KR20110129851A - 배기 가스를 처리하기 위한 모놀리식 배기 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

연소 공정(14)으로부터의 배기 가스(12)를 처리하기 위한 모놀리식 배기 처리 장치 또는 유닛(10)이 제공되며, 이 유닛(10)은 다른 배기 가스 처리 부품(18)을 포함할 수 있는 배기 가스 처리 시스템(16)의 일부이다. 모놀리식 배기 처리 유닛(10)은, 모놀리식 구조물(20), 지지 매트(24)의 2개 이상의 층(22), 및 지지 매트(24)의 2개의 층(22) 사이에 개재된 금속 호일(28)의 하나 이상의 층(26)을 포함한다.

Description

배기 가스를 처리하기 위한 모놀리식 배기 처리 장치{MONOLITHIC EXHAUST TREATMENT UNIT FOR TREATING AN EXHAUST GAS}
본 발명은, 가솔린 미립자 필터 및 디젤 미립자 필터(DPF : Diesel Particulate Filter)와 같은 미립자 필터 형태의 모놀리식 배기 처리 장치 또는 유닛과, 예컨대 포장 도로 및 비포장 도로용 차량, 기관차, 및 고정식 동력 응용기기의 압축 엔진을 위한 촉매 변환기, 디젤 산화 촉매(DOC) 및 선택적 촉매 반응 환원 촉매(SCR : selective catalytic reduction catalyst)와 같은 연소 공정으로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 촉매 유닛에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 탑재 매트가 모놀리식 필터 또는 모놀리식 촉매 캐리어 구조물의 외주면 둘레에 배치되어, 이 구조물을 하우징 내에 지지하는, 이러한 모놀리식 배기 처리 장치에 관한 것이다.
자동차 산업에서는 배기 가스의 방출을 향상시키기 위해 가솔린 미립자 필터 또는 디젤 미립자 필터, 및/또는 촉매 변환기, 디젤 산화 촉매(DOC) 또는 선택적 촉매 반응 환원 촉매와 같은 하나 이상의 촉매 유닛을 이용하는 배기 가스 처리 시스템을 포함하는 것이 알려져 있다. 이러한 촉매 유닛에서, 촉매는 모놀리식 구조물을 갖는 세라믹 기판과 같은 지지 기판 구조 상의 코팅으로서 운반되는 것이 보편적이며, 미립자 필터에서는 촉매 방식이 아닌 모놀리식 필터 구조를 채용하는 것이 일반적이다. 통상적으로, 이러한 모놀리식 구조물은 횡단면이 타원형 또는 원형이며, 하우징으로부터 모놀리식 구조물로 전달될 수 있는 충격력 및 진동력으로부터 모놀리식 구조물을 보호하는데 도움을 주기 위해 모놀리식 구조물과 유닛의 외측 하우징 사이에 위치되는 지지 또는 탑재 매트의 층으로 감싸여지는 것이 일반적이다. 통상적으로, 지지 또는 탑재 매트는 유리 섬유, 세라믹 섬유 또는 암면(rock wool)으로 이루어진 매트와 같이 열저항성 및 충력 흡수형의 재료로 구성된다.
본 발명의 일특징에 따라, 연소 공정으로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 모놀리식 배기 처리 장치가 제공된다.
추가의 특징에 따라, 배기 가스 처리 시스템은 연소 공정을 위해 제공되며, 모놀리식 배기 처리 장치를 포함한다. 모놀리식 배기 처리 장치는, 길이 방향 축에 평행하게 연장하는 외측면을 갖는 모놀리식 구조물과, 상기 외측면 둘레에 감겨진 지지 매트의 2개 이상의 층과, 상기 지지 매트의 2개 이상의 층 사이에 개재된 금속 호일의 하나 이상의 층을 포함한다.
일특징으로서, 모놀리식 배기 처리 장치는, 상기 지지 매트의 최외층 둘레에 감겨진 금속 호일의 최외층을 더 포함한다.
일특징에서, 모놀리식 배기 처리 장치는 촉매 캐리어 둘레에 감겨진 최외층을 둘러싸는 하우징을 더 포함한다.
일특징에 따라, 상기 모놀리식 구조물은 상기 길이 방향 축에 중심이 위치하는 원형 횡단면을 갖는다.
일특징으로서, 상기 모놀리식 구조물은 촉매를 포함한다.
일특징에 따라, 상기 모놀리식 구조물은 세라믹 기판을 포함한다.
일특징에서, 상기 모놀리식 구조물은 다공성 구조물을 포함한다.
일특징으로서, 상기 금속 호일의 적어도 일부분이 관통되어 있다.
일특징에 따라, 상기 금속 호일은 상기 모놀리식 배기 처리 장치의 일단부 또는 양단부에 있는 상기 지지 매트의 인접 에지에 걸쳐 연장하는 에지 시일(edge seal)을 형성한다.
일특징에서, 상기 지지 매트의 층 모두가 상기 금속 호일의 하나 이상의 층에 의해 분리되어 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 청구범위 및 도면을 포함한 전체 명세서의 검토로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 연소 공정을 위한 배기 가스 처리 시스템을 다소 도식적으로 나타낸 도면이며, 본 발명을 채용한 모놀리식 배기 처리 유닛을 포함하고 있다.
도 2는 도 1의 2-2 라인을 따라 절취한 확대도이다.
도 3은 도 2와 유사하지만 모놀리식 배기 처리 유닛의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1 내지 도 3의 모놀리식 배기 처리 유닛을 조립하는 한 가지 방법을 다소 도식적으로 예시하는 도면이다.
도 5는 5-5 라인을 따라 절취한 도면으로, 도 1 내지 도 4의 모놀리식 배기 처리 유닛의 한 가지 부품의 일부분을 도시하고 있다.
도 6a 내지 도 12c는 도 1의 6-6 라인을 따라 절취한 부분 확대도로, 하나 이상의 에지 시일을 포함하는 도 1의 모놀리식 배기 처리 유닛을 위한 여러 가지의 가능한 구성을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 연소 압축 엔진(14)으로부터와 같은 연소 공정으로부터의 배기 가스(12)를 처리하기 위한 모놀리식 배기 처리 장치 또는 유닛(10)이 도시되어 있다. 모놀리식 배기 처리 유닛(10)은 배기 가스 처리 시스템(16)의 일부이며, 이 배기 가스 처리 시스템(16)은 모놀리식 배기 처리 유닛(10)의 상류측, 하류측 또는 양측에 다른 배기 가스 처리 부품(18)을 포함할 수 있다. 배기 가스 처리 부품(18)은 어떠한 적합한 타입 및 구성으로도 될 수 있으며, 일례로서 머플러, 디젤 미립자 필터, 인젝터(injector), 및 배기 가스 재순환 밸브 등의 밸브를 포함할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 모놀리식 배기 처리 유닛(10)은 모놀리식 구조물(20), 지지 매트(24)의 2개 이상의 층(22), 지지 매트(24)의 2개의 층(22) 사이에 개재된 금속 호일(28)의 하나 이상의 층(26), 및 외측 하우징(30)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 호일(28)의 하나 이상의 층(32) 또한 최외층(22)과 하우징(30) 사이에 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 도 3에서의 구성에 의해 나타낸 바와 같이, 일부 응용예에서는, 최외층(22)이 하우징(30)에 바로 인접하게 되도록 요망될 수도 있다.
바람직하게는, 금속 호일(28)은 층(22) 사이와 모놀리식 구조물(20) 및 배기 가스(12)로부터의 유효 열전도율을 감소시킬뿐만 아니라 모놀리식 구조물(20)과 배기 가스(12)로부터의 방사형 열전달(radiant heat transfer)을 감소시킨다. 이것은, 배기 가스(12) 및 모놀리식 구조물(20)의 온도를, 모놀리식 구조물(20)이 촉매를 포함하는 경우에는, 요구된 촉매 반응에 적합하고 바람직하게는 촉매 반응을 최적화하는 온도 범위 내에서 유지하기에 매우 유용할 수 있다. 일부 응용예에서, 금속 호일은 층들 사이 및 모놀리식 구조물(20)과 배기 가스(12)로부터의 유효 열전도율을 실질적으로 감소시키지 않도록 요망될 수도 있다.
모놀리식 구조물(20)가 어떠한 적합한 타입 및 구성으로도 이루어질 수 있고, 그 대부분이 알려져 있지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바람직한 실시예에서, 모놀리식 구조물(20)은 예컨대 적합한 산화 촉매 또는 적합한 선택적 촉매 반응 환원 촉매와 같은 모놀리식 배기 처리 유닛(10)의 의도된 기능에 적합한 촉매 코팅을 갖고 있는 다공성 세라믹으로 이루어진 모놀리식 구조물이다.
바람직하게는, 모놀리식 구조물(20)은 도 1에 가장 명확하게 도시된 길이 방향 축(34)에 평행하게 연장하는 외측면(32)을 가지며, 이 축은 통상적으로 모놀리식 배기 처리 유닛(10)을 통한 배기 가스(12)의 흐름 방향과 일치한다. 예컨대 타원형, 장타원형, 삼각형, 직사각형 및 육각형을 포함한 어떠한 적합한 횡단면도 이용될 수 있지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바람직한 실시예는 모놀리식 구조물(20) 및 외측면(32)에 대해 원통 형상을 형성하도록 축(34)에 중심이 위치하는 원형 횡단면을 갖는다.
지지 매트(24)의 각각의 층(22)은 예컨대 유리 섬유 매트, 암면 매트, 또는 예컨대 내화 세라믹 섬유(refractory ceramic fiber), 멀라이트 세라믹 섬유(mullite ceramic fiber), 또는 다른 고알루미나질 세라믹 섬유(high alumina ceramic fiber)와 같은 세라믹 섬유 매트를 포함한 어떠한 적합한 재료로도 구성될 수 있으며, 그 대부분이 알려져 있다. 일부 응용예에서는 각각의 층(22)이 동일한 매트 재료로 구성되도록 요망될 수도 있지만, 다른 응용예에서는 층(22) 중의 하나 이상이 어떠한 다른 층(22)의 매트 재료와는 상이한 매트 재료로 구성되도록 요망될 수도 있다. 바람직하게는, 각각의 층(22)의 지지 매트(24)는 도 2에 도시된 바와 같이 정방형으로 되거나 또는 도 3에 도시된 바와 같이 테이퍼될 수 있는 서로 맞닿아 있는 2개의 원주 단부(36) 사이에서 연장하는 원주 길이를 갖는다. 그러나, 일부 응용예에서는, 각각의 층(22)이 원주 방향으로 연속하고 있는 슬리브로서 형성되도록 요망될 수도 있다. 또한, 일부 응용예에서는, 지지 매트가 모놀리식 구조물(20)에 대하여 나선형으로 권취되는 연속 길이로 되고, 아울러 금속 호일 또한 지지 매트(24)의 나선형 권선에 의해 형성된 각각의 층(22) 사이에서 모놀리식 구조물(20)에 대하여 나선형으로 권취되는 연속 길이로 되도록 요망될 수도 있다.
금속 호일(28)의 각각의 층(26, 32)은 예컨대 스테인레스 스틸 호일 또는 알루미늄 호일과 같은 어떠한 적합한 금속 재료로도 구성될 수 있다. 모놀리식 배기 처리 유닛(10)이 하나보다 많은 층(26, 32)을 포함하는 경우, 일부 응용예에서는 각각의 층(26, 32)이 동일한 금속 호일 재료로 구성되도록 요망되는 한편, 다른 응용예에서는 층(26, 32) 중의 하나 이상이 어떠한 다른 층(26, 32)의 금속 호일 재료와는 상이한 금속 호일 재료로 구성되도록 요망될 수도 있다. 바람직하게는, 각각의 층(26, 32)의 금속 호일(28)은 도 2에 도시된 바와 같이 정방형으로 되거나 또는 도 3에 도시된 바와 같이 테이퍼될 수 있는 맞닿은 단부(38)들 사이에서 연장하는 원주 길이를 갖는다. 더욱이, 단부(38)는 도 3에 도시된 바와 같이 또한 도 2의 2개의 최내층(22, 26)에 대해 도시된 바와 같이 인접층(22, 26, 32)의 단부(36)와 원주 방향으로 정렬될 수 있거나, 또는 각각의 특정 응용예의 조건 및 파라미터에 따라서 도 2의 최외층(22, 32)에 대해 도시된 바와 같이 인접층(22, 26, 32)의 단부로부터 오프셋될 수 있다. 층(22)과 마찬가지로, 일부 응용예에서는, 각각의 층(26)이 원주 방향으로 연속하고 있는 슬리브로서 형성되도록 요망될 수도 있다. 또한, 일부 응용예에서, 금속 호일(28)은 매트(24) 및 호일(28)을 모놀리식 구조물(20) 둘레에 감기 전에 지지 매트(24) 상에 적층되도록 요망될 수도 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 모놀리식 배기 처리 유닛(10)을 조립하는 한 가지 방법은, 지지 매트(24)를 화살표 B로 나타낸 바와 같이 적합한 속도로 공급하면서 화살표 A로 나타낸 바와 같이 모놀리식 구조물(20)을 축(34)을 중심으로 회전시킴으로써 지지 매트(24)의 제1 층(22)을 모놀리식 구조물(20) 둘레에 감고, 그리고나서 역시 화살표 A 및 B로 나타낸 바와 같이 모놀리식 구조물(20) 및 제1 층(22)을 축(34)을 중심으로 함께 회전시키고 금속 호일(28) 및 매트(24)를 적합한 속도로 제공하면서 지지 매트(24)의 제2 층(22)과 함께 금속 호일(28)의 층(26)을 감음으로써 이루어진다. 이와 달리, 각각의 층(22, 24)은 모놀리식 구조물(20)에 대하여 개별 층으로서 순차적으로 감겨질 수도 있고, 또는 모놀리식 구조물(20)에 대해 동시에 감겨지는 하나의 샌드위치형 구조로서 제공될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 필요한 경우에 선택할 수 있는 구성을 예시하기 위해 하나의 층(26 또는 32)에 대한 금속 호일(28)의 부분(40)이 도시되어 있으며, 이 구성에서는 금속 호일(28)과 인접층(22, 26 또는 32) 간의 마찰을 증가시키기 위해 이 부분(40)에 관통부(42)의 어레이가 제공되어 있다. 이 점에서, 관통부(42)는 관통부(42)의 둘레에 돌출 에지(44)를 형성하기 위해 금속 호일(28)을 펀칭함으로써 형성되는 것이 바람직하다. 일부 응용예에서, 돌출 에지가 모두 호일(28)의 일측면 상에 위치되도록 요망되는 한편, 다른 응용예에서는 돌출 에지(44)가 관통부(42)의 일부에 대해서는 호일(28)의 일측면 상에 있고, 다른 관통부(44)에 대해서는 호일(28)의 반대측 상에 있도록 요망될 수도 있다. 또한, 호일(28)을 번칭(bunching)하거나, 호일(28)을 버링(burring)하거나, 호일(28)을 펀칭하거나, 호일(28)을 딤플링(dimpling)하거나 또는 호일(28) 상에 다른 타입의 표면 거칠기 처리를 이용함으로써 마찰을 증가시키는 것도 가능하다. 이 부분(40)은, 각각의 응용예의 파라미터에 따라, 호일(28)의 제한된 원주 길이에 걸쳐 연장할 수도 있고 또는 호일(28)의 전체 원주 길이에 걸쳐 연장할 수 있다. 이러한 마찰 증강은 일부 응용예에서는 층(26 또는 32)의 전부 또는 일부에 대해 요망되지 않을 수도 있음을 이해하여야 한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 각각의 층(26)의 금속 호일(28)이 인접 지지 매트(24)의 각각의 길이 방향 에지(46)를 지나 길이 방향으로 연장하여 인접 지지 매트(24)의 에지(46)에 걸쳐 에지 시일(48)을 형성함으로써 배기 가스(12)가 지지 매트(24) 내로 침입하는 것을 제한하는 또 다른 옵션이 도시되어 있다. 도 6a에서는, 각각의 층(26)의 외측 에지가 방사상 내측 방향으로 접혀져 에지 시일(48)을 형성하는 한편, 도 6b에서는, 각각의 층(26)의 에지가 방사상 상측 방향으로 접혀져 에지 시일(48)을 형성한다. 도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b와 유사하지만, 각각의 층(26)의 접혀진 에지에 맞닿음으로써 에지 시일(48)을 위한 추가의 구조를 제공하기 위해 호일 스트립(50)이 추가되어 있다. 도 8a 및 도 8b는 최내층(26) 또는 최외층(26) 중 하나의 금속 호일(28)이 방사상 내측으로 또는 방사상 외측으로 접혀져 지지 매트(24)의 층(22) 양자에 걸쳐 연장하는 에지 시일(48)을 형성하기에 충분한 정도로 멀리 연장되는 또 다른 옵션을 도시하고 있다. 도 9는 도 7a 및 도 7b의 스트립(50)과 도 8a 및 도 8b의 개념을 조합한 구성을 예시하고 있다. 도 10은 지지 매트(24)의 단일 층(22) 및 금속 호일(28)의 단일 층(26)에 에지 시일(48)이 제공되는 실시예를 예시하고 있고, 도 11은 금속 호일의 층(26)을 이용하지 않고 에지 포일(52)과 조합하여 2개의 스트립(50)을 이용하여 에지 시일(48)을 형성하는 실시예를 예시하고 있다. 일부 응용예에서는 에지 시일(48)이 전술한 실시예의 임의의 실시예에 대한 지지 매트(24)의 일단부 상에만 제공되도록 요망될 수 있다는 것을 이해하여야 하며, 이러한 구성의 일부 예가 도 12a, 도 12b 및 도 12c에 도시되어 있다.
하나 이상의 층(26, 32)을 제공함으로써, 모놀리식 배기 처리 유닛(10) 내에서의 또한 모놀리식 배기 처리 유닛(10)으로부터의 더욱 우수한 열적 차단을 제공하여, 모놀리식 배기 처리 유닛(10)의 성능이 종래의 모놀리식 배기 처리 유닛에 비하여 향상될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 연소 공정으로부터의 배기 가스를 처리하는 모놀리식 배기 처리 장치에 있어서,
    길이 방향 축에 평행하게 연장하는 외측면을 갖는 모놀리식 구조물;
    상기 외측면 둘레에 감겨진 지지 매트의 2개 이상의 층; 및
    상기 지지 매트의 2개 이상의 층 사이에 개재된 금속 호일의 하나 이상의 층
    을 포함하는 모놀리식 배기 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지 매트의 최외층 둘레에 감겨진 금속 호일의 최외층을 더 포함하는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모놀리식 구조물의 둘레에 감겨진 최외층을 둘러싸는 하우징을 더 포함하는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모놀리식 구조물은 상기 길이 방향 축에 중심이 위치하는 원형 횡단면을 갖는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모놀리식 구조물은 촉매를 포함하는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모놀리식 구조물은 세라믹 기판을 포함하는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모놀리식 구조물은 다공성 필터 구조물을 포함하는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 호일의 적어도 일부분이 관통되어 있는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 호일은 상기 모놀리식 배기 처리 장치의 반대측 대향 단부에 있는 상기 지지 매트의 인접 에지에 걸쳐 연장하는 에지 시일을 형성하는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 지지 매트의 층 모두가 상기 금속 호일의 하나 이상의 층에 의해 분리되는, 모놀리식 배기 처리 장치.
  11. 배기 가스를 처리하기 위한 모놀리식 배기 처리 장치를 포함하는 연소 공정용 배기 가스 처리 시스템으로서, 상기 모놀리식 배기 처리 장치가,
    길이 방향 축에 평행하게 연장하는 외측면을 갖는 모놀리식 구조물;
    상기 외측면 둘레에 감겨진 지지 매트의 2개 이상의 층; 및
    상기 지지 매트의 2개 이상의 층 사이에 감겨진 금속 호일의 하나 이상의 층
    을 포함하는,
    배기 가스 처리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모놀리식 배기 처리 장치가, 상기 지지 매트의 최외층 둘레에 감겨진 금속 호일의 최외층을 더 포함하는, 배기 가스 처리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 모놀리식 배기 처리 장치가, 상기 모놀리식 구조물의 둘레에 감겨진 최외층을 둘러싸는 하우징을 더 포함하는, 배기 가스 처리 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 층들은 상기 지지 매트 및 상기 금속 호일의 나선형 랩(spiral wrap)에 의해 형성되는, 배기 가스 처리 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 금속 호일의 적어도 일부분이 관통되어 있는, 배기 가스 처리 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 금속 호일은 상기 모놀리식 배기 처리 장치의 반대측 대향 단부에 있는 상기 지지 매트의 인접 에지에 걸쳐 연장하는 에지 시일을 형성하는, 배기 가스 처리 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 지지 매트의 층 모두가 상기 금속 호일의 하나 이상의 층에 의해 분리되는, 배기 가스 처리 시스템.
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