ES1072968U - Estructuras de nido de abeja ceramicas. - Google Patents
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Abstract
1. Estructura de nido de abeja cerámica que tiene una cara de entrada y una cara de salida, que comprende una pluralidad de celdas de entrada y una pluralidad de celdas de salida que se extienden a través de la estructura desde la cara de entrada hasta la cara de salida, estando las celdas de entrada abiertas en la cara de entrada y cerradas donde están adyacentes a la cara de salida, y estando las celdas de salida abiertas en la cara de salida y cerradas donde están adyacentes a la cara de entrada, caracterizada porque: las celdas de entrada y de salida tienen una sección transversal cuadrangular y están dispuestas en un patrón alterno, las celdas de salida tienen un área de sección transversal generalmente inferior a la de las celdas de entrada y tienen un ángulo interior agudo. 2. Estructura según la reivindicación primera caracterizada porque:las celdas de entrada y de salida tienen una sección transversal rómbica. 3. Estructura según reivindicación primera, caracterizada porque las celdas de entrada y de salida están situadas en una disposición de tablero de ajedrez y las celdas de entrada adyacentes a lo largo de una diagonal dada de la disposición en tablero de ajedrez están giradas unas respecto a otras. 4. Estructura de nido de abeja cerámica según la reivindicación 3, en la que las celdas de entrada adyacentes a lo largo de una diagonal dada de la disposición en tablero de ajedrez están giradas unas con respecto a otras un ángulo superior a 1 grado. 5. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que ningún punto de una celda de entrada dada está más cerca de una celda de entrada adyacente que de una celda de salida adyacente. 6. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la superficie de filtración por volumen de filtro está comprendida entre 0,8 y 1 mm{sup,2}/mm{sup,3}. 7. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la razón de abertura es superior al 35%. 8. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas de salida tienen un ángulo interior agudo ({al}) que oscila desde 50 hasta 85 grados. 9. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas de entrada tienen un ángulo interior agudo ({be}) y las celdas de salida tienen un ángulo interior agudo ({al}), y ({be}) es superior a ({al}). 10. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas rómbicas o cuadrangulares tienen una o más esquinas achaflanadas o redondeadas. 11. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas adyacentes están separadas mediante paredes de división que tienen un espesor que oscila desde 100 hasta 500 micras. 12. Estructura de nido de abeja cerámicasegún cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende uno o más minerales seleccionados del grupo que consiste en carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio, mullita, cordierita, circonia, titania, sílice, magnesia, alúmina, espinela, tialita, cianita, sillimanita, andalucita, silicato de litio y aluminio y titanato de aluminio. 13. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un coeficiente de expansión térmica comprendido entre 0 y 9·10{sup,-6} K{sup,-1}. 14. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas tienen una rugosidad de superficie Ra comprendida entre 1 y 100 micras. 15. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene una porosidad total comprendida entre el 20 y el 80%. 16. Estructura de nido de abeja cerámica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un diámetro de poro d{sub,50} comprendido entre 1 y 60 micras.
Description
Estructuras de nido de abeja cerámicas.
La presente invención se refiere a estructuras
de nido de abeja cerámicas que comprenden un patrón alterno de
celdas de entrada y celdas de salida de forma definida, a un
procedimiento para la preparación de estas estructuras y a su uso en
filtros de partículas de gases de escape, tales como filtros
diésel.
Las estructuras de nido de abeja cerámicas se
usan comúnmente en la técnica en la fabricación de filtros para
medios líquidos y gaseosos, y en particular en la fabricación de
filtros para la eliminación de partículas finas a partir de gases de
escape; los filtros se colocan en los tubos de escape de motores
diésel de vehículos, con el fin de eliminar el componente de hollín
de los gases de escape. Estos filtros pueden ser monolitos o nidos
de abeja cerámicos segmentados, que comprenden celdas o canales de
dimensiones que oscilan comúnmente desde 500 hasta 2000 micras, con
una porosidad de pared controlada. Las celdas están obstruidas de
manera alterna en el lado de entrada y de salida, de modo que se
fuerza el gas de escape a través de la pared cerámica porosa entre
los canales y la filtración se produce cuando el gas atraviesa la
pared.
Estructuras de nido de abeja adecuadas
proporcionan un equilibrio de varias propiedades deseables, tales
como eficacia de filtrado suficiente, es decir, el gas de escape que
pasa por el filtro debe estar sustancialmente libre de partículas
diésel; disminución de presión limitada, es decir, el filtro debe
mostrar una capacidad suficiente para dejar que la corriente de gas
de escape pase a través de sus paredes; y resistencia química
suficiente frente a los compuestos presentes en el gas de escape de
motores diésel a lo largo de un amplio intervalo de temperatura.
También resultan deseables un bajo coeficiente
de expansión térmica y una alta resistencia al choque térmico, ya
que pueden ayudar a que un filtro sobreviva a los varios ciclos de
regeneración a los que se somete normalmente durante su vida útil,
que suponen un rápido calentamiento hasta temperaturas
sustancialmente superiores a la temperatura de funcionamiento
normal. De hecho, durante las actividades de filtrado, los canales
de entrada de las estructuras de nido de abeja se llenan
progresivamente con hollín, reduciendo así las actividades de
filtrado de las estructuras. Por tanto el filtro debe regenerarse
periódicamente; la limpieza del filtro se realiza calentando el
filtro hasta una temperatura suficiente para inflamar las partículas
diésel recogidas a altas temperaturas (normalmente superiores a
1000ºC), provocando así la combustión del hollín. Si los filtros no
tienen suficiente resistencia al choque térmico, las tensiones
mecánicas y/o térmicas pueden provocar grietas en el material
cerámico, dando como resultado una disminución o pérdida de la
eficacia de filtrado y por consiguiente de la vida útil del
filtro.
Con el fin de aumentar la vida útil y la
eficacia de filtrado de los filtros de nido de abeja, se han
realizado diversos intentos en la técnica por desarrollar materiales
cerámicos con propiedades mejoradas, tales como minerales de carburo
de silicio (SiC), mullita, tialita o sillimanita.
Se han dirigido esfuerzos adicionales a
desarrollar diseños asimétricos de las celdas, en los que las celdas
de entrada son mayores que las celdas de salida; en la técnica se
han investigado dos maneras principales de crear asimetría. La
primera solución comprende el uso de paredes curvadas de los
canales, tal como se describe por ejemplo en la figura 6 del
documento EP-A-1 676 622; en estos
diseños, las celdas, que normalmente tienen secciones transversales
cuadradas o rectangulares, pueden estar parcialmente deformadas para
crear la asimetría. Tal como se muestra también en la figura 1,
todos los lados de las celdas de entrada sobresalen hacia fuera (los
canales de entrada están "inflados") mientras que los lados
correspondientes de las celdas de salida sobresalen hacia dentro
para dar un área de sección transversal reducida; el resultado es
una ondulación de las paredes y un patrón que sobresale teniendo las
celdas de entrada un área ligeramente superior a la de las celdas de
salida. No obstante, este diseño requiere el uso de boquillas
complejas y costosas en la fabricación del filtro; además, las
muchas tensiones acumuladas en la estructura pueden conducir a
problemas con el rendimiento de la cerámica. Un inconveniente
adicional de esta solución es que los canales de entrada adyacentes
están muy cerca unos de otros, reduciendo así la eficacia de
filtración. Por tanto, estos diseños han demostrado tener
inconvenientes cuando se usan para filtros de nido de abeja, en
particular para filtros de monolito.
Una segunda manera de crear asimetría conocida
en la técnica supone el uso de canales de entrada que tienen una
sección transversal superior a la sección transversal de los canales
de salida, tal como se muestra en la figura 2. Por ejemplo, el
documento WO 03/020407 describe una estructura de nido de abeja en
la que los canales de celdas tienen una sección transversal
cuadrada, desigual. Este diseño tiene la desventaja de que la
distancia que separa dos cuadrados de entrada adyacentes se vuelve
más pequeña, creando así zonas de fragilidad para la estructura que
pueden originar fracturas. Este inconveniente puede compensarse
parcialmente creando chaflanes en el cuadrado, creando así celdas
octagonales; no obstante, la superficie del chaflán conduce a una
disminución de la eficacia de filtrado, ya que una parte
significativa de las paredes de la celda de entrada está más cerca
de una celda de entrada adyacente que de la celda de salida más
próxima, lo que necesita una trayectoria de flujo más larga a través
de
la pared.
la pared.
Por tanto, existe una necesidad en la técnica de
una nueva estructura de nido de abeja cerámica que tenga un diseño
asimétrico, que pueda proporcionar filtros de nido de abeja con una
vida útil y una eficacia de filtrado aumentadas, al mismo tiempo que
se evitan los problemas de los diseños asimétricos conocidos en la
técnica.
El solicitante ha encontrado inesperadamente que
los problemas anteriores se solucionan mediante estructuras de nido
de abeja cerámicas que tienen un patrón definido de celdas de
entrada y de salida alternas, con formas de sección transversal
definidas. Las estructuras de nido de abeja cerámicas de la
invención tienen una cara de entrada y una cara de salida, que
comprenden una pluralidad de celdas de entrada y una pluralidad de
celdas de salida que se extienden a través de la estructura desde la
cara de entrada hasta la cara de salida, estando las celdas de
entrada abiertas en la cara de entrada y cerradas donde están
adyacentes a la cara de salida, y estando las celdas de salida
abiertas en la cara de salida y cerradas donde están adyacentes a la
cara de entrada.
Según un primer aspecto, la presente invención
se refiere a una estructura de nido de abeja cerámica en la que:
las celdas de entrada y de salida tienen una
sección transversal rómbica y están dispuestas en un patrón alterno,
y
las celdas de salida tienen un área de sección
transversal generalmente inferior a la de las celdas de entrada y
tienen un ángulo interior agudo.
Las celdas de salida pueden tener una sección
transversal en forma de diamante, mientras que las celdas de entrada
pueden tener una sección transversal en forma de diamante o de
cuadrado. En la estructura de nido de abeja cerámica de esta
realización, preferiblemente ningún punto de una celda de entrada
dada está más cerca de una celda de entrada adyacente que de una
celda de salida adyacente.
Según un segundo aspecto, la presente invención
se refiere a una estructura de nido de abeja cerámica en la que:
las celdas de entrada y de salida están
dispuestas en una disposición en tablero de ajedrez,
las celdas de entrada tienen una sección
transversal cuadrangular; y
las celdas de entrada adyacentes a lo largo de
una diagonal dada de la disposición en tablero de ajedrez están
giradas unas con respecto a otras.
Las celdas de entrada adyacentes a lo largo de
una diagonal dada de la disposición en tablero de ajedrez están
desplazadas angularmente unas con respecto a otras un ángulo
superior a 1 grado.
Las celdas de salida pueden tener un área de
sección transversal generalmente inferior a la de las celdas de
entrada. Las celdas de entrada pueden tener una sección transversal
en forma de diamante o de cuadrado, y preferiblemente tienen un
ángulo interior agudo. En la estructura de nido de abeja cerámica de
esta realización, preferiblemente ningún punto de una celda de
entrada dada está más cerca de una celda de entrada adyacente que de
una celda de salida adyacente.
Según un tercer aspecto, la presente invención
se refiere a una estructura de nido de abeja cerámica en la que:
las celdas de entrada y de salida tienen una
sección transversal cuadrangular y están dispuestas en un patrón
alterno, y
ningún punto de una celda de entrada dada está
más cerca de una celda de entrada adyacente que de una celda de
salida adyacente.
En las estructuras de nido de abeja cerámicas de
la invención, las celdas de entrada y/o de salida pueden tener
formas de sección transversal, tales como rómbicas o cuadrangulares,
en las que una o más esquinas están achaflanadas o redondeadas.
La configuración geométrica especifica de las
celdas en las estructuras de nido de abeja de la invención conduce a
una razón de salida con respecto a entrada mejorada, una densidad de
celdas aumentada, una mayor superficie de filtración y una eficacia
de filtración mejorada; además, cuando ningún punto de una celda de
entrada dada está más cerca de una celda de entrada adyacente que de
una celda de salida adyacente, las estructuras de nido de abeja
muestran una reducción de los fallos estructurales debidos a choque
térmico.
La estructura de nido de abeja cerámica de la
presente invención puede ser preparada mediante un procedimiento que
comprenda las etapas de:
(a) proporcionar una estructura de nido de abeja
fresca que tiene un patrón de celdas de entrada y celdas de salida
según se define en cualquiera de los aspectos anteriores de la
invención;
(b) opcionalmente secar la estructura de nido de
abeja fresca, y
(c) sintetizar la estructura de nido de abeja
fresca.
La etapa (a) podrá comprender proporcionar una
mezcla cerámica extruible y extruir la mezcla para formar la
estructura de nido de abeja fresca.
Las estructuras de nido de abeja cerámicas tal
como se describieron en cualquiera de los aspectos anteriores de la
invención podrán ser usadas en la preparación de filtros de
partículas diésel, comprendiendo una o más estructuras cerámicas de
nido de abeja de la invención.
Las figuras 1 y 2 muestran vistas en planta
esquemáticas ampliadas de diseños asimétricos de canales de entrada
y de salida que no son según la presente invención.
Las figuras 3-6 son vistas en
planta esquemáticas ampliadas de los diseños asimétricos de canales
de entrada y de salida en las estructuras de nido de abeja cerámicas
de la invención.
Según un primer aspecto, la presente invención
se refiere a una estructura de nido de abeja cerámica en la que
tanto las celdas de entrada (1) como de salida (en un área de
sección transversal generalmente inferior a la de las celdas de
entrada (1) y tienen un ángulo interior (\alpha) agudo.
Las celdas de salida (2) tienen preferiblemente
una sección transversal en forma de diamante con un ángulo interior
agudo (\alpha); las celdas de entrada (1) pueden tener una sección
transversal en forma de diamante o de cuadrado, y preferiblemente
tienen un ángulo interior agudo (\beta). En la estructura de nido
de abeja cerámica de esta realización, preferiblemente ningún punto
de una celda de entrada dada está más cerca de una celda de entrada
(1) adyacente que de una celda de salida (2) adyacente.
Según un segundo aspecto de la presente
invención, las celdas de salida (2) y de entrada (1) están
dispuestas en una disposición en tablero de ajedrez; las celdas de
entrada (1) tienen una sección transversal cuadrangular y las celdas
de entrada adyacentes a lo largo de una diagonal (3) dada de la
disposición en tablero de ajedrez están giradas unas con respecto a
otras un ángulo superior a 1 grado. Las celdas de entrada adyacentes
a lo largo de una diagonal (3) dada de la disposición en tablero de
ajedrez están desplazadas angularmente un ángulo superior a 1 grado;
el "desplazamiento angular" significa la desviación con
respecto a la perpendicular de las diagonales de las celdas de
entrada (1) adyacentes. Las celdas de entrada (1) pueden tener una
sección transversal en forma de diamante o de cuadrado, y
preferiblemente tienen un ángulo interior agudo (\beta). Cuando
las celdas de entrada (1) tienen una sección transversal en forma de
diamante, el "desplazamiento angular" significa la desviación
con respecto a la perpendicular de las dos diagonales mayores de las
celdas de entrada adyacentes. Por diagonal mayor de una celda se
quiere decir la más larga de las dos diagonales de la celda.
Preferiblemente, las diagonales mayores de celdas de entrada (1)
adyacentes a lo largo de una diagonal dada de la disposición en
tablero de ajedrez están desplazadas angularmente de 1 a 30 grados,
o de 3 a 20 grados.
Las celdas de salida (2) pueden tener un área de
sección transversal generalmente inferior que las celdas de entrada.
Las celdas de salida pueden ser cuadradas, rectangulares,
octogonales, poligonales o de cualquier otra forma o combinación de
formas que sea adecuada para la disposición en un patrón de
repetición; las celdas de salida (2) tienen preferiblemente una
sección transversal cuadrangular. Las celdas de salida (2) pueden
tener un ángulo interior agudo (\alpha), preferiblemente inferior
a (\beta); las celdas de entrada adyacentes a lo largo de una
diagonal (3) dada de la disposición en tablero de ajedrez pueden
estar desplazadas angularmente un ángulo igual a 90-(\alpha). En
la estructura de nido de abeja cerámica de esta realización,
preferiblemente ningún punto de una celda de entrada (1) dada está
más cerca de una celda de entrada (1) adyacente que de una celda de
salida (2) adyacente.
Según un tercer aspecto de la presente
invención, las celdas de entrada (1) y de salida (2) tienen una
sección transversal cuadrangular y están dispuestas en un patrón
alterno y ningún punto de una celda de entrada (81) dada está más
cerca de una celda de entrada (1) adyacente que de una celda de
salida (2) adyacente.
En las estructuras de nido de abeja cerámicas
según cualquiera de los aspectos de la invención tal como se
describieron anteriormente, las formas de sección transversal de las
celdas de entrada (1) y/o de salida (2) pueden tener una o más
esquinas (4) achaflanadas o redondeadas.
La forma de sección transversal de las celdas
para obtener las configuraciones según cualquiera de los aspectos de
la invención descritos anteriormente no está especialmente limitada;
los ejemplos de formas de sección transversal de celdas incluyen
rombo y rectángulo. Por "rombo" se quiere decir un cuadrilátero
con todos los lados iguales, como un cuadrado o un diamante.
\newpage
Las celdas de entrada (1) y de salida (2) tienen
preferiblemente una sección transversal en forma de diamante,
teniendo las celdas de salida (2) un ángulo agudo (\alpha) y las
celdas de entrada (1) un ángulo agudo (\beta), separadas por
paredes (5) rectas. Los diamantes están organizados preferiblemente
de modo que cuatro diamantes 1 delimitan entre ellos a un diamante 2
y viceversa. Los diamantes 1 son preferiblemente de tamaño superior
al de los 2. Las celdas de salida (2) pueden tener un ángulo
interior agudo (\alpha) que oscila desde 50 hasta 85 grados,
preferiblemente desde 60 hasta 85 grados.
En las estructuras de nido de abeja cerámicas
según cualquiera de los aspectos anteriores de la invención, la
superficie de filtración por volumen de filtro, expresada en
mm^{2}/mm^{3}, puede estar comprendida entre 0,8 y 1.
La razón de abertura, definida como la
superficie de sección transversal de canales de entrada con respecto
a la superficie total de sección transversal del filtro, puede ser
superior al 35%; la razón de abertura es preferiblemente inferior al
45%. Esta razón se mide normalmente dividiendo la superficie de los
canales de entrada en una celda elemental del filtro (que se
reproduce tantas veces como sea necesario para representar la
superficie global del filtro) entre la superficie de tal celda
elemental, multiplicado por 100.
Las estructuras de nido de abeja cerámicas según
cualquiera de los aspectos anteriores de la invención tienen un
coeficiente de expansión térmica que puede estar comprendido entre 0
y 9\cdot10^{-6} K^{-1}, o entre 4,5\cdot10^{-6} y
7-10^{-6} K^{-1}, medido mediante dilatometría
según la norma DIN 51045.
Las figuras 3 y 4 muestran variaciones en la
disposición de las celdas de entrada y de salida según la invención,
aunque pueden usarse muchas otras configuraciones. La descripción
del patrón de celdas se facilita tal como se vería en un plano que
se extiende normal al eje longitudinal de la estructura de nido de
abeja. Las celdas de entrada están sombreadas para indicar que están
bloqueadas en sus extremos de salida, mientras que los conductos de
salida están en blanco para indicar que están abiertos en sus
extremos de salida. La estructura de nido de abeja puede ser un
cuerpo cilíndrico que tiene una pared de unión exterior circular; la
pared de unión exterior puede tomar cualquier configuración
geométrica o curvilínea deseada, tal como elíptica, ovalada,
rectangular, triangular o similar.
La figura 3 muestra una vista en sección
transversal esquemática de una parte de una estructura de nido de
abeja en la que las celdas de entrada (1) y de salida (2) tienen
forma rómbica. Las celdas de entrada (1) tienen un ángulo interior
agudo (\beta) de 84 grados, mientras que las celdas de salida (2)
tienen un ángulo interior agudo (\alpha) de 69 grados; por tanto,
(\beta) es superior a (\alpha).
En la realización de la figura 4, tanto las
celdas de entrada (1) como de salida (2) tienen secciones
transversales rómbicas con esquinas (4) redondeadas, y están
dispuestas en un patrón en tablero de ajedrez, según se ve en
sección transversal. Las celdas de entrada (1) tienen un ángulo
interior agudo (\beta) de 83 grados, mientras que las celdas de
salida (2) tienen un ángulo interior agudo (\alpha) de 70 grados:
por tanto, (\beta) es superior a (\alpha). Las celdas de entrada
(1) y de salida (2) están dispuestas en filas verticales y
horizontales, alternándose las celdas de entrada (1) con las celdas
de salida (2) en un patrón en tablero de ajedrez. Cada parte de
pared interior (4) de la estructura de nido de abeja se encuentra
entre una celda de entrada (1) y una celda de salida (2) en todos
los puntos de su superficie excepto donde se acopla con otra pared,
como hace en las esquinas de una celda; por tanto, excepto para el
acoplamiento de esquinas, las celdas de entrada (1) están separadas
unas de otras por celdas de salida (2) intermedias y viceversa. Las
diagonales mayores de celdas de entrada adyacentes dispuestas a lo
largo de una diagonal dada de la disposición en tablero de ajedrez
están desplazadas angularmente un ángulo de 20 grados, es decir,
90-(\alpha). Tal como se indicó anteriormente, "desplazamiento
angular" significa la desviación con respecto a la perpendicular
de las diagonales de las celdas de entrada adyacentes.
La nueva configuración de celdas de las
estructuras de nido de abeja cerámicas de la invención proporcionan
más grados de libertad y una mejor posibilidad para adaptar el
filtro a los requisitos impuestos por el propósito de filtrado, y en
particular el espesor de las paredes de celda, el ángulo interior
agudo (\alpha) de las celdas de salida, el ángulo interior agudo
(\beta) de las celdas de entrada y la distancia entre las celdas
de entrada adyacentes. La nueva configuración de celdas también
ofrece las ventajas de una densidad de celdas aumentada (medida como
el número de celdas por centímetro cuadrado, o como el número de
celdas por pulgada cuadrada, cpsi) para un área de sección
transversal de entrada de celda dada, y una razón de abertura
aumentada. En particular, cuanto menores son los ángulos (\alpha)
y (\beta), mayor es la densidad de celdas para una longitud dada
del lado de los diamantes. Cuanto mayor es la razón de (\beta) con
respecto a (\alpha), mayor es la razón de salida con respecto a
entrada de la estructura de nido de abeja.
Además, la solución de la invención evita el uso
de chaflanes, evitando así cualquier pérdida de área de filtración.
Toda la superficie de pared está disponible para la filtración, ya
que ningún punto de un canal de entrada dado está más cerca de otro
canal de entrada que del punto más próximo del canal de salida
adyacente. El flujo se canaliza en una forma trapezoidal desde los
canales de entrada hasta los canales de salida.
Además, las estructuras de nido de abeja
cerámicas de la invención pueden tener un espesor de pared muy
homogéneo. Los parámetros de la configuración de celda pueden
ajustarse fácilmente de modo que el espesor de pared es constante en
todo el diseño. Esto permite obtener una estructura sin puntos de
acumulación de pared especifica (espesor aumentado), que podrían
generar discontinuidades en el flujo de escape y la consiguiente
acumulación de hollín, así como puntos calientes específicos durante
la fase de regeneración.
En las estructuras de nido de abeja de la
invención, las celdas de entrada y de salida unas junto a otras en
una dirección longitudinal pueden estar separadas por paredes
porosas y obstruirse de una manera alterna tal como se indicó
anteriormente. Las paredes interiores de la estructura de nido de
abeja pueden ser porosas, de modo que se permite el paso de gases de
escape a través de las paredes desde las celdas de entrada hasta las
de salida. La porosidad de las paredes se dimensiona de manera
apropiada para eliminar mediante filtración una parte sustancial de
las partículas presentes en gases de escape.
La estructura de nido de abeja cerámica de la
invención puede tener una porosidad total en el intervalo de entre
el 20 y el 80%, o de entre el 35 y el 70%, medido mediante
porosimetria de mercurio (los porcentajes en volumen se calculan
basándose en el volumen total de fases de mineral y espacio de
poro). La porosidad se determina mediante difusión de mercurio según
se mide usando un instrumento Thermo Scientific Mercury
Porosimeter-Pascal 140, con un ángulo de contacto de
130 grados. El diámetro de poro d_{50}, medido mediante
porosimetría de mercurio, puede estar en el intervalo de 1 a 60
micras, o de 5 a 50 micras, o de 8 a 30 micras. Dependiendo del uso
previsto de los nidos de abeja cerámicos, en particular con respecto
a la cuestión de si la estructura de nido de abeja cerámica está
impregnada adicionalmente, por ejemplo con un catalizador, los
valores anteriores pueden cambiar. Para estructuras de nido de abeja
cerámicas no impregnadas, el diámetro de poro está habitualmente en
el intervalo de entre 10 y 20 micras, mientras que para estructuras
impregnadas, el intervalo es habitualmente de entre 20 y 25 micras
antes de la impregnación. El material de catalizador depositado en
el espacio de poro dará como resultado una reducción del diámetro de
poro original.
La densidad de celdas promedio del filtro de
nido de abeja de la presente invención no está limitada. La
estructura de nido de abeja cerámica puede tener una densidad de
celdas de entre 6 y 2000 celdas/pulgada cuadrada (de 0,9 a 311
celdas/cm^{2}), o de entre 50 y 1000 celdas/pulgada cuadrada (de
7,8 a 155 celdas/cm^{2}), o de entre 100 y 400 celdas/pulgada
cuadrada (de 15,5 a 62,0 celdas/cm^{2}). La densidad de celdas se
define como la razón entre la superficie de la entrada o de la
salida del filtro, una vez sinterizado, dividida entre la superficie
de dos canales de entrada y de salida y las paredes asociadas,
multiplicándose a su vez esta razón por 4. Las paredes asociadas son
las paredes adyacentes a las celdas, elegidas de modo que el dibujo
elemental realizado de las celdas de entrada y de salida y las
paredes asociadas puede reproducirse tantas veces como sea necesario
mediante traslación para formar la disposición en tablero de
ajedrez.
El espesor de la pared de división que separa
celdas adyacentes en la presente invención no está limitado. El
espesor de la pared de división puede oscilar desde 100 hasta 500
micras, o desde 200 hasta 450 micras.
Además, la pared periférica exterior de la
estructura tiene preferiblemente más espesor que las paredes de
división, y ese espesor puede estar en un intervalo de 100 a 700
micras, o de 200 a 400 micras. La pared periférica exterior puede no
ser sólo una pared formada de manera solidaria con la pared de
división en el momento de la formación sino también una pared
revestida con cemento formada mediante rectificado de una periferia
exterior para dar una forma predeterminada.
Las celdas pueden tener una rugosidad de
superficie Ra comprendida entre 1 y 100 micras, o de
10-50 micras, medida según la norma JIS B 06001
(1994).
En la presente invención, el material que
constituye la estructura de nido de abeja no está limitado; la
estructura de nido de abeja de la invención puede formarse de
cualquier material cerámico adecuado. Los materiales cerámicos
adecuados comprenden carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio,
mullita, cordierita, circonia, titania, silice, magnesia, alúmina,
espinela, tialita, cianita, sillimanita, andalucita, silicato de
litio y aluminio y titanato de aluminio y mezclas de los mismos. El
material cerámico puede contener metales, tales como metales a base
de Fe-Cr-Al, silicio metálico y
similares.
Según una realización preferida, el material
cerámico comprende una alta cantidad de una fase de mullita en
combinación con una cantidad menor de tialita (es decir, la fase de
mullita es la fase dominante), según se describe en el documento WO
2009/076985, cuyo contenido se incorpora al presente documento como
referencia; este material cerámico proporciona un aumento de la
resistencia mecánica y alta resistencia al choque térmico.
Las estructuras de nido de abeja cerámicas
pueden comprender una fase de mineral de mullita y una fase de
mineral de tialita, en las que la razón en volumen de mullita con
respecto a tialita es \geq 2:1, o \geq 4:1, o \geq 10:1. La
fase de tialita puede estar encerrada por la fase de mullita, y
puede estar en forma de cristales sustancialmente paralelos. La
cantidad de mullita en la estructura de nido de abeja cerámica puede
ser superior al 50%, o superior al 75%, incluso del o superior al
80%, en volumen (calculado basándose en el volumen total de las
fases de mineral del nido de abeja).
Las estructuras de nido de abeja cerámicas
pueden comprender una fase de mineral que consiste en andalucita; la
fase de andalucita puede estar presente en una cantidad de desde el
0,5% hasta menos del 50%, o del 5% al 30%, o del 0,5% al 15% en
volumen (basándose en el volumen de las fases sólidas de la
estructura de nido de abeja cerámica). Una estructura de nido de
abeja cerámica que contiene andalucita adecuada comprende:
- -
- del 0,5 al 15,0%, o del 5,0 al 8,0% de andalucita;
- -
- del 60,0 al 90,0%, o del 75,0 al 90,0% de mullita;
- -
- del 2,5 al 20,0%, o del 4,0 al 7,0% de tialita;
- -
- del 0 al 2,0% de rutilo y/o anatasa; y
- -
- del 3,0 al 20,0% de una fase de silice amorfa;
en la que la cantidad total de los componentes
anteriores es del 100% en volumen (basándose en el volumen de los
compuestos sólidos).
\vskip1.000000\baselineskip
El material de la parte sellante formada
sellando las celdas no está limitado, aunque el material contiene
preferiblemente una o más cerámicas y/o metales seleccionados de las
cerámicas y los metales descritos anteriormente como preferibles
para la pared de división de la estructura de nido de abeja.
El método para producir las estructuras de nido
de abeja cerámicas anteriores según la invención comprende las
etapas de:
- (a)
- proporcionar una estructura de nido de abeja fresca que tiene un patrón alterno de celdas de entrada y celdas de salida tal como se definió anteriormente;
- (b)
- opcionalmente secar la estructura de nido de abeja fresca, y
- (c)
- sinterizar la estructura de nido de abeja fresca.
\vskip1.000000\baselineskip
La etapa (a) puede comprender proporcionar una
mezcla cerámica extruible y extruir la mezcla para formar la
estructura de nido de abeja fresca.
La mezcla extruible o la estructura de nido de
abeja fresca puede comprender uno o más agentes aglutinantes; la
función del agente aglutinante es proporcionar una estabilidad
mecánica suficiente de la estructura de nido de abeja fresca en las
etapas del procedimiento antes de la etapa de calentamiento o
sinterización. Pueden seleccionarse agentes aglutinantes adecuados
del grupo que consiste en metilcelulosa, hidroximetilpropilcelulosa,
polivinilbutirales, acrilatos emulsionados, poli (alcoholes
vinílicos), polivinilpirrolidonas, compuestos poliacrilicos,
almidón, aglutinantes de silicio, poliacrilatos, silicatos,
polietilenimina, lignosulfonatos, alginatos y mezclas de los mismos.
Los agentes aglutinantes pueden estar presentes en una cantidad
total de entre el 1,5% y el 15% en peso, o entre el 2% y el 9% en
peso (basándose en el peso seco de la mezcla extruible o la
estructura de nido de abeja fresca).
La mezcla extruible o la estructura de nido de
abeja fresca puede comprender uno o más aglutinantes minerales; un
aglutinante mineral adecuado puede seleccionarse del grupo que
incluye, pero no se limita a, bentonita, fosfato de aluminio,
bohemita, silicatos de sodio, silicatos de boro y mezclas de los
mismos.
La mezcla extruible o la estructura de nido de
abeja fresca puede comprender uno o más adyuvantes, que proporcionan
al material de partida propiedades ventajosas para la etapa de
extrusión (plastificantes, deslizantes, lubricantes y similares).
Adyuvantes adecuados pueden seleccionarse de los grupos que
consisten en polietilenglicoles (PEG), glicerol, etilenglicol,
ftalatos de octilo, estearatos de amonio, emulsiones de cera, ácido
oleico, aceite de pescado de Manhattan, ácido esteárico, cera, ácido
palmítico, ácido linoléico, ácido mirístico, ácido láurico y mezclas
de los mismos. Los adyuvantes pueden estar presentes en una cantidad
total de entre el 1,5% y el 15% en peso, o entre el 2% y el 9% en
peso (basándose en el peso seco de la mezcla extruible o la
estructura de nido de abeja fresca; si se usan adyuvantes líquidos,
el peso se incluye en el peso seco de la mezcla extruible o la
estructura de nido de abeja fresca). El "peso en seco" de la
mezcla extruible o de la estructura de nido de abeja fresca se
refiere al peso total de cualquier compuesto tratado en el presente
documento para que sea adecuado para usarlo en la mezcla extruible,
es decir, el peso total de las fases de minerales y de los
aglutinantes/adyuvantes. Se entiende por tanto que el "peso
seco" incluye adyuvantes tales que son líquidos en condiciones
ambiente, pero no incluye agua en disoluciones acuosas de minerales,
aglutinantes o adyuvantes si éstos se usan para preparar la
mezcla.
La preparación de una mezcla extruible a partir
de los compuestos minerales (opcionalmente en combinación con
aglutinantes y/o adyuvantes) se realiza según métodos y técnicas
conocidos en la técnica. Los materiales de partida pueden mezclarse
en una máquina de amasado convencional con la adición de una
cantidad suficiente de una fase liquida adecuada según se necesite
(normalmente agua), para obtener una pasta adecuada para la
extrusión. Adicionalmente, puede usarse equipo de extrusión
convencional (tal como, por ejemplo, una prensa extrusora de
husillo) y boquillas para la extrusión de estructuras de nido de
abeja conocidas en la técnica. Se facilita un resumen sobre la
tecnología en el libro de texto de W. Kollenberg (ed.), Technische
Keramik, Vulkan-Verlag, Essen, Alemania, 2004, que
se incorpora al presente documento como referencia.
El diámetro y la disposición de las estructuras
de nido de abeja frescas pueden determinarse seleccionando boquillas
de prensa extrusora de la forma y el tamaño deseados. La estructura
de nido de abeja puede prepararse usando boquillas de extrusión que
tienen vástagos dispuestos en una simetría cuadrangular. Las
esquinas de los vástagos pueden estar redondeadas o no.
Tras la extrusión, la masa extruida se corta en
trozos de longitud adecuada para obtener estructuras de nido de
abeja frescas de formato deseado. El experto en la técnica conoce
medios de corte adecuados para esta etapa (tales como
cortaalambres).
En la etapa opcional (b) del método de la
invención, la estructura de nido de abeja fresca extruida puede
secarse según métodos conocidos en la técnica (por ejemplo, secado
por microondas, secado por aire caliente) antes de la sinterización.
Alternativamente, la etapa de secado puede realizarse exponiendo la
estructura de nido de abeja fresca a una atmósfera con humedad
controlada, a temperaturas predefinidas en el intervalo de entre
20ºC y 90ºC a lo largo de un periodo de tiempo prolongado en una
cámara climática, en la que la humedad del aire circundante se
reduce etapa por etapa, mientras que la temperatura se aumenta
correspondientemente. Por ejemplo, un programa de secado para las
estructuras de nido de abeja frescas de la presente invención es tal
como sigue:
- -
- mantener una humedad relativa del aire del 70% a temperatura ambiente durante 48 horas;
- -
- mantener una humedad relativa del aire del 60% a 50ºC durante 3 horas;
- -
- mantener una humedad relativa del aire del 50% a 75ºC durante 3 horas; y
- -
- mantener una humedad relativa del aire del 50% a 85ºC durante 12 horas.
\vskip1.000000\baselineskip
Entonces puede calentarse la estructura de nido
de abeja fresca secada en un horno o estufa convencional para la
preparación de materiales cerámicos. Generalmente, cualquier horno o
estufa que es adecuado para someter objetos calentados a una
temperatura predefinida es adecuado para el procedimiento de la
invención.
Cuando la estructura de nido de abeja fresca
comprende compuesto aglutinante orgánico y/o adyuvantes orgánicos,
habitualmente se calienta la estructura hasta una temperatura en el
intervalo de entre 200ºC y 300ºC antes de calentar la estructura
hasta la temperatura de sinterización final, y se mantiene esa
temperatura durante un periodo de tiempo que es suficiente para
eliminar los compuestos adyuvantes y aglutinantes orgánicos mediante
combustión (por ejemplo, entre una y tres horas).
La etapa de sinterización (c) puede llevarse a
cabo a una temperatura de entre 1250ºC y 1700ºC, o entre 1350ºC y
1600ºC, o entre 1400ºC y 1580ºC, o entre 1400ºC y 1500ºC. Según una
realización, el método comprende la etapa de calentar la estructura
de nido de abeja fresca hasta una temperatura en el intervalo de
entre 650ºC y 950ºC, o entre 700ºC y 900ºC, o entre 800ºC y 850ºC
antes de la etapa de sinterización.
Para su uso como filtros de partículas diésel,
las estructuras de nido de abeja cerámicas de la presente invención,
o las estructuras de nido de abeja cerámicas frescas, pueden
procesarse adicionalmente mediante obstrucción, es decir, cerrando
ciertas estructuras abiertas del nido de abeja en posiciones
predefinidas con masa cerámica adicional. Los procedimientos de
obstrucción incluyen por tanto la preparación de una masa de
obstrucción adecuada, aplicando la masa de obstrucción a las
posiciones deseadas de la estructura de nido de abeja cerámica o
fresca, y sometiendo la estructura de nido de abeja obstruida a una
etapa de sinterización adicional, o sinterizando la estructura de
nido de abeja fresca obstruida en una etapa, en la que la masa de
obstrucción se transforma en una masa de obstrucción cerámica que
tiene propiedades adecuadas para su uso en filtros de partículas
diésel. No se requiere que la masa de obstrucción cerámica tenga la
misma composición que la masa cerámica del cuerpo de nido de abeja.
Generalmente, pueden aplicarse métodos y materiales para la
obstrucción conocidos por el experto en la técnica para la
obstrucción de los nidos de abeja de la presente invención.
Entonces puede fijarse la estructura de nido de
abeja cerámica obstruida en una caja adecuada para montar la
estructura en el tubo de gas de escape de un motor diésel.
Otro objeto de la presente invención es un
filtro de partículas que comprende una o más estructuras de nido de
abeja cerámicas tal como se indicó anteriormente; el filtro puede
ser por ejemplo un filtro de partículas diésel o un filtro para la
reducción catalítica selectiva para la eliminación de NOx de los
gases de escape.
El filtro de partículas puede formarse mediante
una estructura de nido de abeja cerámica de la invención, en forma
de un monolito, o puede estar constituido por una pluralidad de
estructuras integradas. En el segundo caso, en el que el filtro de
nido de abeja se segmenta y después se integra, el tamaño o la forma
de cada estructura no están limitados; el área de sección
transversal de cada estructura puede oscilar entre 900 y 10000
mm^{2}, o entre 900 y 5000 mm^{2}, o entre 900 y 3600 mm^{2}.
Como forma preferible para la estructura, por ejemplo, la forma de
la sección transversal es cuadrangular. La forma de la sección
transversal completa del filtro de partículas no está especialmente
limitada, y puede tener forma circular, elíptica, cuadrangular y
poligonal. Para formar el filtro de partículas en una constitución
en la que se integra una pluralidad de estructuras, tras obtener las
estructuras tal como se indicó anteriormente, las estructuras pueden
unirse usando, por ejemplo, cemento cerámico, y secarse/endurecerse
para obtener el filtro.
\vskip1.000000\baselineskip
Los siguientes ejemplos, que no se pretende que
limiten el alcance de la presente invención, ilustran las ventajas
obtenidas con la geometría de celdas de las estructuras de nido de
abeja de la invención con respecto a las de la técnica anterior.
\vskip1.000000\baselineskip
Se evaluaron estructuras de nido de abeja según
la invención, que tenían una configuración según los parámetros
notificados en la tabla 1; el significado de los parámetros
\alpha, \beta, a, e, f es evidente a partir de la figura 5. El
lado del diamante de entrada puede calcularse como
(a-2f), mientras que el lado del diamante de salida
puede calcularse como (a-2e).
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
En la siguiente tabla 2, se compararon las
configuraciones de nido de abeja según la presente invención con el
diseño cuadrado de la técnica anterior, en el que (\alpha) y
(\beta) son 90 grados.
En la tabla 2, las configuraciones de nido de
abeja de las tres primeras lineas se realizaron con superficie de
sección transversal constante de la pared, mientras que las
configuraciones de las tres últimas lineas se realizaron a espesor
de pared constante. Tal como resulta evidente a partir de la tabla
anterior, las configuraciones de nido de abeja según la presente
invención en las que (\alpha) es 65 grados y (\beta) es 90 u 80
grados ofrecen una superficie de filtración muy superior con
respecto al diseño cuadrado de la técnica anterior. Además, tal como
resulta evidente a partir de la tabla 2, las configuraciones de nido
de abeja de la invención ofrecen una razón de asimetría mejorada y
una densidad de celdas superior, proporcionando así una superficie
de filtración mejorada.
Los ejemplos anteriores demuestran que las
configuraciones de nido de abeja según la presente invención pueden
proporcionar razones de asimetría adecuadas con un diámetro
hidráulico de salida de aproximadamente 1000 micras y una superficie
de filtración incluso superior a 0,98. Los ejemplos anteriores
también muestran los grados de libertad ofrecidos por la
configuración de estructura de nido de abeja de la presente
invención; en particular, una vez que se ha determinado el espacio
dedicado a la pared, las áreas de entrada y salida pueden ajustarse
fácilmente variando los ángulos (\alpha) y (\beta). En
comparación con los diseños achaflanados de la técnica anterior, la
configuración de estructura de nido de abeja de la presente
invención permite obtener un aumento del área de filtración y la
eficacia de filtración, ya que no hay ninguna pérdida en la eficacia
de filtración debida a los chaflanes.
Finalmente, las configuraciones de nido de abeja
según la presente invención en las que ningún punto de una celda de
entrada dada está más cerca de una celda de entrada adyacente que de
una celda de salida adyacente se obtienen cuando se cumplen las
siguientes desigualdades (1) y (2):
- (1)
- f > e(1 - cos\alpha)/(1 + cos\beta) y
- (2)
- f > e(1 + cos\alpha)/(1 - cos\beta)
\vskip1.000000\baselineskip
Se evaluaron estructuras de nido de abeja según
la invención, en las que las celdas de entrada y de salida tenían
ángulos redondeados; las configuraciones de nido de abeja y los
parámetros \alpha, \beta, a, e y f se notifican en la tabla 3 y
la figura 6. Estas estructuras de nido de abeja ofrecen ventajas de
fabricación, ya que pueden usarse electrodos que tienen diámetros A
y B variables para la preparación de las celdas asimétricas; en las
realizaciones de la invención, el radio de ambos electrodos, A y B,
era de 100 micras.
Las configuraciones anteriores, en las que el
espacio global dedicado a las paredes se mantuvo constante, dieron
un canal de entrada mayor con respecto a las estructuras
correspondientes con ángulos afilados. Las configuraciones en las
que (\alpha) era 65 grados y (\beta) era 70, 75 u 85 grados
dieron el mejor equilibrio de alta superficie de filtración, alta
densidad de celdas y razón de salida con respecto a entrada
mejorada.
La descripción anterior se refiere a
realizaciones particulares de la presente invención para los fines
de ilustrarla. Sin embargo, resultará evidente para un experto en la
técnica que son posibles muchas modificaciones y variaciones de las
realizaciones descritas en el presente documento. Se pretende que
todas de tales modificaciones y variaciones queden dentro del
alcance de la presente invención, según se define en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (16)
1. Estructura de nido de abeja cerámica que
tiene una cara de entrada y una cara de salida, que comprende una
pluralidad de celdas de entrada y una pluralidad de celdas de salida
que se extienden a través de la estructura desde la cara de entrada
hasta la cara de salida, estando las celdas de entrada abiertas en
la cara de entrada y cerradas donde están adyacentes a la cara de
salida, y estando las celdas de salida abiertas en la cara de salida
y cerradas donde están adyacentes a la cara de entrada,
caracterizada porque:
las celdas de entrada y de salida tienen una
sección transversal cuadrangular y están dispuestas en un patrón
alterno,
las celdas de salida tienen un área de sección
transversal generalmente inferior a la de las celdas de entrada y
tienen un ángulo interior agudo.
2. Estructura según la reivindicación primera
caracterizada porque:
las celdas de entrada y de salida tienen una
sección transversal rómbica.
3. Estructura según reivindicación primera,
caracterizada porque las celdas de entrada y de salida están
situadas en una disposición de tablero de ajedrez y las celdas de
entrada adyacentes a lo largo de una diagonal dada de la disposición
en tablero de ajedrez están giradas unas respecto a otras.
4. Estructura de nido de abeja cerámica según la
reivindicación 3, en la que las celdas de entrada adyacentes a lo
largo de una diagonal dada de la disposición en tablero de ajedrez
están giradas unas con respecto a otras un ángulo superior a 1
grado.
5. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que ningún punto de
una celda de entrada dada está más cerca de una celda de entrada
adyacente que de una celda de salida adyacente.
6. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la
superficie de filtración por volumen de filtro está comprendida
entre 0,8 y 1 mm^{2}/mm^{3}.
7. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la razón de
abertura es superior al 35%.
8. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas
de salida tienen un ángulo interior agudo (\alpha) que oscila
desde 50 hasta 85 grados.
9. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas
de entrada tienen un ángulo interior agudo (\beta) y las celdas de
salida tienen un ángulo interior agudo (\alpha), y (\beta) es
superior a (\alpha).
10. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas
rómbicas o cuadrangulares tienen una o más esquinas achaflanadas o
redondeadas.
11. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas
adyacentes están separadas mediante paredes de división que tienen
un espesor que oscila desde 100 hasta 500 micras.
12. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende uno o
más minerales seleccionados del grupo que consiste en carburo de
silicio (SiC), nitruro de silicio, mullita, cordierita, circonia,
titania, silice, magnesia, alúmina, espinela, tialita, cianita,
sillimanita, andalucita, silicato de litio y aluminio y titanato de
aluminio.
13. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un
coeficiente de expansión térmica comprendido entre 0 y
9\cdot10^{-6} K^{-1}1.
14. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas
tienen una rugosidad de superficie Ra comprendida entre 1 y 100
micras.
15. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene una
porosidad total comprendida entre el 20 y el 80%.
16. Estructura de nido de abeja cerámica según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un diámetro
de poro d_{50} comprendido entre 1 y 60 micras.
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