KR20090031850A - Substrate having corrugated sheet(s) and channel(s) for treating exhaust gases of combustion engines - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연소 기관의 배기가스를 처리하기 위한, 골판형 시트(들) 및 채널(들)을 갖춘 기판에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 개방 채널(들)을 갖춘 상기 기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate having corrugated sheet (s) and channel (s) for treating exhaust gases of a combustion engine. The invention also relates to a method of making the substrate with the open channel (s).
연소 기관의 배기가스를 처리하기 위해, 개방형 또는 폐쇄형 채널들 또는 이들이 조합된 채널을 갖춘 기판들이 사용되고 있다. 개방 채널들의 경우, 배기가스는 기판을 통해 직접 유동한다. 폐쇄형 채널들을 구비하는 기판에서는, 가스가 예를 들어 세라믹 또는 금속성 다공성 벽과 같은 벽을 통해 유동하도록 가압된다. 개방형 채널들에서, 가스 불순물은 많이 감소되지만, 입자 불순물들은 예를 들어 10 내지 15% 정도로 그 감소량이 작다. 폐쇄형 채널들/벽에서 필터를 흐르는 가스 불순물들의 감소는 높고, 또한 입자 불순물들도 예를 들어 70 내지 99%로 그 감소량이 높다. 폐쇄형 채널들에서의 문제점은 벽들이 막힌다는 것이다. 폐쇄형 채널들/벽에서 필터가 세척되지 않는 경우에는 점진적으로 막히게 된다. 압력 손실 역시 증가한다. 이러한 채널들이 개방된 상태를 유지할 수 있는 한 가지 방안은 지속적 으로 또는 주기적으로 세척하는 것이다.In order to treat the exhaust gases of combustion engines, substrates with open or closed channels or a combination thereof are used. In the case of open channels, the exhaust flows directly through the substrate. In substrates with closed channels, gas is pressurized to flow through a wall, such as, for example, a ceramic or metallic porous wall. In open channels, gas impurities are greatly reduced, but particle impurities are small, for example by 10 to 15%. The reduction of gas impurities flowing through the filter in the closed channels / walls is high, and also the particle impurities are high, eg 70 to 99%. The problem with closed channels is that the walls are blocked. If the filter is not cleaned in the closed channels / walls, it will gradually become clogged. Pressure loss also increases. One way to keep these channels open is to wash them continuously or periodically.
개방 채널들에서 배기가스의 입자 및 가스 불순물들을 효율적으로 감소시키는 기판이 발명되었다. 이에 따라, 상기 기판을 제조하는 방법도 발명되었다.Substrates have been invented that efficiently reduce particles and gaseous impurities in the exhaust gas in open channels. Accordingly, a method of manufacturing the substrate has also been invented.
이러한 목적을 위해, 본 발명은 독립항에 개시되어 있는 사실들을 특징으로 한다. 본 발명의 일부 바람직한 실시예들이 다른 청구항들에 개시되어 있다.For this purpose, the invention features the facts disclosed in the independent claims. Some preferred embodiments of the invention are disclosed in the other claims.
어떠한 방식으로도 본 발명의 구성적 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, POC/DPF-구조물/기판들의 캐스케이드(cascade) 또는 유동 방향에 대해 평행하게 또는 직렬로 조립되어 있는 복수의 구조물들 내에 본 발명의 촉매가 존재할 수 있다.In no way is it limited to the constitutive embodiments of the invention. According to one embodiment of the invention, the catalyst of the invention may be present in a plurality of structures assembled in parallel or in series with respect to the cascade or flow direction of the POC / DPF-structures / substrates.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판은 평탄형 메쉬 시트(들)와 연결되어 있는 함몰부(depression)들을 갖추고 있는 골판형 시트(들)를 포함하고 있고, 상기 평탄형 와이어 메쉬 시트와 상기 골판형 시트 사이에는 배기가스가 흐르기 위한 적어도 부분적으로는 채널(들)이 있으며, 상기 함몰부의 깊이는 주름부(corrugation)의 높이보다 0.05~0.5 ㎜ 작다.According to one embodiment of the invention, the substrate comprises corrugated sheet (s) having depressions connected with the flat mesh sheet (s), wherein the flat wire mesh sheet and the corrugation Between the sheet-like sheets there is at least partly channel (s) for the exhaust gas to flow, the depth of the depression being 0.05-0.5 mm smaller than the height of the corrugation.
놀랍게도, 개방형 채널들 내에서의 입자들 유동이 실질적으로 개선되었음을 알 수 있었다. 또한 적어도 부분적으로 개방된 채널들 내에서 가스 불순물의 감소도 개선되었다.Surprisingly, it was found that the flow of particles in the open channels was substantially improved. The reduction of gaseous impurities in at least partially open channels is also improved.
함몰부의 깊이는 0.5~1.5 ㎜, 주름부의 높이는 1.0~3.0 ㎜가 바람직하다. 이들을 조합하는 것이 입자들의 감소와 가스 불순물을 감소시키는 것 모두에 매우 효과적이다. 함몰부들은 그 각각이 예를 들면 10~40 ㎜, 20~30 ㎜일 수 있다.The depth of the depression is preferably 0.5 to 1.5 mm, and the height of the wrinkles is 1.0 to 3.0 mm. Combining them is very effective both in reducing particles and reducing gas impurities. The depressions may each be, for example, 10-40 mm, 20-30 mm.
배기가스는 부분적으로 개방되어 있는 채널들을 통해 자유롭게 유동할 수 있지만, 와이어 메쉬 시트(들)의 불규칙한 표면과 시트의 함몰부들에 의해, 시트의 기판 위에서는 가스 유속이 감소된다. 상기 불규칙한 표면과 함몰부들은 가스를 혼합하여서 가스 체류 시간(gas retention time)의 표준 편차를 감소시킨다. 와이어 메쉬 시트(들)의 표면은 배기가스 입자들을 위한 효과적인 개방형 입자 트랩으로도 기능한다. 이러한 조합은 가스 및 입자 불순물의 접촉을 부가하여 체류 시간을 증가시키고 불순물 및 입자들의 감소를 증가시킨다. 불순물 입자들은 평활 시트에 비해 메쉬 시트에 더 많이 부착된다. 특히 무겁고 큰 입자들이 와이어 메쉬 시트(들)의 표면 위에 부착된다.The exhaust gas can flow freely through partially open channels, but due to the irregular surface of the wire mesh sheet (s) and the depressions of the sheet, the gas flow rate is reduced over the substrate of the sheet. The irregular surfaces and depressions mix the gas to reduce the standard deviation of gas retention time. The surface of the wire mesh sheet (s) also functions as an effective open particle trap for exhaust gas particles. This combination adds contact of gas and particulate impurities to increase residence time and increase reduction of impurities and particles. Impurity particles adhere more to the mesh sheet than to the smooth sheet. Particularly heavy and large particles adhere onto the surface of the wire mesh sheet (s).
입자들의 감소는 입자원(particle source)과 입자들의 성분에 크게 의존한다. 입자들은 다양한 함량의 휘발성 유기화합물(VOF), 고체 탄소, 황, 수분 및 금속 산화물을 포함할 수 있다. 표준 산화 촉매제는 VOF 대부분을 산화시키고, 이러한 방식으로 입자 중량의 10 내지 60%를 감소시킬 수 있다. 본 새로운 발명에 의해, 입자 감소를 최대 80%까지로 개선할 수 있다. 본 새로운 발명에 의해, 가스 불순물의 감소를 90% 상회하게(> 90%) 개선할 수 있다.The reduction of particles is highly dependent on the particle source and the composition of the particles. The particles can include varying amounts of volatile organic compounds (VOFs), solid carbon, sulfur, moisture and metal oxides. Standard oxidation catalysts oxidize most of the VOF and in this way can reduce 10 to 60% of the particle weight. With this new invention, particle reduction can be improved up to 80%. With the new invention, it is possible to improve the reduction of gas impurities by more than 90% (> 90%).
새로운 부분적으로 개방되어 있는 채널의 중요한 특징은 막힘(clogging)이 전혀 없거나, 또는 세척하지 않으면 점진적으로 전체가 막혀 버리는 폐쇄형 채널 또는 필터에 비해 막힘이 최소화 된다는 것이다. 이점이 매우 중요하고, 본 발명에 따른 적어도 부분적으로 개방되어 있는 채널들을 갖추고 있는 기판은 요구되는 조건의 대부분에 사용될 수 있으며 또한 많은 활용 분야에서도 유용하다. An important feature of the new partially open channel is that the blockage is minimal compared to a closed channel or filter where there is no clogging or gradually clogs up if not cleaned. This is very important, and substrates with at least partially open channels according to the invention can be used for most of the required conditions and are also useful in many applications.
적어도 부분적으로 개방되어 있는 채널(들)에 부착되어 있는 입자들은, 후속적으로 무해한 화합물로 분해되는 가스 불순물로 분해된다. 가스의 일부는 메쉬 시트(들)의 개구를 통해 유동할 수 있고, 입자들은 시트(들)의 표면에 부착된다. 이것은 또한 입자 감소를 개선시킨다. 다른 한편, 부분적으로 개방되어 있는 채널들은 막히지 않거나 또는 막힘이 최소로 되며, 시트(들) 근방에서 가스의 유속과 압력 손실이 감소되지 않는다. 이것은 조업 실패를 감소시켜서 부분적으로 개방되어 있는 채널의 효율성을 배가시킨다.Particles attached to at least partially open channel (s) decompose into gaseous impurities which subsequently decompose into harmless compounds. A portion of the gas can flow through the opening of the mesh sheet (s) and the particles adhere to the surface of the sheet (s). This also improves particle reduction. On the other hand, partially open channels are not blocked or minimized, and gas flow rates and pressure losses in the vicinity of the sheet (s) are not reduced. This reduces operational failures and doubles the efficiency of the partially open channel.
메쉬 시트(들)의 개구의 형상은 변할 수 있다. 개구는 수로 형태, 사각 형태, 다이아몬드 형태 또는 홀 형태일 수 있다. 예를 들어서, 다이아몬드 형태의 메쉬 시트에서 와이어들은 일 레벨일 수도 있고, 서로 엇갈릴(crosswise) 수도 있다. The shape of the opening of the mesh sheet (s) can vary. The opening can be in the form of a channel, a square, a diamond or a hole. For example, in diamond-shaped mesh sheets, the wires may be one level and crosswise to one another.
메쉬 시트(들)의 측면들 간의 압력 차는 메쉬 시트의 기공부를 통한 배기가스의 유동을 증가시킨다. 이러한 현상은 지지부 위에 입자들이 부착되도록 하여 배기가스로부터 입자의 감소를 개선한다.The pressure difference between the sides of the mesh sheet (s) increases the flow of exhaust gas through the pores of the mesh sheet. This phenomenon allows the particles to adhere on the support, improving the reduction of particles from the exhaust gas.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 골판형 시트는 골판형 와이어 메쉬 시트이다. 이것은 불순물 가스와 입자의 접촉을 증가시켜서 체류 시간을 증가시키고 불순물을 감소시킨다. 이는 배기가스의 불순물 입자들의 유가물을 효율적으로 감소시킨다. 가스의 충돌은 또한 가스가 촉매 기능을 하는 활성 물질과 더욱 잘 접촉하도록 하여 상기 기판에서 입자의 체류 시간을 증가시키고 가스 불순물의 감소를 개선한다.According to one embodiment of the invention, the corrugated sheet is a corrugated wire mesh sheet. This increases the contact of the impurity gas with the particles, thereby increasing the residence time and reducing the impurities. This effectively reduces the valuables of the impurity particles of the exhaust gas. The collision of gases also allows the gas to better contact the catalytically active material, increasing the residence time of the particles in the substrate and improving the reduction of gas impurities.
바람직하게는, 상기 메쉬 시트의 양쪽에 개방 채널들이 있다. 와이어 메쉬 시트의 구조는 간단해서, 제조하기가 용이하며, 예를 들어 개방형 채널에 사용되는 평활 시트에 비해 입자들의 감소가 상대적으로 높다.Preferably, there are open channels on both sides of the mesh sheet. The structure of the wire mesh sheet is simple and easy to manufacture, for example, the reduction of particles is relatively high compared to the smooth sheet used in open channels, for example.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 평탄형 와이어 메쉬 시트는 함몰부를 구비한다. 이 또한 불순물 가스의 유속을 감소시키고 지지부 위에 입자의 부착을 증가시킴으로서 불순물 가스 입자의 감소를 증가시킨다.According to one embodiment of the invention, the flat wire mesh sheet has a depression. This also increases the reduction of impurity gas particles by reducing the flow rate of impurity gas and increasing the adhesion of particles on the support.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 골판형 시트의 함몰부는 평탄형 와이어 메쉬 시트의 함몰부와 정합된다. 이에 의해 층들이 서로에 대해 고정되기 때문에, 기판의 강도를 향상시킨다.According to one embodiment of the invention, the depression of the corrugated sheet is mated with the depression of the flat wire mesh sheet. This improves the strength of the substrate because the layers are fixed relative to each other.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메쉬 시트의 중간 개구 크기는 0.01 내지 0.5 ㎜이고, 바람직하게는 0.05 내지 0.3 ㎜, 더욱 바람직하게는 0.08 내지 0.2 ㎜이다.According to one embodiment of the invention, the median opening size of the mesh sheet is 0.01 to 0.5 mm, preferably 0.05 to 0.3 mm, more preferably 0.08 to 0.2 mm.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메쉬 직경은 0.08~0.24 ㎜이다. 메쉬 직경은 바람직하게는 0.1~0.15 ㎜이다. 이에 따라, 기계적 강도가 높고 유동 가스의 압력 손실이 작다.According to one embodiment of the invention, the mesh diameter is 0.08-0.24 mm. The mesh diameter is preferably 0.1 to 0.15 mm. Thus, the mechanical strength is high and the pressure loss of the flowing gas is small.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 메쉬 시트의 메쉬 번호(mesh number)는 30 내지 300이다. 배기가스의 적어도 일부분은 메쉬 시트의 개구를 통해 유동할 수 있다. 이는 배기가스의 입자들이 지지부의 표면에 부착되도록 하여 실질적으로 입자의 감소를 개선한다.According to one embodiment of the present invention, the mesh number of the mesh sheet is 30 to 300. At least a portion of the exhaust gas may flow through the opening of the mesh sheet. This allows particles of the exhaust gas to adhere to the surface of the support, substantially improving the reduction of the particles.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 평탄형 와이어 메쉬 시트 및 골판형 시트는 용접/브레이징에 의해 서로가 부착되어 있을 수 있다. 이로 인해 기판의 강도가 더욱 개선된다.According to one embodiment of the invention, the flat wire mesh sheet and the corrugated sheet may be attached to each other by welding / brazing. This further improves the strength of the substrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판(들)은 지지부 및/또는 촉매 물질에 의해 적어도 일부분이 덮여 있다. 상기 지지부의 중간 기공 크기는 바람직하게는 5 ㎚를 초과하며, 바람직하게는 10 내지 50 ㎚, 더욱 바람직하게는 15 내지 20 ㎚이다. 상기 지지부의 최적의 기공 크기는 메쉬 시트(들) 근처를 흐르는 가스의 환경과 배기가스에 의존한다. 배기가스는 예를 들어 중간 입자 크기가 5 내지 200 ㎚이고, 중간 기공 크기는 예를 들어 5 내지 20 ㎚일 수 있다.According to one embodiment of the invention, the substrate (s) are at least partially covered by a support and / or a catalytic material. The median pore size of the support is preferably greater than 5 nm, preferably 10 to 50 nm, more preferably 15 to 20 nm. The optimal pore size of the support depends on the environment of the gas flowing near the mesh sheet (s) and the exhaust gas. The exhaust gas may for example have a median particle size of 5 to 200 nm and the median pore size may for example 5 to 20 nm.
바람직하게는 지지부는 상기 지지부의 평면에서 돌출되어 있는 조대 입자 및/또는 섬유를 포함한다. 바람직하게는 상기 지지부의 중간 입자 크기는 0.4 ㎛를 초과하며, 예를 들면 1.5 내지 3.5 ㎛이다. 이것은 실질적으로 입자들의 부착을 증가시켜서 상기 기판 내에서 입자들의 감소를 개선한다.Preferably the support comprises coarse particles and / or fibers protruding from the plane of the support. Preferably the median particle size of the support is greater than 0.4 μm, for example 1.5 to 3.5 μm. This substantially increases the adhesion of the particles to improve the reduction of the particles in the substrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(들)은 중간 입자 크기가 1.4 ㎛ 초과하는 입자 및/또는 10 ㎚ 초과의 기공을 갖고 있는 지지부에 의해 실질적으로 덮여 있다. 이것은 입자들의 시트에의 부착을 증가시켜서 불순물 입자들의 감소를 개선한다.According to one embodiment of the present invention, the substrate (s) is substantially covered by supports having particles having an intermediate particle size greater than 1.4 μm and / or pores greater than 10 nm. This increases the adhesion of the particles to the sheet to improve the reduction of impurity particles.
연소 기관의 배기가스의 입자들은 본 발명에 따라 부분적으로 개방되어 있는 채널들이 있는 메쉬 시트(들)를 구비하는 기판에 의해 효율적으로 처리될 수 있다. 놀랍게도, 종래의 기판에 비해 상대적으로 불순물 입자들의 감소가 높다. 또한 가스 불순물의 감소도 높다. 본 발명에 따른 메쉬 시트(들)는 막히지 않거나 또는 막힘이 최소화되어서 기판에서의 배기가스의 유속에 영향을 미치지 않는다. 또한 기판에서의 압력 손실이 최소로 된다.Particles of exhaust gas of the combustion engine can be efficiently processed by a substrate having mesh sheet (s) with channels partially open according to the invention. Surprisingly, the reduction of impurity particles is high relative to conventional substrates. In addition, the reduction of gas impurities is also high. The mesh sheet (s) according to the invention are not blocked or the blockage is minimized so as not to affect the flow rate of the exhaust gas in the substrate. In addition, pressure loss at the substrate is minimized.
기판은 예를 들어 입자 산화 촉매(POC: particle oxidation catalyst) 또는 SCR 촉매일 수 있다. 또한 기판은 가수분해 촉매일 수도 있다. 기판은 바람직하게는 연소 기관의 배기가스의 불순물 입자들을 정화하는 데에 사용될 수 있다. 기판의 구조는 변할 수 있다. 기판의 구조는 예를 들면 권선형(wound), 적층형(stacked) 또는 접힌 형태(folded)일 수 있다.The substrate can be, for example, a particle oxidation catalyst (POC) or an SCR catalyst. The substrate may also be a hydrolysis catalyst. The substrate can preferably be used to purify the impurity particles of the exhaust gas of the combustion engine. The structure of the substrate can vary. The structure of the substrate can be, for example, wound, stacked or folded.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 함몰부 및 평탄형 와이어 메쉬 시트를 갖추고 있는 골판형 시트를 구비하는 기판을 도시하고 있다.1 shows a substrate having a corrugated sheet with depressions and a flat wire mesh sheet.
도 1에서, 기판(1)은, 함몰부(3d)를 갖고 있는 골판형 평활 시트(3)와 함몰부(2d)를 갖고 있는 평탄형 와이어 메쉬 시트(2)를 포함한다. 이들 시트들은 서로가 결합되어 있으며, 상기 시트들(2, 3) 사이에는 배기가스(EG)가 흐를 수 있는 부분적으로 개방되어 있는 채널(POC)이 있다. 골판형 시트(3)의 함몰부(3d)는 평탄형 와이어 메쉬 시트(2)의 함몰부(2d)에 정합된다. 평탄형 와이어 메쉬 시트(2)의 함몰부(2d)의 깊이는 상기 골판형 시트(3)의 주름부(3c)의 높이보다 작다. 본 실시예에서, 함몰부(2d, 3d)의 깊이는 약 1 ㎜이고, 주름부(3c)의 높이는 약 2 ㎜이다.In FIG. 1, the board | substrate 1 contains the corrugated
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