СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ ПОДЛОЖКИ
METHOD, DEVICE AND PLANT FOR COATING ON INNER SURFACE OF A SUBSTRATE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности нанесения покрытий на внутренние поверхности подложки (основы), образованные, например, сквозными каналами, проходящими через корпус.
Уровень техники
Каталитические нейтрализаторы, используемые в автотранспортных средствах, например, для каталитической нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания или аналогичных агрегатов, содержат корпус с множеством внутренних каналов, через которые проходит поток отработавших газов. Как известно из уровня техники, внутренние поверхности таких каналов покрывают каталитическим материалом, который каталитически содействует химическому превращению компонентов отработавших газов.
При изготовлении такого рода каталитических нейтрализаторов внутренние поверхности имеющихся в заготовке каналов снабжают покрытием за счет контакта этих поверхностей с соответствующей средой, например, с жидким составом для нанесения покрытия из пористого оксида (англ. "washcoat") и/или с образующей покрытие суспензией, содержащим(-ей) соответствующий каталитический материал. Образующую покрытие среду вводят в контакт с внутренними поверхностями корпуса, обеспечивая нанесение слоя указанной среды на эти внутренние поверхности. Высота, до которой должна подниматься вводимая в каналы и образующая покрытие среда, колеблется в зависимости от типа процесса нанесения покрытия. Поскольку высоту подъема образующей покрытие среды в канале точно измерить невозможно, это усложняет обеспечение постоянства нанесения покрытия из такой среды на заданной части длины каналов, т.е. постоянства уровня, на котором покрытие должно заканчиваться.
Обычно отверстия с одной стороны подложки вводят в контакт с образующей покрытие жидкой средой и, создавая разрежение с противоположной стороны подложки, просасывают эту жидкую среду через каналы подложки. Создавая заданное давление, покрытие обычно можно наносить только на части длины каналов.
Если же образующая покрытие среда вводится в каналы заготовки под давлением снизу, могут использоваться датчики уровня, сигнализирующие достижение этой средой контрольного уровня. Контрольный уровень вместе с заданным положением заготовки может определять полный заполняемый средой объем между контрольным уровнем и уровнем подъема жидкого покрытия, до которого покрытие должно наноситься на внутренние поверхности подложки.
Однако проходящие через подложку каналы обычно имеют малое поперечное сечение, а значит, мал и общий заполняемый средой объем, что требует применения дозирующего устройства, так как насосы для подачи образующей покрытие среды не могут обеспечить требуемую точность подачи. Хотя дозирующие устройства могут подходить для точного введения в устройство для нанесения покрытия заданного количества соответствующей среды, скорость подачи образующей покрытие среды, обеспечиваемая дозирующим устройством, невелика, что увеличивает общую длительность цикла нанесения покрытия на поверхности заготовки.
С другой стороны, точность выдачи заданного количества образующей покрытие среды путем регулирования подачи насосом этой среды или путем переключения соответствующих клапанов слишком мала в отношении малых внутренних объемов заготовок, заполняемых такой средой.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, целью настоящего изобретения является разработка способа и устройства для частичного нанесения покрытия на внутреннюю поверхность заготовки, которые обеспечили бы малую длительность соответствующего технологического цикла и высокую точность нанесения покрытия.
Эти и другие цели достигаются в охарактеризованном в пункте 1 формулы способе частичного нанесения покрытия на внутреннюю поверхность подложки в устройстве для нанесения покрытия, а также в установке, охарактеризованной в другом независимом пункте формулы.
Варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
Первым объектом изобретения является способ нанесения покрытия на поверхности заготовки, включающий:
- помещение заготовки в устройство для нанесения покрытия;
- предварительное заполнение устройства для нанесения покрытия образующей покрытие средой, выполняемое посредством насоса;
- заполнение устройства для нанесения покрытия образующей покрытие средой, выполняемое посредством дозирующего устройства, причем как только уровень образующей покрытие среды достигает заданного контрольного уровня, в устройство для нанесения покрытия вводят посредством дозирующего устройства заданное количество образующей покрытие среды.
Устройство для нанесения покрытия, в котором на поверхности заготовки должно наноситься покрытие, имеет камеру, в которую помещают снабжаемую покрытием заготовку. Путем заполнения устройства для нанесения покрытия заданным количеством образующей покрытие жидкой среды можно определять уровень образующей покрытие среды внутри заготовки и вокруг нее. Поэтому для нанесения покрытия на поверхности заготовки устройство для нанесения покрытия, содержащее камеру, сначала может быть пустым, в него помещают снабжаемую покрытием заготовку и вводят заданное количество образующей покрытие среды, в результате чего образующей покрытие средой смачивается соответствующая часть внутренних и внешних поверхностей заготовки, в результате чего материал образующей покрытие среды образует на поверхностях заготовки слой покрытия.
В промежутках между циклами нанесения покрытия камера может опорожняться, например, посредством вакуумного устройства. Из-за непостоянства качества и характеристик образующей покрытие среды, таких как ее вязкость, "налипаемость" и т.п., количество образующей покрытие среды, остающейся в камере, также является непостоянным. Поэтому, если в каждом цикле нанесения покрытия заполнять камеру одним и тем же количеством образующей покрытие среды, количество образующей покрытие среды в устройстве для нанесения покрытия, а значит, и уровень, до которого покрытие наносится на внутренние и/или внешние поверхности заготовки, будут различаться.
В соответствии с предлагаемым в изобретении способом точность дозирования вводимого количества образующей покрытие среды, используемой в каждом цикле нанесения покрытия, существенно повышается за счет использования момента достижения образующей покрытие среды в камере определенного контрольного уровня, а также за счет способности дозирующего устройства точно отмерять заданное количество образующей покрытие среды. В частности, цикл нанесения покрытия включает этап предварительного заполнения и этап (окончательного) заполнения.
Этап предварительного заполнения предусматривает заполнение камеры образующей покрытие средой до уровня, находящегося ниже, в частности чуть ниже контрольного уровня. Контрольный уровень - это уровень, определяемый положением датчика уровня в камере или рядом с камерой, что позволяет датчику уровня сигнализировать о том, что образующая покрытие среда, поступая в камеру, поднялась до контрольного уровня.
Заготовка может иметь внутренние поверхности, на которые должно наноситься покрытие. Такую заготовку можно поместить в устройство для нанесения покрытия таким образом, чтобы нижние отверстия внутренних каналов, или полостей, располагались как можно ближе к контрольному уровню, что позволяет уменьшить объем, т.е. количество, образующей покрытие среды, требуемый(-ое) для заполнения пространства, находящегося между контрольным уровнем и уровнем, до которого на внутренние поверхности должна наноситься образующая покрытие среда. Это позволяет применять дозирующее устройство, обладающее высокой точностью дозирования, благодаря чему можно точно задавать уровень границы покрытия внутренних поверхностей заготовки.
Комбинация дозирующего устройства и датчика уровня позволяет точно задать уровень границы покрытия, т.е. уровень, до которого образующая покрытие среда поднимается в камере устройства для нанесения покрытия, а значит - поскольку заготовка установлена в заданном положении - уровень, до которого образующая покрытие среда заполняет внутренние полости заготовки, оставляя покрытие на соответствующих поверхностях.
При использовании описанного выше процесса на длительность цикла нанесения покрытия влияет в основном время, за которое дозирующее устройство должно подать определенное количество образующей покрытие среды в устройство для нанесения покрытия. Благодаря описанной выше двухэтапной схеме заполнения устройства для нанесения покрытия образующей покрытие средой количество образующей покрытие среды, дозируемое дозирующим устройством, значительно уменьшается, что позволяет уменьшить длительность цикла нанесения покрытия и одновременно достичь значительно более высокой точности нанесения.
Предварительное заполнение целесообразно выполнять до уровня заполнения камеры устройства для нанесения покрытия, который находится ниже контрольного уровня.
Предварительное заполнение можно останавливать путем закрытия клапана, отсекающего насос от устройства для нанесения покрытия.
Далее, о нахождении уровня образующей покрытие среды у контрольного уровня можно сигнализировать посредством датчика уровня, расположенного в камере устройства для нанесения покрытия.
Этап предварительного заполнения устройства для нанесения покрытия образующей покрытие средой посредством насоса может выполняться в течение заданного времени. Так, предварительным заполнением можно управлять по времени, что позволяет через скорость подачи насосом образующей покрытие среды в устройство для нанесения покрытия и через время, в течение которого осуществляется подача образующей покрытие среды, примерно задать количество образующей покрытие среды, поступающей в камеру устройства для нанесения покрытия, так, чтобы уровень предварительно введенной среды находился чуть ниже контрольного уровня.
В одном варианте осуществления изобретения заданное время предварительного заполнения можно определять, опорожняя камеру после каждого заполнения и корректируя время предварительного заполнения путем нескольких последовательных приближений так, чтобы уровень образующей покрытие среды в камере был чуть ниже контрольного уровня.
Еще одним объектом изобретения является установка для нанесения покрытия на поверхности заготовки, содержащая:
- устройство для нанесения покрытия, имеющее камеру для приема образующей покрытие среды и обеспечивающее размещение заготовки;
- насос для подачи образующей покрытие среды в устройство для нанесения покрытия;
- дозирующее устройство, предназначенное для подачи образующей покрытие среды в устройство для нанесения покрытия и способное отмерять определенное количество образующей покрытие среды;
- управляющее устройство, обеспечивающее:
- предварительное заполнение устройства для нанесения покрытия образующей покрытие средой при помощи насоса;
- заполнение устройства для нанесения покрытия образующей покрытие средой посредством дозирующего устройства,
- приведение в действие дозирующего устройства для подачи в устройство для нанесения покрытия заданного количества образующей покрытие среды, как только уровень образующей покрытие среды достигает заданного контрольного уровня.
Кроме того, устройство для нанесения покрытия может иметь датчик уровня, расположенный таким образом, чтобы сигнализировать о достижении образующей покрытие средой контрольного уровня в камере.
Может быть предусмотрена емкость для образующей покрытие среды, образующая с насосом циркуляционный контур, имеющий ответвление, ведущее к дозирующему устройству для заполнения дозирующего устройства образующей покрытие средой.
Дозирующее устройство может иметь полость переменного объема для запасания образующей покрытие среды, причем дозирующее устройство выполнено таким образом, чтобы насос подавал образующую покрытие среду в устройство для нанесения покрытия через указанную полость.
Кроме того, образующая покрытие среда может включать в себя жидкий состав для нанесения покрытия из пористого оксида или суспензию, содержащий(-ую) каталитический материал.
Скорость подачи образующей покрытие среды насосом может превышать скорость подачи образующей покрытие среды дозирующим устройством.
Еще одним объектом изобретения является применение описанной выше установки для частичного нанесения покрытия на поверхности заготовки до заданного уровня, причем заданное количество образующей покрытие среды определяется объемом, заполняемым от контрольного уровня до уровня, до которого поверхности заготовки должны быть снабжены покрытием.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение рассматривается на примерах его осуществления, поясняемых прилагаемыми чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - схема установки, предназначенной для циклического выполнения процесса нанесения покрытия на поверхности заготовки, помещенной в устройство для нанесения покрытия;
на фиг. 2 - вид в разрезе устройства для нанесения покрытия с помещенной в него заготовкой; и
на фиг. 3 - блок-схема осуществления способа нанесения покрытия на поверхности заготовки в показанном на фиг. 2 устройстве для нанесения покрытия.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана установка 1 для нанесения покрытия. Эта установка 1 содержит устройство 2 для нанесения покрытия, в котором выполняется частичное нанесение покрытия на поверхности заготовок 4. В частности, образующая покрытие жидкая среда наносится на внутренние поверхности заготовок 4, в результате чего эти внутренние поверхности снабжаются покрытием. Заготовками 4 являются подложки под покрытие, которые могут представлять собой монолитные корпуса или любые другие типы деталей, которые требуется снабжать покрытием. В качестве примера снабжаемых покрытием заготовок 4 можно назвать керамическую подложку в виде корпуса с множеством прямых внутренних каналов 43, проходящих от первой торцевой стороны 41 до второй торцевой стороны 42. Снабженной покрытием заготовкой 4 может быть каталитический нейтрализатор отработавших газов для выпускной системы автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.
Жидкая среда, наносимая на заготовку 4 для образования покрытия, может представлять собой жидкий состав для нанесения покрытия из пористого оксида или содержащую каталитический материал суспензию, наносимые в виде покрытия на внутренние поверхности заготовки 4. Образующая покрытие среда подается из емкости 3, в которой эта среда удерживается и хранится.
Как показано на фиг. 2, устройство 2 для нанесения покрытия имеет камеру 21, которую можно заполнять через подводящую линию 22 и опорожнять через отводящую линию 23. Вместо отдельных подводящей линии 22 и отводящей линии 23 может использоваться одна линия для заполнения и опорожнения камеры. У верхнего проема камеры 21 установлен держатель 24, выполненный с возможностью удерживания заготовки 4 в положении, в котором первая торцевая сторона заготовки параллельна горизонтали. Держатель 24 выполнен таким образом, чтобы, удерживая заготовку 4, ни одной своей частью не перекрывать отверстий, которыми имеющиеся в заготовке каналы выходят наружу на первой торцевой стороне 41 заготовки.
Соответственно, образующая покрытие жидкая среда, подаваемая в камеру 21 через подводящую линию 22, образует поверхность (зеркало) по существу параллельное первой торцевой стороне 41 заготовки 4. Внутри камеры 21 может быть предусмотрен рассеиватель 25, который имеет несколько параллельных каналов 26 и служит для обеспечения того, чтобы поверхность образующей покрытие среды при ее подаче в камеру 21 была ровной и спокойной (без волнения и пузырения).
В камере 21 имеется датчик 27 уровня, регистрирующий момент достижения уровнем образующей покрытие жидкой среды заданного контрольного уровня R. Датчик 27 уровня расположен так, чтобы контрольный уровень R находился чуть ниже первой торцевой стороны заготовки 4, установленной в держателе 24.
После нанесения покрытия находящуюся в камере 21 неиспользованную часть образующей покрытие среды, т.е. часть среды, не задержавшуюся на поверхностях заготовки 4 с образованием покрытия, удаляют из камеры 21 и возвращают в емкость 3 для образующей покрытие среды. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения, отводящая линия 23 камеры 21 может быть соединена с вакуумным устройством 8 линией со всасывающим клапаном 81, что позволяет удалять из камеры 21 образующую покрытие среду при открытии клапана 81 и включении вакуумного устройства 8.
В состав установки также входит дозирующее устройство 5, имеющее полость 51 переменного объема, заполняемую образующей покрытие средой. Отрегулировав объем полости 51 дозирующего устройства 5, образующую покрытие среду можно запасать в этой полости и с высокой точностью подавать из нее с заданным расходом и в заданном количестве. Дозирующее устройство 5 в целом может иметь поршень 52, перемещаемый гидравлическим, пневматическим или электрическим приводом для изменения объема полости 51 дозирующего устройства 5 с высокой точностью.
Емкость 3 для образующей покрытие среды, дозирующее устройство 5 и устройство 2 для нанесения покрытия сообщаются для подачи в устройство 2 для нанесения покрытия заданного количества образующей покрытие среды в каждом цикле нанесения покрытия. Поэтому емкость 3 для образующей покрытие среды сообщается посредством трубопровода с циркуляционным насосом 6, постоянно прокачивающим образующую покрытие среду по линии 72 циркуляции, образующей циркуляционный контур. Линия 72 циркуляции имеет циркуляционный клапан 73, расположенный за ответвлением 74 по потоку среды.
Ответвление 74 соединяет линию 72 циркуляции через подающий клапан 76 с дозирующим устройством 5. Таким образом, когда подающий клапан 76 открыт, дозирующее устройство 5 может быть заправлено образующей покрытие жидкой средой. При открытом подающем клапане 76 полость 51 переменного объема в дозирующем устройстве 5 может заполняться под действием создаваемого насосом 6 давления.
Кроме того, выход дозирующего устройства 5 через режимный клапан 77 подключен к линии 75, соединяющей линию 72 циркуляции с устройством 2 для нанесения покрытия. В линии 75 расположены перепускной клапан 78 и питающий клапан 79, причем питающий клапан 79 расположен вблизи устройства 2 для нанесения покрытия, чтобы в зависимости от своего коммутационного состояния пропускать или не пропускать образующую покрытие среду в устройство 2 для нанесения покрытия.
Клапаны приводятся в действие управляющим устройством 10, которое в основном и управляет процессом нанесения покрытия.
Ниже со ссылкой на блок-схему, приведенную на фиг. 3, рассматривается работа установки 1 для нанесения покрытия. Процесс нанесения покрытия выполняют циклами, в каждом из которых в одном или нескольких устройствах 2 для нанесения покрытия снабжают покрытием одну или, соответственно, одновременно несколько заготовок. После завершения цикла снабженную покрытием заготовку извлекают из устройства 2 для нанесения покрытия, и в это устройство помещают новую, не снабженную покрытием, заготовку.
На шаге S1 дозирующее устройство 5 заполнено образующей покрытие средой, и образующая покрытие среда циркулирует между насосом 6 и емкостью 3 для размещения ее запаса. Образующая покрытие среда циркулирует через дозирующее устройство 5, поршень 52 которого отодвинут назад, в результате чего полость 51 переменного объема в дозирующем устройстве 5 увеличена, предпочтительно до своего максимального объема.
Образующую покрытие среду прокачивают насосом 6 через открытый подающий клапан 76, через дозирующее устройство 5, а после выхода из дозирующего устройства 5 - через открытый режимный клапан 77 и открытый перепускной клапан 78 обратно в емкость 3 для образующей покрытие среды, при этом циркуляционный клапан 73 и питающий клапан 79 закрыты.
После того как дозирующее устройство 5 заполнилось, что может быть обнаружено соответствующим датчиком дозирующего устройства 5 (на схеме не показан), или по истечении заданного времени, в течение которого насос 6 подает в дозирующее устройство 5 образующую покрытие среду, процесс продолжается переходом на шаг S2.
На шаге S2 перепускной клапан 78 закрывают, а питающий клапан 79 открывают, вследствие чего насос 6 подает образующую покрытие среду через дозирующее устройство 5, открытый во втором режиме режимный клапан 77, линию 75 и питающий клапан 79 в устройство 2 для нанесения покрытия. В результате камера 21 заполняется.
Шаг S2 выполняют в течение времени, заданного в процессе описанной ниже калибровки. Во время заполнения камеры 21 устройства 2 для нанесения покрытия на шаге S2 поршень 51 дозирующего устройства 5 не перемещается, в результате чего дозирующее устройство 5 действует в качестве проточной камеры. Таким образом, количество образующей покрытие среды, заполняющей устройство 2 для нанесения покрытия, приблизительно определяется скоростью подачи образующей покрытие среды насосом 6 и временем предварительного заполнения, в течение которого подающий клапан 76 остается открытым.
По истечении заданного времени на шаге S2, на шаге S3 подающий клапан 76 закрывают, и дозирующее устройство 5 начинает подавать запасенную в нем образующую покрытие среду. Для этого поршень 52 перемещают на уменьшение переменного объема соответствующей полости дозирующего устройства 5. В результате полость 51 переменного объема, в которой удерживается образующая покрытие среда, сокращается. Образующая покрытие среда вытесняется через выход дозирующего устройства 5 и проходит через открытый во втором режиме режимный клапан 77, линию 75 и питающий клапан 79 в устройство 2 для нанесения покрытия.
В процессе дозаполнения камеры 21 путем приведения в действие дозирующего устройства 5 на шаге S3 сигналы от датчика 27 уровня контролируются управляющим устройством 10 (шаг S4). При достижении уровнем образующей покрытие среды в камере 21 контрольного уровня, определяемого расположением датчика 27 уровня, управляющее устройство 10 получает точку отсчета уровня заполнения камеры 21 образующей покрытие средой. Как только зарегистрировано достижение контрольного уровня, становится известно, что для дозаполнения камеры до уровня, до которого внутренние поверхности заготовки 4 должны быть снабжены покрытием, требуется заданное количество образующей покрытие среды.
При регистрации достижения контрольного уровня поршень 52 на шаге S5 продолжают приводить в движение, непрерывно сокращая полость 51 переменного объема в дозирующем устройстве 5, при этом поршень перемещают с заданной скоростью и в течение заданного времени, вследствие чего от момента сигнализации достижения уровнем образующей покрытие среды контрольного уровня в устройство 2 для нанесения покрытия подается заданное количество образующей покрытие среды. Таким образом, после вытеснения поршнем 52 из полости 51 переменного объема заданного количества образующей покрытие среды известно, что уровень образующей покрытие среды в устройстве 2 для нанесения покрытия достиг того уровня, который необходим для нанесения покрытия на соответствующие участки поверхностей заготовки 4. Иначе говоря, заданное количество образующей покрытие среды определяется расходом этой среды, выдаваемой дозирующим устройством, и заданным временем, в течение которого дозирующее устройство 5 осуществляет дозаполнение камеры 21 после достижения контрольного уровня.
После истечения заданного времени, в течение которого в камеру 21 подавалась образующая покрытие среда, на шаге S6 работу дозирующего устройства 5 останавливают, питающий клапан 79 закрывают, а перепускной клапан 78 открывают, чтобы снова начать заполнение полости 51 переменного объема. Процесс возвращается к шагу S1.
После заполнения камеры 21 до заданного уровня камеру опорожняют. Для опорожнения камеры 21 можно открыть всасывающий клапан 81, чтобы вакуумное устройство 8 удалило образующую покрытие среду из камеры 21. Удаленная среда может быть возвращена в емкость 3 для размещения ее запаса. Для опорожнения камеры 21 могут использоваться и другие, альтернативные, методы.
Оптимальное время, в течение которого проводится этап предварительного заполнения (шаг S2 способа), можно найти методом последовательных приближений при выполнении программы калибровки. Процедуру последовательных приближений выполняют, доводя количество образующей покрытие среды, заполняющей на шаге S2 устройство 2 для нанесения покрытия, до такого значения, при котором уровень образующей покрытие среды в камере находится чуть ниже контрольного уровня R, регистрируемого датчиком 27 уровня. Таким образом, соблюдение времени предварительного заполнения гарантирует, что контрольный уровень будет достигнут путем подачи образующей покрытие среды на шаге S3, а не на шаге S2.
Калибровку заданного времени предварительного заполнения можно выполнять в связке с регулированием скорости подачи циркуляционного насоса 6, направленной на то, чтобы избежать пузырения образующей покрытие среды в камере 21 при подаче этой среды на шаге S2. Программа калибровки может выполняться в самом начале и/или периодически между двумя циклами нанесения покрытия для внесения поправок на различия в количествах и характеристиках среды, наносимой для образования покрытия.