KR100684330B1 - 촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코팅보조장치를 종래 코팅장치에 부가하여 적용함으로써, 배기가스 유동방향에 수직하게 바람직하게는 담체 방사방향으로 구분되도록 슬러리를 코팅할 수 있고, 배기가스 유동특성에 따라 촉매조성물 성분 및/함량 코팅정도를 각각의 구역에 따라 상이하게 처리하여 사용되는 귀금속 촉매량을 효율적으로 적용할 수 있는 유용한 촉매컨버터를 제조할 수 있는, 촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

담체, 수직, 방사, 코팅

Description

촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조방법 및 장치{A method for manufacturing a catalytic converter with catalytic multi-zones and an apparatus therefor}

도 1은 종래 담체 내부로 촉매조성물을 코팅하기 위한 장치 부분사시도이며,

도 2는 본 발명의 일 실시예인 방사방향으로 구분되는 촉매조성물이 코팅된 원통형 촉매컨버터 사시도이며,

도 3은 본 발명에 의한 코팅보조장치 개략 측단면도를 도시한 것이고,

도 4a, b, c는 본 발명에 의한 코팅보조장치를 이용하여 본 발명의 일 실시예인 방사방향 촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조방법을 도시한 것이다.

*도면부호의 간단한 설명*

10: 담체 20: 코팅장치

60: 지지판 70: 충격댐퍼

80: 코팅보조장치

본 발명은 배기가스 유동방향에 수직한 방향으로 타 구역과 구별되는 다수의 촉매 구역을 가지는 촉매컨버터 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 자동차 배기가스 유동방향에 수직한 방사형상의 다구역 촉매영역을 가지는, 코팅조성물 성분 및/또는 함량에 있어서 구별되도록 다구역에서 슬러리 함침이 가능한 촉매컨버터 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

촉매컨버터(catalytic converter)는 배기가스 유해 성분들을 제거 및/또는 전환시키기 위한 것으로 다양한 구성이 공지되어 있다. 한가지 형태로써 컨버터는 촉매코팅이 존재하는 모놀리식(monolithic) 담체를 가지며, 이는 일반적으로 평행한 다수의 세로방향(배기가스 유동방향) 채널(내부셀)의 고표면적을 가지는 촉매적으로 코팅된 구조체를 제공하는 허니컴 타입 구조를 가진다.

허니컴 길이에 따라, 즉 배기가스 유동방향에 따라 여러 구역 내에 상이한 촉매조성물을 함유하는 모놀리스 허니컴이 공지되어 있다 (한국특허공개 제2005-27994호). 또한, 배기가스 유동특성에 따라 고밀도의 배기가스가 유입되는 담체 중앙부에는 촉매가 고밀도로 코팅되는 고밀도부로 구성되며, 주변부에는 저밀도로 고팅되는 저밀도부가 구성된. 방사방향 다구역 촉매컨버터의 코팅구조체가 공지되어 있다 (한국특허공개 1999-43120).

배기가스 유동특성에 따라 담체의 코팅정도를 다르게 처리하여 통상 사용되는 귀금속 촉매량을 효율적으로 적용하기 위한, 공지된 다구역(길이방향 및/또는 방사방향) 촉매컨버터는 유용한 것으로 평가된다.

도 1는 종래 담체(허니컴) 내부에 촉매를 코팅하기 위한 장치(20) 부분 사시 도이다. 장치(20)는 가압라인(104)에 의해 작동되는 클램프(24)를 이송수단인 이송암(25) 말단에 포함하며, 상기 클램프에 삽입된 담체(10)는 상기 이송암을 하강시킴으로써 촉매조성물(슬러리)을 담고 있는 저장조인 딥팬(30)의 중앙홀(84)로 끼워지며, 동시에 하강된 진공콘(32)을 통하여 진공을 걸어줌에 따라 저장조에 담겨 있는 슬러리는 담체(10) 내부셀로 흡입될 수 있다. 한편, 딥팬 메인보디(82)는 담체(10) 사이즈에 따라 교체될 수 있도록 고정구(86)에 의해 프레임(64)에 고정된다.

그러나, 상기와 같은 종래 코팅장치 및 통상적인 코팅방법으로는, 특히 배기가스 유동방향에 수직하게, 즉 바람직하게는 방사방향으로 다구역을 설정한 촉매컨버터를 제조하는 방법에 대하여는 적용될 수 없으며, 이에 대한 효율적인 방법 및 장치도 공지되어 있지 않다.

본 발명은 배기가스가 유입되는 유입구 및 유출되는 유출구가 구비되어 배기가스가 내부로 유입되고 유출되는 양평면이 개방된 촉매컨버터 제조방법에 있어서, 배기가스 유동방향에 수직하게, 즉 유입구 단면에서 바람직하게는 방사방향으로 상이한 촉매조성물이 코팅된 촉매성분이 구역화된 촉매컨버터의 제조방법 및 이를 구현하기 위한 장치를 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 담체 제조방법에 있어서,

홀딩수단에 의해 유지되는 담체를 이송수단에 의해 딥팬으로 하강시키면서 담체 일면에 돌출 블록커(blocker)를 이용하여 블로킹하여 저장조내 슬러리로 담체를 담그는 단계;

담체 타면에서 진공을 걸어 슬러리에 담긴 담체 일면으로부터 슬러리를 블로킹되지 아니한 담체 일면 셀 내부로 올리는 단계;

홀딩수단에 의해 유지되는 담체를 상기 이송수단에 의해 저장조로부터 상승시키는 단계; 및

담체 타면에 걸린 진공을 풀어주는 단계를 포함하여 구성된다.

상기 돌출 블로커는 담체 중앙부를 블로킹하는 경우에는 돌출 원통형 블로커를 적용할 수 있고, 주변부를 블로킹하는 경우에는 돌출 도우넛형 블로커를 적용하여, 배기가스 유동방향에 수직방향인 방사방향으로 구분되는 다구역을 선택적으로 코팅할 수 있다. 본 발명의 설명에 있어서, 방사방향은 일 실시예에 국한되는 것이며, 담체 일면에 블로킹되는 구역은 반원 등의 여러 구성이 참조될 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명은 중앙부를 블로킹하고 주변부를 코팅한 후, 연속하여 주변부를 블로킹하여 중앙부를 코팅할 수 있다. 즉, 상기 언급된 코팅방법이 원통형 돌출 블로커에 의한 주변부 코팅단계로 이해한다면, 연속하여,

홀딩수단에 의해 유지되는 주변부 내부셀이 코팅된 담체를 이송수단에 의해 저장조로 하강시키면서 담체 일면 주변부를 중앙홀을 가지는 도우넛형상의 제2 돌출 블록커(blocker)를 이용하여 블로킹하여 저장조내 제2 슬러리로 담체를 담그는 단계;

담체 타면에서 진공을 걸어 제2 슬러리에 담긴 담체 일면으로부터 제2 슬러리를 블로킹되지 아니한 담체 중앙부 셀 내부로 올리는 단계;

홀딩수단에 의해 유지되는 담체를 상기 이송수단에 의해 저장조로부터 상승시키는 단계; 및

담체 타면에 걸린 진공을 풀어주는 단계를 포함한 구성된 코팅방법, 즉 컨버터 제조방법이 제안되며, 이에 따라 중앙부 및 주변부에 구분되는 슬러리로 코팅된 촉매컨버터를 제조할 수 있다.

상기 코팅방법은 하기 코팅장치에 의하여 달성될 수 있다.

따라서, 본 발명은 가압라인에 의해 작동되는 클램프를 말단에 포함하는 이송수단 및 클램프와 이격된 하부에 슬러리를 담고 있는 저장조를 포함하는 담체 코팅장치에 있어서, 하강가능한 담체와 접촉되어 담체 일면 중앙부 또는 담체 일면 주변부와 압착되어 블로킹하는 제1 또는 제2 블로커가 고정된 지지판, 상기 지지판 외주로부터 상향 돌출되어 형성된 2 이상의 수직 지지바, 상기 가압되는 지지판이 수평유지되면서 저장조 내부로 삽입될 수 있도록 지지판 가압력을 수용할 수 있는 2 이상의 충격댐퍼, 및 상기 충격댐퍼 피스톤로드 일단을 상기 수직 지지바 일단과 수평 연결하는 2 이상의 연결바로 구성된 방사방향 코팅보조장치가 더욱 포함되는 것을 특징으로 하는 담체 코팅장치, 즉 담체 제조장치를 제안하는 것이며, 이에 의해 방사방향으로 구분되는 다구역을 가지는 컨버터가 제조될 수 있다.

본 발명에서 언급하는 방사방향이라 함은 배기가스 유동방향에 대한 수직방 향으로 정의되고, 본 발명의 제조방법 및 장치에 의하여 제조되는 촉매컨버터는, 담체 길이방향을 따라서는 촉매조성물 성분 및/또는 함량이 동일하지만, 즉 각각의 내부셀 유입단 내지 유출단 전 경로에 있어서는 코팅되는 슬러리가 성분 및/또는 함량에 있어서는 일관되지만 방사방향에서 구별되는 각 구역에서는 성분 및/또는 함량이 상이한 촉매조성물이 코팅된 컨버터로 정의된다.

도 2는 예시적으로 방사방향으로 구별되는 촉매조성물이 코팅된 원통형 컨버터(10) 사시를 도시한 것이며, 이에 의하면 컨버터 중심부(1) 및 주변부(2) 셀 내부 면에 코팅된 촉매조성물은 성분 및/또는 농도에 있어서 상이하여, 각각의 영역은 차별된 촉매특성 및 기능을 가질 수 있다. 특히 배기가스 유량이 집중되어 높은 오염물질 전환성능이 요구되는 중앙부(1)에 백금족 귀금속 성분을 집중적으로 코팅하여 귀금속 사용을 최적화할 수 있다는 점에서 방사방향 다구역 촉매컨버터는 유용하다. 예를 들면, 중앙부(1)에는 80g/ft3 이상의 팔라듐 성분이 존재할 수 있고, 주변부(2)에는 30g/ft3 이하의 팔라듐 성분이 존재하도록 코팅될 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 방사방향 구분 코팅이 가능하도록 코팅보조장치를 설명한다. 도 3은 본 발명에 의한 코팅보조장치의 개략 측단면도를 도시한 것이고, 도 4a, b 및 c는 본 발명에 의한 코팅보조장치를 적용한 다구역 코팅절차를 도시한 것이다.

본 발명에 의한 코팅보조장치는 종래 코팅장치를 변경하여 적용될 수 있다. 구체적으로는, 코팅보조장치(80)는 종래 코팅장치(20)를 변경하여 적용될 수 있으며, 클램프(24)에 의해 홀딩되어 하강되는 담체(10)와 접촉되어 담체 일면 중앙부(1) 또는 담체 일면 주변부(2)와 압착되어 담체 내부셀로의 슬러리 침투를 블로킹하는 제1 또는 제2 블로커(65)가 고정된 지지판(60), 상기 지지판에 일단이 고정되고 타단이 상향 돌출되어 형성된 2 이상의 수직 지지바(75), 상기 하강되는 담체에 의해 가압되는 지지판(60)이 수평을 유지하면서 입구가 개구된 저장조(30) 내부로 삽입될 수 있도록 지지판 가압력을 수용할 수 있는 2 이상의 충격댐퍼(70), 및 상기 충격댐퍼 피스톤로드 일단(71)을 상기 수직 지지바(75)와 수평 연결하는 2 이상의 연결바(77)로 구성된다.

상기 지지판(60)은 지지바(75)에 의해 상하 이동자재하게 유동적으로 지지되며, 지지판은 지지바(75) 일부와 함께 저장조(30) 내부로 전적으로 삽입될 수 있ㄷ도록 지지판 직경은 저장조 직경보다 크지 않도록 설계된다. 지지판(60) 상면에는 블로커(60)가 착탈가능하게 고정되며 담체(10) 중앙부(1)를 블로킹하기 위하여는 원통형 돌출 블로커가 장착되며, 담체 주변부(2)를 블로킹하기 위하여는 직경이 담체 직경과 동일하고 중앙홀이 담체 중앙부 직경과 동일한 도우넛형 돌출 블로커가 장착될 수 있다. 상기 블로커(65)은 탄성적 압착이 가능하도록 탄성체, 바람직하게는 러버(rubber) 재질로 이루어질 수 있다.

상기 충격댐퍼(70) 일측은 지면 또는 장치(20) 프레임에 고정되며 타측은 피스톤 로드(71)가 외부로 돌출된 통상적인 충격흡수 댐퍼이며, 지지판(60)에 의한 가압력을 흡수할 수 있도록 설계된다. 지지판을 지지하고 원만한 충격흡수를 위하 여 지지판을 중심으로 바람직하게는 각 방향으로 4개의 충격댐퍼가 장착될 수 있으나, 이에 국한되지 아니한다. 연결바(77) 및 지지바(75)는 충격 댐퍼(70) 및 지지판(60)을 연결하여 가압을 전달하기 위한 것으로 각각의 충격댐퍼에 상응되도록 고정 설치될 수 있다. 충격흡수 댐퍼 피스톤 로드(71)는 담체 하강와 함께 하방 이동되나, 담체에 대한 가압이 제거되어 담체가 저장조로부터 상향 이동되면, 피스톤 로드 포지션은 원상 복귀된다.

상기 방사방향 다구역 코팅이 가능하도록 코팅보조장치가 더욱 포함된 담체 제조장치에 의해, 방사방향 다구역을 가지는 컨버터가 제조될 수 있으며, 하기 구체적으로 설명하고자 한다.

본 발명에서 적용되는 슬러리(워시코트 조성물)는 공지 방법에 제조된다. 예를 들면, 바람직한 촉매 워시코트 조성물은 촉매제로서 백금족 금속 성분과 활성화된 알루미나와 같은 내화 금속 산화물의 지지체를 함유한다. 몇가지 촉매 워시코트 조성물은 산소 저장 성분 및 지르코니아 성분을 함유한다. 또한, 각각의 촉매 조성물은 임의로 안정화제로서 알칼리 토금속, 설파이드 억제제로서 철 또는 니켈 성분, 및 프로모터로서 란타늄 또는 네오디뮴 성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 희토류 금속 성분을 함유할 수 있다.

본 발명에서 적용가능한 담체(캐리어)는 바람직하게는, 경로가 개방되어 그 경로를 통해서 유체가 유동하도록 담체의 유입구 또는 유출구 면으로부터 관통하여 연장되는 다수의 미세한 평행 가스 유동 통로를 갖는 형태의 모놀리식 캐리어다 (허니컴). 유체 유입구로부터 유체 배출구까지 필수적으로 직선인 경로는 벽에 의해 경계를 이룬다. 모놀리식 캐리어의 유동 통로는 사다리꼴, 직사각형, 사각형, 사인형, 육각형, 타원형 또는 원형과 같은 적합한 단면 형태 및 크기를 가질 수 있는 얇은 벽의 채널이다. 이러한 구조는 단면의 제곱 인치당 약 60개 내지 약 900개 또는 그 이상의 가스 유입구 오프닝 ("셀 (cells)")을 함유할 수 있다. 캐리어는 세라믹 타입 또는 금속타입의 것일 수 있다. 세라믹 담체 (캐리어)은 어떤 적합한 내화물질로도, 예를 들어 코르디에라이트, 근청석-알파 알루미나, 실리콘 니트라이드, 지르콘 멀라이트, 스포듀멘, 알루미나-실리카 마그네시아, 지르콘 실리케이트, 실리마나이트, 마그네슘 실리케이트, 지르콘, 페탈라이트, 알파 알루미나 및 알루미노실리케이트로 만들어질 수 있다. 금속 캐리어는 스테인레스 스틸 또는 그밖의 적합한 철-기재 내식성 합금과 같은 내화 금속으로 만들어질 수 있다.

도 4을 참조하여 단계적으로 코팅방법을 설명한다.

도 4의 단계 A 에서, 담체(10)는 클램프 (24)와 같은 적합한 유지 수단에 의해 유지되며, 코팅보조장치(80)는 담체(10) 하강위치에 배치된다. 담체(10)는 코팅하기 전에 중량을 측정할 수 있다. 담체는 단계 A로부터 단계 B로 진행된다. 단계 B에서, 담체는 하강되면서 코팅보조부(80) 지지판 상면에 돌출된 블로커(65)와 압착된다. 본 실시예에서는 담체 중앙부를 블로킹하고 주변부 내부셀을 코팅하는 절차가 예시된다. 소정의 가압력 이상이 지지판(60)에 부하되면 지지바(75) 및 연결 바(77)를 통하여 가압력은 충격댐퍼(70)로 전달되며, 지지판(60)은 입구가 개구된 저장조(30)로 삽입된다. 따라서, 담체 일면은 블로커(65)에 의해 압착된 구역을 제외하고 슬러리(66) (워시코트 촉매조성물)을 함유하는 저장조(30) 내에 함침된다. 적합한 수단을 사용하여 담체(10)의 상부 축방향 말단(14')에 진공을 적용한다. 바람직하게는 진공콘(32) 및 후드(146)를 담체(10) 상부 축방향 말단 (14')에 밀봉적으로 적용하고, 담체(10)의 상부 말단에 진공콘(32)을 통해 진공 펌프 (도시되지 않음)와 같은 적합한 진공수단에 의해 진공을 적용하고, 이렇게 하여 담체 내부셀을 적어도 그의 길이의 일부분 또는 전부에 걸쳐서 코팅하도록 담체(10)의 저장조(30)로부터 하부 축방향 말단(14) 내로 슬러리(66)를 유도한다. 유체가 모두 제거되면, 이것은 예정된 길이를 코팅하며, 진공을 풀어 공기를 셀 내로 흡인시켜(블로잉), 담체 상부로부터 하부로 개방 경로를 오픈한다. 코팅 단계는 1 내지 10초, 바람직하게는 2 내지 4초 동안 수행된다. 그후, 단계 B에서 적용된 코팅은 선택적으로 단계 C에 따라 건조된다. 단계 C는 담체를 통해서 증기를 움직이기 위한 진공 장치 및 코팅을 건조시키기 위해서 담체를 통해서 공기 (예를 들어, 가열된 공기)를 강제로 밀어 넣기 위한 송풍 장치가 개입된다. 담체(10)는 건조작동 중에 클램프(24)와 같은 적합한 유지 수단에 위해서 계속해서 유지되도록 한다. 적합한 수단을 사용하여 담체(10)의 상부 축방향 말단 (14')에 진공을 적용한다. 바람직하게는, 후드(146)를 계속해서 적용할 수 있다. 진공콘(32)을 통해서 담체(10)의 상부 축방향 말단(14')에 진공 펌프 (도시되지 않음)와 같은 적합한 진공수단에 의해 진공을 적용한다. 여기에는 담체 내부셀 내로 가스 (예를 들어, 뜨거운 공기)를 강제로 밀어 넣거나 도입시키기 위한 수단이 존재한다. 이 장치는 담체(10)의 하부 축방향 말단(14)에 밀봉적으로 적용되는 수단을 갖는 후드(76)를 포함한다. 단계 C의 작업시에 진공은 진공콘(32)을 통해서 상부 축방향 말단(14')에서 적합한 진공발생장치에 의해 발생된다. 송풍기 (도시되지 않음) 또는 적합한 장치를 작동시켜 뜨거운 가스를 도관(78) 내로 및 담체(10)의 하부 축방향 말단 (14) 내로 강제로 밀어 넣는다. 따라서, 증기는 담체(10)의 상부(14')로부터 진공콘(32)을 통해 후드(146)로 뽑아내는 반면에, 뜨거운 공기는 도관(78)을 통해서 후드(76) 내로, 및 담체(10)의 하부 축방향 말단 (14) 내로 더 상향으로 강제로 밀어 넣어진다. 그 결과, 담체(10)의 내부셀 코팅을 건조시킨다. 건조 단계 중에 부과되는 진공의 강도는 내부셀의 단면적, 각각의 채널에 적용된 코팅 매질의 조성 및 두께에 따라서 달라질 수 있다. 진공을 부과하는 장치는 예를 들어, 팩스톤 송풍기 (Paxton Blower)일 수 있다. 뜨거운 송풍 가스 시스템은 예를 들어, 약 50,000 BTU의 가열 용량을 갖는 젯트 공기 케로젠 히터 (jet air kerosene heater)의 형태일 수 있다. 코팅 및 건조가 완결된 후에 담체를 하소시킨다. 하소는 250℃ 내지 900℃에서 0.1 내지 10시간 동안, 바람직하게는 450℃ 내지 750℃에서 0.5 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. 결과적으로, 방사방향으로 다구역 코팅된 촉매컨버터가 제조된다.

본 발명에 의한 방법 및 장치에 의하면, 코팅보조장치를 종래 코팅장치에 부가하여 적용함으로써, 담체 방사방향으로 구분되도록 슬러리를 코팅할 수 있고, 배 기가스 유동특성에 따라 촉매조성물 성분 및/함량 코팅정도를 방사구역에 따라 상이하게 처리하여 사용되는 귀금속 촉매량을 효율적으로 적용할 수 있는 유용한 촉매컨버터를 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. 홀딩수단에 의해 유지되는 담체를 이송수단에 의해 슬러리 저장조로 하강시키면서 담체 일면에 돌출 블록커(blocker)를 이용하여 블로킹하면서 저장조내 슬러리로 담체를 담그는 단계;

   담체 타면에서 진공을 걸어 슬러리에 담긴 담체 일면으로부터 슬러리를 블로킹되지 아니한 담체 일면 내부셀로 올리는 단계;

   홀딩수단에 의해 유지되는 담체를 이송수단에 의해 저장조에서 상승시키는 단계; 및

   담체 타면에 걸린 진공을 풀어주는 단계를 포함하여 구성되는, 촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조방법.
2. 가압라인에 의해 작동되는 클램프를 말단에 포함하는 이송수단 및 클램프와 이격된 하부에 슬러리를 담고 있는 저장조를 포함하는 담체 코팅장치에 있어서,

   하강가능한 담체와 접촉되어 담체 일면 중앙부(1) 또는 담체 일면 주변부(2)와 압착되어 블로킹하는 제1 또는 제2 블로커(65)가 고정된 지지판(60),

   상기 지지판 외주로부터 상향 돌출되어 형성된 2 이상의 수직 지지바(75),

   상기 가압되는 지지판이 수평유지되면서 저장조 내부로 삽입될 수 있도록 지기판 가압력을 수용할 수 있는 2 이상의 충격댐퍼(70), 및

   상기 충격댐퍼 피스톤로드 일단(71)을 상기 수직 지지바와 수평 연결하는 2 이상의 연결바(77)로 구성된 방사방향 코팅보조장치(80)가 더욱 포함되는 것을 특징으로 하는, 촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 블로커는 고무재질의 원형 돌출블로커이며, 제2 블로커는 중앙홀을 가지는 도우넛 형상의 돌출블로커인 것을 특징으로 하는, 촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제2 블로커는 직경이 담체(10) 직경과 동일하고 중앙홀 직경이 담체 중앙부(1) 직경과 동일한 도우넛형 돌출 블로커인 것을 특징으로 하는, 촉매 다구역을 가지는 촉매컨버터 제조장치.

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