KR20020048386A - 기판의 촉매 피복을 위한 시스템 - Google Patents

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스티븐 아이. 밀러
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Abstract

촉매 성분이 중공 기판의 내부에 인가된다. 성분은 피복 슬러리의 바스를 포함하는 용기에 기판을 침지시켜 기판을 피복한다. 그 후, 진공이 부분적으로 침지된 기판에 인가된다. 진공의 강도와 그 인가 시간은 바스로부터 중공 기판 내부에 위치된 복수개의 채널 각각으로 피복 슬러리를 상방 견인하기에 충분하다. 바스로부터 기판을 제거한 후, 기판은 180°로 회전한다. 가압된 공기의 블라스트가 균일한 피복 프로파일을 형성하기 위해 기판의 채널 내에 피복 슬러리를 분배하도록 충분한 시간동안 그리고 강도로 인가된다.

Description

기판의 촉매 피복을 위한 시스템 {SYSTEM FOR CATALYTIC COATING OF A SUBSTRATE}
배출 가스의 유해한 구성 요소의 제거 및/또는 변환을 위한 촉매 변환기가 공지되어 있다. 이러한 목적을 위한 촉매 변환기들은 다양한 구조를 가지고 있다. 일 형태에서, 변환기는 촉매 피복된 강성 골격의 일체식 기판을 포함한다. 일체식 기판은 통상 평행한 다수의 종방향 채널들을 갖는 벌집형 구조를 가져서, 큰 표면 면적을 갖는 촉매 피막체를 제공한다.
강성의 일체식 기판은 세라믹 및 다른 재료로 제조될 수 있다. 본 명세서에서 각각 참조된, 예를 들어, 미국 특허 제3,331,787호 및 제3,565,830호에서 이러한 재료들과 그것들의 구성이 설명된다. 또는, 일체식 기판들이 금속 포일로 제조될 수도 있다.
일체식 기판과 특히 다양한 채널들이 촉매 및/또는 흡수성 재료의 슬러리로 피복될 수 있다.
미리 제조된 일체식 기판을 피복하는 일 방법은 각각의 채널에 촉매 슬러리를 펌핑한 후 피복된 기판에 대해 건조 작업을 하는 것이다. 이런 시스템은 촉매 피복이 각 채널의 동일한 길이에 부착되는 균일한 피복 프로파일과 균일한 피복 두께를 제공하는 것에 성공적이지 못하였다.
채널을 통해 촉매 슬러리를 상방 견인하도록 진공을 사용하는 것이 제안되었다. 예를 들어, 피터 디. 영(Peter D. Young)에게 허여된 미국 특허 제4,384,014호는 채널로부터 공기를 제거한 후 채널을 통해 촉매 슬러리를 상방으로 견인하는 일체식 기판에 대한 진공의 산물을 개시한다. 그 후, 진공이 소멸되고 양호하게는 중력 배수에 의해 잉여 슬러리가 제거된다.
제임스 알. 리드(James R.Reed) 등에게 허여된 미국 특허 제4,191,126호는 슬러리에 일체식 기판을 담근 후 지지부의 표면으로부터 잉여 피복 슬러리를 제거하도록 대기압보다 낮은 압력을 사용하는 것을 개시한다. 인가된 진공은 슬러리가 각 채널의 표면으로 견인되도록 채널을 언플러깅 한다.
이들 시스템의 개선점이 토마스 심록(Thomas Shimrock) 등에게 허여된 미국 특허 제4,609,563호에 개시된다. 이 시스템은 정밀하게 제어된 소정 양의 슬러리가 세라믹 일체식 기판에 대한 인가를 위해 계측되는, 내화성 물질 및/또는 촉매 금속 구성 성분의 슬러리로 세라믹 기판 부재를 진공 피복하는 방법을 포함한다. 일체식 기판은 기판 상에 피복되는 슬러리의 정확한 양을 담은 양호하게는 소정의 직경의 담금팬으로 공지된 용기로 소정의 깊이로 하강된다. 그 후, 슬러리는 바스 내에 침지된 단부에 대향하는 기판의 단부에 인가된 진공에 의해 상방 견인된다. 기판으로부터의 잉여 피복 슬러리의 배수 또는 제거가 필요하지 않으며, 공기를 제거하기 위해 요구되는 임의의 예비 진공 인가 단계도 필요하지 않는다.
다른 개선된 방법이 빅터 로진스키(Victor Rosynsky) 등에게 허여된 발명의 명칭이 "기판을 코팅하는 방법"인 미국 특허 제5,866,210호에 개시된다. 기판을 구성하는 각 채널이 동일한 피복 두께로 피복되고 기판의 각 채널이 동일한 길이로 피복되는 균일한 피복 프로파일에 의해 특정지어지는 일체식 기판을 피복하는 진공 주입 방법이 개시된다. 특히, 상기 방법은
a) 용기 내의 피복 매개물의 수준을 침지된 기판의 수준 이하로 감소시키지 않고 바람직한 수준으로 기판을 피복하기에 충분한 양을 담은, 피복 매개물의 바스를 포함하는 용기에 기판을 부분적으로 침지하는 단계와,
b) 균일한 피복 프로파일을 형성하기 위해 피복 매개물을 바스로부터 각각의 채널로 상방 견인하기에 충분한 시간과 강도로 부분적으로 침지된 기판에 진공을 인가하는 단계와,
c) 바스로부터 기판을 제거하는 단계를 포함하는
피복 매개물로 복수개의 채널을 갖는 기판을 피복하는 진공 주입 방법에 관한 것이다.
선택적으로는, 피복 매개물이 기판에 인가된 후 그리고 기판이 바스로부터 제거됨에 따라 진공은 부분적으로 침지된 기판 상에 부과된 진공의 강도와 동일하거나 더 큰 강도로 기판에 계속 인가된다. 진공이 부과된 후, 기판이 전도되고 대향 단부로부터 피복되어 균일한 피복 프로파일을 갖는 두 개의 피복부를 형성한다. 이 과정은 피복 매개물의 중첩을 감소시키는 것으로 공지되어 있다.
피복 혼합물의 중첩은 자동차 산업에 특히 문제가 된다. 중첩 영역은 기관 성능과 연료 소비에 불리하게 영향을 주고 기관의 마모를 증가시키는 촉매 변환기에 대한 델타(delta) 압력을 증가시킨다. 피복 혼합물이 피복 과정 중 불완전한 피복으로부터 초래된 중간 공백을 갖는 경우도 마찬가지로 문제이다. 이것 또한 변환기와 기관 성능에 악영향을 미친다. 그러나, 기판이 양 단부들을 피복하기 위해 전도되는 경우, 피복 재료가 어느 정도 중첩되거나 공백이 생기지 않는 것을 보장하기 매우 어렵다. 아무리 작은 양의 중첩 또는 공백이라도 촉매 성능에 부정적인 영향을 미친다.
따라서, 각각의 채널이 피복 재료의 임의의 중첩 또는 공백 없이 동일한 길이에 대해 동일한 피복 두께로 피복될 수 있는 것은 일체식 기판, 특히 촉매 변환기 내에 사용되는 일체식 기판을 피복하는 기술 분야에서 상당한 이득이다.
본 발명은 기판을 피복하는 장치 및 방법에 관한 것이며, 특히 일체식(monolithic) 기판들에 촉매 재료를 주입하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
도1은 기판에 대한 낮은 강도 및 높은 강도 진공의 인가와, 기판의 180°회전과, 공기 블라스트(blast)의 인가를 도시한 개략적인 시스템 흐름도이다.
도2는 진공 후드가 담근팬 내에 침지된 기판 근처로 하강된 피복 스테이션을 도시한 측면도이다.
도3은 본 발명을 따르는 팽창 가능한 블래더 클램프의 평면도이다.
도4는 기판의 적재와 하적을 위한 로보트 아암의 평면도이다.
도5는 본 발명을 따르는 공기 블라스트 스테이션의 측면도이다.
도6은 두 개의 일체식 기판을 조절하도록 구성된 공기 블라스트 스테이션의 측면도이다.
도7은 하나는 적재/하적 스테이션과 피복 스테이션에 개재되고, 다른 하나는 공기 블라스트 스테이션과 적재/하적 사이에 개재된 두 개의 중량 측정 스테이션을 포함하는 다섯 개의 스테이션 시스템을 도시하는 평면도이다.
도8은 본 발명을 따르는 중량 측정 스테이션의 측면도이다.
본 발명은 피복 슬러리의 중첩 또는 공백을 제거하는 중공 기판의 내부에 촉매 성분을 인가하는 시스템을 제공한다. 대체로, 상기 시스템은 기판을 피복 슬러리의 바스를 포함하는 용기에 침지시키고, 피복 슬러리를 바스로부터 중공 기판의 내부에 위치된 복수개의 채널 각각으로 상방 견인하도록 충분한 시간과 강도로 부분적으로 침지된 기판에 진공을 인가하여 촉매 성분로 기판을 피복하는 것과, 바스로부터 기판을 제거하는 것과, 기판을 180°로 회전시키는 것과, 균일한 피복 프로파일을 형성하기 위해 기판의 채널 내에 피복 슬러리를 분배하기 위한 충분한 시간과 강도로 기판에 가압된 공기의 블라스트를 인가하는 것을 포함한다.
본 명세서에 사용된 용어 "균일한 피복 프로파일"은 기판의 각각의 채널이 동일한 길이에 대해 피복되는 것을 의미한다. 유리하게는, 본 발명은 기판 상의 촉매 성분의 중첩 또는 공백이 완전히 제거되는 시스템을 제공한다. 이것은 촉매 변환기에 대해 명확한 장점을 제공한다. 첫째, 촉매 성분이 기판 전체에 균일하게 분배되기 때문에 보다 저가의 금속이 사용될 수 있다. 둘째, 다중 촉매 피복 성분을 사용하는 경우에 특히 유리한 촉매의 배치에 대한 보다 정밀한 제어가 존재한다. 셋째, 중첩과 공백의 제거로 인해 피복의 두께가 특히 다중 피복 인가에서 보다 정확하게 제어된다. 그 결과, 기판을 거쳐 처리되는 가스의 유동에 대한 저항이 감소되어, 채널을 통해 보다 덜 심한 압력의 하강과 보다 나은 제어를 초래한다. 이런 기판이 촉매 변환기로써 사용될 때, 기관 성능이 감소되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 용어 "진공 주입"은 일반적으로 일체식 기판 내의 복수개의 채널로 피복 슬러리를 주입하기 위한 진공의 부과를 의미한다.
본 발명의 다른 태양에 있어서, 중공 기판의 내부를 촉매 성분로 피복하는 단계와, 기판을 180°로 회전하는 단계와, 촉매 성분을 분배하도록 기판에 공기의 블라스트를 인가하는 단계를 포함하는 중공 기판의 내부에 촉매 성분을 인가하는 방법이 제공된다. 본 발명에 따라 생산된 촉매 변환기는 보다 적은 습윤 이득과 고가의 금속 변화율을 나타내어, 그 결과, 증가된 제품 생산과 고가의 금속의 사용으로부터 보다 적은 손실 비용을 초래한다. 유리하게는, 이들 재료를 사용하는 자동차는 촉매 성분의 중첩 또는 공백을 갖는 촉매 변환기에서 알 수 있는 것보다 촉매를 통해 보다 낮은 압력의 하강이 존재하기 때문에 연료 소비를 감소시킨다.
또한, 본 발명은 촉매 성분로 기판을 피복하는 장치를 제공한다. 상기 장치는 피복 슬러리의 연속적인 공급을 포함하는 담금팬과, 기판에 진공을 인가하도록 작동적 결합된 진공 원추와, 기판을 지지하고 회전시키는 팽창 가능한 블래더 클램프를 포함하는 피복 스테이션과, 기판에 가압된 공기의 블라스트를 공급하는 공기 블라스트 스테이션을 포함한다. 상기 장치는 스테이션들 사이에서 기판을 이동시키는 가동 플랫폼과 장치에 기판을 자동으로 적재 및 하적하는 로보트를 추가로 포함한다. 유리하게는, 상기 장치는 매우 자동적이고 효율적이어서, 종래 기술의 장치보다 사용에 보다 신뢰성이 있으며 저렴하다.
이하 상세한 설명과 참조된 도면을 참조하면, 본 발명이 보다 잘 이해될 것이며, 또한 장점이 명확해질 것이다.
본 발명은 기판 상에 촉매 성분의 피복을 위한 개선된 시스템에 관한 것으로써, 이에 의해 촉매 성분은 기판의 내부면에 균일하게 피복된다. 본 발명의 시스템은 기판의 내부에 촉매 성분의 중첩 또는 공백이 없는 균일하게 피복된 기판을 제공하기 위해 진공 주입 피복을 공기 블라스트 장치와 결합시킨다. 본 발명의 결과로, 제품 생산이 증가되고 촉매 성분에 보다 저가의 금속이 요구되어, 보다 좋은 품질의 촉매를 보다 저가로 생산하도록 한다. 또한, 본 발명의 촉매를 사용하는 자동차가 감소된 연료 소비를 나타내어, 이들 재료들을 자동차 산업에 대해 더욱 매력적으로 만든다.
특히, 본 발명의 시스템은 피복 슬러리의 바스(bath)를 포함하는 용기에 기판을 침지시키고 피복 슬러리를 바스로부터 중공 기판의 내부에 위치된 복수개의 채널 각각으로 상방 견인되기에 충분한 시간과 강도로 부분적으로 침지된 기판에 진공을 인가함으로써 촉매 성분로 기판을 피복하는 것과, 바스로부터 기판을 제거하는 것과, 기판을 180°로 회전하는 것과, 균일한 피복 프로파일을 형성하도록 기판의 채널 내의 피복 슬러리를 분배하기 위한 충분한 시간과 강도로 가압된 공기의 블라스트를 기판에 인가하는 것을 포함한다.
도면의 도1을 참조하면, 본 발명의 원리를 구현한 시스템의 개략도가 도시된다. 대체로, 일체식 기판(21)이 촉매 성분에 침지되고, 낮은 강도 진공이 인가되고, 기판이 피복 슬러리로부터 제거되고, 보다 강한 강도 진공이 인가된다. 그 후, 기판이 180°회전되고 공기 블라스트가 인가된다. 이것은 둘 이상의 기판을 동시에 피복할 수 있는 공기 블라스트 스테이션과 피복 스테이션에 의해 달성된다. 상기 시스템은 운전자가 스테이션 사이에서 기판을 수동으로 이동시킬 수 있거나, 또는 보다 상세히 후술되는 스테이션 사이에서 기판을 전진시키는 가동 플랫폼을 구비하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 전기 모터가 가동 플랫폼을 구동한다.
피복된 촉매 기판을 제공하는 프로세스가 이하에 간략하게 설명된다. 운전자는 시스템 파라미터(즉, 피복 슬러리 내의 기판의 침지 깊이, 진공 및 공기 블라스트의 강도와 지속 기간, 각각의 인덱싱(indexing) 스테이션에서의 시간의 길이 등)를 한정하고, 특정한 파라미터와 순응하도록 시스템을 조절하고, (도시되지 않은) 제어 패널 상의 시작 버튼을 누른다. 로보트 또는 운전자는 양 단부가 개방된 중공 기판을 픽업(pick up)하여, 기판의 주연부를 밀봉하여 적당한 장소에 기판을 지지하도록 팽창하는 블래더 클램프로 기판을 이송한다. 블래더 클램프는 시스템 내의 다른 스테이션들 사이에서 기판을 이동시키는데 사용되는 플랫폼에 연결된다. 운전자가 기판을 스테이션들 사이에서 이동시키는 경우에는, 각각의 다른 스테이션들은 기판을 고정하기 위한 자신의 블래더 클램프를 구비한다. 가동 플랫폼이 사용되는 경우에는, 가동 플랫폼은, 기판이 소정의 깊이로 침지되도록 소정의 높이까지 담금팬(dip pan)이 상방 이동하는 피복 스테이션으로, 팽창된 블래더 클램프를전진시킨다. 기판의 내부를 통해 담금팬으로부터 슬러리를 상방 견인하도록 낮은 진공이 인가된다. 그 후, 기판은 담금팬으로부터 상승되고, 높은 진공이 인가되고, 기판은 180°회전된다. 이 때, 기판과 플랫폼이 공기 블라스트 스테이션으로 전진하여 공기 블라스트 스테이션의 상위 및 수용 후드가 기판 주위를 폐쇄하며, 기판의 피복되지 않은 부분에 대해 피복 슬러리를 배포하도록 공기 블라스트가 기판에 인가된다. 공기 블라스트 후, 공기 블라스트 스테이션의 상위 및 수용 후드가 개방되고 블래더 클램프와 플랫폼은 블래더 클램프가 수축되고 기판이 시스템으로부터 제거되는 적재/하적 스테이션으로 전진한다.
전체 시스템은 도1에서 일반적으로 도시되었지만, 전체 시스템은 그를 구성하는 다수의 스테이션을 설명함으로써 보다 명확하게 이해될 수 있다. 물론, 이들 스테이션의 각각은, 시스템이 운전자에 의해 처음 프로그래밍되면 자동 작동을 제공하도록 전산화된 제어부와 함께 구성될 수 있다. 본 발명을 따르는 피복 기판을 위한 적당한 장치가 오하이오주의 브렉스빌(Brecksville)에 소재한 엠피터 테크날러지즈 인크.(MPT Technologies Inc.)에 의해 제조된다. 이제 도2를 참조하면, 본 발명에 사용된 피복 스테이션의 사시도가 도시된다. 대체로, 피복 스테이션(11)은 위치된 기판이 피복 슬러리와 접촉할 때 진공 펌프(18)에 의해 라인(10)을 통해 기판에 작동적 연결된 진공 후드(12)로 공급되는 진공을 포함한다. 담금팬(14)은 기판을 피복하기 위해 저장 탱크로부터 수용된 계속 순환되는 피복 슬러리를 유지한다. 본 발명에 따르면, (도시되지 않은) 슬러리 탱크로부터 담금팬(14)으로의 피복 슬러리의 연속적인 유동을 위해 입구 튜브가 제공된다. 담금팬으로부터 (도시되지 않은) 슬러리 회수 탱크로의 피복 슬러리의 연속적인 유동을 위해 출구 튜브가 제공된다. 이러한 방식으로, 피복 슬러리는 회수되고 담금팬(14)으로 재순환 될 수 있다. 그 결과, 시스템에 새로운 피복 슬러리를 제공하는 것과 관련된 비용이 감소된다. 일련의 밸브들이 슬러리 유동을 조절하기 위해 입구 및 출구 튜브에 위치될 수 있다. 피복 슬러리는 담금팬(14)에 피복 슬러리의 정확한 양을 제공하기 위해 계량될 필요는 없다. 대신에, 피복 슬러리의 연속적인 유동이 담금팬(14)에 제공된다. 양호하게는, 담금팬(14)은 담금팬(14)의 주연부와 접촉하고 임의의 슬러리 과잉 유동(overflow)을 포획하여 출구 튜브로의 유도하도록 기능하는 U형 리셉터클로 구성된다. 담금팬(14)은, 담금팬에 기판(21)을 침지시키거나 또는 그로부터 기판을 제거하기 위해 수직축을 따라 담금팬(14)을 상승 및 하강시키는 기능을 하는 서보 모터에 의해 구동되는 캐리지에 작동 연결된다. 컴퓨터가, 충분한 부피(22)의 피복 슬러리가 담금팬에 공급되어 침지된 기판(21)의 단부를 피복하는 것을 보장하기 위해 피복 슬러리 내의 기판(21)의 침지 깊이를 제어하도록 담금팬(14)의 수직 이동을 제어한다. 본 발명에 따라 기판(21)을 피복하기 위해 요구되는 피복 슬러리의 부피는, 기판의 부피와 요구되는 슬러리 적재와 슬러리의 점성을 포함하는 본 기술 분야에 공지된 다양한 인자를 기초로 한다.
담금팬(14)의 치수와 형태는 광범위하게 변화될 수 있다. 단일 크기 및 형태의 담금팬이 많은 종류의 다른 크기 및 형태의 일체식 기판들을 피복하는데 사용될 수 있다. 따라서, 담금팬(14)은 특별한 경우에 가끔 사용될 수 있는 타원형, 다각형 및 원형 기판뿐만 아니라 직사각형 기판을 수용할 수 있다.
장치가 스테이션들 사이에서 기판을 전진시키기 위해 플랫폼을 사용하는 경우에, 장치는 적재/하적 스테이션을 추가로 포함할 수 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 적재/하적 스테이션은 기판보다 큰 원주를 갖는 블래더 클램프(400)를 포함한다. 블래더 클램프(400)는 내부(407)가 기판의 외주연부를 밀봉 결합되도록 블래더를 팽창시킬 수 있는 (도시되지 않은) 공기 공급 입구를 구비한다. 또한, 블래더 클램프(400)는 필요한 경우 블래더를 수축시키는 것을 허용하는 공기 공급 출구를 구비한다. 양호하게는, 공기 공급 입구와 출구는 동일하다. 이들 입구와 출구 각각은 블래더 클램프(400)의 자동적인 팽창과 수축을 가능하게 하도록 컴퓨터 제어될 수 있다. 블래더 클램프(400)는 나사, 핀, 클램프 등과 같은 적당한 수단에 의해 가동 플랫폼에 영구적으로 부착된다. 블래더 클램프(400)는 장치의 다른 스테이션들 사이에서 기판을 이동하는데 사용된다. 기판의 형태를 수용하는 한 임의의 형태 및 유형의 블래더 클램프가 사용될 수 있다. 블래더 클램프를 사용하여, 장치는 크기 및 형태에 상관없이 임의의 기판을 피복할 수 있다. 물론, 장치가 로보트 및 관련된 적재/하적 스테이션을 사용할 필요는 없다. 대신에, 운전자는 다른 스테이션들 사이에서 기판을 수동으로 이동시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 적재 및 하적 스테이션은 분리될 수 있으며, 각각은 상술된 팽창 가능한 블래더 클램프를 구비한다.
또한, 블래더 크램프는 기판을 180°회전시키는 기능을 하는 회전 장치에 연결된다. 임의의 회전 장치가 사용될 수 있지만, 공압 작동되는 회전 장치가 양호하다. 이러한 양호한 회전 장치의 일 예가 독일의 슝크 코프.(Shunk Corp.)에 의해 제조된다.
로보트는 기판을 장치에 적재하고 장치로부터 하적하는데 사용될 수 있다. 도4는 본 발명에 사용될 수 있는 로보트 아암의 평면도를 도시한다. 물체를 이동시키도록 설계된 임의의 유형의 로보트 장치가 사용될 수 있다. 매우 적합한 로보트가 오하이오주 신시네티(Cincinnati)에 소재한 어뎁트 코프.(Adept Corp.)에 의해 판매된다. 도시된 바와 같이, 로보트(300)는 기판을 파지할 수 있어, 장치로 그리고 장치로부터 가동 아암(302)에 의해 기판을 이동시킨다. 로보트(300)가 핀처(pincher)와 함께 구성되어 도시되었지만, 촉매 변환기에 사용되는 기판을 파지하기에 적당한 임의의 단부 유닛이 사용될 수 있다. 또한, 로보트(300)는 적재 스테이션에서 기판을 적당하게 지향시킬 수 있게 하는 시각(vision) 시스템과 함께 구성될 수 있다. 또한, 로보트(300)는 장치로부터 피복된 기판을 제거하는데 사용될 수도 있다. 즉, 기판이 피복되고 공기 블라스트가 가해지면, 가동 플랫폼은 로보트(300)가 블래더 클램프(400)로부터 피복된 기판을 파지하는 적재/하적 스테이션으로 전진한다.
도면의 도5를 참조하면, 본 발명의 시스템에 사용된 공기 블라스트 스테이션(12)의 측면도가 도시된다. 본 발명을 따르는 공기 블라스트를 수행하기 위한 적당한 유닛이 오하이오주 브렉스빌에 소재한 엠피티 테크날러지즈 인크.(MPT Technologies Inc.)에 의해 제조된다. 통상적으로 공기 블라스트 스테이션은 상부 후드(200)와, 수용 후드(201)와, 공기 공급부(207)와, 고정 프레임 구조물(213)을 포함한다. 공기 블라스트 급송부(205)는 일단부 상의 상부 후드(200)의 상부(204)에 연결되어 상부 후드(200)에 가압된 공기의 공급원을 제공하는데 사용된다. 공기 블라스트 급송부(205)의 상부는 라인(206)에 나사 결합된다. 또한, 상부 후드(200)의 상부(204)는 수직 또는 Z축 상의 로드(216)를 따르는 이동되도록 캐리지(203)에 연결된다. 그 후, 캐리지(203)는 고정 프레임 구조물(213)에 결합된다. (도시되지 않은) 서보 모터는 캐리지(203)를 수직축을 따라 상하로 적절하게 구동하여 상부 후드(200) 및 부착된 공기 블라스트 급송부(205)를 개방 및 폐쇄하도록 작동시킨다. 가압된 공기를 이송하기 위해 임의의 적당한 재료로 제조될 수 있는 라인(206)이 공기 블라스트 급송부(205)와 공기 공급부(207) 사이를 연결한다.
수용 후드(201)는 기판을 수용하도록 구성된다. 슬러리 배출 튜브(209)는 수용 후드(201)의 바닥부에 위치 설정된 구멍(208)으로부터 연장된다. 대향 단부 상에서, 슬러리 배출 튜브(209)는 슬러리 회수 탱크(211)의 상부에 위치된 구멍(210)에 결합된다. 슬러리 회수 탱크(211)는, 시스템 내에서의 재사용을 위해 사용된 촉매 성분을 슬러리 회수 탱크(211)로부터 회수 탱크(34)로 구동하도록 시스템에 연결된 선택사양인 서보 모터와 배관을 거쳐 피복 스테이션의 슬러리 탱크(34)에 연결될 수 있다.
수용 후드(201)는, 수용 후드를 개방하고 폐쇄하도록 서보 모터에 의해 구동될 때 수직 또는 Z축 방향으로 수용 후드(201)의 이동을 제공하는 (도시되지 않은) 캐리지에 결합된다. 폐쇄 위치에서, 상부 후드(200)는 블래더 클램프(400)의 일 측부에 밀봉 결합되고, 수용 후드(201)는 이하 설명되는 바와 같이 공기 공급부(207)로부터 충전된 공기를 수용할 수 있는 밀봉부를 형성하도록 블래더 클램프(400)의 외측부와 밀봉 결합된다. 개방 위치에서, 상부 후드(200)는 기판의 적재와 하적을 허용하도록 수용 후드(201)로부터 충분히 이격된다.
공기 공급부(207)는 일반적으로 금속, 플라스틱 또는 가압된 공기를 보유하기에 적당한 다른 재료로 제작된 탱크 내에 포함된다. 탱크는 재충전 가능하다. 즉, 내용물이 사용되었을 때 새로운 탱크로 교환될 수 있거나, 또는 공기 공급부(207)에서 재충전시키도록 공기를 제공하는 다른 공기 공급부에 연결 될 수 있다. (도시되지 않은) 조절 가능한 조절기가 공기 공급부(207) 내의 압력을 조절하기 위해 공기 블라스트 스테이션(12)에 부착된다. 상술된 바와 같이, 라인(206)은 공기 공급부(207)와 공기 블라스트 급송부(205)를 연결하여 공기 공급부(207)로부터 상부 후드(200)로 공기를 이동시키는 통로를 제공한다. 일반적인 개방 급송 밸브(215)는 공기 공급부(207) 상에 적당하게 장착되어 공기 블라스트 급송부(205)로의 공기의 유동을 조절하도록 라인(206) 상에서 작동한다. 따라서, 기판이 수용 후드(201) 상에 위치되고 상부 후드(200)가 수용 후드(201)와 밀봉 결합하도록 폐쇄될 때, 공기 공급부(207)는 밸브(215)와 라인(206)을 거쳐 공기 블라스트 급송부(205)로 조절된 공기 공급을 제공하고, 공기 블라스트 급송부는 상부 후드(200)가 폐쇄 위치에 있을 때 형성된 공동에 가압된 공기를 제공한다. 이러한 공기의 가압된 블라스트는 피복 재료를 기판의 내부 전역에 균일하게 분배하고 초과량을 "날려 보내도록(blow off)" 사용된다. 잉여 피복 슬러리는 슬러리 배출 튜브(209)로부터 구멍(210)을 거쳐 중력 급송부를 경유하여 슬러리 회수 탱크(211)로 진입한다.
도6은 두 개의 피복된 기판을 동시에 수용하고 공기의 블라스트를 제공하도록 구성된 본 발명을 따르는 공기 블라스트 스테이션의 정면도를 도시한다. 이 도면에서, 상부 후드는 도면 부호 220으로, 수용 후드는 도면 부호 221로, 고정 프레임 구조물은 도면 부호 243으로, 공기 블라스트 급송부 및 관련 캐리지는 도면 부호 225 및 223으로 각각 나타내어진다. 라인(226)은 공기 블라스트 급송부(225)를 (도시되지 않은) 공기 공급부에 연결한다. 공기 블라스트 후에 기판으로부터 날려보내진 잉여 피복 슬러리는 슬러리 배출 튜브(229)를 거쳐 슬러리 회수 탱크(230)에 의해 포획된다.
또한, 상기 장치는 피복 전과 공기 블라스트 후의 기판의 중량을 측정하기 위한 중량 측정 스테이션들이 구비된다. 피복 전, 후에 기판의 중량을 측정하여, 습윤 이득 변화율의 백분율(percentage of wet gain variability), 즉 피복 프로세스의 균일성이 결정될 수 있다. 도7은 적재/하적 스테이션(401)과, 중량 측정 스테이션(402)과, 피복 스테이션(403)과, 공기 블라스트 스테이션(404)과 중량 측정 스테이션(405)을 구비한 본 발명을 따르는 다섯 개의 스테이션 자동 장치의 평면도를 제공한다. 도8은 본 발명에 따라 동시에 두 개의 기판의 중량을 측정하는데 사용되는 중량 측정 스테이션을 도시한다. 대체로, 중량 측정 스테이션은 가동 플랫폼이 스테이션으로 전진할 때 블래더 클램프가 수축하도록 구성된다. Y축을 따라 수직한 방향으로 스케일을 상승 및 하강시키도록 로드(503)를 거쳐 작동하는 고정 프레임(503)에 의해 지지되는 서보 모터(502) 및 스케일(501)을 포함하는 유닛이 플랫폼 하부에 위치 설정된다. 스케일(501)이 상방으로 상승할 때 기판의 바닥부에 닿아, 피복되지 않았거나 또는 피복된 기판의 중량 측정을 가능하게 한다. 중량 계산을 수행한 후에 스케일(501)은 로드(503)를 따라 하강한다. 중량 계산이 피복 전에 수행되는 경우, 기판은 기판의 수직 위치를 결정하는 레지스터 플랫폼으로써 역할하는 중량 측정 플랫폼 상에 얹혀 있도록 제작된다. 유리하게는, 중량 측정 스테이션에서 계산된 바와 같이 기판의 수직 위치가 슬러리 내로의 기판의 침지 깊이를 결정하는 피복 스테이션에 사용될 수도 있다. 중량 측정 스테이션은 기판의 중량을 기록하는 전자 수단에 연결된다. 본 명세서에 설명된 다른 스테이션과 같이, 중량 측정 스테이션은 임의의 전술된 기능을 수행하는 적어도 하나의 컴퓨터를 갖도록 구성될 수 있다.
본 발명의 방법 태양에 따르면, 상술된 바와 같이, 운전자는 작동을 시작하기 전에 컴퓨터로 시스템 파라미터를 프로그래밍한다. 프로그래밍되면, 시스템은 작동이 종료되거나 또는 운전자에 의해 재 규정될 때까지 피복 프로세스를 자동적으로 계속한다. 로보트 또는 운전자는 블래더 클램프(400)가 기판을 적당한 위치에 확실하게 고정하도록 팽창되는 적재/하적 스테이션(13) 내에 피복되지 않은 기판을 수동으로 위치시키고, 가동 플랫폼이 피복 스테이션(11)으로 기판을 전진시킨다.
본 발명에서 사용된 피복 과정은 본 명세서에 참조된, 빅터 로진스키(Victor Rosynsky) 등에 허여된 미국 특허 제5,966,210호에 의해 대략적으로 설명된다. 이 과정은 이하 설명되어지는 바와 같이 본 발명에서 변형되었다. 기판이 피복 스테이션으로 전진할 때, 피복 슬러리가 연속적으로 공급되는 담금팬(14)이 서정의 깊이에 따라 팽창된 블래더 클램프의 이면에 접촉하도록 상승한다. 이미 지적된 바와 같이, 이것은 기판의 부피와, 요구되는 슬러리 적재와, 슬러리의 점성 등과 같은 인자의 변화를 기초로 결정된다. 진공 후드는 블래더 클램프의 일 측부를 밀봉 결합하도록 하방으로 이동하고, 상승된 담금팬은 블래더 클램프의 타측부를 밀봉 결합한다. 이러한 방식에서, 밀봉된 공동이 형성된다.
기판이 피복 슬러리 내로 위치될 때, 피복 슬러리는 진공의 부과 없이도 모세관 현상에 의해 내부 채널로 상방 견인된다. 기판의 침지된 단부 위의 피복 슬러리의 부피가 충분하기 때문에, 모세관 현상은 채널 모두에 대해 균일하게 제공된다. 그 결과, 균일한 피복 프로파일이 진공이 없는 경우에도 기초적으로 얻어질 수 있다. 그럼에도 불구하고 피복 슬러리를 추가적으로 상방 견인하기 위해 낮은 강도 진공을 부과하는 것이 필요하다.
낮은 강도 진공은 단지 2.54cm(1 inch) 수두(water)로 유지되야 한다. 진공이 이 수준을 초과하면 피복의 길이와 두께의 일관성이 손상될 수도 있다. 낮은 강도의 진공이 인가되는 시간은 피복될 채널의 길이와 피복 슬러리의 밀도 및 일관성에 의거하여 변화한다. 대부분의 경우, 낮은 강도 진공은 1 내지 3초 동안 인가될 것이다. 유리하게는, 기판 주연부와 블래더 클램프의 내부 사이의 밀봉은 채널 내의 피복 슬러리의 전체 균일성과 운동을 강화한다. 앞서 지적된 바와 같이, 동일하거나 또는 보다 높은 강도[즉, 2.54cm(1 inch) 수두 초과, 통상 약 12.7cm 내지 38.15cm(5inch 내지 15inch)의 수두]의 제2 진공 작동이 진공 후드가 상승되고 기판이 피복 슬러리로부터 제거된 후에 인가될 수 있다. 제2 진공 작동의 지속 기간은 통상적으로 약 2 내지 4초이다. 대부분의 경우, 진공 작동(즉, 제1 및 제2 진공 작동의 합)은 약 5초의 총 시간 이하 동안 지속될 것이다. 그 후, 기판이 블래더 클램프 내에서 180°회전되고 공기 블라스트 스테이션(12)에 인덱싱된다.
플랫폼이 공기 블라스트 스테이션(12)에 도달할 때, 상부 후드(200)가 하강하고 수용 후드(201)는 기판이 위치 설정된 곳에서 공동을 형성하도록 상부 후드(200)와 밀봉 결합되도록 상승된다. 통상적으로 약 1.41kgf/cm2내지 약 3.52kgf/cm2(약 20psi 내지 50psi) 사이의 가압된 공기의 블라스트는 라인(206)을 거쳐 기판에 전달된다. 공기 블라스트 지속 기간은 약 0.3에서 0.5초의 범위이며, 통상적으로는 약 0.3초이다. 공기 블라스트 후, 상부 후드(200)가 상승되고, 하부 후드가 하강하고, 플랫폼은 블래더 클램프(400)가 수축되고 로보트 또는 운전자가 기판을 제거하는 적재/하적 스테이션으로 전진한다. 상술된 바와 같이, 중량 측정 스테이션은 피복 스테이션 전과 공기 블라스트 스테이션 후에 개재될 수 있다.
임의의 일체식 기판이 본 발명에 따라 피복될 수 있다. 이런 기판은, 전방으로 진입하고 기판을 통과하고 후방으로 진출하는 공기 유동에 대해 채널이 개방되도록 기판의 입구면으로부터 출구면까지 연장된 미세하고 평행한 가스 유동을 포함한다. 양호하게는, 채널은 본질적으로 입구로부터 출구까지 직선이며, 채널을 통해 유동하는 가스가 피복 슬러리와 접촉하도록 피복 슬러리가 와시 피복(wash coating)으로 피복된 벽에 의해 형성된다. 유동 채널은 사다리꼴, 직사각형, 사각형, 사인 곡선, 육각형, 타원형, 원형과 같은 임의의 적당한 단면 형태 및 치수이거나 또는 본 기술 분야에 공지된 주름진 그리고 편평한 금속 구성 요소로 형성될 수 있는 얇은 벽 채널이다. 이런 구조물은 단면의 제곱 인치당 약 60 내지 1200 그 이상의 가스 입구 개구(셀; cell)를 포함할 수 있다. 이런 구조물 각각이 본 명세서에 명확하게 참조된 미국 특허 제3,904,551호, 제4,329,162호 및 제4,559,193호에 예를 들어 개시된다.
본 발명에 따라 피복될 수 있는 피복 슬러리는 폭 넓게 변화할 수 있으며, 통상 촉매 변환기의 생산에 사용되는 촉매 성분, 흡수제 성분 및 그 조합을 포함할 수 있으나, 그에 한정되지는 않는다. 다른 성분의 다중 피복 역시 사용될 수 있다. 적당한 피복 슬러리 성분이 각각이 본 명세서에 참조된 예를 들어 미국 특허 제5,057,483호, 제4,714,694호 및 제4,134,860호에 개시된다.
기판이 시스템으로부터 제거된 후, 피복이 경화되는 가열 섹션으로 기판이 보내지기 전에 기판이 건조될 수 있다. 피복된 기판의 건조는 진공의 부과에 의해 촉진될 수 있는 임의의 적당한 방식으로 수행될 수 있다. 매우 적당한 건조 프로세스가 본 명세서에 명확하게 참조되었으며, 발명의 명칭이 "피복 기판을 건조하는 방법"이며, 1998년 4월 28일 출원되어 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제09/067,831호에 개시되어 있다.
본 발명에 따르면, 기판은 중량 측정 스테이션이 사용된 경우에도 약 5 내지 10초 내에 피복될 수 있다. 단일 스테이션에서의 휴지 시간(dwell time)은 변화 가능하며, 피복 유형과 피복 두께 등에 의거할 것이다. 따라서, 단일 및 이중 피복 장치는 10초 주기를 가지면 각각 시간당 대략 360 기판 및 720 기판을 피복할수 있다. 또한, 5초 주기를 가지면 시간당 1420 기판의 피복을 가능하게 하여, 방법이 매우 효율적으로 된다. 기판은, 기판의 대향 단부가 피복 슬러리에 담궈지는것을 요구하는 종래 기술의 방법에서 존재하는 임의의 공백 또는 중첩 없이 균일하게 피복된다. 또한, 본 발명에 따라 피복된 기판은 본 발명의 상대적으로 낮은 비용과 신뢰성을 증명하는 낮은 습윤 이득 및 귀금속 변화율을 나타낸다. 예를 들어, 본 발명 이전에는, 피복된 기판들 사이의 습윤 이득 변화율이 약 10 내지 15% 였다. 반면에, 본 명세서에 설명된 방법에 따라 생산된 기판은 단지 약 2.6%의 습윤 이득 변화율만을 나타낸다. 마찬가지로, 본 발명 이전에는 기판 내의 총 귀금속 성분이 약 10 내지 20% 였지만, 본 명세서에 설명된 바와 같이 생산된 기판은 5% 보다 적은 귀금속 성분을 나타낸다. 이러한 관점에서, 귀금속은 기판 전체에 균일하게 배분되고, 그 결과 제어된 귀금속 적재를 제공한다.
따라서, 본 발명이 상세하게 설명되었지만, 이러한 상세한 설명에 엄격히 제한될 필요는 없으며, 후속의 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 여러 가지 수정 및 변경이 있을 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 중공 기판의 내부에 촉매 성분을 인가하는 시스템에 있어서,
    피복 슬러리의 바스를 포함하는 용기로 기판을 침지시키고 바스로부터 중공 기판의 내부에 위치된 복수개의 채널 각각으로 피복 슬러리를 상방 견인하기에 충분한 시간과 강도로 부분적으로 침지된 기판에 진공을 인가함으로써, 촉매 성분로 기판을 피복하는 것과,
    바스로부터 기판을 제거하는 것과,
    기판을 180°로 회전시키는 것과,
    내부에 균일한 피복 프로파일을 형성하도록 기판의 채널 내에 피복 슬러리를 분배하기 위한 충분한 시간과 강도로 기판에 가압된 공기 블라스트를 인가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 기판이 바스로부터 제거된 후, 진공이 기판에 인가되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 기판이 바스로부터 제거된 후 인가된 진공의 강도가 기판이 바스 내에 침지된 동안 기판에 인가된 진공의 강도와 적어도 동일한 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 공기 블라스트 스테이션이 상부 후드와, 수용 후드와, 상부 후드에 작동 연결된 공기 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 공기 블라스트의 지속 기간이 약 0.3초로부터 0.5초까지의 범위인 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 공기 블라스트가 약 1.41kgf/cm2내지 약 3.52kgf/cm2(약 20psi 내지 50psi) 사이에서 가압되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 중공 기판의 내부에 촉매를 인가하는 장치에 있어서,
    피복 슬러리를 포함하는 담금팬과, 기판에 진공을 인가하도록 작동적 결합된 진공 원추를 포함하는 피복 스테이션과,
    기판에 가압된 공기의 블라스트를 공급하는 공기 블라스트 스테이션을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 피복 스테이션과 공기 블라스트 스테이션 사이에 이동 가능한 플랫폼을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 기판을 적재 및 하적하는 스테이션을 추가로 포함하는 것을특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 적재 및 하적 스테이션에 기판을 배치하고 그로부터 제거하는 로보트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제8항에 있어서, 플랫폼에 부착된 팽창 가능한 블래더 클램프를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 회전 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제7항에 있어서, 시스템 파라미터를 한정하는 프로그래밍 가능한 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제7항에 있어서, 공기 블라스트 스테이션이 상부 후드와, 수용 후드와, 상부 후드에 작동 연결되는 공기 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제9항에 있어서, 기판의 중량을 측정하는 적어도 하나의 스테이션을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 기판의 중량을 측정하는 일 스테이션이 적재/하적 스테이션과 피복 스테이션 사이에 위치되고, 기판의 중량을 측정하는 다른 스테이션이 공기 블라스트 스테이션과 적재/하적 스테이션 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 중공 기판의 내부에 촉매 성분을 인가하는 방법에 있어서,
    중공 기판의 내부를 촉매 성분로 피복하는 단계와,
    기판을 180°로 회전하는 단계와,
    촉매 성분을 분배하도록 기판에 공기의 블라스트를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 팽창 가능한 블래더 클램프로 기판을 적재하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 기판이 로보트에 의해 팽창 가능한 블래더 클램프 내로 적재되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 기판을 건조하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 공기 블라스트가 약 0.3초로부터 약 0.5초까지의 범위의지속 기간 동안 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제17항에 있어서, 기판의 중량을 측정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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