WO2014030785A1 - 금속 폼 히터를 이용한 배기가스 여과 장치 - Google Patents

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김종광
김기영
안진열
류덕수
김흥준
배정석
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas filtration device using a metal foam as a heater, and more particularly, to control the back pressure by maximizing the exhaust gas inflow area, and to use the metal foam heating element to increase the reaction and regeneration performance. It relates to a filtration device.
  • exhaust gases emitted by combustion of internal combustion engines contain various harmful components such as nitrogen oxides (NO X ), carbon dioxide, and ash, and devices and methods for removing these harmful components have been devised. .
  • NO X nitrogen oxides
  • carbon dioxide carbon dioxide
  • ash ash
  • an exhaust gas filtration device or a post-treatment device such as a diesel particulate filter (DPF) and a diesel oxidation catalyst (DOC) is installed in an exhaust pipe for exhausting exhaust gas.
  • DPF diesel particulate filter
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • a diesel engine vehicle may not be able to reach the temperature for regeneration of the catalyst under certain conditions of operating conditions such as urban driving / low speed section / idle period / engine starting (low flow conditions).
  • the soot) is not regenerated, that is, burned out and accumulated, causing performance degradation and quality problems.
  • a heater for heating exhaust gas in front of the filter or catalyst is provided.
  • the heater apparatus can reduce the exhaust gas by raising the exhaust gas inflow temperature to the catalyst regeneration temperature.
  • the efficiency can be increased by inducing a catalytic reaction on the surface of the heating element.
  • the conventional heater is mainly installed on the top of the main DOC or DPF using a metal tin monolith of FeCrAl material as a heating element to increase the exhaust inlet temperature to the regeneration temperature to facilitate the regeneration.
  • a metal tin monolith of FeCrAl material as a heating element to increase the exhaust inlet temperature to the regeneration temperature to facilitate the regeneration.
  • the heater since the heater is wound around the heating element at regular intervals, the radius of curvature of the inner and outer sides is different, which increases the local electrical resistance, causing the heating element to overheat and short-circuit, and the exhaust gas temperature distribution is not uniform. There was a problem. In other words, if the radius of curvature of the heating element of the heater is small, the electrical resistance is large, so that a lot of heat is generated, if the radius of curvature is large, heat is generated less, the overall exhaust gas inflow temperature is uneven.
  • the material of the heater used as a conventional heater is a laminated design made mainly of the FeCrAl thin film in a wavy shape, it is possible to transfer the thermal energy as an electrical resistor, but it generates a turbulent flow in the heating element catalyst by the exothermic temperature Inefficient in inducing regeneration reactions.
  • the material of the conventional FeCral thin film when used as an electric resistor, it can be used in the case of low voltage (12 ⁇ 48V), but in the case of hybrid or e-assist, high voltage is used, so there is a limit to design a high resistance.
  • alloy foam is available from sheet type to block foam, the design of high resistance as well as low resistance is advantageous.
  • Alantum alloy foam has a large specific surface area to weight ratio, and therefore, when used as a catalyst-coated carrier, it utilizes less electric energy, ie, minimizes heat loss and maximizes thermal efficiency. It has the advantage of supplying the heated gas at a uniform temperature in the rear stage.
  • the present invention allows the back pressure control to be freely controlled by controlling the inlet area of the exhaust gas and the slope of the filter and the heater, and reacting on the surface by self-heating of the metal foam which can minimize heat loss by using a metal foam coated with a catalyst. And regeneration performance can be improved, and the heated gas can be delivered at a uniform temperature to the rear filter.
  • the arrangement of the heater and the filter may also be varied depending on the required performance conditions, for example, the heater may be located at the top of the filter, at the rear, or in the middle of the filter. Alternatively, the pore size can be arranged like heater-filter-heater-filter ..
  • the exhaust pipe for exhausting the exhaust gas generated in the internal combustion engine
  • a filter body disposed at an angle to the inside of the case at an angle, and configured to filter the exhaust gas discharged through the exhaust pipe;
  • An exhaust gas filtration device is provided at one end of the filter body at regular intervals from the filter body and includes a metal foam heating element for heating and exhausting the exhaust gas.
  • the case may include an inlet for introducing exhaust gas from the exhaust pipe and an outlet for allowing the exhaust gas to flow out of the case into the exhaust pipe.
  • a first induction part is formed between the case and the inlet to guide exhaust gas introduced through the inlet into the case, and the exhaust gas discharged from the case is between the case and the outlet.
  • a second induction part can be formed to lead to the outlet part.
  • the filter body is installed at a predetermined angle inclined with respect to the inner bottom surface of the case, the inclination angle may be selected within the range of 10 degrees to 170 degrees.
  • the filter medium is a diesel particulate filter (DPF), diesel oxidation catalyst (DOC), nitrogen oxide removal device (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), three-way catalyst ( At least one material selected from the group including Three Way Catalyst).
  • DPF diesel particulate filter
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • nitrogen oxide removal device Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT
  • three-way catalyst At least one material selected from the group including Three Way Catalyst.
  • Fixing plates for inserting and fixing both ends of the filter body may be coupled to both ends of the filter body.
  • the metal foam heating element is disposed to be inclined at the same angle as the inclination angle of the filter body, the inclination angle may be selected within the range of 10 degrees to 170 degrees.
  • the metal foam heating element may be disposed in parallel with the filter body at regular intervals from the filter body.
  • the metal foam heating element may be located at the upper end of the filter body, or may be located at the lower end of the filter body, or may be located between the filter body and the filter body.
  • the metal foam heating element may include a first and second metal foam blocks having a predetermined size and a shape, disposed with a predetermined gap, and generating heat of resistance when electricity is applied thereto;
  • connection terminal coupled to one end of the first and second metal foam blocks and electrically connecting the first metal foam block and the second metal foam block to each other;
  • first and second metal foam blocks may be coupled to the other end of the first and second metal foam blocks, respectively, and may include a positive terminal and a negative terminal for connecting to a power source.
  • the first and second metal foam blocks may be coated or uncoated with a catalyst.
  • the catalyst may include V 2 O 5 , WO 3 , SbO 3 , MoO 3 , TiO 2 , and platinum ( Pt), gold (Au), palladium (Pt), may be made of at least one of a noble metal catalyst such as rhodium (Rh).
  • the first and second metal foam blocks may stack at least one or more first and second metal foam blocks, or may arrange at least one or more first and second metal foam blocks in parallel.
  • At least one first metal foam block or second metal foam block may be inserted between the first metal foam block and the second metal foam block.
  • the first and second metal foam blocks may have a plurality of pores so that turbulent flow may be generated when the exhaust gas passes.
  • the pores may be formed in a size within the range of 50 ⁇ m 50000 ⁇ m.
  • the gap between the first metal foam block and the second metal foam block may be formed of 2 mm to 3 mm to enable electrical insulation, or the gap may be filled with an electrical insulator.
  • connection terminal and the first and second metal foam blocks may be coupled by a metal adhesive, bolts, rivets or brazing.
  • Exhaust gas filtration device may extend from both ends of the connection terminal, and may include a first coupling plate for inserting and coupling the first and second metal foam blocks.
  • the anode terminal and the first metal foam block are joined by a metal bonding agent, bolts, rivets or brazing, and the cathode terminal and the second metal foam block are joined by a metal bonding agent, bolts, rivets or brazing. ) Can be combined.
  • Exhaust gas filtration device may extend from both ends of the positive electrode terminal, and may include a second coupling plate for inserting and coupling the first metal foam block.
  • Exhaust gas filtering device may extend from both ends of the negative electrode terminal, may include a third coupling plate for inserting and coupling the second metal foam block.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal may be exposed to the outside of the case through the case.
  • It may extend from one side of the fixing plate, and may include a blocking wall for blocking the exhaust gas from passing through portions other than the filter medium.
  • the metal foam heating element and the filter body inclined at a predetermined angle inside the case it is possible to maximize the exhaust gas inflow area, increase the degree of freedom for the resistance design and optimize the back pressure performance, Since the specific surface area with respect to the weight of the metal foam heating element can be maximized, when used as a metal foam heating element, the efficiency of reaction and regeneration performance on the surface of the heating element itself can be maximized, and the temperature can be evenly distributed or transmitted.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an exhaust gas filtration device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of an exhaust gas filtration device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a partially cut-away perspective view of a portion of an exhaust gas filtration device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a threaded view of a part of the cut off part of the exhaust gas filtering apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an exhaust gas filtration device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a partially cutaway perspective view of the exhaust gas filtration device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an embodiment of the present invention Partial cutaway partial perspective view of an exhaust gas filtration device according to an example.
  • the exhaust gas filtering device according to an embodiment of the present invention, the exhaust pipe (100, 110) for exhausting the exhaust gas generated in the internal combustion engine;
  • a filter body 300 disposed to be inclined at a predetermined angle ⁇ in the case 200 and for filtering exhaust gas discharged through the exhaust pipe 200;
  • One end of the filter body 300 is positioned at regular intervals with the filter body 300, and includes a metal foam heating element 400 for heating the exhaust gas to generate heat.
  • the case 200 may include an inlet 210 through which the exhaust gas flows from the exhaust pipe 100, and an outlet 220 through which the exhaust gas flows out of the case into the exhaust pipe 110. have.
  • the case 200 may be disposed along the longitudinal direction of the exhaust pipes 100 and 110 and may have the same center as the longitudinal center of the exhaust pipes 100 and 110.
  • a first induction part 230 may be formed between the case 200 and the inlet 210 to guide the exhaust gas introduced through the inlet 210 into the case 200.
  • the first induction part 230 may be formed in a tapered shape that is tapered toward the inlet 210 from the case 200 so as to easily guide the exhaust gas into the case 200.
  • a second induction part 240 may be formed between the case 200 and the outlet part 220 to guide the exhaust gas discharged from the case 200 to the outlet part 220.
  • the second induction part 240 may be formed in a tapered shape that becomes thinner from the case 200 to the outlet part 220 so as to easily guide the exhaust gas to the outlet part 220.
  • the filter body 300 may be formed in a predetermined size and shape, and may be installed to be inclined at a predetermined angle ⁇ with respect to the length direction of the exhaust pipes 100 and 110, that is, the inner bottom surface of the case 200.
  • the inclination angle ⁇ may be changed according to the size (length, thickness, width) of the filter body 300, and may be freely selected within a range of 10 degrees to 170 degrees according to required performance.
  • the filter body 300 is formed in a rectangular shape, but is not limited thereto, and may be any shape as long as the exhaust gas can be filtered.
  • a first flange 101 is formed at one end of the exhaust pipe 100, a second flange 111 is formed at the other end of the exhaust pipe 110, and the second flange 111 is formed at both ends in the longitudinal direction of the case 200.
  • Third and fourth flanges 211 and 221 may be provided to be coupled to the first and second flanges 101 and 110 by coupling means such as welding or bolts, respectively.
  • the filter member 300 may be made of SiC, Cordierite, AT, SiN, etc., which are ceramic materials, or may be made of a metal Foil type, foam type, wire mesh type, metal fiber, or the like.
  • the filter 300 may be a diesel particulate filter (DPF), a diesel oxidation catalyst (DOC), a nitrogen oxide removal device (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), It may include at least one material selected from the group comprising a three way catalyst.
  • DPF diesel particulate filter
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • LNT nitrogen oxide removal device
  • the filter body 300 may be laminated with different types of filters in order to simultaneously filter various harmful components such as nitrogen oxides (NOx), carbon dioxide, and ash contained in the exhaust gas, which may be DPF, DOC or Space can be saved, filtration efficiency can be increased, and production cost can be reduced compared to the case of separately installing three-way catalyst.
  • NOx nitrogen oxides
  • carbon dioxide carbon dioxide
  • ash contained in the exhaust gas which may be DPF, DOC or Space
  • Fixing plates 500 and 510 for inserting and fixing both ends of the filter body 300 may be coupled to both ends of the filter body 300.
  • the metal foam heating element 400 may be disposed to be inclined at a predetermined angle ( ⁇ ) with respect to the longitudinal direction of the exhaust pipe, that is, the inner bottom surface of the case 200 so as to maximize the exhaust gas inflow area. It may be inclined at the same angle as the inclination angle ( ⁇ ) of the filter medium.
  • the inclination angle ⁇ may be changed according to the size (length, thickness, width) of the metal foam heating element 400, and may be freely adjusted within a range of 10 degrees to 170 degrees according to the required performance.
  • the metal foam heating element 400 may be disposed parallel to the filter body at regular intervals from the filter body.
  • the metal foam heating element 400 is located at the upper end of the filter body 300, as shown in Figure 2 and 3, or located at the lower end of the filter body 300, as shown in Figure 4, Alternatively, the filter member 300 may be positioned between the filter member 300 and the filter member 300.
  • the metal foam heating element 400 is disposed with a predetermined gap and porous first and second metal foam blocks 410 and 420 for generating resistance heat when electric power is applied;
  • connection terminal coupled to one end of the first and second metal foam blocks 410 and 420 and electrically connecting the first metal foam block 410 and the second metal foam block 420 to each other. 430;
  • first and second metal foam blocks 410 and 420 may be coupled to the other ends of the first and second metal foam blocks 410 and 420, respectively, and may include a positive terminal 440 and a negative terminal 450 to be connected to a power source.
  • the first and second metal foam blocks 410 and 420 have a diameter of several tens of micrometers in a three-dimensional porous body made of organic and inorganic materials such as Ni, Fe, Cu, Ti, Al, Al 2 O 3 , and Cr.
  • the surface can be made convex by applying an organic / inorganic powder and bonding it by common bonding methods such as high temperature sintering.
  • the convex geometry of the surfaces of the first and second metal foam blocks 410 and 420 not only serves to improve the catalyst adhesion when the catalyst is coated, but also serves to maximize the specific surface area to improve the catalytic activity. Can be.
  • the first and second metal foam blocks 410 and 420 may stack at least one or more first and second metal foam blocks, and may arrange at least one or more first and second metal foam blocks in parallel. .
  • At least one first metal foam block or second metal foam block may be inserted between the first metal foam block 410 and the second metal foam block 420.
  • first and second metal foam blocks 410 and 420 may be formed of at least one selected from Ni-based metal foams, Fe-based metal foams, and NiFeCrAl-based metal foams.
  • the first and second metal foam blocks 410 and 420 have a plurality of pores so that turbulent flow can be generated when the exhaust gas passes, and the pores may be formed in a size within a range of several tens of micrometers to several thousand micrometers. More preferably 50 ⁇ m to 50000 ⁇ m.
  • the cross-sectional area and length of the metal foam heating element 400 can be freely adjusted according to the pore size, it is easy to design low resistance and high resistance in resistance design.
  • the pore size may also be different.
  • the metal foam heating element 400 when located at the upper end of the filter body 300, the pore size of the metal foam heating element 400 is largely formed, and the metal foam heating element 400 is the filter body 300. When located at the lower end of the) it can be formed to reduce the pore size of the metal foam heating element (400). Alternatively, it may be formed in reverse.
  • a gap 460 is formed between the first metal foam block 410 and the second metal foam block 420 to enable electrical insulation, and the gap 460 may be formed in several mm. Preferably it may be formed of 2mm ⁇ 3mm.
  • the gap 460 may be filled with a ceramic-based electrical insulator to guide the fluid to pass through the first and second metal foams 410 and 420 without bypassing the gap.
  • the first and second metal foam blocks 410 and 420 may be formed in a rectangular shape such as a block, and the length, width, and thickness thereof may be adjusted as necessary.
  • first and second metal foam blocks 410 and 420 may be coated with a catalyst, and when the catalyst is coated, the catalyst may be V 2 O 5 , WO 3 , SbO 3 , MoO 3 , TiO 2.
  • noble metal catalysts such as platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pt), and rhodium (Rh).
  • the catalyst may not be coated on the first and second metal foam blocks 410 and 420.
  • connection terminal 430 may be formed of a plate made of phosphor bronze, SUS, and FeCrAl in consideration of easy electrical conduction and corrosion resistance.
  • connection terminal 430 and the first and second metal foam blocks 410 and 420 may be bonded using a metal bonding agent such as a metal bond, but are not limited thereto. Bolts, rivets, Or by brazing or the like.
  • first coupling plate 431 extending from both ends of the connection terminal 430, the first coupling plate 431 for inserting and coupling the first and second metal foam blocks (410, 420).
  • the positive electrode terminal 440 and the negative electrode terminal 450 may be formed of a plate made of phosphor bronze, SUS series, FeCrAl material for easy electrical conduction.
  • the positive electrode terminal 440 and the first metal foam block 410 may be bonded by a metal bonding agent such as a metal bond, and may be coupled by bolts, rivets, or brazing.
  • the negative electrode terminal 450 and the second metal foam block 420 may be joined by a metal bonding agent such as a metal bond, and may be coupled by bolts, rivets, or brazing.
  • it may include a second coupling plate 441 extending from both ends of the positive electrode terminal 440 to insert and couple the first metal foam block 410.
  • a third coupling plate 451 may be formed to extend from both ends of the negative electrode terminal 450 to insert and couple the second metal foam block 420.
  • the positive terminal 440 and the negative terminal 450 may pass through the case 200 to be exposed to the outside of the case 200.
  • the fixing plate 510 may extend from one side of the fixing plate 510 and may include a blocking wall 520 for blocking the exhaust gas from passing through a portion other than the filter body 300.
  • the first and second metal foam blocks 410 and 420 generate resistance heat to generate heat.
  • the exhaust gas When the exhaust gas is discharged through the exhaust pipe 100 in this state, the exhaust gas flows into the inlet 210 as shown by the dashed-dotted arrow of FIGS. 2 and 3, and then the first induction part 230 is used. It is introduced into the case 200.
  • the exhaust gas introduced into the case 200 is heated by the heat generated by the metal foam heating element 400 inclined at a predetermined angle ( ⁇ ) with the inner bottom surface of the case 200 and is heated to the catalyst regeneration temperature. As a result, the catalyst regeneration is smooth.
  • the exhaust gas sequentially passes through the metal foam heating element 400 and the filter body 300 as shown by the dashed-dotted arrow of FIG. 2, and then flows into the inner space of the filter body 300 and the case 200. Inflow, it is discharged to the exhaust pipe 110 through the outlet 220.
  • the exhaust gas passes through the filter body 300, for example, a diesel particulate filter (DPF) or a diesel oxidation catalyst (DOC), or a nitrogen oxide removing device.
  • DPF diesel particulate filter
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • NO X nitrogen oxide
  • CO X carbon dioxide
  • ash contained in the gas are removed.
  • the exhaust gas from which harmful components are removed by the filter body 300 is introduced into the internal space between the filter body 300 and the case 200, and then the case (as shown by the dashed-dotted arrow of FIG. 2). It is discharged to the exhaust pipe 110 through the outlet 220 of the 200.
  • the back pressure performance can be optimized by maximizing the exhaust gas inflow area.
  • the metal foam heating element has a large specific surface area to weight, when used as a heating element and used together with a filter body, the metal foam heating element may induce reaction and regeneration performance of the metal foam heating element itself.
  • the metal foam heating element can maximize its performance due to the turbulent flow generated in the pores due to the heat generation and turbulent flow of the metal foam heating element itself.
  • the metal foam heating element is applied to a three-dimensional pore body by applying a powder having a diameter of several tens of micrometers and formed through a general bonding method such as high temperature sintering, and has a plurality of pores, so that the temperature is uniformly distributed or transmitted.
  • the metal foam heating element is electrically insulated with a predetermined gap, and the gap may be filled with a ceramic-based material so that the exhaust gas introduced into the case through the inlet passes through the metal foam heating element, and is turbulent. Along with the flow, its performance can be maximized.
  • the cross-sectional area and the length of the metal foam heating element can be freely adjusted according to the pore size, thereby making it easy to design low and high resistance.
  • the metal foam heating element may be located at the top of the filter medium or between the filter body and the filter body according to the required performance and purpose, in this case, the pore size of the metal foam heating element used is also different Design is possible.

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Abstract

배기가스 여과 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 내연 기관에서 발생되는 배기가스를 배출하는 배기관; 상기 배기관에 연결되고, 박스형상으로 형성되는 케이스; 상기 케이스의 내부에 일정한 각도로 경사지게 배치되고, 상기 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 여과체; 및 상기 여과체의 일단부에 상기 여과체와 일정한 간격을 두고 위치되고, 상기 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 발열체를 포함한다.

Description

금속 폼 히터를 이용한 배기가스 여과 장치
본 발명은 금속 폼을 히터로 이용한 배기가스 여과 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스 유입 면적을 최대화 하여 배압 조절이 용이하며, 금속 폼 발열체로 사용함으로써 반응 및 재생 성능을 높일 수 있는 배기가스 여과 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 내연 기관의 연소로 배출되는 배기가스에는 질소산화물(NOX), 이산화탄소, 애쉬(ash) 등 여러 가지 유해 성분이 포함되어 있으며, 이들 유해 성분을 제거하기 위한 장치나 방법들이 고안되고 있다.
예컨대, 디젤 엔진용 차량에서는 배기가스를 배출하는 배기관에 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC) 등의 배기가스 여과 장치 또는 후처리 장치를 설치하여 유해 성분 등을 제거하고 있다.
특히, 디젤 엔진용 차량이 도심주행/저속구간/아이들 기간(idle period)/엔진 시동시(저유량 조건) 등과 같은 운행조건의 특정 조건에서는 촉매 재생이 되기 위한 온도가 도달하지 못하기 때문에 수트(soot)가 재생되지 않고, 즉 태워 없어지지 않고 쌓여 성능 저하 및 품질 문제가 발생하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 필터 또는 촉매의 전방에 배기가스를 발열시켜 주기 위한 히터를 설치하고 있다.
이와 같이 히터를 사용하게 되면, 히터 장치가 배기가스 유입 온도를 촉매 재생 온도까지 상승시킴으로써 배기가스를 저감시킬 수 있다. 뿐만 아니라 촉매가 코팅된 발열체를 사용함으로써 발열체 표면에서의 촉매 반응을 유도하여 효율을 증가 시킬 수 있는 장점이 있다.
종래의 히터는 주로 FeCrAl 소재의 금속 담채 Monolith를 발열체로 사용하여 Main DOC 또는 DPF 상단에 설치하여 배기 유입 온도를 재생 온도까지 상승시킴으로써 재생을 원활히 하는데 목적을 두고 있다. 하지만 제한된 자동차 전기 용량의 문제로 인해 적은 전기 용량을 사용하여 종래의 발열체 소재 및 디자인으로는 요구 조건을 만족 시키기에는 한계가 있다. 결국 최소한의 전기 용량으로 열 손실을 최소화하고 재생 요구 조건을 만족시켜야 한다.
또한, 종래의 히터는 일정한 간격을 두고 발열체를 감고 있기 때문에 안쪽과 바깥쪽의 곡률 반경이 다르게 되는데, 이는 국부적인 전기저항을 높여 발열체가 과열되어 단락 될 수 있으며, 배기가스 온도 분포가 균일하지 않게 되는 문제점이 있었다. 즉, 히터의 발열체의 곡률 반경이 작으면 전기저항이 많아 열이 많이 발생하고 곡률 반경이 크면 열이 적게 발생하게 되므로 전체적으로 배기가스 유입 온도가 불 균일하게 된다.
또한, 종래의 히터로 사용되는 히터의 재료는 FeCrAl thin film을 주로 물결 모양으로 만들어 적층한 디자인으로 전기 저항체로써 열에너지를 이동시키는 역할은 가능하지만 발열체 내에서의 난류 유동을 발생시켜 발열 온도에 의한 촉매 재생 반응을 유도하는데 비효율적이다.
또한 종래의 FeCral thin film의 소재를 전기 저항체로 사용할 경우 저 전압(12~48V)의 경우에는 사용 가능하나 Hybrid 또는 e-assist 의 경우에는 고 전압을 사용하기 때문에 고 저항 설계를 하기에는 한계가 있다. 하지만 Alloy foam은 sheet type 부터 block foam까지 가능하므로 저 저항뿐만 아니라 고저항의 설계도 유리한 장점을 가지고 있다.
따라서, Alantum alloy foam은 무게 대비 비표면적이 크기 때문에 촉매가 코팅된 담체로 사용하였을 경우 적은 전기 에너지를 이용하여 즉, 열 손실을 최소화하고 열 효율을 최대화 함으로써 자체 발열에 의한 표면에서의 촉매 재생 효율을 극대화 시킬 수 있으며 후단에 가열된 가스를 균일한 온도로 공급할 수 있는 장점을 갖고 있다.
본 발명은 배기가스 유입 면적을 필터와 히터의 기울기를 조절함으로써 배압 조절을 자유롭게 가능하도록 하며, 촉매가 코팅된 금속 폼을 사용하여 열 손실을 최소화 할 수 있는 금속 폼 자체 발열에 의한 표면에서의 반응 및 재생 성능을 높일 수 있으며, 후단 Filter에 가열된 가스를 균일한 온도로 전달 할 수 있다. 또한 요구 성능 조건에 따라 히터와 filter 의 배치를 달리 할 수 있으며 예를 들어 히터가 필터 상단에 위치하거나, 후단에 위치할 수 있으며 또는 필터와 필터 사이 중간에 위치될 수 있다. 또는 pore size를 달리하여 히터-필터-히터-필터..처럼 배치할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 내연 기관에서 발생되는 배기가스를 배출하는 배기관;
상기 배기관에 연결되고, 박스형상으로 형성되는 케이스;
상기 케이스의 내부에 일정한 각도로 경사지게 배치되고, 상기 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 여과체; 및
상기 여과체의 일단부에 상기 여과체와 일정한 간격을 두고 위치되고, 상기 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 발열체를 포함하는 배기가스 여과 장치가 제공된다.
상기 케이스에는 상기 배기관으로부터 배기가스가 유입되기 위한 유입부와, 상기 배기가스가 상기 케이스로부터 상기 배기관으로 유출되기 위한 유출부를 포함할 수 있다.
상기 케이스와 상기 유입부 사이에는 상기 유입구를 통하여 유입되는 배기가스를 상기 케이스의 내부로 유도하기 위한 제1 유도부가 형성되고, 상기 케이스와 상기 유출부 사이에는 상기 케이스로부터 배출되는 상기 배기가스를 상기 유출부로 유도하기 위한 제2 유도부가 형성될 수 있다.
상기 여과체는 상기 케이스의 내부 바닥면에 대하여 일정한 각도 경사지게 설치되고, 상기 경사 각도는 10도 내지 170도 범위 내에서 선택될 수 있다.
상기 여과체는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 질소 산화물 제거 장치 (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap : LNT), 삼원촉매(Three Way Catalyst)를 포함하는 그룹에서 선택된 물질을 적어도 하나 포함할 수 있다.
상기 여과체의 양단부에는 상기 여과체의 양단부를 삽입하여 고정시켜 주기 위한 고정 플레이트가 결합될 수 있다.
상기 금속폼 발열체는 상기 여과체의 경사 각도와 동일한 각도로 경사지게 배치되고, 상기 경사 각도는 10도 내지 170도 범위 내에서 선택될 수 있다.
상기 금속폼 발열체는 상기 여과체와 일정한 간격을 두고 상기 여과체와 평행하게 배치될 수 있다.
상기 금속폼 발열체는 상기 여과체의 상단부에 위치되거나, 또는 상기 여과체의 하단부에 위치되거나, 또는 상기 여과체와 상기 여과체의 사이에 위치될 수 있다.
상기 금속폼 발열체는, 일정한 크기와 형상을 갖고, 일정한 간극을 두고 배치되고 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 다공성의 제1, 제2 금속폼 블록;
상기 제1, 제2 금속폼 블록의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼 블록과 상기 제2 금속폼 블록을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자; 및
상기 제1, 제2 금속폼 블록의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자와 음극 단자를 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록에는 촉매가 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있으며, 상기 촉매가 코팅되는 경우에 상기 촉매는 V2O5, WO3, SbO3, MoO3, TiO2, 및 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pt), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매 중에서 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록은 적어도 하나 이상의 제1, 제2 금속폼 블록을 적층하거나, 적어도 하나 이상의 제1, 제2 금속폼 블록을 병렬로 배치할 수 있다.
상기 제1 금속폼 블록과 상기 제2 금속폼 블록의 사이에 적어도 하나 이상의 제1 금속폼 블록 또는 제2 금속폼 블록을 삽입할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록은 배기가스가 통과할 때 난류 유동이 발생될 수 있도록 다수의 기공을 가질 수 있다.
상기 기공은 50㎛ ~ 50000㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있다.
상기 제1 금속폼 블록과 상기 제2 금속폼 블록 사이의 상기 간극은 전기 절연이 가능하도록 2mm~3mm로 형성되거나, 상기 간극은 전기 절연체로 채워질 수 있다.
상기 접속 단자와 상기 제1, 제2 금속폼 블록은 금속 접합제, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 배기가스 여과 장치는 상기 접속 단자의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제1, 제2 금속폼 블록을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제1 결합 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 양극 단자와 상기 제1 금속폼 블록은 금속 접합제, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되고, 상기 음극 단자와 상기 제2 금속폼 블록은 금속 접합제, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합될 수 있다.
본 발명에 의한 배기가스 여과 장치는 상기 양극 단자의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제1 금속폼 블록을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제2 결합 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 배기가스 여과 장치는 상기 음극 단자의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제2 금속폼 블록을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제3 결합 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 양극 단자와 상기 음극 단자는 상기 케이스를 관통하여 상기 케이스의 외부로 노출될 수 있다.
상기 고정 플레이트의 일 측면으로부터 연장 형성되고, 상기 배기가스가 상기 여과체를 제외한 부분으로 통과하지 못하도록 차단하기 위한 차단벽을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 케이스 내부에 금속폼 발열체와 여과체를 일정한 각도로 경사지게 설치하여, 배기가스 유입 면적을 최대화 할 수 있고, 저항 설계에 대한 자유도를 높일 수 있으며 배압 성능을 최적화 할 수 있고, 금속폼 발열체의 무게 대비 비표면적을 최대화 할 수 있으므로 금속폼 발열체로 사용하였을 경우 발열체 자체 표면에서의 반응 및 재생 성능 효율을 극대활 할 수 있으며, 균일하게 온도를 분포시키거나 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 일부 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 일부 절개 일부 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 일부 절개 일부를 나사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 일부 절개 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 일부 절개 일부 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치는, 내연 기관에서 발생되는 배기가스를 배출하는 배기관(100, 110);
상기 배기관(100, 110)에 연결되고, 박스형상으로 형성되는 케이스(200);
상기 케이스(200)의 내부에 일정한 각도(θ)로 경사지게 배치되고, 상기 배기관(200)을 통하여 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 여과체(300); 및
상기 여과체(300)의 일단부에 상기 여과체(300)와 일정한 간격을 두고 위치되고, 상기 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 발열체(400)를 포함한다.
상기 케이스(200)에는 상기 배기관(100)으로부터 배기가스가 유입되기 위한 유입부(210)와, 상기 배기가스가 상기 케이스로부터 상기 배기관(110)으로 유출되기 위한 유출부(220)를 포함할 수 있다.
상기 케이스(200)는 상기 배기관(100, 110)의 길이 방향을 따라 배치될 수 있으며, 상기 배기관(100, 110)의 길이 방향 중심과 동일한 중심을 가질 수 있다.
상기 케이스(200)와 상기 유입부(210) 사이에는 상기 유입구(210)를 통하여 유입되는 배기가스를 상기 케이스(200)의 내부로 유도하기 위한 제1 유도부(230)가 형성될 수 있다.
상기 제1 유도부(230)는 상기 배기가스를 상기 케이스(200)의 내부로 용이하게 유도할 수 있도록 상기 케이스(200)로부터 상기 유입구(210)로 갈수록 가늘어지는 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다.
상기 케이스(200)와 상기 유출부(220) 사이에는 상기 케이스(200)로부터 배출되는 상기 배기가스를 상기 유출부(220)로 유도하기 위한 제2 유도부(240)가 형성될 수 있다.
상기 제2 유도부(240)는 상기 배기가스를 상기 유출부(220)로 용이하게 유도할 수 있도록 상기 케이스(200)로부터 상기 유출부(220)로 갈수록 가늘어지는 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다.
상기 여과체(300)는 일정한 크기와 형상으로 형성되고, 상기 배기관(100, 110)의 길이 방향, 즉 상기 케이스(200)의 내부 바닥면에 대하여 일정한 각도(θ) 경사지게 설치될 수 있다.
상기 경사 각도(θ)는 상기 여과체(300)의 사이즈(길이, 두께, 폭)에 따라 변경될 수 있으며, 요구되는 성능에 따라 10도 내지 170도 범위 내에서 자유롭게 선택될 수 있다.
여기서, 상기 여과체(300)는 직사각체 형상으로 형성되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 배기가스를 여과할 수 있으면 어떠한 형상이라도 무방하다.
상기 배기관(100)의 일단부에는 제1 플랜지(101)가 형성되고, 상기 배기관(110)의 타단부에는 제2 플랜지(111)가 형성되고, 상기 케이스(200)의 길이 방향 양단부에는 상기 제1, 제2 플랜지(101, 110)와 각각 용접 또는 볼트 등의 결합수단에 의하여 결합되기 위한 제3, 제4 플랜지(211. 221)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 여과체(300)는 세라믹 재질인 SiC, Cordierite, AT, SiN 등으로 구성할 수도 있고, 금속 재질인 Foil type, foam type, wire mesh type, metal fiber 등으로 구성할 수도 있다.
상기 여과체(300)는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 질소 산화물 제거 장치 (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), 삼원촉매(Three Way Catalyst)를 포함하는 그룹에서 선택된 물질을 적어도 하나 포함할 수 있다.
즉, 상기 여과체(300)를 다른 종류의 필터를 차례로 적층하여 배기 가스에 함유된 질소산화물(NOx), 이산화탄소, 애쉬(ass) 등 여러 유해 성분을 동시에 여과할 수도 있으며, 이는 DPF, DOC 또는 삼원촉매 등을 따로 설치하는 경우보다 공간을 절약할 수 있으며, 여과 효율을 높일 수 있고, 생산 비용도 절감할 수 있다.
상기 여과체(300)의 양단부에는 상기 여과체(300)의 양단부를 삽입하여 고정시켜 주기 위한 고정 플레이트(500, 510)가 결합될 수 있다.
또한, 상기 금속폼 발열체(400)는 상기 배기가스 유입 면적을 최대화 할 수 있도록 상기 배기관의 길이 방향, 즉 상기 케이스(200)의 내부 바닥면에 대하여 일정한 각도(α) 경사지게 배치될 수 있으며, 상기 여과체의 경사 각도(θ)와 동일한 각도로 경사지게 배치될 수 있다.
상기 경사 각도(α)는 상기 금속폼 발열체(400)의 사이즈(길이, 두께, 폭)에 따라 변경될 수 있으며, 요구되는 성능에 따라 10도 내지 170도 범위 내에서 자유롭게 조절될 수 있다.
또한, 상기 금속폼 발열체(400)는 상기 여과체와 일정한 간격을 두고 상기 여과체와 평행하게 배치될 수 있다.
상기 금속폼 발열체(400)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 여과체(300)의 상단부에 위치되거나, 또는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 여과체(300)의 하단부에 위치되거나, 또는 상기 여과체(300)와 상기 여과체(300)의 사이에 위치될 수 있다.
상기 금속폼 발열체(400)는 일정한 간극을 두고 배치되고 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 다공성의 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420);
상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼 블록(410)과 상기 제2 금속폼 블록(420)을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자(430); 및
상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자(440)와 음극 단자(450)를 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)은 Ni, Fe, Cu, Ti, Al, Al2O3, Cr 등의 유기 및 무기 재질로 이루어진 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 유기/무기 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 일반적인 접합 방법으로 접합하여 표면을 올록볼록하게 제조할 수 있다.
이러한 상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)의 표면의 올록볼록한 기하학적 형상은 촉매 코팅시 촉매 접착력을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 비표면적이 극대화되어 촉매 활성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)은 적어도 하나 이상의 제1, 제2 금속폼 블록을 적층할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 제1, 제2 금속폼 블록을 병렬로 배치할 수 있다.
상기 제1 금속폼 블록(410)과 상기 제2 금속폼 블록(420)의 사이에 적어도 하나 이상의 제1 금속폼 블록 또는 제2 금속폼 블록을 삽입할 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)은 Ni계 금속폼, Fe계 금속폼, NiFeCrAl계 금속폼 중 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)은 배기가스가 통과할 때 난류 유동이 발생될 수 있도록 다수의 기공을 가지며, 상기 기공은 수십㎛ 내지 수천㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 50㎛ ~ 50000㎛ 범위 내의 크기로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속폼 발열체(400)는 그 단면적 및 길이를 기공 사이즈에 따라 자유롭게 조절이 가능하므로 저항 설계에 있어서 저저항, 고저항의 설계가 용이하다.
상기 금속폼 발열체(400)가 상기 여과체(300)의 상단부, 또는 하단부, 또는 상기 여과체(300)와 상기 여과체(300)의 사이에 위치됨에 따라 기공 사이즈 또한 다르게 형성될 수 있다.
즉, 상기 금속폼 발열체(400)가 상기 여과체(300)의 상단부에 위치되는 경우 상기 금속폼 발열체(400)의 기공 사이즈를 크게 형성하고, 상기 금속폼 발열체(400)가 상기 여과체(300)의 하단부에 위치하는 경우 상기 금속폼 발열체(400)의 기공 사이즈를 작게 형성할 수 있다. 또는 경우에 따라 반대로 형성될 수 도 있다.
상기 제1 금속폼 블록(410)과 상기 제2 금속폼 블록(420)의 사이에는 전기 절연이 가능하도록 간극(460)이 형성되는데, 상기 간극(460)은 수mm로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 2mm~3mm로 형성될 수 있다.
또한, 상기 간극(460)은 유체가 간극을 통해 바이패스 하지 않고 상기 제1, 제2 금속폼(410, 420)을 통과하도록 유도할 수 있도록 세라믹 계열의 전기 절연체로 채워질 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)은 블록과 같은 직사각체 형상 등으로 형성될 수 있으며, 필요에 따라 그 길이, 폭, 두께를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)에는 촉매가 코팅될 수 있으며, 상기 촉매가 코팅되는 경우에 상기 촉매는 V2O5, WO3, SbO3, MoO3, TiO2, 및 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pt), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매 중에서 적어도 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)에는 촉매가 코팅되지 않을 수도 있음은 물론이다.
상기 접속 단자(430)는 용이한 전기 전도 및 내부식성을 고려하여 인청동, SUS계열, FeCrAl 재질의 플레이트로 이루어질 수 있다.
상기 접속 단자(430)와 상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)은 메탈 본드(metal bond) 등과 같은 금속 접합제를 이용하여 접합될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 볼트, 리벳, 또는 브레이징(brazing) 등에 의하여 결합될 수 있다.
상기 접속 단자(430)의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제1 결합 플레이트(431)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 단자(440)와 상기 음극 단자(450)는 용이한 전기 전도를 위하여 인청동, SUS계열, FeCrAl 재질의 플레이트로 이루어질 수 있다.
상기 양극 단자(440)와 상기 제1 금속폼 블록(410)은 메탈 본드 등과 같은 금속 접합제에 의하여 접합될 수 있으며, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing) 등에 의하여 결합될 수 있다.
상기 음극 단자(450)와 상기 제2 금속폼 블록(420)은 메탈 본드 등과 같은 금속 접합제에 의하여 접합될 수 있으며, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing) 등에 의하여 결합될 수 있다.
또한, 상기 양극 단자(440)의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제1 금속폼 블록(410)을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제2 결합 플레이트(441)를 포함할 수 있다.
상기 음극 단자(450)의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제2 금속폼 블록(420)을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제3 결합 플레이트(451)를 포함할 수 있다.
상기 양극 단자(440)와 상기 음극 단자(450)는 상기 케이스(200)를 관통하여 상기 케이스(200)의 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상기 고정 플레이트(510)의 일 측면으로부터 연장 형성되고, 상기 배기가스가 상기 여과체(300)를 제외한 부분으로 통과하지 못하도록 차단하기 위한 차단벽(520)을 포함할 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 3를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 여과 장치의 작동에 대해서 설명한다.
먼저, 외부의 전원 공급부로부터 상기 양극 단자(440)에 전원이 공급되면, 전기는 상기 양극 단자(440)로부터 상기 제1 금속폼 블록(410), 상기 접속 단자(430), 상기 제2 금속폼 블록(420), 및 상기 음극 단자(450)로 순차적으로 흐르게 된다.
이 때, 상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)에 전기가 인가되면, 상기 제1, 제2 금속폼 블록(410, 420)은 저항열을 발생시켜 발열된다.
이러한 상태에서 상기 배기관(100)을 통하여 배기가스가 배출되면, 상기 배기가스는 도 2 및 도 3의 일점쇄선 화살표와 같이 상기 유입구(210)로 유입된 후 상기 제1 유도부(230)에 의하여 상기 케이스(200)의 내부로 유입된다.
상기 케이스(200)의 내부로 유입된 배기가스는, 상기 케이스(200)의 내부 바닥면과 일정한 각도(α) 경사진 상기 금속폼 발열체(400)에 의하여 발열된 열에 의하여 가열되고 촉매 재생 온도까지 상승하게 되므로 촉매 재생이 원활하게 된다.
그리고, 상기 배기가스는 도 2의 일점쇄선 화살표와 같이 상기 금속폼 발열체(400)와 상기 여과체(300)를 순차적으로 통과한 후 상기 여과체(300)와 상기 케이스(200)의 내부 공간으로 유입되고, 상기 유출구(220)를 통하여 상기 배기관(110)으로 배출된다.
상기 배기가스가 상기 금속폼 발열체(400)의 기공을 통과하게 되면, 기공 내에서 난류 유동이 발생됨과 아울러 효과적으로 촉매 재생 온도까지 가열될 수 있다.
그리고, 상기 배기가스가 상기 여과체(300), 예컨대 디젤 입자상 물질 제거용 필터(DPF) 또는 디젤 산화 촉매(DOC), 또는 질소 산화물 제거 장치를 통과하게 되는데, 상기 여과체(300)는 상기 배기가스에 포함된 질소산화물(NOX), 이산화탄소, 애쉬(ash) 등 여러 가지 유해 성분을 제거하게 된다.
이와 같이 상기 여과체(300)에 의하여 유해 성분이 제거된 배기가스는 상기 여과체(300)와 상기 케이스(200)의 사이의 내부 공간으로 유입된 후 도 2의 일점쇄선 화살표와 같이 상기 케이스(200)의 유출구(220)를 통하여 상기 배기관(110)으로 배출되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속폼 발열체와 여과체가 일정 간격으로 배치되어 있으며 상기 케이시의 바닥면에 대하여 일정한 각도로 경사지게 배치되어 있으므로 배기가스 유입 면적을 최대화함으로써 배압성능을 최적화시킬 수 있다.
또한, 상기 금속폼 발열체는 무게 대비 비표면적이 크므로 발열체로 사용되어 여과체와 같이 사용되면 금속폼 발열체 자체의 반응 및 재생 성능을 유도할 수 있다.
또한, 상기 금속폼 발열체는 기공에서 난류 유동이 발생되어 금속폼 발열체 자체의 발열과 난류 유동으로 인하여 자체 성능을 극대화 할 수 있다.
그리고, 상기 금속폼 발열체는 3차원 기공체에 수십 ㎛의 직경을 가지는 분말을 도포하고 이를 고온 소결과 같은 일반적인 접합 방법을 통하여 형성되고 다수의 기공을 가지고 있으므로, 균일하게 온도를 분포시키거나 전달하는데 효율적이다.
또한, 상기 금속폼 발열체는 일정한 간극을 두고 전기 절연이 되어 있는데, 그 간극은 세라믹 계열의 재료로 충진이 가능하여 상기 유입구를 통하여 케이스의 내부로 유입된 배기가스가 상기 금속폼 발열체를 통과하면서 난류 유동과 함께 자체 성능이 최대화 될 수 있다.
또한, 저항 설계에 있어서 상기 금속폼 발열체의 단면적 및 길이를 기공 사이즈에 따라 자유롭게 조절이 가능하게 되므로 저저항 및 고저항 설계가 용이하다.
또한, 상기 금속폼 발열체는 요구되는 성능 및 목적에 따라 여과체의 상단에 위치하거나 하단 또는 여과체와 여과체의 사이에 위치될 수 있는데, 이 경우, 사용되는 상기 금속폼 발열체의 기공 사이즈 또한 다르게 디자인이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (23)

  1. 내연 기관에서 발생되는 배기가스를 배출하는 배기관;
    상기 배기관에 연결되고, 박스형상으로 형성되는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 일정한 각도로 경사지게 배치되고, 상기 배기관을 통하여 배출되는 배기가스를 여과하기 위한 여과체; 및
    상기 여과체의 일단부에 상기 여과체와 일정한 간격을 두고 위치되고, 상기 배기가스를 가열하여 발열시켜 주기 위한 금속폼 발열체
    를 포함하는 배기가스 여과 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스에는 상기 배기관으로부터 배기가스가 유입되기 위한 유입부와, 상기 배기가스가 상기 케이스로부터 상기 배기관으로 유출되기 위한 유출부를 포함하는 배기가스 여과 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 케이스와 상기 유입부 사이에는 상기 유입구를 통하여 유입되는 배기가스를 상기 케이스의 내부로 유도하기 위한 제1 유도부가 형성되고,
    상기 케이스와 상기 유출부 사이에는 상기 케이스로부터 배출되는 상기 배기가스를 상기 유출부로 유도하기 위한 제2 유도부가 형성되는 배기가스 여과 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 여과체는 상기 케이스의 내부 바닥면에 대하여 일정한 각도 경사지게 설치되고,
    상기 경사 각도는 10도 내지 170도 범위 내에서 선택되는 배기가스 여과 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 여과체는 디젤 입자상 물질 제거용 필터(Diesel Particular Filter: DPF), 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst: DOC), 질소 산화물 제거 장치 (Selective Catalytic Reduction: SCR, Lean NOx Trap: LNT), 삼원촉매(Three Way Catalyst)를 포함하는 그룹에서 선택된 물질을 적어도 하나 포함하는 배기가스 여과 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 여과체의 양단부에는 상기 여과체의 양단부를 삽입하여 고정시켜 주기 위한 고정 플레이트가 결합되는 배기가스 여과 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 금속폼 발열체는 상기 여과체의 경사 각도와 동일한 각도로 경사지게 배치되고,
    상기 경사 각도는 10도 내지 170도 범위 내에서 선택되는 배기가스 여과 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속폼 발열체는 상기 여과체와 일정한 간격을 두고 상기 여과체와 평행하게 배치되는 배기가스 여과 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속폼 발열체는 상기 여과체의 상단부에 위치되거나, 또는 상기 여과체의 하단부에 위치되거나, 또는 상기 여과체와 상기 여과체의 사이에 위치되는 배기가스 여과 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속폼 발열체는, 일정한 크기와 형상을 갖고, 일정한 간극을 두고 배치되고 전기를 인가하면 저항열을 발생하기 위한 다공성의 제1, 제2 금속폼 블록;
    상기 제1, 제2 금속폼 블록의 일단부에 결합되고, 상기 제1 금속폼 블록과 상기 제2 금속폼 블록을 전기적으로 서로 접속시켜 주기 위한 접속 단자; 및
    상기 제1, 제2 금속폼 블록의 타단부에 각각 결합되고, 전원과 접속되기 위한 양극 단자와 음극 단자를 포함하는 배기가스 여과 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속폼 블록에는 촉매가 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있으며, 상기 촉매가 코팅되는 경우에 상기 촉매는 V2O5, WO3, SbO3, MoO3, TiO2, 및 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pt), 로듐(Rh)과 같은 귀금속 촉매 중에서 적어도 하나 이상으로 이루어지는 배기가스 여과 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속폼 블록은 적어도 하나 이상의 제1, 제2 금속폼 블록을 적층하거나, 적어도 하나 이상의 제1, 제2 금속폼 블록을 병렬로 배치하는 배기가스 여과 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 금속폼 블록과 상기 제2 금속폼 블록의 사이에 적어도 하나 이상의 제1 금속폼 블록 또는 제2 금속폼 블록을 삽입하는 배기가스 여과 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1, 제2 금속폼 블록은 배기가스가 통과할 때 난류 유동이 발생될 수 있도록 다수의 기공을 가지는 배기가스 여과 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기공은 50㎛ ~ 50000㎛ 범위 내의 크기로 형성되는 배기가스 여과 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 금속폼 블록과 상기 제2 금속폼 블록 사이의 상기 간극은 전기 절연이 가능하도록 2mm~3mm로 형성되거나, 상기 간극은 전기 절연체로 채워지는 배기가스 여과 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 접속 단자와 상기 제1, 제2 금속폼 블록은 금속 접합제, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되는 배기가스 여과 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 접속 단자의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제1, 제2 금속폼 블록을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제1 결합 플레이트를 포함하는 배기가스 여과 장치.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 양극 단자와 상기 제1 금속폼 블록은 금속 접합제, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되고,
    상기 음극 단자와 상기 제2 금속폼 블록은 금속 접합제, 볼트, 리벳 또는 브레이징(brazing)에 의하여 결합되는 배기가스 여과 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 양극 단자의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제1 금속폼 블록을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제2 결합 플레이트를 포함하는 배기가스 여과 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 음극 단자의 양단부로부터 연장 형성되고, 상기 제2 금속폼 블록을 삽입하여 결합시켜 주기 위한 제3 결합 플레이트를 포함하는 배기가스 여과 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 양극 단자와 상기 음극 단자는 상기 케이스를 관통하여 상기 케이스의 외부로 노출되는 배기가스 여과 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 고정 플레이트의 일 측면으로부터 연장 형성되고, 상기 배기가스가 상기 여과체를 제외한 부분으로 통과하지 못하도록 차단하기 위한 차단벽을 포함하는 배기가스 여과 장치.
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