-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine Beschichtung, die im Einlassbereich einer
Strömung
von tropfenbeladenen Gasen oder Dämpfen auf den Oberflächen und Kanten
von Bauteilen aufgetragen wird, um Tropfenschlagerosion auf stromabwärts angeordneten
Bauteilen zu vermeiden.
-
Stand der Technik
-
Kondensatorrohre
in Dampfkraftwerken, Beschaufelungen im Verdichter von Gasturbinen
oder Beschaufelungen von Dampfturbinen oder Bauteile von Flugzeugen
und Marinefahrzeugen sind Flüssigkeitstropfen
ausgesetzt, die mit großer
Geschwindigkeit auf ihre Oberfläche
auftreffen und sie im Dauerbetrieb beschädigen können.
-
Beispiele
für solche
Beanspruchungen sind in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374 A1 aufgezählt. So
werden in den Verdichter einer Gasturbine Wasser und in Wasser gelöste Reinigungsmittel wie
Glykol in den Luftstrom mittels Zerstäuberdüsen eingespritzt. Die Zufuhr
von Wasser dient der Kühlung
und der Erhöhung
der Dichte des dem Verdichter zugeführten Arbeitsfluids und damit
der Erhöhung des
Turbinenleistung (
US 5,463,873 ),
während
die Zufuhr von Glykol/Wasser-Gemischen zur Reinigung des Verdichters
vorgenommen wird (
EP 0 468 024 ). Da
die Flüssigkeitstropfen
in der angesaugten Luft mitgeführt
werden, sind Bauteile des Verdichters dem Aufprall der Flüssigkeitstropfen
ausgesetzt.
-
Wegen
des Ansaugens von Nebel- oder Regentropfen sind auch Bauteile von
Turbinenstrahlantrieben, die in Flugzeugen oder Marinefahrzeugen betrieben
werden, oder die Vorderkanten von Flugzeugtragflächen, vom Aufprall durch Tropfen
auf deren Oberflächen
betroffen.
-
Weiter
unterliegen Bauteile von Kältemaschinen
oder Wärmepumpen
und die inneren Oberflächen
der Kondensationszone von Wärmerohren oder
von Destillationskolonnen der chemischen Industrie dem Aufschlag
von Tropfen, die im Wasserdampf oder dem Dampf eines Kältemittels
oder eines anderen Arbeitsfluids mitströmen.
-
Beim
Aufschlag der Flüssigkeitstropfen
auf die in diesen Beispielen genannten Bauteile kann Tropfenschlagerosion
entstehen, wenn Masse und Auftreffgeschwindigkeit der Tropfen groß sind,
zum Beispiel ab einem Tropfendurchmesser von 100 Mikrometer aufwärts und
mit einer Auftreffgeschwindigkeit bis oberhalb 250 m/s. Millionenfacher
Aufprall solcher Tropfen auf bestimmte Bereiche der Bauteile während der
Betriebsdauer führt
zu lokaler Materialermüdung
und schließlich
zu deren Zerstörung.
-
Wie
in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374
A1 erläutert,
beträgt
im Verdichter einer Gasturbine nach Inbetriebnahme neuer Sprühdüsen der
Durchmesser der eingesprühten
Tropfen etwa 10 bis 20 Mikrometer. Durch Alterung der Düsenberandungen
erreichen die Tropfen jedoch bald einen Durchmesser von bis zu etwa
100 Mikrometer. Da Masse und damit Bewegungsenergie der auf den Bauteilen
aufschlagenden Tropfen mit der dritten Potenz der Tropfendurchmesser
anwachsen, und Erosion mit der Aufschlagenergie zunimmt, können größere Tropfen
weitaus mehr Erosionsschäden
verursachen als kleine Tropfen.
-
Weiter
entsteht Tropfenschlagerosion im Verdichter oder auf Beschaufelungen
und anderen Bauteilen von Dampfturbinen, falls stromaufwärts angeordnete
Bauteile von Flüssigkeit
beaufschlagt oder benetzt worden sind. Besonders beim Flüssigkeitsabriss
an der Kante solcher Bauteile, unter Wirkung von Luft- oder Dampfströmung, können sich
sekundäre,
sehr große
Tropfen bilden, die auf stromabwärts
angeordneten Bauteilen Tropfenschlagerosion verursachen. Das gleiche
gilt für
Bauteile von Flugzeugen oder Marinefahrzeugen, bei denen Flüssigkeitsabriß an einer
Kante zu Schädigungen
stromabwärts
angeordneter Bauteile führen
kann, wenn diese im Dauerbetrieb von großen Tropfen getroffen werden.
-
Um
der Tropfenschlagerosion auf Bauteilen in den oben genannten Beispielen
entgegenzutreten, sind in der technisch/wissenschaftlichen Literatur
einige passive Maßnahmen
aufgezeigt worden. Passive Maßnahmen
sind diejenigen, welche nur gegen Tropfenschlag durch heranfliegende,
auftreffende große
Tropfen schützen,
wogegen aktive Maßnahmen,
wie sie hier als Erfindung neu beschrieben werden, darauf zielen,
die Bildung großer
Tropfen auf stromaufwärts
angeordneten Bauteilen überhaupt
zu verhindern, damit auf stromabwärts angeordneten Bauteilen
keine Erosion auftritt. Zum Beispiel korreliert der Widerstand gegen
Tropfenschlagerosion mit der Härte
eines zur Herstellung eines Bauteils verwendeten, in der Tiefe homogenen
Materials. Die Verwendung von Metallen und Legierungen großer Härte und
großer
Zähigkeit
zum Bau von Kondensatorrohren oder Beschaufelungen oder anderen
Bauteile als rein passive Maßnahme
zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion war bisher jedoch nur
teilweise erfolgreich. Noch immer müssen selbst aus Titan oder
Titanlegierungen gefertigte Kondensatorrohre in einem Dampfkraftwerk
nach vergleichsweise kurzer Betriebsdauer ersetzt werden, wenn sie
an der Peripherie eines Rohrbündels
des Kondensators angeordnet sind.
-
Eine
fortschrittlichere, wenngleich immer noch passive Maßnahme,
Tropfenschlagerosion auf Kondensatorrohren oder auf Bauteilen von
Dampfturbinen zu verhindern, wurde in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374 A1 vorgestellt.
Das Grundkonzept beruht auf einer Beschichtung der Bauteile, die als
Vielschichtanordnung aus abwechselnd harten (HV > 1500) und weniger harten Materialien
(HV > 500; HV bedeutet
die Vickers-Härte)
mit jeweils großem
Verhältnis
von elastischen zu plastischem Verformungsanteil ausgebildet ist
und bei welcher die oberste, zum Fluid hin gewandte Schicht hydrophobe Eigenschaften
hat. Der Widerstand gegen Tropfenschlagerosion dieser Erfindung
beruht auf der elastischen Verformung einer in der Tiefe inhomogenen Schichtstruktur.
Der Erosionsangriff, der vom einschlagenden Tropfen ausgeht, wird
abgewehrt durch Auslöschung
der von ihm hervorgerufenen Kompressionswellen. Auslöschung kommt
bei elastischer Verformung der Schichtstruktur durch schichtinterne Vielfachreflexion
und Interferenz der Kompressionswellen zustande. In der Vielschichtanordnung
wird die mechanische Belastung unter Kompressionswellen daher auf
mehrere, in der Tiefe benachbarte Schichten unterschiedlicher Härte und
Elastizität
verteilt. Die Materialbeanspruchung ist daher geringer als in bisherigen
Konzepten und die Lebensdauer der zu schützenden Bauteile deutlich größer, da
die beschriebene Beschichtung flexibler zur Wandlung der kinetischen
Tropfenenergie in Materialverformungsarbeit und Wärme reagiert
als die zuvor verfolgten, starren, homogenen Konzepte.
-
Solche
Vielschichtanordnungen, zum Beispiel aus amorphem Kohlenstoff durch
Abscheidung aus einer Plasmaentladung, haben jedoch den Nachteil,
daß ihre
Abscheidung verfahrenstechnisch schwierig zu beherrschen ist, weil
eine Vielzahl von Beschichtungsparametern (Druck in der Beschichtungskammer,
Potentialdifferenz über
das ganze Bauteil, Zusammensetzung des Arbeitsgases und Betrag des
Gasdurchsatzes durch die Beschichtungskammer) je nach zu beschichtendem
Material zuerst genau erprobt und dann exakt eingehalten werden
müssen.
Da außerdem
zur Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff die Beschichtungskammer zunächst evakuiert
werden und dann mit Arbeitsdrucken von einigen Pa betrieben werden
muß, sind
für größere Bauteile
wie Turbinenschaufeln oder Kondensatorrohre oder gar Flugzeug- oder
Marinefahrzeug-Bauteile große,
evakuierbare Beschichtungskammern, Vakuumpumpen- und Meßanlagen
sowie über
die Peripherie längs
der Kammern verteilte Hochfrequenzgeneratoren erforderlich, welche
hohe Investitions- und Beschichtungskosten verursachen. Ein dritter
Nachteil dieser Beschichtungen liegt darin, daß amorphe Kohlenstoffschichten
nur eingeschränkt
hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Für perfekt hydrophobe Eigenschaften
(absolute Nichtbenetzung) müßten die
Randwinkel an Wassertropfen auf ebenen Schichten 180 Grad betragen.
Mit amorphen Kohlenstoffschichten können unter günstigsten
Bedingungen jedoch nur Werte bis zu etwa 100 Grad erreicht werden.
Randwinkel an Wassertropfen auf PTFE erreichen demgegenüber Werte
bis zu etwa 115 Grad. Sie lassen sich zwar mit weniger Aufwand auftragen,
haben in den oben genannten Anwendungsbeispielen jedoch nur geringe
Lebensdauern.
-
Dennoch
beruhen die in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374 A1 genannten
Vorteile der Beschichtung nicht nur auf der Ausbildung von Schichtfolgen
unterschiedlicher Härte
sondern auch auf Nichtbenetzung der obersten Schicht durch das jeweilige
Fluid, soweit Nichtbenetzung mit großen Randwinkeln mit den genannten
Werkstoffen wie amorphem Kohlenstoff erzielt werden kann.
-
Viel
höhere
Randwinkel (über
150 Grad) als mit Wassertropfen auf amorphem Kohlenstoff oder PTFE
erreicht man mit Schichten, die dem Lotus-Effekt nachgebildet sind.
-
Der
Lotuseffekt hat seinen Namen von der Eigenschaft der Lotuspflanze,
sich selbst aus schlammigen Gewässern
ohne jede Oberflächenkontamination
zu erheben; die Lotus-Pflanze ist daher in asiatischen Religionen
das Symbol für
Reinheit. Nach Barthlott & Neinhuis,
Planta 202 (1997), p. 2–8,
hat diese Eigenschaft zwei Ursachen: a) eine Mikrostruktur der Oberfläche, bestehend
aus höckerähnlichen,
diskreten Erhebungen, b) epicuticulare Wachsschichten, die als dünne hydrophobe
Filme die gesamte Mikrostruktur bedecken.
-
Die
Mikrostruktur 1 der Oberfläche 2 des Lotusblatts
ist in 1 schematisch verdeutlicht und durch in etwa gleich
hohe Gipfel 10 und in etwa gleich tiefe und weite Täler 11 gekennzeichnet.
Die Wachsschichten 12 sind als dünne Schichten angedeutet.
-
Im
folgenden ist zwischen großen
Tropfen 20, deren Durchmesser größer ist als die Weite der Täler 11,
und kleineren Tropfen zu unterscheiden. Große Tropfen berühren die
Oberfläche 2 des
Lotusblatts nur an Kontaktflächen 13 auf
den Gipfeln 10, da sie weder unter ihrer Schwere in die
Täler eindringen
können
noch von den hydrophoben Wachsschichten, welche die gesamte Oberflächenstruktur bedecken,
in die Täler
hineingezogen werden können.
Die Kontakt- oder Grenzfläche 13, über die
ein großer
Wassertropfen 20 mit den Gipfeln 10 in 1 chemisch/physikalisch
Wechselwirken kann, ist daher nur mikroskopisch klein. Wenn es also
auf dem Lotusblatt unter großen
Tropfen überhaupt
zur Benetzung kommt, dann nur auf den Grenzflächen 13, die einen
verschwindend kleinen Anteil an der Gesamtoberfläche des Lotusblatts darstellen.
Da die Oberflächenspannung
des Wassers viel höher
ist als diejenige von organischen Schichten, also auch von Wachsschichten 12,
rollen die Wassertropfen 20 schon bei geringen Neigungswinkeln
des Lotusblatts gegen die Horizontale ab.
-
Tropfen,
deren Durchmesser deutlich kleiner ist als die Weite der Täler 11 könnten zwar
aufgrund ihrer Schwere in die Täler
eindringen. Da sie die Täler 11 jedoch
nicht benetzen, ist die Wechselwirkung zwischen den Tropfen und
den Tälern
so klein, daß auch
diese Tropfen schon bei kleinen Neigungswinkeln des Lotusblatts
gegen die Horizontale abrollen.
-
Außerdem tendieren
kleine Tropfen dazu, sich mit anderen zu größeren Tropfen zu vereinigen, um
ihre Oberflächenenergie
abzusenken.
-
Daher
hängen
die hydrophoben Gesamt-Eigenschaften des Lotusblatts kaum von spezifischen chemisch/physikalischen
Wechselwirkungen an den Grenzflächen 13 und
von den Tropfendurchmessern ab. Eine Änderung der spezifischen Wechselwirkungen
und damit der lokalen Benetzungseigenschaften an den Grenzflächen 13 hätte wegen
ihres geringen Flächenanteils
kaum Einfluß auf
die hydrophoben Gesamteigenschaften des Lotusblatts. Folglich bilden
sich auf der Oberfläche
des Lotusblatts keine zusammenhängenden
Flüssigkeitsschichten.
Ein Wassertropfen 20 von weniger als 10 Mikroliter Volumen rollt
(ohne zu gleiten) von Gipfel zu Gipfel eines Lotusblatts ab, sobald
das Blatt um einen Winkel von höchstens
10 Grad gegen die Horizontale geneigt wird.
-
Das
Lotusblatt ist somit gekennzeichnet durch extreme Nichtbenetzbarkeit
seiner Blattoberfläche.
Daher gibt es auch keine Ablagerungen von im Fluid mitgeführten oder
gelösten
Stoffen auf der Oberfläche
des Lotusblatts, weil sie mit den abrollenden Tropfen vom Lotusblatt
entfernt werden.
-
Aus
der Literatur sind Versuche bekannt, die Nichtbenetzbarkeit des
Lotusblatts (den „Lotuseffekt") mit Beschichtungen
auf technischen Oberflächen
nachzubilden. Solche Beschichtungen werden zum Beispiel als schmutzabweisende
Schichten auf Scheinwerfern, Bad-Armaturen, Fassaden oder Dachabdeckungen
angeboten. Diese bekannten, bisher lediglich schmutzabweisenden
Nachbildungen des Lotuseffekts können Tropfenschlagerosion
jedoch nicht vermeiden. Im folgenden wird gezeigt, was die bisher
bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts können müßten, um nicht nur der Verschmutzung
von Oberflächen
sondern auch der Tropfenschlagerosion entgegenzutreten.
-
Tropfenschlagerosion
entsteht, wenn wie erläutert
große
Tropfen mit hohen Geschwindigkeiten auf die Oberflächen von
Bauteilen auftreffen. Zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion
muß daher
versucht werden, das Auftreffen von großen Tropfen auf die Bauteile
zu vermeiden. Also wird man Maßnahmen
ergreifen müssen,
welche die Bildung von großen
Tropfen überhaupt
verhindert. Eine solche Maßnahme
besteht darin, die Agglomeration von primär kleinen Tropfen, die auf
stromaufwärts
gelagerten Bauteilen in den oben beschriebenen Anwendungen kondensiert
sind oder dort mit einer Strömung
auftreffen, zu großen
Tropfen auszuschließen.
Aktive Verhinderung von Tropfenschlagerosion besteht demnach darin,
Oberflächen
zu entwickeln, auf denen Tropfen abrollen, ohne anderen Tropfen
zu begegnen oder sie einzuholen, um Agglomeration mit diesen entgegenzutreten.
Dies können
die bisher bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts jedoch nicht
leisten.
-
Nachbildungen
des Lotuseffekts sind versucht worden z. B. durch Aufrauhen einer
blanken metallischen Oberfläche
und anschließende
Beschichtung dieser Oberfläche
mit einem Polymer oder durch Aufsprühen von Polymeren auf eine
blanke Oberfläche.
Bei sehr grober Betrachtung (2) besteht
die Oberfläche 1 solcher
Nachbildungen 2 des Lotuseffekts auf Bauteilen 3 wie
beim natürlichen Lotusblatt
aus Gipfeln 10 und Tälern 11,
die wie dort mit einer hydrophoben dünnen Schicht 12 überzogen sind.
Tatsächlich
sind die erzielten Oberflächen,
insbesondere nach Aufrauhen, jedoch sehr stark zerklüftet, die
Höhen der
Gipfel stark unterschiedlich, ebenso die Weiten der Täler zwischen
den Gipfeln (3: grob mechanisch, z. B. mit
Sandstrahlen, aufgerauhte metallische Oberfläche; das Bild zeigt einen Oberflächenausschnitt
von 120 Mikrometer × 80
Mikrometer). Auch ist der Abstand der Gipfel untereinander im Mittel
viel größer als
beim natürlichen
Lotusblatt und insbesondere größer als
die Höhe
der Gipfel.
-
Zur
weiteren Beschreibung der Nachbildungen des Lotuseffekts wird dennoch
im folgenden 2 als grobes Schema zugrunde
gelegt. Zunächst werden
Wassertropfen 20, deren Durchmesser in 2 größer ist
als der Abstand der Gipfel 10 untereinander, auf diesen
Nachbildungen wie beim natürlichen
Lotusblatt aufgrund der Nichtbenetzbarkeit der Täler 11 eher abrollen
als in diese Täler
hineingezogen. Bei technischen Anwendungen wie etwa Bauteilen in
Dampfkondensatoren oder Dampfturbinen sind jedoch auch Dampfströmung und
die Strömung
kleiner Tropfen zu beachten. Das oben genannte geometrisch (oberflächenmorphologisch)
bedingte Hindernis gegen Eindringen von Tropfen in die Täler 11 besteht
für Dampf
nämlich
nicht.
-
Dampf 21 in 2 kann
in die Täler 11 eindringen
und kondensieren, wenn der Taupunkt dort unterschritten wird. Wird
eine solche Nachbildung 2 des Lotuseffekts einem Dampfstrom 21 ausgesetzt, füllen sich
bei Temperaturen unter dem Taupunkt die Täler 11 mit Kondensat,
zuerst als wenige Moleküllagen
dicke, lokal adsorbierte Flüssigkeitsschichten, die
unter laufend zugeführtem
Dampf weiter anwachsen und sich schließlich als eine zusammenhängende Flüssigkeitsschicht 22a ausbilden
(in 2 angedeutet durch durchgezogene dünne Linien).
-
Diese
kondensierten Schichten weisen ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen auf. Sobald
die Oberflächenenergie
eines sphärischen
Tropfens, der aus diesem Flüssigkeitsvolumen
gebildet werden kann, kleiner ist als die Adhäsionsenergie der adsorbierten
Kondensatschichten, zieht sich dieses Flüssigkeitsvolumen in einen kleinen
Tropfen 22b zusammen. Wird weiterhin Dampf zugeführt, setzt
sich dieser Prozeß fort,
und die Tropfen 22b wachsen immer mehr an, solange die
Temperatur der Flüssigkeitsoberflächen niedriger
ist als der Taupunkt, bis sie endlich bis zur Höhe der Gipfel 10 als
Tropfen 22c einen großen
Teil des Volumens der Täler 11 ausfüllen.
-
Tropfen 22b und 22c in
den Tälern 11 in 2 bilden
sich auch, wenn auf die Oberfläche 1 gerichtete
Dampf- oder Gasströme
mit kleinen primären
Flüssigkeitstropfen 23 beladen
sind und diese mit sich in die Täler
hineinführen.
In diesem Fall bedarf es noch nicht einmal der Kondensation, die
mitgeführten
primären
Flüssigkeitstropfen 23 müssen nur kleiner
sein als charakteristische Weiten und Tiefen der Täler 11,
damit sie in die Täler
eindringen können.
Da die Oberflächenenergie
abnimmt, sobald sich kleine sphärische
Tropfen zu größeren sphärischen
Tropfen vereinigen, bilden sich aus den primären Tropfen 23 in
den Tälern 11 wiederum
Tropfen, etwa der Größe der Tropfen 22b.
Wie bei Kondensation wachsen die Tropfen 22b zu Tropfen 22c heran, die
einen großen
Teil des Volumens der Täler 11 bis zur
Höhe der
Gipfel 10 auffüllen,
wenn weiterhin primäre
Tropfen 23 durch die Strömung zugeführt werden.
-
Die
entstehenden, aus Kondensat- oder primären Fluidtropfen gebildeten
Tropfen 22c verharren in den Tälern 11, da die Täler 11 so
weit sind, daß zumindest
diese Tropfen unter ihrer Schwere durch die Flanken der Täler nicht
oder kaum deformiert werden können.
Erst wenn die Deformationsenergie der Tropfen gegenüber sphärischem
Volumen größer ist als
die mechanische Hubenergie, die erforderlich ist, um die Tropfen 22c aus
den Tälern 11 auf
die Höhe der
Gipfel 10 zu heben, könnten
die Tropfen 22c die Täler 11 verlassen.
Deformation der Tropfen 22c in den Tälern 11 gegenüber sphärischem
Volumen ist aber erst dann möglich,
wenn die Tropfen nach und nach so weit herangewachsen sind, daß einzelne Tropfen 22d die
Täler 11 ganz
ausfüllen.
Ihr Durchmesser ist dann in etwa so groß wie die lichte Weite der
Täler zwischen
den Gipfeln 10.
-
Dann
ist bei den bisherigen Nachbildungen des Lotuseffekts der Durchmesser
der Tropfen 22d jedoch größer als die Höhe H der
Gipfel 10. Also können
die Tropfen 22d von abwärts
abrollenden Tropfen oder von weiteren herangeführten primären Tropfen 23 selbst
benetzt werden. Sind also die Täler
erst 11 einmal mit solchen großen Tropfen 22d aufgefüllt, ist
fast die gesamte Oberfläche
der bisherigen Nachbildungen des Lotuseffekts von Flüssigkeit
bedeckt, welche durch weiter herangeführte Tropfen 23 oder durch
abwärts
rollende Tropfen benetzt wird. Dies bedeutet, daß die Oberfläche 1 in 2 ihre
Nichtbenetzbarkeit verloren hat und der Lotuseffekt damit zerstört ist;
denn abrollende oder weiterhin in der Strömung zugeführte Tropfen „kleben” an den
aufgefüllten
Tälern,
und selbst unter großen
Neigungswinkeln der Oberfläche
des Bauteils 3 werden die großen Tropfen 22d weder
spontan abgleiten oder gar abrollen sondern sich zuerst unter ihrer
Schwere zu „Tränen" verformen, ehe sie
endlich von den Tälern abreißen. Solche
großen
Tropfen 22d gleiten dann über die Oberfläche der
Nachbildungen, und da sie wegen ihres „Klebens" an aufgefüllten Tälern unterschiedlicher Morphologie
jeweils kurzzeitig haften, weist die Gleitgeschwindigkeit unterschiedliche
Beträge
und Richtungen auf, so daß einzelne
große Tropfen 22d andere
Tropfen einholen und sich mit ihnen vereinigen können. Vereinigung findet insbesondere
an der Kante eines Bauteils statt, das mit einer solchen Nachbildung
beschichtet ist, wenn deren Täler
mit Flüssigkeit
aufgefüllt
sind.
-
Wenngleich
die bisher berichteten technischen Nachbildungen des Lotuseffekts
immerhin Nichtbenetzung gegenüber
großen
Tropfen wie z. B. Regentropfen aufweisen und diese Tropfen bei kleinen
Neigungswinkeln abrollen und Schmutzablagerungen verhindern, unter
Kondensation oder unter Gas- und Dampfströmung, die primäre Flüssigkeitstropfen
mit sich führt,
findet jedoch ein Auffüllen
der Täler
mit Flüssigkeit
statt, in dessen Folge die Nichtbenetzbarkeit der Oberfläche völlig verloren
geht und unter Abgleiten von Tropfen Agglomeration zu großen Tropfen
stattfindet.
-
Tropfen,
die an der Kante eines so beschichteten Bauteils eintreffen, haben
dann einen viel größeren Durchmesser
als mit der Strömung
zugeführte primäre Flüssigkeitstropfen.
Dadurch sowie nach Flüssigkeitsabriß unter
der Gas- oder Dampfströmung
auf der Oberfläche
oder von der Kante von derart beschichteten Bauteilen kann an stromabwärts angeordneten
Bauteilen Tropfenschlagerosion entstehen.
-
Da
die bekannt gewordenen Nachbildungen des Lotuseffekts auch nicht über die
in der Patentanmeldung PCT
WO
03/044374 A1 beschriebenen Vielfachschichten verfügen, kann
Tropfenschlagerosion in Turbinen, Kondensatoren, Wärmerohren
oder Flugzeug- oder Marinefahrzeug-Bauteilen oder in anderen oben genannten
Anwendungen mit ihnen weder passiv vermieden noch aktiv (d. h. schon
vor Entstehen großer
Tropfenagglomerate) bekämpft
werden. Eine erfolgreiche Übertragung
des Lotuseffekts in die Energie- oder Transporttechnik mittels der
bisher bekannt gewordenen, lediglich schmutzabweisenden Nachbildungen
des Lotuseffekts ist daher bislang nicht berichtet geworden. Um
der Tropfenschlagerosion in den oben genannten Beispielen der Energie- und Transporttechnik
entgegenzutreten, bedarf es einer grundlegenden, erfinderischen
Umgestaltung der Oberflächenmorphologie,
der Oberflächenchemie
und der inneren Wärmetransportstruktur der
bisherigen Nachbildungen des Lotuseffekts. Diese mehrdimensionale
Umgestaltung, als aktive Maßnahme
zur Verhinderung der Bildung von Tropfenagglomeraten in den oben
genannten Anwendungen der Energie- und Transporttechnik, ist Gegenstand der
vorliegenden Erfindung.
-
Zwar
scheint die
DE 196
44 692 A1 einen Hinweis zu geben, wie das Auffüllen der
Täler in
der Oberflächenstruktur
durch Kondensat oder Tropfen vermieden werden kann, obwohl in dieser
Patentanmeldung PCT
WO
03/044374 A1 die Zielsetzung lediglich lautete, die Wärmeübertragung
in Dampfkondensatoren zu verbessern. Dort wurde aufgezeigt, die
Täler einer
aufgerauhten Oberfläche
der Bauteile mit amorphem Kohlenstoff zu füllen und gemäß dem dortigen
Anspruch 7 anschließend
mechanisch zu glätten.
Nach Glättung
weist die Beschichtung wie beim natürlichen Lotusblatt nebeneinander
liegende benetzbare und nicht-benetzbare, mikroskopische Oberflächenbereiche
auf. Die in der
DE
196 44 692 A1 beschriebene Beschichtung wirkt daher wie
eine „flache
Lotusschicht", insbesondere
wenn sie, wie das natürliche
Lotusblatt, nur sehr kleine benetzbare Oberflächenanteile (entsprechend den „Gipfeln" in
1)
aufweist. Ein Eindringen von Dampf oder von tropfenbeladener Gas-
oder Dampfströmung
in Täler, wie
die Täler
11 in
1 oder
2,
mit Auffüllung und
schließlicher
Ausbildung von zusammenhängenden
Flüssigkeitsschichten,
sobald die Täler
gefüllt sind,
kann hier, im Gegensatz zu den bisherigen Nachbildungen der Lotusschichten,
nicht stattfinden, da es gar keine Täler gibt.
-
Die
nach Glättung
ebene Schicht der
DE
196 44 692 A1 erreicht jedoch nicht die Nichtbenetzung des
natürlichen
Lotusblatts. Zum einen können
auf dem amorphen Kohlenstoff, mit dem die Täler der Oberflächenstruktur
aufgefüllt
werden, nur Randwinkel von weniger als 100 Grad erzielt werden.
Sobald Dampf kondensiert oder Flüssigkeitstropfen
mit der Gas- oder Dampfströmung
zugeführt
werden, ziehen sich zum andern Kondensat bzw. Flüssigkeitstropfen in den nicht-benetzbaren Anteilen
der insgesamt ebenen Oberfläche
auf sphärische
Tropfenform zusammen. Je nach Neigung der Oberfläche gleiten die Tropfen dort
ab. Abrollen ist wegen der Randwinkel unter 100 Grad nicht zu erwarten.
Die benetzbaren Anteile der Oberfläche in der Erfindung
DE 196 44 692 A1 wirken
nun gegenüber
dem Abgleiten der Tropfen als punktförmige Hindernisse, weil sich
die Tropfen dort durch Benetzung festhalten können, dies um so besser, je
größer dimensioniert
diese benetzbaren Oberflächenanteile
sind, weil die Benetzungskraft proportional zur Länge der
Menisken, die sich ausbilden können,
wächst.
Dieser zweite Nachteil der nach Erfindung
DE 196 44 692 A1 gebildeten Oberflächen zeigt
sich, wenn diese ohne weitere Verbesserung zur Vermeidung von Tropfenschlagerosion
herangezogen würden.
Er beruht also darauf, daß laterale
Inhomogenitäten
bezüglich
Benetzungsverhalten und deren Dimensionen das Abgleiten von Tropfen
hemmen. Kleine Primärtropfen,
die an den benetzbaren Oberflächenanteilen
hängen
bleiben, können
nämlich
von nachfolgenden Tropfen eingeholt werden und sich mit ihnen zu
größeren Sekundär-Tropfen vereinigen,
bis sie schließlich
von Gas- oder Dampfströmen
zu den Kanten der Bauteile geführt
und dort unter Strömungsabriß als große Tropfen
abgerissen werden.
-
Durch
die in der
DE 196
44 692 A1 beschriebene Glättung geht eine der beiden
eingangs aufgezählten
Voraussetzungen für
den Lotuseffekt (nämlich
die Gipfel- und Täterstruktur
mit ihren winzigen Grenzflächen
13 zwischen
den Gipfeln
10 und Tropfen
20 in
1)
grundsätzlich
verloren. Hydrophobie und verbesserte Wärmeübertragung bei Kondensation
auf der ganzen, ebenen Oberfläche
beruht in der
DE 196
44 692 A1 ausschließlich
auf unterschiedlichen chemisch/physikalischen Grenzflächeneigenschaften,
der Verteilung der benetzbaren und nicht-benetzbaren Oberflächenbereiche und, wie dort
ausgeführt,
einer vergrößerten inneren
Festkörper-/Festkörper-Kontaktfläche zwischen
Substrat und Beschichtung. Da die Flüssigkeits-/Festkörper- Grenzflächen zwischen
einer nach
DE 196
44 692 A1 hergestellten Oberfläche und Flüssigkeitstropfen wegen der
ebenen Oberflächenstruktur
viel größer ist
als beim natürlichen
Lotusblatt, hängt
Hydrophobie solcher Oberflächen
stärker
von den chemisch/physikalischen Oberflächeneigenschaften im Bereich
dieser Grenzflächen
ab als beim natürlichen Lotusblatt.
-
Zusammenfassend
können
erstens die in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374 A1 vorgeschlagenen
Vielschichtanordnungen zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion
nur als passive Maßnahmen
bezeichnet werden, weil sie nur Symptome als Folge des Einschlags
von Tropfen bekämpfen. Zweitens
gewähren
die in der
DE 196
44 692 A1 beschriebenen Beschichtungen wie erläutert keinen besseren
Schutz gegenüber
Tropfenschlagerosion als homogene Beschichtungen oder Oberflächen.
-
Die
vorliegende Erfindung ersetzt drittens die bisher lediglich zur
Vermeidung von Oberflächenverunreinigungen
entwickelten Nachbildungen des Lotuseffekts, die für Beschichtungen
auf stromeingangs oder stromabwärts
angeordneten Bauteilen zur Vermeidung von Tropfenschlagerosion generell
nicht geeignet sind.
-
Gegenüber dem
Stand der Technik führt
die vorliegende Erfindung eine aktive Maßnahme ein, Tropfenschlagerosion
zu verhindern, in dem auf stromeingangs angeordneten Bauteilen in
den obigen Beispielen eine neue Beschichtung vorgenommen wird, welche
die Bildung großer
Tropfen und somit deren Aufprall auf stromabwärts angeordneten Bauteilen
verhindert. Die stromabwärts
angeordneten Bauteile können allerdings
wie in der Patentanmeldung PCT
WO 03/044374 A1 beschrieben, gegen den Einschlag
kleiner Tropfen geschützt
werden, indem dort (passiv) der Tropfenschlagerosion mit der elastisch
reagierenden Schichtfolge und ihren Interferenzeffekten entgegengetreten
wird.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß dem Hauptanspruch
der vorliegenden Erfindung gelöst.
Die Erfindung beruht auf einer Kombination von Kapillardepression
und stark unterschiedlichen Wärmewiderständen von
Gipfeln und Tälern
der beschichteten Oberfläche.
Weitere besondere und bevorzugte Lösungen werden in den Unteransprüchen angegeben.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Eine
solche, aktiv auf Vermeidung der Bildung von Tropfenagglomeraten
und damit von Tropfenschlagerosion auf stromabwärts angeordneten Bauteilen
gerichtete Beschichtung ist in 4 und 5 schematisch
dargestellt.
-
Die
Beschichtung 1 wird in 4 auf der Oberfläche 2 eines
Bauteils 4 aufgetragen. Oberfläche 2 und seine Beschichtung 1 seien
gegen die Horizontale geneigt (in 4 nicht
dargestellt). Das Bauteil 4 habe in seinem Innern eine
beliebige Temperatur T1.
-
Die
Beschichtung 1 erzeugt auf der Oberfläche 2 des Bauteils 4 eine
gleichmäßige mikroskopische
Oberflächenstruktur
mit Gipfeln 10 und Tälern 11.
Die Flanken 12 der Gipfel 10 können gerade oder wie in 4 angedeutet,
gekrümmt
sein; sie sollten im oberen Gipfelbereich so aufeinander zulaufen, daß dort eine
Gipfelfläche 13 oder
(nicht dargestellt) eine Gipfelspitze gebildet wird. Die Gipfelflächen 13 sind
in 4 lediglich durch dicke kurze Kurvenzüge angedeutet;
auf Einzelheiten der Darstellung ist verzichtet.
-
Die
Gipfel 10 in 4 bestehen aus einem Metall
oder aus Legierungen, beide mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Gipfelflächen 13 oder
Gipfelspitzen und die oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 werden
mit einer dünnen
nichtbenetzbaren Schicht 15 überzogen.
-
Die
Täler 11 werden
mit einem Werkstoff 40, der eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit
hat und ebenfalls nicht benetzbar ist, bis fast an die Höhe der Gipfel 10 heran
aufgefüllt.
Weiter hat der Werkstoff 40 eine Grenzflächenspannung,
die kleiner ist als die Oberflächenspannung
eines Kondensats oder von Tropfen, die in der Strömung eines
Gases oder Dampfes mitgeführt
werden.
-
Die
Erfindung wird beschrieben unter der Annahme, die auf die Oberfläche 3 der
Beschichtung 1 auftreffende Strömung habe eine Temperatur T2 > T1. Je nach relativer Feuchte des einströmenden Fluids kann
Kondensation an der Oberfläche 3 der
Beschichtung 1 auftreten, wenn dort der Taupunkt T0 unterschritten wird. Wenn die Bedingung
T2 > T1 nicht erfüllt ist, kann keine Kondensation
stattfinden; in diesem Fall ist die Beschichtung 1 nur
hinsichtlich Auftreffen von Primärtropfen
auf die Oberfläche 3 zu
diskutieren, die in der Strömung
mitgeführt
werden (s. u.).
-
Wegen
T2 > T1, führt
die hohe Wärmeleitfähigkeit
der Gipfel 10 dazu, daß an
deren Gipfelflächen 13 oder
Gipfelspitzen und an den oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 eine
Temperatur T3 herrscht, die niedriger ist
als die Temperatur T4 über dem Werkstoff 40 in
den Tälern 11.
Dazu müssen
die von oben gesehenen Querschnitte der Gipfel 10, sowie
ihre Gipfelgesamthöhe
H und die Dicke der Schicht 15 so dimensioniert werden,
daß sie
in vertikaler Richtung einen nur kleinen Wärmewiderstand R1 erzeugen.
Andererseits müssen
die Täler
mit dem Werkstoff 40 soweit aufgefüllt werden und dessen Wärmeleitfähigkeit
so klein sein, daß der
Werkstoff 40 in den Tälern 11 einen
in vertikaler Richtung hohen thermischen Widerstand R2 > R1 erzeugt.
Der Gesamt-Wärmewiderstand
zwischen dem einströmenden
Fluid über
den Gipfeln 10 und der Oberfläche 2 des Bauteils 4 ist
somit ebenfalls kleiner als der Gesamt-Wärmewiderstand zwischen dem
einströmenden
Fluid über
den Tälern 11 und
der Oberfläche 2 des
Bauteils 4, beide Widerstände in senkrechter Richtung
gezählt.
Dadurch ist die Temperatur T3 der Gipfel 10 niedriger
als die Temperatur T4 der Täler 11 über dem
Werkstoff 40, wenn die Temperatur der Oberfläche 2 des
Bauteils 4 unter Gipfeln 10 und Tälern 11 überhaupt
und gleichmäßig niedriger
ist als die Temperatur T2 des Fluids).
-
Je
nach Temperatur und Feuchte der Atmosphäre, die an die Oberfläche 3 der
Beschichtung 1 grenzt oder nach Temperatur und Feuchte
des auf die Oberfläche 3 strömenden Gases
oder Dampfes kann unter diesen Bedingungen die Temperatur T3 unter dem Taupunkt T0 liegen,
die Temperatur T4 dagegen nicht. Liegt nur
die Temperatur T3 unter dem Taupunkt T0, kann Dampf nur auf den Gipfelflächen 13 oder
Gipfelspitzen bzw. den Beschichtungen 15 der Gipfelflächen 13 oder
Gipfelspitzen und an den oberen, ebenfalls beschichteten Partien 14 der
Gipfelflanken 12 kondensieren, jedoch nicht in den Tälern 11.
Der Fall, daß beide
Temperaturen T3 und T4 unter
dem Taupunkt T0 liegen, wird später beschrieben.
-
Kondensat,
wie z. B. Wasser, das sich z. B. auf dem Gipfel G0 in 4 oder
den oberen Partien 14 der Gipfelflanken dieses Gipfels
bildet, zieht sich wegen seiner hohen Oberflächenspannung (im Vergleich
zur viel niedrigern Grenzflächenspannung
der Beschichtung 15) auf der Gipfelfläche 13 oder der Gipfelspitze
unter dauernder Zufuhr von Dampf schließlich zu einem Tropfen 20 zusammen
(das allmähliche
Anwachsen von kondensierenden Schichten, in 4 mit 30a bezeichnet,
zu großen
Tropfen wurde anhand von 2 bereits beschrieben). Ohne dort
zu verweilen rollt der Tropfen 20 entweder wegen der Neigung
(nicht dargestellt in 4) der Oberfläche 3 vom
Gipfel G0 oder unter der hangabwärts gerichteten
Komponente der Gas- oder Dampfströmung zu benachbarten hangabwärts gelegenen Gipfeln
G1, G2 usw. bis
an die Kante K des Bauteils 4 ab. Da die Oberfläche 3 der
Beschichtung 1 über dem
Bauteil 4 nach Voraussetzung gleichmäßige Eigenschaften hat, können von
höher als
G0 gelegenen Gipfeln G–1,
G–2 usw.
abrollende Tropfen 21 den Tropfen 20 nicht einholen
und sich mit ihm zu größeren Sekundär-Tropfen
(Agglomeraten) vereinigen, bevor sie die Kante K erreichen, da alle
Tropfen 20 und 21 bei gleichmäßiger Morphologie der Oberfläche 3 mit gleicher
Geschwindigkeit abrollen.
-
Sobald
die Tropfen 20 oder 21 an der Kante K eintreffen,
werden sie unverzüglich
(wegen Nichtbenetzung) und einzeln (da sie nacheinander eintreffen)
von der Strömung
abgerissen. Die Tropfen 21 können die Tropfen 20 daher
auch an der Kante K nicht einholen und Agglomerate mit größerem Sekundär-Tropfendurchmesser
bilden.
-
Tropfen 20 oder 21,
die von der Oberfläche 3 oder
von der Kante K abgerissen werden, treffen auf stromabwärts angeordneten
Bauteilen (nicht dargestellt in 4) daher
nur mit dem jeweiligen Primär-Tropfendurchmesser
auf, der sich beim Abrollen von den jeweiligen Gipfeln bis zur Kante
K weder vergrößert (weil
er keine anderen Tropfen einholte) noch verkleinert hat (weil keine
Benetzung der Oberfläche 3 stattfand).
-
Wenn
Kondensation auch in den unteren Partien der Gipfelflanken 12 oder über dem
Werkstoff 40 in den Tälern 11 auftritt,
muß verhindert werden, daß die primär entstehenden
Kondensatschichten 30a durch die Tropfen 20 oder 21 berührt und
benetzt werden. Dazu werden die Täler 11 mit dem Werkstoff 40 nur
soweit aufgefüllt,
daß die
untere Peripherie der Tropfen 20 oder 21 in 4 den
Werkstoff 40 und die darauf liegenden Kondensatschichten 30a in
den Tälern
noch nicht berührt.
Durch das Auffüllen
der Täler
mit dem Werkstoff 40 entsteht auf dem Bauteil 1 somit
keine ebene Gesamtoberfläche,
vielmehr bleibt die Gipfel-/Täterstruktur
der Oberfläche 3 der Beschichtung 1 erhalten,
wenngleich mit kleinerer Variation ihrer Höhendifferenz.
-
Die
weitere Erläuterung
der Erfindung, insbesondere für
den Fall etwaiger der Kondensatbildung auch in den Tälern 11,
erfolgt anhand der schematischen Darstellung eines Tal-Querschnitts
in 5.
-
Da
die Täler 11 mit
einem nichtbenetzbaren Werksstoff 40 bedeckt sind, ziehen
sich die zuerst nur einige Molekül-Lagen
dicken, aber schnell anwachsenden Kondensatschichten 30a in
den Tälern zu
Tropfen 30b zusammen, deren Durchmesser laufend zunimmt,
da ihre Volumina aus den Kondensatschichten bzw. durch Kondensation
auf den Tropfen-Peripherien
gespeist werden. Aus den Tropfen 30b bilden sich unter
diesem Wachstum die größeren Tropfen 30c.
Die Tropfen 30b und 30c bilden in den Tälern 11 sphärische Volumina
aus, da sphärische Tropfen
bei konstantem Volumen die kleinste Oberflächenenergie haben. Sobald der
Durchmesser der Tropfen 30c unter weiterem Wachstum jedoch
größer ist
als die mittlere lichte Weite W („Halbwertsweite") der Täler 11 oberhalb
des Werkstoffs 40, können
sie wegen ihrer Schwere ihre sphärische
Form nicht beibehalten sondern werden in nicht-sphärische Tropfen 30d (näherungsweise
Ellipsoide) deformiert. Jede Deformation gegenüber einem sphärischen
Volumen erhöht
bei konstantem Volumen die Oberflächenenergie des Tropfens. Diese
Erhöhung
der Oberflächenenerie
kann als Deformationsenergie bezeichnet werden. Ist die Deformationsenergie
größer als
die mechanische Hubenergie, die erforderlich ist, die Tropfen 30d aus
den Tälern 11 herauszuheben,
werden die Tropfen 30d demgemäß die Täler 11 verlassen,
auf der Höhe
der Gipfelflächen 13 unter
weiterem Wachstum wegen ihrer hohen Oberflächenspannung wieder sphärische Gestalt 30e annehmen
und wie beim natürlichen
Lotusblatt sich auf den Gipfelflächen 13 abstützend unter
der Neigung (nicht dargestellt in 5) der Oberfläche 3 des
Bauteils in Richtung auf die Kante K (in 4) abrollen.
Wenn die Strömung
auf die Kante K gerichtet ist, werden die Tropfen 30e zusätzlich von
der Strömung
beschleunigt.
-
Bevor
die Tropfen 30d die Täler
verlassen, können
sie jedoch von bereits heranrollenden Tropfen 20 oder 21 (4)
gestoßen
werden, da die große
Halbachse der in etwa als Ellipsoide zu betrachtenden, deformierten
Tropfen 30d inzwischen länger ist als die Höhendifferenz
H'' (5)
zwischen der Höhe
H der Gipfelflächen 13 und
der Höhe
H', bis zu welcher
der Werkstoff 40 in den Tälern 11 aufgefüllt ist.
Gestoßene
Tropfen 30d vereinigen sich dabei durch Selbstbenetzung
mit den stoßenden
Tropfen 20 oder 21. Dadurch entstehen nicht-sphärische Sekundärtropfen
mit noch größerem Volumen,
die entsprechend erhöhte
Deformationsenergie haben und daher die Täler augenblicklich verlassen
und abrollen. Werden auch Tropfen 30e von Tropfen 20 oder 21 gestoßen, entstehen
noch größere sphärische Sekundärtropfen,
die unter der Neigung der Oberfläche
oder unter der Strömung
ebenfalls augenblicklich abrollen.
-
Deformation
gegenüber
dem sphärischen Volumen
tritt um so eher ein, je enger die Täler 11 ausgeführt sind.
Die Tropfen 30d werden demnach die Täler um so eher verlassen, je
kleiner die mittlere lichte Weite W (5) ist zwischen
den Gipfeln 10, die mit dünnen Schichten 15 bedeckt
sind. Bei den bisher bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts als
schmutzabweisende Schichten sind, wie oben beschrieben, die dort
ausgebildeten Oberflächenstrukturen
viel zu weitgestreckt und zu unregelmäßig, um diesen Effekt zu erzielen.
-
Wenn
in dem Gas- oder Dampfstrom kleine primäre Flüssigkeitstropfen mitgeführt werden,
die auf die Täler 11 auftreffen,
gelten die gleichen Überlegungen.
Nachdem sich die primären
Flüssigkeitstropfen
in den Tälern 11 oberhalb
des Werkstoffs 40 wegen Nichtbenetzbarkeit wiederum zu
größeren, schließlich deformierten
Tropfen 30d (5) vereinigt haben, verlassen
diese Tropfen die Täler,
sobald ihre Deformationsenergie größer ist als die mechanische
Hubenergie, die erforderlich ist, diese Tropfen aus den Tälern herauszuheben.
-
Zusammenfassend
beruhen die Unterschiede der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Oberflächen zu
den bisher bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts demnach auf
- • Kapillardepression,
indem in die Täler 11 in 4 und 5 eingedrungene
Flüssigkeit
aus den Tälern
herausgehoben wird, dadurch daß die Weite
W der Täler 11 erfindungsgemäß viel geringer
ist als bei den bisherigen Nachbildungen, die eine weitgestreckte
und stark zerklüftete,
höchst unregelmäßige Gipfel-/Täler-Morphologie
aufweisen,
- • stark
unterschiedlichen Wärmewiderständen zwischen
dem einströmenden
Fluid über
den Gipfeln 10 bzw. Tälern 11 und
der Oberfläche 2 des Bauteils 4 in 4,
beide Widerstände
in senkrechter Richtung gezählt,
welche Kondensation auf dem Boden der Täler 11 überhaupt
vermeidet.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
Das
folgende Ausführungsbeispiel
wird anhand von 4 und 5 schematisch
beschrieben. Die Gipfelgesamthöhe
H der Gipfel 10 über
dem Boden 17 der Täler 11 beträgt zwischen
800 und 1000 Mikrometer, der mittlere lichte Abstand W zwischen
den Gipfeln 10 oberhalb des Werkstoffs 40 zwischen
100 und 500 Mikrometer, und der von oben gesehene, über die
Gipfelhöhe
gemittelte Querschnitt eines Gipfels soll zwischen 4·10–10 und
10–6 m2 liegen.
-
Die
Gipfel 10 bestehen aus Metall oder aus Legierungen, die
eine Wärmeleitfähigkeit
von mindestens etwa 200 W/(m·K)
haben. Der nichtbenetzbare Überzug 15 der
Gipfelflächen 13 und
Gipfelspitzen und der oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 hat
eine Dicke zwischen 5 und 20 Mikrometer.
-
Der
Werkstoff 40, mit dem die Täler 11 aufgefüllt werden,
hat eine Wärmeleitfähigkeit
von nur etwa 1 W/(m·K).
Weiter hat der Werkstoff 40 eine Grenzflächenspannung
von 20 mN/m. Die Täler 11 werden mit
dem Werkstoff 40 bis zu einer Höhe H' von maximal 99% der Gipfelgesamthöhe H aufgefüllt.
-
In 6a ist
eine Verteilung der Gipfel 10 und Täler 11 der Beschichtung
(nach 4 oder 5) unter der Annahme von in
der Draufsicht kreisförmigen
Gipfeln 10 als quadratisch angeordnetes Muster dargestellt.
Die Gipfel 10 sind punktiert. K bezeichnet die Kante eines
beschichteten Bauteils. In einem anderen Ausführungsbeispiel (schematisch, 6b)
werden die Gipfel 10 als Stege 18 (wiederum punktiert
dargestellt) und die Täler 11 als
Rillen 19 in der Beschichtung 1 ausgeführt. Höhe der Gipfel,
Weite der Täler,
Eigenschaften der Werkstoffe sind die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Die Stege und Rillen werden vorteilhaft gegen die Richtung einer
einfallenden Gas- oder Dampfströmung
(nicht dargestellt) orientiert.
-
In
beiden Ausführungsbeispielen
kann die Beschichtung 1 mittels konventioneller Oberflächenstrukturierungs-
und Beschichtungsmethoden im Labor oder in industriellem Maßstab in
drei Arbeitsschritten hergestellt werden.
-
Zur
Herstellung der Gipfel bzw. Täler
im ersten Arbeitsschritt eignen sich z. B. mechanische Strukturierung,
Pressen, Walzen mit geeigneten Preß- und Walz-Werkzeugen, galvanische
Abscheidungen, Eloxierung von Al mit Einlagerung von hochwärmeleitenden
Werkstoffen, Siebdruck, Laserstrukturierung oder Abscheidungen aus
der Gasphase, gegebenenfalls unter Masken. Als Gipfelmaterialien eignen
sich z. B. Aluminium oder Kupfer.
-
Im
zweiten Arbeitsschritt werden zumindest die Gipfel und die gipfelnahen
Flanken durch einen Dünnschichtprozeß mit einem
in der Feuchte beständigen
Werkstoff beschichtet, der nicht oder höchstens schlecht benetzbar
ist (gegebenenfalls kann auch die gesamte Oberfläche 3, d. h. auch
die Täler, mit
der dünnen
nichtbenetzbaren Schicht bedeckt werden, ehe im dritten Arbeitsgang
die Täler
mit dem Werkstoff 40 aufgefüllt werden, s. u.). Hierfür eignen sich
z. B. durch Tauchen aufgetragene feuchtebeständige Co-Polymere.
-
Im
dritten Arbeitsschritt, in dem die Täler bis fast zur Gipfelgesamthöhe mit einem
nichtbenetzbaren Werkstoff 40 aufgefüllt werden, können in
der Feuchte beständige,
nichtleitende Werkstoffe durch Tauchbeschichtung oder Aufschleudern,
eventuell unter Masken, oder auch durch Ablation aus einem Target
unter Beschuß geeigneter
Partikelstrahlung oder durch Verdampfen aufgetragen werden. Ein
geeignetes Material ist z. B. Guttapercha, das sonst zur Isolierung
unterirdischer und submariner elektrischer Kabel eingesetzt wird
und unlöslich
in Wasser, Alkohol, Äther,
fetten Ölen
und gegen die meisten Säuren und
gegen Alkalien und bei Luft- und Lichtabschluß selbst gegen Seewasser sehr
widerstandsfähig
ist.