KR101898235B1 - 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치 - Google Patents

선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환원제의 액적의 분열 및 증발을 활성화시켜 선택적 환원 촉매기에서의 촉매 반응을 향상시킬 수 있는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치는, 인젝터를 통해 분사되는 환원제를 배기 가스와 믹싱시켜 선택적 환원 촉매기로 안내하는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치로, 상기 인젝터가 구비되며 상기 선택적 환원 촉매기에 후단이 연결되는 하우징; 및 상기 하우징의 내부에 구비되되 상기 인젝터와 상기 하우징의 상기 후단 사이에 구비되는 믹서를 포함하고, 상기 믹서는, 상기 하우징의 내주면에 외주면이 지지되며 중공부를 가지는 원통 형상의 믹서 몸체; 상기 믹서 몸체의 상기 중공부의 중심에 구비되되 상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 길게 구비되는 중심축; 및 상기 믹서 몸체의 내주면과 상기 중심축의 외주면을 연결하는 3개 이상의 블레이드를 포함하고, 상기 각각의 블레이드는, 상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 볼 때, 서로 중첩된다.

Description

선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치{Mixing apparatus for selective catalytic reduction-catalysator}
본 발명은 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선택적 환원 촉매기(SCR: Selective Catalytic Reduction-catalysator)는 의 사용에 따라 발생하는 질소산화물(예: NO, NO2 등 통칭 NOx, 산성비, 광화학적 스모그 등의 문제를 발생시키는 유해물질)을 대기 중으로 배출되기 전에(배출후단에서) 질소가스(N2)와 물(HO2) 등 유해하지 않은 물질로 전환시키는 장치이다.
특히, 디젤 자동차에 선택적 환원 촉매기를 적용시켜, 인젝터를 통해 배기 가스의 유동 방향으로 분사되는 환원제가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH3)로 가수분해되고, 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소가스(N2)와 물(H2O)로 환원시키도록 하고 있다. 또한, 인젝터에서 분사되는 환원제가 선택적 환원 촉매기로 안내되는 동안 혼합되도록 선택적 환원 촉매기보다 앞선 부분에 믹싱 장치가 구비된다.
도 1은 기존의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치 중 믹서를 나타낸 사시도이다.
한국등록특허 제10-1416478호에 개시된 기존의 믹싱 장치(30)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 외주면에 복수의 관통홀(340)을 가지며 원통형 관으로 이루어진 가이드관(34)과, 가이드관(34)의 후단에 구비되며 복수의 블레이드(351)를 가지는 믹서(35)를 포함한다. 따라서, 인젝터(32)를 통해서 분사되는 환원제는 가이드관(34)을 향해 분사되어 배기가스와 혼합되면서 가이드관(34)의 내부를 통해 믹서(35)로 이동되고, 그리고 환원제는 믹서(35)의 각 블레이드(351)와의 충돌로 배기가스와 더욱 혼합되면서 선택적 환원 촉매기로 분산된다.
하지만, 기존의 믹싱 장치(30)는 다음과 같은 문제가 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 믹서(35)의 각 블레이드(351) 사이가 믹서(35)의 원주 방향을 기준으로 벌어져 있어, 즉 믹서(35)를 그 길이 방향으로 볼 때 각 블레이드(351) 사이가 벌어져 있어, 믹서(35)의 길이 방향으로 유입되는 환원제의 일부가 각 블레이드(351) 사이의 벌어진 틈을 그대로 통과하는 문제가 있다. 궁극적으로, 환원제의 액적(droplet)의 분열(break up) 및 증발(evaporation)이 제대로 이루어지지 않아 암모니아 가스가 제대로 생성되지 못하는 등 선택적 환원 촉매기에서의 촉매 반응이 떨어지는 문제가 있다,
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 인젝터(32)가 믹싱 장치(30)의 길이 방향에 대해 수직되게 구비되므로 믹싱 장치의 외부로 수직되게 노출된 인젝터(32)의 부분에 의해 타 부품에 대한 공간 활용이 저하되는 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1416478호 (등록일: 2014. 07. 01)
본 발명의 기술적 과제는, 환원제의 액적의 분열 및 증발을 활성화시켜 선택적 환원 촉매기에서의 촉매 반응을 향상시킬 수 있는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 배기 가스의 압력 변동(맥동)에 의한 변형을 최소화할 수 있는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 믹싱 장치의 주변의 타 부품에 대한 공간 활용을 개선할 수 있는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치는 인젝터를 통해 분사되는 환원제를 배기 가스와 믹싱시켜 선택적 환원 촉매기로 안내하는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치로, 상기 인젝터가 구비되며 상기 선택적 환원 촉매기에 후단이 연결되는 하우징; 및 상기 하우징의 내부에 구비되되 상기 인젝터와 상기 하우징의 상기 후단 사이에 구비되는 믹서를 포함한다. 상기 믹서는, 상기 하우징의 내주면에 외주면이 지지되며 중공부를 가지는 원통 형상의 믹서 몸체; 상기 믹서 몸체의 상기 중공부의 중심에 구비되되 상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 길게 구비되는 중심축; 및 상기 믹서 몸체의 내주면과 상기 중심축의 외주면을 연결하는 3개 이상의 블레이드를 포함한다. 상기 3개 이상의 블레이드 중 이웃하는 블레이드는 상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 볼 때 부분적으로 서로 중첩되고, 상기 각각의 블레이드는 그 일단이 상기 중심축에 고정되고, 그 타단이 상기 믹서 몸체의 내주면에 고정된다. 상기 각각의 블레이드는, 상기 중심축의 선단에서 반경방향으로 뻗어 상기 믹서 몸체의 선단의 내주면에 구비되며 상기 믹서 몸체의 선단과 평행한 반경방향 선단; 상기 중심축의 후단에서 반경방향으로 뻗어 상기 믹서 몸체의 후단의 내주면에 구비되고 상기 믹서 몸체의 후단과 평행하며 상기 반경방향 선단에 대해 제1 각도 회전되어 놓이는 반경방향 후단; 및 상기 반경방향 선단과 상기 반경방향 후단을 연결하며 상기 중심축의 선단에서 후단으로 갈수록 만곡되면서 전체적으로 곡면을 이루는 중심 몸체를 포함한다.
삭제
상기 3개 이상의 블레이드는, 제1, 제2 및 제3 블레이드를 포함할 수 있고, 상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 볼 때, 상기 제1 블레이드의 반경방향 후단은 상기 제2 블레이드의 중심 몸체에 의해 중첩되어 놓일 수 있고, 상기 제2 블레이드의 반경방향 후단은 상기 제3 블레이드의 중심 몸체에 의해 중첩되어 놓일 수 있으며, 그리고 상기 제3 블레이드의 반경방향 후단은 상기 제1 블레이드의 중심 몸체에 의해 중첩되어 놓일 수 있다.
상기 제1 각도는 135도일 수 있다.
상기 믹서 몸체의 외주면에는 고정 돌기가 구비될 수 있다.
상기 믹서 몸체와, 상기 중심축과, 상기 각각의 블레이드와, 그리고 상기 고정 돌기는 주조를 통해 하나의 몸체로 이루어질 수 있다.
상기 하우징은 단차부를 가질 수 있고, 상기 단차부에 상기 인젝터가 구비되되 상기 믹서 몸체의 길이 방향에 대해 경사져 구비될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 하우징과 믹서를 포함하고, 믹서는 믹서 몸체와 중심축과 그리고 3개 이상의 블레이드를 포함하며, 그리고 각각의 블레이드는 믹서 몸체의 길이 방향으로 볼 때 서로 중첩되는 기술구성을 제공하므로, 믹서의 길이 방향으로 유입되는 환원제의 일부가 각 블레이드 사이를 통해 그대로 통과지 않고, 모든 환원제가 각 블레이드에 충돌된 후 통과될 수 있어, 환원제의 액적의 분열 및 증발이 활발하게 진행될 수 있다. 궁극적으로, 이러한 분열 및 증발을 통해 배기 가스와 반응하여 암모니아 가스가 활발하게 생성될 수 있어 선택적 환원 촉매기의 촉매 반응을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 믹서 몸체와, 중심축과, 각각의 블레이드와, 그리고 고정 돌기는 주조를 통해 하나의 몸체로 이루어지는 기술구성을 제공하므로, 집중하중을 받는 결합부가 별도로 존재하지 않아 구조적으로 안정될 수 있어, 배기 가스의 압력 변동(맥동)에 의한 변형을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 하우징은 단차부를 가지고, 단차부에 인젝터가 구비되되 믹서 몸체의 길이 방향에 대해 경사져 구비되는 기술구성을 제공하므로, 인젝터가 기존과 달리 믹싱 장치의 주변의 공간을 많이 차지 않아, 타 부품에 대한 공간 활용을 개선할 수 있다.
도 1은 기존의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치 중 믹서를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치가 디젤 차량의 배기계통(exhaust system)에 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 일부 절개하여 나타낸 일부 절개 사시도이다.
도 5는 도 4의 선택적 화원 촉매기용 믹싱 장치 중 믹서를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 믹서 중 중심축과 각각의 블레이드를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 5의 믹서를 그 길이 방향으로 바라 본 도면이다.
도 8은 도 3의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치에서 선택적 환원 촉매기로 환원제 및 배기가스가 유동되는 모습을 (a), (b) 및 (c)를 통해 순차적으로 보인 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치가 디젤 차량의 배기계통(exhaust system)에 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치를 일부 절개하여 나타낸 일부 절개 사시도이다. 도 5는 도 4의 선택적 화원 촉매기용 믹싱 장치 중 믹서를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 믹서 중 중심축과 각각의 블레이드를 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도 7은 도 5의 믹서를 그 길이 방향으로 바라 본 도면이다. 도 8은 도 3의 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치에서 선택적 환원 촉매기로 환원제 및 배기가스가 유동되는 모습을 (a), (b) 및 (c)를 통해 순차적으로 보인 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치(100)는, 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 인젝터(10)를 통해 분사되는 환원제를 배기 가스와 믹싱하여 선택적 환원 촉매기(3)로 안내하는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치로, 하우징(110)과 믹서(120)를 포함한다. 이하, 도 3 내지 도 8을 계속 참조하여, 각 구성요소에 대해 상세히 설명한다.
하우징(110)은, 배기계통 중에서 배기가스 후처리 장치(DPF: Diesel Particulate Filter)(2)와 선택적 환원 촉매기(SCR: Selective Catalytic Reduction-catalysator)(3) 사이에 구비되는 구성요소이다. 구체적으로, 배기 가스의 유동 방향을 기준으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(110)의 선단은 배기가스 후처리 장치(2)에 연통될 수 있고, 하우징(110)의 후단은 선택적 환원 촉매기(3)에 연통될 수 있다. 이러한 하우징(110)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 관 형상을 가질 수 있으며 인젝터(10)와 믹서(120)가 이에 장착될 수 있다.
나아가, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(110)은 단차부(111)를 가질 수 있고, 이 단차부(111)에 인젝터(10)가 구비되되 믹서 몸체(121)의 길이 방향에 대해 경사져 구비될 수 있다. 따라서, 인젝터(10)가 기존의 기술과 달리 믹싱 장치(100)의 주변의 공간을 많이 차지 않아, 타 부품에 대한 공간 활용을 개선할 수 있다.
믹서(120)는, 배기가스 후처리 장치(2)를 거친 배기 가스와 인젝터(10)에서 분사된 환원제(일 예로, 우레아)의 반응을 활성화시킴과 함께 이 반응된 물질(일 예로, 암모니아)을 선택적 환원 촉매기(3)의 입구측 단면에 전체적으로 골고루 분포(도 8 참조)시키기 위한 구성요소이다. 이러한 믹서(120)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(110)의 내부에 구비되되 인젝터(10)와 하우징(110)의 후단 사이에 구비될 수 있다.
구체적으로, 믹서(120)는, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 믹서 몸체(121), 중심축(122), 그리고 3개 이상의 블레이드(B)를 포함할 수 있다. 믹서 몸체(121)는 중공부를 가진 원통 형상을 하며 그 외주면이 하우징(110)의 내주면에 지지될 수 있고, 중심축(122)은 믹서 몸체(121)의 중공부의 중심에 구비되되 믹서 몸체(121)의 길이 방향으로 길게 구비될 수 있으며, 그리고 3개 이상의 블레이드(B)는 믹서 몸체(121)의 내주면과 중심축(122)의 외주면을 연결할 수 있다. 특히, 각각의 블레이드(B)는, 도 7에 도시된 바와 같이 믹서 몸체(121)의 길이 방향으로 볼 때[즉, 중심축(122)의 선단을 향해 볼 때], 서로 중첩될 수 있다. 따라서, 믹서(120)의 길이 방향으로 유입되는 환원제의 일부가 각 블레이드(B) 사이를 통해 그대로 통과지 않고, 모든 환원제가 각 블레이드(B)에 충돌된 후 통과될 수 있어, 환원제의 액적의 분열 및 증발이 활발하게 진행될 수 있다. 궁극적으로, 이러한 분열 및 증발을 통해 배기 가스와 반응하여 암모니아 가스가 활발하게 생성될 수 있어 선택적 환원 촉매기(3)의 촉매 반응을 향상시킬 수 있다.
나아가, 각각의 블레이드(B)는, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 반경방향 선단(123a), 반경방향 후단(123b), 그리고 중심 몸체(123c)를 포함할 수 있다. 반경방향 선단(123a)은, 중심축(122)의 선단에서 반경방향으로 뻗어 믹서 몸체(121)의 선단의 내주면에 구비될 수 있으며 믹서 몸체(121)의 선단과 평행하게 놓일 수 있다. 반경방향 후단(123b)은, 중심축(122)의 후단에서 반경방향으로 뻗어 믹서 몸체(121)의 후단의 내주면에 구비될 수 있고, 믹서 몸체(121)의 후단과 평행하게 놓일 수 있으며, 그리고 반경방향 선단(123a)에 대해 제1 각도(θ) 회전되어 위치될 수 있다. 중심 몸체(123c)는 반경방향 선단(123a)과 반경방향 후단(123b)을 연결하며 중심축(122)의 선단에서 후단으로 갈수록 만곡되면서 전체적으로 곡면을 이룰 수 있다. 따라서, 환원제가 중심 몸체(123c)에 충돌됨과 동시에 중심 몸체(123c)의 곡면을 따라 배기 가스와 함께 이동되면서 서로 활발하게 반응될 수 있고, 나아가 그 반응된 암모니아 가스가 중심 몸체(123c)의 곡면을 따라 회오리 치면서 선택적 환원 촉매기(3)의 입구측 단면에 최대한 골고루 분포될 수 있다(도 8 참조).
또한, 3개 이상의 블레이드(B)는, 제1, 제2 및 제3 블레이드(B1)(B2)(B3)를 포함할 수 있고, 믹서 몸체(121)의 길이 방향으로 볼 때[믹서 몸체(121)의 선단을 향해 볼 때], 제1 블레이드(B1)의 반경방향 후단(123b)은 제2 블레이드(B2)의 중심 몸체(123c)에 의해 중첩되어 놓일 수 있고, 제2 블레이드(B2)의 반경방향 후단(123b)은 제3 블레이드(B3)의 중심 몸체(123c)에 의해 중첩되어 놓일 수 있으며, 그리고 제3 블레이드(B3)의 반경방향 후단(123b)은 제1 블레이드(B1)의 중심 몸체(123c)에 의해 중첩되어 놓일 수 있다. 예를 들어, 반경방향 후단(123b)은 반경방향 선단(123a)에 대해 제1 각도(θ)인 135도 회전되어 위치될 수 있다.
또한, 믹서 몸체(121)의 외주면에는 고정 돌기(124)가 구비될 수 있다. 따라서, 배기 가스의 유동에 의한 믹서 몸체(121)가 회전되려고 하는 현상을 미연에 막을 수 있다.
또한, 믹서 몸체(121)와, 중심축(122)과, 각각의 블레이드(B)와, 그리고 고정 돌기(124)는 주조를 통해 하나의 몸체로 이루어질 수 있다. 따라서, 집중하중을 받는 결합부가 별도로 존재하지 않아 구조적으로 안정될 수 있어, 배기 가스의 압력 변동(맥동)에 의한 변형을 최소화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 디젤 산화 촉매기 2: 배기가스 후처리 장치
3: 선택적 환원 촉매기 10: 인젝터
100: 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치
110: 하우징 111: 단차부
120: 믹서 121: 믹서 몸체
122: 중심축 B: 3개 이상의 블레이드
123a: 반경방향 선단 123b: 반경방향 후단
123c: 중심 몸체 B1: 제1 블레이드
B2: 제2 블레이드 B3: 제3 블레이드
124: 고정 돌기 θ: 제1 각도

Claims (7)

  1. 인젝터를 통해 분사되는 환원제를 배기 가스와 믹싱시켜 선택적 환원 촉매기로 안내하는 선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치로,
    상기 인젝터가 구비되며 상기 선택적 환원 촉매기에 후단이 연결되는 하우징; 및
    상기 하우징의 내부에 구비되되 상기 인젝터와 상기 하우징의 상기 후단 사이에 구비되는 믹서를 포함하고,
    상기 믹서는,
    상기 하우징의 내주면에 외주면이 지지되며 중공부를 가지는 원통 형상의 믹서 몸체;
    상기 믹서 몸체의 상기 중공부의 중심에 구비되되 상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 길게 구비되는 중심축; 및
    상기 믹서 몸체의 내주면과 상기 중심축의 외주면을 연결하는 3개 이상의 블레이드를 포함하고,
    상기 3개 이상의 블레이드 중 이웃하는 블레이드는 상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 볼 때 부분적으로 서로 중첩되고,
    상기 각각의 블레이드는 그 일단이 상기 중심축에 고정되고, 그 타단이 상기 믹서 몸체의 내주면에 고정되며,
    상기 각각의 블레이드는,
    상기 중심축의 선단에서 반경방향으로 뻗어 상기 믹서 몸체의 선단의 내주면에 구비되며 상기 믹서 몸체의 선단과 평행한 반경방향 선단;
    상기 중심축의 후단에서 반경방향으로 뻗어 상기 믹서 몸체의 후단의 내주면에 구비되고 상기 믹서 몸체의 후단과 평행하며 상기 반경방향 선단에 대해 제1 각도 회전되어 놓이는 반경방향 후단; 및
    상기 반경방향 선단과 상기 반경방향 후단을 연결하며 상기 중심축의 선단에서 후단으로 갈수록 만곡되면서 전체적으로 곡면을 이루는 중심 몸체
    를 포함하는
    선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 3개 이상의 블레이드는,
    제1, 제2 및 제3 블레이드를 포함하고,
    상기 믹서 몸체의 길이 방향으로 볼 때,
    상기 제1 블레이드의 반경방향 후단은 상기 제2 블레이드의 중심 몸체에 의해 중첩되어 놓이고,
    상기 제2 블레이드의 반경방향 후단은 상기 제3 블레이드의 중심 몸체에 의해 중첩되어 놓이며, 그리고
    상기 제3 블레이드의 반경방향 후단은 상기 제1 블레이드의 중심 몸체에 의해 중첩되어 놓이는
    선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 각도는 135도인
    선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 믹서 몸체의 외주면에는 고정 돌기가 구비되는
    선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 믹서 몸체와, 상기 중심축과, 상기 각각의 블레이드와, 그리고 상기 고정 돌기는 주조를 통해 하나의 몸체로 이루어지는
    선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 하우징은 단차부를 가지고,
    상기 단차부에 상기 인젝터가 구비되되 상기 믹서 몸체의 길이 방향에 대해 경사져 구비되는
    선택적 환원 촉매기용 믹싱 장치.
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