KR102356688B1 - 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치 - Google Patents

인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 배출가스 후처리 장치에 있어서, 촉매 필터에 균일한 가열이 수행되도록 하고, 열전달 시간을 감소시키는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치는, 원통 형상으로 내부 공간을 구비하는 하우징; 하우징의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일; 하우징의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며, 인덕션코일의 전기장에 의해 와전류가 생성되어 발열됨으로써, 하우징으로 유입된 가스와 촉매 반응하는 발열반응부; 및 하우징의 내측면을 따라 형성되고, 하우징의 내부를 절연시키는 절연부;를 포함한다.

Description

인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치 {AFTER-TREATMENT SYSTEM OF EXHAUST EMISSION USING INDUCTION HEATING}
본 발명은 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 배출가스 후처리 장치에 있어서, 촉매 필터에 균일한 가열이 수행되도록 하고, 열전달 시간을 감소시키는 기술에 관한 것이다.
자동차 또는 연소기에서 발생되는 배출가스의 후처리를 위하여 배출가스 후처리 장치가 이용되고 있으며, 이와 같은 종래기술의 배출가스 후처리 장치(각 종 촉매 장치 및 입자상 물질 제거 필터 장치(DPF, CDPF) 등을 포함)에는, 코디에라이트, 탄화규소(SiC, Silicon carbide), 세라믹 재료가 이용되고 있다.
종래기술의 배출가스 후처리 장치에서는, 세라믹류 고온 촉매 필터(대체적으로 다공 허니컴 형태의 담채 종류)를 가열하기 위해, 가스나 오일 버너로 가열하는 방식과, 일반 열선을 이용하여 전기 열선으로 가열하는 방식이었고, 필터 외측에 강자성체 피가열체를 별도로 부설하여 인덕션 가열을 수행하는 방식을 사용하였다.
상기와 같은 종래기술의 배출가스 후처리 장치는, 균일한 가열에 한계가 있어 온도 편차가 증가함으로써 촉매 필터의 성능이 감소하며, 단열재의 부피가 증가하고, 촉매 필터의 내부까지 열전달 시간이 많이 소요된다는 문제가 있다.
또한, 가스나 오일 버너로 가열하는 방식에 있어서는, 화재의 가능성이 있고, 촉매 필터 가열을 위한 연소 시 다시 발생하는 배기 가스를 재처리해야 하며, 구성이 복잡하게 되어 부피 증가 또는 고비용의 문제가 있다. 그리고, 제품의 수명이 짧아지고 불꽃 그을음으로 인해 재생 처리가 곤란하다는 문제가 있다.
한편, 인덕션 가열은 전자기장의 유도현상을 이용하여 자성물질을 특정 부위만 직접 가열하는 방법이다. 이와 같은 인덕션 가열법은 전자기장을 피가열체인 자성 물질에 직접 인가시키므로, 전기에너지를 열에너지로 전환 시 전환 효율을 90% 이상으로 유지시킬 수 있다. 또한, 피가열체를 비교적 균일하게 가열할 수 있고, 가열의 작동과 정지를 순간적으로 제어가 용이하며, 비접촉 가열 방식이므로 피가열체를 가열원으로부터 분리할 수 있어 오염 방지가 가능하다. 그리고, 공해발생이 거의 없는 특성이 있으며, 가열을 위한 매질을 경유하지 않으므로 많은 양의 에너지를 단시간에 피가열체로 공급할 수 있어, 단시간에 대용량의 가열을 수행하는데 적합하다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0019950호(발명의 명칭: 매연포집능력이 증대된 경유차용 배출가스 후처리 시스템)에서는, 배출되는 매연의 입자상 물질을 필터로 여과하고 이를 엔진의 배출가스 열 또는 전기히터 등을 이용하여 연소시키는 하니컴 타입의 매연여과필터(DPF)와; 상기 매연여과필터의 전단에 위치되고, 귀금속 촉매가 코팅되되, 배출가스 중의 미연탄화수소와 일산화탄소 등 유해한 가스상 물질이 상기 촉매와 접촉하면서 화학반응을 일으켜 무해한 CO2와 H20로 산화되도록 하는 기능 및 일부의 매연을 포집하는 기능을 가짐으로써 상기 고가의 매연여과필터의 사용량을 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 폼 타입의 산화촉매(DOC);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배출가스 후처리 시스템이 개시되어 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0019950호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 배출가스 후처리 장치에 있어서, 촉매 필터에 균일한 가열이 수행되도록 하고, 열전달 시간을 감소시키는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 구성을 단순화시키고 촉매 필터 가열을 위한 연소 등을 통해 부가적으로 발생되는 부산물을 최소화시키는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 원통 형상으로 내부 공간을 구비하는 하우징; 상기 하우징의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일; 상기 하우징의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며, 상기 인덕션코일의 전기장에 의해 와전류가 생성되어 발열됨으로써, 상기 하우징으로 유입된 가스와 촉매 반응하는 발열반응부; 및 상기 하우징의 내측면을 따라 형성되고, 상기 하우징의 내부를 절연시키는 절연부;를 포함하고, 상기 발열반응부는 복수 개의 원통이 서로 연결된 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 발열반응부는, 강자성체 소재로 형성되고 복수 개의 원통이 서로 연결된 형상으로 형성되고 메쉬 형상을 구비하는 담체, 및 상기 금속촉매가 상기 담체에 코팅되어 형성되는 금속촉매층,을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 담체를 형성하는 복수 개의 원통 형상은, 상기 하우징의 길이 방향 중심축을 기준으로 동심원 방향으로 배열될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속촉매는 구리(Cu), 세륨(Ce), 란타넘(La), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)의 귀금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 인덕션코일로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 비자성 물질로 형성되고, 내부로 유입되는 가스의 유동을 위한 복수 개의 유로를 내부에 구비하며, 상기 가스와 화학 반응을 수행하는 담체부; 금속촉매가 상기 담체부의 표면에 코팅되어 형성되는 금속촉매층; 및 상기 담체부의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일;을 포함하고, 상기 복수 개의 유로 중 일부의 내부에 전도성 물질 또는 전도체가 형성됨으로써, 상기 인덕션코일의 전기장에 의해 상기 전도성 물질 또는 상기 전도체에 와전류가 생성되어 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 담체부는 코디에라이트, 탄화규소 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 전도성 물질은, 상기 복수 개의 유로 중 일부의 내부에 충진되거나 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 전도성 물질은, 금속성 자성 물질과 내열성 접착제가 혼합되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 전도성 물질은, 세라믹 복합 소재와 도전성 접착제가 혼합되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 전도체는 금속성 자성 물질로 형성되는 판 또는 관일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 비자성 물질로 형성되고, 내부로 유입되는 가스의 유동을 위한 복수 개의 유로를 내부에 구비하며, 상기 가스와 화학 반응을 수행하는 담체부; 금속촉매가 상기 담체부의 표면에 코팅되어 형성되는 금속촉매층; 상기 담체부의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일; 및 금속성 자성 물질로 형성되어 상기 담체부의 내부로 인입되며, 상기 인덕션코일의 전기장에 의해 와전류가 생성되어 발열되는 전도부;를 포함하고, 상기 인덕션코일의 전기장에 의해 상기 전도부에 와전류가 생성되어 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 전도부는 각각이 판재 형상인 복수 개의 전도판을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 담체부는 코디에라이트, 탄화규소 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 담체에 전기장에 의한 와전류가 생성되어 담체와 결합된 금속촉매층이 가열되거나, 또는, 담체부의 내부에 형성된 전도성 물질, 전도체 또는 전도판에 전기장에 의한 와전류가 생성되어 담체부와 결합된 금속촉매층이 가열되므로, 금속촉매층에 균일한 가열이 수행되고, 열전달 시간이 감소되어, 촉매 반응에 의한 배출가스 후처리 효율이 증대될 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 구성을 단순화시켜 제조 및 유지에 유리하며, 자성 물질에 전기장이 침투하여 와전류가 생성됨으로써 형성된 발열을 이용하므로, 다공성으로 표면적이 증대되나 비자성 물질인 담체부를 형성하더라도, 담체부에 결합된 금속촉매층에 대한 가열이 가능하여, 후처리 효율을 증대시킴과 동시에 장치의 부피를 감소시킬 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 사시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 배출가스 후처리 장치의 제1 실시 예에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 구성에 대한 개략도이다. 도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 배출가스 후처리 장치는, 원통 형상으로 내부 공간을 구비하는 하우징(130); 하우징(130)의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일(120); 하우징(130)의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며, 인덕션코일(120)의 전기장에 의해 와전류가 생성되어 발열됨으로써, 하우징(130)으로 유입된 가스와 촉매 반응하는 발열반응부(110); 및 하우징(130)의 내측면을 따라 형성되고, 하우징(130)의 내부를 절연시키는 절연부(140);를 포함한다. 여기서, 발열반응부(110)는 복수 개의 원통이 서로 연결된 형상으로 형성될 수 있다. 하우징(130)은 원통 형상을 구비할 수 있다. 그리고, 인덕션코일(120)은 전기전도성이 우수한 구리관 또는 리츠(Litz)와이어로 형성될 수 있다. 절연부(140)는, 알루미나, 유리 또는 각종 세라믹재로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
발열반응부(110)는, 강자성체 소재로 형성되고 복수 개의 원통이 서로 연결된 형상으로 형성되고 메쉬 형상을 구비하는 담체, 및 금속촉매가 담체에 코팅되어 형성되는 금속촉매층,을 구비할 수 있다. 도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 복수 개의 원통 각각의 측벽은 경사를 구비할 수 있고, 하나의 원통 말단과 다른 원통의 말단이 연결될 수 있으며, 이 때, 하나의 원통 말단과 다른 원통의 말단은 각각의 원통의 외측으로 휘어진 형상을 구비하고, 하나의 원통 말단과 다른 원통의 말단이 연결되어 복수 개의 원통 각각이 서로 연결된 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 담체를 형성하는 복수 개의 원통 형상은, 하우징(130)의 길이 방향 중심축을 기준으로 동심원 방향으로 배열될 수 있다. 구체적으로, 담체의 중심축에 가장 인접하도록 하나의 원통이 형성되고, 이와 같은 하나의 원통을 둘러싸는 형상으로 다른 원통이 형성되며, 다른 원통을 또 다른 원통이 둘러싸는 형상으로 형성되어, 하우징(130)의 길이 방향 중심축으로부터 하우징(130)의 외측 방향으로 각각의 원통이 순차적으로 형성되어 배열될 수 있다. 그리고, 이에 따라, 하나의 원통과 다른 원통은 서로 이격되게 형성될 수 있다.
상기와 같이 형성된 담체의 길이 방향 중심축이 하우징(130)의 길이 방향 중심축과 평행한 방향으로 담체가 하우징(130)의 내부 공간에 설치될 수 있다. 여기서, 복수 개의 원통 중 담체의 중심에서 가장 외측에 위치하는 원통의 말단이 하우징(130)의 내측면과 결합함으로써 담체가 하우징(130)의 내부에 고정 지지될 수 있다.
그리고, 담체는 메쉬(mesh) 형상을 구비함으로써 복수 개의 홀을 구비하고, 이와 같은 메쉬 형상을 구비하는 담체의 표면에 금속촉매층이 형성됨으로써 촉매 반응이 수행되는 표면적을 최대로 할 수 있다. 발열반응부(110)로 유입된 가스는 담체에 형성된 복수 개의 홀을 통과함으로써 발열반응부(110)를 통과할 수 있다.
담체는 FeCrAl합금으로 형성될 수 있다. 다만, 담체의 소재가 이에 한정되는 것은 아니고, 강자성 성질을 구비하는 물질은 모두 이용될 수 있다. 그리고, 금속촉매는 구리(Cu), 세륨(Ce), 란타넘(La), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 귀금속류 등으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다.
담체에 금속촉매층을 형성시키기 위해서는 코팅 공정을 수행해야 하며, 이와 같은 금속촉매층 코팅 공정에서는, 먼저, 제1단계에서, FeCrAl합금으로 형성된 담체를 마련하고, 담체에 대한 열처리를 수행할 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 담체의 표면에 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 증류수에 혼합시킨 용액을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~ 600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 조촉매 물질층을 형성할 수 있다. 다음으로, 제3단계에서, 조촉매 물질층 상에 γ-Al2O3 및 금속촉매 물질을 포함하는 졸(sol)을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 담체의 표면에 금속촉매층을 형성할 수 있다. 여기서, 조촉매 물질층이 담체의 표면과 금속촉매층을 접착시킬 수 있다.
상기의 제1단계에서, 열처리는 950 ~ 1050 ℃의 온도에서 5~17 시간 동안 수행될 수 있다. 이러한 열처리에 의해 담체의 표면에 다수의 돌기가 형성되고, 돌기는 γ-Al2O3를 포함할 수 있다. 또한, 제2단계에서, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있으며, 제2단계 자체가 2회 이상 반복 수행될 수 있다. 그리고, 제3단계에서, 졸은 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다. 제3단계에서는, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있으며, 제3단계 자체가 2회 이상 반복 수행될 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시 예에서는 상기와 같이 담체의 표면에 금속산화물 촉매(Ce, Cu, Fe, Co, La, Ni 등)를 코팅하는 공정에 대해서 설명하고 있는데, 금속촉매층의 형성이 상기와 같은 공정에 한정되는 것은 아니고, 담체의 표면에 귀금속(Pt, Pd, Rh 등)을 종래기술의 금속 코팅 공정에 의해 담체의 표면에 코팅시켜 금속촉매층을 형성할 수도 있다.
제1 실시 예에 의한 본 발명의 배출가스 후처리 장치는, 인덕션코일(120)로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부를 더 포함할 수 있다. 전원제어부의 전기 공급으로 인덕션코일(120)에 의한 전기장(또는 자기장)이 형성되고, 이와 같은 인덕션코일(120)에 의한 전기장이 담체를 통과하면서 담체에 와전류가 형성되어 담체가 발열되고, 이에 따라, 담체과 결합된 금속촉매층이 가열되며, 가열된 금속촉매층과 발열반응부(110)를 통과하는 가스 간 화학 반응이 수행될 수 있다. 여기서, 가스는 자동차 또는 연소기에서 생성된 배출가스일 수 있으며, 이와 같은 배출가스가 발열반응부(110)를 통과하면서 촉매 반응이 수행되어 배출가스에 포함된 NOx, CO 등의 물질이 제거될 수 있다.
본 발명의 배출가스 후처리 장치는, 하우징(130)의 내부에 형성되고 발열반응부(110)의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함할 수 있다. 온도센서는 발열반응부(110)의 온도를 실시간으로 측정하여 전원제어부로 전달하며, 전원제어부에서는 발열반응부(110)의 온도가 사전에 미리 설정된 기준 온도 범위 내 형성되는지 여부를 판단하고, 발열반응부(110)의 온도가 기준 온도 범위 내 최소 온도(구체적인 일 실시예로써 300℃)보다 작은 경우 인덕션코일(120)로 전원을 공급하고, 발열반응부(110)의 온도가 기준 온도 범위 내 최고 온도(구체적인 일 실시예로써 500℃)보다 큰 경우 인덕션코일(120)로 공급되는 전원을 차단할 수 있다.
이하, 본 발명의 배출가스 후처리 장치의 제2 실시 예에 대해 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 정면도이며, 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 구성에 대한 개략도이다. 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 배출가스 후처리 장치는, 비자성 물질로 형성되고, 내부로 유입되는 가스의 유동을 위한 복수 개의 유로(211)를 내부에 구비하며, 가스와 화학 반응을 수행하는 담체부(210); 금속촉매가 상기 담체부(210)의 표면에 코팅되어 형성되는 금속촉매층; 및 담체부(210)의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일(220);을 포함한다. 그리고, 복수 개의 유로(211) 중 일부의 내부에 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)가 형성됨으로써, 인덕션코일(220)의 전기장에 의해 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)에 와전류가 생성되어 가열될 수 있다. 여기서, 인덕션코일(220)은 전기전도성이 우수한 구리관 또는 리츠(Litz)와이어로 형성될 수 있다. 그리고, 가스는 자동차 또는 연소기에서 생성된 배출가스일 수 있으며, 이와 같은 배출가스가 발열반응부(110)를 통과하면서 촉매 반응이 수행되어 배출가스에 포함된 NOx, CO 등의 물질이 제거되도록, 담체부(210)의 표면에는 금속촉매층이 형성될 수 있다. 금속촉매로는 구리(Cu), 세륨(Ce), 란타넘(La), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 귀금속류 등이 이용될 수 있으며, 이와 같은 금속촉매의 코팅 방식은 종래기술의 코팅 방식을 이용할 수 있다. 코팅 방식에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 3과 도 4에서 보는 바와 같이, 담체부(210)는, 직육면체의 형상으로 형성될 수 있으며, 하나의 면으로부터 하나의 면을 마주보게 형성된 다른 면으로 홀이 형성되어 가스가 유동하는 유로(211)가 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같은 유로(211)는 복수 개 형성되며, 상기된 하나의 면을 향하여 바라보는 경우(도 4의 경우), 복수 개의 유로(211) 각각은 서로 균일한 간격을 형성하면서 격자 배열을 형성할 수 있다.
그리고, 복수 개의 유로(211) 중 일부에 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)가 형성되는 경우, 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)가 형성된 유로(211) 각각은 담체부(210)의 하나의 면 형상을 따라 대응되는 형상으로 배열될 수 있다. (이하, 설명의 편의를 위해 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)가 형성된 유로(211)를 전도성 유로라고 할 수 있다.) 구체적으로, 도 4에서 보는 바와 같이, 담체부(210)의 하나의 면 형상이 사각면인 경우, 전도성 유로가 배열되어 사각형을 형성할 수 있다. 또한, 이와 같은 전도성 유로의 배열은, 담체부(210)의 하나의 면 형상을 따라 복수 개 형성될 수도 있다. 구체적으로, 전도성 유로의 사각형 배열에 의한 하나의 전도성 유로 배열을 둘러싸는 형상으로 다른 전도성 유로 배열이 형성될 수 있다. 이와 같이 전도성 유로가 배열됨으로써, 전도성 유로 내 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)의 와전류 생성을 위한 인덕션코일(220)의 전기장 침투 깊이가 소정의 범위 내에서 형성되어 와전류에 의한 발열 분포가 균일하게 형성됨으로써, 담체부(210)에 대한 가열이 균일하고 안정적으로 수행되어, 배출가스 후처리 효율이 증대될 수 있다.
담체부(210)는 코디에라이트(cordierite), 탄화규소(SiC) 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 이와 같은 물질로 담체부(210)가 형성되는 경우, 담체부(210)는 자성물질이 아니므로, 인덕션코일(220)의 전기장에 의한 와전류 생성을 위해 상기와 같이 전도성 유로 내 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)를 형성할 수 있다.
전도성 물질(231)은, 복수 개의 유로(211) 중 일부, 즉, 전도성 유로의 내부에 충진되거나 코팅될 수 있다. 이를 위해, 전도성 물질(231)은, 금속성 자성 물질과 내열성 접착제가 혼합되어 형성될 수 있다. 또는, 전도성 물질(231)은, 세라믹 복합 소재와 도전성 접착제가 혼합되어 형성될 수 있다.
먼저, 전도성 물질(231)에 포함되는 금속성 자성 물질은 구리(Cu), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 및, 주석(Sn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다. 각각의 금속성분은 입경을 구비하는 분말 입자로 형성될 수 있다. 구체적으로, 금속성 자성 물질은, 구리(Cu)-지르코늄(Zr)-(알루미늄(Al) 또는 주석(Sn))의 혼합 분말일 수 있다. 또는, 금속성 자성 물질은 니켈(Ni)-지르코늄(Zr)-(알루미늄(Al) 또는 주석(Sn))의 혼합 분말일 수 있다. 여기서, 금속성 자성 물질을 형성하는 각각의 금속 성분은 입경이나 이들의 혼합 비율은 사용 용도에 맞게 조절할 수 있다. 이와 같은 금속성 자성 물질이 전도성 유로 내 용이하게 충진되거나 코팅되도록 금속성 자성 물질과 내열성 접착제를 혼합하여 전도성 유로 내부로 인입시킬 수 있다. 여기서, 내열성 접착제는 종래기술의 내열성 접착제를 이용할 수 있다.
그리고, 전도성 물질(231)에 포함되는 세라믹 복합 소재는, 붕화티타늄(TiB)과 산화알루미늄-탄화티타늄(Al2O3-TiC) 복합 소재일 수 있다. 이와 같은 세라믹 복합 소재는 전도성이 낮으므로, 도전성 접착제를 혼합하여, 전도성 유로에 인입시킬 수 있다. 여기서, 도전성 접착제에는 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pb) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이 포함되어, 도전성 접착제에 의해 전도성 물질(231)에 전기장 통과 시 와전류가 생성될 수 있다.
전도체(232)는 금속성 자성 물질로 형성되는 판 또는 관(pipe)일 수 있다. 상기와 같이 상기와 같은 전도성 유로에 전도성 물질(231)을 충진 또는 코팅시키기 곤란하거나, 전도성 물질(231)을 이용하는 방식보다 간편한 공정이 필요한 경우에, 전도체(232)를 전도성 유로에 인입시켜, 인덕션코일(220)의 전기장에 의해 전도체(232)에 와전류가 생성되어 발열되도록 할 수 있다. 여기서, 전도체(232)는 구리(Cu), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 및, 주석(Sn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
제2 실시 예에 의한 본 발명의 배출가스 후처리 장치는, 인덕션코일(220)로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부를 더 포함할 수 있다. 전원제어부의 전기 공급으로 인덕션코일(220)에 의한 전기장(또는 자기장)이 형성되고, 이와 같은 인덕션코일(220)에 의한 전기장이 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)를 통과하면서 전도성 물질(231) 또는 전도체(232)에 와전류가 생성되어 발열되고, 이에 따라 담체부(210)가 가열됨과 동시에 담체부(210)와 결합된 금속촉매층이 가열될 수 있다. 그리고, 담체부(210)를 통과하는 가스와 가열된 금속촉매층이 촉매 반응을 수행하여 배출가스에 포함된 CO, HC, NOx 등의 물질이 제거될 수 있다.
이하, 본 발명의 배출가스 후처리 장치의 제3 실시 예에 대해 설명하기로 한다. 도 6과 도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 배출가스 후처리 장치의 사시도이다. 도 6과 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 배출가스 후처리 장치는, 비자성 물질로 형성되고, 내부로 유입되는 가스의 유동을 위한 복수 개의 유로(211)를 내부에 구비하며, 가스와 화학 반응을 수행하는 담체부(210); 금속촉매가 상기 담체부(210)의 표면에 코팅되어 형성되는 금속촉매층; 담체부(210)의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일(220); 및 금속성 자성 물질로 형성되어 담체부(210)의 내부로 인입되며, 인덕션코일(220)의 전기장에 의해 와전류가 생성되어 발열되는 전도부(240);를 포함한다. 또한, 인덕션코일(220)의 전기장에 의해 전도부(240)에 와전류가 생성되어 가열될 수 있다.
여기서, 인덕션코일(220)은 전기전도성이 우수한 구리관 또는 리츠(Litz)와이어로 형성될 수 있다. 그리고, 가스는 자동차 또는 연소기에서 생성된 배출가스일 수 있으며, 이와 같은 배출가스가 발열반응부(110)를 통과하면서 촉매 반응이 수행되어 배출가스에 포함된 CO, HC, NOx 등의 물질이 제거되도록, 담체부(210)의 표면에는 금속촉매층이 형성될 수 있다. 금속촉매로는 구리(Cu), 세륨(Ce), 란타넘(La), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)과 같은 귀금속류 등이 이용될 수 있으며, 이와 같은 금속촉매의 코팅 방식은 종래기술의 코팅 방식을 이용할 수 있다. 코팅 방식에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
도 6과 도 7에서 보는 바와 같이, 담체부(210)는, 직육면체의 형상으로 형성될 수 있으며, 하나의 면으로부터 하나의 면을 마주보게 형성된 다른 면으로 홀이 형성되어 가스가 유동하는 유로(211)가 형성될 수 있다. 그리고, 이와 같은 유로(211)는 복수 개 형성되며, 상기된 하나의 면을 향하여 바라보는 경우, 복수 개의 유로(211) 각각은 서로 균일한 간격을 형성하면서 격자 배열을 형성할 수 있다.
그리고, 전도부(240)는 각각이 판재 형상인 복수 개의 전도판(241)을 구비할 수 있다. 구체적으로, 전도판(241)은 굽힌 부위가 없는 판상형의 판재일 수 있고, 또는, 굽힌 부위가 있는 있는 판재일 수 있다. 도 6에서 보는 바와 같이, 전도판(241)이 판상형의 판재인 경우, 각각의 전도판(241)이 연결되어 단면이 사각형인 관 형상의 전도부(240)가 형성될 수 있다. 또는, 도 7에서 보는 바와 같이, 각각 직각으로 굽힌 부위를 구비하는 전도판(241)이 각각의 말단이 마주보게 배치되어 담체부(210)에 인입되어 형성될 수 있다. 이와 같이 전도부(240)가 형성됨으로써, 전도부(240)의 와전류 생성을 위한 인덕션코일(220)의 전기장 침투 깊이가 소정의 범위 내에서 형성되어 와전류에 의한 발열 분포가 균일하게 형성됨으로써, 담체부(210)에 대한 가열이 균일하고 안정적으로 수행되어, 배출가스 후처리 효율이 증대될 수 있다.
담체부(210)는 코디에라이트(cordierite), 탄화규소(SiC) 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 이와 같은 물질로 담체부(210)가 형성되는 경우, 담체부(210)는 자성물질이 아니므로, 인덕션코일(220)의 전기장에 의한 와전류 생성을 위해 상기와 같이 전도부(240)를 형성할 수 있다. 전도부(240)는 금속성 자성 물질인 구리(Cu), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 및, 주석(Sn)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
제3 실시 예에 의한 본 발명의 배출가스 후처리 장치는, 인덕션코일(220)로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부를 더 포함할 수 있다. 전원제어부의 전기 공급으로 인덕션코일(220)에 의한 전기장(또는 자기장)이 형성되고, 이와 같은 인덕션코일(220)에 의한 전기장이 전도부(240)를 통과하면서 전도부(240)에 와전류가 생성되어 발열되고, 이에 따라 담체부(210)가 가열됨과 동시에 담체부(210)와 결합된 금속촉매층이 가열될 수 있다. 그리고, 담체부(210)를 통과하는 가스와 가열된 금속촉매층이 촉매 반응을 수행하여 배출가스에 포함된 NOx, CO 등의 물질이 제거될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 발열반응부
120 : 인덕션코일
130 : 하우징
140 : 절연부
210 : 담체부
211 : 유로
220 : 인덕션코일
231 : 전도성 물질
232 : 전도체
240 : 전도부
241 : 전도판

Claims (14)

  1. 원통 형상으로 내부 공간을 구비하는 하우징;
    상기 하우징의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일;
    상기 하우징의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며, 상기 인덕션코일의 전기장에 의해 와전류가 생성되어 발열됨으로써, 상기 하우징으로 유입된 가스와 촉매 반응하고, 강자성체 소재로 형성되고 복수 개의 원통이 서로 연결된 형상으로 형성되며 메쉬 형상을 구비하는 담체를 구비하는 발열반응부; 및
    상기 하우징의 내측면을 따라 형성되고, 상기 하우징의 내부를 절연시키는 절연부;를 포함하고,
    상기 복수 개의 원통 각각의 측벽은 경사를 구비하며,
    상기 복수 개의 원통 중 하나의 원통의 말단과 다른 원통의 말단 각각은 휘어진 형상을 구비하고, 하나의 원통의 말단과 다른 원통의 말단이 서로 연결됨으로써, 상기 담체를 형성하는 복수 개의 원통은, 상기 하우징의 길이 방향 중심축을 기준으로 동심원 방향으로 배열되고,
    상기 복수 개의 원통 중 가장 외측에 위치하는 원통의 말단이 상기 하우징의 내측면과 결합되어, 상기 담체가 상기 하우징의 내부에 고정 지지되는 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열반응부는, 상기 금속촉매가 상기 담체에 코팅되어 형성되는 금속촉매층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속촉매는 구리(Cu), 세륨(Ce), 란타넘(La), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)의 귀금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 인덕션코일로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  6. 비자성 물질로 형성되고, 내부로 유입되는 가스의 유동을 위한 복수 개의 유로를 내부에 구비하며, 상기 가스와 화학 반응을 수행하는 담체부;
    금속촉매가 상기 담체부의 표면에 코팅되어 형성되는 금속촉매층; 및
    상기 담체부의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급 받아 전기장을 생성하는 인덕션코일;을 포함하고,
    상기 복수 개의 유로 중 일부의 내부에 전도성 물질 또는 전도체가 형성되어 전도성 유로가 형성됨으로써, 상기 인덕션코일의 전기장에 의해 상기 전도성 물질 또는 상기 전도체에 와전류가 생성되어 가열되며,
    상기 전도성 유로가 상기 담체부의 형상을 따라 일렬로 배열되어 형성됨으로써, 상기 인덕션코일의 전기장 침투 깊이가 소정의 범위 내에서 형성되어, 와전류에 의한 발열 분포가 균일하게 형성되고,
    상기 전도성 물질은, 금속성 자성 물질로 형성되고 입경을 구비하는 분말 입자와 내열성 접착제가 혼합되어 형성되어, 상기 전도성 유로에 인입됨으로써 상기 전도성 유로에 충진되거나 코팅되는 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 담체부는 코디에라이트, 탄화규소 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 전도성 물질은, 세라믹 복합 소재와 도전성 접착제가 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 전도체는 금속성 자성 물질로 형성되는 판 또는 관인 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  12. 청구항 6에 있어서,
    금속성 자성 물질로 형성되어 상기 담체부의 내부로 인입되며, 상기 인덕션코일의 전기장에 의해 와전류가 생성되고, 각각이 판재 형상인 복수 개의 전도판을 구비하는 전도부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕션 가열에 의한 배출가스 후처리 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
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