CN101821488B - 基板安装*** - Google Patents

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Abstract

用于废气处理装置(110)的脆弱基板(118)的支承***(120)包括微孔无机绝热层(212，322)，其直接地或间接地接合脆弱基板的至少一部分；以及，柔性纤维安装垫(213，323)，其直接地或间接地接合所述脆弱基板的至少一部分。该支承***可支承催化转化器、柴油微粒收集器过滤器、选择性催化还原单元或者NOX收集器的脆弱基板。

Description

基板安装***
技术领域
本发明提供一种用于安装脆弱基板的***。该***能在外壳内支承或安装基板同时使该基板基本上与潜在破坏性的机械负荷和冲撞相隔离。此外，该***能使该外壳与源自所述基板而流动的热显著地隔绝。 
背景技术
整体式基板用作多种废气处理装置中的活性表面。该基板视情况浸渍有催化剂，该基板包括了在催化转化器、柴油微粒过滤器、选择性催化剂还原单元、NOx收集器和其它废气处理装置中的活性表面。 
一般而言，基板的操作温度基本上高于周围温度；操作温度足够高使得大部分常规材料遭受温度的不利影响，温度足以使它们成为不能接受的用来制造基板的候选材料。构成整体式基板的材料通常是脆弱或脆性材料，其具有高耐热性、低热膨胀系数和低抗冲撞性。并无限制意义，用来制造整体式基板的可接受候选材料的常用材料类型是陶瓷。但有时也使用金属基板。 
包括基板的几何体通常会促成高的表面积-体积比。在特定实施例中，基板几何体包括多个薄且脆弱的元件。并无限制意义，基板的常用几何体是整体件，其包括中空直角棱镜单体(cell)的阵列，其限定由较薄的脆弱壁分开的细小流动通道，诸如呈蜂窝型构造。 
总之，对于基板的几何和材料考虑通常得到易于受到冲撞、碾压破碎、或源于小冲击负荷或应力的其它机械故障并且在很高温度进行操作的基板。为了解决基板脆弱性质的问题，通常在外壳内保护着基板，外壳通常为金属外壳，其在基板的外表面与外壳的内表面之间具有空间或间隙。为了保护基板避免热冲击和机械冲击和其它应力，以及为了提供隔热性，已知将至少一个安装材料片材定位于基板与外壳之间的间隙内。 
由于废气处理装置被设计成在基本上高于周围温度的温度进行操作、且被设计成在不操作时冷却至周围温度，废气处理装置被设计 成承受显著的温度波动。基板的安装被设计成在该装置所经历的整个温度范围(从周围温度到操作温度)上对基板进行保护。温度波动给基板安装***的设计带来严峻挑战。 
将基板直接安装到外壳上是有可能的，但不常见。直接安装不常见的部分原因是：由于基板和金属外壳的热膨胀系数差异，操作循环之间的温度变化引起构件大小的不同热变化，足以引起安装力或保持力的不希望的变化。如果不存在补偿这些差异的器件，安装力可变化到不足以防止不希望的振动、冲击、冲撞或其它运动的水平。直接安装不常见的另一原因是在这种安装条件下来自基板的热易于传播到外壳。所导致的对外壳的加热可使外壳到达不希望的高温。 
用于安装基板的更常见的手段包括在基板与金属外壳之间包含绝热安装垫。安装垫可围绕基板包裹且可通过在其周围封闭外壳而得以被压缩。压缩的程度被选择成在外壳与垫之间提供接合力；以及在垫和基板之间提供接合力，所述接合力产生的安装力或保持力不仅足够高以相对于外壳固定基板，且足够低以避免损坏基板。而且，安装垫将会对于热流动固有地具有某种耐受性，且在特定实施例中是良好的绝热体；垫抵抗着热从基板到外壳的传播，且由此对于基板的给定稳态操作温度而降低外壳的稳态操作温度。 
安装材料类型的选择和周围温度压缩负荷仍然是造成困难的原因，使得安装材料经受所述周围温度压缩负荷以在废气处理装置经历的所有温度处产生可接受的安装力或保持力。解决这个困难需要的是在基板与具有较低导热系数的外壳之间的绝热材料，但其将不会向装置增加不希望的重量或体积。 
发明内容
本发明提供一种用于废气处理装置的脆弱基板的支承***，其包括：微孔无机绝热层，其适于直接地或间接地接合脆弱基板的至少一部分；以及，柔性纤维安装垫，其适于直接地或间接地接合脆弱基板的至少一部分。 
在特定实施例中，所提供的支承***支承着催化转化器、柴油微粒收集器过滤器、选择性催化剂还原单元、NOx收集器或者化工排放烟囱的脆弱基板。 
附图说明
图1是作为废气处理装置实例的催化转化器的立面截面图，该废气处理装置具有由主题安装***的一实施例支承的基板； 
图2是示出用于支承脆弱基板的安装***的一实施例的示意截面图； 
图3是示出用于支承脆弱基板的安装***的另一实施例的示意截面图； 
图4是示出各种材料的导热系数与温度之间关系的ASTM-C 177测试结果的图解； 
图5是示出各种材料的应力与应变之间关系的图解； 
图6是示出各种材料模数与应变之间关系的图解。 
具体实施方式
本发明提供一种基板安装***，其适于在外壳内安装脆弱基板，且其在基板与外壳之间合并了一种薄且轻的绝热层、和一种纤维安装垫。绝热层促进基板与外壳之间材料的绝热特性，且由此针对于基板的给定稳态操作温度，降低了外壳和绝热层外部的其它材料的稳态操作温度。在这些实施例中，绝热性减小了绝热层外部的材料所承受的热应变，减轻了基板所经受的安装力或保持力的变化。在某些实施例中，绝热层使垫与基板绝热且由此针对于基板的给定操作温度，降低了垫的操作温度。在这些实施例中，减小了垫所承受的热应变，减小了基板所经受的安装力或保持力的变化。 
本发明提供一种用于在废气处理装置中安装脆弱基板的安装***。废气处理装置大体上包括脆弱基板、安装垫、绝热层和外壳。视情况，该装置还包括额外构件。 
基板是废气处理装置中修改排气材料的构件。存在着可包括基板的多种废气处理装置。一种废气处理装置是催化转化器；催化转化器的活性部分包括涂覆或浸渍有催化剂的基板，用以促进一氧化碳和烃的氧化和氮氧化物的还原，消除了排气流中燃烧的不希望的产物。 
如图1所示，催化转化器110包括大体上管状外壳112，其通常由两片金属形成，例如耐高温钢。外壳112在一端处包括入口114且 在其相对端处包括出口(未图示)。入口114和出口合适地形成于它们的外端处，由此它们可被固定到内燃机排放***中的管道上。 
装置110包含脆弱陶瓷整体式基板118，其由基板安装***120支承并限制于外壳112内，基板安装***120将在下文中进一步描述。基板118可包括多个透气(gas-pervious)通路，其在轴向上从位于一端处的其入口端面延伸到位于其相对端处的其出口端面。基板118以已知方式和构造由合适的耐火或陶瓷材料构成。 
基板整体件通常具有椭圆形或圆形截面构造，但也有可能是其它形状。基板以一定间隙宽度距离与其外壳间隔开，在某些实施例中，该间隙宽度距离可为至少大约0.05英寸(1.27mm)、且在其它实施例中可高达一英寸(25.4mm)或更大。这个间隙宽度通常可在大约3mm至大约25mm的范围，且大约3mm至大约8mm的范围是商业上常用的宽度。基板安装***120安置于此空间中以支承陶瓷整体式基板118。 
柴油微粒过滤器是另一类型的废气处理装置。柴油微粒过滤器的活性部分包括充当过滤器的一种基板。柴油微粒收集器可包括一或多个多孔管状或蜂窝状结构(但具有在一端处封闭的通道)，其由耐热材料安装于外壳内。微粒是在多孔结构中从废气收集到的，通常直到通过高温烧尽过程而得以再生。 
另一类型的废气处理装置是选择性催化还原单元；选择性催化还原单元的活性部分包括基板，其被涂覆有催化剂以促进化学还原和消除排气流中的不希望的产物。 
另一类型的废气处理装置是NOx收集器；NOx收集器的活性部分包括催化基板，催化基板包括碱性或碱土材料。收集器以循环方式操作；在“吸附(sorbtion)”过程与“再生”过程之间循环。在吸附期间，基板吸入NOx物质种类(species)且将它们作为硝酸盐物质种类而截留在催化基板的表面上。在再生期间，还原材料被引入到NOx收集器内，且从基板移除硝酸盐物质种类并将其还原为氮气。 
主题安装***的非汽车应用包括(但不限于)用于化工排放(排气)烟囱的催化转化器。 
在废气处理装置中，基板可在基本上高于周围温度的温度进行操作。并无限制意义，废气处理装置的特定实施例的操作温度为大约 1000摄氏度。由于其基本上在高温操作，基板通常包括具有优良的对于热的耐受性的材料，优良的对于热的耐受性即：很高熔点、很高耐热性和很低热膨胀系数。存在着许多具有这些性质的材料，包括很多种陶瓷、钨、铼和更异类材料。一组具有优良的对于热的耐受性的很常用材料是陶瓷。废气处理装置基板通常包括脆弱材料，诸如由脆性、防火陶瓷材料形成的整体式结构，诸如，但不限于，氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、堇青石、碳化硅等。 
许多常用陶瓷的性质为其低韧性。即，虽然许多陶瓷是硬的、强固的、或者不但硬且强固，但陶瓷倾向于展示出低的韧性且倾向于在低的应变水平下断裂。这使得陶瓷构件易于在废气处理装置通常所经历的机械负荷条件下破裂或断裂。因此，通常合并有用以保护基板的器件。 
外壳是中空主体，其至少部分地包裹着基板。外壳保护基板免受冲撞、扭曲、张力、压缩或可能会损坏基板的其它器械负荷。在特定实施例中，外壳包括薄壳体。外壳包括具有良好的对于热的耐受性的材料，良好的对于热的耐受性即：高熔点和高耐热性。构成废气处理装置外壳的材料通常是延展性材料，其具有比整体件更低的耐热性、比整体件更高的热膨胀系数、和比整体件更高的抗冲击性。并无限制意义，在特定实施例中，废气处理装置外壳包括金属或金属合金，诸如耐高温钢。 
本安装***可包括至少一个相对较刚硬的绝热层和至少一个柔性的纤维安装垫。 
绝热层是以低导热系数为特征的材料层。如同任何其它设计过程，在废气处理装置设计期间，重量节省和空间节省的考虑必须与成本考虑相权衡。需要具有低密度或低体积且占据很少空间的材料。在特定实施例中，绝热层具有低密度以及低体积。在特定实施例中，对于小于0.1的应变，绝热层的刚度在3MPa与5MPa之间。图6表现出对于绝热层的一实施例，模数与应变之间关系的实例。图6示出在小于0.1的应变时，与具有接近零(0)模数的仅安装垫和也具有接近零(0)模数的组合式安装***相比，绝热层(购自德国Kempten的Porextherm GmbH的 
Figure GPA00001038375100051
柔性轮廓(Flexible Contour))具有大约为4MPa的模数。 
支承***提供接合力，接合力通过压缩构成支承***的材料来产生。虽然许多材料是可压缩的，但只有可压缩且基本上弹性的材料可以将由此赋予给它们的能量作为接合力返回到该***。非刚硬材料在低应力下将会承受很大的应变且合并吸收造成该应变的能量，即应变能量。非刚硬的、基本上弹性材料在低应力下将会承受很大应变，合并吸收应变能量并且将大部分应变能量作为恢复力返回。这种恢复力有助于安装力或保持力。刚硬材料在低应力下将会承受小应变，且合并吸收应变能量。刚硬的、基本上弹性的材料在低应力下将会承受小应变，合并吸收应变能量且将大部分应变能量作为恢复力返回。 
主题安装***合并了一或多层材料，全都以机械方式而一次地被加载从而使得所有层经历基本上相同应力。这种加载是“串联加载(series loading)”。在串联加载中，非刚硬层将会承受较大应变，且因此合并吸收的应变能量较之刚硬层将会合并吸收的应变能量更大。由于在给定加载循环期间合并吸收到材料内的应变能量的量与材料的滞回侵蚀(hysteretic erosion)之间存在正相关，可通过将较刚硬材料与非刚硬材料串联合并，来保护较刚硬材料免受特定类型的侵蚀。在特定实施例中，刚硬绝热层(相对于安装垫)与非刚硬安装垫串联合并到安装***内。 
绝热层可包括至少选自以下材料类别的这样一类材料：其可提供为薄的、略微柔性片材，这种片材具有低导热系数且基本上是非膨胀性的。在特定实施例中，绝热层是微孔元机绝热层，其包括具有极其低导热系数的薄的、柔性片材。 
这种微孔无机绝热体可提供为薄的、柔性片材，其在20摄氏度和大约350kg/m3的密度的情况下具有小于大约0.021W/mK的导热系数。在特定实施例中，绝热层是微孔绝热体，其包括薄的、柔性片材，该薄的柔性片材在20摄氏度和大约350kg/m3的密度的情况下具有小于大约0.021W/mK的导热系数，且对于小于大约1000摄氏度的温度具有小于0.055W/mK的导热系数。 
在特定实施例中，绝热层是微孔无机绝热体，其包括薄的、柔性片材，该薄的柔性片材在20摄氏度和大约350kg/m3的密度的情况下具有小于大约0.021W/mK的导热系数；且对于小于1000摄氏度的温度，在具有介于大约260kg/m3与大约520kg/m3之间的体积密度的情况下具有小于0.055W/mK的导热系数。具有较大密度的微孔无机绝热体若充分柔软以包裹在基板的外表面周围并与基板的外表面相符合，则其是可接受的。在特定实施例中，具有这些性质的绝热层可提供为薄的、柔性片材，其具有介于大约3mm与大约20mm之间的厚度。
在特定实施例中，无机绝热层可对于从大约20℃至大约800℃的温度具有大约0.8KJ/kgK的比热容。无机绝热层可对于小于0.02的应变具有大于大约3MPa的弹性模数，且具有大于或等于大约260kg/m3的体积密度。 
在特定实施例中，绝热层基本上是不可压缩的，一种类型的微孔无机绝热体在大约350kg/m3的密度的情况下具有表I所示的压缩性能。在表I中，所列出的压力为在所列出的温度以所列出的百分比压缩材料所需的压力。 
表I 
  压缩     20℃   400℃   800℃
         
  1％     0.034MPa   0.028MPa   0.028MPa
  3％     0.089MPa   0.083MPa   0.110MPa
  5％     0.151MPa   0.144MPa   0.165MPa
  10％     0.275MPa   0.295MPa   0.350MPa
微孔无机绝热层包括细碎金属氧化物和遮光剂，即，使得红外线辐射最小化的材料；以及，视情况还包括加强性无机纤维，诸如玻璃长丝。无机绝热层以其预安装型式可密封于聚合膜中，诸如聚乙烯，但可出于经济和功能性而非组成的原因来选择薄膜。也有可能出于加工考虑，将少量有机纤维或微粒可合并到微孔绝热层内。 
细碎金属氧化物可包括以下材料中的至少一种材料：热解硅石、电弧硅石、低碱沉淀硅石、二氧化硅气凝胶、类似地制备出的氧化铝、和它们的混合物。在一实施例中，细碎金属氧化物包括煅制硅石。细碎金属氧化物可具有大约50至大约700m2/g，特别地为从大约70至大约400m2/g的BET比表面积。 
微孔绝热层中的材料粒度足够小使得能控制传热机制。微粒和纤维材料的大小适于形成直径小于大约0.1微米，小于平均空气自由路径的孔隙。通过限制孔隙中的空气量和运动，由于空气和对流传热的两种传导受到限制，从而减小导热系数。 
遮光剂可包括以下材料中的至少一种材料：钛铁矿、二氧化钛、铁(II)/铁(III)混合氧化物、二氧化铬、氧化锆、二氧化锰、氧化铁、金红石、硅酸锆、碳化硅、和它们的混合物。遮光剂可具有小于大约15微米的粒度，在特定实施例中，在大约0.1至大约10微米的范围内。 
绝热层的加强性纤维可包括广泛的材料族。材料族包括能提供将微孔微粒保留在粘结单元中所必需结构的任何无机纤维。在某些实施例中，加强性纤维选自包括以下材料的组：硅酸铝、硅酸镁、岩棉、或它们的组合。在特定实施例中，绝热层的加强性纤维可包括纺织玻璃纤维或石英纤维中的至少一种，诸如SiO2含量按重量计大于60％且在某些实施例中按重量计大于90％的耐高温纤维、硅石纤维、由R玻璃制成的纺织纤维、由S2玻璃制成的纺织纤维、由ECR玻璃制成的纺织纤维、和由硅酸铝制成的纤维。纤维直径可大于大约1.5微米。 
可购自Porextherm GmbH(Kempten，Germany)的绝热片材包括重量百分比为55％的HDK N25高度分散的硅石(BET 280m2/g)，重量百分比为40％的硅酸锆、5％的密度为320kg/m3且厚度为10mm的纺织玻璃纤维(硅含量＞92％)。这种片材基本上是不可压缩的。 
另一种这样的微孔无机绝热材料是 
Figure DEST_PATH_GSB00000747156600021
柔性轮廓绝热体，可购自Porextherm GmbH(Kempten，Germany)。 
Figure DEST_PATH_GSB00000747156600022
柔性轮廓微孔绝热体(WDS)是示例性材料，其包括大约50％的硅石、大约45％的硅酸锆、和大约5％的其它材料，包括加强性玻璃纤维，加强性玻璃纤维可用作绝热层，其在低密度的薄材料中具有上文所讨论的低导热系数。并无限制意义， 柔性轮廓在商业上生产为3mm、5mm、7mm、10mm和20mm的厚度。类似的微孔绝热材料可购自Microtherm(Alcoa，Tennessee)。 
微孔无机绝热层直接地、或者通过中间构件间接地接合着基板，中间构件为诸如(但不限于)安装垫。绝热层装设于废气处理装置内、在外壳与基板之间。将绝热层放置于废气处理装置的其它构件之间决定了哪些构件在绝热层的基板侧(热侧)上、和哪些构件在绝热层的外壳侧(冷侧)上。在下文中陈述了每个实施例的优点中某些优点的测试结果和描述。 
支承或安装垫基本上是弹性的、可压缩的材料层。安装垫由基板、且至少间接地由废气而经受加热，且因此也可在高于周围温度的温度进行操作。支承或安装垫通常包括能够耐受高温环境同时仍保持基本上弹性和可压缩性的材料。安装垫可包括如下材料：从以诸如S玻璃这样的非晶玻璃纤维之类为例的相对廉价的材料，至诸如高氧化铝陶瓷氧化物纤维这样的更昂贵材料。取决于特定应用和将使用安装垫的条件，膨胀性材料以及非膨胀性材料已经且将继续在安装垫中采用。 
由于垫基本上是弹性的且是可压缩的，当压缩时，其提供与压缩量基本上成比例但并非总是线性比例的恢复力。并无限制意义，在图5中示出安装垫的非线性应力-应变响应曲线的实例。图5示出对于非膨胀性垫，应力与应变之间关系的绘图，绘图是菱形点的集合。在所绘制的三种材料集合中，安装垫的硬度是最小的(安装垫-菱形点，绝热层-正方形点，以及，带绝热层的安装垫-三角形点)，当移除压缩时，垫将基本上返回到其原始大小。无需垫返回到其原始大小的100％；某些塑性性能是可接受的且是很常见的。 
安装垫要么通过中间构件而间接地、或者直接地接合着基板，且基本上相对于外壳使得安装垫固定不动。至少一个安装垫安置于废气处理装置中、在外壳与基板之间。装设的安装垫被压缩，从而使得其要么通过中间构件间接地、或直接地将负荷赋予到外壳和基板上。如上文所述，压缩负荷量基本上与压缩量成比例。由于法向力所造成的摩擦力也基本上与压缩量成比例。这些力，压缩力和摩擦力一起或单独地基本上相对于外壳使得基板固定不动。“基本上使得...固定不动”表示基板可相对于外壳移动的量很小，大约为提供保持力的材料的最大弹性应变极限。在特定实施例中，提供保持力的材料的最大弹性应变极限是材料厚度的大约1％。在特定实施例中，至少一个安装垫围绕着基板而包裹，且视情况，其它层围绕着基板而包裹、且由外壳加以压缩来在基板上提供保持力。 
术语纤维安装垫表示至少一个片材或层，其主要包括耐高温纤维，诸如(但不限于)陶瓷纤维，且视情况要么在所述至少一个片材或层内、或者在额外片材或层中包括膨胀性材料、加强材料等。耐高温纤维、或陶瓷纤维片材或层可呈各种形式，诸如纸、毯、垫或毡，限 定条件是只要这些形式赋予必需的隔热性和机械支承。 
在特定实施例中，纤维安装垫可包括可购自Unifrax I LLC，Niagara Falls，N.Y的 
Figure GPA00001038375100101
纸。这种产品由大量铝硅酸盐纤维和少量有机乳胶粘结剂制成。对于较高的基板整体件温度，可采用由可购自Unifrax的 多晶莫来石陶瓷纤维或氧化铝纤维生产的纸，可使用的其它陶瓷纤维包括由玄武岩、工业熔炼炉渣、氧化铝、氧化锆、氧化锆-硅酸盐、铝硅酸盐和铬、锆石和钙改性的铝硅酸盐等形成的陶瓷纤维。 
膨胀性材料可包括以下材料中的至少一种材料：未膨胀蛭石、水黑云母、遇水溶胀的四硅氟云母、碱金属硅酸盐或可膨胀的石墨，且可使用有机和/或无机粘结剂形成为片材以提供所希望程度的湿强度。膨胀性材料片材可通过标准造纸技术生产，标准造纸技术如(例如)美国专利第3,458,329号所述。 
一种柔性的、弹性的、膨胀性纤维安装垫可以若干不同方式生产，包括常规造纸过程，其为手铺置的、或机器铺置的，诸如通过使用手抄纸模具、长网造纸机或者真空圆网抄纸机。包含安装垫组分的絮凝含水浆料被压制以移除大部分水，且然后干燥该垫。这个过程是本领域技术人员熟知的。 
在其它实施例中，柔性纤维安装垫可包括一种耐高温纤维的基本上未膨胀的复合片材、以及包括一种粘结剂，粘结剂基本上不含膨胀性材料。“基本上未膨胀”表示该片材在施加热时并不易于膨胀，如对于膨胀性纸的情况预期会出现的膨胀，尽管基于其热膨胀系数，发生片材的某些非实质性的膨胀。 
包括陶瓷纤维的耐高温纤维适用于非膨胀安装垫中，这种耐高温纤维包括多晶氧化物陶瓷纤维，诸如莫来石、氧化铝、高氧化铝铝硅酸盐、铝硅酸盐、氧化锆、氧化钛、氧化铬等。合适的多晶氧化物耐火陶瓷纤维和其生产方法包括于美国专利第4,159,205号和第4,277,269号中。 
Figure GPA00001038375100103
多晶莫来石陶瓷纤维可以毯、垫或纸形式购自Unifrax I LLC，Niagara Falls，New York。用于非膨胀安装垫中的纤维可基本上不含细粒(shot)，具有很低的细粒含量，大体上为标称值的大约5％或更少。这些纤维的直径可为大约1微米至大约10微米。 
在非膨胀安装垫中使用的粘结剂通常为有机粘结剂，其在性质上为牺牲性的。“牺牲性”表示粘结剂最后将会从安装垫烧尽，仅留下纤维作为最终安装垫。合适的粘结剂包括水性或非水性粘结剂，但常利用的粘结剂是反应性的、热固性乳胶。实例包括(但不限于)丙烯酸、苯乙烯-丁二烯、乙烯基吡啶、丙烯腈、氯乙烯、聚氨酯等的水基乳胶。其它树脂包括低温柔性热固性树脂，诸如不饱和聚酯、环氧树脂和聚乙烯酯。粘结剂的溶剂可包括水、或者合适的有机溶剂，诸如丙酮，用于所用粘结剂。同样，非膨胀安装垫可通过如上文所讨论的常规造纸技术来制备。 
在另一实施例中，高指数的、熔融形成的铝硅酸盐纤维以受控方式在高于莫来石结晶温度980℃的温度进行热处理，诸如在从990℃至大约1400℃的范围，以获得特定量的结晶度和晶粒大小，由此以催化转化器安装垫的形式增加纤维性能。在特定实施例中，这些纤维将具有至少大约5％至大约50％的结晶度，如由X射线衍射所检测，和从大约50 
Figure GPA00001038375100111
至大约500 
Figure GPA00001038375100112
的晶粒大小。 
在又一实施例中，用于低温废气处理装置中的基板的一种柔性纤维非膨胀性安装垫包括耐高温的、非晶、无机纤维，且视情况包括粘结剂。纤维可具有高达大约1260℃的使用温度，小于大约20×106psi的杨氏模数和小于大约5μm的几何平均直径。 
纤维可包括下列材料中的至少一种材料：非晶氧化铝/硅石纤维、氧化铝/硅石/氧化镁纤维(诸如购自Owens Corning，Toledo，Ohio的S-2玻璃)、矿棉、E-玻璃纤维、氧化镁-硅石纤维，诸如购自UnifraxI LLC，Niagara Falls，New York的 
Figure GPA00001038375100113
纤维，或者氧化钙-氧化镁-硅石纤维，诸如购自Unifrax I LLC，Niagara Falls，New York的 
Figure GPA00001038375100114
纤维，或者购自Thermal Ceramics Company的SUPERWOOLTM纤维。 
氧化铝/硅石纤维通常包括从大约45％至大约60％的Al2O3和大约40％至大约55％的SiO2；且纤维可包括大约50％的Al2O3和大约50％的SiO2。氧化铝/硅石/氧化镁玻璃纤维通常包括从大约64％至大约66％的SiO2，从大约24％至大约25％的Al2O3，和从大约9％至大约10％的MgO。E-玻璃纤维通常包括从大约52％至大约56％的SiO2，从大约16％至大约25％的CaO，从大约12％至大约16％的Al2O3， 从大约5％至大约10％的B2O3，高达大约5％的MgO，高达大约2％的氧化钠和氧化钾以及痕量的氧化铁和氟化物，且典型组成为55％的SiO2、15％的Al2O3、7％的B2O3、3％的MgO、19％的CaO和痕量的上述材料。 
生物可溶性氧化镁-硅石纤维通常包括从大约69％至大约86％的SiO2，从大约14％至大约35％的MgO和大约0％至大约7％的ZrO。关于氧化镁-硅石纤维的更多信息可见于美国专利第5,874,375号中。生物可溶性氧化钙-氧化镁-硅石纤维通常包括大约15％至大约35％的CaO，大约2.5％至大约20％的MgO和大约60％至大约70％的SiO2。 
生物可溶性纤维通常为可熔融形成的非晶无机或玻璃纤维，为高化学纯度(大于大约98％)的纤维，且可具有在大约1至大约10μm范围内的平均直径，且在特定实施例中为在大约2至大约4μm的范围内的平均直径。 
视情况，这种非膨胀性安装垫包括大约5％至大约10％的粘结剂。合适的粘结剂包括水性或非水性粘结剂，或者反应性热固性乳胶，所述反应性热固性乳胶是在固化之后在高达至少大约350℃得以稳定的柔性材料。 
在特定实施例中，柔性纤维安装垫包括具有高硅石含量的熔融形成的非晶耐高温经浸渍玻璃纤维的一或多个非膨胀性叠层，且视情况包括粘结剂或者适合充当粘结剂的其它纤维。一般而言，经浸渍的玻璃纤维将会具有按重量计至少67％的硅石含量。在特定实施例中，经浸渍的玻璃纤维包含从按重量计大约90％至小于按重量计99％的硅石。纤维也基本上不含细粒。这些经浸渍的玻璃纤维的平均纤维直径可大于至少大约3.5微米，且通常大于至少大约5微米。平均而言，玻璃纤维通常具有大约9微米，高达大约14微米的直径。 
具有高硅石含量且适于在用于催化转化器或其它已知气体处理装置的安装垫的生产中使用的经浸渍玻璃纤维的实例包括可购自BelChem Fiber Materials GmbH，Germany的商标为BELCOTEX的那些经浸渍玻璃纤维、以及可购自Gardena California的HitcoCarbon Composites，Inc.的注册商标为REFRASIL的那些经浸渍玻璃纤维。 
在特定实施例中，诸如S2-玻璃等纤维或者诸如氧化铝/硅石纤维等的耐火陶瓷纤维可基于总的垫重量为100％的情况而以按重量计从大于0至大约50％的量添加到安装垫。安装垫可包括或可不包括粘结剂。 
在特定实施例中，高硅石含量的熔融形成的经浸渍玻璃纤维通过向至少部分纤维表面涂敷无机微粒材料来经受表面处理，这导致包含着这些纤维的安装垫的保持压力性能有所增加。适用的无机微粒材料包括(但不限于)氧化铝、硅石、氧化锆和它们的混合物的胶体分散系。 
用于废气处理装置的脆弱基板的柔性纤维安装垫公开于美国专利第4,863,700号、第5,032,441号、第5,384,188号、第5,482,686号、第5,580,532号、第5,666,726号、第5,811,063号、第6,231818号、第6,855,298号、第7,033,412号和美国专利申请公告第2006/0008395号中。 
安装垫可包括仅一或多个膨胀性纤维垫、或者仅一个或多个非膨胀性纤维垫，以及在混合垫内的至少一个膨胀性垫或层与至少一个非膨胀性垫或层的组合。 
此外，单独的安装垫可接触微孔绝热层的任一表面，诸如，举例而言但并无限制意义，靠近基板的至少一个膨胀性垫和靠近外壳的至少一个非膨胀性垫。 
随着废气处理装置从周围温度向操作温度循环，组成该装置的构件到达它们的个别操作温度。废气处理装置中的任何给定构件的操作温度可小于装置本身的操作温度，因为某些构件与更高温度的构件绝热。随着构件加热，它们将与它们的热膨胀系数成比例地膨胀。 
这种膨胀会产生构件应变状态的变化。因为所有的构件将不会经历相同热应变，热应变导致构件于涉力发生变化。即，构件应变状态的变化造成构件应力状态的相应变化，并导致其与其所接合的其它构件之间力的变化。 
在特定实施例中，绝热层被安置成直接地接合基板，纤维安装垫安置于绝热层上方且与之直接地接合，且外壳安置于安装垫上方且与之直接地接合。在其它实施例中，纤维安装垫被安置成直接地接合基板，绝热层安置于安装垫上方且与之直接地接合，且外壳安置于绝热层上方并与之直接地接合。 
在绝热层定位于基板与安装垫之间的实施例中，绝热层使得安装垫、和装设于绝热层的冷侧上的所有其它构件(冷侧构件)与基板和从基板流动的热相隔绝，从而促成安装垫和其它冷侧构件的操作温度比基板的操作温度更低。 
由于周围温度低于纤维安装垫的操作温度，对较低的安装垫操作温度和其它冷侧构件操作温度的促进会降低温度变化幅度、以及降低在任何给定操作循环期间由安装垫和其它冷侧构件所经历的最大温度。温度变化幅度的减小导致安装垫和其它冷侧构件热应变的变化幅度的相应减小。由于构件的应变状态的变化导致构件的应力状态的相应变化，且导致其与其所接合的其它构件之间的力因此变化，减小构件的热应变的变化幅度导致其与其所接合的其它构件之间力的变化有所减小。 
基板由被其它构件压缩所形成的安装力保持就位。这些安装力受制于上设计极限和下设计极限。上限是损坏基板所需的力；安装力不足以损害基板。下限是在使用中的基板将会经历的最大移位力；安装力至少足以克服在使用中所经历的所有移位力而保持基板就位。如上文所述，热应变可使得在操作过程中形成的实际安装力波动。通过使形成安装力的构件绝热，构件的热应变的变化幅度随着它们与基板之间的安装力的变化幅度而减小。通过减小其它构件与基板之间的安装力的变化幅度，简化了将安装力维持在其设计极限内。 
在纤维安装垫定位于基板与绝热层之间的实施例中，绝热层使安装垫与周围环境绝热且允许比替代方案更高的安装垫操作温度。在特定实施例中，纤维安装垫额外地包括膨胀性材料。在安装垫包括膨胀性材料的那些实施例中，将安装垫定位于基板与绝热层之间允许安装垫操作温度足够高以引起膨胀性材料中的膨胀响应。 
将关于图2和图3所示的说明性实施例描述该***。应当指出的是图2和图3所示的实施例预期只是说明性的且不应被认为以任何方式限制基板安装***或废气处理装置。 
参看图2，以截面图示出废气处理装置210。废气处理装置210包括细长基板211，废气在轴向穿过细长基板211流动。未经处理的废气218进入细长基板211的第一端。在细长基板211主体内处理废气。处理过的废气219从细长基板211的第二端离开。细长基板211 包括外表面211a，其至少一部分可由基本上围绕细长基板211包裹的绝热层212直接地接合。绝热层212包括外表面212a，其至少一部分可由基本上围绕绝热层212包裹的纤维安装垫213直接地接合。安装垫213包括外表面213a，其可由封闭着安装垫213的壳体214直接地接合。壳体214具有外表面214a，其向周围环境215暴露。 
参看图3，以截面图示出废气处理装置320。废气处理装置320包括细长基板321，废气在轴向通过细长基板321流动。未经处理的废气328进入细长基板321的第一端。在细长基板321的主体内处理废气。处理过的废气329离开细长基板321的第二端。细长基板321包括外表面321a，其至少一部分由基本上围绕细长基板321包裹的纤维安装垫323直接地接合。细长基板视情况由一或多个密封环330接合。安装垫323包括外表面323a，其由至少基本上围绕安装垫323包裹的绝热层322直接地接合。绝热层322包括外表面322a，其由封闭着绝热层322的壳体326直接地接合。壳体326具有外表面326a，其向周围环境327暴露。 
使用购自德国Kempten的Porextherm GmbH的 柔性轮廓样品，且使用典型的膨胀性和典型非膨胀性纤维安装垫材料的样品，对微孔无机绝热层材料进行了测试。对纤维安装垫材料和主题绝热层材料中的每一个执行了根据ASTM-C177的测试。对于这三种材料中的每种材料产生了关于温度的与导热系数有关的数据。所得到的数据被绘制为图4中的图线。总之，在从300至1000摄氏度的温度，标记为线43的微孔无机绝热层材料一致地具有小于0.055W/mK的导热系数；而纤维安装垫材料，标记为线41的典型膨胀性材料和标记为线42的典型非膨胀性材料一致地具有大于0.080W/mK的导热系数。主题绝热层材料是在所有温度下优于安装垫材料的任一材料的绝热体。 
安装垫可包括仅一个或多个膨胀性纤维垫，或者仅一个或多个非膨胀性纤维垫，以及在混合垫内至少一个膨胀性垫或层与至少一个非膨胀性垫或层的组合。此外，至少一个安装垫可接触微孔绝热层的两个表面，诸如，举例而言但无限制意义，靠近基板安置的至少一个膨胀性垫和靠近外壳安置的至少一个非膨胀性垫。 
热面/冷面测试 
已经对合并了纤维安装垫和微孔绝热层的样品、和对合并了纤维安装垫但没有合并微孔绝热层的样品执行了热面/冷面测量测试。测试的描述如下。测试示出在所得到的安装***的冷面上存在着微孔无机绝热层的效果。 
基板容纳于安装***中，安装***包含非膨胀性垫、或者非膨胀性垫与微孔绝热体的组合。***具有大致相同的外壳-基板间隙和类似的体积密度。使用电阻加热元件将垫与基板之间的界面加热到950℃。允许***在950℃浸泡1小时且使用焊接到外壳表面上的热电偶来监控冷面温度。结果是两个***的平均值。结果在表II中示出。 
表II 
  安装材料   间隙(mm)   冷面温度(℃)
  非膨胀性垫   6.99±0.000   353
  微孔绝热体  +非膨胀性垫   6.83±0.060   308
测试示出微孔无机绝缘层的显著隔热效益；微孔无机绝缘层促进更低的冷面温度。 
循环测试 
如上文所述，安装***在其寿命期间所经受的温度循环对于由特定安装***所形成的安装力具有不利影响。无需深究共同产生这种现象的若干机制，这种现象与特定安装垫所经受的温度循环的很大数目和高幅度相关。因此，且如上文所述，将特定非膨胀安装垫放置于微孔无机绝热层的冷侧上可通过减小原本可能不利地影响性能的温度幅度来促进高的循环功能性。 
执行1000次循环测试以确定微孔绝缘体的存在对安装***性能的影响。在每次测试中，所测试的材料层在测试设备上的上压板与下压板之间被压缩到500kPa的恒定最大压力(Pmax)。由于施加500kPa应力负荷所造成的间隙宽度是“测试间隙”。使用有限元热分析模型，计算出“热间隙膨胀”以预测由于从周围温度到操作温度的热变化所造成的预期间隙宽度改变。通过向测试间隙宽度添加所计算出 的热间隙膨胀宽度来计算“膨胀间隙”宽度。分别将上压板和下压板独立地加热到热面和冷面温度。一旦到达所希望的温度，该间隙在测试间隙与膨胀间隙之间循环1000次。在第1000次循环时在膨胀间隙处所测量出的压力被报告为表III中的Pmin，1000值。 
微孔绝缘体基本上减小了壳体温度和间隙膨胀幅度。在下表III中列出测试条件和结果。 
表III 
  材料   HF/CF温  度(℃)   ％间隙膨胀  Pmax (kPa)   Pmin，  1000(kPa)
  非膨胀性(Nl)垫   950/450   6.8  491   15.1
  WDS   950/250   1.5  495   14.8
  带WDS的Nl   950/300   1.8  490   99.8
在由安装***所产生的安装压力中测量出安装性能。在1000次循环后，仅包括非膨胀性纤维安装垫的安装***产生15.1kPa的安装力，仅包括WDS绝热体的安装***产生14.8kPa的安装力，而包括非膨胀性垫和WDS绝热层的安装***产生99.8kPa的安装力。这些数据表明在安装***中包括如上文所限定的微孔无机绝热材料减轻了对温度循环的不利影响。 
虽然已结合如各个附图所示的各个实施例描述了该***，但应了解可使用其它类似实施例或者可对所描述的实施例做出修改和添加以执行相同功能。而且，可组合各个说明性实施例以产生所希望的结果。因此，基板安装***和废气处理***不应受到任何单个实施例限制，而是以根据所附权利要求书的详述的广度和范畴来构造。 

Claims (22)

1.一种用于废气处理装置的脆弱基板的支承***，其包括：
微孔无机绝热层，其适于直接地或间接地接合所述脆弱基板的至少一部分；以及，
柔性纤维安装垫，其适于直接地或间接地接合所述脆弱基板的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的支承***，其中所述微孔无机绝热层包括细碎金属氧化物和遮光剂。
3.根据权利要求2所述的支承***，其中所述微孔无机绝热层还包括加强性无机纤维。
4.根据权利要求2或3所述的支承***，其中所述细碎金属氧化物包括下列材料中的至少一种或它们的混合物：热解硅石、电弧硅石、低碱沉淀硅石、二氧化硅气凝胶、热解氧化铝、电弧氧化铝、低碱沉淀氧化铝和氧化铝气凝胶。
5.根据权利要求2或3所述的支承***，其中所述遮光剂包括以下材料中的至少一种或它们的混合物：钛铁矿、二氧化钛、铁(II)/铁(III)混合氧化物、二氧化铬、氧化锆、二氧化锰、氧化铁、金红石、硅酸锆和碳化硅。
6.根据权利要求3所述的支承***，其中所述加强无机纤维包括以下材料中的至少一种或它们的组合：硅酸铝、硅酸镁、岩棉、纺织玻璃纤维和石英纤维。
7.根据权利要求2或3所述的支承***，其中所述微孔无机绝热层包括二氧化硅和硅酸锆。
8.根据权利要求7所述的支承***，其中所述微孔无机绝热层还包括加强玻璃长丝。
9.根据权利要求6所述的支承***，其中所述微孔无机绝热层对于从20℃至800℃的温度具有0.8KJ/kgK的比热容。
10.根据权利要求1所述的支承***，其中所述微孔无机绝热层对于小于0.02的应变具有大于3MPa的弹性模数，且具有大于或等于260kg/m3的体积密度。
11.根据权利要求1所述的支承***，其中所述微孔无机绝缘层对于小于1000℃的平均温度具有小于0.055W/mK的导热系数。
12.根据权利要求1所述的支承***，其中所述微孔无机绝热层具有介于260kg/m3与520kg/m3之间的体积密度。
13.一种废气处理装置，其包括脆弱基板和根据权利要求1至12中任一项所述的支承***。
14.根据权利要求13所述的废气处理装置，其还包括封闭着所述脆弱基板、所述微孔无机绝热层和所述柔性纤维安装垫的一种金属外壳。
15.根据权利要求14所述的废气处理装置，其中所述微孔无机绝热层与所述脆弱基板直接地接合。
16.根据权利要求15所述的废气处理装置，其中所述柔性纤维安装垫安置于所述微孔无机绝缘层与所述外壳之间。
17.根据权利要求16所述的废气处理装置，其中所述柔性纤维安装垫基本上未膨胀。
18.根据权利要求14所述的废气处理装置，其中所述柔性纤维安装垫与所述脆弱基板直接地接合。
19.根据权利要求18所述的废气处理装置，其中所述柔性纤维安装垫是膨胀性的。
20.根据权利要求14所述的废气处理装置，其包括多个柔性纤维安装垫。
21.根据权利要求14所述的废气处理装置，其中所述脆弱基板是催化转化器整体件或柴油微粒过滤器，其适于从内燃机接收废气。
22.根据权利要求14所述的废气处理装置，其中所述脆弱基板安置于选择性催化还原单元、NOx收集器或者化工排放烟囱内。
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