KR20180050100A - 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치 - Google Patents

정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치 에 관한 것으로서, 본 발명의 제1측면에 따르면, 금속전열확산판; 상기 전열확산판 적어도 일 면에 부착 형성되는 하나 이상의 정온 발열체; 및 상기 전열확산판 및 상기 정온 발열체 외면에 코팅되는 절연층;을 제공한다.

Description

정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치{HEATING APPARATUS FOR REDUCTANTS OF SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM INCLUDING HEATING ELEMENTS OF A CONSTANT TEMPERATURE}
본 발명은 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치에 관한 것으로서, 수치해석 기법을 사용하여 최적화 시킬 수 있는 환원제 히팅 장치의 모형, 환원제 히팅 장치 절연층의 두께 등을 확보하고, 저온 환경에서 빙결된 우레아를 효율적으로 해동하기 위한 환원제 히팅 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진은 압축비가 높아 열효율이 우수하며, CO2의 배출량이 낮은 특성이 있다. 그러나 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질(Particulate Matter) 질소산화물(NOx) 등의 배출량이 많다. 그래서 디젤 엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상 물질, 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), DPF(Diesel Particulate matter Filter), SCR(Selective Catalyst Reduction) 및 LNT(Lean NOx Trap) 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
엔진 연소개선의 관점에서 EGR(Exhaust Gas Recirculation)만으로는 강화되는 배기규제를 만족시키기 어려운 실정이므로 다양한 후처리 장치가 개발되고 있다. 2014년부터 시행중인 승용 디젤 자동차의 배출가스 규제 EURO Ⅵ와 같이 갈수록 엄격해지는 배기 규제에 대응하기 위해 적용하고 있는 후처리 기술에는 LNT(Lean NOx Trap), HC-SCR, Urea-SCR이 있다. 이 중 Urea-SCR 시스템은 넓은 온도 범위에서 높은 NOx 정화 성능을 가지며, 강화되는 배기규제에 대응할 수 있는 가장 효과적인 수단이고, 연비에 미치는 영향이 적어 가장 효과적인 NOx 후처리 장치이다. Urea-SCR 시스템의 환원제로 사용되는 우레아는 물과 요소수 32.5 % 를 혼합한 용액으로, 약 -11 ℃ 이하에서 동결하는 특징이 있다. 겨울철 기온이 -20 ℃ 이하로 내려가는 북미 및 북유럽의 일부 지방의 경우, 우레아의 온도가 동결점 이하로 내려가 우레아가 동결되는 문제가 발생한다. 따라서, Urea-SCR 시스템의 원활한 구동을 위해서 동결된 우레아를 짧은 시간 이내에 해동하여 분사에 필요한 양을 확보해야 한다.
종래에서는 대형 디젤엔진에 장착하는 Urea-SCR 시스템에 관한 연구가 주를 이루고 있어, 동결 우레아를 해동하기 위한 수단으로 엔진 냉각수를 이용하거나, 전기히터를 주로 사용했다. 하지만 엔진 냉각수나 전기 히터를 가열원으로 사용하면, 승용차와 같이 설치 공간이 제한된 장치에서는 제약을 받을 수 있고, 장치가 부식될 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 본 발명의 목적은 동결된 우레아를 단시간 내에 효율적으로 해동할 수 있는 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1측면에 따르면, 금속전열확산판; 상기 전열확산판 적어도 일 면에 부착 형성되는 하나 이상의 정온 발열체; 및 상기 전열확산판 및 상기 정온 발열체 외면에 코팅되는 절연층;을 제공한다.
상기 전열확산판은, 상기 정온 발열체가 부착 형성되는 제 1 전열확산판; 및 상기 제 1 전열확산판 중앙에서 교차하여 형성되는 제 2 전열확산판;을 포함하는 것일 수 있다.
상기 전열확산판은, 상기 제 1 전열확산판 및 상기 제 2 전열확산판의 말단과 연결되어 원통형 외주 또는 상기 외주의 일부를 형성하는 제 3 전열확산판을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 정온 발열체는, 짝수 개이고, 상기 제 1 전열확산판 중앙을 기준하여 대칭으로 이격 형성되는 것일 수 있다.
상기 제 1 전열확산판은, 상기 정온 발열체가 부착 형성되는 면의 타면 상에 짝수 개이며 상기 제 1 전열확산판에 수직하고, 상기 제 1 전열확산판 중앙을 기준하여 대칭으로 이격 형성되는 보조 전열확산판을 포함하는 것일 수 있다.
상기 정온 발열체는 PTC 열전소자, 탄소섬유 발열체, 탄소 면상발열체, 금속박막 면상발열체, 카본블랙 후막 면상발열체 및 카본블랙 고분자 면상발열체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 절연층은 UDPE(ultra density polyethylene), HDPE(high density polyethylene), LDPE(low density polyethylene), LLDPE(linear low density polyethylene), MDPE(medium density polyethylene), PVC(polyvinyl chloride) 및 PP(polypropylene)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 절연층의 두께는 0.7 mm 초과 3.0 mm 미만인 것일 수 있다.
본 발명의 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치는 정온 발열체를 전열확산판에 부착한 환원제 히팅 장치에 관한 것으로, 전기 에너지를 최소로 사용하고, 소형 사이즈로 공간의 제약이 크게 작용하지 않으며, 장치의 부식이 방지되고, 높은 전기 절연 특성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 히팅 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 히팅 장치의 해동 성능을 수치해석 기법으로 검정하기 위한 실험 장치(a) 및 수치해석 기법에 이용되는 수치계산 격자(b)를 도시한 도면이다.
도 3은 실제 히팅 장치를 이용하여 측정한 온도 측정 실험 결과와 본 발명에서 적용하는 수치해석 기법을 통해 얻은 온도 결과를 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 외주(a) 또는 상기 외주의 일부(b, c)를 형성하는 제 3 전열확산판이 형성된 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 히팅 장치의 구동 시간에 따른 주변 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연층의 두께별로 시간에 따른 해동량을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 각 실시예(S1 내지 S3) 별 시간에 따른 해동량 값을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 히팅 장치를 나타낸 도면이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 환원제 히팅 장치의 해동에 미치는 영향을 확인하기 위한 비교 모델이 도시되어 있다. 상기 종래의 히팅 장치는 본 발명의 실시예에서 제공하는 환원제 히팅 장치의 해동 특성을 비교하기 위한 비교예로서 사용되는 것으로, 본 발명과 다르게 원통형의 외주를 포함하지 않는 것이다.
본 발명에서는 실시예로 제공하는 환원제 히팅 장치의 해동 특성을 분석하기 위하여 3차원 비정상상태 조건의 수치해석 기법을 도입하여 사용하였으며, 이러한 수치해석 기법은 우레아 해동을 위한 형상을 수치해석하여 최적의 발열판의 모형 및 코팅 두께를 찾아내기 위해 이용된다.
본 발명의 수치해석 기법에서는, 수치계산의 경제성 및 효율성을 위해 고정 격자계를 도입하였고, 비선형 대류항에 의한 상변화 해석 과정 중, 불안정한 수렴성 문제 해결에 2차 풍상 차분법을 적용하였고, 에너지 방정식과 운동량 방정식의 연립을 위해 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다.
종래 발명에서는 우레아의 해동현상에 대해 실험을 통한 해석이 대부분이었으며, 수치해석을 통한 발명의 경우 해석코드의 검증이 선행되지 않아 결과의 신뢰성이 확보되지 않은 경우가 많았다. 본 발명에서는 상변화 과정을 포함하는 우레아의 해동현상에 대한 종래 기술과의 비교를 통해 해석코드의 신뢰성을 검증하여 동결된 우레아의 해동량을 분석할 수 있다.
본 발명에 적용되는 수치해석 기법은 발열체의 발열과정에서 고상의 동결 우레아가 상변화를 거쳐 액상으로 변화하는 과정이 포함되어 있을 수 있으며, 서로 다른 상경계면의 이동속도가 비선형적인 특성을 포함하고 있을 수 있고, 이에 대한 해를 구하는 방법은 크게 2 가지로 나뉠 수 있다. 격자가 상경계면을 따라 이동하며 해를 구하는 방식과 본 발명에서 적용되는 격자의 위치 변화 없이 고정된 상태로 해를 구하는 방식으로 구분된다. 이동하는 격자방식은 매우 조밀한 격자를 요구하므로, 본 발명에서는 계산의 경제성을 고려하여, 고정 격자방식을 이용하여 해석을 수행하였다. 수치해석 시 에너지 방정식과 운동량 방정식 간의 연결은 SIMPLE 알고리즘을 사용하여 해결할 수 있고, 비선형 대류항에 의한 상변화 해석 과정 중 불안정한 수렴성 문제 해결을 위해서는 2차 풍상 차분법을 적용하여 해결할 수 있다.
또한, 본 발명을 위한 수치해석은 상용 소프트웨어 STAR-CCM+(9.06)을 사용하여 3차원 비정상 열전달에 관한 전산해석을 수행할 수 있고, 수치해석에서 격자는 약 150 만 개를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 환원제 히팅 장치의 해동 성능을 수치해석 기법으로 검정하기 위한 실험 장치(a) 및 수치해석 기법에 이용되는 수치계산 격자(b)를 도시한 도면이다.
도 2의 (a)는 수치계산 검정을 하기 위한 실험장치를 나타내는 것이고, 도 2의 (b)는 수치계산 격자 모양을 는 것이다. 본 발명의 수치 해석 실험에서는 먼저, 동결된 우레아를 확보하기 위하여 -20 ℃ 의 분위기 온도를 유지하는 냉동고 안에 액상의 우레아를 충전한 용기를 넣어 동결시킬 수 있다. 발열체로는 설정한 온도까지 온도가 상승하면 저항이 증가하여 전류가 억제되는 정온 발열체를 사용할 수 있고, 그 중 일 예로서 PTC 소자를 사용할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 PTC 소자에 전원을 공급하여 시간에 따른 각 측정 지점의 온도를 K type 온도 센서를 이용하여 측정하였다. 상기 K type 온도 센서는 고진동, 부식성 분위기, 고온 또는 저온과 같은 악조건에서도 사용이 편리하고, 내압강도도 강한 온도 센서로, 취급이 용이한 온도 센서이다.
도 3은 실제 히팅 장치를 이용하여 측정한 온도 측정 실험 결과와 본 발명에서 적용하는 수치해석 기법을 통해 얻은 온도 결과를 비교한 그래프이다.
도 3을 참고하면, 상기 수치해석 결과는 실험으로 측정한 온도의 상승 경향성과 상당히 일치하고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치의 해동 특성을 확인하기 위해 이용하는 수치해석 기법의 신뢰성은 확보되었다고 볼 수 있다.
본 발명의 제1측면에 따르면, 금속전열확산판; 상기 전열확산판 적어도 일 면에 부착 형성되는 하나 이상의 정온 발열체; 및 상기 전열확산판 및 상기 정온 발열체 외면에 코팅되는 절연층;을 제공한다. 상기 전열확산판은 전달된 열이 확산될 수 있게 설치되는 판으로, 본 발명에서는 금속 성분을 포함하는 전열확산판인 것일 수 있다. 상기 전열확산판은 금속 성분을 포함하여 열 전달 및 방출을 용이하게 할 수 있다. 상기 절연층은 상기 전열확산판 상에 상기 정온 발열체가 부착되어 있는 구조 상에 코팅되는 것일 수 있다. 따라서 상기 전열확산판과 상기 정온 발열체의 표면을 코팅하여 절연 및 부식을 방지할 수 있다.
본 발명의 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치는 요소수 탱크 내부에 설치될 수 있고, 외부 또는 내부에서 배터리로부터 전원을 인가 받아서 열 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치는 상기 배터리와 전기적으로 연결되는 것일 수 있다.
상기 전열확산판은, 상기 정온 발열체가 부착 형성되는 제 1 전열확산판; 및 상기 제 1 전열확산판 중앙에서 교차하여 형성되는 제 2 전열확산판;을 포함하는 것일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 외주(a) 또는 상기 외주의 일부(b, c)를 형성하는 제 3 전열확산판이 형성된 구조를 보여주는 도면이다. 이하, 도 4의 (a)를 S1, 도 4의 (b)를 S2, 도 4의 (c)를 S3라고 한다. 상기 전열확산판의 높이나 크기는 우레아 탱크의 크기에 따라 조절할 수 있다. 도 4를 참고하면, 상기 제 1 전열확산판(11)과 제 2 전열확산판(12)은 중앙에서 서로 교차되는 것으로, 수직을 이루는 것일 수 있다. 상기와 같이 본 발명의 일 실시예들로서 제조된 S1, S2 및 S3는 부피와 전체 표면적은 동일하지만, 단면적이 S1은 0.0169 m2, S2는 0.0101 m2, S3은 0.0127 m2 로 차이가 있었으며, 서로 다른 형상으로 인해 동결 우레아의 해동량 및 주변 온도값 등에 있어서 각각 결과값의 차이가 있을 수 있다. 만약 제 1 전열확산판(11)과 제 2 전열확산판(12)이 각각의 중앙에서 교차되지 않는다면, 상기 정온 발열체(20)에서 발생되는 열이 상기 전열확산판(10)을 통하여 사방으로 균일하게 방출되지 않을 수 있다. 본 발명에서 상기 전열확산판(10)은, 제 1 전열확산판(11) 및 제 2 전열확산판(12)이 제 1 전열확산판(11)의 중앙에서 서로 교차 형성되는 구조이고, 상기 정온 발열체(20)에서 발생되는 열을 고르게 방출시킬 수 있는 구조라면, 그 구조를 특별히 한정하지 않는다.
상기 전열확산판(10)은, 상기 제 1 전열확산판(11) 및 상기 제 2 전열확산판(12)의 말단과 연결되어 원통형 외주 또는 상기 외주의 일부를 형성하는 제 3 전열확산판(13)을 더 포함하는 것일 수 있다. 도 4를 참고하면, 상기 제 3 전열확산판(13)의 외주는 S1과 같이 원형을 이루는 것일 수 있고, 또는 S2 또는 S3와 같이 상기 외주의 원형이 끊어진 형태로 외주의 일부를 포함하도록 형성되는 것일 수 있다. 상기 원통형의 외주 또는 상기 외주의 일부를 형성하는 형태의 외주는 본 발명의 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치의 특징일 수 있다.
상기 정온 발열체는, 짝수 개이고, 상기 제 1 전열확산판(11) 중앙을 기준하여 대칭으로 이격 형성되는 것일 수 있다. 상기 정온 발열체는 적어도 2개 이상 형성되는 것으로, 상기 제 1 전열확산판(11)의 상면 또는 하면에 형성되거나 둘 다에 형성되는 것일 수 있다. 도 4의 S1, S2 및 S3를 참고하면, 상기 정온 발열체(20)는 짝수 개로 형성되어 있고, S1, S2 및 S3와 같이 상기 제 1 전열확산판(11)의 상부와 하부에 각각 하나씩 형성되는 것일 수 있다.
상기 제 1 전열확산판(11)은, 상기 정온 발열체가 부착 형성되는 면의 타면 상에 짝수 개이며 상기 제 1 전열확산판(11)에 수직하고, 상기 제 1 전열확산판(11) 중앙을 기준하여 대칭으로 이격 형성되는 보조 전열확산판을 포함하는 것일 수 있다. 상기 보조 전열확산판은 상기 정온 발열체가 형성된 위치 근처에 형성될 수 있고, 상기 제 1 전열확산판(11)의 반대쪽 면 상에 형성되는 것일 수 있다. 상기 보조 전열 확산판이 상기 정온 발열체와 반대쪽 면 상에 형성된다면, 정온 발열체가 형성되지 않은 방향으로도 열을 방출할 수 있다. 상기 보조 전열확산판은 상기 정온 발열체에서 발생되는 열을 고르게 방출시킬 수 있는 구조로 형성되는 것이라면, 본 발명에서 그 구조를 특별히 한정하지 않는다.
상기 정온 발열체는 PTC 열전소자, 탄소섬유 발열체, 탄소 면상발열체, 금속박막 면상발열체, 카본블랙 후막 면상발열체 및 카본블랙 고분자 면상발열체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 정온 발열체는 기존의 히터 혹은 코일식의 발열체를 사용하지 않는 것으로, 상기 정온 발열체의 장점은 주어진 전압만큼의 열량만을 발생하고 정온 발열체 자체 내에서 전류제어를 행하여 정온 발열을 실행할 수 있다. 본 발명에서는 PTC 열전소자를 이용할 수 있다. 본 발명에 정온 발열체로 이용되는 PTC 열전소자는 일 실시예로 1.5 Ω 이상 1.8 Ω 이하의 저항값을 가지는 것일 수 있고, 전력 공급 시점을 기준으로 300 min 이상 1200 min 이하의 시간이 경과했을 때 80 W 이상 120 W 이하의 전력값을 가지는 것일 수 있다.
상기 정온 발열체는 전도성 합성수지와 탄소 물질과 혼합하여 제조되는 것이거나 폴리카본실란, 규소계 수지 또는 고밀도의 폴리에틸렌에 카본 또는 카본 블랙과 가교 제조된 합성수지를 고밀도 폴리에틸렌에 혼합, 합성 및 분산시켜 제조된 합성물로 제조되는 것일 수 있다. 상기 전도성 합성수지는 폴리에스터 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지 또는 폴리술폰을 포함하는 열가소성 전도성 접착제; 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지 또는 폴리이미드 수지를 포함하는 열경화성 전도성 접착제; 및 폴리카본실란, 규소계 수지 또는 고밀도 폴리에틸렌에 카본 또는 카본 블랙과 가교 제조된 합성수지를 고밀도 폴리에틸렌에 혼합 분산시켜 제조된 합성물; 에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 절연층은 UDPE(ultra density polyethylene),, HDPE(high density polyethylene), LDPE(low density polyethylene), LLDPE(linear low density polyethylene), MDPE(medium density polyethylene), PVC(polyvinyl chloride) 및 PP(polypropylene)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 절연층은 상기 전열확산판의 절연 및 상기 전열확산판과 정온 발열체의 부식을 방지하기 위한 것으로, UDPE(ultra density polyethylene), HDPE(high density polyethylene), LDPE(low density polyethylene), LLDPE(linear low density polyethylene), MDPE(medium density polyethylene), PVC(polyvinyl chloride) 및 PP(polypropylene)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 본 발명의 환원제 히팅 장치 표면 전체를 코팅하는 것일 수 있다. 본 발명의 정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치의 절연층의 두께는 상술했던 수치해석 기법으로 최적의 두께를 구하여, 그 두께만큼 코팅하는 것일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원제 히팅 장치의 구동 시간에 따른 주변 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5의 (a)는 도 1 종래 히팅 장치를 기준으로 온도를 측정하는 위치를 나타낸 것이다. 도 5의 (a)의 좌측 도면은 수평 방향 각 지점을 표시한 것이며, 도 5의 (b) 온도 변화 그래프를 그릴 때 적용되는 측정 지점을 나타낸 것이다. 도 5의 (a)의 좌측 도면의 각 지점인 H1 내지 H5는, 정온 발열체(20)의 상부를 기준으로 6 mm 간격으로 위치한 지점이다. 도 5의 (a)의 우측 도면은 수직 방향 각 지점을 표시한 것이며, 도 5의 (c) 온도 변화 그래프를 그릴 때 적용되는 측정 지점을 나타낸 것이다. 도 5의 (a)의 좌측 도면의 각 지점인 V1 내지 V5는 수직 방향 각 지점을 표시한 것이며, 도 5의 (상기 전열확산판(10)의 하부에서부터 12 mm 간격으로 위치한 지점이다. 도 5의 (a)에서는 도 1에 도시한 종래의 히팅 장치(비교예)를 기준으로 하여 H1 내지 H5, V1 내지 V5 지점의 위치를 설명하였으나, 이는 본 발명의 실시예에 해당하는 S1, S2 및 S3에 대해서도 동일한 기준으로 적용된다. 상기 S1, S2 및 S3에 대해 측정된 각 지점의 온도 변화를 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)에 도시하였다.
도 5의 (b)는 상기 기준으로 수치 해석 방식을 도입하여 실험한 본 발명의 실시예 S1, S2 및 S3의 수평 방향으로의 온도 분포(S1 : Hx, S2 : Hx', S3 : Hx'')를 나타낸다. 본 발명의 S1, S2 및 S3의 경우, 측정 지점 H2, H3, H4 및 H5에서 온도가 종래의 히팅 장치에 비해 약 300 초 가량 빨리 상승함을 확인하였다. 이는 히터에서 상기 전열확산판 주변으로의 열 전달이 활발하게 이루어진 결과일 수 있다. 본 발명의 S1, S2 및 S3 중 S1의 H1 지점 온도가 S2의 H1', S3의 H1'' 보다 낮은 이유는 S2와 S3에 비하여 S1이 상기 전열확산판 주변으로 빠르게 열 전달이 일어나기 때문일 수 있다.
도 5의 (c)는 상기 기준으로 수치 해석 방식을 도입하여 실험한 본 발명의 실시예 S1, S2 및 S3의 수직 방향으로의 온도 분포(S1 : Vx, S2 : Vx', S3 : Vx'')를 나타낸다. 각 지점 간의 측정 간격은 12 mm이고, S3에서 상변화 시작점이 종래의 히팅 장치에 비해 약 200 초 가량 앞당겨짐을 확인하였다. S1과 S2의 경우 1200 초에 V4 지점까지 해동이 완료되었지만, 같은 1200 초에서 S3의 경우 V4 지점에서도 상변화가 일어나지 않고 있음을 확인하였다. 이는 S3의 전열 특성이 상대적으로 낮아 전열이 느리게 진행되는 것을 나타내는 것일 수 있다.
상기 절연층의 두께는 0.7 mm 초과 3.0 mm 미만인 것일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연층의 두께 별로 시간에 따른 해동량을 비교한 그래프이다. 도 6을 참고하면, 상기 절연층의 두께가 0 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm 로 1 mm 씩 두꺼워짐에 따라 동결된 우레아의 해동량을 비교한 것이다. 상기 절연층이 0 mm 로, 본 발명의 환원제 히팅 장치 표면에 코팅을 하지 않은 경우에는 상기 전열확산판과 동결된 우레아의 직접 접촉으로 열 전달이 활발하게 진행되어 네 가지 두께 중 가장 먼저 해동이 시작됨을 확인하였다. 그러나, 가열 초기 해동량이 가장 많았던 0 mm 의 절연층을 갖는 장치는 가열 250 초 경과 지점부터 1 mm 의 절연층을 갖는 장치에 의해 해동량 값이 역전되며, 가열 250 초 이후 절연층 3 mm 와 유사한 경향을 보인다. 상기 절연층이 가장 두꺼운 3 mm 의 경우, 두꺼운 단열재로 작용하여 열이 동결된 우레아로 전달되지 못하고, 두꺼운 절연층이 열 전달을 방해하여 최종 해동량이 303 mL 로 가장 적었다. 따라서, 상기 절연층은 두께가 상기 범위를 벗어나는 0.7 mm 이하인 경우, 가열 초기엔 많은 우레아를 해동시킬 수 있으나, 일정 가열 시간 이후 해동되는 우레아 양이 다른 절연층과 비교하였을 때 효율성이 떨어져 해동량 값이 역전될 수 있고, 상기 절연층은 두께가 상기 범위를 벗어나는 3.0 mm 이상인 경우, 상기 절연층이 너무 두꺼워 상기 절연층이 단열재로 작용하여 열이 전달되지 못해서 동결된 우레아를 해동시키기 어려울 수 있다.
도 7은 본 발명의 각 실시예(S1 내지 S3) 별 시간에 따른 해동량 값을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7은, 본 발명의 S1, S2 및 S3의 가열 시작부터 2400 초 간의 해동량을 비교한 것이다. 가열 시작부터 1200 초 사이에 가장 많은 액상의 우레아를 확보한 S1의 해동량은 1700 초 이후 S2에 역전되어 4800 초에는 836 mL 로, S2보다 10 mL 적은 결과를 보인다. S3의 경우 4800 초에 상대적으로 가장 적은 825 mL 의 해동량을 나타냈다. 이 결과는 S1의 경우 상기 전열확산판의 날개가 닫혀있는 형상 즉 원형의 외주를 갖고 있어서 상기 형상 주변에서 열이 갇혀 퍼져나가지 못하기 때문일 수 있다. 가열 시작부터 1200 초 동안 S1, S2 및 S3의 해동량은 모두 340 mL 이상이고, 그 이후의 해동량을 비교해보았을 때, 본 발명의 실시예 S1 내지 S3 중에서는 S2가 가장 많은 우레아를 해동시키는 것으로, S2의 구조가 성능이 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 제한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 전열확산판
11 : 제 1 전열확산판
12 : 제 2 전열확산판
13 : 제 3 전열확산판
14 : 보조 전열확산판
20 : 정온 발열체
30 : 절연층
100 : 환원제 히팅 장치

Claims (8)

  1. 금속전열확산판;
    상기 전열확산판 적어도 일 면에 부착 형성되는 하나 이상의 정온 발열체; 및
    상기 전열확산판 및 상기 정온 발열체 외면에 코팅되는 절연층;을 포함하는,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열확산판은, 상기 정온 발열체가 부착 형성되는 제 1 전열확산판; 및 상기 제 1 전열확산판 중앙에서 교차하여 형성되는 제 2 전열확산판;을 포함하는 것인,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전열확산판은, 상기 제 1 전열확산판 및 상기 제 2 전열확산판의 말단과 연결되어 원통형 외주 또는 상기 외주의 일부를 형성하는 제 3 전열확산판을 더 포함하는 것인,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 정온 발열체는, 짝수 개이고, 상기 제 1 전열확산판 중앙을 기준하여 대칭으로 이격 형성되는 것인,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 전열확산판은, 상기 정온 발열체가 부착 형성되는 면의 타면 상에 짝수 개이며, 상기 제 1 전열확산판에 수직하고 상기 제 1 전열확산판 중앙을 기준하여 대칭으로 이격 형성되는 보조 전열확산판을 포함하는 것인,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정온 발열체는 PTC 열전소자, 탄소섬유 발열체, 탄소 면상발열체, 금속박막 면상발열체, 카본블랙 후막 면상발열체 및 카본블랙 고분자 면상발열체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 UDPE(ultra density polyethylene), HDPE(high density polyethylene), LDPE(low density polyethylene), LLDPE(linear low density polyethylene), MDPE(medium density polyethylene), PVC(polyvinyl chloride) 및 PP(polypropylene)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 0.7 mm 초과 3.0 mm 미만인 것인,
    정온 발열체를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 환원제 히팅 장치.
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