KR101145019B1 - 오염 조절 요소의 유지재 및 오염 조절 장치 - Google Patents

오염 조절 요소의 유지재 및 오염 조절 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 캐닝(canning) 작업성이 양호하고, 캐닝 작업 중에 오염 조절 요소 (1)로부터 분리되지 않고, 내열성, 면압 유지성 및 내풍식성 중 하나, 일부 또는 전부가 우수한, 오염 조절 요소 (1)을 케이싱의 내부에 고정하기 위한 오염 조절 요소의 유지재 또는 고정재 (2)를 제공한다. 섬유 재료를 함유하는 매트 (2)를 포함하고, 매트는 두께 방향으로 케이싱 (4)에 접하는 외주면 (2a)이 있는 외측부 및 오염 조절 요소 (1)과 접하는 내주면 (2b)이 있는 내측면을 갖는다. 적어도 내측부의 내주면, 및 임의로는 외측부의 외주면은 외주면과 케이싱 (4) 사이의 마찰계수가 내주면과 오염 조절 요소 (1) 사이의 마찰계수보다 낮아지도록 마찰력/밀착력 조절제 (3)으로 함침된다. 마찰력/밀착력 조절제 (3)은 오염 조절 요소 (1)의 운전 조건하에서 분해하여 소산(消散)될 수 있다.
마찰력/밀착력 조절제, 오염 조절 요소 유지재, 오염 조절 장치.

Description

오염 조절 요소의 유지재 및 오염 조절 장치 {Pollution Control Element-Retaining Member and Pollution Control Device}
본 발명은 오염 조절 요소의 유지재 또는 고정재에 관한 것이고, 더욱 상세하게 서술하면, 촉매 담체나 필터 요소와 같은 오염 조절 요소의 유지재 또는 고정재에 관한 것이다. 본 발명은, 특히 유지재를 오염 조절 요소 둘레에 감은 상태로 오염 조절 장치의 케이싱에 삽입할 때에 작업성이 양호하고, 삽입 중에 오염 조절 요소로부터 분리되지 않으며, 내열성, 면압 유지성 및 내풍식성 중 하나, 일부 또는 전부가 우수한 상기 유지재 또는 고정재에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 이러한 오염 조절 요소의 유지재를 구비한 오염 조절 장치(예를 들면, 촉매 컨버터, 배기 정화 또는 필터 장치 등), 구체적으로는 상기 촉매 담체 유지재를 장전한 촉매 컨버터나 필터 요소의 유지재를 구비한 배기 정화 장치에 관한 것이다. 본 발명의 오염 조절 장치 (예컨대, 촉매 컨버터)는 자동차나 그 밖의 내연 기관의 배기 가스 처리에 유리하게 사용할 수 있다.
자동차의 엔진으로부터의 배기 가스에 포함되는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소 산화물(NOx) 등을 제거하기 위한 수단으로서, 세라믹 촉매 컨버터를 이 용한 배기 가스 정화 시스템이 잘 알려져 있다. 세라믹 촉매 컨버터는, 기본적으로 금속제 케이싱, 다시 말하면 하우징 내에, 예를 들면 벌집 형상의 세라믹제 촉매 담체("촉매 요소"라고도 함)를 수용한 것이다.
공지된 바와 같이, 세라믹 촉매 컨버터에는 다양한 종류의 것이 있다. 그러나, 통상 그것에 수용된 촉매 담체와 케이싱과의 간극을, 전형적으로 무기 섬유, 유기 섬유 및(또는) 일반적으로는 액체 또는 페이스트상의 유기 결합제를 조합하여 구성되는 단열재에 의해서 완전히 매립하는 구성을 채용한다. 예를 들면, 일본 특허 공개 (소)57-61686호, 동 (소)59-10345호, 및 동 (소)61-239100호를 참조하가 바란다. 그 결과, 간극을 매립한 단열재가 촉매 담체를 유지하여, 충격, 진동 등에 의한 기계적인 쇼크가 촉매 담체에 부주의하게 가해지는 것을 방지할 수 있다. 이러한 구성의 촉매 컨버터에서는 촉매 담체의 파괴나 이동이 발생하지 않기 때문에, 소기의 작용을 장기간에 걸쳐 실현할 수 있다. 또한, 상기와 같은 단열재는 촉매 담체를 유지하는 기능을 가지므로, 일반적으로는 촉매 담체 유지재라고도 불린다.
그런데, 촉매 담체를 케이싱에 장전하는 경우, 촉매 담체의 외주면 둘레에 촉매 담체 유지재를 감아서 촉매 담체와 촉매 담체 유지재를 일체화한 후, 그것을 원통형 케이싱에 가압하에서 삽입하는 압입 방식(stuffing system)이 일반적으로 채용되어 있다. 현재, 압입 방식으로 촉매 담체를 장전("캐닝"이라 함)하는 경우의 작업성을 개선하고, 촉매 담체 유지재의 쿠션성(부피가 큰 특성)을 높이며, 또한 촉매 담체 유지재를 구성하는 무기 섬유의 공중 비산을 방지하기 위하여, 다양 한 타입의 촉매 담체 유지재가 제안되었다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같은, 촉매 담체 (33), 촉매 담체 (33)의 외주를 덮는 금속 쉘 (케이싱) (32), 및 촉매 담체 (33)과 케이싱 (32) 사이에 배치되는 유지 및 시일(seal)재 (촉매 담체 유지재) (31)로 구성되는 촉매 컨버터 (35)에 있어서, 100 ㎠ 안에 천공 50 내지 3,000개의 밀도로 니들 펀치 처리된 무기질 섬유 매트로 이루어지고, 유기질의 함유량이 0 초과 내지 2 중량％ 이하이고, 0.15 내지 0.45 g/cm3의 충전 밀도에서 300 내지 1,000 사이로 가열하였을 때에 5 내지 500 kPa의 면압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 촉매 담체 유지재를 사용하는 것이 일본 특허 공개 제2001-259438호 (특허 청구의 범위, 도 1, 도 4)에 제안되었다. 촉매 컨버터(35)는, 도시한 바와 같이, 자동차의 엔진(36)으로부터의 배기 파이프(37)의 도중에 설치된다. 또한, 캐닝 공정은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 촉매 담체 유지재(31)가 감겨진 촉매 담체(33)을 케이싱(32) 단부의 개구로부터 가압하에서 압입하도록 하여 실시된다.
또한, 상기와 유사한 구성의 촉매 컨버터에 있어서, 무기 섬유를 매트 형상으로 배치하여 제조한 매트 형상물에 0.5 내지 20 중량％의 유기 결합제 또는 무기 결합제를 첨착(添着)하고, 부착 후의 매트 형성물의 충전 밀도를 0.1 내지 0.6 g/cm3의 범위로 조정하고, 또한 매트 형상물에 첨착된 결합제의 고형분 비율을 두께 방향으로 3등분(상부, 중부, 하부)하여 평가한 경우, 상부 및 하부에서의 결합제의 고형분 비율이 중부의 것에 비해 높은 것이 특징인 촉매 담체 유지재를 사용하는 것도 일본 특허 공개 제2002-4848호(특허 청구의 범위, 도 1 및 도 3)에 제안되었 다.
발명의 요약
압입 구조를 채용한 종래의 촉매 컨버터에 있어서는, 상기한 바와 같이, 통상 매트 형태로 사용되는 촉매 담체 유지재에 다양한 개량이 실시되고 있다. 그러나, 여전히 작업성이 충분하지 않고, 특성 면에서도 한층 더 개량이 필요하다. 예를 들면, 매트의 부피가 큰 특성을 개량하고 무기 섬유의 비산을 방지하기 위해서 유기 결합제를 매트에 함침하거나 도포하고 있는 것은 상기한 바와 같다. 그러나, 매트 중에 포함되는 유기 결합제는 캐닝 공정에서 매트와 케이싱 사이의 밀착을 야기하거나 마찰계수를 증가시키고 매트의 슬립(slipperiness)을 저하시키기 때문에, 보다 큰 압입 하중이 필요해진다. 또한, 각 매트와 각 케이싱 사이의 밀착 정도가 너무 강하면, 각 매트 및 그것이 감겨진 촉매 담체 사이에 슬립이 발생하여, 촉매 담체를 케이싱에 삽입할 수 없게 된다. 또한, 매트 본체는 큰 전단 응력을 받아 변형하기 때문에, 무기 섬유의 압괴(壓壞)가 발생한다. 그 결과, 유지력의 저하, 및 무기 섬유의 내풍식성 저하가 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 촉매 담체 유지재를 촉매 담체 둘레에 감은 상태로 촉매 컨버터의 케이싱에 삽입할 때에 작업성이 양호하고, 삽입 중에 촉매 담체로부터 분리되지 않으며, 내열성, 면압 유지성 및 내풍식성 중 하나, 일부 또는 전부가 우수한 촉매 담체 유지재를 제공하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 구조가 간단하고, 제조가 용이하며, 그 중의 촉매 담체 유지재가 내열성, 면압 유지성 및 내풍식성 중 하나, 일부 또는 전부가 우수한 것인 촉매 컨버터를 제공하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 촉매 담체 이외의 오염 조절 요소, 예를 들면 필터 요소 등을 유지하기 위한 오염 조절 요소의 유지재, 및 그와 같은 오염 조절 요소를 구비한 오염 조절 장치를 제공하는 것일 수 있다.
본 발명의 상기한 목적이나 그 밖의 목적은, 이하의 상세한 설명으로부터 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 한 면에서, 오염 조절 요소를 케이싱 내에 유지하기 위해 유지재를 제공한다. 유지재는 무기 섬유 재료의 매트로 이루어진다. 상기 매트는 두께 방향으로 내측부, 외측부, 및 그 사이의 중간부를 갖는다. 외측부에는 케이싱에 접하는 외주면이 있고, 내측부에는 오염 조절 요소와 접하는 내주면이 있다. 적어도 내측부의 내주면, 및 임의로는 외측부의 외주면에는 외주면과 케이싱 사이의 마찰계수가 내주면과 오염 조절 요소 사이의 마찰계수보다 낮아지도록 마찰력/밀착력 조절제가 함침된다. 마찰력/밀착력 조절제는 오염 조절 요소의 운전 조건 하에서 분해되어 소산될 수 있다.
매트의 내주면 및 외주면은 마찰력/밀착력 조절제로 함침되어 있는 것이 바람할 수 있다. 매트의 내주면에 함침되어 있는 마찰력/밀착력 조절제가 매트의 외주면에 함침되어 있는 마찰력/밀착력 조절제와 동일한 것이 바람직할 수 있다. 또한, 매트의 내주면에 함침되어 있는 마찰력/밀착력 조절제가 매트의 외주면에 함침되어 있는 마찰력/밀착력 조절제와 상이한 것이 바람직할 수 있다.
필요한 유지재 특성을 얻기 위해, 본 발명에 따라, 상기 매트의 내주면에 함 침된 상기 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함유량이 상기 매트의 외주면에 함침된 상기 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함유량보다 많은 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 매트의 내주면에 함침된 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함량은 약 15 내지 50 g/㎡ 범위일 수 있다. 매트의 외주면에 함침된 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함량은 약 2 내지 8 g/㎡ 범위일 수 있다.
본 발명의 다른 면은 오염 조절 요소의 둘레에 감음으로써 오염 조절 요소를 케이싱 내에 유지하기 위한 것이며, 소정의 두께를 갖는 섬유 재료의 매트로 이루어지고, 적어도 상기 매트의 케이싱측의 외주면 및 오염 조절 요소측의 내주면의 각각에, 고온 조건하에서 분해하여 소산될 수 있는 라텍스로 이루어지는 마찰력/밀착력 조절제가 함침되어 있고, 또한 이 때, 상기 매트의 내주면에 함침된 상기 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함유량이, 상기 매트의 외주면에 함침된 상기 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함유량보다 많고, 또한 15 내지 50 g/㎡의 범위인 것을 특징으로 하는 오염 조절 요소의 유지재이다.
또한, 본 발명의 또 다른 면은 케이싱, 이 케이싱 내에 설치된 오염 조절 요소, 및 상기 케이싱과 상기 오염 조절 요소 사이에 배치된 오염 조절 요소의 유지재를 포함하며, 상기 오염 조절 요소의 유지재가 본 발명에 따른 오염 조절 요소의 유지재인 오염 조절 장치이다.
도 1은 종래의 촉매 컨버터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 촉매 컨버터에 있어서, 금속제 케이싱에 촉매 담체를 장전하 는 방법을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매 컨버터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 촉매 컨버터의 선분 A-A을 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 촉매 컨버터에 있어서, 마찰력/밀착력 조절제의 촉매 담체 유지재로의 함침 상태를 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 오염 조절 요소 유지재 및 오염 조절 장치는 각각 다양한 형태로 유리하게 실시할 수 있다. 예를 들면, 오염 조절 요소는 촉매 담체(또는 촉매 요소), 필터 요소(예를 들면, 엔진용 배기 정화 필터 등) 또는 그 밖의 임의의 오염 조절 요소일 수 있다. 유사하게, 오염 조절 장치는, 그것에 부착된 오염 조절 요소에 따라서, 촉매 컨버터, 배기 정화 장치, 예를 들면 엔진용 배기 정화 장치(예를 들면, 디젤 미립자 필터 장치) 또는 그 밖의 임의의 오염 조절 장치일 수 있다. 이하에서는 특히, 촉매 담체 유지재와 촉매 컨버터를 참조하여 본 발명의 실시를 설명하지만, 본 발명은 이들 형태로만 한정되지 않음에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터는, 자동차나 그 밖의 내연 기관에 있어서 배기 가스를 처리하기 위해서 특히 유리하게 이용될 수 있다. 촉매 컨버터는 케이싱, 및 케이싱 내에 설치된 촉매 담체(촉매 요소)를 적어도 포함한다. 또한, 케이싱과 촉매 담체 사이에는, 이하 상세히 설명될 본 발명의 촉매 담체 유지재가 촉매 담체의 외주면 둘레에 감기도록 하여 삽입된다. 또한, 종래의 촉매 컨버터의 경우에는, 촉매 담체와 촉매 담체 유지재를 접착제, 감압 점착 테이프 등의 접합 수단을 별도로 그 사이에 삽입하거나 도포하여 접합하는 것이 일반적이었다. 그러나, 본 발명의 촉매 컨버터의 경우, 촉매 담체 유지재 자체로 충분한 마찰력 또는 밀착력을 발현할 수 있기 때문에, 구성 및 제조의 복잡화나 제조 비용의 증가를 야기하는 접합 수단의 삽입 또는 도포는 불필요하다. 또한, 촉매 담체 유지재는 통상 촉매 담체의 실질적으로 전체 표면의 둘레에 감지만, 필요하다면, 촉매 담체의 일부의 둘레에만 감을 수도 있다. 또한, 필요에 따라서, 와이어 메쉬 등의 고정 수단을 보조적으로 사용할 수도 있다.
촉매 담체 유지재는, 그것을 케이싱 내에 삽입한 경우에 적절한 부피 밀도가 되도록, 적절하게 압축하여 사용하는 것이 바람직하다. 압축 수법에는, 클램쉘(clamshell) 압축, 스터핑(stuffing) 압축 및 터니키트(Turnikit) 압축이 포함된다. 본 발명의 촉매 담체 유지재는 스터핑 압축 등과 같이, 예를 들면 원통형의 케이싱에 촉매 담체 유지재를 가압하에서 압입하는 수단으로 형성된, 소위 압입 구조의 촉매 컨버터의 제조에 유리하게 사용할 수 있다. 클램쉘 압축을 적용할 수 있는 개방 가능한 케이싱을 사용하는 경우에는, 원통형의 케이싱에 촉매 담체 유지재를 압입할 때에 마찰 등의 문제가 발생하지 않는다.
본 발명의 촉매 컨버터는, 그것이 압입 구조를 채용하고 있는 한, 다양한 타입의 촉매 컨버터를 포함할 수 있다. 촉매 컨버터는 모노리스(monolith) 형상으로 성형된 촉매 요소를 구비한 촉매 컨버터, 즉, 모노리스형 촉매 컨버터이다. 이 촉매 컨버터는 각각 벌집 형상 단면의 작은 통로들을 갖는 촉매 요소로 이루어지기 때문에, 종래의 펠릿형 촉매 컨버터에 비해 소형이고, 배기 가스와의 접촉 면적을 충분히 확보하면서, 배기 저항을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 촉매 컨버터가 보다 효율적으로 배기 가스를 처리한다.
본 발명의 촉매 컨버터는 각종 내연 기관과 조합하여 그 배기 가스의 처리에 유리하게 사용할 수 있다. 특히, 승용차, 버스 및 트럭 등의 자동차의 배기 시스템에 본 발명의 촉매 컨버터를 탑재하였을 때에, 그의 우수한 작용 및 효과를 충분히 발휘시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매 컨버터의 전형적인 일례를 나타낸 측면도이고, 구성의 용이한 이해를 위해, 촉매 컨버터의 주요부를 절단한 상태가 나타내져 있다. 또한, 도 4는 도 3의 촉매 컨버터를 선분 A-A를 따라서 절단한 단면도이다. 이들 도면으로부터 이해되는 바와 같이, 촉매 컨버터(10)은, 금속 케이싱(4)와, 그 금속 케이싱(4) 내에 배치된 모노리스형 고체 촉매 담체(1)과, 금속 케이싱(4)와 촉매 담체(1) 사이에 배치된 본 발명의 촉매 담체 유지재(2)를 구비한다. 촉매 담체 유지재(2)는, 이하에 있어서 도 5를 참조하여 상세히 설명하는 바와 같이, 소정의 두께를 갖는 섬유 재료의 매트로 이루어지고, 적어도 상기 매트의 케이싱측의 외주면 및 촉매 담체측의 내주면의 각각에, 고온 조건하에서 분해하여 소산될 수 있는 라텍스로 이루어지는 마찰력/밀착력 조절제가 함침되어 있으며, 또한 이 때, 상기 매트의 내주면에 함침된 상기 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함유량이, 상기 매트의 외주면에 함침된 상기 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함유량보다 많고, 약 15 내지 50 g/㎡의 범위이다. 촉매 컨버터(10)에는 각각 원추대의 형태를 한 배기 가스 유입구(12) 및 배기 가스 유출구(13)이 부착되어 있다.
먼저 설명한 바와 같이, 본 발명의 촉매 컨버터(10)의 경우, 기본적으로는 촉매 담체(1)과 촉매 담체 유지재(2) 사이에 접착제나 감압 점착 시트와 같은 접합 수단을 사용하는 것이 불필요하다. 그러나, 만일 본 발명의 작용 효과에 대하여 악영향이 생기지 않고, 오히려 촉매 담체(1)과 촉매 담체 유지재(2)의 밀착성을 개선하고, 캐닝 작업을 촉진시키는 효과가 기대되는 것이라면, 그와 같은 접합 수단을 보조적으로 사용할 수도 있다. 접합 수단은 통상 부분적으로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 촉매 담체 유지재(2)는, 일반적으로는 필요없지만, 표면 손상 등으로부터 보호하기 위해서 보호 코팅을 구비할 수도 있다.
이하, 촉매 담체 유지재를 보다 구체적으로 설명한다. 금속 케이싱 내의 고체 촉매 담체는 통상 복수개의 배기 가스 유로를 갖는 벌집형 구조의 세라믹제 촉매 담체로 이루어진다. 본 발명의 촉매 담체 유지재는 촉매 담체의 둘레에 감아서 배치한다. 촉매 담체 유지재는 단열재로서 기능하는 것 이외에, 촉매 담체를 금속 케이싱의 내부에 유지하여, 촉매 담체와 금속 케이싱 사이에 생긴 간극을 밀봉한다. 따라서, 촉매 담체 유지재는, 배기 가스가 촉매 담체를 우회하여 유동하는 것을 방지하거나, 또는 적어도 그와 같은 비람직하지 않은 유동을 최소로 할 수 있다. 또한, 촉매 담체는 금속 케이싱 내에서 확실하게, 또한 탄성적으로 지지된다.
본 발명의 촉매 컨버터에 있어서, 금속 케이싱은, 당업계에서 공지된 다양한 금속 재료로, 목적으로 하는 작용, 효과 등에 따라서 임의의 형상으로 제조할 수 있다. 적당한 금속 케이싱은 스테인레스강제이며, 도 3에 나타낸 바와 같은 형상을 구비한 것이다. 물론, 필요에 따라서 철, 알루미늄 또는 티탄 등의 금속이나 이들의 합금 등으로, 임의의 적당한 형상을 갖는 금속 케이싱을 제조할 수도 있다.
금속 케이싱과 유사하게, 고체 촉매 담체도, 상용의 촉매 컨버터에 채용되는 것과 동일한 재료로, 상용의 촉매 컨버터에 채용되는 것과 동일한 형상으로 제조할 수 있다. 적절한 촉매 담체는 당업자에게 공지된 것이며, 금속, 세라믹 등으로 제조된 것을 포함한다. 유용한 촉매 담체는, 예를 들면 미국 재발행 특허 제27,747호 명세서에 개시되어 있다. 또한, 세라믹제의 촉매 담체는, 예를 들면 미국 주재의 코닝사(Corning Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 예를 들면, 벌집 형상의 세라믹제 촉매 담체는 코닝사에서 CELCOR라는 상품명으로, 또한 NGK사(NGK Insulated Ltd.)로부터 "HONEYCERAM"이라는 상품명으로 각각 입수 가능하다. 금속제의 촉매 담체는, 예를 들면 독일 주재의 베르사(Behr GmbH and Co.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 또한, 촉매 모노리스에 대한 상세한 설명은, 예를 들면, 문헌 [SAE Techn. Paper 900,500, "Systems Approach to Packaging Design for Automotive Catalytic Converters" by Stroom et al.; SAE Techn. Paper 800,082, "Thin Wall Ceramics as Monolithic Catalyst Support" by Howitt; and SAE Techn. Paper 740,244, "Flow Effect in Monolithic Honeycomb Automotive Catalytic Converter" by Howitt et al.]를 참조하기를 바란다.
상술한 바와 같은 촉매 담체에 담지되는 촉매는 통상 금속(예를 들면, 백금, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐 등) 및 금속 산화물(예를 들면, 오 산화바나듐, 이산화티탄 등)이고, 바람직하게는 코팅의 형태로 이용된다. 또한, 이러한 촉매의 코팅에 대한 상세한 설명은, 예를 들면 미국 특허 제3,441,381호를 참조하기를 바란다.
본 발명의 실시에 있어서, 촉매 컨버터는 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한, 다양한 구성 및 방법으로 임의로 제조할 수 있다. 촉매 컨버터는, 기본적으로, 금속제의 케이싱에, 예를 들면 벌집 형상의 세라믹제 촉매 담체를 수용함으로써 제조할 수 있다. 또한 예를 들면 벌집 형상의 세라믹제 모노리스에, 백금, 로듐 또는 팔라듐과 같은 귀금속으로 이루어지는 촉매층(촉매의 코팅)을 담지시킴으로써 최종적인 촉매 담체(촉매 요소)를 제조하는 것이, 특히 바람직하다. 이러한 구성을 채용함으로써, 비교적 고온에서 효과적인 촉매 작용을 발현시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속 케이싱과 그의 내부의 촉매 요소 사이에, 본 발명의 촉매 담체 유지재가 배치된다. 촉매 담체 유지재는 소정의 두께를 갖는 섬유 재료의 매트, 블랭킷 등으로 이루어진다. 촉매 담체 유지재는 1개의 부재로 구성되어 있을 수도 있고, 적층 또는 접합된 2개 또는 그 이상의 부재로 구성되어 있을 수도 있다. 촉매 담체 유지재는 통상 매트 또는 블랭킷 등의 형태를 가지고 있는 것이, 취급성 등의 면에서 유리하다. 촉매 담체 유지재는 필요하다면 그 밖의 형태를 가질 수도 있다. 촉매 담체 유지재의 크기는 그의 사용 목적 등에 따라서 넓은 범위에서 변경할 수 있다. 예를 들면, 매트 형상의 촉매 담체 유지재를 자동차의 촉매 컨버터에 장전하는 경우에는, 촉매 담체 유지재는 통상 약 1.5 내지 15 mm의 매트 두께, 약 200 내지 500 mm의 폭, 및 약 100 내지 1500 mm의 길이를 갖는다. 이러한 촉매 담체 유지재는, 필요에 따라서 가위, 커터 등으로 원하는 형상 및 크기로 절단할 수도 있다.
촉매 담체 유지재는 바람직하게는 무기 섬유 재료로 구성되고, 더욱 바람직하게는 알루미나 섬유를 포함하는 무기 섬유 재료로 구성된다. 또한, 무기 섬유 재료는 오로지 알루미나 섬유와 조합하여 사용할 수도 있지만, 그 밖의 무기 재료를 더 병용할 수도 있다. 병용 가능한 무기 재료는, 이하에 열거하는 것으로 한정되지 않지만, 실리카 섬유, 유리 섬유, 벤토나이트, 베르미큘라이트 및 흑연 등을 포함한다. 이들 무기 재료는 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 혼합하여 함께 사용할 수도 있다.
촉매 담체 유지재를 구성하는 무기 섬유는 바람직하게는 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 함유하는 무기 섬유로 구성된다. 여기서, 무기 섬유는 알루미나 섬유와 실리카 섬유의 2 성분으로 이루어지고, 이 때 알루미나 섬유와 실리카 섬유의 배합 비율은 약 40:60 내지 96:4의 범위인 것이 바람직하다. 실리카 섬유에 대한 알루미나 섬유의 배합 비율이 이러한 범위를 벗어나면, 예를 들면, 알루미나 섬유의 배합 비율이 40 ％를 하회하면, 내열성의 악화와 같은 결점이 발생한다.
무기 섬유의 굵기(평균 직경)는 특별히 한정되지 않지만, 적합하게는 약 2 내지 7 ㎛의 평균 직경을 갖는다. 무기 섬유가 약 2 ㎛보다 작은 평균 직경을 가지고 있으면, 섬유가 취약하며 강도 부족이 되는 경향이 있고, 반대로 무기 섬유가 약 7 ㎛ 보다 큰 평균 직경을 가지면, 촉매 담체 유지재의 성형을 곤란하게 하는 경향이 있다.
또한, 굵기와 유사하게, 무기 섬유의 길이도 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 무기 섬유는 적합하게는 약 0.5 내지 50 mm의 평균 길이를 갖는다. 무기 섬유의 평균 길이가 약 0.5 mm보다 작으면, 그것을 사용하여 촉매 담체 유지재를 형성한 효과를 달성할 수 없게 된다. 반대로 길이가 약 50 mm보다 크면, 무기 섬유의 취급성이 열악해진다. 따라서, 촉매 담체 유지재를 순조롭게 제조하기 곤란해진다.
다른 방법에 따르면, 본 발명의 실시에 있어서, 주로 알루미나 섬유의 적층시트로 이루어지는 알루미나 섬유 매트도 또한 유리하게 사용할 수 있다. 이러한 알루미나 섬유 매트에 있어서, 알루미나 섬유의 평균 길이는 통상 약 20 내지 200 mm이고, 또한 섬유의 굵기(평균 직경)는 통상 약 1 내지 40 ㎛이다.
상기 알루미나 섬유의 매트는, 예를 들면 옥시염화알루미늄 등의 알루미나원, 실리카 졸 등의 실리카원, 폴리(비닐 알코올) 등의 유기 결합제 및 물의 혼합물로 이루어지는 방사 원액을 사용하여 제조할 수 있다. 즉, 방사한 알루미나 섬유 전구체를 적층하여 시트화하고, 이어서 바람직하게는 니들 펀칭한다. 펀칭된 시트를 통상 약 1,000 내지 1,300℃의 고온에서 소성한다.
상기 니들 펀칭 처리는 섬유의 일부를 적층면에 대하여 수직 방향으로 배향시키는 효과가 있다. 따라서, 시트 내의 알루미나 섬유 전구체의 일부가 시트를 관통하고, 세로 방향으로 배향하여 시트를 긴박(緊縛)시킨다. 따라서, 시트의 부피 비중이 높아지고, 층간 박리나 층간 어긋남이 방지된다. 니들 펀칭의 밀도는 넓은 범위에 걸쳐 변경할 수 있지만, 통상 약 1 내지 50 펀치/㎠의 범위이고, 니들 펀칭의 밀도에 의해 매트의 두께, 부피 비중 및 강도가 조절된다.
상기한 바와 같은 알루미나 섬유 매트의 제조에 있어서, 알루미나 섬유에 그 밖의 세라믹 섬유 및 무기 팽창재를 보조적으로 첨가할 수도 있다. 이 경우, 첨가재를 매트에 균일하게 혼합할 수도 있지만, 특히 가열되는 부분을 피하여 국재시킬 수 있다. 그렇게 함으로써, 첨가재의 성능을 유지하면서 첨가제를 저비용으로 첨가할 수 있다. 상기 세라믹 섬유의 예는 실리카 섬유, 유리 섬유 등이다. 무기 팽창재의 예는 벤토나이트, 팽창성 베르미큘라이트, 팽창성 흑연 등이다.
본 발명에 따른 촉매 담체 유지재는, 종래의 촉매 담체 유지재가 습식법(무기 섬유와 유기 결합제의 혼합 공정, 무기 섬유의 개섬(開纖) 공정, 슬러리 제조 공정, 초지(抄紙)에 의한 성형 공정, 성형체의 압착 공정을 포함함)에 의해서 제조되었던 것과는 대조적으로, 건식법으로 제조된다. 건식법은, 기본적으로 공지된 통상의 방법에 따라서 실시할 수 있다. 전형적으로는, 상기한 바와 같이, 니들 펀치 등을 이용한 건식법이 유리하다.
본 발명의 촉매 담체 유지재는, 도 5에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 케이싱(4)와, 그의 내부에 장전되는 촉매 담체(1) 사이에, 촉매 담체(1)의 외주면 둘레에 감긴 상태로 삽입된 소정 두께의 섬유 재료 매트(2)로 이루어진다. 이 매트 형상 촉매 담체 유지재(2)에서, 적어도 케이싱(4) 측의 외주면(2a) 및 촉매 담체(1) 측의 내주면(2b)의 각각에, 고온 조건하에서 분해하여 소산되는 마찰력/밀착력 조절제(3)이 함침되어 있다. 또한, 여기서 "적어도"라는 용어가 사용된 것은, 마찰력/밀착력 조절제(3)이 촉매 담체 유지재(2)의 두께의 전체에 걸쳐 함침되어 있는 상태뿐만 아니라, 부분적으로 함침되어 있는 상태, 예를 들면 촉매 담체 유지재(2)의 중간부에 마찰력/밀착력 조절제(3)이 함침되어 있지 않은 상태도 본 발명의 범위에 포함되기 때문이다. 또한, 마찰력/밀착력 조절제(3)의 함침량은 마찰력/밀착력 조절제(3)의 함침 방법에도 의존하지만, 통상 촉매 담체 유지재(2)의 표면(외주면 및 내주면)으로부터 내측을 향해 갈수록 감소한다.
또한, 마찰력/밀착력 조절제(3)의 함침은, 본 발명에 따라 촉매 담체 유지재(2)의 외주면(2a) 측과 내주면(2b) 측 사이에 함침량의 차가 있도록 배려하여 행하는 것이 필요하다. 구체적으로는, 본 발명의 촉매 담체 유지재(2)의 경우, 그의 내주면(2b) 측에 함침된 마찰력/밀착력 조절제(3)의 고형분 함유량이, 그의 외주면(2a) 측에 함침된 마찰력/밀착력 조절제(3)의 고형분 함유량보다 많다.
촉매 담체 유지재(2)에서, 마찰력/밀착력 조절제(3)의 함유량의 차는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상, 촉매 담체 유지재(2)의 내주면(2b) 측에서의 마찰력/밀착력 조절제(3)의 고형분 함유량이 바람직하게는 약 15 내지 50 g/㎡, 더욱 바람직하게는 약 25 내지 50 g/㎡이다. 한편, 촉매 담체 유지재(2)의 외주면(2a)에서의 마찰력/밀착력 조절제(3)의 고형분 함유량은 통상 약 2 내지 8 g/㎡이다. 또한, 촉매 담체 유지재(2)의 마찰력/밀착력 조절제(3)의 고형분 함유량이 0인 경우에는, 섬유가 비산하는 양이 많아져, 작업상의 환경을 고려하면 바람직하지 않다.
본 발명의 촉매 담체 유지재에 함침되어 있는 마찰력/밀착력 조절제는 촉매 컨버터의 운전시의 적용되는 것과 같은 고온 조건하에서, 발생한 임의의 반응하에서 분해하여 소산될 수 있는 라텍스로 이루어진다. 여기서 사용할 수 있는 라텍스는 천연 또는 합성 고분자 재료, 바람직하게는 예를 들면 부타디엔-스티렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리(비닐 아세테이트) 수지 및 아크릴 수지 등의 수지 재료를 수성 매체 또는 그 밖의 매체에 분산시켜 얻은 콜로이드형 분산액, 또는 폴리(비닐 알코올) 등의 유기 재료이다. 마찰력/밀착력 조절제로서, 아크릴 수지를 사용한 아크릴계의 라텍스를 특히 유리하게 사용할 수 있다.
촉매 담체 유지재에 대한 마찰력/밀착력 조절제의 상술한 바와 같은 함침은, 공지ㆍ통상의 기술, 즉, 분무, 도포 등에 의해서 유리하게 실시할 수 있다. 예를 들면 분무법은, 스프레이를 준비하여, 아크릴계 라텍스 등을 촉매 담체 유지재의 양면에 차례로 또는 동시에 분무하는 것만으로 만족스럽게 수행된다. 따라서, 작업이 간단하고, 경제적이다. 분무 후의 라텍스 등은 자연 건조시킬 수도 있고, 적당한 온도까지 가열하여 건조시킬 수도 있다.
본 발명에 따르면, 제조 후의 촉매 담체 유지재에서, 아크릴계 라텍스 또는 그 밖의 마찰력/밀착력 조절제를 상기한 바와 같이, 촉매 담체측 상의 함침량이 케이싱측 상의 함침량과 다르도록 적용한다. 따라서, 촉매 담체 유지재와 촉매 담체 사이의 마찰력 또는 밀착성을 보다 크게 조정할 수 있고, 촉매 담체 유지재와 케이싱 사이의 마찰력은 반대로 감소시켜, 캐닝시에 촉매 담체 유지재가 케이싱 내로 슬립하기 쉽게 할 수 있다. 또한, 압입 하중이나 촉매 담체 유지재의 변형(신장)을 작게 억제할 수 있다. 또한, 촉매 담체 유지재를 변형없이 압입할 수 있기 때문에, 작업성이 현저히 개선된다. 또한, 촉매 담체 유지재의 변형량이 작아지므로, 촉매 담체 유지재 자체의 유지력 특성이나 내풍식성도 크게 개선된다.
이어서, 본 발명을 그의 실시예를 참조하여 설명한다. 또한, 본 발명은 이들 실시예에 의해 한정되지 않음에 유의해야 한다.
촉매 담체 유지재(매트)의 제조:
매트면 밀도를 달리하는 3 종류의 니들 펀치된 알루미나 섬유 매트(상품명 마프텍(MAFTEC), 미츠비시 가가꾸 산시사(Mitsubishi Chemical Functional Products Inc.) 제조)를 준비하였다. 이들 알루미나 섬유 매트는 길이 260 mm×폭 90 mm×두께 12.5 mm였다. 이어서, 각각의 알루미나 섬유 매트의 두 주요 표면에 아크릴계 라텍스(상품명 "니폴(Nipol) LX816", 제온사(ZEON Corporation) 제조)를, 하기 표 1에 기재된 바와 같이, 촉매 담체(모노리스)에 접하는 표면 상의 도포량(고형분 기준)이 케이싱에 접하는 표면 상의 도포량과 상이하도록 분무 도포하였다. 분무 농도는 8.4 ％였다. 아크릴계 라텍스를 함침시킨 알루미나 섬유 매트를 오븐에 넣어, 130℃에서 20 분간 건조시켰다.
별도로 준비한, 원통 형상이고 외경 78 mm×길이 100 mm의 모노리스체 (NGK 인슐레이터스사(NGK Insulators, Ltd.) 제조)의 외주면 둘레에 건조 후의 알루미나 섬유 매트를 감았다. 알루미나 섬유 매트를 감은 촉매 담체를 내경 84 mm×길이 120 mm의 원통형 스테인레스제 케이싱의 내부에 가이드 콘을 이용하여 40 mm/초로 압입하였다. 이 캐닝 공정에서, 모노리스와 케이싱 사이의 갭(간극)은 3 mm였다.
동일한 매트 상에 상이한 마찰력/밀착력 조절제(즉, EVA 및 아크릴계 라텍스)를 사용하였을 때의 관계를 보이기 위해 유사 샘플들을 마찬가지로 시험하였다. 결과를 표 2 및 3에 요약하였다.
상기 캐닝 공정에서, 각각의 알루미나 섬유 매트에 대하여 최대 압입 하중을 측정한 바, 하기 표 1, 2 및 3에 요약한 것과 같은 측정 결과가 얻어졌다. 또한, 각각의 알루미나 섬유 매트의 압입이 완료된 후, 케이싱 내에 장전한 알루미나 섬유 매트의 변형량(신장)을 케이싱의 단부로부터 측정한 바, 하기 표 1, 2 및 3에 요약한 것과 같은 측정 결과가 얻어졌다.
Figure 112006014467877-pct00001
Figure 112006014467877-pct00002
Figure 112006014467877-pct00003
상기 표 1에 요약된 측정 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 알루미나 섬유 매트의 주요 표면에 마찰력/밀착력 조절제를, 한 표면의 함침량이 다른 표면의 함침량과 상이하도록 함침시킴으로써, 알루미나 섬유 매트의 캐닝 작업을 유의하게 향상시킬 수 있다.
특히, 예를 들어 알루미나 섬유 매트의 케이싱측에서, 마찰력/밀착력 조절제 (예컨대, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 또는 아크릴계 라텍스)의 함침량을 약 2 내지 약 8 g/㎡의 범위로 조정함으로써, 압입 하중을 최적화하고 매트의 변형을 억제할 수 있다. 함침량이 약 2 g/㎡를 하회하면, 알루미나 섬유의 비산을 방지하기 어려워질 수 있다. 반대로, 라텍스의 함침량을 약 12 g/㎡ 또는 그 이상으로 하면, 매트와 케이싱의 마찰력 또는 밀착력이 너무 높아지고, 함침량이 약 8 g/㎡인 경우에 비해, 압입 하중이나 매트의 변형이 급격히 커질 수 있다. 약 7 mm 초과의 변형은 너무 클 수 있다. 그러한 변형은 , 알루미나 섬유가 압괴되고, 그에 따라 유지력 및 내풍식성의 저하가 야기되는 것을 의미한다 (예를 들어 약 0.4 g/㎤의 매트 밀도에서). 또한, 약 1,700 kPa 초과의 압입 하중은 매트로 싸여진 모노리스를 케이싱에 입입하는 것을 매우 어렵게 할 수 있다.
또한, 알루미나 섬유 매트의 모노리스측에서, 마찰력/밀착력 조절제, 예컨대, EVA 또는 아크릴계 라텍스의 함침량을 약 12 내지 50 g/㎡의 범위로 조정함으로써, 매트와 모노리스 사이의 마찰력 또는 밀착력을 최적화할 수가 있다. 또한, 감압 점착 테이프 등의 접합 수단의 사용이 불필요하게 할 수 있다. 대조적으로, 아크릴계 라텍스의 함침량을 약 12 g/㎡ 미만으로 하였을 때에는, 메트와 모노리스 사이의 마찰력이 너무 낮아서, 매트로 싸여진 모노리스를 케이싱에 압입하는 것을 크게 저해하거나 방해할 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명은 촉매 담체 둘레에 감긴 상태로 촉매 컨버터의 케이싱 내에 삽입할 때에 작업성이 양호하고, 삽입 중에 촉매 담체로부터 분리되지 않으며, 내열성, 면압 유지성 및 내풍식성이 우수한 촉매 담체 유지재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 삽입된 촉매 담체 유지재가 단열, 촉매 담체 유지 등 면에서 우수한 촉매 컨버터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 자동차나 그 밖의 내연 기관의 배기 가스의 처리에 유리하게 사용할 수 있는 촉매 컨버터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 촉매 컨버터 이외의 오염 조절 장치, 예를 들면 디젤 미립자 필터나 그 밖의 배기 정화 장치 등에 있어서도 상술한 바와 같은 우수한 효과를 실현할 수 있다.

Claims (19)

  1. 무기 섬유 재료를 함유하는 매트를 포함하고, 상기 매트는 두께 방향으로 외측부, 내측부, 및 그 사이의 중간부를 가지며, 상기 외측부는 케이싱과 접하는 외주면을 갖고, 상기 내측부는 오염 조절 요소와 접하는 내주면을 가지며, 적어도 상기 내측부의 내주면, 및 임의로는 상기 외측부의 외주면에는, 상기 외주면과 케이싱 사이의 마찰계수가 상기 내주면과 오염 조절 요소 사이의 마찰계수보다 낮아지도록 마찰력/밀착력 조절제가 함침되어 있는, 케이싱 내에 오염 조절 요소를 유지하기 위한 유지재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매트의 내주면에 함침된 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함량이 15 내지 50 g/㎡ 범위이고, 상기 매트의 외면을 마찰력/밀착제 조절제로 함침하는 경우, 상기 매트의 외주면에 함침된 마찰력/밀착력 조절제의 고형분 함량은 2 내지 8 g/㎡ 범위인 유지재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    마찰력/밀착력 조절제는 유기 재료를 포함하는 유지재.
  4. 케이싱,
    상기 케이싱 내에 설치된 오염 조절 요소, 및
    상기 오염 조절 요소를 상기 케이싱 내에 유지하기 위해 상기 케이싱과 상기 오염 조절 요소 사이에 배치된 제1항 또는 제2항에 기재된 유지재를 포함하는 오염 조절 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 매트는 상기 오염 조절 요소의 둘레에 싸여져 있고, 상기 매트의 외주면은 상기 매트로 싸여진 오염 조절 요소를 상기 케이싱에 압입하기 위해 필요한 힘이 1,700 kPa 이하가 되도록 하는 양의 마찰력/밀착력 조절제로 함침되어 있는 오염 조절 장치.
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