WO2011048235A2 - Procedimiento y sistema para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida - Google Patents

Procedimiento y sistema para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida Download PDF

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Jorge Servet Del Rio
Javier Sanchez Alejo
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Definitions

  • the present invention deals with a method and a system for the deposition of coatings by means of a "dip coating” process on ruled surfaces whose generatrix are parallel straight lines that are supported by any guiding curve, cylindrical, that is, whose geometry can be extruded , in which the surface to be coated remains fixed in an upright position, and a container containing the solution to be deposited moves along it.
  • An example of application could be the coating of solar receiver tubes to increase the capture of solar radiation with selective and anti-reflective absorbent films. It is an invention that belongs, within the area of coating and surface treatment, to the field of application of coatings with nanometric layers on surfaces of large objects.
  • the application of coatings to ruled surfaces can have different purposes, such as reducing the reflection of sunlight, increasing its absorption so that it is possible to raise the transferred energy when the sun's rays hit it and decrease the energy emitted in the visible spectrum.
  • This treatment is the one that is usually applied to solar collectors of thermal solar panels and thermo solar plants for energy production, so that the solar radiation that falls on them is maximized, heating the fluid that passes through its interior and which is subsequently used to heat a home or to produce electricity.
  • these systems require maximum absorption of solar energy and the lowest possible energy losses.
  • these systems are configured in vacuum tubes or similar structures that reduce conduction and convection losses and have coatings with great absorbing power of solar energy and Low emissivity characteristics to reduce energy losses pbr thermal radiation in the far infrared.
  • sol-gel is also used, which is a chemical procedure that involves the deposition of a film of precursor solution on a substrate and its subsequent densification or sintering in an oven.
  • the precursor solution is prepared by hydrolyzing a metal alkoxide, by chemical reactions under simple conditions, that is, at room temperature and pressure, resulting in a polymer solution.
  • the state of the art has numerous devices and processes for depositing films on surfaces of objects.
  • the devices are mainly in the heading B05C (Apparatus for applying liquids or other fluid materials to surfaces), and the procedures in B05D (Procedures for applying liquids or other fluid materials to surfaces )
  • Patent ES2170608 "Procedure for the formation of an antireflective and leveling film on glass / OCT substrates" describes a process comprising the steps of formulation and preparation of a coating bath by dissolving tetraethylorthosilicate mixtures (TEOS) with methyltryloxysilane (MTES) in alcohol in the presence of a catalyst.
  • TEOS tetraethylorthosilicate mixtures
  • MTES methyltryloxysilane
  • the gel is then formed on the substrate by immersion and removed in a controlled manner therein in the coating bath containing the above solution for, at Then, proceed to dry the gel formed by evaporation of the solvent and sintered by heat treatment in a controlled atmosphere oven at temperatures between 300 and 400 ° C.
  • the reference patent E2136597 "Material and method for coating pipes” raises a process for applying a reinforced plastic coating with fabric to pipes, as well as the material itself.
  • the general objective intended with the present invention is the optimization of the industrial application process of a nanometric coating to cylindrical surfaces, of extruded geometry, such as the application of absorbing and anti-reflective coatings of solar radiation to solar receivers.
  • Another objective is the creation of a practical, economical and versatile system that allows the application of the process with the speed, quality and reproducibility required in the industry.
  • the invention that is proposed to meet the stated objectives consists of a system formed by a glass of cylindrical geometry that will be in charge of depositing the film-like coating on the tube or piece to be coated.
  • a central hole has been made to this vessel that coincides with the place where the surface to be coated is located.
  • the vessel moves vertically from the top to the bottom of the tube to be coated, depositing the coating solution.
  • the vessel has inside a lip retainer that rubs perimeter with the surface to be coated and ensures tightness during movement.
  • the retainer can be dispensed with and the fact that the downward movement generates a combination of a Couette and Hagen stream in the strike (piece-vessel) -Poiseuille in the fluid that prevents the fluid from oozing from the bottom of the glass.
  • the tubes or pieces to be coated are suspended vertically by their upper end with a support that moves along a carousel, similar to those used for painting metal parts.
  • the piece to be coated is grasped inferiorly by a jaw that has an identical external geometry to that of the surface to be coated, and that is where the paint vessel is located, which rises empty to the top of the piece and go down painting it.
  • the vessel also has a pipe that supplies the liquid coating from a tank when it is at its upper point. In this way, in the first upward movement the vessel does not contain a coating, but when it reaches the top of the piece, its cavity is filled and begins its downward movement, at a speed such that the coating film has the desired thickness.
  • the glass Upon reaching the lower jaw the glass is emptied of liquid, and after releasing the piece, which continues its way through the carousel, the glass is waiting for the arrival of a new piece to perform the same process.
  • the piece that has been coated advances on the carousel to a vertical opening oven where the coating sinters, being firmly adhered to the surface.
  • the invention can be adapted to apply interior coatings of tubes with this same procedure, which has application to transparent or translucent tubes.
  • a type configuration of the coating system object of the present invention has a cylindrical cover vessel (3) with a hole with the same shape as the normal surface to the generatrices of the cylindrium through which the tube or the piece to be covered (1), and that moves along it, hugging it and depositing the coating (2).
  • the product used for the coating is fed to the vessel (3) from a reservoir (7) through a filling tube (6).
  • the vessel (3) has a lip retainer (5) inside which rubs perimeter with the collector tube or piece to be coated (1) and prevents the coating or paint (2) contained in its cavity (4) pick up
  • the collector tubes (1) are hung vertically at their upper end to a transport carousel (11) with a jaw (13), attached to support hooks (14) that move them along the transport carousel (1 1).
  • the part (1) Upon reaching the coating area, the part (1) is held inferiorly by a lower jaw (15) that has the same exterior geometry as said piece, where the empty coating vessel (3) is located, which ascends to the upper part of the tube (1) thanks to a linear guide (8) provided with a sliding skate (9), driven by an electric motor or pneumatic or hydraulic cylinder (10).
  • the vessel (3) is filled with coating liquid (2) and lowered by depositing a uniform film on the piece (1).
  • the vessel (3) Upon reaching the lower jaw (15), the vessel (3) is emptied of excess liquid through an opening made in it, passing the liquid (2) to a reservoir and leaving the vessel together with the jaw ( 15) pending the arrival of a new tube or part (1) to perform the same process.
  • the absorber tube (1) that has been coated advances on the carousel (11) to a vertical furnace (12) where the coating, which is in a liquid state, is sintered on the surface of the tube (1).

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Abstract

Procedimiento y sistema para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida. Consiste en un sistema en el que las superficies cilindroides (1) son suspendidas verticalmente por un soporte (14), que se desplaza por un carrusel (11). Un vaso (3) se encuentra sobre una mordaza inferior (15), que agarra la superficie cilindroide (1), que permanece así fija. El vaso (3), vacío, asciende sobre la superficie cilindroide (1) sin recubrimiento, y en la parte superior, se llena de líquido (2). El vaso (3) presenta geometría cilindroide, con un orificio central, por donde se encuentra en contacto con la superficie cilindroide (1) a recubrir. Una vez lleno, se desplaza vertical y descendentemente a lo largo de dicha superficie cilindroide (1), a una velocidad tal que la película de recubrimiento que va depositando, tenga el espesor deseado. Al llegar a la mordaza inferior (15), ésta suelta la superficie cilindroide (1), que avanza sobre el carrusel (11) hasta un horno (12), donde el recubrimiento se sinteriza.

Description

PROCEDIMIENTO Y SISTEMA PARA LA DEPOSICIÓN DE RECUBRIMIENTOS SOBRE SUPERFICIES CILINDROIDES DE GEOMETRÍA EXTRUIDA
Objeto de la invención
La presente invención trata de un procedimiento y un sistema para la deposición de recubrimientos mediante un proceso de "dip coating" sobre superficies regladas cuya generatriz son rectas paralelas que se apoyan en una curva directriz cualquiera, cilindroides, es decir, cuya geometría puede ser extruida, en el que la superficie a recubrir permanece fija en posición vertical, y se desplaza a lo largo de ella un recipiente que contiene la solución a depositar. Un ejemplo de aplicación podría ser el recubrimiento de tubos de receptores solares para aumentar la captación de la radiación solar con películas absorbentes selectivas y anti reflectantes. Se trata de una invención que pertenece, dentro del área del recubrimiento y tratamiento de superficies, al campo de la aplicación de recubrimientos con capas nanométricas sobre superficies de objetos de gran longitud.
Antecedentes de la invención
El tratamiento superficial de objetos metálicos es realizado desde la antigüedad con diversos fines, especialmente la protección de los mismos frente a la oxidación. Hoy en día, existen sofisticados recubrimientos que son aplicados tanto en estado líquido como en polvo. Estos últimos utilizan cargas electrostáticas que permiten que sus partículas se adhieran a la superficie de la pieza antes de pasar por un horno que las funde, polimeriza o pega de manera definitiva.
Sin embargo, la aplicación de recubrimientos a superficies regladas puede tener otros fines distintos, como podría ser disminuir la reflexión de la luz solar, aumentar su absorción de manera que se consiga elevar la energía transferida cuando los rayos solares inciden sobre ella y disminuir la energía emitida en el espectro visible.
Este tratamiento es el que se le suele aplicar a los captadores solares de placas solares térmicas y de centrales termo solares para producción de energía, con lo que se consigue aprovechar al máximo la radiación solar que incide sobre ellos, calentando el fluido que pasa por su interior y que es posteriormente utilizado para calentar una vivienda o para producir energía eléctrica.
Estos sistemas requieren una máxima absorción de la energía solar y las menores pérdidas energéticas posibles. Con este fin, estos sistemas están configurados en tubos de vacío o estructuras similares que disminuyen las pérdidas por conducción y convección y poseen recubrimientos con gran poder absorbente de la energía solar y características de baja emisividad para disminuir las pérdidas energéticas pbr radiación térmica en el infrarrojo lejano.
Así, para maximizar esta absorción y minimizar la emisión de energía, se utiliza una combinación de sucesivas capas nanométricas, lo que traen consigo una alta absorción de la energía correspondiente a la distribución del espectro solar, y una baja emisión de energía correspondiente al espectro infrarrojo asociado a un cuerpo caliente.
En la actualidad los recubrimientos absorbentes selectivos comerciales se preparan por la técnica de pulverización catódica, que es un proceso físico en el que se produce la vaporización de los átomos de un material mediante el bombardeo de éste por iones energéticos. Con este método se consiguen aceptables propiedades ópticas de absorción y emisión, pero una baja estabilidad química, especialmente en contacto con el aire a la temperatura de funcionamiento.
También es utilizada la técnica denominada sol-gel, que es un procedimiento químico que consiste en la deposición de una película de solución precursora sobre un sustrato y su posterior densificación o sinterización en un horno. La solución precursora se prepara hidrolizando un alcóxido metálico, mediante reacciones químicas en condiciones sencillas, es decir, a presión y temperatura ambiente, dando lugar a una solución polimérica.
El estado de la técnica cuenta con numerosos aparatos y procesos para depositar películas sobre superficies de objetos. Dentro de la Clasificación Internacional de Patentes, los aparatos se encuentran principalmente en el epígrafe B05C (Aparatos para la aplicación de líquidos u otros materiales fluidos a las superficies), y los procedimientos en el B05D (Procedimientos para aplicar líquidos u otras materias fluidas a superficies)
En ninguna de estas fuentes consultadas, ha aparecido ningún sistema y procedimiento de recubrimiento superficial de superficies que denominamos cilindroides de geometría extruida como el que aquí se describe.
La patente ES2170608, "Procedimiento para la formación de una película antireflectante y niveladora sobre substratos de vídrio/OCT", describe un procedimiento que comprende las etapas de formulación y preparación de un baño de recubrimiento mediante la disolución de mezclas de tetraetilortosilicato (TEOS) con metiltrieloxisilano (MTES) en alcohol en presencia de un catalizador. A continuación se forma el gel sobre el substrato por inmersión y se retira de manera controlada del mismo en el baño de recubrimiento que contiene la disolución anterior para, a continuación, proceder al secado del gel formado por evaporación del disolvente y a su sinterizado mediante tratamiento térmico en un horno de atmósfera controlada a temperaturas de entre 300 y 400°C.
La patente de referencia E2136597 "Material y procedimiento para el revestimiento de tuberías" plantea un proceso para aplicar un revestimiento de plástico reforzado con tejido a tuberías, así como el propio material.
La patente de referencia E2136597 "Procedimiento y dispositivo para la aplicación uniforme de un fluido sobre una cinta continua de material en movimiento" plantea un proceso para aplicar un líquido o pintura de manera homogénea, aunque no necesariamente delgada, sobre la superficie de una plancha de metal.
El análisis exhaustivo del estado de la técnica, la vinculación a grupos europeos de l+D+i en el desarrollo y aplicación de recubrimientos nanométricos ha hecho posible el desarrollo del presente procedimiento para la correcta deposición de estos recubrimientos sobre superficies de productos de gran longitud.
La invención que se describe a continuación, aunque simple en apariencia, se ha desarrollado tras numerosos estudios y pruebas realizadas, y tras la comprensión de las posibilidades de optimización de diversas soluciones previamente planteadas por los propios autores y por otros equipos de investigación.
El objetivo general pretendido con la presente invención es la optimización del proceso de aplicación industrial de un recubrimiento nanométrico a superficies cilindroides, de geometría extruida, como podría ser la aplicación de recubrimientos absorbentes y antireflectantes de radiación solar a receptores solares.
Otro objetivo pretendido es la creación de un sistema práctico, económico y versátil que permita la aplicación del proceso con la rapidez, calidad y reproducibilidad exigidas en la industria.
Descripción de la invención
La invención que se propone para satisfacer los objetivos planteados consiste en un sistema formado por un vaso de geometría cilindroide que será el encargado de depositar el recubrimiento en forma de película sobre el tubo o pieza a recubrir.
A este vaso se ha practicado un orificio central que coincide con el lugar donde se encuentra la superficie a recubrir. El vaso se desplaza verticalmente desde la parte de arriba hasta la parte de abajo del tubo a recubrir, depositando la solución de recubrimiento.
El vaso dispone en su parte interior de un retén con labio que roza perimetralmente con la superficie a recubrir y que asegura la estanqueidad durante el movimiento. Alternativamente, si el juego entre el agujero del vaso y la superficie a tratar es pequeño, se puede prescindir del retén y utilizar el hecho de que el movimiento descendente genera en el huelgo (pieza-vaso) una combinación de una corriente de Couette y Hagen-Poiseuille en el fluido que evita que el fluido rezume por la parte inferior del vaso.
Los tubos o piezas a recubrir son suspendidos verticalmente por su extremo superior con un soporte que se desplaza por un carrusel, similar a los empleados para la pintura de piezas metálicas. Al llegar a la zona de recubrimiento, la pieza a recubrir es agarrada inferiormente por una mordaza que tiene una geometría exterior idéntica a la de la superficie a recubrir, y es donde se encuentra el vaso de pintura, el cual sube vacío hasta la parte superior de la pieza y baja pintándola.
El vaso también dispone de una tubería que suministra el recubrimiento líquido desde un depósito cuando está en su punto superior. De esta forma, en el primer movimiento ascendente el vaso no contiene recubrimiento, pero al llegar al punto superior de la pieza, su cavidad es llenada e inicia su movimiento descendente, a una velocidad tal que la película de recubrimiento tenga el espesor deseado.
Al llegar a la mordaza inferior el vaso es vaciado de líquido, y tras liberar la pieza, que sigue su camino por el carrusel, el vaso queda esperando la llegada de una nueva pieza para realizar el mismo proceso.
Así, la pieza que ha sido recubierta avanza sobre el carrusel hasta un horno de apertura vertical donde el recubrimiento se sinteriza, quedando firmemente adherida a la superficie.
De forma similar, la invención se puede adaptar para aplicar recubrimientos a interiores de tubos con este mismo procedimiento, lo cual tiene aplicación a tubos transparentes o traslúcidos.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, cuatro figuras donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Vista de una sección frontal del vaso de recubrimiento
Figura 2.- Detalle del sistema de recubrimiento
Figura 3.- Vista general del sistema de recubrimiento completo
Figura 4.- Sistema de recubrimiento cuando el tubo o pieza a recubrir está fijado a la mordaza inferior En dichas figuras, las diferentes referencias que en euas aparecen tienen las siguientes significaciones:
1. Tubo colector (pieza a recubrir)
2. Pintura o recubrimiento
3. Vaso de recubrimiento
4. Zona o cavidad de líquido
5. Retén con labio
6. Tubo de llenado
7. Depósito de solución a depositar
8. Guía fija
9. Patín deslizante
10. Motor
11. Carrusel
12. Horno de secado
13. Mordaza superior
14. Gancho de soporte
15. Mordaza inferior
Realización preferente de la invención
A la vista de estas figuras puede observarse cómo una configuración tipo del sistema de recubrimiento objeto de la presente invención cuenta con vaso de recubrimiento (3) cilindrico con un orificio con la misma forma que la superficie normal a las generatrices del cilindroide por donde pasa el tubo o la pieza a recubrir (1 ), y que se desplaza a lo largo de éste, abrazándolo y depositando el recubrimiento (2). El producto utilizado para el recubrimiento es alimentado al vaso (3) desde un depósito (7) a través de un tubo de llenado (6).
El vaso (3) cuenta en su parte interior con un retén con labio (5) que roza perimetralmente con el tubo colector o pieza a recubrir (1) e impide que el recubrimiento o pintura (2) contenido en su cavidad (4) se descuelgue.
Los tubos colectores (1) son colgados verticalmente por su extremo superior a un carrusel de transporte (11 ) con una mordaza (13), unida a unos ganchos de soporte (14) que los desplazan por el carrusel de transporte (1 1 ). Al llegar a la zona de recubrimiento, la pieza (1) es agarrada inferiormente por una mordaza inferior (15) que tiene la misma geometría exterior que dicha pieza, donde se encuentra el vaso (3) de recubrimiento vacío, el cual asciende hasta la parte superior del tubo (1) gracias a una guía lineal (8) provista de un patín deslizante (9), accionada por un motor eléctrico o cilindro neumático o hidráulico (10). En la parte superior, el vaso (3) es llenado de líquido (2) de recubrimiento y baja depositando una película uniforme sobre la pieza (1).
Al llegar de nuevo a la mordaza inferior (15), el vaso (3) es vaciado de líquido sobrante a través de una abertura practicada en la misma, pasando el líquido (2) a un depósito y quedando el vaso junto con la mordaza (15) a la espera de la llegada de un nuevo tubo o pieza (1) para realizar el mismo proceso.
El tubo absorbedor (1) que ha sido recubierto avanza sobre el carrusel (11 ) hasta un horno (12) vertical donde el recubrimiento, que se encuentra en estado líquido, es sinterizado sobre la superficie del tubo (1).
El proceso y el sistema anteriormente descrito, aunque está pensado para el recubrimiento de tubos, especialmente tubos absorbedores de energía solar, podrá ser utilizado en cualquier otra aplicación industrial que precise este tipo de recubrimientos.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Procedimiento para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida caracterizado porque las piezas a recubrir (1) son colgadas verticalmente por su extremo superior en un carrusel de transporte (11) mediante una mordaza (13) unida a un soporte (14) , de tal forma que las piezas se desplazan hasta una zona de recubrimiento donde la pieza a recubrir (1) es agarrada inferiormente por otra mordaza (15) y donde un vaso de recubrimiento (3), con geometría cilindroide con un orificio central con la forma de la generatriz o forma exterior de la pieza a recubrir (1), entra por la parte inferior de la pieza, abrazándola y realizando un movimiento de ascenso en vacío hasta la parte superior de la pieza (1), donde se carga de liquido de recubrimiento (2) gracias a un depósito (7) que almacena el líquido y a una tubería (6) que conecta el depósito (7) con el vaso (3); y en el recorrido de bajada, el vaso (3) va recubriendo la pieza con una película uniforme a una velocidad tal que la película de recubrimiento tenga el espesor deseado; seguidamente, una vez que el vaso (3) se ha posado sobre la mordaza (15), ésta libera la pieza (1) ya recubierta, descargándose el vaso (3) de líquido sobrante y permitiendo que la pieza (1) siga su camino por el carrusel (11) hasta un horno (12) de secado vertical que polimeriza, sinteriza, funde o seca el recubrimiento sobre su superficie.
2.- Procedimiento para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida, según reivindicación 1 , caracterizado porque el juego entre el orificio del vaso de recubrimiento (3) y la superficie a tratar es suficientemente pequeño como para que se pueda utilizar el principio de la corriente de Couette y Hagen-Poiseuille para evitar que el líquido (2) rezume por la parte inferior del vaso.
3.- Procedimiento para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida, según reivindicación 1 , caracterizado porque el vaso (3) posee interiormente un retén con labio (5) que roza perimetralmente con la pieza (1 ) y que asegura la estanqueidad durante el movimiento
A.- Procedimiento para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el recubrimiento puede ser aplicado también por el interior del tubo simultáneamente o no a su aplicación por el exterior.
5.- Sistema para la deposición de recubrimientos sobre superficies cilindroides de geometría extruida por un procedimiento como el descrito en la reivindicación 1 , caracterizado por comprender los siguientes elementos:
• Un vaso de recubrimiento (3) con geometría cilindroide con un orificio central con (a forma de la generatriz o forma exterior de la pieza a recubrir (1), estando dotado este vaso de medios (8,9) para poderse desplazar verticalmente a lo largo de la pieza (1)
• Un depósito (7) donde se almacena la solución de recubrimiento (2)
• Una tubería (6) a través de la cual la solución de recubrimiento (2) pasa del depósito (7) al vaso (3)
· Una mordaza inferior (15) sobre la que se encuentra el vaso (3), que se encarga de sujetar la pieza por la parte inferior mientras se realiza el recubrimiento, presentando dicha mordaza una geometría exterior idéntica a la de la generatriz de la pieza a recubrir
• Un carrusel (11), donde se cuelgan las piezas a recubrir (1) y, a través del cual éstas se desplazan desde la zona de recubrimiento hasta el horno (12)
• Una mordaza superior (13), unida a un gancho de soporte (14), que sujeta a la pieza (1) al carrusel (11) por su parte superior mientras dicha pieza se desplaza por el carrusel
• Horno de secado vertical (12)
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