KR101484262B1 - 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치 - Google Patents

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Abstract

튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터; 및 상기 금속폼 히터의 외측에 일정한 간격을 두고 배치되고, 상기 금속폼 히터를 통하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 여과체를 포함한다.

Description

튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치{DEVICE FOR FILTERING EXHAUST GAS USING TUBE TYPE HEATER}
본 발명은 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스 유입 면적을 최대화 하여 배압 조절이 용이함과 아울러 열 손실을 최소화 할 수 있고, 금속폼 히터를 사용함으로써 반응 및 재생 성능을 높일 수 있는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 내연 기관의 연소로 배출되는 배기가스에는 질소산화물(NOX), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(PM) 등 여러 가지 유해 성분이 포함되어 있으며, 이들 유해 성분을 제거하기 위한 장치나 방법들이 고안되고 있다.
예컨대, 디젤 엔진용 차량에서는 배기가스를 배출하는 배기관에 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC) 등의 배기가스 여과 장치 또는 후처리 장치를 설치하여 유해 성분 등을 제거하고 있다.
특히, 디젤 엔진용 차량이 도심주행/저속구간/아이들 기간(idle period)/엔진 시동시(저유량 조건) 등과 같은 운행조건의 특정 조건에서는 촉매 재생이 되기 위한 온도가 도달하지 못하기 때문에 수트(soot)가 재생되지 않고, 즉 태워 없어지지 않고 쌓여 성능 저하 및 품질 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 필터 또는 촉매의 전방에 배기가스를 발열시켜 주기 위한 히터를 설치하고 있다.
이와 같이 히터를 사용하게 되면, 히터 장치가 배기가스 유입 온도를 촉매 재생 온도까지 상승시킴으로써 배기가스를 저감시킬 수 있다. 뿐만 아니라 촉매가 코팅된 발열체를 사용함으로써 발열체 표면에서의 촉매 반응을 유도하여 효율을 증가 시킬 수 있는 장점이 있다.
종래의 히터는 주로 FeCrAl 소재의 금속 담채 모노리스(Monolith)를 발열체로 사용하여 메인(Main) DOC 또는 DPF 상단에 설치하여 배기 유입 온도를 재생 온도까지 상승시킴으로써 재생을 원활히 하는데 목적을 두고 있다. 그러나, 제한된 자동차 전기 용량의 문제로 인해 적은 전기 용량을 사용하여 종래의 발열체 소재 및 디자인으로는 요구 조건을 만족 시키기에는 한계가 있다. 결국 최소한의 전기 용량으로 열 손실을 최소화하고 재생 요구 조건을 만족시켜야 한다.
또한, 종래의 히터는 일정한 간격을 두고 발열체를 감고 있기 때문에 안쪽과 바깥쪽의 곡률 반경이 다르게 되는데, 이는 국부적인 전기저항을 높여 발열체가 과열되어 단락 될 수 있으며, 배기가스 온도 분포가 균일하지 않게 되는 문제점이 있었다. 즉, 히터의 발열체의 곡률 반경이 작으면 전기저항이 많아 열이 많이 발생하고 곡률 반경이 크면 열이 적게 발생하게 되므로 전체적으로 배기가스 유입 온도가 불 균일하게 된다.
또한, 종래의 히터로 사용되는 히터의 재료는 FeCrAl 박막(thin film)을 주로 물결 모양으로 만들어 적층한 디자인으로 전기 저항체로써 열에너지를 이동시키는 역할은 가능하지만 발열체 내에서의 난류 유동을 발생시켜 발열 온도에 의한 촉매 재생 반응을 유도하는데 비효율적이다.
또한 종래의 FeCral 박막 소재를 전기 저항체로 사용할 경우 저 전압(예컨대, 12~48V)의 경우에는 사용 가능하나 예컨대, 하이브리드(Hybrid) 또는 이어시스트(e-assist) 차량의 경우에는 고 전압을 사용하기 때문에 고 저항 설계를 하기에는 한계가 있다.
본 발명은 배기가스 유입 면적을 최대화 하여 배압 조절이 용이함과 아울러 열 손실을 최소화 할 수 있고, 금속폼 히터를 사용함으로써 반응 및 재생 성능을 높일 수 있는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터; 및
상기 금속폼 히터의 외측에 일정한 간격을 두고 배치되고, 상기 금속폼 히터를 통하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 여과체를 포함하는 배기가스 여과 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터; 및
상기 금속폼 히터의 내측에 일정한 간격을 두고 배치됨과 아울러 공간부를 갖고 원통형상으로 형성되고, 상기 공간부로 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 내부 여과체를 포함하는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터;
상기 금속폼 히터의 외측에 일정한 간격을 두고 배치되고, 상기 금속폼 히터를 통하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 여과체; 및
상기 금속폼 히터의 내측에 일정한 간격을 두고 배치됨과 아울러 공간부를 갖고 원통형상으로 형성되고, 상기 공간부로 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 내부 여과체를 포함하는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치가 제공될 수 있다.
상기 금속폼 히터와 상기 외부 여과체의 사이에 배치되고, 상기 금속폼 히터와 상기 외부 여과체를 서로 격리시켜 주기 위한 격리부재를 포함할 수 있다.
상기 금속폼 히터는 상기 외부 여과체의 내주면 또는 상기 내부 여과체의 외주면과 일정한 간격을 두고 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 제1, 제2 금속폼;
상기 제1, 제2 금속폼의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼과 상기 제2 금속폼을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자; 및
상기 제1, 제2 금속폼의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자와 음극 단자를 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼은 적어도 한 개 이상의 엘리먼트(element)로 구성될 수 있으며, 요구되는 저항 및 직경 사이즈에 따라 다수의 엘리먼트로 구성될 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼의 타단부에는 상기 제1, 제2 금속폼과 상기 외부 여과체를 절연시켜 주기 위한 절연체가 설치될 수 있다.
상기 절연체에는 상기 양극 단자와 상기 음극 단자가 삽입되기 위한 제1, 제2 삽입구멍이 각각 형성될 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼은 상기 금속폼 히터의 전체 형상이 원통형상을 이루도록 각각 적어도 하나 이상의 분할 제1, 제2 금속폼으로 분할될 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼은 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 50㎛ ~ 10000㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있다.
상기 제1 금속폼과 상기 제2 금속폼의 사이의 간극은 전기 절연이 가능하도록 2mm~3mm로 형성되거나, 상기 간극은 전기 절연체로 채워질 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼에는 촉매가 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있으며, 상기 촉매가 코팅되는 경우에 상기 촉매는 V2O5, WO3, SbO3, MoO3, TiO2, 및 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pt), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매 중에서 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 접속 단자와 상기 제1, 제2 금속폼은 금속 접합제, 볼트 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합될 수 있다.
상기 양극 단자와 상기 제1 금속폼은 금속 접합제, 볼트 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되고,
상기 음극 단자와 상기 제2 금속폼은 금속 접합제, 볼트 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합될 수 있다.
상기 외부 여과체는 상기 격리부재에 의하여 상기 제1, 제2 금속폼과 일정한 간격을 유지하고, 상기 금속폼 히터에 의하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 금속폼으로 이루어질 수 있다.
상기 외부 여과체는 중공의 원통형상으로 형성될 수 있다.
상기 외부 금속폼은 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 50㎛ ~ 10000㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있다.
상기 격리부재의 일단부는 상기 접속단자와 연결되고, 상기 격리부재의 타단부는 상기 절연체와 연결될 수 있다.
상기 격리부재에는 상기 금속폼 히터에 의하여 가열된 배기가스가 통과될 수 있는 복수개의 기공이 형성될 수 있다.
상기 기공은 상기 배기가스가 용이하게 통과될 수 있도록 상기 격리부재의 원주면에 격자 형태로 일정한 간격으로 형성될 수 있다.
상기 접속 단자는 용이한 전기 전도를 위하여 인청동 재질의 플레이트로 이루어지거나, FeCrAl 또는 SUS 계열의 소재로 이루어질 수 있다.
상기 금속폼 히터, 상기 외부 여과체 및/또는 상기 내부 여과체가 복수개인 경우, 상기 금속폼 히터는 상기 외부 여과체와 상기 내부 여과체의 사이에 배치되고,
상기 외부 여과체와 상기 내부 여과체의 사이에 상기 금속폼 히터가 배치될 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 히터가 복수개의 엘리멘트로 이루어지는 경우, 상기 양극 단자와 상기 음극 단자는 전체적으로 직렬로 연결되거나 병렬로 연결될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 원통형상의 금속폼 히터의 내부 또는 외부에 원통형상의 내부 여과체 또는 외부 여과체를 설치하여, 배기가스 유입 면적을 최대화 할 수 있고, 저항 설계에 대한 자유도를 높일 수 있으며 배압 성능을 최적화 할 수 있고, 금속폼 히터의 무게 대비 비표면적을 최대화 할 수 있으므로 금속폼 히터로 사용하였을 경우 금속폼 히터 자체 표면에서의 반응 및 재생 성능 효율을 극대활 할 수 있으며, 균일하게 온도를 분포시키거나 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치에서 외부 여과체를 생략한 일부 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 금속폼 히터를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 금속폼 히터의 일부 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 일부 절개 사시도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치에서 외부 여과체를 생략한 일부 사시도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 금속폼 히터를 나타낸 사시도이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 금속폼 히터의 일부 사시도이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치는, 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관(미도시)을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터(100); 및
상기 금속폼 히터(100)의 외측에 일정한 간격을 두고 배치되고, 상기 금속폼 히터(100)를 통하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 여과체(200)를 포함할 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치는, 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관(미도시)을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터(100); 및
상기 금속폼 히터(100)의 내측에 일정한 간격을 두고 배치됨과 아울러 공간부(310)를 갖고 원통형상으로 형성되고, 상기 공간부(210)로 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 내부 여과체(300)를 포함할 수 있다.
또한, 도 8 및 도 9를 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치는, 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관(미도시)을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터(100);
상기 금속폼 히터(100)의 외측에 일정한 간격을 두고 배치되고, 상기 금속폼 히터(100)를 통하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 여과체(200); 및
상기 금속폼 히터(100)의 내측에 일정한 간격을 두고 배치됨과 아울러 공간부(310)를 갖고 원통형상으로 형성되고, 상기 공간부(210)로 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 내부 여과체(300)를 포함할 수 있다.
상기 금속폼 히터(100), 상기 외부 여과체(200) 및/또는 상기 내부 여과체(300)가 복수개인 경우, 상기 금속폼 히터(100)는 상기 외부 여과체(200)와 상기 내부 여과체(300)의 사이에 배치될 수 있으며,
또한, 상기 외부 여과체(200)와 상기 내부 여과체(300)의 사이에 상기 금속폼 히터(100)가 배치될 수 있다.
상기 금속폼 히터(100)와 상기 외부 여과체(200)의 사이에 배치되고, 상기 금속폼 히터(100)와 상기 외부 여과체(200)를 서로 격리시켜 주기 위한 격리부재(400)를 포함할 수 있다.
상기 격리부재(400)는 상기 금속폼 히터(100)와 외부 여과체(200)를 지지하는 지지체로서 작용할 수 있다.
상기 금속폼 히터(100)는 상기 내부 여과체(300)의 배기가스를 효과적으로 가열할 수 있도록 상기 내부 여과체(300)의 중심과 동일한 중심을 가지고 상기 내부 여과체(300)의 외주면에 대응하게 배치될 수 있다.
상기 금속폼 히터(100)는 상기 외부 여과체(200)의 내주면 또는 상기 내부 여과체(300)의 외주면과 일정한 간격을 두고 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 제1, 제2 금속폼(110, 120);
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼(110)과 상기 제2 금속폼(120)을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자(130); 및
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자(140)와 음극 단자(150)를 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)은 적어도 한 개 이상의 엘리먼트(element)로 구성될 수 있으며, 요구되는 저항 및 직경 사이즈에 따라 다수의 엘리먼트로 구성될 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)이 복수개의 엘리멘트로 이루어지는 경우, 상기 양극 단자(140)와 상기 음극 단자(150)는 전체적으로 직렬로 연결되거나 병렬로 연결될 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)의 타단부에는 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)과 상기 외부 여과체(200)를 절연시켜 주기 위한 절연체(160)가 설치될 수 있다.
상기 절연체(160)는 절연이 가능한 재질이면 어떠한 재질로 형성되어도 무방하다.
상기 절연체(160)에는 상기 양극 단자와 상기 음극 단자가 삽입되기 위한 제1, 제2 삽입구멍(161, 163)이 각각 형성될 수 있다.
상기 절연체(161)는 상기 양극 단자(140)와 상기 음극 단자(150)가 용이하게 삽입될 수 있도록 링 형상으로 형성되고, 상기 양극 단자(140)와 상기 음극 단자(150)의 크기보다 크게 형성될 수 있다.
상기 제1, 제2 삽입구멍(161, 163)은 상기 절연체(160)의 반경 방향을 따라 일정한 크기와 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)은 Ni, Fe, Cu, Ti, Al, Al2O3, Cr 등의 유기 및 무기 재질로 이루어진 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 유기/무기 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 일반적인 접합 방법으로 접합하여 표면을 올록볼록하게 제조할 수 있다.
이러한 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)의 표면의 올록볼록한 기하학적 형상은 촉매 코팅시 촉매 접착력을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 촉매 활성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 제1 금속폼(110)과 상기 제2 금속폼(120)은 서로 다른 크기와 형상으로 형성될 수 있지만, 상기 배기가스를 효과적으로 가열할 수 있도록 동일한 크기와 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)은 상기 금속폼 히터(100)의 전체 형상이 원통형상을 이루도록 각각 적어도 하나 이상의 분할 제1, 제2 금속폼으로 분할될 될 수 있으며, 상기 분할 제1, 제2 금속폼은 서로 다른 크기와 형상으로 형성될 수 있지만, 동일한 크기와 형상으로 형성될 수 있다.
상기 분할 제1, 제2 금속폼은 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)의 중심을 기준으로 일정한 각도를 이루면서 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)의 길이 방향으로 분할될 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)은 Ni계 금속폼, Fe계 금속폼, NiFeCrAl계 금속폼 중 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)은 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 수십㎛ 내지 수천㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 50㎛ ~ 10000㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있다.
상기 제1 금속폼(110)과 상기 제2 금속폼(120)의 사이에는 전기 절연이 가능하도록 간극(t)이 형성되는데, 상기 간극(t)은 수mm로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 2mm~3mm로 형성될 수 있다.
또한, 상기 간극(t)은 유체가 간극을 통해 바이패스 하지 않고 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)을 통과하도록 유도할 수 있도록 세라믹 계열의 전기 절연체로 채워질 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)에는 촉매가 코팅될 수 있으며, 상기 촉매가 코팅되는 경우에 상기 촉매는 V2O5, WO3, SbO3, MoO3, TiO2, 및 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pt), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매 중에서 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)에는 촉매가 코팅되지 않을 수도 있음은 물론이다.
상기 접속 단자(130)는 용이한 전기 전도를 위하여 인청동 재질의 플레이트로 이루어지거나, FeCrAl 또는 SUS 계열의 소재 등으로 이루어질 수 있다.
상기 접속 단자(130)와 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)은 메탈 본드(metal bond) 등과 같은 금속 접합제를 이용하여 접합될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 볼트 또는 브레이징(brazing) 등에 의하여 결합될 수 있다.
또한, 상기 양극 단자(140)와 상기 음극 단자(150)는 용이한 전기 전도를 위하여 인청동 재질의 플레이트로 이루어질 수 있다.
상기 양극 단자(140)와 상기 제1 금속폼(110)은 메탈 본드 등과 같은 금속 접합제에 의하여 접합될 수 있으며, 볼트 또는 브레이징(brazing) 등에 의하여 결합될 수 있다.
상기 음극 단자(150)와 상기 제2 금속폼(120)은 메탈 본드 등과 같은 금속 접합제에 의하여 접합될 수 있으며, 볼트 또는 브레이징(brazing) 등에 의하여 결합될 수 있다.
상기 외부 여과체(200)는 상기 격리부재(400)에 의하여 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)과 일정한 간격을 유지하고, 상기 금속폼 히터에 의하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 금속폼(210)으로 이루어질 수 있다.
상기 외부 금속폼(210)은 상기 배기가스를 여과할 수 있으면 어떠한 형상이라도 무방하지만, 상기 배기가스를 효과적으로 여과할 수 있도록 일정한 크기의 직경과 길이를 갖는 중공의 원통형상으로 형성될 수 있다.
상기 외부 금속폼(210)은 상기 배기가스를 효과적으로 여과할 수 있도록 상기 내부 여과체(300)와 동일한 중심을 갖고 상기 금속폼 히터(100)의 외측에 대응하게 배치될 수 있다.
상기 외부 금속폼(210)은 Ni, Fe, Cu, Ti, Al, Al2O3, Cr 등의 유기 및 무기 재질로 이루어진 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 유기/무기 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 일반적인 접합 방법으로 접합하여 표면을 올록볼록하게 제조할 수 있다.
이러한 상기 외부 금속폼(210)의 표면의 올록볼록한 기하학적 형상은 촉매 코팅시 촉매 접착력을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 촉매 활성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 외부 금속폼(210)은 Ni계 금속폼, Fe계 금속폼, NiFeCrAl계 금속폼 중 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 외부 금속폼(210)은 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 수십㎛ 내지 수천㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 50㎛ ~ 10000㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있다.
상기 내부 여과체(300)는 배기가스를 여과할 수 있으면 어떠한 형상이라도 무방하지만, 상기 배기가스의 유입 면적을 최대화할 수 있도록 일정한 크기의 직경과 길이를 갖는 중공의 원통형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 내부 여과체(300)는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 질소 산화물 제거 장치 (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), 삼원촉매(Three Way Catalyst)를 포함하는 그룹에서 선택된 물질을 적어도 하나 포함할 수 있다.
또한, 상기 격리부재(400)는 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)의 외측에 일정한 간격을 두고 배치됨과 아울러 상기 접속 단자(130)와 상기 절연체(160)의 외측면에 배치될 수 있다.
상기 격리부재(400)는 예컨대, 스테인레스 스틸 등과 같은 재질로 형성될 수 있다.
상기 격리부재(400)의 일단부는 상기 접속단자(130)와 연결되고, 상기 격리부재(400)의 타단부는 상기 절연체(160)와 연결될 수 있다.
상기 격리부재(400)에는 상기 금속폼 히터(100)에 의하여 가열된 배기가스가 통과될 수 있는 복수개의 기공(410)이 형성될 수 있다.
상기 기공(410)은 상기 배기가스가 용이하게 통과될 수 있도록 상기 격리부재(400)의 원주면에 격자 형태로 일정한 간격으로 형성될 수 있다.
상기 기공(410)의 형상은 원형상, 타원형상 등으로 형성될 수 있으며, 상기 배기가스가 보다 용이하게 통과될 수 있도록 사각형상으로 형성될 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치의 작동에 대해서 설명한다. 여기서는 상기 금속폼 히터(100)가 상기 외부 여과체(200)와 상기 내부 여과체(300)의 사이에 위치된 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 외부의 전원 공급부로부터 상기 양극 단자(140)에 전원이 공급되면, 전기는 상기 양극 단자(140)로부터 상기 제1 금속폼(110), 상기 접속 단자(130), 상기 제2 금속폼(120), 및 상기 음극 단자(150)로 순차적으로 흐르게 된다.
이 때, 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)에 전기가 인가되면, 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120)은 저항열을 발생시켜 발열되고, 상기 절연체(160)에 의하여 상기 격리부재(400)와 상기 외부 여과체(200)의 외부 금속폼(210)과 절연 상태로 된다.
이러한 상태에서 상기 배기관을 통하여 배기가스가 배출되면, 상기 배기가스는 도 1 및 도 2의 화살표와 같이 상기 내부 여과체(300)의 공간부(310)로 유입된 후 상기 내부 여과체(300)를 통과하게 되면서 상기 내부 여과체(300)에 의하여 여과된다.
즉, 상기 배기가스가 상기 내부 여과체(300), 예컨대 디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF) 또는 디젤 산화 촉매(DOC), 또는 질소 산화물 제거 장치를 통과하게 되는데, 상기 내부 여과체(300)는 상기 배기가스에 포함된 질소산화물(NOX), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(PM) 등 여러 가지 유해 성분을 제거하게 된다.
상기 공간부(310)로 유입된 배기가스는, 상기 내부 여과체(300)의 외측에 배치된 상기 금속폼 히터(100)의 제1, 제2 금속폼(110, 120)에 의하여 발열된 열에 의하여 가열되고 촉매 재생 온도까지 상승하게 되므로 촉매 재생이 원활하게 된다.
그리고, 상기 배기가스는 도 도 1 및 도 2의 화살표와 같이 상기 내부 여과체(300)와 상기 금속폼 히터(100)의 제1, 제2 금속폼(110, 120) 및 상기 격리부재(400)의 기공(410), 및 상기 외부 여과체(200)를 순차적으로 통과한 후 외부로 배출된다.
상기 외부 여과체(200)의 외부 금속폼(210)은 상기 금속폼 히터(200)의 제1, 제2 금속폼(110, 120)을 통하여 가열된 배기가스를 여과한다.
상기 배기가스가 상기 제1, 제2 금속폼(110, 120) 및 상기 외부 금속폼(210)의 기공을 통과하게 되면, 기공 내에서 난류 유동이 발생됨과 아울러 효과적으로 촉매 재생 온도까지 가열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속폼 히터의 제1, 제2 금속폼의 외측에 상기 격리부재에 의하여 일정한 간격을 유지하면서 외부 여과체가 배치되고, 상기 금속폼 히터의 내측에 공간부를 갖고 일정한 간격을 유지하면서 내부 여과체가 배치되어 있으므로, 배기가스 유입 면적을 최대화함으로써 배압성능을 최적화시킬 수 있다.
또한, 상기 금속폼 히터는 무게 대비 비표면적이 크므로 발열체로 사용되어 외부 여과체 및 내외 여과체와 같이 사용되면 금속폼 발열체 자체의 반응 및 재생 성능을 유도할 수 있다.
또한, 상기 금속폼 히터는 기공에서 난류 유동이 발생되어 금속폼 히터 자체의 발열과 난류 유동으로 인하여 자체 성능을 극대화 할 수 있다.
그리고, 상기 금속폼 히터는 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 일반적인 접합 방법을 통하여 형성되고 다수의 기공을 가지고 있으므로, 균일하게 온도를 분포시키거나 전달하는데 효율적이다.
또한, 상기 금속폼 히터는 일정한 간극을 두고 전기 절연이 되어 있는데, 그 간극은 세라믹 계열의 재료로 충진이 가능하여 상기 내부 여과체의 공간부로 유입된 배기가스가 상기 금속폼 히터를 통과하면서 난류 유동과 함께 자체 성능이 최대화 될 수 있다.
또한, 저항 설계에 있어서 상기 금속폼 히터의 단면적 및 길이를 기공 사이즈에 따라 자유롭게 조절이 가능하게 되므로 저저항 및 고저항 설계가 용이하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 금속폼 히터 110: 제1 금속폼
120: 제2 금속폼 130: 접속 단자
140: 양극 단자 150: 음극 단자
160: 절연체 200: 외부 여과체
210: 외부 금속폼 300: 내부 여과체
310: 공간부 400: 격리부재
410: 기공

Claims (23)

  1. 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터; 및
    상기 금속폼 히터의 외측에 일정한 간격을 두고 배치되고, 상기 금속폼 히터를 통하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 여과체
    를 포함하고,
    상기 금속폼 히터는 상기 외부 여과체의 내주면과 일정한 간격을 두고 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 제1, 제2 금속폼;
    상기 제1, 제2 금속폼의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼과 상기 제2 금속폼을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자; 및
    상기 제1, 제2 금속폼의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자와 음극 단자를 포함하고,
    상기 제1, 제2 금속폼은 요구되는 저항 및 직경 사이즈에 따라 하나 이상의 엘리먼트로 구성되고, 전체 형상이 원통형상을 이루도록 각각 하나 이상의 금속폼으로 형성되고, Ni, Fe, Cu, Ti, Al, Al2O3, Cr 등의 유기 및 무기 재질로 이루어진 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 유기 또는 무기 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 접합 방법으로 접합하여 표면을 올록볼록하게 제조되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  2. 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터; 및
    상기 금속폼 히터의 내측에 일정한 간격을 두고 배치됨과 아울러 공간부를 갖고 원통형상으로 형성되고, 상기 공간부로 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 내부 여과체를 포함하고,
    상기 금속폼 히터는 상기 내부 여과체의 외주면과 일정한 간격을 두고 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 제1, 제2 금속폼;
    상기 제1, 제2 금속폼의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼과 상기 제2 금속폼을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자; 및
    상기 제1, 제2 금속폼의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자와 음극 단자를 포함하고,
    상기 제1, 제2 금속폼은 요구되는 저항 및 직경 사이즈에 따라 하나 이상의 엘리먼트로 구성되고, 전체 형상이 원통형상을 이루도록 각각 하나 이상의 금속폼으로 형성되고, Ni, Fe, Cu, Ti, Al, Al2O3, Cr 등의 유기 및 무기 재질로 이루어진 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 유기 또는 무기 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 접합 방법으로 접합하여 표면을 올록볼록하게 제조되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  3. 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하여 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 히터;
    상기 금속폼 히터의 외측에 일정한 간격을 두고 배치되고, 상기 금속폼 히터를 통하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 여과체; 및
    상기 금속폼 히터의 내측에 일정한 간격을 두고 배치됨과 아울러 공간부를 갖고 원통형상으로 형성되고, 상기 공간부로 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 내부 여과체를 포함하고,
    상기 금속폼 히터는 상기 외부 여과체의 내주면 또는 상기 내부 여과체의 외주면과 일정한 간격을 두고 중공의 원통형상을 이루도록 배치되고, 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 제1, 제2 금속폼;
    상기 제1, 제2 금속폼의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼과 상기 제2 금속폼을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자; 및
    상기 제1, 제2 금속폼의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자와 음극 단자를 포함하고,
    상기 제1, 제2 금속폼은 요구되는 저항 및 직경 사이즈에 따라 하나 이상의 엘리먼트로 구성되고, 전체 형상이 원통형상을 이루도록 각각 하나 이상의 금속폼으로 형성되고, Ni, Fe, Cu, Ti, Al, Al2O3, Cr 등의 유기 및 무기 재질로 이루어진 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 유기 또는 무기 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 접합 방법으로 접합하여 표면을 올록볼록하게 제조되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 금속폼 히터와 상기 외부 여과체의 사이에 배치되고, 상기 금속폼 히터와 상기 외부 여과체를 서로 격리시켜 주기 위한 격리부재를 포함하는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속폼의 타단부에는 상기 제1, 제2 금속폼과 상기 외부 여과체를 절연시켜 주기 위한 절연체가 설치되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연체에는 상기 양극 단자와 상기 음극 단자가 삽입되기 위한 제1, 제2 삽입구멍이 각각 형성되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속폼은 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 50㎛ ~ 10000㎛ 범위 내의 크기로 형성되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 금속폼과 상기 제2 금속폼의 사이의 간극은 전기 절연이 가능하도록 2mm~3mm로 형성되거나, 상기 간극은 전기 절연체로 채워지는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속폼에는 촉매가 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있으며, 상기 촉매가 코팅되는 경우에 상기 촉매는 V2O5, WO3, SbO3, MoO3, TiO2, 및 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pt), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매 중에서 적어도 하나 이상으로 이루어지는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 단자와 상기 제1, 제2 금속폼은 금속 접합제, 볼트 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 양극 단자와 상기 제1 금속폼은 금속 접합제, 볼트 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되고,
    상기 음극 단자와 상기 제2 금속폼은 금속 접합제, 볼트 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 외부 여과체는 상기 격리부재에 의하여 상기 제1, 제2 금속폼과 일정한 간격을 유지하고, 상기 금속폼 히터에 의하여 가열된 배기가스를 여과하기 위한 외부 금속폼으로 이루어지는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 외부 여과체는 중공의 원통형상으로 형성되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 외부 금속폼은 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 50㎛ ~ 10000㎛ 범위 내의 크기로 형성되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  18. 제4항에 있어서,
    상기 격리부재의 일단부는 상기 접속단자와 연결되고, 상기 격리부재의 타단부는 상기 절연체와 연결되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 격리부재에는 상기 금속폼 히터에 의하여 가열된 배기가스가 통과될 수 있는 복수개의 기공이 형성되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 기공은 상기 배기가스가 용이하게 통과될 수 있도록 상기 격리부재의 원주면에 격자 형태로 일정한 간격으로 형성되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  21. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접속 단자는 용이한 전기 전도를 위하여 인청동 재질의 플레이트로 이루어지거나, FeCrAl 또는 SUS 계열의 소재로 이루어지는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  22. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속폼 히터, 상기 외부 여과체 및/또는 상기 내부 여과체가 복수개인 경우, 상기 금속폼 히터는 상기 외부 여과체와 상기 내부 여과체의 사이에 배치되고,
    상기 외부 여과체와 상기 내부 여과체의 사이에 상기 금속폼 히터가 배치되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
  23. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속폼 히터가 복수개의 엘리멘트로 이루어지는 경우, 상기 양극 단자와 상기 음극 단자는 전체적으로 직렬로 연결되거나 병렬로 연결되는 튜브 타입 히터를 이용한 배기가스 여과 장치.
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