 분무 건조 또는 동결 건조하여 물을 제거하고 이어서 공기 중에서 약 500℃에서 하소하여 동시 형성된 희토류 산화물-산화지르코늄 지지체를 형성할 수 있다. 전술한 출원 일련번호 제 08/761,544호의 촉매 물질은 또한 제 1 지르코늄 성분, 적어도 하나의 제 1 알칼리 토류 금속 성분, 및 란타늄 금속 성분 및 네오디 뮴 금속 성분으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제 1 희토류 금속 성분을 포함할 수 있다. 촉매 물질은 또한 적어도 하나의 알칼리 토류 금속 성분 및 적어도 하나의 희토류 성분 및, 선택적으로, 바람직하게는 백금, 로듐, 루테늄 및 이리듐 성분으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 추가의 백금 그룹 금속 성분을 함유할 수 있고, 추가의 제 1 층 백금 그룹 금속 성분은 백금 및 로듐 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

제 08/761,544호에 기술된 특정 촉매 물질은 적어도 하나의 팔라듐 성분 약 0.3 내지 약 3.0 부(예를 들면, 단위 부피당 그램); 적어도 하나의 제 1 백금 및(또는) 제 1 로듐 성분 0 내지 약 2.0 부; 제 1 지지체 약 100 내지 약 2,000 부; 제 1 층에 있는 제 1 산소 저장 성분 총 약 50 내지 약 1000부; 적어도 하나의 제 1 알칼리 토류 금속 성분 0.0 내지 바람직하게는 약 0.1 내지 약 10 부; 제 1 지르코늄 성분 0.0 내지 바람직하게는 0.1 내지 약 300 부; 및 산화세륨 금속 성분, 란타늄 금속 성분 및 네오디뮴 금속 성분으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제 1 희토류 금속 성분 0.0 내지 바람직하게는 약 0.1 내지 약 200 부를 포함한다. 다른 적합한 촉매 물질이 미국 특허 제 5,597,771호에 기술되어 있으며, 그 개시 내용을 본원에 참고로 인용한다.

본 발명에 유용한 한가지 구체적인 촉매 물질은, 표면적이 그램당 150 제곱 미터(㎡/g)이고 기공 부피가 그램당 0.462 입방 센티미터(cc/g)인 감마-알루미나 43.2 중량 퍼센트; 표면적은 같지만 기공 부피가 0.989 cc/g인 제 2 감마-알루미나 41.5 중량%; 산화네오디뮴 0.3 중량%, 산화란타늄 0.6 중량%; 산화세륨 2.9 중량%( 세륨은 슬러리 중 가용성 형태로 도입한다); 산화바륨 3.2 중량 퍼센트; 산화스트론튬 0.3 중량 퍼센트; 산화지르코늄 2.9 중량 퍼센트 및 재순환된 촉매 조성물 5.1 중량 퍼센트를 포함할 수 있다. 내화성 산화물의 입자 크기는 약 12 마이크로미터일 수 있다. 기공 부피가 더 큰 알루미나를 사용하는 것은 상층 다공률을 증가시키는데 도움을 주고 외부 표면이 부식되는 것을 막는데 도움을 주기 위한 것이다.

모터사이클 엔진과 함께 사용하기에 바람직한 또다른 촉매 물질은 알루미나, 동시 형성된 산화세륨-산화지르코늄, 산화바륨 및 산화지르코늄을 포함하는 내화성 산화물 지지체 성분 위에 산재된 백금 및 로듐을 포함하는 백금 그룹 금속 성분을 포함하고, 다음과 같이 제조할 수 있다.

먼저, 148-168 ㎡/g 범위의 표면적 및 약 0.6 cc/g의 기공 부피를 갖는 저표면적, 작은 중간 기공의 알루미나 및 150 내지 170 ㎡/g 범위의 표면적 및 1±0.04 cc/g의 기공 부피를 갖는 고표면적, 큰 기공의 알루미나를 같은 중량 혼합함으로써 로듐을 알루미나 지지체 성분 위에 산재시켜 전체 1818.34 그램을 만든다. 알루미나 지지체 성분을 11.8 그램의 질산로듐을 함유하는 질산로듐 용액으로 함침시킨다.

VGL 알루미나 및 동시 형성된 산화세륨-산화지르코늄을 같은 중량씩 전체 3732.38 그램으로 혼합함으로써 알루미나 및 동시 형성된 산화세륨-산화지르코늄을 포함하는 지지체 성분 위에 백금을 산재시킨다. 지지체 성분을 55.38 그램의 백금 수산화아민을 함유하는 수성 백금 수산화아민으로 함침시킨다. 4700 그램의 물 중 의, 로듐이 함침된 알루미나 1829 그램(건조물 기준) 및 백금이 함침된 알루미나 및 산화세륨-산화지르코늄 3788 그램을, 153 그램의 지르코늄 아세테이트 및 230 그램의 바륨 아세테이트를 함유하는 1% 아세트산, 지르코늄 아세테이트 용액과 혼합함으로써 촉매 물질의 슬러리를 제조한다. 이 성분들을 혼합하고 볼밀(ball mill)로 갈아서 입자들의 90%가 8 마이크론 이하의 직경을 갖게 되는 입도 분포를 만든다. 슬러리는 약 0.3%의 Octanol™ 계면활성제를 함유한다. 이처럼 백금 및 로듐이 Pt:Rh = 5:1의 비로 제공되고 백금이 촉매 물질의 약 1.35 중량%를 구성한다(건조물 기준). 동시 형성된 산화세륨-산화지르코늄은 산소 저장 성분으로 기능한다고 생각된다.

촉매 물질을 캐리어 기질 위에 부착시키는 여러 가지 부착 방법이 당해 기술 분야에서 공지되어 있고 이들 중 대부분은 본 발명에 따라 제조된 캐리어와 함께 사용할 수 있다. 여기에는, 예를 들면, 촉매 물질을 액체 매질에 넣어 슬러리를 형성하고 캐리어를 슬러리에 담가서 캐리어 기질을 슬러리로 적시는 방법(도 3D를 참고로 전술한 바와 같음), 슬러리를 캐리어에 분무하는 방법 등이 포함된다. 다르게는, 촉매 물질을 용매에 용해시킬 수 있고 이어서 용매를 캐리어 기질의 표면 위에 적신 후 제거하여 촉매 물질, 또는 그 전구체를 캐리어 기질 위에 남길 수 있다. 제거 과정은 젖은 캐리어를 가열하는 단계 및(또는) 젖은 캐리어를 진공에 두어 증발을 통해 용매를 제거하는 단계를 필요로 할 수 있다. 촉매 물질을 캐리어 위에 부착시키는 또다른 방법은 촉매 물질을 분말 형태로 제공하여 정전기적 부착을 통해 기질에 접착시키는 것이다. 이 방법은 액상 화학 반응에 사용하는 촉매부 를 제조하는데 적합할 것이다. 촉매 성분을 캐리어 위에 도포하는 이러한 방법들은 앵커층의 도포에 대해 제조 공정상 별개의 단계를 구성하고, 따라서 그 사용은 밑코팅을 도포하기 위한 동일한 플라즈마 분무법을 사용하여 촉매를 도포하는 미국 특허 제 5,204,302호(전술한 것임)의 내용과 구별되는 것이다. 이 방법은 그 기질의 분무를 중지하고 이어서 그 위에 촉매 물질을 부착시키는, 기질 위의 앵커층 위에 전기 아크 분무하는 방법으로 기술될 수 있다. 화학 증착법을 포함하여 다른 방법들이 알려져 있고 역시 사용할 수 있다.

본 발명의 일면은 발포 금속 기질이 기질 밀도가 변하는 영역을 포함하고 따라서 명시한 단위 부피내에 촉매 물질이 부착될 수 있는 상이한 표면적, 즉, 상이한 비표면적을 제공할 수 있다는 점을 제공한다. 균일한 비표면적을 갖는 발포 금속 기질을 여기서 "단일 밀도 발포 기질"이라고 하고, 상이한 비표면적 영역을 갖는 기질을 여기서 "다중 밀도 발포 기질"이라고 한다. 발포 금속의 유기 전구체를 적절히 선택함으로써 단일 밀도 발포 기질의 비표면적을 결정할 수 있다는 점은 본 기술분야에서 알려진 것이다. 하지만, 발포 금속 기질은 연성이 있을 수 있으며 제조 후 압축될 수 있다. 본 발명에 따른 전기 아크 분무법은 발포물을 앵커층으로 도포한 후, 및 촉매 성분을 거기에 도포한 후에도 발포물의 압축을 가능하게 한다.

상이한 비표면적 영역을 갖는 개방형 기질 위에 촉매 물질을 부착시키는 주어진 방법이 상이한 비표면적 영역에 상이한 유효량의 촉매 물질을 부착시킬 것이라는 점은 전에 종래 기술에서 인지되지 못했다. 예를 들면, 다중 밀도 발포 기질 을 일체형 구조로, 예를 들면, 단일 밀도 발포 기질의 일부만을 압축시켜 제조할 수 있거나, 또는 동일한 촉매 물질을 갖지만 비표면적이 상이하고 동일한 장치내에서 서로 가까이 있는, 즉, 효과적으로 서로 인접한 관계에 있는 둘 이상의 별개의 단일 밀도 발포 금속 구조를 부착시킴으로써 조립할 수 있어서, 한 기질을 통해 흘러나간 기체가 다른 기질에 들어갈 것이다. 예를 들면, 촉매적 전환기는 동일한 카니스터내에서 효과적으로 서로 인접한 관계에 놓인 상이한 밀도의 단일 밀도 발포물을 포함하는 두 개의(또는 그 이상의) 촉매부를 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 상이한 비표면적의 기질을 갖는 촉매부를 인접하게 배치하는 것은 발포 금속 기질 외의 기질로 실행할 수 있다. 한 예로, 본 발명의 이 면은 골진 호일 및(또는) 스크린, 및(또는) 그 조합을 포함하는 캐리어 기질을 이용하여 실행될 수 있다.

본 발명에 따라 제조한 촉매부는 유체 스트림이 촉매부를 지나 흘러 그 속의 촉매 물질과 접촉하는 매우 다양한 분야에서 사용할 수 있다. 그러한 촉매부의 중요한 사용예는 유체 스트림의 성분을 촉매적으로 처리하기 위한, 예를 들면, 엔진 배기 가스의 유독 성분을 촉매적으로 전환시키기 위한 플로우-스루 촉매부로서이다. 엔진 배기 가스에는 내연 기관 엔진, 예를 들면, 모터사이클 엔진, 유틸리티(utility) 엔진 등과 같은 불꽃 점화 가솔린형 엔진, 및 압축 점화 디젤형 엔진 등에서 나오는 배기 가스가 포함되며, 여기에 제한되는 것은 아니다. 그러한 배기 가스는 하나 이상의 불연소 탄화수소, 일산화탄소(CO), 질소의 산화물(NOx), 가용성 오일 부분(SOF), 검댕 등을 포함할 수 있으며, 이들이 촉매 물질에 의해 무 해한 성분으로 전환된다. 예를 들면, 본 발명을 디젤의 검댕에서 SOF를 제거하기 위한 배기 가스 재순환 (EGR) 윤활유 촉매에서 실행할 수 있다. 다른 적용예에는 자동차 객실 공기의 촉매 필터, 재사용할 수 있는 가정 난방용 공기 필터, 촉매 불꽃 어레스터(arrestor) 및 도시의 촉매 정수 장치가 포함된다.

상기한 적용예의 대부분에서, 고표면적의 캐리어를 제공하여, 즉, 개방형 기질을 이용하여 유체 스트림과 촉매부 사이의 접촉을 증진하는 것이 유리하다고 생각된다. 유체상 반응의 경우, 적합한 캐리어는 전형적으로 캐리어의 한쪽에서 다른 쪽으로 유체가 캐리어를 통과해 흐르도록 캐리어를 통과해 뻗어있는 다수의 유체 유로가 있다. 기상 반응에 흔히 사용되고 "하니콤"이라고 알려진 통상의 캐리어 형상에서, 상기 유로는 전형적으로 캐리어의 입구에서 출구까지 (반드시는 아니지만) 본질적으로 직선이고 촉매 물질이 코팅된 벽면에 의해 한정되어 유로를 지나 흐르는 기체가 촉매 물질과 접촉한다. 캐리어부의 유로는 사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 사인 곡선형, 육각형, 타원형 또는 원형 등과 같이 임의의 적합한 단면 모양과 크기를 가진 얇은 벽의 채널일 수 있다. 그러한 구조는 단면의 제곱 인치당 약 60 내지 약 700 개 ("cpsi") 이상의, 보다 전형적으로는 200 내지 400 cpsi의 기체 입구("셀")를 함유할 수 있다. 그러한 하니콤형 캐리어는, 예를 들면, 골진 금속 시트를 평평한 금속 시트 위에 놓고 두 개의 시트를 맨드릴 주위로 함께 감는 방법과 같이 다양한 방법으로 금속 기질로부터 만들 수 있다. 다르게는, 코디에라이트, 코디에라이트-알파-알루미나, 질화실리콘, 지르코늄 물라이트, 스포듀민, 알루미나-실리카 마그네시아, 지르코늄 실리케이트, 실리마나이트, 마그네슘 실리케 이트, 산화지르코늄, 페탈라이트, 알파-알루미나 및 알루미노-실리케이트와 같은 임의의 적합한 내화성 물질로 만들 수 있다. 전형적으로, 그러한 물질을 하니콤 형상으로 압출하고 이어서 하소시켜 평활한 내부 셀 벽 및 평활한 외부 표면 즉 "외피"로 정의되는 유로를 형성한다.

본 발명의 와이어 아크 분무 기술은 하니콤형 세라믹 캐리어에 형성된 기체 유로의 평활한 앞면 뿐 아니라 그 내면에 앵커층을 도포하기 위해 사용하여 촉매 물질을 부착시키고 촉매부를 지나 흐르는 기체의 난류성을 증가시켜 촉매 활성을 증가시키는 우수한 표면을 제공할 수 있다. 게다가, 여기서 기술한 바와 같이, 앵커층을 기질의 평활한 외면에 부착시켜 커니스터내에 기질의 설치를 용이하게 할 수 있다. 다른 플루우-스루형 캐리어도 알려져 있다. 예를 들면, 다공성 발포 금속, 와이어 메쉬 등이 있는데, 이 경우 기체 유로가 비선형이거나 불규칙하거나 망상형일 수 있다. 많은 그러한 실시태양에서, 캐리어의 입구면 및 출구면은 단순히 유체가 각각 들어가거나 나오는 면으로 정의된다. 플로우-스루 촉매부는 카니스터와 같은 본체에 설치하여 캐리어 속으로 유체 유동을 인도하는 것이 전형적이다.

하니콤형 또는 다른 플로우-스루형 캐리어, 특히 개방형 기질에 기초한 캐리어 위에 부착될 때, 촉매 물질의 여러 가지 촉매 성분의 양을 부피당 그램을 기준으로 나타내는 경우가 많다. 예를 들면, 백금 그룹 금속 성분의 경우 입방 피트당 그램(g/ft³)이고 일반적인 촉매부의 경우 입방 인치당 그램(g/in³)인데, 이 측정값이 상이한 캐리어에서 상이한 기체 유로 형상을 설명해 주기 때문이다. 세목이 설 계 및 성능 요건에 따라 상당히 변할 수는 있지만, 엔진 배기 가스의 처리에 사용하기에 적합한 촉매부는 백금 대 로듐의 중량비를 5:1로 한 25.5 g/ft³의 백금 그룹 금속 성분 로딩을 포함할 수 있다. 완성된 촉매부를 기체 입구 및 기체 출구를 정의하고 엔진의 배기 파이프에서 촉매부 설치를 용이하게 해주는 금속성 카니스터 안에 설치할 수 있다.

본 발명의 촉매부는, 촉매 물질의 기질에 대한 우수한 접착력 때문에 소형 엔진, 특히 이행정 및 사행정 엔진의 배기 가스 처리 및 디젤 엔진의 배기 가스 처리에 사용하기에 알맞다. 소형 엔진과 결부된 배기 가스 처리 장치는 자동차나 다른 대형 엔진 기계용 촉매적 전환기가 겪는 것보다 상당히 다른 운전 조건에 노출된다. 이는 더 작은 엔진에 의해 동력을 받는 장치가 더 큰 엔진에 의해 동력을 받는 장치보다 비례적으로 더 작기 때문이다. 예를 들면, 소형 엔진의 전형적인 사용예는 잔디 깎는 기계의 프로펠러이고, 더 큰 엔진은, 예를 들면, 자동차에 동력을 공급한다. 소형 엔진은 또한 모터사이클, 모터 자전거, 스노우모빌, 제트 스키, 파워 보트 엔진 등과 같은 차량, 및 사슬톱, 눈, 잔디 및 낙엽의 블로우어, 줄기 베는 기계, 잔디 단장 기구, 정원 트랙터, 발전기 등에서도 사용된다. 그러한 소형 장치는 엔진에 의해 생기는 진동을 흡수해서 확산시키는 응력이 더 작고, 촉매적 전환기의 배치에 관한 설계 유연성이 떨어진다. 촉매적 전환기가 소형 엔진에 아주 가깝게 있기 때문에, 촉매부는 강한 진동에 노출된다. 게다가, 엔진이 작아서 배기 가스를 빨리 냉각시킬 수 있다 하더라도, 소형 엔진은 엔진의 로드가 증가하고 감소함에 따른 높은 온도 변동을 특징으로 한다. 따라서, 소형 엔진의 배기 가스를 처리하는데 사용되는 촉매부는 전형적으로 자동차의 촉매적 전환기보다 더 큰 열변동 및 더 큰 진동에 노출되고, 이런 조건으로 인해 종래 기술의 촉매부에서 촉매 물질이 부서져 떨어지게 되었다. 모터사이클 엔진의 각 사이클에서의 연료 연소가 배기 가스를 통해 충격파를 전달하는 폭발을 일으킨다고 믿어지기 때문에, 이 문제는 모터사이클 배기 가스 처리 장치에서 더 높아진다고 믿어진다. 충격파는 다른 소형 엔진에 흔한 열 및 진동에 더하여 주기적인 압박을 촉매부에 주기 때문에, 촉매 물질이 기질에 강하게 결합해야 할 필요성이 증가하고 따라서 본 발명에 의해 제공되는 촉매부를 특히 유리하게 만든다.

본 발명에 따른 촉매부를 잔디 깎는 기계, 모터사이클, 발전기, 데브리스 블로우어 등과 같은 장치에 결합함으로써 개선된 장치가 나온다.

우수한 내구성 때문에, 본 발명에 따른 촉매부는 또한 많은 종래 촉매부에는 부적합한 방법으로 대형 엔진의 배기 가스를 처리하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 통상의 촉매부는 배기 온도 및 엔진 진동이 감소하는 소위 언더플로어 (undefloor) 위치에서 엔진의 하류에 배치되는 반면, 본 발명에 따른 촉매부는 차량 엔진에 대해 가깝게 결합된 위치에 유리하게 사용될 수 있다. 가깝게 결합된 위치는 언더플로어 위치보다 엔진에 훨씬 가까운 위치이고 전형적으로 세단 플로어 아래보다는 엔진실에 있다. 가깝게 결합된 위치는 배기 다기관으로부터 수인치내이거나 거기에 가까운 곳일 수 있다. 본 발명은 이처럼 엔진에 대해 가깝게 위치시키는 것을 가능하게 하는 반면, 종래 기술의 촉매부는 엔진으로부터의 강한 열과 진동으로 인해 촉매부의 물리적 파손, 예를 들면, 촉매 물질이 촉매부에서 깨지는 일이 생길 것이라는 우려 때문에 엔진 가까이 놓을 수 없을 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 촉매부의 위치는 촉매부의 물리적 일체성보다는 촉매 물질의 고온 내구성에 대한 한계에 의해 요구되는 것이 더 중요하다. 종래 기술의 촉매부로부터 촉매 물질이 깨져 나오는 것은 압력을 가하면 휘거나 구부러질 수 있는 금속성 캐리어의 경우 더 악화된다. 따라서, 본 발명은 이런 경우에 특히 유리한데, 이는 본 발명이 금속 기질 위에 전기 아크 분무된 앵커층의 결과로 촉매 물질과 캐리어 사이에 우수한 접착력을 제공하기 때문이다.

상기한 바와 같이, 다양한 금속 기질에 금속성 공급 원료를 와이어 아크 분무하여 그 위에 앵커층을 부착시킬 수 있다. 따라서, 앵커층은 엔진 및(또는) 관련 배기 가스 처리 장치의 다양한 성분 위에 형성될 수 있다. 예를 들면, 앵커층을 금속성 배기 가스 다기관의 내부에 부착하여 촉매 물질을 그 안에 지지할 수 있다. 다르게는, 피스톤 크라운을 와이어 아크 분무 코팅하여 촉매 물질이 부착될 앵커층을 제공할 수 있다. 표면이 배기 가스에 노출되는 엔진 및(또는) 관련 배기 가스 처리 장치의 임의의 다른 성분은 앵커층을 그 위에 도포하고 촉매 물질을 부착시킴으로써 처리하여 촉매부를 만들 수 있다.

본 발명의 또다른 일면은 한 기질을 다른 기질에 부착시키는데 열분무를 사용하는 것에 관한 것이다. 예를 들면, 와이어 아크 분무법을 다공성 메쉬 또는 금속 시트 기질(바람직하게는 천공된 것)이 배치된 세라믹 본체 기질에 이용하여 앵커층이 두 개의 기질을 결합시키는데 도움이 되도록 할 수 있다. 이를테면, 고가 의 세라믹 섬유 직물 설치 매트를 사용하는데 대한 대안으로서, 설치 탭(mounting tab)을 한정하는 금속 시트 설치 기질을 세라믹 촉매부에 단단히 붙여 금속 카니스터 안에 촉매부를 설치하는 것을 용이하게 할 수 있다. 세라믹 촉매부 주위에 금속성 설치 기질을 사용하는 것은 세라믹 모노리스 또는 전형적인 세라믹 섬유 직물 설치 매트보다 금속성 설치부가 주위의 금속성 카니스터의 열팽창 계수에 더 가까운 열팽창 계수를 가질 것이라는 점에서 유리하다. 카니스터와 촉매부의 열팽창 차이를 개선하기 위하여 금속 카니스터 안에 세라믹 촉매부용 매트를 설치하는데 부어 있는 세라믹 섬유 직물을 사용해 왔지만, 그러한 직물은 고가이고 보통의 운전 조건하에서도 분해되기 쉽다. 촉매부를 카니스터에 고정시키는데는 세라믹 섬유 직물보다 금속성 설치 기질이 내구성이 더 강하고, 값이 싸고 더 잘 맞을 것이다. 왜냐 하면, 금속성 설치 기질은 촉매부를 금속성 카니스터에 리벳(rivet), 용접, 땜질 등을 할 수 있는 설치 탭을 제공하도록 만들 수 있기 때문이다. 세라믹 섬유 직물 설치 매트를 계속 사용하는 것을 원할지라도, 본 발명의 전기 아크 분무법에 의해 부착된 앵커층의 거친 표면을 사용하여 거칠고 접착성이 있는 그립핑(gripping) 영역을 그렇지 않으면 평활할 세라믹 촉매부의 외부에 부착하는 것이 유리할 수 있다. 이로써 촉매부가 주위의 세라믹 섬유 직물내에 더 단단히 설치될 것이다.

본 발명에 따른 촉매부를 포함하고 배기 유로에 연결된 배기 가스 처리 장치를 도 4A 및 4B에 도식적으로 나타내었다. 머플러(11)에 위치한 장치(10)은 배기 파이프(12)의 끝에 설치된 카니스터(15)를 포함하는데, 이는 소형 엔진(표시하지 않았음)의 배기 출구로부터 흘러 나오는 배기 가스(화살표(13)으로 표시함)를 모은다. 카니스터(15)는 그 안에 촉매부(14)를 포함하는 조개 껍데기형 카니스터이다. 카니스터(15)내 촉매부(14)의 주위에 세라믹 섬유 직물층(16)이 있는데, 이는 당해 기술 분야에서 알려진 바와 같이 설치 매트 역할을 한다. 촉매부(14)를 도 5에 더 자세히 나타내었는데, 여기에서 촉매부(14)가 입구면(14a)와 출구면(14b) 사이에 뻗어있는 다수의 수평 기체 유로(46)을 한정하는 압출 세라믹 하니콤 기질을 포함하는 것이 보인다. 촉매부(14)는 평활한 외면(14c)를 갖는다. 촉매부(14)는 본 발명에 따라 와이어 아크 분무하여 그 외면(14c) 위에 앵커 영역(14d)를 제공한다. 앵커 영역(14d)는 세라믹 모노리스에 강하게 접착되어 세라믹 섬유 직물(16)과 개선된 단단한 접촉을 하는 영역을 제공한다. 게다가, 세라믹 모노리스를 입구면(14a) 및 출구면(14b) 중 적어도 하나로부터 분무하여 앵커층을 기체 유로 안쪽에 부착시키고, 촉매 물질이 부착될 수 있는 기체 유로내 표면적을 증가시키고, 촉매 물질과 캐리어 사이에 강한 접착 결합을 갖는 캐리어를 만든다. 게다가, 촉매부의 입구면 및 출구면이 기체 유로처럼 그 위에 부착된 앵커층에 의해 거칠어지기 때문에, 이 표면들 전부가 촉매부를 지나는 층류성 기체 유동을 붕괴시키고 따라서 배기 스트림 성분과 촉매 물질 사이의 접촉을 증가시키는데 도움이 되고, 이로써 촉매부의 효율을 증가시킨다. 세라믹 섬유 직물(16) 주위에 선택적인 와이어 메쉬(18)이 있다. 직물(16) 및 와이어 메쉬(18)을 촉매부(14)의 측면 주위로 싸고 촉매부(14)의 끝(14a, 14b)에서 접는다. 선택적 환상형 끝 링(20 및 22)를 카니스터(15)에 용접하여 촉매부(14)의 끝(14a 및 14b)에 축방향 압력을 가하고 촉 매부(14)를 카니스터(15)내에 고정시키는데 도움을 준다. 다른 실시태양에서, 카니스터(15)를 카니스터의 일체적 부분으로서 끝 링을 형성하도록 형상화시킬 수 있다. 장치(10)은 추가로 선택적 공기 입구(36a)를 포함하는데, 이를 통해 선택적 공기 펌프(38)이 공기 또는 또다른 산소 함유 기체를 공기 주입 라인(40a)를 통해 배기 가스 스트림 속으로 주입할 수 있다. 머플러(11)은 배기 파이프(32)로 배출된다. 다른 실시태양에서, 촉매부(14)는 금속성 하니콤 기질, 발포 금속 기질, 와이어 메쉬 기질, 또는 임의의 다른 적합한 플로우-스루 기질을 포함할 수 있다.

작동시, 배기 가스는 배기 파이프(12)를 지나 장치(10)의 카니스터(15) 속으로 흘러간다. 이 가스는 촉매부(14)를 지나 흘러서 머플러(11)의 제 1 챔버(24)로 들어간다. 기체가 촉매부(14)를 지나 흐르면서 그 안의 촉매 물질이 배기 가스 중 탄화수소 일부와 일산화탄소가 무해한 물질, 예를 들면, 이산화탄소 및 물로 전환되는 것을 촉진한다. 이어서 이 기체가 도관(26)을 지나 제 2 챔버(28) 및 이어서 제 3 챔버(30)으로 흘러간다. 기체는 머플러(11)로부터 파이프(32)로 배출된다. 이를테면, 장치(10)이 파이프(12)로부터 촉매부(14)를 지나 파이프(32)로 가는 유로를 한정한다.

상기한 바와 같이, 촉매부(14)는 임의의 하나 이상의 상기한 금속 기질, 예를 들면, 골지고 둥글게 감은 시트 금속, 금속 호일, 와이어 메쉬, 발포 금속 등으로부터 형성될 수 있다. 도 6에 도시한 한 특정 실시태양에서, 촉매부(14')는 동일한 과정에 의해 상이한 밀도를 갖는 발포 금속 부분(14e 및 14f) 위에 부착된 촉매 물질을 포함한다. 결과적으로, 영역(14e)에서 촉매 물질의 로딩은 영역(14f)에 서와는 다르다. 상기한 바와 같이, 영역(14e) 및 영역(14f)는 한쪽이 다른쪽과 상이한 밀도를 갖는 단일 밀도의 발포 기질을 포함한다. 결과적으로, 유사한 공정에서 그 위에 부착된 촉매 물질의 로딩이 상이할 가능성이 있다. 두 영역을 카니스터 안에 매우 가까이 둠으로써, 배기 가스가 한쪽에서 다른쪽으로 흐른다. 다르게는, 촉매부(14')는 원래는 단일 밀도의 발포 기질이지만 영역(14e)와 영역(14f) 중 하나에서 압축되어 상이한 밀도의 영역이 되는 기질을 포함할 수 있다. 카니스터(15)는, 화살표로 표시한 바와 같이, 배기 가스를 먼저 영역(14e)의 입구면 속으로, 이어서 영역(14f) 속으로 및 나와서 영역(14f)의 출구면, 그리고 이어서 나와서 카니스터의 출구(15b)로 인도한다. 상기한 바와 같이, 본 발명은 다른 구조체가 촉매 물질이 있는 앵커층을 함유하는 실시태양을 포함한다. 예를 들면, 본 발명의 한 실시태양으로서 금속 파이프(12)의 내부를 전기 아크 분무하여 그 위에 앵커층을 부착하고 촉매 물질을 그 위에 부착시킬 수 있다.

본 발명을 실시하는 바람직한 형태를 도 6B에 도시하였다. 여기서, 촉매 물질이 부착된 전기 아크 코팅된 발포 금속 기질을 포함하는 촉매부(14G)를 금속 설치 슬리브(15') 안에 설치한다. 슬리브(15')는 끝이 점점 가늘어지는 형상을 한정하는데, 예를 들면, 양 끝이 열려있고 넓은 쪽 끝(15a')에서 좁은 쪽 끝(15b')로 모이는 원뿔형 절단체이다. 특정 실시 태양에서, 상기 슬리브 테이퍼(taper)가 약 5도의 원뿔각에 따를 수 있다. 발포 금속 기질은 슬리브의 한쪽 끝이 임시로 봉해져 컵을 형성하는 통상의 주조법에서 슬리브 안 적소에 형성될 수 있다. 이어서 슬리브를 금속 분말 및 소모성의 제거 가능한 물질의 과립의 혼합물로 채운다. 슬 리브 및 금속 분말-제거 가능한 과립 혼합물을 소결한다. 금속 분말이 제거 가능한 과립 주위에 다공성 매트릭스를 형성하고, 과립은 타서 없어진다. 생성된 발포 금속 기질은 이처럼 슬리브에 소결된 것이다. 이어서 기질 위에 앵커층 및 촉매 물질을 부착시킬 수 있다. 다르게는, 촉매 물질로 처리하기 전에, 그리고, 선택적으로 하지만 바람직하게는, 앵커층으로 열분무하기 전에, 발포 금속 기질을 슬리브와 떨어져 형성시키고 이어서 슬리브 속으로 삽입하기 위하여 기계로 처리할 수 있다. 발포 금속 기질을 설치 슬리브 안에 위치시킬 때, 이것을 소결시키거나, 납땜질하거나 또는 다른 방법으로 그 자리에 고정시킬 수 있다. 바람직하게는, 끝이 점점 가늘어지는 촉매부를, 도 6B에서 유동 화살표(숫자 표시 하지 않았음)의 방향으로 표시한 바와 같이, 배기 가스가 넓은 쪽 끝으로 들어가 좁은 쪽 끝의 출구로 흘러 지나가도록 설치한다. 금속 기질 및 슬리브 사이의 결합이 사용하는 동안 견디기 어려워지면, 촉매부(14g)가 거기를 흘러 지나가는 배기 가스에 의해 슬리브(15') 밖으로 불려 나가는 것을 막는데 플랜지(15c')가 도움이 될 것이다.

슬리브(15') 및 그 안의 촉매부(14g)를 가스 처리 장치 안에 통상의 방법으로 설치할 수 있다. 선택적으로, 원통형 슬리브(15')를 설치판(115)에 설치하여 촉매부를 배기 가스 도관 안에 설치하는 것을 용이하게 할 수 있다.

다른 실시태양에서, 기하학적 단면 형상을 한정하는 입구 부분 및 상이한 기하학적 단면을 한정하는 출구 부분이 있고 그 사이에 분명한 전이 영역이 있는 전이 슬리브 안에 발포 금속 기질을 형성시키거나 설치할 수 있다. 출구 부분의 적어도 일부의 반경 또는 직경은 입구 부분의 상응하는 반경 또는 직경보다 작아서 두 부분 사이의 슬리브내에 숄더가 한정되도록 한다. 기질을 입구 부분 안에 배치하고 숄더를 떠받치도록 형상화함으로써 만일에 기질과 입구 부분 사이의 결합이 떨어지더라도 기질이 거기를 지나 흘러가는 가스와 함께 입구 부분을 떠나는 것을 방지한다. 입구 및 출구 부분은 모양은 맞지만 크기가 다를 수 있다. 예를 들면, 둘다 큰 입구 실린더와 작은 출구 실린더 사이에 둥근 숄더가 있는 원통형 부분을 한정한다. 다르게는, 도 6C 및 6D에서 보는 바와 같이, 입구 부분이 출구 부분과 상이한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 도 6C 및 6D는 사각 튜브형 입구 부분(15") 및 내경이 입구 부분의 내측 길이와 동일한 원형의 튜브형 출구 부분(15c")를 포함하는 전이 슬리브(15")를 보여준다. 입구와 출구 부분 사이에 네 개의 숄더(15d")가 형성되어 있으며, 여기서 입구 부분(15a")의 대각선 반경은 출구 부분(15c")의 상응하는 내경보다 더 크다. 대체로 사각의 단면 형상을 갖는 기질을 사각의 입구 부분(15a") 안에 들어오고 숄더(15d")를 떠받치도록 형상화할 수 있다. 전이 슬리브는 입구와 출구를 가스 처리 장치내 상응하는 모양을 갖는 가스 유관의 끝에 연결될 수 있도록 형상화할 수 있다.

다른 실시태양에서, 본 발명에 따른 코팅된 기질을 제트 엔진 배기 가스의 처리용 촉매의 지지체로서 및(또는) 제트 엔진 배기 가스 촉매의 상류에 사용하는 포이즌 트랩(poison trap)의 지지체로서 사용하여 촉매 활성을 급속히 저하시키는(즉, "오염시키는") 엔진 배기 가스 성분을 감소시킬 수 있다.

소형 엔진이 든 하우징(41) 및 한 쌍의 바퀴(43) 추진용 트랜스미션 어셈블리(42)를 포함하는 이륜 가든 트랙터(40)가 도 7A에 보인다. 트랙터 인도를 위한 핸들바(44)가 트랙터 뒤쪽으로 뻗어있고, 엔진 및(또는) 트랜스미션을 제어하기 위한 적절한 제어 장치(45)가 핸들바 위 접근 가능한 위치에 설치되어 있다. 이륜 트레일러(48)가 트랙터(40)의 뒤에 뗄 수 있고 회전할 수 있게 연결되어 운전자가 타서 트랙터(40)을 조종할 수 있는 좌석을 제공한다. 도면에서 보는 바와 같이, 엔진 및 트랜스미션 어셈블리(42)는 머플러(50)이 장착되어 있어 엔진의 배기 가스가 튜브형 촉매부(52)를 통해 거기로 흘러 나간다. 당해 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 다양한 도구가 트랙터나 트레일러에 연결될 수 있다.

도 7B는 소형 엔진(56)을 포함하는 개선된 모터사이클을 보여주는데, 엔진(56)으로부터 배기 가스가 배기 시스템(58)을 지나 흘러 나온다. 엔진(56)은 뒷바퀴(62) 및 앞바퀴(64)가 가진 프레임(60) 위에 설치된다. 앞바퀴(64)는 프레임(60) 위에 회전할 수 있게 설치되고 핸들바(66)에 연결되는데, 이 핸들바에 의해 프레임(60) 위에 앉은 탑승자가 조종을 할 수 있다. 배기 시스템(58)의 한 부분은 배기 장치의 유로에 설치된 본 발명에 따른 튜브형 촉매부(60)을 포함한다.

도 7C는 지지체 프레임(70) 위에 설치된 소형 유틸리티 엔진(68)을 보여준다. 엔진(68)은 연료 탱크(72)에서 연료를, 공기 필터(74)에서 공기를 끌어온다. 엔진(68)에서 나오는 배기 가스는 엔진 출구 및 머플러(80) 사이에 설치된 배기 파이프(78)을 포함하는 배기 시스템(76)을 통과한다. 배기 파이프(78) 안에는 하나 이상의 촉매부가 설치되어 있으며, 이들은 각각 본 발명에 따라 앵커층이 분무되고 그 앵커층 위에 촉매 물질이 부착된 플로우-스루 기질을 포함한다. 도시한 실시태양에서, 유틸리티 엔진(68)은 트랜스미션 유닛(82)를 통해, 통상의 출력구(86)으로 전력을 공급하는 전기 발생기(84)에 연결된다. 하지만, 당해 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자는 유틸리티 엔진(68)을 펌프, 압축기, 통나무 절단기 등과 같은 다른 장치를 추진하는데 유사하게 개조될 수 있으며, 이들 장치들 모두가 본 발명에 따른 개선된 장치를 구성할 것이라는 점을 이해할 것이다.

소형 유틸리티 엔진은 본 발명에 따른 코팅된 기질에 또다른 사용 환경 및 형식을 제공하는데, 여기서 상기 기질은 촉매가 있거나 없이 플레임 어레스터 (flame arrestor)로서 사용할 수 있다. 소형 엔진에 플레임 어레스터를 사용하는 것은 본질적으로 당해 기술 분야에서 공지된 것이고, 예를 들면, 동시 출원 중인 공동 할당된 미국 특허 출원 제 08/682,247호(1996년 7월 17일 출원)에 기술되어 있으며, 이는 본원에 참고문헌으로 인용한다.

실시예 1

니켈 알루미나이드 와이어를 앵커층 공급 원료로 이용하여 여섯 개의 강철 와이어 메쉬 기질 및 100 cpsi의 금속 하니콤을 각각 와이어 아크 분무하였다. 니켈 알루미나이드 와이어는 직경이 1/16 인치(1.59 밀리미터(mm))였다. 용융 니켈 알루미나이드 합금을 11 lbs/hr, 가스 압력 70 psi로 6 인치의 간격에서 분무하여 기질 위에 앵커층을 부착시켰다. 100 cpsi의 모노리스에 분무하는 공정으로 모노리스의 내부 가스 유로에 앵커 코팅이 성공적으로 부착되었다.

상기 와이어 메쉬 기질 중 하나를 공기 중에서 15 시간 동안 약 100℃ 내지 1000℃의 온도 사이클에 노출시켰다. 온도 사이클 후에, 메쉬를 검사하고 참고물 과 비교하여, 두 샘플의 표면 사이에 아무런 차이가 발견되지 않았다. 두번째 와이어 메쉬 기질을 3 시간 동안 실온 내지 약 930℃의 온도에서 사이클하였으며, 이때 사이클당 약 6초 동안 분센(Bunsen) 버너의 불꽃으로 가열하였다. 다시, 참고물과 비교하여 앵커층의 표면에 있어서 아무런 차이가 발견되지 않았다. 촉매 물질을 각 샘플에 도포하였고 모든 경우에서 우수한 접착이 관찰되었다.

실시예 2

다음과 같이, 본 발명에 따른 튜브형 촉매부로서 기능하도록 소형 엔진의 배기 가스 처리 장치에 사용하기에 적합한 튜브형 형상을 한 세 개의 상이한 촉매부를 제조하였다. 첫째로, 강철 금속 스크린을 실시예 1에 기술한 바와 같이 니켈-알루미나이드 합금으로 와이어 아크 분무 코팅하여 기질 위에 앵커층을 부착시켰다. 이어서 상기 스크린 기질에, 주요 촉매 성분으로서 약 1 내지 3 중량 퍼센트의 백금 및 로듐을 5:1의 중량비로 포함하는 촉매 물질을 기질 제곱 인치당 0.31 그램(g/in²)의 로딩으로 코팅하였다. 이어서 스크린을 말아서 약 1.75 인치의 직경 및 약 7.25 인치의 길이를 가진 튜브로 만들고, 이음매를 따라 3 곳에 고정 용접을 하여 함께 모았다. 이 형상물은 튜브의 각 면에 약 69 제곱 인치의 표면적을 가져 총 표면적이 138 제곱 인치였다.

둘째로, 금속 헤링본(herringbone) 호일을 실시예 1에 기술한 바와 같이 니켈 알루미나이드 합금으로 와이어 아크 분무하여 그 위에 앵커층을 제공하였다. 이어서 분무된 호일 기질을 상기한 것과 동일한 촉매 물질로 와쉬코트(washcoat) 로딩 0.167 g/in²으로 코팅하였다. 호일을 폭 6 인치, 길이 23 인치로 잘라서 각 면에 약 138 제곱 인치의 표면적을 제공하였다. 호일을 말아서 2 인치의 외부 직경 및 6 인치의 길이를 가진 튜브로 만들었다.

실시예 1의 분무된 메쉬 기질들을 위에서 말한 촉매 물질로 각각 코팅하였다. 기질은 개방형이고 다공성이라서 표면적을 정량화하기 어렵다.

상기 촉매부 각각을 길이가 7.75 인치이고 내경이 2.375 인치인 배기 튜브 안에 설치하여 튜브형 촉매부를 형성하였다. 각 튜브형 촉매부를 50 cc, 이행정 엔진의 배기 장치에 연결하고, 보조 공기가 분당 10 리터의 속도로 배기 장치에 주입되도록 하였다. 다양한 운전 조건 및 방식하에 엔진을 가동하면서 촉매부의 상류 지점에서 두번 및 튜브형 촉매부의 하류 지점에서 두번 배기 가스를 채취하여 다양한 튜브형 촉매부의 효율을 테스트하였다. 각 측정시, 엔진을 주어진 운전 방식에서 3 분간 운전하였다. 상류 및 하류 샘플에서 나온 데이타를 평균하고 평균값을 이용하여 튜브형 촉매부내 각 촉매부의 전환율을 계산하였다. 빈 튜브에 대해서 측정하여 기초 비교값을 제공하였다.

각 튜브형 촉매부는 약 450℃의 온도에서 탄화수소에 대해 상당한 전환율을 나타내었다. 실시예 1의 6 개 와이어 메쉬 기질을 포함하는 튜브형 촉매부가 가장 좋은 저온(200℃ 내지 325℃) 활성을 가졌다.

본 발명을 특정 실시태양을 참고로 상세히 기술해온 동안, 전술한 사항을 읽 고 이해하면 기술한 실시태양의 수많은 변형들이 당해 기술분야의 통상의 기술을 가진 자들에게 일어날 것이 명백할 것이고 그러한 변형들을 첨부한 청구항의 범위 안에 포함시키고자 한다.

Claims (51)

1. 전기 아크 분무에 의해, 니켈 및 알루미늄을 포함하는 앵커층이 그 위에 배치된 캐리어 기질, 및

   상기 캐리어 기질 위에 배치된 촉매 물질

   을 포함하는 촉매부.
2. 제 1 항에 있어서, 앵커층이 Ni/Cr, Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr, Co/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Al, Fe/Cr, Fe/Cr/Al, Fe/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Al, Fe/Ni/Cr, 300 시리즈 스테인리스강, 400 시리즈 스테인리스강, 및 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 추가로 포함하는 것인 촉매부.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 알루미늄이 앵커층에서 니켈 및 알루미늄을 합한 중량의 3 내지 10 퍼센트를 차지하는 것인 촉매부.
5. 제 4 항에 있어서, 알루미늄이 앵커층에서 니켈 및 알루미늄을 합한 중량의 4 내지 6 퍼센트를 차지하는 것인 촉매부.
6. 제 1 항에 있어서, 촉매 물질이 앵커층 위에 부착되어 있고, 하나 이상의 촉매 금속 성분이 산재된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 것인 촉매부.
7. 제 1 항에 있어서, 금속 기질 및 세라믹 기질로 구성된 군으로부터 선택된 기질을 포함하는 촉매부.
8. 내연 기관 엔진의 배기 유로에 연결된, 제 1 항 또는 제 4 항의 촉매부를 포함하는 배기 가스 처리 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 캐리어 기질이 금속 기질을 포함하고, 금속 기질이 내연 기관 엔진의 배기 가스가 배출되기 전에 통하여 흐르는 도관의 내면을 포함하는 것인 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 캐리어 기질이 금속 기질을 포함하는 것인 장치.
11. 제 8 항에 있어서, 캐리어 기질이 세라믹 기질을 포함하는 것인 장치.
12. 제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 기질이 개방형 기질인 촉매부.
13. 제 12 항에 있어서, 캐리어가 발포 금속 기질 및 하니콤 모노리스 기질로 구성된 군으로부터 선택된 기질을 포함하는 것인 촉매부.
14. 제 13 항에 있어서, 기질이 발포 금속 기질을 포함하는 것인 촉매부.
15. 제 14 항에 있어서, 발포 금속 기질이 길이 인치당 3 내지 30 개의 기공 (pores per lineal inch, "ppi")을 갖는 것인 촉매부.
16. 제 14 항에 있어서, 발포 금속 기질이 3 내지 10 ppi를 갖는 것인 촉매부.
17. 제 14 항에 있어서, 발포 금속 기질이 10 내지 80 ppi를 갖는 것인 촉매부.
18. 제 14 항에 있어서, 발포 금속 기질이 제조 원료 금속 밀도의 6 퍼센트의 밀도를 갖는 것인 촉매부.
19. 제 1 항에 있어서,

    한 영역에서 다른 영역으로 유체가 흐르게 하기 위해 배치된 상이한 기질 밀도를 갖는 적어도 두 개의 영역을 포함하는 캐리어 기질, 및

    상이한 표면적 밀도를 갖는 적어도 두 개의 기질 영역 위에 부착된 촉매 물질

    을 포함하는 촉매부.
20. 제 19 항에 있어서, 상이한 기질 밀도를 갖는 적어도 두 개의 기질 영역이 그 위에 촉매 물질의 상이한 유효 로딩을 갖는 것인 촉매부.
21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 적어도 두 개의 기질 영역이 발포 금속, 와이어 메쉬 및 골진 호일 하니콤으로 구성된 군으로부터 선택된 기질의 영역을 포함하는 것인 촉매부.
22. 전기 아크 분무에 의해 캐리어 기질 위에 금속 공급 원료를 부착시켜 기질 위에 금속 앵커층을 제공하는 단계, 및

    상기 앵커층 위에 촉매 물질을 부착시키는 단계

    를 포함하는 제 1 항에 따른 촉매부의 제조 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 촉매 물질을 전기 아크 분무 이외의 방법에 의해 부착시키는 단계를 포함하는 방법.
24. 제 23 항에 있어서, 촉매 물질을 부착시키는 단계가 하나 이상의 촉매 성분이 산재된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 촉매 물질로 금속 앵커층을 코팅하는 단계를 포함하는 것인 방법.
25. 제 22 항에 있어서, 용융 금속이 기질 표면에 부딪힐 때 불규칙한 표면 형상 으로 굳어질 수 있는 온도에서 용융 금속 공급 원료를 전기 아크 분무하는 단계를 포함하는 방법.
26. 제 25 항에 있어서, 10,000℉ 이하의 아크 온도로 용융 금속을 분무하는 단계를 포함하는 방법.
27. 적어도 하나의 앵커층이 코팅된 기질 위에 하나 이상의 촉매적 활성이 있는 성분이 위에 산재된 벌크상 내화성 금속 산화물을 포함하는 촉매 물질을 부착시켜 하나 이상의 촉매화된 기질을 제공하는 단계, 및

    상기 하나 이상의 촉매화된 기질을 입구와 출구를 한정하도록 형상화된 본체 속으로 혼입시키고 상기 적어도 하나의 촉매화된 기질을 입구와 출구 사이에 배치시켜 여러개의 유체 유로를 한정하도록 하는 단계

    를 포함하는 제 1 항에 따른 촉매부의 제조 방법.
28. 삭제
29. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄이 앵커층에서 니켈 및 알루미늄을 합한 중량의 3 내지 10 퍼센트를 차지하는 것인 방법.
30. 제 29 항에 있어서, 알루미늄이 앵커층에서 니켈 및 알루미늄을 합한 중량의 4 내지 6 퍼센트를 차지하는 것인 방법.
31. 제 29 항에 있어서, 기질이 페라이트강 발포물을 포함하는 것인 방법.
32. 제 29 항에 있어서, 금속 공급 원료가 Ni/Cr/Al/Y, Co/Cr/Al/Y, Fe/Cr/Al/Y, Co/Ni/Cr/Al/Y, Fe/Ni/Cr, Fe/Cr/Al, Ni/Cr, Ni/Al, 300 시리즈 스테인리스강, 400 시리즈 스테인리스강, Fe/Cr 및 Co/Cr, 및 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 금속을 추가로 포함하는 것인 방법.
33. 제 32 항에 있어서, 알루미늄이 앵커층에서 니켈 및 알루미늄을 합한 중량의 3 내지 10 퍼센트를 차지하는 것인 방법.
34. 속으로 여러개의 유체 유로가 한정되어 있고 위에 니켈 및 알루미늄을 포함하는 앵커층이 위에 전기 아크 분무된 금속 기질, 및 상기 앵커층 위에 배치된 촉매 물질을 포함하며, 상기 촉매 물질은 하나 이상의 촉매적 활성이 있는 금속 성분이 위에 산재된 벌크상 내화성 금속 산화물을 포함하는 것인 촉매화된 기질, 및

    입구 및 출구를 갖고 있고 속에 촉매화된 금속 기질이 들어 있으며, 상기 촉매화된 금속 기질은 입구와 출구 사이에 배치되어 있는 카니스터로서, 이에 의해 그 입구와 출구 사이의 카니스터를 지나 흐르는 유체의 적어도 일부가 유체 유로를 따라 촉매화된 금속 기질과 접촉하도록 구속되는 카니스터

    를 포함하는 배기 가스 처리 장치.
35. 제 34 항에 있어서, 촉매화된 금속 기질이 카니스터 내에 형상화되고 위치하며 상기 카니스터에 의해 그 입구와 출구 사이의 카니스터를 지나 흐르는 유체의 거의 모두가 유체 유로를 따라 촉매화된 금속 기질과 접촉하도록 구속되는 배기 가스 처리 장치.
36. 배기 스트림이 제 1 항 또는 제 19 항의 촉매부와 접촉하도록 흐르게 하는 단계를 포함하는, 엔진에서 나오는 배기 스트림의 처리 방법.
37. 엔진 및 배기 가스 처리 장치를 포함하는 모터사이클로서, 상기 배기 가스 처리 장치가 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항 및 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 촉매부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터사이클.
38. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항, 제 18 항 및 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 촉매부를 포함하는 배기 가스 장치를 포함하는 유틸리티 엔진.
39. 엔진 및 배기 가스 처리 장치를 포함하는 잔디 깎는 기계로서, 상기 엔진이 제 38 항의 유틸리티 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 잔디 깎는 기계.
40. 니켈 및 알루미늄을 포함하는 앵커층을 유연한 기질 위에 부착시켜 앵커층이 코팅된 기질을 제공하는 단계,

    촉매 물질을 상기 기질 위에 부착시키는 단계, 및

    적어도 앵커층을 부착시킨 후에 용기에 맞도록 기질을 재성형하는 단계

    를 포함하는, 설치 용기에 맞도록 촉매부를 제조하는 방법.
41. 제 40 항에 있어서, 앵커층을 부착시키는 단계가 기질 위에 금속 공급 원료를 열분무하는 단계를 포함하는 것인 방법.
42. 제 40 항에 있어서, 앵커층을 부착시키는 단계가 기질 위에 금속 공급 원료를 전기 아크 분무하는 단계를 포함하는 것인 방법.
43. 제 40 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 물질을 부착시킨 후에 기질을 재성형 하는 단계를 포함하는 방법.
44. 제 40 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매부를 용기 안에 설치하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
45. 제 40 항에 있어서, 앵커층을 부착시키는 단계가 기질 위에 금속 공급 원료 를 플라즈마 분무하는 단계를 포함하는 것인 방법.
46. 제 1 항, 제 34 항 및 제 40 항 기재의 기질로서, 개방형 기질인 기질.
47. 제 46 항에 있어서, 하니콤형 모노리스, 제직 또는 부직 메쉬, 작은 뭉치로 된 섬유 및 발포형 구조물로 이루어진 군으로부터 선택된 기질.
48. 제 46 항에 있어서, 제직 또는 부직 메쉬 및 발포형 구조물로 이루어진 군으로부터 선택된 기질.
49. 제 1 항, 제 34 항 및 제 40 항 기재의 기질로서, 금속성 판, 튜브, 호일, 와이어, 와이어 메쉬 및 단단하거나 가단성이 있는 발포 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 기질.
50. 제 1 항에 있어서, 재성형된 것인 촉매부.
51. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매부를 재성형하는 단계를 추가로 포함하는 방법.

Images