KR101198284B1 - 촉매컨버터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스를 정화하는 촉매 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그 제조품질을 대폭 향상시킬 수 있는 촉매컨버터의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 촉매컨버터의 제조방법은, 촉매담체의 외부치수를 측정하는 치수 측정단계; 상기 촉매담체의 외부치수에 대응하는 밀도를 가진 매트를 준비하는 매트 준비단계; 상기 촉매담체의 외부치수 및 매트의 밀도에 대응하여 원통형의 하우징을 성형하는 하우징 성형단계; 상기 촉매담체의 외주면에 상기 매트를 랩핑하는 하는 랩핑단계; 및 상기 매트가 랩핑된 촉매담체를 상기 하우징 내에 삽입하는 스터핑단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

촉매, 컨버터, 하우징, 매트, 밀도, 랩핑

Description

촉매컨버터의 제조방법{METHOD FOR ASSEMBLING A CATALYTIC CONVERTER}

본 발명은 배기가스를 정화하는 촉매컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그 제조품질을 대폭 향상시킬 수 있는 촉매컨버터의 제조방법에 관한 것이다.

널리 주지된 바와 같이, 차량의 배기시스템은 차량의 플로어 하부면에 배치되어 기관에서 발생하는 각종 배기가스의 소음 및 불순물 등을 제거하여 외부로 배출하는 장치로서, 엔진의 실린더헤드 등에 연결된 배기매니폴드와, 엔진으로부터 토출되는 배기가스에 유동저항을 부여하여 소음을 감소시키는 하나 이상의 소음기와, 배기가스 중의 유해물질인 탄화수소, 일산화탄소 및 질소산화물을 산화 및 환원작용에 의해 인체에 해가 없는 이산화탄소, 물, 질소 및 산소 등으로 전환시키는 촉매컨버터 등으로 구성된다.

이 중에서, 촉매컨버터는 그 외면에 매트가 랩핑된 촉매가 하우징 내에 내장된 구조로 이루어진다. 최근에는 냉시동시의 배기저감을 위해서는 엔진으로부터의 배기 열손실을 최소화하고 저열용량의 담체와 저온활성이 가능한 촉매의 개발이 요구되고 있으며, 특히 촉매의 촉매 활성화 온도(Light-Off 온도)를 감소시키기 위해서 박벽(Thin Wall)의 고밀도 셀 담체 개발, 워쉬코트(Washcoat) 개발, 담지 귀금 속 설계 기술, 그리고 캐닝(Canning) 기술 등이 요구되고 있다. 박벽 또는 초박벽의 고밀도 셀 담체기술은 ULEV(Ultra Low Emission Vehicle) 및 SULEV(Super Ultra Low Emission Vehicle) 규제 대응을 위하여 보다 고효율, 고내구, 고밀도 및 고신뢰가 요구됨에 따라 담체의 단위 면적당 셀 밀도를 LEV(Low Emission Vehicle) 규제 대응 400 cell/in2(cpsi; Cell Per Square Inch)에서 ULEV 및 SULEV 규제에 대응하기 위하여 600cell/in2, 900cell/in2로 점점 고밀도화 함으로써 담체 단위 부피당 촉매 코팅 가능 면적(GSA; Geometric Surface Area)을 넓혀 촉매 컨버터의 고성능화를 추구하고 있다. 대부분 담체의 벽 두께는 6 mil에서 1996년도에는 4 mil까지 감소시켰다. 최근 자동차용 촉매 컨버터의 박벽 고밀도 담체기술은 초박벽인 2.0 mil(0.051 mm)/1,200 cpsi(Cell Per Square Inch)의 실용화단계까지 이르고 있다.

한편, 촉매컨버터의 제조방법에는 1) 클램셀(Clamshell)공법, 2) 토니키트(Tourniquet)공법, 3) 스터핑(Stuffing)공법 등이 있다.

1) 클램셀공법은 두 개의 독립된 상부 셀(Upper Shell) 및 하부 셀(Lower Shell)을 만든 후 촉매담체(Monolith)를 매트를 둘러싼 후 캐닝(Canning)하여 컨버터를 설계 생산하는 방식이다.

하지만, 종래의 클램셀공법은 구조적으로 촉매담체와 매트의 갭 체적밀도(GBD; Gap Bulk Density, 이하 'GBD값'이라 칭함)를 균일하게 유지하기가 어렵고, 그 금형비용이 높으며, 매트의 지지면압이 균일하지 않아 담체가 쉽게 손상될 수 있고, 특히 일정 시간의 실차 주행동안 반복 열팽창수축 및 가진의 부하를 받게 되면 촉매담체가 이탈하거나 열팽창 수축이 과다하게 반복되어 촉매담체의 균열 또는 Creep 현상을 일으키는 단점이 있다. 이러한 구조적인 결점으로 인하여 60,000?100,000Km 주행내구에서 대부분 파손 및 정화기능의 상실을 가져오는 것으로 판명되고 있다.

2) 토니키트공법은 밴드 형상의 셀(shell)을 프리 롤링(pre-rolling)하고, 이 셀(shell)을 매트가 랩핑된 촉매의 외면에 기밀하게 둘러싼 후에 셀의 양단이 중첩되는 부분을 심용접하는 방식이다. 이 방식은 클램셀공법에 비해 설비 비용이 적으며, 촉매담체와 매트의 적절한 GBD값를 유지할 수 있으므로 초박벽 담체(Ultra Thin Wall Substarate)에 매우 적합한 장점이 있었다.

하지만, 종래의 토니키트공법은 셀의 중첩하는 양단에 대한 용접 작업이 복잡하고, 복잡한 형상의 촉매컨버터를 가공하는데 제한이 뒤따르는 단점이 있었다.

3) 스터핑공법은 촉매담체의 외경 및 매트의 중량 등을 측정하여 촉매담체와 매트의 GBD값을 측정하고, 이 측정된 GBD값에 대응하는 원통 형상의 하우징을 준비하며, 매트가 랩핑된 촉매담체를 스터핑깔대기를 통해 가압함으로써 하우징의 내부에 촉매담체 및 매트를 위치시키고, 하우징의 외경을 GBD값에 대응하여 축경(Sizing)하는 방식이다. 이러한 스터핑공법은 클램셀공법에 비해 그 제조시간이 단축되고, 조관 용접부가 상대적으로 깔끔하며, 전체 설비의 설치공간을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

하지만, 종래의 스터핑공법은 하우징의 외경을 축경하는 도중에 너무 과도한 압력이 가해질 경우 촉매담체가 파손될 위험이 있고, 또한 너무 적은 압력이 가해질 경우 적절한 GBD값을 구현할 수 없었다. 즉, 종래의 스터핑공법은 하우징, 촉매담체, 매트의 공차관리 및 하우징의 축경공정을 통해 촉매담체 및 매트의 스터핑이 이루어짐에 따라 적절한 GBD값의 제어가 용이하지 못하고, 이로 인해 초박벽담체를 적용함에 한계가 있었다.

또한, 종래의 스터핑공법은 적절한 GBD값의 제어를 구현하지 못함에 따라 매트의 면압을 균일하게 제어하기 매우 어렵고, 이로 인해 매트의 밀도에 편차가 발생하여 매트의 밀봉성, 단열성, 지지성능 등이 저하되어 촉매컨버터의 품질이 전체적으로 저하되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같이 클램셀공법, 토니키트공법, 스터핑공법 등과 같은 종래의 촉매컨버터 제조공법의 여러 단점들을 극복하기 위해 안출한 것으로, 촉매담체의 외부치수를 측정한 후에 그 측정된 촉매담체의 외부치수에 대응하여 하우징을 축경 또는 조관 공정을 통해 미리 성형함으로써 촉매담체의 손상 가능성을 최소화하면서 촉매담체와 매트의 GBD값을 균일하게 유지할 수 있는 촉매컨버터의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 촉매담체의 외부치수에 대응한 하우징의 정밀한 성형을 통해 촉매담체와 매트의 GBD값을 용이하게 제어함으로써 최적의 GBD값을 형성할 수 있는 촉매컨버터의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 촉매담체의 외경에 대응하도록 미리 하우징을 성형함으로써 복잡한 형상의 촉매컨버터에 용이하게 대응할 수 있는 촉매컨버터의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예는,

촉매담체의 외부치수를 측정하는 치수 측정단계;

상기 촉매담체의 외부치수 및 매트의 밀도에 대응하여 원통형의 하우징을 성형하는 하우징 성형단계;

상기 촉매담체의 외주면에 상기 매트를 랩핑하는 하는 랩핑단계; 및

상기 매트가 랩핑된 촉매담체를 상기 하우징 내에 삽입하는 스터핑단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명은 촉매담체의 외경을 측정한 후에 그 측정된 촉매담체의 외경에 대응하여 원통형 하우징을 축경 또는 조관 공정을 통해 미리 성형함으로써 촉매담체의 손상 가능성을 최소화하면서 촉매담체와 매트의 GBD값을 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

상기 치수 측정단계는 상기 촉매담체의 외경을 측정하고, 상기 촉매담체의 3지점 이상에서 그 외경을 측정한 후에 그 평균값을 촉매담체의 외부치수로 결정하 는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 본 발명은 촉매담체의 외경을 보다 정밀하게 측정함으로써 원통형 하우징의 치수 정밀도를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 촉매담체와 매트의 GBD값을 용이하게 제어함으로써 최적의 GBD값을 형성할 수 있는 장점이 있다.

상기 하우징 성형단계는, 상기 촉매담체 보다 큰 외경을 가진 하우징 소재를 미리 준비하고, 상기 하우징소재를 복수의 죠를 가진 사이징장치를 통해 축경하는 것을 특징으로 한다.

상기 하우징 성형단계는, 상기 평판 소재를 원통형으로 감은 후에 서로 맞닿은 단부를 용접함으로써 원통형 하우징을 조관하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명은 촉매담체의 외경에 대응하도록 미리 하우징을 성형함으로써 복잡한 형상의 촉매컨버터에 용이하게 대응할 수 있는 장점이 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 촉매담체의 외경을 측정한 후에 그 측정된 촉매담체의 외경에 대응하여 원통형 하우징을 축경 또는 조관 공정을 통해 미리 성형함으로써 촉매담체의 손상 가능성을 최소화하면서 촉매담체와 매트의 GBD값을 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명은 촉매담체의 외경에 대응하도록 미리 하우징을 성형하는 공정을 적용함으로써 복잡한 형상의 촉매컨버터에 용이하게 대응할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매컨버터의 제조방법을 도시한 공정도이다.

먼저, 촉매담체(11)의 외경, 반경 등과 같은 외부치수를 측정한다(S1). 이때, 레이저 측정장치 또는 접촉식 센서 등을 통해 촉매담체(11)의 외경 또는 반경등을 정밀하게 측정할 수 있고, 촉매담체(11)의 서로 다른 복수의 지점에서 그 외부치수를 측정한 후에 그 평균값을 촉매담체(11)의 외부치수로 결정할 수 있다.

예컨대, 도 2에 예시된 바와 같이, 촉매담체(11)의 외경 또는 반경 측정 시 그 측정의 정밀도를 높이기 위해서 촉매담체(11)의 3지점 이상에서 그 외경(a1, a2, a3, a4)을 개별적으로 측정한 후에 그 평균값을 촉매담체(11)의 외부치수로 결정할 수 있다.

그런 다음, 촉매담체(11)의 결정된 외부치수 및 매트(12)의 중량 등을 통해 GBD값을 연산할 수 있고, 이 연산된 GBD값에 대응하는 하우징(15)을 성형한다(S2). 이와 같이, 본 발명은 촉매담체(11)의 외부치수에 의해 하우징(15)을 미리 성형함으로써 촉매담체(11)와 매트(12)의 손상 가능성을 최소화하면서 매트(12)가 촉매담체(11)를 지지하는 면압을 균일하게 유지하여 매트(12)의 밀도를 균일하게 할 수 있으며, 이에 의해 매트(12)에 의한 밀봉성, 단열성, 지지성능 등을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

일 실시예에 따른 하우징 성형단계(S2)는, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 촉매담체(11) 보다 큰 외경을 가진 하우징 소재(15a)를 미리 준비하고, 이 하우징소재(15a)를 복수의 죠(21a)를 가진 사이징다이(21)를 통해 축경함으로써 하우징(15)을 성형할 수 있다. 이와 같이, 사이징가공을 통해 하우징(15)을 성형하는 도중에 하우징(15)의 양단부는 그 치수가 일정하게 유지될 수 있고, 이에 의해 추후에 재보정공정이 요구되지 않는 장점이 있다.

대안적인 하우징 성형단계(S2)는, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 평판 소재(15b)를 원통형으로 감은 후에 서로 맞닿은 단부(15c)를 용접토치(25)를 통해 용접함으로써 원통형 하우징(15)을 조관할 수도 있다. 이러한 조관가공을 통해 하우징(15)을 성형하는 경우 원형의 촉매담체 뿐만 아니라 타원형의 촉매담체에도 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명은 복잡한 형상의 촉매컨버터에 용이하게 대응할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 촉매담체(11)의 외주면에 매트(12)를 랩핑하고(S3), 이러한 매트(12)의 랩핑 시에는 접착테이프 또는 접착제 등을 이용하여 촉매담체(11)의 외주면에 매트(12)의 내주면이 견고하게 부착되도록 부착시킬 수 있다.

이렇게 매트(12)가 랩핑된 촉매담체(11)를 S2단계에서 성형된 하우징(15) 내로 삽입한다. 이때, 매트(12)가 랩핑된 촉매담체(11)는 도 5에 도시된 바와 같이, 가압부재(28) 및 스터핑깔대기(27, stuffing funnel)를 통해 하우징(15) 내로 삽입됨으로써 그 스터핑이 완료된다(S4).

스터핑유닛(27)은 경사삽입부(27a)를 가지고, 이 경사삽입부(27a)은 그 상단이 하단 보다 큰 직경을 가지며, 경사삽입부(27a)의 하단 내경은 하우징(15)의 내경과 동일하게 형성된다.

가압부재(28)는 매트(12) 및 촉매담체(11)를 스터핑깔대기(27)의 경사삽입부(27a) 측으로 가압함으로써 매트(12)가 랩핑된 촉매담체(11)는 하우징(15) 내에 간편하게 삽입되고, 이러한 삽입 도중에 매트(12)는 촉매담체(11)와 하우징(15) 사이에서 균일한 밀도를 가지도록 압축된다.

이상과 같은 본 발명은, 촉매담체(11)의 외부치수 즉, 촉매담체(11)의 외경을 측정한 후에, 그 측정된 촉매담체(11)의 외경에 대응하여 하우징(15)을 축경 또는 조관 공정을 통해 미리 성형함으로써 촉매담체(11) 및 매트(12)의 손상 가능성을 최소화하면서 촉매담체(11)와 매트(12)의 GBD값을 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 촉매 컨버터의 제조방법을 도시한 공정도이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 컨버터의 제조공정을 단계별로 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 촉매 컨버터를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

11: 촉매담체 12: 매트

15: 하우징 27: 스터핑깔대기

28: 가압부재

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 촉매담체의 외부치수를 측정하는 치수 측정단계;

   상기 촉매담체의 외부치수 및 매트의 중량을 통해 GBD(촉매담체와 매트의 갭 체적밀도; Gap Bulk Density)값을 연산한 후에 이 연산된 GBD값에 대응하여 원통형의 하우징을 성형하는 하우징 성형단계;

   상기 촉매담체의 외주면에 상기 매트를 랩핑하는 랩핑단계; 및

   상기 매트가 랩핑된 촉매담체를 상기 하우징 내에 삽입하는 스터핑단계;로 이루어지고,

   상기 치수 측정단계는 상기 촉매담체의 외경을 측정하고, 상기 촉매담체의 3지점 이상에서 그 외경을 측정한 후에 그 평균값을 촉매담체의 외부치수로 결정하고,

   상기 하우징 성형단계는, 상기 촉매담체 보다 큰 외경을 가진 하우징 소재를 미리 준비하고, 상기 하우징소재를 복수의 죠를 가진 사이징장치를 통해 축경하는 것을 특징으로 하는 촉매컨버터의 제조방법.
4. 촉매담체의 외부치수를 측정하는 치수 측정단계;

   상기 촉매담체의 외부치수 및 매트의 중량을 통해 GBD(촉매담체와 매트의 갭 체적밀도; Gap Bulk Density)값을 연산한 후에 이 연산된 GBD값에 대응하여 원통형의 하우징을 성형하는 하우징 성형단계;

   상기 촉매담체의 외주면에 상기 매트를 랩핑하는 랩핑단계; 및

   상기 매트가 랩핑된 촉매담체를 상기 하우징 내에 삽입하는 스터핑단계;로 이루어지고,

   상기 치수 측정단계는 상기 촉매담체의 외경을 측정하고, 상기 촉매담체의 3지점 이상에서 그 외경을 측정한 후에 그 평균값을 촉매담체의 외부치수로 결정하고,

   상기 하우징 성형단계는, 상기 평판을 원통형으로 감은 후에 서로 맞닿은 단부를 용접함으로써 원통형 하우징을 성형하는 것을 특징으로 하는 촉매컨버터의 제조방법.

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