KR20000016685A - 오염 제어 장치용 하이브리드 마운팅 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 하우징(12)과, 상기 금속 하우징 내에 배치된 고형 오염 제어 장치(20)와, 상기 오염 제어 요소를 적소에 배치하고 기계적 충격 및 열충격을 흡수하도록 상기 오염 제어 요소와 상기 금속 하우징 사이에 배치된 마운팅 매트를 포함하는 오염 제어 장치에 관한 것이다. 상기 마운팅 매트는 탄력적이고, 가요성인 섬유질의 비탄성 재료로 형성된 하나 이상의 삽입물을 가지는 팽창 재료층(26)을 포함하여 팽창성 재료의 부식을 방지하며, 오염 제어 요소와 하우징 사이에 밀봉을 제공한다.

Description

오염 제어 장치용 하이브리드 마운팅 시스템

일반적으로, 오염 제어 장치는 자동차에 설치되어 대기 오염을 제어한다. 현재까지 두 종류 즉, 촉매 컨버터와 디젤 파티큘레이트 필터 또는 트랩이 폭넓게 이용되고 있다. 촉매 컨버터는 컨버터에 장착된 모놀리식 구조물에 통상적으로 코팅되어 있는 촉매를 포함한다. 금속 모놀리스도 사용되어 왔지만, 모놀리식 구조물은 통상적으로 세라믹이다. 촉매는 일산화탄소와 탄화수소를 산화시키고, 자동차 배기 가스중의 질소 산화물을 환원시켜 대기 오염을 제어한다. 이러한 촉매 작용은 비교적 고온에서 이루어지기 때문에, 촉매 지지물로서는 세라믹이 자연스럽게 선택되어 왔다. 특히 유용한 촉매 지지물의 예로는, 미국 특허 재발행 제27,747호에 개시된 바와 같은 세라믹의 벌집 모양의 구조물을 들 수 있다.

가장 최근에는, 금속 촉매 지지물(금속 모놀리스)을 이용하는 촉매 컨버터가 이러한 목적을 위하여 또한 사용되어 왔다(예컨대, 영국 특허 제1,452,982호, 미국 특허 제4,381,590호 및 자동차 기술자 협회 논문 850131 참조).

가장 일반적인 디젤 파티큘레이트 필터 또는 트랩은 모놀리식 월-플로 필터(monolithic wall-flow filter)이다. 통상적으로, 이러한 모놀리식 월-플로 타입 디젤 파티큘레이트 필터 요소는 벌집 모양의, 다공성의, 결정질 세라믹(예컨대, 코오디어라이트) 재료로 구성된다. 벌집 모양 구조물의 셀들이 통상적인 방법으로 하나 걸러 하나씩 플러그되어 있기 때문에 배기 가스가 한 셀로 유입되어 한 셀의 다공성 벽을 통과하도록 강요되고, 다른 셀을 통하여 구조물을 빠져나간다. 디젤 파티큘레이트 필터 요소의 크기는 특정 용례의 요구에 따라 결정된다. 유용한 디젤 파티큘레이트 필터 요소는 예컨대, 뉴욕의 코닝에 소재하는 코닝 사(Corning Inc.)와, 일본 나고야의 NGK 인슐레이터 사(NGK Insulator Ltd.)에서 시판하는 제품일 수 있다. 유용한 디젤 파티큘레이트 필터 요소는 제목이 "셀룰라 세라믹 디젤 파티큘레이트 필터(Cellular Ceramic Diesel Particulate Filter)"인 호위트(Howitt) 등의 1981년 자동차 기술자 협회 기술 논문 시리즈의 논문 번호 제810114호에서 발표된것일 수 있다.

종래의 이러한 장치의 구조물의 수준에 있어서, 각 형태의 장치는 그 내부에 모놀리식 구조물 또는 요소를 유지하는 금속 하우징을 구비하며, 이 모놀리식 구조물은 금속 또는 세라믹일 수 있고, 가장 일반적으로는 세라믹이다. 모놀리식 구조물은 캐닝(canning)으로 지칭되는 공정에서 하우징에 장착된다. 모놀리스와 하우징 사이에는 간격 또는 공간이 존재하는데, 이 간격은 모놀리스와 하우징의 일렬의 크기 공차가 있기 때문에 변화한다. 최대의 간격은 모놀리스의 크기가 작고, 하우징의 크기가 큰 경우에 존재한다. 모놀리스의 손상을 방지하고 모놀리스를 적소에 유지하기 위하여, 팽창성 마운팅 매트 또는 팽창성 페이스트와 같은 마운팅 재료가 캐닝 이전에 모놀리스의 둘레에 배치된다. 마운팅 재료는 간격을 메운다. 감싸진 모놀리스가 하우징에 삽입된 후에, 캔은 압축 폐쇄되고, 하우징의 측방향 가장자리를 따라 플랜지는 용접된다. 차량에 설치한 후에, 오염 제어 장치는 팽창성 재료를 팽창시키는 고온 배기 가스에 의하여 가열되어 추가적인 유지 압력이 발생된다. 압력의 크기는 재료의 마운트 밀도(mount density)와 사용 온도에 의하여 결정된다. 마운트 밀도가 너무 낮은 경우, 모놀리스를 적소에 유지하기에는 불충분한 압력이 발생된다. 마운트 밀도가 너무 높은 경우, 하우징과 모놀리스 사이의 마운팅 재료에 의하여 과도한 압력이 작용되어 하우징의 변형 및/또는 모놀리스의 손상을 초래한다.

모놀리스가 하우징에 고정된 후에, 팽창성 마운팅 재료는 오염 제어 장치에 문제가 될 수 있는 다른 조건으로부터의 손상을 방지하거나 감소시키는 역할을 한다. 오염 제어 장치는 차량에 설치하기 전후에 진동에 의해 손상될 수 있다. 추가로, 전체 오염 제어 장치는 오랜 시간 동안, 예컨대 300℃ 이상의 고온에 노출된다.

세라믹 모놀리스는 모놀리스가 내장되는 금속(일반적으로 스테인레스 강) 하우징보다 작은 열팽창 계수를 가지며, 이에 따라 상승된 온도에서 마운팅 재료는 상이한 팽창을 보상하기에 충분하도록 팽창되어야 하지만, 하우징과 모놀리스에 손상을 입힐 수 있는 과도한 압력을 발생시킬 정도로 팽창되어서는 안된다. 또한, 마운팅 재료는 고온 배기 가스가 모놀리스와 금속 하우징 사이로 통과하는 것을 방지한다(이에 따라, 배기 가스는 촉매를 통과한다).

통상적으로, 마운팅 재료는 무기질 결합재, 결합재로서의 역할을 또한 할 수 있는 무기질 섬유, 팽창성 재료, 및 선택적으로 유기질 결합재, 충전제 및 다른 보조제를 포함한다. 이러한 마운팅 재료는 페이스트(paste), 시트 및 매트로서 이용된다. 모놀리스를 하우징에 장착하는데 유용한 팽창성 시트 재료, 세라믹 매트 재료 및 세라믹 페이스트는 예컨대, 해치 등에 허여된 미국 특허 제3,916,057호, 랑거 등에 허여된 제4,305,992, 제4,385,135호, 제5,254,416호, 하시모토 등에 허여된 제5,242,871호, 해치에게 허여된 제3,001,571호, 맥나일에게 허여된 제5,385,873호, 제5,207,989호 및 우드에게 허여된 영국 특허 제1,522,646호에 개시되어 있다.

텐아이크(TenEyck)에게 허여된 미국 특허 제4,999,168호에는 크라프트 종이(kraft paper), 플라스틱 필름, 무기질 섬유와 같은 시트 재료의 보강층에 접착식으로 결합되게 수행된 팽창층을 가지는 크랙에 저항하는 팽창성 시트가 개시되어 있다.

메리(Merry)에게 허여된 미국 특허 제4,865,818호에는 둘 이상의 층과 같은 방식으로 모놀리스 둘레에 매트 재료의 얇은 층을 감싸서 촉매 컨버터를 만드는 방법이 개시되어 있다.

메리에게 허여된 미국 특허 제4,929,429호에는 팽창성 매트 재료에 스티치 결합(stitched-bonded)되는 세라믹 섬유 매트를 구비하는 촉매 컨버터용 합성물이 개시되어 있다.

랑거 등에 허여된 미국 특허 제4,048,063호에는 팽창성 재료의 2층 이상의 유사 시트를 가지는 합성물이 개시되어 있다.

오염 제어 장치가 고온과 저온 사이에 반복적으로 노출됨에 따라, 모놀리스(금속 또는 세라믹)와 하우징 사이의 간격은 연속적으로 변하며, 마운팅 매트는 반복적으로 압축되고, 압축되지 않는다. 하우징이 매우 높은 온도, 즉 약 700℃ 이상에 도달하는 경우에, 하우징의 변형이 발생될 수 있다. 이러한 경우에, 종래의 팽창성 매트 마운팅 재료는 모놀리스에 대해 계속적인 지지를 제공하기에는 고온 탄력성이 부족할 수 있다. 그러므로, 금속 하우징이 변형되지 않도록 모놀리스와 금속 하우징 사이의 간격 변화를 수용하도록 충분히 탄성력이 있고 압축 가능한 마운팅 시스템이 요구된다. 또한, 종래의 마운팅 재료가 자체의 유용성과 장점을 가지지만, 오염 제어 장치로 유용하게 사용될 수 있는 마운팅 재료를 제공할 수 있도록 개선할 여지가 남아있다. 추가로, 보다 넓은 온도 범위에 걸쳐 기능을 발휘하는 재료를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 오염 제어 장치에 관한 것으로, 구체적으로 말하자면 자동차 배기 시스템용 촉매 컨버터 및 디젤 파티큘레이트 필터(diesel particulate filter) 또는 트랩(trap)에 관한 것이다. 통상적으로, 오염 제어 장치는 탄력적이고 가요성을 가지는 마운팅 매트(mountig mat)에 의하여 케이싱 내부에 고정 장착된 모놀리식 요소(monolithic element)를 가지는 금속 하우징을 구비한다. 마운팅 매트는 비팽창성 세라믹 섬유 합성물로 형성된 삽입물을 가지는 팽창성 시트 재료로 구성되어 있다.

도 1은 촉매 컨버터를 분해하여 본 발명의 마운팅 시스템을 도시한 사시도.

도 2는 모놀리스로부터 분리된 본 발명의 마운팅 시스템을 나타내는 도 1의 촉매 컨버터의 도면.

도 3A는 팽창성 재료로 구성된 종래 기술의 결합 시스템을 도시한 도면.

도 3B는 모놀리스 주변에 배치된 도 3A의 마운팅 시스템을 도시한 단면도.

도 4A는 본 발명에 따른 마운팅 시스템의 바람직한 실시예를 도시한 도면.

도 4B는 모놀리스 주변에 배치된 도 4A의 마운팅 시스템을 도시한 단면도.

도 4C는 도 4A의 마운팅 시스템의 변형예를 도시한 도면.

도 5A는 본 발명의 마운팅 시스템의 변형예를 도시한 도면.

도 5B는 모놀리스 주변에 배치된 도 5A의 마운팅 시스템을 도시한 단면도.

도 6A는 본 발명의 마운팅 시스템의 변형예를 도시한 도면.

도 6B는 모놀리스 주변에 배치된 도 6A의 마운팅 시스템을 도시한 단면도.

도 7A는 본 발명의 마운팅 시스템의 변형예를 도시한 도면.

도 7B는 모놀리스 주변에 배치된 도 7A의 마운팅 시스템을 도시한 단면도.

도 8A는 본 발명의 마운팅 시스템의 변형예를 도시한 도면.

도 8B는 모놀리스 주변에 배치된 도 8A의 마운팅 시스템을 도시한 단면도.

도 9는 이중 모놀리스를 가지는 촉매 컨버터의 변형예를 도시한 도면.

도 10은 본 발명의 마운팅 시스템의 변형예를 도시한 도면.

도 11은 본 발명의 마운팅 시스템의 다른 변형예를 도시한 도면.

본 발명은 금속 하우징 내에 모놀리스 구조물을 이용하는 오염 제어 장치용 하이브리드 마운팅 시스템을 제공한다. 마운팅 시스템은 오염 제어 장치의 금속 하우징과 모놀리스 사이에 배치된 마운팅 매트를 구비한다. 마운팅 매트는 마운팅 매트의 측방향 가장자리를 따라 위치된 탄력적이고, 가요성이 있는 섬유질의 비팽창성 재료로 형성된 삽입물을 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 마운팅 매트는 팽창성 재료이고, 탄력적이고 가요성이 있는 섬유질 삽입물은 비팽창성 재료이다. 하이브리드 마운팅 매트는 촉매 컨버터, 디젤 파티큘레이트 필터 및 고온 필터의 깨지기 쉬운 모놀리식 구조물을 보호하는데 유용하다. 하이브리드 마운팅 매트는 팽창성 매트의 특징과 비팽창성 삽입물의 특징을 겸비할 수 있는 장점을 제공한다.

본 발명의 마운팅 시스템은 촉매 컨버터 및 디젤 파티큘레이터 필터 또는 트랩과 같은 다양한 오염 제어 장치에 이용하는데 적합하지만, 본 명세서에서는 그 용도를 촉매 컨버터와 관련하여 설명하고 있다. 이하의 설명은 본 발명에 따른 마운팅 시스템의 용도를 예시한 것으로, 마운팅 시스템의 용도가 촉매 컨버터에만 한정되어서는 안된다.

도 1 및 도 2에 있어서, 촉매 컨버터(10)는 거의 원추형의 입구(14)와 출구(16)를 가지는 금속 하우징(12)을 구비한다. 캔 또는 케이싱으로 또한 지칭되는 하우징은 이러한 용도를 위해 당업계에 공지된 적절한 재료일 수 있으며, 통상적으로는 금속으로 되어있다. 하우징은 스테인레스 강으로 구성되는 것이 바람직하다. 세라믹 또는 금속으로 제조된 벌집 모양의 모놀리식 몸체로 형성된 모놀리식 촉매 요소(20)가 하우징(12) 내부에 배치되어 있다. 모놀리스 또는 요소는 컨버터용 촉매 재료를 지지하는데 이용될 수 있다. 유용한 촉매 컨버터 요소는 예컨대, 존슨(Johnson)에게 허여된 미국 특허 재발행 번호 제27,747호에 개시되어 있다. 모놀리스(20)는 그것을 관통하는 복수 개의 가스 흐름 채널(도시 생략)을 구비한다. 촉매 컨버터 요소 위에 코팅된 촉매 재료는 종래 기술에 공지된 재료(예컨대, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 니켈, 팔라듐, 백금과 같은 금속과, 바나듐 5산화물 및 티타늄 이산화물과 같은 금속 산화물)를 포함한다. 촉매 코팅제와 관련한 더욱 상세한 내용은, 예컨대 케이스(Keith) 등에 허여된 미국 특허 제3,441,381호를 참조하면 된다.

하이브리드 마운팅 시스템(24)이 모놀리스(20)를 둘러싸고 있다. 마운팅 시스템(24)은 거의 숏-프리 세라믹 섬유(shot-free ceramic fiber)로 구성된 탄력적이고, 가요성이 있는, 섬유질 매트로 형성된 삽입물(28)을 가지는 팽창성 재료의 매트(26)를 구비한다. 삽입물(28)은 이것의 하나 이상의 가장자리가 팽창성 매트(26)의 측방향 가장자리를 따라 연장하도록 배치되어 있다.

도 4A 내지 도 8B에 도시된 바와 같이, 삽입물(28)을 팽창성 재료(26)의 측방향 가장자리를 따라 연장하도록 배치시킬 수 있는 많은 방법이 있다. 도 3A 및 도 3B에는 삽입물(28)이 없는 팽창성 매트(26)가 도시되어 있다. 도 3B는 케이싱(12)과 모놀리스(20) 사이에 배치된 팽창성 매트(26)의 단면도를 도시하고 있다.

도 4A에는 팽창성 매트(26)를 구비하는 하나 걸러 하나씩 배치된 비팽창성 삽입물(28)이 도시되어 있으며, 이에 따라 마운팅 시스템(24)의 측방향 가장자리(32)에는 팽창과 비팽창이 번갈아 배치된 섹션이 나타나 있다. 도 4C는 각 매트(26)의 일단부와 삽입물(28)의 일단부에는 탭(30)이, 타단부에는 슬롯(31)이 형성된 마운팅 시스템(24)의 변형예를 도시하고 있다. 각 매트(26)의 탭(30)은 인접한 삽입물(28)의 슬롯(31)에 설치되거나 합치된다. 유사하게, 각 삽입물(28)의 탭(30)은 인접한 매트(26)의 슬롯(31)에 설치되거나 합치된다. 도시된 실시예에 있어서, 각 탭(30)은 크기가 동일하고, 각 슬롯(31)도 크기가 동일하다. 각 매트(26)의 탭(30)은 삽입물(28)의 슬롯(31)과 합치되도록 크기가 정해지고, 각 삽입물(28)의 탭(30)이 매트(26)의 슬롯(31)과 합치되도록 크기가 정해지는 것이 바람직할 수 있다. 마운팅 시스템(24)은 마운팅 시스템(24)에 이용되는 하나 이상의 섹션의 형상을 변화시키거나 각 형태의 섹션의 수를 증가시키거나 감소시키는 것을 포함하여 본 명세서에서 설명되지 않은 다른 형태의 케이싱과 모놀리스를 수용하도록 여러 방법으로 또한 변형될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 상이한 슬롯과 탭 배열을 이용하는 것도 또한 바람직할 수 있다.

도 4B에 도시된 바와 같이, 마운팅 시스템(24)이 케이싱(12) 내부에서 모놀리스(20) 둘레에 배치되는 경우, 비팽창성 삽입물(28)은 곡률 반경이 최대인 모놀리스 부분을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 영역이 마운팅 시스템(24)의 압축에 의하여 야기된 과도 응력 작용하에서 가장 잘 변형되는 케이싱(12)의 부분에 대응하기 때문에, 삽입물(28)은 곡률 반경이 최대인 모놀리스(20)의 부분을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 오염 제어 장치가 매우 높은 온도, 즉 약 700℃이상에 도달하는 경우, 하우징의 변형이 발생할 수 있다. 그러한 고온에서, 종래의 팽창성 마운팅 재료는 크게 팽창하고, 케이싱(12)의 내부에 가해진 최종 압력은 매우 높다. 추가로, 이러한 고온에서 케이싱의 금속(통상적으로 스테인레스 강)은 연화되기 시작하며 보다 변형되기 쉬워진다. 고온 상태에서 가장 잘 변형되는 위치에 비팽창성 삽입물(28)을 배치함으로써, 마운팅 시스템(24)은 고온에서 보다 작은 손상력을 발생시켜서, 케이싱(12)의 변형은 크게 감소한다.

도 5A 및 도 5B는 도 4A 및 도 4B와 유사한 마운팅 시스템(24)의 실시예를 도시하고 있다. 도 5A 및 도 5B의 실시예에 있어서, 삽입물(28)은 팽창성 매트(26)의 폭의 전체에 걸쳐 연장하지 않는다. 모놀리스(20)의 둘레에 배치되는 경우, 비팽창성 삽입물(28)은 도 4B에서 전술한 바와 같은 방식으로 배치된다.

도 6A 및 도 6B는 비팽창성 삽입물(28)이 팽창성 시트 재료(26)의 전체 측방향 가장자리(34)를 따라 연장하여, 마운팅 시스템(24)이 모놀리스(20)의 둘레에 배치되는 경우, 팽창성 시트 재료(26)의 전체 측방향 가장자리(34)가 삽입물(28)에 의하여 보호되는 마운팅 시스템(24)의 다른 변형예를 도시하고 있다.

도 7A 및 도 7B에는 마운팅 시스템(24)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 7A에 있어서, 마운팅 시스템(24)은 팽창성 시트 재료(26)의 측방향 가장자리(34)를 따라 연장하는 삽입물(28)을 포함하지만, 이 삽입물은 팽창성 시트 재료로부터 오프셋되어 있어서, 팽창성 재료(26)와 비팽창성 재료(28)의 적층물로 표시된 탭과 슬롯 구조를 형성한다.

마지막으로, 도 8A 및 도 8B에는 마운팅 시스템(24)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 8A 및 도 8B의 마운팅 시스템은 도 7A 및 도 7B의 마운팅 시스템과 유사하지만, 삽입물(28)이 팽창성 시트 재료(26)의 한쪽 측방향 가장자리(34)를 따라서만 연장한다. 삽입물(28)은 팽창성 시트 재료(26)로부터 오프셋되어 연동하는 단부를 형성한다.

도 4A 내지 도 8B의 각 실시예에 있어서, 삽입물(28)은 포장 테이프 또는 다른 적절한 접착 테이프와 같은 접착 테이프(도시 생략)에 의하여 팽창성 매트(26)에 고정될 수 있다. 선택적으로, 삽입물(28)은 테이프로 고정될 필요가 없거나 또는, 스태플링, 스티칭 등과 같은 다른 기술에 의하여 고정될 수 있다.

어떤 경우에, 오염 제어 장치는 단일 모놀리스 대신에 이중 모놀리스를 이용할 수 있다. 예컨대, 도 9는 금속 하우징(12) 내에 2개의 모놀리스(20)를 가지며, 간격(40) 만큼 떨어져 있는 종래 기술의 촉매 컨버터(10A)를 도시하고 있다. 이러한 이중 모놀리스 구조에 있어서, 모놀리스(20) 사이에 간격(40)을 가지도록 금속 스트립(42)을 정렬하는 것이 공지되어 있다(예컨대, 독일 특허 제43 23 791 A1호 참조). 통상적으로, 이러한 금속 스트립은 인코넬(Inconel) 및 스테인레스 강과 같은 고온 내식성 금속으로 제조된다. 금속 스트립은 금속 포일, 주름진 금속 포일, 금속 섬유 등과 같은 형태를 취할 수 있다. 금속 스트립(42)은 금속 하우징(12)의 팽창과 거의 근사한 비율로 팽창한다. 금속 스트립(42)이 금속 하우징(12)과 유사한 비율로 팽창하기 때문에, 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이의 마운팅 매트(44)의 부분은 모놀리스(20)와 하우징(12) 사이의 마운팅 매트(44)의 부분보다 더 많이 압축되는 경향이 있다. 금속 스트립과 하우징(12) 사이의 마운팅 매트(44)의 부분이 과도하게 압축되는 경우, 하우징(12) 또는 금속 스트립(42) 중 어느 하나의 변형이 발생할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 통상적으로 종래 기술의 마운팅 매트는 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이에 마운팅 매트(44)의 연속층을 제공하였다. 전술한 바와 같이, 이러한 배열은 하우징(12) 또는 금속 스트립(42)중 어느 하나가 변형되게 할 수 있다. 그러므로, 가요성의 탄력적인 섬유질 삽입물(48)을 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이에서 금속 스트립(42)을 따라 배치하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 삽입물(48)은 ICI 케미칼 앤드 폴리머(ICI Chemical and Polymers)로부터 구입 가능한 SAFFIL과 같은 재료이다. 전술한 바와 같이, 이러한 삽입물은 통상적으로 사용되는 마운팅 재료보다 작은 힘으로 압축될 수 있어, 케이싱(12) 또는 금속 스트립(42)의 변형은 방지된다.

도 10 및 도 11은 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이에서 금속 스트립(42)을 따라 배치된 가요성의 탄력적인 섬유질의 비팽창성 삽입물(48)을 이용하는 도 9의 마운팅 시스템의 변형예를 도시하고 있다. 도 10에 있어서, 금속 스트립(42)은 마운팅 매트(44)의 루트가 정해진 부분(50)으로 삽입되며, 삽입물(48)은 인접한 금속 스트립(42)에 접착 테이프(53)로 고정된다. 도 11에 있어서, 금속 스트립(42)은 마운팅 매트의 층(44A 및 44B) 사이에서 샌드위치된다(이에 따라, 마운팅 매트의 회전은 필요없게 된다). 그 다음에, 가요성의 탄력적인 섬유질 삽입물(48)은 마운팅 매트 부분(44B) 사이에 삽입되고, 접착 테이프(52)로 적소에 고정된다. 도 10 또는 도 11의 실시예중 어느 하나는 금속 스트립(42)과 하우징(12) 사이의 재료의 과도한 압축을 방지하며, 이에 따라 금속 스트립(42) 또는 하우징(12)의 변형을 방지한다.

사용시에, 본 발명의 마운팅 재료는 촉매 컨버터 또는 디젤 파티큘레이트 필터에 대해 유사한 방식으로 모놀리스와 하우징 사이에 배치된다. 이것은 마운팅 재료의 시트로 모놀리스를 감싸고, 감싸진 모놀리스를 하우징에 삽입하고, 하우징을 용접함으로써 수행된다. 마운팅 시스템(24)은 촉매 작용을 하는 모놀리스(20)를 케이싱(12)의 적소에 유지하고, 촉매 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 간격을 밀봉하며, 이에 따라 배기 가스가 촉매 작용을 하는 모놀리스(20)를 통과하는 것을 방지한다.

팽창성 시트 재료(26)는 가요성의 탄력적인 팽창성 시트를 구비하며, 이 시트는 암모늄 디하이드로겐 포스페이트, 탄산 암모늄, 염화 암모늄 또는 다른 적절한 암모늄 화합물과 같은 암모늄 화합물로 이온 교환 처리되거나 처리되지 않은 약 20 내지 65 중량%의 비확장성 질석 조각(unexpanded vermiculite flakes)과, 알루미노실리케이트 섬유〔뉴욕 나이아가라 폴에 소재하는 유니프랙스 사(Uinifrax Co.)로부터 판매되는 Fiberfrax(등록상표)와, 조지아 어거스타에 소재하는 서멀 세라믹 사(Thermal Ceramics)로부터 판매되는 Cerafiber(등록상표)〕, 석면 섬유, 유리 섬유, 지르코니아-실리카, 결정질의 알루미나 휘스커(crystalline alumina whiskers)를 포함하는 약 10 내지 50 중량%의 무기질 섬유 재료와, 천연 고무 라티스, 스티렌-부타딘 라티스, 부타딘 아크릴로니트릴 라티스, 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트 중합체 및 공중합체의 라티스 등을 포함하는 약 3 내지 25 중량%의 결합재와, 확장 질석, 중공 유리 마이크로스피어 및 벤토나이트를 포함하는 약 40 중량%의 무기질 첨가제를 함유한다. 또한, 유용한 시트 재료로는 랑거 명의의 미국 특허 제5,523,059호에 개시된 재료를 포함한다.

또한, 팽창성 시트 재료의 예로는 해치 등에게 허여된 미국 특허 제3,916,057호, 랑거 등에 허여된 제4,305,992호, 제4,385,135호, 제5,254,410호, 메리 등에 허여된 제4,865,818호, 제5,151,253호 및 로저 등에 허여된 제5,290,522호에 개시되어 있는 재료들이 있다. 상업적으로 구입 가능한 유용한 팽창성 시트 및 매트는 미네소타, 세인트 폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링 사로부터 제품명 INTERAM(등록상표)으로 판매되는 것이 있다. 통상적으로, 마운팅 매트의 두께는 0.5 내지 10㎜이다. 추가로, 유용한 팽창성 마운팅 재료는 메리에게 허여된 미국 특허 출원 제08/496,945호에 개시된 것과 같은 팽창성 페이스트를 포함한다.

유기질 결합재는 천연 고무 라티스, 스티렌-부타딘 라티스, 부타딘 아크릴로니트릴 라티스, 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트 중합체 및 공중합체의 라티스 등을 포함한다.

무기질 충전제는 확장 질석, 중공의 유리 미소구체 및 벤토나이트를 포함한다. 바람직하게는, 무기질 충전제는 확장 질석이다.

비팽창성 삽입물(28)을 형성하는데 유용한 본질적인 숏-프리(shot-free) 세라믹 섬유는 알루미나-보리아-실리카 섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나-포스포러스 오산화물 섬유, 지르코니아-실리카 섬유, 지르코니아-알루미나 섬유, 알루미나 섬유를 포함한다. 상업적으로 판매되는 유용한 섬유로는 유니프랙스 사로부터 판매되는 제품명 FIBERMAX와, ICI 케미칼 앤드 폴리머 사로부터 구입 가능한 SAFFIL LD, 덴카 사(Denka)로부터 판매되는 ALCEN 알루미나 섬유와, 미쯔비시 사(Mitsubishi)로부터 판매되는 MAFTECH 섬유와 같은 재료를 포함한다.

통상적으로, 섬유는 당업계에 공지된 방법을 이용하여 블로잉(blowing) 또는 방적(spinning)함으로써 형성된다. 바람직하게는, 섬유는 졸 겔 용액을 방적함으로써 형성된다. 섬유는 부직 산업에서 실행되는 바와 같이 섬유질 재료를 포집 스크린(collection screen) 위에 블로잉하는 것을 포함한 공지의 다양한 방법에 의하여 매트로 형성된다. 바람직한 비팽창성 재료로는 ICI 케미칼 앤드 폴리머 사로부터 SAFFIL 이라는 제품명으로 판매되는 다결정 알루미나 섬유이다. 섬유는 화학 반이 잘 일어나지 않으며, 1600℃에 이르는 선택된 용례에 사용될 수 있다. 주로 두 개의 랜덤한 방향을 가지는 섬유로 구성되어 라멜라 형태의 매트를 이루는 저밀도 매트 형태를 생산된다. 매트는 균일한 섬유 구조를 가지는 본질적으로 숏-프리이다.

저밀도 매트의 라멜라 성질은 오염 제어 장치를 취급하고 조립하는 동안 분리되는 것을 방지하는 분리 방지 수단을 도입할 필요가 있게 한다. 즉, 저밀도의 알루미나 섬유 매트는 취급 및 조립중에 물리적으로 구속되거나 압축되는 것이 바람직하다. (본 명세서에서 이용되는, "숏-프리(shot-free)" 또는 "본질적으로 숏-프리(essentially shot-free)"는 95% 이상의 숏-프리, 바람직하게는 99%의 숏-프리인 섬유 매트를 지칭한다.) 약 0.10 내지 0.60그램/㎤의 마운트 밀도로 압축되는 경우, 이러한 입방체 재료는 고온 상태에서 두께가 연속적으로 감소되는 능력을 가지며, 냉각 상태에서 거의 원래의 두께로 돌아가려는 탄성을 가져서 촉매 작용을 하는 모놀리스(20)에 상당한 유지력을 연속적으로 가한다.

비팽창성 삽입물(28)에 바람직한 섬유 재료의 밀도는 0.020그램/㎝ 내지 0.060그램/㎝ 범위에 속하므로, 섬유 재료는 촉매 작용을 하는 모놀리스(20)를 장착하기 위해 사용될 때 약 10배만큼 압축되어야 한다. 비팽창성 삽입물 재료로 구성된 매트는 압축되고, 압축 상태로 유지되어 촉매 컨버터(10)의 조립중에 재료의 취급을 용이하게 한다. 삽입물(28)은 수지 결합, 스티치 결합 또는 니들 펀칭 또는 진공 패킹을 이용하는 것을 포함한 여러 방식으로 물리적으로 압축될 수 있다.

수지 결합은 고온 배기 가스의 존재시에 연소되고 이용중에 삽입물 재료를 확장시키는 무기 결합제로 비팽창성 재료를 포화시킴으로써 달성된다. 숏-프리 세라믹 섬유의 저밀도와 부피가 큰 성질 때문에, 그리고 바람직한 마운트 밀도(mount density)를 얻기 위하여는 약 10배로 압축되어야 한다는 사실 때문에, 사용할 때의 궁극적인 두께에 근접한 압축 매트를 형성하기 위하여 이러한 재료를 유기 스레드로 꼬매거나 스티치 결합시키는 것은 또한 유용한 것으로 판명되었다. 스티치가 절단되거나 섬유 매트를 통하여 당겨지는 것을 방지하도록 백킹 재료로서 매우 얇은 시트 재료를 섬유 매트의 양측면에 부가하는 것이 때때로 유용하다. 스티치의 간격은 매트의 전체 영역에 걸쳐 섬유가 균일하게 압축되도록 3 내지 30㎜이다. 유기질 재료는 배기 가스에 노출되는 경우 연소되어, 압축된 매트를 팽창시킨다.

숏-프리 세라믹 섬유는 니들 펀칭(needle-punching)에 의하여 또한 압축될 수 있다. 세라믹 섬유 자체는 비교적 부서지기 쉬우며, 니들 펀칭될 정도로 가요적이지 않다. 세라믹 섬유 매트를 효과적으로 니들 펀칭하기 위하여, 먼저 매트는 길이가 통상적으로 약 5 내지 10㎝인 폴리프로필렌 섬유 또는 폴리에스테르 섬유와 같은 긴 가요성 중합체 섬유로 감싸진다. 나일론 직물 또는 부직포와 같은 폴리메릭 스크림(polymeric scrim)이 매트의 아래에 배치된다. 매트는 압반(platen)에 수많은 구멍을 가지는 하부 압반과 상부 압반 사이에서 압축된다. 작은 가시 니들(barbed needle)이 많이 구비되어 있는 니들 보드(needle bored)는 상기 작은 가시 니들들을 상기 구멍을 통하여 밀어넣는다. 니들이 세라믹 섬유 매트를 관통함에 따라, 가시는 폴리메릭 섬유를 스크림을 통하여 매트 상부로 잡아당기며, 폴리메릭 섬유는 스크림과 뒤얽혀져 물리적으로 매트를 구속한다. 유기질 섬유와 스크림은 상승된 이용 온도에 도달하는 경우 연소되며, 세라믹 재료를 팽창시킨다.

섬유 매트는 섬유 매트를 공기 기밀한 백(bag)에 위치시키고, 백으로부터 공기를 배기시키며, 백을 밀봉함으로써 구속될 수 있다. 대기압은 오염 제어 장치가 이용 온도(300℃)로 가열되는 경우 백이 찢어지거나 연소될 때 까지 매트를 압축 상태로 유지한다.

비팽창성 삽입물(28)은 두가지 중요한 기능을 한다. 삽입물(28)은 팽창성 매트(26)에 비교해서 우수한 내식성을 가진다. 고온 배기 가스에 노출되는 팽창성 재료의 측방향 가장자리를 따라 삽입물(28)을 위치시킴으로써, 삽입물(28)은 팽창성 매트(26)를 고온 가스로부터 절연시키며, 이에 따라 팽창성 매트(26)의 부식을 방지하는 역할을 한다. 가장자리 보호 물질을 이용하는 것이 공지되어 있지만, 종래 기술은 최악의 온도 조건하에 또는 케이싱의 변형이 발생되는 경우 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 간격의 폭을 변화시키는 것을 수용하도록 팽창 및 압축될 수 있는 가장자리 보호 시스템을 포함하지 않는다. 종래의 가장자리 보호 메카니즘은 메리에게 허여된 미국 특허 제5,008,086호에 개시된 팽창성 매트의 가장자리 둘레를 둘러싸는 스테인레스 강 와이어 스크린을 이용하는 것을 포함하며, 클로즈 등에게 허여된 미국 특허 제4,156,333호에 개시된 바와 같은 브레이드된(braided) 또는 로프형 세라믹 섬유 브레이딩 또는 금속 와이어를 이용하는 것을 포함한다. 또한, 가장자리 보호는 호워스 등에 허여된 유럽 특허 제639701 A1호, 제639702 A1호, 스트룸 등에 허여된 제639700 A1호에 개시된 바와 같은 유리 입자를 가지는 조성물로 형성될 수 있다.

또한, 삽입물(28)은 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 밀봉체로서 작용할 수 있다. 삽입물(28)에 이용되는 바람직한 비팽창성 재료의 가요적이고 탄력적인 성질은 오염 제어 장치가 고온과 저온을 순환함에 따라 모놀리스(20)와 케이싱(12) 사이의 간격을 연속적으로 밀봉하며, 배기 가스가 모놀리스를 통과하는 것을 방지한다. 이러한 방식으로, 오염 제어 장치의 효율은 유지되며, 배기 가스의 통과에 의한 팽창성 매트(26)의 부식도 또한 방지된다.

본 발명의 목적과 장점은 이하 예에 의하여 더욱 설명되지만, 이러한 예의 구체적인 재료와 양으로 인하여 본 발명을 부당하게 해석해서는 안된다. 다른 설명이 없다면, 모든 비율과 퍼센트는 중량 단위이다.

예 1

6.2㎝×30㎝로 측정되는 팽창성 매트 재료〔미네소타 마이닝 앤드 매튜팩츄어링 사로부터 판매되는 INTERAM(등록상표) TYPE 100 Mat, 3100 gsm(그램/㎡)〕의 층을 도 5A에 도시된 바와 같이 절단하였다. 수지 결합된 세라믹 섬유 매트(ICI 케미칼 앤드 폴리머 사로부터 구입 가능한 화학적으로 결합 된 매트의 1200 gsm의 SAFFIL)의 스트립을 1.27㎝×9㎝로 절단하고 팽창성 매트의 절단 간격에 위치시켰다. 섬유 매트 스트립을 플라스틱 포장 테이프로 적소에 배치하여 하이브리드 마운팅 매트를 형성하였다. 하이브리드 마운팅 매트를 크기가 170㎜×80㎜×76㎜인 타원형의 세라믹 모놀리스 둘레에 둘러쌓았다(코닝 사로부터 구입 가능함). 제2 모놀리스는 전술한 매트와 동일한 하이브리드 마운팅 매트로 동일한 방식으로 둘러싸인다. 둘러싸여진 모놀리스를 이중 공동 스테인레스 강 촉매 컨버터 하우징에 장착하였다. 마운팅 매트의 마운팅 밀도는 팽창성 매트에 대해서는 0.7 g/㎤)이고, 섬유 스트립에 대해서는 0.27 g/㎤이었다. 그 다음에, 하이브리드 마운팅 매트를 포함하는 촉매 컨버터를 3000rpm/220ft lb로 개솔린 엔진(포드 자동차 사의 배기량 7.5 리터인 V-8파워 개솔린 파워 내연기관)에 결합하였다. 촉매 컨버터는 900℃의 입구 가스 온도에 100시간동안 지속적으로 노출시켰다.

시험 후에, 촉매 컨버터 조립체를 해체하고, 검사하였다. 하이브리드 마운팅 매트의 마운팅 재료 상에서는 부식이 발견되지 않았다. 추가적으로, 섬유 매트 스트립에 걸쳐 하우징의 넓은 부분을 따라 퇴색은 없다. 퇴색의 존재는 고온 배기 가스가 마운팅 매트와 금속 하우징 사이를 통과하는 것을 의미한다. 퇴색이 존재하지 않는 것은 조립체가 충분하게 밀봉되어 배기 가스가 혼합 매트 마운팅 재료를 통하여 흐르는 것을 방해한다는 것을 표시한다.

예 2

예 2에서 시험될 마운팅 매트를 준비하고, 예 1에 이용된 하이브리드 마운팅 매트 대신에 상업적으로 구입 가능한 팽창성 매트 재료를 이용했다는 것을 제외하고는 예 1에서와 같이 시험하였다. 시험 후에, 마운팅 매트를 검사한 결과, 마운팅 매트 재료가 엔진 배기 가스에 의하여 부식되었다는 것을 알게되었다. 최대 부식 거리, 다시 말하면, 부식되어 나간 마운팅 매트의 부분은 마운팅 매트의 가장자리 부분으로 23㎜로 연장되었다. 상당량의 퇴색이 하우징 상에 또한 나타났다.

시험된 마운팅 매트의 성능 비교는 예 1의 하이브리드 마운팅 매트의 성능이 예 2의 비하이브리드 마운팅 매트의 성능에 비해 상당히 개선된 것을 나타낸다. 하이브리드 마운팅 매트는 배기 가스에 노출되는 경우에 부식에 대해 내성이 있으며, 모놀리스와 하우징 사이에 양호한 밀봉을 제공한다(예 1의 하우징에는 퇴색이 없는 것으로 확인됨). 확실하게, 하이브리드 마운팅 매트(예 1)의 성능은 섬유 매트 삽입물을 사용하지 않는 마운팅 매트(예 2)의 성능에 비해 우수하다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참고로 기술하였지만, 당업자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고, 소정의 정형화되고 구체화된 변형이 이루어질수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (21)

1. 금속 하우징과,

   상기 금속 하우징 내에 배치된 고형 오염 제어 요소와,

   상기 오염 제어 요소를 적소에 배치하고 기계적 충격 및 열충격을 흡수하도록 상기 오염 제어 요소와 상기 금속 하우징 사이에 배치된 마운팅 매트를 포함하며,

   상기 마운팅 매트는 탄력적이고, 가요성인 섬유질의 비탄성 재료로 형성된 하나 이상의 삽입물을 가지는 팽창 재료층을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 삽입물은 마운팅 매트의 하나 이상의 측방향 가장자리의 적어도 일부를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 팽창성 재료는 시트 재료인 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 팽창성 재료는 페이스트(paste)인 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 비팽창성의 탄력적인 삽입물은 본질적인 숏-프리 세라믹 섬유로 형성되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 오염 제어 요소는 세라믹 모놀리식 몸체인 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 오염 제어 요소는 금속 모놀리식 몸체인 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 본질적인 숏-프리 세라믹 섬유 삽입물은 물리적으로 압축되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 본질적인 숏-프리 세라믹 섬유 삽입물은 수지 결합되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 본질적인 숏-프리 세라믹 섬유 삽입물은 스티치 결합되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
11. 제8항에 있어서, 상기 본질적인 숏-프리 세라믹 섬유 삽입물은 니들-펀칭되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
12. 제5항에 있어서, 상기 본질적인 숏-프리 세라믹 섬유는 알루미나-보리아-실리카 섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나-포스포러스 오산화물 섬유, 지르코니아-실리카 섬유, 알루미나 및 지르코니아-알루미나 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
13. 제5항에 있어서, 상기 본질적인 숏-프리 세라믹 섬유는 졸-겔 공정으로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
14. 제2항에 있어서, 상기 비팽창성 삽입물은 접착 테이프를 이용하여 마운팅 매트의 측방향 가장자리에 고정되는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
15. 제2항에 있어서, 상기 비팽창성 삽입물은 마운팅 매트의 전체 측방향 가장자리를 따라 연장하는 특징으로 하는 오염 제어 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 비팽창성 삽입물은 상기 금속 하우징과 오염 제어 요소 사이의 간격을 메우도록 팽창하는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
17. 제1항에 있어서, 비팽창성 삽입물의 탄성도는 마운팅 매트의 탄성도보다 큰 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
18. 제2항에 있어서, 상기 비팽창성 삽입물은 고온 배기 가스에 노출되기 전에 압축 상태로 수지 결합되며, 고온 배기 가스에 노출됨으로써 결합재를 연소시켜 탄성 재료를 팽창시키는 것을 특징으로 하는 오염 제어 장치.
19. 오염 제어 장치의 하우징 내에 고체 오염 제어 요소를 고정시키는 마운팅 매트로서,

    팽창성 시트 재료층과,

    탄성적이고, 가요성이 있는 섬유질의 비팽창성 재료로 형성된 하나 이상의 삽입물

    을 포함하는 것을 특징으로 하는 마운팅 매트.
20. 제19항에 있어서, 상기 삽입물은 마운팅 매트의 하나 이상의 측방향 가장자리의 적어도 일부를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 마운팅 매트.
21. 동력 제어 장치의 하우징 내에 제1 오염 제어 요소 및 제2 오염 제어 요소를 고정시키는 마운팅 매트로서,

    팽창성 재료의 제1 종방향 스트립과,

    팽창성 재료의 제2 종방향 스트립과,

    팽창성 재료의 제1 종방향 스트립 및 제2 종방향 스트립을 따라 고정되는 금속 밴드와,

    탄성적이고, 가요성이 있는 섬유질의 비팽창성 재료로 형성된 삽입물

    을 구비하며, 상기 금속 밴드는 팽창성 스트립을 분리시키며, 상기 삽입물은 금속 밴드와 팽창성 재료의 제1 종방향 스트립 및 제2 종방향 스트립에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 마운팅 매트.