KR0141603B1 - 접촉컨버터 - Google Patents

접촉컨버터

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KR0141603B1
KR0141603B1 KR1019890001497A KR890001497A KR0141603B1 KR 0141603 B1 KR0141603 B1 KR 0141603B1 KR 1019890001497 A KR1019890001497 A KR 1019890001497A KR 890001497 A KR890001497 A KR 890001497A KR 0141603 B1 KR0141603 B1 KR 0141603B1
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폴 메리 리차드
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도날드 밀러 셀
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄 어링 컴패니
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Abstract

금속 케이싱(11)내에 촉매 부품(monolith, 20)을 장착하기 위한 장착 매트(30)를 포함하는 탄성을 가지면서도 유연한 부스러기 없는 세라믹 섬유(resilient, flexible shot-free ceramic fiber)를 사용하는 컨버터(10)가 개시되어 있다. 상기 장착 매트(30)는 부스러기 없는 세라믹 섬유 만으로 구성될 수도 있고, 그렇지 않으면 팽창된 시이트 재료(intumescent sheet material, 32)와 부스러기 없는 세라믹 섬유(31)의 복합체로 구성되는 것이 바람직하다.

Description

접촉컨버터
제1도는 분해된 상태로 나타낸 본 발명의 접촉컨버터(catalytic converter)의 사시도.
제2도는 금속모노리스(monolith)의 주변에 세라믹 섬유를 함유하는 장착메트(mounting mat)를 나타내는 제1도의 접촉컨버터의 바닥껍데기의 평면도.
제3도는 제2도에서 본 발명의 세라믹 섬유를 함유하는 탄력있고 유연한 장착매트를 선 3-3을 따라 취한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 접촉컨버터11: 금속 케이싱
12, 13: 원뿔대형입구단부 및 출구단부
20: 촉매부품(모노리스)30: 장착매트
31: 세라믹 섬유매트32: 팽창된 시이트재료
34: 체인스 티치
본 발명은 세라믹 섬유를 함유하는 탄력있고 유연한 장착매트에 의하여 케이싱내에 견고하게 설치된 촉매지지체(모노리스)를 가지는 금속케이싱으로 구성되는 자동차배기 시스템용 접촉컨버터에 관한 것이다. 장착매트는 세라믹 섬유로만 구성될 수 있거나 팽창된 시이트재료와 결합한 세라믹 섬유의 복합체로 구성된다.
접촉컨버터는 대기오염을 조절하기 위하여 자동차 배기개스에서 일산화탄소 및 탄화수소의 산화와 질소산화물을 환원을 위하여 보편적으로 이용된다. 이런 촉매공정에서 생기는 비교적 높은 온도때문에, 촉매지지체로서 세라믹이 당연히 선택되어왔다. 특히 유용한 지지체는 예를들어 미합중국특허 제27747호에 제시된 것같은 세라믹 벌집구조이다.
보다 최근에, 금속촉매지지체(금속모노리스)를 이용하는 접촉컨버터가 역시 이 목적을 위하여 사용되어왔다. (예로서 영국특허 제1452982호, 미합중국특허 제4381590호, SAE논문 제850131호). 금속모노리스는 보다양호한 열충격 저항을 가지며, 개스유동채널을 형성하는 모노리스의 감소된 벽두께 때문에 생기는 배압을 감소시킨다.
금속모노리스는 배기개스의 열이 금속모노리스에 의하여 케이싱에 쉽게 전도되기 때문에 매우 뜨거워지는 접촉컨버터의 외부 금속케이싱에 직접 용접되거나 납땜된다. 이렇게 높은 케이싱온도때문에 바닥판과 승객칸 같은 주변구역을 바람직하지 못하게 가열할뿐만 아니라 차량이 도로가 아닌곳이나 주차중에 구동될때 잔디를 태우는 위험을 가질수 있다. 또한 예를들어 진흙탕속에서 구동될때처럼 접촉컨버터가 반복된 소입(quenching)을 받을 때 금속모노리스의 벌집구조의 층을 고정하는 용접접합부의 열적피로가 생길 수 있다. 그러므로, 열절연을 제공하는 매트를 가지는 금속케이싱 내에 금속모노리스를 설치하는 것이 바람직하다.
세라믹 모노리스를 가지는 접촉컨버터는 열팽창의 차이때문에 가열증에 증가되는 모노리스와 금속케이싱 사이의 공간 또는 틈새를 가진다. 금속모노리스를 가지는 접촉컨버터의 경우에서 이 틈새는 가열함에 따라 작아진다. 금속모노리스와 금속케이싱의 열팽창계수는 비슷하지만 금속모노리스가 금속케이싱보다 뜨거워지기때문에 이 두부품 사이의 틈새는 줄어든다. 종래의 팽창된 매트는 컨버터가 고온과 저온사이에서 순환되면서 금속모노리스를 계속 지지하는데 필요한 고온탄력성을 감소시킨다.
세라믹 섬유매트가 장착된 세라믹 촉매지지체를 갖는 접촉컨버터를 만들기위한 종래의 노력을 접촉컨버터에서 세라믹 모노리스를 설치하기위한 세라믹과 광물섬유재료에 관련된 영국특허 제2171180호에서 알수 있다. 이 섬유재료는 감싸여지고 진공하에 압축되며 공기가 통과하지 못하는 플라스틱 봉투 또는 주머니 속에 밀봉된다. 사용중 플라스틱은 악화되고 타버리며 섬유재료를 노출되게하여 세라믹 모노리스를 견고히 고정하기위하여 팽창된다.
미합중국특허 제 4693338호는 모노리스와 금속케이스 사이의 고온에 높은 저항을 갖는 섬유블래킷(blanket)을 가지는 세라믹 모노리스로 구성되는 접촉컨버터에 관한것이며, 이 블랭킷은 대체로 바인더가 없고 물의 성분이 없으며 심하게 압축되며, 밀봉요소(개스밀봉)이 컨버터의 출구에 인접한 세라믹 모노리스의 단부를 둘러싼다.
본 발명의 금속케이싱 내에 탄력적으로 설치된 촉매 지지체로 구성되는 접촉컨버터에 관한것이며 모노리스를 장착하기위하여 세라믹 섬유를 함유하는 탄력있고 유연한 장착매트를 이용한다. 장착매트는 세라믹 섬유부스러기가 없는 섬유매트로 구성된다. 매트형태의 세라믹 섬유는 부피가 매우 크기때문에 섬유 매트재료를 유기질 끈으로 꿰매어 처리가 뛰어나게 향상된다. 세라믹 섬유매트에서 유기질 끈이 절단되는 것을 막기위하여 꿰매는 동안 유기질 또는 무기질 시이트재료의 얇은층이 매트의 어느 한쪽측이나 양측에 위치할 수 있다. 이 경우에 꿰매는 끈은 고온에서 분해되지 않는것이 바람직하며, 세라믹 끈 또는 스테인레스 강의 끈이 사용될 수 있다.
도면에서, 접촉컨버터(10)은 원뿔대 입구단부(12)와 출구 단부(13)을 가지는 금속케이싱(11)로 구성된다. 다수의 개스유동채널을 갖는 벌집형 모노리스본체 바람직하게는 금속모노리스로 만들어진 모노리스의 촉매부품(20)은 케이싱(11)사이에 배치된다. 세라믹섬유 부스러기가 없는 탄력있고 유연한 섬유매트로 구성된 장착매트(30)은 촉매부품(20)의 둘레에 위치하며 케이싱(11)내에서 촉매부품(20)을 팽팽하게하고 탄력있게한다. 장착매트(30)은 케이싱 내에서 촉매부품(20)을 고정시키고 촉매부품(20)과 케이싱(11)사이의 틈새를 밀봉하여 배기개스가 촉매부품(20)을 우회하는 것을 방지한다.
장착매트(30)을 형성하는데 유용한 부스러기가 없는 세라믹 섬유는 상표 넥스텔 울트라 화이버 312 (Nextel Ultrafiber 312), 넥스텔 울트라 화이버 440, 넥스텔 울트라 화이버 Al2o3, 넥스텔 울트라 화이버 Al2o3-P2o5, 넥스텔 울트라 화이버 ZS-11, 화이버 맥스 화이버(Fibermax fiber),사필 화이버(Saffil fiber)로 제조된다.
밀도 0.21-0.50g/cm3으로 압축될때, 이들 매트는 가열 되는동안 반복적으로 두께가 감소되고 냉각될때 원래의 두께로 돌아가는 독특한 능력을 가지며 따라서 촉매부품(20)을 계속적으로 고정시킨다. 이들 섬유재료들은 밀도 0.020-0.060g/cm3에서 이용될 수 있기 때문에 촉매부품(20)을 설치하기 위하여 사용될때 컨버터(10)에 의하여 압축되어야한다. 촉매컨버터에서 모노리스를 장착하기위한 2-12mm의 틈새속에 설치하기위하여 두께 2-25cm의 매트는 꿰매어지므로 4-25mm 두께로 압축된다. 우선실시예에서 장착매트(30)은 탄력성을 유지하면서 장착매트의 고정력을 향상시키기 위하여 팽창된 시이트재료(32)의 층과 결합된 세라믹 섬유(31)의 층으로 구성된다. 실험은 효과적으로 나타났으며 팽창된 시이트재료(32)의 장착된 두께는 세라믹 섬유층의 장착된(압축된)두께를 초과해서는 안된다. 졸겔방법(sol gel process)에 의하여 형성되고 부스러기가 없는 섬유길이가 5cm보다크고 지름이 2-10미크론인 세라믹 섬유만이 모노리스(20) 특히 금속모노리스를 장착하는데 필요한 높은 탄력성을 제공하는 것으로 생각된다. 종래의 세라믹 섬유는 상표화이버프레스(Fiberfrax) 또는 세라화이버(Cerafiber)같이 용융공정으로 만들어지며 입자부스러기를 함유하며 다음 실험에서 나타나듯이 원하는 성질이 부족하다. 여기서 사용하는 부스러기가 없는 이라는 말은 세라믹 입자를 거의 함유하지 않는 섬유덩어리를 뜻한다.
팽창된 시이트재료(32)는 암모늄 디히드로겐포스페이트, 암모늄 카보네이트, 암모늄클로라이드 또는 다른 적절한 암모늄 화합물같은 암모늄화합물과 이온교환되어 처리되거나 되지않은 약20-65중량%의 팽창되지않은 흑운모 조각으로 이루어지고, (상표 화이버프랙스, 세라화이버와 카오울(Kaowool)로 만들어 지는)알루미노실리케이트섬유, 아스베스토스섬유, 유리섬유, 지트코니아-실리카섬유와 결정알루미나 위스커를 포함하는 약 10-50 중량%의 무기질 섬유재료로 이루어지고, 자연산 고무격자(latice), 스티렌-부타디엔격자, 부타디엔 아크릴로니트릴격자, 아크릴레이트의 격자 또는 메타크릴레이트 중합체 및 공중합체등을 포함하는 약3-20중량%의 바인더로 이루어지고, 팽창된 흑운모와 중공유리미소구체와 벤토나이트를 포함하는 약40%까지의 무기질 충진재로 이루어지는 얇고, 탄력있고, 유연한 팽창된 시인트로 구성된다. 이 얇은 시이트재료는 상표 인터암 장착매트(Interam mounting mat)를 0.5-06mm의 두께로 하여 얻을 수 있다.
부스러기없는 세라믹 섬유의 낮은밀도와 큰부피때문에 그리고 원하는 밀도를 얻기위하여 약10개의 인자에 의하여 압축되어야 하기때문에, 이 세라믹 섬유는 사용하기위한 두께에 가깝게 압축한 형태를 형성하도록 유기질 끈으로 꿰매어지는것이 유용하다는것이 발견되었다. 팽창된 재료의 층이 포함될때 섬유매트에 직접 꿰매어진다. 또한 꿰맨것이 세라믹 섬유에서 잡아당겨지거나 절단되는 것을 막기위하여 꿰매어질때 장착매트의 양측에 백킹층(backing layer)으로서의 매우 얇은 시이트 재료를 덧붙이는것이 유용하다. 보통 3-30mm의 간격으로 꿰매기때문에 이 세라믹섬유는 매트의 전체구역에 걸쳐 균일하게 압축된다.
약 45mm두께의 부스러기없는 세라믹 섬유(넥스텔 울트라 화이버 312)의 장착매트는 팽창된 시이트재료(인터암 매트 시리즈 IV)의 1.5mm 추가두께층을 가지고 꿰매어지고 또한 이 두께층을 갖지않고 꿰매어지고 또한 이 두께층을 갖지않고 꿰매어졌다. 이 매트는 직조되지않은 고밀도 폴리에틸렌(CLAP 2001)의 두개의 얇은시이트(약 0.1mm의 두께)사이에 꿰매어졌다. (끼워졌다). 이 매트는 상기 시이트재료가 사용될 수 있도록 충분한 강도를 가지며 36개의 실로 이루어진 150데니어의 폴리에스터 끈을 사용하여 꿰매어졌다. 10cm당 30스티치(stitch)를 갖는 체인스티치(34)가 스티치 체인사에 10mm의 간격을 가지고 사용하였다.
이 시이트 재료는 꿰매는 (stitching)중에 6.2-6.5mm의 두께로 압축되었다. 그결과 매트의 꿰매진 두께는 팽창된 시이트재료를 갖지않을 때 약 7.0mm 였고 팽창된 시이트재료를 가지는 후자의 경우에서, 팽창된 시이트재료는 꿰매어진 복합체의 전체두께의 약 7%를 차지한다.
금속모노리스에 대하여 다양한 모노리스 장착매트에 의해 가해진 탄성압력을 결정하기위한 실험이 실시되었다. 카트리지히터를 갖는 2개의 스테인레스강 앤빌로 구성된 장치가 접촉 컨버터가 실제로 받는 온도를 조정할 수 있다. 앤빌 사이의 틈새 또는 거리는 컨버터 사용조건에따라 조정될 수 있다(온도가 증가하면 틈새가 감소한다). 실온에서 다양한 장착매트가 양쪽앤빌을 갖는 앤빌들사이에 배치된 다음 4.24mm 의 틈새를 가지고 폐쇄되고 압력이 기록되었다. 그다음 앤빌이 가열되어 상부앤빌은 800°C 가 되고 바닥앤빌은 530°C가 되는 동시에 틈새는 3.99mm로 감소되고 압력이 다시 기록되었다. 마지막으로, 히터가 정지되고 양쪽앤빌이 실온으로 냉각되면서 틈새는 원래의 4.24mm로 되었고 압력이 다시한번 기록되었다.
여러장착매트를 실험한 자료는 표1에 나타난다.
Figure kpo00001
본 발명의 부스러기가 없는 세라믹 섬유를 함유하는 장착매트는 실온을 포함한 모든 온도에서 충분한 힘을 발휘하는 반면 종래의 재료를 함유하는 매트는 그렇지 않았다. 부스러기가 없는 세라믹섬유(넥스텔 울트라 화이버)와 팽창된 시이트재료(인터암 매트)의 바람직한 매트의 조합으로 고온에서 고정력이 상당히 향상되고 또한 실온에서도 적절한 고정력이 유지되었다.
접촉컨버터에서 금속 및 세라믹 모노리스를 견고하게 고정하기위한 여러가지 매트재료의 적합성을 결정하기위하여 핫세이크 테스트(hot shake test)를 사용하여 실험하였다. 이 실험은 배기개스를 컨버터에 통과시키는 동시에 기계적 진동을 받게 하는 것이다. 이 진동은 운홀츠-딕키 포오포레이숀(Unholtz-Dickie Corp.)에서 만들어진 전자기계적 진동기에 의하여 공급된다. 100Hz의 주파수에서 40g's까지의 가속도가 컨버터에 가해진다. 열원으로는 컨버터에 1000℃의 입구개스를 공급할 수 있는 개스버너가 사용된다. 장착재료의 탄력성과 대응하는 고정력을 유지하기위한 장착재료의 능력을 적절하게 실험하기위하여 배기개스온도가 순환되고 장착재료가 차지하는 공간의 크기가 변한다. 1사이클은 1000℃에서 10분과 개스정지에서 10분으로 구성된다. 전체 열사이클을 통하여 진동이 계속된다. 이 실험의 기간은 20사이클이다.
이 실험결과는 표2에 나타난다.
Figure kpo00002
본 발명의 부스러기없는 세라믹 섬유를 함유하는 장착매트는 이 실험에서 합격됐으나 장착 세라밀 모노리스용 매트를 만들기 위해 사용된 종래의 재료로 만들어진 장착매트는 합격되지 않았다.

Claims (9)

  1. 금속케이싱(11)을 갖고, 상기 케이싱(11)내에 배치된 고체촉매부품(20)을 갖고, 상기 촉매부품(20)을 배치하고 기계적 및 열적충격을 흡수하기위하여 상기 촉매부품(20)과 상기 금속케이싱(11)사이에 배치된 탄력수단(30)을 갖는 접촉컨버터(10)에 있어서, 상기 탄력수단(30)은 0.25~0.50 g/cm3의 밀도까지 상기 촉매부품(20)의 측면에 대하여 꿰매어져 압축된 4-25mm의 두께로 감싸여진 부스러기 없는 세라믹 섬유의 탄력있고 유연한 섬유매트(31)로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄력수단(30)은 팽창된 재료의 층(32)로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 팽창된 재료의 층(32)는 상기 세라믹 섬유매트(31)의 두께보다 작은두께를 갖는것을 특징으로하는 접촉컨버터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 팽창된 재료층(32)는 20-65 중량%의 팽창되지 않은 흑운모조각과 10-50중량%의 무기질 섬유재료와 3-20 중량%의 바인더와 40 중량%까지의 무기질 충전재로 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉컨버터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 팽창되지않은 흑운모 조각은 암모늄화합물과 이온 교환된것을 특징으로 하는 접촉컨버터.
  6. 제3항에 있어서, 상기 무기질 섬유재료는 알루미나-실리케이트섬유, 아스베스토스섬유, 유리섬유, 지르코니아-실리카섬유 또는 결정알루미나 위스커인것을 특징으로하는 접촉컨버터.
  7. 제3항에 있어서, 상기 바인더는 천연고무의 유액, 스티렌-부타디엔 공중합체, 부타디엔-아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴레이트 중합체 또는 메타크릴레이트 중합체인것을 특징으로하는 접촉컨버터.
  8. 제3항에 있어서, 상기 무기질 충진재는 팽창된 흑운모, 중공의 유리 미소구체 또는 벤토나이트인것을 특징으로 하는 접촉컨버터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 부스러기없는 세라믹 섬유는 알루미나-보리아-실리카섬유, 알루미나-실리카섬유, 알루미나-포스포러스 펜톡사이드섬유, 지르코니아-실리카 섬유와 알루미나 섬유인것을 특징으로하는 접촉컨버터.
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