KR20010071322A - 변화하는 채널의 수를 가지는 단일체의 금속 벌집형 몸체 - Google Patents

변화하는 채널의 수를 가지는 단일체의 금속 벌집형 몸체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체가 유동의 방향으로 유동할 수 있는 단일체의 벌집형 몸체에 관한 것이다. 상기 벌집형 몸체는 유체가 유동과 접촉하는 면과 유체의 유동으로부터 상호 이격된 표면을 포함한다. 벌집형 몸체는 여러층으로 배열되고 적어도 부분적으로는 구조화된 박판(11)을 포함한다. 박판(11)의 구조는 유동의 방향으로 채널(3)의 벽을 형성한다. 유동의 방향으로 바라볼때, 다수의 채널(3)은 연속적으로 다른 부분의 색션내로 배열된다. 구조화된 박판(11)의 하나 이상의 부분은 유체의 유동과 접촉하는 면으로부터 유체의 유동과 떨어진 면까지 연장한다. 각각의 이와 같은 박판(11)은 다른 크기를 가지는 하나 이상의 제 1 구조물(7) 및 제 2 구조물(8)을 포함한다. 이와 같은 구조물(7, 8)의 하나 이상은 벌집형 몸체의 축 방향 길이의 부분적 섹션 위로 연장한다. 부가적인 박판은 연속하는 박판 사이에 배열되고 부분적 면적 내에서 단면적당 다수의 채절을 형성하도록 제공된다. 이와 같은 부가적인 박판은 또한 상기 부분적 면적내의 열용량을 증가시키기 위해 더 두껍다. 다른 크기이며 유동의 방향에 대해 본질적으로 수직하게 향하는 3차원의 상호 이격된 선(15)은 인접한 구조물(7, 8)사이에서 구조화된 박판(11)내에 배열된다.

Description

변화하는 채널의 수를 가지는 단일체의 금속 벌집형 몸체{MONOLITHIC, METALLIC HONEYCOMB BODIES WITH A NUMBER OF VARYING CHANNELS}
이러한 형태의 벌집형 본체에 대하여는, 예를 들면 EP 0 245 737 B1 및 EP 0 430 945 B1에 공지된 바와 같이 다수의 설계가 알려져 있다.
대부분의 효율적인 배기 가스 방출 제어에 대하여는 다른 벌집형 구조물 또는 벌집형 크기를 가지는 다수의 박판을 유동의 방향과 직렬로 배열하는 것이 타당하다고 알려져 있다. 그러나 이러한 본체는 단일체가 아니므로, 이 결과 생산과 케이스 파이프의 결합 및 벌집형 본체의 코팅에는 많은 비용이 소모된다. 물결모양의 주름진 크레스트(corrugation crests) 또는 물결모양의 주름진 트러프(corrugation troughs)의 부분적 면적을 뒤집어서 형성하는 금속 벌집형 본체에 대한 부가적인 내부 유동 엣지는 이미 예를 들면 EP 0 484 364 B1에 공지되어 있다. 비록, 벌집형 본체의 내부 유동 분포에 관한 것이지만, 이로부터 촉매적으로 반응하는 이용 가능한 표면이 그대로 유지되면서 직렬로 배열된 다른 크기의 덕트의 박판의 유동 분포와 비슷한 효과를 얻을 수 있으며, 이로 인해 직렬로 배열된 다른 크기의 덕트를 가지는 박판의 모든 장점을 실제로는 얻을 수 없다.
US 5 549 873 A는 리딩 영역(leading area)이 다수의 작은 덕트와 박판 금속 층내의 컷-아웃(cut-outs)으로 인해 리메이닝 영역(remaining area)보다 낮은 열용량을 가지는 단일체의 벌집형 몸체를 공지한다.
벌집형 몸체가 단일체의 몸체가 되기 위해서는 내부적인 결합을 필요로 한다. EP 0 542 775 B1에서 내부적 결합은 평탄한 또는 덕트의 크기에 관하여 약간 구조화된 박판 금속 층에 의해 이루어지며, 벌집형 몸체내의 박판 금속 층의 부분은 입구 유동 단부에서 출구 유동 단부까지 계속하여 연장한다. 벌집형 몸체는 유동 방향으로 계속되는 다른 단면내의 단면적에 대해 다른 개수의 박판 금속 층과 덕트 즉 다른 크기의 덕트를 가진다. EP 0 543 775 B1에서 공지된 벌집형 몸체에서, 덕트의 개수와 이로 인한 촉매적인 반응 표면의 바람직한 변화는 단일체의 벌집형 모체가 다른 폭 및 다른 크기의 구조로부터 제작됨으로서 이루어 진다. 본 발명은 이와 같은 기술로부터 진행된다.
이와 같은 벌집형 몸체의 생산은 다수의 다른 구조화 박판이 서로의 상부에 나란히 배열되기 때문에 상대적으로 비싸다. 이와 같은 층 스택(stack)은 상대적으로 다루기 힘들며, 특히 양 단부를 가지는 스택이 최소의 양 고정된 지점 주위에 감겨지게 되는 경우 힘들다.
본 발명은 내연 기관으로부터 배기 가스 방출의 촉매 전환을 위한 촉매 운반체의 본체에 사용되는 단일체의 금속 벌집형 본체(monolithic metal honeycomb body)와, 이에 대한 생산 방법에 관한 것이다.
도 1은 벌집형 몸체의 개략적인 사시도이다.
도 2, 도 3 및 도 4는 도 1에서 선 Ⅱ-Ⅱ, Ⅲ-Ⅲ 및 Ⅳ-Ⅳ를 따른 부분 단면도이다.
도 5는 도1에서 벌집형 몸체의 개략적인 횡단면도이다.
도 6은 구조화된 금속 박판의 사시도이다.
도 7은 수정된 벌집형 몸체의 개략적인 종단면도이다.
본 발명의 목적은 변화하는 덕트의 수와 섹션(section)에서 섹션까지 변화하는 열용량을 가지는 단일체의 벌집형 몸체에 대한 손 쉬운 제작을 규명하고 이에 상응하는 생산 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적은 입구 유동 단부 및 상기 단부로부터 거리를 두고 있는 출구 유동 단부를 구비하며 유체가 유동의 한 방향으로 유동할 수 있는 단일체의 벌집형 몸체에 의해 달성되며, 이는 여러층으로 배열된 구조화된 금속 박판을 적어도 부분적으로는 감싸며, 유동 방향으로 덕트벽을 형성하는 구조이며, 다수의 덕트는 유동 방향의 다른 연속하는 단면을 변화시킨다. 몸체의 내부 결합은 적어도 구조화된 금속 박판이 입구 유동에서 출구 유동까지 연장되고, 각각의 금속 박판은 적어도 다른 크기의 제 1 및 제 2 구조물을 가지며 적어도 상기 구조물의 하나는 한쪽 섹션위로 연장된다.
알려진 단일체의 벌집형 몸체와 비교하면, 내부 접속은 평탄한 또는 덕트의 크기와 근사하게 구조화된 박판 금속 층에 의해 이루어 질뿐만 아니라, 유동 방향으로의 덕트를 형성하는 구조의 구조화된 금속 박판에 의해서도 이루어진다. 이는 몸체의 결합을 강화시키며, 그리고/또한 더 적은 개개의 구조화된 박판 금속이 취급되므로 생산도 단순화된다.
벌집형 몸체의 바람직한 실시예에서, 벌집형 몸체는 구조화된 금속 박판 사이에 배열된 평탄한 또는 덕트의 크기와 근사하게 구조화된 금속 박판을 가진다. 평탄한 또는 덕트의 크기와 근사하게 구조화된 금속 박판은 적어도 벌집형 몸체의 한쪽 섹션위로 연장된다. 벌집형 몸체의 전체 길이로 연장하는 평탄한 금속 박판도 제공될 수 있다. 이와 같은 평탄한 또는 덕트의 크기와 근사하게 구조화된 금속 박판은 벌집형 몸체의 부가적인 내부 지지를 제공하며, 벌집형 몸체의 단일체의 특성을 더 강화한다.
추가의 아이디어에 따라 벌집형 몸체의 적어도 한쪽 섹션위로 연장하는 구조화된 금속 박판을 가지는 벌집형 몸체를 제공하는 것이 제안된다. 이와 같은 벌집형 몸체는 다른 폭과 다른 크기의 구조를 가지는 금속 박판으로부터 연속적으로 제작될 수 있으며, 다수의 덕트와 촉매 작용의 표면 면적의 변화를 얻을 수 있다. 부가적으로 구조화된 금속 박판은 바람직하게는 입구 유동에서 출구 유동 단부까지 연장하는 금속 박판 사이에서 배열된다. 이들 박판은 후자의 금속 박판 사이의 간격을 점유한다.
추가의 구조화된 금속 박판은 벌집형 몸체가 유동 방향으로 일정한 단면을 가지도록 배열된다. 이와 같은 벌집형 몸체는 원형 단면의 벌집형 몸체의 경우에는 관모양인 간단한 설계의 케이스를 필요로 한다.
전체 몸체를 통과하여 오른쪽으로 연장하는 각각의 구조화된 금속 박판은 공통의 평면에 대해 대칭적으로 설계된 구조를 바람직하게도 가진다. 따라서 설계된 금속 박판으로부터 제작된 벌집형 몸체는 배향을 고려할 필요가 없으므로 다루기가 쉽다.
벌집형 몸체는 바람직하게도 전체 몸체를 통과하여 오른쪽으로 연장하는 구조화된 금속 박판과 서로 거리를 두고 유동 방향과 횡단하는 다른 크기의 인접한 구조물 사이로 향하는 물리적인 분할선(physical dividing lines)을 가진다. 이와 같은 금속 박판의 장점은 다른 크기의 인접한 구조물 사이에 급격한 변화가 존재한다는 것이다. 다른 크기의 구조물의 직선 크기는 물리적인 분할선의 길이와 동일하다. 구조물은 높이 또는 형상은 다르다.
다른 크기의 인접한 구조물 사이의 접속은 물리적인 분할선 사이의 섹션에 의해 유지된다. 두개의 인접한 분할선 사이의 섹션은 적어도 부분적으로는 인접한 구조물의 플랭크(flank)위에 위치한다. 구조물은 예를 들면 물결 또는 구불구불한 형상을 가지고 있다. 구불구불한 구조물의 경우에는 섹션은 인접한 구조물의 전체 공통의 플랭크위로 연장한다. 구조물이 다른 크기의 물결 모양으로 설계된 경우, 인접한 구조물은 바람직하게도 동일한 기울기의 플랭크를 가진다. 이때 두개의 물리적인 분할선 사이의 섹션은 상기 공통의 플랭크 위에 위치한다.
공통의 플랭크 대신에 인접하는 구조물은 공통의 크레스트 및/또는 트러프를 가진다.
벌집형 몸체에 대한 설계는 다수의 개개의 금속 박판으로부터 제작될 수 있다고 알려져 있다. 또한 설계는 전체 벌집형 몸체가 단지 하나 또는 두개의 나선형으로 감긴 또는 구불구불하게 층이난 금속 박판을 포함하는 것으로 알려져 있다. 청구항 및 명세서에서 한데 얽힌 용어는 일반적인 용어로서 사용되며, 개개의 금속 박판이 감겨졌는지 또는 펴졌는지는 중요하지 않다. 또한 본 발명은 구조화된 금속 박판이 평탄한 금속 층에 의해 분리되지 않은 설계에 대하여도 이용할 수 있으며, 인접한 구조화된 금속 박판은 대신에 서로 각지게 향하는 구조물을 가진다.
많은 응용에 대해 벌집형 몸체가 입구 단부 지역보다 내부적으로 더 큰 열용량을 가지는 것은 바람직하다. 벌집형 몸체가 내연 기관의 배기 시스템에서 촉매운반체로 사용되는 경우, 이와 같은 특성은 중단된 작동 후에 엔진을 재 시동하는 경우와 예를 들면, 디젤 엔진 및 린번 엔진의 경우에 상대적으로 낮은 배기가스 방출이 촉매 변환기에 도달하는 심한 동요하는 작동 상태 하에서도 계속되는 촉매 변환이 가능하도록 한다. 본 발명의 경우에, 열용량은 박판 금속 층의 두께에 의해 영향을 받으며, 이로 인해 추가의 박판 금속 층은 선택된 영역내의 열용량을 증가시키기 위해 선택된 영역 내에서 적어도 부분적으로는 더 두껍도록 만들어진다.
단일체의 벌집형 몸체의 생산을 위해, 구조물의 형성 전 또는 형성하는 동안 상호 이격된 물리적인 분할선을 유동 방향에 횡단하게 향하는 공통의 가상적인 선 위의 각각의 금속 박판과 결합시키는 것과 선의 한쪽 측면 위의 다른 구조물을 형성하는 것이 제안된다. 다른 구조물은 연속적으로 또는 동시에 형성된다.
분할선은 금속 박판을 전단함으로서 만들어 진다. 이와 같은 절단 과정은 바람직하게는 회전 커터와 같은 커터에 의해 수행된다. 또한 제안에 의하면 물리적 분할선은 레이저 커팅 과정에 의해 금속 박판 내로 형성된다.
분할선 및 구조물은 박판 금속 조각이 공통의 축에 나란히 위치한 두개의 다른 주름진 롤러를 통과하여 향하도록 제작되는 경우, 유리하게도 동시에 형성된다.
더 자세한 세부사항 및 실시예는 도면을 참고하여 설명된다.
도 1은 입구 유동 단부(1) 및 출구 유동 단부(2)를 가지는 본 발명에 의한 벌집형 몸체의 실시예의 사시도이다. 벌집형 몸체는 전체 벌집형 몸체를 통과하여 오른쪽으로 연장하는 구조화된 금속 박판(11)으로부터 내부적 결합을 유도한다. 구조화된 금속 박판은 도 2, 3 및 4에 도시된 바와 같이 S형상이다. 섹션(A, B, C)에서 구조화된 금속 박판(11)은 각각 7, 8, 및 9로 표시된 다른 구조를 가진다. 평탄한 금속 박판(4)은 구조화된 금속 박판(11) 사이에 배열된다. 평탄한 금속 박판(4)과 함께 구조물(7, 8, 9)은 각각 유동 덕트(3)를 형성하며, 섹션(A, B 및 C)내의 단면적은 서로 다르다.
도 5는 세로방향의 섹션에서 벌집형 몸체의 도면이다. 평탄한 금속 박판은 실선으로 도시되어 있다. 도 5에서의 해치선(hatched lines)은 물결모양의 금속 박판의 구조물을 도시한다.
벌집형 몸체는 3개의 섹션(A, B, C)을 가진다. 단면적당 덕트의 수는 각각의 섹션 내에서 다르다. 섹션 A에서 입구 유동 단부(1)에서 출구 유동 단부(2)까지 연장하는 구조화된 금속 박판(11)은 연속하는 섹션 B, C와 마주보는 높이가 가장 큰 구조물(7)을 가진다. 구조화된 금속 박판(11)은 평탄한 금속 박판(4)에 의해 서로 분리되어 있다. 도 5에서 도시된 실시예에서 평탄한 금속 박판(4)은 입구 유동 단부(1)에서 출구 유동 단부(2)까지 연장한다. 이는 금속 박판(11)사이의 섹션 B, C에서 전체 구조물 높이가 섹션 A에서 구조물 높이(7)와 동일하다는 사실에서 기인한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 구조물의 높이는 점선으로 도시된 평면(12)에 대해 대칭적으로 연장한다. 부가적인 평탄한 박판(5) 및 구조화된 금속 박판(13)은 섹션 B내에 배열된다. 구조화된 금속 박판(13) 및 평탄한 금속 박판(5)은 단지 섹션 B 위로 연장한다. 구조화된 금속 박판(13)은 연속적인 구조화된 금속 박판(11) 사이의 중간 공간을 채운다.
섹션 C에서 부가적인 평탄한 금속 박판(6)은 구조화된 금속 박판(11, 14) 사이에 배열된다.
이제 도 6은 구조화된 금속 박판(11)의 개략적인 사시도를 도시하고 있다. 구조화된 금속 박판(11)은 물결모양의 주름진 구조를 가지고 있다. 물결모양의 주름은 인벌루트 기어(involute toothing)에 의해 생산된다. 도 6에서 도시된 바와 같이, 구조화된 금속 박판(11)은 제 2 구조물(8)의 뒤를 따르는 제 1 구조물(7)을 가진다. 구조물(7, 8)은 구조물내의 높이 및 물결모양의 주름진 크레스트(17)와 물결모양의 주름진 트러프(18) 사이의 간격이 다르다. 구조물(7)의 접속 지점(16A, 16B) 사이의 직선 길이는 구조물(8)의 직선 길이와 같다. 구조물(7, 8)은 물리적 분할선(15)에 의해 서로 분리된다. 접속은 공통의 플랭크(19)에서 이루어진다. 플랭크(19)의 기울기는 접속 지점에서 구조물(7, 8)의 양쪽과 일치한다.
도 7은 벌집형 몸체의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도시된 벌집형 몸체는두개의 섹션(A, B)을 가진다. 도시된 벌집형 몸체는 연속적으로 구조화된 금속 박판(20, 21, 22)을 가진다. 구조화된 금속 박판(20, 21, 22)은 두개의 구조물(7, 8)을 가진다. 구조물 7은 구조물 8의 크기 보다 더 크다,
부가적인 금속 박판(13, 14)은 섹션(A)내에 제공된다. 벌집형 몸체의 입구 유동 단부 섹션(A)은 덕트가 외측 지역 보다 큰 중앙 지역을 가진다. 이러한 크기는 벌집형 몸체의 외측 유동 지역내의 촉매적으로 활성화된 표면을 증가시킨다. 도 7에 도시된 바와 같이, 단면적당 덕트의 수는 유동 방향의 횡단 방향 내에서 변화한다. 구조화된 금속 박판(20, 21 및 22)은 동일한 설계이다. 도 7에서 도시된 배열은 유동 방향에 수직한 축에 대해 금속 박판(22)을 약 180°회전함으로서 얻을 수 있다.

Claims (16)

  1. 입구 유동 단부(1) 및 상기 단부로부터 거리를 두고 있는 출구 유동 단부(2)를 구비하며 유체가 유동의 한 방향으로 유동할 수 있는 단일체의 벌집형 몸체로서,
    여러층으로 배열된 적어도 부분적으로는 구조화된 금속 박판(11, 20, 21, 22)을 포함하며,
    상기 금속 박판 중 유동 방향으로 있는 박판이 덕트(3)의 벽을 형성하며,
    상기 덕트(3)의 크기가 유동 방향으로 직렬로 위치한 다른 섹션(A, B, C)에서 변화하며,
    상기 구조화된 금속 박판(10, 20, 21, 22)의 하나 이상의 부분이 상기 입구 유동 단부(1)로부터 출구 유동 단부(2)까지 연장하며,
    상기 금속 박판(10, 20, 21, 22) 각각이 적어도 다른 크기의 제 1 구조물(7) 및 제 2 구조물(8)을 가지며, 그리고
    상기 구조물중 하나 이상이 단지 하나의 섹션(A, B, C)에서 연장하는 벌집형 몸체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 구조화된 박판(10, 20, 21, 22) 사이에 배열된 덕트(3)의 크기에 관하여 평탄하거나 약간 구조화된 금속 박판(4, 5, 6)을 가지는데, 덕트(3)의 크기에 관하여 상기 평탄하거나 약간 구조화된 상기 금속 박판(4,5, 6)이 하나 이상의 섹션(A, B, C)에서 연장하는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 섹션(A, B, C)에서 연장하는 추가의 구조화된 금속 박판(13, 14, 15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 입구 유동 단부(1)에서 상기 출구 유동 단부(2)까지 연장하는 상기 구조화된 금속 박판(10, 20, 21, 22) 사이의 간격이 상기 하나 이상의 섹션(A, B, C)내에서 상기 추가의 구조화된 금속 박판(13, 14)에 의해 차지되는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 벌집형 몸체가 유동 방향으로 일정한 단면을 가지도록 상기 추가의 구조화된 금속 박판(13, 14)이 배열된 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 유동 단부(1)에서 상기 출구 유동 단부(2)까지 연장하는 상기 금속 박판(11, 20, 21, 22)의 각각의 상기 구조물(7, 8)이 공통의 평면(12)에 대해 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 유동 단부(1)에서 상기 출구 유동 단부(2)까지 연장하는 각각의 금속 박판(11, 20, 21, 22)이 서로 간격을 두고 형성되며 다른 크기의 상기 인접한 구조물(7, 8, 9) 사이의 유동 방향에 본질적으로 횡단하게 향하는 물리적인 분할선(15)을 가지는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  8. 제 7 항에 있어서, 두개의 인접한 분할선(15) 사이의 섹션이 상기 인접한 구조물(7, 8)의 공통의 플랭크(19)위에 적어도 부분적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  9. 제 7 항에 있어서, 두개의 인접한 분할선(15) 사이의 섹션이 상기 인접한 구조물(7, 8)의 공통의 크레스트(17)위에 또는 트러프(18)내에 적어도 부분적으로 위치하는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  10. 제 1 항에 있어서, 인접한 구조화된 금속 박판이 서로 미끄러질 수 없도록 서로 경사지게 향하는 구조물을 가지는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  11. 제 1 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 박판의 하나 이상의 부분이 상기 금속 박판의 나머지 부분 보다 더 큰 두께를 가지며, 특히 내부 섹션(B)내의 상기 추가의 금속 박판이 연속적인 상기 금속 박판(10, 20, 21, 22)보다 더 큰 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 벌집형 몸체.
  12. 유체가 유동의 한 방향으로 유동할 수 있으며, 하나 이상의 금속 박판으로 형성되어 있는 구조물이며 상기 하나 이상의 금속 박판이 벌집형 몸체를 형성하기 위해 한데 얽혀있으며, 유동 방향의 구조물이 덕트(3)의 벽을 형성하는 단일체의 벌집형 몸체의 생산 방법에 있어서,
    상기 구조물(7, 8, 9)을 형성하기 전에 또는 형성하는 동안 상호 이격된 물리적인 분할선(15)을 유동 방향에 본질적으로 횡방향으로 향하는 공통의 가상적인 선상에서 각각의 금속 박판(11, 20, 21, 22)에 만들며, 상기 구조물의 크기, 특히 구조물 높이가 서로 다른 크기를 가지는 상기 구조물(7,8)을 상기 선의 한쪽 측면 위에 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 분할선(15)이 상기 금속 박판(11, 20, 21, 22)을 절단에 의해 만들어 지는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 분할선(15)이 상기 금속 박판(11, 20, 21, 22)을 커터 특히 회전 커터에 의한 절단에 의해 만들어 지는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 분할선(15)이 상기 금속 박판(11, 20, 21, 22)을레이저 절단에 의해 만들어 지는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 다른 크기의 상기 구조물 및 상기 분할선이 어떤 축위에 나란히 배열된 다른 물결모양의 주름진 롤러를 사용하는 상기 금속 박판의 물결모양 주름에 의해 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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