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KR100345813B1 - 촉매 변환기 - Google Patents

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KR100345813B1
KR100345813B1 KR1020000013513A KR20000013513A KR100345813B1 KR 100345813 B1 KR100345813 B1 KR 100345813B1 KR 1020000013513 A KR1020000013513 A KR 1020000013513A KR 20000013513 A KR20000013513 A KR 20000013513A KR 100345813 B1 KR100345813 B1 KR 100345813B1
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Abstract

본 발명은 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기 가스를 정화시키기 위한 촉매 변환기에 관한 것이다. 상기 촉매 변환기는 모놀리스 촉매 캐리어가 내부에 배치되어 있는 케이싱을 포함한다. 환형 캡은 케이싱 내부에 고정식으로 배치되고 모놀리스 촉매 캐리어와 동축으로 위치된다. 환형 캡은 모놀리스 촉매 캐리어의 단부면 근처에 위치된다. 캡은 환형 바닥벽, 내벽 및 외벽을 포함한다. 내벽 및 외벽은 서로 분리되고 바닥벽으로부터 연장된다. 내벽은 외벽의 반경방향으로 내향 위치된다. 바닥벽, 내벽 및 외벽은 홈을 형성하도록 U형 단면으로 배열된다. 또한, 환형 탄성 와셔는 환형 캡의 홈 내에 동축으로 배치된다. 탄성 와셔는 모놀리스 촉매 캐리어를 축방향으로 탄성 지지하기 위해 모놀리스 촉매 캐리어의 단부면에 가압 접촉식으로 배치된다. 환형 탄성 와셔는 와이어 메쉬 구조로 성형된 환형 구조물이다. 환형 탄성 와셔는 탄성 와셔가 케이싱 내에 가압되어 조립되는 단계에서 탄성 와셔와 캡의 내벽 사이에 간극을 형성하도록 캡의 내벽의 외주연 표면의 직경보다 큰 직경을 갖는 내주연 표면을 갖는다.

Description

촉매 변환기 {CATALYTIC CONVERTER}
본 발명은 내연기관으로부터의 배기 가스를 정화하도록 모놀리스 촉매 캐리어를 갖는 촉매 변환기의 개선에 관한 것으로, 특히 촉매 변환기의 케이싱 내의 모놀리스 촉매 캐리어를 축방향으로 탄성적으로 지지하는 데 사용되는 탄성 와셔를 갖는 촉매 캐리어 지지 장치의 개선에 관한 것이다.
대부분의 자동차는 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스를 정화시킬 목적으로 촉매 변환기를 구비하고 있다. 예로써, 촉매 변환기는 모놀리스 촉매 캐리어가 배기 매니폴드의 일부를 포함하는 케이싱 내에 수납되도록 구성된다. 세라믹으로 형성된 모놀리스 촉매 캐리어는 깨지고 손상 받기 용이한 경향이 있고 따라서 케이싱 내에 탄성적으로 지지될 필요가 있다. 특히, 일본 공개 특허 공보 평7-317537호에 개시된 것처럼, 주름 원통형 와이어 메쉬 구조로 구성된 원통형 지지 부재는 모놀리스 촉매 캐리어를 반경방향으로 탄성적으로 지지하도록 모놀리스 촉매 캐리어 주위에 배치된다. 또한, 환형 와이어 메쉬 구조로 형성된 환형 탄성 와셔는 모놀리스 촉매 캐리어를 축방향으로 탄성적으로 지지하도록 모놀리스 촉매 캐리어의 대향 단부면의 외주연부에 각각 가압 접촉 상태로 배치된다.
각각의 탄성 와셔는 적절한 강성을 갖도록 우선 와이어 메쉬의 환형 구조물을 직조한 뒤 와이어 메쉬 환형 구조물이 장방형 단면을 갖도록 와이어 메쉬 환형 구조물을 임의의 형상을 갖는 주형 안으로 가압함으로써 제조된다. 따라서 제조된 탄성 와셔는 이의 일부가 모놀리스 촉매 캐리어의 외주연 표면의 반경방향으로 외향 돌출하도록 케이싱 내에 위치된다. 다시 말해서, 탄성 와셔는 모놀리스 촉매 캐리어의 외주연 표면의 반경방향으로 내향 및 외향으로 연장되도록 위치된다. 볼트 등으로 밀착식으로 폐쇄된 케이싱 내의 촉매 변환기 조립 시, 탄성 와셔는 임의의 양으로 가압되는 상태에 있게 된다. 또한, 탄성 와셔는 이의 내주연 표면을 따라 위치되는 내주연 벽을 갖는 환형 금속 부재에 의해 통상적으로 지지된다. 예로써, 상기 설명된 일본 공개 특허 공보에 개시된 장치에서 환형 금속 캐리어 지지 판은 탄성 와셔가 모놀리스 촉매의 단부면에 가압 접촉되게 하는 방식으로 탄성 와셔를 보유하도록 제공된다. 또한, 탄성 와셔는 캐리어 지지판의 환형 내주연 벽과 케이싱의 내주연부 사이에 위치된다.
또한, 다음의 구조가 실제 사용되고 있다. 상기에 설명된 금속 캐리어 지지판은 통상적으로 U형 단면을 갖도록 환형 내주연벽과 환형 외주연벽과 환형 바닥벽을 포함하는 환형 캡으로 대체된다. 따라서, 환형 캡은 그곳에 보유되도록 끼워진 환형 탄성 와셔 내에 환형 홈을 형성한다.
이러한 캐리어 지지판 및 캡의 작용 하에서, 탄성 와셔는 임의의 위치에 위치되고, 탄성 와셔가 메쉬 방식으로 형성되더라도 고온 배기 가스로 산화되는 것이 방지되다.
실제 사용되고 있는 상기 설명한 구조를 갖는 촉매 변환기와 관련해서, 세라믹으로 된 모놀리스 촉매 캐리어는 상류측 단부면으로부터 하류측 단부면까지 연장되는 다수의 셀을 갖는다. 각각의 셀은 수 밀(1/1000 inch) 두께를 갖는 벽으로 형성된다. 따라서, 셀의 벽은 손상 받기 쉽고 특히 최외각 주연부에 위치된 벽은 작은 외력에 의해서도 쉽게 박피되는 경향이 있다.
촉매 변환기의 작동 중, 탄성 와셔를 갖춘 금속 캐리어 지지판은 모놀리스 촉매 캐리어가 열팽창 및 열수축되기 힘들지라도 열팽창 및 열수축의 반복 시에 반복적으로 반경방향으로 변위된다. 결국, 탄성 와셔는 엔진의 작동 중에 캐리어 지지판의 열 팽창으로 반경방향으로 외향 변위되어 단부면에서 모놀리스 촉매 캐리어의 외주연부를 반경방향 외향으로 당긴다. 이것은 모놀리스 촉매의 단부면에서 외주연부가 박피되도록 한다.
따라서, 모놀리스 촉매 캐리어의 외주연부는 단부면에서 쉽게 박피되고 손상 받는 경향이 있다. 만일 외주연부가 일단 파손되면, 모놀리스 촉매 캐리어의 축방향 유격이 커져서 자동차의 주행 중에 진동에 의해 모놀리스 촉매의 전체 손상이 급격하게 진행된다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 촉매 변환기에서 일어나는 단점을 효과적으로 해결할 수 있는 개선된 촉매 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 케이싱 내의 모놀리스 촉매 캐리어가 단부면에서 외주연부에서 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 개선된 촉매 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 모놀리스 촉매 캐리어가 이의 외주연부에 가압 접촉된 탄성 와셔에 의해 단부면에서 반경방향 외향으로 당겨지는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 개선된 촉매 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 캡의 열 팽창으로 인한 캡의 반경방향 외향으로 변위 시에도 금속 캡에 의해 보유된 탄성 와셔가 반경방향 외향으로 변위되는 것을방지할 수 있는 개선된 촉매 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 촉매 변환기는 케이싱을 포함한다. 모놀리스 촉매 캐리어는 케이싱 내에 배치된다. 환형 캡은 케이싱 내에 고정식으로 배치되고 모놀리스 촉매 캐리어와 동축으로 위치된다. 환형 캡은 모놀리스 촉매 캐리어의 단부면 근처에 위치된다. 상기 캡은 환형 바닥벽, 내벽 및 외벽을 포함한다. 상기 내벽 및 외벽은 서로 분리되어 있고 바닥벽으로부터 연장된다. 내벽은 외벽의 반경방향으로 내향 위치된다. 바닥벽, 내벽 및 외벽은 홈을 형성하도록 U형 단면으로 배열된다. 또한, 환형 탄성 와셔는 환형 캡의 홈 내에 동축으로 배치된다. 탄성 와셔는 모놀리스 촉매 캐리어를 축방향으로 탄성 지지하기 위해 모놀리스 촉매 캐리어의 단부면에 가압 접촉식으로 배치된다. 상기 환형 탄성 와셔는 와이어 메쉬 구조로 성형된 환형 구조물이다. 상기 환형 탄성 와셔는 케이싱 내에 가압되어 조립되는 단계에서, 탄성 와셔와 캡의 내벽 사이의 간극을 형성하도록 캡의 내벽의 외주연 표면의 직경보다 큰 직경을 갖는 내주연 표면을 갖는다.
도면에서, 동일한 부분 및 요소들은 동일한 도면 부호로 나타냈다.
도1은 본 발명에 따른 촉매 변환기의 제1 실시예의 종단면도.
도2는 도1의 촉매 변환기의 필수 부품의 부분 확대 단면도.
도3은 탄성 와셔가 가압되지 않은 상태에서 탄성 와셔와 캡 사이의 위치 관계를 도시한 것으로, 도1의 촉매 변환기의 필수 부품의 확대 단면도.
도4는 도3과 유사한 도면으로, 본 발명에 따른 촉매 변환기의 제2 실시예의 필수 부품을 도시한 확대 단면도.
도5는 도3과 유사한 도면으로, 본 발명에 따른 촉매 변환기의 제3 실시예의 필수 부품을 도시한 확대 단면도.
도6은 도3과 유사한 도면으로, 본 발명에 따른 촉매 변환기의 제4 실시예의 필수 부품을 도시한 확대 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
C : 촉매 변환기
1 : 케이싱
2 : 출구 섹션
3 : 원통형 컨테이너
4 : 모놀리스 촉매 캐리어
4a : 다수의 가스 통로
5 : 외부 플랜지 섹션
6 : 플랜지 섹션
7 : 원추대 중공 섹션
8 : 원통형 섹션
E1 : 상류측 단부면
E2 : 하류측 단부면
9 : 평평 지지면
10 : 환형 평평 지지면
15 : 환형 지지 부재
16 : 원통형 불연 매트
20A : 환형 촉매 캐리어 지지 장치
21A : 환형 탄성 와셔
22A : 환형 캡
23 : 환형 바닥벽
24 : 환형 내벽
25 : 환형 외벽
도1에서는 본 발명에 따른 제1 실시예의 촉매 변환기를 도면 부호 C로 도시한다. 촉매 변환기(C)는 자동차의 내연 기관의 배기 매니폴드의 출구 섹션(2)에 연결된다. 촉매 변환기(C)는 배기 매니폴드 출구 섹션(2)과 원통형 컨테이너(3)로 구성된 케이싱(1)을 포함한다. 배기 매니폴드 출구 섹션(2)은 원통형 컨테이너(3)에 밀봉 고정식으로 연결된 외부 플랜지 섹션(5)을 갖는다. 컨테이너(3)는 세라믹으로 형성된 원통형 모놀리스 촉매 캐리어(4)가 내부에 배치된 원통형 섹션(8)을 포함한다. 컨테이너(3)는 배기관이나 또는 전방 튜브(도시 생략)에 연결된 플랜지 섹션(6)에 일체식으로 구비된 원추대 중공 섹션(7)을 더 포함한다. 원통형 모놀리스 촉매 캐리어(4)는 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 상류측 단부면(E1)으로부터 하류측 단부면(E2)까지 축방향으로 연장된 다수의 가스 통로(4a)를 갖는다. 각각의 가스 통로(4a)는 세라믹의 얇은 벽으로 형성되고 이 얇은 벽은 5밀(mil) 이하의 두께를 갖는다. 상기 얇은 벽은 촉매 또는 촉매 요소를 지지한다.
컨테이너(3)의 원통형 섹션(8)은 전체적인 축 길이에 걸쳐 일정한 내경을 갖는다. 환형 스텝부 또는 평평 지지면(9)은 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 [하류측 단부면(E2)을 포함하는] 하류측 단부 섹션이 위치하도록 원통형 섹션(8)과 원추대 중공 섹션(7) 사이에 형성된다. 평평 지지면(9)은 원통형 섹션(8)의 축에 수직이다. 마찬가지로, 환형 스텝부 또는 평평 지지면(10)은 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 [상류측 단부면(E1)을 갖는] 상류측 단부 섹션이 위치하도록 배기 매니폴드 출구 섹션(2)의 출구 플랜지 섹션(5)의 반경방향 내향으로 형성된다. 환형 평평 지지면(10)은 원통형 섹션(8)의 축에 수직이다. 도시된 것처럼, 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 상류측 단부 섹션 및 하류측 단부 섹션(E1, E2)은 환형 평평 지지면(10, 9)으로부터 각각 이격된다. 원통형 섹션(8)은 반경방향 외향으로 연장되고 원통형 섹션(8)의 상류측 단부 섹션 주위에 위치되는 환형 플랜지 섹션(11)을 일체식으로 구비한다. 원통형 섹션(8)은 다수의 볼트(도시 생략)에 의해 배기 매니폴드(2)의 출구 플랜지 섹션(5)에 연결되어 체결된다.
컨테이너(3)의 원통형 섹션(8)은 이의 내주연 표면과 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면 사이에 환형 간극 또는 공간을 형성하도록 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외경보다 약간 큰 내경을 갖는다. 환형 지지 부재(15)는 환형 공간 내에 배치되고, 각각 두꺼운 와이어의 와이어 메쉬 원통형 구조물을 형성한 뒤 주름을 갖도록 와이어 메쉬 원통형 구조물을 절곡시킴으로써 제조되는 완충 재료로 형성된다. 상기 환형 지지 부재 또는 와이어 메쉬 원통형 구조물(15)은 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외부 원통형 표면을 덮도록 설치된다. 환형 지지 부재(15)는 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 전체적인 길이 보다 약간 작은 축 길이를 갖는다. 원통형 불연 매트(mat; 16)는 컨테이너(3)의 원통형 섹션(8)의 내주연 표면과 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 주연 표면 사이의 공간에 배치되고, 환형 지지 부재(15)의 하류측에 위치된다. 불연 매트(16)는 불연 섬유를 매트 형상으로 형성함으로써 생산되고, 원통형 섹션(8)의 내주연 표면과 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면 사이에 형성된 환형 공간을 가스 밀착 밀봉하여 지지 부재(15)를 통한 배기 가스의 유출을 방지하는 기능을 한다. 불연 매트(16)는 “인터램-매트 (Interam-mat)”라는 상표로 미네소타 마이닝 엔드 매뉴팩춰링 [Minnesota Mining Mfg. (3M Company)]으로부터 입수할 수 있다.
환형 촉매 캐리어 지지 장치(20A)는 모놀리스 촉매 캐리어(4)를 축방향으로 탄성 지지하기 위해 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 상류측 단부면(E1)과 배기 매니폴드 출구 섹션(2)의 환형 평평 지지면(10) 사이에 배치된다. 촉매 캐리어 지지 장치(20A)는 환형 캡(22A)에 형성된 홈에 배치되는 환형 탄성 와셔(21A)를 포함한다.환형 탄성 와셔(21A) 및 캡(22A)은 컨테이너(3)의 원통형 섹션(8)과 사실상 동축이다. 마찬가지로, 다른 환형 촉매 캐리어 지지 장치(20B)는 모놀리스 촉매 캐리어(4)를 축방향으로 탄성 지지하도록 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 하류측 단부면(E2)과 컨테이너(3)의 환형 평평 지지면(9) 사이에 배치된다. 촉매 캐리어 지지 장치(20B)는 환형 캡(22B)에 배치된 환형 탄성 와셔(21B)를 포함한다. 환형 탄성 와셔(21B)와 캡(22B)은 컨테이너(3)의 원통형 섹션(8)과 사실상 동축이다. 촉매 캐리어 지지 장치(20A, 20B)들은 구조 및 재질면에서 사실상 동일하지만 약간의 차이는 있을 수 있다.
단지 촉매 캐리어 지지 장치(20B)가 도2 내지 도6에 관련지어 상세히 설명하였지만 촉매 캐리어 지지 장치(20A)에 대한 설명은 지지 장치(20A)가 상기 설명한 지지 장치(20B)와 동일하기 때문에 생략한다.
도2 및 도3에 도시된 것처럼, 캡(22B)은 환형 지지면(9)에 접촉된 환형 바닥벽(23)을 포함한다. 화형 내벽 및 환형 외벽(24, 25)은 환형 바닥벽(23)의 내주연부 및 외주연부로부터 각각 연장된다. 환형 내벽 및 환형 외벽(24, 25)은 환형 바닥벽(23)에 일체되고 수직이어서 캡(22B)이 환형 탄성 와셔(21B)를 동축으로 수납하도록 환형 홈이 형성된 U형 단면을 갖는다. 환형 내벽(24)은 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)의 약간 반경방향으로 내부에 위치된다. 환형 외벽(25)은 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)의 약간 반경방향으로 외부에 위치된다. 환형 내벽(24)은 그 팁 단부가 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 하류측 단부면(E2)으로부터 분리되도록 상대적으로 작은 축 길이를 갖는다. 환형외벽(25)은 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 하류측 단부면(E2) 너머로 연장되고 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면 위에 위치하는 팁을 갖도록 환형 내벽(24)보다 긴 축길이를 갖는다. 예로써, 캡(22B)은 낮은 열팽창 계수를 갖는 페리틴 스테인레스 강의 시트로 성형된다. 이러한 페리틴 스테인레스 강의 예는 (일본 공업 규격에 따른) SUS 430과 동일하다.
탄성 와셔(21B)는 우선 환형 와이어 메쉬 구조물을 형성한 뒤 도3에 도시된 것처럼 장방형 단면을 갖도록 상기 환형 와이어 메쉬 구조물을 임의의 형상을 갖는 주형안으로 가압함으로써 제조된다. 따라서, 상기 제조된 탄성 와셔(21B)는 캡(22B)의 내벽과 외벽(24, 25) 사이에 형성된 (동일하지 않은) 홈에 위치된다. 탄성 와셔(21B)는 이의 환형 반경방향 외부가 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)의 반경방향 외향으로 연장되도록 위치된다. 다시 말해서, 탄성 와셔(21B)는 모놀리스 촉매(4)의 외주연 표면(4c)의 반경방향으로 내향 및 외향 연장되도록 위치한다. 촉매 변환기(C)의 조립 단계에서, 컨테이너(3)의 플랜지 섹션(11)은 배기 매니폴드 출구 섹션(2)의 플랜지 섹션(5)에 체결되고, 탄성 와셔(21)는 소정의 양으로 축방향으로 가압된다.
도3에서는 촉매 변환기(C) 내의 촉매 캐리어 지지 장치(20B)가 조립되기 전에 탄성 와셔(21B)가 가압되지 않아 수행되지 않은 단계에서 촉매 캐리어 지지 장치(20B)의 탄성 와셔(21B)와 캡(22B) 사이의 특정 위치 관계를 도시한다. 이러한 실시예에서 탄성 와셔(21B)는 환형이고 반경방향 치수보다 큰 축 치수의 장방형 단면을 갖는다. 탄성 와셔(21B)는 환형 평평 바닥면(21a), 환형 평평 상부면(21b),원통형 외주연 표면(21c) 및 원통형 내주연 표면(21d)을 갖는다. 평평 바닥면(21a) 및 평평 상부면(21b)은 서로 평행하다. 원통형 외주연 표면(21c) 및 원통형 내주연 표면(21d)은 서로 동축이다. 원통형 외주연 표면(21c)은 외벽(25)의 내주연 표면과 동축이고 외벽(25)의 내주연 표면으로부터 약간 이격되어 있고, 탄성 와셔(21B)의 원통형 외주연 표면(21c)의 직경(D1)은 약간의 간극(Δ1)을 형성하도록 캡(22B)의 외벽(25)의 내주연 표면의 직경(D2)보다 더 작게 설정된다. 이러한 간극(Δ1)은 제조 공차를 흡수하는 기능을 하고 촉매 변환기의 조립이 어려울 수 없는 범위 내에서 가능한 한 작게 설정된다. 또한, 탄성 와셔(21B)의 원통형 내주연 표면(21d)은 내벽(24)의 내주연 표면과 동축이면서 이로부터 이격되고, 탄성 와셔(21B)의 원통형 내주연 표면(21d)의 직경(D3)은 상대적으로 큰 간극(Δ2)을 형성하도록 내벽(24)의 내주연 표면 보다 크게 설정된다. 이러한 간극(Δ2)은 캡(22B)의 열팽창에 의한 내벽(24)의 변위를 흡수하도록 설정된다. 특히, 공차에 대한 간극(Δ2)과 간극(Δ1) 사이의 차이(Δ2-Δ1)는 캡(22B)의 열팽창에 의한 내벽(24)의 반경방향 변위량보다 커지도록 설정된다. 이러한 설정으로, 간극(Δ2)의 실제 반경방향 변위량은 열 팽창 상태에서 내벽(24)의 반경방향 변위량보다 작을 수 없다.
촉매 캐리어 지지 장치(20B)의 치수의 구체적인 예는 다음과 같다. 간극(Δ1)은 0.1 ㎜; 간극(Δ2)은 1.2 ㎜; 탄성 와셔(21)의 반경방향 폭(L0)은 6 ㎜; 내벽(24)의 외주연 표면의 직경(D4)은 83 ㎜이다. 또한, SUS 430(페리틴 스테인레스 강)의 열 팽창 계수는 온도가 0 ℃로부터 700 ℃까지 상승되는 상태에서 약11.9 (㎝/㎝ ℃×10-6)이다. 이러한 관계에서, (일본 공업 규격에 따른) SUS 310S인 오스테니틱(austenitic) 스테인레스 강은 약 17.8 (㎝/㎝ ℃×10-6)인 열 팽창 계수를 갖는다.
탄성 와셔(21B)는 촉매 변환기(C) 내에서 조립 단계에서 소정의 치수로 축방향 가압되어 모놀리스 촉매 캐리어(4)는 탄성 와셔(21B)의 축방향 상호 압축 작용으로 축방향으로 탄성 지지될 수 있고 모놀리스 촉매 캐리어(4)가 축방향으로 변위되는 것을 방지한다. 이점에 있어서, 촉매 변환기(C)의 일부 치수는 탄성 와셔(21B)가 50%, 바람직하게는 약 40% 이하의 (원래 치수에 대한 압축 상태에서 변위량 치수의 비율 인) 압축성으로 축방향으로 가압되도록 설정된다.
촉매 변환기(C)의 상기 실시예에서, 탄성 와셔(21)가 가압되고 변위되어 조립되는 단계에서도 내벽(24)의 반경방향 변위량 보다 크거나 또는 이에 상응하는 반경방향 치수를 갖는 간극은 탄성 와셔(21B)의 원통형 내주연 표면(21d)과 캡(22B)의 내벽(24)의 외주연 표면 사이에서 보장될 수 있다. 따라서, 캡(22B)이 열 팽창 상태에서 반경방향으로 연장될 때도, 탄성 와셔(21B)는 캡(22B)의 내벽(24)에 의해 반경방향 외향으로 가압될 수 없어 탄성 와셔(21B)의 환형 평평 상부면(21b)은 단부면(E2)에서 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연부[외주연 표면(4c) 주위]를 반경방향 외향으로 끌 수 없다. 이것은 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연부가 박피되고 손상받는 것을 효과적으로 방지한다.
이러한 실시예에서, 촉매 캐리어 지지 장치(20A)의 캡(22A)은 실제로 촉매캐리어 지지 장치(20B)의 캡(22B)과 동일하고 환형 바닥벽(23)과 도시되지는 않았지만 환형 내벽 및 외벽(24, 25)을 포함한다. 또한, 도시되지는 않았지만, 촉매 캐리어 지지 장치(20A)의 환형 탄성 와셔(21A)는 촉매 캐리어 지지 장치(20B)의 환형 탄성 와셔(21B)와 실제로 동일하다. 따라서, 단지, 촉매 캐리어 지지 장치(20B)에서 탄성 와셔(21B)와 캡(22B) 사이의 특정한 위치 관계 및 이의 기능만 도시하고 설명하였지만, 촉매 캐리어 지지 장치(20A)에서 탄성 와셔(21A)와 캡(22A) 사이의 특정한 위치 관계 및 이의 기능은 촉매 캐리어 지지 장치(20B)에서와 사실상 동일하다는 것을 알 수 있다.
도4에서는 제1 실시예와 유사한 본 발명에 따른 촉매 변환기(C)의 제2 실시예의 필수 부품을 도시한다. 이러한 실시예에서, 캡(22B)의 환형 내벽(24)은 원추대이므로 내벽(24)의 환형 팁 단부 섹션(24b)은 환형 바닥 벽(23)에 일체식으로 연결된 내벽(24)에서 환형 바닥 단부 섹션(24a)에 대해 반경방향으로 내향 위치된다. 이러한 실시예에서, 환형 바닥 단부 섹션(24a)은 제1 실시예에서 대응 섹션에 대해 반경방향 외향으로 위치된다. 결국, 내벽(24)의 팁 단부 섹션(24b)은 제1 실시예와 유사하게 팁 단부 섹션(24b)과 원통형 내주연 표면(21d) 사이에 간극(Δ2)을 형성하도록 탄성 와셔(21B)의 원통형 내주연 표면(21d)으로부터 현저하게 이격된다. 간극(Δ1)의 구체적인 예는 0.1 ㎜이고, 간극(Δ2)의 구체적인 예는 제1 실시예에서와 동일한 1.2 ㎜이다.
이러한 실시예에서, 캡(22B)의 바닥 벽(23)의 반경방향 폭은 탄성 와셔(21B)의 반경방향 폭(L0)과 유사하게 되어 탄성 와셔(21B)는 캡(22B) 내에 정확하게 위치될 수 있고 [특히 상부면(21b)을 포함하는 상부면 섹션에서] 탄성 와셔(21)는 제1 실시예에서와 유사한 캡(22B)의 열 팽창 상태에서도 반경방향 외향으로 가압되는 것이 방지될 수 있다.
도5는 제1 실시예의 도3과 유사하고, 본 발명에 따른 촉매 변환기(C)의 제3 실시예의 필수 부품[촉매 캐리어 지지 장치(22B)]를 도시한다. 이러한 실시예에서, 제1 환형 모따기부(31)는 탄성 와셔(21B)의 환형 평평 상부면(21b)과 원통형 외주연 표면(21c)을 연결시키는 방식으로 형성된다. 제1 환형 모따기부(31)는 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)이 탄성 와셔(21B)의 상부면(21b)의 외주연부와 일치하도록 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)의 반경방향 외향으로 위치된다. 또한, 제2 환형 모따기부(32)는 탄성 와셔(21B)의 환형 평평 상부면(21b)과 원통형 내주연 표면(21d)을 연결시키는 방식으로 형성된다. 제2 환형 모따기부(32)는 제1 환형 모따기부(31)보다 반경방향 폭이 작다.
마찬가지로, 제1 실시예에서, 상대적으로 작은 간극(Δ1)은 탄성 와셔(22B)의 원통형 외주연 표면(21c)과 캡(22B)의 외벽(25)의 내주연 표면 사이에 형성된다. 또한, 상대적으로 큰 간극(Δ2)은 탄성 와셔(21B)의 원통형 내주연 표면(21d)과 캡(22B)의 내벽(24)의 내주연 표면 사이에 형성된다. 간극(Δ1, Δ2)은 제1 및 제2 실시예에서와 동일한 치수이다.
이러한 실시예에서, 탄성 와셔(21B)의 [상부면(21b)을 포함하는] 상부는 사다리꼴 단면을 취하여 전체적인 탄성 와셔(21B)는 조립 단계에서 가압될 때 폴 다운(fall down) 방식으로 변위되는 것이 방지될 수 있다. 이는 모놀리스 촉매 캐리어(21B)를 보다 안정적으로 지지할 수 있게 한다. 특히, 탄성 와셔(21B)의 반경방향 외측부에 형성된 제1 환형 모따기부(31)는 탄성 와셔(21B)가 가압되고 변위되는 조립 단계에서도 탄성 와셔(21B)의 일부가 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)의 반경방향 외향으로 돌출되는 것을 방지한다. 이는 탄성 와셔(21B)의 일부가 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c) 위로 겹쳐지는 것을 방지하여 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 [외주연 표면(4c)의 단부를 포함하는] 단부 에지 주위에 인가되는 하중을 감소시킨다. 따라서, 이러한 실시예에 따라 단부 에지 주위의 일부에서 모놀리스 촉매 캐리어(4)는 캡(22B)의 열팽창이 반복되는 상태에서도 박피되고 손상받는 것을 더 안전하게 방지할 수 있다. 또한, 제2 환형 모따기부(32)는 탄성 와셔(21B)의 일부가 캡(22B)의 내벽(24)의 반경방향으로 내향 돌출되는 것을 방지하여 탄성 와셔(21B)의 일부가 배기 가스에 접촉되어 발생하는 탄성 와셔(21B)의 산화 작용을 효과적으로 피할 수 있다.
도6에서는 제2 실시예의 도4에서와 유사한 본 발명에 따른 촉매 변환기(C)의 제4 실시예의 필수 부품[촉매 캐리어 지지 장치(22b)]을 도시한다. 제3 실시예와 유사한 이러한 실시예에서, 제1 환형 모따기부(31)는 환형 평평 상부면(21b)과 탄성 와셔(21B)의 원통형 외주연 표면(21c)을 연결시키는 방식으로 형성된다. 제1 환형 모따기부(31)는 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)이 탄성 와셔(21B)의 상부면(21b)의 외주연부와 일치하도록 모놀리스 촉매 캐리어(4)의 외주연 표면(4c)의 반경방향 외향으로 위치된다. 또한, 제2 환형 모따기부(32)는 탄성 와셔(21B)의 환형 평평 상부면(21b)과 원통형 내주연 표면(21d)을 연결시키는방식으로 형성된다. 제2 환형 모따기부(32)는 제1 환형 모따기부(31)보다 반경방향 폭이 더 작다.
본 실시예의 촉매 캐리어 지지 장치(22B)는 제3 실시예에서와 유사한 작용을 한다.
본 발명에 따른 촉매 변환기에 대한 상기 설명으로 알 수 있듯이, 촉매 변환기의 온도가 내연기관의 작동으로 높아질 때, 상기 캡은 반경방향 외향으로 팽창 되도록 열 팽창되는 금속으로 형성되고, 모놀리스 촉매 캐리어는 열 팽창되지 않는 세라믹으로 형성되고, 탄성 와셔는 그 자체가 와이어 메쉬로 형성되기 때문에 아주 조금 반경방향 외향으로 팽창된다. 이러한 상태에서도 간극이 캡의 내벽과 탄성 와셔의 내주연 표면 사이에 이미 제공되었기 때문에 캡의 내벽으로부터 반경방향 외향으로 작용하는 힘은 탄성 와셔를 밑으로 변위시켜 단부면에서 모놀리스 촉매 캐리어의 외주연부에 인가된 반경방향 외향 힘을 약하게 한다. 결국, 모놀리스 촉매 캐리어의 외주연부가 박피되고 손상되는 것은 효과적으로 방지되다.
(1999년 3월 18일에 출원된) 일본 공개 특허 공보 P11-73,466호의 전체적인 내용은 본 명세서의 참조로 반영되었다.
비록 소정의 실시예로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예로 제한되지 않는다. 이러한 교시의 측면에서, 숙련자는 상기 설명한 실시예의 변경 및 수정이 본 기술 사상의 범위에 속한다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부되는 청구항으로 한정된다.
본 발명의 촉매 변환기를 제공함으로써 케이싱 내의 모놀리스 촉매 캐리어가 단부면에서 외주연부의 손상을 효과적으로 방지될 수 있고, 모놀리스 촉매 캐리어의 외주연부에 가압 접촉된 탄성 와셔에 의해 단부면에서 반경방향 외향으로 당겨지는 것이 효과적으로 방지될 수 있다.

Claims (7)

  1. 촉매 변환기에 있어서,
    케이싱과,
    상기 케이싱 내부에 배치된 모놀리스 촉매 캐리어와,
    상기 케이싱 내부에 고정식으로 배치되고, 상기 모놀리스 촉매 캐리어와 동축으로 위치하고, 모놀리스 촉매 캐리어의 단부면 근처에 위치하고, 환형 바닥벽과 서로로부터 분리되어 있고 바닥벽으로부터 연장되는 환형 내벽 및 환형 외벽을 갖는 환형 캡과,
    상기 환형 캡의 홈 내에 동축으로 배치되고, 모놀리스 촉매 캐리어를 축방향으로 탄성 지지하기 위해 모놀리스 촉매 캐리어의 단부면에 가압 접촉 상태로 배치되고, 와이어 메쉬의 환형 성형 구조물이고, 가압되면서 케이싱 내에 조립되는 단계에서 탄성 와셔와 캡의 내부벽 사이에 간극을 형성하도록 캡이 내부벽의 외주연 표면의 직경보다 큰 직경을 갖는 내부 주연 표면을 갖는 환형 탄성 와셔를 포함하며,
    상기 내부벽은 외벽의 반경방향으로 내향 위치되어 있고, 상기 하부벽, 내벽 및 외벽은 홈을 형성하도록 U형 단면으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  2. 제1항에 있어서, 간극이, 캡의 열 팽창 시에 캡의 내벽의 반경방향 변위량에대응하는 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 환형 탄성 와셔는 탄성 와셔가 케이싱 내에 조립되지 않은 단계에서 탄성 와셔와 캡의 외벽 사이의 공차를 흡수하도록 외부 간극을 형성하도록 캡의 외벽의 내주연 표면의 직경보다 작은 직경을 갖는 외주연 표면을 갖고, 상기 환형 탄성 와셔는 케이싱 내에 조립되지 않은 단계에서 탄성 와셔와 캡의 내벽 사이에 상기 외부 간극보다 큰 내부 간극을 형성하도록 캡의 내벽의 외주연 표면의 직경보다 큰 직경을 갖는 내주연 표면을 갖고, 상기 간극들 사이의 차이는 적어도 캡의 내벽의 반경방향 변위량에 대응하는 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 간극들 사이의 차이가 캡의 내벽의 직경의 0.5% 이상인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 캡의 내벽이 원통형이고 상기 케이싱과 동축인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 캡의 내벽은 원추대이고, 내벽의 환형 팁 단부 섹션에 의해 형성된 제1 직경과 내벽의 환형 바닥부 단부 섹션에 의해 형성된 제2 직경을 갖고, 상기 환형 바닥부 단부 섹션은 캡의 바닥벽에 연결되어 있고 제1 직경은 제2 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모놀리스 촉매 캐리어는 가스가 유동하는 통로를 통해 축방향으로 연장하는 다수의 통로를 갖고, 각각의 통로는 5 mil 이하의 두께를 갖는 벽에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매 변환기
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