KR20100020130A - 배기가스 정화용 담체 컨버터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내/외부 담체 사이에 히터를 배치함에 의해 열전달 효율을 높이고 균일한 촉매 반응을 유도하여 처리성능의 향상과, 전력 사용량의 최소화 및 장치의 소형화를 도모할 수 있는 배기가스 정화용 담체 컨버터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은, 내부에 공간을 갖도록 권선된 권선부와 이로부터 양측으로 직선형태로 연장된 한 쌍의 전원단자를 구비한 히터와, 상기 히터 권선부의 내주부에 삽입되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 내측 촉매 담체와, 상기 히터 권선부의 외주부에 결합되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 외측 촉매 담체와, 피처리 배기가스가 도입되는 유입구와 처리된 배기가스가 배출되는 유출구를 양측단 근처에 구비하고 히터 권선부의 내/외부에 내측 및 외측 촉매 담체가 조립된 담체 조립체가 내부에 조립되는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다.

배기가스, 촉매 담체, 히터, 열전달 효율, 매입형, 일체형

Description

배기가스 정화용 담체 컨버터 및 그 제조방법{Catalyst Convertor for Purifying Exhaust Gas and Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 배기가스 정화용 담체 컨버터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 내/외부 담체 사이에 히터를 배치함에 의해 열전달 효율을 높이고 균일한 촉매 반응을 유도하여 처리성능의 향상과, 전력 사용량의 최소화 및 장치의 소형화를 도모할 수 있는 배기가스 정화용 담체 컨버터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

음식물 쓰레기는 수분함량이 높고 쉽게 부패하기 때문에 매립 및 소각 처리에 어려움이 있다. 따라서, 이 음식물 쓰레기를 일괄 수집하고, 전문적인 물리적 화학적 처리를 행함으로써 쓰레기의 감량화 또는 자원화를 시도하고 있다.

그러나 최근, 아파트 거주자 또는 노약자의 편의를 위하여 각 가정의 주방에 배치되는 가정용 음식물 처리장치가 개발되었고, 널리 보급되고 있는 실정이다. 이러한 가정용 음식물 쓰레기 처리장치는 음식물 쓰레기를 탈수, 파쇄, 고온 건조, 발효, 분해 등의 절차를 거치면서 부피를 최소한으로 축소하여 배출하도록 한다.

이러한 가정용 음식물 쓰레기 처리장치는 음식물 쓰레기의 대부분을 차지하는 유기물의 발효, 분해 처리시에 발생하는 악취를 포함한 다량의 배출 가스가 발 생하므로, 이동형인 경우 악취를 탈취하기 위한 탈취장치를 배기부에 필수적으로 설치하여야 하며 고정형인 경우 배출 가스를 하수구를 통하여 배출하고 있다.

종래의 탈취장치는 미생물을 이용한 미생물 탈취방법, 활성탄을 이용한 활성탄 흡착 방법 및 산화 촉매를 사용한 산화촉매 연소방법 등이 이용되고 있다.

상기한 미생물 탈취 방법은 처리 시간이 길고 미생물 이용에 따른 적정 조건 유지가 필요하며, 주기적인 관리가 요구된다. 한편, 활성탄 흡착 방법은 2~3개월의 주기적인 활성탄 교체가 요구되고 처리 시간이 많이 소요되므로, 배출 가스가 적은 소용량의 장치에 적합하다.

산화 촉매를 이용하는 탈취 방법은, 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀 구조를 갖는 허니콤 담체에 배출 가스를 통과시킴으로써 악취를 제거한다. 이때, 촉매가 악취를 유발하는 물질과 효과적으로 반응할 수 있도록 탈취 장치에 히터를 구비하고 촉매의 담체를 촉매 활성 온도로 가열시키게 된다. 이러한 촉매를 이용한 탈취 방법은 반영구적으로 사용될 수 있으며, 처리 속도가 높아 처리 용량이 큰 곳에 적용될 수 있다.

상기 산화촉매를 이용한 탈취장치는 촉매 담체를 가열하기 위한 히터는 히터가 담체와 일체로 형성된 직접가열방식과 히터가 담체와 일정거리 분리되어 있는 간접가열방식으로 나뉘어 질 수 있다.

이러한 산화 촉매를 이용하는 탈취 방법의 일례로서는 상류에서 하류를 향하여 연속적으로 수렴하는 원추형 코일 형상을 이루고 있는 구조가 한국 특허 제499725호에 개시되어 있다.

상기 특허는 도 1에 나타낸 바와 같이, 원통 형태의 탈취실(4) 내에 원추형의 히터(44)와 허니콤 형태의 탈취 촉매(46)를 포함하여 이루어진다. 하지만, 이러한 간접가열방식의 탈취장치는 탈취 촉매(46)를 촉매 활성 온도까지 가열하기 위하여 배출 가스의 유입구 측에 배치된 히터(44)에 의해 유입되는 배출 가스를 가열하고 가열된 가스에 의해 탈취 촉매(46)를 간접적으로 가열하고 있으나, 이러한 구성으로는 탈취 촉매(46)의 후단까지 충분하고 빠르게 가열할 수 없었다.

또한, 탈취 촉매(46)의 후단까지 충분한 촉매활성온도에 도달할 정도로 히터(44)를 가열하는 경우 불필요한 전력소비가 증가한다.

종래의 간접가열방식의 탈취장치는 원통형 하우징의 입구 측에 히터를 배치하고, 히터의 후단에 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀 구조를 갖는 허니콤 담체가 배치된 구조를 가지고 있다. 이러한 종래의 탈취장치는 히터에 의해 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀 구조를 갖는 허니콤 담체를 촉매활성온도, 예를 들어 300~450℃로 가열한 상태에서 악취를 포함한 배기가스가 촉매가 코팅된 허니콤 담체의 다수의 중공형 셀을 통과하면서 촉매와 연소 반응하여 탈취가 이루어진 배기가스를 출구로 배출한다.

상기한 구조의 종래의 탈취장치는 히터의 구조를 "U"자형으로 형성한 것이 한국 공개특허공보 제2001-39702호에 개시되어 있고, 코일형 히터를 구비한 구조가 한국 특허 제775907호에 개시되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 평10-66953호에는 백금담지 촉매 허니콤체가 보호관 내부에 2단으로 배치되고 그의 전단에 각각 봉형상의 백금담지히터가 배치된 구조를 개시하고 있다.

그러나, 이와 같이 히터가, 촉매가 코팅된 담체의 전단에 배치되어 있는 경우 담체의 후단은 촉매활성온도에 도달하지 못하여 효과적인 탈취가 이루어지지 못하는 문제가 있으며, 만약 담체의 후단이 충분한 촉매활성온도에 도달할 정도로 히터를 가열하는 경우 불필요한 전력소비가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 직접가열방식의 탈취장치로는 한국 공개특허공보 제2003-86085호에 금속 촉매가 코팅된 나선형 판의 중앙에 히터가 배치된 구조가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 담체 구조는 배기가스가 접촉하는 표면적이 허니콤 담체 구조에 비하여 상대적으로 적은 문제점이 있다.

또한, 한국 특허 제847856호에는 본 출원인에 의해 제안된 하이브리드형 히터를 구비한 음식물 처리장치용 탈취장치가 제안되어 있다. 상기 탈취장치는 탈취실의 입구측에 배치되어 탈취실로 도입된 배기가스를 가열하는 스파이럴 형상부와 스파이럴 형상부의 중앙으로부터 축방향을 따라 선형상으로 연장된 직선부가 일체로 형성되는 히터를 구비하고, 히터의 직선부가 촉매 담체의 중앙부에 삽입 고정되어 히터의 열전달이 이루어지는 직접가열방식과 간접가열방식을 혼합한 하이브리드형 히터를 제안하고 있다.

상기한 탈취장치는 히터의 스파이럴 형상부가 탈취실의 입구측에 배치되어 있어 탈취장치의 길이를 줄이기 어렵고, 촉매 담체를 가열하기 위하여 히터와 접촉하는 면적이 작고 중앙에서만 접촉이 이루어져서 열전달이 이루어지므로 열전달 효율이 낮은 문제가 있다.

그 결과, 저용량 히터의 사용이 이루어질 수 없고 히터 구동에 소요되는 전 력 사용량을 최소화하기 하기 어려워, 전력 사용량이 크며 이로 인하여 실내로 배출되는 배출가스의 온도가 150~380℃에 이른다.

따라서, 상기한 바와 같이 허니콤 담체 구조를 갖는 종래의 간접가열방식 또는 직접가열방식의 탈취장치는 탈취실로 도입되는 가스를 촉매활성온도인 300~450℃의 높은 온도로 가열하게 되면, 촉매 반응 후에 실내로 배출되는 배출가스의 온도가 높기 때문에 이를 50℃ 이하의 온도로 낮추는 것이 필수적으로 요구된다.

따라서, 종래에는 실내 배출가스의 온도를 낮추기 위하여 흡입팬모터, 외기혼입장치, 콘덴서 등의 부가적인 열교환장치를 설치하고 있으나, 히터의 전력 사용량의 감소가 이루어지지 않기 때문에 외기혼입을 위한 흡입팬모터의 소비전력을 줄이지 못하고 있다.

한편, 종래의 탈취장치는 허니콤 구조의 촉매 담체가 금속 박판으로 이루어져 있으며, 히터와의 조립이 이루어진 후 탈취실을 형성하는 하우징의 내부에 브레이징 등의 방식으로 조립되고 있다. 따라서, 필요에 따라 촉매 담체의 교환이나 재생이 이루어지기 어려운 구조를 가지고 있다.

또한, 차량으로부터 배출되는 배기가스에는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등의 유해물질이 포함되어 있으며, 이러한 유해물질을 완전 연소방식으로 제거하여 배출하기 위해 차량의 배기매니폴드 후단에는 배기가스 정화용 담체 컨버터가 구비되어 있다.

차량 엔진의 시동이 이루어지는 초기에는 배기가스의 온도가 담체 컨버터에서 촉매 반응이 이루어지기에 충분한 온도를 가질 수 없기 때문에 별도의 히터를 구비하거나, 촉매 담체를 촉매활성온도로 빨리 가열하기 위해 엔진에 컨버터를 가까이 위치시키거나, 또는 두개 이상의 담체를 근접시킨 CCC(Close Coupled Catalytic Converter) 등 다양한 방법이 시도되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 담체의 모든 부분을 균일하게 촉매 활성 온도로 가열시킴에 의해 담체 표면에 코팅된 촉매와의 효과적인 산화 반응을 통해 배기가스에 대한 탈취 또는 정화 성능을 향상시킬 수 있는 배기가스 정화용 담체 컨버터 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 히터를 촉매 담체에 매입 설치함에 의해 히터와 촉매 담체 사이의 접촉 면적을 최대화함과 동시에 촉매 담체의 전 부분을 고르게 촉매 활성 온도로 가열하여 열전달 효율의 상승과 촉매 반응 효율을 높여서 소비 전력의 최소화, 배출가스온도를 낮추기 위한 외기혼입을 위한 석션모터의 소비전력을 낮출 수 있는 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 히터를 촉매 담체에 매입 설치함에 의해 장치의 길이를 최소화할 수 있는 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 히터를 촉매 담체에 매입 설치함에 의해 열전달 효율을 도모하여 저 용량 히터를 사용할 수 있는 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 촉매 담체를 하우징에 분리 가능하게 조립할 수 있는 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 담체 표면의 모든 촉매와 균일한 반응이 이루어지도록 배출가스를 후단의 촉매 담체의 각 셀에 고르게 분산시키기 위한 디스트리뷰터를 구비한 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 공간을 갖도록 권선된 권선부와 이로부터 양측으로 직선형태로 연장된 한 쌍의 전원단자를 구비한 히터와, 상기 히터 권선부의 내주부에 삽입되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 내측 촉매 담체와, 상기 히터 권선부의 외주부에 결합되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 외측 촉매 담체와, 피처리 배기가스가 도입되는 유입구와 처리된 배기가스가 배출되는 유출구를 양측단 근처에 구비하고 히터 권선부의 내/외부에 내측 및 외측 촉매 담체가 조립된 담체 조립체가 내부에 조립되는 하우징을 포함하는 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제공한다.

이 경우, 상기 히터의 권선부 단면은 원통, 사각통, 삼각통 중 어느 하나의 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 내측 촉매 담체 및 상기 외측 촉매 담체의 다수의 중공형 셀은 허니콤 형태인 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 담체 조립체는 하우징 내부에 착탈 가능하게 조립되며, 상기 하우징의 내주부에 담체 조립체가 중력에 의해 이동하는 것을 저지하기 위한 환형 돌기 또는 다수의 소형 돌기를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징은 연직방향으로 설치되고 유입구가 하측에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 배기가스 정화용 담체 컨버터는, 상기 배기가스가 도입되는 하우징의 입구측에 배치되어 하우징 내부로 도입된 배기가스를 분산시켜서 후단에 위치한 촉매 담체 전체에 균일하게 공급하기 위한 디스트리뷰터를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 디스트리뷰터는 하니콤 형상의 다수의 중공형 셀을 포함하며 중앙부에 상기 히터의 하측방향 전원단자가 관통하여 결합된다.

본 발명에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 제조방법은 내부에 공간을 갖도록 권선된 권선부와 이로부터 양측으로 직선형태로 연장된 한 쌍의 전원단자를 구비한 히터를 준비하는 단계와, 상기 히터의 권선부 내부에 각 셀의 표면에 촉매가 코팅된 내측 촉매 담체를 삽입하는 단계와, 상기 히터 권선부의 외주부에 각 셀의 표면에 촉매가 코팅된 외측 촉매 담체를 결합시키는 단계와, 히터 권선부의 내/외부에 내측 및 외측 촉매 담체가 조립된 담체 조립체를 양측단 근처에 피처리 배기가스가 도입되는 유입구와 처리된 배기가스가 배출되는 유출구를 구비한 하우징 내부에 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 담체 조립체는 브레이징이나 확산접합 방식으로 하우징 내부에 고정될 수 있다.

또한, 상기 담체 조립체가 중력에 의해 하방향으로 이동하는 것을 저지하기 위하여 하우징의 내주부에 환형 돌기 또는 다수의 돌기를 형성하는 단계를 더 포함 하며, 상기 담체 조립체는 하우징 내부에 착탈 가능하게 결합되는 것도 가능하다.

더욱이, 상기 한쌍의 전원단자가 중앙의 관통구멍을 통하여 외부로 인출되며 하우징 내부를 실링하기 위하여 상부 및 하부 캡을 하우징의 상측 및 하측 단부에 각각 결합하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 피처리 배기가스가 도입되는 유입구와 처리된 배기가스가 배출되는 유출구를 양측단 근처에 구비하는 하우징과, 상기 하우징의 유입구 근처에 배치되며 내부에 공간을 갖도록 권선된 권선부와 이로부터 하우징 외부로 직선형태로 연장된 제1 및 제2 직선부를 구비한 히터와, 상기 히터의 후단에 배치되며 중앙부에 히터의 제1직선부가 관통하여 결합되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 촉매 담체와, 상기 히터의 권선부와 촉매 담체 사이에 배치되어 하우징 내부로 도입된 배기가스를 분산시켜서 후단에 위치한 촉매 담체 전체에 균일하게 공급하기 위한 디스트리뷰터를 포함하는 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제공한다.

상기 디스트리뷰터는 하니콤 형상의 다수의 중공형 셀을 포함하며 중앙부에 상기 히터의 제2직선부가 관통하여 결합될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터는, 히터와 촉매 담체가 넓은 면적으로 직접 접촉할 수 있게 되어 촉매 담체에 대한 가열 효율이 향상된다. 결과적으로는 유입되는 배기가스 및 촉매 담체를 가열하기 위한 전기 에너지 소모량이 적어지게 된다.

또한, 적정한 온도로 고 효율로 촉매 담체를 가열하여 배기가스를 처리하게 되므로 촉매 처리된 가스의 온도도 높지 않게 된다. 이에 의해 실내로 배출되는 배기가스의 온도를 낮추기 위한 외기 도입용 석션모터의 구동을 최소화하여 소비전력을 감소시킨다.

또한, 히터와 촉매 담체를 일체로 형성하므로, 배기가스 정화용 담체 컨버터 의 길이를 최소화하는 것이 가능해진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

우선, 이하의 설명에서는 본 발명에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터가 음식물 쓰레기 처리장치의 배기가스 악취 제거용 탈취장치로 사용되는 경우를 예로 하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 구성을 나타낸 단면도, 도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터에서 히터와 촉매 담체가 결합된 모습을 나타낸 측면도, 정면도 및 사시도, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터에서 히터와 촉매 담체를 조립하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터는 하우징(10)과, 히터(20)와, 촉매 담체(30)를 포함하여 이루어진다.

상기 하우징(10)에는 내부에 히터(20)와 촉매 담체(30)를 수용할 수 있는 원통형 공간이 마련된다. 또한, 하우징(10)에는, 일측에 배기가스가 유입되는 유입 구(11)가 배치되며, 타측에는 촉매 담체(30)를 거치면서 유입된 배기가스의 악취를 탈취한 실내 배기가스를 배출하기 위한 유출구(12)가 배치된다.

이러한 유입구(11) 및 유출구(12)는, 유입구(11)로 유입되는 배출 가스가 하우징(10)의 내부에 배치된 촉매 담체(30)를 반드시 통과한 후 배출될 수 있도록, 하우징(10)에 수용된 촉매 담체(30)의 유입측 및 유출측의 양단에 각각 배치되며, 바람직하게는 하우징(10)이 수직으로 배치될 때 하측에 유입구(11)가 배치되고, 상측에 유출구(12)가 배치된다.

또한, 하우징(10)은 바람직하게는 원통형으로 이루어지고, 상측 및 하측 단부에는 각각 상부 및 하부 캡(22,23)이 압입 결합되어 있으며, 그의 중앙에는 히터(20)의 양 전원단자(15,16)를 각각 인출하기 위한 관통구멍(22a,23a)이 형성되어 있다.

이 경우, 필요에 따라서 하우징(10)의 상부 및 하부 캡(22,23)을 사용하지 않고 후속 처리장치로 연결되는 개방된 구조를 가질 수 있다.

히터(20)는, 금속관 내부에 발열체가 내장된 시즈(sheath) 히터를 발열체로 사용하여 중간에 내부 공간을 갖는 코일 형태로 권선된 권선부(20a)를 구비하며, 코일 형태는 원통형이 바람직하다.

그러나, 권선부(20a)의 권선 형태는 반드시 원통형일 필요는 없으며, 예를 들어, 삼각형 또는 사각형 등의 단면을 이루거나, 또한 유출구를 향하여 점진적으로 내부 공간이 축소되는 원뿔대 형상의 단면을 갖도록 다양한 형태로 권취될 수도 있다. 이러한 형태는 특별히 한정되는 것이 아니며, 히터(20)에 소정의 내부 공간 을 형성할 수 있으면 어떠한 형태로도 변형할 수 있음은 당연하다.

상기 권선부(20a)의 형태는 권선부(20a)의 내부 및 외부에 결합되는 내측 촉매 담체(31)와 외측 촉매 담체(32)가 권선방식으로 성형되는 점을 고려할 때 원통 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그러나, 내측 촉매 담체(31)와 외측 촉매 담체(32)가 금속 박막으로 이루어지는 경우 원통형상으로 권선되어 제작될지라도 어느 정도의 탄성적 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 권선부(20a)의 형태를 사각통 형상으로 제작하고 내측 촉매 담체(31)와 외측 촉매 담체(32)를 이에 대응하는 형상으로 성형하는 경우 히터(20)와 담체(31,32) 사이의 접촉 면적을 극대화시킬 수 있다.

상기 시즈(sheath)히터는 각종 시즈(sheath)의 중심에 필라멘트를 넣고 그 사이에 고온 절연도가 높고 열전도가 양호한 고순도의 마그네슘 분말이나 산화 알루미늄 분말을 집어넣은 후 시즈(sheath) 외경을 고압으로 압축하여 일체화 하므로 내부 전열선과 시즈(sheath)와의 온도차를 충분히 낮추며 산화에 의한 전열선의 노화나 충격에 의한 단선 및 전열선이 편심될 염려가 없다. 또한, 시즈히터는 필라멘트의 양단부가 일측 및 타측 전원단자(15,16)에 각각 연결된 구조를 가지므로 제조단가가 저렴하며 내구수명이 우수한 장점을 가진다.

또한, 히터(20)의 발열체 재료는 시즈 히터 이외에 이와 동등한 기능을 갖는 다른 종류의 히터를 사용하는 것도 가능하다.

히터(20)에 대한 전원공급은 권선부(20a)로부터 축방향으로 연장된 일측 및 타측 전원단자(15,16) 사이에 인가되며, 양 단자에 나사단자나 평단자 또는 러그단 자(Lug terminal)를 사용할 수 있다.

또한, 히터(20)는 전열선과 연결된 한쌍의 전원단자(15,16)가 일측에 배치된 편단자 형태의 카트리지(cartridge) 히터를 사용하여 구성되는 것도 가능하다.

이하의 설명에서 원통 형태의 권선부(20a)를 갖는 히터(20)를 예를 들어, 설명한다.

상기 촉매 담체(30)는 내측 촉매 담체(31)와 외측 촉매 담체(32)를 포함한다. 즉, 내측 촉매 담체(31)는 히터(20)에서 원통형 권선부(20a)의 내측에 배치되는 원기둥 형태의 촉매 담체이며, 외측 촉매 담체(32)는 히터(20) 권선부(20a)의 외측을 둘러싸도록 배치되는 원통 형태의 촉매 담체이다. 이를 위하여, 내측 촉매 담체(31)는, 히터(20)의 권선부(20a) 내측으로 삽입될 수 있도록 권선부(20a)의 내측 지름과 같거나 작은 외측 지름을 갖도록 형성된다.

한편, 외측 촉매 담체(32)는 내측 촉매 담체(31)를 포함하는 히터(20)를 외부에서 둘러쌀 수 있도록 원통 형태로 형성되고, 그 내부로 히터(20)가 삽입되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 외측 촉매 담체(32)는, 히터(20) 권선부(20a)의 외측 지름과 같거나 다소 큰 내측 지름을 갖도록 형성된다.

또한, 내측 촉매 담체(31)는 허니콤 형태의 다수의 셀(30a)로 이루어지며, 원기둥의 길이 방향으로 유체 이동 통로가 형성될 수 있도록 한다. 또한, 외측 촉매 담체(32)는 원통의 길이 방향으로 유체 이동 통로가 형성된 허니콤 형태의 다수의 셀(30a)로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 촉매 담체(31,32)는 예를 들어, 20~100㎛ 두께를 갖는 FeCrAl계 내열성 합금 박판에 촉매금속으로서 백금, 코발트, 니켈, 팔라듐 또는 나노 실버를 코팅한 재료를 사용하며, 평판(30b)에 코로게이션 처리된 파판(30c)이 접촉하는 접촉부마다 용접이 이루어진 것을 권선하여 원기둥 또는 원통 형태로 성형하여 각 셀(30a)이 허니콤 구조를 이루고 있다.

상기 촉매 담체(31,32)는 촉매금속의 종류에 따라 예를 들어 200~600℃로 촉매활성온도가 설정된다. 상기 촉매 담체(31,32)의 셀(30a)은 파판(30c)의 형상에 따라 반구형 또는 삼각형으로 이루어질 수 있다. 여기에서, 내측 촉매 담체(31) 및 외측 촉매 담체(32)는 상술한 허니콤 형태뿐만 아니라, 다양한 형태를 가질 수 있다.

상기 FeCrAl계 합금 재료로는 Fe-15Cr-5Al 비율로 합성된 페칼로이 합금 또는 Fe-20Cr-5Al-REM(희토류 금속)(여기서, REM(Y, Hf, Zr) 1% 정도 포함)을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 촉매 담체(31,32)는 다른 허니콤 구조로서 세라믹으로 이루어진 다수의 중공형 셀이 사각형 또는 원형으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터에 의하면, 히터(20)와 촉매 담체(30)가 넓은 면적으로 직접 접촉할 수 있게 되어, 히터(20)로부터 촉매 담체(30)에 대한 열전달 효율과 촉매의 반응 효율이 좋게 된다. 그 결과 종래에는 350 내지 450W의 고 용량 히터를 사용하였으나, 본 발명에서는 150W 이하의 저 용량 히터를 사용하는 것이 가능하게 되었다.

또한, 결과적으로는 최소한의 에너지로 적정한 온도로 촉매 담체(30)를 가열 하여 배기가스를 처리하게 되므로 하우징(10)의 유출구(12)로 배출되는 배기가스의 전체 에너지 또한 낮아지게 된다. 이에 따라 배기가스의 온도를 낮추기 위한 외기 도입용 석션모터의 구동을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 히터(20)의 권선부(20a)가 촉매 담체(30)의 중간에 삽입되어 형성하므로, 배기가스 정화용 담체 컨버터의 크기를 최소화하는 것이 가능해진다. 그 결과 종래에 히터의 권선부가 촉매 담체(30) 외부에 배치된 구조에서는 190mm의 길이를 가졌으나, 본 발명에서는 110mm로 길이를 대폭 축소하는 것이 가능하게 되었다.

다음은, 상술한 바와 같은 배기가스 정화용 담체 컨버터를 제조하는 과정에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 시즈 히터로 이루어진 발열체를 원통 형태로 권취하여 권선부(20a)와 그의 양단부에 직선형태의 전원단자(15,16)가 연장 형성된 히터(20)를 제작한다.

또한, 촉매 담체(30)에서, 상기 내측 촉매 담체(31)는 내열성 합금 박판에 촉매금속을 코팅한 재료를 사용하여, 평판(30b)에 코로게이션 처리된 파판(30c)을 접촉부마다 브레이징(또는, 확산접합)한 것을 권선하여 원기둥 형태로 성형하고, 상기 외측 촉매 담체(32)는 평판(30b)에 코로게이션 처리된 파판(30c)을 접촉부마다 브레이징(또는, 확산접합)한 것을 권선하여 원통 형태로 성형하여, 각 셀(30a)이 예를 들어, 허니콤 구조를 이루고 있다.

즉, 히터(20) 권선부(20a)의 내측 지름과 거의 동일한 지름을 갖는 원기둥 형태로 가공하여 내측 촉매 담체(31)를 준비하고, 또한 히터(20) 권선부(20a)의 외측 지름과 동일한 내측 지름을 갖고 동시에 이 히터(20)가 삽입될 배기가스 정화용 담체 컨버터의 하우징(10)의 내부 지름과 동일한 외측 지름을 갖는 원통 형태로 가공하여 외측 촉매 담체(32)를 준비한다.

도 4의 좌측에 도시된 바와 같이 각각의 부품이 준비되면, 히터(20) 권선부(20a)의 내측에 내측 촉매 담체(31)를 삽입하고, 히터(20) 권선부(20a)의 외측에 외측 촉매 담체(32)를 끼움으로써 도 4의 우측에 도시된 바와 같은 히터(20)와 촉매 담체(30)의 조립을 완성한다.

그 후 내측 및 외측 촉매 담체(31,32)와 히터(20)의 권선부(20a) 사이의 접촉부분을 진공 브레이징하여 일체화시키거나, 따로 브레이징하여 제작한 후 조립하여 완성시킨다. 이 경우 브레이징 방법 대신에 확산접합 방식을 사용하는 것도 가능하다.

이어서, 촉매 담체(30)와 히터(20)가 조립된 담체 조립체(34)를 하우징(10)에 삽입하여, 담체 조립체(34)와 하우징(10) 사이에 브레이징에 의한 고정이 이루어진다.

그 후, 하우징(10)의 상측 및 하측 단부에 각각 상부 및 하부 캡(22,23)을 압입 결합시키면, 상부 및 하부 캡(22,23)의 관통구멍(22a,23a)으로 히터(20)의 양 전원단자(15,16)가 각각 인출되면서 실링이 이루어진다.

상기한 바와 같이 본 발명의 배기가스 정화용 담체 컨버터는 각 부품들의 단순 조립에 의해 조립이 이루어질 수 있고, 조립된 컨버터는 종래와 비교하여 약 1/2 정도의 길이로 소형화가 가능하여 다양한 디자인으로 응용이 가능한 이점이 있다.

또한, 상기한 바와 같이 히터로부터 전도방식으로 열이 담체(지지체)로 전달되어 열효율 극대화와 전력 사용량의 최소화를 실현함에 따라 배기가스 온도의 최소화를 도모하여 외기 도입용 석션 모터의 가동을 최소화하여 유지비용의 절감을 도모할 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 구성을 나타낸 정면도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 제2 및 제3 실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터는 제1실시예와 유사한 구조를 가지고 있으며, 따라서 동일한 구성소자에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 이에 대하여는 상세한 설명을 생략하였다.

제2 및 제3 실시예의 담체 컨버터는 각각 배기가스가 도입되는 하우징(10)의 입구측에 디스트리뷰터(37)가 추가로 구비되어 있다는 점에서 제1실시예와 차이가 있다.

상기 디스트리뷰터(37)는 하우징(10) 내부로 도입된 배기가스(즉, 반응가스)를 고르게 분산시켜서 배기가스가 후단에 위치한 촉매 담체(30)의 모든 셀을 보다 균일하게 통과하면서 촉매와 산화반응이 이루어질 수 있도록 통과유로를 개선한 구조이다.

상기한 디스트리뷰터(37)는 후단의 촉매 담체(30)와 동일하게 하우징의 길이방향으로 유로를 형성하도록 다수의 셀이 하니콤 구조로 형성하나, 각 셀의 표면에는 촉매가 코팅되거나 또는 코팅되지 않은 것 모두 사용할 수 있다.

이 경우, 상기 디스트리뷰터(37)는 하니콤 구조로 이루어진 다수의 셀이 50~1200cpsi(cell per square inch) 범위로 설정되고, 길이는 1~100mm 범위로 설정될 수 있다.

히터(20) 권선부(20a)로부터 전원단자(16)로 연결되는 연결부(20b)는 시즈히터 내부의 고온발열이 이루어지는 코일형 필라멘트 대신에 상대적으로 낮은 온도로 발열이 이루어지는 선형 필라멘트가 배치되어 있다. 따라서, 디스트리뷰터(37)에 촉매가 코팅되어 있지 않은 경우는 낮은 온도로 발열되는 연결부(20b)가 디스트리뷰터(37)와 결합되도록 설정함에 의해 열효율이 낮은 부분에서 히터의 고온발열이 이루어지는 것을 최소한으로 억제하였다.

상기 제2 및 제3 실시예에서 촉매 담체(30)와 히터(20)의 결합구조는 제1실시예와 동일하므로 이에 대하여는 설명을 생략한다.

한편, 상기 제2 및 제3 실시예에서는 담체 조립체(34)를 하우징(10) 내부에 조립할 때 제1실시예에서 채용하고 있는 브레이징 고정방식 대신에 착탈 가능한 결합 구조로 결합이 되어 있다. 상기 제2 및 제3 실시예 사이에 촉매 담체(30)와 히터(20)의 결합구조는 서로 동일하고 단지 후술하는 촉매 담체(30)의 지지구조만 차이가 있다.

즉, 촉매 담체(30)의 하단에 대응하는 하우징(10)의 내주부에 환형 돌기(10a)가 돌출되도록 하우징(10)의 외주부를 코킹(caulking)처리하여 요홈을 형성한다. 이 경우, 하우징(10)에 조립된 담체 조립체(34)는 중력작용 방향인 하방향으로 이동이 이루어질 수 없게 된다.

또한, 촉매 담체(30)와 히터(20)가 조립된 담체 조립체(34)를 하우징(10)에 삽입하여 조립할 때 담체 조립체(34)와 하우징(10) 사이에 세라믹 시트 또는 매트와 같은 절연시트를 삽입하여 조립함에 의해 히터(20)가 하우징 내부에 조립된 위치의 유지와 단열이 이루어지도록 한다.

도 6에 도시된 제3 실시예에서는 담체 조립체(34)와 하우징(10) 사이에 착탈 가능한 결합을 위하여 하우징(10)에 조립된 담체 조립체(34)가 중력작용 방향인 하방향으로 이동이 이루어지는 것을 차단하기 위하여 하우징(10)의 내주부에 소형의 반구형 돌기(10b)가 다수 형성되어 있다.

또한, 담체 조립체(34)를 하우징(10)에 삽입하여 조립할 때 절연시트를 삽입하여 조립함에 의해 히터(20)가 하우징 내부에 조립된 위치의 유지와 단열이 이루어질 수 있다.

이에 따라 제2 및 제3 실시예에서는 하우징 내부에 담체 조립체(34)의 조립이 쉽게 이루어질 수 있으며, 또한 담체 조립체의 교체가 요구될 때 하우징(10)으로부터 교체를 위한 분해가 쉽게 이루어질 수 있게 된다.

상기 제2 및 제3 실시예에서 담체 조립체(34)를 착탈 가능하게 하우징(10)에 조립하는 구조는 제1실시예에도 같은 방식으로 적용될 수 있다. 또한, 후술하는 제4실시예의 촉매 담체를 지지할 때에도 같은 방식으로 적용될 수 있다.

한편, 도 7에는 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 단면도가 도시되어 있다.

제4실시예에서 촉매 담체(38)는 각 셀의 표면에 촉매가 코팅된 담체가 원기 둥 형태의 단일체로 이루어지고, 히터(36)는 원통형 권선부(36a)와 직선부(36b)로 이루어져 있다.

또한, 상기 제4실시예에서 히터(36)의 원통형 권선부(36a)는 하우징(10)의 입구측에 배치되고, 히터의 직선부(36b)는 간격을 두고 순차적으로 배치된 디스트리뷰터(37)와 촉매 담체(38)의 중앙부에 결합되어 있다.

더욱이, 히터(20)로부터 연장된 양 전원단자(15,16)는 상부 및 하부 캡(22,23)을 통하여 각각 외부로 인출된다.

따라서, 히터(36)는 그의 직선부(36b)가 상기 촉매 담체(38)의 중앙부에 삽입 고정되어 촉매 담체(38)에 대한 직접가열이 이루어지며, 하우징(10)의 입구측에 배치된 원통형 권선부(36a)에 의한 간접가열이 이루어지고 있다.

상기 디스트리뷰터(37)는 하우징(10) 내부로 도입된 배기가스(즉, 반응가스)를 고르게 분산시켜서 배기가스가 후단에 위치한 촉매 담체(38)의 모든 셀을 보다 균일하게 통과하면서 촉매와 산화반응이 균일하게 이루어지도록 경로를 설정하여 반응효율의 향상을 도모할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터는, 음식물 쓰레기 처리장치의 배출가스 악취 제거용으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 자동차의 내연기관에서 배출되는 배기가스의 정화를 위한 장치로도 사용될 수 있다.

일반적으로 자동차 엔진에서 연소되어 배출되는 배기가스에는 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 산화물 등의 많은 유해물질이 포함되어 있다. 또한, 엔진의 가동초기에는 불완전 연소에 의해 유해물질이 더 많이 포함되어 있다. 따라서, 촉매 담 체가 충분히 가열되기 이전에 배기가스가 통과하는 경우 유해물질의 효과적인 제거가 이루어지지 못하였다.

본 발명에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터에서는 전기방식 히터를 채용하므로 엔진의 시동과 동시에 촉매 담체를 빠르게 가열할 수 있어 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 담체 컨버터를 통과할 때 촉매와 효과적인 반응이 이루어져서 유해 물질을 소멸시킬 수 있게 된다.

본 발명은 악취를 포함하는 음식물 처리장치의 배기가스 또는 일산화탄소나 질소산화물 등의 유해물질을 포함하는 자동차 배기가스를 정화하여 배출하는 배기가스 정화용 담체 컨버터에 적용된다.

도 1은 종래의 음식물 쓰레기 처리장치에 있어서 연소식 탈취장치부를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 구성을 나타낸 단면도.

도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터에서 히터와 촉매 담체가 결합된 모습을 나타낸 측면도, 정면도 및 사시도.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터에서 히터와 촉매 담체를 조립하는 방법을 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 구성을 나타낸 단면도.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 구성을 나타낸 정면도.

도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 정화용 담체 컨버터의 구성을 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

10: 하우징 10a: 환형 돌기

10b: 반구형 돌기 11: 유입구

12: 유출구 15,16: 전원단자

20: 히터 20a: 권선부

20b: 연결부 22: 상부 캡

23: 하부 캡 22a,23a: 관통구멍

30: 촉매 담체 30a: 셀

30b: 평판 30c: 파판

31: 내측 촉매 담체 32: 외측 촉매 담체

34: 담체 조립체 36: 히터

36a: 권선부 36b: 직선부

37: 디스트리뷰터

Claims (13)

1. 내부에 공간을 갖도록 권선된 권선부와 이로부터 양측으로 직선형태로 연장된 한 쌍의 전원단자를 구비한 히터와,

   상기 히터 권선부의 내주부에 삽입되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 내측 촉매 담체와,

   상기 히터 권선부의 외주부에 결합되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 외측 촉매 담체와,

   피처리 배기가스가 도입되는 유입구와 처리된 배기가스가 배출되는 유출구를 양측단 근처에 구비하고 히터 권선부의 내/외부에 내측 및 외측 촉매 담체가 조립된 담체 조립체가 내부에 조립되는 하우징을 포함하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
2. 제1항에 있어서, 상기 히터의 권선부 단면은 원통, 사각통, 삼각통 중 어느 하나의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
3. 제1항에 있어서, 상기 내측 촉매 담체 및 상기 외측 촉매 담체의 다수의 중공형 셀은 허니콤 형태인 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
4. 제1항에 있어서, 상기 담체 조립체는 하우징 내부에 착탈 가능하게 조립되 며, 상기 하우징의 내주부에 담체 조립체가 중력에 의해 이동하는 것을 저지하기 위한 환형 돌기 또는 다수의 소형 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
5. 제4항에 있어서, 상기 하우징은 연직방향으로 설치되고 유입구가 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
6. 제1항에 있어서, 상기 배기가스가 도입되는 하우징의 입구측에 배치되어 하우징 내부로 도입된 배기가스를 분산시켜서 후단에 위치한 촉매 담체 전체에 균일하게 공급하기 위한 디스트리뷰터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
7. 제6항에 있어서, 상기 디스트리뷰터는 하니콤 형상의 다수의 중공형 셀을 포함하며 중앙부에 상기 히터의 하측방향 전원단자가 관통하여 결합된 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
8. 내부에 공간을 갖도록 권선된 권선부와 이로부터 양측으로 직선형태로 연장된 한 쌍의 전원단자를 구비한 히터를 준비하는 단계와,

   상기 히터의 권선부 내부에 각 셀의 표면에 촉매가 코팅된 내측 촉매 담체를 삽입하는 단계와,

   상기 히터 권선부의 외주부에 각 셀의 표면에 촉매가 코팅된 외측 촉매 담체를 결합시키는 단계와,

   히터 권선부의 내/외부에 내측 및 외측 촉매 담체가 조립된 담체 조립체를 양측단 근처에 피처리 배기가스가 도입되는 유입구와 처리된 배기가스가 배출되는 유출구를 구비한 하우징 내부에 조립하는 단계를 포함하는 배기가스 정화용 담체 컨버터의 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 담체 조립체는 브레이징 또는 확산접합 방식으로 하우징 내부에 고정되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터의 제조방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 담체 조립체가 중력에 의해 하방향으로 이동하는 것을 저지하기 위하여 하우징의 내주부에 환형 돌기 또는 다수의 돌기를 형성하는 단계를 더 포함하며,

    상기 담체 조립체는 하우징 내부에 착탈 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터의 제조방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 한쌍의 전원단자가 중앙의 관통구멍을 통하여 외부로 인출되며 하우징 내부를 실링하기 위하여 상부 및 하부 캡을 하우징의 상측 및 하측 단부에 각각 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터의 제조방법.
12. 피처리 배기가스가 도입되는 유입구와 처리된 배기가스가 배출되는 유출구를 양측단 근처에 구비하는 하우징과,

    상기 하우징의 유입구 근처에 배치되며 내부에 공간을 갖도록 권선된 권선부와 이로부터 하우징 외부로 직선형태로 연장된 제1 및 제2 직선부를 구비한 히터와,

    상기 히터의 후단에 배치되며 중앙부에 히터의 제1직선부가 관통하여 결합되며 표면에 촉매가 코팅된 다수의 중공형 셀이 길이방향으로 형성된 촉매 담체와,

    상기 히터의 권선부와 촉매 담체 사이에 배치되어 하우징 내부로 도입된 배기가스를 분산시켜서 후단에 위치한 촉매 담체 전체에 균일하게 공급하기 위한 디스트리뷰터를 포함하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.
13. 제12항에 있어서, 상기 디스트리뷰터는 하니콤 형상의 다수의 중공형 셀을 포함하며 중앙부에 상기 히터의 제2직선부가 관통하여 결합된 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 담체 컨버터.

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