KR20240088023A - 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치 및 그 장치를 갖는 군용차량 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치 및 그 장치를 갖는 군용차량에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 군용차량의 탑승공간을 양압으로 유지하여 유해가스가 유입되는 것을 방지하고, 탑승공간을 냉난방하는 한편, 탑승공간에 공급되는 공기 중의 일산화탄소를 제거하여 탑승인원이 일산화탄소에 중독되는 것을 방지할 수 있는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 양압장치 및 그 장치를 갖는 군용차량에 관한 것이며, 한국특허출원 제10-2022-0042940호, '일산화탄소 제거 필터의 제조방법'과 연관된 발명이다.
Description
본 발명은 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치 및 그 장치를 갖는 군용차량에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 군용차량의 탑승공간을 양압으로 유지하여 유해가스가 유입되는 것을 방지하고, 탑승공간을 냉난방하는 한편, 탑승공간에 공급되는 공기 중의 일산화탄소를 제거하여 탑승인원이 일산화탄소에 중독되는 것을 방지할 수 있는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 양압장치 및 그 장치를 갖는 군용차량에 관한 것이다.
군용차량은 궤도차량과 차륜형차량으로 구분되고 궤도차량으로는 전자, 장갑차, 자주포, 기타 궤도차량 등이 존재하고, 차륜형차량으로는 차륜형장갑차, 전술차량, 기타 차륜형차량 등이 존재한다.
이러한 군용차량은 훈련상황이나 전시상황에서 외부의 유해가스가 탑승공간으로 유입될 경우 탑승인원이 정상적인 임무를 수행할 수 없으므로 탑승공간을 양압으로 유지하여 외부의 유해가스가 유입되지 못하게 하여야 하며, 탑승공간을 냉난방하여 쾌적한 상태로 병력이 훈련이나 전시에 임할 수 있게 하여야 한다.
군용차량에서 양압기능과 냉난방기능을 함께 수행하는 장치를 보통 종합식 보호장치라고 하는데 종래의 종합식 보호장치는 일산화탄소 제거 기능이 존재하지 않았다.
즉, 탑승공간으로 유입되는 외부 공기에 일산화탄소가 다량 함유되어 있거나 포 발사로 인해 탑승공간 내부에 일산화탄소가 급격히 발생할 경우 탑승인원의 일산화탄소 중독을 유발하는 문제점이 있다.
일산화탄소의 제거를 위해 촉매 필터가 주로 이용되는데 일반적으로 촉매필터는 활성점(Active Phase), 첨가제(Promoter), 워시코트(washcoat), 담체로 구성되며, 각 구성의 주요 물질과 역할은 아래의 표 1과 같다.
| 구성 | 주요물질 | 주요역할 |
| 활성점 | 귀금속(Pt, Pd, Au 등) | 유해물질(CO, HC 등)을 산화시켜 분해하고 제거함 |
| 첨가제 | La2O3, Zr2O3, CeO2 | 촉매 내구성을 증대시키고 유해물질의 분해를 촉진함 |
| 워시코트 | Al2O3, SiO2, Zeolite | 귀금속을 담체에 분산시킴 |
| 담체 | Honeycomb, Bead, Foam, Pellet 등 | 촉매가 코팅되어 촉매의 형태를 유지하고 기계적 강도를 확보하며 압력손실을 저하시킴 |
한편, 기존 금속 촉매 중, 백금족 촉매는 촉매 활성도가 높아 차량용 촉매로 널리 쓰이고 있는데 이 백금족 촉매는 150℃ 이상의 고온에서 반응하여 상온에서 작동하기에 활성화 에너지가 높은 문제점이 있다. 이러한 백금족 촉매를 대체하기 위해 전 세계 연구진들이 나노 사이즈의 금속 입자를 찾던 중, 금(Au) 나노 입자가 상온에서 동작할 수 있는 촉매로 사용할 수 있음 발견하였다.이 금 나노 입자를 이용한 촉매(금 나노 촉매)는 백금족 촉매에 비해 상온(약 25℃)에서 활성화되므로 촉매의 성능이 우수하여 군용차량에 적합하나 녹는점이 낮고(백금의 녹는점 1768℃, 금의 녹는점 1064℃) 반응 및 고온 환경에서 나노 입자들이 서로 뭉쳐 비활성화됨으로써 촉매로써 기능할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 군용차량의 탑승공간 내부를 냉난방하고 양압으로 유지하되, 탑승공간 내부의 일산화탄소를 제거하여 탑승인원이 일산화탄소 중독에 노출되는 것을 방지할 수 있는 군용차량용 종합식 보호장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상온과 같은 저온에서도 활성화되어 일산화탄소를 제거할 수 있고, 반응 후에나 고온 환경에서도 비활성화되지 않는 금속 나노 촉매 기술을 이용한 일산화탄소 제거 필터가 포함된 군용차량용 종합식 보호장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 일산화탄소 제거율을 매우 향상시킬 수 있는 군용차량용 종합식 보호장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 군용차량에서 사람이 탑승하는 탑승공간 내부나 외부에 구비되어 상기 탑승공간을 냉난방하거나 상기 탑승공간으로 외부공기를 주입함으로써 상기 탑승공간의 압력이 양압으로 유지되게 하되, 상기 탑승공간으로 공급되는 공기 중의 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치로서, 상기 종합식 보호장치는 냉난방 모듈, 양압 모듈 및 상기 냉난방 모듈에서 공급되는 공기와 상기 양압 모듈에서 공급되는 외부공기 중의 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거 필터를 포함하고, 상기 일산화탄소 제거 필터는, 금속 나노 촉매 분말을 준비하는 단계; 상기 금속 나노 촉매 분말에 졸 상태의 무기바인더를 혼합하여 금속 나노 촉매 코팅용액을 제조하는 단계; 상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 분쇄기에 순환시키면서 금속 나노 촉매 분말이 원하는 크기로 분쇄되게 하는 단계; 분쇄된 금속 나노 촉매 코팅용액에 세라믹 담체를 침지시켜 코팅하는 단계; 상기 금속 나노 촉매 코팅용액이 담지된 세라믹 담체를 열풍건조기에서 건조시켜 수분을 제거하는 단계; 수분이 제거된 세라믹 담체를 소성하여 금속 나노 촉매와 세라믹 담체간의 결합력을 증가시키고 불순물을 제거하는 단계; 및 소성된 세라믹 담체를 케이싱하여 일산화탄소 제거 필터의 제작을 완료하는 단계;를 통해 제조되며, 상기 무기바인더는 고형물인 무기재료분말에 증류수가 혼합된 졸 형태의 바인더이고, 상기 무기재료분말은 상기 금속 나노 촉매분말대비 5중량% 내지 20중량%로 혼합되며, 상기 금속 나노 촉매 코팅용액에는 상기 금속 나노 촉매분말과 상기 무기재료분말로 이루어지는 고형물이 전체 금속 나노 촉매 코팅용액 대비 20중량% 내지 40중량%로 포함되며, 상기 금속 나노 촉매 코팅용액은 PH가 3 내지 5, 점도가 5cP 내지 100cP가 되도록 아세트산이나 질산과 같은 산 용액이 혼합되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 나노 촉매 분말은 금 나노 촉매 분말이며, 상기 금 나노 촉매 분말은 금 나노 입자들 사이가 브리지로 이격되어 서로 접촉하지 않고, 일산화탄소가 상기 금 나노 촉매 분말의 활성산소와 결합하여 이산화탄소로 변화되면서 일산화탄소를 제거할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 브리지는 금 나노 입자를 내부에 포획할 수 있는 케이지 형태이며, 소재는 이산화규소(SiO2)이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 분쇄기는 회전체에 의해 회전하는 비드(beads)에 상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 통과시켜 분쇄하는 비드밀(beads mill)이고, 상기 비드의 크기는 2mm 내지 10mm, 상기 회전체의 회전속도는 50RPM 내지 250RPM이며, 상기 금속 나노 촉매 코팅용액 중, 금속 나노 촉매 분말의 입도(D50)가 4㎛ 내지 10㎛가 되도록 분쇄한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 건조는 60℃ 내지 120℃의 온도로 24시간 가열하여, 상기 세라믹 담체의 수분이 적어도 90%가 제거되도록 열풍건조한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 나노 촉매 분말이 상기 세라믹 담체에 코팅된 정도에 따라 상기 세라믹 담체를 코팅하는 과정과 건조하는 과정은 반복할 수 있고, 상기 금속 나노 촉매 분말이 상기 세라믹 담체에 코팅되는 코팅량은 상기 세라믹 담체의 부피 1ℓ당 50g 내지 150g이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 소성은 400℃ 내지 600℃의 공기분위기에서 2시간 내지 4시간 수행되어 상기 세라믹 담체의 공극에 상기 금속 나노 촉매 분말이 침투되게 하되, 상기 금속 나노 촉매 분말의 금속 나노 입자들이 서로 달라붙지는 않게 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 소성 이후에 소성된 세라믹 담체를 열처리하여 금속 나노 촉매의 산화물을 활성 산소로 변화시키는 활성화 단계가 더 포함된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 활성화 단계는 소성된 세라믹 담체를 350℃ 온도에서 2시간 내지 4시간 동안 1,000ppm 내지 10,000ppm의 일산화탄소 농도를 갖는 공기를 공급하거나 수소를 공급하여 열처리함으로써 수행된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 일산화탄소 제거 필터의 전방 또는 후방에 장착되어 유해가스를 제거하는 공촉매 필터가 더 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 송풍기의 전방 또는 후방에 장착되어 유입되는 외부공기 중의 화생방가스를 정화하는 전처리 필터가 더 구비된다.
또한, 본 발명은 상기 종합식 보호장치가 장착된 군용차량을 더 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 종합식 보호장치에 의하면, 일산화탄소 제거 필터를 브리지에 의해 이격 지지되는 금 나노 입자를 세라믹 담체에 코팅하여 제조함으로써 상온에서 군용차량 탑승공간의 일산화탄소를 제거할 수 있는 한편, 촉매 반응 후, 또는 고온 환경에서 금 나노 입자들이 서로 뭉쳐져 비활성화되는 것을 방지하여 반복적으로 촉매로 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 종합식 보호장치에 의하면, 일산화탄소 제거 필터를 금속 나노 촉매분말과 무기바인더 그리고 산 용액을 적절히 혼합하여 점도와 산도를 조절하여 제조함으로써 세라믹 담체에 금속 나노 입자들이 효과적으로 부착되게 하는 한편, 소성 후 무기바인더가 금속 나노 입자들을 덮지 않고 제거되게 하여 촉매의 기능을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 종합식 보호장치에 의하면, 일산화탄소 제거 필터를 제조할 때, 금속 나노 촉매 분말이 코팅된 세라믹 담체를 소성할 때 생성되는 산화물을 활성산소로 변화시켜 활성산소의 양을 증대시킴으로써 일산화탄소 제거 효율을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 종합식 보호장치에 의하면, 일산화탄소 제거 필터를 제조할 때, 금속 나노 촉매 분말이 세라믹 담체의 촉매층 부피, 세라믹 담체에 코팅되는 코팅량 및 공간속도를 조절하여 정해진 목표성능을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치가 장착된 군용차량을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치의 일산화탄소 제거 필터를 보여주는 도면,
도 4는 도 3의 A-A' 단면을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치의 일산화탄소 제거 필터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 도 5의 제조방법에서 활성화 단계를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치의 일산화탄소 제거 필터의 성능평가를 위한 간이시험장치를 보여주는 도면,
도 8은 도 7의 간이시험장치에서 처리공간의 크기를 달리하며 일산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프,
도 9는 도 7의 간이시험장치에서 공간속도를 달리하며 일산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프,
도 10은 도 7의 간이시험장치에서 금속 나노 촉매의 코팅량을 달리한 일산화탄소 제거 필터들의 이산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치의 일산화탄소 제거 필터를 보여주는 도면,
도 4는 도 3의 A-A' 단면을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치의 일산화탄소 제거 필터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 도 5의 제조방법에서 활성화 단계를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치의 일산화탄소 제거 필터의 성능평가를 위한 간이시험장치를 보여주는 도면,
도 8은 도 7의 간이시험장치에서 처리공간의 크기를 달리하며 일산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프,
도 9는 도 7의 간이시험장치에서 공간속도를 달리하며 일산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프,
도 10은 도 7의 간이시험장치에서 금속 나노 촉매의 코팅량을 달리한 일산화탄소 제거 필터들의 이산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치가 장착된 군용차량을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 종합식 보호장치(1000)는 군용차량(1)에서 사람이 탑승하는 탑승공간(2)을 냉난방하거나 양압으로 유지하는 장치이다.
또한, 도면에서는 상기 종합식 보호장치(1000)가 상기 탑승공간(2) 외부에 설치되는 것을 도시하였으나 탑승공간(2) 내부에 설치될 수 있고, 이 경우 덕트를 이용하여 열교환된 공기를 외부로 배출하거나 외부공기를 유입받을 수 있다.
또한, 상기 종합식 보호장치(1000)는 실내로 유입되는 공기나 실내를 순환하는 공기 중의 일산화탄소를 제거한다.
또한, 상기 군용차량(1)은 궤도차량과 차륜형차량을 포함하고, 궤도차량은 전자, 장갑차, 자주포, 기타 궤도차량을 포함하고, 차륜형차량은 차륜형장갑차, 전술차량, 기타 차륜형차량을 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 종합식 보호장치(1000)가 장착된 완성된 군용차량(1)을 별도로 제공할 수 있다.
도 2는 상기 종합식 보호장치(1000)를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 종합식 보호장치(1000)는 냉난방 모듈(1110) 및 양압 모듈(1200)과 상기 냉난방 모듈(1110)에서 공급되는 차가운 공기 또는 따뜻한 공기와 상기 양압 모듈(1200)에서 공급되는 외부 공기 중의 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거필터(100)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 냉난방 모듈(1110)은 상기 탑승공간(2) 내부의 따뜻한 공기를 공급받아 열 교환한 후, 차가운 공기로 배출하는 증발기 조립체(200), 상기 증발기 조립체(200)를 통과한 저온 저압의 냉매를 고온 고압의 가스 상태로 압축하는 압축기(300), 상기 압축기(300)를 통과한 고온 고압의 가스 상태의 냉매를 고온 고압의 액체 상태로 변환하여 열 교환을 수행한 후, 상기 증발기 조립체(200)로 공급하는 응축기 조립체(400)를 포함하며, 상기 일산화탄소 제거 필터(100)는 상기 증발기 조립체(200)의 따뜻한 공기 유입구나 차가운 공기 배출구에 설치되어 상기 탑승공간(2) 내부를 순환하는 공기 중의 일산화탄소를 제거한다.
또한, 상기 냉난방 모듈(1110)은 냉매의 흐름을 거꾸로 하여 난방기능을 수행할 수 있다.
또한, 도 2에서는 상기 일산화탄소 제거 필터(100)가 차가운 공기 배출구 측에 설치된 것을 도시하였으나 공기가 순환하는 형태이므로 따뜻한 공기 유입구 측에 설치될 수 있음은 물론이다.
또한, 도시하지는 않았으나 상기 일산화탄소 제거 필터(100)의 전방 또는 후방에는 유해가스를 포집하거나 분해할 수 있는 광촉매 필터가 구비될 수 있다.
또한, 상기 양압모듈(1200)은 외부의 공기를 상기 탑승공간(2)으로 지속적으로 공급함으로써 양압이 유지되게 하여 외부의 오염된 공기가 상기 탑승공간(2)으로 유입되지 않게 한다.
또한, 상기 양압모듈(1200)은 상기 냉난방모듈(1110)에 연결되며, 외부의 공기를 상기 증발기 조립체(200)로 공급하는 송풍기(500)를 포함하며, 상기 송풍기(500)와 상기 증발기 조립체(200) 사이에는 화생방가스를 정화할 수 있는 전처리 필터(300)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 증발기 조립체(200)로 공급된 외부공기는 상기 일산화탄소 제거필터(100)를 거처 상기 탑승공간(2)으로 유입되며 상기 탑승공간(2)이 양압으로 유지되게 한다.
그러나 상기 냉난방 모듈(1100)과 상기 양압모듈(1200)은 물리적으로 분리되어 있을 수 있고, 이 경우에는 상기 냉난방 모듈(1100)과 상기 양압모듈(1220)에 각각 상기 일산화탄소 제거 필터(100)가 구비될 수 있다.
즉, 본 발명의 종합식 보호장치(1000)는 종래의 종합식 보호장치(1000)와 비교하여 일산화탄소 제거 필터(100)의 구비 여부에만 차이가 있을 뿐, 타 구성요소들은 실질적으로 동일하다.
또한, 본 발명의 핵심은 상기 일산화탄소 제거 필터(100)에 있다.
도 3은 상기 일산화탄소 제거 필터(100)를 보여주는 도면이고, 도 4는 도 3의 A-A' 단면을 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 일산화탄소 제거 필터(100)는 금속 나노 촉매가 담지된 세라믹담체(110)와 상기 세라믹담체(110)의 외면을 커버하며 상기 세라믹담체(110)를 충격으로부터 보호하는 충격완충패드(120), 상기 충격완충패드(120)의 외부를 감싸며 케이싱하는 금속커버(130)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 세라믹담체(110)는 공기가 통과할 수 있는 유로가 형성된 허니컴형태로 제작되며 유입되는 공기 중의 일산화탄소를 제거한 후 배출한다.
자세하게는 상기 세라믹담체(110)는 유입되는 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시킴으로써 일산화탄소를 제거한다.
또한, 상기 세라믹담체(110)는 육면체 형태인 것으로 도시하였으나 원통형 등 다양한 형태로 제작이 가능하다.
또한, 상기 충격완충패드(120)는 상기 세라믹담체(110)가 충격에 의해 파손되는 것을 방지하는 기능을 수행하며, 글라스울로 제작될 수 있다.
또한, 상기 금속커버(130)는 재료에 별 다른 제약은 없으며 장착하고자 하는 위치에 따라 적절한 형태로 제작될 수 있다.
이하에서는 상기 일산화탄소 제거 필터(100)의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
도 5는 상기 일산화탄소 제거 필터(100)를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 금속 나노 촉매 분말(10)을 준비한다(S1000).
상기 금속 나노 촉매 분말(10)은 금 나노 촉매 분말이며, 상기 금 나노 촉매 분말을 금 나노 입자들(11) 사이를 브리지(12)로 이격하여 상기 금 나노 입자들(11)이 서로 접촉하지 않도록 고정한 분말이다.
자세하게는 상기 브리지(12)는 내부가 비어있고, 빈 공간에 상기 금 나노 입자(11)를 포획할 수 있는 케이지 형태로 제작되며, 소재는 이산화규소(SiO2)이다.
한편, 금 나노 입자들(11)의 경우 상온에서 반응한 후에 서로 뭉쳐져, 비 활성화됨으로써 촉매의 기능을 상실하는 문제가 있는데 상기 브리지(11)가 금 나노 입자들(11)을 서로 이격하여 지지하고 있으므로 이러한 문제가 발생하지 않는다.
또한, 상기 금 나노 입자들(11)은 은, 니켈, 구리, 팔라듐, 로듐 등으로 대체가 가능하나 상온 활성화가 가장 좋은 금을 이용하는 것이 바람직하며, 상기 브리지(12)는 메조 기공(mesopore) 및 마이크로 기공(micropore) 형성에 유리한 이산화규소(SiO2)를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금 나노 입자들(11)과 케이지 사이에는 소정의 공간이 존재하며 이 공간으로 일산화탄소가 지가나면서 금 나노 입자들(11)의 활성산소와 결합하여 이산화탄소로 변화되면서 일산화탄소가 제거되는 원리로 촉매가 작동한다.
다음, 상기 금속 나노 촉매 분말(10)에 무기바인더를 혼합하여 금속 나노 촉매 코팅용액을 제조한다(S2000).
상기 무기바인더는 고형물인 무기재료분말(SiO2, ZrO2, TiO2 등일 수 있음)에 증류수가 혼합된 졸 형태의 바인더이며, 전체 무기바인더 중, 상기 무기재료분말이 약 20중량% 내지 40중량%로 포함되며 나머지는 증류수이다.
또한, 상기 무기바인더의 무기재료분말이 상기 금속 나노 촉매분말대비 5%중량% 내지 20중량%로 혼합되도록 상기 무기바인더의 혼합을 조절한다.
한편, 상기 무기바인더의 비율이 높아질수록 상기 금속 나노 촉매 분말(10)이 세라믹 담체에 잘 달라붙으나 소성 후에도 제거되지 않고 금 나노 입자(11)들을 덮고 있을 수 있으으므로 혼합비율의 조절이 매우 중요하다.
최종적으로 상기 금속 나노 촉매 코팅용액에는 상기 금속 나노 촉매분말(10)과 상기 무기바인더의 무기재료분말인 고형물이 전체 금속 나노 촉매 코팅용액 대비 20중량% 내지 40중량%로 포함되도록 혼합한다.
이는 금 나노 입자(11)들이 세라믹 담체에 잘 부착되게 하면서도 소성시 바인더는 제거되어 금 나노 입자(11)가 일산화탄소와 최대한 잘 접촉되게 할 수 있게 함으로써 필터의 성능을 향상시킬 수 있는 혼합비이다.
또한, 상기 금속 나노 촉매 코팅용액에는 점도 조절을 위해 산 용액이 혼합된다.
자세하게는 상기 금속 나노 촉매 코팅용액의 점도가 5cP 내지 100cP가 되고 PH가 3 내지 5가 되도록 아세트산이나 질산과 같은 산 용액을 혼합한다.
이는 상기 금 나노 입자(11)들이 세라믹 담체에 더욱 잘 부착될 수 있게 하는 조건이다.
다음, 제조된 금속 나노 촉매 코팅용액을 분쇄기에 순환시켜 상기 금속 나노 촉매 분말이 원하는 크기로 분쇄되게 한다(S3000).
자세하게는 상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 분쇄기인 비드밀에 투입하여 순환시켜면서 상기 금속 나노 촉매 분말의 입도(D50)가 4㎛ 내지 10㎛가 되도록 분쇄한다.
또한, 상기 비드밀은 비드(beads)가 충전된 챔버 내부에서 회전체(교반기)를 회전시켜 비드를 회전시키고, 챔버 내부로 상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 순환시켜 상기 비드와의 마찰하게 함으로써 상기 금속 나노 촉매 분말이 분쇄되게 하는 분쇄기이다.
또한, 상기 비드의 크기는 2mm 내지 10mm, 상기 회전체의 회전속도는 50RPM 내지 250RPM인 것이 바람직하다.
이는 상기 금속 나노 촉매 코팅용액 내부에서 상기 금속 나노 촉매 분말이 서로 뭉치지 않고 원하는 입도로 분쇄될 수 있게 하는 조건이다.
다음, 상기 금속 나노 촉매 코팅용액에 세라믹 담체를 침지시켜 상기 세라믹 담체에 상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 코팅한다(S4000).
다음, 코팅된 세라믹 담체를 열풍건조기에서 건조시켜 수분을 제거한다(S5000).
또한, 상기 건조는 60℃ 내지 120℃의 온도로 24시간 가열함으로써 수행되고, 상기 세라믹 담체의 수분을 적어도 90% 제거되도록 건조한다.
또한, 상기 세라믹 담체에 상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 코팅하는 과정과 건조하는 과정은 상기 세라믹 담체의 부피 1ℓ당 상기 금속 나노 촉매 분말이 50g 내지 150g이 되도록 반복된다.
다음, 수분이 제거된 세라믹 담체를 소성로에 투입한 후, 소성하여 금속 나노 촉매와 세라믹 담체간의 결합력을 증가시키고 불순물을 제거한다(S6000).
또한, 상기 소성은 400℃ 내지 600℃의 공기분위기에서 2시간 내지 4시간 수행된다.
이 온도 및 시간 조건은 상기 세라믹 담체의 공극에 상기 금속 나노 촉매 분말이 침투되게 하되, 금속 나노 입자들은 서로 달라붙지 않게 하는 조건이다.
다음, 소성된 세라믹 담체를 열처리하여 활성화한다(S7000).
또한, 상기 활성화는 금속 나노 촉매 산화물에서 산소를 제거하여 금속 나노 입자(11)의 활성 산소가 증가되게 하는 과정이다.
도 6을 참조하여 자세하게 설명하면, 도 6은 상기 활성화 단계를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 6의 (a)는 소성된 세라믹 담체의 모식도로써, 금속 나노 촉매 분말이 세라믹 담체(101)에 부착된 상태를 보여준다.
또한, 금속 나노 입자(11)를 감싸는 지지체(12)가 세라믹 담체(101) 상에 부착됨으로써 상기 금속 나노 입자(11)가 상기 세라믹 담체(101)에 고정되어 있다.
또한, 상기 금속 나노 입자(11)는 소성과정에서 산화되며, 산소(13)가 부착되어 산화물 상태로 변화되어 있다.
한편, 금속 나노 촉매 산화물의 산소는 활성산소와는 차이가 있으며, 상기 금속 나노 입자(11)와 강하게 결합되어 있다.
또한, 상기 산화물에서 산소를 떼어내어 줘야 상기 금속 나노 입자(11)의 활성산소가 증대되어 필터로 사용시 일산화탄소와 쉽게 결합하여 이산화탄소로 변화시킨다.
또한, 도 6의 (b)는 활성화 과정을 보여주는 모식도로써, 세라믹 담체를 350℃ 온도에서 2시간 내지 4시간 동안 1,000ppm 내지 10,000ppm의 일산화탄소 농도를 갖는 공기를 공급하여 열처리함으로써 산화시 발생한 산소를 이산화탄소(CO2)로 변화시켜 떼어내거나 수소를 공급하여 산소를 물(H2O)로 변화시켜 증발시킨다.
이렇게 산화물에서 산소를 떼어낼 경우, 도 6의 (c)와 같이 금속 나노 입자(11)만이 남게 되고, 이 금속 나노 입자(11)는 상온에서 이산화탄소와 결합하기 위한 활성산소만을 제공함으로써 촉매로 이용이 가능하다.
다음, 활성화된 세라믹 담체를 케이싱하여 상기 일산화탄소 제거 필터(100)의 제작을 완료한다.
즉, 본 발명에 의하면, 소성시 변화된 금속 나노 촉매 산화물의 산소를 제거함으로써 금속 나노 입자(11)의 활성산소를 증가시켜 일산화탄소를 쉽게 이산화탄소로 변화시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 상기 일산화탄소 제거 필터(100)의 성능평가를 위한 간이시험장치를 보여주는 도면이다.
도 7를 참조하면, 처리공간(20) 내에 일산화탄소가 혼합된 공기를 주입하고, 펌프(10)를 통해 일산화탄소 제거 필터(100)로 공기를 순환시켜 성능평가를 실시하였다.
도 8은 도 7의 간이시험장치에서 처리공간의 크기를 달리하며 일산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
시험조건으로는 상기 일산화탄소 제거 필터(100)에서 공기가 접촉하는 촉매층의 부피가 23.2mL, 공기 중의 일산화탄소 농도가 1,000ppm(=0.1%), 순환하는 가스유량이 3,900mL/min, 공간속도가 10,000hr-1이며 처리공간(20)을 3.5L, 5.0L, 10.0L, 20.0L로 변화시켜가며 일산화탄소 제거 효율(CO Removal Efficiency,%)을 측정하였다.
또한, 상기 공간속도는 가스유량(mL/hr)을 촉매층부피(mL)로 나눈 값으로써 아래의 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.
일산화 탄소의 목포 제거효율은 반응시간(Reaction Time) 15분 내에 공기중에서 일산화탄소를 80%이상 제거하는 것으로 처리공간이 5.0L이하에서는 15분 내에 일산화 탄소가 약 80% 제거됨을 알 수 있다.
또한, 상기 공간속도가 조절하여 일산화탄소 제거효율을 증가시킬 수 있으므로 촉매층의 부피와 가스유량을 조절하여 제한된 공간에서 일산화탄소를 효율적으로 제거할 수 있음을 확인하였다.
도 9는 처리공간 5.0L에서 공간속도를 달리하며 일산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
또한, 공간속도는 촉매층의 부피는 23.2mL로 고정한 채, 가스유량을 3,900mL/min에서 13,500mL/min으로 증가시키며 변화시켰다.
도 9의 그래프에서도 알 수 있듯이 공간속도(SV:Space Velocity)가 10,000/hr이상일 경우 15분 내에 일산화탄소가 80%이상 제거되었으며, 공간속도(SV)가 30,000/hr일 경우 15분 내에 일산화탄소가 88% 제거됨을 알 수 있다.
그러나, 공간속도를 35,000/hr으로 증가시킬 경우 일산화탄소 제거율이 증가하지 않고 오히려 감소하여 공간속도의 최적점이 존재함을 알 수 있으며, 처리공간의 크기에 따라 공간속도가 최적이 되도록 조절하여 일산화탄소 제거효율을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
도 10은 도 7의 간이시험장치에서 금속 나노 촉매의 코팅량을 달리한 일산화탄소 제거 필터들의 이산화탄소 제거율을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
시험조건으로는 촉매층의 부피를 23.2mL, 공기 중의 일산화탄소 농도를 1,000ppm(=0.1%), 순환하는 가스유량을 11,600mL/min, 공간속도를 30,000hr- 1으로 고정하고, 촉매의 코팅을 80g/L, 100g/L, 120g/L로 달리한 시편을 이용하여 일산화탄소 제거 효율(%)을 측정하였다.
도 10에서도 알 수 있듯이 촉매 코팅량(Coating content, g/L)이 80g/L 이상일 경우 15분 내에 일산화탄소가 80%이상 제거됨을 확인하였다.
또한, 촉매 코팅량 100g/L 이상에서는 10분 내에 일산화탄소가 80%이상 제거됨을 확인하였다.
즉, 촉매 코팅량을 최적화하여 목표 성능(Target Performance)을 구현할 수 있음을 확인하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
1000:공기정화장치
1100:냉난방 모듈 1200:양압모듈
100:일산화탄소 제거 필터 110:세라믹 담체
120:충격 완충 패드 130:금속커버
200:증발기 조립체 300:압축기
400:응축기 조립체 500:송풍기
600:전처리 필터
1100:냉난방 모듈 1200:양압모듈
100:일산화탄소 제거 필터 110:세라믹 담체
120:충격 완충 패드 130:금속커버
200:증발기 조립체 300:압축기
400:응축기 조립체 500:송풍기
600:전처리 필터
Claims (12)
- 군용차량에서 사람이 탑승하는 탑승공간 내부나 외부에 구비되어 상기 탑승공간을 냉난방하거나 상기 탑승공간으로 외부공기를 주입함으로써 상기 탑승공간의 압력이 양압으로 유지되게 하되, 상기 탑승공간으로 공급되는 공기 중의 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치로서,
상기 종합식 보호장치는 냉난방 모듈, 양압 모듈 및 상기 냉난방 모듈에서 공급되는 공기와 상기 양압 모듈에서 공급되는 외부공기 중의 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거 필터를 포함하고,
상기 일산화탄소 제거 필터는,
금속 나노 촉매 분말을 준비하는 단계;
상기 금속 나노 촉매 분말에 졸 상태의 무기바인더를 혼합하여 금속 나노 촉매 코팅용액을 제조하는 단계;
상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 분쇄기에 순환시키면서 금속 나노 촉매 분말이 원하는 크기로 분쇄되게 하는 단계;
분쇄된 금속 나노 촉매 코팅용액에 세라믹 담체를 침지시켜 코팅하는 단계;
상기 금속 나노 촉매 코팅용액이 담지된 세라믹 담체를 열풍건조기에서 건조시켜 수분을 제거하는 단계;
수분이 제거된 세라믹 담체를 소성하여 금속 나노 촉매와 세라믹 담체간의 결합력을 증가시키고 불순물을 제거하는 단계; 및
소성된 세라믹 담체를 케이싱하여 일산화탄소 제거 필터의 제작을 완료하는 단계;를 통해 제조되며,
상기 무기바인더는 고형물인 무기재료분말에 증류수가 혼합된 졸 형태의 바인더이고, 상기 무기재료분말은 상기 금속 나노 촉매분말대비 5중량% 내지 20중량%로 혼합되며, 상기 금속 나노 촉매 코팅용액에는 상기 금속 나노 촉매분말과 상기 무기재료분말로 이루어지는 고형물이 전체 금속 나노 촉매 코팅용액 대비 20중량% 내지 40중량%로 포함되며, 상기 금속 나노 촉매 코팅용액은 PH가 3 내지 5, 점도가 5cP 내지 100cP가 되도록 아세트산이나 질산과 같은 산 용액이 혼합되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 촉매 분말은 금 나노 촉매 분말이며, 상기 금 나노 촉매 분말은 금 나노 입자들 사이가 브리지로 이격되어 서로 접촉하지 않고, 일산화탄소가 상기 금 나노 촉매 분말의 활성산소와 결합하여 이산화탄소로 변화되면서 일산화 탄소를 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 브리지는 금 나노 입자를 내부에 포획할 수 있는 케이지 형태이며, 소재는 이산화규소(SiO2)인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분쇄기는 회전체에 의해 회전하는 비드(beads)에 상기 금속 나노 촉매 코팅용액을 통과시켜 분쇄하는 비드밀(beads mill)이고,
상기 비드의 크기는 2mm 내지 10mm, 상기 회전체의 회전속도는 50RPM 내지 250RPM이며,
상기 금속 나노 촉매 코팅용액 중, 금속 나노 촉매 분말의 입도(D50)가 4㎛ 내지 10㎛가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 건조는 60℃ 내지 120℃의 온도로 24시간 가열하여, 상기 세라믹 담체의 수분이 적어도 90%가 제거되도록 열풍건조하는 것임을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 나노 촉매 분말이 상기 세라믹 담체에 코팅된 정도에 따라 상기 세라믹 담체를 코팅하는 과정과 건조하는 과정은 반복할 수 있고,
상기 금속 나노 촉매 분말이 상기 세라믹 담체에 코팅되는 코팅량은 상기 세라믹 담체의 부피 1ℓ당 50g 내지 150g인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소성은 400℃ 내지 600℃의 공기분위기에서 2시간 내지 4시간 수행되어 상기 세라믹 담체의 공극에 상기 금속 나노 촉매 분말이 침투되게 하되, 상기 금속 나노 촉매 분말의 금속 나노 입자들이 서로 달라붙지는 않게 하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소성 이후에 소성된 세라믹 담체를 열처리하여 금속 나노 촉매의 산화물을 활성 산소로 변화시키는 활성화 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 활성화 단계는 소성된 세라믹 담체를 350℃ 온도에서 2시간 내지 4시간 동안 1,000ppm 내지 10,000ppm의 일산화탄소 농도를 갖는 공기를 공급하거나 수소를 공급하여 열처리함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 일산화탄소 제거 필터의 전방 또는 후방에 장착되어 유해가스를 제거하는 공촉매 필터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 송풍기의 전방 또는 후방에 장착되어 유입되는 외부공기 중의 화생방가스를 정화하는 전처리 필터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 양압장치.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 종합식 보호장치가 장착된 군용차량.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220173340A KR20240088023A (ko) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치 및 그 장치를 갖는 군용차량 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220173340A KR20240088023A (ko) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치 및 그 장치를 갖는 군용차량 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240088023A true KR20240088023A (ko) | 2024-06-20 |
Family
ID=91669732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220173340A KR20240088023A (ko) | 2022-12-13 | 2022-12-13 | 일산화탄소 제거가 가능한 군용차량용 종합식 보호장치 및 그 장치를 갖는 군용차량 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240088023A (ko) |
-
2022
- 2022-12-13 KR KR1020220173340A patent/KR20240088023A/ko unknown
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