JP2013544956A - Method for in-situ placement of coating and product manufactured using the method - Google Patents

Method for in-situ placement of coating and product manufactured using the method Download PDF

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Abstract

金属表面にコーティングを配置する方法には、金属表面をその融点以下の温度まで加熱すること、金属表面を加熱している間、そこへ真空を適用すること、及び金属表面を加熱している間、真空を解除し、第1のパージガスで埋め戻すことが含まれ、第1のパージガスは、金属表面と反応して金属表面にコーティングの少なくとも1つの層を配置する。開示された方法は、太陽熱受熱器の製造中にその場コーティングを配置することができるが、この場合、太陽熱受熱器には、内側の表面として金属チューブにより定義されるアニュラスと、外側の表面として太陽放射線を少なくとも部分的に透過する材料と、が含まれる。
【選択図】図1
Methods for placing a coating on a metal surface include heating the metal surface to a temperature below its melting point, applying a vacuum thereto while heating the metal surface, and heating the metal surface. , Releasing the vacuum and backfilling with a first purge gas, the first purge gas reacts with the metal surface to place at least one layer of coating on the metal surface. The disclosed method can place an in-situ coating during the manufacture of a solar receiver, in which case the solar receiver includes an annulus defined by a metal tube as the inner surface, and an outer surface. And materials that are at least partially transparent to solar radiation.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、概略的にはコーティングに関し、より詳細には、コーティングを生成する方法に関する。   The present invention relates generally to coatings, and more particularly to a method of producing a coating.

(関連出願の記載)
本出願は、米国特許法119条(e)の規定に基づき、2010年9月23日に出願された米国特許仮出願第61/385,899号の優先権を主張し、それらの全内容は参照により本出願に組み込まれる。
(Description of related applications)
This application claims the priority of US Provisional Patent Application No. 61 / 385,899, filed on September 23, 2010, based on the provisions of US Patent Act 119 (e). It is incorporated into this application by reference.

(連邦支援研究又は開発に関する記載)
適用なし。
(Federal support research or development statement)
Not applicable.

コーティングは、コーティングの下にある材料を環境暴露から保護、又はコーティングの下にある材料の他の物理的性質を改良するために、様々な用途において頻繁に使用されている。コーティングにより変更可能な物理的性質としては、光学的性質、熱的性質及び機械的性質が含まれるが、これらに限定されない。より詳細には、製品の熱及び電磁吸収及び放射特性は、そこへ配置したコーティングがたとえ目には見えないぐらい薄い層であっても、その存在により大きく影響を受けることがあり得る。   Coatings are frequently used in a variety of applications to protect the material under the coating from environmental exposure or to improve other physical properties of the material under the coating. Physical properties that can be altered by coating include, but are not limited to, optical properties, thermal properties, and mechanical properties. More specifically, the thermal and electromagnetic absorption and emission properties of a product can be greatly affected by its presence, even if the coating placed thereon is a thin layer that is not visible.

多くの異なる技術が、薄膜コーティングを配置するために開発されている。これらの技術としては、例えば、スパッタリング、蒸着、パルス状レーザ脱離、電気めっき、化学めっき、化学蒸着等が含まれる。製品の製造において、これらのコーティング技術の多くは、製品の製造に使用される他の製造段階とは切り離して行われなければならない。さらに、これらの蒸着技術の多くは、コーティングを包含する製品を製造するために必要とされる時間と費用を増大させる特殊な設備を必要とする。   Many different techniques have been developed to place thin film coatings. These techniques include, for example, sputtering, vapor deposition, pulsed laser desorption, electroplating, chemical plating, chemical vapor deposition and the like. In product manufacture, many of these coating techniques must be performed separately from the other manufacturing steps used to manufacture the product. In addition, many of these deposition techniques require specialized equipment that increases the time and cost required to produce a product that includes the coating.

前述したことを考慮すると、特に製品の製造中に、コーティングを生成する簡単且つ低価格な技術が、当該技術分野において実質的な利点となるだろう。本開示は、この要求を満たし、関連する利点をも提供するものである。   In view of the foregoing, a simple and inexpensive technique for producing a coating, especially during manufacture of a product, would be a substantial advantage in the art. The present disclosure fulfills this need and provides related advantages as well.

ある実施形態において、金属表面にコーティングを配置する方法が本明細書に記載されている。該方法は、金属表面をその融点以下の温度まで加熱すること、金属表面を加熱している間、そこへ真空を適用すること、及び金属表面を加熱している間、真空を解除し、第1のパージガスで埋め戻す(backfilling)ことを含む。第1のパージガスは、加熱された金属表面と反応して、金属表面にコーティングの少なくとも1つの層を配置する。   In certain embodiments, a method for placing a coating on a metal surface is described herein. The method includes heating the metal surface to a temperature below its melting point, applying a vacuum thereto while heating the metal surface, and releasing the vacuum while heating the metal surface, Backfilling with one purge gas. The first purge gas reacts with the heated metal surface to place at least one layer of coating on the metal surface.

ある実施形態において、太陽熱受熱器にコーティングを配置する方法が本明細書に開示されている。該方法は、太陽放射線を少なくとも部分的に透過する材料により定義される外側の表面と、金属チューブにより定義される内側の表面とを有するアニュラスに真空を適用すること、そこへ真空を適用している間、金属チューブをその融点以下の温度まで加熱すること、及び金属チューブを加熱している間、真空を解除し、第1のパージガスで埋め戻すことを含むが、この場合、第1のパージガスは、加熱された金属チューブと反応して、金属表面にコーティングの少なくとも1つの層を配置する。   In certain embodiments, a method for placing a coating on a solar receiver is disclosed herein. The method includes applying a vacuum to an annulus having an outer surface defined by a material that is at least partially transparent to solar radiation and an inner surface defined by a metal tube, to which the vacuum is applied. Heating the metal tube to a temperature below its melting point while heating and releasing the vacuum and backfilling with the first purge gas while heating the metal tube, in which case the first purge gas Reacts with the heated metal tube to place at least one layer of coating on the metal surface.

ある実施形態において、太陽熱受熱器は、太陽放射線を少なくとも部分的に透過する材料により定義される外側の表面と、金属チューブにより定義される内側の表面とを有するアニュラスに真空を適用すること、そこへ真空を適用している間、金属チューブをその融点以下の温度まで加熱すること、及び金属チューブを加熱している間、真空を解除し、第1のパージガスで埋め戻すことを含むプロセスにより作成することができるが、この場合、第1のパージガスは、加熱された金属チューブと反応して、金属チューブにコーティングの少なくとも1つの層を配置する。   In certain embodiments, a solar receiver applies a vacuum to an annulus having an outer surface defined by a material that is at least partially transparent to solar radiation and an inner surface defined by a metal tube, wherein Created by a process that includes heating a metal tube to a temperature below its melting point while applying a vacuum to the metal, and releasing the vacuum and backfilling with a first purge gas while heating the metal tube In this case, the first purge gas reacts with the heated metal tube to place at least one layer of coating on the metal tube.

前記では、以下の詳細な説明をよりよく理解できるように、本開示の特徴をいくぶん概略的に述べてきた。本開示の追加の特徴及び利点が以下に記載され、特許請求の範囲の主題を形成する。   The foregoing has outlined rather broadly the features of the present disclosure in order that the detailed description that follows may be better understood. Additional features and advantages of the disclosure will be described hereinafter which form the subject of the claims.

本開示及びその利点のより完全な理解のために、以下の詳細な説明を本開示の具体的な実施形態を記載した添付の図面と一致させて説明する。   For a more complete understanding of the present disclosure and its advantages, the following detailed description is set forth in conjunction with the accompanying drawings, which set forth specific embodiments of the disclosure.

例示的な太陽熱受熱器の概略図を示す。1 shows a schematic diagram of an exemplary solar heat receiver.

本開示は、一つには、金属表面にコーティングを配置する方法を対象とする。また、本開示は、一つには、特に太陽熱受熱器に配置させたコーティングを有する金属表面を対象とする。   The present disclosure is directed, in part, to a method of placing a coating on a metal surface. The present disclosure is also directed, in part, to a metal surface having a coating disposed specifically on a solar heat receiver.

コーティングは、多種多様な用途において非常に有用であると共に頻繁に使用されているが、コーティングを配置する技術は、コーティングを含む製品の製造に必要とされる時間と費用を大幅に増大させてしまう。本明細書に記載の方法は、金属表面にコーティングを作成する簡単な技術を提供することにより、当該技術分野におけるこれらの欠点に有利に取り組むことができる。より詳細には、ある場合において、本明細書に記載のコーティング方法は、金属表面上でのコーティングのその場配置に用いられる。すなわち、製品の製造中に、製品の製造に既に用いられている少なくともいくつかの工程の簡単な改良を用いて、コーティングを製品に有利に適用することができる。例えば、真空ベークアウト(vacuum bakeout)(例えば、水素ベークアウト)を製品の製造中に用いている場合、本開示の方法に従って、コーティングを製品に適用することができる。   Although coatings are very useful and frequently used in a wide variety of applications, the technique of placing the coating significantly increases the time and cost required to produce a product that includes the coating. . The methods described herein can advantageously address these shortcomings in the art by providing a simple technique for creating a coating on a metal surface. More particularly, in some cases, the coating methods described herein are used for in-situ placement of a coating on a metal surface. That is, during the manufacture of the product, the coating can be advantageously applied to the product with a simple improvement of at least some of the steps already used in the manufacture of the product. For example, if vacuum bakeout (eg, hydrogen bakeout) is used during the manufacture of the product, the coating can be applied to the product according to the disclosed method.

製品の製造中に、コーティングをその場で配置した金属表面を含んだ製品の一例としては、太陽熱受熱器がある。図1は、例示的な太陽熱受熱器100の概略図を示している。太陽熱受熱器100は、放射面樋型に整列され、ほとんどの熱を元の周囲環境に放出せずに、集束太陽放射線からの熱エネルギーを吸収する熱エネルギー集熱器として使用できる。例示的な太陽熱受熱器100は内側の金属チューブ110を含んでおり、太陽熱受熱器100から集めた熱を運び去るために、その内部空間を通って流れる熱伝導流体(例えば、オイル又は高沸点流体等)を備えている。集熱量を最大化して熱放射を減少させるために、内側の金属チューブ110は通常、真空に取り囲まれている。この目的を達成するために、太陽熱受熱器100は、太陽放射線を少なくとも部分的に透過する外側の表面120(例えばガラス等)を含んでおり、それは内側の金属チューブ110と共にアニュラス115を定義し、真空を含んでいる。真空はポート130を通ってアニュラスに適用できる。ほとんどの場合、内側の金属チューブ110は、その熱吸収性を向上させるコーティングにより改良されている。   An example of a product that includes a metal surface with a coating placed in situ during the manufacture of the product is a solar heat receiver. FIG. 1 shows a schematic diagram of an exemplary solar heat receiver 100. The solar heat receiver 100 can be used as a thermal energy collector that is aligned in a radial plane and absorbs thermal energy from focused solar radiation without releasing most of the heat into the original ambient environment. The exemplary solar receiver 100 includes an inner metal tube 110 and a heat transfer fluid (eg, oil or high boiling fluid) that flows through its interior space to carry away heat collected from the solar receiver 100. Etc.). In order to maximize the amount of heat collection and reduce thermal radiation, the inner metal tube 110 is typically surrounded by a vacuum. To achieve this goal, the solar receiver 100 includes an outer surface 120 (e.g., glass or the like) that is at least partially transparent to solar radiation, which defines an annulus 115 with an inner metal tube 110; Contains a vacuum. A vacuum can be applied to the annulus through port 130. In most cases, the inner metal tube 110 is modified with a coating that increases its heat absorption.

通常の太陽熱受熱器の製造中、そうしなければ適用された真空の質を低下させてしまう種類のガス放出及び脱離を達成し、熱吸収性を潜在的に変更するために、アニュラス115に真空を適用している間、ヒーター(図示しない)を使用して内側の金属チューブ110を加熱する。しかしながら、内側の金属チューブ110を加熱している間、アニュラス115を密閉して真空を維持する代わりに、真空を破壊しアニュラス115をパージガスで埋め込んだ場合、その場コーティングは、内側の金属チューブ110に適用可能であることが本明細書に記載の実施形態によって有利に発見されている。その後、アニュラス115に真空を再適用し、続いて真空を維持して密閉することにより、太陽熱受熱器100の製造は簡単に完了できる。したがって、本開示の方法は、太陽熱受熱器の製造中のすでに定着している工程の簡単な改良だけを用いて、コーティングにより内側の金属チューブ110の表面を簡単に改良する機会を与える。   During the manufacture of a conventional solar receiver, the annulus 115 is used to achieve a type of outgassing and desorption that would otherwise reduce the quality of the applied vacuum and potentially alter heat absorption. While applying the vacuum, a heater (not shown) is used to heat the inner metal tube 110. However, instead of sealing the annulus 115 and maintaining the vacuum while the inner metal tube 110 is heated, if the vacuum is broken and the annulus 115 is embedded with a purge gas, the in-situ coating will be Has been found to be advantageous by the embodiments described herein. After that, by reapplying the vacuum to the annulus 115 and subsequently sealing with the vacuum maintained, the manufacture of the solar heat receiver 100 can be completed easily. Thus, the method of the present disclosure provides an opportunity to easily improve the surface of the inner metal tube 110 with a coating using only a simple improvement of the already established process during the manufacture of a solar heat receiver.

本明細書では、用語「真空」は、大気圧よりも低い全ての圧力をいう。他に特に規定がなければ、真空という用語は、具体的な真空の規模を構成すると解釈されるべきではない。ある実施形態において、適当な真空は、約1×10-5Torr又はそれよりも低い。ある実施形態において、適当な真空は、約1×10-6Torr又はそれよりも低い。 As used herein, the term “vacuum” refers to all pressures below atmospheric pressure. Unless otherwise specified, the term vacuum should not be construed as constituting a specific vacuum scale. In certain embodiments, a suitable vacuum is about 1 × 10 −5 Torr or lower. In some embodiments, a suitable vacuum is about 1 × 10 −6 Torr or lower.

本明細書では、用語「コーティング」は、少なくとも単分子層程度の厚さである金属表面上の材料をいう。本明細書に記載の方法による金属表面に適用可能な例示的なコーティングには、金属酸化物コーティング、金属窒化物コーティング、金属炭化コーティング、及び金属フッ化コーティングが含まれるが、これらに限定されるものではない。他に特に規定がなければ、コーティングという用語は、コーティングの具体的な種類又はコーティング層の具体的な数を構成すると解釈されるべきではない。   As used herein, the term “coating” refers to a material on a metal surface that is at least as thick as a monolayer. Exemplary coatings that can be applied to metal surfaces by the methods described herein include, but are not limited to, metal oxide coatings, metal nitride coatings, metal carbonized coatings, and metal fluoride coatings. It is not a thing. Unless otherwise specified, the term coating should not be construed as constituting a specific type of coating or a specific number of coating layers.

本明細書に記載のある実施形態において、金属表面にコーティングを配置する方法には、金属をその融点以下の温度まで加熱すること、金属表面を加熱している間、そこへ真空を適用すること、及び金属表面を加熱している間、真空を解除し、加熱された金属表面と反応して金属表面にコーティングの少なくとも1層を配置する第1のパージガスで埋め戻すことが含まれる。ある実施形態において、さらに、その方法には、コーティングの少なくとも1層を配置することが含まれる。   In certain embodiments described herein, methods for placing a coating on a metal surface include heating the metal to a temperature below its melting point, and applying a vacuum to the metal surface while it is being heated. And releasing the vacuum while heating the metal surface and backfilling with a first purge gas that reacts with the heated metal surface to place at least one layer of coating on the metal surface. In certain embodiments, the method further includes disposing at least one layer of the coating.

一般に、あらゆる種類の金属表面は、本明細書に記載の実施形態に従ってコーティングにより改良可能である。その際、純金属及び金属合金の両方を使用できる。様々な実施形態において、適当な金属には、チタン、銅、鉄、アルミニウム、タングステン、及びそれらの任意の組み合わせが制限なく含まれる。他の適切な金属が当業者には想到可能である。ある実施形態において、コーティングの配置を促進するために、金属表面は磨かれて自然酸化物を除去する。ある実施形態において、金属表面は、例えば、太陽熱受熱器におけるもののような金属チューブとされる。特に、太陽熱受熱器に使用される金属チューブの場合、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼、又はそれらの組み合わせ等の鋼が使用可能である。   In general, all types of metal surfaces can be improved by coating according to the embodiments described herein. At that time, both pure metals and metal alloys can be used. In various embodiments, suitable metals include, without limitation, titanium, copper, iron, aluminum, tungsten, and any combination thereof. Other suitable metals are possible for those skilled in the art. In certain embodiments, the metal surface is polished to remove native oxide to facilitate placement of the coating. In some embodiments, the metal surface is a metal tube, such as, for example, in a solar heat receiver. In particular, in the case of a metal tube used for a solar heat receiver, for example, steel such as stainless steel, carbon steel, or a combination thereof can be used.

本開示のある実施形態が太陽熱受熱器との関連で記載されてきたが、当然のことながら、金属表面を有するあらゆる種類の製品は、本明細書に記載の実施形態に従ってコーティングにより改良可能である。すなわち、太陽熱受熱器に関する本明細書の記載は、本来は例示的なものであり限定されるものではないと考えられるべきである。より詳細には、当然のことながら、金属表面を有するあらゆる種類の製品は、金属表面を加熱することにより、及び金属表面に直接的(例えば、アニュラス、製品の空洞又は穴等を介して)、又は間接的に(例えば、真空下に置かれ、その後パージガスで埋め戻すことのできる真空炉のような加熱装置に、製品又はその一部を置くことにより)真空を適用することにより、本明細書に記載の実施形態に従うコーティングにより改良可能である。   Although certain embodiments of the present disclosure have been described in the context of solar heat receivers, it should be appreciated that any type of product having a metal surface can be improved by coating in accordance with the embodiments described herein. . That is, the description of the present specification regarding the solar heat receiver should be considered as illustrative in nature and not limiting. More specifically, it should be understood that any type of product having a metal surface can be obtained by heating the metal surface and directly on the metal surface (eg, via annulus, product cavities or holes, etc.) Or by applying a vacuum indirectly (eg by placing the product or part thereof in a heating device such as a vacuum furnace that can be placed under vacuum and then backfilled with purge gas). Can be improved by a coating according to the embodiments described in.

様々な実施形態において、太陽熱受熱器の金属表面にコーティングを配置する方法には、太陽放射線を少なくとも部分的に透過する材料により定義される外側の表面と、金属チューブにより定義される内側の表面とを有するアニュラスに真空を適用すること、真空を適用している間、金属チューブをその融点以下の温度まで加熱すること、及び金属チューブを加熱している間、真空を解除し、加熱された金属チューブと反応して、金属チューブにコーティングの少なくとも1つの層を配置する第1のパージガスで埋め戻すことが含まれる。   In various embodiments, a method of placing a coating on a metal surface of a solar receiver includes an outer surface defined by a material that is at least partially transparent to solar radiation, and an inner surface defined by a metal tube. Applying a vacuum to an annulus having, heating a metal tube to a temperature below its melting point while applying the vacuum, and releasing the vacuum while heating the metal tube to heat the metal Refilling with a first purge gas that reacts with the tube and places at least one layer of coating on the metal tube is included.

太陽熱受熱器の場合、アニュラスの外側の表面を形成するために様々な材料が用いられる。一般に、金属チューブにより定義される内側の表面に太陽放射線が作用することができるように、アニュラスの外側の表面を形成する材料は、太陽放射線を少なくとも部分的に透過する必要がある。さらに、太陽エネルギーが太陽熱受熱器に集束される時に、かなりの熱が発生するので、アニュラスの外側の表面を形成する材料は通常、加熱下で、少なくともある程度の耐変形性を有する必要がある。ある実施形態において、太陽放射線を少なくとも部分的に透過する適切な材料はガラスとされる。ある実施形態において、さらに、ガラスには、金属チューブに透過した太陽放射線の量を最大化するために、反射を最小化することに適した反射防止コーティングが含まれる。   In the case of solar receivers, various materials are used to form the outer surface of the annulus. In general, the material forming the outer surface of the annulus needs to be at least partially transparent to solar radiation so that solar radiation can act on the inner surface defined by the metal tube. Furthermore, since considerable heat is generated when solar energy is focused on a solar heat receiver, the material forming the outer surface of the annulus usually needs to have at least some deformation resistance under heating. In certain embodiments, a suitable material that is at least partially transparent to solar radiation is glass. In certain embodiments, the glass further includes an anti-reflective coating suitable for minimizing reflections to maximize the amount of solar radiation transmitted through the metal tube.

本明細書に記載の方法に従って太陽熱受熱器の金属チューブにコーティングを配置した後、標準的な製造工程を続けることにより、太陽熱受熱器の製造は簡単に完了できる。この目的を達成するために、コーティングを配置した後、金属チューブを加熱している間に、アニュラスに真空を再配置することがさらに含まれる。ある実施形態において、さらに、該方法には、真空を維持し、太陽熱受熱器の製造を完了するために、アニュラスを密閉することが含まれる。代替の実施形態において、金属チューブに追加されるコーティングの少なくとも1つの層は、本明細書に記載の方法を繰り返すことにより配置可能である。   After placing the coating on the solar receiver metal tube according to the method described herein, the manufacturing of the solar receiver can be easily completed by continuing the standard manufacturing process. To achieve this goal, the method further includes repositioning the vacuum on the annulus after heating the metal tube after placing the coating. In certain embodiments, the method further includes sealing the annulus to maintain a vacuum and complete the manufacture of the solar heat receiver. In an alternative embodiment, at least one layer of coating added to the metal tube can be placed by repeating the methods described herein.

ある実施形態において、コーティングの少なくとも1つの追加層は、本明細書に記載の方法を繰り返すことにより配置可能である。本開示の方法の実施形態において、コーティングを配置した後、金属表面を加熱している間、そこへ真空を再適用することができる。本開示の方法の実施形態において、金属表面を加熱している間、コーティングの少なくとも1つの追加層は、真空を解除し、第2のパージガスで埋め戻すことにより配置可能である。   In certain embodiments, at least one additional layer of the coating can be placed by repeating the methods described herein. In an embodiment of the disclosed method, a vacuum can be reapplied to the metal surface while it is being heated after the coating is placed. In an embodiment of the method of the present disclosure, while heating the metal surface, at least one additional layer of the coating can be placed by releasing the vacuum and backfilling with a second purge gas.

ある実施形態において、第1及び第2のパージガスは同一のものとすることができる。すなわち、ある実施形態において、コーティングには、すべての層が同一のものである複数の層が含まれる。他の実施形態において、第1及び第2のパージガスは異なるものとすることができる。すなわち、ある実施形態において、コーティングには、少なくともいくつかの層が異なるものである複数の層が含まれる。本開示の方法の工程を繰り返すことにより、例えば、1から約100層、又は1から約20層、又は1から約10層、又は1から約5層、又は1層、又は2層、又は3層、又は4層、又は5層、又は6層、又は7層、又は8層、又は9層、又は10層等、任意の数の層を有するコーティングが配置可能である。複数の層が存在する実施形態において、コーティングの様々な層が金属表面に異なる性質を与える。例えば、第1の層は金属表面の電磁吸収特性を向上させ、異なる基板の第2の層は、その熱放出特性を減少させることができる。   In some embodiments, the first and second purge gases can be the same. That is, in some embodiments, the coating includes multiple layers where all layers are the same. In other embodiments, the first and second purge gases can be different. That is, in certain embodiments, the coating includes multiple layers in which at least some of the layers are different. By repeating the steps of the method of the present disclosure, for example, 1 to about 100 layers, or 1 to about 20 layers, or 1 to about 10 layers, or 1 to about 5 layers, or 1 layer, or 2 layers, or 3 A coating having any number of layers can be placed, such as a layer, or 4 layers, or 5 layers, or 6 layers, or 7 layers, or 8 layers, or 9 layers, or 10 layers. In embodiments where there are multiple layers, the various layers of the coating impart different properties to the metal surface. For example, the first layer can improve the electromagnetic absorption characteristics of the metal surface, and the second layer of a different substrate can reduce its heat release characteristics.

様々な種類のコーティングが、本明細書に記載の実施形態に従って金属表面に形成可能である。ある実施形態において、コーティングには、例えば、酸化コーティング、窒化コーティング、炭化コーティング又はフッ化コーティングの少なくとも1つが含まれる。金属表面に形成されるコーティングの種類はその使用目的に応じて選択できて、それは当該技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかなものであろう。例えば、酸化コーティングは、加熱状況下で、金属表面が酸素含有のパージガスと反応することにより形成可能である。窒化コーティングは、加熱状況下で、金属表面が窒素含有のパージガス、特に窒素分子と反応することにより形成可能である。炭化コーティングは、加熱状況下で、有機化合物を含むがこれに限定されない炭素含有のパージガスと金属表面が反応することにより形成可能である。フッ化コーティングは、加熱状況下で、金属表面がフッ素含有のパージガス、特にフッ化水素と反応することにより形成可能である。他の種類のコーティングは、当業者には容易に想到可能である。   Various types of coatings can be formed on a metal surface according to the embodiments described herein. In certain embodiments, the coating includes, for example, at least one of an oxide coating, a nitride coating, a carbonized coating, or a fluorinated coating. The type of coating formed on the metal surface can be selected according to its intended use and will be apparent to those having ordinary skill in the art. For example, an oxide coating can be formed by reacting a metal surface with an oxygen-containing purge gas under heating conditions. Nitrided coatings can be formed by reacting a metal surface with a nitrogen-containing purge gas, particularly nitrogen molecules, under heating conditions. Carbonized coatings can be formed by reacting a metal surface with a carbon-containing purge gas, including but not limited to organic compounds, under heating conditions. The fluoride coating can be formed by reacting the metal surface with a fluorine-containing purge gas, particularly hydrogen fluoride, under heating conditions. Other types of coatings are readily conceivable to those skilled in the art.

本明細書に記載の実施形態において、様々なパージガス及びそれらの組み合わせが用いられる。本実施形態での使用に適したパージガスは、室温及び室圧でガスである物質か、高い蒸気圧を有し、且つ、容易に揮発して気相を形成する液体又は個体のいずれかであることが認識される。本実施形態での使用に適した例示的なパージガスには、例えば、空気、水蒸気、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、三臭化ホウ素、四フッ化ケイ素、六フッ化硫黄、四フッ化硫黄、三フッ化リン、五フッ化リン、三フッ化窒素、亜酸化窒素、窒素酸化物、二酸化窒素、四酸化二窒素、ジイミド、水素、ガス状有機物、及びそれらの任意の組み合わせが含まれる。   In the embodiments described herein, various purge gases and combinations thereof are used. A purge gas suitable for use in this embodiment is either a substance that is a gas at room temperature and room pressure, or a liquid or solid that has a high vapor pressure and easily volatilizes to form a gas phase. It is recognized. Exemplary purge gases suitable for use in this embodiment include, for example, air, water vapor, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, bromide. Hydrogen, hydrogen iodide, boron trifluoride, boron trichloride, boron tribromide, silicon tetrafluoride, sulfur hexafluoride, sulfur tetrafluoride, phosphorus trifluoride, phosphorus pentafluoride, nitrogen trifluoride, Nitrous oxide, nitrogen oxides, nitrogen dioxide, dinitrogen tetroxide, diimide, hydrogen, gaseous organics, and any combination thereof are included.

ある実施形態において、さらに、パージガスには、金属表面と反応しない希釈ガスが含まれる。ある実施形態において、希釈ガスは、例えば、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、又はキセノン等の希ガスとされる。存在する場合、希釈ガスは気体混合物の約0.1%から約99.9%に及ぶ量が含まれ、それらの部分的な範囲もすべて含まれる。ある実施形態において、希釈ガスは、気体混合物の約1%から約90%、又は気体混合物の約5%から約50%、若しくは気体混合物の約10%から約70%に及ぶ量で存在する。理論又は機構に制限されず、金属表面と反応するために存在するパージガスの量を調節すること、希釈ガスの量を増加又は減少させることにより、金属表面のコーティングの厚さを制御できると考えられている。   In certain embodiments, the purge gas further includes a diluent gas that does not react with the metal surface. In certain embodiments, the diluent gas is a noble gas such as, for example, helium, argon, neon, krypton, or xenon. When present, the diluent gas includes amounts ranging from about 0.1% to about 99.9% of the gas mixture, including all of their partial ranges. In certain embodiments, the diluent gas is present in an amount ranging from about 1% to about 90% of the gas mixture, or from about 5% to about 50% of the gas mixture, or from about 10% to about 70% of the gas mixture. Without being bound by theory or mechanism, it is believed that the thickness of the coating on the metal surface can be controlled by adjusting the amount of purge gas present to react with the metal surface, and increasing or decreasing the amount of dilution gas. ing.

コーティングの厚さは、かなりの範囲に亘って変更できる。ある実施形態において、金属表面のコーティングの各層は、約1nmから約1μmの厚さに及んでおり、その間の部分的な範囲もすべて含んでいる。ある実施形態において、コーティングの各層の厚さは、約1nmから約250nm、又は約1nmから約100nm、又は約5nmから約50nm、又は約5nmから約100nm、又は約10nmから約50nmに及ぶ範囲とされる。すなわち、少なくともいくつかの実施形態において、コーティングはナノ構造とされる。   The thickness of the coating can vary over a considerable range. In certain embodiments, each layer of coating on the metal surface ranges from about 1 nm to about 1 μm thick, including all partial ranges therebetween. In certain embodiments, the thickness of each layer of the coating ranges from about 1 nm to about 250 nm, or from about 1 nm to about 100 nm, or from about 5 nm to about 50 nm, or from about 5 nm to about 100 nm, or from about 10 nm to about 50 nm. Is done. That is, in at least some embodiments, the coating is nanostructured.

本実施形態を実施するために適切な温度は、同様に広範囲に亘って変更できる。当業者であれば理解するように、本実施形態を実施可能な範囲に亘る最高温度が、選択された金属表面の融点に主に依存する。低融点金属(例えば、アルミニウム等の約800度未満の融点を有する金属)を除けば、本実施形態を実施するために適した温度は、約200度から約1000度に及ぶ温度に亘って変更され、その間の部分的な範囲もすべて含まれる。ある実施形態において、適切な温度は、約400度から約800度の範囲とされる。他の実施形態において、適切な温度は、約300度から約600度の範囲とされる。さらなる他の実施形態において、適切な温度は、約400度から約600度の範囲とされる。ある実施形態において、適切な温度は少なくとも約400度とされる。他の実施形態において、適切な温度は、少なくとも約500度、又は少なくとも約600度、又は少なくとも約700度、又は少なくとも約800度、又は少なくとも約900度、又は少なくとも約1000度とされる。さらに、金属表面の融点以外の因子により、本実施形態が実施される選択された温度を決定可能であることも認識される。例えば、温度が非常に高い場合、あるパージガスは可燃性、爆発性、そうでなければ、不安定となるかもしれない。したがって、本実施形態に従って特定のコーティングが作成されている温度は、当該技術分野において通常の知識を有する者の許容範囲内にある一連の実験計画の問題となるだろう。   Suitable temperatures for carrying out this embodiment can be varied over a wide range as well. As will be appreciated by those skilled in the art, the maximum temperature over which this embodiment can be implemented depends primarily on the melting point of the selected metal surface. Except for low melting point metals (eg, metals having a melting point of less than about 800 degrees, such as aluminum), suitable temperatures for implementing this embodiment vary over temperatures ranging from about 200 degrees to about 1000 degrees. All partial ranges in between are included. In certain embodiments, suitable temperatures range from about 400 degrees to about 800 degrees. In other embodiments, suitable temperatures range from about 300 degrees to about 600 degrees. In still other embodiments, suitable temperatures range from about 400 degrees to about 600 degrees. In certain embodiments, the suitable temperature is at least about 400 degrees. In other embodiments, a suitable temperature is at least about 500 degrees, or at least about 600 degrees, or at least about 700 degrees, or at least about 800 degrees, or at least about 900 degrees, or at least about 1000 degrees. It will further be appreciated that factors other than the melting point of the metal surface can determine the selected temperature at which this embodiment is implemented. For example, if the temperature is very high, some purge gases may be flammable, explosive, or otherwise unstable. Thus, the temperature at which a particular coating is made in accordance with this embodiment will be a problem for a series of experimental designs that are within the tolerance of those having ordinary knowledge in the art.

ある実施形態において、パージガスは、金属表面周辺で真空内へ埋め戻される前の前加熱工程を受ける。パージガスを予め加熱することが望まれると考えられる理由の1つには、真空空間の埋め戻しで生じる断熱膨張に起因するパージガスの冷却に取り組むことが含まれるが、これらに限定はされない。パージガスの冷却は、金属表面との反応に対して潜在的に影響を及ぼすことができる。   In some embodiments, the purge gas undergoes a preheating step before being backfilled into a vacuum around the metal surface. One reason that it may be desirable to preheat the purge gas includes, but is not limited to, purging the purge gas due to adiabatic expansion resulting from backfilling the vacuum space. The cooling of the purge gas can potentially affect the reaction with the metal surface.

本発明が開示された実施形態に関して説明されてきたが、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、これらの実施形態が本発明の例示であることを容易に理解するだろう。当然のことながら本発明の精神から逸脱することなく様々な変更が可能であることを理解すべきである。上記の特定の実施形態は例示に過ぎず、本発明は、本明細書の教示の利益を有する当業者にとって自明の、異なるが均等な形で変更及び実行されてよい。さらに、本明細書に記載された構成又は設計の詳細が、添付の特許請求の範囲の記載以外により限定されることはない。したがって、上記の特定の例示的な実施形態が変形、組み合わせ、変更がなされてもよく、このような変形例は全て本発明の範囲及び精神に含まれることが明らかである。構成及び方法は、様々な構成要素又は段階を「含んで構成される」、「含んでいる」、又は「含む」と表して説明されるが、構成及び方法はまた、様々な構成要素及び工程「から実質的に成る」、又は「から成る」ことが可能である。上記の全ての数及び範囲は、ある量により変更可能である。下限と上限を備えた数値範囲が開示されている場合は常に、広範囲内にある全ての数及び全ての部分的な範囲も詳細に開示される。また、別段、特許権者によりはっきりと且つ明確に定義されていない限り、特許請求の範囲における用語は、それらの平易な通常の意味を有する。本明細書、及び参照によりここに組込まれてよい1つ以上の特許又は他の文書中の単語又は用語の使用法に矛盾がある場合、本明細書と一致している定義が採用されるべきである。   Although the present invention has been described with respect to the disclosed embodiments, those of ordinary skill in the art will readily appreciate that these embodiments are illustrative of the present invention. Of course, it should be understood that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. The specific embodiments described above are exemplary only, and the present invention may be modified and implemented in different but equivalent forms, which will be apparent to those skilled in the art having the benefit of the teachings herein. Further, the details of construction or design described herein are not limited except as described in the appended claims. It is therefore evident that the particular exemplary embodiments described above may be modified, combined, and modified and all such variations are within the scope and spirit of the present invention. Although configurations and methods are described as “comprising”, “including”, or “including” various components or steps, the configurations and methods may also be described as various components and steps. It can be “consisting essentially of” or “consisting of”. All the above numbers and ranges can be varied by a certain amount. Whenever a numerical range with a lower limit and an upper limit is disclosed, all numbers within the wide range and all partial ranges are also disclosed in detail. Also, unless otherwise explicitly and clearly defined by the patentee, the terms in the claims have their plain and ordinary meanings. Where there is a conflict in the usage of a word or term in this specification and in one or more patents or other documents that may be incorporated herein by reference, a definition consistent with this specification should be taken. It is.

Claims (25)

金属表面をその融点以下の温度まで加熱すること、
前記金属表面を加熱している間、そこへ真空を適用すること、及び
前記金属表面を加熱している間、前記真空を解除し、第1のパージガスで埋め戻すこと、
を含んで構成される金属表面にコーティングを配置する方法であって、
前記第1のパージガスは、加熱された前記金属表面と反応して、前記金属表面にコーティングの少なくとも1つの層を配置する、金属表面にコーティングを配置する方法。
Heating the metal surface to a temperature below its melting point,
Applying a vacuum thereto while heating the metal surface, and releasing the vacuum and backfilling with a first purge gas while heating the metal surface;
A method for disposing a coating on a metal surface comprising:
The method of disposing a coating on a metal surface, wherein the first purge gas reacts with the heated metal surface to dispose at least one layer of coating on the metal surface.
さらに、前記コーティングを配置した後、及び前記金属表面を加熱している間、そこへ真空を再適用することを含んで構成される請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising re-applying a vacuum thereto after placing the coating and while heating the metal surface. 前記金属表面を加熱している間、前記真空を解除し、第2のパージガスで埋め戻すことにより、前記コーティングの少なくとも1つの追加層を配置することを含んで構成される請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, comprising disposing at least one additional layer of the coating by releasing the vacuum and backfilling with a second purge gas while heating the metal surface. Method. 前記第1及び前記第2のパージガスは同一のものである請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the first and second purge gases are the same. 前記第1及び前記第2のパージガスは異なるものである請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the first and second purge gases are different. 前記温度は少なくとも約400度である請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the temperature is at least about 400 degrees. 前記第1のパージガスは、空気、水蒸気、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、三臭化ホウ素、四フッ化ケイ素、六フッ化硫黄、四フッ化硫黄、三フッ化リン、五フッ化リン、三フッ化窒素、亜酸化窒素、窒素酸化物、二酸化窒素、四酸化二窒素、ジイミド、水素、ガス状有機物、及びそれらの任意の組み合わせから成るグループから選択される請求項1に記載の方法。   The first purge gas is air, water vapor, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide, boron trifluoride, Boron trichloride, boron tribromide, silicon tetrafluoride, sulfur hexafluoride, sulfur tetrafluoride, phosphorus trifluoride, phosphorus pentafluoride, nitrogen trifluoride, nitrous oxide, nitrogen oxides, nitrogen dioxide, 2. The method of claim 1 selected from the group consisting of dinitrogen tetroxide, diimide, hydrogen, gaseous organics, and any combination thereof. 前記コーティングは、酸化コーティング、窒化コーティング、炭化コーティング、又はフッ化コーティングの少なくとも1つを含んで構成される請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the coating comprises at least one of an oxide coating, a nitride coating, a carbonized coating, or a fluoride coating. 前記第1のパージガスはさらに、前記金属表面と反応しない希釈ガスを含んで構成される請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the first purge gas further comprises a diluent gas that does not react with the metal surface. 太陽放射線を少なくとも部分的に透過する材料により定義される外側の表面と、金属チューブにより定義される内側の表面とを有するアニュラスへ真空を適用すること、
そこへ前記真空を適用している間、前記金属チューブをその融点以下の温度まで加熱すること、及び
前記金属チューブを加熱している間、前記真空を解除し、第1のパージガスで埋め戻すこと、
を含んで構成される太陽熱受熱器にコーティングを配置する方法であって、
前記第1のパージガスは、加熱された前記金属表面と反応して、前記金属表面にコーティングの少なくとも1つの層を配置する、太陽熱受熱器にコーティングを配置する方法。
Applying a vacuum to an annulus having an outer surface defined by a material that is at least partially transparent to solar radiation and an inner surface defined by a metal tube;
Heating the metal tube to a temperature below its melting point while applying the vacuum there, and releasing the vacuum and refilling with the first purge gas while heating the metal tube. ,
A method of disposing a coating on a solar heat receiver comprising:
The method of disposing a coating on a solar heat receiver, wherein the first purge gas reacts with the heated metal surface to dispose at least one layer of coating on the metal surface.
前記コーティングを配置した後、及び前記金属チューブを加熱している間、前記アニュラスへ真空を再適用することをさらに含んで構成される請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, further comprising re-applying a vacuum to the annulus after placing the coating and while heating the metal tube. 前記真空を維持して前記アニュラスを密閉することをさらに含んで構成される請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, further comprising maintaining the vacuum to seal the annulus. 前記金属チューブを加熱している間、前記真空を解除し、第2のパージガスで埋め戻すことにより、前記コーティングの少なくとも1つの追加層を配置することをさらに含んで構成される請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, further comprising disposing at least one additional layer of the coating by releasing the vacuum and backfilling with a second purge gas while heating the metal tube. the method of. 前記第1及び前記第2のパージガスは同一のものである請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the first and second purge gases are the same. 前記第1及び前記第2のパージガスは異なるものである請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the first and second purge gases are different. 太陽放射線を少なくとも部分的に透過する前記材料は、ガラスを含んで構成される請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the material that is at least partially transparent to solar radiation comprises glass. 前記温度は少なくとも約400度である請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the temperature is at least about 400 degrees. 前記第1のパージガスは、空気、水蒸気、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、三臭化ホウ素、四フッ化ケイ素、六フッ化硫黄、四フッ化硫黄、三フッ化リン、五フッ化リン、三フッ化窒素、亜酸化窒素、窒素酸化物、二酸化窒素、四酸化二窒素、ジイミド、水素、ガス状有機物、及びそれらの任意の組み合わせから成るグループから選択される請求項10に記載の方法。   The first purge gas is air, water vapor, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, fluorine, chlorine, bromine, iodine, hydrogen fluoride, hydrogen chloride, hydrogen bromide, hydrogen iodide, boron trifluoride, Boron trichloride, boron tribromide, silicon tetrafluoride, sulfur hexafluoride, sulfur tetrafluoride, phosphorus trifluoride, phosphorus pentafluoride, nitrogen trifluoride, nitrous oxide, nitrogen oxides, nitrogen dioxide, The method of claim 10 selected from the group consisting of dinitrogen tetroxide, diimide, hydrogen, gaseous organics, and any combination thereof. 前記コーティングは、酸化コーティング、窒化コーティング、炭化コーティング、又はフッ化コーティングを含んで構成される請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the coating comprises an oxide coating, a nitride coating, a carbonized coating, or a fluoride coating. 前記第1のパージガスはさらに、前記金属チューブと反応しない希釈ガスを含んで構成される請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the first purge gas further comprises a diluent gas that does not react with the metal tube. 前記金属チューブは、炭素鋼、ステンレス鋼、及びそれらの任意の組み合わせから選択される金属を含んで構成される請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the metal tube comprises a metal selected from carbon steel, stainless steel, and any combination thereof. 請求項10のプロセスにより製造される太陽熱受熱器。   A solar heat receiver produced by the process of claim 10. 前記金属チューブの内部空間内に配置される熱伝導流体を含んで構成される請求項22に記載の太陽熱受熱器。   The solar heat receiver according to claim 22, comprising a heat transfer fluid disposed in an internal space of the metal tube. 前記コーティングは、酸化コーティング、窒化コーティング、炭化コーティング、又はフッ化コーティングの少なくとも1つを含んで構成される請求項22に記載の太陽熱受熱器。   The solar heat receiver according to claim 22, wherein the coating includes at least one of an oxide coating, a nitride coating, a carbonized coating, or a fluoride coating. 前記コーティングは、ナノ構造コーティングを含んで構成される請求項22に記載の太陽熱受熱器。   The solar heat receiver of claim 22, wherein the coating comprises a nanostructured coating.
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