DE102004051227A1 - Thermoplastic plastic air or coolant heat transfer component for motor vehicle has an oil based coating to resist oxidation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Ladeluftkühler oder Kühlmittelkühler, insbesondere für Kraftfahrzeuge.The Invention relates to a device, in particular a heat exchanger, in particular a charge air cooler or coolant radiator, in particular for motor vehicles.
Aus dem Shell-Lexikon „Verbrennungsmotoren, Supplement von ATZ und MTZ", Folge 33, ist ein Ladeluftkühler bekannt. Er besteht aus einem Rippenrohrblock, der mit einer Ladeluft-Eintrittskammer und einer Ladeluft-Austrittskammer verbunden ist. Dabei kann heiße Ladeluft von einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs durch Flachrohre des Rippenrohrblocks strömen. Des Weiteren führt die heiße Ladeluft über zwischen den Flachrohren zugeordneten Rippen, die von Umgebungsluft beaufschlagt sind, einen Großteil der Wärme an die Umgebungsluft ab.Out the Shell Lexicon "Internal combustion engines, Supplement of ATZ and MTZ ", Episode 33, is a charge air cooler known. It consists of a finned tube block, which with a charge air inlet chamber and a charge air outlet chamber is connected. This can be hot charge air from an internal combustion engine of the motor vehicle through flat tubes of the finned tube block. Furthermore leads the hot charge air over between the ribs associated with the flat tubes, which are exposed to ambient air, a large part the heat to the ambient air.
Wärmere Luft hat eine geringere Dichte und beinhaltet damit weniger Sauerstoff, der für den Verbrennungsprozess notwendig ist. Heiße Luft bedeutet also weniger Leistung. Somit ist es vorteilhaft, die Temperatur der Ladeluft zu reduzieren, um der Verbrennung mehr Sauerstoff zuzuführen. An dieser Stelle wird somit häufig ein Ladeluftkühler eingesetzt, um einen höheren Wirkungsgrad bei der Verbrennung zu erreichen. Infolge dessen kann bei gleichem oder sogar geringerem Kraftstoffverbrauch eine höhere Motorleistung erzielt werden. Weiterhin ist es durch die Verwendung von Ladeluftkühlern möglich, den Schadstoffgehalt im Abgas zu reduzieren.Warmer air has a lower density and thus contains less oxygen, the for the combustion process is necessary. Hot air means less Power. Thus, it is advantageous, the temperature of the charge air to reduce combustion to provide more oxygen. At This position will be frequent a charge air cooler used to a higher Achieve efficiency in combustion. As a result, can achieves a higher engine output with the same or even lower fuel consumption become. Furthermore, it is possible by the use of intercoolers, the Reduce pollutant content in the exhaust gas.
Im Zuge der schärfer werdenden Abgasbestimmungen werden auch die thermischen Anforderungen an die Komponenten von Ladeluftkühlern ständig erhöht. Bisher verwendete Materialien für die Sammelkammern, beispielsweise Polyphenylensulfid oder besonders Polyamid können diesen thermischen Bedingungen bei entsprechend hohen Innendruckbeaufschlagungen nicht immer standhalten. Bei hohen Temperaturen treten insbesondere Oxidationen auf, die letztlich zur Zerstörung des Kühlers führen können. Eine Verwendung von metallischen Sammelkammern, die den Belastungen gewachsen wären, oder von sehr hochwertigen Spezialkunststoffen, scheidet in der Regel aus einem oder mehreren der folgenden Gründe aus. So sind für eine Herstellung eines Bauteils in der vorgesehenen Funktion häufig weitere mechanische Bearbeitungsschritte und aufwendige Legierungen oder dergleichen notwendig. Diese sind gegebenenfalls auch mit einer vergleichsweise starken Gewichtszunahme verbunden, die im Kraftfahrzeugbereich im Hinblick auf einen niedrigen Kraftstoffverbrauch gerade nicht dem gewünschten Anforderungsprofil entspricht. Zudem spielen wirtschaftliche Erwägungen aufgrund ihrer meist besonders hohen Kosten eine Rolle.in the Course of the sharper Expectant emissions regulations will also be the thermal requirements to the components of intercoolers constantly increased. So far used materials for the collection chambers, for example polyphenylene sulfide or especially Polyamide can these thermal conditions at correspondingly high internal pressure not always withstand. In particular, occur at high temperatures Oxidations on, which can ultimately lead to the destruction of the cooler. A use of metallic collecting chambers, that could cope with the burdens, or of very high quality specialty plastics, divorces in the Rule for one or more of the following reasons. So are for a production a component in the intended function frequently further mechanical processing steps and elaborate alloys or the like necessary. These are optional also associated with a comparatively strong weight gain, in the automotive field with regard to low fuel consumption just not the desired one Requirement profile corresponds. In addition, economic considerations due to their usually very high costs a role.
Nachteilig an einem oben genannten Ladeluftkühler aus üblichen Kunststoffwerkstoffen ist demnach, dass er in der bekannten Konfiguration den zukünftig geforderten, insbesondere den thermischen Anforderungen nicht gewachsen ist.adversely on an above-mentioned charge air cooler made of conventional plastic materials is therefore that, in the known configuration, it requires the future required, especially the thermal requirements is not equal.
Bei Kühlmittelkühlern werden auch Kunststoffbauteile verwendet. Solche sind beispielsweise die Wasserkästen von Kühlmittelkühlern oder Heizkörpern, Gehäuse von Thermostaten oder von Wasserpumpen oder Rohre oder Gruppen von Rohren. Solche Kunststoffbauteile, die Kühlmittel führen, kön nen durch das Kühlmittel selbst altern. Dieser Prozess ist als Hydrolyse bekannt.at Coolant coolers are also used plastic components. Such are, for example, the water tanks of coolant coolers or radiators, casing of thermostats or water pumps or pipes or groups of Pipes. Such plastic components that carry coolant Kings Kings by the coolant age yourself. This process is known as hydrolysis.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit Kühlmittel führenden oder Luft führenden Bauteilen, insbesondere Wärmeübertrager, wie beispielsweise Ladeluftkühler, Kühlmittelkühler oder beispielsweise die Wasserkästen von Kühlmittelkühlern oder Heizkörpern, Gehäuse von Thermostaten oder von Wasserpumpen oder Rohre oder Gruppen von Rohren, der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese Bauteile wirtschaftlich herzustellen sind und gleichzeitig den thermischen Anforderungen gerecht werden.Of the Invention is therefore the object of a device with coolant leading or Air leading Components, in particular heat exchangers, such as intercoolers, Coolant cooler or for example, the water boxes of Coolant coolers or radiators, Housing of Thermostats or water pumps or pipes or groups of pipes, of the type mentioned in such a way that these components are economical to manufacture and at the same time the thermal To fit in requirements.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved with the features of claim 1.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die betreffenden Bauteile für den vorgesehenen Einsatzbereich auf ökonomische und einfache Weise vor zumeist thermisch bedingten Oxidationen geschützt ausgestaltet werden sollten. Für eine solche Gestaltung können auch unter Stabilitätsgesichtspunkten vergleichsweise kostengünstige übliche thermoplastische Kunststoffwerkstoffe, die in der Regel duktiler sind als von sich aus hochtemperaturfeste Spezialkunststoffe eingesetzt werden. Diese üblichen Werkstoffe lassen sich einfacher verarbeiten, und die zur Bearbeitung notwendigen Werkzeuge unterliegen einer geringeren Abnutzung, wodurch auch die Werkzeugstandzeit erhöht und damit Kosten, beispielsweise für Reparatur und Austausch, reduziert werden. Der Einsatz von Metallen ist häufig mit aufwendigen Nachbearbeitungsschritten, wie beispielsweise dem Schweißen, Drehen, Fräsen, Schleifen und/oder Polieren, und vielfach ebenso mit einer nicht unerheblichen Gewichtserhöhung verbunden. Aus diesen Gründen ist statt der Verwendung eines Metalls als Basiswerkstoff gerade der Einsatz eines vergleichsweise leichten Werkstoffs, nämlich Kunststoff, vorgesehen.The Invention is based on the consideration, that the components concerned for the intended application in an economical and simple way protected before mostly thermally induced oxidation should be. For such a design can also from a stability point of view comparatively inexpensive conventional thermoplastic Plastic materials, which are usually ductile than by themselves made of high temperature resistant special plastics. This usual Materials are easier to process, and those for processing necessary tools are subject to less wear, which also causes the tool life increases and thus costs, for example for repair and replacement, be reduced. The use of metals is often associated with elaborate post-processing steps, such as welding, Turning, milling, grinding and / or polishing, and often with a not insignificant weight increase connected. For these reasons is straight instead of using a metal as the base material the use of a comparatively light material, namely plastic, intended.
Für einen einfachen Oxidationsschutz und eine Ertüchtigung für einen Einsatz im Temperaturbereich von 220 °C bis 260 oder 320 °C des als Basiswerkstoff vorgesehenen Kunststoffs ist eine entsprechende Beschichtung desselben erwünscht. Zum effektiven Schutz sollte die Beschichtung schnell und gleichmäßig auftragbar sein sowie gute Benetzungs- und Haftungseigenschaften auf dem Kunststoff aufweisen. Dafür eignen sich besonders Öle. Diese lassen sich aufgrund ihrer Konsistenz besonders einfach auf der zu beschichtenden Oberfläche des Kunststoffs aufbringen und dringen bei poröser Struktur des Kunststoffs in dessen Hohlräume ein. Damit sorgen sie für eine zuverlässige Abschirmung von der Umgebung. Sie verhindern den direkten Kontakt des Luftsauerstoffs mit dem Kunststoff, der ansonsten zu unerwünschten Oxidationsreaktionen führen könnte.For a simple oxidation protection and an upgrade for use in the temperature range of 220 ° C to 260 or 320 ° C provided as the base material plastic, a corresponding coating of the same desired. For effective protection, the coating should be quickly and uniformly applied and have good wetting and adhesion properties on the plastic. For oils are particularly suitable. These can be due to their consistency particularly easy to apply to the surface to be coated of the plastic and penetrate in porous structures of the plastic in the cavities. This ensures reliable shielding from the environment. They prevent the direct contact of atmospheric oxygen with the plastic, which could otherwise lead to undesirable oxidation reactions.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Luft führendes oder Kühlmittel führendes Teil, wie beispielsweise die Eintrittskammer und/oder die Austrittskammer für ein zu kühlendes Medium, oder ein anderes Kühlmittel führendes Teil, das aus einem thermoplastischen Kunststoffwerkstoff besteht, wenigstens bereichsweise mit einer Oxidationsschutzbeschichtung aus Öl oder aus einem ölhaltigen Stoff versehen ist.According to the invention, it is provided that an air leader or coolant leader Part, such as the inlet chamber and / or the outlet chamber for a to be cooled Medium, or another coolant leader Part made of a thermoplastic material, at least in some areas with an oxidation protection coating from oil or from an oily one Cloth is provided.
Als Basiswerkstoff ist aus oben genannten Gründen ein üblicher Kunststoff, vorzugsweise Polyphthalamid (PPA) oder Polyamid (PA), insbesondere als PA 6 oder als PA 66, eingesetzt.When Base material is a common plastic for the reasons mentioned above, preferably Polyphthalamide (PPA) or polyamide (PA), especially as PA 6 or used as PA 66.
Für eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften des Basiswerkstoffs wird der eingesetzte Kunststoff zweckmäßigerweise verstärkt. Daher sind dem Kunststoff vorzugsweise Verstärkungsstoffe, insbesondere Glas- und/oder Kohlefasern, zugesetzt.For an improvement The strength properties of the base material is the plastic used expediently strengthened. Therefore, the plastic are preferably reinforcing materials, in particular Glass and / or carbon fibers, added.
Um eine je nach Anwendungsgebiet spezifische Ölbeschichtung für den Kunststoff zu gewährleisten, sind als Öl oder im ölhaltigen Stoff vorteilhafter Weise mineralische, synthetische oder pflanzliche Öle eingesetzt. So können bei der Wahl des Beschichtungsöls Öle verwendet werden, die beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich ohnehin auf die zu beschichtende Oberfläche gelangen würden. Damit kann auf eine artfremde Beschichtung verzichtet werden. Darüber hinaus kann auch infolge von Abnutzungserscheinungen verschiedener Dichtsysteme oder auch durch sogenannte Blowby-Dämpfe bei der Kurbelwellenentlüftung üblicherweise in den Ladeluftkühler eindringendes Öl die möglicherweise teilweise aufgebrauchte ölige Schutzschicht ergänzen.Around a depending on the application area specific oil coating for the plastic to ensure, are as oil or in oily Substance advantageously mineral, synthetic or vegetable oils used. So can used in the choice of coating oil oils be anyway, for example, in the automotive field on the to be coated surface would arrive. This can be dispensed with a foreign coating. Furthermore may also be due to wear of various sealing systems or also by so-called blowby vapors in crankshaft venting usually in the intercooler penetrating oil possibly partially used oily Supplement protective layer.
Für einen besonders auf den Einsatzbereich abgestimmten Schutz liegt die Oxidationsschutzbeschichtung aus Öl oder aus einem ölhaltigen Stoff vorzugsweise auf der nach innen und/oder außen gerichteten Fläche der Eintrittskammer und/oder der Austrittskammer vor.For one The protection against oxidation is especially matched to the field of application from oil or from an oily one Fabric preferably on the inwardly and / or outwardly directed area the inlet chamber and / or the outlet chamber before.
Zugunsten eines besonders wirkungsvollen Oxidationsschutzes des Kunststoffs wird das Öl oder der ölhaltige Stoff zweckmäßigerweise besonders gleichmäßig auf die zu schützende Fläche eines Kunststoffbauteils der Vorrichtung, insbesondere auf die Eintrittskammer und/oder die Austrittskammer eines Wärmeübertragers, aufgetragen. Dazu ist unter gleichzeitiger Berücksichtigung ökonomischer Aspekte vorzugsweise ein gängiges Oberflächenbeschichtungsverfahren wie Lackieren, Spritzen oder Tauchen vorgesehen. Damit wird der Oberflächenschutz zudem besonders umweltfreundlich aufgebracht.In favor of a particularly effective oxidation protection of the plastic becomes the oil or the oily one Substance expediently especially evenly the one to protect area a plastic component of the device, in particular to the inlet chamber and / or the outlet chamber of a heat exchanger, applied. To is at the same time economic Aspects preferably a common one Surface coating process such as painting, spraying or diving provided. This will be the surface protection also applied particularly environmentally friendly.
Um den als Basiswerkstoff vorgesehenen Kunststoff zuverlässig vor schädlichen Oxidationen zu schützen, wird das oxidationshemmende Öl zweckmäßigerweise so früh wie möglich auf der zu schützenden Oberfläche aufgebracht. Für eine besonders gute und dauerhafte Schutzwirkung wird das Öl vorzugsweise direkt nach dem formgebenden Verarbeitungsprozess, insbesondere nach dem Spritzgießen, auf den als Basiswerkstoff vorgesehenen Kunststoff aufgetragen. Insbesondere Polyamide sind dann aufgrund ihrer porösen Struktur für das Öl besonders aufnahmefähig.Around the intended as a base material plastic reliably before harmful To protect oxidations, The oxidation-inhibiting oil is suitably so early as possible on the to be protected surface applied. For a particularly good and lasting protective effect, the oil is preferably directly after the forming process, in particular after injection molding, applied to the plastic provided as the base material. In particular, polyamides are then due to their porous structure especially for the oil receptive.
Gemäß einer Variante wird das Öl während des formgebenden Verarbeitungsprozesses, insbesondere während des Spritzgießens, auf den Kunststoffwerkstoff aufgetragen. Bevorzugt wird das Öl in ein geöffnetes Spritzgießwerkzeug eingebracht, besonders bevorzugt gesprüht, so dass das Öl oder ein Teil des Öls während des Spritzgießens auf die Oberfläche des Kunststoffwerkstoffs gelangt. Das gespritzte Teil hat dann eine zumindest leicht ölige Oberfläche.According to one Variant becomes the oil during the shaping processing, in particular during the injection molding, applied to the plastic material. Preferably, the oil is in a open injection mold introduced, particularly preferably sprayed, so that the oil or a part of the oil while of injection molding on the surface the plastic material passes. The injected part then has one at least slightly oily surface.
Verwendung findet eine oben beschriebene Vorrichtung zweckmäßigerweise als Wärmeübertrager, vorzugsweise als Ladeluftkühler, um bei hohen Temperaturen der Ladeluft ein Oxidieren der Kammeroberfläche zu verhindern. Alternativ kommt vorteilhafter Weise der Einsatz der Vorrichtung als Kühlmittelkühler in Betracht.use finds a device described above expediently as a heat exchanger, preferably as intercooler, in order to prevent oxidation of the chamber surface at high temperatures of the charge air. Alternatively, advantageously, the use of the device comes as coolant cooler in Consideration.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das Auftragen einer Oxidationsschutzbeschichtung aus Öl auf einen üblichen Kunststoff auf besonders einfache, ökonomische und ökologische Weise ein Bauteil hergestellt werden kann, der vor Oxidationen durch Luftsauerstoff, insbesondere im Temperaturbereich von 220 °C bis 320 °C geschützt ist. Gerade die Wahl eines preisgünstigen und leicht verfügbaren Kunststoffs mit vergleichsweise geringem Gewicht als Basiswerkstoff und seine unaufwendige und zuverlässige Beschichtung mit einem geeigneten Öl, das gegebenenfalls bereits in diesem Bereich Anwendung findet oder häufig in diesen Bereich gelangt, prädestinieren den derart hergestellten Werkstoff besonders für Bauteile im Bereich eines Wärmeübertragers, insbesondere eines Ladeluftkühlers eines Kraftfahrzeugs. Somit kann ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Ladeluftkühler, unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten verträglich und unter thermischen Gesichtspunkten den Anforderungen entsprechend ausgeführt werden.The advantages achieved by the invention are in particular that a component can be produced by applying an oxidation protective coating of oil on a conventional plastic in a particularly simple, economical and ecological way, the oxidation from atmospheric oxygen, especially in the temperature range from 220 ° C to 320 ° C is protected. Especially the choice of a low-priced and readily available plastic with comparatively low weight as a base material and its unaufwendige and reliably Coating with a suitable oil, which may already be used in this area or frequently enters this area, predestines the material produced in this way, especially for components in the region of a heat exchanger, in particular a charge air cooler of a motor vehicle. Thus, a heat exchanger, in particular a charge air cooler, from an economic point of view compatible and executed in accordance with thermal requirements.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:One embodiment The invention will be explained in more detail below with reference to a drawing. In this demonstrate:
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Same Parts are provided with the same reference numerals in all figures.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand eines Ladeluftkühlers erläutert. Gemäß der Erfindung können aber auch andere, wie die oben genannten Bauteile statt dessen denkbar sein.One embodiment The invention will be explained with reference to a charge air cooler. However, according to the invention others, like the above components instead conceivable be.
Die
Sammelkammer
Zur
Oxidationsschutzbeschichtung der Sammelkammer
- 11
- Sammelkammerplenum
- 22
- Ladeluftcharge air
- 44
- Anschlussconnection
- 66
- Rohrboden-AnschlussflächeTube sheet pad
- 88th
- Öloil
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