KR100471590B1 - 삼원촉매 변환장치의 금속촉매담체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상하 돌기인 평면호일과 상하 돌출부위의 홈인 주름호일을 기계적으로 결합하여 만들어진 원통형 담체가 매니폴드앞에 설치됨에 따라 초기 시동때부터 차량의 배기가스를 정화시켜 줄 수 있는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 금속촉매담체은, 평면호일과 주름호일이 상호 겹치도록 나선형으로 감아 담체를 조립함에 있어서, 상기 평면호일은 양면으로 표면처리하는 니켈도금층을 형성시켜 그 위에다 환원촉매금속으로 로듐도금층이 각기 형성되고, 이런 양면을 따라 일정한 간격으로 볼록한 돌기가 기계적으로 형성시키게 되고; 상기 주름호일은 양면으로 표면처리하는 니켈도금층을 형성시켜 그 위에다 산화촉매금속으로 백금도금층이 각각 형성되고, 상기 평면호일의 돌기와 대응되게 돌출부위에 각 홈이 기계적으로 형성시키게 되며; 상기 평면호일과 주름호일이 자동 기계적으로 동시에 조립될 때 이들 요철이 상호 접촉하여 원통형 담체로 고정된 것을 특징으로 한다.

Description

삼원촉매변환장치의 금속촉매담체{METALLIC MONOLITHS SUBSTRATE OF 3-WAY CATALYTIC CONVERTER}

본 발명은 상하 돌기인 평면호일과 상하 돌출부위의 홈인 주름호일을 기계적으로 결합하여 만들어진 원통형 담체가 매니폴드앞에 설치됨에 따라 시동 초기때부터 차량의 배기가스를 정화시킬 수 있는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 섭씨 900도이상의 고온상태에서 삼원촉매반응이 일어나도록 기계적으로 결합된 상기 평면호일과 상기 주름호일의 원통형내에서 각기 배열 적층된 환원도금층과 산화도금층으로부터 산화/환원작용시켜 급가속및 급제동에도 유해 배출가스의 저감효율을 증진시킬 수 있는 금속촉매담체에 관한 것이다.

보통, 차량을 움직이게 하는 주동력의 엔진은 흡배기장치로서 연료를 실린더내 흡입기로 흡입하여 연소하고 연소후 가스를 배출해야 된다. 먼저, 흡기장치로는 실린더에 흡입하는 공기중 먼지등을 제거하는 에어클리너와 각 실린더에 혼합기를 분배하는 흡기매니폴드로 구성되어 있다. 배기장치로는 각 실린더의 배기가스를 종합하는 배기매니폴드, 배기파이프, 소음기및 배기가스중의 유해한 성분을 무해하게 산화/환원시키는 촉매변환장치로 구성되어 있다.

상기 배기파이프의 도중에 설치되는 촉매변환장치는 통과함에 따라 배기가스중 유해한 일산화탄소, 탄화수소및 질소산화물을 무해한 이산화탄소, 물및 질소로 산화, 환원시키도록 되어 있다. 즉, 공기의 정화를 위해 탄화수소와 일산화탄소를 완전히 연소시켜야 하는 바, 자동차의 촉매변환장치에는 백금촉매가 들어 있어 공기 오염물질을 무해한 물질로 바뀌어 준다. 그리고, 상기 촉매변환장치는 기능상 산화촉매변환장치와 삼원촉매변환장치로 구분되고 있다.

그 중 삼원촉매변환장치는 촉매작용을 하는 귀금속으로 백금+로듐 또는 백금+로듐+팔라듐을 사용하고 배기가스중의 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 동시에 저감시키는 기능을 갖게 되었다. 그래서 많이 사용되고 있는 삼원촉매변환장치는 자동차 엔진의 시동초기 촉매가 활성화되기 이전에 일정한 온도이하에서는 유해성분의 제거가 원활히 이루어지지 않고, 특히 촉매가 특정의 활성화 온도에 못할 경우에는 탄화수소를 정화시키지 못한 대로 대기중으로 배출하게 된다는 결점이 있었다.

이를 테면, 차량의 냉간 시동시에 배출되는 유해배출물을 감소시켜야 하는 데, 이는 차량이 충분히 웜업된 다음 삼원촉매의 내부온도도 높아지므로, 효율이 높아져서 실제 차량으로부터 배출되는 유해 배출물은 매우 작다. 그러나, 차량의 웜업되지 않는 냉간 시동시에는 삼원촉매의 온도가 낮아져 유해 배출가스의 정화효율이 낮아짐으로 유해 배출물의 양이 많아지고, 이를 줄이고자 전기가열식 삼원촉매기를 채용하게 되었다.

전기가열식 삼원촉매기에는 내부에 하니컴이 설치되어 가스를 정화하도록 되어 있고, 이 삼원촉매기가 배기가스를 높은 온도로 가열시켜 삼원촉매변환장치의 변화효율을 짧은 시간내에 상승시키므로, 냉간 시동시 전기를 가하여 빠른 시간내에 배기가스를 가열 정화시키는 것이다. 보통 금속하우징내에 들어 있는 담체 (SUBSTRATE)는 삼원촉매기의 골격으로 구술형, 세라믹 일체형, 그리고 금속일체형등이 있다.

그 일례로써 촉매금속물질이 코팅된 세라믹으로 구성되는 삼원촉매변환장치의 담체는 진동이나 충격에 취약하여 금속용기인 하우징과 담체사이에 금속섬유등과 같은 탄성물질을 채워두기 때문에, 제조시 공정이 복잡할 뿐만 아니라 자체 무게가 증가하고 제조원가가 높은 측면이 있다. 또한, 세라믹 특성상 담체의 촉매활성온도까지 올리는 데 상대적으로 많은 시간을 요하게 되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 감안하여 세라믹담체를 금속제담체로 대체함으로 취약한 문제점을 보완할 수 있고, 촉매활성온도까지 단시간내 도달할 수 있어 촉매효율을 증가시킬 수 있는 잇점이 있다. 따라서, 종래의 금속제담체를 제조하는 방법에 있어, 담체를 구성하는 평면호일과 주름호일에다 팔라듐, 로듐, 백금등을 코팅내지는 도금하여, 상기 평면호일과 주름호일을 상호 겹치도록 나선형으로 감아 담체를 조립한 다음 분말형 블레이징 금속을 담체에 골구루 분산시켜서 열처리하여 블레이징하게 되었다.

또한, 미국특허 제5,971,255호(발명의 명칭 : 서포팅촉매용 금속제 하니컴보디를 생산하는 프로세스및 장치)에 게재되어 있는 바와 같이, 블레이징용 금속호일의 조각을 미리 설정한 블레이징 위치에 조립하게 되고, 이때 동시에 삽입하여 열처리하므로서 블레이징하는 방법이 소개되고 있다.

상기와 같은 종래의 금속제담체를 제조하는 방법등은 조립된 금속제담체를

고정하기 위하여 블레이징 공정이 추가해야 되고, 이를 전기가열식 삼원촉매변환장치에 적용할 경우에는 블레이징의 위치가 불균일하게 되어, 열전도및 전기 전도도가 다소 감소되고 있음으로 촉매효율이 감소하게 된다는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같이 종래 금속제담체의 제조방법이 갖고 있는 문제점을 해소하기 위해 발명한 것으로, 촉매활성온도까지의 도달시간을 단축시키고 섭씨 900도 이상의 고온상태에서 삼원촉매반응이 일어나 유해배출가스를 촉매효율을 초기 시동때부터 증가시킬 수 있고, 또한 평면호일에 환원촉매금속을, 주름호일에 산화촉매금속을 각기 형성시켜 상호 겹치도록 나선형으로 감아 담체를 기계적으로 조립함으로 원통형 담체의 고온 촉매효율을 증가시킬 뿐만 아니라 도금 열화를 적게 하여 수명도 연장시킬 수 있는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 금속촉매담체는 산화면적이 환원면적보다 더 넓도록 환원촉매금속이 도금된 평면호일에 상하 돌기를 일정한 간격으로 형성시키는 한편 산화촉매금속이 도금된 주름호일의 돌출부위에 홈을 형성시켜 이들을 기계적으로 조립할 때 이들 요철이 상호접촉하여 결합함으로 전기및 열전도가 향상됨과 더불어 블레이징 공정없이 담체가 원통형으로 고정될 수 있는 금속촉매담체를 제공할 수도 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 평면호일과 주름호일이 상호 겹치도록 나선형으로 감아 담체를 조립함에 있어서, 상기 평면호일은 양면으로 표면처리하는 니켈도금층을 형성시켜 그 위에다 환원촉매금속으로 로듐도금층이 각기 형성되고, 이런 양면을 따라 일정한 간격으로 볼록한 돌기가 기계적으로 형성시키게 되고; 상기 주름호일은 양면으로 표면처리하는 니켈도금층을 형성시켜 그 위에다 산화촉매금속으로 백금도금층이 각각 형성되고, 상기 평면호일의 돌기와 대응되게 돌출부위에 각 홈이 기계적으로 형성시키게 되며; 상기 평면호일과 주름호일이 자동 기계적으로 동시에 조립될 때 이들 요철이 상호 접촉하여 원통형 담체로 고정된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2 는 본 발명의 실시예에 관한 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체에서 사용되는 평면호일및 주름호일의 단면도로서, 본 발명의 금속촉매담체를 구성하는 알루미늄 평면호일(1)과 주름호일(4)는 상호 겹치도록 나선형으로 감아 원통형 담체를 기계적으로 조립하도록 되어 있는 바, 이들 호일(1, 4)은 도금층을 형성시키는 전단계 과정으로 제 2인산소다처리와 제 2인산 암모니아처리를 거쳐 염화 암모니아처리를 행한다. 이후 금속호일과 도금금속간의 결합력을 높히기 위하여 상기 평면호일(1)과 주름호일(4)양면에 표면처리를 위해 약 0.1 마이크로미터의 두께로 니켈도금층(2)을 각각 형성시킨다.

도 1 에 도시된 평면호일(1)은 양면으로 표면처리하는 니켈도금층(2)을 형성시켜 그 위에다 환원촉매금속으로 로듐도금층(3)이 각기 약 0.2 마이크로미터의 두께로 형성되어 있고, 이런 양면을 따라 일정한 간격으로 볼록한 돌기(7)가 기계적으로 도 3 에 도시된 바와 같이 형성되어 있다. 따라서, 상기 평면호일(3)은 금속호일을 매개로 상하로 니켈도금층과 환원촉매금속층을 각각 적층시킨 상태에서 도시되지 않는 2개의 롤러사이로 들어가서 눌려져 배출됨으로 일정한 간격의 돌기가 형성되어지고 있다.

도 2 에 도시된 주름호일(4)은 양면으로 표면처리하는 니켈도금층(2)을 형성시켜 그 위에다 산화촉매금속으로 팔라듐도금층 또는 백금도금층(6)이 각각 형성되어 있다. 상기 팔라듐도금층은 약 0.2 마이크로미터의 두께로 도금을 행하고, 상기 백금도금층(6)은 약 0.2 마이크로미터의 두께로 표면을 마무리 도금처리한다. 상기 주름호일(4)는 별도의 기계장치를 통해 나선형으로 되도록, 도 4 에 도시된 바와 같이 상기 평면호일(1)의 돌기(7)와 대응되게 일정한 각도의 돌출부위(8)에 각 홈(9)이 형성되어지고 있다.

따라서, 주름호일(4)는 금속호일을 매개로 상하로 니켈도금층, 산화촉매금속층인 팔라듐도금층 또는 백금도금층(6)을 적층시킨 상태에서 기계적으로 일정하게 배열되는 돌출부위(8)의 홈(9)이 형성되어져 있다. 그러므로, 상기한 바와 같이 평면호일(1)과 주름호일(4)이 자동 기계적으로 동시에 조립될 때 이들 요철(7, 9)이 상호 접촉하여 고정됨으로 종래와 달리 블레이징 공정이 필요없게 된다.

따라서, 본 발명은 환원촉매금속의 평면호일(1)보다 더 넓은 산화촉매금속의 주름호일(4)을 기계적으로 결합하여 만들어진 원통형 담체가 엔진의 매니폴드앞에 설치됨에 따라 종래와 달리 시동 초기때부터 차량의 배기가스를 정화시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체는 섭씨 900도이상의 고온상태에서 삼원촉매반응이 일어나도록 기계적으로 결합된 상기 평면호일(1)과 상기 주름호일(4)의 원통형 담체내에서 각기 배열 적층된 환원도금층과 산화도금층으로부터 산화/환원작용시켜 급가속및 급제동에도 유해 배출가스의 저감효율을 증진시킬 수 있다.

본 발명은 환원촉매금속의 평면호일(1)과 산화촉매금속의 주름호일(4)에 대한 재질을 알루미늄 또는 알루미늄합금으로하여 설명했지만, 경우에 따라서는 얇은스텐레스 재질을 사용할 수도 있다.

도 5 는 도 3 의 평면호일과 도 4 의 주름호일을 결합한 금속촉매담체로 기계적으로 조립되는 과정을 도시해 놓은 도면이고, 도 6 은 본 발명의 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체를 완성시키기 위한 원통형 담체의 도면이다. 본 발명의 금속촉매담체는 캡슐형으로, 또는 삽입하는 내장형으로 적용하여 사용할 수 있다.

먼저, 본 발명의 자동 기계적인 조립과정은 도 6 에 도시된 바와 같이, 결합출발의 중심점인 회전축(11)에는 환원촉매금속으로써 일정한 길이의 평면호일(1')과 이 보다 더 긴 길이의 산화촉매금속으로써 주름호일(4')끝을 고정시킨 다음 나선형으로 감으면서 상기 평면호일(1')의 돌기(7)와 주름호일(4')의 홈(9)들이 상호 접촉하여 정확히 고정되는 과정을 보여주고 있다.

상기 회전축(11)은 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체에 적용할 경우에는 전극으로 역할을 하도록 되어 있다. 이후 일련의 과정을 통한 일정한 직경의 원통형으로 완성된 금속촉매담체를 하우징인 금속용기에 압축 삽입하는 과정을 통해 종래와 달리 블레이징 공정이 생략되어진 금속촉매담체로 제조되고 있다. 이 금속촉매담체의 외부로는 유리섬유가 일정한 두께로 덮어지고, 외부온도및 열손실을 방지하고 충격등을 막아주는 외부케이싱이 설치되어져 있다.

본 발명에서의 환원촉매금속으로 평면호일(1')의 돌기(7)와 산화촉매금속으로 주름호일(4')의 홈(9)들이 기계적으로 상호 접촉하여 고정되는 과정은 도 5 에 도시된 바와 같이 돌기(7)의 높이와 돌출부위(8)의 홈(9)간의 거리를 충분히 고려하여 화살표(10)의 방향으로 상호 접촉위치를 정확히 맞춰 놓음으로 접촉자리의 벗어남을 최대한 줄일 수 있도록 되어 있다.

따라서, 본 발명은 원통형으로 완성된 금속촉매담체는 환원촉매금속으로 평면호일(1')의 돌기(7)와 산화촉매금속으로 주름호일(4')의 홈(9)들이 기계적으로 여러 층이 적층되고 있는 바, 이렇게 적층된 평면호일(1')과 주름호일(4')의 산화/환원관계를 살펴보면 환원촉매의 작용부위가 1/3 이고 산원촉매의 작용부위가 2/3 로 이루어지고 있다.

즉, 본 발명은 도 5 에 도시된 바와 같이 평면호일(1')과 주름호일(4')이 상호 고정되어 하우징에 내장 설치된 금속촉매담체로써, 환원촉매금속의 평면호일(1')과 산화촉매금속의 주름호일(4'), 도시되지 않는 하우징이 상호 접촉되고 있음으로, 종래와 달리 전기및 열전도를 향상시켜 상기 하우징이 금속촉매담체의 구성부분인 금속호일, 즉 알루미늄 또는 스텐레스자체가 소성되지 않아 초기시동, 급제동 또는 급가속된다해도 가열에 의해 금속촉매담체의 온도가 단시간내에 촉매활성온도까지 도달하여 촉매효율을 증대시킬 수 있다.

그러므로, 본 발명의 금속촉매담체를 구성하고 있는 평면호일과 주름호일에는 고온에서 삼원촉매기능을 발휘하도록 하기 위하여 상기 평면호일에는 환원촉매금속의 로듐이 도금층을 형성되어 있고, 상기 주름호일에는 더 넓은 산원촉매금속의 팔라듐 또는 백금이 도금층을 형성되어 있음으로, 섭씨 800도 이상에서 상호 소결반응을 행하는 백금 또는 팔라듐의 직접적인 접촉면적이 작아, 이 두 금속간의 소결반응을 최소화시켜 섭씨 900도 이상의 고온에서도 삼원촉매기능을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 촉매변환장치의 수명을 연장시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 차량의 배기가스정화에 이용되는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체를 구성하고 있는 도 3 의 평면호일과 도 4 의 주름호일에 각 요철을 형성시켜서 별도의 블레이징 공정없이도 금속촉매담체를 완성시켜 사용할 수 있도록 되어 있다. 이렇게 완성된 금속촉매담체의 삼원촉매변환장치인 경우에는 이들 호일이 산화/환원작용으로 상호 접촉하게 되므로, 전기및 열전도도가 향상되어 단시간내에 촉매활성온도까지 도달되어도 촉매효율을 증가시키고 있다.

특히, 고온에서 삼원촉매기능을 발휘하도록 환원촉매금속으로 평면호일과 산화촉매금속으로 주름호일에 구분되어 로듐과 백금(또는 팔라듐)이 도금층으로 섭씨 800도 이상에서 상호 반응하는 백금(또는 팔라듐)의 소결반응을 최소화할 수 있음으로 섭씨 900도 이상의 온도에서도 삼원촉매기능을 발휘할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 촉매활성온도까지의 도달시간을 단축시키고 섭씨 900도 이상의 고온상태에서 삼원촉매반응이 일어나 유해배출가스를 촉매효율을 초기 시동때부터 증가시킬 수 있고, 또한 평면호일에 환원촉매금속을, 주름호일에 산화촉매금속을 각기 형성시켜 상호 겹치도록 나선형으로 감아 원통형 담체를 기계적으로 조립함으로 금속촉매담체의 고온 촉매효율을 증가시킬 뿐만 아니라 도금 열화를 적게 하여 수명도 연장시킬 수 있는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체를 제공할 수 있다.

본 발명의 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체에 대한 기술사상을 예시도면에 의거하여 설명했지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 이 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

또한, 본 발명의 금속촉매담체는 종래와 달리 도금층의 열화없이 계속적으로 지속되고 있음으로 수년사이에 교체가능하도록 되어 있다.

도 1 및 도 2 는 본 발명의 실시예에 관한 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체에서 사용되는 평면호일및 주름호일의 단면도,

도 3 은 본 발명의 삼원촉매변환장치에서 금속촉매담체의 평면호일을 도시해 놓은 도면,

도 4 는 본 발명의 삼원촉매변환장치에서 금속촉매담체의 주름호일을 도시해 놓은 도면,

도 5 는 도 3 의 평면호일과 도 4 의 주름호일을 결합한 금속촉매담체가 기계적으로 조립되는 과정을 도시해 놓은 도면,

도 6 은 본 발명의 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체를 완성시키기 위한 원통형 담체의 도면이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 평면호일 2 : 니켈도금층

3 : 로듐도금층 4 : 주름호일

6 : 백금도금층 7 : 돌기

8 : 상하 돌출부위 9 : 홈

Claims (3)

1. 평면호일과 주름호일이 상호 겹치도록 나선형으로 감아 담체를 조립함에 있어서,

   상기 평면호일은 양면으로 표면처리되는 니켈도금층을 형성시켜 그 위에다 환원촉매금속으로 로듐도금층이 각기 형성되고, 이런 양면을 따라 일정한 간격으로 볼록한 돌기가 기계적으로 형성시키게 되고;

   상기 주름호일은 양면으로 표면처리되는 니켈도금층을 형성시켜 그 위에다 산화촉매금속으로 백금도금층이 각각 형성되고, 상기 평면호일의 돌기와 대응되게 돌출부위에 각 홈이 기계적으로 형성시키게 되며;

   상기 평면호일과 주름호일이 자동 기계적으로 동시에 조립될 때 이들 요철이 상호 접촉하여 원통형으로 고정된 것을 특징으로 하는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 평면호일과 주름호일이 알루미늄, 알루미늄합금 또는 스텐레스로 된 것을 특징으로 하는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 백금도금층 대신 팔라듐도금층을 형성한 것을 특징으로 하는 삼원촉매변환장치의 금속촉매담체