CN100529687C - 具有抗粘着涂层的灌装面传感器或压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于灌装面测量设备或压力测量设备的部件(2)，其中部件(2)包括具有微平滑的表面(4)的涂层(1)，从而微平滑的表面(4)基本上不会留有任何沉积物。

Description

具有抗粘着涂层的灌装面传感器或压力传感器

[0001]本申请要求于2005年6月20日申请的美国临时申请No.60/692 089和于2005年6月20日申请的德国专利申请No.10 2005 028 395.5的权益，这里引入其内容作为参考。

技术领域

[0002]本发明涉及一种用于灌装面(fill level)测量或压力测量的部件、设备，一种涂覆部件的方法，以及灌装面测量设备或压力测量设备中部件的应用。

背景技术

[0003]在很多产业领域内，部件通常遭受相当多的污垢积累和杂质，这些污垢和杂质粘附在所述部件的表面上。然而，部分由于难于接触这些部件或这些部件应用在危险环境中的事实，用人工清洗这些部件是很难或很费劲的。因此已经尝试制造具有自净效应特征的表面。

[0004]尤其是在计量领域，其应用的设备暴露于苛刻的产业环境中，并因此经常覆盖污垢，这种污垢会显著降低测量特性。该术语“污垢”指的是固体材料(例如灰尘)以及液体物质例如冷凝物。取决于环境，在一段时间内相当多的污垢会聚积在测量设备上，致使测量功能受阻或甚至完全停止。

[0005]美国专利US 6,435,025 B1和国际申请WO 02/14804 A1提出基于所谓荷叶效应的涂层。在该技术中，表面包括规定的微结构(microstructure)，该微结构的隆起和凹进具有5μm至200μm范围的结构尺寸。该微结构及其低能或憎水特性导致水从表面上流下。同时落在表面上的任何污垢微粒被滴下的水冲走。

[0006]进一步选择低能塑料涂层例如PTFE或PVDF。通常，这种涂层至少有1mm厚，从而提供足够的密封特性。这些涂层不是透明的；因其厚度，其也极大地影响测量设备的测量特性。

发明内容

[0007]需要提供一种具有污垢排斥效应的表面。

[0008]这一需要可以通过以下方案来满足：具有独立权利要求特征的一种部件、一种生产方法、一种灌装面设备和压力测量设备，以及在灌装面测量设备或压力测量设备中该部件的应用。

[0009]根据本发明的典型实施例，制造一种用于灌装面测量设备或压力测量设备的部件，其中该部件包括具有微平滑(microsmooth)表面的涂层，以使微平滑表面基本上不会留下任何沉积物。

[0010]根据本发明的又一典型实施例，创建一种制造灌装面测量设备或压力测量设备用部件的方法，其中根据该方法，具有微平滑表面的这种涂层形成在元件上，以使该微平滑表面基本上不会留下任何沉积物。尤其是，可形成一种微平滑表面，其中该微平滑表面可适于以这种方式，即尤其是在表面暴露于环境时，微平滑表面基本上不会留下任何沉积物。

[0011]根据本发明的又一典型实施例，制造一种用于测量灌装面或测量压力的设备，其设备包括具有上述特性的部件。

[0012]根据本发明的又一典型实施例，具有上述特性的部件用于灌装面测量设备、雷达灌装面测量设备或用于压力测量设备。

[0013]在本申请的范围内，术语“微平滑”尤其指的是表面特性，其不包括任何其结构尺寸平均起来超过微米范围的表面粗糙度。尤其是，根据该定义，“微平滑”表面的表面结构可至多包括一微米以下的平均尺寸。“微平滑”表面具有的表面粗糙度极小，以至于最多在具有至少微米级分辨率的显微镜下才能看清表面杂质。而且，在本申请的范围内，术语“微平滑”尤其指的是表面特性，其具有小于等于Ra＝1.2μm的表面粗糙度，优选小于等于Ra＝0.8μm的表面粗糙度，或还优选小于Ra＝0.6μm的表面粗糙度，或还优选小于Ra＝0.1μm的表面粗糙度。微平滑表面平滑度的进一步提高会产生“毫微平滑(nanosmooth)”表面，根据本发明，该表面可用来代替微平滑表面。

[0014]本发明的一个思想包括提高或改进表面品质，从而获得抗粘着特性。在这种程度上，本发明的方法正好与US 6,435,025 B1和WO 02/14804 A1记载的方法相反，因为本发明不是设法限定微结构的构成，其目标在于获得尽可能平滑的表面。

[0015]与US 6,435,025 B1和WO 02/14804 A1记载的涂层形成对照，微平滑表面不仅防水，它还可以在没有水时防止污垢，因为微平滑涂层至少可减少污垢陷入表面结构而不能排斥的危险。

[0016]为了达到不粘湿且自净表面的目的，各种表面特性都是有益的。首先，表面上介质的所有接触角度是这种防污垢表面应包括的最重要的特性之一。接触角度尤其表示固体物质表面上形成的液滴相对于该表面的角度。液体或液滴相对于表面的接触角度越大，液滴可在表面上具有的承受表面就越小。承受表面越小或接触角度越大，液滴就越容易从表面上滑落。

[0017]可假设液体和表面之间的接触角度的尺寸尤其取决于这两者之间分子的相互作用。这种相互作用越小，接触角度就越大。

[0018]因为材料的表面能是特定的，适当地选择表面材料可制成具有尽可能小能量的表面，使得可能以这种方式增大接触角度，以获得部件的不可湿性和自净效应。为了获得不可湿性和自净能力，接触角度尤其可以是至少80°、80°至160°之间，或优选地于90°-120°之间。

[0019]与荷叶效应形成对照，该效应中液滴的承受表面因微结构而减小，本发明所具有显著的优势在于，制造极平滑的表面，即表面具有例如小于Ra＝1.2μm的表面粗糙度，优选小于Ra＝0.8μm、或还优选小于Ra＝0.6μm、或还优选小于Ra＝0.1μm的表面粗糙度，从而以这种方式有可能制造出具有很好耐磨性的机械性能稳定的涂层。因为在荷叶效应的情况下，因结构中的隆起和凹进而使得表面会极度粗糙，所以，这些微结构可以是机械地非常敏感。甚至在轻微的机械负载下，该微小结构也可以被毁，并且荷叶效应的功能就不能有效地实施。而且，在没有水的情况下，固体物质例如灰尘会更容易地容纳在粗糙结构表面上。

[0020]采用本发明的平滑表面，以上情况就不会成为可能，或只在较小的程度上成为可能。通过制成极平滑的表面，还可能制造完全透明的涂层，其在荷叶效应情况下因具有的粗糙度而不可能、或者可能极其困难制造完全透明的涂层，因为微结构会引起光折射。

[0021]当与涂覆塑料涂层相比时，涂覆本发明的平滑涂层还是有优势的，因为这些塑料源层也许还很软且几乎不具有耐磨性。

[0022]采用本发明，能将该表面应用到例如测量设备、尤其是测量设备的那些元件上，该表面接触介质、永久性的抗粘着并不会对测量设备的其它特性产生负面影响。因为该涂层透明，所以根据本发明的涂层可不对为用户设计的最终产品产生负面影响。此外，涂层极好的机械负载能力是有优势的。

[0023]而且，所涉及的制造具有荷叶效应的涂层的方法会极其昂贵，尤其是在非平面结构的情况下，因为将要涂覆的微结构很难制造。由于根据本发明制造微平滑表面的方法更容易实施并更有效，所以产品成本可极大的降低。

[0024]工艺表面的性质和布局的特征尤其在于应用术语“波纹度”(指明主要偏差)和“粗糙度”(指明较小的不规则性)。平均峰谷高度Ra在DIN4768中提到；其尤其可定义如下：平均峰谷高度Ra为所有轮廓距中心线的距离的算术平均值。在本发明的涂层中，Ra可小于等于1.2μm，优选小于等于1μm，还优选小于等于0.8μm，或还优选小于等于0.1μm。

[0025]因为本发明的涂层可由无机材料制成，所以可以应用到600℃及以上的温度。

[0026]根据部件的又一典型实施例，部件表面包括由梯度材料制成的涂层。该术语“梯度材料”尤其指的是特征在于具有不同化学和机械特性的两种或两种以上材料浓度的材料。例如这些涂层可以平面方式、相邻方式、矩阵图案、或随机方式设置。梯度材料在部件表面的应用例如使制造邻近部件的粘着层成为可能，其粘着层具有好的耐磨性并且同时还有具有优良抗粘着特性的低能表面。

[0027]在本发明的又一实施例中，涂层包括自组织表面涂层。自组织表面涂层的特征在于，它们可以作为统一的混合物应用，并且它们以限定的方式排列。这意味着涂层可作为整体来涂覆，因此，例如限定区域内可自动形成材料的不同限定层或不同浓度。

[0028]根据本发明的又一实施例，邻近部件的涂层部分包括玻璃-陶瓷网状物。玻璃-陶瓷网状物具有以牢固的化学结合方式粘结于部件表面的特性，尤其是作为其极性的结果，这样可获得好的机械稳定性或好的耐磨性。玻璃-陶瓷网状物可包括硅氧网状物或极性硅氧网状物。

[0029]在又一实施例中，可将毫微颗粒嵌入到这些玻璃-陶瓷网状物中，毫微颗粒显著地提高了机械稳定性和耐磨性。

[0030]在本发明的又一典型实施例中，涂层包括具有低能表面的材料。如已经提到的，为了不粘湿表面并在表面上建立污垢排斥效应，需要液体或堆积污垢与表面之间的接触角度尽可能最大。球形是表面上液滴的理想形式。在这种情况下，接触角度应为180°。为此，表面可以极低能的方式设计，使液体或沉积的污垢与表面之间的交互作用最小化。只有以这种方式，才产生期望的近似液滴外形并利于沉积污垢的移除。在这种配置下，所应用的材料的表面张力可小于40mN/m，优选小于30mN/m，或进一步优选小于20mN/m。例如，表面可包括具有极低能特性的碳氟化合物。

[0031]在本发明的又一典型实施例中，表面相对于水具有大的接触角度。其优势在于水容易滑落，因而表面被设计为可以自净。术语“大”接触角度尤其指的是相对于水至少为80°的角度。这意味着相对于水的接触角度至少可为80°，但是其范围应在80°至160°。形成的相对于水的接触角度优选90°-120°之间。在约为90°的角度情况下，表面不易被水粘湿，并且在甚至更大的角度情况下，表面最不易被水粘湿。

[0032]根据本发明的平滑表面与表面的特征在于采用微结构的荷叶效应的粗糙表面不同。为限定用于本申请的术语“平滑”或“微平滑”，Ra值可用作度量单元。根据本发明，术语“平滑”尤其可限定Ra≤1.2μm的Ra值。

[0033]在本发明的又一典型实施例中，表面涂层的粗糙度小于Ra＝0.1μm。

[0034]根据本发明的表面涂层首先可用在沉积污垢非常多的部件的情况下。首先，测量设备的表面、尤其是接触介质的测量设备的部分应设计为具有永久的抗粘着特性。这可包括发进和/或接收电磁波或声波的部件和设备、适配锥体、喇叭口、反射表面、杆状天线、压电声音发生器、绳索和缆线、杆、振动杆和振动叉形物，还包括记录压力的设备。

[0035]在该方法的又一典型实施例中，所述方法还包括将梯度材料涂层涂覆在部件表面的步骤。

[0036]在该方法的又一典型实施例中，所述方法还包括形成具有自组织表面的涂层的步骤。

[0037]在该方法的又一典型实施例中，所述方法还包括形成涂层的步骤，该涂层在邻接部件的部分上包括玻璃-陶瓷网状物。

[0038]在该方法的又一典型实施例中，所述方法还包括在玻璃-陶瓷网状物中嵌入毫微颗粒的步骤。

[0039]在本发明的生产方法的又一典型实施例中，所述生产方法具有形成包括低能表面涂层的步骤。

[0040]在该生产方法的又一典型实施例中，所述生产方法还包括在相对于水的大接触角度的周围的方向上涂覆涂层的步骤。

[0041]在该生产方法的又一典型实施例中，所述生产方法还包括利用浸渍方法和/或喷涂方法在部件表面涂覆涂层的步骤。以这种方法可简单地将期望的涂层喷涂到部件上，或可将部件浸入容纳涂层材料的容器，从而随后用可选择的方法风干后，就可以形成不可湿的且排斥污垢的表面涂层。这两种方法具有的优势在于，期望的涂层可容易并经济地涂覆在成角度的位置上。

[0042]如果例如选择具有自组织特性的梯度材料涂层，这里也可以有另外的选择，在浸渍或喷涂部件后，获得在不同区域形成不同浓度的涂层。以这种方式，例如，可能在表面上形成特别低能特性的涂层，而在邻近部件的涂层上可形成强粘性和机械性能稳定的涂层。

[0043]优选的是，可应用所谓溶胶-凝胶的方法。该溶胶-凝胶方法可用于在例如钢、黄铜、铜、铝、玻璃和塑料(例如PA、PMMA、PC、ABS)材料上制造涂层，该方法本身是已知的(例如见http://www.moeller-medical.com/de/nano.html)。而且，该制造薄膜的溶胶-凝胶方法公开在Georgi，U.等人，1997年《Chemical Modification of Thin SilicaFilms via the Sol-Gel-process》，J.Sol-Gel-Sci.Technol.8：507-509中。

[0044]在该方法的又一典型实施例中，所述方法包括制造粗糙度小于Ra＝0.1μm的部件表面的步骤。

[0045]在该设备的又一典型实施例中，所述设备为雷达灌装面测量设备。

附图说明

[0046]以下，为了进一步解释以及更好的理解本发明，参考附图更加详细地描述实施例。以下示出：

[0047]图1是利用荷叶效应的表面涂层的图示；

[0048]图2是根据本发明的实施例的表面涂层的图示，其中形成两种不同的涂层；

[0049]图3是根据本发明实施例的表面涂层的图示；

[0050]图4表示具有传统表面的雷达灌装面测量设备的喇叭状天线；以及

[0051]图5表示根据本发明实施例的具有自净表面的雷达灌装面测量设备的喇叭状天线

具体实施方式

[0052]不同图中相同或相似的部件具有相同的附图标记。

[0053]图中的例示为示意性的，并不是按比例的。

[0054]图2示出本发明的一个实施例。示出了一部件，例如用于灌装面测量设备或用于压力测量设备的部件，该部件具有涂层1，其上有液滴5或污垢5。因为涂层4的表面是微平滑，所以杂质5可从表面上滑下。

[0055]图1所示为部件2，其包括因使用荷叶效应而具有抗粘着特性的涂层1。在这种设置中，涂层1涂覆到部件2上。在其表面存在包括隆起和凹进的微结构7。这些隆起和凹进的高度为5-200μm，互相间隔5-50μm。液滴5停留在由微结构7构成或包括微结构7的表面上，从而由于液滴5的接触面积小，所述液滴容易滑落。例如，如图1所示接触角度为110°。

[0056]如果该微结构7被机械或化学作用破坏，具有荷叶效应的涂层1就失去了其效果。图1示出又一个缺陷，即由于微结构7的存在，出现了小的污垢颗粒容纳于其上的极粗糙的表面，该颗粒只有用大量的液体才能冲走。

[0057]图2所示为根据本发明的具有涂层1的部件2。在这种布置中，涂层1分为两个具有不同材料浓度的区域3、4。在面向部件2的一侧3上形成涂层，极其稳固地互连到部件2，从而获得优良的耐磨性和/或机械性稳定的涂层。在涂层1的表面形成具有抗粘着性的涂层4。这意味着所述涂层为永久低能表面，即，由于其接触角度6很大、例如在图2中为110°，所以它几乎不接触水，利于液体的滑落。

[0058]为了进行解释，图2还示出了液滴5，其上的接触角度6用图解法示出。很明显接触角度6变得越大、液体5形成的球形就越大，并且液滴5和涂层1或4之间的接触表面缩小，因而污垢5容易滑落。

[0059]对于近似于球形的液体5，涂层1和液体5之间的相互作用必须是最小的，从而制成低能表面。

[0060]图3所示为本发明的一个示意性的实施例。以详细的视图示出不同的分子结构。在面向工件的一侧3’，可形成分子化合物，其牢固地将涂层3连接到部件2，或采用产生非常强的相互作用的材料。图3示出将玻璃-陶瓷极性的Si-O网状物18、18’、18”作为面向部件2的一侧3’，其中嵌入网状物毫微颗粒、例如MeO₂20。用化学方法建立与部件2牢固的结合。

[0061]根据图3，在涂层1的表面上形成包括碳氟化合物17或由碳氟化合物17构成的层4。这是极其低能的涂层，其为微平滑的或具有很低的Ra值。

[0062]应当指出，例如因其自组织特性可形成或包括几个不同材料的浓度区域的示意性涂层，不是严格分成两部分，而是在涂层1内限定浓度转换。

[0063]而且，参考图4，描述了不具有本发明涂层的雷达灌装面测量设备的喇叭状天线10。

[0064]在其安装状态下，这种灌装面传感器的喇叭状天线10伸到容器的内部空间(例如液体存储器)。从喇叭状天线10发射的雷达测量脉冲被容器中给料物质的表面反射。天线10吸收反射脉冲。由脉冲的整个传输时间确定反射表面和天线10之间的距离，其距离相当于灌装面。

[0065]在液体给料物质的情况下，天线10与给料物质蒸汽的接触导致在例如天线结构的裂缝或其它狭窄空间中产生表面沉积甚至形成冷凝。同样，在例如灌装容器的过程中，个别给料物质能够触及天线10。

[0066]然而在传统表面11中，这种冷凝物12或这种颗粒粘附到天线11上，引起雷达信号传输或接收中相应的失真，如图5所示，在用根据本发明的传感器的情况下，其中传感器具有微平滑的表面15，冷凝物部分13容易从天线10上滑落；在操作设备的过程中，粘附的污垢颗粒被冷凝液滴13带走，并被带离所述设备的表面。由此引起的传感器永久自净效应可防止污垢永久粘附到其表面，并且甚至以这种方式保证了无失真的测量精度以及保证了功能的稳定性。

[0067]因为上述类型的传感器还经常用于暴露于日常气候条件的室外设备，根据本发明，推荐设计甚至不直接接触被测介质的那些传感器的部分或部件都具有微平滑的表面。根据本发明，优选并推荐设计一种暴露于气候条件下的、尤其是外壳部件和测量值或参数显示器具有自净表面。因此，根据本发明相应的传感器外壳或测量值显示部件，在雨水的作用下定期的清洁粘着的污垢或灰尘，因而甚至无需任何特殊清洁劳动就能保持外观的清洁和显示器容易可读性。

[0068]此外，应当指出“包括”不排斥其它元件或步骤，并且“一(a)”或“一个(one)”不排斥多个数目。而且，应当指出，参考一个以上实施例描述的特征或步骤也与上述其它实施例的特征或步骤相结合。权利要求中的参考特征并非是作为限制而加以解释的。

Claims (23)

1、一种用于灌装面测量设备或压力测量设备的部件(2)，其中部件(2)包括具有微平滑的表面(4)的涂层(1)，以使微平滑的表面(4)基本上不会留有任何沉积物，该微平滑的表面不包括任何其结构尺寸超过微米范围的表面粗糙度；

其中邻近部件(2)的一部分涂层(1)包括玻璃～陶瓷网状物(3)。

2、根据权利要求1所述的部件(2)，其中涂层(1)由梯度材料制成。

3、根据权利要求1或2所述的部件(2)，其中该涂层包括通过自组织形成的表面涂层(4)。

4、根据权利要求1所述的部件(2)，其中该玻璃-陶瓷网状物(3)包括硅氧化合物。

5、根据权利要求1或4所述的部件(2)，其中毫微颗粒嵌入到该玻璃-陶瓷网状物(3)中。

6、根据权利要求1所述的部件(2)，其中该涂层(1)的表面区域(4)包括具有表面张力小于40mN/m的材料。

7、根据权利要求6所述的部件(2)，其中具有表面张力小于40mN/m的该材料包括碳氟化合物。

8、根据权利要求6或7所述的部件(2)，其中该表面区域(4)相对于水具有大的接触角度(6)。

9、根据权利要求8所述的部件(2)，其中表面区域(4)相对于水具有至少80°的接触角度(6)。

10、根据权利要求1或2所述的部件(2)，其中涂层(1)的微平滑表面(4)的粗糙度Ra小于1μm。

11、根据权利要求1或2所述的部件，构造为出自下列设备构成的组中的部件，该组包括发送和/或接收电磁波或声波的设备、适配锥体、喇叭口、反射表面、杆状天线、压电声音发生器、绳索、缆线、杆、振动杆和振动叉形物、传感器和记录压力的设备。

12、一种制造灌装面测量设备或压力测量设备用部件的方法，其中该方法包括以下步骤：

在部件(2)上形成具有微平滑表面的涂层(1)，以使微平滑表面(4)基本上不会留有任何沉积物，该微平滑表面不包括任何其结构尺寸超过微米范围的表面粗糙度，还包括形成涂层(1)的步骤，该涂层(1)在邻接部件(2)的部分中包括玻璃-陶瓷网状物(3’)。

13、根据权利要求12所述的制造方法，还包括将梯度材料涂层(1)涂覆在部件表面的步骤。

14、根据权利要求12或13所述的制造方法，还包括形成具有自组织表面的涂层(1)的步骤。

15、根据权利要求12所述的制造方法，还包括在玻璃-陶瓷网状物(3’)中嵌入毫微颗粒的步骤。

16、根据权利要求12或13所述的制造方法，还包括形成具有表面张力小于40mN/m的材料的涂层(1)的步骤。

17、根据权利要求12或13所述的制造方法，还包括涂覆涂层(1)的步骤，该涂层(1)在周围的方向上具有相对于水的大接触角度(6)。

18、根据权利要求12或13所述的制造方法，还包括利用浸渍方法和/或喷涂方法在部件(2)的表面涂覆涂层(1)的步骤。

19、根据权利要求12或13所述的制造方法，还包括采用溶胶-凝胶方法涂覆涂层(1)的步骤。

20、根据权利要求12或13所述的制造方法，还包括制造粗糙度Ra小于1μm的部件(2)表面的步骤。

21、一种灌装面测量或压力测量设备，包括：至少一种根据权利要求1至12中任意一项的部件。

22、根据权利要求21的设备，配备作为雷达灌装面测量设备。

23、根据权利要求1或2所述的部件(2)的应用，将该部件(2)用在灌装面测量设备或压力测量设备中。

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