KR20210095861A - 워시코트를 이용한 기재 코팅 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20210095861A
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baffle
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네일 버지스
제이미 세비지
크레이그 톰슨
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존슨 맛쎄이 퍼블릭 리미티드 컴파니
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Abstract

기재(substrate)의 면 상에 워시코트(washcoat)를 침착시키기 위한 워시코트 샤워헤드(showerhead)는 워시코트를 수용하기 위한, 입구를 갖는 하우징, 샤워헤드 플레이트 및 배플을 포함한다. 하우징 및 샤워헤드 플레이트는 샤워헤드 공동을 한정하며, 이때 배플은 샤워헤드 공동 내에 위치된다. 샤워헤드 플레이트는 기재의 면을 향해 워시코트를 토출하기 위한 복수의 노즐 개구(aperture)를 갖는다. 배플은 불투과성 중심 본체 및 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암을 포함하며, 복수의 아암은 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구를 한정한다.

Description

워시코트를 이용한 기재 코팅 장치 및 방법
본 발명은 워시코트(washcoat)를 이용하여 기재(substrate)를 코팅하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배기 가스의 정화에 사용되는 기재의 코팅에 관한 것이다.
코팅된 모놀리식(monolithic) 기재를 포함하는 다수의 배기 제어 장치(emissions control device)가 매년 제조된다. 그러한 장치의 주요 용도들 중 하나는 배기 가스, 예를 들어 발전소에 의해 또는 내연 기관, 특히 차량용 내연 기관에 의해 생성되는 배기 가스의 처리를 위한 것이다. 모놀리식 기재는 배기 가스가 기재 내의 채널 벽 상의 코팅과 접촉하게 하는 복수의 채널을 포함한다. 이러한 코팅은 인간의 건강에 유해하거나 환경 친화적이지 않은 배기 가스의 성분들을 포집(trap), 산화 및/또는 감소시킬 수 있다. 모놀리식 기재는 또한 그을음(soot), 예를 들어 내연 기관에 의해 생성되는 그을음(즉, 미립자 물질)을 제거할 수 있는 필터 기재일 수 있다.
배기 가스의 정화를 위한 기재는 전형적으로 배기 가스의 관류(through-flow)를 위한 통로가 제공되는 모놀리식 기재를 포함할 수 있다. 기재는 촉매 코팅일 수 있는 코팅을 구비할 수 있다. 코팅은 기재의 통로를 통과하는 워시코트로서 기재에 도포될 수 있다. 코팅을 기재에 도포하기 위한 다양한 방법이 공지되어 있다. 하나의 그러한 방법은 기재의 제1 면(예를 들어, 상부 면)에 워시코트를 도포하는 단계, 및 기재의 반대편의 제2 면(예를 들어, 하부 면)에 적어도 부분적인 진공을 가하여 통로를 통한 워시코트의 이동을 달성하는 단계를 포함한다. 코팅 후에, 기재는 건조 및 하소될 수 있다.
기재는 관류 기재로서 구성될 수 있으며, 여기서 각각의 통로는 기재의 제1 면 및 제2 면 둘 모두에서 개방되고, 이 통로는 기재의 전체 길이를 통해 연장된다. 결과적으로, 기재의 제1 면을 통해 통로 내로 들어오는 배기 가스가 기재의 제2 면을 빠져나갈 때까지 이 배기 가스는 동일한 통로 내에서 기재를 통과하게 된다. 대안적으로, 기재는 필터 기재로서 구성될 수 있으며, 여기서 일부 통로는 기재의 제1 면에서 막히고 다른 통로는 기재의 제2 면에서 막히게 된다. 그러한 구성에서, 기재의 제1 면을 통해 제1 통로 내로 들어오는 배기 가스는 기재를 따라 어느 정도 제1 통로를 따라 유동하고 이어서 기재의 여과 벽을 통해 제2 통로 내로 통과하게 된다. 이어서, 배기 가스는 상기 제2 통로를 따라 그리고 기재의 제2 면 밖으로 지나가게 된다. 그러한 배열은 벽-유동 필터(wall-flow filter)로서 당업계에 알려져 있다.
코팅된 필터 기재 또는 제품은, 예를 들어, 산화 촉매(예를 들어, 촉매화된 그을음 필터[CSF]), 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매(예를 들어, 그 제품은 이어서 선택적 촉매 환원 필터[SCRF] 촉매로 불릴 수 있음), NOx 흡착제 조성물(예를 들어, 그 제품은 이어서 희박 NOx 포집 필터[LNTF]로 불릴 수 있음), 3원 촉매 조성물(예를 들어, 그 제품은 이어서 가솔린 미립자 필터[GPF]로 불릴 수 있음), 암모니아 슬립 촉매[ASC] 또는 이들의 둘 이상의 조합(예를 들어, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 및 암모니아 슬립 촉매[ASC]를 포함하는 필터 기재)을 포함하는 필터 기재일 수 있다.
기재는 1회 용량(dose)으로 코팅될 수 있으며, 여기서 워시코트는 단일 단계에서 기재에 도포될 수 있으며, 이때 기재는 단일 배향으로 남아 있다. 대안적으로, 기재는 2회 용량으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 제1 용량으로, 기재는 제1 면이 맨 위가 되고 제2 면이 맨 아래가 되는 제1 배향 상태에 있게 된다. 코팅이 제1 면에 도포되고 기재의 길이의 일부분을 코팅한다. 이어서, 기재는 제2 면이 맨 위가 되도록 뒤집히게 된다. 이어서, 제1 용량에 의해 코팅되지 않은 기재의 부분을 코팅하기 위하여 코팅이 제2 면에 도포된다. 유리하게는, 2회 용량 공정은 상이한 코팅이 기재의 각각의 단부에 도포될 수 있게 한다.
기재의 최상의 성능을 제공하기 위하여, 코팅된 기재의 표면적이 최대화되도록 기재가 완전히 코팅되는 것을 보장하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 기재 내의 압력 손실 증가로 이어질 수 있기 때문에, 기재의 일부분이 (예를 들어, 2회 용량 공정에서) 워시코트의 하나 초과의 층에 의해 코팅되지 않는 것을 보장하는 것이 또한 유리하다. 그러므로, 기재에 워시코트를 도포하는 공정이 기재의 신뢰성 있고 제어가능한 코팅 프로파일(profile)을 달성하는 것이 바람직하다.
코팅된 필터 기재를 제조하는 데 있어서의 난제들 중 하나는 필터 기재의 채널의 벽 상으로 균일한 코팅을 도포하는 것에 관한 것이다. 이는 필터 기재의 각각의 채널이 일반적으로 단지 하나의 개방 단부(다른 단부는 보통 마개류(plugging)에 의해 폐쇄됨)만을 갖기 때문인데, 이는 워시코트의 도포에 문제가 된다. 필터 기재의 채널에 워시코트를 도포하여 원하는 코팅 깊이, 모든 채널에 걸친 균등한 코팅 깊이 및 각각의 채널 내에서의 균일한 워시코트 분포를 얻는 것이 어려울 수 있다.
국제특허 공개 WO 99/47260호는 모놀리식 지지체를 코팅하기 위한 일반적인 방법을 기술한다. 관류 허니콤 기재를 코팅하는 방법이 국제특허 공개 WO 99/47260호에 예시되어 있다. 이러한 방법은 상대적으로 높은 점도를 갖는 워시코트를 도포하는 데 전형적으로 사용된다.
필터 기재의 벽 상으로 워시코트를 균일하게 도포하기 위한 양호한 결과를 나타내는 한 가지 방법이 국제특허 공개 WO 2011/080525호에 기재되어 있다. 국제특허 공개 WO 2011/080525호는 촉매 성분을 포함하는 액체로 복수의 채널을 포함하는 허니콤 모놀리스 기재를 코팅하는 방법을 기술하고 있는데, 이 방법은 (i) 허니콤 모놀리스 기재를 실질적으로 수직으로 유지하는 단계; (ii) 사전결정된 체적의 액체를 기재의 하단부에 있는 채널의 개방 단부를 통해 기재 내로 도입하는 단계; (iii) 도입된 액체를 기재 내에 밀봉식으로 보유하는 단계; (iv) 보유된 액체를 포함하는 기재를 뒤집는 단계; 및 (v) 기재의 채널을 따라 액체를 흡인하기 위해 기재의 뒤집힌 하단부에 있는 기재의 채널의 개방 단부에 진공을 가하는 단계를 포함한다.
필터 기재의 벽 상으로의 워시코트의 도포를 위한 다른 방법이 국제특허 공개 WO 2015/145122호에 기술되어 있다. 이 방법은 액체를 필터 기재의 상단부 면 상으로 균등하게 침착시키도록 배열된 복수의 개구(aperture)를 포함하는 "샤워헤드"(showerhead)를 이용한다.
일부 제품의 경우, 상대적으로 낮은 점도 및 최소의 리올로지(rheology) 특성을 갖는 필터 기재를 위한 워시코트를 사용하고자 하는 필요가 있을 수 있다. 본 출원인은, 워시코트의 리올로지가 기재의 상부 면에 워시코트를 균일하게 도포하는 것이 어렵다는 것을 의미하기 때문에, 이는 기재의 신뢰성 있고 제어가능한 코팅 프로파일을 달성함에 있어서 문제를 야기할 수 있음을 알아내었다. 특히, 기재의 상부 면에 대한 워시코트의 도포는 노즐 개구의 어레이가 구비된 샤워헤드 플레이트를 포함하는 워시코트 샤워헤드의 사용에 의한 것일 수 있다. 저점도 워시코트의 경우, 샤워헤드 플레이트로부터 워시코트의 균일한 토출을 보장하는 것이 어려운 것으로 밝혀졌다. 이는 너무 적은 워시코트가 기재의 영역에 도포되는 경우 코팅 후에 기재의 일부분이 코팅되지 않는 문제로 이어질 수 있거나, 또는 대안적으로 너무 많은 워시코트가 기재의 영역에 도포되는 경우 과도한 기재가 기재의 하부 면으로부터 인출되는 '풀-스루'(pull-through)로 이어질 수 있다.
미국 특허 출원 공개 제2012/0021896호는 촉매 층의 원료를 포함하는 유체를 기재에 토출하도록 구성된 노즐을 교시하며, 이 노즐에는 유체를 기재의 제1 단부 면을 향해 토출하기 위한 토출 포트(port)가 제공된다. 노즐에는 메시 또는 천공 플레이트 형태의 편향기(deflector)가 제공될 수 있는데, 이는 노즐 내의 유체의 유동의 변화를 야기한다.
제1 태양에서, 본 발명은 워시코트 샤워헤드 아래에 위치된 기재의 면 상에 워시코트를 침착시키기 위한 워시코트 샤워헤드를 제공하는데, 워시코트 샤워헤드는
워시코트를 수용하기 위한, 입구를 갖는 하우징;
샤워헤드 플레이트, 및
배플을 포함하며,
하우징 및 샤워헤드 플레이트는 샤워헤드 공동을 한정하고, 배플은 샤워헤드 공동 내에 위치되고;
샤워헤드 플레이트는 기재의 면을 향해 워시코트를 토출하기 위한 복수의 노즐 개구를 포함하고;
배플은 불투과성 중심 본체 및 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암을 포함하고, 복수의 아암은 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구를 한정하고;
배플은 불투과성 중심 본체가 샤워헤드 플레이트로부터 이격되도록 샤워헤드 공동 내에 장착되고;
불투과성 중심 본체는 입구를 통해 샤워헤드 공동으로 들어오는 워시코트가 샤워헤드 플레이트의 노즐 개구를 통해 토출되기 전에 불투과성 중심 본체 둘레로 그리고 복수의 유동 개구를 통해 유동하게 방향전환되도록 하우징의 입구 아래에 정렬된다.
유리하게는, 그러한 배플을 포함하는 본 발명의 워시코트 샤워헤드는 기재의 더 균일한 코팅을 초래할 수 있으며, 특히 더 신뢰성 있고 제어가능한 코팅 프로파일을 생성할 수 있다. 따라서, 워시코트 샤워헤드를 사용함으로써, 워시코트의 코팅의 중첩 및/또는 풀-스루의 정도를 최소화하면서 코팅되는 기재의 표면적을 최대화할 수 있다.
배플은 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암, 예를 들어 4개의 아암을 포함할 수 있으며, 복수의(예컨대, 4개의) 아암은 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의(예컨대, 4개의) 유동 개구를 한정하고; 선택적으로 복수의(예컨대, 4개의) 아암은 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 등간격으로 이격될 수 있다. 복수의 아암은 불투과성 중심 본체로부터 반경방향으로 연장될 수 있고, 선택적으로 복수의 아암의 각각의 폭은 불투과성 중심 본체에 근접한 위치로부터 불투과성 중심 본체에서 먼 위치까지 증가할 수 있다. 4개의 아암이 바람직하게는 제공될 수 있다.
불투과성 중심 본체는 평면도에서 형상이 원형일 수 있다. 불투과성 중심 본체는 하우징에 대한 입구의 직경보다 더 큰 직경을 가질 수 있고, 선택적으로 입구의 중심 길이방향 축과 불투과성 중심 본체의 중심 축은 일치할 수 있다. 불투과성 중심 본체는 직경이 20 내지 55 mm, 바람직하게는 25 내지 50 mm일 수 있고; 더욱 바람직하게는 27, 35 또는 50 mm가 되도록 선택될 수 있다.
하우징의 입구는 내경이 25.4 mm(1 인치) 이하일 수 있다.
입구를 향하는 불투과성 중심 본체의 상부 면은 돌출부를 포함할 수 있고; 바람직하게는 돌출부는 원추형 또는 부분 원추형 표면이다.
유리하게는, 상부 면 상에 돌출부를 제공함으로써 워시코트가 샤워헤드 플레이트의 주연부로 향하게 됨에 따라 워시코트 샤워헤드 내의 난류를 최소화하는 것으로 밝혀졌다.
배플은 하우징 및 샤워헤드 플레이트 중 적어도 하나에 장착될 수 있고; 바람직하게는, 배플은 하우징에만 장착된다. 배플은 하우징의 입구를 둘러싸지만 부딪히지는 않는 하우징의 장착 지점들에 장착될 수 있다. 배플은 하우징 및 샤워헤드 플레이트 중 적어도 하나와 복수의 아암 사이에서 연장되는 고정구(fixative)에 의해 장착될 수 있다. 고정구는 복수의 아암의 각각의 말단부로부터 연장될 수 있다. 고정구는 65 내지 75 mm, 바람직하게는 70 mm의 피치 원 직경(pitch circle diameter) 상에 위치될 수 있고, 불투과성 중심 본체의 중심 축 상에 중심이 맞춰질 수 있다. 바람직하게는, 고정구는 불투과성의 중심 본체의 직경 외부에 위치된다.
유리하게는, 고정구를 불투과성의 중심 본체의 직경 밖에 위치시킴으로써 유입 워시코트와의 고정구의 간섭을 최소화하여 기재의 상부 면 상으로의 워시코트의 더 균일한 분포를 초래할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
샤워헤드 공동은 깊이가 12 내지 40 mm, 바람직하게는 15 내지 30 mm일 수 있다.
불투과성 중심 본체는 5 내지 10 mm의 간격만큼 샤워헤드 플레이트로부터 이격될 수 있다.
유리하게는, 샤워헤드 플레이트로부터 5 내지 10 mm의 간격으로 불투과성 중심 본체를 위치시킴으로써 샤워헤드 공동 내에서 워시코트 순환을 개선할 수 있고, 특히 충분한 워시코트가 샤워헤드 플레이트의 상부 면의 중심으로 다시 유동하여 기재의 상부 면 상으로의 워시코트의 더 균일한 분배를 달성할 수 있다는 것으로 밝혀졌다.
제2 태양에서, 본 발명은 전술된 바와 같은 워시코트 샤워헤드의 일부를 형성하기 위한 배플을 제공하며, 여기서 배플은 불투과성 중심 본체 및 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암을 포함하고, 복수의 아암은 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구를 한정한다.
복수의 아암은 불투과성 중심 본체로부터 반경방향으로 연장될 수 있고/있거나; 복수의 아암의 각각의 폭은 불투과성 중심 본체에 근접한 위치로부터 불투과성 중심 본체에서 먼 위치까지 증가할 수 있고/있거나; 불투과성 중심 본체는 평면도에서 형상이 원형일 수 있고/있거나; 불투과성 중심 본체는 직경이 20 내지 55 mm, 바람직하게는 25 내지 50 mm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 27, 35 또는 50 mm가 되도록 선택되고/되거나; 불투과성의 중심 본체의 상부 면은 돌출부를 포함할 수 있고; 바람직하게는, 돌출부는 원추형 또는 부분 원추형 표면이고/이거나; 복수의 아암에는 연결 고정구를 위한 장착 지점들이 제공될 수 있고/있거나; 장착 지점들은 복수의 아암들의 각각의 밀단부에 위치될 수 있고/있거나; 장착 지점들은 65 내지 75 mm, 바람직하게는 70 mm의 피치 원 직경 상에 위치될 수 있고, 불투과성 중심 본체의 중심 축 상에 중심이 맞춰질 수 있다.
제3 태양에서, 본 발명은 전술한 바와 같은 워시코트 샤워헤드를 포함하는 기재 코팅 장치를 제공한다.
제4 태양에서, 본 발명은 워시코트 샤워헤드를 사용하여 워시코트로 기재를 코팅하는 방법을 제공하며;
워시코트 샤워헤드는
입구를 갖는 하우징;
샤워헤드 플레이트; 및
배플을 포함하는 유형의 것이고;
하우징 및 샤워헤드 플레이트는 샤워헤드 공동을 한정하고, 배플은 샤워헤드 공동 내에 위치되고;
샤워헤드 플레이트는 복수의 노즐 개구를 포함하고;
배플은 불투과성 중심 본체 및 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암을 포함하고, 복수의 아암은 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구를 한정하고;
배플은 불투과성 중심 본체가 샤워헤드 플레이트로부터 이격되도록 샤워헤드 공동 내에 장착되고;
불투과성 중심 본체는 하우징의 입구 아래에 정렬되며;
본 방법은
- 기재를 워시코트 샤워헤드 아래에 위치시키는 단계;
- 샤워헤드 공동을 통해 입구로부터 샤워헤드 플레이트의 노즐 개구들로 워시코트를 통과시키는 단계; 및
- 워시코트를 노즐 개구로부터 필터 기재의 면을 향해 토출하는 단계
를 포함하며;
샤워헤드 공동을 통한 워시코트의 통과 동안, 워시코트는 샤워헤드 플레이트의 노즐 개구를 통해 토출되기 전에 배플의 불투과성 중심 본체 주위로 그리고 복수의 유동 개구를 통해 유동하도록 방향전환된다.
관류 기재(예컨대, 모놀리식 관류 기재) 및 필터 기재(예를 들어, 모놀리식 필터 기재), 비드(bead) 및 세라믹 폼(foam)을 포함하는 다양한 기재가 알려져 있다. 그러나, 바람직하게는 기재는 관류 기재 또는 필터 기재(예를 들어, 벽-유동 필터 기재)로부터 선택된다.
관류 기재는 전형적으로 관통 연장되는 복수의 채널을 일반적으로 포함하며, 여기서 각각의 채널은 양 단부에서 개방된다(즉, 입구의 개방 단부 및 출구의 개방 단부). 채널은 복수의 벽 사이에 형성된다. 벽은 일반적으로 비다공성 재료를 포함한다. 관통 연장되는 평행 채널들의 어레이를 포함하는 관류 모놀리식 기재가 또한 본 명세서에서 허니콤 모놀리식 기재로 또한 지칭된다.
대조적으로, 필터 기재는 복수의 채널을 포함하며, 여기서 각각의 채널은 개방 단부 및 폐쇄 단부(예컨대, 차단된 또는 막힌 단부)를 갖는다. 각각의 채널은 전형적으로 벽에 의해 인접한 또는 이웃하는 채널로부터 분리된다. 벽은 다공성 재료를 포함하거나 또는 이들로 본질적으로 이루어진다. 그러한 다공성 재료는 당업계에 잘 알려져 있다.
일반적으로, 필터 기재는 복수의 입구 채널 및 복수의 출구 채널을 포함한다. 각각의 입구 채널은 기재의 제1 면에서의 개방 단부 및 기재의 반대편의 제2 면에서의 폐쇄(예컨대, 차단되거나 막힌) 단부를 가지며(즉, 제2 단부는 제1 단부에 대해 반대편의 단부이고), 각각의 출구 채널은 기재의 제1 면에서의 폐쇄(예를 들어, 차단되거나 막힌) 단부 및 기재의 반대편의 제2 면에서의 개방 단부를 갖는다.
필터 기재에서, 기재의 제1 면에서의 개방 단부 및 기재의 제2(즉, 반대편) 면에서의 폐쇄 단부를 갖는 각각의 채널은 기재의 제1 면에서의 폐쇄 단부 및 기재의 제2(즉, 반대편) 면에서의 개방 단부를 갖는 채널에 전형적으로 인접한다. 채널들 사이의 유체 연통은 기재의 벽을 통한 (예를 들어, 다공성 재료를 통한) 것이다.
벽은 전형적으로 두께가 0.002 내지 0.1 인치(0.05 내지 2.54 mm), 예를 들어 0.005 내지 0.050 인치(0.12 내지 1.27 mm), 특히 0.010 내지 0.025 인치(0.25 내지 0.64 mm)이다.
전형적으로, 필터 기재의 채널은 교대로 폐쇄되고(예컨대, 차단되거나 막히고) 개방된 단부들을 갖는다. 따라서, 각각의 입구 채널은 출구 채널에 인접할 수 있고, 각각의 출구 채널은 입구 채널에 인접할 수 있다. 필터 기재의 어느 하나의 단부로부터 볼 때, 채널들은 체스판(chessboard)의 외관을 가질 수 있다.
그러나, 필터 기재는 입구 채널(즉, "제1" 입구 채널)을 가질 수 있으며, 이는 다른 입구 채널(즉, "제2" 입구 채널) 및 선택적으로 출구 채널, 예를 들어 "제1" 출구 채널 및/또는 "제2" 출구 채널에 인접하게 된다. 그러나, 필터 기재는 출구 채널(즉, "제1" 출구 채널)을 가질 수 있으며, 이는 다른 출구 채널(즉, "제2" 출구 채널) 및 선택적으로 입구 채널, 예를 들어 "제1" 입구 채널 및/또는 "제2" 입구 채널에 인접하게 된다.
필터 기재는 제곱인치당 100 내지 700개의 셀(또는 "채널")("cpsi"), 특히 250 내지 400 cpsi를 가질 수 있다.
워시코트는 액체, 및 전형적으로 촉매 성분을 포함한다. 액체는 용액 또는 현탁액일 수 있다. 현탁액은 콜로이드 현탁액, 예컨대 졸, 또는 비-콜로이드 현탁액일 수 있다. 액체가 용액 또는 현탁액인 경우, 액체는 수용액 또는 수성 현탁액일 수 있다. 전형적으로, 액체는 현탁액, 특히 수성 현탁액이다.
전형적으로, 액체는 촉매 성분을 포함한다. "촉매 성분" 이라는 표현은, 생성된 배기 제어 장치, 예를 들어, 백금족 금속(PGM), 지지체 재료(예를 들어, 내화 산화물) 또는 제올라이트의 활성에 기여하는 워시코트 제형에 포함될 수 있는 임의의 성분을 포함한다. 용어 "촉매 성분"은 성분 자체가 용어 "촉매"의 엄격한 의미에서 (예를 들어, 반응 속도를 증가시키는) 촉매 활성을 가질 것을 필요로 하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 촉매 성분은 NOx 또는 탄화수소를 저장 또는 흡수할 수 있는 재료를 지칭할 수 있다. 촉매 성분을 포함하는 액체(예를 들어, 워시코트)는 당업자에게 공지되어 있다. 액체에 포함된 촉매 성분(들)은 제조하고자 하는 제품에 좌우될 것이다.
본 발명의 방법에 의해 또는 본 발명의 장치를 사용하여 얻어진 코팅된 필터 기재 또는 제품은, 예를 들어, 산화 촉매(예를 들어, 촉매화된 그을음 필터[CSF]), 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매(예를 들어, 그 제품은 이어서 선택적 촉매 환원 필터[SCRF] 촉매로 불릴 수 있음), NOx 흡착제 조성물(예를 들어, 그 제품은 이어서 희박 NOx 포집 필터[LNTF]로 불릴 수 있음), 3원 촉매 조성물(예를 들어, 그 제품은 이어서 가솔린 미립자 필터[GPF]로 불릴 수 있음), 암모니아 슬립 촉매[ASC] 또는 이들의 둘 이상의 조합(예를 들어, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 및 암모니아 슬립 촉매[ASC]를 포함하는 필터 기재)를 포함하는 필터 기재일 수 있다.
"촉매 성분" 외에도, 액체는 제형 보조제를 추가로 포함할 수 있다. 용어 "제형 보조제"는, 액체 내에 포함되어 필터 기재 상으로의 코팅을 위해 그의 화학적 또는 물리적 특성을 변경시키는 성분을 지칭한다. 예를 들어, 제형 보조제는 액체 중에서의 촉매 성분의 분산을 돕거나 액체의 점도를 변화시킬 수 있다. 제형 보조제는 최종 코팅된 필터 기재 제품에 존재하지 않을 수 있다(예를 들어, 이는 하소 동안 분해되거나 열화될 수 있다). 예를 들어, 제형 보조제는 산, 염기, 증점제(예를 들어, 유기 화합물 증점제) 또는 결합제일 수 있다.
워시코트는 50 rpm의 브룩필드(Brookfield)에서 1 내지 3000 cP, 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 100 내지 3000 cP, 더욱 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 600 cP 미만의 점도를 가질 수 있으며; 일 실시 형태에서, 워시코트는 50 rpm의 브룩필드에서 100 내지 3000 cP의 점도를 가질 수 있으며; 다른 실시 형태에서, 워시코트는 50 rpm의 브룩필드에서 1 내지 350 cP, 더 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 1 내지 100 cP의 점도를 가질 수 있다. 본 출원에서, 모든 점도 측정은 미국 매사추세츠주 미들보로 소재의 브룩필드 엔지니어링 래보러토리즈, 인크.(Brookfield Engineering Laboratories, Inc.)로부터 입수가능한 SC4-18 스핀들을 사용하여 브룩필드 DV-II+ Pro (LV) 점도계에서 수행되는 측정을 지칭한다.
워시코트는 보어 내에서 이동가능한 피스톤을 사용하여 워시코트 공급부로부터 워시코트 샤워헤드에 공급되며, 보어는 내경이 38 mm 내지 170 mm이고, 피스톤은 45 내지 150 mm/s로 이동된다.
워시코트는 9 내지 540 ㎤s-1의 유량으로, 바람직하게는 9 내지 270 ㎤s-1의 유량으로 공급될 수 있다.
본 발명의 실시 형태는 이제 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다:
도 1은 코팅 장치의 단면도이고;
도 2는 도 1의 일부분의 확대도이고;
도 3은 본 발명에 따른 샤워헤드의 단면 사시도이고;
도 4는 본 발명에 따른 다른 샤워헤드의 단면도이고;
도 5는 본 발명에 따른 배플의 제1 버전(version)의 아래에서 본 도면이고;
도 6은 본 발명에 따른 배플의 제2 버전의 측면도이고;
도 7은 도 6의 배플의 제2 버전의 아래에서 본 도면이고;
도 8은 도 6의 배플의 제2 버전의 위에서 본 사시도이고;
도 9는 본 발명에 따른 배플의 제3 버전의 측면도이고;
도 10은 도 9의 배플의 제3 버전의 아래로부터 본 도면이고;
도 11은 도 6의 배플의 제3 버전의 위로부터 본 사시도이고;
도 12a 내지 도 12d는 바람직한 코팅 프로파일 및 바람직하지 않은 코팅 프로파일의 개략도이고;
도 13은 저점도 워시코트가 변형 없이 워시코트 샤워헤드로부터 침착되는 것을 도시하는 도면이고;
도 14는 변형 없이 워시코트 샤워헤드로부터 기재 상으로 침착된 저점도 워시코트의 x-선 이미지이고;
도 15는 본 발명의 배플의 제1 버전을 사용하여 워시코트 샤워헤드로부터 기재 상으로 침착된 워시코트의 x-선 이미지이고;
도 16은 본 발명의 배플의 제2 버전을 사용하여 워시코트 샤워헤드로부터 기재 상으로 침착된 워시코트의 x-선 이미지이고;
도 17은 본 발명의 배플의 제3 버전을 사용하여 워시코트 샤워헤드로부터 기재 상으로 침착된 워시코트의 x-선 이미지이다.
이제 본 발명을 추가로 설명할 것이다. 하기의 어구들에서, 본 발명의 상이한 태양들/실시 형태들이 더 상세히 정의된다. 그렇게 정의된 각각의 태양/실시 형태는 반대로 명확하게 지시되지 않는 한 임의의 다른 태양/실시 형태 또는 태양들/실시 형태들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 나타내어지는 임의의 특징부는 바람직하거나 유리한 것으로 나타내어지는 임의의 다른 특징부 또는 특징부들과 조합될 수 있다. 제품과 관련하여 개시된 특징부들이 본 방법과 관련하여 개시된 것들과 조합될 수 있고 그 역도 성립될 수 있는 것으로 의도된다.
도 1은 워시코트로 기재(10)를 코팅하는 데 사용될 수 있는 코팅 장치(1)의 단면도를 도시한다.
코팅 장치(1)는 분배 기구를 작동하기 위한 장치를 포함하는 하우징(40)을 갖는 침착기(2)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 분배 기구는 유체를 출구(43)로부터 침착기(2)의 하류에 위치된 도관(35)을 향해 변위시키기 위해 보어(42) 내에서 축방향으로 이동가능한 피스톤(41)을 포함할 수 있다.
코팅 장치(1)는 다이어프램 밸브(32)를 통해 침착기(2)의 출구(43)와 연결되는 출구(31)를 갖는 호퍼 저장조(30)를 한정하는 호퍼(3)를 추가로 포함할 수 있다. 호퍼(3)는 다른 위치에서 제형화되고 사전 혼합된 워시코트로 채워질 수 있다. 워시코트는 호퍼 저장조(30) 내로 펌핑될 수 있거나, 적합한 도관을 통해 중력 하에서 호퍼 저장조(30) 내로 공급될 수 있다.
침착기(2)의 출구(43)는 도관(35)과 유체 연결되고, 도관(35)은 이어서 투여 밸브(4)와 유체 연통하도록 연장될 수 있다. 워시코트 샤워헤드(5)가 투여 밸브(4)의 하부 면에 연결될 수 있으며, 이때 워시코트 샤워헤드(5)는 기재(10) 위에 위치된다.
기재(10)는 헤드셋(headset)(6)과 팔레트 인서트(pallet insert)(8) 사이에 위치 및 배치될 수 있다. 진공 콘(cone)(7)을 포함하는 진공 장치가 기재(10) 아래에 위치될 수 있다.
도 2는 도 1의 코팅 장치(1)의 확대된 부분을 도시하고, 기재(10)가 워시코트 샤워헤드(5) 및 헤드셋(6)에 대해 어떻게 위치될 수 있는 지를 보다 상세히 도시한다.
기재(10)는 그의 종방향 길이를 따라 균일한 단면 형상을 가질 수 있는 기재 본체(11)를 갖는 모놀리식 블록일 수 있다. 기재 본체(11)는 단면이 원형인 또는 거의 원형인 형상을 가질 수 있다. 기재 본체(11)는 직경(d)을 가질 수 있다.
기재 본체(11)는, 기재 본체(11)의 상부 면(12)이 가장 위가 되고 기재 본체(11)의 하부 면(13)이 가장 아래가 되도록 헤드셋(6)과 팔레트 인서트(8) 사이에서 연장되도록 위치될 수 있다. 워시코트 샤워헤드(5)는 헤드셋(6) 위에 위치될 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 워시코트 샤워헤드(5)의 중심 길이방향 축(x)이 헤드셋(6) 및 기재(10) 둘 모두의 중심 길이방향 축과 일치하도록 정렬될 수 있도록 헤드셋(6) 및 기재(10)와 바람직하게는 정렬될 수 있다.
워시코트 샤워헤드(5)는 하부 면 상에 볼트(28)에 의해 샤워헤드 플레이트(23)가 결합될 수 있는 샤워헤드 하우징(21)을 포함할 수 있다. 어댑터 플레이트(27)가 또한 볼트에 의해 샤워헤드 하우징(21)의 상부 면에 결합될 수 있다.
샤워헤드 하우징(21)은 샤워헤드 하우징(21)과 샤워헤드 플레이트(23) 사이에 한정된 샤워헤드 공동(24)에 대한 입구(22)를 한정하는 중심에 위치된 개구를 포함할 수 있다. 입구(22)의 축은 길이방향 축(x)과 일치할 수 있다. 어댑터 플레이트(27)는, 길이방향 축(x)과 일치할 수 있고 샤워헤드 하우징(21)의 중심 부분(20)을 수용하도록 크기가 설정되는 중심에 위치된 개구를 또한 포함할 수 있다. 투여 밸브(4)는 샤워헤드 하우징(21)의 입구(22)와 유체 연통되고 유지될 수 있다.
샤워헤드 플레이트(23)에는 노즐 개구(25)의 어레이가 제공될 수 있다.
사용 시에, 다이어프램 밸브(32)는 개방되고, 워시코트는 (도 1에서 보이는 바와 같이) 피스톤을 우측으로 이동시킴으로써 호퍼 저장조(30)로부터 보어(42) 내로 흡인된다. 다이어프램 밸브(32)는 이어서 폐쇄되고, 이어서 워시코트의 용량은 (도 1에서 보이는 바와 같이) 좌측으로 이동하는 침착기(2)의 피스톤(41)의 작용에 의해 도관(35)을 통해 변위된다. 워시코트는 투여 밸브(4) 및 입구(22)를 통해 샤워헤드 공동(24) 내로 통과하게 된다. 이어서, 워시코트는 노즐 개구(25)를 통과하고 낙하하여 기재(10)의 상부 면(12)과 접촉하게 된다. 이어서, 워시코트는 기재(10)의 통로를 통해 하향으로 흡인된다. 기재(10)를 통한 워시코트의 흡인은 적어도 부분적으로 진공 콘(7)에 의해 기재(10)의 하부 면(13)에 가해지는 흡입력에 의해 행해진다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 배플(50)의 제1 버전을 도시한다. 도 3은 배플(50)이 샤워헤드 공동(24) 내에 제공되는 본 발명에 따른 워시코트 샤워헤드(5)를 도시한다.
샤워헤드 공동(24)은 깊이가 12 내지 40 mm, 바람직하게는 15 내지 30 mm일 수 있다. 샤워헤드 공동(24)은 직경이 150 내지 200 mm, 바람직하게는 160 내지 170 mm일 수 있다. 샤워헤드 플레이트(23)는 샤워헤드 공동(24)의 전체 직경을 가로질러 연장될 수 있다. 노즐 개구(25)는 샤워헤드 플레이트(23)에 걸쳐 배열될 수 있다. 노즐 개구(25)는 규칙적이거나 불규칙적인 어레이로 배열될 수 있다. 노즐 개구(25)는 복수의 동심 원형 어레이로 배열될 수 있다.
배플(50)은 불투과성 중심 본체(51)와 복수의 아암(52)을 포함하며, 이들 아암은 불투과성 중심 본체(51)로부터 연장되어 불투과성 중심 본체(51) 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구(53)를 형성한다.
배플(50)은 볼트 구멍(55)를 통해 각각의 아암(52)의 말단부를 향해 연장될 수 있는 볼트(29)에 의해 샤워헤드 하우징(21)에 장착될 수 있다. 배플(50)의 장착 지점들은 샤워헤드 하우징(21)의 입구(22)를 둘러쌀 수 있지만 바람직하게는 부딪히지는 않는다. 볼트(29)는 4 mm 볼트일 수 있다. 각각의 볼트 구멍(55)은, 배플(50)의 상부 면(57)과 샤워헤드 하우징(21)의 상부 내측 면 사이의 간격을 한정하는 역할을 함과 동시에 배플(50)의 하부 면(58)과 샤워헤드 플레이트(23)의 상부 내측 면 사이의 간격(26)을 한정할 수 있는 스탠드오프 링(standoff ring)(56)에 의해 둘러싸일 수 있다. 각각의 스탠드오프 링(56)은 높이가 4 내지 6 mm, 바람직하게는 4.5 mm일 수 있다. 간격(26)은 5 내지 10 mm, 바람직하게는 대략 8 mm일 수 있다.
(다른 버전은 이하 설명되며 도 3 내지 도 5에 도시된 버전의) 배플(50)에는 도 3에 도시된 바와 같이 평평할 수 있는 상부 면(57)이 제공될 수 있거나, 도 4에 도시된 바와 같이 상부 면(57) 상에서 중심에 위치된 원추형 또는 부분 원추형 돌출부(54)가 제공될 수 있다.
도 5에서 가장 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, (원추형 또는 부분 원추형 돌출부(54)가 제공되든 그렇지 않든 간에) 배플(50)은 4개의 아암(52a 내지 52d)이 제공되는 십자형 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 4개의 아암(52a 내지 52d)은 불투과성 중심 본체(51)의 주연부 둘레에 등간격으로 이격되며, 이들 아암은 각각 이웃하는 아암들로부터 90° 이격되게 된다. 유사하게, 배플(50)은 불투과성 중심 본체(51)의 주연부 둘레에 등간격으로 이격된 4개의 유동 개구(53a 내지 53d)를 포함할 수 있으며, 이들 유동 개구는 각각 이웃하는 유동 개구로부터 90° 이격되게 된다.
아암(52a 내지 52d)의 길이는 불투과성 중심 본체(51)의 직경에 비해 상대적으로 짧을 수 있다. 아암(52a 내지 52d)은 폭과 깊이가 균일할 수 있다. 도 5의 도시된 예에서, 볼트 구멍(55)은 70 mm의 피치 원 직경 상에 배열될 수 있고, 불투과성 중심 본체(51)는 반경(r1)이 25 mm이고 직경이 50 mm일 수 있다.
배플(50)은 스테인레스강, 예를 들어 타입 316으로 형성될 수 있다.
배플(50)의 제1 버전은, 원형 단면 형상을 갖고 대략 175 mm 미만, 더 구체적으로 172.8 mm 미만의 직경을 갖는 기재(10)를 코팅할 때 특히 유리한 용도를 가질 수 있다. 배플(50)의 제1 버전은 또한 비-원형 단면 형상을 갖는 기재(10)를 코팅할 때 특히 유리한 용도를 가질 수 있다. 또한, 배플(50)의 제1 버전은 선택적 촉매 환원 필터(SCRF), 소형 디젤 촉매 그을음 필터(LDD CSF), 또는 가솔린 미립자 필터(GPF)를 위한 기재(10)를 코팅할 때 특히 유리한 용도를 가질 수 있다.
도 6 내지 도 8는 본 발명에 따른 배플(50)의 제2 버전을 도시한다. 도 7 및 도 8에서 가장 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, (원추형 또는 부분 원추형 돌출부(54)가 제공되든 그렇지 않든 간에) 배플(50)은 4개의 아암(52a 내지 52d)이 제공되는 십자형 형상을 가질 수 있다. 제1 버전에서와 같이, 4개의 아암(52a 내지 52d)은 불투과성 중심 본체(51)의 주연부 둘레에 등간격으로 이격될 수 있으며, 이들 아암은 각각 이웃하는 아암들로부터 90° 이격되게 된다. 유사하게, 배플(50)은 불투과성 중심 본체(51)의 주연부 둘레에 등간격으로 이격된 4개의 유동 개구(53a 내지 53d)를 포함할 수 있으며, 이들 유동 개구는 각각 이웃하는 유동 개구로부터 90° 이격되게 된다.
아암(52a 내지 52d)의 길이는 제1 버전에서보다 더 길다. 도 7의 도시된 예에서, 볼트 구멍(55)은 70 mm의 피치 원 직경 상에 배열될 수 있고, 불투과성 중심 본체(51)는 반경(r2)이 17.5 mm이고 직경이 35 mm일 수 있다. 결과적으로, 불투과성 중심 본체(51)의 면적이 감소되고, 유동 개구(53a 내지 53d)의 개방 면적이 배플(50)의 제1 버전에 비해 증가한다.
아암(52a 내지 52d)은 깊이가 균일할 수 있다. 아암(52a 내지 52d)의 폭은 점점 작아질 수 있다. 복수의 아암(52a 내지 52d) 중 각각의 폭은 불투과성 중심 본체(51)에 근접한 위치로부터 불투과성 중심 본체(51)에서 먼 위치까지 증가할 수 있다.
배플(50)은 스테인레스강, 예를 들어 타입 316으로 형성될 수 있다.
배플(50)의 제2 버전은 대략 250 mm 초과, 더 구체적으로 266.7 mm 초과의 직경을 갖는 기재(10)를 코팅할 때 특히 유리한 용도를 가질 수 있다. 또한, 배플(50)의 제2 버전은 대형 디젤 필터(HDD)를 위한 기재(10)를 코팅할 때 특히 유리한 용도를 가질 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 배플(50)의 제3 버전을 도시한다. 도 10 및 도 11에서 가장 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, (원추형 또는 부분 원추형 돌출부(54)가 제공되든 그렇지 않든 간에) 배플(50)은 4개의 아암(52a 내지 52d)이 제공되는 십자형 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 버전에서와 같이, 4개의 아암(52a 내지 52d)은 불투과성 중심 본체(51)의 주연부 둘레에 등간격으로 이격될 수 있으며, 이들 아암은 각각 이웃하는 아암들로부터 90° 이격되게 된다. 유사하게, 배플(50)은 불투과성 중심 본체(51)의 주연부 둘레에 등간격으로 이격된 4개의 유동 개구(53a 내지 53d)를 포함할 수 있으며, 이들 유동 개구는 각각 이웃하는 유동 개구로부터 90° 이격되게 된다.
아암(52a 내지 52d)의 길이는 제2 버전에서보다 더 길다. 도 10의 도시된 예에서, 볼트 구멍(55)은 70 mm의 피치 원 직경 상에 배열될 수 있고, 불투과성 중심 본체(51)는 반경(r3)이 13.5 mm이고 직경이 27 mm일 수 있다. 결과적으로, 불투과성 중심 본체(51)의 면적이 감소되고, 유동 개구(53a 내지 53d)의 개방 면적이 배플(50)의 제2 버전에 비해 증가한다.
아암(52a 내지 52d)은 깊이가 균일할 수 있다. 제2 버전에서와 같이, 아암(52a 내지 52d)의 폭은 작아질 수 있다. 복수의 아암(52a 내지 52d) 중 각각의 폭은 불투과성 중심 본체(51)에 근접한 위치로부터 불투과성 중심 본체(51)에서 먼 위치까지 증가할 수 있다.
배플(50)은 스테인레스강, 예를 들어 타입 316으로 형성될 수 있다.
배플(50)의 제3 버전은 170 mm 내지 275 mm, 더 구체적으로는 172.8 mm 내지 266.7 mm의 직경을 갖는 기재(10)를 코팅할 때 특히 유리한 용도를 가질 수 있다. 또한, 배플(50)의 제3 버전은 촉매 그을음 필터(CSF)를 위한 기재(10)를 코팅할 때 특히 유리한 용도를 가질 수 있다.
사용 시, 워시코트는 침착기(2)의 피스톤(41)을 사용하여 워시코트 공급부로부터 워시코트 샤워헤드(5)에 공급될 수 있다. 피스톤(41)은 보어(42) 내에서 이동가능하고, 보어(42)는 38 mm 내지 170 mm의 내경을 가질 수 있고, 피스톤(41)은 45 내지 150 mm/s로 이동될 수 있다. 워시코트는 도관(35)을 따라 투여 밸브(4)를 통과하여 워시코트 샤워헤드(5) 내로 변위된다. 워시코트는 7 내지 640 ㎤s-1의 유량으로 워시코트 샤워헤드(5)에 공급될 수 있다.
워시코트는 입구(22)를 통해 샤워헤드 공동(24)에 들어갈 수 있다. 워시코트는 샤워헤드 플레이트(23)에 도달하기 전에 (존재하는 경우, 원추형 또는 부분 원추형 돌출부를 포함하는) 배플의 불투과성 중심 본체(51)와 접촉하게 된다. 그러므로, 워시코트는 샤워헤드 공동(24)의 주연부를 향해 측방향으로 편향되어, 워시코트가 샤워헤드 플레이트(23)의 중심에 또는 그 부근에 위치된 노즐 개구(25)에 즉시 도달하지 않게 된다. 워시코트는 배플의 복수의 유동 개구(53a 내지 53d)를 통해 유동하고, 이어서 샤워헤드 공동(24) 내에서 순환하여 노즐 개구(25)를 통과한다. 아암(52a 내지 52d)과 유동 개구(53a 내지 53d)의 크기 및 형상의 구성으로 인해, 노즐 개구(25)를 통한 워시코트의 균일한 또는 거의 균일한 토출이 달성되도록 충분한 워시코트가 샤워헤드 플레이트(23)의 중심으로 다시 재순환되는 것이 가능하게 될 수 있다.
이어서, 워시코트는 기재(10)의 상부 면(12) 상에 침착되고, 진공 콘(7)에 의해 가해지는 흡입력에 의해 기재 본체(11)의 통로를 통해 흡인된다.
워시코트는 액체 및 전형적으로 촉매 성분을 포함한다. 액체는 용액 또는 현탁액일 수 있다. 현탁액은 콜로이드 현탁액, 예컨대 졸, 또는 비-콜로이드 현탁액일 수 있다. 액체가 용액 또는 현탁액일 때, 액체는 수용액 또는 수성 현탁액일 수 있다. 전형적으로, 액체는 현탁액, 특히 수성 현탁액이다.
전형적으로, 액체는 촉매 성분을 포함한다. "촉매 성분" 이라는 표현은, 생성된 배기 제어 장치, 예를 들어, 백금족 금속(PGM), 지지체 재료(예를 들어, 내화 산화물) 또는 제올라이트의 활성에 기여하는 워시코트 제형에 포함될 수 있는 임의의 성분을 포함한다. 용어 "촉매 성분"은 성분 자체가 용어 "촉매"의 엄격한 의미에서 (예를 들어, 반응 속도를 증가시키는) 촉매 활성을 가질 것을 필요로 하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 촉매 성분은 NOx 또는 탄화수소를 저장 또는 흡수할 수 있는 재료를 지칭할 수 있다. 촉매 성분을 포함하는 액체(예를 들어, 워시코트)는 당업자에게 공지되어 있다. 액체에 포함된 촉매 성분(들)은 제조하고자 하는 제품에 좌우될 것이다.
본 발명의 방법에 의해 또는 본 발명의 장치를 사용하여 얻어진 코팅된 필터 기재 또는 제품은, 예를 들어, 산화 촉매(예를 들어, 촉매화된 그을음 필터[CSF]), 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매(예를 들어, 그 제품은 이어서 선택적 촉매 환원 필터[SCRF] 촉매로 불릴 수 있음), NOx 흡착제 조성물(예를 들어, 그 제품은 이어서 희박 NOx 포집 필터[LNTF]로 불릴 수 있음), 3원 촉매 조성물(예를 들어, 그 제품은 이어서 가솔린 미립자 필터[GPF]로 불릴 수 있음), 암모니아 슬립 촉매[ASC] 또는 이들의 둘 이상의 조합(예를 들어, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 및 암모니아 슬립 촉매[ASC]를 포함하는 필터 기재)를 포함하는 필터 기재일 수 있다.
"촉매 성분" 외에도, 액체는 제형 보조제를 추가로 포함할 수 있다. 용어 "제형 보조제"는, 액체 내에 포함되어 필터 기재 상으로의 코팅을 위해 그의 화학적 또는 물리적 특성을 변경시키는 성분을 지칭한다. 예를 들어, 제형 보조제는 액체 중에서의 촉매 성분의 분산을 돕거나 액체의 점도를 변화시킬 수 있다. 제형 보조제는 최종 코팅된 필터 기재 제품에 존재하지 않을 수 있다(예를 들어, 이는 하소 동안 분해되거나 열화될 수 있다). 예를 들어, 제형 보조제는 산, 염기, 증점제(예를 들어, 유기 화합물 증점제) 또는 결합제일 수 있다.
워시코트는 50 rpm의 브룩필드에서 1 내지 3000 cP, 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 100 내지 3000 cP, 더욱 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 600 cP 미만의 점도를 가질 수 있으며; 일 실시 형태에서, 워시코트는 50 rpm의 브룩필드에서 100 내지 3000 cP의 점도를 가질 수 있으며; 다른 실시 형태에서, 워시코트는 50 rpm의 브룩필드에서 1 내지 350 cP, 더 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 1 내지 100 cP의 점도를 가질 수 있다. (모든 측정치는 SC4-18 스핀들을 사용하여 브룩필드 DV-II+ Pro (LV) 점도계에서 얻었다.)
기재 부피의 이용을 최대화하고 기재(10)의 일부분에 다수의 코트를 도포하는 것을 방지하고 워시코트의 풀-스루를 방지하기 위하여, 일관적이고 예측가능한 코팅 프로파일을 달성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 12a에 개략적으로 도시된 바와 같이 평평한 코팅 프로파일이 바람직하다. 도시된 바와 같이, 기재(10)는 워시코트에 의해 코팅된 코팅 부분(45) 및 워시코트가 도달되지 않은 비-코팅 부분(46)을 갖는다. 코팅 부분(45)과 비-코팅 부분(46) 사이의 계면은 평탄하며, 이는 바람직한 결과이다.
도 12b는 코팅 부분(45)과 비-코팅 부분(46) 사이의 바람직하지 않은 "V-형상" 계면을 나타낸다. 이는 기재(10)의 상부 면(12)의 중심 부분에 너무 많은 워시코트가 도포되는 경우의 결과로 여겨지며, 워시코트가 낮은 점도를 갖는 경우의 특정 문제일 수 있다.
도 12c는 도 12b의 코팅 프로파일과 유사한 코팅 프로파일을 도시하지만, 기재의 주변 부분이 충분히 코팅되기 전에 워시코트가 기재의 하부 면(13)의 중심 부분으로부터 당겨지는 경우 풀-스루가 어떻게 일어날 수 있는지를 도시한다.
마지막으로, 도 12d는 코팅 부분(45)과 비-코팅 부분(46) 사이의 "M-형상" 계면을 갖는 다른 바람직하지 않은 코팅 프로파일을 도시한다. 이는 워시코트가 노즐 개구(25)를 통과하기 전에 샤워헤드 플레이트(23)의 중심으로 충분히 다시 재순환될 수 없는 경우의 결과로 여겨진다.
비교예 1
고형물 함량이 10%이고 브룩필드 DV-II+ Pro (LV) 및 SC4-18 스핀들을 사용할 때 스핀들 회전 속도 25 내지 100 rpm에 걸쳐 뉴턴 점도가 5 cP인 기재용 촉매 워시코트를 제조하였다.
도 1의 코팅 장치(1)를 사용하여 탄화규소 필터 기재 상에 워시코트를 코팅하였을 때, 배플이 존재하지 않는 워시코트 샤워헤드(5)를 이용하면, 도 13에 도시된 바와 같이 더 많은 워시코트가 워시코트 샤워헤드(5)의 중심 구멍으로부터 배출된다.
이는 도 14에 도시된 v-형상의 불균일한 코팅 프로파일을 야기하는 것으로 밝혀졌다. 이 도면은, 워시코트의 코팅이 워시코트의 코팅의 더 높은 질량 밀도로 인해 밝은 노출된 기재에 대해 더 어두운 것으로 나타나는 기재의 x-선 이미지이다.
실시예 1
도 14에 도시된 효과를 개선하기 위해, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 배플(50)의 제1 버전을 도 3에 도시된 바와 같이 샤워헤드 하우징(21)에 추가하였다.
이어서, 이러한 배플 플레이트(50) 및 상기의 비교예와 동일한 촉매 워시코트를 사용하여 143.8 mm 직경의 탄화규소 필터 기재(10)를 코팅하였다. 워시코트의 코팅이 워시코트의 코팅의 더 높은 질량 밀도로 인해 밝은 노출된 기재에 대해 더 어두운 것으로 나타나는 도 15의 x-선 이미지에 의해 도시된 바와 같이, 더욱 균일한 코팅 프로파일을 얻었다.
실시예 2
도 14에 도시된 효과를 개선하기 위해, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같은 배플(50)의 제2 버전을 샤워헤드 하우징(21)에 추가하였다.
이어서, 이러한 배플 플레이트(50) 및 상기의 비교예와 동일한 촉매 워시코트를 사용하여 330.3 mm 직경의 탄화규소 필터 기재(10)를 코팅하였다. 워시코트의 코팅이 워시코트의 코팅의 더 높은 질량 밀도로 인해 밝은 노출된 기재에 대해 더 어두운 것으로 나타나는 도 16의 x-선 이미지에 의해 도시된 바와 같이, 더욱 균일한 코팅 프로파일을 얻었다.
실시예 3
도 14에 도시된 효과를 개선하기 위해, 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같은 배플(50)의 제3 버전을 샤워헤드 하우징(21)에 추가하였다.
이어서, 이러한 배플 플레이트(50) 및 상기의 비교예와 동일한 촉매 워시코트를 사용하여 172.8 mm 직경의 탄화규소 필터 기재(10)를 코팅하였다. 워시코트의 코팅이 워시코트의 코팅의 더 높은 질량 밀도로 인해 밝은 노출된 기재에 대해 더 어두운 것으로 나타나는 도 17의 x-선 이미지에 의해 도시된 바와 같이, 더욱 균일한 코팅 프로파일을 얻었다.
위에 언급된 바와 같이, 본 출원인은 본 명세서에 기술된 바와 같이 배플(50)을 포함하는 워시코트 샤워헤드(5)를 사용하여 광범위한 크기의 기재에 걸쳐 평평하거나 거의 평평한 바람직한 코팅 프로파일이 달성될 수 있음을 알아내었다.
의심을 피하기 위해, 본 명세서에 확인된 모든 문서의 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims (24)

  1. 그 아래에 위치된 기재(substrate)의 면 상에 워시코트(washcoat)를 침착시키기 위한 워시코트 샤워헤드(showerhead)로서,
    상기 워시코트를 수용하기 위한, 입구를 갖는 하우징;
    샤워헤드 플레이트; 및
    배플을 포함하며,
    상기 하우징 및 샤워헤드 플레이트는 샤워헤드 공동(cavity)을 형성하고, 상기 배플은 상기 샤워헤드 공동 내에 위치되고;
    상기 샤워헤드 플레이트는 상기 기재의 상기 면을 향해 상기 워시코트를 토출하기 위한 복수의 노즐 개구(aperture)를 포함하고;
    상기 배플은 불투과성 중심 본체 및 상기 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암을 포함하고, 상기 복수의 아암은 상기 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구를 한정하고;
    상기 배플은 상기 불투과성 중심 본체가 상기 샤워헤드 플레이트로부터 이격되도록 상기 샤워헤드 공동 내에 장착되고;
    상기 불투과성 중심 본체는 상기 입구를 통해 상기 샤워헤드 공동으로 들어오는 워시코트가 상기 샤워헤드 플레이트의 상기 노즐 개구를 통해 토출되기 전에 상기 불투과성 중심 본체 둘레로 그리고 상기 복수의 유동 개구를 통해 유동하게 방향전환되도록 상기 하우징의 상기 입구 아래에 정렬되는, 워시코트 샤워헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배플은 상기 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 4개의 아암을 포함하고, 상기 4개의 아암은 상기 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 4개의 유동 개구를 한정하고, 선택적으로 상기 4개의 아암은 상기 불투과성 중심 본체 둘레에 원주 방향으로 등간격으로 이격되는, 워시코트 샤워헤드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 아암은 상기 불투과성 중심 본체로부터 반경방향으로 연장되고, 선택적으로 상기 복수의 아암의 각각의 폭은 상기 불투과성 중심 본체에 근접한 위치로부터 상기 불투과성 중심 본체에서 먼 위치까지 증가하는, 워시코트 샤워헤드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불투과성 중심 본체는 평면도에서 형상이 원형인, 워시코트 샤워헤드.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불투과성 중심 본체는 상기 하우징에 대한 상기 입구의 직경보다 더 큰 직경을 갖고, 선택적으로 상기 입구의 중심 길이방향 축과 상기 불투과성 중심 본체의 중심 축은 일치하는, 워시코트 샤워헤드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불투과성 중심 본체는 직경이 20 내지 55 mm이고; 바람직하게는 25 내지 50 mm이고; 더욱 바람직하게는 27, 35 또는 50 mm가 되도록 선택되는, 워시코트 샤워헤드.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징의 상기 입구는 내경이 25.4 mm(1 인치) 이하인, 워시코트 샤워헤드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구를 향하는 상기 불투과성 중심 본체의 상부 면은 돌출부를 포함하고; 바람직하게는 상기 돌출부는 원추형 또는 부분 원추형 표면인, 워시코트 샤워헤드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배플은 상기 하우징과 상기 샤워헤드 플레이트 중 적어도 하나에 장착되고; 바람직하게는, 상기 배플은 하우징에만 장착되는, 워시코트 샤워헤드.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배플은 상기 하우징의 입구를 둘러싸지만 부딪히지는 않는 상기 하우징의 장착 지점들에 장착되는, 워시코트 샤워헤드.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배플은 상기 하우징 및 상기 샤워헤드 플레이트 중 적어도 하나와 상기 복수의 아암 사이에서 연장되는 고정구(fixative)들에 의해 장착되는, 워시코트 샤워헤드.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고정구들은 상기 복수의 아암의 각각의 말단부로부터 연장되는, 워시코트 샤워헤드.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 고정구들은 상기 불투과성 중심 본체의 중심 축 상에 중심이 맞춰진 65 내지 75 mm; 바람직하게는 70 mm의 피치 원 직경(pitch circle diameter) 상에 위치되는, 워시코트 샤워헤드.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤워헤드 공동은 깊이가 12 내지 40 mm; 바람직하게는 15 내지 30 mm인, 워시코트 샤워헤드.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불투과성 중심 본체는 5 내지 10 mm의 간격만큼 상기 샤워헤드 플레이트로부터 이격되는, 워시코트 샤워헤드.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 워시코트 샤워헤드의 일부를 형성하기 위한 배플로서, 상기 배플은 불투과성 중심 본체 및 상기 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암을 포함하고, 상기 복수의 아암은 상기 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구를 한정하는, 배플.
  17. 제16항에 있어서,
    - 상기 복수의 아암은 상기 불투과성 중심 본체로부터 반경방향으로 연장되고/되거나;
    - 상기 복수의 아암의 각각의 폭은 상기 불투과성 중심 본체에 근접한 위치로부터 상기 불투과성 중심 본체에서 먼 위치까지 증가하고/하거나;
    - 상기 불투과성 중심 본체는 평면도에서 형상이 원형이고/이거나;
    - 상기 불투과성 중심 본체는 직경이 20 내지 55 mm이고, 바람직하게는 25 내지 50 mm이고, 더욱 바람직하게는 27, 35 또는 50 mm가 되도록 선택되고/되거나;
    - 상기 불투과성 중심 본체의 상부 면은 돌출부를 포함하고, 바람직하게는 상기 돌출부는 원추형 또는 부분 원추형 표면이고/이거나;
    - 상기 복수의 아암에는 연결 고정구들을 위한 장착 지점들이 제공되고/되거나;
    - 상기 장착 지점들은 상기 복수의 아암의 각각의 말단부에 위치되고/되거나;
    - 상기 장착 지점들은 상기 불투과성 중심 본체의 중심 축 상에 중심이 맞춰진 65 내지 75 mm, 바람직하게는 70 mm의 피치 원 직경 상에 위치되는, 배플.
  18. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 워시코트 샤워헤드를 포함하는, 기재 코팅 장치.
  19. 워시코트 샤워헤드를 사용하여 워시코트로 기재를 코팅하는 방법으로서,
    상기 워시코트 샤워헤드는
    입구를 갖는 하우징,
    샤워헤드 플레이트, 및
    배플을 포함하는 유형의 것이고;
    상기 하우징 및 샤워헤드 플레이트는 샤워헤드 공동을 한정하고, 상기 배플은 상기 샤워헤드 공동 내에 위치되고;
    상기 샤워헤드 플레이트는 복수의 노즐 개구를 포함하고;
    상기 배플은 불투과성 중심 본체 및 상기 불투과성 중심 본체로부터 연장되는 복수의 아암을 포함하고, 상기 복수의 아암은 상기 불투과성 중심 본체 둘레에 원주방향으로 배열된 복수의 유동 개구를 한정하고;
    상기 배플은 상기 불투과성 중심 본체가 상기 샤워헤드 플레이트로부터 이격되도록 상기 샤워헤드 공동 내에 장착되고;
    상기 불투과성 중심 본체는 상기 하우징의 상기 입구 아래에 정렬되며;
    상기 방법은
    - 상기 기재를 상기 워시코트 샤워헤드 아래에 위치시키는 단계;
    - 상기 샤워헤드 공동을 통해 상기 입구로부터 상기 샤워헤드 플레이트의 상기 노즐 개구들로 상기 워시코트를 통과시키는 단계; 및
    - 상기 워시코트를 상기 노즐 개구로부터 상기 필터 기재의 면을 향해 토출하는 단계
    를 포함하며;
    상기 샤워헤드 공동을 통한 상기 워시코트의 통과 동안, 상기 워시코트는 상기 샤워헤드 플레이트의 상기 노즐 개구를 통해 토출되기 전에 상기 배플의 상기 불투과성 중심 본체 주위로 그리고 상기 복수의 유동 개구를 통해 유동하도록 방향전환되는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 기재는 벽 유동 필터(wall flow filter) 기재 및 관류(flow-through) 기재로부터 선택되는, 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 워시코트는 산화 촉매, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매, NOx 흡착제 조성물, 3원 촉매 조성물, 암모니아 슬립 촉매[ASC] 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함하는, 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 워시코트는 50 rpm의 브룩필드(Brookfield)에서 1 내지 3000 cP, 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 100 내지 3000 cP, 더욱 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 600 cP 미만의 점도를 가지며; 일 실시 형태에서 상기 워시코트는 50 rpm의 브룩필드에서 100 cP 내지 3000 cP의 점도를 가지며, 다른 실시 형태에서 상기 워시코트는 50 rpm의 브룩필드에서 1 내지 350 cP, 더욱 바람직하게는 50 rpm의 브룩필드에서 1 cP 내지 100 cP의 점도를 갖는, 방법.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 워시코트는 보어 내에서 이동가능한 피스톤을 사용하여 워시코트 공급부로부터 워시코트 샤워헤드에 공급되며, 상기 보어는 내경이 38 mm 내지 170 mm이고, 상기 피스톤은 45 내지 150 mm/s로 이동되는, 방법.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 워시코트는 9 내지 540 ㎤s-1의 유량으로, 바람직하게는 9 내지 270 ㎤s-1의 유량으로 공급되는, 방법.
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