Elemento de soporte para estructuras frágiles tales como convertidores catalíticos.

Un dispositivo para el tratamiento de gases de escape, caracterizado por que comprende:

un alojamiento que tiene una entrada en un extremo y una salida en un extremo opuesto para el flujo pasante de gases de escape; una estructura de catalizador frágil montada de forma resiliente dentro de dicho alojamiento, teniendo dicha estructura frágil una superficie externa, una superficie terminal de entrada en un extremo en comunicación con dicha entrada de dicho alojamiento, una superficie terminal de salida en un extremo opuesto en comunicación con dicho extremo de salida de dicho alojamiento y un elemento de soporte dispuesto entre el alojamiento y la estructura frágil, comprendiendo dicho elemento de soporte un pliegue integral sustancialmente no expansivo de fibras cerámicas formadas por fusión que contienen alúmina y sílice, teniendo dichas fibras un diámetro medio de 1 a 14 micrómetros (μm), habiéndose preparado dichas fibras por medio de un proceso que incluye el tratamiento térmico de dichas fibras en un régimen de tiempo-temperatura de uno de (i) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 990 a menos de 1100 ºC durante al menos una hora, de manera que las fibras tratadas tengan de un 5 a un 50 por ciento de cristalinidad según se detecta por medio de difracción de rayos-X, y tengan un tamaño de cristalito de 50 a 500 Å (x10-8 cm); y (ii) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 1100 ºC durante al menos 30 minutos para desarrollar dicha cristalinidad y dicho tamaño de cristal, exhibiendo las fibras las propiedades de manipulación apropiadas y ejerciendo el elemento de soporte una presión residual mínima para sujetar dicha estructura frágil dentro de dicho alojamiento tras 200 ciclos de ensayo a 900 ºC de al menos 27,58 kPa (4 psi).

Elemento de soporte para estructuras frágiles tales como convertidores catalíticos Campo de la invención La presente invención va destinada a convertidores catalíticos, dispositivos de recogida de partículas diésel y otros dispositivos para el tratamiento de gases de escape. Más particularmente, la presente invención va destinada a un dispositivo que tiene una estructura frágil montada con un alojamiento que está sobre un soporte en la misma por medio de un elemento de soporte dispuesto entre el alojamiento y la estructura frágil. El elemento de soporte tiene una resiliencia mejorada y propiedades de manipulación así como características de mayor presión de soporte y comprende un pliegue o capa integral y sustancialmente no expansiva de fibras cerámicas formadas por fusión para el montaje y soporte de la estructura frágil. Las características mejoradas del elemento de soporte no intumescente son el resultado de la formación controlada de micro-cristales de mullita en la fibra cerámica formada por fusión por medio de tratamientos térmicos en un régimen de tiempo-temperatura que requiere el tratamiento de la fibra a temperaturas de al menos 1100 º C durante al menos 30 minutos o a temperaturas de al menos 990 º C durante al menos 1 hora.

Antecedentes de la invención Los conjuntos de convertidor catalítico para el tratamiento de gases de escape de motores de automoción y diésel contienen una estructura frágil, tal como una estructura de soporte de catalizador, para albergar el catalizador, usado para llevar a cabo la oxidación de monóxido de carbono e hidrocarburos y la función de los óxidos de nitrógeno, montándose la estructura frágil dentro de un alojamiento de metal. Preferentemente, la estructura frágil está formada por un material frágil, tal como una estructura monolítica formada por un metal o un material cerámico ignífugo y frágil tal como óxido de aluminio, dióxido de silicio, óxido de magnesio, circonia, cordierita, carburo de silicio y similares. Estos materiales proporcionan un tipo de estructura de esqueleto con una pluralidad de minúsculos canales de flujo. No obstante, como se aprecia anteriormente, estas estructuras pueden ser, y con frecuencia son, muy frágiles. De hecho, estas estructuras monolíticas pueden ser tan frágiles que, con frecuencia, estas presiones de choque o tensiones son suficientes para provocar la fisuración o la ruptura de las mismas.

La estructura frágil está presente dentro de un alojamiento de metal, con un espacio o separación entre la superficie externa de la estructura frágil y la superficie interna del alojamiento. Con el fin de proteger la estructura frágil frente al choque térmico y mecánico y otras tensiones como se ha comentado anteriormente, así como para proteger frente al aislamiento térmico, se conoce la colocación de al menos un pliegue o capa de montaje o material de soporte dentro del hueco existente entre la estructura frágil y el alojamiento. Por ejemplo, las patentes de Estados Unidos del cesionario Nos. 4.863.700, 4.999.168, 5.032.441 y 5.580.532, cuya divulgación se incorpora por referencia en el presente documento, divulgan dispositivos convertidores catalíticos que tienen un material de montaje o soporte dispuesto dentro del hueco existente entre el alojamiento y la estructura frágil presente en los dispositivos, con el fin de proteger la estructura frágil y mantenerla en su sitio dentro del alojamiento.

No obstante, incluso algunos de los materiales de montaje últimos usados en estos dispositivos de convertidor catalítico, aunque apropiados para la mayoría de los convertidores catalíticos actuales de automoción, no satisfacen por completo los requisitos de diseño de la estructura frágil y de los fabricantes de convertidores catalíticos. En particular, se ha descubierto que la presión de sujeción residual ejercida por muchos de los pliegues de material de soporte del estado de la técnica, con frecuencia denominados mallas de montaje, resultan inadecuados cuando el convertidor catalítico ha experimentado fluctuaciones de temperatura amplias, provocando de este modo una expansión significativa y contracción del alojamiento del metal en relación con la estructura frágil, también denominada estructura de soporte del catalizador, que, a su vez, provoca la compresión significativa y ciclos de expansión para las mallas de montaje durante un período de tiempo. Se ha descubierto que estas mallas de montaje del estado de la técnica no mantienen de forma suficiente la estructura frágil en las aplicaciones más severas en la cuales las temperaturas alcanzan temperaturas bien por encima de 900 º C, y con frecuencia experimentan el ciclado térmico constante. La vibración y el choque mecánico son problemas adicionales para las mallas de montaje.

Estos problemas incluso se ven ampliados y los sistemas convertidores catalíticos que tienen estructuras de soporte catalíticas mayores de 35 mm de diámetro debido a que una estructura de mayor tamaño implica un alojamiento externo grande que, a su vez, implica una expansión de gas mayor entre la estructura de soporte frágil y el alojamiento a temperaturas elevadas debido a la expansión térmica grande del alojamiento con respecto a la estructura de soporte frágil. En condiciones normales de operación, una presión eficaz de retención para el elemento de soporte o malla de aproximadamente 2 psi (13, 79 kPa) es suficiente para evitar que la estructura frágil se vea desalojada o dañada. La presión eficaz de retención de malla se define como la presión de sujeción de malla multiplicada por el coeficiente de fricción de la interfaz malla/estructura frágil. El coeficiente de fricción de los productos de malla típicos es de aproximadamente 0, 45 en la condición de uso. Por tanto, se requiere que la malla de montaje tenga una presión de sujeción mínima residual suficiente tras 200 ciclos de ensayo a una temperatura nominal de 900 º C de al menos 4 psi (27, 58 kPa) , y tras 1000 ciclos de ensayo a una temperatura nominal de 900 º C de al menos 4 psi (27, 58 kPa) . Más preferentemente, el elemento de soporte (es decir, la malla de montaje) debería

tener una presión mínima de retención tras 200 ciclos de ensayo a la temperatura nominal de 900 º C de al menos 10 psi (68, 95 kPa) . Cuando se somete a ensayo tras 1000 ciclos a 900 º C, preferentemente la malla de soporte debería tener una presión mínima de retención de al menos 6 psi (41, 37 kPa) , e incluso más preferentemente, de al menos 12 psi (82, 74 psi) . Aún más, el elemento de soporte debería exhibir una degradación predecible y aceptable con la exposición a temperatura elevada y el ciclado mecánico, lo que significa que preferentemente el pliegue o pliegues deberían exhibir un patrón regular de degradación de no más de aproximadamente 1 psi (6, 89 kPa) por cada 100 ciclos tras aproximadamente 600 ciclos.

La mayoría de las mallas de montaje, hasta ahora, habían intentado solucionar los problemas de degradación y el ciclado térmico por medio del uso de fibras cerámicas costosas refractarias de alto contenido de alúmina que se suman de manera significativa al coste de producción de la malla de montaje. Estas fibras cerámicas refractarias están formadas por una disolución acuosa o una dispersión coloidal que se denomina "organosol" o "sol gel". Aunque las fibras cerámicas formadas por medio de los procesos de sol gel puedan ofrecer un grado elevado de la resiliencia necesario para el montaje de las estructuras monolíticas, su elevado coste ha forzado a los fabricantes a buscar otras soluciones menos costosas.

Por ejemplo, algunos fabricantes de mallas de montaje o soporte han recurrido al procesado costoso tal como la unión por costura antes de la instalación de la malla. En otros casos, el material de montaje usado puede requerir el uso en combinación con otros materiales de montaje, tales como láminas intumescentes y capas de revestimiento, con el fin de proporcionar la resistencia suficiente para la aptitud de manipulación y para la resiliencia. Generalmente, estos materiales de montaje son muy gruesos y carece de la integridad estructural necesaria, y pueden incluso requerir la manipulación en una bolsa para evitar el desmenuzado. Son difíciles de cortar hasta su tamaño para la instalación, y además se deben comprimir sustancialmente para adaptar el suficiente material necesario al montaje del soporte dentro del hueco existente entre la estructura de soporte del catalizador y el alojamiento. Por consiguiente, comúnmente tiene lugar la "vaporización instantánea", expulsándose un material de exceso fuera del alojamiento.

Como alternativa al uso de fibras cerámicas refractarias derivadas de sol, se han llevado a cabo intentos para formar fibras cerámicas... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo para el tratamiento de gases de escape, caracterizado por que comprende: un alojamiento que tiene una entrada en un extremo y una salida en un extremo opuesto para el flujo pasante de gases de escape; una estructura de catalizador frágil montada de forma resiliente dentro de dicho alojamiento, teniendo dicha estructura frágil una superficie externa, una superficie terminal de entrada en un extremo en comunicación con dicha entrada de dicho alojamiento, una superficie terminal de salida en un extremo opuesto en comunicación con dicho extremo de salida de dicho alojamiento y un elemento de soporte dispuesto entre el alojamiento y la estructura frágil, comprendiendo dicho elemento de soporte un pliegue integral sustancialmente no expansivo de fibras cerámicas formadas por fusión que contienen alúmina y sílice, teniendo dichas fibras un diámetro medio de 1 a 14 micrómetros (μm) , habiéndose preparado dichas fibras por medio de un proceso que incluye el tratamiento térmico de dichas fibras en un régimen de tiempo-temperatura de uno de (i) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 990 a menos de 1100 º C durante al menos una hora, de manera que las fibras tratadas tengan de un 5 a un 50 por ciento de cristalinidad según se detecta por medio de difracción de rayos-X, y tengan un tamaño de cristalito de 50 a 500 Ã (x10-8 cm) ; y (ii) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 1100 º C durante al menos 30 minutos para desarrollar dicha cristalinidad y dicho tamaño de cristal, exhibiendo las fibras las propiedades de manipulación apropiadas y ejerciendo el elemento de soporte una presión residual mínima para sujetar dicha estructura frágil dentro de dicho alojamiento tras 200 ciclos de ensayo a 900 º C de al menos 27, 58 kPa (4 psi) .

2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la estructura frágil tiene un perímetro, al menos una parte del cual está enrollado íntegramente por el elemento de soporte.

3. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas fibras frágiles están seleccionadas entre aluminosilicatos, caracterizadas de manera adicional por al menos uno de los siguientes:

(i) dichas fibras comprenden de un 40 a un 60 por ciento en peso de alúmina y de un 60 a un 40 por ciento en peso de sílice;

(ii) dichas fibras tienen diámetros medios que varían de 3 a 6, 5 micrómetros (μm) ; y

(iii) dichas fibras tienen menos de un 10 % de hilo de trama.

4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el elemento de soporte comprende fibras que se preparan por medio de tratamiento térmico de dichas fibras en un régimen de tiempo-temperatura de uno de los siguientes:

(i) tratar térmicamente dichas fibras a una temperatura entre 1100 y 1400 º C durante al menos una hora, y

(ii) tratar térmicamente dichas fibras a una temperatura de al menos 1100 º C durante al menos dos horas.

5. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el elemento de soporte comprende un pliegue no expansivo de fibras formadas en masa fundida que proporciona una presión residual mínima para sujetar la estructura frágil dentro del alojamiento tras 200 ciclos de ensayo a 900 º C de al menos 68, 95 kPa (10 psi) .

6. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el elemento de soporte se prepara por medio de un proceso que comprende el hilado en masa fundida de las fibras; tratamiento térmico de las fibras a un régimen de tiempo-temperatura de uno de los siguientes: (ii) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 990 a menos de 1100 º C durante al menos una hora, de manera que las fibras tengan al menos de un 5 a un 50 por ciento de cristalinidad detectado por medio de difracción de rayos-X y tengan un tamaño de cristalito de 50 a 500 Ã (x10-8 m) ; y (ii) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 1100 º C durante al menos 30 minutos para desarrollar dicha cristalinidad y dicho tamaño de cristalito e incorporación de las fibras a una forma de malla.

7. Un dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, que está seleccionado entre un convertidor catalítico y un dispositivo de retención de partículas diésel.

8. Un método de montaje de una estructura frágil que tiene al menos una superficie de entrada dentro de un dispositivo que tiene un alojamiento para proporcionar aislamiento térmico y resistencia al choque mecánico a la estructura frágil, caracterizado por que el método comprende:

preparar un elemento de soporte flexible que comprende un pliegue integral sustancialmente no expansivo de fibras cerámicas formadas en masa fundida que contienen alúmina y sílice, teniendo dichas fibras un diámetro medio de 1 a 14 micrómetros (μm) , habiéndose tratado térmicamente dichas fibras en un régimen de tiempotemperatura de uno de los siguientes: (i) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 990 a menos de 1100 º C durante al menos una hora, de manera que las fibras tengan de un 5 a un 50 por ciento de cristalinidad según se detecta por medio de difracción de rayos-X, y tengan un tamaño de cristalito de 50 a 500 Ã

(x10-8 cm) ; y (ii) tratamiento térmico de dichas fibras a una temperatura de al menos 1100 º C durante al menos minutos para desarrollar dicha cristalinidad y dicho tamaño de cristalito, exhibiendo las fibras las propiedades de manipulación apropiadas;

enrollar el elemento de soporte flexible alrededor de todo el perímetro de al menos una parte de las superficies de las estructuras adyacentes a la cara de entrada;

formar un alojamiento alrededor de la estructura enrollada;

y comprimir radialmente dicho elemento de soporte entre dicha estructura y dicho alojamiento;

ejerciendo el elemento de soporte una presión residual mínima para sujetar la estructura frágil dentro del 10 alojamiento tras 200 ciclos de ensayo a 900 º C de al menos 27, 58 kPa (4 psi) .

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que dicho pliegue tiene un espesor nominal no instalado de 3 a 30 mm, una densidad nominal no instalado de 0, 03 a 0, 3 gramos por centímetro cúbico y un espesor instalado de 2 a 8mm.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el elemento de soporte flexible se prepara de manera adicional por medio de impregnación con un aglutinante de dicho pliegue de dichas fibras cerámicas formadas en masa fundida.