Топливный резервуар и способ его изготовления - RU2565857C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к топливному резервуару, выполненному из пластического материала и используемому, по меньшей мере, для временного содержания топлива.

Резервуар по настоящему изобретению может иметь любую форму или размер и, в частности, применяется на легковых и грузовых автомобилях, строительных и сельскохозяйственных машинах, мотоциклах или технике для лесных и садовых работ, например цепных пилах или газонокосилках, а также используется в качестве контейнера для промышленных растворителей, таких как крупнообъемные канистры, или в морской технике.

Уровень техники

Известны выполненные из металлического материала топливные резервуары для легковых и грузовых автомобилей, строительных и сельскохозяйственных машин, мотоциклов или техники для лесных и садовых работ, например цепных пил или газонокосилок, также используемые в качестве контейнеров для промышленных растворителей, таких как крупнообъемные канистры, или в морской технике.

Однако металлические резервуары имеют недостаток, состоящий в том, что они тяжелы и дороги в изготовлении, если им нужно придать более сложную форму, позволяющую вместить их в имеющиеся в транспортных средствах свободные пространства.

Также известны резервуары из пластика, например из полимерного материала, позволяющего получать сложные очертания и формы за разумную цену изготовления.

Резервуары, изготовленные из пластического материала, тем не менее, имеют проблемы с прониканием через них топлива, которое затем распространяется в окружающую среду и загрязняет атмосферу.

Известно, что для преодоления данного недостатка и соответствия постоянно ужесточающимся требованиям по уменьшению проникания топлива из пластиковых резервуаров используется совместная экструзия нескольких (семи и более) накладывающихся друг на друга слоев полимерного материала, например, путем совместной экструзии с последующим фторированием.

Использование данной известной многослойной технологии, как и увеличение при изготовлении резервуаров числа полимеров, повышают производственные затраты, но не решает полностью проблемы проницаемости для топлива.

Из документа DE-A1-102005060246 также известен резервуар, выполненный из пластического материала; на его внутренние и наружные поверхности, или, по меньшей мере, только на внутреннюю или только на наружную поверхность методами физического или химического осаждения из паровой фазы, называемыми "Physical Vapor Deposition" и "Chemical Vapor Deposition" соответственно, нанесен слой металлического наполнителя. Слой металлического наполнителя предназначен для того, чтобы в своей толщине задерживать проникание топлива. Толщина слоя осаждаемого металлического наполнителя значительно снижается, например, примерно от 8 мкм до примерно 0,1 мкм.

Один из недостатков таких резервуаров состоит в том, что слой металлического наполнителя в процессе эксплуатации перемещается либо ближе к внутренней поверхности резервуара, вступая в прямой контакт с содержащимся внутри топливом, либо ближе к наружной поверхности, вступая в прямой контакт с окружающей средой. В результате, в том числе вследствие чрезвычайно ограниченной толщины, происходит ускоренное разрушение слоя металлического наполнителя, например, путем окисления или химических реакций между металлом и топливом.

Раскрытие изобретения

Одна из задач изобретения состоит в производстве топливного резервуара, в котором степень проницаемости стенок топливом снижена до нуля, или почти до нуля.

Еще одна задача изобретения заключается в производстве топливного резервуара, которому легко можно придать любую форму и который, в то же время, будет надежным, прочным и недорогим.

Еще одна задача заключается в разработке простого и экономически выгодного способа производства топливного резервуара.

Настоящее изобретение задумано, проверено и осуществлено в целях устранения недостатков технических решений современного уровня техники, достижения вышеуказанных или иных целей и получения преимуществ.

Сущность и отличительные признаки настоящего изобретения описаны в независимых пунктах формулы изобретения, а в зависимых пунктах приведены другие характеристики изобретения или варианты основной идеи изобретения.

В соответствии с вышеизложенными целями топливный резервуар содержит вмещающий корпус, выполненный из пластического материала, причем, по меньшей мере, на одной, внутренней или наружной поверхности вмещающего корпуса, предусмотрен первый слой материала металлического наполнителя, удерживаемый на пластическом материале и предотвращающий проникание топлива сквозь вмещающий корпус. Кроме того, непосредственно или опосредованно поверх, по меньшей мере, одного первого слоя материала металлического наполнителя равномерно распределен защитный слой, предназначенный, по меньшей мере, для защиты от окисления первого слоя материала металлического наполнителя.

В некоторых вариантах осуществления является предпочтительным, чтобы слой металлического наполнителя имел основу из эпоксидного лака.

В соответствии с другим отличительным признаком настоящего изобретения первый слой металлического наполнителя держится на пластическом материале за счет молекулярных связей, предпочтительно получаемых при осаждении методом катодной пульверизации, также известным как метод осаждения напылением. Молекулярные связи, в частности, обеспечивают сильное прилипание первого слоя металлического наполнителя к поверхности вмещающего корпуса, выполненного из пластического материала, прочно закрепляя на последнем первый слой металлического наполнителя. Метод осаждения напылением относится к методам напыления типа PVD (Physical Vapor Deposition - Физическое осаждение из паровой фазы), в которых, в частности, осаждаются частицы, испаренные с поверхности физическим процессом пульверизации. Физическая пульверизация является процессом нетермического испарения, в котором атомы с поверхности выбиваются физически путем передачи момента в ходе энергичной бомбардировки частицами, обычно являющимися газофазными ионами технологического газа, ускоренными плазмой.

В еще одном методе осаждения покрытия используется процесс PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - Плазмохимическое Газофазное Осаждение), в котором атомы или молекулы осаждаются путем разложения соединений предшественников на химические пары, содержащие материал, который впоследствии осаждается. Данный метод, несмотря на то, что он мог бы использоваться для достижения цели изобретения, не очень эффективен ввиду того, что требует более длительного осаждения.

В другом варианте осуществления первый слой металлического наполнителя сцепляется с пластическим материалом методом металлизации, не использующим электрических источников, например, методом металлизации типа Jet Metal™, в котором сжатым воздухом непосредственно распыляется раствор металла и восстановительный раствор.

В некоторых вариантах осуществления может предусматриваться, что, кроме первого слоя металлического наполнителя, прямо на него наносится второй слой металлического наполнителя методом катодной пульверизации или методом металлизации типа Jet Metal™, предусматривающим непосредственное распыление сжатым воздухом раствора металла и восстановительного раствора. Защитный слой наносится непосредственно или опосредованно поверх второго слоя металлического наполнителя.

В других вариантах осуществления поверх защитного слоя наносят другой слой металлического наполнителя, получаемый методом осаждения катодной пульверизации или методом металлизации типа Jet Metal™, в котором сжатым воздухом непосредственно распыляется раствор металла и восстановительный раствор, а также, возможно, еще один защитный слой для этого слоя металлического наполнителя. Согласно другому отличительному признаку пластический материал содержит полиэтилен высокой плотности, также известный как ПВП, имеющий хорошие характеристики механической прочности.

Согласно другому отличительному признаку в некоторых случаях в пластический материал добавляют добавки, выбираемые из группы, содержащей наноглину, наносферы и углеродные нанотрубки и т.п., повышающие механическую прочность резервуара и усиливающие барьерный эффект.

Слой металлического наполнителя выполняют из материала, выбираемого из группы, содержащей нержавеющую сталь, алюминий, кадмий, хром, а также карбиды или нитриды таких переходных металлов, как титан или цирконий.

Согласно другому отличительному признаку слой металлического наполнителя наносят на наружную поверхность вмещающего корпуса, в то время как на внутренней поверхности равномерно распределяют слой фторированного полимера, еще более усиливающего барьерный эффект, уменьшающий проницаемость для топлива.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления топливного резервуара, содержащему первый этап, на котором из пластического материала изготавливают вмещающий корпус, второй этап, на котором, по меньшей мере, на внутреннюю или наружную поверхность вмещающего корпуса осаждают, по меньшей мере, один слой металлического наполнителя, обладающий барьерным эффектом, и третий этап, на котором поверх, по меньшей мере, одного слоя металлического наполнителя, непосредственно или опосредованно осаждают защитный слой для предотвращения окисления слоя металлического наполнителя.

В предпочтительном варианте осуществления слой металлического наполнителя осаждают методом катодной пульверизации.

В другом варианте осуществления изобретения слой металлического наполнителя осаждают методом металлизации типа Jet Metal™, в котором сжатым воздухом непосредственно распыляется раствор металла и восстановительный раствор.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки изобретения станут более понятными из нижеследующего описания предпочтительной формы осуществления, приведенной в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 схематически показывает вид в разрезе топливного резервуара по настоящему изобретению;

Фиг.2 показывает увеличенный частичный вид Фиг.1;

Фиг.3 показывает увеличенный частичный вид резервуара по настоящему изобретению согласно первому варианту осуществления;

Фиг.4 схематически показывает первый этап способа производства резервуара по настоящему изобретению;

Фиг.5 схематически показывает второй этап способа производства резервуара по настоящему изобретению;

Фиг.6 показывает увеличенный частичный вид резервуара по настоящему изобретению согласно второму варианту осуществления;

Фиг.7 показывает увеличенный частичный вид резервуара по настоящему изобретению согласно третьему варианту осуществления.

В целях лучшего восприятия для обозначения на разных чертежах одних и тех же компонентов по мере возможности использовались одни и те же позиционные номера. Следует понимать, что элементы и характеристики одной из форм осуществления могут беспрепятственно внедряться в других формах осуществления без дополнительного разъяснения.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 изображен топливный резервуар 10 по настоящему изобретению, содержащий вмещающий корпус 11, имеющий внутреннюю поверхность 12 и наружную поверхность 13. На наружной поверхности 13 присутствует слой 15 металлического наполнителя (Фиг.2), сверху которого осажден защитный слой 16, который, по меньшей мере, защищает слой 15 металлического наполнителя от окисления. В данном случае защитный слой 16 имеет основу из эпоксидного лака, возможно с наносферами.

Вмещающий корпус 11 выполнен из пластического материала, предпочтительно из ПВП, и имеет толщину, которая может составлять от нескольких миллиметров до примерно одного сантиметра.

Добавки известного типа, такие как наноглина, наносферы и углеродные нанотрубки или пластики с высоким барьерным эффектом, могут присутствовать в пластическом материале для улучшения его механических свойств, а также для уменьшения его проницаемости для топлива.

Слой 15 металлического наполнителя осаждают на наружную поверхность 13 методом катодной пульверизации, также известным как метод осаждения напылением. При этом слой 15 металлического наполнителя схватывается с наружной поверхностью 13, формируя на молекулярном уровне связи с пластическим материалом вмещающего корпуса 11.

Слой 15 металлического наполнителя может выполняться из нержавеющей стали, алюминия, кадмия, хрома, или карбидов, или нитридов переходных металлов, таких как титан или цирконий, причем толщина может составлять от нескольких нанометров до нескольких сотен микрометров, предпочтительно - от 10 нм до 10 мкм.

Слой 15 металлического наполнителя не только обеспечивает практически полное предотвращение проникания топлива, но также обладает высокими характеристиками твердости, абразивной износостойкости и химической стойкости.

В других вариантах осуществления может быть предложено, чтобы слой 15 металлического наполнителя не создавался методом катодной пульверизации, а осаждался на наружной поверхности 13 вмещающего корпуса 11 методом металлизации без использования электрических источников, например методом Jet Metal™, в котором вместе со сжатым воздухом распыляется раствор металла и восстановительный раствор.

Согласно одному из вариантов осуществления с использованием метода Jet Metal™ или аналогичного метода на первом этапе осаждают праймер, например слой полиуретанового лака, а на втором этапе методом распыления наносят раствор металлических порошков, взвешенных в жидкости, например в деминерализованной воде.

Таким образом, слой 15 металлического наполнителя, созданный с помощью методов Jet Metal™ или аналогичных методов, будет состоять из гомогенной пленки металлических порошков, объединенной, по меньшей мере, частично с праймером.

Поверх слоя 15 металлического наполнителя, вне зависимости от того, создан он методами катодной пульверизации или методом Jet Metal™ или аналогичными ему методами, наносится защитный слой 16 согласно вышеприведенному описанию.

Защитный слой 16 предназначен для предохранения слоя 15 металлического наполнителя вне зависимости от того, создан ли последний осаждением напылением или методом Jet Metal™ или аналогичными ему методами, от внешних факторов, от реакций с химическими веществами и от окисления. Кроме того, защитный слой 16 выполняет задачу ограничения электростатических эффектов с целью повышения безопасности резервуара 10.

В другом варианте осуществления (Фиг.3) по внутренней поверхности 12 вмещающего корпуса 11 равномерно распределен слой 19 фторированного полимера, а поверх слоя 15 металлического наполнителя равномерно распределен защитный слой 16.

Слой 19 фторированного полимера создает еще одну преграду для проникания топлива. В других вариантах осуществления (Фиг.6) предусмотрена возможность того, чтобы на наружную поверхность 13 методом Jet Metal™ или аналогичными методами наносился первый слой металлического наполнителя, в данном случае обозначенный позиционным номером 45, а поверх него методом осаждения напылением осаждался второй слой 46 металлического наполнителя. Поверх второго слоя 46 металлического наполнителя наносят защитный слой 16. В данном варианте осуществления имеется возможность еще больше уменьшить проникание топлива в резервуар 10.

Достаточно очевидно, что в другом варианте осуществления можно создать конфигурацию, обратную вышеописанной, так, чтобы второй слой 46 наполнителя создавался и наносился прямо на наружную поверхности 13 вмещающего корпуса 11, после чего наносился бы первый слой 45 наполнителя и защитный слой 16.

Другой вариант осуществления (Фиг.7) может предусматривать, что на наружную поверхность 13 вмещающего корпуса 11 последовательно наносят: первый слой металлического наполнителя, в этом случае обозначенный позиционным номером 51, защитный слой 16, второй слой металлического наполнителя, в этом случае обозначенный позиционным номером 52, и еще один защитный слой, например, на основе эпоксидного лака. Первый слой 51 металлического наполнителя и второй слой 52 металлического наполнителя создаются, соответственно, методом осаждения напылением и методом Jet Metal™ или аналогичным методом, или в обратной последовательности.

В других вариантах осуществления на наружную поверхность 13 перед распределением слоя 15 металлического наполнителя могут распределяться другие покрытия, например, получаемые способом полимеризации с оксидом алюминия и/или кремния, или фторированием полимеров.

Аналогичным образом иные покрытия могут наноситься на внутреннюю поверхность 12, например слой металлического наполнителя, как описано выше, покрытие из аморфного углерода, или покрытие, полученное путем полимеризации с алюминием.

Способ получения вышеописанного резервуара 10 содержит первый этап изготовления вмещающего корпуса 11, на котором в основном используют формовочную установку 20 (Фиг.4), и второй этап нанесения слоя 15 металлического наполнителя, на котором используют напылительную установку 32 (Фиг.5).

Формовочная установка 20 (Фиг.4) для изготовления вмещающего корпуса 11 в основном содержит одно или несколько раздаточных устройств 21, один или несколько экструдеров 22, экструзионную головку 29 и форму-матрицу 23.

Раздаточное устройство 21 непосредственно соединено с экструдером 22 и позволяет получать однородную смесь пластического материала, из которого изготавливается резервуар 10. Пластический материал может быть получен согласно вышеприведенному описанию путем смешивания различных компонентов, таких как первичный полимер, молотый полимер, полученный переработкой обрезков (технологических отходов), и добавок.

В одном варианте осуществления имеется возможность экструдирования пластического материала в виде гранул, внутри которых содержится или с которыми смешаны порошки металлического материала. По сравнению с гранулами порошки имеют ограниченную крупность частиц, размер которых может доходить даже до нескольких нанометров.

Металлические порошки служат для еще большего усиления барьерного эффекта против проникания топлива.

Экструдер 22 содержит цилиндр 25, внутри которого размягчается пластический материал, поступающий от раздаточного устройства 21, и пластицирующий шнек 26, позволяющий экструдировать преформу 27 (также называемую заготовкой) вмещающего корпуса 11 через экструзионную головку 29.

Экструзионная головка 29 связана с деформируемым кольцом, управляемым известным способом с целью изменения профиля экструзии пластического материала при продавливании через экструзионную головку 29 в зависимости от требуемой конечной формы и размеров резервуара 10.

Получаемая указанным способом преформа 27 помещается внутрь формы-матрицы 23, которая закрывается своим прессом.

Вдувающее устройство 30 также известного типа непосредственно связано с формой-матрицей 23 и служит для вдувания воздуха внутрь преформы 28 для того, чтобы последняя, расширяясь, приняла форму формы-матрицы 23, чтобы в результате получился вмещающий корпус 11 резервуара 10.

С формой-матрицей 23 также связаны другие дополнительные устройства, такие как, например, выдувные иголки для охлаждения преформы 27, ножи для сварки стыков оплавлением, контуры охлаждения форм-матриц и оборудование для развертывания отверстий, точения заливных горловин и сварки возможно необходимых отверстий для сапунов или же детали, используемые для сборки другого вспомогательного оснащения резервуара 10.

Напылительная установка 32 (Фиг.5) содержит технологическую камеру 33, выполненную с возможностью селективного открывания дверью 34 и внутри имеющую две пластины, называемые мишенями 36, насосное устройство 37 и командное устройство 39.

Мишени 36 выполнены из того же материала, из которого формируется слой 15 металлического наполнителя.

Насосное устройство 37 предназначено для забора воздуха из камеры 33 нанесения для создания в ней условий высокого вакуума.

Командное устройство предназначено для управления процессом напыления в целом и, в частности, для подачи высокого напряжения на мишени 36.

Технологическая камера 33 также содержит держатель 40, на котором собирается вмещающий корпус, подаваемый на напыление, а также канал 41 для подачи технологического газа.

Держатель 40 выполнен с возможностью вращения элементами привода известного типа, не показанными на чертежах, и заставляет вмещающий корпус вращаться вокруг своей оси.

В другом варианте осуществления, не показанном на чертежах, держатель 40 содержит планетарную систему, на которой может быть собрано некоторое число вмещающих корпусов 11, вращаемых вокруг своей оси и вокруг держателя 40.

Благодаря своему атомному весу наиболее часто используемым технологическим газом является аргон, хотя могут использоваться и другие инертные или химически активные газы, такие как азот, аргон, ацетилен, кислород или просто воздух.

Этап нанесения слоя 15 металлического наполнителя включает в себя закрепление каждого вмещающего корпуса 11 на держателе 40, введение его внутрь технологической камеры 33 и последующего нанесения слоя 15 металлического наполнителя.

Камеру 33 закрывают и доводят до давления в пределах от 10^-3 до 10^-7 мбар, которое соответствует условиям высокого вакуума.

В этих условиях на мишени 36 подают высокое напряжение, что заставляет их играть роль катодов, а внутрь технологической камеры 33 подают технологический газ.

Положительные ионы технологического газа посредством плазмы, образующейся в этих условиях, подвергаются процессу ускорения в направлении к мишеням 36, о поверхность которых ударяются, выбивая атомы мишени 36.

Эти атомы внутри технологической камеры 33 переходят в газообразное состояние и конденсируются на вмещающих корпусах 11 резервуаров 10.

Кроме того, благодаря условиям высокого вакуума, созданным в технологической камере 33, атомы, выбитые из мишеней 36, не сталкиваются ни друг с другом, ни с ионами технологического газа, в результате чего могут равномерно оседать на наружную поверхность 13 вмещающего корпуса 11, формируя слой 15 металлического наполнителя равномерной толщины.

Длительность цикла напыления зависит от того, какую толщину слоя 15 металлического наполнителя нужно нанести.

Если слой 15 металлического наполнителя осаждают методом Jet Metal™ или аналогичным методом, то вместо использования описанной выше напылительной установки 32, первым подэтапом на наружную поверхность 13 вмещающего корпуса 11 наносят праймер, а вторым подэтапом путем распыления наносят раствор металлических порошков, взвешенных в жидкой среде, например в деминерализованной воде.

В частности, в особых вариантах осуществления на первом подэтапе наносят полиуретановый лак, и, до того как он высохнет, выполняют второй подэтап, позволяя металлическим порошкам, по меньшей мере, частично проникнуть в полиуретановый лак и образовать существенно сплошную пленку металлического наполнителя.

Затем следующим этапом поверх слоя 15 металлического наполнителя (Фиг.3) распределением или распылением наносят защитный слой 16: это может быть акриловый материал, если требуется эстетичный внешний вид, или эпоксидный материал, если планируется промышленное применение, не требующее эстетической привлекательности.

Очевидно, что в пределах сущности и объема настоящего изобретения в топливный резервуар могут быть внесены изменения и/или добавлены новые детали, как и в соответствующий способ производства согласно вышеприведенному описанию.

Например, возможно добавление еще одного этапа предварительной обработки плазмой известного типа, выполняемого на напылительной установке 32 внутри технологической камеры 33 перед этапом нанесения слоя 15 металлического наполнителя, с целью не только очистки внутренней поверхности 13 от возможных загрязнений, но также повышения адгезивных свойств слоя 15 металлического наполнителя.

Также очевидно, что, несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на некоторые конкретные примеры, специалистами в данной области может быть получено много других эквивалентных форм топливного резервуара и соответствующего способа производства, обладающих отличительными признаками, изложенными в формуле изобретения, и, следовательно, попадающих в область охраны изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к вариантам выполнения топливного резервуара, выполненным из пластического материала и используемым, по меньшей мере, для временного содержания топлива, и способу изготовления топливного резервуара. Топливный резервуар содержит вмещающий корпус, на одной из поверхностей, наружной или внутренней, которого предусмотрен один первый слой материала металлического наполнителя. Непосредственно или опосредованно поверх, по меньшей мере, одного первого слоя материала металлического наполнителя равномерно распределен защитный слой, предназначенный, по меньшей мере, для предохранения от окисления первого слоя материала металлического наполнителя. Первый слой материала металлического наполнителя удерживается на пластическом материале за счет молекулярных связей, получаемых в результате осаждения катодной пульверизацией. Способ заключается в изготовлении вмещающего корпуса, осаждении слоя материала металлического наполнителя на наружную или внутреннюю поверхность вмещающего корпуса, осаждении защитного слоя поверх слоя металлического наполнителя для предохранения от окисления. Достигается снижение проницаемости стенок топливом. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула