KR101523830B1 - 배기 가스 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

배기 가스 처리 장치용 장착 매트는 무기 섬유, 유기 바인더, 항산화제, 선택적으로 클레이 및 선택적으로 팽창성 재료를 포함한다. 배기 가스 처리 장치는 하우징, 이 하우징 내에 탄성 장착되는 취성 촉매 지지 구조물, 및 하우징과 취성 촉매 지지 구조물 사이의 틈에 배치되는 장착 매트를 포함한다. 배기 가스 처리 장치용 장착 매트의 형성 방법 및 장착 매트를 포함하는 배기 가스 처리 장치의 형성 방법이 추가로 기재되어 있다.

Description

배기 가스 처리 장치 {EXHAUST GAS TREATMENT DEVICE}
배기 가스를 처리하는 장치로서는 촉매 변환기 또는 디젤 입자 트랩 등이 있다. 이러한 장치는 장착 매트에 의해 하우징내에 장착되는 취성 구조물 (fragile structure) 을 포함하고, 이 장착 매트는 하우징과 취성 구조물 사이의 틈 (gap) 에 배치된다.
배기 가스 처리 장치는 엔진 방출물의 대기 오염을 저감시키도록 차량에 사용된다. 광범위하게 사용되는 배기 가스 처리 장치의 예로는 촉매 변환기 및 디젤 입자 트랩을 포함한다.
차량 엔진의 배기 가스를 처리하는 촉매 변환기는 하우징, 일산화탄소와 탄화수소의 산화 및 질소 산화물의 저감을 실행하는데 사용되는 촉매를 유지하는 취성 촉매 지지 구조물, 및 하우징 내에 취성 촉매 지지 구조물을 탄성 유지하도록 하우징의 내부면 및 취성 촉매 지지 구조물의 외부면 사이에 배치되는 장착 매트를 포함한다.
디젤 엔진에 의해 생성되는 오염물을 제어하는 디젤 입자 트랩은, 일반적으로 하우징, 디젤 엔진 방출물로부터 입자를 집속하는 취성 입자 필터 또는 트랩, 및 하우징 내에 취성 필터 또는 트랩 구조물을 탄성 유지하도록 하우징의 내부면 및 필터 또는 트랩의 외부면 사이에 배치되는 장착 매트를 포함한다.
취성 구조물은 일반적으로 산화알루미늄, 이산화규소, 산화마그네슘, 지르코니아, 코디어라이트, 및 탄화규소 등과 같은 취성의 세라믹 재료 또는 취성의 금속 재료로 제조되는 일체 구조물 (monolithic structure) 을 포함한다. 이러한 재료는 다수의 가스 유동 채널을 가진 골조형 구조물을 제공한다. 이러한 일체 구조물은 취성이어서 작은 충격 부하 또는 응력에도 균열 또는 파괴되기에 충분할 수 있다. 열적 충격 및 기계적 충격 및 전술한 바와 같은 다른 응력에 대하여 취성 구조물을 보호하고 뿐만 아니라 단열 및 가스 시일을 제공하기 위해서, 취성 구조물 및 하우징 사이의 틈에 장착 매트가 위치된다.
사용되는 장착 매트의 재료는 취성 구조물 제조사 또는 배기 가스 처리 장치 제조사에 의해 설정되는 어떠한 다수의 설계 또는 물리적 요건을 만족할 수 있어야 한다. 예를 들어, 배기 가스 처리 장치가 광범위한 온도 변동을 받아, 취성 구조물에 비하여 금속 하우징에 상당한 팽창 및 수축을 유발하여, 또한 소정의 기간에 걸쳐 장착 매트에 대하여 상당한 압축 및 해제 사이클을 유발할 때라도, 장착 매트의 재료는 취성 구조물에 유효 잔류 유지압 (effective residual holding pressure) 을 가할 수 있어야 한다.
배기 가스 처리 장치에 사용되는 세라믹 및 금속 기재는 무기 섬유계 장착 매트를 가진 금속 하우징내에 대부분 장착된다. 이러한 장착 매트의 재료는 무기 섬유만을 포함할 수 있다. 하지만, 장착 매트의 재료는 또한 다른 종류의 섬유, 유기 바인더, 무기 바인더 및 팽창성 재료 (intumescent materials) 를 포함할 수 있다.
장착 매트는 기재의 위치를 효과적으로 유지하도록 광범위한 작동 온도에 걸쳐 기능하여야 한다. 기재는 진동으로 인해 이 기재에 작용하는 축방향 힘을 받게 된다. 장착 매트는 또한 금속 하우징이 기재 자체보다 다소 팽창하는 것을 보상해준다. 다양한 배기가스 처리 장치는 대기 조건, 20℃ ~ 약 1200℃ 의 온도 범위에 걸쳐 작동한다. 그리하여, 장착 매트는 이러한 광범위한 온도 범위에 걸쳐 강력한 유지압 성능을 제공하여야 한다.
보다 효과적인 엔진 설계 또는 디젤 동력식 차량의 대중화 증가로 인해 저온 적용이 보다 일반적이기 때문에, 저온 및 고온 둘 다에서 잘 실시되는 장착 매트에 대한 요구가 증가하고 있다.
고온 촉매 변환기에 제공되는 온도에 도달하지 못하는, 디젤 입자 트랩 또는 디젤 촉매 구조물 등의 저온 배기 가스 처리 장치의 적용에 있어서, 취성 구조물의 중량 및 사용되는 탑재 기법은 최소한의 유효 잔류 유지압을 가진 장착 매트를 필요로 한다. 이러한 적용시, 취성 구조물이 제거되어 손상되는 것을 방지하기 위해서는 장착 매트에 대하여 적어도 약 25 kPa 의 보다 더 큰 최소 전단 강도가 달성되는 것이 바람직하다. 기재가 무거운 높은 G-부하 적용에 있어서의 이러한 매트 생성물의 마찰 계수는 사용 조건에서 대략 0.45 이다. 그리하여, 이러한 유형의 적용을 위한 장착 매트는 적어도 약 50 kPa, 약 300℃ 의 온도에서 1000 사이클의 시험 후에 최소한의 유효 잔류 유지압을 가져야 한다.
터보과급된 직접 분사 (TDI) 디젤 동력식 차량 등의 저온 적용시, 배기 온도는 통상적으로 약 150℃ 이고 절대로 300℃ 를 초과할 수 없다. 통상의 팽창성 매트와 조립된 촉매 변환기가 예측하지 못한 고주파수로 파괴되는 분야에서 관찰되었다.
이러한 파괴의 한 원인으로는, 배기 온도가 너무 낮아 팽창성 재료, 통상적으로 질석 (vermiculite) 입자를 팽창시키지 못하기 때문이다. 이는, 약 500℃ 로 예열되어 팽창성 입자를 미리 팽창시킨 변환기에서도 나타난다. 그 후에 저온 적용시에 사용될 때, 매트는 취성 구조물에 대하여 충분한 압력을 제공하지 못하여 파괴된다. 350℃ 이상의 온도에서, 팽창성 입자는 팽창하고 또한 취성 구조물에 대한 매트의 유지힘을 증가시킨다.
장착 매트에 다양한 유기 바인더를 함침시킴으로써 가요성이 얻어진다. 하지만, 배기 가스 처리 장치는 유지힘을 열화시키고 또한 손실을 유발하는 매트 생성물에 유기 바인더가 존재함으로써 불량한 저온 성능 (<300℃) 이 문제가 된다. 유지력은 실온에서부터 약 200℃ 까지 점진적으로 손실된다. 하지만, 약 200℃ ~ 약 250℃ 에서 유지력은 급속하게 손실된다.
배기 가스 처리 장치에 대한 장착 매트 재료의 저온 성능을 개선하고자 하는 종래의 시도가 있었다. 이러한 일 시도로서는 유기 바인더가 부정적인 영향을 주는 온도 범위에 걸쳐 팽창하는 (즉, 부피 증가) 장착 매트에 팽창 입자를 포함시키는 것이다. 불행하게도, 이러한 팽창 입자는 유기 바인더가 매트 성능에 부정적인 영향을 나타내는 온도 이상의 온도에서도 계속 팽창한다.
이러한 산업분야에서는, 용이하게 설치할 수 있고 또한 매트의 두께를 상당히 손실하지 않고 그리고 대응하는 유지압 성능을 손실하지 않고서 광범위한 유입 가스 온도에 걸쳐 기능할 수 있는 배기 가스 처리 장치용 가요성 장착 매트가 필요하다.
배기 가스 처리 장치용 장착 매트를 제공하고, 이 장착 매트는 무기 섬유, 유기 바인더, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 포함한다.
어떠한 대표적인 실시형태에 따르면, 배기 가스 처리 장치용 장착 매트는 무기 섬유, 유기 바인더, 클레이, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 포함한다.
배기 가스 처리 장치를 제공하고, 이 장치는 하우징, 상기 하우징 내에 탄성적으로 장착되는 취성 촉매 지지 구조물, 및 상기 하우징과 취성 구조물 사이의 틈에 배치되는 장착 매트를 포함하고, 상기 장착 매트는 무기 섬유, 유기 바인더, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 가진다.
어떠한 대표적인 실시형태에 따르면, 배기 가스 처리 장치는 하우징, 상기 하우징 내에 탄성적으로 장착되는 취성 촉매 지지 구조물, 및 상기 하우징과 취성 구조물 사이의 틈에 배치되는 장착 매트를 포함하고, 상기 장착 매트는 무기 섬유, 유기 바인더, 클레이, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 가진다.
추가적으로, 배기 가스 처리 장치의 형성 방법을 제공하고, 이 방법은
(a) 배기 가스를 처리하는 취성 구조물의 일부 주변에서 (1) 무기 섬유, (2) 유기 바인더, (3) 항산화제 및 (4) 선택적으로 팽창성 재료를 포함하는 장착 매트를 둘러싸는 단계, 및
(b) 둘러싸인 취성 구조물을 하우징 내에 배치하여, 장착 매트가 취성 구조물을 하우징 내에 탄성적으로 유지하는 단계를 포함한다.
어떠한 대표적인 실시형태에 따르면, 배기 가스 처리 장치의 형성 방법은,
(a) 배기 가스를 처리하는 취성 구조물의 일부 주변에서 (1) 무기 섬유, (2) 유기 바인더, (3) 클레이, (4) 항산화제 및 (5) 선택적으로 팽창성 재료를 포함하는 장착 매트를 둘러싸는 단계, 및
(b) 둘러싸인 취성 구조물을 하우징 내에 배치하여, 장착 매트가 취성 구조물을 하우징 내에 탄성적으로 유지하는 단계를 포함한다.
배기 가스 처리 장치용 단부 원뿔 (end cone) 을 더 제공하고, 이 단부 원뿔은 외부 금속 원뿔; 내부 금속 원뿔; 및 상기 외부 금속 단부 원뿔과 상기 내부 금속 단부 원뿔 사이에 배치되고 무기 섬유, 유기 바인더, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 갖는 원뿔 절연부를 포함한다.
어떠한 대표적인 실시형태에 따르면, 배기 가스 처리 장치용 단부 원뿔은 외부 금속 원뿔; 내부 금속 원뿔; 및 상기 외부 금속 단부 원뿔과 상기 내부 금속 단부 원뿔 사이에 배치되고 무기 섬유, 유기 바인더, 클레이, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 갖는 원뿔 절연부를 포함한다.
배기 가스 처리 장치용 단부 원뿔을 더 제공하고, 이 단부 원뿔은 외부 금속 원뿔과; 상기 외부 금속 단부 원뿔의 내부면에 인접하여 배치되며, 무기 섬유, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 갖는 자체 지지 원뿔 절연부를 포함한다.
어떠한 대표적인 실시형태에 있어서, 배기 가스 처리 장치용 단부 원뿔은 외부 금속 원뿔과; 상기 외부 금속 단부 원뿔의 내부면에 인접하여 배치되며, 무기 섬유, 클레이, 항산화제 및 선택적으로 팽창성 재료를 갖는 자체 지지 원뿔 절연부를 포함한다.
도 1 은 본원의 장착 매트를 포함하는 대표적인 배기 가스 처리 장치의 단편도,
도 2 는 온도 (℃) 에 따라서 종래의 장착 매트와 비교한 본원의 팽창성 장착 매트의 상대 팽창을 도시한 그래프,
도 3 은 온도 (℃) 에 따라서 종래의 장착 매트와 비교한 본원의 팽창성 장착 매트의 전단 강도를 도시한 그래프,
도 4 는 온도 (℃) 에 따라서 종래의 장착 매트와 비교한 본원의 팽창성 장착 매트의 상대 팽창을 도시한 그래프, 및
도 5 는 온도 (℃) 에 따라서 종래의 장착 매트와 비교한 본원의 팽창성 장착 매트의 전단 강도를 도시한 그래프.
배기 가스 처리 장치 적용을 위한 장착 매트가 개시되어 있다. 장착 매트는 내열성 무기 섬유, 유기 바인더 및 항산화제로 구성되는 적어도 한 겹 또는 시트를 포함한다. 어떠한 실시형태에 따라서, 장착 매트는 선택적으로 클레이 및/또는 팽창성 재료를 포함할 수 있다. 예상치못하게, 장착 매트에 항산화제를 포함시킴으로써 350℃ 이하의 온도에서 일어나는 매트의 음의 팽창을 저감시키는 것으로 나타났다. 장착 매트는 넓은 온도 범위에 걸쳐 유지압 성능을 향상시킨다.
배기 가스를 처리하는 장치가 또한 제공된다. 이 장치는 외부 금속 하우징과, 이 하우징 내에 장착되는 적어도 하나의 취성 구조물을 포함하고, 이 하우징의 내부면과 취성 구조물의 외부면 사이에 장착 매트가 배치된다. "취성 구조물" 이라는 용어는, 본래 취성이거나 취성일 수 있는 금속 또는 세라믹 단일체 등의 구조물을 의미하고 또한 이를 포함하려는 것이고, 본원에 기재된 바와 같이 장착 매트로부터 도움을 받는다.
촉매 구조물은 일반적으로 내열성 재료에 의해 하우징내에 장착되는 1 개 이상의 다공성 관형 또는 허니콤형 구조물을 포함한다. 그런데, 각각의 구조물은 배기물 처리 장치의 유형에 따라서 평방인치당 약 200 ~ 약 900 또는 그 이상의 채널 또는 셀을 포함한다. 디젤 입자 트랩은, 입자 트랩 내의 채널 또는 셀 각각이 일단부 또는 타단부에서 폐쇄된다는 점에서 촉매 구조물과 상이하다. 입자는 다공성 구조물에서 고온 연소 공정에 의해 재생될 때까지 배기 가스로부터 집속된다. 장착 매트의 차량 무관 적용으로는 화학 산업의 방출 (배출) 적층체용 촉매 변환기를 포함할 수 있다.
배기 가스를 처리하는 장치의 대표적인 일 형태를 도 1 에서 도면 부호 10 으로 나타내었다. 장착 매트를 도 1 에 도시된 장치 용도로만 한정하려는 것은 아니며 따라서 그 형태는 단지 대표적인 실시형태로서 도시하였음을 이해해야 한다. 사실, 장착 매트는 배기 가스를 처리하는데 적절한 어떠한 취성 구조물, 예를 들어 디젤 촉매 구조물 또는 디젤 입자 트랩 등을 장착하거나 지지하는데 사용될 수 있다.
촉매 변환기 (10) 는, 플랜지 (16) 에 의해 함께 유지되는 2 편의 금속, 예를 들어 고 내온성 강으로 형성되는 일반적으로 관형 하우징 (12) 을 포함할 수 있다. 대안으로, 하우징은 취성 구조물을 둘러싸는 장착 매트가 삽입되는 미리 형성된 캐니스터 (canister) 를 포함할 수 있다. 하우징 (12) 은 일단부에 있는 입구 (14) 및 타단부에 있는 출구 (비도시) 를 포함한다. 입구 (14) 와 출구는 그 외부 단부에 적절하게 형성되어, 내연기관의 배기 시스템의 도관에 고정될 수 있다. 장치 (10) 는 장착 매트 (20) 에 의해 하우징 (12) 내에 지지 및 유지되는 취성 세라믹 단일체 (18) 등의 취성 구조물을 포함한다. 단일체 (18) 는 일단부에 있는 입구 단부면에서부터 타단부에 있는 출구 단부면까지 축방향으로 연장하는 다수의 가스 예비 통로를 포함한다. 단일체 (18) 는 어떠한 공지된 방식 및 형상으로 어떠한 적절한 내화 금속 또는 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 단일체는 통상적으로 단면 형상이 타원형 또는 원형이지만 다른 형상도 가능하다.
단일체는 간격 또는 틈에 의해 하우징의 내부면으로부터 이격되고, 이 간격 또는 틈은, 예를 들어 촉매 변환기, 디젤 촉매 구조물 또는 디젤 입자 트랩 등의 사용되는 장치의 유형 및 설계에 따라 변할 것이다. 이러한 틈은 세라믹 단일체 (18) 를 탄성적으로 지지하도록 장착 매트 (20) 로 채워진다. 탄성 장착 매트 (20) 는 외부 환경에 대하여 단열시키고 또한 취성 구조물을 기계적으로 지지하여, 배기 가스 처리 장치의 광범위한 작동 온도에 걸쳐 기계적 충격에 대하여 취성 구조물을 보호한다.
일반적으로, 장착 매트는 무기 섬유, 선택적으로 적어도 1 종류의 팽창성 재료, 유기 바인더, 클레이 및 항산화제를 포함한다. 이러한 장착 매트 (20) 의 조성은, 광범위한 온도 범위에 걸쳐 배기 가스 처리 장치 (10) 의 하우징 (12) 내에 취성 촉매 지지 구조물 (18) 을 탄성적으로 유지하기 위한 유지압 능력을 제공하기에 충분하다.
어떠한 단열 무기 섬유는, 이 섬유가 장착 매트 형성 공정을 견딜 수 있고, 배기 가스 처리 장치의 작동 온도를 견딜 수 있으며, 또한 이러한 작동 온도에서 배기 가스 처리 장치의 하우징 내에 취성 구조물을 유지하기 위한 최소한의 유지압 성능을 제공하는 한 장착 매트에 사용될 수 있다. 비한정적으로, 장착 매트 및 배기 가스 처리 장치를 준비하는데 사용될 수 있는 적절한 무기 섬유로는, 고알루미나 다결정질 섬유, 알루미노-실리케이트 섬유 등의 내화성 세라믹 섬유, 알루미나-마그네시아-실리카 섬유, 카올린 섬유, 칼시아-마그네시아-실리카 섬유 및 마그네시아-실리카 섬유 등의 알카리 토류 실리케이트 섬유, S-유리 섬유, S2-유리 섬유, E-유리 섬유, 석영 섬유, 실리카 섬유 및 이들의 조합물을 포함한다.
어떠한 실시형태에 따라서, 장착 매트를 준비하는데 사용되는 단열 무기 섬유는 세라믹 섬유를 포함한다. 비한정적으로, 적절한 세라믹 섬유는 알루미나 섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나-지르코니아-실리카 섬유, 지르코니아-실리카 섬유, 지르코니아 섬유 및 유사한 섬유를 포함한다. 유용한 알루미나-실리카 세라믹 섬유로는, Unifrax I LLC (뉴욕, 나이아가라 폭포에 소재) 로부터 상표명 FIBERFRAX 를 상업적으로 이용가능하다. FIBERFRAX 세라믹 섬유는 약 45 ~ 약 75 중량% 알루미나 및 약 25 ~ 약 55 중량% 실리카의 섬유화 생성물 (fiberization product) 을 포함한다. FIBERFRAX 섬유는 최대 약 1540℃ 의 작동 온도 및 최대 약 1870℃ 의 용융점을 나타낸다. FIBERFRAX 섬유는 고 내온성 시트 및 제지로 용이하게 형성된다.
알루미나/실리카 섬유는 약 40 중량% ~ 약 60 중량% Al2O3 및 약 60 중량% ~ 약 40 중량% SiO2 를 포함할 수 있다. 섬유는 약 50 중량% Al2O3 및 약 50 중량% SiO2 를 포함할 수 있다. 알루미나/실리카/마그네시아 유리 섬유는 통상적으로 약 64 중량% ~ 약 66 중량% SiO2, 약 24 중량% ~ 약 25 중량% Al2O3, 약 9 중량% ~ 약 10 중량% MgO 를 포함한다. E-유리 섬유는 통상적으로 약 52 중량% ~ 약 56 중량% SiO2, 약 16 중량% ~ 약 25 중량% CaO, 약 12 중량% ~ 약 16 중량% Al2O3, 약 5 중량% ~ 약 10 중량% B2O3, 최대 약 5 중량% MgO, 최대 약 2 중량% 산화나트륨과 산화 칼륨, 및 미량의 산화철과 불화물을 포함하고, 통상의 조성은 55 중량% SiO2, 15 중량% Al2O3, 7 중량% B2O3, 3 중량% MgO, 19 중량% CaO 및 미량의 전술한 재료이다.
비한정적으로, 배기 가스 처리 장치용 장착 매트를 준비하는데 사용될 수 있는 생분해성 알칼리 토류 실리케이트 섬유의 적절한 예로는, 본원에 참조된 미국특허 제 6,953,757 호, 제 6,030,910 호, 제 6,025,288 호, 제 5,874,375 호, 제 5,585,312 호, 제 5,332,699 호, 제 5,714,421 호, 제 7,259,118 호, 제 7,153,796 호, 제 6,861,381 호, 제 5,955,389 호, 제 5,928,075 호, 제 5,821,183 호 및 제 5,811,360 호이다.
어떠한 실시형태에 따라서, 생분해성 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 마그네슘 및 실리카의 산화물 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 이러한 섬유는 일반적으로 마그네슘-실리케이트 섬유라고 한다. 마그네슘-실리케이트 섬유는 일반적으로 약 60 ~ 약 90 중량% 실리카, 0 초과 ~ 약 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다. 어떠한 실시형태에 따라서, 열처리된 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 약 65 ~ 약 86 중량% 실리카, 약 14 ~ 약 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다. 다른 실시형태에 따라서, 열처리된 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 약 70 ~ 약 86 중량% 실리카, 약 14 ~ 약 30 중량% 마그네시아, 및 5 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다. 적절한 마그네슘-실리케이트 섬유로는 Unifrax I LLC (뉴욕, 나이아가라 폭포에 소재) 로부터 상표명 ISOFRAX 를 상업적으로 구입가능하다. 상업적으로 구입가능한 ISOFRAX 섬유는 일반적으로 약 70 ~ 약 80 중량% 실리카, 약 18 ~ 약 27 중량% 마그네시아 및 4 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다.
어떠한 실시형태에 따라서, 생분해성 알칼리 토류 실리케이트 섬유는 칼슘, 마그네슘 및 실리카의 산화물 혼합물의 섬유화 생성물을 포함할 수 있다. 이러한 섬유는 일반적으로 칼시아-마그네시아-실리카 섬유라고 한다. 어떠한 실시형태에 따라서, 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유는 약 45 ~ 약 90 중량% 실리카, 0 초과 ~ 약 45 중량% 칼시아, 0 초과 ~ 약 35 중량% 마그네시아 및 10 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 포함한다.
유용한 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유로는 Unifrax I LLC (뉴욕, 나이아가라 폭포에 소재) 로부터 상표명 INSULFRAX 를 상업적으로 구입가능하다. INSULFRAX 섬유는 일반적으로 약 61 ~ 약 67 중량% 실리카, 약 27 ~ 약 33 중량% 칼시아, 약 2 ~ 약 7 중량% 마그네시아의 섬유화 생성물을 포함한다. 다른 적절한 칼시아-마그네시아-실리케이트 섬유로는 Thermal Ceramics (조지아주 오거스타에 소재) 로부터 상표명 SUPERWOOL 607, SUPERWOOL 607 MAX 및 SUPERWOOL HT 를 상업적으로 구입가능하다. SUPERWOLL 607 섬유는 약 60 ~ 약 70 중량% 실리카, 약 25 ~ 약 35 중량% 칼시아, 및 약 4 ~ 약 7 중량% 마그네시아 및 미량의 알루미나를 포함한다. SUPERWOLL 607 MAX 섬유는 약 60 ~ 약 70 중량% 실리카, 약 16 ~ 약 22 중량% 칼시아, 약 12 ~ 약 19 중량% 마그네시아, 및 미량의 알루미나를 포함한다. SUPERWOLL HT 섬유는 약 74 중량% 실리카, 약 24 중량% 칼시아 및 미량의 마그네시아, 알루미나 및 산화철을 포함한다.
배기 가스 처리 장치용 장착 매트의 제조시 사용되는 적절한 실리카 섬유로는, 독일에 소재하는 BelChem Fiber Materials GmbH 로부터의 상표명 BELCOTEX, 캘리포니아주 가디너에 소재하는 Hitco Carbon Composites, Inc. 로부터의 상표명 REFRASIL, 및 벨로루시 공화국에 소재하는 Polotsk-Steklovolokno 로부터의 상표명 PS-23(R) 을 구입가능한 이러한 침출된 유리 섬유 (leached glass fibers) 를 포함한다.
BELCOTEX 섬유는 표준형으로서 인조 섬유 예비사 (staple fiber pre-yarns) 이다. 이러한 섬유는 약 550 텍스의 평균 섬도 (fineness) 를 가지고 일반적으로 알루미나로 개질된 규산으로 제조된다. BELCOTEX 섬유는 무정형이고 일반적으로 약 94.5% 실리카, 약 4.5% 알루미나, 0.5% 미만의 산화나트륨, 및 0.5% 미만의 다른 성분을 포함한다. 이러한 섬유는 약 9 미크론의 평균 섬유 직경 및 1500℃ ~ 1550℃ 의 용융점을 가진다. 이러한 섬유는 최대 1100℃ 의 온도에 대하여 내열성을 가지고 또한 통상적으로 무쇼트 (shot free) 및 무바인더 (binder free) 이다.
REFRASIL 섬유는, BELCOTEX 섬유처럼, 1000℃ ~ 1100℃ 온도 범위에 적용시 단열하기 위해 실리카 함량이 높은 무정형 침출 유리 섬유이다. 이러한 섬유는 약 6 ~ 약 13 미크론의 직경과 약 1700℃ 의 용융점을 가진다. 이 섬유는, 침출 후에, 통상적으로 약 95 중량% 실리카 함량을 가진다. 알루미나의 양은 1% 이하로 존재하는 다른 성분을 가진 약 4 중량% 로 존재할 수 있다.
Polotsk-Steklovolokno 로부터의 PS-23(R) 섬유는 실리카 함량이 높은 무정형 유리 섬유이고 적어도 약 1000℃ 에 대한 저항을 필요로 하는 적용시에 단열하기에 적절하다. 이러한 섬유는 약 5 ~ 약 20 ㎜ 범위의 섬유 길이와 약 9 미크론의 섬유 직경을 가진다. 이 섬유는, REFRASIL 섬유처럼, 약 1700℃ 의 용융점을 가진다.
장착 매트에 포함될 수 있는 팽창성 재료는, 비한정적으로, 비팽창된 질석, 이온 교환된 질석, 열처리된 질석, 팽창가능한 흑연, 하이드로흑운모 (hydrobiotite), 수팽창성 4 규소 플루오르 운모 (tetrasilicic fluorine mica), 알칼리 금속 실리케이트 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 장착 매트는 팽창성 재료의 유형보다는 그 혼합물을 포함할 수 있다. 팽창성 재료는, 미국특허 제 5,384,188 호에 기재된 바와 같이, 질석: 흑연의 상대양이 약 9:1 ~ 약 1:2 인 비팽창된 질석 및 팽창가능한 흑연의 혼합물을 포함할 수 있다.
장착 매트는 또한 바인더 또는 1 종 이상의 바인더 혼합물을 포함한다. 적절한 바인더로서는 유기 바인더, 무기 바인더 및 이러한 2 종류의 바인더의 혼합물을 포함한다. 어떠한 실시형태에 따라서, 팽창성 장착 매트는 1 이상의 유기 바인더를 포함한다. 유기 바인더는 고상, 액상, 용액, 분산물, 라텍스, 에멀젼 또는 유사한 형태로 제공될 수 있다. 유기 바인더는 열경화성 또는 열가소성 바인더를 포함할 수 있고, 이러한 바인더는 경화된 후에 설치된 장착 매트 중에서 연소될 수 있는 가요성 재료이다. 적절한 유기 바인더의 예로서는, 비한정적으로, 아크릴 라텍스, (메트)아크릴 라텍스, 스티렌과 부타디엔의 공중합체, 비닐피리딘, 아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴과 스티렌의 공중합체, 염화비닐, 폴리우레탄, 비닐 아세테이트와 에틸렌의 공중합체, 폴리아미드 및 실리콘 등을 포함한다. 다른 수지로는 불포화 폴리에스테르, 에폭시 수지 및 폴리비닐 에스테르 등의 저온 가요성 열경화성 수지를 포함한다.
유기 바인더는, 장착 매트의 총 중량에 기초하여, 0 초과 ~ 약 20 중량%, 약 0.5 ~ 약 15 중량%, 약 1 ~ 약 10 중량%, 약 2 ~ 약 8 중량% 로 장착 매트에 포함될 수 있다.
장착 매트는 수지질 또는 액상 바인더 대신에 또는 그 이외에도 중합 바인더 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 중합 바인더 섬유는, 전체 조성물의 100 중량% 에 기초하여, 0 초과 ~ 약 20 중량%, 약 1 ~ 약 15 중량%, 약 2 ~ 약 10 중량% 범위의 양으로 사용되어 내열성 무기 섬유를 함께 바인딩할 시 도움을 줄 수 있다. 바인더 섬유의 적절한 예로는 폴리비닐 알코올 섬유, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에스테르 섬유, 에틸 비닐 아세테이트 섬유, 나일론 섬유 및 이들의 조합물을 포함한다.
통상적으로, 유기 바인더는 초기에 섬유들을 함께 결합하는데 사용되는 희생 바인더 (sacrificial binder) 이다. "희생" 이라는 것은, 유기 바인더가 결국에 장착 매트 중에서 연소되어, 금속 하우징내에 취성 구성물을 지지하기 위한 장착 매트로서 무기 섬유만, 선택적으로 팽창성 재료 및 선택적으로 클레이를 남겨둘 수 있다는 것이다.
유기 바인더 이외에, 장착 매트는 또한 무기 바인더 재료를 포함할 수 있다. 비한정적으로, 적절한 무기 바인더 재료는 알루미나, 실리카, 지르코니아 및 이들 혼합물의 콜로이드 분산물을 포함한다.
어떠한 실시형태에 따라서, 장착 매트는 유효량의 클레이 재료를 포함하여, 유기 바인더의 연화 및 섬유의 재배열로 인해, 전체 매트 두께의 감소 및 대응하는 저온 성능 손실을 더 최소화할 수 있다. 비한정적으로, 클레이 재료는 장착 매트의 전체 중량에 기초하여 약 1 ~ 약 10 중량% 양으로 팽창성 장착 매트에 포함될 수 있다. 대안으로, 클레이 재료는 장착 매트의 전체 중량에 기초하여 약 2 ~ 약 8 중량% 또는 약 3 ~ 5 중량% 양으로 장착 매트에 포함될 수 있다. 팽창성 장착 매트에 포함될 수 있는 적절한 클레이는, 비한정적으로, 애타풀자이트, 볼 클레이, 벤토나이트, 헥토라이트, 키아나이트, 카올리나이트, 몬모릴로나이트, 팔리고스카이트 (palygorskite), 사포나이트, 세피올라이트, 실리마나이트 (silimanite) 또는 이들의 조합물을 포함한다.
어떠한 실시형태에 따라서, 장착 매트는 유효량의 애타풀자이트 클레이를 포함한다. 적절한 애타풀자이트 클레이로는 Wesbond 로부터의 상표명 Wesil NS, ITC Industrials (매릴랜드주, 헌트 밸리에 소재) 로부터의 상표명 Min-U-Gel 400P, MinTech International (인디애나주 블루밍톤) 로부터의 상표명 PalyGel 325NA, Zemex Corporation (조지아주 애타풀루구스에 소재) 으로부터의 상표명 Super Gel B 를 상업적으로 구입가능하다. 어떠한 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 애타풀자이트 클레이의 기다란 니들형 결정 구조물은, 배기 가스 처리 장치의 작동시 열에 노출됨에 따라 연화된 유기 바인더가 발생할 때, 장착 매트 내에 포함되는 무기 섬유가 재배열되도록 영향을 줄 수 있다.
어떠한 실시형태에 따라서, 클레이 재료는 또한 응집 (flocculating) 재료 및/또는 콜로이드 입자 재료를 포함할 수 있다.
장착 매트는 또한 이 장착 매트에 포함되는 유기 바인더의 산화를 지연하거나 또는 그렇지 않으면 방해하는 유효량의 항산화제를 포함한다. 어떠한 실시형태에 따라서, 항산화제는, 장착 매트의 전체 중량에 기초하여, 약 0.1 ~ 약 10 중량% 양으로 장착 매트에 포함될 수 있다. 항산화제 재료는, 또한 장착 매트의 전체 중량에 기초하여, 약 0.3 ~ 약 5 중량% 또는 약 0.5 ~ 약 1.5 중량% 로 포함될 수 있다.
항산화제 재료의 적절한 예로는 일차 항산화제, 이차 항산화제, 다기능 항산화제 및 이들의 조합물을 포함한다. 비한정적으로, 일차 항산화제의 비한정적 예로는 입체 장애 (sterically hindered) 페놀 및 이차 방향족 아민을 포함한다. 적절한 입체 장애 페놀로는, Elikochem (프랑스 Villejust 에 소재) 으로부터의 상표명 Wingstay, RT Vanderbilt (코네티컷주 노워크에 소재) 로부터의 상표명 Agerite Resin, 및 Ciba Specialty Chemicals (노스캐롤라이나주 하이포인트에 소재) 로부터의 상표명 Irganox 를 상업적으로 구입가능하다.
이차 항산화제의 적절한 예로는, 과산화물과 과산화수소를 안정적인 비라디칼 생성물로 분해하는 유기인 화합물 및 장기간의 열 시효 적용에 매우 효과적인 티오상승제 (thiosynergists) 를 포함한다.
다기능 항산화제는 선택적으로 일차 및 이차 항산화제 기능을 하나의 항산화제 화합물로 조합한다.
어떠한 실시형태에 따르면, 방해 페놀 및 티오상승 항산화제의 혼합물은 배기 가스 처리 장치의 장착 매트용 항산화제 재료로서 사용될 수 있다.
항산화제 재료는 일차 항산화제의 분산물이나 에멀젼 또는 일차와 이차 항산화제의 혼합물 형태로 제공될 수 있다. 적절한 항산화제 분산물은 Akron Dispersions (오하이오주 아크론에 소재) 으로부터의 상표명 Bostex, Aquaspersions (영국 웨스트 요크셔에 소재) 으로부터의 상표명 Aquanox, Tiarco Chemical (조지아주 달톤에 소재) 으로부터의 상표명 Octolite, 및 Great Lakes Chemical Co. (인디애나주 인디아나폴리스에 소재) 로부터의 상표명 Lowinx, Durad and Anox 를 상업적으로 구입가능하다.
항산화제 분산물의 대표적인 예로는, Wingstay L 의 분산물인 Bostex 24 및 50% Wingstay L/DTDTDP 상승제 (티오상승제/이차 항산화제) 인 Bostex 362A 다. Wingstay L (Bostex 362A 분산물에 포함되는 항산화제) 을 위한 열적 저하 온도 (thermal degradation temperature) 는 약 300℃ 보다 크고 또한 자동점화 온도는 약 440℃ 이다. 그리하여, 항산화제 재료는, 유기 바인더가 분해되기 시작하여 장착 매트의 질석 등의 팽창성 재료가 활성화되어 팽창하기 시작할 때의 온도와 대략 동일한 온도가 될 때까지 저하 또는 연소되지 않는다.
특히 적절한 항산화제로는 Akron Dispersions (오하이오주 아크론에 소재) 으로부터의 상표명 Bostex 362A 를 상업적으로 구입가능하다. 어떠한 대표적인 실시형태에 따르면, 항산화제 재료는 장착 매트의 나머지 성분을 첨가하기 전에 유기 바인더 재료와 미리 착물을 형성한다.
장착 매트는 시트 형상의 재료를 형성하는 종래에 알려진 어떠한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 종래의 제지 형성 공정, 핸드 레이드 (hand laid) 또는 머신 레이드 (machine laid) 가 팽창성 시트 재료를 준비하는데 사용될 수 있다. 핸드시트 몰드, Fourdrinier 제지 기계 또는 rotoformer 제지 기계는 팽창성 시트 재료를 형성하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 제지형성 공정을 사용하여, 무기 섬유, 팽창성 재료 및 항산화제는 바인더 또는 바인더로서 작용가능한 다른 섬유와 함께 혼합되어 혼합물 또는 슬러리를 형성할 수 있다. 성분의 슬러리는 응집제를 이 슬러리에 첨가함으로써 응집될 수 있다. 응집된 혼합물 또는 슬러리는 제지형성 기계에 배치되어 한겹 또는 시트의 제지 함유 섬유로 형성된다. 이 시트는 공기 건조 또는 오븐 건조에 의해 건조된다. 사용되는 표준형 제지형성 기법의 보다 자세한 설명에 대해서는, 본원에 참조된 미국특허 제 3,458,329 호를 참조하면 된다.
대안으로, 슬러리를 진공 주조함으로써 겹 또는 시트를 형성할 수 있다. 이러한 방법에 따라서, 성분의 슬러리는 이전의 웨브에 습식 배치된다. 슬러리로부터 대부분의 수분을 추출하도록 웨브에 진공이 가해져서, 습식 시트를 형성한다. 그 후, 습식 겹 또는 시트는 통상적으로 오븐에서 건조된다. 이 시트는 한 세트의 롤러를 통과하여 건조 전에 시트를 압축할 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 섬유는 건조 공기 배치 등의 종래의 수단에 의해 장착 매트로 가공될 수 있다. 이 단계에서의 매트는 매우 약한 구조적 일체성을 가지고 또한 종래의 촉매 변환기 및 디젤 트랩의 장착 매트보다 매우 두껍다. 그리하여, 최종 매트는 종래에 알려진 바와 같이 건조 니들링처리되어 매트를 조밀화하여 이 매트의 강도를 증가시킬 수 있다.
대안으로, 건조 공기 배치 기법을 사용하면, 매트는 함침으로 바인더를 매트에 첨가함으로써 가공되어 불연속적인 섬유 복합재를 형성할 수 있다. 이러한 기법에 있어서, 매트를 형성한 후에, 종래의 제지형성 기법에 대하여 전술한 바와 같이 매트 프리프레그 (prepreg) 를 형성하는 것보다는 바인더를 첨가한다. 매트를 형성하는 이러한 방법은 파괴를 저감시킴으로써 섬유의 길이를 유지하는데 도움을 준다.
바인더로 매트를 함침하는 방법은 액상 바인더 시스템에 매트를 완전 침수시키는 것 또는 다른 방법으로 매트를 분무하는 것을 포함한다. 연속 과정에서, 롤 형태로 이송될 수 있는 섬유 매트는 풀려서 컨베이어 또는 스크림 등 상에서 바인더를 매트에 도포하는 분무 노즐을 통과하여 이동된다. 대안으로, 매트는 분무 노즐을 통과하여 중력 유입될 수 있다. 그 후, 매트/바인더 프리프레그는 가압 롤 사이를 통과하고, 이 가압 롤에서는 잉여의 액체를 제거하고 또한 프리프레그를 대략 소망하는 두께로 조밀화한다. 그러면, 조밀화된 프리프레그는 오븐을 통과하여 어떠한 남아있는 용매를 제거하고, 필요하다면 바인더를 부분적으로 경화시켜 복합재를 형성할 수 있다. 건조 및 경화 온도는 주로 사용되는 바인더 및 용매 (존재한다면) 에 따른다. 그 후, 이 복합재는 저장 또는 운반을 위해 절단 또는 압연될 수 있다.
장착 매트는, 또한 매트의 일부를 액상 바인더에 함침시키고, 프리프레그를 제거하며, 잉여의 액체를 제거하도록 가압한 후에, 복합재를 형성하도록 건조시키며, 저장하거나 또는 원하는 크기로 절단함으로써, 일괄적으로 형성될 수 있다.
어떠한 용도로 용이하게 사용하기에는 장착 매트의 밀도가 너무 작을 수 있음을 알아야 한다. 그리하여, 장착 매트는 고밀도를 제공하도록 종래의 어떠한 방식으로 추가로 조밀화될 수 있다. 이러한 조밀화의 한 방법으로는 섬유를 서로 꼬고 얽히게 하도록 이 섬유를 니들 펀치하는 것이다. 추가적으로 또는 대안으로, 하이드로-얽힘 (hydro-entangling) 방법을 사용할 수 있다. 다른 방법으로는 가압 롤러를 통하여 섬유를 압연함으로써 이 섬유를 매트 형태로 가압하는 것이다. 정확하고 원하는 형태의 장착 매트를 얻기 위해서는 매트의 이러한 어떠한 조밀화 방법 또는 이러한 방법의 조합을 용이하게 사용할 수 있다.
전술한 어떠한 기법을 사용하는 것과 무관하게, 복합재는 다이 스탬핑 등에 의해 절단되어 재현가능한 (reproducible) 공차를 가진 정확한 형상과 크기의 장착 매트를 형성할 수 있다. 장착 매트 (20) 는 니들링처리 등에 의해 조밀화되면 적절한 취급 특성을 나타내는데, 즉 용이하게 취급할 수 있지만, 다양한 다른 섬유 블랭킷 또는 매트와 같이 손으로 부서질 정도로 취성이지 않다. 이러한 매트는 취성 구조물 (18) 주변에 또는 취성 구조물 등에 균열없이 용이하게 또한 가요적으로 맞춰지거나 둘러싸여진 후 촉매 변환기 하우징 (12) 내에 배치될 수 있다. 일반적으로, 취성 구조물을 둘러싸는 장착 매트는 하우징안으로 삽입될 수 있거나 또는 이 하우징이 취성 구조물을 둘러싸는 장착 매트 주변에 형성되거나 또는 그렇지 않으면 제작될 수 있다.
비팽창성 장착 매트에 대하여, 약 300℃ 의 고온면 온도에서 실시되는 표준 1000 사이클 틈 팽창 시험의 1000 기계적 사이클을 받은 후에, 장착 매트는 적어도 10 kPa 또는 적어도 50 kPa 의 최소한의 유지압을 유지할 있고, 이 때 매트 틈의 벌크 밀도는 약 0.3 ~ 약 0.6 g/㎤, 백분율 틈 팽창은 약 2% 이다. 팽창성 장착 매트에 대하여, 약 300℃ 의 고온면 온도에서 실시되는 표준 1000 사이클 틈 팽창 시험의 1000 기계적 사이클을 받은 후에, 장착 매트는 적어도 10 kPa 또는 적어도 50 kPa 의 최소한의 유지압을 유지할 있고, 이 때 매트 틈의 벌크 밀도는 약 0.7 ~ 약 1.25 g/㎤, 백분율 틈 팽창은 약 2% 이다. 이러한 시험은 저온 적용시에 높은 G 부하 적용시 더 무거운 기재를 유지하는데 사용되는 장착 매트에 특히 적합함을 이해해야 한다. 이러한 적용을 위한 배기 가스 처리 장치는 디젤 촉매 구조물 및 디젤 입자 트랩을 포함한다.
"사이클" 이라는 용어는, 단일체 (즉, 취성 구조물) 및 하우징 사이의 틈이 소정의 비에서 특정 거리에 걸쳐 개방 및 폐쇄된다는 것을 의미한다. 실제 조건을 시뮬레이팅하기 위해서, 하우징과 소정의 직경으로 된 취성 구조물 사이의 틈의 팽창은, 예를 들어 약 900℃ 의 온도에서 종래의 하우징의 열팽창 계수를 계산함으로써 결정될 수 있다. 그 후, 최종 매트의 기본 중량은, 시험 임계조건을 만족하고 또한 1000 사이클 후에 약 10 kPa 보다 큰 최소한의 유지력 (Pmin) 을 제공하도록 선택된다. 이러한 목적은 저비용으로 적절하게 지지하도록 하여, 약 10 kPa 보다 큰 요건을 만족하는 최소한의 기본 중량이 선택될 수 있다.
장치는, 작동시, 상당한 온도 변화를 겪는다. 열팽창 계수의 차이로 인해, 하우징은 지지 구조물 (18) 보다 더 팽창하여, 이러한 부재 사이의 틈이 약간 증가한다. 통상적인 경우에, 이러한 틈은 변환기의 열 사이클링 동안에 약 0.25 ~ 약 0.5 ㎜ 정도로 팽창 및 수축할 수 있다. 장착 매트의 두께 및 장착 밀도는, 모든 조건하에서 적어도 약 10 kPa 의 최소한의 유지압이 유지되어 취성 구조물이 진동으로 느슨해지지 않도록 선택된다. 이러한 조건하에서 장착 매트 (20) 에 의해 가해진 장착 압력은 구성 부재의 물리적 일체성을 해치지 않으면서 조립체의 열적 특성을 조정하도록 한다.
실험
이하의 실시예는 다만 장착 매트 및 배기 가스 처리 장치를 더 설명하기 위해 설정한 것이다. 대표적인 실시예는 장착 매트, 이 장착 매트를 포함하는 배기 가스 처리 장치 또는 이 장착 매트 또는 배기 가스 처리 장치를 어떠한 방법으로 형성하는 방법을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
상대 팽창
장착 매트의 상대 팽창은 한번의 사이클 팽창 시험으로 평가되었다. 실시예 1 은, 47.5 중량% Fiberfrax 내화성 세라믹 섬유, 45 중량% 팽창가능한 질석, 6.5 중량% Hycar 26083 아크릴 라텍스 및 1 중량% 벤토나이트 클레이를 포함하는 장착 매트를 나타낸다.
실시예 2 는, 47.5 중량% Fiberfrax 내화성 세라믹 섬유, 45 중량% 팽창가능한 질석, 5.9 중량% Hycar 26083 아크릴 라텍스, 0.65 중량% 항산화제 (Bostex 362A) 및 1 중량% 벤토나이트 클레이 (Volclay) 를 포함하는 장착 매트를 나타낸다.
실시예 3 은, 48.5 중량% Fiberfrax 내화성 세라믹 섬유, 45 중량% 팽창가능한 질석, 5.9 중량% Hycar 26083 아크릴 라텍스 및 0.65 중량% 항산화제 (Bostex 362A) 를 포함하는 장착 매트를 나타낸다.
실시예 4 는, 47.5 중량% Fiberfrax 내화성 세라믹 섬유, 45 중량% 팽창가능한 질석, 5.9 중량% Hycar 26083 아크릴 라텍스, 0.65 중량% 항산화제 (Bostex 362A) 및 1 중량% 애타풀자이트 클레이 (Wesil) 를 포함하는 장착 매트를 나타낸다.
실시예 1 ~ 4 의 매트는 2 개의 석영 램 (rams) 사이에 위치된다. 약 50 psi 의 일정한 부하를 매트에 가함으로써 이 장착 매트는 압축된다. 그 후, 이 매트는 약 5 min 동안 실온에서 이완된다. 그 후, 매트를 850℃ 로 가열하면서 (15℃/min) 매트 각각의 두께를 측정한다. 한번의 사이클 팽창 시험 결과를 도 2 에 도시한다.
도 2 에 도시한 그래프에서는 온도에 따른 팽창성 장착 매트의 상대 팽창을 나타낸다. 이 결과로부터, 200℃ 근방에서 유기 바인더를 포함하는 팽창성 장착 매트가 바인더의 연화에 반응하여 초기에 음의 팽창을 보임을 나타낸다. 어떠한 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 유기 바인더의 연화는 장착 매트에 존재하는 무기 섬유를 재배열시키는 것으로 여겨진다.
섬유, 팽창성 재료, 유기 바인더 및 벤토나이트 클레이를 포함하는 팽창성 장착 매트인 실시예 1 에서는 100℃ ~ 약 400℃ 에서 음의 팽창을 나타내는데, 유기 바인더의 산화로 인해 약 275℃ ~ 300℃ 에서 음의 팽창이 급격하게 증가한다.
섬유, 팽창성 재료, 유기 바인더, 항산화제 및 클레이를 포함하는 팽창성 장착 매트인 실시예 2 및 실시예 4 에서는 실시예 1 과 비교하여 100℃ ~ 약 400℃ 의 온도 범위에서 개선된 음의 팽창을 나타낸다.
섬유, 팽창성 재료, 유기 바인더 및 항산화제 (클레이는 포함하지 않음) 를 포함하는 팽창성 장착 매트인 실시예 3 에서는, 벤토나이트 클레이를 포함하지만 항산화제를 포함하지 않는 팽창성 장착 매트와 비교하여, 100℃ ~ 약 400℃ 의 온도 범위에서 개선된 음의 팽창을 나타낸다. 또한, 실시예 3 의 매트에서는 항산화제 및 클레이를 포함하는 팽창성 장착 매트에 의해 나타나는 음의 팽창과 유사한 음의 팽창을 나타낸다. 그리하여, 팽창성 장착 매트에 항산화제만을 포함시켜 최대 약 400℃ 의 저온 적용시에도 매트의 음의 팽창을 개선시킨다.
실시예 5 는, 67.5 중량% ISOFRAX 마그네시아-실리케이트 섬유, 20 중량% 팽창가능한 질석, 10 중량% Hycar 26083 아크릴 라텍스 및 2.5 중량% 벤토나이트 클레이 (Volcaly) 를 포함하는 장착 매트를 나타낸다.
실시예 6 은, 67.5 중량% ISOFRAX 마그네시아-실리케이트 섬유, 20 중량% 팽창가능한 질석, 9.5 중량% Hycar 26083 아크릴 라텍스, 0.5 중량% 항산화제 (Bostex 362A) 및 2.5 중량% 벤토나이트 클레이 (Volcaly) 를 포함하는 장착 매트를 나타낸다.
실시예 7 은, 65 중량% ISOFRAX 마그네시아-실리케이트 섬유, 20 중량% 팽창가능한 질석, 9.5 중량% Hycar 26083 아크릴 라텍스, 0.5 중량% 항산화제 (Bostex 362A) 및 5 중량% 애타풀자이트 클레이 (Welsil) 를 포함하는 장착 매트를 나타낸다.
실시예 5 ~ 7 의 매트는 2 개의 석영 램 사이에 위치된다. 약 50 psi 의 일정한 부하를 매트에 가함으로써 이 장착 매트는 압축된다. 그 후, 이 매트는 약 5 min 동안 실온에서 이완된다. 그 후, 매트를 850℃ 로 가열하면서 (15℃/min) 매트 각각의 두께를 측정한다. 한번의 사이클 팽창 시험 결과를 도 4 에 도시한다.
도 4 에 도시한 그래프에서는 온도에 따른 팽창성 장착 매트의 상대 팽창을 나타낸다. 이 결과로부터, 200℃ 근방에서 유기 바인더를 포함하는 팽창성 장착 매트가 바인더의 연화에 반응하여 초기에 음의 팽창을 보임을 나타낸다. 어떠한 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 유기 바인더의 연화는 장착 매트에 존재하는 무기 섬유를 재배열시키는 것으로 여겨진다.
섬유, 팽창성 재료 및 유기 바인더 (클레이와 항산화제는 포함하지 않음) 를 포함하는 팽창성 장착 매트인 실시예 5 에서는 200℃ ~ 약 300℃ 에서 추가의 음의 팽창이 계속 나타나는데, 유기 바인더의 산화로 인해 약 275℃ ~ 300℃ 에서 음의 팽창이 급격하게 증가한다.
섬유, 팽창성 재료, 유기 바인더 및 0.5 중량% 항산화제를 포함하는 팽창성 장착 매트인 실시예 6 에서는 200℃ ~ 약 400℃ 의 온도 범위에서 개선된 음의 팽창을 나타낸다.
섬유, 팽창성 재료, 유기 바인더, 5 중량% 클레이 및 0.5 중량% 항산화제를 포함하는 팽창성 장착 매트인 실시예 7 에서는, 클레이 또는 항산화제를 포함하지 않는 팽창성 매트 또는 0.5 중량% 항산화제를 포함하는 매트와 비교하여, 가장 개선된 음의 팽창을 나타낸다. 그리하여, 팽창성 장착 매트에 클레이 및 항산화제를 포함시켜 최대 약 400℃ 의 저온 적용시에도 매트의 음의 팽창을 개선시킨다.
전단 강도
실온 ~ 약 500℃ 의 온도 범위에 걸쳐 클레이만, 항산화제만 또는 클레이와 항산화제를 조합하여 포함하는 팽창성 장착 매트의 전단 강도는 이러한 첨가물이 없는 팽창성 장착 매트와 비교하여 평가했다.
고정물의 팽창성 장착 매트 샘플에 일정한 부하를 가했다. 온도에 따라서 전단 변형 (즉, 재료의 변형량) 을 측정했다. 전단 강도 시험의 결과는 도 5 에 나타난다. 그 결과로부터, 항산화제의 사용으로 항산화제를 포함하지 않는 장착 매트와 비교하여 전단 변형에 대한 전체 저항이 증가하는 것이 나타난다. 항산화제만을 포함하지만 클레이를 포함하지 않는 장착 매트를 나타내는 실시예 3 에서는, 클레이를 포함하지만 항산화제를 포함하지 않는 장착 매트 (실시예 1) 또는 애타풀자이트 또는 벤토나이트 클레이와 항산화제를 조합하여 포함하는 장착 매트 (실시예 2 및 실시예 4) 보다 큰 전단 변형에 대한 저항을 나타낸다.
전단 강도 시험의 다른 결과가 도 5 에 나타난다. 이러한 결과로부터, 항산화제 및 클레이를 조합하여 사용함으로써, 항산화제를 포함하지 않는 장착 매트와 비교하여, 전단 변형에 대한 전체 저항이 증가하는 것이 나타난다.
이러한 매트는 촉매 변환기 및 디젤 입자 트랩 산업에 유리하다. 장착 매트는, 다이 절단되어, 취급이 용이하도록 얇은 형상으로 또한 원한다면 균열없이 촉매 지지 구조물을 전체적으로 둘러쌀 수 있도록 가요적인 형태로 탄성 지지체로서 작동가능하다. 대안으로, 장착 매트는 촉매 지지 구조물의 적어도 일부의 주변 또는 전체 원주를 중심으로 일체로 둘러싸여질 수 있다. 또한, 장착 매트는 부분적으로 둘러싸여질 수 있고 또한 원한다면 가스 바이패스를 방지하도록 일부 종래의 변환기 장치에 널리 사용되는 단부 시일을 포함한다.
전술한 장착 매트는 또한 무엇보다도 오토바이 및 다른 소형 엔진 기계용 종래의 차량 촉매 변환기, 차량의 예비 변환기, 고온 스페이서, 개스킷 및 심지어 차세대 차량 하부의 촉매 변환 시스템 등의 다양한 적용에 유용하다. 일반적으로, 장착 매트는 실온에서 유지압을 가하도록, 보다 중요하게는 열 사이클링을 포함하는 승온시에 유지압을 유지할 수 있도록 매트 또는 개스킷을 필요로 하는 어떠한 적용에 사용될 수 있다.
장착 매트의 재료는 배기 가스 처리 장치의 단부 원뿔 절연부로서 사용될 수 있다. 어떠한 실시형태에 따라서, 배기 가스 처리 장치를 위한 단부 원뿔이 제공된다. 단부 원뿔은 일반적으로 외부 금속 원뿔, 내부 금속 원뿔 및 외부 금속 단부 원뿔과 내부 금속 단부 원뿔 사이의 틈 또는 공간내에 배치되는 단부 원뿔 절연부를 포함한다.
다른 실시형태에 따라서, 단부 원뿔은 외부 금속 원뿔 및 이 외부 금속 원뿔의 내부면에 인접하게 위치된 적어도 한 층의 원뿔 절연부를 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에 따라서, 단부 원뿔 조립체에는 내부 금속 원뿔이 제공되지 않는다. 오히려, 원뿔 절연부는 몇몇 방법으로 강화되어 장치를 관류하는 고온 가스에 대한 저항을 가진 자체 지지 원뿔 구조물을 제공한다.
적어도 하나의 단부 원뿔을 포함하는 배기 가스 처리 장치가 제공된다. 배기 가스 처리 장치는 하우징, 이 하우징 내에 위치되는 취성 구조물, 하우징에 배기관을 부착하기 위해, 내부 단부 원뿔 하우징과 외부 단부 원뿔 하우징을 각각 포함하는 유입 및 배출 단부 원뿔 조립체, 및 열처리된 생분해성 섬유와 선택적으로 내부 원뿔 하우징과 외부 원뿔 하우징 사이에 위치되는 팽창성 재료를 갖는 단부 원뿔 절연부를 포함한다.
전술한 장착 매트는, 화학 산업에서 사용되고 배출 또는 방출 적층체 내에 위치되는 촉매 변환기에 사용될 수도 있고, 보호 장착될 필요가 있는 취성 허니콤 유형의 구조물을 포함한다.
장착 매트 재료는 수동적인 방화물 (passive fire protection) 또는 소화재 (fire stop material) 로서 사용될 수 있다. 장착 매트는 또한 연료 전지 내의 발열 부재를 둘러싸도록 사용될 수 있다.
장착 매트 및 배기가스 처리 장치를 다양한 대표적인 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 다른 유사한 실시형태가 사용될 수 있거나, 본원에 기재된 동일한 기능을 수행하도록 이로부터 벗어나지 않는 한 전술한 실시형태에 변형 및 추가를 할 수 있다. 전술한 실시형태는 반드시 택일할 필요가 없고, 소망하는 특성을 제공하도록 다양한 실시형태를 조합할 수 있다. 그리하여, 장착 매트 및 배기 가스 처리 장치는 어떠한 하나의 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 따른 범위 및 정신내에서 해석될 수 있다.

Claims (12)

  1. 고알루미나 다결정질 섬유, 세라믹 섬유, 멀라이트 섬유, 유리 섬유, 생분해성 섬유, 석영 섬유, 실리카 섬유 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 무기 섬유,
    유기 바인더,
    팽창성 재료, 및
    항산화제를 포함하고,
    상기 팽창성 재료는 비팽창된 질석, 이온 교환된 질석, 열처리된 질석, 팽창가능한 흑연, 하이드로흑운모, 수팽창성 4 규소 플루오르 운모, 알칼리 금속 실리케이트 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 배기 가스 처리 장치용 장착 매트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고알루미나 다결정질 섬유는 72 ~ 100 중량% 알루미나 및 0 ~ 28 중량% 실리카의 섬유화 생성물 (fiberization product) 을 포함하는 장착 매트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 섬유는 45 ~ 72 중량% 알루미나 및 28 ~ 55 중량% 실리카의 섬유화 생성물을 갖는 알루미노-실리케이트 섬유를 포함하는 장착 매트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 생분해성 섬유는 65 ~ 86 중량% 실리카, 14 ~ 35 중량% 마그네시아 및 5 중량% 이하의 불순물의 섬유화 생성물을 갖는 마그네시아-실리카 섬유를 포함하는 장착 매트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 생분해성 섬유는 45 ~ 90 중량% 실리카, 0 초과 ~ 45 중량% 칼시아 및 0 초과 ~ 35 중량% 마그네시아의 섬유화 생성물을 갖는 칼시아-마그네시아-실리카 섬유를 포함하는 장착 매트.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 항산화제는 일차 항산화제, 이차 항산화제, 다기능 항산화제 및 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 장착 매트.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 무기 섬유는 마그네시아-실리카 섬유를 포함하고, 상기 팽창성 재료는 질석을 포함하며, 상기 항산화제는 일차 및 이차 항산화제의 혼합물을 포함하는 장착 매트.
  9. 제 8 항에 있어서, 장착 매트는, 60 ~ 98.9 중량% 마그네시아-실리카 섬유, 1 ~ 30 중량% 질석 및 0.1 ~ 10 중량% 항산화제를 포함하는 장착 매트.
  10. 제 1 항에 있어서, 애타풀자이트, 볼 클레이, 벤토나이트, 헥토라이트, 키아나이트, 카올리나이트, 몬모릴로나이트, 팔리고스카이트, 사포나이트, 세피올라이트, 실리마나이트 또는 이들의 조합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 클레이를 포함하는 장착 매트.
  11. 하우징,
    상기 하우징 내에 탄성적으로 장착되는 취성 구조물, 및
    상기 하우징과 취성 구조물 사이의 틈에 배치되는 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 장착 매트를 포함하는 배기 가스 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    외부 금속 원뿔,
    내부 금속 원뿔, 및
    상기 외부 금속 단부 원뿔과 상기 내부 금속 단부 원뿔 사이에 배치되는 원뿔 절연부를 갖는 적어도 하나의 단부 원뿔을 포함하는 배기 가스 처리 장치.
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