KR20100041837A - 배기 시스템용 배기 가스 처리 장치 및 배기 가스 처리 장치의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

배기 시스템용 배기 가스 처리 장치에 있어서, 입구(14)와 출구(16)를 포함하는 하우징(12)과, 가스 투과성이 되도록 구성되고 입구(14)에서 출구(16)까지의 유동로에 배치되는 하나 이상의 중공체(18)를 구비한다. 중공체(18)는 다공성 기판으로 제조되는 하나 이상의 기본 요소(20, 20', 20")로 구성되고, 각 기본 요소는 2개 이상의 연결 영역(22)을 포함하며, 1개 또는 여러 기본 요소의 각각의 2개의 연결 영역은 연결 영역에서 오버랩하여 중공체(18)를 형성한다. 연결 영역은 연결되도록 서로 가압되어 중공체(18)를 형성한다.

Description

배기 시스템용 배기 가스 처리 장치 및 배기 가스 처리 장치의 제조 방법{EXHAUST GAS TREATMENT DEVICE FOR AN EXHAUST SYSTEM AND METHOD OF MANUFACTURING AN EXHAUST GAS TREATMENT DEVICE}

본 발명은 예컨대 차량의 배기 시스템, 특히 내연 기관용의 배기 가스 처리 장치에 관한 것이다.

그을음 입자가 다공성 기판 상에 부착되도록 선택되는 기공 크기를 갖는 다공성 기판으로부터 제조된 중공체를 통해 미립자를 함유한 배기 가스가 유동하는 디젤 배기 가스용 미립자 필터가 공지되어 있다. 이들 중공체를 제조하는 데에 바람직한 기판은 금속 폼(metal foam)으로 제조된 시트가 있다. 시트를 조립하여 중공체를 형성하는 경우에, 미립자가 로딩된 배기 가스가 여과되지 않은 상태로 유동할 수 있는 개별적인 세그먼트들 사이에서 임의의 가스 누출이 생기는 것을 방지하는 것이 중요한데, 그 이유는 이것이 필터의 목적에 반하기 때문이다.

본 발명의 목적은 다공성 기판의 시트 에지들 사이의 임의의 간극을 간단한 방식으로 피할 수 있는 배기 가스 처리 장치를 제공하는 것이다.

이를 위해, 배기 시스템용 배기 가스 처리 장치에 있어서, 입구와 출구를 포함하는 하우징과, 가스 투과성이 되도록 구성되고 입구에서 출구까지의 유동로에 배치되는 하나 이상의 중공체를 구비하고, 중공체는 다공성 기판으로 제조되는 하나 이상의 기본 요소로 구성되고, 각 기본 요소는 2개 이상의 연결 영역(22)을 포함하며, 1개 또는 여러 기본 요소들의 각각의 2개의 연결 영역은 연결 영역에서 오버랩하여 중공체를 형성한다. 기본 요소들의 인접한 섹션의 연결 영역을 오버랩시키면 배기 가스가 여과되지 않은 상태로 중공체를 통과하게 되는 누출이 발생되지 않는 것을 보장한다. 이 구성은 개별적인 기본 요소들의 블랭크의 크기만을 적절하게 크게 선택할 필요가 있을 뿐이기 때문에, 간단한 방식으로 누출로부터의 해방을 보장한다. 하나의 단일의 (만곡된) 기본 요소의 연결 영역 뿐만 아니라 인접한 별개의 기본 요소들의 연결 영역이 연결될 수 있다.

다공성 기판의 경우에, 예컨대 금속 폼, 금속 스폰지, 금속 중공 구 구조(hollow sphere structure) 또는 일반적으로 다공성 금속이 이용될 수 있다. 그러한 재료에 있어서, 금속은 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터 범위의 기공 크기를 갖는 셀 구조 또는 격자 구조를 형성하는데, 재료의 통상 80% 이상이 공동에 의해 형성된다. 이 유형의 금속 폼은 용융 금속의 팽창, 적절한 금속 분말의 소결, 또는 적절한 발포제가 마련된 금속 분말의 가열에 의해 제조된다. 금속 스폰지는, 예컨대 플라스틱 재료로 제조되고 금속 분말로 처리한 전구체 폼을 기초로 한 소결 공정에서 제조될 수 있다.

별법으로서, 예컨대 세라믹 재료 또는 실리콘 카바이드의 섬유로 제조된 부직 매트가 또한 다공성 기판으로서 사용하기에 적절하다.

개별적인 연결 영역 사이를 연결하기 위하여, 연결 영역은 바람직하게는 가압되어 서로 맞물리는 기판의 표면 구조, 예컨대 표면 영역에서 개기공 또는 느슨한 섬유 섹션의 에지에 의해 서로 연결된다. 2개의 연결 영역이 상하로 평탄하게 위치되어 서로 가압되는 경우에 양 연결 영역의 다공성 기판은 일종의 후크 앤드 루프 파스너와 같이 작용한다. 하나의 연결 영역의 표면 구조가 각자의 다른 연결 영역의 표면으로 관통되어 표면 구조들이 서로 물리게 된다. 이 방식으로, 2개의 연결 영역의 전체 오버랩을 따른 영역에 걸쳐 연결이 이루어져 배기 가스가 여과되지 않은 상태로 연결 영역을 통과하게 하는 간극이 남지 않는다.

연결 영역을 오직 기판의 후크 앤드 루프 파스너만을 이용함으로써 서로 맞물리는 기본 요소 또는 요소들의 표면 구조에 의해서만 서로 고정시킬 수 있다. 특히, 오버랩 영역의 표면적을 선택함으로써 고정 효과를 한정시킬 수 있다.

그러나, 별법으로서, 연결 영역은 또한 클램핑 또는 재봉에 의해 또는 임의의 다른 적절한 연결 장치에 의해 서로 고정될 수도 있다. 이 경우에, 누출로부터의 해방은 오버랩하여 서로 맞물리는 연결 영역에 의해 여전히 달성된다. 그러나, 연결 영역들의 서로 간의 고정은 연결 영역이 작동 중에 분리되지 않을 수 있도록 추가의 조치에 의해 지지된다.

가압에 의해 인접한 연결 영역에서 서로 연결되는 복수 개의 기본 요소로부터 중공체를 제조하는 것이 가능하다.

기본 요소의 전체 길이는 바람직하게는 중공체의 주변보다 길게 선택되고, 기본 요소는 중공체가 다층 벽을 갖도록 나선과 유사하게 롤링된다.

개별적인 기본 요소는 상이한 가스 투과성, 밀도 및/또는 공극률을 가질 수 있다. 또한 개별적인 기본 요소의 길이는 동일한 필요는 없다.

연결 영역은 기본 요소 또는 요소들의 에지 상에 또는 기본 요소의 표면 상에 형성될 수 있다. 중공체가 나선형으로 감긴 다층 벽을 갖는다면 연결 영역이 기본 요소의 표면 상에 형성되는 것이 유리하다. 바람직하게는, 이 경우에 에지 상에 배치된 연결 영역은 중공체를 폐쇄하기 위하여 표면 상에 배치된 연결 영역과 가압된다.

바람직한 실시예에 있어서, 중공체는 원추형 또는 절두 원추형을 형성하도록 기본 요소 또는 기본 요소들의 군을 포함한다. 이 경우에, 평탄한 블랭크를 롤링하여 원추형 또는 절두 원추형을 형성한다. 폐쇄를 위해, 예컨대 동일한 기본 요소의 연결 영역이 서로 연결된다. 중공체를 폐쇄하는 다른 방식으로는 에지 상에 배치된 연결 영역을 이미 형성된 중공체의 표면 상의 연결 영역과 연결하는 것이 있다.

가스가 하우징 내에서 가능한 한 많이 유동하는 표면을 만들기 위하여, 이 유형의 2개의 중공체를 제조하고 완성된 원추형 또는 절두 원추형을 서로 반대로 끼우는 것이 가능하다.

기본 요소의 두께가 대략 1 내지 10 mm, 특히 바람직하게는 1 내지 3 mm이면, 기판 시트는 재료의 취성에도 불구하고 중공체를 형성하도록 롤링되기에 매우 적합하다.

그러한 두께의 경우에, 연결 영역을 서로 고정시키기 위한 가압이 매우 잘 작용한다.

하우징 내에 전체 중공체를 고정시키기 위하여, 기본 요소들을 서로 연결시키는 데에 적용된 것과 동일한 기법을 채용할 수 있다. 특히, 중공체는 금속 폼의 표면과 프레임의 표면의 상호 작용에 의해 하우징 내에 배치된 프레임에 고정될 수 있다.

본 발명은 또한 배기 가스 처리 장치, 보다 구체적으로는 전술한 특징을 갖는 배기 가스 처리 장치를 제조하는 방법에 관한 것으로서,

다공성 기판으로 제조되고 2개 이상의 연결 영역을 각각 포함하는 기본 요소 또는 기본 요소들의 군을 마련하는 단계와,

하나 이상의 기본 요소의 2개의 연결 영역을 연결되도록 중첩시키는 단계와,

연결 영역을 서로 연결되도록 가압하여 중공체를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 가압 중에, 각각의 2개의 연결 영역의 다공성 기판의 에지는 서로 물릴 수 있다.

바람직하게는, 상기 가압은 결과적인 중공체가 원하는 형상으로 만곡되는 동안에 수행된다.

보다 상세하게 전술한 바와 같이, 이 절차는 배기 가스 정화 장치의 중공체를 형성하는 데에 빠르고, 간단하며 저렴한 가능성을 성립시킨다.

여기서, 기본 요소들의 군의 기본 요소를 소정 크기로, 예컨대 전개된 원추형 엔빌로프 또는 전개된 절두 원추형 엔빌로프 형태로 절단하고, 블랭크를 롤링하여 원추형 또는 절두 원추형을 형성하는데, 블랭크의 연결 영역들이 오버랩된다. 이 오버랩된 연결 영역들이 서로 가압된다.

본 발명의 추가 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 이하의 예시적인 실시예로부터 명백할 것이다.

본 발명에 따르면, 다공성 기판의 시트 에지들 사이의 임의의 간극을 간단한 방식으로 피할 수 있는 배기 가스 처리 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배기 가스 처리 장치의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 배기 가스 처리 장치의 기본 요소의 블랭크의 형태를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 변경예에 따른 배기 가스 처리 장치의 중공체를 통해 취한 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 변경예에 따른 배기 가스 처리 장치의 중공체를 통해 취한 개략적인 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 배기 가스 온도 장치의 중공체의 개략적인 평면도.
도 6은 기본 요소의 개략도.
도 7은 연결 영역의 다른 변경예를 갖는 기본 요소의 개략도.
도 8은 도 3의 중공체의 다층 벽 섹션의 개략도.

도 1에 도시된, 예컨대 디젤 내연 기관의 배기 시스템용 배기 가스 처리 장치(10)는 입구(14)와 출구(16)가 있는 하우징(12)을 구비한다. 상기 하우징(12)은 강성의 금속 본체에 의해 형성된다. 배기 가스 처리 장치(10)는 도 1에 화살표로 도시된 배기 가스 흐름에 배치된다. 입구(14)로부터 출구(16)까지의 유동로에는 배기 가스가 배기 가스 처리 장치(10)를 통과하도록 여하튼간에 중공체(18) 중 하나의 적어도 하나의 벽을 통해 유동해야 하는 방식으로 2개의 가스 투과성 중공체(18)가 배치된다.

배기 가스 처리 장치(10)는, 예컨대 그을음 입자가 배기 가스로부터 여과되는 미립자 필터이다.

각 중공체(18)는 다공성 기판, 이 경우에 금속 폼 시트의 블랭크를 이용하여 하나 이상의 기본 요소(20, 20')로부터 형성된다. "금속 폼"이라는 용어는 개방 또는 폐쇄된 기공이 있는 세포질 구조를 갖는 폼이 물리적으로 정확한 견지에서 실제로 포함되는지, 또는 재료가 오히려 웹의 격자가 있는 스폰지 구조를 갖는지의 여부에 상관없이 모든 종류의 다공성 금속의 전문가들에서 일반적인 언어적 용법으로 채택되었다. 이 의미 내에서 소결된 미소구(microsphere)로부터 제조된 구조도 "금속 폼"이라 칭한다. 본 실시예에서, 금속 폼 시트는 금속 스폰지로부터 제조된 시트이다. 그러나, 다른 유형의 "금속 폼"도 사용될 수 있다.

금속 폼 시트의 두께는 1 내지 10 mm, 바람직하게는 1 내지 3 mm이다.

도 2에 도시된 구성에 있어서, 기본 요소(20)는 절두 원추형을 형성하기 위하여 롤링되도록 되어 있는 전개된 절두 원추형 엔빌로프의 형태를 갖는다. 블랭크의 끼인각은, 예컨대 30 내지 45°이다. 기본 요소(20)의 전체 직선형 측면은 기본 요소(20)의 표면으로 수 센티미터에 걸쳐 연장되는 연결 영역(22)을 각각 형성한다. 이 상태에서, 분할은 순수하게 상상적인 물성이다. 연결 영역(22)에서 기판의 조성은 기본 요소(20)의 기판의 나머지의 조성과 상이하지 않다.

도 7은 다양한 유형의 파선으로 도시되는 기본 요소의 에지에 위치하는 연결 영역의 구성에 대한 다양한 변경예를 도시하고 있다. 절두 원추형의 전개 형태인 도시된 기본 요소(20)에서, 연결 영역(22)은, 예컨대 보다 긴 베이스(일점 쇄선) 또는 보다 짧은 베이스(점선)의 영역에서 길게 되거나 직선형 측면의 중간에서 불룩해진다(이점 쇄선으로 도시됨). 이들 각각의 형태는 연결 라인이 굴곡 라인과 일치하지 않고, 그 결과로 연결되는 각각의 에지 영역과의 오버랩이 커지게 되는 것을 보장한다.

기본 요소(20)의 기판에는 부분적으로 코팅(23)이 마련되는데, 이 코팅은, 예컨대 촉매 물질이 마련된 소위 담층(washcoat)의 형태이다. 코팅(23)은 기본 요소(20)의 에지 영역, 특히 나중에 중공체(18)의 단부(27)에서 하우징(12)에 고정시키기 위한 역할을 하는 연결 영역(22)과 영역(29)을 남겨 둔다. 구체적으로, 영역(29)은 배기 가스 처리에서 일부를 담당하지 않아, 촉매 물질의 도포가 이 장소에 분배될 수 있다. 또한, 연결 영역(22) 중에 단하나 또는 일부 또는 전부에 코팅이 마련될 수 있다.

이제, 도 3에 도시된 바와 같이, 연결 영역(22)이 오버랩되도록 기본 요소(20)를 롤링하여 절두 원추형을 형성한다. 오버랩 후에 또는 도중에 연결 영역(22)은 상하로 배치되고, 연결 영역이 전체 길이 및 폭을 따라 서로 가압되는데, 이 때에, 표면 구조, 이 경우에 연결 영역(22)의 기공 에지에 있는 웹이 각기 다른 연결 영역(22)으로 관통하여 후크 앤드 루프 파스너와 비슷하게 다른 연결 영역(22)의 표면 구조에 물리게 된다. 표면 구조들의 연결은 연결 영역(22)의 전체 표면에 걸쳐 발생하기 때문에, 미립자가 로딩된 배기 가스 스트림의 누출부를 구성하게 되는 개구 또는 간극이 남아 있지 않게 된다.

물론, 2개 이상의 기본 요소(20, 20', 20")가 또한 함께 끼워져서 중공체(18)를 형성할 수 있다. 기본 요소들은 예컨대 평탄하거나 약간 만곡된 시트 형태로 제공될 수 있다. 인접한 기본 요소들의 연결 영역(22)은 본 발명에 따른 구성을 얻기 위하여 단지 오버랩하고 서로 가압될 필요가 있을 뿐이다.

기본 요소의 군이 생성되도록 복수 개의 기본 요소(20, 20', 20")가 서로 정렬하여 끼워질 수 있다. 중공체(18)는 여러 개의 기판층이 상하로 놓이는, 나선형으로 감긴 다층 벽을 제공하도록 감긴다(도 3 및 도 8). 개별적인 연결 영역(22)은 바람직하게는 서로 하나의 지점에 위치하지만, 또한 중공체(18)의 주변을 따라 서로에 관하여 오프셋 상태로 배치될 수 있다(도 8 참조).

기본 요소(20, 20', 20")는 중공체(18)의 벽에 있는 개별적인 층들이 상이한 필터 효과를 갖게 되도록 상이한 공극률을 가질 수 있다. 그러나, 공극률은 또한 모든 기본 요소(20, 20', 20")에 대해 동일하게 선택될 수 있다.

개별적인 기본 요소(20, 20', 20")는 선택적으로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있는데, 전술한 바와 같이 부분 코팅이 또한 가능하다.

최외측 기본 요소(20")의 마지막 연결 영역(22)은 중공체(18)의 외주에 간극 또는 단차부가 없도록 동일한 기본 요소 또는 인접한 기본 요소의 다른 연결 영역(22)과 가압된다. 중공체(18)의 내측은 또한 간극 또는 단차부 없이(즉, 기판의 자연적인 거칠기만이 있게) 평탄한 표면으로서 형성된다.

연결된 연결 영역(22)은 또한, 예컨대 클램프나 시임에 의해 형성될 수 있는 추가의 연결 장치에 의해 고정될 수 있다. 시임에는 금속 와이어가 사용되는 것이 바람직하다. 이는 도 4와 도 5에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 배기 가스 처리 장치(10)를 위해 이제 제2 중공체(18)를 제조한다. 이를 위해, 제2 기본 요소 또는 기본 요소(20, 20', 20")의 제2군을 소정 크기, 이 때에 롤링되지 않은 원추형 엔빌로프 형태로 절단하는데, 이 엔빌로프는 원추형을 형성하도록 롤링되고, 연결 영역(22)은 다시 오버랩하도록 직선형 에지에서 서로 상하로 배치되며 서로 가압된다. 이어서, 원추형은 도 1의 도시에 따라 절두 원추형 내로 삽입되고, 중공체(18)는 하우징(12) 내에 고정된다.

고정을 위해, 원추형과 절두 원추형의 2개의 단부(27)는 하우징(12) 내에 배치된 프레임(24)에 각각 고정된다. 프레임(24)은 강건한 금속 시트로 제조되는 것이 바람직하다. 중공체(18)는 임의의 적절한 방식으로 프레임(24)에 고정될 수 있다. 중공체(18)의 거친 금속 폼이, 예컨대 적절하게 거친 표면을 제공함으로써 기본 요소(20)의 연결 영역(22)과 유사하게 중공체의 내부에 물릴 수 있도록 프레임(24)의 표면을 구성하는 한가지 가능성이 있다.

중공체(18)를 하우징(12)에 고정시키는 공정 전 또는 도중에, 중공체는 프레임(24)에 고정하는 정확한 치수로 교정된다.

절두 원추형 이외에, 예컨대 원통형 등의 다른 적절한 형태를 또한 본 발명에 따른 기법을 이용하여 제조할 수 있음은 물론이다. 특히, 도 1의 외측 중공체(18)가 원통형이 될 수 있다.

12: 하우징 14: 입구
16: 출구 18: 중공체
20, 20', 20": 기본 요소
22: 연결 영역

Claims (13)

1. 배기 시스템용 배기 가스 처리 장치로서,
   입구(14)와 출구(16)를 포함하는 하우징(12)과,
   가스 투과성이 되도록 구성되고 입구(14)에서 출구(16)까지의 유동로에 배치되며, 다공성 기판으로 제조되는 하나 이상의 기본 요소(20, 20', 20")로 구성되는 하나 이상의 중공체(18)
   를 구비하고, 각 기본 요소(20, 20', 20")는 2개 이상의 연결 영역(22)을 포함하며, 1개 또는 여러 기본 요소(20, 20', 20")의 각각의 2개의 연결 영역(22)은 연결 영역에서 오버랩하여 중공체(18)를 형성하는 것인 배기 가스 처리 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 연결 영역(22)은 서로 맞물리는 각각의 연결 영역(22)의 다공성 기판의 표면 구조에 의해 서로 가압되어 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공성 기판은 금속 폼, 금속 스폰지, 중공의 구 구조체(hollow spherical structure) 또는 섬유 매트인 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중공체는 나선형으로 감긴 다층 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 영역(22)은 서로 맞물리는 기본 요소 또는 기본 요소들(20, 20', 20")의 다공성 기판의 표면 구조에 의해서만 서로 고정되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 영역(22)은 클램핑 또는 재봉에 의해 서로 고정되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공체(18)는 원통형, 원추형 또는 절두 원추형을 형성하도록 만곡되는 기본 요소(20) 또는 기본 요소들(20, 20', 20")의 군을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기본 요소(20, 20', 20")의 두께는 약 1 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공체(18)는 프레임(24)의 표면과 다공성 기판의 구조의 상호 작용에 의해 하우징(12) 내에 배치된 프레임(24)에 고정되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배기 가스 처리 장치를 제조하는 방법으로서,
    다공성 기판으로 제조되고 2개 이상의 연결 영역(22)을 각각 포함하는 하나 이상의 기본 요소(20, 20', 20")를 마련하는 단계와,
    하나 이상의 기본 요소(20, 20', 20")의 2개의 연결 영역(22)을 연결되도록 중첩시키는 단계와,
    연결 영역(22)을 서로 연결되도록 가압하여 중공체(18)를 형성하는 단계
    를 포함하는 배기 가스 처리 장치의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 가압 중에, 각각의 2개의 연결 영역(22)의 다공성 기판의 표면 구조는 서로 물리는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치의 제조 방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 연결 영역(22)은 클램핑 또는 재봉에 의해 서로 고정되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치의 제조 방법.
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 기본 요소(20, 20', 20") 또는 기본 요소(20)의 군을 전개된 원추형 엔빌로프 또는 전개된 절두 원추형 엔빌로프 형태로 소정 크기로 절단하고,
    블랭크의 연결 영역(22)이 오버랩되도록 블랭크를 롤링하여 원추형 또는 절두 원추형을 형성하며,
    오버랩된 연결 영역(22)을 가압하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 처리 장치의 제조 방법.

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