CN101023247A - 污染控制元件安装系统和污染控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种污染控制元件安装系统，包括纤维材料垫块，和设置在该垫块内圆周表面上至少预期与该污染控制元件接触的一侧上的研磨材料的微小颗粒。一种污染控制装置，包括壳体、污染控制元件，以及设置在所述壳体和所述污染控制元件之间的安装系统。

Description

污染控制元件安装系统和污染控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于污染控制元件(例如催化剂载体、过滤元件等)的安装系统，具体地说，涉及一种适合用于处理来自内燃机，例如，用于车辆(例如汽车、飞机或水上飞机)或发电机，的废气的污染控制元件的安装系统，更具体地说，涉及能够更好地将污染控制元件保持在污染控制装置内的安装系统。本发明还涉及具有用于污染控制元件的这种安装系统的污染控制装置。
背景技术
利用陶瓷催化转化器作为用于除去包含在汽车发动机的废气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)等的装置的废气净化系统是众所周知的。陶瓷催化转化器基本上将蜂窝形陶瓷催化剂载体(也称为“催化元件”)容纳在金属外壳或壳体中。
可以得到本领域所熟知的各种陶瓷催化转化器。通常，陶瓷催化转化器采用这样一种结构，其中设置在壳体中的催化剂载体和该壳体之间的缝隙或间隙用隔热材料/安装材料填塞，该隔热材料/安装材料通常由无机纤维与有机纤维和/或通常液体或糊状有机粘接剂的混合物构成。结果，填塞缝隙或间隙的隔热材料/安装材料保持催化剂载体并且能够防止由于偶然作用在催化剂载体上的碰撞、振动等所引起的机械冲击。在具有这种结构的催化转化器中，不发生催化剂载体的破裂和移动，并且在很长的时间周期内能够完成预期的操作。此外，当这种隔热材料/安装材料处于起保持或安装催化剂载体的作用的形式时，它通常也称称为“催化剂载体安装系统”。
此外，当催化剂载体装载在壳体中时，通常采用绕着催化剂载体的外圆周卷绕该催化剂载体安装系统，将它们结合在一起，并且然后在压力作用下将该结合体推入圆柱形壳体中的推入系统。当前，已经提出各种各样的催化剂载体安装系统，以利用推入系统改进将催化剂载体组装在催化转化器中(叫做“封装”)的能力，以改善催化剂载体安装系统的减震性能(回弹性)，并防止用于催化剂载体安装系统中的无机纤维散布在空气中。例如，如图1所示，在包括催化剂载体33、覆盖该催化剂载体33的外圆周的金属外壳(壳体)32和设置在该催化剂载体33和该壳体32之间的保持密封件31的催化转化器35中，已经提出一种催化剂载体安装系统，其包括进行针刺处理成密度为50至3000pcs/100cm2的无机纤维垫块，该无机纤维垫块具有重量百分比为0到2％或以下的有机物含量，并且在填实密度为0.15到0.45g/cm3的情况下当加热到300到1000℃时产生5到500kPa的压力。参见日本未审查专利申请(公开)2001-259438号。在这里，保持密封件31对应于催化剂载体安装系统。如图所示，催化转化器35设置在汽车或其他内燃机36的排气管37的中部。封装步骤通过在压力作用下从图2所示的壳体开口端推动保持密封件31卷绕在其上的催化剂载体33来进行。
在具有类似于上面所述结构的催化转化器中，已经提出一种催化剂载体安装系统(见日本专利公开2002-4848)，其中，重量百分比为0.5到2％有机粘合剂或包括无机粘合剂的粘合剂施加在通过将无机纤维设置为垫块子形式的垫块状物上，组装后的填实密度控制为0.1到0.6g/cm3，并且当施加在该垫状物上的粘合剂的固体部分沿着厚度方向相等地分成三部分(上部、中部和下部)并且然后测定时，在该上部和下部的每个部分的该粘合剂的固体部分高于该中部的固体部分。
日本专利公开2000-206421号公开了一种用于催化转化器的保持密封件，其利用聚集成垫块形式的陶瓷纤维作为构成元件，并且设置在该催化剂载体和覆盖该催化剂载体外圆周的金属外壳之间的间隙中，其中无机材料的凹凸结设置供在该陶瓷纤维的外表面上。在这种保持密封件中，该无机材料的凹凸结构优选包括金属氧化物颗粒。
发明内容
用于污染控制装置中的污染控制元件安装系统，至少可靠地将污染控制元件(例如，催化剂载体和过滤元件)长时间地保持在污染控制装置内所希望的位置。但是，仍然需要一种具有改善的能力的安装系统以防止污染控制元件和其安装系统之间的滑动，该安装系统允许该污染控制元件在该污染控制装置内从其所希望的位置移动。将污染控制元件保持在污染控制装置中所希望的位置所需要的力用下述表达式表示：
保持力＝安装系统施加的力×静摩擦系数
该安装系统所施加的力可以用该安装系统在该污染控制装置中所施加的压力确定。这种压力取决于该安装系统在该污染控制元件和该壳体之间被压缩的程度。需要计算两个保持力：该安装系统和该污染控制元件之间的力，和该安装系统和该壳体之间的力，因为每个之间的摩擦系数通常不同。
因此，改善污染控制元件的保持力的一种方法是通过增加该安装系统被压缩的程度必需增加由该安装系统产生的压力。但是，当该安装系统被压缩的程度过分地增大时，用于该安装系统中的陶瓷纤维和其他无机纤维可能断裂、破裂或者甚至损坏。这种纤维损坏能够引起由该安装系统施加的力(例如保持力)的下降，并且可能够发生或增加安装系统的腐蚀，这能够导致污染控制元件的破裂或损坏。
当金属氧化物颗粒能够粘接于构成该催化剂载体安装系统的陶瓷纤维的表面，以形成日本公开2000-206421号所述的凹凸结构时，采用使金属氧化物颗粒的悬浮物粘接于陶瓷纤维的表面并且然后在高温下烘干该纤维的方法。因此，在陶瓷纤维之间产生交联或粘合，这减少陶瓷纤维和之间的滑动并使安装系统变硬，结果安装系统变得较硬而较少柔性。一般而言，这种柔性的降低能够使安装系统更加难以操作。具体说，例如，在催化转化器的安装过程中安装系统容易产生裂缝，特别是在安装系统被卷绕在催化剂载体上时。
本发明提供一种安装系统，其很少可能出现上述和其他问题，并且用于将诸如催化剂载体和过滤元件的污染控制元件保持在污染控制装置内所希望的位置。
因此，本发明的目的是提供一种用于污染控制元件(例如催化剂载体和过滤元件)的安装系统，其具有下述的一个、多个或所有优点：当组装污染控制元件和安装系统时，防止或至少明显地限制该污染控制元件和安装系统之间的运动或分开，例如，将其推进污染控制装置的壳体中同时该安装系统绕该污染控制元件被卷绕时，在污染控制元件装载在壳体中之后，能够将该污染控制元件在污染控制装置内稳定地保持在位，并且具有改善的耐热性、表面压力保持性、抗腐蚀性以及可处理性。
本发明的另一个目的是提供一种具有这种用于污染控制元件的安装系统的污染控制装置。
为了解决上述问题，本发明的发明人进行了广泛的研究，并且已经发现能够改善将污染控制元件(例如催化剂载体和过滤元件)保持在污染控制装置内所希望的位置的可靠性，而不减少利用用于污染控制元件的安装系统组装污染控制装置的能力，该安装系统处于受压状态并包括能够增加该污染控制元件的接触表面和该安装系统的接触表面之间的摩擦系数的颗粒结构。
根据本发明的一方面，提供一种用于污染控制元件的安装系统，其包括适合用于污染控制装置中具有纤维材料的垫块。该垫块可以具有预定的厚度。该安装系统在施加压力的情况下可以设置在壳体和污染控制元件之间。该安装系统还包括研磨材料的微小颗粒，该研磨材料的微小颗粒至少设置在安装系统的表面上，以便与该污染控制元件的外表面或外侧接触。
根据本发明的另一方面，提供一种污染控制装置，其包括壳体、设置在该壳体内的污染控制元件，以及设置在该壳体和污染控制元件之间的间隙中的安装系统。该安装系统是根据本发明的原理的安装系统。
根据本发明的污染控制装置可以包括，例如，诸如用于内燃机中的排气系统中的催化转化器和废气过滤装置。这种发动机包括用于车辆(例如火车、汽车、飞机、水上飞机等)和发电机的发动机。
从本发明的下面的详细描述中，本发明的上述和其他目的将很容易理解。
附图说明
图1是示出根据现有技术的催化转化器的结构的剖视图。
图2是示出将催化剂载体推进图1所示的催化转化器的金属壳体中方法的透视图。
图3是示出根据本发明的催化转化器的结构的剖视图。
图4是沿图3的A-A线截取的催化转化器的剖视图。
图5是示出在图3所示的催化转化器的催化剂载体安装系统中的磨料微粒分布状态的剖视图。
图6是示出根据本发明的催化剂载体安装系统的优选实例的剖视图。
图7是示出根据本发明的催化剂载体安装系统的另一个优选实例的剖视图。
图8是示出根据本发明的催化剂载体安装系统的又一个优选实例的剖视图。
图9是示出根据本发明的催化剂载体安装系统的再一个优选实例的剖视图。
图10是示出测量催化剂载体安装系统的摩擦系数的方法的剖视图。
具体实施方式
下面将详细描述关于催化转化器的本发明的具体实施例。应当理解，本发明不限于这种使用。例如，本发明还可以应用于其他污染控制装置，例如，废气过滤装置(例如，柴油发动机过滤装置)。根据本发明，当本发明的安装系统用于催化剂载体时，例如安装系统在压力作用下，并且优选在预定的压力下，设置在该催化剂载体和金属壳体之间。因此，通过由该安装系统的表面施加的压力(即，表面摩擦力)能够防止该催化剂载体的不希望的运动。由于研磨材料微小颗粒设置在至少该安装系统与催化剂载体接触的接触表面上，能够增大与催化剂载体的摩擦系数，并且能够进一步改善保持催化剂载体的可靠性。而且，当催化剂载体和卷绕在该催化剂载体上的安装系统被封装(即组装在金属壳体中)，能够防止，或者至少明显减少该催化剂载体和卷绕的安装系统之间的运动，而没有对组装该催化转化器的能力产生不利影响。
总而言之，正如从下面的详细说明中所能够理解的，本发明提供一种催化剂载体安装系统和用于其他污染控制元件的安装系统，其具有下述一个、多个或所有优点：当两者组装在一起时，例如，推进该污染控制装置的壳体中同时该安装系统绕该污染控制元件卷绕时，防止或至少明显限制该污染控制元件和该安装系统之间的运动或分离，在该污染控制元件被加载在该壳体中之后，能够稳定地将污染控制元件保持在该污染控制装置内所希望的位置，并且具有改善的耐热性、表面压力保持性、抗腐蚀性以及可处理性。
本发明还提供一种具有这种用于污染控制元件的安装系统并具有良好耐久性和良好性能的污染控制装置。根据本发明的催化转化器可以有利地用于处理汽车发动机和其他内燃机中的废气。
根据本发明的用于污染控制元件的安装系统和污染控制装置能够分别以各种形式有利地进行。例如，污染控制元件可以是催化剂载体(或催化剂元件)、过滤元件(例如，用于发动机的废气净化过滤器)或其他任何污染控制元件。同样，污染控制装置可以是催化转化器、诸如用于发动机(例如，柴油颗粒过滤装置)的废气净化装置的废气净化装置，或根据该污染控制元件安装在其上的任何其他污染控制装置。虽然本发明具体参考催化剂载体安装系统和催化转化器进行说明，但是本发明不具体限制于下面的实施例。
根据本发明的催化转化器用于处理汽车发动机和其他内燃机中的废气是特别有利的，并且构造成至少包括壳体和设置在该壳体中的催化剂载体(催化剂元件)。将在后面详细说明的根据本发明的催化剂载体安装系统填塞在壳体和催化剂载体之间以便卷绕该催化剂载体的外圆周。
该催化剂载体安装系统优选在适当压缩量的情况下使用，换句话说，在适当的预定压力下使用，以便当它安装在壳体内时获得适当的体密度。压缩包括蛤壳压缩、填充压缩和绷带压缩(tourniquetcompression)。根据本发明的该催化剂载体安装系统可以有利地用于产生所谓的“推入结构”催化转化器，其中该催化剂载体安装系统在压力下被推进圆柱形壳体中，例如，在填塞压缩器中。当使用能够释放诸如哈壳压缩器的壳体时，在该催化剂载体安装系统被推进该圆柱形壳体中时，不发生诸如摩擦的问题。
根据本发明的催化转化器包括各种类型的催化剂载体安装系统，只要它们采用推入结构。该催化转化器优选是具有形状做成，例如，整体式(monolithic)形状的催化剂元件，即，整体的催化剂载体的催化转化器。由于催化转化器包括具有小蜂窝形通道的催化剂元件，它小于现有技术的弹丸形催化转化器，能够减小废气阻力，同时足以确保与废气的接触面积，并且能够更有效地处理废气。
根据本发明的催化转化器能够以与各种内燃机组合的形式有利地用于处理废气。当安装在诸如小汽车、公共汽车、卡车等上时，本发明的催化转化器足以获得良好的功能和效果。
图3是示出根据本发明的催化转化器的通常例子的剖视图，并且示出在剖切状态下的该催化转化器的主要部分。图4是沿图3的A-A线截取的催化转化器的剖视图。从这些图中可以理解，催化转化器10包括金属壳体4、设置在该金属壳体内侧的整体式固态催化剂载体1，以及设置在该金属壳体4和该催化剂载体1之间的本发明的催化剂载体安装系统2。正如将要在下面参考图5至图9详细说明的，该催化剂载体安装系统2具有有在容许的公差范围内的预定厚度的合适纤维材料的垫块，并切包含至少在该催化剂载体侧的垫块的内圆周侧上与该催化剂载体成接触状态的研磨材料的微小颗粒。每个具有圆形接头圆锥形状的废气流入口12和废气排出口13安装在催化转化器10上。此外，研磨材料的微小颗粒也可以称作“磨料”。
在根据本发明的催化转化器10的情况下，基本上不需要将诸如粘结剂或粘结片的粘合装置设置在该催化剂载体1和催化剂载体安装系统2之间。但是，当它不负面影响本发明的功能和效果，而是能够改善该催化剂载体1和催化剂安装系统2之间的粘结，并且期望方便封装操作的效果时，可以附加地使用粘合装置。优选，局部地使用该粘合装置。该催化剂安装系统2可以具有通常不需要的但是保护该催化剂安装系统2的表面不被损坏的保护涂层等。
具体说，在金属壳体内的固态催化剂载体通常是具有蜂窝状结构的陶瓷催化剂载体，该蜂窝状结构具有多个废气通道。本发明的该催化剂载体安装系统以这样的方式设置，以便绕该催化剂载体常规地完全包裹。除了隔热材料的功能之外，该催化剂载体安装系统将该催化剂载体安装或保持在金属壳体内并密封该催化剂载体和该金属壳体之间的间隙。因此，该催化剂载体安装系统防止废气旁路通过该催化剂载体或至少减少这种不希望的旁通。该催化剂在体被牢固地并弹性地保持在金属壳体内。
在根据本发明的该催化转化器中，其金属壳体可以根据所希望的功能和效果能够利用本领域已知的各种金属材料制造成任意的形状。合适的金属壳体用不锈钢制造并且具有图3所示的形状。不必说，具有任意形状的金属壳体在必要时可以用诸如铁、铝和钛，或其合金制造。
以与金属壳体相类似的方式，固态催化剂载体可以用用于普通催化转化器的已知的材料做成已知的形状。合适的催化剂载体对于本领域的技术人员是熟知的，并且包括用金属和陶瓷制造的催化剂载体。有用的催化剂载体公开在美国专利27,747号中。例如，从市场上可以买到美国Coning公司的陶瓷催化剂载体。从美国Coning公司可买到商品名为“CELCOR”的蜂窝状陶瓷催化剂载体，从NGK Insulated有限公司可以买到商品名为“HONEYCERAM”的蜂窝状陶瓷催化剂载体。金属催化剂载体可以从德国的Beth GmbH and CO.，买到。此外，对于整体式催化剂的细节，参考Stroom等人的参考号为900,500号SEA技术文献，名称为“用于汽车的催化转化器的包装结构的系统方法”，Howitt的参考号为800,082号SEA技术文献，名称为“用作整体式催化剂载体的薄壁陶瓷”，以及Howitt等人的参考号为740,244号SEA技术文献，名称为“在整体式蜂窝状汽车催化转化器中的流动效果”，它们的全部内容结合于此用作参考。
上述被支承在催化剂载体中的催化剂通常为金属(例如，铂、钌、饿、铑、铱、镍以及钯)和金属氧化物(五氧化二钒、氧化钛等)，并且优选用于涂层的形式。这种催化剂涂层详细描述在美国专利3,441,381号中。
在本发明的实践中，催化转化器可以用各种方法制造成各种结构而不脱离本发明的范围。优选地，该催化剂通过将蜂窝状陶瓷催化剂载体容纳在金属壳体中而制造，并且最终的催化剂载体(催化剂元件)可以例如通过由诸如铂、铑或钯的前述金属形成在具有蜂窝状的陶瓷单块上制造。当采用这种结构时，在比较高的温度下能够获得有效的催化效果。
根据本发明，本发明的催化剂载体安装系统设置在金属壳体和设置在该金属壳体内的催化剂元件之间。该催化剂载体安装系统用具有希望厚度的合适纤维材料的垫块、毡块等形成。该催化剂载体安装系统可以包括单一垫块形式的一个部件，和可以是复合件形式，例如，堆叠并可选地粘合两个或更多个垫块在一起。为了容易处理，该催化剂载体安装系统通常具有垫块或毡块的形式，但是需要时也可以利用其他形式。该催化剂载体安装系统的尺寸根据使用目的可以在很宽的范围内变化。当垫块催化剂载体安装系统被安装于例如小汽车，或客车的催化转化器中并使用时，该安装系统通常具有约1.5到约15mm的厚度，约200到约500mm的宽度以及约100到约1500mm的长度。这种安装系统可以用剪刀、切割器等切割成所希望的形状并切割成所希望的尺寸，并且可以在这种状态使用。
该催化剂载体安装系统用纤维材料构造，并且优选用无机纤维构造。适合于构造催化剂载体系统的无机纤维材料可以包括玻璃纤维、陶瓷纤维(例如高熔点的陶瓷纤维)、碳纤维、碳化硅纤维以及硼纤维。当需要并且合适时，也可以用其他无机纤维。这些无机纤维可以单独使用，或两种或更多种的组合形式使用。在这些无机纤维中，优选使用诸如氧化铝纤维、氧化硅纤维以及氧化铝-氧化硅纤维的陶瓷纤维。这些陶瓷纤维可以或者单独使用，或者以复合纤维形式或其他形式的两种或更多种的组合形式使用。其他无机材料可以用作添加剂与上述陶瓷纤维和其他无机纤维组合。合适的添加剂的例子可以包括氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铬、氧化钇以及氧化镧，但是这些例子没有任何限制。这些添加剂通常用于粉末和微小颗粒的形式，并且可以或者单独使用，或者以两种或更多种的组合形式使用。
具体说，在该催化剂载体安装系统中所用的无机纤维可以例如包括包含氧化铝(Al2O3)和氧化硅(SiO2)的无机纤维。在这里，无机纤维具有氧化铝和氧化硅两种成分，并且氧化铝对氧化硅的混合比例优选在40∶60到96∶4的范围内。当氧化铝和氧化硅的混合比例超过这个范围时，例如当氧化铝的混合比例低于40％时，将引起耐热性降低的问题。
无机纤维的厚度(平均直径)不具体限制，但是平均直径优选为约2至7μm。当无机纤维具有小于2μm的平均直径时，该纤维可能够变成脆性的并缺少足够的强度。相反，当该有机纤维具有大于7μm的平均直径时，该安装系统的模制可能很困难。
该有机纤维的长度和其厚度一样不具体限定。但是，该无机纤维优选具有0.5到50mm的平均长度。当无机纤维的平均长度小于0.5mm时，用这种纤维形很难或者不能实现形成安装系统的效果。相反，当无机纤维的平均长度大于50mm时，处理性降低，使得安装系统的制造过程变得很难或不可能顺利进行。
根据另一种方法，主要由氧化铝纤维的堆叠片构成的氧化铝纤维垫块在实施本发明时也可以有利地用作催化剂载体安装系统。在这种氧化铝纤维垫块中，该氧化铝纤维的平均长度通常在从大约20mm到大约200mm的范围内，并且纤维的厚度(平均直径)通常在从说1μm到约40μm的范围内。该氧化铝纤维优选具有富铝红柱石成分，其具有Al2O3/SiO2的重量百分比为在从约70/30到约74/26的范围内。
上面描述的该氧化铝纤维垫块可以通过纺绩由诸如氯氧化铝的氧化铝源、诸如氧化硅溶胶的氧化硅源、诸如聚乙烯醇的有机粘接剂和水的混合物构成的溶胶-凝胶来制造。换句话说，纺绩的氧化铝纤维产物母体堆叠成片，然后优选进行针刺并且通常在约1000℃到约1300℃高温下烘干。
上面所述的针刺处理提供部分纤维相对于堆叠表面沿纵向取向的效果。因此，由于在该片内的部分氧化铝纤维产物母体穿过该片，沿纵向取向并且固定于该片该片，该片的体积比重能够增加并且，能够防止在该层中的剥离和偏移。针刺密度可以在很宽度范围内变化，但是通常在1至50针/cm2的范围内。该垫块的厚度、体积比重和强度可以根据针刺密度控制。
在上述氧化铝纤维的生产中，可以添加其他陶瓷纤维和无机膨胀剂以补充氧化铝纤维。在这种情况下，添加剂可以均匀地混合在该垫块中，但是当添加剂局部地添加以避开被加热的那些部分时，能够降低成本同时保持添加剂的性能。上面描述的陶瓷纤维是氧化硅纤维和玻璃纤维，而无机膨胀剂是平膨润土、不膨胀的蛭石或可膨胀的石墨。
参考图5，根据本发明的催化转化器可以包括壳体4，装载在该壳体4中的催化剂载体1，和具有所希望的厚度并且设置在该壳体4和该催化剂载体1之间的垫块2，在该垫块2处于绕该催化剂载体1的外圆周卷绕的状态。能够改善与该催化剂载体的摩擦系数的研磨材料的颗粒5设置在该垫状催化剂载体安装系统2的至少内圆周表面2b上，该内圆周表面2b在该催化剂载体1的外表面或侧面上。正如从附图中所能够理解的，该研磨材料的微小颗粒不是基本上设置在该催化剂载体安装系统2的相对的表面上，即，在该壳体4的侧上的外圆周表面2a上。这里所用的术语“至少”是指该研磨材料的微小壳体5整个地或部分地、优选全部且基本均匀地分布在该催化剂载体安装系统的内圆周表面2b上的状态，并且该研磨材料的微小颗粒沿着该催化剂载体安装系统2的深度的方向分布的状态。此外，当研磨材料的微小颗粒5沿着该催化剂载体安装系统2的深度方向分布时，虽然该分布随着该研磨材料的微小颗粒5的施加方法变化，但是该研磨材料的微小颗粒5通常以这样的方式分布，当该催化剂载体安装系统2沿着厚度方向观察时，使得颗粒5的浓度朝着内表面2b增加。特别优选地，该微小颗粒5总量的至少70％包含在从其内表面2b延伸到50％的深度的该催化剂载体安装系统2的下层区域2L中。
在本发明的实践中，各种研磨材料的微小颗粒能够用于改善与该催化剂载体的摩擦系数。由于研磨材料可以分布以改善摩擦系数，本发明所用的研磨材料也可以称作“摩擦材料”。合适的研磨材料的例子包括具有耐热性的金属氧化物(例如氧化铝、富铝红柱石、氧化锆、氧化镁、氧化钛等)，SiC、氮化硼和碳化硼，但是它们不受限制。这些研磨材料可以单独使用，或者以两种和更多种的组合使用。
上述研磨材料通常以微小颗粒形式使用。该研磨材料的微小颗粒根据研磨材料的种类和期望的附加效果可以以各种直径使用，但是根据JIS R60001规定的研磨材料颗粒的尺寸，优选颗粒的尺寸为F1200到F60。当研磨材料的微小颗粒的颗粒尺寸小于F1200时，不能实现或至少明显减少所希望的摩擦系数的改善效果，因为在一些情况下，研磨材料的微小颗粒可以变成嵌入无机纤维中并远离催化剂载体安装系统的表面。当为了制造催化剂载体安装系统，例如，以组合形式使用有机粘合剂时，当发生粘结剂燃烧时，例如在内燃机工作时，粘合在该粘合剂上的研磨材料的微小颗粒更加可能迁移进该无机纤维的缝隙或间隔中。相反，当研磨材料的微小颗粒的颗粒尺寸超过60F时，催化剂载体的固定效果可能变得不足。能够获得优选的结果，其中研磨材料的微小颗粒具有在从约30μm(约F406)到约300μm(约F80)范围内的平均颗粒尺寸，以及在从约F240(70μm)到约F80(300μm)范围内的颗粒尺寸。
如上所述，本发明的催化剂载体安装系统可以以单个的垫块的形式使用或以复合合的垫块形式使用。图6是示出单个垫块形式的催化剂载体安装系统2的实例的剖视图。该催化剂载体安装系统2可以具有与前面参考图5说明的催化剂载体安装系统同样的结构。换句话说，该催化剂载体安装系统可以包括无机纤维21并且包含研磨材料的微小颗粒5，其中该微小颗粒5集中在表面(与该催化剂载体接触的侧的表面)的一个区域上，同时其一部分暴露在表面上。
当本发明的催化剂载体安装系统以复合垫块的形式使用时，可以采用各种复合垫块。但是，一般来说，该复合垫块可以用一个含有磨料的垫块和至少一个用纤维材料形成的辅助垫块，该纤维材料与含有磨料的垫块的纤维材料相同或不同。该辅助垫块的纤维材料优选是上述无机纤维材料。基本上，该辅助垫块不含有上述研磨材料的颗粒。从性质方面，该辅助垫块可以是所谓的“不膨可胀的或不膨胀的垫块”，或可以包含不膨胀的垫块和所谓的“可热膨胀的或热膨胀垫块”。
图7至图9是示出用于实施本发明的合适的复合垫块的实例的剖视图。
图7示出本发明含有磨料的垫块21和不膨胀垫块的辅助垫块组合在一起形成具有复合垫形式的催化剂载体安装系统2的实例。在附图所示的催化剂载体安装系统2中，该含有磨料的垫块21用无机纤维、研磨材料的微小颗粒以及有机粘合剂形成。另一方面，该不膨胀的垫块22用无机纤维和有机粘合剂形成。为了形成含有磨料的垫块21和不膨胀的垫块22，可以使用相同或不同的无机纤维。例如，可以使用具有高耐热性的氧化铝纤维用于形成含有磨料的垫块21，用铝硅纤维或玻璃纤维用于形成不膨胀的垫块22。在其他情况下，也可以用氧化铝于氧化硅纤维形成含有磨料的垫块21，用玻璃纤维形成不膨胀的垫块22。
当本发明的催化剂载体安装系统用湿法工艺制造时，通常用如上所述的组合形式的无机纤维和有机粘合剂。但是，在本发明的实践中，有机粘合剂的种类和其使用量不具体限定，但是可以按常规方式使用。例如，可以用以胶乳形式提供的丙烯酸基树脂、聚氨酯树脂、天然橡胶、苯乙烯-丁二烯树脂等。这些有机粘合剂可以包含软质热塑性树脂，例如不饱和聚酯树脂。环氧树脂、聚乙烯基酯树脂等。
图8是具有复合垫块形式的催化剂载体安装系统2的实例，其通过将本发明的含有磨料的垫块21与可热膨胀或热膨胀的垫块的辅助垫块23一体地组合而形成。在该图所示的催化剂载体安装系统2中，含有磨料的垫块21用无机纤维、研磨材料的微小颗粒和有机粘合剂形成，而可热膨胀的垫块23用无机纤维、有机粘合剂以及可热膨胀的或膨胀的材料形成，为了形成含有磨料的垫块21和可热膨胀的垫块23，可以用同样的或不同的无机纤维。例如，当需要时，可以用铝硅纤维或具有高耐热性的氧化铝纤维形成含有磨料的垫块21，用铝硅纤维或玻璃纤维形成可热膨胀的垫块23。例如，不膨胀的蛭石或可膨胀的石墨可以用作形成热膨胀垫块23的热膨胀材料。
图9示出具有三层形式的复合垫块的催化剂载体安装系统的实例，其通过将本发明的含有磨料的垫块21与不可膨胀垫块的第一辅助垫块22和可热膨胀垫块的第二辅助垫块23一体地组合而形成。在该图所示的催化剂载体安装系统2中，含有磨料的垫块21用无机纤维、研磨材料的微小颗粒和有机粘合剂形成。另一方面，不可膨胀垫块22用无机纤维和有机粘合剂形成，而可热膨胀垫块23用无机纤维、有机粘合剂以及热膨胀材料形成。该含有磨料的垫块21、不可膨胀垫块22以及可热膨胀垫块23可以分别用上述方式形成。在这个实例中，含有磨料的垫块21和不可膨胀垫块22两者优选用具有高耐热性的氧化铝纤维形成。另一方面，可热膨胀垫块23可以用氧化铝纤维或玻璃纤维等，与诸如不膨胀的蛭石或可膨胀的石墨的热膨胀材料组合形成。
此外，假定用于改善摩擦力的机制在本发明的安装系统中运行，但是下面的描述不限制本发明的催化剂载体安装系统的运行。
该安装系统的保持性能可以用“保持力”表示，该保持力是通过该安装系统的压缩产生的压力和已经描述的污染控制元件和该安装系统之间的摩擦力的产物。在这里，过去通常使用的安装系统用无机纤维和有机粘合剂形成，并确保该无机纤维之中足够的缝隙或该无机纤维之间足够的间隔，以便在压缩时产生压力同时抑制纤维的损坏。根据本发明的发明人进行的观察，该无机纤维之间的缝隙或间隔使催化剂载体和催化剂载体安装系统之间的接触面积减少，这最终限制该催化剂载体和催化剂载体安装系统之间的摩擦系数。
本发明人已经发现，当具有耐热性的无机纤维设置在位，优选粘合在位，在与污染控制装置接触的该安装系统的侧面或表面，优选其一部分，具有预定的厚度，该污染控制元件和该安装系统之间的接触面积可以增加，并且因此改善该污染控制元件和该安装系统之间接的摩擦系数。具体说，通过有机粘合剂固定在该安装系统的无机颗粒能够迁移进入与污染控制元件接触的该纤维中的缝隙或间隙中，特别是在有机粘合剂组合之后。据信，该颗粒迁移到这些间隙中至少受到当安装进污染控制装置中时该安装系统所受到的高压力的帮助。换句话说，据信，颗粒能够被该安装系统所产生的压力有效地挤进这些间隙中。通过填充该安装系统和污染控制元件之间的间隙，该颗粒增加该安装系统和污染控制元件之间的接触面积。可选地，或附加地，如果希望的话，同样的方法可以应用于增加安装系统和污染控制装置的外壳或壳体之间的接触面积。一旦颗粒达到平衡状态之后，包括已经迁移进入间隙中的颗粒，该安装系统所产生的压力趋于防止或至少阻止该颗粒的进一步迁移，特别是防止从该安装系统出去。
根据本发明的安装系统通常可以用湿法铺放(wet-laid)工艺制造，例如造纸中所用的湿法铺放工艺，例如，在2003年11月17日提交的公开的国际(PCT)专利申请号WO2004061279，和1997年2月7日提交的美国专利6,051,193号中所描述的，它们的全部内容结合于此以供参考。一般来说，无机纤维和作为起动材料的有机粘合剂与任意的添加剂混合之后，诸如打开无机纤维，制备浆料、通过造纸成形以及模制冲压等步骤顺序地进行，以获得预期的安装系统。也可以根据安装系统的结构通过湿法和干法结合，或者利用干法替代湿法制造该安装系统。干法工艺通过已知的并且惯用的工艺进行，并且通常是利用针刺工艺的干法工艺。
下面将给出更加详细的说明。例如用下面的方法可以制造复合垫块形式的催化剂载体安装系统，该复合垫块包括含有磨料颗粒的垫块和不含有磨料颗粒的辅助垫块。
制造方法A
制备含有无机纤维和有机粘合剂的第一浆料和含有无机纤维、研磨材料的微小颗粒以及有机粘合剂的第二浆料。辅助垫块的产物母体用第一浆料通过常规的造纸工艺制造，而含有磨料微小颗粒的垫块的产物母体用第二浆料通过常规的造纸工艺同样地形成。其次，这两种母体的层压件在一对挤压辊之间引导并挤压以达到高密度。最后，挤压之后的层压件在一对加热辊之间加热并烘干，以得到两层组成的垫状催化剂载体安装系统。
制造方法B
制备含有无机纤维和有机粘合剂的第一浆料，并且辅助垫块的产物母体用该第一浆料通过常规的造纸工艺形成。制备含有无机纤维、研磨材料的微小颗粒以及有机粘合剂的第二浆料，并且含有磨料微小颗粒的垫块的产物母体用该第二浆料通过常规的造纸工艺制造同样地形成。其次，结果得到的两种产物母体用任意的粘合装置，例如，普通的粘结剂、树脂或双面胶带粘合并结合为一体，或通过诸如钉合、缝合的机械安装装置结合在一起，以得到两层组成的垫状催化剂载体安装系统。
制造方法C
制备并纺绩用于无机盐工艺的氧化铝纤维产品母体溶胶凝胶，然后堆叠、针刺并在预定温度下的烘干。其次，通过将研磨材料的微小颗粒散布在有机粘合剂中制备的浆料施加到所得到的氧化铝纤维毡的表面，并通过吸收脱水。因此得到垫状催化剂载体安装系统，其中研磨材料的微小颗粒选择性地散布在并固定在该氧化铝纤维毡的表面上。
制造方法D
制备并纺绩用于无机盐工艺的氧化铝纤维产品母体溶胶凝胶，然后堆叠、针刺合在预定温度下的烘干。其次，由无机纤维、研磨材料的微小颗粒以及有机粘合剂构成的浆料施加到达到所得到的的氧化铝纤维毡的表面，并通过吸收脱水。
实例
接着，将参考本发明的实例说明本发明。此外，本发明不限于这些实例。
首先制备由72％重量百分比的氧化铝和28％重量百分比的氧化硅构成的铝硅纤维(Mitsubishi Kagaku Sanshi的产品)，并且88％重量百分比的这种纤维和12％重量百分比的丙烯类胶乳(“Nippol LX816”，Nippon Zeon K.K.的产品)混合得到第一浆料。当制备这种浆料时，控制水的含量以便固态浓度为5％重量百分比。其次，在筛网上将第一浆料脱水并将形状做成片状以得到片状模型。该模型然后用压力辊挤压以得到高密度。其次，得到的高密度模型用加热辊在130℃的温度下烘干20分钟以得到不膨胀的垫块。这种不膨胀的垫块的表面平均密度为1200g/m2。此外，这种不膨胀的垫块也用作对比样品以便在下面的测试中将它与本发明的复合垫块进行比较。
列于下面表1中的研磨材料的微小颗粒(这里叫做“磨料颗粒”)是不同颗粒尺寸或颗粒直径的混合物，并且以添加量的形式添加到88％重量百分比的铝硅纤维(Saffil Co.的产品)混合物中，该铝硅纤维由72％重量百分比的氧化铝和28％重量百分比的氧化硅构成，该88％重量百分比的铝硅纤维的混合物与12％重量百分比的丙烯类胶乳(“NippolLX816”，Nippon Zeon K.K.的产品)一起，以得到第二浆料。
氧化铝磨料：“SA-J01”型(Showa Denko的产品)
碳化硅磨料：“C”型(Showa Denko的产品)
氧化锆磨料“RZ-8C”型(Showa Denko的产品)
钛磨料“R5N”型(Sakai Kagaku Kogyo的产品)
当制备第二浆料时控制水的含量以便固态浓度为5％的重量百分比。其次，在筛网上将第二浆料脱水并将其形状做成片状，以得到片状模型。该模型然后用压力辊挤压以得到高密度。其次，得到的高密度模型用加热辊在130℃的温度下烘干20分钟以得到含有磨料的垫块。这种含有磨料的垫块的平均表面密度为200g/m2。
接着，层压不膨胀的垫块和以上述方式生产的含有磨料的垫块并且用丙烯基粘结剂粘合。因此得到层压的结合在一起的复合垫，其长度为260mm，宽度为90mm，厚度为12.5mm。这些复合垫块叫做“样品1至样品17”。
评估测试(摩擦力测量)
当催化剂载体用于催化转化器中时，为了测量催化剂载体的摩擦系数，利用自动绘图仪“AGS100D”(Shimazu Seisakusho K.K.的产品)用下述方式测量样品1到样品17的每个催化剂安装系统和对比件的摩擦力。
每个样品切割成长为50mm、宽为25mm、厚度为12.5mm的测试样品件。其次，如图10所示，与该催化剂载体接触的接触表面(在这里，Nippon Glass Co.的整体式本体)相对的测试件2的表而用双面胶带粘接于SUS片(不锈钢片)46。
其次，制备大约1m长的不锈钢芯43，并且该芯的一端固定与该SUS片46。滑轮45设置在紧靠加载压力传感器44的下面。并且不锈钢芯的另一端以这样的方式固定于该加载传感器44，使得当加载传感器向上移动时，该测试件2固定于其上的SUS片46平行于地面移动。
其次，该测试件2以这样的方式置于该催化剂载体41上，使得该催化剂载体41的中心线对着该滑轮45的前方(front ways)并且平行于地面。调节加载传感器44的高度使得测试件2放置在与该滑轮45间隔开最远的位置。
在49牛顿的载荷47被固定在SUS片46上之后，加载传感器向上移动并且沿着箭头所示的方向以100mm/min的拉伸速度拉动该不锈钢芯43。在该测试件2在催化剂载体41上即将开始滑动之前一刻载荷记录为静摩擦力(kgf)。该值被加载在该测试片2上的包括SUS片的载荷除，因而计算出静摩擦系数。测量结果全部列于下面的表1中。
表1
样品   磨料 材料   颗粒尺寸 添加量(％)   静摩擦力(kgf) 静摩擦系数  与对比件比较(％)
对比件   37.5  0.76  100
1   SA-J01 氧化铝   F80 4   39.2  0.80  105
2   SA-J01 氧化铝   F80 24   41.3  0.84  110
3   SA-J01 氧化铝   F80 64   46.3  0.94  123
4   SA-J01 氧化铝   F240 4   40.8  0.83  109
5   SA-J01 氧化铝   F240 24   43.0  0.88  115
6   SA-J01 氧化铝   F240 64   41.9  0.85  112
7   C SiC   F80 4   42.8  0.87  114
8   C SiC   F80 24   39.4  0.80  105
9   C SiC   F80 64   41.9  0.86  112
10   C SiC   F240 4   40.7  0.83  109
11   C SiC   F240 24   44.3  0.90  118
12   C SiC   F240 64   38.8  0.79  104
13   RZ-8C 氧化锆   F325 4   42.5  0.87  113
14   RZ-8C 氧化锆   F325 24   45.5  0.93  121
15   RZ-8C 氧化锆   F325 64   38.7  0.79  103
16   R5N 氧化钛   0.25μm* 24   38.9  0.79  104
17   R5N 氧化钛   0.25μm* 64   44.6  0.91  119
标记*表示磨料的平均颗粒直径
正如从表1的列表的测量结果能够理解的，根据本发明与催化剂载体的摩擦系数通过对催化剂载体安装系统(即这个实例中的复合垫块)的表面添加研磨材料的微小颗粒可以改善13％，并且可以改善催化剂载体安装系统的可靠性。
污染控制装置的公开(例如，催化转化器)
关于在上述评估测试中评为优秀的样品，用于生产的每个复合垫块将绕污染控制元件或主体(例如整体式催化剂载体)，即外径为78mm、长度为100mm的Nippon Gaishi K.K.的产品的外圆周卷绕。其次，被复合垫块卷绕的催化剂载体利用引导圆锥以40mm/sec的速率被推进内径为84mm、长度为120mm的圆柱形不锈钢壳体中。在封装过程中该催化剂载体和该壳体之间的间隙为约3mm。能够生产预期的催化转化器而不会产生诸如破裂或者损坏催化剂载体和/或该复合垫块的问题，或组装该催化转化器的能力下降的问题。而且，得到的催化转化器在实际使用中能够具有足够的预期的净化效果。
从上述公开的本发明的一般原理和进行的详细描述中，本领域的技术人员将容易理解对于本发明的各种修改、重设置和替代是容许的。例如，根据本发明的安装系统可以包括具有高摩擦层或在两侧具有涂层的底层垫块。一个高摩擦层可以包括充满磨料颗粒的陶瓷纤维(例如，耐热陶瓷纤维)并且可以是与用湿法铺放工艺的垫块共形成，湿法铺放工艺公开在2003年11月17日提交的公开的国际(PCT)专利申请号WO2004061279，和1997年2月7日提交的美国专利6,051,193号中。其他高摩擦层可以包括辊子涂覆在垫块上的氧化硅溶胶(胶质氧化硅)层。因此，本发明的范围将由权利要求及其等同物限定。

Claims (22)

1.一种适合于将污染控制元件安装在污染控制装置内的安装系统，所述安装系统包括：
垫块，该垫块包括适合在污染控制装置中使用的纤维材料，所述垫块具有厚度；和
设置在所述垫块表面上的研磨材料的微小颗粒，以便当所述安装系统用于该污染控制装置中时与该污染控制元件的外表面接触。
2.如权利要求1所述的安装系统，其中所述纤维材料是选自下述一组中的至少一种无机纤维：玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、碳化硅纤维和硼纤维。
3.如权利要求1或2所述的安装系统，其中所述纤维材料是选自下述一组中的陶瓷纤维：氧化铝纤维、氧化硅纤维、铝硅纤维、及其组合。
4.如权利要求3所述的安装系统，其中所述陶瓷纤维包含选自下面一组的至少一种添加剂：氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铬、氧化钇和氧化镧。
5.如权利要求1-4中任一项所述的安装系统，其中当沿着厚度方向观察所述垫块时，所述研磨材料的微小颗粒，其总量的至少70％包含在从所述垫块的所述表面进入50％的深度的所述垫块的下部区域中。
6.如权利要求1-5中任一项所述的安装系统，其中当沿着厚度方向观察所述垫块时，所述研磨材料的微小颗粒以这样的方式散布：使得其浓度朝着所述垫块的所述表面增加。
7.如权利要求1-6中任一项所述的安装系统，其中所述研磨材料是氧化铝、富铝红柱石、氧化锆、氧化镁、氧化钛、氮化硼、碳化硼或其组合。
8.如权利要求1-7中任一项所述的安装系统，其中所述研磨材料的微小颗粒的颗粒尺寸根据由JIS R6001规定的磨料颗粒尺寸在大约F1200到大约F60的范围内。
9.如权利要求1-8中任一项所述的安装系统，其中所述安装系统包括单个的垫块。
10.如权利要求1-8中任一项所述的安装系统，其中所述安装系统是复合垫块，该复合垫块由所述垫块和至少一个辅助垫块构成，该辅助垫块由与所述垫块的纤维材料相同或不同的纤维材料形成。
11.如权利要求10所述的安装系统，其中所述辅助垫块的纤维材料包括无机纤维。
12.如权利要求10或11所述的安装系统，其中所述辅助垫块不包含所述研磨材料的颗粒。
13.如权利要求10-12中任一项所述的安装系统，其中所述辅助垫块是不膨胀的垫块和/或膨胀的垫块。
14.如权利要求1-13中任一项所述的安装系统，其中所述安装系统适合用于安装污染控制元件，该污染控制元件是催化剂载体。
15.如权利要求1-13中任一项所述的安装系统，其中所述安装系统适合用于安装污染控制元件，该污染控制元件是过滤元件。
16.一种污染控制装置，包括壳体、设置在该壳体里面的污染控制元件，以及如权利要求1至15中任何一项所述的安装系统，其中所述安装系统设置在所述壳体和所述污染控制元件之间，以便将所述污染控制元件保持在所述壳体内的所希望的位置。
17.如权利要求16中所述的污染控制装置，其中所述污染控制元件是催化剂载体，并且所述污染控制装置是催化转化器。
18.如权利要求16中所述的污染控制装置，其中所述污染控制元件是过滤元件，并且所述污染控制装置是废气过滤装置。
19.一种用于内燃机的排气系统，包括如权利要求16至18中任何一项所述的污染控制装置。
20.一种内燃机，包括如权利要求19所述的排气系统。
21.一种车辆，包括如权利要求20所述的内燃机。
22.一种发电机，包括如权利要求20所述的内燃机。
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