WO2024058627A1 - 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치 - Google Patents

전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치 Download PDF

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WO2024058627A1
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electric heating
filter
heating plate
ceramic
plate
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PCT/KR2023/013993
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French (fr)
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김홍석
우상희
Original Assignee
한국기계연구원
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F01N3/027—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using electric or magnetic heating means

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas reduction device including an electrically heated, catalyst-coated soot filter. More specifically, the present invention relates to an exhaust gas reduction device that includes an electric heater and a catalyst-coated filter to reduce HC and NOx emitted during a cold start of a vehicle. It relates to an exhaust gas reduction device including an electrically heated, catalyst-coated soot filtration filter constructed by stacking filter unit structures that can rapidly reduce .
  • TWC three-way catalytic converter
  • PM particulate matter
  • HC gaseous harmful gases
  • H gaseous harmful gases
  • GPF Gasoline Particulate Filter
  • this device has the disadvantage of being bulky due to the presence of an electric heater 10, a three-way catalyst 20, and a soot filter 30, respectively.
  • the conventional electric heater 10 is a swirl-shaped electric heater and is used to quickly heat the three-way catalyst during the initial cold start of the engine.
  • the conventional electric heater 10 has small ceramic rods installed to prevent short circuits, and its structure is complicated because a large number of ceramic rods must be installed, making it difficult to manufacture and vulnerable to vibration.
  • the technical problem to be achieved by the exhaust gas reduction device including an electrically heated catalyst-coated soot filtration filter according to embodiments of the present invention is to have a structure in which an electric heater and a catalyst-coated filter are combined to reduce exhaust gas emissions during a cold start of the vehicle.
  • the goal is to provide an exhaust gas reduction device that can quickly reduce HC and NOx.
  • Another technical problem to be achieved by the exhaust gas reduction device including an electrically heated catalyst-coated soot filtration filter according to embodiments of the present invention is to provide an exhaust gas reduction device with a simplified and miniaturized structure and improved durability. It is done.
  • a filter unit structure is a filter unit structure used in an exhaust gas reduction device, and includes a ceramic filter structure configured to filter particulate matter; a first electric heating plate located on one side of the ceramic filter structure and configured to generate heat; And it may include a second electric heating plate located on the other side of the ceramic filter structure and configured to generate heat.
  • the ceramic filter structure includes a ceramic filter plate, and a gas inlet configured to allow exhaust gas to flow may be formed at one end of the ceramic filter plate.
  • the first electric heating plate or the second electric heating plate may be designed to supply current in parallel.
  • the exhaust gas flowing in through the gas inlet may be configured to move through the first electric heating plate or the second electric heating plate.
  • the first electric heating plate or the second electric heating plate includes a central area and an outer area, and the amount of exhaust gas passing through the central area may be different from the amount of exhaust gas passing through the outer area.
  • the first electric heating plate or the second electric heating plate includes a plurality of air passages through which exhaust gas can pass, and the diameter of the plurality of air passages may be 0.1 mm or less.
  • a gas outlet configured to allow exhaust gas passing through the plate to flow out may be formed.
  • a filter unit structure is a filter unit structure used in an exhaust gas reduction device, and the ceramic filter structure includes a ceramic insulator; A first filter plate located between the ceramic insulator and the first electric heating plate; and a second filter plate positioned between the ceramic insulator and the second electric heating plate, and a gas inlet configured to allow exhaust gas to flow may be formed on one side of the ceramic insulator.
  • the first filter plate and the second filter plate may be coated with a catalyst.
  • the exhaust gas flowing through the gas inlet may be configured to move through the first filter plate and the first electric heating plate, or may be configured to move through the second filter plate and the second electric heating plate.
  • the first electric heating plate or the second electric heating plate includes a central area and an outer area, and the amount of exhaust gas passing through the central area may be different from the amount of exhaust gas passing through the outer area.
  • the first electric heating plate or the second electric heating plate includes a plurality of air passages through which exhaust gas can pass, and the diameter of the plurality of air passages may be 0.1 mm or less.
  • the electrical resistance of the first electric heating plate may be smaller than that of the first filter plate, and the electrical resistance of the second electrical heating plate may be smaller than that of the second filter plate.
  • the filter unit structure further includes a second ceramic filter structure fixed to the ceramic filter structure with the first electric heating plate or the second electric heating plate interposed therebetween, and the second ceramic filter structure includes a second ceramic insulator. 2 A gas outlet may be formed on one side of the ceramic insulator through which exhaust gas passing through the first or second electric heating plate flows out.
  • a filter unit structure is used in an exhaust gas reduction device, and includes a catalyst-coated ceramic filter plate; a first electric heating plate located on one side of the ceramic filter plate and configured to generate heat; and a second electric heating plate located on the other side of the ceramic filter plate and configured to generate heat, wherein the ceramic filter plate is connected to the first electric heating plate by a ceramic bonding method, and the ceramic filter plate is connected to the second electric heating plate. and can be connected by a ceramic bonding method.
  • a soot filtration filter includes a first filter unit structure; and a second filter unit structure, and the first filter unit structure and the second filter unit structure may be stacked in such a way that they are connected to each other.
  • At least one of the first filter unit structure and the second filter unit structure includes: a ceramic filter structure configured to filter particulate matter; a first electric heating plate located on one side of the ceramic filter structure and configured to generate heat; and a second electric heating plate located on the other side of the ceramic filter structure and configured to generate heat, and a gas flow path through which exhaust gas can flow may be formed at one end of the ceramic filter structure.
  • the gas flow path of the first filter unit structure may be located at an end opposite to the gas flow path of the second filter unit structure.
  • a soot filtration filter includes a gas inlet configured to allow gas to flow; a first electric heating plate located on the first side and configured to generate heat; and a second electric heating plate located on a second side opposite the first side and configured to generate heat, wherein the first electric heating plate and the second electric heating plate are connected by a ceramic insulator to heat the gas flowing in through the gas inlet.
  • An internal space through which gas flows can be formed.
  • the ceramic insulator connecting the first electric heating plate and the second electric heating plate may have a cylindrical shape.
  • An exhaust gas reduction device may include a soot filtration filter according to any one of the previous embodiments.
  • an exhaust gas reduction device including an electrically heated catalyst-coated exhaust filtration filter has a structure in which an electric heater and a catalyst-coated filter are combined to reduce HC and NOx emitted during a cold start of a vehicle. It can be reduced quickly.
  • An exhaust gas reduction device including an electrically heated catalyst-coated soot filtration filter according to embodiments of the present invention has a simplified and miniaturized structure and can provide an exhaust gas reduction device with improved durability.
  • the effects that can be achieved by the exhaust gas reduction device including an electrically heated catalyst-coated soot filtration filter according to an embodiment of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are It will be clearly understandable to those skilled in the art from the following description.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional exhaust gas reduction device.
  • Figure 2 is a schematic diagram of an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view schematically showing a filter unit structure used in an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view schematically showing the combined structure of an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram of an electric heating plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a cross-sectional view schematically showing the combined structure of an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic diagram of a soot filtration filter used in an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention.
  • components expressed as ' ⁇ part' in this specification may be two or more components combined into one component, or one component may be differentiated into two or more components according to more detailed functions.
  • each of the components described below may additionally perform some or all of the functions of other components in addition to the main functions that each component is responsible for, and some of the main functions of each component may be different from other components. Of course, it can also be performed exclusively by a component.
  • Figure 2 is a schematic diagram of an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view schematically showing a filter unit structure used in an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention
  • 4 is a cross-sectional view schematically showing the combined structure of an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram of an electric heating plate according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a cross-sectional view schematically showing the combined structure of an exhaust gas reduction device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a schematic diagram of an electric heating plate according to an embodiment of the present invention.
  • This is a schematic diagram of a soot filtration filter used in an exhaust gas reduction device according to an embodiment.
  • the exhaust gas reduction device 100 includes an electrically heated catalyst-coated soot filtration filter 101, and the electrically heated catalyst-coated soot filtration filter 101 includes a plurality of filter unit structures 102. ) are stacked and connected, and the filter unit structure 102 includes a ceramic insulator 110, an upper filter plate 120, a lower filter plate 130, an upper electric heating plate 140, and a lower electric heating plate 150. and an upper ceramic insulator 160. At this time, the ceramic insulator 110, upper filter plate 120, lower filter plate 130, upper electric heating plate 140, and lower electric heating plate 150 form a ceramic filter structure for filtering particulate matter. .
  • the ceramic insulator 110 may include an exhaust gas passage space 111 through which exhaust gas passes and is discharged to the outside.
  • the ceramic insulator 110 is a 'U' shaped member consisting of a first support part 115, a second support part 116, and a third support part 117, and the first support part 115, the second support part 116 And the central area 112 surrounded by the third support part 117 and the open area 113 facing the second support part 116 may form the exhaust gas passing space 111.
  • the upper and lower surfaces of the first support part 115, the second support part 116, and the third support part 117 may be flat surfaces. Holes through which bolts can penetrate and fasten may be formed on the upper and lower surfaces of the first support part 115 and the third support part 117, and can be used for coupling with the upper ceramic insulator 160, which will be described later.
  • the ceramic insulator 110 performs an electrical insulation function to prevent the upper electric heating plate 140 and the lower electric heating plate 150 from electrically short-circuiting each other.
  • the upper filter plate 120 and lower filter plate 130 are ceramic or metal fiber filter plates and perform the function of filtering soot particles.
  • the upper filter plate 120 and the lower filter plate 130 may be made of aluminum oxide.
  • the upper filter plate 120 is located on top of the ceramic insulator 110, is made of a porous material, and is coated with a catalyst to purify exhaust gas. Specifically, the upper filter plate 120 may be positioned so that the edge of the upper filter plate 120 spans the upper surfaces of the first support portion 115, the second support portion 116, and the third support portion 117. Bolt holes formed on the upper surfaces of the first support part 115, the second support part 116, and the third support part 117 may be located outside the edge of the upper filter plate 120.
  • the lower filter plate 130 is located below the ceramic insulator 110, is made of a porous material, and is coated with a catalyst to purify exhaust gas. Specifically, the lower filter plate 130 may be positioned so that the edges of the lower filter plate 130 span the lower surfaces of the first support portion 115, the second support portion 116, and the third support portion 117. Bolt holes formed on the lower surfaces of the first support part 115, the second support part 116, and the third support part 117 may be located outside the edge of the lower filter plate 130.
  • the lower surface areas of the first support part 115, the second support part 116, and the third support part 117 where the lower filter plate 130 and the lower electric heating plate 150 are in contact with the lower filter plate 130 and the lower electric heating plate 150 It can be formed concavely by leaving a step equal to the sum of the thickness of the heating plate 150, and the lower filter plate 130 and the lower electric heating plate 150 are accommodated in this concave area to form the first support portion 115 and the second support portion 115.
  • the lower surfaces of the support part 116 and the third support part 117 and the lower surface of the lower electric heating plate 150 may form the same plane.
  • the upper electric heating plate 140 is located above the upper filter plate 120, and has a plurality of through holes 141 through which exhaust gas passes, and can generate heat when current is supplied.
  • the upper electric heating plate 140 may be made of Fe-Cr-Al alloy material and may be a very thin plate with a thickness of 0.1 mm.
  • the through holes 141 of the upper electric heating plate 140 may be formed to have a diameter of 0.1 mm or less. Since the through holes 141 are fine holes, they can be uniformly formed using an etching method rather than a drilling method. It may be possible to adjust the size, number, and distribution of the through holes 141 through an etching method.
  • the electrical resistance distribution of the upper electric heating plate 140 can be adjusted, thereby inducing uniform heat generation.
  • more through holes 141 of the upper electric heating plate 140 are arranged in the central area than in the outer area, so that the total area of the through holes 141 is larger in the central area and extends to the outside of the upper electric heating plate 140.
  • the through holes 141 may have a circular, square, or other shape.
  • the upper electric heating plate 140 may have a symmetrical left and right shape so that electric current is evenly distributed and electric heating is uniform.
  • the electrical resistance of the upper electric heating plate 140 may be smaller than that of the upper filter plate 120 so that current does not flow through the upper filter plate 120.
  • the upper electric heating plate 140 may include a first upper electric heating plate connection plate 144 and a second upper electric heating plate connection plate 146.
  • the first upper electric heating plate connection plate 144 is connected to the first end of the upper electric heating plate 140 so that the upper electric heating plate 140 is connected to and fixed to the second support portion 116 of the ceramic insulator 110. It is a member that protrudes downward at (143).
  • the first upper electric heating plate connection plate 144 may be connected to and fixed to the side of the second support portion 116 and may be fixed with bolts.
  • the upper filter plate 120 may be fixed to the ceramic insulator 110 by the upper electric heating plate 140. Additionally, the upper filter plate 120 and the upper electric heating plate 140 can be connected with ceramics, which improves the heat transfer effect and improves exhaust gas purification efficiency under cold starting conditions.
  • the second upper electric heating plate connection plate 146 is a member that protrudes upward from the second end 145 facing the first end 143 of the upper electric heating plate 140, and the upper ceramic insulator 160 to be described later. It may be connected to and fixed to the side of the second upper support portion 166.
  • the lower electric heating plate 150 is located below the lower filter plate 130, and has a plurality of through holes 151 through which exhaust gas passes, and can generate heat when current is supplied.
  • the lower electric heating plate 150 may be made of Fe-Cr-Al alloy material and may be a very thin plate with a thickness of 0.1 mm.
  • the through holes 151 of the lower electric heating plate 150 may have a diameter of 0.1 mm or less. Since the through holes 151 are fine holes, they can be formed uniformly using an etching method rather than a drilling method. It may be possible to adjust the size, number, and distribution of the through holes 141 through an etching method.
  • the electrical resistance distribution of the lower electric heating plate 150 can be adjusted, thereby inducing uniform heat generation.
  • more through holes 151 of the lower electric heating plate 150 are arranged in the central area than in the outer area, so that the total area of the through holes 151 is larger in the central area and extends to the outside of the lower electric heating plate 150.
  • Through holes may be circular, square, or other shapes.
  • the lower electric heating plate 150 may have a symmetrical left and right shape so that electric current is evenly distributed and electric heating is uniform.
  • the electrical resistance of the lower electric heating plate 150 may be smaller than that of the lower filter plate 130 so that current does not flow through the lower filter plate 130.
  • the lower electric heating plate 150 may include a first lower electric heating plate connection plate 154 and a second lower electric heating plate connection plate 156.
  • the first lower electric heating plate connection plate 154 is connected to the first end of the lower electric heating plate 150 so that the lower electric heating plate 150 is connected to and fixed to the second support portion 116 of the ceramic insulator 110. It is a member that protrudes upward at (153).
  • the first lower electric heating plate connection plate 154 may be connected to and fixed to the side of the second support portion 116 and may be fixed with bolts.
  • the lower filter plate 130 may be fixed to the ceramic insulator 110 by the lower electric heating plate 150. Additionally, the lower filter plate 130 and the lower electric heating plate 150 can be connected using a ceramic bonding method, which improves the heat transfer effect and improves exhaust gas purification efficiency under cold starting conditions.
  • An upper catalyst plate for purifying gas is additionally positioned between the upper filter plate 120 and the upper electric heating plate 140, and a lower plate for purifying gas is positioned between the lower filter plate 130 and the lower electric heating plate 150.
  • a catalytic plate may be additionally located.
  • the electrical resistance of the upper electric heating plate 140 may be smaller than that of the upper catalyst plate, and the electrical resistance of the lower electrical heating plate 150 may be smaller than that of the lower catalyst plate.
  • the upper ceramic insulator 160 is located above the upper electric heating plate 140 and may include an upper exhaust gas passage space 161.
  • the upper ceramic insulator 160 is a 'U'-shaped member consisting of a first upper support part 165, a second upper support part 166, and a third upper support part 167, and the first upper support part 165 and the third upper support part 167
  • An upper central area 162 surrounded by the second upper support 166 and the third upper support 167 and an upper open area 163 facing the second upper support 166 define an upper exhaust gas passage space 161. can be formed.
  • the upper and lower surfaces of the first upper support part 165, the second upper support part 166, and the third upper support part 167 may be flat surfaces. Holes through which bolts can penetrate and fasten may be formed on the upper and lower surfaces of the first upper support part 165 and the third upper support part 167.
  • the lower surface areas of the first upper support part 165, the second upper support part 166, and the third upper support part 167 where the upper filter plate 120 and the upper electric heating plate 140 are in contact with the upper filter plate 120 It can be formed concavely by leaving a step equal to the sum of the thicknesses of the and the upper electric heating plate 140, and the upper filter plate 120 and the upper electric heating plate 140 are accommodated in this concave area to accommodate the first upper support portion 165. ), the lower surfaces of the second upper support part 166 and the third upper support part 167 and the lower surface of the upper filter plate 120 may form the same plane.
  • the first upper support part 165 is fixed in contact with the third support part 117
  • the third upper support part 167 is fixed in contact with the first support part 115
  • the second upper support part 166 is in an open area.
  • the upper open area 163 may be located above the second support 116 . That is, the ceramic insulator 110 and the upper ceramic insulator 160 may be connected so that the upper open area 163 and the open area 113 are located in opposite directions.
  • the ceramic insulator 110 and the upper ceramic insulator 160 may be connected and fixed using various known connection methods such as bolts.
  • the upper ceramic insulator 160 is combined with the ceramic insulator 110 and functions to fix the upper filter plate 120 and the upper electric heating plate 140 therebetween. In addition, as described later, it functions to connect to the lower electric heating plate and ceramic insulator of other filter unit structures.
  • the second upper electric heating plate connection plate 146 of the upper electric heating plate 140 is connected to and fixed to the side of the second upper support part 166, and is connected to the second lower electric heating plate of the lower electric heating plate 150.
  • the plate 156 may be connected to and fixed to the side of the second upper support portion of the upper ceramic insulator of another filter unit structure located below the filter unit structure 102.
  • a bolt connection method may be used as a fixation method.
  • the second lower electric heating plate connection plate 156 of the lower electric heating plate 150 is a member that protrudes downward from the second end 155 facing the first end 153 of the lower electric heating plate 150, It may be connected to the side of the second upper support portion of the upper ceramic insulator of another filter unit structure located below the filter unit structure 102.
  • the upper surface of the upper ceramic insulator of another filter unit structure is connected to and fixed to the lower surface of the ceramic insulator 110 of the filter unit structure 102, and the second lower electric heating plate connection plate 156 is connected to the lower surface of the ceramic insulator 110 of the filter unit structure 102.
  • the upper ceramic insulator is connected to and fixed to the side of the second upper support portion.
  • a fixation method a bolt connection method, etc. may be used.
  • a plurality of filter unit structures 102 are stacked and connected to form the electrically heated catalyst-coated soot filtration filter 101, the exterior of the electrically heated catalyst-coated soot filtration filter 101 is canned, and the upper electric heating plate ( 140) and the lower electric heating plate 150 can be connected to a power source to form the exhaust gas reduction device 100.
  • the exhaust gas passes through the through holes 141 of the upper electric heating plate 140 and the upper filter plate 120 and is discharged through the exhaust gas passing space 111, and the through hole of the lower electric heating plate 150 ( 151) and the lower filter plate 130 may be discharged through the exhaust gas passage space 111.
  • the upper electric heating plate 140 and the upper filter plate 120 are fixed to the ceramic insulator 110 in a contact state, and the lower electric heating plate 150 and the lower filter plate 130 are in contact with the ceramic insulator 110. Since it is fixed to the insulator 110, the soot accumulated on the upper filter plate 120 and the lower filter plate 130 can be burned off periodically or when necessary, and the gaseous substances such as unburned hydrocarbons, CO, and Nox are coated with a catalyst. It can be purified through a catalytic reaction while passing through the upper filter plate 120 and lower filter plate 130.
  • the exhaust gas temperature is quickly raised using the heat generated from the upper electric heating plate 140 and the lower electric heating plate 150, thereby reducing the temperature of the upper filter plate 120 and the lower filter plate.
  • the purification characteristics of the gaseous exhaust gas can be improved.
  • the size of the exhaust gas reduction device 100 can be greatly reduced by combining an electric heater and a catalyst-coated filter.
  • the exhaust gas reduction device 100 has a structure in which a plurality of filter unit structures 102 are stacked and connected, so it is easier to manufacture and has excellent durability compared to the prior art.
  • the exhaust gas reduction device 200 includes an electrically heated catalyst-coated soot filtration filter 203, and the electrically heated catalyst-coated soot filtration filter 203 includes a plurality of filter unit structures 202. ) are stacked and connected, and the filter unit structure 202 may include a ceramic filter structure configured to filter particulate matter, a first electric heating plate 220, and a second electric heating plate 230, and the ceramic The filter structure may include a ceramic filter plate 210.
  • the ceramic filter plate 210 may include a gas inlet 211 for introducing exhaust gas into the internal space of the ceramic filter plate 210.
  • the gas inlet 211 may be formed at one end of the ceramic filter plate 210, and the exhaust gas may move toward the internal space of the ceramic filter plate 210 through the gas inlet 211.
  • the ceramic filter plate 210 performs an electrical insulation function to prevent the first electric heating plate 220 and the second electric heating plate 230 from being electrically short-circuited, and has the function of filtering soot particles with a filter plate made of ceramic. Perform.
  • the ceramic filter plate 210 may also be made of a porous material and may be coated with a catalyst to purify exhaust gas.
  • the ceramic filter plate 210 may be formed by extrusion molding a filter plate for filtering soot particles and a ceramic material, or may be formed by any other method.
  • a first electric heating plate 220 may be located on the upper part of the ceramic filter plate 210, and a second electric heating plate 230 may be located on the lower part of the ceramic filter plate 210.
  • the first electric heating plate 220 is located on the ceramic filter plate 210, has a plurality of through holes through which exhaust gas passes, and can generate heat when current is supplied.
  • the first electric heating plate 220 may be made of Fe-Cr-Al alloy material and may be a very thin plate with a thickness of 0.1 mm.
  • the through holes of the first electric heating plate 220 may be formed to have a diameter of 0.1 mm or less. Since the through holes are micro holes, they can be formed uniformly by an etching method rather than a drilling method. It may be possible to adjust the size, number, and distribution of through holes through an etching method.
  • the electrical resistance distribution of the first electric heating plate 220 can be adjusted, thereby inducing uniform heat generation.
  • more through holes of the first electric heating plate 220 are arranged in the central area than in the outer area, so that the total area of the through holes increases in the central area and decreases toward the outside of the first electric heating plate 220. 1 Uniform heat generation of the electric heating plate 220 can be induced.
  • Through holes may be circular, square, or other shapes.
  • the first electric heating plate 220 may have a symmetrical shape on the left and right sides so that the current is evenly distributed and the electric heating can be uniform.
  • the electrical resistance of the first electric heating plate 220 may be smaller than that of the ceramic filter plate 210 so that current does not flow through the ceramic filter plate 210.
  • the first electric heating plate 220 may be designed as a parallel type to solve the disadvantage that a large amount of current flows through the entire electric heating plate when connecting the electric heating plates in series. In a parallel design, current can flow from one end to the other, and then from the other end to one end.
  • the second electric heating plate 230 is located below the ceramic filter plate 210, has a plurality of through holes through which exhaust gas passes, and can generate heat when current is supplied.
  • the second electric heating plate 230 may be made of Fe-Cr-Al alloy material and may be a very thin plate with a thickness of 0.1 mm.
  • the through holes of the second electric heating plate 230 may be formed to have a diameter of 0.1 mm or less. Since the through holes are micro holes, they can be formed uniformly by an etching method rather than a drilling method. It may be possible to adjust the size, number, and distribution of through holes through an etching method.
  • the electrical resistance distribution of the second electric heating plate 230 can be adjusted by adjusting the size, number, and distribution of the through holes, thereby inducing uniform heat generation.
  • more through holes of the second electric heating plate 230 are arranged in the central area than in the outer area, so that the total area of the through holes increases in the central area and decreases toward the outside of the second electric heating plate 230, thereby reducing the total area of the through holes. 2 Uniform heat generation of the electric heating plate 230 can be induced.
  • Through holes may be circular, square, or other shapes.
  • the second electric heating plate 230 may have a symmetrical left and right shape so that the current is evenly distributed and electric heating is uniform.
  • the electrical resistance of the second electric heating plate 230 may be smaller than that of the ceramic filter plate 210 so that current does not flow through the ceramic filter plate 210.
  • the second electric heating plate 230 may be designed as a parallel type to solve the disadvantage that a large amount of current flows through the entire electric heating plate when the electric heating plates are connected in series. In a parallel design, current can flow from one end to the other, and then from the other end to one end.
  • Holes through which bolts, etc. can penetrate and fasten may be formed on the upper and lower surfaces of the edges of the ceramic filter plate 210, the first electric heating plate 220, and the second electric heating plate 230.
  • the filter unit structures 202 may be connected and fixed using various known connection methods such as bolts.
  • the filter unit structure 202 further includes a second ceramic filter plate 240 located on the first electric heating plate 220. can do.
  • the second ceramic filter plate 240 is fixed to the ceramic filter plate 210 with the first electric heating plate 220 in between, and a second ceramic filter plate 240 is installed at one end of the second ceramic filter plate 240.
  • a gas outlet 241 may be formed through which internal exhaust gas can flow out to the outside.
  • the second ceramic filter plate 240 is a filter plate made of ceramic and performs the function of filtering soot particles.
  • the second ceramic filter plate 240 may also be made of a porous material and may be coated with a catalyst to purify exhaust gas.
  • the second ceramic filter plate 240 may be formed by extrusion molding a filter plate for filtering soot particles and a ceramic material, or may be formed by any other method.
  • the gas outlet 241 of the second ceramic filter plate 240 is located at the opposite end of the end where the gas inlet 211 of the ceramic filter plate 210 is located, and flows through the gas inlet 211 to the ceramic filter plate 210. )
  • the exhaust gas that enters the inside passes through the plurality of through holes of the first electric heating plate 220 and moves to the second ceramic filter plate 240, and then flows through the gas outlet 241 in the opposite direction to the inflow direction. It can be leaked to the outside.
  • a third ceramic filter plate (not shown) may also be located below the second electric heating plate 230 of the filter unit structure 202 used in the exhaust gas reduction device 200.
  • the third ceramic filter plate is the same filter plate as the ceramic filter plate 210 and the second ceramic filter plate 240, and the third ceramic filter plate is a ceramic filter plate through the gas inlet 211 of the ceramic filter plate 210. (210) It may include a gas outlet (not shown) through which exhaust gas that flows inside and then moves to the third ceramic filter plate through the second electric heating plate 230 can flow out to the outside.
  • the gas outlet of the third ceramic filter plate is formed in the opposite direction to the gas inlet 211 of the ceramic filter plate 210.
  • the connected filter unit structures 202 can be overlapped in opposite directions to form a catalyst-coated soot filtration filter 230 that is electrically heated.
  • the exhaust gas reduction device 200 can be formed by caning the exterior of the electrically heated catalyst-coated soot filter 230 and connecting power to the first electric heating plate 220 and the second electric heating plate 230. there is.
  • the soot accumulated on the ceramic filter plate 210 can be burned off periodically or when necessary. Unburned hydrocarbons, CO, and Nox, which are gaseous substances, can be purified through a catalytic reaction while passing through the catalyst-coated ceramic filter plate 210.
  • the temperature of the ceramic filter plate 210 is raised quickly by using the heat generated from the first electric heating plate 220 and the second electric heating plate 230 to quickly increase the exhaust gas temperature.
  • the gaseous exhaust gas purification characteristics can be improved.
  • the size of the exhaust gas reduction device 200 can be greatly reduced by combining an electric heater and a catalyst-coated filter.
  • the exhaust gas reduction device 200 has a structure in which a plurality of filter unit structures 202 are stacked and connected, so it is easier to manufacture and has excellent durability compared to the prior art.
  • the soot filtration filter used in the exhaust gas reduction device includes a first filter unit structure and a second filter unit structure, and the first filter unit structure and the second filter unit structure are connected to each other. It can be characterized as being laminated.
  • At least one of the first filter unit structure or the second filter unit structure included in the soot filtration filter may be composed of a filter unit structure according to an embodiment of the present invention.
  • the filter unit structure included in the soot filtration filter includes a ceramic filter structure, a first electric heating plate located on one side of the ceramic filter structure and configured to generate heat, and a second electric heating plate located on the other side of the ceramic filter structure and configured to generate heat. It may include a plate, and a gas flow path through which exhaust gas can flow may be formed at one end of the ceramic filter structure.
  • the first filter unit structure and the second filter unit structure included in the soot filtration filter are stacked in opposite directions, so that the gas flow path of the first filter unit structure may be located in the opposite direction to the gas flow path of the second filter unit structure. there is.
  • the soot filtration filter 300 used in the exhaust gas reduction device includes a gas inlet 340 that allows exhaust gas to flow into the soot filtration filter 300, and a soot filtration filter 300.
  • a first electric heating plate 320 located on the first side and configured to generate heat, a second electric heating plate 330 located on the second side opposite the first side and configured to generate heat, and a ceramic insulator 310. may include.
  • the first electric heating plate 320 has a plurality of through holes through which exhaust gas passes, and can generate heat when current is supplied.
  • the first electric heating plate 320 may be made of Fe-Cr-Al alloy material and may be a very thin plate with a thickness of 0.1 mm.
  • the through holes of the first electric heating plate 320 may be formed to have a diameter of 0.1 mm or less. Since the through holes are micro holes, they can be formed uniformly by an etching method rather than a drilling method. It may be possible to adjust the size, number, and distribution of through holes through an etching method.
  • the electrical resistance distribution of the first electric heating plate 320 can be adjusted, thereby inducing uniform heat generation.
  • more through holes of the first electric heating plate 320 are arranged in the central area than in the outer area, so that the total area of the through holes increases in the central area and decreases toward the outside of the first electric heating plate 320. 1 Uniform heat generation of the electric heating plate 320 can be induced.
  • Through holes may be circular, square, or other shapes.
  • the first electric heating plate 320 may have a symmetrical shape on the left and right sides so that the current is evenly distributed and the electric heating can be uniform.
  • the first electric heating plate 320 may be designed as a parallel type to solve the disadvantage that a large amount of current flows through the entire electric heating plate when the electric heating plates are connected in series. In a parallel design, current can flow from one end to the other, and then from the other end to one end.
  • the second electric heating plate 330 has a plurality of through holes through which exhaust gas passes, and can generate heat when current is supplied.
  • the second electric heating plate 330 may be made of Fe-Cr-Al alloy material and may be a very thin plate with a thickness of 0.1 mm.
  • the through holes of the second electric heating plate 330 may be formed to have a diameter of 0.1 mm or less. Since the through holes are micro holes, they can be formed uniformly by an etching method rather than a drilling method. It may be possible to adjust the size, number, and distribution of through holes through an etching method.
  • the electrical resistance distribution of the second electric heating plate 330 can be adjusted, thereby inducing uniform heat generation.
  • more through holes of the second electric heating plate 330 are arranged in the central area than in the outer area, so that the total area of the through holes increases in the central area and decreases toward the outside of the second electric heating plate 330, thereby reducing the total area of the through holes. 2 Uniform heat generation of the electric heating plate 330 can be induced.
  • Through holes may be circular, square, or other shapes.
  • the second electric heating plate 330 may have a symmetrical left and right shape so that the current is evenly distributed and electric heating can be uniform.
  • the second electric heating plate 330 may be designed as a parallel type to solve the disadvantage that a large amount of current flows through the entire electric heating plate when the electric heating plates are connected in series. In a parallel design, current can flow from one end to the other, and then from the other end to one end.
  • the first electric heating plate 320 and the second electric heating plate 330 may be connected to each other by a ceramic insulator 310.
  • the ceramic insulator 310 performs an electrical insulation function to prevent the first electric heating plate 320 and the second electric heating plate 330 from being electrically short-circuited with each other.
  • the ceramic insulator may be cylindrical, hemispherical, square, or any other shape.
  • the soot filtration filter 300 may include a gas inlet 340 on one side for introducing exhaust gas into the internal space 350 within the soot filtration filter 300 .
  • the gas inlet may be located in the opposite direction of the ceramic structure 310.
  • the exhaust gas flowing into the internal space 350 through the gas inlet 340 may pass through the first electric heating plate 320 or the second electric heating plate 330 and be discharged to the outside.

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Abstract

본 발명의 일 실시예의 필터 단위 구조체는, 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체로서, 입자상 물질을 거르도록 구성되는 세라믹 필터 구조체; 세라믹 필터 구조체의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및 세라믹 필터 구조체의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함한다.

Description

전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치
본 발명은 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전기 히터와 촉매 코팅된 필터가 결합된 구조로 자동차의 냉시동 시에 배출되는 HC와 NOx를 빠르게 저감시킬 수 있는 필터 단위 구조체들을 적층하여 구성된 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출가스저감장치에 관한 것이다.
종래에는 가솔린 엔진의 배출 가스 저감을 위해서 삼원촉매변환기(TWC; Three Way Catalyst)를 사용하여 왔으나, 최근에는 강화되는 가솔린 엔진의 배출 허용 기준을 만족시키기 위해서 가솔린 엔진에서 발생하는 입자상 물질(PM; Particulate Matter)과 가스상 유해가스(HC, CO, NOx)를 제거하는 기술로서, 도 1에 도시된 것과 같은, 전기히터(10)(EHC, Electrically Heated Catalyst), 삼원촉매(20)(TWC) 및 매연 여과 필터(30)(GPF; Gasoline Particulate Filter)를 연결한 장치가 개발되고 있다.
그러나, 이러한 장치는 전기히터(10), 삼원촉매(20) 및 매연 여과 필터(30)가 각각 존재함에 따라 장치의 부피가 큰 단점이 있다.
종래의 전기히터(10)는 소용돌이 모양의 전기히터로서, 엔진 초기 냉시동 시에 빠르게 삼원촉매를 가열하기 위해 사용된다. 그러나, 종래의 전기히터(10)는 중간중간에 쇼트를 방지하기 위한 작은 세라믹 봉이 설치되어 있으며, 많은 수의 세라믹 봉이 설치되어야 하므로 그 구조가 복잡하여, 제조가 어렵고 진동에 취약한 문제점을 가진다.
또한, 전기히터(10)에 직접 촉매 코팅을 하여 촉매반응을 향상시키고자 하지만, 전기히터(10)에 전원이 연결되면 온도가 매우 높게 올라가서 열팽창되며, 이 경우에 전기히터(10)는 열팽창율이 큰 반면에 세라믹 재질의 코팅물질은 열팽창율이 작기 때문에 열충격으로 파손되는 문제점이 존재한다.
그리고, 전기히터(10) 뒤에 삼원촉매(20)가 이격되어 위치하기 때문에 열전달을 위해 보조공기를 공급해야 하는 문제점도 존재한다.
많은 발명가들이 이러한 문제점을 해결하고자 많은 연구를 진행하고 있으나, 아직까지 만족스러운 결과가 나오지 못하고 있다.
본 발명의 실시예들에 따른, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치가 이루고자 하는 기술적 과제는, 전기 히터와 촉매 코팅된 필터가 결합된 구조로 자동차의 냉시동 시에 배출되는 HC와 NOx를 빠르게 저감시킬 수 있는 배출가스저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치가 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 단순화되고 소형화된 구조를 가지며, 내구 성능이 향상된 배출가스저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터 단위 구조체는, 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체로서, 입자상 물질을 거르도록 구성되는 세라믹 필터 구조체; 세라믹 필터 구조체의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및 세라믹 필터 구조체의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함할 수 있다.
세라믹 필터 구조체는 세라믹 필터판을 포함하고, 세라믹 필터판의 일 단에는 배출 가스가 유입되도록 구성되는 가스 유입구가 형성될 수 있다.
제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 전류가 병렬로 공급되도록 설계될 수 있다.
가스 유입구를 통해 유입된 배출 가스는 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 통과하여 이동하도록 구성될 수 있다.
제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 중앙 영역과 외곽 영역을 포함하고, 중앙 영역에서의 배출 가스 통과량은 외곽 영역에서의 배출 가스 통과량과 상이할 수 있다.
제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 배출 가스가 통과할 수 있는 복수개의 공기 통로를 포함하고, 복수개의 공기 통로의 직경은 0.1mm 이하일 수 있다.
제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 사이에 두고 세라믹 필터판에 고정되는 제 2 세라믹 필터판을 더 포함하고, 제 2 세라믹 필터판의 일 단에는 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 통과한 배출 가스가 유출되도록 구성되는 가스 유출구가 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터 단위 구조체는, 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체로서, 세라믹 필터 구조체는 세라믹 절연체; 세라믹 절연체와 제 1 전기히팅판 사이에 위치하는 제 1 필터판; 및 세라믹 절연체와 제 2 전기히팅판 사이에 위치하는 제 2 필터판을 포함하고, 세라믹 절연체의 일 측면에는 배출 가스가 유입되도록 구성되는 가스 유입구가 형성될 수 있다.
제 1 필터판 및 제 2 필터판은 촉매가 코팅되어 있을 수 있다.
가스 유입구를 통해 유입된 배출 가스는 제 1 필터판 및 제 1 전기히팅판을 통과하여 이동하거나, 또는 제 2 필터판 및 제 2 전기히팅판을 통과하여 이동하도록 구성될 수 있다.
제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 중앙 영역과 외곽 영역을 포함하고, 중앙 영역에서의 배출 가스 통과량은 외곽 영역에서의 배출 가스 통과량과 상이할 수 있다.
제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 배출 가스가 통과할 수 있는 복수개의 공기 통로를 포함하고, 복수개의 공기 통로의 직경은 0.1mm 이하일 수 있다.
제 1 전기히팅판의 전기 저항은 제 1 필터판의 전기 저항보다 작고, 제 2 전기히팅판의 전기 저항은 제 2 필터판의 전기 저항보다 작을 수 있다.
필터 단위 구조체는 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 사이에 두고 세라믹 필터 구조체에 고정되는 제 2 세라믹 필터 구조체를 더 포함하고, 제 2 세라믹 필터 구조체는 제 2 세라믹 절연체를 포함하며, 제 2 세라믹 절연체의 일 측면에는 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 통과한 배출 가스가 유출되도록 구성되는 가스 유출구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필터 단위 구조체는, 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체로서, 촉매가 코팅된 세라믹 필터판; 세라믹 필터판의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및 세라믹 필터판의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함하고, 세라믹 필터판은 제 1 전기히팅판과 세라믹 본딩 방식에 의해 연결되고, 세라믹 필터판은 제 2 전기히팅판과 세라믹 본딩 방식에 의해 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매연 여과 필터는, 제 1 필터 단위 구조체; 및 제 2 필터 단위 구조체를 포함하고, 제 1 필터 단위 구조체 및 제 2 필터 단위 구조체는 서로 연결되는 방식으로 적층될 수 있다.
제 1 필터 단위 구조체 또는 제 2 필터 단위 구조체 중 적어도 하나는, 입자상 물질을 거르도록 구성되는 세라믹 필터 구조체; 세라믹 필터 구조체의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및 세라믹 필터 구조체의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함하고, 세라믹 필터 구조체의 일 단에는 배출 가스가 흐를 수 있는 가스 유동로가 형성될 수 있다.
제 1 필터 단위 구조체의 가스 유동로는 제 2 필터 단위 구조체의 가스 유동로의 대향하는 반대측 단에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매연 여과 필터는, 가스가 유입되도록 구성되는 가스 유입구; 제 1 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함하며, 제 1 전기히팅판 및 제 2 전기히팅판은 세라믹 절연체에 의해 연결되어 가스 유입구를 통해 유입된 가스가 흐르는 내부 공간을 형성할 수 있다.
제 1 전기히팅판 및 제 2 전기히팅판을 연결하는 세라믹 절연체는 원통형의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치는, 앞선 실시예 중 어느 하나에 따른 매연 여과 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치는, 전기 히터와 촉매 코팅된 필터가 결합된 구조로 자동차의 냉시동 시에 배출되는 HC와 NOx를 빠르게 저감시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치는, 단순화되고 소형화된 구조를 가지며, 내구 성능이 향상된 배출가스저감장치를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 배출 가스 저감 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치의 결합 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기히팅판의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치의 결합 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 배출 가스 저감 장치에 사용되는 매연 여과 필터의 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치의 개략도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치의 결합 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기히팅판의 개략도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치의 결합 구조를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치에 사용되는 매연 여과 필터의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치(100)는 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(101)를 포함하며, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(101)는 복수 개의 필터 단위 구조체(102)들이 적층 연결되어 이루어지며, 필터 단위 구조체(102)는 세라믹 절연체(110), 상부 필터판(120), 하부 필터판(130), 상부 전기히팅판(140), 하부 전기히팅판(150) 및 상부 세라믹 절연체(160)를 포함할 수 있다. 이 때, 세라믹 절연체(110), 상부 필터판(120), 하부 필터판(130), 상부 전기히팅판(140), 하부 전기히팅판(150)은 입자상 물질을 거르기 위한 세라믹 필터 구조체를 형성한다.
세라믹 절연체(110)는 배출 가스가 통과하여 외부로 배출되는 배출 가스 통과 공간(111)을 포함할 수 있다. 세라믹 절연체(110)는 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)로 이루어진 'U'자 형상의 부재이고, 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)로 둘러싸인 중앙 영역(112)과, 제 2 지지부(116)와 마주 보는 개방 영역(113)이 배출 가스 통과 공간(111)을 형성할 수 있다.
제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)의 상면 및 하면은 평평한 면으로 될 수 있다. 제 1 지지부(115) 및 제 3 지지부(117)의 상면과 하면에는 볼트가 관통 및 체결될 수 있는 구멍이 형성될 수 있으며, 후술할 상부 세라믹 절연체(160)와의 결합에 사용될 수 있다.
세라믹 절연체(110)는 상부 전기히팅판(140)과 하부 전기히팅판(150)이 서로 전기적으로 쇼트나지 않도록 전기절연 기능을 수행한다.
상부 필터판(120)과 하부 필터판(130)은 세라믹이나 금속화이버 필터 판재로 매연입자를 거르는 기능을 수행한다. 상부 필터판(120)과 하부 필터판(130)은 산화 알루미늄 재질로 이루어질 수 있다.
상부 필터판(120)은 세라믹 절연체(110)의 상부에 위치하고, 다공성 물질로 구성되며 촉매가 코팅되어 배출 가스를 정화할 수 있다. 구체적으로는, 상부 필터판(120)은 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)의 상면에 상부 필터판(120)의 가장자리가 걸치도록 위치될 수 있다. 상부 필터판(120)의 가장자리 바깥쪽에는 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)의 상면에 형성된 볼트 구멍들이 위치될 수 있다.
하부 필터판(130)은 세라믹 절연체(110)의 하부에 위치하고, 다공성 물질로 구성되며 촉매가 코팅되어 배출 가스를 정화할 수 있다. 구체적으로는, 하부 필터판(130)은 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)의 하면에 하부 필터판(130)의 가장자리가 걸치도록 위치될 수 있다. 하부 필터판(130)의 가장자리 바깥쪽에는 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)의 하면에 형성된 볼트 구멍들이 위치될 수 있다.
하부 필터판(130)과 하부 전기히팅판(150)이 접촉되는 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)의 하면 영역은 하부 필터판(130)과 하부 전기히팅판(150)의 두께의 합만큼 단차를 두어 오목하게 형성할 수 있으며, 이 오목한 영역에 하부 필터판(130)과 하부 전기히팅판(150)이 수용되어 제 1 지지부(115), 제 2 지지부(116) 및 제 3 지지부(117)의 하면과 하부 전기히팅판(150)의 하면이 동일한 평면을 형성하도록 할 수 있다.
상부 전기히팅판(140)은 상부 필터판(120)의 상부에 위치하고, 배출 가스가 통과하는 복수개의 관통공(141)들이 형성되고, 전류가 공급되면 발열될 수 있다. 상부 전기히팅판(140)은 Fe-Cr-Al 합금 재질일 수 있으며, 두께가 0.1mm인 매우 얇은 박판일 수 있다.
상부 전기히팅판(140)의 관통공(141)들은 직경이 0.1 mm 이하로 형성될 수 있다. 관통공(141)들은 미세 구멍이라서 드릴링 방법이 아닌, 에칭 방법에 의해 균일하게 형성될 수 있다. 에칭 방법을 통해 관통공(141)들의 크기, 개수, 분포 조정이 가능할 수 있다.
관통공(141)들의 크기, 개수, 분포 조정을 통해 상부 전기히팅판(140)의 전기저항분포를 조절할 수 있고, 이를 통해 균일 발열을 유도할 수 있다. 일 예로 상부 전기히팅판(140)의 관통공(141)들은 외곽 영역보다 중앙 영역에 더 많이 배치되어, 관통공(141)들의 총 면적이 중앙 영역에서 많고 상부 전기히팅판(140)의 외곽으로 갈수록 적게 함으로써 상부 전기히팅판(140)의 균일 발열이 유도될 수 있다. 관통공(141)들은 원형, 사각형 혹은 그 외의 형태를 가질 수 있다.
전류가 고르게 분포되어 전기히팅이 균일하게 될 수 있도록 상부 전기히팅판(140)은 좌우가 대칭인 형태를 가질 수 있다. 상부 전기히팅판(140)의 전기 저항은 전류가 상부 필터판(120)을 통해 흐르지 않도록 상부 필터판(120)의 전기 저항보다 작을 수 있다.
상부 전기히팅판(140)은 제 1 상부 전기히팅판 연결판(144) 및 제 2 상부 전기히팅판 연결판(146)을 포함할 수 있다.
제 1 상부 전기히팅판 연결판(144)은 상부 전기히팅판(140)이 세라믹 절연체(110)의 제 2 지지부(116)에 연결되어 고정되도록 하기 위하여 상부 전기히팅판(140)의 제 1 종단(143)에서 하향 돌출된 부재이다. 제 1 상부 전기히팅판 연결판(144)은 제 2 지지부(116)의 측면에 연결되어 고정될 수 있으며, 볼트로 고정될 수 있다.
상부 필터판(120)은 상부 전기히팅판(140)에 의해 세라믹 절연체(110)에 고정될 수 있다. 추가로, 상부 필터판(120)과 상부 전기히팅판(140)을 세라믹 연결할 수 있으며, 이로 인해 열전달 효과가 향상되어 냉시동 조건에서 배출가스 정화효율이 우수해지게 된다.
제 2 상부 전기히팅판 연결판(146)은 상부 전기히팅판(140)의 제 1 종단(143)과 마주 보는 제 2 종단(145)에서 상향 돌출된 부재이며, 후술할 상부 세라믹 절연체(160)의 제 2 상부 지지부(166)의 측면에 연결되어 고정될 수 있다.
하부 전기히팅판(150)은 하부 필터판(130)의 하부에 위치하고, 배출 가스가 통과하는 복수개의 관통공(151)들이 형성되고, 전류가 공급되면 발열될 수 있다. 하부 전기히팅판(150)은 Fe-Cr-Al 합금 재질일 수 있으며, 두께가 0.1mm인 매우 얇은 박판일 수 있다.
하부 전기히팅판(150)의 관통공(151)들은 직경이 0.1 mm 이하로 형성될 수 있다. 관통공(151)들은 미세 구멍이라서 드릴링 방법이 아닌, 에칭 방법에 의해 균일하게 형성될 수 있다. 에칭 방법을 통해 관통공(141)들의 크기, 개수, 분포 조정이 가능할 수 있다.
관통공(151)들의 크기, 개수, 분포 조정을 통해 하부 전기히팅판(150)의 전기저항분포를 조절할 수 있고, 이를 통해 균일 발열을 유도할 수 있다. 일 예로 하부 전기히팅판(150)의 관통공(151)들은 외곽 영역보다 중앙 영역에 더 많이 배치되어, 관통공(151)들의 총 면적이 중앙 영역에서 많고 하부 전기히팅판(150)의 외곽으로 갈수록 적게 함으로써 하부 전기히팅판(150)의 균일 발열이 유도될 수 있다. 관통공들은 원형, 사각형 혹은 그 외의 형태를 가질 수 있다.
전류가 고르게 분포되어 전기히팅이 균일하게 될 수 있도록 하부 전기히팅판(150)은 좌우가 대칭인 형태를 가질 수 있다. 하부 전기히팅판(150)의 전기 저항은 전류가 하부 필터판(130)을 통해 흐르지 않도록 하부 필터판(130)의 전기 저항보다 작을 수 있다.
하부 전기히팅판(150)은 제 1 하부 전기히팅판 연결판(154) 및 제 2 하부 전기히팅판 연결판(156)을 포함할 수 있다.
제 1 하부 전기히팅판 연결판(154)은 하부 전기히팅판(150)이 세라믹 절연체(110)의 제 2 지지부(116)에 연결되어 고정되도록 하기 위하여 하부 전기히팅판(150)의 제 1 종단(153)에서 상향 돌출된 부재이다. 제 1 하부 전기히팅판 연결판(154)은 제 2 지지부(116)의 측면에 연결되어 고정될 수 있으며, 볼트로 고정될 수 있다.
하부 필터판(130)은 하부 전기히팅판(150)에 의해 세라믹 절연체(110)에 고정될 수 있다. 추가로, 하부 필터판(130)과 하부 전기히팅판(150)을 세라믹 본딩 방식으로 연결할 수 있으며, 이로 인해 열전달 효과가 향상되어 냉시동 조건에서 배출가스 정화효율이 우수해지게 된다.
상부 필터판(120) 및 상부 전기히팅판(140) 사이에 가스를 정화하기 위한 상부 촉매판이 추가로 위치하고, 하부 필터판(130) 및 하부 전기히팅판(150) 사이에 가스를 정화하기 위한 하부 촉매판이 추가로 위치할 수 있다. 상부 전기히팅판(140)의 전기 저항은 상부 촉매판의 전기 저항보다 작고, 하부 전기히팅판(150)의 전기 저항은 하부 촉매판의 전기 저항보다 작을 수 있다.
상부 세라믹 절연체(160)는 상부 전기히팅판(140)의 상부에 위치되며, 상부 배출 가스 통과 공간(161)을 포함할 수 있다.
상부 세라믹 절연체(160)는 제 1 상부 지지부(165), 제 2 상부 지지부(166) 및 제 3 상부 지지부(167)로 이루어진 'U'자 형상의 부재이고, 제 1 상부 지지부(165), 제 2 상부 지지부(166) 및 제 3 상부 지지부(167)로 둘러싸인 상부 중앙 영역(162)과, 제 2 상부 지지부(166)와 마주 보는 상부 개방 영역(163)이 상부 배출 가스 통과 공간(161)을 형성할 수 있다.
제 1 상부 지지부(165), 제 2 상부 지지부(166) 및 제 3 상부 지지부(167)의 상면 및 하면은 평평한 면으로 될 수 있다. 제 1 상부 지지부(165) 및 제 3 상부 지지부(167)의 상면 및 하면에는 볼트가 관통 및 체결될 수 있는 구멍이 형성될 수 있다.
상부 필터판(120)과 상부 전기히팅판(140)이 접촉되는 제 1 상부 지지부(165), 제 2 상부 지지부(166) 및 제 3 상부 지지부(167)의 하면 영역은 상부 필터판(120)과 상부 전기히팅판(140)의 두께의 합만큼 단차를 두어 오목하게 형성할 수 있으며, 이 오목한 영역에 상부 필터판(120)과 상부 전기히팅판(140)이 수용되어 제 1 상부 지지부(165), 제 2 상부 지지부(166) 및 제 3 상부 지지부(167)의 하면과 상부 필터판(120)의 하면이 동일한 평면을 형성하도록 할 수 있다.
제 1 상부 지지부(165)는 제 3 지지부(117)에 접촉되어 고정되며, 제 3 상부 지지부(167)는 제 1 지지부(115)에 접촉되어 고정되고, 제 2 상부 지지부(166)는 개방 영역(113) 위에 위치되며, 상부 개방 영역(163)은 제 2 지지부(116)의 위에 위치될 수 있다. 즉, 상부 개방 영역(163)과 개방 영역(113)이 서로 반대 방향에 위치되도록 세라믹 절연체(110)와 상부 세라믹 절연체(160)가 연결될 수 있다. 세라믹 절연체(110)와 상부 세라믹 절연체(160)는 볼트 등과 같은 다양한 공지된 연결 방식으로 연결 및 고정될 수 있다.
상부 세라믹 절연체(160)는 세라믹 절연체(110)와 결합되며 그 사이에 상부 필터판(120) 및 상부 전기히팅판(140)을 고정시키는 기능을 수행한다. 또한 후술하는 바와 같이 다른 필터 단위 구조체의 하부 전기히팅판 및 세라믹 절연체 와 연결되는 기능을 수행한다.
상부 전기히팅판(140)의 제 2 상부 전기히팅판 연결판(146)은 제 2 상부 지지부(166)의 측면에 연결되어 고정되며, 하부 전기히팅판(150)의 제 2 하부 전기히팅판 연결판(156)은 필터 단위 구조체(102)의 하부에 위치되는 또 다른 필터 단위 구조체의 상부 세라믹 절연체의 제 2 상부 지지부의 측면에 연결되어 고정될 수 있다. 고정 방식으로는 볼트 연결 방식이 사용될 수 있다.
하부 전기히팅판(150)의 제 2 하부 전기히팅판 연결판(156)은 하부 전기히팅판(150)의 제 1 종단(153)과 마주 보는 제 2 종단(155)에서 하향 돌출된 부재이며, 필터 단위 구조체(102)의 하부에 위치되는 다른 필터 단위 구조체의 상부 세라믹 절연체의 제 2 상부 지지부의 측면에 연결될 수 있다.
이러한 방식으로 필터 단위 구조체들의 적층 연결이 쉽게 이루어질 수 있다. 즉, 다른 필터 단위 구조체의 상부 세라믹 절연체의 상면이 필터 단위 구조체(102)의 세라믹 절연체(110)의 하면과 연결되어 고정되고, 제 2 하부 전기히팅판 연결판(156)이 또 다른 필터 단위 구조체의 상부 세라믹 절연체의 제 2 상부 지지부의 측면에 연결되어 고정된다. 고정 방식으로는 볼트 연결 방식 등이 사용될 수 있다.
전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(101)를 형성하기 위해 복수 개의 필터 단위 구조체(102)들이 적층 연결되며, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(101)의 외관을 캐닝하고, 상부 전기히팅판(140)과 하부 전기히팅판(150)에 전원을 연결하여 배출 가스 저감 장치(100)를 형성할 수 있다.
배출 가스는 상부 전기히팅판(140)의 관통공(141)들 및 상부 필터판(120)을 통과하여 배출 가스 통과 공간(111)을 거쳐 배출되고, 하부 전기히팅판(150)의 관통공(151)들 및 하부 필터판(130)을 통과하여 배출 가스 통과 공간(111)을 거쳐 배출될 수 있다.
여기서, 상부 전기히팅판(140)과 상부 필터판(120)이 접촉된 상태로 세라믹 절연체(110)에 고정되고, 하부 전기히팅판(150)과 하부 필터판(130)이 접촉된 상태로 세라믹 절연체(110)에 고정되므로, 상부 필터판(120) 및 하부 필터판(130)에 쌓인 매연을 주기적으로 또는 필요한 시점에 태워 없앨 수 있으며, 가스상 물질인 미연탄화수소와 CO, Nox는 촉매가 코팅된 상부 필터판(120) 및 하부 필터판(130)을 통과하면서 촉매반응으로 정화되도록 할 수 있다.
시동 초기와 같이 배출가스 온도가 낮은 경우에는 상부 전기히팅판(140) 및 하부 전기히팅판(150)에서 발생되는 열을 이용하여 배출 가스 온도를 빠르게 높임으로써 상부 필터판(120) 및 하부 필터판(130)의 온도를 높여 촉매반응이 활발히 일어나도록 하여 가스상 배출 가스 정화 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 배출 가스 저감 장치(100)는 전기히터와 촉매코팅된 필터가 결합됨으로써 그 크기가 크게 감소될 수 있다. 또한, 배출 가스 저감 장치(100)는 복수 개의 필터 단위 구조체(102)들이 적층 연결되는 구조이므로, 종래에 비해 제작이 용이하고, 내구성이 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치(200)는 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(203)를 포함하며, 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(203)는 복수 개의 필터 단위 구조체(202)들이 적층 연결되어 이루어지며, 필터 단위 구조체(202)는 입자상 물질을 거르도록 구성되는 세라믹 필터 구조체, 제 1 전기히팅판(220) 및 제 2 전기히팅판(230)을 포함할 수 있으며, 세라믹 필터 구조체는 세라믹 필터판(210)을 포함할 수 있다.
세라믹 필터판(210)은 배출 가스를 세라믹 필터판(210)의 내부 공간으로 유입시키기 위한 가스 유입구(211)를 포함할 수 있다. 가스 유입구(211)는 세라믹 필터판(210)의 일 단에 형성될 수 있으며 배출 가스는 가스 유입구(211)를 통해 세라믹 필터판(210)의 내부 공간을 향해 이동할 수 있다.
세라믹 필터판(210)은 제 1 전기히팅판(220)과 제 2 전기히팅판(230)이 서로 전기적으로 쇼트나지 않도록 전기절연 기능을 수행하며, 세라믹으로 이루어진 필터 판재로 매연입자를 거르는 기능을 수행한다. 세라믹 필터판(210)은 또한 다공성 물질로 구성될 수 있으며 촉매가 코팅될 수 있어 배출 가스를 정화할 수 있다.
세라믹 필터판(210)은 매연입자를 거르기 위한 필터 판재와 세라믹 재질을 압출 성형하여 형성될 수 있으며 그 외 여하한 방법에 의해 형성될 수 있다.
세라믹 필터판(210)의 상부에는 제 1 전기히팅판(220)이 위치할 수 있으며 세라믹 필터판(210)의 하부에는 제 2 전기히팅판(230)이 위치할 수 있다.
제 1 전기히팅판(220)은 세라믹 필터판(210)의 상부에 위치하고, 배출 가스가 통과하는 복수개의 관통공들이 형성되고, 전류가 공급되면 발열될 수 있다. 제 1 전기히팅판(220)은 Fe-Cr-Al 합금 재질일 수 있으며, 두께가 0.1mm인 매우 얇은 박판일 수 있다.
제 1 전기히팅판(220)의 관통공들은 직경이 0.1 mm 이하로 형성될 수 있다. 관통공들은 미세 구멍이라서 드릴링 방법이 아닌, 에칭 방법에 의해 균일하게 형성될 수 있다. 에칭 방법을 통해 관통공들의 크기, 개수, 분포 조정이 가능할 수 있다.
관통공들의 크기, 개수, 분포 조정을 통해 제 1 전기히팅판(220)의 전기저항분포를 조절할 수 있고, 이를 통해 균일 발열을 유도할 수 있다. 일 예로 제 1 전기히팅판(220)의 관통공들은 외곽 영역보다 중앙 영역에 더 많이 배치되어, 관통공들의 총 면적이 중앙 영역에서 많고 제 1 전기히팅판(220)의 외곽으로 갈수록 적게 함으로써 제 1 전기히팅판(220)의 균일 발열이 유도될 수 있다. 관통공들은 원형, 사각형 혹은 그 외의 형태를 가질 수 있다.
전류가 고르게 분포되어 전기히팅이 균일하게 될 수 있도록 제 1 전 기히팅판(220)은 좌우가 대칭인 형태를 가질 수 있다. 제 1 전기히팅판(220)의 전기 저항은 전류가 세라믹 필터판(210)을 통해 흐르지 않도록 세라믹 필터판(210)의 전기 저항보다 작을 수 있다.
제 1 전기히팅판(220)은 전기히팅판을 직렬로 연결할 시 대용량의 전류가 전체 전기히팅판에 흐르는 단점을 해결하기 위해 병렬형으로 설계될 수 있다. 병렬형 설계에서, 전류는 일 단에서 타 단으로 흐른 뒤, 다시 타 단에서 일 단으로 흐를 수 있다.
제 2 전기히팅판(230)은 세라믹 필터판(210)의 하부에 위치하고, 배출 가스가 통과하는 복수개의 관통공들이 형성되고, 전류가 공급되면 발열될 수 있다. 제 2 전기히팅판(230)은 Fe-Cr-Al 합금 재질일 수 있으며, 두께가 0.1mm인 매우 얇은 박판일 수 있다.
제 2 전기히팅판(230)의 관통공들은 직경이 0.1 mm 이하로 형성될 수 있다. 관통공들은 미세 구멍이라서 드릴링 방법이 아닌, 에칭 방법에 의해 균일하게 형성될 수 있다. 에칭 방법을 통해 관통공들의 크기, 개수, 분포 조정이 가능할 수 있다.
관통공들의 크기, 개수, 분포 조정을 통해 제 2 전기히팅판(230)의 전기저항분포를 조절할 수 있고, 이를 통해 균일 발열을 유도할 수 있다. 일 예로 제 2 전기히팅판(230)의 관통공들은 외곽 영역보다 중앙 영역에 더 많이 배치되어, 관통공들의 총 면적이 중앙 영역에서 많고 제 2 전기히팅판(230)의 외곽으로 갈수록 적게 함으로써 제 2 전기히팅판(230)의 균일 발열이 유도될 수 있다. 관통공들은 원형, 사각형 혹은 그 외의 형태를 가질 수 있다.
전류가 고르게 분포되어 전기히팅이 균일하게 될 수 있도록 제 2 전 기히팅판(230)은 좌우가 대칭인 형태를 가질 수 있다. 제 2 전기히팅판(230)의 전기 저항은 전류가 세라믹 필터판(210)을 통해 흐르지 않도록 세라믹 필터판(210)의 전기 저항보다 작을 수 있다.
제 2 전기히팅판(230)은 전기히팅판을 직렬로 연결할 시 대용량의 전류가 전체 전기히팅판에 흐르는 단점을 해결하기 위해 병렬형으로 설계될 수 있다. 병렬형 설계에서, 전류는 일 단에서 타 단으로 흐른 뒤, 다시 타 단에서 일 단으로 흐를 수 있다.
세라믹 필터판(210), 제 1 전기히팅판(220) 및 제 2 전기히팅판(230)의 가장자리의 상면 및 하면에는 볼트 등이 관통 및 체결될 수 있는 구멍이 형성될 수 있다. 필터 단위 구조체(202)들은 볼트 등과 같은 다양한 공지된 연결 방식으로 연결 및 고정될 수 있다.
배출 가스 저감 장치(200)에 사용되는 필터 단위 구조체(202)에 있어서, 필터 단위 구조체(202)는 제 1 전기히팅판(220)의 상부에 위치하는 제 2 세라믹 필터판(240)을 더 포함할 수 있다.
제 2 세라믹 필터판(240)은 제 1 전기히팅판(220)을 사이에 두고 세라믹 필터판(210)에 고정되며, 제 2 세라믹 필터판(240)의 일 단에는 제 2 세라믹 필터판(240) 내부의 배출 가스를 외부로 유출시킬 수 있는 가스 유출구(241)가 형성될 수 있다.
제 2 세라믹 필터판(240)은 세라믹으로 이루어진 필터 판재로 매연입자를 거르는 기능을 수행한다. 제 2 세라믹 필터판(240)은 또한 다공성 물질로 구성될 수 있으며 촉매가 코팅될 수 있어 배출 가스를 정화할 수 있다.
제 2 세라믹 필터판(240)은 매연입자를 거르기 위한 필터 판재와 세라믹 재질을 압출 성형하여 형성될 수 있으며 그 외 여하한 방법에 의해 형성될 수 있다.
제 2 세라믹 필터판(240)의 가스 유출구(241) 세라믹 필터판(210)의 가스 유입구(211)가 위치하는 일 단의 반대측 단에 위치하여, 가스 유입구(211)를 통해 세라믹 필터판(210) 내부로 들어간 배출 가스는 제 1 전기히팅판(220)의 복수개의 관통공들을 통과하여 제 2 세라믹 필터판(240)으로 이동한 후, 유입된 방향의 반대 방향을 통해 가스 유출구(241)를 거쳐 외부로 유출될 수 있다.
배출 가스 저감 장치(200)에 사용되는 필터 단위 구조체(202)의 제 2 전기히팅판(230)의 하부에는 또한, 제 3 세라믹 필터판(도시하지 않음)이 위치할 수 있다.
제 3 세라믹 필터판은 세라믹 필터판(210) 및 제 2 세라믹 필터판(240)과 동일한 필터 판재로서, 제 3 세라믹 필터판은 세라믹 필터판(210)의 가스 유입구(211)를 통해 세라믹 필터판(210) 내부로 유입된 후 제 2 전기히팅판(230)을 거쳐 제 3 세라믹 필터판으로 이동한 배출 가스가 외부로 유출될 수 있는 가스 유출구(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 제 3 세라믹 필터판의 가스 유출구는 세라믹 필터판(210)의 가스 유입구(211)의 반대 방향에 형성된다.
이러한 적층 방식으로 인해, 연결된 필터 단위 구조체(202)들은 서로 반대 방향으로 겹쳐져서 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(230)를 형성할 수 있다.
전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터(230)의 외관을 캐닝하고, 제 1 전기히팅판(220)과 제 2 전기히팅판(230)에 전원을 연결하여 배출 가스 저감 장치(200)를 형성할 수 있다.
제 1 전기히팅판(220) 및 제 2 전기히팅판(230)이 세라믹 필터판(210)에 접촉된 상태로 고정되므로, 세라믹 필터판(210)에 쌓인 매연을 주기적으로 또는 필요한 시점에 태워 없앨 수 있으며, 가스상 물질인 미연탄화수소와 CO, Nox는 촉매가 코팅된 세라믹 필터판(210)을 통과하면서 촉매반응으로 정화되도록 할 수 있다.
시동 초기와 같이 배출가스 온도가 낮은 경우에는 제 1 전기히팅판(220) 및 제 2 전기히팅판(230)에서 발생되는 열을 이용하여 배출 가스 온도를 빠르게 높임으로써 세라믹 필터판(210)의 온도를 높여 촉매반응이 활발히 일어나도록 하여 가스상 배출 가스 정화 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 배출 가스 저감 장치(200)는 전기히터와 촉매코팅된 필터가 결합됨으로써 그 크기가 크게 감소될 수 있다. 또한, 배출 가스 저감 장치(200)는 복수 개의 필터 단위 구조체(202)들이 적층 연결되는 구조이므로, 종래에 비해 제작이 용이하고, 내구성이 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치에 사용되는 매연 여과 필터는 제 1 필터 단위 구조체 및 제 2 필터 단위 구조체를 포함하고, 제 1 필터 단위 구조체 및 제 2 필터 단위 구조체는 서로 연결되는 방식으로 적층되는 것을 특징으로 할 수 있다.
매연 여과 필터에 포함되는 제 1 필터 단위 구조체 또는 제 2 필터 단위 구조체 중 적어도 하나는 본 발명의 실시예에 따른 필터 단위 구조체로 구성될 수 있다.
매연 여과 필터에 포함되는 필터 단위 구조체는 세라믹 필터 구조체, 세라믹 필터 구조체의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판 및 세라믹 필터 구조체의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함할 수 있고, 세라믹 필터 구조체의 일 단에는 배출가스가 흐를 수 있는 가스 유동로가 형성될 수 있다.
매연 여과 필터에 포함되는 제 1 필터 단위 구조체 및 제 2 필터 단위 구조체는 서로 반대 방향으로 적층되어 제 1 필터 단위 구조체의 가스 유동로는 제 2 필터 단위 구조체의 가스 유동로의 반대 방향에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출 가스 저감 장치에 사용되는 매연 여과 필터(300)는 배출 가스가 매연 여과 필터(300) 내부로 유입될 수 있도록 하는 가스 유입구(340), 매연 여과 필터(300)의 제 1 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판(320), 제 1 측면에 대향하는 제 2 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판(330) 및 세라믹 절연체(310)를 포함할 수 있다.
제 1 전기히팅판(320)은 배출 가스가 통과하는 복수개의 관통공들이 형성되고, 전류가 공급되면 발열될 수 있다. 제 1 전기히팅판(320)은 Fe-Cr-Al 합금 재질일 수 있으며, 두께가 0.1mm인 매우 얇은 박판일 수 있다.
제 1 전기히팅판(320)의 관통공들은 직경이 0.1 mm 이하로 형성될 수 있다. 관통공들은 미세 구멍이라서 드릴링 방법이 아닌, 에칭 방법에 의해 균일하게 형성될 수 있다. 에칭 방법을 통해 관통공들의 크기, 개수, 분포 조정이 가능할 수 있다.
관통공들의 크기, 개수, 분포 조정을 통해 제 1 전기히팅판(320)의 전기저항분포를 조절할 수 있고, 이를 통해 균일 발열을 유도할 수 있다. 일 예로 제 1 전기히팅판(320)의 관통공들은 외곽 영역보다 중앙 영역에 더 많이 배치되어, 관통공들의 총 면적이 중앙 영역에서 많고 제 1 전기히팅판(320)의 외곽으로 갈수록 적게 함으로써 제 1 전기히팅판(320)의 균일 발열이 유도될 수 있다. 관통공들은 원형, 사각형 혹은 그 외의 형태를 가질 수 있다.
전류가 고르게 분포되어 전기히팅이 균일하게 될 수 있도록 제 1 전 기히팅판(320)은 좌우가 대칭인 형태를 가질 수 있다.
제 1 전기히팅판(320)은 전기히팅판을 직렬로 연결할 시 대용량의 전류가 전체 전기히팅판에 흐르는 단점을 해결하기 위해 병렬형으로 설계될 수 있다. 병렬형 설계에서, 전류는 일 단에서 타 단으로 흐른 뒤, 다시 타 단에서 일 단으로 흐를 수 있다.
제 2 전기히팅판(330)은 배출 가스가 통과하는 복수개의 관통공들이 형성되고, 전류가 공급되면 발열될 수 있다. 제 2 전기히팅판(330)은 Fe-Cr-Al 합금 재질일 수 있으며, 두께가 0.1mm인 매우 얇은 박판일 수 있다.
제 2 전기히팅판(330)의 관통공들은 직경이 0.1 mm 이하로 형성될 수 있다. 관통공들은 미세 구멍이라서 드릴링 방법이 아닌, 에칭 방법에 의해 균일하게 형성될 수 있다. 에칭 방법을 통해 관통공들의 크기, 개수, 분포 조정이 가능할 수 있다.
관통공들의 크기, 개수, 분포 조정을 통해 제 2 전기히팅판(330)의 전기저항분포를 조절할 수 있고, 이를 통해 균일 발열을 유도할 수 있다. 일 예로 제 2 전기히팅판(330)의 관통공들은 외곽 영역보다 중앙 영역에 더 많이 배치되어, 관통공들의 총 면적이 중앙 영역에서 많고 제 2 전기히팅판(330)의 외곽으로 갈수록 적게 함으로써 제 2 전기히팅판(330)의 균일 발열이 유도될 수 있다. 관통공들은 원형, 사각형 혹은 그 외의 형태를 가질 수 있다.
전류가 고르게 분포되어 전기히팅이 균일하게 될 수 있도록 제 2 전 기히팅판(330)은 좌우가 대칭인 형태를 가질 수 있다.
제 2 전기히팅판(330)은 전기히팅판을 직렬로 연결할 시 대용량의 전류가 전체 전기히팅판에 흐르는 단점을 해결하기 위해 병렬형으로 설계될 수 있다. 병렬형 설계에서, 전류는 일 단에서 타 단으로 흐른 뒤, 다시 타 단에서 일 단으로 흐를 수 있다.
제 1 전기히팅판(320) 및 제 2 전기히팅판(330)은 세라믹 절연체(310)에 의해 서로 연결될 수 있다. 세라믹 절연체(310)는 제 1 전기히팅판(320)과 제 2 전기히팅판(330)이 서로 전기적으로 쇼트나지 않도록 전기절연 기능을 수행한다.
세라믹 절연체는 원통형, 반구형, 사각형 또는 그 외의 여하한 형상을 가질 수 있다.
매연 여과 필터(300)는 배출 가스를 매연 여과 필터(300) 내의 내부 공간(350)으로 유입시키기 위한 가스 유입구(340)를 일 측면에 포함할 수 있다. 가스 유입구는 세라믹 구조체(310)의 대향하는 반대 방향에 위치할 수 있다.
가스 유입구(340)를 통해 내부 공간(350)으로 유입된 배출 가스는 제 1 전기히팅판(320) 또는 제 2 전기히팅판(330)을 통과하여 외부로 배출될 수 있다.
위에서 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.
(부호의 설명)
10: 전기히터
20: 삼원촉매
30: 매연 여과 필터
100: 배출 가스 저감 장치
101: 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터
102: 필터 단위 구조체
110: 세라믹 절연체
111: 배출 가스 통과 공간
112: 중앙 영역
113: 개방 영역
115: 제 1 지지부
116: 제 2 지지부
117: 제 3 지지부
120: 상부 필터판
130: 하부 필터판
140: 상부 전기히팅판
141: 관통공
143: 제 1 종단
144: 제 1 상부 전기히팅판 연결판
145: 제 2 종단
146: 제 2 상부 전기히팅판 연결판
150: 하부 전기히팅판
151: 관통공
153: 제 1 종단
154: 제 1 하부 전기히팅판 연결판
155: 제 2 종단
156: 제 2 하부 전기히팅판 연결판
160: 상부 세라믹 절연체
161: 배출 가스 통과 공간
162: 상부 중앙 영역
163: 상부 개방 영역
165: 제 1 상부 지지부
166: 제 2 상부 지지부
167: 제 3 상부 지지부
200: 배출 가스 저감 장치
201: 전기히팅판
202: 필터 단위 구조체
203: 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터
211: 가스 유입구
210: 세라믹 필터판
220: 제 1 전기히팅판
230: 제 2 전기히팅판
240: 제 2 세라믹 필터판
241: 가스 유출구
300: 매연 여과 필터
310: 세라믹 절연체
320: 제 1 전기히팅판
330: 제 2 전기히팅판
340: 가스 유입구
350: 내부 공간
360: 전극

Claims (20)

  1. 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체에 있어서,
    입자상 물질을 거르도록 구성되는 세라믹 필터 구조체;
    세라믹 필터 구조체의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및
    세라믹 필터 구조체의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함하는 필터 단위 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    세라믹 필터 구조체는 세라믹 필터판을 포함하고, 세라믹 필터판의 일 단에는 배출 가스가 유입되도록 구성되는 가스 유입구가 형성되는 필터 단위 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 전류가 병렬로 공급되도록 설계된 필터 단위 구조체.
  4. 제 2 항에 있어서,
    가스 유입구를 통해 유입된 배출 가스는 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 통과하여 이동하도록 구성되는 필터 단위 구조체.
  5. 제 2 항에 있어서,
    세라믹 필터 구조체에는 촉매가 코팅된 필터 단위 구조체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 배출 가스가 통과할 수 있는 복수개의 공기 통로를 포함하는 필터 단위 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    세라믹 필터 구조체는
    세라믹 절연체;
    세라믹 절연체와 제 1 전기히팅판 사이에 위치하는 제 1 필터판; 및
    세라믹 절연체와 제 2 전기히팅판 사이에 위치하는 제 2 필터판을 포함하고,
    세라믹 절연체의 일 단에는 배출 가스가 유입되도록 구성되는 가스 유입구가 형성되어 있는 필터 단위 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 필터판 및 제 2 필터판은 촉매가 코팅된 필터 단위 구조체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    가스 유입구를 통해 유입된 배출 가스는 제 1 필터판 및 제 1 전기히팅판을 통과하여 이동하거나, 또는 제 2 필터판 및 제 2 전기히팅판을 통과하여 이동하도록 구성되는 필터 단위 구조체.
  10. 제 7 항에 있어서,
    제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 배출 가스가 통과할 수 있는 복수개의 공기 통로를 포함하는 필터 단위 구조체.
  11. 제 7 항에 있어서,
    제 1 전기히팅판의 전기 저항은 제 1 필터판의 전기 저항보다 작고, 제 2 전기히팅판의 전기 저항은 제 2 필터판의 전기 저항보다 작은 필터 단위 구조체.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 필터 단위 구조체는
    제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 사이에 두고 세라믹 필터 구조체에 고정되는 제 2 세라믹 필터 구조체를 더 포함하고, 제 2 세라믹 필터 구조체는 제 2 세라믹 절연체를 포함하며, 제 2 세라믹 절연체의 일 단에는 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 통과한 배출 가스가 유출되도록 구성되는 가스 유출구가 형성되어 있는 필터 단위 구조체.
  13. 배출 가스 저감 장치에 사용되는 필터 단위 구조체에 있어서,
    촉매가 코팅된 세라믹 필터판;
    세라믹 필터판의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및
    세라믹 필터판의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함하고,
    세라믹 필터판은 제 1 전기히팅판과 세라믹 본딩 방식에 의해 연결되고, 세라믹 필터판은 제 2 전기히팅판과 세라믹 본딩 방식에 의해 연결되는 필터 단위 구조체.
  14. 매연 여과 필터로서,
    제 1 필터 단위 구조체; 및
    제 2 필터 단위 구조체를 포함하고,
    제 1 필터 단위 구조체 및 제 2 필터 단위 구조체는 서로 연결되는 방식으로 적층되는 매연 여과 필터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 1 필터 단위 구조체 또는 제 2 필터 단위 구조체 중 적어도 하나는,
    입자상 물질을 거르도록 구성되는 세라믹 필터 구조체;
    세라믹 필터 구조체의 일 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및
    세라믹 필터 구조체의 타 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함하고,
    세라믹 필터 구조체의 일 단에는 배출 가스가 흐를 수 있는 가스 유동로가 형성되어 있는 매연 여과 필터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    제 1 필터 단위 구조체의 가스 유동로는 제 2 필터 단위 구조체의 가스 유동로의 대향하는 타 단에 위치하는 매연 여과 필터.
  17. 매연 여과 필터로서,
    가스가 유입되도록 구성되는 가스 유입구;
    제 1 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 1 전기히팅판; 및
    제 1 측면에 대향하는 제 2 측면에 위치하며 발열되도록 구성되는 제 2 전기히팅판을 포함하며,
    제 1 전기히팅판 및 제 2 전기히팅판은 세라믹 절연체에 의해 연결되어 가스 유입구를 통해 유입된 가스가 흐르는 내부 공간을 형성하도록 구성된 매연 여과 필터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    제 1 전기히팅판 및 제 2 전기히팅판을 연결하는 세라믹 절연체는 원통형의 형상을 가지는 매연 여과 필터.
  19. 제 17 항에 있어서,
    가스 유입구를 통해 유입된 가스는 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판을 통과하여 이동하도록 구성되고, 제 1 전기히팅판 또는 제 2 전기히팅판은 배출 가스가 통과할 수 있는 복수개의 공기 통로를 포함하는 매연 여과 필터.
  20. 배출 가스 저감 장치로서,
    제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치.
PCT/KR2023/013993 2022-09-15 2023-09-15 전기 히팅되는 촉매 코팅 매연 여과 필터를 포함하는 배출 가스 저감 장치 WO2024058627A1 (ko)

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