KR101299836B1 - 오염 제어 요소 장착 시스템 및 오염 제어 장치 - Google Patents

오염 제어 요소 장착 시스템 및 오염 제어 장치 Download PDF

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Abstract

오염 제어 요소 장착 시스템은 섬유 재료로 이루어진 매트와, 오염 제어 요소와 접촉하도록 의도된 적어도 한 측부에 매트의 내부 주연부 표면에 제공된 연마 재료의 미세 입자를 포함한다. 오염 제어 장치는 케이싱과, 오염 제어 요소와, 케이싱 및 요염 제어 요소 사이에 배치된 장착 시스템을 포함한다.
오염 제어 장치, 오염 제어 요소, 연마 재료, 케이싱, 장착 시스템

Description

오염 제어 요소 장착 시스템 및 오염 제어 장치 {POLLUTION CONTROL ELEMENT MOUNTING SYSTEM AND POLLUTION CONTROL DEVICE}
본 발명은 오염 제어 요소(예컨대, 촉매 지지체, 필터 요소 등)용 장착 시스템에 관한 것으로서, 특히 차량(예컨대, 자동차, 비행기 또는 선박) 또는 발전기에서 사용된 내연 기관으로부터의 배기 가스를 처리하는데 사용하기에 적절한 오염 제어 요소용 장착 시스템에 관한 것이며, 더욱 특별히 오염 제어 장치 내의 오염 제어 요소를 더욱 양호하게 유지할 수 있는 장착 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 오염 제어 요소용 장착 시스템을 구비하는 오염 제어 장치에 관한 것이다.
자동차 엔진의 배기 가스에 함유된 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 산화 질소(NOx) 등을 배기 가스로부터 제거하기 위한 수단으로서 세라믹 촉매 컨버터를 사용하는 배기 가스 정화 시스템이 널리 공지되어 있다. 세라믹 촉매 컨버터는 기본적으로 금속 케이싱 또는 하우징 내에 벌집형 세라믹 촉매 지지체(또한 "촉매 요소"로 호칭됨)를 수용한다.
본 기술 분야에 널리 알려져 있는 다양한 종류의 세라믹 촉매 컨버터가 입수 가능하다. 일반적으로, 세라믹 촉매 컨버터는 케이싱 내에 배치된 촉매 지지체와 케이싱 사이의 유극 또는 간격이 유기질 섬유를 구비한 무기질 섬유 및/또는 일반적으로 액체 또는 풀과 같은 유기질 결합제의 조합을 전형적으로 포함하는 단열/장착 재료로 충진되는 구성을 채택한다. 결론적으로, 유극 또는 간격을 충진하는 단열/장착 재료는 촉매 지지체를 보유하고, 충격으로부터 얻어진 기계적 쇼크, 진동 등이 촉매 지지체에 갑작스럽게 작용하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 구성을 갖는 촉매 컨버터에서, 촉매 지지체의 파손 및 이동은 발생하지 않고, 의도된 작동이 연장된 기간 동안 달성될 수 있다. 또한, 이러한 단열/장착 재료가 촉매 지지체를 보유하거나 장착하도록 기능을 하는 형태일 때, 일반적으로 "촉매 지지체 장착 시스템"으로도 또한 호칭된다.
또한, 촉매 지지체가 케이싱 내부에 적재될 때, 촉매 지지체 장착 시스템을 촉매 지지체의 외부 원주 주위로 권취하여 이들을 함께 일체화하고 그 후 일체화된 본체를 압력하에서 원통형 케이싱 내부로 가압하는 푸시-인 시스템(push-in system)이 일반적으로 채택되어 왔다. 다양한 유형의 촉매 지지체 장착 시스템들이 푸시-인 시스템["캐닝(canning)"으로 호칭됨]을 사용하는 촉매 컨버터 내에 촉매 지지체를 조립하기 위한 능력을 개선하고, 촉매 지지체 장착 시스템의 완충 특성(탄성)을 개선하고, 대기 중에 촉매 지지체 장착 시스템에서 사용된 무기질 섬유의 흩어짐을 방지하기 위하여 근래에 제안되어 왔다. 도1에 도시된 바와 같이, 예컨대, 촉매 지지체(33)와, 촉매 지지체(33)의 외부 주연부를 덮는 금속 쉘(케이싱)(32)과, 촉매 지지체(33) 및 케이싱(32) 사이에 개재된 보유 밀봉 부재(31)를 포함하는 촉매 컨버터(35)에 있어서, 50 내지 3,000pcs/100cm2의 밀도로 니들 펀치 처리(needle punch treatment)를 받게 되는 무기질 섬유 매트를 포함하고, 0 내지 2wt% 또는 그 미만의 유기질 함량을 가지고, 0.15 내지 0.45g/cm3의 패킹 밀도(packing density)로 300 내지 1,000℃ 사이의 온도로 가열될 때 5 내지 500kPa의 표면 압력을 발생시키는, 촉매 지지체 장착 시스템이 제안되어 왔다. 일본 미심사 특허 공보 (특허 공개) 제2001-259438호를 참조하라. 여기서, 보유 밀봉 부재(31)는 촉매 지지체 장착 시스템에 대응한다. 촉매 컨버터(35)는 도면에 도시된 바와 같이 자동차 또는 다른 내연 기관(36)으로부터의 배기 파이프(37)의 중간 부분에 개재된다. 캐닝 단계는 보유 밀봉 부재(31)가 도2에 도시된 바와 같이 케이싱의 개방 단부로부터 권취되는 촉매 지지체(33)를 압력하에서 가압함으로써 수행된다.
전술한 촉매 컨버터와 유사한 구성을 갖는 촉매 컨버터에 있어서, 촉매 지지체 장착 시스템이 제안되어 왔으며(일본 특허 공개 제2002-4848호 참조), 이 촉매 지지 장착 시스템에서는, 0.5 내지 20wt%의 유기질 결합제 또는 무기질 결합제로 이루어진 결합제가 무기질 섬유를 매트 형태로 배치하여 형성된 매트형 물체에 첨가되고, 패킹 밀도가 0.1 내지 0.6g/cm3가 되도록 조정되고, 매트형 물체에 첨가된 결합제의 고체 비율이 두께 방향으로 세 부분(상부, 중간부, 하부)으로 동일하게 분리되고 그 후에 평가될 때, 상부 및 하부 각각에 결합제의 고체 비율이 중간부의 고체 비율보다 더 높다.
일본 특허 공개 제2000-206421호는 구성 요소로서 매트 형태로 결집되어 촉매 지지체 및 촉매 지지체의 외부 원주를 덮는 금속 쉘 사이의 간격 내에 배치된 세라믹 섬유를 사용하는 촉매 컨버터용 보유 밀봉 부재를 개시하고, 무기질 재료의 요철 구조가 세라믹 섬유의 외면에 제공된다. 이러한 보유 밀봉 부재에서, 무기질 재료의 요철 구조는 양호하게 금속 산화물 입자로 이루어진다.
오염 제어 장치에서 사용하기 위한 오염 제어 요소 장착 시스템은 긴 시간 동안 오염 제어 장치 내의 소정 위치에 오염 제어 요소(예컨대, 촉매 지지체 또는 필터 요소)를 적어도 신뢰성 있게 보유해야만 한다. 하지만, 오염 제어 요소와 오염 제어 장치 내의 소정 위치에서 오염 제어 요소가 이동하는 것을 허용하는 오염 제어 요소의 장착 시스템 사이의 활주를 방지하기 위한 개선된 능력을 나타내는 장착 시스템에 대한 필요성이 계속 요구되어 왔다. 오염 제어 요소를 오염 제어 장치 내의 소정 위치에 보유하는데 필요한 힘은 다음의 식에 의해 표현될 수 있다.
보유력 = (장착 시스템에 의해 가압된 힘) X (정지 마찰 계수)
장착 시스템에 인해 가압된 힘은 오염 제어 장치 내의 장착 시스템에 의해 가압된 압력으로부터 결정될 수 있다. 이러한 압력은 장착 시스템이 압력 제어 요소 및 케이싱 사이에서 압축되는 정도에 의존할 수 있다. 장착 시스템 및 오염 제어 요소 사이의 보유력과, 장착 시스템 및 케이싱 사이의 보유력의 2가지 보유력이 계산될 필요가 있는데, 이것은 각 사이의 마찰 계수가 전형적으로 다르기 때문이다.
그러므로 오염 제어 요소의 보유력을 개선하는 한가지 방법은 장착 시스템이 압축되는 정도를 증가함으로써 장착 시스템에 의해 발생된 압력을 증가시키는 것이었다. 그러나 장착 시스템이 압축되는 정도가 과도하게 증가될 때, 장착 시스템에 사용된 세라믹 섬유 및 다른 무기질 섬유는 파열, 파손 또는 다른 손상을 입을 수 있다. 이러한 섬유 손상은 장착 시스템에 의해 가압된 힘의 저하를 초래하고, 오염 제어 요소가 파손하거나 다른 손상이 입게 되는 장착 시스템의 부식이 발생하거나 증가할 수 있다.
일본 특허 공개 제2000-206421호에 개시된 바와 같이, 금속 산화물 입자들이 요철 구조를 제공하기 위해 촉매 지지체 장착 시스템을 구성하는 세라믹 섬유의 표면에 부착하도록 허용될 때, 세라믹 섬유의 표면에 금속 산화물 입자의 부유물이 부착되도록 하는 방법이 채택된다. 그러므로 세라믹 섬유들 사이에서 활주를 감소시키고 장착 시스템이 경화되도록 하는 교차 결합 또는 접합이 세라믹 섬유들 사이에 발생하여, 그 결과로 장착 시스템이 더 경직되고 덜 유연하게 된다. 일반적으로, 이러한 가요성 손실은 함께 작동하는 장착 시스템을 더 경성으로 만들 수 있다. 특히, 예컨대 촉매 컨버터의 조립 중에, 특히 장착 시스템이 촉매 지지체에 권취될 때 장착 시스템에서 크랙이 더욱 쉽게 발생된다.
본 발명은 상술한 것 및 기타 다른 문제점들이 덜 나타나고, 촉매 지지체 또는 필터 요소와 같은 오염 제어 요소를 오염 제어 장치 내의 소정 위치에 보유하는데 유용한 장착 시스템을 제공한다.
그러므로 본 발명의 목적은 다음의 장점들 중 하나 이상 또는 모두를 나타내는 오염 제어 요소(예컨대, 촉매 지지체 및 필터 요소)용 장착 시스템을 제공하는 것이다. 즉, 장착 시스템이 오염 제어 요소 주위에 둘러싸이는 동안에 오염 제어 요소 및 장착 시스템이 오염 제어 장치의 하우징 내로 조립되거나 예컨대 밀어 넣어질 때 오염 제어 요소 및 장착 시스템 사이의 이동이나 분리를 방지하거나 적어도 상당히 제한하는 것과, 오염 제어 요소가 케이싱 내부로 적재된 후에 오염 제어 장치 내의 위치에 오염 제어 요소를 안정적으로 보유할 수 있는 것과, 개선된 내열성(heat resistance), 표면 압력 보유 특성, 내식성(erosion resistance) 및 처리성(processability)을 나타내는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 오염 제어 요소용의 이러한 장착 시스템이 설치된 오염 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 발명자는 전술한 문제점을 해결하기 위해 집중적인 연구를 수행했으며, 오염 제어 장치 내의 소정 위치에서 오염 제어 요소(예컨대, 촉매 지지체 또는 필터 요소)를 보유하는 신뢰성이 압축된 상태하에 있는 오염 제어 요소용 장착 시스템을 사용함으로써 오염 제어 장치를 조립하기 위한 능력을 감소시키지 않으면서 개선될 수 있고, 오염 제어 요소의 접촉면 및 장착 시스템의 접촉면 사이의 마찰 계수를 증가시킬 수 있는 입자들의 배치을 포함한다는 것을 발견했다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 오염 제어 장치에서 사용하기에 적합한 섬유 재료를 포함하는 매트를 포함하는 오염 제어 요소용 장착 시스템이 제공된다. 매트는 소정의 두께를 가질 수 있다. 장착 시스템은 압축력이 인가된 상태하에서 케이싱 및 오염 제어 요소 사이에 배치될 수 있다. 장착 시스템은 오염 제어 요소의 외면 또는 측부와 접촉한 상태가 되도록 적어도 장착 시스템의 표면에 배치되는 연마 재료의 미세 입자를 더 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 케이싱과, 케이싱 내측에 배치된 오염 제어 요소와, 케이싱 및 오염 제어 요소 사이의 간격에 개재된 장착 시스템을 포함하는 오염 제어 장치가 제공된다. 장착 시스템은 본 발명의 원리를 따른다.
본 발명에 따른 오염 제어 장치는 예컨대 내연 기관의 배기 시스템에서 사용되는 것과 같은 촉매 컨버터 및 배기 필터 장치를 포함할 수 있다. 이러한 내연 기관은 차량(예컨대, 기차, 자동차, 항공기, 선박 등) 및 발전소에서 사용되는 것을 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적들은 다음의 상세한 설명으로부터 용이하게 이해될 것이다.
도1은 종래 기술에 따른 촉매 컨버터의 구성을 도시하는 단면도이다.
도2는 도1에 도시된 촉매 컨버터에 금속 케이싱 내부로 촉매 지지체를 가압하는 방법을 도시하는 사시도이다.
도3은 본 발명에 따른 촉매 컨버터의 구성을 도시하는 단면도이다.
도4는 도3의 A-A선을 따라 취한 촉매 컨버터의 단면도이다.
도5는 도3에 도시된 촉매 컨버터 내의 촉매 지지체 장착 시스템 내의 연마재 미세 입자의 분포 상태를 도시하는 단면도이다.
도6은 본 발명에 따른 촉매 지지체 장착 시스템의 양호한 실시예를 도시하는 단면도이다.
도7은 본 발명에 따른 촉매 지지체 장착 시스템의 다른 양호한 실시예를 도시하는 단면도이다.
도8은 본 발명에 따른 촉매 지지체 장착 시스템의 또 다른 양호한 실시예를 도시하는 단면도이다.
도9는 본 발명에 따른 촉매 지지체 장착 시스템의 또 다른 양호한 실시예를 도시하는 단면도이다.
도10은 촉매 장착 시스템의 마찰 계수를 측정하는 방법을 전형적으로 도시하는 단면도이다.
촉매 컨버터에 관한 본 발명의 특정 실시예들이 이제 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 그런 사용에 제한되도록 의도되지는 않는다는 것을 이해하여야 한다. 예컨대, 본 발명은 예를 들면 배기 필터링 장치(예컨대, 디젤 엔진 배기 필터 장치)와 같은 다른 오염 제어 장치에 적용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 장착 시스템이 촉매 지지체를 위해 사용될 때, 예를 들어 장착 시스템은 압축력, 양호하게는 소정의 압축력이 인가된 상태에서 촉매 지지체 및 금속 케이싱 사이에 배치된다. 그러므로 촉매 지지체의 바람직하지 않은 이동은 장착 시스템의 표면에 의해 가압된 압축력(즉, 표면 마찰력)에 의해 방지될 수 있다. 연마 재료의 미세 입자들이 촉매 지지체를 구비한 장착 시스템의 적어도 접촉면 상에 배치되기 때문에, 촉매 지지체와의 마찰 계수는 증가될 수 있고, 촉매 지지체의 보유 신뢰성은 더욱 향상될 수 있다. 더욱이, 촉매 지지체와 촉매 지지체 주위에 권취된 장착 시스템이 캐닝될 때(즉, 금속 케이싱 내부로 조립될 때), 촉매 지지체 및 둘러싸인 장착 시스템 사이의 이동은 조립되는 촉매 컨버터의 능력에 해로운 영향을 끼치지 않으면서 방지될 수 있거나, 적어도 상당히 감소될 수 있다.
요약하면, 다음의 상세한 설명으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다음의 장점들 중에서 하나 이상 또는 모든 장점을 나타낼 수 있는 촉매 지지체 장착 시스템 및 다른 오염 제어 요소용 장착 시스템을 제공한다. 즉, 장착 시스템이 오염 제어 요소 주위에 둘러싸이는 동안에 오염 제어 요소 및 장착 시스템이 오염 제어 장치의 하우징 내로 조립되거나 예컨대 밀어 넣어질 때 오염 제어 요소 및 장착 시스템 사이의 이동이나 분리를 방지하거나 적어도 상당히 제한하는 것과, 오염 제어 요소가 케이싱 내부로 적재될 때 오염 제어 장치 내의 적절한 위치에 오염 제어 요소를 안정적으로 보유할 수 있는 것과, 개선된 내열성, 표면 압력 보유 특성, 내식성 및 처리성을 나타내는 것이다.
본 발명은 오염 제어 요소용의 이런 장착 시스템을 장착하고 내구성 및 성능에 있어서 훌륭한 오염 제어 장치를 추가로 제공한다. 본 발명에 따른 촉매 컨버터는 자동차 엔진 및 다른 내연 기관의 배기 가스를 처리하는데 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 오염 제어 요소용 장착 시스템 및 오염 제어 장치는 각각 다양한 형태로 유리하게 실시될 수 있다. 예컨대, 오염 제어 요소는 촉매 지지체(또는 촉매 요소), 필터 요소(예컨대 엔진용 배기 정화 필터), 또는 다른 임의의 오염 제어 요소가 될 수 있다. 유사하게, 오염 제어 장치는 촉매 컨버터, 엔진용 배기 정화 장치와 같은 배기 정화 장치(예컨대, 디젤 미립자 필터 장치), 또는 부착된 오염 제어 요소에 따른 다른 임의의 오염 제어 장치가 될 수 있다. 본 발명이 촉매 지지체 장착 시스템 및 촉매 컨버터를 참조하여 자세히 설명되었지만, 본 발명은 다음의 실시예들로 특별히 제한되지는 않는다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터는 자동차 엔진 및 다른 내연 기관의 배기 가스를 처리하는데 특별히 유리하게 사용되고, 적어도 케이싱과 케이싱 내측에 배치된 촉매 지지체(촉매 요소)를 포함하도록 구성된다. 이후에 상세히 설명될 본 발명에 따른 촉매 지지체 장착 시스템은 촉매 지지체의 외부 주연부 표면을 권취하는 방식으로 케이싱 및 촉매 지지체 사이에 끼워진다.
촉매 지지체 장착 시스템은 케이싱 내부로 끼워질 때 적절한 체적 밀도를 얻기 위하여 적절한 레벨까지 압축된 채로, 또는 환언하면 소정의 압축력이 인가된 채로 사용되는 것이 바람직하다. 압축 수단은 클램 쉘 압축(clam shell compression), 스터핑 압축(stuffing compression) 및 터니킷 압축(tourniquet compression)을 포함한다. 본 발명에 따른 촉매 지지체 장착 시스템은 촉매 지지체 장착 시스템이 예컨대 스터핑 압축에서와 같이 원통형 케이싱으로 가압되는 소위 "푸시-인 구조(push-in structure)" 촉매 컨버터를 제조하는데 유리하게 사용될 수 있다. 클램 쉘 압축에서와 같이 해제할 수 있는 케이싱이 사용될 때, 촉매 지지체 장착 시스템이 원통형 케이싱으로 가압될 때, 마찰과 같은 문제점은 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터는 푸시-인 구조를 채택하는 한, 다양한 유형의 촉매 컨버터를 포함한다. 촉매 컨버터는 예컨대 모놀리식 형상으로 형상화된 촉매 요소, 즉 모놀리식 촉매 지지체를 구비한 촉매 컨버터이다. 이 촉매 컨버터가 작은 벌집 형상의 통로들을 구비한 촉매 요소를 포함하므로, 종래 기술의 팔레트형 촉매 컨버터보다 소형이고, 배기 가스와의 접촉 면적을 충분히 확보하면서 배기 저항(exhaust resistance)을 억제할 수 있고, 배기 가스를 더욱 효과적으로 처리할 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터는 다양한 내연 기관과 조합하여 배기 가스를 처리하는데 유리하게 사용될 수 있다. 특히, 승합차, 버스, 트럭 등과 같은 자동차의 배기 시스템에 장착될 때, 본 발명의 촉매 컨버터의 우수한 기능 및 효과가 충분하게 달성될 수 있다.
도3은 본 발명에 따른 촉매 컨버터의 전형적인 예를 도시하는 단면도이며, 촉매 컨버터의 주요부의 구성이 더욱 용이하게 이해될 수 있도록 절결된 상태로 도시한다. 도4는 A-A선을 따라 취한 도3에 도시된 촉매 컨버터의 단면도이다. 이들 도면으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 촉매 컨버터(10)는 금속 케이싱(4), 금속 케이싱(4) 내측에 배치된 모놀리식 고체 촉매 지지체(1), 금속 케이싱(4) 및 촉매 지지체(1) 사이에 개재된 본 발명의 촉매 지지체 장착 시스템(2)을 포함한다. 도5 내지 도9를 참조하여 이하에서 상세하게 설명된 바와 같이, 촉매 지지체 장착 시스템(2)은 허용 가능한 공차 내에서 소정 두께를 갖는 적절한 섬유 재료로 이루어진 매트(mat)를 구비하고, 촉매 지지체 측의 적어도 매트 내부 주연부 표면상에서 촉 매 지지체와 접촉한 상태로 연마 재료의 미세 입자들을 포함한다. 각각 절두형 원뿔 형상을 갖는 배기 가스 유입 포트(12) 및 배기 가스 유출 포트(13)가 촉매 컨버터(10)에 끼워진다. 또한, 연마 재료의 미세 입자들은 또한 "연마재(abrasives)"로 지칭될 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터(10)의 경우에, 접착제 또는 접착 시트와 같은 접합 수단은 기본적으로 촉매 지지체(1) 및 촉매 지지체 장착 시스템(2) 사이에 개재될 필요는 없다. 그러나, 접합 수단은 본 발명의 기능 및 효과에 역효과를 미치는 것이 아니고 오히려 촉매 지지체(1) 및 촉매 지지체 장착 시스템(2) 사이의 접착을 향상시키는 경우에 추가적으로 사용될 수 있고, 캐닝 작업(canning operation)을 용이하게 하는 효과가 기대된다. 양호하게는, 접합 수단이 부분적으로 사용된다. 촉매 지지 장착 시스템(2)은 일반적으로 필수적이지는 않지만 촉매 지지체 장착 시스템(2)의 표면을 손상 등으로부터 보호하는 보호 코팅일 가질 수 있다.
특히, 금속 케이싱 내측의 고체 촉매 지지체는 일반적으로 복수의 배기 가스 통로를 갖는 벌집 구조체를 구비한 세라믹 촉매 지지체이다. 본 발명의 촉매 지지체 장착 시스템은 이 촉매 지지체 주위를 종래와 같이 완전히 감싸는 방식으로 배치된다. 단열 재료로서의 기능 이외에, 촉매 지지체 장착 시스템은 금속 케이싱 내측에 촉매 지지체를 장착하거나 보유하고, 촉매 지지체 및 금속 케이싱 사이의 간극을 밀봉한다. 그러므로 촉매 지지체 장착 시스템은 배기 가스가 촉매 지지체를 우회 통과하는 것을 방지하거나, 적어도 이러한 바람직하지 않은 우회 통과를 최소화한다. 촉매 지지체는 금속 케이싱 내측에서 기밀식으로 또한 유연하게 보유된다.
본 발명에 따른 촉매 컨버터에서, 그 금속 하우징은 소정 기능 및 효과에 따라서 본 기술분야에 알려진 다양한 금속 재료로 이루어진 임의의 형상으로 제조될 수 있다. 적절한 금속 케이싱은 스테인리스 강으로 제조되고 도3에 도시된 형상을 갖는다. 당연히, 임의의 적절한 형상을 갖는 금속 케이싱은 필요한 경우마다 철, 알루미늄, 티타늄 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
금속 케이싱과 유사한 방식으로, 고체 촉매 지지체는 통상의 촉매 컨버터용으로 사용된 공지된 재료로부터 공지된 형상으로 형상화될 수 있다. 적절한 촉매 지지체는 이 기술분야의 숙련자에게 널리 공지되었고, 금속 및 세라믹으로 제조된 것을 포함한다. 유용한 촉매 지지체가 미국 재발행 특허 제27,747호에 개시된다. 세라믹 촉매 지지체는 예컨대 미국의 코닝 인크(Corning Inc.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 벌집형 세라믹 촉매 지지체는 "CELCOR"라는 상표명으로 코닝 인크로부터와, "HONEYCREAM"이라는 상표명으로 엔쥐케이 인슐레이티드 엘티디(NGK Insulated Ltd.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 금속 촉매 지지체는 독일의 베르 게엠베하 앤드 코(Behr GmbH and Co.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 또한, 그 전체를 참조하여 본 명세서에 모두 포함된, 촉매 모놀리스의 세부에 대해서는, 스트룸(Stroom) 등에 의해 저술된 SAE 기술서 참조번호 제900,500호의 "자동차 촉매 컨버터용 패키징 설계에 대한 시스템 접근(System Approach to Packaging Design for Automotive Catalytic Converters)"과, 호위트(Howitt)에 의해 저술된 SAE 기술서 참조번호 제800,082호의 "모놀리식 촉매 지지체로서의 얇은 벽 세라믹(Thin Wall Ceramics as Monolithic Catalyst Support)"과, 호위트(Howitt) 등에 의해 저술된 SAE 기술서 참조번호 제740,244호의 "모놀리식 벌집형 자동차 촉매 컨버터에서의 유동 효과(Flow Effect in Monolithic Honeycomb Automotive Catalytic Converter)"를 참조하라.
전술한 촉매 지지체 상에서 지지되는 촉매는 일반적으로 금속(예컨대, 플래티늄, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐) 및 금속 산화물(오산화 바나듐, 이산화 티타늄 등)이며, 코팅의 형태로 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 촉매 코팅은 미국특허 제3,441,381호에 상세히 기재되어 있다.
본 발명의 실시에 있어서, 촉매 컨버터는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 다양한 구성 및 다양한 방법으로 제조될 수 있다. 양호하게, 촉매는 벌집형 세라믹 촉매 지지체를 금속 케이싱 내부로 수용함으로써 제조되고, 최종 촉매 지지체(촉매 요소)는 예컨대 벌집 형상을 갖는 세라믹 모놀리스 상에서 플래티늄, 로듐 또는 팔라듐과 같은 귀금속으로 형성된 촉매층을 지지함으로써 제조될 수 있다. 이러한 구성이 채택될 때, 효과적인 촉매 작업이 비교적 고온에서 얻어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 촉매 지지체 장착 시스템은 금속 케이싱 및 금속 케이싱 내측에 배치된 촉매 요소 사이에 배치된다. 촉매 지지체 장착 시스템은 소정 두께를 갖는 적당한 섬유로 이루어진 매트, 담요로 형성된다. 촉매 지지체 장착 시스템은 단일 매트 형태의 하나의 부재를 포함할 수 있고, 예컨대 둘 이상의 매트를 적층하여 함께 선택적으로 접합함으로써 복합 부재의 형태가 될 수도 있다. 촉매 지지체 장착 시스템은 일반적으로 취급하기 용이하도록 매트나 담요의 형태를 갖지만, 필요할 때마다 다른 형태도 역시 사용될 수 있다. 촉매 지지체 장착 시스템의 크기는 사용 목적에 따라서 광범위하게 변경될 수 있다. 매트형 촉매 지지체 장착 시스템이 예컨대 자동차 또는 승합차의 촉매 컨버터에 끼워져서 사용될 때, 장착 시스템은 일반적으로 약 1.5 내지 약 15mm의 두께, 약 200 내지 약 500mm의 폭, 약 100 내지 1500mm의 길이를 갖는다. 이러한 장착 시스템은 가위나 절단기 등으로 소정 형상 및 소정 크기로 절단될 수 있고, 이런 상태로 사용될 수 있다.
촉매 지지체 장착 시스템은 섬유 재료로 구성되며, 바람직하게는 무기질 섬유로 구성된다. 촉매 지지체 장착 시스템을 형성하는데 적합한 무기질 섬유는 유리 섬유, 세라믹 섬유(예컨대, 내화 세라믹 섬유), 탄소 섬유, 실리콘 카바이드 섬유, 붕소 섬유를 포함할 수 있다. 또한, 다른 무기질 섬유도 필요하거나 적당할 때마다 사용될 수도 있다. 이들 무기질 섬유는 개별적으로나 둘 이상의 종류를 조합하여 사용될 수 있다. 이들 무기질 섬유 중에서, 알루미나 섬유, 실리카 섬유 및 알루미나-실리카 섬유와 같은 세라믹 섬유들이 특히 양호하게 사용되고, 다른 섬유 중에서 알루미나 섬유 및 알루미나-실리카 섬유가 양호하게 사용된다. 이들 세라믹 섬유는 개별적으로나 복합 섬유(composite fibers)의 형태 및 다른 형태로 둘 이상의 종류를 조합하여 사용될 수 있다. 다른 무기질 재료들이 상술된 세라믹 섬유 및 다른 무기질 섬유를 조합하여 첨가제로서 사용될 수 있다. 첨가제의 적당한 예로는 지르코니아, 마그네시아, 칼시아(Calcia), 산화 크롬, 산화 이트 륨(yttrium oxide) 및 산화 란탄(lanthanum oxide)을 포함할 수 있지만, 전술한 예들로 결코 제한되지는 않는다. 이들 첨가제는 일반적으로 분말 및 미세한 입자의 형태로 사용되고, 개별적으로나 둘 이상의 종류를 조합하여 사용될 수도 있다.
특히, 촉매 지지체 장착 시스템에 사용된 무기질 섬유는 예컨대 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 함유하는 무기질 섬유를 포함할 수 있다. 여기서, 무기질 섬유는 알루미나 및 실리카의 두 성분을 가지며, 알루미나 대 실리카의 혼합비는 약 40:60 내지 약 96:4의 범위 내에 있다. 알루미나의 혼합비가 40% 미만일 경우와 같이 알루미나 및 실리카의 혼합비가 전술한 범위에서 벗어날 때, 내열성 열화의 문제점이 발생한다.
무기질 섬유의 두께(평균 직경)는 특별히 제한되지는 않지만, 평균 직경은 약 2 내지 7㎛가 양호하다. 무기질 섬유가 약 2㎛ 이하의 평균 직경을 가질 경우, 섬유는 취약하게 되어 충분한 강도가 부족하기 쉽다. 무기질 섬유가 약 7㎛ 이상의 평균 직경을 가질 경우, 반대로 장착 시스템의 성형이 곤란해지기 쉽다.
무기질 섬유의 길이는 두께와 동일하게 특별히 제한되지는 않는다. 하지만, 무기질 섬유는 약 0.5 내지 약 50mm의 평균 길이를 갖는다. 무기질 섬유의 평균 길이가 약 0.5mm 이하의 평균 길이를 가질 경우, 이러한 섬유를 사용하여 장착 시스템을 형성하는 효과는 달성하기가 곤란하거나 불가능할 수 있다. 평균 길이가 50mm를 초과한 경우, 반대로 취급 특성이 열화되어, 장착 시스템의 제조 프로세스가 원활히 수행되는 것이 매우 곤란하거나 불가능할 수 있다.
다른 방법에 따르면, 주로 알루미나 섬유의 적층된 시트로 이루어진 알루미나 섬유 매트도 역시 본 발명을 실시할 때 촉매 지지체 장착 시스템으로서 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 알루미나 섬유 매트에서, 알루미나 섬유의 평균 길이는 일반적으로 약 20mm 내지 약 200mm 범위 내에 있고, 섬유의 두께(평균 직경)는 일반적으로 약 1㎛ 내지 약 40㎛ 범위 내에 있다. 알루미나 섬유는 양호하게 약 70/30 내지 약 74/26 범위의 Al2O3/SiO2 중량비를 갖는다.
전술한 알루미나 섬유 매트는 옥시염화 알루미늄(aluminum oxychloride)와 같은 알루미나 소스, 실리카 졸(silica sol)과 같은 실리카 소스, 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)과 같은 유기질 결합제 및 물의 혼합물로 이루어진 졸 겔(sol gel)을 스피닝함으로써 제조될 수 있다. 다시 말하면, 스피닝된 알루미나 섬유 전구체(alumina fiber precursor)는 시트로 적층되고, 그리고 나서 니들로 펀칭되고 통상적으로 약 1,000℃ 내지 1,300℃ 범위의 고온에서 베이킹된다.
전술한 니들 펀칭 처리법은 한 쌍의 섬유가 적층된 표면에 대해 종방향으로 배향되는 효과를 제공한다. 그러므로 시트 내측에 한 쌍의 알루미나 섬유 전구체가 시트를 관통하고 종방향으로 배향되어 시트를 체결하기 때문에, 시트의 체적 비중(bulk specific gravity)은 증가될 수 있고, 층들 사이의 박리 및 편향은 방지될 수 있다. 니들 펀칭 밀도는 광범위하게 변경될 수 있지만, 일반적으로 1 내지 50 punches/cm2의 범위 내에 있다. 매트의 두께, 부피 비중 및 강도는 니들 펀칭 밀도에 따라서 조정될 수 있다.
전술한 알루미나 섬유의 제조에 있어서, 다른 세라믹 섬유 및 무기질 팽창제(inorganic expanding agent)가 알루미나 섬유에 보충하여 첨가될 수 있다. 이러한 경우에, 첨가제는 매트 내부로 균일하게 혼합될 수 있지만, 첨가제가 가열되는 부분을 회피하도록 국부적으로 첨가될 때, 첨가제의 성능을 유지하면서 비용이 절감될 수 있다. 전술한 세라믹 섬유는 실리카 섬유 또는 유리 섬유이고, 무기질 팽창제는 벤토나이트(bentonite), 비팽창 질석(unexpanded vermiculite) 또는 팽창성 흑연(expandable graphite)이다.
도5를 참조하면, 본 발명에 따른 촉매 컨버터는 케이싱(4)과, 케이싱(4) 내부로 적재된 촉매 지지체(1)와, 소정 두께를 갖는 섬유 재료로 이루어진 매트(2)를 포함할 수 있고, 매트는 케이싱(4) 및 촉매 지지체(1) 사이에 촉매 지지체(1)의 외부 주연부 표면 주위에서 권취된 상태로 배치된다. 촉매 지지체와의 마찰 계수를 개선시킬 수 있는 연마 재료의 미세 입자(5)는 촉매 지지체(1)의 외면 또는 측부 상의 매트형 촉매 지지체 장착 시스템(2)의 적어도 내부 주연부 표면(2b)에 배치된다. 도면으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 연마 재료의 미세 입자는 기본적으로 촉매 지지체 장착 시스템(2)의 대향면, 즉 케이싱(4) 측부의 외부 주연부 표면(2a) 상에 배치되지 않는다. 본 명세서에 사용된 "적어도"라는 용어는 연마 재료의 미세 입자(5)가 촉매 지지체 장착 시스템의 내부 주연부 표면(2b) 상에 전체적으로 또는 부분적으로, 양호하게는 전체적으로 사실상 균일하게 배치된 상태와, 연마 재료의 미세 입자(5)가 촉매 지지체 장착 시스템(2)의 깊이 방향으로 분포되어 있는 상태를 의미한다. 또한, 연마 재료의 미세 입자(5)가 촉매 지지체 장착 시스템(2)의 깊이 방향으로 분포된 경우, 분포가 연마 재료의 미세 입자(5)의 도포 방법에 따라서 변하지만, 연마 재료의 미세 입자(5)는 일반적으로 입자(5)의 농도가 촉매 지지체 장착 시스템(2)이 두께 방향으로 관측될 때 내부 주연부 표면(2b)을 향하여 증가하는 방식으로 분포된다. 특히 양호하게, 연마 재료의 미세 입자(5)는 내부 주연부 표면(2b)으로부터 50%의 깊이까지 연장되는 하부층 영역(2L) 내에 촉매 지지체 장착 시스템(2)에 함유된 미세 입자(5)의 전체량의 적어도 70%의 함량으로 함유된다.
본 발명의 실시 형태에 있어서, 다양한 연마 재료의 미세 입자는 촉매 지지체와의 마찰 계수를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 연마 재료가 마찰 계수의 개선에 기여할 수 있기 때문에, 본 발명에 사용된 연마 재료는 또한 "마찰 재료(friction material)"로도 호칭될 수 있다. 연마 재료의 적절한 예로서는 내열성을 갖는 금속 산화물[예컨대, 알루미나, 멀라이트(mullite), 지르코니아, 마그네시아, 티타니아 등], 탄화 규소, 질화 붕소 및 탄화 붕소를 포함하지만, 결코 이것들로 제한되지는 않는다. 이들 연마 재료는 개별적으로나 둘 이상의 종류를 조합하여 사용될 수 있다.
전술한 연마 재료는 일반적으로 미세 입자의 형태로 사용된다. 연마 재료의 미세 입자는 연마 재료의 종류 및 의도된 첨가 효과에 따라서 다양한 직경으로 사용될 수 있지만, JIS R60001에 의해 규정된 연마 재료의 입자 크기에 의하면 약 F1,200 내지 약 F60의 입자 크기를 갖는 것이 양호하다. 연마 재료의 미세 입자의 입자 크기가 F1,200보다 더 작을 때, 마찰 계수의 원하는 개선 효과는 달성될 수 없거나, 또는 일부의 경우에 있어서 연마 재료의 미세 입자가 무기질 섬유로 매립되어 촉매 지지체 장착 시스템의 표면으로부터 떨어지게 되기 때문에 적어도 상당히 감소된다. 예컨대, 유기질 결합제가 촉매 지지체 장착 시스템을 제조하기 위해 조합하여 사용될 때, 결합제에 접합된 연마 재료의 미세 입자는 결합제의 연소가 발생할 때, 예컨대 내연 기관의 작동 중에 무기질 섬유들 사이의 간극이나 공간으로 더욱 이동하기 쉽다. 연마 재료의 미세 입자의 입자 크기가 F60을 초과할 때, 반대로 촉매 지지체 상에서 앵커링 효과(anchoring effect)가 불충분해 질 수 있다. 약 30㎛(대략 F406) 내지 약 300㎛(F80) 범위의 평균 입자 크기뿐 아니라, 약 F240(70㎛) 내지 약 F80(300㎛) 범위의 입자 크기를 갖는 연마 재료의 미세 입자에 의해 양호한 결과가 얻어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 촉매 지지체 장착 시스템은 단일 매트의 형태 또는 복합 매트의 형태로 사용된다. 도6은 단일 매트 형태의 촉매 지지체 장착 시스템의 예를 도시한 단면도이다. 촉매 지지체 장착 시스템(2)은 도5를 참조하여 이미 설명된 촉매 지지체 장착 시스템(2)의 구성과 동일한 구성을 가질 수 있다. 다시 말하면, 촉매 지지체 장착 시스템(2)은 무기질 섬유(21)를 포함하고, 일부가 표면에 노출되는 동안 미세 입자(5)들이 표면들 중 한 영역(촉매 지지체와의 접촉측 표면) 상에 농축한 상태로 연마 재료의 미세 입자(5)를 함유할 수 있다.
본 발명의 촉매 지지체 장착 시스템이 복합 매트의 형태로 사용될 때, 다양한 복합 형태가 취해질 수 있다. 하지만, 일반적으로 복합 매트는 하나의 연마재 함유 매트와 이 연마재 함유 매트의 섬유 재료와 동일하거나 상이한 섬유 재료로 형성된 적어도 하나의 보조 매트를 사용하여 구성될 수 있다. 보조 매트의 섬유 재료는 양호하게 전술된 무기질 섬유이다. 기본적으로, 보조 매트는 또한 전술한 바와 같은 연마 재료 입자를 함유하지 않을 수도 있다. 하나의 특징으로서, 보조 매트는 소위 "비팽창성 또는 비팽배성 매트(non-expandable or non-intumescent mat)"가 될 수 있고, 비팽창성 매트 및 소위 "열팽창성 또는 팽배성 매트(thermo-expandable or intumescent mat)"를 포함할 수 있다.
도7 내지 도9는 본 발명의 실시 형태에 적합한 복합 매트의 예를 각각 도시하는 단면도이다.
도7은 본 발명의 연마재 함유 매트(21) 및 비팽창성 매트의 보조 매트가 복합 매트의 형태를 갖는 촉매 지지체 장착 시스템(2)을 형성하기 위해 일체식으로 결합된 예를 도시한다. 도면에 도시된 촉매 지지체 장착 시스템(2)에서, 연마재 함유 매트(21)는 무기질 섬유, 연마재 재료의 미세 입자 및 유기질 결합제로 형성된다. 다시 말하면, 비팽창성 매트(22)는 무기질 섬유 및 유기질 결합제로 형성된다. 연마재 함유 매트(21) 및 비팽창성 매트(22)를 형성하기 위해, 동일하거나 상이한 무기질 섬유들이 사용될 수 있다. 예컨대, 연마재 함유 매트(21)를 형성하기 위해 높은 내열성을 갖는 알루미나 섬유와, 비팽창성 매트(22)를 형성하기 위해 알루미나 실리카 섬유 또는 유리 섬유를 사용하는 것이 가능하다. 이와 다르게, 연마재 함유 매트(21)를 형성하기 위해 알루미나 실리카 섬유와, 비팽창성 매트(22)를 형성하기 위해 유리 섬유를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 촉매 지지체 장착 시스템이 습식 프로세스에 의해 제조될 때, 전 술한 바와 같이 무기질 섬유 및 유기질 결합제를 조합하여 사용하는 것이 통상적이다. 하지만, 본 발명의 실시 형태에 있어서, 유기질 결합제의 종류 및 그 사용량은 특별히 제한되지는 않지만 통상의 방식으로 사용될 수 있다. 예컨대, 유기질 결합제로서 유액(latex) 형태로 제공될 수 있는 아크릴 수지, 스티렌-부타디엔 수지, 아크릴로니트릴 수지, 폴리우레탄 수지, 천연 고무, 폴리비닐 아세테이트 수지 등을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 유기질 결합제는 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리비닐 에스테르 수지 등과 같은 가요성 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
도8은 복합 매트의 형태를 갖는 촉매 지지 장착 시스템(2)이 본 발명의 연마재 함유 매트(21)를 열팽창성 또는 팽배성 매트의 보조 매트(23)와 일체식으로 결합하여 형성되는 예이다. 도면에 도시된 촉매 지지체 장착 시스템(2)에서, 연마재 함유 매트(21)는 무기질 섬유, 연마 재료의 미세 입자 및 유기질 결합제로 형성되는 반면에, 열팽창 매트(23)는 무기질 섬유, 유기질 결합제 및 열팽창성 또는 팽배성 재료로 형성된다. 연마재 함유 매트(21) 및 열팽창 매트(23)를 형성하기 위해, 동일하거나 상이한 무기질 섬유가 사용될 수 있다. 예컨대, 필요할 때마다 연마재 함유 매트(21)를 형성하기 위해 알루미나 실리카 섬유 또는 알루미나 섬유를 사용하고, 열팽창성 매트(23)를 형성하기 위해 알루미나 실리카 섬유 또는 유리 섬유를 사용하는 것이 가능하다. 예컨대, 비팽창 질석 또는 팽창성 흑연이 열팽창성 매트(23)를 형성하기 위해 열팽창성 재료로서 사용될 수 있다.
도9는 3층 복합 매트의 형태를 갖는 촉매 지지체 장착 시스템이 본 발명의 연마재 함유 매트(21)를 비팽창성 매트의 제1 보조 매트(22) 및 열팽창성 매트의 제2 보조 매트(23)와 일체식으로 결합하여 제조된다. 도면에 도시된 촉매 지지체 장착 시스템(2)에서, 연마재 함유 매트(21)는 무기질 섬유, 연마 재료의 미세 입자 및 유기질 결합제로 형성된다. 한편, 비팽창성 매트(22)는 무기질 섬유 및 유기질 결합제로 형성되고, 열팽창성 매트(23)는 무기질 섬유, 유기질 결합제 및 열팽창성 재료로 형성된다. 연마재 함유 매트(21), 비팽창성 매트(22) 및 열팽창성 매트(23)는 각각 전술된 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 연마재 함유 매트(21) 및 비팽창성 매트(22) 모두는 높은 내열성을 갖는 알루미나 섬유로 양호하게 형성된다. 한편, 열팽창성 매트(23)는 비팽창 질석 또는 팽창성 흑연과 같은 열팽창성 재료와 조합하여 알루미나 섬유, 유리 섬유 등의 사용함으로써 형성될 수 있다.
또한, 마찰력을 개선하기 위한 다음의 기구가 본 발명에 작동한다는 것을 가정하지만, 다음의 설명이 본 발명의 촉매 지지체 장착 시스템의 작동을 결코 제한하지는 않는다.
본 장착 시스템의 보유 성능은 장착 시스템의 압축에 의해 발생된 압력 생성인 "보유력" 및 이미 설명된 바와 같이 오염 제어 요소 및 장착 시스템 사이의 정지 마찰 계수에 의해 표현될 수 있다. 여기서, 과거에 일반적으로 사용되었던 장착 시스템은 무기질 섬유 및 유기질 결합제로 형성되고, 섬유의 손상을 억제하면서 압축에 의한 압력을 발생하도록 무기질 섬유들 사이의 충분한 유극이나 공간을 확보한다. 본 발명의 발명자의 관측에 따르면, 무기질 섬유 사이의 이들 유극이나 공간은 촉매 지지체 및 촉매 지지체 장착 시스템 사이의 접촉 면적을 감소시키게 되고, 결과적으로 촉매 지지체 및 촉매 지지체 장착 시스템 사이의 마찰 계수를 제한한다.
본 발명자는 내열성을 갖는 무기질 입자들이 오염 제어 장치와 접촉하게 하는 장착 시스템의 측부 또는 표면, 양호하게는 소정 두께를 갖는 부분에 배치되어 제 위치에 양호하게 접합될 때, 오염 제어 요소 및 장착 시스템 사이의 접촉 면적이 증가될 수 있고, 더욱이 오염 제어 요소 및 장착 시스템 사이의 마찰 계수는 향상될 수 있다는 것을 발견했다. 특히, 무기질 결합제에 의해 장착 시스템에 고정된 무기질 입자들은 특히 유기질 결합제를 연소한 후에 오염 제어 요소와 접촉 상태에 있는 섬유들 사이의 유극 또는 공간으로 이동할 수 있다. 입자들은, 오염 제어 장치에 설치되어 있을 때, 장착 시스템이 영향하에 있는 높은 압력에 의해 이들 공간으로 이동하는데 적어도 도움이 된다는 것이 믿어지고 있다. 다시 말하면, 입자들은 장착 시스템에 의해 가압된 압력에 의해 이들 공간으로 효과적으로 압착될 수 있다고 믿어지고 있다. 장착 시스템 및 오염 제어 요소 사이의 공간을 충전함으로써, 입자들은 장착 시스템 및 오염 제어 요소 사이의 접촉 면적을 증가시킨다. 이와 다르게 또는 부가하여, 바람직하다면 이와 동일한 기술이 장착 시스템 및 오염 제어 장치의 케이싱 또는 하우징 사이의 접촉 면적을 증가시키는데 적용될 수 있다. 공간으로 이동된 입자들을 포함하는 입자들이 평형 상태에 도달하면, 장착 시스템에 의해 가압된 압력은 입자들의 추가적인 이동, 특히 장착 시스템 밖으로의 이동을 방지하거나 적어도 억제하는 경향이 있다.
본 발명에 따른 장착 시스템은 종이 제조에 사용되거나, 예컨대 2003년 11월 17일에 출원된 공개 국제 (PCT) 특허 출원 제WO2004061279호와, 1997년 2월 7일에 출원된 미국특허 제6,051,193호에 기재된 바와 같은 습식 프로세스(wet-laid process)에 의해 일반적으로 제조될 수 있다. 일반적으로, 개시 재료(starting material)로서의 무기질 섬유 및 유기질 결합제가 임의의 첨가제와 혼합된 후에, 무기질 섬유의 개방 단계, 슬러리 준비 단계, 종이 제조에 의한 형상화 및 몰드의 가압 단계와 같은 프로세스 단계들이 의도된 장착 시스템을 얻기 위해 순차적으로 수행된다. 또한, 습식 프로세스를 건식 프로세스와 조합하여 장착 시스템을 제조하거나, 장착 시스템의 구성에 따라 습식 프로세스 대신에 건식 프로세스를 사용하는 것도 가능하다. 건식 프로세스는 공지되고 통상의 프로세스에 의해 수행될 수 있고, 니들 펀치를 사용하는 전형적인 건식 프로세스가 될 수 있다.
그에 대한 설명이 더욱 구체적으로 제시될 것이다. 연마 입자를 함유하는 매트 및 연마 입자를 함유하지 않은 보조 매트를 포함하는 복합 매트 형태의 촉매 지지체 장착 시스템은 예컨대 다음의 방법으로 제조될 수 있다.
제조 방법 A:
무기질 섬유 및 유기질 결합제를 함유하는 제1 슬러리와, 무기질 섬유, 연마 재료의 미세 입자 및 유기질 결합제를 함유하는 제2 슬러리가 준비된다. 보조 매트의 전구체는 통상적인 종이 제조 프로세스에 의해 제1 슬러리로부터 형성되고, 연마재 함유 매트의 전구체는 유사하게 통상적인 종이 제조 프로세스에 의해 얻어진 전구체 상에서 제2 슬러리로부터 형성된다. 다음으로, 이들 2개의 전구체의 적 층물(laminate)은 높은 밀도를 얻기 위해 한 쌍의 가압 롤러 사이로 안내되어 압축된다. 최종적으로, 가압 후 적층물은 한 쌍의 가열 롤러 사이에서 가열되고, 2개 층의 일체식 매트형 촉매 지지체 장착 시스템을 제공하도록 건조된다.
제조 방법 B:
무기질 섬유 및 유기질 결합제를 함유하는 제1 슬러리가 준비되고, 보조 매트의 전구체가 보통의 종이 제조 프로세스에 의해 제1 슬러리로부터 형성된다. 무기질 섬유, 연마 재료의 미세 입자 및 유기질 결합제를 함유하는 제2 슬러리가 준비되고, 연마재 함유 매트의 전구체가 유사하게 통상의 종이 제조 프로세스에 의해 제2 슬러리로부터 형성된다. 다음으로, 얻어진 2개의 전구체는 2개 층의 일체식 매트형 촉매 지지체 장착 시스템을 제공하기 위해 보통의 접착제와 같은 임의의 접합 수단, 수지 또는 양면 테이프, 또는 스테이플링(stapling) 또는 스티칭(stitching)에 의해 접합되어 일체로 된다.
제조 방법 C:
무기질 염 프로세스에 사용된 알루미나 섬유 전구체 졸 겔(alumina fiber precursor sol gel)이 준비되어 스피닝되고, 그 후 적층, 니들 펀칭 및 소정 온도에서의 베이킹이 뒤따른다. 다음에, 유기질 결합제 내의 연마 재료의 미세 입자를 분산시켜 준비된 슬러리가 얻어진 알루미나 섬유 담요의 표면에 도포되고 흡입에 의해 탈수된다. 따라서, 연마 재료의 미세 입자가 알루미나 섬유 담요의 표면에 선택적으로 분산되고 고착된 매트형 촉매 지지체 장착 시스템이 얻어진다.
제조 방법 D:
무기질 염 프로세스에 사용된 알루미나 섬유 전구체 졸 겔이 준비되어 스피닝되고, 그 후 적층, 니들 펀칭 및 소정 온도에서의 베이킹이 뒤따른다. 다음에, 무기질 섬유, 연마 재료의 미세 입자 및 유기질 결합제로 이루어진 슬러리가 얻어진 알루미나 섬유 담요의 표면에 도포되고 흡입에 의해 탈수된다.
실시예
다음으로, 본 발명은 실시예를 참조하여 설명될 것이다. 또한, 본 발명은 물론 이들 실시예에 의해 제한되지는 않는다.
72wt%의 알루미나 및 28wt%의 실리카로 이루어진 알루미나 실리카 섬유[미쯔비시 가가꾸 산시(Mitsubishi Kagaku Sanshi)의 제품]이 우선 준비되었고, 88wt%의 이들 섬유 및 12wt%의 아크릴형 라텍스["닛뽄 LX-816", 닛뽄 제온 K.K(Nippon Zeon K.K.)의 제품]가 제1 슬러리를 제공하기 위해 혼합되었다. 이러한 슬러리가 준비되었을 때, 물 함량은 고체 농도가 5wt%로 되도록 조정되었다. 다음에, 제1 슬러리는 탈수되고, 시트형 몰드(sheet-like mold)를 제공하도록 메쉬(mesh) 상에서 시트로 성형되었다. 그 후, 몰드는 높은 밀도를 얻기 위하여 가압 롤러를 사용하여 압축되었다. 다음에, 얻어진 높은 밀도의 몰드는 비팽창성 매트를 제공하기 위해 가열 롤러를 사용하여 130℃에서 20분 동안 건조되었다. 이러한 비팽창성 매트의 평균 표면 밀도는 약 1,200g/m2이다. 또한, 이러한 비팽창성 매트는 또한 다음의 평가 테스트에서 본 발명의 복합 매트와 비교하기 위하여 대조구 샘플(Control Sample)로서 사용되었다.
다음의 표1에 열거된 연마 재료의 미세 입자(여기서 "연마 입자"로 호칭)들은 다른 입자 크기 또는 입자 직경으로 게다가 일정 양으로, 제2 슬러리를 제공하기 위해 72wt%의 알루미나 및 28wt%의 실리카로 이루어진 88wt%의 알루미나 실리카 섬유[사필 코(Saffil Co.)의 제품]와 12wt%의 아크릴형 라텍스("닛뽄 LX-816", 닛뽄 제온 K.K. 제품)의 혼합물에 혼합되었다.
알루미나 연마재: "Type SA-J01" [쇼와 덴꼬(Showa Denko) 제품]
탄화 규소 연마재: Type "C" (쇼와 덴꼬 제품)
지르코니아 연마재: Type "RZ-8C" (쇼와 덴꼬 제품)
티타니아 연마재: Type "R5N" (사까이 가가꾸 고꾜 제품)
제2 슬러리가 준비되었을 때, 물 함량은 고체 농도가 5wt%로 되도록 조정되었다. 다음에, 제2 슬러리는 탈수되고 시트형 몰드를 제공하도록 메쉬 상에서 시트로 성형되었다. 그 후 몰드는 높은 밀도를 얻기 위해 가압 롤러를 사용하여 압축되었다. 다음에, 얻어진 높은 밀도의 몰드는 연마재 함유 매트를 제공하기 위해 가열 롤러를 사용하여 130℃에서 20분 동안 건조되었다. 이러한 연마재 함유 매트의 평균 표면 밀도는 약 200g/m2이다.
다음으로, 전술된 방식으로 제조된 비팽창성 매트 및 연마재 함유 매트가 적층되고 아크릴 접착제를 사용하여 접합되었다. 따라서, 각각 260mm의 길이, 90mm의 폭, 12.5mm의 두께를 갖는 적층 일체식 복합 매트가 얻어졌다. 이들 복합 매트는 "샘플 1 내지 17"로 호칭된다.
평가 테스트(마찰력 측정):
촉매 컨버터에서 사용될 때의 촉매 지지체의 마찰 계수를 측정하기 위해, 샘플 1 내지 17 및 대조구 각각의 촉매 지지체 장착 시스템(매트)의 마찰력은 시마즈 세이사꾸쇼 K.K.(Shimazu Seisakusho K.K.) 제품인 오토그래프(autograph) "AGS 100D"를 사용하는 다음의 방식으로 측정되었다.
각 샘플은 50mm의 길이, 25mm의 폭 및 12.5mm의 두께를 갖는 시편(test piece)으로 절단되었다. 다음에, 도10에 도시된 바와 같이, 촉매 지지체를 구비한 접촉면에 대향된 시편(2)의 표면은 양면 테이프에 의해 SUS 시트(스테인리스 강 시트)에 접합되었다.
다음에, 약 1m 길이의 스테인리스 강 코드(43)가 준비되었고, 코드의 단부 중 하나가 SUS 시트(46)에 고정되었다. 풀리(45)가 하중 셀(44, load cell) 바로 밑에 배치되었고, 스테인리스 강 코드(43)의 다른 단부는 하중 셀(44)이 상승했을 때 시편(2)이 고정되어 있는 SUS 시트(46)가 지면에 대해 평행하게 이동하는 방식으로 하중 셀(44)에 고정되었다.
다음에, 시편(2)은 촉매 지지체(41)의 중심축이 전방에서 풀리(45)와 대향하고 지면에 평행한 방식으로 촉매 지지체(41) 상에 배치된다. 하중 셀(44)의 높이는 시편(2)이 풀리(45)로부터 가장 이격되는 위치에 배치되도록 조정되었다.
49N 하중(47)이 SUS 시트(46) 상으로 고정된 후에, 하중 셀(44)이 상승했고, 스테인리스 강 코드(43)는 화살표로 지시된 방향으로 100mm/min의 인장 속도로 견인했다. 시편(2)이 촉매 지지체(41)의 표면상에서 활주를 시작하기 직전의 순간 하중이 정지 마찰력(kgf)으로서 기록되었다. 이 값은 SUS 시트(46)를 포함하는 시편(2)에 대한 하중으로 나눔으로써 정지 마찰 계수를 계산했다. 측정 결과는 다음의 표1에 모두 열거되었다.
Figure 112007013519606-pct00001
표1에 나타난 측정 결과로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 촉매 지지체와의 마찰 계수는 연마 재료의 미세 입자를 본 발명에 따른 촉매 지지체 장착 시스템(이 실시예의 복합 매트)의 표면에 부가함으로써 13%까지 개선될 수 있으며, 촉매 지지체 장착 시스템의 신뢰성은 개선될 수 있다.
오염 제어 장치(예컨대, 촉매 컨버터)의 제조
전술된 평가 테스트에서 월등하다고 판단된 샘플들에 대하여, 제조를 위해 사용된 각 복합 매트는 78mm의 외경 및 100mm의 길이를 갖는 닛뽄 가이시 K.K.(Nippon Gaishi K.K.) 제품인 오염 제이 요소 또는 본체(예컨대, 모놀리식 촉매 지지체)의 외부 원주 주위로 권취되어, 각각 준비되었다. 다음에, 복합 매트로 권취된 촉매 지지체는 안내 원뿔부를 사용하여 40mm/sec의 속도로 84mm의 내경 및 120mm의 길이를 갖는 원통형 스테인리스 강 케이싱 내부로 가압되었다. 촉매 지지체 및 케이싱 사이의 간극은 캐닝(canning) 프로세스 도중에 약 3mm이다. 의도된 촉매 컨버터는 촉매 지지체 및/또는 복합 매트의 파손이나 다른 손상, 또는 촉매 컨버터 조립 능력의 저하와 같은 문제점들을 초래하지 않으면서 제조될 수 있다. 더욱이, 얻어진 촉매 컨버터는 실제 사용에 있어서 의도된 배기 정화를 충분히 나타낼 수 있다.
본 발명의 일반적 원리의 전술한 개시 및 이전의 상세한 설명으로부터, 이 기술분야의 숙련자는 본 발명의 허용 가능한 다양한 수정예, 재배치 및 대체예를 용이하게 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에 따른 장착 장치는 높은 마찰층 또는 코팅을 양쪽에 갖는 베이스 매트(base mat)를 포함할 수 있다. 하나의 높은 마찰층은 연마 입자가 함유된 세라믹 섬유(예컨대, 내화성 세라믹 섬유)를 포함할 수 있고, 2003년 11월 17일에 출원된 공개 국제(PCT) 특허 출원 제WO 2004061279호 및 1997년 2월 7일에 출원된 미국 특허 제6,051,193호에 개시된 습식 프로세스를 사용한 매트로 함께 형성될 수 있다. 다른 하나의 높은 마찰층은 매트 상으로 롤 코팅된 실리카 졸[콜로이드상 실리카(colloidal silica)]의 층을 포함할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범주는 다음의 청구범위 및 그 동등물에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (22)

  1. 오염 제어 장치의 케이싱 내측에 오염 제어 요소를 장착하기 위한 장착 시스템이며,
    오염 제어 장치에서 사용하기 위한 세라믹 섬유 재료, 및 유기질 결합제를 포함하고, 일정한 두께를 갖는 매트와,
    상기 장착 시스템이 오염 제어 장치에서 사용될 때, 오염 제어 요소의 외면과 접촉하도록 상기 매트의 적어도 접촉 표면에 배치되고, 상기 유기질 결합제에 의해 상기 장착 시스템에 고정되는 무기질 입자들을 포함하며,
    상기 무기질 입자들은 상기 매트가 그 두께 방향으로 관측될 때 입자의 농도가 상기 매트의 표면을 향하여 증가하는 방식으로 분산되고, 상기 무기질 입자들은 내열성을 갖고 상기 매트의 접촉 표면과 오염 제어 요소의 외면 사이의 마찰 계수를 증가시킬 수 있는 장착 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입자들은 상기 매트가 그 두께 방향으로 관측될 때 상기 매트의 표면으로부터 하방으로 50% 깊이까지의 범위의 하부 영역에서 상기 매트 내에 함유된 전체 함량의 적어도 70%의 함량으로 함유되는 장착 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무기질 입자들은 연마 재료로 이루어진 장착 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입자들은 JIS R6001에 의해 규정된 연마 입자 크기에 의하면 약 F1,200 내지 약 F60 범위의 입자 크기를 갖는 장착 시스템.
  6. 케이싱과, 상기 케이싱 내측에 배치된 오염 제어 요소와, 제1항 또는 제2항에 한정된 장착 시스템을 포함하는 오염 제어 장치이며,
    상기 장착 시스템은 상기 케이싱 내의 소정 위치에 상기 오염 제어 요소를 보유하도록 상기 케이싱과 상기 오염 제어 요소 사이에 개재되는 오염 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 오염 제어 요소는 촉매 지지체 또는 필터 요소인 오염 제어 장치.
  8. 제6항에 한정된 오염 제어 장치를 포함하는 내연 기관용 배기 시스템.
  9. 제8항에 한정된 배기 시스템을 포함하는 내연 기관.
  10. 제9항에 한정된 내연 기관을 포함하는 차량.
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