KR20180091038A - 모노리스를 함유하는 향상된 프레임 요소 - Google Patents

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KR20180091038A
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로베르트 클로이데르라인
디르크 라이헤르트
하랄트 슈에르벨
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존슨 매세이 카탈리스츠 (저머니) 게엠베하
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Abstract

연소원으로부터의 배기 가스의 유동 내에 촉매를 함유하는 모노리스를 보유하기 위한 요소 프레임은 벽이 직사각형 또는 정사각형 형상을 형성하는 2 쌍의 대향하는 벽, 벽에 의해 형성되는 내부, 유입 단부, 유출 단부, 적어도 하나의 잠금 요소, 적어도 하나의 매트 및 유입, 유출, 4 개의 측면 및 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 적어도 하나의 촉매를 포함하는 적어도 하나의 모노리스를 포함하고, 적어도 하나의 매트 및 적어도 하나의 모노리스는 모노리스와 각각의 인접한 벽 사이에 적어도 하나의 매트가 있도록 요소 프레임의 내부에 위치하고, 각각의 잠금 요소는 요소 프레임의 유입 단부 또는 유출 단부를 가로질러 연장되며 요소 프레임의 2 개의 대향하는 측면에 연결된다.

Description

모노리스를 함유하는 향상된 프레임 요소
본 발명은 프레임 내에 촉매를 포함하는 모노리스를 보유하는 향상된 요소 프레임에 관한 것으로, 여기서 촉매를 갖춘 요소 프레임은 엔진으로부터의 배기 가스의 유동 내에 배치되도록 구성된다.
본 발명은 배기 가스를 각각이 하나 이상의 촉매를 함유하는, 하나 이상의 모노리스를 함유하는 지지 구조체를 통해 통과시키는 배기 시스템을 갖는 고정식 연소원으로부터의 배기 가스를 처리하기 위한 촉매 모듈에 사용된 요소 프레임에 관한 것이다. 고정식 연소 시스템은 도로 상의 운전 차량, 트럭 또는 항공기에는 사용되지 않는 탄화수소-기재 연료를 연소하는 임의의 시스템일 수 있다. 이들은 예를 들어, 석탄-연소 시스템, 오일-연소(석유) 시스템 또는 가스 터빈일 수 있다. 고정식 연소 시스템은 또한 디젤 엔진, 대형 컨테이너 또는 크루즈 선박에의 사용과 같은 연소 시스템과 같은, 해양 적용에도 사용될 수 있다. 고정식 연소 시스템은 보통 일정하고, 고정적인 부하 하에서 연속적으로 작동하지만 이동식 연소 시스템은 보통 다양한 부하 하에서 작동한다.
이들 시스템, 및 이동식 적용에서 사용되는 엔진에서의 탄화수소 연소는, 형성된 산화 질소(NOx), 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC)와 같은 오염물질을 제거하기 위해 처리되어야 하는 배기 가스를 생성한다. NOx는 인간 및 동물에게 여러 건강 문제를 야기할 뿐만 아니라 스모그 및 산성비의 형성을 포함하는 여러 유해한 환경 영향을 야기하는 것으로 알려져 있다. CO는 인간과 동물에게 독성이고, HC는 건강에 악영향을 야기할 수 있다. 배기 가스 중의 이들 오염물질, 특히 NOx로부터의 인간 및 환경적 영향을 완화시키기 위해, 바람직하게는 다른 유해 또는 독성 물질을 생성하지 않는 공정에 의해, 이러한 바람직하지 않은 성분을 제거하는 것이 바람직하다.
고정식 연소 시스템은 촉매 모듈이 제공되는, 배출 제어 시스템이 장착될 수 있다. 도 1은 당 업계에 공지된 촉매 모듈의 묘사이다. 촉매 모듈은 복수의 요소 프레임을 포함하는 구조이며, 여기서 각각의 요소 프레임은 각각이 촉매 지지체 및 하나 이상의 촉매를 포함하는 복수의 모노리스를 함유할 수 있다. 촉매 모듈은 배출 제어 시스템의 연도 가스 덕트에 설치되고, 정화되어야 하는 연도 가스는 작동 중에 모노리스를 통해 유동한다. 연도 가스 덕트는 전형적으로 수 평방 미터의 단면적을 가질 수 있고 수 십 내지 수 백 평방 미터일 수 있다. 연도 덕트의 치수는 엔진의 크기, 엔진이 작동하는 조건, 허용가능한 배압 등을 포함한 많은 인자에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 일부 경우에서, 연도 가스 덕트는 덕트의 폭과 높이가 각각 수미터, 예를 들어, 10 m x 10 m인 직사각형 단면을 가질 수 있다. 연도 가스 덕트의 전체 단면적은 하나 이상의 촉매 모듈에 의해 덮여있다. 촉매 모듈은 모든 연도 가스가 모노리스를 통과하도록 서로 옆에 배열되고, 모노리스 상의 또는 모노리스 내의 촉매(들)에 접촉하여 정제된다. 몇 가지 촉매 모듈, 예를 들어, 2 개 내지 5 개가 행과 열로 나란히 배치될 수 있고, 종종 연도 가스 덕트 내의, 지지 프레임워크로 연결된다(도 2). 촉매 모듈 그 자체는 전형적으로 몇 미터의 단부 길이를 갖춘 직사각형 단면을 갖는다.
연도 가스의 유동의 방향에서, 촉매 모듈은 빈번하게 서로 뒤에 위치된 여러 평면에 위치한다. 일부 적용에서, 촉매 모듈은 유동 방향으로 수 미터, 심지어 10 내지 15 미터만큼 연장할 수 있다(도 3). 해양 또는 가스 터빈과 같은 일부 적용에서, 기계적 응력 측면에서 상대적으로 가혹한 주변 조건이 촉매 모듈에 존재할 수 있다. 예를 들어, 해양 선박에서 중력의 몇 배나 되는 힘을 경험할 수 있다. 또한, 특히 가스 터빈과 함께 사용되는 촉매 모듈의 큰 단면의 경우, 지진으로 인한 기계적 응력이 고려되어야 한다.
촉매 모듈은 하나 이상의 촉매를 포함하는 모노리스를 함유하는 여러 개의 요소 프레임 단위가 삽입된 적층 프레임을 사용하여 구성될 수 있다. 연도 가스는 연도 가스 유동의 방향으로 개별적인 모노리스를 통해 유동한다. 모노리스는 또한 벌집 유형 촉매로 공지되어 있다. 이들 벌집 유형 촉매는 일반적으로 세라믹 재료로 만들어지고 가스 유동의 방향으로 모노리스를 관통하는 복수의 유동 채널을 갖는다. 설치된 작동 상태에서, 연도 가스는 모노리스의 유동 채널을 통해 유동하고 이는 모노리스의 또는 모노리스의 표면의 코팅의 촉매와 상호작용하여 정제된다.
이들 처리 시스템의 사용에서 직면하는 전형적인 문제는 시일(seal), 따라서 가스-밀폐성을 제공하고, 즉, 촉매 주변의 바이패스 유동이 없고 또한, 진동에 대하여 쿠션으로서 작용하도록 하는, 모노리스와 요소 프레임 요소 사이에 위치하는 재료는 재료가 상대적으로 고가인 특별한 유형의 매트로서 특별하게 디자인되고 제공될 때를 제외하고 정상 사용 중에는 제자리에 머무를 수 없다. 요소 프레임과 하나 이상의 촉매를 함유하는 모노리스 사이의 매트는 요소 프레임이 함께 용접되기 직전에 요소 프레임에 위치한다. 엔진 맥동이 충격과 진동을 유발하는 배기 시스템 조건에서 전형적인, 주기적으로 기계적 응력이 있는 상황에서, 매트는 프레임 및 모노리스에 대해 움직일 수 있다. 이 움직임은 충격과 진동에 대한 시스템의 상대적으로 낮은 기계적 안정성 때문에 모노리스의 파괴를 야기할 수 있다.
현재 요소 프레임은 대략 15 %의 촉매 셀이 배기 유동에 직접 노출되지 않도록 모노리스의 유입 및/또는 유출 면과 겹치는 금속 플랩(flap) 또는 립(lip)을 갖는다.
현재 요소 프레임은 또한 유입 및 유출 면의 중앙에 잠금 요소를 갖는다. 잠금 요소의 기능 중 하나는 직접 배기 가스 유동으로부터 모노리스 사이의 간극을 차폐하는 것이다. 잠금 요소는 사전응력 없이 용접되어, 충격 및 진동에 대해 상대적으로 낮은 기계적 안정성을 유발한다.
요소 프레임의 현재 디자인은 요소 프레임을 서로 직접 부착하는 메커니즘을 제공하지 않는다. 요소 프레임을 함께 결합하는 능력은 단지 적은 수의 요소 프레임만을 필요로 할 때 촉매 모듈에 대한 필요를 피할 수 있다.
시일을 제공하고 정상 사용 중 제자리에 머물 수 있는 진동에 대한 쿠션으로서 작용하도록 비용-효율적인 재료가 모노리스와 요소 프레임의 금속 프레임 사이에 배치되는 것을 허용하는 촉매 모듈을 갖는 것과 가혹한 기계적 응력 조건에서 이용될, 가능한 가장 큰 촉매 단면을 또한 제공하는 것은 바람직할 수 있다.
발명의 요약
제1 측면에서, 본 발명은 요소 프레임이 벽이 직사각형 또는 정사각형 형상을 형성하는 2 쌍의 대향하는 벽, 상기 벽에 의해 형성되는 내부, 유입 단부, 유출 단부, 적어도 하나의 잠금 요소, 적어도 하나의 매트 및 유입, 유출, 4 개의 측면 및 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 적어도 하나의 촉매를 포함하는 적어도 하나의 모노리스를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 매트 및 적어도 하나의 모노리스는 모노리스와 각각의 인접한 벽 사이에 적어도 하나의 매트를 갖춘 요소 프레임의 내부에 위치되고, 각각의 잠금 요소는 요소 프레임의 유입 단부 또는 유출 단부를 가로질러 연장되며 요소 프레임의 2 개의 대향하는 측면에 연결되는, 연소원으로부터의 배기 가스의 유동 내에 촉매를 함유하는 모노리스를 보유하기 위한 요소 프레임에 관한 것이다.
제2 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제1 측면의 복수의 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈에 관한 것이다.
다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 포함하는 배기 시스템에 관한 것이다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제2 측면의 촉매 모듈을 포함하는 배기 시스템에 관한 것이다.
여전히 다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 만드는 방법에 관한 것이다.
다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제2 측면의 촉매 모듈을 만드는 방법에 관한 것이다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임의 모노리스를 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함하는 배기 가스를 처리하는 방법에 관한 것으로, 여기서 모노리스는 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 하나 이상의 촉매를 포함한다.
여전히 다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제2 측면의 촉매 모듈을 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함하는, 배기 가스와 접촉되는 촉매의 양을 증가시키는 방법에 관한 것이다.
도 1은 촉매 모듈의 3-차원 묘사이다.
도 2는 배기 덕트의 단면을 가로지르는 모듈의 배치를 도시하는 다이어그램이다.
도 3은 배기 덕트 내의 가스 유동의 방향으로 차례로 배치된 5 개의 모듈 그룹의 배치의 부감도를 도시하는 다이어그램이다.
도 4은 프레임 요소의 3-차원 묘사이다.
도 5는 프레임 요소 내에 4 개의 모노리스를 갖춘 프레임 요소의 3-차원 묘사이다.
도 6은 유입 및/또는 유출 면 내의 인접한 벽 및 컷아웃을 갖춘 2 개의 피스(piece)를 도시하는 유입 및/또는 유출 측면으로부터 도시된 요소 프레임의 일부의 묘사이다.
도 7은 잠금 요소가 부착된 프레임 요소의 단부도를 묘사한다.
도 8은 프레임 요소의 측면도를 묘사한다.
도 9는 프레임 요소의 단면 내에 2 개의 모노리스를 갖춘 프레임 요소의 단면도를 묘사한다.
도 10은 프레임 요소 상의 돌출부의 단면도를 묘사한다.
도 11은 4 개의 모노리스를 포함하는 프레임 요소의 측면도를 묘사한다.
도 12는 6 개의 모노리스를 포함하는 프레임 요소의 측면도를 묘사한다.
도 13은 프레임 요소를 다른 프레임 요소에 연결하기 위한 연장부를 갖는 각각의 측면을 갖춘 프레임 요소의 3-차원 묘사이다.
도 14는 컷아웃을 갖춘 2 개의 연결된 잠금 요소의 묘사이다.
도 15는 프레임 요소를 다른 프레임 요소에 연결하기 위한 연장부를 갖는 측면을 갖추고 프레임 요소가 모노리스를 함유하는 3 개의 프레임 요소의 3-차원 묘사이다.
본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 것과 같이, 단수 형태 "한", "하나" 및 "그"는 문맥상 다르게 지시하지 않는 한 복수 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어 "촉매"에 대한 언급은 2 개 이상의 촉매의 혼합물 등을 포함한다.
"실질적으로 모든"이란 용어는 적어도 90 %, 바람직하게는 적어도 95 %, 바람직하게는 적어도 97 %를 의미한다.
"지지체"란 용어는 촉매가 고정된 불활성 재료를 의미한다.
"요소 프레임"이라는 용어는 4 개의 벽을 포함하는 구조를 의미하고, 각각의 벽은 복수의 돌출부를 포함하며, 여기서 4 개의 벽은 직사각형 또는 정사각형을 형성하고, 요소 프레임의 내부를 한정하여 복수의 모노리스가, 각각이 모노리스의 각각의 측면의 일부분을 덮는 적어도 하나의 매트를 갖는다. 요소 프레임은 또한 직접 유동 모멘텀으로부터 매트 재료를 차폐하고 높은 기계적 안정성을 위한 타이 바(tie bar)로서 역할을 하도록 사용되는 유입 단면 상에 잠금 요소를 함유할 수 있다. 요소 프레임은 강철로 만들 수 있고, 여기서 강철은 여러 상이한 등급 중 어느 하나이다.
"잠금 요소"라는 용어는 요소 프레임 내에 모노리스를 보유하는 구조를 의미한다. 잠금 요소는 전형적으로 요소 프레임과 동일한 재료, 즉, 여러 상이한 등급 중 어느 하나의 강철로 만들어진다.
"컷아웃(cut-out)"이라는 용어는 표현되지 않은 프레임 요소 또는 잠금 요소의 일부 또는 구역을 의미하고 프레임 요소 또는 잠금 요소가 배기 가스의 유동에 설치될 때 배기 가스의 유동과 관련하여 프레임 요소 또는 잠금 요소의 표면적의 감소를 제공한다. 컷아웃은 배기 가스의 유동에 직접 노출된 모노리스 내의 셀 수를 증가시킨다. "직접 노출된"이라는 용어는 배기 가스가 모노리스의 유입 측면 개구부에서 모노리스 내의 셀로 들어가는 것을 의미한다.
"매트"는 광물, 유리 또는 금속 섬유, 예를 들어 직물, 편직물, 불규칙 층 등의 형태의 조합을 의미하는 것으로서 이해되어야 한다. 매트는 또한 웹, 플리스(fleece) 또는 부직 재료로서 지칭될 수 있다. 사용된 섬유는 고온을 견딜 수 있고 부식에 내성이 있는 재료를 포함한다. 이들은 특히 합금 원소가 첨가되는 철 기재 재료를 포함할 수 있고, 니켈(8-11 중량%) 또는 크로뮴(17-24 중량%)으로부터 선택되는 적어도 하나의 합금 원소가 유리하게 존재한다. 적합한 섬유의 일 예는, 표준 불순물이 또한 물론 존재할 수 있지만, 70 중량%의 철, 17 중량%의 크로뮴 및 8 중량%의 니켈을 포함한다. 매트는 동등하거나 또는 상이한(예를 들어, 섬유 길이 및 섬유 직경과 관련하여) 섬유를 사용함으로써 제조될 수 있다. 사용된 섬유는 또는 광물 또는 유리 기재 재료를 포함할 수 있다. 매트는 단일 피스일 수 있거나 또는 스트립이 모노리스의 전체 측면 또는 하나 이상의 측면의 일부분을 덮거나 또는 단지 모노리스의 일부분만을 둘러싸는 스트립의 형태일 수 있다.
"촉매 모듈"이라는 용어는 복수의 요소 프레임에 의해 형성되거나, 함유하는 구조를 의미한다.
본 발명의 제1 측면에서, 연소원으로부터의 배기 가스의 유동 내에 촉매를 함유하는 모노리스를 보유하기 위한 요소 프레임은, 벽이 직사각형 또는 정사각형 형상을 형성하는 2 쌍의 대향하는 벽, 상기 벽에 의해 형성되는 내부, 유입 단부, 유출 단부, 적어도 하나의 잠금 요소, 적어도 하나의 매트 및 유입, 유출, 4 개의 측면 및 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 적어도 하나의 촉매를 포함하는 적어도 하나의 모노리스를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 매트 및 적어도 하나의 모노리스는 모노리스와 각각의 인접한 벽 사이에 적어도 하나의 매트를 갖춘 요소 프레임의 내부에 위치되고, 각각의 잠금 요소는 요소 프레임의 유입 단부 또는 유출 단부를 가로질러 연장되며 요소 프레임의 2 개의 대향하는 측면에 연결된다. 적어도 하나의 벽, 바람직하게는 각각의 벽은 요소 프레임의 내부로 연장하는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다. 복수의 돌출부는 모노리스가 요소 프레임의 내부에 위치할 때, 매트와 접촉하고 매트를 하나 이상의 촉매를 포함하는 모노리스에 대해 유지하도록 구성될 수 있다.
도 4는 요소 프레임의 3-차원 묘사이다. 요소 프레임은 4 개의 벽을 포함하고 하나 이상, 바람직하게는 모든 벽이 4 개의 벽에 의해 형성된 내부 공간으로 연장하는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다. 프레임 요소는 도 5, 11 및 12에 도시된 바와 같이, 4 개의 벽에 의해 형성된 내부 공간 내에 복수의 모노리스를 보유할 수 있다. 요소 프레임은 1 곱하기 2, 1 곱하기 3, 3 곱하기 3 등과 같이 상이한 구성으로 모노리스를 보유할 수 있다. 요소 프레임의 길이(깊이)는 모노리스의 길이와 요소 프레임 내에 직렬로 배치될 수 있는 모노리스의 개수를 기초로 한다.
2 개 이상의 모노리스는 요소 프레임의 내부에 존재하고 적어도 2 개의 모노리스는 2 개가 서로 인접하게 위치하며, 적어도 하나의 매트는 서로 인접한 모노리스 사이에 위치할 수 있다. 바람직하게는 하나 이상의 매트의 적어도 일부분은: (a) 모노리스의 각각의 측면 및 인접한 모노리스 사이에; 및 (b) 각각의 모노리스 및 요소 프레임의 인접한 벽 사이에 위치한다.
요소 프레임은 4 개의 다른 벽을 결합시켜 내부를 갖는 직사각형 또는 정사각형을 형성함으로써 형성될 수 있다. 바람직하게는, 요소 프레임은 각각이 2 개의 벽을 포함하는, 2 개의 피스를 함께 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 도 6은 각각이 하나의 피스를 굽힘에 의해 형성된 2 개의 벽을 포함하는, 2 개의 피스(A 및 B)의 유입 단부 또는 유출 단부로부터의 도를 도시한다. 벽은 도면에서 연장될 때 도시되지 않고 요소 프레임의 내부를 향해 굽혀진 유입 및/또는 유출에서 요소 프레임의 부분에 의해 숨어있다. 요소 프레임의 유입 및 유출에서 요소 프레임의 부분은 바람직하게는 요소 프레임 내에 배치된 모노리스의 노출 영역을 증가시킬 수 있는 하나 이상의 컷아웃을 포함한다. 유입 및 유출 면 상의 요소 프레임의 컷아웃은 배기 유동을 직접 보지 않는 모노리스 내의 셀 수를 감소시킬 수 있다. 바람직하게는 10 % 미만, 더욱 바람직하게는 8 % 미만, 보다 더 바람직하게는 7 % 미만, 보다 더 바람직하게는 6 % 미만, 가장 바람직하게는 5 % 미만의 촉매 셀이 배기 유동에 직접 노출되지 않는다. 가스 유동에 직접 노출되지 않는 모노리스 내의 셀 수의 감소는 배압을 낮추고, 배기 가스의 촉매로의 노출을 증가 시키며, 배기 가스 중의 화합물의 보다 많은 다른 바람직한 화합물로의 전환율을 높일 수 있다.
벽을 포함하는 피스들은 바람직하게는 용접에 의해, 함께 연결될 수 있다.
도 7은 2 개의 잠금 요소가 부착된 유입 또는 유출 단부로부터의 요소 프레임의 도를 묘사한다. 적어도 부분적으로 매트에 의해 덮인 그들의 측면 벽을 갖는 모노리스는 요소 프레임의 벽 내에 배치된다. 각각의 잠금 요소는 용접에 의해 4 개의 측면의 각각에 연결될 수 있다. 도 7에 도시된 잠금 요소는 컷아웃을 갖지 않는다. 바람직하게는 잠금 요소는 하나 이상의 컷아웃을 포함할 것이다.
도 8은 프레임 요소의 벽이 모노리스의 길이와 대략 동일한 길이를 갖는 프레임 요소의 측면도를 묘사한다. 프레임의 벽의 폭은 단일 모노리스 또는 복수의 모노리스, 바람직하게는 2 개 또는 3 개가 벽에 대해 서로 인접하여 위치되는지의 여부에 의존한다. 단일 모노리스만 벽에 대해 위치할 때, 벽의 폭은 벽에 대한 모노리스의 크기와 2 개의 매트의 두께를 더한 것과 거의 동등하다. 복수의 모노리스가 벽에 대해 위치할 때, 벽의 폭은 벽에 대한 모노리스의 크기 더하기 모노리스의 수 곱하기 2 개의 매트의 두께의 합과 대략 동등하다. 벽을 조립하는 방법에 따라 벽의 두께와 모노리스의 제조 공차에 대한 여유가 있어야 할 수 있다.
도 9는 모노리스를 관통하는 채널 및 요소 프레임의 벽 내의 돌출부를 나타내는 프레임 요소의 단면도를 묘사한다. 이 도면에서 2 개의 모노리스는 그들의 유동 채널이 유동의 동일한 방향을 갖게 서로 옆에 배치된다. "Z"라고 라벨링된 도면의 구역은 돌출부의 세부 사항을 보여주기 위해 도 10에서 확대되어 도시된다.
2 개 이상의 모노리스는 도 11 및 12에 도시된 바와 같이, 요소 프레임 내에 직렬로 배치될 수 있다. 요소 프레임은 제1 모노리스의 유출이 제2 모노리스의 유입에 인접하고 배기 가스의 유동이 적어도 2 개의 모노리스를 순차적으로 통과하도록 2 개 이상의 모노리스가 위치하는 복수의 모노리스를 포함할 수 있다. 3 개 이상의 모노리스가 사용될 때, 제2 모노리스를 빠져나가는 배기 가스는 제3 모노리스로 들어갈 수 있다. 이러한 구성에서 하나 이상의 모노리스는 요소 프레임 내의 모노리스를 통한 배기 가스의 유동 방향으로 하나 이상의 모노리스의 하류에 위치할 수 있다.
요소 프레임은 하나의 모노리스의 유출이 다른 모노리스의 유입에 인접하도록 위치된 2 개 이상의 모노리스가 동일한 기능성을 갖는 촉매를 함유하는 복수의 모노리스를 포함할 수 있다. "동일한 기능성을 갖는다"는 용어는 서로 인접한 촉매가 선택적 촉매 환원(SCR), 암모니아 산화, 탄화수소 산화, NOx 저장, 산소 저장 등과 같은 동일한 유형의 화학 반응을 수행한다는 것을 의미한다.
요소 프레임은 하나의 모노리스의 유출이 다른 모노리스의 유입에 인접하도록 위치된 2 개 이상의 모노리스 중 2 개가 상이한 기능성을 갖는 촉매를 함유하는 복수의 모노리스를 포함할 수 있다. "상이한 기능성을 갖는"이란 용어는 서로 인접한 촉매가 상이한 유형의 화학 반응을 수행한다는 것을 의미한다. 다양한 유형의 구성이 가능하다. 예를 들어, 선택적 촉매 환원(SCR)용 촉매를 포함하는 모노리스는 암모니아 산화용 촉매를 포함하는 모노리스가 뒤따를 수 있다. 탄화수소 산화용 촉매를 포함하는 모노리스는 선택적 촉매 환원(SCR)용 촉매를 포함하는 모노리스가 뒤따를 수 있다. NOx 저장을 제공하는 촉매를 포함하는 모노리스에는 SCR용 촉매를 포함하는 모노리스가 뒤따를 수 있다. 촉매의 다른 가능한 조합은 당업자에게 공지되어있다.
요소 프레임의 적어도 하나의 벽은 연장된 구역을 포함할 수 있고, 여기서 연장된 구역은 복수의 개구를 포함하고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성된다.
요소 프레임의 적어도 2 개의 벽은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함할 수 있고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성된다.
요소 프레임의 4 개의 측면 각각은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함할 수 있고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과는 것을 허용하도록 구성된다.
연장된 구역은 프레임 요소의 유입 측면, 유출 측면 또는 유입 및 유출 측면 모두에 존재할 수 있다. 도 13은 각각의 측면 (30)이 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역(34)을 함유하는 요소 프레임을 도시한다. 2 개의 유형의 개구인, 구멍 및 슬롯이 도 13에 도시되어 있다. 다른 형상 또는 형상의 조합이 사용될 수 있다.
돌출부
하나 이상의 벽, 바람직하게는 각각의 벽은 내부로 연장하는 복수의 돌출부를 포함할 수 있다.
벽 상에 있는 돌출부의 수와 크기는 매트의 물리적 특성, 매트의 크기 및 벽 당 사용되는 매트 수, 및 요소 프레임의 벽의 크기를 포함하되 이에 제한되지 않는 몇 가지 요인에 의존하여 달라질 수 있다. 도 7은 각각의 벽이 5 x 5 매트릭스에 25 개의 돌출부를 갖는 요소 프레임을 도시한다.
돌출부의 기능은 전단력에 의한 모노리스의 파괴 또는 손상을 억제하기 위해 벽과 모노리스 사이에 매트를 유지시키는 것이다. 단일 매트를 사용하여 모노리스의 4 개의 측면을 모두 덮을 때는, 2 개 이상의 매트를 사용하여 모노리스의 각각의 측면을 덮을 때보다 더 적은 수의 돌출부가 필요할 수 있다. 매트가 모노리스의 측면 상에 2 개 이상의 스트립이 사용되는 스트립 형태인 경우, 단일 매트를 사용하여 모노리스의 4 개의 측면을 모두 덮을 때보다 더 많은 돌출부가 필요할 수 있다. 도 9는 돌출부가 높이(h) 및 폭(w)의 베이스(base)를 갖는, 프레임 요소상의 돌출부의 단면도를 묘사한다. 돌출부의 베이스 영역에 대한 돌출부의 높이가 클수록, 정상적인 사용 중에 돌출부가 진동으로 인해 매트를 간섭할 수 있는 가능성이 더 커진다. 그러나, 돌출부의 베이스 영역에 대해 작은 높이를 갖는 돌출부는 정상적인 사용 중에 매트를 간섭하는 가능성이 적어질 수 있고, 비교적 큰 베이스는 매트의 보다 넓은 표면적과 더 잘 접촉할 수 있다. 돌출부의 높이는 약 1 mm일 수 있고 돌출부는 약 6 mm 폭일 수 있다. 매트의 특성, 요소 프레임의 벽의 두께 및 재료에 의존하여, 예를 들어, 2 mm x 10 mm 또는 1 mm x 10 mm와 같은 다른 높이 및 폭을 갖는 돌출부가 사용될 수 있다. 매트는 모노리스의 깊이와 대략 동일한 폭을 갖는 큰 스트립으로 절단될 수 있다. 그런 다음 매트를 모노리스 주변에 래핑될 수 있고, 그런 다음 매트로 덮인 모노리스는 요소 프레임 내에 배치할 수 있다. 매트는 또한 스트립의 조합된 폭이 모노리스의 깊이보다 작거나 같은, 2 개 이상의 스트립으로 존재할 수 있다. 2 개의 스트립이 사용되고 그 스트립의 조합된 폭이 모노리스의 깊이보다 작은 경우, 스트립은 중심을 벗어나 위치되는 것이 바람직하다. 요소 프레임은 압축된 다음 측면이 함께 용접되고 잠금 요소가 유입 단부 및 유출 단부 상의 요소 프레임의 4 개의 벽에 용접으로 부착된다.
본 발명에 따른 요소 프레임은 배기 가스의 촉매 사용을 위해 향상된 개방 정면 영역을 가지면서 충격 및 진동에 대해 향상된 기계적 안정성을 제공한다.
모노리스
"벌집" 유형 촉매로도 또한 알려져 있는 "모노리스"라는 용어는 통로가 유체 유동에 개방되도록, 모노리스의 유입으로부터 유출 면까지 연장하는 복수의 미세하고 평행한 가스 유동 통로를 갖는 캐리어를 의미한다. 모노리스는 직사각형, 바람직하게는 정사각형의 단면 및 유입 면을 가질 수 있다. 모노리스의 면은 임의의 치수, 바람직하게는 10 cm 내지 30 cm일 수 있다. 유동 방향의 모노리스의 길이는 전형적으로 15 cm 내지 150 cm의 범위이지만, 다른 길이도 사용될 수 있다. 배기 가스 유동 방향으로 요소 프레임의 폭은 대략 모노리스의 길이이다.
모노리스는 유입, 유출, 4 개의 측면 및 복수의 유동 통로(또는 "셀")를 갖는다. 모노리스는 횡단면의 평방 인치 당 약 700 개 이상의 유동 통로를 함유할 수 있지만, 훨씬 적게 사용될 수 있다. 예를 들어, 고정된 적용에 있어서 캐리어는 전형적으로 약 9 내지 600 개, 보다 통상적으로 약 35 내지 300 개의 평방 인치 당 셀("cpsi")을 가질 수 있다. 그들의 유체 유입으로부터 그들의 유체 유출까지 본질적으로 직선인 경로인 통로는, 배기 가스를 처리하는 데에 효과적인 하나 이상의 촉매가 통로를 통해 유동하는 가스가 촉매 재료와 접촉하도록 "워시코트(washcoat)"로서 코팅된 벽에 의해 형성된다.
당업자는 산화 질소, 일산화탄소, 탄화수소, 암모니아 슬립 및 다른 오염물을 저감시켜 상대적으로 무해한 화합물인 질소, 물 및 이산화탄소를 형성하는 하나 이상의 촉매의 사용 및 선택에 익숙하다. 모노리스는 SCR 촉매, 암모니아 산화 촉매, 탄화수소 산화 촉매, NOx 저장 촉매, 산소 저장 촉매 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 모노리스는 세라믹 필터와 같은 필터일 수 있다. 다른 유형의 촉매가 존재할 수 있다. 모놀리식 기판의 유동 통로는 사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 삼각형, 사인곡선형, 육각형, 타원형, 원형 등과 같은 임의의 적합한 단면 형상일 수 있는 얇은-벽 채널이다. 본 발명은 특정 기판 유형, 재료 또는 기하구조에 제한되지 않는다. 모노리스는 일반적으로 압출된 재료, 바람직하게는 세라믹 기판이다.
세라믹 기판은 코디어라이트, 코디어라이트-α 알루미나, α-알루미나, 탄화 규소, 질화 규소, 지르코니아, 멀라이트, 스포듀멘, 알루미나-실리카 마그네시아, 지르코늄 실리케이트, 실리마나이트, 마그네슘 실리케이트, 지르콘, 페탈라이트, 알루미노실리케이트 및 이들의 혼합물과 같은 임의의 적합한 내화 재료로 만들어질 수 있다. 세라믹 기판은 촉매 활성 자체를 가질 수 있다. 일부 경우에는, 촉매 활성을 갖는 세라믹 기판 상에 추가적인 촉매 재료가 배치되지 않는다.
매트
하나 이상의 매트는 모노리스 주변의 배기 가스 이동을 제한하는 시일을 형성할 수 있다. 매트는 모노리스와 요소 프레임 사이의 직접적인 물리적 접촉을 방지하고 외부 힘으로부터 요소 프레임 상으로 전달되는 충격과 진동에 대해 감쇠를 제공할 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 매트는 당 업계에 공지되어 있다.
단일 매트는 실질적으로 모노리스의 4 개의 측면 모두를 덮을 수 있다. 적어도 모노리스의 4 개의 측면 각각의 대부분은 매트에 의해 덮일 수 있다. 단일 매트는 실질적으로 모노리스의 4 개의 측면 모두를 덮을 수 있다. 매트의 하나 이상의 피스는 모노리스의 전부 또는 거의 전부를 둘러쌀 수 있다. 매트는 스트립 형태일 수 있고 스트립은 모노리스의 일부만 둘러쌀 수 있다.
모노리스의 적어도 하나의 측면의 영역의 적어도 대부분은 하나 이상의 매트로 덮일 수 있다.
모노리스의 적어도 2 개의 측면의 각각의 영역의 적어도 대부분은 하나 이상의 매트로 덮일 수 있다.
모노리스의 4 개의 측면의 각각의 영역의 적어도 대부분은 하나 이상의 매트로 덮일 수 있다.
매트의 두께는 매트가 모노리스와 프레임 요소 사이의 간극을 채우고 모노리스가 조립 중에 요소 프레임이 함께 가압될 때 적어도 대략 100, 바람직하게는 대략 150, 더욱 바람직하게는 대략 200 뉴턴/mm2의 표면압력을 견딜 수 있게 완충작용을 제공하도록 선택될 수 있다.
모노리스와 함께 사용되는 하나 이상의 매트의 두께는 매트가 접촉하는 모노리스의 크기에 기초하여 결정될 수 있다. 모노리스는 다양한 크기로 상업적으로 입수가능하고, 각각의 크기의 모노리스의 허용 오차는 제조자에 의존한다. 150 x 150 mm 단면을 갖는 모노리스는 ± 3 mm의 허용 오차를 가질 수 있다. 두께가 상이한 매트를 가짐으로써, 149 x 149 mm의 실제 단면을 갖는 모노리스는 153 x 153 mm의 실제 단면을 갖는 모노리스에 사용되는 것보다 두꺼운 매트를 사용하게 된다. 153 x 153 mm의 실제 단면을 갖는 모노리스에 사용된 매트는 150 x 150 mm의 실제 단면을 갖는 모노리스에 사용된 매트보다 얇을 수 있다.
모노리스가 공칭 폭 N 및 실제 폭 A를 갖는 경우, 공칭 폭 N과 같은 실제 폭 A를 갖는 모노리스와 함께 사용되는 매트의 두께는 B이며, 실제 폭 C를 갖는 모노리스와 함께 사용되는 매트의 원하는 두께는:
a) C < A일 때 B + (A-C)이고;
b) C = A 일 때 B이며; 및
c) C > A 일 때 B - (C-A)이고,
여기서 실제 폭 C를 갖는 상기 모노리스와 함께 사용되는 매트의 실제 두께는 폭 B의 재료의 상업적으로 입수가능한 매트의 가장 근접한 두께이다.
원하는 두께를 얻기 위해 2 개의 매트가 사용될 수 있다.
잠금 요소
요소 프레임은 하나 이상의 잠금 요소를 포함하고, 여기서 각각의 잠금 요소는 요소 프레임의 유입 단부 및/또는 유출 단부를 가로질러 연장하고 요소 프레임의 대향하는 벽에 연결된다. 잠금 요소는 요소 프레임 내에 모노리스를 유지하고 요소 프레임의 대향하는 벽의 이동을 방지한다. 도 5 및 13은 2 개의 잠금 요소를 갖는 2 곱하기 2 구성의 4 개의 모노리스를 함유하는 요소 프레임을 도시하고, 여기서 각각의 잠금 요소는 2 개의 인접한 모노리스의 측면 및 모노리스 사이의 간극 상에 있다. 1 곱하기 3 모노리스 요소 프레임의 경우, 유입 측면 및 유출 측면 각각의 측면은, 각각의 잠금 요소가 2 개의 인접한 모노리스 사이의 간극 상에 위치되는, 2 개의 잠금 요소를 각각 포함할 수 있다.
잠금 요소는 바람직하게는 하나 이상의 컷아웃을 함유한다. 컷아웃은 촉매 모듈이 배기 가스 원으로부터의 배기 가스에 노출될 때 배기 가스의 유동에 직접 노출되는 모노리스 내의 셀의 수의 증가를 제공한다. 잠금 요소가 컷아웃을 포함하지 않을 때, 모노리스 내의 더 많은 수의 셀이 잠금 요소에 의해 덮이고 이는 배기 가스와 직접 접촉하는 셀의 수를 감소시킨다. 컷아웃 잠금 요소의 폭은 모노리스 사이의 간극이 덮이도록 한다. 컷아웃의 폭을 결정할 때, 모노리스의 너비에 대한 제조 허용 오차를 고려해야 한다. 유입 및 유출 면상의 요소 프레임 상에 위치한 잠금 요소는, 촉매 셀의 바람직하게는 10 % 미만, 더욱 바람직하게는 8 % 미만, 보다 더 바람직하게는 7 % 미만, 보다 더 바람직하게는 6 % 미만, 가장 바람직하게는 5 % 미만이 배기 유동에 직접 노출되지 않도록 컷아웃을 함유할 수 있다. 이는 배압을 낮추고 촉매 모노리스의 활용도를 높이며 따라서 더 높은 전환율을 이끌어낸다.
(a) 요소 프레임의 유입 및 유출 내의 요소 프레임의 벽(도 6, 7 및 13에 도시된 바와 같음) 및 (b) 잠금 요소(도 13 및 14에 도시된 바와 같음) 중 적어도 하나가 컷아웃을 포함할 때, NH3, NOx, 탄화수소 및 일산화탄소 중 적어도 하나의 전환량은 컷아웃을 갖지 않는 상응하는 요소 프레임의 것보다 크다.
도 7은 2 개의 잠금 요소가 부착된 유입 또는 유출 단부로부터의 요소 프레임의 도를 묘사한다. 적어도 부분적으로 매트로 덮인 그들의 측면 벽을 갖는 모노리스는 요소 프레임의 벽 내에 배치된다. 각각의 잠금 요소는 용접에 의해 대향하는 벽에 연결될 수 있다. 잠금 요소는 바람직하게는 요소 프레임의 팽창을 최소화 또는 방지하는 사전응력 하에서 요소 프레임 내로 용접된다. 요소 프레임의 팽창은 표면 압력을 낮출 수 있고 따라서 전형적인 배기 시스템 조건에서의 충격 및 진동과 같은 주기적인 기계적 응력 하에서 모노리스의 움직임의 위험이 더 높아지게 할 수 있다.
촉매 모듈
본 발명의 다른 측면에서, 촉매 모듈은 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 포함할 수 있다.
본 발명의 촉매 모듈은 2 개의 그룹 중 하나일 수 있다: 주변 프레임을 가지는 것 및 주변 프레임이 없는 것.
주변 프레임을 갖는 촉매 모듈은 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 당 업계에 공지되어 있다. 주변 프레임을 갖는 촉매 모듈은 수평 파티션(13) 및 수직 파티션(14)에 의해 형성된 2 개의 측면(10), 상부(11), 바닥(12) 및 다수의 공간(15)을 가질 수 있다. 하나 이상의 촉매를 포함하는 복수의 모노리스를 함유하는 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임(20)은, 각각의 공간(15) 내에 삽입될 수 있다. 바람직하게는, 프레임 요소는 전술한 바와 같이, 하나 이상의 잠금 요소를 포함한다.
주변 프레임이 없는 촉매 모듈은 프레임 요소를 서로 인접하게 배치하고 다른 프레임 요소의 상부에 요소 프레임을 배치하고 인접한 프레임 요소에 프레임 요소를 연결하는 것에 의해, 복수의 요소 프레임을 서로 결합함으로써 형성될 수 있다(도 15 참조). 주변 프레임이 없는 촉매 모듈은 소수의 모노리스만이 필요할 때 특히 유용하고 주변 프레임을 갖는 촉매 모듈을 사용하는 경우의 부가 중량 및 복잡성을 피할 수 있다.
바람직하게는, 프레임 요소는 인접한 프레임 요소에 연결된다. 인접한 프레임 요소는, 그들 사이에 위치한 매트와 같은, 시일링(sealing) 요소를 가질 수 있다. 프레임 요소는 용접, 배기 가스 스트림에 배치될 때 촉매 모듈이 받는 온도, 진동 및 충격을 견딜 수 있는 접착제 또는 볼트, 너트, 앵커 등과 같은 기계적 수단에 의해 인접한 프레임 요소에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 요소 프레임의 하나 이상의 측면은 연장부를 포함한다.
촉매 모듈의 요소 프레임은 촉매 모듈이 배기 시스템에 설치될 때 요소 프레임 주변에 배기 가스 바이패스의 통로가 최소화되도록 배치될 수 있다.
촉매 모듈은 복수의 요소 프레임을 포함할 수 있는데 여기서 요소 프레임의 적어도 하나의 벽은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되고 각각의 요소 프레임은 요소 프레임 상의 연장된 구역을 통해 하나 이상의 요소 프레임에 연결된다.
촉매 모듈은 요소 프레임의 적어도 하나의 벽은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하는 복수의 요소 프레임을 포함하고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되며 요소 프레임은 요소 프레임 주변에 최소의 배기 바이패스가 존재하도록 배열된다.
촉매 모듈은 복수의 요소 프레임을 포함할 수 있는데 여기서 요소 프레임의 적어도 2 개의 벽은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되며 요소 프레임은 요소 프레임 주변에 최소의 배기 바이패스가 존재하도록 배열된다.
촉매 모듈은 복수의 요소 프레임을 포함할 수 있는데 여기서 요소 프레임의 4 개의 측면 각각은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되며 요소 프레임은 요소 프레임 주변에 최소의 배기 바이패스가 존재하도록 배열된다.
촉매 모듈의 각각의 프레임 요소는 프레임 요소가 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함할 때 인접한 프레임 요소에 연결될 수 있고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성된다.
촉매 모듈의 각각의 프레임 요소는 프레임 요소가 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함할 때 모든 인접한 프레임 요소에 연결될 수 있고, 여기서 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성된다.
촉매 모듈은 수평 파티션 및 수직 파티션에 의해 형성된 복수의 공간을 더 포함할 수 있고, 여기서 모노리스 및 각각의 모노리스의 각각의 측면 사이에 위치된 하나 이상의 매트를 포함하는 프레임 요소는 공간 내에 존재한다.
촉매 모듈은 배기 덕트 내에 또는 반응기라 불리는, 보다 큰 반응 공간, 배기 스트림에 직접 고정될 수 있다.
배기 시스템은 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 포함할 수 있다.
배기 시스템은 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈을 포함할 수 있다.
단독으로 또는 촉매 모듈에서 요소 프레임 내의 모노리스가 SCR 촉매를 포함하는 경우, 배기 시스템은 환원제 유체, 예를 들어 탄화수소 또는 질소계 환원제 또는 이의 전구체를, 요소 프레임의 배기 가스 상류로 주입하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 수단은 인젝터를 포함한다. 당업자는 SCR 촉매가 산화 질소를 질소로 전환시키는데 사용되는 경우 암모니아 또는 다른 유형의 환원제가 필요하다는 것을 알 것이다. 이러한 사람은 배기 가스에 반응물을 첨가하고 시스템에서 SCR 촉매를 사용하는 방법을 이해할 것이다. 이러한 사람은 환원제 유체를 배기 가스 상류로 주입하기 위한 수단이 당 업계에 공지되어 있음을 또한 이해할 것이다.
여전히 다른 측면에서, 본 발명은 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 만드는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 만드는 방법은 각각의 모노리스를 매트로 래핑하는 단계, 잠금 요소가 요소 프레임에 연결되기 전에 요소 프레임의 내부 내에 래핑된 모노리스를 배치하는 단계 및 매트 래핑된 모노리스를 함유하는 요소 프레임이 압축력을 받는 동안 잠금 요소를 요소 프레임에 연결하는 단계를 포함한다. 바람직하게는 요소 프레임은 매트의 성질에 의존하여, 적어도 대략 100 뉴턴/mm2, 바람직하게는 적어도 대략 150 뉴턴/mm2, 더욱 바람직하게는 적어도 대략 200 뉴턴/mm2의 압력으로 압축된다.
다른 측면에서, 본 발명은 복수의 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈을 만드는 방법에 관한 것이다. 방법은 각각의 모노리스를 매트로 래핑하는 단계, 요소 프레임의 내에 래핑된 모노리스를 배치하는 단계, 매트 래핑된 모노리스를 함유하는 요소 프레임이 압축력을 받는 동안 하나 이상의 잠금 요소를 요소 프레임에 연결하는 단계에 의해 하나 이상의 모노리스, 하나 이상의 매트 및 하나 이상의 잠금 요소를 포함하는 요소 프레임을 형성하고 및, (a) 하나 이상의 요소 프레임을 서로 연결하여 촉매 모듈을 형성하거나, 또는 (b) 하나 이상의 잠금 요소를 함유하는 요소 프레임을 촉매 모듈의 프레임의 파티션 내로 삽입하는 것을 포함한다. 바람직하게는 요소 프레임은 매트의 성질에 의존하여, 적어도 대략 100 뉴턴/mm2, 바람직하게는 적어도 대략 150 뉴턴/mm2, 더욱 바람직하게는 적어도 대략 200 뉴턴/mm2의 압력으로 압축된다. 당업자는 전술한 요소 프레임이 요소 프레임의 파티션 내에 배치될 수 있는 주변 프레임을 갖는 촉매 모듈을 제조하는 데에 사용되는 기술 및 절차에 익숙할 것이다. 이러한 사람은 전술한 바와 같이, 연장부를 포함하는 요소 프레임을 기계적 체결구를 사용하여 서로 연결하는 데에 사용되는 기술 및 절차에 익숙할 것이다.
배기 가스를 처리하는 방법은 배기 가스를 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 하나 이상의 촉매를 포함하는, 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임 내의 모노리스를 통해 통과시키는 단계를 포함한다.
배기 가스와 접촉되는 촉매의 양을 증가시키는 방법은 요소 프레임이 컷아웃을 포함하는 본 발명의 제1 측면의 요소 프레임을 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 다음의 정의 중 하나 이상에 따라 정의될 수 있다:
1) 요소 프레임은 벽이 직사각형 또는 정사각형 형상을 형성하는 2 쌍의 대향하는 벽, 상기 벽에 의해 형성되는 내부, 유입 단부, 유출 단부, 적어도 하나의 잠금 요소, 적어도 하나의 매트 및 유입, 유출, 4 개의 측면 및 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 적어도 하나의 촉매를 포함하는 적어도 하나의 모노리스를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 매트 및 적어도 하나의 모노리스는 모노리스와 각각의 인접한 벽 사이에 적어도 하나의 매트가 있게 요소 프레임의 내부에 위치되고, 각각의 잠금 요소는 요소 프레임의 유입 단부 또는 유출 단부를 가로질러 연장되며 요소 프레임의 2 개의 대향하는 측면에 연결되는, 연소원으로부터의 배기 가스의 유동 내에 촉매를 함유하는 모노리스를 보유하기 위한 요소 프레임.
2) 2 개 이상의 모노리스는 요소 프레임의 내부에 존재하고, 적어도 2 개의 모노리스는 서로에 인접하게 위치하며, 적어도 하나의 매트는 서로에 인접한 모노리스 사이에 위치하는, 1)의 요소 프레임.
3) 적어도 2 개의 잠금 요소는 요소 프레임의 유입 단부 상에 위치하고 적어도 2 개의 잠금 요소는 요소 프레임의 유출 단부 상에 위치하는, 1) 또는 2)의 요소 프레임.
4) 요소 프레임이 적어도 2 개의 모노리스를 포함할 때, 인접한 모노리스 사이에 공간이 위치하고 상기 잠금 요소의 적어도 하나는 2 개의 모노리스 사이의 공간, 바람직하게는 중심 상에 위치하는, 1) 내지 3) 중 어느 하나의 요소 프레임.
5) 각각의 잠금 요소는 대향하는 벽에 용접에 의해 연결되는, 1) 내지 4) 중 어느 하나의 요소 프레임.
6) 잠금 요소는 컷아웃을 포함하고, 여기서 컷아웃은 촉매 모듈이 배기 가스 원으로부터의 배기 가스에 노출될 때 배기 가스의 유동에 직접 노출되는 모노리스 내의 셀의 수의 증가를 위해 제공하는, 1) 내지 5) 중 어느 하나의 요소 프레임.
7) (a) 요소 프레임의 유입 및 유출 내의 요소 프레임의 벽 및 (b) 잠금 요소 중 적어도 하나는, 컷아웃을 포함하고, NH3, NOx, 탄화수소 및 일산화탄소 중 적어도 하나의 전환량은 컷아웃을 갖지 않는 상응하는 요소 프레임의 것보다 큰, 1) 내지 6) 중 어느 하나의 요소 프레임.
8) 각각의 벽은 내부로 연장하는 복수의 돌출부를 포함하는, 1) 내지 7) 중 어느 하나의 요소 프레임.
9) 복수의 돌출부는 섬유 매트와 접촉하고 모노리스가 요소 프레임의 내부에 위치할 때 하나 이상의 촉매를 포함하는 모노리스에 대해 섬유 매트를 유지하도록 구성된, 8)의 요소 프레임.
10) 요소 프레임의 적어도 하나의 벽은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하고, 개구는 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되는, 1) 내지 9) 중 어느 하나의 요소 프레임.
11) 요소 프레임의 적어도 2 개의 벽은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하고, 개구는 상기 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되는, 1) 내지 10) 중 어느 하나의 요소 프레임.
12) 요소 프레임의 각각의 4 개의 측면은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하고, 개구는 상기 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되는, 1) 내지 11) 중 어느 하나의 요소 프레임.
13) 모노리스의 적어도 한쪽 측면의 면적의 적어도 대부분이 하나 이상의 매트에 의해 덮여있는, 1) 내지 12) 중 어느 하나의 요소 프레임.
14) 모노리스의 적어도 2 개의 측면 각각의 면적의 적어도 대부분이 하나 이상의 매트에 의해 덮여있는, 1) 내지 13) 중 어느 하나의 요소 프레임.
15) 모노리스의 4 개의 측면 각각의 면적의 적어도 대부분이 하나 이상의 매트에 의해 덮여있는, 1) 내지 14) 중 어느 하나의 요소 프레임.
16) 매트는 스트립 형태이고 스트립은 모노리스의 오직 일부분만을 둘러싸는, 1) 내지 15) 중 어느 하나의 요소 프레임.
17) 매트의 두께는 매트가 모노리스와 프레임 요소 사이의 간극을 채우고 모노리스가 조립 중에 요소 프레임이 함께 가압될 때 적어도 대략 100, 바람직하게는 적어도 대략 150, 더욱 바람직하게는 적어도 대략 200 뉴턴/mm2의 표면 압력을 견딜 수 있게 완충작용을 제공하도록 선택되는, 1) 내지 16) 중 어느 하나의 요소 프레임.
18) 모노리스는 공칭 폭 N 및 실제 폭 A를 갖고, 공칭 폭 N과 같은 실제 폭 A를 갖는 모노리스와 함께 사용되는 매트의 두께는 B이며, 실제 폭 C를 갖는 모노리스와 함께 사용되는 매트의 원하는 두께는:
a) C < A일 때 B + (A-C)이고;
b) C = A 일 때 B이며; 및
c) C > A 일 때 B - (C-A)이고,
실제 폭 C를 갖는 모노리스와 함께 사용되는 매트의 실제 두께는 폭 B의 재료의 상업적으로 입수가능한 매트의 가장 근접한 두께인, 1) 내지 17) 중 어느 하나의 요소 프레임.
19) 하나 이상의 매트가 모노리스 주변의 배기 가스의 이동을 제한하는 시일을 형성하는, 1) 내지 18) 중 어느 하나의 요소 프레임.
20) 모노리스는 SCR 촉매를 포함하는, 1) 내지 19) 중 어느 하나의 요소 프레임.
21) 모노리스는 산화 촉매를 포함하는, 1) 내지 20) 중 어느 하나의 요소 프레임.
22) 모노리스가 필터인, 1) 내지 21) 중 어느 하나의 요소 프레임.
23) 요소 프레임은 복수의 모노리스를 포함하고 하나의 모노리스의 유출은 다른 모노리스의 유입과 인접하고 배기 가스의 유동이 적어도 2 개의 모노리스를 순차적으로 통과하도록 2 개 이상의 모노리스가 위치하는, 1) 내지 22) 중 어느 하나의 요소 프레임.
24) 하나의 모노리스의 유출은 다른 모노리스의 유입과 인접하도록 위치한 2 개 이상의 모노리스는 동일한 기능성을 갖는 촉매를 함유하는, 23)의 요소 프레임.
25) 하나의 모노리스의 유출은 다른 모노리스의 유입과 인접하도록 위치한 2 개 이상의 모노리스는 상이한 기능성을 갖는 촉매를 함유하는, 23)의 요소 프레임.
26) 복수의 1) 내지 25) 중 어느 하나의 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈.
27) 배기 시스템에 촉매 모듈이 설치될 때 요소 프레임 주변에 배기 가스 바이패스의 통과가 최소화되도록 요소 프레임이 배열되는, 26)의 촉매 모듈.
28) 각각의 요소 프레임은 요소 프레임 상에 연장된 구역을 통해 하나 이상의 요소 프레임에 연결되는, 복수의 10), 11), 및 12) 중 하나 이상의 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈.
29) 요소 프레임의 주변에 최소의 배기 바이패스가 존재하도록 요소 프레임이 배열된, 복수의 10), 11), 및 12) 중 하나 이상의 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈.
30) 각각의 프레임 요소는 하나의 인접한 프레임 요소에 연결되는, 26) 내지 29) 중 어느 하나의 촉매 모듈.
31) 각각의 프레임 요소는 모든 인접한 프레임 요소에 연결되는, 26) 내지 29) 중 어느 하나의 촉매 모듈.
32) 촉매 모듈은 수평 파티션 및 수직 파티션에 의해 형성된 복수의 공간을 더 포함하고, 모노리스 및 각각의 모노리스의 각각의 측면 사이에 위치한 하나 이상의 매트를 함유하는 프레임 요소가 한 공간 내에 존재하는, 26) 내지 31) 중 어느 하나의 촉매 모듈.
33) 1) 내지 25) 중 어느 하나의 요소 프레임을 포함하는 배기 시스템.
34) 26) 내지 32) 중 어느 하나의 촉매 모듈을 포함하는 배기 시스템.
35) 배기 가스에 NH3를 형성하는 수단을 더 포함하고, NH3를 형성하는 수단은 요소 프레임 또는 촉매 모듈 앞에 위치하는, 33) 또는 34)의 배기 시스템.
36) 각각의 모노리스를 매트로 래핑하는 단계, 잠금 요소가 요소 프레임에 연결되기 전에 요소 프레임의 내부 내에 래핑된 모노리스를 배치하는 단계 및 매트 래핑된 모노리스를 함유하는 요소 프레임이 압축력을 받는 동안 잠금 요소를 요소 프레임에 연결하는 단계를 포함하는, 1) 내지 25) 중 어느 하나의 요소 프레임을 만드는 방법.
37) 요소 프레임은 적어도 대략 100 뉴턴/mm2, 바람직하게는 적어도 대략 150 뉴턴/mm2, 더욱 바람직하게는 적어도 대략 200 뉴턴/mm2의 압력으로 압축되는, 36)의 방법.
38) 각각의 모노리스를 매트로 래핑하는 단계, 요소 프레임 내에 래핑된 모노리스를 배치하는 단계, 매트 래핑된 모노리스를 함유하는 요소 프레임이 압축력을 받는 동안 하나 이상의 잠금 요소를 요소 프레임에 연결하는 단계에 의해 하나 이상의 모노리스, 하나 이상의 매트 및 하나 이상의 잠금 요소를 포함하는 요소 프레임을 형성하고, (a) 하나 이상의 요소 프레임을 서로 연결하여 촉매 모듈을 형성하거나, 또는 (b) 하나 이상의 잠금 요소를 함유하는 요소 프레임을 촉매 모듈의 프레임의 파티션 내로 삽입하는 것을 포함하는, 26) 내지 32) 중 어느 하나의 촉매 모듈을 만드는 방법.
39) 압축력은 적어도 대략 100 뉴턴/mm2, 바람직하게는 적어도 대략 150 뉴턴/mm2, 더욱 바람직하게는 적어도 대략 200 뉴턴/mm2인, 38)의 방법.
40) 1) 내지 25) 중 어느 하나의 요소 프레임 내의 모노리스를 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함하고, 모노리스는 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 하나 이상의 촉매를 포함하는, 배기 가스를 처리하는 방법.
41) 6) 또는 7) 중 하나의 요소 프레임을 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함하는, 배기 가스와 접촉되는 촉매의 양을 증가시키는 방법.

Claims (21)

  1. 벽이 직사각형 또는 정사각형 형상을 형성하는 2 쌍의 대향하는 벽, 상기 벽에 의해 형성되는 내부, 유입 단부, 유출 단부, 적어도 하나의 잠금 요소, 적어도 하나의 매트 및 유입, 유출, 4 개의 측면 및 배기 가스 중의 하나 이상의 가스의 농도를 감소시키는 데에 효과적인 적어도 하나의 촉매를 포함하는 적어도 하나의 모노리스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 매트 및 적어도 하나의 모노리스는 모노리스와 각각의 인접한 벽 사이에 적어도 하나의 매트가 있도록 요소 프레임의 내부에 위치하고, 각각의 잠금 요소는 상기 요소 프레임의 유입 단부 또는 유출 단부를 가로질러 연장되며 요소 프레임의 2 개의 대향하는 측면에 연결되는, 연소원으로부터의 배기 가스의 유동 내에 촉매를 함유하는 모노리스를 보유하기 위한 요소 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 2 개 이상의 모노리스가 상기 요소 프레임의 내부에 존재하고, 적어도 2 개의 모노리스는 서로에 인접하게 위치하며, 적어도 하나의 매트는 서로에 인접한 모노리스 사이에 위치하는 요소 프레임.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 2 개의 잠금 요소는 상기 요소 프레임의 유입 단부 상에 위치하고 적어도 2 개의 잠금 요소는 상기 요소 프레임의 유출 단부 상에 위치하는 요소 프레임.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요소 프레임이 적어도 2 개의 모노리스를 포함할 때, 인접한 모노리스 사이에 공간이 위치하고 상기 잠금 요소의 적어도 하나는 2 개의 모노리스 사이의 공간, 바람직하게는 중심 상에 위치하는 요소 프레임.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 벽은 내부로 연장하는 복수의 돌출부를 포함하는 요소 프레임.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요소 프레임의 적어도 하나의 벽은 복수의 개구를 포함하는 연장된 구역을 포함하고, 상기 개구는 상기 요소 프레임을 다른 요소 프레임에 결합시키는 체결구가 상기 개구를 통과하는 것을 허용하도록 구성되는 요소 프레임.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트의 두께는 매트가 모노리스와 프레임 요소 사이의 간극을 채우고 상기 모노리스가 조립 중에 상기 요소 프레임이 함께 가압될 때 적어도 100, 바람직하게는 적어도 150, 더욱 바람직하게는 적어도 200 뉴턴/mm2의 표면 압력을 견딜 수 있게 완충작용을 제공하도록 선택되는 요소 프레임.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모노리스는 공칭 폭 N 및 실제 폭 A를 갖고, 상기 공칭 폭 N과 같은 실제 폭 A를 갖는 모노리스와 함께 사용되는 매트의 두께는 B이며, 실제 폭 C를 갖는 모노리스와 함께 사용되는 매트의 원하는 두께는:
    a) C < A일 때 B + (A-C)이고;
    b) C = A 일 때 B이며; 및
    c) C > A 일 때 B - (C-A)이고,
    실제 폭 C를 갖는 상기 모노리스와 함께 사용되는 매트의 실제 두께는 폭 B의 재료의 상업적으로 입수가능한 매트의 가장 근접한 두께인 요소 프레임.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모노리스는 SCR 촉매; 산화 촉매; 또는 필터를 포함하는 요소 프레임.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 모노리스를 포함하고 하나의 모노리스의 유출은 다른 모노리스의 유입과 인접하고, 배기 가스의 유동이 적어도 2 개의 모노리스를 순차적으로 통과하도록 2 개 이상의 모노리스가 위치하는 요소 프레임.
  11. 제23항에 있어서, 하나의 모노리스의 유출은 다른 모노리스의 유입과 인접하도록 위치한 상기 2 개 이상의 모노리스는 동일하거나 또는 상이한 기능성을 갖는 촉매를 함유하는 요소 프레임.
  12. 복수의 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈.
  13. 각각의 요소 프레임은 그 위의 연장된 구역을 통해 하나 이상의 요소 프레임에 연결되는, 복수의 제6항에 따른 요소 프레임을 포함하는 촉매 모듈.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 각각의 프레임 요소는 하나 또는 모든 인접한 프레임 요소에 연결되는 촉매 모듈.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 모듈은 수평 파티션 및 수직 파티션에 의해 형성된 복수의 공간을 더 포함하고, 모노리스 및 각각의 모노리스의 각각의 측면 사이에 위치한 하나 이상의 매트를 함유하는 한 프레임 요소가 한 공간 내에 존재하는 촉매 모듈.
  16. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 요소 프레임 또는 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 촉매 모듈을 포함하는 배기 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 배기 가스에 NH3를 형성하는 수단을 포함하고, 상기 NH3를 형성하는 수단은 요소 프레임 또는 촉매 모듈 앞에 위치하는 배기 시스템.
  18. 각각의 모노리스를 매트로 래핑하는 단계, 잠금 요소가 요소 프레임에 연결되기 전에 요소 프레임의 내부 내에 래핑된 모노리스를 배치하는 단계 및 매트 래핑된 모노리스를 함유하는 요소 프레임이 압축력을 받는 동안 잠금 요소를 요소 프레임에 연결하는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 요소 프레임을 만드는 방법.
  19. 제18항의 방법에 따라 요소 프레임을 형성하는 단계 및, (a) 하나 이상의 요소 프레임을 서로 연결하여 촉매 모듈을 형성하는 단계; 또는 (b) 하나 이상의 잠금 요소를 함유하는 요소 프레임을 촉매 모듈의 프레임의 파티션 내로 삽입하는 단계 중 어느 하나를 포함하는, 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 촉매 모듈을 만드는 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 압축력은 적어도 100 뉴턴/mm2, 바람직하게는 적어도 150 뉴턴/mm2, 더욱 바람직하게는 적어도 200 뉴턴/mm2인 방법.
  21. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 요소 프레임 내의 촉매화된 모노리스를 통해 배기 가스를 통과시키는 단계를 포함하는, 배기 가스를 처리하는 방법.
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