KR19990029483A - 촉매용 벌집형체구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 벌집형체( honeycomb )(1)와 주위 재킷( surrounding jacket )으로 구성되는 촉매에 관한 것으로서, 상기 벌집형체는 적어도 그 일부가 윤곽을 나타내는 금속시이트들의 더미( stack )로 형성되는 구조를 가지며 수개의 가스용 관통유동 채널들을 포함한다. 상기 금속시이트들의 자유단부들은 벌집형체의 원주의 일부(F1)가 금속시이트들의 자유단부들로 부터 자유롭도록 벌집형체의 중심에 대해 비대칭적으로 벌집형체의 원주의 일부(S1)에 걸쳐 분포된다. 상기 벌집형체는 상기 자유단부들의 적어도 일부로 구성되는 구역(L1)에 걸쳐 상기 재킷에 직접적으로 또는 중간층을 통해 부착된다.

Description

촉매용 벌집형체 구조
본 발명은 벌집형체와 주위 재킷으로 구성되는 촉매에 관한 것으로서, 상기 벌집형체는 적어도 그 일부가 윤곽을 나타내는( profiled ) 금속시이트들의 더미로 형성되는 구조를 가지며 수개의 가스용 관통유동 채널( through-flow channel )들을 포함한다.
본 발명은 특히 촉매용 벌집형체 및 상기 벌집형체를 주위 재킷에 고정하는 것에 관한 것으로서, 이 제품은 전형적으로 연소기관으로 부터의 배출물을 가스상 불순물들 또는 입자표면들에 부착된 불순물들을 산화시키며 질소산화물들을 환원시킴으로써 정화하기위해 사용된다.
촉매용 금속 벌집형체는 전형적으로 그것들을 통해 가스가 벌집형체를 통과하는 다수의 채널들을 형성하는 얇은 금속 시이트들로 구성된다. 전형적으로 벌집형체는 2개의 금속시이트들로 구성되며, 그중 하나는 주름진 것이고 다른 하나는 대략 보다 평활하여 시이트들을 번갈아 층으로 결합함으로써 다수의 채널들이 발생된다. 세라믹 지지체가 벌집형체의 표면상에 부가되어 촉매의 기하학적 면적을 증가시키며 활성을 강화하는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 예를 들어 가스상 화합물을 저장하기도 한다. 추가하여, 이 지지체는 실제로 촉매적으로 활성인 화합물들인 귀금속용 베이스로서 작용한다. 세라믹 지지체는 벌집형체가 제조되기전에 금속시이트들의 표면상에 가해지기도 하며 이 방법을 '개방 코우팅'이라 하고, 지지체는 벌집형체의 말아감음( rolling ), 조립( composing ), 또는 굴곡 후 가해지기도 하며, 이때에는 '벌집형체 코우팅'이라는 표현이 사용된다.
작동하기 위하여 촉매는 엔진의 형식과 촉매의 귀금속 장전( loading )에 의존하는 예를 들어 250℃와 같은 적당한 작동온도( 점화온도 )에 도달하여야 한다. 배출한도의 엄격함은 가능한 한 빨리 점화온도에 도달할 필요를 초래하였다.
전에는 전력으로 실제의 촉매앞에 설치된 보다 작은 전기 촉매를 가열하는 것이 급속한 점화를 위한 하나의 해결책으로 고려되었다. 이렇게 하여 촉매의 전통적인 위치를 차의 섀시내로 유지할 수 있었다. 그러나, 이 해결책은 가격과 기술에 관련된 문제에 기인하여 거의 포기되어 왔다. 촉매 또는 보다 작은 예비 촉매를 배기매니폴드와 직접 연관하여 소위 '폐쇄 연결'위치에 설치함으로써 급속 점화 요구를 해결하는 것이 수립된 관례가 되어 왔지만, 이 방법은 촉매에 가해지는 열 및 기계적 응력이 상당하므로 촉매의 내구성을 크게 요구한다.
'폐쇄 연결'위치에서 전형적으로 50-400㎐ 의 주파수의 큰 가속력이 촉매에 가해진다. 최악의 경우는 엔진본체로 부터 배기매니폴드를 통해 촉매로 전달된 이 가속치들은 지구중력가속도의 수십배에 달한다. 또한, 배기가스유동의 펄스충격은 촉매 벌집형체 및 특히 그 전면에 영향을 미치며, 상기 충격은 엔진의 연소주파수로 벌집형체의 전면의 진동을 유발한다. 여기서 고주파수 피로라는 표현은 이 현상을 나타내는 데 사용된다.
고주파수 피로에 추가하여, 열력( thermo-thermal forces )의 상당한 사이클링이 최악의 '폐쇄 연결'위치에 있는 촉매 벌집형체를 향한다. 차의 시동을 걸거나 차의 부하를 급속히 증가시킬 때 배기가스의 온도가 상승하며 촉매에서 산화될 성분들의 농도도 증가하여, 촉매의 가열로 이어지고 특히 벌집형체의 중심부가 우선적으로 온도가 급격하게 상승하게 된다. 벌집형체를 둘러싼 보다 찬 재킷에 대한 열경사도에 기인한 금속 벌집형체의 열팽창은 벌집형체에 압축응력의 원인이 되며, 이것은 약 900-1000℃의 고온의 응력에서 전형적으로 페라이트강으로 제조되는 벌집형체가 예를 들어 재킷에 사용된 내,외부 열절연체에 의해 의존하는 열경사도( thermal gradient )의 크기와 유동분포( flow distribution )에 다시 의존하여 어느정도 불가피하게 변형되는 것을 의미한다. 엔진부하가 감소되거나 엔진이 꺼졌을 때 엔진온도는 떨어지고 벌집형체와 재킷은 수축한다. 그 때 벌집형체는 고온에서의 새로운 보다 작은 체적을 취하려 하며, 벌집형체와 재킷 사이에 인장응력이 발생하고 최악의 경우 벌집형체가 케이싱으로 부터 떨어져나가게 된다. 반경방향에 추가하여, 유동방향, 즉 축방향의 벌집형체에도 온도경사도가 나타난다. 열사이클링에 의해 발생된 힘은 열피로라 불리운다.
금속 벌집형체에 대한 고주파수 피로를 제어하기 위한 수립된 방법은 예를 들어 보다 강한 금속시이트들이 사용되는 벌집형체 구조의 보강을 포함한다. 이것들은 보다 두껍거나 강한 재료로 제조되기도 한다. 보다 큰 응력이 작용하는 보다 평활한 시이트들이 주름진 시이트보다 강한 재료로 제조되거나 그 두께가 증가되는 제품들이 장기간 상용되어 왔다. 채널들을 형성하는 시이트들은 함께 브레이징되거나 비임-용접된다. 이 제품의 유동분포를 개량하거나 벌집형체의 횡단면적을 증가시킴으로써 배기가스에 의해 발생된 충격성 펄스를 제어하려 하여 왔지만, 이들을 결합하는 가장 좋은 방법은 벌집형체를 가스의 유동에 대해 비스듬한 위치가 되게 하는 것이다.
열피로의 문제는 '폐쇄 연결'위치와, 특히 재킷튜브에 브레이징된 그리고 벌집형체 내부의 구조와 연관하여서만 강하게 나타나며, 거기서 주기적으로 변화하는 온도는 큰 잔류응력을 유발한다. 이 상황의 제어는 벌집형체와 재킷튜브 사이의 접합면적을 축방향으로 감소시킴으로써 벌집형체의 가요성을 증가시키는 것과 주로 관계되어 왔다. 단일 시이트들 또는 주름진 밴드와 평활한 밴드의 결합에 의해 형성된 시이트들의 쌍( pair )들이 서로 떨어져 있는 구조로 열피로에 의해 유발된 응력들은 보다 작지만, 그들은 벌집형체를 느슨하게 하여 고주파수피로에 대한 내구성을 감소시킨다.
특허 EP-0 245 738 호에는 벌집형체의 강도가 벽들을 보강함으로써 증가되는 구부러지며 말아 감겨진( rolled ) 구조들이 게재되어 있다. 보강벽들은 벌집형체의 자연적인 주파수에 영향을 미치기 위해 그리고 그렇게 하여 고주파수피로에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 사용되기도 한다. 그러나, 벌집형체의 증가된 견고성이 벌집형체의 내구성에 위험하기 조차 한 이 구조들로 열피로에 대한 내구성을 제어하는 것은 어렵다. 또한, 이 구조의 보강벽은 과다한 질량과 비용을 나타낸다.
특허 EP-0 245 737 호에는 금속시이트들이 쌓여 진 더미가 구부러지거나 반대방향으로 말아감겨진 촉매구조가 게재되어 있다. 이 구조의 특징은 시이트들이 2개의 대향하는 섹터 또는 세그먼트에서 재킷원주에 대칭적으로 접합되는 것이다. 이 구조는 단일 시이트들이 부착되지 않은 경우에는 가요성이 있지만, 이 구조의 고주파수 피로에 대한 내구성이 시이트들을 서로 부착함으로써 증가되면, 공보 WO-96/26805 호에 게재된 바와 같이 접합면적을 축방향으로 감소시킴으로써 전형적으로 열피로에 대한 내구성을 증가시킬 것이 필요한 상황이 발생된다.
특허 EP-0 631 815 호에는 보다 강한 합금으로 제조된 주름진 그리고 평활한 시이트들의 밴드들의 쌍들이 사용되는 S 형태로 구부러진 벌집형체가 게재되어 있으며, 그 쌍들은 보강층들로서 작용한다. 추가하여, 이 특허는 주름지지 않은 시이트가 어떻게 한바퀴 더 돌아서 벌집형체를 위한 재킷을 형성하는 가를 게재한다. 이 구조에서 그것도 벌집형체의 내부구조의 경화에 집중되며, 그것으로는 열피로에 대한 벌집형체의 내구성에 영향을 미칠 수 없다.
공보 SAE-910615 호에는 엔진가까이 설치된 촉매와 관련된 문제가 게재되어 있다. 벌집형체의 최외부와 촉매재킷 사이의 온도차이는 400℃가 되어 강한 열피로에 이르게 된다. 3개의 상이한 촉매 구조가 시험되었는 데, 그중 벌집형체의 전연부와, 마찬가지로 나선형 로울의 최외측 플라이( ply )들이 브레이징된 것들이 최량의 것으로 증명되었다. 재킷에의 고정은 출구측에서 이루어진다. 벌집형체의 내측과 출구단부는 브레이징되지 않은 채 이다. 공보에 따르면, 벌집형체는 재킷으로 부터 떼어지지 않았으며, 브레이징된 전면이 파손되거나 앞으로 돌출한 곳에서 어떤 손상도 나타내지 않았다. 벌집형체의 내측과 출구를 솔더링( soldering )하지 않고 벌집형체를 출구연부만 고정함으로써 열피로에 대한 구조의 탄성을 증가시킬 수 있어 실시된 시험을 통과하였다.
공보 WO-96/26805 호에는 벌집형체 구조에 속하는 평활한 밴드가 벌집형체의 일부 길이를 축방향으로 둘러싸는 구조를 게재하고 있다. 따라서 벌집형체와 재킷튜브사이에 원하지 않는 브레이징접합을 방지할 수 있다. 공보에 따르면, 재킷과 케이싱사이에 모든 접합을 방지할 수 있어 제품의 열피로에 대한 내구성을 개량할 수 있다. 이 방법은 평활한 밴드의 성형 또는 택일적으로 벌집형체의 길이의 일부를 둘러싸는 1개 또는 그 이상의 좁은 밴드의 사용을 요구한다.
특허 공보 EP-0 486 276 호에는 벌집형체와 반 타원형 벌집형체내의 재킷튜브 사이의 접합이 게재되어 있으며, 이 공보에 따르면 이것으로 열피로에 대한 우수한 내구성을 얻을 수 있다. 이 공보에서 재킷튜브에의 벌집형체의 고정은 곡선부 또는 택일적으로 평행부로 제한된다.
구조 전체에 걸쳐 브레이징함으로써 함께 접합된 주름진 시이트와 평활한 시이트로 구성된 밴드들의 연속적인 쌍을 말아 감음으로써 벌집형체가 제조되고, 상기 브레이징은 탄성을 증가시키기 위해 벌집형체의 내측에서 감소될 수 있는 것이 서술된 제품들에게서는 전형적이다. 별집형체를 제조하기 위한 다른 방법은 짧게 절단한 주름진 시이트들과 평활한 시이트들을 겹쳐놓고 이렇게 형성한 시이트들의 대략 장방형인 더미의 단부들을 반대방향으로 구부리는 것이다. 형성된 벌집형체의 시이트들의 단부들은 전형적으로 같은 간격으로 재킷에 고정되거나 서로 아주 근접한 2개의 섹터에 고정되며, 상기 섹터들 사이의 구역에서 전형적으로 브레이징이 실시된다. 브레이징은 제품을 둘러싸며, 아마도 탄성을 증가시키기 위해 그 양이 축방향으로 감소된다. 추가하여 U,V 및 교차형 구조들이 있지만, 그것들은 벌집형체 내측을 비틈으로써 열팽창을 균형잡기 위한 나선형 로울과 관련된 능력에 결함이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고주파수 피로와 열피로에 우수한 내구성을 갖는 촉매를 제공하는 것이다.
도1은 본 발명의 촉매의 구조의 설명도,
도2는 도1의 촉매의 제조에 사용되는 금속시이트( sheet )들의 더미( stack )의 구조를 보인 부분도,
도3은 본 발명의 촉매의 다른 구조를 보인 설명도,
도4는 도3의 촉매의 제조에 사용되는 금속시이트더미의 구조를 보인 부분도,
도5는 본 발명의 촉매의 제3구조를 보인 설명도,
도6은 도5의 촉매의 제조에 사용된 금속시이트더미의 구조의 부분도,
도7은 본 발명의 촉매의 제4구조를 보인 설명도,
도8은 본 발명의 촉매의 제조에 사용된 주름진( corrugated ) 시이트들의 구조의 평면도,
도8a는 도8과 같은 구조의 확대 측면도,
도8b는 도8a의 A-A 선 단면도,
도9는 단부 원추를 갖는 본 발명의 촉매의 설명도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,9,15,21 : 벌집형체, 2,10,16 : 금속시이트들의 더미, 3 : 주름진 시이트, 4 : 평활한( smooth )시이트, 5,6,7,8 : 금속시이트들의 쌍.
본 발명에 따라서, 벌집형체와 주위재킷으로 구성되는 촉매가 제공된다. 이 벌집형체는 적어도 그 일부가 윤곽을 나타내는 금속시이트들의 더미로 형성되며 수개의 가스용 관통유동 채널들을 갖는 구조를 포함한다. 벌집형체에서 금속시이트들의 자유단부들은 벌집형체의 중심에 비대칭적으로 벌집형체의 원주의 일부에 걸쳐 분포되어 벌집형체의 원주의 일부가 금속시이트들의 자유단부들로 부터 자유로우며, 상기 벌집형체는 상기 자유단부들의 적어도 일부로 구성되는 구역에 걸쳐 직접 또는 중간층을 경유하여 재킷에 부착된다.
본 발명에 따라서, 상기 벌집형체 구조는 소위 S 모델 벌집형체를 형성하기 위해 금속시이트더미의 단부들을 반대방향( opposite directions )으로 구부림으로써 형성된다. 이렇게 형성된 벌집형체 구조에서 금속시이트들의 자유단부들은 금속시이트더미의 양단부들로 부터 시작한다.
본 발명에 따라서, 상기 벌집형체 구조는 또한 그 두께가 말아 감는 벙향으로 증가하도록 금속시이트들의 더미를 나선형( spiral )으로 말아감음으로써 형성된다. 말아감음의 시작점이 절단된 시이트들을 포함하면, 제조된 벌집형체구조의 금속시이트들의 자유단부들은 금속시이트더미의 보다 두꺼운 단부로부터 나온다. 다시 말아감음의 시작점이 구부러진 시이트들을 포함하면, 벌집형체 구조의 금속시이트들의 자유단부들은 시이트더미의 구부러지 않은 보다 두꺼운 단부로부터 나온다. 금속시이트들의 상기 자유단부들은 벌집형체의 원주길이의 일부, 바람직하기는 약 25-90% 에 걸쳐 분포된다.
금속시이트들의 상기 더미는 유리하게 시이트들의 수개의 쌍들로 구성되며, 단일 쌍들은 실질적으로 평활하거나 약간 주름진 시이트와 주름진 시이트로 구성된다. 본 발명에 따라서, 시이트들의 단일 쌍의 실질적으로 평활하거나 약간 주름진 시이트와 주름진 시이트는 예를 들어 용접에 의해 서로 부착된다.
예를 들어, 금속시이트들의 상기 더미는 시이트들의 약 2-15 쌍으로 구성되지만, 구조에 따라서 보다 큰 수의 쌍들을 사용할 수도 있다.
본 발명의 유리한 실시예에 따라서, 벌집형체의 전체 길이 또는 일부를 따라 벌집형체와 재킷 사이에 고정구역이 존재하며, 상기 구역은 금속시이트들의 자유단부들이 위치하는 원주의 상기 부분으로 구성되며, 벌집형체의 원주방향으로 금속시이트들의 자유단부들이 없는 상기 원주부분의 적어도 일부로 구성되는 고정되지 않은 구역이 존재한다. 본 발명에 따라서, 벌집형체와 재킷은 예를 들어 브레이징 또는 용접에 의해 상기 고정구역에서 서로 접합된다.
본 발명의 촉매의 재킷은 원형, 반 타원( 레이스 트랙 )형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다.
본 발명의 촉매의 벌집형체는 그 두께가 다른 금속시이트들 보다 두꺼운 1개 또는 수개의 보강 시이트들을 추가적으로 포함하기도 한다. 보강시이트의 길이는 그것이 재킷과 벌집형체의 원주 또는 그 일부 사이에 상기 중간층을 형성하도록 다른 시이트들의 길이보다 길게 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 금속시이트들의 자유단부들은 벌집형체의 중심에 비대칭적으로 벌집형체의 원주의 일부에 걸쳐 분포된다. 추가하여, 벌집형체의 중심은 재킷의 대칭축과 일치하지 않을 수 있다.
본 발명의 촉매의 제조에서 '개방 코우팅' 또는 '벌집형체코우팅'기술이 사용되기도 한다.
이하, 본 발명이 첨부도면을 참고하여 보다 상세히 설명된다.
도1에 팽창하는 나선형( expanding spiral )으로서 말아감겨진 본 발명의 촉매용 벌집형체(1)가 도시된다. 본 발명에 따라서, 이 제품은 고정된 크기로 절단된 주름진 시이트(3)와 평활한 시이트(4)로 제조된 금속시이트들(5,6,7,8)의 쌓여진 쌍들로 구성되며, 이 시이트들의 쌍들( 전형적으로 예를 들어 2-15 쌍)은 쌓여 더미(2)가 되고, 그 두께는 도2에 도시한 바와 같이 유동채널들의 횡방향으로 증가한다. 도2와 같이 더미의 두께가 가장 얇은 더미의 그 단부로 부터 나선형 로울을 만들기 시작하며 새 층들(7,8)이 연속적으로 금속시이트들의 더미로 도입되는 방향으로 진행됨으로써, 그 구조가 연속적으로 팽창하는 나선형을 형성하는 제품을 제조할 수 있다.
도2의 경우에, 더미의 두께를 증가시키는 요소(7,8)는 반드시 균일한 길이일 필요는 없는 1개의 주름진 시이트와 1개의 평활한 시이트로 구성되는 금속시이트들의 적어도 1쌍으로 구성된다.
도2에서, 나선형의 팽창속도는 나선형 원점( spiral origo )으로 부터의 거리(Xi)를 원하는 식으로 선정하고 문제의 점에서의 요소들의 수를 증가시킴으로써 제어되기도 한다. 팽창점들이 종료된 나선형내 원점에 대해 위치하는 방식은 외주에서의 시이트들의 종료에 영향을 미치기도 한다. 이것은 더미를 형성하는 시이트들의 제어된 절단길이와 함께 시이트들의 절단 단부들이 재킷의 원하는 섹터(S1)에서 또는 재킷원주의 원하는 길이를 따라서 만나는 벌집형체 구조를 만들기도 한다. 이 방법으로 모든 시이트단부들이 재킷에 잠겨지도록 원주의 전체길이를 따라 예를 들어 둥근 제품에 브레이징할 필요를 제거할 수 있다. 제품의 내구성이 축방향 가속력에 대해 충분하게 하기 위해 원하는 섹터는 응력상황에 따라 둥근 제품에 대해 90°- 330°인 것이 바람직하다. 둥근 제품이 아닌 것에 대해서는 접합섹터는 재킷원주의 퍼센트로 표시되기도 하며, 그것은 약 25-90%이다. 그것을 따라 벌집형체가 재킷에 고정되는 구역(L1)은 적어도 접합섹터(S1)의 크기이지만, 일반적으로 제조기술상의 이유로 약간 크다. 큰 접합섹터는 벌집형체의 탄성을 감소시키며 따라서 열응력에 대한 내구성을 약화시킨다. 접합섹터 외측의 재킷내측에 남으며 원주와 접합된 시이트들을 포함하지 않는 구역(F1)은 열력( thermal force )에 의해 유발된 변형을 받으며 나선형과 유사한 벌집형체 구조가 비틀림에 의한 열력에 의해 유발된 열운동( thermal movement )을 받게 할 가능성을 증가시킨다. 본 발명의 제품에서 상기 운동과 그것과 연관될 수 있는 변형이 제어되므로 벌집형체의 이 부분은 예를 들어 캐닝( canning )과 연관하여 배기 펄스에 대해 보호되며, 따라서 벽으로 부터 떨어져 있는 부품의 내구성을 확보할 수 있다. 열력에 대한 벌집형체의 내구성이 지도된 열운동과 변형에 기초하므로 원하면 벽길이 또는 그 일부에서 시이트단부들로 부터 축방향으로 고정이 행해진다. 이 고정에 상이한 형태의 브레이징 또는 예를 들어 비임용접 기술이 사용된다.
팽창하는 나선형이 특징인 제품이 제품의 용이한 제조를 위해 사용되며, 그 성질은 축방향으로 변화하는 데, 그 이유는 제품의 중심으로 신장하는 시이트들이 상이한 강도를 갖거나, 또는 상이한 개구( aperture )수, 촉매 성질( 개방 코우팅 ) 또는 나선형의 나중 부분에서 더미에 도입되는 시이트들로 부터 다른 성질들을 가지기 때문이다. 따라서 예를 들어 유동저항을 감소시키는 보다 큰 채널들 또는 그 형태가 가스 방출을 용이할 수 있게 하는 채널들이 제품의 원주 구역에 위치하도록 제품의 유동분포에 영향을 미칠 수 있으며, 거기서 가스유동은 전형적으로 중심에서 보다 적다. 또한, 구조를 단( stage )으로 접합하는 층요소들 또는 시이트들의 쌍들은 상이한 방법으로 시이트들에 고정되기도 한다. 이렇게 하여, 시이트들의 일부는 예를 들어 레이저법에 의해 함께 용접되며,그 부분은 고정없이 자유롭다. 고정에 의해 보강된 구역은 고주파수 피로가 가장 센 곳으로 향하기도 한다. 본 발명의 이 제품에서 열운동은 나선형의 나선형 운동에 의해 평활하게 되어 열피로에 대한 양호한 내구성을 초래한다.
본 발명의 이 제품은 예를 들어 오오스테나이트 니켈-크롬-알루미늄-제1철 종류( sorts )와 페라이트 철-크롬-알루미늄 종류의 상이한 형식의 금속시이트들로 제조되기도 한다. 금속시이트에서 알루미늄 또는 그 일부는 전형적으로 예를 들어 고온 알루미나이징, 기계적 코우팅, 증기화 또는 스퍼터리제이션( sputterization )을 포함하는 코우팅방법에 의해 가해지고 있다. 벌집형체는 전형적으로 재킷튜브내 또는 디이프드로잉한 케이싱들사이에 설치되거나, 또는 직접 주조모울드내측에 설치되기도 하며, 재킷은 예를 들어 엔진의 배기 매니폴드의 일부로서 주조되기도 한다.
도3에 팽창하는 나선형으로서 말아감겨진 본 발명의 촉매 벌집형체(9)가 도시되어 있다. 본 발명의 상기 제품은 도1에 도시한 구조의 변형예다. 이 제품은 도4에 도시한 금속시이트들의 더미(10)로 제조된다. 금속시이트더미(10)는 이중으로 접히며 그 사이에 끼워진 더미의 두께를 증가시키는 요소들을 포함하는 시이트들(11),(12)의 2개의 중첩된 쌍들로 구성되며, 그 요소들은 금속시이트들의 이중으로 접혀진 쌍들로 구성된다. 도4에서, 금속시이트들의 2개의 이런 쌍들은 참고부호(13),(14)로 표시된다. 금속시이트들의 단일 쌍은 주름진 금속시이트와 평활한 금속시이트로 구성된다. 나선형 말아감김은 더미의 단부로 부터 시작되며, 거기서 도4에 도시한 바와 같이 두께가 가장 얇다. 이렇게 하여, 그 구조가 연속적으로 팽창하는 나선형을 형성하는 제품이 달성된다. 상기한 방법으로 그 나선형 말아감김의 중심이 적어도 제품의 대칭축으로 부터 이동된 벌집형체를 제조할 수 있다. 이 전이는 도3에 α로 표시된다. L2는그것을 따라 벌집형체가 재킷에 고정되는 구역을 표시한다.
도5는 팽창하는 나선형으로서 말아감겨져 있는 본 발명의 촉매 벌집형체(15)를 도시한다. 본 발명의 이 제품은 도1 및 도3에 도시한 구조의 변형예이다.이 제품은 도6에 도시한 금속시이트들의 더미(16)로 제조된다. 금속시이트들의 더미(16)는 그 사이에 끼워진 더미의 두께를 증가시키는 요소들을 갖는 시이트들의 이중으로 접은 쌍(17)으로 형성되며, 상기 요소들은 금속시이트들의 이중 접음 쌍들로 형성된다. 이런 금속시이트들의 2개의 쌍들은 도6에서 참고부호(18),(19)로 표시된다. 더미의 두께를 증가시키는 요소들도 마찬가지로 금속시이트들의 이중접음 쌍들로 제조되고 그중 하나가 참고부호 (20)인 금속시이트들의 쌍위애 끼워진다. 나선형의 말아감음은 도6과 같이 두께가 가장 얇은 더미의 단부로 부터 시작하여, 그 구조가 연속적으로 팽창하는 나선형을 형성하는 제품이 제조된다. 상기한 방법으로 나선형 말아감음의 중심이 적어도 제품의 대칭축으로 부터 이동되는 벌집형체(15)를 제조할 수 있다. 이 전이는 도5에 α로 표시된다. L3는그것을 따라 벌집형체가 재킷에 고정되는 구역을 표시한다.
도7에 편심S형 촉매 벌집형체(21)로 구성되는 본 발명의 제품이 도시된다.이 제품은 고정된 크기로 절단된 주름진 시이트들과 평활한 시이트들로 형성된 금속시이트들의 중첩된 쌍들로 구성되며, 금속시이트들의 쌍들은 상이한 길이 ( 전형적으로 예를 들어 4-35 쌍)로 되어 있다. 제품은 금속시이트들의 더미를 1개 또는 2개의 정밀하게 미리 정해진 곳에서 파지함으로써 나선형으로 말아감겨지며, 쌍들사이의 중심위치는 더미의 말아감음방향에 대해 중심에 위치하지 않지만, 결합은 비대칭적이다. 이 방법으로 나선형 말아감음의 중심이 적어도 제품의 대칭축으로 부터 이동된 벌집형체를 제조할 수 있다. 이 전이는 α 로 표시된다.이 절차는 금속시이트들의 제어된 절단길이와 함께 절단된 금속시이트들의 단부들이 재킷(22)의 원하는 섹터내에서 또는 재킷의 원주의 원하는 길이를 따라서 만나는 벌집형체 구조를 만들기 위해 사용되기도 한다.
이 방법으로 모든 금속시이트들의 단부들을 재킷에 잠그기 위해 예를 들어 둥근 제품을 전체길이를 따라 브레이징할 필요를 제거할 수 있다. 제품의 축방향 가속력들에 대한 내구성을 충분히 하기 위해 둥근 제품에서 원하는 섹터는 응력상황에 따라 약 90°-330°이다. 원형제품이 아닌 경우 접합섹터는 재킷의 원주의 퍼센트로 표시되며, 약 25-90% 이다. 그것을 따라 벌집형체가 재킷에 고정되는 구역L4는접합섹터의 최소크기이지만, 제조기술상의 이유로 약 25-90%이다. 큰 접합섹터는 재킷의 탄성를 감소시키며 따라서 열응력에 대한 내구성을 감소시킨다. 접합섹터 외측의 재킷내측에 남으며 원주와 접합된 시이트들을 포함하지 않는 구역(F4)은 열력에 의해 유발된 변형을 받으며 나선형과 유사한 벌집형체 구조가 비틀림에 의한 열력에 의해 유발된 열운동을 받게 할 가능성을 증가시킨다. 본 발명의 제품에서 상기 운동과 그것과 연관될 수 있는 변형이 제어되므로 벌집형체의 이 부분은 예를 들어 캐닝과 연관하여 배기 펄스에 대해 보호되며, 따라서 벽으로 부터 떨어져 있는 부품의 내구성을 확보할 수 있다. 열력에 대한 벌집형체의 내구성이 지도된 열운동과 변형에 기초하므로 원하면 벽길이 또는 그 일부에서 시이트단부들로 부터 축방향으로 고정이 행해진다. 다양한 형태의 브레이징 또는 예를 들어 비임용접이 고정기술로서 사용된다.
도8,8A 및8B 에 본 발명의 촉매의 제조에 사용되는 주름진 금속시이트가 도시된다. 상기 주름진 금속시이트는 참고부호 (23)으로 표시된다. 주름진 금속시이트(23)의 전연부(24)는 그것이 주름진 금속시이트의 다른 부분들보다 높은 레벨이 되도록 주름공정중 성형된다. 주름진 금속시이트와 평활 금속시이트의 전연부(24)는 예를 들어 레이저용접에 의해 함께 접합된다. 이 용접은 그 사이의 주름이 탄성이 됨에 의해 말아감음에 의해 유발된 구부러짐을 수납할 수 있도록 매 제2 주름정부( every second corrugation top )로 부터 수행되기도 한다.
도9에 벌집형체(25)와 주위재킷튜브(28)로 구성되는 종료된 촉매의 구조가 도시된다. 단부 원추( end cone )가 벌집형체(25)의 입구측에 부착되며, 원추는 벌집형체의 종축에 대해 비스듬히 설치된다. 도9에서 가스의 유동방향은 화살표로 표시된다. 단부원추(27)는 벌집형체(25)의 출구측에 끼워진다.
본 발명의 제품으로 가장 큰 이점들이 원형 벌집형체 본체에 의해 달성되며, 제조시 통상적인 문제는 특히 금속시이트들의 더미로 부터 벌집형체를 말아감을 때 충분한 탄성을 달성하는 것이다. 그러나, 본 발명은 이 단순한 형상에 제한되지는 않는 데, 그 이유는 예를 들어 타원 형상에서 유동채널들의 방향과 직교하는 방향의 말아감음의 편심이 활용되기도 한다. 따라서, 금속시이트들의 시작점들과 종료점들을 재킷의 내측 원주의 원하는 섹터로 정렬시키며 벌집형체의 다른 부분을 케이싱에 그 주요부를 고정함이 없이 놓아 둘 수 있다. 팽창하는 나선형을 활용함으로써 벌집형체가 제조되며, 그 중심은 원하는 크기의 개구를 보유한다. 개구가 폐쇄되도록 벌집형체를 평탄하게 함으로써 반타원형 벌집형체가 형성되며, 거기서 벌집형체의 중심에 관한 금속시이트들의 접합점들의 비대칭성은 평탄화하는 방향에 의해 또한 나선형 팽창의 비대칭성에 의해 제어된다. 이하, 본 발명의 제품들, 그 제조 및 성질들이 하기 예들에 의해 설명된다.
예 1
도1에 도시되며 팽창하는 나선형으로서 말아감겨진 촉매 벌집형체(1)는 7㎜ 폭의 스트립이 그 전연부로 부터 코우팅되지 않은 채로 있도록 주름진 강시이트와 평활한 강시이트를 미리 코우팅함으로써 제조된다. 시이트와 지지체의 점착은 550℃의 온도에서 4시간 동안 어닐링함으로써 시이트를 세척함으로써 향상된다. 이것은 나중에 실시되는 레이저용접을 방해하지는 않는다. 예비처리 또는 시이트표면을 산화 또는 질화하는 예비처리부분도 시이트의 특정부분에만 가해지며, 거기서 지지체는 제1단계에 가해지고, 용접될 부분은 다른 식으로 세척된다. 화학적 또는 전해 세척에서 이것은 예를 들어 시이트의 반응제 또는 전해액에의 부분적인 침지에 기초하기도 하며, 열처리에 있어서 용접될 부분을 저항 또는 화염 가열 외측에 두는 것 또는 지지체로 코우팅될 연부상에 유도가열을 가하는 것예 기초하기도 한다. 도8,8a 및8b 에 도시한 식으로 주름단계중 주름진 시이트의 전연부가 성형되며 주름진 시이트와 평활한 시이트는 코우팅된 연부를 Nd-YAG-레이저 용접함으로써 함께 접합될 수 있고, 팽창하는 나선형에서 필요한 요소들이 형성될 수 있다. 그 사이의 주름이 편심에 의한 말아감음에 의해 유발된 구부러짐을 받을 수 있도록 매 제2 주름 정부로 부터 용접이 실시되었다. 용접후 더미의 얇은 단부로 부터 말아감음이 실시되었으며, 최종적으로 벌집형체를 지지체내에 집어넣음으로써 지지체가 벌집형체의 전연부에 가해졌다. 최종적으로, 1 입방 피이트당 200ｇ의 팔라듐의 촉매가 지지체에 가해졌다. 주름진 시이트들과 평활한 시이트들의 길이들 사이의 관계는 주름진 로울 형상이 사용되어 제품의 개구수, 즉 입방 인치당 채널들의 수가 400이 되도록 설정되었다. 미리 계산하고 시험함으로써 나선형을 팽창시키는 층들을 외주에서 시이트들의 쌍들의 종료가 90°-330°의 섹터 간격에서 제어될 수 있는 구조로 만들기 위해 원점에 관한 비중심점들이 검색되었다. 제조된 제품에서 섹터S1은 270°로 선택되었다. 재킷에의 브레이징은 유도법을 사용하여 벌집형체의 중심으로 부터 16㎜의 거리에 걸쳐 축방향으로 290°의 섹터L1에서 실시되었다. 도9에 도시한 식으로 단부원추들이 제조된 제품에 부착되었다.
참고제품B 는 진공 브레이징에 의해 제조된 벌집형체이다. 벌집형체는 브레이징되고 전체길이에 걸쳐 재킷에 부착되었다. 실시된 시험에서 그 작동온도가 시이트들의 쌍들로 제조된 벌집형체의 그것보다 약간 낮게 되도록 벌집형체에는 지지체나 귀금속이 가해지지 않는 데, 그 이유는 벌집형체에서 산화반응이 크게 발생하지 않기 때문이다.
본 발명에 따른 제품A 와 참고제품B 에 대한 데이터가 하기 표1에 표시된다.
A: 본 발명 제품 B: 참고 제품
벌집형체 직경 68.5㎜ 68.5㎜
벌집형체 길이 74.5㎜ 74.5㎜
개구 수 400 400
시이트 50㎛/Fe-20Cr-5Al 50㎛/Fe-20Cr-5Al
Pd 로우딩 200g/ft3 0
구조설명 시이트들의 레이저용접된 쌍들, 섹터(290°)에 걸쳐 케이싱에 부착된 팽창하는 나선형. 접합섹터 270° 진공 브레이징된 구조, 케이싱에 완전히 부착된 (360°)벌집형체와 서로 접합된 단일 시이트 층들
본 발명에 따른 촉매A 와 참고촉매B 의 열피로와 고주파수피로에 대한 내구성이 엔진의 배기폴드에 나란히 그들을 소위 폐쇄연결위치로 설치함으로써 시험되었다. 시험에서 2 리터,16밸브 엔진이 사용되었으며, 그것은 시험벤치에 부착되었다. 사용된 시험사이클은 표2에 표시된다.
1 단계 2 단계
시간 6.5 분 7.5 분
모우터 회전수 2800rpm 5200rpm
부하 20Nm 전 부하
배기가스온도 620℃ 880℃
배기가스온도가 620℃-880℃사이에서 촉매의 입구에서 급격하게 변화하므로 시험사이클이 강한 열응력을 촉매에 발생시키며, 촉매들이 절연되지 않았으므로 발생된 인장은 특히 반경방향으로 강하였다.
촉매들은 매 20시간에 검사되었다. 사이클이 20시간 지속되었을 때 견고한 벌집형체를 가지며 케이싱에 견고히 고정된 참고촉매 B 가 완전히 파괴된 것이 발견되었다. 벌집형체들은 반경방향 및 축방향 열력에 기인하여 재킷으로 부터 헐거워졌으며, 그 후 벌집형체들의 외주가 전체 원주길이에 걸쳐 금속시이트층이 없으므로 재킷내에서 진동하였다.
본 발명에 따른 촉매A 는 시험사이클이 40시간 지속된 후 2번째로 검사되었다. 촉매 벌집형체들은 아직 손상되지 않은 채이었으며, 전부원추가 제거된 후 열팽창운동이 재킷에 부착되지 않은 섹터의 원하는 구역으로 향한 것이 관찰되었으며, 그 이유는 벌집형체의 전면을 느낄 때 그것이 아주 타이트하였기 때문이다. 금속시이트들의 단부들이 제한된 섹터에 고정된 팽창 나선형으로서 말아감긴 벌집형체로 내측 헐거움이 발생하지 않도록 열운동을 지도할 수 있었으며 열피로에 대한 내구성을 향상시키고 고주파수에 관한 견고성을 증가시킬 수 있었다.
예 2
도7에 도시되며 S 형태로 구부러진 촉매 벌집형체로 구성되는 본 발명에 따른 제품C 는 7㎜의 스트립이 전연부로 부터 코우팅되지 않은 채로 남도록 주름진 강 시이트와 평활한 강 시이트를 미리코우팅함으로써 제조되었다. 시이트에의 지지체의 점착은 4시간 동안 550℃의 온도로 어닐링하여 시이트를 세척함으로써 개량되었다. 이 처리는 레이저용접을 방해하지 않았다. 시이트의 예비처리 또는 시이트의 표면을 산화 또는 질화하는 예비처리의 일부도 제1단계에서 지지체가 가해지는 시이트의 부분에만 향하도록 되며, 용접될 부분은 다른 식으로 세척된다. 화학적 또는 전해 세척에서 이것은 예를 들어 시이트의 반응제 또는 전해액에의 부분적인 침지에 기초하기도 하며, 열처리에 있어서 용접될 부분을 저항 또는 화염 가열 외측에 두는 것 또는 지지체로 코우팅될 연부상에 유도가열을 가하는 것예 기초하기도 한다. 도8,8a 및8b 에 도시한 식으로 주름단계중 주름진 시이트의 전연부가 성형되며 주름진 시이트와 평활한 시이트는 코우팅되지 않은 연부에서 Nd-YAG-레이저 용접함으로써 시이트들에 구멍들이 뚫리지 않게 함께 접합될 수 있다. 용접후 벌집형체를 지지체내에 집어넣음으로써 지지체가 벌집형체의 전연부에 가해졌으며, 소성후 1 입방 피이트당 200ｇ의 팔라듐의 촉매가 흡수법에 의해 지지체에 가해졌다. 시이트들의 종료된 쌍은 도3에 도시한 방식으로 고정된 크기로 절단되었으며 시이트들의 5개의 중첩된 쌍들의 더미로 쌓여 졌다. 주름진 밴드들이 말아감음에서 중첩되는 것을 방지하기 위해 쌍들에서 사용된 시이트와 동일한 강도를 갖는 평활한 시이트가 정부에 배치되었다. 주름진 시이트들과 평활한 시이트들 사이의 관계는 주름진 로울 형상이 사용되어 제품의 개구수, 즉 평방 인치당 채널들의 수가 400이 되도록 설정되었다. 미리 계산하고 시험함으로써 외주에의 시이트들의 쌍들의 종료가 90°-330°의 섹터 간격에서 제어될 수 있도록 시이트들의 더미의 비중심 파지점들이 검색되었다. 제조된 제품에서 섹터는 180°로 선택되었다. 파지의 편심은 표3에 표시된다. 재킷에의 솔더링은 유도법을 사용하여 벌집형체의 중심으로 부터 16㎜의 거리에 걸쳐 축방향으로 200°의 섹터L4에서 실시되었다. 도9에 도시한 식으로 단부원추들이 제조된 제품에 부착되었다.
시이트들의 쌍의 번호 시이트들의 쌍의 길이,㎜ 시이트들의 쌍의 단부로 부터 측정된 말아감음의 파지점 ㎜
최상 평활 밴드 530 264
1 547 275
2 549 280
3 562 294
4 565 296
5 562 290
참고제품D 는 본 발명의 제품C 와 같은 방법으로 제조되었지만, 시이트들의 더미의 파지는 대칭이며, 시이트들의 모든 쌍들의 양 단부들은 벌집형체의 외주에걸쳐 균등하게 분포되어 브레이징이 외주의 전체길이(360°)에 걸쳐 실시되어야 하고 제품의 외주의 구역에 자유점이 발생하지 않으며, 그 제품은 평균적으로 저온에서 작동하고 열운동을 완충할 수 있어 열응력을 감소시킨다.
본 발명에 따른 제품C와 참고제품D에 대한 데이터가 하기 표4에 표시된다.
C: 본 발명 제품 D: 참고 제품
벌집형체 직경 68.5㎜ 68.5㎜
벌집형체 길이 74.5㎜ 74.5㎜
개구 수 400 400
시이트 50㎛/Fe-20Cr-5Al 50㎛/Fe-20Cr-5Al
Pd 차아징 200g/ft3 200g/ft3
구조설명 비중심적으로 말아감겨지고 섹터(200°)에서 케이싱에 부착된 시이트들의 레이저 용접된 쌍들. 접합섹터 180° 중심적으로 말아감겨지고 케이싱에 전체길이를 따라 (360°)고정된 시이트들의 레이저 용접된 쌍들
본 발명에 따른 촉매C 와 참고촉매D 의 열피로와 고주파수피로에 대한 내구성이 예1에서와 같은 시험들에 의해 정확히 시험되었다. 이 시험들은 하기와 같다 : 벌집형체들이 시이트들의 쌍들로 제조된 탄성구조인 참고촉매D 가 시험이 40시간 지속되었을 때 검사되었으며, 벌집형체들은 아직 파손되지 않았다. 전부 원추는 촉매로 부터 제거되었으며, 벌집형체의 전면의 견고함이 느껴졌을 때 약간의 헐거움이 검출되었고, 그것은 보다 찬 재킷을 향한 벌집형체의 반경방향 팽창이 압축응력과 구조에 대한 약간의 변형을 유발한 사실에 기인하였다. 변형은 시이트들의 상이한 쌍들 사이에 균등하게 분포되었으며 구조의 경미한 헐거움으로서 느껴졌다. 전연부 견고성에서의 이런 변화는 결국은 고주파수 피로 손상의 위험성을 증가시킨다.
본 발명에 따른 촉매C 는 시험사이클이 40시간 지속된 후 검사되었다. 촉매 벌집형체들은 아직 손상되지 않은 채이었으며, 전부원추가 제거된 후 열팽창운동이 재킷에 부착되지 않은 섹터의 원하는 구역으로 향한 것이 관찰되었으며, 그 이유는벌집형체의 전면을 느낄 때 그것이 구조D 와 비교할 때 실질적으로 타이트하였기 때문이다. 시이트들의 단부들이 제한된 섹터에 부착된 비중심적으로(non-centrally ) 말아감긴 벌집형체로 내측 헐거움이 발생하지 않도록 열운동을 지도할 수 있었으며 열피로에 대한 내구성을 향상시키고 고주파수에 관한 견고성을 증가시킬 수 있었다.
본 발명에 따른 촉매는 고주파수 피로와 열피로에 우수한 내구성을 갖는다.

Claims (13)

  1. 벌집형체(1,9,15,21)와 주위 재킷(22)으로 구성되며, 상기 벌집형체는 적어도 그 일부가 윤곽을 나타내는 금속시이트들(2,10,16)의 더미로 형성되는 구조를 가지며 수개의 가스용 관통유동 채널들을 포함하는 촉매에 있어서, 금속시이트들의 자유단부들이 벌집형체의 중심에 관해 비대칭적으로 벌집형체의 원주의 일부(S1)에 걸쳐 분포되어 벌집형체의 원주의 일부(F1,F4)가 금속시이트들의 자유단부들로 부터 자유로우며, 상기 벌집형체가 상기 자유단부들의 적어도 일부로 구성되는 구역(L1,L2,L3,L4)에 걸쳐 직접 또는 중간층을 경유하여 재킷에 부착되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 벌집형체 구조가 금속시이트더미의 단부들을 반대방향으로 구부림으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  3. 제1항에 있어서, 벌집형체 구조가 그 두께가 말아감는 방향으로 증가하는 금속시이트더미(2,10,16)를 나선형으로 말아감음으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  4. 선행항들 중 어느 하나에 있어서, 금속시이트들의 자유단부들이 벌집형체의 길이의 25-90% 를 형성하는 벌집형체의 원주의 일부(S1)에 걸쳐 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 촉매.
  5. 선행항들 중 어느 하나에 있어서, 금속시이트더미(2)가 금속시이트들의 수개의 쌍들(5,6,7,8)로 구성되며, 단일 쌍들은 실질적으로 평활하거나 약간 주름진 시이트(4)와 주름진 시이트(3)로 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  6. 제5항에 있어서, 시이트들의 단일 쌍의 실질적으로 평활하거나 약간 주름진 시이트와 주름진 시이트가 용접에 의해 서로 부착되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  7. 제 5 항 또는 제 6항에 있어서, 금속시이트더미가 시이트들의 2-15 쌍으로 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  8. 선행항들 중 어느 하나에 있어서, 벌집형체의 전체 길이 또는 일부에 걸쳐 그 축방향으로 벌집형체와 재킷 사이에 고정구역(L1,L2,L3,L4)이 배치되며, 상기 구역은 금속시이트들의 자유단부들이 위치하는 원주의 상기 부분(S1)으로 구성되며, 벌집형체의 원주방향으로 금속시이트(S)의 자유단부들이 없는 상기 원주부분(F1,F4)의 적어도 일부로 구성되는 고정되지 않은 구역이 존재하는 것을 특징으로 하는 촉매.
  9. 선행항들 중 어느 하나에 있어서, 벌집형체와 재킷사이에 브레이징 접합부 또는 용접접합부가 존재하는 것을 특징으로 하는 촉매.
  10. 선행항들 중 어느 하나에 있어서, 재킷이 원형, 반 타원형 또는 타원형 횡단면을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 촉매.
  11. 선행항들 중 어느 하나에 있어서, 벌집형체구조가 또한 그 두께가 다른 금속시이트들 보다 두꺼운 1개 또는 수개의 보강 시이트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매.
  12. 제5항에 있어서, 보강시이트의 길이가 그것이 재킷과 벌집형체의 원주 또는 그 일부 사이에 상기 중간층을 형성하도록 다른 시이트들의 길이보다 긴것을 특징으로 하는 촉매.
  13. 선행항들 중 어느 하나에 있어서, 벌집형체의 중심이 재킷의 대칭축과 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 촉매.
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