KR20150071033A - 기재 장착 시스템 - Google Patents

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KR20150071033A
KR20150071033A KR1020157013807A KR20157013807A KR20150071033A KR 20150071033 A KR20150071033 A KR 20150071033A KR 1020157013807 A KR1020157013807 A KR 1020157013807A KR 20157013807 A KR20157013807 A KR 20157013807A KR 20150071033 A KR20150071033 A KR 20150071033A
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mounting
mat
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KR1020157013807A
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주니어 세르지오 다비드 페르난데스
Original Assignee
유니프랙스 아이 엘엘씨
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Abstract

배기 가스 처리 장치 (110) 의 취성 기재 (118) 용 지지 시스템 (120) 은 취성 기재의 적어도 일부와 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 미세다공성 무기 단열층 (212, 322) 과; 취성 기재의 적어도 일부와 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 가요성 섬유 장착 매트 (213, 323) 를 포함한다. 지지 시스템은 촉매 변환기, 디젤 입자 트랩 필터, 선택적인 촉매 환원 유닛, 또는 NOx 트랩의 취성 기재를 지지할 수 있다.

Description

기재 장착 시스템 {SUBSTRATE MOUNTING SYSTEM}
취성 기재 (frangible substrate) 를 장착하기 위한 시스템이 제공된다. 이러한 시스템은 하우징 내에 기재를 지지하거나 장착할 수 있으면서 이 기재를 잠재적으로 파괴적인 기계적 부하 및 충격으로부터 실질적으로 격리시킬 수 있다. 추가적으로, 이러한 시스템은 상기 기재로부터 흐르는 열로부터 하우징을 상당히 단열시킬 수 있다.
다양한 배기 가스 처리 장치에 있어서 활성면 (active surface) 으로서 일체식 기재 (monolithic substrates) 가 사용된다. 선택적으로 촉매로 함침되는 이러한 기재는, 촉매 변환기, 디젤 입자 필터, 선택적인 촉매 환원 유닛, NOx 트랩 및 다른 배기 가스 처리 장치의 활성면을 포함한다.
일반적으로, 기재의 작동 온도는 대기 온도보다 실질적으로 높은데; 즉, 대부분의 종래의 재료는 그 재료를 기재를 만들기 위한 것으로서는 허용가능하지 않은 것 (candidates) 으로 하기에 충분한 온도로 인해, 역효과를 받기에 충분히 높다. 일체식 기재를 포함하는 재료는 일반적으로 높은 내열성, 낮은 열 팽창계수 및 낮은 내충격성을 나타내는 취성 또는 취약한 재료이다. 비한정적으로, 금속 기재가 종종 사용되지만, 일체식 기재를 형성하기 위한 허용가능한 것으로서의 통상의 재료 유형으로는 세라믹이다.
기재를 포함하는 형상은, 통상적으로 표면적 대 체적비를 크게 향상시킨다. 어떠한 실시형태에 있어서, 기재의 형상은 얇고 취성인 다수의 부재를 포함한다. 비한정적으로, 기재에 대한 공통의 형상은, 허니컴 형상 등으로 얇고 취성인 벽에 의해 분리되는 소형의 유동 채널을 한정하는 중공 사각형 프리즘 셀의 배열체를 포함하는 단일체이다.
또한, 기재에 대한 형상 및 재료를 고려하여, 통상적으로 작은 충격부하 또는 응력으로 인해 충격받거나, 압착되거나 또는 다른 기계적으로 파괴되기 쉬우면서 매우 고온에서 작동하는 기재를 만든다. 이러한 기재의 취성 특성에 대한 문제에 대처하기 위해서, 하우징, 통상적으로 기재의 외부면과 하우징의 내부면 사이에 공간 또는 틈이 있는 금속 하우징 내에서 기재를 보호하는 것이 통상적이다. 열적 및 기계적 충격과 다른 응력으로부터 기재를 보호하고 또한 기재에 단열을 제공하기 위해서, 기재와 하우징 사이의 틈 내에 장착 재료의 적어도 하나의 시트를 위치시키는 것이 알려져 있다.
배기 가스 처리 장치는 대기 온도보다 실질적으로 높은 온도에서 작동하도록 구성되고 또한 작동하지 않을 때 대기 온도까지 냉각하도록 구성되기 때문에, 배기 가스 처리 장치는 상당한 온도 변동을 겪도록 구성된다. 기재의 장착부는 장치가 노출되는 전체 온도 범위 (대기 온도 내지 작동 온도) 에 걸쳐 기재를 보호하도록 구성된다. 이러한 온도 변동은 기재 장착 시스템을 구성하는데 있어 상당한 도전을 나타낸다.
하우징에 기재를 직접 장착할 수는 있지만 통상적이지는 않다. 기재와 금속 하우징에 대한 열팽창 계수의 차이로 인해 작동 사이클 사이의 온도 변화는 구성품 크기의 열적 변화의 차이를 유발하는데, 이는 장착력 또는 유지력의 원하지 않는 변화를 유발하기에 충분하기 때문에, 이러한 직접 장착은 부분적으로 통상적이지 않다. 이러한 차이를 보상하기 위한 수단의 부재로, 장착력은 원하지 않는 진동, 충격, 충돌 또는 다른 운동을 방지하기에 불충분한 정도로 변경될 수 있다. 직접 장착이 통상적이지 않는 다른 이유로는, 이러한 장착 조건하에서 기재로부터의 열이 하우징에 쉽게 전달된다는 것이다. 그 결과로 인한 하우징의 가열로 하우징이 원하지 않는 고온에 도달하게 될 수 있다.
기재를 장착하기 위한 보다 통상적인 수단으로는, 기재와 금속 하우징 사이에 단열 장착 매트를 개재하는 것이다. 장착 매트는 기재를 중심으로 둘러싸여질 수 있고 또한 이 매트 주변의 하우징을 포위함으로써 압축될 수 있다. 압축의 정도는 하우징과 매트 사이 및 매트와 기재 사이에 결합력을 제공하도록 선택되고, 이러한 결합력은 하우징에 대하여 기재를 고정하는데 충분히 크고 기재에 대한 손상을 방지하는데 충분히 낮은 장착력 또는 유지력을 생성시킨다. 또한, 장착 매트는 본질적으로 일부 내열성 유동을 가지고 어떠한 실시형태에서는 양호한 단열체이며; 이 매트는 기재로부터 하우징으로의 열 전달을 방해하여, 기재의 소정의 정적 상태 작동 온도에 대하여 하우징의 정적 상태 작동 온도를 낮춘다.
배기 가스 처리 장치가 받게 되는 모든 온도에서 허용가능한 장착력 또는 유지력을 생성하도록, 장착 재료가 받는 대기 온도 압축 부하 및 장착 매트의 유형 선택은 지속적으로 난제의 원인이다. 이러한 난제를 해결하기 위해서는 기재와 하우징 사이에 열전도도는 낮지만 장치에 원하지 않는 중량이나 체적을 추가하지 않는 단열재가 필요하다.
취성 기재의 적어도 일부와 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 미세다공성 무기 단열층과; 취성 기재의 적어도 일부와 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 가요성 섬유 장착 매트를 포함하는 배기 가스 처리 장치의 취성 기재용 지지 시스템이 제공된다.
어떠한 실시형태에 있어서, 제공된 지지 시스템은, 촉매 변환기, 디젤 입자 트랩 필터, 선택적인 촉매 환원 유닛, NOx 트랩 또는 화학 산업 방출 적층체의 취성 기재를 지지한다.
도 1 은 당해 장착 시스템의 일실시형태에 의해 지지되는 기재를 구비한 배기 가스 처리 장치의 일예로서 촉매 변환기의 단면의 입면도,
도 2 는 취성 기재를 지지하기 위한 장착 시스템의 일실시형태를 나타내는 개략적인 단면도,
도 3 은 취성 기재를 지지하기 위한 장착 매트의 다른 실시형태를 나타내는 개략적인 단면도,
도 4 는 다양한 재료에 대한 열전도도 대 온도의 ASTM-C177 시험 결과를 나타내는 그래프,
도 5 는 다양한 재료에 대한 응력 대 변형을 나타내는 그래프, 및
도 6 은 다양한 재료에 대한 계수 대 변형을 나타내는 그래프.
하우징 내에 취성 기재를 장착하기 위한 기재 장착 시스템이 제공되고, 이 기재 장착 시스템은 기재와 하우징 사이에 얇고 경량의 단열층과 섬유 장착 매트를 포함한다. 단열층은 기재와 하우징 사이의 재료의 단열 특성을 향상시켜, 기재의 소정의 정적 상태 작동 온도에 대하여 단열층 외부의 하우징 및 다른 재료의 정적 상태 작동 온도를 저감시킨다. 이러한 실시형태에 있어서, 단열부는 단열층 외부의 재료가 받게 되는 열적 변형을 저감시키고, 기재가 받게 되는 장착력이나 유지력의 변화를 경감시킨다. 일부 실시형태에 있어서, 단열층은 매트를 기재로부터 단열시켜, 기재의 소정의 작동 온도에 대하여 매트의 작동 온도를 저하시킨다. 이러한 실시형태에 있어서, 매트가 받는 열적 변형이 저감되고, 기재가 받게 되는 장착력이나 유지력의 변화도 저감된다.
배기 가스 처리 장치에 취성 기재를 장착하기 위한 장착 시스템이 제공된다. 배기 가스 처리 장치는 일반적으로 취성 기재, 장착 매트, 단열층 및 하우징을 포함한다. 선택적으로, 이 장치는 추가의 구성품을 더 포함한다.
기재는 배기 물질을 개질시키는 배기 가스 처리 장치의 구성품이다. 기재를 포함할 수 있는 다양한 종류의 배기 가스 처리 장치가 있다. 배기 가스 처리 장치의 일 종류로는 촉매 변환기이고; 촉매 변환기의 활성부는 촉매로 피복되거나 함침된 기재를 포함하여 일산화탄소 및 탄화수소의 산화 및 질소 산화물의 환원을 촉진시켜, 배기 스트림내의 원하지 않는 연소 생성물을 제거한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 촉매 변환기 (110) 는 통상적으로 2 편의 금속, 예를 들어 고내온성 강으로 형성되는 일반적으로 관형 하우징 (112) 을 포함한다. 하우징 (112) 은 일단부에 있는 입구 (114) 및 반대 단부에 있는 출구 (도시하지 않음) 를 포함한다. 입구 (114) 와 출구는 그 외부 단부에 적절하게 형성되어, 내연기관의 배기 시스템의 도관에 고정될 수 있다.
장치 (110) 는, 이하 설명될 기재 장착 시스템 (120) 에 의해 하우징 (112) 내에 지지 및 유지되는 취성의 세라믹 일체식 기재 (118) 를 포함한다. 기재 (118) 는 일단부에 있는 입구 단부면에서부터 축방향으로 반대 단부에 있는 출구 단부면까지 연장하는 다수의 가스 투과성 통로를 포함할 수 있다. 기재 (118) 는 공지된 방식 및 형상으로 적절한 내화성 또는 세라믹 재료로 구성된다.
기재 일체물은 그 단면 형상이 통상적으로 타원형 또는 원형이지만 다른 형상도 가능하다. 기재는 하우징으로부터 틈의 폭 간격만큼 이격되는데, 일부 실시형태에서는 적어도 약 0.05 인치 (1.27 ㎜), 다른 실시형태에서는 최대 1 인치 (25.4 ㎜) 또는 그 이상 이격될 수 있다. 이러한 틈의 폭은 통상적으로 약 3 ㎜ ~ 약 25 ㎜ 범위일 수 있고, 상업적으로 통상적인 폭은 약 3 ㎜ ~ 약 8 ㎜ 범위이다. 기재 장착 시스템 (120) 은 세라믹 일체식 기재 (118) 를 지지하도록 상기 공간에 배치된다.
배기 가스 처리 장치의 다른 종류로는 디젤 입자 필터이다. 디젤 입자 필터의 활성부는 필터로서 작용하는 기재를 포함한다. 디젤 입자 트랩은 1 개 이상의 다공성 관형 또는 허니콤형 구조물 (일단부가 폐쇄된 채널을 구비함) 을 포함할 수 있지만, 이러한 구조물은 하우징 내의 내열성 재료에 의해 장착된다. 배기 가스로부터의 입자는, 통상적으로 고온 연소 공정에 의해 재생될 때까지 다공성 구조물에 집속된다.
배기 가스 처리 장치의 다른 종류로는 선택적인 촉매 환원 유닛이고; 선택적인 촉매 환원 유닛의 활성부는 촉매로 피복된 기재를 포함하여 화학적 환원을 개선시키고 배기 스트림내의 원하지 않는 생성물의 제거도 개선시킨다.
배기 가스 처리 장치의 다른 종류로는 NOx 트랩이고; NOx 트랩의 활성부는 알칼리 또는 알칼리 토류 재료를 포함하는 촉매 기재를 포함한다. 트랩은 주기적으로; "흡수" 공정 및 "재생" 공정 사이의 사이클로 작동한다. 흡수시 기재는 NOx 종류를 흡인하고 질산염 종류로서 촉매 기재의 표면에서 이 NOx 종류를 포획한다. 재생시, NOx 트랩안으로 환원재가 도입되고, 질산염 종류는 기재로부터 제거되어 질소로 환원된다.
당해 장착 시스템을 비차량에도 적용할 수 있고 화학 산업 방출 (배출) 적층체용 촉매 변환기에만 한정되지 않는다.
배기 가스 처리 장치에 있어서, 기재는 대기 온도보다 실질적으로 높은 온도에서 작동할 수 있다. 비한정적으로, 배기 가스 처리 장치의 어떠한 실시형태에 대한 작동 온도는 약 1000℃ 이다. 이러한 배기 가스 처리 장치가 작동하는 실질적으로 승온으로 인해, 기재는 통상적으로 내열성이 우수한 재료 (매우 높은 용융점, 매우 큰 내열성, 및 매우 낮은 열팽창계수) 를 포함한다. 광범위한 세라믹, 텅스텐, 레늄 및 보다 신종의 재료를 포함하는 상기 특성을 가진 다양한 재료가 있다. 우수한 내열성을 나타내는 매우 통상적인 재료로는 세라믹이다. 배기 가스 처리 장치의 기재는 통상적으로, 비한정적으로 산화알루미늄, 이산화규소, 산화마그네슘, 지르코니아, 코디어라이트, 및 탄화규소 등의 취성의 방염성 세라믹 재료로 형성되는 일체식 구조물 등의 취성 재료를 포함한다.
다양한 공통의 세라믹 특성은 낮은 인성이다. 즉, 다양한 세라믹은 경질이거나 견고하거나, 또는 경질 및 견고하지만, 이 세라믹은 낮은 인성을 나타내고 또한 낮은 변형 레벨에서 파괴되는 경향이 있다. 이렇게 함으로써, 배기 가스 처리 장치가 통상적으로 받게 되는 기계적 부하 조건하에서 세라믹 구성품이 손상 또는 파괴되는 것으로 판명났다. 그리하여, 기재를 보호하기 위한 수단을 포함하는 것은 공통적이다.
하우징은 기재를 적어도 부분적으로 둘러싸는 중공체이다. 이 하우징은 기재를 손상시킬 수 있는 충격, 비틀림, 인장, 압축 또는 다른 기계적 부하로부터 기재를 보호한다. 어떠한 실시형태에 있어서, 하우징은 얇은 쉘을 포함한다. 하우징은 양호한 내열성 (높은 용융점 및 높은 내열성) 을 가진 재료를 포함한다. 배기 가스 처리 장치의 하우징을 포함하는 재료는, 일체식보다 낮은 내열성, 일체식보다 높은 열팽창계수, 및 일체식보다 높은 내충격성을 포함하는 일반적으로 연성 재료이다. 비한정적으로, 어떠한 실시형태에 있어서, 배기 가스 처리 장치의 하우징은 내온성이 높은 강 등의 금속 또는 금속 합금을 포함한다.
본원의 장착 시스템은 적어도 하나의 비교적 강성의 단열층과, 적어도 하나의 가요성 섬유 장착 매트를 포함할 수 있다.
단열층은 열전도도가 낮은 것을 특징으로 하는 재료층이다. 어떠한 다른 설계 공정에 따라, 배기 가스 처리 장치의 설계시, 중량 절감 및 공간 절감을 고려하여 비용과 균형을 이루어야 한다. 밀도가 낮거나 또는 체적이 작으며 또한 공간을 거의 차지하지 않는 재료가 바람직하다. 어떠한 실시형태에 있어서, 단열층은 낮은 밀도 및 작은 체적을 나타낸다. 어떠한 실시형태에 있어서, 단열층의 강성은 0.1 미만의 변형에 대하여 3 MPa ~ 5 MPa 이다. 도 6 에서는 단열층의 일실시형태에 대한 계수 대 변형의 일예를 나타낸다. 도 6 에서는, 0.1 미만의 변형에서, 단열층 (독일 켐프텐에 소재하는 Porextherm GmbH 로부터 구입가능한 WDS
Figure pat00001
Flexible Contour) 은, 영 (0) 에 근접한 계수를 가진 장착 매트 단독 및 영 (0) 에 근접한 계수를 가진 조합된 장착 시스템과 비교하여, 대략 4 MPa 의 계수를 가진다.
지지 시스템은, 이 지지 시스템을 포함하는 재료의 압축에 의해 형성되는 결합력을 제공한다. 다양한 재료는 압축가능하지만, 압축가능하고 실질적으로 탄성적인 재료만은 이러한 재료에 부여된 에너지를 결합력으로서 시스템에 복귀시킬 수 있다. 비강성 재료는 낮은 응력에서 큰 변형을 받고 또한 변형을 유발하는 에너지, 즉 변형 에너지를 포함한다. 비강성, 실질적으로 탄성인 재료는 낮은 응력에서 큰 변형을 받고, 변형 에너지를 포함하며, 이 변형 에너지의 실질적인 부분을 복원력으로서 복귀시킨다. 이러한 복원력은 장착력 또는 유지력에 기여한다. 강성 재료는 낮은 응력에서 작은 변형을 받고 또한 변형 에너지를 포함한다. 강성, 실질적으로 탄성인 재료는 낮은 응력에서 작은 변형을 받고, 변형 에너지를 포함하며, 이 변형 에너지의 실질적인 부분을 복원력으로서 복귀시킨다.
당해 장착 시스템은, 모든 층에 실질적으로 동일한 응력이 가해지도록 동시에 모든 기계적 부하를 받는 1 이상의 층의 재료를 포함한다. 이러한 종류의 부하를 "일련의 부하" 라고 한다. 일련의 부하시, 비강성 층은 더 큰 변형을 받아서 강성 층보다 더 큰 변형 에너지를 포함한다. 소정의 부하 사이클 동안 재료에 포함되는 변형 에너지의 양과 재료의 히스테리시스 부식간의 바람직한 관계로 인해, 강성 재료는 이 강성 재료를 비강성 재료와 일렬로 포함시킴으로써 어떠한 종류의 부식으로부터 보호될 수 있다. 어떠한 실시형태에 있어서, (장착 매트에 비하여) 강성 단열층은 비강성 장착 매트와 일렬로 장착 시스템에 포함된다.
단열층은, 낮은 열전도도를 나타내고 또한 실질적으로 비팽창성인 얇고 다소 가요적인 시트로서 이용가능한 일종류의 재료로부터 적어도 재료를 포함할 수 있다. 어떠한 실시형태에 있어서, 단열층은, 매우 낮은 열전도도를 나타내는 얇고 가요적인 시트를 포함하는 미세다공성 무기 단열층이다.
이러한 미세다공성 무기 단열부는 20℃ 및 약 350 ㎏/㎥ 의 밀도에서 약 0.021 W/mK 미만의 열전도도를 가진 얇고 가요적인 시트로서 이용가능하다. 어떠한 실시형태에 있어서, 단열층은 20℃ 및 약 350 ㎏/㎥ 에서 약 0.021 W/mK 미만의 열전도도를 나타내고 또한 약 1000℃ 미만의 온도에 대해서 0.055 W/mK 미만의 열전도도를 가진 얇고 가요적인 시트를 포함하는 미세다공성 단열부이다.
어떠한 실시형태에 있어서, 단열층은 20℃ 및 약 350 ㎏/㎥ 의 밀도에서 약 0.021 W/mK 미만의 열전도도를 나타내고 또한 1000℃ 미만의 온도에 대하여 0.055 W/mK 미만의 열전도도를 나타내며, 약 260 ㎏/㎥ ~ 약 520 ㎏/㎥ 체적 밀도를 가진 얇고 가요적인 시트를 포함하는 미세다공성 무기 단열부이다. 큰 밀도를 가진 미세다공성 무기 단열부는 기재의 외부면을 중심으로 둘러싸고 이에 일치되도록 충분히 가요적이면 허용가능할 수 있다. 어떠한 실시형태에 있어서, 이러한 특성을 가진 단열층은 약 3 ㎜ ~ 약 20 ㎜ 의 두께를 가진 얇고 가요적인 시트로서 이용가능하다.
어떠한 실시형태에 있어서, 단열층은 실질적으로 비압축성이다. 일종류의 미세다공성 무기 단열부는 약 350 ㎏/㎥ 의 밀도에서 표 1 에 도시된 바와 같은 압축 성능을 나타낸다. 표 1 에서, 기재된 압력은 기재된 온도에서 기재된 백분율로 재료를 압축하는데 필요한 압력이다.
Figure pat00002
미세다공성 무기 단열층은 미세하게 분리된 산화금속 및 불투명화제 (opacifier), 즉 적외선 복사를 최소화하는 재료를 포함하고; 선택적으로 유리 필라멘트 등의 보강 무기 섬유를 더 포함한다. 미리 설치된 형태의 무기 단열층은 폴리에틸렌 등의 중합 필름으로 밀봉될 수 있는데, 이 필름은 조성적인 측면보다는 경제성 및 기능성 측면에서 선택될 수 있다. 또한, 프로세싱을 고려하여 최소량의 유기 섬유 또는 입자가 미세다공성 단열층에 포함될 수 있다.
미세하게 분리된 산화금속은 발열성 실리카, 아크 실리카, 저알칼리 침강 실리카, 이산화규소 에어로겔, 유사하게 형성되는 산화알루미늄 및 이들의 혼합물 중 적어도 1 종을 포함할 수 있다. 일실시형태에 있어서, 미세하게 분리된 산화금속은 발연 실리카를 포함한다. 미세하게 분리된 산화금속은 약 50 ~ 약 700 ㎡/g, 특히 약 70 ~ 약 400 ㎡/g 의 BET 비표면적을 가진다.
미세다공성 단열층의 재료의 입자 크기는 열전달 메카니즘이 제어되도록 충분히 작다. 입자 및 섬유 재료는 직경이 약 0.1 미크론 미만, 공기의 평균 자유 경로 미만인 기공을 형성하는 크기로 된다. 이러한 기공에서의 공기의 양과 이동을 제한함으로써, 공기에 의한 전도 및 대류 열전달 둘 다가 제한되어, 열전도도를 저감시킨다.
불투명화제는 티탄철광, 이산화티타늄, 철(Ⅱ)/철(Ⅲ) 혼합 산화물, 이산화크롬, 산화지르코늄, 이산화망간, 산화철, 루틸 (rutile), 지르코늄 실리케이트, 탄화규소, 및 이들의 혼합물 중 적어도 1 종을 포함할 수 있다. 불투명화제는 약 15 미크론 미만, 어떠한 실시형태에서는 약 0.1 ~ 약 10 미크론 범위의 입자 크기를 가질 수 있다.
단열층의 보강 섬유는 광범위한 군의 재료를 포함할 수 있다. 재료의 군으로서는 미세다공성 입자를 접착 유닛에 유지하는데 필요한 구조물을 제공할 수 있는 어떠한 무기 섬유를 포함한다. 일부 실시형태에 있어서, 보강 섬유는 알루미늄 실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 암면 또는 이들의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 어떠한 실시형태에 있어서, 단열층의 보강 섬유는 직조 유리 섬유 또는 석영 섬유 중 적어도 1 종을 포함할 수 있고, 예를 들어 60 중량% 초과, 일부 실시형태에서는 90 중량% 초과의 SiO2 함량을 가진 고내온성 섬유, 실리카 섬유, R 유리로 만들어진 직조 섬유, S2 유리로 만들어진 직조 섬유, ECR 유리로 만들어진 직조 섬유, 및 알루미늄 실리케이트로 만들어진 섬유가 있다. 섬유의 직경은 약 1.5 미크론 초과일 수 있다.
Porextherm GmbH (독일 켐프텐에 소재) 로부터 상업적으로 구입가능한 단열 시트는 55 중량% HDK N25 고분산된 실리카 (BET 280 ㎡/g), 40 중량% 지르코늄 실리케이트, 320 ㎏/㎥ 밀도와 10 ㎜ 두께를 가진 5 중량% 직조 유리 섬유 (규소 함량 > 92%) 를 포함한다. 이러한 시트는 실질적으로 비압축성이다.
이러한 다른 미세다공성 무기 단열재로는 Porextherm GmbH (독일 켐프텐에 소재) 로부터 구입가능한 WDS
Figure pat00003
Flexible Contour 단열부이다. WDS
Figure pat00004
Flexible Contour 미세다공성 단열부 (WDS) 는 약 50% 실리카, 약 45% 지르코늄 실리케이트 및 약 5% 다른 재료를 포함하는 대표적인 재료로서, 저밀도 얇은 재료에서 전술한 낮은 열전도도를 나타내는 단열층으로서 사용될 수 있는 보강 유리 섬유를 포함한다. 비한정적으로, WDS
Figure pat00005
Flexible Contour 는 3 ㎜, 5 ㎜, 7 ㎜, 10 ㎜ 및 20 ㎜ 두께로 상업적으로 제조된다. 유사한 미세다공성 단열재는 Microtherm (테네시주 알코아에 소재) 로부터 구입가능하다.
미세다공성 무기 단열층은, 비한정적으로 장착 매트 등의 개재 구성품을 통하여 기재에 직접적으로 또는 간접적으로 결합한다. 단열층은 하우징과 기재 사이의 배기 가스 처리 장치안에 설치된다. 배기 가스 처리 장치의 다른 구성품 사이에 단열층을 배치하는 것은, 어떠한 구성품이 단열층의 기재측 (고온측) 인지 또한 어떠한 구성품이 단열층의 하우징측 (냉온측) 인지를 결정한다. 각각의 실시형태의 일부 장점에 대한 설명 및 시험 결과는 이하 기재되어 있다.
지지 또는 장착 매트는 실질적으로 탄성, 압축가능한 재료층이다. 장착 매트는 기재 및 적어도 간접적으로 배기 가스에 의해 가열되어, 대기 온도보다 높은 온도에서 작동할 수도 있다. 지지 또는 장착 매트는 통상적으로 실질적으로 탄성적이고 압축가능함을 유지하면서 승온 환경을 견딜 수 있는 재료를 포함한다. 장착 매트는, 예를 들어 S-유리와 같은 무정형 유리 섬유 등의 비교적 값싼 재료로부터, 예를 들어 고알루미나 세라믹 산화물 섬유 등의 보다 고가의 재료까지의 재료를 포함할 수 있다. 팽창성 재료뿐만 아니라 비팽창성 재료는, 장착 매트를 사용하는 적용 및 조건에 따라서 장착 매트에 사용되었고 계속 사용되고 있다.
매트는 실질적으로 탄성적이고 압축가능하기 때문에, 압축되면, 이 압축량에 실질적으로 비례하지만 항상 선형적이지는 않는 복원력을 제공한다. 비한정적으로, 장착 매트에 대한 비선형 응력-변형 반응 곡선의 일예가 도 5 에 도시된다. 도 5 에서는 비팽창성 매트에 대한 응력 대 변형 도표를 나타내고, 이러한 도표에서는 다이아몬드 점으로 경향을 나타내었다. 장착 매트는 도시된 3 개의 재료의 경향 (장착 매트 - 다이아몬드 점, 단열층 - 사각형 점 및 단열층을 구비한 장착 매트 - 삼각형 점) 이 적어도 강세를 나타낸다. 압축이 해제되면, 매트는 원래 크기로 실질적으로 되돌아온다. 매트가 100% 처음 크기로 되돌아올 필요는 없는데; 일부 소성 성능은 허용가능하고 매우 통상적이다.
장착 매트는 개재 구성품을 통하여 간접적으로 또는 직접적으로 기재와 결합하고, 하우징에 대하여 기재를 실질적으로 고정시킨다. 하우징과 기재 사이의 배기 가스 처리 장치에는 적어도 하나의 장착 매트가 배치된다. 설치된 장착 매트는, 하우징 및 기재상에 개재 구성을 통하여 간접적으로 또는 직접적으로 부하를 가하도록 압축된다. 전술한 바와 같이, 압축 부하의 양은 압축량에 실질적으로 비례한다. 법선력으로 인한 마찰력은 또한 압축양에 실질적으로 비례한다. 이러한 힘, 압축력 및 마찰력은, 함께 또는 별도로, 하우징에 대하여 기재를 실질적으로 고정시킨다. "실질적으로 고정시킨다" 는 것은, 기재가 하우징에 대하여 이동할 수 있는 크기가 매우 작은, 즉 유지력을 제공하는 재료의 최대 탄성 변형 한계 정도인 것을 의미한다. 어떠한 실시형태에 있어서, 유지력을 제공하는 재료의 최대 탄성 변형 한계는 재료 두께의 약 1% 이다. 어떠한 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 장착 매트는 기재 주변에 둘러싸이고, 선택적으로 다른 층이 기재 주변에 둘러싸이며 또한 기재상에 유지력을 제공하도록 하우징에 의해 압축된다.
섬유 장착 매트라는 용어는, 비한정적으로 세라믹 섬유 등의 고내온성 섬유를 주로 포함하는 적어도 하나의 시트 또는 층, 선택적으로 이러한 적어도 하나의 시트 또는 층 내부에 또는 추가의 시트 또는 층 내에 포함하는 적어도 하나의 시트 또는 층, 팽창성 재료, 보강 재료 등을 의미한다. 고내온성 섬유, 세라믹 섬유, 시트 또는 층은, 필요한 단열 및 기계적 지지를 부여하는 어떠한 형태로 제공되는, 제지, 블랭킷, 매트 또는 펠트 등의 다양한 형태일 수 있다.
어떠한 실시형태에 있어서, 섬유 장착 매트는 뉴욕 나이아가라 폭포에 소재하는 Unifrax I LLC 로부터 구입가능한 Fiberfrax
Figure pat00006
제지를 포함할 수 있다. 이러한 생성물은 대량의 알루미노-실리케이트 섬유 및 미량의 유기 라텍스 바인더로 만들어진다. 기재 일체물의 높은 온도에 대하여, Unifrax 로부터 이용가능한 Fiberfrax
Figure pat00007
다결정질 멀라이트 세라믹 섬유 또는 알루미나 섬유로 제조되는 제지를 사용할 수 있다. 사용될 수 있는 다른 세라믹 섬유로는, 현무암 (basalt), 산업용 용융 슬래그, 알루미나, 지르코니아, 지르코니아-실리케이트, 알루미노-실리케이트 및 크롬, 지르콘 및 칼슘 개질 알루미노-실리케이트 등으로부터 형성되는 섬유를 포함한다.
팽창성 재료는 비팽창된 질석, 하이드로흑운모 (hydrobiotite), 수팽창성 4 규소 플루오르 운모 (tetrasilicic fluorine mica), 알칼리 금속 실리케이트 또는 팽창가능한 흑연 중 적어도 하나를 포함할 수 있고 또한 원하는 정도의 습윤 강도를 제공하도록 유기 및/또는 무기 바인더를 사용하여 시트로 형성될 수 있다. 팽창성 재료의 시트는 미국특허 제 3,458,329 호에 기재된 바와 같이 표준 제지 형성 기법으로 제조될 수 있다.
가요성, 탄성적, 팽창성 섬유 장착 매트는, 핸드시트 몰드, Fourdrinier 제지 기계 또는 rotoformer 제지 기계 등을 사용함으로써, 종래의 제지형성 공정, 핸드 레이드 (hand laid) 또는 머신 레이드 (machine laid) 를 포함하는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 장착 매트 구성품을 포함하는 응집된 수성 슬러리는 대부분의 물을 제거하도록 압축된 후, 이 매트는 건조된다. 이러한 공정은 당업자에 의해 잘 알려져 있다.
다른 실시형태에 있어서, 가요성, 섬유 장착 매트는 고내온성 섬유 및 바인더로 된 실질적으로 비팽창성 복합재 시트를 포함할 수 있으며, 팽창성 재료가 실질적으로 없다. "실질적으로 비팽창성" 이라는 것은, 시트의 열팽창 계수에 기초하여 시트에서 일부 팽창이 발생하더라도 이러한 시트에서는 팽창성 제지에서 기대되는 바와 같이 열을 가하면 쉽게 팽창하지 않는다는 것을 의미한다.
비팽창성 장착 매트에 유용한 세라믹 섬유를 포함하는 고내온성 섬유로는 멀라이트, 알루미나, 고알루미나 알루미노실리케이트, 알루미노실리케이트, 지르코니아, 티타니아, 산화크롬 등의 다결정질 산화물 세라믹 섬유를 포함한다. 이를 제조하는 적절한 다결정질 산화물 내화성 세라믹 섬유 및 방법은 미국특허 제 4,159,205 호 및 제 4,277,269 호에 기재되어 있다. FIBERMAX
Figure pat00008
다결정질 멀라이트 세라믹 섬유는, 뉴욕 나이아가라 폭포에 소재하는 Unifrax I LLC 로부터 블랭킷, 매트 또는 제지 형태로 이용가능하다. 비팽창성 장착 매트에 사용되는 섬유는 실질적으로 무쇼트 (shot free), 쇼트 함량이 매우 낮거나, 일반적으로 명목상 약 5% 이하 정도일 수 있다. 이러한 섬유의 직경은 일반적으로 약 1 미크론 ~ 약 10 미크론일 수 있다.
비팽창성 장착 매트에 사용되는 바인더는 통상적으로 원래 희생적일 수 있는 유기 바인더이다. "희생" 이라는 것은, 유기 바인더가 결국에 장착 매트 중에서 연소되어, 최종 장착 매트로서 섬유만을 남겨둘 수 있다는 것이다. 적절한 바인더로는 수성 및 비수성 바인더를 포함하지만, 종종 사용되는 바인더는 반응성 열 경화 라텍스이다. 예로서는, 비한정적으로, 아크릴, 스티렌-부타디엔, 비닐피리딘, 아크릴로니트릴, 비닐 클로라이드, 폴리우레탄 등으로 된 수계 라텍스를 포함한다. 다른 수지로는 불포화 폴리에스테르, 에폭시 수지 및 폴리비닐 에스테르 등의 저온, 가요성 열경화성 수지를 포함한다. 바인더용 용매로는 물 또는 사용되는 바인더용 아세톤 등의 적절한 유기 용매를 포함할 수 있다. 유사하게, 비팽창성 장착 매트는 전술한 바와 같이 종래의 제지형성 기법으로 형성될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 고지수 (high index), 용융 형성된 알루미노실리케이트 섬유는 980℃ 의 멀라이트 결정화 온도 이상의 온도, 예를 들어 990℃ ~ 약 1400℃ 범위의 온도에서, 특정량의 결정화도와 결정립 크기를 얻도록 제어된 방식으로 열처리되어, 촉매 변환기 장착 매트 형태의 섬유 성능을 향상시킨다. 어떠한 실시형태에 있어서, 이러한 섬유는 x 선 회절로 검출된 바와 같이 적어도 약 5% ~ 약 50% 결정화도 및 약 50Å ~ 약 500Å 의 결정립 크기를 갖는다.
또 다른 실시형태에 있어서, 저온 배기 가스 처리 장치에서 기재를 위한 가요성, 섬유, 비팽창성 장착 매트는 고내온성, 무정형, 무기 섬유 및 선택적으로 바인더를 포함한다. 섬유는 최대 약 1260℃ 의 사용 온도, 약 20×106 psi 의 영계수, 및 약 5 ㎛ 미만의 기하학적 평균 직경을 가질 수 있다.
섬유는 무정형 알루미나/실리카 섬유, 알루미나/실리카/마그네시아 섬유 (오하이오주 톨레도에 소재하는 Owens Corning 으로부터의 S-2 유리 등), 광물면 (mineral wool), E-유리 섬유, 뉴욕 나이아가라 폭포에 소재하는 Unifrax I LLC 로부터의 ISOFRAX
Figure pat00009
섬유 등의 마그네시아-실리카 섬유, 뉴욕 나이아가라 폭포에 소재하는 Unifrax I LLC 로부터의 INSULFRAX
Figure pat00010
섬유 등의 칼시아-마그네시아-실리카 섬유, 또는 Thermal Ceramics Company 로부터의 SUPERWOOLTM 섬유 중 적어도 1 종을 포함할 수 있다.
알루미나/실리카 섬유는 통상적으로 약 45% ~ 약 60% Al2O3 및 약 40% ~ 약 55% SiO2 를 포함하고; 이 섬유는 약 50% Al2O3 및 약 50% SiO2 를 포함한다. 알루미나/실리카/마그네시아 유리 섬유는 통상적으로 약 64% ~ 약 66% SiO2, 약 24% ~ 약 25% Al2O3, 및 약 9% ~ 약 10% MgO 를 포함한다. E-유리 섬유는 통상적으로 약 52% ~ 약 56% SiO2, 약 16% ~ 약 25% CaO, 약 12% ~ 약 16% Al2O3, 약 5% ~ 약 10% B2O3, 최대 약 5% MgO, 최대 약 2% 산화나트륨과 산화 칼륨, 및 미량의 산화철과 불화물을 포함하고, 통상적인 조성은 55% SiO2, 15% Al2O3, 7% B2O3, 3% MgO, 19% CaO 및 미량의 전술한 재료이다.
생분해성 마그네시아-실리카 섬유는 통상적으로 약 69% ~ 약 86% SiO2, 약 14% ~ 약 35% MgO, 0% ~ 약 7% ZrO 를 포함한다. 마그네시아-실리카 섬유에 대한 더 많은 정보는 미국특허 제 5,874,375 호에서 알 수 있다. 생분해성 칼시아-마그네시아-실리카 섬유는 통상적으로 약 15% ~ 약 35% CaO, 약 2.5% ~ 약 20% MgO 및 약 60 ~ 약 70% SiO2 를 포함한다.
생분해성 섬유는 통상적으로 용융 형성될 수 있는 무정형 무기 또는 유리 섬유이고, 높은 화학적 순도 (chemical purity) (약 98% 초과) 의 섬유이며, 약 1 ~ 약 10 ㎛ 범위, 어떠한 실시형태에서는 약 2 ~ 4 ㎛ 범위의 평균 직경을 가질 수 있다.
선택적으로, 이러한 비팽창성 장착 매트는 약 5 ~ 약 10% 바인더를 포함한다. 적절한 바인더는 수성 및 비수성 바인더 또는 경화 후에 최대 적어도 약 350℃ 에서 안정적인 가요성 재료인 반응성 열경화 라텍스를 포함한다.
어떠한 실시형태에 있어서, 가요성 섬유 장착 매트는 실리카 함량이 높은 용융 형성된 무정형 고내온성 침출된 유리 섬유로 된 하나 이상의 비팽창성 파일 (piles) 을 포함하고, 선택적으로 바인더 또는 바인더로서 작용하는데 적절한 다른 섬유를 포함한다. 일반적으로, 침출된 유리 섬유는 적어도 67 중량% 의 실리카 함량을 가진다. 어떠한 실시형태에 있어서, 침출된 유리 섬유는 약 90 중량% ~ 99 중량% 미만의 실리카를 포함한다. 섬유는 또한 실질적으로 무쇼트이다. 이러한 침출된 유리 섬유의 평균 섬유 직경은 적어도 약 3.5 미크론 초과일 수 있고 또한 적어도 약 5 미크론 초과일 수 있다. 평균적으로, 유리 섬유는 통상적으로 약 9 미크론, 최대 약 14 미크론의 직경을 가진다.
촉매 변환기 또는 다른 공지된 가스 처리 장치용 장착 매트를 제조하는데 사용하기에 적절한, 실리카 함량이 높은 침출된 유리 섬유의 예로는, 독일 BelChem Fiber Materials GmbH 로부터의 상표명 BELCOTEX 및 캘리포니아주 가데나에 소재하는 Hitco Carbon Composites, Inc. 로부터의 상표명 REFRASIL 로 구입가능한 침출된 유리 섬유를 포함한다.
어떠한 실시형태에 있어서, S2-유리 등의 섬유 또는 알루미나/실리카 섬유 등의 내화성 세라믹 섬유는 100 중량% 전체 매트에 기초하여 0 초과 ~ 약 50 중량% 양으로 장착 매트에 첨가될 수 있다. 장착 매트는 바인더를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다.
어떠한 실시형태에 있어서, 실리카 함량이 높은 용융 형성된 침출 유리 섬유는 이 섬유 표면의 적어도 일부에 무기 입자 재료를 도포함으로써 표면 처리를 받게 되고, 그 결과 섬유를 포함하는 장착 매트의 유지압 성능을 증가시킨다. 유용한 무기 입자 재료는, 비한정적으로, 알루미나, 실리카, 지르코니아 및 이들의 혼합물의 콜로이드 분산물을 포함한다.
배기 가스 처리 장치의 취성 기재용 가요성 섬유 장착 매트는 미국특허 제 4,863,700 호, 제 5,032,441 호, 제 5,384,188 호, 제 5,482,686 호, 제 5,580,532 호, 제 5,666,726 호, 제 5,811,063 호, 제 6,231,818 호, 제 6,855,298 호, 제 7,033, 412 호 및 미국특허출원공보 제 2006/0008395 호에 기재되어 있다.
장착 매트는 1 개 이상의 팽창성 섬유 매트만 또는 1 개 이상의 비팽창성 섬유 매트만 뿐만 아니라 적어도 1 개의 팽창성 매트 및 적어도 1 개의 비팽창성 매트 또는 층의 조합을 하이브리드 매트 (hybrid mat) 내에 포함할 수 있다.
추가적으로, 별도의 장착 매트는, 예를 들어, 비한정적으로 기재에 근접한 적어도 1 개의 팽창성 매트 및 하우징에 근접한 적어도 1 개의 비팽창성 매트 등의 미세다공성 단열층의 한면과 접촉할 수 있다.
대기 온도에서부터 작동 온도까지의 배기 가스 처리 장치의 사이클에 따라, 배기 가스 처리 장치를 포함하는 구성품은 개별 작동 온도에 도달한다. 배기 가스 처리 장치의 어떠한 소정의 구성품에 대한 작동 온도는 이 장치 자체의 작동 온도보다 낮을 수 있는데, 그 이유는 일부 구성품은 고온의 구성품과 격리되어 있기 때문이다. 구성품이 가열되면, 이 구성품은 그 열팽창계수에 비례하여 팽창한다.
이러한 팽창으로 구성품의 변형 상태를 변경시킨다. 모든 구성품이 동일한 열적 변형을 받지 않기 때문에, 열적 변형은 구성품의 간섭력 (interference forces) 을 변경시킨다. 즉, 구성품의 변형 상태의 변경은 이 구성품의 대응하는 응력 상태의 변경 및 이 구성품 및 이와 결합하는 다른 구성품간의 힘을 최종적으로 변경시키게 된다.
어떠한 실시형태에 있어서, 단열층은 기재와 직접적으로 결합하도록 배치되고, 섬유 장착 매트는 단열층에 걸쳐 배치되어 단열층과 직접적으로 결합하며, 하우징은 장착 매트에 걸쳐 배치되어 이 장착 매트와 직접적으로 결합한다. 다른 실시형태에 있어서, 섬유 장착 매트는 기재와 직접적으로 결합하도록 배치되고, 단열층은 장착 매트에 걸쳐 배치되어 이 장착 매트와 직접적으로 결합하며, 하우징은 단열층에 걸쳐 배치되어 단열층과 직접적으로 결합한다.
기재와 장착 매트 사이에 단열층이 위치되는 실시형태에 있어서, 단열층은, 기재 및 이 기재로부터 유동하는 열로부터, 장착 매트 및 단열층의 냉온측에 설치되는 모든 다른 구성품 (냉온측 구성품) 을 단열시켜, 장착 매트 및 다른 냉온측 구성품에 대하여 기재의 작동 온도보다 낮은 작동 온도로 개선시킨다.
대기 온도가 섬유 장착 매트의 작동 온도보다 낮기 때문에, 장착 매트의 작동 온도 및 다른 냉온측 구성품의 작동 온도를 낮게 개선시킴으로써, 어떠한 소정의 작동 사이클 동안 장착 매트 및 다른 냉온측 구성품에 의해 받게 되는 온도 변화 크기 및 최대 온도 둘 다를 저감시킨다. 온도 변화 크기의 저감으로, 장착 매트 및 냉온측 구성품의 열적 변형의 변화 크기를 이에 대응하여 저감시킨다. 이러한 구성품의 변형 상태의 변경으로 구성품의 응력 상태의 대응하는 변경 및 이러한 구성품 및 이 구성품과 결합하는 다른 구성품간의 힘의 최종 변경을 유발하기 때문에, 구성품의 열적 변형의 변경 크기를 저감시킴으로써, 이러한 구성품 및 이 구성품과 결합하는 다른 구성품간의 힘의 변경을 저감시킨다.
기재는 다른 구성품에 의한 압축으로부터 유발되는 장착력에 의해 위치 유지된다. 이러한 장착력은 설계 상한 및 하한을 받게 된다. 상한은 기재를 손상시키는데 필요한 힘이고; 장착력은 기재를 손상시키는데 충분하지 않다. 하한은 기재를 사용하는 최대 변형력이고; 장착력은 사용중 모든 변형력에 대하여 기재를 위치 유지시키는데 적어도 충분하다. 전술한 바와 같이, 열적 변형은 작동 과정 중에 유발되는 실제 장착력을 변동시킬 수 있다. 장창력을 유발하는 구성품을 단열시킴으로써, 구성품과 기재간의 장착력의 변경 크기에 따라 이러한 구성품의 열적 변형의 변경 크기가 저감된다. 다른 구성품과 기재간의 장착력의 변경 크기를 저감시킴으로써, 장착력을 그 설계 한계내에 유지하는 것이 간단해진다.
기재와 단열층 사이에 섬유 장착 매트가 위치되는 실시형태에 있어서, 단열층은 대기 환경으로부터 장착 매트를 단열시키고 또한 다른 경우보다 장착 매트 작동 온도를 더 높게 한다. 어떠한 실시형태에 있어서, 섬유 장착 매트는 팽창성 재료를 더 포함할 수 있다. 장착 매트가 팽창성 재료를 포함하는 이러한 실시형태에 있어서, 기재와 단열층 사이에 장착 매트를 위치시킴으로써, 장착 매트의 작동 온도를 팽창성 재료에 반응하여 팽창을 유발하기에 충분히 높아지도록 한다.
이러한 시스템은 도 2 및 도 3 에 도시된 대표적인 실시형태를 참조하여 이하 설명된다. 도 2 및 도 3 에 도시된 실시형태는 단지 설명하기 위한 것으로 기재 장착 시스템 또는 배기 가스 처리 장치를 어떠한 방식으로 한정하고자 하는 것이 아님을 알아야 한다.
도 2 를 참조하면, 배기 가스 처리 장치 (210) 의 단면이 도시되었다. 배기 가스 처리 장치 (210) 는 기다란 기재 (211) 를 포함하고, 이 기재를 통하여 배기 가스가 축방향으로 유동한다. 미반응 배기 가스 (218) 가 기다란 기재 (211) 의 제 1 단부에 유입한다. 배기 가스는 기다란 기재 (211) 의 본체 내부에서 처리된다. 처리된 배기 가스 (219) 는 기다란 기재 (211) 의 제 2 단부를 나온다. 기다란 기재 (211) 는 외부면 (211a) 을 포함하는데, 이 외부면의 적어도 일부는 실질적으로 기다란 기재 (211) 을 중심으로 둘러싸인 단열층 (212) 에 의해 직접적으로 결합될 수 있다. 단열층 (212) 은 외부면 (212a) 을 포함하는데, 이 외부면의 적어도 일부는 실질적으로 단열층 (212) 을 중심으로 둘러싸인 섬유 장착 매트 (213) 에 의해 직접적으로 결합될 수 있다. 장착 매트 (213) 는 외부면 (213a) 을 포함하는데, 이 외부면은 장착 매트 (213) 를 포위하는 쉘 (214) 에 의해 직접적으로 결합될 수 있다. 쉘 (214) 은 대기 환경 (215) 에 노출되는 외부면 (214a) 을 구비한다.
도 3 을 참조하면, 배기 가스 처리 장치 (320) 의 단면이 도시되었다. 배기 가스 처리 장치 (320) 는 기다란 기재 (321) 를 포함하고, 이 기재를 통하여 배기 가스가 축방향으로 유동한다. 미반응 배기 가스 (328) 가 기다란 기재 (321) 의 제 1 단부에 유입한다. 배기 가스는 기다란 기재 (321) 의 본체 내부에서 처리된다. 처리된 배기 가스 (329) 는 기다란 기재 (321) 의 제 2 단부를 나온다. 기다란 기재 (321) 는 외부면 (321a) 을 포함하는데, 이 외부면의 적어도 일부는 실질적으로 기다란 기재 (321) 을 중심으로 둘러싸인 섬유 장착 매트 (323) 에 의해 직접적으로 결합될 수 있다. 선택적으로, 기다란 기재는 1 개 이상의 밀봉 링 (330) 에 의해 결합된다. 장착 매트 (323) 는 외부면 (323a) 을 포함하는데, 이 외부면은 적어도 실질적으로 장착 매트 (323) 를 중심으로 둘러싸인 단열층 (322) 에 의해 직접적으로 결합된다. 단열층 (322) 은 외부면 (322a) 을 포함하는데, 이 외부면은 단열층 (322) 을 포위하는 쉘 (326) 에 의해 직접적으로 결합된다. 쉘 (326) 은 대기 환경 (327) 에 노출되는 외부면 (326a) 을 구비한다.
독일 켐프텐에 소재하는 Porextherm GmbH 로부터 구입가능한 WDS
Figure pat00011
Flexible Contour 의 샘플, 미세다공성 무기 단열층 재료을 사용하고 또한 통상적인 팽창성 및 통상적인 비팽창성 섬유 장착 매트 재료의 샘플을 사용하여 시험을 실시하였다. ASTM-C177 에 따른 시험은 섬유 장착 매트 재료 및 당해 단열층 재료 각각에 대하여 실시되었다. 3 개의 재료 각각에 대하여 온도에 대한 열전도도 관련 데이터가 형성되었다. 그 결과 데이터는 도 4 에서 그래프로 도시하였다. 요약하면, 300 ~ 1000℃ 범위의 온도에서, 미세다공성 무기 단열층 재료 (라벨선 43) 는 항상 0.055 W/mK 미만의 열전도도를 가지고, 한편 두 개의 섬유 장착 매트 재료, 즉 통상적인 팽창성 재료 (라벨선 41) 와 통상적인 비팽창성 재료 (라벨선 42) 는 항상 0.080 W/mK 초과의 열전도도를 가진다. 당해 단열층 재료는 모든 온도에서 두 개의 장착 매트 재료보다 우수한 단열재이다.
장착 매트는 1 개 이상의 팽창성 섬유 매트만 또는 1 개 이상의 비팽창성 섬유 매트만 뿐만 아니라 적어도 1 개의 팽창성 매트 및 적어도 1 개의 비팽창성 매트 또는 층의 조합을 하이브리드 매트 내에 포함할 수 있다. 추가적으로, 적어도 1 개의 장착 매트는, 예를 들어, 비한정적으로 기재에 근접하게 배치되는 적어도 1 개의 팽창성 매트 및 하우징에 근접하게 배치되는 적어도 1 개의 비팽창성 매트 등의 미세다공성 단열층의 양면과 접촉할 수 있다.
고온면/냉온면 시험 :
섬유 장착 매트 및 미세다공성 단열층을 포함하는 샘플 및 미세다공성 단열층이 없는 섬유 장착 매트를 포함하는 샘플에 대하여 고온면/냉온면 측정 시험이 실시되었다. 시험에 대해서는 이하 기재한다. 시험에서는, 장착 시스템의 최종 냉온면상의 미세다공성 무기 단열층의 존재 효과를 나타낸다.
기재는 비팽창성 매트 또는 미세다공성 단열부와 비팽성 매트의 조합을 포함하는 장착 시스템의 하우징에 수용된다. 이러한 시스템은 동일한 대략 하우징-기재 틈 및 유사한 틈의 체적 밀도를 가진다. 매트와 기재 사이의 경계면은 저항 가열 부재를 사용하여 950℃ 까지 가열된다. 이 시스템은 1 시간 동안 950℃ 에서 침지되고 하우징 표면에 용접된 열전대를 사용하여 냉온면의 온도를 관찰한다. 그 결과는 2 개의 시스템의 평균이다. 표 2 에 결과를 도시한다.
Figure pat00012
시험에서는 미세다공성 무기 단열층에서 상당한 단열 장점을 나타내고; 미세다공성 무기 단열층은 냉온면 온도를 낮게 개선시킨다.
사이클릭 시험 :
전술한 바와 같이, 장착 시스템이 그 수명 동안 견디는 온도 사이클은 어떠한 장착 시스템에 의해 형성되는 장착력에 역효과를 준다. 이러한 현상을 총체적으로 형성하는 여러 가지 기구를 조사하지 않고서도, 이러한 현상은 어떠한 장착 매트가 받게 되는 다수 및 큰 폭의 온도 사이클과 관련 있다. 그 결과, 전술한 바와 같이, 어떠한 비팽창성 장착 매트를 미세다공성 무기 단열층의 냉온측에 배치함으로써, 성능에 역효과를 줄 수 있는 온도 크기를 저감시켜 사이클 기능성을 크게 개선시킬 수 있다.
미세다공성 단열부의 존재가 장착 시스템의 성능에 미치는 영향을 결정하기 위해서 1000 사이클 시험을 실시한다. 각각의 시험에서, 시험되는 재료층은 시험 장비의 상부 및 하부 플래튼 사이에서 500 kPa 의 일정한 최대 압력 (Pmax) 으로 압축된다. 500 kPa 응력 부하를 적용함으로써 유발되는 틈의 폭은 " 시험 틈" 이다. 유한 요소 열적 해석 모델을 사용하여, "틈의 열 팽창" 을 산출하여 대기에서부터 작동 온도까지의 열적 변경으로 인해 예상되는 틈의 폭 변경을 예측한다. 산출된 틈의 열 팽창 폭을 시험 틈의 폭에 추가하여, "팽창된 틈" 의 폭을 산출한다. 상부 및 하부 플래튼은 고온면 및 냉온면 온도와는 별개로 각각 가열된다. 소망하는 온도에 도달하자마자, 이 틈은 시험 틈과 팽창된 틈 사이에서 1000 번 순환된다. 1000 번째 사이클에서 팽창된 틈에서 측정되는 압력을 표 3 에서 Pmin,1000 값으로 나타내었다.
미세다공성 단열부는 쉘 온도 및 틈 팽창 크기를 실질적으로 저감시킨다. 시험 조건과 결과를 이하의 표 3 에 기재하였다.
Figure pat00013
장착 시스템에 의해 생성되는 장착압에서 장착 성능이 측정된다. 1000 사이클 이후에, 비팽창성 섬유 장착 매트만으로 이루어진 장착 시스템에서는 15.1 kPa 의 장착력을 형성하고, WDS 단열부만으로 이루어진 장착 시스템에서는 14.8 kPa 의 장착력을 형성하며, 한편 비팽창성 매트와 WDS 단열층으로 이루어진 장착 시스템에서는 99.8 kPa 의 장착력을 형성한다. 이러한 데이터에서는, 장착 시스템에 전술한 바와 같이 미세다공성 무기 단열 재료를 개재함으로써 온도 사이클링에 대한 역효과를 저감시키는 것으로 나타났다.
본 시스템은 다양한 도면에 도시된 바와 같이 다양한 실시형태와 관련하여 기재하였지만, 다른 유사한 실시형태가 사용될 수 있거나, 본원에 기재된 동일한 기능을 수행하도록 이로부터 벗어나지 않는 한 전술한 실시형태에 변형 및 추가를 할 수 있음을 이해해야 한다. 게다가, 다양한 대표적인 실시형태는 원하는 결과를 얻도록 조합될 수 있다. 그리하여, 기재 장착 시스템 및 배기 가스 처리 장치는 어떠한 하나의 실시형태에 한정되지 않지만 첨부된 청구범위 따른 범위 및 정신내에서 구성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 취성 기재의 적어도 일부와 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 미세다공성 무기 단열층과,
    취성 기재의 적어도 일부와 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 하나 이상의 가요성 섬유 장착 매트를 포함하고,
    상기 무기 단열층은 (i) 미세하게 분리된 산화금속 및 불투명화제; 또는 (ii) 미세하게 분리된 산화금속, 불투명화제 및 보강 무기 섬유를 포함하는, 배기 가스 처리 장치의 취성 기재용 지지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 미세하게 분리된 산화금속은 발열성 실리카, 아크 실리카, 저알칼리 침강 실리카, 이산화규소 에어로겔, 발열성 산화알루미늄, 아크 산화알루미늄, 저알칼리 침강 산화알루미늄, 산화알루미늄 에어로겔 및 이들의 혼합물 중 적어도 1 종을 포함하는 지지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 불투명화제는 티탄철광, 이산화티타늄, 철(Ⅱ)/철(Ⅲ) 혼합 산화물, 이산화크롬, 산화지르코늄, 이산화망간, 산화철, 루틸, 지르코늄 실리케이트, 탄화규소, 및 이들의 혼합물 중 적어도 1 종을 포함하는 지지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 보강 섬유는 알루미늄 실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 암면, 직조 유리 섬유, 석영 섬유 또는 이들의 조합물 중 적어도 1 종의 섬유를 포함하는 지지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 무기 단열층은 (i) 이산화규소 및 지르코늄 실리케이트; 또는 (ii) 이산화규소, 지르코늄 실리케이트 및 보강 유리 필라멘트를 포함하는 지지 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 무기 단열층은 20℃ ~ 800℃ 온도에 대하여 0.8 KJ/㎏K 의 비열용량, 또는 1000℃ 미만의 평균 온도에 대하여 0.055 W/mK 미만의 열전도도를 가지는 지지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 무기 단열층은 0.02 미만의 변형에 대하여 3 MPa 초과의 탄성 계수를 가지고 또한 260 ㎏/㎥ 이상의 체적 밀도를 가지는 지지 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 지지 시스템과 취성 기재를 포함하는 배기 가스 처리 장치로서, 취성 기재, 미세다공성 무기 단열층 및 하나 이상의 섬유 장착 매트를 포위하는 금속 하우징을 더 포함하는 배기 가스 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 무기 단열층은 취성 기재와 직접적으로 결합하고; 상기 하나 이상의 섬유 장착 매트는 무기 단열층과 하우징 사이에 배치되는 배기 가스 처리 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 하나 이상의 섬유 장착 매트는 취성 기재와 직접적으로 결합하는 배기 가스 처리 장치.
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